(57)【要約】      （修正有）【課題】原子炉として、沸騰水型軽水炉を使用する原子力発電所の「安全安心１００％」の構造を追求する。【解決手段】二つの異なる素材で構成する二種構造型圧力容器を提案する。その上部はフェライト系ステンレス鋼を使用し、その底部はソーダ石灰（ソーダライム）ガラスを使用する。大惨事の発生及び寿命的廃炉の場合には、ガラス底部内に埋め込んである電気ヒータに通電し、ガラスの相転移及び溶解に依る急膨張でガラス部を破砕し、気密の地下室に圧力容器内の核燃料や放射能汚染物質を永久的に埋設する手段を提供する。地震に襲われた場合、従来の圧力容器では、その支点が上部で重心は下部にある為、地震波と振り子共振する。是を防止する為、原子炉防護壁より４本の梁で圧力容器を固定し配管等の亀裂や折損を防止する。其ればかりでなく柔軟な電気ケーブルで制御用水圧管を排除し、管のシールや折損の心配が無くなる。【選択図】図−２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰水型軽水炉を使用する原子力発電所の原子炉構造で有って、内部で高圧蒸気を発生する為の前記二種構造型圧力容器を有している事。その前記二種構造型圧力容器の上部側である前記フェライト系ステンレス鋼側の内部には、核燃料、制御棒及び其れを制御するモータ等が有る事。上記核燃料、制御棒及びモータ等が一括して前記炉心収納筒内に格納されている事。前記炉心収納筒の下部にモータに送電する為の電気接点対を必要な数だけ設備して有る事。上記二種構造型圧力容器の底部はソーダ石灰ガラス材で構成している事。モータ等に送電する為の多数の電線及び信号線は、上記の二種構造型圧力容器の底部ガラス壁を、前記ガラス貫通線で内部と外部とを接続した構造で有る事。上記二種構造型圧力容器の底部のガラス材の中に、円周状にタングステン又はニクロム線ヒータが埋め込まれていて、必要な場合には其れに通電して、上記底部ガラス材を破砕出来る事。上記の事を特徴とする高安全確率型原子炉構造体。
【請求項２】
請求項１で有って、上記二種構造型圧力容器のほぼ鉛直下にトンネルを介して強固で気密な壁で出来た地下室を有する事。上記二種構造型圧力容器の底部が破砕した場合、上記二種構造型圧力容器の内蔵物が高圧蒸気の噴射で高速に落下し、前記気密地下室に上記落下物をバラバラにまき散らす機能を有する様な設備が有る事。前記地下室には中性子を阻止する物質、例えば硼酸水を溜めて置く事。地下室の壁は長期間上記の落下物を保管する構造で有る事。前記地下室で発生する放射能汚染ガスはフィルターにより浄化してクリーンガスとして地上に排出する設備がある事。上記の事を特徴とする高安全確率型原子炉構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  原子力発電所は、核燃料を使用して、その核分裂の際に発生する超大な熱エネルギーを電気エネルギーに変換する箇所である。
その核分裂を起こさせる部所を一般的に原子炉と呼ばれている。その原子炉の構造には幾つか有るが現在、多く使用されている型式には２種類がある。１つは沸騰水型軽水炉で有り他の１つは加圧型軽水炉である。
その何れに於いても核分裂が起こる部所は炉心と呼ばれている。その炉心部で発生する熱エネルギーを水で冷却し高温高圧の水蒸気を得て、これで蒸気タービンを回す仕組みである。この２つのタイプの違いは、前者は核分裂の熱で直接水蒸気を発生させる事、後者は一旦高温の水とし、その高温水を熱交換器を介在して水蒸気を発生する仕組みを採用している事である。前者は構造は簡単だがタービンの蒸気シールが困難で有り、後者はシールは不要だが構造が複雑となるそれぞれの欠点を有している。【０００２】ＳＩＮＰＬＥ  ＩＳ  ＢＥＳＴ  の格言どおり、特に強烈な放射能や放射能汚染物質を発生する原子炉構造は簡単な程、安全確率が高くとりやすい。
それ故、本発明は原子炉として沸騰水型軽水炉の安全確率の更なる向上を目的とした物で有る。
そのコンセプトは。
＊  地震に対して依り強く安全で有る事
＊  従来の物の欠点部を解明と新構造に依る安全確率の向上
＊  非常時のフエールセーフ
＊  低トータルコストと運転操作の易しさ
【背景技術】
【０００３】  東日本大震災（  ２０１３／０３／１１  ）、マグニチュウド９．０の地震で、福島第一原子力発電所の１号機〜４号機は壊滅的被害を受け、放射能物質を国中にばらまいた。其ればかりで無く３年経過しても放射能汚染水を地下水の中に垂れ流している。その福島原発の、原子炉の型式は沸騰水型軽水炉で有る。【０００４】  異常が発生した原子炉の場合は「停める」「冷やす」「閉じ込める」が３原則とされている。当時、「停める」（スクラム停止）は成功したがその後が続かず、圧力容器内の冷却水が減少し、炉心が露出したため、核燃料棒が溶融し水素ガスの発生及び溶融デブリの落下が起きた。【０００５】  溶融デブリは圧力容器の底部を溶かした為、底が抜け、容器内の殆ど総ての物を地下室に放出した。
幸いな事に、それ以前から消防車等により上部から水又は海水を連続して掛け続けて居たので、それが地下室に大量に溜まって居り、デブリによる大規模な水蒸気爆発は発生しなくて済んだ。【０００６】  デブリが地下室の水と接触した際、小規模の水蒸気爆発は発生したと想定される。その為デブリはバラバラとなって、一カ所に集まらず水に沈んだで有ろう。その為再臨界は発生しなくて済んだと想定される。【０００７】  前記「０００４」項で言及した様に冷却水の減少は圧力容器底部より挿入している「制御棒」及び其れを制御する為の１００本以上に昇る「水圧管」の亀裂及び折損で有ると想定される。即ち圧力容器が地震による振り子振動を起こし、その底部にフリーアクセス状にぶら下がっている水圧パイプ部のシールが損傷又は折損した事に依ると想定される。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  本発明の究極的な課題は原子力発電所の「安全安心１００％」で有る。しかしながら問題箇所は非常に多い。其れを一括して解決する事は出来ない。
本発明が解決しようとする課題の一つは、圧力容器内に設置してある、総ての制御棒の出し入れ制御をモータで個別に制御する事にある。従ってモータは制御棒の数だけ必要である。それ故モータの数だけ微細な制御が出来、且つ人為的ミスをなくす為のコンピュータ制御に依る事が出来る未来志向である。
【０００９】  上記制御用モータは圧力容器の内部に設置する。従って電気を送る為の電線が必要であり、この電線は圧力容器の外から内部へと、圧力容器の外周壁を貫通する形で引き込まねば成らない。電線の数は少なくともモータ数の２倍の本数が必要となる。又内部の圧力、温度、水位、等々のセンサー用電線も必要となる。
この様に非常に多くの本数の電線が必要となる為、そのシール及び耐久性（理想は５０年以上）に関しては新技術が要求される。
【００１０】  水圧管に替わって電線を使用するメリットは、多数本でも軽量で且つ場所を取らない事、可曲性が有り制御棟迄ケーブルで引ける事。等々で信頼性が高い。
【００１１】  圧力容器の外部と内部を多数の電線で接続する方法として、電子機器等に一般的に使われている「多ピンコネクター」が有る。しかし圧力容器の内部は、７０気圧、２８０℃、しかも水か蒸気で満たされている。これに対して外部は、１気圧の空気、その温度差は常温〜２８０℃に変化する場合もある。
これに長時間（５０年）耐え得るコネクターが製作可能だろうか、しかも金属製の圧力容器に取り付けてで有る。コネクターメーカに特注しても長時間の耐久試験は絶対条件で、製品化は不可能かも知れない。
【００１２】  本発明が解決しようとするもう一つの課題は、如何なる重大惨事に遭遇しても、「停める」「冷やす」「閉じ込める」を実施し、その３箇条が完全に叶わなくても、［閉じ込める］は確実に遂行する。即ち原子炉の中の放射性物質及び放射能汚染物は、中性子も阻止する強固な壁で出来た地下室に半永久的に埋設する事に有る。
即ち「安全安心１００％」をめだす。
【課題を解決する為の手段】
【００１３】  原子力発電所の原子炉として沸騰水型軽水炉の型式を使用する場合、従来の原子炉の構造は次の通りで有る。即ち、その炉心部は、ステンレス鋼製の圧力容器と称する縦長の円筒状の中に設置した形態を採って居る。そして核燃料を収納した「燃料集合体ケース」と前記「制御棒」とを整列して「収納ケース」内に一括して収納している。その位置は前記圧力容器の下方部で有り、冷却水およびその他付属装置を入れた通常状態では、前記「収納ケース」の位置がほぼ重心位置となる。従って地震波との振り子共振を起こしやすく、固定用梁は欠かせない。しかし従来製は装備してない。そして制御は、前述した様に圧力容器底部より多数の水圧管を挿入して実施する。
そのほか圧力容器内の冷却水を循環する為のインナーポンプ及び汽水分離器も実装してある。
【００１４】  従来の圧力容器の材質は一般的にステンレス鋼のみで有り、厚さは約２００ｍｍの外周壁で出来た縦長の円筒形をして居る。上部と底部は取り外し可能の形と成って居る。これは内部装置の交換や、保守点検の為である。
【００１５】  本発明では前記「０００９」項、及び「００１０」項で記述した様に、非常に多数の電線を圧力容器の内部に導入する手段として、絶縁性と長時間のシールが必要な事から、まず圧力容器底部のみガラス材質を使用する（図−１の▲２▼）。そして電線はこのガラス材で出来た外周壁を貫通する形で内部に導入する（図−１の▲３▼）。
【００１６】  従って、本発明では圧力容器の上の部分はステンレス鋼（図−１の▲１▼）とし、底部をガラス製とする（図−１の▲２▼）。従って上下が異なる二つの材質構造となる。その底部詳細断面を（図−２の▲１▼）に示す。そして底部のガラスの外周部を貫通して電線を内部に引き込む手法を採用する（図−２の▲４▼）。以下この圧力容器を［二種構造型圧力容器］と呼ぶ。
【００１７】  このガラス壁を貫通する電線は特殊な特性を持つ電線が必要である。即ちガラス材の熱膨張係数と貫通電線の其れがほぼ等しくなければ成らない。何故なら圧力容器の内外の温度差及び容器自体の温度変化は常温〜２８０℃の変化がある為である。この熱膨張係数に大きな差が有ればガラス壁のひび割れやシールが不完全で水漏れが生じる。
【００１８】  本発明では圧力容器のガラス壁の材質をソーダ石灰ガラス（ソーダライムガラス）（熱膨張係数＝９．２×１０−６／℃）を使用し、貫通用電線の材質として、ニッケル・クロム合金（エリンバー合金）（熱膨張係数＝１０×１０−６／℃）に金コ−チングした線を用いる。且つ簡単に抜けなくする為に中間部が太いとか変形した形状を有する形で使用する。以下この電線を［ガラス貫通線］と呼ぶ。図−２の▲４▼又は図−１の▲３▼に使用例を示す。この様に［ガラス貫通線］を使用する事は素材の物理的性質が解っている為「多ピンコネクタ」を開発するより経済的で試作試験も簡単で済む。
【００１９】［二種構造型圧力容器］の上部金属部の材質は「００１３」項で記述した様な一般的なステンレス鋼でなく、フェライト系ステンレス鋼（熱膨張係数＝１０．４×１０−６／℃）を使用し、ガラス底部と温度変化に整合しなければ成らない（常温〜２８０℃）。又、［二種構造型圧力容器］の上下の接続はボルト締めが適切であるが、石綿やガラスクロスを充填したガスケットを使用しシール性を高める必要が有ろう。
【００２０】  本発明を使用した実施例の［二種構造型圧力容器］を図−１に概念図として示す。
▲１▼がフェライト系ステンレス鋼で出来た円筒形の圧力容器の断面を示す。これにソ−ダ石灰ガラス製の「図−２の▲１▼」で示す底部が接続されている。底部▲１▼は断面図を示す。
外部と内部を接続する電気回路は、「図−１」の▲３▼で示す前記［ガラス貫通線］に依って居る。「図−１」の▲４▼は電気接点であり、この接点が接触する事により外部より制御棒用モータ「図−１」の▲７▼に通電する事が可能となる。接点の接触は、炉心収納筒「図−１」の▲１０▼を上部より吊り降ろす事で完成する。総ての制御棒「図−１」の▲８▼の数の２倍は有る接点群を確実に、しかも相手を間違えずに接触させるには高精度のガイドが必要となる。ガイド（板）は［二種構造型圧力容器］の内壁と炉心収納筒の外周間で組み合わせれば良い（ガイドの方法には色々な手法が有るので此処では示さない）。
【００２１】  「図−１」の▲５▼は電線ケーブルでコンクリート製防護壁にケーブル用ダクト「図−１」の▲６▼を入れ込み、それを通り制御棟の制御盤に接続している。
「図−１」の▲９▼は核燃料収納ケースで「図−１」の▲１１▼は円筒形の防護壁で、鉄筋コンクリートで厚さは５ｍも有り、中性子も遮断する。又「図−１」の▲１２▼は格納容器の断面図で７０気圧の水蒸気爆発でも防護壁と共に是を遮断する。以下この項では総て「図−１」で説明する。即ち、▲１３▼は水蒸気、▲１４▼は汽水分離装置、▲１５▼は冷却水、▲１６▼は蒸気タービン用配管、▲１７▼は水蒸気、▲１８▼は復水器からの配管、▲１９▼は戻り水、▲２０▼は地下室に通ずる穴。（２１）は地震に襲われた場合に［二種構造型圧力容器］が振り子振動するのを阻止する為の梁で、少なくとも四方に４本必要である。
【００２２】  尚、本発明を説明する為の概念図では、説明を簡素化する為、制御用のインナーポンプ等は省略してある。
【００２３】  本発明の課題を解決するもう一つの手段は、大地震や大震災に襲われた場合の対策である事、及び原子力発電所の設計寿命が尽きて、原子炉を廃炉にする場合の手段である。
即ち「安全安心」１００％で終息する為の手段の重要なる概念を組み込む事にある。
【００２４】この項は総て「図−２」で説明する。この図は［二種構造型圧力容器］底部を示す概念図である。「底部断面」と、「底部を上から見た図」を示す。材質は前記１８項で説明した様にソーダ石灰ガラスで出来ている。▲１▼はその断面を示す。▲２▼は前記フェライト系ステンレス鋼で出来た円筒形の圧力容器の断面を示す。▲３▼は前記の炉心収納筒であり、▲４▼はガラス貫通線、▲５▼はタングステンヒータの引き出し線で前記エリンバー電線が適している。
▲６▼はタングステンヒータ（又はニクロム線）で底部圧力容器内を周回している。▲８▼は電線用多芯ケーブルで前記コンクリート製防護壁を貫通して、人が滞在する制御棟迄通じている。又▲７▼は引き出し線▲５▼の結線の詳細を示す。
【００２５】  この項は総て「図−２」で説明する。即ち▲４▼の前記ガラス貫通線は、モータ用電線及びセンサー用信号線等の外部への引き出し線として使用し、等間隔で放射状に配列した物である。▲９▼はステンレス鋼製圧力容器とガラス製底部を接続する為のボルト穴を示す。
【００２６】  本発明に於ける課題を解決するもう一つの手段は、その安全確率の向上と、一旦重異常が発生した場合の安全で且つ短期間で、低コストの終息を追求する事に関する。
【００２７】  大地震や何らかの対応不能な事件が発生し、「停める」「冷やす」「閉じ込める」の三原則の何れか一つの項目が不能と成った場合、原子力発電所は大惨事と成り、その終息には数百年とその経費は国家予算を食い潰しかねない。
【００２８】  本発明では「閉じ込める」場所を地下室とし、その構造として、強固なコンクリート製の壁、床、天井とし、中性子やα線、及びγ線の通過を阻止する能力を持ち、更に硼酸水等の弱酸性の水溶液を長年の間、溜めおく工夫をして有る事。この事は厳守しなければ成らない。又この地下室は前記格納容器と蜜に連結した形態である。
地下室の容積は、大惨事の発生や廃炉行程作業で［二種構造型圧力容器］の底部を破砕した場合の水蒸気の状態でその概略値が決まる。最大気圧を３気圧程度とするのが適切で有ろう。
【００２９】  前記地下室の最大気圧を３気圧とした場合、初期は約５万ｋＷ（５０万ｋＷの原発の場合）の崩壊熱が発生し続ける。従って地下室の内部気圧を下げる手段として、放射能汚染物質を除去するフィルタ設備を設置して、クリーンガスのみ大気中に放出する。およそ６ヶ月で内部気圧は地上の気圧と等しくなり、其れから１年経過後内部調査して問題がなければコンクリートを流し込み、次に土砂を埋め立てて、跡地を更地にすれば良い。
【００３０】  上記２８項及び２９項が守られている事が条件で、本発明の［高安全確率型原子炉構造体］が「安全安心１００％」を発揮する。
【００３１】  重異常が発生し人知に負えない場合、其れを安全終息する手段として、本発明では図−２に示す▲６▼のタングステンヒータに通電し約２０００℃に加熱する。其れに依り周りのガラスが相転移と融解に依り急膨張を起こし、一瞬にして［二種構造型圧力容器］の底部を破砕する。
【００３２】  その結果７０気圧以上の蒸気圧で内部の核燃料及び構造物を総て、下方の地下室に放出する。予め地下室に破砕器及び硼酸水を用意して有れば、安全に収束する。但しヒータ専用バッテリー（２重系が必要）と地下室は初期投資として必要だが、安全安心の為には微々たる物で有ろう。
【００３３】  もしバッテリーが破損して居たり、人が居なくても、そのまま放置していても核燃料のデブリで［二種構造型圧力容器］の底が抜け、上記と同様な収束となろう。
【００３４】  本発明の一番の特徴は多数の電線を圧力容器の内部に引き込む手段にある。それは図−２の▲４▼に示す様に前記［ガラス貫通線］である。これを［二種構造型圧力容器］の底部の外周に放射状に取り付ける事により、非常に多数の電線を取り扱える。しかも通常技術及び材料で達成出来る。ピンコネクターメーカに開発を依頼する必要もない。
【発明の効果】
【００３５】  本発明は上記で説明した様に、［二種構造型圧力容器］の素材の選定が解決した事、制御棒をモータで制御する事、圧力容器内に多数の電線を引き込む事、［ガラス貫通線］の問題点の解決策達成とその配列、及び放射性廃棄物の永久保管用地下室等の概念を実施した原子炉構造を「高安全確率型原子炉構造体」と呼ぶ事にする。
従来の原子力発電所の原子炉構造として採用すれば「安全安心１００％」は達成出来る。火力発電を総て本タイプの原発に置き換えれば［ＣＯ２の排出問題］は解決し、将来の地球温暖化は完全に回避出来ると想定する。
【００３６】  沸騰水型軽水炉を使用する原子力発電所に於いて、その中枢で有る原子炉炉心を収納する圧力容器として、本発明に懸かる「高安全確率型原子炉構造体」を使用すれば、従来では手に負えない重異常が発生しても簡単に対処出来る事。且つ又、人為的処置が無しでも安全な形で終息出来、周辺に放射性物質をばら撒く事がない様な構造的手段が採れる特徴を有している原子炉構造体で有る。しかしながら本発明は発電所全体の１つのパ−ッで有って、本発明以外のイノベーションと協調する事により更なる「安全安心１００％」の原子力発電所が構築出来る。
【図面の簡単な説明】及び［発明を実施する為の形態］【００３７】図−１及び図−２の各部の説明をし、且つ実施する為の形態を説明する。
【図−１】に於いて。▲１▼原子炉圧力容器の金属（フェライト系ＳＳ）部の断面。▲２▼原子炉圧力容器の底部（ソーダ石灰ガラス）の断面。▲３▼ガラス貫通電線  ▲４▼電気接点  ▲５▼電線ケーブル  ▲６▼防護壁内ダクト  ▲７▼制御棒用モータ群  ▲８▼制御棒群  ▲９▼核燃料集合体群  ▲１０▼炉心収納筒  ▲１１▼原子炉防護壁（鉄筋コンクリート、厚さ５ｍ、円筒状）  ▲１２▼格納容器（ステンレス鋼）  ▲１３▼水蒸気（７０気圧）  ▲１４▼汽水分離器  ▲１５▼冷却水（２８０℃）  ▲１６▼蒸気タービン用配管  ▲１７▼タービンへ向かう水蒸気  ▲１８▼復水器からの配管  ▲１９▼復水器からの戻り水  ▲２０▼地下室に向かう円形穴  （２１）振り子振動防止梁（四方に４個）
【図−２】に於いて。▲１▼圧力容器底部断面（ソーダ石灰ガラス）  ▲２▼圧力容器の金属部（ステンレス鋼）の断面  ▲３▼炉心収納筒  ▲４▼ガラス貫通電線  ▲５▼タングステンヒータ引出し線  ▲６▼タングステンヒータ  ▲７▼タングステンヒータ用電線  ▲８▼タングステンヒータ用ケーブル  ▲９▼ボルト用穴図−１に本発明の横から見た形態の概念を示す。
図−２に本発明の底部を上から見た場合の形態及び断面の概念を示す。
【符号の説明】
【００３８】  項番「００３８」及び項番「００３９」と同様。
【図−１】
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【図−２】
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