JP5027258B2

JP5027258B2 - 非常用システムの閉鎖された回路においてナノ粒子を使用する原子力発電所及び関連する方法

Info

Publication number: JP5027258B2
Application number: JP2009552690A
Authority: JP
Inventors: ジーエムポップミハイ; グレンロックアモンブライアン
Original assignee: アレヴァエヌペ
Priority date: 2007-03-06
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2028-02-21
Also published as: JP2010520483A; EP2135255B1; CN101720488A; US8160197B2; PL2135255T3; WO2008108932A1; EP2135255A1; US20080219396A1; CN101720488B; ES2431148T3

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、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（ＢＷＲ）及び加圧水型原子炉（ＰＷＲ）は、水を用いる。ＰＷＲにおいては、原子炉からの加熱された水が発電機に供給され、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、発電機は、原子炉冷却材によって直接に駆動されるタービンを有する。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）と呼ばれるような故障が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のＬＯＣＡは、主流れライン破損（ＭＳＬＢ）を含んでよい。

ＬＯＣＡの際、格納容器内の圧力及び温度の標準的な進展は、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。

ＰＷＲにおけるＬＯＣＡ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、非常用炉心冷却系（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）、又は格納容器水だめから、ＲＣＳのコールドレッグ内へ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調節タンクも、ＣＣＰ／ＨＰＩＰポンプに水を提供することができる。同様のＥＣＣＳは一般的にＢＷＲに設けられており、待機している水の体積が、ＬＯＣＡの場合に炉心に能動的に又は受動的に通過させられる。

ＥＣＣＳは、通常、残留熱除去又は安全注入系ポンプ（ＲＨＲ／ＳＩＳポンプ）等の低圧ポンプも有しており、この低圧ポンプは、水を、ＲＷＳＴ又は格納容器水だめからＰＷＲ又はＢＷＲ原子炉容器へ、また、水を格納容器スプレー系へ提供することができる。熱交換器は、通常、ＲＨＲ／ＳＩＳポンプの後に設けられており、原子炉から来る加熱された水は熱交換器を通過させられ、この熱交換器は、熱を、安全注入閉鎖冷却水系（ＣＣＷＳ）に伝達する。ＣＣＷＳは、ＬＯＣＡ後又はＭＳＬＢ後の長期冷却条件下で、ＥＣＣＳによって集められた熱を、河川、冷却塔、又は海等の最終的なヒートシンクに伝達する。

"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（In-vessel retention）向上のためのナノ流体の使用が記載されている。概念的なナノ流体注入系は、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、過酷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。

米国特許第６７２４８５４号明細書は、応力腐食割れを低減するために高温水系に対する触媒ナノ粒子の使用を記載している。

発明の目的
本発明の１つの目的は、原子炉からの熱伝導を増大させ、事故条件において格納容器建屋から熱を有効な形式で排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、原子炉冷却材系から独立した閉鎖された冷却回路とが設けられており、この閉鎖された冷却回路が、閉鎖された冷却回路における冷却材にナノ粒子を有しているか又はナノ粒子供給入口を有している、原子力発電所を提供する。

本発明は、一次原子炉冷却材から独立した閉鎖された冷却回路に、ナノ粒子、又は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を含む、原子力発電所における事故除熱能力を改良するための方法をも提供する。

本発明は、一次原子炉冷却材から独立した閉鎖された冷却回路に、ナノ粒子、又は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を含む、原子力発電所の、水相の閉鎖された冷却システムの腐食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を、図面を参照に説明する。

本発明による非常用冷却系を備えた、ＰＷＲ原子力発電所を概略的に示す図である。図１のＣＣＷＳの細部をより詳細に示す図である。

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ＰＷＲ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、加圧器７０は通常は設けられておらず、発電機３０は、二次冷却材流を有することなくタービンを有しており、ＲＣＳ２０は、凝縮器を有している。

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、通常運転の際には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もよい。ポンプ１００は、ＬＯＣＡの際にＲＷＳＴ８０又は格納容器水だめ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。

残留熱除去／安全注入系ポンプであってよい、低圧ポンプ１１０は、水を、ＲＷＳＴ８０又は格納容器水だめ９０から熱交換器１１２、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に提供する。ＣＣＷＳ３００は、水等の冷却材を、熱交換機１１２と熱交換器１４０との間に通過させ、熱交換器１４０は、河川、冷却タンク又は海等の必須サービス水系に接続されることができる。

この実施形態は、濃縮されたナノ流体又はナノ粒子をＣＣＷＳ３００に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、例えばＬＯＣＡの後、及び通常運転の間、ＣＣＷＳ３００における冷却能力を増大する。ナノ粒子は、腐食を軽減するために使用されることもできる。

図２は、ＰＷＲ又はＢＷＲにおいて使用されることができるＣＣＷＳ、及びナノ粒子供給部２００をより詳細に示している。充填弁と呼ばれる、電動弁２０２は、ライン１４２への出口を有している。ポンプ１３０は、ＣＣＷＳ回路において冷却材を再循環させることができ、ＣＣＷＳ回路は、熱交換器１１２及び１４０の間のライン１４２及び第２のライン１４４を有する。

濃縮されたナノ流体は、タンク又は一連のタンクを介して供給され、弁２０２の入口を介してライン１４２に達する。

電動弁２０２は、ナノ粒子供給入口２０３を介して、ＣＣＷＳ回路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、長時間、回路内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チェックされることができ、必要であれば、電動弁２０２が作動させられることができ、これによって、必要に応じて、より濃縮されたナノ流体又はナノ粒子をタンクに供給し、ＣＣＷＳ回路における所望の濃度を維持する。充填源は、例えば、回路におけるナノ粒子濃度が高くなりすぎた場合に、水の濃度を高めるために、タンク又はＣＣＷＳ３００に水を提供することができる。このような動作は、まず、ＣＣＷＳにおける放出弁を介して、水／ナノ粒子溶液の一部を排出することを伴うことができる。

別の実施形態において、供給元のナノ材料は、タンクに滞在し、事故条件が生じた後に初めてナノ粒子供給入口２０３を介してＣＣＷＳ３００における水に付加されることができる。

ナノ流体材料タンクは、閉鎖された回路の容積及び特性を考慮して得られた合計容積及び操縦性を備えた多数のタンクを含んでよい。タンクは、出口にナノ粉体を注入する乾燥ナノ粉体サイロ、又は出口に液体を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は、ナノ流体懸濁液の質を維持するために、所定の間隔で、タンクにナノ流体又はナノ材料を付加することを可能にする、供給及び流出のシステムを有することができる。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３１０は、供給部２００に所望の濃度を提供するために、排出弁及び充填弁（又はあらゆるその他の弁）を作動させることができる。供給部２００における所望の濃度と、ＣＣＳＷ３００における流体の体積とが分かっているならば、ＣＣＳＷ３００におけるナノ流体の濃度は制御されることができる。センサの代わりに、オペレータは、決定されたナノ流体濃度と、所望の濃度とを入力することができ、制御装置は、タンクにおける容積の既知の大きさに基づいて、濃度を修正することができる。さらに、タンクにおけるナノ流体の全体の質は、手動で維持されてよい。制御装置は、過酷事故等の事故の経過を通じて、及び通常運転の間、例えば制御室から、弁及びナノ流体供給を制御するために、使用されることができる。

濃縮されたナノ流体が、通常運転中にＣＣＷＳ３００に配置されていない場合、注入は、事故条件が生じた後に、ＣＣＷＳ３００内に進行する。

ナノ流体の他に、ナノ粒子供給部２００は、ガス圧を備えたフラスコから提供された不活性ガス流を用いて注入される固体ナノ粉体を提供することができる。流体の流れに粒子を含有するガスは、ＣＣＷＳ３００内に放出される。

ナノ粒子は、サブミクロンサイズ、好適には１０〜３００ナノメートルサイズである。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摩耗性、非反応性及び安定である。ナノ材料は、ＺｒＯ₂、Ｃ（ダイヤモンド）、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、Ｆｅ₃Ｏ₄、Ｃｕ、ＣｕＯを含んでよいが、これらに限定されない。

ナノ粒子の供給は、ＣＣＷＳ回路冷却材において、容積ごとに０．５％未満の濃度を維持するように設計されていることができる。設定濃度は、定期的なチェックを行うことによって、又は上述のようにセンサ及び制御装置を介して、達成されることができる。例えば、ＣＣＷＳの水は、約０．００１％の濃度で維持されてよい（又はこの濃度を達成するために解放の前に注入される）。その結果、ＣＣＷＳ３００の熱伝導特性が著しく増大されることができる。高温で供給されるナノ粒子に対して、本願のナノ粒子は、安定しておりかつ非触媒性であることができ、高温において供給されるものよりもより均一な塗膜を提供することによって耐腐食性を供給する。供給のための温度は、有利には、摂氏１００度未満であることができる。

本発明によれば、閉鎖された冷却回路は、閉鎖された冷却回路における冷却材におけるナノ粒子を含んでよい。これは、例えば、閉鎖された冷却回路がまず構成されるか又は後日ナノ粒子を付加することによって生じることができる。択一的に又は付加的に、閉鎖された冷却回路は、ナノ粒子供給入口を有していてよい。このようなナノ粒子供給入口が設けられている場合、ナノ粒子は、例えば所望の濃度を維持するために、通常運転の間、閉鎖された冷却回路に供給されることができるか、又は非常条件の間に必要とされる場合にのみ供給されることができる。

１０原子炉、２０原子炉冷却材系、２２コールレッグ、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炉心漏水タンク、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、１１０低圧ポンプ、１１２熱交換器、１２０ライン、１２４容積調節タンク、１２６熱交換器、１４０熱交換器、１４２ライン、１４４第２のライン、２００ナノ粒子供給部、２０２電動弁、２０３ナノ粒子供給入口、３００ＣＣＷＳ、３１０制御装置

Claims

原子力発電所において、
原子炉と、
原子炉冷却材系と、
原子炉冷却材系から独立した閉鎖された冷却回路とが設けられており、該閉鎖された冷却回路が、閉鎖された冷却回路における冷却材におけるナノ粒子を有するか、又はナノ粒子供給入口を有し、非常用冷却系が設けられており、閉鎖された冷却回路が、非常用冷却系の一部であり、閉鎖された冷却回路が、少なくとも２つの熱交換器を有しており、一方の熱交換器が、閉鎖された冷却回路の高温側に設けられており、他方の熱交換器が、閉鎖された冷却回路の低温側に設けられており、熱交換器に接続されたポンプが設けられていることを特徴とする、原子力発電所。
ナノ粒子供給部が設けられており、該ナノ粒子供給部が、ナノ粒子供給入口に接続された充填弁を有している、請求項１記載の原子力発電所。
閉鎖された冷却回路が、閉鎖された冷却水系である、請求項１記載の原子力発電所。
必須サービス水系が設けられており、少なくとも２つの熱交換器が、熱を、閉鎖された冷却回路から必須サービス水系に伝導することができる、請求項１記載の原子力発電所。
閉鎖された冷却回路が、通常運転の間、冷却材にナノ粒子を含んでいる、請求項１記載の原子力発電所。
ナノ粒子供給入口に接続されたナノ粒子供給部が設けられている、請求項５記載の原子力発電所。
閉鎖された冷却回路の冷却材におけるナノ粒子の設定濃度を提供するために、ナノ粒子供給部を制御する制御装置が設けられている、請求項６記載の原子力発電所。
原子力発電所における事故除熱能力を改良するための方法において、
原子炉冷却材系から独立した閉鎖された冷却回路に、ナノ粒子、又は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を含み、原子力発電所に非常用冷却系が設けられており、閉鎖された冷却回路が、非常用冷却系の一部であり、閉鎖された冷却回路が、少なくとも２つの熱交換器を有しており、一方の熱交換器が、閉鎖された冷却回路の高温側に設けられており、他方の熱交換器が、閉鎖された冷却回路の低温側に設けられており、熱交換器に接続されたポンプが設けられていることを特徴とする、原子力発電所における事故除熱能力を改良するための方法。
閉鎖された冷却回路におけるナノ粒子の濃度を監視することを含む、請求項８記載の方法。
原子力発電所の、水相の閉鎖された冷却システムの腐食を改良するための方法において、
原子炉冷却材系から独立した閉鎖された冷却回路に、ナノ粒子、又は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を含み、原子力発電所に非常用冷却系が設けられており、閉鎖された冷却回路が、非常用冷却系の一部であり、閉鎖された冷却回路が、少なくとも２つの熱交換器を有しており、一方の熱交換器が、閉鎖された冷却回路の高温側に設けられており、他方の熱交換器が、閉鎖された冷却回路の低温側に設けられており、熱交換器に接続されたポンプが設けられていることを特徴とする、原子力発電所の水相の閉鎖された冷却システムの腐食を改良するための方法。