(57)【要約】  本発明は、耐圧性の原子炉シュラウド（１２）により気密封止された内側スペース（１４）と、当該原子炉シュラウド（１２）を貫通する少なくとも１つの圧力逃し開口部（１６）と、前記内側スペース内の過剰昇圧時に当該圧力逃し開口部（１６）から出たガス質量流（２０，４６，４８）を濾過するための乾式フィルタ（１８）とを有する原子炉用圧力逃し濾過システム（１０）に関し、その濾過効率は、当該乾式フィルタ（１８）内における当該ガス質量流（２０，４６，４８）の平均滞留時間と、実際の露点に対する当該ガス質量流（２０，４６，４８）の温度間隔との双方に依存し、前記原子炉用圧力逃し濾過システムはさらに、前記圧力逃し開口部（１６）と前記乾式フィルタ（１８）とを接続する流路（２２，４４）を有する。流路（２２，４４）には、流体工学的に乾式フィルタ（１８）より上流に、受動的な絞り部（２４，４２）が設けられている。本発明はさらに、これに対応する、絞り部（２４，４２）および乾式フィルタ（１８）の設計方法にも関する。
2015514975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力逃し濾過システム（１０）であって、
・耐圧性の原子炉シュラウド（１２）により気密封止された内部スペース（１４）と、
・前記原子炉シュラウド（１２）を貫通する少なくとも１つの圧力逃し開口部（１６）と、
・前記内部スペース（１４）において過剰昇圧が生じたときに前記圧力逃し開口部（１６）から出るガス質量流（２０，４６，４８）に対する乾式フィルタ（１８）であって、濾過効率が、当該乾式フィルタ（１８）における当該ガス質量流（２０，４６，４８）の平均滞留時間、および、当該ガス質量流（２０，４６，４８）の温度と各露点との温度差の双方に依存する乾式フィルタ（１８）と、
・前記圧力逃し開口部（１６）と前記乾式フィルタ（１８）とを接続する流路（２２，４４）と
を有する原子炉圧力逃し濾過システム（１０）において、
前記流路（２２，４４）内において、流体工学的に前記乾式フィルタ（１８）より上流に、受動的な絞り部（２４，４２）が設けられている
ことを特徴とする原子炉圧力逃し濾過システム（１０）。
【請求項２】
前記受動的な絞り部（２４，４２）は、流体工学的に前記乾式フィルタ（１８）の直ぐ上流に設けられている、
請求項１記載の原子炉圧力逃し濾過システム。
【請求項３】
前記流路（２２，４４）の入口領域に、当該流路（２２，４４）を気密封止する破裂板が設けられており、
前記破裂板は、所定の破裂圧力を超えると破裂するように構成されている、
請求項１または２記載の原子炉圧力逃し濾過システム。
【請求項４】
前記流路（２２，４４）の、前記絞り部（２４，４２）と乾式フィルタ（１８）との間の領域の壁（５０）は、少なくとも局所的に熱絶縁（５２）されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の原子炉圧力逃し濾過システム。
【請求項５】
前記流路（２２，４４）において、流体工学的に前記絞り部（２４，４２）より上流に、受動的な圧力逃し弁（２８）が設けられており、
前記圧力逃し弁（２８）は、所定の最大圧を超えると開弁し、所定の最小圧を下回ると閉弁する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の原子炉圧力逃し濾過システム。
【請求項６】
前記乾式フィルタ（１８）は、気体状のヨウ素を分離するモレキュラーシーブである、
請求項１から５までのいずれか１項記載の原子炉圧力逃し濾過システム。
【請求項７】
前記濾過効率が近似的に一定であることを保証するように、実際のガス質量流を考慮して前記絞り部（２４，４２）と前記乾式フィルタ（１８）とが相互に調整されている、
請求項１から６までのいずれか１項記載の原子炉圧力逃し濾過システム。
【請求項８】
流体工学的に前記絞り部（２４，４２）より上流にエアロゾルフィルタ（３０）が設けられている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の原子炉圧力逃し濾過システム。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項記載の原子炉圧力逃し濾過システム（１０）用の絞り部（２４，４２）および乾式フィルタ（１８）の設計方法において、
・前記内部スペース（１４）の圧力が予め定められた圧力である場合に圧力逃しを開始すると所望のガス質量流（２０，４６，４８）が生じるように、前記絞り部（２４，４２）を設計するステップと、
・所与の絞り部（２４，４２）の場合の、前記内部スペース（１４）の種々の圧力状態におけるガス質量流（２０．４６，４８）と、実現可能な露点間隔とを求めるステップと、
・実際の濾過効率を考慮して、種々の各圧力状態に対応してそれぞれ、前記乾式フィルタにおける最低限必要な各滞留時間を決定するステップと、
・前記種々の圧力状態のどれにおいても、前記最低限必要な滞留時間を実現できるように、前記乾式フィルタを設計するステップと
を有することを特徴とする設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐圧性の原子炉シュラウドにより気密封止された内側スペースと、当該原子炉シュラウドを貫通する少なくとも１つの圧力逃し開口部と、前記内側スペース内の過剰昇圧時に当該圧力逃し開口部から出たガス質量流を濾過するための乾式フィルタとを有する原子炉用圧力逃し濾過システムに関し、その濾過効率は、当該乾式フィルタ内における当該ガス質量流の平均滞留時間と、実際の露点に対する当該ガス質量流の温度間隔との双方に依存し、前記原子炉用圧力逃し濾過システムはさらに、前記圧力逃し開口部と前記乾式フィルタとを接続する流路を有する。本発明はさらに、これに対応する、絞り部および乾式フィルタの設計方法にも関する。
【０００２】
原子力発電所は、通常は少なくとも、気密封止された鋼製格納容器（Confinement）を有するが、大抵は、気密封止された耐圧性の原子炉格納容器（Containment）を、すなわち、原子炉圧力容器（Containment）と共に１次循環回路を包囲する原子炉シュラウドを有することが周知である。この原子炉シュラウドないしは原子炉格納容器（ＲＣＶ）または閉じ込め容器は、エアロゾル状の放射性物質や気体状の放射性物質に対するバリアとして機能し、動作中および設計基準事故時に、このような放射性物質が周辺へ流出するのを確実に阻止するものである。
【０００３】
設計を超える事故時、たとえば、余熱除去のためのすべてのシステムが長期間機能不全になった場合、ＲＣＶにて許容範囲を超える昇圧が生じて機能不全にまで至ってしまう。このような機能不全を阻止し、ひいては大量の放射能が放出されるのを阻止するため、制御および濾過しながら圧力逃しを行うためのシステムを設置した原子力発電所が幾つかある。
【０００４】
濾過しながら圧力を逃がす公知の方法の１つに、いわゆる乾式濾過法がある。この手法では、ガス質量流がＲＣＶ内から、まず最初に、エアロゾル状の核分裂生成物を分離するための金属繊維フィルタに通され、その後、気体状のヨウ素（元素または有機物）を分離するためのいわゆるモレキュラーシーブに通されてから、発電所の周辺へ放出される。前記金属繊維フィルタは、エアロゾルフィルタとも称される。このような濾過により、核分裂生成物の大部分が制止される。このことにより、住民の短期間または長期間の避難や、汚染により土地を失ってしまう事態の大部分を回避することができる。
【０００５】
公知技術では上述のモレキュラーシーブは、銀ドープされた球状のゼオライトのバンクを有する複数の濾過床を有する。ゼオライトのミクロ細孔の多孔率は高いので、ゼオライトの比表面積は非常に大きい。その濾過作用は、ゼオライトの有効な全表面に設けられた銀と、ガス質量流中に含まれる気体状のヨウ素との反応に基づく。この過程は化学的収着として知られている。
【０００６】
モレキュラーシーブの濾過効率は基本的に、濾過対象のガスが濾過床に滞留する時間と、銀分子が被着された有効なゼオライト表面積とに依存する。この有効な銀表面積の大部分は、ゼオライト細孔内部に存在する。ガス中の水分が上昇すると、このミクロ細孔の一部に水分が充填され、これにより、ガスで輸送されるヨウ素に対する表面積が縮小し、この表面積の縮小により、反応に有効な銀が少なくなってしまう。したがって、湿度が上昇したり、露点までの温度間隔が小さくなるほど、濾過器の効率は低下していく。
【０００７】
原子炉シュラウド内からの圧力逃しを開始すると、当該原子炉シュラウドにより包囲されたスペース内の内圧が低下し、この圧力逃しが進行するにつれて初期のガス質量流は減少していく。それゆえ、ガス質量流がモレキュラーシーブないしは乾式フィルタに滞留する時間は、圧力逃しの開始時には特に短いので、これに応じて乾式フィルタを大きく設計しなければならず、よって、圧力逃しが終わりに近づくときに減少する質量流には、このように大きく設計された乾式フィルタは著しく過剰なサイズとなってしまう。
【０００８】
また、乾式フィルタをより活用するために、ガス質量流を人の手により能動的に調整しなければならないようにもなっている。このことは特に、完全停電や、人が入れない状況といった想定しなければならないシナリオに鑑みると不都合であり、人の手により能動的に調整しなければならないということは、システムを必要なときに使用できないこと、または、最適に使用できないことにも繋がる。
【０００９】
それゆえ本発明の課題は、人間の介入無しで、また、外部エネルギー供給や媒体エネルギー供給無しで、規定通りの圧力逃しを行うことができ、かつそのときに、圧力逃しプロセス全体を通じて高い濾過効率を示す原子炉圧力逃し濾過システムを実現することである。
【００１０】
前記課題は、冒頭に述べた形式の原子炉圧力逃し濾過システムにより解決される。この原子炉圧力逃し濾過システムは、流体工学的に前記流路中において乾式フィルタより上流に受動的な絞り部を設けたことを特徴とする。
【００１１】
前記方法は基本的に、乾式フィルタより上流のガス質量流を減圧させるための受動的な絞り部を使用することに基づいている。この絞り部は、圧力逃しの開始時に、原子炉シュラウドの内部スペースの圧力が規定の圧力である場合、所望の圧力逃し質量流を生じさせるように構成されている。システム内における圧力損失の大半はこの絞り部において生じるので、乾式フィルタより上流の静圧は準大気圧である。原子炉シュラウドの内部スペースと、濾過処理後のガス質量流が圧力逃し時に放出される先である周辺大気との間の圧力差が高いことにより、前記絞り部の内側には臨界的な流れ状態が生じる。この減圧プロセスにより、ガス質量流の、または典型的には蒸気／ガス混合気の過熱が実現される。
【００１２】
絞り部内のこのような臨界的な流れ状態により、圧力逃しを行っているときのガス質量流は、原子炉シュラウドの内部スペース内の圧力にほぼ比例するようになる。内部圧力が高い場合の圧力逃しの開始時には、質量流量は比較的多く、圧力逃しが終了に近づいて内圧が低くなると、質量流量は比較的少なくなる。また、圧力逃しの開始時に実現可能な露点間隔は、ガス質量流の過熱に起因して大きくなり、圧力逃しが終了に近づくにつれて、実現可能な露点間隔は比較的低くなる。
【００１３】
乾式フィルタの濾過効率に関しては、両作用は相互に逆方向である。すなわち有利には、相互に対抗し合い、理想的な場合には相殺し合う。したがって、圧力逃しの開始時にはガス質量流が多いことにより、乾式フィルタにおける滞留時間が特に短くなるが、ガス質量流の温度が高く、これにより露点間隔が大きいことにより、乾式フィルタの効率は特に高くなる。
【００１４】
このようにして有利には、人間の介入無しで、また、外部エネルギー供給や媒体エネルギー供給無しで、規定通りの圧力逃しを行うことができ、かつそのときに、圧力逃しプロセス全体を通じて高い濾過効率を示す原子炉圧力逃し濾過システムが実現される。
【００１５】
本発明の原子炉圧力逃し濾過システムの特に有利な実施形態では、前記受動的な絞り部は、流体工学的に乾式フィルタの直ぐ上流に設けられている。この絞り部においてガス質量流は減圧により加熱し、本発明では、このようにして加熱したガス質量流が乾式フィルタに入る前に冷却するのを回避するため、当該絞り部と乾式フィルタとの距離を小さく抑える。例えば、流れ距離は数ｍであるのが特に適していると考えられるが、それ以上でも十分である。このようにして、有利には濾過効率が上昇する。
【００１６】
原子炉圧力逃し濾過システムの他の１つの実施形態では、前記流路を気密封止する破裂板を当該流路の入口領域に設ける。この破裂板は、所定の破裂圧力を超えると破裂するように構成されている。
【００１７】
このような構成により、本発明の原子炉圧力逃し濾過システムにおける圧力逃しは、公知の構成と異なって、炉心シュラウドの内部圧力が規定の圧力になると前記破裂板の破裂により完全に受動的に作動されるようになっている。これにより有利には、アクティブ部品を回避することができる。
【００１８】
圧力逃し濾過システムの本発明の他の１つの実施形態では、前記流路の、絞り部と乾式フィルタとの間の領域の壁は、少なくとも局所的に熱絶縁されている。これによっても、加熱したガス質量流の冷却が小さくなり、濾過効率が上昇するという利点が奏される。この実施形態はたとえば、構造上の理由により絞り部と乾式フィルタとを直ぐ近くに設置することができず、たとえば数十ｍの距離を跨がなくてはならない場合に有利である。
【００１９】
本発明の１つの実施形態では、前記流路において流体工学的に前記絞り部より上流に、受動的な圧力逃し弁を設ける。この圧力逃し弁は、所定の最大圧を超えると開弁し、所定の最小圧を下回ると閉弁するものである。
【００２０】
前記圧力逃し弁は完全に受動的に、たとえばバネ部材により、すなわち、開閉弁エネルギーの供給なしで動作し、ヒステリシス特性を有する。これにより、原子炉シュラウドの内部スペース内の圧力が所望の最小圧になったときに圧力逃しプロセスが終了するのを、完全に受動方式で保証することができる。このようにして、原子炉シュラウドの損傷の原因となる負圧形成が生じる場合には、この負圧形成前に原子炉シュラウドを保護することができる。
【００２１】
原子炉圧力逃し濾過システムの特に有利な実施形態では、前記乾式フィルタは、気体状のヨウ素を分離するためのモレキュラーシーブである。このようなタイプのフィルタは、既存の圧力逃し濾過システムにおいて実績があるフィルタであり、その濾過効率は、当該フィルタにおけるガス質量流の平均滞留時間、および、ガス質量流の温度と各露点との温度差との双方に依存する。
【００２２】
本発明の他の１つの実施形態では、濾過効率が近似的に一定であることを保証し、上述のパラメータの、ガス質量流の平均滞留時間、および、当該ガス質量流の温度と各露点との温度差がほぼ相殺されるように、実際のガス質量流および圧力状態を考慮して前記絞り部と乾式フィルタとは相互に調整されている。このような構成により、圧力逃しプロセス中にどのような圧力状態が生じても、乾式フィルタは最適な領域で動作する。
【００２３】
本発明の他の１つの実施形態では、流体工学的に前記絞り部より上流にエアロゾルフィルタが設けられている。エアロゾルフィルタは、エアロゾル状の核分裂生成物を分離するための金属繊維フィルタであり、既存の圧力逃し濾過システムにおいて実績のあるフィルタである。
【００２４】
本発明の前記課題は、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧力逃し濾過システム用の絞り部および乾式フィルタの設計方法によっても解決され、当該設計方法は以下のステップを特徴とする：
・前記内部スペースの圧力が予め定められた圧力である場合に圧力逃しを開始すると所望のガス質量流が生じるように、前記絞り部を設計するステップ。
・所与の絞り部の場合の、前記内部スペースの種々の圧力状態におけるガス質量流と、実現可能な露点間隔とを求めるステップ。
・実際の濾過効率を考慮して、種々の圧力状態に対応して、前記乾式フィルタにおける最低限必要な各滞留時間を決定するステップ。
・前記種々の圧力状態のどれにおいても、前記最低限必要な滞留時間を実現できるように、前記乾式フィルタを設計するステップ。
【００２５】
この絞り部は、圧力逃しの開始時に、原子炉シュラウドの内部スペースの圧力が規定の圧力である場合、所望の圧力逃し質量流を生じさせるように調整される。こうするためにはまず最初に、原子炉シュラウドの内部スペースの圧力に依存してガス質量流と実現可能な露点間隔とを求める。これら２つのパラメータから、たとえばゼオライト等の既知の濾過効率曲線を用いて、圧力逃しのプロセス全体を通じて必要な、ガス質量流の滞留時間を求める。次に、圧力逃しプロセス全体を通じて必要な滞留時間に達するように、たとえばモレキュラーシーブの濾過床等の深さおよび流入面積を設計する。このようにして奏される利点は、本発明の圧力逃し濾過システムの記載において既に説明した通りである。
【００２６】
他の従属請求項から、他の有利な実施態様が明らかである。
【００２７】
図面に示した実施例に基づき、本発明、他の実施形態および他の利点を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】原子炉圧力逃し濾過システムの一実施例を示す。
【図２】絞り部を有する流路の一例を示す。
【図３】圧力逃しプロセス中の滞留時間、露点間隔および濾過効率の推移を概略的に示す。
【００２９】
図１は、原子炉圧力逃し濾過システム１０の一例を概略的に示す図である。原子炉シュラウド１２により内部スペース１４が気密に封入されている。この内部スペース１４内に原子炉３４が設置されており、事故時にはこの原子炉３４によって、特に水が蒸発して水蒸気になることにより、過剰昇圧が生じる。分析および試験を行った結果、重大事故が発生すると、原子炉内の温度は少なくとも、水蒸気分圧の飽和温度の高さにまでなることが分かっている。
【００３０】
この実施例では、圧力逃しのプロセスは破裂板２６の破裂により開始される。この破裂板２６は初期状態では、流路２２を内部スペース１４に対して気密封止しているものである。この破裂板２６は、所定の破裂圧力で破裂し、これにより流路２２を開放する完全に受動的な部材である。このようにして流路２２が開放されると、内部スペース１４と周辺とで圧力状態が異なることに起因してガス質量流２０が生じる。圧力逃し時には、このガス質量流２０はエアロゾルフィルタ３０を通って排出流路に入り、原子炉シュラウド１２の圧力逃し開口部１６を通って外部に出て流路２２内に導かれる。
【００３１】
この実施例では、ガス質量流２０はまず最初に、電動または手動で作動する建屋隔離系３２を通過する。しかし、この建屋隔離系３２は標準的には開いているものであり、本発明に重要なものではない。次に、たとえば数十ｍの流路長を通過した後、ガス質量流２０は受動的な圧力逃し弁２８へ導かれる。この圧力逃し弁２８は、所定の最大圧を超えると開弁し、所定の最小圧を下回ると閉弁する。破裂板２６が破裂して圧力補償が生じたときに直ちに圧力逃し弁２８が開弁するためには、破裂板２６の破裂圧を必ず、圧力逃し弁２８の最大圧より高くしなければならない。
【００３２】
ガス質量流２０は次に絞り部２４を通過する。この絞り部２４は、流路２２の流れ断面を狭くするものである。絞り部はたとえば、無段階で調整可能なバルブ手段により実現することができ、また、環状の狭窄部材等によっても実現することができる。絞り部の内部スペース側では、内部スペース１４内部と近似的に等しい圧力が優勢であり、当該絞り部２４の内部ではガス質量流２０の減圧が生じ、それと同時に蒸気の乾燥が、すなわち、露点とガス質量流温度との間の温度差の増大が生じる。このようにして加熱したガス質量流２０は、絞り部２４を通過した直後に乾式フィルタ１８内に入る。この乾式フィルタ１８は、この実施例ではヨウ素をフィルタリングするためのモレキュラーシーブである。有利には、たとえば数ｍの直近領域が、ガス質量流の有意な冷却を回避することができ、露点までの温度差が大きくなる。このようにして、有利には濾過効率が上昇する。その後、この濾過処理されたガス質量流は周辺へ排出される。このようにして、前記内部スペースの圧力は漸次的に消失していく。
【００３３】
圧力逃し弁２８はヒステリシス特性を有し、予め設定可能な最小圧を下回ると上述の圧力補償プロセスを終了させる。再び昇圧して上記最大圧を超える場合には、必要に応じて前記圧力逃し弁２８を再び開弁することにより、新たな圧力補償プロセスを開始させる。
【００３４】
図２は、絞り部が設置された流路の一例を示す部分図４０である。流路４４は内壁５０により包囲されている。同図の中央に、流路４４の流れ断面を縮小するための絞り部２４が配置されている。原子炉側にて生じたガス質量流４６は比較的高い圧力を有し、前記絞り部を通過するときに減圧されてこのときに加熱され、他方の側においてガス質量流４８として出て行き、同図中に示していない乾式フィルタへ供給される。乾式フィルタへ向かう途中で、上述のように加熱したガス質量流の温度損失が生じるのを回避するため、本実施例では、流路４４の熱絶縁部５２が設けられている。
【００３５】
図３は、圧力状態６８が変わっていく本発明の圧力逃しプロセス中における滞留時間６２と、露点間隔６６と、濾過効率６４とを概略的に示す無次元のグラフ６０である。この圧力逃しプロセスは、符号７０により示されたような最大圧になると開始する。前記絞り部は、この最大圧になると所望のガス質量流が生じるように構成されている。その後にシステム圧が低下すると、ガス質量流の加熱が徐々に小さくなっていき、露点間隔６６が縮小していく。しかし他方では、乾式フィルタにおける滞留時間６２は長くなっていくので、両作用は相殺し合い、理想的には濾過効率６６は一定に高く保たれる。
【符号の説明】
【００３６】
１０  一例の原子炉圧力逃し濾過システム
１２  原子炉シュラウド
１４  内部スペース
１６  原子炉シュラウドの圧力逃し開口部
１８  乾式フィルタ
２０  ガス質量流
２２  流路
２４  受動的な絞り部
２６  破裂板
２８  受動的な圧力逃し弁
３０  エアロゾルフィルタ
３２  建屋隔離系
３４  原子炉
４０  絞り部を設置した流路の一例
４２  絞り部の一例
４４  流路
４６  絞り部を通過する前のガス質量流
４８  絞り部を通過した後のガス質量流
５０  流路の壁
５２  流路の熱絶縁部
６０  圧力逃しプロセス中の滞留時間、露点間隔および濾過効率の概略的な推移
６２  滞留時間
６４  濾過効率
６６  露点間隔
６８  乾式フィルタにおける種々の圧力状態
７０  圧力逃しの開始点
【図１】
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【図２】
2015514975.tif 000004
【図３】
2015514975.tif 000005
【国際調査報告】
2015514975.tif 000006
2015514975.tif 000007
2015514975.tif 000008
2015514975.tif 000009
2015514975.tif 000010
2015514975.tif 000011