JP2005527808A - 少なくとも１つの高温原子炉のコアで生成される熱から電気を生成する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

高温原子炉（１）のコア（５）と接触状態にある第１の冷却ガスが閉回路で循環し、第２の熱交換ガスが、第１の交換ガス又は冷却ガスとの熱交換により加熱され、該第１の冷却ガスにより加熱される該第２の熱交換ガスが、中間交換器（７）において用いられて、発電機（４）に結合された少なくとも１つのガスタービン（２）を駆動する。第１の交換ガスは、主としてヘリウムで構成され、第２の交換ガスは、ほぼ５０から７０％までの量のヘリウムと、５０から３０％までの量の窒素を含む。第２の熱交換ガスは、閉回路で循環されて、該第２の熱交換ガスが、少なくとも、少なくとも１つのガスタービン（２）を駆動する。この装置は、さらに、水及び第２の交換流体の一部からの水を加熱することにより形成された蒸気が循環し、好ましくは、発電機（４）の軸の上に取り付けられた蒸気タービン（３ａ、３ｂ、３ｃ）を駆動するのに用いられる三次回路（１０）を備えることが好ましい。

Description

本発明は、少なくとも１つの原子炉のコアで生成される熱から電気を生成する方法及び装置に関し、具体的には、高温原子炉のコアで生成される熱から電気を生成する方法及び装置に関する。

作動中の原子炉における原子炉の冷却流体は、冷却剤がおおよそ３２０℃であるＰＷＲ原子炉のような電気生成原子炉の冷却剤温度と比較すると、高い（例えば、８００℃より高い）。

この種類の高温原子炉は、一般には、非常に良好な熱交換特性を有し、完全に不活性のヘリウムのようなガスである冷却流体により冷却される。

原子炉コアの出口においては、冷却ガスは、例えば８５０℃であるようなコアの温度とほぼ等しい温度になる。

幾つかの電気生成方法においては、原子炉コアに直接接触して加熱されるヘリウムを用いて、オルタネータのような発電機に結合されたガスタービンを駆動することが提案されている。

ガスタービンを駆動するのに用いられるヘリウムは、タービンの出口において、原子炉コアを冷却するのに用いられる冷却ヘリウムの圧力より大幅に低い圧力を有する。したがって、タービンの出口で回復されるヘリウムは、原子炉容器の内側に運ばれてコアを冷却する前に、再圧縮されなければならない。したがって、タービンの出口で回復されたヘリウムをコアと接触している原子炉容器の中に運ぶ前に、複数の低圧及び高圧圧縮機の段を用いて、これを再圧縮しなければならない。さらに、好ましくは、熱交換器をヘリウム圧縮段と組み合わせて、ヘリウムの温度を調整し、許容できるエネルギ収率で、圧縮器を作動させるようにしなければならない。

このような設備においては、タービン軸により駆動される圧縮器は、オルタネータにより電気に変換されないことがある顕著な量のエネルギを消費するため、設備の全体の収率は、同じ量だけ低下する。

さらに、直接サイクルの高温原子炉のコアで生成される熱から電気を生成し、ヘリウムを冷却剤として用いるこの種類の装置は、完全な閉回路で作動しなければならず、電気生成装置の閉回路におけるヘリウムの損失は、できるだけ制限しなければならない。

圧縮段において再圧縮される、タービンを駆動するためのガスは、明白な拡散容量を有する軽油であるため、特定の、通常とは異なる技術のタービン及び圧縮器を設計する必要がある。圧縮器段の入口における温度を下げて、これらの圧縮器のエネルギ収率を改善することを可能にする特定の種類の熱交換器の軸受及びガスケットを設計する必要がある。

一般には、用いられるすべての要素、具体的には、タービン及び圧縮器を、ヘリウムを作業ガスとする直接サイクルにおける用途のために工学し、設計しなければならない。

ガスタービンを用いる通常の方法からさらに離れれば離れるほど、種々の要素、具体的には、タービン及び圧縮機の工学及び設計が、より高価になる。

さらに、タービンを駆動するのに用いられ、圧縮器において再圧縮されるヘリウムは、一次冷却流体を構成し、原子炉コア要素と接触するようになり、特定の活性度を示す生成物が搭載される傾向になる。タービン、圧縮器、熱交換器、及び発電機は、原子炉容器の領域に配設されたシールされたチャンバの内側に配設されて、原子炉コアから生じるか又は該コアの中に運ばれた冷却ヘリウムの通過を可能にして、したがってその活性を抑制するようにしなければいけない。

ヘリウムにより冷却された高温原子炉から電気を生成する装置が提案され、この場合、タービンは、コアと接触して活性化される要素を含むことができるガスによっては駆動されない。原子炉コアと接触する閉回路において循環している冷却ヘリウムと、さらに閉回路において循環し、ガスタービンを駆動する二次ヘリウムとの間の中間交換器がこの目的のために用いられる。しかしながら、二次流体はヘリウムで構成されるため、タービン及び圧縮機、並びに、装置の二次部分の他の要素の設計に関する欠点が、一次ヘリウム及び二次ヘリウムを用いるこのような二重流体サイクルに残る。さらに、両方がヘリウムで構成される一次流体及びに二次流体が循環する中間交換器を設計する必要がある。

さらに、非常に高温及び高圧の空気で駆動されるガスタービンを備える電気エネルギ生成設備が周知である。

タービンを駆動する非常に高温及び高圧の空気は、燃焼チャンバで生成され、この中に、高圧下の燃焼空気、及び天然ガスとすることができる燃料が導入される。非常に高圧及び高温、例えば１３００℃で、ＣＯ₂、ＣＯ、及び窒素酸化物のような燃焼生成物を含む燃焼空気及びガスの混合物は、燃焼チャンバの出口で取得される。その設計及び構成材料が、非常に高温のガスによる作動を可能にする高性能ガスタービンが、この場合に用いられる。この種類の設備は、開回路で作動し、タービンを駆動するのに用いられ、主として空気で構成されるガスは、大気に戻される。

実際、十分に大きな比率の酸素を含有して、天然ガスの燃焼を可能にする新鮮な空気は、燃焼チャンバの中に導入されなければならない。

大気に放出される前に、ガスタービンから出る高温ガスは、蒸気発生器又は熱交換器に運ばれ、又は連続して複数の蒸気発生器又は熱交換器に運ばれ、これらには、水、湿り蒸気、又は超臨界水が供給されて、１つ又はそれ以上の蒸気タービンを駆動することができる。

ガスタービンと同じ軸の上に置かれた高圧、中圧、及び低圧の３つのタービン段は、一般には、発電機を駆動するのに用いられる。低圧蒸気タービンの出口における蒸気は、コンデンサの中に運ばれて、凝縮された水は、蒸気発生器の二次部分の中で再利用されて、蒸気を高圧段に与える。

この種類の設備は、主として窒素を含有する燃焼ガスにより駆動されるガスタービンのような通常の種類の部品だけを含むという利点を有し、燃焼ガス及び蒸気タービンは、電気生成設備においては極めて通常のものである。

しかしながら、これらの設備のエネルギ収率は、大気に放出されたガスが、依然として、利用されないかなりの量の熱を含む限りは、最適なものではない。

さらに、熱が高温原子炉で生成される場合には、この開サイクル構成を適応させるのは困難であると思われる。

ＧＢ−２．０５０．６７９は、原子炉ビルディングの外側に配設された二次回路を用いて、ヘリウムにより冷却された原子炉によって生成される熱を利用する工程及び設備を提案し、ここでは、原子炉からの冷却ヘリウムにより加熱されたヘリウム及び窒素で構成されるガス状混合物が循環される。二次ガスが閉回路で循環するガスタービン、冷却器、及び圧縮器は、二次回路に配設される。

したがって、本発明の目的は、少なくとも１つの高温原子炉のコアで生成される熱から電気を生成する方法を提案することであり、これは、閉回路において原子炉コアと接触状態にある第１の冷却熱交換ガスを循環させること、該第１の熱交換ガスとの熱交換により第２の熱交換ガスを加熱すること、及び該第１の熱交換ガスにより加熱された該第２の熱交換ガスを用いて、発電機に結合された少なくとも１つのガスタービンを駆動することを含み、この方法は、非常に良好なエネルギ収率をもたらし、複雑な設計工学を必要としない通常の部品を用いることを可能にする。

第１の交換ガスは、主としてヘリウムで構成され、第２の交換ガスは、ほぼ５０から７０％までの量のヘリウムと、５０から３０％までの窒素を含み、第２の熱交換ガスは閉回路で循環されて、第１の熱交換ガスにより加熱された該第２の熱交換ガスは、少なくとも１つのガスタービンを駆動し、該ガスタービンを通過した該第２の交換ガスからの熱の少なくとも第１の部分は、少なくとも１つの蒸気発生器において水を加熱し気化して、発電機に結合された少なくとも１つの蒸気タービンを駆動する蒸気を生成するために、回復される。

都市加熱システム又は海水淡水化プラントのような補助設備その他の産業上の熱の利用に熱を供給するために、例えば、蒸気発生器又はガス発生器の一次部分の出口において、第２の熱交換流体の少なくとも一部を回復することが有利である。

特定の場合においては、第１流体の温度にまで加熱され、原子炉の冷却流体を形成する第２の熱交換流体の一部を用いることは、水素生成のような非常に高温のガスを必要とする機能を実行するのに考慮することができる。

本発明は、さらに、本発明による方法を用いる電気生成設備に関する。

ここで、本発明の理解を助けるために、本発明による方法を採用する電気及び熱生成設備の実施形態を、添付の図面を参照して、例を用いて述べる。

図１に示される設備は、主として、全体を参照番号１により示される高温原子炉と、ガスタービン２と、３つの蒸気タービン３ａ、３ｂ、３ｃと、オルタネータで構成される発電機４とを備え、このロータは、該ガスタービン２及び該３つの蒸気タービン段３ａ、３ｂ、及び３ｃに共通の駆動軸１１上に取り付けられている。

原子炉１は、熱を生成するコア５を備え、この熱は、作動中におおよそ８５０℃になり、この温度は、例えば、特定の種類の高温原子炉の場合においては、おおよそ９５０℃のように、大幅により高くなることがある。

原子炉１は、さらに、冷却ヘリウムが循環する閉回路である一次回路を備える。二次熱交換ガスを加熱するため、及び一次回路で循環しているヘリウムを冷却して、原子炉の冷却剤を形成するための中間交換器７が、原子炉１の一次回路６上に置かれる。

ヘリウムを一次回路において循環させて、原子炉コア５の中に導入されたヘリウムを、おおよそ７０バールの圧力にまで、わずかに圧縮するポンプ８が、さらに原子炉の一次回路６上に置かれる。原子炉の冷却流体を形成するヘリウムは、中間交換器７を通過するときに、わずかな圧力降下しか生じさせないため、放出においてわずかな圧力の増加しかもたらさないヘリウム循環ポンプを用いることができる。この種類のポンプは、主流の技術に対応する。

中間交換器７は、コアの温度であるおおよそ８５０℃の温度で、原子炉コア５から出るヘリウムにより形成された一次流体と、全体が参照番号９により示される二次回路において循環される二次熱交換ガスとの間で、熱交換を行う。

本発明においては、回路９で循環している二次熱交換ガスは、主として、ヘリウム及び窒素の混合物、或いは、ヘリウム及び空気の混合物により形成される。しかしながら、実際的には、ヘリウム及び窒素だけを含有する混合物を用いて、二次回路における酸化現象を排除するか又は制限することが好ましい。中間交換器は、設備の作動によりもたらされる温度及び圧力条件の下で、第１の交換ガス及び第２の交換ガスの間の熱交換に適した特性を有する。

設備の二次流体を形成する第２の交換ガスは、一般には、おおよそ５０から７０％までの量のヘリウムと、５０から３０％までの量の窒素とを含有する。

ヘリウム及び窒素の混合物が循環する二次回路は、完全な閉回路であり、第２の交換ガスは、中間交換器の中に再導入され、ガスタービン２を駆動させ、３次回路で循環する水のような流体を加熱して気化させた後、及び以下に述べられる他の加熱機能が行われた後に、原子炉からの冷却ヘリウムにより形成された第１の交換ガスにより加熱される。

第２の交換ガスのヘリウム及び窒素の混合物は、典型的には、３００℃の温度で中間交換器の中に導入され、おおよそ８５０℃の温度で該中間交換器７に入り、おおよそ３５０℃の温度で中間交換器から出ていく冷却ヘリウムにより形成された第１の交換ガスにより、８００℃の温度まで加熱される。

以下に説明されるように、中間交換器７は、事実上等しい圧力で作動し、第１の交換ガス及び第２の交換ガスが、該中間交換器７の入口及び出口において、例えば、おおよそ７０バールの同じ圧力になる。

中間交換器の出口において、おおよそ８００℃の温度及びおおよそ７０バールの圧力の第２の交換ガスは、該第２の交換ガス又は二次ガスが回転を行うガスタービン２の入口に運ばれる。ガスタービン２の回転部分は、該ガスタービン２及び３つの蒸気タービン３ａ、３ｂ、３ｃに共通であり、このようにしてオルタネータ４のロータに結合された回転軸１１上に取り付けられることが好ましい。ガスタービンの回転部分は、さらに、オルタネータの第１駆動軸上に固定することができ、及び、該オルタネータの第２駆動軸上の蒸気タービン（一般には、２つ又は３つのタービン）に固定することができる。

ガスタービン２の出口においては、第２熱交換ガスは、おおよそ６００℃の温度、及び５０バール最大圧力を有し、圧力はおおよそ２０から３０バールまでであることが好ましい。

図１の理解を助けるために、原子炉５のための冷却流体であるヘリウムが循環する一次回路６が実線で示されており、ヘリウム及び窒素の混合物が循環する二次回路９の導管が二重線により示されており、設備の三次流体を形成する水及び蒸気が循環する三次回路１０が、該一次回路６を示すのに用いられた実線より細い実線の形態で示されている。

ガスタービン２の出口においては、おおよそ６００℃の温度である第２交換流体が、二次回路９のパイプにより回復されて、蒸気発生器１２、及び水及び蒸気が循環する設備の三次回路１０の一部と連結された熱交換器ヒータ１３ａ及び１３ｂに到達する。

ガスタービン２の出口に連結された二次回路９のパイプは、蒸気発生器１２の一次部分に連結された接合部を有し、コイル形態で概略的に示される二次部分に、加熱及び気化されるべき水が与えられる。タービンの出口パイプの第２バイパスは、第２及び第３の接合部のそれぞれにより、それぞれの熱交換器ヒータ１３ａ及び１３ｂに連結される。

ガスタービン２の出口に連結されるパイプの接合部は、蒸気発生器１２の一次部分が、８０％までの量の第２熱交換ガスを受け取り、熱交換器１３ａ及び１３ｂが２０％の量の第２熱交換ガスを受け取るように生成される。

３つの蒸気タービン段を備える設備の（図に示される）場合においては、第１段は、約約７４％の量の交換ガスを受け取り、これに続く２つの段の各々は、約１３％の量を受け取ることが好ましい。２つの蒸気タービン段だけを備える設備の場合においては、第１段は、７０％の量の第２の交換ガスを受け取り、第２段は、３０％の量を受け取るものであることが好ましい。

ガスタービンの出口で回復された第２の交換ガスからの熱の第１部分は、このように三次回路において用いられて、蒸気を生成し、蒸気タービンを駆動する。

三次回路１０は、一方が蒸気発生器１２の二次部分の入口に連結され、他方がコンデンサ１５の出口に連結された主要部分を備え、これは次いで、低圧タービン３ｃの出口に連結されて、該タービン３ｃの出口に到達する湿り蒸気を凝結させる。少なくとも１つのポンプ１４が、水及び蒸気の三次回路１０の主要な部分において水を循環させて、コンデンサ１５から抽出され、タービン３ｃからの蒸気の凝結から生じる水が、蒸気発生器１２の二次部分の入口に運ばれるようになる。

５５０及び７００℃の間で変化することができる温度であり、水が蒸気発生器二次部分に供給される状態で、該蒸気発生器の一次部分の入口に到達することができる、二次回路９の２次交換ガスの間の熱交換は、該蒸気発生器１２の内側で行われて、５００℃から６００℃までの温度の乾燥蒸気が、該蒸気発生器の出口で取得される。乾燥蒸気は、パイプ１０ａを通って、高圧の蒸気タービン３ａの入口部分の中に運ばれる。

湿り蒸気は、高圧タービン３ａの出口で回復され、三次回路１０の第１中間導管１０’を通り、６００℃の第２の交換ガスの処理量を受け取る熱交換器ヒータ１３ａの入口まで運ばれる。湿り蒸気は、このようにして過熱されて、５００℃と６００℃との間の温度、例えば、５２０℃と５８０℃との間の温度で、乾燥蒸気を取得するように乾燥される。

熱交換器１３ａの出口において回復された乾燥蒸気は、パイプ１０ｂを通って、中圧タービン３ｂの入口部分の中に運ばれて、タービンを駆動させる。湿り蒸気は、中圧タービン３ｂの出口で回復され、三次回路１０の第２の中間導管１０’’を通り、５５０から７００℃の温度の二次回路９の第２の交換ガスと熱交換されることにより、熱交換器ヒータ１３ｂにおいて過熱及び乾燥される。

５００℃から６００℃の温度、及び例えば、５２０℃と５８０℃との間における乾燥蒸気は、過熱交換器１３ｂの出口において取得され、第３の乾燥蒸気供給パイプ１０ｃを通って、低圧蒸気タービン３ｃの入口部分まで運ばれ、これを駆動する。

上述のように、蒸気は、低圧蒸気タービン３ｃの出口で回復され、水及び蒸気の三次回路１０の主要な部分のパイプを通り、コンデンサまで運ばれる。

おおよそ３０℃から３５℃までの温度で、低圧で、タービン３ｃの出口において回復された蒸気及び水は、２５℃から３０℃までの温度の水の形態で、コンデンサにおいて凝縮され、これは、三次回路１０の主要な部分により回復され、この上には、対向流熱交換器１６が置かれており、その主要部分はその入口において、熱交換器１６の一次部分の入口に供給する共通パイプに連結された二次回路のパイプを通って、蒸気発生器１２及び交換器ヒータ１３ａ及び１３ｂの出口において抽出される該二次回路９において循環している第２の熱交換ガスを受け取る。

例えば、逆流又は対向流式のような、熱交換器１６の一次部分の入口に到達する二次回路の第２の交換ガスは、蒸気発生器１２及び熱交換器１３ａ及び１３ｂから生じる二次回路からのガスの混合物により形成され、これらは１６０℃から３００℃までの温度範囲に及ぶ。

交換器１６の二次部分に到達する、おおよそ３０℃の温度で、圧力がポンプ１４により高い水準にまで上昇されることがある水は、該熱交換器１６の入口に運ばれる二次ガスとの熱交換によりおおよそ２００℃から２５０℃までの温度に加熱される。

圧力を受けるようにされ、超臨界状態にあることがある加熱された水は、蒸気発生器１２の二次部分の入口に運ばれて、気化され過熱される。蒸気発生器１２、蒸気タービン３ａ、３ｂ、及び３ｃ、及び熱交換器１３ａ、１３ｂを含む三次回路は、したがって、閉回路で作動する。

対向流熱交換器の出口で回復された二次回路９の第２の熱交換ガスは、二次回路のパイプを通って、中間熱交換器７の方向に、二次回路の戻り導管上に置かれた圧縮器１８を通過した後、該中間熱交換器７の二次部分の中に戻される。圧縮器１８は、二次回路の交換流体の圧力を、一次回路１における圧力水準とほぼ等しい水準にまで上昇させること、換言すると、おおよそ７０バールにまで上昇させることを可能にする。

熱交換器１６の出口で回復された二次交換流体の圧力のために、１．５対３の圧縮比を有する圧縮器を用いることができる。

圧縮器１８は、ガスタービン２、蒸気タービン３ａ、３ｂ、及び３ｃ及びオルタネータ４のロータに共通の軸１１上に取り付けることができる回転部分を備える。

軸１１（又は、上述のように、場合によっては第１及び第２の軸）上に取り付けられたガスタービン２、及び蒸気タービン３ａ、３ｂ、及び３ｃは、オルタネータ４のロータを駆動させるのに加えて、圧縮器１８を単に駆動させるに過ぎない。二次交換流体を、１．５対３の圧縮比で圧縮する、圧縮器１８により抽出されたエネルギは、ガスタービン及び蒸気タービンにより供給されたエネルギの小さい部分を表すため、オルタネータ４により受け取られたエネルギは、設備により供給された合計エネルギよりわずかに低いだけである。

二次回路の第２の熱交換ガスもまた、中間交換器７に入る前に、圧縮器により、おおよそ３００℃の温度にまで加熱される。上述のように、ヘリウム及び窒素の混合物により形成される第２の交換ガスは、中間交換器７の内側で、おおよそ８００℃の温度にまで加熱され、二次交換ガスの圧力は、おおよそ７０バールになる。

中間熱交換器７を、対向流プレート交換器の形態で生成することは、特に有利である。この種類のプレート交換器は、第１の熱交換ガスがヘリウムにより形成され、第２の熱交換ガスが、大きな比率のヘリウムを含有するために、非常に良好な交換係数を有するように生成することができる。これらのガスの交換係数は、非常に好ましいものである。したがって、非常に良好なプレート交換器の収率が取得される。

プレート交換器は、モジュラー形態で生成され、平行に置かれて、各々が一次流体及び二次流体の基本の処理能力を受け取る複数のユニットを備えることが好ましい。

プレート交換器の欠点の１つは、これが、一次流体と二次流体との間のわずかな圧力差にしか耐えないことである。プレート交換器が中間交換器７として用いられる場合には、熱交換器の入口及び出口における一次流体の圧力は、熱交換器の入口及び出口における二次流体の圧力と同様に、互いにほぼ等しく、これらの圧力は、両方とも、例えば、おおよそ７０バールである。

しかしながら、設備の作動の特定の過渡段階において、又は、例えば、パイプの破損のような事件又は事故の場合においては、一次ヘリウム回路とヘリウム及び窒素の混合物が循環している二次回路との間に圧力差が生じることがある。

過渡段階中に、プレート交換器７の一次部分における圧力と二次部分における圧力を等しくするために、圧力等化弁２０が用いられ、この弁の本体１９の内側のチャンバは、一方が一次回路に連結され、他方が二次回路のパイプ領域に連結された、ピストンにより分離された２つの部分を備え、二次流体を中間交換器の中に入れる。

図１に示されるように、二次回路９の導管９’が形成され、これは、中間交換器に向かう二次流体のための戻りパイプと、対向流熱交換器１６の中に二次流体を導入するための導管との間にバイパスを形成する。制御弁２７ａ及び２７ｂが、バイパス導管上、及び、対向流熱交換器１６の中に流体を導入する導管の上に置かれて、バイパスブランチ９’の中を通る処理能力を調整し、この上には、適度な温度の熱交換器３０が置かれ、この一次部分が、バイパスパイプ９’により抽出された二次流体を受け取る。この二次流体は、おおよそ２００℃の温度であり、これは、熱交換器３０の二次部分３０ａにおいて循環している水のような流体の温度を、おおよそ２００℃の温度にまで上昇させることを可能にする。第１部分が、水及び蒸気の三次回路の中へのガスタービンの出口で用いられる二次交換流体に含まれる熱の第２部分は、このようにして用いられる。熱交換器３０は、プレート交換器とすることができる。

熱交換器３０の二次回路３０ａにおいて取得される２００℃の圧力下の水は、例えば、都市加熱回路を供給するために、又は、海水淡水化プラントに蒸発熱を与えるために用いることができる。

二次流体からの残留熱の幾らかは、したがって、圧縮器１８を介して、中間交換器に戻される前に利用される。二次流体は、圧縮器１８の入口では低温であり、該圧縮器は、この二次流体の温度を、おおよそ３００℃の温度である交換器の中への中間熱の流入温度にまで上昇させる。

非常に高温の流体が、水素の生成のような特定の場合に必要になる。この種類の非常に高温な流体は、中間熱交換器の出口において、二次流体の幾らかを抽出することにより取得することができる。

発電設備の収率を増加させるためには、直列に置かれた複数のガスタービンを用いて、前のタービンの後に配置される各々のタービンが、中間交換器の一部においてガスを加熱した後に、該前のタービンの出口から生じるガスを受け取るようにすることが可能である。後続するタービンの回転部分は、発電機の同じ駆動軸に連結することができる。後続するガスタービンの各々の入口で用いられるガスは、したがって、ほぼ一定であり、例えば、８００℃に等しい温度と減少した圧力とを有する。モジュラー形態で生成されるプレート交換器の場合においては、モジュール又は連続するモジュールの組を用いて、ガスタービンの出口で回復された種々のガス留分を加熱し、後続するタービンの中に再導入することができる。

さらに、水及び蒸気の三次回路１０、蒸気発生器、熱交換器、及び蒸気タービンを備える設備の三次部分の作動を改善するために、三次回路における蒸気発生器に供給される水の圧力は、水が超臨界状態になる値にまで増加させることができる。

補助機能のための水を加熱する熱交換器３０は、プレート交換器であることが有利であるが、この交換器はまたチューブ交換器であってもよい。

図２は、本発明の変形態様による設備を示す。本発明による設備が、１つの原子炉ではなく、２つの高温原子炉１ａ及び１ｂを備えるという事実から離れると、これは、図２を参照して述べられる設備と同様であり、ヘリウム及び窒素の混合物により形成される交換流体が循環する二次回路９、水及び蒸気の三次回路１０、ガスタービン２、及び３つの蒸気タービン３ａ、３ｂ、３ｃ、並びに、熱交換器３０を適度な温度で備える。図１及び図２における同様な部品は、一般的に、同じ参照番号により指定される。

２つの原子炉１ａ及び１ｂは、同様の方法により製造され、等しいパワーを有することができるという利点を有する。高温原子炉の各々は、一次回路６ａ及び６ｂを備え、ここでは、原子炉の作動中に、高温の、例えばおおよそ８５０℃のヘリウムが循環して、該原子炉の冷却ガスを形成する。中間熱交換器７ａ及び７ｂが、２つの一次回路６ａ及び６ｂの各々の上に置かれて、設備の第１交換流体を形成するヘリウムと、二次回路９において循環している第２交換流体との間で熱交換する。この目的のために、交換器７ａ及び７ｂの一次部分は、対応する一次回路６ａ又は６ｂに連結され、交換器７ａ及び７ｂの二次部分は、圧縮器１８の下流側にある二次回路の導管に連結されたそれぞれの接合部９ａ又は９ｂにより、二次回路に連結される。中間交換器７ａ及び７ｂの二次部分には、原子炉１ａ及び１ｂの一次回路６ａ及び６ｂにおけるヘリウムの圧力とほぼ等しい圧力の第２の冷却された交換流体が供給される。第２の熱交換流体は、図１に示される設備の弁２０と同様なそれぞれの圧力等化弁２０ａ及び２０ｂにより、一次回路のヘリウム圧力とほぼ等しい圧力に維持され、各々の弁は、中間交換器に供給する二次回路の導管と、対応する一次回路とに連結される。

対応する中間交換器における第２の交換流体の循環を調整するか又は停止するためのそれぞれの弁２１ａ及び２１ｂが、接合部９ａ及び９ｂの各々の上に置かれて、二次交換流体を中間熱交換器に供給する。中間交換器において加熱された第２の交換流体は、ガスタービン２を駆動するのに用いられる。

第１及び第２の原子炉１ａ及び１ｂが同時に作動している場合には、弁２１ａ及び２１ｂは開位置にあり、第２の交換流体は２つの原子炉により加熱される。一方の原子炉、例えば第２原子炉１ｂが、例えば維持管理の再搭載又は修理作業の段階にあって、利用不可能である場合には、第２の弁２１が閉じられて、第１弁２１ａが開かれる。したがって、設備は、作動状態のまま残り、作動状態のまま残った第１原子炉１ａにより生成された熱を利用する。

したがって、時間間隔をおいて２つの原子炉の停止段階を与えることにより、設備を停止する必要はない。

以下に述べられるように、本発明による方法及び装置の顕著な利点は、例えば、空気に近い熱力学特性を有するガスにより作動するガスタービン、低い圧力比を有する圧縮器、及び通常の蒸気タービンといった電気エネルギ生成設備のようなエネルギ生成設備の場合において、通常の部品の使用を可能にすることである。

本発明による方法及び装置は、さらに、大きい比率のヘリウムを含有し、非常に良好な熱交換特性を有する二次流体を用いるという利点を与える。具体的には、蒸気発生器の収率、及び水における三次回路の熱交換器の収率が顕著に改善された。蒸気タービンの使用は、原子炉により生成される熱の最適な利用を可能にする。

本発明は、述べられる実施形態に限定されるものではない。

この設備は、単一の原子炉であるか、又は同時に作動することができる少なくとも２つの原子炉を備え、ヘリウム及び窒素により形成される二次流体に熱を供給することができ、さらに、１つ又はそれ以上の原子炉を停止させて、この場合においては、この設備は、運転状態のまま残っている原子炉又は複数の原子炉により作動することができる。

述べられたものとは異なるが、原子炉又は複数の原子炉により生成され、二次流体に移送される熱の補助的な使用を、さらに考慮することができる。

本発明は、あらゆる高温原子炉、換言すると、そのコアが少なくとも８００℃の温度で作動する原子炉により生成された熱を用いることに当て嵌まる。

本発明による設備全体の一般的な概略図である。 ２つの原子炉を備えた変形態様による設備全体の一般的な概略図である。

Claims (14)

1. 閉回路において原子炉（１）のコア（５）と接触状態にある第１の熱交換ガス又は冷却ガスを循環させること、前記第１の熱交換ガスとの熱交換により第２の熱交換ガスを加熱すること、及び該第１の熱交換ガスにより加熱された該第２の熱交換ガスを用いて、発電機（４）に結合された少なくとも１つのガスタービン（２）を駆動することを含む、少なくとも１つの高温原子炉（１）のコア（５）で生成される熱から電気を生成する方法であって、第１の交換ガスが、主としてヘリウムで構成され、第２の交換ガスが、実質的に５０から７０体積％までの量のヘリウムと、５０から３０体積％までの窒素を含み、前記第２の熱交換ガスが閉回路で循環されて、第１の熱交換ガスにより加熱された該第２の熱交換ガスが、少なくとも１つのガスタービン（２）を駆動し、該ガスタービン（２）を通過した該第２の交換ガスからの熱の少なくとも第１の部分が回収されて、少なくとも１つの蒸気発生器（１２）において水を加熱し気化して、該発電機（４）に結合された少なくとも１つの蒸気タービン（３ａ、３ｂ、３ｃ）を駆動する蒸気を生成することを特徴とする方法。
2. 第２の交換流体からの熱の少なくとも第２の部分が回収されて、都市加熱システム又は海水淡水化プラントのような補助設備（３０）に熱が供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第１の熱交換流体により加熱された前記第２の熱交換ガスからの熱の少なくとも一部が回収されて、前記ガスタービン（２）を駆動させる前に、非常に高温の流体を必要とする水素生成のような機能が実行されることを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の方法。
4. 前記第２の熱交換ガスが、同時に作動している少なくとも２つの原子炉（１ａ、１ｂ）からの冷却ガス、及び少なくとも１つの第２の原子炉（１ａ、１ｂ）が作動不能である場合には、前記少なくとも２つの原子炉の中の少なくとも１つの第１の原子炉（１ａ、１ｂ）からの冷却ガスの熱交換により加熱されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の方法。
5. 原子炉のコア（５）を冷却するための第１の熱交換ガスが循環する一次回路（６）と、軸（１１）により発電機（５）に結合されたガスタービン（２）と、前記ガスタービン（２）が挿入された、第２の熱交換ガスが循環する二次回路（９）とを備える少なくとも１つの高温原子炉（１）のコア（５）において生成される熱から電気を生成する装置であって、さらに、前記原子炉（１）の前記一次回路（６）に連結された一次部分と、前記二次回路（９）に連結され、前記第１の熱交換ガスにより前記原子炉コアにおいて生成された熱に基づいて、第２の交換ガスを加熱する二次部分とを有する少なくとも１つの中間熱交換器（７）と、少なくとも１つの蒸気発生器（１２）及び少なくとも１つの蒸気タービン（３ａ）が配設された、水及び蒸気を循環させる三次回路（１０）とを備え、前記中間交換器（７）及び前記ガスタービン（２）が、ヘリウムを第１の交換ガスとして用い、ヘリウムと窒素の混合物を第２の熱交換ガスとして用いるのに適する特性を有し、前記蒸気発生器（１２）が、前記水及び蒸気の三次回路（１０）に連結されて、入口において水を受け取り、前記蒸気タービン（３ａ）に対して出口において蒸気を与える二次部分と、前記二次回路（９）に連結されて、前記ガスタービン（２）から出た後に、前記第２の交換ガスを受け取る一次部分とを備えることを特徴とする装置。
6. 前記三次回路（１０）がさらに、高圧タービンを形成する前記第１の蒸気タービン（３ａ）の出口に二次部分が連結して湿り蒸気を受け取り、第２の蒸気タービン（３ｂ）又は中圧タービンに出口部分が連結された、第１の熱交換器（１３ａ）と、前記第２の中圧タービン（３ｂ）の出口に入口が連結されて湿り蒸気を受け取り、第３の蒸気タービン（３ｃ）又は低圧タービンの入口部分に出口が連結された、第２の熱交換器（１３ｂ）とを備え、第３の蒸気タービン（３ｃ）又は前記低圧タービンの出口部分は、コンデンサ（１５）が置かれた前記回路（１０）に連結されており、前記第１及び第２の熱交換器ヒータ（１３ａ、１３ｂ）の各々が、前記二次回路（９）のバイパスから第２の交換ガスが供給されて、前記熱交換器ヒータの第２部分の入口に導入された湿り蒸気を加熱して乾燥させる一次部分を有し、前記三次回路（１０）が閉回路であって、前記コンデンサ（１５）において回収された水を、前記蒸気発生器（１２）の二次部分の入口に運ぶことを可能にすることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 対向流熱交換器（１６）が前記三次回路（１０）の一部の上に配設されて、凝縮された水を前記蒸気発生器（１２）の前記二次部分の入口に戻して、前記熱交換器（１６）の二次部分が、入口において、前記コンデンサ（１５）から生じる水を受け取り、出口において、加熱された水を前記蒸気発生器（１２）に供給するようにし、一次部分においては、該蒸気発生器（１２）及び前記熱交換器（１３ａ、１３ｂ）の一次部分の出口で回収された第２の熱交換ガスが循環することを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記中間熱交換器（７）がプレート交換器であることを特徴とする請求項５から請求項７までのいずれか１項に記載の装置。
9. 前記二次回路が完全に閉じており、前記第２の交換ガスが前記中間交換器（７）の前記二次部分の入口に再導入される前に、該第２の交換ガスを、前記原子炉（１）の一次回路（６）における前記第１の熱交換ガスと実質的に等しい圧力にまで再圧縮する圧縮器（１８）を備えることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. さらに、一方が前記原子炉（１）の前記一次回路（６）に連結し、他方が前記二次回路（９）の導管に連結された少なくとも１つの圧力等化弁（２０）を備え、前記導管が前記圧縮器（１８）の出口と少なくとも１つの前記加熱交換器（７）の前記二次部分の入口との間の連結を与えて、前記原子炉の前記一次回路（６）における前記第１の熱交換流体の圧力と、少なくとも１つの前記中間熱交換器（７）の前記二次部分における圧力とが、連続して、互いに等しくなったことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記二次回路（９）と連結して、前記第２の交換流体を適度な温度の熱交換器（３０）に循環させる第１部分と、都市加熱回路又は海水淡水化プラントのような補助設備において用いられる水のような液体が循環する二次部分とを有する適度な温度の熱交換器（３０）を備えることを特徴とする請求項５から請求項１０までのいずれか１項に記載の装置。
12. 前記適度な温度の熱交換器（３０）が、前記二次回路（９）の一部をバイパスする導管の上に配設され、バイパス導管上、及び前記バイパス導管が置かれた前記二次回路上に、制御弁（２７ａ、２７ｂ）が配設されて、該二次回路の一部及び該バイパス導管における前記第２の交換流体の処理量が調整されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 冷却ガスが循環する一次回路（６ａ、６ｂ）を有する少なくとも２つの原子炉（１ａ、１ｂ）と、前記原子炉（１ａ、１ｂ）のそれぞれの一次回路（６ａ、６ｂ）上に配設されて、該原子炉（１ａ、１ｂ）からの冷却ガスを受け取る一次部分と、二次回路のそれぞれの接合部（９ａ、９ｂ）上に配設されて、前記第２の熱交換流体を受け取る二次部分とを有する少なくとも２つの中間熱交換器（７ａ、７ｂ）と、を備え、停止弁（２１ａ、２１ｂ）が前記接合部（９ａ、９ｂ）上に配設されたことを特徴とする請求項５から請求項１２までのいずれか１項に記載の装置。
14. 圧力等化弁（２０ａ、２０ｂ）が、前記二次回路の前記接合部（９ａ、９ｂ）の各々と、前記原子炉の前記一次回路（６ａ、６ｂ）の各々とに連結されて、それぞれの熱交換器（７ａ、７ｂ）の前記二次部分における前記第２の交換ガスの圧力を、前記熱交換器（７ａ、７ｂ）の前記一次部分における冷却ガスの圧力とほぼ等しく維持することを特徴とする請求項１３に記載の装置。

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