JP7209574B2 - 原子力発電システム及び原子炉ユニット - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電システム及び原子炉ユニットに関する。

核燃料を用い、核反応の熱を利用して発電を行う原子力発電システムでは、原子炉で生じた熱を原子炉と二次冷却系統との間で一次冷却材が循環する一次冷却系統で回収し、一次冷却材と二次冷却材とで熱交換を行い、二次冷却系統に設けられたタービンを二次冷却材のエネルギーで回転させて発電を行う。

これに対して、特許文献１には、原子炉で生じた熱をヒートパイプで回収し、ヒートパイプと冷媒が循環する冷却系統とで熱交換を行い、冷却系統で回収した熱エネルギーで発電する構造が記載されている。特許文献１の構造は、一次冷却材が不要となり、原子力発電システムの信頼性向上、小型化を図ることができる。

米国特許２０１６／００２７５３６号明細書

原子力発電システムは、原子炉で放射線が生じる。このため、特許文献１のようにヒートパイプを用いる構造とした場合、燃料と熱交換した媒体がヒートパイプ内を移動する。このため、ヒートパイプ内に損傷が生じた場合、タービンと繋がる系統にヒートパイプ内の放射線が照射された媒体が漏洩することになる。また、ヒートパイプの内部に汚染された媒体が浸入した場合、ヒートパイプで遮へいされていない放射線が冷却系統の媒体に照射される。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、放射線の遮へい性を高く維持しつつ、発電を行うことができる原子力発電システム及び原子炉ユニットを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係る原子力発電システムは、炉心燃料と、前記炉心燃料の周囲を覆い、炉心燃料がある空間を遮へいし、放射線を遮へいする原子炉容器と、を含む原子炉と、前記原子炉容器の少なくとも一部に配置され、前記原子炉容器内の熱を外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、前記熱伝導部と冷媒とで熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器を通過する前記冷媒を循環させる冷媒循環手段と、前記冷媒循環手段で循環する前記冷媒により回転されるタービンと、前記タービンと一体で回転する発電機と、を含む。

前記熱伝導部は、前記原子炉容器と連結し、通過する中性子を遮へいする第１熱伝導部と、前記第１熱伝導部と接続し、前記第１伝導部と前記冷媒循環手段との間の固体熱伝導の経路に配置された第２熱伝導部と、を有し、前記第２熱伝導部は、前記第１熱伝導部よりも、熱伝導率が高いことが好ましい。

前記第１熱伝導部は、前記第２熱伝導部よりも、中性子の遮へい性能が高い材料で形成されていることが好ましい。

第２熱伝導部は、熱伝導度に異方性がある材料であり、前記第１熱伝導部から前記熱交換器に向かう方向の熱伝導度が、他の方向の熱伝導度よりも高いことが好ましい。

前記第２熱伝導部は、グラフェンを含むことが好ましい。

前記原子炉の前記原子炉容器の内部に配置され、一部が前記熱伝導部と接し、内部に熱媒が封入されたヒートパイプをさらに有することが好ましい。

前記原子炉の前記原子炉容器の内部に配置され、一部が前記第１熱伝導部と接し、内部に熱媒が封入されたヒートパイプをさらに有し、前記第２伝導部は、一部が前記第１熱伝導部に挿入され、前記第２伝導部の延在方向に置いて、前記ヒートパイプと重なることが好ましい。

前記第１伝導部は、一部が前記熱交換器に挿入されることが好ましい。

前記第２熱伝導部は、前記熱交換器側に向かうにしたがって断面積が小さくなることが好ましい。

前記熱伝導部と前記冷媒循環手段との間に配置され、前記熱伝導部と接する保護部を含むことが好ましい。

前記原子炉容器は、前記熱伝導部よりも熱伝導性が低い材料で形成されていることが好ましい。

前記熱伝導部は、前記原子炉容器の複数の位置に設けられることが好ましい。

前記原子炉は、前記炉心燃料の反応を制御する制御ユニットを含み、前記熱伝導部は、前記原子炉容器の前記制御ユニットが配置されている領域とは異なる領域に配置されることが好ましい。

上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係る原子炉は、炉心燃料と、前記炉心燃料の周囲を覆い、炉心燃料がある空間を遮へいし、放射線を遮へいする原子炉容器と、前記原子炉容器の少なくとも一部に配置され、前記原子炉容器内の熱を外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、を含む。

前記熱伝導部は、前記原子炉容器と連結し、通過する中性子を遮へいする第１熱伝導部と、前記第１熱伝導部と接続し、前記第１伝導部と固体熱伝導で熱を伝導する対象との間の固体熱伝導の経路に配置された第２熱伝導部と、を有し、前記第２熱伝導部は、前記第１熱伝導部よりも、熱伝導率が高いことが好ましい。

前記第１熱伝導部は、前記第２熱伝導部よりも、中性子の遮へい性能が高い材料で形成されていることが好ましい。

第２熱伝導部は、熱伝導度に異方性がある材料であり、前記第１熱伝導部から前記熱交換器に向かう方向の熱伝導度が、他の方向の熱伝導度よりも高いことが好ましい。

前記第２熱伝導部は、グラフェンを含むことが好ましい。

前記原子炉容器の内部に配置され、一部が前記熱伝導部と接し、内部に熱媒が封入されたヒートパイプをさらに有することが好ましい。

前記原子炉の前記原子炉容器の内部に配置され、一部が前記第１熱伝導部と接し、内部に熱媒が封入されたヒートパイプをさらに有し、前記第２伝導部は、一部が前記第１熱伝導部に挿入され、前記第２伝導部の延在方向に置いて、前記ヒートパイプと重なることが好ましい。

前記第１伝導部は、一部が熱を伝達する対象に挿入されることが好ましい。

本発明によれば、放射線の遮へい性を高く維持しつつ、発電を行うことができる。

図１は、本実施形態に係る原子力発電システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、熱伝導部の一例を示す模式図である。 図３は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。 図４は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。 図５は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。 図６は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。 図７は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。 図８は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。 図９は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。 図１０は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。 図１１は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。 図１２は、原子力発電システムの他の例を示す部分断面図である。 図１３は、図１２に示す原子力発電システムの熱伝導部の概略構成を示す模式図である。 図１４は、図１２に示す原子力発電システムの冷媒の流れを説明する模式図である。 図１５は、原子力発電システムの他の例を示す模式図である。 図１６は、原子力発電システムの他の例を示す模式図である。 図１７は、原子力発電システムの他の例を示す模式図である。 図１８は、原子力発電システムの他の例を示す模式図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係る原子力発電システムの概略構成を示す模式図である。図１に示すように、原子力発電システム１０は、原子炉ユニット１２と、熱交換器１４と、冷媒循環手段１６と、タービン１８と、発電機２０と、冷却器２２と、圧縮機２４と、を有する。

原子炉ユニット１２は、原子炉３０と、熱伝導部３２と、を有する。原子炉３０は、原子炉容器４０と、炉心燃料４２と、制御ユニット４４と、を有する。原子炉容器４０は、内部に炉心材料４２が格納されている。原子炉容器４０は、炉心燃料４２を密閉状態で格納する。原子炉容器４０は、内部に載置する炉心燃料４２が挿抜できるように、開閉部が設けられている。開閉部は、例えば蓋である。原子炉容器４０は、内部で核反応がおき、内部が高温、高圧になった場合でも、密閉状態を維持することができる。また、原子炉容器４０は、中性子線の遮へい性能を備える材料で形成され、内部で生じた中性子線が外部に漏えいしない厚みで形成されている。原子炉容器４０は、例えばコンクリートで形成されている。原子炉容器４０は、ボロン等の遮へい性の高い元素を含めてもよい。

炉心燃料４２は、複数の燃料棒４２ａと、炉心熱伝導体４２ｂとを含む。複数の燃料棒４２ａは、所定の間隔で配置されている。炉心熱伝導体４２ｂは、中に複数の燃料棒４２ａが配置されている。炉心熱伝導体４２ｂは、燃料棒４２ａの周囲を覆う。炉心熱伝導体４２ｂは、グラファイト、シリコンカーバイド等を用いることができる。また、炉心熱伝導体４２ｂは、グラファイト、シリコンカーバイドの表面を金属で覆う積層構造としてもよい。また、炉心熱伝導体４２ｂは、燃料棒４２ａごとに設けてもよい。炉心燃料４２は、燃料棒４２ａが核反応が生じることで反応熱が生じる。

制御ユニット４４は、炉心燃料４２の燃料棒４２ａの間に移動可能な遮へい材を有する。遮へい材は、放射線を遮へいし、核反応を抑制する機能を備える、いわゆる制御棒である。原子炉３０は、制御ユニット４４を移動させ、遮へい材の位置を調整することで、炉心燃料の反応を制御する。

なお、本実施形態を示す図１及び図２では、燃料棒４２ａを横方向から挿入する向きで示しているが、燃料棒４２ａの向き及び制御ユニット４４の燃料棒４２ａ間に挿入する制御棒の向きは、特に限定されない。原子炉ユニット１２は、制御棒が鉛直方向上方向、鉛直方向下方向、水平方向、斜め方向、いずれの向きから挿入させる構造でもよい。なお、原子炉ユニット１２は、制御ユニット４４の制御棒を鉛直方向上から挿入する構造とすることで、重力落下でも制御棒を燃料棒４２ａの間に挿入することができる。

熱伝導部３２は、図１及び図２示すように、原子炉３０及び熱交換器１４の両方と接続されている。熱伝導部３２は、固体熱伝導で熱を伝達する。つまり、熱伝導部３２は、熱媒（流体）を用いずに、熱を伝達する。具体的には、熱伝導部３２は、炉心燃料４２で生じた熱を固体熱伝導で熱交換器１４に伝達する。

図２に示すように、熱伝導部３２は、第１熱伝導部５０と、第２伝導部５２と、を有する。第１熱伝導部５０は、固体であり、原子炉容器４０の一部である。つまり、第１熱伝導部５０は、原子炉容器４０の一部となり、原子炉容器４０の内側空間に露出している。つまり、第１熱伝導部５０は、炉心燃料４２が配置されている空間に露出している。また、第１熱伝導部５０は、原子炉容器４０の外側にも露出している。第１熱伝導部５０は、原子炉容器４０の内側の熱を吸収し、吸収した熱を原子炉容器４０の外側に伝える。第１熱伝導部５０は、原子炉容器４０よりも熱伝導性が高い材料であり、原子炉容器４０の炉心燃料４２で発熱が生じ温度が上昇した場合でも、運転温度に対して耐久性を備える材料である。また、第１熱伝導部５０は、中性子線を遮へいする性能を有し、原子炉容器４０の内部から第１熱伝導部５０に到達した中性子線は、第１熱伝導部５０内で減衰され、外部に漏えいしない。第１熱伝導部５０は、例えばグラファイトを用いることができる。

第２熱伝導部５２は、第１熱伝導部５０の外側に露出している面に接している。また、第２熱伝導部５２は、一部が熱交換器１４内に延びている。具体的には、第２熱伝導部５２は、熱交換器１４の一部となる冷媒循環手段１６に挿入されている。本実施形態の第２熱伝導部５２は、複数の棒状（板状）の部材であり、一方の端部が、第１熱伝導部５０に接し、他方の端部側の一定領域が熱交換器１６の内部に挿入されている。第２熱伝導部５２としては、例えばグラフェンを用いることができる。

原子炉ユニット１２は、以上の構成であり、原子炉３０の内部の炉心燃料４２で核反応が生じ、反応熱が発生する。発生した熱は、原子炉容器４０の内部に溜められ、内部が高温となる。また、原子炉ユニット１２は、原子炉３０で発生した熱の一部が、熱伝導部３２を介して、外部に排出される。具体的には、原子炉容器４０の内部の熱は、第１熱伝導部５０に吸収される。第１熱伝導部５０は、原子炉容器４０の内部の熱を第２熱伝導部５２に固体熱伝導で伝達する。第２熱伝導部５２は、第１熱伝導部５０から供給された熱が、固体熱伝導で、熱交換器１６と接している領域に伝達される。第２熱伝導部５２は、熱交換器１４と接している領域に伝達された熱で、冷媒循環手段１６を流れる冷媒を加熱する。

熱交換器１４は、熱伝導部３２と、冷媒循環手段１６から供給される冷媒との間で熱交換を行う。本実施形態の熱交換器１４は、第２熱伝導部５２と冷媒循環手段１６の一部で構成されている。熱交換器１４は、冷媒循環手段１６を流れる冷媒で、熱伝導部３２の熱を回収する。つまり冷媒は、熱伝導部３２で加熱される。冷媒循環手段１６は、冷媒を循環させる経路であり、熱交換器１４と、タービン１８と、冷却器２２と、圧縮機２４と、が接続されている。冷媒循環手段１６を流れる冷媒は、熱交換器１４、タービン１８、冷却器２２、圧縮機２４の順で流れ、圧縮機２４を通過した冷媒は、熱交換器１４に供給される。

タービン１８は、熱交換器１４を通過した冷媒が流入する。タービン１８は、加熱された冷媒のエネルギーにより回転される。つまりタービン１８は、冷媒のエネルギーを回転エネルギーに変換して、冷媒からエネルギーを吸収する。発電機２０は、タービン１８と連結されており、タービン１８と一体で回転する。発電機２０は、タービン１８と回転することで発電する。

冷却器２２は、タービン１８を通過した冷媒を冷却する。冷却器２２は、チラーや冷媒を一時的に液化する場合、復水器等である。圧縮機２４は、冷媒を加圧するポンプである。

原子力発電システム１０は、原子炉１２の核燃料の反応で生じた熱を熱伝導部３２で熱交換器１４に伝え、熱伝導部３２の熱で、熱交換器１４で冷媒循環手段１６を流れる冷媒を加熱する。つまり、冷媒は、熱伝導部３２で伝達された熱を吸収する。これにより、原子炉１２で発生した熱は、熱伝導部３２により固体熱伝導で伝達され、冷媒で回収される。冷媒は、圧縮機２４で圧縮された後、熱伝導部３２の通過時に加熱され、圧縮され、加熱されたエネルギーでタービン１８を回転させる。その後、冷却器２２で基準状態まで冷却され、再び圧縮機２４に供給される。

原子炉発電ユニット１０は、以上のように、固体熱伝導で熱を伝達する熱伝導部３２を用いて原子炉３０の熱を、タービン１８を回転する媒体となる冷媒に伝達する。これにより、原子炉３０で汚染された流体と、タービン１８を回転する媒体となる冷媒と、をより確実に隔離することができ、タービン１８を回転する媒体が汚染される恐れを低減することができる。また、固体熱伝導で熱を伝達する熱伝達部３２を設けることで、熱伝達部３２で中性子線を遮へいすることができる。

ここで、熱伝導部３２は、第１熱伝導部５０と第２熱伝導部５２とを同じ材料で作成してもよいが、別の材料で作成し、それぞれの機能をより好適に満たすようにすることが好ましい。ここで、熱伝導部３２は、例えば、チタン、ニッケル、銅、グラファイト、グラフェンを用いることができる。

第１熱伝導部５０は、第２熱伝導部５２よりも、中性子の遮へい性能が高い材料で形成することが好ましい。炉心燃料４２が配置されている空間と接する第１熱伝導部５０の遮へい性能を高くすることで、原子炉容器４０及び第１熱伝導部５０の外側への中性子線の漏えいを抑制することができる。第１熱伝導部５０は、グラファイトを用いることが好ましい。グラファイトを用いることで、遮へい性能を高くすることができ、熱に対する耐久性も高くすることができる。

また、原子炉容器４０は、熱伝導部３２よりも熱伝導性が低い材料で形成されることが好ましい。これにより、熱を外に排出する経路である熱伝導部３２以外の部分から原子炉３０内の熱が外に排出されることを抑制できる。

第２熱伝導部５２は、第１熱伝導部５０よりも、熱伝導率が高い材料を用いることが好ましい。第１熱伝導部５０よりも原子炉３０に対して外側に配置され、遮へいの性能が高く求められない第２熱伝導部５２に熱伝導性が高い材料を用いることで、効率よく熱を伝えることができる。

第２熱伝導部５２は、熱伝導度に異方性がある材料を用いることが好ましい。この場合、第２熱伝導部５２は、第１熱伝導部５０から熱交換器１４に向かう方向の熱伝導度が、他の方向の熱伝導度よりも高い向きで配置することが好ましい。これにより、図２に示す矢印方向の熱伝導、つまり、第１熱伝導部５０から熱交換器１４に向かう方向の熱をより多く伝えることができ、原子炉３０の熱を熱交換器１４により効率よく伝えることができる。第２熱伝導部５２は、グラフェンを含むことが好ましい。グラフェンを用いることで、異方性を高くすることができる。また、炭素材料なので、熱に対する耐久性を高くすることができる。

図３は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。図３示す原子炉ユニット１２ａは、原子炉３０と、熱伝導部３２ａと、を有する。熱伝導部３２ａは、第１熱伝導部５０と、第２熱伝導部５２と、保護部５４と、を有する。原子炉３０と、第１熱伝導部５０と、第２熱伝導部５２とは、原子炉ユニット１２の各部と同様であるので、説明を省略する。

保護部５４は、第２熱伝導部５２の冷媒循環手段１６の内部に露出している部分と接している。保護部５４は、冷媒循環手段１６と連結しており、冷媒循環手段１６の流路の壁面の一部となる。保護部５４は、熱伝導部３２ａの第２熱伝導部５２と冷媒循環手段１６との間に配置され、熱伝導部３２ａと接する。

保護部５４は、棒状、板状の第２熱伝導部５２が挿入される筒部６０と、筒部６０の周囲に配置されたフィン６２と、を有する。保護部５４は、筒部６０が第２熱伝導部５２と接し、固体熱伝導で第２熱伝導部５２の熱が保護部５４に伝達される。また、フィン６２は、保護部５４と冷媒との接触面積を増やし、保護部５４の熱を冷媒で回収しやすくする。

熱伝導部３２ａは、冷媒循環手段１６と連結しており、冷媒循環手段１６の流路の壁面の一部となる保護部５４を設けることで、保護部５４と、第２熱伝導部５２とを着脱可能とすることができ、冷媒循環手段１６に第２熱伝導部５２を取り外しても、冷媒循環手段１６を閉じられた配管とすることができる。これにより、原子炉ユニット１２ａを冷媒循環手段１６に対して取り外すことができる。

次に、熱伝導部のより具体的な構造について説明する。図４から図１１は、熱伝導部の他の例である。以下の熱伝導部の構造は、適宜組み合わせることができる。図４は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。図４に示す原子炉ユニット１２ｂの第２熱伝導部５２ａは、第１部材７０と複数の第２部材７２とを有する。第１部材７０は、第１熱伝導部５０と接し、第１熱伝導部５０の平面と平行な方向に延在している。第１部材７０は、第１熱伝導部５０よりも面の幅が大きい。第２部材７２は、互いに平行に延在し、第１部材７０に交差する方向に配置されている。第２部材７２は、第１熱伝導部５０側の端部が第１部材７０と接し、他方の端部側が熱交換機１４と接する。また、第２部材７２は、他方の端部７２ａが先端に向かうにしたがって、幅が狭くなる。

図４に示す第２熱伝導部５２ａは、第１熱伝導部５０よりも伝熱面を広げる第１部材７０を設けることで、熱交換器１４と接する第２部材７２をより多く配置することができる。これにより、原子炉３０の熱をより多く熱交換器に伝えることができる。また、端部７２ａをとがった形状とすることで、伝熱に異方性がある場合、中心側でも効率よく熱を伝えることができる。

図５は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。図５に示す第２熱伝導部５２ｂは、複数の第１部材８０を有する。第１部材８０は、第１熱伝導部５０の曲面部分に設けられている。複数の第１部材８０は、第１熱伝導部５０の曲面の異なる位置に配置され、かつ互いに平行に配置されている。第１熱伝導部５０の曲面の径方向外側に配置された第１部材８０は、曲面の接線方向に延在する向きである。これにより、第１熱伝導部５０の熱を第１部材８０でより効率よく伝導することができる。

図６は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。図６に示す第２熱伝導部５２ｃは、屈折部の形状の一例を示している。第２熱伝導部５２ｃは、複数の第１部材８４と、複数の第１部材８６と、複数の第２部材８８とで、Ｔ字形状を形成している。第１部材８４と、第１部材８６とが端部が向かい合って配置され、第１部材８４と第１部材８６との接続部に、第２部材８８が、第１部材８４と第１部材８６と延在方向に直交する方向に接続している。この場合、複数の第１部材８４と、複数の第１部材８６と、複数の第２部材８８とは、接続する端部を、延在方向に直交する方向に対して傾斜した形状とすることが好ましい。これにより、第１部材８４と、第２部材８８との接合面、第１部材８６と第２部材８８との接合面の面積を大きくすることができ、熱を効率よく伝えることができる。

図７は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。図７に示す第２熱伝導部５２ｄは、屈折部の形状の一例を示している。第２熱伝導部５２ｄは、並列で配置された第１部材９０、９１、９２と、第１部材９０、９１、９２に対して直交する第２部材９４、９５と、を有する。第１部材９０、９１は、第２部材９４、９５との接続部よりも先まで延在し、第１部材９２は、端面が第２部材９４と接している。第２部材９４は、端面が傾斜面となり、第１部材９２と接合する。第２部材９５は、第１部材９１の側面に接合される。このように熱伝導する部材を接合することで、２方向に熱を伝えることができる。また、第２部材９５は、第１部材９１と接合することで、第１部材９１の熱を伝えることができる。

図８は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。図８に示す第２熱伝導部５２ｅは、屈折部の形状の一例を示している。第２熱伝導部５２ｅは、並列で配置された第１部材１０２、１０４と、第１部材１０２、１０４に対して直交する第２部材１０６、１０８と、を有する。第２部材１０６は、第１部材１０２の側面に接合される。第２部材１０８は、第１部材１０４の側面に接合される。第１部材１０２は、第２部材１０６との接合位置と、第２部材１０８と第１部材１０４の接合位置との間で終端している。このように、第２部材１０６、１０８と接合する第１部材１０２、１０４を別の部材とすることで、第１部材１０２、１０４で伝導する熱をそれぞれ第１部材１０６、１０８に伝達することができ、伝達する熱量を多くすることができる。

図９は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。図９に示す第２熱伝導部５２ｆは、先端部分、つまり、図４の端部７２ａに対応する部分の一例を詳細に示している。第２熱伝導部５２ｆは、第２部材１１２が平行して延在している。第２部材１１２は、積層方向中心側に行くにしたがって、先端１１４がより遠くまで延在する。これにより、第２熱伝導部５２ｆは、熱交換器１４側に向かうにしたがって断面積が小さくなる形状となる。これにより、熱伝導性に異方性がある第２部材１１２の端部の断面積を大きくすることができ、冷媒と熱交換することができる面積を大きくすることができる。これにより熱交換をより多く行うことができる。

上記実施形態では、熱伝導部を模式的に１箇所に設けた場合として説明したが、熱伝導部は、原子炉の原子炉容器の複数個所に設けてもよい。図１０は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。図１０に示す原子炉ユニット１２ｃは、原子炉３０の対面する２面にそれぞれ熱伝導部を設けている。一方の熱伝導部は、第１熱伝導部１１６と、第２熱伝導部１２０と含む。他方の熱伝導部は、第１熱伝導部１１８と、第２熱伝導部１２２と含む。第１熱伝導部１１６、１１８は、第１熱伝導部５０と同じ構造であり、第２熱伝導部１２０、１２２は、第２熱伝導部５２ｇであり、第１部材７０と複数の第２部材７２を有する。このように、複数個所に設けることで、より多くの熱を回収することができる。

図１１は、熱伝導部の他の例を示す模式図である。図１１は、原子炉ユニット１２ｄは、原子炉３０の面のうち、制御ユニット４４が設けられている面とは異なる複数の面に熱伝導部を設ける。原子炉ユニット１２ｄは、制御ユニット４４が設けられている面に原子炉容器４０が設けられ、その他の面は、第１熱伝導部５０が配置されている。また、第１熱伝導部５０の夫々の面には、第２熱伝導部５２Ｌ、５２Ｒ、５２ｈが配置されている。第２熱伝導部５２Ｌ、５２Ｒ、５２ｈは、それぞれの面が複数の第１部材１３０、１３２、１３４を有する。このように、制御ユニット４４が設けられている面には、熱伝導部を設けないことで、構造を簡単にすることができる。制御ユニット４４が設けられている面以外は熱伝導部とすることで、より多くの熱を回収することができる。

図１２は、原子力発電システムの他の例を示す部分断面図である。図１３は、図１２に示す原子力発電システムの熱伝導部の概略構成を示す模式図である。図１４は、図１２に示す原子力発電システムの冷媒の流れを説明する模式図である。図１２に示す原子炉ユニット１２ｅは、原子炉容器４０が、円筒形状の上下に球面形状を有する圧力容器である。原子炉ユニット１２ｅは、円筒形状の側面が、第１熱伝導部１５０であり、第１熱伝導部１５０の周囲にリング上の複数の第２熱伝導部１５２が配置されている。第１熱伝導部１５０が筒形状となり、第２熱伝導部１５２がフィンとなるため、フィンチューブのような形状となる。原子炉ユニット１２ｅは、第１熱伝導部１５０の外周側に冷媒が通過する冷媒循環手段１６ａが設けられている。このように、原子炉容器４０の周囲のうち、第１熱伝導部１５０の外周を覆う領域に冷媒の冷媒循環手段１６ａを設けても、固体熱伝導で熱を伝達し、かつ、遮へい性の高い第１熱伝導部１５０を備えているため、固体熱伝導で熱を伝達することができ、かつ、原子炉３０の内部の中性子線が冷媒に到達することを防ぐことができる。また、原子力発電システム１０ｅは、第２熱伝導部１５２のフィンが伸びる面内方向の面積をより広くすることができる。これにより、第２熱伝導部１５２にグラフェン等の熱伝導性に異方性がある材料を用いる場合、熱伝導性のよい方向の面積をより多くすることができ、熱伝導性をより高くすることができる。

図１５は、原子力発電システムの他の例を示す模式図である。図１５に示す原子炉ユニット１２ｆは、原子炉３０ａの面のうち、制御ユニット４４が設けられている面とは異なる複数の面に熱伝導部を設ける。原子炉ユニット１２ｆは、制御ユニット４４が設けられている面に原子炉容器４０が設けられ、その他の面は、第１熱伝導部２５０が配置されている。また、第１熱伝導部２５０の夫々の面には、第２熱伝導部２５２が配置されている。また、冷媒循環手段１６は、それぞれの第２熱伝導部２５２に対応して配置されている。冷媒循環手段１６は繋がっていても別の経路でもよい。このように、冷媒循環手段１６を、第１熱伝導部２５０と離間して配置することで、冷媒の汚染をより確実に防ぐことができる。

図１６は、原子力発電システムの他の例を示す模式図である。図１６に示す原子炉ユニット１２ｈは、原子炉３０ｂを有する。また、原子炉ユニット１２ｈは、第１熱伝導部５０と第２熱伝導部５２とを含む熱伝導部を有する。原子炉３０ｂは、原子炉容器４０と、炉心燃料４２と、ヒートパイプ３０２と、を含む。ヒートパイプ３０２は、原子炉容器４０の内部に配置され、一部が第１熱伝導部５０に挿入されている。本実施形態のヒートパイプ３０２は、炉心燃料４２の複数の燃料棒４２ａの間に配置されている。ヒートパイプ３０２は、内部に熱媒が封入された閉じられた管路である。ヒートパイプ３０２は、温度差がある領域に配置される。ヒートパイプ３０２は、炉心燃料４２の周囲に配置されている領域で、炉心燃料４２の熱で加熱される。加熱された熱媒は、内部でより低温側となる領域である第１熱伝導部５０側に移動し、第１熱伝導部５０で熱を放出し、再度炉心燃料４２側に移動する。これにより、ヒートパイプ３０２は、内部で熱媒の移動が生じ、第１熱伝導部５０に熱を伝える。

このように、原子炉３０ｂは、原子炉容器の内部にさらにヒートパイプ３０２を設け、熱伝導部の第１熱伝導部５０に炉心燃料４２の熱の伝達を促進させることで、原子炉３０ｂ内の熱を効率よく熱伝導部に伝えることができる。また、原子炉ユニット１２ｈは、熱伝導部による固体熱伝導で外部に熱を伝えることで、放射線の漏えいを抑制しつつ、熱を伝えることができる。

図１７は、原子力発電システムの他の例を示す模式図である。図１７に示す原子炉ユニット１２ｉは、原子炉３０ｃを有する。また、原子炉ユニット１２ｉは、第１熱伝導部５０と第２熱伝導部３５２とを含む熱伝導部を有する。原子炉３０ｃは、原子炉容器４０と、炉心燃料４２と、ヒートパイプ３０２と、を含む。原子炉３０ｃの構成は、図１６の原子炉３０ｂと同様である。本実施形態の第２熱伝導部３５２は、原子炉容器４０の一部に設けられた第１熱伝導部５０に一部が挿入されている。第１熱伝導部５０は、原子炉３０ｃのヒートパイプ３０２と第２熱伝導部３５２の両方が挿入されている。また、ヒートパイプ３０２は、延在方向において、一部が、第２熱伝導部３５２と重なる。原子炉ユニット１２ｉは、熱伝導率が高い第２熱伝導部３５２を、第１熱伝導部５０に挿入し、延在方向においてヒートパイプ３０２と重ねることで、ヒートパイプ３０２の熱を第２熱伝導部３５２により高い効率で伝達することができる。また、第１熱伝導部５０が間にあることで、放射線の遮へいも維持することができる。

図１８は、原子力発電システムの他の例を示す模式図である。図１８に示す原子炉ユニット１２ｊは、原子炉３０ｄを有する。また、原子炉ユニット１２ｊは、第１熱伝導部３５０と第２熱伝導部３５２ａとを含む熱伝導部を有する。原子炉３０ｄは、原子炉容器４０と、炉心燃料４２と、ヒートパイプ３０２と、を含む。原子炉３０ｄの構成は、図１６の原子炉３０ｂと同様である。本実施形態の第１熱伝導部３５０は、一部が冷媒循環手段１６の内部に挿入されている。つまり、本実施形態では、第１熱伝導部３５０は、冷媒循環手段１６を流れる冷媒と接する。本実施形態の第２熱伝導部３５２ａは、原子炉容器４０の一部に設けられた第１熱伝導部３５０に一部が挿入されている。第２熱伝導部３５２ａは、冷媒循環手段１６の内部に配置されている。

第１熱伝導部３５０は、原子炉３０ｄのヒートパイプ３０２と第２熱伝導部３５２ａの両方が挿入されている。また、ヒートパイプ３０２は、延在方向において、一部が、第２熱伝導部３５２ａと重なる。したがって、ヒートパイプ３０２は、冷媒循環手段１６の配管の内側まで延びている。

原子炉ユニット１２ｊは、第１熱伝導部３５０を冷媒循環手段１６に挿入し、さらにヒートパイプ３０２を第１熱伝導部３５０の内部で、冷媒循環手段１６の配管の内側まで延ばすことで、炉心燃料４２の熱をより高い効率で冷媒に伝えることができる。また、熱伝導率が高い第２熱伝導部３５２ａを、第１熱伝導部５０に挿入し、延在方向においてヒートパイプ３０２と重ねることで、ヒートパイプ３０２の熱を第２熱伝導部３５２ａにより高い効率で伝達することができる。また、ヒートパイプ３０２の周囲に第１熱伝導部５０があることで、放射線の遮へいも維持することができる。

１０ 原子力発電システム
１２ 原子炉ユニット
１４ 熱交換器
１６ 冷媒循環手段
１８ タービン
２０ 発電機
２２ チラー（冷却器）
２４ ポンプ（圧縮機）
３０ 原子炉
３２ 熱伝導部
４０ 原子炉容器
４２ 炉心燃料
４２ａ 燃料棒
４４ 制御ユニット
５０ 第１熱伝導部
５２ 第２熱伝導部

Claims (23)

1. 固体の炉心燃料と、前記炉心燃料の周囲を覆い、炉心燃料がある空間を遮へいし、放射線を遮へいする原子炉容器と、を含む原子炉と、
   前記原子炉容器の少なくとも一部に配置され、前記原子炉容器内の熱を外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、
   前記熱伝導部と冷媒とで熱交換を行う熱交換器と、
   前記熱交換器を通過する前記冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
   前記冷媒循環手段で循環する前記冷媒により回転されるタービンと、
   前記タービンと一体で回転する発電機と、を含み、
   前記熱伝導部は、熱伝導度に異方性がある材料である原子力発電システム。
2. 前記熱伝導部は、前記原子炉容器と連結し、通過する中性子を遮へいする第１熱伝導部と、
   前記第１熱伝導部と接続し、前記第１熱伝導部と前記冷媒循環手段との間の固体熱伝導の経路に配置された第２熱伝導部と、を有し、
   前記第２熱伝導部は、前記第１熱伝導部よりも、熱伝導率が高い請求項１に記載の原子力発電システム。
3. 前記第１熱伝導部は、前記第２熱伝導部よりも、中性子の遮へい性能が高い材料で形成されている請求項２に記載の原子力発電システム。
4. 第２熱伝導部は、熱伝導度に異方性がある材料であり、前記第１熱伝導部から前記熱交換器に向かう方向の熱伝導度が、他の方向の熱伝導度よりも高い請求項２または請求項３に記載の原子力発電システム。
5. 前記第２熱伝導部は、グラフェンを含む請求項４に記載の原子力発電システム。
6. 前記第２熱伝導部は、前記熱交換器側に向かうにしたがって断面積が小さくなる請求項４または請求項５に記載の原子力発電システム。
7. 前記原子炉の前記原子炉容器の内部に配置され、一部が前記熱伝導部と接し、内部に熱媒が封入されたヒートパイプをさらに有する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の原子力発電システム。
8. 前記原子炉の前記原子炉容器の内部に配置され、一部が前記第１熱伝導部と接し、内部に熱媒が封入されたヒートパイプをさらに有し、
   前記第２熱伝導部は、一部が前記第１熱伝導部に挿入され、前記第２熱伝導部の延在方向に置いて、前記ヒートパイプと重なる請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の原子力発電システム。
9. 前記第１熱伝導部は、一部が前記熱交換器に挿入される請求項８に記載の原子力発電システム。
10. 前記熱伝導部と前記冷媒循環手段との間に配置され、前記熱伝導部と接する保護部を含む請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の原子力発電システム。
11. 前記原子炉容器は、前記熱伝導部よりも熱伝導性が低い材料で形成されている請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の原子力発電システム。
12. 前記熱伝導部は、前記原子炉容器の複数の位置に設けられる請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の原子力発電システム。
13. 前記原子炉は、前記炉心燃料の反応を制御する制御ユニットを含み、
    前記熱伝導部は、前記原子炉容器の前記制御ユニットが配置されている領域とは異なる領域に配置される請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の原子力発電システム。
14. 固体の炉心燃料と、前記炉心燃料の周囲を覆い、炉心燃料がある空間を遮へいし、放射線を遮へいする原子炉容器と、
    前記原子炉容器の少なくとも一部に配置され、前記原子炉容器内の熱を外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、を含み、
    前記熱伝導部は、熱伝導度に異方性がある材料である原子炉ユニット。
15. 前記熱伝導部は、前記原子炉容器と連結し、通過する中性子を遮へいする第１熱伝導部と、
    前記第１熱伝導部と接続し、前記第１熱伝導部と固体熱伝導で熱を伝導する対象との間の固体熱伝導の経路に配置された第２熱伝導部と、を有し、
    前記第２熱伝導部は、前記第１熱伝導部よりも、熱伝導率が高い請求項１４に記載の原子炉ユニット。
16. 前記第１熱伝導部は、前記第２熱伝導部よりも、中性子の遮へい性能が高い材料で形成されている請求項１５に記載の原子炉ユニット。
17. 第２熱伝導部は、熱伝導度に異方性がある材料であり、前記第１熱伝導部から熱交換器に向かう方向の熱伝導度が、他の方向の熱伝導度よりも高く、
    前記熱交換器は、前記熱伝導部と冷媒とで熱交換を行う請求項１５または請求項１６に記載の原子炉ユニット。
18. 前記第２熱伝導部は、グラフェンを含む請求項１７に記載の原子炉ユニット。
19. 前記原子炉容器の内部に配置され、一部が前記熱伝導部と接し、内部に熱媒が封入されたヒートパイプをさらに有する請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の原子炉ユニット。
20. 原子炉の前記原子炉容器の内部に配置され、一部が前記第１熱伝導部と接し、内部に熱媒が封入されたヒートパイプをさらに有し、
    前記第２熱伝導部は、一部が前記第１熱伝導部に挿入され、前記第２熱伝導部の延在方向に置いて、前記ヒートパイプと重なる請求項１６から請求項１８のいずれか一項に記載の原子炉ユニット。
21. 前記第１熱伝導部は、一部が熱を伝達する対象に挿入される請求項２０に記載の原子炉ユニット。
22. 固体の炉心燃料と、前記炉心燃料の周囲を覆い、炉心燃料がある空間を遮へいし、放射線を遮へいする原子炉容器と、を含む原子炉と、
    前記原子炉容器の少なくとも一部に配置され、前記原子炉容器内の熱を外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、
    前記熱伝導部と冷媒とで熱交換を行う熱交換器と、
    前記熱交換器を通過する前記冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
    前記冷媒循環手段で循環する前記冷媒により回転されるタービンと、
    前記タービンと一体で回転する発電機と、を含み、
    前記熱伝導部は、前記原子炉容器と連結し、通過する中性子を遮へいする第１熱伝導部と、
    前記第１熱伝導部と接続し、前記第１熱伝導部と前記冷媒循環手段との間の固体熱伝導の経路に配置された第２熱伝導部と、を有し、
    前記第２熱伝導部は、前記第１熱伝導部よりも、熱伝導率が高い原子力発電システム。
23. 固体の炉心燃料と、前記炉心燃料の周囲を覆い、炉心燃料がある空間を遮へいし、放射線を遮へいする原子炉容器と、
    前記原子炉容器の少なくとも一部に配置され、前記原子炉容器内の熱を外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、を含み、
    前記熱伝導部は、前記原子炉容器と連結し、通過する中性子を遮へいする第１熱伝導部と、
    前記第１熱伝導部と接続し、前記第１熱伝導部と固体熱伝導で熱を伝導する対象との間の固体熱伝導の経路に配置された第２熱伝導部と、を有し、
    前記第２熱伝導部は、前記第１熱伝導部よりも、熱伝導率が高い原子炉ユニット。

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