JP2016527499A - 原子力設備における過酷事故時に使用するための換気システムおよびその運転方法 - Google Patents

原子力設備における過酷事故時に使用するための換気システムおよびその運転方法 Download PDF

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Abstract

原子力設備における運転員の通行可能な運転室、特に原子力発電所(6)の管理室(4)のための換気システム(2)は、放射線が放出される過酷事故時に少なくとも数時間に亘り除染された新鮮空気の供給を可能にしなければならない。特にこの場合運転室に導かれる新鮮空気内の放射性希ガス成分はできるだけ少なくする必要がある。このため本発明による換気システム(2)では、外部の入口(14)から運転室に通じる通気管(10)に第1の送風機(12)と第1の希ガス吸着塔(たとえば38)が接続され、運転室から外部の出口(72)に通じる排気管(44)に第2の送風機(46)と第2の希ガス吸着塔(たとえば48)が接続され、第1と第2の希ガス吸着塔(38、48)の役割交換のための切り替え手段が備えられる。【選択図】図1

Description

原子力発電所における事故または災害状況下ではその時の事故状況および場合によって導入された対策に応じて放射性核分裂生成物、特にヨード、エアロゾルおよび希ガスのかなりの量の放出を考慮しなければならない。この場合コンテインメント(原子炉格納容器)の漏れにより、発電所周辺への放出に至る前に、発電所建屋(たとえば補助設備建屋、開閉設備、監視所など)への放射能の漏出および分散が生じることも考えなければならない。この場合特に、エアロゾルと結合した放射性物質の放出のほかに、希ガスの放出が発電所所員にとって問題となる。
場合によってはフィルタ付きベントの導入時および発電所建屋上の希ガス雲の発生時にも大量の希ガスの放出に至ることがある。天候次第では長時間の負荷にさらされる危険を完全に排除することはできない。
いわゆる事故管理対策の導入にあたっては、管理室または管理所とも呼ばれる監視所内の状況により、所員の許容できないような放射線負荷や汚染を生じることなく、運転員の滞在を可能にすることが強制的に求められることがある。
「ステーション・ブラックアウト」(SBO)を伴う設定以上の事故時には規定に従ったもしくは通常運転時の換気・ろ過設備では、監視所の通行可能性を維持するための重要な換気技術上のパラメータを保証するには、もはや対処できない。
従来の考えはこのようなシナリオを克服するため監視所の隔離を前提としている。補給はたとえば種々のフィルタを備えたモバイル式の換気設備で行われる。この設備では満足できるような希ガスの回収は不可能である。
別の考えは監視所を貯蔵された圧縮空気で補給するものである。長時間にわたる圧力容器内での貯蔵はしかし極めて経費がかかるので限定されている。モジュールおよびモバイル式のシステム構造は実際には実現不可能である。蓄圧的な考えはそのうえ稼働中の設備に増設するのに大きな経費を要する。
本発明の課題は、原子力設備の管理室または運転員の通行が可能な同様な室に対するできるだけ簡単でコンパクトに保持できる換気システムを提供し、放射線放出を伴う過酷事故時に少なくとも数時間に亘って除染された新鮮空気の供給を可能にし、管理室に居る運転員の放射線負荷をできるだけ少なくすることにある。特にこの場合管理室に導入される新鮮空気中の放射性希ガス成分をできるだけ僅かにしなければならない。換気システムはさらにできるだけ受動的な特徴を有するとともにごくわずかな電気エネルギーだけを必要とするものにしなければならない。さらにこの種の換気システムの運転のための特に有利な方法が提供される必要がある。
この課題は本発明によれば装置に関しては請求項1の特徴により解決される。方法に関する課題は請求項10の特徴により解決される。
有利な実施態様は従属請求項の対象であり、ちなみに以下の詳細な説明により明らかにされる。
本発明による換気システムは特に有利なことにエアロゾルおよびヨードフィルタモジュールを有している。通気管内の吸引空気はこの場合送風機を介して吸引され、エアロゾルの分離のため浮遊物フィルタに導かれる。浮遊物の分離後有利なことに放射性ヨード化合物は活性炭フィルタ床内で分離される。同位体交換または塩形成による放射性ヨードメタンの分離には含侵活性炭が使用される。活性炭床には有利には破片の回収のため粒子フィルタが補充される。
このようにしてろ過された空気は次に第2のプロセス工程で希ガスモジュールに導かれる。希ガスモジュールはほぼ相似形の2つの吸着塔を含んでおり、これらの塔には吸着剤/吸着剤類、好適には活性炭が詰められている。塔の吸着剤は活性炭および/またはゼオライトおよび/またはモレキュラーシーブの多層体により構成することもできる。
通気は第1の吸着塔に入り、ここでたとえばキセノン、クリプトンなどの希ガスが塔を通過する際に動的吸着により遅延される。塔の後には吸着剤粒子を回収するためのフィルタが配置されると合目的的である。
補給される室領域からの排気は同時に第2の吸着塔を介して案内され、そこでは以前に蓄積された放射性希ガスの逆洗が行われるので、この塔は切り替え後に今度は負荷を受ける準備がなされる。切り替えは遅くとも第1の吸着塔内の放射能の破過の直前に行われ、この塔は今度は排気により逆洗される。切り替えは好適には受動的にタイマまたは放射能測定により惹起される。
逆洗は有利には排気管内の送風機により助成されるが、その際負圧による排気流の容積の増大は希ガスの逆洗プロセスを増強する。
監視所の排気管には有利には排気の受動的過熱と排気中の湿度の減少を生じさせる(膨張乾燥)絞りが設けられると有利である。これにより後続の洗浄すべき吸着塔内の希ガスの脱着速度が改善される。
希ガスモジュールへの通気管には希ガス塔への過大な湿度の供給を回避するため絞りおよび/または空気乾燥器を設けると有利である。
希ガスモジュールは付加的にk値を高めるための受動的冷却蓄積器を備えることができる。k値とはここではたとえば希ガスcm/吸着剤g単位当たりの希ガスに対する吸着剤材料の吸着容量を意味する。k値はガスの温度、圧力および湿度成分に関係する。この値は一般に経験的に求められる。
吸着塔は圧力交番法、すなわち塔のk値を改善し塔の寸法を減少させるため、洗浄すべき塔は負圧にし、負荷すべき塔は過圧にする(それぞれ大気圧との関連で)ようにして運転されると有利である。通気により貫流される吸着塔内の過圧はたとえば通気管内の調整弁で調整される。
排気は逆洗される希ガスとともに発電所の周辺に通気吸引口とは十分な間隔を置いて放出される。
換気システムは貫流および圧力に対する制御および相応する調整機構を有することが合目的的である。
本発明により得られる利点は特に、エアロゾルおよびヨード/ヨード化合物(特に有機ヨード)の形の空気搬送される放射性物質とともに同時に放射性希ガスが監視所の通気から回収されることにある。相似塔の圧力交番および洗浄法により、クリプトン85などの長寿命の希ガス同位体さえも通気流から分離できる。吸着剤/吸着剤類による希ガスの除去に必要な条件は膨張過熱により受動的に助成される。運転電流は主として通気および排気管中の送風機並びにごくわずかであるが付設の制御ユニットおよび運転サイクル間の切り替え用の切り替え手段に対してのみ要求される。この要求は自給給電モジュール(たとえばバッテリおよび/またはディーゼル機器)により少なくとも72時間に亘って問題なくカバーできる。
まとめると監視所の通行可能性を確保するため以下の機能が保証される。
・ほかの建屋部分からの監視所の換気の隔離
・隣接建屋空間に対する過圧(たとえば1mbar以下)
・許容一酸化炭素および二酸化炭素濃度の維持
・ヨードの回収
・エアロゾルの回収
・希ガス(たとえばKr、Xe)の回収
・線量の制限(たとえば100mSv/7d以下)
・I&C温度規定順守のための温度制限
・少なくとも72時間に亘る上述の機能の保証
ほかの利点を見出し的に総括すると次のようになる。
・モジュールおよびモバイル式のシステム構造
・稼働中の設備に設置する際の少ない経費と高い柔軟性
・わずかな保守経費
・呼吸可能空気の経費の掛かる貯蔵が不要となる
・大きな空気量(空気交番)と室領域のカバーが可能となる。
以下に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は原子力発電所の管理室用の換気システムの極めて簡略化した概観を示すブロック流れ図である。
図に示した事故時の換気システム、略して換気システム2は、災害または事故状況下に、特に発電所建屋内および場合により周辺における核分裂生成物の放出を伴う過酷事故の初期段階において、原子力発電所6の監視所または英語でMain Control Room (主制御室)と呼ばれる管理室4への新鮮空気の供給に用いられる。
通常は原子力発電所6の自給電源の故障やそれに伴う管理室4のための通常運転用換気システム(図示せず)の故障を伴うこの種のシナリオでは、特に管理室4をある期間‐事故の発生後約72時間に至るまで‐運転員の危険なしに確保し、初期の対策を開始して監視を続けることができるようにすることが重要である。場合によって運転員は、環境中の初期の放射能最大値の減衰後に確実な排気が可能となるまで、管理室4に滞在しなければならないことがある。
この目的のため管理室4用の換気システム2は一方では管理室4または発電所建屋の周辺から除染された酸素に富んだ新鮮空気‐通気とも呼ばれる‐を供給できるように設計され、相応するフィルタおよび洗浄段を備えている。他方では換気システム2は使用済みの二酸化炭素に富んだ空気‐排気とも呼ばれる‐を管理室4から周辺へ排出する。この場合、従来行われていた種々の対策とは異なり、付設の圧縮空気貯蔵システムからの新鮮空気の供給や管理室4の内室における空気の大幅な再循環や再処理は行われない。
具体的には管理室4の外部環境に対して少なくともほぼ気密にカプセル化された内室8に新鮮空気供給管または略して新鮮空気管とも呼ばれる通気管10が接続され、この管を介して換気システム2の運転中に送風機12により新鮮空気が周辺から吸引され内室8に供給される。通気管10の吸引入口、略して入口14は管理室4から若干離れて、特に発電所建屋の外側に配置することができる。事故の状況次第では入口14を介して吸引される新鮮空気はそれにもかかわらず著しく放射性核分裂生成物、特にエアロゾル、ヨードやヨード化合物並びに希ガスで負荷されることがある。これらの成分はできるだけ完全にかつ確実に新鮮空気流‐通気流とも呼ばれる‐から、これがブッシング16を介して囲壁18(部分的にのみ示す)を通って管理室4の内室8に導入される前に、除去される必要がある。
このため新鮮空気流の方向に見て入口14の下流側に第1のフィルタ段がエアロゾルフィルタ20の形で通気管10に接続されるが、このフィルタ段はたとえば流れ方向に並列接続された2つのHEPAフィルタ22(高性能エアフィルタ、HEPA=High Efficiency Particulate Airfilter、ドイツ語では意味を取って浮遊物フィルタと呼ばれる)から成る。HEPAフィルタ22は従って新鮮空気流から浮遊粒子とも呼ばれるエアロゾル粒子を、特に同位体Te、Cs、Ba、Ru、Ce、Laに関して分離する作用をする。
さらに下流側にはヨードフィルタ24と後続の粒子フィルタ26を備えた第2のフィルタ段が通気管10に接続される。ヨードフィルタ24は有利にはたとえば0.1〜0.5mの層厚を有する活性炭フィルタ床として形成される。その前のエアロゾルフィルタ20で行われる浮遊物の分離後にヨードフィルタ24では放射性ヨード化合物および元素状のヨードがたとえば接触時間0.1〜0.5s、k値>8で分離される。同位体交換または塩形成による放射性ヨードメタンの分離には含浸活性炭(たとえば含浸剤はヨードカリウム)が使用される。ヨードフィルタ24に後置接続された粒子フィルタ26は活性炭床から出る破片の回収用に設けられる。
第2のフィルタ段の下流側には新鮮空気流を搬送するための搬送送風機、略して送風機12が通気管10に接続される。好適には電気的に駆動される送風機12はたとえば1.000〜6.000m/hの範囲の吸引能力を有する。
必要な運転電流を用意するには通常運転時の固有給電網および好適には通常の(設備とは別の)緊急給電網から独立した自給式の給電モジュール28が設けられ、これはたとえば充電池/蓄電池および/またはディーゼル機器をほぼベースとしている。給電モジュール28は必要な場合に好適には独立して一種の中断のない給電の形で作動するかまたは代替的には付設の制御ユニット30により制御される。
さらに下流側にはオプションとして冷却トラップとも呼ばれる空気乾燥器32が通気管10に接続され、これにより凝縮性の成分が新鮮空気流から分離される。これはたとえば乾燥剤としてシリカゲルおよび/または氷を用いた受動的冷却トラップとすることができる。これにより後続の機能ユニット(下記参照)に流れ込む新鮮空気流の湿気成分が減ぜられる。この目的のため代替的にまたは補助的に設けられこの実施例では新鮮空気の流れ方向に見て空気乾燥器32の後ろに配置された絞り34が膨張乾燥の原理で新鮮空気流に作用する。これには特に可調整絞り弁が用いられる。
ろ過および乾燥に続いて新鮮空気流は付設の調整機構(下記参照)の適当な位置でたとえば管路部分36を貫流するが、この部分には希ガス吸着塔、略して吸着塔38が接続される。この場合新鮮空気流に含まれる希ガス、特にキセノンやクリンプトンは物理的および/または化学的吸着により動的に生じる平衡の枠内で吸着塔38にある吸着剤に結合され、吸着塔38の吸着力がまだなくならない限り、管路部分36で遅延される。吸着剤としては特に一層または多層の活性炭および/またはゼオライトおよび/またはモレキュラーシーブが用いられる。
吸着塔38には管理室4に通じている管路部分が後置され、この部分には溶離した吸着剤粒子を回収するための粒子フィルタ40が接続される。
最後に上述のように除染された新鮮空気流はブッシング16を介して管理室4の囲壁18を通ってその内室8に入るので、この内室には未使用の酸素に富んだ呼気が運転員にとって許容される放射線濃度で導かれる。
空気の交換は管理室4からの使用済みの二酸化炭素に富んだ呼気をその内室8に接続され囲壁18のブッシング42を介して周辺に導かれる排気管44に排出することにより実現され、排気管にはガスの搬出を助成するために送風機46が設けられる。これには好適には電気的に駆動される送風機46が用いられ、この送風機は送風機12と同様に給電モジュール28を介して電流を供給される。
新鮮空気流に作用する吸着塔38の吸着力は実現可能な構造上の大きさでは通常比較的短時間の運転時間で消耗してしまうので、換気システム2は吸着された希ガスを稼働運転中に逆洗して周辺に放出させるように設計されている。この目的のためほぼ同じ大きさの2つの吸着塔38、48が設けられ、これらは適当な分岐管や端子並びに調整機構、ここでは三方弁を介して新鮮空気または排気を付勢され、両吸着塔38、48の一方の塔が上述のように吸着運転で新鮮空気流に作用し、他方の塔は同時に脱着運転もしくは洗浄運転で排気流により逆洗され、次の吸着サイクルの準備をさせられる。調整機構の切り替えにより吸着塔38、48の役割が交換され、したがって各塔が吸着運転と脱着運転とをサイクル的に交替させられる。
図に示した実施例ではこのような機能は、吸着塔38が管路部分36に配置され、他方の吸着塔48が流れ的に逆並列の形で管路部分50に配置されるようにして実現されている。両管路部分36、50は一方の側では三方弁52で、他方の側では送風機46の吸引側に配置された合流点54で合流している。さらに一方の側では三方弁52と両吸着塔38、48との間で2つの三方弁56、58のクロス接続管60が両管路部分36、50の間に挿入され、T端子62を介して通気管10の粒子フィルタ40に通じる部分に接続されている。他方の側では同様に吸着塔38、48と合流点54との間に2つの三方弁64、66のクロス接続管68が設けられ、T端子70を介して通気管10の絞り34から来る部分に接続されている。
弁位置を適当に選択すると上述のように絞り34からの通気はT端子70、三方弁66、図の下側の吸着塔38、三方弁58およびT端子62を介して粒子フィルタ40に流れ、そこからさらに管理室4に流れる。他方の管路では管理室4からの排気が三方弁52、三方弁56、図の上側の吸着塔48および三方弁64を介して送風機46の吸引端子に流れ、そこからさらに排気煙突またはその種の出口72に流れるが、この出口は好適には新鮮空気の入口14とはかなり離れたところに配置される。
すなわち前段のサイクルにおいて吸着塔48で吸着により蓄積された希ガスは、この運転モードでは、大幅に希ガスの無くなった、管理室4の内室8からの排気により吸着剤から脱着され、周辺への排気流で逆洗される。逆洗は、逆洗される吸着塔48の下流側に配置された送風機46により助成され、負圧による排気流容積の増大は希ガスの逆洗プロセスを増強する。
監視所からの排気管44には排気流の方向に見て三方弁52の上流側に、従ってまさに洗浄運転中の吸着塔48の上流側に、好適には可調整絞り弁の形の絞り74があり、これは排気の受動過熱、従って排気中の湿度の減少を図る(膨張乾燥)ものである。これにより後続の吸着塔48における希ガスの脱着速度が良好になる。
切り替え後に吸着塔38と48の役割が交替する。新鮮空気は絞り34から三方弁64、吸着塔48および三方弁56を介して粒子フィルタ40に、そしてそこから管理室4に向かう。これに対し管理室4からの排気は絞り74から三方弁52、三方弁58、吸着塔38および三方弁66を介して送風機46に、そしてそこから出口72に向かう。その前に負荷された吸着塔38は排気により逆洗されるのに対し、吸着塔48は新鮮空気の洗浄およびそれに従って新たな負荷に対処できる。
三方弁52、56、58、64,66の切り替え工程の制御のため制御ユニット30が設けられ、これは好適には両送風機12、46および場合によっては貫流および圧力の別の調整機構を制御する。当業者にとって明らかなように、切り替え機能は別の管路トポロジーおよび調整機構によって同じように実現することもできる。
破線で示した枠取り線により示したように、換気システム2は好適には希ガスモジュール76、ヨード・エアロゾルモジュール78および給電モジュール28によりモジュール的に構成される。モジュール間の境界は詳細にはもちろん別様に選択することもでき、ほかのモジュールやサブモジュールを存在させることもできる。個々のモジュールはたとえば標準コンテナに搬送可能に収容できるので、使用箇所への簡単な搬送と付設の標準化された管路端子の接続により簡単な建造が可能となる。
明細書のこれまでの記述は原子力発電所の(中央)管理室の換気に向けられてきたが、換気システム2は原子力発電所または一般的には原子力設備‐たとえば燃料要素槽、再処理設備、燃料処理設備など、たとえば補助設備建屋、開閉設備室、測定管理室または別の操作・監視室‐内の異なる室領域の事故時の換気に対しても用いることができる。この種の室に対しては総括的に標語的に言えば「運転室」という用語も使用されている。
2 換気システム
4 管理室
6 原子力発電所
8 内室
10 通気管
12 送風機
14 入口
16 ブッシング
18 囲壁
20 エアロゾルフィルタ
22 HEPAフィルタ
24 ヨードフィルタ
26 粒子フィルタ
28 給電モジュール
30 制御ユニット
32 空気乾燥器
34 絞り
36 管路部分
38 吸着塔
40 粒子フィルタ
42 ブッシング
44 排気管
46 送風機
48 吸着塔
50 管路部分
52 三方弁
54 合流点
56 三方弁
58 三方弁
60 クロス接続管
62 T端子
64 三方弁
66 三方弁
68 クロス接続管
70 T端子
72 出口
74 絞り
76 希ガスモジュール
78 ヨード・エアロゾルモジュール

Claims (11)

  1. ・外部の入口(14)から運転室に通じる通気管(10)に第1の送風機(12)と第1の希ガス吸着塔(たとえば38)が接続され、
    ・運転室から外部の出口(72)に通じる排気管(44)に第2の送風機(46)と第2の希ガス吸着塔(たとえば48)が接続され、
    ・前記第1と第2の希ガス吸着塔(38、48)の役割交換のための切り替え手段が備えられる、
    原子力設備における運転員の通行可能な運転室、特に原子力発電所(6)の管理室(4)のための換気システム(2)。
  2. 前記第1の送風機(12)が通気の流れ方向に見て前記第1の希ガス吸着塔(たとえば38)の上流側に配置される請求項1記載の換気システム(2)。
  3. 前記第1の送風機(12)と前記第1の希ガス吸着塔(たとえば38)との間に絞り(34)および/または空気乾燥器(32)が前記通気管(10)に接続される請求項2記載の換気システム(2)。
  4. 前記第2の送風機(46)が排気の流れ方向に見て前記第2の希ガス吸着塔(たとえば48)の下流側に配置される請求項1から3の1つに記載の換気システム(2)。
  5. 排気の流れ方向に見て前記第2の希ガス吸着塔(たとえば48)の上流側に絞り(74)が前記排気管(44)に接続される請求項1から4の1つに記載の換気システム(2)。
  6. ヨードフィルタ(24)とエアロゾルフィルタ(20)が前記通気管(10)に接続される請求項1から5の1つに記載の換気システム(2)。
  7. 前記ヨードフィルタ(24)とエアロゾルフィルタ(20)とが通気の流れ方向に見て前記第1の送風機(12)の上流側に配置される請求項6記載の換気システム(2)。
  8. 自給式給電モジュール(28)を備えた請求項1から7の1つに記載の換気システム(2)。
  9. 切り替え手段が多数の三方弁(52、56、58、64、66)を有する請求項1から8の1つに記載の換気システム(2)。
  10. 同時に、前記第1および第2の両希ガス吸着塔の一方(たとえば38)が通気により貫流されこれにより放射性希ガスを負荷され、他方の希ガス吸着塔(たとえば48)が排気により貫流されこれにより逆洗される請求項1から9の1つに記載の換気システム(2)の運転方法。
  11. 前記両希ガス吸着塔(38、48)の役割が、現在負荷されている希ガス吸着塔(たとえば38)の吸着力が消耗すると直ちに切り替えにより交換される請求項10記載の方法。
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