JP6289456B2 - 格納容器と圧力逃がしシステムを備えた原子力設備 - Google Patents

Description

本発明は、格納容器とこの格納容器から引き出され閉鎖弁により閉鎖可能な少なくとも１つの圧力逃がし管とを備え、この管を介して逃がし運転時に閉鎖弁を開いて圧力逃がし流を流すことのできる原子力設備に関する。

原子力発電所の故障および事故状況においては、比較的大量の水素、一酸化炭素並びに蒸気が、コンテインメント、コンフィネメントまたは格納容器とも呼ばれ内部の大気を外部環境から気密に遮蔽している安全容器に解放されることがある。

安全容器の大気内の可燃性ガスの濃縮は、対抗策を講じなければ場合により爆轟を引き起こすような混合物が形成されるほど大きくなる恐れがある。さらに特に冷却回路からの蒸気の解放時には安全容器の設定圧力を上回る過圧が生じ得る。

数多くの原子力発電所では事故状況下での水素の低減やコンテインメントの過圧制限および圧力逃がしのための種々のシステムが既に設置されている。通常はこの種のシステムは互いに無関係に企画され、設計され、運転調整されている。

これに関してはたとえば、ガス流に含まれる水素（Ｈ₂）と酸素（Ｏ₂）を触媒で助成される発熱反応において無炎で水（蒸気）（Ｈ₂Ｏ）に再結合させる触媒要素であって、その構造形態次第では触媒式再結合器とも称されるものが従来技術として挙げられる。同様のものに一酸化炭素（ＣＯ）と酸素（Ｏ₂）を二酸化炭素（ＣＯ₂）に再結合させるものもある。有効なＨ₂／ＣＯ低減および許容できない局所的臨界濃度の回避のために、通常は幾つかの再結合器がコンテインメント全体に分散配置されている。

さらに過圧状態をコンテインメント大気の‐通常はろ過された状態での‐環境への放出により抑制するようにしたいわゆるベンティングシステムも知られている。この場合コンテインメント内に生じている過圧自体によって駆動される受動的システムが優遇されている。しかしコンテインメントから圧力逃がし流を電気的に駆動される送風機などにより能動的に生じさせるかまたは助成する態様もある。

種々の態様に共通していることは、格納容器から引き出される圧力逃がし管が原子力設備の通常運転時には少なくとも１つの閉鎖弁により閉鎖されていることである。所望の圧力逃がしのため閉鎖弁がその都度開かれ、これにより過圧下にあるガス・蒸気混合物はコンテインメントの内部から圧力逃がし管を介して外部に流出することができ、そこで通常は放射能を帯びた液体、粒子およびエアロゾルを回収する目的で数段階のろ過、洗浄および乾燥後に環境に放出される。

一定のシナリオのもとでは大量のＨ₂および／またはＣＯが著しい圧力形成を伴って発生するおそれがあるので、コンテインメントの早期の圧力逃がしが必要とされる。この早期の圧力逃がしのため、コンテインメント内のＨ₂／ＣＯ低減手段はその作用効果をまだ発揮していないことが考えられる。

従って最悪の事例では、ベントガス流またはベンティング流または短くベント流とも呼ばれる圧力逃がし流において蒸気・空気大気中のＨ₂／ＣＯ濃度が点火しやすい状態にあることを前提とする必要がある。このベントガスを適温にしてない導管およびろ過装置に通すと、蒸気の凝縮が生じて可燃性ガスの濃度がさらに上昇‐たとえば倍加‐する。その結果点火しやすいばかりか爆轟のおそれのある混合物が形成され、点火の際に著しい火炎伝播を惹起し、排出・回収装置の機能を損ねて事故発生時に高度に不所望な環境負荷および汚染を引き起こすおそれがある。

ベンティングシステムはそれゆえたとえば始動時の凝縮の回避のため常時加熱されるかまたはコンテインメント内のＨ₂低減が既に行われた後にのみ始動されるように設計されている。コンテインメント内の再結合器システムは従って出力的には、多数の再結合器により早期のＨ₂低減が行われ、これにより多くの仮想事故シナリオにおいて圧力逃がしの開始前に殆どＨ₂の無い大気が得られるように設計されている。付加的に再結合器は従来主として主対流路に配置されている。典型的にはたとえば２０個から１００個以上の大量の再結合器が設けられたが、これは換気回数と呼ばれる１時間当たりのコンテインメント大気の総容量のたとえば０．３〜０．６以上の総合再結合器貫流出力となる。たとえばそれゆえコンテインメント容積が５０，０００〜７０，０００ｍ³の場合１５，０００〜４０，０００ｍ³／ｈ以上の再結合器貫流出力が必要とされる。それにもかかわらず上記の臨界シナリオではＨ₂低減があらゆる場合においてベンティングの開始前に適時に行われることは保証されていない。

本発明の課題は、水素および／または一酸化炭素の解放と同時に格納容器内の著しい圧力上昇が生じるような臨界シナリオを特に確実に統治するように設計された原子力設備を提供することにある。この場合特に、格納容器から引き出される圧力逃がし管およびこれに接続された機器および補助システムに急速な爆燃や爆轟をすら引き起こしかねないような爆発性ガス混合物の発生または堆積に対処する必要がある。

この課題は本発明によれば請求項１の特徴により解決される。

これによれば、各圧力逃がし管の入口側に格納容器内にあるガス流処理装置が前置接続され、この装置は、側面が外套面で囲まれ下側の流入開口と上側の流入出開口を備えた煙突状の流路を有しており、下側流入開口の上側またはその範囲に流路内の水素および／または一酸化炭素を低減するための触媒要素の第１のグループが配置され、圧力逃がし管が触媒要素の第１グループの上側で、かつ上側流入出開口の下側の外套面に配置された導入口を有し、水素および／または一酸化炭素が格納容器内に解放される臨界的故障または事故時には、逃がし運転に先行する対流運転においては閉鎖弁が閉じられた状態で流路が自然対流の原理で下から上へ格納容器内にあるガス混合物で貫流され、逃がし運転においては、ガス混合物が強制過流の原理で下からおよび好適には上からも流路に流入し、圧力逃がし流として圧力逃がし管から流出するようにされる。

この場合ガス流およびガス混合物という用語にはその中に著しい蒸気または液体成分を含有する事例も含まれており、したがって簡単に言えばガス・蒸気混合物または液体流などの一般的事例が含まれる。この言い回しは以下の明細書の記載にも当てはまる。閉鎖弁という用語は各種の閉鎖機構を代表するものである。

本発明は、圧力逃がし管およびこれに接続されている機器内における爆発性のガス混合物の発生または集積をできるだけ初期のうちに徹底的に回避すべきであるという考察から出発している。この場合これらのシステムコンポーネント内における凝縮物の形成に対抗するための故障しやすくまた装置に経費を要する加熱手段をできるだけ用いないようにするため、圧力逃がし管の導入口範囲において既に相応して低いＨ₂およびＣＯ濃度が圧力逃がし流（ベントガス流）内をしかもできるだけ逃がし運転の初期段階で支配すべきである。これは、水素および／または一酸化炭素の触媒的低減用に設計された再結合器、特にいわゆる受動的自動触媒式再結合器（ＰＡＲ）を上述のように圧力逃がし管の取り入れ口とも呼ばれる導入口の直前に設置することにより、驚くほど簡単に達成される。

圧力逃がし管の導入口の前の流路の配置および形状設定によりこの場合２つの異なる運転モードおよびこれらのモード間の移行が特に合目的的に助成される。すなわち逃がし運転の直前の運転期間では、すなわち圧力逃がし管がまだ閉じられているときには‐煙道によりおよび下側の煙突端部で発熱再結合反応により高められた触媒温度により駆動されて‐Ｈ₂／ＣＯ濃度の上昇とともに下から上へ向かう自然対流が流路内に生じる。これにより再結合器はある程度まで以後の逃がし運転に適した運転温度に予熱される。さらに対流により設置ゾーン内の大気の循環が‐したがってまた局所的なＨ₂の低減が‐助成される。逃がし運転は圧力逃がし管の閉鎖弁を開くことにより開始される。コンテインメント内室から外部環境へ向かって生じる圧力勾配によりコンテインメント内にあるガス混合物は典型的には煙突の両端部から一種の強制過流の形で‐すなわち上からも下からも‐流路に流れ込み、そこから圧力逃がし管に入る。この際煙突の側方の外周面はコンテインメント内を上から斜めにまたは水平に流れるＨ₂／ＣＯ濃度の高い「下降気流」に対する障壁となり、この気流が圧力逃がし管の導入口へ直接入ることが妨げられる。

特殊な設計例では、逃がし運転における流れ比は、煙突状流路の上方の流入開口が開いているにも拘わらず上側範囲に生じるせき止め圧により圧力逃がし管への流入がほぼ下側からのみ下側の流入開口を介して行われるようにバランスをとることができよう。一般にはしかし逃がし運転では成分は両端部から圧力逃がし管へ流入する。

全体として上述の手段により受動的および自動的に‐すなわち外部エネルギーもしくは電気的補助エネルギーの供給なしにおよび高価な調整手段を用いることなしに‐格納容器からのガスの突然の取り入れおよび解放に際して、また過渡的な始動期間中にも、圧力逃がし管およびこれに接続される回収および洗浄装置内の爆発性ガスの臨界濃度は確実に回避される。取り入れに起因する煙突状流路内の対流運転から強制過流運転への自然発生的な流れ変化は触媒の作用に何らの影響ももはや与えない。なぜなら煙突中の触媒は前段運転期間中に予定された出力運転により既に最適運転温度にあるからである。

本発明による構想の第１の有利な実施態様では、圧力逃がし管の導入口の上側および流路の上側流入出開口の下側またはその範囲に流路内の水素および／または一酸化炭素を低減するための触媒要素の第２のグループが配置される。換言すれば触媒要素のもう１つのゾーンがコンテインメント大気取り入れ口の上側に上側の煙突出口の近くに配置される。これにより強制過流による逃がし運転時に、両側から‐上からもおよび下からも‐煙突内に流入するガスが圧力逃がし管に入る前にそれぞれ対応する触媒式再結合器による処理を受けることになり、点火性成分の特に効果的な低減が保証される。さらにこのような配置は、先行する対流運転における対流の強化およびガス流処理装置における特に効果的なＨ₂／ＣＯの低減（少ない漏れ率）を生じる。

第２の有利な実施態様では圧力逃がし管に貫流制限手段が設けられ、この手段は触媒式再結合器の再結合能力に関して、逃がし運転中に水素および／または一酸化炭素の濃度が圧力逃がし管の導入口の範囲で流路の下側の流入開口の範囲における濃度の５０％以下、好適には３０％以下になるように調整される。代替的に流路の上側の流入出開口における濃度も基準値として使用できるが、近似的には、約１〜２ｍの流路の有利な拡張高さにおいては両濃度がほぼ同じ値であるか殆ど差がないことから出発すべきである。

この第２の実施態様は第１の実施態様と組み合わせることができるが、この第２の実施態様は、流路の上端に付加的な再結合器を設けない場合に対しても、逃がし運転時にＨ₂／ＣＯに富んだ環境大気の過度の逆吸込み／逆流が流路の上側の流入出開口を介して圧力逃がし管の導入口に生じるのを回避するのにまさに好適である。

ベントガスのＨ₂／ＣＯ濃度を初期濃度の５０％以下、好適には３０％以下に大幅に低減することは、格納容器の外側に置かれた冷状態のろ過・洗浄装置の起動時においても、蒸気凝縮により臨界的Ｈ₂／ＣＯ濃度が生じてろ過・洗浄装置のシステム機能を阻害することを回避する。これは起動時において、また連続運転時にも、爆発を回避する上で重要な意義を有する。

前述の設計原理に合わせて、逃がし運転時に圧力逃がし管内の流量が対流運転時の流路内の流量の最大１００％、有利には８０％以下になるように、貫流制限手段を調整し、流路の形状を選定すると有利である。このような手段もまた、さもなかったら再結合能力の最大値を上回るような触媒の洗流により生じるおそれのあるＨ₂／ＣＯに富んだ環境大気の圧力逃がし管への逆流を回避するのに役立つ。

別の有利な実施態様では既述の理由から、逃がし運転時の触媒要素もしくは再結合器の洗流速度は５ｍ/ｓ以下、有利には３ｍ/ｓ以下になるように、貫流制限手段が調整され、流路の形状が選定される。

貫流制限のため特に少なくとも１つの絞りを圧力逃がし管に設けることができる。絞りはまた圧力逃がし管の導入口に直接またはその直前に配置することもできる。付加的にまたは代替的に、たとえばろ過装置、洗浄装置、閉鎖弁などの圧力逃がし管に接続される要素または個々の管部分が所望の絞り作用に貢献もしくはこの作用を生じるようにすることもできる。

前置された流路（煙突）内の流れは、上述の設計目標を考慮して、高さ、横断面積、大きさおよび流入出開口の配置などの幾何学的パラメータにより、ならびに流れを案内するもしくは流れに影響を与える組み込み物などによって調整することができる。

その形状および配置が流路における対流並びに強制流に影響を与える組み込み物としては特に、たとえば多数の板状の要素から形成される触媒要素が挙げられる。これらの触媒要素は大気に対して開かれ、主として垂直方向に、ほぼ平行におよび異なる高さに（段階付けて）配置すれば、各要素と要素範囲の間に上昇気流を生じさせるのに有利である。さらに、洗流される要素間の間隔を５ｍｍ以上、高さを間隔の１０倍以上、開口比を５０％以上に調整すれば有利である。この場合開口比とは要素間に自由に貫流可能な横断面積と要素によって全体として覆われる流路の横断面積との比を意味する。別の実施態様では触媒要素は流路の流入出開口に直接またはその傍に配置することができる。煙突状の流路は、円周上に分布され大気に対して開いている触媒ゾーンを備えた導管に類似した形状にすることもできる。この場合多数の流れ的に平行な導管の列を設けることができる。

大気取り入れ口とも呼ばれる圧力逃がし管の導入口は、流路内における触媒再結合器の配置に応じて種々に位置決めすると有利である。たとえば唯一の触媒ゾーンもしくはセクションが深いところにあるときには取り入れ口は流路の下側部分に‐しかし深いところにある触媒セクションの上側に‐設置し、比較的長い上側の流路を通ってＨ₂／ＣＯに富んだガス混合物が流路の上側の流入出開口を介して圧力逃がし管に流入するのを困難にすると有利である。２つの触媒セクション、すなわち深いところにある触媒セクションと高い所にある触媒セクションとを備えた装置では、取り入れ口は流路の中央または下側部分に設置すると有利である。

一般的に運転中は‐発熱反応の結果‐有利には１００℃から９００℃までの常時高められた触媒温度が望まれ、また達成される。有利な実施態様では触媒再結合器は逃がし運転時の運転温度に関しては、流入ガス混合物の水素濃度が７容積％以上のときに点火器として作用するように設計される。すなわち流入ガス混合物の予防的な点火は、Ｈ₂成分の点火可能な濃度がたとえば７〜１０容積％であるときに、触媒要素の高い表面温度‐好適には７００℃以上‐により生じる。予防的点火の利点は、点火およびこれに続く燃焼が比較的コントロールしやすくモード的に一種の爆燃として経過し、爆轟に比して炎の伝播速度および容量変位がわずかであることにある。本来の取り入れシステムへの流入前に触媒要素における点火によりコンテインメント内の可燃ガスの濃度が高い運転期間においてもベントシステムにおける有効な濃度制限が達成され、ベントシステムにおけるすべての運転時において今や安全性が特に確実に保証されることになる。

各ガス流処理装置およびこれに付属するベントガス取り入れ口は格納容器の全高に関して下側３分の１、好適には下側４分の１のところに、すなわち格納容器の主対流路の下側に配置すると有利である。

特に有利なのは、格納容器の全高に関して下側３分の１もしくは下側４分の１のところに配置された圧力逃がし流用の多数‐約５つ以上‐のガス流処理装置、並びに水素および／または一酸化炭素の低減用にその上に配置され圧力逃がし流には直接作用しない補助的な多数の触媒再結合器を設け、直接ベントシステムと協働するガス流処理装置の触媒再結合器が全体として可能全再結合能力の２０％以下を調達するようにすることである。また補助的な触媒再結合器が、格納容器の上側半分に可能全再結合能力の少なくとも７０％を調達するように分布されると有利である。

コインテインメント内に‐特にまた主対流路の外側にある設置空間にも‐ガス流処理装置をこのように設置および分布することにより、有利なことにコンテインメントの高さに亘って生じる水素の堆積の消滅によりベントガス流における水素濃度を格納容器における平均濃度の１/４以下に、最大１/２まで補助的にシステム的に制限することが可能になる。

ガス流処理装置の設置は、主対流路の外側にあるコンテインメントの空間部分で行われると有利である。コンテインメントの最も下側３分の１のところにある設置空間が部分的に閉鎖された（特に明かり格子のない）蓋および／または床および壁を有し、理想的には一種の袋室として形成されると特に好適であることが実証されている。設置箇所のこのような選択により理想的には上側コンテインメント内（コンテインメントの高さの上側３分の２のところ）に予期される水素の堆積が消滅することにより、ベントガス流内の水素濃度は格納容器内の平均濃度の１/４以下から最大で１/２に補助的にシステム的に制限される。

さらにＨ₂／ＣＯの低減は、コンテインメント上に分布され、好適には‐高さ的に‐中央の３分の１のところに集められ（たとえば全数の５０％以上）、またコンテインメントの上側３分の１のところにも配置された別の触媒再結合器によって行われる。このように主対流路および高濃度（堆積）領域に設置することにより再結合器毎のＨ₂低減能力はさらに高められる。

ベンティング取り入れ機能と組み合わせたこのような新しい装置により驚くべきことに、従来は１５，０００〜４０，０００ｍ³/ｈ以上の再結合器貫流率および従来はＬ＞０．３ｈ〜０．６ｈ以上の換気回数であった設定全再結合能力が現在必要と見做される量の２/３〜１/２に減少でき、それに応じてコンテインメント内の達成可能な換気回数はＬ＜０．３ｈ〜０．１ｈ以下にすることができる。これが達成されるのは、高いところにある高濃度範囲において、たいていの場合蒸気不活性大気内で特に強くＨ₂の低減が極めて効果的に行われるからである。同時にベンティングの場合において深いところにある範囲はこの新しい装置およびそれらの配置により濃度的に、-確実なベンティングをそもそも可能にするための-ベント運転に先行する濃度低減をもはや不要にするほど、安全にされる。

別の有利な実施態様では、圧力逃がし管に格納容器内にある少なくとも１つの圧力逃がし流用の冷却装置が接続される。

この場合ベント流を多数の平行部分流に分岐し、そのうちの少なくとも一部を冷却するようにすることも可能である。

ベントガス取り入れ装置を同様に受動的に運転される後続の冷却装置と組み合わせることにより、触媒反応により加熱されるベントガスのたとえば４００〜５００℃の温度は約１５０〜３００℃に減少される。これにより今やコンテインメントの貫通スリーブおよび後続の装置の範囲においても設計以上の許容できない温度負荷が生じるのが回避される。

冷却装置は格納容器内で流れ方向に一次的にコンテインメント貫通スリーブの直前にまたは内部フィルタの範囲に設置されると有利である。冷却装置は周囲のコンテインメント大気により対流的に冷却されるか液体の蒸発により冷却されると有利である。換言すれば冷却装置は格納容器内にあるガス混合物の対流的再冷却および/または気化・蒸発冷却用に設計されると有利である。

冷却部材を冷却材貯め内または中実コンクリート構造部内に配置すれば、これらの質量（冷却媒体またはコンクリートなど）との直接または間接的接触により熱放出が強化され、それによって同じ冷却能力で装置の小型化が図れる。コンテインメントからの凝縮水の流出による冷却面の受動的濡れにより冷却装置の洗浄および同時に作用効果の増大が図れる。冷却面を耐放射線被覆を有する汚れのつかない平滑な表面としてまたは場合によっては付加処理（たとえば研磨、電気研磨など）された平滑な特殊鋼表面として実施すれば、重大事故時でも持続的作用のある熱移行が可能となる。付加的に運転の安全性は瓦礫保護壁を配置することにより著しく高めることができる。

コンテインメントの貫通スリーブの範囲では圧力逃がし管は熱保護被覆の形の熱絶縁を備えるようにすれば、ベントガス温度はたとえば１５０〜２００℃以上の貫通スリーブ設定温度以上も可能となるので有利である。これにより冷却装置を著しく小型化することができる。

各冷却装置は、コンテインメントに向かって開いている放射による熱交換部、および対流による熱交換部を有するようにすると有利である。

逃がし流の周囲の冷却媒体への熱移行はたとえば、
？ 開放された換気冷却路を有する板状冷却部
？ 場合によってはリブ管を有する管状冷却部
？ 形状が特にコンクリート構造に好適である回廊状冷却部
？ そのほかの熱交換器構造
を介して行われる。

基本的にはこの場合、構造的な経費を最小化するためには、ほぼ開いた無圧の平坦室構造が有利である。この場合予め作られた複数のモジュールのつなぎ合わせによるモジュール構造も可能である。特に有利なのは、触媒式再結合器を備えた煙突状流路が第１のモジュールを形成し、冷却装置が第２のモジュールを形成し、両モジュールが有利には‐特に壁同士が‐直接隣り合って設置される構造である。

補助的に冷却装置内部のベントガスの流路は好適には逃がし運転に先立つ準備期間においてはまだ破裂膜で覆っておき、この膜が圧力逃がし管の閉鎖弁の開放後にそこに生じる差圧で（受動的に）開くようにすることができる。

再結合器の触媒要素はパラジウム（Ｐｄ）および／または白金（Ｐｔ）および／またはバナジウム（Ｖ）などの触媒活性貴金属を使用してセラミック担体またはセラミック被覆（コーティング）を備えた金属担体上に形成される。単一金属製の基礎材料またはこれらの貴金属の混合物も使用可能であり、これらは場合によってはたとえば銅（Ｃｕ）またはニッケル（Ｎｉ）などのほかの金属を添加される。

最悪事故条件下で確実に運転できるようにするためには、‐担体要素を含む触媒全体に関して‐セラミック担体の０．２重量％以上、好適には０．５重量％以上の高い貴金属成分が用いられる。

触媒要素はこの場合たとえば、
？ 金属またはセラミック担体上に
？ 開放された担体内の積層体としておよび／または
？ 格子またはハニカム体などとして
たとえばサンドイッチ状にも配置することができる。

この場合エアロゾルによる閉塞を確実に回避するために、開口比が５０％以上、好適には９０％以上の開孔構造にすると有利である。

このような組み合わせにより、たとえば炭化水素や溶接蒸気の吸収、エアロゾル負荷などによる、コンテインメント大気中での使用によりもたらされる老化現象（エージング）が、安全上重要な自動スタート機能が通常なら短い待機時間の後に生じる損失なしに、数年（５年以上、有利には１０年以上）の運転期間に亘り補償され、したがって安全性が著しく高められ、同時に保守点検作業における周期的な交換が避けられるのでコストが低減される。

さらに合目的的な実施形態では、格納容器の外側にある圧力逃がし管部分に圧力逃がし流の洗浄および放射線回収のためのフィルタおよび/または洗浄器が配置される。特にこの場合ベンチュリー洗浄器などの公知の湿式洗浄器を使用すれば、流速を適当に調整した場合特にヨード含有成分に関して特別な効果のあるエアロゾル回収が可能となる。

本発明により得られる利点は特に、触媒要素もしくは再結合器とベントガス流取り入れ装置とを巧みに組み合わせることにより、密に調整された空間的および流れ的相関関係において、特に著しいＨ₂／ＣＯ濃度にも拘わらず流速および流量の適当な調整のもとに、コンテインメントの早期の圧力逃がし（ベンティング）が可能となり、後続のフィルタ・洗浄装置に損傷が起こらず、さらにコンテインメント内に設置される再結合器の能力を減ずることがないことにある。圧力逃がしシステム全体は‐閉鎖弁は別として‐電気的な補助エネルギーの供給なしにおよびほぼ可動部分なしに完全に受動的に作動する。従って原子力設備の過酷な事故状況下でも安全性の著しい向上が達成される。

本発明の種々の実施例を以下に図面に基づいて詳述する。この場合各図は著しく簡略化されて概略表示されている。

図１は原子力設備の格納容器とこの格納容器用の圧力逃がしシステムにおける第１の運転状態の概略図である。 図２は圧力逃がしシステムにおける第２の運転状態の概略図である。 図３は図１および図２による圧力逃がしシステムの構成要素として触媒式再結合器を備えた処理装置とこれに後置接続された圧力逃がし流のための冷却装置の一部を切断して示す斜視図である。

全図において同一または同様の作用をする部分は同一の符号が付されている。

図１に部分的に示した原子力設備２は、たとえば加圧水型原子炉または沸騰水型原子炉の形態の原子力発電所である。原子力設備２は、ここでは一部のみを示したドーム状の鋼外套の形のコンテインメントとも呼ばれる格納容器４を有する。格納容器４は内室６にある原子力および非原子力システムコンポーネントを外室８の環境から気密に遮蔽している。

事故状況下において蒸気およびガスの解放により生じる内室６内の過圧を解消できるようにするため、圧力逃がし管１０が格納容器４から引き出されている。圧力逃がし管１０は圧力逃がしシステム１２の一構成要素を形成する。原子力設備２の通常運転時には圧力逃がし管１０は格納容器４の外側にある２つの直列接続された閉鎖弁１４により閉鎖されている。圧力逃がしを開始するため両閉鎖弁１４が開かれると、圧力逃がし流は圧力勾配のため格納容器４内の圧力逃がし管１０の入口側端部から格納容器４の外側のここでは排気塔１６内に配置された出口側端部に向かって流れることができる。これにより格納容器４の内室６に所望の圧力低下が生じる。

逃がし運転において放射性崩壊生成物による環境負荷を許容限界に保つために、圧力逃がし流のろ過および洗浄が相応するろ過および／または洗浄装置１８により行われるが、この装置は格納容器４の外側の閉鎖弁１４の下流側で圧力逃がし管１０に接続されている。たとえば圧力逃がし流に同伴するたとえば粒子やエアロゾルの形をした放射線担体を高効率に回収するベンチュリー塔の形式の湿式洗浄塔を設けることができる。そのほかに乾燥フィルタおよび触媒式洗浄装置なども設けることができる。

圧力逃がしシステム１２は、著しい圧力上昇と同時に内室内の水素Ｈ₂および／または一酸化炭素ＣＯの大量の解放を生じその対抗策を講じなければ局所的にまたは全体的にも点火性で爆轟性のガス混合物を発生するおそれのある臨界事故の抑制のために設計されている。

このような事故を回避するために、それ自体は公知のように格納容器４の内室６の内部には触媒式再結合器２０が分散して配置されており、これらは周囲の大気中の流れにおいてこの中に含まれる水素Ｈ₂を酸素Ｏ₂と無炎で再結合して水（蒸気）Ｈ₂Ｏを生じるかおよび／または相応する一酸化炭素ＣＯを酸素Ｏ₂と再結合して二酸化炭素ＣＯ₂を生じ、格納容器４内で不活性化させる働きをする。

なかんずく臨界事故もしくは災害（炉心溶融のシナリオを含む）時には一般に、再結合器２０がその所定の運転温度に達するまでの短い時間と、設定された再結合能力によりＨ₂濃度の著しい低減が達成されるまでのかなりの長い時間とが経過する。それゆえ格納容器４内の同時的な著しい圧力上昇に際してはベンティングとも呼ばれる圧力逃がしが、建屋内に分布された触媒式再結合器２０がまだその完全な機能を発揮するには至らない事故経過時間の比較的早い段階で、必要となるという問題が生じることがある。

このようなシナリオではそれゆえ圧力逃がし管１０への点火性のガス・蒸気混合物の流入が生じ得る。外室８における初期には比較的冷たい管部分の含有蒸気の少なくとも部分的な凝縮により、安全上問題となる成分である水素Ｈ₂および一酸化炭素ＣＯの濃度が搬送路の途中でさらに高まる恐れがでてくる。これにより最悪の場合には爆轟限界を上回ることになり、ろ過および／または洗浄装置１８の機能に不利な結果を生じる恐れがある。この種の現象において装置の破損を確実に排除しようとすれば、相応する経費と労力を要する大きな防護構造が必要となる。

これを回避するために、図１の圧力逃がしシステム１２では圧力逃がし管１０の取り入れ口とも呼ばれる導入口２２は、流入するガス流内の水素Ｈ₂および／または一酸化炭素ＣＯの臨界的濃度値に対する特別な防護処置が施されている。この目的のため導入口２２にはガス流処理装置２４が流れ方向に前置接続され、この装置は流入するガス混合物をその組成に関して適当にコンディショニングする。

ガス流処理装置２４はこのため煙突状に形成されたほぼ垂直方向の流路２６を有しており、この流路は側面がたとえば壁材または他のシステムコンポーネントで形成された外套面２８で区画され、流通するガスをこの面から外へ殆ど通さないようにされている。流路２６の下端には‐ここではたとえば端面に配置された‐流入開口３０が、上端には相応する流入出開口３２が設けられる。圧力逃がし管１０の導入口２２は流路２６の全体の高さに関して外套面２８のほぼ中央に配置される。ほぼスポット的に形成された導入口２２の代わりに、外套面２８の円周をめぐるまたは円周の少なくとも一部をめぐる環状スリットなどを圧力逃がし管への導入口として設けることもできる。またそれに適した高さに関しても導入口２２は、流入するガス流が予め触媒作用ゾーンを通過することが保証される限り、図１とは異なるように形成することができる（下記参照）。

流入開口３０のほぼ上側および圧力逃がし管１０の導入口２２の下側には、水素Ｈ₂と酸素Ｏ₂を水（蒸気）Ｈ₂Ｏに再結合するためのおよび／または一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ₂を二酸化炭素ＣＯ₂に再結合するための多数の触媒要素もしくは再結合器３４が流路２６の横断面におよび／または外套面２８の内周上の縁部に分散配置される。たとえば板状に形成され互いに平行に垂直方向に配置されたこれらの要素は全体として第１の(下側の)触媒ゾーン３６を流路２６の下側端部に形成する。これと同じ形式の第２の（上側の）触媒ゾーン３８は流路２６の上側端部に、流入出開口３２の直下および圧力逃がし管１０の導入口２２の上側に配置され、触媒式再結合器４０を構成する。

ここには図示しない別の実施形態では下側の触媒ゾーン３６だけが設けられる。圧力逃がし管１０の導入口２２はこの場合には流路２６の下側範囲のより深い位置に、しかし触媒式再結合器３４よりは上側に位置決めすると有利である。

導入口２２の下流側、流路２６の外側でかつ格納容器４のなお内側で、逃がし運転時に生じる圧力逃がし流に対する冷却装置４２が圧力逃がし管１０に接続される。冷却装置４２は格納容器４内の大気による主として対流的な再冷却用に設計されており、場合によっては気化冷却および／または周囲への放射熱の放出により助成される。

冷却装置４２はこのため有利にはガス流処理装置２４の流路２６とは異なり環境に向かって部分的に開いている煙突状の流路４４を形成しており、この中に圧力逃がし管１０の少なくとも一部が傍を流れる大気へ熱放出のために案内されている。図１の概略図の例とは異なり冷却装置４２の内部またはその上流側において圧力逃がし管１０を複数の部分管もしくは部分流に分岐することも可能であるが、これらの分岐管は格納容器４の貫通スリーブ４６の前で再びまとめると有利である。気化冷却を実現するには、たとえば凝縮水貯槽などに流れ的に接続したここには図示しない液体噴霧装置を設けることができる。

貫通スリーブ４６から第１の閉鎖弁１４までの範囲における圧力逃がし管１０にはこの実施例では一種の外套として形成された熱保護被覆４８が設けられる。

さらに圧力逃がし管１０にはベント流の貫流制限（量制限）用の固定的に調整されるまたはオプションで調整もしくは制御可能な多数の要素が形成される。この実施例ではこれは特に冷却装置４２と格納容器４の貫通スリーブ４６との間の管部分にある第１の絞り弁５０および第２の閉鎖弁１４とその下流側に配置されたろ過および／または洗浄装置１８との間の管部分にある第２の絞り弁５２である。原理的にはこの種の貫流制限は圧力逃がし管１０のほかの部分にも形成することができ、既存の流れ案内コンポーネントの適当な構成によりまたは種々のコンポーネントの組み合わせにより形成することもできる。

圧力逃がしシステム１２の運転態様は以下の通りである。

原子力設備２の通常運転では圧力逃がし管１０の両閉鎖弁１４が閉じられているので、圧力逃がし流は流れることはできないか、せいぜいごく僅かなガス流が圧力逃がし管１０の最初の部分に流れ、せき止め圧力がそれ以上の流入を妨げる。格納容器４内の温度分布により生じる自然対流を除いてはガス流処理装置２４の著しい通流はまだ生じない。

これは事故時には格納容器４内の水素Ｈ₂および／または一酸化炭素ＣＯの解放により変化する。その働きを受ける第１(下側)および場合によっては第２（上側）ゾーンの触媒要素もしくは再結合器３４、４０およびこれにより生じる局部的温度上昇により流路２６の煙突効果が助成され、そこにある潜在的自然対流が増幅される。すなわち流路２６は下から上に向かって加熱ガス流により貫流され、同時に上述の再結合反応が生じ、触媒式再結合器３４、４０が短時間のうちにその最適運転温度を取る。この状態を図１に示すが、流れ状態は相応する流れ矢印で示されている。

同時に内室６内に強い過圧が生じる場合には、過圧の解消はたとえば２０分以下の再結合器３４、４０の予備加熱によるごく僅かな自然対流期間後に圧力逃がし管１０の閉鎖弁１４を開くことにより行うことができる。この逃がし運転（ベンティング）は図２の流れ状態図で示されている。ガス流が圧力逃がし管１０に流入し続いて排気塔１６を介して逃がすことによりすなわちそれ以前の自然対流とは異なる流れ状態が生じ、これは専門用語では強制過流と呼ばれる。今や下からも上からもコンテインメント大気が流路２６に流入し、下側の触媒ゾーン３６および‐存在すれば−上側の触媒ゾーン３８では水素Ｈ₂および一酸化炭素ＣＯの成分が濃度を低減され、このように前処理されて導入口２２から圧力逃がし管１０に入る。

下流側に配置された冷却装置４２では、触媒式再結合器３４、４０での再結合反応により加熱された圧力逃がし流が上述のようにしてコンテインメント大気への主として対流的な熱放出によりたとえば入口側の温度４００〜５００℃が出口側で１５０〜３００℃に冷却される。この現象は一方では冷却装置４２の外側範囲で、図２に同様に流れ矢印で示すように、煙突効果により助成されるコンテインメント大気の自然対流循環を生じる。

絞り弁５０、５２により圧力逃がし管１０を通る流量は有利には図１に示す自然対流運転時の流量の８０％以下になるように制限される。同時に下側触媒ゾーン３６および‐存在すれば‐上側の触媒ゾーン３８の触媒式再結合器３４、４０を流れるガスの流速は流路の適当な輪郭付けにより５ｍ/ｓ以下に調整される。これと同時に、圧力逃がし管１０の導入口２２の範囲における水素Ｈ₂および／または一酸化炭素ＣＯの濃度が、流路２６の下側の流入開口３０の範囲における‐触媒式再結合器３４の前の流れ方向に測定して‐相応する濃度の５０％以下、好適には３０％以下になることが達成される。このような処置により冷却装置４２および後続するシステムコンポーネントにおける圧力逃がし流の冷却並びにこれと場合によって関連する含有蒸気成分の部分的凝縮にも拘わらず、圧力逃がし管１０の下流側部分に爆発を惹起するような臨界的爆発性ガス混合物が溜まることが回避される。これにより特に格納容器の外側に配置されたろ過および洗浄装置１８の機能の阻害が回避される。

多数のガス流処理装置２４およびこれに付属する圧力逃がしシステム１２の圧力逃がし管１０を格納容器４の全高の下側３分の１に配置すると有利である。図１、図２に概略的に示したように多数の圧力逃がし管１０を格納容器４内でまとめることにより貫通スリーブ４６の数を僅かにすると有利である。圧力逃がし流に直接作用しない補助的な触媒式再結合器２０は格納容器４内のなるべく高いところに、特に中央および上側の３分の１のところに配置すると有利である。

図３にはガス流処理装置２４の別の実施例がこれに後置接続される冷却装置４２とともに示されており、これはモジュール状にボックス形式で実現されている。図示の流れ矢印は逃がし運転時の流れフィールドを示している。両モジュールの間にボックス上の流入集合器５４があり、これは導入口２２を介して触媒式再結合器３４、４０を備えた流路２６から流入するＨ_２/ＣＯの濃度が低減されたガス混合物を冷却装置４２の並列接続された導管５５に分配する。導管５５は、曲線で縁取りした部分に例示するように、リブ管として構成するかまたは貫流可能なプレート要素などを設けることができる。同様に並列部分流は引き続きボックス状の流出集合器５６により再びまとめられる。冷却装置４２の上側範囲に形成される放射熱フィールドは、−コンテインメント大気を介する対流的熱搬送と並んで‐同様に熱を導管５５内に案内されるベント流から奪うものであるが、これは蛇行状の矢印で示している。全体として１０で示した圧力逃がし管による貫流制限はここではたとえばリング絞り５８として形成された絞り弁５０により実現され、この弁は流出集合器５６からコンテインメント貫通スリーブに通じている導管部分に至る途中に配置される。

２ 原子力設備
４ 格納容器
６ 内室
８ 外室
１０ 圧力逃がし管
１２ 圧力逃がしシステム
１４ 閉鎖弁
１６ 排気塔
１８ ろ過・洗浄装置
２０ 触媒式再結合器
２２ 導入口
２４ ガス流処理装置
２６ 流路
２８ 外套面
３０ 流入開口
３２ 流入出開口
３４ 触媒要素
３６ 下側触媒ゾーン
３８ 上側触媒ゾーン
４０ 触媒要素
４２ 冷却装置
４４ 流路
４６ 貫通スリーブ
４８ 熱保護被覆
５０ 絞り弁
５２ 絞り弁
５４ 流入集合器
５５ 導管
５６ 流出集合器
５８ リング絞り
ＣＯ 一酸化炭素
ＣＯ₂ 二酸化炭素
Ｈ₂ 水素
Ｈ₂Ｏ 水
Ｏ₂ 酸素

Claims (14)

1. 格納容器（４）と、この格納容器（４）から引き出され閉鎖弁（１４）で閉鎖可能な少なくとも１つの圧力逃がし管（１０）とを備え、この管に閉鎖弁（１４）が開かれる逃がし運転時に圧力逃がし流が流れるようにした原子力設備（２）において、各圧力逃がし管（１０）の入口側に格納容器（４）内にあるガス流処理装置（２４）が前置接続され、この装置が、側面が外套面（２８）で囲まれ下側の流入開口（３０）と上側の流入出開口（３２）を備えた煙突状の流路（２６）を有しており、下側流入開口（３０）の上側またはその範囲に流路(２６)内の水素（Ｈ_２）または一酸化炭素（ＣＯ）のいずれか一方または両方を低減するための触媒要素の第１のグループ（３４）が配置され、前記圧力逃がし管（１０）が、触媒要素の第１グループ（３４）の上側で、かつ上側流入出開口（３２）の下側の外套面（２８）に配置された導入口（２２）を有し、水素（Ｈ_２）または一酸化炭素（ＣＯ）のいずれか一方または両方が格納容器(４)内に解放される臨界事故または災害時に、閉鎖弁（１４）が閉じられており、逃がし運転に先行する対流運転時には、流路（２６）が自然対流の原理で下から上へ格納容器(４)内にあるガス混合物で貫流され、逃がし運転時には、ガス混合物が強制過流の原理で下から並びに上からも流路（２６）に流入し圧力逃がし流として圧力逃がし管（１０）を介して流出するようにした原子力設備。
2. 圧力逃がし管（１０）の導入口（２２）の上側および流路（２６）の上側流入出開口（３２）の下側またはその範囲に流路(２６)内の水素（Ｈ_２）または一酸化炭素（ＣＯ）のいずれか一方または両方を低減するための触媒要素の第２のグループ（４０）が配置される請求項１記載の原子力設備。
3. 圧力逃がし管（１０）に貫流制限手段（５０、５２）が設けられ、触媒要素（３４、４０）の能力を次のように、すなわち逃がし運転時に圧力逃がし管（１０）の導入口（２２）の範囲における水素（Ｈ_２）または一酸化炭素（ＣＯ）のいずれか一方または両方の濃度が流路（２６）の下側流入開口（３０）の範囲における濃度の５０％以下になるように調整するようにした請求項１または２記載の原子力設備。
4. 逃がし運転時に圧力逃がし管（１０）内の流量が流路(２６)内の対流運転時の流量の少なくとも８０％以下となるように、貫流制限手段（５０、５２）が調整されるとともに流路（２６）の形状が選定される請求項３記載の原子力設備。
5. 逃がし運転時に触媒要素（３４、４０）における流速が５ｍ/ｓ以下になるように、貫流制限手段（５０、５２）が調整されるとともに流路（２６）の形状が選定される請求項３または４記載の原子力設備。
6. 触媒要素（３４、４０）が逃がし運転時の運転温度に関して次のように、すなわち流通するガス混合物の水素濃度が７容積％以上の場合に点火剤として作用するように設定されている請求項１から５の１つに記載の原子力設備。
7. 各ガス流処理装置（２４）が格納容器（４）の全高に関して下側の３分の１のところに配置されている請求項１から６の１つに記載の原子力設備。
8. 格納容器（４）の全高の下側３分の１のところに配置された圧力逃がし流に対する多数のガス流処理装置（２４）並びにそれらの上に配置され圧力逃がし流には直接作用しない水素（Ｈ_２）または一酸化炭素（ＣＯ）のいずれか一方または両方を低減するための複数の触媒式再結合器（２０）が設けられ、ガス流処理装置（２４）が全体として全再結合処理能力の２０％以下を達成するようにした請求項７記載の原子力設備。
9. 圧力逃がし管（１０）に格納容器(４)内にある圧力逃がし流用の冷却装置（４２）が接続されるようにした請求項１から８の１つに記載の原子力設備。
10. 冷却装置（４２）が格納容器(４)内のガス混合物の対流による再冷却または気化冷却用に設計されている請求項９記載の原子力設備。
11. 冷却装置（４２）の冷却能力が、４００〜５００℃の範囲の圧力逃がし流の入口温度を１５０〜３００℃の出口温度に冷却するように設定されている請求項９または１０記載の原子力設備。
12. 圧力逃がし管（１０）の格納容器（４）の貫通スリーブ範囲に熱保護被覆（４８）が設けられている請求項１から１１の１つに記載の原子力設備。
13. 触媒要素（３４、４０）がパラジウムまたは白金またはバナジウムの貴金属をベースにセラミック担体またはセラミック被覆を有する金属担体上に形成され、担体に対し貴金属成分が０．２重量％以上であるようにした請求項１から１２の１つに記載の原子力設備。
14. 格納容器（４）の外側にある圧力逃がし管（１０）の部分に、圧力逃がし流の洗浄および放射線回収のためのフィルタまたは洗浄器（１８）が配置されている請求項１から１０の１つに記載の原子力設備。