JP6288781B2 - 原子炉格納容器換気系用フィルタ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、「Ｗｅｔ Ｓｃｒｕｂｂｅｒ Ｕｓｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ Ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ ＰＷＲ ａｎｄ ＢＷＲ Ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ Ｖｅｎｔｉｎｇ」と題する２０１２年７月６日に出願された米国仮特許出願第６１／６６８，５８５号の優先権を主張する。

本発明は、広くは原子炉格納容器換気系に関し、より詳細には、この種の系に用いる湿式フィルタに関連する。

多くの国において、原子力発電所は、万一事故が発生した場合でも、放射性物質および希ガスの漏洩を防止するか極力少なくする仕組みを必ず備えるように設計しなければならない。放射性物質の放出を防ぐために、原子炉システムは通常、鋼鉄と鉄筋コンクリートから成る原子炉格納容器構造物の内部に収納される。原子炉格納容器は、さまざまな事故シナリオによって生じる可能性のある高圧に耐えられるように設計される。しかしながら、シビアアクシデントでは、次第に増加する圧力により格納容器自体が破損する可能性が想定されている。この種の事象が起きる可能性はきわめて小さいと考えられるが、かかる事象には、放出する放射性物質に曝される周辺住民の健康リスクがあるので、格納容器の内圧を低下させるために格納容器を排気する場合には、ガスをフィルタで処理して放射能の放出量を極力少なくするための何らかの仕組みを備えるべきであると多くの人が考えるようになっている。すなわち、格納容器の圧力を解放する装置と、格納容器から放出される可能性があるガスを大気中に放出される前にフィルタで処理するための仕組みとを両方備えることが望ましい。

１９８６年にウクライナのチェルノブイリ発電所で、また最近では２０１１年に日本の福島第一発電所で起きた原子力事故は、崩壊時間が長い核分裂生成物が放出されることによる影響をはっきりと示している。損傷した発電所の周囲の広大な地域が汚染され、数十年に亘って使用に適さなくなった。そのコストの影響は甚大である。様々な形態のヨウ素などの短寿命核分裂生成物は、長寿命の核分裂生成物より人間にとって有害であるが、その影響はより管理しやすい。微小なエアロゾルの形態をとる長寿命の核分裂生成物は、気象条件によっては、長距離に亘って拡散する可能性がある。これらの事故の結果、多くの国の政府は、原子力発電所は放射能汚染による損害から人と周囲の土地を防護するために、フィルタを有する格納容器換気システムの設置を義務付けることを決めている。

過去には、Ｌｅａｃｈに付与され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，６１０，８４０号に記載されたものなど、いくつかのフィルタ処理系統が提案されている。Ｌｅａｃｈ特許は、原子炉用の核分裂生成物スクラバーシステムを開示している。具体的には、格納容器と流体連通関係にあり、一部が水で満たされている第２のコンパートメントを用いるものである。万一圧力が大きく増加した場合、第２のコンパートメントから延びるベント管の中に配置されたラプチャーディスクが破裂して圧力を解放する。ラプチャーディスクが破裂すると、格納容器内の放射性ガスと蒸気が、水で満たされた第２のコンパートメントを通過した後、開放状態になったベント管を介して放出される。格納容器の高温のガスと蒸気が、密封された第２のコンパートメントに貯められた水の中を通過するので、核分裂生成物の大きな部分が格納容器内ガスから除去される。この種のシステムは効果的ではあるが、それでもなお、この種の放出が引き起こす可能性がある被ばくを極力抑えようとするこの種のシステムには、サイズを小さくし、効果をさらに増すという点で改善の余地がある。

したがって、本発明の目的は、原子炉格納容器から放出されるガスに混入する可能性がある放射性排出物を、完全には除去できないにしても、できるだけ少なくするより効果的なフィルタを提供することである。

本発明の別の目的は、原子炉格納容器の中で、または原子炉格納容器付近の既存もしくは新規の建屋の中で支持可能であり、実質的な空間を占めない、この種のフィルタ処理システムを提供することである。

上記およびその他の目的は、原子炉を収納するための原子炉格納容器を備える原子力発電施設によって達成される。格納容器は、原子炉から漏れる放射線の実質的な部分を閉じ込める。原子炉格納容器は、万一格納容器内の気体排出物の圧力が当該容器の健全性を危うくするようなレベルまで増加した場合に、格納容器雰囲気の増加した圧力を制御下で解放するための換気出口を有する。当該換気出口にはフィルタが接続されており、当該フィルタは、当該換気出口に接続された入口ノズルおよび当該入口ノズルと流体連通関係にある入口導管を有する容器を含み、当該入口導管はフィルタ容器の下部内へ延びている。当該入口導管にはマニホールドが接続されており、フィルタ容器の下部内へ延びている。当該マニホールドは、フィルタ容器に閉じ込められた液体のプールの中に格納容器内の気体排出物の一部を放出するように設計された複数の出口を有する。当該マニホールドの出口には、繊維フィルタが取り付けられている。原子炉格納容器からの排気は、当該マニホールドによって分散され、当該液体に接する前に、当該繊維フィルタを通る。容器出口もまた、容器の内部と流体連通しており、フィルタ処理された格納容器内の気体排出物を格納容器の外側の外気中へ排出する機能を有する。一実施態様において、マニホールドと繊維フィルタは、チオ硫酸ナトリウムを溶かした水などの液体に覆われる。

第２の実施態様において、フィルタには、フィルタ処理された格納容器内の気体排出物の一部から湿分を分離するために、容器内の液体プールの上方で支持されるデミスタが含まれる。随意的に、第２の群の繊維フィルタが、容器出口に接続された第２のマニホールドから延びており、当該繊維フィルタはデミスタの上方で支持されることが好ましい。この実施態様では、第２の群の繊維フィルタは第１の群の繊維フィルタより繊維密度が高く、どちらのフィルタ群も金属繊維製であることが望ましい。容器の内部は、大気圧より高い圧力に維持され、待機状態では窒素によって不活性化されていることが好ましい。

さらに別の実施態様では、マニホールドが容器の下部内へ容器の中心軸に対して鋭角をなして延びており、好ましくは、脚部が頂点から下方へ逆「Ｖ字」状に延びており、少なくとも一方の脚部から延びる出口がある。この構成では、入口導管は頂点でマニホールドに結合していることが好ましく、下方へ延びる脚部から出口がそれぞれ延びている。当該出口は、上記の下方へ延びる脚部から上方へ延びているのが望ましい。

本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。

格納容器建屋の概略的な断立図であり、本発明が適用される可能性がある加圧水型原子炉の主要機器を示す。

本発明の一実施態様の概要を示す。

図１は、原子炉容器１２、蒸気発生器１４、原子炉冷却材ポンプ１６、蓄圧タンク１８、および天井ポーラクレーン２０などの原子炉システムの機器類を収容する格納容器建屋１０（一般に、鋼製ライナーの外側に比較的厚いコンクリート層を有する）を含む加圧水型原子力発電システムを略示している。これらすべての機器および相互の関係はよく知られており、さらに、これらすべての機器は本発明とは特に構造的にも機能的にも協働する関係にはないので、あまり詳しく記述・図示していない。本発明の好ましい実施態様は加圧水型原子炉に関して記載しているが、本発明によるシステムは、例えば沸騰水型原子炉やガス冷却炉などの他の設計の原子炉にも同様に適用できるはずである。

原子炉格納容器に適用されるフィルタユニットには、シビアアクシデントが起きたとき、格納容器を減圧する過程で放出されるガスから放射性物質を分離して、放射能の放出量を有意に低減する役割がある。本発明のフィルタは、既に設置されている排気系統にも、この種のシステムを新たに設置する場合にも接続される。本フィルタは、格納容器付近の隔離弁および/またはラプチャーディスクの背後で、かつ発電所排気口につながるラプチャーディスクの手前に設置される。待機状態において、本フィルタは、水素燃焼ならびにフィルタ水およびタンク内構造物の劣化を防ぐために、窒素により不活性雰囲気に保たれていることが望ましい。

本発明の原理を取り入れたフィルタユニットの一実施態様を、図２に示す。フィルタ２２の主要部は、小型化のために加圧されることもあるタンクまたは圧力容器２４の中に収容される。加圧は、フィルタタンクの出口２６のすぐ下流のオリフィス２８を介して行われる。タンク２４の下部は、水入口３２から入れる水３０で満たされる。この水３０には２つの役割がある。１つは捕捉した核分裂生成物からの崩壊熱を除去することであり、もう１つはフィルタ効率を改善することである。ガス状およびエアロゾル形態のヨウ素を捕捉し、封じ込めるために、チオ硫酸ナトリウムなどの化学物質を水３０に添加することができる。

格納容器の内部から換気されるガスは、中央入口管３４を通ってタンク２４の下部のマニホールド３６に導かれる。下部マニホールド３６には、頂点３９から下方へ、鋭角をなして逆「Ｖ」字状に延びる２つの脚部（３８、４０）があり、これらの脚部（３８、４０）にはそれぞれ、水のプール３０の中を上方へ延びる複数の出口４２がある。マニホールドのそれぞれの出口４２から金属繊維フィルタ４４のカートリッジが延びており、当該出口は当該カートリッジと流体連通している。金属繊維フィルタ４４には２つの役割がある。１つはエアロゾルを濾過することであり、もう１つは換気されたガスを小さな気泡に細分化して、水プール３０の中でより効率的に洗浄できるようにすることである。金属繊維フィルタや、さらには焼結金属繊維フィルタが望ましいが、本発明の原理から逸脱しない限り他のフィルタ媒質を用いることもできる。フィルタカートリッジ４４内に捕捉された核分裂生成物は、崩壊熱を発生するが、フィルタ水の中にあるので、損傷するほど高い温度が生じることはない。エアロゾルは、各カートリッジの金属繊維フィルタ領域に亘って分散するので、フィルタが詰まるおそれはない。マニホールドの脚部（３８、４０）は、体積流量による動圧損失に対応する数のカートリッジが使えるように傾斜している。こうすると、本システムを、広い流量領域に亘って、また流量と格納容器圧力が非常に低い場合でも、用いることができる。湿式フィルタ２２内の全圧力損失は、タンク２４内の水位４６に等しく、これは比較的低い値なので、本フィルタシステムは、原子炉格納容器の圧力が低いとき、原子炉格納容器の早期排気を可能にする。格納容器圧力を非常に低い値に保つことは一部の事故シナリオにおいて利点となる。

デミスタ４８は、タンク２４の上部で出口２６の下方に支持され、フィルタタンクを出る蒸気に同伴する水滴を除去する。本システム２２はまた、水面下の金属繊維フィルタでも水自体によっても濾過できない小粒径のエアロゾルを除去するための２次フィルタを備えることが望ましい。２次フィルタは、タンク出口２６の直下で流体連通関係にある上部の第２のマニホールド５０を含む。この第２のマニホールドには、好ましくは下方へ延びる複数の入口５２があるが、これらの入口には、複数の第２の金属繊維フィルタ５４が、各入口５２に１個ずつ、流体連通関係に接続され、デミスタ４８の上方に支持されている。第２の金属繊維フィルタ５４のカートリッジも通常、第１の金属繊維フィルタ４４のカートリッジと同種の材料で出来ているが、より小さなエアロゾルを捕捉するために、より精細で高密度のメッシュを備えている。第２のフィルタ群を通過するエアロゾルの量は非常に少ないので、過熱することはない。タンク２４の底部には、保守のために排水部５６が設けられている。水入口３２と排水部５６は、待機時および作動後において水をサンプリングするためにも用いられる。フィルタタンク２４を、放射線遮へい体の後方に設置し、遮へいされた制御盤は当該タンクの近くに設置することが好ましい。上記タンクは、排気系出口の隔離弁５８とラプチャーディスク６０の下流側にある構造物の中に設置することが好ましい。望ましくは、受動的に作動させることが必要な場合は弁６８が必要であり、弁７０とラプチャーディスク６０は随意的である。第２のラプチャーディスク６２を、大気への出口につながるタンク出口管６４に置いてもよい。ラプチャーディスク６２は、タンク２４内を窒素で不活性化するのを容易にするが、破裂圧力が低い（例えば、約１．３バール（絶対圧））のが好ましい。

フィルタシステム２２は、外部電源を必要とせず、少なくとも２４時間完全に受動的に使用するように設計できる。ある程度時間が経ってから、水を加えることができる。符号６６で表象的に示される水位警報測定システムは、水位が低くなりすぎることがないようにするために使用する。フィルタシステム２２は、沸騰水型原子炉のドライウェルおよびウェットウェルの排気と、加圧水型原子炉の格納容器の排気の両方を取り扱えるように構成することができる。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (13)

1. 原子炉から漏出する放射線を閉じ込めるための原子炉（１２）を収容する格納容器（１０）を備えた原子力発電施設であって、当該格納容器は、格納容器内の気体排出物の圧力が所定の値を上回るレベルまで増加した場合に格納容器雰囲気の増加した圧力を制御下で解放するための換気出口（５８）を備え、当該原子力発電施設に含まれるフィルタ（２２）は、
   換気出口（５８）に接続される入口ノズル（３４）を備えるフィルタ容器（２４）、
   フィルタ容器（２４）の内部下方を占め、格納容器内の気体排出物を洗浄する機能を有する液体（３０）、
   フィルタ容器（２４）の内部下方に延びる、入口ノズル（３４）と流体連通関係にある入口導管、
   入口導管に接続され、フィルタ容器（２４）の内部下方に延び、複数の出口（４２）を備えるマニホールド（３６）であって、格納容器内の気体排出物の一部を当該フィルタ容器に含まれる液体（３０）のプール中に放出するように当該出口（４２）のそれぞれと協働するように設計されているマニホールド（３６）、
   それぞれが液体（３０）に浸漬されていて、マニホールド（３６）の対応する出口（４２）を介して排出される気体排出物をフィルタ処理するために第１の繊維密度を有する第１の群の繊維フィルタ（４４）であって、格納容器内の気体排出物が液体（３０）に接する前に当該フィルタ群の少なくとも一部を通過するように、各フィルタはマニホールド出口の１つに流体連通関係に接続されている第１の群の繊維フィルタ（４４）、および
   フィルタ容器（２４）の内部と流体連通関係にあり、フィルタ処理された格納容器内の気体排出物を格納容器の外側の外気中に排出する機能を有する容器出口（２６）
   から成ることを特徴とする原子力発電施設。
2. 当該液体（３０）にチオ硫酸ナトリウムが溶解している請求項１の原子力発電施設。
3. フィルタ処理された格納容器内の気体排出物の排気部分から湿分を分離するために液体（３０）のプールの上方で支持されるデミスタ（４８）を備える請求項１の原子力発電施設。
4. 第２の群の繊維フィルタ（５４）が、フィルタ容器出口（２６）に接続された第２のマニホールド（５０）から延びている請求項１の原子力発電施設。
5. 第２の群の繊維フィルタ（５４）が第１の群の繊維フィルタ（４４）よりも繊維密度が高い請求項４の原子力発電施設。
6. 第２の群の繊維フィルタ（５４）が金属繊維から成る請求項５の原子力発電施設。
7. 第１の群の繊維フィルタ（４４）が金属繊維から成る請求項１の原子力発電施設。
8. フィルタ容器（２４）が、フィルタ容器内部を大気圧より高い圧力に維持するための装置（２８）を備えた圧力容器である請求項１の原子力発電施設。
9. マニホールド（３６）がフィルタ容器（２４）の内部下方へ、当該フィルタ容器の中心軸に対して鋭角をなして延びている請求項１の原子力発電施設。
10. マニホールド（３６）が、フィルタ容器（２４）の内部下方へ頂点（３９）から逆「Ｖ字」状に延びる脚部（３８、４０）と、少なくとも一方の脚部（３８、４０）から延びる出口（４２）とを有する請求項９の原子力発電施設。
11. 下方へ延びる脚部（３８、４０）の各々から出口（４２）が延びる請求項１０の原子力発電施設。
12. 延びた脚部（３８、４０）から出口（４２）が上方へ延びる請求項１０の原子力発電施設。
13. フィルタ容器（２４）が窒素により不活性雰囲気に保たれている請求項１の原子力発電施設。
    

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