米国、TMI事故から教訓のIVR原子炉容器内溶融保持

1979年3月のTMI事故では、炉心の少なくとも45％（約62トン）が熔融した。その内約19トンが炉心溶融物コリウムとなって炉の下部ヘッド（半球の底部）に落下したとみられている。それまでは、落下すると下部ヘッドは破損し溶融物デブリはPCV格納容器に出ると考えられていたが、TMI事故では起きなかった。これで、事故時の放出放射能の種類、量が大幅に減った。
　このような状態、溶融炉心がRV原子炉内にとどまる状態、In-Vessel Retention　内―容器―保持、IVR原子炉容器内溶融保持、この状態を人為的に作り出せれば、TMIのように事故時の放出放射能の種類、量が大幅に減らせるだろうと考えられた。

　1985年からの米国のDOE（エネルギー省）とEPRI（米国電力研究所）が共同で進めた改良型軽水炉（ALWR Advanced Light Water Reactor）開発計画では、TMI事故の解析、研究をもとに新たな原発の設計から米国原子力規制委員会（NRC）からの設計証明、最終設計承認（FDA）取得までが計画された。それでは、電力やデーゼルエンジンなどの動的なポンプ、モータなど機器を制御系で能動的に動かすシステムに代って重力等の自然力を用いたタンク、熱交換器、弁等で構成される受動的（静的）システムでの安全系「受動的安全系」の採用設計が柱の一つであった。

　これはシステム・機器の単純化による大幅な建設費低減と運転性、保守性の向上という目標達成のためでもあった。重力等の自然力を用いた受動的（静的）安全系は、原理的に電力等の動力供給途絶による不稼働の確率はゼロ、弁など機械的故障に不稼働の確率が極めて少ない。

PWRでは、ウェスチングハウス社（WH社）が進めたAP：Advanced Passive 600　に米国の国費が投入された。AP600のシビアアクシデント対策には、IVR原子炉容器内溶融保持が導入された。それは、メルトダウンが起こったらその熱で溶融弁が開きタンクから重力で水を送り、RV原子炉を水に漬け状態にする策である。従来のタイプ、例えば日本のPWRはRV原子炉の周辺はガラガラに空いている。炉を金属壁で囲み、更にコンクリート壁で囲む配置設計で水漬を実現した。
　WH社は、IVRを採用した理由を3つ上げている。一つはシンプルな原理、受動的作動システム。一つは、溶融炉心によるPCV格納容器の浸食が起きない。つまりMCCIコアコンクリート反応が起きない。一つは、確率論的リスク評価PRAと確率論的安全評価PSAでRV原子炉の外に溶融炉心が出た場合のリスクが重大であることが示されている。原子炉容器内に溶融物が保持されれば放出放射能の種類、量が大幅に減らせる。

1998年9月にはAP600は最終設計承認（FDA）を取得した。電力会社からの受注は無かった。その後、ブッシュ（子）政権の原子力2010年計画を受けて、大型化により経済性の向上を図ったAP1000（電気出力1000MW）の設計を進め、2006年1月には米国原子力規制委員会（NRC）からの最終設計承認（FDA）を取得した。2007年に中国国有の国家核電技術公司（国家核電、ＳＮＰＴＣ）が4基発注した。その後も多数発注しており、2014年4月段階で建設中と計画中のAP1000を単純に数えただけで97基もある。しかし、最初の浙江省三門の2008年着工の三門Sanmen原発1号機は、福島第一原子力発電所の事故を受けた安全検査のため2015年末まで稼働を延期している。

 米国でも、計画されNRCの認可が出ている。着工されて物もあるが、まだ稼働していない。
改良型軽水炉（ALWR Advanced Light Water Reactor）開発計画で採り上げられたBWRは、E社のSBWR（Simplified BWR、簡易化したBWR）である。これは、米国原子力規制委員会（NRC）からの最終設計承認（FDA）を取得していない。この設計を基にしたESBWR（Economic Simplified Boiling Water Reactor ）が開発設計され、NRCの認証を受けている。このESBWRには、コアキャッチャーが設計装備されている。

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ロシアのコアキャッチャー、MLD：Melt Localizing Device 溶融局所化装置

 

チェルノブイリ事故の反省からメルトダウンに備えRV原子炉直下に、溶けた炉心を受け止め、水で冷却される鉄の容器を設置する技術が生まれた。現在では、コアキャッチャー core-catcherと呼ばれる設備だ。ロシアでは、MLD：Melt Localizing Device 溶融局所化装置、core melt trap 溶融炉心捕獲器と言われる。
ロシアの過酷事故に関するコンピュータ・コード、VECHA/GEFESTを使用して、溶融物に関する初期データを基に開発された。

出典・・https://www.youtube.com/watch?v=dT3Bt8KGqEg

VVER-1200のコアキャッチャーは高さ14m、直径6.5m、重さ750tの鋼鉄製の鍋・vesselだ。
その内部の下方には、OSM 、SSMというブロックが積まれている。これらは、落下してくる溶融炉心を受けてその容量を増やし熱物理的衝撃を和らげ、酸化度といった化学的性質をコントロールし、融点≒温度や熱伝導度を管理して容器vesselへの浸食を予防する働きを持たされている。

RV原子炉内での溶融炉心の挙動に関する研究では、溶融酸化物層の表面・上面に薄い溶融金属層が層状に形成される。溶融金属層の熱伝導率が高く、崩壊熱やジルコニウムの酸化熱など事故時に発生する熱が、この薄い溶融金属層が接触する箇所のRV原子炉壁に集中し、局所的に高熱負荷（高熱流束）がかかるため、この接触箇所が破れやすくなる。
　コアキャッチャーの熱、つまりデブリの崩壊熱は、上部からスプレイ散水される水と鋼鉄製の容器・vesselの外部に注がられる水の蒸発で気化熱として化して除かれる。

PCV格納容器には72時間分の量の水がタンクに用意されている。72時間は電力などの供給がなくても冷却が可能な設計になっている。

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コアキャッチャー core-catcher は、1986年のチェルノブイリ事故の教訓。

チェルノブイリ事故時、融けた炉心が地下に溶け落ちて行く「チャイナシンドローム」の懸念があった。発電所の冷却水池（約22㎞²）の水位は、Pripyat川における平均水位の6-7m上に保たれている。発電所敷地から川への地下水の流れがある。南にある森の地下水位は、1.5～2mである。地下水との反応で水蒸気爆発を起こしたり、地下水を放射能で汚染するという危機が想定された。

　当時のソビエト・ロシア政府は、この危険を排除するために、サイズ30x30m、厚さ約2.5mの鉄筋コンクリート製水冷却型基礎下プレートを敷設することを決めた。その構造はサンドイッチのように上部は厚さ1mの鉄筋コンクリート、中間に黒鉛に覆われた冷却水管の0.5mの層、下部は厚さ1mの鉄筋コンクリートというものだった。これを考案したのはLeonid Bolshov(2012年現在、ロシア科学アカデミー原子力安全研究所所長）らのチームで、約140ｍのトンネルを掘らなければならなかった。すでに爆発や上空から落とされた多量の鉛や砂によって損傷している原子炉など構造物を壊さないようにするため、地面を揺らす恐れのあるような重機など機械が使えない。400人近くの地下鉄工事と炭坑の労働者が集められ、スコップや鶴嘴など手持ちできる道具だけで24時間8交替で掘削作業にあたった。作業は、1986年6月28日に完了した。
トンネル内の放射能はそれほどではなかったが、放射線防護が不適切だったため多くの鉱夫たちは死亡した。

　その後の調査で、溶融燃料の大半は床上を水平に拡がり、垂直に落下、熔融沈降した割合は少なかった。
また「地質調査によって判明したことは、地表から３０メートル下に耐水性の粘土層があることだった。原子力発電所の周囲に、深さ３２メートルを越す巨大な堀が建設され、特殊な耐水性のベントナイト・コンクリートやその他水に対して不溶性の化合物が詰められた。この堀は、予備の排水制御系をともなう巨大な耐水性仕切りの役目を果たした。水文学的環境から隔離しなくてはならない地区は、原子炉を封じ込めることになる石棺からはるか遠くまで広げねばならなかった。・・・・

　作業が開始されたのは、８６年６月だったが、春の雪解けまでに、作業が完成したかどうかは明らかではない。いわゆる地下障壁・・・建設関係者が言うシチュー鍋を作ろうという事で、それによって汚染水が原子力発電所の境界線を越えて外部に浸透できなくなる・・・・

　このプロジェクトは、四号炉を囲むように建設され、石棺に比べて、人目につかなかった。これについての報告が唯一現れたのは、世間ではあまり知られていない大衆向け週刊誌NTR誌だけであった。IAEAに提出されたソ連側報告や後になって公表されるIAEAの国際原子力安全諮問グループ(INSAG)の議事録には言及されていない。おそらく、これは見落としではなく、この当惑させられる問題を避けて通ろうとする意図的な試みだったと思われる。・・・・ ・・・」 （以上「チェルノブイリの遺産」Z・A・メドヴェジェフ (著), 吉本 晋一郎 (翻訳) みすず書房より抜粋)

　この反省から、溶融炉心デブリを受け止め冷却する装置を建設・設計段階から装備する発想が出て来た。それがコアキャッチャーでインドのクーダンクラム原子力発電所Kudankulam Power Plantの1号機（1997年着工）、2号機と中国の田灣核電站Tianwan nuclear power plant の1号機（1999年着工、2006年営業運転）、2号機（2000年着工、2007年営業運転）のVVER－1000から設計にコアキャッチャーが設計装備された。今は、出力増大改良版であるVVER-1200がある。2014年現在、設計でコアキャッチャーが標準設計の原発は、ロシアのロスアトム PocAtomのVVER－1000と1200、フランスのアレバAREVAのEPR、AREVA社と三菱重工業合弁会社であるATMEA社のATMEA1であるが、実際に営業運転しているものはVVER－1000と1200である。

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メルトスルーから3.5時間後にPCVの底が抜ける？東京電力・柏崎刈羽原発6、7号機

柏崎刈羽原発の6、７号機、地震などで緊急停止した後、原子炉の注水がダウンするとメルトスルーします。溶融した炉心は、核燃料だけでなく燃料支持板、制御棒やら、そのガイドの管とか厚さ約17cmの鋼製の圧力容器を溶かし込んだ混合物、デブリになっています。溶けた約2000℃以上のデブリが12m下の直径10.6ｍの円形のペデスタル床に落ちていきます。

　東電核災害では、ペデスタルの壁際にあるドレンサンプピットという集水桝に堆積した。そしてそこの鋼板やコンクリートを熔かしMCCI・コアコンクリート反応を起こした。

 原子力安全基盤機構JNESの平成２１年度地震時レベル２ＰＳＡの解析（ＢＷＲ）では4. 格納容器シェルメルトスル解析」でコアクックリート反応MCCIを解析している。
http://www.nsr.go.jp/archive/jnes/atom-lib/docs/article/index/id/954/art/1

「MELCOR1.8.5 コードを用いて、・・簡易モデルを組み込んで整備をした後、内的事象時を含め圧力容器破損後に落下するデブリ量、圧力容器下部ヘッド破損条件及び格納容器への代替スプレイの有無について感度解析を行い、ソースタームへの影響を検討」している。その結果として、デブリによる浸食の大きさも出している。

検討対象をBWR-4で MarkⅠ格納容器、電気出力50万kW級にしている。それは「MarkⅠ型格納容器を有するBWR-4 プラントでは、原子炉圧力容器下部の床と格納容器の床とが同じ高さの構造になっているため、原子炉圧力容器破損後に落下したデブリが，格納容器の床に広がり、デブリが冷却できない場合には，高温のデブリが格納容器の壁に接触し，一部が溶融貫通する可能性がある。」という理由を挙げている。

　しかしNRC米国原子力委員会のNURGE/CR-6025では炉心の下、ペデスタルと呼ばれる開口部のある台座で囲われたエリアとドライウェルの床面が同一レベルまたは小さな段差しかない、MarkⅠ型PCV格納容器を対象に検討が行われている。 同じMarkⅠでもBWR-4、BWR-3、BWR-5では、出力密度や安全系の設備が違うから圧力容器下部の破損条件等が違い、時刻などに違いが生じる。

　JNES研究では約2.3時間（140分）後にメルトスルーを開始し先ずデブリの10％落下、3.2時間（200分）後に40％・合計50％落下、10.5時間(630分）頃に残り50％が落下する。新潟県が柏崎刈羽原発6、7号機のベントフィルターを検討する際に東電核災害に類似した条件とした極限ケースと参考ケースでは約5～6時間後に全量が一度に落下する。重量当たりの崩壊熱は、２時間後に較べ四分の三程度に減っている。

　JNES研究では約2.3時間の落下後、約50分ほどはコンクリート浸食は見られない。落下量が10％・20トンと少ないからであろう。それから3.2時間（200分）後に40％・80トンが新たに落下し100トンになる。それで浸食・MCCIが始まる。時刻で約5.5時間（330分）後に浸食深さ20㎝。約5.5時間後から約250分、約9.8時間（580分）後で浸食深さ40㎝。10.5時間(630分）頃に残り100トンが落下して加わり200トン。時刻で12.5時間(760分）で約180分後、浸食深さ60㎝。更に約290分、時刻で17.5時間（1050分）後で浸食深さ80㎝に達している。時刻で約25時間（1410分）後、約360分後には100㎝。

　極限ケース・参考ケースのように約5.5時間後に全量200トン落下した場合は、約125分後の時刻で7.5時間後に浸食深さ20㎝。さらに約180分後、時刻で10.5時間後に浸食深さ40㎝。更に約290分、時刻で15.3時間後で浸食深さ60㎝。更に約360分、時刻21.3時間後で浸食深さ80㎝に達する。

　JNES研究では50万kw.程度だが柏崎刈羽原発6、7号機は135万kw.で核燃料の量≒デブリの量が2.7倍多い。JNES研究ではデブリは約49m²に拡がるが、柏崎刈羽原発6、7号機のペデスタル床面積は約88m²。拡がり面積当たりのデブリ量では1.5倍になる。つまりJNES研究で全量で300トンの場合になる。約5.5時間（330分）後に300トン落下したとすると、浸食深さ20㎝は120÷１.5で約80分後の時刻6.9時、浸食深さ40㎝は約120分後の時刻8.9時、浸食深さ60㎝は約195分後の時刻12.1時、そして時刻16.1時頃に深さ８０cmまで浸食が進む。

　 柏崎刈羽原発6、7号機では新潟県技術検討委員会が東電核災害に類似した条件とした事故シナリオの極限ケース、参考ケースでは約5～6時間後に全量が落下する。そして東電核災害・福島第一と同じにペデスタル床にあるドレインピットにデブリが堆積し、ピット寸法もと同じだとするとピットの底からPCV格納容器の底部までは約40cmのコンクリートだから、時刻8.9時にPCV底までデブリで浸食される。JNES研究からは、そのように推測される。東京電力は時刻では約8時にはPCVは過温破損すると評価している。トップフランジなどから放射能は放出される。それから1時間後には、PCVの底からデブリが地下に出ていく。

　地下水、海水がデブリで汚染されることになる。福島第一の汚染水処理の経過を見ると東電に対応能力があるとは考えにくい。

東京電力・柏崎刈羽原発6、７、メルトスルー後にPCVの底が抜けないか

柏崎刈羽原発の6、７号機、地震などで緊急停止した後、原子炉の注水がダウンするとメルトスルーします。溶けた約2000℃以上の核燃料が12m下に落ちていきます。炉心は直径約5.2ｍ、高さ約5ｍです。それが溶けて一番下の直径10.6ｍの円形のペデスタル床に落ちていきます。溶融した炉心は、核燃料だけでなく燃料支持板、制御棒やら、そのガイドの管とか厚さ約17cmの鋼製の圧力容器を溶かし込んだ混合物、デブリになっています。

先行研究（MARK-1格納容器、BWR-4原子炉）を参照すると、デブリの総量は約346トンです。先ず10％・30トン位落下して、落ちおえた時の高さ、デブリの厚さは約１ｍと推測できます。

落下先のPCV格納容器の下部は図のような作りです。床の作りは、厚さ約5ｍの鉄筋コンクリート基礎の上に推定約1.6ｍの鉄筋コンクリートを上乗せして、表面に鋼製ライナーを張ってあります。ペデステルの壁で囲まれています。東京電力の資料ではペデスタルの壁近くにドレンサンプピットがあります。

中央部に落ちたデブリが周辺に拡がって行く。その速度はデブリの温度、つまり流動性によって1秒間に数mから数cmとされています。ペデスタル床の半径は5.3ｍですから数分のうちに壁まで到達します。壁間際のドレインピットはドレン水を集めて溜める集水桝ですから、デブリも流れ込みます。

東電核災害の福島第一３号機での解析では、デブリが全量落下したらデブリがドレンサンプピットに入り、厚さ８５㎝の堆積をつくり68cmの深さの浸食をつくったと解析されてます。これは、ドレンサンプピットに冷却水が流れ込むという条件での解析です。冷却水がない場合は、浸食はもっと多くなります。

 

福島第一3号機の出力は78.4万kW、柏崎刈羽原発の6、７号機の出力135.6万kWですから核燃料の量は約1.7倍、デブリも約1.7倍。6、7号機のABWRのドレンサンプピットが福島第一と同じなら、ピットは満杯になり少なくとも厚さ120cmの堆積ができます。その上にも堆積ができるので、もっと厚くなるでしょう。単純な比例計算では浸食の深さは約96㎝以上。ピット底面のコンクリートの厚さは160cmマイナス120で約４０cmです。PCV格納容器の底をデブリは破って5０センチ以上建屋の基礎部に出ています。

柏崎刈羽原発は2007年の中越沖地震で原子炉建屋各所にひびが入り水が染み出ています。東電は見えるところはモルタルで埋め、塗装をし直し修復しています。
　東京電力は「福島ほどの大量の地下水の流れはありませんが、深いところでは海水に近い水が出てくるので建屋の外壁に止水処理をしています。」「敷地への降雨が地下水となるという点は柏崎刈羽原子力発電所も同様と考えています。 なお、柏崎刈羽原子力発電所の建屋周りは、福島第一のように地下水が原子炉建屋やタービン建屋に流入するようなことがないよう、止水処理を施しています。」と柏崎市での説明会で2013年9月に述べています。中越沖地震でこの止水処理もガタガタでしょう。
http://www.tepco.co.jp/nu/kk-np/info/tohoku/setsumei/250901.pdf
　地下水は、実際には夏場の雨が少ない時期でも1日当り約2600m³の地下水を１～7号機全体で汲み上げていると新潟県に答えています。汲み上げて目につく建屋内部への流入を抑えている。福島第一の1号機は川を埋めた場所、2-4号機はその伏流水が流れている場所ですから、「大量の地下水の流れ」があるでしょう。それで800～1000ｍ³を汲み上げています。それに比べれば地下水の「流れの水量」は少ないでしょうが、総量としては約3倍あります。それは、基礎部のコンクリートを通り海に抜けていっている。その地下水の下は「深いところでは海水に近い水が出てくる」と海水が入り込んでいる。
　この地下水、海水がデブリで汚染されることになる。福島第一の汚染水処理の経過を見ると東電に対応能力があるでしょうか。

 

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