JP5965996B2 - 使用済燃料の受動冷却システム - Google Patents

Description

本発明は原子力発電所の受動冷却システムに関し、より具体的には原子力発電所の燃料取扱エリアにおける使用済燃料の受動冷却システムに関する。

原子炉による発電は、放射性物質が核分裂することによって達成される。核反応は激発性であるため、原子力発電所は、公衆の健康と安全を確保するべく実践的に設計する必要がある。

通常の発電用原子炉では、使用済みになった原子燃料を定期的な間隔で原子炉から取り出し、新鮮な燃料と交換する。使用済燃料は、原子炉から取り出された後も崩壊熱を発し、放射性のままである。したがって、安全な保管施設を設けて使用済燃料を受け入れている。加圧水型原子炉等の原子炉では、使用済燃料の貯蔵プールが設けられる。使用済燃料プールは、ある水位の水を含むことにより使用済燃料を水中で貯蔵するように設計されている。使用済燃料プールは、典型的にはコンクリートで構成され、深さが少なくとも４０フィートである。水位の制御・監視に加えて、使用済燃料プール内にある燃料の劣化を防止するために水質も制御・監視される。また、使用済燃料が発する熱を除去するために、使用済燃料プール内の水は継続的に冷却される。

一般に、原子力発電所は使用済燃料プール冷却系を含み、この系は貯蔵された使用済燃料が発した崩壊熱を使用済燃料プール内の水から除去するように設計される。崩壊熱を除去することによって、使用済燃料プールの水温を許容規制限度内に維持する。使用済燃料プール冷却系は典型的には使用済燃料プールポンプを含み、このポンプによって使用済燃料プール内からの高温水を熱交換器を通して循環させ、冷却された水を使用済燃料プールに戻す。一実施態様では、使用済燃料プール冷却系は、２系統の機器を含む。各系統は、１つの使用済燃料プールポンプ、１つの使用済燃料プール熱交換器、１つの使用済燃料プール脱塩装置、および１つの使用済燃料プールフィルタを含む。２系統の機器は吸水ヘッダと排水ヘッダを共有する。また、使用済燃料プール冷却系は、系の運転に必要な配管類、バルブ、および計器類を含む。この実施態様では、一方の系統が継続的に使用済燃料プールを冷却および浄化している間、他の系統は水の輸送、格納容器内燃料交換用水貯蔵タンクの浄化、または運転中の系統のバックアップとして利用可能である。

図１は、従来技術による通常運転中の使用済燃料プール冷却（ＳＦＰＣ）系１０を示す。ＳＦＰＣ１０には使用済燃料プール１５がある。使用済燃料プール１５にはある水位の水１６があり、原子炉（図示せず）から使用済燃料プール１５に移送された使用済燃料（図示せず）が極めて高温であるため、水１６は高温である。ＳＦＰＣ系１０は系統Ａ、Ｂを含む。系統Ａ及びＢを用いて使用済燃料プール１５内の水を冷却する。先に述べたように、系統ＡまたはＢの一方を運転して使用済燃料プール１５の冷却と浄化を行い、他方をバックアップ用とするのが典型的である。系統Ａ、ＢはそれぞれＳＦＰＣポンプ２５、熱交換器３０、およびＳＦＰＣ脱塩・フィルタ装置４５を含む。これらの系統は、吸水ヘッダ２０と排水ヘッダ５０を共有している。系統ＡとＢの各々において、水は吸水ヘッダ２０を介して使用済燃料プール１５を出て、ＳＦＰＣポンプ２５を介してＳＦＰＣ熱交換器３０に圧送される。ＳＦＰＣ熱交換器３０では、フローライン４０がコンポーネント冷却水システム（ＣＣＷＳ、図示せず）からの水をＳＦＰＣ熱交換器３０に通し、ＣＣＷＳに戻す。ＳＦＰＣ熱交換器３０に（使用済燃料プール１５から）入る水からの熱は、フローライン４０によって提供される水に伝達され、フローライン４０を介してＣＣＷＳに戻される。冷却された水はＳＦＰＣ熱交換器３０を出て、ＳＦＰＣ熱交換器３０の下流に配置されたＳＦＰＣ脱塩・フィルタ装置４５を通る。浄化・冷却された水は、脱塩・フィルタ装置４５を出て、共通の排出ヘッダ５０を介して搬送され、使用済燃料プール１５に戻される。

近年、原子炉メーカーは、受動的な発電所設計、すなわち、オペレータの介入またはオフサイトの電力なしに原子炉事故事象を緩和する発電所を提案している。ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーは、ＡＰ１０００受動的発電所設計を提供している。ＡＰ１０００設計は、高度な受動的安全機能と広範な発電所の簡素化を含むことによって、発電所の安全性、建設、運転および維持管理を強化している。ＡＰ１０００の設計は、自然力に依存する安全機能を強調している。ＡＰ１０００設計の安全系は、圧縮ガス、重力による流れ、自然循環流および対流等の自然動力を用いる。これらの安全系は、能動的コンポーネント（例えば、ポンプ、ファンまたはディーゼル発電機等）を使用せず、安全等級サポートシステム（例えば、ＡＣ電力、コンポーネント冷却水、水道水、ＨＶＡＣ）なしで機能するように設計されている。ＡＰ１０００の燃料取扱エリアでは、主たる燃料保護手段は受動的な手段によって提供され、使用済燃料プールの貯水の沸騰により崩壊熱が除去されるように設計されている。したがって、極端な場合には、使用済燃料プールは沸騰することがある。

能動的使用済燃料プール冷却系が完全に故障した場合を想定すると、使用済燃料の冷却は使用済燃料プール内の水の熱容量によって提供される。プール水が沸騰することにより崩壊熱が除去される間、補給水を受動的手段により使用済燃料プールに提供することによって、プールの水位を使用済燃料の上に維持する。使用済燃料プール水が沸騰すると、大量の蒸気が燃料取扱エリアに放出される。蒸気は燃料取り扱いエリア内の空気と混合するが、圧力が蓄積されるのを防ぐにはこのエリアから蒸気を放出しなければならない。蒸気／空気混合物は、燃料取扱エリアから大気中に放出する。この結果、浮遊放射性汚染物質が大気中に放出される可能性がある。

分析の結果、許容限度内である最小の放射線量が沸騰開始から生じ得ることが判明している。しかしながら、原子炉の燃料取扱エリア内の使用済燃料プールの沸騰開始から大気中に放出される放射線量をさらに低減する使用済燃料濾過システムおよび方法を提供できれば好都合である。該システムおよび方法は、設計および実装が簡単であり、原子炉で使用済燃料プールの沸騰が起きた場合に放射性微粒子を除去するのに有効である受動的な機構であることが望ましい。

本発明の一態様は、原子炉内の燃料取扱エリアから崩壊熱を除去する、使用済燃料の受動冷却システムであって、使用済燃料プール沸騰事象に際して発生した微粒子の大気中への放出を減らすためのものを提供することである。受動冷却システムは、使用済燃料プールと濾過システムとを含む。使用済燃料プールは燃料取り扱いエリアに配置され、水と、原子炉炉心から取り出され、崩壊熱を発する使用済燃料とを収容するものであり、使用済燃料プールの水が沸騰する際に、発生した蒸気が燃料取扱エリア内の空気と混合して微粒子を含有する蒸気と空気の混合物を生成するとともに、燃料取扱エリアの内部と外部との間の差圧を発生させる。前記濾過システムは微粒子を少なくとも部分的に除去するものであり、第１の端部が燃料取扱エリアに接続され、第２の端部が大気（１５５）に接続された排出路と、燃料取扱エリアの排出路とのインターフェース部分に位置し、前記混合物を燃料取扱エリアから排出路に排出する少なくとも１つの温度作動式ダンパー（１０５）を有して成る、第１のベント機構と、排出路に位置し、繊維を含有するマットを少なくとも１つ含んで成り、前記混合物から前記微粒子の少なくとも一部を該マットに捕捉することによって、濾過された混合物を生成するように構成されたエアフィルタを少なくとも１つ有する空気濾過装置と、前記少なくとも１つのエアフィルタの下流に位置し、前記濾過された混合物を大気中に放出するように構成された第２のベント機構とを含むものである。前記蒸気と空気の混合物は、前記燃料取扱エリアの内部と外部との間の差圧により、前記少なくとも１つのエアフィルタに圧入される。

ある実施態様では、受動冷却システムは空気濾過装置に接続された少なくとも１つのドレンを含み、ドレンは燃料取扱エリア内の蒸気と空気の混合物から発生した復水を燃料取扱エリアまたは他の適当な放出ポイントに戻すように構成してもよい。さらなる実施態様では、受動冷却システムは２つのドレンを含む。さらに別の実施態様では、一方のドレンは前記少なくとも１つのエアフィルタの上流に配置され、他方のドレンは前記少なくとも１つのエアフィルタの下流に配置されている。

ある実施態様では、第２のベント機構は、少なくとも１つのフェールオープン式または重力作動式のダンパーを含む。さらに別の実施態様では、第１および第２のベント機構は、それぞれ２つのダンパーを含み、該２つのダンパーの一方はバックアップ用である。

ある実施態様では、第１のベント機構から放出される蒸気と空気の混合物は、第２のベント機構から放出される濾過された蒸気と空気の混合物と比較して、より多くの微粒子を含有する。

代替的な実施態様では、原子炉は加圧水型原子炉または沸騰水型原子炉である。

別の実施態様では、エアフィルタは高効率粒子空気（ＨＥＰＡ）フィルタを含む。

さらに別の実施態様では、微粒子は放射性微粒子を含む。

従来技術による使用済燃料プール冷却系を略示する。

本発明のある実施態様による受動的な使用済燃料冷却システムを略示する。

本発明は、受動的な冷却システム、および加圧水型原子炉等の原子炉内の燃料取扱エリア内の少なくとも１つのエアフィルタの使用により、使用済燃料プールの沸騰事象の結果として大気中へ放出される放射性微粒子等の微粒子を減少させることに関する。

原子炉では、使用済燃料プールは燃料取扱エリアに位置している。使用済燃料プールは水を収容しており、炉心から取り出された使用済燃料を貯蔵する。使用済燃料は、原子炉炉心から取り出されて使用済燃料プール内に移送された後も、崩壊熱を発生し、放射性のままである。したがって、原子炉に使用済燃料プール冷却系を設けることによって、崩壊熱を除去し、使用済燃料プールの水温を許容限度に維持する。能動および／または受動的な使用済燃料プール冷却系が使用可能である。本明細書で前述したように、図１は、当技術分野で公知の能動的使用済燃料プール冷却系の一例を示す。受動的な使用済燃料プール冷却システムは、使用済燃料プール内の水が沸騰することによって、使用済燃料が発した崩壊熱を除去するように設計することができる。使用済燃料プール内の水が沸騰した結果、大量の蒸気が燃料取扱エリアで発生する。蒸気は燃料取扱エリア内の空気と混合する。蒸気と空気の混合物は、例えば放射性微粒子や浮遊放射性汚染物質である微粒子や汚染物質を含有している場合がある。また、使用済燃料プール内の水が沸騰する結果、燃料取扱エリア内の温度と圧力が増大する。蒸気と空気の混合物を燃料取扱エリアから排出路を介して大気中に排出することによって、燃料取扱エリアにおける圧力の蓄積を防止する。蒸気と空気の混合物が放出された結果、浮遊放射性汚染物質が大気中に放出された可能性がある。

本発明の受動的冷却システムは、蒸気と空気の混合物を濾過する手段を提供する。ベント機構が燃料取扱エリアに配置される。ベント機構は、蒸気と空気の混合物を燃料取扱エリアに接続された排出路に放出するように構成される。ベント機構は、少なくとも１つの温度作動式ダンパーを含むものであってよい。温度が上昇すると、該少なくとも１つの温度作動式ダンパーが開いて燃料取扱エリアから排出路に蒸気と空気を排出する。一実施態様では２つの温度作動式ダンパーがあり、一方がバックアップ用とされる。

少なくとも１つのエアフィルタを燃料取扱エリアから大気へ延びる排出路に配置すれば、温度作動式ダンパーを介して蒸気と空気の混合物が大気中に排出される前にエアフィルタを通すことができる。燃料取扱エリア内の差圧により蒸気と空気の混合物はエアフィルタに圧入される。エアフィルタは、使用済燃料プールの沸騰事象の結果として燃料取扱エリアで発生した蒸気と空気の混合物から微粒子および汚染物質を除去することができる。微粒子および汚染物質には放射性の微粒子と浮遊放射性汚染物質が含まれる。また、エアフィルタは大気中に排出される放射性粒子および浮遊放射性汚染物質のレベルを低減するのに有効である。エアフィルタは、使用済燃料プールの沸騰事象の前、最中、そして後に亘って利用可能である。分析の結果、放射性微粒子の放出レベルは、米国原子力規制委員会が定める許容限度内であることが判明している。しかしながら、本発明のエアフィルタによれば、放射性微粒子および汚染物質の放出が十分に許容限度内であることが一層確実になる。

本発明に使用するためのエアフィルタは、能動的手段なしに、蒸気、空気またはそれらの混合物から微粒子および／または汚染物質を除去することが可能な、当技術分野で公知の多種多様なフィルタを含むことができる。一実施態様では、フィルタは、高効率微粒子空気（ＨＥＰＡ）フィルタである。一般に、ＨＥＰＡフィルタは、ランダムに配置された繊維のマットで構成される。繊維はファイバーグラスのような様々な材料から成るが、これらに限定されるものではない。典型的には、ＨＥＰＡフィルタは、粒子を繊維または繊維に埋め込まれた粒子に付着させることによって捕捉するように作動するものである。

本発明においては、エアフィルタは大気に向かう空気を濾過する受動的手段を提供する。蒸気と空気の混合物は、燃料取扱エリアの内部と外部との間の差圧によってエアフィルタに圧入される。したがって、ファン等の能動的手段を使用して蒸気と空気の混合物をエアフィルタに送り込む必要がない。

燃料取扱エリアと大気との間の排出路には、エアフィルタと濾過経路を一体化する様々なデザインを含めることができる。一実施態様では、少なくとも１つのエアフィルタを収容するハウジングが、排出路内に配置されている空気濾過装置内に配置される。空気濾過装置は、濾過された蒸気と空気の混合物を大気中に放出するベント機構を含む。ベント機構は、少なくとも１つのフェールオープン式または重力作動式ダンパーを含む。少なくとも１つのフェールオープン式または重力作動式排出ダンパーは、エアフィルタの下流に配置される。排出ダンパーの数は変えることができ、冗長化のために排出ダンパーは複数とすることが普通である。したがって、通常運転中は、フェールオープン式または重力作動式の排出ダンパーによって、エアフィルタを大気から隔離することができる。さらに、フェールオープン式または重力作動式の排出ダンパーは、使われないとき（例えば、原子炉プラントの通常運転時）に、エアフィルタを損傷しないように保護する働きもある。

本発明においては、第１ベント機構から放出される蒸気と空気の混合物は、排出ダンパーから放出される濾過された蒸気と空気の混合物と比較して、より多くの微粒子を含有する。

ある実施態様では、空気濾過装置は、凝縮した蒸気を空気濾過装置から燃料取扱エリアまたは他の適切な排出ポイントに戻す少なくとも１つの水ドレンまたはドレン通路を含み、放射能を含んでいるかもしれない復水が偶発的に放出される可能性を低減する。一実施態様では、空気濾過装置は２つのドレンを含む。一方のドレンは、空気濾過装置内に位置するエアフィルタの前方に配置され、他方のドレンは後方、例えばエアフィルタの後または背面に配置される。

例えば使用済燃料冷却系が利用できず、使用済燃料プールの水が加熱され沸騰して崩壊熱が除去されるような緊急事態の際、排出ダンパーが開くことにより、エアフィルタが燃料取扱エリアから蒸気または／空気を受け入れ、蒸気と空気が大気中に排出される前に放射性微粒子等の微粒子を除去することができる。原子炉の通常運転時には、排出および／または温度作動式ダンパーによって、エアフィルタおよび排出／濾過経路は燃料取扱エリアから隔離される。

図２は、本発明の一実施態様による受動的な使用済燃料冷却システム１００を示す。使用済燃料冷却システム１００は、使用済燃料プール１５と図２に示す水位１６の水を含む。また、使用済燃料冷却システム１００は、燃料取扱エリア１０１と排出路１１５を含む。排出路１１５の第１端部は燃料取扱エリア１０１に接続され、排出路の第２端部は大気１５５に接続されている。図２では、使用済燃料プール１５は、燃料取扱エリア１０１内に配置されている。燃料取扱エリア１０１は、ダンパー１０５，１１５を含み、これらダンパーは温度作動式で、開くと燃料取扱エリア１０１からの蒸気／空気を排出路に放出することができる。ダンパー１０５，１１０は、燃料取扱エリア１０１と排出路１１５の第１端部の間、例えばインターフェース部分に、配置されている。排出路１１５には空気濾過装置１２５が配置される。ある実施態様では、空気濾過装置１２５は１つ以上のＨＥＰＡフィルタ１３０を含む。排出路１１５内の蒸気／空気は、空気濾過装置１２５に入り、ＨＥＰＡフィルタ１３０を通過する。ＨＥＰＡフィルタは、蒸気／空気混合物から微粒子と汚染物質を除去することができる。濾過された蒸気／空気混合物は次いでＨＥＰＡフィルタ１３０を出て、空気濾過装置１２５に接続されたダンパー１４５、１５０を通過し、大気１５５中に排出される。ダンパー１４５、１５０はフェールオープンで、モータ式または空気圧式、あるいは重力によって作動する形式のものである。空気濾過装置１２５はさらにドレン１３５、１４０を含む。蒸気／空気から凝縮した任意の凝縮物、例えば水は、ドレン１３５，１４０に回収し、燃料取扱エリア１０１に戻すことができる。ドレン１３５はＨＥＰＡフィルタ１３０の上流に配置され、ドレン１４０は、ＨＥＰＡフィルタ１３０の下流、例えば後方に、配置される。

本発明を様々な特定の実施態様に即して説明したが、当業者は、本発明が添付の特許請求の範囲の思想および範囲内で変更して実施可能であることを認識するであろう。

Claims (9)

1. 原子炉内の燃料取扱エリア（１０１）から崩壊熱を除去する、使用済燃料の受動冷却システムであって、使用済燃料プール（１５）と濾過システムとを含み、
   使用済燃料プール（１５）は燃料取り扱いエリア（１０１）に配置され、水と、原子炉炉心から取り出され、崩壊熱を発する使用済燃料とを収容するものであり、使用済燃料プールの水が沸騰する際に、発生した蒸気が燃料取扱エリア（１０１）内の空気と混合して微粒子を含有する蒸気と空気の混合物を生成するとともに、燃料取扱エリア（１０１）の内部と外部との間の差圧を発生させ、
   前記濾過システムは微粒子を少なくとも部分的に除去するものであり、
   第１の端部が燃料取扱エリア（１０１）に接続され、第２の端部が大気（１５５）に接続された排出路（１１５）と、
   燃料取扱エリア（１０１）の排出路（１１５）とのインターフェース部分に位置し、前記混合物を燃料取扱エリア（１０１）から排出路（１１５）に排出する少なくとも１つの温度作動式ダンパー（１０５）を有して成る、第１のベント機構と、
   排出路（１１５）に位置し、繊維を含有するマットを少なくとも１つ含んで成り、前記混合物から前記微粒子の少なくとも一部を該マットに捕捉することによって、濾過された混合物を生成するように構成されたエアフィルタを少なくとも１つ有する空気濾過装置（１２５）と、
   前記少なくとも１つのエアフィルタの下流に位置し、前記濾過された混合物を大気（１５５）中に放出するように構成された第２のベント機構とを含むものであり、
   前記蒸気と空気の混合物は、前記燃料取扱エリア（１０１）の内部と外部との間の差圧により、前記少なくとも１つのエアフィルタに圧入される、使用済燃料の受動冷却システム。
2. さらに、空気濾過装置（１２５）に接続された少なくとも１つのドレン（１３５）を含み、ドレン（１３５）は燃料取扱エリア（１０１）内の蒸気と空気の混合物から発生した復水を燃料取扱エリア（１０１）または他の適当な放出ポイントに戻すように構成されている、請求項１に記載の受動冷却システム。
3. 少なくとも１つのドレンは２つのドレン（１３５，１４０）である、請求項２に記載の受動冷却システム。
4. 一方のドレン（１３５）は前記少なくとも１つのエアフィルタの上流に配置され、他方のドレン（１４０）は前記少なくとも１つのエアフィルタの下流に配置されている、請求項３に記載の受動冷却システム。
5. 第２のベント機構は、少なくとも１つのフェールオープン式または重力作動式のダンパーを含む、請求項１に記載の受動冷却システム。
6. 前記第１および第２のベント機構は、それぞれ２つのダンパー（１０５，１１０および１４５、１５０）を含み、該２つのダンパーの一方はバックアップ用である、請求項１に記載の受動冷却システム。
7. 第１のベント機構から放出される蒸気と空気の混合物は、第２のベント機構から放出される濾過された蒸気と空気の混合物と比較して、より多くの微粒子を含有する、請求項１に記載の受動冷却システム。
8. 原子炉は、加圧水型原子炉および沸騰水型原子炉からなる群から選択される、請求項１に記載の受動冷却システム。
9. 微粒子は放射性微粒子を含む、請求項１に記載の受動冷却システム。
   

Images