(57)【要約】【課題】化学デブリの発生量を抑制することによって、ストレーナの閉塞を防止する原子炉緊急冷却装置を提供する。【解決手段】原子炉格納容器１内の上方に設けられ、該原子炉格納容器１内に冷却水を散布するスプレー２と、前記原子炉格納容器１内の下部に設けられ、前記スプレー２から散布された冷却水を貯蔵するサンプ３と、該サンプ３に貯蔵された冷却水を前記スプレー２に供給するために格納容器スプレーポンプ５と、前記スプレー２と前記格納容器スプレーポンプ５とを接続する第１の配管９と、前記サンプ３と前記格納容器スプレーポンプ５とを接続する第２の配管８と、前記冷却水中にケイ素イオンを供給するケイ素イオン供給手段とを備える原子炉緊急冷却装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉格納容器内の上方に設けられ、該原子炉格納容器内に冷却水を散布するスプレーと、
前記原子炉格納容器内の下部に設けられ、前記スプレーから散布された冷却水を貯蔵するサンプと、
該サンプに貯蔵された冷却水を前記スプレーに供給するために格納容器スプレーポンプと、
前記スプレーと前記格納容器スプレーポンプとを接続する第１の配管と、
前記サンプと前記格納容器スプレーポンプとを接続する第２の配管と、
前記冷却水中にケイ素イオンを供給するケイ素イオン供給手段とを備える原子炉緊急冷却装置。
【請求項２】
前記ケイ素イオン供給手段が、前記サンプ内に配置された固体状のケイ酸化合物である請求項１に記載の原子炉緊急冷却装置。
【請求項３】
前記ケイ素イオン供給手段が、前記原子炉格納容器内の側部壁面に設けられたバスケット内に収容された、固体状のケイ酸化合物またはケイ素を不純物に含む中和剤である請求項１に記載の原子炉緊急冷却装置。
【請求項４】
前記ケイ素イオン供給手段が、ケイ酸化合物を含む水を貯蔵するタンクと、該ケイ素イオン含有水タンク中の前記ケイ酸化合物を含む水を前記第１の配管に供給するポンプとを備えるケイ素イオン含有水供給部である請求項１に記載の原子炉緊急冷却装置。
【請求項５】
前記冷却水中に含有されるケイ素イオンの濃度が、１ｍｇ／Ｌ以上１００ｍｇ／Ｌ以下とされる請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の原子炉緊急冷却装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の原子炉緊急冷却装置を備える原子力発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電プラントの緊急停止時に作動する原子炉緊急冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）などの原子力発電プラントの原子炉炉心には、冷却材として水が使用されている。原子炉配管などが損傷して冷却材が喪失した場合、原子炉炉心が過熱し、損傷を受ける。これを防止するために、冷却材が喪失されると、直ちに安全装置が作動され、補充水が外部タンクから供給されて原子炉炉心の冷却が開始される。外部タンクからの補充水がなくなるか、原子炉格納容器に一定量の水が溜まると、外部タンクからの水の供給が停止され、冷却水循環機構が作動される。
【０００３】
特許文献１に、冷却水循環機構の一例が開示されている。冷却水循環機構が作動されると、格納容器スプレーポンプによって、原子炉格納容器下部及びサンプに蓄積された水が冷却水スプレーに供給される。冷却水スプレーから原子炉炉心に向かって冷却水が散布される。散布された冷却水は、原子炉格納容器底部及びサンプに流入し、冷却水として再利用される。
【０００４】
原子炉損傷時では、配管を被覆する繊維状の保温材、梯子等のアルミニウム鋼板、グレーチングやダクト外板などの亜鉛鋼板、コンクリート、壁面や機器の塗料などが、原子炉格納容器内に飛散する。飛散した上記部材は、散布された冷却水や原子炉炉心から漏洩した冷却水に流されて、サンプに集積される。冷却水循環系の下流側の格納容器スプレーポンプに異物が侵入するのを防止するために、ストレーナ（サンプスクリーン）が設置される。
【０００５】
配管や損傷時に飛散した鋼板などの部材が高温の水と接触すると、配管や鋼材からアルミニウムイオンや亜鉛イオンが冷却水中に溶出する。繊維状の保温材は、溶出した亜鉛イオンやアルミニウムイオンと反応し、ゼラチン状の化学デブリを形成する。化学デブリは冷却水循環時にストレーナに捕獲されるが、化学デブリが多量であるとストレーナが閉塞し、冷却水の循環が悪化する。これにより、原子炉炉心の冷却が不十分となり、原子炉炉心温度が上昇する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２６０９７７号公報（図１〜３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば、開孔を有するプレート状のフィルターを数段重ね合わせ、中央部に円筒管を設けた構造のサンプスクリーンとして、サンプスクリーンの実効面積を増加させることで閉塞を防止することができると考えられる。しかし、原子炉格納容器に許容されるサンプの設置面積及び設置場所は限定的である。そのため、サンプスクリーンの実効面積を増加させたとしても、保温材の飛散量が多く化学デブリが多量に発生する場合には、サンプスクリーンが閉塞する可能性が依然として残っていた。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、化学デブリの発生量を抑制することによって、ストレーナの閉塞を防止する原子炉緊急冷却装置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】
【０００９】
本発明の原子炉緊急冷却装置は、原子炉格納容器内の上方に設けられ、該原子炉格納容器内に冷却水を散布するスプレーと、前記原子炉格納容器内の下部に設けられ、前記スプレーから散布された冷却水を貯蔵するサンプと、該サンプに貯蔵された冷却水を前記スプレーに供給するために格納容器スプレーポンプと、前記スプレーと前記格納容器スプレーポンプとを接続する第１の配管と、前記サンプと前記格納容器スプレーポンプとを接続する第２の配管と、前記冷却水中にケイ素イオンを供給するケイ素イオン供給手段とを備える。
【００１０】
冷却水中にケイ素イオンが含まれると、原子炉格納容器内の部材に使用される鋼板や配管からのアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの溶出が抑制される。これは、冷却水中のケイ素イオンによって鋼表面に金属皮膜が形成されるためと考えられる。
原子炉の緊急冷却に使用される冷却水中に、ケイ素イオン供給手段からケイ素イオンを供給することにより、冷却水中に溶出するアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの濃度を低減することができる。これにより、化学デブリの発生量が抑制され、サンプスクリーンの閉塞を防止できる。この結果、原子炉格納容器内を循環する冷却水の量を安定させることができる。
【００１１】
上記発明において、前記ケイ素イオン供給手段が、前記サンプ内に配置された固体状のケイ酸化合物とすることができる。
【００１２】
サンプには、水（ピット水）が蓄積される。ピット水は、原子炉緊急冷却時に循環冷却水として使用される。サンプ内に固体状のケイ酸化合物を配置すると、ピット水と接触して、ケイ酸化合物からケイ素イオンが溶出する。本発明によれば、冷却水中にケイ素イオンを容易に供給することができる。
【００１３】
上記発明において、前記ケイ素イオン供給手段が、前記原子炉格納容器内の側部壁面に設けられたバスケットに収容された、固体状のケイ酸化合物またはケイ素を不純物に含む中和剤とすることができる。
【００１４】
通常の原子炉格納容器には、内側側壁に中和剤を収納するバスケットが取り付けられる。バスケット内にケイ酸化合物やケイ素を含む中和剤を収納すれば、スプレーから噴射された冷却水がバスケットに掛かることで、ケイ酸化合物や中和剤が水と接触する。これにより、冷却水中にケイ素イオンが供給される。本発明は、既存の部材を利用するために、装置構成を複雑にする必要がなく、容易に冷却水中へケイ素イオンを供給できる。また、緊急冷却時のみに、冷却水中にケイ素イオン濃度を制御して添加することができる。
【００１５】
上記発明において、前記ケイ素イオン供給手段が、ケイ酸化合物を含む水を貯蔵するタンクと、該ケイ素イオン含有水タンク中の前記ケイ酸化合物を含む水を前記第１の配管に供給するポンプとを備えるケイ素イオン含有水供給部とすることができる。
【００１６】
上記発明によれば、緊急冷却時にのみ、循環冷却水中にケイ素イオンを添加することができるとともに、ケイ素イオン濃度をより精密に制御することができるので有利である。
【００１７】
上記発明において、前記冷却水中に含有されるケイ素イオンの濃度が、１ｍｇ／Ｌ以上１００ｍｇ／Ｌ以下とされることが好ましい。
【００１８】
循環冷却水中のケイ素イオン濃度が１ｍｇ／Ｌ以上であれば、配管や部材からのアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの溶出を抑制できる。但し、ケイ素イオン濃度が比較的高い場合に原子炉炉心に格納されている燃料に何らかの影響を及ぼすことが懸念される。そのため、ケイ素イオン濃度は１００ｍｇ／Ｌを上限とされる。
【００１９】
本発明は、上記の原子炉緊急冷却装置を備える原子力発電プラントを提供する。本発明の原子力発電プラントは、原子炉破損による緊急停止時において、サンプスクリーンの閉塞が発生しないために、原子炉炉心を冷却する循環水が安定して供給される。このため、緊急停止時における炉心温度の急激な上昇を防止できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の原子炉緊急冷却装置は、ケイ素イオン供給手段により冷却材にケイ素イオンが供給される。これにより、化学デブリの原因となるアルミニウムイオン及び亜鉛イオンが配管等から溶出する量が抑制され、緊急冷却時においてサンプスクリーンが閉塞する心配がない。このため、十分な量の冷却材を原子炉格納容器内で循環して再利用することが可能となり、冷却不良が原因で発生する炉心温度上昇によるトラブルを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態及び第２実施形態に係る原子炉緊急冷却装置を示す断面図である。
【図２】第３実施形態に係る原子炉緊急冷却装置を示す断面図である。
【図３】実施例１におけるホウ酸―水酸化ナトリウム緩衝溶液中の各イオン濃度の経時変化を示すグラフである。
【図４】実施例２におけるホウ酸―水酸化ナトリウム緩衝溶液中の各イオン濃度の経時変化を示すグラフである。
【図５】実施例３におけるホウ酸―水酸化ナトリウム緩衝溶液中の各イオン濃度の経時変化を示すグラフである。
【図６】比較例におけるホウ酸―水酸化ナトリウム緩衝溶液中の各イオン濃度の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る原子炉緊急冷却装置を示す概略図である。図１には、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の一部が示されている。
原子炉格納容器１内部の上方に、複数のスプレー２が設置される。原子炉格納容器１の最底部に、サンプ３が設けられる。原子炉格納容器１の外部に格納容器スプレーポンプ５が設置され、配管８によりサンプ３と、配管９によりスプレー２と連結される。サンプ３内において、サンプ３と配管８との接続部より上流側に、サンプスクリーン４が設置される。原子炉格納容器１の底部及びサンプ３に、ピット水が貯蔵される。
【００２３】
第１実施形態では、ケイ素イオン供給手段として、サンプ３内に固体状のケイ酸化合物が配置される。固体状のケイ酸化合物は、ソーダガラスなどの軟質ガラス、ガラスウール、酢酸ケイ素とされる。上記固体状のケイ酸化合物は、サンプ３の底部や壁部などのサンプスクリーン４の面積を低減しないような場所に設置される。
ソーダガラスがピット水に接触すると、ガラス中のケイ素がイオンとしてピット水に溶解する。ピット水中に溶解するケイ素イオンの濃度は、１ｍｇ／Ｌから１００ｍｇ／Ｌの範囲内となる。
【００２４】
原子炉格納容器１の内部に、原子炉炉心１０が据え付けられる。原子炉炉心１０は、配管１１により蒸気発生器１２と接続される。配管１１内部の冷却材（水）は、高圧（１５５ｋｇ／ｃｍ２程度）にて原子炉炉心１０を通過する。高圧原子炉作動時において、原子炉炉心１０を通過した冷却材は２６０度以上に加熱される。加圧された冷却材は、液体状態で配管１１を流通し、蒸気発生器１２に流入する。冷却材が蒸気発生器１２内の細い金属管内を流れる間に、冷却材と金属管外側の低圧の水との間で熱交換が行われる。蒸気発生器１２を通過し温度低下した冷却材は、ポンプ１３により原子炉炉心１０に戻される。
【００２５】
配管等の損傷や安全弁の開放が発生すると、原子炉炉心１０を通過する冷却材は高圧であるため、配管１１から冷却材が急速に失われる。原子力発電プラントの監視装置が、原子炉炉心１０を通過する冷却材の急激な圧力低下を検知すると、原子炉緊急冷却装置が作動し、原子炉格納容器１の外部に設置された燃料取替用水タンク１４から格納容器スプレーポンプ５、高圧注入ポンプ６及び余熱除去ポンプ７に冷却水が供給される。高圧注入ポンプ６及び余熱除去ポンプ７から、配管１１に冷却水が供給され、原子炉炉心１０が冷却される。格納容器スプレーポンプ５により、スプレー２から冷却水が、原子炉炉心１０に向かって噴射される。この噴射冷却水によっても、原子炉炉心１０が冷却される。
スプレー２からの噴射冷却水、及び、配管損傷部や弁から漏出した冷却水は、原子炉格納容器１の底部及びサンプ３に、ピット水として蓄積される。噴射冷却水や漏出冷却水の流れにより、破損した配管や配管を被覆する繊維状の断熱材、壁面から剥離した塗膜などがサンプ３に流れ込む。
【００２６】
燃料取替用水タンク１４中の冷却水が枯渇すると、あるいは、原子炉格納容器１底部のピット水量が所定レベルに到達すると、燃料取替用水タンク１４からの冷却水供給が停止される。その後、冷却水循環機構が作動し、配管８に設置されたバルブ（不図示）が開放される。これにより、原子炉格納容器１底部及びサンプ３に蓄積されたピット水が、格納容器スプレーポンプ５からスプレー２に供給される。また、ピット水が、高圧注入ポンプ６及び余熱除去ポンプ７に供給され、配管１１を通じて原子炉炉心１０に供給される。すなわち、ピット水が、原子炉格納容器１内で循環する。
【００２７】
循環冷却水としてのピット水にケイ素イオンが含まれているために、冷却水循環機構が作動してから数日経過すると、循環時に流通する配管、スプレーから散布された循環冷却水に接触する部材、及びピット水に浸漬する破損部材からのアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの溶出が抑制される。特に、ピット水中のケイ素イオン濃度が１ｍｇ／Ｌから１０ｍｇ／Ｌの範囲であると、アルミニウムイオン及び亜鉛イオンの溶出が効果的に抑制される。そのため、亜鉛イオン及びアルミニウムイオンとサンプスクリーン４に捕捉された繊維状断熱材とが反応して発生する化学デブリの量は、大幅に減少することになる。その結果、サンプスクリーン４の閉塞が発生せず、安定した量のピット水を循環させて再使用することができる。
【００２８】
＜第２実施形態＞
図１に示す原子炉格納容器１内の側部壁面において、スプレー２からの噴射水が掛かる位置にバスケット１５が配置される。通常、バスケット１５内に、冷却水を中和するための四ホウ酸ナトリウムなどのアルカリ固形物が収納される。
【００２９】
本実施形態では、ケイ素を不純物に含むアルカリ固形物が使用される。または、アルカリ固形物とともに、固体状のケイ酸化合物がバスケット１５収納される。固体状のケイ酸化合物としては、第１実施形態と同様のものを適用できる。
【００３０】
第１実施形態で説明したように、原子炉緊急冷却装置が作動して、格納容器スプレーポンプ５によりスプレー２から冷却水が噴射されると、バスケット１５内のアルカリ固形物やケイ酸化合物が冷却水に接触し、冷却水中に溶解する。ケイ素イオンを含む冷却水は、原子炉格納容器１底部及びサンプ３にピット水として蓄積される。第１実施形態と同様に冷却水循環機構が作動し、冷却水源が燃料取替用水タンクからピット水に切り替えられると、ケイ素イオンを含むピット水が循環冷却水として原子炉炉心の冷却に使用される。これにより、配管や部材などからのアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの冷却水中への溶出が抑制され、化学デブリの発生量を大幅に減少させることができる。
【００３１】
ピット水中のケイ素イオン濃度は、アルカリ固形物中の不純物としてのケイ素含有量とアルカリ固形物量、あるいは、ケイ酸化合物量によって調整することができる。本実施形態においても、サンプ３内のピット水中のケイ素イオン濃度は、１ｍｇ／Ｌから１００ｍｇ／Ｌ、好ましくは１ｍｇ／Ｌから１０ｍｇ／Ｌの範囲とされる。
【００３２】
発電時において、ピット水は、原子炉炉心１０の冷却材の補充水として、高圧注入ポンプ６及び余熱除去ポンプ７により配管１１に供給される場合がある。第２実施形態では、原子炉緊急冷却装置が作動してからピット水にケイ素イオンが添加される機構であるため、発電時にケイ素イオンを含む水が原子炉炉心１０を通過することがない。従って、本実施形態では、発電時においてケイ素イオンが燃料に何らかの影響を与える懸念がない。
【００３３】
＜第３実施形態＞
図２は、第３実施形態に係る原子炉緊急冷却装置を示す概略図である。第３実施形態において、格納容器スプレーポンプ５とスプレー２とを接続する配管９に、ケイ素イオン供給手段としてのケイ酸化合物水溶液供給部２０が接続される。ケイ酸化合物水溶液供給部２０は、ケイ酸化合物水溶液を貯蔵するケイ素含有水タンク２１と、タンク２１からケイ酸化合物水溶液を配管９に供給するポンプ２２とで構成される。
本実施例で使用されるケイ酸化合物水溶液としては、ケイ酸ナトリウム水溶液が挙げられる。
【００３４】
原子炉緊急冷却装置が作動されると、ポンプ２２によりタンク２１中のケイ酸化合物水溶液が、配管９に供給される。これにより、ピット水中にケイ素イオンが添加される。その後、冷却水循環機構が作動すると、ケイ素イオンを含むピット水が循環冷却水として原子炉炉心の冷却に使用される。これにより、配管や部材などからのアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの冷却水中への溶出が抑制され、化学デブリの発生量が大幅に減少する。
【００３５】
ピット水中のケイ素イオン濃度は、タンク２１に貯蔵されるケイ酸化合物水溶液中のケイ素イオン濃度及びケイ酸化合物水溶液の供給量により調整される。本実施形態においても、サンプ３内のピット水中のケイ素イオン濃度は、１ｍｇ／Ｌから１００ｍｇ／Ｌ、好ましくは１ｍｇ／Ｌから１０ｍｇ／Ｌの範囲とされる。
【００３６】
本実施形態では、ピット水に含まれるケイ素イオン濃度をより精密に制御することが可能である。また、原子炉緊急冷却装置が作動してからピット水にケイ素イオンが添加されることから、発電時においてケイ素イオンが燃料に何らかの影響を与える懸念がない。
【００３７】
以下に、ケイ素イオンによるアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの溶出抑制効果を示す実験結果を説明する。
４つのビーカー（石英ガラス製）それぞれに、試験片としてアルミニウム板（ＪＩＳ  Ａ  １１００、７×１０ｍｍ角、厚さ１ｍｍ）及び亜鉛メッキ鋼板（（株）淀川製鋼所製、ＪＩＳ  Ｇ  ３３０２、１００×１１０ｍｍ角、厚さ１ｍｍ）を入れた。実施例１乃至実施例３のビーカーには、ソーダガラス（増田理化工業（株）製、プレパラート、２５ｍｍ×４０ｍｍ角）及びガラスウール（日本ロックウール（株）製、サームボード、密度６０ｋｇ／ｍ３）をそれぞれ以下の割合となるように入れた。なお、比較例のビーカーにはソーダガラス及びガラスウールは入れなかった。
実施例１：ソーダガラスの接液面積／水の容積＝２０ｍ２／ｍ３
実施例２：ソーダガラスの接液面積／水の容積＝４０ｍ２／ｍ３
実施例３：ガラスウールの見かけ容積／水の容積＝０．００１ｍ３／ｍ３
なお、接液面積とは、水と接触する部分の面積である。本実験で使用したプレパラートは厚さが極めて薄いことから、接液面積は２０ｃｍ２（両面の合計面積）と見なした。実施例１及び実施例２では、ビーカーにプレパラートをそれぞれ１０枚及び２０枚入れ、接液面積の誤差を小さくした。
各ビーカーに、温度６５℃のホウ酸（２９，０００ｐｐｍ）―水酸化ナトリウム(４，３００ｐｐｍ)緩衝溶液（ｐＨ７〜７．６）１Ｌを同量ずつ注入した。各ビーカーに蓋をして、緩衝溶液の温度を６５℃に制御しながら攪拌した。
一定時間毎に、各ビーカーから所定量の溶液を採取し、溶液中のアルミニウムイオン、亜鉛イオン、及びケイ素イオンの濃度を、ＩＣＰ−ＭＳを使用して測定した。
【００３８】
図３乃至図６は、実施例１乃至実施例３、及び比較例におけるホウ酸―水酸化ナトリウム緩衝溶液中の上記各イオン濃度の経時変化を示すグラフである。同図において、横軸は試験片浸漬時間、縦軸は各イオンの濃度である。
【００３９】
実施例では、時間経過に伴い緩衝溶液中のケイ素イオン濃度が増加した。実施例１及び実施例３では浸漬開始１２時間後に、実施例２では浸漬開始２４時間後に、それぞれケイ素イオン濃度が１ｍｇ／Ｌに到達した。緩衝溶液中のアルミニウムイオン濃度及び亜鉛イオン濃度の増加が抑制され、２００時間の浸漬後における緩衝溶液中のアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの濃度は、１０ｍｇ／Ｌ以下であった。特に、ケイ素イオン濃度が高かった実施例３では、亜鉛イオン濃度が極めて低くなった。
比較例では、全浸漬時間に亘って緩衝溶液中にケイ素イオンは検出されなかった。緩衝溶液中のアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの濃度の増加量は、実施例よりも高かった。
【００４０】
上述のように、緩衝溶液にソーダガラスやガラスウールを浸漬することで、緩衝溶液中にケイ素イオンを含有させることができた。その結果、試験片からのアルミニウムイオン及び亜鉛イオンの溶出を抑制できた。このことから、実施例のように水溶液中にケイ素イオンを含有させることで、化学デブリの発生を抑制し、サンプスクリーンの閉塞を防止できることは明らかである。
【符号の説明】
【００４１】
１  原子炉格納容器
２  スプレー
３  サンプ
４  サンプスクリーン
５  格納容器スプレーポンプ
６  高圧注入ポンプ
７  余熱除去ポンプ
８，９，１１  配管
１０  原子炉炉心
１２  上記発生器
１３  ポンプ
１４  燃料取替用水タンク
１５  バスケット
２０  ケイ酸化合物水溶液供給部
２１  ケイ酸含有水タンク
２２  ポンプ
【図１】
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【図２】
2011013103.tif 000004
【図３】
2011013103.tif 000005
【図４】
2011013103.tif 000006
【図５】
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【図６】
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