JP4786007B2 - 内蔵レセプタクルを備えた水利用型原子炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、「コーリウム（corium）」すなわち原子炉コアの偶発的な溶融時に原子炉コアから派生した固体片または液体片を受領することを意図した洗面器形状のレセプタクルをベッセルが備えているような、加圧水型または沸騰水型原子炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉に関して、原子炉コアの部分的なまたは完全な溶融を引き起こすような深刻な事態を制限する目的で、ここ２０〜３０年の間に、多数のシステムが考案され開発されている。
【０００３】
特に、仏国特許出願公開明細書第２ ３４１ １８１号に開示されているように、原子炉ベッセルの底部に、原子炉コアの偶発的な溶融時に形成されるコーリウムによるベッセルの穿孔を防止するための抑制デバイスを配置することは、既に提案されている。この抑制デバイスは、互いに離間配置された複数の水平プレートを備えている。これらプレートは、ベッセルの壁に対して固定されており、プレートには、プレートどうしの間でジグザグ状に互いに位置がずらされて開口が形成されており、プレートのエッジは、上向きに曲げられている。偶発的事故の際には、コーリウムは、開口を次々と通り抜け、水平プレートの中央に配置されたベル形状の分散器内へと移動し、ベッセルの底部に滞留する。
【０００４】
また、米国特許明細書第３ ９６４ ９６６号に開示されているように、原子炉ベッセルの内部において、液体金属によって冷却された原子炉コアの下方にコーリウムレセプタクルを配置するという発想は、既に提案されている。スチール製とされたこのレセプタクルは、コアを支持している下側水平プレートによって直接的に懸架されている。熱交換パイプがレセプタクルの底部からレセプタクルの内部へと上方に突出している。これらパイプは、上端が閉塞されていて、連通の目的のために設けられている穴を通してレセプタクルの内部と連通している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
水利用型原子炉のベッセルの内部に組み込むことを想定されているレセプタクルデバイスの幾何形状にかかわらず、偶発的なコア溶融によって、爆発が起こり得るというリスクがある。コーリウムがベッセルの底部に向けて流れるときには、コーリウムは、小さな粒子へと***する（解裂する）。原子炉ベッセル内に含有されている水は、小さなコーリウム粒子と接触することによって、蒸発する。各粒子の周囲には、蒸気フィルムが形成される。このことは、高エネルギー衝撃波を引き起こす爆発のための好条件を引き起こす。このタイプの爆発の起源によって、これは、通常「蒸気爆発」と称される。
【０００６】
現在、水利用型原子炉ベッセルの底部においてコーリウムを受領して保持するためのレセプタクルデバイスは、蒸気爆発を防止し得るようには構成されていない。また、これらレセプタクルデバイスは、そのような爆発の影響から保護されていない。水蒸気とコーリウムとの間の相互作用の発生確率が小さいにもかかわらず、このタイプの爆発の可能性は、完全には、消し去ることができない。爆発によって生成された極度に強力な圧力ピークによって、レセプタクルデバイスの完全性が損なわれ、したがって、レセプタクルデバイスの有効性が損なわれる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の主題は、正確には、ベッセル内にコーリウム受領デバイスが設けられている加圧水型または沸騰水型原子炉であって、コーリウム受領デバイスの独自構成のために、蒸気爆発の発生を防止することができ、したがって、事故発生時の受領デバイスの完全性を維持することができる。
【０００８】
本発明においては、ベッセルとこのベッセル内に収容された原子炉コアとを具備してなる水利用型原子炉であって、ベッセル内においてコアの下方に収容されているとともに、少なくとも一部が耐火材料から形成された、洗面器形状のレセプタクルを具備し、このレセプタクルは、コアの偶発的溶融時に形成されるコーリウムを受領することができ、レセプタクル内には、コーリウムに対して混合されることにより耐火材料の融点以下の平衡温度にまでコーリウム温度を下げることができる多孔性無機材料が内部全体に充填されていることを特徴とする原子炉によって、得られる。
【０００９】
このように構成された原子炉においては、コアの溶融時に形成されるコーリウムは、水分を含有していない多孔性無機材料内に侵入して、そこで***する（フラグメントへと***する）。したがって、コーリウムの各粒子の周囲に蒸気フィルムが存在しているような蒸気爆発にとっての好条件を、回避することができる。そのため、蒸気爆発が起こることがなく、レセプタクルの完全性（損傷していない状態にあること）が維持される。
【００１０】
この効果は、レセプタクル内に収容されている多孔性無機材料内へとコーリウムが下方移動する際に徐冷されることによって、助長される。このようにして、耐火材料の溶融によるレセプタクルの損傷を、防止することができる。
【００１１】
本発明のある好ましい実施形態においては、例えばグリッドまたは水平穿孔プレートといったような形態とされた、コーリウムを広げて分散させるためのコーリウム広げ手段が、レセプタクルとレセプタクル内に収容されている多孔性無機材料との上方に、配置される。
【００１２】
本発明のこの好ましい実施形態においては、多孔性無機材料は、好ましくは約９９％シリカを含有した、セラミック発泡体である。多孔性無機材料の空隙率は、大量のコーリウムを受領するに十分な容積を、レセプタクル内部において利用可能とすることを、意味している。この空隙率は、特に、約６３％〜約８０％とすることができる。
【００１３】
有利には、レセプタクルは、ベッセルの底部から、上方に対して連通しているとともにレセプタクルの周囲における水の循環を確保するためのスペースの分だけ、隔離されている。この水循環は、レセプタクルの冷却を補助し、したがって、レセプタクルの完全性の維持に貢献する。
【００１４】
レセプタクルは、必要に応じて、実質的に半球状のものとすることも、あるいは、実質的に半球状の部分とこの半球状部分の上側に連接された実質的に円筒形の部分とを備えて構成されるものとすることも、できる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態においては、耐火材料は、煉瓦の形態とされ、レセプタクルの一部を構成するスチールケーシングの内部に配置される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
非制限的な例示としての本発明の好ましい実施形態につき、以下、添付図面を参照して説明する。図１は、水利用型原子炉の下部を示す鉛直方向の断面図であって、この原子炉のベッセルは、原子炉コアの溶融につながるような事故を考慮して、本発明によるレセプタクルを備えている。
【００１７】
図１に示された実施形態は、加圧水型原子炉に関するものである。しかしながら、既に指摘したように、本発明は、このタイプの原子炉に限定されるものではなく、一般的に、すべての水利用型原子炉に関するものである。したがって、本発明は、沸騰水型原子炉に対しても応用することができる。
【００１８】
図１において、参照符号１０は、原子炉ベッセルを示している。より詳細には、ベッセルの下部だけが図示されている。ベッセル１０は、中央部分に原子炉コア１２を備えており、また、コアに関連した内部設備を備えている。
【００１９】
コア１２は、通常、鉛直方向に並置された多数の核燃料アセンブリから形成されている。核燃料アセンブリは、下部水平プレート１４上に載置されている。このプレート１４は、ベッセル１０内に保持されている冷却水が核燃料アセンブリの内部において循環し得るよう、各核燃料アセンブリの近傍において穿孔されている。穿孔された流通分散プレート１６は、好ましくは凸状下部を有するものとされ、プレート１４の全体にわたってプレート１４の下方に固定されている。
【００２０】
原子炉コア、および、例えば水平下部プレート１４や穿孔プレート１６といったような関連内部設備は、支持案内デバイス１８を介して、ベッセル１０の鉛直方向円筒壁に支持されている。
【００２１】
本発明の範囲内においては、コア１２および関連内部設備は、図示したもの以外にも、任意の形状とすることができることに注意されたい。
【００２２】
本発明においては、図１に示すように、洗面器形状のレセプタクル２０が、原子炉コア１２の下方において、ベッセル１０の内部に配置されている。より詳細には、レセプタクル２０は、穿孔プレート１６と、ベッセル１０のうちの凸状かつ全体的に半球状のベースと、の間に配置されている。
【００２３】
レセプタクル２０は、原子炉コア１２の偶発的な溶融時に、コーリウムを受領し得るよう構成されている。「コーリウム」という用語は、そのような事故の際に生成されるであろう溶融質量のことを示しており、コーリウムは、一般に、核燃料、核燃料の被覆材、制御棒の被覆材、および、コア１２に関連した内部構造を含有している。レセプタクル２０は、原子炉コア１２の完全溶融につながりかねないような深刻な事故の際に、コーリウムの全量を受領し得るような配置および構成とされている。
【００２４】
図１に示す本発明の好ましい実施形態においては、レセプタクル２０は、ベッセル１０のベースから、レセプタクルの上部外周縁とベッセル１０との間の間隙に対して上方側において連通しているスペースの分だけ、隔離されている。このスペース２２によって、図示矢印で示されているような、原子炉ベッセル１０内に保持されている水の循環が可能とされる。事故発生時には、水の循環は、自然対流によって、このスペース２２内において起こる。この水循環によってもたらされる効果は、レセプタクル２０の冷却である。
【００２５】
レセプタクル２０は、耐火性材料から形成された少なくとも１つの煉瓦層２４を備えている。この材料は、できるだけ高温の融点を有しているように、かつ、コーリウムに対して良好な化学的適合性を有しているように、選択されている。材質は、特に、ジルコニウムをベースとしたセラミック材料とすることができ、このことは、また、産業市場において幅広く利用可能であるという利点を有している。
【００２６】
図１に示されているように、煉瓦２４は、並置されていて、好ましくは、相補的なエッジ形状とされている。エッジ形状は、互いの相互連結を可能とするような、Ｕ字形状、あるいは、先広の鳩尾形状とすることができる。
【００２７】
レセプタクル２０は、また、内部に煉瓦２４が配置された金属ケーシング２６を備えている。この金属ケーシング２６は、特に、ステンレススチールから形成することができる。金属ケーシング２６は、煉瓦２４を完全に被覆する内側スキンおよび外側スキンを備えている。ケーシング２６は、また、レセプタクル２０の内側スキンおよび外側スキンのそれぞれの上エッジどうしを互いに連結するための上部フランジを備えている。
【００２８】
金属ケーシング２６の上部フランジは、レセプタクル２０をベッセル１０に対して懸架するために使用することができる。この場合には、レセプタクル２０は、図１に示すように、ベッセル１０の内部に設けられた支持体２８上に支持されている。
【００２９】
変形例としては、ベッセル１０の鉛直軸に対して径方向を向く向きとされた放射状補強部材（図示せず）を、レセプタクル２０とベッセル１０とを隔離しているスペース２２内に、介在させることができる。この場合、放射状補強部材には、スペース２２内における水の循環を補助するための複数の穴が設けられる。
【００３０】
図示の実施形態においては、レセプタクル２０は、ベッセル１０のベースの形状と同中心的な、実質的に半球形の形状とされている。
【００３１】
この実施形態の図示しない変形例においては、この半球形状に対して、ベッセル１０の鉛直軸上に中心線を置く実質的な円筒部分を連接して、レセプタクル２０を上方へと延長させることができる。この構成は、特に、深刻な事故時に形成されると予想されるコーリウムの全体積が、半球形のレセプタクル２０であれば、レセプタクル２０内の利用可能な容積を超えると予想される場合に、採用することができる。レセプタクル２０内において利用可能な容積の推定は、レセプタクル内部に充填された後述の多孔性無機材料３０の存在を考慮して行われる。
【００３２】
深刻な事故時にコア１２によって生成されるコーリウムの全量を、レセプタクル２０内に有効に受領可能とするために、図示のように、レセプタクルの上部エッジの上方に、リングコレクタ３２を配置することができる。このコレクタ３２は、特に、クロスビーム構造３３を介して、レセプタクル２０の上部フランジ上に支持することができる。
【００３３】
コレクタ３２の上面は、内方に湾曲しているとともに、ベッセル１０の壁の近傍において上方を向いているような、ホッパーの形状とされている。より詳細には、数センチメートルに制限されたクリアランスが、コレクタ３２とベッセル１０の壁との間に設けられている。これは、溶融時のコアからの破片の流れが、レセプタクル２０とベッセル１０のベースとの間のスペース２２内へと侵入することを防止するためである。
【００３４】
本発明の本質的な特徴点においては、上述のように、レセプタクル２０内には、多孔性無機材料３０が完全に充填されている。この多孔性無機材料は、コア１２の偶発的溶融時に形成されるコーリウムに対して混合されこれによりコーリウムの温度を、煉瓦２４を形成している耐火材料の融点よりも低い平衡温度にまで下げ得るように、選択されている。コーリウムに対して混合されることによって、水分を有していない材料３０は、蒸気爆発の対しての前提条件の発生を妨害する。これは、水分を有していない材料３０が、コーリウムがレセプタクル２０内において下降移動する時に***することによって形成された各コーリウム粒子の周囲に蒸気フィルムが形成されてしまうことを、防止するからである。したがって、蒸気爆発によるレセプタクル損傷というリスクが、実際に排除される。
【００３５】
レセプタクル２０を充填する多孔性無機材料３０は、有利には、約９９％シリカを含有したセラミック発泡体である。このタイプの材料であると、レセプタクル２０内におけるコーリウムの下降移動時にコーリウムの徐冷を行うことができる。したがって、コーリウムの温度は、煉瓦２４を形成する耐火材料の融点以下において安定化される。このようにして、耐火煉瓦の溶融によるレセプタクル２０の損傷を避けることができる。
【００３６】
材料３０の空隙率は、コア１２の溶融によって形成されるコーリウムの全量を受領し得るよう、レセプタクル２０の内容積が十分に大きなものとなるように選択される。この観点から、同時に、下降移動時のコーリウムの減速および冷却という観点から、約６３％〜約８０％の空隙率を有した材料が、満足のいくものであると考えられる。
【００３７】
好ましくは、図１に示されているように、コーリウムを広げて分散させるための手段が、レセプタクル２０とレセプタクル内に充填されている多孔性無機材料３０との上に配置されている。この手段は、特に、水平穿孔プレート３４または水平グリッドから形成することができる。
【００３８】
深刻な事故の際に、コア１２の溶融によって生成されるコーリウムの通路３６が、図示されている。コーリウムが穿孔プレート３４上に落下したときには、レセプタクル２０の全幅にわたって広がる。そして、コーリウムは、プレート３４の穴を通ってレセプタクル２０内に侵入する。その後、コーリウムは、水分を含有していない多孔性無機材料３０内において***する。上述のように、この材料３０は、蒸気爆発というリスクを排除する。材料３０によって減速されたコーリウムの下方移動に伴って、コーリウムは、耐火煉瓦２４の融点以下の温度にまで冷却される。スペース２２内における自然対流によって形成されている水循環によって、耐火煉瓦２４が冷却され、また、レセプタクル２０全体が冷却される。したがって、レセプタクル２０の完全性が、最良の条件の下で維持される。
【００３９】
本発明が、例示された上記実施形態に限定されないことは、自明である。既に指摘したように、本発明は、コアの構成および関連内部構造の構成にかかわらず、任意のタイプの水利用型原子炉に対して、適用することができる。また、レセプタクルの形状および構造は、例示したものとは異なるものとすることができる。さらに、スペース２２、コーリウムの広げ手段、および、リングコレクタ３２は、設けることが好ましいものではあるが、場合によっては、省略することもできる。最後に、多孔性無機材料としては、シリカをベースとしたセラミック発泡体が好ましいけれども、場合によっては、他のものとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 水利用型原子炉の下部を示す鉛直方向の断面図であって、本発明によるレセプタクルを備えている。
【符号の説明】
１０ ベッセル
１２ 原子炉コア
２０ レセプタクル
２２ スペース
２４ 耐火材料
２６ 金属ケーシング
３０ 多孔性無機材料
３４ 水平穿孔プレート（コーリウム広げ手段）

Claims (10)

1. ベッセルとこのベッセル内に収容された原子炉コアとを具備してなる水利用型原子炉であって、
   前記ベッセル内において前記コアの下方に収容されているとともに、少なくとも一部が耐火材料から形成された、洗面器形状のレセプタクルを具備し、
   該レセプタクルは、前記コアの偶発的溶融時に形成されるコーリウムを受領することができ、
   該レセプタクル内には、コーリウムに対して溶融して混合されることにより前記耐火材料の融点以下の平衡温度にまでコーリウム温度を下げることができる多孔性無機材料であるとともに、水分を有さない多孔性無機材料が完全に充填されていることを特徴とする原子炉。
2. 請求項１記載の原子炉において、
   コーリウムを広げて分散させるためのコーリウム広げ手段が、前記レセプタクルと該レセプタクル内に収容されている前記多孔性無機材料との上方に、配置されていることを特徴とする原子炉。
3. 請求項２記載の原子炉において、
   前記コーリウム広げ手段が、グリッド、または、水平穿孔プレートを備えていることを特徴とする原子炉。
4. 請求項１記載の原子炉において、
   前記多孔性無機材料が、セラミック発泡体であることを特徴とする原子炉。
5. 請求項４記載の原子炉において、
   前記セラミック発泡体が、約９９％シリカを含有していることを特徴とする原子炉。
6. 請求項１記載の原子炉において、
   前記多孔性無機材料が、約６３％〜約８０％の空隙率を有していることを特徴とする原子炉。
7. 請求項１記載の原子炉において、
   前記レセプタクルが、前記ベッセルの底部から、水の循環のための上方連通スペースの分だけ、隔離されていることを特徴とする原子炉。
8. 請求項１記載の原子炉において、
   前記レセプタクルが、実質的に半球状であることを特徴とする原子炉。
9. 請求項１記載の原子炉において、
   前記レセプタクルが、実質的に半球状の部分と、この半球状部分の上側に連接された実質的に円筒形の部分と、を備えていることを特徴とする原子炉。
10. 請求項１記載の原子炉において、
    前記レセプタクルが、金属ケーシングを備え、
    該金属ケーシングの内部に、前記耐火材料が配置されていることを特徴とする原子炉。

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