JP2015137905A - 原子炉格納容器及び原子炉 - Google Patents

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明紀 田村
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Abstract

【課題】本発明の目的は、格納容器の冷却性能を向上させることにある。【解決手段】本発明は原子力発電プラントに関する発明であって、原子炉圧力容器を覆う格納容器と、前記格納容器の外側に設置され、前記格納容器内の蒸気を前記格納容器外の空気と熱交換させる空冷熱交換器とを備えた原子炉格納容器であり、前記空冷熱交換器の鉛直上に四角柱型の空気流路を設けることを特徴とする。【効果】本発明によれば、格納容器の冷却性能が向上する。【選択図】 図１

Description

本発明は、原子力発電プラントの原子炉格納容器に関する。
特許文献１には、原子力発電所の非常用ガス処理設備に関する技術が開示されている。具体的には、原子炉格納容器を覆っている空洞型構造物を有し、空洞型構造物に側部吸入口と上部排出口とを設置し、上部排出口にフィルタを取り付けてある。事故時には、原子炉格納容器から空洞型構造物に入熱する崩壊熱により、空洞型構造物内に加熱空気が、加熱空気により気流が、それぞれ発生し、気流により加熱空気を空洞型構造物外に排除する技術である。
特開平５−２５６９７７公報
ポンプ等の動的機器を用いた場合に比べ、浮力による駆動力は微小であるため、空気流れの圧力損失を出来る限り低減する必要がある。しかしながら、特許文献１に記載の非常用ガス処理設備では、格納容器上方へ向かうに従ってアニュラス部の空気流路断面積が減少するため、空気流速が増加し、空気の加速による加速損失が大きくなる。そして、空気加速による加速損失が大きくなると、格納容器の冷却性能が低下するという課題があった。
本発明の目的は、格納容器の冷却性能を向上させることにある。
本発明は、空冷熱交換器の鉛直上に空気流路を設けることを特徴とする。
本発明によれば、格納容器の冷却性能が向上する。
実施例１に係る原子炉格納容器冷却設備の構造図である。 比較例に係る原子炉格納容器冷却設備の構造図である。 実施例１に係る原子炉格納容器冷却設備を上方から見た図である。 実施例２に係る原子炉格納容器冷却設備の構造図である。 実施例２に係る原子炉格納容器冷却設備を上方から見た図である。 実施例３に係る原子炉格納容器冷却設備の構造図である。 実施例３に係る原子炉格納容器冷却設備を上方から見た図である。
以下、図面を用いて各実施例について説明する。
本実施例の理解を容易にするために、原子力発電プラントの原子炉格納容器冷却設備の比較例を説明する。
図２は、比較例における原子力発電プラントの原子炉格納容器冷却設備の構造図を示す。非常用ガス処理設備１は、格納容器２と格納容器を覆っている空洞型構造物３、空洞型構造物に設けられた側部吸入口４と上部排出口５、上部排出口５に取り付けられたフィルタ６、格納容器と空洞型構造物の間隙であるアニュラス部７により構成されている。なお、比較例における格納容器２は鋼製である。また、側部吸入口４の下側には原子炉建屋１１が設けられている。
万一、原子炉圧力容器１０から原子炉格納容器２内に蒸気が排出され原子炉格納容器の温度が異常に上昇するような事故が発生した場合、格納容器内の熱が格納容器２を介してアニュラス部７の空気８に伝達される。加熱された空気は大気との間に比重差を生じ浮力が発生する。加熱空気は上部排出口５を通して大気中へ排出され、新たな空気が側部吸入口４を通してアニュラス部７に流入する。すなわち、動的機器を用いない自然通風による冷却が達成される。このとき、アニュラス部７の空気８が浮力によって上昇する際の駆動力F[Pa]は以下の式で計算できる。

F=ΔρgH ・・・・・・・・・・(1)

ここで、Δρ[kg/m3]は加熱空気と外気との密度差、g[m/s2]は重力加速度、H[m]は有効高さである。格納容器２を伝熱面とする場合、側部吸入口４から流入したアニュラス部の空気８は格納容器全面で徐々に加熱されるため、有効高さHは側部吸入口４と上部排出口５との高低差の約1/2となる。
また、図２のようにアニュラス部７の下部に空冷熱交換器９を設置すれば、格納容器内の熱の大部分は、空冷熱交換器９を通してアニュラス部７の空気へ伝達される。空冷熱交換器９は、格納容器２を貫通する接続配管によって格納容器２の内部に設けられた内部熱交換器と接続されている。そして、格納容器２の内部で発生した高熱蒸気は内部熱交換器と熱交換することによって、内部熱交換器の熱媒体と熱交換を行い、接続配管によって空冷熱交換器９に熱を供給する。
側部流入口４から流入した空気は空冷熱交換器９で即座に加熱されるため、(1)式における有効高さHが空冷熱交換器９と上部排出口５との高低差となり、浮力によるアニュラス部空気８の駆動力Fをより向上させることが出来る。空冷の冷却性能を表す無次元熱伝達率Nu [-]は以下のDittus-Boelterの式で得られる。

Nu=0.023Re0.8Pr0.4 ・・・・・・・・・・(2)

ここでRe[-]はレイノルズ数であり、同一体系であれば流速に比例する。Pr[-]はプラントル数であり、作動流体の種類で決まる物性値である。(2)式から空冷の冷却性能は流速の0.8乗に比例して増加するため、空冷熱交換器９を設置することで流れの駆動力Fを向上させ、流速を増加させれば、本設備の冷却性能をより向上させることができる。
アニュラス部７の空気が上昇するための駆動力を増加させるため、空冷熱交換器９を用いる場合において、格納容器上方へ向かうに従ってアニュラス部の空気流路断面積が減少するため、加速損失は大きくなる。また、空冷熱交換器のメンテナンスのため、側部吸入口４近辺に空冷熱交換器９の取り出し口および取り出し機構を設ける必要があり、構造が複雑化してコストが増加する課題がある。空冷熱伝達率は蒸気の沸騰凝縮熱伝達率に比べ、数百倍小さいため、空冷熱交換器９は一般的な蒸気の沸騰凝縮伝熱を用いる熱交換器に比べ大型化する。したがって、このような大型熱交換器の取り出し口を空洞型構造物３に設けることは困難である。
図１は本実施例に係る原子炉格納容器冷却設備の構造図である。図１の構造図において、図２と共通する部材の説明は省略する。また、図１の左半分は通常運転時の状態を示し、右半分は空冷熱交換器９のメンテナンス時を示す。本実施例では、四角柱型のバイパス空気流路１２が設けられている。このバイパス空気流路１２は空冷熱交換器９の鉛直上に設置される。図３は本実施例に係る原子炉格納容器冷却設備を上方から見た図である。バイパス空気流路の流路断面積は、少なくとも、上方から見た空冷熱交換器の断面積よりも大きく設定する。側部吸入口４より流入した外気は空冷熱交換器９で加熱され、浮力によりアニュラス部８を上昇する。加熱された空気は上部排出口６に向かう流れとバイパス空気流路１２を通る流れに分岐するため、空気流路断面積は、上部排出口５に向かうアニュラス部の空気流路断面積にバイパス空気流路断面積を加えたものとなる。したがって、本実施例では格納容器上方においても空気流路断面積が減少せず、空気の加速が発生しないため、加速損失を抑制でき、格納容器冷却性能を向上させることが出来る。空気加速の抑制に必要なバイパス空気流路の最小断面積は、除熱量が10MWのとき64m2となる。なお、バイパス空気流路の出口にも、上部排出口５と同様にフィルタを取り付けてもよい。
バイパス空気流路１２の断面積が、上方から見た空冷熱交換器の断面積よりも大きいため、空冷熱交換器９のメンテナンス時に、バイパス空気流路１２は、クレーン１４の先端に取り付けられたケーブル１３によって空冷熱交換器９を釣り上げる時の取り外し口として利用することが出来る。空冷熱交換器９のメンテナンス時には、空冷熱交換器９と格納容器の接続配管を切り離し、クレーン１４で熱交換器９を吊り上げる。空冷熱交換器９はバイパス空気流路１２を通して外部へ持ち出される。メンテナンス後、空冷熱交換器９はクレーン１４を使ってアニュラス部の所定の位置へ設置される。バイパス空気流路１２を空冷熱交換器９の取り外し口として用いることで、側部吸入口４近辺の取り出し口および取り出し機構が不要となり、空冷熱交換器９設置のコストを低減することが出来る。
図４は本実施例に係る原子炉格納容器冷却設備の構造図である。図４の構造図において、図１と共通する部材の説明は省略する。空気流路１２ａは、空冷熱交換器９の鉛直上に設置される。そして、図１の空洞型構造物３は格納容器２の曲面に沿って形成されていたが、本実施例の空洞型構造物３は円筒状に形成されている。格納容器２は半球状に形成されているため、空洞型構造物３と格納容器２の間隔（アニュラス部）は、空洞型構造物３の天井中央部に比べ天井周辺部が広くなる。
図５は本実施例に係る原子炉格納容器冷却設備を上方から見た図である。空気流路１２ａの流路断面積は、少なくとも、上方から見た空冷熱交換器の断面積よりも大きく設定する。側部吸入口４より流入した外気は空冷熱交換器９で加熱され、浮力によりアニュラス部８を上昇する。加熱された空気は空気流路１２ａを通って外部へ流出するため、空気流路１２ａ及びアニュラス部の断面積を調整することで空気の加速を抑制することができ、加速損失を低減して格納容器冷却性能を向上させることが出来る。特に、図５では、空洞型構造物３と格納容器２の間隔（アニュラス部）が図１に比べて広くなるため、空気の加速をより低減することができる。空気加速の抑制に必要な空気流路１２ａの最小断面積は、除熱量が10MWのとき128m2となる。本実施例では、空洞型構造物上部の空気排出口が不要であるため、冷却設備のコストを低減することが出来る。また、アニュラス部を空冷熱交換器の取り出し口として利用できるため、空冷熱交換器のメンテナンス性が向上し、空冷熱交換器設置に伴うコストを低減することが出来る。
空冷熱交換器９のメンテナンス時に、空気流路１２ａは、クレーン１４の先端に取り付けられたケーブル１３によって空冷熱交換器９を釣り上げる時の取り外し口として利用することが出来る。空冷熱交換器９のメンテナンス時には、空冷熱交換器９と格納容器の接続配管を切り離し、クレーン１４で熱交換器９を吊り上げる。空冷熱交換器９は空気流路１２ａを通して外部へ持ち出される。メンテナンス後、空冷熱交換器９はクレーン１４を使ってアニュラス部の所定の位置へ設置される。空気流路１２ａを空冷熱交換器９の取り外し口として用いることで、側部吸入口４近辺の取り出し口および取り出し機構が不要となり、空冷熱交換器９設置のコストを低減することが出来る。
図６は本実施例に係る原子炉格納容器冷却設備の構造図である。図６の構造図において、図１と共通する部材の説明は省略する。本実施例の原子炉格納容器冷却設備は、格納容器２の外周を覆う空洞型構造物３が設けられていない。また、原子炉格納容器冷却設備を上方から見たときに、格納容器２の周辺に、等間隔に８本の空気流路１２ｂが設置されている。この四角柱型の空気流路１２ｂは、空冷熱交換器９の鉛直上に設置されており、１つの空冷熱交換器９に対して１つの空気流路１２ｂが対応する。
図７は本実施例に係る原子炉格納容器冷却設備を上方から見た図である。空気流路１２ｂの流路断面積は、少なくとも、上方から見た熱交換器の断面積よりも大きく設定する。側部吸入口４より流入した外気は空冷熱交換器９で加熱され、浮力により空気流路１２ｂを上昇する。空気流路１２ｂの断面積を調整することで空気の加速を抑制することができ、加速損失を低減して格納容器冷却性能を向上させることが出来る。空気加速の抑制に必要な空気流路の最小断面積は、除熱量が10MWのとき128m2となる。本実施例では、空洞型構造物、空洞型構造物上部の空気排出口が不要であるため、冷却設備のコストを低減することが出来る。
空冷熱交換器９のメンテナンス時に、空気流路１２ｂは、クレーン１４の先端に取り付けられたケーブル１３によって空冷熱交換器９を釣り上げる時の取り外し口として利用することが出来る。空冷熱交換器９のメンテナンス時には、空冷熱交換器９と格納容器の接続配管を切り離し、クレーン１４で熱交換器９を吊り上げる。空冷熱交換器９は空気流路１２ｂを通して外部へ持ち出される。メンテナンス後、空冷熱交換器９はクレーン１４を使って空気流路部の所定の位置へ設置される。空気流路１２ｂを空冷熱交換器９の取り外し口として用いることで、側部吸入口４近辺の取り出し口および取り出し機構が不要となり、空冷熱交換器９を設置する際のコストを低減することが出来る。
１ 非常用ガス処理設備
２ 格納容器
３ 空洞型構造物
４ 側部吸入口
５ 上部排出口
６ フィルタ
７ アニュラス部
８ 空気
９ 空冷熱交換器
１０ 原子炉圧力容器
１１ 原子炉建屋
１２ バイパス空気流路
１２ａ，ｂ 空気流路
１３ ケーブル
１４ クレーン

Claims (5)

  1. 原子炉圧力容器を覆う格納容器と、
    前記格納容器の外側に設置され、前記格納容器内の蒸気を前記格納容器外の空気と熱交換させる空冷熱交換器とを備えた原子炉格納容器であって、
    前記空冷熱交換器の鉛直上に柱型の空気流路を設けることを特徴とする原子炉格納容器。
  2. 請求項１記載の原子炉格納容器であって、
    前記空気流路の断面積が、上方から見た前記空冷熱交換器の断面積よりも大きいことを特徴とする原子炉格納容器。
  3. 請求項１記載の原子炉格納容器であって、
    前記格納容器を覆う空洞型構造物が円筒状に形成されていることを特徴とする原子炉格納容器。
  4. 請求項１記載の原子炉格納容器であって、
    １つの前記空冷熱交換器に対して１つの空気流路がそれぞれ対応して設けられていることを特徴とする原子炉格納容器。
  5. 原子炉圧力容器を覆う格納容器と、
    前記格納容器の外側に設置され、前記格納容器内の蒸気を前記格納容器外の空気と熱交換させる空冷熱交換器とを備えた原子炉であって、
    前記空冷熱交換器の鉛直上に柱型の空気流路を設けることを特徴とする原子炉。
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