特許 7070998 原子炉建屋冠水装置および原子炉建屋冠水方法

(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】

(24)【登録日】2022-05-10

(45)【発行日】2022-05-18

(54)【発明の名称】原子炉建屋冠水装置および原子炉建屋冠水方法

(51)【国際特許分類】

   G21C 15/18 20060101AFI20220511BHJP

   G21C 13/00 20060101ALI20220511BHJP

【ＦＩ】

G21C15/18 Z

G21C13/00 300

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019079937

(22)【出願日】2019-04-19

(65)【公開番号】P2020176939

(43)【公開日】2020-10-29

【審査請求日】2021-10-28

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000001373

【氏名又は名称】鹿島建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】特許業務法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】倉員 宗一

(72)【発明者】

【氏名】田中 耕一

【審査官】後藤 大思

(56)【参考文献】

【文献】登録実用新案第３１９６３１８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０００－１７０４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２２１２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３３１７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１３／００５１５１１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｃ ９／００－ ９／０６

Ｇ２１Ｃ １５／００－１５／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子炉建屋の全体が収容され、内部に水を溜めることで少なくとも原子炉格納容器を水没可能な水槽を備え、
前記水槽は、
前記原子炉建屋の周囲を囲み、前記原子炉格納容器を水没可能な上下寸法を有する壁部と、
前記原子炉建屋が建てられた場所の地中に構築された底部と、
を備え、
前記底部は、シールドトンネルにより構築され、
前記シールドトンネルの内部で複数の鋼板が溶接されることで、前記水槽に溜められた前記水の漏洩を防止する底部ライナーが構築されている、
原子炉建屋冠水装置。

【請求項2】

前記シールドトンネルは、断面視で四角形状を成す、
請求項１に記載の原子炉建屋冠水装置。

【請求項3】

前記底部は、水平方向に並べて建設された複数本の前記シールドトンネルにより構築される、
請求項１または請求項２に記載の原子炉建屋冠水装置。

【請求項4】

前記シールドトンネル同士の余堀部を重複させる、
請求項３に記載の原子炉建屋冠水装置。

【請求項5】

前記壁部には、壁部ライナーが構築される
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の原子炉建屋冠水装置。

【請求項6】

前記水槽は、前記壁部の周囲を囲む補助壁部を備える、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の原子炉建屋冠水装置。

【請求項7】

前記壁部は、プレストレストコンクリートにより構築される、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の原子炉建屋冠水装置。

【請求項8】

原子炉建屋の全体が収容される水槽の内部に水を溜めることで少なくとも原子炉格納容器を水没させるステップを含み、
前記水槽は、
前記原子炉建屋の周囲を囲み、前記原子炉格納容器を水没可能な上下寸法を有する壁部と、
前記原子炉建屋が建てられた場所の地中に構築された底部と、
を備え、
前記底部は、シールドトンネルにより構築され、
前記シールドトンネルの内部で複数の鋼板が溶接されることで、前記水槽に溜められた前記水の漏洩を防止する底部ライナーが構築されている、
原子炉建屋冠水方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、原子炉建屋冠水装置および原子炉建屋冠水方法に関する。

【背景技術】

【0002】

原子力発電所で過酷事故が生じると原子炉圧力容器および原子炉格納容器に損傷が生じる。そこで、損傷を修復する技術が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－５７６４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

原子炉圧力容器および原子炉格納容器を修復し、その内部を冠水させることができれば、水で放射線を遮蔽できるため、廃炉作業が行い易くなる。しかしながら、過酷事故の現場は、高線量の放射性物質で汚染されているため、修復作業が困難を極める。

【0005】

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、過酷事故に見舞われた原子炉の廃炉を行うことができる原子炉建屋冠水技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の実施形態に係る原子炉建屋冠水装置は、原子炉建屋の全体が収容され、内部に水を溜めることで少なくとも原子炉格納容器を水没可能な水槽を備え、前記水槽は、前記原子炉建屋の周囲を囲み、前記原子炉格納容器を水没可能な上下寸法を有する壁部と、前記原子炉建屋が建てられた場所の地中に構築された底部と、を備え、前記底部は、シールドトンネルにより構築され、前記シールドトンネルの内部で複数の鋼板が溶接されることで、前記水槽に溜められた前記水の漏洩を防止する底部ライナーが構築されている。

【発明の効果】

【0007】

本発明の実施形態により、過酷事故に見舞われた原子炉の廃炉を行うことができる原子炉建屋冠水技術が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】原子炉建屋冠水装置を示す平面図。

【図2】原子炉建屋冠水装置を示す図１のＡ－Ａ断面図。

【図3】原子炉建屋冠水装置を示す図１のＢ－Ｂ断面図。

【図4】周囲に堀を形成した原子炉建屋を示す断面図。

【図5】地中にシールドトンネルを構築中の原子炉建屋を示す断面図。

【図6】冠水壁部を構築した原子炉建屋を示す断面図。

【図7】構築時のシールドトンネルを示す断面図。

【図8】底部ライナーを構築したシールドトンネルを示す断面図。

【図9】原子炉建屋冠水方法を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら、原子炉建屋冠水装置の実施形態について詳細に説明する。

【0010】

図１の符号１は、本実施形態の原子炉建屋冠水装置である。この原子炉建屋冠水装置１は、原子力発電所に設けられた原子炉建屋２を冠水させるものである。なお、過酷事故に見舞われた原子力発電所の廃炉作業を行う態様を例示する。

【0011】

図１から図３に示すように、原子炉建屋２は、鉄筋コンクリート製の建築物である。その内部には、原子炉を収容する原子炉圧力容器３と、この原子炉圧力容器３を収容する原子炉格納容器４とが設けられている。また、圧力抑制室５などのその他の設備も設けられている。本実施形態では、原子炉格納容器４とトーラス室の圧力抑制室５とが別体として設けられた沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）を例示している。

【0012】

過酷事故に見舞われると原子炉の燃料集合体が核燃料の過熱により融解し、所謂メルトダウンが生じる。溶融した核燃料は、原子炉圧力容器３から漏出する。また、原子炉格納容器４は、内部の圧力が高まることで損傷してしまう。溶融した核燃料を含む燃料デブリは高線量であるため、気中工法で燃料デブリの取り出し作業を進めようとすると、遠隔操作のロボットですら放射線の影響で故障してしまうおそれがある。

【0013】

原子炉格納容器４の内部を水で満たすことができれば、その水で放射線を遮蔽することができる。しかし、原子炉格納容器４の損傷箇所の修復ですら困難である。そこで、本実施形態では、原子炉建屋冠水装置１を用いて、原子炉格納容器４を収容する原子炉建屋２の全体を冠水させる。

【0014】

原子炉建屋冠水装置１は、原子炉建屋２の全体が収容され、内部に水６を溜めることで少なくとも原子炉格納容器４を水没可能な巨大な水槽７を備える。

【0015】

この水槽７は、原子炉建屋２の周囲を囲む冠水壁部８と、冠水壁部８の周囲を囲む補助壁部９と、原子炉建屋２が建てられた場所の地中に構築された底部１０と、原子炉建屋２の上方を覆う天井部１１とを備える。この天井部１１は、ドーム型を成している。なお、平板状の天井部１１でも良い。

【0016】

また、原子炉建屋冠水装置１の内部には、クレーン１２などの廃炉用の作業機材が設けられる。なお、クレーン１２は、冠水壁部８に支持させても良いし、冠水壁部８よりも内側に別途に専用の支持部を建設し、この支持部にクレーン１２を支持させても良い。

【0017】

冠水壁部８は、地面１３からの高さ、つまり上下寸法Ｌが少なくとも原子炉格納容器４を水没可能な寸法となっている。本実施形態では、冠水壁部８の上端が原子炉建屋２よりも高くなっている。この冠水壁部８の上端は、少なくとも原子炉格納容器４よりも高ければ良い。

【0018】

なお、原子炉建屋２の上層部、所謂オペレーションフロアよりも上方の部分は予め撤去される。このようにすれば、原子炉建屋２の全体を冠水させるプールを形成することができる。例えば、水槽７に溜められる水６の水位は、オペレーションフロアの位置に設定される。なお、オペレーションフロアは、水没しなくても良い。つまり、オペレーションフロアよりも若干低い位置に水６の水位を設定しても良い。

【0019】

また、冠水壁部８および補助壁部９は、原子炉建屋２が建てられた地面１３の岩盤に構築される。原子炉建屋２の周囲には、平面視で円形状を成す堀１４が形成される。この堀１４に沿って冠水壁部８および補助壁部９が構築される。なお、原子炉建屋２は、平面視で四角形状を成している。そして、冠水壁部８の直径は、原子炉建屋２の平面視の対角線とほぼ同じ長さとなっている。

【0020】

冠水壁部８および補助壁部９は、上部よりも下部が厚くなるように形成される。本実施形態では、冠水壁部８および補助壁部９の下部が地中に構築され、上部が地上に構築されている。そして、地上部分の厚みが、地下部分の厚みよりも薄くなっている。

【0021】

なお、補助壁部９および堀１４が設けられることで、万が一、水槽７に溜められた水６が冠水壁部８から漏洩しても、さらに外部に水６が広がってしまうことを、補助壁部９および堀１４により防止することができる。

【0022】

また、補助壁部９の高さは、冠水壁部８よりも低くなっている。そして、冠水壁部８および補助壁部９を互いに連結する連結部１５が設けられている。このようにすれば、冠水壁部８を補助壁部９により補強することができる。

【0023】

また、冠水壁部８および補助壁部９は、プレストレストコンクリートにより構築される。このようにすれば、冠水壁部８および補助壁部９のひび割れを防止することができる。

【0024】

プレストレストコンクリートとは、あらかじめ応力を加えたコンクリート材である。鋼材を使って、荷重が作用する前にコンクリート材に圧縮力がかかった状態とする。そして、荷重を受けたときにコンクリートに引張応力が発生しないようにする。または、コンクリートに生じる引張応力を制御するものである。

【0025】

なお、本実施形態では、プレストレストコンクリートにより冠水壁部８および補助壁部９が構築されているが、その他の態様であっても良い。例えば、冠水壁部８および補助壁部９を鋼鉄製としても良い。さらに、鉄筋コンクリートにより冠水壁部８および補助壁部９を構築しても良い。

【0026】

図１に示すように、冠水壁部８は平面視で円形状を成す。このようにすれば、内部の水６の圧力に耐えられるようになる。また、補助壁部９も平面視で円形状を成し、冠水壁部８と同心円状に設けられている。また、冠水壁部８の内周面には、鋼鉄製の壁部ライナー１６が構築される。このようにすれば、水槽７に溜められた水６の漏洩を防止することができる。なお、壁部ライナー１６は、多数の鋼板を溶接することで形成される。

【0027】

図２および図３に示すように、底部１０は、シールドトンネル１７により構築される。
なお、シールドトンネル１７とは、シールド工法により構築されたトンネルである。例えば、筒状（または箱状）のシールドマシン１８（図５参照）で切羽後方のトンネル壁面を一時的に支え、切羽を掘削しながらシールドマシン１８を前進させる。そして、シールドマシン１８の後方にブロック（セグメント）でトンネル壁面を補強する。なお、ブロックは、工場で大量生産できる。

【0028】

このようにすれば、巨大な水槽７の底部１０となる部分を地下に容易に構築することができる。本実施形態では、水平方向に並べて建設された複数本のシールドトンネル１７により底部１０が構築される。このようにすれば、シールドトンネルにより平面的に広がる底部１０を構築することができる。

【0029】

また、シールドトンネル１７の内部には、鋼鉄製の底部ライナー１９が構築される。このようにすれば、水槽７に溜められた水６が底部１０から外部に漏洩してしまうことを防止することができる。なお、底部ライナー１９は、多数の鋼板を溶接することで形成される。

【0030】

壁部ライナー１６の下端と底部ライナー１９の周縁とが互いに接合されており、円筒形状を成す巨大な水槽７を形成することができる。壁部ライナー１６と底部ライナー１９とにより。水槽７に溜められた水６が外部に漏れ出すことがない。

【0031】

本実施形態のシールドトンネル１７は、矩形型のシールドマシン１８（図５参照）を用いて構築される。そのため、シールドトンネル１７は、断面視で四角形状を成す（図７参照）。四角形状のシールドトンネル１７を水平方向に並べることで、平面的に一体化した底部１０を構築することができる。

【0032】

次に、本実施形態の原子炉建屋冠水方法について図９のフローチャートを用いて説明する。なお、図１から図８を適宜参照する。

【0033】

図９に示すように、まず、ステップＳ１１において、原子炉建屋２の周辺の構造物を撤去する。例えば、原子炉建屋２の周辺には、タービン建屋および煙突などの様々な構造物が設けられている。これらの構造物を撤去して原子炉建屋２のみを残すようにする。

【0034】

次のステップＳ１２において、原子炉建屋２の周囲に堀１４を形成する。さらに、堀１４に沿って支保工２０を設けるようにする（図４参照）。このとき、堀１４を設ける地盤を凍結して凍土としても良い。

【0035】

次のステップＳ１３において、堀１４の底にシールドマシン１８を降ろして掘削の準備を行う。シールドマシン１８の設置が完了したら掘削を開始する。

【0036】

次のステップＳ１４において、シールドマシン１８によりシールドトンネル１７を構築する（図５および図６参照）。ここで、１台のシールドマシン１８を往復させることで、複数本のシールドトンネル１７を構築しても良いし、複数のシールドマシン１８を並べて同時に進行させることで、複数本のシールドトンネル１７を構築しても良い。

【0037】

なお、シールドマシン１８を進行させるときには、周囲の土を凍結して凍土としても良い。このようにすれば、周囲の岩盤が崩れることを抑制することができる。

【0038】

図７に示すように、シールドトンネル１７を建設するときには、周囲に余堀部２１を設けるようにする。そして、シールドトンネル１７同士の余堀部２１を重複させる。例えば、余堀部２１の領域うち、一部の領域Ｄを重複させる。このようにすれば、シールドトンネル１７同士を密に配置させることができる。

【0039】

なお、本実施形態のシールドトンネル１７を構成するブロックは、コンクリート製でも良いし、鋼鉄製でも良い。また、シールドトンネル１７の内部には、上下方向に延びる複数の柱部２２が設けられる。これらの柱部２２は、シールドマシン１８で掘削中に設けても良いし、シールドトンネル１７の構築後に追加しても良い。これらの柱部２２によりシールドトンネル１７を補強することができる。なお、柱部２２同士が互いに接合され、壁状を成しても良い。

【0040】

次のステップＳ１５において、シールドトンネル１７の内部に底部ライナー１９を構築する。

【0041】

図８に示すように、シールドトンネル１７を構成する側部のブロックの一部を取り外し、開口部２３を形成する。そして、これらの開口部２３を介して隣接するシールドトンネル１７同士を連通させる。また、シールドトンネル１７の内部には、中間床２４を設けるようにする。これらの中間床２４の上面に多数の鋼板を敷き詰めて、互いに溶接することで、底部ライナー１９を構築する。なお、シールドトンネル１７が四角形状を成すことで、その内部で作業が行い易くなっている。また、柱部２２と底部ライナー１９とを互いに溶接しても良い。

【0042】

次のステップＳ１６において、原子炉建屋２の周辺の堀１４に沿って冠水壁部８および補助壁部９を構築する（図６参照）。

【0043】

次のステップＳ１７において、冠水壁部８の内周面の全体に亘って壁部ライナー１６を構築する（図１参照）。なお、壁部ライナー１６の下端と底部ライナー１９の周縁とが互いに溶接される。

【0044】

次のステップＳ１８において、堀１４に設けられていた支保工２０を撤去する（図４および図６参照）。なお、支保工２０を撤去せずに、冠水壁部８および補助壁部９の補強材として使用しても良い。

【0045】

次のステップＳ１９において、原子炉建屋冠水装置１の内部にクレーン１２などの廃炉用の作業機材を設置する（図３参照）。

【0046】

次のステップＳ２０において、冠水壁部８の上部に天井部１１を構築する（図３参照）。

【0047】

次のステップＳ２１において、冠水壁部８と底部１０とにより形成された水槽７の内部に水６を溜める。そして、原子炉建屋２を水没させた状態で廃炉作業を開始する。

【0048】

なお、少なくとも原子炉格納容器４を水没させた状態とすれば良い。このようにすれば、原子炉格納容器４および原子炉圧力容器３の蓋を開放した場合に、水６で放射線を遮蔽することができるため、燃料デブリの取り出し作業が行い易くなる。つまり、冠水工法で燃料デブリの取り出し作業を行うことができる。さらに、冠水工法で原子炉格納容器４および原子炉圧力容器３の解体作業を行っても良い。

【0049】

なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。

【0050】

なお、本実施形態では、原子炉格納容器４と圧力抑制室５とが別体に設けられた沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の廃炉に適用した形態を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、原子炉格納容器と圧力抑制室とが一体的に設けられた改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）の廃炉に適用しても良いし、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の廃炉に適用しても良いし、黒鉛減速沸騰軽水圧力管型原子炉の廃炉に適用しても良い。

【0051】

なお、本実施形態では、過酷事故が生じた後に、原子炉建屋冠水装置１の底部１０を構築する形態を例示しているが、その他の態様であっても良い。例えば、原子力発電所を新たに建設するときに、予め地中に底部１０を構築しておいても良い。

【0052】

なお、本実施形態では、過酷事故が生じた原子力発電所の廃炉作業に原子炉建屋冠水装置１を用いているが、その他の態様であっても良い。例えば、過酷事故が生じていない原子力発電所の廃炉作業に原子炉建屋冠水装置１を用いても良い。

【0053】

なお、本実施形態では、冠水壁部８および補助壁部９が平面視で円形状を成しているが、その他の態様であっても良い。例えば、冠水壁部８および補助壁部９が、平面視で楕円形状でも良いし、平面視で円弧状と直線状とを組み合わせた形状でも良い。また、冠水壁部８および補助壁部９は、原子炉建屋２の平面形状に合わせた四角形状でも良い。例えば、原子炉建屋２の外壁に、冠水壁部８の内面が接触または近接するように構築し、平面視で四角形状を成す冠水壁部８としても良い。このようにすれば、水槽７に溜める水６の量を最小とすることができる。

【0054】

なお、本実施形態では、矩形型のシールドマシン１８を用いて、断面視が四角形状のシールドトンネル１７を構築しているが、その他の態様であっても良い。例えば、円形シールドマシンを用いて、断面視が円形状のシールドトンネルを構築しても良い。

【0055】

以上説明した実施形態によれば、原子炉建屋の全体が収容され、内部に水を溜めることで少なくとも原子炉格納容器を水没可能な水槽を備えることにより、過酷事故に見舞われた原子炉の廃炉を行うことができる。

【0056】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0057】

１…原子炉建屋冠水装置、２…原子炉建屋、３…原子炉圧力容器、４…原子炉格納容器、５…圧力抑制室、６…水、７…水槽、８…冠水壁部、９…補助壁部、１０…底部、１１…天井部、１２…クレーン、１３…地面、１４…堀、１５…連結部、１６…壁部ライナー、１７…シールドトンネル、１８…シールドマシン、１９…底部ライナー、２０…支保工、２１…余堀部、２２…柱部、２３…開口部、２４…中間床。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】