JP4612558B2

JP4612558B2 - コアキャッチャーおよび原子炉格納容器

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Publication number: JP4612558B2
Application number: JP2006044742A
Authority: JP
Inventors: 崇佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: JP2007225356A; CN101390170B; CN101390170A

Description

本発明は、コアキャッチャーおよび原子炉格納容器に関する。

原子力発電プラントで過酷事故が発生すると、溶融炉心が原子炉圧力容器の底部を貫通して原子炉格納容器の床に落下するおそれがある。溶融炉心の残骸である炉心デブリは、その内部に存在する放射性物質の崩壊熱により原子炉出力の１％程度の発熱が継続する。このため、冷却手段がない場合は、原子炉格納容器の底部コンクリートを溶融貫通し、大量の放射性物質が環境に放出されるおそれがある。コアキャッチャーとは、このような場合であっても、炉心デブリを受け止めて冷却可能な状態を維持して原子炉格納容器の健全性を担保し、放射性物質の外部への放出を抑制するための安全設備である。

既存の沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）では、事故の発生確率が低く抑えられている。さらに、事故時の炉心冷却にかかわる安全性も極めて高く、このような過酷事故は発生したことはない。また、確率論的安全評価（ＰＳＡ）においても、このような過酷事故の発生確率は無視できるほど小さく評価されている。

現在、安全系を全て静的機器で構成した自然循環冷却式受動安全沸騰水型原子炉（ＥＳＢＷＲ）が提案されている。このＥＳＢＷＲには原子炉格納容器の下部にコアキャッチャーが設置される。これは、次世代のＢＷＲの安全性に関する完結性をさらに高めるためのものである。
特開２００４−３３３３５７号公報

コアキャッチャーは、たとえば耐熱性の部材を用い、溶融炉心が原子炉格納容器の下部を溶融貫通したり、あるいは、放射性物質が漏洩することがないように下部ドライウェルの床部分に配設されたものである。しかし、単なる耐熱性の部材を敷き詰めただけでは、十分に炉心デブリを冷却できないおそれがある。また、炉心デブリを冷却するために、冷却水を通すための配管を多数配設すると、その配設に手間がかかるという課題がある。

そこで、本発明は、容易に設置可能なコアキャッチャーにより、炉心デブリを効果的に冷却できるようにすることを目的とする。

上述の目的を解決するため、本発明は、原子炉容器内の炉心が溶融して前記原子炉容器を貫通した際に発生する炉心デブリを受け止めるコアキャッチャーにおいて、前記原子炉容器の下方に位置し、冷却水注入配管から供給される冷却水が流れる放射状に延びた複数の冷却チャンネルがその内部に形成されている本体部を有し、前記本体部は、その中心から外周の間が複数の領域に区分されていて、外周に近い領域ほど多くの前記冷却チャンネルが形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、原子炉容器を格納する原子炉格納容器において、上述のコアキャッチャーを前記原子炉容器の下方に設置したことを特徴とする。

本発明によれば、容易に設置可能なコアキャッチャーにより、炉心デブリを効果的に冷却できるようになる。

本発明に係るコアキャッチャーの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、自然循環冷却式受動安全沸騰水型原子炉（ＥＳＢＷＲ）を例として説明するが、他の型式の原子炉においても適用可能である。

［第１の実施の形態］
図３は、本発明に係る第１の実施の形態の原子炉格納容器の縦断面図である。

原子炉格納容器３６の内部にはドライウェル５１と呼ばれる空間があり、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）４２はその中に設置されている。原子炉圧力容器４２は、ＲＰＶサポート５２によりＲＰＶスカート５３を介して固定される。ドライウェル５１のＲＰＶサポート５２よりも上部の空間を上部ドライウェル５４、下部の空間を下部ドライウェル３と呼ぶ。また、下部ドライウェル３を取り囲む壁をペデスタル側壁１と呼ぶ。ＥＳＢＷＲでは、ペデスタル側壁１でＲＰＶサポート５２を支持している。

炉心４１は、原子炉圧力容器４２の内部に収納されている。

上部ドライウェル５４には、重力落下式炉心冷却系（ＧＤＣＳ）プール３７が設置されている。ＧＤＣＳプール３７と原子炉圧力容器４２は、爆破弁５６を介して配管５７により連結されている。また、上部ドライウェル５４の下には原子炉圧力容器２を取り囲むように圧力抑制室５８が設置されている。圧力抑制室５８の内部には圧力抑制プール５９が設置されている。ドライウェル５１の上部には、静的格納容器冷却系（ＰＣＣＳ）プール６５が設置され、冷却水を蓄えている。

コアキャッチャー７０は、下部ドライウェル３の内部であって、原子炉圧力容器４２の下方に設置される。

図２は、第１の実施の形態の下部ドライウェル３の一部の立断面図である。

コアキャッチャー７０は、下部ドライウェル３の底部に位置する底部構造体２８の上に設置されている。この底部構造材２８はコンクリートもしくは耐熱材で構成される。底部構造体２８の上面は、上に開いた円錐形をしている。コアキャッチャー７０は、厚さ約２０ｃｍの円形の皿状をした鋼製本体２０を備えている。鋼製本体２０の底面には、底部構造体２８の上面の形状に沿うように上に開いた円錐形の底蓋３２が取り付けられている。

また、ペデスタル側壁１の下端からコアキャッチャー７０を収めるのに十分な範囲は、約５０ｃｍ外周方向に拡大されていて、コアキャッチャー７０はペデスタル側壁１で囲まれる下部ドライウェル３の底面全体を覆うように設置される。

鋼製本体２０と底蓋３２の間には、冷却チャンネル２１が形成されている。

コアキャッチャー７０の鋼製本体２０の下面の中央部には、冷却水注入口２２がある。冷却水注入口２２には、破壊弁８を介してＧＤＣＳプールにつながる注入配管２３が接続されている。注入配管２３は、底部構造体２８を通って、ＧＤＣＳ冠水配管７に接続されている。ＧＤＣＳ冠水配管７の一部はペデスタル側壁１の内部を通っている。

鋼製本体２０の外周部には、ペデスタル側壁１に沿って立ち上がる側壁部チャンネル２５が形成されている。この側壁部チャンネル２５の上端部をコアキャッチャー上端部７１と呼ぶこととする。

コアキャッチャー７０の鋼製本体２０の上面には、たとえば厚さが約１．５ｍのマグネシア（酸化マグネシウム）からなる耐熱材層２６が形成されている。耐熱材層２６には、マグネシアの代わりに、ジルコニア（酸化ジルコウニウム）などの耐熱材を用いてもよい。また、耐熱材層２６の上面には、ドレンサンプ２７が形成されている。

耐熱材層２６の上面は、ドレンサンプ２７が形成されている部分を含め、犠牲コンクリート層２９で覆われている。また、側壁部チャンネル２５の耐熱材層２６に接する面も、耐熱材層２６の上面からコアキャッチャー上端部７１までは、犠牲コンクリート層２９で覆われている。犠牲コンクリート層２９の厚さは、たとえば１０ｃｍである。

図１は、第１の実施の形態のコアキャッチャー７０の鋼製本体２０の底面図である。

コアキャッチャー７０の鋼製本体２０の下面には、その中心から放射状に延びる冷却フィン３１が形成されている。冷却フィン３１の幅は、たとえば約１０ｃｍで一定とし、放射状かつ末広型に若干の間隔を空けて設置される。冷却フィン３１は、底蓋３２とともに、冷却チャンネル２１ａ，２１ｂを形成している。

鋼製本体２０、および、これと一体として形成された冷却フィン３１は、たとえば鋼製で、厚さは全体として約１８ｃｍである。また、底蓋３２の厚さは、たとえば約２ｃｍで、鋼製本体２０の厚さは全体として約３０ｃｍである。底蓋３２は、水密性と堅牢性があるものであれば材質は問わないが、鋼製本体２０および冷却フィン３１と同じく鋼製としてもよい。

鋼製本体２０の背面中心部分には、円形の分配器１０があり、分配器１０から第一段目の冷却チャンネル２１ａが放射状に延びている。分配器１０の中央部には、冷却水注入口２２がある。また、第一段目の冷却チャンネル２１ａを取り囲むように、リング状の中間ヘッダー２４が形成されている。中間ヘッダー２４の外側には、第二段目の冷却チャンネル２１ｂが放射状に延びている。第二段目の冷却チャンネル２１ｂの数は、第一段目の冷却チャンネル２１ａに比べて多い。また、第二段目の冷却チャンネル２１ｂを取り囲むように、リング状の側壁部チャンネル２５が形成されている。

炉心デブリがコアキャッチャー７０に落下した場合には、ＧＤＣＳ冠水配管７から供給されるＧＤＣＳプール３７に貯えられた冷却水は、注入配管２３を通り冷却水注入口２２から分配器１０内部に導かれる。分配器１０内部の冷却水はさらに放射状に伸びた第一段目の冷却チャンネル２１ａ内に通水される。冷却水は一旦中間ヘッダー２４に導かれた後、第１段目よりも本数が多い第２段の冷却チャンネル２１ｂに導かれる。冷却チャンネルの段数は、コアキャッチャー全体の大きさに合わせて適宜増減してもよい。

第２段の冷却チャンネル２１ｂを通った後、冷却水は側壁部チャンネル２５を上昇しコアキャッチャー上端部７１よりオーバーフローして、犠牲コンクリート層２９で囲まれる高さ約１．５ｍの領域に流入する。このようにして、コアキャッチャー７０に落下した炉心デブリは、冠水され、冷却される。

その後、冷却水の水位はさらに上昇を続け約２０ｍの水深に達する。コアキャッチャー７０の上部を満たした冷却水は、炉心デブリからの崩壊熱を受けて、一部が常に蒸発を続ける。

発生した水蒸気は静的格納容器冷却系により冷却され凝縮水となる。この凝縮水はＧＤＣＳプール３７に戻され、再びＧＤＣＳ冠水配管７を通ってコアキャッチャー７０の冷却に用いられる。このように、コアキャッチャー７０には常に冷却水が還流し供給され、一度冷却水が約２０ｍの水深に達すると、その後の水深はほぼ一定に維持される。また、コアキャッチャー７０の冷却チャンネル２１には、常に静的格納容器冷却系で冷却された低温の冷却水が供給される。

このように、本実施の形態では、冷却フィン３１を設けることにより、コアキャッチャー７０の本体部の表面積は大きくなり、冷却水による冷却効果は高まる。必要に応じて、冷却フィン３１の幅を薄くして設置数を増加させることにより、冷却効果を高めることもできる。

また、冷却水は中心部分の分配器１０に接続された冷却水注入配管２３から供給されるため、冷却水が最も加熱される中心部から供給され、中心部分のバイパス現象を回避することができる。冷却チャンネル２１の数は、外周に行くに従って増加するため、外周部において冷却チャンネル２１の設置密度が疎になることを回避することができる。

２つの冷却チャンネル２１ａ，２１ｂの間に設けられた中間ヘッダー２４は、各冷却チャンネルを通ってきた冷却水が一旦混在するミキシング領域である。この中間ヘッダー２４を設けることにより、後段である第２段目の冷却チャンネル２１ｂの本数が、前段である第１段目の冷却チャンネル２１ａの本数に比べて多くても、第２段目の冷却チャンネル２１ｂに均一に冷却水を供給することができる。

冷却チャンネル２１は、本体断片３０と一体で形成されているため、構造がシンプルで実機への設置もより容易に行うことができ、多数の冷却配管をいちいち下部ドライウェル３内に設置していくなどの手間を省くことができる。

なお、本実施の形態では、冷却チャンネルは角管状としているが、円筒状など他の形状のものであってもよい。たとえば、鋼製の板の背面に配管を放射状に配置して冷却チャンネルを形成してもよい。この場合であっても、中間ヘッダー２４などを通って冷却水は流れるため、それぞれの配管を接続する手間を省くことができる。

本実施の形態によれば、犠牲コンクリート２８を設置することにより、通常運転時や、炉心損傷を伴わない設計基準事故時に、耐熱材が遊離して飛散することがないようになっている。

また、冷却水によって炉心デブリが冷却されると、その表面が固化し皮膜状の固形物質（クラスト（crust））が形成される。このため、クラストが側壁部チャンネル２５に付着すると、炉心デブリの表面とクラストの間にボイドが形成され、デブリ表面からの冷却効率が低下する可能性がある。そこで、本実施の形態では、側壁部チャンネル２５近傍にも犠牲コンクリート層２９を配置することにより、炉心デブリによって積極的に侵食させ、炉心デブリの上面に形成されたクラストが側壁部チャンネル２５から乖離して落下しやすくしている。

溶融炉心が飛散するおそれのあるコアキャッチャー上部近傍では、ＧＤＣＳ冠水配管７をコンクリート製のペデスタル側壁１の内部に埋設しているため、炉心デブリによる熱攻撃を防止でき、ＧＤＣＳ冠水配管７が破損するおそれも小さい。

ペデスタル側壁１の下端からコアキャッチャー７０を収めるのに十分な範囲は、外周方向に拡大されていて、また、それより上方は、コアキャッチャー７０が配置されている部分に比べて拡大されていない。これにより、コアキャッチャー７０のデブリ拡散面積をより広く確保することができ、かつ、ＧＤＣＳプールの冷却水保有水量を少なくすることができる。

つまり、コアキャッチャーのデブリ拡散面積を確保するために、下部ドライウェル全体を拡大してしまうと、下部ドライウェル全体を満水するためのＧＤＣＳプール３７の容量を大きくする必要があり、増大したＧＤＣＳプール３７を収めるために原子炉格納容器の内径を拡大しなければならないという悪循環を回避できる。

既存の原子炉格納容器でペデスタル側壁１の下端近傍が拡大されていない場合には、ペデスタル側壁１を削って、コアキャッチャー７０を収めるための領域を外周方向に拡大してから、コアキャッチャー７０を配設することにより、同様に冷却水保有水量を少なくすることができる。

また、コアキャッチャー７０の上部にドレンサンプ２７を設置しているため、コアキャッチャー７０とドレンサンプ２７がそれぞれの機能を損なわずに共存することができる。すなわち、通常運転時には、原子炉圧力バウンダリーから万一漏洩事故によって漏れた漏洩水はドレンサンプに全て集められて、安全上問題となる漏洩は検知することができる。一方、炉心溶融を伴う事故が発生した場合には、ドレンサンプ２７を壊したとしても、コアキャッチャー７０で炉心デブリを受け止め、冷却することができる。

このように、本実施の形態によれば、冷却水の流路抵抗が一様で、中心部分を効果的に冷却できるコアキャッチャーを提供することができる。また、ドレンサンプに漏洩水が集まるため、漏洩検出が可能である。

なお、４５００ＭＷｔの熱出力のＥＳＢＷＲにおいて、コアキャッチャーのデブリ有効拡散部分の直径を１１．２ｍにまで拡大すると、デブリ拡散面積は約９８．５ｍ^２になり、単位熱出力あたりのデブリ拡散面積を約０．０２２ｍ^２／ＭＷｔとすることができる。

［第２の実施の形態］
本発明に係る第２の実施の形態のコアキャッチャーは、設置が容易なように細分化した本体断片３０を複数組み合わせて用いる。

図４は、第２の実施の形態の本体断片３０および底蓋３２の斜視図である。図５は、第２の実施の形態の本体断片３０の底面図である。

本体断片３０の下面には、冷却フィン３１が形成されている。冷却フィン３１の下面には本体部３３と投影形状を同じくする底蓋３２が取り付けられていて、冷却フィン３１の間は冷却水が通る冷却チャンネル２１となっている。

本体部３３、および、本体部３３と一体として形成された冷却フィン３１は、たとえば鋼製で、厚さは全体として約１８ｃｍである。また、底蓋の厚さは、たとえば約２ｃｍで、本体断片３０全体としては、厚さが約３０ｃｍである。底蓋３２は、水密性と堅牢性があるものであれば材質は問わないが、本体部３３および冷却フィン３１と同じく鋼製としてもよい。冷却フィン３１の幅は、たとえば約１０ｃｍで一定とし、放射状かつ末広型に若干の間隔を空けて設置される。

なお、図４および図５において、本体断片３０および底蓋３２の形状は台形として図示しているが、台形に限定されるものではない。

図６は、第２の実施の形態の本体断片の配置を示す平面図である。

本実施の形態の鋼製本体２０は、正八角形の分配器１０の周りに、８個の第一段目の本体断片３０ａおよび１６個の第二段目の本体断片３０ｂを、全体としてほぼ円形状になるように配置したものである。なお、第二段目の本体断片３０ｂの一辺は、円弧状としているが、直線状でもかまわない。

本体断片３０を、底部構造材２８（図１）の上にタイル状に並べて設置することによって、全体ではすり鉢状の鋼製本体２０を構成する。たとえば、第一段の本体断片３０ａは台形の上面形状をなし八角形状の分配器１０の外周に沿って８個配置される。さらに第二段の本体断片３０ｂは第一段の本体断片３０ａの外周に沿って１６個が配置される。第二段の本体断片３０ｂの外周部は円弧状をなし、円筒形のペデスタル側壁部チャンネルと円滑に接続される。

本体断片３０は必要に応じて細分化してもよい。たとえば、本体断片３０の数をより多く細分化すると、コアキャッチャー７０の全体を曲面体に近づけることができる。また、本体断片３０を細分化することによって、本体断片３０の重量および体積が低減するため、コアキャッチャー７０を設置する際の作業性が向上する。

本体断片３０の、互いに接触する外周部に、互いに嵌合する凹凸を設けて、この凹凸を重ね合わせることによって、隙間を生じにくくすることもできる。

なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。たとえば、従来型のＢＷＲに適用することもできる。また、各実施形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

本発明に係る第１の実施の形態の鋼製本体の底面図である。本発明に係る第１の実施の形態のコアキャッチャー近傍の立断面図である。本発明に係る第１の実施の形態の原子炉格納容器の立断面図である。本発明に係る第２の実施の形態の本体断片の斜視図である。本発明に係る第２の実施の形態の本体断片の底面図である。本発明に係る第２の実施の形態のコアキャッチャーの平面図である。

符号の説明

１…ペデスタル側壁、３…下部ドライウェル、７…ＧＤＣＳ冠水配管、８…爆破弁、１０…分配器、２０…鋼製本体、２１，２１ａ，２１ｂ…冷却チャンネル、２２…冷却水注入口、２３…注入配管、２４…中間ヘッダー、２５…側壁部チャンネル、２６…耐熱材層、２７…ドレンサンプ、２８…底部構造材、２９…犠牲コンクリート層、３０…本体断片、３１…冷却フィン、３２…底蓋、３３…ヘッダー領域、３６…原子炉格納容器、３７…重力落下式炉心冷却系（ＧＤＣＳ）プール、４１…炉心、４２…原子炉圧力容器、５１…ドライウェル、５２…ＲＰＶサポート、５３…ＲＰＶスカート、５４…上部ドライウェル、５８…圧力抑制室、５９…圧力抑制プール、６５…静的格納容器冷却系（ＰＣＣＳ）プール、７０…コアキャッチャー、７１…コアキャッチャー上端部

Claims

原子炉容器内の炉心が溶融して前記原子炉容器を貫通した際に発生する炉心デブリを受け止めるコアキャッチャーにおいて、
前記原子炉容器の下方に位置し、冷却水注入配管から供給される冷却水が流れる放射状に延びた複数の冷却チャンネルがその内部に形成されている本体部を有し、
前記本体部は、その中心から外周の間が複数の領域に区分されていて、外周に近い領域ほど多くの前記冷却チャンネルが形成されていることを特徴とするコアキャッチャー。
前記領域が互いに接する部分には、複数の前記冷却チャンネルが接続されていて前記冷却水を外側の領域に形成された前記冷却チャネルに分配する中間ヘッダーが形成されていることを特徴とする請求項１記載のコアキャッチャー。
前記本体部は、前記冷却水注入配管および複数の前記冷却チャンネルが接続されていて前記冷却水を前記冷却チャンネルに分配する分配器を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のコアキャッチャー。
前記本体部の上面に耐熱材層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか記載のコアキャッチャー。
前記耐熱材層の上面にはドレンサンプが形成されていることを特徴とする請求項４記載のコアキャッチャー。
前記耐熱材層の上側表面には犠牲コンクリート層が形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５記載のコアキャッチャー。
前記冷却材注入配管の少なくとも一部は、前記本体部が位置する空間を形成するペデスタル側壁に埋め込まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項６いずれか記載のコアキャッチャー。
前記本体部は、複数の本体断片を組み合わせたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項７いずれか記載のコアキャッチャー。
外周部に位置する前記本体断片の前記本体部が位置する空間を形成するペデスタル側壁に対向する辺は、前記ペデスタル側壁の形状に沿った曲線であることを特徴とする請求項８記載のコアキャッチャー。
原子炉容器を格納する原子炉格納容器において、
請求項１ないし請求項９いずれか記載のコアキャッチャーを前記原子炉容器の下方に設置したことを特徴とする原子炉格納容器。
前記冷却水が貯えられ、前記冷却水注入配管が接続された冷却水貯水プールを有することを特徴とする請求項１０記載の原子炉格納容器。