JP5016066B2 - 非常用システムにおけるナノ粒子を使用する原子力発電所及び関連する方法 - Google Patents

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Description

背景
本発明は概して原子力発電所、特にこのような発電所の非常用システムに関する。
原子力発電所は一般的に、核原子炉と、原子炉から熱を取り出し、電力を発生するための原子炉冷却材系(RCS)とを有している。2つの最も一般的な原子炉の形式、すなわち沸騰水型原子炉(BER)及び加圧水型原子炉(PWR)は、水を用いる。加圧水型原子炉(PWR)においては、原子炉冷却材系からの加熱された水が熱を発電機に受け渡し、この発電機は、タービンに動力を与えるために冷却材を沸騰させる二次冷却材流を有している。BWRにおいて、原子炉は、発電機のための蒸気を発生するために原子炉冷却材を直接に沸騰させる。発電機の下流の、ただし原子炉の上流のRCS区分は、コールドレッグと呼ばれ、原子炉の下流でかつ発電機の上流の区分は一般的にホットレッグと呼ばれる。
一般的に冷却材喪失事故(LOCA)と呼ばれる故障がRCSにおいて生じると、炉心が適切に冷却されず、原子炉において温度が上昇し始める。炉心における燃料エレメントの温度が上昇し、チェックされていないと、溶融を生ぜしめる恐れがあり、潜在的に原子炉を故障させ、溶融物を格納容器建屋内に解放する。PWR及びBWRにおいて生じる恐れがあるLOCAの1つの形式は、主流れライン破損である。
LOCAの際、格納容器内の圧力及び温度の標準的な進化は、150℃程度の最大温度で、5〜18時間で数barまでの圧力上昇を伴い、これは、数日間で大気圧及び大気温度まで減少させられる。原子力発電所は、かなりの安全余地を持って、このような事態を切り抜けるように設計されている。冷却過程は、このような温度における水及び空気の物理的特性に基づく。
LOCA事故の間、RCSに付加的な水を提供することによって原子炉を冷却するために、非常用炉心冷却システム(ECCS)が作動させられることができる。ECCSは通常はこのように、RCS内へ出る、遠心チャージングポンプ/高圧注入ポンプ(CCP/HPIPポンプ)等の高圧ポンプを有している。これは、格納容器内RWST(IRWST)等の燃料取替用水タンク(RWST)、又はRCSのコールドレッグ内への格納容器水だめから、水を圧送することができる。RCSコールドレッグから熱交換機を通過する水を受け取る容積制御タンクも、CCP/HPIPポンプに水を提供することができる。
ECCSは通常は、余熱除去又は安全注入システムポンプ(RHR/SISポンプ)等の、低圧ポンプを有しており、この低圧ポンプは、RWST又は格納容器水だめから、RCSのコールドレッグ及びホットレッグへ水を提供することができ、格納容器スプレー系に水を提供することができる。熱交換機は通常、RHR/SISポンプの後に設けられている。
ECCSは、加圧窒素を使用して圧力下の水を貯蔵するRCSのコールドレッグに接続されたアキュムレータと、RCSのホットレッグに余分な圧力を提供しかつ、RCS容積及び温度変位を収容するための膨張容積を提供するための加圧器とを有している。
事故後冷却は、LOCAの後の格納容器内の空気及び蒸気相の自然対流熱伝達の現象と、LOCA条件の間の炉心内の沸騰熱伝達とに関係する。
"In-Vessel Retention Enhancement through the Use of Nanofluids"というタイトルの記事には、事故シナリオの間の容器内保持向上のためのナノ流体を使用することが記載されている。概念的なナノ流体注入システムは、濃縮ナノ流体の2つの小さなタンクを有しており、各タンクは、計算機モデルによって予測された向上を提供するための十分なナノ流体を供給することができる。注入は、注入ラインに接続された弁の手動作動時に生じると考えられる。これらの弁を作動させるための指示は、厳格な事故手順においてなされることが要求される。注入は、重力と、タンクに取り付けられたアキュムレータによって提供される過剰圧力とによって駆動されると言われている。注入ラインは、格納容器内の物理的空間制限に応じて、これらの注入ラインが原子炉キャビティにおいて、再循環ラインにおいて、又はIRWSTにおいて終わることができるようになっている。
発明の概要
本発明の1つの目的は、原子炉からの熱伝達を増大し、過酷事故条件下で格納容器建屋から熱を有効に放出させることである。
本発明は、原子炉と、原子炉冷却材系と、原子炉冷却材系によって動力が供給される発電機と、非常用炉心冷却システムとが設けられており、非常用炉心冷却システムが、原子炉冷却材系に通じるアキュムレータ出口を有しており、アキュムレータ内へ通じる供給出口を有するナノ粒子供給部を有する、原子力発電所を提供する。
本発明は、原子炉と、原子炉冷却材系と、原子炉冷却材系によって動力が供給される発電機と、非常用炉心冷却システムとが設けられており、この非常用炉心冷却システムが、燃料取替用水タンク又は格納容器水だめを有しており、燃料取替用水タンク又は格納容器水だめから水を提供するポンプ入口と原子炉冷却システムに水を提供するポンプ出口とを有するポンプが設けられており、ポンプと燃料取替用水タンクとの間又はポンプと格納容器水だめとの間に供給出口を有するナノ粒子供給部が設けられている、原子力発電所を提供する。
本発明は、原子炉と、原子炉冷却材系と、原子炉冷却材系によって動力が供給される発電機と、非常用炉心冷却システムと、非常用炉心冷却システムに接続された加圧ナノ粒子供給部とが設けられている原子力発電所をも提供する。
本発明は、原子炉と、原子炉冷却材系と、原子炉冷却材系によって動力が提供される発電機と、非常用炉心冷却システムと、非常用炉心冷却システムに接続されたナノ粒子供給部とが設けられており、ナノ粒子供給部が、電動弁を有している、原子力発電所をも提供する。
本発明は、過酷事故の際に非常用炉心冷却システムのアキュムレータ水と共に解放されることができるナノ粒子を提供することを含む、原子力発電所における過酷事故熱除去能力を改良するための方法をも提供する。
本発明は、過酷事故の際に燃料取替用水タンク又は格納容器水だめによってポンプに提供される水に、非常用炉心冷却システムの上流において解放されることができるナノ粒子を提供することを含む、原子力発電所における過酷事故熱除去能力を改良するための方法をも提供する。
本発明は、非常用炉心冷却システムへの供給の前に、ナノ粒子を含む媒体を加圧することができるナノ粒子供給システムを提供することを含む、原子力発電所における過酷事故熱除去能力を改良するための方法をも提供する。
本発明は、格納容器内の圧力が原子炉冷却材系の圧力と同じである場合に、事故後段階においてナノ粒子を供給することができるナノ粒子供給部を提供すること含む、原子力発電所における過酷事故熱除去能力を改良するための方法をも提供する。
本発明の1つの好適な実施形態が図面を参照しながら説明される。
本発明による非常用炉心冷却システムを備えた原子力発電所を概略的に示している。 図1におけるアキュムレータの詳細をより詳細に示している。 図1の高圧ポンプ領域の詳細をより詳細に示している。 図1の低圧ポンプの詳細をより詳細に示している。
好適な実施形態の詳細な説明
図1は、原子炉10と、原子炉冷却材系20と、発電機30とを有する原子力発電所を示している。図示されたPWR実施形態においては、発電機30は、二次冷却材流及びタービンを有している。原子炉冷却材系20は、発電機30と原子炉10との間のコールドレッグ22と、原子炉10と発電機30との間のホットレッグ24と、コールドレッグ22における冷却材ポンプ26とを有している。図示されたPWR実施形態のための原子炉冷却材系20は、1つ又は2つ以上の加圧器70をも有していることができる。BWR実施形態において、発電機30は通常タービンを有しており、RCS20は復水器を有している。
RCS20は、通常運転において水を再循環させ、好適な実施形態において、通常運転時にはRCSにはナノ粒子は意図的に付加されない。なぜならば、ナノ粒子は、発電機及びその他の構成要素に関する問題を生じる恐れがあるからである。
原子力発電所はさらに、概して50で示された非常用炉心冷却系を有しており、この非常用炉心冷却系は、1つ又は2つ以上のアキュムレータ又は炉心漏水タンク60と、燃料取替用水タンク80と、格納容器水だめ90と、高圧ポンプ100と、低圧ポンプ110とを有している。
RWST80は、遠心チャージングポンプ/高圧インジェクションポンプであってよいポンプ100に、ライン120を介して接続されている。ポンプ100は、降下熱交換器126を介してコールドレッグ22から水を受け取ることができる容積調節タンク124にも接続されていてよい。ポンプ100は、LOCAの際にRWST80又は格納用水だめ90からRCS20内へ水を提供することができる。格納容器水だめ90はこのように、例えばRWSTが空になった後に、過酷事故の際に格納容器に集まる水を提供する。
余熱除去ポンプ/安全注入システムポンプであってよい低圧ポンプ110は、RWST80又は格納容器水だめ90から熱交換12へ、及びホットレッグ24、コールドレッグ22及び格納容器スプレー系へ水を提供する。
加圧器70は、コールドレッグ22からホットレッグ24への水の圧力を提供することができる。
本発明は、コールドレッグアキュムレータ/炉心漏水タンク60内に、濃縮されたナノ流体又はナノ粒子を提供することができるナノ粒子供給部200を提供する。このような適用は、媒体の初期段階において、又はアキュムレータ/炉心漏水タンク60によって水が供給されることなく炉心が露出させられることができるLOCA条件において冷却能力を増大する。
ナノ粒子供給部210は、RWST80又は格納容器水だめ90とポンプ100との間にナノ粒子を提供することができる。このナノ粒子注入位置は、RCS20における流体損失が、原子炉の炉心が被覆されたまま、より長時間補償されることができる別のタイプのLOCAシナリオを助けるように設計されている。
ナノ粒子供給部220は、RWST80又は格納容器水だめ90及びポンプ110の間にナノ粒子を供給することができる。このナノ粒子注入位置は有利には、RCS20からの流体損失が、原子炉の炉心が部分的にのみ被覆されながら、もはや補償されることができない別のタイプのLOCAシナリオを助けるように設計されている。ポンプ100及び熱交換器112は、あらゆるLOCA又はその他の過酷事故シナリオの後、数日間長期冷却を提供するように設計されている。本発明はこのように有利には、RCS20における圧力が格納容器における圧力と同じである場合にナノ粒子が供給されることができる。
ナノ粒子供給部200,210及び220は、単独で又は組み合わせて、原子炉キャビティ、再循環ライン又はRWSTにおいて終わっている供給部よりも著しい利点を提供する。粒子は、水が加圧される直前又は水が加圧される位置において分散されるので、ナノ粒子の分散及び有効性が増大される。したがって、沈澱、及びナノ粒子有効性に関するその他の問題が低減されることができる。全ての3つの供給部により、後で説明するように、全ての時間においてLOCAの非常用冷却が改良されることができる。
図2は、アキュムレータ60及びナノ粒子供給部200を詳細に示している。充填弁と呼ばれる、電動弁204は、アキュムレータ60への出口を有している。凝縮された形式のナノ流体、又はナノ粒子粉体を含有する加圧されたガスは、タンク202を介して供給され、弁204の入口を介してアキュムレータに達する。コールドレッグアキュムレータ60は、ナノ流体又はナノ粒子と混合された水を逆止め弁64を介してRCS内へ放出する。
電動弁204は、アキュムレータ又は炉心漏水タンク60内のより大きな流体体積内に、濃縮されたナノ流体を解放することができる。1つの実施形態において、希釈されたナノ流体はより長い時間、アキュムレータに滞在することができる。ナノ流体の特性及び安定性は、プラント非常用システム試験手順に従って点検され、必要であれば電動弁204が作動させられ、より濃縮されたナノ流体又はナノ粒子を必要に応じてタンク202に取り入れ、アキュムレータタンク60内の所望のレベルを維持する。充填源206はアキュムレータ60に水を提供することができ、例えばタンク60内のナノ粒子濃度が高くなりすぎると、水濃度を高める。このような行為は、まず放出弁66を介して水/ナノ粒子溶液の一部を排出することによって伴われることができる。
別の実施形態において、供給元のナノ材料は、タンク202内に残ることができ、アキュムレータ60内の水が非常用冷却手順によって要求された場合にのみ適用されることができる。
ナノ流体材料タンク20は、様々な運転計画の確率論的計算を考慮して得られた合計容積及び操作性を備えた、多数のタンクを含んでよい。タンクは、ナノ粉体を出口に注入する乾燥ナノ粉体サイロ又は液体を出口に注入する濃縮されたナノ流体タンクの組み合わせであることができる。濃縮ナノ流体タンク又はアキュムレータ60は、供給及び流出システムを有することができ、所定の間隔でタンクにナノ流体又はナノ材料を付加し、ナノ流体懸濁液の質を維持する。タンク60又はその他のタンク202のために、センサ68はナノ粒子レベルを検出することができ、制御装置300は放出弁66及び充填弁204(又はあらゆるその他の弁)を作動させることができ、所望の濃度を提供する。センサ68の代わりに、オペレータは、アキュムレータ60における決定されたナノ粒子濃度及び所望の濃度を入力することができ、制御装置300は、アキュムレータ容積と、タンク202におけるナノ粒子の濃度との既知の量に基づいて濃度を修正することができる。さらに、アキュムレータ60又はタンク202内のナノ流体の全体的な質は手作業で維持されてもよい。制御装置300は、例えば制御室から、過酷事故の経過の間、弁及びナノ粒子供給を制御するために使用されることができる。
濃縮されたナノ粒子が、長期貯蔵の間アキュムレータに配置されない場合、注入は、アキュムレータ流体を解放する直前にアキュムレータに行われることができる。
図3は、ナノ粒子供給部210及び高圧ポンプ100をより詳細に示しており、この実施形態において、出口104を有するCCP/HPIPポンプ100の入口102に配置された出口212を示している。タンク216は、様々な運転計画の確率論的計算を考慮して得られた合計容積及び操作性を備えた、多数のタンクを含むことができる。タンク216は、タンク214にナノ粉体を注入する乾燥ナノ粉体サイロ又は液体を同じ出口214に注入する濃縮ナノ流体タンクの組み合わせであることができる。濃縮ナノ流体タンク214及び/又はタンク216は、供給及び流出システムを有することができ、所定の間隔でタンクにナノ流体又はナノ材料を付加し、タンク214及び216におけるナノ流体懸濁液の質を維持する。このように、タンク214は、水のための別個の入口と、排出弁217とを有していてもよい。電動弁219は、出口212にナノ流体を提供するためにタンク214の下流に配置されることができる。制御装置300に接続されたセンサ211が提供されることもでき、制御装置300(図2)は充填弁218及び排出弁217をも制御する。
図4はナノ粒子供給部220を示しており、このナノ粒子供給部220は、タンク224及び226を有することができ、図3の実施形態と同様であってよい。出口222は、出口114を有する低圧ポンプ110の入口112に配置されることができる。
タンク214は、不活性ガス源215、例えば窒素源、を介して加圧されることができ、弁219の作動において、タンクは、圧力を加えられながら、ECCS50の遠心高圧又は低圧注入ポンプ100,110の入口へ排出し、ダイヤフラム又はその他の分離装置を有することができ、例えば小さなタンクとポンプの入口との間の圧力差が所定の設定値を超えた場合にのみタンクが放出するようになっている。
例えばLOCAの際、一次冷却材は、RCS20から格納容器内へ出ることがある。本発明は、次いで、ECCS50によって解放されたアキュムレータ水が、アキュムレータ水と共に貯蔵された、又は解放の直前に提供されたナノ粒子を含むことができることを提供し、LOCAの初期段階において、原子炉に提供されたアキュムレータ水は、除熱特性を増大している。
RWST水が解放されるか又は水だめ水がポンプ100を介して供給される時、さらなるナノ粒子がナノ粒子供給部210によってECCS内に提供される。流体又は固体のナノ粒子は、入ってくる流体の残りと急速に混合されることができ、RWST水は、除熱特性を増大している。
格納容器の水が再循環され、低圧ポンプ110が作動する時、ナノ粒子供給部22はナノ粒子を付加することができ、RCSの水と、アキュムレータの水等のあらゆるその他の水とが、ナノ粒子の十分な供給を有している。ナノ粒子の沈殿も補償されることができる。
ナノ粒子供給部210及び220は好適には、個々のポンプ100,110の入口、すなわちヘッディングにおいて直接にナノ粒子又はナノ流体を供給する。
電動弁は、供給部が遠隔で調整されることができるので、手動の弁よりも利点を提供する。
ナノ流体の他に、ナノ粒子供給部200,210は、ガス圧力を備えたフラスコから提供された不活性ガス流によって注入される固体ナノ粉体を提供することができる。流体流れにおける粒子を含有するガスは、小さなガスフラスコとポンプの入口との間の圧力差が所定の設定値を超えると、大きなタンクの入口、又は安全システムの遠心高圧及び/又は低圧インジェクションポンプ内に、排出される。
ナノ粒子は、ミクロン未満の寸法、好適には10〜300ナノメートルの寸法を有する。ナノ粒子は、好適には、照射野、温度及び圧力を考慮して、過酷事故において、非研磨性、非反応性、及び安定している。ナノ材料は、ZrO2、C(ダイアモンド)、Al23、SiO2、Fe34、Cu、CuOを含み、しかしながらこれらに限定されない。
ナノ粒子の供給は、過酷事故の後のそれぞれの段階において、原子炉に、容積毎に0.002%未満、例えば0.001%の濃度を維持するように設計されることができる。例えば、アキュムレータの水は、約0.001%の濃度に維持されていてよい(又はこの濃度を達成するために解放の前に注入される)。なぜならば、苛酷なLOCAにおいて、アキュムレータの水は、RCSの水が全く存在することなく供給されてよいからである。高圧ポンプのナノ粒子供給のために、ナノ粒子は、LOCAからのRCS水が格納容器において見られかつ格納容器水だめによって再循環されながら、RWST容積、及びRCS容積に関して供給されることができる。これらは単に例であり、解放されるナノ粒子の正確な量は、ナノ粒子のタイプ、原子炉の設計、ナノ粒子の沈殿特性、及び又は事故自体のタイプ及び苛酷さ(たとえばLOCAが軽微又は甚大であるか)に依存させられることができる。
10 原子炉、 20 原子炉冷却材系、 22 コールドレッグ、 24 ホットレッグ、 26 冷却材ポンプ、 30 発電機、 50 非常用炉心冷却系、 60 アキュムレータ又は炉心漏水タンク、 64 逆止め弁、 66 放出弁、 68 センサ、 70 加圧器、 80 燃料取替用水タンク、 90 格納容器水だめ、 100 高圧ポンプ、 102 入口、 110 低圧ポンプ、 112 入口、 120 ライン、 124 容積調節タンク、 200,210,220 ナノ粒子供給部、 202 タンク、 204 電動弁、 206 充填源、 210 ナノ粒子供給部、 212 出口、 214,216 タンク、 215 不活性ガス源、 219 電動弁、 222 出口、 300 制御装置

Claims (24)

  1. 原子力発電所において、
    原子炉と、
    原子炉冷却材系と、
    原子炉冷却材系によって動力が提供される発電機と、
    非常用炉心冷却系とが設けられており、該非常用炉心冷却系が、原子炉冷却材系へのアキュムレータ出口を有するアキュムレータを有しており、
    アキュムレータへの供給出口を有するナノ粒子供給部が設けられていることを特徴とする、原子力発電所。
  2. ナノ粒子供給部が、濃縮されたナノ粒子流体を含む、請求項1記載の原子力発電所。
  3. ナノ粒子供給部が、加圧されている、請求項1記載の原子力発電所。
  4. 非常用炉心冷却系が、燃料取替用水タンク又は格納容器水だめと、ポンプとを有しており、該ポンプが、水を、燃料取替用水タンク又は格納容器水だめから提供するポンプ入口と、水を原子炉冷却材系に提供するポンプ出口とを有しており、さらに第2のナノ粒子供給部が設けられており、該第2のナノ粒子供給部が、ポンプと燃料取替用水タンクとの間又はポンプと格納容器水だめとの間に第2の出口を有している、請求項1記載の原子力発電所。
  5. 第3のナノ粒子供給部が設けられており、該第3のナノ粒子供給部が、ポンプと燃料取替用水タンクとの間又はポンプと格納容器水だめとの間に第3の供給部出口を有している、請求項4記載の原子力発電所。
  6. アキュムレータが、原子炉が通常運転条件において運転している間に、水と、ナノ粒子供給部からのナノ粒子との組み合わせを貯蔵するようになっている、請求項1記載の原子力発電所。
  7. アキュムレータが、原子炉が通常運転条件において運転している間に、水又は原子炉冷却材のみを貯蔵するようになっている、請求項1記載の原子力発電所。
  8. アキュムレータの出口が、発電機の下流でかつ原子炉の上流に位置している、請求項1記載の原子力発電所。
  9. 原子力発電所において、
    原子炉と、
    原子炉冷却材系と、
    原子炉冷却材系によって動力が提供される発電機と、
    非常用炉心冷却系とが設けられており、該非常用炉心冷却系が、燃料取替用水タンク又は格納容器水だめと、ポンプとを有しており、該ポンプが、水を燃料取替用水タンク又は格納容器水だめから提供するポンプ入口と、水を原子炉冷却材システムに提供するポンプ出口とを有しており、
    ナノ粒子供給部が設けられており、該ナノ粒子供給部が、ポンプと燃料取替用水タンクとの間又はポンプと格納容器水だめとの間に供給部出口を有していることを特徴とする、原子力発電所。
  10. 供給部出口が、ポンプ入口に設けられている、請求項9記載の原子力発電所。
  11. ポンプが、高圧ポンプである、請求項9記載の原子力発電所。
  12. ポンプ出口が、発電機の下流でかつ原子炉の上流において原子炉冷却材系に接続されている、請求項11記載の原子力発電所。
  13. ナノ粒子供給部が、ナノ粒子を含有する加圧されたガスを供給する、請求項9記載の原子力発電所。
  14. ナノ粒子供給部が、ナノ流体を供給する、請求項9記載の原子力発電所。
  15. ポンプが、低圧ポンプである、請求項9記載の原子力発電所。
  16. 非常用炉心冷却系が、熱交換機を有しており、該熱交換機にポンプ出口が接続されている、請求項9記載の原子力発電所。
  17. 非常用炉心冷却系が、第2のポンプを有しており、さらに第2のナノ粒子供給部が設けられており、該第2のナノ粒子供給部が、第2のポンプと燃料取替用水タンクとの間又は第2のポンプと格納容器水だめとの間に第2の供給部出口を有している、請求項9記載の原子力発電所。
  18. ポンプが、高圧ポンプであり、第2のポンプが、低圧ポンプであり、非常用炉心冷却系が、アキュムレータを有しており、さらに、該アキュムレータへの出口を有する第3のナノ粒子供給部が設けられている、請求項17記載の原子力発電所。
  19. 原子力発電所において、
    原子炉と、
    原子炉冷却材系と、
    該原子炉冷却材系によって動力が提供される発電機と、
    非常用炉心冷却系と、
    該非常用炉心冷却系にナノ粒子を提供する、加圧ナノ粒子供給部とが設けられていることを特徴とする、原子力発電所。
  20. 原子力発電所において、
    原子炉と、
    原子炉冷却材系と、
    該原子炉冷却材系によって動力が提供される発電機と、
    非常用炉心冷却系と、
    該非常用炉心冷却系にナノ粒子を供給するナノ粒子供給部とが設けられており、該ナノ粒子供給部が、電動弁を有していることを特徴とする、原子力発電所。
  21. 過酷事故の際に非常用炉心冷却系のアキュムレータ水と共に解放されることができるナノ粒子を提供することを含むことを特徴とする、原子力発電所における過酷事故除熱能力を改良するための方法。
  22. 過酷事故の際に原子炉貯水タンク又は格納容器水だめによってポンプに提供される水に、非常用炉心冷却系の上流において解放されることができるナノ粒子を提供することを含むことを特徴とする、原子力発電所における過酷事故除熱能力を改良するための方法。
  23. 非常用炉心冷却系への供給の前にナノ粒子を含む媒体を加圧することができるナノ粒子供給系を提供することを含むことを特徴とする、原子力発電所における過酷事故除熱能力を改良するための方法。
  24. 格納容器内の圧力が原子炉冷却材系の圧力と等しい場合に、事故後の段階においてナノ粒子を非常用炉心冷却系に供給することができるナノ粒子供給部を提供することを含むことを特徴とする、原子力発電所における過酷事故除熱能力を改良するための方法。
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