JP2011232211A - 冷却構造及びその形成方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】冷却面にナノ粒子による皮膜を迅速に形成できる冷却構造及びその形成方法を提供する。
【解決手段】プラス又はマイナスの一方の極性に帯電したナノスケールの粒子を含む作動流体１１と接触する発熱体１９の冷却面１３の少なくとも一部に、ナノスケールの粒子とは逆極性の逆極性コーティング膜１２を設けることにより、冷却面１３が限界熱流束に到達する前に、ナノスケールの粒子による皮膜を形成させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、原子炉における過酷事故の発生時に原子炉容器を冷却する冷却システム等に用いることができる冷却構造及びその形成方法に関する。
原子炉における過酷事故の発生時に、原子炉圧力容器内で炉心部の燃料などが溶融し、その溶融状態が進展して、炉心部から原子炉圧力容器の下部ヘッドに溶融物が落下することが想定される。
この場合に、冷却水により原子炉容器の外部を冷却するか、あるいは原子炉容器の内部を冷却することによって、上記の炉心溶融物が下部ヘッド内で冷却、保持する方法を容器内保持（In Vessel Retention、以下、「ＩＶＲ」と記す)方法といい、有力な事故収束のための対策の一つとして注目されている。また、このように原子炉圧力容器内において溶融炉心の冷却を確保することは、世界的な規制や運用上から原子炉における基本要件となりつつある。
上記ＩＶＲでは、原子炉圧力容器の外面で十分な除熱が行われ、圧力容器の外面での熱の伝達し易さを高めることや、局所的な高熱負荷に耐えられるようにする必要がある。
また、近年、冷却水中にナノスケールのサイズの微粒子を分散させることにより、このような冷却水を使用した沸騰試験において熱伝達率や限界熱流束（Critical heat flux、以下、「ＣＨＦ」と記す）が飛躍的に高められることが確認されている。
例えば、下記の特許文献１〜３では、循環する冷却システムの冷却水中にナノスケールの粒子を注入して冷却水の冷却能力を上げることで、原子力圧力容器外面からの冷却能力を上げる方法が提案されている。
米国特許出願公開第２００８／０２１２７３３号明細書 米国特許出願公開第２００８／０２１９３９５号明細書 米国特許出願公開第２００８／０２１９３９６号明細書
しかしながら、冷却水としてナノスケールの粒子を含む流体を使用することによりＣＨＦの向上は可能であるが、実際には冷却面表面へのナノスケールの粒子（以下、「ナノ粒子」と記す）による皮膜が形成されないとＣＨＦの向上がなされない。
また、冷却面が発熱体からの熱によってＣＨＦに到達する前に、ナノ粒子による皮膜が形成される必要がある。
そこで、本発明は、冷却面にナノ粒子による皮膜を迅速に形成できる冷却構造及びその形成方法を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明の冷却構造は、プラス又はマイナスの一方の極性に帯電したナノスケールの粒子を含む作動流体と接触する発熱体の冷却面の少なくとも一部に、前記ナノスケールの粒子とは逆極性の帯電コーティング膜を設けたことを特徴とする。
また、上述の目的を達成するため、本発明の冷却構造の形成方法は、プラス又はマイナスの一方の極性に帯電したナノスケールの粒子を含む作動流体と接触する発熱体の冷却面の少なくとも一部に、前記ナノスケールの粒子とは逆極性の帯電コーティング膜を設けることにより、前記冷却面が限界熱流束に到達する前に、前記ナノスケールの粒子による皮膜を形成させることを特徴とする。
本発明によれば、冷却面にナノ粒子による皮膜を迅速に形成できる冷却構造及びその形成方法を提供することができる。
本発明に係る冷却構造の第１の実施形態を示す概略断面図。 本発明に係る冷却構造の第２の実施形態を示す概略断面図。 本発明に係る冷却構造の第３の実施形態を示す概略断面図。
以下に、図面を参照して本発明に係る冷却構造及びその形成方法の実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
（冷却構造１０の全体構成）
図１に、本発明に係る冷却構造の第１の実施形態の概略図を示す。
この冷却構造１０では、給水容器１４内に、プラス又はマイナスの一方の極性に帯電したナノ粒子を含む作動流体１１が収容されており、この作動流体１１が、発熱体１９の冷却面１３の全面に設けられた、前記ナノ粒子とは逆極性の帯電コーティング膜（以下、「逆極性コーティング膜」と記す）１２と接触している。
（作動流体１１）
作動流体１１には、ＣＨＦを向上させる目的で、ナノ粒子が含まれる。ナノ粒子には、例えば、チタニア（酸化チタン：ＴｉＯ２）、アルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ２Ｏ３）、銅酸化物（酸化第一銅：Ｃｕ２Ｏ、酸化第二銅：ＣｕＯ）等の金属酸化物粒子、銅、金等の金属粒子、又はカーボンナノチューブ等を用いることができる。
このようなナノ粒子を含む作動流体１１は、ナノフルイド（ナノ流体：Nanofluid）と呼ばれ、もとの流体よりも熱伝導率が高くなり、ＣＨＦが増大することが知られている。
ここで、ナノ粒子とは、超極微粒子（nanoparticles）であって、粒径がナノメートル（ｎｍ）単位で表されるごく微小な粒子のことをいう。
（逆極性コーティング膜１２）
上述したように、発熱体１９の冷却面１３の全面には、逆極性コーティング膜１２が設けられている。
ここで、作動流体１１中に含まれるナノ粒子として、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ２）を用いた場合について説明する。
酸化チタンは、一般に、酸性でプラスに帯電、アルカリ性でマイナスに帯電する。このため、作動流体１１の溶液が酸性（ｐＨが７未満）の場合、逆極性コーティング膜１２にはマイナスに帯電した粒子を用いる。一方、作動流体１１の溶液がアルカリ性（ｐＨが７より大）の場合、逆極性コーティング膜１２にはプラスに帯電した粒子を用いる。
具体的には、溶液が酸性の場合には、逆極性コーティング膜１２としてシリカ（ＳｉＯ２）を用い、溶液がアルカリ性の場合には、逆極性コーティング膜１２としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用いることができる。
逆極性コーティング膜１２は、例えば、ゾル・ゲル法等の公知の手法で冷却面に形成することができる。
（冷却構造１０の作用及び効果）
発熱体１９の冷却面１３に、作動流体１１中のナノ粒子とは逆極性である逆極性コーティング膜１２を施しておくことにより、作動流体１１中のナノ粒子の冷却面１３近傍の濃度が高くなるか、あるいは作動流体１１中のナノ粒子の冷却面１３への付着率が向上する。このため、冷却面１３において、ナノ粒子による皮膜形成が促進される。
ナノ粒子によって形成される皮膜（以下、「ナノ粒子皮膜」と記す）はＣＨＦを向上させるので、冷却面１３に逆極性コーティング膜１２を施すことにより、冷却面１３がＣＨＦに到達する前にナノ粒子皮膜を形成してＣＨＦを向上させ、安全余裕を増加させることが可能となる。
従って、この冷却構造１０を、原子炉における過酷事故の発生時に原子炉容器を冷却する冷却システム等に適用することにより、原子炉圧力容器の外面で十分な除熱が行われ、圧力容器の外面での熱の伝達し易さを高めることが可能となり、炉心溶融物を長期にわたり安定的かつ効率的に冷却・保持し続けることが可能となる。
［第２の実施の形態］
（冷却構造２０の全体構成）
図２に、本発明に係る冷却構造の第２の実施形態の概略図を示す。
この冷却構造２０では、図１に示す冷却構造１０と同様に、給水容器１４内に、プラス又はマイナスの一方の極性に帯電したナノ粒子を含む作動流体１１が収容されている。しかし、発熱体１９の冷却面１３のうちで、通常の冷却では不十分な熱的に厳しい箇所にはナノ粒子と逆極性の逆極性コーティング膜１２が施され、それ以外の箇所には同極性の同極性コーティング膜１５が施されている。
作動流体１１中に含まれるナノ粒子として例えば、酸化チタンを用いる場合、逆極性コーティング膜１２としては、第１の実施の形態の冷却構造１０で用いた粒子と同様の粒子を用いることができる。
同極性コーティング膜１５としては、溶液が酸性の場合には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を用い、溶液がアルカリ性の場合には、シリカ（ＳｉＯ２）を好適に用いることができる。
逆極性コーティング膜１２及び同極性コーティング膜１５は、例えば、ゾル・ゲル法等の公知の手法で冷却面に形成することができる。
（冷却構造２０の作用・効果）
発熱体１９の冷却面１３のうち、通常の冷却では不十分な熱的に厳しい箇所に、ナノ粒子と逆極性の逆極性コーティング膜１２を施しておくことにより、作動流体１１中で冷却面１３における逆極性コーティング膜１２近傍のナノ粒子の濃度が高くなるか、あるいは作動流体１１中で逆極性コーティング膜１２へのナノ粒子の付着率が向上する。このため、冷却面１３のうち、通常の冷却では不十分な熱的に厳しい箇所において、ナノ粒子皮膜の形成が促進される。
ナノ粒子皮膜はＣＨＦを向上させるので、冷却面１３がＣＨＦに到達する前にナノ粒子皮膜を形成してＣＨＦを向上させ、安全余裕を増加させることが可能となる。
一方、ナノ粒子皮膜を形成することによりＣＨＦは向上するが、熱抵抗は高くなる。そこで、逆極性コーティング膜１２を施した以外の場所には同極性のコーティングを施すことによって、ナノ粒子皮膜の形成を抑制し、熱抵抗の増加を防ぐことができる。
従って、この冷却構造１０を、原子炉における過酷事故の発生時に原子炉容器を冷却する冷却システム等に用いることにより、原子炉圧力容器の外面で十分な除熱が行われ、圧力容器の外面での熱の伝達し易さを高めることが可能となり、炉心溶融物を長期にわたり安定的かつ効率的に冷却・保持し続けることが可能となる。
［第３の実施の形態］
図３に、本発明に係る冷却装置の第３の実施形態の概略図を示す。
この冷却構造３０は、冷却面１３に対して、発熱体１９とは異なる熱供給源１８を設けた以外は、図１に示す冷却構造１０と同様に形成されている。
この構造により、発熱体１９から熱が発生する前に、冷却面１３に対して発熱体とは異なる熱供給源１８から熱を加えることで、冷却面１３にナノ粒子皮膜の形成が促進され、発熱体１９からの発熱によってＣＨＦに到達する前にナノ粒子皮膜が形成され得る。
従って、冷却面１３に異なる熱供給源１８によって皮膜を形成させておくことにより、冷却面１３がＣＨＦに到達する前にＣＨＦを向上させ、安全余裕を増加させることが可能となる。
なお、本実施の形態では、図１に示す冷却構造１０に、熱供給源１８を設けた構造を示したが、図２に示す冷却構造２０に、熱供給源１８を設けることもできる。
［その他の実施の形態］
第１〜第３の実施の形態で示した冷却構造１０、２０、３０は、原子炉における過酷事故の発生時に原子炉容器を冷却する冷却システムだけでなく、通常の冷却では不十分な熱的に厳しい箇所を有するシステムや構造体、例えば、熱交換器やボイラー等にも適用することができる。
１０：冷却構造
１１：作動流体
１２：逆極性コーティング膜
１３：冷却面
１４：給水容器
１５：同極性コーティング膜
１８：熱供給源
１９：発熱体
２０：冷却構造
３０：冷却構造

Claims (5)

  1. プラス又はマイナスの一方の極性に帯電したナノスケールの粒子を含む作動流体と接触する発熱体の冷却面の少なくとも一部に、前記ナノスケールの粒子とは逆極性の帯電コーティング膜を設けたことを特徴とする冷却構造。
  2. 前記発熱体の冷却面の全面に、前記逆極性の帯電コーティング膜を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷却構造。
  3. 前記発熱体の冷却面が温度分布を有しており、通常の冷却では不十分な熱的に厳しい箇所に前記逆極性の帯電コーティング膜を設け、それ以外の箇所に同極性の帯電コーティング膜を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷却構造。
  4. 前記冷却面に、前記発熱体とは異なる熱供給源を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却構造。
  5. プラス又はマイナスの一方の極性に帯電したナノスケールの粒子を含む作動流体と接触する発熱体の冷却面の少なくとも一部に、前記ナノスケールの粒子とは逆極性の帯電コーティング膜を設けることにより、前記冷却面が限界熱流束に到達する前に、前記ナノスケールの粒子による皮膜を形成させることを特徴とする冷却構造の形成方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015141197A (ja) * 2014-01-30 2015-08-03 森重　晴雄 原子炉において溶融した燃料の回収工法
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