(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心を収容する原子炉圧力容器を格納するドライウェルと、このドライウェルに隣接して設けられベント管を介して連絡し圧力抑制プールを内蔵する圧力抑制室と、この圧力抑制室の上方に設けられ前記原子炉圧力容器と冷却水配管及び逆止弁を介して連絡する炉心冷却系プールと、この炉心冷却系プールの上方に設けられた冷却水プールと、この冷却水プール内に設けられ、蒸気を内包し前記ドライウェルと配管を介して連絡する蒸気室とこの蒸気室の下方に位置し前記炉心冷却系プール及び前記圧力抑制プールとそれぞれ配管を介して連絡する水室及びこの水室と前記蒸気室とを接続する伝熱管とからなる熱交換器を具備する原子炉格納容器の冷却設備において、前記蒸気室の上方に位置する第１の熱伝導部材と、前記水室の下方に位置する第２の熱伝導部材と、前記伝熱管の側方に位置し前記第１の熱伝導部材及び前記第２の熱伝導部材とを接続する第３の熱伝導部材と、この第３の熱伝導部材を包囲する断熱部材とを具備することを特徴とする原子炉格納容器の冷却設備。
【請求項２】
前記冷却水プールの底部面積を天井部面積より小さく設定することを特徴とする請求項１記載の原子炉格納容器の冷却設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉格納容器の主にドライウェル内に発生する熱を外部へ放出する原子炉格納容器の冷却設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の原子力発電設備においては、原子炉圧力容器に連絡する配管破断により圧力容器内の冷却材が圧力容器外に放出される事象（以下ＬＯＣＡという。）において速やかに炉心を冷却する非常用炉心冷却系が設置されている。また、非常用炉心冷却系に加えて、事故後比較的長期にわたって炉心から発生する崩壊熱を原子炉格納容器外へ放出する原子炉格納容器の冷却設備が設けられている。
【０００３】
図８はそうした原子炉格納容器の冷却設備の一例の概略を示す断面図である。ここに示した冷却設備は、電源を必要とせず自然現象の利用のみによって冷却を行う静的格納容器冷却系の熱交換器である。
【０００４】
図中符号１は原子炉格納容器を部分的に示している。原子炉格納容器１は、主に、炉心２を収容した原子炉圧力容器３を格納するドライウェル15と、ドライウェル15とベント管19により連絡する圧力抑制プール（サプレッションプール）17を内包する圧力抑制室（サプレッションチェンバ）16とから構成されている。
【０００５】
この原子炉圧力容器３には圧力容器３内で発生した蒸気を図示しないタービンへ送る主蒸気配管４が接続されている。また、原子炉格納容器１の上部には原子炉圧力容器３と冷却水配管13を介して接続する重力落下式炉心冷却系プール５が設けられている。なお、通常運転時は冷却水配管13に設けられた逆止弁20は閉止している。
【０００６】
この重力落下式炉心冷却系プール５の上方に冷却水プール６が設けられ、冷却水プール６の水中には熱交換器７が設置されている。熱交換器７は、蒸気を内包する蒸気室８と、この蒸気室８の下方に設けられ蒸気が凝縮され発生した水を内包する水室10と、蒸気室８及び水室10と接続する電熱管９とから構成される。
【０００７】
熱交換器７の蒸気室８には、原子炉格納容器１内の上方空間に開口し蒸気を蒸気室８内に供給する蒸気供給管11が接続されている。また熱交換器７の水室10には、水室10の下方に位置する重力落下式炉心冷却系プール５に対し凝縮水を放出する凝縮水戻り管12が接続されている。
【０００８】
このような構成からなる原子炉格納容器の冷却設備の動作例を説明する。例えば、確率的には極めて希な事象ではあるが、主蒸気配管４の破断に伴いＬＯＣＡが発生した場合、冷却材喪失により原子炉圧力容器３の炉水位低下信号等を受けて原子炉圧力容器３に設けられた図示しない減圧弁が開放される。よって原子炉圧力容器３内の圧力は低下し、かつドライウェル15の圧力は上昇する。重力落下式炉心冷却系プール５の圧力がその水頭圧を加味して原子炉圧力容器３の圧力より高くなると、冷却水配管13の逆止弁20が開放されて、重力落下式炉心冷却系プール５に貯えられていた冷却水５ａが冷却水配管13を介して原子炉圧力容器３内に注入される。
【０００９】
その後、長期冷却過程において、原子炉圧力容器３の炉心２は崩壊熱を発生し続けるため、圧力容器３の外部に放出される冷却材による高温蒸気によって原子炉格納容器１内の圧力は上昇を続ける。
しかし、原子炉格納容器１の破壊を厳に防止しＬＯＣＡ時においても放射性物質の外部漏洩を防ぐため、原子炉格納容器１内が設計圧力にいたる以前に内圧の上昇を抑制する手段として、熱交換器７が設けられ、蒸気の凝縮が行われる。この熱交換器７及びその周辺機器は、動的駆動源を伴わずに凝縮という自然現象を利用して格納容器を冷却することから静的格納容器冷却システム（ＰＣＣＳ）とも呼ばれる。
【００１０】
すなわち、ドライウェル15に放出された蒸気が蒸気供給管11を介して熱交換器７の蒸気室８内に流入し、冷却水プール６の冷却水により凝縮され、密度の違いにより液相と気相に分離され、水室10内に貯まる凝縮水は凝縮水戻り管12を通して重力落下式炉心冷却系プール５へ放出される。また凝縮されなかった蒸気及び不凝縮性の気体は不凝縮性ガスベント管14を通して圧力抑制プール17へ放出される。この際、放出される気体中の未凝縮成分が圧力抑制プール17水により凝縮されるように、不凝縮性ガスベント管14の先端開口部は圧力抑制プール17水中に没している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
冷却水プール６は従来コンクリートで構成されるため、上述した一連の凝縮過程で熱交換器７において発生する潜熱が冷却水プール６中に放出されるため、プール水の温度は徐々に上昇し、この状態が長期化すればやがて沸騰が始まり蒸気が発生することも考えられる。冷却水プール６内の圧力上昇を抑制するため、発生した蒸気の一部は、冷却水プール６の上部に設けられプール外部に開口する蒸気放出管18を介して原子炉格納容器１外に放出される。
【００１２】
冷却水プール６内の冷却水は、万一のＬＯＣＡ時を想定して、長期にわたって炉心から発生する崩壊熱を原子炉格納容器１外に放出するよう構成される必要がある。すなわち、熱交換器７において発生する潜熱を常に冷却水プール６水中に放出するために、熱交換器７の特に伝熱管９はプール水面より上方に露出することがないよう、プール水位の低下を抑制する必要がある。
【００１３】
しかし、ＬＯＣＡ時に冷却水プール６で発生する蒸気は蒸気放出管18から放出されるため、冷却水プール６の水位は徐々に低下する。
こうした状況が長期化すれば熱交換器７の一部がプール水面より上方に露出することも考えられる。よって冷却水プール６内には、こうした場合に外部に放出される水量を想定して初期に蓄水されている。
【００１４】
また、冷却水プール６の初期蓄水量を大きく設定すれば、水荷重及びそれに伴い必要とされる構造的な補強により冷却水プール６全体の荷重が大幅に増大する。これは、熱交換器７の水管10から凝縮水を凝縮水戻り管12により排出するために冷却水プール６自体を原子炉格納容器１の上方に設置したことを考えれば、設備全体の耐震性の面からみて好ましいことではない。
【００１５】
したがって、冷却水プール６水が蒸気として外部に放出される量を従来よりごく少量となるよう抑制することで、冷却水プール６の初期水量を削減し冷却水プール６全体の設備の荷重を低減することが望まれる。
【００１６】
また、冷却水プール６水中で発生した熱により水中の水表面近傍が極度に高温となり、低温水がその下方へ移動し停滞することにより、冷却水プール水の水深に関する温度の成層化が発生する。これにより、特に上述のように冷却水プール６の初期水量を大きく設定した場合には、プール水全体のうちの比較的多量の水、特に熱交換器７の下方に位置する水は熱交換器７内の蒸気の冷却に寄与しない。よってこうしたプール水の温度成層化を抑制し、プール水全量を用いて効果的に凝縮を行うにより、凝縮の効率を高めかつプール水表面の温度上昇による蒸気の発生量を抑制することが望まれる。
【００１８】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、熱交換器に導入された蒸気による伝熱管から冷却水プール水中に伝える熱により従来発生が予想される温度成層化を防止あるいは緩和することにより、冷却水プールの初期水量を従来より低減し設備全体の荷重を低減することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、熱交換器の蒸気室の上方に位置する第１の熱伝導部材と、水室の下方に位置する第２の熱伝導部材と、伝熱管の側方に位置し第１の熱伝導部材及び第２の熱伝導部材とを接続する第３の熱伝導部材と、この第３の熱伝導部材を包囲する断熱部材とを具備することを特徴とする。これにより、冷却水プールの水表面近傍の水の熱を冷却水プール下方に放出することにより、冷却水プールの深さ方向の温度の成層化を抑制すろことで、冷却水プール内で発生する蒸気量を低減することができる。
【００２５】
また、冷却水プールの底部面積を天井部面積より小さく設定するか、あるいは冷却水プールの底面及び側面と接続する仕切隔壁を具備しこの仕切隔壁の下方に位置する水を上方に位置する水から隔離することが好適である。これにより熱交換器の除熱に寄与しない冷却水プール下方の水量を減らし効果的な除熱を行うことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について説明する。なお、上記従来の技術との差異を中心に述べることとし、従来の技術と同様の構成要素については同一符号を付し詳細な説明を省略する。
【００２７】
以下本発明の第１の実施形態について説明する。図１は本実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。本実施形態は図８に示した従来の原子炉格納容器の冷却設備における冷却水プールの外壁として断熱部材を用いかつこの断熱部材が格納容器外壁の一部をなすように構成したものである。
【００２８】
すなわち、図８における格納容器外壁21のうち原子炉格納容器１の上部に設置され熱交換器７を内包する冷却水プール６の外壁のうち少なくとも一部を放熱部材30により構成するものである。
【００２９】
一般に原子炉格納容器外壁21はコンクリート製であるが、本実施形態では少なくとも冷却水プール６の通常の水位においてプール水６と接触するように冷却部材30を設ける。冷却部材30としては鋼材または銅あるいはアルミニウムを用いるのが好適であるが、他に熱伝導度の高い材料であればよく、特にこれらに限定されない。また、必要に応じて原子炉圧力容器１に近い側の冷却水プール外壁に冷却部材を設けるとしてもよい。
【００３０】
本実施形態によれば、ＬＯＣＡ時に蒸気の凝縮により熱交換器７の伝熱管９において発生する潜熱により冷却水プール６内のプール水の温度は徐々に上昇するが、その熱を放熱部材により原子炉格納容器外へ放出させることにより、冷却水プール６内のプールの蒸発量を従来より低減させることができる。すなわち、図９に示した従来の冷却水プールの通常の水位をｈ、本実施形態における冷却水プール６の水位をＨとすると、Ｈ＜ｈとすることができる。さらにこの低減に伴う冷却水プールを構成する部材の簡素化を図ることにより、水量低減分と合わせて冷却水プール全体の荷重を従来より低減させることができる。
【００３１】
なお、図１に示すように、放熱部材30の表面30ａは平面ではなく、段状に形成するあるいはフィン（小びれ）を形成するなどにより、平面とした場合に比べて放熱に寄与する表面断面積を大きくとることとするのが好適である。これにより断熱部材による放熱効果を一層高めることができる。
【００３２】
以下本発明の第２の実施形態について説明する。図２は本実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。本実施形態は図８に示した従来の原子炉格納容器の冷却設備における冷却水プールの側面外壁を断熱部材で構成するものである。
【００３３】
すなわち、図８における格納容器外壁21及び22のうち冷却水プール６の外壁をなす部分を放熱部材31ａ，31ｂにより構成するものである。ここでの放熱部材としては鋼材を用いるのが好適である。
【００３４】
本実施形態によれば、ＬＯＣＡ時に蒸気の凝縮により熱交換器７の伝熱管９において発生する潜熱により冷却水プール６内のプール水の温度は徐々に上昇するが、その熱を放熱部材からなる外壁により原子炉格納容器外へ放出させることにより、冷却水プール６内のプールの蒸発量を従来より低減させることができる。すなわち、図９に示した従来の冷却水プールの通常の水位をｈ、本実施形態における冷却水プール６の水位をＨとすると、Ｈ＜ｈとすることができる。さらにこの低減に伴う冷却水プールを構成する部材の簡素化を図ることにより、水量低減分と合わせて冷却水プール全体の荷重を従来より低減させることができる。
【００３５】
なお、本実施形態と上記第１の実施形態とを組合せて、原子炉格納容器外壁21において冷却水プール６の側面外壁を構成する放熱部材31ａの一部を表面断面積の大きい別の放熱部材30により構成することが考えられる。図３にこの場合の要部断面図を示す。これにより、冷却水プールからの放熱効率をより高めることができる。
【００３６】
以下本発明の第３の実施形態について説明する。図４は本実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。本実施形態は図２に示した第２の実施形態における冷却水プールの上面壁を断熱部材で構成するものである。ここでの断熱部材としては鋼材が好適である。
【００３７】
すなわち、鋼材からなる冷却水プール側面外壁31ａ及び31ｂと接続する冷却水プール上面外壁を同じく鋼材32により構成する。
本実施形態によれば、上記第２の実施形態と同様の作用効果が得られると同時に、ＬＯＣＡ時に冷却水プール６において発生する熱を、側壁から外部へ放出するのみでなく、蒸気が上昇し停滞する冷却水プール気相部においても上方に設けられた放熱部材により外部へ放出させることにより、放熱効果をより高めることができる。また、発生する蒸気の熱を外部に放出することでプール上面の温度を下げて蒸気を液化することも可能である。
【００３８】
なお、図５に示すように、冷却水プール外壁のうち側面外壁は従来同様コンクリート製とし、上面外壁のみを鋼材などの放熱部材32で形成するとしてもよい。この場合は冷却水プールの水表面近傍における蒸気発生量自体の低減効果は小さいものの、発生する蒸気の熱を外部に放出することでプール上面の温度を下げて蒸気を液化することも可能であるから、全体としてプール上面に停滞する蒸気の量を低減することができる。
【００３９】
以下本発明の第４の実施形態について説明する。図６は本実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。本実施形態は図８に示した従来の原子炉格納容器の冷却設備における冷却水プール内の熱交換器の周囲に、熱交換器の上部及び下部に熱伝導体を配置し、この上部熱伝導体及び下部熱伝導体を連絡して配置される熱伝導体の周囲に断熱材を設けるものである。
【００４０】
すなわち、熱交換器７上部の蒸気室８の上方に熱伝導体33ａを、熱伝導体７下部の水室10の下方に熱伝導体33ｂを其々設け、これら熱伝導体33ａと33ｂとを連絡する熱伝導体33ｃを設ける。熱伝導体33ｃの周囲にこれを包囲するように断熱材34を設ける。これら熱伝導体33ａ，33ｂ，33ｃ及び断熱材34は、図６によれば断面がコの字型に配置されることがわかる。
【００４１】
ＬＯＣＡ時に蒸気の凝縮により熱交換器７の伝熱管９において発生する潜熱により冷却水プール６内のプール水の温度は徐々に上昇する。特に高温水は密度が小さくなりプール水面近傍へ移動し、また低温水はプール水内で下方に移動する。よって、熱交換器７の伝熱管９より下方に位置するプール水の水温はほとんど上昇しない。本実施形態はこの点に着眼しなされたものであり、プール水面近傍に発生する熱を熱伝導体33ａ，33ｂ，33ｃにより33ａ→33ｃ→33ｂの方向に伝達し、プール底部近傍に位置する水へ熱を伝える。ここで熱交換器７の側方に位置する熱伝導体33ｃにおいてはその周囲に断熱材を配置していることから、熱伝導体33ｃの周囲に位置する水における熱の授受は殆ど行われない。よって、熱伝導体33ａにおいて吸収された熱はその殆どが熱伝導体33ｃで放出されるから、プール水上部から下部への熱の伝導が成立する。
【００４２】
このように本実施形態は、プール上部と下部とで温度差があることに着眼し、熱は高温のところから低温のところへ移動するという性質を利用して、プール水表面近傍の水を冷却する。これによりプール水表面近傍のみの温度が上昇する深さ方向の温度成層化を抑止することができるから、プール水全量を利用して効果的な冷却を進めることができる。よって、冷却水プール６内のプールの蒸発量を従来より低減させることができる。すなわち、図９に示した従来の冷却水プールの通常の水位をｈ、本実施形態における冷却水プール６の水位をＨとすると、Ｈ＜ｈとすることができる。さらにこの低減に伴う冷却水プールを構成する部材の簡素化を図ることにより、水量低減分と合わせて冷却水プール全体の荷重を従来より低減させることができる。
【００４３】
なお、本実施形態と上述の第１乃至第３の実施形態とを組合せて実施することにより、冷却水プールによる冷却除熱効果を一層高めることができる。
以下本発明の第５の実施形態について説明する。図７は本実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。本実施形態は図８に示した従来の原子炉格納容器の冷却設備における冷却水プールの底部に隔壁を設け隔壁内と外での水及び熱の授受が行われないようにするものである。
【００４４】
ＬＯＣＡ時に蒸気の凝縮により熱交換器７の伝熱管９において発生する潜熱により冷却水プール６内のプール水の温度は徐々に上昇する。特に高温水は密度が小さくなりプール水面近傍へ移動し、また低温水はプール水内で下方に移動する。よって、熱交換器７の伝熱管９より下方に位置するプール水は熱交換器７の除熱にはほとんど寄与しない。よって、この部分に隔壁35ａ，35ｂを設け、其々の隔壁35ａ，35ｂの下方に位置するプール水と上方に位置するプール水とを隔離する。これにより、隔壁35ａ，35ｂの上方に位置するプール水の量を低減することができる。
【００４５】
本実施形態の変形例として、冷却水プールの下部底面積を天井部面積より小さくすることにより、冷却水プールのうち下部に位置する水の量を水表面近傍に位置する水の量より少なくすることにより、除熱に寄与しない水の量を少なくしそれだけ冷却水プール全体の設備荷重を小さくすることができる。
【００４６】
なお、本実施形態による冷却効果は従来とほぼ同様の程度しか期待できないが、本実施形態を上記第１乃至第４の実施形態と組合せて使用することにより、プール水量を少量としかつ冷却効果を高めることができる。
の水温はほとんど上昇しない。本実施形態はこの点に着眼しなされたものであり、プール水面近傍に発生する熱を熱伝導体33ａ，33ｂ，33ｃにより33ａ→33ｃ→33ｂの方向に伝達し、プール底部近傍に位置する水へ熱を伝える。ここで熱交換器７の側方に位置する熱伝導体33ｃにおいてはその周囲に断熱材を配置していることから、熱伝導体33ｃの周囲に位置する水における熱の授受は殆ど行われない。よって、熱伝導体33ａにおいて吸収された熱はその殆どが熱伝導体33ｃで放出されるから、プール水上部から下部への熱の伝導が成立する。
【００４７】
このように本実施形態は、プール上部と下部とで温度差があることに着眼し、熱は高温のところから低温のところへ移動するという性質を利用して、プール水表面近傍の水を冷却する。これによりプール水表面近傍のみの温度が上昇する深さ方向の温度成層化を抑止することができるから、プール水全量を利用して効果的な冷却を進めることができる。よって、冷却水プール６内のプールの蒸発量を従来より低減させることができる。すなわち、図９に示した従来の冷却水プールの通常の水位をｈ、本実施形態における冷却水プール６の水位をＨとすると、Ｈ＜ｈとすることができる。さらにこの低減に伴う冷却水プールを構成する部材の簡素化を図ることにより、水量低減分と合わせて冷却水プール全体の荷重を従来より低減させることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＬＯＣＡ時に温度が上昇する冷却水プール水のうち蒸気として大気中に放出される量を抑制することにより、冷却水プールの初期水量及び設備全体の荷重を従来より低減させることができるから、原子炉格納容器の上方に位置する冷却水プールの耐震性を高め、ひいては原子炉格納容器の健全性をより高いものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。
【図７】本発明の第５の実施形態にかかる原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。
【図８】従来の原子炉格納容器の冷却設備の断面図である。
【図９】従来の原子炉格納容器の冷却設備の要部断面図である。
【符号の説明】
１…原子炉格納容器、２…原子炉炉心、３…原子炉圧力容器、
４…主蒸気管、５…重力落下式炉心冷却系プール、
６…冷却水プール、７…熱交換器、８…蒸気室、９…伝熱管、10…水管、
11…蒸気供給管、12…凝縮水戻り管、13…冷却水配管、
14…不凝縮性ガスベント管、15…ドライウェル、16…圧力抑制室、
17…圧力抑制プール、18…蒸気放出管、19…ベント管、20…逆止弁、
21，22…原子炉格納容器外壁、30，31ａ，31ｂ，32…放熱部材、
30ａ…フィン、33ａ，33ｂ，33ｃ…熱伝導部材、34…断熱部材、
35ａ，35ｂ…隔壁
【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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