(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器の炉底部に設けられた貫通孔を貫通する炉内機器が溶接により固定される溶接部の周囲に配置された断熱部と、
前記断熱部の外表面の少なくとも一部を被うように配置され、前記断熱部を保持する金属カバー部と、
前記断熱部と前記金属カバー部とで形成される空間に設けられ、前記断熱部よりも弾性率が低い低弾性率部と、
前記炉内機器および前記炉底部と前記金属カバー部との間に一定の空隙を設け、前記金属カバー部の上部を前記炉内機器に固定する固定部と、を備えることを特徴とする原子炉圧力容器の炉底部保護構造物。
【請求項２】
前記低弾性率部は、前記断熱部の内周面側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の原子炉圧力容器の炉底部保護構造物。
【請求項３】
前記断熱部は、周方向に分割して設けられ、
前記低弾性率部は、分割された前記断熱部の間に設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子炉圧力容器の炉底部保護構造物。
【請求項４】
前記低弾性率部は、前記断熱部の周縁部に設けることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の原子炉圧力容器の炉底部保護構造物。
【請求項５】
前記断熱部は、多孔質のジルコニアであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の原子炉圧力容器の炉底部保護構造物。
【請求項６】
前記低弾性率部は、繊維状セラミクスであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の原子炉圧力容器の炉底部保護構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、原子炉圧力容器の炉底部を貫通する炉内機器が固定される溶接部を保護する原子炉圧力容器の炉底部保護構造物に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉では、通常、原子炉内の炉水の水位は炉心領域よりも上方にあり、炉心領域にある燃料棒は炉水中に位置している。
【０００３】
配管の不具合等何らかのトラブルにより、炉内への注水が停止して水位が低下して、燃料棒が露出した場合には、水位の低下を検知して非常用炉心注水系による炉内注水を行うことで燃料棒の露出が継続することを防止している。
【０００４】
しかし、地震や津波等による過酷事故が発生して、非常用炉心注水系による炉内注水により燃料棒の露出を防止できない場合、燃料棒の温度が上昇し、最終的には炉心溶融に至るおそれがある。
【０００５】
万一炉心溶融が発生した場合、高温の炉心溶融物が落下して、炉底部に損傷を与える可能性がある。さらに、炉底部の損傷によって炉心溶融物が圧力容器の外部に流出した場合、炉心溶融物が原子炉格納容器内に落下し、コンクリートとの反応により二酸化炭素や水素等の非凝縮性ガスを大量に発生させるとともに、原子炉格納容器に損傷を与えることが考えられる。
【０００６】
このため、万一炉心溶融に至った場合であっても、炉心溶融物を原子炉圧力容器内に保持できれば、炉心溶融物とコンクリートとの反応や原子炉格納容器の損傷を回避することが可能となる。また、炉心溶融物の拡散領域を原子炉圧力容器内に留めることができるため、燃料取出しや廃炉措置に要する時間や費用の大幅な削減につながる。
【０００７】
原子炉圧力容器の炉底部に炉心溶融物が落下して堆積した場合、最も損傷の危険性が高い部位は、原子炉圧力容器の炉底部を貫通する炉内機器（例えば、制御棒駆動機構（ＣＲＤ）ハウジング等）が溶接により固定される溶接部であることが知られている。
【０００８】
溶接部が損傷した場合、この損傷部から炉心溶融物が流出することになる。したがって、溶接部を確実に保護することは、原子炉圧力容器外部への炉心溶融物の流出を防止するために重要と考える。
【０００９】
従来から、炉心溶融が発生した際に、炉心溶融物を原子炉圧力容器の内部に保持するための様々技術が検討されている。特許文献１には、炉底部に複数の通水管を設けて、炉心溶融物と原子炉圧力容器との間に形成されるギャップに注水することで炉心溶融物を効率的に冷却し、炉底部の損傷を防止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−１６２３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、通常、炉内機器は原子炉圧力容器の炉底部に設けられたスタブチューブを介して原子炉圧力容器に溶接され固定されるものであり、溶接部は炉内に突き出た位置に形成される。このため、炉心溶融物と溶接部との間にギャップは形成されないため、特許文献１の技術では、溶接部に接触する炉心溶融物を十分に冷却することはできず、溶接部の損傷を防止するには不十分なものであった。
【００１２】
また、非常に高温な炉心溶融物が炉底部に落下した際、破損すること無く健全に溶接部を保護できる保護構造物を実現することは困難であった。
【００１３】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、原子炉圧力容器の炉底部を貫通する炉内機器が固定される溶接部を、高い健全性で保護する原子炉圧力容器の炉底部保護構造物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】
【００１４】
本発明の実施形態に係る原子炉圧力容器の炉底部保護構造物において、原子炉圧力容器の炉底部に設けられた貫通孔を貫通する炉内機器が溶接により固定される溶接部の周囲に配置された断熱部と、前記断熱部の外表面の少なくとも一部を被うように配置され、前記断熱部を保持する金属カバー部と、前記断熱部と前記金属カバー部とで形成される空間に設けられ、前記断熱部よりも弾性率が低い低弾性率部と、前記炉内機器および前記炉底部と前記金属カバー部との間に一定の空隙を設け、前記金属カバー部の上部を前記炉内機器に固定する固定部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の実施形態により、原子炉圧力容器の炉底部を貫通する炉内機器が固定される溶接部を、高い健全性で保護する原子炉圧力容器の炉底部保護構造物が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態が適用される原子炉圧力容器の概略図。
【図２】（Ａ）第１実施形態に係る炉底部保護構造物の構成を示す拡大断面図、（Ｂ）Ｉ−Ｉの横断面図。
【図３】（Ａ）第１実施形態に係る炉底部保護構造物の第１の変形例を示す拡大断面図、（Ｂ）ＩＩ−ＩＩの横断面図。
【図４】（Ａ）第１実施形態に係る炉底部保護構造物の第２の変形例を示す拡大断面図構成図、（Ｂ）ＩＩＩ−ＩＩＩの横断面図。
【図５】第２実施形態に係る炉底部保護構造物の構成を示す拡大断面図、（Ｂ）ＩＶ−ＩＶの横断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態が適用される、沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器５０の概略図を示している。以下では、原子炉圧力容器５０の炉底部１３を貫通して設けられる炉内機器としてＣＲＤハウジング１２を例に説明を行う。
【００１８】
ＣＲＤハウジング１２は、炉底部１３を貫通して原子炉圧力容器５０の内部に挿入されて、原子炉圧力容器５０に固設される。ＣＲＤハウジング１２内には、その下方から制御棒駆動機構（図示省略）が挿入されて収容されている。そして、この制御棒駆動機構を用いて、制御棒が炉心領域１１に挿入される。
【００１９】
（第１実施形態）
図２（Ａ）は、第１実施形態に係る炉底部保護構造物１０の構成を示す拡大断面図である（図１に示すＡの領域）。そして、図２（Ｂ）は、Ｉ−Ｉの横断面図を示している。
【００２０】
図２（Ａ）に示すように、実施形態に係る原子炉圧力容器５０の炉底部保護構造物１０（以下、保護構造物１０と省略する）は、原子炉圧力容器５０の炉底部１３に設けられた貫通孔２０を貫通するＣＲＤハウジング１２が溶接により固定される溶接部１５の周囲に配置された断熱部１６と、断熱部１６の外表面の少なくとも一部を被うように配置され、断熱部１６を保持する金属カバー部１８と、断熱部１６と金属カバー部１８とで形成される空間に設けられ、断熱部１６よりも弾性率が低い低弾性率部１７と、を備える。
【００２１】
ＣＲＤハウジング１２は、炉底部１３に設けられた貫通孔２０を介して炉内に挿入される。一方、スタブチューブ１４は、炉底部１３の内表面に形成されており、貫通孔２０の近くでは挿入されるＣＲＤハウジング１２と平行に炉内部に突き出て形成されている。
【００２２】
溶接部１５は、炉内部に突き出したスタブチューブ１４の先端とＣＲＤハウジング１２の側面とが溶接により固定される。これにより、ＣＲＤハウジング１２は炉底部１３に固定されて支持される。
【００２３】
保護構造物１０は、溶接部１５の周囲を被うように円筒状に形成されており、その内表面側は溶接部１５を囲むようにＣＲＤハウジング１２及びスタブチューブ１４の外周に沿って形成されている。
【００２４】
断熱部１６は、円筒状に形成されており、溶接部１５の周囲に配置されている。断熱部１６を構成する材料には、炉心溶融が発生した際に生じる炉心溶融物と接触した場合であっても溶融せず、かつ溶接部１５への熱伝導を防止できる、すなわち高融点かつ低熱伝導率な断熱材料が選択される。
【００２５】
具体的には、融点が２５００℃以上で、かつ熱伝導率が２Ｗ／（ｍＫ）以下の断熱材料が望ましい。断熱部１６を構成する断熱材料として、炭化ケイ素、ジルコニウム等が例示される。また、多孔質な断熱材料は、低熱伝導率を実現できるため好適となる。
【００２６】
低弾性率部１７は、断熱部１６の内周側に、断熱部１６と金属カバー部１８とで形成された空間に設けられる。低弾性率部１７を構成する材料には、断熱部１６よりも弾性率が低く、変形能を有する低弾性率な材料が選択される。
【００２７】
また、高融点（概ね２５００℃以上）かつ低熱伝導率（概ね１Ｗ／（ｍＫ）以下）な性質を有して、断熱部１６の断熱性能を阻害しない材料が望ましい。低弾性率部１７を構成する材料として、繊維状ジルコニアや繊維状アルミナや繊維状シリカ等の繊維状セラミクスが例示される。
【００２８】
金属カバー部１８は、断熱部１６と低弾性率部１７とを被うように形成されており、機械的な強度が弱い断熱部１６を金属材料により保持するものである。金属材料として、ステンレス鋼やニッケル基合金等が例示される。
【００２９】
固定部１９は、保護構造物１０の上部に配置されており、保護構造物１０をＣＲＤハウジング１２に固定するための部材である。当該固定は、溶接により行われる。なお、保護構造物１０のＣＲＤハウジング１２への固定は、固定部１９を介して行う構成に限定されず、保護構造物１０とＣＲＤハウジング１２とを直接溶接により固定しても良い。
【００３０】
ここで、低弾性率部１７を設ける効果について説明する。
炉心溶融が発生して、炉底部１３に溶融炉心が堆積した場合には、炉心溶融物から発生する崩壊熱により保護構造物１０の温度が１２００℃程度まで上昇することが想定される。
【００３１】
例えば、断熱部１６の構成材料として多孔質なジルコニアを選択し、金属カバー部１８の構成材料としてステンレス鋼を選択した場合、ジルコニアの熱膨張率は約７×１０−６／Ｋである一方、ステンレス鋼の熱膨張率は約１６．２×１０−６／Ｋとなる。このため、熱膨張率の乖離が大きく、熱膨張差による応力が発生する。
【００３２】
特に、断熱部１６の内周面側には、金属カバー部１８を介してＣＲＤハウジング１２と近接しているため、発生する応力を逃がすことができず径方向に大きな応力がかかることになる。
【００３３】
多孔質な材料は断熱性能の向上を図ることができるが、機械強度は低下するため、熱膨張差による応力により断熱部１６が破損に至る恐れがある。
【００３４】
本実施形態のように、変形能を有する低弾性率部１７を断熱部１６の内周面側に設けることにより、断熱部１６と金属カバー部１８との熱膨張差により生じる径方向の応力を低減させることが可能となる。これにより、万一炉心溶融した場合であっても、断熱部１６と金属カバー部１８との熱膨張差による断熱部１６の破損を防止することが可能となる。
【００３５】
このため、保護構造物１０は、高温環境になった場合であっても破損すること無く保護機能を健全に維持しつつ、炉心溶融物から溶接部１５を保護することができる。
【００３６】
図３（Ａ）は、第１実施形態に係る保護構造物１０の第２の変形例を示す拡大断面図である。そして、図３（Ｂ）は、ＩＩ−ＩＩの横断面図を示している。
【００３７】
図２（Ａ）に示した第１実施形態に係る保護構造物１０と異なる点は、断熱部１６が周方向に分割して設けられ、低弾性率部１７が分割された断熱部１６の間に設けられる点にある。
【００３８】
この変形例では、円筒形状の断熱部１６を複数の分割構造として、その分割構造の断熱部１６の間に低弾性率部１７を形成している。このようにすることで、断熱部１６は円筒形状による拘束から解放されて、低弾性率部１７が有する変形能により、分割構造の断熱部１６に若干の可動域を設けることができる。
【００３９】
これにより、熱膨張差によって金属カバー部１８から断熱部１６に作用する周方向の応力を低減させることができる。
【００４０】
図４（Ａ）は、第１実施形態に係る保護構造物１０の第２の変形例を示す拡大断面図である。そして、図４（Ｂ）は、ＩＩＩ−ＩＩＩの横断面図を示している。
【００４１】
図２（Ａ）に示した第１実施形態に係る保護構造物１０と異なる点は、低弾性率部１７を断熱部１６の周縁部に設ける点にある。
【００４２】
この変形例では、熱膨張差による金属カバー部１８からの応力が集中する断熱部１６の周縁部（角部分）に低弾性率部１７を設けている。これにより、断熱部１６の周縁部にかかる応力を低減させることができ、断熱部１６の破損を確実に防止することができる。
【００４３】
なお、低弾性率部１７の形成方法は、図２〜図４で示した方法に限定されるものでは無く、図２〜図４で示した方法を組み合わせて構成することで、断熱部１６に作用する応力をより効果的に低減させることが可能となる。
【００４４】
（第２実施形態）
図５（Ａ）は、第２実施形態に係る保護構造物１０の構成を示す拡大断面図である。そして、図５（Ｂ）は、ＩＶ−ＩＶの横断面図を示している。なお、第１実施形態と同一な構成については同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００４５】
第１実施形態と異なる点は、固定部１９がＣＲＤハウジング１２と金属カバー部１８とを一定の空隙２１を設けて固定する点にある。具体的には、ＣＲＤハウジング１２と金属カバー部１８との間に２ｍｍ以上の空隙２１を設けて固定する。
【００４６】
この空隙２１を設けることにより、炉心溶融時にＣＲＤハウジング１２の熱膨張が発生した際に、ＣＲＤハウジング１２と保護構造物１０との接触を回避することができる。これにより、ＣＲＤハウジング１２との接触によって生じる断熱部１６への応力を回避することができるため、断熱部１６の破損を防止することができる。
【００４７】
以上述べた各実施形態の原子炉圧力容器の炉底部保護構造物によれば、断熱部材を用いて溶接部を被い保護する保護構造物の一部に低弾性率部を設けることにより、断熱部材に作用する応力を低減できるため、高い健全性で溶接部を保護することができる。
【００４８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００４９】
上記各実施形態では、炉内機器としてＣＲＤハウジング１２に適用する場合について説明したが、ＣＲＤハウジング１２に限定されるものでは無く、炉底部１３に固定される配管や機器、例えばインコアモニタ（ＩＣＭ）ハウジング、炉心差圧計ノズル等の各種計装配管にも適用可能である。
【００５０】
なお、上記各実施形態では、沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器に適用する場合について説朋したが、沸騰水型原子炉に限定されるものでは無く、例えば加圧水型原子炉等の原子炉にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０  炉底部保護構造物
１１  炉心領域
１２  ＣＲＤハウジング（炉内機器）
１３  炉底部
１４  スタブチューブ
１５  溶接部
１６  断熱部
１７  低弾性率部
１８  金属カバー部
１９  固定部
２０  貫通孔
２１  空隙
５０  原子炉圧力容器
【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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