(57)【要約】【課題】安価かつ簡便に、炉心溶融物の比重を小さくし、原子炉格納容器からの炉心溶融物保持部材の浮上を抑制することができる比重調整材および保護構造体を提供する。【解決手段】実施形態の比重調整材は、炉心溶融物保持部材が配置された原子力発電所のペデスタル床の上に配置され、炉心溶融物よりも比重が小さく、前記炉心溶融物よりも融点が低い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心溶融物保持部材が配置された原子力発電所のペデスタル床の上に配置され、
前記炉心溶融物よりも比重が小さく、
前記炉心溶融物よりも融点が低い比重調整材。
【請求項２】
前記比重調整材は、前記炉心溶融物と接触し溶融され、溶融した前記炉心溶融物と混合される請求項１に記載の比重調整材。
【請求項３】
前記比重調整材は、酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素の少なくとも一方の酸化物を含む請求項１または２に記載の比重調整材。
【請求項４】
前記比重調整材は、アルミニウム、ベリリウム、およびチタンからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む材料を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の比重調整材。
【請求項５】
前記比重調整材は、ホウ素、ガドリニウム、カドミウム、およびハフニウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む中性子吸収材を含む請求項３または４に記載の比重調整材。
【請求項６】
前記比重調整材は、ブロック体、多孔質構造を有する多孔質体、および微粒子群からなる群より選ばれる少なくとも１つを形成している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の比重調整材。
【請求項７】
前記比重調整材は、ブロック体または多孔質構造を有する多孔質体からなる第１相と、前記第１相の内部に形成され、微粒子群からなる第２相とから構成される請求項１乃至５のいずれか１項に記載の比重調整材。
【請求項８】
前記微粒子群の各微粒子は、前記炉心溶融物よりも比重が小さいシェル部と、前記シェル部の内部に形成され、前記シェル部よりも比重が大きく融点が高いコア部とを有する請求項６または７に記載の比重調整材。
【請求項９】
原子力発電所のペデスタル床の上に配置され、炉心溶融物が原子炉圧力容器から落下したときに前記炉心溶融物と前記ペデスタル床との接触を妨げる炉心溶融物保持部材と、
前記ペデスタル床の上に配置される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の比重調整材と
を備えることを特徴とする保護構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、比重調整材および保護構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉において事故が重なると、原子炉の多重防護が破られてしまうことがある。原子炉の多重防護が破られると、例えば原子炉の冷却機能が喪失する事態が生じるこことがある。
【０００３】
原子炉の冷却機能が失われると、炉心溶融事故が発生することが想定される。この炉心溶融事故では、炉心が溶融し、炉心溶融物が原子炉圧力容器を貫通して原子炉格納容器のペデスタル床に落下する。この場合、ペデスタル床を構成するコンクリートと炉心溶融物とが反応し、ペデスタル床のコンクリート浸食や圧力上昇による原子炉格納容器バウンダリの破損により、原子炉格納容器の健全性が脅かされることが考えられる。このため、原子炉格納容器のペデスタル床面に炉心溶融物が落下するような過酷事故に備えて、様々な対策手段が検討されている。
【０００４】
従来から、炉心溶融物が原子炉圧力容器を貫通して落下することを抑制するために、炉心溶融物よりも低い融点を有する低融点金属が原子炉圧力容器の底部に配置することがある。この低融点金属は、炉心溶融物に溶融することによって、炉心溶融物の温度を低下させる。そして、原子炉圧力容器における炉心溶融物の保持時間が向上する。
【０００５】
また、炉心溶融物が原子炉圧力容器から落下した場合に備えて、炉心溶融物保持部材が原子炉格納容器のペデスタル床の上に設置することがある。炉心溶融物保持部材は、炉心溶融事故時に原子炉圧力容器から落下した炉心溶融物を保持する機能を有し、炉心溶融物とペデスタル床との反応やドレンサンプへの炉心溶融物の流入を防ぐ。
【０００６】
炉心溶融物保持部材には、炉心溶融物が冷却されて固化するまで、炉心溶融物を保持することが求められている。その一方で、原子炉圧力容器から落下する炉心溶融物の温度は、２５００Ｋ以上の高温である。炉心溶融物保持部材の保持機能を長期間維持させるためには、炉心溶融物保持部材の耐熱性を向上させることや、落下した炉心溶融物の温度を低下させることが検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第１３１６０３７号
【特許文献２】特開２００４−２３３２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
炉心溶融物は、ウランなどの比重の大きい元素を含むことから、炉心溶融物保持部材よりも比重が大きい。そのため、炉心溶融物保持部材が保持機能を失って炉心溶融物を保持できなくなった場合、炉心溶融物は炉心溶融物保持部材と原子炉格納容器のペデスタル床との間に入り込むことがある。この場合、炉心溶融物保持部材は炉心溶融物保持部材とペデスタル床との間に入り込んだ炉心溶融物から浮力を受けて、炉心溶融物保持部材はペデスタル床から浮上する。炉心溶融物保持部材が原子炉格納容器のペデスタル床から浮上すると、炉心溶融物は原子炉格納容器を貫通して原子炉格納容器から外に漏れ出し、重大な事故が引き起こされる。そのため、炉心溶融事故時に炉心溶融物保持部材の保持機能を維持するように、炉心溶融物保持部材が原子炉格納容器のペデスタル床から浮上しないことが求められる。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、安価かつ簡便に、炉心溶融物の比重を小さくし、原子炉格納容器からの炉心溶融物保持部材の浮上を抑制することができる比重調整材および保護構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態の比重調整材は、炉心溶融物保持部材が配置された原子力発電所のペデスタル床の上に配置され、炉心溶融物よりも比重が小さく、前記炉心溶融物よりも融点が低い。
【発明の効果】
【００１１】
安価かつ簡便に、炉心溶融物の比重を小さくし、原子炉格納容器からの炉心溶融物保持部材の浮上を抑制することができる比重調整材および保護構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態の比重調整材を備える保護構造体を具備した原子炉建屋を模式的に示す断面図である。
【図２】第１の実施の形態の比重調整材の一例を示す断面図である。
【図３】第１の実施の形態の比重調整材の他の例を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態の比重調整材を備える保護構造体を具備した原子炉建屋を模式的に示す断面図である。
【図５】第２の実施の形態の比重調整材の配置構成の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の比重調整材７０を備える保護構造体４０を具備した原子炉建屋１を模式的に示す断面図である。ここでは、沸騰水型原子炉を一例に示すが、原子炉の種類は特には限定されない。
【００１５】
以下では、図１における上下方向を鉛直方向、鉛直方向のうち上側を上方Ｕ、および鉛直方向のうち下側を下方Ｄと称する。また、鉛直方向に垂直な方向を水平方向Ｈと称する。
【００１６】
図１に示すように、原子力発電所の原子炉建屋１は、沸騰水型原子炉を有しており、具体的には、炉心２および炉内構造物（図示しない）を収容する原子炉圧力容器１０と、原子炉圧力容器１０を格納する原子炉格納容器２０とを備える。原子炉圧力容器１０は、例えばステンレス鋼から構成される。また、原子炉格納容器２０は、例えば金属製の内張りを備えた鉄筋コンクリートから構成される。
【００１７】
原子炉圧力容器１０は、筒状であり、鉛直方向に延びる中心軸を有する圧力容器中部１１と、圧力容器中部１１より下方Ｄを構成する圧力容器底部１２と、圧力容器中部１１より上方Ｕを構成する圧力容器頂部１３とを備える。
【００１８】
原子炉格納容器２０の内部は、ドライウェル２１とウェットウェル２２との２つの部分に区画される。ドライウェル２１とウェットウェル２２とは、水平方向Ｈに延設される環状の壁２３および鉛直方向に延設される筒状の壁２４によって区画される。ウェットウェル２２には、原子炉圧力容器１０から放出された蒸気を凝縮させて水にする圧力抑制プール２５が設けられる。
【００１９】
圧力抑制プール２５には、冷却材としての水（以下、冷却水という）が貯留されている。圧力抑制プール２５は、原子炉圧力容器１０から放出された蒸気を冷却させて凝縮させることにより、ドライウェル２１の圧力上昇を抑制する。また、圧力抑制プール２５は、原子炉格納容器２０内において、原子炉圧力容器１０より水平方向Ｈの外側に設けられる。
【００２０】
鉛直方向に延設される壁２４の水平方向Ｈの内側には、原子炉格納容器２０の床部２６の上方Ｕで原子炉圧力容器１０を支持するペデスタル壁２７が設けられる。ペデスタル壁２７は、原子炉格納容器２０の床部２６から上方Ｕに延設され、支持部２７ａを介して原子炉圧力容器１０の圧力容器中部１１を支持する。このペデスタル壁２７は、主にコンクリートから構成される。原子炉格納容器２０の床部２６は、圧力容器底部１２の下方Ｄで、原子炉格納容器２０の下部の全体に亘って水平方向Ｈに延設される。
【００２１】
原子炉格納容器２０の床部２６の上面には、ペデスタル床２８が設けられる。ペデスタル床２８は、ペデスタル壁２７の内側を水平方向Ｈに延設される。また、ペデスタル床２８は、鉛直方向において原子炉圧力容器１０の圧力容器底部１２と対向している。このペデスタル床２８は、主にコンクリートから構成される。
【００２２】
ペデスタル床２８の上方Ｕには、炉心溶融事故時に原子炉圧力容器１０から落下した炉心溶融物３を冷却するために、ペデスタル床２８の上に冷却水を供給する注水ライン２９が設けられる。注水ライン２９は、原子炉格納容器２０、壁２４、およびペデスタル壁２７を貫通し、原子炉格納容器２０の外部からペデスタル床２８の上方近傍まで延びている。また、注水ライン２９には、弁３０が設けられる。そして、弁３０を開放することによって、原子炉格納容器２０の外部からペデスタル床２８の上に冷却水が供給される。
【００２３】
ペデスタル床２８には、ペデスタル床２８上にある原子炉の運転中に生じる可能性のある漏洩水や冷却水を集めるための空間であるドレンサンプ３１が設けられる。ドレンサンプ３１は、ペデスタル床２８の上面側に開口を有し、開口から下方Ｄに凹むように形成されている。ペデスタル床２８の一部に設けられたドレンサンプ３１は、ペデスタル床２８上の冷却水を一時的に貯留可能に構成される。ここでは、ドレンサンプ３１がペデスタル壁２７の近傍に配置されている一例を示すが、ドレンサンプ３１がペデスタル床２８に形成されればドレンサンプ３１の配置位置は特には限定されない。また、１つのドレンサンプ３１がペデスタル床２８に設けられている一例を示すが、複数のドレンサンプ３１がペデスタル床２８に設けられていてもよい。
【００２４】
原子炉格納容器２０のペデスタル床２８の上には、炉心溶融物保持部材であるサンプカバー３２がドレンサンプ３１の開口を覆うように設けられる。また、サンプカバー３２の上面および側面には、比重調整材７０がサンプカバー３２の外側の面を覆うように設けられる。
【００２５】
次に、第１の実施の形態の保護構造体４０および比重調整材７０について詳しく説明する。
【００２６】
図１に示すように、保護構造体４０は、原子力発電所のペデスタル床２８の上に配置されるサンプカバー３２と、ペデスタル床２８の上に配置される比重調整材７０とを備える。ここで、ペデスタル床２８の上に配置される比重調整材７０とは、サンプカバー３２の側面で、ペデスタル床２８の上に直接配置される比重調整材７０に加えて、ペデスタル床２８の上に設けられるサンプカバー３２の上に配置される比重調整材７０も含む。
【００２７】
炉心溶融事故時に炉心溶融物３が原子炉圧力容器１０から落下したとき、原子炉圧力容器１０の圧力容器底部１２の下方に設けられるサンプカバー３２は、原子炉圧力容器１０から落下する炉心溶融物３を保持して、炉心溶融物３とドレンサンプ３１の開口周辺のペデスタル床２８との接触を妨げる。そして、ペデスタル床２８の一部に設けられたサンプカバー３２は、ドレンサンプ３１の開口からドレンサンプ３１の内部への炉心溶融物３の流入を抑制して、ドレンサンプ３１を保護する。また、サンプカバー３２は、原子炉の通常運転時において、ペデスタル床２８の上にある冷却水をドレンサンプ３１の内部に導くことが可能な構成を有する。
【００２８】
原子炉圧力容器１０から落下する炉心溶融物３の温度は、２５００Ｋ以上の高温である。そのため、サンプカバー３２を構成する物質は、高融点性および炉心溶融物３との反応性の観点から、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化イットリア、酸化ネオジム、酸化ウラン、酸化トリウムなどの酸化物、タングステン、タンタル、モリブデン、ハフニウムなどの金属が挙げられる。サンプカバー３２は、酸化ジルコニウムから構成されることが好ましい。
【００２９】
サンプカバー３２の外周面に設けられる比重調整材７０は、複数であっても単数であってもよく、比重調整材７０の設置量は適宜調整される。比重調整材７０は、炉心溶融物３よりも比重が小さく、比重調整材７０の融点が炉心溶融物３の融点よりも低くなるような材料で構成される。炉心溶融事故時に炉心溶融物３が原子炉圧力容器１０から落下したとき、比重調整材７０は炉心溶融物３の熱によって溶融し、炉心溶融物３と比重調整材７０は混ざり合って混合物となる。炉心溶融物３と比重調整材７０の混合物は、炉心溶融物３の比重よりも小さくなる。以下、炉心溶融物３と比重調整材７０の混合物を単に混合物と呼称する。
【００３０】
溶融しサンプカバー３２周辺に落下した炉心溶融物３が、溶融した比重調整材７０と混ざり合わない場合、炉心溶融物３の比重はサンプカバー３２よりも大きい。そのため、溶融した炉心溶融物３がサンプカバー３２とペデスタル床２８の間に入り込んで、サンプカバー３２が炉心溶融物３の上方Ｕに浮上することがある。しかし、比重調整材７０と炉心溶融物３を混合させることで、混合物の比重をサンプカバー３２の比重よりも小さくすることが可能であり、サンプカバー３２の浮上を抑制することが可能である。つまり、比重調整材７０は、ペデスタル床２８からのサンプカバー３２の浮上を抑制することができる。すると、サンプカバー３２の保持機能が長期間維持される。
【００３１】
比重調整材７０を構成する物質は、炉心溶融物３およびサンプカバー３２を構成する材料に応じて適宜選択される。比重調整材７０は、炉心溶融物３よりも比重の小さい酸化アルミニウムおよび酸化ケイ素の少なくとも一方の酸化物を主成分として含む。
【００３２】
また、炉心溶融物３とチャネルボックスや炉心溶融物３とサンプカバー３２の一部が反応することで、炉心溶融物３よりもさらに比重の大きい生成物が生じる場合がある。例えば、炉心溶融物３が酸化ウランを含み、サンプカバー３２がジルコニウムを含む場合には、酸化ウランとジルコニウムとが反応してウランを生成することがある。ウランの比重は、酸化ウランの比重よりも大きい。炉心溶融物３とサンプカバー３２の反応によりウランが多く生じ、このウランがサンプカバー３２とペデスタル床２８との間に流入した場合、サンプカバー３２が浮上することが考えられる。
【００３３】
炉心溶融物３とサンプカバー３２の反応により炉心溶融物３よりも比重の大きい生成物が生じることが考えられる場合、比重調整材７０は当該比重の大きい生成物と反応する成分をさらに含んでもよい。例えば、比重調整材７０をアルミニウム、ベリリウム、およびチタンからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む材料とすることで、ウランがこれらの元素と反応し、ウランより比重の小さい化合物を生成することができる。以下、炉心溶融物３とサンプカバー３２の反応により生じた炉心溶融物３よりも比重の大きい物質を反応成生物と呼称する。
【００３４】
よって、炉心溶融物３とサンプカバー３２との反応によって、反応成生物が生じる場合であっても、アルミニウム、ベリリウム、およびチタンからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を比重調整材７０が含有することで、反応成生物がより比重の小さい物質に変化する。そのため、比重調整材７０は、ペデスタル床２８からのサンプカバー３２の浮上を抑制することができる。
【００３５】
また、比重調整材７０は、ホウ素、ガドリニウム、カドミウム、およびハフニウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む中性子吸収材をさらに含んでもよい。中性子吸収材は、例えば、ホウ素、ガドリニウム、カドミウム、ハフニウム単体や、これらの元素を含む合金などの化合物が挙げられる。
【００３６】
炉心溶融物３は、ウランなどの核分裂性物質を多量に含む。この核分裂性物質が意図しない状態で溶融されると、臨界管理が制御不能に至る可能性がある。そこで、比重調整材７０が中性子吸収材を含むことによって、中性子吸収材は核分裂性物質を吸収することができる。そのため、臨界管理が制御不能になった場合でも、中性子吸収材を含有する比重調整材７０は放射線の放出を抑制することができる。
【００３７】
また、比重調整材７０は、ブロック体、多孔質体、および微粒子群からなる群より選ばれる少なくとも１つを形成しており、施工性に応じて適宜選択される。なお、図１では、比重調整材７０が単一の形態、例えばブロック体である一例を示すが、比重調整材７０は複数の形態を併用してもよい。
【００３８】
ブロック体は、比重調整材７０の上記形態のなかで、密度が最も大きくて気孔率が最も小さい。換言すると、ブロック体は、単位体積当たりの比重調整材７０を構成する材料の含有量が最も多い。そのため、比重調整材７０の単位体積当たりにおける炉心溶融物３の比重を減少させる効果について、ブロック体が比重調整材７０の上記形態のなかで最も大きい。ブロック体は、例えば、比重調整材７０を構成する材料を所望の大きさや形状に成形した後に熱処理を行うことによって製造される。
【００３９】
多孔質体は、ブロック体の一部や全体に多孔質構造を配した構造であり、ブロック体よりも密度が小さくて気孔率が大きい。そして、多孔質体は、ブロック体よりも表面積が大きいことから、ブロック体よりも炉心溶融物３との接触面積が大きい。そのため、ブロック体に比べて、多孔質体はブロック体よりも早く溶融し炉心溶融物３と混合される。多孔質体は、例えば、比重調整材７０を構成する材料と潤滑剤、界面活性剤、発泡剤などの分散剤とを混合して成形した後に熱処理を行うことによって製造される。
【００４０】
微粒子群は、単一微粒子群および複合微粒子群などから構成される。微粒子群は、比重調整材７０の上記形態のなかで、単位体積当たりの比表面積が最も大きく、炉心溶融物３との接触面積が最も大きい。そのため、微粒子群は最も早く溶融して炉心溶融物３と混合物となり、結果、炉心溶融物３の比重を減少させることができる。さらに、微粒子群は各粒子が微小であるため小さな力であっても炉心溶融物３内を容易に移動することが可能である。そのため、微粒子群で構成された比重調整材７０は、炉心溶融物３内を広がりながら、炉心溶融物３で溶融し混合される。微粒子群の設置方法は、微粒子群を構成する複数の微粒子を入れた麻などの袋を設置する、複数の微粒子を散布するなど、施工性や設置コストに応じて適宜選択される。
【００４１】
単一微粒子群を構成する複数の単一微粒子は、単一の材料から構成され、単一組成である。単一微粒子は、例えば、比重調整材７０を構成する材料を所望の大きさの粒径に粉砕することによって製造される。
【００４２】
図２は、第１の実施の形態の比重調整材７０の一例を示す断面図である。ここでは、比重調整材７０の形態が複合微粒子群である場合について説明する。図２に示すように、複合微粒子群を構成する各複合微粒子７１０は、シェル部７１１と、シェル部７１１によって覆われるコア部７１２とを有する。例えば、複合微粒子７１０は、同心球状である。複合微粒子７１０の表面を構成するシェル部７１１は、炉心溶融物３よりも比重が小さい。複合微粒子７１０の内部を構成すると共に、シェル部７１１の内部に形成されるコア部７１２は、シェル部７１１よりも比重が大きく、シェル部７１１よりも融点が高い。
【００４３】
シェル部７１１は、上述した比重調整材７０を構成する材料からなる。また、コア部７１２は、タングステン、タンタル、ハフニウム、イリジウムからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含む材料を主成分として含む。当該材料は、例えば、タングステン、タンタル、ハフニウム、イリジウム単体や、これらの元素を含む合金などの化合物が挙げられる。
【００４４】
複合微粒子群である比重調整材７０が炉心溶融物３と接触した場合を考える。シェル部７１１の融点は、コア部７１２よりも低い。そのため、複合微粒子７１０が炉心溶融物３と接触すると、シェル部７１１は溶融し炉心溶融物３との混合物を形成し、炉心溶融物３単体のときよりも比重を減少させ、温度を低下させる。そして、比重調整材７０と炉心溶融物３の混合物がサンプカバー３２の外周面を覆うことが考えられる。
【００４５】
混合物の温度がコア部７１２の融点よりも低い場合、コア部７１２は炉心溶融物３に溶融せずに、サンプカバー３２の直上に残存することができる。コア部７１２はサンプカバー３２の重りとしての機能を発揮する。そのため、複合微粒子群は、ペデスタル床２８からのサンプカバー３２の浮上をより抑制することができる。
【００４６】
複合微粒子７１０は、例えば、コア部７１２を構成する材料を粉砕し、粉砕したコア部７１２の表面にシェル部７１１を構成する材料を塗布した後、熱処理を行うことによって製造される。
【００４７】
図３は、第１の実施の形態の比重調整材７０の他の例を示す断面図である。比重調整材７０の形態は、図３に示すように、ブロック体または多孔質構造を有する多孔質体と微粒子群とが混在した複合体７２０でもよい。複合体７２０は、第１相７２１と、第１相７２１によって覆われる第２相７２２とからなる。複合体７２０の表面を構成する第１相７２１は、上記したブロック体または多孔質体からなる。複合体７２０の内部を構成すると共に、第１相７２１の内部に形成される第２相７２２は、上記した単一微粒子群、複合微粒子群、または単一微粒子と複合微粒子を混合した微粒子群からなる。第２相７２２を構成する微粒子群は、第１相７２１の内部に充填されている。
【００４８】
ブロック体または多孔質体と微粒子群とからなる複合体７２０は、ブロック体または多孔質体の特性と微粒子群の特性とを併せ持つ。そのため、サンプカバー３２の外周面に比重調整材７０の微粒子群を設置することが困難な場合であっても、複合体７２０の第１相７２１が溶融した後、第２相７２２を構成する複数の微粒子は、炉心溶融物３内を広がりながら溶融し、炉心溶融物３と混合される。
【００４９】
複合体７２０は、例えば、第２相７２２を構成する複数の微粒子を所望の大きさや形状に成形し、成形した第２相７２２の表面に第１相７２１を構成する材料を塗布した後、熱処理を行うことによって製造される。
【００５０】
次に、第１の実施の形態の炉心溶融物保持方法について説明する。炉心溶融物保持方法は、ペデスタル床２８の上に比重調整材７０を設ける工程（以下、設置工程ともいう）と、炉心溶融物３が原子炉圧力容器１０から落下したときに、炉心溶融物３と比重調整材７０が接触する工程（以下、接触工程ともいう）と、比重調整材７０が溶融して炉心溶融物３と混合され、混合物の比重が炉心溶融物３単体の比重よりも減少する工程（以下、比重減少工程ともいう）とを有する。
【００５１】
設置工程では、ペデスタル床２８の上に比重調整材７０を設ける。ここで、ペデスタル床２８の上に比重調整材７０を設けるとは、サンプカバー３２の側面で、ペデスタル床２８の上に比重調整材７０を直接設けることに加えて、ペデスタル床２８の上に配置されるサンプカバー３２の上に比重調整材７０を設ける。こうして、炉心溶融物保持部材であるサンプカバー３２の外周面に比重調整材７０を設ける。また、サンプカバー３２の外周面にセメントなどの接着剤を塗布した後に、接着剤の表面に比重調整材７０を接触させることによって、接着剤を介して比重調整材７０をサンプカバー３２の外周面に固定させてもよい。
【００５２】
接触工程では、比重調整材７０が炉心溶融物３と接触する。接触工程は、以下３つの場合が考えられる。１つ目は、炉心溶融物３が原子炉圧力容器１０から比重調整材７０に直接落下する場合である。２つ目は、原子炉圧力容器１０からペデスタル床２８の上に落下した炉心溶融物３が落下の衝撃で飛び散って比重調整材７０に接触する場合である。３つ目は、原子炉圧力容器１０からペデスタル床２８の上に落下した炉心溶融物３がペデスタル床２８の上を伝って比重調整材７０に接触する場合がある。
【００５３】
比重減少工程では、炉心溶融物３に接触した比重調整材７０が溶融し炉心溶融物３と混合される。比重調整材７０と炉心溶融物３が混合されることで、混合物の比重は炉心溶融物３の比重よりも小さくなり、サンプカバー３２の比重よりも小さくなることが可能である。混合物の比重をサンプカバー３２の比重よりも小さくすることで、ペデスタル床２８からのサンプカバー３２の浮上を抑制することができる。
【００５４】
次に、比重調整材７０および保護構造体４０の作用を、図１を用いて説明する。
【００５５】
原子力発電所において、炉心２の冷却が十分に行われない状態が継続すると、炉心２が溶融する。炉心２が溶融したもの、いわゆる炉心溶融物３は、原子炉圧力容器１０の圧力容器底部１２に溜まる。炉心溶融物３が一定以上の温度を有する場合において、炉心溶融物３は圧力容器底部１２の内面を溶融する。そして、圧力容器底部１２の溶融によって圧力容器底部１２が浸食されて、圧力容器底部１２の耐久性が低下すると、圧力容器底部１２は炉心溶融物３を保持することが困難になる。圧力容器底部１２が炉心溶融物３を保持できなくなると、炉心溶融物３は、圧力容器底部１２を貫通し、原子炉圧力容器１０から落下する。
【００５６】
圧力容器底部１２を貫通した炉心溶融物３は、サンプカバー３２の外周面に設置されている比重調整材７０やペデスタル床２８に落下する。そして、ペデスタル床２８の上方に設けられる原子炉圧力容器１０から落下した炉心溶融物３は、比重調整材７０と接触する。
【００５７】
炉心溶融物３の温度が比重調整材７０の融点よりも低い場合、炉心溶融物３は固体である。比重調整材７０は炉心溶融物３に溶融せず、炉心溶融物３は比重調整材７０の上面や側面に存在する。このとき、炉心溶融物３および比重調整材７０の重力による下方Ｄの力がサンプカバー３２に働く。そのため、サンプカバー３２の保持機能は維持される。
【００５８】
炉心溶融物３の温度が比重調整材７０の融点以上である場合には、比重調整材７０は溶融し炉心溶融物３と混合され、混合物の比重は炉心溶融物３の比重よりも減少する。そして、混合物の比重は炉心溶融物３と比重調整材７０の割合によって、サンプカバー３２の比重よりも小さくすることが可能であり、溶融した炉心溶融物３によるサンプカバー３２の浮上を抑制することができる。
【００５９】
炉心溶融物３は比重調整材７０との接触箇所から混合され混合物を形成する。そのため、炉心溶融物３が比重調整材７０上に落下してきた場合、落下直後にひとまとまりであった炉心溶融物３の内部では、既に混合物を形成した部分と未だ炉心溶融物３単体である部分が生じ、比重差が発生する。より比重が大きい炉心溶融物３単体の部分は、比重調整材７０を溶融させ混合物を形成しつつ下方Dに沈む。つまり、炉心溶融物３単体は混合物との比重差によって、未混合の比重調整材７０との混合が促進され、炉心溶融物３は迅速に混合物を形成することができる。落下した炉心溶融物３は迅速に混合物を形成するため、ペデスタル床２８からのサンプカバー３２の浮上を抑制することができる。
【００６０】
さらに、比重調整材７０の溶融時には、比重調整材７０の固体から液体または気体への相変化に伴う潜熱量と比重調整材７０の温度上昇に伴う顕熱量との合計の熱量が炉心溶融物３から消費される。そのため、炉心溶融物３単体と混合物との比重差によって、未混合の比重調整材７０と炉心溶融物３は積極的に接触し混合される際に、熱の対流が炉心溶融物３内で生じる。このような炉心溶融物３内の熱の対流によって、炉心溶融物３全体の温度を効率的に低下させることができる。そのため、混合物及び炉心溶融物３はより早く固化し、サンプカバー３２の浮上が抑制される。
【００６１】
比重調整材７０の形態がブロック体である場合、ブロック体は比重調整材７０の単位体積当たりにおける炉心溶融物３の比重を減少させる効果が最も大きい。また、比重調整材７０の形態が多孔質体である場合、多孔質体はブロック体よりも炉心溶融物３との接触面積が大きいので、多孔質体はブロック体よりも炉心溶融物３に早く溶融する。比重調整材７０の形態が微粒子群である場合、微粒子群は炉心溶融物３との接触面積が最も大きいので、微粒子群は炉心溶融物３に最も早く溶融する。このとき、複数の微粒子は、炉心溶融物３内を広がりながら、炉心溶融物３に溶融する。特に、比重調整材７０の形態が複合微粒子群である場合には、複合微粒子７１０のコア部７１２は炉心溶融物３に溶融しないので、コア部７１２はサンプカバー３２の外周面に残存する。そのため、複合微粒子群のコア部７１２は、サンプカバー３２の重りとして働き、サンプカバー３２の浮上をより抑制させることができる。また、比重調整材７０の形態が複合体７２０である場合、複合体７２０はブロック体または多孔質体の特性と微粒子群の特性とを併せ持つ。そのため、複合体７２０の第１相７２１の溶融後、第２相７２２を構成する複数の微粒子は、炉心溶融物３内を広がりながら、炉心溶融物３に溶融する。
【００６２】
比重調整材７０は、炉心溶融物３に溶融しながら、炉心溶融物３内を広がる。炉心溶融物３内における比重調整材７０の広がりの程度は、比重調整材７０の形態に依存する。また、比重調整材７０の設置量によっても、炉心溶融物３の比重減少の程度は異なる。そのため、比重調整材７０は、比重調整材７０の近傍に存在する炉心溶融物３の比重を減少させたり、炉心溶融物３全体の比重を減少させたりするなど、比重調整材７０の形態や設置量に応じて、炉心溶融物３の比重の減少する領域を適宜調整することができる。
【００６３】
なお、比重調整材７０の溶融時において、サンプカバー３２は炉心溶融物３に溶融しないことが好ましいが、サンプカバー３２が保持機能を維持することができれば、サンプカバー３２の一部が炉心溶融物３に溶融しても問題はない。
【００６４】
上記したように、第１の実施の形態の比重調整材７０および保護構造体４０によれば、原子炉圧力容器１０から落下した炉心溶融物３と比重調整材７０が混合物を形成することによって、混合物の比重は炉心溶融物３単体の比重より減少しサンプカバー３２の比重よりも減少させることが可能であり、サンプカバー３２の浮上が抑制される。よって、ペデスタル床２８の一部を覆う炉心溶融物保持部材であるサンプカバー３２の保持機能を長期間維持することができる。
【００６５】
また、追加の装置などを原子炉格納容器２０に新たに設けずに、取り扱いの容易な比重調整材７０を原子炉格納容器２０に設置することよって、サンプカバー３２の浮上が容易に抑制される。そして、比重調整材７０は、原子炉格納容器２０の内部に容易に設置できる。さらに、比重調整材７０は、新設の原子炉格納容器２０に加えて、既設の原子炉格納容器２０にも設置することができる。そのため、サンプカバー３２の保持機能を安価かつ簡便に維持することができる。
【００６６】
（第２の実施の形態）
図４は、第２の実施の形態の比重調整材７０を備える保護構造体２４０を具備した原子炉建屋２００を模式的に示す断面図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００６７】
第２の実施の形態の保護構造体２４０において、炉心溶融物保持部材であるコアキャッチャー２３２の構成が異なる以外は、第１の実施の形態の保護構造体４０の構成と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００６８】
図４に示すように、第２の実施の形態の保護構造体２４０は、原子力発電所のペデスタル床２８の上に配置されるコアキャッチャー２３２と、ペデスタル床２８の上に配置される比重調整材７０とを備える。ここで、ペデスタル床２８の上に配置される比重調整材７０とは、ペデスタル床２８の上に設けられるコアキャッチャー２３２の外表面に配置される比重調整材であり、コアキャッチャー２３２を介してペデスタル床２８の上に設けられる。
【００６９】
ここでは、コアキャッチャー２３２がペデスタル床２８の全面に加えてペデスタル壁２７の下方Ｄ側の内側に設けられる一例を示すが、コアキャッチャー２３２の設置構成はこれに限定されるものではない。また、コアキャッチャー２３２の底部は、平坦状であっても、すり鉢状であってもよい。コアキャッチャー２３２は、例えばサンプカバー３２と同様の材料から構成される。
【００７０】
炉心溶融事故時に炉心溶融物３が原子炉圧力容器１０から落下したとき、原子炉圧力容器１０の下方に設けられるコアキャッチャー２３２は、原子炉圧力容器１０から落下する炉心溶融物３を保持して、炉心溶融物３とペデスタル床２８との接触を妨げる。そして、コアキャッチャー２３２は、高温の炉心溶融物３からペデスタル床２８を保護する。
【００７１】
炉心溶融事故時に炉心溶融物３が落下したとき、コアキャッチャー２３２の上面および水平方向Ｈの内側の側面に設けられる比重調整材７０は炉心溶融物３の熱によって溶融し、炉心溶融物３と比重調整材７０は混ざり合って混合物となる。炉心溶融物３と比重調整材７０の混合物は、炉心溶融物３の比重よりも小さくなる。比重調整材７０は、ペデスタル床２８からのコアキャッチャー２３２の浮上を抑制することができ、コアキャッチャー２３２の保持機能が長期間維持される。
【００７２】
コアキャッチャー２３２の外周面に設けられる比重調整材７０は、複数であっても単数であってもよい。また、比重調整材７０の設置量は適宜調整されることができる。
【００７３】
図５は、第２の実施の形態の比重調整材７０の配置構成の一例を示す断面図である。図５に示すように、比重調整材７０は、コアキャッチャー２３２の底部に円錐状に設置してもよい。このとき、原子炉圧力容器１０から落下する炉心溶融物３がより多くの比重調整材７０に効率よく接触するように、積み上げられた比重調整材７０の円錐状の頂点は、圧力容器中部１１の中心軸の直下に配置される。また、図４に示すように、比重調整材７０は、コアキャッチャー２３２の外周面に平坦状に設置してもよい。
【００７４】
複数の比重調整材７０の形態を適宜選択して円錐状や平坦状に設置することによって、炉心溶融物３の比重の減少する領域を調整することができる。例えば、炉心溶融物３の落下量の多い場所である圧力容器中部１１の中心軸の直下には、単位体積当たりにおける炉心溶融物３の比重を減少させる効果の最も大きいブロック体を円錐状に設置する。また、炉心溶融物３の落下量の少ない場所であるペデスタル壁２７の内側周辺には、ブロック体に比べて炉心溶融物３に早く溶融する多孔質体や微粒子群を環状に設置する。また、円錐状に積み上げられたブロック体の外側と環状に積み上げられた多孔質体や微粒子群の内側との間には、ブロック体または多孔質体の特性と微粒子群の特性とを併せ持つ複合体を設置する。このように比重調整材７０の形態を適宜選択して比重調整材７０を設置することによって、炉心溶融物３の比重を効率よく減少させることができる。
【００７５】
次に、保護構造体２４０の作用を、図４および図５を用いて説明する。
【００７６】
圧力容器底部１２を貫通した炉心溶融物３は、コアキャッチャー２３２の外周面に設置されている比重調整材７０に落下する。コアキャッチャー２３２の上方に設けられる原子炉圧力容器１０から落下した炉心溶融物３は、比重調整材７０と接触する。
【００７７】
炉心溶融物３の温度が比重調整材７０の融点よりも低い場合、炉心溶融物３は固体である。比重調整材７０は炉心溶融物３に溶融せず、炉心溶融物３は比重調整材７０の表面に存在する。このとき、炉心溶融物３および比重調整材７０の重力による下方Ｄの力がコアキャッチャー２３２に働く。そのため、コアキャッチャー２３２の保持機能は維持される。
【００７８】
炉心溶融物３の温度が比重調整材７０の融点以上である場合、比重調整材７０は溶融し炉心溶融物３と混合物を形成して、混合物の比重をコアキャッチャー２３２の比重よりも減少させる。そのため、溶融した炉心溶融物３がコアキャッチャー２３２とペデスタル床２８との間に流入して、ペデスタル床２８からコアキャッチャー２３２を浮上させることを抑制することができ、コアキャッチャー２３２の保持機能が維持される。
【００７９】
上記したように、第２の実施の形態の保護構造体２４０によれば、原子炉圧力容器１０から落下した炉心溶融物３と比重調整材７０が混合物を形成することで、混合物の比重はコアキャッチャー２３２の比重よりも小さくなる。そのため、溶融した炉心溶融物３がコアキャッチャー２３２とペデスタル床２８との間に流入して、ペデスタル床２８からコアキャッチャー２３２を浮上させることを抑制することができる。よって、ペデスタル床２８の全面を覆う炉心溶融物保持部材であるコアキャッチャー２３２の保持機能を長期間維持することができる。
【００８０】
また、比重調整材７０がコアキャッチャー２３２の外周面に設けられない場合には、コアキャッチャー２３２は原子炉圧力容器１０から落下した炉心溶融物３を受け止める。このとき、コアキャッチャー２３２への炉心溶融物３のジェットインピンジメントやコアキャッチャー２３２の浸食によって、コアキャッチャー２３２の一部が破損することがある。一方、第２の実施の形態の保護構造体２４０によれば、コアキャッチャー２３２の外周面に設けられた比重調整材７０によって、原子炉圧力容器１０から落下した炉心溶融物３を受け止めることができる。そのため、比重調整材７０は、コアキャッチャー２３２の物理的および化学的な破損を抑制することができる。
【００８１】
以上説明した実施の形態によれば、安価かつ簡便に、炉心溶融物の比重を小さくし、原子炉格納容器からの炉心溶融物保持部材の浮上を抑制することができる比重調整材および保護構造体を提供することができる。
【００８２】
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。これら新規な実施形態は、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共に、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。
【符号の説明】
【００８３】
１，２００…原子炉建屋、２…炉心、３…炉心溶融物、１０…原子炉圧力容器、１１…圧力容器中部、１２…圧力容器底部、１３…圧力容器頂部、２０…原子炉格納容器、２１…ドライウェル、２２…ウェットウェル、２３…壁、２４…壁、２５…圧力抑制プール、２６…床部、２７…ペデスタル壁、２７ａ…支持部、２８…ペデスタル床、２９…注水ライン、３０…弁、３１…ドレンサンプ、３２…サンプカバー、４０，２４０…保護構造体、７０…比重調整材、２３２…コアキャッチャー、７１０…複合微粒子、７１１…シェル部、７１２…コア部、７２０…複合体、７２１…第１相、７２２…第２相。
【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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