JP2021085826A

JP2021085826A - 冷却設備及び原子力プラント

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Publication number: JP2021085826A
Application number: JP2019216698A
Authority: JP
Inventors: 之崇山崎; Yukitaka Yamazaki; 一央亀井; Kazuchika Kamei; 高橋　宗孝; Munetaka Takahashi; 宗孝高橋; 佳弘八尾; Yoshihiro Yao; 大我是松; Taiga Korematsu; 悠右川嶋; Yusuke Kawashima
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-06-03
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: JP7293096B2

Abstract

【課題】原子力プラントのレイアウトの自由度を高めるとともに、重大事故時の水源を確保する冷却設備が提供される。【解決手段】冷却設備１０ａは、プラント２０に配置される第１熱交換器２１及び第２熱交換器２２（２２1，２２2、…２２n）と、第１熱交換器２１に環境に存在する水源３０から第１冷媒３１を一過式で供給する第１冷却系１１と、第２熱交換器２２に貯留槽１５から第２冷媒３２を循環式で冷却塔１６により冷却しながら供給する第２冷却系１２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、プラントの構成機器の冷却技術に関する。

原子力プラントの通常運転時において、沿岸から海水を取水し、復水器等の構成機器を常用冷却している。また非常時に原子力プラントが安全停止する場合も、沿岸から取水された海水により、核燃料の崩壊熱の除去等といった非常用冷却が実施される。

特開２００８−１８５５７２号公報

ところで、原子力プラントには多数の建屋や設備を設置する必要があり、建屋や設備の建設場所や面積は、地質や地盤の条件により制限を受ける。一方で近年では、非常用炉心冷却設備の喪失により炉心が損傷するといった重大事故時に、事故後一定期間（例えば７日）の冷却を継続可能とする水源等の設備を要する建屋等が増加している。

したがって、上述した重大事故に対処するための水源の確保や必須となる建屋等の設置と、建設場所や面積の制限を両立する必要があり、プラントレイアウトの自由度を高められる設計が求められているという課題がある。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、原子力プラントのレイアウトの自由度を高めるとともに、重大事故時の水源を確保する冷却設備を提供することを目的とする。

実施形態に係る冷却設備において、プラントに配置される第１熱交換器及び第２熱交換器と、前記第１熱交換器に環境に存在する水源から第１冷媒を一過式で供給する第１冷却系と、前記第２熱交換器に貯留槽から第２冷媒を循環式で冷却塔により冷却しながら供給する第２冷却系と、を備える。

本発明の実施形態により、原子力プラントのレイアウトの自由度を高めるとともに、重大事故時の水源を確保する冷却設備を提供することを目的とする。

本発明の第１実施形態に係る冷却設備の配管回路図。（Ａ）第１実施形態に係る冷却設備が適用された原子力プラントの縦断面構成図、（Ｂ）同水平断面構成図。本発明の第２実施形態に係る冷却設備の配管回路図。（Ａ）第２実施形態に係る冷却設備が適用された原子力プラントの縦断面構成図、（Ｂ）同水平断面構成図。第２実施形態に係る冷却設備の縦断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る冷却設備１０ａ（１０）の配管回路図である。このように第１実施形態の冷却設備１０ａは、プラント２０に配置される第１熱交換器２１及び第２熱交換器２２（２１₁，２２₂、…２２_n）と、第１熱交換器２１に環境に存在する水源３０から第１冷媒３１を一過式で供給する第１冷却系１１と、第２熱交換器２２に貯留槽１５から第２冷媒３２を循環式で冷却塔１６により冷却しながら供給する第２冷却系１２と、を備えている。

第１熱交換器２１は、プラント２０の通常運転時において構成機器を常用冷却するための常用冷却系２５に接続されている。そして、第２熱交換器２２は、通常運転中のプラント２０の非常時に構成機器を冷却するための非常用冷却系２６に接続されている。このように、実施形態に係る冷却設備１０は、プラント２０の通常運転時は、第１冷却系１１が作動して、非常用炉心冷却設備が作動するといったプラントの安全停止に対処するために第２冷却系１２が作動する。

複数の第２熱交換器２２（２２₁，２２₂、…２２_m）は、互いに並列接続され、開閉弁２７の設定により、熱交換動作するものを任意に設定することができる。

第１冷却系１１は、プラント２０が立地している環境に存在する、海、河川、湖等の水源３０から、海水や淡水といった第１冷媒３１を一過式で第１熱交換器２１に供給する。このような水源３０から第１ポンプ３５で圧送された第１冷媒３１は、第１熱交換器２１において、常用冷却系２５の冷媒と熱交換した後、再び水源３０に戻される。

第２冷却系１２に設けられている冷却塔１６は、第２熱交換器２２から帰還した第２冷媒３２を大気中に散水する散水部４１と、散水された第２冷媒３２にあてる気流４８を発生させるファン４２と、を有する開放型である。実施形態において冷却塔１６は、散水部４１から鉛直方向に向けて第２冷媒３２が散水され、ファン４２は散水方向とは逆方向の気流４８を送風させているが、第２冷媒３２の散水方向と気流４８の送風方向とは、それぞれ任意である。また冷却塔１６は、実施形態に示す開放型に限定されることはなく、任意の方式を採用することができる。

開放型の冷却塔１６が採用されることで、気流４８による気化潜熱の奪取が促進され、散水された第２冷媒３２の冷却が小規模でも高効率に実現される。なお、図１には、互いに並列接続する二機の冷却塔１６が開示されているが、接続される冷却塔１６の機数は任意である。また、第２熱交換器２２における熱交換量に応じて、冷却塔１６の運転数を変化させることができる。すなわち、第２熱交換器２２の熱交換量が増加し、通過した第２冷媒３２の温度が上昇した場合は、閉止されている開閉弁４５を開放して冷却塔１６の運転数を増やすことができる。

貯留槽１５は、冷却塔１６で冷却された第２冷媒３２を貯留するものである。開放型の冷却塔１６は、冷却原理として気化潜熱を利用するものであるため、運転にしたがい第２冷媒３２が減少していく。このため、第２冷却系１２の連続運転時間は、貯留槽１５における第２冷媒３２の保持容量に依存する。このため、貯留槽１５の容量は、第２熱交換器２２における熱交換量及び第２冷却系１２の予め想定される連続運転時間に基づいて設計される。なお、蒸発により散逸した第２冷媒３２は、貯留槽１５に外部から直接補充される。

そして貯留槽１５には、第２冷媒３２を第２熱交換器２２に圧送するためのポンプ１７及び開閉弁１８が接続されている。これらポンプ１７及び開閉弁１８は、冷却塔１６の設置数に対応する数が設けられ、冷却塔１６の運転数に応じて、動作及び開放設定される。

第２冷却系１２には、散水部４１を介さずに第２冷媒３２を貯留槽１５に直接流入させるバイパス路４６が設けられている。そしてこのバイパス路４６には、貯留槽１５に直接流入する第２冷媒３２の流量を調節する調節弁４７が設けられている。この調節弁４７を操作することにより、貯留槽１５に直接流入させる第２冷媒３２の流量と散水部４１を介して流入させる第２冷媒３２の流量との比率を任意に調整することができる。これにより、第２冷却系１２を循環する第２冷媒３２の流量を所定値に設定しつつ、散水部４１で散水する量を調整し第２冷媒３２の温度及び気化散逸量を調整することができる。

図２（Ａ）は第１実施形態に係る冷却設備１０ａ（１０）が適用されたプラント２０の縦断面構成図である。図２（Ｂ）は同水平断面構成図である。このように第１実施形態の冷却設備１０ａは、貯留槽１５及び冷却塔１６が階層構造をとる。そして、この冷却設備１０ａには、ポンプ１７等が設置される機械室１９が、貯留槽１５に隣接して設けられている。なお、第１実施形態において階層構造をとる貯留槽１５及び冷却塔１６は、プラント２０とは別々の敷地に設置されているが、プラント２０と一体的に設置することもできる。

図２に示す冷却設備１０ａは、冷却塔１６とこれに対を成す貯留槽１５が、六機分だけ連結配置されている例を示している。そして、機械室１９は、二つ分の冷却塔１６に対応する二つのポンプ１７が、一つの区画に収容されている。第１実施形態に係る冷却設備１０ａによれば、既設のプラント２０に対し、空いている敷地に新設することが可能である。また、プラント２０の非常用冷却系２６の要求性能にあわせて、階層構造をとる貯留槽１５及び冷却塔１６の連結数を適宜変えて設計することができ、さらに施工後に増設することも容易である。

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態の変形例について説明する。本変形例では、貯留槽１５が第２冷却系１２の水源として構成されることに加えて、重大事故時等に原子炉内へ注水を行う際の緊急時用水源としても構成される。

第２冷却系１２はプラント２０を非常時の崩壊熱の除去等を行うべく、第２冷媒３２を循環させる。一方で、非常用炉心冷却設備の喪失により炉心が損傷するといった重大事故時は、貯留槽１５の貯蔵水を緊急時用水源として可搬型の設備等を用いて原子炉内へ注水する。ここで、原子炉内とは原子炉圧力容器内と原子炉格納容器内の何れの場合も含む。重大事故の状況では、基本的に第２冷却系１２は作動しない。

近年は重大事故に対処するための設備として水源をプラント２０の敷地内に設置することが要求されている。貯留槽１５は、第２冷却系１２を一定期間（例えば３０日分）継続して稼働させられる大容量の水源であり、重大事故時の緊急時用水源としても利用することができる。本変形例によれば、重大事故に対処するための緊急時用水源を、第２冷却系１２の水源と別途に設ける必要がなくなることから、設置が必要な設備を削減し、プラントのレイアウトの自由度を高めることができる。

（第２実施形態）
次に図３から図５を参照して本発明における第２実施形態について説明する。図３は本発明の第２実施形態に係る冷却設備１０ｂ（１０）の配管回路図である。なお、図３において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

このように第２実施形態の冷却設備１０ｂは、プラント２０に配置される第１熱交換器２１及び第２熱交換器２２（２２₁，２２₂、…２２_n）と、第１熱交換器２１に環境に存在する水源３０から第１冷媒３１を一過式で供給する第１冷却系１１と、第２熱交換器２２に貯留槽１５から第２冷媒３２を循環式で冷却塔１６により冷却しながら供給する第２冷却系１２と、を備えている。

そして第２実施形態の冷却塔１６は、第２熱交換器２２から帰還した第２冷媒３２を大気中に散水する散水部４１と、散水した第２冷媒３２を回収し貯留槽１５に送出させる回収槽３７と、を備えている。なお回収槽３７から貯留槽１５への第２冷媒３２の送出は、高低差を利用するものでもよいし、図示略のポンプで圧送するものであってもよい。

図４（Ａ）は、第２実施形態に係る冷却設備１０ｂが適用された原子力プラント２０の縦断面構成図である。図４（Ｂ）は、同原子力プラントの水平断面構成図である。図５は、第２実施形態に係る冷却設備１０ｂの縦断面構成図である。なお、図４及び図５において、第１熱交換器２１（図３）及び第１冷却系１１の表示が省略されている。

このように第２実施形態に係る冷却設備１０ｂは、貯留槽１５及び冷却塔１６が、別々の敷地に設置されていることにより、冷却塔１６のレイアウトの自由度が増す。さらに、第２冷媒３２を冷却する気流をファン４２の周囲から取り込みやすくなり、第２冷媒３２が回収槽３７に着地してから貯留槽１５に移送されるまでも冷却効果が継続するので、第２冷媒３２の冷却効率が向上する。レイアウトの制約によっては複数の冷却塔１６を統合することも可能である。

さらに第２実施形態の貯留槽１５は、プラント２０の基礎３８と一体に構築されている。これにより、プラント２０の支持基板が水平方向に拡幅され、耐震性の向上に寄与する。また図５に示すように、貯留槽１５はグランドレベルＧよりも下側に大容量確保されるので第２冷媒３２の蓄積が容易となる。また、貯留槽１５と一体化して、ポンプ１７と第２熱交換器２２を階層構造で設けることができるため、機器設置の省スペース化を図ることができる。なお図示を省略するが、プラント２０の基礎３８と一体に構築された貯留槽１５の上部に、冷却塔１６を構築することもできる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の冷却設備１０（１０ａ，１０ｂ）によれば、原子力プラントのレイアウトの自由度を高められる冷却設備を提供することができる。例えば、海、河川、湖等の環境水源３０から離れた場所にプラント２０が建設される場合に、非常用冷却系２６に第２冷媒３２を供給する第２冷却系１２を循環冷却式とすることで、環境水源３０の沿岸から原子力プラントの側に運河を設けて冷却源とする必要がなくなる。

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。これら実施形態は、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、組み合わせ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。

１０（１０ａ，１０ｂ）…冷却設備、１１…第１冷却系、１２…第２冷却系、１５…貯留槽、１６…冷却塔、１７…ポンプ、１８…開閉弁、１９…機械室、２０…原子力プラント（プラント）、２１…第１熱交換器、２２…第２熱交換器、２５…常用冷却系、２６…非常用冷却系、２７…開閉弁、３０…環境水源（水源）、３１…第１冷媒、３２…第２冷媒、３５…ポンプ、３７…回収槽、３８…基礎、４１…散水部、４２…ファン、４５…開閉弁、４６…バイパス路、４７…調節弁、４８…気流。

Claims

プラントに配置される第１熱交換器及び第２熱交換器と、
前記第１熱交換器に、環境に存在する水源から第１冷媒を一過式で供給する第１冷却系と、
前記第２熱交換器に、貯留槽から第２冷媒を循環式で冷却塔により冷却しながら供給する第２冷却系と、を備える冷却設備。
請求項１に記載の冷却設備において、
前記冷却塔は、
前記第２熱交換器から帰還した前記第２冷媒を大気中に散水する散水部と、
散水した前記第２冷媒を回収し前記貯留槽に送出させる回収槽と、を備える冷却設備。
請求項１又は請求項２に記載の冷却設備において、
前記貯留槽及び前記冷却塔は、階層構造をとる冷却設備。
請求項１又は請求項２に記載の冷却設備において、
前記貯留槽及び前記冷却塔は、別々の敷地に設置されている冷却設備。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の冷却設備において、
前記貯留槽は、前記プラントの基礎と一体に構築されている冷却設備。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の冷却設備において、
前記第１熱交換器は、前記プラントの構成機器の常用冷却に利用され、
前記第２熱交換器は、前記プラントの構成機器の非常用冷却に利用される冷却設備。
請求項６に記載の冷却設備において、
前記原子力プラントの炉内に注水する重大事故時の冷却設備が前記貯留槽を水源とするよう構成された冷却設備。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の冷却設備が設置された原子力プラント。