(57)【要約】      （修正有）【課題】炉心溶融事故を起こした原子炉の廃炉を進めるにあたり、燃料デブリに含まれる溶融固化体の破壊方法を提供する。【解決手段】溶融固化体１０の上に冷媒散布室２１を区画し、冷媒散布室２１に冷却用の冷媒を供給し溶融固化体１０の表面に冷媒を散布することにより、溶融固化体１０の内部に熱応力を発生させ、溶融固化体１０を破壊する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心溶融した原子路の圧力容器内部若しくは格納容器内部に堆積した燃料デブリに含まれる溶融固化体を破壊する方法であって、
前記溶融固化体の上に冷媒散布室を区画し、
前記冷媒散布室に冷却用の冷媒を供給し前記溶融固化体の表面に前記冷媒を散布することにより、前記溶融固化体の内部に熱応力を発生させ、前記溶融固化体を破壊することを特徴とする原子炉内における溶融固化体の破壊方法。
【請求項２】
前記溶融固化体に前記冷媒を散布した後、前記溶融固化体に外力を追付加し、破壊を促進させことを特徴とする請求項１に記載の原子炉内における溶融固化体の破壊方法。
【請求項３】
前記追付加する外力は、機械的な切断力または破砕力、レーザ照射による衝撃波、超音波振動、加熱による熱膨張力のいずれからなることを特徴とする請求項２に記載の原子炉内における溶融固化体の破壊方法。
【請求項４】
前記溶融固化体は、ＵＯ2、ＺｒＯ2を主体とするセラミックスと、金属とが不均一に混じり合った金属−セラミックス溶融固化体からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の原子炉内における溶融固化体の破壊方法。
【請求項５】
炉心溶融した原子路の圧力容器内部若しくは格納容器内部に堆積した燃料デブリに含まれる溶融固化体を破壊する装置であって、
原子炉外から前記燃料デブリまで延びる支持体に取り付けられ、前記溶融固化体の上に冷媒散布室を区画するチャンバーハウジングと、
前記チャンバーハウジングに冷却用の冷媒を供給する冷媒供給管と、
前記冷媒供給管の先端に取り付けられ、前記冷媒を前記溶融固化体に向けて噴出させるノズルと、を備えることを特徴とする原子炉内における溶融固化体の破壊装置。
【請求項６】
前記溶融固化体に外力を追付加する外力追負荷手段を前記チャンバーハウジング内に併設したことを特徴とする原子炉内における溶融固化体破壊装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、炉心が溶融した原子炉内における溶融固化体の破壊方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炉心溶融事故を起こした原子炉では、溶融した燃料は、炉心部に燃料デブリになって堆積していることが明らかになっている。原子炉の廃炉を進めるにあたっては、燃料デブリを回収可能な適当な大きさに切断若しくは破砕することが必要不可欠となる。
【０００３】
燃料デブリには、ウラン燃料が酸化したときに生成されるＵＯ2と燃料被覆管のジルコニウム合金が酸化して生成されるＺｒＯ2とを主体とするセラミックス成分と、炉心構造物から由来するステンレス鋼などの金属成分と、が混じり合った溶融固化物が多量に含まれている。
【０００４】
一般に、セラミックスは、非常に硬く、特に、ＵＯ2は破壊靭性値が高くドリルやカッターなどによる切断や破砕が困難である。他方、金属材料は、セラミックスに比べると硬度は低いが、高延性を特徴としているので、ドリルやカッターなどによる通常の切断や破砕に適さないことがある。
【０００５】
最近では、福島第１原子力発電所での炉心溶融事故を契機に、燃料デブリを切断、破砕する技術の研究開発が進められている。  
これまで、燃料デブリを対象とする切断方法については、カッター等による切断、破砕以外の方法を用いるものも研究開発されており、例えば、特許文献１では、高圧水による切断方法や研磨材を添加したアブレシブウォータジェットによる切断方法、レーザによる切断方法が提案されている。
【０００６】
また、特許文献２では、機械的な切断、破砕を行う替わりに、燃料デブリに強酸をかけて溶解する液体化方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−２３５００９号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１７７０５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“ＴＭＩ−２号機の調査研究結果”，原子力誌，vol.32,p.388（1990）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
炉心溶融した原子炉内では、溶融した燃料は、炉心部の金属構造材料を巻き込みながら、セラミックス成分と金属成分とが不均一に混じり合って溶融固化する。この溶融固化の過程は次のようなものである。
【００１０】
セラミックスと、金属とでは融点に大きな差がある。具体的には、セラミックス成分と金属成分が混じり合った溶融物が冷却されていくと、融点が２０００℃以上のＵＯ2とＺｒＯ2を主体とするセラミック成分の方が融点１５００℃以上のステンレス鋼などの金属成分よりも先に固化していく。セラミックス成分が固化した後も、１５００℃以上の温度下では、金属成分は液体状態を保っており、金属が固化したセラミックスの隙間やひび割れた部分に浸透する。その後、溶融物がさらに金属の融点以下に冷却されると、金属とセラミックスとが不均一に混じり合った溶融固化物が生成されることになる。
【００１１】
このような金属とセラミックスが不均一に混在する溶融固化物は、セラミックス単体よりも、その切断や破砕が困難であることが知られている。実際、炉心溶融を起こした米国スリーマイル島原子力発電所の原子炉内から燃料デブリを回収する工程では、上記したような金属とセラミックスが不均一に混在する溶融固化物からなるクラスト層が最も切断困難であったことが報告されている。
【００１２】
本発明は、前記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであって、炉心溶融事故を起こした原子炉の廃炉を進めるにあたり、燃料デブリに含まれる溶融固化体を容易に破壊することができるようにした原子炉内における溶融固化体の破壊方法および装置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】
【００１３】
前記の目的を達成するために、本発明の実施形態による溶融固化体の破壊方法は、  炉心溶融した原子路の圧力容器内部若しくは格納容器内部に堆積した燃料デブリに含まれる溶融固化体を破壊する方法であって、前記溶融固化体の上に冷媒散布室を区画し、前記冷媒散布室に冷却用の冷媒を供給し前記溶融固化体の表面に前記冷媒を散布することにより、前記溶融固化体の内部に熱応力を発生させ、前記溶融固化体を破壊することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の実施形態による溶融固化体の破壊方法は、炉心溶融した原子路の圧力容器内部若しくは格納容器内部に堆積した燃料デブリに含まれる溶融固化体を破壊する装置であって、原子炉外から前記燃料デブリまで延びる支持体に取り付けられ、前記溶融固化体の上に冷媒散布室を区画するチャンバーハウジングと、前記チャンバーハウジングに冷却用の冷媒を供給する冷媒供給管と、前記冷媒供給管の先端に取り付けられ、前記冷媒を前記溶融固化体に向けて噴出させるノズルと、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の実施形態によれば、原子炉の廃炉を進めるにあたり、燃料デブリに含まれる溶融固化体を簡易な方法によって容易に破壊することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態による溶融固化体の破壊方法が適用される原子炉の模式図である。
【図２】燃料デブリに含まれる金属−セラミックス溶融固化体を模擬的に示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態による溶融固化体の破壊装置を示す模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態による溶融固化体の破壊装置を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る原子炉内における溶融固化体破壊方法および装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。  
（第１実施形態）  
図１は、本実施形態に係る溶融固化体の破壊方法が適用される沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の模式図である。  
図１において、参照番号２は、格納容器を示す。この格納容器２には、圧力容器３が格納されている。圧力容器３の内部には、炉心支持板４が設けられている。燃料の集合体が装荷された炉心部５は、炉心支持板４に設置されている。
【００１８】
炉心溶融事故を起こした原子炉では、一部原形を残している燃料の集合体が存在する他、燃料は溶融固化して、燃料デブリになって炉心部５に堆積していると考えられる。図１において、参照番号６が燃料デブリを示している。燃料デブリ６は、図１に示されるように、炉心支持板４や圧力容器３の底部に堆積する可能性が高い。また、圧力容器３の底が抜けて、格納容器２の底部に燃料デブリ６が堆積する可能性もある。
【００１９】
燃料デブリ６は、ウラン燃料が酸化し生成されるＵＯ2と燃料被覆管のジルコニウム合金が酸化し生成されるＺｒＯ2とを主体とするセラミックスや、炉心構造物の金属材料に由来するステンレス合金などの金属などからなることがわかっている。
【００２０】
もっとも、燃料デブリ６を形成している物質の形態は複雑であり、ＵＯ2、ＺｒＯ2を主体とするセラミックスの溶融固化物や、セラミックスに金属が不均一に混じり合った溶融固化物（以下、金属−セラミックス溶融固化体という）や、原形をとどめている燃料の回りをセラミックスの溶融固化物が取り囲んだものなど（これらを総称して溶融固化体という）、様々な形態があると考えられる。
【００２１】
ここで、図２は、燃料デブリのクラフト層の一つの形態例として、セラミックス１１に金属１２が不均一に混在する金属−セラミックス溶融固化体１０を模擬的に示した図である。  
セラミックス１１と金属１２が混じり合った溶融物が冷却されていくと、ＵＯ2とＺｒＯ2を主体とするセラミック１１の方が、融点１５００℃以上のステンレス鋼などの金属成分よりも先に固化していく。セラミックス１１が固化した後も、１５００℃以上の温度下では、金属成分は液体状態を保ったままである。次第に、金属１２は固化したセラミックス１１の隙間やひび割れた部分に浸透する。その後、溶融物がさらに金属１２の融点以下に冷却されると、金属１２とセラミックス１１とが不均一に混じり合った溶融固化物が生成される。
【００２２】
このような金属−セラミックス溶融固化体１０は、非常に硬く、通常のドリルやカッターなどの工具では切断や破砕が困難である。  
そこで、本実施形態では、図１に示す溶融固化体破壊装置２０を用いて金属−セラミックス溶融固化体１０を破壊する。この溶融固化体破壊装置２０は、原子炉の炉上に架設された作業用のプラットホーム１４から圧力容器３内に降下される支持体としてのパイプ１６の先端に取り付けられる。
【００２３】
次に、図３は、溶融固化体破壊装置２０を示す。この実施形態では、溶融固化体破壊装置２０は、金属−セラミックス溶融固化体１０の上に冷媒散布室２１を形成するチャンバーハウジング２２と、冷媒を冷媒散布室２１に供給する冷媒供給管２３と、冷媒供給管２３の先端に装着されたノズル２４と、を有している。チャンバーハウジング２２は、下側が開放している箱状容器の形態をなしており、パイプ１６の先端部に固定されている。
【００２４】
この実施形態では、冷媒供給管２３は、パイプ１６に沿って複数本設けられており、作業プラットホーム１４に設置されている図示しない冷媒タンクなどと接続されている。各ノズル２４からは、チャンバーハウジング２２内部の冷媒散布室２１において、冷媒が金属−セラミックス溶融固化体１０の表面に向けて噴出するようになっている。冷媒を散布するのは、金属−セラミックス溶融固化体１０の表面を急激に冷却することにより、金属−セラミックス溶融固化体１０の内部に大きな熱応力を発生させるためである。散布する冷媒としては、熱容量の大きな不活性ガスの液化物、例えば、液化窒素、液化アルゴンが好適である。金属−セラミックス冷却固化体１０の溶融固化状態によっては、窒素やアルゴンの冷却ガスを用いることも可能である。
【００２５】
次に、以上のような溶融固化体破壊装置２０を用いて実施する金属−セラミックス溶融固化体の破壊方法について、以下、詳細に説明する。  
燃料デブリを形成している溶融固化体のうち、図２に示した金属−セラミックス溶融固化体１０は、その冷却過程を考慮すると、破壊する前には、次のような状態にあると予想される。
【００２６】
セラミックス１１を組成しているＵＯ2の場合、線熱膨張率は、１０．０×１０-6／℃であるのに対して、代表的な炉心構造材料であるステンレス鋼（SUS304）の線膨張率は、１７．３×１０-6／℃である。
【００２７】
このようにセラミック１１と金属１とでは線熱膨張率に差があるため、金属−セラミックス溶融固化体１０が、冷却水で満たされた原子炉内で常温まで冷却されていくと、金属１２はセラミック１１に比べて体積換算で１％程度、より収縮した状態になる。  
このことは、金属１２に囲まれているセラミックス１１の側からみると、金属１２によって圧縮されたセラミックス１１には圧縮歪みが生じている状態にあることを意味している。  
本実施形態では、上記のような状態にある金属−セラミックス溶融固化体１０に対して、次のように冷却用の冷媒として、例えば液化窒素が散布される。
【００２８】
図１において、プラットホーム１４からは、パイプ１６の先端に取り付けた溶融固化体破壊装置２０が圧力容器３内に降下される。ここでは、溶融固化体破壊装置２０のチャンバーハウジング２２を炉心支持板４に堆積している燃料デブリ６のクラスト層の破壊目標位置に着底させる。
【００２９】
図３に示されるように、ノズル２４からは液化窒素が噴射され、破壊対象の金属−セラミックス溶融固化体１０の表面に液化窒素が散布される。チャンバーハウジング２２の内部領域にある金属−セラミックス溶融固化体１０の表面は、液化窒素と接触することにより、急激に冷却されることになる。
【００３０】
これに対して、チャンバーハウジング２２の外部領域にある金属−セラミックス溶融固化体の表面は、常温の水に触れているので、液化窒素を散布する時点までは、水温と等しい温度になっていた部分である。
【００３１】
このようにして、チャンバーハウジング２２により冷媒散布室２１を区画し、チャンバーハウジング２２の内側だけに限定して液化窒素を散布しているので、チャンバーハウジング２２の内側と外側とでは、金属−セラミックス溶融固化体１０の表面に格段の温度差（温度勾配）を急激に発生させることができる。
【００３２】
この結果、チャンバーハウジング２２の内側にある金属−セラミックス溶融固化体１０では、その表面から内部には所定の深さに亘って大きな熱応力が付与され、急激な冷却によって脆性破壊しやすくなる。
【００３３】
しかも、金属−セラミックス溶融固化体１０の内部において熱応力が発生している領域では、セラミックス１１に浸透している金属１２の線熱膨張率がセラミックス１１よりも大きいことから、冷却された金属１２がより収縮し、セラミックス１１との境界部分にはひび割れや剥離が生じやすくなり、また実際に部分的、微視的な破壊が生じる。
【００３４】
液化窒素の散布を停止した後、溶融固化体破壊装置２０の位置をずらして、同様に液化窒素の散布を繰り返すことで、燃料デブリ６の回収に必要な範囲で、金属−セラミックス溶融固化体１０を脆性破壊し易くすることが可能になる。
【００３５】
以上のようにして本実施形態によれば、脆くなった金属−セラミックス溶融固化体１０に対しては、溶融固化体破壊装置２０とは別に、図示しない破砕工具を作業プラットホーム１４から降下して、衝撃荷重などの外力を繰り返し付加することで、従来、難破壊材とされてきた金属−セラミックス溶融固化体１０を容易に破壊することができる。
【００３６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による原子炉内における溶融固化体の破壊方法について、図４を参照して説明する。  
この第２実施形態は、冷媒散布により冷却されて脆くなるとともに熱応力によって部分的あるいは微視的に内部が破壊された金属−セラミックス溶融固化体１０にさらに外力を加えて、より破壊を効果的に促進する外力追付加手段３０をチャンバーハウジング２２の内部に併設した実施形態である。
【００３７】
外力追付加手段３０としては、硬い地層や岩盤の掘削に用いられるようなドリルビットが用いられる。ドリルビットの場合、図示しないドリリング装置に接続されたパイプ（ドリルパイプ）１６とともにドリルビットが金属−セラミックス溶融固化体１０に荷重をかけながら回転し、金属−セラミックス溶融固化体１０を効果的に破砕することができる。  
また、ドリルビットの替わりに、カッターなどの切断工具や、金属−セラミックス溶融固化体に繰り返し衝撃荷重を加えるような打撃式の破砕装置を用いることもできる。
【００３８】
外力を加える手段としては、機械的な外力を加える手段の他に、高強度のパルスレーザー光の照射により、照射面に高温プラズマを発生させ、金属−セラミックス溶融固化体１０の内部に強い衝撃波を発生させる高強度レーザ照射装置や、超音波振動を金属−セラミックス溶融固化体１０に付与する超音波発振装置、あるいは加熱による熱膨張力を金属−セラミックス溶融固化体１０に発生させる加熱装置を用いることが可能である。
【００３９】
金属−セラミックス溶融固化体１０では、冷却された金属１２がより収縮し、セラミックス１１との境界部分には収縮によるひび割れや剥離が生じやすくなっているので、この状態でパルスレーザー光の照射による衝撃波や、超音波振動を付与することで、結合界面における反射などが生じ、結合界面から容易に割れ、あるいは剥離するようになる。
【００４０】
以上のように本実施形態によれば、冷媒の散布により脆くなりかつ熱応力による部分的、微視的な破壊の生じた金属−セラミックス溶融固化体にさらに外力を加える外力追付加手段３０をチャンバーハウジング２２の内部に併設しているので、金属−セラミックス溶融固化体１０を効果的に破壊することができるだけでなく、チャンバーハウジング２２で金属−セラミックス溶融固化体１０の破砕片や粉末の飛散を抑え、また、破壊位置を任意に選んで局所的に破壊することが可能になる。
【００４１】
なお、チャンバーハウジング２２の内部には、金属−セラミックス溶融固化体１０の破砕片を吸い込む手段（図示せず）を設けるようにしてもよい。その場合、金属−セラミックス溶融固化体１０の破砕と回収を同時に行える利点がある。
【００４２】
以上、本発明に係る原子炉における溶融固化体の破壊方法について、好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、金属−セラミックス溶融固化体だけでなく、セラミックス溶融固化体の破壊にも適用可能である。また、これらの実施形態は、例示として挙げたもので、発明の範囲の制限を意図するものではない。もちろん、明細書に記載された新規な装置、方法およびシステムは、様々な形態で実施され得るものであり、さらに、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、種々の省略、置換、変更が可能である。請求項およびそれらの均等物の範囲は、発明の主旨の範囲内で実施形態あるいはその改良物をカバーすることを意図している。
【符号の説明】
【００４３】
２…格納容器、３…圧力容器、４…炉心支持板、５…炉心部、６…燃料デブリ、１０…金属−セラミックス溶融固化体、１１…セラミックス、１２…金属、１４…プラットホーム、１６…パイプ、２０…溶融固化体破壊装置、２１…冷媒散布室、２２…チャンバーハウジング、２３…冷媒供給管、２４…ノズル、３０…外力追負荷手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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