JP2743087B2 - 原子炉 - Google Patents

原子炉

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JP2743087B2
JP2743087B2 JP1154042A JP15404289A JP2743087B2 JP 2743087 B2 JP2743087 B2 JP 2743087B2 JP 1154042 A JP1154042 A JP 1154042A JP 15404289 A JP15404289 A JP 15404289A JP 2743087 B2 JP2743087 B2 JP 2743087B2
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、重水または軽水を減速材とする原子炉減速
材カバーガス装置を備えた原子炉に係り、特に、減速材
の放射線分解による酸素発生を防止するのに好適な原子
炉減速材カバーガス装置を備えた原子炉に関する。
〔従来の技術〕
従来、原子炉減速材カバーガス装置は、減速材の劣化
防止を目的とし、かつ、カバーガスとしては、原子炉近
傍の放射線密度の高い領域で使用されるため、化学的に
安定で放射化されにくい不活性ガスが用いられている。
また、重水又は軽水を減速材とする原子炉では、放射
線によって減速材が分解され、水素又は水素(以下水素
という)と酸素が発生し、カバーガス中へ放射される。
この際、カバーガス中の水素及び酸素濃度がある範囲内
になると、水素と酸素は激しく反応し、水素爆発を起こ
す。このため、「発電用電子力設備の技術基準」(通産
省令)の解説(通産省資源エネルギー庁、公益事業部原
子力発電安全管理課編)では、第32条原子炉格納容器施
設等の項で、原子炉格納容器内の水素濃度が4%未満で
あることおよびまたは酸素濃度が5%未満であることと
している。
また、可燃性ガスと空気(又は酸素)の混合物におい
て、可燃性ガスの濃度が低すぎても高すぎても火炎の伝
播が起こらなくなる濃度限界が現われる。水素又は重水
素の爆発範囲は、4〜75vol%であり、水素濃度が4vol
%以下では、水素爆発は生じないことがビューローオブ
マインズBureau of MinesのZabetakis著の「可燃ガスお
よび蒸気の燃焼特性Flamma−bility Characteristics o
f Combustible Gases and Vapours(1965)」に発表さ
れている。
上述のことから、原子炉減速材カバーガス装置には、
再結合器等の水素、酸素の処理設備が設けられ、カバー
ガス中の水素、酸素の濃度が所定の値以下に保持されて
いる。
例えば、重水を減速材とする新型転換炉では、原子炉
減速材カバーガス装置として、ヘリウムを循環させる装
置が採用されている。本装置(以下本系統という)は、
カランドリアタンク(減速材保有タンク)、重水冷却
系、重水浄化系及びその他の重水系機器内にカバーガス
としてヘリウムを循環させて重水の劣化を防止するとと
もに、重水の放射線分解によって生ずる重水素、酸素の
爆発性気体を再結合させて重水に戻し、プラントを安全
な状態に維持する。本系統の概要を第2図に、また原理
図を第3図に示す。
本系統は、ブロア1(4台内2台予備)と、該ブロア
1の吐出側に、吐出弁10を介して接続された2台のブロ
ア用セパレータ2と、該ブロア用セパレータ2の出口側
に予熱器入口弁11を介して接続された2台のヘリウムガ
ス予熱器3と、該ヘリウムガス予熱器3それぞれの出口
側に予熱器出口弁12を介して接続された2台の再結合器
4と、該再結合器4それぞれの出口側に再結合器出口弁
13を介して接続された2台の冷却器5と、該冷却器5の
出口側を冷却器出口弁14を介してカランドリアタンク9
の減速材(重水)液面上の部分に接続するカバーガス戻
し管15と、前記ブロア1の入口側とカランドリアタンク
9の減速材液面上の部分とを吸込弁17を介して接続する
カバーガス取出管16と、を備えている。
上記構成の本系統においては、カランドリアタンク9
内に減速材(重水)18のカバーガスとして充填されてい
るヘリウムガスは、カバーガス取出管16、吸込弁17を経
て、ブロア1へ吸込まれ、該ブロア1から吐出されたヘ
リウムガスは混入した前記ブロア1の封水重水をブロア
用セパレータ2で除去される。ブロア用セパレータ2を
出たヘリウムガスは、次いで、ヘリウムガス予熱器3で
予熱された後、再結合器4に導かれ、放射線分解によっ
て生じたヘリウム中の重水素、酸素が、該再結合器4中
の触媒により、再結合されて重水になる。結合熱によっ
て昇温されたヘリウムガスは冷却器5で冷却されたの
ち、カバーガス戻し管15により、前記カランドリアタン
ク9の減速材液面上に戻される。
本系統は、原子炉運転中、カバーガス中の重水素濃度
を3mol%程度以下とし、ブロア1が1台停止しても予備
機を起動してカバーガス中の重水素濃度を爆発限界以下
に保ち、水素爆発を防止して、原子炉の安全運転を維持
している。
また、特開昭61−260195号公報に記載の発明では、第
4図に示すようにカバーガスとして純粋な水素ガスを用
いることにより、カバーガスの水素濃度を水素の爆発範
囲以上とし、水素爆発を防止するとともに、放射線分解
によって発生した酸素を即時に水素と再結合させ、カバ
ーガス(気相)への酸素放出を低減している。
〔発明が解決しようとする課題〕
第2図に示す上記従来技術では、再結合器等の(重)
水素・酸素の処理設備が設けられているが、設備費及び
運転費等のコスト及び運転操作性の点で問題があった。
これを改善する対策として、第4図に示す特開昭61−
260195号公報記載の発明が提案されているが、この発明
では、カバーガスとして純粋の(重)水素ガスが使用さ
れているため、水素ガス供給設備が必要であるととも
に、メンテナンス等により水素を排気する際に、水素ガ
ス濃度が爆発範囲とならないよう、取扱いに注意を要す
る。
本発明の課題は、上記の水素ガス供給設備の容量削減
及びカバーガスの取扱い性の向上を図りつつ、放射線分
解による(重)水素及び酸素の発生量を低減し、原子炉
減速材カバーガス装置の容量(特に、再結合器容量)を
削減するにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記の課題は重水もしくは軽水からなる原子炉減速材
とともに該原子炉減速材の表面をおおう減速材カバーガ
スを内包する容器を備えた原子炉の、減速材カバーガス
を不活性ガスと重水素もしくは不活性ガスと水素の混合
ガスとし、該混合ガス中の重水素もしくは水素の濃度を
水素爆発限界以下とし、前記混合ガスの圧力を1気圧を
超える圧力とすることにより達成される。
上記の課題は、また、原子炉減速材と原子炉減速材カ
バーガスと内包する容器の気相部の圧力を1気圧を超え
る圧力に保持する手段を有する請求項1に記載の原子炉
によっても達成される。
上記の課題はさらに、原子炉減速材と原子炉減速材カ
バーガスとを内包する容器の気相部に接続してデオキソ
装置が設けられている請求項1または2に記載の原子炉
によっても達成される。
上記の課題は、また、原子炉減速材と原子炉減速材カ
バーガスとを内包する容器の気相部に接続して送風装置
が設けられ、該送風装置の吐出側は前記容器の液相部に
接続されている請求項1または2に記載の原子炉によっ
ても達成される。
上記の課題はさらに、原子炉減速材カバーガス中の重
水素もしくは水素の濃度を爆発限界以下とし、前記原子
炉減速材カバーガスの圧力を高めることにより原子炉減
速材中の溶存重水素もしくは溶存水素の濃度を高め、原
子炉減速材の放射線分解による酸素ガスの発生を抑制す
る方法によっても達成される。
〔作用〕
減速材である水分子に、中性子あるいはガンマ線が照
射されると、コンプトン散乱、光電効果により水分子の
軌道電子がはじき出される。この電子ははじき出された
当初は高いエネルギを持ち、高速であるが、電磁的相互
作用により極めて小さな領域で、エネルギを失い他の水
分子を電離する。これにより、水分子の電離反応、 に引き続いて極めて短時間のうちにD,OD-,などが生じ
る。その他、一次生成物として、D2,Oが生じ、一次生成
物はさらに相互反応しあうことにより、O2,O2 -,DO2,DO2
-,D2O2などの分解生成種が生じる。
一方、このような状態下にある減速材の表面をヘリウ
ムと重水素D2の高圧混合ガスでカバーすると、D2は重水
素D2の分圧に比例して減速材に溶解し、水面付近等で
は、以下の素反応が生じる。各素反応は、 2D2+2DO→2D2O+2D D +O2 →DO2 D +DO2→D2O2 D2O2 →2DO となり、見掛け上、2D2+O2→2D2Oが進行する結果、酸
素と反応する。上の反応で、ODは、見掛け上触媒として
作用するが、炉心で生成したD2O2が、 D2O22OD の平衡反応により、ODの供給源となる。
以上のように、減速材中の溶存水素濃度が高まると、
減速材の放射線分解によって発生した酸素が即時に水素
と再結合し、カバーガス(気相)への酸素放出が低減さ
れる。
〔実施例〕
第1図により本発明の第1の実施例を説明する。図に
示す原子炉は、減速材である重水18と減速材カバーガス
19とを内包する容器である減速材保有タンク9と、該減
速材保有タンク9を上下方向に貫通して設けられた圧力
管8と、該圧力管8に内装された核燃料7と、を備えて
いる。重水18は、温度変動等による液面変動を可能にす
るため、減速材保有タンク9に充満させず、上部に空間
を残してあり、該空間に減速材カバーガス(以下カバー
ガスという)19が充填してある。
減速材保有タンク9の気相部には、気相部の圧力を1
気圧(絶対圧力)を超える圧力に保持する手段として、
カバーガス供給管24、圧力調整弁22,23を介して、高圧
のヘリウムを内包する高圧容器20および高圧の重水素を
内包する高圧容器21がそれぞれ接続されている。
この原子炉においては、圧力管8内の核燃料から放出
される中性子は、圧力管外の重水で減速されたのち、熱
中性子となって核燃料7の連鎖反応を生起させる。該連
鎖反応によって核燃料7に発生する熱は、圧力管8内を
流れる冷却材に伝達され、原子炉外へ、移送されて、所
要の目的に使用される。
カバーガス19は、ヘリウムと3mol%の重水素とが混合
されたもので、圧力を前記圧力調整弁22,23により70kg/
cm2(絶対圧)に保持してある。このとき、重水素ガス
の分圧はカバーガス中の重水素ガスの濃度が、3mol%で
あるから 70×0.03=2.1kg/cm2 となり、特開昭61−260195号公報記載の純粋な重水素ガ
スを大気圧でカバーガスとして用いた例に比べ、重水中
への重水素ガスの溶解度が約2倍以上となり、重水中で
の重水素と酸素の再結合効果が向上する。このため、重
水中およびカバーガス中の酸素濃度は低い値で飽和状態
となり、再結合器等の重水素、酸素処理設備を用いるこ
となく、カバーガスの酸素濃度が爆発限界以下に保持さ
れる。
第5図に示す第2の実施例は、減速材保有タンク9の
気相部に、酸素を除去するデオキソ装置10が接続されカ
バーガス19が減速材保有タンク9の気相部と、該デオキ
ソ装置の間を循環するように構成されている。本実施例
においては、減速材の放射線分解によって生じた重水素
と酸素のうち、酸素のみが、デオキソ装置10により除去
され、重水素ガスの濃度が上昇する。重水素ガスの濃度
が水素爆発限界を越えないように、図示されていないカ
バーガス圧力調整手段により、カバーガスの圧力が調整
され、再結合の進行状態が調節される。本実施例におい
ては、再結合のための重水素として放射線分解により生
じた重水素が用いられるので、重水素ガスの初期充填の
必要がない。
第6図は本発明の第3の実施例を示し、本図に示され
る原子炉は減速材保有タンク9の上部にタンク上方に突
出する複数の管状突出部25を備え、該管状突出部25の最
上部が、カバーガスを内包する気相部を形成している。
該気相部にカバーガス取り出し管16、吸込弁17を介して
送風装置であるブロア1の吸込側が接続され、該ブロア
1の吐出側はカバーガス戻し管15Aを介して減速材保有
タンク9の底面に接続されている。燃料を内装した圧力
管8は前記第1の実施例の場合と同様に装着されている
が、説明は省略する。
本実施例においては、管状突出部25内の気相部に高圧
に保持されたカバーガスがブロア1により吸引されて、
減速材保有タンク9の底部減速材中に吹きこまれる。カ
バーガスが該タンク底部から管状突出部25の気相部へ上
昇していく過程で、カバーガス中の重水素が減速材中に
溶解して溶存重水素濃度が高まり、放射線分解による発
生酸素と重水素の再結合が速やかに行われる。
上記第1〜第3の実施例においては、再結合器を設け
ないので、設備が簡単であり、さらに減速材中で酸素と
重水素の再結合が行われるので、減速材中の溶存酸素濃
度が低くなり減速材に接する部材の腐食が低減される。
また、外部へカバーガスが漏洩した場合もカバーガス内
の重水素ガス濃度は4mol%(水素爆発限界)以下であっ
て漏洩後に水素爆発に至る恐れはない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、重水または軽水を減速材とする原子
炉で、減速材カバーガスを、不活性ガスと水素爆発限界
以下の濃度の重水素もしくは水素の混合ガスとし、該混
合ガス圧力を1気圧(絶対圧力)以上にして用いられる
ので、カバーガス中の重水素もしくは水素の濃度を高め
ることなく、減速材中の溶存重水素もしくは水素の濃度
が高まり、放射線分解によって生じる酸素を減速材中
で、重水素もしくは水素と再結合させて、カバーガス中
に放出される酸素ガス量を低減させることが可能とな
り、カバーガス中の重水素ましくは水素と酸素とを再結
合させる再結合器の容量を低減もしくは省略して設備を
簡単にする効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の断面図を含む系統図、第2
図、第3図および第4図は従来技術を示す断面図および
系統図、第5図は本発明の第2の実施例を示す断面図を
含む系統図で、第6図は本発明の第3の実施例を示す断
面図を含む系統図である。 1……送風装置(ブロア)、9……容器(減速材保有タ
ンク)、10……デオキソ装置、18……減速材、19……カ
バーガス、20,21……高圧容器、22,23……圧力調整弁。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重水もしくは軽水からなる原子炉減速材と
    ともに該原子炉減速材の表面をおおう減速材カバーガス
    を内包する容器を備えた原子炉において、減速材カバー
    ガスが不活性ガスと重水素もしくは不活性ガスと水素の
    混合ガスであることと、該混合ガス中の重水素もしくは
    水素の濃度が水素爆発限界以下であることと、前記混合
    ガスの圧力が1気圧を超える圧力であることと、原子炉
    減速材と原子炉減速材カバーガスとを内包する前記容器
    の気相部に接続してデオキソ装置が設けられていること
    と、を特徴とする原子炉。
  2. 【請求項2】重水もしくは軽水からなる原子炉減速材と
    ともに該原子炉減速材の表面をおおう減速材カバーガス
    を内包する容器を備えた原子炉において、減速材カバー
    ガスが不活性ガスと重水素もしくは不活性ガスと水素の
    混合ガスであることと、該混合ガス中の重水素もしくは
    水素の濃度が水素爆発限界以下であることと、前記混合
    ガスの圧力が1気圧を超える圧力であることと、原子炉
    減速材と原子炉減速材カバーガスとを内包する前記容器
    の気相部の圧力を1気圧を超える圧力に保持する手段を
    有することと、前記容器の気相部に接続してデオキソ装
    置が設けられていることと、を特徴とする原子炉。
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