JP3131007B2 - 軽水型原子炉の炉心冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、軽水型原子炉の炉心冷
却装置に係り、特に炉水液面の低下に応じて冷却水を供
給する技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、軽水型原子炉においては、万一
の大規模な冷却材喪失事故を想定した安全設備として、
原子炉圧力容器内部の炉水の液面が下降したときに、そ
の液位を液位計等により検出し、その検出信号によって
ポンプを駆動することにより、炉心に給水する冷却装置
（非常用炉心冷却装置）を採用している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような冷却装置においては、非常時に該冷却装置を作動
させて炉心を冷却するために、外部の電源によって作動
するポンプ、検出器等の能動的な機器を利用するので、
停電時を想定した電源として、無停電電源を配設してお
く必要がある。また、信号伝送路等の設備においても、
万一の事態を考慮して、そのバックアップ装置を付加す
る必要があり、安全性を追及するにしたがって、その炉
心冷却装置全体は益々複雑なものとならざるを得なかっ
た。しかも、このように複雑になった炉心冷却装置は、
非常時にのみ作動させるものであって、平常使用時にそ
の動作確認を直接行うことは困難であるので、個々の設
備についての健全性を逐一確認しなければならず、多く
の検査工数を必要としていた。また、安全性の見地から
も、装置の複雑化は避けられるべきであり、さらには、
装置を作動させるために外部の駆動源等を必要としない
受動的な炉心冷却装置の開発が望まれている。

【０００４】本発明は、上述した事情に鑑みてなされた
ものであって、受動的な機器を使用して構成を簡素化す
るとともに、安全性を向上した軽水型原子炉の炉心冷却
装置を提供することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次の２つの手段を提案している。第１の手
段は、原子炉圧力容器の外部に配設され炉水位より上方
に液位を有する冷却水貯蔵タンクと、該冷却水貯蔵タン
クと原子炉圧力容器とを連通状態に接続する吸気管およ
び給水管と、該吸気管および給水管にそれぞれ取り付け
られ原子炉圧力容器内部に配される水圧作動弁と、該水
圧作動弁に接続され原子炉運転時に吐出圧力により水圧
作動弁を閉鎖状態に保持するポンプとを具備しており、
該ポンプの吸入口が警戒水位の配置されている軽水型原
子炉の炉心冷却装置を提案している。第２の手段は、同
一高さに吸入口を配する２台以上のポンプが並列状態に
接続されている軽水型原子炉の炉心冷却装置を提案して
いる。

【０００６】

【作用】第１の手段に係る軽水型原子炉の炉心冷却装置
によれば、原子炉運転時にあっては、炉水に吸入口を着
水状態としたポンプを作動させることにより、その吐出
圧力によって水圧作動弁が閉鎖され、原子炉圧力容器と
冷却水貯蔵タンクとを連通する吸気管および給水管が閉
塞状態とされる。炉水位が警戒水位以下に低下したとき
には、ポンプの吸入口が炉水から露出して吐出圧力が低
下するので、水圧作動弁が開かれる。これにより、原子
炉圧力容器と冷却水貯蔵タンクとは吸気管および給水管
を通じて連通状態となり、かつ、冷却水貯蔵タンクの液
位は、炉水位より上方に位置しているので、その水頭差
によって冷却水貯蔵タンクの冷却水が原子炉圧力容器内
に供給されることになる。第２の手段に係る軽水型原子
炉の炉心冷却装置にあっては、２台以上のポンプが並列
状態に接続されているので、１つのポンプが停止した場
合であっても、吐出圧力が失われることがない。また、
該ポンプの吸入口が同一の高さに配されているので、炉
水位が警戒水位以下に低下したときには、全てのポンプ
の吐出圧力が低下して水圧作動弁が開かれることにな
る。

【０００７】

【実施例】以下、本発明に係る軽水型原子炉の炉心冷却
装置の一実施例について、図１ないし図３を参照して説
明する。これら各図において、符号１は原子炉格納容
器、２は原子炉圧力容器、３はサプレッションプール、
１０は冷却水貯蔵タンク、１１はタンク加圧ライン（吸
気管）、１２は冷却水注入ライン（給水管）、１３はポ
ンプ、１４・１５は水圧作動弁、２３は止め弁、２４は
隔離弁、２５は圧力逃がし弁、２６は圧力逃がしライン
である。

【０００８】前記原子炉格納容器１は、原子炉圧力容器
２を内部に配設しており、下部に原子炉格納容器１内の
圧力を抑制するためのサプレッションプール３を有して
いる。この原子炉格納容器１の壁面を貫通する配管に
は、隔離弁２４が設けられており、後述するポンプの故
障時あるいは原子炉格納容器１の内部で原子炉圧力容器
２の外側における該配管の破損等の場合に該隔離弁２４
を閉鎖して、冷却水貯蔵タンク１０からの冷却水の不必
要な流出を止めるようになっている。

【０００９】前記冷却水貯蔵タンク１０は、原子炉格納
容器１の外部に配される密閉状態の容器であって、原子
炉圧力容器２内の炉水位Ａより常に高い液位Ｂを有する
位置に設置されている。該冷却水貯蔵タンク１０には、
図１に示すように、冷却水貯蔵タンク１０と原子炉圧力
容器２とを連通状態に接続するタンク加圧ライン１１お
よび冷却水注入ライン１２が配設されている。また、冷
却水貯蔵タンク１０の気相部分１０ａには、圧力逃がし
弁２５を介して圧力逃がしライン２６が接続され、該圧
力逃がしライン２６の先端は、前記サプレッションプー
ル３の液面Ｃに着水されている。

【００１０】タンク加圧ライン１１は、冷却水貯蔵タン
ク１０の上部に取り付けられ、該冷却水貯蔵タンク１０
内に形成されている気相部分１０ａに接続するようにな
っている。また、冷却水注入ライン１２は、冷却水貯蔵
タンク１０の下部に取り付けられ、該冷却水貯蔵タンク
１０内の液相部分１０ｂに接続するようになっている。
これらのライン１１・１２は、ともに原子炉格納容器１
を貫通して内部の原子炉圧力容器２に接続されており、
その先端に後述する水圧作動弁を配設している。

【００１１】前記ポンプ１３は、原子炉圧力容器２の内
部に２台配置され、例えば原子炉圧力容器２の内壁面に
固定される。該２台のポンプ１３は、吐出口１３ｂを合
流することにより互いに並列状態とされるとともに、吸
入口１３ａが同一の高さとなるように設定されており、
該吸入口１３ａは通常運転状態における炉水位Ａの下方
に位置する警戒水位Ａ’に配置される。

【００１２】前記水圧作動弁１４・１５は、図１に示す
ように、原子炉圧力容器２の内部に固定され、前記ポン
プ１３に接続される。水圧作動弁１４・１５は、図２・
図３に示すように、前記ポンプ１３の吐出口１３ｂに接
続されるケーシング１６・１７と、該ケーシング１６・
１７内部に配されるダイヤフラム部１８・１９と、該ダ
イヤフラム部１８・１９に取り付けられる弁体２０・２
１と、該弁体２０・２１によって開閉される流路を形成
するタンク側ケーシング２２・２３とをそれぞれ具備し
ている。

【００１３】まず、水圧作動弁１４について説明する
と、ケーシング１６は、例えば両端を閉塞した円筒状に
形成されており、その壁面に、ポンプ１３の吐出口１３
ｂに接続するポンプ接続口１６ａと、原子炉圧力容器２
の内部空間に開放される開放口１６ｂと、該開放口１６
ｂの対面に設けられ弁体２０をケーシング１６内外に貫
通状態とする弁体挿通穴１６ｃとを具備している。

【００１４】前記ダイヤフラム部１８は、前記ケーシン
グ１６の内部に配置され開放口１６ｂの設けられた壁面
に該開放口１６ｂを取り囲むようにして一端を固定され
る第１のベローズ１８ａと、該第１のベローズ１８ａの
他端を閉塞しケーシング１６内部の空間を開放口１６ｂ
を含む開放側空間１６ｄとポンプ接続口１６ａを含むポ
ンプ側空間１６ｅとに気密状態に区画するプレート１８
ｂと、該プレート１８ｂに第１のベローズ１８ａと直列
状態となるように固定され前記弁体挿通穴１６ｃを気密
状態に隔離する第２のベローズ１８ｃと、前記第１のベ
ローズ１８ａの内側に配されて前記プレート１８ｂを第
２のベローズ１８ｃの方向に付勢する圧縮コイルバネ１
８ｄとを具備している。

【００１５】前記弁体２０は、前記ケーシング１６の弁
体挿通穴１６ｃを貫通し前記第２のベローズ１８ｃを挿
通状態に配される摺動棒２０ａと、該摺動棒２０ａのケ
ーシング１６外部に位置する端部に形成される円盤状の
蓋部２０ｂとを具備しており、ケーシング１６内部の端
部を前記プレート１８ｂに固定されている。蓋部２０ｂ
は、比較的小さな外径寸法を有しており、圧力により摺
動棒２０ａの長手方向に作用する力が小さくなるように
設定されている。

【００１６】前記タンク側ケーシング２２は、箱状の部
材であって、ケーシング１６外部の前記弁体２０を突出
する壁面に間隔を空けて配置され、間座部材２２ａを介
してケーシング１６に取り付けられる。該間座部材２２
ａは、前記弁体２０を取り巻くようにして周方向に間隔
を空けて複数設けられており、原子炉圧力容器２の内部
空間と、タンク加圧ライン１１とを連結する流路を形成
している。また、タンク側ケーシング２２は、前記弁体
２０の蓋部２０ｂに対応する位置に配設され蓋部２０ｂ
より小さい口径の流通穴２２ｂと、前記タンク加圧ライ
ン１１の一端を接続するタンク接続口２２ｃとを具備し
ており、前記弁体２０の摺動棒２０ａを流通穴２２ｂに
貫通させた状態で蓋部２０ｂを内側の空間に配してい
る。

【００１７】次に、水圧作動弁１５について説明する
と、ケーシング１７は、前記水圧作動弁１４と比較して
ポンプ接続口１７ａの位置と開放口１７ｂの位置とを入
れ替えた構成となっている。

【００１８】前記ダイヤフラム部１９は、ケーシング１
７の内側に配されポンプ接続口１７ａの設けられた壁面
に該ポンプ接続口１７ａを取り囲むようにして一端を固
定するベローズ１９ａと、該ベローズ１９ａの他端を気
密状態に閉塞するプレート１９ｂと、該プレート１９ｂ
と弁体挿通穴１７ｃが穿孔された壁面との間に配されて
プレート１９ｂをポンプ接続口１７ａの方向に付勢する
圧縮コイルバネ１９ｃとを具備している。

【００１９】前記弁体２１は、水圧作動弁１４の弁体２
０と同様に、前記ケーシング１７の弁体挿通穴１７ｃを
貫通した状態に配される摺動棒２１ａと、該摺動棒２１
ａのケーシング１７外部に位置する端部に形成された蓋
部２１ｂとを具備しており、ケーシング１７内部の端部
を前記プレート１９ｂに固定される。弁体２１の蓋部２
１ｂは、水圧作動弁１４の蓋部２０ｂと比較して、大き
な外径寸法の円盤状に形成され、圧力による摺動棒２１
ａの長手方向への力を発生させるようになっている。

【００２０】タンク側ケーシング２３は、中央部にタン
ク接続口２３ｂを有する円盤状の板材であって、間座部
材２３ａによってケーシング１７との間に間隔を空けて
取り付けられるとともに、冷却水注入ライン１２の一端
を閉塞するように配置される。前記水圧作動弁１４のタ
ンク側ケーシング２２と異なり、このタンク側ケーシン
グ２３のタンク接続口２３ｂには弁体２１が挿通され
ず、蓋部２１ｂは、タンク側ケーシング２３の外部から
接続口２３ｂを閉塞するように配されている。

【００２１】このように構成された水圧作動弁１４で
は、ポンプ１３の吐出圧力の加わらない自由状態にあっ
ては、該ダイヤフラム部１８によって区画された２つの
空間１６ｄ・１６ｅ内部の圧力は、ともに原子炉圧力容
器２内の圧力となり、弁体２０は、圧縮コイルバネ１８
ｄとベローズ１８ａ・１８ｃのバネ力とのバランスによ
ってケーシング１６から突出する方向に付勢されるよう
に設定されていて弁体２０の蓋部２０ｂとタンク側ケー
シング２２の流通穴２２ｂとが離間された状態（図２に
おいて鎖線で示す状態）となる。これにより、間座部材
２２ａによって形成されたケーシング１６とタンク側ケ
ーシング２２との間隙および流通穴２２ｂを通じて原子
炉圧力容器２と冷却水貯蔵タンク１０とを連結するタン
ク加圧ライン１１が開通状態となる。

【００２２】また、水圧作動弁１５にあっては、前記水
圧作動弁１４の場合と同様にして自由状態において圧縮
コイルバネ１９ｃによって弁体２１の蓋部２１ｂがタン
ク側ケーシング２３の流通穴２３ｂから離れる方向に付
勢されるので、原子炉圧力容器２内部と冷却水貯蔵タン
ク１０とを連結する冷却水注入ライン１２が開通状態
（図３において鎖線で示す状態）に保持されることにな
る。

【００２３】以上のように構成された炉心冷却装置の作
動状態について以下に説明する。原子炉の通常運転状態
においては、原子炉圧力容器２内部の炉水位Ａは、一定
の状態に設定されている。この状態において、前記ポン
プ１３は、その吸入口１３ａを該炉水に着水状態に配し
ているので、稼働させられることによって、一定の吐出
圧力を発生する。該吐出圧力は、水圧作動弁１４・１５
に伝達され、該水圧作動弁１４・１５の内部に配される
ダイヤフラム部１８・１９の内外に圧力差を発生させ
る。すなわち、ダイヤフラム部１８・１９のプレート１
８ｃ・１９ｃにより区画された空間１６ｄ・１６ｅ・１
７ｄ・１７ｅにあっては、ポンプ側空間１６ｅ・１７ｅ
の圧力が吐出圧力により上昇し、圧縮コイルバネ１８ｄ
・１９ｃを圧縮する方向に力が作用する。そして、ベロ
ーズ１８ａ・１８ｃ・１９ａ、圧縮コイルバネ１８ｄ・
１９ｃおよび圧力差による力のバランスによって、弁体
２０・２１がタンク側ケーシング２２・２３の流通穴２
２ｂ・２３ｂを閉塞する方向に移動させられることによ
り、水圧作動弁１４・１５に接続されたタンク加圧ライ
ン１１および冷却水注入ライン１２がそれぞれ閉鎖状態
に保持されることになる。この状態にあっては、冷却水
貯蔵タンク１０に貯蔵された冷却水は、水圧作動弁１５
によって、原子炉圧力容器２内に注入されないようにせ
き止められることになる。

【００２４】このとき、冷却水貯蔵タンク１０の内部圧
力は、ほぼ大気圧であり、また、原子炉圧力容器２内部
は、通常の運転圧力（例えば７０ｋｇ／ｃｍ²ｇ）とな
っているので、その圧力差が水圧作動弁１５の蓋部２１
ｂに作用することにより、弁体２１には流通穴２３ｂを
閉塞する方向に力が作用し、平常運転状態において、冷
却水が注入されないように安定して保持されることにな
る。

【００２５】次に、なんらかの原因によって炉水位Ａが
低下し、警戒水位Ａ’を下回った場合の炉心冷却装置の
作動状態について説明する。炉水位Ａが警戒水位Ａ’以
下に低下すると、ポンプ１３の吸入口１３ａが炉水の上
方に露出した状態となってポンプ１３の吐出圧力が喪失
されるので、該ポンプ１３に接続された水圧作動弁１４
のポンプ側空間１６ｅおよび開放側空間１６ｄの圧力
が、ともに原子炉圧力容器２の内部圧力となり、水圧作
動弁１４は自由状態となって流通口２２ｂが開かれる。

【００２６】このとき、水圧作動弁１５にあっては、水
圧作動弁１４と同様にしてケーシング１７内部の圧力が
原子炉圧力容器２の内部圧力となるが、弁体２１の蓋部
２１ｂに加わる圧力差によって、即座に自由状態となる
ことはなく、流通口２３ｂは暫くの間、閉塞状態に保持
されることになる。

【００２７】そして、原子炉圧力容器２の内部圧力がタ
ンク加圧ライン１１を通じて冷却水貯蔵タンク１０に伝
達され、該冷却水貯蔵タンク１０の内部圧力が上昇させ
られる。このとき、急激な圧力上昇が生じた場合には、
圧力逃がし弁２５が開放されることにより、冷却水貯蔵
タンク１０の内部圧力は、設定圧力以上に上昇しないよ
うに保持されることになる。そして、冷却水注入ライン
１２の冷却水が加圧されることによって、前記水圧作動
弁１５の蓋部２１ｂに作用していた圧力差が小さくなっ
て流通口２３ｂが開放される。

【００２８】ここで、冷却水貯蔵タンク１０の内部に貯
蔵されている冷却水の液位Ｂは、原子炉圧力容器２の炉
水位Ａより高い位置になるように設定されているので、
その水頭差によって、冷却水が落下し、炉内に注入され
る。そして、このようにして注入された冷却水は喪失し
た炉水を補うとともに炉心Ｐを冷却することになる。

【００２９】一方、ポンプ１３が故障した場合にあって
は、水圧作動弁１４・１５に作用する吐出圧力が失わ
れ、炉水位Ａが警戒水位Ａ’以下に低下した場合と同様
にして炉心冷却装置が作動することになるが、このよう
な場合に炉心冷却装置を作動させることは、不必要であ
るので、２台のポンプ１３を並列状態に配設している。
これにより、１台のポンプ１３が故障した場合であって
も水圧作動弁１４・１５に作用する吐出圧力が失われる
ことがなく、したがって、水圧作動弁１４・１５が閉鎖
状態に保持されることになる。この場合にあっても、２
台のポンプ１３の吸入口１３ａは同一の高さとなるよう
に設定されており、炉水位Ａの低下によって同時に吐出
圧力が低下するので、炉心冷却装置は、ポンプ１３が１
台である場合と同様に作動することになる。

【００３０】〈他の実施態様〉なお、本発明に係る軽水
型原子炉の炉心冷却装置にあっては、次の技術を採用す
ることができる。 水圧作動弁１４・１５に並列状態に接続するポンプ
１３の数を２台以上の任意の数にすること。 ポンプ１３を原子炉圧力容器の外部に配置し、吸入
口１３ａおよび吐出口１３ｂを原子炉圧力容器内に配置
すること。 水圧作動弁１４・１５のケーシング１７・１８を任
意の形状とすること。 水圧作動弁１４・１５のベローズよりなるダイヤフ
ラム部１８・１９に代えて、シリンダ等の他のアクチュ
エータを使用すること。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明、つま
り、請求項１の発明に係る軽水型原子炉の炉心冷却装置
は、炉水位より液位の高い冷却水貯蔵タンクと、該冷却
水貯蔵タンクと原子炉圧力容器とを連通する吸気管およ
び給水管と、該吸気管および給水管にそれぞれ取り付け
られ原子炉圧力容器内部に配される水圧作動弁と、該水
圧作動弁を吐出圧力により閉鎖するポンプとを具備して
おり、該ポンプの吸入口が警戒水位に配置されているの
で以下の効果を奏する。 （１）炉水位が警戒水位以下に低下することによって水
圧作動弁が開放され、冷却水が水頭差によって炉内に注
入される構成であり、装置を作動させるために外部に駆
動源を必要とする能動的な機器を含まないので、炉心冷
却装置を簡素化して、信頼性を向上することができる。 （２）検出器等の能動的な機器を含まないので、停電時
等を想定したバックアップ装置の設置を最小限に抑える
ことができ、かつ、安全性を向上することができる。 第２の発明、つまり、請求項２の発明に係る軽水型原子
炉の炉心冷却装置にあっては、同一高さに吸入口を配す
る２台以上のポンプが並列状態に接続されているので、
請求項１の発明の効果に加えて、ポンプの故障のみによ
る炉心冷却装置の不必要な作動を防止することができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る軽水型原子炉の炉心冷却装置の一
実施例を示す装置構成図である。

【図２】図１の炉心冷却装置のタンク加圧ラインに接続
する水圧作動弁を示す縦断面図である。

【図３】図１の炉心冷却装置の冷却水注入ラインに接続
する水圧作動弁を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 原子炉格納容器 ２ 原子炉圧力容器 ３ サプレッションプール １０ 冷却水貯蔵タンク １０ａ 気相部分 １０ｂ 液相部分 １１ タンク加圧ライン（吸気管） １２ 冷却水注入ライン（給水管） １３ ポンプ １３ａ 吸入口 １３ｂ 吐出口 １４・１５ 水圧作動弁 １６・１７ ケーシング １６ａ・１７ａ ポンプ接続口 １６ｂ・１７ｂ 開放口 １６ｃ・１７ｃ 挿通口 １６ｄ・１７ｄ 開放側空間 １６ｅ・１７ｅ ポンプ側空間 １８・１９ ダイヤフラム部 １８ａ 第１のベローズ １８ｂ・１９ｂ プレート １８ｃ 第２のベローズ １８ｄ・１９ｃ 圧縮コイルバネ １９ａ ベローズ ２０・２１ 弁体 ２０ａ・２１ａ 摺動棒 ２０ｂ・２１ｂ 蓋部 ２２・２３ タンク側ケーシング ２２ａ・２３ａ 間座部材 ２２ｂ・２３ｂ 流通穴 ２２ｃ タンク接続口 ２３ 止め弁 ２４ 隔離弁 ２５ 圧力逃がし弁 ２６ 圧力逃がしライン Ａ 炉水位 Ａ’ 警戒水位 Ｂ 冷却水貯蔵タンクの液位 Ｃ サプレッションプールの液面 Ｐ 炉心

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小田 順朗 神奈川県横浜市磯子区新中原町１番地 石川島播磨重工業株式会社 横浜第一工 場内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 15/18 G21C 17/035 G21C 15/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原子炉圧力容器の外部に配設され炉水位
   より上方に液位を有する冷却水貯蔵タンクと、該冷却水
   貯蔵タンクと原子炉圧力容器とを連通状態に接続する吸
   気管および給水管と、該吸気管および給水管にそれぞれ
   取り付けられ原子炉圧力容器内部に配される水圧作動弁
   と、該水圧作動弁に接続され原子炉運転時に吐出圧力に
   より水圧作動弁を閉鎖状態に保持するポンプとを具備し
   ており、該ポンプの吸入口が警戒水位の高さに配置され
   ていることを特徴とする軽水型原子炉の炉心冷却装置。
2. 【請求項２】 同一高さに吸入口を配する２台以上のポ
   ンプが、並列状態に接続されていることを特徴とする請
   求項１記載の軽水型原子炉の炉心冷却装置。