(57)【要約】【課題】原子力発電所の事故により破壊され複雑な構造となった原子炉内の底部に堆積した核燃料デブリを回収することができる核燃料デブリの回収方法を提供する。【解決手段】本願発明に係る核燃料デブリの回収方法は、原子炉格納容器２または原子炉圧力容器４内に堆積した核燃料デブリ６の回収方法であって、第１の圧力が維持されるように制御された原子炉格納容器２または原子炉圧力容器４内に核燃料デブリ６が浸漬するように炭酸水８を注入する、または、原子炉格納容器２内または原子炉圧力容器４内に既に存在する液体を炭酸水８とする物質を投入する液体注入工程と、液体注入工程後に炭酸水８を発泡させる発泡工程と、発泡工程後に炭酸水８中に生じた気泡が付着して浮上した核燃料デブリ６を回収する回収工程と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉内に堆積した燃料デブリの回収方法であって、
第１の圧力が維持されるように制御された前記原子炉内に、前記燃料デブリが浸漬するように、気体が溶存した液体である気体溶存液体を注入する、または前記原子炉内に既に存在する液体を前記気体溶存液体とする物質を投入する液体注入工程と、
前記液体注入工程後に、前記気体溶存液体を発泡させる発泡工程と、
前記発泡工程後に、前記気体溶存液体中に生じ前記気体を含んだ気泡が付着して浮上した前記燃料デブリを回収する回収工程と、を有することを特徴とする燃料デブリの回収方法。
【請求項２】
前記液体注入工程後であって前記回収工程前、または前記発泡工程と同時に、前記燃料デブリを破砕する破砕工程をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の燃料デブリの回収方法。
【請求項３】
前記第１の圧力は、大気圧によりも低い圧力であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料デブリの回収方法。
【請求項４】
前記発泡工程では、前記原子炉内を前記第１の圧力から第２の圧力に減圧して、前記気体溶存液体を発泡させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料デブリの回収方法。
【請求項５】
前記第１の圧力は、０．５００気圧以上０．９９９気圧以下の範囲内であり、
前記第２の圧力は、前記第１の圧力より低い圧力であることを特徴とする請求項４に記載の燃料デブリの回収方法。
【請求項６】
前記発泡工程では、前記気体溶存液体を昇温して、前記気体溶存液体を発泡させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料デブリの回収方法。
【請求項７】
前記発泡工程では、前記燃料デブリを破砕して燃料デブリ砕片を生成し、生成した前記燃料デブリ砕片を核として、前記気体溶存液体を発泡させることを特徴とする請求項１に記載の燃料デブリの回収方法。
【請求項８】
前記第１の圧力は、大気圧によりも低い圧力であることを特徴とする請求項７に記載の燃料デブリの回収方法。
【請求項９】
前記気体溶存液体は、飽和量の前記気体が溶存した気体溶存液体であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の燃料デブリの回収方法。
【請求項１０】
前記気体は、二酸化炭素、水素、アンモニア、窒素、酸素、アルゴンからなる群から選択される１種以上の気体であり、
前記気体が溶存する液体は、水、イオン液体、不活性液体からなる群から選択される１種以上の液体であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の燃料デブリの回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料デブリの回収方法に関し、特に原子力発電所の事故で生じた核燃料デブリを原子炉内から回収する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
汚泥処理の技術分野では、処理排水中に空気等を気泡として供給し、その気泡の界面に上記処理排水中に含まれる処理対象物（例えば、懸濁粒子等）を付着させて浮上分離する処理方法（分離方法）が既に知られている。この技術としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５１３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、福島第一原子力発電所の事故で生じた燃料デブリを原子炉内から回収する（取り出す）には、作業者の被ばくを最小限に抑えるため、原子炉内を冠水させた状態で上記燃料デブリを回収する必要がある。冠水させない状態で燃料デブリの回収作業を行なうと、破砕した燃料デブリ（例えば、ウラン）等が粉塵となって空気中に舞い、作業者が被ばくするおそれがある。
この回収すべき燃料デブリは、事故により破壊され複雑な構造となった原子炉内の底部に堆積していることが予想されている。このため、上記燃料デブリの回収に、特許文献１に記載の方法を用いた場合には、供給した空気等の気泡が燃料デブリに到達しにくく、燃料デブリを回収するのは困難であると予想される。換言すると、破壊された原子炉内は複雑な構造となっており、特許文献１に記載の方法では燃料デブリに気泡を確実に届けることは難しいといった課題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、事故により破壊され複雑な構造となった原子炉内の底部に堆積した燃料デブリを回収することができる燃料デブリの回収方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、原子炉内に堆積した燃料デブリの回収方法であって、第１の圧力が維持されるように制御された前記原子炉内に、前記燃料デブリが浸漬するように、気体が溶存した液体である気体溶存液体を注入する、または前記原子炉内に既に存在する液体を前記気体溶存液体とする物質を投入する液体注入工程と、前記液体注入工程後に、前記気体溶存液体を発泡させる発泡工程と、前記発泡工程後に、前記気体溶存液体中に生じ前記気体を含んだ気泡が付着して浮上した前記燃料デブリを回収する回収工程と、を有することを特徴とする燃料デブリの回収方法である。
【０００７】
ここで、上記「気体溶存液体を発泡させる」とは、気体溶存液体に溶存していた気体を当該気体溶存液体中に発生させることをいい、外部から気体溶存液体中に気体を供給して気泡を生じさせることではない。
また、この燃料デブリの回収方法では、前記液体注入工程後であって前記回収工程前、または前記発泡工程と同時に、前記燃料デブリを破砕する破砕工程をさらに有することとしてもよい。
また、この燃料デブリの回収方法では、前記第１の圧力は、大気圧によりも低い圧力であることとしてもよい。
【０００８】
また、この燃料デブリの回収方法では、前記発泡工程では、前記原子炉内を前記第１の圧力から第２の圧力に減圧して、前記気体溶存液体を発泡させることとしてもよい。
また、この燃料デブリの回収方法では、前記第１の圧力は、０．５００気圧以上０．９９９気圧以下の範囲内であり、前記第２の圧力は、前記第１の圧力より低い圧力であることとしてもよい。
また、この燃料デブリの回収方法では、前記発泡工程では、前記気体溶存液体を昇温して、前記気体溶存液体を発泡させることとしてもよい。
【０００９】
また、この燃料デブリの回収方法では、前記発泡工程では、前記燃料デブリを破砕して燃料デブリ砕片を生成し、生成した前記燃料デブリ砕片を核として、前記気体溶存液体を発泡させることとしてもよい。
ここで、上記「核」とは、気体溶存液体を発泡させる際の、いわゆるシード（種）を意味するものである。
また、この燃料デブリの回収方法では、前記第１の圧力は、大気圧によりも低い圧力であることとしてもよい。
【００１０】
また、この燃料デブリの回収方法では、前記気体溶存液体は、飽和量の前記気体が溶存した気体溶存液体であることとしてもよい。
ここで、上記「飽和量の気体が溶存した気体溶存液体」とは、気体を最大量溶存させた液体を意味するものである。
また、この燃料デブリの回収方法では、前記気体は、二酸化炭素、水素、アンモニア、窒素、酸素、アルゴンからなる群から選択される１種以上の気体であり、前記気体が溶存する液体は、水、イオン液体、不活性液体からなる群から選択される１種以上の液体であることとしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料デブリの回収方法によれば、事故により破壊され複雑な構造となった原子炉内の底部に堆積した燃料デブリを回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る核燃料デブリの回収装置の構成を示す概念図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る核燃料デブリの回収方法のフローを示すフロー図である。
【図３】核燃料デブリに気泡が付着した状態を示す概念図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る核燃料デブリの回収方法のフローを示すフロー図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る核燃料デブリの回収方法のフローを示すフロー図である。
【図６】原子炉の周囲に複数のガンマ線検出器を並べた状態を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る核燃料デブリの回収装置の構成を示す概念図である。以下、図１を参照しつつ、本発明の実施形態に係る核燃料デブリの回収装置の構成について説明する。
<構成>
図１には、原子炉格納容器２、原子炉圧力容器４、飽和炭酸水８、破砕装置１０、浮上物回収装置１４、炭酸水循環補給装置１６、パイプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、核燃料デブリ砕片濾過回収装置２０、圧力制御装置２２がそれぞれ示されている。これらについて、以下説明する。
【００１４】
原子炉格納容器２は、一般に「マークＩ型」と呼ばれる原子炉格納容器である。この原子炉格納容器２は、「球部２ａ」と呼ばれる格納部分と、その上部（図面上側）に配置された「円筒部２ｂ」と呼ばれる格納部分とを備えている。この原子炉格納容器２の内部の略中心部には、円筒形状をした原子炉圧力容器４が格納されている。この原子炉圧力容器４内の底部には、事故により生じた塊状の原子炉圧力容器内核燃料デブリ（以下、単に「核燃料デブリ」ともいう。）６ａが堆積している。また、原子炉格納容器２内の底部にも、原子炉圧力容器４から漏れ出した塊状の原子炉格納容器内核燃料デブリ（以下、単に「核燃料デブリ」ともいう。）６ｂが堆積している。以下、原子炉圧力容器内核燃料デブリ６ａと原子炉格納容器内核燃料デブリ６ｂとを総称して、「核燃料デブリ６」という。ここで、「核燃料デブリ」とは、破壊された炉心の堆積物を意味し、具体的には、炉心が溶融固化してできた、ウランやジルコニウムの酸化物と、溶融した金属（例えば、鉄等）との混合物をいう。なお、この原子炉格納容器２は、いわゆる原子炉建屋１内に格納されている。
【００１５】
原子炉格納容器２及び原子炉圧力容器４の内部は、飽和量の気体が溶存した気体溶存液体で満たされている。以下の実施形態では、上記気体溶存液体として、飽和量の二酸化炭素（ＣＯ２）が溶存した水（Ｈ２Ｏ）（以下、単に「炭酸水」ともいう。）８を用いた場合について説明する。ここで、「飽和量の気体（ＣＯ２）が溶存した」とは、液体に気体を飽和量まで（限界量まで）溶解させたことを意味する。なお、図１に示すように、核燃料デブリ６は、炭酸水８に浸漬した状態にある。
原子炉格納容器２の球部２ａ内であって原子炉圧力容器４の外側には、破砕装置１０が配置されている。この破砕装置１０は、塊状の核燃料デブリ６を微細小片状に粉砕して核燃料デブリ砕片６ｃを生成するための装置であって、例えば、衝撃波によって核燃料デブリ６を破砕する衝撃波発生装置（図示せず）と、衝撃波の焦点を調節（制御）する焦点制御装置（図示せず）とを備えている。また、破砕装置１０は、図面上下方向及び図面左右方向に移動可能な移動機構を備えている。このため、目的とする位置にある核燃料デブリ６を破砕して、核燃料デブリ砕片６ｃを生成することができる。衝撃波を用いた破砕装置１０としては、例えば、火薬方式、燃焼ガス方式、放電方式等の既存技術を用いることができる。なお、この破砕装置１０は、原子炉圧力容器４の内部に配置されていてもよい。破砕装置１０を、原子炉圧力容器４の内部に配置することで、原子炉圧力容器４内の核燃料デブリ６を破砕することが可能となる。また、破砕装置１０を原子炉圧力容器４内にある核燃料デブリ６ａに向けて、破砕装置１０で発生させた衝撃波を用いて核燃料デブリ６ａを破砕してもよい。
【００１６】
原子炉格納容器２の円筒部２ｂ内には、炭酸水８の液面と接するように、浮上物回収装置（以下、単に「回収装置」ともいう。）１４が配置されている。この回収装置１４は、原子炉格納容器２または原子炉圧力容器４の底部から気泡（ＣＯ２）８ａとともに浮上した核燃料デブリ砕片６ｃを、炭酸水８とともに回収する機能を有している。この回収装置１４は、図面上下方向及び図面左右方向に移動可能な移動機構を備えている。このため、原子炉格納容器２または原子炉圧力容器４を満たす炭酸水８の液面位置が変化（図面上下方向に移動）した場合であっても、核燃料デブリ砕片６ｃを炭酸水８とともに回収することができる。なお、この回収装置１４は、浮上した核燃料デブリ砕片６ｃを回収可能な装置であればよい。回収装置１４としては、例えば、浮上した核燃料デブリ砕片６ｃを金属メッシュ等ですくい取って回収するタイプの回収装置が好ましいが、浮上した核燃料デブリ砕片６ｃを吸引器等で吸引して回収するタイプの回収装置であってもよい。
【００１７】
原子炉格納容器２の外側（または原子炉建屋１の外側）には、炭酸水循環補給装置（以下、単に「循環補給装置」ともいう。）１６が配置されている。この循環補給装置１６は、原子炉格納容器２内を満たす炭酸水８を循環し補給する機能を有しており、例えば、炭酸水８を循環するためのサーキュレータ（図示せず）と、炭酸水８を補給・生成するための炭酸水生成装置（図示せず）とを備えた装置である。また、この循環補給装置１６は、炭酸水８を冷却するための冷却装置及び炭酸水８を昇温するための昇温装置を備えていてもよい。この場合には、低温（例えば、０〜２０℃程度）の炭酸水８や高温（例えば、２０〜６０℃程度）の炭酸水８を原子炉格納容器２内に供給することができる。なお、循環補給装置１６は、原子炉格納容器２と、２本のパイプ１８ａ、１８ｂを介して繋がっている。
【００１８】
原子炉格納容器２の外側（または原子炉建屋１の外側）には、核燃料デブリ砕片濾過回収装置（以下、単に「濾過装置」ともいう。）２０が配置されている。この濾過装置２０は、核燃料デブリ砕片６ｃと炭酸水８とを分離する機能を有しており、例えば、炭酸水８が通過可能で、核燃料デブリ砕片６ｃの大きさよりも小さな開口径を有するフィルタを備えた装置である。このため、不純物（例えば、微小金属片等）が少ない炭酸水８を原子炉格納容器２（循環補給装置１６）内に供給することができる。なお、この濾過装置２０は、回収装置１４及び循環補給装置１６とパイプ１８ｃ、１８ｄを介してそれぞれ繋がっている。また、パイプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄにそれぞれ示された矢印は、核燃料デブリ砕片６ｃまたは炭酸水８の移動方向を示すものである。
【００１９】
原子炉格納容器２の上部には、原子炉格納容器２内の圧力を制御する圧力制御装置２２が配置されている。この圧力制御装置２２は、例えば、加圧・減圧用のポンプと、開閉可能なバルブとを備えた装置である。なお、この圧力制御装置２２は、原子炉格納容器２内の圧力を制御するだけでなく、原子炉建屋内全体の圧力を制御する装置であってもよい。
【００２０】
<回収方法>
（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態に係る核燃料デブリの回収方法のフローを示すフロー図である。図３は、核燃料デブリに気泡が付着した状態を示す概念図である。以下、図２及び図３を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る核燃料デブリの回収方法について説明する。
【００２１】
まず、原子炉格納容器２内を、圧力制御装置２２を用いて予め設定した圧力（以下、「第１の圧力」ともいう。）に維持する（Ｓ１１）。第１の圧力は、大気圧以上の圧力であってもよいが、大気圧よりも低い圧力（例えば、０．５００〜０．９９９気圧）であるのが好ましい。第１の圧力が大気圧よりも低い圧力（つまり、原子炉格納容器２内が陰圧）であれば、原子炉格納容器２の外部に放射性物質が飛散するのを効果的に防止することができる。
次に、上記圧力が維持されるように圧力制御装置２２を稼働させている状態で、少なくとも核燃料デブリ６及び破砕装置１０が浸漬するまで、炭酸水８を原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に注入する（Ｓ１２）。この際、循環補給装置１６で生成した炭酸水８を、パイプ１８ｂを通して注入する。本実施形態では、回収装置１４に炭酸水８の液面が達するまで、炭酸水８を注入している。
【００２２】
続いて、破砕装置１０を用いて核燃料デブリ６を破砕し、核燃料デブリ砕片６ｃを生成する（Ｓ１３）。より詳しくは、破砕装置１０に備わる焦点制御装置を用いて、核燃料デブリ６の目的とする位置に焦点を合わせる。その後、破砕装置１０に備わる衝撃波発生装置から衝撃波を発生させて、目的とする位置に衝撃波を局所的に集中させることで核燃料デブリ６を破砕し、核燃料デブリ砕片６ｃを生成する。なお、この破砕は、炭酸水８中にて実施する。
続いて、核燃料デブリ６の破砕後に、原子炉格納容器２内の圧力を、予め設定した圧力（以下、「第２の圧力」ともいう。）まで減圧する（Ｓ１４）。この際、圧力制御装置２２を用いて減圧する。例えば、炭酸水８を注入する際の圧力（つまり、第１の圧力）を０．９９気圧とした場合には、第２の圧力を０．９８気圧とする。また、この減圧に要する時間は、数ミリ秒〜数秒程度とする。上記減圧により、炭酸水８を発泡させることができる。以下、減圧に起因する液体の発泡について、簡単に説明する。
【００２３】
気体の溶解度（つまり、液体に対する気体の溶解の度合い）は、「圧力」が変数の１つとなっている。より詳しくは、加圧されると気体の溶解度は高くなり、減圧されると気体の溶解度は低くなる。このため、減圧した場合には、それまで液体に溶存していた気体は、溶存しきれなくなり、気泡８ａとなって液体に存在することになる。
また、減圧に起因して発生する気泡８ａは、炭酸水８全体に平均して発生する。このため、従来技術では気泡が到達しにくかった位置にある核燃料デブリ砕片６ｃ（核燃料デブリ６）の近傍においても気泡８ａは発生する。こうして発生した気泡８ａは、核燃料デブリ砕片６ｃに付着し、核燃料デブリ砕片６ｃを浮上させる。なお、図３は、炭酸水８中に発生し、核燃料デブリ砕片６ｃに付着した気泡８ａの状態を模式的に示している。
【００２４】
次に、浮上した核燃料デブリ砕片６ｃを炭酸水８とともに、回収装置１４で回収する（Ｓ１５）。
以上の工程を経ることで、原子力発電所の事故により破壊され複雑な構造となった原子炉格納容器２内または原子炉圧力容器４内の底部に堆積した核燃料デブリ６（核燃料デブリ砕片６ｃ）を回収することができる。なお、上記の工程は、核燃料デブリ６（核燃料デブリ砕片６ｃ）の回収が終了するまで、繰り返して実行される。
回収装置１４で炭酸水８とともに回収された核燃料デブリ砕片６ｃは、パイプ１８ｃを通り、濾過装置２０で炭酸水８と分離させる。その後、核燃料デブリ砕片６ｃは、核燃料廃棄処理施設で処理される。また、濾過装置２０を通過した炭酸水８は、パイプ１８ｄを通り、循環補給装置１６に供給される。供給された炭酸水８は、パイプ１８ｂを通り、原子炉格納容器２内に供給される。
【００２５】
（変形例）
上述の各実施形態では、減圧する工程を１回のみ実施した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、０．９９気圧と０．９８気圧との間で、加圧・減圧の工程を複数回繰り返して実施してもよい。加圧・減圧を繰り返して実施することで、炭酸水８の発泡を促し、炭酸水８に生じる気泡８ａの量・大きさを増大させることができる。このため、核燃料デブリ６に付着する気泡８ａの量・大きさを増大させることができ、確実性を高めて核燃料デブリ６を浮上させることができる。
【００２６】
また、上述の各実施形態では、核燃料デブリ６を破砕した後に、炭酸水８を発泡させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、核燃料デブリ６を破砕すると同時に、原子炉格納容器２内を減圧して炭酸水８を発泡させてもよい。また、核燃料デブリ６を破砕する前に、原子炉格納容器２内を減圧して炭酸水８を発泡させてもよい。この場合であっても、本実施形態における作用効果を得ることができる。
また、上述の実施形態では、炭酸水８（ＣＯ２が溶存した水）を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に注入する液体を、水、イオン液体、不活性液体からなる群から選択される１種以上の液体として、その液体に溶存する気体を、二酸化炭素、水素、アンモニア、窒素、酸素、アルゴンからなる群から選択される１種以上の気体としてもよい。なお、イオン液体とは、液体で存在する塩であって、イオンのみ（アニオン、カチオン）から構成される塩をいう。このイオン液体には、ＣＯ２が非常によく溶けることが知られている。また、不活性液体とは、化学的、物理的に安定な液体のことであり、例えば他物質と接触しても化学反応を起こさない等の安定性を持つ液体を意味する。本実施形態では、不活性液体として、例えば、フッ素系不活性液体やハイドロフルオロエーテルを用いることができる。上記物質から選択される液体と気体の組み合わせであれば、本実施形態における作用効果を得ることができる。
【００２７】
また、上述の実施形態では、第１の圧力が維持されるように制御された原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に、核燃料デブリ６が浸漬するように、炭酸水８を注入する工程について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記工程に代えて、例えば、原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に既に存在する水等の液体を、炭酸水８とする物質を投入する工程としてもよい。この場合、投入する物質は、例えば、フマル酸と重曹である。フマル酸と重曹とを投入することで、フマル酸ナトリウムと水とＣＯ２が生成され、炭酸水８を生成することができる。
【００２８】
また、上述の実施形態では、炭酸水８に含まれる水は軽水（Ｈ２Ｏ）を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、軽水に代えて、重水（Ｄ２Ｏ）を用いてもよい。この場合であれば、軽水を用いた炭酸水８と比較して、浮力が増すため、核燃料デブリ６をより容易に浮上させることができる。
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係る核燃料デブリの回収方法について、図４を参照しつつ説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る核燃料デブリの回収方法のフローを示すフロー図である。
【００２９】
まず、原子炉格納容器２内を、圧力制御装置２２を用いて予め設定した圧力（以下、「第１の圧力」ともいう。）に維持する（Ｓ２１）。第１の圧力は、大気圧以上の圧力であってもよいが、大気圧よりも低い圧力（例えば、０．９９気圧）であるのが好ましい。第１の圧力が陰圧であれば、原子炉格納容器２の外部に放射性物質が飛散するのを効果的に防止することができる。
次に、上記圧力が維持されるように圧力制御装置２２を稼働させている状態で、少なくとも核燃料デブリ６及び破砕装置１０が浸漬するまで、炭酸水８を原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に注入する（Ｓ２２）。この際、循環補給装置１６で生成した炭酸水８を、パイプ１８ｂを通して注入する。本実施形態では、回収装置１４に炭酸水８の液面が達するまで、炭酸水８を注入している。注入する炭酸水８の温度は、例えば、０〜２０℃程度である。
【００３０】
続いて、破砕装置１０を用いて核燃料デブリ６を破砕し、核燃料デブリ砕片６ｃを生成する（Ｓ２３）。より詳しくは、破砕装置１０に備わる焦点制御装置を用いて、核燃料デブリ６の目的とする位置に焦点を合わせる。その後、破砕装置１０に備わる衝撃波発生装置から衝撃波を発生させて、目的とする位置に衝撃波を局所的に集中させることで核燃料デブリ６を破砕し、核燃料デブリ砕片６ｃを生成する。なお、この破砕は、炭酸水８中にて実施する。
この核燃料デブリ６の破砕前もしくは破砕後または破砕と同時に、原子炉格納容器２内に注入した炭酸水８の温度を上昇させる（Ｓ２４）。この際、例えば、ヒータを用いて炭酸水８の温度を上昇させる。具体的には、昇温前の炭酸水８の温度を０〜２０℃程度とした場合には、昇温後の炭酸水８の温度を２０〜６０℃程度とする。この昇温に要する時間は、数秒〜数十秒程度とする。上記昇温により、炭酸水８を発泡させることができる。以下、昇温に起因する液体の発泡について、簡単に説明する。
【００３１】
気体の溶存量は、「液体の温度」が変数の１つとなっている。より詳しくは、液体の温度が低いと気体の溶存量は増加し、液体の温度が高いと気体の溶存量は低下する。このため、炭酸水８の温度を上昇させた場合には、それまで液体に溶存していた気体は、溶存しきれなくなり、気泡８ａとなって液体に存在することになる。
また、昇温に起因して発生する気泡８ａは、炭酸水８全体に平均して発生する。このため、従来技術では気泡８ａが到達しにくかった位置にある核燃料デブリ砕片６ｃ（核燃料デブリ６）の近傍においても気泡８ａは発生する。こうして発生した気泡８ａは、核燃料デブリ砕片６ｃに付着し、核燃料デブリ砕片６ｃを浮上させる。なお、炭酸水８の昇温時、圧力制御装置２２は開放されていてもよい。
【００３２】
次に、浮上した核燃料デブリ砕片６ｃを炭酸水８とともに、回収装置１４で回収する（Ｓ２５）。
以上の工程を経ることで、原子力発電所の事故により破壊され複雑な構造となった原子炉格納容器２内または原子炉圧力容器４内の底部に堆積した核燃料デブリ６（核燃料デブリ砕片６ｃ）を回収することができる。なお、上記の工程は、核燃料デブリ６（核燃料デブリ砕片６ｃ）の回収が終了するまで、繰り返して実行される。
核燃料デブリ砕片６ｃを回収装置１４で回収した後の工程は、第１実施形態で説明した工程と同じであるため、その説明は省略する。
【００３３】
（変形例）
上述の実施形態では、ヒータを用いて炭酸水８の温度を上昇させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、核燃料デブリ６の破砕前もしくは破砕後または破砕と同時に、循環補給装置１６で温度を上昇させた炭酸水８を原子炉格納容器２内に注入してもよい。この場合であっても、発生した気泡を核燃料デブリ砕片６ｃに付着させ、その核燃料デブリ砕片６ｃを浮上させることができる。
【００３４】
また、核燃料デブリ砕片６ｃ（核燃料デブリ６）は発熱しているので、核燃料デブリ砕片６ｃと接触させただけで炭酸水８の温度を上昇させることができる。このため、核燃料デブリ砕片６ｃに接触した炭酸水８は発泡する。つまり、核燃料デブリ砕片６ｃに炭酸水８を接触させただけで、核燃料デブリ砕片６ｃに気泡を付着させることができ、その核燃料デブリ砕片６ｃを浮上させることができる。
また、上述の実施形態では、第１実施形態と同様に、原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に注入する液体を、水、イオン液体、不活性液体からなる群から選択される１種以上の液体として、その液体に溶存する気体を、二酸化炭素、水素、アンモニア、窒素、酸素、アルゴンからなる群から選択される１種以上の気体としてもよい。上記物質から選択される液体と気体の組み合わせであれば、本実施形態における作用効果を得ることができる。
【００３５】
また、上述の実施形態では、第１実施形態と同様に、炭酸水８に含まれる水を軽水に代えて重水（Ｄ２Ｏ）としてもよい。この場合であっても、本実施形態における作用効果を得ることができる。
また、上述の実施形態では、第１実施形態と同様に、炭酸水８を注入する工程に代えて、原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に既に存在する水等の液体を、炭酸水８とする物質を投入する工程としてもよい。この場合であっても、本実施形態における作用効果を得ることができる。
【００３６】
（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態に係る核燃料デブリの回収方法について、図５を参照しつつ説明する。図５は、本発明の第３実施形態に係る核燃料デブリの回収方法のフローを示すフロー図である。
まず、原子炉格納容器２内を、圧力制御装置２２を用いて予め設定した圧力（以下、「第１の圧力」ともいう。）に維持する（Ｓ３１）。第１の圧力は、大気圧以上の圧力であってもよいが、大気圧よりも低い圧力（例えば、０．９９気圧）であるのが好ましい。第１の圧力が陰圧であれば、原子炉格納容器２の外部に放射性物質が飛散するのを効果的に防止することができる。
次に、上記圧力が維持されるように圧力制御装置２２を稼働させている状態で、少なくとも核燃料デブリ６及び破砕装置１０が浸漬するまで、炭酸水８を原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に注入する（Ｓ３２）。この際、循環補給装置１６で生成した炭酸水８を、パイプ１８ｂを通して注入する。本実施形態では、回収装置１４に炭酸水８の液面が達するまで、炭酸水８を注入している。
【００３７】
続いて、破砕装置１０を用いて核燃料デブリ６を破砕し、核燃料デブリ砕片６ｃを生成する（Ｓ３３）。より詳しくは、破砕装置１０に備わる焦点制御装置を用いて、核燃料デブリ６の目的とする位置に焦点を合わせる。その後、破砕装置１０に備わる衝撃波発生装置から衝撃波を発生させて、目的とする位置に衝撃波を局所的に集中させることで核燃料デブリ６を破砕し、核燃料デブリ砕片６ｃを生成する。なお、この破砕は、炭酸水８中にて実施する。また、この破砕を実施する際には、圧力制御装置２２は開放されていてもよい。
【００３８】
上記核燃料デブリ砕片６ｃの破砕により、炭酸水８を発泡させることができる。以下、破砕に起因する液体の発泡について、簡単に説明する。
気体が溶存した液体中に固体（本実施形態では、核燃料デブリ砕片６ｃ）が生成する（投入される）と、その固体が気泡成長の核（いわゆる、シード、種）となり、その固体周囲には気泡が発生する。
このため、炭酸水８中で核燃料デブリ砕片６ｃを生成することで、従来技術では気泡８ａが到達しにくかった位置にある核燃料デブリ砕片６ｃ（核燃料デブリ６）の近傍においても気泡８ａを発生させることができる。こうして発生した気泡８ａは、核燃料デブリ砕片６ｃに付着し、核燃料デブリ砕片６ｃを浮上させる。
【００３９】
次に、浮上した核燃料デブリ砕片６ｃを炭酸水８とともに、回収装置１４で回収する（Ｓ３４）。
以上の工程を経ることで、原子力発電所の事故により破壊され複雑な構造となった原子炉格納容器２内または原子炉圧力容器４内の底部に堆積した核燃料デブリ６（核燃料デブリ砕片６ｃ）を回収することができる。なお、上記の工程は、核燃料デブリ６（核燃料デブリ砕片６ｃ）の回収が終了するまで、繰り返して実行される。
核燃料デブリ砕片６ｃを回収装置１４で回収した後の工程は、第１実施形態で説明した工程と同じであるため、その説明は省略する。
【００４０】
（変形例）
上述の実施形態では、第１実施形態と同様に、原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に注入する液体を、水、イオン液体、不活性液体からなる群から選択される１種以上の液体として、その液体に溶存する気体を、二酸化炭素、水素、アンモニア、窒素、酸素、アルゴンからなる群から選択される１種以上の気体としてもよい。上記物質から選択される液体と気体の組み合わせであれば、本実施形態における作用効果を得ることができる。
【００４１】
また、上述の実施形態では、第１実施形態と同様に、炭酸水８に含まれる水を軽水に代えて重水（Ｄ２Ｏ）としてもよい。この場合であっても、本実施形態における作用効果を得ることができる。
また、上述の実施形態では、第１実施形態と同様に、炭酸水８を注入する工程に代えて、原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に既に存在する水等の液体を、炭酸水８とする物質を投入する工程としてもよい。この場合であっても、本実施形態における作用効果を得ることができる。
【００４２】
（その他の実施形態）
炭酸水８を原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に注入した後、炭酸水８に超音波振動を与えて、炭酸水８を発泡させてもよい。炭酸水８に超音波振動を与えると、炭酸水８中に圧力差が生じ、それに起因する微小な気泡（いわゆるキャビテーション気泡）が生じる。このキャビテーション気泡が集合して、より大きな気泡が形成される。
【００４３】
このため、本実施形態であっても、上述の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、炭酸水８を原子炉格納容器２内及び原子炉圧力容器４内に注入した後、炭酸水８に酸を加えて、炭酸水８を発泡させてもよい。
また、炭酸水８に発生させた発泡に代えて、ミセル、逆ミセル、コロイド、ナノバブルを用いた場合であっても、上述の各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４４】
（応用例１）
水中の構造物（例えば、ガレキ等）の内部からは、気泡は発生しない。したがって、衝撃波を使わなくても水面に浮上した気泡のビットマップを作成し、分布を解析することにより、水中の構造物の形を類推することができる。また、水中の焦点位置を変えながら衝撃波を加えることにより、気泡が発生する箇所を３次元に制御することができる。
こうすることで、衝撃波の焦点位置を３次元にスキャンさせて気泡が発生する箇所の分布を作成すれば、水中の構造物の形がわかる。
【００４５】
（応用例２）
上述の各実施形態及び応用例１では、ＣＯ２を溶解させた水（つまり、炭酸水）を用いた場合について説明したが、上記ＣＯ２に代えてアルゴン（Ａｒ）を水に溶解させてもよい。Ａｒは、１気圧・２０℃の環境下で水（Ｈ２Ｏ）に０．０３３６ｍｌ/ｍｌ溶解する
不活性気体である。また、存在度９９．６％の天然元素である質量数４０のＡｒ（以下、「Ａｒ４０」とも表記する）は、熱中性子捕獲断面積が特異的に高い気体である。
【００４６】
核燃料デブリ中に存在するウラン、プルトニウムから放出された中性子は、水によって容易に減速され熱中性子となり、その熱中性子がＡｒ４０に衝突することでＡｒ４１が生成される。このＡｒ４１は、半減期１．８２時間のベータ崩壊核種であり、１ベクレル当たり１．２９ＭｅＶのガンマ線が９９．１％、１．６７７ＭｅＶのガンマ線が弱量、発生する。これらのガンマ線は物質透過能が高く、ガンマ線検出器で同定・定量することが容易であり、ガンマ線の放出源であるＡｒ４１の空間分布やその時間的変化をレントゲン写真のように可視化して測定することができる。水中の構造物（例えば、ガレキ等）の内部には、特別の意図をもって封入した場合などを除き、通常、Ａｒは存在しない。このため、原子炉の周囲に複数のガンマ線検出器を並べ、検出ガンマ線の量の差の測定をすることで、水中の構造物の様子がＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）のような立体画像として判別できる。図６は、原子炉の周囲に複数のガンマ線検出器を並べた状態を示す概念図である。
【００４７】
ガンマ線の放出源の空間分布が時間的に定常と見做せる場合には、測定時間を長くすることにより、画像の解像度（空間分解能）を上げることもできる。
なお、原子炉内に存在する天然ナトリウム（Ｎａ）が放射化して生成される放射性ナトリウムが発するガンマ線が上記測定において、ノイズとなる場合がある。より詳しくは、質量数２３のＮa（Ｎａ２３）は、中性子により放射化して質量数２４のＮa（Ｎａ２４）となる。このＮａ２４は、半減期１５時間で１．３６９ＭｅＶのガンマ線を壊変あたりの放出率１００％で、また、２．７５４ＭｅＶのガンマ線を９９．８％の放出率で発生する。つまり、原子炉内に存在するＮａ２４から発生する１．３６９ＭｅＶのガンマ線は、Ａｒ４１の１．２９ＭｅＶのガンマ線とエネルギー値が近いため、測定したガンマ線がＡｒ４１に起因するものであるか、Ｎａ２４に起因するものであるかを区別（判別）するのが難しい。そこで、Ｎａ２４から同時に発生する２．７５４ＭｅＶのガンマ線を測定し、その測定強度を用いて寄与の弁別を行うことが可能となり、Ａｒ４１に起因するガンマ線のみを選択的に検出することができる。
【００４８】
（応用例３）
さらに、気体状のＡｒと、水に溶解したＡｒとでは、単位体積当たりの中性子捕捉率が異なり、従って放出するガンマ線量も異なる。この性質の応用例としては、上述の各実施形態で説明したように原子炉内の圧力を変化させてＡｒを含んだ気泡を発生させると、ガレキなどの構造物が蓋状（凹を逆立ちさせた形状）なっていて上昇したＡｒの気泡を閉じ込めてしまった空間の存在および形状を検知できる。また、衝撃波発生装置から出た衝撃波は、途中のガレキ等の影響によるマルチパスにより焦点位置がずれるが、このずれを補正するために衝撃波の焦点の位置を測定する必要があり、これに応用できる。つまり、衝撃波の焦点にＡｒの気泡が集中して発生するので、衝撃波の焦点の位置を測定できる。
【００４９】
（応用例４）
応用例１〜３に記載した方法により発生し水面に浮き上がってきた（核燃料デブリにより放射化した）Ａｒガスを集めて、その放射能の総量を測り、その「比放射能」を測定すれば核燃料デブリが発している中性子の量に係る情報を取得できる。核燃料デブリ内で起きている核反応の状態を知る事が出来る。Ａｒの同位体比でも核燃料デブリ内で起きている核反応がわかる。
【００５０】
さらに、核燃料デブリの局所に非放射性のＡｒガスを気体または水に溶けた状態で吹き付ければ、核燃料デブリ内のウラン、プルトニウム、鉄などの組成分布がわかる。つまり核燃料デブリに含まれる核燃料物質量の空間分布に係る情報を得ることができる。吹き付ける方法以外に、気中または水中のＡｒ濃度を局所的に高くしてもよい。Ａｒを含まないダミーの固形物を配置して、擬似的に、その場所のＡｒ濃度を下げる方法もある。
<検証実験及びその結果>
本実施形態に係る核燃料デブリの回収方法について、検証実験を行った。以下、その詳細について説明する。
【００５１】
本検証実験では、炭酸水として、高さ２１ｃｍの５００ｍｌのペットボトルに入った炭酸水（市販品）を用いた。また、溶融ウラン燃料（核燃料デブリ）を模した物質として、ほぼ同等の比重を有する純金（比重：１９．３０ｇ／ｃｍ３）をケシ粒程度の小片にした金小片を用いた。具体的には、本検証実験では、約２ｍｍ×８ｍｍ角であって厚さ約０．３ｍｍの金小片を使用した。この金小片を、上述の炭酸水の入ったペットボトルに１個投入し、その挙動を観察した。
炭酸水中を沈下した直後から上記金小片の表面には気泡（ＣＯ２ガス泡）が生成して付着し始めた。また、液面から１０ｃｍ（ボトル底面から５ｃｍ）程度のところまで沈下したところで、浮上するに十分な気泡が付着して、金小片は上昇し始めた。金小片が液面まで浮上すると、金小片に付着した気泡は金小片から剥がれ、金小片は再び沈み始めた。
【００５２】
なお、金小片を上記炭酸水の入ったペットボトルに入れた後、そのペットボトルのキャップを完全に締めると、ペットボトル内部は加圧状態となり、気泡発生の核（シード）となる物質（本検証実験では金小片）が存在しても気泡は発生しなかった。
気泡の付着具合及び大きさは、金小片の形状に大きく依存した。つまり、同じ重さでも表面積が大きいほうが大きな気泡が剥れずに付着することがわかった。また、窪みがある形状のほうが、大きな気泡が付着することがわかった。
以上のように、本検証実験で、約２ｍｍ×８ｍｍ角であって厚さ約０．３ｍｍ程度の金小片であれば、炭酸水中に生じる気泡で浮上することが確認できた。
【００５３】
なお、気泡で浮上させられない大きさの核燃料デブリについては、気泡で浮上させられる程度の大きさになるまで、繰り返して核燃料デブリを破砕すればよい。
また、核燃料デブリを完全に浮上させられなくても、核燃料デブリに気泡が付着していれば、気泡の浮力により核燃料デブリの重量を軽減することができる。このため、炭酸水の循環流を利用して、核燃料デブリを回収することもできる。
また、粉状に破砕された核燃料デブリであっても、微細小片の核燃料デブリと同様に、炭酸水の循環流に乗るので回収することができる。
【００５４】
<効果>
（１）本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法では、炭酸水８を注入した後に、その炭酸水８を発泡させているので、炭酸水８全体に平均して気泡８ａを発生させることができる。発生した気泡８ａは、その気泡８ａの周囲にある核燃料デブリ砕片６ｃに付着して、核燃料デブリ砕片６ｃを浮上させるので、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法であれば、原子力発電所の事故により破壊され複雑な構造となった原子炉格納容器２内の底部に堆積した核燃料デブリ６（核燃料デブリ砕片６ｃ）であっても、気泡８ａとともに浮上させて回収することができる。
【００５５】
（２）また、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法では、塊状の核燃料デブリ６を破砕して核燃料デブリ砕片６ｃを生成している。このため、浮上させる核燃料デブリ砕片６ｃを軽量にすることができ、炭酸水８に生じた気泡８ａを用いて容易にその核燃料デブリ砕片６ｃを浮上させることができる。
（３）また、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法では、原子炉格納容器２内の圧力を大気圧によりも低い圧力に維持している。このため、放射能物質が原子炉格納容器２の外部に飛散するのを効果的に防止することができる。
【００５６】
（４）また、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法では、炭酸水８の昇温している。このため、炭酸水８の発泡を容易に実現することができる。
（５）また、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法では、飽和量のＣＯ２が溶解した炭酸水８を原子炉格納容器２内に注入している。このため、炭酸水８から生じる気泡８ａの量を最大限にすることができる。したがって、核燃料デブリ６の回収効率をより高めることができる。
【００５７】
（６）また、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法では、原子炉格納容器２内を冠水状態にしている。このため、作業者の被曝量を最小限に抑えることができる。
（７）また、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法では、炭酸水８を使用している。このため、核燃料デブリ６の回収方法を実施している間に、炭酸水８に含まれるＣＯ２の１２Ｃが１３Ｃに変化した場合であっても、この１３Ｃは安定同位体である。よって、炭酸水８の使用に対する放射線安全対策上の心配はない。
【００５８】
（８）また、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法で使用する、破砕装置１０、浮上物回収装置１４、炭酸水循環補給装置１６、核燃料デブリ砕片濾過回収装置１４、圧力制御装置２２、パイプ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、既存の装置である。このため、核燃料デブリ６の回収を安定して操業することができる。
（９）また、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法使用する、破砕装置１０、浮上物回収装置１４、炭酸水循環補給装置１６、核燃料デブリ砕片濾過回収装置１４、圧力制御装置２２等は、既存の装置であり、遠隔操作することができる。このため、作業者が被曝する危険性を低減することができる。
【００５９】
（１０）また、本実施形態に係る核燃料デブリ６の回収方法では、核燃料デブリ砕片６ｃに気泡８ａを付着させることで、核燃料デブリ砕片６ｃを浮上させている。このため、仮に、核燃料デブリ砕片６ｃの浮上中に原子炉格納容器２内にある障害物（ガレキ等）に衝突して気泡８ａが剥がれ、核燃料デブリ砕片６ｃが沈下した場合であっても、核燃料デブリ砕片６ｃが５ｃｍ〜１００ｃｍ程度沈下すると、再度核燃料デブリ砕片６ｃに気泡８ａが付着して核燃料デブリ砕片６ｃは浮上し始める。したがって、この浮上沈下のサイクル間に炭酸水８の流れ（循環流）の影響を受け、図面左右方向（水平方向）に移動し得るので、上記浮上沈下を複数回繰り返すうちに、障害物を避けて、浮上した核燃料デブリ砕片６ｃを回収することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１    原子炉建屋
２    原子炉格納容器
２ａ  球部
２ｂ  円筒部
４    原子炉圧力容器
６    核燃料デブリ
６ａ  原子炉圧力容器内核燃料デブリ
６ｂ  原子炉格納容器内核燃料デブリ
６ｃ  核燃料デブリ砕片
８    飽和炭酸水
８ａ  気泡
１０  破砕装置
１４  浮上物回収装置
１６  炭酸水循環補給装置
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ  パイプ
２０  核燃料デブリ砕片濾過回収装置
２２  圧力制御装置
【図１】
2020197539.tif 000003
【図２】
2020197539.tif 000004
【図３】
2020197539.tif 000005
【図４】
2020197539.tif 000006
【図５】
2020197539.tif 000007
【図６】
2020197539.tif 000008