JP4320445B2

JP4320445B2 - アルカリ金属熱電発電装置を備えた液体金属冷却型原子炉

Info

Publication number: JP4320445B2
Application number: JP2005214145A
Authority: JP
Inventors: 俊男中桐; 耕太郎田中; 武夫本多; 孝博藤井; 紀身青砥
Original assignee: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2025-07-25
Also published as: FR2888982A1; JP2007033128A; FR2888982B1; US20070017565A1

Description

本発明は、熱輸送機能を有するアルカリ金属熱電発電装置を液体金属冷却型原子炉に組み込むことによって、発電効率を向上させるようにした新規かつ改良された液体金属冷却型原子炉に関するものである。

アルカリ金属熱電発電装置は、β”−アルミナ等のアルカリ金属イオン伝導性を有する固体電解質の両側にアルカリ金属蒸気の濃度差（すなわち蒸気圧差）を与えて発電を行う一種の濃淡電池であり、従来から種々の構造の装置が知られており、それらの改良も種々提案されている（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３等）。

アルカリ金属熱電発電装置の原理について、図４に示した蒸気供給型のアルカリ金属熱電発電装置を例に挙げて説明する。密封容器１０内は、底部の低温側と上部の高温側とからなり、高温側には熱が供給され、低温側からは熱が排出される。低温側の密封容器内底部には、液体ナトリウムのごときアルカリ金属が貯留されており、この液体ナトリウムはウィック（ナトリウム循環用毛細管）１１の毛管作用により吸い上げられて、高温側の蒸発部でナトリウム蒸気となる。高温に加熱されたナトリウム蒸気は、発電部のアノード側多孔性電極１２でナトリウムイオン（Ｎａ⁺)と電子に解離し、ナトリウムイオンは高温側（高圧側：１０³〜１０⁵Ｐａ）と低温側（低圧側：１０^-4〜１０²Ｐａ）のナトリウム蒸気の蒸気圧差による駆動力で固体電解質１３内を矢印方向に移動・通過するとともに、電子は外部負荷を通過してカソード側多孔性電極１４に導かれ、カソード側多孔性電極１４の境界面で電子とナトリウムイオンとが結合し、発電が行われる。

電子と結合したナトリウムイオンは再びナトリウム蒸気となり、密封容器１０内底部の低温側へ導かれ、凝縮部で液体ナトリウムに戻り、密封容器１０内底部に貯留される。この液体ナトリウムは再度ウィック１１により密封容器１０内上部の高温側蒸発部へ循環されることにより、発電が継続して行われる。
なお、液体ナトリウム循環用のウィックに代えて電磁ポンプを使用することもできるが、毛管作用を利用したウィックを使用した場合には、外部動力が不要であるため、シンプルな機器構成が可能となる。

かようなアルカリ金属熱電発電装置を液体金属冷却型原子炉の発電システムとして採用する検討は、国内外で広く行われてきた。しかしながら、液体金属冷却型原子炉の冷却材温度である約５００℃〜７００℃程度で作動するアルカリ金属熱電発電装置の発電効率は約２０％以下であり、水蒸気タービン発電システムの発電効率（冷却材温度約５００℃のナトリウム冷却型高速炉で約４０％）に競合しうる発電システムとはなりえなかった。
また水蒸気タービンによる発電システムの場合にも、供給熱温度が約５００℃〜７００℃の場合には、発電効率は約４０％を有意に上回ることは困難であった。

特開２００５−３９９３７号公報特開平６−５４５６６号公報特開平６−１６３０８９号公報

そこで本発明は、アルカリ金属熱電発電装置を液体金属冷却型原子炉に組み込むに際して、プラント全体の発電効率を、液体金属冷却型原子炉で採用されてきた従来の水蒸気タービン発電システム単独の発電効率よりも有意に上昇させることができる、アルカリ金属熱電発電装置を備えた液体金属冷却型原子炉を提供することを目的とする。

すなわち本発明は、一次冷却系、二次冷却系および水蒸気タービン発電系を備えた金属冷却型原子炉または一次冷却系および水蒸気タービン発電系を備えた金属冷却型原子炉の前記一次冷却系または二次冷却系の冷却系と前記水蒸気タービン発電系との間にアルカリ金属熱電発電装置を配設し、前記冷却系は、前記金属冷却型原子炉を冷却し高温となった金属冷却材が前記アルカリ金属熱電発電装置の高温側に導かれて、熱交換した後に前記金属冷却型原子炉へ戻される循環機構を有するとともに、前記水蒸気タービン発電系と前記アルカリ金属熱電発電装置の低温側との間にも、前記水蒸気タービン発電系で低温化された蒸気が前記アルカリ金属熱電発電装置の低温側に導かれて、当該アルカリ金属熱電発電装置の低温側排熱と熱交換した後に前記水蒸気タービン発電系に導かれる循環機構を有し、前記アルカリ金属熱電発電装置の低温側排熱を前記水蒸気タービン発電系に供給することによって、前記アルカリ金属熱電発電装置による発電と同時に、前記水蒸気タービン発電系による発電を行うようにしたことを特徴とするアルカリ金属熱電発電装置を備えた液体金属冷却型原子炉である。好ましくは、一次冷却系および水蒸気タービン発電系を備えた金属冷却型原子炉の前記一次冷却系と前記水蒸気タービン発電系との間にアルカリ金属熱電発電装置を配設し、前記一次冷却系は、前記金属冷却型原子炉を冷却し高温となった金属冷却材が前記アルカリ金属熱電発電装置の高温側に導かれて、熱交換した後に前記金属冷却型原子炉へ戻される循環機構を有することを特徴とするアルカリ金属熱電発電装置を備えた液体金属冷却型原子炉である。

前記アルカリ金属熱電発電装置として、熱輸送能力の高い蒸気供給型アルカリ金属熱電発電装置を使用することが望ましい。

また、本発明の好ましい実施形態においては、前記アルカリ金属熱電発電装置として、密封円筒容器内の底面に設けた排熱側の低温凝縮部と、前記密封円筒容器内の上部給熱側に並列させて立設した内部空洞を有する複数の高温円筒状発電素子と、一端が前記凝縮部に他端が前記各円筒状発電素子の内部空洞内に位置するように並列させて配設した複数のウィックとからなるアルカリ金属熱電発電セルを使用する。
かようなアルカリ金属熱電発電セルを使用した場合には、複数の円筒状発電素子を密に並列配置させることが望ましい。

本発明によれば、液体金属冷却型原子炉の一次または二次冷却系の熱を使用してアルカリ金属熱電発電装置による発電を行わせ、さらにはこのアルカリ金属熱電発電装置の熱輸送機能を利用してアルカリ金属熱電発電の低温側排熱を水蒸気タービン発電系に供給して水蒸気タービン発電系による発電を行わせる。このようにして、液体金属冷却型原子炉の一次または二次冷却系と水蒸気タービン発電系との間の熱交換手段として、熱輸送機能を備えたアルカリ金属熱電発電装置を利用することにより、アルカリ金属熱電発電装置と水蒸気タービン発電系の両方での発電が可能となり、アルカリ金属熱電発電効率が低い場合でも、水蒸気タービン発電系と合わせたプラント全体の総合的な発電効率は、水蒸気タービン発電系単独の場合よりも有意に上昇させることができる。

また、アルカリ金属熱電発電装置を原子炉格納容器内に設置する場合、格納容器内の機器類の設置面積を増大させてはならないという重要な課題がある。本発明で使用するアルカリ金属熱電発電装置は、従来の熱輸送機器と同等なサイズで熱輸送と同時に発電を行えるため、格納容器内での設置面積を増大させることはない。

特に、アルカリ金属の蒸発・凝縮を利用する蒸気供給型アルカリ金属熱電発電装置を使用する場合には、ヒートパイプ機能を利用することにより大きい熱輸送量が得られ、受熱面積当たりの高い熱輸送量が可能となり、熱交換に必要な伝熱面積を従来型の熱交換器より小さくできる。

さらに、アルカリ金属熱電発電装置として、複数の円筒状発電素子を並列させて密封円筒容器内に立設配置した構造のアルカリ金属熱電発電セルを使用する場合には、セルが故障した場合などの交換作業が容易となり、メンテナンス性の向上が可能となる。また、複数の円筒状発電素子を密に並列配置させることにより、スケールメリットも期待でき、安価な発電システムを提供できる。

本発明で使用し得るアルカリ金属熱電発電装置としては、熱輸送機能を備えたアルカリ金属熱電発電装置であれば特に限定されるものではなく、図４のごとき基本的な構造のアルカリ金属熱電発電装置や、さらには、図１に示したごときコンパクトな構造のアルカリ金属熱電発電セルも好ましく使用することができる。

図１のセル構造について説明すると、密封円筒容器２０（例えばＳＵＳ製、内径３０ｍｍ、長さ７５ｍｍ）の内部上部には熱供給（例えば液体ナトリウム冷却材温度である５００℃）を受ける高温蒸発部が、内部底面には熱（例えば２５０℃）を排出する低温凝縮部がそれぞれ形成されており、高温蒸発部には、内部空洞を有するβ”−アルミナ製の複数の円筒状発電素子２１が立設されて並列配置されている。また、発電素子２１を形成するβ”−アルミナの内外面にはＴｉＮ、Ｍｏ等からなる電極が取り付けられている。さらに、一端が凝縮部に、他端が各発電素子２１内部空洞内に位置するように、複数のウィック２２が配設されている。

かようなセル構造における発電動作は以下の通りである。底面の凝縮部に貯留される液体ナトリウムは、表面張力を利用したウィック２２の毛管作用により吸い上げられ、高温の円筒状発電素子２１内部空洞で蒸発されてナトリウム蒸気（ナトリウムイオン）となる。ナトリウム蒸気は、発電素子２１内外の蒸気圧差を駆動力として、発電素子２１外へ放出され、低温でナトリウム蒸気圧の低い底面凝縮部へ移動し、凝縮して液体ナトリウムに戻る。β”−アルミナ製の発電素子２１内部をナトリウムイオンが通過する際に電力が発生し、発電が行われる。
図１の例では、内径３０ｍｍの密封円筒容器２０内に、直径５ｍｍの発電素子２１を３７本密に並列配置させており、これによって、３７本の発電素子２１の断面積の円筒容器２０断面積に対する割合は３７％とすることができ、スケールメリットの高いコンパクトなアルカリ金属熱電発電セルとすることができる。

図１のごとき構造のナトリウム熱電発電セルにおける電流密度（熱輸送能力）と出力および発電効率との関係を図２のグラフに示す。

原子炉の一次ナトリウム冷却系と水蒸気タービン発電系との間にアルカリ金属熱電発電装置（ＡＭＴＥＣ）を配設した本発明の実施例を図３に示す。
図３の例では、原子炉１の一次ナトリウム冷却系４をＡＭＴＥＣ２の高温側に、水蒸気タービン発電機３の水蒸気系５をＡＭＴＥＣ２の低温側に、それぞれ接続した基本構成とされており、ＡＭＴＥＣ２としては、図４に図示したものと同様な構造とされている。原子炉１を冷却し高温となったナトリウム冷却材は、原子炉の冷却材出口と接続された一次ナトリウム冷却系４の高温側配管４ａによりＡＭＴＥＣ２の高温側入口４ｂへ導かれ、ＡＭＴＥＣ２内で熱交換した後、ＡＭＴＥＣ２の高温側出口４ｃから原子炉の冷却材入口へ接続された高温側配管４ｄにより原子炉１へ戻される。
一方、水蒸気タービン発電機３で低温化された蒸気は、水蒸気タービン発電機３の蒸気出口と接続された水蒸気系５の低温側配管５ａによりＡＭＴＥＣ２の低温側入口５ｂへ導かれ、ＡＭＴＥＣ２内で熱交換した後、ＡＭＴＥＣ２の低温側出口５ｃから蒸気発生器ＳＧへ導かれ、ここで高温蒸気とされた後、水蒸気タービン発電機３の蒸気入口へ接続された低温側配管５ｄから水蒸気タービン発電機３へ導入されて発電に供される。なお、図示の例では、蒸気発生器ＳＧをＡＭＴＥＣ２の低温側出口５ｃの下流に設置しているが、低温側入口５ｂと低温側出口５ｃの間のＡＭＴＥＣ２内に設置することも可能である。
この過程で、ＡＭＴＥＣ２内では、一次ナトリウム冷却系４の高温ナトリウム冷却材の温度と水蒸気系５の低温蒸気との温度差によって、前述したアルカリ金属熱電発電装置として機能し、発電がなされる。

ＡＭＴＥＣ２内には、一次ナトリウム冷却系４および水蒸気系５とは別個のナトリウム循環系６が形成されており、このナトリウム循環系６が二次ナトリウム冷却系の機能を有している。ナトリウム循環系６は、ステンレス鋼製等の密封容器７内に形成されており、一次ナトリウム冷却系４の配管および水蒸気系５の配管は、それぞれ密封容器７外壁と接して配設されている。したがって、各配管と密封容器との熱交換は各配管外壁と密封容器７外壁とを介して行われることになり、これによって、一次ナトリウム冷却系４およびナトリウム循環系６のナトリウムと、水蒸気系５の水とが接触することがなく、ナトリウム−水反応の発生を排除することができる。ナトリウム循環系６内では、高温側である一次ナトリウム冷却系４との熱交換によりナトリウムが蒸発し、生成したナトリウム蒸気は低温側へ移行して、水蒸気系５との熱交換により凝縮する。この蒸発・凝縮のサイクルによりＡＭＴＥＣ２内では高温側と低温側の熱輸送がなされる結果、中間熱交換器の機能を果たすことになる。

図３中に記載した一次ナトリウム冷却系４におけるＴ（温度、℃）とＷ（流量、ｔｏｎ／ｈ）は、原子炉設計から決められている数値であり、水蒸気系５におけるＴ（温度、℃）、Ｗ（流量、ｔｏｎ／ｈ）およびＰ（圧力、ＭＰａ）は、一次ナトリウム冷却系４よびＡＭＴＥＣ２で消費される熱量を考慮したヒートバランスから決定した数値である。原子炉１としては、核燃料サイクル開発機構で検討している熱出力３９５ＭＷｔの小型高速炉を想定し、ＡＭＴＥＣ２における発電量は以下のようにして計算できる。
395MWt×17.8%(AMTECの発電効率)＝70.3MWe
ここで、１７．８％というＡＭＴＥＣの発電効率は、ＡＭＴＥＣの発電セル仕様と温度条件（高温側、低温側）を使って、専用の評価プログラムにより計算した。

また、水蒸気タービン発電機３の発電量（Ｇ）は以下のようにして計算できる。
発電機への熱供給量(395MWt−70.3MWe)×38%(発電機の発電効率)＝123.4MWe

上記で得られたＡＭＴＥＣ２およびタービン発電機３の発電効率と発電量、さらにはシステム全体の発電量合計と全発電効率をまとめると、次にようになる。
ＡＭＴＥＣの発電効率、発電量：１７．８％、７０．３ＭＷｅ
タービン発電機の発電効率、発電量：３８％、１２３．４ＭＷｅ
システム全体の発電量合計、全発電効率：１９３．７ＭＷｅ、４９．０％
上記の数値から、図３の実施例においては、ＡＭＴＥＣ２の発電効率が低くても、水蒸気タービン発電機３と合わせたシステム全体の発電効率は、水蒸気タービン発電機単独の発電効率（冷却材温度約５００℃のナトリウム冷却型小型高速炉で約４０％）よりも約９％向上させることが可能となる。

本発明で使用できるアルカリ金属熱電発電セルの実施例を示す斜視図である。図１のアルカリ金属熱電発電セルにおける電流密度（熱輸送能力）と出力および発電効率との関係を示すグラフである。本発明の実施例を示す説明図である。本発明で使用するアルカリ金属熱電発電装置の原理を示す説明図である。。

符号の説明

１：原子炉
２：アルカリ金属熱電発電装置（ＡＭＴＥＣ）
３：水蒸気タービン発電機
４：一次ナトリウム冷却系
５：水蒸気系
６：ＡＭＴＥＣ内ナトリウム循環系
１０：密封容器
１１：ウィック（ナトリウム循環用毛細管）
１２：アノード側多孔性電極
１３：固体電解質
１４：カソード側多孔性電極
２０：密封円筒容器
２１：円筒状発電素子
２２：ウィック

Claims

一次冷却系、二次冷却系および水蒸気タービン発電系を備えた金属冷却型原子炉または一次冷却系および水蒸気タービン発電系を備えた金属冷却型原子炉の前記一次冷却系または二次冷却系の冷却系と前記水蒸気タービン発電系との間にアルカリ金属熱電発電装置を配設し、
前記冷却系は、前記金属冷却型原子炉を冷却し高温となった金属冷却材が前記アルカリ金属熱電発電装置の高温側に導かれて、熱交換した後に前記金属冷却型原子炉へ戻される循環機構を有するとともに、
前記水蒸気タービン発電系と前記アルカリ金属熱電発電装置の低温側との間にも、前記水蒸気タービン発電系で低温化された蒸気が前記アルカリ金属熱電発電装置の低温側に導かれて、当該アルカリ金属熱電発電装置の低温側排熱と熱交換した後に前記水蒸気タービン発電系に導かれる循環機構を有し、
前記アルカリ金属熱電発電装置の低温側排熱を前記水蒸気タービン発電系に供給することによって、前記アルカリ金属熱電発電装置による発電と同時に、前記水蒸気タービン発電系による発電を行うようにしたことを特徴とするアルカリ金属熱電発電装置を備えた液体金属冷却型原子炉。
前記アルカリ金属熱電発電装置として、密封円筒容器内の底面に設けた排熱側の低温凝縮部と、前記密封円筒容器内の上部吸熱側に並列させて立設した内部空洞を有する複数の高温円筒状発電素子と、一端が前記凝縮部に他端が前記各円筒状発電素子の内部空洞内に位置するように並列させて配設した複数のウィックとからなる蒸気供給型アルカリ金属熱電発電装置を使用することを特徴とする請求項１に記載のアルカリ金属熱電発電装置を備えた液体金属冷却型原子炉。
前記アルカリ金属熱電発電セルの複数の円筒状発電素子を密に並列配置させたことを特
徴とする請求項２に記載のアルカリ金属熱電発電装置を備えた液体金属冷却型原子炉。