JP3602136B2 - 炉心溶融物を収容するために設計された封じ込め室を冷却するための冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は原子力設備の原子炉の炉心溶融物を収容するための封じ込め室を冷却するための冷却配管付き冷却装置に関する。
原子力設備は安全運転のために、通常運転状態から偏倚した異常運転状態を早期に検出して、これに対抗できる多数の種々の冗長的安全系統、特に冷却装置を有している。これによって例えば原子炉の炉心溶融のような安全臨界状態は実質的に排除される。
このような仮想重大事故に対処するためにドイツ特許出願公開第4041295号明細書に、炉心封じ込め装置および原子力設備の緊急冷却方法が記載されている。この炉心封じ込め装置は炉心を包囲する原子炉圧力容器のすぐ下側に配置されている捕捉容器を有している。この捕捉容器並びに原子炉圧力容器はコンクリート構造物で形成された原子炉ピットの内部に配置されている。捕捉容器とコンクリート構造物との間を捕捉容器の底部および側壁に沿って、冷却水が導かれる冷却通路が延びている。底側の冷却通路は水溜めに接続され、サイフォン状に水溜めの中に突出している冷却配管に開口している。サイフォン状の冷却配管は逆Ｕ字形の部分を有し、その逆Ｕ字形の頂点は水溜めの運転水位の上に位置し、冷却配管は水溜めの中に漬かっているが、頂点の周りは水溜めから突出している。これによって運転水位中において冷却水は冷却通路に到達することはない。水溜めが逆Ｕ字形の頂点を超える水位まであふれるときにはじめて、冷却水が冷却通路に到達し、捕捉容器の外側面の冷却が行われる。
捕捉容器の内部における冷却は、水溜めからコンクリート構造物を貫通して捕捉容器の中に導かれている溢流配管を介して行われる。溢流配管は捕捉容器内において溶融可能な閉塞プラグによって閉じられている。この閉塞プラグは周辺温度が高くなるとはじめて溶融し、これによって冷却水が捕捉容器の内部に流入できるようにされる。原子力設備の通常運転においても溢流配管内には冷却水が存在し、これによって溶融可能な閉塞プラグは常に冷却されている。
本発明の課題は、受動的に作用する手段によって、従って自発的に確実に捕捉容器の冷却が開始するような炉心溶融物を収容するために設計された封じ込め室を冷却するための冷却装置を提供することにある。
本発明によればこの課題は、原子力設備の原子炉の炉心溶融物を収容するために設計された封じ込め室を冷却するための冷却配管を備えた冷却装置において、冷却配管が冷却液で充填される溢流容器から封じ込め室に通じ、溢流容器内において冷却液の水位に関係して開く受動開放形の閉鎖要素によって閉じられることによって解決される。冷却液の水位に関係して開く閉鎖要素によって、安全臨界状態が生じたときにはじめて溢流容器に冷却液を供給することにより封じ込め室の冷却を開始することが保証される。溢流容器に追加的に流入する冷却液は好適には安全臨界状態中に原子炉炉心の一次冷却回路から流出する一次冷却水である。冷却液は場合によっては別個に設けられた冷却液貯蔵タンクを介して溢流容器に供給される。冷却配管は閉鎖要素が開くまで閉じられており、従って水はその中に存在していない。これによって原子力設備の通常運転中、冷却液特に冷却水は封じ込め室から遠ざけられており、これによって例えば冷却水による腐食のような有害な作用あるいは冷却配管を閉鎖するための温度依存開放形の閉鎖要素の望ましくない冷却が避けられる。更に受動的に開く閉鎖要素によって原子力設備の自発的な安全性が改善され、封じ込め室の冷却を開始する際の人為的な誤操作が排除される。
好適には閉鎖要素は冷却配管を閉鎖するフロートである。このフロートは、冷却水が運転水位にある場合冷却配管を例えば球面座を介して気密に閉鎖するような浮力を利用している。例えば地震によって引き起こされる揺れの際にも、フロートがその密封座から滑って変位することが避けられるように、フロートは特にガイドで主軸線に沿って移動できるように案内されている。
フロートは好適には冷却液を充填できる内部室を有しているこの内部室には冷却液の入口開口を有する充填管が導入されている。冷却液が測地学的に運転水位の上側に位置する水位まで充填されるとき、冷却液がこの入口開口を通して流入する。この入口開口は測地学的に運転水位の上側に位置するかあるいは測地学的に運転水位の下側に位置することができる。後者の場合、充填管は入口開口からＵ字形に運転水位の上に突出し、その逆Ｕ字形の頂点が運転水位の上に位置するようにされる。後者の場合にも、冷却液が運転水位を所定の大きさだけ超えるときにはじめてフロートの内部室の中に流入する。フロートの内部室の中に流入する冷却液はフロートの浮力を減少するので、フロートは内部室の或る充填率からその密封座を離れ、これにより冷却配管が開かれる。これによって封じ込め室の冷却が受動的に開始する。
フロートは好適には内部室の中に導入された凝縮水吸出し管を有しており、原子力設備の通常運転状態中に生ずる凝縮水はこの凝縮水吸出し管を通して吸い出される。これによって侵入する凝縮水によるフロートの沈降およびこれによって封じ込め室の意図しない冷却開始が確実に避けられる。
封じ込め室は溢流容器に好適には測地学的に冷却配管の上側特に運転水位の上側を延びる冷却液の戻り通路を介して接続されている。この戻り通路は溢流容器内において水位依存開放形の別の閉鎖要素によって閉じられている。この戻り通路によって冷却液回路による封じ込め室の内部の冷却が達成され、その場合溢流容器から封じ込め室に流入する冷却液は自然循環で流れる。これによって原子力設備の安全臨界状態中において十分な冷却液が溢流容器に戻され、封じ込め室の冷却、特に封じ込め室内に収容された炉心溶融物の冷却が保証される。
戻り通路を溢流容器内において閉鎖し同様にフロートとして構成される閉鎖要素は、好適には球形弁である。この球形弁は案内レールで密封位置に保持されている浮き球を有する。球形弁は閉鎖要素を例えば封じ込め室の内部における温度上昇によって生ずる圧力波に対して保護する。封じ込め室から戻り通路に冷却水が流入すると球形弁の球が浮き上がり、これによって溢流容器への戻り通路が開かれる。
冷却配管は好適には、封じ込め室に開口しこれによって封じ込め室に流入した炉心溶融物の表面を直接冷却することを保証する溢流配管である。この溢流配管は有利には水平方向に延び、溢流容器との着脱が自在である。溢流容器から封じ込め室への溢流配管の組込みは、場合によっては接近し難くまた放射能を帯びているおそれのある封じ込め室の外側で組立が行われるという利点を有する。これは特に炉心を包囲する封じ込め室の場合、その組込みが一般に封じ込め室をるつぼ状の保護・捕捉層で内張りした後で行われるので、特に有利である。
溢流配管は原子力設備の通常運転中において封じ込め室において好適には温度依存開放形の閉鎖要素で閉じられている。溢流配管は原子力設備の通常運転中は空気で充填され、これによって温度依存開放形の閉鎖要素は溢流容器の冷却水に対して熱絶縁され、腐食作用が確実に避けられるように冷却水は原子力設備の安全臨界状態中にはじめて溢流配管の中に到達する。この温度依存開放形の閉鎖要素の熱絶縁によって、封じ込め室の内部に強い熱が発生した際に確実に開くこと、特に溶融することが保証される。従って温度依存開放形の閉鎖要素は、それが冷却水と直接接触する閉鎖要素とは異なり高温においてはじめて溢流配管を開くように設計することができる。温度依存開放形の閉鎖要素は好適には、原子力設備の通常運転中に炉心のごく周囲に、特に原子炉圧力容器を収容する原子炉ピットに生ずる中性子線に対して耐性がある。これは更に唯一の溶融要素（溶融ボルト、溶融ベルト）しか持たないという利点を有し、これによって異なった時点で溶融する複数個の溶融要素を有する場合におけるような閉鎖要素の傾きおよびこれに伴う開放の遅れが避けられる。更に溢流配管がそれに既に設置された閉鎖要素と共に組立ができるように、閉鎖要素は溢流配管の横断面に合わされている。
好適には温度依存開放形の閉鎖要素は例えば900℃以上の温度で溶融する材料を有している。この材料は耐食性および耐放射性を有し、特に銀である。特に温度依存開放形の閉鎖要素は銀製の締付けボルト付きの弓形錠である。この弓形錠は蓋を気密に溢流配管の中に押し付け、この配管が原子力設備の通常運転中に確実に閉じられるようにする。温度依存開放形の閉鎖要素はそれとは別に溢流配管にろう付けされた閉鎖キャップとして構成することもできる。ろう材としては同様に銀が使用される。
好適には封じ込め室はその少なくとも底部および／又は側壁の外側を冷却するための外側冷却部を有し、その際冷却配管はこの外側冷却部を溢流容器に接続する導管である。導管は原子力設備の通常運転中においてフロートによって閉じられている。好適には外側冷却部は溢流容器に戻される冷却液の排出配管を有している。これによって冷却液特に溢流容器に流入する一次冷却水は再び溢流容器に戻されるので、封じ込め室の外側冷却に対する冷却回路が形成される。
封じ込め室は炉心の下側に配置されたるつぼ状の捕捉容器として構成することができる。溢流容器の内部に配置されたフロートによって受動的に開始する捕捉容器の冷却は、捕捉容器の外側面では外側冷却部によって行われ、および／又は捕捉容器の内部においては溢流配管によって行われる。
好適には溢流容器から捕捉容器に導かれ捕捉容器の中に開口している溢流配管は熱弾性的に案内されている。溢流配管は捕捉容器の外側に特に捕捉容器の壁と原子炉ピットを形成するコンクリート構造物との間に補償器を有している。球形の溶接フランジ付きの溶接された補償器は、例えばその内部温度が約300℃である捕捉容器を、20℃〜30℃の捕捉容器の外側冷却部に対して密封している。補償器は捕捉容器の熱膨張を補償するのに役立ち、追加的に捕捉容器の外側壁を冷却する冷却液の流れに対して溢流配管を密封している。
この冷却装置は炉心の下側の側方に配置された拡張室を冷却するのにも適している。この拡張室は溢流容器から拡張室に導入されている溢流配管によってその内部を冷却される。この拡張室の外側の冷却は、受動的に開く閉鎖要素、例えば溢流容器の内部におけるフロートを通して冷却液が供給される相応して延びる冷却通路によって同様に行われる。
以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。るつぼ状の捕捉容器である封じ込め室に対する図示の実施例は拡張室として形成された封じ込め室にも同様に適用される。
図１は原子力設備の一部縦断面図、
図２は戻り通路における閉鎖要素の拡大断面図、
図３は溢流容器から捕捉容器に通じている溢流配管の拡大断面図、
図４は捕捉容器内における溢流配管の閉鎖要素の拡大断面図、および
図５は捕捉容器内における溢流配管の閉鎖要素の異なる実施例の拡大断面図である。
図１から図５において同一符号はそれぞれこの実施例の同一構成要素を表している。
図１には、炉心溶融物を収容するために設計された封じ込め室２を冷却するための冷却装置１を備えた原子力設備の一部が縦断面図で示されている。主軸線５を中心とした回転対称の原子炉圧力容器３は支持構造物36によって形成された原子炉ピット48の中に配置されている。原子炉圧力容器３は炉心４を包含している。原子炉ピット48内において原子炉圧力容器３の下側に、底部24と側壁25とを有する炉心溶融物用の捕捉容器28によって封じ込め室２が形成されている。支持構造物36と側壁25および底部24との間に捕捉容器28の外側冷却部23のための自由空間が存在している。捕捉容器28の内部において底部24および側壁25には例えば酸化ジルコニウム石（ZrO₂）から成るライニング38が続いている。底側ライニング38上に特に炉心溶融物の融点を引き下げるための犠牲コンクリート層27が配置されている。溢流配管31として形成された冷却液７用の冷却配管６が、側壁25並びにそれに続く支持構造物36を貫通して水平線に対して僅かに傾斜して配置されている。溢流配管31は溢流容器８から捕捉容器28の中に導入されている。溢流配管31は捕捉容器28内において閉鎖要素15特に温度依存開放形の閉鎖要素15によって閉じられている。溢流配管31は溢流容器８内において水位に関して開く特にフロート10付きの閉鎖要素９によって閉じられている。溢流配管31は側壁25と支持構造物36との間において補償器29によって包囲されている。この補償器29は側壁25を外側冷却部23に対して密封し、捕捉容器28の熱膨張を吸収する。溢流配管31を密封するフロート10は内部室11を有している。測地学的に溢流配管31の上側に入口開口13を有する充填管12がその内部室11の中に導入されている。入口開口13は溢流容器８の中に存在する冷却液特に冷却水の運転水位14の上側にも位置している。捕捉容器28の外側冷却部23は原子炉ピット48の下側をほぼ水平に支持構造物36を貫通して延びる導入配管26によって溢流容器８に接続されている。導入配管26は溢流容器８内において同様にフロート10付きの閉鎖要素９によって閉じられている。フロート10の内部室11の中に充填管12が突っ込まれている。この充填管12は運転水位14の上まで冷却液７から導出され、再びＵ字形に冷却液７の中に曲げ戻され、そこで入口開口13で終えている。内側冷却用の戻り通路20が運転水位14の上側従って溢流配管31の上側を原子炉ピット48から溢流容器８まで延びている。この戻り通路20は溢流容器８の内部において冷却水７にほぼ半分だけ漬けられているフロート10を備えた閉鎖要素21で閉じられている。この閉鎖要素21と戻り通路20との間にフロート球を備えた球形弁22が配置されている。各閉鎖要素９、21はそれぞれ凝縮水吸出し管19を有している。戻り通路20は原子炉ピット48の中において捕捉容器28の上側を支持構造物36並びにこれに続く絶縁体37を貫通して延びている。戻り通路20は捕捉容器28の内部に通じている。
原子力設備の通常運転中において、外側冷却部23、溢流配管31、戻り通路20並びに閉鎖要素９、21、15を包含する冷却装置１は閉じられている。特に外側冷却部23並びに溢流配管31は空気で充填されている。外側冷却部23は原子力設備の通常運転中において空冷運転のために役立ち、これによって支持構造物の加熱が避けられる。冷却空気は支持構造物36の外側にある８個の通気シャフトを通して下向きに、環状通路として形成され８個の水平通路に接続されている導入配管26に導かれ、捕捉容器28の外側に導かれる。温まった冷却空気は捕捉容器28および支持構造物36の外側面に沿って上向きに流れ、原子力設備の原子炉建屋（図示せず）の中に逃がされる。環状通路は同様に８本の管を介して溢流容器８に接続されている。原子炉炉心４の溶融事故が起きた場合、溢流容器８は補助冷却液特に冷却水７によりあふれるので、これによって水位が運転水位14からフロート10の入口開口13の上側に位置する高い水位まで上昇する。この場合補助冷却液は炉心４の一次冷却回路から流出する一次冷却水である。補助冷却液は場合によっては別個の補助冷却液溜めから供給される。溢流配管31および外側冷却部23を閉鎖するフロート10は冷却水７で充填され、浮力が小さくなるので沈む。これによって溢流配管31並びに外側冷却部23が冷却水７で充填される。運転水位14を超した場合まず外側冷却部23がその作用を開始する。外側冷却部23を通った冷却水７は運転水位14の上側を水平に延びる６個の通路（図示せず）を介して溢流容器８に戻される。外側冷却部23の戻り通路および内側冷却部の戻り通路20は互いに分離されている。原子炉炉心４の溶融により生ずる炉心溶融物は捕捉容器28において熱を発生し、この熱の発生によって溢流配管31の温度依存開放形の閉鎖要素15が同様に開く。これによって炉心溶融物を冷却するために冷却液７が捕捉容器28の内部に流入する。これにより溢流容器８の内部において増大した水位は溢流水位32に例えば30cm〜60cmだけ下がるので、原子炉ピット48および溢流容器８における冷却水７の水位は同じ高さになる。溢流配管31を通して捕捉容器28に流入する冷却液７は加熱され、図の矢印30のように自然循環で上昇し、戻り通路20を通って溢流容器８の中に戻る（流れ矢印30で図示）。外側冷却部23の閉鎖要素９の開放によって、冷却水７が溢流容器８から導入配管26を通って流れ矢印44で示すように捕捉容器28の外側に到達し、冷却水７はここで蒸発し、図示していない通路を通って溢流容器８に戻される。捕捉容器28の冷却はこの蒸発によって外側からも行われる。蒸発した冷却水７は原子力設備の内部を上昇し、凝縮し、溢流容器８に戻る。溢流容器８内における水位が上昇した際に溢流配管31および外側冷却部23に対する閉鎖要素９が開くことによって、捕捉容器28に流入する炉心溶融物の長時間にわたる有効な冷却作用が保証される。
図２には、フロート10および浮き球付きの球形弁22を備えた図１における閉鎖要素21が拡大して示されている。フロート10は運転水位14においてほぼ半分まで冷却水７の中に漬けられている。球形弁22の浮き球は戻り通路20からフロート10に向いて下がって延びている球・位置ホルダ33上に載っている。原子炉ピット48内に圧力波が生じ、これが戻り通路20を通って伝播したとしても、球形弁22はフロート10を密封し、これによってフロート10が保護された状態を保つ。フロート10は軸線49に沿って移動できるようにガイド35内を案内されている。球形弁22は通気通路34を有している。原子力設備の通常運転状態において戻り通路20は乾いており、特に空気で充填されている。溢流容器８の内部における水位が運転水位14から測地学的に閉鎖要素21の上側に位置する溢流水位32に上昇した場合、冷却水７は戻り通路20を通って球形弁22に到達する。冷却水７が球形弁22に流入した後、浮き球は上昇し、貫通開口50を開放し、この貫通開口50を通って冷却水７は戻り通路20からフロート10の中に流入する。冷却水７がフロート10の中に流入することによってその浮力が減少し、溢流容器８内において軸線49に沿って沈み、これによって冷却水７は戻り通路20から溢流容器８の中に自然循環で戻される。
図３には図１における溢流配管31が拡大して示されている。捕捉容器28の内部において溢流配管31は弓形錠16を有する温度依存開放形の閉鎖要素15で閉じられている。溢流配管31は支持構造物36と捕捉容器28との間において補償器29で包囲されている。この補償器29は球面密封座39で捕捉容器28に気密に接触している。
図４は図３における温度依存開放形の閉鎖要素15を拡大して示している。弓形錠16は弓形リンク42を介して蓋40を溢流配管31の球面密封座39に固く押しつけている。弓形リンク42は溶融軸部43を有する締付けボルト17を介して溢流配管31に固く結合されている。溶融軸部43は融点が約960℃の銀で作られている。溶融軸部43を流出する冷却水７に対して保護するための飛沫よけ41が、溶融軸部43と蓋40との間に溢流配管31に対して平行に配置されている。これによってたとえ球面密封座39に漏洩が生じても、溶融軸部43の溶融が蒸発する冷却水７によって遅らされないことが保証される。
図５には溢流配管31に対する温度依存開放形の閉鎖要素15の異なる実施例が示されている。この閉鎖要素15は溢流配管31を包囲する銀製ベルト46を介して二つのろうテープ45で溢流配管31にろう付けされている閉鎖キャップ18を有している。銀製ベルト46とこれに接する溢流配管31の部分と閉鎖キャップ18との間に空気クッションから成る絶縁体47が入れられている。封じ込め室２の中に大きな熱が発生すると、ろうテープ45および場合によっては銀製ベルト46が溶融して、閉鎖キャップ18が落下し、溢流配管31が開く。図４および図５に示されている閉鎖要素15はそれぞれ一つの溶融要素43、46しか有していない。これによって閉鎖要素を閉鎖する二つの溶融要素が異なって溶融し、閉鎖要素の開放が遅らされるという危険は避けられる。
本発明は、炉心溶融物を収容するために設計された封じ込め室を冷却するための冷却配管を備え、受動的な閉鎖要素によって冷却が開始されるような冷却装置によって特徴づけられる。閉鎖要素は溢流容器内の冷却水の水位に関係して開き、冷却水は封じ込め室の中にないしはその外側面に沿って流れる。閉鎖要素は殊にその浮力によって冷却配管を閉鎖するフロートを有している。このフロートは冷却水が運転水位より上にある水位に到達する際にフロートに冷却水が充填され、冷却配管が開いて溢流容器の中に沈み込むように設計されている。この冷却装置は封じ込め室に冷却水を供給する溢流配管の上側において案内され導かれている戻り通路を利用している。この戻り通路および溢流配管を介して冷却水の自然循環路が形成され、これによって封じ込め室およびその中に捕捉された炉心溶融物の有効な冷却が保証される。

Claims (13)

1. 原子力設備の原子炉炉心（４）の炉心溶融物を収容するために用いられる封じ込め室（２）を冷却するための冷却配管（６）付き冷却装置（１）において、冷却配管（６）が冷却液（７）を充填できる溢流容器（８）から封じ込め室（２）に通じ、溢流容器（８）内において冷却液（７）の水位に関係して開く受動的に開放する閉鎖要素（９）によって閉じられ、この閉鎖要 素（９）が冷却配管（６）を閉じるフロート（10）であ ることを特徴とする冷却装置。
2. フロート（10）が冷却液（７）を充填できる内部室（11）を有し、この内部室（11）の中に冷却液（７）の入口開口（13）を有する充填管（12）が導入され、冷却液（７）が運転水位（14）を超える際にその入口開口（13）を通って流入することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. フロート（10）が凝縮水吸出し管（19）を有することを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
4. 測地学的に冷却配管（６）の上側にあり封じ込め室（２）を溢流容器（８）に接続する冷却液（７）の戻り通路（20）を備え、この戻り通路（20）が溢流容器（８）の中において水位依存開放形の閉鎖要素（21）で閉じられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却装置。
5. 閉鎖要素（21）が球形弁（22）であることを特徴とする請求項４記載の冷却装置。
6. 冷却配管（６）が封じ込め室（２）に開口する溢流配管（31）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷却装置。
7. 溢流配管（６）が封じ込め室（２）の中において温度依存開放形の閉鎖要素（15）で閉じられることを特徴とする請求項６記載の冷却装置。
8. 温度依存開放形の閉鎖要素（15）が900℃以上の温度で溶融する銀製締付けボルト（17）を備えた弓形錠（16）であることを特徴とする請求項７記載の冷却装置。
9. 温度依存開放形の閉鎖要素（15）が銀でろう付けされた閉鎖キャップ（18）であることを特徴とする請求項７記載の冷却装置。
10. 封じ込め室（２）の少なくとも底部（24）および／又は側壁（25）を冷却液（７）で冷却するための外側冷却部（23）を有し、冷却配管（６）がこの外側冷却部（23）を溢流容器（８）に接続する導入配管（26）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷却装置。
11. 封じ込め室（２）が原子炉炉心（４）の下側に配置されたるつぼ状の捕捉容器（28）であることを特徴とする請求項１ないし10のいずれか１つに記載の冷却装置。
12. 冷却配管（６）が捕捉容器（28）の外側に捕捉容器（28）の熱膨張を補償するための補償器（29）を有することを特徴とする請求項11記載の冷却装置。
13. 封じ込め室（２）が炉心（４）の下側の側方に配置された拡張室であることを特徴とする請求項１ないし10のいずれか１つに記載の冷却装置。

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