JP2016070556A

JP2016070556A - 冷却設備

Info

Publication number: JP2016070556A
Application number: JP2014198459A
Authority: JP
Inventors: 芳貴山口; Yoshitaka Yamaguchi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2016-05-09

Abstract

【課題】外部電源を必要とせず、冷却対象を効率よく冷却できる冷却設備を提供する。
【解決手段】
屋内に設置された冷却対象から熱を受け取る受熱器と、屋外に設置された放熱器と、前記受熱器と前記放熱器を接続して閉ループを形成する配管と、前記受熱器と前記放熱器と前記配管内の内部を流通して循環する冷媒と、を有する冷却装置と、前記冷却装置の表面に設けられた熱電変換装置と、前記熱電変換装置から電力を供給され、前記放熱器表面に流体を供給する流体供給器と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、冷媒の循環により冷却対象を冷却する冷却設備に関する。

従来の原子力発電所では、使用済燃料プール（ＳＦＰ：ＳｐｅｎｔＦｕｅｌＰｏｏｌ）に保管された使用済燃料の崩壊熱を除去する観点で燃料プール冷却浄化系（ＦＰＣ系：ＦｕｅｌＰｏｏｌＣｏｏｌｉｎｇａｎｄＦｉｌｔｅｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）が設けられている。

使用済燃料プールは、原子炉で使用された使用済燃料が保管される。使用済燃料から発生する崩壊熱は、使用済燃料プール内のプール水に伝達され、このプール水は一旦プール外に導かれ、不純物が除去されて熱交換器で使用済燃料の崩壊熱が除去された後、使用済燃料プールに再び戻される。これらは、ポンプ等の動的機器により循環させることによって行われている。

特開平５−１４２３８９

従来のＦＰＣ系による使用済燃料の崩壊熱除去システムは、全交流電源及び最終ヒートシンクが喪失した場合に冷却機能が停止し、使用済燃料プール水温が設計温度以上に上昇するという課題があった。

これを解決するために、電源を必要としない自然冷却システムが考えられている。そのひとつとして、熱サイフォン式ヒートパイプを使用し、使用済燃料プール内に設置した受熱器で使用済燃料プール水から熱を受け取り、屋外に設置した放熱器で大気に熱を放出する自然冷却システムがある。このシステムは、無風および風が弱い環境では、屋外に設置した放熱器に使用されているフィンチューブのフィン間に、熱交換により温められた空気が滞留し、除熱効率が低下するという課題があった。

また、熱サイフォン式ヒートパイプを使用した自然冷却システムを使用し使用済燃料の崩壊熱を除熱するには、必要な放熱器の面積が非常に大きくなるため、十分な設置面積を確保する必要があるという課題があった。

そこで、本発明の実施形態は、外部電源を必要とせずに冷却対象を効率よく冷却できる冷却設備の提供を目的としている。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態による冷却設備は、屋内に設置された冷却対象から熱を受け取る受熱器と、屋外に設置された放熱器と、前記受熱器と前記放熱器を接続して閉ループを形成する配管と、前記受熱器と前記放熱器と前記配管の内部を流通して循環する冷媒と、を有する冷却装置と、前記冷却装置の表面に設けられた熱電変換装置と、前記熱電変換装置から電力を供給され、前記放熱器表面に流体を供給する流体供給器と、を備える。

本発明の実施形態によれば、冷却対象を、外部電源を必要とせずに効率よく冷却することができる。

本発明の第１の実施形態に係る冷却設備の構成を示す縦断面図である。本発明の第２の実施形態に係る冷却設備の構成を示す要部拡大縦断面図である。本発明の第３の実施形態に係る冷却設備の構成を示す要部拡大縦断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る使用済燃料プール冷却設備について説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る使用済燃料プール冷却設備の構成を示す縦断面図である。

（構成）
原子炉建屋１００の内側に、使用済燃料１を収容する使用済燃料プール２が設置されている。使用済燃料プール２にはプール水が保持され、使用済燃料１はプール水に水没している。

使用済燃料プール２には、プール水を冷却すべく、熱サイフォン式のヒートパイプ３が設置されている。ヒートパイプ３は減圧保持されており、冷媒が封入されている。ヒートパイプ３について、冷媒がプール水の熱を受け取るための受熱器４が使用済燃料プール２内に設置されており、冷媒の熱を大気に放出するための放熱器５が屋外に設置されている。放熱器５の表面には、大気との熱交換を促進するためにフィンが多数設けられている。

この受熱器４と放熱器５は、冷媒が循環するように配管３ａ、３ｂによって接続されている。冷媒は配管３ａを経由して受熱器４から放熱器５に移動し、配管３ｂを経由して放熱器５から受熱器４へ移動する。このような構成により、ヒートパイプ３を介してプール水の熱が大気中に放出される。

また、配管３ａの表面には、熱電変換装置６が設置されている。この熱電変換装置６は、配管外面の温度と、熱電変換装置６周囲の気体温度の差により発電する。温度差があるほうが効率よく発電できるため、熱電変換装置６は、配管３ａの表面で、屋外に設置されることが望ましい。

また、放熱器５の下方には熱電変換装置６に接続された流体供給器としての送風機７設置されている。この送風器７は、熱電変換装置６から供給される電力によって作動し、放熱器５に向かって風を送る。

なお、本実施形態は使用済燃料プールのプール水が冷却対象であるが、より本質的にはプール水を介して使用済燃料が崩壊熱で高温になることを防止するためであるので、使用済燃料も冷却対象といえる。

（作用）
ヒートパイプ３内の冷媒は、受熱器４より使用済燃料プール水の熱を受け取ると蒸気となり、配管３ａを通り、屋外に設置された放熱器５にて熱を大気に放出されることで凝縮し、重力により配管３ｂを通って受熱器４に戻る。この際、熱電変換装置６が設置された放熱器５上流の配管３ａ外面の温度が上昇し、大気温度以上となる。この配管３ａ外面温度と大気温度の差により熱電変換装置６は発電する。熱電変換装置６が発電した電気は、放熱器５近傍に設置された送風機７作動装置へ送られ、送風機７が作動する。送風機７により発生した風により、放熱器５のフィン間に滞留した空気が移動する。これにより、放熱器５のフィン間に温められた空気が滞留することを防ぎ、放熱器５の除熱量が低減することを防ぐ。

（効果）
本実施形態の使用済燃料プール冷却設備によれば、外部電源を必要とせずに使用済燃料プール２内のプール水を冷却することができる。また、送風機７によって放熱器５周辺の空気の滞留を防ぐことにより、除熱能力が向上される。これにより放熱器の必要面積を低減することができる。さらに、プール水の温度が高くなるほど熱電変換装置６による発電量も高まるため、送風機７の出力も上がる。したがって、プール水の温度上昇に対して受動的に除熱能力を向上することができる。

なお、放熱器５や熱圧電装置６、送風機７の配置や個数は、本実施形態の例に限られない。例えば、熱圧電装置６や送風機７は複数設置しても構わないし、送風機７は放熱器５の下方でなく側方等であっても構わない。

［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態に係る使用済燃料プール冷却設備の構成を示す要部拡大縦断面図である。なお、第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態では、第１の実施形態の送風機７に代えて、放熱器５の表面に水を供給するスプレイ８が設けられている。スプレイ８は、水源となる水源となる貯水タンク９と接続されており、熱電変換装置６から供給された電力によって水を噴射する。この水によって放熱器５表面には液膜が形成され、除熱能力が向上する。また、本実施形態と第１の実施形態を組み合わせ、送風機７とスプレイ８を併用して放熱器５による放熱を促進する、あるいは、まずスプレイ８を作動させ、貯水タンク９の水が尽き次第、送風機７を駆動するといった構成も可能である。

また、本発明の変形例として、スプレイ８に代えてミスト発生器を用いることも可能である。放熱器５の周囲にミストを送ることで、放熱器５表面に液膜を形成することができる。

［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態に係る使用済燃料プール自然冷却システムの構成を示す要部拡大縦断面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。太陽光発電装置１０を設置し、送風機７の作動に必要な電気を得る。また、ＦＰＣ系が作動している通常時には太陽光発電装置１０の発電した電気を蓄電装置１１にためておき、ＦＰＣ系が冷却機能を失った場合に蓄電装置１１にためられた電気を使用することも考えられる。

このように、電源は熱電変換装置のみに限定せず、太陽光発電等、他の発電装置を組み合わせることもできる。

ただし、プール水の熱を利用する熱電変換装置は、使用済燃料プール冷却設備の駆動が求められる過酷事故時等に、天候や時間帯に左右される太陽光発電装置１０や、貯蔵電力分しか持続できない蓄電装置１１よりも安定的に電力を供給することができるため、特に有効である。

［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。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。すなわち、太陽光発電装置を設置し、かつスプレイを設置してもよい。このことによって、さらなる冷却能力の向上を期待できる。

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。たとえば、実施形態では、ヒートパイプを使用した使用済燃料プール水の冷却のみを示したが、他の冷却設備に使用してもよい。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨と同様に、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。

１…使用済燃料、
２…使用済燃料プール、
３…ヒートパイプ、
３ａ，３ｂ…配管
４…受熱器
５…放熱器
６…熱電変換装置
７…送風機
８…スプレイ
９…貯水タンク
１０…太陽光発電装置
１１…蓄電装置
１００…原子炉建屋

Claims

屋内に設置された冷却対象から熱を受け取る受熱器、屋外に設置された放熱器、前記受熱器と前記放熱器を接続して閉ループを形成する配管、前記受熱器と前記放熱器と前記配管の内部を流通して循環する冷媒、を有する冷却装置と、
前記冷却装置の表面に設けられた熱電変換装置と、
前記熱電変換装置から電力を供給され、前記放熱器表面に流体を供給する流体供給器と、を備える冷却設備。
前記熱電変換装置が、前記冷媒が前記受熱器から前記放熱器に向かって移動する際に通過する配管の表面に設けられている請求項１記載の冷却設備。
前記流体供給器が水を供給するスプレイまたはミスト発生器である請求項１または２に記載の冷却設備。
前記冷却対象が原子炉建屋の使用済燃料プールであり、
前記放熱器が前記原子炉建屋の外に設置された請求項１乃至３の何れか１項に記載の冷却設備。