JP2015143712A - ダミーロードを備えた原子力発電所装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】ダミーロードを備えた原子力発電所装置。【解決手段】送電側は略正常で、送電線などの受電側の故障の場合、送電側で崩壊熱を吸収する為、ポンプ等を含む、多くのフェーラー・モードを有するので、緊急システムを使用せず、受電側で海水投げ込み型電熱器を使用して、人力操作可能のスイッチの他、人力助勢不可能の機械部品を要しない手段で、当面、送電側には緊急措置を求めず、其の後通常の停止工程で停止させる、原子力発電装置。【選択図】図１

Description

本発明は、送電遮断事故で原子炉を止める際の作業の安全性を向上させる手段に関する。

現行原子力発電装置は、系の安定性や、熱応力の問題から、起動時は徐々に出力を上げ、全開に至れば、負荷が減少しても出力は絞らず、負荷変動は火力、水力、揚水発電で調整する。然し送電線や鉄塔が地震、台風、山津波により突然送電電流が断たれた場合には発電機やタービンが突然無負荷に成ってオーバーランして遠心力破壊を起すのを防ぐ為、蒸気を絞り、燃料棒を制御棒に差し込んで発熱を抑えるが、其の際、電線が切れれば電流は即座にゼロに成るが、燃料棒の発熱には慣性が有り、差し込みメカにも機械的慣性が有り、高温高圧の水や蒸気にも熱慣性が有るので、緊急炉心冷却装置を使って余った熱を廃棄し、高圧の蒸気を高圧の水に戻して炉に圧送する必要が有るが、高圧ポンプの焼き付き、洩れを始め多数のフェーラー・モードが予想され、特に福島原発の沸騰水型の場合は汚染された蒸気を介して行うので、何かの不具合が有れば、修理の為作業員が近づく事も出来ず、今回も内側の扉の前で、作業員の線量計が振り切れたと報じられて居り、緊急装置としての機能が果たせない恐れが有る。現実に福島でも結果としてメルトダウンが起き、所外に放射能が拡散した。従って所外の送電系が断たれた場合には、所外でダミーロードに切り替え、原発側の緊急停止装置を使用せず、タービンや発電機には全開運転を続けさせ、点検の為の停止の様に、時間を掛けての通常停止の方が、フェーラー・モードが少なく、より安全です。

更に、現行の海水やプルの水を利用する緊急炉心冷却装置には２種類有って、一つは熱交換器を介するもので、もう一つは炉壁のプールに直接海水を注ぎ込むものですが、何れもジーゼル発電機とポンプが必要で何れも巨大な発電エネルギーを吸収させる為に手動起動が不可能な大型機が必要で、メンテを含めて、多くのフェーラー・モードが存在します。更に特に炉壁を熱交換に利用する場合は、通常は空にして置く必要が有るので、海水の間汲み上げにも時間が掛かり、其処にも多くのフェーラー・モードが存在します。

この対策として原子炉の外側の圧力抑制プールの外周に、緊急時に海水を導入する常圧のプールを設ける発明がなされた。特許第２９５７８３５号（図１）では、海水と自然循環させる事で電力を要しない事を特徴としたが、海水の水位は干潮、満潮、大潮、低気圧、波浪に依り変化するので、安定した性能が望めず、最終取得時点ではモーターを使ったポンプを主体とする事に訂正されたので、停電では作動しなくなる。更に特開昭６４−２８５９２（図１）のように、山の上の池から水を引く案、建屋の屋上にプールを設ける案も出願されて居るが、地理的条件に関わり、現行原発への適用は困難である。更に数百年先かもしれない大地震に対し、プールの水を常時付勢に保ち続けることは、非現実的な労力を必要とする上、海水と違い、大量の熱エネルギーを吸収するだけの容量を設けることも困難である。

従って本発明では、送電側は略正常で、送電線などの受電側の故障の場合、送電側で崩壊熱を吸収する為、ポンプ等を含む、多くのフェーラー・モードを有する緊急システムを使用せず、受電側で海水投げ込み型電熱器を使用して、人力操作可能のスイッチの他、人力助勢不可能の機械部品を要しない手段で、当面、送電側には緊急措置を求めず、其の後通常の停止工程で停止させる事で、安全性、信頼性の向上を図る。

本発明の原子力発電設備は、上述の如く受電側の故障に特科した対策手段としたため、其の場面では高い安全性、信頼性が得られ、既成の原発にも安価に追加可能で有る。詰まり、巨大な崩壊熱を電気に変えての送電が突然止まった際には、現行機械的手段を含む緊急炉心冷却装置では立ち上がり時間、容量とも間に合わないリスクが有る事は公報でも指摘されて居ますが、電流負荷を海水に浸した桶の電熱器に送るのは、人力スイッチで瞬間的に行う事が出来、桶内の海水は瞬間的に沸騰して雲に成るので、無限無動力で補水される。近海動植物は死滅しても電流は汚染を運ばないので復興は容易です。

第１の手段についての実施例を示す。 抵抗器部分の他の実施例を示す。 他の実施例を示す。 第２の手段についての実施例を示す。 図４の切り替え弁１５の詳細を示す。

本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。図１の２８は原子炉の蒸気発生器、２９は高圧タービン、３０は低圧タービンで、発電機３２の電力はブレーカー３４を介して送電線３５に出力される。若し送電先の事故で、ブレーカー３４が開くと、３２が無負荷となり、タービンがオーバーランするので、コック３６を閉じ、３７を開いて蒸気を直接復水器３１に戻す。同時に原発の出力も絞り、クールダウンを図るが、制御棒の挿入にも時間が掛かり、制御棒を挿入しても対数的にしか発熱が落とせず、その間多くのフェーラーモードが存在する。例えば炉に戻す水を炉の内圧より高くする為の仕事量が不足し、炉の水面が下がって空焚きに成る危険も有る。

従って直ちにはコック３６を閉じず、制御器３８が３２の電力を、双方向コンバーターを介して直流に変換し、コンデンサー３９に蓄え、更に余った分を、海水に浸かった抵抗器５２のホット側電極４０に流す。発電機のアース側は多重ケース４１につなぐ、４１は蒸発した海水が補充される程度の多数の小穴を有する、ステンレス製のパンチメタル、エクスパンドメタル、金網などで作られており、海水中への漏電を防いでいる。例え熱湯や微量の漏電が有って、近くの魚が死亡しても、放射能汚染に比して、被害は軽い。

制御器３８は、炉心のクールダウンまでの各時点での炉心の発熱を最大限消化するよう、電極４０への電流のデューティー比をコントロールする。３８の電源には３２の出力を直接供給し、停電のリスクを防ぐが、若し故障の場合は、手動スイッチ４２を介して、直接３２に負荷が与えられる。抵抗器５２は投込み式湯沸かし器の構造とする場合もある。更に手動スイッチを使用する場合は４３を介して複数の負荷を使い分けて、負荷調整を行う場合もある。

クールダウンが進み、正規のタービンが機能しなくなった場合には、コック４４を開いて、超低圧タービン４５を作動させる。４６は４５で駆動され、下向きに海水を噴出させる水車で、４７はそれに対抗するステーターで、３８に依って制御される、図示されないモーターに依って駆動されるネジ４８により、ギャップ４９を調節して、タービン４５の負荷を調節する。若し停電の場合は、ハンドル５０により、手動でも制御出来るようにする。

更にクールダウンが進んだ場合は、コック５１を開き、図示されないピストン式蒸気エンジンを使用して、水車４６を駆動する場合もある。

図２は抵抗器５２の他の実施例で、３２ａは発電機、３８ａは制御器、５２ａは抵抗器のケース、４０ａ、４１ａは電極である。Ｉビーム５３は碍子５４、５５を介して建屋の天井５６に結合されている。５７は無動力の横行トロリーで、固定長のケーブル５８を介して、バケット５９の右端に結合されている。５９の右端にはケーブル６０の下端が結合され、６０の上端は、トロリー６１上のプーリー６２を介して、Ｉビームの左端６３に結合されている。一方、ケーブル６４の左端はトロリー６１に結合され、右側は碍子６５を介して電動ウインチ６６に結合されている。６６を巻き取って、バケットが５９ａの位置にある時に、図示されないポンプに依り、パイプ６７から海水を注入する。

バケットが一杯に成ったら、ウインチを逆転させれば、バケットは自重で５９の位置に戻り、海水は漏斗６８を介して５２ａに注入され、５２ａの底に溜まるので、電極板６９、７０間に通電され、海水は沸騰して排気管７１より外気に放出される。

それとは別に、電極４０ａ、４１ａ間には、抵抗７２を設ける場合もある。その際、若し注水が間に合わなければ、抵抗がメルトダウンする場合も有り得るが、炉心溶融と違い、放射能の拡散はない。抵抗７２は複数設けてスイッチで切り替える場合もある。図では抵抗７２は、電極板６９、７０の上に設けられているが、逆の場合や、其々単独に使用する場合もある。排気管７１内の蒸気は帯電の可能性が考えられるので、碍子７３、絶縁蛇腹管７４を挿入し、ケース５２ａも、碍子７５で浮かせてある。

ウインチ６６は電動で有るが、停電の場合は図示されない機構で、手動に切り替える。その際、空のバケットを５９の位置から５９ａまで移動させるのは人力でも容易で有り、満杯のバケットを５９の位置に移動させるには、ウインチに付けたブレーキを緩めたり、ラッチを外して、羽根車式ガバナー機構でゆっくり戻すなどの公知の手法に依れば、人力のみで、往復操作が可能である。Ｕ字管７６は蒸気の逆流を防いている。

図３は他の実施例で、２８ｂは蒸気発生器、３０ｂはタービンで、送電遮断時は発電機３２ｂの電力は、制御器３８ｂを介して、圧力容器５２ｂに挿入された投込み式電熱器７７に供給されている。この際５２ｂ内に予め緊急用水７８が蓄えられている場合は、７７の発熱により沸騰し、内圧が２８ｂを超えれば、高圧高温水として給水される。温度、内圧、流量は図示されないメーターで計測し、３８ｂで制御する。熱源が２８ｂ内の原子力である以上、７７の発熱エネルギーが給水エネルギーを上回ることはない筈であり、外部動力を必要とせず、空焚きを防止できる。

若し７８内に水が無かったり、使い切った場合には、コック８０を開いた後、コック８１を開いて、約１０気圧程度に加圧されているスプリンクラー８２の水を流用する。それが尽きたら、屋上の上水、中水タンクの水を水位による水圧で送り込む。更に水道水や消防用水を送り込む場合もある。万策尽きた場合は廃炉を前提として、コック８３を開き、海水８４を送り込む場合も有る。その際、海水面の方が低かった場合には、津波シェルター内の自動車の駆動力を使ってポンプを回して送り込む場合もある。

一方、出来れば復水器３１ｂ内のドレン水を、直接ポンプ８５を利用して循環させる事が望ましい。しかし炉の全力運転時にも使用する８５や、その駆動モーターは大型で、緊急用発電機で駆動する事が難しい。またその様な大型の内燃機関を常時整備するにも、不要の労力を要し、整備後のエンジンの全開試運転も難しいので、不調のまま放置される可能性があり、現に事例も発生し、信頼性に欠ける。従って本案では、炉の緊急停止過程、クールダウン専用の小型復水ポンプ８６を設け、乗用車から大型トラックまで一般車の駆動力を利用した発電機、又は直接駆動で作動させる。一般車は車検制度もあり、高速道路の長時間走行に対し、日常極めて高い信頼性を保持している。原発に隣接する津波シェルターの駐車場に安い駐車料金で日常多数保持し、更に津波警報で避難して来る車を収容すれば、極めて冗長性の高い動力源と燃料源として利用する事が出来る。日常防災以外の用途に使用中の多数の機器を流用する事に依り、高い信頼性が得られる。燃料タンクも空から満タンまで分布して居れば、平均５０％は期待出来、乗用車でも８台有ればドラム缶一本分の燃料を積んでいる。

一方、タービン３０ｂ、発電機３２ｂは、通常営業発電に使用中の機器を使用せず、クールダウン途上の炉の発熱に合わせた仕様の物を使う場合もある。更にピストンタイプの蒸気エンジンを使用する場合もある。更に発電機３２ｂ、電熱器７７を使用せず、直接復水ポンプ８６を駆動する場合もある。

一方８６に期待せず、７８の水を使い切った場合、コック８０を開いて５２ｂ内の圧力を復水器３１ｂより低くした後、コック８７を開き、一方弁８８を介して復水器３１ｂ内のドレン水を５２ｂ内に供給して後、再び７７で加熱する場合もある。但しその場合は、５２ｂ内が汚染されるので、次回ドレン水を注入する場合には、コック８９を開いて、フィルター９０を介して外気に放出させる。

図４は他の実施例を示す。図で原子炉２内は、大容量の発電の為に高温高圧になって居るので、炉を停止した後のクールダウン工程では１００度を沸点とする常圧の冷却水でも賄える筈てすから、初期に空焚き防止のため、２内に注水する必要は有っても、燃料の惰性による予熱自体は大気圧下の外周プールで処理する方が動力が節約でき、それだけ信頼性が高い。図で１は炉心、２は原子力圧力容器、３は原子炉格納容器、４はドライウエル、５はベント管、６は圧力抑制プール、７は外周プールで、８は原子炉建屋、９はその屋上である。

１１は無人ヘリコプターで、その地区の新幹線の地震予知に依る減速指令に連動して自動離陸し、原子炉の停止完了信号を受けて、ケーブル１２で吊り下げた袋１３の海水を屋上９に投下する。本震やそれに続く連発余震、更にそれに続く津波か屋上に達する危険もあるため、海水の汲み上げ、屋上への投下は何れもホバリング中に行う。原子炉停止が必要となる巨大地震のＭＴＢＦは非常に長いので、その間ヘリの乗員を２４時間３６５日待機させる経費は高価のため、無人ヘリは必須である。日常は、屋上に降った雨は雨水取り入れ口１４に集められ、切り替え弁１５により、雨水管１６へ導かれるが、緊急時は１７を通ってプール７に入る。２７はその際の７内の空気を抜くための通気管である。若し弁１５が緊急時用に切り替わっていなければ、ヘリより投下した水が、１８より放出されるので、建屋の外から容易に監視出来るように成っている。

１９はベランダで、隣接する津波シェルターの放水銃の水が届く位置に設けられている。地上の消防車の屋根に取り付けられた放水銃で直接狙う事も可能にする。津波の水位がベランダに達する場合には、それも利用する。そのためフィルター２０が設けられている。地下には隣接する津波シェルターに通じるトンネル２６を設け、送水管２２に依って送水する場合もある。その際には、途中の要所に、金属製蛇腹送水管２３、２４、２５を設けて地震による地殻変動を吸収させる。この様な金属製蛇腹は、スペース・シャトルの噴射口が、ジンバルの周りに揺動する際に、燃料タンクからの配管を繋ぐ際に用いられ、高い信頼性が実証されている。

ヘリからの注水が重要な初期に於いて、プール７への水は貴重であるため、１７を下る水は、原子炉格納容器３の外周をネジ状に、北半球では反時計廻りに流れ下る樋１２１に注がれる。初期の６の水温は１００度を大きく越えているため、１２１を流れ下る水は、下まで着かない内に、蒸発し尽すので、初期の水を有効に利用出来る。

一方、７の水位が１２２の如く充分な高さに成った段階では、管の出口は１２３のように、プールの底に設け、その出口は北半球では反時計方向に向けることに依り、プール内に北半球では反時計方向の回流を発生させ、原子炉格納容器３の外周に付着した泡を除去して伝熱効率を向上させる。

図５は、切り替え弁１５の詳細を示す。図で９は建屋の屋上で、通常雨水は１４より弁１５に入り、弁板１２４に依り、排水管１６に流れる。緊急時は軸１２５を回して１２６の状態にし、ヘリの投下した水を１７を介して図８のプール７に入れる。

１・・・炉心、２、２ｍ・・・原子炉、３、３ｍ・・・原子炉格納容器、６・・・圧力抑制プール、７・・・外周プール、８・・・原子炉建屋、９・・・屋上
１１・・・ヘリコプター、１９・・・ベランダ、２８、２８ｂ、２８ｃ、２８・・・蒸気発生器
２９・・・高圧タービン、３０・・・低圧タービン、３１・・・復水器
３２、３２ａ、３２ｂ・・・発電機、３９・・・コンデンサー、４０、６９、７０・・・電極
４５・・・超低圧タービン、４６・・・水車４７・・・ステーター、５２・・・海水
５４、５５、６５、７５、・・・碍子、６６・・・ウインチ、７２・・・抵抗器
７９、８８、１００・・・一方弁、７７・・・投込み式電熱器、８６・・・小型複水ポンプ

Claims (3)

1. 送電側は略正常で、送電線などの受電側の故障の場合、送電側で崩壊熱を吸収する、緊急炉心冷却装置は、ポンプ等機械的手段を含む、多くのフェーラー・モードを有する為、緊急システムを使用せず、受電側で海水投げ込み型電熱器をダミーロードとして切り替え、人力操作可能のスイッチの他、人力助勢不可能の機械部品を要しない手段で、当面、送電側には緊急措置を求めず、其の後通常の原子炉の停止工程で停止させる、原子力発電装置。
2. 電熱器は海水と電気的に絶縁した桶に入れ、蒸発した分は自重又は人力又は津波シェルター内の自動車の動力で補水する請求項１の装置。
3. 裸電極を対峙させて、水を抵抗体に使うか、および又は個体の抵抗体も設け、水位に依って負荷抵抗が変えられる様にした、請求項２の装置。

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