JP2017503163A - 固体発電装置 - Google Patents

Abstract

比較的低レベルの放射線場に応答して原子力発電施設の非常用機器に電力を供給する固体発電装置。発電は、当初は非放射性の物質であり、比較的低い中性子およびガンマ線照射場に置かれると電力を発生可能で、本質的に増殖する物質を使用して行われ、たとえ原子炉または他の中性子および／またはガンマ線源が停止しても、本装置は非常用機器に十分な電力を供給できる増強された発電能力を有する。【選択図】図１

Description

本発明は概して発電装置に関し、詳細には、比較的低い放射線環境に応答して発電する固体アセンブリに関する。

日本の福島第一原子力発電所の事故は、長期間の電源喪失に続いて原子炉炉心および使用済燃料プールの冷却システムに起こるであろう事態に対する懸念を深めた。津波により、サイト外電源が失われ、全電源喪失の期間が生じた。電源喪失により、原子炉および使用済燃料プールの冷却システムが停止した。冠水していた高放射性使用済燃料集合体によって加熱されたプールの温度上昇により、一部の使用済燃料プールの水が気化・蒸発して放散した。補給水を原子炉およびプールへ圧送するための電力が長期間にわたって失われると、燃料集合体が露出し、理論上燃料棒の温度が上昇して、燃料棒の被覆が破損し、環境への放射能漏れが起こるおそれがある。福島第一発電所では、破壊的な津波の後に機器およびセンサ用電源の完全な喪失を経験し、その結果、燃料集合体の冷却の維持に必要な弁機能を制御できなくなった。本発明の目的は、炉心冷却および監視システムが全交流電源喪失時に要求される重要な機能を引き続き遂行できるようにする原子力発電所のバッテリーの能力を大幅に拡充するために必要な電流を受動的に供給可能な装置の提供にある。

上記および他の目的は、導電性ハウジング内に放射線応答物質が支持された固体発電装置によって達成される。この放射線応答物質は、原子力発電施設内の原子炉の外部ではあるが原子燃料棒の近傍のバックグラウンド放射線に応答して、施設内の非常用機器を作動させるか、かかる非常用機器を作動させるバッテリーを実質的に完全に充電するに十分な電力を発生させる。放射線応答物質とハウジングとの間に、絶縁体が配設されている。一実施態様において、放射線応答物質の電気出力は、バックグラウンド放射線場において所与の時間にわたって上昇する。最初の所与の回数の原子炉運転サイクルの後、たとえ原子炉が運転停止していても、放射線応答物質は、非常用機器を作動させるか、かかる非常用機器を作動させるバッテリーを実質的に完全に充電するに十分な電力を発生させる。

放射線応答物質は、バックグラウンド放射線場に置かれるまでは非放射性であるのが好ましい。また、導電性ハウジングを十分に薄くすることにより、原子炉を内部に支持する原子炉キャビティの壁と原子炉の炉心を収納する圧力容器の外側との間の空間内に収めることができる。

一実施態様において、放射線応答物質は、ガンマ線・電子放出体に実質的に張り付けられたガンマ線放出体である。そのような実施態様の１つにおいて、放射線応答物質は、Ｃｏ−５９とタングステンとを組み合わせたものである。導電性ハウジングと放射線応答物質は、柔軟性があるのが好ましい。

さらに別の実施態様において、ハウジングの背面とガンマ線放出体との間に支持された電気絶縁性シールガスケットが、ハウジングの背面を、コレクタを形成するハウジングの前面から電気絶縁する。本発明はまた、かかる固体発電装置を具備する原子力発電施設も企図している。

本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。

本発明の原理を用いた例示的な好ましい実施態様の概略側面図である。

図１に示す実施態様の正面図である。

本発明の電流発生機構の概略図である。

原子炉キャビティの断面図であり、原子炉キャビティの側壁と原子炉圧力容器との間において、原子炉キャビティの側壁に支持され、原子炉圧力容器の周りの少なくとも一部を延びる本発明の発電装置を示す。

図４に示す原子炉キャビティの一部の断面図である。

使用済燃料プールの概略断面図である。

図１および図２はそれぞれ、本発明の原理を用いた例示的な好ましい実施態様の概略的な側面図および正面図である。図１および図２に示す電流発生器は、外部ハウジング１２を有する固体装置であり、絶縁体シールガスケットフェイスプレート１８が導電性の前端部１４を後端部１６から封止している。放射線応答物質２０が、ハウジングの前端部１４と絶縁体シールガスケットフェイスプレート１８との間に配設されており、Ａｌ_２０_２などの絶縁体２６が当該放射線応答物質２０と当該ハウジングの前部１４との間に、さらには当該放射線応答物質２０と当該絶縁体シールガスケットフェイスプレート１８との間において、当該放射線応答物質２０の両側に配設されている。絶縁体シールガスケットフェイスプレート１８は、外部ガンマ線源（例えば原子炉容器）に最も近い面から装置内に「押し込まれる」電子が、内部のガンマ線放出体が発生する電子を相殺することがないようにする。

本実施態様の放射線応答物質２０は、例えばＣｏ−５９のようなガンマ線放出性物質がタングステンのようなガンマ線・電子放出体に実質的に張り付けられたものであり、リード部２８が電流を供給される利用装置と電流発生器１０との間で電子を導通させるエミッタを形成する。ハウジングの前端部１４がコレクタを形成する。「ガンマ線放出体」という用語は、入射放射線に伴い内部で中性子またはガンマ線が崩壊するか捕獲されるとそれに応答してガンマ線を放出する物質の意味で使用する。同様に、「ガンマ線・電子放出体」という用語は、内部でガンマ線または中性子が崩壊するか捕獲されるとそれに応答して電子を放出する物質の意味で使用する。

図３は、本発明の例示的な実施態様における電流発生機構の概略図である。装置１０が中性子および／またはガンマ線源３０から照射を受けると、放射線の一部が放射線応答物質内で崩壊して捕獲され、当該放射線応答物質から放出された電子がアルミニウム製ハウジングの前端部１４に捕集され、エミッタ２８からコレクタ１４へ電流３２が流れる。

ガンマ線放出体（例えばＣｏ−６０）の表面積と厚さ、およびそれに対応するガンマ線・電子放出体（例えばタングステン）の表面積および望ましい厚さを当業者が調節することにより、予想される中性子およびガンマ線の照射場内で所望の電流を発生させることができる。当業者であれば、放出体２０と外側のコレクタ１４との間の絶縁体２６の厚さも最適化して、装置の予想される動作温度範囲内でこの２つの領域間で短絡を起こすことなく最大電流を発生させることができる。

図３に示すように、この装置における電流の一次供給源は時間の関数であり、Ｉ（ｔ）で表される。装置のＣｏ−５９プレート２２に隣接するタングステンプレート２４内では、Ｃｏ−５９プレート内のＣｏ−５９と中性子との相互作用によって生まれるＣｏ−６０から発生するガンマ線によって、コンプトンおよび光電効果による散乱電子が発生する。この電流発生機構に加えて、中性子がタングステンなどの物質によって捕獲されると放出される中性子捕獲即発ガンマ線もまた、放出体２０とコレクタ１４との間隙を越えるに十分なエネルギーを有するコンプトンおよび光電効果による散乱電子を発生させる。この装置の表面積は、非常に大きくすることができる。この装置はまた、非常に薄く、柔軟にすることもできる。

図４は、一つの応用例を示す。原子炉キャビティ３６内に支持された原子炉容器３４は、原子燃料集合体を収納する炉心３８を包み込む。炉心３８の全高にわたって原子炉容器３４の周囲に延びるキャビティ壁４０が、炉心３８の全高の少なくとも一部にわたって本発明の装置１０を支持する。したがって、この装置は原子炉容器キャビティの裏打ちに使用でき、原子炉容器３４から漏出する活用されなかった中性子およびガンマ線を利用して貴重な電流を発生させることができる。図５は、原子炉キャビティの平断面図であり、キャビティ壁４０の少なくとも一部が本装置１０を取り巻いている。

図６は、使用済燃料集合体４４のラックが冷却材４６中に懸架された使用済燃料プール４２への本装置の考えられる別の応用例を示す。装置１０は、冷却材４６の水位より低い位置５０で支持するか、あるいは、冷却材水位より高い位置４８でプール壁に懸架することができる。電力供給の対象となる機器の要件を満たすために、必要に応じて使用済燃料プール４２の周囲に多数の装置１０を展開させ、直列または並列に接続することができる。装置１０は、例えば、プールから蒸発した冷却材４６を補充する目的で弁５２に電力を供給するために、あるいは、冷却材４６から熱を除去する目的で再循環システム５４に電力を供給するために使用することができる。

本発明の作動原理は、コバルトおよびタングステン以外の物質を使用して実現することもできる。この設計の重要な特徴は、比較的低い中性子およびガンマ線照射場に置かれると電力を発生可能であり、本質的に増殖する物質を使用することにより、たとえ原子炉または他の中性子およびガンマ線源が停止した場合でも、重要な計装および安全設備に給電するバッテリーに本装置が十分な電力を供給できるよう発電能力が増強されることである。本装置は、当初は非放射性であることが好ましい。

ウェスチングハウス・エレクトリック・カンパニーＬＬＣが提供するＡＰ１０００型原子炉システムに１２フィート×１２フィート×０．５インチの本装置を容器外に設置した場合に発生すると推定される電流は、容器キャビティ内の中性子束およびガンマ線量の公称値、Ｃｏ−６０生成率、タングステン中の中性子捕獲ガンマ線生成率、およびタングステン（Ｍｉｒｉｏｎ ＩＳＴ）について入手可能な電流発生感度から求めることができる。この簡単な計算の結果、本装置は、１回の運転サイクルを終えて原子炉が運転停止した後、少なくとも３アンペアの定常電流を出力できることが示された。この値は、ガンマ線放出体およびガンマ線・電子放出体の厚さを最適化することによって容易に１０倍に増やすことができる。電流値は、有意な量のＣｏ−５９がＣｏ−６０に変換されるまで、時間と共に線形的に増加する。２回の運転サイクルの後は、電流出力は２倍になる。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (20)

1. 導電性のハウジング（１２）と、
   当該導電性ハウジング（１２）内に支持され、原子力発電施設内の原子炉（３４）の外部ではあるが原子燃料棒（３８）の近傍のバックグラウンド放射線（３０）に応答して、当該施設内の非常用機器を作動させるか、当該非常用機器を作動させるバッテリーを実質的に完全に充電するに十分な電力を発生させる放射線応答物質（２０）と、
   当該放射線応答物質（２０）と当該ハウジング（１２）との間に配設された絶縁体（２６）と
   から成る固体発電装置（１０）。
2. 前記バックグラウンド放射線（３０）の照射場内で、前記放射線応答物質（２０）の電気出力（２８）が所与の時間にわたって増加する、請求項１の固体発電装置（１０）。
3. 前記原子炉（３８）の最初の所与の回数の運転サイクルの後、たとえ前記原子炉が運転停止していても、前記放射線応答物質（２０）が、非常用機器を作動させるか、かかる非常用機器を作動させるバッテリーを実質的に完全に充電するに十分な電力を発生させることを特徴とする、請求項１の固体発電装置（１０）。
4. 前記放射線応答物質（２０）が、バックグラウンド放射線（３０）の場に置かれるまでは非放射性である、請求項１の固体発電装置（１０）。
5. 前記ハウジング（１２）が、十分に薄いため、前記原子炉を内部に支持する原子炉キャビティ（３６）の壁と前記原子炉の炉心（３８）を収納する圧力容器（３４）の外側との間の空間内に収まることを特徴とする、請求項１の固体発電装置（１０）。
6. 前記放射線応答物質（２０）が、ガンマ線・電子放出体（２４）に実質的に張り付けられたガンマ線放出体（２２）である、請求項１の固体発電装置（１０）。
7. 前記放射線応答物質（２０）が、Ｃｏ−５９とタングステンとを組み合わせたものである、請求項１の固体発電装置（１０）。
8. 前記ハウジング（１２）および前記放射線応答物質（２０）は柔軟性がある、請求項１の固体発電装置（１０）。
9. 前記ハウジングの背面（１６）と前記ガンマ線放出体（２２）との間に支持された電気絶縁体シールガスケット（１８）を含み、当該シールガスケット（１８）は前記ハウジングの背面（１６）を、コレクタを形成する前記ハウジング（１４）の前面から電気絶縁することを特徴とする、請求項６の固体発電装置（１０）。
10. 導電性のハウジング（１２）と、
    当該導電性ハウジング（１２）内に支持され、原子力発電施設内の原子炉（３４）の外部ではあるが原子燃料棒（３８）の近傍のバックグラウンド放射線（３０）に応答して、当該施設内の非常用機器を作動させるか、当該非常用機器を作動させるバッテリーを実質的に完全に充電するに十分な電力を発生させる放射線応答物質（２０）と、
    当該放射線応答物質（２０）と当該ハウジング（１２）との間に配設された電気絶縁体（２６）と
    から成る固体発電装置（１０）を具備する原子力発電施設。
11. バックグラウンド放射線（３０）の照射場内で、前記放射線応答物質（２０）の電気出力（２８）が所与の時間にわたって増加する、請求項１０の原子力発電施設。
12. 前記原子炉（３８）の最初の所与の回数の運転サイクルの後、たとえ前記原子炉が運転停止していても、前記放射線応答物質（２０）が、非常用機器を作動させるか、かかる非常用機器を作動させるバッテリーを実質的に完全に充電するに十分な電力を発生させることを特徴とする、請求項１０の原子力発電施設。
13. 前記放射線応答物質（２０）が、バックグラウンド放射線（３０）場に置かれるまでは非放射性である、請求項１０の原子力発電施設。
14. 前記ハウジング（１２）が、十分に薄いため、前記原子炉を内部に支持する原子炉キャビティ（３６）の壁と前記原子炉の炉心（３８）を収納する圧力容器（３４）の外側との間の空間内に収まることを特徴とする、請求項１０の原子力発電施設。
15. 前記放射線応答物質（２０）が、ガンマ線・電子放出体（２４）に実質的に張り付けられたガンマ線放出体（２２）である、請求項１０の原子力発電施設。
16. 前記放射線応答物質（２０）がＣｏ−５９とタングステンとを組み合わせたものである、請求項１０の原子力発電施設。
17. 前記ハウジング（１２）および前記放射線応答物質（２０）は柔軟性がある、請求項１０の原子力発電施設。
18. 壁が前記圧力容器の少なくとも下部を取り囲む原子炉キャビティ（３６）内に支持された原子炉圧力容器（３４）を具備する請求項１０の原子力発電施設であって、
    前記ハウジング（１２）は当該原子炉キャビティ内の前記圧力容器と当該壁との間に少なくとも部分的に支持されていることを特徴とする原子力発電施設。
19. 壁が使用済燃料（４４）を取り囲む使用済燃料プール（４２）を含み、当該使用済燃料プール内で当該使用済燃料に隣接して前記ハウジング（１２）が支持されていることを特徴とする、請求項１０の原子力発電施設。
20. 前記ハウジング（１６）の背面と前記ガンマ線放出体（２２）との間に支持された電気絶縁体シールガスケット（１８）を含み、当該シールガスケット（１８）は前記ハウジング（１６）の背面を、コレクタを形成する前記ハウジング（１４）の前面から電気絶縁することを特徴とする、請求項１５の原子力発電施設。
    

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