JP5931620B2

JP5931620B2 - 流体冷却装置

Info

Publication number: JP5931620B2
Application number: JP2012158958A
Authority: JP
Inventors: 伸英原; 良卓向井; 崇石橋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2016-06-08
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: JP2014020882A

Description

本発明は、流体冷却装置による熱交換に関するものである。

従来から、原子炉の配管等が破損して冷却水が流出するようなＬＯＣＡ（原子炉冷却材喪失事故）のような非常時に作動され、原子炉格納容器内で発生する蒸気を冷却することによって、原子炉格納容器内での蒸気による昇圧を抑制する非常時の冷却システムが知られている。

このような非常時の冷却システムは、例えば特許文献１に開示されている。具体的には、原子炉格納容器の内部に配置された熱交換器と、原子炉格納容器の外部に設けられたダクト内に配置された熱交換器とをヒートパイプで接続した構成となっている。そしてこのような構成により、原子炉格納容器内の熱によってダクト内の空気を加熱してダクト内で上向きの流れを生じさせ、熱伝達を促進することによって原子炉格納容器内の除熱を行っている。

特開２０１１−２５２８３７号公報

しかしながら、特許文献１には具体的な記載はないものの、放射能の流出等を防止して安全性を確保するためには、原子炉格納容器内外を連通する配管に原子炉格納容器内外を隔離する弁を設けておく必要がある。従って装置が不使用状態のまま長期間維持される場合には、このような弁を通じて空気等の不凝縮ガスが熱交換器内へインリークし、熱交換器の作動性能が低下してしまうといったリスクがある。そしてこのようなリスクを回避するためには、定期的なメンテナンスが必要となってしまう。また、非常時に原子炉格納容器内の熱交換器で作動流体が気化した際に、この気化した気体とともに不凝縮ガスを排気することも考えられる。しかしこの場合には、新たに排気バルブや系統切り替えバルブ、膨張タンク等の付帯設備を設置する必要があり、構造や操作が複雑となってしまう。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、シンプルな構成によって非常時における原子炉格納容器内の冷却、減圧が可能な流体冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る流体冷却装置は、原子炉格納容器内に設けられた蒸発器で気化させた作動流体を前記原子炉格納容器外に設けられた凝縮器に導入し、該凝縮器で液化させた前記作動流体を前記蒸発器に導入することで、前記原子炉格納容器内外で熱交換を行う熱交換器と、前記蒸発器及び凝縮器のいずれか一方における前記気化された作動流体が一端から流通するとともに、他端が前記気化された作動流体の圧力に対して負圧とされた吸引流路と、前記吸引流路の前記一端と他端との間に設けられた隔離弁と、を備えることを特徴とする。

このような流体冷却装置によると隔離弁を開放することで、蒸発器内に存在する例えば空気等の不凝縮ガスが、凝縮器を通じて差圧によって吸引流路内へ流通して系外へ排出されることとなり、蒸発器内及び凝縮器内を大気圧に比べて負圧状態とすることができる。従って、蒸発器での作動流体の気化を促し、熱交換器を確実に機能させることができる。また、通常時では、蒸発器内及び凝縮器内の圧力は負圧状態とはされず、大気圧と同じ圧力状態としておくことができるため、長期間負圧を維持するために行うメンテナンスが不要となる。

また、本発明に係る流体冷却装置は、前記吸引流路の前記他端に連通されて、該吸引流路内の気体の流通を誘引する誘引流が流通する誘引流路をさらに備えていてもよい。

このような誘引流路からの誘引流によって吸引流路の他端を負圧状態にでき、これによって空気等の不凝縮ガスの流通を促し、熱交換器を確実に機能させることができる。

さらに、本発明に係る流体冷却装置は、圧縮流体を貯留するとともに前記誘引流路に連通され、該圧縮流体を自身の圧力によって前記誘引流路に流入させる圧縮流体源をさらに備え、前記誘引流は、前記圧縮流体により形成されてもよい。

このように圧縮流体を誘引流としたことで、仮に非常時において電源確保が困難な状況に陥った場合であっても、誘引流自身の圧力のみによって誘引流を誘引流路へ流通させ、吸引流路の他端を負圧状態にできる。従って、電源がなくとも空気等の不凝縮ガスの流通を促して熱交換器を確実に機能させることができ、さらなる安全性の確保につながる。

また、本発明に係る流体冷却装置は、流体を貯留するとともに前記誘引流路に連通され、該流体を重力によって前記誘引流路に流入させる流体源をさらに備え、前記誘引流は、前記流体により形成されてもよい。

このように流体を誘引流としたことで、重力のみによって誘引流を誘引流路へ流通させ、吸引流路の他端を負圧状態にできる。従って、電源がなくとも空気等の不凝縮ガスの流通を促して熱交換器を確実に機能させることができ、さらなる安全性の確保につながる。

また、前記誘引流は、前記原子炉格納容器内で発生した蒸気により形成されてもよい。

このように蒸気を用いることで、誘引流を別途導入する必要がなくなるため、電源を必要とせず、また構造をさらにシンプルにでき、コストを抑えながら熱交換器を確実に機能させることができる。

さらに、本発明に係る流体冷却装置は、前記吸引流路の他端に連通された真空ポンプをさらに備えていてもよい。

このような真空ポンプによって、吸引流路の他端をより確実に負圧状態にできる。従って、空気等の不凝縮ガスの流通を促して熱交換器を確実に機能させることができる。

また、本発明に係る流体冷却装置は、前記蒸発器に設けられて、該蒸発器内の圧力を計測する圧力センサと前記作動流体の温度を計測する温度センサとをさらに備えていてもよい。

このような圧力センサと温度センサとによって、蒸発器内の作動流体の温度での飽和蒸気圧と、実際の蒸発器内での圧力とを比較でき、これら飽和蒸気圧と実際の圧力とが近い値となったことを確認することで、空気等の不凝縮ガスの排気が完了したか否かの判断が可能となる。従って、隔離弁の閉塞のタイミングを把握でき、即ち、より効率的に流体冷却装置を作動させることができる。

本発明の流体冷却装置によると、吸引流路において隔離弁を開放することのみで、空気等の不凝縮ガスを系外へ排気することができるため、シンプルな構成で非常時における原子炉格納容器内の冷却、減圧が可能となる。

本発明の第一実施形態に係る流体冷却装置を含む原子炉設備の概略全体図である。本発明の第二実施形態に係る流体冷却装置を含む原子炉設備の概略全体図である。非常時に使用する流体冷却装置の参考例を示す図である。本発明の第三実施形態に係る流体冷却装置を含む原子炉設備の概略全体図である。本発明の第四実施形態に係る流体冷却装置を含む原子炉設備の概略全体図である。本発明の第五実施形態に係る流体冷却装置を含む原子炉設備の概略全体図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態に係る流体冷却装置１について説明するが、これに先立ち、流体冷却装置１を備えた原子炉設備１００について説明する。

図１に示すように、原子炉設備１００は、原子炉１０１が格納された原子炉格納容器１０２と、原子炉格納容器１０２における配管に破損が生じる等の非常時にこの原子炉格納容器１０２に発生する蒸気Ｓを冷却する冷却塔１０３とを備えており、また流体冷却装置１は、原子炉格納容器１０２及び冷却塔１０３にわたって配設されている。

原子炉格納容器１０２は、原子炉１０１と、原子炉１０１と冷却水配管１０５で連結されて原子炉１０１から取り出した熱で蒸気Ｓを発生させる蒸気発生器１０６とを備えている。

冷却塔１０３は、上方に向かって延在し、排熱を行う煙突部１０４を有している。

次に、流体冷却装置１について説明する。
流体冷却装置１は、原子炉格納容器１０２の内外で熱交換を行う熱交換器２と、熱交換器２に一端が連通する吸引流路１５と、吸引流路１５の一端と他端との間に設けられた隔離弁１６と、この吸引流路１５の他端に連通する誘引流路１７とを備えている。

熱交換器２は、原子炉格納容器１０２内に設置された蒸発器３と、原子炉格納容器１０２外の冷却塔１０３に設置された凝縮器４と、これら蒸発器３と凝縮器４とを接続する第一接続管５及び第二接続管６とを備えている。

蒸発器３は、内部の作動流体Ｗと原子炉格納容器１０２内の蒸気Ｓとを熱交換させることで、該蒸気Ｓを冷却するとともに該作動流体Ｗを気化させる。また、蒸発器３は、原子炉格納容器１０２の内部において、該原子炉格納容器１０２の内壁１０２Ａに沿うように配設されている。

第一接続管５は、一端５Ａが蒸発器３に接続され他端５Ｂが凝縮器４に接続されており、蒸発器３で気化された作動流体Ｗを該蒸発器３から導出して凝縮器４へ導入する。また、第一接続管５は、蒸発器３から凝縮器４に向かうに従って上方に傾斜するように形成されている。本実施形態では、第一接続管５は、蒸発器３に接続されて略水平に延在する導入部５Ｃと、該導入部５Ｃの端部から上方に向かって延在する中間部５Ｄと、該中間部５Ｄの端部から略水平に延在して凝縮器４に接続された導出部５Ｅとを有している。
またこの第一接続管５の中間部５Ｄには、原子炉格納容器１０２の内外を貫く中途位置において第一弁１０が設けられており、原子炉設備１００の通常稼動時にはこの第一弁１０は閉状態とされている。

凝縮器４は、冷却塔１０３に設置され、第一接続管５から導入された気化された作動流体Ｗを冷却塔１０３内の気体と熱交換させて、煙突部１０４より系外へ排出することで、該気体の温度を上昇させるとともに該作動流体Ｗを液化させる。

第二接続管６は、一端６Ａが凝縮器４に接続されて他端６Ｂが蒸発器３に接続されており、凝縮器４で液化された作動流体Ｗを該凝縮器４から導出して蒸発器３に導入する。本実施形態では、第二接続管６は、凝縮器４に接続されて略水平に延在する導入部６Ｃと、該導入部６Ｃの端部から下方に向かって延在する中間部６Ｄと、該中間部６Ｄの端部から略水平に延在して蒸発器３に接続された導出部６Ｅとを有している。
またこの第二接続管６の中間部６Ｄには、原子炉格納容器１０２の内外を貫く中途位置において第二弁１１が設けられており、原子炉設備１００の通常稼動時にはこの第二弁１１は閉状態とされている。

吸引流路１５は、原子炉格納容器１０２の外部に配置されるとともに一端１５Ａが凝縮器４に接続されて気体が流通可能とされている。

隔離弁１６は、吸引流路１５の中途位置に設けられて、熱交換器２から吸引流路１５の一端１５Ａと他端１５Ｂとの間の連通の有無を切り換える。

誘引流路１７は、原子炉格納容器１０２の外部に配置されるとともに、その中途位置で吸引流路１５の他端１５Ｂに接続されて連通しており、系外からの流体を誘引流Ｗ１として流通可能とするものである。そして、この誘引流Ｗ１の流通によって吸引流路１５の他端１５Ｂを、一端１５Ａが連通する熱交換器２内に比べて負圧状態とするエゼクタとして誘引流路１７は機能する。

ここで、誘引流Ｗ１としては、例えば窒素ガス、水蒸気、水、アルゴンガス等のさまざまな流体が適用され、これらの流体が例えば不図示のポンプ、ブロア等によって誘引流路１７へ押し込まれることで誘引流路１７内を流通するようにされている。

このような流体冷却装置１においては、非常時には、第一弁１０及び第二弁１１を開放することで、蒸発器３及び凝縮器４とを連通させる。そして次に、誘引流Ｗ１としての流体を誘引流路１７へ流通させる。この状態では、エゼクタ効果によって、誘引流路１７に連通する吸引流路１５の他端１５Ｂ側を一端１５Ａ側と比べて負圧の状態とすることができる。

そして次に、隔離弁１６を開放すると吸引流路１５の一端１５Ａと他端１５Ｂとが連通されることとなる。吸引流路１５の一端１５Ａは凝縮器４に連通され、また凝縮器４と蒸発器３とは第一弁１０及び第二弁１１の開放によって既に連通されているため、この時点で誘引流路１７、吸引流路１５、凝縮器４、蒸発器３の全てが連通されることとなる。

ここで吸引流路１５の一端１５Ａ側に連通されている凝縮器４及び蒸発器３の内部の圧力に比べて誘引流路１７は負圧状態とされているため、凝縮器４及び蒸発器３の内部の気体は、誘引流路１７に向かって吸い込まれるように流通する。

このようにして、流体冷却装置１の不使用状態が長期間に及んだ場合に、凝縮器４及び蒸発器３の内部にインリーク等によって封入されている空気等の不凝縮ガスＧを、誘引流路１７を通じて差圧によって系外に排出することができる。

従って、蒸発器３内及び凝縮器４内を大気圧に比べて負圧状態とすることができ、蒸発器３での作動流体Ｗの気化を促すことが可能となる。

このように蒸発器３内及び凝縮器４内を大気圧に比べて負圧状態とすることができるため、熱交換器２を確実に機能させることができ、即ち、蒸発器３で気化された作動流体Ｗを第一接続管５を経由して冷却塔１０３に設置された凝縮器４に導入し、気化された作動流体Ｗを該冷却塔１０３内の気体と熱交換して液化することができる。

また、液化された作動流体Ｗを第二接続管６を経由して蒸発器３に導入し、再び該蒸発器３での熱交換に利用される。従って、原子炉格納容器１０２内の蒸気Ｓを熱交換により継続的に冷却し、原子炉格納容器１０２内の減圧が可能となる。

さらに原子炉設備２の通常稼動時においては、蒸発器３内及び凝縮器４内の圧力は大気圧に比べて負圧状態とはされず、大気圧と同じ圧力状態としておくことができるため、蒸発器３内及び凝縮器４内を負圧状態で長期間維持するために行うメンテナンス作業が不要となる。

本実施形態の流体冷却装置１においては、誘引流路１７、隔離弁１６を設け、吸引流路１５の他端１５Ｂ側を負圧状態とすることのみで、差圧によって空気等の不凝縮ガスＧを誘引して系外へ排気することができるため、シンプルな構成で非常時における原子炉格納容器１０２内の冷却、減圧が可能となる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態に係る流体冷却装置２１について説明する。
なお、第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態の流体冷却装置２１は、第一実施形態における流体冷却装置１に加え、さらに誘引流路１７に連通された圧縮流体源２２を備えている点で、第一実施形態とは異なっている。

図２に示すように、圧縮流体源２２は、誘引流路１７の一端１７Ａに連通して設けられて圧縮流体を蓄えた高圧ガスボンベ、高圧液体タンク等である。そして、この圧縮流体は、不図示の弁装置の開閉によって誘引流路１７内へ流入可能とされた誘引流Ｗ１となり、例えば上述した窒素ガス、水等さまざまなものが適用可能である。

このような流体冷却装置２１においては、誘引流Ｗ１自身の圧力のみによって誘引流Ｗ１を誘引流路１７へ流通させ、吸引流路１５の他端１５Ｂを負圧状態にできる。

ここで図３に示す通り、非常時に用いられる冷却装置の一例として、不図示の供給ポンプを駆動して水タンク３２に貯留されている冷却水Ｗ２が原子炉格納容器１０２内に向けて散布される冷却装置３１が知られている。

このような冷却装置３１によっては、原子炉格納容器１０２内で発生する大量の蒸気Ｓに対して冷却水Ｗ２が直接散布されることで大量の熱エネルギーを吸収して原子炉格納容器１０２内を冷却、減圧する。そしてその後、冷却水Ｗ２は高温となって落水して、不図示のファンにより導入された大気によって冷却されるような仕組みとなっている。

しかしながら、仮に、非常時において電源確保が困難な状況に陥った場合では、このような装置を確実に機能させることは困難である。この点、本実施形態の流体冷却装置２１によれば、電源がなくとも空気等の不凝縮ガスＧの流通を促して熱交換器２を確実に機能させることができ、原子炉設備１００のさらなる安全性の確保につながる。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態に係る流体冷却装置４１について説明する。
なお、第一実施形態及び第二実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態の流体冷却装置４１は、第一実施形態における流体冷却装置１に加え、さらに誘引流路１７に連通された流体源４２を備えており、即ち、第二実施形態における流体冷却装置２１の圧縮流体源２２に代えて流体源４２を備えている点で、第一実施形態及び第二実施形態とは異なっている。

図４に示すように、流体源４２は、誘引流路１７の一端１７Ａに連通するとともに誘引流路１７よりも高所に配置されて流体を蓄えた液体タンク等である。そしてこの流体には例えば水等が適用される。

このような流体冷却装置４１においては、流体源４２に蓄えられた流体の重力のみによって誘引流Ｗ１を誘引流路１７へ流通させ、吸引流路１５の他端１５Ｂを負圧状態にできる。

従って、第二実施形態と同様に、電源が得られない非常時において、空気等の不凝縮ガスＧの吸引流路１５への流通を促して系外へ排出でき、この結果、熱交換器２を確実に機能させることができ、さらなる安全性の確保につながる。

（第四実施形態）
次に、本発明の第四実施形態に係る流体冷却装置５１について説明する。
なお、第一実施形態から第三実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態の流体冷却装置５１は、吸引流路５５及び誘引流路５７が原子炉格納容器１０２の内部に設置されている点で、第一実施形態から第三実施形態とは異なっている。

図５に示すように、吸引流路５５は一端５５Ａが蒸発器３に接続され、他端５５Ｂが誘引流路５７に接続されている。

誘引流路５７は、原子炉格納容器１０２内で発生した蒸気Ｓを一端５７Ａから取り込むように設置されており、この蒸気Ｓを誘引流Ｗ１として利用可能としている。

本実施形態の流体冷却装置５１によると、原子炉格納容器１０２内の蒸気Ｓを用いることで、誘引流Ｗ１を別途導入する必要がなくなるため、電源を必要とせず、また構造をシンプルにでき、コストを抑えながら熱交換器２を確実に機能させることができる。

なお、原子炉格納容器１０２の外部に誘引流路５７が設置されていてもよく、この場合には原子炉格納容器１０２内の蒸気Ｓを誘引流路５７に取り込む配管、弁装置等を別途設ける必要がある。

（第五実施形態）
次に、本発明の第五実施形態に係る流体冷却装置６１について説明する。
なお、第一実施形態から第四実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態の流体冷却装置６１は、第一実施形態における流体冷却装置１の誘引流路１７に代えて真空ポンプ６２を備えている点で、第一実施形態から第四実施形態とは異なっている。

図６に示すように、真空ポンプ６２は、原子炉格納容器１０２の外部に配置されるとともに、吸引流路１５の他端１５Ｂに配管６３を介して接続されて連通しており、吸引流路１５の他端１５Ｂを、一端１５Ａ、即ち熱交換器２内に比べて負圧状態とするものである。

本実施形態の流体冷却装置６１によると、真空ポンプ６２を駆動することで、差圧によって凝縮器４及び蒸発器３の内部の不凝縮ガスＧは、吸引流路１５に向かって吸い込まれるように流通する。従って、真空ポンプ６２の電源のみで熱交換器２を確実に機能させることが可能となるため、非常時においても電源車等を用いて原子炉格納容器１０２内の冷却、減圧が可能となる。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、蒸発器３内に圧力センサと温度センサとを設け、圧力センサによって蒸発器３内の圧力を計測し、また温度センサによって作動流体Ｗの温度を計測することができる。そしてこれらの計測値から、蒸発器３内の作動流体Ｗの温度における飽和蒸気圧と、実際の蒸発器３内での圧力との比較が可能となる。

そして、これら飽和蒸気圧と実際の圧力とが近い値となったことを確認することで、空気等の不凝縮ガスＧの排気が完了したか否かの判断が可能となる。これにより、隔離弁１６の閉塞のタイミングを把握でき、即ち、より効率的に流体冷却装置１（２１、４１、５１、６１）を作動させることができる。

また、例えば隔離弁１６よりも吸引流路１５（５５）に湿度センサを設け、このセンサの数値を確認することで隔離弁１６の閉塞のタイミングを図ってもよい。

１…流体冷却装置２…熱交換器３…蒸発器４…凝縮器５…第一接続管６…第二接続管１０…第一弁１１…第二弁１５…吸引流路１６…隔離弁１７…誘引流路２１…流体冷却装置２２…圧縮流体源３１…冷却装置３２…水タンク４１…流体冷却装置４２…流体源５１…流体冷却装置５５…吸引流路５７…誘引流路６１…流体冷却装置６２…真空ポンプ６３…配管１００…原子炉設備１０１…原子炉１０２…原子炉格納容器１０３…冷却塔１０４…煙突部１０５…冷却水配管１０６…蒸気発生器Ｓ…蒸気Ｇ…不凝縮ガスＷ…作動流体Ｗ１…誘引流Ｗ２…冷却水

Claims

原子炉格納容器内に設けられた蒸発器で気化させた作動流体を前記原子炉格納容器外に設けられた凝縮器に導入し、該凝縮器で液化させた前記作動流体を前記蒸発器に導入することで、前記原子炉格納容器内外で熱交換を行う熱交換器と、
前記蒸発器及び凝縮器のいずれか一方における前記気化された作動流体が一端から流通するとともに、他端が前記気化された作動流体の圧力に対して負圧とされた吸引流路と、
前記吸引流路の前記一端と他端との間に設けられた隔離弁と、
を備えることを特徴とする流体冷却装置。
前記吸引流路の前記他端に連通されて、該吸引流路内の気体の流通を誘引する誘引流が流通する誘引流路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の流体冷却装置。
圧縮流体を貯留するとともに前記誘引流路に連通され、該圧縮流体を自身の圧力によって前記誘引流路に流入させる圧縮流体源をさらに備え、
前記誘引流は、前記圧縮流体により形成されることを特徴とする請求項２に記載の流体冷却装置。
流体を貯留するとともに前記誘引流路に連通され、該流体を重力によって前記誘引流路に流入させる流体源をさらに備え、
前記誘引流は、前記流体により形成されることを特徴とする請求項２に記載の流体冷却装置。
前記誘引流は、前記原子炉格納容器内で発生した蒸気により形成されることを特徴とする請求項２に記載の流体冷却装置。
前記吸引流路の前記他端に連通された真空ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の流体冷却装置。
前記蒸発器に設けられて、該蒸発器内の圧力を計測する圧力センサと前記作動流体の温度を計測する温度センサとをさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の流体冷却装置。