コアキャッチャーが有っても、水蒸気爆発の可能性 [AM-メルトスルー、CCI]
東京電力福島第一原発の2号機、3号機の発災後の経過では、メルトスルー前の炉から漏水は指摘されている。
「再循環系(PLR)ポンプメカシールからの炉水の漏えいが考えられる。通常、PLR ポンプメカシールでは、制御棒駆動機構(CRD)ポンプから供給されるシール水により炉水をシールし、シール水の一部が PLR ポンプ主軸部からD/W 機器ドレンサンプに滴下する構造(この滴下量をコントロールブリードオフ流量という)となっているが、外部電源喪失時には CRD ポンプからのシール水の供給が失われるため、高温の炉水が PLR ポンプ主軸部から D/W 機器ドレンサンプに滴下していたものと考えられる。」(原子力保安院)
http://www.meti.go.jp/press/2011/12/20111222015/20111222015.pdf
出口であるライザからは水蒸気とまだ液体の冷却水が出る。水蒸気は格納容器PCVの気相部に拡散する。冷却水は溶融物上面に流れ込み、水プールを作る。その上面に出来るプール水の沸騰によって除熱・冷却が進む。さて、溶融物が一度に落下するなら、落ちた溶融物の上面にプールができると単純化できる。
東京電力福島第一原発の発災後の経過を顧みると、五月雨式に落下している。つまり、先に落下した溶融物でコアキャッチャーが作動してできつつある水プールに五月雨式に後から溶融物が落下してくる。そうしたシナリオが当然想定できる。それが溶融物の塊が複数で、時間差や落ち場所に距離が場合も想定される。調べた限りでは、炉心溶融物の研究やモデル化実験ではこうした場合は、水蒸気爆発が起こり易い状態になる。こうした爆発が起きると、小さなものでもコアキャッチャーは損傷するだろう。
コアキャッチャーやLower Drywell Flooder は、炉心溶融物が10分程度で大半落下しきるメルト―スルーを想定して設計されている。東電核災害での経過を顧みると、五月雨式に後から後から、溶融物の塊が複数で落下するメルトスルーする場合などを考慮した技術、溶融物が原子炉格納容器PCVの下部コンクリートを溶融貫通することを防ぐ技術が求められていると考えられる。
東芝と日立のコアキャッチャー 東電核災害の前 [AM-メルトスルー、CCI]
調べた限りでは、時間順では
①1994年7月に東芝が出願しています。名は「原子炉コアキャッチャー」、出願番号は1994-175455、公開番号は1996-043576です。これは未査定。http://astamuse.com/ja/published/JP/No/1996043576
また、(1),(2)に共通する課題として、軽水炉においては、炉心溶融物は70気圧程度の高圧で、溶融貫通した炉容器から噴出する場合があり、この運動エネルギーを吸収するためのショック・アブソーバーが必要であったことが挙げられる。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、高速増殖炉に対しても、軽水炉に対しても有効で、高速増殖炉においては過度な燃料・冷却材相互作用(FCI)を起こすことなく炉心溶融物を冷却でき、軽水炉においては水蒸気爆発を起こすことなく炉心溶融物の噴出エネルギーを吸収することができる原子炉コアキャッチャーを提供することにある。
②2006年2月22日にも東芝は「コアキャッチャーおよび原子炉格納容器」名で「容易に設置可能なコアキャッチャーにより、炉心デブリを効果的に冷却できるようにする。」という特許を出しています。出願番号は2006-044742、公開番号は2007-225356です。登録番号は4612558、現在は特許維持です。http://astamuse.com/ja/published/JP/No/2007225356
GEのESBWRには原子炉格納容器の下部にコアキャッチャーが設置される。これは、次世代のBWRの安全性に関する完結性をさらに高めるためのものである。コアキャッチャーは、たとえば耐熱性の部材を用い、溶融炉心が原子炉格納容器の下部を溶融貫通したり、あるいは、放射性物質が漏洩することがないように下部ドライウェルの床部分に配設されたものである。しかし、単なる耐熱性の部材を敷き詰めただけでは、十分に炉心デブリを冷却できないおそれがある。また、炉心デブリを冷却するために、冷却水を通すための配管を多数配設すると、その配設に手間がかかるという課題がある。
そこで、本発明は、容易に設置可能なコアキャッチャーにより、炉心デブリを効果的に冷却できるようにすることを目的とする
http://astamuse.com/ja/granted/JP/No/4828963
発明が解決しようとする課題
たとえば、典型的なコリウムの崩壊熱は、定格熱出力の約1%程度であり、定格熱出力4000MWの炉の場合には、40MW程度の発熱量になる。上面の沸騰熱伝達量にはコリウム上面の状態により幅があるが、すくなくとも0.4MW/m2程度の熱流束が想定される。この場合には、コリウムの発熱量を上面の熱伝達のみで取るとすると、100m2程度(円直径で11.3m)の床面積が必要になる。これまでの格納容器の構造を考慮すると、この面積を確保することは困難であった。
そこで本発明は、床面積を広くすることなく、原子炉容器内の炉心が溶融して原子炉容器を貫通した際に発生する炉心溶融物を冷却する効率を向上させることを目的とする。
冷却に傾斜底面と冷却水流路
図を見ると、核燃料、炉心の溶融物を受け止め冷却する底面が斜めになっている。東芝が引き合いに出しているESBWR(自然循環冷却式受動安全沸騰水型原子炉、特許出願での東芝の表記)でも傾斜している。高温から低温へ流れる熱エネルギーの大きさを、単位時間当たりに単位面積(単位:cm2 )を流れる熱エネルギー量、単位は「W/cm2」、の熱流束(ねつりゅうそく、英: Heat flux)で表すが、東芝は「20°の傾斜を持った下向きの伝熱面の場合は、下向きの水平面(角度0°)よりも、沸騰限界熱流束が約60%程度向上することが、(下向きの伝熱面の角度に対する沸騰限界熱流束の実験結果から)わかる。本実施の形態では、冷却水流路は傾斜を持っているため、沸騰により生じた蒸気泡は、浮力によって伝熱面である水チャンネルの内面から離脱しやすく、良好な熱伝達率が得られる。」としている。東芝は64分の一の大きさ(傾斜の長さ約4m,全体では円形だがその一部の扇型)の試験装置での実験結果を公表している。
http://www.scej.org/kagakukogaku_shi/mokuji/76/7609.pdf
GE日立のBiMAC Core Catcherと東芝のコアキャッチャーの違い ドレンサンプ [AM-メルトスルー、CCI]
1985年から米国がTMI事故をその教訓を踏まえて改良型軽水炉(ALWR Advanced Light Water Reactor)開発計画を実施した。これに沿って、GEはSBWR(Simplified BWR・出力670MW)を開発した。設計、確証試験・解析は完了したが製品化せず、これを基に出力を1000MW以上の大型炉の開発に移行した。それがESBWR(Economic Simplified Boiling Water Reactor)である。GEは2005年12月にNRC(米国原子力規制委員会)に申請を出している。2006年の資料を見るとメルトスルー時の対策・対応設備は特に挙げられていない。
日立は、もともとBWRの日本側メーカーとしてGEと関係が深い。日立側の資料では、2000年代初頭からESBWRの開発に参加している。日立とGEは資本関係も深め、2007年7月にGEと日立の原子力部門を本体からぶりして、共同の会社にしている。米国ではGE60%、日立40%資本のGE日立、日本ではGE20%、日立80%の日立GEが設立されている。
当初はなかったコアキャッチャー
GEと日立は1997年にNRCからABWRの設計の認証を受けている。このUS-ABWRにはメルトスルーに備えた設備が付いた設計で認証を受けている。それは Lower Drywell Flooderである。これは、落下してきた溶融物の熱で弁を閉ざしている金属装置が熔融して弁が開き、S/Cプールから重力で冷却水が流入する装置である。GE日立のファクトシートでは10である。
https://nuclear.gepower.com/content/dam/gepower-nuclear/global/en_US/documents/product-fact-sheets/ABWR%20Fact%20Sheet.pdf
IAEA https://aris.iaea.org/sites/..%5CPDF%5CESBWR.pdf の表3
BiMAC( Basemat-internal Melt Arrest Coolability 基盤内部溶融阻止冷却装置)は、NRCへの2005年12月申請のDCD・設計認証図書の初版にはない。特許出願文書には改訂2版(2007年4月30日)から記載されたとある。
メルトスルーした溶融物には上面から冷却水を散布して、その上面の水の沸騰により除熱・冷却するのだが、堆積厚さが厚いと底部まで十分に冷却できない=溶融物が原子炉格納容器PCVの下部コンクリートを溶融貫通する可能性がある。それで、米国は、冷却可能な厚さ以下にするために床面積を広くとること、数値としては定格出力当たり落下する格納容器床面積が0.02m²/MWt以上を要求している。(URD :米国電力要求文書 Utilities Requirements Document )これを満たさない場合は、対策設備を要求する。このURD基準は、溶融物がサーと水の様に拡がると想定しているが、粘性が高く山盛りになる場合は床面積が広くても堆積が厚くなる、底部の冷却が不十分になると批判されている。
BWRではGEは東芝とも関係していてABWRは3社と東電で開発している。それがESBWRのNRC認証獲得の途中でGEからふられる形になっている。ESBWR(Economic Simplified Boiling Water Reactor)の和訳をGE日立は直訳に近いセールスポイントを挙げた「高経済型単純化炉」としているが、東芝は「自然循環冷却式受動安全沸騰水型原子炉」と特許出願書類では記している。その商権を持たない東芝は英訳としては不適切だが技術的特徴を列記する表記としている。
ドレンサンプ
東芝によれば「格納容器床には、1つ以上のドレンサンプが設置されている。ドレンサンプは、原子炉の運転中に生じる可能性のある漏洩水を集水し、原子炉からの漏洩を検知するためのものであって、サンプ内に集水された水(ドレン水)は、サンプ上蓋の上に備えられたポンプによって配管を介して格納容器外へ移送される構成となっている。」(特許・登録番号5306074の公開情報・公開番号 2007-225356)つまり、発災時だけでなく運転中の異常・故障を検知するために必要なシステム・機器である。東芝は特許①ではドレンサンプを設けた。
特許②については、「炉心溶融物冷却装置(コアキャッチャー)を設置すると、漏水が発生して落下してきた水を炉心溶融物冷却装置が受け止めてしまうため、漏水を検知することができない。そのため、炉心溶融物冷却装置を設置する場合、従来の漏水検知装置に代わる漏水検知手段を設ける必要」があるとして、2007年12月、「原子炉格納容器及び漏水検知床」の名で原子炉圧力容器RPVとコアキャッチャーの間に漏水検知床を設ける特許を出願している。出願番号2007-321293、公開番号2009-145135で、特許を得ている。特許の登録番号4987681で特許維持の状態。
http://astamuse.com/ja/granted/JP/No/4987681
水蒸気爆発の可能性
調べた限り、ESBWRにはこうした検知システムはない。この欠落は東電福島第一原発の2号機、3号機の経過を見ると貫通した炉心溶融物を、コアキャッチャー上面中心部に溜まったドレン水(冷却材)のなかに落下・導くことになり水蒸気爆発の可能性を否定できないことになる。 続く
三菱のコアキャッチャー 東電核災害の前と後とHP-APWR [AM-メルトスルー、CCI]
三菱は、①2006年12月に「溶融物の粒状化促進装置及び原子炉格納容器」と題する加圧水型原子炉と直下のキャビティとの間に落下するデブリの粒状化を促進する粒状化部材62を設けて「溶融物を適正に粒状化して早期に冷却することで安全性の向上を図った」発明で出願番号2006-346627、公開番号2008-157744で結果は出ていない未査定です。http://astamuse.com/ja/published/JP/No/2008157744
②2009年5月に「溶融物の冷却促進装置及び原子炉格納容器」と題する出願をしている。出願番号 2009-116770、公開番号2010-266286だが特許を認められていない。拒絶査定(最終処分)
③2010年2月に出願しています。三菱は従来のコアキャッチャーでは「溶融物が山状に堆積した場合には、溶融物を十分に冷却することができず溶融物が再臨界を引き起こす危険性があった。」と指摘。「原子炉から流出した溶融物やデブリを小分けに堆積させて、高温の溶融物やデブリを十分に冷却することができる溶融物冷却構造」「これを備えた原子炉格納容器およびこれを備えた原子力プラントを提供する」特許を出願している。出願番号PCT/JP2010/064233で2011年9月に公開された。公告番号は2011104908 A1で「溶融物冷却構造、これを備えた原子炉格納容器およびこれを備えた原子力プラント」、2014年12月現在で未査定の状態。http://www.google.com/patents/WO2011104908A1?cl=ja。
http://astamuse.com/ja/published/JP/No/2013108772
http://www.ripo.ynu.ac.jp/senryakusuishin/wp-content/uploads/2014/09/topics_2014_msh.pdf
http://www.jst.go.jp/nuclear/application/h26/ini_kadai.html
フランスのコアキャッチャー EPR欧州型加圧炉 [AM-メルトスルー、CCI]
フランスのEPR欧州加圧水型炉のそれは原子炉直下に落下してくる溶融物を、一旦直下で受け止め、溶融物の流動性と重力による移動でロ米に較べて薄く拡がる冷却装置に導き、冷却水で冷やす。