JP2005049135A

JP2005049135A - 液体金属冷却型原子力プラント

Info

Publication number: JP2005049135A
Application number: JP2003203957A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ishitori; 隆司石鳥; Seiichi Yokobori; 誠一横堀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】液体金属冷却原子力プラントの冷却材として、融点がより低く、水などと急激に反応しないものを用い、信頼性を高める。
【解決手段】炉心２および１次冷却材３を収容する原子炉容器１と、１次冷却材の熱を２次冷却材６に伝える１次熱交換器５と、２次冷却材の熱を３次冷却材９に伝える２次熱交換器８と、１次冷却材を循環させる１次冷却材ポンプ４と、２次冷却材を循環させる２次冷却材ポンプ７と、を有する液体金属冷却型原子力プランであって、１次冷却材および２次冷却材は液体金属であって、少なくとも２次冷却材はガリウムを主成分とする液体金属である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属冷却型原子力プラント（液体金属冷却型原子炉）に関し、特に、冷却材の液体金属の漏洩時に火災などの危険が小さい液体金属冷却型原子力プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の典型的な液体金属冷却型原子力プラントでは、炉心を冷却する１次冷却材である液体金属としてナトリウムが主に使われている。１次冷却材のナトリウムにより加熱される２次冷却材である液体金属も主にナトリウムが使われ、２次冷却材のナトリウムは原子炉容器の外部に設けた冷却器を介して３次冷却材によって冷却される構成となっている。３次冷却材としては通常、水が使用される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ナトリウムは熱伝導率が高く、熱輸送の点で優れている。しかし、ナトリウムは漏洩時の火災発生と水との急激な反応の可能性があるので、その影響を緩和するために、漏洩時の検知装置、火災防止装置などの安全対策設備が必要である。また、融点が９８℃で、純度管理を考慮して１５０℃以上に予熱して温度で使われる。系統の配管、弁、機器などナトリウムが流れる部分には予熱昇温するヒータ、温度制御器、保温設備が必要とされ、これらの設備が膨大である。このためこれらの設備を簡素化し、建設コストを削減するとともに信頼性を確保することが課題とされている。
【０００４】
本発明は上記課題を解消するためになされたもので、冷却材として融点がより低く、水などと急激に反応しない液体金属を用い、信頼性が高い液体金属冷却原子力プラントを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、炉心および１次冷却材を収容する原子炉容器と、前記１次冷却材の熱を２次冷却材に伝える１次熱交換器と、前記２次冷却材の熱を３次冷却材に伝える２次熱交換器と、前記１次冷却材を循環させる１次冷却材ポンプと、前記２次冷却材を循環させる２次冷却材ポンプと、を有する液体金属冷却型原子力プラントにおいて、前記１次冷却材および２次冷却材は液体金属であって、少なくとも２次冷却材はガリウムを主成分とする液体金属であること、を特徴とする。
【０００６】
また、請求項１０に記載の発明は、炉心および１次冷却材を収容する原子炉容器と、前記液体金属の熱を水に伝えて水の蒸気を発生させる１次熱交換器と、前記１次冷却材を循環させる１次冷却材ポンプと、前記蒸気で駆動されるタービンと、このタービンによって駆動される発電機と、を有する液体金属冷却型原子力プラントにおいて、前記１次冷却材はガリウムを主成分とする液体金属であること、を特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、以下に図面を参照して説明する。ここで、互いに共通または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【０００８】
［第１の実施の形態］
図１は本発明に係る液体金属冷却原子力プラントの第１の実施の形態の概略構成図である。本実施の形態の液体金属冷却原子力プラントでは、原子炉容器１内の炉心２で発生した熱を輸送するめに１次冷却材３を１次冷却材ポンプ４で強制的に循環させている。原子炉容器１を出た１次冷却材は１次熱交換器５に送り込まれ、２次冷却材６と熱交換して、原子炉容器１下部から炉心２へ流入する。炉心で１次冷却材３は加熱され、再び１次熱交換器５に送り込まれる。
【０００９】
１次熱交換器５で熱交換された熱を輸送するめに、２次冷却材６を２次冷却材ポンプ７で強制的に循環させている。１次熱交換器５を出た２次冷却材６は、２次熱交換器８に送り込まれ、３次冷却材９と熱交換して、１次熱交換器５へ戻される。１次熱交換器５で２次冷却材６は加熱され、再び２次熱交換器８に送り込まれる。
【００１０】
２次熱交換器８で熱交換された熱を輸送するめに３次冷却材９を３次冷却材ポンプ１０で強制的に循環させている。２次熱交換器８を出た３次冷却材９は熱源として利用され、２次熱交換器８へ戻る。２次熱交換器８で３次冷却材９は再び加熱される。３次冷却材９は、例えば水などの液体や、空気などの気体である。
【００１１】
１次冷却材３および２次冷却材６としては、融点が例えば１５℃〜２５℃にあるガリウムを主成分とする合金である。融点が１５℃〜２５℃にあるガリウムを主成分と合金は水と急激な発熱反応を発生しない。また、空気中に漏洩しても火災を発生しないので好ましい。
【００１２】
特に、２次冷却材６は、２次熱交換器８で３次冷却材９と接触する可能性が比較的高いので、２次冷却材６だけをガリウムを主成分と合金とし、１次冷却材３としては従来の技術と同様のナトリウムなどを使用しても効果がある。
【００１３】
１次冷却材３や２次冷却材６の他の例として、重量比でスズを１０％から２０％含むガリウムを主成分とする合金を使用してもよい。この場合も、融点を２５℃以下に設定できる。
【００１４】
１次冷却材としてナトリウム、ＮａＫ、リチウム、鉛・ビスマス合金のいずれかを使用し、２次冷却材として、重量比でスズを１０％から２０％含むガリウムを主成分とする合金を使用してもよい。
【００１５】
さらに、１次冷却材として重量比でスズを１０％から２０％含むガリウムを主成分とする合金、ナトリウム、ＮａＫ、リチウム、鉛・ビスマス合金のいずれかを使用し、２次冷却材として重量比でインジウムを１０％から２５％含むガリウムを主成分とする合金を使用してもよい。この範囲の重量比を用いることにより、融点を２０℃以下と設定できる。
【００１６】
さらに、１次冷却材または２次冷却材として重量比でスズとインジウムの混合物を１０％から２５％含むガリウムを主成分とする合金を使用してもよい。この範囲の重量比で融点を２５℃以下と設定できる。
【００１７】
この実施の形態によれば、冷却材である液体金属水の急激な発熱反応が発生しにくく、冷却材が空気中に漏洩しても火災を発生しにくいので信頼性が高い。また、漏洩による急激な発熱反応の影響を緩和するための装置を簡素化できる。また、機器・配管などから冷却材が漏洩した場合に備える漏洩検知装置、火災発生防止装置を簡素化することができ、設備費を削減できる。また、融点が低いため、１次・２次冷却系統の予熱設備を大幅に簡素化することができる。
【００１８】
［第２の実施の形態］
図２は本発明に係る液体金属冷却原子力プラントの第２の実施の形態の概略構成図である。本実施の形態の液体金属冷却原子力プラントでは、２次冷却器８で、２次冷却材６である液体金属の熱を３次冷却材９である水に伝え、ここで蒸気を発生させる。この蒸気によりタービン１１を駆動し、タービン１１により発電機１２を駆動し、電力を発生する。タービン１１を駆動した３次冷却材９の蒸気は復水器１０で冷却凝縮される。凝縮された３次冷却材９は３次冷却材ポンプ１３により循環する。
【００１９】
［第３の実施の形態］
図３は本発明に係る液体金属冷却原子力プラントの第３の実施の形態の概略構成図である。本実施の形態の液体金属冷却原子力プラントでは、２次冷却材系を省略し、１次冷却材（液体金属）３を原子炉容器１の外部に設けた１次熱交換器５で直接３次冷却材（水）９で冷却する。１次熱交換器５で３次冷却材９の水から発生する蒸気によりタービン１１を駆動し、タービン１１により発電機１２を駆動し、電力を発生する。
【００２０】
この実施の形態では、１次熱交換器５で１次冷却材３と３次冷却材９が接触する可能性があるので、１次冷却材３としてはナトリウムなどの水や空気と反応しやすい材料は避け、例えば、ガリウムを主成分とする合金とする。１次冷却材３としては、前述のように、重量比で、スズを１０％から２０％、インジウムを１０％から２５％、または、スズとインジウムの混合物を１０％から２５％のいずれかを含むガリウムを主成分とする合金としてもよい。これらにより、１次冷却材３の融点を例えば１５℃〜２５℃にできる。
【００２１】
［第４の実施の形態］
図４および図５は本発明に係る液体金属冷却原子力プラントの第４の実施の形態の概略構成図である。図４に示すように、本実施の形態の液体金属冷却原子力プラントでは、１次熱交換器５と１次冷却材ポンプ４が原子炉容器１内に設置されている。原子炉容器１内の炉心２で加熱された１次冷却材３である液体金属は原子炉容器１上部に内蔵設置された１次冷却材ポンプ４により循環され、１次熱交換器５で熱を２次冷却材６である液体金属に伝える。
【００２２】
１次冷却材ポンプ４は連結配管２０により接続される。１次熱交換器５は、１次冷却材４である液体金属と２次冷却材６である液体金属とが熱電モジュール１４の高温側と低温側で隣接して流れるような流路を有し、それらの温度差を利用して熱電発電する。
【００２３】
２次冷却材６は、原子炉容器１外に設置された２次冷却材ポンプ７により、１次熱交換器５をへて、原子炉容器１外に設置された２次熱交換器８に循環され、ここで３次冷却材９に熱を伝える。
【００２４】
１次熱交換器５の構造の例を図５に示す。この例では、熱電発電装置の熱電モジュール１４は平板型であって、熱電モジュール１４をはさんで熱交換流路が形成されている。熱電モジュール１４は高温側は１次冷却材３により加熱され、低温側は２次冷却材６により冷却される。１次冷却材３による加熱と２次冷却材６による冷却により誘起する温度差を利用して熱電モジュール１４が発電する。
【００２５】
再び図４で、１次冷却材ポンプ４は、例えば自己冷却型電磁ポンプである。自己冷却型電磁ポンプは高温絶縁材を使用し、１次熱交換器５を出た低温の１次冷却材により、電磁ポンプ自身の発熱が冷却される。自己冷却型電磁ポンプとすることにより、メンテナンスを大幅に削減して信頼性を向上でき、総合熱利用効率を向上することができる。
【００２６】
２次冷却材６は外部に設けた冷却器を介して３次冷却材９によって冷却する。さらに、３次冷却材９として水、またはヘリウムを使用してもよい。これにより、１次冷却材３と２次冷却材６が漏洩しても火災が発生せず、漏洩により２次冷却材６と３次冷却材９が接触しても急激な発熱反応が発生せず、信頼性を高め、予熱設備を大幅に簡素化することができる。
【００２７】
この実施の形態で、特に２次冷却材６として、融点が１５℃〜２５℃にあるガリウムを主成分とする合金を使うと、熱電モジュール１４の低温側の温度を１００℃以下にでき、温度差を大きくとれ、発電効率を大幅に向上できる。これにより、効率的で信頼性が高く、設備費を大幅に削減した液体金属冷却型原子炉の発電プラントを実現できる。
この実施の形態では、熱電発電装置の熱電モジュール１４が平板型の熱交換流路を形成せしめるので、モジュールを構成する熱電素子の製造が容易である。
【００２８】
また、外部に設けた２次熱交換器（冷却器）８を介して２次冷却材６である液体金属を３次冷却材によって冷却することにより、熱電発電装置の低温保持を効果的に実現できる。
また、３次冷却材として水、海水または空気を使用することにより、信頼性の高い冷却ができる。
【００２９】
［第５の実施の形態］
次に、図６および図７を用いて本発明に係る液体金属冷却原子力プラントの第５の実施の形態を説明する。この実施の形態は第４の実施の形態の変形例であって、１次熱交換器５の構造のみが異なる。この実施の形態では、図６に示すように、１次熱交換器５がいわゆるシェル・アンド・チューブ式熱交換流路を形成している。すなわち、胴（シェル）２２内に複数のチューブ３が配置され、チューブ３の内側を１次冷却材３が流れ、チューブ３の外側（シェル側）を２次冷却材６が流れて、チューブ３の壁を通じて熱交換が行なわれるように構成されている。
【００３０】
図６には２本のチューブ１７を示しているが、通常の実施に当たっては、数十〜数百本のチューブ１７を配置するのが好ましい。ただし、チューブ１７は単数であってもよい。
各チューブ１７は、図７に示すように、内管１５と外管１６を有し、これらの間にはさまれた環状の空間に熱電モジュール１４が配置されている。
【００３１】
内管１５は１次冷却材３により内側から加熱され、外管１６は２次冷却材６により外側から冷却される。これにより、熱電モジュール１４の内側と外側に温度差ができ、この温度差を利用して熱電モジュール１４が発電する。
【００３２】
この実施の形態では、特に、流動抵抗を大きくせずに１次熱交換器を小型化できる。チューブ１７の内側は１次冷却材３により加熱され、外側は２次冷却材６により冷却されるので、熱変形により熱電モジュール１４が内管１５と外管１６の間に安定的に圧着保持される。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、液体金属冷却材が漏洩しても火災や急激な発熱反応が発生しにくく、液体金属冷却型原子炉の信頼性を高めることができる。また、漏洩検知設備、火災防止設備、予熱設備などを簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液体金属冷却型原子力プラントの第１の実施の形態の概略系統図。
【図２】本発明に係る液体金属冷却型原子力プラントの第２の実施の形態の概略系統図。
【図３】本発明に係る液体金属冷却型原子力プラントの第３の実施の形態の概略系統図。
【図４】本発明に係る液体金属冷却型原子力プラントの第４の実施の形態の概略系統図。
【図５】図４の熱交換器の模式的立断面図。
【図６】本発明に係る液体金属冷却型原子力プラントの第５の実施の形態における熱交換器の模式的立断面図。
【図７】図６のＡ−Ａ線矢視平断面図。
【符号の説明】
１…原子炉容器、２…炉心、３…１次冷却材、４…１次冷却材、５…１次熱交換器、６…２次冷却材、７…２次冷却材ポンプ、８…２次熱交換器、９…３次冷却材、１０…３次冷却材ポンプ、１１…タービン、１２…発電機、１３…復水器、１４…熱電モジュール、１５…内管、１６…外管、１７…チューブ、２０…連結配管、２２…胴。

Claims

炉心および１次冷却材を収容する原子炉容器と、
前記１次冷却材の熱を２次冷却材に伝える１次熱交換器と、
前記２次冷却材の熱を３次冷却材に伝える２次熱交換器と、
前記１次冷却材を循環させる１次冷却材ポンプと、
前記２次冷却材を循環させる２次冷却材ポンプと、
を有する液体金属冷却型原子力プラントにおいて、
前記１次冷却材および２次冷却材は液体金属であって、少なくとも２次冷却材はガリウムを主成分とする液体金属であること、を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
請求項１に記載の液体金属冷却型原子力プラントにおいて、
前記３次冷却材は水であって、その水が、前記２次熱交換器で蒸気を発生するように構成され、
前記蒸気で駆動されるタービンと、
このタービンによって駆動される発電機と、
をさらに有することを特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
請求項１に記載の液体金属冷却型原子力プラントにおいて、
前記１次熱交換器および１次冷却材ポンプは前記原子炉容器内に配置され、
前記１次熱交換器内に、前記１次冷却材と２次冷却材の間の温度差によって発電する熱電発電装置が配置されていること、
を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
請求項３に記載の液体金属冷却型原子力プラントにおいて、前記熱電発電装置は、前記１次冷却材と２次冷却材の流路の間はさまれた平板形のものを含むこと、を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
請求項３に記載の液体金属冷却型原子力プラントにおいて、前記１次熱交換器は、内部を前記１次冷却材が通るように構成された内管と、この内管の外側に配置された前記熱電発電装置の熱電モジュールと、この熱電モジュールの外側に配置された外管とを有し、この外管の外側を前記２次冷却材が流れるように構成されていること、を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
請求項１ないし５のいずれかに記載の液体金属冷却型原子力プラントにおいて、前記２次冷却材は、重量比でスズを１０％から２０％含むこと、を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
請求項１ないし６のいずれかに記載の液体金属冷却型原子力プラントにおいて、前記２次冷却材は、重量比でインジウムを１０％から２５％含むこと、を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
請求項１ないし７のいずれかに記載の液体金属冷却型原子力プラントにおいて、前記２次冷却材は、重量比でスズとインジウムの混合物を１０％から２５％含むこと、を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
請求項１ないし８のいずれかに記載の液体金属冷却型原子力プラントにおいて、前記１次冷却材は、ナトリウム、ＮａＫ、リチウム、鉛・ビスマス合金のいずれかから選択されていること、を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
炉心および１次冷却材を収容する原子炉容器と、
前記液体金属の熱を水に伝えて水の蒸気を発生させる１次熱交換器と、
前記１次冷却材を循環させる１次冷却材ポンプと、
前記蒸気で駆動されるタービンと、
このタービンによって駆動される発電機と、
を有する液体金属冷却型原子力プラントにおいて、
前記１次冷却材はガリウムを主成分とする液体金属であること、を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。
請求項１０に記載の液体金属冷却型原子力プラントにおいて、前記１次冷却材は、重量比で、スズを１０％から２０％、インジウムを１０％から２５％、スズとインジウムの混合物を１０％から２５％、のいずれかを含むこと、を特徴とする液体金属冷却型原子力プラント。