JP2011133315A - 原子炉格納容器の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉格納容器上部に設置する上部冷却水貯蔵タンクの容積を低減するか又は省略することによって、原子力プラントの小型化及び低コスト化を図ることができるとともに、受動的な駆動力を利用した高信頼性の原子炉格納容器の冷却構造を提供する。
【解決手段】本発明の原子炉格納容器の冷却構造は、原子炉格納容器２の外周面を取り囲む環状の空気流路４と、前記空気流路４の外周に配置した側面冷却水貯蔵タンク８と、前記格納容器３の外周面に設けられた環状の樋１０と、前記樋１０の底部に設けられた流下孔１２と、前記側面冷却水貯蔵タンク８の冷却水を前記樋１０に配水する複数の配水ダクト９と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子炉格納容器の冷却構造に関し、特に、受動的な駆動力を利用した原子炉格納容器の冷却構造に関する。

原子力プラントにおいて配管の破断等により冷却材が原子炉格納容器内へ放出された場合、冷却材が減圧によって高温の蒸気となるため、原子炉格納容器内の圧力が上昇する。従来、圧力上昇を抑制し格納容器の健全性を確保するため、発生した蒸気を格納容器内の圧力抑制プールに誘導し凝縮させる方法や、格納容器上部から格納容器スプレイにより内部に散水し、蒸気を凝縮させる方法が知られている。これらの方法では、圧力抑制プールやスプレイ水へ蓄積された熱はポンプ等の動的機器により、熱交換器を介して最終的に外部へ放出されている。

近年、安全系の信頼性向上を図るため、格納容器内部の圧力抑制方法についても、従来のような動的機器ではなく、重力などの自然に存在する受動的な力を駆動力として格納容器の除熱を行う方法が提案されている（特許文献１）。

図１０にその具体例を示す。原子炉圧力容器１を内包する格納容器２と原子炉建屋３の間に、格納容器２を取り囲む形で環状の空気流路４があり、格納容器２内に冷却材が放出されて圧力、温度が上昇した場合、空気流路４の下部から流入した空気は格納容器２の表面から加熱され、その熱を奪いながら煙突効果によって格納容器上部の煙突５から排気される。

さらに、格納容器２の上部には上部冷却水貯蔵タンク６が設けられ、タンク６に連通する上部散水管７から水を格納容器上部の表面へ散水する。水は重力によってそのまま格納容器２の外周側面を流れ落ちる過程で壁面からの熱伝達によって蒸発し、空気とともに環状流路４を上昇して煙突５から排出される。これらの効果により、動的機器を用いることなく格納容器２の内部を冷却、減圧することができる。

特許第２８１３４１２号公報

上述したように、重力により水を格納容器２の上部表面に散水し、格納容器の除熱を行う場合、動力機器を使用しないため動力機器の故障を考慮する必要がない。その反面、重力を利用するため格納容器の上部に上部冷却水貯蔵タンク６を設置する必要があり、原子炉建屋３全体の高さが増え、重心が高くなる問題がある。

特に、原子炉出力が大きいプラントでは、必要な除熱量を確保するために、格納容器２や上部冷却水貯蔵タンク６が大型化し、原子炉建屋３全体の大型化につながる。一方、耐震設計、建設コストの観点からは、プラントの建屋高さ、重心はできるだけ低くすることが望ましい。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、原子炉格納容器上部に設置する上部冷却水貯蔵タンクの容積を低減するか又は省略することによって、原子力プラントの小型化及び低コスト化を図ることができるとともに、受動的な駆動力を利用した高信頼性の原子炉格納容器の冷却構造を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、本発明に係る原子炉格納容器の冷却構造は、原子炉格納容器の外周面を取り囲む環状の空気流路と、前記空気流路の外周に配置した側面冷却水貯蔵タンクと、前記格納容器の外周面に設けられた環状の樋と、前記樋の底部に設けられた流下孔と、前記側面冷却水貯蔵タンクの冷却水を前記樋に配水する複数の配水ダクトと、を有することを特徴とする。
また、本発明は、上記本発明に係る原子炉格納容器の冷却構造を前記格納容器の高さ方向に複数段設けたことを特徴とする。

本発明によれば、原子炉格納容器上部に設置する上部冷却水貯蔵タンクの容積を低減するか又は省略することによって、原子力プラントの小型化及び低コスト化を図ることができるとともに、受動的な駆動力を利用した高信頼性の原子炉格納容器の冷却構造を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造の全体構成図。 図１のＡ−Ａ’矢視図。 本発明の第１の実施形態に係る樋の部分切り欠き図。 本発明の第１の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造の変形例。 本発明の第２の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造の全体構成図。 本発明の第３の実施形態に係る樋の拡大断面図。 本発明の第４の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造の横断面図。 本発明の第５の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造の全体構成図。 本発明の第５の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造の上部拡大図。 従来の原子炉格納容器の冷却構造の全体構成図。

以下、本発明に係る原子炉格納容器の冷却構造の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造を、図１乃至３を用いて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造の全体構成図で、図２はそのＡ−Ａ断面図である。図１、図２において、格納容器２の外周を取り囲む環状の空気流路４のさらに外側を取り囲むように側面冷却水貯蔵タンク８を設ける。側面冷却水貯蔵タンク８は図２に示すように全周を取り囲む一つの環状のタンク又は複数の分割された環状のタンク（図示せず）から構成される。

側面冷却水貯蔵タンク８には周方向に一定間隔で配水ダクト９を接続し、その先端は格納容器の外周面に設置した環状の樋１０の上部まで延びている。さらに、樋１０と格納容器２の接合部には、図３に示すようにその周方向に沿って所定間隔で樋１０の底部に流下孔１２が設置されている。

このように構成された原子炉格納容器の冷却構造において、格納容器２の内部に高温の蒸気が放出され減圧の必要が生じた場合、側面冷却水貯蔵タンク８から配水ダクト９を介して重力により樋１０に冷却水を流し込む。樋１０に流れ込んだ冷却水は格納容器２と樋１０の接合面に設けた流下孔１２を通って格納容器２の外周面を流れ落ちる。

このとき、流下孔１２を格納容器２の外周面に接するように設けられているので、流下孔１２を通過した冷却水は格納容器の外周面に接触しながら流下する。冷却水は外周面を流れ落ちる過程で格納容器２からの熱伝達により蒸発し、空気流路４を矢印１１で示すように上昇して煙突５から外部へ排気される。また、樋１０の底部に格納容器２の外周面に接するように複数の流下孔１２を設けたことにより、格納容器の外周面全体は均一に冷却される。

なお、図４のように、格納容器２の直径が高さ方向で変化し、かつ低い位置ほど大きくなるような形状をしている場合は、直径が変化する位置の上部に配水ダクト９の先端が来るような配置を行うことによって、樋１０や流下孔１２のような構造を格納容器外周面に設けることなく、流出する冷却水を格納容器の側面に散水することができる。

本第１の実施形態によれば、格納容器２を側面から除熱するのに必要な冷却水源を側面冷却水貯蔵タンク８とすることにより、上部冷却水貯蔵タンク６から格納容器２の上面へ注水する冷却水は、上面のみを冷却するのに必要な量を確保すればよいため、上部冷却水貯蔵タンクの容積を低減し、建屋の高さ及び重心を低くすることができるので、原子力プラントの小型化及び低コスト化を図ることができるとともに、受動的な駆動力を利用した効率的かつ高信頼性の原子炉格納容器の冷却構造を提供することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造を、図５を用いて説明する。
第２の実施形態では、側面冷却水貯蔵タンク８および対応する樋１０等からなる冷却構造を、格納容器２の高さに応じて複数段設けることを特徴とする。

図５は冷却構造を２段配置した例で、原子炉格納容器２の外周部の建屋３に、上段の側面冷却水貯蔵タンク８ａと配水ダクト９ａと樋１０ａ、及び下段の側面冷却水貯蔵タンク８ｂと配水ダクト９ｂと樋１０ｂが設けられている。この場合、下段の樋１０ｂは、上段の樋１０ａから流下し格納容器２の外周面上に形成する冷却水膜が蒸発によってなくなる位置よりも下に設けることが望ましい。

本第２の実施形態によれば、側面冷却水貯蔵タンク８及び樋１０等からなる冷却構造を格納容器の高さ方向に複数段設けることにより、格納容器をその外周面及び高さ方向の全長にわたって効率的に冷却することができるため、建屋の高さ及び重心をさらに低くすることができる。
なお、本実施形態では冷却構造を２段配置した例で説明したが、それに限定されず、例えば３段以上配置してもよい。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造を、図６を用いて説明する。
本実施形態では、冷却水膜１３を確実に格納容器２の外周面に形成させるため、樋１０の底部に設けた流下孔１２を流出口に近づくほど格納容器側へ絞られるような形状とする。
また、流下孔１２の流入口の周囲には、樋１０の高さ方向に堰１４が設けられている。

このように構成された冷却構造において、配水ダクト９から樋１０に流入した冷却水は、いったん樋１０に溜まり、水位が堰１４の高さまで達してから堰を超えて流下孔１２を流下し始めるため、周方向に複数存在する流下孔１２から流下する冷却水量が等しくなり、格納容器２の外周面からの除熱量を周方向に均等化させ、格納容器の温度分布が不均一となるのを防止する。
本第３の実施形態によれば、上記のように樋を構成したことにより、格納容器外周面の全体にわたって均一かつ効率的に冷却することができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造を、図７を用いて説明する。
本実施形態では、周方向に複数個配置された配水ダクト９に流量調節弁１５を設け、さらに配水ダクト９の設置位置に対応する格納容器２の内周側に温度計１６を設置する。

また、配水ダクト９の流出口の下部にある樋１０は、仕切り板１７によって所定間隔で周方向に区画されており、樋１０の各区画における水位、および樋１０から流下孔１２を通じて格納容器２の側面を流れる水量は、当該区画に対応する配水ダクト９から流れ込む冷却水量により調節可能になっている。

このように構成された冷却構造において、格納容器冷却系が作動しているとき、各配水ダクト９に設けられた流量調節弁１５の開度は温度計１６の検出値に基づいて調整される。すなわち、ある箇所の温度計１６の検出値が他よりも高い値を示していたときには、対応する配水ダクト９の流量調節弁１５の開度を他に比べて大きくすることにより、樋１０への流入量、側面を流下する冷却水量を多くし、当該箇所の除熱量を向上させることができる。

本第４の実施形態によれば、樋を周方向に区画し、各配水ダクトに流量調節弁及び格納容器に温度計を設けたことにより、格納容器外周面を、格納容器の温度分布に応じてさらに均一かつ効率的に冷却することができる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係る原子炉格納容器の冷却構造を、図８及び図９を用いて説明する。

本実施形態では、冷却空気流路１８を空気流路４が格納容器上部を通過する区間の外周部に設けている。冷却空気流路１８の流入口１９は原子炉建屋３の外側側面に設置し、流出口２０の高さ位置は空気流路４の流出口に相当する煙突５の高さ位置に等しくなるようにする。これにより、格納容器２の上部における空気流路は、格納容器２の外周面から続く空気流路４と、格納容器２の上部の原子炉建屋３の近傍を流れる冷却空気流路１８とに二重化される。

また、冷却空気流路１８と空気流路４との隔壁２１は金属等の熱伝導性の良いものを用い、さらに、表面には図９に示すように鉛直下向きへ伸びる冷却フィン２２を設けてもよい。

このように構成された冷却構造において、格納容器冷却系が作動しているとき、側面冷却水貯蔵タンク８から樋１０、流下孔１２を通り、格納容器２の外周面を流れ落ちる冷却水は、格納容器から熱を受け取って徐々に蒸発し、水蒸気として空気とともに空気流路４を上昇する。上昇してきた空気と蒸気が格納容器２の上部に達すると、冷却空気流路１８を流れる気流との熱交換により、隔壁２１上に水蒸気の一部が凝縮して水滴２３が付着する。これらは隔壁２１上に設けたフィン２２を介して格納容器２の上面へ落下する。落下した水滴２３は格納容器２のからの熱を奪い、再度蒸発する。これにより、格納容器上面の冷却に用いる上部冷却水貯蔵タンクを上部に設置しないときも、格納容器２の上面は冷却水により覆われ、その潜熱によって除熱を行うことができる。

本第５の実施形態によれば、格納容器の冷却構造を二重化することにより、格納容器上方の冷却上部冷却水貯蔵タンクが省略可能となるとともに、格納容器の上面及び外周面を効率的に冷却することができるため、建屋の高さ及び重心をさらに低くすることができる。

以上、本発明に係る原子炉格納容器の冷却構造の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、これらを適宜組み合わせて原子炉格納容器の冷却構造を構成してもよい。

１…原子炉圧力容器、２…格納容器、３…原子炉建屋、４…空気流路、５…煙突、６…上部冷却水貯蔵タンク、７…上部散水管、８…側面冷却水貯蔵タンク、９…配水ダクト、１０…樋、１２…流下孔、１３…冷却水膜、１４…堰、１５…流量調節弁、１６…温度計、１７…仕切り板、１８…冷却空気流路、１９…冷却空気流路入口、２０…冷却空気流路出口、２１…隔壁、２２…フィン、２３…水滴。

Claims (10)

1. 原子炉格納容器の外周面を取り囲む環状の空気流路と、前記空気流路の外周に配置した側面冷却水貯蔵タンクと、前記格納容器の外周面に設けられた環状の樋と、前記樋の底部に設けられた流下孔と、前記側面冷却水貯蔵タンクの冷却水を前記樋に配水する複数の配水ダクトと、を有することを特徴とする原子炉格納容器の冷却構造。
2. 前記側面冷却水貯蔵タンクは環状又は複数に分割された環状の貯蔵タンクからなることを特徴とする請求項１記載の原子炉格納容器の冷却構造。
3. 前記流下孔は前記格納容器の外周面に接して設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の原子炉格納容器の冷却構造。
4. 前記樋の格納容器側であって前記流下孔の周囲に堰を設けたことを特徴とする請求項３記載の原子炉格納容器の冷却構造。
5. 前記流下孔は流出口に近づくほど格納容器側へ絞られる形状であることを特徴とする請求項４記載の原子炉格納容器の冷却構造。
6. 前記環状の樋を複数の区画に分割し、各区画に配置された前記配水ダクトに流量調節弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の原子炉格納容器の冷却構造。
7. 前記格納容器の内周面に前記区画に対応して温度計を設け、前記流量調節弁の開度を前記温度計の検出値に基づいて調節することを特徴とする請求項６記載の原子炉格納容器の冷却構造。
8. 請求項１乃至７いずれかに記載の原子炉格納容器の冷却構造を、前記格納容器の高さ方向に複数段設けたことを特徴とする原子炉格納容器の冷却構造。
9. 前記原子炉格納容器の上方の空気流路の隔壁の外周に冷却空気流路を設けたことを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の原子炉格納容器の冷却構造。
10. 前記隔壁に、前記格納容器の上面に向けて冷却フィンを設けたことを特徴とする請求項９記載の原子炉格納容器の冷却構造。

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