JP2010038571A - 炉心溶融物冷却装置および炉心溶融物冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却流路への初期の注水を早める。
【解決手段】下部ドライウェル１３の上方に設けられた原子炉圧力容器１に収められた炉心４０が溶融して生じた炉心溶融物を冷却する炉心溶融物冷却装置に、下部ドライウェル１３に設けられて上方に向かって開いた容器６２と、容器６２の下部外面に沿って容器６２と連通する下部ドライウェル１３に対して開いた開口部１６まで延びる冷却流路１１を形成するステンレス鋼６０およびコンクリート６１などの構造体と、炉心溶融物が容器６２に落下する前に容器の外縁２４より下方で冷却流路１１と連通する空間の体積以下の冷却水を冷却流路１１に供給する初期給水手段と、を備える。初期給水手段は、たとえばサプレッションプール４から延びる配管６３、注水ポンプ１８などを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、炉心が溶融して生じた炉心溶融物を冷却する炉心溶融物冷却装置および炉心溶融物冷却方法に関する。

水冷却型原子炉では、原子炉圧力容器内への給水の停止や、原子炉圧力容器に接続された配管の破断などにより冷却水が喪失すると、原子炉水位が低下し炉心が露出して冷却が不十分になる可能性がある。このような場合を想定して、水位低下の信号により自動的に原子炉は非常停止され、非常用炉心冷却系による冷却材の注入によって炉心を冠水させて冷却し、炉心溶融事故を未然に防ぐようになっている。しかし、極めて低い確率ではあるが、非常用炉心冷却系が作動せず、かつ、その他の炉心への注水装置も利用できない事態も想定される。このような場合、原子炉水位の低下により炉心は露出し、十分な冷却が行われなくなり、原子炉停止後も発生し続ける崩壊熱によって燃料棒温度が上昇し、最終的には炉心溶融に至ると考えられる。

このような事態の場合、高温の炉心溶融物（コリウム）が原子炉圧力容器下部に溶け落ち、さらに原子炉圧力容器下鏡を溶融貫通して、格納容器内の床上に落下する。コリウムは格納容器床に張られたコンクリートを加熱し、接触面が高温状態になるとコンクリートと反応し、二酸化炭素、水素等の非凝縮性ガスを大量に発生させるとともにコンクリートを溶融浸食する。発生した非凝縮性ガスは格納容器内の圧力を高め、原子炉格納容器を破損させる可能性がある。また、コンクリートの溶融浸食により格納容器バウンダリを破損させ、格納容器構造強度を低下させる可能性がある。結果的に、コリウムとコンクリートの反応が継続すると格納容器破損に至り、格納容器内の放射性物質が外部環境に放出するおそれがある。

このコリウムとコンクリートの反応を抑制するためには、コリウムを冷却し、コリウム底部のコンクリートとの接触面の温度を浸食温度以下（一般的なコンクリートで１５００Ｋ以下）に冷却するか、コリウムとコンクリートが直接接触しないようにする必要がある。炉心溶融物が落下した場合に備えて、様々な対策が提案されている。代表的な対策設備としては、コアキャッチャー（炉心溶融物冷却装置）が挙げられる。これは、落下した炉心溶融物を耐熱材で受けとめて、注水手段と組み合わせて炉心溶融物の冷却を図る設備である（たとえば特許文献１ないし３参照）。
特開２００７−２２５３５６号公報 特開２００７−２３２５２９号公報 特開平６−１３８２７８号公報

炉心溶融物冷却装置には冷却水が供給されなければ、炉心溶融物を冷却することができない。そこで、炉心溶融物（デブリ）が下部ドライウェルに落下するような事故が生じた際は、炉心溶融物落下時の輻射熱で熱溶融栓が溶融し、重力落下式非常用炉心冷却系のプール水を下部ドライウェルに注水する手法がある。しかし、このような注水手法では、炉心溶融物が炉心溶融物冷却装置に落下した後すぐには炉心溶融物冷却装置へ注水されない。つまり、注水がなされないまま炉心溶融物冷却装置で一定期間炉心溶融物を保持しないといけない。このため、炉心溶融物冷却装置が破損する可能性がある。一方、炉心溶融物が落下する部分に予め冷却水を蓄えておくと、炉心溶融物が大量の冷却水に一度に接触することになり、水蒸気爆発が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、炉心溶融物冷却装置の冷却流路への初期の注水を早めることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、原子炉容器に収められた炉心が溶融し床および壁に囲まれた下部空間に落下した際に炉心溶融物を冷却する炉心溶融物冷却装置において、前記下部空間に設けられて上方に向かって開いた容器と、前記容器の下部外面に沿って前記容器と連通する空間に対して開いた開口まで延びる冷却流路を形成する構造体と、前記炉心溶融物が前記容器に落下する前に前記容器の外縁より下方で前記冷却流路と連通する空間の体積以下の冷却水を前記冷却流路に供給する初期給水手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、原子炉容器に収められた炉心が溶融し床および壁に囲まれた下部空間に落下した際に、炉心溶融物を、前記下部空間に設けられて上方に向かって開いた容器と、前記容器の下部外面に沿って前記容器と連通する空間に対して開いた開口まで延びる冷却流路を形成する構造体と、を備えた炉心溶融物冷却装置で冷却する炉心溶融物冷却方法において、前記炉心溶融物が前記容器に落下する前に、前記容器の外縁より下方で前記冷却流路と連通する空間の体積以下の冷却水を前記冷却水流路に供給する初期給水工程、を有することを特徴とする。

本発明によれば、炉心溶融物冷却装置の冷却流路への初期の注水を早めることができる。

本発明に係る炉心溶融物冷却装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第１の実施の形態について、以下図を参照して説明する。図１は、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置の立断面図である。図２は、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置の一部拡大上面図である。図３は、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置を用いた原子炉格納容器の立断面図である。

炉心４０は、原子炉圧力容器１の内部に形成されている。原子炉圧力容器１は、格納容器２の内部に設けられている。格納容器２は、ペデスタル床４１およびペデスタル床４１から上方に延びる円筒状のペデスタル側壁４２を有している。原子炉圧力容器１は、支持スカート３０を介してペデスタル側壁４２に設けられた圧力容器支持部３１で支持されている。原子炉圧力容器１の下方のペデスタル床４１およびペデスタル側壁４２で囲まれる空間は下部ドライウェル１３と呼ばれる。つまり、原子炉圧力容器１は、下部ドライウェル１３の上方に設けられている。また、格納容器２の内部には、ペデスタル側壁４２の外周面を取り囲むように、サプレッションプール４が形成されている。

炉心溶融物冷却装置７は、下部ドライウェル１３の内部でペデスタル床４１の上に設けられる。炉心溶融物冷却装置７と原子炉圧力容器１との間には、サンプ床２８が設けられている。

炉心溶融物冷却装置７は、上に開いた容器６２を有している。容器６２は、たとえばステンレス鋼で形成されている。容器６２の内面は、耐熱材１２で覆われている。耐熱材１２は、たとえばジルコニア（ＺｒＯ_２）である。容器６２の外側下面の中央部には、給水容器１０が設けられている。

また、炉心溶融物冷却装置７は、ステンレス鋼６０およびコンクリート６１の構造体を有している。これらの構造体、ペデスタル側壁４２および容器６２の外側下面によって、給水容器１０、冷却流路１１、ダウンカマ部９、および、給水流路２３が形成されている。ステンレス鋼６０の構造体は、たとえば、傾斜伝熱面を持った複数の扇形のチャンネルを円周方向に密に並べ、全体として円錐形状に配置したものである。

冷却流路１１は、給水容器１０から開口部１６まで容器６２の下面に沿って延びる空間である。冷却流路１１の開口部１６は、容器６２の外側で、容器６２と同じく下部ドライウェル１３に開口している。ダウンカマ部９は、冷却流路１１の開口部１６の外側に形成された入口２５からペデスタル側壁４２に沿ってペデスタル床４１まで延びた空間である。給水流路２３は、ダウンカマ部９のペデスタル床４１側の端部から給水容器１０に延びる空間である。冷却流路１１の開口部１６およびダウンカマ部９の入口２５は、いずれも容器６２の外縁２４よりも低い位置に形成されている。

さらに、たとえばペデスタル側壁４２の内部には、追加保水容器１５が形成されている。追加保水容器１５は、ダウンカマ部９と注水管２１を介して連通している。つまり、追加保水容器１５は、下部ドライウェル１３の外部に設けられて、冷却流路１１と連通する保水空間である。

また、追加保水容器１５の上部は、下部ドライウェル１３と配管２０を介して連通している。追加保水容器１５とサプレッションプール４との間には、注水ポンプ１８および注水弁１９が取り付けられた配管６３が延びている。追加保水容器１５には、水位計１７が取り付けられている。なお、追加保水容器１５は、ペデスタル側壁４２の内部に形成されている必要はなく、たとえば外部に設けられたタンク、あるいは、サプレッションプール４の一部を仕切り板で区切った領域として形成してもよい。

また、格納容器２は、水槽５を有している。水槽５から給水容器１０には、注水配管８が延びている。注水配管８の途中には注水弁４３が設けられている。さらに、格納容器２は、格納容器冷却器６を有している。格納容器冷却器６は、ドライウェルに開口した端部から水中に沈められた熱交換器を通って水槽５に延びる配管を有している。格納容器冷却器６とは、静的格納容器冷却設備やドライウェルクーラーなどである。

通常の運転時、すなわち炉心が溶融する事故が発生する前には、追加保水容器１５および冷却流路１１に注水ポンプ１８によってサプレッションプール４に蓄えられた水が供給されて蓄えられている。つまり、注水ポンプ１８、注水弁１９、配管６３および注水管２１は、炉心溶融物が容器６２に落下する前に容器６２の外縁２４より下方で冷却流路１１と連通する空間の体積以下の冷却水を冷却流路１１に供給する初期給水手段である。

この際、追加保水容器１５の内部の気体は、追加保水容器１５と下部ドライウェル１３を連通させる配管２０によって下部ドライウェル１３に排出される。冷却流路１１の開口部１６およびダウンカマ部９の入口２５は、いずれも容器６２の外縁２４よりも低い位置に形成されているため、容器６２の内部にあふれないように冷却水流路に冷却水を蓄えておくことができる。

また、冷却流路１１の水位は、水位計１７と、サプレッションプール４と接続された注水ポンプ１８と注水弁１９からなる注水系で構成される水位監視システムによって監視・制御される。冷却流路１１の水位は、全炉心溶融物が炉心溶融物冷却装置７に落下して堆積する高さよりも高く設定するのが望ましい。

炉心溶融事故が発生し、炉心溶融物が原子炉圧力容器の下部ヘッド３を貫通すると、サンプ床２８に落ちた後、容器６２の内面に敷設された耐熱材１２の上に落下する。高温の炉心溶融物の熱は、まず耐熱材１２に伝わり、冷却流路１１を形成するステンレス鋼６０などの構造体を介して冷却水流路内の冷却水に伝えられる。冷却流路１１の内部の冷却水は、いずれ沸騰する。

耐熱材１２の融点（たとえばＺｒＯ_２を使用した場合の融点は２４００℃程度）は、炉心溶融物温度（平均的融点は２２００℃程度）よりも高いため、耐熱材１２は溶融しない。耐熱材１２によって炉心溶融物が直接、冷却流路１１に接触することはなく、また、耐熱材１２の熱抵抗により熱流束が抑えられるため、冷却流路１１の壁が破損することはない。冷却流路１１の上面は傾斜しているため、冷却流路１１の内部での冷却水の沸騰により生じた蒸気泡は、浮力によって伝熱面から離脱しやすい。このため、良好な熱伝達率が得られる。

また、容器６２の外縁２４は、冷却流路１１の開口部１６およびダウンカマ部９の入口２５よりも低い位置にある。ダウンカマ部９は、給水流路２３および給水容器１０を介して冷却流路１１に接続している。したがって、ダウンカマ部９、給水流路２３および給水容器１０は、入口２５から冷却流路１１に延びる再循環流路を形成している。このため、冷却流路１１の冷却水は、容器６２に溢れることなく、図１の一点鎖線の矢印５６の方向に、循環流路内を自然循環する。このようにして炉心溶融物は、炉心溶融物冷却装置７によって保持され、冷却される。

本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７では、炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１には冷却水が供給されている。このため、炉心溶融物が落下した容器６２は、背面から冷却水によって冷却され、落下直後から炉心溶融物を冷却することが可能である。つまり、炉心溶融物冷却装置への初期の注水の遅れによる炉心溶融物を冷却不能な状態に陥る可能性を厳に抑制することができる。

ダウンカマ部９などは、容器６２の外縁２４よりも低い位置で、冷却流路１１に接続する再循環経路を形成している。このため、冷却流路１１を流れる冷却水は自然循環し、炉心溶融物の冷却に繰り返して用いられることになり、冷却効率が向上する。

また、炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１に供給される冷却水の体積は、容器６２の外縁２４より下方で冷却流路１１と連通する空間の体積以下である。このため、炉心溶融物が容器６２に落下する前に容器６２の内部に、冷却水が溢れていることはない。したがって、炉心溶融物は、炉心溶融物冷却装置７に落下した際に、多量の冷却水と接触することがない。この結果、水蒸気爆発の発生する可能性をより小さくすることができる。

さらに、本実施の形態では、下部ドライウェル１３の外部に追加保水容器１５を有している。このため、下部ドライウェル１３の大きさに制限されることなく、炉心溶融物の初期の冷却に用いられる冷却水の保水量を適宜増加させることができる。

炉心溶融物が容器６２に落下して、予め冷却流路１１に供給されていた冷却水で炉心溶融物が冷却され始めた後、注水弁４３が開く。注水弁４３は、たとえば原子炉圧力容器１の下部ヘッド３の破損を検知する信号（たとえば下部ヘッド温度高やペデスタル雰囲気温度高の信号）によって開放される。注水弁４３が開くことにより、水槽５の冷却水は重力によって落下し、給水容器１０を介して冷却流路１１に供給される。

冷却水の温度上昇および沸騰、ならびに、水槽５から冷却流路１１に冷却水が供給されることにより、冷却水と連通する空間に供給された冷却水の体積が容器６２の外縁２４より下方で冷却流路１１と連通する空間の体積を超えると、冷却水は容器６２の内部に溢れ出る。容器６２の内部に溢れ出た冷却水は、炉心溶融物上に水プールを形成する。これにより、炉心溶融物の上面においても冷却水は沸騰し、炉心溶融物は冷却される。

このように、冷却流路１１の内部での沸騰と、炉心溶融物上面の沸騰の両方によって炉心溶融物は除熱される。この除熱の際に発生した蒸気は、格納容器２に設置された格納容器冷却器６により冷却・凝縮されて水槽５に集められ、再び給水容器１０に供給される。給水容器１０に供給された冷却水は、再び冷却流路１１へ供給され、上述の炉心溶融物冷却挙動が継続される。

また、定検時などには、炉心溶融物冷却装置７の冷却流路１１などからサプレッションプール４へ排水できるようにすることにより、冷却流路１１の内部の冷却水の交換などのメンテナンスを行うことができる。つまり、炉心溶融物冷却装置７の運用・保守は、容易である。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第２の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。

本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７は、第１の実施の形態と初期注水手段が異なる。本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７は、タンク２６と、初期注水配管５２と、注水弁２２とを有している。タンク２６は、容器６２（図１参照）の外縁２４（図１参照）より下方で冷却流路１１（図１参照）と連通する空間の体積以下の冷却水を蓄えている。初期注水配管５２は、タンク２６から給水容器１０を介して冷却流路１１まで延びている。注水弁２２は初期注水配管５２の途中に設けられている。タンク２６として、格納容器２内の上方に設置された水槽５の一画を仕切り板で区切った領域を使用してもよい。

注水弁２２は、たとえば溶融弁であって、銅などの熱伝導の良い物質２９を介して原子炉圧力容器１のたとえば下部ヘッド３の近傍に取り付けられている。注水弁２２は、原子炉圧力容器１が所定の温度以上になったら開くようになっている。注水弁２２を、圧力容器支持スカート３０または圧力容器支持部３１などの原子炉圧力容器１の支持部材の一部に設けてもよい。炉心が溶けて下部ヘッド３に溶融物が堆積した際に、直接原子炉圧力容器１から熱が伝わって注水弁２２は溶融するため、注水弁２２の溶融時期を早めることができる。注水弁２２として、弁の一種である原子炉圧力容器１が所定の温度以上になったら溶融する栓を用いてもよい。

炉心４０が溶融して原子炉圧力容器１の下部ヘッド３に落下すると、その溶融物の熱が輻射により、あるいは、熱伝導の良い物質を介して注水弁２２に伝達される。注水弁２２は、原子炉圧力容器１の温度が所定の温度以上になると開き、タンク２６に蓄えられた冷却水が冷却流路１１に供給される。このため、炉心溶融物が容器６２に落下する前に、容器６２の外縁２４より下方で冷却流路と連通する空間の体積以下の冷却水が冷却流路に供給される。

このように、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７では、炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１には冷却水が供給されている。このため、炉心溶融物が落下した容器６２は、背面から冷却水によって冷却され、落下直後から炉心溶融物を冷却することが可能である。つまり、炉心溶融物冷却装置への初期の注水の遅れによる炉心溶融物を冷却不能な状態に陥る可能性を厳に抑制することができる。

また、ダウンカマ部９（図１参照）などによって、冷却流路１１に接続する再循環経路が形成されているため、冷却流路１１を流れる冷却水は自然循環し、炉心溶融物の冷却に繰り返して用いられることになり、冷却効率が向上する。炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１に供給される冷却水の体積は、容器６２の外縁２４より下方で冷却流路１１と連通する空間の体積以下である。このため、炉心溶融物が容器６２に落下する前に容器６２の内部に、冷却水が溢れていることはない。したがって、炉心溶融物は、炉心溶融物冷却装置７に落下した際に、多量の冷却水と接触することがない。この結果、水蒸気爆発の発生する可能性をより小さくすることができる。

さらに、炉心溶融物冷却装置７の冷却流路１１などには、炉心が溶融する事故が発生する前は、冷却水が存在しないため、冷却流路１１の周りの構造材などが腐食するおそれが小さい。また、冷却水が存在しないため、点検などのメンテナンスが容易である。

［第３の実施の形態］
図５は、本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第３の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。

本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７は、第２の実施の形態と初期注水手段が異なる。本実施の形態では、タンク２６は気相部分に開いた気体導入口および液相部分に開いた液体排出口以外は密閉されている。タンク２６の気相部分に開いた気体導入口から開放端５４には、気体導入配管５３が延びている。気体導入配管５３の途中には、注水弁２２が取り付けられている。注水弁２２は、銅などの熱伝導の良い物質２９を介して原子炉圧力容器１のたとえば下部ヘッド３の近傍に取り付けられていて原子炉圧力容器１が所定の温度以上になると開くようになっている。

初期注水配管５２は、タンク２６の液体排出口から冷却流路１１に向かって一部が上昇して延びている。初期注水配管５２の途中には弁５１が設けられている。

原子炉の運転の開始前などに、タンク２６には、容器６２（図１参照）の外縁２４（図１参照）より下方で冷却流路１１（図１参照）と連通する空間の体積以下の冷却水が供給される。タンク２６への冷却水の供給の際、初期注水配管５２に設けられた弁５１は閉じた状態で、注水弁２２は開いた状態とする。タンク２６への冷却水の供給が終了したら、注水弁２２を閉じ、初期注水配管５２に設けられた弁５１を開いておく。タンク２６は密閉されているため、タンク２６の気相へは気体が流入することがなく、タンク２６の内部の冷却水は初期注水配管５２の上昇部分を超えて冷却流路１１に流れていくことはない。

炉心４０が溶融して原子炉圧力容器１の下部ヘッド３に落下すると、その溶融物の熱が輻射により、あるいは、熱伝導の良い物質を介して注水弁２２に伝達される。注水弁２２は、原子炉圧力容器１の温度が所定の温度以上になると開き、タンク２６の気相へ気体が流入し、タンク２６に蓄えられた冷却水が冷却流路１１に供給される。このため、炉心溶融物が容器６２に落下する前に、容器６２の外縁２４より下方で冷却流路と連通する空間の体積以下の冷却水が冷却流路に供給される。注水弁２２の溶融開放部分を流れるのは気体のみであり、冷却水は流れないため、溶融した注水弁２２が冷却・凝固して流路を閉塞することを回避できる。

このように、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７では、炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１には冷却水が供給されている。このため、炉心溶融物が落下した容器６２は、背面から冷却水によって冷却され、落下直後から炉心溶融物を冷却することが可能である。つまり、炉心溶融物冷却装置への初期の注水の遅れによる炉心溶融物を冷却不能な状態に陥る可能性を厳に抑制することができる。

また、ダウンカマ部９（図１参照）などによって、冷却流路１１に接続する再循環経路が形成されているため、冷却流路１１を流れる冷却水は自然循環し、炉心溶融物の冷却に繰り返して用いられることになり、冷却効率が向上する。炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１に供給される冷却水の体積は、容器６２の外縁２４（図１参照）より下方で冷却流路１１と連通する空間の体積以下である。このため、炉心溶融物が容器６２に落下する前に容器６２の内部に、冷却水が溢れていることはない。したがって、炉心溶融物は、炉心溶融物冷却装置７に落下した際に、多量の冷却水と接触することがない。この結果、水蒸気爆発の発生する可能性をより小さくすることができる。

さらに、炉心溶融物冷却装置７の冷却流路１１などには、炉心が溶融する事故が発生する前は、冷却水が存在しないため、冷却流路１１の周りの構造材などが腐食するおそれが小さい。また、冷却水が存在しないため、点検などのメンテナンスが容易である。

［第４の実施の形態］
図６は、本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第４の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。

本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７は、第３の実施の形態と初期注水手段が異なる。本実施の形態の初期注水手段は、水槽５、初期注水配管３５および熱作動弁３２を有している。水槽５は、初期注水が終了した後に炉心溶融物冷却装置７へ供給される冷却水も蓄えている。

初期注水配管３５は、水槽５から給水容器１０を介して冷却流路１１（図１参照）に延びている。熱作動弁３２は、サンプ床２８よりも上方で初期注水配管３５の途中に設けられていて、所定の温度以上になると開くようになっている。熱作動弁３２の代わりに、所定の温度以上になると開く栓を用いてもよい。熱作動弁３２は、たとえばサンプ床２８の近傍に配置されている。

また、水槽５からたとえばダウンカマ部９（図１参照）の入口２５（図１参照）の近傍には、注水配管３６が延びている。サンプ床２８の下方で注水配管３６の途中には注水弁３３が設けられている。注水配管３６の途中に設けられた注水弁３３は、炉心溶融物がサンプ床２８を貫通して容器６２に落下した後に、たとえば所定の温度を超えたときに開くようになっている。

炉心溶融事故が発生し、炉心溶融物が原子炉圧力容器の下部ヘッド３を貫通すると、サンプ床２８に落ちる。このとき、サンプ床２８の上方に設けられた熱作動弁３２は、炉心溶融物の熱によって温度が上昇し、開く。これにより、水槽５に蓄えられた冷却水が、初期注水配管３５を通って、冷却流路１１に供給される。

初期注水配管３５は、単位時間当たりの流量を制限するために、内径が所定の大きさになるように形成されている。つまり、初期注水配管３５は、それ自体が、流れる水の単位時間当たりの流量を制限する流量制限手段となっている。ここで、初期注水配管３５を流れる単位時間当たりの流量は、サンプ床２８に炉心溶融物が落下してからサンプ床２８を貫通して容器６２（図１参照）に落下するまでの時間に冷却流路１１に供給される冷却水が、容器６２の外縁２４より下方で冷却流路１１と連通する空間の体積以下となるような流量とする。なお、弁やオリフィスなどの流量制限手段を用いてもよい。

炉心４０が溶融してサンプ床２８に落下すると、炉心溶融物の熱によって温度が上昇した熱作動弁３２が開き、水槽５に蓄えられた冷却水が冷却流路１１に供給される。このように、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７では、炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１には冷却水が供給される。このため、炉心溶融物が落下した容器６２は、背面から冷却水によって冷却され、落下直後から炉心溶融物を冷却することが可能である。つまり、炉心溶融物冷却装置への初期の注水の遅れによる炉心溶融物を冷却不能な状態に陥る可能性を厳に抑制することができる。

この際、初期注水配管３５を流れる単位時間当たりの流量は、所定の流量に制限されている。このため、炉心溶融物が容器６２に落下する前に、容器６２の外縁２４より下方で冷却流路と連通する空間の体積以下の冷却水が冷却流路に供給される。したがって、炉心溶融物が容器６２に落下する前に容器６２の内部に冷却水が溢れていることはなく、炉心溶融物は、炉心溶融物冷却装置７に落下した際に、多量の冷却水と接触することがない。この結果、水蒸気爆発の発生する可能性をより小さくすることができる。

また、ダウンカマ部９（図１参照）などによって、冷却流路１１に接続する再循環経路が形成されているため、冷却流路１１を流れる冷却水は自然循環し、炉心溶融物の冷却に繰り返して用いられることになり、冷却効率が向上する。さらに、炉心溶融物冷却装置７の冷却流路１１などには、炉心が溶融する事故が発生する前は、冷却水が存在しないため、冷却流路１１の周りの構造材などが腐食するおそれが小さい。また、冷却水が存在しないため、点検などのメンテナンスが容易である。

サンプ床２８が破損して炉心溶融物冷却装置７へと炉心溶融物が落下した後は、サンプ床下部に設置した注水弁３３が溶けて開き、容器６２の内部にも注水される。これにより、炉心溶融物の上面においても冷却水は沸騰し、炉心溶融物は冷却される。

このように、本実施の形態では、初期の冷却およびその後の継続的な冷却に用いる冷却水を蓄える容器として同じ水槽５を用いているため、格納容器２の構造を単純化することができる。

［第５の実施の形態］
図７は、本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第５の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。

本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７は、第４の実施の形態と初期注水手段が異なる。本実施の形態では、水槽５の一部は、容器６２（図１参照）の外縁２４（図１参照）より下方で冷却流路１１（図１参照）と連通する空間の体積以下の冷却水供給部３４として区切られている。初期注水配管３５は、冷却水供給部３４に接続されている。なお、冷却水供給部３４の代わりに、水槽５とは別に格納容器２の上方に位置するタンクを設けてもよい。

炉心４０が溶融してサンプ床２８に落下すると、炉心溶融物の熱によって温度が上昇した熱作動弁３２が開き、冷却水供給部３４に蓄えられた冷却水が冷却流路１１に供給される。このように、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７では、炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１には冷却水が供給される。このため、炉心溶融物が落下した容器６２は、背面から冷却水によって冷却され、落下直後から炉心溶融物を冷却することが可能である。つまり、炉心溶融物冷却装置への初期の注水の遅れによる炉心溶融物を冷却不能な状態に陥る可能性を厳に抑制することができる。

この際、冷却水供給部３４に蓄えられた冷却水は、容器６２の外縁２４より下方で冷却流路１１と連通する空間の体積以下である。したがって、炉心溶融物が容器６２に落下する前に容器６２の内部に冷却水が溢れていることはない。このため、炉心溶融物は、炉心溶融物冷却装置７に落下した際に、多量の冷却水と接触することがない。この結果、水蒸気爆発の発生する可能性をより小さくすることができる。

また、第４の実施の形態のように初期注水配管の単位時間当たりの流量を制限しなくてもよいため、初期注水配管３５の配管径を広げることができる。このため、より確実に、冷却流路１１へ注水することができる。

［第６の実施の形態］
図８は、本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第６の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。

本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７は、第５の実施の形態と初期注水手段が異なる。本実施の形態では、初期注水配管３５は、水槽５の側壁に接続されている。初期注水配管３５が接続された位置５５よりも上方に蓄えられた冷却水の体積は、容器６２（図１参照）の外縁２４（図１参照）より下方で冷却流路１１（図１参照）と連通する空間の体積以下となるようにする。

炉心４０が溶融してサンプ床２８に落下すると、炉心溶融物の熱によって温度が上昇した熱作動弁３２が開き、冷却水供給部３４に蓄えられた冷却水が冷却流路１１に供給される。このように、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７では、炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１には冷却水が供給される。このため、炉心溶融物が落下した容器６２は、背面から冷却水によって冷却され、落下直後から炉心溶融物を冷却することが可能である。つまり、炉心溶融物冷却装置への初期の注水の遅れによる炉心溶融物を冷却不能な状態に陥る可能性を厳に抑制することができる。

この際、供給される冷却水は、水槽５の内部で初期注水配管３５が接続された位置５５よりも上方に位置するものだけであるから、容器６２の外縁２４より下方で冷却流路１１と連通する空間の体積以下である。したがって、炉心溶融物が容器６２に落下する前に容器６２の内部に冷却水が溢れていることはない。このため、炉心溶融物は、炉心溶融物冷却装置７に落下した際に、多量の冷却水と接触することがない。この結果、水蒸気爆発の発生する可能性をより小さくすることができる。

このように本実施の形態では、第５の実施の形態のように水槽５の一部を区切ることなく、冷却流路１１のみを冷却水で満たすように注水できる。

［第７の実施の形態］
本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第７の実施の形態について以下説明する。図９は、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置の立断面図である。

本実施の形態の炉心溶融物冷却装置は、第６の実施の形態におけるサンプ床２８（図８参照）の代わりに、容器６２の上面を覆う蓋６４および冷却流路１１の開口部１６の上方にトラップ６５を設けたものである。また、第６の実施の形態におけるサンプ床２８よりも上方に設けられた熱作動弁３２（図８参照）の位置を蓋６４の近傍に変更している。なお、注水弁３３の位置は、蓋６４の近傍に位置する熱作動弁３２よりも蓋６４からの距離が大きくなるよう配置されている。

蓋６４は、たとえば容器６２の外縁２４を外周とする平板状に形成される。トラップ６５は、ペデスタル側壁４２から内側に向かって投影形状がリング状になるように広がっている。蓋６４の近傍には熱作動弁３２が設けられている。

炉心溶融事故が発生し、炉心溶融物が原子炉圧力容器の下部ヘッド３を貫通すると、蓋６４に落ちる。このとき、蓋６４の近傍に設けられた熱作動弁３２は、炉心溶融物の熱によって温度が上昇し、開く。これにより、水槽５（図８参照）に蓄えられた冷却水が、初期注水配管３５を通って、冷却流路１１に供給される。

このように、本実施の形態の炉心溶融物冷却装置７では、炉心溶融物が容器６２に落下する前に冷却流路１１には冷却水が供給される。このため、炉心溶融物が落下した容器６２は、背面から冷却水によって冷却され、落下直後から炉心溶融物を冷却することが可能である。つまり、炉心溶融物冷却装置への初期の注水の遅れによるデブリを冷却不能な状態に陥る可能性を厳に抑制することができる。

蓋６４が破損して容器６２へと炉心溶融物が落下した後は、蓋６４の近傍に設けられた熱作動弁３２よりも蓋６４から離れた位置に設けられた注水弁３３が溶けて開き、容器６２の内部にも注水される。これにより、炉心溶融物の上面においても冷却水は沸騰し、炉心溶融物は冷却される。

また、トラップ６５を設けることにより、開口部１６から冷却流路１１に、あるいは、入口２５からダウンカマ部９に炉心溶融物が入り込み、冷却水の流路が閉塞されるおそれが小さくなる。トラップ６５を内側の方が低くなるように傾斜させることにより、炉心溶融物はトラップ６５に落下したとしても、容器６２の中心に向かって滑り落ちていく。さらに、熱作動弁３２および注水弁３３をトラップ６５の下方に設けておくことにより、炉心溶融物と接触して熱作動弁３２、注水弁３３、初期注水配管３５および注水配管３６の内部の冷却水の流路が閉塞されるおそれが小さくなる。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施してもよい。

本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第１の実施の形態における炉心溶融物冷却装置の立断面図である。 本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第１の実施の形態における炉心溶融物冷却装置の一部拡大上面図である。 本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第１の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。 本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第２の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。 本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第３の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。 本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第４の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。 本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第５の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。 本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第６の実施の形態を用いた原子炉格納容器の立断面図である。 本発明に係る炉心溶融物冷却装置の第７の実施の形態における炉心溶融物冷却装置の立断面図である。

符号の説明

１…原子炉圧力容器、２…格納容器、３…下部ヘッド、４…サプレッションプール、５…水槽、６…格納容器冷却器、７…炉心溶融物冷却装置、８…注水配管、９…ダウンカマ部、１０…給水容器、１１…冷却流路、１２…耐熱材、１３…下部ドライウェル、１５…追加保水容器、１６…開口部、１７…水位計、１８…注水ポンプ、１９…注水弁、２０…配管、２１…注水管、２２…注水弁、２３…給水流路、２４…外縁、２５…入口、２６…タンク、２８…サンプ床、２９…熱伝導の良い物質、３０…支持スカート、３１…圧力容器支持部、３２…熱作動弁、３３…注水弁、３４…冷却水供給部、３５…初期注水配管、３６…注水配管、４０…炉心、４１…ペデスタル床、４２…ペデスタル側壁、４３…注水弁、５１…弁、５２…初期注水配管、５３…気体導入配管、５４…開放端、６０…ステンレス鋼、６１…コンクリート、６２…容器、６３…配管、６４…蓋、６５…トラップ

Claims (14)

1. 原子炉容器に収められた炉心が溶融し床および壁に囲まれた下部空間に落下した際に炉心溶融物を冷却する炉心溶融物冷却装置において、
   前記下部空間に設けられて上方に向かって開いた容器と、
   前記容器の下部外面に沿って前記容器と連通する空間に対して開いた開口まで延びる冷却流路を形成する構造体と、
   前記炉心溶融物が前記容器に落下する前に前記容器の外縁より下方で前記冷却流路と連通する空間の体積以下の冷却水を前記冷却流路に供給する初期給水手段と、
   を有することを特徴とする炉心溶融物冷却装置。
2. 前記開口は、前記外縁よりも下方に位置し、
   前記構造体は、前記外縁よりも下方で前記下部空間に向かって開いた入口から前記冷却流路に接続する出口に延びる再循環流路をさらに形成することを特徴とする請求項１に記載の炉心溶融物冷却装置。
3. 前記下部空間の外部に設けられて前記冷却流路と連通する追加保水容器をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炉心溶融物冷却装置。
4. 前記冷却流路の内部の水位を監視する水位監視手段を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の炉心溶融物冷却装置。
5. 前記初期給水手段は、前記容器の外縁より下方で前記冷却流路と連通する空間の体積以下の冷却水を蓄えるタンクと、前記タンクから前記冷却流路に延びる初期注水配管とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炉心溶融物冷却装置。
6. 前記初期注水配管の途中に設けられて前記原子炉容器が所定の温度以上になると開く弁を有することを特徴とする請求項５に記載の炉心溶融物冷却装置。
7. 前記タンクは気相部分に開いた気体導入口および液相部分に開いた液体排出口以外は密閉されていて、前記初期注水配管は前記液体排出口から前記冷却流路に向かって一部が上昇して延び、前記気体導入口に接続されて前記原子炉容器が所定の温度以上になると開く弁を有することを特徴とする請求項５に記載の炉心溶融物冷却装置。
8. 前記原子炉容器と前記容器との間に設けられて前記下部空間を上下に区切るサンプ床を有し、前記初期注水配管の途中であって前記サンプ床よりも上方に設けられて所定の温度以上になると開く弁を有することを特徴とする請求項５に記載の炉心溶融物冷却装置。
9. 水槽と、
   前記水槽から前記冷却流路に延びる注水配管と、
   前記サンプ床よりも下方で前記注水配管の途中に設けられて前記炉心溶融物が前記容器に落下した後に開く弁を有することを特徴とする請求項８に記載の炉心溶融物冷却装置。
10. 前記容器の上面を覆う蓋を有し、前記初期注水配管の途中であって前記蓋の近傍に設けられて所定の温度以上になると開く弁を有することを特徴とする請求項５に記載の炉心溶融物冷却装置。
11. 前記容器よりも上方で前記壁から内側に向かって広がるトラップを有することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の炉心溶融物冷却装置。
12. 前記初期給水手段は、水槽と、前記水槽から前記冷却流路に延びる初期注水配管と、前記初期注水配管を流れる水の単位時間当たりの流量を制限する流量制限手段とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の炉心溶融物冷却装置。
13. 原子炉容器に収められた炉心が溶融し床および壁に囲まれた下部空間に落下した際に、炉心溶融物を、前記下部空間に設けられて上方に向かって開いた容器と、前記容器の下部外面に沿って前記容器と連通する空間に対して開いた開口まで延びる冷却流路を形成する構造体と、を備えた炉心溶融物冷却装置で冷却する炉心溶融物冷却方法において、
    前記炉心溶融物が前記容器に落下する前に、前記容器の外縁より下方で前記冷却流路と連通する空間の体積以下の冷却水を前記冷却水流路に供給する初期給水工程、
    を有することを特徴とする炉心溶融物冷却方法。
14. 前記炉心溶融物が前記容器に落下した後に、前記容器の内部に冷却水が溢れるように前記炉心溶融物冷却装置に冷却水を供給する工程、を有することを特徴とする請求項１３に記載の炉心溶融物冷却方法。

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