(57)【要約】      （修正有）【課題】溶融燃料を安全に回収する方法を提供する。【解決手段】原子炉格納容器に水８を流しながら液体窒素９などの冷媒を充填し、漏えい個所から漏れている水を凍結し、放射線の漏えいを食い止め、さらに原子炉圧力容器１内及びペデスタル３内床に脱落した燃料デブリ５回りの水を凍結させる。次いで氷中に閉じ込められた燃料デブリを内視鏡のようなプローブ１９先端から高温蒸気又は高温空気を燃料デブリに噴射して燃料デブリを粉砕し、自らの膨張圧力によってプローブ内の圧送管に通し燃料デブリを収納容器に回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心溶融した原子炉圧力容器、原子炉格納容器及び圧力抑制室の内外に水を流しながら、液体窒素、ドライアイス、又は冷却空気などの冷媒を充填し、漏れ出ているキレツや隙間部を水で凍結し、原子炉格納容器及び原子炉圧力容器からの漏れを食い止めることを特徴とする工法。
【請求項２】
圧力抑制室に氷粒、液体窒素、ドライアイス、又は冷却空気などの冷媒を充填し、原子炉格納容器の下部のコンクリートを凍結し、原子炉格納容器下部コンクリート内に侵入している地下水を食い止めることを特徴とする工法。
【請求項３】
燃料デブリの上に銅を含んだ水を、さらにその上部に銅を含んだ氷粒を配置し更にその上部に液体窒素を流す３層の冷却構造が液体窒素を気化し急膨張させることなく安全に燃料デブリを冷却し、燃料デブリを完全に閉じ込めることを特徴とする工法。
【請求項４】
燃料デブリを冷却する熱交換において低温側、高温側ともに熱伝導が高い銅粉を水や氷に混入させることにより、熱伝導と伝達面積が向上させ熱交換する熱量を高めることを特徴とする工法。
【請求項５】
閉じ込められた燃料デブリを内視鏡のようなプローブ先端の噴射ノズルから高温蒸気、高温空気、又は液体窒素を燃料デブリに噴射し燃料デブリを粉砕しプローブ内の圧送管に通し燃料デブリの粉体を収納容器に回収することを特徴とする工法。
【請求項６】
氷粒に銅粉または銃弾型中空形状をした銅材を含めることにより、比重が増し、氷粒は冷却水の底に沈め燃料デブリを覆うことが可能となり、高温高圧水または高温空気を曝されると銅粉は氷から空間に飛び出し、ブラストのように燃料デブリに衝突し、銃弾型の同材料は内部の氷が蒸発することにより推進力を得て銃弾のように燃料デブリに衝突し燃料デブリを細分化することを特徴とする工法。
【請求項７】
高温高圧水または高温空気を曝されると燃料デブリを覆っていた銅と氷も高温になり氷は蒸発しスポンジ状になるが、残った銅が高温高圧に耐える殻を形成することを特徴とする工法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、原子炉において溶融した燃料の回収工法と回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  ２０１１年３月１１日東日本大震災により福島第一原発１号機から３号機まで炉心溶融した。
廃炉措置の第一段として溶融した燃料を回収することが急務となっている。現在、抜本的な工法が見いだされていない。
【先行技術文献】
【０００３】  気中あるいは水中で溶融した燃料を回収する装置は研究レベルで進んでいるものの局部的であり、過程も断片的であり漏れを完全に留めていない為に除染してもすぐに汚染してしまい、隔離から回収までに至る全体を捉えた工法がない。現在、技術研究組合国際廃炉研究開発機構からこれらに代わる燃料デブリ撤去工法が公募されている。
【特許文献】
【０００４】  炉心溶融した燃料を安全に回収する工法は見当たらない。
【発明の概要】
【０００５】  本発明は炉心溶融した原子炉格納容器、圧力抑制室の内外に水を流しながら氷粒、液体窒素、ドライアイス、又は冷却空気などの冷媒を充填し漏れた個所を水が凍結し穴を塞ぎ、漏えいあるいは浸水を食い止める。その後に、原子炉圧力容器、ペデスタル床部に溶け落ちた燃料デブリに一定量注水し、その水面を覆うまでを銅入りの氷粒を投下しさらにその上に液体窒素を流し、燃料デブリを銅と氷を凍結した固体中に密封させ、原子炉圧力容器上部に設置された作業床から燃料デブリまでボーリングを行い、そのボーリングした管に内視鏡のような回収装置のプローブを進入させ、プローブ先端から高温高圧蒸気、高温高圧空気又は液体窒素を燃料デブリに噴射し燃料デブリを粉砕し急激に膨張した気体によって粉砕した燃料デブリをプローブ内の圧送管に通し収納容器に回収するものである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  事故時の爆発により格納容器は膨大な箇所において亀裂があると想定されそのすべての漏れを食い止める必要があること。【０００７】  燃料デブリを冷やしている冷却水が放射化しキレツから建屋外の漏れ大量に地中に浸みこみ汚染が拡大していることに抜本的な対策が必要であること。【０００８】  原子炉格納容器下部コンクリート内に周囲の地下水が侵入し放射能汚染が拡大していることに対し抜本的な対策が必要なこと。【０００９】  燃料デブリを保管中であっても、回収作業中であっても燃料デブリから放出されている気体、液体、及び固体の放射能の流出を食い止め、環境中に放出しないこと。【００１０】  物理的にも放射線に対しても作業員の安全を図ること。【００１１】  燃料デブリを臨界させず安全に回収すること
【課題を解決するための手段】
【００１２】  亀裂ができ漏れが発生している原子炉格納容器、圧力抑制室には水を流しながら氷粒、液体窒素、ドライアイス、又は冷却空気などの冷媒を充填する。【００１３】  燃料デブリが溜まっている原子炉圧力容器及びペデスタルには、注水し，その領域の半分程度まで水位を上げ、銅を混ぜ、水よりも比重を高くし液体窒素で冷却した氷粒をその水面に覆いつくすまで投下する。【００１４】  液体窒素を注入し水と銅を凍結させる。この時液体窒素から気化した窒素はフィルターを通し放射能を除去し大気に放出する。【００１５】  固体中に保存された燃料デブリを内視鏡のようなプローブ先端の噴射ノズルから高温蒸気、高温空気、液体窒素を燃料デブリに噴射する。
【発明の効果】
【００１６】  原子炉格納容器及び原子炉圧力容器内から漏れている冷却水や原子炉格納容器の下部のコンクリートが凍結し、燃料デブリから放出されている気体、液体、及び固体の放射能の流出が止まり、原子炉格納容器下部コンクリート内に周囲から侵入する地下水を阻止する。環境中に放出されていた放射能の放出がほとんどなくなる。【００１７】  氷粒はそのままでは水より軽い為水面に浮かぶが、製作時に銅粉や銃弾型中空銅材を含ませ比重を水より大きくし水底に沈ませ、燃料デブリに直接接するようにする。【００１８】  液体窒素は銅と氷を凍結させ、さらに間接的に燃料デブリを冷却する。この冷却方法は３層構造となっており、第一層は燃料デブリに接し冷却水を浸した銅粉の層であり、第二層はその上部に銅粉を含んだ氷粒を配置し、第三層は液体窒素を流す構造となっている。銅と氷が形成する固体の中に燃料デブリを閉じ込めており、それらの物質を通して液体窒素が外から冷却するので液体窒素が急激に加熱されることはなく気化しても気体が急膨張することなく放射性物質も拡散することもなく安全に燃料デブリを保管できる。
これらの層で下から配置される銅、水、氷、液体窒素の比重が９、１、０．９、０．８と順番に軽くなっていることから、長時間経過しても層の逆転はなく安定して冷却が行える。
各層の状態は予想される。
第一層については燃料デブリとの境界面は燃料デブリからの崩壊熱の為に膜沸騰の状態であり、層の中央部は銅粉が密集し銅粉間の空間に水の気体と液体が混ざった状態である。燃料デブリの境界面は水の蒸発がするので最大１００℃程度と予想される。
この時接している銅も１００℃程度になり、銅の持つ材料特性上、銅はこの時延性が働き、燃料デブリに密着するようになりさらに熱効率が上がる。
第二層については第一層との境界で蒸気の凝縮と氷の液化が平衡しており、層中央部は銅粉と水が凍結している状態である。温度分布は氷なので下部が０℃、液体窒素と接している上部が約−２００℃となりその間の温度は比例していると予想される。
第三層については第二層との境界で液体窒素が気化、膜沸騰しており、層中央部は液体窒素が流れている状態である。温度は約−２００℃である。【００１９】  現状、福島で炉心溶融した原子炉はいずれも直径約４．８ｍのペデスタル床部に脱落した燃料デブリから約１００ＫＷの崩壊熱が発生している。氷粉に熱伝導の高い銅を入れると氷層の熱伝導が高くなり氷と銅の凍結した層の厚さが約７０ｃｍと試算され、圧力殻といえる層が形成され、燃料デブリ回収時に発生する高温高圧の環境下であっても安定した構造となる。【００２０】  現状、福島で炉心溶融した原子炉はいずれも燃料デブリを冷却するために毎時４ｔ以上の冷却水が使われ、そのかなりの部分が建屋に放出されている。
この工法では液体窒素が固定した銅、氷を通して間接的に燃料デブリを冷却しているので、冷却水が不要となる。液体窒素も間接的に冷却しているので気化した窒素に含まれる汚染は少なく、あっても窒素はフィルターを通し放射能を除去され、大気に放出される。格納容器下のコンクリートに侵入していた地下水も凍結され放射能汚染の拡大を阻止している。これらのことから環境に放出された放射能がほとんどなくなる。【００２１】  高温高圧水、高温高圧空気、または液体窒素を固体中に保存された燃料デブリに噴射し粉砕する。粉砕の過程は以下の八通りが想定される。
第一に、燃料デブリは高温高圧の噴射力に直接打撃を受ける。
第二に、燃料デブリは核燃料、ジルカイド、コンクリート、鉄材など様々な物質から構成されそれらの物質は温度膨張率が大きく異なる。冷却した燃料デブリに高温蒸気や高温空気を与えること３００℃から５００℃の温度差が生まれ、互いの物質に熱膨張差から燃料デブリ内で最大１０００Ｎ／ｍｍ２となりほとんどの材料強度を上回る熱応力が発生し物質単位で離反する。
第三に、燃料デブリは溶融時に発生した水素，ガス性ＦＰにより空隙が多数存在していることが知られている。十分に冷却されるとこの空隙の中に水が浸透する。一部は氷になっている。高温高圧蒸気又は高温高圧空気を受けると空隙にあった水あるいは氷が一気に蒸発し空隙内に急激に圧力が高まり空隙の境界を破壊し燃料デブリは内部から破壊される。
第四に、回りの氷も解けて発生した水蒸気や氷片が、気中に舞い上がった燃料デブリに衝突を繰り返し細分化される。
第五に、舞い上がった燃料デブリは氷の壁面に繰り返し衝突することでより細かくなる。
第六に、氷粉に含ませていた銅粉が高温高圧水または高温高圧空気に曝されると、空間に飛び出し、ブラストとなって燃料デブリに衝突する。
第七に、氷粒に含めていた銃弾型中空銅材が高温高圧水または高温高圧空気に曝されると周囲の氷が解け、銃弾型中空鉄材が空間に飛び出し、重みで紡錘面が下向きに転じ、内部の氷が蒸発すると推進力を得て、燃料デブリに正に銃弾のように衝突をする。
第八に、氷の中の空間が大きくなり冷却効果や燃料デブリの回収効果が薄れると、プローブ噴射ノズルから低温高圧水を注入し、燃料デブリ内に水を浸透させたあとプローブ噴射から液体窒素を注入し燃料デブリは凍結し、その際、燃料デブリは急激に収縮することから、温度応力が発生し内部に亀裂が発生し崩壊し易くなる。その後第一から第七の過程を繰り返す。【００２２】  粉砕された燃料デブリは膨張した気体によってプローブ内の圧送管を通じ、収納容器に保管される。【００２３】  高温高圧水または高温高圧空気を曝されると燃料デブリを覆っていた銅と氷は高温となり、氷は蒸発し空間ができ、銅粉は残りスポンジ状になるが、高温高圧に耐え形状を維持する。【００２４】  現状、福島で炉心溶融した原子炉は燃料デブリの発熱量は約１００ｋｗと想定されている。液体窒素から冷やされてできる氷の厚さは約７０ｃｍと推定される。この層の平均比重は６とすると、この層の放射線の遮蔽効果は水の４ｍに相当し燃料デブリから出る放射線を大幅で低減させ、原子炉容器上部の操作床で作業者に対して被ばく量を低減することができる。【００２５】  燃料デブリは粉砕され少量ずつ細管内を圧送され、臨界質量に達しない為に臨界しない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】  図１は漏えいと浸水を食い止め燃料デブリを回収する工法の全体イメージ図である。
【図２】  図２は燃料デブリの冷却方法を示している。
【図３】  図３は回収装置の先端部を示している。
【実施例】
【００２７】  図１は燃料デブリ５を回収している状況を示している全体イメージ図である。原子炉格納容器２、圧力抑制室４に水８や液体窒素９を本工法で設置するペデスタル冷却管１１や圧力抑制室冷却管１３を通じて原子炉格納容器２、圧力抑制室４から漏れている冷却水や原子炉格納容器２の下部のコンクリートを凍結し、燃料デブリ５から放出されている気体、液体、及び固体の放射能の流出を食い止め、原子炉格納容器２の下部コンクリート内に侵入している地下水を食い止める。液体窒素９から気化した窒素１０は窒素排気管１２を排出されフィルターを通し放射能を除去され、大気に放出される。環境中への汚染物質放出はほとんどなくなる．
燃料デブリ５は液体窒素５から３０銅３１氷を通じて間設的に冷却される。詳細は図２で解説する。
燃料デブリ５が固体中に隔離保存されると、                                回収作業に取り掛かれる。原子炉格納容器蓋７と原子炉圧力容器蓋６を解放し、水を張り、凍らせ原子炉圧力容器上部蓋遮蔽用氷１４を作りさらに気密性を保つためにその上部に作業用床鉄板１５を設置する。その鉄板には回収装置及び掘削用ドリル向け管台１６が複数設置され、回収及び掘削のときでも安定して放射能に対して防護する。
作業用床鉄板が敷設されると燃料デブリ５に向けて掘削用ドリル１７を用いて掘削する。
掘削すると、ボーリング孔１８を設置する。このボーリング孔を通して回収装置１９のプローブを挿入する。回収装置１９は図３で解説する。燃料デブリ５は回収装置１９で回収され、
燃料デブリ５は燃料デブリ収納容器２１に収納され、圧送した気体はフィルター２２を通して放射性物質を除去し大気に開放される。【００２８】  図２は燃料デブリ５の冷却方法を示している。ペデスタル３内にペデスタル内冷却管１１から注水し，その領域の半分程度まで水位を上げ、銅を混ぜ、水よりも比重を高くしかつ液体窒素で冷却した銅入り氷粒をその水面に覆いつくすまで投下する。銅入り氷粒は燃料デブリに到達する。その後、液体窒素を注入し銅と水を冷却し凍結させる。
銅と水蒸気と水の混合層２３と銅と氷の混合層２４と液体窒素の層２５の３層が形成され燃料デブリ５が冷却保存される。【００２９】  図３は回収装置の先端部を示している。固体中に保存された燃料デブリを内視鏡のようなプローブ先端から高温蒸気、高温空気、液体窒素を燃料デブリに噴射し燃料デブリを粉砕し自らの膨張圧力によってプローブ内の圧送管に通し燃料デブリを原子炉圧力容器上部に配置した収納容器に回収するものである。噴射ノズル２６から高温高圧水、高温高圧空気、液体窒素が放出される。ＴＶカメラ２７を配置し遠隔監視する。線量計２８を装着する、粉砕された燃料デブリは膨張した気体により圧送管２９を通して回収される。
【産業上の利用可能性】
【００３０】  高温の危険物の除去や熱交換の効率向上にこの発明は利用可能である。
【符号の説明】
【００３１】１．原子炉圧力容器
２．原子炉格納容器
３．ペデスタル
４．圧力抑制室
５．燃料デブリ
６．原子炉圧力容器蓋
７．原子炉格納容器蓋
８．水
９．液体窒素
１０．窒素
１１．ペデスタル冷却管
１２．窒素排気管
１３．圧力抑制室冷却管
１４．原子炉圧力容器上部遮蔽用氷
１５．作業用床鉄板
１６．回収装置及び掘削用ドリル向け管台
１７．掘削用ドリル
１８．ボーリング孔
１９．回収装置
２０．回収装置先端部
２１．燃料デブリ収納容器
２２．フィルター
２３．銅と水蒸気と水の混合層
２４．銅と氷の混合層
２５．液体窒素の層
２６．噴射ノズル
２７．ＴＶカメラ
２８．線量計
２９．圧送管
３０．銅
３１．氷
【図１】
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【図２】
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【図３】
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