JP2015518148A - 原子力発電所用受動的格納容器空気冷却 - Google Patents

Abstract

原子力発電所の格納容器外側の伝熱面を増やす原子力発電所用受動的格納容器空気冷却増進装置。格納容器外面内またはその面上の少なくとも実質的な部分に蛇行路を形成することによって表面積を増やし、当該蛇行路に沿って当該面上を冷却流体が流れることを可能にする。当該蛇行路は、冷却流体が回り道をして流れるように、当該外面内部またはその面上の一連の凹部および凸部によって形成される。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、同時に提出された同時係属中の米国特許出願第 号（Ａｔｔｏｒｎｅｙ Ｄｏｃｋｅｔ ＮＰＰ ２０１１−００６）に関連する。
本出願は、原子力発電所用受動的格納容器冷却装置に関連し、さらに詳説すると、金属製格納容器表面における自然空気流を利用した受動的格納容器空気冷却装置に関連する。

原子力発電は、１９５０年代以来、発電において重要な役割を果たしており、効率、安全性および環境保全の点で、火力および水力発電所に対して利点がある。原子力発電は、放射性物質の核分裂によって実現する。核反応は変動しやすいので、原子力発電所は、想定しうる最悪の事故に際しても、実践的に公衆の健康と安全を保証するような方法で設計する必要がある。軽水を冷却材に使用する発電所における最悪の事故は、原子炉冷却系の最大口径配管の両端破断であると考えられ、それは冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）と呼ばれる。

この種の発電所は、事故防護のために、原子炉冷却系から流出する可能性のある水、蒸気、および同伴する核分裂生成物を物理的に閉じ込めるように設計された格納容器システムを使用する。格納容器システムは通常、起こりうるあらゆる事故に対して究極的な信頼性と完全な防護を提供するすべての構造物、システム、および装置を取り囲むものと考えられる。工学的安全装置は、事故の影響を緩和するように特別に設計されている。基本的に、格納容器システムの設計目標は、事故が起きた際に原子力発電所から放射性物質が流出することを防ぎ、周辺住民の生命を危険に晒さないようにすることである。

原子炉製造業者は最近、運転員の介入や所外電源がなくても事故時にプラントが停止するような受動的プラント設計を提供している。ウェスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーは、大型鋼製シェルを用いた受動的格納容器冷却装置を使用するＡＰ１０００受動的プラント設計を提供している。格納容器冷却系は、万一の冷却材喪失事故時に格納容器内で生じやすい圧力の上昇を抑える。受動的格納容器冷却装置は、工学的安全施設を構成するシステムである。その目的は、格納容器雰囲気から熱エネルギーを除去することによって、冷却材喪失事故または格納容器内の蒸気管破断事故後の格納容器の温度と圧力を下げることである。受動的格納容器冷却装置は、格納容器の圧力および温度の有意な上昇をもたらすその他の事象発生時に熱を移動させる手段としても利用できる。受動的格納容器冷却装置はまた、格納容器内の雰囲気と外部環境との圧力差を小さくして、核分裂生成物を格納容器から外部環境へ漏洩させる力を減少させることにより、（事故後の）放射能放出を制限する。前記の目的を達成するために、格納容器建屋を鋼製にして、格納容器の内部から外部へ熱が効率的に移動するようにする。通常運転時には、連続的な空気の自然循環によって格納容器から熱が除去される。しかし事故時には、より多くの熱を除去する必要があるので、空冷を受動的格納容器冷却装置貯水タンクから供給される水の蒸発により補う。

ＡＰ１０００格納容器システム１０を図１に略示する。当該格納容器システムは、いずれも配管２０によって接続されている原子炉容器１２、蒸気発生器１４、加圧器１６、および一次冷却材循環ポンプ１８を含むＡＰ１０００原子炉システムを取り囲んでいる。格納容器システム１０の一部分は、コンクリート遮蔽建屋２４に取り囲まれた鋼製ドーム状格納容器エンクロージャ２２から成り、当該コンクリート遮蔽建屋は当該鋼製ドーム状格納容器２２を構造的に保護している。

受動的格納容器冷却装置の主要構成機器は、受動的格納容器冷却水貯蔵タンク２６、空気バッフル２８、空気取入口３０、空気排出口３２、および配水システム３４である。受動的格納容器冷却水貯蔵タンク２６は、鋼製ドーム状格納容器２２の上方の遮蔽建屋構造体２４に組み込まれている。鋼製ドーム状格納容器２２とコンクリート遮蔽建屋２４との間にある空気バッフル２８は、高さが鋼製ドーム状格納容器２２の最上部に近い遮蔽建屋２４の開口部が入口である冷却空気流路を画定する。遮蔽建屋２４に入った空気は、空気バッフル２８の片側を流下し、鋼製ドーム状格納容器の下部に近いところで流れの向きを反転した後、当該バッフルと当該鋼製ドーム状格納容器２２の間を上昇し、遮蔽建屋２４最上部の排出口３２から流出する。排出口３２は、受動的格納容器冷却水貯蔵タンク２６に取り囲まれている。

万一事故が発生した場合、受動的格納容器冷却装置は、水を受動的格納容器冷却水貯蔵タンクから重力によって排出することにより供給し、鋼製ドーム状格納容器２２の表面に水膜を形成する。当該水膜が蒸発することによって、鋼製ドーム状格納容器建屋２２が除熱される。

受動的格納容器冷却装置は、格納容器の加圧を伴う設計基準事象後に、７２時間以上にわたって運転員が操作しなくても格納容器圧力が設計値を下回るように、引き続き発生する崩壊熱を含めた熱エネルギーを格納容器雰囲気から十分に除去することができる。

鋼製ドーム状格納容器２２を取り囲む遮蔽建屋２４と空気バッフル２８との間に形成される空気流路によって、格納容器の外側鋼材表面に沿って上昇する空気の自然循環が生じる。この空気の自然循環の駆動力は、流動する空気が格納容器の鋼材表面によって加熱され、加熱された空気が格納容器表面に供給された水を蒸発させるとき発生する浮力である。流動する空気も、水面での蒸発を促進させる。事故が起きた場合、加熱された格納容器鋼材表面から空気へ対流により移動する熱量は、必要とされる全移動熱量の小さな割合でしかない。そのような全移動熱量は主として、格納容器鋼材表面の湿った領域での水の蒸発によって移動するが、この蒸発によって表面水が冷却され、さらに格納容器鋼材が冷却され、さらに格納容器内の雰囲気が冷却され、格納容器内で蒸気が凝縮する。

鋼製ドーム状格納容器２２からの十分な熱の移動を維持し、格納容器の圧力を制限および低減するために、想定される設計基準事象が起きてから最初の３日後に、ＡＰ１０００受動的格納容器冷却装置は格納容器外部鋼材表面に対して連続的な水の供給を必要とする。この水は当初、前記のように受動的な重力流によって供給される。３日経過後に水は、能動的な手段により、最初は所内の貯留水から、その後は所内または所外の給水源から供給される。

本発明の目的は、最初の３日が経過した後に格納容器を許容可能な低い圧力に保つために、空冷のみによって十分な除熱を達成することである。

さらに、本発明の目的は、能動的機器、運転員による操作、または所内もしくは所外の非安全系給水に頼らずに空冷によって十分な除熱を可能にすることである。

さらに、本発明の目的は、必要な受動的格納容器冷却水貯蔵タンクの小型化が可能になるような十分な空冷を提供することである。

上記および他の目的は、原子炉プラントの少なくとも一次系を取り囲む大きさの堅固な金属製シェルの外面の面積を拡張する本発明により達成できる。堅固な金属製シェルは内面と外面を有し、当該外面内またはその面上の少なくとも実質的な部分には蛇行路が形成されており、冷却流体は当該外面上を当該蛇行路に沿って流れることができる。堅固な金属製シェルの内面は平滑で、前記蛇行路は、前記外面内またはその面上の一連の凹部および凸部によって形成され、冷却流体が回り道をして流れるようにするのが好ましい。凹部と凸部の形成をモジュール化してもよい。各モジュールは複数の凹部および凸部がパターンを形成したものであり、伝熱経路を介して堅固な金属製シェルの外面に取り付けられる。蛇行路を拡張するために、各モジュールは垂直方向に関し、隣接モジュールに対して側方にずらしてもよい。

一実施態様において、前記外面内またはその面上には、凸部を成すフィン間に凹部が形成される複数フィンのパターンを有する蛇行路が形成され、前記蛇行路が前記外面と熱交換関係にある。別の一実施態様において、前記外面内またはその面上には、凸部を成すトリップ間に凹部が形成される複数の水平トリップのパターンを有する蛇行路が形成され、前記蛇行路が前記外面と熱交換関係にある。さらに別の実施態様において、凸部と凹部は堅固な金属製シェルの外面上の表面構造または組織によって形成されるが、組織の一形態としてワッフル模様がある。

本明細書に記載する実施態様の詳細を、添付の図面を参照して以下に説明する。

ＡＰ１０００型原子力発電所の単純化した概略図である。

一実施態様による格納容器の円周方向に延びる鋼板の一部を示す平面図である。

第二の実施態様による格納容器の円周方向に延びる鋼板の一部を示す断面図である。

格納容器の円周方向に延びる鋼板の一部に取り付けられたさらに別の実施態様のモジュールを示す斜視図である。

別の実施態様による鋼製格納容器の一部の表面組織を示す斜視図である。

さらに別の実施態様による格納容器の鋼板の一部を示す斜視図である。

別の実施態様における突起したトリップを使用した鋼板の一部を示す斜視図である。

前述のように、ＡＰ１０００受動的格納容器冷却装置において、加熱された格納容器の鋼材表面から空気への対流による熱の移動は、移動する全熱量のうちで小さな割合でしかない。熱の移動は主に、格納容器の鋼材表面の湿った領域での水の蒸発によるものであり、この蒸発によって表面水が冷却され、さらに格納容器鋼材が冷却され、さらに格納容器内の雰囲気が冷却されて蒸気が凝縮する。本発明は、最初の３日が経過して、受動的格納容器冷却水貯蔵タンク２６中の初期水量を使い果たした後に、能動的機器、運転員による操作、または補助給水に頼らずに格納容器を許容可能な低い圧力に保つべく、空冷のみによって十分な除熱を達成することが可能である。

上記の目的は、冷却空気が流れる鋼製格納容器２２の外面内またはその面上の少なくとも実質的な部分に空気の蛇行路を形成することで達成される。格納容器は鋼製であるとされているが、当然ながら、比較的良好な熱伝導率と必要な健全性および強度を有する他の材料によって格納容器を建造することができる。また、当然のことながら、受動的格納容器冷却水貯蔵タンク２６からの排水時の水膜は、空気の流路と部分的ではあるが同じ流路を同一方向に移動する。

蛇行路は、冷却流体が回り道をして流れるようにする、格納容器２２の外面内またはその面上の一連の凹部および凸部によって画定されることが好ましい。さらに、この回り道は、実質的に格納容器の外面全体を覆うようにしてもよいし、または格納容器の重要な部分のみを覆うようにしてもよい。

図２に示すのは格納容器の円周方向に延びる鋼板の一部であり、内側の平滑な壁面を３６で、外側の垂直フィンを３８で示す。当然ながらフィンは、格納容器の外面を連続的に覆うようにしてもよいし、重要な部分のみを覆うようにしてもよい。一実施態様において、鋼板２２を機械加工して隣り合うフィン３８の間の母材を取り除くことによって、凹部４０を形成することができる。典型的な鋼板は、奥行き約１.７５インチ（４.４５センチメートル）、長さ約３０フィート（７.６２メートル）であり、隣り合う部分を互いに溶接して建造される格納容器の一部を成す。フィンの間隔は約５/１６インチ（０.７９センチメートル）である。母材に貫入する凹部４０の深さは約３/８インチ（０.８５センチメートル）である。

図３に示す、図２とは別の実施態様は、格納容器２２の一部を成す鋼板に別個の鋼板をそれぞれ溶接してフィン３８を形成したものである。フィンの高さ、厚さ、および間隔は、望ましい伝熱を実現するように選択されるが、図２に関して述べた寸法はＡＰ１０００プラント設計に適応するように設計されたものである。

図４に示す、図２、３とはまた別の実施態様は、フィン３８と凹部４０とをモジュール４２として形成し、鋼板４４を圧延またはプレス加工によって格納容器２２の一部となるように形成したのちに、当該モジュールを鋼板４４に接合したものである。当然のことながら、隣接する複数のモジュール４２は、整列させてもよいし、図４に示すようにずらして空気の蛇行路を増やしてもよい。

別の実施態様を図５に示す。図５において、鋼板４４の外面に、ワッフル模様４６のような組織が形成されている。「ワッフル型」表面や「ディンプル型」表面は濡れ表面積を増やすので、最も効果的には、かかる表面を、凹部すなわちポケットに水が溜まる格納容器のドーム領域に形成すると、格納容器のドーム領域から側壁へ水が流れないように水の流れを制御できるため、格納容器の側壁を空冷しながら、格納容器のドーム領域を、水を蒸発させることによって冷却し、蒸気が側壁の乾燥面によって加熱された空気中へ流れるようにすると、水の使用を管理することができる。水量は、タンク２６の出口口径によって、または熱作動弁もしくは感圧弁によって調節可能である。

図６は、フィンの代わりにトリップ４８を使用するさらに別の実施態様を示す。トリップ４８がフィン３８と異なる点は、フィンは一般に冷却流体の流れ方向に延びるが、「トリップ」は一般に冷却材の流れを乱して対流伝熱を促進する方向に延びる。「トリップ」は「フィン」と同様に、凸部４８と凹部４０が交互に周期的に現れるように離隔配置されている。図７は、空気流を乱すだけでなく空気流路を延伸するために、「トリップ」を異なる対角方向に交互に配置した別の実施態様を示す。

また当然ながら、冷却材流路を乱すことおよび／または冷却材流路の全長または表面積を拡張することを意図したこれらの設計のいくつかを、格納容器の異なる領域に対して同時に使用してもよい。例えば、フィンまたはトリップを格納容器の側面に使用し、ワッフル模様をドーム領域に使用することができる。また、空気の蛇行路を形成するような案内装置付き空気バッフル２８を設計することによって空気流路を増やすことも可能であるが、前記の実施態様による伝熱面積の増加ほど効率的ではないであろう。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (11)

1. 原子炉システムの一次冷却材ループの少なくとも最上部および側面を取り囲む大きさの、内面（３６）と外面を備える堅固な金属製シェル（２２）、および
   当該外面内またはその面上の少なくとも実質的な部分に形成された蛇行路であって、冷却流体が当該外面上を実質的に当該蛇行路に沿って流れることができる蛇行路を具備することを特徴とする
   原子炉格納容器（１０）。
2. 前記内面（３６）が実質的に平滑である請求項１の原子炉格納容器（１０）。
3. 前記蛇行路が、冷却流体が回り道をして流れるように、前記外面内またはその面上の一連の凹部（４０）および凸部（３８）によって形成されている請求項１の原子炉格納容器（１０）。
4. 前記外面内またはその面上には、凸部を成すフィン間に凹部（４０）が形成された複数のフィン（３８）のパターンを有する蛇行路が形成され、前記蛇行路が前記外面と熱交換関係にあることを特徴とする、請求項３の原子炉格納容器（１０）。
5. フィン（４０）がモジュール（４２）として形成され、各モジュールがパターンを形成する複数のフィン（４０）より成り、伝熱経路を介して前記外面に取り付けられていることを特徴とする、請求項４の原子炉格納容器（１０）。
6. 凹部（４０）と凸部（３８）がモジュール（４２）として形成され、各モジュールがパターンを形成する複数の凹部（４０）と凸部（３８）とより成り、伝熱経路を介して前記外面に取り付けられていることを特徴とする、請求項３の原子炉格納容器（１０）。
7. 各モジュール（４２）が垂直方向に関し、隣接モジュールに対して側方にずれている請求項６の原子炉格納容器（１０）。
8. 前記外面内またはその面上には、凸部（３８）を成すトリップ間に凹部（４０）が形成された複数のトリップ（４８）のパターン有する蛇行路が形成され、前記蛇行路が前記外面と熱交換関係にあることを特徴とする、請求項３の原子炉格納容器（１０）。
9. 外面上の組織によって凸部（３８）と凹部（４０）が形成されている請求項３の原子炉格納容器（１０）。
10. 組織の形状がワッフル模様（４６）である請求項９の原子炉格納容器（１０）。
11. 堅固な金属製シェル（２２）に最上部と側壁部があり、当該最上部の少なくとも一部にある凸部（３８）および凹部（４０）が冷却流体を集めることのできるポケットを形成し、冷却流体の大部分が当該最上部を流れて当該側壁部に流下する前に蒸発するように当該最上部を流れる冷却流体の量を受動的に制御する手段を含むことを特徴とする、請求項９の原子炉格納容器（１０）。
    

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