JPH10288695A - 水素ガス対策設備を備えた原子炉格納容器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】最小限の設備の追設で苛酷事故時の大量の水素
ガス発生による格納容器内加圧を効率よく緩和すること
が可能であり、且つ万一の機器故障（酸素注入弁のリー
ク等）が発生しても格納容器内を可燃性領域にいたらし
めることのない水素ガス対策設備を備えた格納容器を提
供することにある。 【解決手段】原子炉圧力容器を内包する原子炉格納容器
において、前記原子炉格納容器の内部に水素ガスは透過
し酸素ガスを遮断することが可能な膜を有する容器及び
前記膜を有する容器の内部に配置された水素ガスと酸素
ガスを結合させることが可能な触媒を有し、且つ前記膜
を有する容器内部に酸素ガスが注入されうる構成となっ
ていることを特徴とする水素対策設備を備えた原子炉格
納容器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は触媒式可燃性ガス濃
度低減装置を用いた水素ガス対策設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電プラントにおいて原子炉一次
系配管等が万一破損した場合、原子炉を冷却するための
冷却材は配管破断箇所から原子炉格納容器内ドライウェ
ル部分に蒸気として放出され、原子炉圧力容器内の冷却
材が減少する。一方、ドライウェル内の圧力・温度が急
激に上昇する。

【０００３】冷却材減少の状態が長期的な場合、軽水炉
型原子力発電所の原子炉内では冷却材である水が放射線
分解され、水素ガスと酸素ガスが発生する。さらに、燃
料被覆管のジルコニウム間で反応が行われ、水素ガスが
多量に発生する。これらのガスは配管破断箇所から格納
容器内に放出される。

【０００４】このままの状態が続いて水素ガス濃度が４
vol％且つ酸素濃度が５vol％を越えた場合は、気体は可
燃状態となりそのまま放置し続けると爆発の危険性が生
じる。

【０００５】従って、軽水炉型原子力発電所では、その
対策として、格納容器から水素ガスを含む気体を送り出
す手段、例えばブロアで格納容器外へ取り出し、電気ヒ
ータで昇温させて水素と酸素とを水に再結合させ、残り
の気体をクーラで冷却してから格納容器に戻す加熱式再
結合器を用いた水素ガスを含む可燃性ガス対策システム
を使用している。

【０００６】また、大型の格納容器を有する原子力発電
所では、イグナイタと呼ばれる強制点火方式を採用して
いる。

【０００７】あるいは、格納容器内に不活性ガスである
窒素を注入する格納容器雰囲気希釈（ＣＡＤ）方式等が
ある。

【０００８】以上に述べた従来型では、ブロアやヒータ
等の強制駆動力及びその駆動に必要な電源を使用する
が、近時、駆動動力源を必要としない静的な装置として
触媒式の再結合器が開発されている。この装置は鋼製の
箱の中に触媒型水素反応材をペレットタイプにしたもの
をカートリッジにまとめ、カートリッジ間を気体の流路
にして水素と酸素を再結合させるものである。特開昭58
−135991号公報には格納容器内に水素の酸化触媒を配置
する例が開示され、特開平6−130170 号公報には格納容
器内に触媒型水素反応材からなる水素ガス濃度低減材を
配置する例が開示されている。

【０００９】また、特開平4−104090 号公報には、格納
容器内の上部に薄板状の水素吸着物質を吊り下げて水素
ガスを吸着し、水素ガスを低減させるものが開示されて
いるし、特開平4−34395号公報には、格納容器ドライウ
ェルやサプレッションチェンバ等に粉末状の水素吸着金
属を収容した水素吸着装置を設置する例が示されてい
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】加熱式再結合器では、
水素ガスと酸素ガスを再結合させるために約７００℃ま
で加熱をする必要がある。このため、電気ヒータや冷却
装置等の設備が必要となっており、配置面やコスト面で
望ましいとは言えない状況にある。

【００１１】一方、触媒式の水素ガス対策設備では、格
納容器内雰囲気気体の循環は自然循環及び格納容器冷却
スプレイによる強制循環に依存している場合がほとんど
であり、積極的に格納容器内の雰囲気気体を触媒式水素
ガス対策設備内へ送り込む手段があったとしても、特開
平8−297194 号公報に示すように、ブロア等の大型設備
の追設が必要となってくる。

【００１２】さらには、これまでの加熱式再結合器及び
触媒式の水素ガス対策設備では、万が一、苛酷事故時に
大量に水素のみが発生して格納容器内の圧力を上昇させ
る事象が発生したときには、酸素がないため再結合がで
きずに、水素ガスの除去が困難になる恐れがある。

【００１３】本発明の目的は、最小限の設備の追設で苛
酷事故時の大量の水素ガス発生による格納容器内加圧を
効率よく緩和することが可能であり、且つ万一の機器故
障（酸素注入弁のリーク等）が発生しても格納容器内を
可燃性領域にいたらしめることのない水素ガス対策設備
を備えた格納容器を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の課題は以下の装置
を提供することにより達成できる。

【００１５】請求項１に示したように、触媒式の可燃性
ガス濃度制御設備を格納容器内に設置し、その廻りを酸
素ガスは通過不可であり、水素ガスは通過が可能な、半
透膜を有する容器で取り囲む。さらに、半透膜を有する
容器に酸素ガスを送り込むことで、触媒周辺に充満して
いる水素ガスと送り込んだ酸素ガスが反応し水又は水蒸
気になる。この時、反応熱により上昇流が生じると考え
られるので、水蒸気は上方へ流れるので容器内をミキシ
ングする駆動力が発生する。この後、触媒周辺の水素ガ
ス濃度が低下すると水素ガス濃度が高い半透膜を有する
容器内の水素ガスが触媒へと流れ込む。これにより半透
膜を有する容器内の水素ガス濃度が低下することになる
ため、水素ガス濃度が高い半透膜を有する容器外部から
水素ガスが次々と供給される。これらの一連の反応を続
けると半透膜を有する容器外部、すなわち原子炉格納容
器内の水素ガスの除去が継続的に可能になる。特に、触
媒を半透膜を有する容器で取り囲むと酸素ガスが遠方へ
拡散していくことがないため効率よく酸素ガスと水素ガ
スが再結合できる。

【００１６】一方、万が一の事故により通常運転時に水
素ガス対策設備内へ酸素ガスが誤注入されたとしても、
設備（半透膜を有する容器）外部へは酸素ガスが漏れだ
すことがないため、格納容器内が可燃領域に至らない。
さらに、請求項２に示す如く、酸素濃度の検出装置を設
けることにより、設備内の異常状態を瞬時に検出するこ
とが可能となるため、万一の機器故障（酸素注入弁のリ
ーク等）が発生しても格納容器内を可燃性領域にいたら
しめることはなく、短時間で異常検知が可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施の形態を図
１により説明する。

【００１８】苛酷事故時に圧力容器１８内の水金属反応
や、放射線水分解反応等により格納容器内に過剰に発生
した水素ガスは、破断口１９を通過して格納容器内を充
満するため、格納容器内１３に設置された半透膜を有す
る容器１周辺にも充満し、さらには半透膜を通過して半
透膜を有する容器１内部にも充満する。ここで、半透膜
は例えばポリテトラフロロエチレン((ＣＦ₂−ＣＦ₂)ｎ)
の様な水素ガスのみを透過し酸素ガスを透過しない膜を
使用する。よって、格納容器１３内の酸素ガスは半透膜
を通過することはできないため、半透膜を有する容器１
内部に入り込むことはない。これにより、苛酷事故後初
期には半透膜を有する容器１内部には水素ガスのみが充
満する。

【００１９】次に、酸素供給装置３から連通配管５を通
って半透膜を有する容器１内部に設置した触媒２の下部
に設置した酸素注入部４を介し、触媒２下部から上部方
向へ向かって酸素ガスを注入する。すると酸素ガスは触
媒２内を通過し、その際充満していた水素ガスと結合し
て水（水蒸気）となり半透膜を有する容器１下方もしく
は半透膜を有する容器１空間部へ留まる。結合しきれな
かった酸素ガスは酸素ガスと水素ガスの反応により生じ
る反応熱によって上昇流が発生するので半透膜を有する
容器１内を巡回しふたたび触媒２を通過する。この際、
半透膜を有する容器１内部に循環促進板１７を設けるこ
とにより、循環流を定常的に作ることが可能となるた
め、水素ガス及び酸素ガスを触媒２へ定常的に注入する
ことができる。これにより、触媒２での反応効率は上昇
する。また、半透膜を有する容器１内下部にドレンライ
ン１４を設けることにより、反応時に発生した水を半透
膜を有する容器１外へ放出し、半透膜を有する容器１内
が水没することを防ぐことが可能である。

【００２０】以上の現象により、半透膜を有する容器１
内の水素ガスは次々に酸素ガスと反応し、半透膜を有す
る容器１内部の水素ガス濃度は徐々に低減される。この
時、注入した酸素ガスは半透膜を通過できないので格納
容器１３内を拡散することがなく、効率よく触媒２内に
酸素ガスが送り込まれることになる。さらに、半透膜を
有する容器１内の水素ガス濃度が低下すると、格納容器
１３内の高濃度の水素ガスが半透膜を有する容器１内に
流れ、格納容器１３内の水素ガス濃度は低下して、格納
容器１３内の圧力も低下して行く。この一連の現象が続
けば、格納容器１３内の水素ガス濃度は低下し続け、水
素ガスが爆発することなく、且つ、水素ガスにより過度
に加圧されることのない水素ガス濃度まで低減すること
が可能となる。

【００２１】ここで、半透膜を有する容器１で触媒２を
取り囲んでいないと、注入した酸素ガスは拡散すること
になり、注入した酸素ガスが触媒２を通過しない恐れも
ある。半透膜を有する容器１で触媒２を取り囲んだこと
で効率よく触媒２で再結合を促すことが可能となってい
る。

【００２２】一方、通常運転時には、本発明である水素
ガス対策設備は使用しないので、酸素ガスの注入弁７は
閉鎖されているが、何らかの原因で誤って注入弁７が開
し、半透膜を有する容器１内に酸素ガスが注入されるこ
とになっても、酸素ガスを通さない半透膜で装置を取り
囲んでいるので、不必要に格納容器内に酸素ガスを拡散
させることはない。さらに、装置内に設置された酸素ガ
ス濃度検出計１１や圧力検出計９により、誤注入後比較
的短時間で異常の検知が可能であるので、異常を最小限
に抑えることができる。

【００２３】また、前記酸素ガス供給装置３を酸素ガス
が蓄圧された酸素ボンベとしても同様な効果が得られ
る。

【００２４】本発明の酸素注入に関するロジックを図２
に示す。

【００２５】水素濃度がある設定値（例えば可燃限界４
vol％ ）より高くなり且つ酸素濃度がある設定値（例え
ば可燃限界に至らない５vol％ ）より低い場合には、注
入弁７を開放する。一方、水素濃度が低い場合には注入
弁７閉鎖する。さらに、水素濃度が低く且つ酸素濃度が
高い場合、半透膜を有する容器１内圧力が高い場合及び
半透膜を有する容器１内外圧力差が高い場合には、酸素
注入ラインの異常の可能性があるため、異常信号を発生
させる。

【００２６】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、苛酷事
故時に発生する大量の水素ガスを長期にわたり除去する
ことが効率よく可能となる。また、形状に関する制約が
少ないため、本設備を設置する際の他の機器配置に対す
るインパクトも少ない。よって、従来設備に比べて場所
をとらないことに加えて、既設炉への追設も比較的容易
となる。さらに、半透膜で触媒を取り囲んだことで、触
媒へ可燃性ガスが効率よく送り込むことが可能となるた
め、再結合効率が向上されることになる。加えて、弁リ
ーク等による万一の事態が発生しても、不必要に格納容
器内に酸素を排出してしまうことがないため、安全性が
向上されている。

【００２７】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
の発明に加えて、膜を有する容器の内部と外部の差圧、
膜を有する容器内部の酸素濃度及び水素濃度を検出し、
酸素ガス注入量を調整することで、より効率よく膜を有
する容器内で水素ガスと酸素ガスの再結合を促すことが
できる。さらに、通常運転時には、弁リーク等による万
一の事態が発生しても、比較的短時間で異常を検知が可
能であるので異常を最小限に抑えることができる。

【００２８】請求項３に記載の発明によれば、請求項２
の発明に加えて、自動で酸素ガス注入量を調整されるた
め、運転員に負担をかけることなく、且つ信頼性も高く
適正な酸素ガス注入量を供給可能である。

【００２９】請求項４に記載の発明によれば、請求項１
の発明に加えて、原子炉格納容器スプレイ等により、水
素ガス対策設備の半透膜に上方から直接異物があたり、
膜が破損することを回避することが可能になるため、機
器性能の信頼性が向上する。請求項５に記載の発明によ
れば、請求項１の発明に加えて、循環促進板を設けるこ
とで、膜を有する容器内のガスの流れを一定方向に定常
的に流れるようにすることが可能であり、これにより、
注入した酸素ガスがより効率よく触媒内を通過すること
が可能になるため、水素除去性能が向上する。

【００３０】請求項６に記載の発明によれば、請求項１
の発明に加えて、容器の下部に外部との連通ラインを設
けることで、再結合時に生じる水を容器の外部に排出す
ることが可能となるため、長時間にわたり水素ガス除去
性能を維持することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の系統図。

【図２】本発明の第一実施例のロジックの説明図。

【符号の説明】

１…半透膜を有する容器、２…触媒、３…酸素供給装
置、４…酸素注入部、５…配管、６…弁駆動装置、７…
弁、８…演算器、９…圧力計、１０…水素濃度計、１１
…酸素濃度計、１２…鋼板、１３…原子炉格納容器、１
４…連通口（ドレンライン）、１５…ドライウェル、１
６…サプレッションチェンバ、１７…循環促進板、１８
…原子炉圧力容器、１９…破断口。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子炉圧力容器を内包する原子炉格納容器
   において、前記原子炉格納容器の内部に水素ガスは透過
   し酸素ガスを遮断することが可能な膜を有する容器及び
   前記膜を有する容器の内部に配置された水素ガスと酸素
   ガスを結合させることが可能な触媒を有し、且つ前記膜
   を有する容器内部に酸素ガスが注入されうる構成となっ
   ていることを特徴とする水素対策設備を備えた原子炉格
   納容器。
2. 【請求項２】請求項１において、前記膜を有する容器内
   部の圧力，水素ガス濃度，酸素ガス濃度及び前記膜を有
   する容器外部の原子炉格納容器内圧力を検出又は監視が
   可能な検出器を備えている水素対策設備を備えた原子炉
   格納容器。
3. 【請求項３】請求項２において、前記膜を有する容器内
   部と外部を連通する配管と前記配管の膜を有する容器外
   部側に設置された弁を有し、且つ、前記圧力，水素濃
   度，酸素濃度検出器によって計測されたデータを必要弁
   開度に変換する変換器と、前記変換器からの信号を受け
   て弁開度を調整するシステムを備えている水素対策設備
   を備えた原子炉格納容器。
4. 【請求項４】請求項１において、膜を有する容器の上部
   を鋼板とした水素対策設備を備えた原子炉格納容器。
5. 【請求項５】請求項１において、膜を有する容器内部に
   仕切り板を設置した水素対策設備を備えた原子炉格納容
   器。
6. 【請求項６】請求項１において、膜を有する容器下部に
   膜を有する容器内部と外部を連通するラインを設置した
   水素対策設備を備えた原子炉格納容器。