JP7178335B2 - ガス処理システム - Google Patents
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Description
本発明は、ガス処理システムに関する。
原子力施設の対象設備（例えば格納容器、原子炉建屋等）の内部で水素が発生した場合、対象設備の内部へ例えば不活性ガスを供給するとともに、対象設備内部のガスを外部に排出することが好ましい。対象設備内部から排出されるガスには、水素のほか、例えば放射性物質が含まれる。そこで、対象設備内部から排出されたガスへのガス処理が行われることが好ましい。ガス処理に関する技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。
特許文献１には、原子力発電所の非常用ガス処理系のフィルタ装置への流入空気の湿分を低減する空気乾燥装置において、空気が流通する乾燥器ケーシングと、この乾燥器ケーシングの内部に配置された湿分分離器と、前記乾燥器ケーシングの壁面に取り付けられたパネルヒータとを有する空気乾燥装置が記載されている。また、特許文献１の技術では、対象設備（特許文献１に記載の原子炉棟内）のガスは、ヒータで加熱され、フィルタを透過している。フィルタ透過によりガス中の放射性物質が除去され、透過後のガスは外部に排出されている。
ところで、ガスの加熱により、ガスの加熱コスト（例えばヒータの運転コスト）がかかる。特に、対象設備内部のガス置換は例えば長期的に行われることがあるため、ガスの加熱コストは削減できることが好ましい。一方で、フィルタ透過前のガスの加熱が不十分であると、ガス中の水分に起因してフィルタで結露が生じることがある。フィルタでの結露により、フィルタの劣化が進行し易くなる。
本発明は、ガスの加熱コストの削減とフィルタの劣化進行の抑制とを両立可能なガス処理システムを提供することを課題とする。
本発明のガス処理システムは、原子力施設における対象設備の内部空間から排出され、放射性物質を含むガスを加熱する加熱器と、前記加熱器で加熱されたガス中の前記放射性物質を除去するフィルタと、前記加熱器よりもガス流れで前段に設置され、前記フィルタを透過したガスが有する熱を、前記フィルタを透過する前のガスに伝熱する熱交換器と、前記フィルタを透過したガスの少なくとも一部を前記内部空間に戻す第１戻り系統と、前記第１戻り系統を流れるガス中の酸素を除去する酸素除去装置と、を備える
本発明によれば、ガスの加熱コストの削減とフィルタの劣化進行の抑制とを両立可能なガス処理システムを提供できる。
以下、図面を適宜参照しながら本発明を説明するが、本発明は以下の実施形態になんら限定されず、本発明の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形して実施できる。また、本発明は、異なる実施形態同士を組み合わせて実施できる。以下の実施形態において、同じ部材、装置等については同じ符号を付して重複する説明は省略する。
また、以下の実施形態において、各種弁及び各種装置の制御は、特に断らない限り、図示しない制御装置によって実行できる。制御装置は、いずれも図示しないが、例えばＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、Ｉ／Ｆとを備える。そして、ＲＯＭに記録されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで制御装置が具現化される。
本実施形態のガス処理システムは、加圧水型原子炉、沸騰水型原子炉等の軽水炉、及び高速増殖炉、新型転換炉、高温ガス炉他の各種原子炉に適用可能である。本実施形態のガス処理システムを加圧型原子炉の設備に適用する場合、例えば、アニュラス空気浄化設備の循環ラインを流れるガスを、本実施形態のガス処理システムを用いて加熱することができる。他にも、本実施形態のガス処理システムは沸騰水型原子炉にも適用でき、以下、一例として、沸騰水型原子炉に本実施形態のガス処理システム場合を例に挙げて、本実施形態のガス処理システムを説明する。
図１は、第１実施形態のガス処理システム１００の系統図である。ガス処理システム１００は、例えば、炉心（図示しない）が溶融し、圧力容器９９、格納容器１が破損するようなシビアアクシデント等の事故時、廃炉にともなう原子炉の解体時、及び定期検査時の各時における窒素パージの代替手段として利用できる。ガス処理システム１００の設置場所は、原子炉の工学的安全施設でもよく、原子炉建屋外部に設けた固定式施設でもよく、可搬型の安全設備でもよい。
格納容器１は、圧力容器９９を内包し、圧力容器９９の内部には、図示しないが核燃料物質を含む複数の燃料集合体が装荷された炉心が設置される。格納容器１の内部の圧差が圧力伝送器７１（圧力センサ）で計測され、格納容器１内の酸素濃度が酸素濃度伝送器８４（酸素濃度センサ）で計測される。
ガス処理システム１００は、加熱器４、フィルタ５及び熱交換器９を備える。加熱器４は、格納容器１の内部空間１ａ（原子力施設における対象設備の内部空間１ａの一例）から排出され、放射性物質（放射性微粒子等）を含むガスを加熱するものである。フィルタ５は、加熱器４で加熱されたガスである被処理ガスＡ１中の放射性物質を除去するものである。熱交換器９は、加熱器４よりもガス流れで前段に設置され、フィルタ５を透過して生成したガスである処理ガスＡ２が有する熱を、フィルタ５を透過する前のガスである被処理ガスＡ１に伝熱するものである。
以下、内部空間１ａからフィルタ５までを流れるガスを被処理ガスＡ１、フィルタ５から酸素除去装置８（後記する）までを流れるガスを処理ガスＡ２、酸素除去装置８から内部空間１ａまでを流れるガスを処理ガスＡ３（後記する）という。
以下、内部空間１ａからフィルタ５までを流れるガスを被処理ガスＡ１、フィルタ５から酸素除去装置８（後記する）までを流れるガスを処理ガスＡ２、酸素除去装置８から内部空間１ａまでを流れるガスを処理ガスＡ３（後記する）という。
他にも、ガス処理システム１００は、凝縮器３を備える。凝縮器３は、被処理ガスＡ１の除湿機能を有する装置の一構成を示したものであり、吸湿剤、活性炭等のフィルタ５での前処理として、多様な気体除湿の構成にも置き換え可能である。凝縮器３で生じた凝縮水Ｗ１は、排水系統２３及び流量調整弁２４を通じて外部に排水される。また、ガス処理システム１００は、送風機６を備える。送風機６は、図示したフィルタ５の下流側に限らず、フィルタ５の上流側に配置してフィルタ５に被処理ガスＡ１を圧送してもよく、加熱器４の上流側に配置してもよい。
ガス処理システム１００では、送風機６の吸い込みで格納容器１内の雰囲気から被処理ガスＡ１が抽気系統２を通して取り出される。被処理ガスＡ１は、凝縮器３により湿分を分離した後、電気ヒータ等の加熱手段を備えた加熱器４において加熱される。次いで、被処理ガスＡ１は、フィルタ５で放射性微粒子等を分離及び除去し、処理ガスＡ２として屋外雰囲気に放出される。
ガス処理システム１００は、フィルタ５を透過したガスである処理ガスＡ２の少なくとも一部を格納容器１の内部空間１ａに戻す第１戻り系統１５を備える。第１戻り系統１５は、フィルタ５を透過した処理ガスＡ２を屋外大気中に排気する排気系統１４から分岐して形成される。第１戻り系統１５を備えることで、格納容器１の内部空間１ａの雰囲気と同様の成分で、かつ、放射性物質除去後の処理ガスＡ２を内部空間１ａに戻すことができ、内部空間１ａの雰囲気のガス組成の変化を抑制できる。
上記の熱交換器９は、フィルタ５を透過後に第１戻り系統１５を流れるガスである処理ガスＡ２と、フィルタ５を透過する前のガスである被処理ガスＡ１とを熱交換可能に備えられる。熱交換器９がこのように構成されることで、従来大気中に捨てられていた処理ガスＡ２の熱を回収するとともに、フィルタ５透過前の被処理ガスＡ１への伝熱により温度低下した処理ガスＡ３を格納容器１の内部空間１ａに戻すことができ、内部空間１ａの温度上昇を抑制できる。
ガス処理システム１００は、第１戻り系統１５を流れるガスである処理ガスＡ２中の酸素を除去する酸素除去装置８を備える。酸素除去装置８を備えることで、第１戻り系統１５を通じて窒素濃度の高いガスを内部空間１ａに供給することができる。これにより、内部空間１ａの酸素濃度を抑制できる。
酸素除去装置８は、酸素除去に伴い発熱する酸素吸着材料４１を収容した酸素除去槽４０を備える。そして、熱交換器９は、酸素除去装置８から内部空間１ａに流れるガスである処理ガスＡ３と、フィルタ５を透過する前のガスである被処理ガスＡ１との間で熱交換可能に構成される。酸素除去装置８及び熱交換器９をこのように構成することで、酸素除去に伴って生じた熱を、フィルタ５を透過する前のガスである被処理ガスＡ１に伝熱できる。これにより、フィルタ５の前段に設置される加熱器４での加熱量を削減できる。
また、動的機器を用いずに酸素を除去できるため、酸素除去コストを低減できる。さらには、例えば既存のガス処理システムに対して酸素除去装置８を取り付けるだけで、簡便な構成によって酸素を除去できる。
酸素吸着材料４１は鉄を含むことが好ましい。酸素吸着材料４１が鉄を含むことで、酸素除去に伴って発熱できる。鉄は、単体の鉄、鉄の化合物、鉄合金等の形態で使用できる。また、酸素吸着材料４１の形状は、例えば塊、粒、粉等の形状にできる。これらの中でも、酸素との接触面積を増大できる観点から、鉄の粉（鉄粉）が好ましい。処理ガスＡ２から鉄粉への酸素の供給（又は移動）を促進するため、活性炭を併用してもよい。
別の実施形態として、酸素除去装置８は、酸素吸着材料を収容した酸素除去槽４０を備え、当該酸素吸着材料は、銅、アルミニウム、及び、これらの単体、化合物、合金のほか、酸素を吸着可能な有機物又は無機物のうちの少なくとも一種を含むものとすることができる。酸素を吸着可能な有機物は、例えば、アスコルビン酸、グルコース、グルコースオキシダーゼ等である。酸素を吸着可能な無機物は、例えばナトリウム塩である。これらの材料を使用しても、酸素除去装置８によって酸素を除去できる。処理ガスＡ２から鉄粉への酸素の供給（又は移動）を促進するため、活性炭を併用してもよい。
なお、酸素除去装置８は１台のみでもよく、２台以上を直列又は並列に接続してもよい。また、２種以上の酸素吸着材料を使用する場合、単一の酸素除去装置８に２種以上の酸素吸着材料を収容してもよく、１種のみの酸素吸着材料を収容した酸素除去装置８を、２台以上直列又は並列に接続してもよい。
酸素除去装置８と熱交換器９の一次側（高温側）入口とは、第１戻り系統１６ａにより接続される。また、熱交換器９の一次側出口と、格納容器１の封入口１８とは、第１戻り系統１６ｂにより接続される。一方で、熱交換器９の二次側（低温側）入口と凝縮器３の被処理ガスＡ１出口とは、抽気系統２ｂにより接続される。また、熱交換器９の二次側出口と加熱器４の入口とは、抽気系統２ｃにより接続される。以下、抽気系統２ａ，２ｂ，２ｃを総称して抽気系統２ということがある。熱交換器９は、例えば胴（図示しない）及び胴に収容される伝熱管５５により構成できる。熱交換器９は、例えば、一次側を胴側にして二次側を伝熱管５５にしてもよく、逆に熱交換器９の一次側を伝熱管５５にして二次側を胴側にしてもよい。
図２は、酸素除去装置８の構造を説明する図であり、（ａ）は一実施形態に係る酸素除去装置８、（ｂ）は別の実施形態に係る酸素除去装置８、（ｃ）は更に別の実施形態に係る酸素除去装置８である。
図２（ａ）～（ｃ）に示すように、酸素除去装置８は、酸素吸着材料４１に水Ｗ２を接触させる水接触機構３８を備える。水接触機構３８は例えば噴霧ノズルであり、水Ｗ２が水接触機構３８を通じて噴霧水３９として噴霧される。ここで、酸素吸着材料４１（ここでは鉄）への給水量増加は、酸化作用の促進によって脱酸素量を増加する操作である。
水接触機構３８は、図しない外部水源に対し、流量調整弁５１を介して系統５２で接続される。水接触機構３８により、酸素吸着材料４１に水Ｗ２を接触でき、酸素吸着材料４１での酸素吸着反応を制御、即ち発熱量を制御できる。なお、水Ｗ２として塩水（塩化ナトリウム水溶液等）を使用し、その濃度を調整することで発熱量を制御してもよい。
図２（ｂ）に示す酸素除去装置８では、酸素除去装置８と熱交換器９の一次側底部とが、逆止弁５３を介して系統５４で接続される。熱交換器９の一次側で処理ガスＡ３が伝熱管５５表面で冷却されて生じる凝縮水Ｗ３は、熱交換器９の一次側底部に水位を形成する。凝縮水Ｗ３の水位と系統５４内を満たす凝縮水の水頭とで逆止弁５３が開き、凝縮水Ｗ３は噴霧水３９とともに、酸素吸着材料４１に散水される。
図２（ｃ）に示す酸素除去装置８では、水接触機構３８は、凝縮器３の排水系統２３（いずれも図１参照）に、流量調整弁５１を介して系統５２で接続される。これにより、凝縮器３で生じた凝縮水Ｗ１が水接触機構３８を通じて散水される。この場合、酸素除去装置８を凝縮器３より低位置に設置し、凝縮水Ｗ１を凝縮器３内の水位と排水系統２３と系統５２内の水頭とを利用して供給することによって、ポンプ等の動力が不要になる。凝縮水Ｗ１に放射性物質等が含まれる可能性があるが、排水系統２３から系統５２の間に、放射性物質等の除去手段を設けることによって、酸素吸着材料４１の使用後の廃棄処理が簡素化される。
図１に戻って、格納容器１の内部から抽気系統２ａに吸引された被処理ガスＡ１は、凝縮器３で冷却されて凝縮することによって湿分が除去され、抽気系統２ｂを通って熱交換器９の二次側に流入する。ここで被処理ガスＡ１は、封入口１８から格納容器１内部に封入された処理ガスＡ３と、格納容器１の図示しない不明の開口部から流入する空気Ａ０（酸素を含む容器外部雰囲気）の混合ガスである。
熱交換器９の二次側を通過する被処理ガスＡ１は、脱酸素処理され酸化反応で発熱した一次側の処理ガスＡ３によって加熱され、加熱器４に流れる。加熱器４でフィルタ５の露点設計値に基づく所定の温度まで加熱された被処理ガスＡ１は、抽気系統２ｃを通ってフィルタ５に流入する。被処理ガスＡ１が熱交換器９において処理ガスＡ３の熱で加熱されるため、加熱器４での加熱量が従来より少なくて済み、ガス処理システム１００の消費エネルギを削減できる。
フィルタ５で放射性物質等を除去された処理ガスＡ２は、送風機６から系統１２に吐き出される。吐出された処理ガスＡ２は、排気系統１４と第１戻り系統１５とに分岐して流れる。排気系統１４と第１戻り系統１５の流量配分は、例えば、流量調整弁１１，１７の開度調整で設定される。
排気系統１４に流れた処理ガスＡ２は大気中に放出される。一方で、第１戻り系統１５に流れた処理ガスＡ２は、酸素除去装置８に入り、酸素吸着材料４１の例えば鉄粉を酸化することで酸素が除去され、処理ガスＡ３が生成する。処理ガスＡ３は、例えば窒素を高濃度（例えば９８体積％以上）で含むガスである。酸素除去装置８での反応熱により温度が上昇した処理ガスＡ３は、熱交換器９の一次側で比較的低温の被処理ガスＡ１によって冷却され（即ち、被処理ガスＡ１は加熱され）、第１戻り系統１６ｂを通って封入口１８から格納容器１内に封入される。
例えば、封入口１８を通じた処理ガスＡ３の封入流量と格納容器１開口部（図示しない）から流入する空気Ａ０の流量との流量比が９：１であれば、被処理ガスＡ１の酸素濃度は空気中の１０％（２．１体積％）になる。従って、酸素除去装置８に充填する酸素吸着材料４１の消費率も、空気から酸素除去を行う場合の約１０％になる。このため、上記の酸素除去装置８によれば、不活性ガス製造の電力が不要であり、空気を原料とした脱酸素剤によって不活性ガス（例えば窒素ガス）を製造する場合と比べても、不活性ガスの製造コストを削減できる。
また、処理ガスＡ３と空気Ａ０との流量比が９：１のとき、排気系統１４と第１戻り系統１５ａとの流量分配比は１：９である。この場合において、格納容器１内の酸素濃度をさらに下げる場合には、送風機６の風量増加により、処理ガスＡ２の抽気流量及び処理ガスＡ３の封入流量を増加するとともに第１戻り系統１５ａの流量分配比を増加すればよい。
加熱器４、フィルタ５及び熱交換器９を備えるガス処理システム１００によれば、フィルタ５の透過前の被処理ガスＡ１への伝熱により、加熱器４での加熱コストを削減できる。これとともに、フィルタ５の透過前の被処理ガスＡ１の加熱を十分に行うことができ、フィルタ５での結露抑制によるフィルタ５の劣化進行を抑制できる。
また、加圧水型原子炉では、格納容器１内の雰囲気が空気であるので、特に事故時に水素燃焼を抑制する上で不活性ガス（例えば高濃度窒素）への置換が有効である。不活性ガスへの置換により、事故処理だけでなく事故拡大抑制効果も期待できる。従って、ガス処理システム１００によって高濃度窒素である処理ガスＡ３を内部空間１ａに供給すれば、格納容器１内の不活化の信頼性を向上できる。これにより、原子炉の事故処理、解体作業時等において、経済性及び作業性を向上できる。さらには、原子炉の事故処理及び解体作業に係わる設備の建設コストを低減できる。
図３は、第２実施形態のガス処理システム２００の系統図である。ガス処理システム２００は、上記ガス処理システム１００の装置構成に加え、第１戻り系統１５を流れるガスであって熱交換器９での熱交換後のガスである処理ガスＡ３を冷却する冷却装置５６を備える。冷却装置５６は動力を必要としない静的冷却装置が好ましく、例えば放熱フィンである。第１戻り系統１６ｂの配管（図示しない）外周に放熱フィンを配置することで、空冷方式により放熱できる。冷却装置５６は例えば水プールでもよく、第１戻り系統１６ｂの配管を水プールに潜らせることで、水冷方式により放熱してもよい。長大な配管を使用することで自然冷却を行わせて冷却する場合には、当該長大な配管の部分を冷却装置５６として扱うことができる。
冷却装置５６を備えることで、熱交換後の処理ガスの温度を、冷却装置５６での雰囲気温度近傍まで低下できる。これによって、酸素除去装置８での発熱、及び熱交換器９での被処理ガスＡ１への熱伝達の状況に係わらず、格納容器１内に所望温度の処理ガスＡ３を封入できる。この結果、格納容器１内の動的機器の過熱を抑制でき、原子炉等の事故処理及び解体時の作業性を向上できる。
図４は、第３実施形態のガス処理システム３００の系統図である。ガス処理システム３００は、格納容器１の内部空間１ａから排気される被処理ガスＡ１の流量が内部空間１ａに戻される処理ガスＡ３の流量よりも大きく、かつ、内部空間１ａの圧力が内部空間１ａの外部の圧力よりも低く（即ち負圧に）なるように、第１戻り系統１５を流れるガスの流量を制御する運転制御装置５０を備える。流量制御は、例えば流量調整弁１１及び流量調整弁１７の開度制御により行われる。ただし、送風機６の出力調整により、流量制御を行ってもよい。運転制御装置５０は、いずれも図示しないが、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、Ｉ／Ｆとを備える。そして、ＲＯＭに記録されたプログラムがＣＰＵによって実行されることで、運転制御装置５０が具現化される。
このようにすることで、内部空間１ａへの酸素除去後の処理ガスＡ３の封入流量を最適化でき、内部空間１ａでの酸素濃度を低く維持できる。また、ガス処理システム３００によれば、格納容器１に封入される処理ガスＡ３の流量及び温度を安定して維持できる。また、格納容器１の内部を負圧に維持でき、封入する処理ガスＡへの酸素の混入を抑制できる。さらには、加熱器４での十分な加熱により、フィルタ５での結露を抑制でき、フィルタ５の劣化を抑制できる。
また、運転制御装置５０による上記制御のほか、運転制御装置５０は、以下の制御も行う。
ガス処理システム３００は、抽気系統２ｃを流れる被処理ガスＡ１の温度を計測する温度伝送器７２と、抽気系統２ｃを流れる被処理ガスＡ１の流量を計測する流量伝送器７９とを備える。さらに、ガス処理システム３００は、冷却装置５６のガス流れ上流側の処理ガスＡ３の流量、温度及び酸素濃度をそれぞれ計測する流量伝送器７５、温度伝送器７６及び酸素濃度伝送器７７を備える。そして、ガス処理システム３００は、冷却装置５６のガス流れ下流側の処理ガスＡ３の温度を計測する温度伝送器７８を備える。これらは、図示しない電気信号線により、運転制御装置５０に接続される。なお、空気中の酸素と窒素との割合はほぼ一定であるから、空気Ａ０が内部空間１ａに流入する本実施形態では、酸素濃度の計測に代えて窒素濃度を計測してもよい。
ガス処理システム３００は、抽気系統２ｃを流れる被処理ガスＡ１の温度を計測する温度伝送器７２と、抽気系統２ｃを流れる被処理ガスＡ１の流量を計測する流量伝送器７９とを備える。さらに、ガス処理システム３００は、冷却装置５６のガス流れ上流側の処理ガスＡ３の流量、温度及び酸素濃度をそれぞれ計測する流量伝送器７５、温度伝送器７６及び酸素濃度伝送器７７を備える。そして、ガス処理システム３００は、冷却装置５６のガス流れ下流側の処理ガスＡ３の温度を計測する温度伝送器７８を備える。これらは、図示しない電気信号線により、運転制御装置５０に接続される。なお、空気中の酸素と窒素との割合はほぼ一定であるから、空気Ａ０が内部空間１ａに流入する本実施形態では、酸素濃度の計測に代えて窒素濃度を計測してもよい。
例えば、酸素濃度伝送器７７で計測された酸素濃度が第一（低レベル）濃度許容値を超えた場合は、運転制御装置５０は、酸素除去量増加のため、水接触機構３８を通じた給水量の増加、又は酸素吸着材料４１の補給を運転支援情報として作業員に指示する。指示は、例えば図示しない表示装置（モニタ等）への表示により行うことができる。以下、運転支援情報の作業員への指示は、同様にして行うことができる。なお、給水量増加は、酸化作用の促進によって脱酸素量を増加する操作である。酸素濃度が第二（高レベル）濃度許容値を超えた場合は、運転制御装置５０は、運転の停止、又は不活性ガス供給装置（図８を参照しながら後記する）による不活性ガスの運転支援情報として指示する。
例えば、酸素濃度伝送器８４で計測された酸素濃度が第一（低レベル）濃度許容値を超えた場合は、処理ガスＡ３の流量及び抽気系統２から抽気する被処理ガスＡ１の流量を増加するように、流量調整弁１１及び流量調整弁１７の開度、又は送風機６の出力が調整される。このとき、酸素濃度伝送器７７で計測された酸素濃度が第一濃度許容値を超えたときの指示と同様に、作業員に対して上記運転支援情報が指示される。酸素濃度が第二（高レベル）濃度許容値を超えた場合も、酸素濃度伝送器７７で計測された酸素濃度が第二濃度許容値を超えたときの指示と同様に、作業員に対して上記運転支援情報が指示される。
例えば、温度伝送器７８で計測された処理ガスＡ３の温度が第一（低レベル）濃度許容値を超えた場合は、運転制御装置５０は、処理ガスＡ３の温度を低下させるように、水接触機構３８を通じた給水量の減少、流量調整弁３２の開度絞りによる処理ガスＡ３の封入量の増加等の運転支援情報を作業員に指示する。処理ガスＡ３の温度を低下は、冷却装置５６として可変容量型の放熱フィンを使用して冷却量を増加させることで行ってもよい。温度が第二（高レベル）濃度許容値を超えた場合も、酸素濃度伝送器７７で計測された酸素濃度が第二濃度許容値を超えたときの指示と同様に、作業員に対して上記運転支援情報が指示される。
そして、ガス処理システム３００では、上記の各運転制御とともに、温度伝送器７２の温度測定値とフィルタ５での結露を抑制するための設定温度とを比較し、被処理ガスＡ１の温度が設定温度になるように、加熱器４のヒータ出力が調整される。
以上の制御により、内部空間１ａの酸素濃度又は温度が許容値を超えた場合に、作業員に対して注意を促すことができる。これにより、作業員が適切な対応をとることができる。
図５は、第４実施形態のガス処理システム４００の系統図である。ガス処理システム４００は、第１戻り系統１５を流れるガスであって酸素除去装置８による酸素除去後のガスである処理ガスＡ３を内部空間１ａに供給する送風機１０を備える。送風機１０は、上記の送風機６よりも通常は出力が小さな補助的なものである。送風機１０のガス流れ下流側には、処理ガスＡ３が流れる第１戻り系統１６の一部として第１戻り系統１６ｃが形成される。
ガス処理システム４００では、送風機６の次段に酸素除去装置８が配置され、熱交換器９の次段に送風機１０が配置されている。従って、酸素除去装置８内の酸素吸着材料４１の圧力損失が大きい場合においても、送風機１０の吸込側に処理ガスＡ３を圧送できる。これにより、内部空間１ａへの処理ガスＡ３の封入信頼性を向上でき、ロバスト性を向上できる。また、２台の送風機６，１０により酸素除去装置８及び熱交換器９に処理ガスＡ２，Ａ３を流すので、格納容器１内に封入可能な処理ガスＡ２，Ａ３の流量範囲を広く設定できる。また、送風機６，１０を複数台設置するため、１台あたりの負荷を低減できる。
なお、送風機６，１０のそれぞれには、バイパス系統を設けてもよい。例えば、送風機６，１０のどちらか１台が故障した場合には、故障した送風機をバイパスして残り１台の送風機を用いることで、ガス処理システム４００を停止せずに運転できる。例えば、送風機６が故障した場合は、流量調整弁１１を閉じて送風機１０の出力を増加させればよい。これにより、被処理ガスＡ１の吸引、フィルタ５による放射性物質等の分離除去、処理ガスＡ２，Ａ３の酸素除去装置８及び熱交換器９への供給、及び格納容器１の内部空間１ａへの処理ガスＡ３を封入を実行できる。
図６は、第５実施形態のガス処理システム５００の系統図である。ガス処理システム５００では、上記のガス処理システム４００（図５参照）と比べて、送風機６の設置場所が異なる。即ち、ガス処理システム５００では、送風機６の次段にフィルタ５が配置され、熱交換器９の次段に送風機１０が設置される。
これにより、格納容器１の内部空間１ａから被処理ガスＡ１を容易に吸引でき、被処理ガスＡ１をフィルタ５に圧送できる。また、酸素除去装置８及び熱交換器９を経た処理ガスＡ３は、送風機１０により吸引されることで、格納容器１の内部空間１ａに十分に封入できる。ここで、送風機６の配置場所及び送風機６の接続配管の引き回しは、酸素除去装置８、熱交換器９、加熱器４等の圧力損失を生じる装置の設置位置に応じて決定される。従って、送風機１０が設置されることで、送風機６の設置場所及び設計に自由度を増加できる。
図７は、第６実施形態のガス処理システム６００の系統図である。ガス処理システム６００は、送風機１０のガス流れ下流側を流れる処理ガスＡ３の一部を酸素除去装置８のガス流れ上流側に戻す第２戻り系統３７を備える。第２戻り系統３７は、第１戻り系統１６ｃから分岐する。ガス処理システム６００は、さらに、第１戻り系統１６ｃのガス流量を調整する流量調整弁３５と、第２戻り系統３７のガス流量を調整する流量調整弁３６とを備える。
ガス処理システム６００での通常運転中、流量調整弁３５は開弁しているが、流量調整弁３６は閉弁している。しかし、酸素濃度伝送器７７によって測定された酸素濃度が許容値を超えた場合は、流量調整弁３５の開弁を維持したまま流量調整弁３６が開かれ、送風機１０から吐き出された処理ガスＡ３の一部が酸素除去装置８に戻される。これにより、酸素除去装置８において戻された処理ガスＡ３中の酸素除去が行われる。
第１戻り系統１５を流れる一部の処理ガスＡ３の酸素除去が行われることで、内部空間１ａに供給される処理ガスＡ３の酸素が十分に除去される。これにより、内部空間１ａの酸素濃度を低く維持できる。また、酸素除去性能が低下する等、酸素除去装置８の性能変化が生じた場合であっても、内部空間１ａに封入される処理ガスＡ３中の酸素濃度を低く維持できる。
図８は、第７実施形態のガス処理システム７００の系統図であり、ガス処理システム７００の通常運転中を示す図である。ガス処理システム７００は、内部空間１ａに不活性ガスＡ４を供給する不活性ガス供給装置６１を備える。不活性ガス供給装置６１は、酸素除去装置８による酸素除去後のガスである処理ガスＡ３の供給と、不活性ガス供給装置６１による不活性ガスＡ４の供給とを切り替え可能なように内部空間１ａに接続される。不活性ガスＡ４は、例えば、窒素を９８体積％以上の割合で含む窒素ガスである。このような不活性ガスＡ４により、内部空間１ａの酸素濃度を低下できる。
ガス処理システム７００は、第１戻り系統１６ｂ（第１戻り系統１６ａでもよい）に流量調整弁３２を備える。また、ガス処理システム７００は、第１戻り系統１６ｂに接続され、不活性ガス供給装置６１に接続される系統３４に流量調整弁３３を備える。ガス処理システム７００の通常運転時には、流量調整弁３２，１７は開弁し、流量調整弁３３は閉弁（図８においてドット柄で示す）する。これにより、酸素除去装置８での酸素除去後の処理ガスＡ３が内部空間１ａに供給される。
図９は、第７実施形態のガス処理システム７００の系統図であり、ガス処理システム７００の運転停止中を示す図である。上記の図７を参照しながら説明したように、酸素除去性能が低下する等、酸素除去装置８の性能変化が生じた場合、例えば酸素除去装置８の交換等が行われる。酸素除去装置８の交換中、ガス処理システム７００は停止し、不活性ガス供給装置６１が稼動する。即ち、流量調整弁３２，１７は閉弁（図９においてドット柄で示す）し、流量調整弁３３が開弁する。これにより、不活性ガス供給装置６１による不活性ガスの内部空間１ａへの供給が行われる。また、流量調整弁１１は開弁し、フィルタ５で放射性物質等を分離除去した処理ガスＡ２の全量が屋外雰囲気に放出される。
不活性ガス供給装置６１を備えることで、ガス処理システム７００の運転停止に伴って処理ガスＡ３の供給が停止しても、内部空間１ａの酸素濃度を低下させるためのガス（処理ガスＡ３又は不活性ガスＡ４）を連続的に供給できる。
なお、不活性ガス供給装置６１の不活性ガスＡ４が第１戻り系統１６ｃに到達するまで、系統３４に存在する空気等を外部に排出するための系統又は弁を設けてもよい。これにより、内部空間１ａへの空気の混入を抑制できる。また、不活性ガス供給装置６１は、常時運転する必要は無い。
図１０は、第８実施形態のガス処理システム８００の系統図である。ガス処理システム８００に備えられる酸素除去装置８は、圧力スイング吸着装置６２（ＰＳＡ装置）を備える。圧力スイング吸着装置６２は、触媒の吸着及び脱着の圧力依存性を利用した圧力変動の繰り返しによりガス中の酸素を吸着除去することで、ガス中窒素の濃縮を行うものである。圧力スイング吸着装置６２による酸素吸着除去は、安定的な酸素吸着除去の観点から、例えば常温又は常温に近い温度で行うことが好ましい。
ガス処理システム８００での酸素除去装置８は、上記ガス処理システム１００での酸素除去装置８の設置場所とは異なる場所に設置される。具体的には、ガス処理システム８００では、酸素除去装置８は、第１戻り系統１５ａのガス流れで熱交換器９の下流側に設置される。従って、熱交換器９は、フィルタ５を透過後に第１戻り系統１５ａを流れる処理ガスＡ２と、フィルタ５を透過する前の被処理ガスＡ１とを熱交換可能に備えられ、圧力スイング吸着装置６２と熱交換器９とは、熱交換器９での熱交換後のガスを前記圧力スイング吸着装置６２に供給可能に接続される。
酸素除去装置８及び熱交換器９は以下のように接続される。第１戻り系統１５ａは、熱交換器９の一次側（高温側）入口に接続される。熱交換器９の一次側（高温側）出口は、第１戻り系統１５ｂにより、酸素除去装置８の原料ガス入口に接続される。酸素除去装置８の処理ガス出口は、第１戻り系統１６により、格納容器１の封入口１８に接続される。
第１戻り系統１５ａを流れる処理ガスＡ２は、熱交換器９の一次側に流通する。熱交換器９では、処理ガスＡ２が冷却され（即ち、被処理ガスＡ１が加熱され）、処理ガスＡ２は、酸素除去装置８に供給される。酸素除去装置８では、酸素の吸着除去により、窒素が濃縮される。濃縮された窒素を含む処理ガスＡ３は、第１戻り系統１６を通って格納容器１の内部空間１ａ内に封入される。濃縮の際に分離除去された酸素ガスＡ５は、大気中に排出される。
圧力スイング吸着装置６２により構成される酸素除去装置８が、第１戻り系統１５ａのガス流れで熱交換器９の下流側に備えられることで、熱交換器９での冷却により温度低下後の処理ガスＡ２を圧力スイング吸着装置６２に供給できる。これにより、圧力スイング吸着装置６２での酸素除去を安定して行うことができる。この結果、格納容器１の内部空間１ａでの酸素濃度をより低くできる。
また、圧力スイング吸着装置６２では、窒素の濃縮は、上記のように、触媒の吸着及び脱着の圧力依存性を利用した圧力変動の繰り返しにより行われる。このため、不明の開口部（図示しない）からの空気Ａ０が含まれるものの窒素濃度が比較的高い処理ガスＡ２を圧力スイング吸着装置６２の原料ガスとして再利用するため、窒素濃縮のための圧力変動の繰り返し回数が減って圧力スイング吸着装置６２の電力コストを削減できる。即ち、ガス処理システム８００によれば、圧力スイング吸着装置６２により空気から窒素を製造する場合と比べて、窒素の製造コストを削減できる。
図１１は、第９実施形態のガス処理システム９００の系統図である。ガス処理システム９００では、熱交換器９と酸素除去装置８とを接続する第１戻り系統１５ｂに、上記図３等を参照しながら説明した冷却装置５６が備えられる。
冷却装置５６を備えることで、熱交換器９での処理ガスＡ２の伝熱が不十分であっても、冷却装置５６によって処理ガスＡ２を冷却できる。これにより、温度低下後の処理ガスＡ２を圧力スイング吸着装置６２に供給でき、圧力スイング吸着装置６２での酸素除去を安定して行うことができる。この結果、格納容器１の内部空間１ａでの酸素濃度をより低くできる。さらに上記図１０及び図１１において、処理ガスＡ２を屋外雰囲気に放出するための流量調整弁１１を閉じ、第１戻り系統１５ｂから流路を分岐して流量調整弁（図示しない）を設けて屋外に連通し、熱交換器９を通過した処理ガスＡ３を屋外雰囲気に放出してもよい。これによって、フィルタ５の透過前の被処理ガスＡ１への伝熱量が増加し、加熱器４での加熱コストを削減できる。
図１２は、第１０実施形態のガス処理システム１０００の系統図である。上記のガス処理システム１００等は、第１戻り系統１５を備えていた。しかし、図１２に示すガス処理システム１０００は、第１戻り系統１５を備えていない。従って、熱交換器９での熱交換後の処理ガスＡ２は、格納容器１の内部空間１ａに戻されることなく、大気に排出される。一方で、格納容器１の内部空間１ａには、不活性ガス供給装置６１による不活性ガスＡ４が封入される。
ガス処理システム１０００によれば、処理ガスＡ３の大気への排出前の処理ガスＡ２が有する熱を被処理ガスＡ１に伝熱するため、加熱器４での加熱コストを削減できる。また、熱交換後の処理ガスＡ３はそのまま大気に排出されるため、配管の引き回しを簡略化できる。
図１３は、第１１実施形態のガス処理システム１１００の系統図である。ガス処理システム１１００は、酸素除去装置８をバイパスする第１戻り系統２８を備える。第１戻り系統１５と第１戻り系統１６ａとは、第１戻り系統２８によって直接接続される。第１戻り系統２８は流量調整弁２５を備える。また、第１戻り系統１５は、酸素除去装置８を遮断可能な流量調整弁２６，２７を備える。流量調整弁２６は、酸素除去装置８のガス流れ下流側に配置される。流量調整弁２７は、酸素除去装置８のガス流れ上流側に配置される。
格納容器１での不明の開口部（図示しない）から内部空間１ａに空気Ａ０が流入するものの、その流入量が少なく、格納容器１の気密性が比較的高いといえる場合がある。この場合、初期に酸素が除去されれば、その後の格納容器１の内部空間１ａの酸素濃度は十分に低いと考えられ、処理ガスＡ２の酸素濃度も低くなる。そこで、酸素濃度伝送器８４の測定値が予め定められた閾値以下の場合には、流量調整弁２５は開弁し、流量調整弁２６，２７は閉弁（図１３においてドット柄で示す）する。これにより、酸素除去装置８がバイパスされ、熱交換器９では処理ガスＡ２の熱のみで被処理ガスＡ１が加熱される。一方で、例えば事故対応時、原子炉解体作業時等、格納容器１内の酸素濃度が増加し、酸素濃度伝送器８４の測定値が予め定められた閾値を越えた場合には、流量調整弁２５は閉弁し、流量調整弁２６，２７は開弁する。これにより、酸素除去装置８による処理ガスＡ２の酸素除去が行われる。
ガス処理システム１１００によれば、格納容器１の内部空間１ａの酸素濃度（処理ガスＡ２の酸素濃度でもよい）に応じて、酸素除去装置８の接続の有無を切り替えることができる。これにより、酸素濃度が低いとき、酸素除去装置８の流通に起因する圧力損失の発生を抑制でき、送風機６の消費エネルギを削減できる。
１ 格納容器
１０ 送風機
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００，１１００ ガス処理システム
１１，１７，２４，２５，２６，２７，３２，３３，３５，３６，５１ 流量調整弁
１２，３４，５２， 系統
１４ 排気系統
１５，１５ａ，１５ｂ，１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，２８ 第１戻り系統
１８ 封入口
１ａ 内部空間
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 抽気系統
２３ 排水系統
３ 凝縮器
３７ 第２戻り系統
３８ 水接触機構
３９ 噴霧水
４ 加熱器
４０ 酸素除去槽
４１ 酸素吸着材料
５ フィルタ
５０ 運転制御装置
５３ 逆止弁
５５ 伝熱管
５６ 冷却装置
６ 送風機
６１ 不活性ガス供給装置
６２ 圧力スイング吸着装置
７１ 圧力伝送器
７２，７６，７８ 温度伝送器
７５，７９ 流量伝送器
７７，８４ 酸素濃度伝送器
８ 酸素除去装置
９ 熱交換器
９９ 圧力容器
Ａ０ 空気
Ａ１ 被処理ガス
Ａ２，Ａ３ 処理ガス
Ａ４ 不活性ガス
Ａ５ 酸素ガス
Ｗ２ 水
Ｗ１，Ｗ３ 凝縮水
１０ 送風機
１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００，１１００ ガス処理システム
１１，１７，２４，２５，２６，２７，３２，３３，３５，３６，５１ 流量調整弁
１２，３４，５２， 系統
１４ 排気系統
１５，１５ａ，１５ｂ，１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，２８ 第１戻り系統
１８ 封入口
１ａ 内部空間
２，２ａ，２ｂ，２ｃ 抽気系統
２３ 排水系統
３ 凝縮器
３７ 第２戻り系統
３８ 水接触機構
３９ 噴霧水
４ 加熱器
４０ 酸素除去槽
４１ 酸素吸着材料
５ フィルタ
５０ 運転制御装置
５３ 逆止弁
５５ 伝熱管
５６ 冷却装置
６ 送風機
６１ 不活性ガス供給装置
６２ 圧力スイング吸着装置
７１ 圧力伝送器
７２，７６，７８ 温度伝送器
７５，７９ 流量伝送器
７７，８４ 酸素濃度伝送器
８ 酸素除去装置
９ 熱交換器
９９ 圧力容器
Ａ０ 空気
Ａ１ 被処理ガス
Ａ２，Ａ３ 処理ガス
Ａ４ 不活性ガス
Ａ５ 酸素ガス
Ｗ２ 水
Ｗ１，Ｗ３ 凝縮水
Claims (13)
- 原子力施設における対象設備の内部空間から排出され、放射性物質を含むガスを加熱する加熱器と、
前記加熱器で加熱されたガス中の前記放射性物質を除去するフィルタと、
前記加熱器よりもガス流れで前段に設置され、前記フィルタを透過したガスが有する熱を、前記フィルタを透過する前のガスに伝熱する熱交換器と、
前記フィルタを透過したガスの少なくとも一部を前記内部空間に戻す第１戻り系統と、
前記第１戻り系統を流れるガス中の酸素を除去する酸素除去装置と、を備える
ガス処理システム。 - 前記内部空間から排気されるガスの流量が前記内部空間に戻されるガスの流量よりも大きく、かつ、前記内部空間の圧力が前記内部空間の外部の圧力よりも低くなるように、前記第１戻り系統を流れるガスの流量を制御する運転制御装置を備える
請求項１に記載のガス処理システム。 - 前記酸素除去装置は、酸素吸着材料を収容した酸素除去槽を備え、
前記酸素吸着材料は、銅、アルミニウム、及び、酸素を吸着可能な有機物又は無機物のうちの少なくとも一種を含む
請求項１又は２に記載のガス処理システム。 - 前記熱交換器は、前記フィルタを透過後に前記第１戻り系統を流れるガスと、前記フィルタを透過する前のガスとを熱交換可能に備えられる
請求項１～３の何れか１項に記載のガス処理システム。 - 前記第１戻り系統を流れるガスであって前記熱交換後のガスを冷却する冷却装置を備える
請求項４に記載のガス処理システム。 - 前記酸素除去装置は、酸素除去に伴い発熱する酸素吸着材料を収容した酸素除去槽を備え、
前記熱交換器は、前記酸素除去装置から前記内部空間に流れるガスと、前記フィルタを透過する前のガスとの間で熱交換可能に構成される
請求項１～５の何れか１項に記載のガス処理システム。 - 前記酸素吸着材料は鉄を含む
請求項６に記載のガス処理システム。 - 前記酸素除去装置は、前記酸素吸着材料に水を接触させる水接触機構を備える
請求項７に記載のガス処理システム。 - 前記酸素除去装置は圧力スイング吸着装置を備え、
前記熱交換器は、前記フィルタを透過後に前記第１戻り系統を流れるガスと、前記フィルタを透過する前のガスとを熱交換可能に備えられ、
前記圧力スイング吸着装置と前記熱交換器とは、前記熱交換器での熱交換後のガスを前記圧力スイング吸着装置に供給可能に接続される
請求項１～８の何れか１項に記載のガス処理システム。 - 前記第１戻り系統を流れるガスであって前記酸素除去装置による酸素除去後のガスを前記内部空間に供給する送風機を備える
請求項１～９の何れか１項に記載のガス処理システム。 - 前記送風機のガス流れ下流側を流れるガスの一部を前記酸素除去装置のガス流れ上流側に戻す第２戻り系統を備える
請求項１０に記載のガス処理システム。 - 前記内部空間に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置を備え、
前記不活性ガス供給装置は、前記酸素除去装置による酸素除去後のガスの供給と、前記不活性ガス供給装置による前記不活性ガスの供給とを切り替え可能なように前記内部空間に接続される
請求項１～１１の何れか１項に記載のガス処理システム。 - 前記不活性ガスは、窒素を９８体積％以上の割合で含む窒素ガスである
請求項１２に記載のガス処理システム。
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