特許 5913073 原子炉建屋水素除去設備

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5913073

(24)【登録日】2016年4月8日

(45)【発行日】2016年4月27日

(54)【発明の名称】原子炉建屋水素除去設備

(51)【国際特許分類】

   G21C 9/04 20060101AFI20160414BHJP

   G21C 9/00 20060101ALI20160414BHJP

   G21C 13/00 20060101ALI20160414BHJP

   G21C 13/10 20060101ALI20160414BHJP

   G21D 3/08 20060101ALI20160414BHJP

   G21F 9/02 20060101ALI20160414BHJP

【ＦＩ】

   G21C9/04

   G21C9/00 K

   G21C13/00 Q

   G21C13/10

   G21D3/08 F

   G21F9/02 B

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-270054(P2012-270054)

(22)【出願日】2012年12月11日

(65)【公開番号】特開2014-115207(P2014-115207A)

(43)【公開日】2014年6月26日

【審査請求日】2015年3月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】岩波 弘修

【審査官】 青木 洋平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２２５８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１０４０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３３７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−１２８４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−２４１６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３３７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２３５２００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｃ ９／００−９／０４

Ｇ２１Ｄ ３／０８

Ｆ２４Ｆ ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子力発電所の過酷事故時に原子炉圧力容器で発生し原子炉格納容器を介して原子炉建屋の天井付近に滞留した水素ガスを，前記原子炉建屋の天井に設置した水素除去設備を通して原子炉建屋外へ放出するとともに、
前記原子炉格納容器を収納する部屋の上部は，第２の天井を介して前記原子炉建屋の天井に至るとともに，前記第２の天井には水素を透過させ放射性物質を透過させない水素透過膜を備えることを特徴とする原子炉建屋の水素除去設備。

【請求項2】

請求項１に記載の原子炉建屋の水素除去設備において，
前記原子炉建屋の天井に設置された水素除去設備は，水素を透過させ放射性物質を透過させない水素透過膜であることを特徴とする原子炉建屋の水素除去設備。

【請求項3】

請求項１に記載の原子炉建屋の水素除去設備において，
前記原子炉建屋の天井に設置された水素除去設備は，前記原子炉建屋天井の一部が開閉される開閉天井と，該開閉天井近傍に取り付けられた水素濃度計測装置と，前記開閉天井と前記水素濃度計測装置に接続された遠隔操作システムと，該遠隔操作システムの稼動を可能とする蓄電池システムによって構成されていることを特徴とする原子炉建屋の水素除去設備。

【請求項4】

請求項３に記載の原子炉建屋の水素除去設備において，
前記遠隔操作システムは，前記原子炉建屋とは別棟に設置された中央制御室及び免震重要棟の双方に設置されて前記原子炉建屋の開閉天井の開閉操作を行うことを特徴とする原子炉建屋の水素除去設備。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は原子炉建屋水素除去設備に係り，特に原子炉格納容器外へ漏洩した水素を除去するための原子炉建屋水素除去設備に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から，設計基準事故を越えた過酷事故時に原子炉格納容器内で発生した水素を除去するための水素除去設備が知られている。係る水素除去設備には，主に水素ガスと酸素ガスの再結合を促進させる触媒を用いた可燃性ガス処理設備と，静的な設備によって水素の再結合を促す触媒式水素除去装置がある。

【0003】

このうち可燃性ガス処理設備では，原子炉格納容器内の雰囲気を，水素・酸素を反応させる再結合装置に導き，再結合後再び原子炉格納容器へ環流させる可燃性ガス濃度制御装置（以下ＦＣＳと称す）を設置している。ＦＣＳは，本体である可燃性ガス濃度制御器と，これに接続される配管および設備から構成されている。可燃性ガス処理設備の一例が特許文献１に記載されている。

【0004】

静的触媒式水素除去装置は原子炉格納容器内に設置される。可燃性ガスの反応熱によって形成される原子炉格納容器内の循環流を利用して，触媒の反応を抑制する物質を捕獲・除去して，可燃性ガスを効率的に処理し，また水素燃焼を防止することによって原子炉格納容器の健全性を維持する。静的触媒式水素除去装置の一例が特許文献２に記載されている。

【0005】

なお，水素透過膜を用いて雰囲気から水素のみを抽出し，原子炉格納容器の外部に排出することにより，原子炉格納容器の内部の水素濃度を減少させるものとして，特許文献３が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１−３２１９８号公報

【特許文献2】特開平１１−９４９９２号公報

【特許文献3】特開２０００−７５０７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記説明の特許文献の技術は，いずれも発生した水素が原子炉格納容器内に存在していることを前提としている。過酷事故時に水素ガスが原子炉格納容器に発生していることを想定している。このためこの対応として，水素ガスを原子炉格納容器外へ排出するか，もしくは積極的に燃焼させることによって原子炉格納容器内雰囲気ガスから水素を除去し，原子炉格納容器内を可燃限界に至らしめないようにしている。

【0008】

これに対し本発明では，過酷事故時に原子炉格納容器内で発生した水素が原子炉建屋内に漏洩し，かつ外部電源喪失が発生した状態を想定している。係る状態においては，原子炉格納容器内の水素処理を行う上記説明の特許文献の技術では，原子炉建屋内に漏洩した水素を除去することができない。また外部電源を喪失しているため，電気機器を用いた対策が制限される。

【0009】

この点に関し，例えば特許文献１では，原子炉格納容器内の雰囲気を，水素・酸素を反応させる再結合装置に導き，再結合後再び原子炉格納容器へ環流させることで水素燃焼の防止を図るが，水素燃焼に対する安全性をより高めるためには，原子炉格納容器外の水素を外部電源喪失時においても選択的に除去する方策が望まれる。

【0010】

然るに従来においては，原子炉格納容器からの漏洩により原子炉建屋天井付近に水素が滞留する事態を想定しておらず，滞留した場合の特別な対策は取られていない。この状態で仮に滞留が生じれば，原子炉建屋天井付近で水素燃焼が起きる可能性が考えられる。

【0011】

このため，原子炉建屋天井付近に滞留した水素を除去することが新たな課題となる。原子炉建屋内に放出された放射性物質の環境への放出を抑制し，かつ，水素濃度を可燃限界以下に抑制することが必要である。さらに，外部電源喪失時においても水素を選択的に除去する設備を有することが必要である。

【0012】

以上のことから本発明の目的は，過酷事故時に原子炉建屋の天井付近に多量に滞留した水素の濃度を外部電源喪失時においても水素濃度を可燃限界にいたらしめないようにすることにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

以上のことから本発明においては，原子力発電所の過酷事故時に原子炉圧力容器で発生し原子炉格納容器を介して原子炉建屋の天井付近に滞留した水素ガスを，原子炉建屋の天井に設置した水素除去設備を通して原子炉建屋外へ放出することを特徴とする。

【0014】

ここで原子炉建屋の天井に設置された水素除去設備は，水素を透過させ放射性物質を透過させない水素透過膜であることを特徴とする。

【0015】

また原子炉建屋の天井に設置された水素除去設備は，原子炉建屋天井の一部が開閉される開閉天井と，開閉天井近傍に取り付けられた水素濃度計測装置と，開閉天井と水素濃度計測装置に接続された遠隔操作システムと，遠隔操作システムの稼動を可能とする蓄電池システムによって構成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明の原子炉建屋水素除去設備は，過酷事故時に原子炉建屋の天井に滞留した水素に対して，水素濃度が可燃限界に到達する前に天井に取り付けた水素透過膜または，両面開閉可能な自動開閉天井により水素を効率的に外部に放出し，原子炉建屋の水素燃焼を未然に防止する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１実施例に係る原子炉建屋水素除去設備を備えた原子炉建屋の全体構造を示す断面図。

【図2】図１の原子炉建屋の外観を示す図。

【図3】本発明の第２実施例に係る原子炉建屋水素除去設備を備えた原子炉建屋の全体構造を示す断面図。

【図4】図２の原子炉建屋の外観を示す図。

【図5】本発明の第３実施例に係る原子炉建屋水素除去設備を備えた原子炉建屋の全体構造を示す断面図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下，図面を用いて本発明の実施例を説明する。本発明は原子炉建屋に原子炉建屋水素除去設備を備えたものである。ここで原子炉建屋水素除去設備とは，第１実施例では天井付近に設置された水素透過膜であり，第２実施例と第３実施例では開閉天井である。

【実施例】

【0019】

本発明の第１実施例を，図１と図２を用いて説明する。図１は，本発明の第１実施例に係る原子炉建屋水素除去設備を備えた原子炉建屋の全体構造を示す断面図である。図２は，図１の原子炉建屋の外観を示す図である。第１実施例では，原子炉建屋水素除去設備として天井に設置された水素透過膜の例を示す。

【0020】

図１に示すように，原子炉建屋１内には原子炉格納容器４が設置され，さらに原子炉格納容器４の内部には原子炉圧力容器３が収納されている。水素ガスは，原子力発電所の過酷事故時に原子炉圧力容器３内において，ジルコニウムによる水−金属反応や水の放射線分解により発生する。発生した水素ガスは，原子炉格納容器４内に拡散する。

【0021】

従来においては，水素ガスは原子炉格納容器４内に留まるとの前提で，水素ガスを原子炉格納容器４外へ排出するか，もしくは積極的に燃焼させることによって原子炉格納容器４内雰囲気ガスから水素を除去し，原子炉格納容器４内を可燃限界に至らしめないように対策している。

【0022】

本発明では，過酷事故によって原子炉格納容器４内の水素ガスが原子炉建屋２へ漏洩し，かつこの水素ガスが空気との密度差によって建物上部に向けて上昇し，原子炉建屋２の天井付近に滞留することを想定している。このようにして天井付近に滞留した大量の水素ガスは，可燃限界に到達すると，水素燃焼により水素爆発を引き起こす可能性がある。水素爆発を引き起こすと，原子炉建屋２自体が破壊される恐れがあるので，水素燃焼を防止することは放射性物質の閉じ込めの観点から重要である。

【0023】

以上述べた経緯により，設計基準事故を越えた過酷事故時に原子炉圧力容器３内で発生した水素は原子炉格納容器４を経由して原子炉建屋１の天井付近に滞留する。天井に滞留した水素の濃度が可燃限界を超えると水素燃焼を起こす危険があることから水素を原子炉建屋１の外部に放出する必要がある。

【0024】

本発明の第１実施例では，原子炉建屋１の天井に水素透過膜２を設置する。原子炉建屋１の天井付近に滞留した放射性物質を含む水素ガスは，原子炉建屋１の天井の水素透過膜２から建屋外部に水素ガス２１のみが選択的に放出されるが，放射性物質は水素透過膜２を通過しない。このため放射性物質の原子炉建屋１内への閉じ込め効果が期待できる。なお本発明の第１実施例は，原子炉建屋１の天井に水素透過膜を設置するだけであるため，原子力発電の各種型式（沸騰水型原子炉のＭａｒｋＩ型やＭａｒｋII型，及びＡＢＷＲ，さらには加圧水型原子炉）にも適用できる。

【0025】

本発明の第１実施例に適用可能な水素透過膜２は，具体的には以下のように構成されるのが良い。まず水素透過膜の材質は主に，金属，高分子，セラミックの３種類の材質に大別され，これ等材質での水素透過膜が形成され設置される。

【0026】

このうち金属膜の水素透過膜は，金属で構成される膜であり，主成分は，パラジウム，ニオブ，バナジウムの３種類の膜に大別される。ニオブ膜やバナジウム膜は水素分離を解離・再結合させるために表面に薄いパラジウム層を持つ。金属膜の特徴は，金属パラジウムが水素ガスを吸着し，吸着した水素が解離し，解離によって生成した水素原子がパラジウム中に溶解し，水素原子が膜内を移動し，膜表面で水素原子が再結合する。ニオブやバナジウムは水素原子をよく透過させることができるが，水素溶解量が多く脆化しやすいため，チタンやニッケルなどの他の金属を添加している。金属膜は，使用温度が数百度程度と高く，耐熱性に優れており，水素透過速度も高いため水素透過膜に適した材料である。

【0027】

高分子膜は，主成分がポリイミド，ポリスルホンとシリコンゴムで構成される膜が存在する。高分子膜の特徴は，分離層（緻密な層）と支持層の２層構造になっており，分離層中にガス分子が溶解して膜を透過する。成分が有機高分子のため，使用温度は１５０℃以下と低いものの，他の透過膜と比較すると水素透過速度が非常に高いため，設備容積を小さくすることができることを特徴としている。

【0028】

セラミック膜は，セラミックで構成される膜であり，主成分は，窒化ケイ素，シリカで構成される。セラミック膜の特徴は，分離層（緻密な層）と支持層の２層構造になっており，分離層中をガス分子が拡散して膜を透過する。材質がセラミックのため，８００℃程度の高温環境でも使用が可能である。ただし，水素透過流速が他の膜と比較すると低いため，設備容量が大きくなる可能性がある。

【0029】

なお原子炉建屋１の天井に設置される水素透過膜の面積は，水素透過膜の材質によって変化するため，原子炉建屋１の天井の設備も水素透過膜の面積に合わせて設計される。

【0030】

さらに第１実施例で使用される水素透過膜は，電源がないパッシブな状態で機能するものであり，ここではガスと接触して水素分離する。この場合に原子炉建屋１内は，過酷事故発生により通常時の負圧から正圧に上昇しているので，正圧による膜浸透の促進が期待できる。但し，過酷事故後の建屋内圧力の具体的な数値は，事故の種類，時間変化などにより変化するが，少なくとも格納容器内圧力上昇の際には建屋内は正圧になっていると考えられる。また，上記各種透過膜の透過度は，圧力以外に膜の厚さ，温度条件などにより変化するが，一般的に物質の性質による透過度は高分子膜＞金属膜＞セラミック膜と言われている。

【0031】

図２は，図１の原子炉建屋の外観を示す図であり，原子炉建屋１と水素透過膜２の配置関係が図示されている。水素透過膜２を透過した放射性物質を含まない水素ガス２１は建屋から大気に放出される。

【0032】

本発明は，上記のような第１実施例の構造にすることにより，以下のような機能と効果を期待することができる。

【0033】

過酷事故時に水素濃度が可燃限界に到達する前に，水素ガスのみを水素透過膜２から原子炉建屋１の外部に放出することにより，原子炉建屋１の水素燃焼を未然に防止する効果がある。

【0034】

原子炉建屋１天井に水素透過膜２を設置することによって，原子炉建屋１内で発生した水素を選択的に放出させて水素燃焼を防止すると共に放射性物質を原子炉建屋１内部に閉じ込める効果が期待できる。

【0035】

本設備は，外部からの電源を不要とする設備であることから外部電源喪失時にも水素の原子炉建屋１外への放出が可能である。さらに本設備は，原子炉建屋１天井に水素透過膜２を設置した静的安全設備であるため，過酷事故時の運転員操作を不要とする。

【0036】

次に本発明の第２実施例を，図３と図４を用いて説明する。図３は本発明の第２実施例に係る原子炉建屋水素除去設備を備えた原子炉建屋の全体構造を示す断面図である。図４は，図２の原子炉建屋の外観を示す図である。第２実施例では，原子炉建屋水素除去設備として天井に設置された開閉天井の例を示す。

【0037】

図３に示すように，原子炉建屋１の天井付近には，自動開閉天井５，水素濃度計測装置６が備え付けられている。また自動開閉天井５，水素濃度計測装置６には，遠隔操作システム８が備え付けられている。また，自動開閉天井５，水素濃度計測装置６，遠隔操作システム８への電源を供給するシステムとして蓄電池システム７が備え付けられている。

【0038】

図３において，自動開閉天井５は，原子炉建屋１天井の内部に組み込まれており，通常運転時には，開閉扉は閉じられており，必要に応じて遠隔操作システム８による開閉操作が可能な設計となっている。自動開閉天井５には遠隔操作システム８が接続されており，運転員が水素濃度計測装置６により天井付近の水素濃度測定値を監視した上で，遠隔操作システム８から天井の開閉を自動で操作することが可能である。また，自動開閉天井５は，蓄電池システム７に何らかの不具合が発生する可能性を考慮して，運転員の手動操作によって開閉を行うことも可能な設計とされるのがよい。

【0039】

原子炉建屋１の天井付近に設置される水素濃度計測装置６は，水素の可燃限界である４％程度の計測が可能な装置であり，原子炉建屋１天井付近の雰囲気中の水素濃度を計測できる。

【0040】

蓄電池システム７は，外部電源喪失を想定して，電源を必要とする自動開閉天井５，水素濃度計測装置６，遠隔操作システム８に取り付けられており，交流電源喪失時にも本システムの操作が可能な設計となっている。また，蓄電池システム７の蓄電池は，過酷事故時に原子炉建屋１内へのアクセスが制限された場合を想定して，原子炉建屋１外のサービス建屋に備え付けられている。蓄電池システム７の機器並びに支持構造物は高耐震構造であり，多重化されているものとする。

【0041】

遠隔操作システム８は，原子炉建屋１以外の建屋に設けられている中央制御室と免震重要棟に備え付けられている。遠隔操作システム８の操作は，中央制御室からの操作を基本とするが，中央制御室が使用できない場合には，免震重要棟から操作するものとする。遠隔操作システム８には水素濃度計測装置６が接続されており，原子炉建屋１天井付近で水素濃度を計測し，中央制御室または免震重要棟で監視することができる。遠隔操作システム８は，自動開閉天井５の左右の扉につながっており，片側の扉の開閉を可能とする設計となっている。

【0042】

なお天井開放の稼働条件について，ここでは水素濃度可燃限界の４％以上かつ酸素濃度５％以上の場合に開放するのがよい。従来においては格納容器内対応なので酸素濃度５％以下に保持している関係で酸素濃度５％以上を稼働条件にしているが，本発明は建屋内なので，水素濃度下限限界の４％以上を条件とするのがよい。

【0043】

上記の設備を用いて運転員は，水素濃度計測装置６が検知した水素濃度を中央制御室または免震重要棟から監視し，水素濃度が可燃限界に到達する前に遠隔操作システム８により自動開閉天井５を操作し，原子炉建屋１上部天井から放射性物質を含む水素ガス２２を外部に放出する。

【0044】

本設備は，原子炉建屋１上部及び原子炉建屋１外に機器を設置するため，沸騰水型原子炉でもＭａｒｋＩ型やＭａｒｋII型，及びＡＢＷＲに適用できる上に，加圧水型原子炉にも適用できる。

【0045】

図４は図１の原子炉建屋の外観を示す図であり，自動開閉天井５の開放により放射性物質を含む水素ガスが大気放出される様子を示している。

【0046】

本発明の第２実施例は，上記のような原子炉建屋１の構造にすることにより，以下のような機能と効果を期待することができる。

【0047】

過酷事故時に水素濃度が可燃限界に到達する前に遠隔操作システム８を作動させて，水素を原子炉建屋１の外部に放出することにより，原子炉建屋１の水素燃焼を未然に防止する効果がある。この場合に，放射性物質を含む水素ガス２２が大気放出されることにはなるが，水素燃焼により原子炉格納容器４の内部あるいは原子炉圧力容器３の内部に存在する大量の放射性物質が外部放出される最悪の事態を事前に防ぐことができる。

【0048】

電源は蓄電池システム７を採用することとし，外部電源喪失時にも使用が可能である。また，蓄電池は原子炉建屋１外のサービス建屋に設置することで過酷事故時並びに津波，溢水時の環境条件に対する電源への影響を緩和させる。また，機器並びに支持構造物は高耐震構造であり，多重化されているものとする。

【0049】

天井扉の自動開閉では，遠隔操作システム８を採用することによって，中央制御室及び免震重要棟からの操作を可能とし，中央制御室が使用できない場合には，免震重要棟からの操作を期待できる。

【0050】

本発明の第３実施例を，図５を用いて説明する。図５は，本発明の第３実施例に係る原子炉建屋水素除去設備を備えた原子炉建屋の全体構造を示す断面図である。

【0051】

本発明の第３実施例は，第１実施例の水素ガスと放射性物質を分離する水素透過膜の機能と，第２実施例の水素ガスの建屋外放出機構を組み合わせたものである。第３実施例も，原子炉建屋水素除去設備として天井に設置された開閉天井の例を示している。

【0052】

図５では，第２実施例の水素ガスの建屋外放出機構が原子炉建屋１の天井（屋根）に設置されており，第１実施例の水素ガスと放射性物質を分離する水素透過膜２の機能が原子炉建屋１の最上階１０の床１１に設置されている。なお，最上階１０の床１１は原子炉格納容器４よりも上部に位置している。

【0053】

この方式によれば，原子炉格納容器４から漏洩した放射性物質を含む水素ガスは最上階１０の床１１の下部（原子炉格納容器４よりも上部の）天井に滞留し，水素透過膜２の機能により放射性物質と水素ガスに分離される。放射性物質は水素透過膜２を透過しないので最上階１０の床１１の下部を構成する空間内に留まり，水素ガス２１のみが最上階１０に透過し，さらに上昇して原子炉建屋１の天井（屋根）付近に滞留する。

【0054】

原子炉建屋１の天井（屋根）付近に滞留した水素ガスが，運転員操作により大気放出されることは本発明の第２実施例と同じである。

【0055】

本発明の第３実施例によれば，第１実施例による効果と，第２実施例による効果を兼ね備えて得ることができる。

【符号の説明】

【0056】

１：原子炉建屋
２：水素透過膜
３：原子炉圧力容器
４：原子炉格納容器
５：自動開閉天井
６：水素濃度計測装置
７：蓄電池システム
８：遠隔操作システム
２１：放射性物質を含まない水素ガス
２２：放射性物質を含む水素ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】