JP4881277B2 - 原子力発電プラント - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電プラントに係り、特に大規模地震発生時においても原子炉建屋およびタービン建屋の気密性の確保、および相対変位の吸収が可能な原子力発電プラントに関する。

従来、原子力発電プラントの耐震設計に関し、建屋免震設計を適用することにより建屋内の機器システムを耐震設計上標準化し、さらには全体としてコストを低減する方法などが提案されてきた（例えば特許文献１および２参照）。

原子炉圧力容器を収容する原子炉建屋は、設備の重要度および耐震クラスが高く、この建屋免震設計が適用される。一方、設備の重要度および耐震クラスが原子炉建屋に比べて低いタービン建屋には、コストの増加を抑制するため建屋免震設計が適用されない場合があった。

図３は、従来の原子力発電プラントであって、特に免震設計が適用された原子炉建屋２および、非免震設計であるタービン建屋３について示した図である。

原子炉建屋２およびタービン建屋３は、ジョイント４０によって結合されている。原子炉建屋２の建屋下部には、積層ゴムなどからなる免震装置６を設置する下部基礎盤７が設けられる。

また、原子炉建屋２とタービン建屋３とを結合する種々の渡り配管の一つである主蒸気配管１５は、主蒸気トンネル室１８内において、直管部１７および大きな曲がり部１６ａ、１６ｂを有する構造である。

主蒸気配管１５における直管部１７は、地表に対し垂直方向に設けられる。建設時のコスト削減から下部基礎盤７は低深度に設置されることが好ましい。このため、免震設計を適用した原子炉建屋２は、タービン建屋３と比較して建屋下部が高い位置に設置されることになり、この結果、原子炉建屋２とタービン建屋３とを結ぶ主蒸気配管１５は直管部１７および大きな曲がり部１６ａ、１６ｂを有する構造となる。

また、耐震クラスなどがより高い原子炉建屋２にのみ免震設計を適用する場合、地震発生により非免震設計であるタービン建屋３との間に、過渡的に数百ｍｍもの大きな相対変位が発生することが考えられる。この相対変位を吸収するため、原子炉建屋２とタービン建屋３とを結ぶ主蒸気配管１５に大きな曲がり部１６ａ、１６ｂを有する構造となる。

この直管部１７および大きな曲がり部１６ａ、１６ｂは完全には拘束されていないため、熱膨張による変位や大規模地震発生時に生じる変位などを吸収することが可能である。しかし、主蒸気配管１５の直管部１７および曲がり部１６ａ、１６ｂによっても原子炉建屋２とタービン建屋３との相対変位が吸収しきれない場合、主蒸気配管１５が破断することも考えられる。主蒸気配管１５の破断は、主蒸気隔離弁（ＭＳＩＶ）２１および主蒸気止め弁（ＭＳＶ）２２近傍の拘束部２３ａ、２３ｂで荷重が付加されることにより発生することが想定される。

主蒸気配管１５が破断した場合、放射性物質を含む一次冷却材の蒸気が破断口より流出し、この放出した蒸気が建屋内に充満し、圧力上昇を引き起こす。

一方、建屋内の圧力上昇に対応するため、各建屋には複数個所にブローアウトパネルが設置される。この各ブローアウトパネルは、建屋内の圧力上昇時に押し出され、建屋内の圧力を減圧させることができ、建屋内に流出した蒸気を各建屋外に逃すことにより、圧力を低下させる。

ここで、拘束部２３ａ、２３ｂに荷重が付加され主蒸気トンネル室１８内の主蒸気配管１５が破断し、蒸気が流出した場合の蒸気放出経路について図３を用いて説明する。

主蒸気配管１５の破断口から流出した蒸気を各建屋外に放出する場合、第１の放出経路として、原子炉建屋２のオペレーションフロア５ａ上部に設けられたブローアウトパネル２５ａから放出させる経路がある。破断口から主蒸気トンネル室１８内に流出した蒸気は、圧力上昇によってブローアウトパネル２５ｃが押し出されることによりブローアウト専用シャフト２６内に放出され、原子炉建屋２上部のオペレーションフロア５ａに案内される。さらに蒸気は、圧力上昇により押し出されたブローアウトパネル２５ａから原子炉建屋２外に放出される。

第２の放出経路として、タービン建屋３のオペレーションフロア５ｂ上部に設けられたブローアウトパネル２５ｂから放出する経路がある。破断口から主蒸気トンネル室１８内に流出した蒸気は、圧力上昇によりブローアウトパネル２５ｄが押し出されることにより原子炉建屋２とタービン建屋３とのジョイント４０による結合部を通り、タービン建屋３に案内される。さらにタービン建屋３のオペレーションフロア５ｂ上部に案内され、圧力上昇により押し出されたブローアウトパネル２５ｂからタービン建屋３外に放出される。
特開平３−２９３５９１号公報 特開２００２−１０７４８０号公報

原子炉建屋２とタービン建屋３とは、主蒸気配管１５の直管部１７が収納される主蒸気トンネル室１８においてジョイント４０で結合されている。ジョイント４０が存在する主蒸気トンネル室１８は、上述したように主蒸気配管１５の破断口から流出する蒸気の通流経路となるため、気密性を確保しつつ原子炉建屋２とタービン建屋３とを結合することが必要である。

一方ジョイント４０は、原子炉建屋２とタービン建屋３との結合のみならず、地震発生時において建屋間に生じる相対変位を吸収する機能も求められる。

しかし、図３に示すような従来の構造では、ジョイント４０に対し、建屋間の結合に気密性を持たせ、かつ建屋間に生じる相対変位の吸収を実現することは技術的に困難であった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、大規模地震発生時においても原子炉建屋およびタービン建屋の気密性の確保および相対変位の吸収を行うことが可能な原子力発電プラントを提供することを目的とする。

本発明に係る原子力発電プラントは、上述した課題を解決するために、原子炉建屋とタービン建屋とを備えた原子力発電プラントにおいて、前記原子炉建屋の原子炉建屋壁から水平方向に張り出した中空の原子炉建屋張り出し部と、前記原子炉建屋張り出し部から略垂直下向きまたは上向きに延びた中空の原子炉建屋結合壁と、前記タービン建屋のタービン建屋壁から水平方向に張り出した中空のタービン建屋張り出し部と、前記タービン建屋張り出し部から略垂直上向きまたは下向きに延び、かつ前記原子炉建屋結合壁と結合する方向に向かって延びた中空のタービン建屋結合壁と、両前記結合壁を相対変位を吸収可能に結合する結合部材と、前記原子炉建屋張り出し部、前記原子炉建屋結合壁、前記タービン建屋結合壁および前記タービン建屋張り出し部の中空側を通り前記原子炉建屋と前記タービン建屋とを接続する渡り配管と、前記原子炉建屋張り出し部中空側に設けられる原子炉建屋貫通部で、前記原子炉建屋貫通部と前記渡り配管のうちほぼ垂直方向に構成された直管部との隙間をシールする第１のシール部と、前記タービン建屋張り出し部中空側に設けられるタービン建屋貫通部で、前記タービン建屋貫通部と前記渡り配管の前記直管部との隙間をシールする第２のシール部とを備え、前記第１のシール部、前記第２のシール部、前記原子炉建屋貫通部、前記タービン建屋貫通部、および前記結合部材は、配管スペース部を形成することを特徴とするものである。

本発明に係る原子力発電プラントは、大規模地震発生時においても原子炉建屋およびタービン建屋の気密性の確保および相対変位の吸収を行うことができる。

本発明に係る原子力発電プラントの実施形態を添付図面に基づいて説明する。

［第１の実施形態］
本発明に係る原子力発電プラントを、一例である沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）に適用した例を説明する。

ＢＷＲは、炉心で発生した熱を除去する原子炉冷却水が原子炉容器内で沸騰した状態で炉外へ取り出され、その蒸気で直接タービンを回して発電する構成となっている。

図１は、このようなＢＷＲにおいて、特に原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１などを収納する原子炉建屋２、および高圧および低圧タービン（図示せず）などを格納するタービン建屋３について概略的に示した構成図である。本実施形態におけるＢＷＲは、原子炉建屋２には免震設計が適用される一方、タービン建屋３については非免震設計である。

原子炉建屋２は、蒸気を発生させる原子炉圧力容器１などを収容する。原子炉圧力容器１で発生する蒸気は放射性物質を含むため、原子炉建屋２は原子炉格納容器４と共に放射性物質を外部へ漏えいさせないために気密性の確保が求められる。また、原子炉建屋２の上部には、作業員が任意の作業を実施するオペレーションフロア５ａが設けられている。

原子炉建屋２には免震設計が適用されている。このため原子炉建屋２の下部には、積層ゴムなどからなる免震装置６を設置する下部基礎盤７が設けられる。

タービン建屋３は、原子炉建屋２の原子炉圧力容器１で発生した放射性物質を含む主蒸気に膨張仕事をさせ、図示しない発電機を駆動させる高圧および低圧タービンなどが収容される。また、原子炉建屋２と同様に、タービン建屋３の上部にはオペレーションフロア５ｂが設けられる。

原子炉建屋２およびタービン建屋３の建屋壁には、それぞれ張り出し部１０ａ、１０ｂが設けられる。原子炉建屋２の建屋壁に設けられる張り出し部１０ａには、張り出し部１０ａ側壁から延びる結合壁である配管スペース壁１２が設けられる。この配管スペース壁１２は、張り出し部１０ａに対し略垂直下向きに構成される。タービン建屋３の建屋壁に設けられる張り出し部１０ｂには、原子炉建屋２の配管スペース壁１２に向かって延びる結合壁である配管スペース壁１２が設けられる。この配管スペース壁１２は、張り出し部１０ｂに対し略垂直上向きに構成される。

原子炉建屋２およびタービン建屋３の張り出し部１０ａ、１０ｂに構成された配管スペース壁１２は、結合部材であるジョイント１３によって結合され、これにより原子炉建屋２とタービン建屋３とが結合されるようになっている。このジョイント１３は、原子炉建屋２およびタービン建屋３を完全には拘束せず、例えば大規模地震発生時などに生じる建屋間の相対変位の吸収が可能なように構成される。また、主蒸気配管１５から放射性物質を含む蒸気が流出した場合であっても、この蒸気がジョイント１３から建屋外部に放出されない程度の気密性も備えるように構成される。

ＢＷＲには、原子炉建屋２とタービン建屋３とを接続する種々の渡り配管が設けられる。本実施形態においては、一例として主蒸気配管１５について図示して説明する。

炭素鋼などからなる主蒸気配管１５は、原子炉建屋２内の原子炉圧力容器１にて発生した蒸気などを、タービン建屋３内の高圧および低圧タービン（図示せず）に案内するために設けられる。主蒸気配管１５は、原子炉圧力容器１と高圧タービンを接続し、その途中に曲がり部１６ａ、１６ｂおよび直管部１７が設けられることで構成される。

主蒸気配管１５の曲がり部１６ａ、１６ｂは、各建屋の張り出し部１０ａ、１０ｂで構成される主蒸気トンネル室１８ａ、１８ｂに収容される。

また、地表に対し略垂直方向に構成された直管部１７は、各建屋の張り出し部１０ａ、１０ｂに構成される貫通部１９を貫通する。貫通部１９は、シール部材であるフレキシブルなベローズ２０によりシールされることで気密性が確保されている。ベローズ２０は、気密性のみならず伸縮性・バネ性を備えており、主蒸気配管１５を拘束することなく保持するため、主蒸気配管１５の直管部１７では配管破断が発生するような荷重は付加されない構成となっている。

ここで、結合壁である配管スペース壁１２、貫通部１９および結合部材であるジョイント１３により、配管スペース部１４が構成される。配管スペース部１４には主蒸気配管１５の直管部１７のみが収納されるようになっており、所要の気密性が保たれている。

原子炉圧力容器１の蒸気出口下流であって原子炉格納容器４の内側および外側には、原子炉圧力容器１とタービン設備とを隔離する主蒸気隔離弁（ＭＳＩＶ）２１が設けられる。また、タービン建屋３内の高圧タービン入口上流には、タービン停止時にタービンへの蒸気の流入を遮断する主蒸気止め弁（ＭＳＶ）２２が設けられる。

主蒸気配管１５には、原子炉建屋２側に設けられた主蒸気隔離弁２１、およびタービン建屋３側に設けられた主蒸気止め弁２２の近傍に拘束部２３ａ、２３ｂが設けられる。この拘束部２３ａ、２３ｂは、熱膨張による変位は許容されるように構成されているが、例えば地震発生時における変位を吸収することは困難であった。このため、主蒸気配管１５の拘束部２３ａ、２３ｂは地震発生時においては荷重が付加され、配管破断の原因となることが想定される。

拘束部２３ａ、２３ｂで配管破断が発生した場合、主蒸気配管１５の破断口から放射性物質を含んだ蒸気が流出する。この蒸気の流出により、原子炉建屋２内に蒸気が充満し圧力上昇を引き起こすが、この圧力上昇によって原子炉格納容器４に作用する外圧が原子炉格納容器４の最高使用外圧を超えないことが必須である。よって、原子炉建屋２の圧力を低下させるため、破断口から流出した蒸気を建屋外に放出させる必要がある。

ここで、本実施形態における大規模地震の発生などにより主蒸気配管１５の拘束部２３ａ、２３ｂで配管破断が発生し圧力上昇を引き起こした場合において、原子炉建屋２内の圧力を低下させるための対処方法について説明する。

原子炉建屋２側の拘束部２３ａで配管破断が発生することにより、主蒸気配管１５の破断口から原子炉建屋２の主蒸気トンネル室１８ａに流出した蒸気は、圧力上昇によりブローアウトパネル２５ｃが押し出されることによりブローアウト専用シャフト２６内に放出される。また、ブローアウト専用シャフト２６内に放出された蒸気は、原子炉建屋２上部のオペレーションフロア５ａに案内され、圧力上昇により押し出されたブローアウトパネル２５ａから原子炉建屋２外に放出される。

なお、ブローアウトパネルは、建屋内の圧力上昇時に押し出される構成となっており、建屋内に流出した蒸気を建屋外に逃すことにより、建屋内の圧力を低下させることができる。

次に、タービン建屋３側の拘束部２３ｂにおいて配管破断が発生した場合の対処方法について説明する。

拘束部２３ｂで配管破断が発生することにより、主蒸気配管１５の破断口からタービン建屋３および主蒸気トンネル室１８ｂに流出した蒸気は、タービン建屋３上部のオペレーションフロア５ｂに案内され、圧力上昇により押し出されたブローアウトパネル２５ｂからタービン建屋３外に放出される。

このように拘束部２３ａ、２３ｂで発生した破断口から各建屋に流出する蒸気は、ジョイント１３が位置する箇所を通流経路としないため、ジョイント１３から放射性物質を含む蒸気の建屋外への流出を考慮する必要がない。つまり、蒸気が存在する主蒸気トンネル室１８ａ、１８ｂと隔離可能な配管スペース部１４を構成し、かつ配管破断が発生する可能性が極めて低い直管部１７のみを収納することで、ジョイント１３に対し気密性を必須機能とする必要がなく、建屋間の相対変位の吸収のみを課すことが可能となる。

この原子力発電プラントによれば、コスト低減のため原子炉建屋のみに免震設計が適用され、タービン建屋は非免震設計であっても、大地震発生時において従来困難であった相対変位の吸収および気密性を確保することができる。

具体的には、原子炉建屋２とタービン建屋３とを結合するジョイント１３部分に、貫通部１９によってシールされた配管スペース部１４を設けることにより主蒸気トンネル室１８ａ、１８ｂとは隔離でき、破断口からの蒸気がジョイント１３の位置する箇所を通流経路とすることを回避することができる。よって、ジョイント１３の必須機能であるにもかかわらず両立が困難であった高い気密性を求めることなく、建屋間の相対変位の吸収をジョイント１３の主機能とする構成とすることができる。

また、主蒸気配管１５などに配管破断が生じた場合であっても、想定外の箇所から放射性物質を含んだ蒸気が建屋外へ放出することを防止することができる。

さらに、主蒸気配管１５などの種々の渡り配管に設けられた直管部１７は、貫通部１９においてフレキシブルなベローズ２０でシール可能に貫通する構成としたことから、荷重が付加されない。よって配管破断につながる拘束点が存在しないため、直管部１７で配管破断が生じることにより放射性物質を含む蒸気が流出することなく、さらにはジョイント１３からの蒸気の流出を考慮する必要がない。

なお、本実施形態においては本発明に係る原子力プラントをＢＷＲに適用したが、ＰＷＲの建屋間、例えば原子炉建屋および原子炉補助建屋間に適用することもできる。

また、本実施形態においては原子炉建屋２のみに免震設計を適用したが、タービン建屋３にも同様に適用してもよい。

さらに、配管スペース壁１２は、各張り出し部１０ａ、１０ｂから均等長さで延びた構成としたが、これに限らず例えば原子炉建屋２の張り出し部１０ａの近傍で結合されるような構成としてもよい。また、原子炉建屋２側の配管スペース壁１２は略垂直下向きに延び、タービン建屋３側の配管スペース壁１２は略垂直上向きに延びるように構成したが、これに限らず各配管スペース壁１２の上下方向が逆であってもよい。

さらにまた、配管破断が発生する箇所を拘束部２３ａ、２３ｂとして説明したが、これに限らず主蒸気配管１５などの種々の渡り配管の他の箇所で発生しても同様に適用することができる。

［第２の実施形態］
本発明に係る原子力発電プラントの第２実施形態を、図２に基づいて説明する。なお、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第２実施形態における原子力発電プラントが第１実施形態と異なる点は、原子炉建屋２およびタービン建屋３のオペレーションフロア５ａ、５ｂの上部を、通流経路としてのフレキシブルなベローズ構造３０により接続し、原子炉建屋２からタービン建屋３に蒸気を案内することが可能な構成とした点である。

ベローズ構造３０はその構造から伸縮性・気密性・バネ性を備えるため、大規模地震発生時においても原子炉建屋２およびタービン建屋３の相対変位を吸収することができる。また、建屋間において相対変位が生じた場合であっても、ベローズ構造であれば付加された荷重が吸収されるため、壊れにくいという点でも有効である。

また、原子炉建屋２とベローズ構造３０との溶接などによる結合点にはブローアウトパネル２５ｅが設けられる。このブローアウトパネル２５ｅは原子炉建屋２内の圧力上昇時に押し出され、放出された蒸気はベローズ構造３０を通りタービン建屋３に案内されるようになっている。

ここで、本実施形態におけるＢＷＲにおいて、大規模地震発生時に主蒸気配管１５の拘束部２３ａ、２３ｂで配管破断が発生し圧力が上昇した場合に、建屋内の圧力を低下させるための対処方法について説明する。

原子炉建屋２側の拘束部２３ａで配管破断が発生することにより、主蒸気配管１５の破断口から主蒸気トンネル室１８ａ内に流出した蒸気は、圧力上昇によりブローアウトパネル２５ｃが押し出されることによりブローアウト専用シャフト２６内に放出される。

このとき、ブローアウト専用シャフト２６内に放出された一部の蒸気は、原子炉建屋２上部のオペレーションフロア５ａに案内され、圧力上昇により押し出されたブローアウトパネル２５ａから原子炉建屋２外に放出される。

一方、他の蒸気は圧力上昇により押し出されたブローアウトパネル２５ｅから、ベローズ構造３０を通りタービン建屋３に案内される。タービン建屋３に案内された蒸気は、タービン建屋３の上部のオペレーションフロア５ｂに設けられたブローアウトパネル２５からタービン建屋３外に放出される。

なお、原子炉建屋２からベローズ構造３０に案内される蒸気は、原子炉建屋２内における破断口からの流出時よりも低エネルギとなっていることから、ベローズ構造３０に付加される荷重も低下している。

また、タービン建屋３側の拘束部２３ｂにおいて配管破断が発生した場合の対処方法については、第１実施形態と同様であるため説明は省略する。

この原子力発電プラントによれば、第１実施形態により生じた効果に加え、主蒸気配管１５などの種々の渡り配管に発生した破断口から原子炉建屋２に流出した蒸気をタービン建屋３側にも案内することができ、この結果蒸気の収容面積が増加できるため、蒸気流出に伴う圧力上昇を軽減することができる。また、これに伴い各建屋に流出した蒸気圧力を低下することができるため、各建屋のオペレーションフロア５ａ、５ｂに設けられたブローアウトパネル２５ａ、２５ｂから建屋外に放出される蒸気量を低減することができる。

本発明に係る原子力発電プラントの第１実施形態であって、特に原子炉建屋およびタービン建屋を示す概略的な構成図。 本発明に係る原子力発電プラントの第２実施形態であって、特に原子炉建屋およびタービン建屋を示す概略的な構成図。 従来の原子力発電プラントであって、特に原子炉建屋およびタービン建屋を示す概略的な構成図。

符号の説明

１ 原子炉圧力容器
２ 原子炉建屋
３ タービン建屋
４ 原子炉格納容器
５ａ、５ｂ オペレーションフロア
１０ａ、１０ｂ 張り出し部
１２ 配管スペース壁
１３ ジョイント
１４ 配管スペース部
１５ 主蒸気配管
１６ａ、１６ｂ 曲がり部
１７ 直管部
１８ａ、１８ｂ 主蒸気トンネル室
１９ 貫通部
２０ ベローズ
２３ａ、２３ｂ 拘束部
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２５ｅ ブローアウトパネル
２６ ブローアウト専用シャフト
３０ ベローズ構造

Claims (4)

1. 原子炉建屋とタービン建屋とを備えた原子力発電プラントにおいて、
   前記原子炉建屋の原子炉建屋壁から水平方向に張り出した中空の原子炉建屋張り出し部と、
   前記原子炉建屋張り出し部から略垂直下向きまたは上向きに延びた中空の原子炉建屋結合壁と、
   前記タービン建屋のタービン建屋壁から水平方向に張り出した中空のタービン建屋張り出し部と、
   前記タービン建屋張り出し部から略垂直上向きまたは下向きに延び、かつ前記原子炉建屋結合壁と結合する方向に向かって延びた中空のタービン建屋結合壁と、
   両前記結合壁を相対変位を吸収可能に結合する結合部材と、
   前記原子炉建屋張り出し部、前記原子炉建屋結合壁、前記タービン建屋結合壁および前記タービン建屋張り出し部の中空側を通り前記原子炉建屋と前記タービン建屋とを接続する渡り配管と、
   前記原子炉建屋張り出し部中空側に設けられる原子炉建屋貫通部で、前記原子炉建屋貫通部と前記渡り配管のうちほぼ垂直方向に構成された直管部との隙間をシールする第１のシール部と、
   前記タービン建屋張り出し部中空側に設けられるタービン建屋貫通部で、前記タービン建屋貫通部と前記渡り配管の前記直管部との隙間をシールする第２のシール部とを備え、
   前記第１のシール部、前記第２のシール部、前記原子炉建屋貫通部、前記タービン建屋貫通部、および前記結合部材は、配管スペース部を形成することを特徴とする原子力発電プラント。
2. 前記原子炉建屋のオペレーションフロアと前記タービン建屋のオペレーションフロアを接続し、前記原子炉建屋から前記タービン建屋に蒸気を案内する通流経路を備え、
   前記通流経路と前記原子炉建屋との結合点にはブローアウトパネルがさらに備えられたことを特徴とする請求項１記載の原子力発電プラント。
3. 前記第１のシール部および前記第２のシール部は、フレキシブルなベローズ構造を有することを特徴とする請求項１または２記載の原子力発電プラント。
4. 前記通流経路は、フレキシブルなベローズ構造であることを特徴とする請求項２記載の原子力発電プラント。

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