浜岡原子力発電所における火災防護対策への取り組み
公開日:
カテゴリ: 解説記事
1. はじめに 新規制基準として原子力発電所の火災防護 (内部火災) 審査基準が、 一昨年 6 月に原子力規制委員会のもとに制定 された。 原子炉施設は、 火災によりその安全性が脅かされる ことがないように、 適切な火災防護対策を施しておく必要が ある。 新基準では、 火災の発生防止を示すとともに、 火災 の感知及び消火、 並びに火災の影響軽減を取り入れている。 ここでは、 新規制基準を踏まえ、 浜岡原子力発電所にお いて取り組んでいる火災防護対策の特徴について紹介する。 審査基準の基本事項と 3 方策の概要を、 図 1 に示す。 3 方策の意図しているところは ・ ・ ・ 新基準での 3 方策は、 火災の発生防止、 火災の感知及 び消火、 火災の影響軽減である。 これら 3 方策は、 それぞ れ独立に対策を実施するものであり、 例えば、 火災の影響 軽減の系統分離対策により、 単一火災を想定しても異なる 区分の火災防護対象機器に影響を与えない場合であって も、 他の 「火災の発生防止」、 「火災の感知及び消火」 の 対策を実施しなくても良いことにはならない。 まずは、 実用上可能な限り不燃、 難燃性材料を使用する などの 「火災の発生防止」 対策により、 火災の発生をできる 限り低減し、 それでも火災が発生することを想定して、 「火災 の感知及び消火」 対策により、 早期感知 ・ 消火を達成する ことで火災の延焼 ・ 拡大防止を行う。 さらに、 高温停止、 低温停止のための安全上重要な機器 については、 単一火災を想定し、 異なる区分に火災の影響 がないように「系統分離対策」を実施するものである。最後に、 火災影響評価を実施し、 これら 3 方策を施すことによっても、 火災が発生した場合を想定して、 高温停止、 冷温停止が達 成できる設計であることを確認するものであり、 評価によって NG の場合には、 3 方策にフィードバックされる。 2. 新規制基準を踏まえた火災防護対策について 今回の新規制基準は、 従前と大きく変わっている。 細かい ところは沢山あるが、 特に大きく変わった以下の 4 項目の要 求事項について浜岡原子力発電所での対応を紹介する。 (1) 火災を早期に感知できるよう固有の信号を発する異 解説記事「浜岡原子力発電所における火災防護対策への取り組み」 図 1 基本事項と 3 方策の概要 保全学 Vol.14-2 (2015) なる種類の感知器又は同等の機能を有する機器を 組み合わせて設置すること。 (2) 難燃性ケーブルの条件として、 自己消火性の実証 試験である 「UL 垂直燃焼試験」 を実施すること。 (3) 火災時に煙の充満、 放射線の影響等により消火活 動が困難なところには、 自動消火設備又は手動操 作による固定式消火装置を設置すること。 (4) 原子炉施設のいかなる火災に対しても、 原子炉の 高温停止及び冷温停止を達成するための安全機 能を確保するために系統分離を行うこと。 2.1 消防法、 建築基準法と新規制基準との関係 従前の原子力発電所の火災防護は、 感知器や消火設備 の設置については、 消防法に準じて実施し、 耐火壁につい ては、 建築基準法の仕様規定に基づき対応していた。 これ らの適合性は、 消防検査や建築確認申請の中で確認され、 それをもって、 省令 62 号第 4 条の 2 の要求を満足している ものとされていた。 消防法、 建築基準法の目的は、 人命 ・ 財産保護であることは言うまでもない。 一方、 火災防護に関する新規制基準では, 感知器や消 火設備の設置に関する考え方が規定されるなど、 消防法と は異なる要求事項が追加されている。 新規制基準の目的は, 従前と同じ 「原子炉施設のいかなる火災によっても、 安全保 護系及び原子炉停止系の作動が要求される場合には、 火災 による影響を考慮しても、 その多重化された系統が同時に機 能を失うことなく、 原子炉を高温停止及び低温停止できる設 計であること。」 である。 従前においても新規制基準におい ても、 目的は同じであるが、 新規制基準と消防法, 建築基 準法等の他法令は独立して満足する必要がある。 例えば、 消防法との関連で言えば、 新規制基準では、 「火 災を早期に感知できるように固有の信号を発する異なる種類 の感知器又は同等の機能を有する機器を組み合わせて設置 すること」 との要求により、 新たに感知器を追加設置すること になるが、 既設の消防設備に悪影響を与えるものではなく現 行の消防法を満足している。 (浜岡 4 号機の場合は、 消防 法で設置した監視設備とは別に、 独立して新規制基準要求 の感知器 ・ 分散処理盤 ・ 防災複合盤を新たに設置する計 画である。) 建築基準法の関連で言えば、 防火区画の設定が前提で あり、 これに影響を及ぼさないように新規制基準対応を実施 することから現行の建築基準法を満足している。 2.2 新規制基準の要求レベルと浜岡原子力発電所の対策 新規制基準の火災防護の審査基準は、 おおよそ 30 年 前の米国の決定論的火災防護規制 (連邦規制 10CFR Part50.48 Fire protection (a),(b) , 10CFR Part50 Appendix R, Regulatory Guide 1.189 Fire protection for Nuclear Power Plants) のみを取り込む形で策定された。 米国では既に 2004 年にパフォーマンスベース (性能規定) NFPA 805 の 取入れが、 10CFR Part50.48 Fire protection (c) として追加さ れている。 原子力規制委員会の新規制基準に関する検討チームの 会合では、有識者から 「米国の火災防護を参考にしたとして、 どういった考え方でやるのか。単純なものまねではいけない。」 との意見があったが、 結果的にその殆どが取り込まれる形で、 災防護に係る審査基準は制定された。 例えば,系統分離は、a,b,c の 3 つの手段から選択する (3.6 (4) で説明) というのが一つの例であり、 米国の決定論的火 災防護規制と同じである。 また 「火災を早期に感知できるよう固有の信号を発する異 なる種類の感知器又は同等の機能を有する機器を組み合わ せて設置すること。」 とあるが、 どのような火災の場合にどの ような感知器を設置するかの具体的仕様の記載はない。 さら に結果的に、 「火災時に煙の充満、 放射線の影響等により 消火活動が困難なところには、 自動消火設備又は手動操作 による固定式消火装置を設置すること。」 とあるが、 具体的 仕様の記載はない。 結果的に「異なる感知器を設置すること」 に対しては、 事業者が、 火災を想定する可燃物の火災態様 を考慮して 「異なる感知器の設置により早期感知を達成でき ることの妥当性」 を説明することになり、 各事業者によって個 別の対策内容は異なっている。 消火装置の設置要求に対す る、 消火装置も事業者によって個別の対策は異なっている。 3. 浜岡原子力発電所の対策について 火災の感知、 あるいは消火を適切に実施するためには、 原子力発電所内にある可燃物を把握し、可燃物の燃焼態様、 さらには火災態様 (火災の進展過程など) を理解することが 重要である。 3.1 燃焼態様 燃焼は、「拡散火災」、「燻焼」、「自然燃焼」、「予混合火炎」 に分類できるといわれている。 「拡散火災」 は、 建物火災、 森林火災、火のついたマッチであり、「燻焼」 は、燃え始まりか、 拡散火災の終わった後に起こる。 分かりやすいのは、 マッチ を吹き消した後の赤熱部分をイメージすれば分かりやすい。 であり、 可燃性液体が沁みた布や木材チップの山などで生じ ることがある。 「予混合火災」 は、 内燃機関などの制御され 「自然燃焼」 は、 燻焼または火炎に至る化学反応の前段階 た燃焼のことをいうが、 拡散火災の発生前に、 燃料 (固体 及び液体) を着火するときの火炎の始まりでもある。 3.2 火災態様 (火災の進展過程) 原子力発電所内では、 1ケーブル火災 (外的要因 : 炙り 火による火災、 内的要因 : 過電流火災)、 2油 (機械油 : 潤滑油) を内包する機器の火災、 3電気盤の火災を想定し ている。 それぞれ想定される火災について、 どのような燃焼態様、 火災態様であるか、 これを考えてみる。 1ケーブル火災 (外的要因:炙り火による火災、 内的要因: 過電流燃焼火災) ● 外的要因 : 炙り火による火災 ケーブルトレイ近傍にある可燃物が燃焼し火炎がケーブル に到達することなどからケーブルが燃焼することを想定してい る。 火元となる可燃物は、 油を内包する機器であったり、 電 気盤であったりするので、 23で言及する。 ● 内的要因 : 過電流火災 過電流火災は、 ケーブル許容電流よりも大きな電流が流 れ続けることによって発生する。 過電流が大きいと火災の発 生時間までの時間が短くなり、 過電流が小さいと火災発生ま での時間は長くなる。 ケーブルの過電流火災発生のメカニズ ムは、 電力中央研究所 (横須賀地区) における難燃性ケー ブル (高圧、 低圧) の過電流燃焼 ・ 泡消火試験の結果か ら次のように考えられる。 <過電流火災の進展過程> まず、 過電流によりケーブル導体が加熱することで温度が 上昇 ? ケーブル内部の絶縁材などが加熱により熱分解し 可燃性ガスを発生 ? ケーブルの外被 (シース : 難燃性材 料ではあるが) が、 過電流による導体温度上昇 (約 800 度 程度) により、 シース自体が熱により損傷 ? ケーブル内 部に溜まった可燃性ガスが外部に大量に放出 ? ガス濃度 が燃焼下限界に達しているため周りの熱で引火 ? 火炎が 発生 (火炎の高さは可燃性ガスの放出高さに相当) ? 火 災発生後、 電流を遮断するも導体温度が下がらないため可 燃性ガスが継続的に発生し火災が継続 ・ ・ ・ このような進展 過程をたどる。 2油 (機械油 : 潤滑油) を内包する機器の火災 液体燃料は、 口火付近で燃焼限界下限の濃度を形成す るのに十分な速度で蒸発し、 蒸発速度は液体温度に支配さ れ着火する。 表面濃度が燃焼下限界に達していれば、 この 濃度で、 対応する表面温度は引火点と呼ばれ、 口火が液体 表面上の気体中に火災伝播を起こす。 引火点が、 通常の大 気温度 (20°C) よりも低いエタノール、 メタノール、 アセトン、 液体燃料は、 加熱を必要とする。 一方、 機械油である動的機器に内包されている油は潤滑 油であり、 液体燃料と比べて引火点が高いため、 口火 (着 火源) があってもすぐには着火しない。 火皿の燃焼実験で は (火皿の面積の大きさにもよるが)、 潤滑油を 250 度程度 まで加熱し油面に口火を近づけると着火し、 自己燃焼モード で燃焼が継続するが、 これは油全体が 250 度に熱せられて に言えば、 油の温度が高温でない場合は、 口火があっても 中々着火しないし、 自己燃焼モードにはならない。 自己燃 焼モードになるためには、 液体の蒸発が必要であり、 蒸発は 液体温度に支配されることから、 油面付近で着火した場合で あっても油が接触する面の温度差によって、 液体が蒸発する エネルギーが奪われ、 結果的に燃焼が継続しない。 機械油 の場合、 引火点が高いので、 これは顕著である。 したがって、 動的機器に内包される潤滑油 (機械油) の 火災の想定は、 加熱部分 (軸受の過度な摩擦による加熱な どが考えられる) に潤滑油が触れることで、 局所的に油が加 熱され蒸発し火災が発生することが想定される。 潤滑油火災 では、 煙と炎が発生する。 (煙は、 理論燃焼でない限り発生 する。) 3電気盤の火災 電気盤の部品は、 様々である。 ケーブル、 計器、 端子台 などが金属筐体の中に収められている。 また、 電気盤内の 部品は、 発生防止の観点から実用上可能な限り不燃、 難燃 性材料を使用しており、 電気盤を構成する部品は、 一般産 業品と比べると延焼性は低いと言える。 高分子系の材料で作られている計器や端子台などは、 分 解温度に達すると固体が液化し可燃性ガスを放出する。 電 気盤の場合、 盤内で着火すると自由空間に比べ閉鎖的な空 間であるため、電気盤内の温度は上昇する。この温度上昇が、 燃焼物にフィードバックされ、 燃焼継続するために必要なエ ネルギー以上であれば燃焼は継続する。 火災の要因は、 電 気的事故による短絡やトラッキングなどの現象により発生する と考えられる。 なお、 電気盤火災は、 筐体で囲まれているこ とから、 燃焼に対して十分な酸素が供給されないため、 煙が 多く発生する特徴がある。 3.3 (1) 火災を早期に感知できるよう固有の信号を発する異 解説記事「浜岡原子力発電所における火災防護対策への取り組み」 プロパンなどは容易に着火する。 灯油などの引火点の高い いるため蒸発が十分できる状態になっているからである。 逆 が、 これら現象が継続する場合には、 火災は延焼拡大する 保全学 Vol.14-2 (2015) なる種類の感知器又は同等の機能を有する機器を組み合わ せて設置すること。 ● 可燃物であるケーブル、 潤滑油、 電気盤などの火災 態様は、 煙が発生し、 炎が発生する。 一般的に早期 感知の順番は、 煙、 炎、 熱感知器である。 ● 既設では、 消防に準拠し感知器 (主に煙感知器) を 設置している。 既に設置している感知器とは別に、 新 たに、 固有の信号を発する異なる種類の感知器とし て、 煙、 炎、 熱感知器などを 2 種類設置する。 ● 新たに設置する感知器は、 個々の空間環境及び可 燃物の設置状況及び可燃物の燃焼態様を考慮し、 最も適した種類を選択する。 ● また、 これら感知に係る信号は、 新たに中央制御室 に設置する専用の監視盤で受信し表示する。 3.4 (2) 難燃性ケーブルの条件として、 自己消火性の実証 試験である 「UL 垂直燃焼試験」 を実施すること。 ● 新規制基準では、「自己消火性の実証試験である 「UL 垂直燃焼試験」 を実施すること」 が要求されているた め、 当該試験を実施し、 これを確認する。 UL 試験の概要は次のとおり。 図 2 UL 試験の概要 ◆従前の難燃性ケーブルの条件 従前では、 IEEE383(1974 版) の垂直トレイ試験のみを 実施していた。 この試験は、 米国電気学会に より開発された試験方法(IEEE383 STD. 1974-2.5)であり、 最も世界 的に認知された、 ケーブル燃焼 試験である。 日本国内においても JIS C 3521 として規格化されてお いる。試験は、 規定本数のケーブルをはしご状の垂直に設置さ の 1/2 間隔で 150mm 以上となるよう取り付ける) 布設し、 ト レイ下方より規定のガスバーナーにより 20 分間ケーブルを燃 焼させ、 トレイ上方への延焼性を評価する。 ガスバーナー 位置から 180cm 上端まで延焼しないこと。 バーナー出力は 20kW である。 3.5 (3) 火災時に煙の充満、 放射線の影響等により消火活 動が困難なところには、 自動消火設備又は手動操作による 固定式消火装置を設置すること。 ● 確実に消火を行う為には、 可燃物の燃焼態様を把握 し、 それに適した消火剤を選択することが重要となる。 「油を内包する機器」、 2 「ケーブルトレイ (ケーブ ル)」、 3 「電気盤」 であり、 それに対する消火設備 3.5.1 消火設備の考え方と方策 ● 火を消すには、 4 要素のいずれかを取り去れば良い。 ● まず、 燃料となるものが無ければ、 火は消えてしまう。 ン化物等) の負触媒効果によって消火をする方法も ● 但し、 炎との化学反応により有毒ガスが発生すること に留意すべき。 一般に触媒というのは、 存在するだ けで化学反応を促進させる効果があるが、 「負触媒」 という物質は、 その反対で負触媒が反応の場に存在 するだけで、 化学反応 (燃焼現象) の継続を停めて しまう効果を持つ。 このような消火方法が開発された ため、 燃焼の要素に 「継続」 が付加された。 ● 水を消火剤として使用するのは、 水が燃焼に必要な 熱を奪うからである。 水1cc につき 1°C上昇するには1 り通信ケーブル、 耐火 ・ 耐熱電 線等の難燃性評価に用いられて 図 3 IEEE383 の垂直 トレイ試験の概要図 れたトレイに規定の方法で (概ねトレイの中央部に試料外径 cal、蒸発(気化)させるには 539cal の熱が必要である。 cal、蒸発(気化)させるには 539cal の熱が必要である。 ● 消火装置の設置が必要と考えている主要設備は、 1 は以下を計画している。 ● 積極的に火を消すためには、 燃料となるものの供給 を断ち、 又は燃料となるものの除去を行う。 ● 酸素の供給を絶つには、 密閉してその供給を絶つ方 法もあるが、 一般的には困難である。 ● しかし、 完全に密閉しなくても、 空気中の酸素含有量 を 16% 以下に低下させれば、 酸欠空気となって、 燃 焼現象を停めることができる。 そこで、 二酸化炭素の ようなガスを大量に噴射して、 酸欠空気の空間を作り 出して消火する方法もある。 新しい化学物質 (ハロゲ ある。 火を消すには、 水をかけるのが効果的である。 ● 可燃物の状態 (液体燃料火災 : 油火災、 個体燃焼 火災 : ケーブル火災等) による火災態様の違い、 消 火剤による電気設備への悪影響なども考慮し、 効果 的な消火設備を選択する。 図 4 火の燃える要素, 火が消える原理 3.5.2 火災区域、 火災区画に設置する消火設備 浜岡原子力発電所の火災区域、 火災区画に設置を計画し ている消火設備の一覧を下表に示す。 ここでは、A)~E)の消火設備について具体的に紹介する。 なお、 F) は E) と同じ盤内ガス自動消火である。 また、 G) 解説記事「浜岡原子力発電所における火災防護対策への取り組み」 表 1 浜岡原子力発電所における消火設備 (案) ~J) は、 消防法の消火設備である。 A) 補機用泡自動消火設備 「油を内包する機器」 として、 潤滑油を内包する屋内設置 の横型・縦型ポンプモータ、屋外設置の縦型ポンプモータが、 消火の対象である。 屋内の横型ポンプモータ、 比較的小さいポンプモータなど ? 油の漏えい拡大防止対策 (ドレンリム) を実施することに より、 油火災の範囲を限定したうえで、 個別機器毎に、 ノズ ルから対象機器に泡消火剤を放出する。 図 5 補機用泡自動消火設備の概要図 図 6 試験の様子 B) 補機用 IA 自動消火設備 屋内の大型の縦型ポンプモータ、比較的小さいポンプモー タなど ? IA泡自動消火設備 (製品化されている泡自動消 火設備) IA 泡自動消火装置は、 炎感知器 (赤外線、 紫外線) 及 びカメラを内蔵し、 ターゲットに向けて最大 8 m、 約 30 秒、 泡を噴出することができる。 紫外線は広範囲の炎をキャッチ できることから空間の異常を感知し、 その後赤外線により炎 であること、 炎までの距離を特定し、 IAの上部に設置してい る可動式ノズルから泡消火剤を放出する。 図 7 縦型のポンプへの設置 概要図 図 8 横型ポンプへの設置 概要図 図 9 IA 泡自動消火装置の動作の様子 C) 屋外補機用泡放水銃消火設備 屋外設置の大型縦型ポンプモータ ? 放水銃による泡消火 設備 中央制御室からカメラで視認しながら遠隔で消火設備を操作 保全学 Vol.14-2 (2015) 図 10 屋外補機用泡放水銃消火設備の概要図 3 台の消火対象物に対して、 4 方向に放水銃を設置し、 する。 ノズルはスポット放出から拡散放出まで可能となってい る。 1ターゲット捕捉 2泡の放出 3泡放出中 4泡放出後 図 11 放水銃からの放出の様子 D) ケーブルトレイ泡自動消火設備 ● 審査基準以前の火災防護対策においても、 動力ケーブ ルに対しては、 過電流火災と他の火源による火災想定 をしている。 ● ケーブルの過電流火災は、 ケーブル導体が過電流によ り加熱し、 ケーブル内部の絶縁物などが熱分解し、 可 燃性ガスが発生し火災に至る。 ● ケーブルが全長に亘り燃焼する可能性がるため、 ケー ブルトレイ内に泡消火剤を放出し消火する。 ● ここで用いる泡は、 消防法の泡よりも高い濃度の泡を使 用している。 ● 放出ノズルの開発により、 指向性が高く細かな泡を放出 することが可能となり、 ケーブルトレイ内に泡を放出する ことができ、 泡の冷却効果、 窒息効果を高めている。 ● これにより、 ケーブル導体の温度をさげ再着火を防止し、 煙の閉じ込めにも効果がある。 図 12 ケーブルトレイ泡自動消火設備 概要図 ◆系統図を以下に示す。 火災の感知は、 検知線 ( 熱感知 ) と煙感知器により行う。 過電流試験により、 炎が発生する前に検知線が動作すること を実証試験で確認済である。 また、 大量のガス (煙) が発 生するため、 煙感知器によっても確実に感知が可能である。 図 13 ケーブルトレイ用泡自動消火設備の系統図 ◆電力中央研究所 (横須賀地区) における過電流燃焼 ・ 消火試験について これは、 試験装置の写真である。 当社は、 高圧及び低圧 の動力ケーブル (いずれも発電所で使用している難燃性ケー ブル) を用いて、 過電流燃焼試験及び消火試験を実施して いる。過電流火災は、大量の可燃性ガスが発生し、ガスのケー ブル外への放出と加熱源により着火する。 実規模の過電流 火災に対する泡の消火性能を確認している。 絶縁であり電気事故の心配はない。 めるため盤内に放出ノズルを設置し、 盤内にガスを放出 する。 ● 火災の感知は、 盤内に煙感知 (高感度、 低感度) を 設置する。 解説記事「浜岡原子力発電所における火災防護対策への取り組み」 図 14 電中研における試験装置 他 E) 電源盤内 ガス自動消火設備 ● 電気盤 (M/C、 P/C、 C/C) は列盤で設置されている場 合が多いが、 筐体により一つの独立した空間を有して いる (一部制御ケーブルのダクト貫通部や換気口など の開口部はあるが全体的にしめる面積は小さい)。 ● このため、 容積に対して十分なガス量を放出することで、 負触媒効果による消火が可能である。 ガスは電気的に ● なお、 電気盤は密閉構造に近いため、 消火効果を高 図 15 電気盤 ガス自動消火設備 概要図 保全学 Vol.14-2 (2015) 3.6 (4) 原子炉施設のいかなる火災に対しても、 原子炉の高 温停止及び低温停止を達成するための安全機能を確保する ために系統分離を行う。 系統分離の手法として以下の方策 を行うこと。 <新規制基準の内容> まず、 火災区域1を設定し、 次に、 火災区域の中を細分 化する場合は火災区画2を設定する。 ● 1の火災区域は、 3 時間以上の耐火性能を有する耐火 壁で囲って分離 ● 2の火災区画は、 a, b, c (※) の 3 つの方法から 1 つ を選択して分離 ※ : a,b,c のいずれかの手法で系統分離 図 16 火災区域、 火災区画のイメージ (平成 27 年 6 月 5 日) a : 3 時間以上の耐火能力を有する隔壁等で分離 b : 水平距離が 6m 以上で分離+火災感知設備 ・ 自動消火 設備 (6m の間には可燃物が存在しないこと) c : 1 時間以上の耐火能力を有する隔壁等で分離+火災感 知設備 ・ 自動消火設備 当社は、 c の方法を選択している。 著 者 紹 介 著者 : 奈良間 雄 所属 ・ 役職 : 中部電力株式会社 原子力本部 原子 力部 運営G 専門部長 専門分野 : 電気工学、 火災防護 EJAM 学術論文投稿募集 EJAM Academic Articles では随時投稿論文を募集しています。EJAM は、2009 年5 月25 日に創刊された 英文オンラインジャーナルです。 保全科学、保全工学等とくに原子力発電所等大型施設の保全を対象としています。論文の種類は、Regular Paper、Technical Note、Review Paper です。 タイムリーな発行が可能なオンラインジャーナルという特性を生かすため、充実した、そして迅速な査読プ ロセスを心がけています。 『保全学』誌に掲載された和文論文の英文投稿も受け付けておりますので、ぜひご検討ください。 EJAM 論文委員会 委員長 小島 史男 浜岡原子力発電所における火災防護対策への取り組み 奈良間 雄,Takeshi NARAMA 浜岡原子力発電所における火災防護対策への取り組み 奈良間 雄,Takeshi NARAMA