JP2012230032A - 原子炉格納容器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉及び原子炉格納容器の減圧・除熱能力を長期にわたって維持できる受動的な原子炉格納容器の冷却装置を提供する。
【解決手段】原子炉格納容器２を内包する建屋３と、前記建屋３の外部の地表面に設置された静的格納容器冷却装置１１と、前記静的格納容器冷却装置１１に隣接して設けられ内部に熱交換器１２とドレン室１３が配置された熱交換器室１０と、前記静的格納容器冷却装置１１内の下部に配置された前記熱交換器１２の伝熱管１８と、前記原子炉格納容器２の内部と前記熱交換器１２とを接続する蒸気逃し管７と、前記静的格納容器冷却装置１１の下部に逆止弁２３を介して接続された海水導入配管２２とを有する原子炉格納容器の冷却装置であって、前記伝熱管１８は干潮時の干潮水位よりも下方に位置させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子炉格納容器の冷却装置に関し、特に、静的格納容器冷却装置を備えた原子炉格納容器の冷却装置に関する。

原子力プラントにおいて一次系配管の破断又は減圧弁の開放等により冷却材が原子炉格納容器内へ放出された場合、冷却材が減圧によって高温の蒸気となるため、原子炉格納容器内の圧力が上昇する。従来、圧力上昇を抑制し格納容器の健全性を確保するため、発生した蒸気を格納容器内の圧力抑制プールに誘導し凝縮させる方法や、格納容器上部から格納容器スプレイにより内部に散水し、蒸気を凝縮させる方法が知られている。これらの方法では、圧力抑制プールやスプレイ水へ蓄積された熱はポンプ等の動的機器により、熱交換器を介して最終的に外部へ放出されている。

近年、安全系の信頼性向上を図るために、格納容器内の圧力抑制方法についても、従来のような動的機器ではなく、格納容器の内部又は外部にアイソレーションコンデンサ（ＩＣ）や静的格納容器冷却系（ＰＣＣＳ）を設け、重力などの自然に存在する受動的な力を駆動力として格納容器の除熱を行う方法が提案されている（特許文献１、２）。

特開平８−２０１５５９号公報 特開２００９−７４９８０号公報

上述した従来の受動的な駆動力を利用した冷却装置において、アイソレーションコンデンサプールやＰＣＣＳ冷却水は、満水状態で通常３日間程度の除熱能力を有する水量が確保されている。しかしながら、地震等による亀裂によって静的格納容器冷却系の冷却水が漏洩したり、除熱期間が長期化する場合追加の給水が必要となるが、その際、電源喪失等による給水設備の故障や、高放射線環境によるアクセス制限によって追加の給水が困難となる可能性がある。

その場合、格納容器内の除熱・減圧が困難になり格納容器内雰囲気の外部放出を余儀なくされたり（格納容器ベント）、原子炉内の残留熱の除去機能が失われる恐れがある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、事故時において原子炉及び原子炉格納容器の減圧・除熱を長期にわたって行うことができる受動的な原子炉格納容器の冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る原子炉格納容器の冷却装置は、原子炉格納容器を内包する建屋と、前記建屋の外部の地表面に設置された静的格納容器冷却装置と、前記静的格納容器冷却装置に隣接して設けられ内部に熱交換器とドレン室が配置された熱交換器室と、前記静的格納容器冷却装置内の下部に配置された前記熱交換器の伝熱管と、前記原子炉格納容器の内部と前記熱交換器とを接続する蒸気逃し管と、前記静的格納容器冷却装置の下部に逆止弁を介して接続された海水導入配管とを有する原子炉格納容器の冷却装置であって、前記伝熱管は干潮時の干潮水位よりも下方に位置することを特徴とする。

本発明によれば、海水及び重力等を利用した受動的な冷却システムにより原子炉格納容器及び圧力容器の減圧・除熱機能を長期にわたって維持することができる。また、静的格納容器冷却装置は地表面に設置されるので事故時において追加給水を容易に実施することができるとともに、高放射能環境下で追加給水が困難な場合でも、海水を利用した給水を自動的に継続することができる。

第１の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却装置の全体構成図。 第２の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却装置の全体構成図。 第３の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却装置主要部の構成図。 （ａ）は第４の実施形態に係る静的格納容器冷却装置の構成図、（ｂ）及び（ｃ）はその変形例を示す構成図。

以下、本発明に係る原子炉格納容器の冷却装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
本第１の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却装置を図１及び図２により説明する。
（構成）
第１の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却装置は、図１に示すように、圧力容器１と、圧力容器１の周囲に設けられた原子炉格納容器２と、原子炉格納容器２を内包する建屋３と、圧力抑制水が満たされた圧力抑制室４と、圧力容器１で発生した蒸気をタービン（図示せず）に導く主蒸気管５と、主蒸気管５に設けられた減圧弁９と、給水管６と、建屋３の外部の地表面に設置され内部に冷却水が満たされた静的格納容器冷却装置１０と、熱交換器１２とドレン室１３が設置された熱交換器室１１とから構成される。

原子炉格納容器２の内部と熱交換器１２は蒸気逃し管７により接続され、ドレン室１３は逆止弁を介して例えば給水管６に接続され、緊急時にドレン室１３内のドレン水を圧力容器１に給水できるように構成されている。

静的格納容器冷却装置１０の下部は海水導入配管２２が接続されており、逆止弁２３、開閉弁２４、異物除去フィルタ４０を介して海水に通じている。なお、この逆止弁２３は海から静的格納容器冷却装置１０方向のみ開動作する構成としている。

また、静的格納容器冷却装置１０には冷却水を補給するための給水口２６と、放射性物質を捕捉するフィルタ２１を介して静的格納容器冷却装置１０内の蒸気を外部へ排出する排出管２０が設置されている。また、静的格納容器冷却装置１０の下部には熱交換器１２の伝熱管１８が複数本配置され、蒸気逃し管７を介して導入された蒸気を凝縮し、凝縮したドレン水はドレン室１３に導かれる。

伝熱管１８は、静的格納容器冷却装置１０内に海水が導入された場合、海水の干潮水位ＬＬよりも下方に位置するように静的格納容器冷却装置１０内の下部に配置されている。
また、静的格納容器冷却装置１０、及び熱交換器１２とドレン室１３が設置された熱交換器室１１はいずれも気密の放射線遮蔽体から構成されている。

なお、図１の例では静的格納容器冷却装置１０は半地下構造であるが、伝熱管１８が干潮水位ＬＬよりも下方に位置するのであれば、全部を地下構造物又は地上構造物としてもよい。また、海水導入配管２２に設けられた開閉弁２４は省略可能である。

（作用）
このように構成された原子炉格納容器の冷却装置において、事故時に減圧弁９や開放弁（図示せず）等を介して原子炉格納容器２内に冷却材が放出され圧力が上昇した場合、原子炉格納容器２内の蒸気は圧力抑制室４に導かれ凝縮する。やがて圧力抑制室４の水温が飽和温度に達すると圧力抑制機能を喪失し、代わって静的格納容器冷却装置１１が機能しはじめ、原子炉格納容器２内の蒸気を蒸気逃し管７を介して熱交換器１２及び伝熱管１８に導き蒸気を凝縮する。
これにより原子炉格納容器２内を減圧・除熱し、蒸気を直接外部に放出する事態（格納容器ベント）を防止する。

静的格納容器冷却装置１０には通常真水からなる冷却水が満たされているが、亀裂等によって冷却水が漏洩したり、除熱期間が長期化する場合には、冷却水の水位低下に応じて図示しない給水設備（給水車又は給水タンク等）から追加の冷却水を給水口２６を介して補充する。
ドレン室１３に貯留されたドレン水は重力によって給水管６等を介して圧力容器１内に注入され原子炉の残留熱を除去する。

このように、静的格納容器冷却装置１０は地表面に設置されるので事故時において追加給水を容易に実施することが可能となる。
なお、ドレン水は給水管６に限らず、高圧又は低圧炉心注水系等の配管に接続してもよい。

一方、建屋３の周辺が高放射線環境によってアクセスが困難となったり、外部の給水タンク（図示せず）が破損して追加の給水が困難になった場合、静的格納容器冷却装置１０内の冷却水の水位が低下する。そして、逆止弁２３が水頭差により開となり、海水が海水導入配管２２を介して静的格納容器冷却装置１０内に流入する。その際、静的格納容器冷却装置１０内の伝熱管１８は干潮時であっても干潮水位ＬＬの下方にあるので、蒸気逃し管７から導入された蒸気を継続して減圧・凝縮することができる。

また、逆止弁２３や海水導入配管２２のメンテナンス作業等のために開閉弁２４を海水導入配管２２に設置してもよい。その際、開閉弁２４は遠隔操作又は手動で開閉弁駆動部２５により開又は閉とされる。

さらに、通常時、静的格納容器冷却装置１０内を真水で満たしておく場合には、通常時に開閉弁２４を閉止状態とし、静的格納容器冷却装置１０内の冷却水水位の低下を検出し、真水の追加の給水が困難になった場合に開動作するように開閉弁２４を操作してもよい。

また、静的格納容器冷却装置１０は地表面に設置されるので、海水が満潮水位ＦＬのときも、海水が静的格納容器冷却装置１０から溢れることはない。また、仮に、津波又は高潮等で海水面が地表面よりも上昇した場合、海水は静的格納容器冷却装置１０から排出管２０を介して外部に放出されるが、原子炉格納容器の除熱機能に影響を与えることはない。

また、静的格納容器冷却装置１０内の冷却材は熱交換により高温になり蒸気が発生するが、蒸気は放射性物質を捕捉するフィルタ２１を介して排出管２０から外部へ放出される。また、排出管２０の先端は外部から雨水や異物が混入しないように例えば逆Ｕ字構造または両端開放管の側部を排出管２０の先端と接続しているシュノーケル形（図示せず）としている。

（効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、重力及び海水を利用した受動的な冷却システムにより原子炉格納容器及び圧力容器の減圧・除熱機能を長期にわたって維持することができる。また、静的格納容器冷却装置は地表面に設置されるので事故時において追加給水を容易に実施することができるとともに、追加給水が困難な場合でも海水を利用した給水を自動的に継続することができる。また、ドレン室に貯留されたドレン水を圧力容器の冷却水として継続的に供給することができる。

さらに、本実施形態の静的格納容器冷却装置は新設のみならず既存の原子力プラントにも大規模な工事を必要とせずに付設することが可能であり、原子力プラントの安全性、信頼性を高めることができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却装置を図２により説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

上記第１の実施形態ではドレン室１３のドレン水は重力により原子炉圧力容器１に給水可能であるが、本第２の実施形態の圧力容器１は地表面よりも高い位置にあり、給水に重力を利用できないのでドレン水を非常用電源で駆動されるポンプ１５により原子炉圧力容器１に給水する構成としている。

本第２の実施形態において、ポンプ１５が設置されたポンプ室１４は熱交換器室１１に隣接して設置されている。ポンプ１５はディーゼル発電機又はバッテリ等の非常用電源（図示せず）によって駆動される。非常用電源はポンプ室１４内又は周囲の適切な場所に設置される。

このように構成された冷却装置において、静的格納容器冷却装置１０は事故時において第１の実施形態と同様に作用する。そして、ドレン室１３に貯留されたドレン水は非常用電源により駆動されるポンプ１５によって原子炉圧力容器１内に給水される。

本第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果に加え、ドレン水の給水に重力を利用できない場合であっても、非常用電源によってドレン水を原子炉圧力容器に注入し圧力容器の除熱を長期にわたって継続することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却装置を図３により説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本第３の実施形態では、ポンプ１５の駆動源として静的格納容器冷却装置１０から放出される蒸気により発電する小型の蒸気タービンを用いることを特徴としている。

本実施形態において、蒸気タービン３１は静的格納容器冷却装置１０に隣接して設置されたタービン室３０内に配置され、静的格納容器冷却装置１０から放出される蒸気を蒸気排出管３２を介して蒸気タービン３１に導き、この蒸気タービン３１の回転軸に連結された発電機（図示せず）によって発生した電力を、ケーブル３４を介してポンプ１５に供給してポンプ１５を駆動する。また、蒸気タービン３１で凝縮した水は配管３３を介して静的格納容器冷却装置１０に戻されるとともに、非凝縮ガスはフィルタ２１、排出管３６を介して外部に排出される。

本第３の実施形態によれば、上記第２の実施形態の効果に加え、静的格納容器冷却装置１０からの放出蒸気を利用することにより、外部電源を用いずにドレン水を原子炉圧力容器に注入し原子炉圧力容器の除熱を長期にわたって継続することができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却装置を図４（ａ）〜（ｃ）により説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本第４の実施形態は、海水導入配管２２に逆止弁２３を設ける代わりに、フロートにより開閉する開閉弁を設けたことを特徴としている。

図４（ａ）において、静的格納容器冷却装置１０の内部には、上端にフロート５１、下端に閉止部５２が取り付けられた開閉ロッド５０が配置されている。
このように構成された本実施形態において、水位が通常時の場合は開閉ロッド５０の閉止部は閉止位置にあり、海水が静的格納容器冷却装置１０の内部に流入するのを阻止する。

一方、静的格納容器冷却装置１０内の冷却材の水位が下がった場合には、開閉ロッド５０が降下して閉止部が開放位置に移動し海水の流入を許容する。

図４（ｂ）の変形例では、開閉ロッド５０にラッチ部５３を設け、水位の低下にともない閉止部５２が開放位置に移動した後、ラッチ部５３はその状態を保つように機能し、海水が安定して静的格納容器冷却装置１０内に流入することを可能とする。

図４（ｃ）は閉止部の変形例で、開閉ロッド５０に海水導入配管２２の出口を開閉する平板状の閉止部５４を設けている。

本第４の実施形態によれば、静的格納容器冷却装置１０内の冷却材の水位に連動して動作する開閉弁を用いることにより、水位低下時に海水を静的格納容器冷却装置１０内に確実に導入することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組合せ、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…原子炉圧力容器、２…原子炉格納容器、３…建屋、４…圧力抑制室、５…主蒸気管、６…給水管、７…蒸気逃し管、１０…静的格納容器冷却装置、１１…熱交換器室、１２…熱交換器、１３…ドレン室、１４…ポンプ室、１５…ポンプ、１８…伝熱管、１９…配管、２０…排出管、２１…フィルタ、２２…海水導入配管、２３…逆止弁、２４…開閉弁、２５…開閉弁駆動部、３０…タービン室、３１…小型蒸気タービン、３２…蒸気排出管、３３…配管、３４…ケーブル、３５…フィルタ、３６…排出管、４０…異物除去フィルタ、５０…開閉ロッド、５１…フロート、５２，５４…閉止部、５３…ラッチ部。

Claims (8)

1. 原子炉格納容器を内包する建屋と、前記建屋の外部の地表面に設置された静的格納容器冷却装置と、前記静的格納容器冷却装置に隣接して設けられ内部に熱交換器とドレン室が配置された熱交換器室と、前記静的格納容器冷却装置内の下部に配置された前記熱交換器の伝熱管と、前記原子炉格納容器の内部と前記熱交換器とを接続する蒸気逃し管と、前記静的格納容器冷却装置の下部に逆止弁を介して接続された海水導入配管とを有する原子炉格納容器の冷却装置であって、
   前記伝熱管は干潮時の干潮水位よりも下方に位置することを特徴とする原子炉格納容器の冷却装置。
2. 前記ドレン室のドレン水を重力によって原子炉圧力容器に給水することを特徴とする請求項１記載の原子炉格納容器の冷却装置。
3. 前記ドレン室に隣接してポンプ室を設け、前記ポンプ室のポンプによりドレン水を圧力容器に給水することを特徴とする請求項１記載の原子炉格納容器の冷却装置。
4. 前記ポンプを非常用電源によって駆動することを特徴とする請求項３記載の原子炉格納容器の冷却装置。
5. 前記静的格納容器冷却装置に隣接してタービン室を設け、前記静的格納容器冷却装置から放出される蒸気によってタービン室内のタービンを駆動し、当該タービンによって生成された電力によって前記ポンプを駆動することを特徴とする請求項３記載の原子炉格納容器の冷却装置。
6. 前記逆止弁に代えて、上端にフロートを有し、下端に前記海水導入配管からの海水の流入を阻止又は許容する閉止部を有する開閉ロッドを前記静的格納容器冷却装置内に配置したことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の原子炉格納容器の冷却装置。
7. 前記開閉ロッドの移動をラッチするラッチ部を当該開閉ロッドに設けたことを特徴とする請求項６記載の原子炉格納容器の冷却装置。
8. 前記海水導入配管に開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の原子炉格納容器の冷却装置。

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