JP6776241B2 - 加圧水型原子炉の溶融炉心を冷却して閉じ込めるシステム - Google Patents
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Description
これを防ぐには、漏れ出したコリウムを、それが完全に結晶化するまで、閉じ込めて冷却すべきである。この機能を発揮する溶融炉心(コリウム)冷却閉じ込めシステムは、原子炉に深刻な事故が生じた場合、NPPの建屋の破損を防いで作業員および周囲を被爆から保護する。
本発明の背景には、次に、コリウムを閉じ込めて冷却する装置として設計された伝熱容器の壁構造がある。この構造は、内壁と外壁、および、それらの間に挟まれた、犠牲材と化学的には同じ性質を持つ粒状のセラミック充填材を、少なくとも100mmの厚さで含む。(特許文献2参照。)
−水冷容器の底と同じ形の底を成す下側のブロックには、上側のブロックにはある中央の穴がない。この結果、下側のブロックでは、ほとんどが溶けた鋼鉄とジルコニウムとであるコリウムの最初の部分が侵入した際、希釈剤のペレットに「詰まり(jamming)」が生じる。容器の底の傾斜角が10°〜20°であることを考えると、詰まったペレットの重量は、容器に含まれるペレットの総重量の25%〜35%である。コリウムの最初の部分の侵入から1〜3時間後、ほとんどが酸化ウランと酸化ジルコニウムとであるコリウムの次の部分が侵入するが、下側のブロックではペレットと熱化学反応を起こす状態にはなり得ない。これは、下側のブロックでは、先に侵入した鋼鉄が固化してペレットと酸化ウラン/酸化ジルコニウムとの間の相互作用を妨げ、または鋼鉄製の構造および締結部品を破壊して容器内のペレットをすべて浮かび上がらせ、コリウムの上にスラグの覆い(slag cap)を形作らせるからである。
−粒状のセラミック材には、伝熱容器の外壁を高温の溶融物の熱から保護する効果がない。これは、このセラミック材が平均熱伝導率0.5W/mK未満の効果的な断熱材であり、実際には、炉心溶融が終わるまで熱を容器の外壁へは伝導させないからである。したがって、溶融炉心によって粒状のセラミック材が洗い落とされる間に、伝熱容器が破壊される危険性が増す。
本発明の目的は、上記のような技術の欠点を取り除くことにある。
−内側と外側との金属壁は鋼鉄製である。
−充填材は融点が800〜1400℃である。
−多層容器の外側の金属壁と定常的に熱交換するコンクリートまたはセラミックスの裏込め層が充填材として利用される。
−複数の肋材は、内側の金属壁を通して多層容器の内部空間の中まで伸び、保護作用を持つ支持構造を形成している。
−多層容器の上部はフランジを備えており、このフランジの内径と外径とはそれぞれ内側と外側との金属壁の内径に等しい。
このシステムは、類似のシステムに比べ、外側と内側との金属壁、および熱伝導度の低い充填材の3層の被覆材を含む炉心捕獲器を備えている。この充填材の厚さhfilは不等式0.8hext<hfil<1.6hextを満たす。このパラメータの関係は、外壁に影響を与えることなく、コリウムからの効果的な除熱を可能にする。これは次の理由に因る。まず、低熱伝導度の充填材の厚さが0.8hext以上である。そうでなければ、熱衝撃を受けた場合に充填材はその機能を発揮できず、外側の伝熱壁を完全な状態に保つことができないであろう。次に、低熱伝導度の充填材の厚さが1.6hext以下である。そうでなければ、外側の伝熱壁を通した熱交換は、1時間を超えて完全に遮断される可能性がある。この可能性は熱物理的な要請(コリウムの温度と放射温度、エアロゾルの生成量の増大等)に基づいて許容できない。
−計装制御系統(I&C)のセンサー類を接続している被覆管。
−外部の供給源から冷却水の供給を受けるコリウム噴霧管(すなわち配管に接続されたヘッダー)。この噴霧管により、コリウムに噴霧されるべき冷却水が片持ち梁の上方から供給される。
−正常な動作期間において案内板(4)を冷却するための空気を供給する給気管。
捕獲器(8)は、格納容器(1)が溶け、または破壊された場合、溶融炉心を原子炉の下の空洞(3)の中に閉じ込めて冷却する。この空洞の中には伝熱面が広がり、熱を大量の水へ伝えてその水を沸騰させる。この空洞(3)の中に捕獲器(8)は、埋め込まれた部分を土台として設置されている。
−外側の金属層(11)。(「外壁」ともいう。)
−充填材層(12)。この素材は金属壁の素材よりも熱伝導度が低い。
−内側の金属層(13)。(「内壁」ともいう。)
外層(11)は、グレードが22K、20K、25L、20L等の鋼鉄製であってもよく、壁厚が10〜90mmであり、底厚が70〜120mmであってもよい。内層(13)は、グレードが22K、20K、25L、20L、09G2S、スチール20等の鋼鉄製であってもよく、壁厚が5〜50mmであり、底厚が20〜60mmであってもよい。充填材の層(12)は融点800〜1400℃の物質から成る。融点の最高値は、内層(13)に使用されている鋼鉄の融点に等しい。充填材はコンクリート製またはセラミック製のチップ(裏込材)から形成されていてもよい。このチップは酸化鉄を主成分とし、捕獲器(8)の多層容器の外層(11)と熱交換する。熱伝導性を確保する目的では、セラミックチップが高融点成分と低融点成分との少なくとも2成分を含む。この低融点成分が多層容器の外層(11)との熱伝導性を確保する。
0.8hext<hfil<1.6hext。
下限は、多孔度が5〜10%である鋳造の充填材に適用され、上限は、多孔度が40%以上である嵩の大きい充填材に適用される。この場合は特に充填材層の厚さhfilが10〜100mmであってもよい。
−肋材の熱力学的不安定性(充填材と一緒の場合でさえ、力学的衝撃によって構造の深刻な変形が生じる。)により、下限は0.5hext未満ではあり得ない。
肋材は多層容器の内層(13)を通して捕獲器(8)の内部空間の中まで伸び、保護作用を持つフレームを形成してもよい。
[多層容器の設計例]
−直径:6m。
−内層:壁は鋼鉄22K製で厚さ20mm。底は鋼鉄22K製で厚さ30mm。
−充填材層:酸化鉄を主成分とするセラミックチップ製で厚さ60mm。
−スラグ層:酸化鉄、酸化アルミニウム、および酸化ジルコニウムの混合物製で厚さ0.5mm。
充填材(10)は、コリウムの体積分布を炉心捕獲器(8)の中に留める。充填材は更に、コリウムを酸化して溶解させることにより、コリウムから放出される単位体積あたりのエネルギーを減少させ、かつコリウムのうちエネルギーを放出する部分と多層容器の外層(11)との間の伝熱面積を増加させるように設計されている。その上、充填材は、コリウムのうち燃料を含む部分が鋼鉄層の上に浮かぶ状態の生成に寄与する。充填材は、鋼鉄、鉄を含む酸化物、および酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムから生成可能であり、容器の円筒部分だけでなく円錐部分の空洞の底にもコリウムを分布させるための流路を含む。
−漏出事故の際に交換して水を除去すべき充填材。
−充填材を漏出事故から保護する加圧部材の集合体。
上記のシステムは次のように動作する。
格納容器(1)が破壊された時点では、溶融炉心は流体としての過剰な圧力により、片持ち梁(5)によって支持されている案内板(4)の表面へ移動し始める。溶融炉心は、案内板(4)の各部分を通して流れ落ちると、捕獲器(8)の多層容器の中へ侵入して充填材(10)に接触する。流れ落ちるコリウムが部分間で非対称である場合、片持ち梁(5)の断熱部(6)と操作床(7)とが溶け始める。この断熱部は、破壊されることにより、コリウム自体の温度と化学的な反応性とを弱めると共に、保護対象の設備にコリウムの熱が与える影響を弱める。
外層(11)の表面で生成された蒸気は上昇し、蒸気用の逃げ道を通って格納容器へ流れ込み、そこで凝縮される。凝縮液は格納容器から貯留槽へ流れる。この貯留槽は複数本の流路によって、炉心捕獲器(8)が設置された原子炉下の空洞(3)へ繋がれている。したがって、炉心捕獲器を長期間冷却する場合においても、冷却水の循環機能と外層(11)からの定常的な除熱機能とが確保される。捕獲器(8)内のコリウムは、蓄積した熱と残留エネルギーの放出に伴う熱とが減少するにつれて次第に冷却される。充填材(10)との相互作用を終えた後の溶融物を冷却する最初の段階では、主に多層容器の外層(11)を通して熱が交換される。冷却水が捕獲器(8)に供給された後、熱流は次第に定常化する。すなわち、外層(11)を通る熱流量はコリウムの表面からの熱流量と等しくなる。最終段階ではコリウムは、炉心捕獲器(8)に供給される冷却水によって直に冷却され得る。これは、コリウムが固化する間に透水性の構造を形成する場合に可能である。
2−原子炉格納容器の底
3−コンクリート製のアーチ形貯蔵室(原子炉内の空洞)
4−案内板
5−片持ち梁
6−片持ち梁の断熱部
7−操作床
8−炉心捕獲器
9−多層容器のフランジの断熱部
10−充填材
11−多層容器の外層
12−多層容器内の充填材
13−多層容器の内層
14−段階的に先細りする形状、または円筒形状のコリウム用貯槽
15−スラグ層
Claims (7)
- 加圧水型原子炉の溶融炉心を冷却して閉じ込めるシステムであって、
前記原子炉容器の底の下に設置された円錐形状の案内板と、
前記案内板の下に設置され、前記案内板を支持する片持ち梁と、
前記片持ち梁の下に設置され、冷却被覆材を備えることにより外側の伝熱壁を、衝撃、熱、および化学的影響から保護するための多層容器として形成されている炉心捕獲器と、
前記多層容器の中で溶融炉心を希釈するための充填材と
を備え、
前記多層容器は内側と外側との金属壁を含み、これらの金属壁の間に充填材層が挟まれており、前記充填材層は各金属壁の素材よりも熱伝導度が低く、前記充填材層の厚さhfilは前記多層容器の外壁の厚さhextに対して不等式0.8hext<hfil<1.6hextを満たしており、
前記充填材層は、融点が800〜1400℃である
ことを特徴とするシステム。 - 加圧水型原子炉の溶融炉心を冷却して閉じ込めるシステムであって、
前記原子炉容器の底の下に設置された円錐形状の案内板と、
前記案内板の下に設置され、前記案内板を支持する片持ち梁と、
前記片持ち梁の下に設置され、冷却被覆材を備えることにより外側の伝熱壁を、衝撃、熱、および化学的影響から保護するための多層容器として形成されている炉心捕獲器と、
前記多層容器の中で溶融炉心を希釈するための充填材と
を備え、
前記多層容器は内側と外側との金属壁を含み、これらの金属壁の間に充填材層が挟まれており、前記充填材層は各金属壁の素材よりも熱伝導度が低く、前記充填材層の厚さh fil は前記多層容器の外壁の厚さh ext に対して不等式0.8h ext <h fil <1.6h ext を満たしており、
前記内側と外側との金属壁の間には複数の肋材が設置されており、各肋材の厚さh rib は不等式0.5h ext <h rib <h ext を満たす
ことを特徴とするシステム。 - 加圧水型原子炉の溶融炉心を冷却して閉じ込めるシステムであって、
前記原子炉容器の底の下に設置された円錐形状の案内板と、
前記案内板の下に設置され、前記案内板を支持する片持ち梁と、
前記片持ち梁の下に設置され、冷却被覆材を備えることにより外側の伝熱壁を、衝撃、熱、および化学的影響から保護するための多層容器として形成されている炉心捕獲器と、
前記多層容器の中で溶融炉心を希釈するための充填材と
を備え、
前記多層容器は内側と外側との金属壁を含み、これらの金属壁の間に充填材層が挟まれており、前記充填材層は各金属壁の素材よりも熱伝導度が低く、前記充填材層の厚さh fil は前記多層容器の外壁の厚さh ext に対して不等式0.8h ext <h fil <1.6h ext を満たしており、
人為的なスラグ層が前記多層容器の外側の金属壁と充填材層との間に追加されており、当該スラグ層は、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化鉄のうち少なくとも1つを主成分とし、当該主成分の質量含有率が20重量%以上である
ことを特徴とするシステム。 - 前記複数の肋材は、前記内側の金属壁を通して前記多層容器の内部空間の中まで伸び、保護作用を持つ支持構造を形成している
ことを特徴とする請求項2に記載のシステム。 - 前記内側と外側との金属壁は鋼鉄製である
ことを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載のシステム。 - 前記多層容器の外側の金属壁と定常的に熱交換するコンクリートまたはセラミックスの層が前記充填材層として利用される
ことを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載のシステム。 - 前記多層容器の上部はフランジを備えており、当該フランジの内径と外径とはそれぞれ前記内側と外側との金属壁の内径に等しい
ことを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載のシステム。
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