JP6724199B2 - 受動的原子炉キャビティ冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉キャビティに伝達される炉心の残留熱を受動的に除去する装置に関する。

従来の炉心残留熱除去のための空気／水複合型受動的原子炉においては、空気と水により同時に冷却が行われる。空気／水複合型受動的原子炉の一例が特許文献１（２００９年３月４日公開）に開示されている。

特許文献１に開示されている空気／水複合型受動的原子炉は、正常運転状態で空気による冷却と水による冷却が同時に行われることを前提に設計されている。ここで、空気冷却とは、空気を熱伝達流体として用いる冷却を意味し、水冷却とは、水を熱伝達流体として用いる冷却を意味する。よって、事故が発生した場合、空気冷却と水冷却のいずれか一方が正常に作動しなければ炉心の残留熱除去に問題が生じる。

もし、このような事故に備えて、空気冷却と水冷却のそれぞれの設計容量を２倍に増加させると、事故が発生した場合にどちらか一方が誤作動を起こしても炉心の残留熱除去には問題が生じない。しかし、空気冷却と水冷却のそれぞれの設計容量を２倍に増加させると、原子炉の正常運転時の熱損失も自然に増加することになるので、発電所全体の効率を低下させるという問題がある。

また、特許文献１に開示されている空気／水複合型受動的原子炉においては、高温の上昇管の後方に断熱材が位置している。よって、空気冷却も水冷却も不可能な極限事故が発生した場合に、断熱材がコンクリート構造物や外部土壌への熱伝導を遮断して炉心の残留熱を除去できなくなるという問題もある。

韓国公開特許第１０−２００９−００２１７２２号公報

本発明は、原子炉全体の熱効率を低下させることなく、自然循環を利用して炉心の残留熱を効果的に除去できる受動的原子炉キャビティ冷却装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、空気冷却と水冷却による多重防御（multiple barrier）を施すことにより原子炉全体の安全性を向上させることのできる構成を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、原子炉の正常運転時には受動的に空気による冷却が行われ、空気冷却が不可能な事故時には受動的に水による冷却が行われ、空気冷却と水冷却がどちらも不可能な極限事故時には格納構造物と土壌による冷却が行われる受動的原子炉キャビティ冷却装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、機能性伝導体を用いて安定性を向上させた構造の受動的原子炉キャビティ冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一実施形態による受動的原子炉キャビティ冷却装置は、原子炉容器と前記原子炉容器を覆う格納構造物間に形成される原子炉キャビティと、前記原子炉キャビティに設けられる空気下降管と空気上昇管に外部空気を順次通過させることにより、前記原子炉キャビティに伝達される炉心の残留熱を大気に放出するように形成される第１冷却装置と、前記格納構造物の内部空間や前記格納構造物の一側壁の中に配置される水冷却管を備え、前記原子炉キャビティに伝達される前記炉心の残留熱を外部に排出するように形成される第２冷却装置と、原子炉の正常運転温度範囲では断熱性質を有し、前記正常運転温度範囲より高温である前記原子炉の事故発生温度範囲では熱伝達性質を有する機能性伝導体とを含み、前記原子炉容器から見て、前記空気下降管と前記水冷却管は前記空気上昇管の後方に配置され、前記機能性伝導体は前記空気下降管と前記空気上昇管間に配置される。

本発明の一態様によれば、前記原子炉の正常運転温度範囲において、前記機能性伝導体は前記水冷却管を通過する水の液体状態が維持される範囲の有効熱伝導度を有し、前記原子炉の事故発生温度範囲において、前記機能性伝導体は前記水冷却管を通過する水が沸騰する範囲の有効熱伝導度を有する。

本発明の他の態様によれば、前記機能性伝導体は、相対的に前記空気上昇管に近い位置に配置される第１板と、相対的に前記空気下降管に近い位置に配置される第２板とを含み、前記第１板と前記第２板間に流体が充填されるように、前記第１板と前記第２板は、互いに離隔した位置に対向して配置される。

本発明のさらに他の態様によれば、前記原子炉の正常運転温度範囲では、前記流体が前記第１板と前記第２板間の熱伝達を抑制し、前記原子炉の事故発生温度範囲では、前記第１板と前記第２板のいずれか一方から他方に輻射による熱伝達が行われる。

本発明のさらに他の態様によれば、前記第１板と前記第２板は、それぞれ厚さ方向に互いに反対側を向いた第１面と第２面とを備え、前記第１面と前記第２面のいずれか一面から他面に熱を伝導するように形成される。

本発明のさらに他の態様によれば、前記第１面と前記第２面のいずれか一面から他面への熱伝導度は、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。

本発明のさらに他の態様によれば、前記第１板の表面と前記第２板の表面は、０．６０〜０．９５の放射率を有するように形成される。

本発明のさらに他の態様によれば、前記第１板と前記第２板は、金属で形成され、０．１ｍｍ〜５ｍｍの厚さを有する。

本発明のさらに他の態様によれば、前記流体は、大気、ヘリウム、窒素及び水からなる群から選択される少なくとも１つからなる。

本発明のさらに他の態様によれば、前記機能性伝導体は、前記第１板と前記第２板間に配置される格子をさらに含み、前記第１板、前記第２板及び前記格子により前記流体の充填空間が形成される。

本発明のさらに他の態様によれば、前記格子は、セラミックで形成され、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ〜１．０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導度を有する。

本発明のさらに他の態様によれば、前記第１板と前記第２板の上下方向の長さは前記格子の厚さより大きい値を有し、前記第１板と前記第２板の上下方向の長さに対する前記格子の厚さの比は０．２以下である。

本発明のさらに他の態様によれば、前記第１板、前記第２板、前記流体及び前記格子は、前記機能性伝導体の単位構造を形成し、前記機能性伝導体は、前記単位構造の集合からなる。

本発明のさらに他の態様によれば、複数の前記単位構造は、前記機能性伝導体の上下方向及び前記機能性伝導体の厚さ方向に繰り返し配列される。

本発明のさらに他の態様によれば、前記受動的原子炉キャビティ冷却装置は、格納構造物の外部に設けられる水槽をさらに含む。

本発明のさらに他の態様によれば、前記水冷却管は、前記水槽の下部に連結されてもよい。

本発明のさらに他の態様によれば、前記水冷却管は、前記格納構造物を貫通して前記空気下降管の内部空間で延びてもよく、前記格納構造物の一側壁の中で延びてもよい。

本発明のさらに他の態様によれば、前記水冷却管は、前記原子炉キャビティの外側に設けられ、前記水槽に連結される水下降部と、前記空気下降管の内部空間で延びるか、又は前記格納構造物の一側壁の中で延びる水上昇部とを含み、前記水下降部と前記水上昇部は、前記格納構造物を貫通して連結されてもよい。

本発明のさらに他の態様によれば、前記原子炉の正常運転温度範囲では、前記第１冷却装置による前記原子炉キャビティの冷却が行われ、前記原子炉の事故発生温度範囲では、前記第１冷却装置の機能が喪失すると、前記第２冷却装置による前記原子炉キャビティの冷却が行われ、前記第１冷却装置と前記第２冷却装置の機能が喪失すると、前記炉心の残留熱は前記格納構造物により大気と土壌に伝達される。

本発明のさらに他の態様によれば、前記第１冷却装置は、前記格納構造物の内周面に沿って形成され、前記原子炉容器から離隔した位置で前記原子炉容器を覆うように形成される。

上記構成を有する本発明によれば、水を冷却に用いる第２冷却装置は、空気を冷却に用いる第１冷却装置の補助系統に該当する。機能性伝導体が温度範囲によって断熱性質や熱伝達性質を有するからである。よって、第２冷却装置は、第１冷却装置の機能が喪失した場合にのみ作動する。

第２冷却装置が第１冷却装置の補助系統として作動すると、空気と水を同時に用いる従来の原子炉キャビティ冷却装置に比べて、空気冷却による第１段階、空気冷却機能が喪失した場合の水冷却による第２段階の安定性が確保される。

特に、本発明によれば、空気冷却と水冷却による多重防御（multiple barrier）を施すことにより、原子炉全体の安全性を大幅に向上させることができる。

また、第２冷却装置が第１冷却装置の補助系統として作動すると、原子炉の正常運転時に第１冷却装置のみ作動するので、第１冷却装置や第２冷却装置の冷却設計容量を増加させても原子炉全体の熱効率を低下させることなく炉心の残留熱を効果的に除去することができる。

なお、平均的な炉心の残留熱出力は正常運転出力の１％程度である。よって、第１冷却装置の補助系統である第２冷却装置の設計容量が原子炉の正常出力の１％程度を満たせば最小機能が確保される。

上記構成によれば、原子炉の正常運転温度範囲などの低温では、第１冷却装置による原子炉キャビティの冷却（炉心の残留熱除去）が行われる。また、原子炉の事故発生温度範囲などの高温で第１冷却装置の機能が喪失すると、第２冷却装置による原子炉キャビティの冷却が行われる。最後に、原子炉の事故発生温度範囲で第１冷却装置と第２冷却装置の機能がどちらも喪失すると、格納構造物により大気と土壌に炉心の残留熱が伝達される。よって、本発明により究極的な原子炉の安全性向上が期待される。

本発明の一実施形態による受動的原子炉キャビティ冷却装置の概念図である。 図１の受動的原子炉キャビティ冷却装置を上から見たＡ−Ａ線断面図である。 図１の受動的原子炉キャビティ冷却装置を上から見たＡ−Ａ線断面図である。 図２Ａの変形例を示す断面図である。 図２Ｂの変形例を示す断面図である。 受動的原子炉キャビティ冷却装置に備えられる機能性伝導体の単位構造を示す概念図である。 単位構造の集合で形成される機能性伝導体を示す概念図である。 機能性伝導体の単位構造において生じる熱伝達メカニズムを示す概念図である。 機能性伝導体の単位構造における熱抵抗を示すダイアグラムである。 機能性伝導体の単位構造の形状とその集合体を示す概念図である。 機能性伝導体の他の単位構造の形状とその集合体を示す概念図である。 各温度における機能性伝導体の熱伝導度を他の伝導体と比較したグラフである。 本発明の他の実施形態による受動的原子炉キャビティ冷却装置の概念図である。

以下、図面を参照して、本発明による受動的原子炉キャビティ冷却装置についてより詳細に説明する。本明細書においては、異なる実施形態であっても同一又は類似の構成については同一又は類似の符号を付し、その説明は省略する。ある構成要素が他の構成要素に「連結」又は「接続」されていると言及された場合は、他の構成要素に直接連結又は接続されていてもよく、中間にさらに他の構成要素が存在してもよいものと解すべきである。それに対して、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結」又は「直接接続」されていると言及された場合は、中間にさらに他の構成要素が存在しないものと解すべきである。本明細書において用いられる単数の表現には、特に断らない限り複数の表現が含まれる。

以下、図１〜図３を参照して、受動的原子炉キャビティ冷却装置の構成について順次説明する。次に、原子炉の正常運転時、空気冷却が不可能な事故時、空気冷却と水冷却が不可能な極限事故時のそれぞれにおける受動的原子炉キャビティ冷却装置の作動について説明する。

図１は本発明の一実施形態による受動的原子炉キャビティ冷却装置１００の概念図である。

原子炉容器１１０の内部空間には、炉心１１１が設けられる。原子炉容器１１０（Reactor vessel）は、炉心１１１を覆うように形成される。炉心１１１における核反応により発生した熱は発電に利用される。

格納構造物１２０は、原子炉容器１１０を覆うように形成される。格納構造物１２０は、円形又は四角形の横断面を有する。格納構造物１２０は、原子炉容器１１０から離隔した位置で原子炉容器１１０を覆う。

格納構造物１２０は、放射性物質の漏出を防止するためのものである。一般に、格納構造物１２０は、コンクリートで形成される。原子炉容器１１０の外面と格納構造物１２０の内面は互いに離隔しているので、その間には原子炉キャビティ（Reactor Cavity）１１５が形成される。

炉心１１１の残留熱は、継続して原子炉キャビティ１１５に伝達される。原子炉の安全な状態を維持するためには、炉心１１１の残留熱を原子炉キャビティ１１５から継続して除去しなければならない。受動的原子炉キャビティ冷却装置１００は、原子炉キャビティ１１５に伝達された炉心１１１の残留熱を大気や土壌に伝達するように形成される。大気や土壌は、炉心１１１の残留熱が伝達される最終ヒートシンク（heat sink）に該当する。

第１冷却装置１３０は、格納構造物１２０の内周面に沿って形成される。第１冷却装置１３０は、原子炉容器１１０から離隔した位置で原子炉容器１１０を覆うように形成される。

受動的原子炉キャビティ冷却装置１００は、空気を用いる第１冷却装置１３０と、水を用いる第２冷却装置１４０とを含む。

第１冷却装置１３０は、空気下降管１３１と、空気上昇管１３２とを含む。空気下降管１３１と空気上昇管１３２は、原子炉キャビティ１１５に設けられる。原子炉容器１１０から見て、空気下降管１３１は、空気上昇管１３２の後方に配置される。空気の流れにおける空気上昇管１３２の最下流側には、空気の排出のための煙突１３３が設けられる。第１冷却装置１３０は、空気下降管１３１と空気上昇管１３２に外部空気を順次通過させることにより、原子炉キャビティ１１５に伝達される炉心１１１の残留熱を大気に放出するように形成される。

外部空気は、自然対流により空気下降管１３１と空気上昇管１３２を順次通過する。相対的に冷たい空気が空気下降管１３１の入口から空気下降管１３１に流入し、空気下降管１３１に沿って下降する。また、後述する機能性伝導体１５０の下側を経て空気上昇管１３２に沿って上昇する。空気には、その過程で原子炉キャビティ１１５を介して炉心１１１の残留熱が供給される。炉心１１１の残留熱が伝達されると空気の温度は上昇して相対的に熱くなり、空気は自然に煙突１３３を介して大気に放出される。

第２冷却装置１４０は、水冷却管を含み、水冷却管は、水下降部１４１と、水上昇部１４２とを含む。水下降部１４１は、格納構造物１２０の外側に設けられる。水上昇部１４２は、格納構造物１２０の内側に設けられる。水上昇部１４２は、空気下降管１３１の内部空間（内部流路）又は格納構造物１２０の内部に配置される。原子炉容器１１０から見て、水上昇部１４２は、空気上昇管１３２の後方に配置される。また、原子炉容器１１０から見て、水下降部１４１は、水上昇部１４２の後方に配置される。第２冷却装置１４０は、水下降部１４１と水上昇部１４２に水を順次通過させることにより、原子炉キャビティ１１５に伝達される炉心１１１の残留熱を外部に排出するように形成される。

水下降部１４１の最上流側と水上昇部１４２の最下流側は、格納構造物１２０の外側に設けられる水槽１４３（又はタンク）に連結される。相対的に冷たい水槽１４３の水は、水下降部１４１に沿って下降する。また、水上昇部１４２に沿って上昇する際に炉心１１１の残留熱が伝達される。このように、水槽１４３の水は、自然循環により水下降部１４１と水上昇部１４２を順次通過しながら炉心１１１の残留熱を除去することができる。水槽１４３の水は、大気に熱を放出する。

図１とは異なり、水槽１４３の内部空間に熱交換器（図示せず）が設けられ、水下降部１４１の最上流側と水上昇部１４２の最下流側がそれぞれ熱交換器の出口と入口に連結されてもよい。この場合、水下降部１４１、水上昇部１４２及び熱交換器は、水の循環のための閉流路を形成する。水槽１４３の水は、水下降部１４１と水上昇部１４２を循環しないが、熱交換器を通過する水を介して炉心１１１の残留熱が伝達される。

機能性伝導体１５０は、空気下降管１３１と空気上昇管１３２間に配置される。よって、原子炉容器１１０から見て、空気上昇管１３２、機能性伝導体１５０、空気下降管１３１が順に配置される。

本発明における機能性伝導体１５０とは、原子炉の正常運転温度範囲では断熱性質を有し、原子炉の事故発生温度範囲では熱伝達性質を有するものを意味する。いかにして温度に応じて機能性伝導体１５０の熱伝達性質が変化するのか、その構成については図４以下の図面を参照して後述する。

図２Ａ及び図２Ｂは図１の受動的原子炉キャビティ冷却装置１００を上から見たＡ−Ａ線断面図である。

格納構造物１２０は、円形又は四角形の横断面を有する。図２Ａは円形の横断面を有する構造を示し、図２Ｂは四角形の横断面を有する構造を示す。

空気下降管１３１と空気上昇管１３２は、格納構造物１２０の内周面に沿って形成される。空気下降管１３１の集合と空気上昇管１３２の集合は、格納構造物１２０に対応する構造を有する。例えば、図２Ａに示すように、空気下降管１３１の集合と空気上昇管１３２の集合は、円形の横断面を有してもよい。また、図２Ｂに示すように、空気下降管１３１の集合と空気上昇管１３２の集合は、四角形の横断面を有してもよい。

空気下降管１３１の集合と空気上昇管１３２の集合は、原子炉容器１１０から離隔した位置で原子炉容器１１０を覆うように形成される。

原子炉容器１１０、空気下降管１３１、空気上昇管１３２、水上昇部１４２、機能性伝導体１５０は、格納構造物１２０により覆われる領域に配置される。原子炉容器１１０から見て、空気上昇管１３２、機能性伝導体１５０、空気下降管１３１が順に配置される。

水上昇部１４２は、空気下降管１３１の内部空間（内部流路）に配置される。受動的原子炉キャビティ冷却装置１００には、多数の空気下降管１３１が備えられ、水上昇部１４２は、各空気下降管１３１に１つずつ配置される。ここで、水上昇部１４２は、空気下降管１３１の内部空間で空気の流入を妨害しないように、空気下降管１３１の中心から偏心した位置に配置される。例えば、水上昇部１４２は、空気下降管１３１の内側壁面に密着し、また水上昇部１４２は、空気下降管１３１の内側壁面のうち格納構造物１２０に近い壁面に隣接して配置される。

原子炉の正常運転範囲において、空気は水上昇部１４２の外面と空気下降管１３１の内面間の空間を下降する。また、第１冷却装置１３０の機能が喪失すると、水は水上昇部１４２の内部空間を流れ、機能性伝導体１５０を介して伝達される炉心１１１の残留熱により沸騰して上昇する。

図３Ａ及び図３Ｂは図２Ａ及び図２Ｂの変形例を示す断面図である。

他の構成は図２Ａ及び図２Ｂと同一であるが、水上昇部２４２は、空気下降管２３１の内部空間に設けられるのではなく、格納構造物２２０の壁の中に配置される。

水上昇部２４２は、格納構造物２２０の壁の中で互いに離隔した位置に配置される。水上昇部２４２は、格納構造物２２０の円周に沿って配置される。

図３Ａ及び図３Ｂにおいて、説明していない符号である２００は受動的原子炉キャビティ冷却装置、２１０は原子炉容器、２１５は原子炉キャビティ、２３２は空気上昇管、２５０は機能性伝導体である。

以下、図１〜図３を参照して、受動的原子炉キャビティ冷却装置１００、２００の作動について説明する。受動的原子炉キャビティ冷却装置１００、２００の作動について説明するためには、原子炉の運転状態を正常運転時、空気冷却が不可能な事故発生時、空気冷却と水冷却が不可能な極限事故発生時に分けなければならない。

まず、原子炉の正常運転時において、炉心１１１の残留熱は原子炉キャビティを介して空気上昇管１３２、２３２に伝達され、第１冷却装置１３０により空気冷却が行われる。原子炉の正常運転温度範囲においては、機能性伝導体１５０、２５０が断熱性質を有する。よって、空気上昇管１３２、２３２からその後方に配置される空気下降管１３１、２３１や水上昇部１４２、２４２への熱伝達は、機能性伝導体１５０、２５０により抑制される。

空気の自然循環により空気下降管１３１、２３２と空気上昇管１３２、２３２を順次通過する空気に炉心１１１の残留熱が伝達され、炉心１１１の残留熱が伝達された空気は浮力により上昇し、煙突１３３を介して排出される。また、熱い空気が抜けた空気下降管１３１、２３１と空気上昇管１３２、２３２の空き空間に冷たい外部空気が再び入る。

空気上昇管１３２、２３２から空気下降管１３１、２３１に熱伝達が生じると、空気の自然循環が妨害される。原子炉の正常運転温度範囲では機能性伝導体１５０、２５０が断熱性質を有するので、空気の自然循環が円滑に行われるように補助する。

次に、空気冷却が不可能な事故発生時において、第２冷却装置１４０により水冷却が行われる。原子炉の事故発生時に第１冷却装置１３０が正常に作動すれば、原子炉の正常運転時と同様に炉心１１１の残留熱を除去することができる。しかし、煙突１３３が崩壊したり、第１冷却装置１３０の一部又は全部が破損する事故が発生すると、第１冷却装置１３０の機能が喪失する。

このように、第２冷却装置１４０は、第１冷却装置１３０の機能が喪失したときに作動する補助系統に該当する。発明の背景技術の項目で説明した特許文献１においては、空気冷却と水冷却が並列的な構成であるので、空気冷却と水冷却が同時に行われる。しかし、本発明のように、第２冷却装置１４０が第１冷却装置１３０の補助系統に該当する場合は、第１冷却装置１３０が作動しなくなって初めて第２冷却装置１４０が作動する。

第２冷却装置１４０が第１冷却装置１３０の補助系統として作動できるのは、機能性伝導体１５０、２５０が原子炉の事故発生温度範囲において断熱性質を失い、熱伝達性質を有するからである。機能性伝導体１５０、２５０が熱伝達性質を有すると、空気上昇管１３２、２３２に伝達された炉心１１１の残留熱は、機能性伝導体１５０、２５０により空気下降管１３１、２３１と水上昇部１４２、２４２にまで伝達される。また、第２冷却装置１４０により炉心１１１の残留熱が除去される。

原子炉の事故発生温度範囲においては、機能性伝導体１５０、２５０を介して伝達される炉心１１１の残留熱により水上昇部１４２、２４２を通過する水が沸騰する。機能性伝導体１５０、２５０は水上昇部１４２、２４２を通過する水が沸騰する程度の有効熱伝導度を有するからである。水が沸騰する過程で多量の潜熱を吸収するので、炉心１１１の残留熱が第２冷却装置１４０により除去される。

水上昇部１４２、２４２から発生した蒸気は、水槽１４３に集まって凝縮する。水槽１４３には、蒸気の凝縮及び／又は排出のための蒸気冷却管、ヒートパイプなどが設けられる。

最後に、原子炉の事故発生温度範囲において、第１冷却装置１３０と第２冷却装置１４０の機能が喪失すると、炉心１１１の残留熱は格納構造物１２０、２２０により大気と土壌に伝達される。原子炉の事故発生温度範囲において、機能性伝導体１５０、２５０は断熱性質を失い、熱伝達性質を有する。よって、炉心１１１の残留熱は、空気上昇管１３２、２３２、機能性伝導体１５０、２５０を介して格納構造物１２０、２２０に伝達され、大気や土壌に排出される。

以下、温度範囲に応じて断熱性質又は熱伝達性質を有する機能性伝導体１５０、２５０の構成について説明する。

図４は受動的原子炉キャビティ冷却装置１００に備えられる機能性伝導体１５０の単位構造１５１を示す概念図である。

機能性伝導体１５０の単位構造は、互いに離隔して配置される２枚の板１５１ａ、１５１ｂを含む。機能性伝導体１５０は、空気下降管１３１と空気上昇管１３２間に配置される。よって、２枚の板１５１ａ、１５１ｂのいずれか一方は相対的に空気下降管１３１に近い位置に配置され、他方は相対的に空気上昇管１３２に近い位置に配置される。説明の便宜上、２枚の板１５１ａ、１５１ｂのうち空気上昇管１３２に近い位置に配置されるものを第１板１５１ａといい、相対的に空気下降管１３１に近い位置に配置されるものを第２板１５１ｂという。

第１板１５１ａと第２板１５１ｂは、それぞれ厚さ方向に互いに反対側を向いた第１面１５１ａ１、１５１ｂ１と第２面１５１ａ２、１５１ｂ２とを備える。ここで、厚さ方向とは、原子炉容器１１０から機能性伝導体１５０を見た方向と同じ方向を意味する。各板１５１ａ、１５１ｂの第１面１５１ａ１、１５１ｂ１から第２面１５１ａ２、１５１ｂ２に、又は第２面１５１ａ２、１５１ｂ２から第１面１５１ａ１、１５１ｂ１に伝導による熱伝達が生じる。

第１面１５１ａ１、１５１ｂ１から第２面１５１ａ２、１５１ｂ２へ、又は第２面１５１ａ２、１５１ｂ２から第１面１５１ａ１、１５１ｂ１への伝導による急激な温度勾配を防止するためには、第１板１５１ａと第２板１５１ｂの熱伝導度が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。それより低い熱伝導度により生じる第１面と第２面間の急激な温度差は、第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間の輻射熱伝達を阻害するからである。

第１板１５１ａと第２板１５１ｂの材質は金属である。また、第１板１５１ａと第２板１５１ｂの厚さはそれぞれ０．１ｍｍ〜５ｍｍである。第１板１５１ａと第２板１５１ｂの厚さが０．１ｍｍ未満であると、伝導体である板の構造健全性が低下するという問題がある。また、第１板１５１ａと第２板１５１ｂの厚さが５ｍｍを超えると、伝導体の厚さが厚すぎて熱伝達率が低下する。

第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間に流体１５１ｃが充填されるように、第１板１５１ａと第２板１５１ｂは互いに離隔した位置に対向して配置される。第１板１５１ａと第２板１５１ｂが互いに離隔していれば、その間に流体１５１ｃを充填できる空間が形成される。

ここで、流体１５１ｃは、大気、ヘリウム、窒素及び水からなる群から選択される少なくとも１つからなる。一般に、流体１５１ｃは大気からなるが、必要に応じてヘリウム、窒素又は水を第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間に充填することもできる。

第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間に充填される流体１５１ｃは、原子炉の正常運転温度範囲において機能性伝導体１５０に断熱性質を提供する。流体１５１ｃの熱伝導率は、第１板１５１ａの熱伝導率や第２板１５１ｂの熱伝導率に比べて著しく低い。よって、第１板１５１ａから第２板１５１ｂへの熱伝達は、流体１５１ｃにより抑制される。

第１板１５１ａの表面１５１ａ１、１５１ａ２と第２板１５１ｂの表面１５１ｂ１、１５１ｂ２は、高放射率を有するように表面処理される。例えば、第１板１５１ａの表面１５１ａ１、１５１ａ２と第２板１５１ｂの表面１５１ｂ１、１５１ｂ２に高放射率素材のペイント又は粉末スプレーが塗布される。高放射率素材の粉末スプレーの例としてグラファイトスプレーが挙げられる。よって、第１板１５１ａと第２板１５１ｂは、０．６０〜０．９５の放射率（ε）を有する。

物体から放出される輻射エネルギーの総量はその物体の絶対温度（Ｔ）の４乗に比例するというシュテファン＝ボルツマンの法則により、高温では輻射による熱伝達メカニズムの影響を支配的に受ける。輻射による熱伝達メカニズムは、伝導や対流などの熱伝達メカニズムとは異なり、熱を伝達する媒体がなくても光と同じ速度で瞬間的に高温体から低温体に熱が伝達される。

よって、高放射率表面処理は、原子炉の事故発生温度範囲において機能性伝導体１５０に熱伝達性質を提供する。原子炉の事故発生温度範囲が原子炉の正常運転温度範囲よりはるかに高温だからである。

第１板１５１ａの放射率と第２板１５１ｂの放射率が０．６０より低いと、事故発生温度範囲である高温環境において輻射熱伝達が十分に生じなくなるという問題がある。また、第１板１５１ａの放射率と第２板１５１ｂの放射率が０．９５を超えると、原子炉の正常運転温度範囲である低温環境においても輻射熱伝達が必要以上に生じ、断熱機能が十分に発揮されない。特に、機能性伝導体１５０が他の構造物から離隔している場合は、第１板１５１ａと第２板１５１ｂの放射率が０．８以上であると、予期せぬ急激な温度勾配の形成を防止することができる。例えば、熱伝導が生じない領域において熱輻射による急激な温度勾配の形成を防止することができる。

機能性伝導体１５０は、格子１５１ｄをさらに含む。

格子１５１ｄは、第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間に配置される。第１板１５１ａ、第２板１５１ｂ及び格子１５１ｄにより流体１５１ｃの充填空間が形成される。

第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間に充填される流体１５１ｃがヘリウム、窒素又は水である場合、格子１５１ｄはループ（loop）形状を有する。よって、第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間に密閉された流体充填空間が形成される。

第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間に充填される流体１５１ｃが大気である場合、格子１５１ｄはビーム（beam）形状を有する。よって、第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間に開放された流体充填空間が形成される。

断熱のために、格子１５１ｄの熱伝導度は０．１Ｗ／ｍ・Ｋ〜１．０Ｗ／ｍ・Ｋであることが好ましく、格子１５１ｄの材質はセラミックであることが好ましい。しかし、格子１５１ｄの材質は、必ずしもセラミックでなくてもよく、金属であってもよい。ただし、格子１５１ｄの熱伝導度が１．０Ｗ／ｍ・Ｋを超えると、機能性伝導体１５０が断熱機能を十分に発揮できないので、格子１５１ｄの熱伝導度は１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。

第１板１５１ａと第２板１５１ｂの上下方向の長さは、格子１５１ｄの厚さより大きい値を有する。第１板１５１ａと第２板１５１ｂの上下方向の長さとは、図４における上下方向の長さを意味する。また、格子１５１ｄの厚さとは、図４における左右方向の長さを意味する。

第１板１５１ａと第２板１５１ｂの上下方向の長さに対する格子１５１ｄの厚さの比は、０．２以下であることが好ましい。もし、格子１５１ｄの厚さが増加して前記比が０．２を超えると、流体１５１ｃの対流による熱伝達が増加して機能性伝導体１５０が断熱機能を十分に発揮できなくなる。また、重力方向に対する設置位置の変化によって機能性伝導体１５０の性能も変化するという問題もある。

図５は単位構造１５１の集合で形成される機能性伝導体１５０を示す概念図である。

第１板１５１ａ、第２板１５１ｂ、流体１５１ｃ及び格子１５１ｄは、機能性伝導体１５０の単位構造１５１を形成する。機能性伝導体１５０は、単位構造１５１の集合で形成される。例えば、複数の単位構造１５１が機能性伝導体１５０の上下方向と機能性伝導体１５０の厚さ方向に繰り返し配列され、その繰り返し配列により機能性伝導体１５０が形成される。

ただし、単位構造１５１が第１板１５１ａと第２板１５１ｂとを含むとしても、第２板１５１ｂの後方にさらに第１板１５１ａが接触するように配置されるものと解してはならない。図５から分かるように、複数の板１５１ａ、１５１ｂが順次互いに離隔して配置され、その間にそれぞれ格子１５１ｄが配置され、複数の板１５１ａ、１５１ｂ間にそれぞれ流体１５１ｃが充填される。このような単位構造１５１の繰り返しにより機能性伝導体１５０が形成される。

以下、機能性伝導体１５０の熱伝達メカニズムについて説明する。

図６は機能性伝導体１５０の単位構造１５１において生じる熱伝達メカニズムを示す概念図である。

第１板１５１ａや第２板１５１ｂの内部では、伝導による熱伝達が生じる。例えば、第１板１５１ａの第１面１５１ａ１から第２面１５１ａ２に伝導による熱伝達が生じ、第２板１５１ｂの第１面１５１ｂ１から第２面１５１ｂ２に伝導による熱伝達が生じる。

第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間には流体１５１ｃが充填される。よって、第１板１５１ａから第２板１５１ｂには、伝導と対流による熱伝達が生じる。また、格子１５１ｄが第１板１５１ａと第２板１５１ｂ間に配置されるので、伝導による熱伝達が生じる。しかし、流体１５１ｃと格子１５１ｄの熱伝導率は第１板１５１ａと第２板１５１ｂの熱伝導率に比べて非常に低いので、原子炉の正常運転温度範囲である低温では、機能性伝導体１５０が断熱性質を有する。

原子炉の正常運転温度よりはるかに高温である事故発生温度範囲では、第１板１５１ａから第２板１５１ｂに直接輻射による熱伝達が生じる。特に、輻射は熱伝達媒体を必要としない。また、輻射は物体の絶対温度の４乗に比例するので、原子炉の事故発生温度では輻射による熱伝達が活発に生じる。よって、原子炉の事故発生により機能性伝導体１５０に伝達される炉心の残留熱が増加すると、機能性伝導体１５０の温度が上昇し、機能性伝導体１５０の性質が断熱性質から熱伝達性質に受動的に変換される。

機能性伝導体１５０の性能は次のように定義される。

原子炉の正常運転状態の低温範囲では、水上昇部１４２（図２）、２４２（図３）を流れる水が沸騰しない程度（水の液体状態が維持される程度）に有効熱伝導度が低くなければならない。また、事故発生状態などの高温範囲では、水上昇部１４２、２４２を流れる水が沸騰する程度に有効熱伝導度が高くなければならない。

次に、機能性伝導体の熱抵抗ダイアグラムを参照して説明する。

図７は機能性伝導体の単位構造における熱抵抗を示すダイアグラムである。

第１板の第１面と第２面間では、伝導による熱伝達が生じる。第２板の第１面と第２面間でも、伝導による熱伝達が生じる。第１板と第２板は、熱伝導度が高い金属材質で形成されるからである。

原子炉の正常運転状態などの低温環境では、流体による熱の伝導及び対流、格子による熱の伝導が生じる。しかし、流体と格子の熱伝導度は非常に低いので、機能性伝導体は断熱性質を有する。

そして、機能性伝導体が原子炉の事故発生状態などの高温環境に突然晒されると、第１板から第２板に輻射による熱伝達が生じる。第１板の表面と第２板の表面が高放射率処理されているからである。

一般的な熱伝導体は熱伝達機能のみ実現し、断熱材は断熱機能のみ実現する。よって、熱伝達機能と断熱機能の両方を実現するためには、それぞれの設備を備える必要がある。また、ある一領域で熱伝達機能と断熱機能を変換するためには、熱伝達機能を実現するための設備と断熱機能を実現するための設備の位置を切り替える装置もさらに備える必要がある。

それに対して、本発明の機能性伝導体は、受動的に断熱性質と熱伝達性質を変換することができるので、追加設備コストを低減することができ、信頼性の高い性能が得られる。

第１板と第２板の放射率は調節することができる。また、第１板と第２板の面積、互いの距離を調節することにより輻射熱伝達量（又は輻射熱伝達率）を調節することもできる。格子の素材、断面積及び厚さを調節することにより熱伝導度を調節することもできる。流体の種類、流体が充填される充填空間の大きさにより熱の伝導及び対流を調節することもできる。よって、機能性伝導体は、各原子炉に適した特性を有するように設計される。

機能性伝導体の単位構造を熱伝達方向に対して垂直に繰り返し積層すると、機能性伝導体の適用面積を増加させることができる。また、第１板、第２板、格子の形状を調節すると、機能性伝導体を曲面構造に適用することもできる。

一方、一般的な伝導体の単位構造を熱伝達方向と平行に積層すると、さらなる断熱性能が得られる。ここで、集合体の性能は、その特性上、単位構造の数に正比例しない。これは、熱の伝導や対流より輻射熱伝達の影響を大きく受けるので、温度による性能変化の幅が大きいからである。しかし、本発明において、機能性伝導体の性能は、単位構造の各温度における性能から予測することができる。

以下、単位構造の様々な形状について説明する。

図８は機能性伝導体の単位構造の形状とその集合体を示す概念図である。

図８においては、４つの単位構造３５１が集合して１つの機能性伝導体３５０を形成する例が示されている。第１板と第２板は、長方形の断面を有する直方体である。また、格子は長方形の断面を有し、格子の中央は第１板と第２板に向かって両側に開口する。

図９は機能性伝導体の他の単位構造の形状とその集合体を示す概念図である。

図９においては、４つの単位構造４５１が集合して１つの機能性伝導体４５０を形成する例が示されている。第１板と第２板は、六角形の断面を有する八面体である。また、格子は六角形の断面を有し、格子の中央は第１板と第２板に向かって両側に開口する。

以下、機能性伝導体の熱伝導度を実験的に評価した結果について説明する。

図１０は各温度における機能性伝導体の熱伝導度を他の伝導体と比較したグラフである。

機能性伝導体を対象に、標準化された保護熱板法技術（ＩＳＯ ３８０２、ＡＳＴＭ Ｃ１７７技術標準）を用いて、温度を上昇させながら熱伝導度を測定した。図１０のグラフには、Ｋａｏｗｏｏｌ社の商用１６００ ｐａｐｅｒとＬｕｍｉｂｏａｒｄ Ｌ−１４Ｚの販売会社から提供された熱伝導度を共に示す。

図１０によれば、商用断熱材に比べて、機能性伝導体の熱伝導度は温度上昇に伴って急激に上昇することが分かる。具体的には、温度が６００℃以上に上昇しても、商用断熱材の熱伝導度は０．２０Ｗ／ｍ・Ｋ未満である。それに対して、機能性伝導体の熱伝導度は約２００℃の温度で既に０．３Ｗ／ｍ・Ｋを超えている。よって、機能性伝導体は、事故発生状態などの高温環境で放熱機能を効果的に実現することが確認された。

以下、受動的原子炉キャビティ冷却装置の他の実施形態について説明する。

図１１は本発明の他の実施形態による受動的原子炉キャビティ冷却装置３００の概念図である。

図１の構成と異なるのは第２冷却装置３４０である。図１の水冷却管が水下降部と水上昇部とを含むのとは異なり、図１１の水冷却管３４１は１つの管からなる。

水冷却管３４１は、水槽３４２の下部に連結される。水冷却管３４１は、格納構造物３２０を貫通して空気下降管３３１の内部空間で延びてもよい。それとは異なり、水冷却管３４１は、格納構造物３２０の壁の中で延びてもよい。

事故発生温度範囲では、第１冷却装置３３０の機能が喪失すると、機能性伝導体３５０により炉心３１１の残留熱が水冷却管３４１に伝達される。水冷却管３４１の中の水は炉心３１１の残留熱により沸騰し、蒸発潜熱により炉心３１１の残留熱が除去される。

水冷却管３４１の中で水の沸騰により発生した蒸気は、浮力により水冷却管３４１に沿って上昇し、水槽３４２の内部で水上の空き空間に流動する。それと同時に、蒸気の体積分だけ水槽３４２から水冷却管３４１に水が補充される。

図１１において、説明していない符号である３１０は原子炉容器、３１５は原子炉キャビティ、３３２は空気上昇管、３３３は煙突である。

上記構成を有する本発明によれば、水を冷却に用いる第２冷却装置は、空気を冷却に用いる第１冷却装置の補助系統に該当する。機能性伝導体が温度範囲によって断熱性質や熱伝達性質を有するからである。よって、第２冷却装置は、第１冷却装置の機能が喪失した場合にのみ作動する。

第２冷却装置が第１冷却装置の補助系統として作動すると、空気と水を同時に用いる従来の原子炉キャビティ冷却装置に比べて、空気冷却による第１段階、空気冷却機能が喪失した場合の水冷却による第２段階の安定性が確保される。

特に、本発明によれば、空気冷却と水冷却による多重防御（multiple barrier）を施すことにより、原子炉全体の安全性を大幅に向上させることができる。

また、第２冷却装置が第１冷却装置の補助系統として作動すると、原子炉の正常運転時に第１冷却装置のみ作動するので、第１冷却装置や第２冷却装置の冷却設計容量を増加させても原子炉全体の熱効率を低下させることなく炉心の残留熱を効果的に除去することができる。

なお、平均的な炉心の残留熱出力は正常運転出力の１％程度である。よって、第１冷却装置の補助系統である第２冷却装置の設計容量が原子炉の正常出力の１％程度を満たせば最小機能が確保される。

上記構成によれば、原子炉の正常運転温度範囲などの低温では、第１冷却装置による原子炉キャビティの冷却（炉心の残留熱除去）が行われる。また、原子炉の事故発生温度範囲などの高温で第１冷却装置の機能が喪失すると、第２冷却装置による原子炉キャビティの冷却が行われる。最後に、原子炉の事故発生温度範囲で第１冷却装置と第２冷却装置の機能がどちらも喪失すると、格納構造物により大気と土壌に炉心の残留熱が伝達される。よって、本発明により究極的な原子炉の安全性向上が期待される。

前述した受動的原子炉キャビティ冷却装置は、前述した実施形態の構成と方法に限定されるものではなく、様々な変形が行われるように、各実施形態の全部又は一部を選択的に組み合わせたものであってもよい。

１００ 受動的原子炉キャビティ冷却装置
１１０ 原子炉容器
１１１ 炉心
１１５ 原子炉キャビティ
１２０ 格納構造物
１３０ 第１冷却装置
１３１ 空気下降管
１３２ 空気上昇管
１４０ 第２冷却装置
１４１ 水下降部
１４２ 水上昇部
１４３ 水槽
１５０ 機能性伝導体
１５１ 単位構造
１５１ａ 第１板
１５１ａ１ 第１面
１５１ａ２ 第２面
１５１ｂ 第２板
１５１ｂ１ 第１面
１５１ｂ２ 第２面
１５１ｃ 流体
１５１ｄ 格子

Claims (18)

1. 原子炉容器と前記原子炉容器を覆う格納構造物間に形成される原子炉キャビティと、
   前記原子炉キャビティに設けられる空気下降管と空気上昇管に外部空気を順次通過させることにより、前記原子炉キャビティに伝達される炉心の残留熱を大気に放出するように形成される第１冷却装置と、
   前記格納構造物の内部空間や前記格納構造物の壁の中に配置される水冷却管を備え、前記原子炉キャビティに伝達される前記炉心の残留熱を外部に排出するように形成される第２冷却装置と、
   原子炉の正常運転温度範囲では断熱性質を有し、前記正常運転温度範囲より高温である前記原子炉の事故発生温度範囲では熱伝達性質を有する機能性伝導体とを含み、
   前記原子炉容器から見て、前記空気下降管と前記水冷却管は前記空気上昇管の後方に配置され、前記機能性伝導体は前記空気下降管と前記空気上昇管間に配置され、
   前記機能性伝導体は、
   相対的に前記空気上昇管に近い位置に配置される第１板と、
   相対的に前記空気下降管に近い位置に配置される第２板とを含み、
   前記第１板と前記第２板間に流体が充填されるように、前記第１板と前記第２板は、互いに離隔した位置に対向して配置されることを特徴とする受動的原子炉キャビティ冷却装置。
2. 前記受動的原子炉キャビティ冷却装置は、前記格納構造物の外部に設けられる水槽をさらに含み、
   前記水冷却管は、
   前記原子炉キャビティの外側に設けられ、前記水槽に連結される水下降部と、
   前記空気下降管の内部空間で延びるか、又は前記格納構造物の壁の中で延びる水上昇部とを含み、
   前記水下降部と前記水上昇部は、前記格納構造物を貫通して連結されることを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
3. 前記第１冷却装置は、前記格納構造物の内周面に沿って形成され、前記原子炉容器から離隔した位置で前記原子炉容器を覆うように形成されることを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
4. 前記原子炉の正常運転温度範囲では、前記第１冷却装置による前記原子炉キャビティの冷却が行われ、
   前記原子炉の事故発生温度範囲では、前記第１冷却装置の機能が喪失すると、前記第２冷却装置による前記原子炉キャビティの冷却が行われることを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
5. 前記受動的原子炉キャビティ冷却装置は、前記格納構造物の外部に設けられる水槽をさらに含み、
   前記水冷却管は、前記水槽の下部に連結されることを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
6. 前記水冷却管は、前記格納構造物を貫通して前記空気下降管の内部空間で延びるか、又は前記格納構造物の壁の中で延びることを特徴とする請求項５に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
7. 前記原子炉の正常運転温度範囲において、前記機能性伝導体は前記水冷却管を通過する水の液体状態が維持される範囲の有効熱伝導度を有し、
   前記原子炉の事故発生温度範囲において、前記機能性伝導体は前記水冷却管を通過する水が沸騰する範囲の有効熱伝導度を有することを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
8. 前記原子炉の正常運転温度範囲では、前記流体が前記第１板と前記第２板間の熱伝達を抑制し、
   前記原子炉の事故発生温度範囲では、前記第１板と前記第２板のいずれか一方から他方に輻射による熱伝達が行われることを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
9. 前記第１板と前記第２板は、それぞれ厚さ方向に互いに反対側を向いた第１面と第２面とを備え、前記第１面と前記第２面のいずれか一面から他面に熱を伝導するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
10. 前記第１面と前記第２面のいずれか一面から他面への熱伝導度は、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項９に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
11. 前記第１板の表面と前記第２板の表面は、０．６０〜０．９５の放射率を有するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
12. 前記第１板と前記第２板は、金属で形成され、０．１ｍｍ〜５ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
13. 前記流体は、大気、ヘリウム、窒素及び水からなる群から選択される少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
14. 前記機能性伝導体は、前記第１板と前記第２板間に配置される格子をさらに含み、
    前記第１板、前記第２板及び前記格子により前記流体の充填空間が形成されることを特徴とする請求項１に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
15. 前記格子は、セラミックで形成され、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ〜１．０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導度を有することを特徴とする請求項１４に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
16. 前記第１板と前記第２板の上下方向の長さは前記格子の厚さより大きい値を有し、
    前記第１板と前記第２板の上下方向の長さに対する前記格子の厚さの比は０．２以下であることを特徴とする請求項１４に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
17. 前記第１板、前記第２板、前記流体及び前記格子は、前記機能性伝導体の単位構造を形成し、前記機能性伝導体は、前記単位構造の集合からなることを特徴とする請求項１４に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。
18. 複数の前記単位構造は、前記機能性伝導体の上下方向及び前記機能性伝導体の厚さ方向に繰り返し配列されることを特徴とする請求項１７に記載の受動的原子炉キャビティ冷却装置。