(57)【要約】【課題】この発明は、高圧体系内に、冷却材を注入するＥＣＣＳを必要としない原子炉を提供することを課題とする。【解決手段】内部に炉心２３を有するカセット２が２つの同心円上にそれぞれ６本ずつ配置され、その上方には、いずれかのカセット２と連通した３つの蒸気発生器３が設けられ、ライザー管５および復水管６を介してカセット２と接続されている。カセット２の炉心の１００％運転時の発熱量は、格納容器１の自然冷却による放熱量との関係を考慮して定められ、カセット２、ライザー管５、蒸気発生器３および復水管６は、ともに内部が大気圧下にある格納容器１内に配置されている。ＬＯＣＡ発生時には、キャップ２０が溶融することにより、水遮へい槽１１の水１６が連通管１９を介してカセット２の周辺の空間１８に流入する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心を内蔵するカセット、ライザー管、蒸気発生器、復水管の順に接続され、それらの内部を一次冷却材が循環し、蒸気発生器で一次冷却材と二次冷却材とが熱交換を行って、二次冷却材を沸騰させる一次冷却系を備える原子炉において、
前記カセット、前記ライザー管、前記蒸気発生器および前記復水管は、内部が大気圧下にある格納容器内に設けられていることを特徴とする原子炉。
【請求項２】
前記カセットの周囲には空気で満たされる空間が形成され、
冷却材喪失時において、前記カセットは、前記空間に流入する水により０．５ＭＰａ程度までの低圧力下で冷却される請求項１に記載の原子炉。
【請求項３】
前記カセットの周囲には空気で満たされる空間が形成され、
冷却材喪失時において、前記カセットは、前記空間に流入する湿分の高い空気により０．５ＭＰａ程度までの低圧力下で冷却される請求項１または２に記載の原子炉。
【請求項４】
水を貯留する水遮へい槽と、
この水遮へい槽および前記空間を連通する連通管と、
この連通管を非連通にする栓部材と
を備え、
冷却材喪失時において、前記栓部材が融けて前記連通管を連通させ、
前記水遮へい槽の水が前記空間に供給されて
前記カセットを冷却する請求項２または３に記載の原子炉。
【請求項５】
前記カセットは、
前記炉心を内蔵する圧力管と、
この圧力管の内壁および前記炉心の外周の間に、前記一次冷却材が流通する流路と
を備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載の原子炉。
【請求項６】
前記カセットは、
前記炉心を内蔵する圧力管と、
前記カセット上下に開口部が設けられ、前記炉心の外周から一の開口部を経て前記カセット外の蒸気発生器を経由し他の開口部から前記カセットに循環する一次冷却材流通通路と
を備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載の原子炉。
【請求項７】
前記カセット、前記ライザー管、前記蒸気発生器および前記復水管は、前記格納容器内に複数設けられ、
前記カセット、前記ライザー管および前記復水管は、前記蒸気発生器の一つに連通し他の前記蒸気発生器には連通しない状態で接続された熱除去系を、前記連通した蒸気発生器とともに構成する請求項１〜６のいずれか一項に記載の原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、原子炉に関し、とくに、冷却材喪失事故に対応した非常用炉心冷却系設備を必要としない複数の炉心を有するマルチ型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉では、核分裂反応が維持されていない停止状態においても、核分裂によって生成された様々な核種の自然崩壊によって熱(崩壊熱)が発生する。そのため、従来の原子炉では、事故時も含め崩壊熱を除去できる設計を採用している。沸騰水型軽水炉、加圧水型軽水炉のいずれにおいても、水冷却原子炉は高圧下で運転されているが、配管破断等の事故で減圧沸騰により瞬時に冷却材が喪失し、炉心の熱を除去することができなくなるような炉心冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）を想定し、炉心冷却能力を確保するために非常用炉心冷却系設備（以下、ＥＣＣＳと呼ぶ）を設けている。このようなＥＣＣＳに相当する設備を備え圧力格納容器冷却システムが特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２１４０８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＥＣＣＳは、事故時の過酷な条件下において、原子炉を安全、確実に冷却する必要があるため、その設備は高い信頼性を有することが要求され、原子炉の建設費のうち、ＥＣＣＳの設備に要する費用が主要な割合を占めている。
一方、現実的に起こりうるとは考えられないが、万々が一の事故発生時にＥＣＣＳが動作しなかった場合を想定し、ＥＣＣＳそのものの損傷に起因する事故発生リスクを低減するための多重化によりさらに設備の増加が必要となる。
【０００５】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、高圧体系内に、冷却材を注入するＥＣＣＳそのものを必要としない原子炉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】
【０００６】
この発明に係る原子炉は、炉心を内蔵するカセット、ライザー管、蒸気発生器、復水管の順に接続され、内部を一次冷却材が循環し、蒸気発生器で一次冷却材と二次冷却材とが熱交換を行って、二次冷却材を沸騰させる一次冷却系を備える原子炉において、前記カセット、前記ライザー管、前記蒸気発生器および前記復水管は、内部が大気圧下にある格納容器内に設けられていることを特徴とするものである。
前記カセットの周囲には空気で満たされる空間が形成され、冷却材喪失時において、前記カセットは、前記空間に流入する水により０．５ＭＰａ程度までの低圧力下で冷却されるように構成してもよい。
前記カセットの周囲には空気で満たされる空間が形成され、冷却材喪失時において、前記カセットは、前記空間に流入する湿分の高い空気により０．５ＭＰａ程度までの低圧力下で冷却されるように構成してもよい。
水を貯留する水遮へい槽と、この水遮へい槽および前記空間を連通する連通管と、この連通管を非連通にする栓部材とを備え、冷却材喪失時において、前記栓部材が融けて前記連通管を連通させ、前記水遮へい槽の水が前記空間に供給されて前記カセットを冷却することもできる。
前記カセットは、前記炉心を内蔵する圧力管と、この圧力管の内壁および前記炉心の外周の間に、前記一次冷却材が流通する流路とを備えてもよい。
また、前記カセットは、前記炉心を内蔵する圧力管と、前記カセット上下に開口部が設けられ、前記炉心の外周から一の開口部を経て前記カセット外の蒸気発生器を経由し他の開口部から前記カセットに循環する一次冷却材流通通路とを備えるようにしてもよい。
前記カセット、前記ライザー管、前記蒸気発生器および前記復水管は、前記格納容器内に複数設けられ、前記カセット、前記ライザー管および前記復水管は、前記蒸気発生器の一つに連通し他の前記蒸気発生器には連通しない状態で接続された熱除去系を、前記連通した蒸気発生器とともに構成するようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る原子炉によれば、炉心を内蔵するカセット、ライザー管、蒸気発生器、復水管の順に接続され、内部を一次冷却材が循環し、蒸気発生器で一次冷却材と二次冷却材とが熱交換を行って、二次冷却材を沸騰させる一次冷却系を備え、カセット、ライザー管、蒸気発生器および復水管は、内部が大気圧下にある格納容器内に設けられて、ＥＣＣＳそのものを不要とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態に係る原子炉の斜視図を図１に、立断面図を図２に、平面図を図３に示す。
格納容器１の中心部には、炉心を内蔵したカセット２が径の異なる２つの同心円上（図３参照）にそれぞれ６本ずつ配置され、いわゆるマルチ型原子炉の形態をなしている。カセット２の上方には、３つの蒸気発生器３が配置され、格納容器１の内壁に支持されたメンテナンス台４に固定されている。カセット２の上部からは、ライザー管５が上方に延び、複数のライザー管５が途中で統合して蒸気発生器３の上部に接続される。
蒸気発生器３の側方下部からは復水管６が水平に延び、カセット２に接続される。ライザー管５、復水管６は、それぞれ蒸気発生器３の一次側の入口、出口に接続され、これらの管を通って一次冷却材がカセット２および蒸気発生器３を循環して一次冷却系を構成している。ここで、カセット２は、３つの蒸気発生器３のいずれか１つと連通し、他の２つの蒸気発生器３とは連通しないように構成されている。１つの蒸気発生器３と連通した、複数の、ライザー管５、復水管６およびカセット２は、連通した蒸気発生器３とともに、後述する１つの熱除去系を構成する。
【０００９】
また、蒸気発生器３の側方上部からは、二次側の出口と連通し、図示しない発電用タービンに蒸気を供給する２本の蒸気管７が格納容器１の外部に向かって延びている。蒸気発生器３の側方下部からは、蒸気発生器３に二次冷却材を供給する２本の給水管８が接続されている。
【００１０】
格納容器１内の下部には、中空円筒状の水遮へい槽１１が水遮へい槽支持槽９を介して配設される。水遮へい槽１１の内側には、黒鉛反射体槽１２及びカセット収納槽１３が配設されている。黒鉛反射体槽１２の上部外側には黒鉛反射体支持脚１４が備え付けられており、この黒鉛反射体支持脚１４により、黒鉛反射体槽１２が水遮へい槽支持槽９に固定されている。また、黒鉛反射体槽１２の下部外側には、黒鉛反射体槽振止１５が設けられており、水遮へい槽１１の内側で黒鉛反射体槽１２を支持することにより、黒鉛反射体槽１２が振れないようにしている。
水遮へい槽１１と黒鉛反射体槽１２との間には水１６が満たされ、水１６はそれぞれのカセット２の炉心から放射される中性子及びガンマ線を外部に対して遮へいする。また、黒鉛反射体槽１２とカセット収納槽１３との間には黒鉛反射体１７が充填されている。
【００１１】
カセット収納槽１３は中空円筒状であり、同心円上に配置された総計１２本のカセット２が、図示しない支持体によって固定されている。カセット収納槽１３内に各カセット２の周囲には、空間すなわち空間１８が形成され、カセット２の周辺は大気圧の空気で覆われている。
【００１２】
また、黒鉛反射体槽１２には、水遮へい槽１１とカセット収納槽１３とを連通する連通管１９が貫通して配置されている。この連通管１９のカセット収納槽１３側の端部には栓部材としてのキャップ２０が嵌合されている。キャップ２０は、１００℃以下、好ましくは７０〜８０℃で融ける低融点合金の材料から構成され、冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）発生時に、空間１８の空気が熱せられてキャップ２０が融けて、水遮へい槽１１の水が空間１８に連通しカセット２を冷却するように構成されている。
また、格納容器１の外部も大気下にあり、格納容器１が空気により自然冷却されるように構成されている。
【００１３】
図４は、一次冷却系を構成するカセット２、ライザー管５、蒸気発生器３および復水管６の構造を概略的に示す断面図である。
はじめに、カセット２は、上下端を閉じた細長い円筒状の圧力管２１を備えており、この圧力管２１は、ジルコニウム合金ないしはステンレス鋼等の金属管、あるいはそれを圧力管ライナとしてその外周面に炭素繊維を巻いて強度を補強した強化繊維層とで構成されている
【００１４】
圧力管２１内にはシュラウド２２が配設され、さらにその内部には、外径約３０ｃｍのカセット内炉心２３が装荷されている。
圧力管２１内には、矢印Ａで示す高さまで一次冷却材が充填されており、圧力管２１とシュラウド２２との間にダウンカマー部２４が形成され、一次冷却材が矢印Ｂ、Ｃで示される方向に循環するように構成されている。
【００１５】
ライザー管５および復水管６を介してカセット２と接続された蒸気発生器３は一次側冷却材と二次側冷却材との間で熱交換を行う。ライザー管５は、カセット２の上部と蒸気発生器３の上部を接続するように配設されており、一方、復水管６はカセット２の一次冷却材の液面より下となる位置と、蒸気発生器３の一次冷却材の液面より下となる位置とを接続するように配設されている。
なお、蒸気発生器３内の一次冷却材の液面は、カセット２内の一次冷却材の液面（矢印Ａで示す）と同じ高さに設定されている。
【００１６】
次に、ＬＯＣＡ発生時などの原子炉スクラム時において、カセット２内の崩壊熱およびこの崩壊熱を帯びたカセット２の自然空冷するための要件を説明する。
まず、原子炉の格納容器の直径Ｄと、格納容器から除熱可能な放熱量Ｈとの関係を図５に示す。この図は、格納容器の内高が１２ｍ、格納容器の板厚３８ｍｍ、格納容器の外部の外気温度が２７℃の場合を示している。この図によれば、ある直径を有する格納容器の外側を自然冷却することで安全に崩壊熱除去が可能なのは、崩壊熱がこの放熱量Ｈを下回る場合である。
一方、原子炉スクラム直後の崩壊熱は、１００％定格運転時の約７％であり、１０秒後には約５％、２００秒後には約３％まで減少する。このような崩壊熱の減衰と格納容器の熱容量を考慮すると、１００％定格運転時の発熱量が、格納容器の内径５ｍの場合は約８ＭＷｔ以下、内径１０ｍの場合は約１３ＭＷｔ以下であれば、格納容器内の圧力は許容値以下となり、格納容器の外側を自然冷却することで崩壊熱の除熱が成立する。
【００１７】
また、上記のように、炉心をカセット化して、複数のカセット２のうち、それぞれのカセット２が３つの蒸気発生器３のいずれかのみ接続された３つの群に、一次冷却系すなわち熱除去系が分割されている場合、ＬＯＣＡが発生した熱除去系だけを格納容器１で自然冷却すればよい。したがって、蒸気発生器３を複数設けて、１つの蒸気発生器３に接続されるカセットの数を限定し、格納容器１内の熱除去系の数を増やすほど、格納容器１の外側で自然冷却しなければならない発熱量は減少する。言い換えれば、格納容器１の外側で自然冷却しなければならない発熱量は熱除去系の数に比例することになる。
【００１８】
熱除去系の数によって、自然冷却が許容される１００％定格運転時の総発熱量は、熱除去系１系統では、内径５ｍの場合で約８ＭＷｔ、内径１０ｍの場合で約１３ＭＷｔになり、熱除去系３系統の場合、内径５ｍの場合で約２４ＭＷｔ、内径１０ｍの場合で約３９ＭＷｔとなる。この実施の形態では、蒸気発生器３を３つ有し、格納容器１の内径が５ｍ、カセット本数が１２本なので、１００％定格運転時の総発熱量を約２４ＭＷｔ以下に抑えればよい。したがって、格納容器１からの放熱量の観点から定まるカセット１本の発熱量は、約２ＭＷｔになればよい。
【００１９】
次に、ＬＯＣＡ発生時には、カセット２を水遮へい槽１１からの水で水没させて、カセット２の外側は、水の自然対流循環、カセット２内はカセット内ガスの自然対流、輻射および熱伝導により冷却するものとした場合、カセット２は、ＬＯＣＡ発生時に、炉心の燃料棒の被覆管最高温度を１０００℃以下に抑制するためには、次のことを考慮すればよい。輻射による放熱量は温度そのもので決定されるため、カセット２の形状や発熱条件の影響は小さい。また、カセット２内はカセット内ガスの自然対流と熱伝導による放熱量は、単位距離当たりの温度差で決定されるため、概ね発熱量に比例し、外径に反比例することになる。これらのことを考慮すると、被覆管最高温度を１０００℃以下に抑制するためには、カセット２の１本の１００％定格運転時の発熱量を約２ＭＷｔにすればよく、この場合外径約３０ｃｍの直径となる炉心を内蔵したカセットを使用すればよい。なお、外径約１５ｃｍの直径となる炉心を内蔵したカセット２を使用すると、カセット１本の１００％定格運転時の許容発熱量は約４ＭＷｔになる。
【００２０】
次に、この発明の実施の形態に係る原子炉の動作を説明する。
この原子炉の通常運転時において、図４に示されるように、カセット内炉心２３の反応熱により、一次冷却材は温められ、ライザー管５内を（矢印Ｄの方向に）移動して蒸気発生器３において二次冷却材との間で熱交換が行われる。冷却された一次冷却材は復水管６を通じて（矢印Ｅの方向に移動して）カセット２内に戻り、ダウンカマー部２４を下降し、再びカセット内炉心２３において加熱される。
【００２１】
蒸気発生器３において、一次冷却材から熱を奪い加熱されて蒸気となった二次冷却材は、蒸気管７を介して（矢印Ｆの方向に移動して）図示しないタービンに導かれ、タービンによって駆動される発電機により発電される。タービンを通過して冷却された二次冷却材は、給水管８を通じて（矢印Ｇの方向に移動して）再びカセット蒸気発生器３に戻される。
【００２２】
このように、それぞれのカセット２により加熱された一次冷却材が、蒸気発生器５により二次冷却材と熱交換し、二次冷却材が蒸気となってタービンに供給され発電に供され、カセット２の数に応じて所望の発電量を得ることができる。
以上のように、このマルチ型原始炉は、通常運転時、カセット内炉心の周辺を流れる一次冷却材により、核分裂による熱および崩壊熱を除去する構造となっている。
【００２３】
次に、ＬＯＣＡが発生して一次冷却材が喪失した場合は、図６に示されるように、カセット２内は、自然対流、輻射および熱伝導により熱移動が行われる。カセット２内の熱がカセット２の周囲の空間１８の空気に伝わると空気が熱せられ、図２に示される空間１８と水遮へい槽１１とを連通する連通管１９を閉じているキャップ２０をこの空気の熱によりに融かして、水遮へい槽１１から水が空間１８に注水される。この水によりカセット２は冷却されるともに、水は蒸発する。
【００２４】
一方、格納容器１は、外部で空気により自然冷却されているので水蒸気は凝縮されて水になり、格納容器１内の下方に落下するとともに、格納容器１内の水蒸気凝縮熱は格納容器１の外部に放出される。
【００２５】
以上のように、内部に炉心２３を有するカセット２の崩壊熱と格納容器の放熱量との関係を考慮して定められたカセット２が、ライザー管５、蒸気発生器３および復水管６とともに、内部が大気圧下にある格納容器１内に設けられているので、炉心冷却材喪失時において、自然冷却による崩壊熱除去が可能となり、ＥＣＣＳを不要にすることができる。また、炉心冷却材喪失時において空間１８に水が水遮へい槽１１から流入してカセット２を冷却しかつ蒸発して、カセット２内の崩壊熱を迅速に格納容器１に伝達して自然冷却を促進する。
さらに、連通管１９を非連通にするキャップ２０は、炉心冷却材喪失時に空間１８の空気が熱せられることを利用して溶融し、連通管１９を連通するので、簡易で信頼性の高い構造で水遮へい槽１１から水をカセット２の周囲に流入させることができる。
【００２６】
カセット２は、これに接続するライザー管５および復水管６を介して、３つある蒸気発生器３の一つに連通し他の蒸気発生器３には連通しない状態で接続され、連通した蒸気発生器３とともに熱除去系を構成し、この実施形態では３つの熱除去系が構成されているので、１つの蒸気発生器３にすべてのカセット２が連痛している場合と比較して、格納容器１の外側で自然冷却できる崩壊熱の量を３倍に増やすことができる。言い換えれば、３つの熱除去系を有することで、格納容器の内径を一層コンパクトなものにすることができる。
【００２７】
実施の形態２．
上述した実施の形態１における原子炉においては、カセット２の内部に隔壁を作ってダウンカマー部２４を設けていたが、この実施の形態における原子炉は、このダウンカマー部がカセット２内には設けられていない点が実施の形態１におけるカセット２と異なる。すなわち、ダウンカマー部がカセットの外部に設けられている。この方式を外部設置方式と呼び、実施の形態１で示した方式を内部設置方式と呼び、この方式の対比がし易いように、図７に両者を並べて示す。図７（ａ）が実施の形態１のカセットを含む一次冷却系統であり、図７（ｂ）がこの実施の形態２のカセットを含む一次冷却系統である。
図７（ｂ）のカセット３２内には炉心３１が内蔵されているが、図７（ａ）のシュラウド２２は設けられておらずダウンカマー部２４も設置されていない。また、カセット３２内の上下部にはそれぞれ開口部３２ａ、３２ｂが設けられている。上部開口３２ａには、ライザー管３５の一端が接続され、蒸気発生器３３とカセット３２とを連通する。下部開口３２ｂには、復水管３６一端が接続され、蒸気発生器３３とカセット３２とを連通し、復水管３６の一部が図７（ａ）のダウンカマー部２４に相当するように構成されている。
【００２８】
このように構成された実施の形態２に係る原子炉では、カセット３２内にダウンカマー部２４が設けられていないので、内部設置方式に比べ、カセット外径が小さくなる。このため、重量低減、構造物による中性子吸収の低減をもたらすことができ、炉心核設計上も、隔壁による内部設置方式より有利である。
【００２９】
一方、上述した実施の形態１における内部設置方式の原子炉の場合、この実施の形態２における外部設置方式に比べ、自然循環で炉心除熱する場合には、水蒸気のみが蒸気発生器３に流出すれば良いため、汽水分離のためにカセット２そのものの高さは高くなるが、蒸気発生器３を含めた一次冷却系全体の高さを低くできる。また、一次冷却系全体の高さを低くできるので、強制循環で炉心除熱する場合には、ポンプ容量を小さくできる。
また、カセット外径そのものは大きくなるが、外部形状は単純な円筒管にしやすく、カセット２の据付が容易である。また、外部にある一次冷却材流路の一部をカセット内部に設けるため、設計上、一次冷却材流路破断事故の可能性が低減する。
【００３０】
以上に説明してきた本発明は、上記に限定されるものではなく、適宜改変して実施することができる。
例えば、上述した実施形態では、ＬＯＣＡ発生時には、水遮へい槽１１から水をカセット２の周囲に流入させたが、これに限定されるものではなく、カセット２の炉心の発熱量をさらに小さくして、空気冷却のみによりカセット２を冷却することもできる。
また、水遮へい槽１１から水をカセット２の周囲に流入させる手段として、低融点合金からなるキャップ２０を用いたが、これに限定されるものではなく、カセット２の周囲温度を検知して所定の温度以上になると開弁する自動給水弁を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施形態に係る原子炉の構造を示すために一部を破断した斜視図である。
【図２】図１の原子炉の立断面図である。
【図３】図１の原子炉の上面図である。
【図４】図１の原子炉に用いられるカセットを含む一次冷却系周辺の構造を示す概念図である。
【図５】この発明の実施形態に係る原子炉の格納容器の内径と放熱量の関係を示すグラフである。
【図６】この発明の実施形態に係る原子炉の炉心冷却材喪失時の熱移動の状況を説明する概念図である。
【図７】（ａ）は実施の形態１の一次冷却系統の構造を示す概念図であり、（ｂ）は実施の形態２の一次冷却系統の構造を示す概念図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  格納容器、２，３２  カセット、３，３３  蒸気発生器、５，３５  ライザー管、６，３６  復水管、１１  水遮へい槽、１８  空間、１９  連通管、２０  キャップ（栓部材）、２１  圧力管、２３，３１  カセット内炉心。
【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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【図６】
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【図７】
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