JP2016145773A - 原子炉格納容器 - Google Patents

Abstract

【課題】軽水炉の炉心溶融時において溶融デブリによるコンクリートの融解反応の進行速度の加速を防止することが可能な原子炉格納容器を提供する。【解決手段】原子炉格納容器の底部１９に重金属酸化物および軽金属１６ｂの少なくとも一方を主成分とする成分調整体１６を配置する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、沸騰水型原子力プラントなどに好適に適用される原子炉格納容器に関する。

原子炉の設計には、大型自然災害などのシビアアクシデントに遭遇した場合を想定する必要がある。

一般に、原子炉は、原子炉建屋内に原子炉格納容器（格納容器）が設けられ、この格納容器内に原子炉圧力容器（圧力容器）が格納されている。圧力容器は圧力容器支持ペデスタル側壁（以下、単に「ペデスタル」という）に支持される。圧力容器内には、核燃料を格納した炉心が設けられる。炉心には制御棒駆動機構（ＣＲＤ）で昇降駆動される制御棒が出し入れされ、原子炉の運転が制御される。ペデスタルは格納容器の底部に立設される。ペデスタルの内部に形成される空間は、圧力容器の下方に位置してＣＲＤを設置する収容空間を構成している。

上述のシビアアクシデントの規模によっては、この圧力容器内外の配管の破断などによって、炉心の除熱機能が喪失することも想定される。除熱機能が喪失した場合、炉心部の燃料が溶融して、炉心の下方へ流出し、圧力容器底部に堆積する。
通常、このように圧力容器底部に堆積した燃料を主成分とする溶融した混合体（溶融デブリ）は、圧力容器に供給される冷却水によって冷却されて、圧力容器底部にとどまる。

しかし、シビアアクシデントが極めて大きく、この冷却機能が喪失した場合は、溶融デブリは崩壊熱によって、さらに圧力容器底部を溶融浸食して、ペデスタルの内部の収容空間へ流出し、底部に堆積する。格納容器の底部は、通常コンクリートを主構成とし、高温の溶融デブリによって融解反応（以下、「コンクリート反応」という）を起こす。

ＢＷＲ型の軽水炉の場合においては、異常時に収容空間に冷却水が供給される。よって、通常、格納容器のバウンダリが破損するほどには溶融侵食は進展しない。しかし、さらに収容空間への注水も失敗した場合、この溶融侵食は何らかのさらなる溶融浸食防止対策が実施されるまで進展してしまう。よって、格納容器が溶融デブリによって破損されないためのさらなる溶融浸食防止対策が必要となる。

例えば、圧力容器から流出して落下する溶融デブリを受け止めるいわゆるコアキャッチャの設置と溶融デブリの冷却とを組み合わせた溶融浸食防止技術が提案されている。ただし、コアキャッチャの設置には、高い費用がかかることが知られている。

ところで、堆積した溶融デブリは、燃料を主成分とする酸化物デブリと燃料棒被覆管やチャンネルボックスなどの金属を主成分とする金属デブリから主に構成される。
燃料の主成分である二酸化ウランの密度は約１１ｇ/ｃｍ^３である。また、燃料棒被覆管などの主成分である鉄の密度は約８ｇ/ｃｍ^３である。
よって、堆積した溶融デブリの性状について様々な予想が立てられているが、この予想の中には酸化物デブリと金属デブリとが分離して成層化している場合も含まれる。溶融デブリが成層化している場合、溶融デブリによるコンクリート反応の初期には、比重の大きい酸化物デブリが下層、比重の小さい金属デブリが上層となる。よって、主に下層の酸化物デブリが、コンクリートと接触することになる。

しかし、酸化物デブリによるコンクリート反応が進行すると、溶融したコンクリートが酸化物デブリに取り込まれて、酸化物デブリの密度が低くなる。よって、コンクリート反応が進行すると、酸化物デブリと金属デブリとの比重が反転し、酸化物デブリが上昇して、上層と下層とが反転することが予想される。

特開２００８−１３９０２３号公報 特開平４−１０４０８５号公報 特開平２−２２１２７７号公報

上層と下層とが反転して、金属デブリがコンクリートに接触するようになると、コンクリート反応の進行速度が速くなると予想される。金属デブリと酸化物デブリとが同じ温度であっても、酸化物デブリと比較して熱伝導率のより高い金属デブリがコンクリートの昇温を早めてしまうからである。つまり、金属デブリが下層となることで、コンクリート反応を停止させるための方策をとるまでの時間的裕度が短くなることになる。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、軽水炉の炉心溶融時において溶融デブリによるコンクリートの融解反応の進行速度の加速を防止することが可能な原子炉格納容器を提供することを目的とする。

本実施形態にかかる原子炉格納容器は、原子炉格納容器の底部に重金属酸化物および軽金属の少なくとも一方を主成分とする成分調整体が配置されるものである。

本発明により、軽水炉の炉心溶融時において溶融デブリによるコンクリートの融解反応の進行速度の加速を防止することが可能な原子炉格納容器が提供される。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の軽水炉の原子炉格納容器を示す概略縦断面図。 原子炉格納容器の底部に堆積して底部を溶融浸食している溶融デブリの模式断面図。 第１実施形態にかかる原子炉格納容器の底部の拡大断面図。 第２実施形態にかかる原子炉格納容器の底部の拡大断面図。 第３実施形態にかかる原子炉格納容器の概略断面図。 第３実施形態にかかる原子炉格納容器の変形例の概略断面図。 第４実施形態にかかる原子炉格納容器の概略断面図。 第４実施形態にかかる原子炉格納容器の変形例の概略断面図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の軽水炉の格納容器１０を示す概略縦断面図である。

原子炉は、原子炉建屋内に格納容器１０が設けられ、この格納容器１０内に圧力容器１２が格納されている。圧力容器１２は、ペデスタル１４にスカート状の支持部材１４ａを介して支持される。圧力容器１２内には、核燃料を格納した炉心１３が設けられる。炉心１３には図示しない制御棒駆動機構（ＣＲＤ）で昇降駆動される制御棒（図示せず）が出し入れされ、原子炉の運転が制御される。

ペデスタル１４は格納容器１０の底部１９上に立設される。ペデスタル１４の内部に形成される空間は、圧力容器１２の下方に位置して図示しないＣＲＤを設置する収容空間１７を構成している。異常時には、この収容空間１７に冷却水１８が供給される。よって、万一溶融デブリ１５が圧力容器１２の底部１９から落下して底部１９に堆積しても、この冷却水１８で冷却されて溶融浸食が抑止される。一方、冷却水１８の供給ができない場合、溶融デブリ１５は底部１９を裏面まで溶融浸食して、格納容器１０の外部へ流出する。

ここで、図２は、底部１９に堆積して底部１９を溶融浸食している溶融デブリ１５の模式断面図である。
上述したように、底部１９に堆積する溶融デブリ１５の性状については、複数の見解がある。図２に示されるように、溶融デブリ１５は、堆積の初期の段階において酸化物デブリ１５ａ（１５）が下層で金属デブリ１５ｂ（１５）が上層となって成層化しているものとする。この場合、何ら対策をとらない場合、上述したように、コンクリート反応の進行とともに、酸化物デブリ１５ａが溶融したコンクリートを取り込んで金属デブリ１５ｂの上層に浮上すると予想される。

（第１実施形態）
図３は、第１実施形態にかかる格納容器１０の底部１９の拡大断面図である。
第１実施形態にかかる格納容器１０は、図３に示されるように、格納容器１０の底部１９が、成分調整体１６の粒体が混合されたコンクリートで構成される。成分調整体１６は、例えば、重金属酸化物１６ａ（１６）を主成分とする粒体である。なお、「粒体」には、粉体も含まれるものとする。

重金属酸化物１６ａ（１６）の重金属は、例えば鉛またはビスマスなどである。重金属酸化物１６ａを底部１９のコンクリートに混合することで、コンクリートが溶融して取り込まれた酸化物デブリ１５ａの比重を金属デブリ１５ｂの比重以上に維持することができる。よって、上層と下層が反転して、金属デブリ１５ｂが直接底部１９に接触することを防止することができる。

また、重金属酸化物１６ａは酸化物であるので、熱伝導率は金属デブリ１５ｂに比べて低い。よって、重金属酸化物１６ａを取り込んだ酸化物デブリ１５ａの熱伝導率も低いままに維持することができる。

以上のように、第１実施形態にかかる格納容器１０によれば、軽水炉の炉心溶融時において溶融デブリ１５によるコンクリートの融解反応の進行速度の加速を防止することができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態にかかる格納容器１０の底部１９の拡大断面図である。

第２実施形態にかかる格納容器１０は、図４に示されるように、軽金属１６ｂ（１６）からなる成分調整体１６がコンクリートに混合される。軽金属１６ｂは、例えば、アルミニウムまたはマグネシウムなどである。

金属デブリ１５ｂは、前述したように、燃料棒被覆管やチャンネルボックスなどが溶融したものなので、ジルカロイまたはスチールなどの重金属から組成される。よって、コンクリートにアルミニウムなどを混合することで、溶融したコンクリートが酸化物デブリ１５ａに取り込まれても、その後軽金属１６ｂが浮上して金属デブリ１５ｂに取り込まれる。
軽金属１６ｂを取り込んだ金属デブリ１５ｂは比重が小さくなり、酸化物デブリ１５ａの比重がコンクリートによって低下しても、酸化物デブリ１５ａの上層に維持されることになる。

このように第２実施形態によれば、金属デブリ１５ｂの比重を低下させることで、上層の金属デブリ１５ｂと下層の酸化物デブリ１５ａの上下が反転するのを防止することができる。

なお、底部１９のコンクリートに軽金属１６ｂを混合すること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第２実施形態にかかる格納容器１０によれば、金属デブリ１５ｂの比重を小さくすることができるので、第１実施形態の効果と同様に溶融デブリ１５によるコンクリートの融解反応の進行速度の加速を防止することができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態にかかる格納容器１０の概略断面図である。
第３実施形態にかかる格納容器１０は、図５に示されるように、成分調整体１６は、底部１９の内表面に敷設される。

成分調整体１６は、例えば、第１実施形態と同様に鉛などの重金属酸化物１６ａまたは第２実施形態と同様にアルミニウムなどの軽金属１６ｂで組成される板１６_１（１６）である。この板１６_１の形状は必ずしも均一の厚さのものに限定されず、想定される溶融デブリ１５の形状やペデスタル１４の形状などに合わせて凹凸をつけてもよい。
このように底部１９の内表面に板１６_１を敷設することで、底部１９の構築段階で溶融デブリ１５について対策を講じなくても、事後的に溶融デブリ１５について対策を講じることができる。

また、図６は、第３実施形態にかかる格納容器１０の変形例の概略断面図である。
成分調整体１６は、例えば球形状の複数の塊状体１６_２（１６）であってもよい。塊状体１６_２は、板１６_１と比較して表面積が大きいので、速やかに溶融して、早期に第１実施形態または第２実施形態と同様の作用を発揮することができる。また、成分調整体１６を塊状体１６_２とすることで、格納容器１０全体の建設後に、事後的に敷設することが容易になる。

なお、成分調整体１６を底部１９の内表面に敷設すること以外は、第２実施形態は第１実施形態と同じ構造および動作手順となるので、重複する説明を省略する。
図面においても、共通の構成または機能を有する部分は同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように、第３実施形態にかかる格納容器１０によれば、第１実施形態の効果に加え、事後的な敷設が可能となる。
また、成分調整体１６を塊状体１６_２とすることで、成分調整体１６の表面積が大きくなり、早期に第１実施形態または第２実施形態の効果を発揮させることができる。

（第４実施形態）
図７は、第４実施形態にかかる格納容器１０の概略断面図である。
第４実施形態にかかる格納容器１０は、図７に示されるように、成分調整体１６は、第３実施形態と同様の板１６_１であって、底部１９に埋設される。

格納容器１０は、内部の形状や配置に多数の制約が課されるため、底部１９の内表面に成分調整体１６を配置することが困難な場合がある。また、酸化物デブリ１５ａは、ウランやプルトニウムを含むため非常に比重が高く、多少のコンクリートが取り込まれても、即時に金属デブリ１５ｂと位置を反転しない。よって、コンクリート反応がある程度進行した後に成分調整体１６を取り込んでも、比重が反転しない限り、溶融デブリ１５の上層と下層も反転しない。よって、成分調整体１６を底部１９に埋設する。

また、図８は、第４実施形態にかかる格納容器１０の変形例の概略断面図である。
図８に示されるように、成分調整体１６を底部１９に埋設することで、底部１９の厚さの範囲で、例えば複数の板１６_１を重ね合わせることができる。よって、複数の板１６_１を重ね合わせて全体として、成分調整体１６として機能を発揮するのに最適な形状にすることが容易となる。

このように、第４実施形態にかかる格納容器１０によれば、第１実施形態などと同様の効果を得ることできる。

以上述べた少なくとも一つの実施形態の格納容器１０によれば、上層の金属デブリ１５ｂの比重または下層の酸化物デブリ１５ａの比重を調整することにより、軽水炉の炉心溶融時において溶融デブリ１５によるコンクリートの融解反応の進行速度の加速を防止することが可能となる。

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、変更、組み合わせ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同様に、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ものである。

１０…原子炉格納容器（格納容器）、１２…原子炉圧力容器（圧力容器）、１３…炉心、１４…ペデスタル、１４ａ…支持部材、１５…溶融デブリ、１５ａ…酸化物デブリ、１５ｂ…金属デブリ、１６（１６ａ，１６ｂ）…成分調整体（重金属酸化物，軽金属）、１６_１（１６）…板、１６_２（１６）…塊状体、１７…収容空間、１８…冷却水、１９…底部。

Claims (8)

1. 原子炉格納容器の底部の少なくとも一部に重金属酸化物および軽金属の少なくとも一方を主成分とする成分調整体を配置することを特徴とする原子炉格納容器。
2. 前記底部は、前記成分調整体の粒体が混合されたコンクリートである請求項１に記載の原子炉格納容器。
3. 前記成分調整体は、前記底部の内表面に敷設される請求項１または請求項２に記載の原子炉格納容器。
4. 前記成分調整体は、板状である請求項３に記載の原子炉格納容器。
5. 前記成分調整体は、塊状体である請求項３に記載の原子炉格納容器。
6. 前記成分調整体は、底部に埋設されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の原子炉格納容器。
7. 前記重金属酸化物の重金属は、鉛およびビスマスのいずれかである請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の原子炉格納容器。
8. 前記軽金属は、アルミニウムおよびマグネシウムのいずれかである請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の原子炉格納容器。

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