JPH1020084A - 水素除去システムを備えた原子力プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】触媒式水素除去装置を原子炉格納容器内に設置
して、効果的に水素ガスを除去し、水素の爆発を防止す
ることによって原子炉格納容器の健全性を維持するこ
と。 【解決手段】原子炉圧力容器２及び格納容器スプレイヘ
ッダ５を内包する原子炉格納容器１において、前記原子
炉格納容器１内の原子炉圧力容器２側の壁と原子炉格納
容器１外壁側の壁に近接して触媒式水素除去装置１１を
複数個設置し、前記複数個の触媒式水素除去装置１１は
上昇流が形成される領域Ａ及びＡ′の前記側壁の水平方
向及び周方向にほぼ均等に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素除去システム
を備えた原子力プラントに係り、特に原子炉格納容器内
の水素の爆発を効果的に防止し、原子炉格納容器の健全
性を維持できる原子力プラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉圧力容器内部では、原子炉燃料か
らの放射線により冷却材である水の一部が分解し、水素
ガスと酸素ガスが発生する。原子炉圧力容器に接続する
原子炉一次系配管等が万一破断した場合には、これら水
素ガスと酸素ガスは原子炉格納容器内に放出され、原子
炉格納容器内の水素ガスと酸素ガスの濃度は上昇する。
この状態をそのまま放置して、水素ガス濃度が４vol％
以上、かつ酸素ガス濃度が５vol％ 以上となった場合に
は、雰囲気ガスは可燃状態になる。

【０００３】水素と酸素が急速に結びつくと爆発が起こ
り危険である。そのため、万一原子炉一次系配管等が破
断した場合に備えて、原子炉格納容器内に、触媒を用い
て水素ガスと酸素ガスをゆっくり反応させ、水あるいは
水蒸気にして除去する装置を設ける方法が知られてい
る。

【０００４】本発明の出願前に知られる最も近い例とし
ては、特開昭58−135991号公報に、水素の酸化触媒を水
素が通流あるいは停滞する箇所に設置する方法が開示さ
れている。

【０００５】上記技術は、パラジウム，白金等のように
水素を酸化する作用を有する酸化触媒を使用している。

【０００６】図１０は、水素の酸化触媒を設置する原子
炉格納容器内の概略を示す断面図である。図中、符号１
は原子炉格納容器を示すもので、この原子炉格納容器１
内に原子炉圧力容器２が格納されている。原子炉格納容
器１内はダイヤフロムフロア１７によりドライウェル３
と圧力抑制室１４とに区分され、圧力抑制室１４内に圧
力抑制プール１５が設けられている。また、ドライウェ
ル３内には、仕切り壁１６が設けられ給水系配管７と主
蒸気系配管８がそれぞれ原子炉圧力容器２に接続されて
いる。なお、圧力抑制室１４中の符号１８はベント管を
示し、また、１９は制御棒駆動機構ハウジングである。

【０００７】従来技術では、図１０において水素の酸化
触媒を設置する箇所は、圧力抑制プール１５の天井面つ
まりダイヤフロムフロア１７の下面Ｃ，メンテナンス用
のメッシュ状フロアＤ，原子炉格納容器１の内面壁Ｅ，
配管７の外面Ｆ，仕切り壁１６の壁面Ｇ，原子炉圧力容
器２の外面Ｈ等のように水素が通流あるいは停滞すると
考えられる部分が望ましいとしている。

【０００８】配管７，８の破損により冷却水と水素が放
出した場合、先ず配管７，８の外面Ｆのコーティング面
での触媒反応により、放出した水素の一部が水となる。
また、前記水素は原子炉格納容器１内空間を拡散して、
メンテナンス用のメッシュ状フロアＤ，原子炉格納容器
１の内壁Ｅ，仕切り壁１６の壁面Ｇ及び原子炉圧力容器
２の外面Ｈを通流する。その際、上記各部分に設置され
ている触媒によって酸化され、水蒸気あるいは水とな
る。

【０００９】一方、配管７，８の破損により放出された
冷却水は、圧力抑制プール１５に流入し、混入している
放射性物質により前記プール１５の水が放射線分解して
水素が発生する。この水素は圧力抑制プール１５の天井
面Ｃに設置された触媒により、酸化されて水となる。

【００１０】このように、発生した水素ガスはその拡散
過程で触媒により酸化され、結局は水となって、原子炉
格納容器１の下部の圧力抑制プール１５に流入する。よ
って、水素ガス濃度は可燃限界である４vol％ まで上昇
しないうちに安全に処理される。

【００１１】原子炉格納容器１内への水素の酸化触媒の
設置手段としては、金網状に形成したものを取付け固定
するか、パラジウム，白金等の粉末を結合剤と混合し塗
料化し塗布して乾燥固化するかしてコーティングする。
また、触媒そのものを設置場所に接着剤などで貼着する
か適当な固定手段等によって取着することができる。な
お、設置された触媒と水素の接触面を増し、水素の部分
的停滞をなくすために原子炉格納容器１内に雰囲気拡散
用のファンを設けたり、触媒作用によりできた水蒸気を
水にするために圧力抑制プール１５の水を配管等により
循環させることも可能である。

【００１２】また、原子炉格納容器１内の内部構造物、
または、機器などにコーティングすることもできる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術における
水素除去装置は、水素が通流あるいは停滞しそうな箇所
に水素の酸化触媒を設置することを特徴としているが、
設置の条件があまりにも広く、ファン等の強制循環力を
使わない場合においては、ただ単に通流あるいは停滞し
そうな箇所に設置すると言う条件では原子炉格納容器内
全体の水素ガス濃度を低減させる観点からは逆効果とな
る場合もあり適切ではない。

【００１４】例えば、原子炉格納容器内雰囲気が下向き
流の所に酸化触媒を設置すると、初期の触媒反応による
触媒の発熱のため、付近の雰囲気は上昇方向の浮力が生
成し、原子炉格納容器内雰囲気の全体流としての下向き
の流れを阻害する方向に働くことになり、原子炉格納容
器全体として水素ガス除去効果を低下させることにな
る。また、格納容器スプレイが設置されているプラント
においては、スプレイ水滴の落下とそのエリアの下向き
の雰囲気流は顕著となるが、当該エリアに触媒を設置し
た場合には、前記の理由以外に水滴による触媒の冷却と
触媒表面処理への悪影響、さらに、触媒と雰囲気の接触
面積の低下により、当初の触媒性能は期待できない。

【００１５】本発明では、ファン等の強制駆動力を使わ
ないで、触媒式水素除去装置のみで原子炉格納容器内の
水素ガス濃度を効果的に抑制するための手段を提供する
ために、原子炉格納容器内全体の雰囲気の流れに着目
し、かつ、触媒式水素除去装置の特性を踏まえて配置と
装置への具体的設計要件を提示し、これによって、より
効果的に水素ガスを除去し、水素の爆発を防止すること
により原子炉格納容器の健全性を維持することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、次のよう
にして達成することができる。

【００１７】（１）格納容器スプレイによる強制循環
力、また、温度差による自然循環力により、原子炉格納
容器内のガスの流れが生じる原子炉圧力容器側の壁と原
子炉格納容器外壁側の壁に近接して触媒式水素除去装置
を複数個設置し、前記複数個の触媒式水素除去装置は前
記側壁の水平方向及び周方向にほぼ均等に配置する。

【００１８】（２）触媒式水素除去装置は、格納容器内
空間部の中央高さ近傍に設置する。

【００１９】（３）触媒式水素除去装置の上部垂直ダク
トの上方が曲線的に、または、多段的に横方向に曲がっ
て開放した構造にする。

【００２０】（４）触媒式水素除去装置自体あるいはそ
の下部に水切り板を設置する。

【００２１】

【発明の実施の形態】

（１）原子炉格納容器の上部ドライウェル内で、原子炉
一次系配管が破断した場合の水素ガスを含む雰囲気ガス
の挙動について、三次元流体解析プログラムを用いた解
析のモデル及び解析結果の例を図７，図８，図９に示
す。

【００２２】解析では、図７に示す原子炉格納容器内
の、斜線で示す上部ドライウェルの１／８の部分につい
てモデル化を実施した。上部ドライウェルの１／８セク
トルモデルを図８に示す。１／８セレクトモデルでは、
水素ガスを含む雰囲気ガスの駆動源として、格納容器ス
プレイ及び浮力を模擬しており、原子炉圧力容器内構造
物として、γ−シールド，格納容器スプレイ配管，グレ
ーティング，給水系配管、及び主蒸気系配管を模擬して
いる。

【００２３】図８のモデルを用いた解析結果を図９に示
す。図９は、図８に示すモデルの断面図の代表例を示し
たものである。また、図９は格納容器スプレイを散水し
て１５０秒後の雰囲気ガスの挙動を示している。矢印の
向きが雰囲気ガス全体の流れる方向を示している。解析
の結果、可燃性ガスである水素ガスは他の雰囲気ガスよ
り軽いものの、格納容器スプレイのミキシング力が大き
いため、原子炉格納容器内の雰囲気ガスは全て矢印の方
向に循環し、γ−シールド付近に上昇流が、また原子炉
格納容器壁付近では下降流が形成されることが分かる。

【００２４】以上の解析結果から、γ−シールドから原
子炉格納容器外壁へ向かう横方向に、また、高さ方向と
しては、上部ドライウェルの底部から天井部にかけての
広範囲に上昇流が形成されることが分かった。

【００２５】ただし、触媒式水素除去装置をあまり上部
ドライウェルの下側に設置してしまうと、水素ガスが装
置へ流入しづらくなる可能性があり、また、あまり上部
へ設置した場合には、触媒式水素除去装置内での触媒反
応熱により生じる高温ガスが、原子炉格納容器の天井部
壁に直接当たり原子炉格納容器の健全性に悪影響を及ぼ
す可能性がある。したがって、設置領域としては、γ−
シールドから原子炉格納容器外壁へ向かう横方向に約
３.０ ｍ、また、高さ方向としては、ドライウェル底部
から上方２ｍの位置から天井部下方２ｍまでの約５ｍで
あり、この領域が適切な触媒式水素除去装置の設置領域
と考えられる。

【００２６】上記の解析は、原子炉格納容器外壁近傍に
格納容器スプレイノズルが設置された場合を想定したも
のである。図９に示すように原子炉格納容器内の雰囲気
流は、まず、スプレイ水の散水方向に形成され、次にド
ライウェル底部のダイヤフラムフロアに衝突した後は、
原子炉圧力容器側に流れ、γ−シールドの側面に沿って
上方に流れる。したがって、スプレイノズルの設置位置
及びノズルの散水角度によっては、ドライウェル底部の
ダイヤフラムフロアに衝突した後、原子炉圧力容器側及
び原子炉格納容器外壁の両方向に流れることもあり、こ
の場合には、γ−シールド側面と原子炉格納容器外壁で
上昇流が形成される。

【００２７】このような上昇流が形成される領域に触媒
式水素除去装置を設置することで、長期に渡って、原子
炉格納容器内の雰囲気ガスを動的駆動源を用いず、強制
的に触媒式水素除去装置へ送り込むことが可能となる。

【００２８】（２）格納容器スプレイが設置されてない
原子力発電所においては、原子炉圧力容器が熱源とな
り、また、触媒式水素除去装置自体が触媒反応熱のため
熱源となる。よって、原子炉圧力容器側壁と雰囲気ガス
との温度差で、γ−シールド近傍で上昇流が形成するこ
とから、このような上昇流が形成される領域に触媒式水
素除去装置を設置することで、長期に亘って、原子炉格
納容器内の雰囲気ガスを動的駆動源を用いず、強制的に
触媒式水素除去装置へ送り込むことが可能となる。以下
に本発明の実施例について述べる。

【００２９】（実施例１）図１に示すように原子炉格納
容器１には、原子炉圧力容器２が内在している。原子炉
格納容器１内の上部ドライウェル３内には、γ−シール
ド４，格納容器スプレイ配管５、また、メンテナンス用
のフロアであるグレーティング６が設置されている。

【００３０】配管７，８等の破断によって原子炉圧力容
器内の冷却材が減少する事象が発生した場合には、運転
員操作により格納容器スプレイ水が散水され、これによ
り原子炉格納容器内の雰囲気ガスは強制循環を起こす。
また、γ−シールド４は、原子炉圧力容器２からの放熱
のため雰囲気温度よりも高温であるため自然循環が生じ
る。これらの強制循環力と自然循環力の結果、γ−シー
ルド４の近傍の斜線領域Ａ及びＡ′では上昇流が形成さ
れる。触媒式水素除去装置Ｉ９は、図１に示す斜線領域
Ａ及びＡ′内の上昇流が形成される場所に設置する。

【００３１】図２に斜線領域Ａ及びＡ′の概略図を示
す。作用（１）で記載したように、γ−シールド４から
原子炉格納容器１の外壁に向かって約３ｍ，高さ方向と
しては上下２ｍの余裕を見た残りの５ｍの範囲が適切な
設置領域と考えられる。領域Ａ′の横方向の設置領域
は、原子炉格納容器１の外壁と格納容器スプレイノズル
間の距離や格納容器スプレイノズルの散水角度等により
決まる雰囲気ガス流れを考慮して設定する。

【００３２】原子炉格納容器１内は機器や配管等が複雑
に設置されているが、触媒式水素除去装置Ｉ９は、分割
小型化しての利用も可能なので、分割利用すれば設置場
所の確保は可能である。γ−シールド４側壁には直接設
置することはできないので、保守，点検の優位性も考慮
し、グレーティング６上の設置が良い。また、原子炉格
納容器外壁に設置する場合には図６のような壁掛け方式
も有効である。

【００３３】図３は触媒式水素除去装置Ｉ９の上部に、
曲線的または多段的に横方向に曲がって開放したダクト
１０を設置した触媒式水素除去装置II１１の概略図であ
る。本触媒式水素除去装置II１１を図２で示した領域Ａ
及びＡ′に設置し、格納容器スプレイの水滴やミストが
触媒式水素除去装置II１１の上部から混入するのを防
ぎ、触媒反応の性能劣化を防止する。また、触媒反応に
より加熱されたガスが触媒式水素除去装置II１１の上方
出口から排出される場合には、高温のガスが直接原子炉
格納容器壁や内部構造物に当たることを回避する。ま
た、触媒式水素除去装置II１１の上部ダクト１０は放出
された高温の水蒸気の流れをまとめ，循環力を強める働
きをする。

【００３４】定期的点検のために確保されているスペー
スを通常運転時には触媒式水素除去装置II１１の設置場
所として利用することも可能であり、この場合、ボトル
等で触媒式水素除去装置II１１を固定し、点検時には、
取り外して移動できるようにしておく。

【００３５】図４には、触媒式水素除去装置II１１を通
路に設置した場合の例を示す。通路に設置した場合は、
装置の下から水素ガスを取り込むため、装置を床よりも
高い位置に設置する必要がある。

【００３６】なお、図１，図２は触媒式水素除去装置II
１１を上側グレーティング６に設置した場合を示してい
るが、下側のグレーティング６に設置した場合も上側グ
レーティング６に設置した場合と同様、水素除去でき
る。

【００３７】一方、図５に示すように、圧力抑制室１４
の空間部においては、ドライウェル３同様格納容器スプ
レイ及び自然循環のミキシング力により、斜線領域Ｂ及
びＢ′内に上昇流が形成されると予想できる。図５には
斜線領域Ｂ及びＢ′の概略図を示す。

【００３８】圧力抑制室１４空間部はドライウェル３に
比べ機器類が少ないので、設置のためのスペース確保は
容易である。設置場所としては、圧力抑制室１４内で原
子炉格納容器１側の壁近傍及び原子炉格納容器１の外壁
が良い。特に、原子炉一次系配管が破断する事象が発生
した場合に起こる圧力抑制プール１５の水面上昇は壁付
近程低くなり、装置への影響が小さいと考えられるの
で、壁に接近させ、かつ、装置を薄く平べったい形状に
するとともに、なるべく上方へ設置するのが良い。

【００３９】図６は、触媒式水素除去装置II１１に水切
り板１２を取り付けた触媒式水素除去装置III１３ の概
略図である。本触媒式水素除去装置III１３ を図５に示
す圧力抑制室１４の斜線領域Ｂ及びＢ′内に設置する。
斜線領域Ｂ及びＢ′内も図１の斜線領域Ａ及びＡ′同様
に格納容器スプレイによる強制循環力によって上昇流を
形成する。

【００４０】万一、圧力抑制プール１５水の水面が上昇
した場合でも、触媒式水素除去装置III１３ 下側に設置
された水切り板１２によって圧力抑制プール１５水を周
辺に逃がし、触媒式水素除去装置III１３ を水面上昇に
よる衝突から保護することができる。また、圧力抑制室
１４内を貫通しているアクセストンネル上部に、てすり
２１をつける等歩行可能な形状にしておき、壁には触媒
式水素除去装置III１３に到達できるよう、はしご２２
を取付けておく。さらに、作業可能な足場となるグレー
ティング６を触媒式水素除去装置III１３ 同様、水切り
板１２上方に設置することでメンテナンスも可能にな
る。

【００４１】

【発明の効果】長期に渡って原子炉格納容器内の水素ガ
スの濃度を可燃限界値以下に制御できる。

【００４２】また、触媒式水素除去装置の上部ダクトを
曲線的、または、多段的に横方向に曲がって開放した構
造にすることにより、格納容器スプレイの水滴やミスト
が触媒式水素除去装置の上部から流入するのを防ぎ、触
媒反応の性能劣化を防止できる。

【００４３】さらに、触媒式水素除去装置自体あるいは
その下方に水切り板を設置し、圧力抑制プール水面上昇
による衝突から装置を保護し、装置の健全性を維持でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の触媒式水素除去装置設置箇所を示す原
子炉格納容器断面図。

【図２】本発明の触媒式水素除去装置設置箇所を示すド
ライウェル断面図。

【図３】触媒式水素除去装置IIの概略図１。

【図４】触媒式水素除去装置IIの概略図２。

【図５】本発明の触媒式水素除去装置設置箇所を示す圧
力抑制室断面図。

【図６】触媒式水素除去装置III の概略図。

【図７】解析範囲を示す原子炉格納容器断面図。

【図８】解析モデル図。

【図９】解析結果を示す流れ図。

【図１０】従来の触媒式水素除去装置設置箇所を示す原
子炉格納容器断面図。

【符号の説明】

１…原子炉格納容器、２…原子炉圧力容器、３…ドライ
ウェル、４…γ−シールド、５…格納容器スプレイ配
管、６…グレーティング、７…給水系配管、８…主蒸気
系配管、９…触媒式水素除去装置Ｉ、１０…ダクト、１
１…触媒式水素除去装置II、１２…水切り板、１３…触
媒式水素除去装置III 、１４…圧力抑制室、１５…圧力
抑制プール、１６…仕切り板、１７…ダイヤフロムフロ
ア、１８…ベント管、１９…制御棒駆動機構ハウジン
グ、２０…アクセストンネル、２１…てすり、２２…は
しご、２３…サポート。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大倉 稔 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 上妻 宣昭 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子炉圧力容器を内包する原子炉格納容器
   内の原子炉圧力容器側の壁に近接して触媒式水素除去装
   置を設けた原子力プラントであって、 前記触媒式水素除去装置を前記側壁の水平方向及び周方
   向にほぼ均等に複数個配置したことを特徴とする原子力
   プラント。
2. 【請求項２】請求項１に記載の触媒式水素除去装置は、
   格納容器内空間部の中央高さ近傍に設置することを特徴
   とする原子力プラント。
3. 【請求項３】原子炉圧力容器及び格納容器スプレイヘッ
   ダを内包する原子炉格納容器を備えた原子力プラントに
   おいて、 前記原子炉格納容器内の原子炉圧力容器側の壁と原子炉
   格納容器外壁側の壁に近接して触媒式水素除去装置を複
   数個設置し、前記複数個の触媒式水素除去装置は前記側
   壁の水平方向及び周方向にほぼ均等に配置したことを特
   徴とする原子力プラント。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の触媒式水
   素除去装置の上部垂直ダクトの上方が曲線的に、また
   は、多段的に横方向に曲がって開放した構造であること
   を特徴とする原子力プラント。
5. 【請求項５】原子炉圧力容器を内包するドライウェル
   と、圧力抑制プールを内包する圧力抑制室と、ドライウ
   ェルと圧力抑制プールを連結するベント管と、該原子炉
   圧力容器を保持するペデスタルを内包する原子炉格納容
   器を備えた原子力プラントにおいて、 前記ドライウェル内に触媒式水素除去装置を有し、かつ
   前記圧力抑制室の空間部内に触媒式水素除去装置をペデ
   スタル側の壁、あるいは原子炉格納容器外壁側の壁に近
   接して複数個分割配置するとともに、前記複数個の触媒
   式水素除去装置は前記側壁の水平方向及び周方向にほぼ
   均等に配置し、前記触媒式水素除去装置自体あるいはそ
   の下方に、水切り板を設置したことを特徴とする原子力
   プラント。