JP2020046367A - 凝縮器、原子力プラント及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で容易に実装でき、非凝縮性ガスが混ざった蒸気であっても効率的に凝縮できる凝縮器及び原子力プラントと、格納容器からの放射性物質の排出を抑制することができる原子力プラントの運転方法を提供することを目的とする。【解決手段】冷媒が流通する複数の伝熱管３と、複数の伝熱管３を取り囲み、かつ密封するケーシング２と、ケーシング２の下部に蒸気の凝縮で発生した凝縮水を排出するドレン８管を備え、ケーシング２は、特定の非凝縮性ガスよりも分子径の小さな凝縮性ガスを選択的に通すガス分離膜で少なくとも一部が構成されている、ことを特徴とする凝縮器１。【選択図】図１

Description

本発明は、凝縮性ガスと非凝縮性ガスとを含む混合ガスを冷却するための凝縮器、及び該凝縮器を原子力プラントの安全設備に適用する場合の運転方法に関する。

伝熱管内に冷媒を流して伝熱管の外表面で凝縮性ガスを凝縮させる凝縮器が原子力プラントに用いられることがある。

原子力プラントの事故時に原子炉格納容器において圧力容器から漏洩した蒸気をこの凝縮器で凝縮させてウェットウェルに導く場合を考える。沸騰水型原子力プラントでは、通常運転時に格納容器内に窒素が充填されているので、非凝縮性ガスとしての窒素と凝縮性ガスとしての蒸気とを含む混合ガスを凝縮器によって凝縮させることになる。

一般的に、非凝縮性ガスが含まれると伝熱管周りに非凝縮性ガスの層が形成され大きな熱抵抗となるため、熱伝達率が低下する。この非凝縮性ガスの伝熱阻害効果を低減するために、非凝縮性ガス分離装置を備えた静的格納容器冷却設備が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１２−５２８２３号公報

特許文献１に記載の静的格納容器冷却設備では、ガス分離装置を用いて非凝縮性ガス濃度を下げた蒸気を水プール中に設置された熱交換器に送り、非凝縮性ガスの伝熱阻害効果を低減して伝熱効率を向上させるものである。

しかし、同文献の装置では、水プールに貯留した水を熱の放出先としているため、長時間にわたって蒸気を凝縮させるためには、大量の水が貯えられる巨大なプールが必要である。この規模の水プールを原子炉建屋に収納する場合、耐震性を確保するため建屋の強度を上げる必要があり、建設コスト増加の要因となる。

また、重力を用いて熱交換器から凝縮水を排出する構造であるため、ウェットウェルに対して高位置に設置する必要がある。結果として同文献では、水プールを原子炉建屋上部に設置しており大規模な水プールを要することとなって、全体として大型のシステムとなる。

また、炉心の冷却のためにプラントの外部から圧力容器に注水する場合を考える。この場合、プラントの内部を循環する水とは別に水を加えることになるため、凝縮器が積極的に機能すると、ウェットウェルの水位が早期に上昇し得る。

格納容器のベント管の入口が水没してしまうとベントシステムが機能を失うため、ベント管の入口が水没する前に注水を中止しなければならない。注水を中止すれば圧力容器から漏洩する蒸気により格納容器の圧力が上昇するため、ベントシステムを使用せざるを得ない。

ベントシステムを使用すれば格納容器の過圧破損を回避し得る。しかし、圧力容器から漏洩した蒸気が格納容器の外に排出されるベントシステムでは、蒸気に含まれる放射性物質の大半は、フィルタで取り除かれるが、環境に放出される放射性物質をゼロに抑えることは困難である。よってベントシステムの使用はなるべく回避することが望ましい。

本発明は、小型で容易に実装でき、非凝縮性ガスが混ざった蒸気であっても効率的に凝縮できる凝縮器及び原子力プラントと、格納容器からの放射性物質の排出を抑制することができる原子力プラントの運転方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、冷媒が流通する複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管を取り囲み、かつ密封するケーシングと、前記ケーシングの下部に蒸気の凝縮で発生した凝縮水を排出するドレン管を備え、前記ケーシングは、特定の非凝縮性ガスよりも分子径の小さな凝縮性ガスを選択的に通すガス分離膜で少なくとも一部が構成されている凝縮器である。

本発明に係る凝縮器によれば、ガス分離膜で構成したケーシングを用いることにより、蒸気が選択的にガス分離膜を透過して複数の伝熱管に到達する。窒素はガス分離膜を透過しにくいため、複数の伝熱管では非凝縮性ガス濃度が上昇せず熱伝達率が向上する。したがって、必要な伝熱量に対して伝熱面積が小さくてよく、凝縮器を小型化することができる。

本発明の実施の形態１に係る凝縮器の構成図である。 本発明の実施の形態１に係るケーシングの構成図である。 本発明の実施の形態２に係る凝縮器の全体図である。 本発明の実施の形態３に係る凝縮器の全体図である。 本発明の実施の形態４に係る凝縮器を用いた原子力プラントの運転状態図である。 本発明の実施の形態５に係る凝縮器を用いた原子力プラントの運転状態図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る凝縮器の構成図である。また、図２は、本発明の実施の形態１に係るケーシングの構成図である。図１及び図２に示されるように、凝縮器１は、ケーシング２と熱交換器１５により構成されている。

熱交換器１５は、複数の伝熱管３、冷却水の入口ヘッダ４、冷却水の出口ヘッダ５、冷却水供給配管６、冷却水排出配管７、ドレン管８、逆止弁９、及び固定壁１１により構成されている。

図１の例では、個々の伝熱管３はU字型に形成されており、それぞれ入口ヘッダ４及び出口ヘッダ５に接続されている。入口ヘッダ４には冷却水供給配管６が、出口ヘッダ５には冷却水排出配管７が接続している。また、複数の伝熱管３は固定壁１１を貫通しており、この固定壁１１によって、各伝熱管３における蒸気凝縮機能を発揮する要部（U字型の折り返し部分を含む部分）が入口ヘッダ４等の熱交換器１５の他の要素と隔てられている。固定壁１１の下部にはドレン管８が取り付けられている。ドレン管８も固定壁１１から伝熱管３の要部と反対側に延び、立ち下げられている。ドレン管８の立ち下げ部には、ドレン管８の内部通路における上向きの流れを遮断すると共に下向きの流れを許容する逆止弁９が設けられている。

ケーシング２は直方体の形状をしており、直方体を構成する各面の内、複数の伝熱管３を挿入するために一面だけが開放されている。この開放された一面から図１に示したように熱交換器１５が伝熱管３側から挿入される。固定壁１１は、ケーシング２の開放面を塞ぐとともに、固定壁１１とケーシング２とで複数の伝熱管３を取り囲み、密閉する役目を担う。すなわち、ケーシング２の５つの壁面と熱交換器１５の１つの固定壁１１で直方体の形状の凝縮器１が形成される。本実施の形態１では、直方体の形状のケーシング２を例示したが、ケーシング２の形状は、適宜変更可能である。

図２に示されるように、ケーシング２を構成する個々の面は、ガス分離膜２０を補強材である金属メッシュ２１Ａと金属メッシュ２１Ｂとで挟み込こんだ壁で構成されている。本実施の形態１では、ケーシング２の下面以外は、このガス分離膜２０を金属メッシュ２１Ａと金属メッシュ２１Ｂで挟み込んだ壁で構成されている。

ここで、ガス分離膜２０としては、水分子との親和性がよく、水分子を選択的に透過し易い高分子膜、または、水分子のように分子径の小さい分子を通す分子ふるい膜を用いる。窒素等の特定の非凝縮ガスについては、ガス分離膜２０は透過させにくい、また、キセノン及びクリプトンについても透過させにくい。ガス分離膜２０の材質としては、例えばポリイミド膜を用いる。

なお、ガス分離膜２０単独でケーシング２を構成するには、強度的に相当の厚さが必要となる。ガス分離膜２０を相当な厚さに保つと透過させたいガスの透過力が低下してしまうので、金属メッシュ２１Ａ及び金属メッシュ２１Ｂで、薄くしたガス分離膜２０を挟み込みケーシング２としての強度を金属メッシュ２１Ａ及び金属メッシュ２１Ｂで確保している。

図１に示されるように、冷却水供給配管６は冷却水の入口ヘッダ４に接続され、冷却水の入口ヘッダ４は複数の伝熱管３に接続されている。複数の伝熱管３は数回折り返されながら、冷却水の出口ヘッダ５に接続されている。冷却水の出口ヘッダ５は、冷却水排出配管７に接続されている。

このような構成とすることで、冷却水供給配管６から供給された冷却水は、入口ヘッダ４から複数の伝熱管３に冷却水が分配される。そして、伝熱管３の中を通る冷却水は、伝熱管３で周囲の蒸気等の流体と熱交換を行い、冷却水の出口ヘッダ５へ集められ、冷却水排出配管７へ送られる。

この際、伝熱管３内を流通する冷却水と周囲の蒸気等とが熱交換を行うことで、伝熱管３の表面で凝縮した凝縮水が凝縮器１の下部に落下する。固定壁１１の下部には、凝縮した水を排出するドレン管８及び逆止弁９が接続されており、このドレン管８及び逆止弁９を経由して、凝縮水が凝縮器１の外へ排出される。

ここで、上記において、複数の伝熱管３内を流通する冷却水と周囲の蒸気とが熱交換をする例を説明したが、例えば、蒸気中に窒素が含まれる混合ガスを凝縮する場合の凝縮器１の挙動について説明する。

冷却水供給配管６から入口ヘッダ４に冷却水を供給すると、複数の伝熱管３に冷却水が分配されて複数の伝熱管３内を流通する。伝熱管３の内部を温度の低い冷却水が流通すると混合ガスと冷却水との温度差で、混合ガスから冷却水に熱が移動する。

混合ガスには、凝縮する蒸気が含まれており、伝熱管３の表面で蒸気が凝縮して、伝熱管３の内部を流通する冷却水に熱が移動する。熱を受け取り温度が高くなった冷却水は、冷却水の出口ヘッダ５に集められた後、冷却水排出配管７を通して排出される。

蒸気が凝縮すると、体積が大幅に減少するため凝縮器１の内部圧力が低下し、ケーシング２の内外で差圧が生じる。この差圧によりガス分離膜２０の表面で選択的に取り込まれた蒸気（水分子）が、ガス分離膜２０内を凝縮器１の内部方向に拡散し、凝縮器１の内部に到達する。

凝縮器１内部に到達した蒸気は、複数の伝熱管３表面で凝縮する。混合ガス中に含まれる窒素は、ガス分離膜２０との親和性が低く、拡散係数も蒸気よりも小さいため、ガス分離膜２０中の拡散速度も小さい。

このため、凝縮器１内への流入するガスはほぼ蒸気のみとなり、凝縮器１内の窒素濃度は周囲の混合ガスの窒素濃度よりも大幅に低くなる。その結果、非凝縮性ガスによる伝熱阻害効果が大幅に緩和され、伝熱管３表面での凝縮熱伝達率が大きくなり、伝熱量が増大する。

発明者らが実施した自然循環流を利用した凝縮器１の試験では、窒素を３０％含む蒸気の伝熱量は、窒素を含まない条件と比較して約１／５に低下した。したがって、ガス分離膜２０を用いた本発明の凝縮器１は、同じ伝熱量を達成するためには、伝熱管３の全表面積は従来の約１／５でよく、凝縮器を大幅に小型化することができる。

本実施の形態１に係る凝縮器１は、全方向がケーシング２で囲まれているため、伝熱管３表面で凝縮した凝縮水が凝縮器１内に溜まる。凝縮水を排出しない場合、伝熱管３が水没し伝熱が行われなくなる。

このため、凝縮水はドレン管８を通して凝縮器１の外に排出する必要がある。ドレン管８は鉛直下方向に延ばされており、途中に逆止弁９を設置しており、外部からドレン管８を通して凝縮器１内に窒素が流入しないようにしている。さらに、ドレン管８には、凝縮水が溜まっているため、この凝縮水がドレン管をシールすることにより、凝縮器１内に窒素が流入しないようにもなっている。

伝熱管３で蒸気が凝縮し、凝縮水がドレン管８に流れ込むと、逆止弁９で凝縮水がせき止められる。逆止弁９でせき止められた凝縮水がある程度の高さまで溜まると、水頭圧により逆止弁９が開き凝縮水が排出される。このドレン管８と逆止弁９の構成により、凝縮器１内に凝縮水が溜まり、伝熱管３が水没することを防ぎ、周囲の混合ガスがドレン管８を通して凝縮器１内に流入することはない。

本実施の形態１に係る凝縮器１は、ケーシング２の下部に凝縮水が溜まるため、ガス分離膜２０を用いたケーシング壁面は、固定壁１１を除いた３つの側面と上面の合計４面となる。

なお、本実施の形態１では、ガス分離膜２０を金属メッシュ２１Ａ及び金属メッシュ２１Ｂで挟み込んだが、強度が確保でき蒸気が通過する素材であればよいので、ガス分離膜２０の強度に応じた大きさの穴を複数開けたパンチングメタルや焼結金属等を用いてもよい。また、ガス分離膜２０のみでケーシング２を形成しても十分な強度が得られる場合は、金属メッシュ２１Ａ及び金属メッシュ２１Ｂは不要である。また、ケーシング２の全面をガス分離膜２０で構成する例に限らず一部をガス分離膜２０で形成する構成としても良い。

また、ガス分離膜２０として水分子との親和性で選択的にガスを分離する高分子膜で説明したが、水分子は窒素分子や酸素分子よりも小さいため、分子ふるいの原理を利用して蒸気を選択的に透過するガス分離膜２０を用いてもよい。また、本実施の形態１では、ドレン配管８に逆止弁９を設置しているが、水が流入した時に弁が開くスチームトラップ等を用いてもよい。

実施の形態２．
本実施の形態２における凝縮器１の基本的な構成は、上記の実施の形態１における凝縮器１と同様である。したがって、以下、実施の形態１との相違点を中心に本実施の形態２を説明する。

図３は、本発明の実施の形態２に係る凝縮器の全体図である。図３に示されるように、本実施の形態２が実施の形態１と異なるのは、凝縮器１内部のガスを排出する排気管１０と開閉バルブ１２を設置したことである。

排気管１０は、固定壁１１に設けられ、凝縮器１の内部と凝縮器１の外部を繋げる役目を果たす。開閉バルブ１２は排気管１０の凝縮器１の外部側に設けられ開閉バルブ１２を開閉することにより排気管１０を通して排気できるようになっている。

ガス分離膜２０は選択的に蒸気を透過させるが、微量ではあるが窒素も透過する。短時間であれば、凝縮器１の伝熱性能に大きな影響はないが、長時間運転していると、凝縮器１内に透過した窒素が蓄積する。蓄積した窒素により凝縮熱伝達率が低下し、必要な伝熱量が得られない可能性がある。

そこで、窒素の蓄積により伝熱量が低下してきた場合に、排気管１０の開閉バルブ１２を開き、凝縮器１内部に蓄積した窒素を排出することで、凝縮器１内の窒素濃度を低下させて伝熱量を回復させる。凝縮器１内部の圧力が排出先の圧力よりも高い場合は、排気管１０の開閉バルブ１２を開放するだけでよく、圧力が低い場合は、真空ポンプ等を用いて凝縮器１内に蓄積した窒素を吸引すればよい。

実施の形態３．
本実施の形態３における凝縮器１の基本的な構成は、上記の実施の形態１における凝縮器１と同様である。したがって、以下、実施の形態１との相違点を中心に本実施の形態３を説明する。

図４は、本発明の実施の形態３に係る凝縮器の全体図である。図４に示されるように、実施の形態３が実施の形態１と異なるのは、熱交換器１５がケーシング２に対して下側から挿入されていることである。この構成にすると、凝縮水が溜まるケーシング２の下部が固定壁１１となる。このため、ガス分離膜２０を用いたケーシング壁面として、上面と４つの側面の合計５面を用いることができ、第１の実施形態と比較して、ガス分離膜２０を含む面を１つ増やすことができる。したがって、より多くの蒸気を凝縮器１内に取り込むことができ、伝熱効率が向上する。

実施の形態４．
本実施の形態４として、本発明の凝縮器１を原子力プラントの事故時の格納容器の冷却設備として適用した場合の運転方法について図５を用いて説明する。なお、凝縮器１は、本実施の形態２又は本実施の形態３と同様の構成である。

［残留熱除去系ポンプ６１が起動する場合］
図５は、本発明の実施の形態４に係る凝縮器を用いた原子力プラントの運転状態図である。図５に示されるように、格納容器５２の外部には、残留熱除去系ポンプ６１及び残留熱除去系熱交換器６２が設けられている。

残留熱除去系ポンプ６１及び残留熱除去系熱交換器６２は、炉水抽出配管６０で圧力容器５１に繋がっている。残留熱除去系ポンプ６１と圧力容器５１の間の炉水抽出配管６０上には、炉水抽出バルブ５９が設けられている。

また、残留熱除去系ポンプ６１及び残留熱除去系熱交換器６２は、炉心注水用配管６３で圧力容器５１に繋がっている。残留熱除去系熱交換器６２と圧力容器５１の間の炉心注水用配管６３上には、炉心注水用バルブ６６が設けられている。

また、残留熱除去系ポンプ６１及び残留熱除去系熱交換器６２は、格納容器スプレイ用配管６４でウェットウェル５４に繋がっている。残留熱除去系熱交換器６２と圧力容器５１の間の格納容器スプレイ用配管６４上には、格納容器スプレイ用バルブ６７及びウェットウェル５４にある水５５をスプレイする格納容器スプレイ６５が設けられている。

さらに、格納容器５２の外部には、冷却水循環ポンプ７０、熱交換器７１及び流量調整バルブ７３が設けられ、冷却水循環ポンプ７０、熱交換器７１、流量調整バルブ７３、及び凝縮器１は冷却水循環用配管７４を介して順次接続されている。

原子力プラントにおいて配管破断等により圧力容器５１から蒸気が流出する事故の場合、残留熱除去系ポンプ６１を起動してバルブ６６を開け、炉心注水配管６３を通してウェットウェル５４の水５５を圧力容器５１に注水し、崩壊熱が発生している炉心５０を冷却する。

注水された水は崩壊熱で沸騰し、蒸気となって破断口から格納容器５２のドライウェル５３に放出される。蒸気の放出にともない格納容器５２の圧力と温度が上昇していく。

ドライウェル５３に蒸気が放出されると、ウェットウェル５４との差圧によりドライウェル５３のガスがベント管５６を通してウェットウェル５４に移行し、移行するガス中の蒸気はウェットウェル５４の水５５で凝縮するので、格納容器５２の圧力上昇が抑制される。

また、ドライウェル５３の圧力上昇が速い場合には、残留熱除去系ポンプ６１を起動して格納容器スプレイ用バルブ６７を開き、格納容器スプレイ用配管６４を通してスプレイ６５からウェットウェル５４の水５５をドライウェル５３に散布して蒸気の凝縮を促進する。

スプレイされた水５５と凝縮水はベント管５６を通してウェットウェル５４に戻る。蒸気の凝縮によりウェットウェル５４の水温が上昇するが、残留熱除去系熱交換器６２でウェットウェル５４の水５５を冷却することで、炉心５０で発生する崩壊熱は最終的に格納容器５２の外に放出される。

この場合、外部からの注水がなく、格納容器５２から水や蒸気を放出することもないので、格納容器５２内の水の総量は変わらず、崩壊熱のみが残留熱除去系熱交換器６２を通して格納容器５２の外に放出される。

［残留熱除去系熱交換器６２が起動しない場合］
上述した事故ケースにおいて、残留熱除去系熱交換器６２が大規模な自然災害等で故障し、機能しなくなった場合を考える。格納容器５２から崩壊熱を除去できなくなるため、ウェットウェル５４の水５５の温度が上昇し飽和温度に到達すると蒸気が凝縮しなくなり、格納容器５２の圧力と温度が上昇する。

格納容器圧力が最高使用圧力を超える可能性がある場合、フィルタベントシステム（図示せず）を起動して格納容器５２内のガスを大気に放出して格納容器５２の圧力を下げ、格納容器５２の過圧破損を防止する。

炉心５０が損傷している場合、燃料棒に閉じ込められていたキセノンやクリプトン等の放射性希ガスが格納容器５２に流出している可能性がある。フィルタベントでは、気体を分離しにくいため、フィルタベントを実施すると格納容器５２に放出された放射性希ガスの一部が環境に放出される可能性がある。

放射性のキセノンやクリプトンの半減期は短いため、フィルタベント開始時間を遅らせるほど環境への影響は小さくなる。また、環境に放出されたとしても放射能は短期間で減衰する。

このフィルタベントの開始時間を遅らせる、またはフィルタベント自体を回避するために、ドライウェル５３に本発明の凝縮器１を設置する。手順としては、可搬式の冷却水循環ポンプ７０、熱交換器７１、海水供給ポンプ７２、流量調整バルブ７３、及び冷却水循環用配管７４を格納容器５２の付近まで運び、冷却水循環用配管７４の一端を凝縮器１の冷却水供給配管６に接続し、冷却水循環用配管７４のもう一端を凝縮器１の冷却水排出配管７に接続する。そして、冷却水循環ポンプ７０、熱交換器７１、流量調整バルブ７３及び凝縮器１を冷却水循環用配管７４を介して順次接続して冷却水の循環経路を形成する。

凝縮器１内を流通する冷却水は、冷却水循環ポンプ７０によって、冷却水循環用配管７４内を循環させられる。冷却水は、熱交換器７１で海水等により冷却され、再び凝縮器１に供給される構成となっている。

冷却水循環用配管７４には冷却水流量を調整する流量調整バルブ７３を設置している。熱交換器７１には、海水供給ポンプ７２を用いて海水等を供給し、凝縮器１でドライウェル５３から取り除いた熱は、熱交換器７１を経由して最終的に海に放出する。なお、熱交換器７１の熱交換量が十分であれば、海水に代えて空気等の他の冷却手段を用いても問題はない。また、ドレン配管８は、凝縮器１から下方に向かって配置され、ドレン配管８の出口はドライウェル５３の床面付近に配置している。また、格納容器５２内のガスが凝縮器１に逆流しないように、ドレン配管８の途中に逆止弁９を設置している。

図１及び図５に示されるように、ポンプ７０を起動し、流量調整バルブ７３を開けて、外部から凝縮器１の入口ヘッダ４に冷却水を供給する。伝熱管３に通水すると、凝縮器１内で蒸気が凝縮し圧力が低下する。ケーシング２に取り付けられたガス分離膜２０の内外の差圧でドライウェル５３の蒸気がガス分離膜２０を透過して凝縮器１内に流入し、伝熱管３の表面で凝縮する。

凝縮水はドレン管８内に溜まるが、逆止弁９の位置から設定した高さまで凝縮水が溜まると、水頭圧により逆止弁９が開き、凝縮水がドライウェル５３の床に排出され、ベント管５６を通ってウェットウェル５４に流入する。

逆止弁９はドレン配管８に設定した水位が形成されないと開かないため、ドレン配管８は水封されており、ドライウェル５３にある窒素がドレン配管８を逆流して凝縮器１に流入することはない。

凝縮器１を通った冷却水は、蒸気の凝縮潜熱により温度が上昇して出口ヘッダ５に集められ、配管７４を通して格納容器５２の外に導かれる。高温の冷却水は熱交換器７１において海水等で冷却されて再び凝縮器１の入口ヘッダ４に供給され、格納容器５２を冷却する。このように、炉心５０で発生した崩壊熱は、凝縮器１を通して格納容器５２の外に放出される。

また、ウェットウェル５４の水５５は、炉心５０で蒸気になった後、凝縮器１で水に戻ってウェットウェル５４に戻され、格納容器５２から水や蒸気を放出することもないので、格納容器５２内の水の総量は変わらない。

崩壊熱の一部を凝縮器１で除去できれば、格納容器５２の圧力上昇速度が緩和されフィルタベントシステムの起動の開始を遅らせることが可能である。または、全ての崩壊熱を凝縮器１で除去できれば、格納容器５２内の圧力が上昇することなくフィルタベントシステムの起動を回避することができる。なお、残留熱除去系ポンプ６１が起動しない場合も、ウェットウェル５４の水５５を圧力容器５１に供給する系統が複数設けられており（図示せず）、圧力容器５１への注水が停止する可能性は低い。

［ウェットウェル５４の水５５を炉心５０に供給するシステムと格納容器スプレイ６５に供給するシステムが機能していて外部からの注水を行わない場合］
凝縮器１の排気管１０のバルブ１２を開いてガスを大気へ放出する場合について説明する。外部からの注水を行わないので、格納容器５２の圧力と温度は上昇する。このとき、凝縮器１の排気管１０からガスを大気へ放出すると、格納容器５２の圧力と温度の上昇を緩和することができる。

ただし、ウェットウェル５４の水５５を崩壊熱により蒸気にして格納容器５２の外へ放出することになるので、ウェットウェル５４の水５５が減少していく。ウェットウェル５４の水５５が枯渇すると炉心５０を冷却できなくなるので、いずれ外部から格納容器５２内への注水が必要となる。

したがって、ウェットウェル５４の水５５を炉心５０と格納容器スプレイ６５に供給できる場合は、格納容器５２のウェットウェル５４の水５５を圧力容器５１に注水すると共に、格納容器５２のドライウェル５３に水５５を散布しつつ、排気管１０のバルブ１２を閉じた状態で、凝縮器１に冷却水を通水して蒸気を凝縮させ、熱のみを冷却水を通して格納容器５２の外に放出すると、ウェットウェル５４の水５５の量を一定に保ちながら格納容器５２の冷却が可能となる。また、外部からの注水で冷却する場合は、凝縮器１に冷却水を通水せず、排気管１０から蒸気を含むガスを大気へ放出すると、ウェットウェル５４の水５５の量を一定に保ちながら格納容器５２の冷却が可能となる。

実施の形態５．
本実施の形態５として、本発明の凝縮器１を原子力プラントの事故時の格納容器の冷却設備として適用した場合の運転方法について図３、図４及び図６を用いて説明する。なお、凝縮器１は、本実施の形態２又は本実施の形態３と同様の構成である。

［残留熱除去系ポンプ６１の故障に加えて、ウェットウェル５４の水５５を炉心５０に供給するシステムと、ウェットウェル５４の水５５を格納容器スプレイ６５に供給するシステムが機能を失った場合］
上記のようなケースに備えて、外部水源を用いて炉心５０への注水および格納容器スプレイを行うことが可能である。

図６に示されるように、外部炉心用注水ポンプ８１は及び外部炉心注水用バルブ８３は、外部炉心注水用配管８５上に設けられ、外部炉心注水用配管８５は、炉心注水用配管６３に接続されている。

また、外部格納容器スプレイ用ポンプ８２及び外部格納容器スプレイ用バルブ８４は、外部格納用器スプレイ用配管８６上に設けられ、外部格納用器スプレイ用配管８６は、格納容器スプレイ用配管６４に接続されている。

次に外部から格納容器５２内に水を供給する手順について説明する。外部炉心用注水ポンプ８１を起動して外部炉心注水用バルブ８３を開け、外部炉心注水用配管８５を通して外部水源から圧力容器５１に水を供給する。

また、外部格納容器スプレイ用ポンプ８２を起動して外部格納容器スプレイ用バルブ８４を開け、外部格納容器スプレイ用配管８６を通して外部水源から格納容器スプレイ６５に水を供給する。

外部水源からは低温の水が供給されるため、格納容器５２の圧力と温度上昇が緩和される。圧力容器５１に供給された水は炉心５０で沸騰し蒸気となってドライウェル５３に放出される。放出された蒸気は、格納容器スプレイ６５から散布される水で凝縮する。スプレイ水と凝縮水は、ドライウェル５３の床に落下して、ベント管５６を通してウェットウェル５４に流入する。

しかし、外部から注水を続けるとウェットウェル５４の水位が上昇する。ウェットウェル５４の上部にはフィルタベントへの入口（図示せず）があり、この入口が水没するとフィルタベントができなくなる可能性があるため、ウェットウェル５４の水位がある設定した高さに到達すると格納容器スプレイ６５への外部からの注水を停止する。格納容器スプレイ６５が停止すると、ドライウェル５３の蒸気を凝縮させることができないため、格納容器５２の圧力と温度が上昇する。最高使用圧力を超える可能性がある場合、フィルタベントシステムを起動して格納容器５２内のガスを大気に放出して格納容器５２の圧力を下げ、格納容器の過圧破損を防止する。

このケースにおいて、ドライウェル５３に設置した本発明の凝縮器１の運転方法を説明する。蒸気の放出によりドライウェル５３の圧力が上昇すると、凝縮器１の内外の差圧で蒸気が選択的にガス分離膜２０を通して凝縮器１内に透過する。

本ケースでは、凝縮器１には冷却水を供給せず、凝縮器１の排気管１０のバルブ１２を開いて、蒸気を格納容器５２の外へ放出する。放出する蒸気は外部からの注水により発生した蒸気であり、除去した崩壊熱は蒸気と一緒に格納容器５２の外へ放出することになる。

したがって、外部から注水を継続してもウェットウェル５４の水量は変化せず、フィルタベントへの入口が水没することがないので、フィルタベントが行えないことを回避することが可能である。

また、万一、格納容器５２内でのガス成分の極端な偏りにより凝縮器１周辺の蒸気が少ない場合には、格納容器スプレイ用バルブ６７を開けて格納容器スプレイ６５を外部からの注水で作動させてドライウェル５３の圧力を下げる。この場合でも、凝縮器１を通して蒸気の一部を格納容器の外へ放出でき、凝縮すべき蒸気が減るので格納容器スプレイ６５の流量を減らすことができ、ウェットウェル５４の水位上昇を緩和することができるので、ベント開始時間を遅らせることが可能である。

ガス分離膜２０として、水分子と親和性がよく、放射性希ガスであるキセノンとクリプトンとの親和性が低い高分子膜を用いると、凝縮器１に透過してくる放射性希ガスの量は微量でほとんどの放射性希ガスを格納容器５２内に閉じ込めることができる。

したがって、凝縮器１から排気管１０を通して格納容器内のガスを放出しても、ガス中に含まれる放射性希ガスの量はフィルタベントと比較して大幅に低減することができ、環境への影響を大幅に緩和できる。

キセノンやクリプトンの原子の大きさは水分子よりも大きいため、ガス分離膜２０で蒸気と放射性希ガスを分離し、蒸気のみを凝縮器に流入させることが可能であり、分子ふるい膜でも環境に放出される放射性希ガスの量を大幅に低減することができる。

［総括］
以上のように、まず第一として、凝縮器１は、冷媒が流通する複数の伝熱管３と、複数の伝熱管３を取り囲み、かつ密封するケーシング２と、ケーシング２の下部に蒸気の凝縮で発生した凝縮水を排出するドレン管８を備え、ケーシング２は、特定の非凝縮性ガスよりも分子径の小さな凝縮性ガスを選択的に通すガス分離膜で少なくとも一部が構成されているようにする。

このようにすることで、小型で容易に実装でき、非凝縮性ガスが混ざった蒸気であっても効率的に凝縮できる凝縮器を得ることができる。

また第二として、凝縮器１は、伝熱管３に接続された冷却水循環用配管７４と、冷却水循環用配管７４に設けられた流量調整バルブ７３及び冷却水循環ポンプ７０とを備えるようにする。

このようにすることで、伝熱管３を流通する冷媒と外部の海水等との間で熱交換を行い、伝熱管３を流通する冷媒を冷却することができるので、凝縮器１で格納容器５２内の熱を継続的に外部へ放出することができる。

また第三として、ガス分離膜２０を補強する金属メッシュ２１Ａ、２１Ｂを備えている。

ガス分離膜２０は厚くなればなるほどガス等の透過力が低下してしまうが、このようにすることで、ガス分離膜２０の厚さを薄く保ってガスの透過力を確保しつつも、ガス分離膜２０の強度を得ることができる。

また第四として、凝縮器１のガス分離膜２０は、水分子について透過性の高い材質で形成されている。

このようにすることで、効率的に凝縮器１の内部に水分子（蒸気）を選択的に導入して凝縮することができる。

また第五として、凝縮器１のガス分離膜２０は、窒素、キセノン及びクリプトンについて透過性が極端に小さい材質で形成されている。

このようにすることで、窒素、放射性核物質であるキセノン及びクリプトンを凝縮器１内に導入することを抑制して伝熱効率を維持するとともに、放射性物質の外部へ放出することを抑制することができる。

また第六として、凝縮器１において、ドレン管８の出口から凝縮器１内に周囲のガスが流入することを阻止する逆止弁９を備えるようにする。

このようにすることで、非凝縮性ガスである窒素等を凝縮器１の内部へ侵入することを防ぎ、効率良く凝縮性ガスである蒸気を凝縮することができる。

また第七として、凝縮器１内部のガスを外部へ排出する排気管１０と、前記排気管１０に設けた開閉バルブ１２を備えるようにする。

このようにすることで、格納容器５２内の圧力が上昇した場合でも開閉バルブ１２を開けて格納容器５２内のガス等を外部に逃がすことができるので、格納容器５２の過圧破損を防ぐことができる。

また第八として、複数の伝熱管３がケーシング２の下面から挿入されているように構成する。

このようにすることで、複数の伝熱管３をケーシング２の側面から挿入する場合に比べて、ケーシング２の上面と４つの側面からより多くの凝縮性ガスを凝縮器１の内部に取り込むことができる。

また第九として、炉心５０を収容する圧力容器５１と、圧力容器５１を収容する格納容器５２と、格納容器５２内に設置した凝縮器１とを備えるようにする。

このようにすることで、格納容器５２内の加圧圧損を防ぐとともに、格納容器５２内の機器等の温度上昇も防ぐことができる。

また第十として、凝縮器１を原子力プラントの格納容器５２の冷却設備として使用する原子力プラントの運転方法であって、格納容器５２のウェットウェル５４の水５５を圧力容器５１に注水しつつ、格納容器５２のドライウェルに散布するとともに、排気管１０の開閉バルブ１２は閉じた状態で、凝縮器の複数の伝熱管に冷却水を循環させるようにする。

このようにすることで、ウェットウェル５４の水５５の水位を一定に保ちながら炉心５０を冷却することができる。

また第十一として、凝縮器１を原子力プラントの格納容器５２の冷却設備として使用する原子力プラントの運転方法であって、格納容器５２の冷却のために外部から注水を行いつつ、凝縮器１の複数の伝熱管３の冷却水の供給を停止し排気管１０の開閉バルブ１２を開けるようにする。

このようにすることで、排気管１０から放出する蒸気は外部からの注水により発生した蒸気であるので、除去した崩壊熱は蒸気と一緒に格納容器５２の外へ放出することになる。したがって、外部から注水を継続してもウェットウェル５４の水量は変化せず、フィルタベントへの入口が水没することがないので、フィルタベントが行えないことを回避することが可能である。

１ 凝縮器、２ ケーシング、３ 伝熱管、４ 入口ヘッダ、５ 出口ヘッダ、６ 冷却水供給配管、７ 冷却水排出配管、８ ドレン管、９ 逆止弁、１０ 排気管、１１ 固定壁、１２ 開閉バルブ、１５ 熱交換器、２０ ガス分離膜、２１Ａ 金属メッシュ、２１Ｂ 金属メッシュ、５０ 炉心、５１ 圧力容器、５２ 格納容器、５３ ドライウェル、５４ ウェットウェル、５５ 水、５６ ベント管、５９ 炉水抽出バルブ、６０ 炉水抽出配管、６１ 残留熱除去系ポンプ、６２ 残留熱除去系熱交換器、６３ 炉心注水用配管、６４ 格納容器スプレイ用配管、６５ 格納容器スプレイ、６６ 炉心注水用バルブ、６７ 格納容器スプレイ用バルブ、７０ 冷却水循環ポンプ、７１ 熱交換器、７２ 海水供給ポンプ、７３ 流量調整バルブ、７４ 冷却水循環用配管、８１ 外部炉心用注水ポンプ、８２ 外部格納容器スプレイ用ポンプ、８３ 外部炉心注水用バルブ、８４ 外部格納容器スプレイ用バルブ、８５ 外部炉心注水用配管、８６ 外部格納容器スプレイ用配管

Claims (11)

1. 冷媒が流通する複数の伝熱管と、
   前記複数の伝熱管を取り囲み、かつ密封するケーシングと、
   前記ケーシングの下部に蒸気の凝縮で発生した凝縮水を排出するドレン管を備え、
   前記ケーシングは、特定の非凝縮性ガスよりも分子径の小さな凝縮性ガスを選択的に通すガス分離膜で少なくとも一部が構成されている、
   ことを特徴とする凝縮器。
2. 請求項１に記載の凝縮器において、
   前記伝熱管に接続された冷却水循環用配管と、
   前記冷却水循環用配管に設けられた、流量調整バルブ及び冷却水循環ポンプとを備えている、
   ことを特徴とする凝縮器。
3. 請求項１に記載の凝縮器において、
   前記ガス分離膜を補強する補強材を備えている、
   ことを特徴とする凝縮器。
4. 請求項１に記載の凝縮器において、
   前記ガス分離膜は、水分子について透過性の高い材質で形成されている、
   ことを特徴とする凝縮器。
5. 請求項１に記載の凝縮器において、
   前記ガス分離膜は、窒素、キセノン及びクリプトンについて水よりも透過性の低い材質で形成されている、
   ことを特徴とする凝縮器。
6. 請求項１に記載の凝縮器において、
   前記ドレン管の出口から前記凝縮器内に周囲のガスが流入することを阻止する機構を備えた、
   ことを特徴とする凝縮器。
7. 請求項１に記載の凝縮器において、
   前記凝縮器内部のガスを外部へ排出する排気管と、
   前記排気管に設けた開閉バルブを備えた、
   ことを特徴とする凝縮器。
8. 請求項１に記載の凝縮器において、
   前記複数の伝熱管が前記ケーシングの下面から挿入されている
   ことを特徴とする凝縮器。
9. 炉心を収容する圧力容器と、
   前記圧力容器を収容する格納容器と、
   前記格納容器内に設置した請求項１に記載の凝縮器とを備えている、
   ことを特徴とする原子力プラント。
10. 請求項７に記載の凝縮器を原子力プラントの格納容器の冷却設備として使用する原子力プラントの運転方法であって、
    前記格納容器のウェットウェルの水を圧力容器に注水しつつ、前記排気管の前記開閉バルブは閉じた状態で、前記凝縮器の前記複数の伝熱管に冷却水を循環させる、
    原子力プラントの運転方法。
11. 請求項７に記載の凝縮器を原子力プラントの格納容器の冷却設備として使用する原子力プラントの運転方法であって、
    前記格納容器の冷却のために外部から注水を行いつつ、前記凝縮器の前記複数の伝熱管の冷却水の供給を停止し前記排気管の前記開閉バルブを開ける、
    原子力プラントの運転方法。

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