JP2012255660A - Powerless reactor cooling system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a powerless reactor cooling system in which a core can be cooled continuously until decay heat is reduced sufficiently and a reactor is automatically stopped perfectly even without power/fuel or human support from the outside.SOLUTION: A steam turbin 13 is operated by steam generated inside a reactor pressure vessel 1, the steam after operating the steam turbin 13 is heat-exchanged with external air and condensed by cooling means 14, and a condensed liquid is returned into the reactor pressure vessel 1 by a condensate liquid pump 16 driven by the steam turbin 13. The cooling means 14 includes a fin tube type heat exchange device 31 and a cooling tower 32 in a base isolation structure. The cooling tower 32 includes a plurality of legs 32a which are arranged in such a manner that a fluid can pass between the legs, and a tower body 32b which is supported at a predetermined height by the legs 32a. The tower body 32b includes the heat exchange device 31 in its lower part and a funnel 32c for exhausting heated external air above the heat exchange device 31.

Description

本発明は、外部からの電力供給が停止した原子力発電プラントの原子炉を冷却するための無人・無動力原子炉冷却システムに関する。   The present invention relates to an unmanned and unpowered nuclear reactor cooling system for cooling a nuclear power plant nuclear reactor whose power supply from the outside is stopped.

2011年3月に発生した福島第一原子力発電所の事故は、原子炉の重大事故発生は起きないという定説をくつがえした。これまで、「原子炉の中で、ウランが核分裂してできる放射性物質は、発電所の外へ影響を与えないように、5つの壁で閉じこめられている」と言われてきた。つまり、
・第1の壁:ウランを焼き固めた、陶器のような固いペレット
・第2の壁:そのペレットを入れた、丈夫な金属製の燃料被覆管
・第3の壁:燃料を入れた、頑丈な鋼鉄製の原子炉圧力容器
・第4の壁:原子炉圧力容器および重要な機器を収納した、気密性の高い鋼製の内張をした鉄筋コンクリート製の原子炉格納容器
・第5の壁:一番外側を覆う、厚いコンクリートで造った原子炉建屋
である。この「神話」が福島第一原子力発電所の事故でもろくも崩れ去ったのは、承知の通りである。福島第一原子力発電所の事故では、原子炉の炉心損傷に始まり、炉心ガスのブローオフで大量の放射能を大気に放出し、海洋にも放射能汚染水を垂れ流した。事故の1ヶ月後の2011年4月でも、依然として漏洩水の可能性があり、さらに毎日400トン以上の放射能を含んだ水蒸気を環境に排出していた。
The accident at the Fukushima Daiichi nuclear power plant that occurred in March 2011 overturned the theory that no serious nuclear accident would occur. Until now, it has been said that "the radioactive material produced by fission of uranium in a nuclear reactor is confined by five walls so as not to affect the outside of the power plant." In other words,
・ First wall: Hard pellets made of earthenware, baked and hardened uranium ・ Second wall: Durable metal fuel cladding tube containing the pellet ・ Third wall: Sturdy, fuel-filled Steel Reactor Pressure Vessel • Fourth Wall: Reactor containment vessel made of reinforced concrete with high-tightness steel lining containing the reactor pressure vessel and important equipment • Fifth Wall: It is a reactor building made of thick concrete that covers the outermost side. As you know, this “myth” was destroyed in the accident at the Fukushima Daiichi nuclear power plant. In the accident at the Fukushima Daiichi NPS, the reactor core was damaged, and a large amount of radioactivity was released to the atmosphere by blow-off of the core gas. Even in April 2011, one month after the accident, there was still a possibility of leaking water, and more than 400 tons of radioactive water was discharged into the environment every day.

この事故は、地震と津波による長期停電がきっかけとなり、炉心の崩壊熱で炉心溶融にまで至っている。つまり、長期の停電が発生すると、福島第一原子力発電所の事故は全ての原子力発電所で発生する可能性がある。例えば、何らかの原因で送電が長期ストップした場合や隣の原子力発電所の大規模放射能汚染などで人間が原子力プラントに近づけなくなったとき、非常用発電設備への燃料や運転人員の供給が遮断されれば、自然災害が起きなくても原子炉は簡単に破壊に至ることが証明された。また、複数の原子炉が配置されている原子力発電所では、いずれかの原子炉が破壊されて高汚染放射能が環境に出た場合、作業員が長期間原子力発電所に立ち入れないため、その他全ての原子炉で炉心崩壊が発生する可能性がある。   This accident was triggered by a long-term blackout due to the earthquake and tsunami, and the core collapsed due to the decay heat of the core. In other words, if a long-term blackout occurs, accidents at the Fukushima Daiichi nuclear power plant may occur at all nuclear power plants. For example, if for some reason the power transmission is stopped for a long time, or if a person becomes unable to approach the nuclear power plant due to large-scale radioactive contamination at the neighboring nuclear power plant, the supply of fuel and operating personnel to the emergency power generation facility is cut off. It was proved that nuclear reactors could easily be destroyed without natural disasters. In addition, in a nuclear power plant where multiple nuclear reactors are located, if one of the reactors is destroyed and high-contaminated radioactivity enters the environment, workers cannot enter the nuclear power plant for a long time. There is a possibility of core collapse in all other nuclear reactors.

火力発電所などの従来型の発電設備は、機器が破損したり、操作人員がいなくなったりすると自動的に停止し、燃料の補給がなければそれ以上環境に悪影響を及ぼさない。しかし、原子力発電所は、常に操作人員がいて、電力が外部から供給されることを前提にあらゆる安全システムが設計されている。   Conventional power generation facilities, such as thermal power plants, automatically shut down when equipment is damaged or when there are no operating personnel, and without further refueling, there is no further negative impact on the environment. However, nuclear power plants always have operating personnel, and all safety systems are designed on the assumption that power is supplied from the outside.

原子炉の冷温停止には、外部からの電力供給が不可欠なだけではなく、それを維持するために、長期にわたる炉心冷却が必要である。原子炉をそのままの状態に保存した場合、何もしなくても炉心が破壊されなくなるまでの時間は、原子炉停止後10〜30年の長期に及ぶ。その間、大災害等で原子炉の供給電力や運転作業員が途絶えることは十分考えられる。従来の原子炉はこのような場合を想定していない。つまり、原子炉を崩壊させるためには、外部からの電源供給を遮断し、1週間以上原子炉に人が立ち入らない状態にすればよい。福島第一原子力発電所は、このことを地震と津波という自然災害を通じて証明したことになる。   Not only is external power supply indispensable for cold shutdown of a nuclear reactor, but core cooling over a long period of time is necessary to maintain it. When the reactor is stored as it is, the time until the core is not destroyed even if nothing is done is as long as 10 to 30 years after the reactor shutdown. In the meantime, it is highly conceivable that the power supplied to the reactor and operators will be lost due to a major disaster. The conventional nuclear reactor does not assume such a case. In other words, in order to collapse the nuclear reactor, it is only necessary to shut off the external power supply so that no one enters the nuclear reactor for more than one week. The Fukushima Daiichi NPS proved this through natural disasters such as earthquakes and tsunamis.

従来の原子力発電所の緊急炉心停止システムは、以下のように動作する。原子炉が緊急停止すると、まず、制御棒が炉心に挿入され、燃料の核分裂反応(臨界)を停止させる。この動作は、圧縮ガスによって駆動されるため、外部電力は必要としない。タービンが緊急停止した場合、燃料棒の崩壊熱を除去できないため、緊急炉心冷却装置(ECCS)が作動し、炉心にホウ酸水等を注入して初期の炉心冷却を行う。通常は外部電源やディーゼル非常電源等を使用した炉心冷却を行い、炉心が100℃以下となる冷温停止の状態で安定させる。ただし、冷温停止した後でも、海水を用いた残留熱除去設備で原子炉の冷却を継続する必要があり、その間、外部電力が不可欠である。   A conventional nuclear power plant emergency core shutdown system operates as follows. When the nuclear reactor is brought to an emergency stop, first, control rods are inserted into the core to stop the fission reaction (criticality) of the fuel. Since this operation is driven by compressed gas, no external power is required. When the turbine is brought to an emergency stop, the decay heat of the fuel rods cannot be removed, so the emergency core cooling system (ECCS) is operated and boric acid water or the like is injected into the core to perform initial core cooling. Normally, the core is cooled using an external power source or a diesel emergency power source, and stabilized in a cold shutdown state where the core is 100 ° C. or lower. However, even after the cold shutdown, it is necessary to continue cooling the reactor with residual heat removal equipment using seawater, and external power is indispensable during that time.

福島第一原子力発電所のような沸騰水型原子力発電所(BWR)の場合、原子炉の緊急停止時に電源の供給が止まると、原子炉隔離時冷却設備が作動する。これは、崩壊熱で生成された高圧水蒸気でタービンを駆動し、その駆動蒸気をサプレッションチャンバーで凝縮させ、タービンによる動力でサプレッションチャンバー内の水を炉心に注入して冷却するものである(例えば、特許文献1参照)。このシステムは、外部からの電源を必要としないが、サプレッションチャンバー内の水が高温になると蒸気が凝縮しなくなるため、自動的に停止する。原子炉隔離時冷却設備は、福島第一原子力発電所2号機では、10時間から2日程度、動作可能であると考えられる。   In the case of a boiling water nuclear power plant (BWR) such as the Fukushima Daiichi nuclear power plant, if the supply of power is stopped during an emergency shutdown of the reactor, the reactor isolation cooling facility is activated. This is to drive the turbine with high-pressure steam generated by decay heat, condense the drive steam in the suppression chamber, and cool the water in the suppression chamber by injecting it into the core with power from the turbine (for example, Patent Document 1). This system does not require an external power supply, but automatically stops because the steam does not condense when the water in the suppression chamber becomes hot. The reactor isolation cooling system is considered to be operable for about 10 hours to 2 days at Unit 2 of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station.

また、加圧水型原子炉(PWR)の場合、原子炉の緊急停止時に電源の供給が止まると、原子炉隔離時冷却設備がないため、ディーゼル非常電源により余熱除去設備(RHRS)が作動して炉心冷却を行う。   In the case of a pressurized water reactor (PWR), if the supply of power is stopped during an emergency shutdown of the reactor, there is no cooling facility for isolating the reactor, so the residual heat removal facility (RHRS) is activated by the diesel emergency power source and the core Cool down.

特開2005−172482号公報JP 2005-172482 A

従来の原子力発電所の緊急炉心停止システムは、外部電源の供給が止まり、さらに原子炉隔離時冷却設備やディーゼル非常電源が停止すると、炉心の冷却が止まってしまうという課題があった。炉心の冷却が止まると、原子炉は崩壊熱で高温高圧になり、炉心蒸気が安全弁から環境に放出され、さらに、水が枯渇して炉心溶融に至る。既存の原子炉は、電源が停止しても、約10時間以内には電源が回復し、残留熱除去設備が駆動できることが前提であるが、それができないと福島第一原子力発電所のような事故となる。   Conventional nuclear power plant emergency core shutdown systems have a problem in that the cooling of the core stops when the supply of external power is stopped, and when the reactor isolation cooling facility and the diesel emergency power supply stop. When cooling of the core stops, the reactor becomes high temperature and high pressure due to decay heat, core steam is released from the safety valve to the environment, and further, water is depleted and the core melts. Existing reactors are premised on that even if the power is shut down, the power will be restored within about 10 hours and the residual heat removal equipment can be driven. An accident occurs.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、外部からの電力や燃料・人的支援がなくても、崩壊熱が十分減少して原子炉が自動的に完全停止するまでの間、炉心を冷却し続けることができる無人・無動力原子炉冷却システムを提供することを目的としている。   The present invention has been made paying attention to such a problem, and even if there is no external power, fuel, or human support, the decay heat is sufficiently reduced until the reactor automatically shuts down completely. The objective is to provide an unmanned and unpowered reactor cooling system that can keep cooling the core.

上記目的を達成するために、本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムは、外部からの電力供給が停止した原子力発電プラントの原子炉を冷却するための無人・無動力原子炉冷却システムであって、原子炉圧力容器の内部で発生した蒸気により稼働する蒸気タービンと、前記蒸気タービンを稼働させた後の前記蒸気を外気と熱交換させて凝縮させる冷却手段と、前記蒸気タービンにより駆動し、前記冷却手段で凝縮した液体を前記原子炉圧力容器の内部に戻す凝縮液ポンプとを、有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, an unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention is an unmanned / unpowered reactor cooling system for cooling a nuclear power plant nuclear reactor whose power supply from outside is stopped. A steam turbine that is operated by steam generated inside the reactor pressure vessel, cooling means that heat-exchanges the steam after operating the steam turbine with outside air and condenses, and is driven by the steam turbine. And a condensate pump for returning the liquid condensed by the cooling means to the inside of the reactor pressure vessel.

本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムは、外部からの電力供給が停止し、さらに原子炉隔離時冷却設備やディーゼル非常電源が停止したときに作動するよう構成されていることが好ましい。本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムは、原子炉圧力容器の内部で発生した蒸気を、冷却手段により外気と熱交換させて冷却し凝縮させ、その凝縮した液体を原子炉圧力容器の内部に戻すことにより、原子炉の炉心を冷却することができる。この原子炉圧力容器の内部で発生した蒸気を外気で冷却して戻す冷却サイクルを維持することにより、炉心を冷却し続けることができる。冷却には空気を用いており、海水を使わないため、海水ポンプなどの損傷に対しても対応できる特徴を有する。   The unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention is preferably configured to operate when the external power supply is stopped and the reactor isolation cooling facility or the diesel emergency power supply is stopped. The unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention cools and condenses the steam generated inside the reactor pressure vessel by heat exchange with the outside air by the cooling means, and condenses the condensed liquid in the reactor pressure vessel. By returning to the inside, the reactor core can be cooled. By maintaining a cooling cycle in which the steam generated inside the reactor pressure vessel is cooled by outside air and returned, the core can be continuously cooled. Air is used for cooling, and seawater is not used.

本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムは、蒸気タービンにより、冷却手段で凝縮した液体を原子炉圧力容器の内部に戻す凝縮液ポンプを駆動することができるため、外部からの電力供給や非常用電源がなくても、冷却サイクルを維持することができ、炉心を冷却し続けることができる。また、人間による操作がなくても、冷却サイクルが維持されるため、炉心を冷却し続けることができる。炉心が十分に冷却され、原子炉圧力容器の内部で蒸気が発生しなくなるまで冷却サイクルを維持することができ、原子炉が自動的に完全停止するまで、無人で炉心を冷却し続けることができる。このように、本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムは、外部からの電力や燃料・人的支援がなくても、崩壊熱が十分減少して原子炉が自動的に完全停止するまでの間、炉心を冷却し続けることができる。   The unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention can drive a condensate pump that returns the liquid condensed by the cooling means to the inside of the reactor pressure vessel by a steam turbine, so that power supply from the outside and Even without an emergency power source, the cooling cycle can be maintained, and the core can be continuously cooled. Further, since the cooling cycle is maintained without any human operation, the core can be continuously cooled. The cooling cycle can be maintained until the reactor core is sufficiently cooled and no steam is generated inside the reactor pressure vessel, and the reactor core can be cooled unattended until the reactor is automatically shut down completely. . As described above, the unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention is used until the decay heat is sufficiently reduced and the reactor is automatically completely stopped even without external power, fuel, and human support. During this time, the core can continue to be cooled.

本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムは、外気と熱交換して蒸気を冷却する冷却手段を比較的簡単な構造で構成することができるため、冷却手段が破損したり故障したりしにくく、長期間安定して蒸気の冷却を行うことができる。   In the unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention, the cooling means for cooling the steam by exchanging heat with the outside air can be configured with a relatively simple structure. It is difficult to cool the steam stably for a long time.

本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムで、前記蒸気タービンは、前記原子炉圧力容器の内部の発熱量が所定の発熱量より大きいときに稼働する高圧タービンと、前記原子炉圧力容器の内部の発熱量が前記所定の発熱量より小さいときに稼働する低圧タービンとを有し、前記凝縮液ポンプは、前記高圧タービンにより駆動する高圧ポンプと、前記低圧タービンにより駆動する低圧ポンプとを有することが好ましい。   In the unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention, the steam turbine includes a high-pressure turbine that operates when a heat generation amount inside the reactor pressure vessel is larger than a predetermined heat generation amount, and the reactor pressure vessel And a condensate pump having a high-pressure pump driven by the high-pressure turbine and a low-pressure pump driven by the low-pressure turbine. It is preferable.

この場合、蒸気タービンは、稼働しはじめてから、炉心が冷却されて原子炉が自動的に完全停止するまで、原子炉圧力容器の内部の発熱量が大きく変化する範囲で使用されるため、発熱量が大きいときに効率的に稼働する高圧タービンと、発熱量が小さいときに効率的に稼働する低圧タービンとに分けることにより、凝縮液ポンプを効率よく駆動することができる。また、高圧タービンおよび低圧タービンの能力に応じて、凝縮液ポンプをそれぞれ高圧ポンプと低圧ポンプとに分けることにより、凝縮した液体を効率よく原子炉圧力容器の内部に戻すことができる。なお、蒸気タービンおよび凝縮液ポンプは、原子炉圧力容器の内部の発熱量に応じて、それぞれ3つ以上のタービンおよびポンプから構成されていてもよい。   In this case, since the steam turbine is used in a range in which the calorific value inside the reactor pressure vessel changes greatly from the start of operation until the reactor core is cooled and the reactor automatically stops completely, the calorific value The condensate pump can be driven efficiently by dividing into a high-pressure turbine that operates efficiently when the heat generation amount is large and a low-pressure turbine that operates efficiently when the heat generation amount is small. Further, by dividing the condensate pump into a high-pressure pump and a low-pressure pump according to the capabilities of the high-pressure turbine and the low-pressure turbine, respectively, the condensed liquid can be efficiently returned to the inside of the reactor pressure vessel. Note that the steam turbine and the condensate pump may each be composed of three or more turbines and pumps according to the amount of heat generated inside the reactor pressure vessel.

本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムは、前記蒸気タービンが稼働を停止したとき、前記凝縮液ポンプを駆動可能に設けられた太陽光発電装置を有することが好ましい。この場合、何らかの原因で蒸気タービンが稼働を停止したときでも、太陽光発電装置により凝縮液ポンプを駆動することができ、炉心を冷却し続けることができる。また、原子炉圧力容器の内部の発熱量が減少して蒸気タービンが稼働を停止したときでも、原子炉が完全に停止するまで炉心を冷却し続けることができる。これにより、炉心溶融に至る危険性を回避することができ、安全性を高めることができる。   The unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention preferably includes a solar power generation device provided so that the condensate pump can be driven when the steam turbine stops operating. In this case, even when the steam turbine stops operating for some reason, the condensate pump can be driven by the solar power generation device, and the core can be continuously cooled. Further, even when the amount of heat generated inside the reactor pressure vessel decreases and the steam turbine stops operating, the core can be continuously cooled until the reactor is completely stopped. As a result, the risk of core melting can be avoided, and safety can be improved.

本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムは、前記原子炉圧力容器より高い位置に配置され、前記蒸気タービンが稼働を停止したとき駆動し、前記原子炉圧力容器の内部で発生した蒸気を外気と熱交換させて凝縮させ、凝縮した液体を前記原子炉圧力容器の内部に戻すよう構成されたサーモサイフォン式冷却装置を有することが好ましい。この場合、何らかの原因で蒸気タービンや凝縮液ポンプが稼働を停止したときでも、サーモサイフォン式冷却装置により、炉心を冷却し続けることができる。また、原子炉圧力容器の内部の発熱量が減少したり、冷却手段が故障したりして蒸気タービンや凝縮液ポンプが稼働を停止したときでも、原子炉が完全に停止するまで炉心を冷却し続けることができる。これにより、炉心溶融に至る危険性を回避することができ、安全性を高めることができる。   An unmanned and unpowered reactor cooling system according to the present invention is disposed at a position higher than the reactor pressure vessel, and is driven when the steam turbine stops operating, and generates steam generated inside the reactor pressure vessel. It is preferable to have a thermosiphon cooling device configured to exchange heat with outside air to condense and return the condensed liquid to the inside of the reactor pressure vessel. In this case, even when the steam turbine or the condensate pump is stopped for some reason, the core can be continuously cooled by the thermosiphon cooling device. In addition, even when the steam turbine or condensate pump stops operating due to a decrease in the amount of heat generated inside the reactor pressure vessel or a failure of the cooling means, the core is cooled until the reactor stops completely. You can continue. As a result, the risk of core melting can be avoided, and safety can be improved.

本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムで、前記冷却手段は熱交換装置と冷却塔とを有し、前記熱交換装置は、前記蒸気を通過させる複数の導管と、各導管の外側面に、外気と接する面積を増やすために設けられたフィンとを有し、前記冷却塔は免震構造で、互いの間を流体が通過可能に、互いに間隔を開けて配置された複数の脚部と、各脚部により設置面から所定の高さに支持された塔本体とを有し、前記塔本体は、下部に前記熱交換装置が配置され、前記熱交換装置の上方に前記蒸気と熱交換して温められた外気を排出するための煙突部を有していてもよい。   In the unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention, the cooling means includes a heat exchange device and a cooling tower, and the heat exchange device includes a plurality of conduits through which the steam passes, and an outer surface of each conduit. And fins provided to increase the area in contact with the outside air, and the cooling tower is a seismic isolation structure, and a plurality of legs that are spaced apart from each other so that fluid can pass between each other And a tower main body supported at a predetermined height from the installation surface by each leg, the tower main body having the heat exchange device disposed in a lower portion thereof, and the steam and heat above the heat exchange device. You may have the chimney part for discharging | emitting the external air warmed by exchange.

この場合、冷却塔が免震構造であるため、地震による被害を防ぐことができる。各脚部が互いの間を流体が通過可能に、互いに間隔を開けて配置され、塔本体が各脚部により設置面から所定の高さに支持されているため、各脚部の間を津波が流れ、津波による塔本体や熱交換装置の被害を防ぐことができる。塔本体は津波が到達する高さより高い位置に配置されることが好ましい。また、各脚部に津波で流された瓦礫等が当たって損傷するのを防止するために、各脚部の周囲に流体を通し瓦礫等を防ぐための、通水性および通気性の防護フェンスが設けられていることが好ましい。   In this case, since the cooling tower has a seismic isolation structure, damage due to the earthquake can be prevented. Each leg is spaced from each other so that fluid can pass between each other, and the tower body is supported by each leg at a predetermined height from the installation surface. This can prevent damage to the tower body and heat exchanger due to the tsunami. The tower body is preferably arranged at a position higher than the height at which the tsunami reaches. In addition, a water-permeable and breathable protective fence is provided to prevent debris and the like by passing fluid around each leg in order to prevent rubble and the like washed away by the tsunami from hitting each leg. It is preferable to be provided.

また、この場合、熱交換装置で蒸気と熱交換して温められた外気が上昇し、煙突部を通って排出されるため、熱交換装置に新たな冷却用の外気を吸引することができ、冷却効率を高めることができる。熱交換装置に設けられたフィンにより、冷却効率をさらに高めることができる。熱交換装置は、凝縮した液体を効率よく収集可能に、上から下に向かって蒸気が流れるよう各導管が配置されていることが好ましい。熱交換装置は、導管に漏れや閉塞が生じたとき、その導管に蒸気が入るのを遮断するための、圧力センサと遮断弁とを有していることが好ましい。熱交換装置は、自然対流を用いた空冷冷却設備であって、送風機などの外部動力や海水などの冷却剤を必要としない特徴を有する。   Also, in this case, since the outside air heated by exchanging heat with steam in the heat exchange device rises and is discharged through the chimney, new outside air for cooling can be sucked into the heat exchange device, Cooling efficiency can be increased. The cooling efficiency can be further enhanced by the fins provided in the heat exchange device. In the heat exchange device, it is preferable that each conduit is arranged so that the vapor flows from the top to the bottom so that the condensed liquid can be efficiently collected. The heat exchange device preferably has a pressure sensor and a shut-off valve for blocking steam from entering the conduit when leakage or blockage occurs in the conduit. The heat exchange device is an air-cooled cooling facility using natural convection and has a feature that does not require external power such as a blower or coolant such as seawater.

本発明に係る無人・無動力原子炉冷却システムは、前記原子炉圧力容器の内部で発生した前記蒸気を、前記蒸気タービンを通して前記冷却手段に導くよう、前記原子炉圧力容器と原子力発電機用タービンとを結ぶ配管の途中に接続された蒸気パイプと、前記冷却手段で凝縮した前記液体を、前記原子炉圧力容器の内部に導くよう設けられた凝縮パイプと、前記蒸気タービンにより発電可能に設けられた発電機と、前記発電機で発電された電気を蓄えるバッテリーと、前記蒸気パイプに設けられ、前記原子炉圧力容器の内部が所定の温度を超えたとき、前記蒸気を前記蒸気パイプに導くよう構成された分岐バルブとを、有していてもよい。   The unmanned / unpowered reactor cooling system according to the present invention includes the reactor pressure vessel and the nuclear power generator turbine so as to guide the steam generated inside the reactor pressure vessel to the cooling means through the steam turbine. A steam pipe connected in the middle of the pipe connecting the pipe, a condensing pipe provided to guide the liquid condensed by the cooling means to the inside of the reactor pressure vessel, and a steam turbine capable of generating electricity. Generator, a battery for storing electricity generated by the generator, and the steam pipe, and when the inside of the reactor pressure vessel exceeds a predetermined temperature, the steam is guided to the steam pipe. You may have the comprised branch valve.

この場合、凝縮液ポンプを駆動する電力以外の余った電気をバッテリーに蓄えることができる。バッテリーに蓄えられた電気は、原子炉制御室や様々なセンサ、コントローラーなどの電源として利用することができる。また、外部からの電力供給が停止し、さらに原子炉隔離時冷却設備やディーゼル非常電源が停止した後、炉心の崩壊熱により原子炉圧力容器の内部の温度が上昇し、所定の温度を超えたとき、分岐バルブにより原子炉圧力容器の内部の蒸気を蒸気パイプに導くことにより、蒸気タービンや冷却手段等を自動的に稼働させて、炉心の冷却を行うことができる。   In this case, surplus electricity other than the electric power for driving the condensate pump can be stored in the battery. The electricity stored in the battery can be used as a power source for the reactor control room, various sensors and controllers. In addition, after the power supply from the outside was stopped, and the reactor isolation cooling facility and the diesel emergency power supply were stopped, the temperature inside the reactor pressure vessel rose due to the decay heat of the core and exceeded the predetermined temperature. When the steam inside the reactor pressure vessel is guided to the steam pipe by the branch valve, the steam turbine, the cooling means, etc. can be automatically operated to cool the core.

本発明によれば、外部からの電力や燃料・人的支援がなくても、崩壊熱が十分減少して原子炉が自動的に完全停止するまでの間、炉心を冷却し続けることができる無人・無動力原子炉冷却システムを提供することができる。   According to the present invention, even if there is no external power, fuel, or human assistance, it is possible to continue cooling the core until the decay heat is sufficiently reduced and the reactor is automatically completely shut down. -A powerless reactor cooling system can be provided.

本発明の第1の実施の形態の無人・無動力原子炉冷却システムの全体構成を示す側面図である。1 is a side view showing an overall configuration of an unmanned / unpowered reactor cooling system according to a first embodiment of the present invention. 原子炉停止後の炉心の崩壊熱およびその積算エネルギーの時間変化を示すグラフである。It is a graph which shows the decay | disintegration heat of the core after a nuclear reactor shutdown, and the time change of the accumulated energy. 図1に示す無人・無動力原子炉冷却システムの隔離機械室を示す構成図である。It is a block diagram which shows the isolation machine room of the unmanned unpowered reactor cooling system shown in FIG. 図1に示す無人・無動力原子炉冷却システムの冷却手段を示す側面図である。It is a side view which shows the cooling means of the unmanned unpowered reactor cooling system shown in FIG. 図1に示す無人・無動力原子炉冷却システムの熱交換装置を示す(a)正面図、(b)側面図である。It is the (a) front view and (b) side view which show the heat exchange apparatus of the unmanned unpowered reactor cooling system shown in FIG. 図1に示す無人・無動力原子炉冷却システムのサーモサイフォン式冷却装置を示す側面図である。It is a side view which shows the thermosiphon type cooling device of the unmanned unpowered reactor cooling system shown in FIG. 図1に示す無人・無動力原子炉冷却システムの無動力熱交換器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the non-powered heat exchanger of the unmanned and non-powered reactor cooling system shown in FIG. 本発明の第2の実施の形態の無人・無動力原子炉冷却システムの全体構成を示す側面図である。It is a side view which shows the whole structure of the unmanned and unpowered reactor cooling system of the 2nd Embodiment of this invention.

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図1乃至図7は、本発明の第1の実施の形態の無人・無動力原子炉冷却システムを示している。
図1に示すように、無人・無動力原子炉冷却システム10は、外部からの電力供給が停止した沸騰水型原子力プラント(BWR)の原子炉を冷却するための無人・無動力原子炉冷却システムである。無人・無動力原子炉冷却システム10は、蒸気パイプ11と分岐バルブ12と蒸気タービン13と冷却手段14と凝縮パイプ15と凝縮液ポンプ16と発電機17とバッテリー18と太陽光発電装置19とサーモサイフォン式冷却装置20とコントロールユニット21とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 7 show an unmanned and unpowered reactor cooling system according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, an unmanned / unpowered reactor cooling system 10 is an unmanned / unpowered reactor cooling system for cooling a nuclear reactor of a boiling water nuclear power plant (BWR) in which power supply from the outside is stopped. It is. The unmanned / powerless reactor cooling system 10 includes a steam pipe 11, a branch valve 12, a steam turbine 13, a cooling means 14, a condensing pipe 15, a condensate pump 16, a generator 17, a battery 18, a solar power generation device 19, and a thermostat. A siphon type cooling device 20 and a control unit 21 are provided.

BWRである福島第一原子力発電所2号機(電気出力784MW)が停止してから、炉心が放出する崩壊熱の推定量とその積算エネルギーを、図2に示す。図2に示すように、緊急停止直後は原子炉隔離時冷却設備が10時間程度作動するため、無人・無動力原子炉冷却システム10は、約10時間後の放熱量15MWを冷却する必要がある。また、10年後の崩壊熱は100kW、30年後は30kWであるため、そのような小熱量でも動作する必要がある。つまり、無人・無動力原子炉冷却システム10は、原子炉隔離時冷却設備停止直後の大出力から、10〜30年後の小出力の熱を扱い、かつ無人で動作する信頼性のあるものである必要がある。また、その間、外部電力や燃料の補給がなくても動作する必要がある。   FIG. 2 shows an estimated amount of decay heat released from the core after the Fukushima Daiichi NPS No. 2 (electric power output 784 MW), which is a BWR, is stopped, and its accumulated energy. As shown in FIG. 2, since the reactor isolation cooling facility operates for about 10 hours immediately after an emergency stop, the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 needs to cool the heat dissipation amount of 15 MW after about 10 hours. . Further, the decay heat after 10 years is 100 kW, and after 30 years it is 30 kW. Therefore, it is necessary to operate with such a small amount of heat. In other words, the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 is a reliable system that handles heat from low power 10 to 30 years later, from high output immediately after shutdown of the reactor isolation cooling facility, and operates unattended. There must be. In the meantime, it is necessary to operate without external power or fuel supply.

図1に示すように、蒸気パイプ11は、原子炉建屋内の格納容器に収納された原子炉圧力容器1と、タービン建屋内の原子力発電機用タービン2とを結ぶ主蒸気管3の途中に接続されている。蒸気パイプ11は、原子炉圧力容器1の内部で発生した蒸気を、蒸気タービン13を通して冷却手段14に導くよう設けられている。   As shown in FIG. 1, the steam pipe 11 is provided in the middle of a main steam pipe 3 that connects a reactor pressure vessel 1 housed in a containment vessel in a reactor building and a nuclear power generator turbine 2 in the turbine building. It is connected. The steam pipe 11 is provided to guide the steam generated inside the reactor pressure vessel 1 to the cooling means 14 through the steam turbine 13.

分岐バルブ12は、原子炉圧力容器1と原子力発電機用タービン2とを結ぶ主蒸気管3に近い位置の、蒸気パイプ11に設けられている。分岐バルブ12は、原子炉圧力容器1の内部が200℃を超えたとき、蒸気パイプ11の入口を開いて、原子炉圧力容器1の内部の蒸気を蒸気パイプ11に導くよう構成されている。   The branch valve 12 is provided in the steam pipe 11 at a position close to the main steam pipe 3 connecting the reactor pressure vessel 1 and the nuclear power generator turbine 2. The branch valve 12 is configured to open the inlet of the steam pipe 11 and guide the steam inside the reactor pressure container 1 to the steam pipe 11 when the inside of the reactor pressure container 1 exceeds 200 ° C.

蒸気タービン13は、原子炉圧力容器1の内部で発生し、蒸気パイプ11を通ってきた蒸気により稼働するよう構成されている。図3に示すように、蒸気タービン13は、原子炉圧力容器1の内部の発熱量が1MWより大きいときに稼働する高圧タービン13aと、原子炉圧力容器1の内部の発熱量が1MWより小さいときに稼働する低圧タービン13bとを有している。高圧タービン13aおよび低圧タービン13bは、蒸気パイプ11に並列に接続されている。高圧タービン13aは、原子炉隔離時冷却設備タービンと同様な仕様のものから成っていることが好ましい。   The steam turbine 13 is configured to operate with steam generated inside the reactor pressure vessel 1 and passing through the steam pipe 11. As shown in FIG. 3, the steam turbine 13 includes a high-pressure turbine 13a that operates when the amount of heat generated in the reactor pressure vessel 1 is greater than 1 MW, and the amount of heat generated in the reactor pressure vessel 1 is less than 1 MW. And a low-pressure turbine 13b operating in The high pressure turbine 13 a and the low pressure turbine 13 b are connected to the steam pipe 11 in parallel. The high-pressure turbine 13a is preferably made of the same specifications as the reactor isolation cooling equipment turbine.

蒸気タービン13は、原子炉圧力容器1の内部の発熱量が1MWまで減少すると、バルブが自動的に切り替わり、高圧タービン13aに流れていた蒸気が低圧タービン13bに流れるようになっている。図2に示す例の場合、緊急停止してから約1年後に、高圧タービン13aから低圧タービン13bに切り替わることになる。また、低圧タービン13bは、原子炉圧力容器1の内部の発熱量が100kW程度になるまで、無修理で10年程度は作動する必要があるため、十分余裕を持った設計とすることが好ましい。高圧タービン13aおよび低圧タービン13bは、効率よりも、無修理運用が可能な堅牢性および信頼性を優先した構成であることが好ましい。   In the steam turbine 13, when the amount of heat generated in the reactor pressure vessel 1 is reduced to 1 MW, the valve is automatically switched so that the steam that has flowed to the high-pressure turbine 13a flows to the low-pressure turbine 13b. In the example shown in FIG. 2, about one year after the emergency stop, the high pressure turbine 13a is switched to the low pressure turbine 13b. In addition, the low-pressure turbine 13b needs to operate for about 10 years without repair until the amount of heat generated in the reactor pressure vessel 1 reaches about 100 kW. The high-pressure turbine 13a and the low-pressure turbine 13b are preferably configured to give priority to robustness and reliability capable of non-repair operation rather than efficiency.

図1および図4に示すように、冷却手段14は、熱交換装置31と冷却塔32とを有している。図5に示すように、熱交換装置31は、フィンチューブの熱交換器から成り、蒸気を通過させる複数の導管31aと、各導管31aの外側面に、外気と接する面積を増やすために設けられたフィン31bとを有している。図5に示す具体的な一例では、熱交換装置31は、1×2mの平板状のフィン31bが30mmピッチで配置され、通風断面2×2m、6段で高さ約7mのユニットとして構成されている。フィン31bは、亜鉛メッキ鋼板またはガルバリウム鋼板製で、厚さが1mmである。また、強度と外部からの衝撃とを考慮して、最下段および最上段のフィン31bは、厚さを3mmとしている。なお、フィン31bは、熱的特性や重量を考えるとアルミ製にすることも考えられるが、アルミは大規模火災では燃焼するため、鋼板製の方がより適していると考えられる。フィン31bを貫通する各導管31aは、直径30mmである。   As shown in FIGS. 1 and 4, the cooling means 14 includes a heat exchange device 31 and a cooling tower 32. As shown in FIG. 5, the heat exchanging device 31 includes a fin-tube heat exchanger, and is provided on a plurality of conduits 31 a through which steam passes, and on the outer surface of each conduit 31 a in order to increase the area in contact with the outside air. And fins 31b. In a specific example shown in FIG. 5, the heat exchange device 31 is configured as a unit having 1 × 2 m flat fins 31 b arranged at a pitch of 30 mm, a ventilation cross section of 2 × 2 m, and 6 steps and a height of about 7 m. ing. The fin 31b is made of a galvanized steel plate or a galvalume steel plate and has a thickness of 1 mm. In consideration of strength and external impact, the lowermost and uppermost fins 31b have a thickness of 3 mm. The fin 31b may be made of aluminum in consideration of thermal characteristics and weight, but aluminum is considered to be more suitable because it burns in a large-scale fire. Each conduit 31a passing through the fin 31b has a diameter of 30 mm.

また、熱交換装置31は、蒸気ヘッダー31cと凝縮液ヘッダー31dと有している。熱交換装置31は、各導管31aの両端がそれぞれ上部に配置された蒸気ヘッダー31cと、下部に配置された凝縮液ヘッダー31dとに接続されている。熱交換装置31は、蒸気ヘッダー31cが蒸気パイプ11に接続され、凝縮液ヘッダー31dが凝縮パイプ15に接続されている。熱交換装置31は、蒸気タービン13を稼働させた後の蒸気を、蒸気パイプ11から蒸気ヘッダー31cに導入し、各導管31aに分岐させて上から下に向かって流し、各導管31aで外気と熱交換させて凝縮させるようになっている。さらに、熱交換装置31は、その凝縮した液体を凝縮液ヘッダー31dに集めて、凝縮パイプ15に導くようになっている。   Further, the heat exchange device 31 has a steam header 31c and a condensate header 31d. The heat exchanger 31 is connected to a steam header 31c disposed at the upper end of each conduit 31a and a condensate header 31d disposed at the lower end of each conduit 31a. In the heat exchange device 31, the steam header 31 c is connected to the steam pipe 11, and the condensate header 31 d is connected to the condensing pipe 15. The heat exchanging device 31 introduces the steam after operating the steam turbine 13 from the steam pipe 11 to the steam header 31c, branches it to each conduit 31a, and flows it from the top to the bottom. It is designed to condense by heat exchange. Further, the heat exchange device 31 collects the condensed liquid in the condensate header 31 d and guides it to the condensing pipe 15.

また、熱交換装置31は、複数の導管31aを1つのユニットとして、複数のユニットから構成されており、ユニット毎に圧力センサ31eと遮断弁31fとを有している。熱交換装置31は、あるユニット中の導管31aに漏れや閉塞が生じたとき、圧力センサ31eが導管31aの圧力の異常を感知し、遮断弁31fによりそのユニットに蒸気が入るのを遮断するようになっている。なお、崩壊熱は時間の経過とともに減少するため、冷却後期では全ての導管31aに蒸気を通す必要はないと考えられることから、蒸気の減少に応じて、いくつかの導管31aを遮断弁31fで遮断するよう構成されていてもよい。   Moreover, the heat exchange apparatus 31 is comprised from several units by making the some conduit | pipe 31a into one unit, and has the pressure sensor 31e and the cutoff valve 31f for every unit. When a leak or blockage occurs in the conduit 31a in a unit, the heat exchange device 31 senses an abnormality in the pressure of the conduit 31a, and the shutoff valve 31f blocks the entry of steam into the unit. It has become. Since decay heat decreases with the passage of time, it is considered that it is not necessary to pass steam through all the conduits 31a in the later stage of cooling. Therefore, according to the decrease in steam, several conduits 31a are connected by shutoff valves 31f. It may be configured to block.

図4に示すように、冷却塔32は、免震構造の基礎の上に設置されており、複数の脚部32aと塔本体32bとを有している。各脚部32aは、互いの間を流体が通過可能に、互いに間隔を開けて配置されている。塔本体32bは、各脚部32aにより設置面から所定の高さに支持されている。塔本体32bは、下部に熱交換装置31が設置され、熱交換装置31の上方に、蒸気と熱交換して温められた外気を煙突効果で排出するための煙突部32cを有している。塔本体32bは、津波による熱交換装置31の被害を防ぐよう、津波が到達すると想定される高さより高い位置に設置されている。図4に示す一例では、熱交換装置31の下部の空気取り入れ口が大略地上10mになるよう、設置されている。また、煙突部32cは、熱交換装置31の上部から大略30mの高さを有している。   As shown in FIG. 4, the cooling tower 32 is installed on the base of a base isolation structure, and has a plurality of legs 32a and a tower body 32b. The legs 32a are arranged at intervals from each other so that fluid can pass between them. The tower body 32b is supported at a predetermined height from the installation surface by each leg portion 32a. The tower main body 32b is provided with a heat exchanging device 31 at the lower portion, and has a chimney portion 32c above the heat exchanging device 31 for exhausting outside air heated by exchanging heat with steam by a chimney effect. The tower body 32b is installed at a position higher than the height that the tsunami is supposed to reach so as to prevent damage to the heat exchange device 31 due to the tsunami. In the example shown in FIG. 4, it is installed so that the air intake at the lower part of the heat exchange device 31 is approximately 10 m above the ground. The chimney 32c has a height of approximately 30 m from the top of the heat exchange device 31.

冷却塔32は、津波で流された瓦礫等が各脚部32aに当たって損傷するのを防止するよう、各脚部32aの周囲に、流体を通し瓦礫等を防ぐための防護フェンス32dが設置されている。冷却塔32は、熱交換装置31の上部および下部にも、飛散物や落下物等から熱交換装置31を守るための防護フェンス32dが設置されている。また、冷却塔32は、蒸気に含まれる非凝縮性ガスを抜気して放射能を浄化し、大気に放出する放射性ガス浄化装置32eを有している。   The cooling tower 32 is provided with a protective fence 32d around the legs 32a for preventing debris and the like from passing around the legs 32a so as to prevent the rubble and the like washed away by the tsunami from hitting the legs 32a and being damaged. Yes. In the cooling tower 32, protective fences 32 d for protecting the heat exchanging device 31 from scattered matter, falling objects, and the like are also installed at the upper and lower portions of the heat exchanging device 31. Further, the cooling tower 32 has a radioactive gas purification device 32e that purges the non-condensable gas contained in the vapor, purifies the radioactivity, and releases it to the atmosphere.

なお、冷却手段14は、30年間補修なしでも使用でき、地震や外部からの飛散物等にも耐えることができる強度を有していることが好ましい。熱交換装置31は、余裕を持った大きさで設計されることが好ましい。熱交換装置31は、温度によって伸縮するため、上下方向の隙間を十分に取って設置されることが好ましい。   In addition, it is preferable that the cooling means 14 has the intensity | strength which can be used without repair for 30 years, and can also endure an earthquake, the scattered matter from the outside, etc. It is preferable that the heat exchange device 31 is designed with a sufficient size. Since the heat exchange device 31 expands and contracts depending on the temperature, it is preferable that the heat exchange device 31 is installed with a sufficient gap in the vertical direction.

図1に示すように、凝縮パイプ15は、冷却手段14で凝縮した液体を、原子炉圧力容器1の内部に導くよう、熱交換装置31の凝縮液ヘッダー31dと原子炉圧力容器1とを接続して設けられている。なお、蒸気パイプ11および凝縮パイプ15は、冷却手段14との接続箇所で、地震などによる冷却塔32の揺れにも対応できる構造を有している。   As shown in FIG. 1, the condensing pipe 15 connects the condensate header 31 d of the heat exchange device 31 and the reactor pressure vessel 1 so as to guide the liquid condensed by the cooling means 14 to the inside of the reactor pressure vessel 1. Is provided. The steam pipe 11 and the condensing pipe 15 have a structure that can cope with the shaking of the cooling tower 32 due to an earthquake or the like at a connection point with the cooling means 14.

図1および図3に示すように、凝縮液ポンプ16は、凝縮パイプ15の途中に設けられ、蒸気タービン13により駆動して、冷却手段14で凝縮した液体を原子炉圧力容器1の内部に戻すよう構成されている。凝縮液ポンプ16は、高圧タービン13aにより駆動する大型の高圧ポンプ16aと、低圧タービン13bにより駆動する小型で小流量の低圧ポンプ16bとを有している。高圧ポンプ16aおよび低圧ポンプ16bは、凝縮パイプ15に並列に接続されている。なお、高圧ポンプ16aおよび低圧ポンプ16bは、効率よりも、無修理運用が可能な堅牢性および信頼性を優先した構成であることが好ましい。また、高圧ポンプ16aおよび低圧ポンプ16bは、入口環境の圧力が低くキャビテーションが発生しやすいため、インデューサーなどを工夫しておくことが好ましい。   As shown in FIGS. 1 and 3, the condensate pump 16 is provided in the middle of the condensing pipe 15 and is driven by the steam turbine 13 to return the liquid condensed by the cooling means 14 to the inside of the reactor pressure vessel 1. It is configured as follows. The condensate pump 16 has a large high-pressure pump 16a driven by the high-pressure turbine 13a and a small low-pressure pump 16b having a small flow rate driven by the low-pressure turbine 13b. The high pressure pump 16 a and the low pressure pump 16 b are connected to the condensing pipe 15 in parallel. Note that the high-pressure pump 16a and the low-pressure pump 16b preferably have a configuration that prioritizes robustness and reliability capable of non-repair operation over efficiency. Moreover, since the high pressure pump 16a and the low pressure pump 16b have a low pressure in the inlet environment and easily generate cavitation, it is preferable to devise an inducer or the like.

発電機17は、蒸気タービン13により発電可能に構成され、高圧タービン13aから高圧ポンプ16aを介して接続された高圧発電機17aと、低圧タービン13bに接続された低圧発電機17bとを有している。バッテリー18は、高圧発電機17aおよび低圧発電機17bに接続され、高圧発電機17aおよび低圧発電機17bで発電された電気を蓄えるよう構成されている。なお、低圧ポンプ16bは、低圧タービン13bにより低圧発電機17bで発電されてバッテリー18に蓄えられた電気により駆動するようになっている。バッテリー18は、低圧ポンプ16bを駆動する電力以外の余った電気を蓄えて、原子炉中央制御室4や放射性ガス浄化装置32e、様々なセンサ、コントローラーなどの電源として利用可能になっている。   The generator 17 is configured to be capable of generating power by the steam turbine 13, and includes a high-pressure generator 17a connected from the high-pressure turbine 13a via the high-pressure pump 16a, and a low-pressure generator 17b connected to the low-pressure turbine 13b. Yes. The battery 18 is connected to the high voltage generator 17a and the low voltage generator 17b, and is configured to store electricity generated by the high voltage generator 17a and the low voltage generator 17b. The low pressure pump 16b is driven by electricity generated by the low pressure generator 17b by the low pressure turbine 13b and stored in the battery 18. The battery 18 stores surplus electricity other than the electric power for driving the low-pressure pump 16b, and can be used as a power source for the reactor central control room 4, the radioactive gas purification device 32e, various sensors, a controller, and the like.

なお、図1および図3に示すように、蒸気タービン13、凝縮液ポンプ16、発電機17およびバッテリー18は、地震や津波、外部からの飛散物等に耐えることができるよう、堅牢な密閉容器から成る隔離機械室22に収納されて、地下に配置されることが好ましい。この場合、蒸気パイプ11および凝縮パイプ15は、地下に配置される部分が、地震による振動を緩和可能な柔軟な構造を有していることが好ましい。また、炉心からの蒸気や、蒸気タービン13および凝縮液ポンプ16などの摩擦熱により、隔離機械室22が高温になることを防ぐために、地中にヒートパイプ22a等を設置して室内を一定温度に保つことが好ましい。各種バルブのコントロールは、長期の信頼性が低い電子・電動駆動部品の使用を極力避け、基本的に圧力制御であることが好ましい。炉心の発熱量が減少すると蒸気パイプ11で凝縮が起こって詰まる可能性があるため、低圧タービン13bの出口と低圧ポンプ16bの入口との間に、液体のみを通過させるバイパス管路23が設けられていることが好ましい。   As shown in FIGS. 1 and 3, the steam turbine 13, the condensate pump 16, the generator 17, and the battery 18 are robust sealed containers that can withstand earthquakes, tsunamis, scattered matters from the outside, and the like. It is preferable to be stored in the isolation machine room 22 and to be arranged underground. In this case, it is preferable that the steam pipe 11 and the condensing pipe 15 have a flexible structure in which a portion arranged in the basement can mitigate vibration caused by an earthquake. In addition, in order to prevent the isolated machine room 22 from becoming hot due to steam from the core, frictional heat from the steam turbine 13 and the condensate pump 16, etc., a heat pipe 22a etc. is installed in the ground to keep the room at a constant temperature. Is preferably maintained. The control of the various valves is preferably basically pressure control while avoiding the use of electronic / electrically driven parts with low long-term reliability. When the heat generation amount of the core decreases, condensation may occur in the steam pipe 11 and clogging may occur. Therefore, a bypass line 23 that allows only liquid to pass is provided between the outlet of the low-pressure turbine 13b and the inlet of the low-pressure pump 16b. It is preferable.

図1および図3に示すように、太陽光発電装置19は、冷却塔32の南面に太陽電池パネルを貼り付けて設けられ、発電した電力をバッテリー18に充電可能になっている。太陽電池パネルは、曇りの日でもその機能を果たせるよう、十分な面積に設置されていることが好ましい。太陽光発電装置19は、蒸気タービン13が稼働を停止したときでも、バッテリー18を介して凝縮液ポンプ16を駆動可能になっている。   As shown in FIG. 1 and FIG. 3, the solar power generation device 19 is provided with a solar cell panel attached to the south surface of the cooling tower 32, and the battery 18 can be charged with the generated power. The solar cell panel is preferably installed in a sufficient area so that it can perform its function even on a cloudy day. The solar power generation device 19 can drive the condensate pump 16 via the battery 18 even when the operation of the steam turbine 13 is stopped.

図1および図6に示すように、サーモサイフォン式冷却装置20は、原子炉圧力容器1より高い、原子炉建屋の屋上に配置されている。図6に示すように、サーモサイフォン式冷却装置20は、原子炉圧力容器1と原子力発電機用タービン2とを結ぶ主蒸気管3から分岐した蒸気管33と、それを各無動力熱交換器38に分散するディストリビュータ34と、シャットオフバルブ35と、蒸気逆止弁36と、圧力計37と、無動力熱交換器38と、凝縮水逆止弁39と、シャットオフバルブ40と、凝縮水収集配管41と、原子炉圧力容器1に接続するパイプ42とを有している。また、原子炉圧力容器1と原子力発電機用タービン2とを結ぶ主蒸気管3から分岐した真空ポンプ配管43と、小型の真空ポンプ44と、放射能除去フィルター45と、排気煙突46とを有している。   As shown in FIGS. 1 and 6, the thermosiphon cooling device 20 is disposed on the roof of the reactor building, which is higher than the reactor pressure vessel 1. As shown in FIG. 6, the thermosiphon cooling device 20 includes a steam pipe 33 branched from a main steam pipe 3 that connects a reactor pressure vessel 1 and a nuclear power generator turbine 2, and each non-powered heat exchanger. Distributor 34, shutoff valve 35, steam check valve 36, pressure gauge 37, non-powered heat exchanger 38, condensed water check valve 39, shutoff valve 40, condensed water dispersed in 38. It has a collection pipe 41 and a pipe 42 connected to the reactor pressure vessel 1. Further, a vacuum pump pipe 43 branched from the main steam pipe 3 connecting the reactor pressure vessel 1 and the nuclear power generator turbine 2, a small vacuum pump 44, a radiation removal filter 45, and an exhaust chimney 46 are provided. is doing.

図7に示すように、無動力熱交換器38は、自然対流フィン38aと、自然対流フィン38aに溶接された凝縮パイプ38bとを有している。無動力熱交換器38は、鉄製(鋼製)であり、ドブ付けの亜鉛メッキと塗料とにより防食処理されている。無動力熱交換器38は、太陽光による過熱を防ぎ、容易に錆を認識できるよう、白色系の塗料で塗装されていることが好ましい。無動力熱交換器38は、運用中に腐食により穴が開くことが予想される。このため、無動力熱交換器38は、圧力計37により腐食が進んだと思われるものはシャットオフバルブ35で一旦遮断され、圧力の上昇を確認した後で、永久に遮断されるようになっている。   As shown in FIG. 7, the non-powered heat exchanger 38 includes a natural convection fin 38a and a condensing pipe 38b welded to the natural convection fin 38a. The non-powered heat exchanger 38 is made of iron (made of steel), and is subjected to anticorrosion treatment by galvanized plating and paint. The non-powered heat exchanger 38 is preferably coated with a white paint so as to prevent overheating due to sunlight and easily recognize rust. The non-powered heat exchanger 38 is expected to be pierced by corrosion during operation. For this reason, the non-powered heat exchanger 38 is temporarily shut off by the shut-off valve 35 for what seems to have been corroded by the pressure gauge 37, and is permanently shut off after confirming an increase in pressure. ing.

サーモサイフォン式冷却装置20は、蒸気タービン13が稼働を停止したとき駆動し、原子炉圧力容器1の内部で発生した蒸気を、無動力熱交換器38で外気と熱交換させて凝縮させ、凝縮した液体を重力により原子炉圧力容器1の内部に戻すよう構成されている。サーモサイフォン式冷却装置20は、以下のように動作する。まず、燃料棒の冷却水の沸点を最高80℃(蒸気圧0.5気圧(絶対圧))に設定し、蒸気管33内を常に負圧に保っておく。蒸気管33から出た蒸気を、各無重力熱交換器38に分岐し、自然対流フィン38a付きの凝縮パイプ38bで凝縮して水に戻す。その水を凝縮水収集配管41で集め、重力を利用して炉心に流入させる。なお、サーモサイフォン式冷却装置20は、使用済み燃料プール内の燃料を無動力で冷却して冷温状態を保つよう構成されていてもよい。   The thermosyphon cooling device 20 is driven when the operation of the steam turbine 13 is stopped, and the steam generated inside the reactor pressure vessel 1 is condensed by exchanging heat with the outside air by the non-powered heat exchanger 38. The liquid is returned to the inside of the reactor pressure vessel 1 by gravity. The thermosiphon cooling device 20 operates as follows. First, the boiling point of the cooling water of the fuel rod is set to a maximum of 80 ° C. (vapor pressure 0.5 atm (absolute pressure)), and the inside of the steam pipe 33 is always kept at a negative pressure. The steam emitted from the steam pipe 33 is branched to each zero-gravity heat exchanger 38, condensed by a condensing pipe 38b with natural convection fins 38a, and returned to water. The water is collected by the condensed water collecting pipe 41 and flows into the core using gravity. Note that the thermosiphon cooling device 20 may be configured to cool the fuel in the spent fuel pool without power and keep the cold state.

また、サーモサイフォン式冷却装置20は、炉心で核反応や漏れにより生成された不凝縮ガスを、真空ポンプ44で放射能除去フィルター45を通して、排気煙突46から常に排気するようになっている。排気されたガスは、ヨウ素やセシウム、その他放射性物質が除去されている。なお、サーモサイフォン式冷却装置20が稼働する時点では、放射線による水素の発生はごく微量であると考えられる。サーモサイフォン式冷却装置20は、バッテリー18により、真空ポンプ44、圧力計37およびシャットオフバルブ35が動作するようになっている。なお、サーモサイフォン式冷却装置20は、中にたまった不凝縮ガスを時々、真空ポンプ44で抜気することと、圧力をモニターして漏れのある無動力熱交換器38を閉鎖する以外は、外部エネルギーを必要としない。   Further, the thermosyphon cooling device 20 is configured to always exhaust non-condensable gas generated by nuclear reaction or leakage in the core through the radiation removal filter 45 by the vacuum pump 44 from the exhaust chimney 46. From the exhausted gas, iodine, cesium, and other radioactive substances are removed. In addition, it is thought that generation | occurrence | production of hydrogen by a radiation is very small when the thermosiphon type cooling device 20 operates. In the thermosiphon cooling device 20, a vacuum pump 44, a pressure gauge 37, and a shut-off valve 35 are operated by a battery 18. In addition, the thermosiphon cooling device 20 except that the non-condensable gas accumulated therein is sometimes vented by the vacuum pump 44, and the pressure is monitored to close the leaky non-powered heat exchanger 38. Does not require external energy.

図7に示す具体的な一例では、無動力熱交換器38は、大きさが約5×5×5m、重さは約37トンであり、厚さ1mm、面積5×3mの自然対流フィン38aを100枚と、50mmのパイプを360mm間隔で自然対流フィン38aに溶接して成る凝縮パイプ38bとを有している。この場合の無動力熱交換器38の交換熱量を求めると、以下のようになる。   In a specific example shown in FIG. 7, the non-powered heat exchanger 38 has a size of about 5 × 5 × 5 m, a weight of about 37 tons, a natural convection fin 38 a having a thickness of 1 mm and an area of 5 × 3 m. And a condensing pipe 38b formed by welding 50 mm pipes to natural convection fins 38a at intervals of 360 mm. In this case, the exchange heat quantity of the non-powered heat exchanger 38 is obtained as follows.

凝縮温度を、T=80℃と設定する。自然対流フィン38aを、厚さb=50mm、高さH=3m、幅W=5mの平行平板チャンネルとして近似する。フィン枚数は、n=100枚である。凝縮パイプ38bの間隔をP=360mmとし、矩形チャンネルでもほぼ類似な熱伝達率を示すものとする。等温鉛直平行平板チャンネルの平均熱伝達率は、h=3.10と推定される。 The condensation temperature is set as T w = 80 ° C. The natural convection fin 38a is approximated as a parallel plate channel having a thickness b = 50 mm, a height H = 3 m, and a width W = 5 m. The number of fins is n = 100. It is assumed that the interval between the condensing pipes 38b is P = 360 mm, and a substantially similar heat transfer coefficient is exhibited even in a rectangular channel. The average heat transfer coefficient of the isothermal vertical parallel plate channel is estimated to be h = 3.10.

自然対流フィン38aは、フィン高さP/4のフィンであり、鋼の熱伝導率をk=42.8W/mK、フィン周囲を2H、フィン厚さをt=1mmとすると、フィン効率は、0.73となる。したがって、無動力熱交換器38の1台の交換熱量Qは、
となる。つまり、無動力熱交換器38は、1台で272kWの熱を除去できる。図2に示すように、福島第一原子力発電所2号機は、原子炉停止後10年で、炉心の発熱量は約100kWであり、その凝縮水量は0.05リットル/sである。このため、10年後に蒸気タービン13が稼働を停止して、無重力熱交換器が稼働する場合を想定したときでも、余裕を持って2〜3台設置すれば炉心の冷却は可能である。
The natural convection fin 38a is a fin having a fin height P / 4. When the thermal conductivity of steel is k = 42.8 W / mK, the periphery of the fin is 2H, and the fin thickness is t = 1 mm, the fin efficiency is 0.73. Therefore, the exchange heat quantity Q s of one unit of the non-powered heat exchanger 38 is
It becomes. That is, a single non-powered heat exchanger 38 can remove heat of 272 kW. As shown in FIG. 2, Fukushima Daiichi Nuclear Power Station Unit 2 has a core calorific value of about 100 kW and a condensed water amount of 0.05 liter / s in 10 years after the reactor shutdown. For this reason, even if it is assumed that the steam turbine 13 stops operating after 10 years and the zero gravity heat exchanger operates, the core can be cooled if two or three units are installed with a margin.

図1および図3に示すように、コントロールユニット21は、隔離機械室22とは独立な完全密閉容器内に収容され、地下に配置されている。コントロールユニット21は、外部電源、隔離機械室22のバッテリー18、および太陽光発電装置19で駆動可能であり、中にはバックアップ電源を有し、全ての電源が途絶えても最終的に一定時間駆動するよう構成されている。コントロールユニット21は、各種測定器とそれらのデータを無線で発信するコミュニケーションシステム、バルブ等の駆動信号の発信、マニュアル操作のための有線コミュニケーションシステム、コントロールコンピュータで構成されている。コントロールユニット21は、原子炉停止後30年で、本冷却システムの全機能が停止したとき、自動的に最終的なシャットダウンシークエンスを実行可能になっている。   As shown in FIGS. 1 and 3, the control unit 21 is accommodated in a completely sealed container independent of the isolation machine room 22, and is disposed underground. The control unit 21 can be driven by an external power source, the battery 18 of the isolation machine room 22, and the solar power generation device 19, and has a backup power source, and finally drives for a certain time even when all the power sources are cut off. It is configured to The control unit 21 includes a communication system for wirelessly transmitting various measuring instruments and their data, a wired communication system for transmitting driving signals for valves and the like, and manual operation, and a control computer. The control unit 21 can automatically execute a final shutdown sequence when all the functions of the cooling system are stopped 30 years after the reactor shutdown.

無人・無動力原子炉冷却システム10は、以下のように作動する。
原子炉が何らかの理由で緊急停止すると、制御棒が上がり臨界が停止する。炉心と原子力発電機用タービン2とを結ぶ主蒸気管3と給水管とが遮断され、電力が外部から得られる場合または非常電源が作動している場合は、緊急炉心冷却装置が作動して緊急の冷却を行う。さらに、残留熱除去設備で外部からの海水を熱交換器で循環し、炉心の水と熱交換することによって炉心の冷却が行われる。電源が得られないときは、原子炉隔離時冷却設備が作動して、圧力制御室の水が高温になって飽和するまで、炉心を冷却する。その炉心の冷却が停止した後、無人・無動力原子炉冷却システム10が作動する。
The unmanned / powerless reactor cooling system 10 operates as follows.
If the reactor is shut down for some reason, the control rod will go up and the criticality will stop. When the main steam pipe 3 connecting the core and the turbine 2 for nuclear power generator and the water supply pipe are cut off and electric power is obtained from the outside or when the emergency power supply is operating, the emergency core cooling device is activated and the emergency Cool down. Furthermore, the seawater from the outside is circulated in the heat exchanger in the residual heat removal facility, and the core is cooled by exchanging heat with the core water. When power is not available, the reactor isolation cooling system is activated to cool the core until the water in the pressure control chamber becomes hot and saturated. After the cooling of the reactor core is stopped, the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 is activated.

なお、図2に示す一例では、臨界停止10時間後の崩壊熱は約15MWであるため、無人・無動力原子炉冷却システム10は、余裕を持って30MWの最大冷却能力が設定されていることが好ましい。また、原子炉隔離時冷却設備が作動している間に非常電源が途絶える場合には、主蒸気管3からバイパスで無人・無動力原子炉冷却システム10の蒸気タービン13に蒸気の一部を引き込み、発電して本体の原子炉中央制御室4の電力を確保することもできる。   In the example shown in FIG. 2, the decay heat after 10 hours of critical shutdown is about 15 MW. Therefore, the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 has a maximum cooling capacity of 30 MW with a margin. Is preferred. If the emergency power supply is interrupted while the reactor isolation cooling system is operating, a part of the steam is drawn from the main steam pipe 3 into the steam turbine 13 of the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 by bypass. It is also possible to secure electric power in the main reactor central control room 4 by generating power.

原子炉隔離時冷却設備が停止した直後の炉心温度は、サプレッションチャンバーの飽和温度で約100℃であると推定されるが、その後崩壊熱で圧力が上昇し、200℃、15気圧まで上昇する。その時、主蒸気管3の1系統から分岐された分岐バルブ12が開き、蒸気パイプ11に蒸気が流入する。なお、無人・無動力原子炉冷却システム10が作動していないときには、蒸気パイプ11や凝縮パイプ15を1気圧(絶対圧)以上の窒素で満たし、水素を含む蒸気が流入しても爆発しないように措置をしておく。また、初期の蒸気には、比較的多量の放射能および水素が含まれているため、冷却塔32の上部には放射性ガス浄化装置32eの他に、初期放射性ガス除去装置を備え、水素爆発が起きないようにしておくことが好ましい。   The core temperature immediately after the reactor isolation cooling facility is shut down is estimated to be about 100 ° C. at the saturation temperature of the suppression chamber, but then the pressure rises due to decay heat and rises to 200 ° C. and 15 atm. At that time, the branch valve 12 branched from one system of the main steam pipe 3 is opened, and the steam flows into the steam pipe 11. When the unmanned / powerless reactor cooling system 10 is not operating, the steam pipe 11 and the condensation pipe 15 are filled with nitrogen of 1 atm (absolute pressure) or more so that no explosion occurs even when steam containing hydrogen flows in. Take measures. In addition, since the initial steam contains a relatively large amount of radioactivity and hydrogen, the upper part of the cooling tower 32 is provided with an initial radioactive gas removing device in addition to the radioactive gas purifying device 32e, and hydrogen explosion occurs. It is preferable not to get up.

蒸気パイプ11に流入した蒸気は、高圧タービン13aを駆動し、冷却手段14の熱交換装置31に流入する。このとき、高圧タービン13a内の断熱膨張で、蒸気の温度が約150℃まで下がるよう設定しておく。この過程で、最大5MWのタービン出力が得られる。冷却手段14に流入した蒸気は、フィンチューブ型の熱交換装置31の導管31aで空気と熱交換して凝縮する。蒸気で加熱された空気は、冷却塔32の中で浮力を得て外部に排出される。その浮力によって、熱交換装置31の入口の空気を吸引する。つまり、冷却塔32が煙突となり、冷却空気を導入する。   The steam that has flowed into the steam pipe 11 drives the high-pressure turbine 13 a and flows into the heat exchange device 31 of the cooling means 14. At this time, the temperature of the steam is set to be lowered to about 150 ° C. by adiabatic expansion in the high-pressure turbine 13a. In this process, a maximum turbine output of 5 MW is obtained. The steam that has flowed into the cooling means 14 is condensed by exchanging heat with air through the conduit 31a of the fin-tube heat exchanger 31. The air heated by the steam obtains buoyancy in the cooling tower 32 and is discharged outside. The air at the inlet of the heat exchange device 31 is sucked by the buoyancy. That is, the cooling tower 32 becomes a chimney and introduces cooling air.

入口空気温度40℃、導管31aの凝縮温度150℃(4.5気圧)で、フィン31bの平均温度が100℃となる場合、図5に示すフィン31bが5段の1ユニット当たりの放熱量は、1.2MWとなるため、30MWの熱を吸収するためには、そのユニットが大略25台必要となる。このとき、熱交換装置31の入口直径は、約12mとなる。   When the inlet air temperature is 40 ° C., the condensation temperature of the conduit 31a is 150 ° C. (4.5 atm), and the average temperature of the fins 31b is 100 ° C., the heat dissipation amount per unit of the fin 31b shown in FIG. Therefore, approximately 25 units are required to absorb 30 MW of heat. At this time, the inlet diameter of the heat exchange device 31 is about 12 m.

凝縮した水は、高圧タービン13aと直結した高圧ポンプ16aで主給水管の1系統を経由して炉心に戻される。作動初期における水の流量は、約14リットル/秒である。この凝縮水を送水する動力は30kW程度であるため、高圧タービン13aの出力には十分余裕がある。その余剰エネルギーで発電機17を回し、隔離機械室22のバッテリー18およびコントロールユニット21の電池の充電、ならびに原子炉中央制御室4の電源確保に使用することができ、システムの健全性を維持することができる。高圧タービン13aが作動している間は、タービン入口圧力を15気圧に保ち、動作させる。1年後、炉心の発熱量が約1MWに減少した時点で、蒸気流路が低圧タービン13bに切り替わる。   The condensed water is returned to the core through one system of the main water supply pipe by a high-pressure pump 16a directly connected to the high-pressure turbine 13a. The flow rate of water at the beginning of operation is about 14 liters / second. Since the power for feeding the condensed water is about 30 kW, the output of the high-pressure turbine 13a has a sufficient margin. The generator 17 is rotated by the surplus energy, and can be used to charge the battery 18 of the isolation machine room 22 and the battery of the control unit 21 and to secure the power source of the reactor central control room 4, thereby maintaining the soundness of the system. be able to. While the high-pressure turbine 13a is operating, the turbine inlet pressure is kept at 15 atm and operated. One year later, when the heating value of the core decreases to about 1 MW, the steam flow path is switched to the low-pressure turbine 13b.

低圧タービン13bに切り替わったときの凝縮水の流量は、0.5リットル/秒である。低圧タービン13bの設定圧力を、120℃で2気圧に設定しておく。蒸気圧を常に大気圧より大きくしておくのは、炉心に空気が入って水素爆発するのを防ぐためである。また、冷却塔32の上部に設置された真空ポンプおよび放射性ガス浄化装置32eで、常に非凝縮製ガスを連続的に取り出すことにより、熱交換装置31の性能を維持する。低圧タービン13bに接続された低圧発電機17bは、バッテリー18に接続され、その電力で小型の低圧ポンプ16bを駆動して、凝縮水を原子炉内に注水する。この段階では、原子炉中央制御室4等に電力を供給しない。これらの過程で失われた水は、原子炉の水タンクから炉心に供給される。低圧タービン13bは、炉心発熱量が100kWになる10年後まで動作させる。その期間の後半では、蒸気は熱交換装置31に到達しないで凝縮する分もあるため、その凝縮水はバイパス管路23を通して低圧ポンプ16bに供給される。   The flow rate of the condensed water when switched to the low-pressure turbine 13b is 0.5 liter / second. The set pressure of the low-pressure turbine 13b is set to 2 atm at 120 ° C. The reason why the vapor pressure is always set higher than the atmospheric pressure is to prevent hydrogen explosion due to air entering the core. Further, the performance of the heat exchange device 31 is maintained by continuously taking out the non-condensed gas with the vacuum pump and the radioactive gas purification device 32e installed at the upper part of the cooling tower 32. The low-pressure generator 17b connected to the low-pressure turbine 13b is connected to the battery 18 and drives a small low-pressure pump 16b with the electric power to inject condensed water into the reactor. At this stage, power is not supplied to the reactor central control room 4 or the like. The water lost in these processes is supplied from the reactor water tank to the reactor core. The low-pressure turbine 13b is operated until 10 years after the core heating value reaches 100 kW. In the latter half of the period, the steam does not reach the heat exchanging device 31 and condenses, so the condensed water is supplied to the low pressure pump 16 b through the bypass line 23.

それ以後も自立運転する場合には、冷却塔32に設置した太陽光発電装置19でバッテリー18を充電し、低圧ポンプ16bで炉心注水を継続する。また、低圧ポンプ16bが動作しなくなったときには、原子炉より上に設置されたサーモサイフォン式冷却装置20で炉心の冷却を継続する。30年後に炉心発熱量が30kWに減少して原子炉が自動停止したとき、全てのバルブを閉鎖し、燃料棒を取り出すか炉建屋を完全に封鎖する。このシャットアウトシークエンスは、コントロールユニット21により、バッテリー18の電力を利用して実行される。   After that, in the case of independent operation, the battery 18 is charged by the solar power generation device 19 installed in the cooling tower 32, and the core water injection is continued by the low-pressure pump 16b. When the low-pressure pump 16b stops operating, the core cooling is continued by the thermosiphon cooling device 20 installed above the reactor. When the reactor core calorific value is reduced to 30 kW after 30 years and the reactor is automatically shut down, all valves are closed and fuel rods are taken out or the reactor building is completely closed. This shut-out sequence is executed by the control unit 21 using the power of the battery 18.

以上のプロセスは、10年もしくは30年間完全に作業員が不在の場合に想定される最悪の場合のシナリオである。実際には、この動作プロセスの途中で保守点検を行う場合が多い。また、電源が回復すれば、本来の炉心冷却設備を作動させることができる。   The above process is the worst case scenario assumed when there are no workers for 10 or 30 years. In practice, maintenance inspection is often performed during the operation process. Moreover, if the power supply is restored, the original core cooling equipment can be operated.

このように、無人・無動力原子炉冷却システム10は、原子炉圧力容器1の内部で発生した蒸気を、冷却手段14により外気と熱交換させて冷却し凝縮させ、その凝縮した液体を原子炉圧力容器1の内部に戻すことにより、原子炉の炉心を冷却することができる。この原子炉圧力容器1の内部で発生した蒸気を外気で冷却して戻す冷却サイクルを維持することにより、炉心を冷却し続けることができる。   In this way, the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 cools and condenses the steam generated inside the reactor pressure vessel 1 through heat exchange with the outside air by the cooling means 14 and condenses the condensed liquid. By returning to the inside of the pressure vessel 1, the core of the nuclear reactor can be cooled. By maintaining a cooling cycle in which the steam generated in the reactor pressure vessel 1 is cooled by outside air and returned, the core can be continuously cooled.

無人・無動力原子炉冷却システム10は、蒸気タービン13により、冷却手段14で凝縮した液体を原子炉圧力容器1の内部に戻す凝縮液ポンプ16を駆動することができるため、外部からの電力供給や非常用電源がなくても、冷却サイクルを維持することができ、炉心を冷却し続けることができる。また、人間による操作がなくても、冷却サイクルが維持されるため、炉心を冷却し続けることができる。炉心が十分に冷却され、原子炉圧力容器1の内部で蒸気が発生しなくなるまで冷却サイクルを維持することができ、原子炉が自動的に完全停止するまで、炉心を冷却し続けることができる。このように、無人・無動力原子炉冷却システム10は、原子炉の主要機器が動作していれば、外部からの電力や燃料・人的支援がなくても、崩壊熱が十分減少して原子炉が自動的に完全停止するまでの間、炉心を冷却し続けることができる。無人・無動力原子炉冷却システム10は、新設の原子炉だけでなく、既存の原子炉にも設置可能である。   The unmanned / unpowered reactor cooling system 10 can drive the condensate pump 16 that returns the liquid condensed by the cooling means 14 to the inside of the reactor pressure vessel 1 by the steam turbine 13. Even without an emergency power source, the cooling cycle can be maintained and the core can be continuously cooled. Further, since the cooling cycle is maintained without any human operation, the core can be continuously cooled. The cooling cycle can be maintained until the core is sufficiently cooled and no steam is generated inside the reactor pressure vessel 1, and the core can continue to be cooled until the reactor is automatically completely shut down. In this way, the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 is capable of reducing the decay heat and reducing the atomic energy without the need for external power, fuel, or human assistance if the main equipment of the reactor is operating. The core can continue to cool until the furnace is automatically shut down. The unmanned / powerless reactor cooling system 10 can be installed not only in a newly installed reactor but also in an existing reactor.

無人・無動力原子炉冷却システム10は、稼働しはじめてから、炉心が冷却されて原子炉が自動的に完全停止するまで、原子炉圧力容器1の内部の発熱量が大きく変化する範囲で蒸気タービン13が使用されるため、蒸気タービン13を発熱量が大きいときに効率的に稼働する高圧タービン13aと、発熱量が小さいときに効率的に稼働する低圧タービン13bとに分けることにより、凝縮液ポンプ16を効率よく駆動することができる。また、高圧タービン13aおよび低圧タービン13bの能力に応じて、凝縮液ポンプ16をそれぞれ高圧ポンプ16aと低圧ポンプ16bとに分けることにより、凝縮した液体を効率よく原子炉圧力容器1の内部に戻すことができる。   The unmanned / powerless reactor cooling system 10 is a steam turbine in a range in which the amount of heat generated inside the reactor pressure vessel 1 changes greatly from the start of operation until the reactor core is cooled and the reactor is automatically completely stopped. 13 is used, the condensate pump is divided by dividing the steam turbine 13 into a high-pressure turbine 13a that operates efficiently when the calorific value is large and a low-pressure turbine 13b that operates efficiently when the calorific value is small. 16 can be driven efficiently. Further, by dividing the condensate pump 16 into the high pressure pump 16a and the low pressure pump 16b according to the capabilities of the high pressure turbine 13a and the low pressure turbine 13b, the condensed liquid can be efficiently returned to the inside of the reactor pressure vessel 1. Can do.

無人・無動力原子炉冷却システム10は、外気と熱交換して蒸気を冷却する冷却手段14を比較的簡単な構造で構成することができるため、冷却手段14が破損したり故障したりしにくく、長期間安定して蒸気の冷却を行うことができる。冷却塔32が免震構造であるため、地震による被害を防ぐことができる。各脚部32aが互いの間を流体が通過可能に、互いに間隔を開けて配置され、塔本体32bが各脚部32aにより設置面から所定の高さに支持されているため、各脚部32aの間を津波が流れ、津波による塔本体32bや熱交換装置31の被害を防ぐことができる。また、熱交換装置31で蒸気と熱交換して温められた外気が上昇し、煙突部32cを通って排出されるため、熱交換装置31に新たな冷却用の外気を吸引することができ、冷却効率を高めることができる。このように、熱交換装置31は、蒸気の凝縮熱で自然対流を起こし、炉心を冷却することができ、無動力での長期の崩壊熱除去に有効である。   In the unmanned / powerless reactor cooling system 10, the cooling means 14 that cools the steam by exchanging heat with the outside air can be configured with a relatively simple structure, so that the cooling means 14 is not easily damaged or broken down. It is possible to cool the steam stably for a long time. Since the cooling tower 32 has a seismic isolation structure, damage due to the earthquake can be prevented. Since each leg part 32a is arrange | positioned mutually spaced apart so that a fluid can pass between each other, and the tower main body 32b is supported by the predetermined height from the installation surface by each leg part 32a, each leg part 32a. A tsunami flows between them, and damage to the tower body 32b and the heat exchange device 31 due to the tsunami can be prevented. Moreover, since the outside air heated by exchanging heat with steam in the heat exchange device 31 rises and is discharged through the chimney 32c, new outside air for cooling can be sucked into the heat exchange device 31, Cooling efficiency can be increased. Thus, the heat exchange device 31 can cause natural convection by the heat of condensation of steam and cool the core, and is effective for long-term decay heat removal without power.

無人・無動力原子炉冷却システム10は、何らかの原因で蒸気タービン13が稼働を停止したときでも、太陽光発電装置19により凝縮液ポンプ16を駆動することができ、無動力で炉心を冷却し続けることができる。また、原子炉圧力容器1の内部の発熱量が減少して蒸気タービン13が稼働を停止したときでも、太陽光発電装置19により原子炉が完全に停止するまで炉心を冷却し続けることができる。これにより、炉心溶融に至る危険性を回避することができ、安全性を高めることができる。   The unmanned / powerless reactor cooling system 10 can drive the condensate pump 16 by the solar power generator 19 even when the steam turbine 13 stops operating for some reason, and continues to cool the core without power. be able to. Further, even when the amount of heat generated inside the reactor pressure vessel 1 decreases and the steam turbine 13 stops operating, the solar core can be continuously cooled by the solar power generator 19 until the reactor is completely stopped. As a result, the risk of core melting can be avoided, and safety can be improved.

また、無人・無動力原子炉冷却システム10は、何らかの原因で蒸気タービン13や凝縮液ポンプ16が稼働を停止したときでも、サーモサイフォン式冷却装置20により、ほぼ無動力で炉心を冷却し続けることができる。また、原子炉圧力容器1の内部の発熱量が減少したり、冷却手段14が故障したりして蒸気タービン13や凝縮液ポンプ16が稼働を停止したときでも、サーモサイフォン式冷却装置20により、原子炉が完全に停止するまで炉心を冷却し続けることができる。これにより、炉心溶融に至る危険性を回避することができ、安全性を高めることができる。   Further, the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 continues to cool the core almost unpowered by the thermosiphon cooling device 20 even when the steam turbine 13 or the condensate pump 16 stops operating for some reason. Can do. Further, even when the steam turbine 13 or the condensate pump 16 stops operating due to a decrease in the amount of heat generated inside the reactor pressure vessel 1 or a failure of the cooling means 14, the thermosiphon cooling device 20 The core can continue to cool until the reactor is completely shut down. As a result, the risk of core melting can be avoided, and safety can be improved.

図8は、本発明の第2の実施の形態の無人・無動力原子炉冷却システム50を示している。
図8に示すように、無人・無動力原子炉冷却システム50は、外部からの電力供給が停止した加圧水型原子力プラント(PWR)の原子炉を冷却するための無人・無動力原子炉冷却システムである。無人・無動力原子炉冷却システム50は、蒸気パイプ11と分岐バルブ12と蒸気タービン13と冷却手段14と凝縮パイプ15と凝縮液ポンプ16と発電機17とバッテリー18と太陽光発電装置19とサーモサイフォン式冷却装置20とコントロールユニット21とを有している。
FIG. 8 shows an unmanned and unpowered reactor cooling system 50 according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 8, the unmanned / unpowered reactor cooling system 50 is an unmanned / unpowered reactor cooling system for cooling a reactor of a pressurized water nuclear power plant (PWR) whose power supply from the outside is stopped. is there. The unmanned / powerless reactor cooling system 50 includes a steam pipe 11, a branch valve 12, a steam turbine 13, a cooling means 14, a condensing pipe 15, a condensate pump 16, a generator 17, a battery 18, a solar power generation device 19, and a thermostat. A siphon type cooling device 20 and a control unit 21 are provided.

なお、無人・無動力原子炉冷却システム50の実施態様は、原子炉のタイプが異なる以外は、本発明の第1の実施の形態の無人・無動力原子炉冷却システム10とほぼ同様である。このため、以下の説明では、本発明の第1の実施の形態の無人・無動力原子炉冷却システム10と同一の構成には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。   The embodiment of the unmanned / unpowered reactor cooling system 50 is substantially the same as the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 of the first embodiment of the present invention, except that the reactor type is different. For this reason, in the following description, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as the unmanned and unpowered reactor cooling system 10 of the 1st Embodiment of this invention, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

加圧水型原子炉(PWR)の場合、原子炉隔離時冷却設備がないため、初期の炉心冷却には余熱除去設備(RHRS)5を作動させることになる。炉心が緊急停止すると、制御棒が下がり炉心の臨界が停止する。炉心が一次喪失した場合は、非常用炉心低客設備(ECCS)が作動し、炉心にホウ酸水等を注入する。その後、炉心の発熱が減少してから余熱除去設備5が作動する。外部電源がない場合は、ディーゼル非常電源などの緊急電源でECCSおよび余熱除去設備5が作動する。外部電源および緊急電源が作動しなくなり、余熱除去設備5が停止して炉内圧力が上がったときに、無人・無動力原子炉冷却システム50が作動する。   In the case of a pressurized water reactor (PWR), since there is no cooling facility for reactor isolation, the residual heat removal facility (RHRS) 5 is operated for initial core cooling. When the core stops urgently, the control rods are lowered and the core criticality is stopped. When the core is temporarily lost, the emergency core low customer facility (ECCS) is activated and boric acid water or the like is injected into the core. Thereafter, the residual heat removal equipment 5 is activated after the heat generation in the core is reduced. When there is no external power source, the ECCS and the residual heat removal facility 5 operate with an emergency power source such as a diesel emergency power source. The unmanned / unpowered reactor cooling system 50 operates when the external power supply and the emergency power supply stop operating and the residual heat removal equipment 5 stops and the pressure inside the reactor rises.

まず、ブローダウンにより炉心の圧力を14MPa以上から7MPaの飽和圧力まで降下させて蒸気を発生させる。そのとき、高温高圧の水が気液分離するように気液分離器6を介して蒸気を取り出す必要がある。さらに、この蒸気の圧力を調圧弁で2MPaまで減少させた後、その蒸気により高圧タービン13aを駆動し、凝縮水を循環させる。なお、凝縮水を高圧の炉心に送り込むため、凝縮液ポンプ16の作動圧力は無人・無動力原子炉冷却システム10のものよりも大きくすることに注意する必要がある。   First, steam is generated by lowering the pressure of the core from 14 MPa or more to a saturation pressure of 7 MPa by blowdown. At that time, it is necessary to take out steam through the gas-liquid separator 6 so that the high-temperature and high-pressure water is gas-liquid separated. Further, after the pressure of the steam is reduced to 2 MPa by a pressure regulating valve, the high pressure turbine 13a is driven by the steam and the condensed water is circulated. It should be noted that the operating pressure of the condensate pump 16 is higher than that of the unmanned / unpowered reactor cooling system 10 in order to feed the condensed water to the high pressure core.

高圧タービン13aに接続した高圧発電機17aの電力で、余熱除去設備5を駆動させる。なお、原子炉が余熱除去設備5により冷えると蒸気が発生しなくなるため、余熱除去設備5が作動しなくなる。余熱除去設備5が停止すると、再び炉内圧力が上がって蒸気が発生し、無人・無動力原子炉冷却システム50が作動する。このように、無人・無動力原子炉冷却システム50が間欠的に動くため、これに合わせて、余熱除去設備5の1系統が間欠的に動作するよう構成しておく。炉心の崩壊熱が収まり、初期冷却が終了すると、無人・無動力原子炉冷却システム50のみで炉心冷却を継続する。炉心の冷却水が減少した場合は、緊急給水系から水を注入する。   The residual heat removal equipment 5 is driven by the electric power of the high pressure generator 17a connected to the high pressure turbine 13a. In addition, since a steam will not generate | occur | produce when a nuclear reactor cools with the residual heat removal equipment 5, the residual heat removal equipment 5 will not operate | move. When the residual heat removal equipment 5 stops, the pressure in the reactor rises again to generate steam, and the unmanned / unpowered reactor cooling system 50 operates. Since the unmanned / unpowered nuclear reactor cooling system 50 moves intermittently in this way, one system of the residual heat removal equipment 5 is configured to operate intermittently in accordance with this. When the decay heat of the core is settled and the initial cooling is completed, the core cooling is continued only by the unmanned / non-powered reactor cooling system 50. When the cooling water in the core decreases, water is injected from the emergency water supply system.

また、何らかの理由でECCSおよび余熱除去設備5が作動しない場合にも、無人・無動力原子炉冷却システム50のみで炉心の冷却を行う必要がある。炉心停止直後の崩壊熱は大きいため、無人・無動力原子炉冷却システム50の冷却能力(例えば、30MW)を超える場合がある。この場合には、炉心から分岐した蒸気を一部バイパスし、緊急時蒸気放出器7を介して炉内蒸気を環境にブローオフすることになる。環境に放出する前に、水と砂を満たした緊急浄化装置で放出放射能を極力低下させる必要がある。この時点で炉心損傷は起きていないため、環境への放射能放出は限定的であると考えられる。この、ブローオフは長くても10時間である。ブローオフで失われた水は、緊急給水系から炉心に注入される。なお、この緊急ブローオフ装置は、BWRの隔離時原子炉冷却装置が作動しない場合のバックアップとして設置されてもよい。   Even when the ECCS and the residual heat removal equipment 5 do not operate for some reason, it is necessary to cool the core only by the unmanned / non-powered reactor cooling system 50. Since the decay heat immediately after the reactor core is stopped is large, the cooling capacity (for example, 30 MW) of the unmanned / unpowered reactor cooling system 50 may be exceeded. In this case, the steam branched from the core is partially bypassed, and the steam in the furnace is blown off to the environment via the emergency steam discharger 7. Before releasing to the environment, it is necessary to reduce the emitted radioactivity as much as possible with an emergency purification device filled with water and sand. Since no core damage has occurred at this point, the release of radioactivity into the environment is considered to be limited. This blow-off is at most 10 hours. Water lost in the blow-off is injected into the core from the emergency water supply system. This emergency blow-off device may be installed as a backup when the reactor cooling device for BWR isolation does not operate.

1 原子炉圧力容器
2 原子力発電機用タービン
3 主蒸気管
4 原子炉中央制御室
10 無人・無動力原子炉冷却システム
11 蒸気パイプ
12 分岐バルブ
13 蒸気タービン
13a 高圧タービン
13b 低圧タービン
14 冷却手段
15 凝縮パイプ
16 凝縮液ポンプ
16a 高圧ポンプ
16b 低圧ポンプ
17 発電機
17a 高圧発電機
17b 低圧発電機
18 バッテリー
19 太陽光発電装置
20 サーモサイフォン式冷却装置
21 コントロールユニット
22 隔離機械室
22a ヒートパイプ
23 バイパス管路
31 熱交換装置
31a 導管
31b フィン
31c 蒸気ヘッダー
31d 凝縮液ヘッダー
31e 圧力センサ
31f 遮断弁
32 冷却塔
32a 脚部
32b 塔本体
32c 煙突部
32d 防護フェンス
32e 放射性ガス浄化装置
33 蒸気管
34 ディストリビュータ
35 シャットオフバルブ
36 蒸気逆止弁
37 圧力計
38 無動力熱交換器
39 凝縮水逆止弁
40 シャットオフバルブ
41 凝縮水収集配管
42 パイプ
43 真空ポンプ配管
44 真空ポンプ
45 放射能除去フィルター
46 排気煙突
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reactor pressure vessel 2 Nuclear power generator turbine 3 Main steam pipe 4 Reactor central control room 10 Unmanned and unpowered reactor cooling system 11 Steam pipe 12 Branch valve 13 Steam turbine 13a High pressure turbine 13b Low pressure turbine 14 Cooling means 15 Condensation Pipe 16 Condensate pump 16a High pressure pump 16b Low pressure pump 17 Generator 17a High pressure generator 17b Low pressure generator 18 Battery 19 Solar power generation device 20 Thermosiphon cooling device 21 Control unit 22 Isolation machine room 22a Heat pipe 23 Bypass line 31 Heat exchanger 31a Conduit 31b Fin 31c Steam header 31d Condensate header 31e Pressure sensor 31f Shut-off valve 32 Cooling tower 32a Leg 32b Tower body 32c Chimney 32d Protective fence 32e Radioactive gas purification 33 Steam pipe 34 Distributor 35 Shut-off valve 36 Steam check valve 37 Pressure gauge 38 Powerless heat exchanger 39 Condensate check valve 40 Shut-off valve 41 Condensate collection pipe 42 Pipe 43 Vacuum pump pipe 44 Vacuum pump 45 Radiation Performance removal filter 46 Exhaust chimney

Claims (6)

外部からの電力供給が停止した原子力発電プラントの原子炉を冷却するための無人・無動力原子炉冷却システムであって、
原子炉圧力容器の内部で発生した蒸気により稼働する蒸気タービンと、
前記蒸気タービンを稼働させた後の前記蒸気を外気と熱交換させて凝縮させる冷却手段と、
前記蒸気タービンにより駆動し、前記冷却手段で凝縮した液体を前記原子炉圧力容器の内部に戻す凝縮液ポンプとを、
有することを特徴とする無人・無動力原子炉冷却システム。
An unmanned and unpowered reactor cooling system for cooling a nuclear power plant nuclear reactor whose power supply from the outside is stopped,
A steam turbine that is operated by steam generated inside the reactor pressure vessel;
Cooling means for condensing the steam after operating the steam turbine by exchanging heat with outside air;
A condensate pump driven by the steam turbine and returning the liquid condensed by the cooling means to the inside of the reactor pressure vessel;
An unmanned and unpowered nuclear reactor cooling system.
前記蒸気タービンは、前記原子炉圧力容器の内部の発熱量が所定の発熱量より大きいときに稼働する高圧タービンと、前記原子炉圧力容器の内部の発熱量が前記所定の発熱量より小さいときに稼働する低圧タービンとを有し、
前記凝縮液ポンプは、前記高圧タービンにより駆動する高圧ポンプと、前記低圧タービンにより駆動する低圧ポンプとを有することを
特徴とする請求項1記載の無人・無動力原子炉冷却システム。
The steam turbine includes a high pressure turbine that operates when a heat generation amount inside the reactor pressure vessel is larger than a predetermined heat generation amount, and a heat generation amount inside the reactor pressure vessel that is smaller than the predetermined heat generation amount. A low-pressure turbine that operates,
The unmanned / unpowered reactor cooling system according to claim 1, wherein the condensate pump includes a high-pressure pump driven by the high-pressure turbine and a low-pressure pump driven by the low-pressure turbine.
前記蒸気タービンが稼働を停止したとき、前記凝縮液ポンプを駆動可能に設けられた太陽光発電装置を有することを特徴とする請求項1または2記載の無人・無動力原子炉冷却システム。   The unmanned / unpowered reactor cooling system according to claim 1, further comprising a solar power generation device provided so that the condensate pump can be driven when the steam turbine stops operating. 前記原子炉圧力容器より高い位置に配置され、前記蒸気タービンが稼働を停止したとき駆動し、前記原子炉圧力容器の内部で発生した蒸気を外気と熱交換させて凝縮させ、凝縮した液体を前記原子炉圧力容器の内部に戻すよう構成されたサーモサイフォン式冷却装置を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の無人・無動力原子炉冷却システム。   It is arranged at a position higher than the reactor pressure vessel, and is driven when the steam turbine stops operating.The steam generated inside the reactor pressure vessel is condensed by exchanging heat with the outside air, and the condensed liquid is The unmanned / unpowered reactor cooling system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a thermosiphon cooling device configured to return to the inside of the reactor pressure vessel. 前記冷却手段は熱交換装置と冷却塔とを有し、
前記熱交換装置は、前記蒸気を通過させる複数の導管と、各導管の外側面に、外気と接する面積を増やすために設けられたフィンとを有し、
前記冷却塔は免震構造で、互いの間を流体が通過可能に、互いに間隔を開けて配置された複数の脚部と、各脚部により設置面から所定の高さに支持された塔本体とを有し、前記塔本体は、下部に前記熱交換装置が配置され、前記熱交換装置の上方に前記蒸気と熱交換して温められた外気を排出するための煙突部を有していることを
特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の無人・無動力原子炉冷却システム。
The cooling means has a heat exchange device and a cooling tower,
The heat exchange device includes a plurality of conduits through which the steam passes, and fins provided on the outer surface of each conduit to increase an area in contact with outside air,
The cooling tower has a seismic isolation structure, a plurality of legs arranged at intervals from each other so that fluid can pass between each other, and a tower main body supported at a predetermined height from the installation surface by each leg. The tower body has a chimney for discharging the outside air heated by exchanging heat with the steam above the heat exchange device. The unmanned / unpowered nuclear reactor cooling system according to any one of claims 1 to 4.
前記原子炉圧力容器の内部で発生した前記蒸気を、前記蒸気タービンを通して前記冷却手段に導くよう、前記原子炉圧力容器と原子力発電機用タービンとを結ぶ配管の途中に接続された蒸気パイプと、
前記冷却手段で凝縮した前記液体を、前記原子炉圧力容器の内部に導くよう設けられた凝縮パイプと、
前記蒸気タービンにより発電可能に設けられた発電機と、
前記発電機で発電された電気を蓄えるバッテリーと、
前記蒸気パイプに設けられ、前記原子炉圧力容器の内部が所定の温度を超えたとき、前記蒸気を前記蒸気パイプに導くよう構成された分岐バルブとを、
有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の無人・無動力原子炉冷却システム。
A steam pipe connected in the middle of a pipe connecting the reactor pressure vessel and the nuclear power generator turbine so as to guide the steam generated inside the reactor pressure vessel to the cooling means through the steam turbine;
A condensing pipe provided to guide the liquid condensed by the cooling means to the inside of the reactor pressure vessel;
A generator provided so as to be able to generate power by the steam turbine;
A battery for storing electricity generated by the generator;
A branch valve provided in the steam pipe and configured to guide the steam to the steam pipe when the inside of the reactor pressure vessel exceeds a predetermined temperature;
The unmanned / unpowered reactor cooling system according to claim 1, wherein the unmanned / unpowered reactor cooling system is provided.
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