JP6633613B2 - 原子炉から残留熱を排出するための受動的システム - Google Patents

Description

本発明は原子炉から残留熱を排出するためのシステム、すなわち、受動的システムに関する。

原子炉において、原子炉が停止した後に残留熱を排出する必要性があることが知られている。安全上の理由から、残留熱を排出するためのシステムは特に信頼性がなければならず、好ましくは多様化されなければならない。

過去には、能動的システム、すなわち、操作のために電気エネルギーを要求するシステムが主として使用されており、一方、今日は、受動的システム、すなわち、操作のために電気エネルギーを要求しないシステムがますます使用されているが、それでも、操作可能とするためには、作業者又は制御ロジックの介入及び電力供給が要求される。

本発明の目的は操作のために電力供給を要求せず、原子炉の温度が既定の基準値を超えたときに、作業者又はプロセスロジックとは独立して操作することができる、原子炉から残留熱を排出するためシステムを提供することである。

本発明は、それゆえ、添付の請求項１において必須の表現で、また、その従属項において、追加の特徴で規定されるとおりの、原子炉から残留熱を排出するためのシステムに関する。

本発明に係る残留熱を排出するためのシステムは、それゆえ、その操作のための電力供給、又は、作業者又は制御ロジックによる作動を要求しない、完全に受動的なシステムである。

本発明は添付の図面を参照しながら下記の非限定的な実施例に記載される。

本発明に係る、残留熱を排出するためのシステムを備えた原子炉の模式図である。 図１の残留熱排出システムの詳細の拡大比の模式図であり、明確さのために部品を取り除いている。 図２の詳細の、射影平面ＩＩＩ−ＩＩＩに係る断面図である。 図１の残留熱排出システムの２つの形態のそれぞれ部分模式図であり、明確さのために部品を省略している。 図１の残留熱排出システムの２つの形態のそれぞれ部分模式図であり、明確さのために部品を省略している。

図１は、実質的に既知のタイプの極端に模式的な形態の原子炉１を示している。

原子炉１はルーフ３により覆われた容器２を含み、容器２の内部において、コア４は一次流体５（例えば、ナトリウム、鉛、鉛−ビスマス共融物又は溶融塩からなる）により冷却され、該流体は自由表面６まで容器２を満たし、容器２はまた、主要熱交換器（公知であり、図示していない）を収容し、主要熱交換器は二次冷却流体が循環している回路により、コア４において発生される出力を外部に移送し、そして他の構成部品は本発明に関連しないので示していない。

原子炉１は残留熱排出システム１０を備えており、該システムは容器２中に収容された少なくとも１つの第一の熱交換器１１、及び、容器２の外部にあり、熱交換器１１のより高いレベル（すなわち、より高い場所）にあり、排出回路１３により熱交換器１１に接続されている少なくとも１つの第二の熱交換器１２を含む。

好ましくは、幾つかの熱交換器１１は容器２中で角度的に間隔を開けて収容されているが、単純にするために、１つの単一熱交換器１１を下記で参照する。

熱交換器１１は一次流体５と相互作用し、一次流体５から二次流体１５に熱を移送するために、特に一次流体５中に浸漬されており、二次流体１５は排出回路１３及び熱交換器１１、１２中でに循環している。熱交換器１１は既知のタイプの熱交換器であることができ、例えば、ビヨネットチューブ交換器又はヘリカルコイル交換器であることができる。

熱交換器１１は熱交換器１１に対して、より高い位置（より高い場所）で容器２の外部にある第二の熱交換器１２に排出回路１３を介して接続されており、該回路に二次流体１５は循環している。

熱交換器１２において、二次流体１５は補助流体１６により冷却され（図１において、矢印１６により模式的に表されている）、補助流体１６は冷却ダクト１７において循環しており、そして熱交換器１２を横切り又はそれに衝突している。また、熱交換器１２は既知のタイプであることができ、好ましくは、熱交換器１２は上部高温マニホールド１８、下部低温マニホールド１９及びマニホールド１８、１９の間に配置されている複数のパイプ２０（好ましくは、フィン付きパイプ）を有する。

排出回路１３は、熱交換器１１の出口を熱交換器１２の高温マニホールド１８の入口に接続するホットブランチ２１、及び、熱交換器１２の低温マニホールド１９の出口を熱交換器１１の入口に接続するコールドブランチ２２を含む。

ホットブランチ２１は直線（直進）パイプ部分２３を含み、それはマニホールド１８から突出しており、２つの両側の軸末端２４、２５、すなわち、結合部２６によりマニホールド１８に固定されている１つの近位端２４と、遠位端２５との間で直線軸Ａに沿って延在している。

マニホールド１８はシステム１０の固定点を構成するように、閉じ込め及び支持構造２７に固定されている。特に、マニホールド１８はパイプ部分２３と、結合部２６の近傍で構造２７に固定されている。パイプ部分２３は横断ガイド２８において軸方向にスライディングして収容されており、パイプ部分２３はガイド２８により軸Ａに沿って走るように機械的に拘束されている。パイプ部分２３は熱的に膨張可能であるように、特に、軸Ａに沿って、循環している二次流体１５における温度増加の効果により熱的に膨張可能であるように設計されている。というのは、近位端２４はマニホールド１８に固定されており、熱膨張の場合に、パイプ部分２３は軸Ａに沿って長手方向に伸長し、そして遠位端２５は軸Ａに沿って近位端２４に対して移動する。有利には、排出回路１３はシールされており、バルブがない。

図１の非限定的な例において、熱交換器１２を冷却する補助流体１６は冷却ダクト１７における自然循環の空気である。特に、熱交換器１２は冷却ダクト１７に沿って挿入されており、冷却ダクト１７は、例えば、熱交換器１２を収容しそして支持している構造２７の内部に画定されており、冷却ダクト１７は有利には煙突２９に接続されており、該煙突は外部空気へ熱を解放するようになっている。冷却ダクト１７は１つ以上のシャッター３０を備えており、該シャッターは冷却ダクト１７を通過して流れる空気流を遮断し、シャッター３０は特に、熱交換器１２と煙突２９との間に配置されている。

図２及び３をも参照して、シャッター３０は、シャッター３０が冷却ダクト１７を閉鎖する閉位置から始めて、冷却ダクト１７を次第に開放するように、それぞれの回転軸Ｒを軸として回転する。

例えば、シャッター３０は構造２７に対してヒンジ式になっており、それぞれの回転軸Ｒを画定している、それぞれの回転シャフト３１に取り付けられている。有利には、各シャフト３１はそれぞれのシャッター３０の重心に対してオフセットされており、シャッター３０は垂直面に対して一般に傾いて設置されている。パイプ部分２３の遠位端２５はメカニカルアクチュエータデバイス３２に接続されている。特に、アクチュエータデバイス３２はタイロッド３３を含み、該タイロッドはそれぞれの長手方向軸に沿って延在しており、それぞれの両側の長手方向末端で、パイプ部分２３の遠位端２５及びそれぞれのシャッター３０に機械的に接続されている。特に、タイロッド３３は遠位端２５に配置されそしてパイプ部分２３に一体に接続されているフック３４によりパイプ部分２３に接続されている。

各シャッター３０は構造２７に対してそれぞれのシャフト３１で一体として旋回する。第一のロッド３５は一体的にシャフト３１に（そしてシャッター３０にも）接続されている。第二のロッド３６はロッド３５に対してヒンジ式であり、指示されているように、ロッド３５は第二のロッド３６と直角を形成している。ピニオン３７はロッド３５に接続され、シャフト３１及びロッド３５と一緒に、連結ロッド−クランクアセンブリを形成している。ロッド３６はタイロッド３３の長手方向軸に沿って配向されている。

システム１０の操作は下記のとおりである。

原子炉１の通常操作の間に、シャッター３０は閉止されており、そして冷却ダクト１７を閉塞し、冷却ダクト１７及び熱交換器１２を通しての空気の循環を防止する。シャッター３０を通した回避できない空気の漏洩及び構造２７を通した熱損失のために、熱交換器１２は二次流体１５を若干冷却し、該二次流体は、密度の変化により、排出回路１３において自然循環で循環することが誘導され、コールドブランチ２２を介して熱交換器１１に供給する。容器２中に配置された熱交換器１１は一次流体５の温度に近い温度まで二次流体１５を加熱し、二次流体１５は、その後、排出回路１３のホットブランチ２１を通して循環し、特にパイプ部分２３を通して流れている熱交換器１２のホットマニホールド１８に到達する。

既定調節しきい値を超えて一次流体５の温度が上昇する場合には、二次流体１５も熱交換器１１中で熱くなり、二次流体１５は結果的にパイプ部分２３を加熱し、パイプ部分２３は、マニホールド１８がシステム１０の固定位置にあるので、熱膨張により、フック３４の軸Ａに沿って移動δを引き起こし、ここで、タイロッド３３はパイプ部分２３に一体的に接続されている。パイプ部分２３は、それゆえ、熱膨張制御部分４０を画定し、特に熱膨張により長手方向に伸長可能であり、パイプ部分２３、すなわち、一次流体５の温度が既定しきい値を超えるときに介入する制御部分４０の長手方向での伸長はアクチュエータデバイス３２を操作し、それぞれ移動可能な部材４１を画定しているシャッター３０を移動させ、冷却ダクト１７を選択的に開放/閉止する。特に、各タイロッド３３の移動δはロッド３５、シャフト３１、その後に、シャッター３０の回転を次いで誘導するピニオン３７を操作し、シャッター３０の開放を開始する。一次流体５の温度増加が大きいほど、シャッター３０の開放及び補助流体１６（この場合には、空気）による熱の排出が大きくなる。

一次流体５の続いて行われる冷却は重力の効果によるシャッター３０の対応する閉止であり、該重力の効果はシャッター３０のそれぞれの重心に対するシャッター３０のシャフト３１（そして、それゆえ、回転軸Ｒ）の配置が非対称であるためである。

システム１０は、それゆえ、作業者又は調節ロジックによる介入の必要性なく、一次流体５の温度調節を可能にする。

本発明の範囲にある、特に鉛ビスマス又は純粋鉛冷却される原子炉における用途に適する、好ましい解決策の１つによると、水は熱交換器１１の内部での沸騰のための既定設計圧力に到達するような量で排出回路１３中に導入され、排出回路１３は次いでシールされる。シャッター３０が閉止されると、排出回路１３は実質的にいっぱいの加圧された過熱スチームがあり、該過熱スチームは熱交換器１２に入り、該熱交換器１２において、過熱スチームの形態の二次流体１５は、少量の凝縮流の形成を伴って飽和温度に冷却され、排出回路１３のコールドブランチ２２を通して熱交換器１１へと戻る。熱交換器１１の出口でのスチームの過熱温度が増加し、そしてシャッター３０が次第に開くと、熱交換器１２における凝縮物の形成が増加し、結果的に、熱交換器１１の出力が増加する。凝縮物の形成の増加に次いで、二次流体１５の圧力が減少し、コールドブランチ２２で循環している凝縮物と、ホットブランチ２１で循環している過熱スチームとの間の密度の差が増加し、自然循環性能を改良する効果がある。排出回路１３はスチームのみで満たされているので、対応する質量は非常に限定されており、それゆえ、熱交換器１１のチューブの破壊の場合でさえ、原子炉１内部で解放される水-スチームの質量は限定されており、安全面の重要な結果を起こさない。排出回路１３シールしそしてすべてのタイプのバルブを無くすことができる可能性はシステム１０の信頼性をさらに増加させる。

既に記載された詳細部と同様又は同一である詳細部は同一の番号で示されている図４の別形態において、冷却ダクト１７に循環しそして熱交換器１２を冷却している補助流体１６は液体であり、例えば、水である。冷却ダクト１７は補助流体１６を含むタンク４２を熱交換器１２に接続している。バルブ４３は冷却ダクト１７に沿って配置されている。

アクチュエータデバイス３２はバルブ４３のシャッター４４からなる可動性部材４１を含み、該可動性部材４１は末端２５に配置されたフック３４によりパイプ部分２３に接続されているタイロッド３３に接続されている。

この場合に、フック３４の長手方向運動（パイプ部分２３の、すなわち、制御部分４０の熱膨張により生じ、ここでも、一次流体５、そして結果的に二次流体１５の温度増加により誘導される）はシャッター４４を引き、そしてバルブ４３を開け、補助流体１６は、このようにして、重力の効果によりタンク４２から熱交換器１２へ吐出される。

図４の実施形態に関して、図５の別形態は閉じ込め及び支持構造２７が空気を循環させ、かつ水を閉じ込めることができるように成形されており、これにより、空気及び水の両方を補助流体１６として使用することが可能になる。原子炉の通常操作の条件において、熱交換器１２は空気により冷却され、該空気は構造２７を通して循環している。一次流体５の温度が増加するときに、アクチュエータデバイス３２はバルブ４３を開き、補助流体１６（水）は重力の効果によりタンク４２から吐出されて熱交換器１２に入り、混合空気-水操作でその性能を上げる。タンク４２中に含まれる補助流体１６の貯蔵分が枯渇したときに、熱交換器１２の空気のみによる冷却は、再び可能になる。

最後に、添付の特許請求の範囲から逸脱せずに、さらなる変更及び改変は、本明細書中に記載しそして例示した原子炉から熱を排出するためのシステムに対して行うことができることは理解される。

Claims (10)

1. 一次流体（５）により冷却される原子炉（１）から残留熱を排出するためのシステム（１０）であって、
   少なくとも１つの第一の熱交換器（１１）、ここで、前記第一の熱交換器（１１）は、該第一の熱交換器（１１）において循環している二次流体（１５）に熱を移送するために一次流体（５）と相互作用している、及び、
   少なくとも１つの第二の熱交換器（１２）、ここで、前記第二の熱交換器（１２）は排出回路（１３）を介して前記第一の熱交換器（１１）に接続されており、前記二次流体（１５）は補助流体（１６）により冷却され、該補助流体（１６）は前記第二の熱交換器（１２）を通して通過して、冷却ダクト（１７）において循環しているシステム（１０）において、
   前記排出回路（１３）は制御部分（４０）を含み、該制御部分（４０）は、既定しきい値を超える一次流体（５）の温度上昇により引き起こされる、制御部分（４０）における二次流体（１５）の加熱の効果により熱膨張を受け、前記制御部分（４０）は冷却ダクト（１７）を開きそして冷却ダクト（１７）中に、第二の熱交換器（１２）を通して補助流体（１６）を通過させることを可能にするように、制御部分（４０）の熱膨張により操作されるメカニカルアクチュエータデバイス（３２）に接続されていることを特徴とする、システム（１０）。
2. 前記制御部分（４０）は排出回路（１３）のホットブランチ（２１）の、直線軸（Ａ）に沿って延在している直線パイプ部分（２３）により画定されている、請求項１記載のシステム。
3. 前記直線パイプ部分（２３）は横断ガイド（２８）内部で軸（Ａ）に沿って熱膨張可能であり、システム（１０）の固定点を画定している第二の熱交換器（１２）のマニホールド（１８）に固定されている近位端（２４）、及び、該近位端（２４）と軸方向に反対側にあり、アクチュエータデバイス（３２）に接続されている遠位端（２５）を有する、請求項２記載のシステム。
4. 前記アクチュエータデバイス（３２）はそれぞれ、直線パイプ部分（２３）の遠位端（２５）、及び、冷却ダクト（１７）を選択的に開/閉するように運動可能である、少なくとも１つの可動性部材（４１）に、それぞれの長手方向の両端で接続されている少なくとも１つのタイロッド（３３）を含む、請求項３記載のシステム。
5. 前記第二の熱交換器（１２）は自然循環の空気により冷却され、前記可動性部材（４１）はシャッター（３０）であり、該シャッター（３０）は冷却ダクト（１７）を収容している支持構造（２７）に回転シャフト（３１）を介してヒンジ式に付けられそして冷却ダクト（１７）において循環している空気流を遮断するために冷却ダクト（１７）に配置されており、前記タイロッド（３３）はシャッター（３０）の回転及び開放を引き起こすためにシャッター（３０）に接続されている、請求項４記載のシステム。
6. 前記第二の熱交換器（１２）は、冷却ダクト（１７）において循環しており、冷却ダクト（１７）に沿って配置されたバルブ（４３）の開放で重力の効果によりタンク（４２）から吐出される液体により冷却され、前記可動性部材（４１）は前記バルブ（４３）のシャッター（４４）であり、そして前記タイロッド（３３）はバルブ（４３）の開放を引き起こすためのシャッター（４４）に接続されている、請求項４記載のシステム。
7. 前記第二の熱交換器（１２）は冷却ダクト（１７）において循環している前記液体により冷却され、また、同冷却ダクト（１７）を通した自然循環の空気によっても冷却される、請求項６記載のシステム。
8. 前記二次流体（１５）は前記第一の熱交換器（１１）において沸騰水であり、第二の熱交換器（１２）において凝縮性過熱スチームであり、そして排出回路（１３）は既定のスチーム圧力で初期的に充填されている、請求項１〜７のいずれか１項記載のシステム。
9. 前記排出回路（１３）はシールされており、そしてバルブを含まない、請求項１〜８のいずれか１項記載のシステム。
10. 前記補助流体（１６）は自然循環により冷却ダクト（１７）において循環している、請求項１〜９のいずれか１項記載のシステム。

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