JP6049112B2 - 熱交換媒体、熱交換システム及び原子炉システム - Google Patents

Description

本発明は熱交換媒体、熱交換システム及び原子炉システムに関するものである。

通常、原子炉は、冷却媒体として、水、気体又は液状金属／溶融塩を用いる。

超高速中性子スペクトル及び極高出力の場合に対して、有効および安全な熱交換の問題は今までも設計における重点的な問題である。高熱流束の環境において、如何にして熱交換媒体を介して熱量を直ちに有効に導出し、システムの安全、安定な運行を維持し、設計における構成材料に対する要求を低減するかは、今までも原子炉設計の主な課題である。

本発明は、熱交換媒体、熱交換システム及び原子炉システムを提供して、熱交換の効果を著しく向上させ、高温及び高密度における熱導出の問題を解決することを目的とする。

本発明の一態様によれば、本発明は熱交換媒体を提供し、この熱交換媒体は、固体粒子と、流体とを含む。

本発明の一態様によれば、前記固体粒子の粒径は１０ミクロン〜１０ミリである。

本発明の一態様によれば、前記流体は気体及び液体の少なくとも１つを含む。

本発明の一態様によれば、前記流体はヘリウムガス又は二酸化炭素を含む。

本発明の一態様によれば、前記固体粒子の密度は前記流体の密度よりも大きい。

本発明の一態様によれば、前記固体粒子は、ベリリウム、ベリリウム合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、チタン合金、酸化ベリリウム、ＭＡＸ相材料、炭化ケイ素、石墨の少なくとも１つから形成される。

本発明の一態様によれば、前記熱交換媒体は、気体・固体二相流又は液体・固体二相流を形成するように構成される。

本発明の一態様によれば、前記固体粒子は、球体形状、楕円球体形状及び多面体形状の少なくとも１つの形状を有する。

本発明の一態様によれば、本発明は熱交換システムを提供し、この熱交換システムは、上記熱交換媒体と、回路と、回路に設けられる第１の熱交換器と、回路に設けられる第２の熱交換器と、熱交換媒体を、回路において、第１の熱交換器及び第２の熱交換器によって循環させる熱交換媒体搬送装置と、を含む。

本発明の一態様によれば、本発明は熱交換システムを提供し、この熱交換システムは、上記熱交換媒体と、第１の熱交換器と、第１の熱交換器の上流に設けられ、熱交換媒体の固体粒子と流体を混合して第１の熱交換器へ搬送するための混合装置と、第１の熱交換器の下流に設けられ、第１の熱交換器から排出される熱交換媒体の固体粒子と流体を分離するための分離装置と、第２の熱交換器と、分離装置により分離される固体粒子を、第２の熱交換器を通ってから混合装置へ搬送するための第１の搬送装置と、を含む。

本発明の一態様によれば、前記熱交換システムは、第３の熱交換器と、分離装置により分離される流体を、第３の熱交換器を通ってから混合装置へ搬送するための第２の搬送装置と、を更に含む。

本発明の一態様によれば、前記第１の熱交換器は筒部を含み、筒部内に熱交換媒体通路が形成されている。

本発明の一態様によれば、前記第２の熱交換器は、筒部と、筒部に設けられるセパレータとを含み、前記セパレータは、筒部の内腔を複数の熱交換媒体通路に分割する。

本発明の一態様によれば、前記熱交換システムは、分離装置の下流に設けられ、予め定められた粒度よりも小さい固体粒子を除去するための固体粒子選別装置を更に含む。

本発明の一態様によれば、本発明は原子炉システムを提供し、この原子炉システムは、原子炉と、上記熱交換システムと、を含み、第１の熱交換器は原子炉内に設けられ、第２の熱交換器は原子炉外に設けられる。

本発明において、気体・固体／液体・固体という二相冷却媒体は、大きい熱容量、低圧システム、腐食なし、オフライン処理などのメリットを有している。このような気体・固体／液体・固体という二相冷却媒体が冷却する核分裂炉は、高出力密度又は極高出力密度において安全、確実に運行することができる。

本発明の実施例に係る核分裂炉システムの概略図である。 本発明の実施例に係る核分裂炉の炉心の構成概略図である。 本発明の実施例に係る炉心の燃料棒の構成概略図である。 本発明の実施例に係る熱交換器の構成概略図である。

以下、図面及び発明を実施するための形態を結合して、本発明を更に説明する。

図１に示すように、本発明の例示的な実施例に係る原子炉システム１００は、原子炉１と、熱交換システム１０１とを含む。

図１〜図４に示すように、熱交換システム１０１は、熱交換媒体１２、１５と、第１の熱交換器２１と、第２の熱交換器７と、第３の熱交換器３と、各部品を接続するパイプラインと、を含む。第１の熱交換器２１は、原子炉１に設けられるとともに、炉心１０に設けられてもよいが、第２の熱交換器７及び第３の熱交換器３は原子炉１の外部に設けられる。

熱交換システム１０１は、第１の熱交換器２１の上流に設けられ、熱交換媒体の固体粒子１２と流体１５とを混合して第１の熱交換器２１へ搬送するための混合装置５と、第１の熱交換器２１の下流に設けられ、第１の熱交換器２１から排出される熱交換媒体１２、１５の固体粒子１２と流体１５を分離するための分離装置２と、分離装置２により分離される固体粒子１２を、第２の熱交換器７を通ってから混合装置５へ搬送するための第１の搬送装置８と、をさらに含む。

図１〜図４に示すように、例えば気体・固体という二相冷却媒体の熱交換媒体は、熱交換媒体通路を介して、燃料層／炉心１０に流れ、核燃料から発する熱量を持ち出す。図３に示すように、核燃料は、炉心１０内の燃料棒１１の燃料充填腔１３に置かれる。原子炉１は、例えば、臨界未満被覆炉というような任意の適宜な原子炉１であってもよい。

分離装置２は、例えば、重力によって分離する分離装置、遠心分離装置というような任意の適宜な分離装置であってもよい。また、分離装置２によって熱交換媒体の埃を分離してもよい。

図１〜図４に示すように、前記熱交換システム１０１は、第３の熱交換器３と、分離装置により分離される流体１５を、第３の熱交換器３を通ってから混合装置５へ搬送するための第２の搬送装置２３と、を更に含んでもよい。第２の搬送装置２３は、例えば、気体ポンプ、液体ポンプのポンプというような任意の適宜な流体搬送装置であってもよい。第３の熱交換器３は任意の適宜な流体熱交換器であってもよい。

図１に示すように、前記熱交換システム１０１は、流体回路４と、混合装置５の下流に設けられる熱交換媒体の注入装置とを更に含んでもよい。注入装置は、例えば、漏斗状の部品、又は、ポンプというような他の適宜な熱交換媒体駆動装置であってもよい。熱交換媒体の流量を調節するために、前記熱交換システム１０１は、混合装置５の下流に設けられる流量調節装置を更に含んでもよい。例えば、流量調節装置は、漏斗状の部品に実装されるスライド可能な堰板であってもよく、このスライド可能な堰板はリニアモータにより駆動され、リニアモータはコントローラにより制御される。また、ポンプを採用する熱交換媒体駆動装置の場合において、例えば、変量ポンプというような流量変化の熱交換媒体駆動装置を採用してもよい。熱交換媒体の流量は、センサにより検出した関連温度（例えば、炉心１０の被冷却対象の温度）に応じて制御されることができる。図１において、第１の搬送装置８は、固体粒子昇進装置である。第１の搬送装置８は、例えば、螺旋式の固体粒子搬送装置、空気圧式の固体粒子搬送装置というような任意の適宜な固体粒子搬送装置または散料搬送装置であってもよい。

図３に示すように、前記第１の熱交換器２１は筒部２５を含み、筒部２５内に、熱交換媒体通路２６が形成されている。

図４に示すように、前記第２の熱交換器７は、筒部１４と、筒部１４に設けられるセパレータ２７と、を含み、前記セパレータ２７は、筒部１４の内腔を複数の熱交換媒体通路２９に分割する。

選択として、前記第１の熱交換器２１および前記第２の熱交換器７のそれぞれは、図３と図４に示す構成の１つを有してもよい。また、第１の熱交換器２１および第２の熱交換器７は他の適宜な構成を有してもよい。

図１に示すように、前記熱交換システム１０１は、分離装置２の下流に設けられ、例えば、粒子の欠片と小さい埃というような予め定められた粒度よりも小さい固体粒子１２を除去するための固体粒子選別装置６を更に含んでもよい。固体粒子選別装置６は、網篩、遠心分離器、重力分離器などであってもよい。

本発明の一実施形態によれば、図１を参照して、熱交換システム１０１は、混合装置５、分離装置２、第３の熱交換器３、第２の搬送装置２３及びパイプライン４を含まず、第１の熱交換器２１、第２の熱交換器７及び第１の搬送装置８のみを含んでもよい。具体的には、図１を参照して、この熱交換システムは、熱交換媒体１２、１５と、回路３１と、回路３１に設けられる第１の熱交換器２１と、回路３１に設けられる第２の熱交換器７と、熱交換媒体１２、１５を、回路３１において、第１の熱交換器２１及び第２の熱交換器７によって循環させる熱交換媒体搬送装置８と、を含む。

図１〜図４に示すように、気体を流体とする場合、熱交換システム１０１の第１の熱交換器２１の圧力は１Ｍｐａよりも小さくでもよい。単一の気体熱交換媒体に対して、本発明の熱交換媒体は冷却の効率を有効に増加することができる。気体熱交換媒体に対して、システム全体の気体の圧力が低下して、より安全、確実に運行することができる。本発明を使用する熱交換媒体の核分裂炉は、速い中性子又は超速中性子スペクトルの場合に適用され、高出力密度の要求を満たすことができ、ウラン２３５、トリウム、ウラン２３８、長寿命核分裂生成物、超ウラン元素を核燃料とすることができ、使用済燃料の変遷及び同位体の生産に用いられることができる。

本発明に係る熱交換媒体は、固体粒子１２及び流体１５を含む。前記固体粒子１２の粒径は、１０ミクロン〜１０ミリであってもよく、実際な需要に応じて、前記固体粒子１２の粒径は、１０ミリ以上又は１０ミクロン以下であってもよく、あるいは、１００ミクロン〜１０ミリにあってもよい。全ての固体粒子１２の粒径は、ほぼ同じ又は異なってもよく、あるいは、全ての固体粒子１２の粒径は略一定の範囲内であってもよい。

熱交換媒体の流体は、例えば、気体または液体を含むように、気体及び液体の少なくとも１つを含んでもよい。高温炉に用いられる気体はヘリウムガスであってよく、低温炉に用いられる気体は二酸化炭素であってもよい。また、流体は常温において固体であり、運行温度において液状である流体であってもよい。また、流体は、固体粒子と一緒に二相流を形成できる他の流体、又は、固体粒子の運動を駆動できる他の流体であってもよい。固体粒子は、金属、金属化合物、セラミックス材料及び石墨の少なくとも１つから形成されてもよい。例えば、前記固体粒子は、ベリリウム、ベリリウム合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、チタン合金、酸化ベリリウム、ＭＡＸ相材料、炭化ケイ素、石墨の少なくとも１つから形成される。固体粒子は、他の適宜な材料から形成されてもよい。前記固体粒子は、例えば、任意の規則形状又は不規則形状という適宜な形状を有してもよい。例示として、前記固体粒子は、球体形状、楕円球体形状、及び多面体形状の少なくとも１つの形状を有してもよい。前記固体粒子の密度は前記流体（例えば、液体又は気体）の密度よりも大きくてもよい。

前記熱交換媒体は、気体・固体二相流又は液体・固体二相流を形成するように構成されてもよい。使用中において、前記熱交換媒体は、気体・固体二相流又は液体・固体二相流を形成してもよい。これによって、気体・固体二相流又は液体・固体二相流を搬送する適宜な装置で搬送することができる。

例えば、固体粒子１２は、一定の多孔率を有するペブルベッド構成を堆積して形成して、一定の流量で運動し、流体は固体粒子１２間の隙間を満たして、別の流量で運動する。この構成によって、この二相熱交換媒体は、体積熱容量を向上する方法、熱伝導率を向上する方法、熱伝達率を向上する方法、及び放射伝熱を増強する方法という４つの主な方法によって熱交換の効果を強化することができる。

本発明に係る、例えば気体・固体二相冷却媒体を採用する熱交換媒体は、従来の単相媒体に比べて、熱交換を強化する必要がある場合、よりよい熱交換の効果及びシステム構成の温度を下げる効果を奏することができる。なお、熱交換媒体の固体粒子１２は、良好な熱伝導率及び体積比熱容量を有する固体材質を選択することができ，例えば、ベリリウム及びベリリウム合金、ジルコニウム合金及びジルコニウムの化合物、又はチタン合金及びチタンの化合物等を採用することができる。流体に対して、良好な流動性を有し、密度が固体粒子よりも小さい流体を選択することができ、ヘリウムガス、二酸化炭素等を含むが、これらに限らない。

図１〜図４に示すように、本発明の一例示によれば、気体・固体二相熱交換媒体は、熱交換媒体通路を介して、炉心１０に流れ、核燃料から発する熱量を持ち出す。出力密度が極高である原子炉にとって、気体・固体二相熱交換媒体は、このように高熱量を炉心から持ち出して、炉心の中性子束を向上することができる。気体・固体二相熱交換媒体は、熱量を炉心から持ち出した後、気体・固体分離装置のような分離装置２によって分離される。分離された後で、気体は気体通路４に入り、気体通路４は、ポンプのような第２の搬送装置２３を含んで、気体を駆動して搬送し、その後、気体熱交換器７を通って熱量を持ち出し、気体熱交換器７は冷却回路９を有する。気体が搬送された後で、気体・固体混合装置のような混合装置５に達する。固体粒子１２は、傾斜の搬送通路を介して、第２の熱交換器７に達し、第２の熱交換器７において、固体粒子１２の余熱は冷却回路９によって導出され、機械又は気体の上昇搬送システムのような第１の搬送装置８を介して、固体粒子１２は、気体・固体混合装置のような混合装置５に改めて注入され、気体・固体二相熱交換媒体を再びに形成する。例えば、この気体・固体混合装置は、標準流動床混合器を利用することができる。気体が固体粒子の隙間を通って粒子を沸騰させ、かつ気体流速が粒子の臨界流動速度に達し、又は超えるときに、固体粒子は、液体に類似する流動性を表した。上記の循環過程によって、熱量を原子炉から連続的に持ち出し、循環速度はシステムの出力密度に従って決められ、出力密度が大きいほど循環速度は速い。これにより、システム全体は、高熱出力密度における安全、確実な運行を満たすことができる。冷却回路９から持ち出される熱量は、発電機を駆動し、電力を発生することができる。

本発明に係る、気体・固体二相熱交換媒体のような熱交換媒体の駆動は、流体と固体粒子をそれぞれ駆動する方法を採用することができ、ここで、流体の駆動は常用な流体駆動の設備を採用いてよく、固体粒子の駆動も成熟な産業設計及び製品を有する。選択として、本発明の気体・固体二相熱交換媒体のような熱交換媒体の駆動は、流体と固体粒子を同時に駆動する方法を採用してもよい。

本発明の、気体・固体二相冷却媒体のような熱交換媒体は、大きい熱容量、低圧システム、腐食なし、オフライン処理などのメリットを有する。そして、システム構成及び部品はいずれも、例えば、低圧気体システム、固体粒子伝送システムなどの工程適用における成熟なサブシステムを採用することができる。本発明に係る熱交換媒体が冷却する核分裂炉は、高出力密度又は極高出力密度における安全、確実な運行を実現することができ、核燃料として、伝統な核燃料に加え、ウラン２３５、トリウム、ウラン２３８、長寿核分裂生成物、超ウラン元素を用いることもでき、エネルギーの生成、使用済燃料の変遷、同位体の生産及び材料の放射に適用されることができる。

１ 原子炉
２ 分離装置
３ 第３の熱交換器
５ 混合装置
６ 固体粒子選別装置
７ 第２の熱交換器
８ 第１の搬送装置
９ 冷却回路
１０ 炉心
１１ 燃料棒
１２ 固体粒子
１３ 燃料充填腔
１４ 筒部
１５ 流体
２１ 第１の熱交換器
２３ 第２の搬送装置
２５ 筒部
２６ 熱交換媒体通路
２７ セパレータ
２９ 熱交換媒体通路
３１ 回路

Claims (14)

1. 固体粒子と、流体と、を含む熱交換媒体と、
   第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器の上流に設けられ、前記熱交換媒体の固体粒子と流体を混合して前記第１の熱交換器へ搬送するための混合装置と、
   前記第１の熱交換器の下流に設けられ、前記第１の熱交換器から排出される熱交換媒体の固体粒子と流体を分離するための分離装置と、
   前記分離装置により分離された固体粒子と固体粒子とが熱交換を行う、第２の熱交換器と、
   前記分離装置により分離された固体粒子を、前記第２の熱交換器を通してから、前記混合装置へ搬送するための第１の搬送装置と、
   を含む熱交換システム。
2. 前記固体粒子の粒径は、１０ミクロン〜１０ミリである請求項１に記載の熱交換システム。
3. 前記流体は、気体及び液体の少なくとも１つを含む請求項１に記載の熱交換システム。
4. 前記流体は、ヘリウムガス又は二酸化炭素を含む請求項１に記載の熱交換システム。
5. 前記固体粒子の密度は、前記流体の密度よりも大きい請求項１に記載の熱交換システム。
6. 前記固体粒子は、ベリリウム、ベリリウム合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、チタン合金、酸化ベリリウム、ＭＡＸ相材料、炭化ケイ素、石墨の少なくとも１つから形成される請求項１に記載の熱交換システム。
7. 前記熱交換媒体は、気体・固体二相流又は液体・固体二相流を形成するように構成される請求項１に記載の熱交換システム。
8. 前記固体粒子は、球体形状、楕円球体形状及び多面体形状の少なくとも１つの形状を有する請求項１に記載の熱交換システム。
9. 第３の熱交換器と、
   分離装置により分離される流体を、第３の熱交換器を通ってから、混合装置へ搬送するための第２の搬送装置と、を更に含む請求項１に記載の熱交換システム。
10. 前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の少なくとも１つは、筒部を含み、筒部内に熱交換媒体通路が形成されている請求項１に記載の熱交換システム。
11. 前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の少なくとも１つは、筒部と、筒部に設けられるセパレータとを含み、前記セパレータは、筒部の内腔を複数の熱交換媒体通路に分割する請求項１に記載の熱交換システム。
12. 分離装置の下流に設けられ、予め定められた粒度よりも小さい固体粒子を除去するための固体粒子選別装置を更に含む請求項１に記載の熱交換システム。
13. 前記第２の熱交換器において、前記固体粒子の余熱は冷却回路によって持ち出され、該冷却回路から持ち出された熱量は発電機を駆動して電力を発生するのに用いられ、
    前記固体粒子は、前記第１の搬送装置を介して前記混合装置に入れられ、前記固体粒子及び流体を含む熱交換媒体を再び構成する、請求項１に記載の熱交換システム。
14. 原子炉と、
    請求項１に記載の熱交換システムと、
    を含み、第１の熱交換器は原子炉内に設けられ、第２の熱交換器は原子炉外に設けられる原子炉システム。

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