JP2015010841A - 崩壊熱除去システムおよび空気冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉施設の異常時における崩壊熱除去システムの除熱能力を確保しながら、原子炉施設の通常運転状態での崩壊熱除去システムにおける熱損失の発生を抑制する。【解決手段】実施形態によれば、崩壊熱除去システム５０は、２次冷却材を空気によって冷却する空気冷却器１０と、原子炉冷却系４０から高温の２次冷却材を空気冷却器１０に導き、互いに並列に設けられた第１の流路配管３１ａと第１の流路配管３１ａよりも流路面積の小さな第２の流路配管３２とを有する空気冷却器入口配管３１と、空気冷却器１０で冷却された２次冷却材を原子炉冷却系４０に戻す空気冷却器出口配管３３と、第１の流路配管３１ａに設けられて第１の流路配管３１ａを外側から冷却する入口配管冷却装置３５とを有する。空気冷却器１０は原子炉冷却系４０よりも高所に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、崩壊熱除去システムおよび空気冷却器に関する。

液体金属冷却型高速炉における例として、原子炉停止後には、崩壊熱除去システムに設置されたポンプを作動させて空気冷却器の入口に設置された送風機を起動させるとともに空気冷却器の出入口に設置されたダンパを開動作させる。こうして原子炉内熱交換器からナトリウムを空気冷却器の伝熱管内へ導き、原子炉停止後の崩壊熱を除去している。

ナトリウムは入口ヘッダから伝熱管を経て出口ヘッダに流れ、原子炉内熱交換器へ戻る。送風機、ダンパ、ポンプなどを運転するためには電源を必要とする。そこで、送風機やポンプの電源が喪失して電源供給が不可能な場合に備えて、原子炉内熱交換器と空気冷却器の伝熱管との高低差を予め確保した配置としている。また、空気冷却器の出口にスタックを設置して空気の浮力を確保することにより、空気の強制通風による運転のほかに、空気の自然通風とナトリウムの自然循環による除熱を可能としている。

特許第３８５６７７９号公報

空気冷却器に流入するナトリウムの温度が低い場合やナトリウムの循環流量が少ない場合には、自然通風する空気流量が過大で空気冷却器を流れるナトリウムの温度がナトリウムの融点（ナトリウム金属の融点は約９８℃）以下に低下し、ナトリウムが固化して流路が閉塞し、ナトリウムの循環が行われなくなる可能性がある。そのため、ナトリウムの温度や循環流量を勘案して、ナトリウムが固化して閉塞するまでに時間的な猶予を設けてナトリウムを流し続けられることが望まれている。

また、電源が喪失した際に、その事象によっては、空気冷却器でナトリウムを冷却せずに、高温のまま保持する場合もあるが、空気の過大な自然通風により、不用な熱損失を生んでしまう。そのため、必要な除熱量に応じて空気の自然通風量を受動的に制御することが望まれている。

そこで、本発明の実施形態は、原子炉施設の異常時における崩壊熱除去システムの除熱能力を確保しながら、原子炉施設の通常運転状態での崩壊熱除去システムにおける熱損失の発生を抑制することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、原子炉と、液体金属である冷却材を介して前記原子炉で発生する熱を取り出す原子炉冷却系とを有する原子炉施設において、前記原子炉の運転停止後に前記原子炉で発生する崩壊熱を除去する崩壊熱除去システムであって、前記冷却材を空気によって冷却する空気冷却器と、前記原子炉冷却系から高温の前記冷却材を前記空気冷却器に導き、互いに並列に設けられた第１の流路配管と前記第１の流路配管よりも流路面積の小さな第２の流路配管と、を有する空気冷却器入口配管と、前記空気冷却器で冷却された前記冷却材を前記原子炉冷却系に戻す空気冷却器出口配管と、前記第１の流路配管に設けられて前記第１の流路配管を外側から冷却する配管冷却装置と、を備え、前記空気冷却器は前記原子炉冷却系よりも高所に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の実施形態は、液体金属によって冷却される原子炉の運転停止後に前記原子炉で発生する崩壊熱を除去する崩壊熱除去システムにおいて空気冷却器入口配管から流入する冷却材を空気によって冷却して空気冷却器出口配管に流出させる空気冷却器であって、前記空気冷却器入口配管に接続された入口ヘッダと、前記空気冷却器出口配管に接続された出口ヘッダと、前記入口ヘッダと前記出口ヘッダ間を互いに並列に接続する複数の伝熱管と、前記複数の伝熱管を包囲して、上下が開放されたダクトと、前記ダクト内流路を閉止する閉止部材と、前記ダクト内流路を支持する閉止部材支持手段と、をさらに有し、前記閉止部材支持手段は、電力供給されている間は前記閉止部材を支持し、電力供給が途絶えると前記閉止部材の支持を解除するよう構成され、前記閉止部材は前記閉止部材支持手段に支持されている間は前記ダクト内流路を閉止し、前記閉止部材の支持が解除されると前記ダクト内流路を開放するよう構成されたことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、原子炉施設の異常時における崩壊熱除去システムの除熱能力を確保しながら、原子炉施設の通常運転状態での崩壊熱除去システムにおける熱損失の発生を抑制することができる。

第１の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。 第２の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。 第３の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。 第４の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。 第５の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。 第６の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す立断面図である。 第６の実施形態に係る空気冷却器のヘッダと伝熱管の接続部の構成を示す立断面図である。 第７の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す図９の第ＶＩＩＩ―ＶＩＩＩ線矢視立断面図である。 第７の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す図８の第ＩＸ―ＩＸ線矢視水平断面図である。 第８の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す立断面図である。 第８の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す水平断面図である。 第９の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す立断面図である。 第９の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す水平断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る崩壊熱除去システムおよび空気冷却器について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。本実施形態においては、液体金属を冷却材とした液体金属冷却型高速炉における２次冷却系を原子炉冷却系４０として示している。原子炉冷却系４０は、中間熱交換器１、主循環ポンプ２および主熱交換器３を有する。２次冷却材としては、１次冷却系と同様に、液体金属でありかつ常温においては固体であるものが使用される。液体金属としては、たとえば、融点が約９８℃である金属ナトリウムがある。

中間熱交換器１は、原子炉（図示せず）で発生した熱を除去する加熱側の１次冷却系（図示せず）と、被加熱側の２次冷却系との熱交換器である。中間熱交換器１の出口と主熱交換器３の入口は、高温側主配管４によって接続されている。主循環ポンプ２は、高温側主配管４上に設けられている。主熱交換器３の出口と中間熱交換器１の入口は低温側主配管５によって接続されている。なお、主循環ポンプ２は低温側主配管５上に設けられていてもよい。

主熱交換器３は、伝熱管３ａを有し、加熱側である液体金属の２次冷却材は伝熱管３ａの外側を流れる。被加熱側は水であり、伝熱管３ａの内部を流れる。給水管６が伝熱管３ａの入口側（低温側）に接続されている。伝熱管３ａの出口側（高温側）は主蒸気管７に接続されている。

崩壊熱除去システム５０は、空気冷却器１０、高温側主配管４と空気冷却器１０を接続する空気冷却器入口配管３１、および空気冷却器１０と低温側主配管５を接続する空気冷却器出口配管３３を有する。空気冷却器１０入口に２次冷却材を導く空気冷却器入口配管３１は高温側主配管４から分岐する。空気冷却器１０から２次冷却材を原子炉冷却系４０に戻す空気冷却器出口配管３３は、低温側主配管５に合流する。

空気冷却器入口配管３１は、高温側主配管４から分岐する分岐配管３１ｂ、および分岐配管３１ｂに接続されて互いに並列に設けられた第１の流路配管３１ａと第２の流路配管３２とを有する。第２の流路配管３２は、第１の流路配管３１ａに比べて流路面積が小さい。

第１の流路配管３１ａ上には、配管冷却装置３５が設けられている。配管冷却装置３５は、ダクト３５ａおよび送風機３５ｂを有する。第１の流路配管３１ａは、配管冷却装置３５のダクト３５ａ内を通過する。ダクト３５ａ内の第１の流路配管３１ａは、外側にフィンを有するフィン付管３４である。

空気冷却器１０は、入口ヘッダ１２、伝熱管１４、出口ヘッダ１５、およびダクト１１を有する。ダクト１１は、鉛直方向に延びた筒状で上下が開放されている。入口ヘッダ１２、伝熱管１４、出口ヘッダ１５はダクト１１内に収納されている。なお、入口ヘッダ１２、出口ヘッダ１５は、ダクト１１内に収納されていなくてもよい。入口ヘッダ１２は、空気冷却器入口配管３１に接続されている。また、出口ヘッダ１５は、空気冷却器出口配管３３に接続されている。

入口ヘッダ１２は、出口ヘッダ１５よりも高い位置にあり、伝熱管１４は、入口ヘッダ１２の高さ以下の高さであり、出口ヘッダ１５の高さ以上の高さに配設されている。また、伝熱管１４は、入口ヘッダ１２から出口ヘッダ１５に至るまでは、単調に高さが低下する。空気冷却器１０は、原子炉冷却系４０の各機器および配管すなわち、中間熱交換器１、主循環ポンプ２、主熱交換器３、高温側主配管４および低温側主配管５のいずれよりも高い位置に設けられている。

以下に、本実施形態における作用を説明する。原子炉の通常運転状態においては、中間熱交換器１で加熱された２次冷却材は、高温側主配管４を通って主熱交換器３に至る。主熱交換器３は、たとえば図１に示すように蒸気発生器である。主熱交換器３に流入した２次冷却材は、被加熱側流体を加熱した後に主熱交換器３から低温側主配管５に流出して、中間熱交換器１に戻り再び加熱される。

主熱交換器３の被加熱側は、給水管６により給水が送られて、主熱交換器３で加熱された後に蒸気に相変化した後に主蒸気管７に流出する。原子炉の通常運転状態においては、以上のように、原子炉で発生した熱は、中間熱交換器１および主熱交換器３を介して水・蒸気側に伝達され、たとえば、タービン発電機で、電気エネルギーに変換される。

原子炉の通常運転状態においては、配管冷却装置３５の送風機３５ｂが運転され、フィン付管３４内の液体金属は冷却されている。２次冷却材は常温では固体であるので、フィン付管３４内の２次冷却材は固化した状態である。このため２次冷却材は第１の流路配管３１ａ内を流れていない。

一方、第２の流路配管３２内の２次冷却材は強制的に冷却されてはおらず、主循環ポンプ２による駆動力により、２次冷却材は、原子炉冷却系４０内を循環するとともに、高温側主配管４から分岐して分岐配管３１ｂおよび第２の流路配管３２に流入し、空気冷却器１０を経て空気冷却器出口配管３３を流れて低温側主配管５に合流する。

第２の流路配管３２は、第１の流路配管３１ａに比べて流路面積が小さいため、空気冷却器１０を流れる２次冷却材は低流量である。このため、原子炉施設の通常運転時における空気冷却器１０からの無駄な放熱量が抑制される。この結果、プラント効率が向上する。

一方、プラント内の動力電源が喪失する原子炉施設の異常時には、主熱交換器３を介しての水・蒸気側への除熱機能が喪失する。このため、冷却系内の２次冷却材の温度が次第に上昇する。また、配管冷却装置３５の送風機３５ｂへの給電も停止するため送風機３５ｂは停止する。このため、配管冷却装置３５のダクト３５ａ内のフィン付管３４の強制冷却が停止する。

この結果、流れのある分岐配管３１ｂおよび第２の流路配管３２内のナトリウムからの熱伝導によって、フィン付管３４内で固体となっていた２次冷却材が溶融温度まで上昇し液化する。固体であった２次冷却材が液化することにより、第１の流路配管３１ａでの流れが生ずる。空気冷却器１０を通過する２次冷却材は、第２の流路配管３２を経由してくるものに第１の流路配管３１ａを経由してくるものが加わるため、空気冷却器１０の除熱能力が向上する。

ここで、中間熱交換器１が設けられている高さに比べて、空気冷却器１０が設けられている高さの方が高い。また、原子炉施設の異常時においては、中間熱交換器１は原子炉冷却系４０における発熱部であり、空気冷却器１０は放熱部である。すなわち、鉛直方向に低い側に高温部、高い側に低温部が形成されるため、中間熱交換器１と空気冷却器１０との間で、２次冷却材の自然循環の駆動力が生ずる。この結果、原子炉の崩壊熱を中間熱交換器１および空気冷却器１０を経由して効率よく除去することができる。

以上のように、本実施形態においては、原子炉施設の異常時における崩壊熱除去システムの除熱能力を確保しながら、原子炉施設の通常運転状態すなわち崩壊熱除去システムの待機状態における崩壊熱除去システムでの熱損失の発生を抑制することができる。

［第２の実施形態］
図２は、第２の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。

原子炉冷却系４０の構成は第１の実施形態と同様である。崩壊熱除去システム５０は、空気冷却器１０、高温側主配管４と空気冷却器１０を接続する空気冷却器入口配管３１、および空気冷却器１０と低温側主配管５を接続する空気冷却器出口配管３３を有する。空気冷却器１０は、原子炉冷却系４０の機器、配管よりも高い位置に設けられている。

空気冷却器１０は、入口ヘッダ１２、伝熱管１４、出口ヘッダ１５、ダクト１１、出口における閉止部材としての板２１および閉止部材支持手段としての板支持機構２３を有する。入口ヘッダ１２、伝熱管１４および出口ヘッダ１５の構成およびこれらとダクト１１との関係は第１の実施形態と同様である。板２１は、平板状であって、その一端がダクト１１の壁に取り付けられた水平方向に延びる回転軸２２によって回転自在に軸支されている。また、板２１の回転軸２２と反対側は、板支持機構２３により支持可能となっている。

板支持機構２３は、電磁石２３ａ、支持部材２３ｂおよびバネ２３ｃを有する。電磁石２３ａは図示しないソレノイドを励磁することにより磁力を生じ、ソレノイドを無励磁とすることによって磁力を消失する。支持部材２３ｂの板２１側の反対端には永久磁石が取り付けられている。電磁石２３ａのソレノイドが励磁状態になると、永久磁石は反発する。この結果、支持部材２３ｂはバネ２３ｃに逆らって水平方向に移動してダクト１１内に押し込まれる。また、電磁石２３ａのソレノイドが無励磁状態では、磁力が喪失し永久磁石の反発力がなくなるため、支持部材２３ｂはバネ２３ｃの復元力によってダクト１１から外側に押し出される。

電磁石２３ａのソレノイドが励磁状態で支持部材２３ｂがダクト１１内に押し込まれているときは、支持部材２３ｂは、板２１を下方から支持可能である。板２１が支持部材２３ｂによって支持されているときは、板２１はダクト１１内で水平方向に広がった閉状態であり、これによりダクト１１内の空気の流路が閉じられる。

電磁石２３ａのソレノイドが無励磁状態で支持部材２３ｂがダクト１１から外に押し出されているときは、板２１は、下方からの支持がないため、重力により自由吊り下げ状態となる。すなわち、ダクト１１内の空気の流路が形成される。

以上のように構成された本実施形態においては、原子炉施設の通常運転時においては、２次冷却材側は、空気冷却器入口配管３１、空気冷却器１０および空気冷却器出口配管３３により構成される流路は、主熱交換器３側の流路と並列の流路であり、それぞれの抵抗により決まる流量の２次冷却材が空気冷却器１０を通過する。

一方、空気冷却器１０の空気側については、次の状態である。すなわち、電磁石２３ａのソレノイドは励磁されており支持部材２３ｂはバネ２３ｃに逆らってダクト１１内に押し込まれており、板２１は支持部材２３ｂに下方から支持されて水平方向に広がり、ダクト１１内で流路を閉止する状態を維持している。この状態においては、ダクト１１内の空気はダクト１１と板２１間の隙間からの漏えい分のみしか流れない。

このため、原子炉施設の通常運転時においては、空気冷却器１０からの放熱量が抑制される。この結果、プラント効率が向上する。

原子炉施設において電源の喪失を伴う異常が発生した場合は、２次冷却材側は主循環ポンプ２の駆動電源が喪失して原子炉冷却系４０の２次冷却材は自然循環状態となる。

一方、空気冷却器１０の空気側については、電磁石２３ａのソレノイドが無励磁となり、支持部材２３ｂはバネ２３ｃによりダクト１１外に押し出される。このため、板２１は、下方からの支持がなくなり、回転軸２２まわりに回転し、回転軸２２から吊り下げ状態、すなわち開状態となる。この結果、ダクト１１の流路が形成される。伝熱管１４が高温であることから、空気の自然循環量が増し、空気冷却器１０内の空気の流量が確保される。

また、空気冷却器１０において２次冷却材が冷却されることから、２次冷却材側の自然循環力が確保される。以上の結果、原子炉施設の異常時には、崩壊熱の除去機能が確保される。

［第３の実施形態］
図３は、第３の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。本実施形態は、第１の実施形態および第２の実施形態のそれぞれの特徴を組み合わせたものである。

すなわち、空気冷却器入口配管３１は、分岐配管３１ｂ、互いに並列に設けられた第１の流路配管３１ａと、第１の流路配管３１ａに比べて流路面積が小さい第２の流路配管３２を有する。また、第１の流路配管３１ａ上には、ダクト３５ａおよび送風機３５ｂを有する配管冷却装置３５が設けられている。また、空気冷却器１０は、板２１および板支持機構２３を有する。

このように構成された本実施形態においては、特に原子炉施設の通常運転時において、第２の流路配管３２を通過する低流量の２次冷却材が、空気冷却器１０の伝熱管１４を通過する際に、空気側に空気が流れずに停滞していることから、冷却による凍結の可能性が排除される。

このため、通常運転時の放熱の抑制とともに、異常時の運転へ移行がさらに確実となる。

［第４の実施形態］
図４は、第４の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。本実施形態は、第２の実施形態の変形である。すなわち、第２の実施形態における板支持機構２３に代えて本第４の実施形態においては、閉止部材支持手段としての板支持機構２４が設けられている。

板支持機構２４は、図示しないソレノイドを有する。ソレノイドが励磁状態にあっては、板支持機構２４は、磁気的な吸引力を生ずる。

板２１は、上面に磁性材の板が取り付けられている。ソレノイドが励磁状態にあっては、板２１に取り付けられた磁性材の板が、板支持機構２４に磁気的に吸引されて、板２１は上部から支持される。この状態では、板２１は水平方向に広がり、ダクト１１の流路は閉止された状態である。なお、板２１の上面に磁性材の板が取り付けられていることに代えて、板２１自体が磁性材の場合でもよい。

板支持機構２４のソレノイドが無励磁状態の場合は、板支持機構２４は板２１の吸着力を喪失する。この結果、板２１は回転軸２２を中心に回転し、回転軸２２に吊り下げられた状態となる。すなわち、ダクト１１内の上方への空気の流路が形成され、板２１は開状態となる。

第２の実施形態においては、板２１が開状態となるためには支持部材２３ｂがバネ２３ｃの復元力によって移動する必要がある。一方、本第４の実施形態においては、板２１が開くために移動を必要とする部分は板支持機構２４にはない。このため、より簡素な構成で機能を達成することができ、原子炉施設の異常時における崩壊熱除去システムの起動の信頼性を向上することができる。

［第５の実施形態］
図５は、第５の実施形態に係る空気冷却器を含む崩壊熱除去システムの構成を示す立断面図である。本実施形態は、第１の実施形態および第４の実施形態のそれぞれの特徴を組み合わせたものである。

すなわち、空気冷却器入口配管３１は、分岐配管３１ｂ、互いに並列に設けられた第１の流路配管３１ａと、第１の流路配管３１ａに比べて流路面積が小さい第２の流路配管３２を有する。また、第１の流路配管３１ａ上には、ダクト３５ａおよび送風機３５ｂを有する配管冷却装置３５が設けられている。また、空気冷却器１０は、板２１および板支持機構２４を有する。

このように構成された本実施形態においては、特に原子炉施設の通常運転時において、第２の流路配管３２を通過する低流量の２次冷却材が、空気冷却器１０の伝熱管１４を通過する際に、空気側に空気が流れずに停滞していることから、冷却による凍結の可能性が排除される。また、板２１の開動作が確実となる。

この結果、通常運転時の放熱の抑制とともに、異常時の運転への移行がさらに確実となる。

［第６の実施形態］
図６は、第６の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す立断面図である。また、図７は、第６の実施形態に係る空気冷却器のヘッダと伝熱管の接続部の構成を示す立断面図である。本実施形態は、第１ないし第５の実施形態の変形である。入口ヘッダ１２から出口ヘッダ１５に導かれている伝熱管１４が、内管１４ａと外管１４ｂを有する二重構造となっている。内管１４ａは、たとえば外管１４ｂからの図示しないサポートにより支持されている。内管１４ａの材質は、２次冷却材よりも熱伝導率の小さな材質である。たとえば管に一般に使用される金属材料の熱伝導率は、ナトリウムの熱伝導率に比べて一桁程度小さい。

図７に示すように、内管１４ａおよび外管１４ｂともに入口ヘッダ１２に開口している。同様に、内管１４ａおよび外管１４ｂともに出口ヘッダ１５にも開口している。このため、入口ヘッダ１２内の２次冷却材は、内管１４ａ内と外管１４ｂ内で内管１４ａ外側の環状流路部１４ｃとに分流して流れ、出口ヘッダ１５において合流する。

異常発生時で特に異常発生後の長期間経過時においては、２次冷却材によって移送される崩壊熱が低減している一方、原子炉施設の通常運転時すなわち崩壊熱除去システム５０の待機時に比べて空気冷却器１０内の空気側流量は増大している。このため、空気冷却器１０においての伝熱管１４内の２次冷却材の凍結の問題がある。

以上のような状況においては、伝熱管１４の外側の空気によって、まず、環状流路部１４ｃを流れる２次冷却材から熱が除去される。２次冷却材の温度が固化温度まで低下すれば、環状流路部１４ｃを流れる２次冷却材の固化が始まる。固化が進むにつれて、環状流路部１４ｃの流路面積は減少し、併せて流動抵抗が増加するため、２次冷却材の流量は減少し、さらに環状流路部１４ｃの２次冷却材の固化が進む。

一方、内管１４ａの熱伝導率は、２次冷却材の熱伝導率よりも低いため、外管１４ｂ内における内管１４ａの外側から内管１４ａ内への熱移動に対する大きな熱抵抗となる。そのため、環状流路部１４ｃの２次冷却材がすべて固化して環状流路部１４ｃの流路が閉塞するまでは、内管１４ａ内の２次冷却材が固化することはなく、内管１４ａを流れる２次冷却材の流量が減少するまでに時間的猶予をもつことができる。

したがって、空気冷却器１０に求められる除熱能力と、２次冷却材流量、空気の温度や流量を勘案して内管１４ａと外管１４ｂの配管断面積、肉厚等を適切に設定することによって、空気冷却器１０内で２次冷却材が固化して閉塞するまでの時間的な猶予を確保することができる。

［第７の実施形態］
図８は、第７の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す立断面図である。また、図９は、第７の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す水平断面図である。本実施形態も、第１ないし第５の実施形態の変形である。

図８に示すように入口ヘッダ１２から出口ヘッダ１５に導かれている伝熱管１４のうち、端部に配置されたものを除き、１つおきに選択された伝熱管１４ｇの入口ヘッダ１２との接続部の近傍に温度応動弁１６が設けられている。また、この選択されたそれぞれの伝熱管１４ｇの出口ヘッダ１５との接続部の近傍に温度応動弁１７が設けられている。

温度応動弁１６は、所定の設定温度に到達すると開く。温度応動弁１７についても、所定の設定温度に到達すると開く。通常は温度応動弁１６および温度応動弁１７は閉鎖状態であり、伝熱管１４の内部は予め真空の状態に保たれている。温度応動弁１６、１７が開く設定温度は、通常の崩壊熱除去運転時の温度よりは高い温度に設定されている。

空気冷却器１０で２次冷却材の除熱を行う際に、通常は、温度応動弁１６、１７が設けられていない伝熱管１４ｆを２次冷却材は流れる。２次冷却材の流量に対して相対的に空気の通風量が多くなってくると、伝熱管１４ｆ内の２次冷却材の温度が低下する。２次冷却材の温度が融点にまで低下すると伝熱管１４ｆを流れる２次冷却材が固化して伝熱管１４ｆの流路が閉塞しはじめる。この結果、伝熱管１４ｆを流れる２次冷却材の流量が減少する。

空気冷却器１０に流れるナトリウムの流量が減少するため、崩壊熱除去システム５０による２次冷却材からの除熱量が減少する。この結果、中間熱交換器１から入口ヘッダ１２に流入する２次冷却材の温度が上昇する。２次冷却材の温度上昇に伴って温度応動弁１６の温度が上昇し、温度応動弁１６の温度が所定の温度に到達するとともに温度応動弁１６が開く。

この結果、温度応動弁１６が開いた伝熱管１４ｇに２次冷却材が流入し、伝熱管１４ｇを流れた２次冷却材が温度応動弁１７に到達する。２次冷却材が温度応動弁１７に到達することによって温度応動弁１７の温度が上昇する。温度応動弁１７が所定の温度に到達すると温度応動弁１７が開く。空気冷却器１０に求められる除熱能力と２次冷却材と空気の温度や流量を勘案して温度応動弁１６および温度応動弁１７が開く温度を最適に設定することによって、空気冷却器１０でナトリウムが固化して閉塞するまでに時間的な猶予を設けてナトリウムを流し続けることができる。

［第８の実施形態］
図１０は、第８の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す立断面図である。また、図１１は、第８の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す水平断面図である。本実施形態も、第１ないし第５の実施形態の変形である。

空気冷却器１０は、入口マザーヘッダ１２ａ、複数の伝熱管１４および出口マザーヘッダ１５ａを有する。複数の伝熱管１４は、鉛直方向および水平方向に格子状に配列されて互いに平行にほぼ水平に延びている。

入口マザーヘッダ１２ａおよび出口マザーヘッダ１５ａは、それぞれ鉛直方向および水平方向に広がって、互いに対向して直立した厚みの薄い同じ形状の容器である。入口マザーヘッダ１２ａおよび出口マザーヘッダ１５ａ間は、格子状に配列された複数の伝熱管１４で結ばれている。

したがって、入口マザーヘッダ１２ａの一方の面は、空気冷却器入口配管３１と接続し、他方の面は、複数の伝熱管１４と接続している。空気冷却器入口配管３１との接続部の高さは、伝熱管１４のうち最も鉛直方向に高いものの高さ以上である。また、出口マザーヘッダ１５ａの一方の面は、複数の伝熱管１４と接続し、他方の面は、空気冷却器出口配管３３と接続している。空気冷却器出口配管３３との接続部の高さは、伝熱管１４のうち最も鉛直方向に低いものの高さ以下である。

２次冷却材が、空気冷却器入口配管３１、伝熱管１４および空気冷却器出口配管３３の順に流れながら温度降下する。そのため、自然対流を促進すべく、空気冷却器入口配管３１、伝熱管１４および空気冷却器出口配管３３に、流れる方向に向かって下り勾配が形成されていてもよい。

このように構成された本実施形態においては、空気冷却器入口配管３１から入口マザーヘッダ１２ａに流入した２次冷却材は、入口マザーヘッダ１２ａ内を鉛直下向および水平方向に移動して、入口マザーヘッダ１２ａに接続された複数の伝熱管１４内に流入する。それぞれの伝熱管１４において外側の空気と熱交換をした２次冷却材は、これらの伝熱管１４と接続する出口マザーヘッダ１５ａに流入する。出口マザーヘッダ１５ａに流入した２次冷却材は、空気冷却器出口配管３３に流出する。

ここで、崩壊熱除去システム５０（図１ないし図５参照）の運転状態においては、崩壊熱の発生量の低下に伴って２次冷却材の自然循環力が低下してくる。２次冷却材の流量が空気の通風量に対して相対的に低下してくると、徐々に伝熱管１４内の２次冷却材の温度が低下してくる。

空気冷却器１０に流入する空気は下方から上方に流れ、空気は、上昇する過程で伝熱管１４内の２次冷却材と熱交換を行う。したがって、空気の温度は、下方から上方に流れるにしたがって上昇する。入口マザーヘッダ１２ａ内の伝熱管１４に流入する２次冷却材の温度、および伝熱管１４内の２次冷却材の温度は、空気の入口側すなわち下方の伝熱管１４内の２次冷却材ほど、温度が低くなる。

したがって、通風空気の風上側の伝熱管１４から順番に、温度が２次冷却材の融点に至り、伝熱管１４の内部を流れる２次冷却材が固化して伝熱管１４の流路が閉塞していく。この時、２次冷却材は固化していない伝熱管１４へ流れるため、すべての伝熱管１４内の２次冷却材が固化して閉塞するまでに時間的な猶予を設けて２次冷却材を流し続けることができる。

［第９の実施形態］
図１２は、第９の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す立断面図である。また、図１３は、第９の実施形態に係る空気冷却器の構成を示す水平断面図である。本実施形態は、第８の実施形態の変形例である。本実施形態においては、複数の入口立ヘッダ１２ｂおよび複数の出口立ヘッダ１５ｂが設けられている。

入口ヘッダ１２は水平に延びた円筒形であり、入口ヘッダ１２の延びる方向に互いに間隔をあけて設けられた複数の入口立ヘッダ１２ｂと接続されている。それぞれの入口立ヘッダ１２ｂは、入口立ヘッダ１２ｂのそれぞれに対応するように互いに間隔をあけて設けられた複数の出口立ヘッダ１５ｂと、複数の伝熱管１４によって接続されている。伝熱管１４は、高さ方向に互いに間隔をあけて、水平方向に互いに平行に延びている。複数の出口立ヘッダ１５ｂは、それぞれ１つの出口ヘッダ１５と接続されている。このように、伝熱管１４は、鉛直方向、水平方向にそれぞれ複数に、正方格子状に並べられている。

入口ヘッダ１２に流入した２次冷却材は、複数の入口立ヘッダ１２ｂに流入し、それぞれの入口立ヘッダ１２ｂから、さらに複数の伝熱管１４に流入する。伝熱管１４を通過した２次冷却材は、それぞれ接続されている出口立ヘッダ１５ｂに合流する。さらに、それぞれの出口立ヘッダ１５ｂから、１つの出口ヘッダ１５に合流する。

空気冷却器１０で２次冷却材の除熱を行う際に、２次冷却材の流量が少ないか、もしくは空気の通風量が多い場合には、伝熱管１４のうち、通風空気の風上側、すなわち、下側の伝熱管１４から順番に、その内部の２次冷却材の温度が、２次冷却材の融点まで低下していき、伝熱管１４の内部を流れる２次冷却材が固化して伝熱管１４の流路が閉塞していく。

この時、２次冷却材は、内部で固化していない伝熱管１４へ流れるため、伝熱管１４のすべてが固化して閉塞するまでには、時間的な猶予を確保することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、液体金属冷却型高速炉がループ型で、崩壊熱除去システムは２次冷却系から分岐する方式の場合を示したが、これに限定されない。たとえば、タンク型の液体金属冷却型高速炉の２次冷却系から分岐する方式の場合でもよい。また、原子炉容器内に浸漬した熱交換器を経由して空気冷却器へ熱を移送する方式の場合であってもよい。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。第６の実施形態ないし第９の実施形態のそれぞれの特徴を組み合わせてもよい。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、ダクト１１内部の流路を閉止する部材として板を用いるものとしたが、流路を閉止することができれば平板状でなくともよく、また柔軟な部材を用いる等してもよい。例えば、流路出口となるダクト１１上端を斜めにし、それを覆うようにベローズ状やカーテン状の閉止部材を設け、閉止部材の上端に取り付けた磁性体を電磁石で支持してダクト１１内部の流路が閉止された状態を維持し、電磁石への電力供給が途絶えると重力で閉止部材が折りたたまれてダクト１１内部の流路が開放される構成とすることも可能である。

１…中間熱交換器、２…主循環ポンプ、３…主熱交換器、３ａ…伝熱管、４…高温側主配管、５…低温側主配管、６…給水管、７…主蒸気管、１０…空気冷却器、１１…ダクト、１２…入口ヘッダ、１２ａ…入口マザーヘッダ、１２ｂ…入口立ヘッダ、１４…伝熱管、１４ａ…内管、１４ｂ…外管、１４ｃ…環状流路部、１４ｆ、１４ｇ…伝熱管、１５…出口ヘッダ、１５ａ…出口マザーヘッダ、１５ｂ…出口立ヘッダ、１６…温度応動弁、１７…温度応動弁、２１…板（閉止部材）、２２…回転軸、２３…板支持機構（閉止部材支持手段）、２３ａ…電磁石、２３ｂ…支持部材、２３ｃ…バネ（弾性体）、２４…板支持機構（閉止部材支持手段）、３１…空気冷却器入口配管、３１ａ…第１の流路配管、３１ｂ…分岐配管、３２…第２の流路配管、３３…空気冷却器出口配管、３４…フィン付管、３５…配管冷却装置（入口配管冷却装置）、３５ａ…ダクト、３５ｂ…送風機、４０…原子炉冷却系、５０…崩壊熱除去システム

Claims (9)

1. 原子炉と、液体金属である冷却材を介して前記原子炉で発生する熱を取り出す原子炉冷却系とを有する原子炉施設において、前記原子炉の運転停止後に前記原子炉で発生する崩壊熱を除去する崩壊熱除去システムであって、
   前記冷却材を空気によって冷却する空気冷却器と、
   前記原子炉冷却系から高温の前記冷却材を前記空気冷却器に導き、互いに並列に設けられた第１の流路配管と前記第１の流路配管よりも流路面積の小さな第２の流路配管と、を有する空気冷却器入口配管と、
   前記空気冷却器で冷却された前記冷却材を前記原子炉冷却系に戻す空気冷却器出口配管と、
   前記第１の流路配管に設けられて前記第１の流路配管を外側から冷却する配管冷却装置と、
   を備え、
   前記空気冷却器は前記原子炉冷却系よりも高所に配置されていることを特徴とする崩壊熱除去システム。
2. 前記空気冷却器は、
   前記空気冷却器入口配管に接続された入口ヘッダと、
   前記空気冷却器出口配管に接続された出口ヘッダと、
   前記入口ヘッダと前記出口ヘッダ間を互いに並列に接続する複数の伝熱管と、
   前記複数の伝熱管を包囲して、上下が開放されたダクトと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の崩壊熱除去システム。
3. 前記空気冷却器は、
   前記ダクト内流路を閉止する閉止部材と、
   前記ダクト内流路を支持する閉止部材支持手段と、をさらに有し、
   前記閉止部材支持手段は、電力供給されている間は前記閉止部材を支持し、電力供給が途絶えると前記閉止部材の支持を解除するよう構成され、
   前記閉止部材は前記閉止部材支持手段に支持されている間は前記ダクト内流路を閉止し、前記閉止部材の支持が解除されると前記ダクト内流路を開放するよう構成されたことを特徴とする請求項２に記載の崩壊熱除去システム。
4. 前記閉止部材は、回転自在に軸支されて、前記ダクト内流路の開放時には重力による自由吊り下げ状態となるよう構成され、
   前記閉止部材支持手段による支持が解除されると重力によって前記ダクト内流路を開放する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の崩壊熱除去システム。
5. 前記閉止部材支持手段は、
   前記原子炉施設の通常運転状態においては前記閉止部材を重力に逆らって支持して前記閉止部材の閉状態を維持するとともに、前記原子炉施設の非常時においては前記閉止部材の支持を解除して前記閉止部材を開にできる支持部材と、
   静止固定され、前記閉止部材を閉状態の支持を解除する方向に向けて前記支持部材を付勢する弾性体と、
   静止固定され、電力供給を受けている間は、前記弾性体の付勢力に抗して、前記閉止部材を支持する位置に前記支持部材を移動させる対抗力を生じさせる電磁石と、
   を有し、
   前記電磁石への電力が供給されないと前記弾性体の付勢力によって前記支持部材が移動して前記閉止部材の支持が解除されることを特徴とする請求項３に記載の崩壊熱除去システム。
6. 前記閉止部材が板材であり、
   前記閉止部材支持手段は、電力供給を受けている間は前記板材を重力に逆らって上方から磁気的に支持して前記板材の閉状態を維持するとともに、電力供給が途絶えると前記板材の支持を解除する電磁石を有することを特徴とする請求項３に記載の崩壊熱除去システム。
7. 前記伝熱管は、外管と、前記外管内に配置されて前記冷却材よりも熱伝導率の小さな材質の内管とを有する二重管であることを特徴とする請求項３ないし請求項６のいずれか一項に記載の崩壊熱除去システム。
8. 前記空気冷却器は、前記複数の伝熱管のうちの一部の伝熱管の両端に設けられて所定の温度以上になると開く温度応動弁をさらに有する、ことを特徴とする請求項３ないし請求項７のいずれか一項に記載の崩壊熱除去システム。
9. 液体金属によって冷却される原子炉の運転停止後に前記原子炉で発生する崩壊熱を除去する崩壊熱除去システムにおいて空気冷却器入口配管から流入する冷却材を空気によって冷却して空気冷却器出口配管に流出させる空気冷却器であって、
   前記空気冷却器入口配管に接続された入口ヘッダと、
   前記空気冷却器出口配管に接続された出口ヘッダと、
   前記入口ヘッダと前記出口ヘッダ間を互いに並列に接続する複数の伝熱管と、
   前記複数の伝熱管を包囲して、上下が開放されたダクトと、
   前記ダクト内流路を閉止する閉止部材と、
   前記ダクト内流路を支持する閉止部材支持手段と、をさらに有し、
   前記閉止部材支持手段は、電力供給されている間は前記閉止部材を支持し、電力供給が途絶えると前記閉止部材の支持を解除するよう構成され、
   前記閉止部材は前記閉止部材支持手段に支持されている間は前記ダクト内流路を閉止し、前記閉止部材の支持が解除されると前記ダクト内流路を開放するよう構成されたことを特徴とする空気冷却器。

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