JP2012021979A - 原子力発電所の耐震・耐津波非常発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】 主として海洋に面した原子力発電所の巨大地震で非常送電遮断時の原子炉停止プロセスにおいて、地震に伴う巨大津波の到来に際し、緊急炉心冷却に必要な電力を供給する安全且つ高信頼度の非常発電設備が求められる。
【解決手段】 発電設備の全ての機器・装置を１棟の耐震・耐波・水密の建屋内に配し、該建屋の地下部に燃料油タンク及びポンプ室を、地上部に２組（常用・予備）の内燃機関駆動の発電機及びその遠隔自動始動を含む運転操作に必要な全ての機器を、屋上に想定最高津波高に破砕波を含む余裕を加えた標高且つ耐震耐波の吸排気塔をそれぞれ配して非常発電設備を構成、なお、津波に曝される海洋沿岸の重要施設の非常発電設備にも応用可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主として原子力発電所の非常発電設備に係るものであり、なお、津波に曝される海洋沿岸に設置の発電設備の全般にも応用可能である。

一般に原子力発電所は、原子炉の高圧缶（圧力容器）内に装填した燃料棒のウラン原子核反応熱で発生する高温・高圧の水蒸気により、化石燃料の燃焼熱を利用する火力発電所と同様に、タービン発電機を駆動し電力に変換するものであり、原子炉の発生熱量の大半を復水器により冷却放散のため海岸或いは大河沿岸に設置され、特に海洋に面した発電所は地震に伴う津波に曝される。

該復水器の熱交換部において、タービンを経た水蒸気は、循環水ポンプで取水・放水する大量の海水で冷却されて清水に戻り、給水ポンプにより原子炉の高圧缶内に再注入される。

巨大地震で送電遮断の緊急時には、原子炉停止プロセスとして、原子炉の燃料棒群に制御棒を全挿入して原子核反応を止め、タービン発電機の慣性運転で給水ポンプと循環水ポンプを減速しながら働かせ、過渡期の昇温を避けながら原子力発電を停止する。

上記に並行し、発電所の非常電源として構内に設置のディーゼル機関駆動の発電機（以下、デイーゼル発電機と呼ぶ）を始動し、緊急炉心冷却装置に給電して該装置の冷却器、冷却水ポンプ（海水・清水）を働かせ、原子炉心すなわち高圧缶内の清水を冷却・循環して燃料棒の残留熱及び崩壊熱を放散し、大気圧下の沸点より充分低い冷状態に保ち発電所の休止状態に至る。

なお、原子炉に隣設の燃料棒保管プールも同様に冷却水を循環し、該保管燃料棒の崩壊熱を冷却する。

巨大地震に伴う津波は、深海域では海水は上下運動であるが伝搬速度及び波長が非常に大きく、海岸に近付くと海底の影響で深部が減速し浅部との伝搬速度差で波高増大と共に流速を生じ、長波長の慣性で堤防を越えて発電所構内に流れ込み、構内地面に設置の諸設備に冠水、浮力、水撃や渦流で大きな荷重を与え損傷を齎す。

沿岸部が平野であれば数ｍの波高で数kmの内陸に達し、山地では数十mに駆け登った例が見られ、震源の挙動にも不確定要因があり、過去の実例波高での堤防は必ずしも安全とは言えず、非常発電設備を付近の高台に設置すれば、冷却水取水のため低地に設置のポンプの揚程・動力の増大は勿論、長い揚水管路の地震・津波に対し弱点を伴う。

発電所全幅に亘り高堤防を施せば、近接地域の波勢増大を招き、越流あれば該堤防が反って構内滞留を招いて諸設備の冠水が長引き損害増加を招く。

なお、津波は震源海底の挙動のみならず、対岸大陸の急傾斜海岸の大規模地滑りによる巨大津波の可能性も地質学の課題に上っており、入江奥部の地滑りでの津波が対岸山地を超えた実例もあり、津波特性として注目すべきである。

上述のように不確定要因を持つ巨大地震及び津波に際し、原子炉の冷却・停止に必要な電力を供給する、安全且つ高信頼度の非常発電設備が求められる。

発電設備に係る全ての機器・装置を１棟の耐震・耐波・水密構造且つ吸排気塔付建屋内に配し、該建屋の地下部に燃料油タンク及びポンプ室を、最低海水位（干潮）以下に冷却海水の取水路及び放水路を、地上部に内燃機関駆動の発電機及びその遠隔自動始動を含む運転操作及び点検・保守に必要な全ての機器をそれぞれ配して非常発電設備を構成し、原子炉棟毎に設置する。

建屋上の吸排気塔は、不確定要因を含む最大想定津波高に破砕波高を含む余裕を充分加えた高さの耐震・耐波構造とし、燃料油タンク底及びポンプ室床は、最高海水位（満潮位）より高位とし取水路及び放水路からの津波水撃に耐える水密構造とする。

保守要員出入口、換気口及び機器搬出入口は、耐震・耐波の水密扉とし、出入・開閉頻度が高い前２者は一挙動操作の閉鎖ハンドル付き（艦船の水密区画に倣う）とする。

燃料油タンクは、区分壁を配して構造強化し且つ地震時の油面揺れ（Sloshing）を抑え、鋼板内張りを施して外部漏油を防ぎ、なお、燃料油量の必要に応じ建屋側部にもタンクを拡大し、油面上に微正圧の不活性ガス（窒素、アルゴン等）を満たし揮発性ガスを抑える。

燃料タンクは、送電線復旧までの非常電源給電に充分な容量を持ち、燃料油は含有不純物及び揮発分が微小なA重油（小規模発電設備では軽油）を使用し、復旧の遅延に備え棟外に耐震・耐波の給油口を配して緊急輸送の車両・船舶から追加給油可能とし、なお、震災後の陸・海路不通に備えヘリコプタからの緊急空中給油も可能とする。

内燃機関付発電機はディーゼル発電機（以下、原動機を発電機関と呼ぶ）が望ましく、２台で以って常用・予備として常時待機の二重化安全を期し、出力電力系は隣設（例えば２号機）の非常発電設備との並列電路を配し、全体として定期検査では１台毎に順次休止・検査・復帰し、不慮の緊急時における万一の発電機故障に備え隣接棟の予備機でバックアップ可能とする。

なお、２台とも平常時に運転試験を兼ねて順次単独及び並列で稼働し、構内施設及び近隣地域に給電し、回転・摺動部の潤滑、関連機器・装置の慣らし作動を以って、設備を常に最良状態に保持する。

冷却海水系は、最低海水位より充分下位の取水路内に濾し器付ポンプ部没水の深井戸ポンプを２台並列設置して二重化安全を期し、揚水管の天端エルボはフランジ形の電動機台と一体構造としてポンプ室の床版貫通口に水密装着し、逆止弁を経て共通管に纏め、各発電機関の冷却水入口に分岐接続し、冷却水出口からの排水管は大径管に纏め、床版水密貫通口を経て放水路に落す。

なお、津波複数波の到来直前の引き波に備え、取水路容積を充分採り概冷却海水系の空吸込みを避ける。

燃料油系は、燃料油移送ポンプを燃料タンク底と同高のポンプ室床版上に２台並列設置して二重化安全を期し、発電機関より上位に設置の燃料油供給タンクに汲み上げて各発電機関の燃料油入口に正圧供給し、なお、該供給タンクに配した耐震性の油面センサにより燃料油移送ポンプを自動発停し燃料油切れを避ける。

発電機出力の電力ケーブル及び制御ケーブルは、原子炉棟（原子炉及びタービン発電機を設置）及び隣設の非常発電設備に至るダクト内に配し、建屋壁貫通部は水密且つ耐震可撓構造とする。

発電機関の始動・運転に係る機器（蓄電池、充電器、補機の初期動力用インバータ、空気圧縮機、圧縮空気槽等）は上述の冷却海水系及び燃料油系と同様に各々２台（常用・予備）を配して二重化安全を期する。

発電機関及び発電機に接続する全ての端末配管・配線は連続運転振動に係る可撓管・線を使用するは勿論、他の重量機器に係る配管も振動態様差による応力集中なきよう、可撓部を設け耐震安全を期する。

建屋内の床版上に配管・配線ダクトを配して通路床で覆い、ポンプ室床版と共に、逆止弁付排水管を配して万一の浸水に備える。

ディーゼル発電機セットの共通台枠は建屋天井クレーンの補助で車輪装着可能とし、床版にレールを配して建屋外に導き該発電機セットの搬出入に供し、不調機の換装を可能とする。

病院等の重要な施設では、地下室に設置の非常発電設備は、空冷式デイーゼル発電機を使用し、上述の非常発電棟に倣い発電機室は耐震・耐波・水密構造とし、入口扉は艦船の水密区画のものを配して密閉可能とし、建屋の隅部に吸排気路を配し屋上に吸排気塔或いは建屋側面に吸排気開口を最高想定津波に対し充分安全な高さに配し、万一超えたときは自重閉鎖の水密フラップで浸水を防ぎ、蓄電池電源で緊急排水するのがよい。

上述の如く構成した本発明の非常発電設備は、下記の特徴を持つ。

非常発電設備に係る全ての装置・機器を燃料油タンクと共に共通１棟の堅牢な建屋内に設置するので、地震に対しては共通の振動系に入り、主要重量機器間の振動挙動差による配管・配線への影響に注意すればよく、津波に対しては小規模構造の吸排気塔により想定外の波高にも容易に対応可能である。

建屋外には、冷却海水取水路及び放水路、吸排気塔の他は、可撓の電力・制御ケーブル且つ短距離の電路のみで原子炉棟及び隣設非常発電棟との結合（Interface）は頗る簡潔・安全であり、巨大地震及び津波に充分対応可能である。

原子炉棟は、原子炉、タービン発電機、復水器、緊急炉心冷却装置及び使用済み燃料棒保管プールに係る循環水ポンプ、給水ポンプ、再循環ポンプ、緊急冷却器・冷却水ポンプ（海水・清水）及び圧力逃し弁等に係る主要管路結合の機器・装置に限定し、電路結合のみの変圧・送電塔他の構内施設を別棟とすれば本発明の如き耐震耐波構造は容易であり、原子炉棟内の機器に故障あっても別棟の非常発電設備に影響せず、直ちに原子炉棟に給電し緊急炉心冷却装置を稼働可能として放射線管理区域を原子炉棟内に局限し、送電線復旧も容易となる。

特別な高堤防を要せず、長時間冠水を齎す越流の構内滞留なく、津波による損傷を局限できる（一般に原子力発電所は漁船等の停泊なく背後は山地であり、津波による浮遊物の通過・滞留はないと考えてよい）。

原子力発電所の非常発電設備は、原子炉棟内のポンプ容量等が大きいため、船舶の主機関並の規模であり、本発明による耐震・耐波性の向上と二重化による安全・信頼度向上により、予備機も稼働でき構内施設外にも非常給電可能となる。

なお、従来の常識的な発電所全体に亘る津波防止の高堤防の設置には、岸壁付近の低い基礎地盤からの鉄筋コンクリート構造を要し、膨大な土木工事となることに注目すべきである。

発電機関にガスタービンを使用すれば冷却海水系が不要となり、空気量が大きいため開放棟で以って津波に曝されない標高の奥地や高台に棟内燃料油タンクと共に設置でき、地理的・地形的条件によっては延伸の地上電路の耐震上の弱点や岸壁からの燃料油補給の制約を伴うが、ユニット型の付属火力発電所と見做し該電路の強化策を講ずれば、上述の非常発電設備と同様に扱うことができる。

耐震安全性向上のため建屋に免震機構を施すと、津波到来時に建屋下面に浸水し、建屋排水量による巨大な浮力を齎すので注意を要する。

本発明の非常発電設備の側断面図 本発明の非常発電設備に係る原子力発電所の関連系統図

図面を参照し、本発明の非常発電設備の実施例を説明する。

図１において、鉄筋コンクリート構造の建屋１を岩盤２の上に配し、地下部に燃料油タンク３及びポンプ室４を、該タンク底５と該ポンプ室床版６が最高海水面（満潮高）ＨＷＬ以上にそれぞれ配し、該床版６の下の取水路７は最低海水面（干潮高）ＬＷＬより充分深く採って原子炉棟の取水路（後述）に導く。

建屋１の地上部床版８の上は、非常発電機室９とし、屋上１０には不確定要因を含む想定最高津波に破砕波高を含む余裕を加えた高さH［m］の吸排気塔１１を配し、非常発電棟１を構成する。

床版８の上に発電機関１２、発電機１３及び共通台枠１４より成るディーゼル発電機セット１５を搭載し、発電機関１２の排気管１６を吸排気塔１１内に配する。

ポンプ室４の床版６に、発電機関毎に深井戸ポンプ１７を、その濾し器付きポンプ部１８が取水路７の最低海水面ＬＷＬより充分深くから取水するよう配し、揚水管１９の天端エルボ２０を貫通のポンプ軸に電動機２２を連結し、図２に並示のように、該エルボ２０に逆止弁２３を配して冷却海水主管２４を地上部床版８上に導き、分岐して各発電機関１２の冷却水入口２５に接続し、冷却水出口２６より排水管２７を以って放水路２８に落し、冷却海水系を構成する。

建屋１の地下部に配した燃料油タンク３に、区分壁２９を配し構造補強と油面３０の慣性揺れ（Sloshing）の抑制を期し、鋼板内張３１を施して建屋１の外部への漏油を防ぎ、油面３０上の空間に微正圧の不活性ガス（窒素、アルゴン等）を注入して燃料油の揮発性ガスを抑え防火安全を期する。

ポンプ室４の床版６上に、２台の濾し器付歯車ポンプ３５を配し、タンク３の底部から燃料油を吸引し、揚油管３６で非常発電機室９の二階床３７に設置の燃料油供給タンク３８に送り、該供給タンクに装着の耐震性油面センサ３９で歯車ポンプ３５を自動発停するよう燃料油移送・供給系を構成する。

燃料油供給タンク３８は発電機関１２の天端より上位にあり、発電機関１２の燃料系に正圧給油する。

非常発電機室９に非常用蓄電池、充電器及びインバータを設置し、機関補機（始動用空気圧縮機、冷却海水ポンプ１７、燃料油移送ポンプ３５等、標準的補機として図示省略）の初期棟内動力電源とし、発電機１３の静止励磁装置、発電機盤（標準的機器として図示省略）を経て電力・制御ケーブルを電路４０として燐設の原子炉棟及び非常発電棟（２号原子炉棟用等）に導く。

発電機１３の電力出力は、制御ケーブルと共に可撓の電力ケーブルで建屋１の壁を水密貫通し、耐震・耐波とする。

建屋１の地上部棟内には、上述の他、空気槽及び始動空気弁等、一切の装置・機器（発電機関に標準的なもの故、図示省略）を設置する。

建屋１の上部には、天井クレーン４１を配してディーゼル発電機セット１５の保守における重量部品の吊上げを可能とし、共通台板１４の下の床版８にレールを設置して台輪を装入可能とし、建屋１の壁に耐震・耐波・水密の開口扉４２を配してディーゼル発電機セット１５の搬入・搬出を可能とする。

原子力発電所の非常用発電設備には、ディーゼル発電機セット１５を冷却海水ポンプ１７、燃料油移送ポンプ３５及び始動装置と共に２組設置し、定期検査中の休止は隣設の非常発電棟も含めて１組毎とし、全体として常に３組の二重化（常用２台・予備1台）で以って地震による外部受電不能の非常事態に備える。

隣設の原子炉棟に付属の非常用発電設備と共に供用可能且つ原子炉棟の１棟毎に定期検査休止においても、各々非常発電設備はディーゼル発電機セット１５の定期検査休止は１組毎すなわち計３組が稼働可能状態にあり、内２組が運転し、残る１組を共通の予備としてバックアップに供することができる。

図２に関連系統を示せば、原子炉棟５１内に原子炉（BWR）５２、タービン発電機（TG）５３、復水器（Cndnsr）５４、取水路７より取水の循環ポンプ（P）５５、給水ポンプ（P）５６、緊急炉心冷却装置（ECCS）５７、保管燃料プール（NEP）５８及びその冷却装置５９にそれぞれ冷却器（CLR）、清水ポンプ（FWP）及び海水ポンプ（SWP)を持ち、原子炉５２に装着の圧力逃し弁（RV）６０及び排気塔６１を持つ。

タービン発電機５３の出力は電路６２で別棟の変圧・送電棟６３内の変圧器（Tr）及び開閉装置６４を経て送電線により需要地に送電される。

本発明の非常発電設備は、吸排気塔１１付きの非常発電棟１内に設置し、原子炉棟５１とは、変圧・送電棟と同様に、棟間結合（Interface）は電路のみの簡潔な系統構成であり、原子炉棟外施設として放射線管理区域外になる。

非常発電棟１を高標高の奥地や高台に設置し発電機関１２にガスタービンを使用の場合は、建屋１は吸排気塔を持たない開放形となり冷却海水系が不要になる他は、上述と同様であり図示省略する。

１ 建屋、非常発電棟 ２ 岩盤
３ 燃料油タンク ４ ポンプ室
５ タンク底 ６ ポンプ室床版
７ 取水路 ８ 地上部床版
９ 非常発電機室 １０ 屋上
１１ 吸気塔 １２ 発電機関
１３ 発電機 １４ 共通台枠
１５ ディーゼル発電機セット １６ 排気管
１７ 深井戸ポンプ、冷却海水ポンプ １８ 没水ポンプ部
１９ 揚水管 ２０ エルボ
２１ ポンプ軸 ２２ 電動機
２３ 逆止弁 ２４ 冷却海水主管
２５ 冷却水入口 ２６ 冷却水出口
２７ 排水管 ２８ 放水路
２９ 区分壁 ３０ 油面
３１ 鋼板内張 ３２ 欠番
３３ 海 ３４ 岸壁
３５ 歯車ポンプ、燃料油移送ポンプ ３６ 揚油管
３７ 二階床 ３８ 燃料油供給タンク
３９ 油面センサ ４０ 電路、電力・制御ケーブル
４１ 天井クレーン ４２ 開口扉
４３〜５０ 欠番
５１ 原子炉棟 ５２ 原子炉（BWR）
５３ タービン発電機（ＴＧ） ５４ 復水器
５５ 循環ポンプ ５６ 給水ポンプ
５７ 緊急炉心冷却装置（ＥＣＣＳ） ５８ 保管燃料プール
５９ 冷却装置 ６０ 圧力逃し弁（ＲＶ）
６１ 排気棟 ６２ 変圧・送電棟
６３ 変圧器（Ｔｒ） ６３ 送電線

Claims (3)

1. 発電設備に係る全ての機器・装置を１棟の耐震・耐波・水密構造の建屋内に配し、該建屋の地下部に燃料油タンク及びポンプ室を、最低海水位以下に発電機関の冷却水の取水路及び放水路を、地上部に内燃機関駆動の発電機及び発電機関の遠隔自動始動を含む運転操作及び点検保守に必要な全ての機器をそれぞれ配して構成した非常発電設備。
2. 請求項１の建屋の屋上に、想定最高津波高に破砕波を含む余裕を加えた標高且つ耐震・耐波構造の吸排気塔を配して構成した非常発電設備。
3. 請求項１の非常発電設備の発電機関にガスタービンを使用して開放形建屋の発電棟内に配し、原子力発電所に近接且つ最高想定津波高より充分上位の標高の奥地や高台に設置し、平常時は一般の火力発電所と同様に稼働して近隣需要地に送電し、地震・津波災害時に該原子力発電所の送電緊急遮断時の原子炉停止プロセスにおいて、緊急炉心冷却装置に給電するよう構成した非常発電設備。