JP4354986B2 - 原子力施設および原子力施設の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子力施設、特に沸騰水型原子炉施設、および施設を運転するための方法に関する。

最近の沸騰水型原子炉施設では、必要な場合に原子炉の冷却に利用される冷却液用に１つのフラッド槽がリザーバとして設けられている。フラッド槽は普通、冷却材が重力の力のみによって、例えばポンプ等の能動的構成要素を利用することなく、所要の場所へと流れるように配置されている。沸騰水型原子炉施設ではさらに１つの復水室が設けられており、この復水室は最近の沸騰水型原子炉施設の冷却システムの重要な構成要素である。冷却システムは、格納容器内部のいわゆる圧力室内で大量の蒸気が遊離されることのある冷却材喪失事故を制御すべく設計されている。遊離された蒸気は凝縮のため復水室に送られる。このため例えばフラマトム社（Framatome ANP）のＳＷＲ（沸騰水炉）１０００コンセプトでは１つの受動的に働くシステムが設けられており、このシステムは外部エネルギー供給なしにかつ能動的構成要素なしに間に合う。詳細には複数の復水管が設けられており、復水管は圧力室内の特定超過圧以降に復水室への流路を解放し、こうして復水室内への蒸気の導入を可能にする。それゆえにこの冷却システムの機能性にとって不可欠なのは、圧力室内に超過圧が生じることである。換言するなら、復水管を介した蒸気導入が確実に保証されているように復水室は圧力室に対して気密に閉鎖されていなければならない。

通常運転のときフラッド槽内の冷却材に熱が供給され、冷却材は規則的時間間隔で冷却されねばならない。このため普通、独自の冷却回路が設けられている。

本発明の課題は、原子力施設の確実な運転を保証することである。

この課題は、本発明によれば、冷却液用に設けられる１つのフラッド槽と１つの復水室と過剰な冷却液用にフラッド槽から復水室へと配置される１つのオーバーフロー機溝とを有する原子力施設、特に沸騰水型原子炉施設によって解決される。

この構成の根底にある考えは、フラッド槽内の冷却液を冷却するために冷たい冷却水を導入し、フラッド槽冷却液用の個別の冷却回路を省くとのことである。過剰の暖かい冷却液はオーバーフロー機溝を介して復水室に供給される。この措置によって、フラッド槽冷却液用の個別の冷却回路を配置する必要はなくなる。冷却水を冷却するのに復水室用冷却回路を利用することができる。装置支出、所要の取付空間、それとともに所要の経費が僅かなものに抑えられている。さらに、フラッド槽内の液面を制御する必要がなくなる。

フラッド槽から冷却液を復水室に移すとき、フラッド槽から気体成分が一緒に復水室に伴送される虞がある。普通、フラッド槽は圧力室と結合されている。すなわち、フラッド槽内と圧力室内とに同じ圧力条件が優勢である。復水室内への気体成分の伴送はこの場合、復水室内の圧力が高まることを生じるであろう。これは冷却システムの機能性を考慮すると不利である。それゆえに、好ましい１展開においてオーバーフロー機溝は液から気体を分離すべく構成されている。こうして、復水室内で望ましくない圧力上昇は安全に回避されている。

合目的には、フラッド槽はオーバーフローを可能とする１つの第１隔壁によって分離される１つの貯蔵槽および１つの分離縦穴を含む。さらに、１つのオーバーフロー管路が設けられており、オーバーフロー管路の第１注ぎ口は分離縦穴の下側領域に配置されている。

貯蔵槽内にはフラッド槽の冷却液が貯蔵されている。冷却液が供給されると液面が上昇し、冷却液は第１隔壁を越えて分離縦穴内にオーバーフローしてそこに集合するに至る。主に底の直接的近傍または直接に底に配置される第１注ぎ口を介して冷却液が排出されるので、気体連行の虞は低下している。というのも、場合によって存在することのある気体成分は、オーバーフロー管路内に達する前に、上昇して冷却液から進出できるからである。

合目的１構成において最大オーバーフロー質量流量用にオーバーフロー機溝は、この最大オーバーフロー質量流量が現れるとオーバーフロー管路が所定の流れ抵抗を有し、分離縦穴内で冷却液の逆流が流れ抵抗に相関した溜まり高さに至るまで生じるように構成されている。

この構成の根底にある考えは、分離縦穴内に所定の溜まりが生じるように例えば流れ横断面を選択することによってオーバーフロー管路の流れ抵抗を設定し、冷却液がオーバーフロー管路を介して復水室に送られる前に、冷却液中に存在する気体粒子を冷却液から脱気できるように冷却液を分離縦穴内に十分に長く滞留させるとのことである。

主に分離縦穴の流れ横断面積は、逆流する液の下降速度が所定寸法の気泡の上昇速度よりも小さくなるように構成されている。その際、下降速度とは平均下降速度のことである。定常時に質量流量が一定している場合、分離縦穴に供給される冷却液と排出される冷却液の量は同一である。逆流する液の下降速度、つまり液体積が第１注ぎ口の方向に動く平均速度は、実質的に分離縦穴の流れ横断面積によって決定されている。他方で、浮力に起因した気泡の浮上速度は気泡の寸法（直径）に決定的に依存している。下降速度を適切に気泡の上昇速度よりも小さく設定することによって、気泡は冷却液が降下するよりも迅速に上昇し、気泡がオーバーフロー管路の第１注ぎ口に達することはない。

合目的１展開においてオーバーフロー機溝は、質量流量が存在しない場合でも、つまり零流量の場合でも、冷却液が分離縦穴内で最小溜まり高さに至るまで溜まっているように構成されている。この構成の根底にある考えは、フラッド槽への冷たい冷却液の供給を開始時もしくは終了時に非定常段階が現れ、そこでは液質量逆流が零流量から最大質量流量へと上昇しもしくは再び零流量へと低下するとのことである。この非定常段階の間、完全な質量流量に達するに至るまで冷却液は分離縦穴内でまず最大逆流高さに至るまで集合しもしくは再び減少されねばならない。この非定常段階中に冷却液は大きな落差を介して分離縦穴内に落下し、かなりの量の気体が伴送され、逆流不足時に場合によってはこれらの気体が直接オーバーフロー管路内に、従って復水室内に達し得る虞がある。この虞は分離縦穴内に最小溜まり高さを保証することによって低減される。

合目的には、最小溜まり高さを設定するためにオーバーフロー管路は１つの上側サイホン弧部を有する１つのサイホンの方式に構成されており、最小溜まり高さが上側サイホン弧部によって決定されている。

好ましい１展開によれば、分離縦穴はその底領域に、オーバーフローを可能とする１つの第２隔壁によって分離される１つの分離室および１つの流出室を含む。その際、オーバーフロー管路の第１注ぎ口は流出室内に配置されている。分離縦穴内に落下する冷却液はまず分離室内に集められ、そこで沈静化でき、場合によっては既に最初の気泡が進出できる。次に分離室から冷却液はごく僅かな渦流で、十分に気体なしに流出室へと流れ、非定常段階のときにも気体が復水室内に越え出ることは回避されている。

主に、フラッド槽の冷却液および復水室の冷却液用に１つの共通する冷却回路が設けられており、この冷却回路がオーバーフロー機溝を含む。その際、この共通する冷却回路は特に１つのポンプ管路と１つのポンプと１つの熱交換器とによって形成されている。ポンプ管路は復水室からフラッド槽へと通じており、循環原理において冷却液は復水室からフラッド槽内に送られ、そしてそこから再び復水室に戻される。過剰の熱は共通する冷却回路の設けられた熱交換器を介して排出される。フラッド槽冷却液用および復水室冷却液用の共通する冷却回路によって、２つの個別の冷却回路の必要はなくなる。従って、所要の取付空間、それとともに経費支出が僅かなものに抑えられる。

本課題はさらに、本発明によれば、原子力施設、特に沸騰水型原子炉施設を運転する方法によっても解決される。施設を考慮して挙げられる諸利点、好ましい変更実施形態は、この方法にも転用することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施の形態を詳細に説明する。

図に格納容器の一部として示してあるのは、１つの復水室２と、この復水室２の上に配置される１つのフラッド槽４である。フラッド槽４と復水室２は主に格納容器の内部空間内に一緒に配置されている。フラッド槽４は１つの開放結合部６を介して圧力室８と称される格納容器内部空間と結合されており、圧力室８とフラッド槽４との間で気体交換、従って均圧が起きる。復水室２とフラッド槽４はコンクリート製の１つの壁構造体１０によって相互に分離されており、施設の通常運転中復水室２はフラッド槽４および圧力室８に対して気密に閉鎖されている。フラッド槽４と復水室は１つの冷却システムの一部であり、冷却システムはさらにここには図示しない１つの復水管を含む。冷却システムは、復水管を介して復水室２の冷却液Ｆ中に導入される大量の蒸気が圧力室内に現れることがある冷却材喪失事故を制御するためにも設計されている。

フラッド槽４は１つの第１隔壁１２によって１つの貯蔵槽１４と１つの分離縦穴１６とに仕切られている。貯蔵槽１４内には緊急冷却用に予定される冷却液Ｆが貯蔵されている。第１隔壁１２の上側末端にオーバーフロー稜１８がある。冷却液Ｆの極力渦のないオーバーフローのためにオーバーフロー稜は斜めに延ばして構成されている。分離縦穴１６の底に１つの第２隔壁２０が配置されており、この隔壁は底領域を、第１隔壁１２に続く１つの分離室２２と１つの流出室２４とに区分する。流出室２４の底領域に１つのオーバーフロー管路２８の１つの第１注ぎ口２６が配置されている。その第２注ぎ口３０は復水室２の上側領域、特にその天井３２に直接またはそのなかに配置されている。オーバーフロー管路２８は１つの下側サイホン弧部３４と１つの上側サイホン弧部３６とを有する１つのサイホンの方式に構成されている。オーバーフロー管路２８は主に他の取付物のない単一の配管であり、特にほぼ完全に壁構造体１０内を延びている。従って、オーバーフロー管路２８によって形成される流路は配管破損時でも機能性を保つ。オーバーフロー稜１８と分離室２２と流出室２４とを有する分離縦穴１６と、オーバーフロー管路２８は、過剰の冷却液Ｆ用の１つのオーバーフロー機溝を形成する。

このオーバーフロー機溝はフラッド槽４内および復水室２内にある冷却液Ｆ用の１つの共通する冷却回路の一部である。この共通する冷却回路はオーバーフロー機溝の他に１つのポンプ管路３８と１つのポンプ４０と１つの熱交換器４２とを有し、ポンプ管路３８を通して冷却液Ｆは復水室２から熱交換器４２を介してフラッド槽４内に圧送することができる。１つの共通する冷却回路を用意することによって、複数の個別の冷却回路を配置する必要はなくなる。これにより、配管作業費と所要の取付空間は僅かなものに抑えられている。

施設の通常運転時に入熱のゆえにフラッド槽４内で冷却液Ｆの冷却が時々必要になる。このため、共通する冷却回路を介して冷却液Ｆは復水室２から熱交換器４２を通して圧送され、その際冷却され、引き続き貯蔵槽１４に導入される。貯蔵槽１４内の液面高さがオーバーフロー稜１８によって限定される最大液面高さを越えると、過剰の冷却液Ｆはオーバーフロー稜１８を越えて分離縦穴１６内にオーバーフローし、そこからオーバーフロー管路２８を介して再び復水室２に戻る。

復水室２内への冷却液Ｆの還流時に気体成分の導入は避けねばならない。というのもさもないと、圧力室８内での相応する圧力低下と結び付いて、復水室２内で望ましくない圧力上昇が起きるであろうからである。それゆえにオーバーフロー機溝は過剰の冷却液Ｆ中にある気体成分を分離すべく構成されている。その際、気体分離は特に分離縦穴１６の特殊構造によって保証される。その際、両方の隔壁１２、２０によって２段階気体分離が予定されており、第２隔壁２０によって形成される第２段階は特に質量流量が少ない場合に有効である。気体分離の機能原理は以下のとおりである：

冷却液Ｆの循環を開始すると、非定常段階の間、分離縦穴１６内に達する過剰冷却液Ｆの質量流量が連続的に増加し、最大質量流量に達し、定常段階が生じるに至る。この定常段階の間、分離縦穴１６に供給される冷却液Ｆと排出される冷却液の質量流量は同一である。この最大質量流量に対してオーバーフロー管路２８の流れ抵抗が特定値に設定されており、冷却液Ｆは分離縦穴内で最大溜まり高さＨに至るまで溜まる。この最大溜まり高さＨは例えば数メートルであり、第１隔壁１２の高さもしくはオーバーフロー稜１８の高さの約２／３である。

ポンプ４０の遮断後、質量流量が再び減少し、最後には過剰の冷却液Ｆがもはや分離縦穴１６内に達しなくなる（零流量）。溜まった冷却液Ｆの高さが連続的に低下し、分離縦穴１６内で最小溜まり高さＬが達成されるに至る。この最小溜まり高さＬは上側サイホン弧部３６の高さによって限定されている。それより僅かに上で分離室２２内に多少高い液面が生じる。というのも、第２隔壁２０が最小液面高さＨより上の高さを有するからである。最小溜まり高さＬは例えば０．５ｍである。

最大質量流量の定常段階のとき、溜まった冷却液Ｆの平均下降速度が生じる。この下降速度は、想定液体積が分離縦穴１６内でオーバーフロー管路２８の方向に達する速度の値である。定常時にこの下降速度は主として分離縦穴１６の流れ横断面積Ａによって決定されている。オーバーフロー時に分離縦穴１６内に伴送される気体粒子が冷却液Ｆ中に気泡を形成し、気泡は浮力に起因した上昇速度で逆流液中を上昇する。つまり下降速度と上昇速度は逆向きである。上昇速度は気泡の寸法に依存している。分離縦穴の流れ横断面積Ａはいまや、所定寸法、例えば直径１ｍｍの気泡の上昇速度が下降速度よりも大きくなるように例えば数平方メートルに設定されている。これにより、冷却液Ｆがオーバーフロー管路２８に達するよりも迅速にこれらの気泡が上昇することが保証されている。

非定常段階の間、質量流量が小さい場合、オーバーフロー稜１８からこの場合僅かな高さの逆流冷却液Ｆまでの落差が大きくなるので分離縦穴１６内で冷却液Ｆ中での気体浸入と乱流が定常段階時よりも大きくなる問題がある。それゆえに気体分離の第２段階が予定されており、これは実質的に分離室２２と流出室２４とで形成されている。オーバーフロー稜１８を越えて落下する冷却液Ｆはまず分離室２２内に捕捉して集められ、十分に渦流なしに第２隔壁２０からオーバーフローするに至る。つまり気体分離の大部分は既に分離室２２内で起きる。第２隔壁２０からオーバーフローするとき僅かな気体成分が伴送されるだけである。そのために決定的なことは、第２隔壁２０の高さと流出室２４内の最小溜まり高さＬが例えば数センチメートルの僅かな違いを有するだけであり、流出室２４内に強い渦流が生成されず、気体浸入が起きないことである。引き続き、十分に気体なしの冷却液Ｆが流出室２４からオーバーフロー管路２８を介して復水室２にオーバーフローする。

分離縦穴１６およびオーバーフロー管路２８の特殊な寸法設計と合わせて、ごく大きな数メートルの高さを有する第１隔壁１２とごく小さな１ｍ未満の高さを有する第２隔壁２０とを前後に設けることによって、例えば回転部品または外部エネルギーによって駆動される部品等の故障し易い能動的構成要素を必要とすることなく、効果的気体分離が引き起こされる。それゆえに気体分離は純受動的に行われ、従って故障し難い。

沸騰水型原子炉施設の格納容器の一部を概略的に示す図である。

２ 復水室
４ フラッド槽
６ 開放結合部
８ 圧力室
１０ 壁構造体
１２ 第１隔壁
１４ 貯蔵槽
１６ 分離縦穴
１８ オーバーフロー稜
２０ 第２隔壁
２２ 分離室
２４ 流出室
２６ 第１注ぎ口
２８ オーバーフロー管路
３０ 第２注ぎ口
３２ 天井
３４ 下側サイホン弧部
３６ 上側サイホン弧部
３８ ポンプ管路
４０ ポンプ
４２ 熱交換器
Ｆ 冷却液
Ｈ 溜まり高さ
Ｌ 最小溜まり高さ
Ａ 流れ横断面積

Claims (12)

1. 原子炉を緊急冷却するための冷却液（Ｆ）を貯蔵するために設けられた原子炉フラッド槽（４）と、
   原子炉格納容器の内部空間である圧力室（８）から蒸気が送られ、この蒸気を凝縮する復水室（２）と、
   前記原子炉フラッド槽（４）が、前記復水室（２）の上に配置されており、過剰の前記冷却液（Ｆ）を前記原子炉フラッド槽（４）から前記復水室（２）へと供給するために配置されたオーバーフロー機構（１６、２８）と、
   前記復水室（２）内の前記冷却液（Ｆ）を、熱交換器（４２）で冷却して、前記原子炉フラッド槽（４）へと送るポンプ管路（３８、４０）と
   を備えた原子炉施設において、
   前記フラッド槽（４）の冷却液（Ｆ）と前記復水室（２）の冷却液（Ｆ）とのための共通する冷却回路（１６、２８、３８、４０、４２）が設けられており、この冷却回路が前記オーバーフロー機構（１６、２８）と前記ポンプ管路（３８、４０、４２）とを備えていることを特徴とする原子炉施設。
2. 前記フラッド槽（４）が、オーバーフローを可能とする第１隔壁（１２）により分離されている貯蔵槽（１４）と分離縦穴（１６）とを含み、オーバーフロー管路（２８）が設けられており、このオーバーフロー管路の第１注ぎ口（２６）が前記分離縦穴（１６）の下側領域に配置されている請求項１記載の施設。
3. 前記第１の注ぎ口（２６）は、前記分離縦穴（１６）の底またはその直接的近傍に配置されている請求項２記載の施設。
4. 前記分離縦穴（１６）に供給される冷却液（Ｆ）の質量流量と、前記分離縦穴（１６）から排出される冷却液（Ｆ）の質量流量が同じとなる最大のオーバーフロー質量流量時のために、前記オーバーフロー機構（１６、２８）は、前記最大オーバーフロー質量流量の発生には、前記オーバーフロー管路（２８）が所定の流れ抵抗を有し、これによって前記分離縦穴（１６）内で前記冷却液（Ｆ）が最大溜まり高さ（Ｈ）に至るまで溜まるように構成されている請求項２または３記載の施設。
5. 前記分離縦穴（１６）の流れ横断面積（Ａ）は、前記溜まった冷却液（Ｆ）の下降速度が、この溜まった冷却液中の直径１ｍｍの大きさの気泡の上昇速度よりも小さくなるように構成されている請求項４記載の施設。
6. 前記オーバーフロー機構（１６、２８）は、質量流量が流入しない場合でも前記分離縦穴（１６）内の前記冷却液（Ｆ）が少なくとも最小溜まり高さ（Ｌ）までは溜まっているように構成されている請求項２〜５のいずれか１項記載の施設。
7. 前記オーバーフロー管路（２８）が、前記オーバーフロー管路の第１注ぎ口（２６）よりも高い位置に上側サイホン弧部（３６）を有するサイホン方式で構成されており、前記最小溜まり高さ（Ｌ）が前記上側サイホン弧部（３６）の高さによって決定される請求項６記載の施設。
8. 前記分離縦穴（１６）が、その底領域に、オーバーフローを可能とする第２隔壁（２０）によって分離された分離室（２２）と流出室（２４）とを含み、前記オーバーフロー管路（２８）の前記第１注ぎ口（２６）がこの流出室（２４）内に配置されている請求項２〜７のいずれか１項記載の施設。
9. 原子炉施設を運転するための方法において、
   所定の運転状態のとき、原子炉の緊急冷却用に冷却液（Ｆ）を貯蔵するために設けられている原子炉フラッド槽（４）に、このフラッド槽の収容能力を越える量の冷却液（Ｆ）を供給し、
   過剰の冷却液（Ｆ）をオーバーフロー機構（１６、２８）を介して、前記原子炉フラッド槽（４）の下に配置されている復水室（２）に移し、ここで、前記復水室（２）は、原子炉格納容器の内部空間である圧力室（８）から蒸気が送られ、この蒸気を凝縮するものであり、
   前記原子炉フラッド槽（４）の冷却液（Ｆ）と前記復水室（２）の冷却液（Ｆ）とを、前記オーバーフロー機構（１６、２８）と、前記復水室（２）内の前記冷却液（Ｆ）を、熱交換器（４２）で冷却して、前記原子炉フラッド槽（４）へと送るポンプ管路（３８、４０）とを備える共通の冷却回路（１６、２８、３８、４０、４２）に通し、前記冷却液（Ｆ）が、前記復水室（２）から前記原子炉フラッド槽（４）へ送られた後、再び前記復水室（２）へ戻る
   方法。
10. 前記過剰の冷却液（Ｆ）から気体成分を分離する請求項９記載の方法。
11. 質量流量が多い場合、前記過剰の冷却液（Ｆ）を、前記復水室（２）に溢流する前に分離縦穴（１６）内に溜めて、そこで気体成分が上昇して出て行くことによって気体成分の分離を行う請求項９または１０記載の方法。
12. 質量流量が少量の場合、前記過剰の冷却液（Ｆ）を、前記分離縦穴（１６）の底領域でまず分離室（２２）内に集めてから流出室（２４）に送り、次いで復水室（２）に届ける請求項９から１１のいずれか１項記載の方法。

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