JP2019132778A - 事故対策方法、原子力プラント及び放射線遮蔽方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＥＧ等の添加剤の放射性物質からの放射線による劣化を抑制して水蒸気爆発を有効に防止又は抑制することができる原子力プラントの事故対策方法、及び事故対策をした原子力プラント並びに放射線遮蔽方法を提供する。【解決手段】原子力プラントの事故対策方法であって、原子炉圧力容器の下部領域であるペデスタル３内に、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物１１を、当該ペデスタル３へ注入された貯留水４の水面を覆う量以上設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、原子力プラントの事故対策方法、及び事故対策をした原子力プラント並びに放射線遮蔽方法に関する。

２０１１年の福島第一原子力発電所事故以降、安全性向上のため国内の原子力プラントにおいては万が一の過酷事故時の対策整備が進められている。その中で、溶融した炉心が原子炉圧力容器を貫通し、圧力容器の外にある格納容器を構成するコンクリートと反応するＭＣＣＩ（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃｏｒｅ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；溶融炉心コンクリート相互作用）反応についても対策が求められており、その対策のひとつとしてＢＷＲ（Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ；沸騰水型原子炉）プラントの例では原子炉圧力容器下部の領域（ペデスタル）に事前に注水を行い、溶融し落下してきた炉心を冷却水で受け止めて冷やすというものが考えられている。

また、ペデスタルに事前水張りした冷却水に、水蒸気爆発の発生を防止又は抑制する添加剤として「ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）」を注入することで、水蒸気爆発の発生を防止又は抑制する対策も考えられている（非特許文献１〜３参照）。

ここで、原子炉の燃料が損傷し、希ガスがウェットウェルを経由して格納容器内に充満した場合のペデスタルの線量評価を基に、対策を講じない場合、ＰＣＶ（Ｐｒｉｍａｒｙ Ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ Ｖｅｓｓｅｌ；格納容器）内に放射性物質が充満した際のペデスタル水張りに及ぼす線量影響の評価結果を図７及び８に示す。ここでは図７に示すように、コンクリート部材１及び鉛部材２で囲まれたペデスタル３付近にフォーカスしたモデル体系を作成し、ペデスタル３内に水張りがなされて貯留水４が溜まった状況を模擬した。ここでは国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（JAEA:Japan Atomic Energy Agency）にて開発された放射線輸送計算コードPHITS（Particle and Heavy Ion Transport Code System）を用いてモデル作成、解析評価を行った（非特許文献４参照）。ペデスタル３の上方に位置するのが水蒸気５が入った圧力容器６である。このとき、炉内の揮発性放射性物質（ここではＸｅ，Ｋｒのみを想定）が全量ＰＣＶに移行したと仮定している。またそのインベントリは様々な文献を参照し、得られた情報から考えられ得るものを想定しているが、全量が移行するとした過程等は保守的な評価となっている。なお、水張り部分の貯留水４の高さ方向は下端が５５０ｃｍ、上端が６４８ｃｍと設定している。

図８に示す結果からは、この評価条件の場合、ペデスタル３内空間では線量は約５０ｋＳｖ／ｈとなり、水面から約１０ｃｍ下の水中では線量は約１０ｋＳｖ／ｈとなっている。したがって、ある程度水面より下部分の水は照射される線量は小さくなる。しかし、その水面付近では添加剤であるＰＥＧの劣化の可能性が懸念される約２０ｋＳｖに比較的短時間で到達してしまう程度の比較的大きな線量影響を受ける可能性があることが分かった。

古谷 他，"粘性剤および界面活性剤添加による蒸気爆発抑制効果の評価"，財団法人 電力中央研究所 研究報告：T99091,平成12年8月 古谷 他，"SUPPRESSION MEASURES AND EFFECTIVE TRIGGERING RETARDANT OF STEAM EXPLOSIONS"，財団法人 電力中央研究所,NURETH-16,2015 古谷 他，"Suppression Measures of Steam Explosions with and without External Pressure Pulse"，財団法人 電力中央研究所,ICMF-2016 T. Sato, K. Niita, N. Matsuda, S. Hashimoto, Y. Iwamoto, S. Noda, T. Ogawa, H. Iwase, H. Nakashima, T. Fukahori, K. Okumura, T. Kai, S. Chiba, T. Furuta and L. Sihver, Particle and Heavy Ion Transport Code System PHITS, Version 2.52, J. Nucl. Sci. Technol. 50:9, 913-923 (2013)

上述したとおり、ＭＣＣＩ対策および水蒸気爆発対策としてペデスタルへの事前水張りを行う際にＰＥＧを添加する方法に関して、その耐放射線性能について、万が一の原子力プラントでの事故を想定すると、希ガスが放出されて格納容器内に充満した場合にその希ガス等の放射性物質からの放射線によりＰＥＧが劣化してしまう可能性が懸念され、水蒸気爆発が有効に防止又は抑制できない可能性があるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、ＰＥＧ等の添加剤の放射性物質からの放射線による劣化を抑制して水蒸気爆発を有効に防止又は抑制することができる原子力プラントの事故対策方法、及び事故対策をした原子力プラント並びに放射線遮蔽方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成する本発明の第１の態様は、原子力プラントの事故対策方法であって、原子炉圧力容器の下部領域であるペデスタル内に、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物を、当該ペデスタルへ注入された貯留水の水面を覆う量以上設けることを特徴とする事故対策方法にある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物が設けられていることにより、溶融炉心が落下した場合には、浮遊構造物の間を通過して水中への落下が許容されるが、水中へ到達する放射線線量を低減することができる。

本発明の第２の態様は、前記浮遊構造物が、球形状構造物であることを特徴とする第１の態様に記載の事故対策方法にある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物がより隙間なく並ぶので、浮遊構造物による放射線線量の低減がより確実になる。

本発明の第３の態様は、前記浮遊構造物は、金属中空構造であることを特徴とする第１又は２の態様に記載の事故対策方法にある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物を比較的容易に製造できる。

本発明の第４の態様は、前記浮遊構造物は、前記貯留水の水面に、少なくとも前記貯留水中への放射線を遮蔽するのに必要な厚さ以上の層を形成することを特徴とする第１〜３の態様の何れかに記載の事故対策方法にある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物が所定の厚さ以上形成されていることにより、水中へ到達する放射線線量をより確実に低減することができる。

本発明の第５の態様は、前記浮遊構造物は、下部に水が流入する流入口があって上部が開放されている筒状体内に充填保持されていることを特徴とする第１〜４の態様の何れかに記載の事故対策方法にある。

かかる態様では、水を注入すると、浮遊構造物が貯留水の水面に層を形成するので、既存の原子力プラントに比較的容易に浮遊構造物の層を設けることができる。

本発明の第６の態様は、前記ペデスタル内に前記貯留水が注入されたことを特徴とする第１〜５の態様の何れかに記載の事故対策方法にある。

かかる態様では、前記ペデスタル内に貯留水が注入され、貯留水の水面に浮遊構造物の層を形成することができる。

本発明の第７の態様は、前記ペデスタル内の冷却水に水蒸気爆発を防止又は抑制する添加剤を注入することを特徴とする第１〜６の態様の何れかに記載の事故対策方法にある。

かかる態様では、浮遊構造物の層により、添加剤の放射線による劣化を低減することができる。

本発明の第８の態様は、前記浮遊構造物が出し入れ可能であり可搬性を有することを特徴とする第１〜７の態様の何れかに記載の事故対策方法にある。

かかる態様では、既存の原子力プラントへの浮遊構造物の層の設置が容易であり、且つ原子力プラントのメンテナンスへの影響も小さくなる。

本発明の第９の態様は、原子炉圧力容器の下部領域であるペデスタル内に、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物を、当該ペデスタルへ注入された貯留水の水面を覆う量以上設けたことを特徴とする原子力プラントにある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物が設けられていることにより、溶融炉心が落下した場合には、浮遊構造物の間を通過して水中への落下が許容されるが、水中へ到達する放射線線量を低減することができる。

本発明の第１０の態様は、前記浮遊構造物が、球形状構造物であることを特徴とする第９の態様に記載の原子力プラントにある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物がより隙間なく並ぶので、浮遊構造物による放射線線量の低減がより確実になる。

本発明の第１１の態様は、前記浮遊構造物は、金属中空構造であることを特徴とする第９又は１０の態様に記載の原子力プラントにある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物を比較的容易に製造できる。

本発明の第１２の態様は、前記浮遊構造物は、前記貯留水の水面に、少なくとも前記貯留水中への放射線を遮蔽するのに必要な厚さ以上の層を形成することを特徴とする第９〜１１の態様の何れかに記載の原子力プラントにある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物が所定の厚さ以上形成されていることにより、水中へ到達する放射線線量をより確実に低減することができる。

本発明の第１３の態様は、前記浮遊構造物は、下部に水が流入する流入口があって上部が開放されている筒状体内に充填保持されていることを特徴とする請求項９〜１２の態様の何れかに記載の原子力プラントにある。

かかる態様では、水を注入すると、浮遊構造物が貯留水の水面に層を形成するので、既存の原子力プラントに比較的容易に浮遊構造物の層を設けることができる。

本発明の第１４の態様は、前記ペデスタル内に前記貯留水が注入されたことを特徴とする第９〜１３の態様の何れかに記載の原子力プラントにある。

かかる態様では、事故対策として事後的に貯留水を注水して事故対策を行うことができる。

本発明の第１５の態様は、前記ペデスタル内の冷却水に水蒸気爆発の発生を防止又は抑制する添加剤を注入したことを特徴とする第１４の態様に記載の原子力プラントにある。

かかる態様では、浮遊構造物の層を設けることにより、添加剤の放射線による劣化を低減することができる。

本発明の第１６の態様は、前記浮遊構造物が出し入れ可能であり可搬性を有することを特徴とする第９〜１５の態様の何れかに記載の原子力プラントにある。

かかる態様では、既存の原子力プラントへの浮遊構造物の層の設置が容易であり、且つ原子力プラントのメンテナンスへの影響も小さくなる。

本発明の第１７の態様は、所定の領域に保持されている液体放射性物質に、比重が前記液体放射性物質よりも小さい複数の浮遊構造物を投入し、前記液体放射性物質の液面を覆うことを特徴とする放射線遮蔽方法にある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物が設けられていることにより、液体放射性物質から放射される放射線線量を低減することができる。

本発明の第１８の態様は、前記浮遊構造物が、球形状構造物であることを特徴とする第１７の態様に記載の放射線遮蔽方法にある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物がより隙間なく並ぶので、浮遊構造物による放射線線量の低減がより確実になる。

本発明の第１９の態様は、前記浮遊構造物は、金属中空構造であることを特徴とする第１７又は１８の態様に記載の放射線遮蔽方法にある。

かかる態様では、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物を比較的容易に製造できる。

本発明によれば、複数の浮遊構造物からなる層を原子力プラントのペデスタルに設けることにより、溶融炉心が落下した場合には、浮遊構造物の間を通過しての水中への落下が許容されるが、水中へ到達する放射線線量を低減することができるという効果を奏する。また、複数の浮遊構造物の層が設けられていることにより、浮遊構造物の間を介しての流体の流通は許容されるが、遮断空間へ到達する放射線線量を低減することができる放射線遮蔽を実現することができる。

実施形態１に係る原子力プラントの断面図である。 実施形態１に係る浮遊構造物の設置方法を説明する図である。 実施形態１に係る浮遊構造物の設置方法を説明する図である。 評価試験の結果を示す図である。 評価試験の結果を示す図である。 実施形態に係る放射線遮蔽方法を模式的に示す図である。 ペデスタル水張りに及ぼす線量影響の評価結果を示す図である。 ペデスタル水張りに及ぼす線量影響の評価結果を示す図である。

以下、実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

（実施形態１）
図１には、実施形態１に係る原子力プラントの断面図であり、図２、図３は浮遊構造物の設置方法を説明する図である。

図１に示すように、コンクリート部材１及び鉛部材２で囲まれたペデスタル３の底部には貯留水４が湛えられ、貯留水４の上部に浮遊構造物層１０が設けられている。

浮遊構造物層１０は、貯留水４の水面に浮かぶ複数の浮遊構造物１１からなる層である。各浮遊構造物１１は、本実施形態では、鉄製の金属中空物からなる球体であり、比重が水よりも小さく、貯留水４の水面に浮遊するものである。

ここで、浮遊構造物１１は、比重が水よりも小さく、水に浮遊可能なものであり、複数個が集合して貯留水４の表面に浮遊構造物層１０を形成できるものであれば、特に限定されない。

浮遊構造物層１０は、複数の浮遊構造物１１の集合体であり、上方から溶融炉心が落下してきても貯留水４内への落下を許容するが、詳細は後述するが、浮遊構造物層１０の上方の空間内の希ガスなどの放射線物質からの放射線の通過を防止又は低減するものである。

よって、各浮遊構造物１１は、溶融炉心に備えた貯留水の水面に浮かび層を形成することのできる素材で形成する必要がある。逆に言えば、水面に浮かび層を形成することのできるものであれば、材質や形状は特に限定されない。

また、浮遊構造物１１は、放射線遮蔽効果を高めるために表面、内表面に放射線遮蔽物質を塗布したものとしてもよい。また、溶融炉心への耐性を高めるために超高温耐性のある材料を塗布したものとしてもよい。さらに、中空構造の場合には格納容器の加圧破損への寄与を低減させるために中空部分を真空にしたものとしてもよい。このように、浮遊構造物１１には、各種改良を加えることも有効である。

貯留水４に浮遊して隙間なく集合して浮遊構造物層１０を形成するためには、異形形状よりは球形状が好ましい。また、球形状の場合、大きさがほぼ同一の集合体でもよいが、直径が異なる球体の集合体の方が隙間なく集合して浮遊構造物層１０を容易に形成することができると推定される。

このような条件を満足する浮遊構造物１１は、鉄などの金属製かセラミックス製の中空球体が好ましい。例えば、市販の中空金属球体として、商品名「ＴＥＣ−ＢＡＬＬ」が市販されている、直径が０．５ｃｍ〜４ｃｍ、密度が０．８〜０．９ｇ／ｃｍ^３のものが存在する。好適には、これを用いることが可能である。

このような浮遊構造物１１を用いて形成される浮遊構造物層１０は、その上方の空間内の希ガスなどからの放射線が貯留水４内に入り込まないようにするものであるから、このような機能を有する厚さを有する必要がある。後述する実験等から、２ｃｍ、好ましくは、５ｃｍ以上の厚さの層とするのが望ましい。また、上述したような市販の中空球体を用いるとすると、直径の異なる中空球体を混合して用いるのが好ましい。

このような浮遊構造物１１は、貯留水４の注入時に水と共に搬入することも可能であるが、水注入前の原子力プラントのペデスタル３内に設置しておくのが好ましい。この場合、ペデスタル３内の下部に敷き詰めておくことも可能であるが、プラントのメンテナンス等を考慮すると、図２のような上部が開放された開口２１であり、下部に水の流入口２２を有する筒状の容器２０内に充填し、容器２０に充填したままペデスタル３内に設置しておくのが好ましい。流入口２２は、中に充填した浮遊構造物１１が流出せず、且つ浮遊構造物１１によって塞がれることなく、水の内部への流入を許容するものであり、例えば、メッシュ構造などを有しているものである。これにより、図３に示すように、水を注入すると、流入口２２から容器２０内に水が流入し、水位が増すと、容器２０内の浮遊構造物１１が浮き、最後には、貯留水４の水位が容器２０の開口２１より上方に位置すると、浮遊構造物１１は、容器２０の開口２１から飛び出し、貯留水４の水面に浮遊構造物層１０を形成する。

このような手法を用いることにより、事故対策で貯留水４を注入しない間は、容器２０内に充填した状態で浮遊構造物１１を搬送でき、出し入れ可能である。また、事故発生時に単に貯留水４を注入することにより、浮遊構造物１１は、容器２０の開口２１から浮遊して飛び出し、容易に、貯留水４の水面に浮遊構造物層１０を形成することができ、溶融炉心が落下した場合には、浮遊構造物の間を通過して水中への落下が許容されるが、貯留水４中へ到達する放射線線量を低減することができるという効果を奏する。

（実施例１）
本実施例は、鉄製中空球体の浮遊構造物１１を用いて浮遊構造物層１０の厚さを１０ｃｍとした。

（実施例２）
本実施例では浮遊構造物層１０の厚さを５ｃｍとした。

（実施例３）
本実施例では浮遊構造物層１０の厚さを２ｃｍとした。

（比較例１）
浮遊構造物層１０を設けないものを比較例１とした。

（評価結果）
図４及び図５に示すように、実施例１〜３では、高さ６４８ｃｍの水面位置では、比較例１と比較して線量が著しく低減されており、特に、実施例１、２では、数ｋＳｖ／ｈ以下に低減されており、３５ｋＳｖ／ｈ程度の比較例１と比較して、浮遊構造物層１０の効果が確認された。

以上の結果より、浮遊構造物層１０を設けることにより、貯留水４への放射線影響は低減され、発生防止剤（ＰＥＧ）の劣化への懸念はより低減されることが明らかである。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、原子力プラントの事故対策方法として浮遊構造物層を用いた例を示したが、浮遊構造物層の作用効果を考えれば、放射性物質からの放射線遮蔽方法として浮遊構造物層を用いることができることは明らかである。
また浮遊構造物については、放射線遮蔽効果を高めるために表面、内表面に放射線遮蔽物質を塗布すること、溶融炉心への耐性を高めるために超高温耐性のある材料を塗布すること、中空構造の場合には格納容器の加圧破損への寄与を低減させるために中空部分を真空にすること、などの改良を加えることも有効である。

図６には、液体放射性物質からの放射線遮蔽方法に浮遊構造物層を用いた例を示す。

図示するように、液体放射性物質３１からは、放射線が照射されている可能性があり、その周囲の空間は放射線が照射される空間である。よって、液体放射性物質３１の表面に浮遊構造物層１０Ａを設けることにより、その周囲の空間への放射線線量を低減することができる。

なお、浮遊構造物層１０Ａは、上述した浮遊構造物層１０と同様なものであり、詳細な説明は省略する。

また、液体放射性物質３１は、放射性の廃液等の他に自ら放射線を発するもの以外に水中に放射性物質が存在するものも同様に考慮することができ、例えば、原子力燃料の冷却プールにおける水位低下時などにも有効である。

浮遊構造物層１０Ａは、必要に応じて容易に設けることができ、且つ必要に応じて容易に除去することができる放射線遮蔽層として用いることができ、有用である。

上述した実施形態では、浮遊構造物層を用いた原子力プラントの事故対策方法を中心に説明したが、浮遊構造物層は、原子力廃棄物施設、原子力プラント関連施設などの放射線物質からの放射線の遮断を目的とした用途に使用可能である。

また、上述した事故対策方法はＢＷＲを例にして説明したが、炉型に限定されず、この対策方法が有効な状況において、例えばＰＷＲ（Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ；圧力水型原子炉）等 においても、適用される。

３ ペデスタル
４ 貯留水
１０、１０Ａ 浮遊構造物層
１１ 浮遊構造物

Claims (19)

1. 原子力プラントの事故対策方法であって、
   原子炉圧力容器の下部領域であるペデスタル内に、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物を、当該ペデスタルへ注入された貯留水の水面を覆う量以上設けることを特徴とする事故対策方法。
2. 前記浮遊構造物が、球形状構造物であることを特徴とする請求項１記載の事故対策方法。
3. 前記浮遊構造物は、金属中空構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の事故対策方法。
4. 前記浮遊構造物は、前記貯留水の水面に、少なくとも前記貯留水中への放射線を遮蔽するのに必要な厚さ以上の層を形成することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の事故対策方法。
5. 前記浮遊構造物は、下部に水が流入する流入口があって上部が開放されている筒状体内に充填保持されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の事故対策方法。
6. 前記ペデスタル内に前記貯留水が注入されたことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項記載の事故対策方法。
7. 前記ペデスタル内の冷却水に水蒸気爆発を防止又は抑制する添加剤を注入することを特徴とする請求項６記載の事故対策方法。
8. 前記浮遊構造物が出し入れ可能であり可搬性を有することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項記載の事故対策方法。
9. 原子炉圧力容器の下部領域であるペデスタル内に、比重が水よりも小さい複数の浮遊構造物を、当該ペデスタルへ注入された貯留水の水面を覆う量以上設けたことを特徴とする原子力プラント。
10. 前記浮遊構造物が、球形状構造物であることを特徴とする請求項９記載の原子力プラント。
11. 前記浮遊構造物は、金属中空構造であることを特徴とする請求項９又は１０記載の原子力プラント。
12. 前記浮遊構造物は、前記貯留水の水面に、少なくとも前記貯留水中への放射線を遮蔽するのに必要な厚さ以上の層を形成することを特徴とする請求項９〜１１の何れか一項記載の原子力プラント。
13. 前記浮遊構造物は、下部に水が流入する流入口があって上部が開放されている筒状体内に充填保持されていることを特徴とする請求項９〜１２の何れか一項記載の原子力プラント。
14. 前記ペデスタル内に前記貯留水が注入されたことを特徴とする請求項９〜１３の何れか一項記載の原子力プラント。
15. 前記ペデスタル内の冷却水に水蒸気爆発を防止又は抑制する添加剤を注入することを特徴とする請求項１４記載の原子力プラント。
16. 前記浮遊構造物が出し入れ可能であり可搬性を有することを特徴とする請求項９〜１５の何れか一項記載の原子力プラント。
17. 所定の領域に保持されている液体放射性物質に、比重が前記液体放射性物質よりも小さい複数の浮遊構造物を投入し、前記液体放射性物質の液面を覆うことを特徴とする放射線遮蔽方法。
18. 前記浮遊構造物が、球形状構造物であることを特徴とする請求項１７記載の放射線遮蔽方法。
19. 前記浮遊構造物は、金属中空構造であることを特徴とする請求項１７又は１８記載の放射線遮蔽方法。