JP6456943B2 - 原子力設備における運転員の通行可能な運転室のための換気システムの運転方法 - Google Patents

Description

原子力発電所における事故または災害状況下ではその時の事故状況および場合によって導入された対策に応じて放射性核分裂生成物、特にヨード、エアロゾルおよび希ガスのかなりの量の放出を考慮しなければならない。この場合コンテインメント（原子炉格納容器）の漏れにより、発電所周辺への放出に至る前に、発電所建屋（たとえば補助設備建屋、開閉設備、監視所など）への放射能の漏出および分散が生じることも考えなければならない。この場合特に、エアロゾルと結合した放射性物質の放出のほかに、希ガスの放出が発電所所員にとって問題となる。

場合によってはフィルタ付きベントの導入時および発電所建屋上の希ガス雲の発生時にも大量の希ガスの放出に至ることがある。天候次第では長時間の負荷にさらされる危険を完全に排除することはできない。

いわゆる事故管理対策の導入にあたっては、管理室または管理所とも呼ばれる監視所内の状況により、所員の許容できないような放射線負荷や汚染を生じることなく、運転員の滞在を可能にすることが強制的に求められることがある。

「ステーション・ブラックアウト」（ＳＢＯ）を伴う設定以上の事故時には規定に従ったもしくは通常運転時の換気・ろ過設備では、監視所の通行可能性を維持するための重要な換気技術上のパラメータを保証するには、もはや対処できない。

従来の考えはこのようなシナリオを克服するため監視所の隔離を前提としている。補給はたとえば種々のフィルタを備えたモバイル式の換気設備で行われる。この設備では満足できるような希ガスの回収は不可能である。

別の考えは監視所を貯蔵された圧縮空気で補給するものである。長時間にわたる圧力容器内での貯蔵はしかし極めて経費がかかるので限定されている。モジュールおよびモバイル式のシステム構造は実際には実現不可能である。蓄圧的な考えはそのうえ稼働中の設備に増設するのに大きな経費を要する。

本発明の課題は、原子力設備の管理室または運転員の通行が可能な同様な室に対するできるだけ簡単でコンパクトに保持できる換気システムを提供し、放射線放出を伴う過酷事故時に少なくとも数時間に亘って除染された新鮮空気の供給を可能にし、管理室に居る運転員の放射線負荷をできるだけ少なくすることにある。特にこの場合管理室に導入される新鮮空気中の放射性希ガス成分をできるだけ僅かにしなければならない。換気システムはさらにできるだけ受動的な特徴を有するとともにごくわずかな電気エネルギーだけを必要とするものにしなければならない。さらにこの種の換気システムの運転のための特に有利な方法が提供される必要がある。

この課題は本発明によれば装置に関しては請求項１の特徴により解決される。方法に関する課題は請求項１０の特徴により解決される。

有利な実施態様は従属請求項の対象であり、ちなみに以下の詳細な説明により明らかにされる。

本発明による換気システムは特に有利なことにエアロゾルおよびヨードフィルタモジュールを有している。通気管内の吸引空気はこの場合送風機を介して吸引され、エアロゾルの分離のため浮遊物フィルタに導かれる。浮遊物の分離後有利なことに放射性ヨード化合物は活性炭フィルタ床内で分離される。同位体交換または塩形成による放射性ヨードメタンの分離には含侵活性炭が使用される。活性炭床には有利には破片の回収のため粒子フィルタが補充される。

このようにしてろ過された空気は次に第２のプロセス工程で希ガスモジュールに導かれる。希ガスモジュールはほぼ相似形の２つの吸着塔を含んでおり、これらの塔には吸着剤／吸着剤類、好適には活性炭が詰められている。塔の吸着剤は活性炭および／またはゼオライトおよび／またはモレキュラーシーブの多層体により構成することもできる。

通気は第１の吸着塔に入り、ここでたとえばキセノン、クリプトンなどの希ガスが塔を通過する際に動的吸着により遅延される。塔の後には吸着剤粒子を回収するためのフィルタが配置されると合目的的である。

補給される室領域からの排気は同時に第２の吸着塔を介して案内され、そこでは以前に蓄積された放射性希ガスの逆洗が行われるので、この塔は切り替え後に今度は負荷を受ける準備がなされる。切り替えは遅くとも第１の吸着塔内の放射能の破過の直前に行われ、この塔は今度は排気により逆洗される。切り替えは好適には受動的にタイマまたは放射能測定により惹起される。

逆洗は有利には排気管内の送風機により助成されるが、その際負圧による排気流の容積の増大は希ガスの逆洗プロセスを増強する。

監視所の排気管には有利には排気の受動的過熱と排気中の湿度の減少を生じさせる（膨張乾燥）絞りが設けられると有利である。これにより後続の洗浄すべき吸着塔内の希ガスの脱着速度が改善される。

希ガスモジュールへの通気管には希ガス塔への過大な湿度の供給を回避するため絞りおよび／または空気乾燥器を設けると有利である。

希ガスモジュールは付加的にｋ値を高めるための受動的冷却蓄積器を備えることができる。ｋ値とはここではたとえば希ガスｃｍ^３/吸着剤ｇ単位当たりの希ガスに対する吸着剤材料の吸着容量を意味する。ｋ値はガスの温度、圧力および湿度成分に関係する。この値は一般に経験的に求められる。

吸着塔は圧力交番法、すなわち塔のｋ値を改善し塔の寸法を減少させるため、洗浄すべき塔は負圧にし、負荷すべき塔は過圧にする（それぞれ大気圧との関連で）ようにして運転されると有利である。通気により貫流される吸着塔内の過圧はたとえば通気管内の調整弁で調整される。

排気は逆洗される希ガスとともに発電所の周辺に通気吸引口とは十分な間隔を置いて放出される。

換気システムは貫流および圧力に対する制御および相応する調整機構を有することが合目的的である。

本発明により得られる利点は特に、エアロゾルおよびヨード/ヨード化合物（特に有機ヨード）の形の空気搬送される放射性物質とともに同時に放射性希ガスが監視所の通気から回収されることにある。相似塔の圧力交番および洗浄法により、クリプトン８５などの長寿命の希ガス同位体さえも通気流から分離できる。吸着剤/吸着剤類による希ガスの除去に必要な条件は膨張過熱により受動的に助成される。運転電流は主として通気および排気管中の送風機並びにごくわずかであるが付設の制御ユニットおよび運転サイクル間の切り替え用の切り替え手段に対してのみ要求される。この要求は自給給電モジュール（たとえばバッテリおよび／またはディーゼル機器）により少なくとも７２時間に亘って問題なくカバーできる。

まとめると監視所の通行可能性を確保するため以下の機能が保証される。
・ほかの建屋部分からの監視所の換気の隔離
・隣接建屋空間に対する過圧（たとえば１ｍｂａｒ以下）
・許容一酸化炭素および二酸化炭素濃度の維持
・ヨードの回収
・エアロゾルの回収
・希ガス（たとえばＫｒ、Ｘｅ）の回収
・線量の制限（たとえば１００ｍＳｖ/７ｄ以下）
・Ｉ＆Ｃ温度規定順守のための温度制限
・少なくとも７２時間に亘る上述の機能の保証

ほかの利点を見出し的に総括すると次のようになる。
・モジュールおよびモバイル式のシステム構造
・稼働中の設備に設置する際の少ない経費と高い柔軟性
・わずかな保守経費
・呼吸可能空気の経費の掛かる貯蔵が不要となる
・大きな空気量（空気交番）と室領域のカバーが可能となる。

以下に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は原子力発電所の管理室用の換気システムの極めて簡略化した概観を示すブロック流れ図である。

図に示した事故時の換気システム、略して換気システム２は、災害または事故状況下に、特に発電所建屋内および場合により周辺における核分裂生成物の放出を伴う過酷事故の初期段階において、原子力発電所６の監視所または英語でMain Control Room (主制御室)と呼ばれる管理室４への新鮮空気の供給に用いられる。

通常は原子力発電所６の自給電源の故障やそれに伴う管理室４のための通常運転用換気システム（図示せず）の故障を伴うこの種のシナリオでは、特に管理室４をある期間‐事故の発生後約７２時間に至るまで‐運転員の危険なしに確保し、初期の対策を開始して監視を続けることができるようにすることが重要である。場合によって運転員は、環境中の初期の放射能最大値の減衰後に確実な排気が可能となるまで、管理室４に滞在しなければならないことがある。

この目的のため管理室４用の換気システム２は一方では管理室４または発電所建屋の周辺から除染された酸素に富んだ新鮮空気‐通気とも呼ばれる‐を供給できるように設計され、相応するフィルタおよび洗浄段を備えている。他方では換気システム２は使用済みの二酸化炭素に富んだ空気‐排気とも呼ばれる‐を管理室４から周辺へ排出する。この場合、従来行われていた種々の対策とは異なり、付設の圧縮空気貯蔵システムからの新鮮空気の供給や管理室４の内室における空気の大幅な再循環や再処理は行われない。

具体的には管理室４の外部環境に対して少なくともほぼ気密にカプセル化された内室８に新鮮空気供給管または略して新鮮空気管とも呼ばれる通気管１０が接続され、この管を介して換気システム２の運転中に送風機１２により新鮮空気が周辺から吸引され内室８に供給される。通気管１０の吸引入口、略して入口１４は管理室４から若干離れて、特に発電所建屋の外側に配置することができる。事故の状況次第では入口１４を介して吸引される新鮮空気はそれにもかかわらず著しく放射性核分裂生成物、特にエアロゾル、ヨードやヨード化合物並びに希ガスで負荷されることがある。これらの成分はできるだけ完全にかつ確実に新鮮空気流‐通気流とも呼ばれる‐から、これがブッシング１６を介して囲壁１８（部分的にのみ示す）を通って管理室４の内室８に導入される前に、除去される必要がある。

このため新鮮空気流の方向に見て入口１４の下流側に第１のフィルタ段がエアロゾルフィルタ２０の形で通気管１０に接続されるが、このフィルタ段はたとえば流れ方向に並列接続された２つのＨＥＰＡフィルタ２２（高性能エアフィルタ、ＨＥＰＡ＝High Efficiency Particulate Airfilter、ドイツ語では意味を取って浮遊物フィルタと呼ばれる）から成る。ＨＥＰＡフィルタ２２は従って新鮮空気流から浮遊粒子とも呼ばれるエアロゾル粒子を、特に同位体Ｔｅ、Ｃｓ、Ｂａ、Ｒｕ、Ｃｅ、Ｌａに関して分離する作用をする。

さらに下流側にはヨードフィルタ２４と後続の粒子フィルタ２６を備えた第２のフィルタ段が通気管１０に接続される。ヨードフィルタ２４は有利にはたとえば0.1〜0.5ｍの層厚を有する活性炭フィルタ床として形成される。その前のエアロゾルフィルタ２０で行われる浮遊物の分離後にヨードフィルタ２４では放射性ヨード化合物および元素状のヨードがたとえば接触時間0.1〜0.5ｓ、ｋ値＞８で分離される。同位体交換または塩形成による放射性ヨードメタンの分離には含浸活性炭（たとえば含浸剤はヨードカリウム）が使用される。ヨードフィルタ２４に後置接続された粒子フィルタ２６は活性炭床から出る破片の回収用に設けられる。

第２のフィルタ段の下流側には新鮮空気流を搬送するための搬送送風機、略して送風機１２が通気管１０に接続される。好適には電気的に駆動される送風機１２はたとえば1.000〜6.000ｍ^３/ｈの範囲の吸引能力を有する。

必要な運転電流を用意するには通常運転時の固有給電網および好適には通常の（設備とは別の）緊急給電網から独立した自給式の給電モジュール２８が設けられ、これはたとえば充電池／蓄電池および／またはディーゼル機器をほぼベースとしている。給電モジュール２８は必要な場合に好適には独立して一種の中断のない給電の形で作動するかまたは代替的には付設の制御ユニット３０により制御される。

さらに下流側にはオプションとして冷却トラップとも呼ばれる空気乾燥器３２が通気管１０に接続され、これにより凝縮性の成分が新鮮空気流から分離される。これはたとえば乾燥剤としてシリカゲルおよび／または氷を用いた受動的冷却トラップとすることができる。これにより後続の機能ユニット（下記参照）に流れ込む新鮮空気流の湿気成分が減ぜられる。この目的のため代替的にまたは補助的に設けられこの実施例では新鮮空気の流れ方向に見て空気乾燥器３２の後ろに配置された絞り３４が膨張乾燥の原理で新鮮空気流に作用する。これには特に可調整絞り弁が用いられる。

ろ過および乾燥に続いて新鮮空気流は付設の調整機構（下記参照）の適当な位置でたとえば管路部分３６を貫流するが、この部分には希ガス吸着塔、略して吸着塔３８が接続される。この場合新鮮空気流に含まれる希ガス、特にキセノンやクリンプトンは物理的および／または化学的吸着により動的に生じる平衡の枠内で吸着塔３８にある吸着剤に結合され、吸着塔３８の吸着力がまだなくならない限り、管路部分３６で遅延される。吸着剤としては特に一層または多層の活性炭および／またはゼオライトおよび／またはモレキュラーシーブが用いられる。

吸着塔３８には管理室４に通じている管路部分が後置され、この部分には溶離した吸着剤粒子を回収するための粒子フィルタ４０が接続される。

最後に上述のように除染された新鮮空気流はブッシング１６を介して管理室４の囲壁１８を通ってその内室８に入るので、この内室には未使用の酸素に富んだ呼気が運転員にとって許容される放射線濃度で導かれる。

空気の交換は管理室４からの使用済みの二酸化炭素に富んだ呼気をその内室８に接続され囲壁１８のブッシング４２を介して周辺に導かれる排気管４４に排出することにより実現され、排気管にはガスの搬出を助成するために送風機４６が設けられる。これには好適には電気的に駆動される送風機４６が用いられ、この送風機は送風機１２と同様に給電モジュール２８を介して電流を供給される。

新鮮空気流に作用する吸着塔３８の吸着力は実現可能な構造上の大きさでは通常比較的短時間の運転時間で消耗してしまうので、換気システム２は吸着された希ガスを稼働運転中に逆洗して周辺に放出させるように設計されている。この目的のためほぼ同じ大きさの２つの吸着塔３８、４８が設けられ、これらは適当な分岐管や端子並びに調整機構、ここでは三方弁を介して新鮮空気または排気を付勢され、両吸着塔３８、４８の一方の塔が上述のように吸着運転で新鮮空気流に作用し、他方の塔は同時に脱着運転もしくは洗浄運転で排気流により逆洗され、次の吸着サイクルの準備をさせられる。調整機構の切り替えにより吸着塔３８、４８の役割が交換され、したがって各塔が吸着運転と脱着運転とをサイクル的に交替させられる。

図に示した実施例ではこのような機能は、吸着塔３８が管路部分３６に配置され、他方の吸着塔４８が流れ的に逆並列の形で管路部分５０に配置されるようにして実現されている。両管路部分３６、５０は一方の側では三方弁５２で、他方の側では送風機４６の吸引側に配置された合流点５４で合流している。さらに一方の側では三方弁５２と両吸着塔３８、４８との間で２つの三方弁５６、５８のクロス接続管６０が両管路部分３６、５０の間に挿入され、Ｔ端子６２を介して通気管１０の粒子フィルタ４０に通じる部分に接続されている。他方の側では同様に吸着塔３８、４８と合流点５４との間に２つの三方弁６４、６６のクロス接続管６８が設けられ、Ｔ端子７０を介して通気管１０の絞り３４から来る部分に接続されている。

弁位置を適当に選択すると上述のように絞り３４からの通気はＴ端子７０、三方弁６６、図の下側の吸着塔３８、三方弁５８およびＴ端子６２を介して粒子フィルタ４０に流れ、そこからさらに管理室４に流れる。他方の管路では管理室４からの排気が三方弁５２、三方弁５６、図の上側の吸着塔４８および三方弁６４を介して送風機４６の吸引端子に流れ、そこからさらに排気煙突またはその種の出口７２に流れるが、この出口は好適には新鮮空気の入口１４とはかなり離れたところに配置される。

すなわち前段のサイクルにおいて吸着塔４８で吸着により蓄積された希ガスは、この運転モードでは、大幅に希ガスの無くなった、管理室４の内室８からの排気により吸着剤から脱着され、周辺への排気流で逆洗される。逆洗は、逆洗される吸着塔４８の下流側に配置された送風機４６により助成され、負圧による排気流容積の増大は希ガスの逆洗プロセスを増強する。

監視所からの排気管４４には排気流の方向に見て三方弁５２の上流側に、従ってまさに洗浄運転中の吸着塔４８の上流側に、好適には可調整絞り弁の形の絞り７４があり、これは排気の受動過熱、従って排気中の湿度の減少を図る（膨張乾燥）ものである。これにより後続の吸着塔４８における希ガスの脱着速度が良好になる。

切り替え後に吸着塔３８と４８の役割が交替する。新鮮空気は絞り３４から三方弁６４、吸着塔４８および三方弁５６を介して粒子フィルタ４０に、そしてそこから管理室４に向かう。これに対し管理室４からの排気は絞り７４から三方弁５２、三方弁５８、吸着塔３８および三方弁６６を介して送風機４６に、そしてそこから出口７２に向かう。その前に負荷された吸着塔３８は排気により逆洗されるのに対し、吸着塔４８は新鮮空気の洗浄およびそれに従って新たな負荷に対処できる。

三方弁５２、５６、５８、６４，６６の切り替え工程の制御のため制御ユニット３０が設けられ、これは好適には両送風機１２、４６および場合によっては貫流および圧力の別の調整機構を制御する。当業者にとって明らかなように、切り替え機能は別の管路トポロジーおよび調整機構によって同じように実現することもできる。

破線で示した枠取り線により示したように、換気システム２は好適には希ガスモジュール７６、ヨード・エアロゾルモジュール７８および給電モジュール２８によりモジュール的に構成される。モジュール間の境界は詳細にはもちろん別様に選択することもでき、ほかのモジュールやサブモジュールを存在させることもできる。個々のモジュールはたとえば標準コンテナに搬送可能に収容できるので、使用箇所への簡単な搬送と付設の標準化された管路端子の接続により簡単な建造が可能となる。

明細書のこれまでの記述は原子力発電所の（中央）管理室の換気に向けられてきたが、換気システム２は原子力発電所または一般的には原子力設備‐たとえば燃料要素槽、再処理設備、燃料処理設備など、たとえば補助設備建屋、開閉設備室、測定管理室または別の操作・監視室‐内の異なる室領域の事故時の換気に対しても用いることができる。この種の室に対しては総括的に標語的に言えば「運転室」という用語も使用されている。

２ 換気システム
４ 管理室
６ 原子力発電所
８ 内室
１０ 通気管
１２ 送風機
１４ 入口
１６ ブッシング
１８ 囲壁
２０ エアロゾルフィルタ
２２ ＨＥＰＡフィルタ
２４ ヨードフィルタ
２６ 粒子フィルタ
２８ 給電モジュール
３０ 制御ユニット
３２ 空気乾燥器
３４ 絞り
３６ 管路部分
３８ 吸着塔
４０ 粒子フィルタ
４２ ブッシング
４４ 排気管
４６ 送風機
４８ 吸着塔
５０ 管路部分
５２ 三方弁
５４ 合流点
５６ 三方弁
５８ 三方弁
６０ クロス接続管
６２ Ｔ端子
６４ 三方弁
６６ 三方弁
６８ クロス接続管
７０ Ｔ端子
７２ 出口
７４ 絞り
７６ 希ガスモジュール
７８ ヨード・エアロゾルモジュール

Claims (1)

1. ・外部の入口（１４）から運転室に通じる通気管（１０）に第１の送風機（１２）と第１の希ガス吸着塔（３８）が接続され、
   ・運転室から外部の出口（７２）に通じる排気管（４４）に第２の送風機（４６）と第２の希ガス吸着塔（４８）が接続され、
   ・前記第１と第２の希ガス吸着塔（３８、４８）の役割交換のための切り替え手段が備えられ、
   その際前記第１の送風機（１２）が通気の流れ方向に見て前記第１の希ガス吸着塔（３８）の上流側に配置されるとともに、前記第２の送風機（４６）が排気の流れ方向に見て前記第２の希ガス吸着塔（４８）の下流側に配置され、
   さらに、前記第１および第２の希ガス吸着塔（３８、４８）の一方が通気により貫流されこれにより放射性希ガスを負荷され、他方の希ガス吸着塔が排気により貫流されこれにより逆洗され、前記第１および第２の希ガス吸着塔（３８、４８）の役割が、現在負荷されている希ガス吸着塔の吸着力が消耗すると直ちに切り替えにより交換され、
   さらにその際大気圧に関係して、洗浄すべき希ガス吸着塔は負圧となるように調整され、負荷すべき希ガス吸着塔は過圧となるように調整される、
   原子力設備における運転員の通行可能な運転室のための換気システム（２）の運転方法。

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