JP2021004815A

JP2021004815A - 原子炉システム

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Publication number: JP2021004815A
Application number: JP2019119312A
Authority: JP
Inventors: 翔渕田; Sho Fuchida
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2019-06-27
Filing date: 2019-06-27
Publication date: 2021-01-14
Anticipated expiration: 2039-06-27
Also published as: JP7182521B2

Abstract

【課題】本発明は、原子炉溶融物保持装置の径を大きくすることなく、冷却効率の優れた原子炉溶融物保持装置を有する原子炉システムを提供する。【解決手段】本発明の原子炉システムは、冷却材４が満たされる原子炉容器１と、原子炉容器に設置され、制御棒が案内される複数本の制御棒案内管１３を有する炉心部２と、炉心部から落下する原子炉溶融物を保持する原子炉溶融物保持装置と、を有し、原子炉溶融物保持装置は、原子炉容器の径方向に設置される複数個の原子炉溶融物保持容器１１を有し、複数個の原子炉溶融物保持容器は、隣り合う原子炉溶融物保持容器との間に、隙間を形成して、設置されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、溶融燃料を含有する原子炉溶融物（燃料デブリ）を原子炉容器内で保持する原子炉溶融物保持装置を有する原子炉システムに関する。

原子炉システムにおいて、炉心部の除熱源喪失や原子炉容器の破損による冷却材喪失、冷却材流量の低下時や出力の上昇時のスクラム失敗事象を想定した場合、炉心部の燃料が溶融し、溶融燃料を含有する原子炉溶融物（燃料デブリ）が、原子炉容器の底部に落下する可能性がある。

落下した燃料デブリが、原子炉容器の底部を熱的に損傷させ、放射性物質が原子炉容器外に放出されることを防止するため、原子炉容器の底部に落下する燃料デブリを原子炉容器内で保持する原子炉溶融物保持装置を有する原子炉システムが提案されている。

こうした本技術分野の背景技術として、特開２０１４−１５７０２９号公報（特許文献１）がある。

この特許文献１には、炉心部を収納し、原子炉冷却材を保持する原子炉容器と、事故時に炉心部の燃料が溶融して炉心部から落下する溶融燃料を保持する溶融燃料保持装置と、を備える原子炉システムが記載されている。そして、特許文献１には、原子炉容器の内部であって炉心部の下方に設置され、水平方向に広がる板状の受け皿部を有する溶融燃料保持装置が記載され、受け皿部は、複数の下方に突出する突出部を有すると共に上面内に凹部を有し、上下に貫通する貫通孔を有することが記載されている（要約参照）。

特開２０１４−１５７０２９号公報

特許文献１には、事故時に、炉心部から落下する溶融燃料を保持し、水平方向に広がる板状の受け皿部を有する溶融燃料保持装置を備える原子炉システムが記載されている。

しかし、特許文献１には、溶融燃料保持装置（原子炉溶融物保持装置）上に堆積する燃料デブリが、十分に冷却されず、原子炉溶融物保持装置が溶融し、燃料デブリが原子炉容器の底部に落下する可能性については記載されていない。

つまり、特許文献１に記載する原子炉システムでは、単位面積（一定面積）当たりに、落下する燃料デブリの体積（量）が大きく（多く）なる可能性があり、冷却可能な燃料デブリの堆積厚さを実現するためには、原子炉溶融物保持装置の径を大きくする必要があり、原子炉容器の大型化を招くなど、経済性を悪化させる可能性がある。

そこで、本発明は、原子炉溶融物保持装置の径を大きくすることなく、冷却効率の優れた原子炉溶融物保持装置を有する原子炉システムを提供する。

上記課題を解決するため、本発明の原子炉システムは、冷却材が満たされる原子炉容器と、原子炉容器に設置され、制御棒が案内される複数本の制御棒案内管を有する炉心部と、炉心部から落下する原子炉溶融物を保持する原子炉溶融物保持装置と、を有し、原子炉溶融物保持装置は、原子炉容器の径方向に設置される複数個の原子炉溶融物保持容器を有し、複数個の原子炉溶融物保持容器は、隣り合う原子炉溶融物保持容器との間に、隙間を形成して、設置されることを特徴とする。

本発明によれば、原子炉溶融物保持装置の径を大きくすることなく、冷却効率の優れた原子炉溶融物保持装置を有する原子炉システムを提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、下記する実施例の説明によって明らかにされる。

実施例１に記載する原子炉システムを説明する立断面図である。実施例１に記載する原子炉システムであって、図１に示す第Ａ−Ａ線から見た矢視断面図である。実施例１に記載する原子炉システムであって、炉心部損傷時の原子炉システムを説明する立断面図である。実施例２に記載する原子炉システムを説明する立断面図である。

以下、本発明の実施例を、図面を使用して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合は、その説明を省略する場合がある。

まず、実施例１に記載する原子炉システムを説明する。

図１は、実施例１に記載する原子炉システムを説明する立断面図である。

本実施例に記載する原子炉システムは、原子炉容器１と、原子炉容器１の中心部に炉心部２と、を有する。

炉心部２は、核***反応によって発熱し、出力制御装置３によって出力が制御される。原子炉容器１の内部は、ほぼ冷却材４によって満たされ、炉内構造物５を境界として、炉心上部がホットプール６となり、炉心下部がコールドプール７となる。

炉心部２によって加熱される冷却材４は、ホットプール６へ流入し、熱交換器８によって冷却され、コールドプール７へ流出する。コールドプール７の冷却材４は、ポンプ９によって、炉心部２の下部に設置される冷却材滞留部１０を介して、炉心部２へ供給される。このように、冷却材４は、炉心部２、ホットプール６、熱交換器８、コールドプール７、ポンプ９、冷却材滞留部１０、炉心部２を循環する。

なお、熱交換器８には、ナトリウムが供給され、熱交換器８では、加熱される冷却材４と供給されるナトリウムとの間で熱交換される。

炉心部２には、制御棒が案内される複数本の制御棒案内管１３が設置される。

また、冷却材滞留部１０の下方（炉心部２の下方）には、万が一の際に、炉心部２の燃料が溶融し、溶融燃料を含有する原子炉溶融物（燃料デブリ）が、炉心部２から原子炉容器１の底部に落下する場合に備え、原子炉容器１には、燃料デブリを保持（捕捉）する原子炉溶融物保持装置が設置される。

この原子炉溶融物保持装置は、原子炉容器１の径方向（水平方向）に設置される複数個の原子炉溶融物保持容器１１を有する。

なお、複数個の原子炉溶融物保持容器１１は、隣り合う原子炉溶融物保持容器１１との間に、隙間を形成して、設置される。この隙間を形成することによって、この隙間を冷却材４が流通（上昇）し、原子炉溶融物保持容器１１の冷却効率が向上する。

また、原子炉溶融物保持装置は、傘状構造物１４を有する。この傘状構造物１４は、原子炉溶融物保持容器１１の上方であって、隣り合う原子炉溶融物保持容器１１との間に、設置される。傘状構造物１４によって、隙間を流通する冷却材４が原子炉溶融物保持容器１１の上方に供給され、更に、原子炉溶融物保持容器１１の冷却効率が向上する。また、傘状構造物１４によって、隙間を落下する燃料デブリを捕捉し、原子炉容器１の底部に落下する燃料デブリを低減する。

なお、本実施例に記載する原子炉溶融物保持装置（原子炉溶融物保持容器１１及び傘状構造物１４）は、必ずしも落下する１００％の燃料デブリを捕捉するものではない。数％の燃料デブリが原子炉容器１の底部に落下することは許容する。本実施例に記載する原子炉溶融物保持装置は、たとえ、数％の燃料デブリが原子炉容器１の底部に落下したとしても、拡散して堆積し、つまり、単位面積（一定面積）当たりに、堆積する燃料デブリの体積が大きくなることがなく、原子炉容器１の底部が損傷することはないとの知見に基づく。

なお、熱交換器８からコールドプール７へ流出する冷却材４は、配管１７を介して、コールドプール７へ流出する。この配管１７の端部は、原子炉溶融物保持容器１１の底部（下部）よりも下方に設置される。これにより、更に、原子炉溶融物保持容器１１の冷却効率が向上する。

また、原子炉溶融物保持容器１１は、その直径ａよりも高さｂが長いことが好ましい。これにより、更に、原子炉溶融物保持容器１１の冷却効率が向上する。

また、原子炉溶融物保持容器１１は、制御棒案内管１３の真下（直下）に、それぞれ対応して、設置されることが好ましい。つまり、原子炉溶融物保持容器１１を設置する位置は、制御棒案内管１３の真下（直下）に対応する位置であることが好ましい。所定の一つの原子炉溶融物保持容器１１に、所定の一つ（一束）の制御棒案内管１３が対応する。これにより、落下する燃料デブリ（微粒化した燃料デブリ）を効率よく捕捉することができる。

また、原子炉溶融物保持容器１１の底面（底部）を、半球状とすることが好ましい。これにより、原子炉溶融物保持容器１１の周囲を上昇する冷却材４の圧力損失が低減され、冷却効率が向上する。また、原子炉溶融物保持容器１１の熱応力が低減（緩和）される。

また、原子炉溶融物保持容器１１には、それぞれに、例えば、取っ手のような、取り出すための構造が取り付けられることが好ましい。燃料デブリを、原子炉容器１から取り出す際に、原子炉溶融物保持容器１１ごと、それぞれに原子炉容器１外へ取り出すことができる。

次に、実施例１に記載する原子炉システムであって、図１に示す第Ａ−Ａ線から見た場合を説明する。

図２は、実施例１に記載する原子炉システムであって、図１に示す第Ａ−Ａ線から見た矢視断面図である。

本実施例に記載する原子炉システムは、複数個（本実施例では７個）の原子炉溶融物保持容器１１が、原子炉容器１の水平方向に、千鳥状に、設置される。

本実施例では、中心に１個、この１個の周囲に６個の原子炉溶融物保持容器１１が、六角形構造に、設置される。

また、この７個の原子炉溶融物保持容器１１は、隣り合う原子炉溶融物保持容器１１との間に、隙間を形成して、設置される。これにより、それぞれの原子炉溶融物保持容器１１が、冷却材４と接触し、それぞれの原子炉溶融物保持容器１１の冷却効率が向上する。

また、本実施例では、複数個（本実施例では６個）の傘状構造体１４が設置される。この傘状構造体１４は、隣り合う原子炉溶融物保持容器１１との間に形成される隙間上に設置され、複数個（本実施例では３個）の原子炉溶融物保持容器１１に跨るように設置される。これにより、隙間を流通する冷却材４を、効率よく原子炉溶融物保持容器１１の上方に供給することができ、また、隙間を落下する燃料デブリも、効率よく捕捉することができ、隙間を落下する燃料デブリを低減することができる。

なお、原子炉溶融物保持容器１１の直径ａは、制御棒案内管１３の直径の２倍〜３倍であることが好ましい。例えば、制御棒案内管１３の直径が１０ｃｍである場合、原子炉溶融物保持容器１１の直径ａは２０ｃｍ〜３０ｃｍである。これにより、燃料デブリを効率よく捕捉することができる。

次に、実施例１に記載する原子炉システムであって、炉心部損傷時の原子炉システムを説明する。

図３は、実施例１に記載する原子炉システムであって、炉心部損傷時の原子炉システムを説明する立断面図である。

ここで、万が一の場合であって、炉心部２が損傷した場合を想定する。

炉心部２が損傷した場合、炉心部２の燃料が溶融し、溶融燃料を含有する燃料デブリ１２が、冷却材滞留部１０を貫通し、原子炉容器１の底部に落下する。この際、燃料デブリ１２は、コールドプール７へ突き出して設置される制御棒案内管１３から流出し、原子炉容器１の底部に落下する。この際、燃料デブリ１２は、冷却材４との相互作用により、数ｍｍ程度（0.5ｍｍ〜5.0ｍｍ程度）に微粒化する。

本実施例では、こうした微粒化した燃料デブリ１２を、原子炉容器１に設置される原子炉溶融物保持装置の原子炉溶融物保持容器１１が捕捉する。

複数個の原子炉溶融物保持容器１１が、水平方向に設置され、隣り合う原子炉溶融物保持容器１１との間に、隙間を形成されるため、この隙間を冷却材４が流通（上昇）し、燃料デブリ１２を捕捉した原子炉溶融物保持容器１１を効率よく冷却する。

原子炉溶融物保持容器１１によって加熱される冷却材４は、熱交換器８によって冷却され、原子炉溶融物保持容器１１の底部（下部）に供給される。

こうすることにより、たとえ、ポンプ９が故障した場合であっても、原子炉溶融物保持容器１１を冷却することができる。熱交換器８と原子炉溶融物保持容器１１との高低差によって、自然循環力が発生するためである。

このように、本実施例に記載する原子炉システムは、水平方向に複数個の原子炉溶融物保持容器１１を設置し、隣り合う原子炉溶融物保持容器１１との間に、隙間を形成する。これにより、この隙間を冷却材４の流路として使用することができ、それぞれの原子炉溶融物保持容器１１の冷却面積が増大し、冷却可能な燃料デブリ１２の堆積厚さが増大し、水平方向に小型な原子炉溶融物保持装置を提供することができる。そして、この原子炉溶融物保持装置は、高温の燃料デブリを安定的に保持し、冷却することができる。

また、炉心部２が扁平ではない（広がりのない）小型の原子炉システムでは、単位面積（一定面積）当たりに、落下する燃料デブリの体積が大きいため、冷却可能な燃料デブリの堆積厚さとするためには、原子炉溶融物保持装置の径を大きくする必要があり、原子炉容器１の大型化を招くという課題がある。しかし、本実施例に記載する原子炉システムは、こうした課題を解決することができるため、特に、小型の原子炉システムには有効である。

次に、実施例２に記載する原子炉システムを説明する。

図４は、実施例２に記載する原子炉システムを説明する立断面図である。

本実施例に記載する原子炉システムは、実施例１に記載する原子炉システムと比較して、更に、シュラウド１６を有する。このように、シュラウド１６を設置することによって、シュラウド１６の内側は上昇流となり、シュラウド１６の外側は下降流となり、原子炉溶融物保持容器１１冷却効率が向上する。

このシュラウド１６は、その内部に原子炉溶融物保持装置を設置する。シュラウド１６は、その下部が円柱状であり、その上部がその下方よりその上方が大きい開口を有する円錐状である。つまり、シュラウド１６は、その下部が円柱状構造物からなり、その上部が円錐状構造物からなる。これにより、落下する燃料デブリ（微粒化した燃料デブリ）を効率よく捕捉することができる。

また、シュラウド１６の外周には、複数の冷却材流入口１５が形成される。冷却材４は、冷却材流入口１５からシュラウド１６の内部に流入し、シュラウド１６の上部の開口からコールドプール７に流出する。

なお、冷却材流入口１５は、原子炉溶融物保持容器１１の底部（下部）よりも下方に設置される。これにより、更に、原子炉溶融物保持容器１１の冷却効率が向上する。

また、シュラウド１６の円錐状構造物は、傘状構造物１４よりも上方に設置される。つまり、シュラウド１６は、内部に設置される原子炉溶融物保持装置（傘状構造物１４）よりも上部の領域が、上方に向けて直径が大きく形成される。これにより、落下する燃料デブリを、効率よく捕捉することができ、また、原子炉溶融物保持容器１１の周辺部に落下する燃料デブリも捕捉することができる。

なお、シュラウド１６の円錐状構造物と配管１７とは、干渉しないようにそれぞれを設置する位置を工夫して、設置する。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、詳細かつ具体的に、説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成要素を有するものに限定されない。また、ある実施例の構成要件の一部を、他の実施例の構成要素の一部に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成要件に他の実施例の構成要件を加えることも可能である。また、各実施例の構成要件の一部について、他の構成要素の一部を、追加、削除、置換をすることも可能である。

１…原子炉容器
２…炉心部
３…出力制御装置
４…冷却材
５…炉内構造物
６…ホットプール
７…コールドプール
８…熱交換器
９…ポンプ
１０…冷却材滞留部
１１…原子炉溶融物保持容器
１２…燃料デブリ
１３…制御棒案内管
１４…傘状構造物
１５…冷却材流入口
１６…シュラウド
１７…配管

Claims

冷却材が満たされる原子炉容器と、前記原子炉容器に設置され、制御棒が案内される複数本の制御棒案内管を有する炉心部と、前記炉心部から落下する原子炉溶融物を保持する原子炉溶融物保持装置と、を有し、
前記原子炉溶融物保持装置は、前記原子炉容器の径方向に設置される複数個の原子炉溶融物保持容器を有し、複数個の前記原子炉溶融物保持容器は、隣り合う前記原子炉溶融物保持容器との間に、隙間を形成して、設置されることを特徴とする原子炉システム。
前記原子炉溶融物保持容器は、前記制御棒案内管の直下に、それぞれ対応して設置されることを特徴とする請求項１に記載の原子炉システム。
前記原子炉溶融物保持容器は、それぞれに、前記原子炉容器から取り出すための構造を有することを特徴とする請求項１に記載の原子炉システム。
前記原子炉溶融物保持容器は、その底部が半球状であることを特徴とする請求項１に記載の原子炉システム。
前記原子炉溶融物保持容器は、その直径よりも高さが長いことを特徴とする請求項１に記載の原子炉システム。
前記原子炉溶融物保持装置は、隣り合う前記原子炉溶融物保持容器との間に形成される隙間上に、傘状構造体を有することを特徴とする請求項１に記載の原子炉システム。
前記原子炉溶融物保持装置の外周に、複数の冷却材流入口が形成されるシュラウドを有することを特徴とする請求項1に記載の原子炉システム。
前記シュラウドは、内部に設置される原子炉溶融物保持装置よりも上部の領域が、上方に向けて直径が大きくなることを特徴とする請求項７に記載の原子炉システム。