JP6927893B2 - 原子炉格納容器ベントシステム - Google Patents

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Description

本発明は原子力発電プラントに用いられる原子炉格納容器ベントシステムに関する。
原子力発電プラントでは、原子炉圧力容器内に配置された炉心が万が一溶融するような事態(以下、過酷事故という)が発生しても、その後に十分な注水が行われ、かつ原子炉格納容器が冷却されれば、事故が収束するように設計されている。しかしながら、その過酷事故時の原子炉格納容器の冷却が不十分であるような場合には、蒸気の生成が継続し、原子炉格納容器内の圧力が増大する。そして、原子炉格納容器の圧力がさらに増大した場合には、原子炉格納容器が破損し、大量の放射性物質が大気に放出されるような、さらに過酷な事態となる恐れがある。
そこで、原子炉格納容器内の圧力が所定の圧力以上に増大した場合には、原子炉格納容器内の気体を大気中に放出し、原子炉格納容器内を減圧する操作が行われる。この原子炉格納容器内を減圧する操作をベント操作という。沸騰水型原子炉でベント操作を行う場合、原子炉格納容器内の気体(以下、ベントガスという)は、サプレッションプールのプール水の中に放出され、プール水によるスクラビング効果により放射性物質が除去される。そして、放射性物質が除去されたベントガスが大気中に放出される。
従来の沸騰水型原子炉では、ベントガスは、サプレッションプールのプール水により放射性物質が除去された上で、大気中に放出される。しかしながら、プール水によるスクラビングだけでは、放射性物質を全て除去することはできない。そこで、この大気に放出されるベントガスからさらに放射性物質を取り除くシステムとして原子炉格納容器ベントシステムがある。従来の原子炉格納容器ベントシステムは、ベントガスをスクラビングする水を内包したタンク、タンクの水中にベントガスを導く配管、タンクからベントガスを排出する出口に設けられた金属フィルタやヨウ素フィルタなどを備えて構成される。
このような原子炉格納容器ベントシステムでは、ベントガスは、タンク内の水中に放出されることによりスクラビングされ、粒子状放射性物質が除去される。また、スクラビングで除去しきれなかった粒子状放射性物質は、金属フィルタで除去され、ヨウ素などのガス状放射性物質は、ヨウ素フィルタでの化学反応や吸着作用によって除去される。
これらの放射性物質の除去手段のさらに下流部(排気口側)には、放射性希ガスを透過しない希ガスフィルタが配置されている。この希ガスフィルタにより放射性希ガスも除去される。
ところが、単に希ガスフィルタが設置されるだけでは、ベントガスの排出配管内において希ガスフィルタの上流側に接している領域(以下、直上流部という)には、希ガスフィルタを透過できない希ガスを含む気体が滞留することとなる。この場合、滞留した希ガスを含む気体の分圧が高くなるため、希ガスフィルタが透過させるべき蒸気の透過性能が低下する。すなわち、排出されるべき蒸気が希ガスフィルタを透過できなくなる。その結果、原子炉格納容器ベントシステムは、ベント操作がされても、原子炉格納容器内の蒸気を継続的に排出することができなくなり、最終的には原子炉格納容器内の圧力を下げることができなくなる。
そこで、例えば、特許文献1に記載の原子炉格納容器ベントシステムでは、ベントガス出口配管内の希ガスフィルタの直上流部に滞留する希ガスを含む気体を、原子炉格納容器に戻す配管および機構が設けられている。この場合には、希ガスフィルタの直上流部に希ガスフィルタを透過できない希ガスを含む気体が滞留することがなくなるので、希ガスフィルタにより蒸気の排出が妨げられることはなくなる。すなわち、希ガスフィルタは、その透過性能を継続的に維持することができる。
特表2016−521843号公報
しかしながら、特許文献1に記載の原子炉格納容器ベントシステムでは、希ガスフィルタの直上流部に滞留した気体を原子炉格納容器内へ戻すために、ポンプなどの能動装置が用いられている。そのポンプなどの能動装置を駆動するためには、電源の供給が不可欠である。したがって、電源が喪失されるような万が一の事態が発生して、ポンプなどの能動装置の駆動ができなくなると、希ガスフィルタが蒸気の透過性能を喪失し、原子炉格納容器内の圧力を継続的に下げることができなくなる可能性がある。
原子炉格納容器内の圧力を継続的に下げることを可能にするためには、電源が喪失されるような万が一の事態が発生しても、希ガスフィルタが蒸気の透過性能を喪失しないようにする必要がある。
本発明の目的は、電源が喪失されるような事態になっても、原子炉格納容器内で発生する蒸気を大気へ継続的に放出することが可能な原子炉格納容器ベントシステムを提供することことにある。
本発明に係る原子炉格納容器ベントシステムは、原子炉格納容器内の気体を大気に放出して前記原子炉格納容器内を減圧する原子炉格納容器ベントシステムであって、前記原子炉格納容器内から排出され、大気に放出されるまでのベントガスの流路を形成するベントラインと、前記ベントラインの最下流部に設けられ、前記ベントガスのうち少なくとも蒸気を通し放射性希ガスを通さない希ガスフィルタと、前記ベントラインにおける前記希ガスフィルタの直上流部と前記原子炉格納容器とを接続する戻り配管と、前記戻り配管上に設けられ、前記希ガスフィルタを透過できなかった放射性希ガスを含む気体が流入して、貯留される中間容器と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、電源が喪失されるような事態になっても、原子炉格納容器内で発生する蒸気を大気へ継続的に放出することが可能な原子炉格納容器ベントシステムを提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステムの構成の例を模式的に示した図である。 本発明の第1の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステムにおいて、ベント操作後の原子炉格納容器、希ガスフィルタの直上流部および中間容器それぞれにおける圧力の時間推移の例を示した図である。 本発明の第2の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステムの構成の例を模式的に示した図である。 本発明の第3の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステムの構成の例を模式的に示した図である。 本発明の第3の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステムで用いられる非凝縮性ガス捕集機構の構成の例を模式的に示した図である。 本発明の第3の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステムで用いられる他の非凝縮性ガス捕集機構の構成の例を模式的に示した図である。 本発明の第4の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステムの構成の例を模式的に示した図である。 本発明の第4の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステムにおいて、非凝縮性ガス捕集機構により非凝縮性ガスを捕集する構成の例を模式的に示した図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図面において、共通する構成要素には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
≪第1の実施形態≫
図1は、本発明の第1の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15の構成の例を模式的に示した図である。なお、図1では、破線の枠内に、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15の構成の例が示されており、その左側には、原子炉格納容器1の概略断面構造の例が示されている。
図1に示すように、原子炉格納容器1内には、炉心2を内包する原子炉圧力容器3が設置されている。そして、原子炉圧力容器3には、原子炉圧力容器3内で発生した蒸気を発電用のタービン(図示せず)に送る主蒸気管4が接続されている。なお、本明細書では、蒸気とは、水蒸気を意味するものとする。
原子炉格納容器1の内部は、鉄筋コンクリート製のダイヤフラムフロア12によってドライウェル5とウェットウェル7に区画されている。ウェットウェル7は、内部にプール水を貯めている領域のことをいう。このウェットウェル7内のプールのことをサプレッションプール8という。ドライウェル5とウェットウェル7は、ベント管11によって相互に連通されており、ベント管排気部11aは、ウェットウェル7内のサプレッションプール8の水面下に開口している。
主蒸気管4などの配管類の一部が損傷し、原子炉格納容器1内に蒸気が流出する配管破断事故は、一般的にはLOCA(Loss of Coolant Accident)の名称で知られている。このような事故は、通常は主蒸気管4が通るドライウェル5で発生する。そして、万が一ではあるが、このような事故が発生し、主蒸気管4などの破断口からドライウェル5内へ蒸気が流出した場合には、まず、ドライウェル5内の圧力が上昇する。
ドライウェル5内に流出した蒸気は、ドライウェル5とウェットウェル7の圧力差によって、ベント管11を通ってウェットウェル7内のサプレッションプール8の水中に導かれる。このとき、蒸気はサプレッションプール8のプール水で凝縮されるので、原子炉格納容器1内の圧力上昇は抑制される。また、その蒸気内に含まれている放射性物質は、サプレッションプール8のプール水のスクラビング効果により、その大半が除去される。
なお、沸騰水型原子炉の原子炉格納容器1には、原子炉圧力容器3内や主蒸気管4内の圧力が異常に上昇した場合、その圧力を減ずる手段として、蒸気逃し安全弁6、蒸気逃し安全弁排気管9、クエンチャ10などが設けられている。これは、圧力上昇が単なる異常な圧力上昇にとどまらずLOCAなどの事故に到るのを防止するためのものである。
すなわち、原子炉圧力容器3内や主蒸気管4内の圧力が異常に上昇した場合には、主蒸気管4に設けられた蒸気逃し安全弁6が開けられ、主蒸気管4内の蒸気は、蒸気逃し安全弁排気管9およびクエンチャ10を通してサプレッションプール8の水中に放出される。この蒸気のサプレッションプール8の水中への放出により、大半の蒸気が凝縮されるので、原子炉圧力容器3内や主蒸気管4内が減圧される。また、その蒸気内に含まれている放射性物質は、サプレッションプール8のプール水のスクラビング効果により、その大半が除去される。
以上のように、本実施形態では、サプレッションプール8で蒸気を凝縮させ、サプレッションプール8内のプール水を図示しない残留熱除去系で冷却することにより、原子炉格納容器1内の温度および圧力の上昇を防止することができる。つまり、主蒸気管4などからのドライウェル5への蒸気の流出事故は、通常は収束させることができる。
しかしながら、非常に低い可能性ではあるが、残留熱除去系が機能を喪失した場合、サプレッションプール8のプール水の温度が上昇する。プール水の温度が上昇するに伴い、原子炉格納容器1内の蒸気の分圧はプール水の温度の飽和蒸気圧まで上昇するため、原子炉格納容器1内の圧力が上昇する。このような圧力上昇が起きた場合、原子炉格納容器1内に冷却水をスプレイすることで圧力上昇を抑えることができる。また、このスプレイは、外部から消防ポンプなどを接続して作動させることも可能である。
さらに非常に低い可能性ではあるが、このスプレイも作動しない場合も想定される。その場合には、原子炉格納容器1内の圧力は上昇を続ける。このような原子炉格納容器1内の圧力上昇が起きた場合には、原子炉格納容器1内の気体を外部に放出することで原子炉格納容器1内の圧力上昇を抑えることができる。この操作のことをベント操作と呼ぶ。沸騰水型原子炉では、このベント操作をウェットウェル7内の気体を外部(大気)に放出することにより行う。ウェットウェル7内の気体は、サプレッションプール8のプール水で放射性物質がほとんど除去されたものであるので、大気の放射性物質による汚染が最小限に抑制される。
以上のベント操作をする際に、原子炉格納容器1内から放出される気体(以下、ベントガスという)から、さらに放射性物質を取り除く装置として原子炉格納容器ベントシステム15がある。以下、この原子炉格納容器ベントシステム15について詳しく説明する。なお、図1の破線で囲まれた部分(原子炉格納容器ベントシステム15)において、実線で表された配管の側に記載された矢印は、ベントガスの流れの方向を示し、丸囲みの数字は、ベントガスに含まれる気体のおおよその種類を示したものである。
図1に示すように、ベント配管13の一端は、分岐して原子炉格納容器1のドライウェル5とウェットウェル7との両方に接続されており、この分岐したベント配管13には、それぞれ隔離弁14が配設されている。そして、ベント配管13の他端は、フィルタベント容器16の入口配管17に接続されており、入口配管17の先端部は、フィルタベント容器16内に開口している。
また、フィルタベント容器16内の下部側には、スクラビング水18が貯留されており、その上部側には金属フィルタ19およびヨウ素フィルタ38が直列に設置されている。そして、金属フィルタ19およびヨウ素フィルタ38は、フィルタベント容器16の出口配管20の一端が接続されている。また、出口配管20の他端は、遮蔽壁21を貫通して遮蔽壁21外に導出され、希ガスフィルタ23を経由して、最終的には排気塔22に接続されている。
ベント操作は、通常、ウェットウェル7側の隔離弁14aを開くことで開始される。すなわち、過酷事故などにより原子炉格納容器1内の圧力が異常に上昇した場合には、ベント操作としてウェットウェル7側の隔離弁14aが開けられる。このとき、原子炉格納容器1内に充満した高圧のガスは、サプレッションプール8のプール水の中を通ってウェットウェル7側に放出される。このとき、ウェットウェル7側に放出される蒸気などの気体は、サプレッションプール8のプール水によってスクラビングされたものであるので、大半の放射性物質が除去されたものとなっている。これは、沸騰水型原子炉の安全上の大きな特徴となっている。
次に、ウェットウェル7内の気体は、ベントガスとして、ベント操作で開けられた隔離弁14aを通過し、さらにベント配管13および入口配管17を経由して、フィルタベント容器16内のスクラビング水18の中に放出される。このとき、ベント配管13を通過するベントガスは、蒸気(水蒸気)、水素、窒素などを主成分とするが、エアロゾル状の放射性物質や放射性希ガスなども含んでいる。
スクラビング水18の中に放出されたベントガスは、スクラビング水18によってスクラビングされ、主にエアロゾル状の放射性物質のほとんどが除去される。さらに、スクラビング水18によりスクラビングされたベントガスは、金属フィルタ19およびヨウ素フィルタ38により、ヨウ素などの気体状の放射性物質が除去される。したがって、ヨウ素フィルタ38の下流側の出口配管20を通過するベントガスは、エアロゾル状の放射性物質や放射性ヨウ素などが除去されたものとなっている。
さらに、本実施形態では、フィルタベント容器16からヨウ素フィルタ38を経て排気塔22に到る出口配管20上の排気塔22近傍に希ガスフィルタ23が設けられている。この希ガスフィルタ23は、放射性希ガスや窒素ガスを通さず、水蒸気や水素ガスを透過させるフィルタ材により構成されている。したがって、排気塔22からは、水蒸気および水素ガスだけが大気へ放出される。
なお、以上の原子炉格納容器ベントシステム15において、原子炉格納容器1からベント配管13、フィルタベント容器16および出口配管20などを経て排気塔22に到る配管や放射性物質除去手段などからなるベントガスの流路をベントラインという。
また、以上の原子炉格納容器ベントシステム15において、希ガスフィルタ23は、ベント配管13および出口配管20上のどの位置に配置しても放射性希ガスを除去することができる。しかしながら、出口配管20の最下流部に配置することが最良の選択と考えられる。この場合、希ガスフィルタ23は、フィルタベント容器16、金属フィルタ19およびヨウ素フィルタ38の下流側に配置されるので、希ガスフィルタ23にエアロゾル状の放射性物質などが付着することを防止することができる。
したがって、この場合には、希ガスフィルタ23に放射性物質などが付着することなどによる性能劣化を抑制することができる。また、過酷事故時に発生する可能性のある溶融燃料からの影響に曝されることをも防止することができる。よって、原子炉格納容器ベントシステム15の信頼性を向上させることができる。
以上のように、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15は、原子炉格納容器1内で蒸気や放射性物質が発生するような過酷事故が起きても、放射性希ガスを閉じ込め、蒸気を排気塔22から外部へ排出することができる。よって、原子炉格納容器1内の圧力を下げることができる。
続いて、希ガスフィルタ23のフィルタ材について説明しておく。希ガスフィルタ23は、蒸気を透過させる必要があり、また、原子炉格納容器1内の圧力上昇を防止するためには、炉心2が溶融した際に発生する水素ガスも透過させることが求められる。ここで、希ガスフィルタ23を透過する蒸気(水)や水素の分子径は、0.3nm以下と小さく、透過しない放射性希ガス(Kr、Xeなど)の分子径は、それよりもかなり大きい。したがって、希ガスフィルタ23の構造材としては、分子径が小さい蒸気や水素ガスを選択的に透過させる分子ふるい膜を利用することができる。
なお、沸騰水型原子炉の場合、原子炉格納容器1内の気体は窒素に置換されている。そのため、分子径を利用した分子ふるい膜を用いて放射性希ガスを選択する場合には、その分子ふるい膜は、分子径がKrやKeの分子径の大きさに近い窒素分子を透過させない可能性がある。しかしながら、原子炉格納容器1内を減圧する観点からは、圧力上昇の原因が蒸気や水素ガスであるため、分子ふるい膜が窒素分子を透過させないとしても問題とならない。
以上のような条件に適した分子ふるい膜のフィルタ材としては、ポリイミドを主成分とした高分子膜、窒化ケイ素を主成分としたセラミック膜、炭素を主成分とした酸化グラフェン膜などがある。これら分子ふるい膜は、一般的には水素の精製に用いるフィルタとして知られているものである。なお、希ガスフィルタ23のフィルタ材は、KrやXeを透過せず、水素や水(蒸気)の分子を透過する膜であるならば、どのような膜であってもよい。
前記のようなフィルタ材を用いた希ガスフィルタ23は、蒸気と水素ガスを透過し、窒素と放射性希ガスを透過しないことにより、放射性希ガスを除去しながら、原子炉格納容器1内の圧力上昇の原因となる蒸気と水素ガスを放出することができる。
ところで、従来からの技術課題でもあるが、希ガスフィルタ23によりベントガスから放射性希ガスを除去する場合、希ガスフィルタ23による蒸気および水素ガスの透過性能が時間の経過とともに低下するという問題がある。この問題は、出口配管20内において希ガスフィルタ23の上流側に接している領域(以下、希ガスフィルタ23の直上流部、または、単に、直上流部という)に、希ガスフィルタ23を透過できない窒素ガスや放射性希ガスが滞留することに起因する。
すなわち、希ガスフィルタ23の直上流部に希ガスフィルタ23を透過できない窒素ガスや放射性希ガスが滞留すると、これらのガスの分圧が上昇し、希ガスフィルタ23が透過させるべき蒸気や水素ガスの透過が妨げられることになる。そのため、希ガスフィルタ23による蒸気や水素ガスの透過性能が低下し、最終的には透過機能が失われる。
そして、希ガスフィルタ23による蒸気や水素ガスの透過機能が失われると、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力は、原子炉格納容器1内の圧力と同程度まで上昇する。これは、ベントの機能が喪失されることを意味する。
このような事態に到るのを防止するために、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15では、希ガスフィルタ23の直上流部に滞留する窒素ガスや放射性希ガスなどの気体を別途貯留するための中間容器100が設けられている。そして、希ガスフィルタ23の直上流部と中間容器100とは戻り配管24aを介して接続され、戻り配管24a上には逃し弁25が設けられている。
逃し弁25は、ダイアフラム方式の逃し弁などにより構成され、一次側の流体圧力が設定圧PAを上回ると開き、設定圧PB(ただし、PB<PA)を下回ると閉じる構造を有している。したがって、本実施形態の場合、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力が上昇し設定圧PAを上回ると、逃し弁25が開く。その際、希ガスフィルタ23の直上流部に滞留している窒素ガスおよび放射性希ガスなどの気体は、中間容器100内へ流れ込む。なお、中間容器100内の初期圧力は、真空圧または大気圧が望ましく、その初期状態の気体は、窒素置換などによって酸素が排除されていることが望ましい。
したがって、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15では、希ガスフィルタ23の直上流部に滞留する気体の圧力を逃し弁25の設定圧PA以下に抑制することができる。すなわち、希ガスフィルタ23の直上流部における窒素ガスや放射性希ガスの合計の分圧が所定値を超えないようにすることができる。
そのため、本実施形態では、希ガスフィルタ23は、窒素ガスや放射性希ガスを透過させずに蒸気や水素ガスを透過させる性能を継続して維持することができる。つまり、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15では、過酷事故時などにおいても、原子炉格納容器1内の圧力増大の原因となる蒸気と水素ガスを継続的に外部に放出することができるので、原子炉格納容器1内を継続的に減圧することができる。
さらに、本実施形態では、中間容器100と原子炉格納容器1とは、戻り配管24bを介して接続され、その戻り配管24b上には逆止弁26が設けられている。逆止弁26は、原子炉格納容器1から中間容器100へ流体の流れを阻止するものであり、本実施形態では、原子炉格納容器1内の放射性物質の中間容器100内への流入を防止する。
一方で、逆止弁26は、中間容器100から原子炉格納容器1への流体の流れは阻止しないものとなっている。そのため、中間容器100内の圧力が原子炉格納容器1内の圧力よりも高くなったときには、中間容器100に貯留された気体は、原子炉格納容器1内に流入する。したがって、本実施形態では、原子炉格納容器1内の圧力が必要以上に低下するのを防止することができる
ちなみに、原子炉圧力容器3および原子炉格納容器1を冷却するために、ベント操作後に原子炉格納容器1内に冷却水をスプレイした場合、原子炉格納容器1内の圧力が必要以上に低下する場合がある。あるいは、長時間の自然冷却によって、原子炉格納容器1内の圧力が必要以上に低下する場合がある。このような場合に、中間容器100に貯留された気体が原子炉格納容器1内に流入することになる。
なお、逆止弁26については、逆止弁に限定されず、逃し弁で代用することもできる。ただし、この場合の逃し弁の弁開の設定圧は、原子炉格納容器1内の初期圧力よりも低い値に設定する必要がある。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15において、ベント操作後の原子炉格納容器1、希ガスフィルタ23の直上流部および中間容器100それぞれにおける圧力の時間推移の例を示した図である。図2において、グラフの横軸は時間、縦軸は圧力を表し、一点鎖線は、原子炉格納容器1内の圧力、太破線は、希ガスフィルタ23の直上流部における圧力、太実線は、中間容器100内の圧力を表している。
ここで、原子炉格納容器1内の初期圧力をP0、希ガスフィルタ23の直上流部の初期圧力をP1、中間容器100の初期圧力をP2とし、逃し弁25の弁開の設定圧をPA、弁閉の設定圧をPBとする。また、図2において、t10,t11,t12,・・・は、逃し弁25の弁開の時刻、t20,t21,t22,・・・は、逃し弁25の弁閉の時刻、t3は、逆止弁26の弁開の時刻を表す。
希ガスフィルタ23の直上流部の初期圧力P1は、大気圧と同程度である。しかしながら、ベント操作が行われると、原子炉格納容器から放出されるベントガスにより、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力は次第に上昇する。これは、希ガスフィルタ23の直上流部に窒素ガスや放射性希ガスが滞留することにより、希ガスフィルタ23を透過する蒸気や水素ガスの透過が妨げられるからである。
そして、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力が逃し弁25の設定圧PAを超えると、逃し弁25が開いて(時刻t10)、希ガスフィルタ23の直上流部に滞留していた窒素ガスや放射性希ガスが中間容器100に流入する。このとき、希ガスフィルタ23の蒸気透過性能が回復するため、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力は減少する。そして、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力が逃し弁25の設定圧PB以下まで減少すると、逃し弁25が閉じる(時刻t20)。
そのため、希ガスフィルタ23の直上流部には、窒素ガスや放射性希ガスが再度滞留し始め、その圧力は上昇に転じる。そして、これ以降、時刻t11,t21まで、さらに、時刻t12,t22まで・・・と、以上に説明した動作と同様の動作が繰り返される。したがって、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力は、高々、逃し弁25の設定圧PAまでしか上昇しないので、希ガスフィルタ23による蒸気や水素ガスの透過性能は、一定の性能を維持することができる。よって、原子炉格納容器1からは蒸気や水素ガスの排出が継続的に行われることになるので、原子炉格納容器1内の圧力は、次第に低下していく。
なお、中間容器100内の圧力は、逃し弁25の弁開時に流入する窒素ガスおよび放射性希ガスの量に応じて次第に上昇していく。そして、中間容器100内の圧力が原子炉格納容器1内の圧力を上回ると逆止弁26が開き(時刻t3)、中間容器100内に貯留された窒素ガスおよび放射性希ガスが原子炉格納容器1へ流入する。こうして、窒素ガスおよび放射性希ガスは、原子炉格納容器1へ戻されることとなる。
以上、本実施形態において、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力を減ずるために設けられた中間容器100、逃し弁25および逆止弁26は、いずれも電源などの外部動力がなくても作動する受動部品である。したがって、希ガスフィルタ23の直上流部に滞留した窒素および放射性希ガスなどの気体は、その圧力が逃し弁25の設定圧PAに達したときには、電源が供給されなくても中間容器100内へ移動する。また、中間容器100内の気体の圧力が原子炉格納容器1内の圧力よりも高くなったときには、中間容器100に貯留された気体は、電源が供給されなくても原子炉格納容器1内に移動、つまり、戻ることとなる。
したがって、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15は、電源が喪失されるような万が一の事態が生じた場合であっても、放射性希ガスを外部に放出させることなく、原子炉格納容器1内の圧力を継続的に減少させることができる。また。その際に、原子炉格納容器1内の圧力が必要以上に低下することも防止される。
なお、本実施形態では、希ガスフィルタ23の直上流部と原子炉格納容器1は、1系統の戻り配管24a、中間容器100および戻り配管24bで接続されるとしているが、複数系統の戻り配管24a、中間容器100および戻り配管24bで接続されてもよい。この場合、1系統の場合よりも中間容器100の容量を小さくすることができる。
また、この場合は、何らかの原因で、ある1系統の中間容器100や戻り配管24a、24bが使用できなくなった場合でも、残りの系統の中間容器100や戻り配管24a、24bを用いて、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力を低下させることができる。したがって、原子炉格納容器ベントシステム15の信頼性を向上させることができる。
なお、以上、第1の実施形態の説明では、原子炉格納容器ベントシステム15は、改良型沸騰水型原子炉に適用されることを前提として説明をしたが、加圧水型原子炉や高速増殖炉などの軽水炉以外の炉型にも適用可能であることは言うまでもない。また、第1の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15では、放射性物質除去装置としては、フィルタベント容器16など湿式放射性物質除去装置を用いられているが、乾式放射性物質除去装置を用いることもできる。なお、これらの事情については、後記する第2〜第4の実施形態でも同様である。
≪第2の実施形態≫
図3は、本発明の第2の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15aの構成の例を模式的に示した図である。なお、図3では、破線の枠内に、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15aの構成の例が示されており、その左側には、原子炉格納容器1の概略断面構造の例が示されている。
本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15aの構成は、第1の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15(図1参照)の構成に、バイパス管120、蒸気トラップ110および逆止弁130が新たに追加されている点で相違している。以下、第1の実施形態との相違点について説明する。
第1の実施形態では、中間容器100には、希ガスフィルタ23の直上流部に滞留した窒素ガスおよび放射性希ガスが流入するものとし、蒸気が流入することについては無視している。しかしながら、逃し弁25が開いたときには、窒素ガスおよび放射性希ガスだけでなく蒸気の一部が中間容器100に流入する可能性がある。そこで、本実施形態では、中間容器100には、窒素ガスおよび放射性希ガスに加え、本来は大気へ放出されるべき蒸気の一部が流入するものとする。
中間容器100に蒸気が流入する場合、その蒸気は、中間容器100内で冷えて凝縮し、凝縮水として中間容器100の中に溜まる。そこで、本実施形態では、第1の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15(図1参照)の構成に、中間容器100とフィルタベント容器16とを接続するバイパス管120と、このバイパス管120上に設けられた蒸気トラップ110とを追加する構成とした。
具体的には、中間容器100の底部から下方に向けてフィルタベント容器16に接続されるバイパス管120が設けられ、さらに、そのバイパス管120上には逆止弁130および蒸気トラップ110が設けられている。したがって、中間容器100に流入した蒸気は、冷えて凝縮水となると、重力によりバイパス管120を経由してフィルタベント容器16内に流入する。蒸気トラップ110は、凝縮水のみを通し、その気体成分(蒸気)を通さない機能を有している。したがって、フィルタベント容器16内へは、凝縮水のみが流入する。
なお、逆止弁130は、凝縮水の中間容器100への逆流を防止するものであるが、省略することもできる。また、ここでは、中間容器100からフィルタベント容器16に到るバイパス管120の接続先は、フィルタベント容器16内であるとしているが、フィルタベント容器16の上流側、下流側のいずれであってもよい。
以上、本実施形態によれば、中間容器100に流入した蒸気は、凝縮水となってフィルタベント容器16へ戻される。したがって、中間容器100には、より多くの窒素ガスおよび放射性希ガスを貯留することが可能になる。また、逆に考えれば、その分、中間容器100の容積を小さくすることができる。さらに、本実施形態では、凝縮水がフィルタベント容器16へ戻されるので、スクラビング水18の減少を抑制する効果も期待することができる。
また、本実施形態において、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力を減ずるために設けられた中間容器100、逃し弁25および逆止弁26は、いずれも電源などの外部動力がなくても作動する受動部品である。したがって、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15aは、電源が喪失されるような万が一の事態が生じた場合であっても、放射性希ガスを外部に放出させることなく、原子炉格納容器1内の圧力を継続的に減少させることができる。また。その際に、原子炉格納容器1内の圧力が必要以上に低下することも防止される。
≪第3の実施形態≫
図4は、本発明の第3の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15bの構成の例を模式的に示した図である。なお、図4では、破線の枠内に、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15bの構成の例が示されており、その左側には、原子炉格納容器1の概略断面構造の例が示されている。
本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15bの構成は、第1の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15(図1参照)の構成に、新たに非凝縮性ガス捕集機構200が追加されている点で相違している。以下、第1の実施形態との相違点について説明する。
希ガスフィルタ23の直上流部に滞留した窒素ガスおよび放射性希ガスは、逃し弁25が開いたときに中間容器100へ流入するが、このとき、本来外部へ放出されるべき蒸気も中間容器100へ流入する。そこで、本実施形態では、蒸気の流入を防止するために、第1の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15(図1参照)に、非凝縮性ガス捕集機構200を追加する構成とした。
図4に示すように、非凝縮性ガス捕集機構200は、希ガスフィルタ23の直上流部と逃し弁25とをつなぐ戻り配管24a上に設けられる。そして、常温程度の温度では凝縮しない窒素ガスや放射性希ガスなどの非凝縮性ガスを捕集し、その捕集した非凝縮性ガスを中間容器100へ流入させる。
なお、非凝縮性ガス捕集機構200における非凝縮性ガス捕集の原理は、基本的には、凝縮性および非凝縮性の混合ガスを冷却し、蒸気など凝縮性のガスを凝縮させることにより除去するものである。このとき、ガスの冷却には、空気や水の自然対流による冷却を利用することができる。
図5は、本発明の第3の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15bで用いられる非凝縮性ガス捕集機構200の構成の例を模式的に示した図である。図5に示すように、非凝縮性ガス捕集機構200は、非凝縮性ガス202(ただし、水素ガスを除く)を捕捉する凝縮管201、外気205を通流させるための流路カバー203、逆止弁204などにより構成される。
凝縮管201は、出口配管20の希ガスフィルタ23の直上流部から分岐して、下方から上方に向けて略鉛直に設けられる。この凝縮管201は、逆止弁204を介して戻り配管24aに接続され、さらに中間容器100に接続される。ここで、逆止弁204を含む凝縮管201の鉛直部分は、その外周部が円筒状の流路カバー203によって覆われており、流路カバー203と凝縮管201および逆止弁204の外周部との間には、外気205を通流させるための間隙が設けられている。
この場合、凝縮管201には高温の窒素ガスや放射性希ガスなどの非凝縮性ガス202が滞留し、凝縮管201と流路カバー203との間隙には冷たい外気205が流入する。したがって、凝縮管201と流路カバー203との間隙に流入する外気205は、凝縮管201側の熱により暖められ、煙突効果により上昇気流となる。そのため、凝縮管201の外周部と流路カバー203との間隙には、冷たい外気205が取り込まれることになり、凝縮管201内に滞留している非凝縮性ガス202を含む気体は冷却される。なお、流路カバー203は、長い方がより大きな煙突効果が得られる。
以下、この非凝縮性ガス捕集機構200による非凝縮性ガス捕集の原理について説明する。
希ガスフィルタ23の直上流部に窒素および放射性希ガスが滞留すると、希ガスフィルタ23による蒸気の透過性能が低下するため、窒素および放射性希ガスは、蒸気を含んで凝縮管201に流入する。凝縮管201に流入したこれらの気体は、流路カバー203と凝縮管201の外周部との間隙を流れる外気205によって冷却される。このとき、その温度が蒸気の露点以下にまで下がると、前記気体の中に含まれている蒸気は、凝縮し始める。
蒸気が凝縮すると、その分、体積が減少するため、局所的には凝縮管201内の圧力が低下する。このとき、圧力が低下したその局所部分には、希ガスフィルタ23の直上流部に滞留している非凝縮性ガス202が瞬時に供給される。なお、このとき、密度差によって蒸気も流入するが、流入した蒸気は瞬時に凝縮するので、非凝縮性ガス202のみが供給されるといえる。結局のところ、凝縮管201内には、窒素および放射性希ガスなどの非凝縮性ガスが滞留することとなる。
その後、希ガスフィルタ23の直上流部に窒素および放射性希ガスがさらに滞留して、希ガスフィルタ23が蒸気の透過性能を失うと、凝縮管201内の圧力は、さらに上昇する。そして、その圧力が逆止弁204の下流側に設けられた逃し弁25(図4参照)の設定圧PAを超えると逃し弁25が開き、凝縮管201内に滞留していた窒素および放射性希ガスなどの非凝縮性ガスが中間容器100内へ流入する。このようにして、非凝縮性ガス捕集機構200は、非凝縮性ガスを捕集し、その捕集した非凝縮性ガスを中間容器100に貯留させることができる。
ここで、凝縮管201は、フィルタベント容器16よりも高い位置に配置されるものとする。この場合、凝縮管201内で凝縮した凝縮水は、出口配管20を介して重力によりフィルタベント容器16に戻される。したがって、フィルタベント容器16内のスクラビング水18の減少を低減させる効果を期待することができる。
なお、逆止弁204は、逃し弁であってもよく、その場合には、その逃し弁としては、戻り配管24a上に設けられた逃し弁25を用いることができる。
また、凝縮管201の冷却には、水の自然対流を用いてもよい。この場合は、図示しない冷却水の容器を凝縮管201より高い位置に設置し、両者の水頭差を利用して流路カバー203と凝縮管201との間隙に流入させることにより、凝縮管201を冷却することができる。
図6は、本発明の第3の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15bで用いられる他の非凝縮性ガス捕集機構200aの構成の例を模式的に示した図である。ここで、非凝縮性ガス捕集機構200aは、第3の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15b(図4参照)においては、図5に示した非凝縮性ガス捕集機構200に代えて用いられる。
なお、図5に示した非凝縮性ガス捕集機構200と図6に示した非凝縮性ガス捕集機構200aとの構成の相違は、前者では円盤型の希ガスフィルタ23が用いられているのに対し、後者では円筒型の希ガスフィルタ23aが用いられている点にある。
すなわち、図6の例では、円筒型の希ガスフィルタ23aは、下方から上方に向って略鉛直に配置される出口配管20と凝縮管201とを接続する位置に配置され、さらに、両方の配管と同軸状に設置される。したがって、出口配管20内を流れる気体のうち、蒸気および水素ガスは、希ガスフィルタ23aを半径方向に透過し、その外部を覆う配管を介して排気塔22に到り、排気塔22から外部の大気に放出される。
これに対し、希ガスフィルタ23aを透過しない窒素や放射性希ガスなどの非凝縮性ガス202は、凝縮管201内に滞留する。そして、その圧力が高まると逆止弁204および逃し弁25を介して中間容器100に流入する。また、この図6の例においても、逆止弁204および凝縮管201の外周部は、円筒状の流路カバー203によって覆われている。そのため、凝縮管201内に滞留した非凝縮性ガス202は、その外周部を流れる冷たい外気205によって冷却される。したがって、非凝縮性ガス202に蒸気が混じっていたとしても、その蒸気は凝縮することにより除去されるので、非凝縮性ガス202だけが中間容器100に流入し貯留されることとなる。
以上のような非凝縮性ガス捕集機構200aにおける非凝縮性ガス捕集の原理は、図5を用いて説明した非凝縮性ガス捕集の原理とほとんど同じである。したがって、図6の例における非凝縮性ガス捕集機構200aでも、非凝縮性ガスを捕集し、その捕集した非凝縮性ガス202を中間容器100に貯留させることができる。
ここで、凝縮管201は、フィルタベント容器16よりも高い位置に配置されるものとする。その場合、凝縮管201内で凝縮した凝縮水は、出口配管20を介して重力によりフィルタベント容器16に戻される。したがって、フィルタベント容器16内のスクラビング水18の減少を低減させる効果を期待することができる。
また、凝縮管201の冷却には、水の自然対流を用いてもよい。その場合は、冷却水の容器を凝縮管201より高い位置に設置し、水頭差を利用して凝縮管201と流路カバー203との間隙に流入させることで凝縮管201の外周面を冷却することができる。
以上、本実施形態において、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力を減ずるために設けられた中間容器100、非凝縮性ガス捕集機構200,200a、逃し弁25および逆止弁26は、いずれも電源などの外部動力がなくても作動する受動部品である。したがって、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15bは、電源が喪失されるような万が一の事態が生じた場合であっても、放射性希ガスを外部に放出させることなく、原子炉格納容器1内の圧力を継続的に減少させることができる。また。その際に、原子炉格納容器1内の圧力が必要以上に低下することも防止される。
なお、以上に説明した第3の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15bで用いられる他の非凝縮性ガス捕集機構200,200aを、第2の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15aに適用してもよい。
≪第4の実施形態≫
図7は、本発明の第4の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15cの構成の例を模式的に示した図である。なお、図7では、破線の枠内に、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15cの構成の例が示されており、その左側には、原子炉格納容器1の概略断面構造の例が示されている。
本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15cの構成は、中間容器100が内部に組み込まれた非凝縮性ガス捕集機構200bが設けられている点で、第2の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15a(図3参照)と大きく相違している。また、逃し弁25が非凝縮性ガス捕集機構200bの上流側ではなく下流側に設けられている点でも相違している。さらには、逃し弁25の下流側の配管が2つに分岐され、その一方が逆止弁26を介して原子炉格納容器1に接続され、他方が逆止弁130および蒸気トラップ110を介してフィルタベント容器16に接続されている点でも相違している。以下、これらの相違点について説明する。
図8は、本発明の第4の実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15bにおいて、非凝縮性ガス捕集機構200bにより非凝縮性ガス202を捕集する構成の例を模式的に示した図である。図8に示すように、非凝縮性ガス捕集機構200bは、非凝縮性ガス202を捕集、貯留する中間容器100と、中間容器100の上下方向の外周面を覆い、その外周面との間に形成される間隙に外気205を通流させる流路カバー203と、を備えて構成される。
本実施形態では、中間容器100と出口配管20内の希ガスフィルタ23の直上流部とは、戻り配管24aによって接続されている。したがって、時間の経過とともに、希ガスフィルタ23の直上流部および中間容器100内には、希ガスフィルタ23を透過できない窒素および放射性希ガスが滞留し、貯留される。ただし、このとき、中間容器100内には、蒸気も混入すると考えられる。
ここで、中間容器100とその外周部を覆う流路カバー203との間隙に、低温の外気205が流入すると、中間容器100内に貯留されている蒸気が混入した気体の温度も低下する。そして、その温度が蒸気の露点温度以下になると、蒸気の凝縮が始まり、中間容器100内に貯留されている気体から蒸気が除去されることとなる。
そして、中間容器100内における圧力が戻り配管24c上に設けられた逃し弁25の設定圧PAを超えた場合には、中間容器100内に貯留されている蒸気が除去された気体、すなわち窒素および放射性希ガスは、戻り配管24bを介して原子炉格納容器1に戻される。また、中間容器100内で生じた凝縮水は、その下側方向に向けて設けられたバイパス管120上に設けられた逃し弁25、逆止弁130、蒸気トラップ110を介して、フィルタベント容器16に戻される。このとき、凝縮水は、基本的には重力によりバイパス管120内を通過してフィルタベント容器16に到る。
なお、以上の第4の実施形態において、流路カバー203による中間容器100の冷却には、水を用いてもよい。この場合には、図示しない冷却水の容器を中間容器100より高い位置に設置し、両者の水頭差を利用して冷却水を流路カバー203と中間容器100との間隙に流入させることにより、中間容器100を冷却することができる
また、戻り配管24c上に設けられた逃し弁25は必須ではない。戻り配管24b上に逆止弁26が設置されていれば、逃し弁25を設置しなかったとしても、非凝縮性ガス捕集機構200bによる非凝縮性ガス202の捕集、貯留の機能は保持される。
また、バイパス管120の接続先は、フィルタベント容器16の上流側、下流側のいずれであってもよい。さらに、バイパス管120上に設けられた逆止弁130も必須ではない。ただし、逆止弁130を設けた場合には、フィルタベント容器からの流体の逆流を防ぐことができる。また、出口配管20に設けられる希ガスフィルタ23の形状は、図5の例で用いられた円盤型でも、図6の例で用いられた円筒型でも、そのいずれであってもよい。
以上、本実施形態において、希ガスフィルタ23の直上流部の圧力を減ずるために設けられた非凝縮性ガス捕集機構200b、逃し弁25および逆止弁26は、いずれも電源などの外部動力がなくても作動する受動部品である。したがって、本実施形態に係る原子炉格納容器ベントシステム15cは、電源が喪失されるような万が一の事態が生じた場合であっても、放射性希ガスを外部に放出させることなく、原子炉格納容器1内の圧力を継続的に減少させることができる。また。その際に、原子炉格納容器1内の圧力が必要以上に低下することも防止される。
なお、本発明は、以上に説明した実施形態および変形例に限定されるものではなく、さらに、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態および変形例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態や変形例の構成の一部を、他の実施形態や変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態や変形例の構成に他の実施形態や変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態や変形例の構成の一部について、他の実施形態や変形例に含まれる構成を追加・削除・置換することも可能である。
1 原子炉格納容器
2 炉心
3 原子炉圧力容器
4 主蒸気管
5 ドライウェル
6 蒸気逃し安全弁
7 ウェットウェル
8 サプレッションプール
9 蒸気逃し安全弁排気管
10 クエンチャ
11 ベント管
11a ベント管排気部
12 ダイヤフラムフロア
13 ベント配管
14 隔離弁
15,15a,15b.15c 原子炉格納容器ベントシステム
16 フィルタベント容器
17 入口配管
18 スクラビング水
19 金属フィルタ
20 出口配管
21 遮蔽壁
22 排気塔
23 希ガスフィルタ
24a,24b,25c 戻り配管
25 逃し弁
38 ヨウ素フィルタ
100 中間容器
110 蒸気トラップ
120 バイパス管
130 逆止弁
200,200a,200b 非凝縮性ガス捕集機構
201 凝縮管
202 非凝縮性ガス
203 流路カバー
204 逆止弁
205 外気

Claims (7)

  1. 原子炉格納容器内の気体を大気に放出して前記原子炉格納容器内を減圧する原子炉格納容器ベントシステムであって、
    前記原子炉格納容器内から排出され、大気に放出されるまでのベントガスの流路を形成するベントラインと、
    前記ベントラインの最下流部に設けられ、前記ベントガスのうち少なくとも蒸気を通し放射性希ガスを通さない希ガスフィルタと、
    前記ベントラインにおける前記希ガスフィルタの直上流部と前記原子炉格納容器とを接続する戻り配管と、
    前記戻り配管上に設けられ、前記希ガスフィルタを透過できなかった放射性希ガスを含む気体が流入して、貯留される中間容器と、
    を備えること
    を特徴とする原子炉格納容器ベントシステム。
  2. 前記希ガスフィルタの直上流部と前記中間容器とを接続する部分の前記戻り配管上に、逃し弁が設けられていること
    を特徴とする請求項1に記載の原子炉格納容器ベントシステム。
  3. 前記中間容器と前記原子炉格納容器とを接続する部分の前記戻り配管上に、逆止弁または逃し弁が設けられていること
    を特徴とする請求項1に記載の原子炉格納容器ベントシステム。
  4. 前記中間容器で凝縮した凝縮水を前記希ガスフィルタよりも上流側の前記ベントラインに戻すバイパス管をさらに備えること
    を特徴とする請求項1に記載の原子炉格納容器ベントシステム。
  5. 前記バイパス管上に蒸気トラップが設けられていること
    を特徴とする請求項4に記載の原子炉格納容器ベントシステム。
  6. 前記希ガスフィルタの直上流部と前記中間容器とを接続する部分の前記戻り配管上に、非凝縮性ガスを捕集する非凝縮性ガス捕集機構が設けられていること
    を特徴とする請求項1に記載の原子炉格納容器ベントシステム。
  7. 前記非凝縮性ガス捕集機構は、
    前記希ガスフィルタの直上流部と前記中間容器とを接続する部分の前記戻り配管が略鉛直に配置される配管部分と、
    前記略鉛直に配置される配管部分の外周部を取り囲む円筒状の流路カバーと、
    を含んで構成され、
    前記配管部分の外周部と前記流路カバーとの間には空気または水が通流可能な間隙が設けられていること
    を特徴とする請求項6に記載の原子炉格納容器ベントシステム。
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