2023年9⽉25~26⽇

深層防護別にみる安全設計の具体例
村上 健太 <murakami@n.t.u-tokyo.ac.jp>

東京⼤学⼤学院⼯学系研究科 レジリエンス⼯学研究センター

この講義は、北⼤・⼯・修⼠の集中講義「新型軽⽔炉安全⼯学」として実施しました考えてみよう• 深層防護の五つのレベルと、５重の壁は、どのような関係にありますか︖• 通常運転• 異常な過渡変化• 設計基準事故• 設計拡張状態• 防災対策• 燃料ペレット• 被覆管• 原⼦炉圧⼒容器• 格納容器• 原⼦炉建屋83

３ 設計基準事象 （Design Basis Events）• AOOが拡⼤することや、想定起因事象が発⽣して設計基準事故に進展する場合を想定する。
• 想定起因事象︓発⽣頻度が⼗分低いが、発⽣すると深刻な影響を与える事象。⼀次冷却系配管の破断など10-7炉年程度までスクリーニングして分類する• 固有の安全性、⼯学的安全設備、⼿順のさまざまな組み合わせによって、事故を超える状態に拡⼤することを防⽌し、発電所を安全な状態に戻す• ⼯学的安全設備︓緊急炉⼼冷却系、原⼦炉格納容器など、通常運転には使⽤せず、安全の⽬的だけのために要求される設備• 保守的な仮定に基づく評価によって、検証する• 炉⼼に著しい損傷が⽣じることを防ぐことを最⼤の⽬標として設計する

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原⼦⼒エネルギー図⾯集
https://www.ene100.jp/zumen/5-1-6
86【1】出典︓原子力・エネルギー図面集, 5-1-6

クリフエッジ効果• プラントパラメーターのわずかな偏差によって、あるプラント状態から別のプラント状態へと急激に移⾏するような特徴• 例えば、• 核燃料の出⼒がわずかに⼤きくなると冷却性能が⼤幅に低下する• 洪⽔の⾼さが想定をわずかに超えると、発電所全体が浸⽔する

89

https://www.ene100.jp/zumen/5-1-7
90【2】出典︓原子力・エネルギー図面集, 5-1-7

安全保護系• 原⼦炉運転中に、異常を検知して、原⼦炉緊急停⽌系を作動して⾃動的に（あるいは⼿動で）原⼦炉停⽌する• 事故時に、炉⼼及び格納容器バウンダリを保護するため、⼯学的安全施設を作動させる• 単⼀故障基準を満たす設計とする• 原⼦炉の制御システムからは分離した設計とする• 事故時の正しい対応を阻害しない設計とする
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https://www.ene100.jp/zumen/5-2-2【3】出典︓原子力・エネルギー図面集, 5-2-2

沸騰⽔型軽⽔炉プラントの安全設計
原⼦炉の停⽌

原⼦炉

蒸気発⽣器

圧⼒抑制室
安全系
ポンプ

残留熱除去系
復⽔貯蔵タンク94

95【4】出典︓原子力・エネルギー図面集, 5-2-3

加圧⽔型軽⽔炉プラントの安全設計
復⽔補給
ポンプ

原⼦炉の停⽌原⼦炉

蒸気発⽣器

タービン・復⽔器

残留熱除去系

ポンプ
安全系
ポンプ

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緊急時炉⼼冷却系• ⼀次冷却系の圧⼒バウンダリの完全性が維持されないときに、原⼦⼒発電所の事故条件下で燃料の冷却を回復し、維持する• 被覆管や燃料の健全性に関する制限パラメータを超えない（例えば<1200℃）• 化学反応の可能性を許容範囲内に抑える（例えば、被覆管の酸化量が15%以内）• 炉⼼を冷却する⼿段の有効性は、燃料や炉⼼内部の形状が変化する 可能性を補償する• 炉⼼の冷却は⼗分な時間確保される。
• 必要な容量等は、単⼀故障基準を満⾜する

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⽔化学の管理• 反応度への影響の評価• 放射性物質等のモニタリング• 導電性の管理• 腐⾷等を低減するための⽔質管理• 放射性物質等の除去と被ばくの低減

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格納容器
• 運転状態および事故状態で、放射性物質を閉じ込める• 外的事象から原⼦炉を保護する• 運転状態および 事故状態で、放射線を遮蔽する• 事故時の放射性物質の放出が合理的に達成可能な限り低くなるような対策を整備する（格納容器スプレイ等）• 漏洩検査ができる• 耐圧強化ベントとの関係（貫通部の隔離弁の設計）
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⾮常⽤の電源• 電⼒網からの電源は、事故時に期待しない• ⾮常⽤の電源は、AOOやDBAにおいて必要な電⼒を供給できなければいけない• DECで必要な電⼒を供給するための代替電源も準備する• 炉⼼溶融の影響を緩和するための電⼒は、すべての電源から供給できなければいけない。
• 交流電源が喪失したとしても、プラントパラメータの監視ができるような（直流）電源を設ける• 緊急時に使⽤する制御⽤圧縮空気などを供給するために、原動機等を準備する
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最終ヒートシンク• 最終ヒートシンクへの伝熱能⼒は、すべての運転状態で確保する• 最も厳しい、施設外誘因事象の影響を考慮して設計する

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BWRプラントのシステム構成
出⼒の調整

原⼦炉

蒸気発⽣器

タービン・復⽔器

海⽔系

復⽔・給⽔ポンプ84

シビアアクシデント

核燃料• ウランなどを含む固体（セラミクス）• 表⾯が 900℃ 以上に達すると、FPが表⾯へ拡散して、揮発する原⼦炉容器・配管・格納容器• FPの⼀部は、壁⾯と化学反応を起こし吸着する• FPは、核燃料から離れると低温になる
⼀部は霧のような状態になり、沈降する• 容器中の⽔分を使って、溶解・保持する⼤気• 空気の流れで運ばれる。晴天時は拡散しやすい• 霧状のFPは、⾬によって早く沈降する
⼈体への影響• ⼤気を漂うFPからの放射線• 地⾯に沈降したFPからの放射線• 呼吸で体内に⼊ったFPからの放射線【5】出典︓写真提供︓日本原子力研究開発機構

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Initiator

Earthquake,
Fire, Water,
Airplane etc.

SCC Failure

AgeingHuman Error

Loss of
Emergency Cooling,
Shutdown System

Loss of PCV coolingCore Damage
Containment
FailureSevere accident
model

FP Release

Level 2 PRA(Performance for DEC)
After Kiyoharu Abe

Level 1 PRA(Performance forDBA)
Early?? Large??

Level 3 PRA

WeatherConditionEmergency PlanFP Migration

Public Exposure

Health Effect
Model

Health Effect103

原⼦⼒災害対策のスキーム
近隣の状況(PAZ)

原発の状況
大きな事故
大地震・津波

AL

SE

燃料の損傷

周辺の状況(UPZ)

要介護者は避難の準備
一般の避難の準備

屋内退避の準備

避難開始

屋内退避

GE

格納容器の損傷
放射性物質放出

政府によるモニタリング

一次的な移転などの調整
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Can simulation support government decision-making?
simulation

real

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【6】出典︓「福島第一原子力発電所事故に関するセミナー」報告書 何が悪かったのか、今後何をすべきか, 図7.4-2, 日本原子力学会 原子力安全部会

参考⽂献• 神⽥誠、他、原⼦炉プラント⼯学

オーム社、2009年• 東⼤・原⼦⼒専⾨職⼤学院の教科書。プラントの安全設備の構成が詳述されている• ⽥中俊⼀ 原⼦⼒災害対策指針と新規制基準 原⼦⼒規制委員会HP
https://www.nra.go.jp/data/000172848.pdf• 当時の原⼦⼒規制委員⻑が防災の案が得⽅を説明するために作った資料。

• Bal Raj Sehgal, Nuclear Safety in Light Water Reactors: Severe Accident
Phenomenology 2012, Academic Press• 軽⽔炉事故の物理・化学的な挙動を丁寧に紹介する教科書。

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