JPH0572372A - 原子炉の炉心デブリ冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 デブリが、原子炉圧力容器底部から落下した
際に、デブリの冷却に必要な冷却水を、下部ドライウェ
ルの底部に確実に導く。 【構成】 サプレッションプール２５と下部ドライウェ
ル２４とを仕切る隔壁に、プール水導入口２８を設け
る。このプール水導入口２８を、導入口閉止装置３０で
閉止する。原子炉圧力容器２２の下方に、デブリ受容体
２６を配置する。このデブリ受容体２６を、下部ドライ
ウェル２４の底部２４ａに設けた弾性支持体２７で支持
する。デブリ受容体２６と導入口閉止装置３０とを、伝
達機構３３により機械的に連結する。デブリをデブリ受
容体２６で受けると、そのときの衝撃荷重やデブリの自
重により、デブリ受容体２６が下降する。この下降動作
を、伝達機構３３により機械的に導入口閉止装置３０に
伝え、導入口閉止装置を３０を開く。サプレッションプ
ール２５内の冷却水は、開いた導入口閉止装置３０を通
って、水頭圧で底部２４ａに送られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉の炉心が損傷崩
壊し、これが炉内構造物に溶融混合して形成されるデブ
リの冷却装置に係り、特にデブリが原子炉圧力容器下部
から原子炉格納容器内に落下した際に、原子炉格納容器
底部に確実に冷却水を供給することができる原子炉の炉
心デブリ冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電所の設計を行う際には、設計
上の想定事故を超える事象として、炉心の損傷をも仮定
した苛酷事故対策についても検討される。この苛酷事故
対策の１つとして、従来、炉心デブリ冷却装置が提案さ
れている。

【０００３】ここでデブリとは、原子炉の炉心が損傷崩
壊し、これが炉内構造物に溶融混合して形成される高温
の溶融物のことである。このデブリは、原子炉圧力容器
下部から原子炉格納容器底部上に落下するおそれがあ
る。

【０００４】ところで、炉心の損傷崩壊の仮定そのもの
が新しい課題である。したがって、落下したデブリの冷
却に関しては、各国でその挙動を含め様々な研究が進め
られている段階であり、確立した先行技術といえるもの
は未だ存在せず、様々な研究を通してその課題が整理さ
れている段階である。

【０００５】したがって、現在までの知見に基づき、炉
心が損傷した場合の事象の概要を、図７に示す沸騰水型
原子力発電所を例に採って説明する。

【０００６】図７において、符号１はサプレッションプ
ール２を有する原子炉格納容器であり、この原子炉格納
容器１内には、炉心４を格納する原子炉圧力容器３が収
納されている。

【０００７】以上の構成において、炉心４が損傷し、崩
壊すると、炉心４の冷却形状が維持されないことから、
炉心４は炉内構造物とともに溶融混合し、高温の溶融物
であるデブリ５となって、原子炉圧力容器３の底部から
落下し始める。このとき、図示しない設備により、冷却
水の注水が再開されれば、米国のスリーマイルアイラン
ドの原発事故のように、デブリ５は原子炉圧力容器３の
底部に溜まって、そのまま冷却される可能性がある。

【０００８】ところが、この時点でも冷却水の注水が不
可能な場合には、デブリ５は原子炉圧力容器３の底部を
破損せしめ、やがては、原子炉圧力容器３の底部から原
子炉格納容器１の底部へと落下し始めることになる。そ
して、デブリ５が原子炉格納容器１の底部に落下する
と、原子炉格納容器１の底部を形成しているコンクリー
ト６との化学反応（コア・コンクリート反応）により、
粒子状の放射性物質（ＦＰ等）や一酸化炭素あるいは水
素等が多量に発生する。この発生したガスによる内圧上
昇により、原子炉格納容器１が加圧破損し、大量の粒子
状の放射性物質を含むガスが、大気中に放出されるとい
った最悪の事態に至るおそれがある。

【０００９】このような事態に到る可能性は、沸騰水型
原子力発電所に限らず、図８に示す加圧水型原子力発電
所にも同様にある。なお図８において、符号７は基礎コ
ンクリート、８は外部遮蔽建屋、９は蒸気発生器、１０
は一次冷却材ポンプ、１１はポーラクレーン、１２は原
子炉キャビティである。

【００１０】ところで、デブリ５が原子炉格納容器１の
底部に落下した段階において、何等かの方法でデブリ５
の冷却が可能であれば、外部への無制限な大気の放射性
物質の放出といった、最悪の事態は避けることができる
ものと期待される。そして、このような見地にたって、
従来から前述のように原子炉の炉心デブリ冷却装置が提
案されている。

【００１１】従来から提案されている冷却装置は、デブ
リが落下する原子炉格納容器の底部に冷却水を導入する
ために、既存のプールと原子炉格納容器底部とを連通す
るプール水導入口を設け、かつ通常時には、プール水の
導入を防止するために、プール水導入口の出口に遠隔操
作弁を配置した構造となっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の原子炉の炉
心デブリ冷却装置においては、遠隔操作弁を動作させる
ために、圧縮空気や電力等の外部動力を必要とするが、
この冷却装置の作動が実際に必要となるような苛酷事故
時には、前記外部動力そのものも喪失している可能性が
あり、この場合には、冷却装置を作動させることが困難
となる。

【００１３】そこで、米国等において、前記遠隔操作弁
に代えて、デブリが発する高熱により溶融してプール水
導入口を開放する装置を用いることが検討されている
が、この方式の場合にも、溶融動作の確実性の確保が課
題となる。

【００１４】本発明は、このような点を考慮してなされ
たもので、デブリが原子炉格納容器の底部に落下した段
階で、原子炉格納容器の底部に、冷却水を確実に導入す
ることができる原子炉の炉心デブリ冷却装置を提供する
ことを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成する手段として、原子炉格納容器内に収容した原子炉
圧力容器外に設置され、冷却水を保有するプールと，プ
ール内の冷却水を、原子炉格納容器の原子炉圧力容器下
方位置まで水頭圧で導びくプール水導入部と，このプー
ル水導入部を閉止する閉止手段と，原子炉圧力容器から
落下するデブリを捕集するデブリ受容体を、原子炉格納
容器の底部から上方に離して支持するとともに、デブリ
落下時の衝撃荷重またはデブリの自重により、デブリ受
容体を下降させる支持機構と，デブリ受容体の下降動作
を、閉止手段に機械的に伝達し、プール水導入部を開放
する伝達機構と，をそれぞれ設けるようにしたことを特
徴とする。

【００１６】

【作用】本発明に係る原子炉の炉心デブリ冷却装置にお
いて、原子炉圧力容器の底部から落下してきたデブリ
は、支持機構で支持されているデブリ受容体により捕集
される。デブリがデブリ受容体で捕集されると、デブリ
落下時の衝撃荷重あるいはデブリの自重により、デブリ
受容体が下降する。すると、この下降動作は伝達機構を
介して機械的に閉止手段に伝達され、プール水導入部が
開放されて、プール水が原子炉格納容器底部に導入され
る。

【００１７】

【実施例】以下本発明の第１実施例を図１ないし図３を
参照して説明する。

【００１８】図１は、本発明に係る原子炉の炉心デブリ
冷却装置の一例を示すもので、図中符号２１は原子炉圧
力容器２２を収納する原子炉格納容器である。この原子
炉格納容器２１は、原子炉圧力容器２２の外周部および
上部に位置する上部ドライウェル２３と、原子炉圧力容
器２２の下部に位置する下部ドライウェル２４と、下部
ドライウェル２４の外周部に位置して冷却水を保有する
サプレッションプール２５とから構成される圧力制御型
原子炉格納容器となっている。

【００１９】下部ドライウェル２４内には、図１および
図２に示すように、下部ドライウェル２４の底部２４ａ
から上方に離れた位置に、デブリ受容体２６が配置され
ており、このデブリ受容体２６は、弾性支持体２７を介
して底部２４ａの上に支持されている。そして、このデ
ブリ受容体２６は、原子炉圧力容器２２の底部から落下
してきたデブリ（図示せず）を上面で捕集するようにな
っている。また弾性支持体２７は、デブリ落下時の衝撃
荷重あるいはデブリ受容体２６で捕集されたデブリの自
重で変形しデブリ受容体２６を下降させて底部２４ａ上
に軟着させるようなっている。

【００２０】一方、下部ドライウェル２４とサプレッシ
ョンプール２５とを仕切る隔壁には、図１および図２に
示すように、サプレッションプール２５内の冷却水を、
下部ドライウェル２４の底部２４ａに導くためのプール
水導入口２８が貫通設置されており、このプール水導入
口２８内には、スリーブ２９が挿入されて溶着されてい
る。そして、このスリーブ２９内部の出側端には、導入
口閉止装置３０が設置され、プール水導入口２８を閉止
している。

【００２１】この導入口閉止装置３０は、図２に示すよ
うに、スリーブ２９の内周面に溶着固定された筒状の固
定座３１と、この固定座３１に溶着固定された椀形の破
壊板３２とから構成されている。破壊板３２は、設計荷
重で確実に破壊するような板厚で形成され、かつその外
表面にはラプチャーディスクやプルアップ方式の缶詰に
見られるような切込みが、必要に応じ設けられるように
なっている。そして、この導入口閉止装置３０とデブリ
受容体２６とは、伝達機構３３を介して相互に連結され
ている。

【００２２】この伝達機構３３は、図２に示すように、
破壊板３２の下部ドライウェル２４側の外面に溶接固定
されたヒンジ３４とデブリ受容体２６の導入口閉止装置
３０側の下面に溶接固定されたヒンジ３５と、これら両
ヒンジ３４，３５を相互に連結する連結棒３６とから構
成されている。そしてこの伝達機構３３は、デブリ受容
体２６の下降動作を機械的に導入口閉止装置３０に伝達
し、その破壊板３２を破壊してプール水導入口２８を開
放するようになっている。

【００２３】一方、デブリ受容体２６は、図３に示すよ
うに、六角筒状をなすハニカム構造体３７を多層に積重
ね連結して構成されており、その上面および下面には凹
凸が形成されるとともに、内部には横方向に貫通する多
数の開口が形成されるようになっている。そしてデブリ
受容体２６上面の凹凸は、デブリ下面の冷却接触面積を
増加させて熱の伝達を促進させる機能を有しており、ま
た、デブリ受容体２６下面の凹凸および内部の開口は、
デブリ下面を冷却するための冷却水の流路として機能す
るようになっている。

【００２４】次に本実施例の作用について説明する。

【００２５】原子炉圧力容器２２内に格納されている炉
心が損傷し、かつ原子炉圧力容器２２の底部が損傷して
デブリとなって落下し始めると、このデブリは、デブリ
受容体２６の上面に落下堆積する。すると、デブリ受容
体２６には、原子炉の通常運転時には作用することがな
い荷重、すなわちデブリ落下時の衝撃荷重やデブリの自
重が作用することになる。そして、この荷重が予め設定
した以上になると、弾性支持体２７が変形し始め、デブ
リ受容体２６は、徐々に下方に移動してやがて下部ドラ
イウェル２４の底部２４ａに軟着する。この際、デブリ
受容体２６はハニカム構造体３７で構成されているの
で、デブリ受容体２６が一定の衝撃吸収力を有してい
る。このため、デブリ受容体２６が底部２４ａに軟着し
た後、引続きデブリがデブリ受容体２６上に落下してき
ても、その衝撃荷重が緩和され、底部２４ａを形成する
コンクリートを保護することができる。

【００２６】デブリ受容体２６が下降移動すると、連結
棒３６がヒンジ３５を中心として回転しながら、破壊板
３２を水平方向に押すことになる。そして、この力が破
壊板３２の許容応力を上廻ると、破壊板３２が破壊され
てプール水導入口２８が開放される。すると、サプレッ
ションプール２５内の冷却水が、プール水導入口２８を
通って、下部ドライウェル２４の底部２４ａに水頭圧で
供給される。

【００２７】下部ドライウェル２４の底部２４ａに流入
してきた冷却水は、デブリを水浸けにすることにより、
デブリの上面および周側面を冷却するとともに、デブリ
下面には、デブリ受容体２６内部の開口やデブリ受容体
２６下面の凹凸、あるいは変形した弾性支持体２７によ
って冷却水の流路が形成されるので、デブリ下面をも充
分に冷却することになる。このため、下部ドライウェル
２４の底部２４ａのコンクリートが損傷するおそれが全
くない。

【００２８】なお、導入口閉止装置３０の作動を確認す
る場合には、サプレッションプール２５の水を抜き、デ
ブリ受容体２６の上面に所定の荷重をかける。そして、
破壊板３２が開放するか否かを確認する。その後は、ス
リーブ２９と固定座３１との溶接面を溶断し、新しい固
定座３１と破壊板３２とを据付けて、スリーブ２９に溶
接することにより復旧できる。

【００２９】このように、導入口閉止装置３０は、デブ
リ落下時の衝撃荷重やデブリの自重といった自然力によ
って開となるので、圧縮空気や電力等の他の動力を用い
ることなく、冷却水を確実に導入することができる。ま
た、デブリ受容体２６により、デブリとコンクリート面
との直接接触が防止されるので、コア・コンクリート反
応の発生を防止することができる。また、プール水導入
口２８を複数設け、複数の導入口閉止装置３０をデブリ
受容体２６に連動させるようにすれば、信頼性をより向
上させることができる。

【００３０】図４は、本発明の第２実施例を示すもの
で、前記第１実施例における弾性支持体２７、導入閉止
装置３０および伝達機構３３に代え、弾性支持体４７、
導入口閉止装置５０および伝達機構５３を用いるように
したものである。

【００３１】すなわち、弾性支持体４７は、スプリング
４８と、スプリング４８の上端を隔壁に固定するサポー
ト４９とから構成されている。このスプリング４８は、
所定量のデブリがデブリ受容体２６上に堆積した際にそ
の重量で伸長し、これによりデブリ受容体２６が下降動
作するようになっている。

【００３２】また、導入口閉止装置５０は、固定座５１
と破壊板３２とから構成されており、固定座５１は、破
壊板３２をスリーブ２９内で水平に固定するようになっ
ている。 さらに、伝達機構５３は、破壊板３２に溶着
されたヒンジ３４、デブリ受容体２６に溶着されたヒン
ジ３５、２つの中間ヒンジ５４，５５、およびこれらの
ヒンジ３４，３５，５４，５５を順次連結する３本の連
結棒５６ａ，５６ｂ，５６ｃから構成されおり、連結棒
５６ｂの破壊板３２寄りの部位は、支点材５７を介し固
定座５１に支持されている。

【００３３】なお、その他の点については、前記第１実
施例と同一構成となっている。

【００３４】以上の構成において、デブリ受容体２１６
上にデブリが堆積し、その重量が設定値を上廻ると、ス
プリング４８が伸長作動して、デブリ受容体２６が下降
動作する。すると、連結棒５６ｂは支点材５７を支点と
してデブリ受容体２６側が下がり、梃子の原理で増幅さ
れた力により、破壊板３２が上方に押上げられ、破壊板
３２の破壊によりプール水導入口２８が開放される。

【００３５】このように構成しても、前記第１実施例と
同様の効果が期待できる。

【００３６】図５は、本発明の第３実施例を示すもの
で、前記第１実施例における弾性支持体２７および伝達
機構３３に代え、支持機構６７および伝達機構７３を用
いるよにしたものである。

【００３７】すなわち、支持機構６７は、隔壁から突出
するサポート６８と、デブリ受容体２６から突出するサ
ポート６９と、これら両サポート６８，６９間を連結す
る固定ピン７０とから構成されている。この支持機構６
７は、デブリ受容体２６上に堆積したデブリが多くなっ
て、荷重が設定値を超えた際に固定ピン７０が破断して
デブリ受容体２６を落下させるようになっている。下部
ドライウェル２４の底部２４ａの上には、デブリ受容体
２６落下時の衝撃荷重を緩和させるために、衝撃吸収体
７１が設置されている。

【００３８】一方、伝達機構７３は、導入口閉止装置３
０の破壊板３２とデブリ受容体２６とを連結するワイヤ
７４を備えており、このワイヤ７４の中間部は、サポー
ト７５で支持されるローラ７６で案内されている。そし
て、この伝達機構７３は、デブリ受容体２６の落下をワ
イヤ７４を介して破壊板３２に機械的に伝達し、破壊板
３２を破壊してプール水導入口２８を開放するようにな
っている。

【００３９】なお、その他の点については、前記第１実
施例と同一構成となっている。

【００４０】以上の構成において、デブリ受容体２６上
にデブリが推積し、荷重が設定値を超えると、固定ピン
７０が破断して、デブリ受容体２６が下部ドライウェル
２４の底部２４ａの上に落下する。その際の衝撃荷重
は、衝撃吸収体７１で緩和される。

【００４１】デブリ受容体２６が落下すると、その動き
はワイヤ７４を介して破壊板３２に伝達され、破壊板３
２が破壊されてプール水導入口２８が開放される、。

【００４２】このように構成しても、前記第１実施例と
同様の効果が期待できる。また、衝撃吸収体７１内部
に、ホウ素等の反応度吸収材を入れておけば、デブリ受
容体２６の落下に伴ないホウ素が冷却水中に放出され、
反応度を抑制することも可能である。

【００４３】なお、前記第３実施例においては、プール
水導入口２８がデブリ受容体２６よりも高所に設置され
る場合について説明したが、例えばローラ７６のうちの
１つを上方に設置し、ワイヤ７４を逆Ｕ字状に張設する
ことにより、図２に示すように、プール水導入口２８が
デブリ受容体２６よりも低位置に設置されている場合に
も適用できる。

【００４４】図６は、本発明の第４実施例を示すもの
で、前記第１実施例におけるデブリ受容体２６に代え、
デブリ受容体８６を用いるようにしたものである。

【００４５】すなわち、このデブリ受容体８６は、Ｈ形
鋼８７と、このＨ形鋼８７をサンドイッチする上下２枚
の平板８８とから構成されており、このデブリ受容体８
６の上面には、デブリへの伝熱を促進するためのフィン
８９が多数設けられている。

【００４６】なお、その他の点については、前記第１実
施例と同一構成となっている。

【００４７】以上の構成において、デブリ受容体８６上
に落下してきたデブリは、まずフィン８９間の間隙を埋
め、次いでその上部に堆積することになる。一方、冷却
水は、Ｈ形鋼８７間の間隙を流動することにより、デブ
リ内部に挿入されたフィン８９と相俟って、デブリを下
面からも効率的に冷却する。

【００４８】このデブリ受容体８６を用いても、前記第
１実施例と同様の効果が期待できる。また、デブリ受容
体８６の一部または全部に、反応度を吸収するホウ素等
の吸収材を用いることにより、デブリ内部で維持されて
いるかもしれない核反応を抑制することもできる。

【００４９】なお、前記各実施例においては、下部ドラ
イウェル２４の外周部に位置するサプレッションプール
２５のプール水を、冷却水として用いる場合について説
明したが、図７に示すような構造の原子炉格納容器や、
サプレッションプールを有しない加圧水型原子炉の場合
には、冷却水を貯蔵するプールを、下部ドライウェルの
上方に設置することにより、同様に適用することができ
る。また、場合によっては、下部ドライウェルの上方に
位置する既存のプールを用いることも可能である。

【００５０】例えば、加圧水型原子力発電所の場合に
は、原子炉格納容器内に位置する原子炉キャビティの一
部の領域を用いたり、あるいは原子炉格納容器外に位置
する燃料取替用タンク等を用いることが考えられる。ま
た、沸騰水型原子炉の場合には、原子炉格納容器外に位
置する蒸気乾燥器、気水分離器ピット等を用いることが
考えられる。

【００５１】ただし、既存のプールが、原子炉格納容器
の外側の大気中に開放している場合には、苛酷事故時に
開放されるプール水導入口から既存のプールを経由し
て、原子炉格納容器内部が外界に開放されることになる
ため、開放されたプール水導入口を、デブリ水没後に再
度閉鎖できるように考慮することが望ましい。この場
合、長期的には機能の回復が期待できる電動弁を用いて
再閉鎖するのが実用的である。

【００５２】また、本発明は、前記各実施例に限定され
るものではなく、導入口閉止装置３０，５０に代えて、
バタフライ弁やゲート弁、あるいはロック付チェック弁
等を用いるようにすることもでき、また伝達機構３３，
５３，７３に代えて、チェーンや歯車等を組合わせたも
のを用いることもできる。

【００５３】また、デブリ受容体２６，８６について
も、その構造、形状を種々変更することができ、またこ
れを支持する機構２７，４７，６７についても、種々の
変更が可能である。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、デブリ受
容体によりデブリを捕集するとともに、その下降動作
を、伝達機構により機械的に閉止手段に伝達し、プール
水導入部を開放するようにしているので、圧縮空気や電
力等の他の動力を用いることなく、冷却水を確実に導入
することができる。また、デブリ受容体により、デブリ
とコンクリートとの直接接触が防止されるので、コア・
コンクリート反応の発生を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る原子炉の炉心デブリ
冷却装置を示す構成図である。

【図２】図１の要部拡大断面図である。

【図３】図１のデブリ受容体の詳細を示す要部拡大図で
ある。

【図４】本発明の第２実施例を示す図２相当図である。

【図５】本発明の第３実施例を示す図２相当図である。

【図６】本発明の第４実施例を示す図３相当図である。

【図７】沸騰水型原子力発電所におけるデブリの発生状
態を示す説明図である。

【図８】加圧水型原子力発電所におけるデブリの発生状
態を示す説明図である。

【符号の説明】

２１ 原子炉格納容器 ２２ 原子炉圧力容器 ２４ 下部ドライウェル ２４ａ 底部 ２５ サプレッションプール ２６，８６ デブリ受容体 ２７，４７ 弾性支持体 ２８ プール水導入口 ３０，５０ 導入口閉止装置 ３３，５３，７３ 伝達機構 ６７ 支持機構

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子炉格納容器内に収容した原子炉圧力容
   器外に設置され、冷却水を保有するプールと；プール内
   の冷却水を、原子炉格納容器の原子炉圧力容器下方位置
   まで水頭圧で導びくプール水導入部と；このプール水導
   入部を閉止する閉止手段と；原子炉圧力容器から落下す
   るデブリを捕集するデブリ受容体と；このデブリ受容体
   を、原子炉格納容器の底部から上方に離して支持すると
   ともに、デブリ落下時の衝撃荷重またはデブリの自重に
   より、デブリ受容体を下降させる支持機構と；デブリ受
   容体の下降動作を、前記閉止手段に機械的に伝達し、プ
   ール水導入部を開放する伝達機構と；を具備することを
   特徴とする原子炉の炉心デブリ冷却装置。