WO2017179407A1 - 燃料デブリ保持装置 - Google Patents

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WO2017179407A1
WO2017179407A1 PCT/JP2017/012300 JP2017012300W WO2017179407A1 WO 2017179407 A1 WO2017179407 A1 WO 2017179407A1 JP 2017012300 W JP2017012300 W JP 2017012300W WO 2017179407 A1 WO2017179407 A1 WO 2017179407A1
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WO
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oxide
layer
fuel debris
holding device
lower layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2017/012300
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English (en)
French (fr)
Inventor
雅史 能島
慎二 松下
Original Assignee
日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C9/00—Emergency protection arrangements structurally associated with the reactor, e.g. safety valves provided with pressure equalisation devices
    • G21C9/016—Core catchers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a fuel debris holding device, and more particularly, to a fuel debris holding device suitable for application to a boiling water reactor plant.
  • a core is disposed in a reactor pressure vessel, and in this core, a nuclear fuel material (eg, uranium 235) containing a nuclear fuel material (for example, a plurality of fuel assemblies including a plurality of fuel rods filled with UO 2 ) are loaded.
  • a nuclear fuel material eg, uranium 235
  • a nuclear fuel material eg, uranium 235
  • the cooling water existing in the reactor pressure vessel comes into contact with each fuel rod in each loaded fuel assembly to cool these fuel rods.
  • the emergency reactor core cooling device does not inject the cooling water into the reactor pressure vessel.
  • the nuclear fuel material in each fuel rod will eventually melt.
  • the fuel rod structural member is filled with the nuclear fuel material, and the zirconium alloy cladding tube, the fuel assembly structural member zirconium alloy upper tie plate and lower tie plate Further, the structural members made of stainless steel such as the lower core support plate and the control rod guide tube are melted, and the fuel debris containing the nuclear fuel material and the melt of these structural members is generated.
  • the molten fuel debris may drop on the upper surface of the lower mirror part, which is the bottom of the reactor pressure vessel, and the lower mirror part may be melted and fall on the bottom of the reactor containment vessel surrounding the reactor pressure vessel. .
  • a fuel commonly called a core catcher that catches high-temperature molten fuel debris falling from the reactor pressure vessel
  • a debris holding device is installed on the bottom of the reactor containment just below the reactor pressure vessel. Examples of the fuel debris holding device are described in JP-A-9-212166, JP-A-2014-062859, JP-A-2012-137431, and WO2011-121908.
  • a fuel debris holding device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-211166 is arranged inside a cylindrical pedestal that supports a reactor pressure vessel below the reactor pressure vessel, and includes a high thermal conductivity material layer and a high thermal conductivity material layer. It has a heat-resistant material layer disposed above and a low-melting point oxide material layer disposed above the heat-resistant material layer.
  • the low melting point oxide material layer is made of concrete, for example.
  • the molten fuel debris that has fallen from the reactor pressure vessel contacts the upper surface of the low melting point oxidant layer and melts the low melting point oxidant that forms the low melting point oxidant layer.
  • the joint body of the fuel debris and the low melting point oxidizing material has a melting point lower than that of the fuel debris. Further, the heat transferred from the fuel debris to the heat-resistant material layer is radiated through the high thermal conductive material layer. As a result, the heat-resistant material layer is prevented from melting and the airtightness of the reactor containment vessel can be maintained.
  • the fuel debris holding device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-062859 is disposed on the floor of the reactor containment vessel inside the pedestal below the reactor pressure vessel.
  • This fuel debris holding device is configured in a hollow disk shape and has a water supply container having an inverted conical upper surface inclined from an outer edge portion toward a central portion, and an inverted conical shape disposed above the water supply container and covering the upper surface.
  • a cooling channel that has an upper cover and an inverted conical heat insulating material layer that covers the upper cover and is inclined toward the center of the water supply container is formed between the water supply container and the upper cover.
  • a heat insulating material layer arrange
  • the first heat-resistant layer has a higher thermal conductivity than the second heat-resistant layer, and the second joint portion has a lower thermal conductivity than the first joint portion.
  • Molten fuel debris falls from the reactor pressure vessel onto the heat insulating material layer, specifically the second heat-resistant layer. Cooling water is poured onto the second heat-resistant layer where the fuel debris has dropped and onto the fuel debris, and the cooling water is also supplied to the cooling channel. Thereby, the dropped fuel debris is cooled.
  • JP 2012-137431 describes a fuel debris holding device.
  • the fuel debris holding device includes a jig having an inverted conical upper surface inclined from the outer edge toward the center, an inverted conical metal member disposed above the jig and covering the upper surface, and an upper surface of the metal member. And a lattice-shaped covering material disposed on the heat-resistant layer.
  • the heat-resistant layer is configured by laminating a plurality of block layers.
  • a cooling water passage that is inclined toward the center of the jig is formed between the jig and the metal member.
  • a fuel debris holding device described in WO2011 / 121908 is a jig having an inverted conical upper surface inclined from an outer edge portion toward a central portion, and an inverted conical shape disposed above the jig and covering the upper surface. And an inverted conical multi-layer laminated structure covering the metal member.
  • the multilayer laminated structure reduces corrosion caused by contact with the first heat-resistant layer, the second heat-resistant layer having a lower thermal conductivity than the first heat-resistant layer, and the fuel debris, and the corrosion resistance / impact that reduces the impact caused by dropping of the fuel debris.
  • the relaxation layers are arranged in order from the metal member upward.
  • a cooling water passage that is inclined toward the center of the jig is formed between the jig and the metal member.
  • the conventional fuel debris holding device is a debris holding part as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 9-211166, 2014-062859, 2012-137431, and WO2011-121908.
  • a heat-resistant layer for example, a high melting point oxide
  • a metal material layer are provided. These layers are often separated by mechanical properties, melting point, and the like. This is because the molten fuel debris is heavy and has a high temperature exceeding 2500 ° C.
  • the molten fuel debris is composed of a zirconium alloy which is a structural material of the fuel assembly, zirconium oxide (ZrO 2 ) generated by an oxidation reaction of zirconium contained in the zirconium alloy, and a nuclear fuel material contained in the fuel assembly. It contains some uranium oxide (UO 2 ) and a melt such as stainless steel which is a structural material in the furnace.
  • the debris holding part for example, the heat-resistant layer
  • zirconium contained in the fuel debris reduces the material of the debris holding part or eutectic reacts with the material.
  • the inventors have found that there is a problem that the debris holding portion is eroded by the molten fuel debris.
  • An object of the present invention is to provide a fuel debris holding device capable of preventing the erosion of the heat-resistant layer by suppressing the reduction reaction due to fuel debris.
  • a feature of the present invention that achieves the above-described object is that a lower layer, which is a heat-resistant layer formed of a first oxide having a melting point higher than 2000 ° C., is disposed on the lower layer, and the first oxide And an upper layer formed of a second oxide having a higher generation free energy than that of the generation free energy, and is arranged immediately below the reactor pressure vessel containing the core.
  • the reduction reaction between the metal element M1 contained in the dropped fuel debris and the second oxide occurs, and the metal An oxide of the element M1 is generated. Since the free energy of formation of the second oxide that forms the upper layer is higher than the free energy of formation of the first oxide that forms the lower layer, which is a heat-resistant layer, the reduction reaction between the metal element M1 and the second oxide causes Since the oxide of the metal element M1 is generated, the reduction reaction between the metal element M1 and the first oxide of the lower layer that is the heat-resistant layer does not occur, and the lower layer is prevented from being eroded by the metal element M1.
  • the reduction reaction due to fuel debris can be suppressed to prevent erosion of the heat-resistant layer.
  • FIG. 2 is a specific configuration diagram of the fuel debris holding device shown in FIG. 1. It is a block diagram of the fuel debris holding
  • the inventors have made various studies on a fuel debris holding device that can prevent the heat-resistant layer from being eroded by suppressing the reduction reaction caused by fuel debris. The result of this examination will be described below.
  • the inventors examined a countermeasure plan for suppressing a reduction reaction caused by molten fuel debris, particularly a reduction reaction caused by zirconium contained in the fuel debris.
  • the inventors have formed a second oxide having a higher generation free energy on the lower layer, which is a heat-resistant layer formed of a heat-resistant material, than the generation free energy of the first oxide forming the lower layer.
  • the idea was to install an upper layer formed by That is, the fuel debris holding device has the lower layer formed of the first oxide and the upper layer formed of the second oxide and disposed on the lower layer.
  • the first oxide is an oxide of a first metal element (metal element M2)
  • the second oxide is an oxide of a second metal element (metal element M3) that is different from the first metal element. .
  • the metal contained in the molten fuel debris because the free energy of formation of the second oxide that forms the upper layer in contact with the molten fuel debris is higher than that of the lower first oxide.
  • the element M1 (for example, zirconium, chromium, nickel, iron, etc.) reacts with the oxygen of the second oxide contained in the upper layer and is oxidized to generate an oxide of the metal element M1. Therefore, the reduction reaction between the metal element M1 contained in the fuel debris and the first oxide in the lower layer does not occur, and the metal element M1 contained in the molten fuel debris in the lower layer formed of the first oxide. Erosion due to can be prevented. Therefore, the lower layer that is the heat-resistant layer of the fuel debris holding device can be held in a healthy state. Thereby, melting of the reactor containment vessel floor due to the molten fuel debris can be prevented.
  • the lower layer is one selected from zirconia (ZrO 2 ), uranium dioxide (UO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), magnesia (MgO), and calcium oxide, which are first oxides having a melting point higher than 2000 ° C. Formed by the substance.
  • the upper layer is formed of iron oxide (eg, Fe 2 O 3 ), magnesia (MgO), silicon dioxide, which is a second oxide having higher generation free energy than that of the first oxide forming the lower layer. It is formed of one material selected from (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), and beryllia (BeO). Silicon is a metal having a ⁇ -tin structure.
  • the first oxide forming the lower layer is preferably a substance having a higher melting point than the second oxide forming the upper layer.
  • the upper layer with which the molten fuel debris dropped from the reactor pressure vessel first comes into contact with the second oxide M3O 2 (M3 is a metal element) when severe accident occurs is formed.
  • M3O 2 is a metal element
  • the free energy of formation of the second oxide (M3O 2 ) forming the upper layer is higher than that of the lower first oxide (M2O 2 ) located below, this M3O 2 dropped onto the upper layer
  • the metal element M1 contained in the fuel debris for example, zirconium (Zr) reacts (reduction reaction)
  • zirconium oxide (ZrO 2 ) and the metal element M3 are generated as shown in the following formula (1).
  • the metal element generated by the reduction reaction between the metal element M1 and the first oxide in the lower layer is further performed.
  • the upper layer of the fuel debris holding device is a second oxide whose generation free energy is higher than the generation free energy of the first oxide forming the lower layer. It is necessary to form with.
  • the upper layer may be formed of a plurality of oxide layers, for example, a first layer, a second part located below the first layer, a third layer located below the second layer,.
  • the first layer is located at the uppermost position.
  • each of the first layer and the second layer is generated more than the generation free energy of the first oxide forming the lower layer. It is formed of different second oxides with high free energy.
  • the melting point of each second oxide forming the first layer and the second layer is preferably lower than the melting point of the first oxide forming the lower layer.
  • the melting point of the second oxide that forms the first layer that is the oxide layer is lower than the melting point of other second oxides that are different types of forming the second layer that is the other oxide layer.
  • the oxide layer is formed from the lowermost oxide layer in the upper layer toward the uppermost oxide layer in the upper layer. The melting point of the second oxide is lowered.
  • the second oxide (M4O 2) and any second oxide (M5O 2) may be the second oxide described above (M3O 2).
  • Most of the metal element M1 contained in the molten fuel debris is a second oxide (M4O 2 ) that forms the first layer of the upper layer and a different type that forms the second layer of the upper layer. Since the metal element M1 is reduced by the reduction reaction with the second oxide (M5O 2 ), the reduction reaction between the metal element M1 and the first oxide of the lower layer does not occur, and the lower layer is eroded by the metal element M1. Is prevented.
  • the melting point of the second oxide forming each of the plurality of oxide layers included in the upper layer is from the lowermost oxide layer in the upper layer to the uppermost oxide layer in the upper layer. The lower it gets. For this reason, it is possible to prevent the lower layer from being eroded by the heat of the fuel debris.
  • a fuel debris holding device which is a preferred embodiment of the present invention, will be described below with reference to FIGS.
  • the boiling water reactor has a reactor pressure vessel 6 in which a core 7 is disposed.
  • a plurality of fuel assemblies (not shown) having a plurality of fuel rods (not shown) filled with nuclear fuel material are loaded in the core 7.
  • the reactor pressure vessel 6 is surrounded by a reactor containment vessel (not shown), and is attached to a cylindrical pedestal 8 installed on the reactor containment vessel floor 9 in the reactor containment vessel. .
  • the core 7 is disposed inside a cylindrical core shroud (not shown) installed in the reactor pressure vessel 6, and an annular downcomer is formed between the inner surface of the reactor pressure vessel 6 and the outer surface of the core shroud.
  • the A plurality of jet pumps (not shown) installed in the reactor pressure vessel 6 are arranged in the downcomer.
  • One end of the recirculation system pipe having the recirculation pump is connected to the side wall of the reactor pressure vessel 6 and communicated with the downcomer.
  • the other end of the recirculation system pipe is connected to a nozzle (not shown) of the jet pump via a riser pipe that is a rising pipe disposed in the downcomer.
  • the fuel debris holding device 1 is disposed directly below the reactor pressure vessel 6 and inside the pedestal 8, and is installed on the reactor containment vessel floor 9. Further, the fuel debris holding device 1 covers the reactor containment vessel floor 9 inside the pedestal 8.
  • the fuel debris holding device 1 has a lower layer 2 installed on the upper surface of the reactor containment vessel floor 9 and an upper layer 3 installed on the lower layer 2.
  • the upper layer 3 is located closer to the reactor pressure vessel 6 than the lower layer 2.
  • Both the lower layer 2 and the upper layer 3 are formed of an oxide.
  • the lower layer 2 is made of, for example, alumina (first oxide) having a melting point higher than 2000 ° C., for example, among the first oxides described above.
  • the upper layer 3 is made of, for example, beryllia (second oxide) having a higher generation free energy than that of alumina among the second oxides described above.
  • Alumina is an oxide of aluminum that is the metal element M2
  • beryllia is an oxide of beryllium that is the metal element M3.
  • each of the lower layer 2 and the upper layer 3 of the fuel debris holding device 1 is made of ceramics. Since ceramics are manufactured through a sintering process, generally, the size cannot be made too large. For this reason, in the fuel debris holding device 1 having a size of the order of 10 m in diameter, each of the lower layer 2 and the upper layer 3 cannot be manufactured from one ceramic. Therefore, the lower layer 2 is manufactured by laying a small tile material (plate material) or block material of beryllia, which is ceramics, and further laminating the tile material or block material. The upper layer 3 is also manufactured by spreading a small tile material (plate material) or block material of alumina, which is ceramic, and laminating the tile material or block material.
  • each of the lower layer 2 and the upper layer 3 When each of the lower layer 2 and the upper layer 3 is laid on a plurality of layers laminated with the above-mentioned tile material or block material, in each of the upper and lower layers, the position of the boundary between the tile material or block material is shifted in the horizontal direction. It is desirable to place a tile or block material. In each of the lower layer 2 and the upper layer 3, the boundary between the tile members or the block members becomes a resistance against the flow of heat. Therefore, if the tile member or the block member is arranged so that the position of the boundary is shifted in the horizontal direction. The heat flux in the vertical direction is effectively dispersed.
  • a part of the fuel debris holding device 1 is annularly arranged along the inner surface of the pedestal 8 on the inner surface side of the pedestal 8.
  • the annular portion of the fuel debris holding device 1 along the inner surface of the pedestal 8 covers a part of the inner surface of the pedestal 8.
  • the cooling water present in the downcomer in the reactor pressure vessel 6 is sucked into the recirculation piping by the driving of the recirculation pump, and the pressure is increased. It is injected from the nozzle through the tube.
  • the cooling water existing in the vicinity of the nozzle in the downcomer is sucked into the jet pump.
  • the cooling water sucked into the jet pump is discharged from the jet pump, flows into the lower plenum existing below the core 7 inside the core shroud, and is supplied to each fuel assembly in the core 7.
  • Each fuel rod in the fuel assembly is cooled by its cooling water.
  • the nuclear fuel material existing in each fuel rod of the fuel assembly loaded in the core 7 is melted, and the fuel debris 10 is Generated.
  • the molten fuel debris 10 falls on the upper surface of the lower mirror portion, which is the bottom of the reactor pressure vessel 6 (see FIG. 1).
  • the fuel debris 10 falling on the upper surface of the lower mirror part may melt the lower mirror part. If the molten fuel debris 10 melts the lower mirror part of the reactor pressure vessel 6, the molten fuel debris 10A, which is a part of the fuel debris 10, passes through the melting part of the lower mirror part and passes through the reactor. It falls toward the fuel debris holding device 1 located directly under the pressure vessel 6.
  • the fuel debris 10 ⁇ / b> A falls on the upper surface of the upper layer 3 of the fuel debris holding device 1.
  • Molten fuel debris 10 and 10A contains a melt of uranium dioxide (UO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), zirconium (Zr) and stainless steel.
  • the temperature of the molten fuel debris may reach 2500 ° C. or higher.
  • the metal element M1 contained in the molten fuel debris 10A falling on the upper surface of the upper layer 3 For example, as shown in the formula (1), zirconium undergoes a reduction reaction with beryllia (BeO) forming the upper layer 3, and zirconium oxide (ZrO 2 ) and beryllium (metal element M 3) are converted into the upper layer 3. Generate. Beryllium is produced by reduction of beryllia. The beryllia forming the upper layer 3 is reduced by zirconium, which is a metal element M1 contained in the fuel debris 10A that has come into contact therewith.
  • BeO beryllia
  • ZrO 2 zirconium oxide
  • beryllium metal element M3
  • zirconium which is one of the metal elements M1 contained in the fuel debris that has fallen, becomes zirconia, which is an oxide, by a reduction reaction with beryllia, which is the second oxide that forms the upper layer 3, so that zirconium There is no reduction reaction between the first oxide in the lower layer and the lower layer 2 is prevented from being eroded by zirconium.
  • the free energy of formation of beryllia which is an oxide (second oxide) of beryllium (metal element M3) generated by the reduction reaction, is higher than the free energy of formation of alumina forming the lower layer 2, Layer 2 is not eroded by beryllium.
  • the molten fuel debris 10A contains chromium, nickel, and iron as the metal element M1 other than zirconium. Chromium, nickel, and iron also cause a reduction reaction with beryllia forming the upper layer 3, and generate chromium oxide, nickel oxide, iron oxide (for example, Fe 2 O 3 ), and beryllium in the upper layer 3. Most of each of the remaining metal elements M1, chromium, nickel and iron, is an oxide of chromium oxide, nickel oxide, iron oxide (for example, Fe 2 O) by a reduction reaction with beryllia forming the upper layer 3.
  • the reduction reaction between each of chromium, nickel and iron and the first oxide of the lower layer does not occur, and the lower layer 2 is prevented from being eroded by chromium, nickel and iron. Furthermore, since the free energy of formation of beryllium, which is an oxide of beryllium, is higher than the free energy of formation of alumina forming the lower layer 2, the reduction reaction between the alumina forming the lower layer 2 and beryllium does not occur, and the lower layer 2 Is not eroded by beryllium.
  • the upper layer 3 is disposed on the lower layer 2, and the upper layer 3 can be generated more freely than the generation free energy of alumina that is the first oxide forming the lower layer 2.
  • the metal element M1 contained in the molten fuel debris 10A that has fallen from the reactor pressure vessel 6 to the upper layer 3 forms the upper layer 3 because it is formed of beryllia, which is a second oxide having high energy. This causes a reduction reaction with beryllia, and generates an oxide of metal element M1 and beryllium which is metal element M3.
  • the free energy of formation of the oxide of beryllium which is the metal element M3 generated by the reduction reaction, is higher than the free energy of formation of alumina forming the lower layer 2, the reduction reaction between the alumina of the lower layer 2 and beryllium is performed. Can be prevented.
  • the metal element M1 contained in the molten fuel debris 10A that has fallen from the reactor pressure vessel 6 to the upper layer 3 of the fuel debris holding device 1 becomes the beryllia that forms the upper layer 3. Since it is efficiently oxidized by the contained oxygen, the lower layer 2 formed of alumina, which is a heat-resistant layer of the fuel debris holding device 1, is eroded by a reduction reaction with the metal element M1 contained in the fuel debris 10A. This can be prevented. Further, since the reduction reaction between the beryllium produced by the reduction reaction of the metal element M1 contained in the fuel debris 10A and the beryllia forming the upper layer 3 and the alumina forming the lower layer 2 does not occur, it is formed of alumina. The lower layer 2 is not eroded by beryllium.
  • the lower layer 2 that is the heat-resistant layer of the fuel debris holding device 1 is held, so that it melts. It can be avoided that the fuel debris 10 ⁇ / b> A reaches the reactor containment vessel floor 9 and melts the reactor containment vessel floor 9.
  • a fuel debris holding device according to embodiment 2, which is another preferred embodiment of the present invention, will be described below with reference to FIG.
  • the fuel debris holding device 1A of the present embodiment is applied to a boiling water reactor.
  • the fuel debris holding device 1 ⁇ / b> A is disposed directly below the reactor pressure vessel 6 and inside the pedestal 8, and is installed on the reactor containment vessel floor 9. Further, the fuel debris holding device 1 ⁇ / b> A covers the reactor containment vessel floor 9 inside the pedestal 8.
  • the upper layer 3A installed on the lower layer 2 and the lower layer 2.
  • the lower layer 2 is made of alumina
  • the upper layer 3A is made of beryllia, which is the second oxide used for the upper layer 3 of the fuel debris holding device 1 of the first embodiment.
  • the upper layer 3A is not a tile material or a block material of small beryllia, but is formed of flake-form beryllia 12 as shown in an enlarged manner in FIG.
  • the flaky beryllia 12 has an increased surface area and promotes a reaction with a metal element contained in the molten molten fuel debris 10A.
  • the beryllia forming the upper layer 3A may have a lump shape or a spherical shape with a particle size of 10 cm or less.
  • the upper layer 3A is formed of a second oxide other than beryllia, this second oxide is used. It may be flaked.
  • Example 2 can obtain each effect produced in Example 1. Furthermore, since the upper layer 3A in the present embodiment is formed of the flake-shaped beryllia 12, the metal element M1 such as zirconium and the upper layer 3A contained in the molten fuel debris 10A falling on the upper layer 3A.
  • the beryllia 12 causes a reduction reaction, and the metal element M1 can be oxidized efficiently.
  • a fuel debris holding device according to embodiment 3, which is another preferred embodiment of the present invention, will be described below with reference to FIG.
  • the fuel debris holding device 1B of the present embodiment is applied to a boiling water reactor. As in the first embodiment, the fuel debris holding device 1B is disposed directly below the reactor pressure vessel 6 and inside the pedestal 8, and is installed on the reactor containment vessel floor 9. Furthermore, the fuel debris holding device 1 ⁇ / b> B covers the reactor containment vessel floor 9 inside the pedestal 8.
  • the fuel debris holding device 1B has a lower layer 2 and an upper layer 3B, and the upper layer 3B includes a plurality of oxide layers of a first layer 11A and a second layer 11B.
  • the second layer 11B of the upper layer 3B is installed on the lower layer 2, and the first layer 11A is installed on the second layer 11B.
  • the lower layer 2 is formed of, for example, magnesia among the first oxides described above
  • the first layer 11A of the upper layer 3B is formed of, for example, an oxide among the second oxides described above.
  • the second layer 11B of the upper layer 3B is formed of iron (Fe 2 O 3 ), and is formed of another second oxide of a different type, for example, beryllia.
  • the free energy of formation of iron oxide and beryllia is higher than the free energy of formation of magnesia. Further, the melting point of beryllia is lower than that of magnesia, and the melting point of iron oxide (Fe 2 O 3 ) is lower than that of beryllia.
  • the molten fuel debris 10A falls from the reactor pressure vessel 6 onto the first layer 11A of the upper layer 3B included in the fuel debris holding device 1B.
  • Zirconium which is one of the metal elements M1 contained in a part of the fuel debris 10A, is oxidized by a reduction reaction with iron oxide (Fe 2 O 3 ), which is the second oxide of the first layer 11A, and becomes zirconia. become.
  • Iron which is the metal element M4 is generated by the reduction reaction in the first layer 11A.
  • the remaining fuel debris 10A that has fallen reaches the second layer 11B.
  • Zirconium contained in the remaining fuel debris 10A is oxidized into zirconia by a reduction reaction with beryllia, which is another second oxide forming the second layer 11B.
  • Beryllium which is the metal element M5 is generated by the reduction reaction in the second layer 11B.
  • each of oxides of iron generated by the reduction reaction of zirconium and iron oxide (Fe 2 O 3 ) in the first layer 11A and beryllium generated by the reduction reaction of zirconium and beryllia in the second layer 11B. Is higher than the free energy of formation of magnesia, which is the first oxide of the lower layer 2, so that the lower layer 2 can be prevented from being eroded by iron and beryllium.
  • the melting point of iron oxide (Fe 2 O 3 ) forming the first layer 11A included in the upper layer 3 is lower than the melting point of beryllia forming the second layer 11B included in the upper layer 3, the heat of the fuel debris 10A This prevents the magnesia of the lower layer 2 from being eroded.
  • each effect produced in the first embodiment can be obtained. Furthermore, as described above, this embodiment can prevent the magnesia of the lower layer 2 from being eroded by the heat of the fuel debris 10A.
  • the upper layer 3 may be formed of three or more oxide layers.
  • a fuel debris holding device according to embodiment 4, which is another preferred embodiment of the present invention, will be described below with reference to FIG.
  • the fuel debris holding device 1C of the present embodiment is applied to a boiling water reactor.
  • the fuel debris holding device 1 ⁇ / b> C is disposed directly below the reactor pressure vessel 6 and inside the pedestal 8, and is installed on the reactor containment vessel floor 9. Further, the fuel debris holding device 1 ⁇ / b> C covers the reactor containment vessel floor 9 inside the pedestal 8.
  • the fuel debris holding device 1 ⁇ / b> C has a metal shell 5 in addition to the lower layer 2 and the upper layer 3.
  • the metal shell 5 has a cylindrical side wall and a bottom.
  • the metal shell 5 is a container without a lid having a cylindrical side wall attached to the bottom and an open upper end.
  • the lower layer 2 and the upper layer 3 are disposed in the metal shell 5, the lower layer 2 is installed on the bottom of the metal shell 5, and the upper layer 3 is installed on the lower layer 2.
  • the lower layer 2 is formed of, for example, magnesia (first oxide) among the first oxides described above
  • the upper layer 3 is formed of, for example, silicon dioxide among the second oxides described above. (Second oxide).
  • the metal shell 5 is supported by a plurality of support members 13 made of stainless steel installed on the reactor containment floor 9 inside the pedestal 8. For this reason, the metal shell 5 is disposed above the upper surface of the reactor containment vessel floor 9, and a coolant region is formed between the lower surface of the metal shell 5 and the upper surface of the reactor containment vessel floor 9.
  • the side wall of the metal shell 5 is also arranged away from the inner surface of the pedestal 8.
  • An annular coolant region is located. It is formed between the outer surface of the side wall of the metal shell 5 and the inner surface of the pedestal 8.
  • Each metal element M1 such as zirconium contained in the fuel debris 10A causes a reduction reaction with silicon dioxide forming the upper layer 3, and generates an oxide of each metal element M1 and silicon which is the metal element M3.
  • the free energy of formation of silicon dioxide forming the upper layer 3 is higher than the free energy of formation of magnesia forming the lower layer 2, it is natural that the free energy of formation of the oxide of silicon produced by the reduction reaction is Higher than that of magnesia. For this reason, the reduction reaction between magnesia of the lower layer 2 and silicon generated by the reduction reaction in the upper layer 3 can be prevented, and erosion of the lower layer 2 formed of magnesia by silicon can be prevented.
  • This example can obtain each effect produced in Example 1.
  • any one of air and water coolant is provided between the lower surface of the metal shell 5 and the upper surface of the reactor containment vessel floor 9 and between the outer surface of the side wall of the metal shell 5 and the inner surface of the pedestal 8.
  • the respective coolant regions communicating with each other can be formed. Therefore, the heat of the fuel debris 10A that has dropped from the reactor pressure vessel 6 to the upper layer 3 inside the metal shell 5 is removed by the coolant present in the coolant region, and the coolant whose temperature has risen is A pipe (not shown) leads to a heat exchanger (not shown) arranged in the reactor containment vessel outside the pedestal 8, and is cooled by outside air in this heat exchanger.
  • the coolant cooled by this heat exchanger is returned to the cooling water region inside the pedestal 8 through a return pipe (not shown).
  • a circulation of the coolant the heat of the fuel debris 10A that has fallen inside the metal shell 5 can be discharged to the outside. Thereby, the heat of the fuel debris 10A can be excluded to the outside.
  • water used as the coolant, the water surface formed in the annular coolant region of the water filled in the coolant region needs to be positioned below the upper end of the metal shell 5.
  • the lower layer 2 and the upper layer 3A in the fuel debris holding device 1A of the second embodiment or the lower layer 2 and the upper layer 3B in the fuel debris holding device 1B of the third embodiment are used as the lower layer 2 and the upper layer 3 used in this embodiment. Instead, it may be arranged inside the metal shell 5.
  • each fuel debris holding device of the first to fourth embodiments can be installed directly under the reactor pressure vessel with almost no change in the structure of the reactor containment vessel, not to mention the newly installed nuclear power plant, It can also be applied to existing nuclear power plants.
  • each fuel debris holding device of the first to fourth embodiments can be applied to a pressurized water reactor.

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Abstract

燃料デブリによる還元反応を抑制して耐熱層の侵食を防止できる燃料デブリ保持装置を提供する。ペデスタルで支持された原子炉圧力容器の真下でペデスタルの内側に配置され、原子炉格納容器床の上に設置された燃料デブリ保持装置は、融点が２０００℃より高い第１酸化物で形成される下部層、及び下部層の上に設置され、第１酸化物の生成自由エネルギーよりも生成自由エネルギーが高い第２酸化物で形成された上部層を有する。シビアアクシデントが発生し、原子炉圧力容器から溶融している燃料デブリが上部層に落下した場合には、燃料デブリに含まれた金属元素Ｍ１と上部層の第２酸化物が還元反応を生じ、金属元素Ｍ１の酸化物を生成する。このため金属元素Ｍ１と下部層の第１酸化物の還元反応が生じなく下部層の侵食を防止できる。

Description

燃料デブリ保持装置
　本発明は、燃料デブリ保持装置に係り、特に、沸騰水型原子炉プラントに適用するのに好適な燃料デブリ保持装置に関する。
　沸騰水型原子炉プラント及び加圧水型原子炉プラント等の原子力プラントでは、原子炉圧力容器内に炉心が配置されており、この炉心には、核分裂性物質（例えば、ウラン２３５）を含む核燃料物質（例えば、ＵＯ2）を充填した複数の燃料棒を含む複数の燃料集合体が装荷されている。原子力プラントの正常状態では、原子炉圧力容器内に存在する冷却水が、装荷された各燃料集合体内の各燃料棒と接触してこれらの燃料棒を冷却する。
　原子炉圧力容器内の冷却水が喪失し、さらに、非常用炉心冷却装置による原子炉圧力容器内への冷却水の注水が行われないシビアアクシデントが、万が一、原子力プラントに発生した場合には、燃料棒の温度が上昇し、やがて、各燃料棒内の核燃料物質が溶融する。核燃料物質の溶融に伴い、核燃料物質を内部に充填している、燃料棒の構造部材であるジルコニウム合金製の被覆管、燃料集合体の構造部材であるジルコニウム合金製の上部タイプレート及び下部タイプレート等、さらには、下部炉心支持板及び制御棒案内管等のステンレス鋼製の構造部材を溶融し、核燃料物質及びこれらの構造部材の溶融物を含む燃料デブリが生成される。溶融した燃料デブリは、原子炉圧力容器の底部である下鏡部の上面に落下し、この下鏡部を溶融して原子炉圧力容器を取り囲む原子炉格納容器の底部に落下する可能性もある。
　もし、原子炉圧力容器の底部を貫通して溶融した燃料デブリが原子炉格納容器の底部に落下した場合には、原子炉格納容器の気密性を保持するために原子炉格納容器の底部に設けられた金属製のライニング部材が落下した高温の燃料デブリによって溶融され、さらに、ライニング部材の下方に存在するコンクリートも溶融され、原子炉格納容器の気密性が損なわれる可能性が有る。
　このため、原子炉格納容器の損傷を避け、原子炉格納容器の気密性を保持する目的で、原子炉圧力容器から落下する、高温の溶融した燃料デブリを受け止める、一般的にコアキャッチャと呼ばれる燃料デブリ保持装置が、原子炉圧力容器の真下で原子炉格納容器の底部上に設置される。燃料デブリ保持装置の例が、特開平９－２１１１６６号公報、特開２０１４－０６２８５９号公報、特開２０１２－１３７４３１号公報及びＷＯ２０１１／１２１９０８号公報に記載されている。
　特開平９－２１１１６６号公報に記載された燃料デブリ保持装置は、原子炉圧力容器の下方で原子炉圧力容器を支える筒状のベデスタルの内側に配置され、高熱伝導材層、高熱伝導材層の上に配置された耐熱材層及びこの耐熱材層の上方に配置された低融点酸化材層を有する。低融点酸化材層は、例えば、コンクリートで構成される。原子炉圧力容器から落下した、溶融している燃料デブリは、低融点酸化材層の上面と接触し、低融点酸化材層を形成する低融点酸化材を溶融する。燃料デブリと低融点酸化材の共有体は、融点が燃料デブリよりも低くなる。また、燃料デブリから耐熱材層に伝えられた熱は、高熱伝導材層を通して放熱される。この結果、耐熱材層の溶融が防止され、原子炉格納容器の気密性を維持することができる。
　特開２０１４－０６２８５９号公報の燃料デブリ保持装置は、原子炉圧力容器の下方でベデスタルの内側において、原子炉格納容器の床上に配置される。この燃料デブリ保持装置は、中空の円盤状に構成され、外縁部から中央部に向かって傾斜する逆円錐状の上面を有する給水容器、給水容器の上方に配置されてその上面を覆う逆円錐状の上蓋、及び上蓋の上を覆う逆円錐状の断熱材層を有し、給水容器の中央部に向かって傾斜している冷却チャンネルを給水容器と上蓋の間に形成している。断熱材層は、上蓋から上方に向かって第１耐熱層及び第２耐熱層を配置し、上蓋と第１耐熱層の間に第１目地部、及び第１耐熱層と第２耐熱層の間に第２目地部を配置して構成される。第１耐熱層は第２耐熱層よりも熱伝導性が高くなっており、第２目地部は第１目地部よりも熱伝導性が低くなっている。
　溶融している燃料デブリは、原子炉圧力容器から、断熱材層、具体的には、第２耐熱層上に落下する。燃料デブリが落下した第２耐熱層上、及びその燃料デブリ上に冷却水が注水され、冷却チャンネルにも冷却水が供給される。これにより、落下した燃料デブリが冷却される。
　特開２０１２－１３７４３１号公報は、燃料デブリ保持装置を記載する。この燃料デブリ保持装置は、外縁部から中央部に向かって傾斜する逆円錐状の上面を有する治具、治具の上方に配置されてその上面を覆う逆円錐状の金属部材、金属部材の上を覆う逆円錐状の耐熱層、及び耐熱層上に配置された格子状の被覆材を有している。耐熱層は、複数のブロック層を積層して構成される。治具の中央部に向かって傾斜している冷却水通路が、治具と金属部材の間に形成されている。このような燃料デブリ保持装置は、所定時間、落下した燃料デブリを保持することができる。
　ＷＯ２０１１／１２１９０８号公報に記載された燃料デブリ保持装置は、外縁部から中央部に向かって傾斜する逆円錐状の上面を有する治具、治具の上方に配置されてその上面を覆う逆円錐状の金属部材、及び金属部材の上を覆う逆円錐状の多層積層構造を有している。多層積層構造は、第１耐熱層、第１耐熱層よりも熱伝導率が低い第２耐熱層、及び燃料デブリとの接触による腐食を緩和し、燃料デブリの落下による衝撃を緩和する耐食・衝撃緩和層を、金属部材から上方に向かって順番に配置している。治具の中央部に向かって傾斜している冷却水通路が、治具と金属部材の間に形成されている。このような燃料デブリ保持装置は、燃料デブリの熱及び化学反応によっても、所定時間、落下した燃料デブリを保持することができる。
特開平９－２１１１６６号公報 特開２０１４－０６２８５９号公報 特開２０１２－１３７４３１号公報 ＷＯ２０１１／１２１９０８号公報
　特開平９－２１１１６６号公報、特開２０１４－０６２８５９号公報、特開２０１２－１３７４３１号公報及びＷＯ２０１１／１２１９０８号公報に示されているように、従来の燃料デブリ保持装置は、デブリ保持部である耐熱層（例えば、高融点の酸化物）及び金属材料層を設けている。これらの層は、機械的性質、融点などで分けられていることが多い。これは、溶融した燃料デブリが重量物であること、及び２５００℃を越える高温であることに起因している。
　一方、溶融した燃料デブリは、燃料集合体の構造材であるジルコニウム合金、ジルコニウム合金に含まれるジルコニウムの酸化反応により生成されたジルコニウム酸化物（ＺｒＯ2）、燃料集合体に含まれた核燃料物質であるウラン酸化物（ＵＯ2）、炉内構造材であるステンレス鋼などの溶融物を含んでいる。
　溶融した燃料デブリが燃料デブリ保持装置のデブリ保持部（例えば、耐熱層）に接触すると、燃料デブリに含まれるジルコニウムが、デブリ保持部の材料を還元しまたはその材料と共晶反応し、結果として、デブリ保持部が溶融した燃料デブリにより侵食されるという問題が生じることを、発明者らが見出した。
　本発明の目的は、燃料デブリによる還元反応を抑制して耐熱層の侵食を防止できる燃料デブリ保持装置を提供することにある。
　上記した目的を達成する本発明の特徴は、融点が２０００℃よりも高い第１酸化物で形成される耐熱層である下部層と、この下部層の上に設置され、その第１酸化物の生成自由エネルギーよりも生成自由エネルギーが高い第２酸化物で形成される上部層とを備え、炉心を内蔵する原子炉圧力容器の真下に配置されることにある。
　シビアアクシデントが発生し、原子炉圧力容器から溶融している燃料デブリが上部層に落下したとき、落下した燃料デブリに含まれている金属元素Ｍ１と第２酸化物との還元反応が生じ、金属元素Ｍ１の酸化物を生成する。上部層を形成する第２酸化物の生成自由エネルギーが、耐熱層である下部層を形成する第１酸化物の生成自由エネルギーよりも高いので、金属元素Ｍ１と第２酸化物との還元反応により金属元素Ｍ１の酸化物が生成されるため、金属元素Ｍ１と耐熱層である下部層の第１酸化物の還元反応が生じなく、下部層の、金属元素Ｍ１による侵食が防止される。
　本発明によれば、燃料デブリによる還元反応を抑制して耐熱層の侵食を防止することができる。
本発明の好適な一実施例である実施例１の燃料デブリ保持装置の原子炉圧力容器下方への設置状態を示す説明図である。 図１に示された燃料デブリ保持装置の具体的な構成図である。 本発明の好適な他の実施例である実施例２の燃料デブリ保持装置の構成図である。 本発明の好適な他の実施例である実施例３の燃料デブリ保持装置の構成図である。 本発明の好適な他の実施例である実施例４の燃料デブリ保持装置の構成図である。
　発明者らは、燃料デブリによる還元反応を抑制して耐熱層の侵食を防止できる燃料デブリ保持装置について、種々の検討を行った。この検討結果を以下に説明する。
　発明者らは、発明者らが見出した前述の問題を改善するために、溶融した燃料デブリによる還元反応、特に、その燃料デブリに含まれたジルコニウムによる還元反応を抑制する対策案を検討した。この検討において、発明者らは、耐熱材により形成される耐熱層である下部層の上に、この下部層を形成する第１酸化物の生成自由エネルギーよりも生成自由エネルギーが高い第２酸化物で形成される上部層を設置すれば良いとの発想に至った。すなわち、燃料デブリ保持装置は、第１酸化物で形成される上記下部層及びこの下部層の上に配置されて第２酸化物で形成される上記上部層を有する。なお、第１酸化物は第１金属元素（金属元素Ｍ２）の酸化物であり、第２酸化物は第１金属元素とは種類の異なる第２金属元素（金属元素Ｍ３）の酸化物である。
　溶融して落下した燃料デブリと接触する上部層を形成する第２酸化物の生成自由エネルギーが下方に位置する下部層の第１酸化物のそれよりも高いので、溶融した燃料デブリに含まれる金属元素Ｍ１（例えば、ジルコニウム、クロム、ニッケル及び鉄など）が上部層に含まれる第２酸化物の酸素と反応して酸化され、金属元素Ｍ１の酸化物が生成される。このため、その燃料デブリに含まれる金属元素Ｍ１と下部層の第１酸化物との還元反応が生じなく、第１酸化物で形成される下部層の、溶融した燃料デブリに含まれる金属元素Ｍ１による侵食を防止することができる。したがって、燃料デブリ保持装置の耐熱層である下部層を健全な状態で保持することができる。これにより、溶融して落下した燃料デブリによる原子炉格納容器床の溶融を防止することができる。
　下部層は、融点が２０００℃より高い第１酸化物であるジルコニア（ＺｒＯ2）、二酸化ウラン（ＵＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）及び酸化カルシウから選ばれた一つの物質によって形成される。また、上部層は、下部層を形成する第１酸化物の生成自由エネルギーよりも生成自由エネルギーが高い第２酸化物である酸化鉄（例えば、Ｆｅ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）及びベリリア（ＢｅＯ）から選ばれた一つの物質によって形成される。なお、ケイ素は、金属である、βスズ構造のケイ素である。
　下部層を形成する第１酸化物は、上部層を形成する第２酸化物よりも融点が高い物質であることが望ましい。
　例えば、シビアアクシデントが発生したときに原子炉圧力容器から落下した溶融した燃料デブリが最初に接触する上部層が、第２酸化物であるＭ３Ｏ2で（Ｍ３は金属元素）形成されているとする。上部層を形成する第２酸化物（Ｍ３Ｏ2）の生成自由エネルギーが下方に位置する下部層の第１酸化物（Ｍ２Ｏ2）のそれよりも高いので、このＭ３Ｏ2が上部層上に落下した燃料デブリに含まれる金属元素Ｍ１、例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）と反応（還元反応）すると、下記の（１）式に示すように、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）及び金属元素Ｍ３が生成される。
　　　Ｍ３Ｏ2＋Ｚｒ　→　ＺｒＯ2＋Ｍ３　　　　　　　…（１）
　落下した燃料デブリに含まれる金属元素Ｍ１のほとんどが、上部層を形成している第２酸化物であるＭ３Ｏ2との還元反応により金属元素Ｍ１の酸化物になるので、金属元素Ｍ１と下部層の第１酸化物との還元反応が生じなく、金属元素Ｍ１による下部層の侵食が防止される。また、生成された金属元素Ｍ３の酸化物の生成自由エネルギーが下部層の第１酸化物の生成自由エネルギーよりも高い場合には、金属元素Ｍ３と下部層の第１酸化物との還元反応が生じなく、生成された金属元素Ｍ３によっても下部層が侵食されない。しかしながら、（１）式の反応で生成された金属元素Ｍ３の酸化物の生成自由エネルギーがその第１酸化物の生成自由エネルギーよりも低い場合には、金属元素Ｍ３と下部層の第１酸化物の還元反応が生じ、溶融した燃料デブリによる下部層の侵食が始まる。
　このため、燃料デブリに含まれる金属元素Ｍ１と下部層の第１酸化物との還元反応を防ぐために、さらに、金属元素Ｍ１と下部層の第１酸化物との還元反応により生成された金属元素Ｍ３と下部層の第１酸化物との還元反応を防ぐために、燃料デブリ保持装置の上部層は、下部層を形成する第１酸化物の生成自由エネルギーよりも生成自由エネルギーが高い第２酸化物で形成する必要がある。
　さらに、上部層を、例えば、第１層、第１層の下方に位置する第２部、第２層の下方に位置する第３層……の複数の酸化物層で形成してもよい。第１層は最も上方に位置する。上部層を複数の酸化物層、例えば、第１層及び第２層で形成する場合、第１層及び第２層のそれぞれは、下部層を形成する第１酸化物の生成自由エネルギーよりも生成自由エネルギーが高い、種類が異なる第２酸化物で形成される。第１層及び第２層を形成するそれぞれの第２酸化物の融点は、下部層を形成する第１酸化物の融点よりも低いことが望ましい。酸化物層である第１層を形成する第２酸化物の融点は、他の酸化物層である第２層を形成する種類が異なる他の第２酸化物の融点よりも低くなっている。上部層を複数の酸化物層で形成する場合には、上部層内で最も下方に位置する酸化物層から上部層内で最も上方に位置する酸化物層に向って、酸化物層を形成する第２酸化物の融点は低くなる。
　第１層を形成している第２酸化物（Ｍ４Ｏ2）及び第２層を形成している、種類が異なる他の第２酸化物（Ｍ５Ｏ2）おそれぞれの生成自由エネルギーが下部層を形成している第１酸化物のそれよりも高いので、シビアアクシデント発生時において溶融している燃料デブリが上部層の第１層上に落下すると、第１層の第２酸化物（Ｍ４Ｏ2）と燃料デブリの一部に含まれる金属元素Ｍ１との還元反応が生じ、金属元素Ｍ１の酸化物及び金属元素Ｍ４が生成される。溶融している残りの燃料デブリは、上部層の第２層に達する。その残りの燃料デブリに含まれている金属元素Ｍ１と第２層の他の第２酸化物（Ｍ５Ｏ2）との還元反応が生じ、金属元素Ｍ１の酸化物及び金属元素Ｍ５が生成される。第２酸化物（Ｍ４Ｏ2）及び第２酸化物（Ｍ５Ｏ2）のいずれかが前述の第２酸化物（Ｍ３Ｏ2）であってもよい。溶融している燃料デブリに含まれる金属元素Ｍ１のほとんどが、上部層の第１層を形成している第２酸化物（Ｍ４Ｏ2）及び上部層の第２層を形成している種類の異なる第２酸化物（Ｍ５Ｏ2）と還元反応により金属元素Ｍ１の酸化物になるので、金属元素Ｍ１と下部層の第１酸化物との還元反応が生じなく、金属元素Ｍ１による下部層の侵食が防止される。
　また、上記したそれぞれの還元反応で生成された金属元素Ｍ４及びＭ５のそれぞれの酸化物の生成自由エネルギーが下部層の第１酸化物の生成自由エネルギーよりも高いので、金属元素Ｍ４及びＭ５のそれぞれと下部層の第１酸化物との還元反応が生じなく、金属元素Ｍ４及びＭ５による下部層の侵食が防止される。
　上部層に含まれる複数の酸化物層のそれぞれを形成する第２酸化物の融点は、上部層内で最も下方に位置する酸化物層から上部層内で最も上方に位置する酸化物層に向う程、低くなる。このため、燃料デブリの熱により下部層が侵食されることを防ぐことができる。
　上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を、図面を用いて以下に詳細に説明する。
　本発明の好適な一実施例である実施例１の燃料デブリ保持装置を、図１及び図２を用いて以下に説明する。
　本実施例の燃料デブリ保持装置１を説明する前に、図１を用いて、この燃料デブリ保持装置１が適用される沸騰水型原子炉の概略の構成について説明する。沸騰水型原子炉は、内部に炉心７を配置した原子炉圧力容器６を有する。核燃料物質を内部に充填した複数の燃料棒（図示せず）を有する複数の燃料集合体（図示せず）が、炉心７に装荷されている。原子炉圧力容器６は、原子炉格納容器（図示せず）によって取り囲まれており、原子炉格納容器内で原子炉格納容器床９上に設置された、円筒状のペデスタル８に取り付けられている。
　炉心７は原子炉圧力容器６内に設置された円筒状の炉心シュラウド（図示せず）の内側に配置され、原子炉圧力容器６の内面と炉心シュラウドの外面の間に環状のダウンカマが形成される。原子炉圧力容器６に設置される複数のジェットポンプ（図示せず）がダウンカマ内に配置される。再循環ポンプを有する再循環系配管の一端部が、原子炉圧力容器６の側壁に接続されてダウンカマに連絡される。再循環系配管の他端部は、ダウンカマ内に配置された上昇管であるライザー管を介してジェットポンプのノズル（図示せず）に連絡される。
　燃料デブリ保持装置１は、原子炉圧力容器６の真下でペデスタル８よりも内側に配置され、そして、原子炉格納容器床９上に設置される。さらに、燃料デブリ保持装置１は、ペデスタル８の内側において原子炉格納容器床９を覆っている。
　燃料デブリ保持装置１は、原子炉格納容器床９の上面に設置された下部層２及び下部層２の上に設置された上部層３を有する。上部層３は、下部層２よりも原子炉圧力容器６側に位置している。下部層２及び上部層３は、いずれも酸化物で形成される。下部層２は、前述した第１酸化物のうち、例えば、融点が２０００℃より高い、例えば、アルミナ（第１酸化物）で形成される。上部層３は、前述した第２酸化物のうち、アルミナの生成自由エネルギーよりも生成自由エネルギーが高い、例えば、べリリア（第２酸化物）で形成される。アルミナは金属元素Ｍ２であるアルミニウムの酸化物であり、ベリリアは金属元素Ｍ３であるベリリウムの酸化物である。
　燃料デブリ保持装置１の下部層２及び上部層３のそれぞれは、セラミックスで構成される。セラミックスは、焼結工程を経て製造されるため、一般に、そのサイズをあまり大きくすることができない。このため、直径が１０ｍオーダーのサイズである燃料デブリ保持装置１では、下部層２及び上部層３のそれぞれを１枚のセラミックスで製作することができない。従って、下部層２は、セラミックスであるベリリアの小さなタイル材（板材）またはブロック材を敷き詰め、さらに、そのタイル材またはブロック材を積層することによって製作される。また、上部層３も、セラミックスであるアルミナの小さなタイル材（板材）またはブロック材を敷き詰め、そのタイル材またはブロック材を積層することによって製作される。
　下部層２及び上部層３のそれぞれにおいて前述のタイル材またはブロック材を積層された複数層に敷き詰めるとき、上下の各層において、タイル材またはブロック材同士の境界の位置が水平方向においてずれるように、タイル材またはブロック材を配置することが望ましい。下部層２及び上部層３のそれぞれにおいてタイル材またはブロック材同士のその境界は熱の流れにとって抵抗となるので、タイル材またはブロック材を、その境界の位置が水平方向においてずれるように配置すれば、上下方向の熱流束の分散が効果的に行われる。
　燃料デブリ保持装置１の一部は、図１に示すように、ペデスタル８の内面側でペデスタル８の内面に沿って環状に配置されている。燃料デブリ保持装置１の、ペデスタル８の内面に沿った環状部は、ペデスタル８の内面の一部を覆っている。
　沸騰水型原子炉の通常運転時では、原子炉圧力容器６内のダウンカマに存在する冷却水が、再循環ポンプの駆動によって再循環系配管内に吸引されて昇圧され、再循環系配管及びライザー管を通って上記のノズルから噴射される。この冷却水の噴射によって、ダウンカマ内でノズル近傍に存在する冷却水がジェットポンプ内に吸い込まれる。ジェットポンプ内に吸い込まれた冷却水は、ジェットポンプから吐出され、炉心シュラウドの内側で炉心７の下方に存在する下部プレナムに流入し、炉心７内の各燃料集合体内に供給される。燃料集合体内の各燃料棒は、その冷却水によって冷却される。
　沸騰水型原子炉において、万が一、シビアアクシデントが発生した場合には、前述したように、炉心７に装荷された燃料集合体の各燃料棒内に存在する核燃料物質が溶融し、燃料デブリ１０が生成される。溶融した燃料デブリ１０は、原子炉圧力容器６の底部である下鏡部の上面に落下する（図１参照）。下鏡部の上面に落下した燃料デブリ１０は、その下鏡部を溶融する可能性がある。もし、溶融した燃料デブリ１０が原子炉圧力容器６の下鏡部を溶融した場合には、この燃料デブリ１０の一部である溶融した燃料デブリ１０Ａが、下鏡部の溶融部を通して、原子炉圧力容器６の真下に位置する燃料デブリ保持装置１に向かって落下する。この燃料デブリ１０Ａは、燃料デブリ保持装置１の上部層３の上面に落下する。溶融した燃料デブリ１０及び１０Ａは、二酸化ウラン（ＵＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、ジルコニウム（Ｚｒ）及びステンレス鋼の溶融物を含んでいる。溶融した燃料デブリの温度は、２５００℃以上に達する場合もある。
　上部層３を形成するベリリアの生成自由エネルギーが、下部層２を形成するアルミナの生成自由エネルギーよりも高いので、上部層３の上面に落下した溶融している燃料デブリ１０Ａに含まれる金属元素Ｍ１、例えば、ジルコニウムは、（１）式で示すように、上部層３を形成するベリリア（ＢｅＯ）と還元反応を生じ、上部層３内において酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）及びベリリウム（金属元素Ｍ３）を生成する。ベリリウムは、ベリリアの還元によって生じる。上部層３を形成するベリリアは、接触した燃料デブリ１０Ａに含まれる金属元素Ｍ１であるジルコニウムによって還元される。
　落下した燃料デブリに含まれる金属元素Ｍ１の一つであるジルコニウムのほとんどが、上部層３を形成している第２酸化物であるベリリアとの還元反応により酸化物であるジルコニアになるので、ジルコニウムと下部層の第１酸化物との還元反応が生じなく、ジルコニウムによる下部層２の侵食が防止される。また、その還元反応によって生成されたベリリウム（金属元素Ｍ３）の酸化物（第２酸化物）であるベリリアの生成自由エネルギーが、下部層２を形成するアルミナの生成自由エネルギーよりも高いので、下部層２は、ベリリウムによって侵食されない。
　なお、溶融している燃料デブリ１０Ａには、ジルコニウム以外の金属元素Ｍ１として、クロム、ニッケル及び鉄が含まれている。クロム、ニッケル及び鉄も、上部層３を形成するベリリアと還元反応を生じ、上部層３内において酸化クロム、酸化ニッケル、酸化鉄（例えば、Ｆｅ2Ｏ3）及びベリリウムを生成する。残りの金属元素Ｍ１であるクロム、ニッケル及び鉄のそれぞれのほとんどが、上部層３を形成しているベリリアとの還元反応により酸化物である酸化クロム、酸化ニッケル、酸化鉄（例えば、Ｆｅ2Ｏ3）になるので、クロム、ニッケル及び鉄のそれぞれと下部層の第１酸化物との還元反応が生じなく、クロム、ニッケル及び鉄のそれぞれによる下部層２の侵食が防止される。さらに、ベリリウムの酸化物であるベリリアの生成自由エネルギーが、下部層２を形成するアルミナの生成自由エネルギーよりも高いので、下部層２を形成するアルミナとベリリウムの還元反応が生じなく、下部層２はベリリウムによって侵食されない。
　本実施例の燃料デブリ保持装置１では、下部層２の上に上部層３を配置し、上部層３を、下部層２を形成する第１酸化物であるアルミナの生成自由エネルギーよりも生成自由エネルギーが高い、第２酸化物であるベリリアで形成しているので、原子炉圧力容器６から上部層３に落下した溶融している燃料デブリ１０Ａに含まれる金属元素Ｍ１は、上部層３を形成するベリリアと還元反応を生じ、金属元素Ｍ１の酸化物及び金属元素Ｍ３であるベリリウムを生成する。その還元反応で生成された金属元素Ｍ３であるベリリウムの酸化物の生成自由エネルギーが、下部層２を形成するアルミナの生成自由エネルギーよりも高いので、下部層２のアルミナとベリリウムとの還元反応を防ぐことができる。
　このため、本実施例によれば、原子炉圧力容器６から燃料デブリ保持装置１の上部層３に落下した溶融している燃料デブリ１０Ａに含まれる金属元素Ｍ１が上部層３を形成するベリリアに含まれる酸素によって効率的に酸化されるため、燃料デブリ保持装置１の耐熱層である、アルミナで形成される下部層２が、燃料デブリ１０Ａに含まれる金属元素Ｍ１との還元反応により侵食されることを防止することができる。また、燃料デブリ１０Ａに含まれる金属元素Ｍ１と上部層３を形成するベリリアとの還元反応で生成されたベリリウムと下部層２を形成するアルミナとの還元反応が生じないので、アルミナで形成される下部層２は、ベリリウムにより侵食されることがない。
　したがって、溶融している燃料デブリ１０Ａが原子炉圧力容器６から落下した場合においても、本実施例では、燃料デブリ保持装置１の耐熱層である下部層２が保持されるので、溶融している燃料デブリ１０Ａが原子炉格納容器床９まで到達して原子炉格納容器床９を溶融することを回避することができる。
　本発明の好適な他の実施例である実施例２の燃料デブリ保持装置を、図３を用いて以下に説明する。
　本実施例の燃料デブリ保持装置１Ａは、沸騰水型原子炉に適用される。燃料デブリ保持装置１Ａは、実施例１と同様に、原子炉圧力容器６の真下でペデスタル８よりも内側に配置され、そして、原子炉格納容器床９上に設置される。さらに、燃料デブリ保持装置１Ａは、ペデスタル８の内側において原子炉格納容器床９を覆っている。
　燃料デブリ保持装置１Ａは、下部層２及び下部層２の上に設置された上部層３Ａを有する。下部層２はアルミナで形成され、上部層３Ａは、実施例１の燃料デブリ保持装置１の上部層３に用いた第２酸化物であるベリリアで形成される。上部層３Ａは、ベリリアの小さなタイル材またはブロック材ではなく、図３に拡大して示すように、フレーク状のベリリア１２で形成される。フレーク状のベリリア１２は、表面積が増加し、落下した溶融している燃料デブリ１０Ａに含まれる金属元素との反応を促進させる。フレーク状のベリリア１２の粒径を１０ｃｍ以下にすることにより、ベリリア１２の表面積がより増加し、燃料デブリ１０Ａに含まれる金属元素とベリリア１２との還元反応がより促進される。上部層３Ａを形成するベリリアは、粒径を１０ｃｍ以下の塊状または球状としてもよい。
　上部層３Ａをベリリア以外の第２酸化物で形成した場合でも、この第２酸化物を。フレーク状にしてもよい。
　本実施例は実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例における上部層３Ａがフレーク状のベリリア１２で形成されているので、上部層３Ａ上に落下した溶融している燃料デブリ１０Ａに含まれるジルコニウム等の金属元素Ｍ１と上部層３Ａのベリリア１２が還元反応を起こし、その金属元素Ｍ１を効率良く酸化させることができる。
　なお、本実施例では、フレーク状のベリリア１２で形成した上部層３Ａの上面が平坦ではないため、原子炉の定期検査において原子炉圧力容器６の下方でペデスタル８の内側で保守点検作業を行う場合、作業性が著しく低下する可能性がある。このため、フレーク状のベリリア１２で形成した上部層３Ａの上面にコンクリートを打設して平坦な上面を形成し、保守点検作業の作業性の向上を図ってもよい。
　本発明の好適な他の実施例である実施例３の燃料デブリ保持装置を、図４を用いて以下に説明する。
　本実施例の燃料デブリ保持装置１Ｂは、沸騰水型原子炉に適用される。燃料デブリ保持装置１Ｂは、実施例１と同様に、原子炉圧力容器６の真下でペデスタル８よりも内側に配置され、そして、原子炉格納容器床９上に設置される。さらに、燃料デブリ保持装置１Ｂは、ペデスタル８の内側において原子炉格納容器床９を覆っている。
　燃料デブリ保持装置１Ｂは下部層２及び上部層３Ｂを有し、上部層３Ｂは第１層１１Ａ及び第２層１１Ｂの複数の酸化物層を含んでいる。上部層３Ｂの第２層１１Ｂは下部層２の上に設置され、第１層１１Ａは第２層１１Ｂの上に設置される。本実施例では、下部層２が、前述の第１酸化物のうちで、例えば、マグネシアで形成され、上部層３Ｂの第１層１１Ａが、前述の第２酸化物のうちで、例えば、酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）で形成され、上部層３Ｂの第２層１１Ｂが、種類の異なる他の第２酸化物である、例えば、ベリリアで形成される。酸化鉄及びベリリアのそれぞれの生成自由エネルギーは、マグネシアの生成自由エネルギーよりも高い。さらに、ベリリアの融点はマグネシアの融点よりも低く、酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）の融点はベリリアの融点よりも低い。
　シビアアクシデントが発生したとき、溶融している燃料デブリ１０Ａが原子炉圧力容器６から燃料デブリ保持装置１Ｂに含まれる上部層３Ｂの第１層１１Ａの上に落下したとする。燃料デブリ１０Ａの一部に含まれている金属元素Ｍ１の一つであるジルコニウムは、第１層１１Ａの第２酸化物である酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）との還元反応により酸化されてジルコニアになる。第１層１１Ａでの還元反応によって金属元素Ｍ４である鉄が生成される。落下した燃料デブリ１０Ａの残りは、第２層１１Ｂに達する。この残りの燃料デブリ１０Ａに含まれているジルコニウムは、第２層１１Ｂを形成する他の第２酸化物であるベリリアとの還元反応により酸化されてジルコニアになる。第２層１１Ｂにおける還元反応によって金属元素Ｍ５であるベリリウムが生成される。
　酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）及びベリリアのそれぞれの生成自由エネルギーが下部層２の第１酸化物であるマグネシアの生成自由エネルギーよりも高いので、落下した燃料デブリ１０Ａに含まれているジルコニウムのほとんどは、第１層１１Ａの酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）及び第２層１１Ｂのベリリアのそれぞれとの還元反応によりジルコニアになる。このため、燃料デブリ１０Ａに含まれるジルコニウムと下部層２を形成するマグネシアとの還元反応が生じなく、ジルコニウムによりマグネシアの侵食が生じない。
　また、第１層１１Ａにおけるジルコニウムと酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）との還元反応により生成された鉄、及び第２層１１Ｂにおけるジルコニウムとベリリアとの還元反応により生成されたベリリウムのそれぞれの酸化物の生成自由エネルギーが下部層２の第１酸化物であるマグネシアの生成自由エネルギーよりも高いので、鉄及びベリリウムによる下部層２のマグネシアの侵食を防止することができる。
　上部層３に含まれる第１層１１Ａを形成する酸化鉄（Ｆｅ2Ｏ3）の融点が上部層３に含まれる第２層１１Ｂを形成するベリリアの融点よりも低いので、燃料デブリ１０Ａの熱により下部層２のマグネシアが侵食されることを防ぐことができる。
　このような本実施例は実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例は、上記したように、燃料デブリ１０Ａの熱により下部層２のマグネシアが侵食されることを防ぐことができる。
　上部層３は、３つ以上の酸化物層によって形成してもよい。
　本発明の好適な他の実施例である実施例４の燃料デブリ保持装置を、図５を用いて以下に説明する。
　本実施例の燃料デブリ保持装置１Ｃは、沸騰水型原子炉に適用される。燃料デブリ保持装置１Ｃは、実施例１と同様に、原子炉圧力容器６の真下でペデスタル８よりも内側に配置され、そして、原子炉格納容器床９上に設置される。さらに、燃料デブリ保持装置１Ｃは、ペデスタル８の内側において原子炉格納容器床９を覆っている。
　燃料デブリ保持装置１Ｃは、下部層２及び上部層３以外に、金属シェル５を有している。金属シェル５は円筒状の側壁及び底部を有する。金属シェル５は、円筒状の側壁が底部に取り付けられ、上端が開放された、蓋のない容器である。下部層２及び上部層３が、図５に示すように、金属シェル５内に配置され、下部層２が金属シェル５の底部上に設置され、上部層３が下部層２の上に設置される。本実施例では、下部層２が、前述の第１酸化物のうち、例えば、マグネシア（第１酸化物）で形成され、上部層３が、前述の第２酸化物のうち、例えば、二酸化ケイ素（第２酸化物）で形成される。
　金属シェル５は、ペデスタル８の内側で原子炉格納容器床９上に設置されたステンレス鋼製の複数の支持部材１３によって支持される。このため、金属シェル５は原子炉格納容器床９の上面よりも上方に配置され、冷却材領域が金属シェル５の下面と原子炉格納容器床９の上面の間に形成される。金属シェル５の側壁もペデスタル８の内面から内側に離れて配置される。環状の冷却材領域が、位置している。金属シェル５の側壁の外面とペデスタル８の内面との間に形成される。金属シェル５の下面と原子炉格納容器床９の上面の間に形成される冷却材領域と金属シェル５の側壁の外面とペデスタル８の内面との間に形成される環状の冷却材領域は、互いに連通している。
　シビアアクシデントが発生し、溶解している燃料デブリ１０Ａが原子炉圧力容器６から落下した場合には、この溶解している燃料デブリ１０Ａは、金属シェル５内に配置された上部層３に落下する。燃料デブリ１０Ａに含まれているジルコニウム等の各金属元素Ｍ１は、上部層３を形成している二酸化ケイ素と還元反応を生じ、それぞれの金属元素Ｍ１の酸化物及び金属元素Ｍ３であるケイ素を生成する。上部層３を形成する二酸化ケイ素の生成自由エネルギーが下部層２を形成するマグネシアの生成自由エネルギーよりも高いので、当然のことながら、その還元反応で生成されたケイ素の酸化物の生成自由エネルギーはマグネシアのそれよりも高くなる。このため、下部層２のマグネシアと上部層３における還元反応で生成されたケイ素との還元反応を防ぐことができ、マグネシアで形成された下部層２のケイ素による侵食を防ぐことができる。
　本実施例は実施例１で生じる各効果を得ることができる。
　さらに、本実施例では、空気及び水のいずれかの冷却材が、金属シェル５の下面と原子炉格納容器床９の上面の間及び金属シェル５の側壁の外面とペデスタル８の内面との間の、互いに連通したそれぞれの冷却材領域を形成することができる。このため、原子炉圧力容器６から金属シェル５の内側の上部層３に落下した燃料デブリ１０Ａの熱は、上記の冷却材領域に存在する冷却材によって除去され、温度が上昇した冷却材は、配管（図示せず）によって、ペデスタル８の外側で原子炉格納容器内に配置された熱交換器（図示せず）に導かれ、この熱交換器において外気によって冷却される。この熱交換器で冷却された冷却材は、戻り管（図示せず）を通して、ペデスタル８の内側の冷却水領域に戻される。このような冷却材の循環により、金属シェル５の内側に落下した燃料デブリ１０Ａの熱を外部に排出することができる。これにより、燃料デブリ１０Ａの熱を外部に排除することが可能となる。なお、冷却材として水を用いる場合には、上記の冷却材領域に充填した水の、環状の冷却材領域に形成される水面は、金属シェル５の上端よりも下方に位置させる必要がある。
　実施例２の燃料デブリ保持装置１Ａにおける下部層２及び上部層３Ａまたは実施例３の燃料デブリ保持装置１Ｂにおける下部層２及び上部層３Ｂを、本実施例で用いられる下部層２及び上部層３の替りに、金属シェル５の内側に配置してもよい。
　実施例１ないし実施例４の各燃料デブリ保持装置は、原子炉格納容器の構造をほとんど変更することなく原子炉圧力容器の真下に設置することができるので、新設の原子力プラントは勿論のこと、既設の原子力プラントにも適用することができる。
　また、実施例１ないし実施例４の各燃料デブリ保持装置は、加圧水型原子炉にも適用することができる。
　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…燃料デブリ保持装置、２…下部層、３，３Ａ，３Ｂ…上部層、５…金属シェル、６…原子炉圧力容器、８…ペデスタル、９…原子炉格納容器床、１０，１０Ａ…燃料デブリ、１１Ａ…第１層、１１Ｂ…第２層。

Claims (4)

  1. 　融点が２０００℃よりも高い第１酸化物で形成される耐熱層である下部層と、前記下部層の上に設置され、前記第１酸化物の生成自由エネルギーよりも生成自由エネルギーが高い第２酸化物で形成される上部層とを備え、炉心を内蔵する原子炉圧力容器の真下に配置されることを特徴とする燃料デブリ保持装置。
  2. 　前記上部層を形成する前記第２酸化物が、板状、ブロック状、フレーク状、塊状及び球状のいずれかの形状をしている請求項１に記載の燃料デブリ保持装置。
  3. 　前記上部層が複数の酸化物層を含んでおり、
    　前記複数の酸化物層のそれぞれは種類の異なる前記第２酸化物で形成され、
    　前記複数の酸化物層のそれぞれを形成する前記第２酸化物の融点は、前記下部層から上方に向かうほど低くなる請求項１または２に記載の燃料デブリ保持装置。
  4. 　前記下部層及び前記上部層が、底部及びこの底部に取り付けられた筒状の側壁部を有する金属シェル内に配置された請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料デブリ保持装置。
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