JP2004093142A - 原子力蒸気供給カセット及びそれを用いたパッケージ型原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、電力系統網に繋がらない非ネットワーク電源としての原子力発電プラントに利用できる、原子力蒸気供給カセット及びそれを用いたパッケージ型原子炉を提供することを課題とする。
【解決手段】減速材３０が満たされる減速材タンク３１内には、原子力蒸気供給カセット２１が中心から放射状に複数配置されている。原子力蒸気供給カセット２１は、圧力管２２と、その内壁の中央から上方にかけて円周状に配置された蒸気発生器２３と、蒸気発生器２３の下方に設けられた燃料集合体であるカセット内炉心２４とを備える。圧力管２２は圧力管ライナ２５の外周面に炭素繊維を巻いた強化繊維層２６を備えている。中心にある原子力蒸気供給カセット２１の周囲には制御棒３２が配置され、減速材タンク３１の外側には水遮蔽タンク３５が設けられている。原子力蒸気供給カセット２１には減圧弁４０及び非常用冷却水供給弁３８が接続されている。
【選択図】　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子炉に用いられる原子力蒸気供給カセットに係り、とくに、複数の電力供給源を有するような電力系統網に、繋がらない非ネットワーク電源として利用され、独立した電力を供給するパッケージ型原子炉及びそれに用いられる原子力蒸気供給カセットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
離島や奥地といった地域のように、地理的な事情により、他の電力供給源を有する電力系統網に繋げることができず、独立した電力供給源が必要な地域では、その地域に必要な小規模な電力を、コンパクトな設備で供給する電力供給システムが求められている。
また、従来このような地域では、ディーゼル発電やガスタービン発電などが利用されてきたが、発電に必要な燃料の搬送が容易でコストのかからない核燃料を利用する原子力発電が着目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の原子力発電プラントは、大規模な設備を用いて大出力発電を効率よく行うものが一般的である。例えば従来の原子力発電プラントに用いられる原子炉容器は、直径４ｍ前後におよび、高さも１０ｍを越えるものが一般的である。また、原子力発電の出力も、数十万ｋＷ以上のものが一般的である。
このような大規模な原子力発電プラントに用いられる原子炉としては、様々な型式の構造があり、特開平６−４３２７９号特許公報に記載されているように、炉心や制御棒のほかに蒸気発生器を原子炉容器内に内蔵した一体型原子炉が提案されている。図５は、従来の一体型原子炉の構成の一例を模式的に示した図である。
【０００４】
この図によれば、原子炉容器１内のダウンカマー部２に蒸気発生器３が設けられている。原子炉容器１の上方には炉心４に挿入された制御棒５を駆動する制御棒駆動装置６が配置されている。ダウンカマー部２、炉心４、ライザー７を通って原子炉容器１内を循環する１次冷却材８は、炉心４において核分裂による熱で温められ、蒸気発生器３において図示しない２次冷却材との間で熱交換し冷却される。１次冷却材８から熱を奪い加熱されて蒸気となった２次冷却材は、図示しないタービンに導かれ、タービンによって駆動される発電機により発電される。
ところが、蒸気発生器３を原子炉容器１に内蔵すると、原子炉容器自体がさらに大きくなってしまう。
【０００５】
また、大規模な原子力発電プラントに用いられる別の型式の原子炉の構造として、図６に示されるように、燃料体１３を内蔵した圧力管１４を用いた圧力管型の原子炉が提案されている。これによれば、減速材１１が入った円筒状の減速材タンク１２内に複数の圧力管１４及び制御棒１５が配置されている。制御棒１５は外部にある制御棒駆動装置１６に接続されている。圧力管１４には、主蒸気管１７及び主給水管１８が設けられ、外部にある図示しない蒸気発生器と接続されている。
このように、燃料体１３は圧力管１４に内蔵されているが、蒸気発生器は圧力管１４の外部に設けられている。そのため、圧力管１４と外部の蒸気発生器とを循環する１次冷却材が流れる１次冷却材主蒸気管１７及び１次冷却材主給水管１８の万一の破断に備えた設備が必要になり、原子力発電プラント自体をコンパクトなものにすることはできない。
【０００６】
上述したように、従来の原子力発電プラントの構造では全体設備が大きなものとなり、小規模な電力をコンパクトな設備で発電できるエネルギー供給源として、従来の型式の原子力発電プラントを利用することができないという問題点がある。
【０００７】
この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、電力系統網に繋がらない非ネットワーク電源としての原子力発電プラントに利用できる、原子力蒸気供給カセット及びそれを用いたパッケージ型原子炉を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る原子力蒸気供給カセットは、圧力管と、この圧力管の内部に、燃料体からなるカセット内炉心及び蒸気発生器とを備え、圧力管の外部に制御棒を配置しうるものである。
圧力管は、外周に強化繊維層を備えることができる。
原子力蒸気供給カセットは、圧力管の外部に圧力管の内部と連通する減圧弁を備えることもできる。
【０００９】
また、この発明に係るパッケージ型原子炉は、上述した原子力蒸気供給カセットを間隔をおいて複数配置して構成するものである。
パッケージ型原子炉は、これらの複数の原子力蒸気供給カセット間に減速材及び制御棒を設けることができる。
パッケージ型原子炉は、原子力蒸気供給カセット内に供給される遮蔽水を貯留する水遮蔽タンクを備えることができる。
パッケージ型原子炉は、圧力管の外部に、圧力管の内部及び水遮蔽タンクの内部に連通する非常用冷却水供給弁を備えることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
この発明の実施の形態に係る原子力蒸気供給カセットの断面図を図１に示す。また、この原子力蒸気供給カセットを用いた原子炉の平面図を図２に、縦断面図を図３に示す。
原子力蒸気供給カセット２１は、圧力管２２と、その内壁の中央から上方にかけて配置された蒸気発生器２３と、蒸気発生器２３の下方に設けられた燃料体であるカセット内炉心２４とを備えている。
【００１１】
圧力管２２は、上下端を閉じた、例えば直径約５０ｃｍ程度、長さ数メートルの細長円筒管であって、ステンレス鋼等の金属材料からなる圧力管ライナ２５と、その外周面に炭素繊維を巻いて強度を補強した強化繊維層２６とを備えている。圧力管２２とカセット内炉心２４との間には、圧力管２２内部に封入された１次冷却材２８が下方に向かって流れるダウンカマー部２７が形成されている。また、カセット内炉心２４の上方には、カセット内炉心２４によって加熱された１次冷却材２８が上昇するライザー２９が形成され、１次冷却材２８が圧力管２２内を矢印に示されるように循環するように構成されている。
【００１２】
次に、このように構成された原子力蒸気供給カセット２１を複数組み合わせて構成されるパッケージ型原子炉２０の構造を、図２及び３に示す。
図３に端的に示されるように、軽水、重水またはグラファイト等の減速材３０が満たされる減速材タンク３１内には、原子力蒸気供給カセット２１が中心から放射状に７つ配置されている。
中心にある原子力蒸気供給カセット２１の周囲には、カセット内炉心２４内で生成される中性子を調整し原子炉の出力を制御する制御棒３２が円周上６つ配置されている。制御棒３２は、隣接する原子力蒸気供給カセット２１間に延びる３つの板状部材からなり、図２に示されるように、カセット内炉心２４に沿って上下方向に延びて、減速材タンク３１の上方にある制御棒駆動装置３３に接続されている。
制御棒駆動装置３３は、原子力蒸気供給カセット２１のカセット内炉心２４に沿って、制御棒３２を上下に進退させることにより原子炉の出力を制御する。減速材タンク３１の外周面には断熱材３４が巻かれ、その断熱材３４の外側には、水遮蔽タンク３５が設けられている。水遮蔽タンク３５内には遮蔽水３６が満たされ、この遮蔽水３６は原子炉２０の通常運転時に各カセット内炉心２４から放射される中性子及びガンマ線を外部に対して遮蔽する。
【００１３】
図２に示されるように、この原子炉２０の起動前において、圧力管２２内の貯留される１次冷却材２８の液面はＨ１の位置なり、蒸気発生器２３は水没した状態にあって圧力管２２の上部には気相部２８ａが形成されている。
また、原子力蒸気供給カセット２１の上部２１ｂには、蒸気発生器２３の２次冷却材４３の供給排出経路として、途中に開閉弁４１を備えた２次冷却材管４４が配置され、図示しないタービン及びポンプに接続されている。
さらに、原子力蒸気供給カセット２１の上部２１ｂには、配管３９が貫通して配置され、格納容器４２内の減圧弁４０に接続されている。
【００１４】
一方、原子力蒸気供給カセット２１の底部２１ａには、配管３７が貫通して配置され、減速材タンク３１の底面をさらに貫通して水遮蔽タンク３５内に設けられた非常用冷却水供給弁３８に接続されている。
蒸気発生器２３での熱交換を行うことができない場合等原子力蒸気供給カセット２１の徐熱機能喪失時には、水遮蔽タンク３５内の遮蔽水３６を非常用冷却水供給弁３８から原子力蒸気供給カセット２１内に導入して、カセット内炉心２４を冷却し、原子力蒸気供給カセット２１内に発生した蒸気を減圧弁４０により減圧して原子力蒸気供給カセット２１の外部に放出するように構成されている。
また、格納容器４２の外周には、格納容器４２を空気冷却する空気流路４５が形成されている。
【００１５】
次に、この発明の実施の形態に係る原子力蒸気供給カセットを用いたパッケージ型原子炉の動作を説明する。
パッケージ型原子炉２０の通常運転時において、原子力蒸気供給カセット２１内の１次冷却材２８は単相自然循環し、カセット内炉心２４の反応熱により温められ、ライザー２９を上昇して、蒸気発生器２３において２次冷却材との間で熱交換が行われる。冷却された１次冷却材２８はダウンカマー部２７を下降し、再びカセット内炉心２４において加熱される。
蒸気発生器２３において、１次冷却材２８から熱を奪い加熱されて蒸気となった２次冷却材４３は、２次冷却材管４４を介してタービンに導かれ、タービンによって駆動される発電機により発電される。
【００１６】
このように、それぞれの原子力蒸気供給カセット２１から、２次冷却材４４が蒸気となってタービンに供給され発電に供され、原子力蒸気供給カセット２１の数に応じて所望の発電量を得ることができる。
ここで、原子力蒸気供給カセット２１が配置される数は、原子炉での必要な出力に応じて適宜選択することができる。したがって、原子炉内に収容される原子力蒸気供給カセット２１の数に応じて所望の出力を有するパッケージ型原子炉を構成することができる。
また、圧力管２２は、金属材料からなる圧力管ライナ２５の周囲に炭素繊維による強化繊維層２６を形成したので、十分な構造強度を確保すると共に、コンパクトな構造をもった原子力蒸気供給カセット２１をさらに軽量化することができる。そのため、パッケージ型原子炉２０の設置場所まで、燃料の入った原子力蒸気供給カセット２１の搬送がさらに容易になる。
さらに、原子力蒸気供給カセット２１内に蒸気発生器２３を内蔵しているため、１次冷却材搬送用の配管が不要なため、１次冷却材主蒸気管及び１次冷却材主給水管といった搬送用配管の万一の破断に備えた設備が不要である。
また、カセット内炉心２４から放射される中性子及びガンマ線を遮蔽するための遮蔽材として、コンクリート材料等を使用せず遮蔽水３６を用いたので、放射能化された遮蔽材に対する、放射能除去処理のための後処理が容易である。
【００１７】
一方、蒸気発生器２３が徐熱機能を喪失した場合、非常用冷却水供給弁３８及び減圧弁４０が自動開放し、水遮蔽タンク３５から原子力蒸気供給カセット２１内に遮蔽水３６を注水してカセット内炉心２４を徐熱する。
したがって、１次冷却系に支障が生じても、簡易な設備で、原子力蒸気供給カセット２１の非常用の冷却を行うことができる。
また、原子炉２０の通常運転時に、各カセット内炉心２４から放射される中性子及びガンマ線を遮蔽する遮蔽水３６を、カセット内炉心２４の非常用冷却としても利用できるようにしたので、設備の簡略化をさらに図ることができる。
【００１８】
以上に説明してきた本発明は、上記に限定されるものではなく、適宜改変して実施することができる。
図２に示されるように、実施の形態に係る原子力蒸気供給カセット２１に満たされる１次冷却材２８の液面の高さはＨ１の位置であったが、１次冷却材２８の液面の高さをＨ２の位置にし、蒸気発生器２３の上部が露出するようにしてもよい。この場合、１次冷却材は、液体自然対流と沸騰蒸気とにより２次冷却材との間で熱交換が行なわれる。
また、１次冷却材２８の液面の高さをＨ３の位置にし、蒸気発生器２３がすべて露出するようにしてもよい。この場合、沸騰蒸気となった１次冷却材により２次冷却材との間で熱交換が行なわれる。
圧力管２２の内張りを構成する圧力管ライナ２５は、ステンレス鋼に代えて、ジルカロイを使用してもよい。これにより、圧力管における中性子の吸収がさらに少なくなる。
【００１９】
また、上述した実施の形態に係る原子力蒸気供給カセット２１に代えて、図４に示すような原子力蒸気供給カセット５１を用いることもできる。
原子力蒸気供給カセット５１は、原子力蒸気供給カセット２１に対して、圧力管２２内の底部にポンプ５２を追加して配置したものである。これにより、原子力蒸気供給カセット５１内の１次冷却材２８の循環を効率よく行うことができ、蒸気発生器２３の熱交換効率が向上する。
さらに、上述した実施の形態においては、原子力蒸気供給カセット２１は、減速材タンク３１内に複数配置されていたが、所望の発電量に応じて、減速材タンク３１内にひとつの原子力蒸気供給カセット２１のみを配置してもよい。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、圧力管の内部に、燃料体からなるカセット内炉心及び蒸気発生器とを備え、圧力管の外部に制御棒を配置しうるように構成した原子力蒸気供給カセットにより、電力系統網に繋がらない非ネットワーク電源としての原子力発電プラントに利用できるパッケージ型原子炉を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係る原子力蒸気供給カセットの構造を示す立断面図である。
【図２】実施形態に係る原子力蒸気供給カセットを用いたパッケージ型原子炉の構造を示す立断面図である。
【図３】実施形態に係る原子力蒸気供給カセットを用いたパッケージ型原子炉の構造を示す平面断面図である。
【図４】この発明の別の実施形態に係る原子力蒸気供給カセットの構造を示す立断面図である。
【図５】従来の一体型原子炉の構成を示す図である。
【図６】従来の圧力管型原子炉の構成を示す図である。
【符号の説明】
２０…パッケージ型原子炉、２１，５１…原子力蒸気供給カセット、２２…圧力管、２３…蒸気発生器、２４…カセット内炉心、２６…強化繊維層、３０…減速材、３２…制御棒、３５…遮蔽水、３６…水遮蔽タンク、３８…非常用冷却水供給弁、４０…減圧弁。

Claims (7)

1. 圧力管と、
   この圧力管の内部に、燃料体からなるカセット内炉心及び蒸気発生器とを備え、
   前記圧力管の外部に制御棒を配置しうる原子力蒸気供給カセット。
2. 前記圧力管は、外周に強化繊維層を備えた請求項１に記載の原子力蒸気供給カセット。
3. 前記圧力管の外部に、前記圧力管の内部と連通する減圧弁を備えた請求項１または２に記載の原子力蒸気供給カセット。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子力蒸気供給カセットが、間隔をおいて複数配置されたパッケージ型原子炉。
5. 前記複数の原子力蒸気供給カセット間には、減速材及び制御棒が設けられた請求項４に記載のパッケージ型原子炉。
6. 前記原子力蒸気供給カセット内に供給される遮蔽水を貯留する水遮蔽タンクを備えた請求項４または５に記載のパッケージ型原子炉。
7. 前記圧力管の外部に、前記圧力管の内部及び前記水遮蔽タンクの内部に連通する非常用冷却水供給弁を備えた請求項６に記載のパッケージ型原子炉。

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