(57)【要約】【課題】過酷事故時にサプレッションプールの水を冷却することができるサプレッションプールの冷却技術を提供する。【解決手段】サプレッションプール５の冷却装置１１は、サプレッションプール５の内部の水から熱を吸収して蒸発する液体の作動流体１６を内部に貯留する蒸発部１２と、内部に貯留される気体の作動流体１５が放熱により凝縮する凝縮部１３と、気体の作動流体１５が蒸発部１２から凝縮部１３まで上昇する蒸気流路１９と、液体の作動流体１６が凝縮部１２から蒸発部１２まで重力により降下する凝縮液路２０と、蒸発部１２に貯留される液体の作動流体１６の液面３２よりも上方の空間を蒸気流路１９に連通する部分と凝縮液路２０に連通する部分に分離する気液分離部３１とを備える。【選択図】図４
2020139900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サプレッションプールの内部に設けられ、前記サプレッションプールの内部の水から熱を吸収して蒸発する液体の作動流体を内部に貯留する蒸発部と、
原子炉格納容器の外部の前記蒸発部よりも高い位置に設けられ、内部に貯留される気体の前記作動流体が放熱により凝縮する凝縮部と、
前記蒸発部と前記凝縮部を接続し、気体の前記作動流体が前記蒸発部から前記凝縮部まで上昇する蒸気流路と、
前記凝縮部と前記蒸発部を接続し、液体の前記作動流体が前記凝縮部から前記蒸発部まで重力により降下する凝縮液路と、
前記蒸発部に貯留された液体の前記作動流体の液面よりも上方の空間を、前記蒸気流路に連通する部分と前記凝縮液路に連通する部分に分離する気液分離部と、
を備える、
サプレッションプールの冷却装置。
【請求項２】
前記蒸発部は、前記サプレッションプールの内面に設けられる、
請求項１に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項３】
前記蒸発部は、前記サプレッションプールの前記水に接触する吸熱フィンを備える、
請求項１または請求項２に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項４】
前記凝縮部は、前記原子炉格納容器の外部の冷却媒体に接触する放熱フィンを備える、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項５】
外管と内管から成る二重管を備え、
前記蒸気流路と前記凝縮液路の一方が、前記外管の内面と前記内管の外面との間に形成され、前記蒸気流路と前記凝縮液路の他方が、前記内管の内部に形成される、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項６】
前記凝縮部に設けられ、前記内管を中心として漏斗状に広がって前記凝縮液路に液体の前記作動流体を集める漏斗部と、
前記蒸気流路が前記漏斗部と交差しつつ互いの流路が分離され、前記蒸気流路から流れてきた気体の前記作動流体を前記漏斗部よりも高い位置から前記凝縮部の内部に導入する導入口と、
を備える、
請求項５に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項７】
前記二重管は、前記サプレッションプールが設けられる前記原子炉格納容器またはサプレッションチェンバを形成する壁部を貫通して設けられる、
請求項５または請求項６に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項８】
前記内管の外面を覆う断熱材を備える、
請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項９】
前記内管の外面を覆う保護管を備える、
請求項５から請求項８のいずれか１項に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項１０】
前記内管の外面と前記保護管の内面との間が真空である、
請求項９に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項１１】
前記凝縮部は、原子炉建屋内の水貯留部の内部に設けられる、
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項１２】
前記凝縮部は、海中に設けられる、
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項１３】
前記凝縮部は、原子炉建屋外の大気に接触可能な位置に設けられる、
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項１４】
前記凝縮部に前記大気の流れを案内する冷却塔を備える、
請求項１３に記載のサプレッションプールの冷却装置。
【請求項１５】
サプレッションプールを冷却するヒートパイプとしての冷却装置であって、
前記サプレッションプールの内部の水から熱を吸収して蒸発する液体の作動流体を内部に貯留する蒸発部と、
前記蒸発部に接続され、原子炉格納容器の外部の前記蒸発部よりも高い位置に設けられ、内部に貯留される気体の前記作動流体が放熱により凝縮する凝縮部と、
前記蒸発部に貯留された液体の前記作動流体の液面よりも上方の空間を、気体の前記作動流体が前記凝縮部に向かって上昇する部分と前記凝縮部から液体の前記作動流体が降下する部分に分離する気液分離部と、
を備える、
サプレッションプールの冷却装置。
【請求項１６】
サプレッションプールの内部に設けられた蒸発部の内部に貯留された液体の作動流体が前記サプレッションプールの内部の水から熱を吸収して蒸発するステップと、
原子炉格納容器の外部の前記蒸発部よりも高い位置に設けられた凝縮部の内部に貯留された気体の前記作動流体が放熱により凝縮するステップと、
前記蒸発部と前記凝縮部を接続する蒸気流路を気体の前記作動流体が前記蒸発部から前記凝縮部まで上昇するステップと、
前記凝縮部と前記蒸発部を接続する凝縮液路を液体の前記作動流体が前記凝縮部から前記蒸発部まで重力により降下するステップと、
前記蒸発部に貯留された液体の前記作動流体の液面よりも上方の空間を、前記蒸気流路に連通する部分と前記凝縮液路に連通する部分とに分離するステップと、
を含む、
サプレッションプールの冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、サプレッションプールの冷却装置およびサプレッションプールの冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に商用の沸騰水型軽水炉では、原子炉冷却材喪失などに起因した炉心溶融を伴う過酷事故時においても、原子炉格納容器の圧力または温度を所定の値以下に維持するための設備として、格納容器内に大量の水を貯めたサプレッションプールを有するサプレッションチェンバが設けられている。事故直後は、圧力容器に接続される配管破断により原子炉格納容器のドライウェル内に蒸気または水が放出される。放出された蒸気または水、さらにドライウェル内に存在する非凝縮性ガスがベント管を介してサプレッションプールの水中に放出される。そして、蒸気のみが凝縮されることで原子炉格納容器の内圧の上昇が抑制される。その後、継続的にサプレッションプールに放出される蒸気または水によるサプレッションプールの水温の上昇を抑制するために、動的ポンプおよび熱交換器を有する残留熱除去系が設けられている。
【０００３】
一方、次世代の沸騰水型軽水炉では、深層防護の観点から、動的設備が機能しないような条件でのバックアップ設備として、静的な格納容器冷却系を設けることが考えられている。例えば、事故時にドライウェル内に放出された蒸気を原子炉格納容器の外部に設置した冷却プール内の蒸気凝縮型熱交換器を介して凝縮し、その凝縮水を再びドライウェル内に重力で落下させるものがある。また、蒸気凝縮型熱交換器内に徐々に蓄積する非凝縮性ガスによる除熱性能低下を回復させるため、蒸気凝縮型熱交換器の出口側からサプレッションチェンバにガス抜きラインを導く構成とする。さらに、事故後、ベント管または原子炉を直接減圧する自動減圧系を介して放出される蒸気または水によって、サプレッションプールの水温が徐々に上昇すると、サプレッションプール内に貯留された非凝縮性ガスのドライウェル側への還流とともに非凝縮性ガスの吸い込みにより、本格納容器冷却系の除熱性能は低下していく。非凝縮性ガスの少ない原子炉からの蒸気の静的な格納容器冷却系への導入を確保するために、圧力容器に接続される爆破開放弁が設けられている。この爆破開放弁の作動により、原子炉から格納容器冷却系への直接の蒸気供給と除熱が行われ、サプレッションプールの水温の上昇が抑制され、長期的に設計温度以下に抑えられる。その他にも、サプレッションチェンバの外面にヒートパイプを取り付けて冷却する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１２５７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
炉心溶融を伴う過酷事故時では、溶融炉心から発生する水−金属反応による水素ガスに加え、核分裂生成物の一部が逃がし安全弁を介してサプレッションチェンバに放出される。また、沸騰水型軽水炉のＡＢＷＲ（改良型沸騰水型軽水炉）と呼ばれる型式の原子炉格納容器内の金属製アクセストンネルを介して、ドライウェルからサプレッションチェンバへの伝熱によりサプレッションプールの水が加熱され続ける。核分裂生成物のサプレッションチェンバへの移行、アクセストンネルからの伝熱により、サプレッションプールの水が加熱されて所定の温度以上になると、この水温上昇により蒸気分圧が上昇する。そして、サプレッションチェンバに一旦蓄積された非凝縮性ガスが真空破壊弁を介してドライウェル側に戻る。ドライウェル内の非凝縮性ガスが増加すると、蒸気凝縮型熱交換器の除熱性能が大幅に低下し、最終的に格納容器冷却系の機能喪失に至る。
【０００６】
本格納容器冷却系は、主に過酷事故対策設備として設けられたものであり、過酷事故時に長期的に静的な冷却を行えることが望まれている。格納容器冷却系の除熱機能を確保するには、サプレッションチェンバを所定の温度以下に静的に冷却し、事故後の非凝縮性ガスの真空破壊弁を介したドライウェルへの戻りを抑える必要がある。サプレッションチェンバを冷却するためには、サプレッションチェンバの熱を、原子炉格納容器の壁を貫通して外部に放熱する必要がある。しかしながら、事故時の原子炉格納容器の境界の拡大防止の観点から、原子炉格納容器内の流体を原子炉格納容器の外部に持ち出さないことが望まれる。
【０００７】
本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、過酷事故時にサプレッションプールの水を冷却することができるサプレッションプールの冷却技術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】
【０００８】
本発明の実施形態に係るサプレッションプールの冷却装置は、サプレッションプールの内部に設けられ、前記サプレッションプールの内部の水から熱を吸収して蒸発する液体の作動流体を内部に貯留する蒸発部と、原子炉格納容器の外部の前記蒸発部よりも高い位置に設けられ、内部に貯留される気体の前記作動流体が放熱により凝縮する凝縮部と、前記蒸発部と前記凝縮部を接続し、気体の前記作動流体が前記蒸発部から前記凝縮部まで上昇する蒸気流路と、前記凝縮部と前記蒸発部を接続し、液体の前記作動流体が前記凝縮部から前記蒸発部まで重力により降下する凝縮液路と、前記蒸発部に貯留された液体の前記作動流体の液面よりも上方の空間を、前記蒸気流路に連通する部分と前記凝縮液路に連通する部分に分離する気液分離部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態により、過酷事故時にサプレッションプールの水を冷却することができるサプレッションプールの冷却技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態の原子炉建屋を示す断面図。
【図２】原子炉建屋を示す平面図。
【図３】冷却装置の蒸発部を示す平面図。
【図４】蒸発部を示す図３のＩＶ−ＩＶ断面図。
【図５】冷却装置の凝縮部を示す平面図。
【図６】凝縮部の漏斗部を示す拡大平面図。
【図７】凝縮部を示す図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図。
【図８】凝縮部を示す図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図。
【図９】熱輸送配管を示す断面図。
【図１０】変形例１の熱輸送配管を示す断面図。
【図１１】変形例２の熱輸送配管を示す断面図。
【図１２】変形例３の熱輸送配管を示す断面図。
【図１３】変形例３の凝縮部の漏斗部を示す拡大平面図。
【図１４】変形例４の蒸発部を示す断面図。
【図１５】変形例５の蒸発部を示す断面図。
【図１６】サプレッションプールの冷却方法を示すフローチャート。
【図１７】第２実施形態の原子炉建屋を示す断面図。
【図１８】第３実施形態の原子炉建屋を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、第１実施形態のサプレッションプールの冷却装置および冷却方法について図１から図１６を用いて説明する。
【００１２】
図１の符号１は、第１実施形態の原子炉建屋１である。この原子炉建屋１は、原子炉２と、この原子炉２を収容する圧力容器３と、この圧力容器３を格納する原子炉格納容器４と、サプレッションプール５とを備える。
【００１３】
圧力容器３は、原子炉２（炉心）の入れ物であり、内部の高温高圧に耐えながら外部との間に冷却水などを流通させるステンレス製の構造物である。また、圧力容器３は、原子炉２で発生した放射性物質および放射線が漏れないように外部と遮断する機能も有している。
【００１４】
図１では、改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）の原子炉建屋１を例示する。この原子炉建屋１は、鉄筋コンクリート製の建築物であり、その内部に、原子炉建屋１の躯体の一部の鉄筋コンクリートを利用して原子炉格納容器４が形成されている。なお、原子炉格納容器４の内面には、鋼製のライナ６（内張り）が設けられている。
【００１５】
原子炉格納容器４は、原子炉冷却材喪失事故などに起因した炉心溶融を伴う過酷事故時に圧力障壁となるとともに、放射性物質の放散に対する障壁を形成するための構造物である。さらに、原子炉格納容器４の内部には、圧力容器３に接続される配管などの重要な設備が設けられる。さらに、圧力容器３を囲む鉄筋コンクリート製の生体遮蔽壁７およびその他の構造物が設けられている。なお、原子炉格納容器４の上部には、核燃料の出し入れの際に開放される蓋部８が設けられている。
【００１６】
また、原子炉格納容器４の内部には、非常時に原子炉格納容器の内部の圧力を下げるための大量の水が貯留されるサプレッションプール５が設けられている。このサプレッションプール５が設けられる下部の区画は、ウエットウェルまたはサプレッションチェンバ（圧力抑制室）とも呼ばれる。なお、原子炉格納容器４の上部の区画は、ドライウェルと呼ばれる。
【００１７】
サプレッションプール５には、非常時に圧力容器３から放出される蒸気を導くベント管の蒸気吹出口９（ベント菅のパスがわかるように図中で示すこと）が設けられている。例えば、配管破断などの事故が起こると、原子炉格納容器４を貫通する配管は、隔離弁により自動的に隔離される。そして、圧力容器３から放出される蒸気は、ベント管を介して導かれて蒸気吹出口９からサプレッションプール５に貯留された水中に吹き出し、この水により凝縮される。このように、サプレッションプール５は、原子炉格納容器４の内部で蒸気の漏洩により圧力が上昇したときに、この蒸気を冷却することで、原子炉格納容器４の内圧の上昇を抑制する機能を有する。
【００１８】
なお、原子炉建屋１の下部は、地下に設けられる。サプレッションプール５は、原子炉建屋１の最も低い位置に設けられる。つまり、サプレッションプール５は、地面１０よりも低い位置に設けられている。
【００１９】
図１に示すように、原子炉建屋１には、第１実施形態のサプレッションプール５の冷却装置１１が設けられている。この冷却装置１１は、非常時にサプレッションプール５の水の温度の上昇を抑制するための装置である。本実施形態の冷却装置１１は、蒸発部１２と、凝縮部１３と、これらを繋ぐ熱輸送配管１４とを備える。つまり、冷却装置１１は、サプレッションプール５の水の熱を外部に移動させるヒートパイプとなっている。
【００２０】
この冷却装置１１は、サーモサイフォン現象を利用してサプレッションプール５の水を冷却する。なお、サーモサイフォン現象とは、熱せられた流体が軽くなって上昇し、冷えた流体が重くなって下降する原理に基づいて生じる対流現象のことである。また、サーモサイフォンは、熱対流とも呼ばれる。
【００２１】
冷却装置１１は、蒸発部１２で蒸発させた気体の作動流体１５（図４参照）を、熱輸送配管１４を通して凝縮部１３に輸送し、この凝縮部１３で凝縮された液体の作動流体１６が熱輸送配管１４を通じて再び蒸発部１２に戻る。この冷却装置１１は、閉じた系であり、作動流体１５，１６の流れがループ状を成すサーモサイフォン現象が生じるようになっている。つまり、作動流体１５の蒸発（潜熱の吸収）と作動流体１６の凝縮（潜熱の放出）のサイクルが発生して熱を移動させる。なお、本実施形態の作動流体１５，１６には、揮発性が高い代替フロンなどの流体を用いる。
【００２２】
図４および図９に示すように、熱輸送配管１４は、外管１７と内管１８から成る二重管となっている。この熱輸送配管１４により、蒸発部１２から凝縮部１３まで延びて気体の作動流体１５（蒸気）が蒸発部から凝縮部１３まで上昇する蒸気流路１９と、凝縮部１３から蒸発部１２まで延びて液体の作動流体１６（凝縮液）が凝縮部１３から蒸発部１２まで重力により落下する凝縮液路２０とが形成される。
【００２３】
本実施形態では、蒸気流路１９が、外管１７の内面と内管１８の外面との間に形成され、凝縮液路２０が、内管１８の内部に形成されている。このようにすれば、１本の二重管で蒸気流路１９と凝縮液路２０の両方を配管することができる。
【００２４】
なお、第１実施形態の二重管としての熱輸送配管１４は、その断面視において、外管１７の中心位置に内管１８が設けられる。つまり、外管１７の中心軸と内管１８の中心軸とが一致している。特に、図示は省略するが、外管１７の内部には、内管１８を支持する支持部材が設けられている。
【００２５】
図１に示すように、蒸発部１２は、サプレッションプール５の内部に設けられる。つまり、蒸発部１２は、サプレッションプール５に貯留される水に直接的に接触可能な状態で設けられる。例えば、蒸発部１２は、サプレッションプール５の水に没する位置に固定される。この蒸発部１２は、液体の作動流体１６を内部に貯留する。この液体の作動流体１６は、サプレッションプール５の水から熱を吸収して蒸発する。
【００２６】
本実施形態の冷却装置１１は、原子炉建屋１の内部に設けられた水貯留部としての非常用冷却水タンク２１を備える。凝縮部１３は、非常用冷却水タンク２１の内部に設けられる。つまり、凝縮部１３は、非常用冷却水タンク２１に貯留される水に直接的に接触可能な状態で設けられる。例えば、凝縮部１３は、非常用冷却水タンク２１の水に没する位置に固定される。この凝縮部１３は、気体の作動流体１５を内部に貯留する。この気体の作動流体１５は、非常用冷却水タンク２１の水、つまり、外部への放熱により凝縮される。
【００２７】
なお、凝縮部１３は、蒸発部１２よりも高い位置に設けられる。また、第１実施形態では、非常用冷却水タンク２１の水により、気体の作動流体１５を凝縮しているが、その他の冷却用の流体を冷却媒体として用いても良い。この冷却用の流体は液体であっても良いし、気体であっても良い。
【００２８】
非常用冷却水タンク２１は、非常時に用いる冷却水を貯留する。この非常用冷却水タンク２１は、サプレッションプール５よりも高い位置に設けられる。また、非常用冷却水タンク２１には、その内部で発生した蒸気を原子炉建屋１の外部に逃がす排気管２２が設けられる。さらに、外部から非常用冷却水タンク２１に水を供給する給水系２３が設けられている。
【００２９】
本実施形態では、水貯留部として非常用冷却水タンク２１を例示しているが、その他の態様でも良い。なお、非常用冷却水タンク２１は、非常用復水貯蔵槽または本蒸気凝縮型熱交換器の冷却水タンク（プール）であっても良い。このようにすれば、非常用冷却水などの水貯留部を凝縮部１３の冷却手段として利用することができる。
【００３０】
原子炉建屋１には、複数の冷却装置１１が設けられる。それぞれの冷却装置１１に蒸発部１２と凝縮部１３とが設けられる。これらの冷却装置１１がそれぞれ独立して稼働する。
【００３１】
図２に示すように、原子炉格納容器４は、平面視で円形状を成す。その内部のサプレッションプール５は、平面視でドーナッツ形状（Ｏ字形状）を成す。複数の冷却装置１１を設ける場合には、それぞれの蒸発部１２をサプレッションプール５の周方向に等間隔で配置する。それぞれの蒸発部１２を離間させて配置することで、所定の蒸発部１２に振動が生じても、その影響を他の蒸発部１２に与えずに済む。
【００３２】
また、蒸発部１２は、原子炉格納容器４の壁部２４に固定される。つまり、蒸発部１２は、サプレッションプール５の壁部（内面）に固定される。このようにすれば、蒸発部１２が、原子炉格納容器４またはサプレッションプール５（圧力抑制室）の内部にある構造物に干渉しないようにできる。
【００３３】
図３および図４に示すように、蒸発部１２は、サプレッションプール５の水面２５よりも低い位置に設けられる。さらに、蒸発部１２は、液体の作動流体１６を内部に貯留する箱状を成す箱部２６と、この箱部２６の１つの側面から突出される複数の吸熱フィン２７とを備える。
【００３４】
箱部２６は、天井側の上面板２８と、床面側の底面板２９と、四方側面を囲む側面板３０とから成る。側面板３０の１つが原子炉格納容器４の壁部２４に固定される。なお、壁部２４の内面には、ライナ６が張り付けられているので、このライナ６を介して箱部２６が固定されている。
【００３５】
また、吸熱フィン２７は、フィン状または平板状を成し、互いに同方向に突出されている。このように、吸熱フィン２７が連なった構造とすることで伝熱面積を増大させることができる。これらの吸熱フィン２７は、壁部２４に固定される側面板３０とは反対側に配置される側面板３０に設けられている。それぞれの吸熱フィン２７の内部には、空洞が形成されており、これら吸熱フィン２７の内部空間と、箱部２６の内部空間と連通されている。これらの吸熱フィン２７の外面がサプレッションプール５の水に接触する。このようにすれば、蒸発部１２の内部の液体の作動流体１６が効率的にサプレッションプール５の水から吸熱を行うことができる。
【００３６】
蒸発部１２の内部には、気液分離部としての気液分離板３１が設けられる。この気液分離板３１は、箱部２６を構成する上面板２８に固定され、上面板２８から下方に向かって延びる。なお、気液分離板３１の下端は、箱部２６の底面板２９に接触しておらず、気液分離板３１の下端と底面板２９との間には、液体の作動流体１６が流通可能な隙間が設けられている。
【００３７】
なお、蒸発部１２の内部に貯留される液体の作動流体１６の液面３２が予め設定される。この設定される液面３２は、冷却装置１１が稼働している状態のときの液面３２が設定される。気液分離板３１は、その下端が液体の作動流体１６の液面３２よりも低い位置になるように形成される。
【００３８】
この気液分離板３１により、箱部２６の内部空間が中央で分けられる。ここで、気液分離板３１を中心として吸熱フィン２７が設けられている方の空間を第１区画３３とし、原子炉格納容器４の壁部２４に固定される方の空間を第２区画３４とする。
【００３９】
蒸発部１２の箱部２６の上面板２８の長手方向の中央部には、熱輸送配管１４の外管１７と内管１８とが接続される。二重管である熱輸送配管１４は、原子炉格納容器４の内部で外管１７と内管１８とに分岐される。そして、それぞれの端部が箱部２６に接続される。ここで、蒸気流路１９を形成する外管１７は、箱部２６の第１区画３３に接続され、凝縮液路２０を形成する内管１８は、箱部２６の第２区画３４に接続される。つまり、蒸発部１２の内部において、気液分離部としての気液分離板３１は、作動流体１６の液面３２よりも上方の空間を蒸気流路１９に連通する第１区画３３と、凝縮液路２０に連通する第２区画３４とに分離する。
【００４０】
蒸発部１２の第１区画３３に貯留される液体の作動流体１６は、吸熱フィン２７によりサプレッションプール５の水から熱を吸収して蒸発する。そして、気体となった作動流体１５が外管１７に流れ込んで、凝縮部１３まで上昇する。
【００４１】
凝縮部１３で凝縮された液体の作動流体１６は、内管１８から蒸発部１２の第２区画３４に流れ落ちる。そして、この液体の作動流体１６は、気液分離板３１の下端と底面板２９との間の隙間を介して第１区画３３に移動し、再び蒸発される。このように、気液分離板３１は、気体の作動流体１５の流れと液体の作動流体１６の流れが分離されるループ型のサーモサイフォン現象を生じさせる。
【００４２】
このように、原子炉格納容器４の内部空間の空気およびガスなどの流体を、原子炉格納容器４の外部への持ち出させず、熱のみをサプレッションプール５の水から原子炉格納容器４の外部に静的に取り出すことが可能である。
【００４３】
特に、過酷事故時には、サプレッションプール５の水が高温になる。そのため、この高温の水から熱エネルギーを受け取った蒸発部１２の内部の液体の作動流体１６は、沸騰する場合がある。本実施形態では、凝縮液路２０が接続される第２区画３４が、原子炉格納容器４の壁部２４に接触しているため、第１区画３３よりも温度が低い。そのため、凝縮液路２０を戻ってきた液体の作動流体１６の温度が高められることを抑制することができる。よって、沸騰した液体の作動流体１６が凝縮液路２０を逆流してしまうことを抑制することができる。
【００４４】
二重管である熱輸送配管１４は、サプレッションプール５が設けられる原子炉格納容器４を形成する壁部２４を貫通して設けられる。このようにすれば、原子炉格納容器４を形成する壁部２４に設ける貫通孔３５が１つで済むようになる。本実施形態では、４つの冷却装置１１が設けられているため、原子炉格納容器４の壁部２４に４つの貫通孔３５を設けるだけで済むようになる。このように、貫通孔３５の大きさおよび貫通孔３５の数を最小限に抑えることができるため、過酷事故時に原子炉格納容器４の強度を保つことができる。
【００４５】
図１に示すように、凝縮部１３は、非常用冷却水タンク２１の水面よりも低い位置に設けられる。非常用冷却水タンク２１の水が少なくなった場合には、給水系２３から適宜給水が成される。
【００４６】
図５および図８に示すように、凝縮部１３は、気体の作動流体１５内部に貯留する箱状を成す箱部３６と、この箱部３６の２つの側面から突出される複数の放熱フィン３７とを備える。箱部３６は、天井側の上面板３８と、床面側の底面板３９と、四方側面を囲む側面板４０とから成る。凝縮部１３は、底面板３９から下方に延びる支持脚４１を介して非常用冷却水タンク２１の底部に固定される。
【００４７】
また、放熱フィン３７は、フィン状または平板状を成し、互いに同方向に突出されている。このように、放熱フィン３７が連なった構造とすることで伝熱面積を増大させることができる。それぞれの放熱フィン３７の内部には、空洞が形成されており、これら放熱フィン３７の内部空間と、箱部３６の内部空間と連通されている。これらの放熱フィン３７の外面が非常用冷却水タンク２１の水に接触する。つまり、放熱フィン３７の外面が原子炉格納容器４の外部の冷却媒体に接触する。このようにすれば、凝縮部１３の内部の気体の作動流体１５が効率的に放熱を行うことができる。
【００４８】
図７に示すように、放熱フィン３７の底面４２は、箱部３６に向かって下がるように傾斜されている。凝縮部１３に到達した気体の作動流体１５は、放熱フィン３７の内部で凝縮される。このとき気体の作動流体１５の熱エネルギーは、非常用冷却水タンク２１の水に伝達される。そして、放熱フィン３７の内面に付着した液体の作動流体１６は、底面４２に滴り落ち、その傾斜によって箱部３６に向かって流れるようになる。
【００４９】
図５および図８に示すように、凝縮部１３の箱部３６の底面板３９の長手方向の中央部には、熱輸送配管１４の外管１７と内管１８とが接続される。二重管である熱輸送配管１４は、凝縮部１３の内部で外管１７と内管１８とに分岐される。
【００５０】
図６および図８に示すように、熱輸送配管１４は、凝縮部１３に設けられて平面視で内管１８を中心として漏斗状に広がる漏斗部４３を備える。漏斗部４３は、底面板３９の長手方向の中央部に設けられる。箱部３６の底面板３９は、中央部が低くなるように傾斜されている。箱部３６に流れ込んだ液体の作動流体１６は、底面板３９の傾斜によって漏斗部４３に向かって流れるようになる。そして、漏斗部４３は、内管１８（凝縮液路２０）に液体の作動流体１６を集める。
【００５１】
本実施形態では、内管１８の上端に、２つの漏斗部４３が形成される。それぞれの漏斗部４３は、内管１８から上方に向かって分岐して延びる。漏斗部４３は、箱部３６の底面板３９に接続され、底面板３９を流れ落ちる凝縮された作動流体１６が流れ込むようになっている。つまり、液体の作動流体１６は、底面板３９および漏斗部４３により構成される下り傾斜面に案内されて内管１８に集まる。
【００５２】
図７および図８に示すように、熱輸送配管１４は、凝縮部１３の内部で底面板３９から上方に突出されている。さらに、熱輸送配管１４は、導入口４４を備える。この導入口４４は、漏斗部４３よりも高い位置に設けられる。つまり、導入口４４は、外管１７と内管１８との間に形成される蒸気流路１９を通じて流れてきた気体の作動流体１５を、漏斗部４３よりも高い位置から凝縮部１３の内部に導入する。
【００５３】
熱輸送配管１４において、内管１８の上端は、漏斗部４３と接続されており、この漏斗部４３よりも上方側は、外管１７のみの構成となる。つまり、この外管１７（蒸気流路１９）は、漏斗部４３と交差しつつ、漏斗部４３が形成する凝縮液路２０と分離されている。そして、外管１７の上端に導入口４４が設けられている。このようにすれば、気体の作動流体１５の流れと液体の作動流体１６の流れが混じり難くなり、凝縮部１３においても気体の作動流体１５の流れと液体の作動流体１６の流れを分離することができる。
【００５４】
図６に示すように、熱輸送配管１４において、外管１７の中心位置に内管１８が設けられている。そのため、漏斗部４３は、外管１７の中心位置に向かって窄まる形状となっている。また、漏斗部４３は、底面板３９に接続された部分が高く、外管１７の中心位置に向かって低くなるように傾斜されている。漏斗部４３に案内されて集められた液体の作動流体１６は、その表面張力により互いに結びつく。そのため、内管１８に向かって液体の作動流体１６の流れを促進させることができる。
【００５５】
次に、冷却装置１１が実行するサプレッションプール５の冷却方法について図１６のフローチャートを用いて説明する。この冷却装置１１の動作によって受動的に生じる作用を含めて説明する。
【００５６】
図１６に示すように、まず、ステップＳ１１において、サプレッションプール５の内部に設けられる蒸発部１２の内部に貯留される液体の作動流体１６が、サプレッションプール５の水から熱を吸収して蒸発する。
【００５７】
次のステップＳ１２において、熱輸送配管１４により形成されて蒸発部１２から凝縮部１３まで延びる蒸気流路１９を、気体の作動流体１５が蒸発部１２から凝縮部１３まで上昇する。
【００５８】
次のステップＳ１３において、原子炉格納容器４の外部の非常用冷却水タンク２１に設けられる凝縮部１３の内部に貯留される気体の作動流体１５が、非常用冷却水タンク２１の水により冷却される。そして、気体の作動流体１５が放熱により凝縮する。
【００５９】
次のステップＳ１４において、熱輸送配管１４により形成されて凝縮部１３から蒸発部１２まで延びる凝縮液路２０を、液体の作動流体１６が凝縮部１３から蒸発部１２まで重力により落下する。
【００６０】
次のステップＳ１５において、気液分離板３１により、気体の作動流体１５の流れと液体の作動流体１６の流れが分離されてループ型のサーモサイフォン現象が生じる。
【００６１】
過酷事故時には、ステップＳ１１〜ステップＳ１５が連続的に繰り返されるため、サプレッションプール５の水を効率的に冷却することができる。また、作動流体１５，１６を輸送させるためのポンプなどの動力源を必要とせず、さらに制御の必要もないため、過酷事故時に長期的に静的な冷却を行うことができる。
【００６２】
また、従来技術として作動流体を用いて熱を移動させるヒートパイプがある。ヒートパイプの一端と他端には、高温部と低温部が設けられる。高温部で蒸発した作動流体は、低温部で凝縮されて液体の作動流体となる。そして、液体の作動流体が、毛細管構造を成すウィックを介して高温部に戻るようになっている。このようなヒートパイプでは、ウィックを介して液体の作動流体を輸送するため、その輸送効率が低下する。しかし、本実施形態では、液体の作動流体１６を重力により落下させるため、輸送効率が向上する。
【００６３】
本実施形態では、ウィックを使わず，かつ気体の作動流体１５の流れと液体の作動流体１６の流れとを分離することで、ヒートパイプで生じている毛細管限界および飛散限界を取り払うことができる。そして、少ないスペースで大量のエネルギーを輸送することができる。また、通常のサーモサイフォンと異なり，作動流体１５，１６を輸送する熱輸送配管１４のスペースが１本分で済むため、原子炉格納容器４の壁部２４に設ける貫通孔３５の数を最小限にとどめることができる。
【００６４】
次に、変形例について説明する。図１０は、変形例１の熱輸送配管１４Ａを示す断面図である。変形例１の熱輸送配管１４Ａは、外管１７の中心位置に内管１８が設けられた二重管となっている。変形例１の熱輸送配管１４Ａは、内管１８の外面を覆う断熱材４５を備える。この断熱材４５は、外管１７の内部において内管１８の表面を全体的に覆っている。
【００６５】
このようにすれば、気体の作動流体１５と液体の作動流体１６との間の熱交換を抑制することができる。そのため、外管１７の内面と内管１８の外面との間を流れる液体の作動流体１６に、内管１８の内部を流れる気体の作動流体１５から熱が伝達されてしまい、この気体の作動流体１５が凝縮されることを抑制することができる。そして、圧力損失を低下させることで、熱輸送量を向上させることができ、サプレッションプール５の水を効率的に冷却することができる。
【００６６】
なお、断熱材４５は、気体の作動流体１５と液体の作動流体１６との間の熱伝導を阻害できる材質であれば良い。例えば、グラスファイバまたはセラミックを用いて断熱材４５を構成しても良い。また、断熱材４５を内管１８の外面にコーティングしても良い。
【００６７】
図１１は、変形例２の熱輸送配管１４Ｂを示す断面図である。変形例２の熱輸送配管１４Ｂは、外管１７と内管１８と保護管４６から成る三重管となっている。保護管４６は、外管１７の内部において内管１８の表面を全体的に覆っている。このようにすれば、気体の作動流体１５と液体の作動流体１６との間の熱交換を抑制することができる。さらに、熱輸送配管１４Ｂの強度を向上させることができる。
【００６８】
また、内管１８の外面と保護管４６の内面との間が真空となっている。このようにすれば、外管１７と内管１８との間に真空層が形成されるため、断熱性を向上させることができる。なお、内管１８の外面と保護管４６の内面との間に、空気、窒素、アルゴンなどのガスを封入しても良い。
【００６９】
図１２は、変形例３の熱輸送配管１４Ｃを示す断面図である。変形例３の熱輸送配管１４Ｃは、外管１７の中心から変位した位置に内管１８が設けられた二重管となっている。この内管１８の外面は、外管１７の内面に接触した状態で設けられる。なお、内管１８は、支持部材を介さずに外管１７に固定される。例えば、内管１８を外管１７の内面に溶接で取り付けても良い。変形例３の熱輸送配管１４Ｃでは、外管１７の内部で内管１８を支持する支持部材を設ける必要なくなるため、熱輸送配管１４Ｃの構造を簡素化できる。
【００７０】
図１３は、変形例３の凝縮部１３の漏斗部４３Ａ，４３Ｂを示す拡大平面図である。変形例３では、外管１７の中心から変位した位置に内管１８が設けられているため、漏斗部４３Ａ，４３Ｂは、外管１７の中心から変位した位置に向かって窄まる形状となっている。この変形例３では、２つの漏斗部４３Ａ，４３Ｂのうち、一方の漏斗部４３Ａの長さが他方の漏斗部４３Ｂよりも長くなっている。そのため、互いの漏斗部４３Ａ，４３Ｂから流れ込む液体の作動流体１６の速度が異なるようになる。速い方の流れが、遅い方の流れを制御するため、乱流が生じ難くなり、内管１８に向かって液体の作動流体１６の流れを促進させることができる。
【００７１】
図１４は、変形例４の蒸発部１２を示す断面図である。変形例４の二重管である熱輸送配管１４Ｄは、原子炉格納容器４の外部で外管１７と内管１８とに分岐される。つまり、原子炉格納容器４の壁部２４には、外管１７を挿通させる第１貫通孔３５Ａと、内管１８を挿通させる第２貫通孔３５Ｂとが設けられる。
【００７２】
原子炉格納容器４の外部で分岐されている部分の外管１７と内管１８には、それぞれバルブ４７，４８が設けられている。外管１７に対応する第１バルブ４７および内管１８に対応する第２バルブ４８をそれぞれ閉鎖することで、熱輸送配管１４Ｄを閉鎖することができる。なお、前述したように、原子炉格納容器４の内部で外管１７と内管１８が分岐されている場合（図４参照）には、原子炉格納容器４の内部の外管１７と内管１８に、それぞれバルブ４７，４８を設けるようにしても良い。
【００７３】
図１５は、変形例５の蒸発部１２を示す断面図である。変形例５の二重管である熱輸送配管１４Ｅでは、外管１７と内管１８とを備える。外管１７は、蒸発部１２の箱部２６の上面板２８に固定される。この変形例５では、外管１７の全体に亘って内管１８が設けられる。つまり、内管１８は、外管１７から分岐されずに、外管１７の端部まで延びている。
【００７４】
この内管１８は、外管１７の下端から下方に向かって延びる。なお、内管１８は、その下端が、蒸発部１２の内部に貯留される液体の作動流体１６の液面３２よりも低い位置になるように形成される。また、内管１８の下端は、箱部２６の底面板２９に接触しておらず、内管１８の下端と底面板２９との間には、液体の作動流体１６が流通可能な隙間が設けられている。
【００７５】
外管１７の下端から内管１８の下端までの突出寸法Ｌは、液体の作動流体１６の液面３２の位置に対応して予め設定される。この内管１８における突出された部分Ｌが、変形例５の気液分離部となっている。つまり、内管１８の部分Ｌによって、蒸発部１２の箱部２６の内部空間において、液体の作動流体１６の液面３２よりも上方の空間が、蒸気流路１９に連通する部分と凝縮液路２０に連通する部分とに分離される。なお、液体の作動流体１６の液面３２よりも上方の空間において、内管１８の内部以外の部分を第１区画とし、内管１８の内部の部分を第２区画としても良い。
【００７６】
変形例５では、蒸発部１２の箱部２６の上面板２８に外管１７を貫通させた状態で固定するだけで良く、別途に内管１８を貫通させるための孔を上面板２８に形成する必要がないため、蒸発部１２の構造を簡素化してその強度を向上させることができる。また、内管１８を外管１７から分岐させる形状をする必要がないため、熱輸送配管１４Ｅの形状を簡素化してその強度を向上させることができる。
【００７７】
さらに、いずれか１の変形例において適用された構成を他の変形例に適用しても良いし、各変形例において適用された構成を組み合わせても良い。
【００７８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態のサプレッションプールの冷却装置１１Ａおよび冷却方法について図１７を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００７９】
図１７に示すように、第２実施形態では、原子炉建屋１が海洋４９に近接する海岸に設けられる。なお、サプレッションプール５は、海面５０よりも低い位置に設けられる。この海面５０は、干潮時の位置が設定される。そして、凝縮部１３は、海中に設けられる。このようにすれば、ほぼ無尽蔵にある海水を凝縮部１３の冷却手段として利用することができる。さらに、蒸発部１２と凝縮部１３との温度差を大きくすることができるため、サプレッションプール５の水の冷却効率を向上させることができる。
【００８０】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態のサプレッションプールの冷却装置１１Ｂおよび冷却方法について図１８を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００８１】
図１８に示すように、第３実施形態では、原子炉建屋１の屋上に凝縮部１３が設けられる。つまり、凝縮部１３は、原子炉建屋１の外部の大気５１に接触可能な位置に設けられる。このようにすれば、原子炉建屋１の外部の大気５１を凝縮部１３の冷却手段として利用することができる。ほぼ無尽蔵にある大気５１を凝縮部１３の冷却手段として利用することができる。
【００８２】
また、それぞれの凝縮部１３に大気５１の流れを案内する冷却塔５２が設けられる。冷却塔５２は、凝縮部１３を囲む筒状を成す部材である。冷却塔５２の下部には、隙間が設けられており、この隙間から大気５１が内部に流れ込む。そして、冷却塔５２の内部の凝縮部１３と熱交換されることで温められた大気５１は、冷却塔５２の上部から吹き出すようになる。このようにすれば、凝縮部１３に大気５１を効率的に当てて冷却することができる。
【００８３】
本実施形態に係るサプレッションプールの冷却装置を第１実施形態から第３実施形態に基づいて説明したが、いずれか１の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。
【００８４】
なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。
【００８５】
なお、本実施形態では、原子炉格納容器４とサプレッションチェンバとが一体的に設けられた改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、原子炉格納容器４とサプレッションチェンバ（トーラス室）とが別体として設けられた沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に本実施形態を適用しても良い。つまり、二重管である熱輸送配管は、サプレッションチェンバを形成する壁部を貫通して設けられても良い。
【００８６】
なお、本実施形態では、蒸気流路１９が、外管１７の内面と内管１８の外面との間に形成され、凝縮液路２０が、内管１８の内部に形成されているが、その他の態様であっても良い。例えば、凝縮液路２０が、外管１７の内面と内管１８の外面との間に形成され、蒸気流路１９が、内管１８の内部に形成されるようにしても良い。
【００８７】
なお、本実施形態では、複数の冷却装置１１の蒸発部１２がサプレッションプール５の周方向に等間隔で配置されているが、その他の態様であっても良い。例えば、サプレッションプール５の周方向の一箇所に複数の蒸発部１２をまとめて配置しても良い。
【００８８】
以上説明した実施形態によれば、蒸発部に貯留された液体の作動流体の液面よりも上方の空間を、蒸気流路に連通する部分と凝縮液路に連通する部分に分離する気液分離部を備えることにより、過酷事故時にサプレッションプールの水を冷却することができる。
【００８９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９０】
１…原子炉建屋、２…原子炉、３…圧力容器、４…原子炉格納容器、５…サプレッションプール、６…ライナ、７…生体遮蔽壁、８…蓋部、９…蒸気吹出口、１０…地面、１１…冷却装置、１２…蒸発部、１３…凝縮部、１４（１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４Ｅ）…熱輸送配管、１５…気体の作動流体、１６…液体の作動流体、１７…外管、１８…内管、１９…蒸気流路、２０…凝縮液路、２１…非常用冷却水タンク、２２…排気管、２３…給水系、２４…壁部、２５…水面、２６…箱部、２７…吸熱フィン、２８…上面板、２９…底面板、３０…側面板、３１…気液分離板、３２…液面、３３…第１区画、３４…第２区画、３５（３５Ａ，３５Ｂ）…貫通孔、３６…箱部、３７…放熱フィン、３８…上面板、３９…底面板、４０…側面板、４１…支持脚、４２…底面、４３（４３Ａ，４３Ｂ）…漏斗部、４４…導入口、４５…断熱材、４６…保護管、４７，４８…バルブ、４９…海洋、５０…海面、５１…大気、５２…冷却塔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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