(57)【要約】【課題】炉内の溶融燃料を取り出す際、臨界安全を確保するとともに、作業工程を短縮可能な溶融燃料除去装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、原子炉において溶融して凝固した溶融燃料２を取り出す溶融燃料除去装置であって、溶融燃料２の近傍に設置され、中性子吸収材を含み互いに間隔をあけてそれぞれ内周側及び外周側に同軸に設けられた金属製の内管５及び外管６と、内管５の内部に配置され、溶融燃料２を破砕する溶融燃料破砕装置７と、溶融燃料破砕装置７により破砕された溶融燃料片８を内管５の外周と外管６の内周との間から吸い込む吸込みポンプ９と、を有する。好ましくは、内管５と外管６との間隔は、溶融燃料片８を未臨界に保つ寸法に設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉において凝固した溶融炉心から凝固した溶融燃料を取り出す溶融燃料除去装置であって、
前記溶融燃料の近傍に設置され、中性子吸収材を含み互いに間隔をあけてそれぞれ内周側及び外周側に同軸に設けられた金属製の内管及び外管と、
前記内管の内部に配置され、前記溶融燃料を破砕する溶融燃料破砕装置と、
前記溶融燃料破砕装置により破砕された溶融燃料片を前記内管の外周と前記外管の内周との間から吸い込む溶融燃料吸込み装置と、
を有することを特徴とする溶融燃料除去装置。
【請求項２】
前記中性子吸収材は、ホウ素化合物、ガドリニウム化合物、ユーロピウム化合物、ディスプロシウム化合物、サマリウム化合物、エルビウム化合物、又はハフニウム化合物のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の溶融燃料除去装置。
【請求項３】
前記溶融燃料破砕装置は、前記溶融燃料にレーザを照射して破砕するレーザ照射装置、前記溶融燃料を機械的に破砕する破砕装置のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の溶融燃料除去装置。
【請求項４】
前記内管と前記外管との間隔は、１０ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の溶融燃料除去装置。
【請求項５】
前記内管内に設置され、前記溶融燃料に中性子吸収材を吹き付ける吹付装置をさらに有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の溶融燃料除去装置。
【請求項６】
前記内管及び前記外管の間の前記溶融燃料片の吸込み口に取り付けられた金属製の網目状フィルターをさらに有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の溶融燃料除去装置。
【請求項７】
前記外管の周囲に設置され、前記溶融燃料に対して気密状態を保持する隔壁部をさらに有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の溶融燃料除去装置。
【請求項８】
原子炉において凝固した溶融炉心から凝固した溶融燃料を取り出す溶融燃料除去方法であって、
前記溶融燃料の近傍に中性子吸収材を含み互いに間隔をあけて内周側及び外周側に金属製の内管及び外管をそれぞれ同軸に設置する内管及び外管設置工程と、
前記内管及び外管設置工程の後に、前記溶融燃料を溶融燃料片に破砕する破砕工程と、
前記破砕工程の後に、前記内管の外周と前記外管の内周との間から、前記破砕された溶融燃料を吸い込む吸込み工程と、
を有することを特徴とする溶融燃料除去方法。
【請求項９】
前記破砕工程の前に、前記溶融燃料に中性子吸収材を吹き付ける吹付工程をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の溶融燃料除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、原子炉において溶融した後に凝固した燃料（以下、溶融燃料という。）を取り出すための溶融燃料除去装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所においてシビアアクシデントが発生した場合は、冷却材による炉心の冷却効果が不足し、炉心溶融を発生させるような事象が想定される。非特許文献１では、実験により炉心溶融を模擬し、燃料又は被覆管、制御棒がどのように変化するかを明らかにしている。ステンレス鋼の融点は１７２３℃であるため、ステンレス鋼製の制御棒は、融点が３１２３℃のＵＯ２より低い。これにより、炉内の温度状況によっては、制御棒が先に溶け落ちる。その後、燃料溶融が部分的に留まり、溶融してある高さに凝固した炉心（以下、溶融炉心という。）が形成される。
【０００３】
高速炉は、軽水炉よりも核分裂性物質を多く含むことから、これまでに再臨界を防止するための方法が多く提案されている。例えば、特許文献１に記載された技術では、燃料集合体の下部に、高融点かつ高密度の再臨界緩和領域を設けることにより、再臨界を防止している。
【０００４】
また、軽水炉においても、再臨界を防止するための検討が行われている。例えば、特許文献２に記載された技術では、原子炉圧力容器の底部に中性子吸収体を配置することにより、再臨界を防止している。
【０００５】
さらに、特許文献３に記載された技術では、沸騰水型原子力発電所のセパレータ及びドライヤに銀、カドミウム、ホウ素化合物等の中性子吸収材を含有させている。これにより、炉心溶融時に、上記中性子吸収材を含むセパレータ及びドライヤが落下することで、未臨界を維持するようにしている。
【０００６】
上記のように、炉心溶融時に再臨界を防止し、原子炉が停止した状態であっても、溶融燃料を除去する際に、燃料の形状が変化したり、燃料と水が混合したりすることで、原子炉が再び臨界となる（以下、再臨界という。）ことがある。上記再臨界を防ぐことは、放射性物質の閉じ込めの観点から重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−９０４８９号公報
【特許文献２】特開２０００−９８０７８号公報
【特許文献３】特開平８−１６０５７２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】S. Hagen, et al., “Lessons Learned from CORA Program,” Transactions from the International Topical Meeting on Probabilistic Safety Assessment, Park City, Utah, September 1996.
【非特許文献２】臨界安全ハンドブック  初版  臨界安全ハンドブック・データ集  にっかん書房１９８８年１０月３０日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記溶融炉心は、その後注水することにより、ある高さで再臨界が起きる可能性がある。この場合、特許文献２に記載されているように炉底部の高さに配置した中性子吸収体は有効でない。また、特許文献３に記載された中性子吸収材を含むセパレータ及びドライヤは、健全状態のまま上部に保持されていれば、中性子吸収材の落下も起こらない可能性がある。この場合には、未臨界を維持することができなくなる。
【００１０】
さらに、上記溶融炉心は、崩壊熱により温度が高く、また燃料形状が崩壊している場合、十分な冷却材を確保することができず、水は水蒸気として存在する可能性が高い。この場合、軽水炉においては、水素の量が不足するため、臨界に至る可能性は低い。ここで、水素は、核分裂で発生した高速の中性子を、核分裂を起こし易い熱中性子と呼ばれる低速の中性子に減速するための減速材となる。
【００１１】
一方、時間の経過とともに、崩壊熱は減少するため、炉心が溶融してから数ヶ月以上も時間が経過した後には、炉内の水蒸気が水となり、臨界になる可能性がある。また、初期には存在していた制御棒中のホウ素が時間の経過に伴って、冷却材とともに流出し、臨界になる可能性がある。
【００１２】
特に、凝固した溶融燃料を水中で切り崩し、取り出す工程では、燃料の形状が変化することにより、ウラン（Ｕ）と水中の水素（Ｈ）との体積比Ｈ／Ｕが変化する可能性がある。非特許文献２に記載されているように、体積比Ｈ／Ｕが変化することにより臨界になりやすい状態になる場合がある。
【００１３】
一方、臨界安全を確保するためには、燃料の形状を管理する形状管理や核分裂性物質量を管理する質量管理が必要である。これらの管理は、作業工程に大きく影響し、作業工程の長期化やコストの上昇を招く問題がある。
【００１４】
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、炉内の溶融燃料を取り出す際、作業工程を短縮可能な溶融燃料除去装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態に係る溶融燃料除去装置は、原子炉において凝固した溶融炉心から凝固した溶融燃料を取り出す溶融燃料除去装置であって、前記溶融燃料の近傍に設置され、中性子吸収材を含み互いに間隔をあけてそれぞれ内周側及び外周側に同軸に設けられた金属製の内管及び外管と、前記内管の内部に配置され、前記溶融燃料を破砕する溶融燃料破砕装置と、前記溶融燃料破砕装置により破砕された溶融燃料片を前記内管の外周と前記外管の内周との間から吸い込む溶融燃料吸込み装置と、を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明の実施形態に係る溶融燃料除去方法は、原子炉において凝固した溶融炉心から凝固した溶融燃料を取り出す溶融燃料除去方法であって、前記溶融燃料の近傍に中性子吸収材を含み互いに間隔をあけて内周側及び外周側に金属製の内管及び外管をそれぞれ同軸に設置する内管及び外管設置工程と、前記内管及び外管設置工程の後に、前記溶融燃料を溶融燃料片に破砕する破砕工程と、前記破砕工程の後に、前記内管の外周と前記外管の内周との間から、前記破砕された溶融燃料を吸い込む吸込み工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の実施形態によれば、炉内の溶融燃料を取り出す際、作業工程を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る溶融燃料除去装置の第１実施形態を示す立断面構成図である。
【図２】図１の内管及び外管を示す平断面図である。
【図３】図１の内管及び外管を示す概略斜視図である。
【図４】本発明に係る溶融燃料除去装置の第２実施形態を示す立断面構成図である。
【図５】本発明に係る溶融燃料除去装置の第３実施形態を示す立断面構成図である。
【図６】図５の内管と外管との間に金属網を取り付けた状態を示す底面図である。
【図７】本発明に係る溶融燃料除去装置の第４実施形態を示す立断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明に係る溶融燃料除去装置及び方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は本発明に係る溶融燃料除去装置の第１実施形態を示す立断面構成図である。図２は図１の内管及び外管を示す平断面図である。図３は図１の内管及び外管を示す概略斜視図である。
【００２１】
図１に示すように、本実施形態の溶融燃料除去装置は、原子力発電所のシビアアクシデント時に原子炉圧力容器１内で燃料溶融が発生し、凝固した溶融炉心から凝固した溶融燃料２を取り出すために用いられる。原子炉圧力容器１内には、水３が収容されている。
【００２２】
本実施形態の溶融燃料除去装置は、図１〜図３に示すように、原子炉圧力容器１内において溶融燃料２の近傍に設置され、中性子吸収材を含み互いに間隔をあけてそれぞれ内周側及び外周側に同軸に設けられた金属製の内管５及び外管６と、内管５の内部に配置され、溶融燃料２を破砕する溶融燃料破砕装置７と、この溶融燃料破砕装置７により破砕された溶融燃料片８を内管５の外周と外管６の内周との間から吸い込む溶融燃料吸込み装置としての吸込みポンプ９と、を備える。
【００２３】
この吸込みポンプ９は、吸込み管９ａの一端が接続され、この吸込み管９ａの他端が内管５と外管６との間に延びている。
【００２４】
内管５及び外管６は、図２に示すようにスペーサ１０を介して互いに一定の間隔Ｙをあけて同軸状に配置されている。内管５の外周と外管６の内周との間の下端には、円環状の吸込み口１１が形成されている。
【００２５】
ところで、溶融燃料片８を吸い込む内管５と外管６との間隔Ｙが狭ければ、ウランと水素の比が最も臨界になり易い場合でも、未臨界に保つことができる形状管理が可能となる。ウラン２３５の濃縮度を５％未満とした核燃料の場合、内管５と外管６との間隔Ｙを１０ｃｍ以下に設定すれば、形状管理が可能となる。これは、非特許文献２の表5.2.1均質ＵＯ２−Ｈ２Ｏの最小推定臨界値及び最小推定臨界下限値（全濃度範囲）無限平板厚さ〔ｃｍ〕に起因する。
【００２６】
核燃料の最高ウラン濃縮度は、設計値であり、容易に知ることができる。これにより、軽水炉では、通常ウラン２３５が５％未満の濃縮度の燃料が使われるため、内管５と外管６との間隔Ｙを１０ｃｍ以下に設定すれば、再臨界を防止することができる。
【００２７】
また、本実施形態の溶融燃料除去装置を水中で用いる場合、内管内径Ｘは、１０ｃｍ以上であれば中性子を遮蔽することができる。内管内径Ｘは、設置する装置の大きさ、作業エリアに応じて適宜設定することができる。
【００２８】
内管５及び外管６に含まれる中性子吸収材としては、ホウ素化合物、ガドリニウム化合物が軽水炉において、豊富な実績があり有効である。また、ユーロピウム、ディスプロシウム、サマリウム、エルビウムの希土類元素を含む化合物、ハフニウム化合物も中性子吸収材として有効である。
【００２９】
本実施形態では、溶融燃料破砕装置７にレーザ照射装置が用いられている。レーザ照射装置は、図示しないレーザ光源から溶融燃料２にレーザを照射して破砕する装置である。また、溶融燃料破砕装置７としては、ドリル、バイト等の作業工具を装着して機械的に破砕する破砕装置を使用することも可能である。本実施形態の吸込みポンプ９としては、真空ポンプが用いられる。
【００３０】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３１】
まず、原子炉圧力容器１内において、内管５及び外管６を溶融燃料２の近傍に同軸に設置する。そして、溶融燃料破砕装置７を内管５内に設置する。この場合、溶融燃料破砕装置７は、内管５内に予め取り付けておいてもよい。
【００３２】
次に、溶融燃料破砕装置７を駆動させて水中にて溶融燃料２を破砕する。同時に、吸込みポンプ９を駆動させる。すると、破砕された溶融燃料片８は、主に内管５の外周と外管６の内周との間に飛散する。
【００３３】
そして、その飛散した溶融燃料片８は、円環状の吸込み口１１から吸い込まれ、吸込み管９ａを経て原子炉圧力容器１外に排出される。ここで、内管５と外管６との間隔Ｙが１０ｃｍ以下の間隔に設定されているため、ウランと水素の比が最も臨界になりやすい場合でも、溶融燃料片８を未臨界に保つことができる形状管理が可能となる。
【００３４】
このように本実施形態では、溶融燃料破砕装置７により溶融燃料２を破砕し、この破砕された溶融燃料片８を吸込みポンプ９を駆動して内管５の外周と外管６の内周との間から吸い込む構成とすることで、炉内の溶融燃料２を取り出す際、作業工程を短縮することを可能としている。特に、内管５と外管６との間隔を、対象となる溶融燃料片８の最高ウラン濃縮度から想定できる溶融燃料片８を未臨界に保つ寸法に設定すれば、炉内の溶融燃料２を取り出す際、臨界安全を確保するとともに、作業工程を短縮することが可能となる。
【００３５】
（第２実施形態）
図４は本発明に係る溶融燃料除去装置の第２実施形態を示す立断面構成図である。なお、本実施形態は、前記第１実施形態の変形例であって、前記第１実施形態と同一の部分には、同一の符号を付して、重複説明を省略する。
【００３６】
本実施形態は、図４に示すように、内管５内に、溶融燃料２に中性子吸収材を吹き付けるための吹付装置１２が設置されている。吹付装置１２は、溶融燃料破砕装置７により溶融燃料２を破砕する前に溶融燃料２に中性子吸収材を吹き付けるようにしている。この中性子吸収材は、水中で吹き付ける必要があることから、例えばゲル状のガドリニア（ガドリニウム酸化物）が用いられる。
【００３７】
吹付装置１２には、図示しないがタンクに収納したゲル状の中性子吸収材が、ポンプによって送り込まれるようにしている。
【００３８】
したがって、本実施形態によれば、溶融燃料２に中性子吸収材を吹き付ける吹付装置１２を内管５内に設置したことにより、前記第１実施形態の効果である形状管理に加え、破砕された溶融燃料片８に中性子吸収材を混合させることができ、さらに確実に臨界安全を確保することが可能となる。
【００３９】
（第３実施形態）
図５は本発明に係る溶融燃料除去装置の第３実施形態を示す立断面構成図である。図６は図５の内管と外管との間に金属網を取り付けた状態を示す底面図である。なお、本実施形態は、前記第２実施形態の変形例であって、前記第２実施形態と同一の部分には、同一の符号を付して、重複説明を省略する。
【００４０】
本実施形態は、図５及び図６に示すように溶融燃料片８の吸込み口１１に金属製の網目状フィルター１３が取り付けられている。この網目状フィルター１３には、網目の大きさが例えば３ｃｍ２程度のものが用いられる。
【００４１】
したがって、本実施形態によれば、溶融燃料片８の吸込み口１１に金属製の網目状フィルター１３を取り付けたことにより、前記第２実施形態の効果に加え、吸込み口１１から吸い込まれる溶融燃料片８の大きさを制限することができる。溶融燃料片８の大きさを制限することにより、吸込み管９ａの目詰まりを未然に防止し、装置の安定運用が可能となる。
【００４２】
（第４実施形態）
図７は本発明に係る溶融燃料除去装置の第４実施形態を示す立断面構成図である。なお、本実施形態は、前記第２実施形態の変形例であって、前記第２実施形態と同一の部分には、同一の符号を付して、重複説明を省略する。
【００４３】
本実施形態は、図７に示すように溶融燃料２に対して気密状態を保持するための隔壁部１４が外管６の周囲に設置されている。この隔壁部１４は、円筒状に形成されて外管６と同軸状に設置されている。
【００４４】
内管５内には、高圧吹付管１５ａの一端が延びており、この高圧吹付管１５ａの他端が圧送ポンプ１５に接続されている。この圧送ポンプ１５を駆動することで、高圧吹付管１５ａから高圧空気が噴射される。すると、内管５内が高圧空気で満たされ、延いては隔壁部１４内を強制的に気中状態にすることができる。
【００４５】
したがって、本実施形態によれば、溶融燃料２に対して気密状態を保持するための隔壁部１４を外管６の周囲に設置したことにより、作業エリアにおける破砕作業及び中性子吸収材の吹付作業、溶融燃料片８の吸込み作業をそれぞれ気中で行うことができ、より確実に臨界安全を確保することが可能となる。
【００４６】
なお、本実施形態では、隔壁部１４の先端を溶融燃料２に埋め込むように隔壁部１４を設置するようにしたが、溶融燃料２と隔壁部１４の先端との間に若干隙間が存在したとしても、高圧吹付管１５ａから一段と高い高圧空気を噴射するようにすれば、気中状態にすることができる。これにより、上記各作業を気中で行うことができる。
【００４７】
（その他の実施形態）
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、組み合わせ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同様に、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ものである。
【００４８】
なお、上記各実施形態では、内管５及び外管６をそれぞれ円筒状に形成したものについて説明したが、これに限らず多角形に形成したものでもよい。また、上記各実施形態では、内管５及び外管６は、それぞれ内周側及び外周側に同軸状に配置した例について説明したが、これに限らず内管５と外管６との間隔が溶融燃料片８を未臨界に保つ寸法であれば、内管５と外管６とが偏心した状態に配置してもよい。さらに、前記第３実施形態と第４実施形態を組み合わせるように構成してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…原子炉圧力容器、２…溶融燃料、３…水、５…内管、６…外管、７…溶融燃料破砕装置、８…溶融燃料片、９…吸込みポンプ（溶融燃料吸込み装置）、９ａ…吸込み管、１０…スペーサ、１１…吸込み口、１２…吹付装置、１３…網目状フィルター、１４…隔壁部、１５…圧送ポンプ、１５ａ…高圧吹付管、Ｘ…内管内径、Ｙ…間隔
【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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