JP2020502477A - Ｖｖｅｒ緊急冷却システムの汚水槽保護装置、およびそのフィルターモジュールとフィルター要素 - Google Patents

Abstract

【課題】ＶＶＥＲにおいて、冷却材喪失事故の場合に汚水槽をゴミの蓄積から保護する汚水槽保護装置（ＳＰＤ）、およびそのフィルターモジュールとフィルター要素とを提供する。【解決手段】ＶＶＥＲ緊急冷却システムの汚水槽保護装置は、原子炉格納容器の底部に位置する汚水槽の上部の吸入口に取り付けられ、緊急冷却システムの配管の吸入口に接続された一組のフィルターを備えている。これらのフィルターは、ヘッダーに接続され、緊急冷却システムの配管の吸入口へゴミが入るのを防ぐフィルターモジュールから成る。各フィルターモジュールは、両側部と上部とに設置された、穴の空いた格子と、内部に配置され、横側に穴の空いたろ過管と、（ろ過管の中に設置され、）内側がヘッダーに連通している、穴の空いた分配管との組み合わせとして設計されたフィルター要素とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は原子力発電施設の緊急保護システムの分野に関し、特に、冷却材喪失事故の際に作動する緊急炉心冷却システム、すなわちＶＶＥＲの緊急冷却システムにおける汚水槽保護装置（ＳＰＤ）、およびそのフィルターモジュールとフィルター要素とに関する。

原子炉の設計、試験、および稼働において緊急保護システムに主に必要なことは、冷却材が損なわれる事故（設計上想定される最大の事故）において保護システムが安全性を確保することである。炉心を流れる冷却材が予期せず失われる場合、原子力発電施設全体に深刻な影響を与えかねない。流れの消失は、原子炉冷却ポンプもしくはバルブの不具合、または原子炉圧力容器の出入口における主管の破裂の結果、生じうる。

事故は冷却材の漏れにつながる。漏れた水は、近隣の配管、その他の原子炉の構造物の断熱性を壊す結果、固形状の異物を運びかねない。異物を含む水は原子炉建屋の下部へ流れ落ち、溜まり（汚水槽）へ流れ込む。発電施設は、この水をポンプで様々な原子炉冷却システムへ戻す安全システムを備えている。

原子炉格納容器の下にある非常用汚水槽は、安全システムが起動して格納容器内で、一次冷却水と化学的に活性な溶質との溶液を循環させ出した後、冷却水喪失事故の間に蓄積される溶液を吸入するように設計されている。

破裂のエネルギーは格納容器内の設備を破壊して、冷却水をゴミで飽和させる。

冷却水喪失事故において格納容器の下で生み出されるゴミは、その性質に従って次のカテゴリーに分けられる。

潜在的なゴミ、
断熱構造が破壊された結果のゴミ、
耐腐食被覆が破壊された結果のゴミ、
格納容器内の設備と構造物とが冷却水に混入する結果の化学的なゴミ。

汚水槽のろ過面に集められるゴミは、安全システムのポンプの水頭を許容レベルよりも低く失わせはしないので、そのポンプのキャビテーションに対する余裕の低減、脱気、または冷却水の突沸は生じさせない。ゴミの集中と部分的な分解とは、原子炉施設から熱を奪うほどではないので、緊急事態の間と事故後の期間とにおいて安全システムによる冷却水の再循環の設備の操作可能性には影響しない。汚水槽保護装置の設計は、どのような稼働条件においても冷却水の漏れは生じさせない。

したがって、汚水槽は安全に関する装置であり、ゴミに対する捕集具を備えている。このような装置は、原子炉建屋と原子炉施設とが十分に冷却されるまで安全システムのポンプが確実に再循環を行うのに十分な程度まで、ゴミを取って冷却水を浄化するように設計されている。捕集具は、構造の強度が高く、動作の信頼性が高い。

利用可能なフィルターには布製の平たいものがある。これは、溜まり（汚水槽）の底において、緊急原子炉冷却システムの排水管の吸入口の上に取り付けられている。フィルターは強化材または補強材に備えることも可能である（特許文献１、２参照）。これらの装置の主要な欠点は、これらが底に取り付けられているので、事故後に堆積した層状のゴミには目詰まりを頻繁に起こすので、あまり効果的でないことである。上記の装置においてフィルターを洗い流すのは時間がかかり、フィルター部分の流れが不安定であるので、大きな水力学的力が必要である。

フィルター要素から設計された原子炉緊急冷却システム用のフィルターモジュールがある。フィルター要素には、同心円状に穴の空いた管状であって、間にフィルター媒体が挟まれたもの（特許文献３参照。）、中空のメッシュの管状のもの（特許文献４参照。）がある。

これらの装置は、上記の欠点と共に次の事実も特徴的である。分流器がないので、ゴミの層がろ過面に不均一に堆積する。これにより、ろ過の効率が低下する。フィルターの効率低下は流圧の低下につながりかねない。この低下は、安全システムのポンプのキャビテーションに対する余裕を許容レベルよりも低く下げ、脱気と冷却水の沸騰とを引き起こす。配管の吸入口に取り付けられたフィルターは、サイズが小さくならざるを得ないので効率がよくない。分流器を含むフィルターモジュール（特許文献５参照。）は複数のフィルターモジュールの間で流れを分配する。これは、提案のものに最も近い。

国際特許出願公開第２０１５／１６９７５２号明細書 米国特許出願公開第２００６／０７５６９７号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０２１５０５９号明細書 米国特許出願公開第２０１２／００３７５５９号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１５６７１２号明細書

特許文献５のフィルター要素は、表面の流れが不規則であるので、不均一なゴミの層を形成させ、冷却水の流れの中に目詰まりを生じさせる。

上記のとおり、原子炉の一次系配管の破裂を含む事故は、両端から格納容器内への冷却水の漏れを生じさせる。この過程に関連し、過熱された水蒸気と空気との混合物の形で深刻な量の質量とエネルギーとが格納容器内へ解放される。その結果、原子炉から水分が失われ、炉心が自身の崩壊熱で加熱される。同時に、圧力と温度とが格納容器の下で上昇する。配管の破裂により一次冷却水が格納容器の更に下部の空間へ流れ込む。質量とエネルギーとの解放が格納容器の下部の設備と耐腐食被覆とを破壊し、冷却水をゴミで埋め尽くす。

緊急炉心冷却システムは、受動的部分、すなわち高低圧の緊急注入システムを含み、原子炉を過熱と炉心溶融とから保護するように設計されている。スプリンクラーシステムにより格納容器内の圧力が低下し、格納容器内から熱が除去される。ホウ素溶液の容器は、事故の初期段階ではすべてのシステムの動作に使用される。この状態において、タンクから冷却水が原子炉へ流れ込み、配管の破裂部分を通して格納容器内の空間の下部へ解放される。タンクが空になるや否や、すべてのシステムが起動し、集められた冷却水が再循環される。

この瞬間から、深刻な量のゴミを含む冷却水が、原子炉の緊急炉心冷却システム（ＥＣＣＳ）の循環路へ供給され始める。（冷却水内のゴミは、循環路の要素に不具合を与え、システムの保護機能を低下させかねない。）
本発明の目的は、冷却水を浄化して、汚水槽をゴミの集中から保護することによって循環を維持させることにある。

本発明の目的に対する解決手段としてＶＶＥＲ緊急冷却システムの汚水槽保護装置は、原子炉格納容器の底部に位置する汚水槽の上部の吸入口に取り付けられ、緊急冷却システムの配管の吸入口に接続された一組のフィルターを備えている。これらのフィルターは、ヘッダーに接続され、緊急冷却システムの配管の吸入口へゴミが入るのを防ぐ複数のフィルターモジュールから成る。各フィルターモジュールは、両側部と上部とに設置された、穴の空いた格子と、内部に配置され、横側に穴の空いたろ過管と、（前記ろ過管の中に設置され、）内側がヘッダーに連通している、穴の空いた分配管との組み合わせとして設計されている。

好ましい実施形態では、フィルター要素の配管には螺旋形の穴が空いている。フィルター要素の配管は好ましくは、巻きの間に穴の空いたワイヤーから成る。このワイヤーの輪郭は好ましくは三角形であり、ワイヤーの断面積は１．０×２．０ｍｍ以下である。穴のサイズは１ｍｍ以下である。

ＶＶＥＲ緊急冷却システムの汚水槽保護装置に利用されるフィルターモジュールは、両側部と上部とに設置された、穴の空いた格子と、フィルター要素とを含む。このフィルター要素は、フィルターモジュールの内部に配置され、横側に穴の空いたろ過管と、（前記ろ過管の中に設置され、）内側がヘッダーに連通している、穴の空いた分配管との組み合わせとして設計されている。

好ましい実施形態では、フィルター要素の配管には螺旋形の穴が空いている。フィルター要素の配管は好ましくは、巻きの間に穴の空いたワイヤーから成る。このワイヤーの輪郭は好ましくは三角形であり、ワイヤーの断面積は１．０×２．０ｍｍ以下である。穴のサイズは１ｍｍ以下である。

ＶＶＥＲ緊急冷却システムの汚水槽保護装置に利用されるフィルター要素は、穴の空いた分配管を（内部に）含み、かつ横側に穴の空いたろ過管として設計されている。各分配管の穴の直径は、流れに沿って次第に小さくなっている。

好ましくは、分配管の穴のうち、下流側の端に位置する穴の直径は、管の入口に位置する穴の直径の半分以下である。

この装置のこのような設計が、ゴミを冷却水から除去可能にして、格納容器と原子炉施設とが十分に冷却されるまで安全システムのポンプに再循環を維持させることができる。

本発明の技術的効果は、ろ過面への流れを定常的に保ち、フィルター要素の表面に一様な流れを与えると共に、ゴミの不均一な堆積を防ぐことである。

汚水槽の入口とその上に取り付けられたフィルターモジュールとを含む原子炉の格納容器の下部の概略図である。 汚水槽の吸入口に取り付けられたフィルターモジュールの配置図である。 汚水槽の入口の上面図である。 フィルターモジュールの概略図である。 フィルター要素を示す。 フィルターモジュールを通過する循環流を示す。

図面に示されているように、原子炉格納容器（１）の底には汚水槽（２）がある。その上面にはフィルターモジュール（３）があり、ヘッダー（４）で汚水槽（２）の吸入口（５）を通して接続されている。汚水槽（２）は原子炉緊急冷却システムの配管の吸入口（６）と接続されている。フィルターモジュール（３）は、横側の穴空き格子（７）と上側の穴空き格子（８）とを含む。これらは（それぞれ）上板（９）と底板（１０）とで互いに接続されており、間にフィルター要素（１１）が固定されている。フィルター要素（１１）は、分配管（１３）を（内部に）含むろ過管（１２）として設計されている。分配管（１３）は、流れの方向に沿って次第にサイズが小さくなる穴（１４）、（１５）を含む。

この装置は次のように動作する。

原子炉格納容器の底（１）はサイズが大きいので、冷却水の流速が最小限に抑えられ、ゴミが汚水槽（２）への冷却水の流れに沿って沈降する可能性がある。ゴミが床へ達する流速の閾値は、流れの中でゴミが沈降する速度を超えている。フィルターモジュール（３）は、底面からある高さに設置される。これにより、床へ達するゴミが保持される。汚水槽（２）へ入る前に、したがって、原子炉緊急冷却システムの配管の吸入口（６）へ入る前に、ゴミを含む冷却水は、汚水槽（２）の上面に取り付けられたフィルターモジュール（３）を通過する。フィルターモジュールはヘッダー（４）で汚水槽（２）の吸入口（５）と接続されている。次に、冷却水はフィルターモジュール（３）へ、横側の穴あき格子（７）と上側の穴あき格子（８）とを通して進入する。格子（７）、（８）の外面には大きさ１７×１７０ｍｍの穴があり、１７ｍｍよりも大きい粒子は捕獲される。格子（７）、（８）の内部には、傾斜した矩形状の流路が形成されており、沈降速度が０．０１７ｍ／ｓを超える特徴的なサイズが２００μｍよりも大きい粒子とクラス４以上の繊維とが堆積する。フィルター要素（１１）は、開口したろ過管（１２）として設計されている。フィルター要素（１１）の開口部は矩形状の螺旋形の穴であり、その長さは幅よりもかなり大きい。穴の幅は１ｍｍであり、循環システムにおいて許容される最小の粒子サイズに基づいている。開口部の穴の形は、格子または穴の空いた板の１区画の正方形と比べ、穴よりも小さい粒子が同時に穴に近づいた際、それらの粒子による目詰まりの危険性が抑えられている。穴の空いたろ過管（１２）を通して（その中にある）穴（１４）、（１５）の空いた分配管（１３）へ流れは進入する。穴（１４）、（１５）は流れの方向に沿ってサイズが小さくなっている。フィルター要素（１１）の表面積は吸入口（６）の面積よりもかなり大きいので、冷却水の流れはフィルター面を通してかなり不規則となる。これを防ぐ目的で分配管（１３）がフィルター要素（１１）の中に設置されている。これらはフィルター要素（１１）の内部空間を吸入口（６）へ連通させている。分配管（１３）には、径が異なり長手方向の位置が異なる穴（１４）、（１５）が空いているので、ろ過面全体で流れの一様な分布が確保される。ゴミがなくなった冷却水の流れは、吸入口（６）を通して原子炉緊急冷却システムの配管へ排出される。

Claims (14)

1. ＶＶＥＲ緊急冷却システムの汚水槽保護装置であり、
   原子炉格納容器の底部に位置する汚水槽の上部の吸入口に取り付けられ、緊急冷却システムの配管の吸入口に接続された一組のフィルター
   を備え、
   前記一組のフィルターは、ヘッダーに接続され、緊急冷却システムの配管の吸入口へゴミが入るのを防ぐ複数のフィルターモジュールから成り、
   各フィルターモジュールは、
   両側部と上部とに設置された、穴の空いた格子と、
   内部に配置され、横側に穴の空いたろ過管と、（前記ろ過管の中に設置され、）内側がヘッダーに連通している、穴の空いた分配管との組み合わせとして設計されたフィルター要素と
   を含む汚水槽保護装置。
2. 前記フィルター要素の配管には螺旋形の穴が空いていることを特徴とする請求項１に記載の汚水槽保護装置。
3. 前記フィルター要素の配管は、巻きの間に穴の空いたワイヤーから成ることを特徴とする請求項１に記載の汚水槽保護装置。
4. 前記ワイヤーの輪郭は三角形であることを特徴とする請求項３に記載の汚水槽保護装置。
5. 前記ワイヤーの断面積は１．０×２．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の汚水槽保護装置。
6. 穴のサイズは１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の汚水槽保護装置。
7. 請求項１に記載のＶＶＥＲ緊急冷却システムの汚水槽保護装置に利用されるフィルターモジュールであり、
   両側部と上部とに設置された、穴の空いた格子と、
   内部に配置され、横側に穴の空いたろ過管と、（前記ろ過管の中に設置され、）内側がヘッダーに連通している、穴の空いた分配管との組み合わせとして設計されたフィルター要素と
   を含むフィルターモジュール。
8. 前記フィルター要素の配管には螺旋形の穴が空いていることを特徴とする請求項７に記載のフィルターモジュール。
9. 前記フィルター要素の配管は、巻きの間に穴の空いたワイヤーから成ることを特徴とする請求項７に記載のフィルターモジュール。
10. 前記ワイヤーの輪郭は三角形であることを特徴とする請求項９に記載のフィルターモジュール。
11. 前記ワイヤーの断面積は１．０×２．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１０に記載のフィルターモジュール。
12. 穴のサイズは１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載のフィルターモジュール。
13. 請求項１に記載のＶＶＥＲ緊急冷却システムの汚水槽保護装置に利用されるフィルター要素であり、穴の空いた分配管を（内部に）含み、かつ横側に穴の空いたろ過管として設計され、流れに沿って各分配管の穴の直径が次第に小さくなっていることを特徴とするフィルターモジュール。
14. 前記分配管の穴のうち、下流側の端に位置する穴の直径は、管の入口に位置する穴の直径の半分以下であることを特徴とする請求項１３に記載のフィルター要素。

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