(57)【要約】      （修正有）【課題】低トータルコストで環境に優しい原子力発電所を提供する。【解決手段】廃炉機能付き原子力発電所はその名の通り、廃炉の場合、如何に安全で、近隣に全く被害を及ぼさず、短時間で作業工程を集息させる事を想定して発電所の建設当初に必要施設を作り込んで置く事。そのスタートは押しボタンを押す事で自動的に廃炉シーケンスが進行する事。放射能物質及び汚染物は発電所敷地内の地下に半永久格納し、地上の跡地は放射能を検知しない更地となる事。通常運転中に何らかの原因で修復不可能の重異常が発生し、秒単位で最悪の方向に進んでいても、押しボタンを押す事で廃炉シーケンスが発動し、安全終息する。【選択図】図１
2017032533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子力発電所の原子炉構造で有って、核分裂に依って発生する熱エネルギーを高温高圧の水のエネルギーに変換する前記炉心部を有する構造である事、前記炉心部構造のほぼ鉛直下に、核燃料、放射能発生物質及び残骸物の半永久的な埋設を目的とした強固な壁部で出来た地下室を有する事、前記の事を特徴とする廃炉機能付き原子力発電所。
【請求項２】
請求項１で有って、前記圧力容器の前記底部を破砕し、前記水蒸気の力で、前記炉心部を高速で前記地下室へ送出する仕組みを有する事を特徴とする、廃炉機能付き原子力発電所。
【請求項３】
請求項１で有って、前記地下室の上部より高速で落下する落下物を、破砕し且つ八方にばらまく機能を有する破砕器が設置されて有る事を特徴とする、廃炉機能付き原子力発電所。
【請求項４】
請求項１で有って、圧力抑制用冷却水タンクを備え、重力の力で注水する事を特徴とする、廃炉機能付き原子力発電所。
【請求項５】
請求項１で有って、放射能汚染物及び放射性物質を遠心力で分離する遠心分離機を設置してある事を特徴とする、廃炉機能付き原子力発電所。
【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は一般的には原子炉と呼ばれ、その中で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。
即ち構造的には単純であるがその安全に対しては他のいかなる装置よりも高確率が要求されている。
本発明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。
【背景技術】
【０００２】  核燃料を大量に取り扱う部所、即ち原子炉では何らかの重異常が発生した場合は、「停める」「冷やす」「閉じ込める」が三原則と成っている。
２０１１年の東日本大震災に於いて、福島第一原子力発電所では「停める」は出来たが「冷やす」と「閉じ込める」は失敗した。
その結果、放射能汚染物質を国中にばらまき、汚染水は今だに発生し続けている。その汚染水を溜めるタンクの数は際限なく増え続けて居る。
又避難民の帰郷はどうなるか不透明である。
今回の事後処理に要する経費として、国は毎年一兆円近いお金を支出していると聞いている。【０００３】  上記原子炉の故障原因がどの様な部所が発端で有ったかは未だ発表されていないが、地震及び津波の直撃を受けた結果、次の様な時間軸で異常が進行した様である。即ち、圧力容器内の冷却水の減少−＞核燃料の露出−＞メルトダウン−＞圧力容器底部の溶融−＞核燃料デブリの全落下−＞建て屋床下より放射能汚染水の流出、が現状の様である。又、副次的に核燃料の露出が水素の発生をもたらし水素爆発を起こした。【０００４】  核燃料デブリは未だに消防車で延々と水を掛けて居るので有ろうか、そこの所が我々部外者には不明である。もしそうなら再臨界を起こしている事も考えねば成らない。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  本発明では課題で有る前記［０００２］〜［０００４］の総てに付き、その解決策を課題とする。本発明が提案する解決策とは、極めて単純明快である。即ち修復不可能な重大故障が発生した場合、安全で且つ低コストでしかも短時間で終息する事を目的としている。
但し本発明では原子炉の型式が「沸騰水型軽水炉」の場合に付き詳細に説明する。他の型式の場合にも応用が出来ると想定する。
【課題を解決する為の手段】
【０００６】  本発明ではまず、原子力発電所の原子炉の設計寿命が尽きて（通常５０年）廃炉にする場合の方法や手段を検討し、それが「環境を損なわずに低コストで且つ短時間で終息する事」の最良案を思考し、そのモデルをまとめる。
【０００７】「地産地消」と言う文言がある。これは食糧問題で良く聞かされた言葉で、その地域（国）で生産した食料はその地域（国）で消費する意味で有ろう。
本発明もこの文言に従って、核廃棄物及び放射能汚染物は、原子力発電所の敷地内の地下深くに、半永久的に埋設処理する事で解決を図る。
【０００８】  前記の様な重異常は修復して元の状態に帰し再運転する事は、現状技術では不可能で、どうも廃炉の方向で作業している様である。
【０００９】  本発明の手段の特徴は、「寿命による廃炉」と「修復不能な場合は廃炉にする」、この二つはほぼ同一の廃炉行程シーケンスを採用し、且つその設備や構造も供用する事に有る。
【解決手段の具体的実施例】
【００１０】  その目的を達成する為に、原子炉を構成している原子炉構造部所の鉛直下に、核廃棄物及び放射能汚染物を半永久保管する為の堅牢な地下室を設置する。そして原子炉部と前記地下室は鉄筋コンクリート製の鉛直トンネルで接続する。
トンネルの長さは０〜１０００ｍが適切である。トンネルの長さは長い程、廃棄物の保管効果は増すが地震等に対して亀裂が入る確率が高くなり且つ建設コストが増加する。０ｍが一番効果的であるが原子炉を廃炉後、長期間放射能を閉じ込めねばならないので対策が必要となる
【００１１】  本発明の実施例に掛かる概念図を［図１］に示す。この図は原子力発電所の「原子炉」及びその周辺に関連した部所である。又この図はコンクリートで出来た強固な構造部、及び圧力容器は断面（斜線を入れた部所）で示してある。圧力容器の内部は概念図で示してある。
【００１２】  「図１」に於いて、▲１▼は原子炉圧力容器の断面でｔ＝２００ｍｍのステンレス鋼で出来ている。
▲２▼は「炉心筒」と呼び円筒状の筒であり、その内部に核燃料棒（６０本）を束ねた燃料集合体▲３▼が４００体ほど配列して固定してある。更にこの燃料集合体の相互間の隙間に２００本以上の制御棒▲４▼が挿入されている。
【００１３】  核燃料棒、燃料集合体及び制御棒の材質は従来の物と同様であるが、制御棒の制御方法は本発明固有の物となる。簡単に言うとモータ▲５▼によって制御する。このモータは各々の制御棒と対に成って居るので、このモータは制御棒の数だけ有る。
▲６▼は２８０℃、７０気圧の水蒸気で有り▲７▼の冷却水の沸騰により生産される。▲８▼は前記水蒸気の進行方向を示し、配管２３に依りタービンに送り込まれる。▲９▼は復水器からの戻り水で前記水蒸気を還元した物である。
▲１０▼は前記モータからの配線を前記炉心筒の底板の下面側に付けて有る電気接点であり、炉心筒を上部より挿入した際に圧力容器の底部▲１２▼側に属するスプリング状接点と確実に接触する仕組みと成っている。即ち電気接点を構成している。。更にこの底部の具体的な構造は「図２」に示す。「図２」に付いては別途下記で説明する。
【００１４】  前記炉心筒の最下部は前記底板で塞がれており、この底板の上側に多数のモータが取り付けられている。モータにはパワーの違う二種類がある。一つは制御棒を上下して核分裂を制御する物であり、その制御棒の数だけモータがある。
又スクラム（緊急停止）時のみ作動する専用モータが２〜４個設置してある。
【００１５】  制御棒はモータに依り抜き差しされるが、本発明の場合は上方に抜かれた場合核分裂が増大し、即ち原子炉出力が増す事になる。下方に差し込まれた場合は出力は減少する。即ち制御棒が最下点に達するとモータは停止し核分裂も停止する仕組みを採用する。
従ってスクラムでは全制御棒は一斉に下方に引き下ろされ核分裂は完全に停止する仕組みとなる。
この様な制御棒の上昇又は降下運動は、モータを正回転又は逆回転する事で実行される。
【００１６】  各モータにはそれぞれ独立して電力を供給しなければ成らず多数の電線が必要となる。その為、前記底板の下面にそれぞれの電極を設け、前記炉心筒を挿入した際にスプリング特性を持った対極の接点と接触する仕組みと成る様な構造と成らねばならない。「図１」の▲１０▼に略式図を示す（以下この接点をスプリング接点と呼ぶ）。
各スプリング接点より出た電線はケーブル状に束線され多ピンの貫通形コネクタ（図２の▲５▼）を経由して圧力容器の外部に出て電気信号ケーブル▲１１▼となり制御室へ導入される。
従って従来の制御棒用水圧管が不要となり地震に対する安全確率がより高く成る。
【００１７】  原子力発電所の出力容量を５０万ｋＷの場合は、原子炉圧力容器の内径＝６．４ｍ、高さ＝３０ｍとすれば十分で有ろう。この場合前記炉心筒の高さは約９ｍと成り、その外径は約５．５ｍと成ろう。
【００１８】  定格運転状態では上部７ｍが２８０℃７０気圧の水蒸気となり、下部２３ｍが２８０℃の冷却水と核燃料等々の固体部が占める。その固体部はほとんどが前記炉心筒内に収容されている。全固体部の占積率は高さ換算で約２．５ｍに相当する。
従って冷却水の水量は約２０．５ｍ（２５℃の常温では１１．３ｍ、２８０℃の水の密度＝０．５５）と成る。
上記の計算から原子炉圧力容器の停止状態（２５℃）では冷却水の規定値レベルは１３．８ｍと成る。
従って炉心筒の上縁より３．８ｍ上が正常水位（２５℃）で有る。これが核分裂のエネルギーで加熱され、２８０℃７０気圧の水蒸気を発生する定格運転時ではその水位は前記の２３ｍと成る。
【００１９】  前記圧力容器の底部の構造は「図１」の▲１２▼にその概念図として示す。▲１２▼の材質はガラスで有り、ソーダライムガラスが適している。それは熱膨張率がステンレス鋼とほぼ同じで有るからである。
底部にガラスを使用する理由は本発明の手段の主要な一つで有る。
【００２０】  運転中の原子炉に何らかの原因で重異常が発生した場合、其れが修復不可能な異常であり、原子炉の破滅（例えば核燃料の露出やメルトダウン）が秒単位で迫っている場合に於いては、本発明では廃炉を選択する。
【００２１】  廃炉は廃炉シーケンスの発動により開始する。
まず廃炉スイッチＨ．Ｓ「図１」の▲１６▼を投入してバッテリー電源▲１５▼に依り前記ガラス製底部内のタングステンヒータ▲１３▼（詳細は「図２」の▲６▼）に通電しヒータを約２０００℃近くに加熱する。ガラスは約５００℃で相転移を起こし急膨張し且つ融点でも膨張するので通電で瞬時に圧力容器の底部は破砕する。従って前記炉心筒は７０気圧の水蒸気に依り下方に噴出し、鉛直トンネル３１を通り１００ｍ／ｓｅｃ以上のスピード（トンネルの長さＸ＝０でも）で地下室３２に突入する。そして破砕器３７及び３８で前記炉心筒内の核燃料ペレット、制御棒、及びモータ類はバラバラにされ八方にバラ撒かれる。これらのバラバラにされた固体物、粉塵及び核燃料ペレットを以下放射能汚染物質と呼ぶ。
【００２２】「図１」の３４はコンクリート製の箱で地下室の底面に格子状に敷き詰めてあり、かつ互いに通水穴３６で連結してある。箱には硼酸水３５があらかじめ入れて有り、中性子を阻止する仕組みを採っている。従って核燃料ペレットが投入されても核分裂は起きない。更にばらまきに依ってペレットが一カ所に集中しない様な仕組みと成っている。その為再臨界は起きない。
【００２３】「図１」の２１は原子炉防護壁で厚さ５ｍの円筒状であり鉄筋コンクリートで出来ている。２２は格納容器で有る。
重異常が発生し廃炉シーケンスの発動された場合は、総ての前記放射能汚染物質は前記の地下室、トンネル及び格納容器の中に閉じ込められる。この場合の内部気圧は地下室の大きさで決まる。
地下室は鉄筋コンクリートで壁の厚さを約３ｍとすれば十分で有ろう。地下室の大きさをＷ＝４０ｍ，Ｄ＝４０ｍ，Ｈ＝３５ｍとすれば、通常は１気圧の空気で有るが、廃炉シーケンスの結果、内部気圧は約３気圧となる。
【００２４】  廃炉シーケンスの発動が実施された場合は、核分裂は停止するが崩壊熱は発生し続ける。その熱は発電出力の１０％と言われている。即ち５万ｋＷが初期エネルギーであるがこれは時間と共に減少する。
本発明では冷却水を地下室に流し込み気化熱として水蒸気に変える。その水蒸気は地上で煙突から外気に放出する。
発生した水蒸気は当然、前記放射能汚染物質の微粒子及び空気を含み、其れらが共に「図１」の２９の穴から配管２６を通り遠心分離室▲２０▼に設置して有る遠心分離機に入る。（遠心分離室及び遠心分離機の具体例は別途図３及び図４の概念図で説明する）。
前記冷却水の総量は原子力発電所の敷地内に設置してある５個の予備水用プール（Ｗ＝１５ｍ，Ｄ＝１５ｍ，Ｈ＝２５ｍ）の水を使用する事で十分賄える。この冷却水は前記遠心分離機で分離された放射能汚染物質と共に配管２７を通り地下室の天井２８の様に地下室に送り込まれる仕組みと成っている。
【００２５】  この項は圧力容器のガラス製底部を詳細に説明する。即ち「図２」に付きのみ説明する。
図の下部は圧力容器底部の断面を示す概念図で、▲１▼はステンレス鋼製の圧力容器の上から続く部所であり、▲２▼は前記炉心筒の底部の断面図で、▲３▼は前記スプリング接点を示す。この接点は前記炉心筒が上部から挿入された場合、確実に接触する事は勿論で、相手を間違わない様に炉心筒に正確なガイド装置が必要である。
上の図はＡ−Ａ’矢視図であり、ガラスの中にタングステンヒータ▲６▼が埋め込まれてある。▲７▼はヒータ専用のケーブルで、制御室より前記Ｈ．Ｓスイッチ投入指令でヒータに通電し、瞬時にガラス部を破砕し前記炉心筒を超高速で地下室に送り込む。
【００２６】  この項は「図３」で示す遠心分離室の概念を専用に説明する。
▲１▼は前記放射能汚染物質を閉じ込める為の円筒状の金属箱であり、▲２▼は遠心分離機である。空気及び水蒸気より重い微粒子を遠心分離し、予備プールより送られて来る冷却水に混ぜて再び地下室に送り返す仕組みを採る。
地下室の気圧が１気圧に近づいたら遠心分離機は回転力が下がるので補間モータで回転を維持する。
【００２７】  「図４」に放射能汚染物を分別する遠心分離機の概念図を示す。回転力は地下室の３気圧のガス圧を利用する。
【００２８】  本発明では前記圧力容器の蒸気圧が「異常」と判定される領域に成った場合に、従来の圧力容器の下部に位置する大きな水タンクからモータポンプでその水を汲み上げ、圧力容器に注水する方式を改め、重力により注水する方式を採用する。その利点は電磁弁の開閉のみ済む事である。
その概念を「図１」の冷却水タンク▲１９▼と電磁弁Ａ，Ｂ（即ち▲１８▼）で示す。
【発明の効果】
【００２９】  本発明は、原子力発電所が、その設計寿命が尽きて原子炉を廃炉にする作業工程と原子炉部に修復不可能な重異常が発生した場合の対処の作業工程をほぼ同じ形態にする事。その形態は本発明の特徴的な物であり、安全確実に且つ短時間で作業が終息する。
本発明特有の廃炉作業工程に必要な設備を発電所建設当初から作り込む必要があるが、そのトータルコストは従来の場合より遙かに小さい。
更に、本発明は、発生する大量の放射性廃棄物や放射性塵埃は、総て発電所の敷地内の地下に半永久的に埋設処理する仕組みを採用している。従って近隣住民や近隣国に被害を及ぼす事は無く、安全な原子力発電所を構築出来る。
又、前記廃炉作業工程は「押しボタン」を押すだけでほぼ自動的に作業が進行する。
離島、新興国、人工密集地の近隣にも設置が可能で、設置場所の制限は常識的危険場所を避ければ従来より遙かに広い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】原子炉及びその周辺部
【図２】圧力容器底部と炉心筒の筒係
【図３】汚染物遠心分離室概念図
【図４】遠心分離機分解図  遠心分離機の実施例で、＊  Ａ−Ａ’矢視図は分離器を回転させる為のタービン部  ＊  Ｂ−Ｂ’矢視図はかくはん用羽根部（３段階で遠心分離）  ＊  外観図の外周にある穴より空気又は水蒸気より高密度の物質を放出する。
【符号の説明】
【００３１】（１）  圧力容器断面                    （２０）放射能汚染物遠心分離室
（２）  原子炉炉心筒                    （２１）原子炉防護壁
（３）  核燃料集合体                    （２２）格納容器
（４）  制御棒                          （２３）タービンへ向かう水蒸気用配管
（５）  制御棒用モータ                  （２４）復水器からの戻り水用配管
（６）  ７０気圧、２８０℃の水蒸気      （２５）共通台床
（７）  冷却水                          （２６）水蒸気及び放射能汚染物用配管
（８）  タービンへ向かう水蒸気          （２７）放射能汚染物および冷却水用配管
（９）  復水器からの戻り水              （２８）放射能汚染物及び冷却水
（１０）スプリング接点                  （２９）水蒸気及び放射能汚染物
（１１）電気信号ケーブル                （３０）Ｘ＝トンネルの長さ
（１２）圧力容器底部                    （３１）鉛直トンネル
（１３）タングステンヒータ              （３２）廃炉用地下室
（１４）２心ケーブル                    （３３）鉄筋コンクリート壁の断面図
（１５）タングステンヒータ用バッテリー  （３４）コンクリート製格子箱
（１６）廃炉スイッチ                    （３５）硼酸水
（１７）圧力抑制用冷却水管              （３６）通水孔
（１８）圧力抑制用電磁弁                （３７）破砕器頭部
（１９）圧力抑制用冷却水タンク          （３８）破砕器断面
［図２の下図に於いて］                  ［図２の上図に於いて］
（１）  圧力容器断面                    （５）  多ピンコネクター
（２）  炉心筒断面                      （６）  タングステンヒータ
（３）  スプリング接点群                （７）  タングステンヒータ用２芯ケーブル
（４）  電気及び信号ケーブル
［図３に於いて］
（１）  遠心分離機格納筒
（２）  遠心分離機外周
【図１】
2017032533.tif 000003
【図２】
2017032533.tif 000004
【図３】
2017032533.tif 000005
【図４】
2017032533.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月13日(2015.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
原子力発電所の原子炉構造で有って、核分裂に依って発生する熱エネルギーを高温高圧の水又は水蒸気のエネルギーに変換する炉心部を有する構造である事、前記炉心部のほぼ鉛直下に、核燃料、放射能発生物質及び残骸物の半永久的な埋設を目的とした強固な壁部及び底部で出来た地下室を有する事、前記の事を特徴とする廃炉機能付き原子力発電所。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】  核燃料棒、燃料集合体及び制御棒の材質は従来の物と同様であるが、制御棒の制御方法は本発明固有の実施例となる。簡単に言うとモータ▲５▼によって制御する。このモータは各々の制御棒と対に成って居るので、このモータは制御棒の数だけ有る。
▲６▼は２８０℃、７０気圧の水蒸気で有り▲７▼の冷却水の沸騰により生産される。▲８▼は前記水蒸気の進行方向を示し、配管２３に依りタービンに送り込まれる。▲９▼は復水器からの戻り水で前記水蒸気を還元した物である。
▲１０▼は前記モータからの配線を前記炉心筒の底板の下面側に付けて有る電気接点であり、炉心筒を上部より挿入した際に圧力容器の底部▲１２▼側に属するスプリング状接点と確実に接触する仕組みと成っている。即ち電気接点を構成している。更にこの底部の具体的な構造は「図２」に示す。「図２」に付いては別途下記で説明する。