封じ込め棟

格納容器は、原子炉を囲む鉄筋、コンクリート、鉛製の構造物です。いかなる緊急時にも、放射性蒸気またはガスの漏れを最大圧力 275～550 kPa (40～80 psi) の範囲に抑えるよう設計されています。^[要出典]格納容器は、放射性物質の放出に対する 4 番目で最後の障壁です(原子炉の多重防御戦略の一部)。1 番目は燃料セラミック自体、2 番目は金属燃料被覆管、3 番目は原子炉容器と冷却システムです。^[2]

米国の各原子力発電所は、最終安全分析報告書 (FSAR) に「設計基準事故」として明記されている特定の条件に耐えられるように設計されています。FSAR は一般に公開されており、通常は原子力発電所近くの公立図書館で閲覧できます。

格納容器自体は、通常、原子炉を囲む気密鋼構造で、外気から遮断されている。鋼鉄は独立しているか、コンクリートのミサイルシールドに取り付けられている。米国では、格納容器とミサイルシールドの設計と厚さは連邦規則（10 CFR 50.55a）によって規制されており、満載の旅客機の衝撃にも破裂することなく耐えられる強度でなければならない。^[3]

原子炉格納容器は最も深刻な原子炉事故において重要な役割を果たしますが、短期的に蒸気を閉じ込めたり凝縮したりすることを目的として設計されているだけであり（大規模破損事故の場合）、長期的な熱除去は他のシステムによって提供される必要があります。スリーマイル島事故では、格納容器の圧力境界は維持されましたが、冷却が不十分だったため、事故後しばらくして、過圧を防ぐためにオペレーターが格納容器から放射性ガスを意図的に放出しました。^[4]これとさらなる故障が相まって、事故中に最大1300万キュリーの放射性ガスが大気中に放出されました。 ^[5]

福島第一原子力発電所は1971年以来安全に稼働していたが、設計基準をはるかに超える地震と津波により交流電源、予備発電機、バッテリーが故障し、すべての安全システムが機能しなくなった。これらのシステムは原子炉停止後も燃料を冷却するために必要だった。この結果、燃料棒が部分的または完全に溶融し、燃料貯蔵プールと建屋が損傷し、放射性瓦礫が周辺地域、空中、海に放出され、使用済み燃料プールと格納容器に冷却水を送るために消防車とコンクリートポンプが緊急的に使用されることとなった。事故中、原子炉1～3号機の格納容器内の圧力が設計限度を超えて上昇し、放射性ガスを放出して圧力を下げる試みにもかかわらず、格納容器が破損した。格納容器から漏れた水素が空気と混ざり、1、3、4号機で爆発を引き起こし、原子炉を安定させる試みを困難にした。

原子力発電所の格納容器システムは、サイズ、形状、使用材料、および抑制システムによって区別されます。使用される格納容器の種類は、原子炉の種類、原子炉の世代、および特定のプラントのニーズによって決まります。

抑制システムは安全分析に不可欠であり、格納容器のサイズに大きく影響します。抑制とは、大きな破損により冷却システムから蒸気が放出された後に、蒸気を凝縮することです。崩壊熱はすぐには消えないため、何らかの長期的な抑制方法が必要ですが、これは単に格納容器の表面で周囲の空気と熱交換するだけかもしれません。一般的な設計はいくつかありますが、安全分析の目的では、格納容器は「大型ドライ」、「大気圧下」、「氷凝縮器」のいずれかに分類されます。

加圧水型原子炉の場合、格納容器は蒸気発生器と加圧器も囲み、原子炉建屋全体となります。その周囲のミサイルシールドは、通常、背の高い円筒形またはドーム型の建物です。PWR の格納容器は通常大きく (BWR の最大 7 倍)、これは、漏洩設計基準事故時の格納容器戦略として、冷却材喪失事故によって生じる蒸気/空気の混合物が膨張するのに十分な容積を確保し、格納容器建屋内で到達する極限圧力 (漏洩の駆動力) を制限することが必要であるためです。

シーメンス、ウェスティングハウス、コンバスション エンジニアリングなどの初期の設計では、鉄筋コンクリートで作られた缶のような形状がほとんどでした。コンクリートは引張強度に比べて圧縮強度が非常に優れているため、これは建築材料として論理的な設計です。なぜなら、格納容器の非常に重い上部が大きな下向きの力を発揮し、格納容器の圧力が突然上昇しても引張応力をある程度防ぐからです。原子炉の設計が進化するにつれて、PWR 用のほぼ球形の格納容器設計も数多く構築されました。使用する材料にもよりますが、球形は単純に大きな圧力を封じ込めるのに最適な構造であるため、これが最も論理的な設計であると思われます。現在の PWR 設計のほとんどは、下部が円筒形で上部が半球形という 2 つの組み合わせになっています。

現代の設計では、鋼鉄製の格納容器構造を使用する方向にもシフトしています。場合によっては、コンクリートの内側を鋼鉄で覆うことで、格納容器が高圧になった場合に両方の材料で強度を確保します。しかし、他の新しい設計では、鋼鉄とコンクリートの両方の格納容器が必要で、これは現在のドイツのPWR設計で何十年も使用されており、特にAP1000と欧州加圧水型原子炉では両方を使用する計画で、外側のコンクリートでミサイルを防御し、内側の鋼鉄構造で加圧能力を実現します。AP1000 では、鋼鉄構造物を囲むコンクリート構造物の底部に通気口を設ける予定です。これは、大事故の際に鋼鉄構造物の上に空気を移動させて格納容器を冷却するのに役立つという論理に基づいています (冷却塔の仕組みと同様)。

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  スリーマイル島はバブコック・アンド・ウィルコックス社による初期のPWR設計であり、そのすべての世代に共通する「缶」型の格納容器設計を示している。
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  フランスのブレニリス原子力発電所の「缶」型格納容器のより詳細な画像
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  ミシガン州クック原子力発電所のツインPWR原子炉格納容器
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  ドイツのグラーフェンラインフェルト原子力発電所は、ドイツのPWRでは非常に一般的な、ほぼ完全に球形の格納容器設計を採用しており、内側に鋼鉄製のシェルを備えた二重格納容器である。

ロシアのVVER -1000 型原子炉は PWR であるため、格納容器に関しては他の最新の PWR とほとんど同じ設計になっています。ただし、VVER-440 型原子炉は、設計圧力が比較的低いいわゆるバブル コンデンサーの形で、はるかに脆弱な格納容器を備えています。

軽水黒鉛炉はソ連でのみ建設された。RBMK設計では二次格納容器のような構造が採用されていたが、原子炉の上部プレートは保護構造の一部であった。1986 年のチェルノブイリ事故の際、プレートは予測限界を超える圧力を受け、持ち上がった。

BWRでは、格納容器戦略が異なります。BWR の格納容器は、原子炉と関連冷却装置が配置されているドライウェルとウェットウェルで構成されます。ドライウェルは PWR の格納容器よりはるかに小さく、より大きな役割を果たします。理論的な漏洩設計基準事故の間、原子炉冷却材はドライウェルで蒸気に変わり、急速に加圧されます。ドライウェルからのベントパイプまたはチューブは、ウェットウェル (トーラスまたはサプレッションプールとも呼ばれる) で維持されている水位より下に蒸気を導き、蒸気を凝縮して、最終的な到達圧力を制限します。ドライウェルとウェットウェルは両方とも二次格納容器建屋に囲まれており、通常運転中および燃料交換作業中はわずかに大気圧より低い圧力または負圧に維持されます。

一般的な格納容器の設計は、マーク I、マーク II、マーク III という名前で呼ばれています。マーク I は最も古く、水が入った鋼鉄製のトーラスであるウェットウェルの上にある逆さまの電球に似たドライウェルが特徴です。マーク II は、後期の BWR-4 および BWR-5 原子炉で使用されました。これは「オーバーアンダー」構成と呼ばれ、ドライウェルはコンクリート スラブ上に円錐台を形成します。下には、単なる金属板ではなくコンクリートで作られた円筒形の抑制室があります。どちらも、最上階の上に軽量の鋼鉄またはコンクリートの「二次格納容器」を使用しており、空気を濾過できるようにわずかに負圧に保たれています。最上階は大きなオープン スペースで、2 つの長い壁の間には天井クレーンが吊り下げられており、1 階から重い燃料カセットを移動したり、原子炉と原子炉ウェルからハードウェアを取り外したり交換したりします。原子炉ウェルは水没可能で、両側にゲートで区切られたプールがまたがっています。プールは、通常は燃料棒の上に配置される原子炉ハードウェアを保管したり、燃料を保管したりするために使用されています。燃料交換プラットフォームには、燃料棒アセンブリを「キャトルシュート」を通じて原子炉コア領域まで正確に上げ下げするための特殊な伸縮マストがあります。^{[6] Mark III は、PWR のようにコンクリートドームを使用しており、使用済み燃料棒を別の階に保管するための別の建物があります。3 つのタイプはすべて、過渡時に原子炉システムから放出される}蒸気を消火するために、サプレッションプールの大きな水を使用します。

マークI格納容器は、福島第一原子力発電所の事故に関係した原子炉で使用されていました。このサイトは、設計基準を超える2つの事象の組み合わせに見舞われました。1つは、原子炉の配管と構造物を損傷した可能性のある強力な地震、もう1つは、燃料タンク、発電機、配線を破壊し、バックアップ発電機が故障し、バッテリー駆動のポンプも最終的に故障した15メートルの津波です。沸騰により失われた水を補給するために必要な冷却が不十分でポンプが故障したため、水で完全に覆われていなかった燃料棒が部分的または完全にメルトダウンしました。これにより、大量の放射性物質が空気と海に放出され、水素爆発が発生しました。薄い二次格納容器は水素爆発に耐えられるように設計されておらず、屋根と壁が吹き飛ばされたり破壊されたりし、クレーンや燃料交換プラットフォームを含む燃料交換フロアのすべての機器が破壊されました。 3号機は特に爆発が激しく、高さ300メートルを超える瓦礫の煙が発生し、最上階の北端が崩壊し、航空写真でわかるように西側のコンクリート柱が曲がった。排気筒に水素を排出するために改良された強化排気システムが取り付けられていたが、電力がなければ効果を発揮しなかった可能性がある。福島事故以前から、マークI格納容器は停電時に故障する可能性が高いと批判されていた。^{[7] [8]}

遠くから見ると、BWR の設計は PWR の設計とは非常に異なって見えます。これは、通常、二次格納容器として四角い建物が使用されるためです。また、タービンと原子炉を通るループは 1 つしかなく、タービンを通過する蒸気も放射性であるため、タービンの建物も相当に遮蔽する必要があります。このため、似たような構造の建物が 2 つあり、高い方の建物に原子炉が、長い方の建物にタービン ホールと支持構造が収容されています。

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  旧ドイツのBWRユニット、クルメル。鋼鉄製の格納容器は右側の原子炉建屋内にある。
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  ブランズウィック原子力発電所の典型的な2ユニットUS-BWR 。格納容器（マークI）も立方体のシールド建屋内にある。
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  現代の原子力発電所は、クリントン原子力発電所の青い塗装の原子炉建屋内にあるこの格納容器のように、完全に円筒形や球形ではない設計になる傾向がある。

カナダで発明された重水素ウラン設計にちなんで名付けられたCANDU発電所は、他の発電所設計よりも多様な格納容器設計と抑制システムを活用しています。炉心設計の性質上、同じ出力定格の格納容器のサイズは、一般的な PWR よりも大きくなることがよくありますが、多くの革新により、この要件は軽減されています。

多くのマルチユニットCANDU発電所では、水噴霧装置を備えた真空建屋を利用しています。敷地内のすべての個々のCANDUユニットは、格納容器の一部でもある大きな圧力逃がしダクトによってこの真空建屋に接続されています。真空建屋は、想定される破損から蒸気を急速に引き込み、凝縮し、原子炉建屋の圧力を大気圧以下の状態に戻します。これにより、核分裂生成物が環境に放出される可能性を最小限に抑えます。^[9]

さらに、2 つのユニットの格納容器を接続して、大きな事故が発生した場合により大きな格納容積を確保する、二重格納容器を使用する類似の設計もあります。これは、二重ユニットとサプレッション プールを実装した インドのHWR 設計によって先駆的に導入されました。

しかし、最新のCANDU設計では、ユニットごとに従来の乾式格納容器を1つ必要としています。^[10]

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  ブルースB発電所。4つの独立したユニットに電力を供給する大きな真空建屋（左）が示されており、ユニットの周囲にはBWRのようなシールド建屋がそれぞれ設置されている。
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  秦山フェーズIIIは2つのCANDUユニットで構成され、各ユニットの封じ込めシステムは独立しています。
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  ピカリング原子力発電所のユニット 1 つ。典型的な PWR 格納容器とは若干異なる形状をしていますが、これは主に CANDU 設計で必要な設置面積が大きいためです。右側に真空建屋が部分的に隠れて見えます。

米国では、連邦規則集第 10 編、第 50 部、付録 A、一般設計基準 (GDC 54-57) またはその他の設計基準が、格納容器の壁を貫通する配管の遮断に関する基本的な設計基準を定めている。蒸気配管など格納容器を貫通する各大径配管には、付録 A で許可されている構成の遮断弁が設けられており、通常は 2 個である。 ^[11]小径配管の場合は、内側に 1 個、外側に 1 個。大径で高圧の配管の場合、安全弁用のスペースと保守上の考慮から、設計者は配管が格納容器から出る場所の近くに遮断弁を設置する。原子炉冷却材を運ぶ高圧配管で漏れが発生した場合、これらの弁はすぐに閉じて、放射能が格納容器から漏れるのを防ぐ。格納容器を貫通するスタンバイ システムの配管の弁は通常閉じている。格納容器隔離弁は、高エネルギーライン（主蒸気ラインや給水ラインなど）の破損時に発生する格納容器の高圧など、さまざまな他の信号によっても閉じる場合があります。格納容器は蒸気やその結果生じる圧力を封じ込める役割を果たしますが、加圧水型原子炉でこのような破損が発生しても、通常は放射線の影響はありません。

通常運転中、格納容器は気密になっており、アクセスは船舶用エアロックからのみ可能です。高温の空気と炉心からの放射線により、発電所がフルパワーで稼働している間、格納容器内で過ごすことができる時間は分単位で制限されます。最悪の緊急事態、NRC 規制で「設計基準事故」と呼ばれる事態が発生した場合、格納容器はメルトダウンを封じ込めるように設計されています。メルトダウンを防ぐために冗長システムが設置されていますが、方針上、メルトダウンが発生すると想定されており、格納容器の建屋が必要です。設計上、原子炉容器の配管が破損し、「LOCA (冷却材喪失事故)」が発生すると想定されています。この場合、原子炉容器内の水が格納容器内の大気中に放出され、蒸気になります。その結果、圧力に耐えるように設計された格納容器内の圧力が上昇し、格納容器スプレー (「散水スプレー」) が作動して蒸気を凝縮し、圧力を下げます。破断発生後、すぐにスクラム（「ニュートロニックトリップ」）が開始されます。安全システムは、遮断弁を閉じて、気密格納容器への不要なラインを閉じます。緊急炉心冷却システムがすぐに起動し、燃料を冷却して溶融を防ぎます。正確な一連の出来事は原子炉の設計によって異なります。[ 12 ^{] [13]}

米国の格納容器建屋は、10 CFR Part 50、付録 J に基づく格納容器および格納容器隔離規定の強制試験の対象となっている。格納容器統合漏洩率試験 (タイプ "A" 試験または CILRT) は 15 年ごとに実施される。局所漏洩率試験 (タイプ B またはタイプ C 試験、または LLRT) は、事故時の漏洩の可能性を特定し、漏洩経路を特定して修復するために、はるかに頻繁に実施される^{[引用が必要]}。LLRT は、格納容器隔離弁、ハッチ、および格納容器を貫通するその他の付属物に対して実施される。原子力発電所は、運転免許により、各停止後に原子炉を再起動する前に格納容器の完全性を証明することが義務付けられている。この要件は、満足のいく局所試験または統合試験結果 (または ILRT を実施する場合は両方の組み合わせ) で満たされる。^[14]

1988年、サンディア国立研究所は、ジェット戦闘機を時速775キロ（482マイル）で大型コンクリートブロックに衝突させるテストを実施した。 ^{[15] [16]}飛行機がコンクリートに残した傷は、深さ64ミリメートル（2.5インチ）のみであった。ブロックは格納容器のミサイルシールドのようには作られておらず、実験は原子力発電所の格納容器構造の強度を実証するように設計されていなかったが、結果は参考になると考えられた。その後の電力研究所（EPRI）による研究では、民間航空機は危険をもたらさないという結論が出された。^[17]

ターキーポイント原子力発電所は1992年にハリケーン・アンドリューの直撃を受けた。ターキーポイントには化石燃料ユニット2基と原子力ユニット2基がある。9000万ドル以上の損害が発生し、主に水タンクと敷地内の化石燃料ユニットの煙突に被害があったが、格納容器の建物は無傷だった。^{[18] [19]}

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• サスケハナ原子力エネルギーガイド沸騰水型原子炉については、22ページを参照
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