JP5967356B2 - 溶融燃料取出装置 - Google Patents

Description

本発明は、炉心溶融を起こした軽水炉から遠隔操作により溶融燃料を取り出すことができ、かつ、取出し時およびその後の輸送、貯蔵の際に、十分な臨界安全性を確保することができる溶融燃料取出装置に関する。

軽水炉においては、被覆管や燃料が溶けて崩れ落ちる炉心溶融となった場合、溶融燃料の取出は、事故後１０年程度経過して溶融燃料の崩壊熱が低下していると思われる頃に行われる。溶融燃料を取り出すには、放射線の遮蔽と除熱の観点から水につけた状態で行う。もし溶融燃料が原子炉圧力容器を貫通して格納容器の底部に溜まり、格納容器にまで損傷を与えている場合には、格納容器を修復したうえで冠水して溶融燃料を水没させ、溶融燃料を粉砕して取り出す必要がある。

上記の溶融燃料取り出し作業においては、作業員の被爆防止の観点からほとんどの工程を遠隔操作で行う必要があるとともに、原子炉の構造上の制約からも数々の困難が予想され、従来の軽水炉の燃料自動交換機のような構造では不可能と考えられる。燃料自動交換機は、原子炉建家最上階のフロア（オペフロア）のレールに設置され、燃料把持機を炉心上の任意の位置に移動可能とされ、燃料把持機のマストを伸縮し、マストの先端のグラップルヘッドで燃料頂部を掴んで引き抜く構造を有する。このような燃料自動交換機と類似の構造では溶融燃料の取り出しが不可能な理由は、以下の通りである。

１．オペフロアから燃料頂部までは約１５ｍであるが、オペフロアから原子炉圧力容器下端部までは約２５ｍ、オペフロアから原子炉格納容器底部のコンクリート床までは約３５ｍあり、マストが届かない。

２．ナトリウム冷却高速炉の燃料交換機構は、ナトリウム中の燃料集合体を引き抜くために、ナトリウム特有の癒着も考慮し、強力な引き抜き力をもつ剛性の高い構造である。しかしながら、軽水炉のオペフロアに相当する回転プラグ上面から燃料頂部までは、これまでに建設された最大の高速炉（Super Phenix）でも１０ｍ程度である。

３．燃料把持機のマストの断面構造を同じにしたままで最大長を２５ｍ以上に設定すると、その剛性が低下する（固有振動数が低下する）。一方、溶融燃料取出装置には、水中削岩機による溶融燃料の粉砕や、水中溶接機による溶断、およびダイヤモンドカッターによる切断などに対応するために、燃料把持機よりもはるかに高い剛性が要求される。また上記機器の振動に対しても共振しないように、十分に高い剛性（十分に高い固有振動数）が要求される。また溶融燃料の取り出し作業中の地震時にも、地震との共振による破壊を避けるには、十分に高い剛性が要求される。

以上により、全長が２５ｍ以上もある伸縮式のマストを十分な剛性で設計することは、物量の著しい増加を招き、現実的でない。また、原子炉上部の天井走行クレーンのフック下からオペフロアまでの高さは１０ｍ以下である。この限られた高さの空間内に全長が２５ｍ以上まで伸縮可能なマストを収容することは、相当な困難を伴う。

溶融燃料取り出し作業において重要なことは、臨界安全性の確保である。軽水炉燃料はもともと低濃縮度燃料であることから、臨界になることは殆どないと考えられる。さらに、臨界の危険性を下げる要因として以下が考えられる。

１．燃料の燃焼に伴い、実質的な濃縮度はさらに下がっている。
２．中性子吸収物質である核分裂生成物（ＦＰ）が存在する。
３．溶融燃料は構造材やコンクリートとの混合物で存在している。

逆に臨界の危険性を高める要因としては、以下が考えられる。
４．燃料の燃焼に伴いプルトニウム（Ｐｕ）が蓄積している。
５．水中で溶融燃料を粉砕すると燃料と水の体積比が変わり、溶融燃料の状態によっては局所的に最適減速状態（臨界安全上最も厳しい比率で水と混じり合った状態）を引き起こす可能性がある。
６．中性子効率を高めるに十分な水の反射体が存在する。

炉物理的には４〜６を考慮しても臨界にはならないと考えられる。しかしながら、２０１１年の福島第１原発の事故のように、燃料が格納容器にまで漏れ出すような大規模な炉心溶融は前例が無く、１９７９年の米国スリーマイル島原発事故に比べても大規模で、その溶融燃料の取り出しは世界的にも経験のない困難な取り組みのため、安全管理上は臨界安全にも十分に配慮して万全の防止策をとることは必須である。

再臨界予防のための方策としては、中性子を吸収するホウ酸水を原子炉圧力容器および格納容器内の水に注入する方策が考えられる（例えば特許文献１参照）。ホウ酸水はボロン（ホウ素）の化合物の水溶液である。ボロンの同位体のうち^１０Ｂは非常に大きな中性子吸収断面積を持つため、原子炉内において中性子吸収のための制御棒に使用されている。しかしながら、水に溶解できるホウ酸の濃度（溶解度）には限度があり、温度が低いほど溶解度は低下する。そのため崩壊熱が低下している溶融燃料取り出しの時点では、ホウ酸水に高い濃度は期待できない。また、仮にホウ酸水が臨界安全の確保に十分な濃度だとしても、溶融燃料取り出し後の保管の段階でも同様なホウ酸水濃度を維持する必要がある。

再臨界予防のための他の方策としては、ボロンまたは炭化ボロン (Ｂ_４Ｃ)、酸化ボロン (Ｂ_２Ｏ_３) 、窒化ボロン(ＢＮ) などの粉末を、原子炉圧力容器および格納容器内の水に混入させる方策が考えられる。これらは粒径が数ミクロン程度の粉末として入手が可能で、水中に投入して攪拌すれば均等に混じり合う。したがって、上述のホウ酸水よりも高い中性子吸収能力が期待できる。しかしながら、これらの粉末を水に混入させると、長時間水中に滞留し、水が黒く濁って水中の視界が失われるため、水中のカメラでモニターしながら遠隔操作で行う溶融燃料の取り出しには不適当である。また、仮に溶融燃料の取り出しができたとしても、その後の保管の段階で水が失われると、上記粉末も水と共に失われる可能性がある。

以上より、原子炉圧力容器底部および原子炉格納容器底部に溜まった溶融燃料を遠隔操作により安全に取り出す装置の開発が必要とされている。また溶融燃料取り出しの際に、十分な中性子吸収能力をもち、かつ溶融燃料取り出し時のみならずその後の保管時にも失われることなく有効な中性子吸収能力を長期にわたり維持できる中性子吸収材を、粉砕した溶融燃料中に混入させる装置が必要とされている。

特開２００７−１０１３３２号公報

したがって、本発明は、原子炉圧力容器底部および原子炉格納容器底部に溜まった溶融燃料を遠隔操作により安全に取り出すことができ、溶融燃料取出し時およびその後の保管時の臨界安全性を確保することが可能な溶融燃料取出装置を提供することを目的としている。

本発明は、軽水炉の溶融燃料を水中で粉砕する粉砕手段と、粉砕した粉砕物を水とともに吸引して粉砕物捕集手段に収容する吸引手段と、粉砕物捕集手段を捕集位置から移送する移送手段と、粉砕手段、粉砕物捕集手段、および吸引手段を支持する基台とを備え、基台は、軽水炉の上部に設けた走行懸吊手段から懸吊部材で懸吊されることにより原子炉圧力容器内の任意の位置に移動可能とされるとともに、原子炉圧力容器の内周面側へ進退自在とされて内周面に当接することにより該基台の半径方向の位置を固定する複数の振れ止め手段を備えたことを特徴とする。

上記構成の溶融燃料取出装置にあっては、溶融燃料の粉砕、吸引、捕集、および移送を遠隔操作にて行うことにより、原子炉圧力容器底部および原子炉格納容器底部に溜まった溶融燃料を安全に取り出すことができる。そして、取り出した溶融燃料に中性子吸収材を混合することにより、溶融燃料取出し時およびその後の保管時の臨界安全性を確保することができる。

本発明においては、粉砕物捕集手段に中性子吸収材を供給する中性子吸収材供給手段を備えることが望ましい。これにより、粉砕物捕集手段に溶融燃料が貯まるのと平行して中性子吸収材を溶融燃料と混合することができるので、臨界安全性を確実に確保することができる。

上記中性子吸収材としては、ボロンおよびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類と他の金属粉末および／またはセラミックの粉末との混合物であり、上記粉砕物捕集手段からこぼれ出ない大きさ（例えば１〜２００ｍｍ）の塊状をなす焼結体であり、ボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とされたものが好適である。この他には、ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類の塊状のものの表面に、金属粉末および／またはセラミック粉末を付着させた１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさの焼結体であり、ボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とされたものや、ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類の塊状のものの表面に、ボロン化合物の粉末を付着させた１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさの焼結体であり、ボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とされたものを、中性子吸収材として採用することができる。ボロン化合物としては、炭化ボロン（Ｂ_４Ｃ）、酸化ボロン（Ｂ_２Ｏ_３）または窒化ボロン（ＢＮ）などを用いることができる。なお、「見かけの原子数密度」とは、中性子吸収材を構成する物質全体の原子の数を分母としたときのボロンの原子数の割合をいう。中性子吸収材としての機能を確保するために、ボロンの見かけの原子数密度は５０％以上必要である。

本発明においては、円柱状または角柱状の基台を備え、基台に粉砕手段、粉砕物捕集手段、および吸引手段を支持させる。基台は、軽水炉の上部に設けた走行懸吊手段から懸吊部材で懸吊されることにより原子炉圧力容器内の任意の位置に移動可能とされるとともに、原子炉圧力容器の内周面側へ進退自在とされて内周面に当接することにより基台の半径方向の位置を固定する複数の振れ止め手段を備える。これにより、原子炉圧力容器の底部に貯まった溶融燃料を粉砕して取り出すことができる。また、基台の半径方向の位置を固定することにより、粉砕手段等による作業を安定して行うことができる。なお、懸吊部材としてはワイヤや伸縮可能なマストなどを用いることができる。

基台は、原子炉圧力容器の下方であって原子炉格納容器内に設けられた筒状の原子炉遮蔽壁内の任意の位置に移動可能とされるとともに、振れ止め手段により基台の半径方向の位置が固定されると好適である。これにより、溶融燃料が原子炉圧力容器を溶かして原子炉格納容器の底部に貯まった場合に、これを粉砕して取り出すことができる。

本発明の基台は、原子炉圧力容器の中心線とほぼ一致する軸線回りに回転可能な回転部を備え、回転部は、軸線から半径方向にずれた位置で回転部から下方へ向けて延在し上下方向の軸線回りに回転可能でかつ上下方向へ移動可能な支柱を備えることができる。また、支柱の下端部に半径方向へ延在するアーム備え、このアームに、粉砕手段を設けることができる。この態様によれば、回転部と支柱を回転させることにより、原子炉圧力容器内および原子炉遮蔽壁内の任意の水平方向位置に粉砕手段を位置させることができ、溶融燃料を満遍なく確実に取り出すことができる。

また、上記アームには、上記吸引手段を設けることができる。
また、上記アームには、上記原子炉圧力容器の構造物を水中で切断する切断手段や、上記吸引手段で吸引できない粗大な残骸を把持する把持手段を設けることができる。アームに切断手段を設けた構成では、原子炉圧力容器の構造物が内側に出張って基台が通過できないような場合には、切断手段によってその構造物を切断することができる。また、溶融燃料が原子炉圧力容器の底を溶かして原子炉格納容器の底に堆積した場合には、切断手段によって原子炉圧力容器の底壁を切り落として、基台を原子炉格納容器内の原子炉遮蔽壁内に下ろすことができる。また、切断手段で切断した原子炉圧力容器の構造物や底壁は吸引手段で吸引できない粗大な残骸となる。そこでアームに把持手段を設けることにより、該把持手段で原子炉格納容器内の残骸を把持して懸吊手段で吊り上げることができる。なお、本発明においては、上記粉砕手段と上記切断手段の双方を、上記アームに設けた形態を含む。

任意の箇所を粉砕できるように、粉砕手段は下端部が首を振れるように揺動可能に支持されることが望ましい。また、吸引手段は粉砕手段の近傍に位置していることが望ましく、これにより、粉砕物を散らさずに捕集することができる。具体的には、吸引手段の内部に、先端が吸引手段の吸引口から突出する削岩機を設けると好適である。

吸引手段は、湾曲部を上方へ向けたＵ字状をなす管で構成することができる。そして、管の吸引口と反対側の下端部に吸引ポンプを設け、この吸引ポンプの上方に粉砕物捕集手段を設け、この粉砕物捕集手段の上方に、中性子吸収材供給手段を設けると好適である。これにより、粉砕物を含む水が連続的に粉砕物捕集手段に供給され、粉砕物が粉砕物捕集手段に捕集される。

管は、湾曲部と、湾曲部と別体に設けられて湾曲部の両端部から下方へ延在する鉛直部とを備え、湾曲部は、一方の鉛直部に回動可能に設けられることにより他方の鉛直部の上端部を開閉可能に構成すると好適である。このような態様によれば、鉛直部を開放した状態で粉砕物捕集手段が移送手段により鉛直部に出し入れされる。

粉砕物捕集手段は、管の鉛直部を横切るドラムにその円周方向に沿って複数着脱自在に設けられ、ドラムは、鉛直部の外周面に沿って設けられた回転軸回りに回転可能に構成されると好適である。このような態様によれば、粉砕物捕集手段により粉砕物の捕集が完了したらドラムを回転させて粉砕物捕集手段を交換し、新たな粉砕物捕集手段で粉砕物を捕集している間に、捕集が完了した粉砕物捕集手段を移送手段で取り出し、そこへ新たな粉砕物捕集手段を収容することができる。

ここで、基台は、上下方向に貫通する取り出し孔を備え、アームを回動させることで他方の鉛直部が取り出し孔の下方に位置し、移送手段によって粉砕物捕集手段を取り出すようにすると作業性が向上する。

本発明では、上記のように基台を原子炉格納容器内の原子炉遮蔽壁内に下ろす態様以外に、支柱を長くする態様を採用することができる。すなわち、支柱は、基台が原子炉圧力容器内に存在する状態で下端部が原子炉遮蔽壁の内部に挿入される長さを有するように構成することもできる。

軽水炉の原子炉建家内には、一般に使用済み核燃料を燃料集合体に入れたまま貯蔵するプールが設けられる。そこで、粉砕物捕集手段を縦に積載して収容する収容手段を備え、収容手段の外形寸法を燃料集合体の外形寸法と略同一とすれば、溶融燃料をプールに貯蔵することができる。したがって、取り出した溶融燃料に対して臨界安全性を確保することができる。

本発明によれば、原子炉圧力容器底部および原子炉格納容器底部に溜まった溶融燃料を遠隔操作により安全に取り出すことができ、溶融燃料取出し時およびその後の保管時の臨界安全性を確保することができる。

本発明の実施形態の溶融燃料取出装置の原子炉圧力容器内での第１の状態を示す側断面図である。 本発明の実施形態の溶融燃料取出装置の原子炉圧力容器内での第２の状態を示す側断面図である。 本発明の実施形態の溶融燃料取出装置の原子炉圧力容器内での第３の状態を示す側断面図である。 本発明の実施形態の溶融燃料取出装置の原子炉圧力容器内での第４の状態を示す側断面図である。 本発明の実施形態の溶融燃料取出装置の原子炉圧力容器内での第１の状態の詳細を示す側断面図である。 本発明の実施形態の溶融燃料取出装置の原子炉圧力容器内での第３の状態の詳細を示す側断面図である。 本発明の実施形態の溶融燃料取出装置の原子炉圧力容器内での第４の状態の詳細を示す側断面図である。 図５に示す溶融燃料取出装置の平面図である。 図５のIX−IX線断面図である。 本発明の実施形態の溶融燃料取出装置の原子炉圧力容器内での第１の状態の詳細を示す平断面図である。 本発明の実施形態の溶融燃料取出装置の原子炉圧力容器内での第２の状態の詳細を示す平断面図である。 溶融燃料の取出作業を示す原子炉建家全体の側断面図である。 溶融燃料の取出作業の次の工程を示す原子炉建家全体の側断面図である。 溶融燃料の取出作業のさらに次の工程を示す原子炉建家全体の側断面図である。 溶融燃料の取出作業のさらに次の工程を示す原子炉建家全体の側断面図である。 溶融燃料の取出作業のさらに次の工程を示す原子炉建家全体の側断面図である。 溶融燃料取出装置の変形例を用いた溶融燃料の取出作業を示す原子炉建家全体の側断面図である。 粉砕吸引ユニットの詳細を示す側断面図である。 粉砕吸引ユニットの詳細を示す側断面図である。 粉砕吸引ユニットの詳細を示す側断面図である。 粉砕吸引ユニットの変形例を示す側断面図である。 粉砕吸引ユニットの変形例を示す側断面図である。 粉砕物貯蔵ラックを示す斜視図である。 （Ａ）は燃料集合体を示す斜視図であり、（Ｂ）は燃料集合体を使用済み核燃料プールに収容した状態を示す平面図である。

１．軽水炉の構成
まず、本発明の一実施形態の説明に先立ち、本発明が適用される一般的な軽水炉の構成を説明する。図１２において符号１０は原子炉建家である。原子炉建家１０は、地面に設置されたコンクリート製基礎１１の上に設けられている。基礎１１の中央部には原子炉格納容器１２がコンクリート製のペデスタル１３を介して設置されている。原子炉格納容器１２は、上下方向に伸びる金属製の略円筒状をなすものであり、そのコンクリート製の底壁１４の上面には、コンクリート製で円筒状をなす原子炉遮蔽壁１５が取り付けられている。原子炉格納容器１２には、原子炉圧力容器１６が収納されている。原子炉圧力容器１６の上端部は、上蓋１６ａにより開閉される。

原子炉建家１０の上部には、天井走行クレーン（懸吊手段）１７が配置されている。天井走行クレーン１７は、図１２において左右方向と紙面と直交する方向に移動可能なワイヤ（懸吊部材）１７ａ，１７ｂを備えている。ワイヤ１７ａには、実施形態の溶融燃料取出装置２０が吊り
下げられている。また、ワイヤ１７ｂには、使用済み核燃料を収容した燃料集合体１００が吊り下げられ、使用済み核燃料プール１８に貯蔵される。

２．溶融燃料取出装置の基本的構成
次に、実施形態の溶融燃料取出装置２０について詳細に説明する。図５は溶融燃料取出装置２０を示す側断面図であり、図中符号２１は基台である。基台２１は、リング状をなす基台本体２２と、基台本体２２の内側に上下方向の軸線回りに回転自在に支持された回転プラグ（回転部）２３とを備えている。基台本体２２の上面には、内歯ギヤ２４が取り付けられている。一方、回転プラグ２３の上面にはブラケット２５が取り付けられ、ブラケット２５には出力軸を下方へ向けたモータ２６が取り付けられている。モータ２６の出力軸にはギヤ２７が取り付けられ、ギヤ２７は内歯ギヤ２４と噛み合っている。

回転プラグ２３の中心から半径方向へ偏心した位置には、上下方向に貫通する孔２３ａが形成され、孔２３ａには、スリーブ２８が上下方向へ摺動自在に挿入されている。スリーブ２８の上端部にはスライダ２９が取り付けられ、スライダ２９は、図示しない支持機構によって上下方向に摺動自在に支持されている。なお、図５の平面図である図８ではスライダ２９の図示を省略している。

スリーブ２８には、シャフト（支柱）３０が回転自在に挿入されている。シャフト３０の上端部にはギヤ３１が取り付けられている。一方、スライダ２９には、出力軸を下方に向けたモータ３２が取り付けられ、モータ３２の出力軸には、ギヤ３１と噛み合うギヤ３３が取り付けられている。また、回転プラグ２３の上面には、出力軸を水平方向に向けたモータ３４が取り付けられ、モータ３４の出力軸にはギヤ３５が取り付けられている。一方、スリーブ２８の外周面の一部には、ギヤ３５と噛み合うラック（図示略）が形成されている。以上の構成のもとに、モータ３４を回転させることでシャフト３０と共にスリーブ２８が上下方向へ移動し、モータ３２を回転させることでシャフト３０が回転する。

基台本体２２の側面には、円周方向に等間隔に複数（この実施例では４つ）の凹部３６が形成され、凹部３６には、振れ止めアーム（振れ止め手段）３７が軸３７ａによって回転自在に支持されている。振れ止めアーム３７は、油圧やモータなどの適宜な手段により、軸３７ａを中心に回動させられ、その先端が原子炉圧力容器１６の内周面に当接することにより、基台２１の半径方向（望ましくは上下方向も）の位置を固定する。そして、図５に示す状態から上下に並んだ振れ止めアーム３７が開くように回動することで、基台２１は移動可能となる。

シャフト３０の下端部にはオフセットアーム（アーム）３８が取り付けられている。このオフセットアーム３８には、後に詳述する各種の作業を行う作業ユニットが取り付けられる。また、図８〜図１０において符号３９は、後述する粉砕物の捕集用のバスケットを出し入れするための取り出し孔である。

３．溶融燃料取出装置の基本的動作
図１および図５を参照して溶融燃料取出装置２０の基本的動作について説明する。溶融燃料取出装置２０は、図１に示すように天井走行クレーン１７のワイヤ１７ａに吊されて原子炉圧力容器１６内に挿入される。そして、溶融燃料取出装置２０が作業する位置まで降下したら停止させ、
振れ止めアーム３７の先端を原子炉圧力容器１６の内周面側へ突出させて溶融燃料取出装置２０の位置を固定する。

次に、図５に示すモータ２６を回転させて回転プラグ２３を回転させ、また、モータ３２を回転させてシャフト３０を回転させ、オフセットアーム３８に設けた種々の作業ユニットの水平方向の位置を決める。次いで、モータ３４を回転させてスリーブ２８を上下させ、作業ユニットの上下方向の位置を決める。以上の動作は、作業ユニットが作業を行っている間も行う。シャフト３０のオフセット長さとオフセットアーム３８の長さは、オフセットアーム３８の先端部が原子炉圧力容器１６内の水平方向の任意の位置に移動できるように設定されている。以下、各作業ユニットについて詳述する。

４．作業ユニットの構成
（１）粉砕吸引ユニット
図９〜図１１、図１８〜図２０は、粉砕吸引ユニット（粉砕手段、吸引手段）４０を示す図である。図において符号４１は支柱であり、支柱４１はオフセットアーム３８の先端下面に取り付けられて下方へ向けて伸びている。支柱４１にはブラケット４２が取り付けられている。ブラケット４２には、第１鉛直管（鉛直部）４３と第２鉛直管（鉛直部）４４が互いに平行に取り付けられている。第１鉛直管４３と第２鉛直管４４の上端部は、側面視で円弧状をなす湾曲管（湾曲部）４５によって接続されている。この湾曲管４５は、第１鉛直管４３の上端開口部に軸４５ａによって回動自在に支持されている。

第２鉛直管４４の下端内部には、吸引ポンプ４６が配置されている。吸引ポンプ４６の上方には、バスケット（粉砕物捕集手段）４７が収容されている。バスケット４７は、小さな粉砕物も捕集できるように、網目が例えば１ｍｍ以下とされている。また、湾曲管４５には、バスケット４７の上方に位置して中性子吸収材ホッパ（中性子吸収材供給手段）５０が配置されている。中性子吸収材ホッパ５０は、内部に中性子吸収材５１が充填され、バルブ５２を開閉することによって所望の量の中性子吸収材５１をバスケット４７に供給するようになっている。

第１鉛直管４３の下端内部には、削岩機（粉砕手段）６０が取り付けられている。削岩機６０の本体６１は、軸６２によって第１鉛直管４３に回動可能に支持されている。これにより、削岩機６０のドライバ６２は、図１９に示すように揺動可能とされ、溶融燃料をドライバ６２の先端が揺動する幅で粉砕できるようになっている。なお、第２鉛直管４４の下面に、削岩機６０の周辺を撮影するＣＣＤカメラ等の撮影手段を設けると好適である。

以上の構成の粉砕吸引ユニット４０においては、吸引ポンプ４６を運転しながら削岩機６０によって溶融燃料を粉砕すると、粉砕物Ｆは原子炉圧力容器１６内の水とともに第１鉛直管４３、湾曲管４５、第２鉛直管４４へと流通し、バスケット４７で捕集される。この場合、オフセットアーム３８を回動させるとともに回転プラグ２３を回転させ、さらに、オフセットアーム３８を上下に移動させて溶融燃料を満遍なく粉砕および吸引する。その間、中性子吸収材ホッパ５０から中性子吸収材５１をバスケット４７へ供給し、粉砕物Ｆ（図２０に示す）と適度な比率で混合する。これにより、溶融燃料による再臨界の発生が防止される。

次に、バスケット４７が粉砕物Ｆで満たされると、削岩機６０による溶融燃料の粉砕を停止する。図９は図５のIX−IX線断面図であり、図１０および図１１は、オフセットアーム３８、粉砕吸引ユニット４０、および回転プラグ２３に設けた取り出し孔３９との位置関係を示す図である。溶融燃料の粉砕と粉砕物Ｆの捕集を行っている間は、粉砕吸引ユニット４０は図１０に示す位置にある。その状態からオフセットアーム３８を時計回りの方向へ回動させ、図１１に示すように、粉砕吸引ユニット４０の第２鉛直管４４を取り出し孔３９の下方に位置させる。

次いで、図２０に示すように、湾曲管４５を軸４５ａを中心として時計回りの方向へ回動させる。これにより第２鉛直管４４の上端部が開放され、天井走行クレーン１７のワイヤ１７ｂを降ろして下端部のフック１７ｃをバスケット４７の上端部に係合させる。そして、ワイヤ１７ｂを上昇させてバスケット４７を取り出し、所定の場所に貯蔵する。次いで、ワイヤ１７ｂにより空のバスケット４７を第２鉛直管４４に収容する。そして、オフセットアーム３８を反時計回りの方向へ回動させて削岩機６０を適宜な位置まで移動させ、溶融燃料の粉砕と粉砕物Ｆの捕集を再開する。

取り出したバスケット４７は、図２３に示す粉砕物貯蔵ラック（収容手段）９０に縦に積載して収容する。粉砕物貯蔵ラック９０は、箱状のラック本体９１と、ラック本体９１の上端開口にヒンジ結合した上蓋９２と、上蓋９２に取り付けたフック９３とを備えている。粉砕物貯蔵ラック９０の外形寸法は、図２４に示す燃料集合体１００の外形寸法と同一か僅かに小さく設定されている。そして、使用済み核燃料プール１８に燃料集合体１００が仕切り１０１を介して配列されるのと同様にして、粉砕物Ｆを貯蔵した粉砕物貯蔵ラック９０は核燃料プール１８に貯蔵される。

（２）切断ユニット
図６は切断ユニット（切断手段）７０を示す図である。切断ユニット７０は、それ専用の基台２１に設けることもできるが、上記粉砕吸引ユニット４０に対して円周方向へ離間した位置に配置すると基台２１を交換する手間を省略することができる。すなわち、図５に示すシャフト３０から円周方向へ離間した箇所に同等のシャフト３０を配置し、シャフト３０の下端部にオフセットアーム３８を取り付けてそこに切断ユニット７０を取り付ける。

図６に示すように、オフセットアーム３８の下面には、ブラケット７１が取り付けられ、ブラケット７１には、切断機（切断手段）７２が軸７３によって上下方向に回動可能に支持されている。切断機７２としては、例えばレーザ切断機やウォータジェット切断機などの公知の切断機が用いられる。そして、オフセットアーム３８と切断機７２を回動させることにより、原子炉圧力容器１６内の構造物や底壁等を切断する。なお、本ブラケット７１に、切断すべき対象物を撮影するＣＣＤカメラ等の撮影手段を設けると好適である。

（３）把持ユニット
図７は把持ユニット（把持手段）８０を示す図である。把持ユニット８０は、切断ユニット７０で切断された構造物のように、粉砕吸引ユニット４０で粉砕および吸引されない粗大な残骸を把持して吊り上げ、原子炉圧力容器１６の外部に取り出すものである。把持ユニット８０は、それ専用の基台２１に設けることもできるが、上記粉砕吸引ユニット４０に対して円周方向へ離間した位置に配置すると基台２１を交換する手間を省略することができる。すなわち、図５に示すシャフト３０から円周方向へ離間した箇所に同等のシャフト３０を配置し、シャフト３０の下端部にオフセットアーム３８を取り付けてそこに把持ユニット８０を取り付ける。

把持ユニット８０は、オフセットアーム３８に取り付けられた本体８１と爪８２とを備えている。本体８１は、オフセットアーム３８に対して回転可能でオフセットアーム３８の長手方向へ移動可能とされ、爪８２を開閉する駆動機構を備えている。なお、本体８１の下面中央部に、把持すべき対象物を撮影するＣＣＤカメラ等の撮影手段を設けると好適である。

５．一連の動作
次に、図１２〜図１７を参照して溶融燃料を取り出す一連の動作について説明する。図１２は、被覆管や燃料が溶けて崩れ落ちた溶融燃料Ｆ１が原子炉圧力容器１６の底部に堆積するとともに、溶融燃料Ｆ１の熱により原子炉圧力容器１６の底壁が溶けて落下した溶融燃料Ｆ２が原子炉格納容器１２の底壁１４に堆積した状態を示している。

上記の状態で、天井走行クレーン１７のワイヤ１７ａに吊り下げた溶融燃料取出装置２０を原子炉圧力容器１６内で降下させる。溶融燃料Ｆ１まで行く間に原子炉圧力容器１６の構造物が内側に突出して溶融燃料取出装置２０の降下に支障を来す場合には、構造物を切断ユニット７０により切断する。

次に、図１３に示すように、粉砕吸引ユニット４０を溶融燃料Ｆ１に接近させた状態で溶融燃料取出装置２０を停止させ、その位置を固定する。そして、粉砕吸引ユニット４０により溶融燃料Ｆ１を粉砕しながら粉砕物を吸引する。その際には、粉砕吸引ユニット４０を水平方向および上下方向へ移動させ、溶融燃料Ｆ１を満遍なく粉砕および吸引する。

溶融燃料Ｆ１の粉砕と吸引が概ね終了したら、図１４に示すように、切断ユニット７０により原子炉圧力容器１６の底壁を切断する。これにより、底壁は落下し、図１５に示すように、原子炉遮蔽壁１５内で溶融燃料Ｆ２の上に堆積し、粗大な残骸Ｄとなる。残骸Ｄは把持ユニット８０によって把持し、天井走行クレーン１７で吊り下げて原子炉圧力容器１６から取り出す。取り出した残骸Ｄは、原子炉建家１０内の所定の場所に貯蔵する。

次いで、図１６に示すように、溶融燃料取出装置２０を原子炉遮蔽壁１５の内側へ降下させ、粉砕吸引ユニット４０を溶融燃料Ｆ２に接近させた状態で溶融燃料取出装置２０を停止させ、その位置を固定する。そして、粉砕吸引ユニット４０により溶融燃料Ｆ２を粉砕しながら粉砕物を吸引する。この場合にも粉砕吸引ユニット４０を水平方向および上下方向へ移動させ、溶融燃料Ｆ１を満遍なく粉砕および吸引する。

上記構成の溶融燃料取出装置２０にあっては、原子炉圧力容器１６の底壁および原子炉格納容器１２の底壁１４に溜まった溶融燃料Ｆ１，Ｆ２を遠隔操作により安全に取り出すことができる。特に、上記実施形態では、バスケット４７に捕集した粉砕物には中性子吸収材が混合され、粉砕物を貯蔵したバスケット４７は使用済み核燃料と同じ条件で使用済み核燃料貯蔵プールに貯蔵されるので、溶融燃料取出し時およびその後の保管時の臨界安全性を確保することができる。

６．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。たとえば、図１７に示すように、シャフト３０を充分に長くすることにより、溶融燃料取出装置２０を原子炉圧力容器１６内の下端部に固定しておき、粉砕吸引ユニット４０等を原子炉遮蔽壁１５内の溶融燃料Ｆ２まで降下させるように構成することができる。

図２１および図２２は粉砕吸引ユニット４０の変形例を示すものである。これらの図において符号５５はドラムであり、第２鉛直管４４を横切るように配置されている。ドラム５５は円柱状をなし、その中心線を貫通し第２鉛直管４４の外周面に沿って配置された軸５６により回転可能に構成されている。ドラム５５には、複数（この変形例では２つ）の穴５７が円周方向に等間隔に形成されている。そして、穴５７にはバスケット４７が収容されている。一方のバスケット４７は第２鉛直管４４の真上に位置し、他方のバスケットは外に出ている。

上記変形例においては、バスケット４７への粉砕物Ｆの捕集が完了したらドラム５５を回転させてそのバスケット４７を第２鉛直管４４から離脱させて他方のバスケット４７を第２鉛直管４４の真上に移動させる。そして、他方のバスケット４７に粉砕物Ｆを捕集している間に、外に出ているバスケット４７をワイヤ１７ｂで吊り上げて取り出す。したがって、作業を中断することなく溶融燃料の粉砕と粉砕物の捕集を続けることができる。

なお、中性子吸収材としては、ボロンおよびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類を他の金属粉末および／またはセラミックの粉末と混合して１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさの塊状に成形し、次いで焼結してボロンの見かけの原子数密度を５０％以上としたものが好適である。

ここで、「見かけの原子数密度」とは、中性子吸収材を構成する物質全体の原子の数を分母としたときのボロンの原子数の割合をいう。中性子吸収材としての機能を確保するために、ボロンの見かけの原子数密度は５０％以上必要である。

中性子吸収材の大きさは、原子炉圧力容器および格納容器内の水中で粉砕し捕集した溶融燃料に混入させることから、水中に中性子吸収材が滞留しても視界を妨げない程度の大きさであり、かつ、保管の段階で仮に水が失われても、水とともに流出しない程度の大きさが必要であることから１ｍｍ以上は必要である。一方、中性子吸収材の大きさが２００ｍｍを超えると、中性子吸収材の中心部分のボロンに対してはその外側のボロンによる遮蔽のために中性子が到達しにくくなる現象（自己遮蔽効果）が生じるため、中性子吸収材の重量当たりの中性子吸収性能は低下する。粉砕した溶融燃料は大きさが数ｍｍから数ｃｍ程度の破片と予想されるため、これらの破片を捕集する際に、同程度の大きさの中性子吸収材を適量混入することが望ましいことから、中性子吸収材の大きさは５〜２０ｍｍが望ましい。

中性子吸収材の形状については特に制約はなく、中性子吸収性能については、上述の自己遮蔽効果が問題とならないような大きさである限り、ボロンの含有量（原子数密度）にほぼ依存し、その形状とは無関係である。しかしながら、鋭角的な形状ではその一部が微少な破片となって原子炉圧力容器および格納容器内の水に混入して視界を妨げる恐れがある。以上の観点から、中性子吸収材の形状は、球、円柱、立方体またはこれらに近い形状が望ましい。また中性子吸収材は、原子炉圧力容器および格納容器内の水中にて、粉砕し捕集した溶融燃料に混入させるため、当然ながら遠隔操作機器により供給と混入を行う必要がある。この観点からは球またはそれに近い形状が最適である。

このような形状とすることは容易である。すなわち上記の中性子吸収材は焼結されて製造されるため、球に近い形状とする場合は、仮焼結した円柱、立方体またはこれらに近い形状の素材を融点以上に加熱して溶融させることで、表面張力の作用により球形に近い形状が得られる。一方、ボロンまたは炭化ボロン（Ｂ_４Ｃ）、酸化ボロン（Ｂ_２Ｏ_３）または窒化ボロン（ＢＮ）などのボロン化合物粉末を樹脂製のバインダーと混合して成形する方法であれば、球、円柱、立方体またはこれらに近い形状とすることは容易であり、その製造方法は公知である。

また、中性子吸収材は、ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類をバインダーと混合して塊状に成形し、その表面に、金属粉末および／またはセラミック粉末を付着させて１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさとし、次いで焼結してボロンの見かけの原子数密度を５０％以上としてもよい。なお、上記塊状のものの表面に、金属粉末および／またはセラミック粉末をバインダーとともに混合したものを付着させることもできる。

この中性子吸収材は、焼結によりバインダーが蒸発し、金属および／またはセラミックの外殻の中にボロン粉末やボロン化合物の粉末が収容された構成である。この中性子吸収材では、金属やセラミックの材質を適宜選定することにより、耐食性や強度に優れ長期に亘って使用可能である。また、上記中性子吸収材では、ボロン粉末やボロン化合物の粉末をバインダーとともに混合するから成形が容易である。

さらに、中性子吸収材は、ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類をバインダーと混合して塊状に成形し、その表面に、ボロン化合物の粉末を付着させて１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさとし、次いで焼結してボロンの見かけの原子数密度を５０％以上としてもよい。なお、上記塊状のものの表面に、ボロン化合物の粉末をバインダーとともに混合したものを付着させることもできる。

この中性子吸収材は、焼結によりバインダーが蒸発し、ボロンおよび／またはボロン化合物の外殻の中にボロン粉末やボロン化合物の粉末が収容された構成である。この中性子吸収材においても、耐食性や強度に優れ長期に亘って使用可能である。

これらの中性子吸収材は、いずれも所望の量の中性子吸収材５１をバスケット４７に供給して吸引した溶融燃料の粉砕物に混合され、溶融燃料取出し時およびその後の保管時の臨界安全性を確保することができる。

本発明は、炉心溶融を起こした軽水炉に対して、臨界安全性を確保しながら、溶融燃料を取り出し、取り出した溶融燃料を輸送し貯蔵する作業に利用することができる。

１６ 原子炉圧力容器
１２ 原子炉格納容器
１７ 天井走行クレーン（懸吊手段）
１７ａ，１７ｂ ワイヤ（懸吊部材）
１８ 使用済み核燃料プール
２０ 溶融燃料取出装置
２１ 基台
２２ 基台本体
２３ 回転プラグ（回転部）
３０ シャフト（支柱）
３７ 振れ止めアーム（振れ止め手段）
３８ オフセットアーム（アーム）
４０ 粉砕吸引ユニット（粉砕手段、吸引手段）
４３ 第１鉛直管（鉛直部）
４４ 第２鉛直管（鉛直部）
４５ 湾曲管（湾曲部）
４６ 吸引ポンプ
４７ バスケット（粉砕物捕集手段）
５０ 中性子吸収材ホッパ（中性子吸収材供給手段）
５１ 中性子吸収材
６０ 削岩機（粉砕手段）
７０ 切断ユニット（切断手段）
７２ 切断機（切断手段）
８０ 把持ユニット（把持手段）
９０ 粉砕物貯蔵ラック（収容手段）
１００ 燃料集合体
Ｄ 残骸
Ｆ 粉砕物
Ｆ１，Ｆ２ 溶融燃料

Claims (19)

1. 軽水炉の溶融燃料を水中で粉砕する粉砕手段と、
   粉砕した粉砕物を水とともに吸引して粉砕物捕集手段に収容する吸引手段と、
   前記粉砕物捕集手段を捕集位置から移送する移送手段と
   前記粉砕手段、前記粉砕物捕集手段、および前記吸引手段を支持する基台とを備え、
   前記基台は、軽水炉の上部に設けた走行懸吊手段から懸吊部材で懸吊されることにより原子炉圧力容器内の任意の位置に移動可能とされるとともに、前記原子炉圧力容器の内周面側へ進退自在とされて前記内周面に当接することにより該基台の半径方向の位置を固定する複数の振れ止め手段を備えたことを特徴とする溶融燃料取出装置。
2. 前記粉砕物捕集手段に中性子吸収材を供給する中性子吸収材供給手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の溶融燃料取出装置。
3. 前記中性子吸収材が、ボロンおよびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類と他の金属粉末および／またはセラミックの粉末との混合物であり、１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさの塊状をなす焼結体であり、ボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とされたものであることを特徴とする請求項２に記載の溶融燃料取出装置。
4. 前記中性子吸収材が、ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類の塊状のものの表面に、金属粉末および／またはセラミック粉末を付着させた１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさの焼結体であり、ボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とされたものであることを特徴とする請求項２に記載の溶融燃料取出装置。
5. 前記中性子吸収材が、ボロン粉末およびボロン化合物の粉末のうち１種類または数種類の塊状のものの表面に、ボロン化合物の粉末を付着させた１ｍｍ以上２００ｍｍ以下の大きさの焼結体であり、ボロンの見かけの原子数密度を５０％以上とされたものであることを特徴とする請求項２に記載の溶融燃料取出装置。
6. 前記基台は、前記原子炉圧力容器の下方であって原子炉格納容器内に設けられた筒状の原子炉遮蔽壁内の任意の位置に移動可能とされるとともに、前記振れ止め手段により該基台の半径方向の位置が固定されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の溶融燃料取出装置。
7. 前記基台は、軸線回りに回転可能な回転部を備え、前記回転部は、前記軸線から半径方向にずれた位置で前記回転部から下方へ向けて延在し上下方向の軸線回りに回転可能でかつ上下方向へ移動可能な支柱を備え、この支柱の下端部に半径方向へ延在するアームを備え、このアームに、前記粉砕手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の溶融燃料取出装置。
8. 前記アームに、前記吸引手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載の溶融燃料取出装置。
9. 前記吸引手段の内部に、前記粉砕手段として先端が該吸引手段の吸引口から突出する削岩機を設け、この削岩機は、下端部が首を振れるように揺動可能に支持されていることを特徴とする請求項８に記載の溶融燃料取出装置。
10. 前記基台は、軽水炉の上部に設けた走行懸吊手段から懸吊部材で懸吊されることにより原子炉圧力容器内の任意の位置に移動可能とされるとともに、前記原子炉圧力容器の内周面側へ進退自在とされて前記内周面に当接することにより該基台の半径方向の位置を固定する複数の振れ止め手段を備えており、かつ、
    前記基台は、軸線回りに回転可能な回転部を備え、前記回転部は、前記軸線から半径方向にずれた位置で前記回転部から下方へ向けて延在し上下方向の軸線回りに回転可能でかつ上下方向へ移動可能な支柱を備え、この支柱の下端部に半径方向へ延在するアームを備え、このアームに、前記原子炉圧力容器の構造物を水中で切断する切断手段を設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の溶融燃料取出装置。
11. 前記粉砕手段を設けたアームに、前記原子炉圧力容器の構造物を水中で切断する切断手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載の溶融燃料取出装置。
12. 前記基台は、軽水炉の上部に設けた走行懸吊手段から懸吊部材で懸吊されることにより原子炉圧力容器内の任意の位置に移動可能とされるとともに、前記原子炉圧力容器の内周面側へ進退自在とされて前記内周面に当接することにより該基台の半径方向の位置を固定する複数の振れ止め手段を備えており、かつ、
    前記基台は、軸線回りに回転可能な回転部を備え、前記回転部は、前記軸線から半径方向にずれた位置で前記回転部から下方へ向けて延在し上下方向の軸線回りに回転可能でかつ上下方向へ移動可能な支柱を備え、この支柱の下端部に半径方向へ延在するアームを備え、このアームに、前記吸引手段で吸引できない粗大な残骸を把持する把持手段を設けたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の溶融燃料取出装置。
13. 前記吸引手段で吸引できない粗大な残骸を把持する把持手段を設けるとともに、
    前記粉砕手段を設けたアームに、前記原子炉圧力容器の構造物を水中で切断する切断手段を設けたことを特徴とする請求項７に記載の溶融燃料取出装置。
14. 前記吸引手段は、湾曲部を上方へ向けたＵ字状をなす管で構成され、管の前記吸引口と反対側の下端部に吸引ポンプを設け、この吸引ポンプの上方に前記粉砕物捕集手段を設け、この粉砕物捕集手段の上方に、中性子吸収材供給手段を設けたことを特徴とする請求項９に記載の溶融燃料取出装置。
15. 前記管は、前記湾曲部と、該湾曲部と別体に設けられて該湾曲部の両端部から下方へ延在する鉛直部とを備え、前記湾曲部は、一方の前記鉛直部に回動可能に設けられることにより他方の前記鉛直部の上端部を開閉可能とし、前記鉛直部を開放した状態で前記粉砕物捕集手段が前記移送手段により他方の前記鉛直部に出し入れされることを特徴とする請求項１４に記載の溶融燃料取出装置。
16. 前記粉砕物捕集手段は、前記管の前記他方の鉛直部を横切るドラムに該ドラムの円周方向に沿って複数着脱自在に設けられ、前記ドラムは、前記鉛直部の外周面に沿って設けられた回転軸回りに回転可能とされることにより前記粉砕物捕集手段を交換するようにしたことを特徴とする請求項１５に記載の溶融燃料取出装置。
17. 前記基台は、上下方向に貫通する取り出し孔を備え、前記アームを回動させることで前記他方の前記鉛直部が前記取り出し孔の下方に位置し、前記移送手段によって前記粉砕物捕集手段を取り出すようにしたことを特徴とする請求項１５に記載の溶融燃料取出装置。
18. 前記支柱は、前記基台が前記原子炉圧力容器内に存在する状態で下端部が前記原子炉遮蔽壁の内部に挿入される長さを有することを特徴とする請求項７に記載の溶融燃料取出装置。
19. 前記粉砕物捕集手段を縦に積載して収容する収容手段を備え、前記収容手段の外形寸法を燃料集合体の外形寸法と略同一として使用済み核燃料プールに貯蔵可能としたことを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の溶融燃料取出装置。

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