(57)【要約】【課題】炉心溶融が発生し、溶融した核燃料が落下して原子炉容器を貫通しても、格納容器の損傷、及びそれによる放射能漏れを防止することができる原子炉装置を提供する。【解決手段】原子炉装置１００は、核燃料１０２及び第１の金属部材２００を収容した原子炉容器１０６と、原子炉容器１０６及び第２の金属部材２０２を収容した格納容器１０８とを備え、第１及び第２の金属部材はそれぞれ、原子炉容器１０６内の底部及び格納容器１０８内の底部の形状に沿って、核燃料よりも融点の低い複数の金属球が配置されて形成され、第１及び第２の金属部材は、溶融した核燃料を埋没させ得る。このような構成により、炉心溶融が発生し、溶融した核燃料が落下して原子炉容器を貫通しても、溶融した核燃料は金属で覆われ、格納容器全体から放熱されるので、溶融した燃料が格納容器を貫通して、放射能漏れを生じることを防止することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料を収容した原子炉容器と、
前記原子炉容器を収容した格納容器と、
前記原子炉容器内の底部に配置された第１の金属部材と、
前記格納容器内の底部に配置された第２の金属部材とを備え、
前記第１の金属部材は、核燃料よりも融点の低い複数の球状の金属が、前記原子炉容器内の底部の形状に沿って配置されて形成され、
前記第２の金属部材は、核燃料よりも融点の低い複数の球状の金属が、前記格納容器内の底部の形状に沿って配置されて形成され、
前記第１及び第２の金属部材は、前記核燃料が溶融した場合に、溶融した核燃料を埋没させ得ることを特徴とする原子炉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炉心溶融の対策が施された発電用の原子炉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉には種々のタイプがある。日本においては商業用原子炉としては、加圧水型軽水炉と、沸騰水型軽水炉が用いられている。何れも、低濃縮ウランを燃料として使用し、原子炉容器内に配置した燃料棒に含まれるウランの核分裂によって発生する熱を、軽水（以下、水という）を循環させて取出して発電に利用する原子炉（以下、水冷却型原子炉という）である。これによって、燃料棒は冷却され、取出された高温の水は発電用タービンの回転に使用される。即ち、沸騰水型軽水炉の場合には、原子炉容器から直接取出される水蒸気が発電用タービンに供給される。加圧水型軽水炉の場合には、原子炉容器から取出される高温の１次冷却水が一旦水蒸気発生装置に供給され、水蒸気発生装置で２次冷却水から生成された水蒸気が発電用タービンに供給される。
【０００３】
水冷却型原子炉では、冷却設備等に何らかの支障が発生し、冷却水が正常に循環されなくなれば、燃料棒を冷却することができなくなり、水が沸騰し、水位が低下して燃料棒が露出する。そのような状態が続けば、燃料棒はさらに高温になり、最悪の場合には燃料棒が溶融する炉心溶融（メルトダウン）に至る。炉心溶融が生じると、高温の溶融した燃料が原子炉容器の下部に落ちて堆積する。堆積した溶融物は原子炉容器の底部を貫通して格納容器の底部に落下し、格納容器をも貫通して放射能漏洩が発生する。
【０００４】
炉心溶融の対策として、種々の提案がなされている。例えば、下記特許文献１には、原子炉容器の下方に配置され、炉心溶融物を保持する保持装置が開示されている。この保持装置は、耐熱層と、この耐熱層よりも圧縮強度の低い衝撃緩和層とを具えている。耐熱層の材料として、炉心溶融物の温度よりも融点の高い材料、例えば、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、イットリウム酸化物、ネオジウム酸化物、リン酸塩系酸化物、タングステン、タンタル、モリブデン、レニウム等が開示されている。衝撃緩和層の材料として、耐熱層よりも圧縮強度が低い材料、例えば、タングステン、タンタル、モリブデン、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、アルミニウム酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、ネオジウム酸化物、ランタン酸化物、イットリウム酸化物、マグネシウム酸化物、リン酸塩化合物、カルシウム酸化物、ケイ素酸化物等が開示されている。
【０００５】
下記特許文献２には、原子炉容器の下方に設けた炉心溶融物保持装置の周りを、水等の冷却材を循環させて、溶融物保持装置を冷却する機構が開示されている。
【０００６】
下記特許文献３には、制御棒が発熱している原子炉の処理方法が開示されている。具体的には、原子炉を擁壁で包囲して注水域を形成し、注水した後に、充填コンクリートを打設することが開示されている。
【０００７】
下記特許文献４には、炉心溶融が生じた場合、原子炉容器の底部に堆積した溶融炉心を構成する酸化物と金属とが分離して層状に堆積する場合があり、溶融炉心の熱が熱伝導率の高い金属層に集中し、原子炉容器が損傷する可能性がある問題を解決するための技術が開示されている。具体的には、原子炉容器内に、炉心の下方に、流路孔を設けたサポートプレートを水平に配置し、熱を伝達するためのヒートパスを設けた構成が開示されている。炉心溶融が生じた場合、炉心溶融物は、サポートプレートの流路孔を通って原子炉容器の底部に落下する。落下した炉心溶融物の熱は、原子炉容器を、その周りを取囲んで冠水させた冷却水によって冷却される。このとき、ヒートパスが溶融炉心に接触してサポートプレートに熱を伝え、サポートプレートが溶融して落下し、溶融炉心に混じるので、金属量が増大し、熱の集中を抑制することができる。これによって、熱の集中による原子炉容器の損傷を防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１９４１２０号公報
【特許文献２】特開２０１３−２９６３号公報
【特許文献３】特開２０１３−５０３９５号公報
【特許文献４】特開２０１１−２３２０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように炉心溶融への対策は種々提案されているが、十分なものではない。
【００１０】
特許文献１〜４は、高機能な部材を用いて保持装置を構成する、又は、複雑な構造物を設けることが必要であり、費用が高額になる問題がある。また、特許文献３及び４では、原子炉容器が、溶融した炉心によって貫通してしまった場合の対策にはならない。
【００１１】
したがって、本発明は、炉心溶融が発生し、溶融した燃料が落下して原子炉容器を貫通しても、格納容器の損傷、及びそれによる放射能漏れを防止することができる原子炉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】
【００１２】
本発明に係る原子炉装置は、核燃料を収容した原子炉容器と、原子炉容器を収容した格納容器と、原子炉容器内の底部に配置された第１の金属部材と、格納容器内の底部に配置された第２の金属部材とを備えている。第１の金属部材は、核燃料よりも融点の低い複数の球状の金属が、原子炉容器内の底部の形状に沿って配置されて形成され、第２の金属部材は、核燃料よりも融点の低い複数の球状の金属が、格納容器内の底部の形状に沿って配置されて形成されている。第１及び第２の金属部材は、核燃料が溶融した場合に、溶融した核燃料を埋没させ得る。
【００１３】
好ましくは、球状の金属は、鉛又は錫で形成されている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、炉心溶融が発生し、溶融した核燃料が原子炉容器内部に落下した場合に核燃料が原子炉容器を貫通することを妨げる。溶融した核燃料は、原子炉容器底部に敷き詰められた金属で覆われるため、溶融した核燃料からの熱は金属を融解するのに使われて核燃料を冷却するとともに、金属と原子炉容器との広い接触面を介して核燃料の熱を原子炉容器全体に伝える結果、原子炉容器全体から放熱される。したがって、溶融した核燃料が原子炉容器を貫通し、放射能漏れを生じることを防止する。さらに、核燃料が原子炉容器を貫通する事態が発生した場合には、格納容器内に落下した核燃料デブリは、格納容器の底部に敷き詰められた金属で覆われてさらに冷却されるとともに、熱を急速に格納容器全体に伝えて放熱する結果、冷却水が停止しても、さらなるメルトスルーが起こることを妨げ、格納容器を健全に維持することを可能にする。
【００１５】
また、炉心溶融の対策を、非常に簡単な構成で、且つ安価に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る原子炉装置の概要を示す断面図である。
【図２】図１の第１の金属部材の構成を示す断面図である。
【図３】溶融した核燃料が第１の金属部材に覆われて安定した状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１８】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る原子炉装置１００は、核燃料（ウラン）を含む複数の燃料棒１０２、複数の制御棒１０４及び第１の金属部材２００を収容した原子炉容器１０６と、原子炉容器１０６及び第２の金属部材２０２を収容した格納容器１０８とを備えている。図１では図示していないが、原子炉装置１００には、発電用の原子炉として機能するための装置が配置されている。
【００１９】
制御棒１０４は、隣接する複数の燃料棒１０２の間に挿入されている。制御棒１０４は、中性子を吸収し、燃料棒１０２中のウランの核反応の制御に使用される。制御棒１０４の挿入量に応じて、核反応によって生成された中性子の吸収量が変化する。燃料棒１０２の間に挿入されている制御棒１０４が抜かれると、制御棒１０４による中性子の吸収量が低減し、核反応が促進する。
【００２０】
原子炉装置１００は、公知の加圧水型軽水炉と同様に、原子炉容器１０６内に１次冷却水（以下、単に冷却水ともいう）が収容されている。格納容器１０８は、冷却水の循環路を形成する循環パイプ、冷却水を加圧する加圧器、及び蒸気発生器等（何れも図示せず）を収容している。冷却水は加圧され、図１の矢印で示すように循環される。燃料棒１０２からの熱によって高温になった１次冷却水は、循環パイプを流れて蒸気発生器に至り、蒸気発生器によって、格納容器１０８の外部から供給される２次冷却水と熱交換し、水蒸気を生成する。生成された水蒸気は、発電用のタービンを回転させるために使用される。
【００２１】
冷却水は、中性子の減速材でもある。また、冷却水中は中性子の吸収材（ホウ素）を含み、その濃度を調整することにより、核反応を制御することができる。
【００２２】
図２を参照して、原子炉容器１０６の底部に配置された第１の金属部材２００は、複数の球状の金属（以下、金属球という）２０４が、鉄（鋼）製の原子炉容器１０６の底部の形状に沿って配置されて形成されている。第２の金属部材２０２も、図２と同様に、鉄（鋼）製の格納容器１０８の底部の形状に沿って、複数の金属球が配置されて形成されている。金属球２０４は、核燃料の融点（ウランの場合１１３２℃、酸化ウランの場合２８６５℃）よりも融点が低い金属、例えば鉛で形成されている。
【００２３】
冷却水の循環パイプは、原子炉容器１０６の底部の下方を避けて配置されていることが好ましい。さらには、原子炉容器１０６の底部と第２の金属部材２０２との間には、損傷した場合に原子炉装置１００の機能及び安全性を損なう部品及び装置が配置されていないことがより好ましい。
【００２４】
原子炉装置１００において、炉心溶融が発生すると、溶融した燃料棒１０２の一部が落下し、原子炉容器１０６の底部に配置された第１の金属部材２００の上に堆積する。堆積した溶融物内では、核反応が制御されないまま持続している。第１の金属部材２００の上に溶融物が落下すると、溶融物の熱は第１の金属部材２００（金属球２０４）に伝わり、第１の金属部材２００は溶融し、溶融物は冷却される。溶融した第１の金属部材２００は原子炉容器１０６と広い面積で接するようになる。鋼製の原子炉容器１０６は熱伝導率が高いので、溶融物からの熱は、速やかに原子炉容器１０６全体に伝わり、原子炉容器１０６の外壁全体から効率よく放熱される。金属球２０４が鉛で形成されている場合、鉛の融点は約３２７℃であり、鋼の融点は約１５００℃である。したがって、溶融物からの熱が原子炉納容器１０６の一部に集中してその部分が溶融し、溶融物が原子炉容器１０６を貫通してしまうことを防止することができる。
【００２５】
万一、溶融物が原子炉容器１０６の底部を貫通した場合に、溶融デブリは第２の金属部材２０２の上に堆積する。したがって、第１の金属部材２００と同様に、第２の金属部材２０２が溶融することによって、熱は格納容器１０８全体の外壁から効率よく放熱されるので、熱が格納容器１０８の一部に集中してその部分が溶融し、溶融デブリが格納容器１０８を貫通してしまうことを防止することができる。
【００２６】
溶融物に含まれる発熱源であるウランの融点での密度（約１７．３ｇ／ｃｍ３）は、鉛の融点での密度（約１０．６６ｇ／ｃｍ３）よりも大きいので、金属球２０４が鉛で形成されている場合、第１の金属部材２００（金属球２０４）の上に落下した溶融物は、図３に示すように、溶融した第１の金属部材（図３において参照番号「２０６」で示す）の内部に沈み込む。溶融物１１０内の核反応によって発生した熱は、溶融した第１の金属部材２０６と原子炉容器１０６との接触面を介して原子炉容器１０６に伝わり、原子炉容器１０６全体の外壁から放熱されるので、溶融物１１０が、溶融した第１の金属部材２０６に埋没した状態で平衡状態となる。
【００２７】
例えば、ウラン１００ｔを使用する場合、１ＭＷの発熱量となる。原子炉容器１０６の放熱量は４〜５ｋＷ／ｍ２であり、原子炉容器１０６の表面積が３００ｍ２であれば、原子炉容器１０６からの１ＭＷの放熱は十分に可能である。
【００２８】
複数の金属球２０４の量は、燃料棒１０２が全て溶融した場合に、溶融物を埋没させて覆うことができる程度の量であることが好ましい。例えば、複数の金属球２０４の総体積は、収容している燃料棒１０２全体の体積よりも大きいことが好ましい。
【００２９】
金属球２０４の大きさは任意である。全て同じ大きさの金属球を配置しても、異なる大きさの金属球を配置してもよい。
【００３０】
また、球状の金属に限定されない。原子炉容器１０６及び格納容器１０８の底部に敷き詰めることができる程度の大きさの金属であれば、形状は任意である。棒状であっても、平板状の金属であってもよい。
【００３１】
なお、放射能の遮蔽効果が高いので、原子炉容器１０６及び格納容器１０８の底部に配置するのは鉛が好ましいが、鉛の一部又は全てを、アルミニウム、錫、又は、ハンダ等の合金で代替してもよい。
【００３２】
上記では、原子炉装置１００が、加圧水型軽水炉である場合を説明したが、これに限定されない。原子炉装置は、水冷却型原子炉であればよく、公知の沸騰水型軽水炉であってもよい。その場合にも、炉心溶融が生じると、燃料棒の溶融物は原子炉容器の底部に堆積し、原子炉容器が貫通した場合には、格納容器の底部に堆積する。したがって、溶融物が堆積する可能性がある、原子炉容器及び格納容器の部分に金属部材（例えば、複数の金属球）を配置すればよい。
【００３３】
以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更して実施することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１００    原子炉装置
１０２    燃料棒
１０４    制御棒
１０６    原子炉容器
１０８    格納容器
１１０    溶融物
２００    第１の金属部材
２０２    第２の金属部材
２０４    金属球
２０６    溶融した第１の金属部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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