(57)【要約】  制御されたデブリ要素は、圧力ヘッド損失を過度に増大させる繊維状／粒子状デブリベッドの形成を、原子力発電所の緊急炉心冷却システム内のストレイナの多孔プレートを通じて、防止する。冷却材喪失事故では、ポンプはプレートを通じて冷却水を引き、該プレートはその面上に循環水内の繊維状物質を捕らえることで、それがポンプに到達することを防ぐと共に、巻き込まれている粒子状物が多孔を通過することを許す。制御されたデブリ要素は、循環水と実質的に同じ比重を有し、したがって、それらはストレイナに向けて引かれる冷却水内に巻き込まれ、該冷却水内で繊維状物質および粒子状物質と密に混ざり合う。要素は、プレート面上に形成されるベッドにおいて開構造を提供することによって、フロー内の繊維を面から遠ざけるように分散させ、粒子用の空隙を要素間に維持するよう構成される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水リザーバ内に位置するストレイナを伴う原子力発電所に設けられるよう適合された複数の制御されたデブリ要素であって、冷却剤喪失事故（ＬＯＣＡ）に応じて前記炉への循環用に前記水リザーバから水が引かれ、前記ストレイナが、前記ストレイナに向けて流れる前記リザーバ内の水に巻き込まれたデブリを留めるための少なくともひとつの面と、ＬＯＣＡ発現の近くで始まる期間中に前記水が前記ストレイナを通過することを許すための前記面を貫通する多孔と、を含み、
前記ストレイナに向けた前記リザーバ内の前記水流に前記要素を巻き込み、複数の前記要素と前記デブリとを含むデブリ／要素レイヤを前記ストレイナ面上に堆積させるために、前記ＬＯＣＡ発現の後の時間の少なくとも一部の間前記循環する水の比重と、各要素の比重と、は実質的に同じであり、
前記要素は、前記デブリ／要素レイヤにおいて隣接する要素間に開空間を形成するよう構成される複数の制御されたデブリ要素。
【請求項２】
単一の一体ピースを備える請求項１に記載の制御されたデブリ要素。
【請求項３】
互いに永続的に係合されている複数の別個のピースを備える請求項１に記載の制御されたデブリ要素。
【請求項４】
前記複数の別個のピースは異なる比重を有する請求項３に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項５】
各要素は、前記冷却水内の繊維状物質を捕らえる当該要素の能力を強化するための少なくともひとつの鋭いエッジを有する請求項１に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項６】
前記複数の要素のうちの少なくともいくつかは、ＬＯＣＡ発現の後、少なくともひとつの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項１に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項７】
前記複数の要素のうちの少なくともいくつかは、ＬＯＣＡ発現の後、二つの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項６に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項８】
各要素はプラスチックで形成され、単一の統合ピースを備える請求項１に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項９】
各要素は、ＬＯＣＡ発現の後、少なくともひとつの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項８に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項１０】
前記複数の要素は、それぞれが異なる比重対温度プロファイルを有する少なくとも二種類の要素を含み、要素の各種類は、ＬＯＣＡ発現の後、少なくともひとつの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項８に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項１１】
発電所の冷却剤喪失事故（ＬＯＣＡ）の前記発現の近くで始まる期間中、冷却水を循環させるための、原子力発電所における緊急炉心冷却システムであって、前記冷却システムは、
前記冷却材喪失事故の間前記冷却水内に浸されるストレイナであって、前記循環水中のデブリを留めるための面と、前記循環水が前記ストレイナを通過することを許すための前記面を貫通する多孔と、を含むストレイナと、
前記多孔を通じて前記冷却水を引くためのポンプであって、前記ストレイナ面の吸引側に前記ポンプを設けることで前記吸引側の反対にある前記ストレイナ面の圧力側に対して圧力降下を提供する、ポンプと、
前記緊急炉心冷却システムに設けられた複数の制御されたデブリ要素であって、前記面の前記圧力側で前記冷却水内に巻き込まれるものである、複数の制御されたデブリ要素と、を備え、
前記ストレイナに向けた前記リザーバ内の前記水流に前記要素を巻き込み、複数の前記要素と前記デブリとを含むデブリ／要素レイヤを前記ストレイナ面上に堆積させるために、前記ＬＯＣＡ発現の後の時間の少なくとも一部の間前記循環する水の比重と、各要素の比重と、は実質的に同じであり、
前記要素は、前記デブリ／要素レイヤにおいて隣接する要素間に開空間を形成するよう構成される緊急炉心冷却システム。
【請求項１２】
各要素は、前記冷却水内の繊維状物質を捕らえる当該要素の能力を強化するための少なくともひとつの鋭いエッジを有する請求項１１に記載の緊急炉心冷却システム。
【請求項１３】
前記ストレイナは複数のストレイナ要素を含み、各ストレイナ要素は前記緊急炉心冷却システム内に設けられた圧力側と吸引側とを有し、その圧力側は所定の空間と対向する関係にあり、所定の空間は前記圧力側の間にあり、
各要素の最大の寸法は前記所定の空間よりも小さい請求項１１に記載の緊急炉心冷却システム。
【請求項１４】
前記複数の要素のうちの少なくともいくつかは、ＬＯＣＡ発現の後、少なくともひとつの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項１１に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項１５】
前記複数の要素のうちの少なくともいくつかは、ＬＯＣＡ発現の後、二つの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項１４に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項１６】
各要素はプラスチックで形成され、単一の統合ピースを備え、各要素は、ＬＯＣＡ発現の後、少なくともひとつの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項１１に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項１７】
前記複数の要素は、それぞれが異なる比重対温度プロファイルを有する少なくとも二種類の要素を含み、要素の各種類は、ＬＯＣＡ発現の後、少なくともひとつの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項１６に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項１８】
冷却水へデブリを放出する発電所の冷却剤喪失事故（ＬＯＣＡ）の前記発現の近くで始まる期間中、冷却水を循環させるための緊急炉心冷却システムを有する原子力発電所であって、前記冷却システムは、
前記ＬＯＣＡ中に冷却水リザーバ内に浸されるように設けられたストレイナであって、前記ストレイナは、当該プレートの第１の側から第２の側へと貫通する多孔と、前記第１の側から前記第２の側へと前記多孔を通じて前記循環冷却水を引くためのＥＣＣＳポンプに接続された吸引開口と、を有する少なくともひとつのプレートを含む、ストレイナと、
前記冷却水が前記ＥＣＣＳポンプによって前記プレートの前記第１の側に向けて引かれる際に、前記ストレイナ面上に、空いたスペースを伴うデブリ／要素レイヤを形成するための制御されたデブリ手段と、を備え、
前記制御されたデブリ手段は、前記プレートの前記第１の側に向けて引かれる前記水の中に、前記繊維状物質および微粒子状物質と共に巻き込まれるよう構成され、かつ、前記デブリ／要素レイヤに空いたスペースを形成することによって、前記多孔を通過することが可能な、前記デブリのレイヤの通過を可能とするよう構成される原子力発電所。
【請求項１９】
前記制御されたデブリ手段は複数の制御されたデブリ要素を含む請求項１８に記載の原子力発電所。
【請求項２０】
各制御されたデブリ要素は、ポリマから押し出され所望の長さに切断された単一ピースを含む請求項１９に記載の原子力発電所。
【請求項２１】
前記制御されたデブリ手段は、ポリマから押し出され所望の長さに切断されたＺ型単一ピース、シート状金属からなるＺ型単一ピース、内部のハニカム状構造を伴う一体中空ポリマシリンダ、アコーディオン型に形成され打ち出し部を有する金属シート、金属またはポリマコイルばね、ランドにより隔てられた面凹部を伴うポリマ球、一方の要素の面が他方の要素の面に恒久的に取り付けられている第１および第２Ｌ型要素、Ｚの二つの脚に設けられた凸部を有するＺ型要素単一ピースであってポリマから押し出され所望の長さに切断されたＺ型要素単一ピース、ポリマから押し出され所望の長さに切断された二つの曲がった脚を伴うＺ型単一ピース、のうちの少なくともひとつから実質的になるグループから選択された複数の制御されたデブリ要素を含む請求項１８に記載の原子力発電所。
【請求項２２】
前記制御されたデブリ手段は、ＬＯＣＡ発現の後、少なくともひとつの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項１８に記載の原子力発電所。
【請求項２３】
前記制御されたデブリ手段の少なくとも一部は、ＬＯＣＡ発現の後、二つの温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項２２に記載の複数の制御されたデブリ要素。
【請求項２４】
前記制御されたデブリ手段は、異なる温度において異なる比重を有する二つのコホートを含み、各コホートは、ＬＯＣＡ発現の後、異なる温度における前記冷却水の前記比重にマッチする比重を有する請求項１８に記載の原子力発電所。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願へのクロスリファレンス
本願は、２０１６年９月２０日に出願された米国特許仮出願第６２／４９５，６３６号の優先権の利益を享受する。その出願の全体は、参照により本明細書に、あたかもそれが全て記載されているかのように、組み入れられる。
【０００２】
技術分野
【０００３】
本発明は液体から巻き込まれた固体を除去するために使用されるストレイナにわたる圧力ヘッド損失を軽減することに関し、より詳細には、冷却剤喪失事故中に緊急炉心冷却システムのポンプによって循環される冷却水から物質を除去する、原子力発電所の吸引ストレイナにわたるヘッド損失を軽減するための制御されたデブリ要素に関する。
【背景技術】
【０００４】
関連技術の説明
【０００５】
原子力発電所は、いわゆる冷却剤喪失事故（ｌｏｓｓ  ｏｆ  ｃｏｏｌｉｎｇ  ａｃｃｉｄｅｎｔ：ＬＯＣＡ）において、臨界原子炉領域に冷却水を循環させる緊急炉心冷却システム（ＥＣＣＳ）を有することが法律によって要求されている。ＬＯＣＡ事象では、発電所のＥＣＣＳポンプは、冷却水をリザーバから原子炉炉心を通って連続的に循環させることでその温度を低下させ、リザーバに戻す。規則は、「ギロチン破壊（ｇｕｉｌｌｏｔｉｎｅ  ｂｒｅａｋ）」として知られる最悪のＬＯＣＡの場合に炉心の過熱を防止するように発電所を設計することを規定している
【０００６】
ＬＯＣＡ事象の間、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は一般に、原子炉格納容器領域内の抑制プールとして知られる１つ以上のリザーバから冷却水を引き込む。ＬＯＣＡによって引き起こされる高圧水または蒸気の激しい噴き出しは、典型的には、様々な原子炉構成要素を破壊し、これは、断熱材の繊維状破片、コンクリートの断片、小さな塗料チップ、錆粒子、および格納領域内の様々なソースからの他の繊維状および粒子状物質などの大量のデブリを生成する。ＬＯＣＡから生じる原子炉容器のブローダウンまたは減圧は、このデブリをＢＷＲ抑制プールに運ぶ。ＥＣＣＳポンプによって抑制プールから汲み上げられた冷却水は、ポンプを損傷する可能性があるデブリを除去するように設計された吸引ストレイナに向かってこのデブリを運ぶ。典型的な加圧水型原子炉（ＰＷＲ）は、ＬＯＣＡから生じるデブリを受け入れる通常乾燥した閉じ込め領域を有する。同時に、冷却水は、原子炉水貯蔵タンク（ＲＷＳＴ）から通常乾燥した格納領域に引き込まれ、次いで原子炉を通って再循環される。ＥＣＣＳポンプはＢＷＲと同様に、格納領域サンプ内に形成されたリザーバから冷却水を引き込む。したがって、ＰＷＲ冷却水は、ＢＷＲ事故で遭遇するのと同じ種類の巻き込まれた固体デブリを含むことになる。すなわち、両タイプの原子炉において、冷却水はＥＣＣＳポンプによってリザーバから連続的に引き込まれ、原子炉圧力容器を通過し、格納領域の底部のリザーバに戻される。
【０００７】
ストレイナは、水がＥＣＣＳポンプを通過する前に、冷却水から巻き込まれたデブリを除去するために使用され、デブリがポンプを損傷し、ＥＣＣＳが炉心を冷却する能力を損なうことを防止する。ストレイナは各ＥＣＣＳポンプの上流のリザーバ内に配置され、ポンプがリザーバから水を引き込むときに、ストレイナに向かって運ばれる冷却水からデブリを除去する。これらのストレイナは、ポンプへの、したがって炉心への冷却水の流れを過度に遅らせることなく、ポンプまたは核燃料を汚したり損傷したりするのに十分な大きさの固体デブリを除去することができなければならない。
【０００８】
ＬＯＣＡによって放出された大量のデブリがストレイナ表面に蓄積するときに生じる、ストレイナに亘る圧力ヘッド損失を低減するために、ストレイナの設計にかなりの努力が費やされてきた。一般的なストレイナ設計は、冷却水から濾し取られた物質が分布する全表面積を増大させる目的で、互いに対して様々な構成で配置された複数の有孔ストレイナ要素を有する。これらのストレイナは、典型的には、ＥＣＣＳポンプの吸引側が取り付けられる中央コアを含み、多孔ストレイナ要素を通して冷却水を引き込み、多孔よりも大きな破片がポンプに到達するのを防止する。従来技術は、互いに及び中央コアに対して様々な構成で配置された複数のストレイナ要素を有する無数の構成の吸引ストレイナを記載しており、例えば、米国特許第５，７５９，３９９号（本発明の譲受人に譲渡されている）、第７，２１１，１９０号、第７，８４８，４７５号（本発明の譲受人に譲渡されている）、及び第８，６６３，４６９号、及び米国特許出願公開第２０１３／０２０８８４７号明細書である（これらの全ては、あたかも本明細書に完全に記載されているかのように、参照により組み入れられる）。
【０００９】
冷却水によって吸引ストレイナに輸送される場合、少量の繊維自体は通常問題ではないが、巻き込まれた粒子と組み合わされる場合には問題となる。繊維がストレイナ上に蓄積するにつれて、粒子は個々の繊維間の通路内に溜まり始め、粒子状物質がストレイナの多孔を通過する代わりに、ストレイナは流れから粒子状物質を濾過し始める。ストレイナ表面上に生成されるフィルタベッドは、ストレイナを通る微粒子の流れをすぐに妨げることとなりうる。このフィルタ効果に対抗する１つの方法はストレイナをより大きくし、それによって、より広い面積にわたってデブリを分散させることにより、各ストレイナ表面上のフィルタベッドの厚さを減少させることである。しかしながら、これは、原子炉格納容器領域内では吸引ストレイナのために利用可能な空間が制限されるため、および、より大きなストレイナがより高価であるため、不完全な解決策である。したがって、ＬＯＣＡ後に予想されるデブリ負荷は、利用可能な空間には大きすぎるストレイナを必要とする可能性がある。さらに、ストレイナを単に大きくするか、またはより多くのストレイナを使用するだけでは、ストレイナ自体のコストが増大し、また、ストレイナを設置するコストが増大する。
【００１０】
米国特許第７，８４８，４７５号は、ストレイナ要素の表面が、ストレイナ要素上の繊維物質のベッドの形成を妨害するように輪郭付けられ、その結果、それほど多くの粒子状物質が捕捉されないストレイナを開示している。このストレイナ構成、特に、ワイヤメッシュクロスが輪郭付けされた表面を提供する実施の形態は、いくつかの原子力発電所に既に設置されている。それにもかかわらず、それは、ストレイナを製造するためのコストを増大させ、それを組み込むように設計されていないストレイナにワイヤメッシュクロスを改装するのにコストがかかる。
【００１１】
米国特許出願公開第２０１３／０２０８８４７号は、ストレイナ表面上への、ＥＣＣＳポンプへの冷却水の流れを低減または防止するデブリベッドの形成を軽減することを意図したストレイナ構造を開示している。ある実施の形態は、一次ストレイナ表面の上流のストレイナ上のエンクロージャ内に捕捉された複数のメッシュキューブを使用する。キューブは、それらの上に形成されるデブリベッドの密度を減少させると言われているが、ベッドがいずれにしても密度が高くなりすぎる場合、キューブは、流れが一次ストレイナ表面に進むことを可能にする破裂部をベッド床に生じさせるように曲がったり変形したりするように意図されている。本質的に、キューブは単に、ストレイナ表面に取り付けられた’４７５特許のワイヤメッシュクロスの変形例であり、繊維状／微粒子状ベッド形成を妨げる。メッシュキューブはまた、ストレイナのコストを著しく増大させ、’８４７号公報は、キューブ上に形成された繊維状／微粒子状ベッドの予定された破裂部がストレイナを通る十分な流れを可能にするという実験的証拠を提供しない。
【００１２】
基本的に、これらの従来技術のアプローチの両方は、ＥＣＣＳシステムのストレイナに亘る圧力ヘッド損失を過度に増加させる流れ阻止繊維状／微粒子状ベッドの形成を緩和するためにストレイナ構造を変更することを含む。出願人の’４７５特許に提示された実験データは、有孔ストレイナ表面の輪郭付けを含む設計変更の有効性を支持するが、本開示は既存のストレイナ構造に対する修正に依存しないアプローチを使用する。
【００１３】
いくつかの原子力施設で採用されている別のアプローチは、既存の繊維状断熱材を非繊維状反射金属断熱材で置き換える。しかしながら、原子力発電所内のすべての繊維状断熱材を手作業で交換することは、費用がかかり、労力を要し、作業者の放射線被曝の厳格な制御を必要とする。さらに、既存の発電所内には、繊維状断熱材が設置されているが接近不可能な場所が非常に多く存在するので、すべての繊維状断熱材を除去することは事実上不可能である。また、発電所から全ての繊維状断熱材を除去することが可能であったとしても、ある未知の量の「潜在的」繊維が、ロープ、衣類、タープ、及び他の材料の破片などの雑多な供給源から、通常の発電所保守中にそれらを使用した後に不注意に残される可能性がある。
【発明の概要】
【００１４】
このサマリは、以下に詳述される選ばれたコンセプトを、単純化された形態で、導入するためだけに提供される。本明細書で請求される主題の主要なまたは不可欠な特徴を特定することを意図するわけでは必ずしもなく、また、請求される主題の範囲を決める際の助けとして用いられることを意図するわけでも必ずしもない。
【００１５】
本発明の目的は、特別なストレイナ構造を必要としない方法で、ＬＯＣＡ事象の間、多孔プレートＥＣＣＳストレイナに亘る圧力ヘッド損失を軽減することである。
【００１６】
本発明の第１の態様によれば、冷却剤喪失事故（ＬＯＣＡ）に応じて原子炉への循環のために水がそこから引き込まれるところの水リザーバ内に配置されたＥＣＣＳストレイナを有する原子力発電所内に、複数の制御されたデブリ要素が配置されるようになっている。ストレイナは、ストレイナに向かって流れるリザーバ内の水に巻き込まれたデブリを保持するための少なくとも１つの表面を含み、ＬＯＣＡ中に水がストレイナを通過することを可能にするために、表面を貫通する多孔を有する。前記ストレイナに向けた前記リザーバ内の前記水流に前記要素を巻き込むために、前記ＬＯＣＡ発現の後の時間の少なくとも一部の間前記循環する水の比重と、各要素の比重と、は実質的に同じであり、デブリと混じり合った要素のレイヤが堆積する。前記要素は、前記デブリ／要素レイヤにおいて隣接する要素間に開空間を形成するよう構成され、そのテストは、ストレイナに亘る圧力ヘッド損失が軽減されることを示す。
【００１７】
本発明の他の態様によると、冷却水へ繊維状デブリおよび粒子状デブリを放出する発電所の冷却剤喪失事故（ＬＯＣＡ）の発現の近くで始まる期間中、冷却水を循環させるための緊急炉心冷却システムである。システムは、前記冷却水が前記ＥＣＣＳポンプによって前記ストレイナの前記圧力側に向けて引かれる際に、前記ＥＣＣＳストレイナ面上に、空いたスペースを伴うデブリ／要素レイヤを形成するための制御されたデブリ手段を含む。前記制御されたデブリ手段は、前記ストレイナに向けて引かれる前記水の中に、前記繊維状物質および微粒子状物質と共に巻き込まれるよう構成され、かつ、デブリ／要素レイヤに空いたスペースを形成することによって、前記多孔および前記デブリのレイヤを水が通過することを許すよう構成される。そのような制御されたデブリ手段により、循環冷却水内に巻き込まれた繊維状物質および微粒子状物質の大きなヘッド損失デブリベッドの形成が抑止されることがテストにより確認された。
【００１８】
制御されたデブリ手段は、本明細書に具体的に開示されたもの、および米国特許仮出願第６２／４９５，６３６号に開示された他のもの、ならびに本明細書に記載された要素の機能を実行する同等の構造を含む、本発明の範囲内の無数の形状の要素を含むことができる。
【００１９】
また、ＬＯＣＡ事象において、冷却水中に配備するために制御されたデブリを貯蔵する様々な方法も開示される。これらの要素は、ＬＯＣＡ発現時に分離するレセプタクル内に保管することができ、または通常の発電所運転中にＢＷＲ発電所の抑制プールまたはＰＷＲ発電所の乾燥サンプ内に配置することができる。
【００２０】
本明細書でカバーされる主題の目的を促進するための、制御されたデブリ要素および原子力発電所設計の他の一般的および特定の態様、詳細、実施の形態、および適応は、特許請求される主題の特定の実施の形態の文脈で以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
添付の図面と併せて以下の好適な実施の形態の詳細な説明から本発明の目的を良く理解することができるであろう。該図面において、一貫して、同様の符号は同様の特徴を指し示す。以下は、添付の詳細な説明で用いられる図面の簡単な説明である。
【００２２】
【図１】本開示に記載される圧力損失軽減アプローチに関連する構成要素を示すＢＷＲ格納領域の概略断面図である。
【００２３】
【図２】図１に示した原子炉格納容器領域内の一般的な多孔プレートＥＣＣＳストレイナの一部の模式図である。
【００２４】
【図３】図２に示したＥＣＣＳストレイナの有孔プレート上に形成され、ＬＯＣＡ事象中に冷却水流中で輸送される粒子状物質を捕捉しうる繊維ベッドの概念図である。
【００２５】
【図４】図４及び図５は合わせて、本明細書に記載された制御されたデブリ要素が、原子力発電所の多孔プレートストレイナに亘るヘッド損失を低減する機構の１つの理論を示している。
【図５】図４及び図５は合わせて、本明細書に記載された制御されたデブリ要素が、原子力発電所の多孔プレートストレイナに亘るヘッド損失を低減する機構の１つの理論を示している。
【００２６】
【図６】図５に概略的に示された制御されたデブリ要素の好ましい実施の形態を示す。
【００２７】
【図７ａ】図７ａ〜７ｇを含む図７は、本発明による制御されたデブリ要素の複数の構成を示す。
【図７ｂ】図７ａ〜７ｇを含む図７は、本発明による制御されたデブリ要素の複数の構成を示す。
【図７ｃ】図７ａ〜７ｇを含む図７は、本発明による制御されたデブリ要素の複数の構成を示す。
【図７ｄ】図７ａ〜７ｇを含む図７は、本発明による制御されたデブリ要素の複数の構成を示す。
【図７ｅ】図７ａ〜７ｇを含む図７は、本発明による制御されたデブリ要素の複数の構成を示す。
【図７ｆ】図７ａ〜７ｇを含む図７は、本発明による制御されたデブリ要素の複数の構成を示す。
【図７ｇ】図７ａ〜７ｇを含む図７は、本発明による制御されたデブリ要素の複数の構成を示す。
【００２８】
【図８】本発明の１つの特定の実施の形態による、水および制御されたデブリ要素の比重対温度のグラフである。
【００２９】
【図９】本発明の別の実施の形態による、水および複数の制御されたデブリ要素の比重対温度のグラフである。
【００３０】
【図１０】ＬＯＣＡ事象に応答して冷却水中に迅速に展開することを可能にするために、本明細書に記載されるような制御されたデブリ要素を原子力発電所に貯蔵する様々な方法の概略図である。
【００３１】
【図１１】本明細書に開示されるような制御されたデブリ要素を使用することの効果を研究するために、原子力発電所における吸引ストレイナの有孔プレートを通る流れをシミュレートする試験を実施するために使用される試験装置を示す。
【００３２】
【図１２】本明細書に記載されるような、制御されたデブリ要素の使用が有る場合と無い場合とで、有孔プレートに亘る圧力ヘッド損失を比較する試験の結果をプロットする。
【００３３】
当業者であれば、図面は厳密にサイズ通りに描かれているわけではないと容易に理解するであろうが、それでも、以下の好適な実施の形態の詳細な説明と合わせて理解された場合、本発明を実施するのに十分であることを見出すであろう。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下の詳細な説明は、請求される主題を実装する様々な方法を説明する特定の実施の形態の具体的な例を提供することが意図されている。請求される主題に関する技術分野における当業者の知識レベルを考慮するように記載されている。したがって、本明細書に記載される実施の形態をそのような者が実現することができるためには不要なものとして、ある詳細は省略されうる。
【００３５】
一般に、全体を通して使用される用語は、当業者によってそれらに帰せられるのであろう通常のおよび常用的な意味を有する。しかしながら、本明細書の説明で使用される用語のいくつかは明示的に定義され、その定義は全体を通して適用されることが意図される。例えば、「実質的に」という用語は、ある特性またはパラメータの別の特性またはパラメータに対する類似度を示すために使用されることがある。この手段は、特性またはパラメータの値が、その用語の使用に伴う記載の文脈において、特性またはパラメータに起因する用を達成するのに十分に類似していることである。本明細書で議論される多くの特性またはパラメータの正確な同等性は、工学的公差および動作条件における通常の変動などの要因のために可能ではないが、正確な同一性からのこのような逸脱は、本明細書では「実質的に」同じであるという意味に依然として含まれる。同様に、用語「実質的に」の省略は、２つのそのような特性またはパラメータを等しくする場合、文脈がそうでないとしない限り、それらが同一であることを意味しない。同様の考察が用語「約」に適用され、この用語は、本明細書ではパラメータの公称値が意図される効果または結果を生じる限り、ある量を変化させることができることを示すために使用されることがある。さらに、要素が「接続されている」と呼ばれる場合、要素は直接接続されるか、または一緒に結合されることができ、または１つ以上の介在要素が存在してもよい。
本発明に係る発電所構造
【００３６】
図１は、蒸気パイプＳＴ（そのうちの１つだけが、説明を簡単にするために示されている）によって発電機タービンに導入される蒸気を生成する強い熱を発生させるための炉心を囲む圧力容器ＰＶを有するＢＷＲ格納領域ＣＡの非常に概略的な表現である。格納領域の下部は、ＬＯＣＡ事象中に炉心を冷却するための（１，０００，０００ガロンのオーダーの）水リザーバを保持する抑制プールＳＰを含む。ＰＷＲも、ＬＯＣＡ中に利用可能な冷却水のリザーバを有するが、ＰＷＲ格納領域サンプは通常の原子炉運転中は乾燥しており、ＬＯＣＡが検出されると水で満たされることが理解されるのであろう。両方のタイプの発電所において、ＬＯＣＡは格納領域内への高圧水または蒸気の激しい放出を引き起こし、既に説明したように、大量の繊維状および粒子状のデブリを生成する。水または蒸気の急激な放出は、冷却材が交換されない場合の炉心の温度の急激な上昇を伴い、その温度は、冷却材が交換されない場合には、原子炉圧力容器を溶融し、放射性物質を環境中に放出する（メルトダウンとして知られる）レベルに達する可能性がある。
【００３７】
そのため、原子力発電所では、臨界温度に達しないように、大量の冷却水を冷却水リザーバから炉心に循環させることができるＥＣＣＳシステムが求められている。ＥＣＣＳシステムは、冷却水ＣＷをポンプＥＰ内に引き込み、それを排出ラインＥＤを介して炉心に供給するために、リザーバ内に浸された多孔プレートストレイナＳＳの吸引コアに接続された吸引ラインＥＳを伴う複数のＥＣＣＳポンプＥＰ（そのうちの１つのみが図示の簡略化のために示されている）を含む。図１に示すＢＷＲ原子炉は、その中の水位ＷＬより下のＢＷＲ抑制プールＳＰの中に開口する降水管ＤＣを含む。冷却水は降水管を通って抑制プールＳＰに戻り、ポンプＥＰによって炉心に再導入される。一方、ますます多くのデブリＤＢがストレイナ表面に蓄積していく。
【００３８】
図２は、図１に示すＥＣＣＳストレイナＳＳの一部を概略的に示す。図２に示すストレイナは、基本的な積み重ねディスク設計であり、中央吸引コアＳＣは一連の離間したディスクによって囲まれ、各ディスクは中央コアに開口するプレナムを囲む一対の有孔プレートＰＰによって形成される。ポンプＥＰの吸引ラインＥＳは吸引コアＳＣに動作可能に接続され、炉心への送達のために、多孔ＰＨを通して冷却水ＣＷを吸引する。
【００３９】
図３は、多孔プレートＰＰの表面上に形成される繊維状／微粒子状ベッドの概念図である。多孔プレートＰＰの表面上に吸引されたデブリの繊維相ＦＰは、プレート表面上に堆積する層であってＬＯＣＡ事象によって引き起こされる格納領域内の繊維状断熱材の放出のために厚くなる層、を形成する。その結果、繊維間の隙間空間を粒子よりも小さくするのに十分な繊維が表面に蓄積されると、粒子は繊維状物質によって濾過される。微粒子が繊維間の空間に捕捉され始めると、繊維ベッドに亘る圧力降下が増大し、ベッドをさらに圧縮し、これにより繊維間の空間がさらに小さくなり、したがってより多くの微粒子が捕捉される。この濾過現象は、デブリ中の繊維対微粒子比の広範囲にわたるＥＣＣＳストレイナの非常に高いヘッド損失をもたらしうる。
【００４０】
現時点では、産業界は、これらの問題に対処するために、二方向のアプローチをとっている。１つは、ＬＯＣＡからの損傷を受けやすいすべての発電所領域を非常に厳格に検査し、蒸気または水の高圧放出に曝されたときに粒子状物質の発生をもたらす可能性がある繊維状物質および材料の両方を除去することである。この見かけ上簡単なアプローチは、実際にはかなりの費用と、作業者の放射線への高い曝露とを伴う。第２のアプローチは、確率的リスク評価（ＰＲＡ）を使用して、発電所を設計しなければならない最も厳しいＬＯＣＡ（「設計基準事故」）が現在のレベルの繊維状及び粒子状デブリで炉心損傷の確率を著しく増大させないことを実証する。しかしながら、発電所の所有者は、ＥＣＣＳがＬＯＣＡ事象中に炉心を冷却することができるというライセンス要件を依然として満たさなければならない。既存の炉心はいずれも、現在、承認されたＰＲＡの下で動作していないと考えられる。
【００４１】
したがって、よく使用される多孔プレートストレイナで遭遇する濾過問題に対するより単純なアプローチが依然として必要とされており、それは、特別なストレイナ構造に依存せず、既存の発電所に対するコストのかかる修正に依存せず、また設計基準事故中に機能するＥＣＣＳシステムの必要性を依然として排除しない厳密で費用のかかるＰＲＡに依存しない。さらに、本明細書に提示される解決策は、他のアプローチと組み合わせて使用することができる。例えば、本明細書に記載の制御されたデブリ要素を使用することは、繊維状断熱材を除去しなければならない度合いに関する要件を緩和し、または所与の発電所に対するＰＲＡの承認を容易にすることができる。
繊維濾過を防止するための制御されたデブリ
【００４２】
本発明は、ストレイナの設計を変更することによってではなく、制御されたデブリ要素を冷却水に加えることによって、濾過の問題を解決する。このアイデアは、冷却水流に巻き込まれ、冷却水と共にストレイナに輸送される特別に設計されたデブリを加えることである。このアプローチの有効性は、以下にさらに詳細に記載される実験によって支持される。本発明者らは、本明細書に記載される制御されたデブリ要素が、従来技術のストレイナで使用されるような有孔プレートに亘るヘッド損失をなぜまたはどのように減少させるかに関して、いかなる特定の理論にも拘束されることを望まないが、図４および５は、本明細書に記載される有利な結果を提供すると考えられる機構を例示する。
【００４３】
図４は、ストレイナの多孔プレートに向かう水流の概念図である。原理は、格納領域リザーバ内の本発明の制御されたデブリ要素１００がストレイナに向かって流れる冷却水と実質的に同じ比重を有することである。このようにして、制御されたデブリ要素１００は、繊維状デブリと共に冷却水中に巻き込まれ、したがって、それと密に混ぜ合わされるのであって、その結果、繊維ＦＰおよび制御されたデブリ要素１００が時間とともにプレート表面上に一緒に堆積される。その結果、繊維及び制御されたデブリは、図５に示すように、繊維状／微粒子状／制御されたデブリ要素ベッド１０２が経時的に形成されるにつれて、繊維状／微粒子状／制御されたデブリ要素ベッド１０２全体にわたって混ぜ合わされる。（説明を明確にするために、粒子は図５から省略されている。）流水中で混合された繊維状デブリ及び要素１００を維持することは、かなりの数の繊維がプレートＰＰの表面上に直接堆積することを防止すると考えられる。
【００４４】
制御されたデブリ要素１００の第２の顕著な特徴は、それらがストレイナ表面上に開放構造を形成するように構成されることで、繊維ＦＰが表面から離れて分布し、互いの間の空洞を維持することである。要素が有孔プレートと表面同士が接触して静止し、したがって、流れ自体を阻止することを実質的に防止する特定の形状を設計することができる。図５はこの方向性の要素１００を示し、それが繊維を表面から離れてどのように分布させ、ベッド１０２内の繊維間の空間を維持するのを助けるかを示す。図５に示されるように、多孔プレート上に形成される繊維状／微粒子状／制御されたデブリベッド１０２の構造と、微粒子を捕捉する図３に示される高密度繊維ベッドとの間のこの基本的な相違に留意することが重要である。
【００４５】
本発明のこの態様は、ベッドが形成される表面の形状を変更することによって図３に示されるベッドに亘る圧力ヘッド損失を軽減しようとする従来技術のアプローチ、とは根本的に異なることが理解されるのであろう。対照的に、本明細書に記載されるアプローチは、ＬＯＣＡから生じる繊維と制御されたデブリ要素とが混ぜ合わされる冷却水流中に、該制御されたデブリ要素を巻き込ませる比重と、繊維が制御されたデブリ要素と共に表面上に蓄積するときに繊維を表面から離れたところに維持するストレイナ表面上に開放構造を形成する構成と、を組み合わせて含む制御されたデブリ要素を冷却水流中に導入することによって、ベッド自体の構造を変更する。
【００４６】
（第１の制御されたデブリの実施の形態）
図６は、原子力発電所のＬＯＣＡ中にストレイナが遭遇するであろうものをシミュレートする流れ条件下で、有孔表面上の繊維濾過ベッドの形成を軽減するその能力を決定するために試験された、制御されたデブリ要素１１０の第１の好ましい実施の形態を示す。要素１１０は、ＬＯＣＡ事象中に原子炉格納領域で遭遇する温度において、適切な機械的および化学的耐性を保持するプラスチック材料で作られる。要素１１０の１つの好ましい材料は高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）ポリマであり、これは、冷却水と同様の比重を有し、温度および放射環境に耐える。米国特許仮出願番号６２／４９５，６３６は、繊維濾過ベッド軽減のための図６に示される制御されたデブリ要素構成の有効性を確認するために使用された試験装置および試験プロトコルを記載する。試験装置およびそれを用いて様々な種類のデブリに対して実施された試験の結果に関するさらなる詳細は、以下に記載される実施の形態に関連して議論される。
【００４７】
図面に示されるように、要素１１０は、第１の脚１１２、第２の脚１１４、および第１および第２の脚を一体的に接続して一体要素を形成する接続脚１１６を有する文字「Ｚ」の一般的な形状である。第１および第２の脚１１２および１１４は互いにほぼ平行であり、接続脚１１６は、両方に対して互いに垂直である。要素１０２の正確な寸法は、ストレイナの寸法及び生成されることが予想されるデブリの特性などの、要素１０２が使用される特定の発電所の環境に関連する多くの要因に依存する。任意の所与のアプリケーションにおける制御されたデブリ要素のサイズおよび形状は、本明細書に記載されるような試験によって経験的に決定することができる。本実施の形態では、第１の脚１１２の長さｌ１は約１５ｍｍであり、第２の脚１１４の長さｌ２は約１５ｍｍであり、接続脚の高さｈは約２０ｍｍである。要素は、約３ｍｍの均一な厚さｔを有する図６に示される一体型Ｚ形状に押し出され、次いで、約２５ｍｍの幅ｗを生じるピースに切断される。
【００４８】
図６から、要素１１０の構成を伴う複数の要素は、要素が原子炉冷却流でストレイナ上に移送されるときに、要素が互いに対して本質的にランダムに配向されるので、ストレイナ表面上に開放構造を自動的に生成することが分かる。任意の１つの要素に対する流体力学的力は、その要素が、２つの優勢な位置のうちの１つの位置でストレイナプレートの表面上に載るよう強制する傾向がある。一方の位置では、第１の脚１１２の縁部１２０と、第２の脚１１４が接続脚１１６と出会うコーナ１２２と、がプレート表面に接触し、他方の位置では、第２の脚１１４の縁部１２４と、第１の脚１１２が接続脚１１６と出会うコーナ１２６と、がプレート表面に接触する。したがって、制御されたデブリ要素１１０は、ストレイナ表面上にランダムに積み重なる傾向があり、それにより水の流れを可能にする開放通路を形成し、無数の表面および鋭い縁部を形成して、冷却水流中の繊維および他のデブリを捕捉する。
【００４９】
代替的な制御されたデブリの実施の形態。図６は制御されたデブリ要素の１つの好ましい実施の形態を表すが、要素は、繊維の一部を表面から離れて分布させることで、粒子状物質の通過を可能とするスペースをレイヤ内に提供する開放構造レイヤをプレート表面上に形成する態様で、要素をプレート上に載置させる実質的に任意の形状をとることができる。様々な代替構成が、米国特許仮出願番号６２／４９５，６３６の図９に示されている。これらの構成は、参照により本明細書に組み込まれる。
【００５０】
実施するために使用することができる、制御されたデブリ要素構成のいくつかの例が、図７に示されている。図７ａは、ハニカム状の内部を有する中空円筒の形状の制御されたデブリ要素１５０を示す。内部ハニカム状構造を形成する隔壁１５２および要素の外面上の隆起縁部１５４は、流れ中の繊維を捕捉するのを助ける鋭い縁部を提供する。
【００５１】
図７ｂは、アコーディオン形状に折り畳まれ、打ち抜き（ｐｕｎｃｈ−ｏｕｔ）部分１６２を有する、ステンレス鋼のシートから製造された制御されたデブリ要素１６０を示す。その制御されたデブリ要素は、多数の向きで吸引ストレイナの有孔プレート上に載ることができるが、図面から、これらはすべて開放構成を含むことが理解されるのであろう。図７ｃは、コイルバネ１７０の形状の制御されたデブリ要素を示し、これは、冷却流中の繊維の一部をストレイナ表面から離れるように分布させて、ストレイナプレート中の多孔の過度の閉塞を防止する。図７ｄは、ランド１８４によって隔てられた凹部１８２を有する表面を有する球状の制御されたデブリ要素１８０を示す。要素１８０は、複数の球体がストレイナ表面上に一緒にしっかりと凝集した場合でも、解放構成で積み重なることが理解されるのであろう。図７ｅは、第１のＬ字形部品１９２のＬ字の一方の脚の面が第２のＬ字形部品１９４の脚の面に接着された、第１のＬ字形部品１９２から構成された制御されたデブリ要素の実施の形態１９０を示す。この構成における制御されたデブリは、本明細書に記載される制御されたデブリ要素の顕著な特徴である開放構造を提供する方法でのみ、ストレイナ表面上に載ることができることが理解されるのであろう。
【００５２】
図７ｆは、図６に関連して上述した要素１１０の変形例を表すＺ字形要素２１０を示している。図７ｆの「２００シリーズ」の参照番号は、図６の「１００シリーズ」の参照番号に対応する要素を示す。制御されたデブリ要素２００は、それぞれの脚２１２および２１４の外面上に突起２４２および２４４を含む。突起は脚２１２および２１４の平坦な外面がストレイナプレートと表面対表面接触して静止することを防止し、その結果、要素自体がストレイナの多孔を塞がない。図７ｇは、図６に示すＺ字形要素の別の変形例を示す。図７ｇの参照番号は、同じ基礎参照番号を伴う図６の特徴に対してプライム（’）を使用する。Ｚ字形要素１１０’は、直線接続脚１１６’によって接続された２つの曲がった脚１１２’および１１４’を含む。脚１１２’および１１４’に与えられる湾曲はまた、それらがストレイナプレートと表面対表面接触して静止することを防止する。別の変形例では、接続脚を曲げることができる。本明細書で使用される用語「Ｚ字形」は、図６、７ｆ、および７ｇに示される特定の形状に限定されないことが理解されるのであろう。例えば、第１及び第２の脚は接続脚に対して垂直以外の向きにすることができ、互いに平行である必要はない。それらはまた、それらが接続脚と交差する縁部を越えて延びることができ、図７ｆに示されるものに加えて突出部を含むことができる。
【００５３】
当業者であれば、本発明のある態様が、冷却水がＥＣＣＳポンプによってプレートの第１の側に向けて引かれる際に、ストレイナ面上に、空いたスペースを伴うデブリ／要素レイヤを形成するための制御されたデブリ手段を提供することを含み、制御されたデブリ手段は、プレートの第１の側に向けて引かれる水の中に、繊維状物質および微粒子状物質と共に巻き込まれるよう構成され、かつ、デブリ／要素レイヤに空いたスペースを形成することによって、多孔を通過することが可能な、デブリのレイヤの通過を可能とするよう構成されることを認識するであろう。制御されたデブリ手段は、任意の特定の構成または構造に限定されるものではなく、本明細書に開示される全ての特定の構成ならびにそれらの全ての機能的等価物を含む。
【００５４】
本発明の別の重要な特徴は、制御されたデブリ要素が、それらが広範な種類のストレイナ構成で使用されることを可能にするサイズおよび形状をとることができることである。例えば、出願人の米国特許第５，７５９，３９９号に記載されたタイプのストレイナと共に使用される場合、要素は、対向するディスク表面１１２と１１６との間の空間にフィットするようなサイズおよび形状で設計される。本明細書に記載の制御されたデブリはまた、本出願人の米国特許第７，８４８，４７５号において、個々の要素のサイズを、隣接するディスクの輪郭付けされた面内にフィットするようなものにすることができる。同様に、要素は、米国特許第８，６６３，４６９号に示されているストレイナの折り畳まれた有孔プレート、または米国特許第７，２１１，１９０号および米国特許出願公開第２０１３／０２０８８４７号公報に記載されているストレイナの有効区画内にフィットするようなサイズにすることができる。
【００５５】
それらの顕著な特性の１つである輸送特性を伴う制御されたデブリ要素を提供する目的のために、要素の比重は図８および９にグラフで示されるように、冷却水の比重に対して制御される。図８の曲線は、水の比重を温度（摂氏）に対してプロットしたものである。直線は、ある比重対温度プロファイルを有するように構成された制御されたデブリ要素の密度の変化をプロットし、このプロファイルは、図４に関連して上述した方法で繊維状デブリと共に制御されたデブリ要素がストレイナに向かって輸送されるようにする。ポリマから作られた要素は、合成されるときにポリマ中に添加剤を使用することによって、所望の比重プロファイルで製造可能である。比重は温度が上昇するにつれて予測可能な方法で変化し、物質特性は、その比重がＬＯＣＡ発現後の１回以上で冷却水の比重と同じになり、ＬＯＣＡ中の他の関連時刻で実質的に同じになるように選択される。図８の例では、水が約４０度に達すると、制御されたデブリ要素の比重プロファイルが水の比重プロファイルと実質的に一致するように、制御されたデブリ要素が合成されるのであるが、水温４０度はＬＯＣＡ発現直後であり、水が約１７０度に達するまでである。図８に示される制御されたデブリ要素の線形比重プロファイルは、ＬＯＣＡの持続時間の間、冷却水の非線形プロファイルと正確に一致することができないことが理解されるのであろう。しかしながら、そのプロファイルは本明細書で使用される用語の意味の範囲内で、冷却水と「実質的に同じ」であり、冷却水でのそれの輸送を容易にする比重を有する任意の制御されたデブリ要素に適用されることが意図される。
【００５６】
図９は、制御されたデブリ要素がＬＯＣＡ冷却サイクル中にその温度が上昇するにつれて、冷却水の比重により密接にマッチする実施の形態を示す。この実施の形態では、それぞれが異なる比重プロファイルを有する３つの異なる合成の要素が使用される。これらの要素は３つのコホートで使用され、要素の総数の１／３の第１のコホートＣＤ１は図９に実線で示される比重プロファイルを有し、要素の１／３の第２のコホートＣＤ２は図９に破線で示される比重プロファイルを有し、第３のコホートＣＤ３は図９に一点鎖線で示される比重プロファイルを有する残りの要素を含む。このようにして、冷却サイクル中の任意の所与の時間において、冷却水の比重により密接に整合する要素が流れ中に存在する。各コホート内の制御されたデブリ要素はまた、ＬＯＣＡに続く冷却サイクル中に、各コホートの輸送特性を冷却水の特定の温度範囲に合わせるために、異なる比重対温度プロファイルを有する異なる材料から作製することができる。
【００５７】
サマリ
図６及び図７に示された制御されたデブリ要素の具体的な実施の形態は、水がＥＣＣＳポンプによってＥＣＣＳストレイナの第１の圧力側に向かって、有孔プレートを通って引き込まれ、プレートの第１の側によってストレイナの第２の吸引側に至る際に、原子力発電所内の循環冷却水に巻き込まれた繊維状及び微粒子状物質から主になるデブリベッドの形成を阻止するための制御されたデブリ手段の例としてのみ意図されていることが理解されるのであろう。このような手段は上述の機能を果たし、プレートの第１の側に向かって引き込まれた水の中の繊維状及び微粒子状物質と共に巻き込まれるように構成された任意の要素構成を含むことが意図されている。これは、本明細書及び米国特許仮出願番号第６２／４９５，６３６号に開示された全てのそのような構成、及びそれらの構成の全ての等価物を含む。
制御されたデブリ要素の動作上の展開
【００５８】
ポンプがストレイナを通って冷却水を引き始めるとすぐに、制御されたデブリ要素をＥＣＣＳストレイナに輸送するために、制御されたデブリ要素を適切に利用することが重要である。様々な配置構成がＢｉｌａｎｉｎ、Ａ．Ｊ．ら、「Ｒｅｃａｐｔｕｒｉｎｇ  Ｎｅｔ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｓｕｃｔｉｏｎ  Ｈｅａｄ  Ｍａｒｇｉｎｓ  ｉｎ  Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ  Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ  Ｃｏｒｅ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＡＳＭＥ  ２０１７  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｖｅｓｓｅｌｓ  ＆  Ｐｉｐｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２０１７年７月１６〜２０日、Ｗａｉｋｏｌｏａ，ＨＩ（「ビラニンＡＳＭＥ文献」）に記載されており、その内容の全体は、あたかもそれが本明細書に完全に記載されているかのように、参照により組み入れられる。
【００５９】
図１０は必要なときにＢＷＲ内の冷却流内に迅速に展開するために、制御されたデブリ要素１００を保管する様々な方法を示す。１つの方法は、降水管ＤＣに対する上部入口に配置されたバスケット状レセプタクル３０２に要素を格納することである。別の方法は、抑制プールの水位ＷＬのすぐ上の棚３０５に取り付けられた同様のバスケット３０４を使用する。別のものは、それらを、抑制プール内の降水管ＤＣの出口にある同様のバスケット３０６内に搭載する。これらの配備構成では、断熱材を剥がすのには不十分な、蒸気パイプの小さな破損などの軽微な事故では要素は展開されないであろう。しかしながら、大きな破断ＬＯＣＡの場合、要素を分散させるのに十分な流れが生じる。これは、プールの膨張によって、または十分な応力下でマウントからバスケットを離脱させ、その内容物を抑制プール内にはき出すようにバスケットを設計することによって、達成することができる。分散されると、ＥＣＣＳポンプは、冷却水と共にそれらを吸引ストレイナに輸送する。これらの配置構成は別々にまたは組み合わせて使用され、有意なＬＯＣＡが存在しない限り、制御されたデブリ要素はプールまたは格納領域内に決して遊離しないので、プールは、プール清掃などの定期的なメンテナンスの間、制御されたデブリが無い状態のままであることができるので、有利である。
【００６０】
代替の展開戦略は、参照番号３０８によって示されるように、通常のプール動作温度（典型的には、約２６度（季節に依存する））で、プール内で浮遊することを可能にする比重を有する物質で作られた制御されたデブリ要素を使用することである。大きな破断ＬＯＣＡでは、プール温度は急速に上昇し、要素は沈み始め、繊維状断熱断片と共に吸引ストレイナに輸送される。たとえ要素が常に要素プール内に存在していても、それらは通常の発電所の運転を妨害しない。例えば、多くの発電所は、高外気温運転中に冷却水を所望の温度に維持するために、残留熱除去システムを組み込んでいる。熱除去サイクルにおいてＥＣＣＳポンプによってストレイナを通って水が引き込まれる場合、デブリ要素３０８は、吸引ストレイナに対して引き寄せられ、熱除去サイクルが完了すると、再び表面に浮遊する。以下に報告される試験結果は、本発明による制御されたデブリ要素の存在が、ストレイナを通る流れにほとんど影響を及ぼさないことを示している。
【００６１】
さらに別の展開構成は、水よりもわずかに高い比重を有する要素を使用し、そのため、それらは、通常の発電所の運転中に抑制プールの底部に存在する。ＬＯＣＡが起こると、それはプール膨張および凝縮事象を誘発し、そこでは格納領域内の大気および蒸気が抑制プール内に押し込まれ、蒸気凝縮は数秒間または数分間、チャギングおよび凝縮振動を引き起こす。抑制プール内の水のこの乱れは、要素をプール底部から素早く運び、ストレイナに向かう繊維含有冷却水の流れの中に運ぶ。
【００６２】
必要とされる制御されたデブリの量は、２つの積み重ねられた要素の厚さ（約３０ｍｍ）に対応するレイヤを伴う特定の発電所内の全ての吸引ストレイナ上の全ての有孔プレート表面を覆うのに必要とされる量を推定することによって決定される。ＢＷＲは典型的には約９３平方メートルのストレイナ面積を有し、したがって、要素によって占有される全容積は、およそ２．８立方メートルである。要素の充填密度が１０％であり、比重が１．０であると仮定すると、制御される要素の全質量は２７２ｋｇの範囲にある。これは、抑制プール内の冷却水の３６０万ｋｇを超える全質量のごく一部である。
【００６３】
格納領域がＬＯＣＡの発生まで乾燥しているＰＷＲでは、典型的に他の展開構成が使用されることは当業者には理解されるのであろう。例えば、ＰＷＲでは、制御されたデブリを、ストレイナのすぐ近くの乾燥した格納領域サンプ内に分布させることができ、サンプが水で溢れ、ＥＣＣＳポンプがストレイナを通して冷却水を引き始めると、制御されたデブリはストレイナ表面上に迅速に引き寄せられる。
動作例
【００６４】
本発明者らは、米国特許仮出願番号６２／４９５，６３６およびビラニンＡＳＭＥ文献に記載された試験装置を使用して、本明細書の説明に従って制御されたデブリ要素を使用して達成された有利な結果を検証した。米国特許仮出願番号６２／４９５，６３６およびビラニンＡＳＭＥ文献における試験装置の説明、それを用いて実施された試験、および試験結果はあたかも本明細書に完全に記載されているかのように、参照により組み入れられる。以下の動作例は、これらの試験からの重要な知見および結論のいくつかを要約する。
【００６５】
図１１は、以下に示され、図１２および１３にグラフで示される試験結果を生成するために使用される試験装置の概略図である。装置５００は、直径約１５ｃｍの透明な管５０２であり、その上部５０４と下部５０６とはボルト締めされたフランジ接続５０８によって一緒に封止されている。フランジを解放することにより、上部と下部とを分離して、管の内側から管５０２の底部にある有孔プレート５１０へのアクセスを提供することができる。管は、有孔プレートから測定して約４．５メートルの高さにある。シールプレート５１２は、プレートが閉位置（図示せず）にあるときに管の底部をシールし、シールプレート５１２が図１１に示される開位置にあるときに管の内容物が有孔プレート５１０を通ってレセプタクル５１４内にはき出されることを可能にするように、有孔プレート５１０にヒンジ結合される。ブラケット５１６は、管を支持構造体に取り付ける。パイプ５１８は管の頂部に水を供給し、測定スケール５２０は、有孔プレートの上方の圧力ヘッドをメートルで示す。多孔プレートの真上の管内に配置された圧力変換器（図示せず）は、電気リード線によってコンバータＰに接続され、コンバータＰはデータ収集システムＤＡＳに信号を供給する。データ収集システムは、トランスデューサによって測定された圧力ｐを時間ｔの関数として記録する。
【００６６】
試験は、管が水で満たされた後、試験混合物を管の頂部にまず導入することによって、リグの底部のストレイナ有孔プレート表面に輸送されたデブリ混合物に対して実施される。シールプレート５１２は開かれ、デブリ混合物は、水が多孔プレート５１０を通って流れるときに水の中に巻き込まれる。水が放出されると、発電所のＥＣＣＳの吸引ストレイナ表面に形成されたデブリベッドをシミュレートするデブリベッドが、有孔プレート上に形成される。次に、シールプレート５１２を閉じ、ベッドを乱さないように注意深く管に水を再充填する。管が再充填されると、シールプレートが再び開かれ、有孔プレートのすぐ上の圧力トランスデューサが有孔プレートの上の圧力を検知し、データ収集システムは、水が管５０２から排出されるにつれて、圧力ｐを時間ｔの関数として記録する。
【００６７】
したがって、プレート上のデブリベッドを通る速度は、測定された圧力を時間の関数として使用して導出することができる。以下の関係で始める。
ｐ（ｔ）＝ρ×ｇ×ｈ（ｔ）  （１）
時間に関して式（１）を微分すると、圧力の時間変化は、水流速の関数として以下のように表される：
ｄｐ／ｄｔ＝ρ×ｇ×ｄｈ／ｄｔ  （２）
ここで、ρ＝水の密度、ｇ＝重力加速度、ｈ＝ベッド上の水の高さ、ｄｈ／ｄｔはデブリベッドに接近する水の速度である。ｐ（ｔ）対ｄｈ／ｄｔのプロットは、ベッドに接近する水の流速の関数として、デブリベッドを通じた圧力降下を与える。これは、次の形の速度の二次関数にフィットさせることができる：
ｈ（ｔ）＝ａ×ｄｈ／ｄｔ＋ｂ×（ｄｈ／ｄｔ）２  （３）
【００６８】
ＥＣＣＳ流量、したがって接近速度は、任意の特定の発電所について知られている。式（３）の速度を用いて、デブリベッドに亘るヘッド損失を推定することができる。ヘッド損失がその発電所のＥＣＣＳポンプを作動させるのに必要な正味の正の吸引ヘッド損失よりも小さい場合、そのＥＣＣＳシステムは、試験されたデブリ負荷に対して、仕様通りに動作するであろう。
【００６９】
ビラニンＡＳＭＥ文献は、図２に関連して上述した繊維状／微粒子状ベッドによって引き起こされる吸引ストレイナ流に対する影響を実証する試験を記載している。それらの試験の結果は文献の表１に示されており、１ｍ／秒の速度において、Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｃｏｎｔｒａｃｔｉｎｇ、Ｉｎｃ．、Ｎｕｋｏｎ（登録商標）の断熱材から採取された繊維状物質だけを含むデブリベッドを通るヘッド損失よりも約４０倍高い、繊維状／微粒子状ベッドに亘るヘッド損失を生じた。これは、原子力発電所のＬＯＣＡにおける繊維状物質および粒子の放出によって引き起こされる流れ制限を緩和する効果的な方法の必要性の明確な実験的証拠である。以下の動作例は、本明細書に記載の制御されたデブリ要素がＥＣＣＳ吸引ストレイナに対する繊維状／微粒子状ベッドの流れ阻害効果をどのように軽減するかを示す。
【００７０】
図１１に示す試験装置５００を用いた第１の試験セットを、上述の試験プロトコルに従って実行して、装置５００の多孔プレート５１０上の様々なデブリベッドの流れ特性を決定した。第１の試験は、典型的な繊維状物質と粒子状物質との混合物を用いて行った。管５０２内の流速（メートル／秒）対圧力ヘッド（メートル）のプロットを図１２に実線で示す。これは、混合繊維状／微粒子状濾過ベッドによって引き起こされる厳しい流れ制限を示している。
【００７１】
別の試験では、デブリベッドが制御されたデブリ要素のみを含んでいた。これらの要素は厚さ０．２５ｍｍのステンレス鋼シートであり、図６に示される要素１１０と同様のＺ字形に形成された。管内の３メートルまでの水の範囲にわたり、有孔プレートに亘る圧力ヘッド損失は実質的になかった。これは、本開示による制御されたデブリ要素が流れ抵抗をほとんどまたは全く提供しないことを確立した。流速対圧力ヘッドのプロットは、それがｘ軸と実質的に区別できなかったので、図１２から省略されている。
【００７２】
別の一連の試験は、繊維状物質、粒子状物質、および所定体積量の制御されたデブリ要素を導入することによって行った。これを「１００％量」と呼び、プレート上の繊維状／微粒子状／制御された要素ベッドを通る流速を、図１２に二点鎖線でプロットした。このプロットは、１００％量の制御されたデブリ要素を用いた場合の流速に対する有利な効果を示している。例えば、１．０メートルの圧力ヘッドでは、１００％量の制御されたデブリ要素を有するベッドを通る流速は、制御されたデブリ要素を有さないデブリベッドについての約０．００１５ｍ／秒（図１２の実線）と比較して、約０．０６６ｍ／秒である。換言すれば、流量は、デブリベッドが形成されるにつれて、流れの中に１００％の量の制御されたデブリ要素が巻き込まれることにより、４０倍を超えて増加された。
【００７３】
第２の試験は同じ金属の制御されたデブリ要素の半量で行われたが、それ以外は１００％量試験と同一の条件下で行われた。この試験は、図１２に一点鎖線５０％線でプロットされている。これは、繊維状／微粒子状ベッド上の流れ制限が１００％ベッドよりも少ない程度に軽減されていることを示している。これらの試験は、制御されたデブリの量に対する圧力ヘッド損失の感度が小さいこと、及び冷却水中に放出された制御されたデブリ要素の半分がストレイナ表面上に堆積されなくても、ヘッド損失の有意な減少が依然として達成されることを実証する。これらの試験結果を合わせると、図４および図５に関連して上述したように、本明細書の開示に従って制御されたデブリ要素を巻き込ませることによって達成される効果の根底にあるメカニズムに関する本発明者らの信念が実証されたように思われる。
【００７４】
第３組の試験は、図６に示すプラスチックの制御されたデブリ要素を用いて、同じ条件下で行った。要素の体積は、１００％量試験における金属要素の体積と同様であった。結果は、図１２に二点鎖線でプロットされている。この試験は、プラスチックデブリが金属のＺ形状要素と同様のヘッド損失性能を有することを示している。プラスチック要素は水と実質的に同じ比重を有することができ、したがって、巻き込まれた繊維および微粒子と共により容易に輸送される。金属要素は典型的にははるかに大きい比重を有し、これは、冷却水中でそれらが輸送される能力を幾分損なおう。しかしながら、金属要素は、制御されたデブリ要素が乾燥サンプ内のストレイナの上方に配置され得るＰＷＲに適用され得る。
【００７５】
ここに提示した試験は、ＬＯＣＡ事象によって原子炉冷却水中に放出された繊維状物質に加えて、粒子状物質を含むデブリベッドの蓄積によって引き起こされる、ＥＣＣＳストレイナを通る流量の厳しい制限を示す。また、それらは、本明細書に記載される特性を有する制御されたデブリ要素を冷却流に巻き込むことにより、その上に形成される繊維状／微粒子状デブリベッドによるストレイナに亘る正味正の吸引ヘッド（ＮＰＳＨ）の減少が実質的に軽減されることを示している。また、これらは、流れに導入される制御されたデブリ要素の数は、一般に、動作上重要な量だけＮＰＳＨの減少を軽減する度合いに影響を及ぼさないことを示している。また、それらは、通常の発電所運転中のＢＷＲ抑制プール内の要素の存在が、高外気温運転中に冷却水を所望の温度に維持する残留熱除去システムに影響を及ぼさないことを実証している。また、それらは、要素の有効性がそれらの原材料とはほとんど無関係であることを示している。
サマリ
【００７６】
出願人は、本開示がＬＯＣＡ中の原子力発電所におけるＥＣＣＳ吸引ストレイナ上の濾過ベッドの形成の問題に対する解決策を提示すると考える。本明細書に提示される試験結果は、ＥＣＣＳ吸引ストレイナの動作を向上させるために、本明細書に開示される制御されたデブリ要素またはその同等物などの設計されたデブリを発電所格納システムに追加することが可能であり、達成可能であることを示した。本発明はその様々な用途および実施の形態において、ストレイナが実際に微粒子フィルタになる蓋然性を低減するために、ストレイナ上の密な繊維状／微粒子状ベッドの形成を阻止する。本出願人は本明細書に記載の技術が現在の規制手順を介して既存の原子力発電所及び将来の原子力発電所で実施可能であり、繊維状断熱材を非繊維代替物に置き換えること及びＰＲＡ分析を使用することなど、同じ目的に向けられた他の産業活動を単純化することができると考える。
【００７７】
本発明の特定の顕著な特徴は、原子力発電所におけるＥＣＣＳストレイナに関連して特に有用であると説明されてきたが、本発明自体はそのように限定されない。例えば、本明細書に記載される制御されたデブリ要素は、ＥＣＣＳストレイナに典型的に使用される有孔プレートから構成されるもの以外のストレイナ構造と共に使用することができる。加えて、本明細書に記載される制御されたデブリ要素は、ストレイナを通って吸引される液体に繊維状物質が巻き込まれる任意の環境に適用可能である。他のそのような環境の例は、発電所からの熱排除を提供する河川およびベイからの取水、または繊維状および微粒子状のデブリで汚染された供給源から引き出される冷却水を使用する任意の工業プロセスである。
【００７８】
当業者であれば容易に、本発明の選択された好適な実施の形態のみが図示され説明されたことを認識するであろう。以下の請求の範囲によってのみ規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上で特に言及されたもの以外の種々の変形や変更をなし得ることは理解されるであろう。
【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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【図７ｇ】
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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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【国際調査報告】
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