JP6271158B2

JP6271158B2 - 原子炉補機冷却設備

Info

Publication number: JP6271158B2
Application number: JP2013113631A
Authority: JP
Inventors: 亮平渡邉; 浩二安藤; 松浦　正義; 正義松浦
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2033-05-30
Also published as: JP2014232059A

Description

本発明は、原子炉補機冷却設備の機能強化策に関する。

原子炉には、各種の冷却設備が備えられている。このうち工学安全施設は、非常用炉心冷却系（低圧注水系、高圧炉心注水系、原子炉隔離時冷却系、自動減圧系）および原子炉補機冷却系で構成されている。

本発明は、原子炉補機冷却系に関するものであるが、これは非常用炉心冷却系、非常用ディーゼル発電機、残留熱除去系、原子炉常用機器、廃棄物処理系機器等で発生する熱を除去するために設けるものであり、原子炉補機冷却水系及び原子炉補機冷却海水系で構成されている。

至近の原子力発電プラントである改良型沸騰水型原子力プラント（ＡＢＷＲプラント）には、原子炉の安全系としての原子炉補機冷却設備（原子炉補機冷却系）が３系統設置されており、系統単一故障又は、定期検査時にも必ず１系統以上が機能する構成としている。しかし、福島第一原子力発電所事故では、津波により原子炉補機冷却設備の海水ポンプが全て水没し、機能しない事態となった。

その後、福島第一原子力発電所事故を教訓に「東京電力株式会社福島第一原子力発電所事故の技術的知見について（非特許文献１）」が示され、多様性や独立性又は、位置的分散等を考慮することで、安全設備の強化を図り、設計事象を超える事象に対しても、設備が極力機能するように安全裕度の向上が求められている。

「東京電力株式会社福島第一原子力発電所事故の技術的知見について原子力安全・保安院公表、２０１２年３月１２日、Ｐ１３〜２９

原子炉建屋内には、建屋内の補機を冷却する為の冷却設備が設置されており、その構成は、安全性を考え３系統有している。又、この冷却設備は原子炉建屋の最地下階に系統ごとに隔離された部屋の中に設置されており、単一故障時にも他の２系統に影響を与えないよう考慮されている。

しかしながら同一建屋内で且つ、同一階に収納されていること又、本冷却設備の冷却源である海水取水設備は、海側に面しており、その取水方法及びルートともに、３系統とも同一方式を採用している関係上、津波等の事象に対し同じリスクを負うこととなる。

又、福島第一原子力発電所事故後考えられている移動式原子炉補機冷却設備により、冷却系の多様化と言う方法もあるが、移動式原子炉補機冷却設備は常設式に比べ機能を発揮するまでに時間を要することとなる。

発明では、原子炉補機冷却設備の多様化や独立化及び位置的分散を図るとともに津波襲来直後からでも運用可能な原子炉補機冷却設備を提供する事にある。

以上のことから本発明においては、冷却水と海水の熱交換を行い、原子炉停止時に海水により冷却された冷却水を原子炉補機に供給する原子炉補機冷却系であって、冷却水と第１の冷却水取水口から取り込んだ海水の熱交換を行う第１の海水熱交換器を含む第１の原子炉補機冷却系統と、第２の冷却水取水口から取り込んだ海水を、冷却水導水路を介して冷却水槽に備蓄し、備蓄した海水と冷却水との熱交換を行う第２の海水熱交換器を含む第２の原子炉補機冷却系統とを備え、第１の原子炉補機冷却系統が不動作であるときに第２の原子炉補機冷却系統により冷却水を原子炉補機に供給することを特徴とする。

既設原子炉冷却設備の海水系取水方式との差別化を図り、海水ポンプ、原子炉補機冷却用熱交換器、補機冷却水循環ポンプの多様化や独立化及び位置的分散を可能とする。

ハザード対策建屋内に設置した冷却水槽及び冷却水導水路の例を示す図。原子力発電所内の主要な建屋配置を示す図。ハザード対策建屋の縦断面を示す図。ハザード対策建屋の地上部設備構成例を示す図。ハザード対策建屋の地下部設備構成例を示す図。原子炉補機冷却系の具体的な構成事例を示す図。ハザード対策建屋内の設備と、原子炉補機冷却系の設備の接続関係を示す図。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

図２は、原子力発電所内の主要な建屋配置を示す図である。このうち５０は原子炉建屋であり、原子炉本体や、原子炉の運転に必要な各系統の機器（ポンプ、冷凍機、熱交換器等）を収納している。図示の例では、原子炉Ｒと出力調整用の再循環ポンプ５０１、主蒸気系統５０２、給水系統５０６、原子炉停止時における原子炉冷却系統５０３、原子炉冷却系統５０３の途中に設けられ単水同士で熱交換を行う第１の熱交換器５０４（単水熱交換器）、単水の導管路５０５などを記述している。

ここで、原子炉冷却系統５０３は例えば残留熱除去系であり、第１の熱交換器５０４（単水熱交換器）は残留熱除去系熱交換器である。これらは原子炉補機冷却系の対象設備（原子炉補機）の一つを例示している。またこれらの部分で取り扱うのは単水の冷却水であり、原子炉補機冷却系における原子炉補機冷却水系に関わる部分である。

５６はタービン建屋であり、主蒸気系統５０２からの蒸気で駆動されるタービンＴ、発電機Ｇ、タービンＴで仕事をした後の蒸気を水に戻す復水器Ｗ、復水を給水として原子炉Ｒに戻す給水系統５０６などを収納している。

５１は海水熱交換器建屋であり、この中に収納した第２の熱交換器５１１（海水熱交換器）において、第１の冷却水取水口５２から取り込んだ海水と導管路５０５内の単水との熱交換を行う。これにより、原子炉停止時における原子炉で生じた発熱は、原子炉冷却系統５０３の途中に設けられた第１の熱交換器５０４、導管路５０５、第２の熱交換器５１１を介して海水に放出される。同時に原子炉内が冷却されている。

ここで第２の熱交換器５１１は、海水と導管路５０５内の単水との熱交換を行うものであるが、先にも述べたように単水側は原子炉補機冷却系における原子炉補機冷却水系に関わる部分である。これに対し、海水側は原子炉補機冷却系における原子炉補機冷却海水系に関わる部分であるといえる。

その他、５３はコントロール建屋、５４はサービス建屋、５７は放射性廃棄物処理建屋などである。上記した建屋内には各種目的の補機などが収納され、別途外部電源などからの給電を受けて、初期の目的を達成すべく機能している。なお原子炉補機冷却系には、廃棄物処理系機器等で発生する熱を除去する機能も備えているが、廃棄物処理系機器等は放射性廃棄物処理建屋５７に収納されている。

図６は、原子炉補機冷却系の具体的な構成事例を示している。原子炉補機冷却系ＡＸは３重系構成とされているので、ＡＸ１を例にとりその構成を説明する。原子炉補機冷却系ＡＸにおける冷却対象補機は、非常用炉心冷却系、非常用ディーゼル発電機、残留熱除去系、原子炉常用機器、廃棄物処理系機器等であるが、ここでは残留熱除去系の熱交換器として第１の熱交換器５０４、非常用ディーゼル発電機１１１、残留熱除去系および高圧炉心注水系補機等１１２、原子炉建物内補機および廃棄物処理系機器等１１３を例示している。

これらの冷却対象補機で発生した熱は、原子炉補機冷却水ポンプＰ１を介して第２の熱交換器５１１に導かれ、海水により冷却される。第２の熱交換器５１１には、原子炉補機冷却海水ポンプＰ２を介して海水が導入されている。このように原子炉補機冷却系は、単水を取り扱う原子炉補機冷却水系及び海水を取り扱う原子炉補機冷却海水系で構成されている。

このように原子炉補機冷却系は３重系構成とされ、異常発生時にも対応可能なように構成されているが、地震などにより原子炉が停止し、かつ外部電源などを喪失した過酷状態では、これらの補機を運用継続することができない事態が想定される。図６の例で言うと、原子炉補機冷却水ポンプＰ１や原子炉補機冷却海水ポンプＰ２を駆動することができない、原子炉補機冷却に必要な十分な量の単水や海水を確保できないということになる。

図２に戻り、ハザード対策建屋１は係る状態においても原子力発電所の安全上、最低限の運転を確保する目的で設置されている。図２のハザード対策建屋１には、第２の冷却水取水口２１、冷却水導水路２２を介して海水が冷却水として取り込まれ、備蓄されている。なお、冷却水取水口２１及び冷却水導水路２２は、本来の原子炉補機冷却水源である海水熱交換器建屋５１の取水口５２とは完全に別ルートとされている。またハザード対策建屋１は、岩着暗渠５５に接続されており、作業員は岩着暗渠５５を介して他の建屋と行き来することが可能である。

図３は、ハザード対策建屋１の縦断面図を示している。ハザード対策建屋１は、外部事象に耐え内部設備の健全性を確保するため、又、内部で発生した事象が外部へ拡大する事を防ぐため強固な壁であるハザード対策建屋躯体２により構成されている。また、各外壁開口部には水密シャッター３、水密及び物的防護ドアーにより平常時及び内部・外部事象の治まる時点まで完全に隔離された状態を保ち、内部・外部事象が治まった時点で早期に内部の収納設備が機能出来る環境を作る。

この様な図３のハザード対策建屋１は、地上部と地下部の多層構造とされており、例えば地上部分のＡ−Ａ断面の構成を図４に、地下部分のＢ−Ｂ断面の構成を図５に例示している。なお図３には地上部設備として冷却水ポンプ５、地下設備として冷却水導水路２２および冷却水槽２２が例示されている。

図４の地上部構成例において、ハザード対策建屋１内は適宜躯体により各室に分離されている。その主なものは、海水用冷却水ポンプ５Ａ、単水用冷却水ポンプ５Ｂ、原子炉補機冷却熱交換器６、冷却水循環ポンプ７などを収納する冷却用補機収納エリア１０１、非常時用ディーゼル発電機３０、バッテリー３１を収納する電源エリア１０２、所内用空調機を収納する空調エリア１０３、災害時制御盤３２を収納する制御室、端末を配置した連絡情報室２５、会議室などの制御エリア１０４、注水車もしくは熱交換器を搭載する移動用熱交換車３３、原子炉建屋内の配電盤等に電気を供給する電源車３４を待機させておく車両エリア１０５などで構成されている。なお、ハザード対策建屋１の各外壁開口部には水密シャッター３、水密及び物的防護ドアー４により平常時及び内部・外部事象の治まる時点まで完全に隔離された状態を保つことができる。

またハザード対策建屋１では、冷却用補機収納エリア１０１の海水用冷却水ポンプ５Ａの収納室に隣接して冷却水導水路２２が導かれている。ハザード対策建屋１と冷却水導水路２２の配置関係については、図１を用いて後述する。

図５に示す地下部構成例において、この殆どはタンク（冷却水槽２３）である。タンクは、海水を導入する冷却水導水路２２に接続された海水タンクＴ１と、非常時用ディーゼル発電機３０の燃料を蓄えておく燃料タンクＴ２と、単水を蓄えておく単水タンクＴ３で構成されている。従って、殆どのタンクは単水タンクＴ３であり、単水タンクＴ３間は連通管１１０により連通されている。

なお、図４の地上設備と対比して明らかなように、海水タンクＴ１には冷却水導水路２２から海水が導入されて備蓄されており、海水タンクＴ１内の海水は海水用冷却水ポンプ５Ａにより、外部に取り出すことができる。また単水タンクＴ３内に備蓄された単水は、単水用冷却水ポンプ５Ｂにより、外部に取り出すことができる。

ハザード対策建屋１内の設備と、図６の原子炉補機冷却系の設備の接続関係を図７に示している。ハザード対策建屋１内の設備は、３重系構成の原子炉補機冷却系ＡＸのうちの原子炉補機冷却系ＡＸ１にのみ接続される。これによれば単水タンクＴ３内に備蓄された単水は単水用冷却水ポンプ５Ｂにより原子炉補機冷却熱交換器６に送られ、熱交換の後原子炉補機に供給される。また原子炉補機冷却熱交換器６には海水タンクＴ１内に備蓄された海水が供給されており、単水との熱交換を行うように構成されている。

これにより原子炉停止、電源喪失などの過酷状態には、３重系構成の原子炉補機冷却系ＡＸに代わって、ハザード対策建屋１内の設備により原子力発電所の最低限の運転を確保する。まず、電源エリア１０２内の非常時用ディーゼル発電機３０あるいはバッテリー３１を用いて、海水用冷却水ポンプ５Ａや単水用冷却水ポンプ５Ｂを起動する。このうち単水用冷却水ポンプ５Ｂにより、単水タンクＴ３内に備蓄された単水を図２の原子炉Ｒに投入し、これを冷却する。

また海水用冷却水ポンプ５Ａにより海水と単水の熱交換を実施し、原子炉内の発熱を外部に除去する。具体的には、上記設備では、地下に設置した冷却水槽２３から、冷却水ポンプ５Ａにより冷却水槽２３の海水を直接地上部の原子炉補機冷却熱交換器６（図４）に送り、原子炉補機冷却熱交換器６で冷却水槽２３の水によって冷却された水を、冷却水循環ポンプ７にて原子炉建屋５０内の補機冷却設備に供給する事により、原子炉補機冷却設備の多様化や独立化及び位置的分散を可能とし、プラント安全性の強化を図るものとする。このように海水用冷却水ポンプ５Ａは、非常時に運転不可能になった海水熱交換器建屋内の第２の熱交換器５１１に代わる機能を実現するために使用される。

このように海水は原子炉停止、電源喪失などの過酷状態では不可欠であるが、津波などの場合を想定すると、津波がひいた後の海水位低下時にも冷却水槽２３内に十分な量の海水を確保する必要がある。このため本発明においては、図１のようにハザード対策建屋内冷却水プール及び冷却水導水路を構成している。図１の実施例では、冷却水取水口２１を海底面２８に設置する。これにより津波の影響を軽減する。

また海底面２８からハザード対策建屋に至るまでの冷却水導水路２２のルートを、図１に示す如く冷却水取水口２１より上り勾配とする。但し、冷却水導水路２２のルートでは、冷却水面（海面）２７レベルまで上げた後、立ち下げ部２９を介して冷却水槽２３に接続する。

これにより、津波による引き潮時も、冷却水槽２３の底部及び冷却水導水路２２の一部に残った冷却水を活用する事が出来、一定時間冷却水を確保する事が可能なる。又、上記に示す冷却水導水路２２で、冷却水槽２３側の低いレベルの部分を長く取ることで、多くの冷却水を確保することが可能となる。なお、冷却水槽２３内のメンテナンス時には、角落し２４を閉める事により海水の流入を阻止し、冷却水槽内の水を抜き出し後、メンテナンスを行うものとする。

なお図２において、ハザード対策建屋１と原子炉建屋５０間は高い耐震性を有する岩着暗渠５５としハザード対策建屋内に設置、原子炉補機冷却設備等の配管・ケーブルのルート及びハザード対策建屋１内の連絡情報室２５や会議エリア２６と原子炉建屋５０及び、コントロール建屋５３やサービス建屋５４との非常用アクセストンネルとして使用する。

１：ハザード対策建屋
３：水密シャッター
４：水密及び物的防護ドアー
５Ａ：海水用冷却水ポンプ
５Ｂ：単水用冷却水ポンプ
６：原子炉補機冷却熱交換器
７：冷却水循環ポンプ
２１：第２の冷却水取水口
２２：冷却水導水路
２３：冷却水槽
２５：連絡情報室
２８：海底面
２７：冷却水面
２９：立ち下げ部
３０：非常時用ディーゼル発電機
３１：バッテリー
３２：災害時制御盤
３３：注水車もしくは熱交換車
３４：電源車
５０：原子炉建屋
５１：海水熱交換器建屋
５２：第１の冷却水取水口
５３：コントロール建屋
５４：サービス建屋
５５：岩着暗渠
５６：タービン建屋
５７：放射性廃棄物処理建屋
１０１：冷却用補機収納エリア
１０２：電源エリア
１０３：空調エリア
１０４：制御エリア
１０５：車両エリア
１１０：連通管
１１１：非常用ディーゼル発電機
１１２：残留熱除去系および高圧炉心注水系補機等
１１３：原子炉建物内補機および廃棄物処理系機器等
ＡＸ：原子炉補機冷却水系
Ｇ：発電機
Ｔ：タービン
Ｔ１：海水タンク
Ｔ２：燃料タンク
Ｔ３：単水タンク
Ｐ：原子炉補機冷却水ポンプ
Ｒ：原子炉
Ｗ：復水器
５０１：出力調整用の再循環ポンプ
５０２：主蒸気系統
５０３：原子炉冷却系統
５０４：第１の熱交換器
５０５：単水の導管路
５０６：給水系統
５１１：第２の熱交換器

Claims

冷却水と海水の熱交換を行い、原子炉停止時に海水により冷却された冷却水を原子炉補機に供給する原子炉補機冷却設備であって、
第1の冷却水と第１の冷却水取水口から取り込んだ第1の海水の熱交換を行う第１の海水熱交換器を含み、前記第1の冷却水を複数の前記原子炉補機に供給する複数の第１の原子炉補機冷却系統と、第２の冷却水取水口から取り込んだ第２の海水を、冷却水導水路を介して海水水槽に備蓄するとともに第２の冷却水を冷却水水槽に備蓄し、備蓄した第２の海水と備蓄した第２の冷却水との熱交換を行う第２の海水熱交換器を含み、前記第２の海水熱交換器において備蓄した前記第２の海水で熱交換した後の前記第２の冷却水を複数の前記原子炉補機の少なくとも１つに供給する第２の原子炉補機冷却系統と、
その地上部分に電源及び前記第２の原子炉補機冷却系統の前記第２の海水熱交換器を配置し、地下部分に前記第２の原子炉補機冷却系統における前記海水水槽と前記冷却水水槽を配置したハザード対策建屋を備え、
前記第１の原子炉補機冷却系統が不動作であるときに、前記電源を用いて前記第２の原子炉補機冷却系統により第２の冷却水を複数の前記原子炉補機の１つに供給することを特徴とする原子炉補機冷却設備。
請求項１に記載の原子炉補機冷却設備において、
前記第２の原子炉補機冷却系統に海水を送るための冷却水導水路は、取水口を海底に設置した上り勾配とされ、かつその一部に立ち下げ部を備えて前記海水水槽に至るように構成されていることを特徴とする原子炉補機冷却設備。
請求項１または請求項２に記載の原子炉補機冷却設備において、
前記ハザード対策建屋内に前記海水水槽、冷却水ポンプ、第２の海水熱交換器、冷却水循環ポンプを含む前記第２の原子炉補機冷却系統の少なくとも１系統分を設置したことを特徴とする原子炉補機冷却設備。
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の原子炉補機冷却設備において、
前記ハザード対策建屋と原子炉建屋間を耐震性の高い岩着暗渠でつなぎ、前記第２の原子炉補機冷却系統の配管を通すとともに、非常時のアクセスルートとすることで、外部環境に係わらず作業員の安全なアクセスルートの確保を図ることを特徴とする原子炉補機冷却設備。