JP2016085091A - 原子炉建屋及びその水素蓄積防止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉建屋のフロアの天井部に漏洩水素ガスが蓄積するのを防止することで、水素爆轟を抑止する。【解決手段】複数のフロア１０と、前記複数のフロア１０のうちの少なくとも１つのフロア１０の天井部１１から前記フロア１０の内部に向かって突出して設置された複数の障害物１２と、前記複数の障害物１２が設置された前記フロア１０の前記天井部１１に設置された連通口１５と、前記障害物１２により区画された領域であって、前記複数の障害物１２が設置された前記フロア１０内の機器２０からの漏洩水素ガス１８が蓄積される漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１と、前記漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１の下端面あるいは当該下端面よりも上方に位置する漏洩水素ガス１８の吸込み口を有する水素再結合器１３と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、原子力プラントにおいて漏洩水素による水素爆轟を防止するための原子炉建屋及びその水素蓄積防止方法に関する。

原子力プラントにおいて、原子炉に万が一事故が発生し、原子炉建屋に水素が漏洩した場合に備え、原子炉建屋の換気のために建屋ベント装置を設置することが進められている。

図４は従来の原子力プラント（沸騰水型原子炉）の模式図で、原子炉５は、原子炉格納容器４に収容され、原子炉格納容器４は、原子炉建屋１内に設置される。また、原子炉建屋１内には、水素濃度を検知する水素検知器３が設けられるとともに、原子炉建屋１の屋上には、建屋ベント装置２が設けられている。さらに、原子炉建屋１には、ブロア７、フィルタ８及び排気筒９からなる非常用ガス処理系６も付設されている。

このような原子力プラントにおいて、仮に、主蒸気管等の一次系配管が原子炉格納容器４内で破断したとすると、高温高圧の一次冷却材が放出され、原子炉格納容器４内部の圧力及び温度が急激に上昇することになる。このような事象の下において、原子炉５内で冷却材として使用される水は、放射線により水素と酸素に分解され水素が生成される。さらに、原子炉５内の燃料被覆管の温度が上昇する場合には、水蒸気と燃料被覆管材料のジルコニウムとの間で反応が起こり（Metal−Water反応）、短時間で水素が大量に発生する。

このようにして発生した水素は、破断した配管の破断口等から冷却材と共に原子炉格納容器４内に放出され、水素濃度を上昇させるとともに内部圧力も上昇させる。この原子炉格納容器４の高圧力状態が継続すると、原子炉格納容器４から原子炉建屋１へ水素と放射性物質を含むガスが放出される。

このような状況において、電源が使用できる場合は、非常用ガス処理系６が作動し、原子炉建屋１内の水素を含む漏洩ガスは、ブロア７によりフィルタ８に送られ、フィルタ８により放射性物質が除去された後に排気筒９から外部に排気される。

また、電源喪失時や電源復旧の遅れにより非常用ガス処理系６が作動しないか又は作動が遅れる場合は、水素検知器３が原子炉建屋１内の水素濃度の上昇を検知して、建屋ベント装置２を開放することで、原子炉建屋１内の水素を大気中に放出する。

しかしながら、建屋ベント装置２による水素の排気が十分でない場合、原子炉建屋１内に漏洩した水素は雰囲気中の酸素と混合し、水素濃度が１２．５〜１７ｖｏｌ％を超えたところで水素爆轟を生じる可能性がある。

そのため、事故時に原子炉建屋内に不活性ガスを噴出し水素を希釈すると共に、原子炉建屋天井部に設けた外気への建屋ベント装置を開放して、水素を含む漏洩ガスを外部へ放出することにより水素爆轟を防止する手段（特許文献１）、及び電源喪失時に原子炉建屋内の水素を除去するために、原子炉建屋内の各室に静的な触媒式の可燃性ガス処理装置を設置する手段（特許文献２）が提案されている。

さらに、水素を含む漏洩ガスが周辺空気との密度差により上方へ移行しやすい性質を利用して、原子炉建屋の各フロア間に設けられたハッチ等の連通口に、触媒式の可燃性ガス処理装置を設置し、原子炉建屋１内に漏洩した水素を除去する手段が提案されている（特許文献３）。

特開２０１２−２２５８２３号公報 特開２００９−６９１２１号公報 特開２０１３−２４６０９８号公報

ところで、原子炉建屋１は各種機器、配管等が配置される複数のフロア１０を有するが、例えば、原子炉建屋の下層のフロア１０で水素の漏洩が生じた場合、水素を含む漏洩ガス１８（以下、「漏洩水素ガス」という。）は原子炉建屋内の空気と比較して密度が小さいため、当該フロア１０の上部空間へ移行しやすい。

例えば、図５（ａ）に示すように、フロア１０に配管や弁等の漏洩水素ガスを放出する可能性がある機器２０が設置され、当該機器２０から水素が漏洩する場合を想定すると、機器２０からの放出された漏洩水素ガス１８は直上の上部空間に移行し、当該フロア１０の天井部１１に沿って移動し、天井部１１に設けられた機器ハッチなどの連通口１５を通って上部のフロア１０へと移行することとなる。

しかしながら、例えば、図５（ｂ）に示すように、漏洩水素ガスを放出する可能性がある機器２０が設置されているフロア１０の天井部１１に梁などの障害物１２が突出している場合、当該障害物１２で区画された領域に漏洩水素ガス１８が蓄積し、局所的に水素濃度が高い漏洩水素ガス蓄積領域１６が形成される可能性がある。

この場合、上部のフロア１０との連通口１５に触媒式の可燃性ガス処理装置を設置していたとしても、漏洩水素ガス１８が可燃性ガス処理装置に到達する前に、漏洩水素ガス蓄積領域１６で水素爆轟が生じる可能性があるという課題がある。

一方、漏洩水素ガス１８がフロア１０の天井部１１に蓄積するのを防止するために、連通口１５の設置箇所を増やしたり、障害物１２を覆うパネル等を天井に設置することが考えられるが、大規模な工事が必要となるほか、原子炉建屋１の強度維持や他の構造物との干渉等で施工が困難となる場合があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、原子炉建屋のフロアの天井部に梁などの障害物が設置されている場合であっても、漏洩水素ガスの蓄積を防止することで、水素爆轟を抑止することができる原子炉建屋及びその水素蓄積防止方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る原子炉建屋は、複数のフロアと、前記複数のフロアのうちの少なくとも１つのフロアの天井部から前記フロアの内部に向かって突出して設置された複数の障害物と、前記複数の障害物が設置された前記フロアの前記天井部に設置された連通口と、前記障害物により区画された領域であって、前記複数の障害物が設置された前記フロア内の機器からの漏洩水素ガスが蓄積される漏洩水素ガス蓄積領域と、前記漏洩水素ガス蓄積領域の下端面あるいは当該下端面よりも上方に位置する漏洩水素ガスの吸込み口を有する水素再結合器と、を備えたことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、原子炉建屋のフロアの天井部に漏洩水素ガスが蓄積するのを防止することができる。

本発明の実施形態に係る水素蓄積防止システムを備える原子炉建屋の模式図。 本発明の実施形態に係る水素蓄積防止システムを備える原子炉建屋の作用効果を示す模式図。 触媒式水素再結合器の模式図。 従来の原子力プラントの模式図。 （ａ）はフロア天井部に障害物がない場合の漏洩水素ガスの挙動を示す図、（ｂ）は障害物がある場合の漏洩水素ガスの挙動を示す図。

以下、本発明に係る原子炉建屋及びその水素蓄積防止方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

なお、本実施形態に係る原子炉建屋の水素蓄積防止システムは、図１に示すように、フロアの天井部に梁、隔壁、仕切り板、等の障害物が天井部からフロア内に突出して設置されているフロアであって、当該フロアに漏洩水素ガスを放出する可能性がある機器（貫通孔、配管、弁、ポンプ、等）が設置されているフロアに適用される。

（構成）
本実施形態において、原子炉建屋１のフロア１０の天井部１１には、図１に示すように、その直下に複数の障害物１２ａ〜１２ｃが天井部１１からフロア内部に向かって突出して設置されており、当該フロア１０の内部には漏洩水素ガスを放出する可能性がある機器２０（貫通孔、配管、弁、ポンプ、等）が設置され、フロア１０の天井部１１には、上部のフロア１０と連通するハッチ等からなる連通口１５が設けられている。

なお、本実施形態では、障害物１２ａ〜１２ｃが３つで、そのうち障害物１２ｂの突出高さが最も大きい例について説明する。
ここで、機器２０の直上にある天井部１１ａを上流、連通口１５を下流とすると、事故時に機器２０から放出された漏洩水素ガス１８は、上流と下流との間の障害物１２ａ〜１２ｃにより区画された領域（以下、「漏洩水素ガス蓄積領域」という。）１６ａ−１、１６ｂ−１に蓄積する。

本実施形態では、漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１に例えば触媒式の水素再結合器１３を設置する。その際、漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１の上流側の障害物１２ａの突出高さが下流側の障害物１２ｂの突出高さよりも低い場合、障害物１２ａの先端部に邪魔板１４を延設し、障害物１２ｂの突出高さと同等以上とすることで、漏洩水素ガス１８を上流から下流（連通口１５）にスムースに移行させるようにする。

このように、複数の障害物１２（１２ａ〜１２ｃ）の突出高さが種々異なる場合は、上流から下流に向けて障害物１２の突出高さが順次低くなるように、適宜、邪魔板１４を障害物１２の先端部に延設する。

なお、図１の例では、邪魔板１４が障害物１２ａの先端に延設される例を説明したが、これに限定されず複数の障害物１２のそれぞれの突出高さに応じて、突出高さを大きくする必要がある障害物の先端に邪魔板が延設される。したがって、複数の障害物１２のそれぞれの突出高さが上流から下流に向けて順次低くなっている場合等、邪魔板１４を設ける必要がない場合もある。

水素再結合器１３としては、例えば、図３に示すように、触媒１１１を内蔵し、排出口１１３ａと吸込み口１１３ｂが設けられた筐体１１２により構成されるものを採用することができる。この場合、漏洩水素ガス１８は吸込み口１１３ｂから流入し、触媒１１１で酸素と結合することにより、水蒸気を発生させ、排出口１１３ａから排出される。

本実施形態では、水素再結合器１３は、その吸込み口１１３ｂが漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１の下端面（図１の破線ａ、ｂ）あるいは下端面よりも内側（天井部側）に配置されるように設置される。なお、図３の水素再結合器１３は、吸込み口１１３ｂを下側、排出口１１３ａを上側として示しているが、水素再結合器１３を漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１に設置するにあたって、必ずしも吸込み口１１３ｂを下側（フロア内側）とする必要はない。すなわち、本実施形態において、その吸込み口１１３ｂが漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１の下端面（図１の破線ａ、ｂ）あるいは下端面よりも内側（天井部側）に配置されてさえいれば、図３の水素再結合器１３を横に倒した配置としたり、あるいは吸込み口１１３ｂを上側（天井部側）とすることもできる。特に、水素再結合器１３の吸込み口を上側（天井部側）とする場合、水素再結合器１３の吸込み口を漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１の下端面に一致させ、排出口１１３ａを含めた水素再結合器１３のほぼ全てが漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１の下端面よりも下側（フロア内側）となるように配置しても構わない。このようにする場合、漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１内の漏洩水素ガスの流れによって効率よく漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１内の漏洩水素ガスを処理することができる。

なお、本実施形態では、漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１に、一の水素再結合器１３をそれぞれ設ける例について説明しているが、これに限られるものではなく、想定されうる蓄積量等に応じて、複数の水素再結合器１３を設けることとしてもよい。
また、水素再結合器１３は、障害物１２ａ〜１２ｃ又はフロア１０の壁面に固定支持するか、あるいは天井部１１に吊り下げ支持するようにしてもよい。

（作用）
上記のように構成された水素蓄積防止システムにおいて、機器２０から漏洩水素ガス１８が放出されると、周辺空気との密度差によって天井部１１に向かって上昇し、天井部１１に沿って漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１を経て下流（連通口１５）へ移動する。

その際、漏洩水素ガス１８の一部は漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１に徐々に蓄積されるが、蓄積された漏洩水素ガス１８は水素再結合器１３により酸素と結合することで水素濃度が低下する。そして、再結合の反応熱で昇温された低水素濃度のガスは周辺空気よりも温度が高く密度が小さいために天井部１１付近に成層化し、成層化領域１６ａ―２、１６ｂ−２を形成する（図２参照）。

この成層化領域１６ａ―２、１６ｂ−２によって、機器２０から放出される漏洩水素ガス１８は当該領域に侵入するのが防止される。そして、侵入を防止された漏洩水素ガス１８は、漏洩ガス蓄積領域１６ａ−１の上流側の邪魔板１４により、その上流側への移行を阻止され、成層化領域１６ａ―２、１６ｂ−２を経て下流側にスムースに移行し、連通口１５から上部のフロア１０に移行し拡散希釈される。

その際、水素再結合器１３は、漏洩ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１の下端面ａ、ｂの内側近傍に配置されているため、漏洩ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１に蓄積された漏洩水素ガス１８を効率的に除去することができるとともに、当該領域の全体にわたって成層化領域１６ａ―２、１６ｂ−２を形成することができる。これにより、水素漏洩ガス１８が当該領域に侵入することを効率的に防止することができる。

（効果）
以上、説明したように、本実施形態によれば、原子炉建屋１の天井部１１に梁等の障害物１２によって漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１が形成される場合、当該漏洩水素ガス蓄積領域に水素再結合器１３を設置することで、当該領域に蓄積された水素ガスを除去するとともに、成層化領域１６ａ−２、１６ｂ−２が形成されることで、漏洩水素ガス１８の侵入、蓄積を防止し、これにより、水素爆轟の発生を抑止することができる。

また、水素再結合器１３を漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１の下端面の上方近傍に設けたことで、漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１、１６ｂ−１に蓄積された漏洩水素ガス１８を効率的に除去することができるとともに、当該領域の全体にわたって成層化領域１６ａ−２、１６ｂ−２を形成することができる。

さらに、複数の障害物１２（１２ａ〜１２ｃ）の突出高さが異なる場合は、機器２０の直上に形成された漏洩水素ガス蓄積領域１６ａ−１から連通口１５に向けて障害物１２の突出高さが順次低くなるように、必要な障害物１２に突出高さ調整用の邪魔板１４を延設することで、漏洩水素ガス１８を上流側から連通口１５にスムースに移行させることができる。
これにより、大規模な工事を必要とすることなく、簡易な付帯工事のみでフロア１０の天井部１１における水素爆轟を抑止することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…原子炉建屋、２…建屋ベント装置、３…水素検知器、４…原子炉格納容器、５…原子炉、６…非常用ガス処理系、７…ブロア、８…フィルタ、９…排気筒、１０…フロア、１１、１１ａ…天井部、１２、１２ａ〜１２ｃ…障害物、１３…水素再結合器、１４…邪魔板、１５…連通口、１６ａ−１、１６ｂ−１…漏洩水素ガス蓄積領域、１６ａ−２、１６ｂ−２…成層化領域、１８…漏洩水素ガス、２０…機器

Claims (5)

1. 複数のフロアと、
   前記複数のフロアのうちの少なくとも１つのフロアの天井部から前記フロアの内部に向かって突出して設置された複数の障害物と、
   前記複数の障害物が設置された前記フロアの前記天井部に設置された連通口と、
   前記障害物により区画された領域であって、前記複数の障害物が設置された前記フロア内の機器からの漏洩水素ガスが蓄積される漏洩水素ガス蓄積領域と、
   前記漏洩水素ガス蓄積領域の下端面あるいは当該下端面よりも上方に位置する漏洩水素ガスの吸込み口を有する水素再結合器と、
   を備えることを特徴とする原子炉建屋。
2. 前記水素再結合器を、少なくとも前記機器の直上に形成された漏洩水素ガス蓄積領域に設置したことを特徴とする請求項１記載の原子炉建屋。
3. 前記機器の直上から連通口に向けて形成された複数の漏洩水素ガス蓄積領域にそれぞれ少なくとも１つの水素再結合器を設置したことを特徴とする請求項１又は２記載の原子炉建屋。
4. 前記複数の障害物の突出高さが、前記機器の直上に形成された漏洩水素ガス蓄積領域から前記連通口に向けて順次低くなるように、前記障害物の突出高さを前記障害物の先端部に延設する邪魔板によって調整可能としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の原子炉建屋。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の原子炉建屋の水素蓄積防止方法において、
   前記水素再結合器により水素を再結合することを特徴とする原子炉建屋の水素蓄積防止方法。
   
   

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