JP2018503811A - 加圧水型原子炉の溶融炉心を冷却して閉じ込めるシステム - Google Patents
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Abstract
Description
これを防ぐには、漏れ出したコリウムを、それが完全に結晶化するまで、閉じ込めて冷却すべきである。この機能を発揮する溶融炉心(コリウム)冷却閉じ込めシステムは、原子炉に深刻な事故が生じた場合、NPPの建屋の破損を防いで作業員および周囲を被爆から保護する。
本発明の背景には、次に、コリウムを閉じ込めて冷却する装置として設計された伝熱容器の壁構造がある。この構造は、内壁と外壁、および、それらの間に挟まれた、犠牲材と化学的には同じ性質を持つ粒状のセラミック充填材を、少なくとも100mmの厚さで含む。(特許文献2参照。)
−水冷容器の底と同じ形の底を成す下側のブロックには、上側のブロックにはある中央の穴がない。この結果、下側のブロックでは、ほとんどが溶けた鋼鉄とジルコニウムとであるコリウムの最初の部分が侵入した際、希釈剤のペレットに「詰まり(jamming)」が生じる。容器の底の傾斜角が10°〜20°であることを考えると、詰まったペレットの重量は、容器に含まれるペレットの総重量の25%〜35%である。コリウムの最初の部分の侵入から1〜3時間後、ほとんどが酸化ウランと酸化ジルコニウムとであるコリウムの次の部分が侵入するが、下側のブロックではペレットと熱化学反応を起こす状態にはなり得ない。これは、下側のブロックでは、先に侵入した鋼鉄が固化してペレットと酸化ウラン/酸化ジルコニウムとの間の相互作用を妨げ、または鋼鉄製の構造および締結部品を破壊して容器内のペレットをすべて浮かび上がらせ、コリウムの上にスラグの覆い(slag cap)を形作らせるからである。
−粒状のセラミック材には、伝熱容器の外壁を高温の溶融物の熱から保護する効果がない。これは、このセラミック材が平均熱伝導率0.5W/mK未満の効果的な断熱材であり、実際には、炉心溶融が終わるまで熱を容器の外壁へは伝導させないからである。したがって、溶融炉心によって粒状のセラミック材が洗い落とされる間に、伝熱容器が破壊される危険性が増す。
本発明の目的は、上記のような技術の欠点を取り除くことにある。
−各肋材は外側の金属層にはしっかりと固定されているが、内側の金属層には固定されていない。
−各肋材は外側との内側との金属層の両方にしっかりと固定されている。
−各肋材は半径方向と周方向との両方において熱的に隔離されている。
−多層容器は、外側の金属層の上に追加して貼られた厚さ0.1〜0.5mmの耐腐食層を含む。
このシステムは、類似のシステムに比べ、外側と内側との金属壁、および充填材の3層の被覆材を含む炉心捕獲器を備えている。この捕獲器は更に、内側と外側との金属層の間に方位間隔(多層容器の中心面上における周方向の間隔)Spitchで設置された複数の肋材を含む。この間隔Spitchは多層容器の外径dext(m)に対して不等式dext/15<Spitch<dext/5を満たす。この大小関係は、3〜12mの範囲で変更可能な多層容器の外径に対して肋材の適切な設置間隔を与える。特に、比較的大きい外径に対しては不等式の示す比の小さい方が間隔に選択され、比較的小さい外径に対しては不等式の示す比の大きい方が間隔に選択される。すなわち、容器の外径が12mであれば、それを15で割った値が間隔に選択され、3mであれば、それを5で割った値が間隔に選択される。この場合、肋材の方位面(中心面)上における配置間隔はおおよそ0.4〜0.8mである。
−計装制御系統(I&C)のセンサー類を接続している被覆管。
−外部の供給源から冷却水の供給を受けるコリウム噴霧管(すなわち配管に接続されたヘッダー)。この噴霧管により、コリウムに噴霧されるべき冷却水が片持ち梁の上方から供給される。
−正常な動作期間において案内板(4)を冷却するための空気を供給する給気管。
捕獲器(8)は、格納容器(1)が溶け、または破壊された場合、溶融炉心を原子炉の下の空洞(3)の中に閉じ込めて冷却する。この空洞の中には伝熱面が広がり、熱を大量の水へ伝えてその水を沸騰させる。この空洞(3)の中に捕獲器(8)は、埋め込まれた部分を土台として設置されている。
−外側の金属層(11):壁と底とによって形成された外側の被覆材。
−非金属の充填材(12)の層。
−内側の金属層(13):壁と底とによって形成された内側の被覆材。
dext/15<Spitch<dext/5
を満たす。方位間隔Spitchは、多層容器の中心面(断面)内において外周に沿った周方向の間隔、すなわち、容器の外壁(外層)で繋がれた肋材間の距離である(図3参照)。これらの肋材(15)は外層(11)にしっかりと固定されている。これらは内層(12)にも固定されていてもよい。特に、肋材は22Kの鋼鉄製であってもよく、厚さが10〜60mmであり、方位間隔が200〜800mmであってもよい。
−漏出事故の際に交換して水を除去すべき充填材(10)。
−充填材(10)を漏出事故から保護する加圧部材の集合体。
上記のシステムは次のように動作する。
格納容器(1)が破壊された時点では、溶融炉心は流体としての過剰な圧力により、片持ち梁(5)によって支持されている案内板(4)の表面へ移動し始める。溶融炉心は、案内板(4)の各部分を通して流れ落ちると、捕獲器(8)の多層容器の中へ侵入して充填材(10)に接触する。流れ落ちるコリウムが部分間で非対称である場合、片持ち梁(5)の断熱部(6)と操作床(7)とが溶け始める。この断熱部は、破壊されることにより、コリウム自体の温度と化学的な反応性とを弱めると共に、保護対象の設備にコリウムの熱が与える影響を弱める。
熱伝導性の低い物質から成る充填材(12)が使われている場合、溶融炉心の進入の初期段階では捕獲器(8)の外層(11)の断熱性が確実に維持される。充填材(12)の主な目的は、捕獲器(8)の外層(11)を熱から守り、その内層の上にスラグの層を形成することにある。コリウムが内層(13)を加熱して溶かすと、その熱は充填材(12)に伝わるので、充填材(12)もまた加熱されて溶融し、多層容器の外層(11)の比較的冷たい内面の上にはスラグの外皮(slag crust)が形成される。この過程は、多層容器の内層(13)と充填材(12)とが完全に溶融するまで続く。充填材(12)は、熱伝導度が低いので、速やかに溶融してコリウムを希釈する。したがって、コリウムから多層容器の内層(13)への熱流はほとんどが、もっぱら内層(13)と充填材(12)とを溶融させるのに使われるだろう。充填材によって形成されるスラグの層は多層容器の外層(11)への熱流を制限してこの熱流に、外層(11)の高さ方向の全体にわたって分布を変更させ、特に、高さ方向と周方向とにおける局所的な変動を抑えて均す。
外層(11)の表面で生成された蒸気は上昇し、蒸気用の逃げ道を通って格納容器へ流れ込み、そこで凝縮される。凝縮液は格納容器から貯留槽へ流れる。この貯留槽は複数本の流路によって、炉心捕獲器(8)が設置された原子炉下の空洞(3)へ繋がれている。したがって、炉心捕獲器を長期間冷却する場合においても、冷却水の循環機能と外層(11)からの定常的な除熱機能とが確保される。捕獲器(8)内のコリウムは、蓄積した熱と残留エネルギーの放出に伴う熱とが減少するにつれて次第に冷却される。充填材(10)との相互作用を終えた後の溶融物を冷却する最初の段階では、主に多層容器の外層(11)を通して熱が交換される。冷却水が捕獲器(8)に供給された後、熱流は次第に平衡状態へ移行する。すなわち、外層(11)を通る熱流量はコリウムの表面からの熱流量と等しくなる。最終段階ではコリウムは、炉心捕獲器(8)に供給される冷却水によって直に冷却され得る。これは、コリウムが固化する間に透水性の構造を形成する場合に可能である。
2−原子炉格納容器の底
3−コンクリート製のアーチ形貯蔵室(原子炉内の空洞)
4−案内板
5−片持ち梁
6−片持ち梁の断熱部
7−操作床
8−炉心捕獲器
9−多層容器のフランジの断熱部
10−充填材
11−多層容器の外層
12−多層容器内の充填材
13−多層容器の内層
14−段階的に先細りする形状、または円筒形状のコリウム用貯槽
15−肋材
16−多層容器の円筒部分
17−多層容器の円錐部分
18−3層の複合殻
Claims (7)
- 加圧水型原子炉の溶融炉心を冷却して閉じ込めるシステムであって、
前記原子炉の格納容器の底の下に設置された円錐形状の案内板と、
前記案内板の下に設置され、前記案内板を支持する片持ち梁と、
前記片持ち梁の下に設置され、冷却被覆材を備えることにより外側の伝熱壁を、衝撃、熱、および化学的影響から保護するための多層容器として形成されている炉心捕獲器と、
前記多層容器の中で溶融炉心を希釈するための充填材と
を備え、
前記多層容器は、内側と外側との金属層、およびそれらの間に挟まれた非金属の充填材を含む中間層を有し、
前記内側と外側との金属層の間には複数の肋材が方位間隔Spitchで設置されており、この間隔Spitchは前記多層容器の外径dextに対して不等式
dext/15<Spitch<dext/5
を満たす
ことを特徴とするシステム。 - 各肋材は前記外側の金属層にはしっかりと固定されているが、前記内側の金属層には固定されていないことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 各肋材は前記外側と内側との金属層の両方にしっかりと固定されていることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 各肋材は半径方向と周方向との両方において熱的に隔離されていることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記多層容器の底のうち、上側の円筒部分を下側の円錐部分に接続している部分は、ドーナツ形をした3層の複合殻を含み、前記外側の金属層の熱膨張の大きさにかかわらず、前記内側の金属層の熱膨張の大きさを確保することを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記多層容器は、前記外側の金属層の上に追加して貼られた厚さ0.1−0.5mmの耐腐食層を含むことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記多層容器は、前記外側の金属層の外表面上に追加して貼られ、水への対流による熱伝導を促進させる厚さ0.5−5mmの層を含むことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
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