JP7333917B2 - heat pipe - Google Patents

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特許法第30条第2項適用 開催日 令和1年5月23日 集会名 The 27th International Conference on Nuclear Engineering(ICONE27) 開催場所 日本、茨城県つくば市、つくば国際会議場Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law Date May 23, 2019 Conference name The 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE27) Venue Tsukuba International Conference Center, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture, Japan

本発明は、原子炉格納容器または原子炉圧力容器内の溶融デブリの熱を除去する高線量環境下に適したヒートパイプに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heat pipe suitable for a high dose environment for removing heat from molten debris in a nuclear reactor containment vessel or a nuclear reactor pressure vessel.

原子力発電所の過酷事故(シビアアクシデント)の1つに、炉心溶融がある。炉心溶融とは燃料が溶融して崩落することをいう。炉心溶融の中で、燃料が原子炉圧力容器の中で落下した状態をメルトダウンといい、さらに原子炉圧力容器の底を溶融して原子炉格納容器まで落下した状態をメルトスルーという。メルトダウンやメルトスルーが発生した場合、核燃料と炉の構造物の溶融物が混在した、いわゆる溶融デブリが発生する。 Core meltdown is one of the severe accidents at nuclear power plants. Core meltdown means that the fuel melts and collapses. Meltdown is the state in which fuel falls into the reactor pressure vessel during core meltdown, and meltthrough is the state in which the bottom of the reactor pressure vessel melts and falls to the containment vessel. When a meltdown or meltthrough occurs, so-called molten debris, which is a mixture of nuclear fuel and melted material from reactor structures, is generated.

核燃料は、核反応が停止した状態(未臨界の状態)であっても強い放射線と高い崩壊熱を生じる。このため、炉心溶融によって発生した溶融デブリは、高線量環境下で放熱して冷えるまでには相当の時間を要する。そのため、溶融デブリの冷却を促進して早期に冷却することで安全性の向上を図るために、各種対策が講じられている。 Nuclear fuel generates strong radiation and high decay heat even when the nuclear reaction is stopped (subcritical state). Therefore, it takes a considerable amount of time for molten debris generated by core meltdown to dissipate heat and cool down in a high-dose environment. Therefore, various measures have been taken to improve safety by accelerating the cooling of molten debris and cooling it at an early stage.

特許文献1には、沸騰水型原子炉(BWR)における溶融デブリの熱を、ヒートパイプを用いて除去する方法が記載されている。このヒートパイプは、蒸発部(吸熱部)と、凝縮部(放熱部)と、断熱部とを備える。ヒートパイプでは、原子炉の下方に位置するドライウェルのコンクリート製の水平な内壁内に蒸発部を埋設し、原子炉格納容器の外部に凝縮部を位置させている。さらに、ヒートパイプの断熱部は、蒸発部と凝縮部を連通しかつ原子炉格納容器を気密に貫通している。 Patent Literature 1 describes a method of removing heat from molten debris in a boiling water reactor (BWR) using a heat pipe. This heat pipe includes an evaporator (heat absorption section), a condensation section (heat radiation section), and a heat insulation section. In the heat pipe, the evaporator is embedded in the concrete horizontal inner wall of the drywell located below the nuclear reactor, and the condenser is located outside the reactor containment vessel. Furthermore, the heat insulating portion of the heat pipe communicates between the evaporating portion and the condensing portion and penetrates the containment vessel airtightly.

特許文献1では、ドライウェル内壁上に溜まった溶融デブリの熱を、内壁内に埋設されコンクリートで間隔を隔てられたヒートパイプの蒸発部で吸熱し、この熱を凝縮部で放熱することにより、溶融デブリを短時間に冷却することができる、としている。 In Patent Document 1, the heat of the molten debris accumulated on the inner wall of the dry well is absorbed by the evaporating section of the heat pipe embedded in the inner wall and separated by concrete, and this heat is dissipated by the condensing section. It is said that the molten debris can be cooled in a short time.

特開平6-324178号公報JP-A-6-324178

ヒートパイプは、例えば熱伝導性が高い材質からなる円筒の本体と、本体内に減圧状態で封入された少量の作動液(水)とを有し、加熱側の端部が加熱されると、作動液の蒸発・凝縮のサイクルにより、熱をすばやく移動(輸送)して、冷却側の端部で放熱し冷却する。 The heat pipe has, for example, a cylindrical main body made of a material with high thermal conductivity and a small amount of working fluid (water) enclosed in the main body under reduced pressure. The evaporation-condensation cycle of the working fluid quickly transfers (transports) heat and releases it at the cooling end for cooling.

しかし特許文献1のように、ヒートパイプを高線量環境下に設置した場合、作動液(水)が放射線分解によって水素ガスと酸素ガスに分解される。さらに水素ガスは、冷却しても凝縮しない(液体にならない)。そのため、ヒートパイプは、高線量環境下で熱移動の機能を失ってしまい、溶融デブリの熱を除去する機能を維持することが困難となる。なお特許文献1には、ヒートパイプの構造や材料についての記載がなく、具体的な仕様や性能についても開示されていない。 However, as in Patent Document 1, when the heat pipe is installed in a high-dose environment, the working fluid (water) is decomposed into hydrogen gas and oxygen gas by radiolysis. Furthermore, hydrogen gas does not condense (do not become liquid) when cooled. Therefore, the heat pipe loses its heat transfer function in a high dose environment, making it difficult to maintain its function of removing heat from molten debris. Note that Patent Document 1 does not describe the structure or material of the heat pipe, nor does it disclose specific specifications or performance.

本発明は、このような課題に鑑み、高線量環境下で溶融デブリの熱を除去する機能を維持できるヒートパイプを提供することを目的としている。 In view of such problems, an object of the present invention is to provide a heat pipe that can maintain the function of removing heat from molten debris in a high dose environment.

上記課題を解決するために、本発明にかかるヒートパイプの代表的な構成は、原子炉格納容器または原子炉圧力容器内の溶融デブリの熱を除去する高線量環境下に適したヒートパイプであって、円筒状の本体と、本体内に収容されウィックを有する内部構造体とを備え、作動液が水であり、内部構造体と本体の冷却側の端部との間に、水素ガスを蓄積させる冷却部空間が形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a representative configuration of the heat pipe according to the present invention is a heat pipe suitable for a high radiation dose environment for removing heat from molten debris in a nuclear reactor containment vessel or a nuclear reactor pressure vessel. comprises a cylindrical body, an internal structure contained within the body and having a wick, the working fluid being water, and hydrogen gas accumulating between the internal structure and the cooling end of the body. It is characterized in that a cooling part space is formed to allow cooling.

上記構成では、ヒートパイプの本体内に収容された内部構造体と本体の冷却側の端部との間に冷却部空間を形成している。このため、ヒートパイプでは、非凝縮性ガスである水素ガスを冷却部空間に蓄積でき、さらに冷却部空間に水素ガスを蓄積したままで凝縮可能な水蒸気も溜めることができる。したがってヒートパイプでは、高線量環境下で放射線分解により作動液(水)が分解されて水素ガスが発生しても、作動液の循環を継続することができるため、溶融デブリの熱を除去する機能を維持できる。 In the above configuration, the cooling space is formed between the internal structure housed in the main body of the heat pipe and the cooling-side end of the main body. Therefore, in the heat pipe, the hydrogen gas, which is a non-condensable gas, can be stored in the cooling space, and the water vapor that can be condensed can be stored while the hydrogen gas is stored in the cooling space. Therefore, even if the working fluid (water) is decomposed by radiolysis in a high-dose environment and hydrogen gas is generated, the heat pipe can continue to circulate the working fluid, thus removing the heat of the molten debris. can be maintained.

上記の冷却部空間内には、パラジウム触媒が配置されていて、水素ガスを原子状に解離吸着し、酸素ガスを原子状に解離吸着し、原子状となった水素ガスと酸素ガスを、水に再結合するとよい。これにより、ヒートパイプでは、高線量環境下で放射線分解により作動液(水)が分解されて水素ガスと酸素ガスが発生しても、水素ガスを蓄積させる冷却部空間内にパラジウム触媒が配置されているため、非凝縮性ガスである水素ガスを原子状に解離吸着する。同様に、酸素ガスもパラジウム触媒に触れることで原子状に解離吸着する。さらに原子状となった水素ガスは、原子状となった酸素ガスと再結合し水に戻る。したがってヒートパイプでは、高線量環境下で作動液の循環を継続することができるため、溶融デブリの熱を除去する機能を維持できる。 A palladium catalyst is placed in the cooling space, which dissociatively adsorbs hydrogen gas in an atomic state, dissociatively adsorbs oxygen gas in an atomic state, and converts the atomic hydrogen gas and oxygen gas into water. should be recombined with As a result, in the heat pipe, even if the working fluid (water) is decomposed by radiolysis in a high-dose environment to generate hydrogen gas and oxygen gas, the palladium catalyst is placed in the cooling space where the hydrogen gas accumulates. Therefore, hydrogen gas, which is a non-condensable gas, is dissociated and adsorbed in atomic form. Similarly, oxygen gas is also dissociated and adsorbed atomically by contact with the palladium catalyst. Further, the atomic hydrogen gas is recombined with the atomic oxygen gas to return to water. Therefore, the heat pipe can continue to circulate the working fluid in a high radiation dose environment, thus maintaining the function of removing the heat of the molten debris.

上記課題を解決するために、本発明にかかるヒートパイプの他の代表的な構成は、原子炉格納容器または原子炉圧力容器内の溶融デブリの熱を除去する高線量環境下に適したヒートパイプであって、円筒状の本体と、本体内に収容されウィックを有する内部構造体とを備え、作動液が水であり、内部構造体の内部には、パラジウム触媒が配置されていて、水素ガスを原子状に解離吸着し、酸素ガスを原子状に解離吸着し、原子状となった水素ガスと酸素ガスを、水に再結合することを特徴とする。 In order to solve the above problems, another representative configuration of the heat pipe according to the present invention is a heat pipe suitable for a high dose environment for removing heat from molten debris in a nuclear reactor containment vessel or a nuclear reactor pressure vessel. comprising a cylindrical body and an internal structure housed within the body and having a wick, wherein the working fluid is water, the internal structure contains a palladium catalyst and hydrogen gas is dissociated and adsorbed in atomic form, oxygen gas is dissociated and adsorbed in atomic form, and the atomic hydrogen gas and oxygen gas are recombined with water.

上記構成では、ヒートパイプの本体内に収容された内部構造体の内部に、パラジウム触媒を配置している。このため、ヒートパイプでは、高線量環境下で放射線分解により作動液(水)が分解されて水素ガスと酸素ガスが発生しても、パラジウム触媒により、非凝縮性ガスである水素ガスを原子状に解離吸着する。同様に、酸素ガスもパラジウム触媒に触れることで原子状に解離吸着する。さらに原子状となった水素ガスは、原子状となった酸素ガスと再結合し水に戻る。したがってヒートパイプでは、高線量環境下で作動液の循環を継続することができるため、溶融デブリの熱を除去する機能を維持できる。 In the above configuration, the palladium catalyst is arranged inside the internal structure housed in the main body of the heat pipe. For this reason, in a heat pipe, even if the working fluid (water) is decomposed by radiolysis in a high-dose environment to generate hydrogen gas and oxygen gas, the palladium catalyst converts hydrogen gas, which is a non-condensable gas, into atomic form. to dissociate and adsorb. Similarly, oxygen gas is also dissociated and adsorbed atomically by contact with the palladium catalyst. Further, the atomic hydrogen gas is recombined with the atomic oxygen gas to return to water. Therefore, the heat pipe can continue to circulate the working fluid in a high radiation dose environment, thus maintaining the function of removing the heat of the molten debris.

上記のパラジウム触媒は、鎖状または線状であるとよい。このように、パラジウム触媒を鎖状または線状とすることにより、パラジウム触媒と水素ガスとの接触面積を大きくし、圧力損失を少なくすることができる。なお、触媒としては、パラジウムに限らず、白金等の他の白金族金属を用いてもよい。 The above palladium catalyst is preferably chain or linear. By forming the palladium catalyst in a chain or linear form in this manner, the contact area between the palladium catalyst and hydrogen gas can be increased, and the pressure loss can be reduced. The catalyst is not limited to palladium, and other platinum group metals such as platinum may be used.

なお本発明者らは、ヒートパイプの内部体積の10%の作動液(水)を含む試験体を用意し、ヒートパイプの本体部に対して内部構造体を若干短尺にして、非凝縮性ガス(水素ガス)を蓄積する冷却部空間を形成した。その上で、本発明者らは、ヒートパイプの冷却部空間に上記の鎖状または線状のパラジウム触媒を配置したところ、高線量環境下の一例として100kGyまでの照射ではヒートパイプの熱移動の機能(伝熱性能)が維持されることを明らかにした。 In addition, the present inventors prepared a test body containing 10% of the internal volume of the heat pipe and containing a working liquid (water), made the internal structure slightly shorter than the main body of the heat pipe, and made the non-condensable gas A cooling space was formed to accumulate (hydrogen gas). In addition, the present inventors placed the chain or linear palladium catalyst in the cooling part space of the heat pipe, and found that irradiation of up to 100 kGy as an example under a high dose environment caused heat transfer in the heat pipe. It was clarified that the function (heat transfer performance) was maintained.

本発明によれば、高線量環境下で溶融デブリの熱を除去する機能を維持できるヒートパイプを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the heat pipe which can maintain the function which removes the heat of molten debris in a high dose environment can be provided.

本発明の実施形態におけるヒートパイプが適用される原子炉の概略構成を説明する図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure explaining schematic structure of the nuclear reactor to which the heat pipe in embodiment of this invention is applied. 本発明の実施形態におけるヒートパイプを説明する図である。It is a figure explaining the heat pipe in embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態におけるヒートパイプを説明する図である。It is a figure explaining the heat pipe in other embodiment of this invention. 各ヒートパイプの性能試験の各条件を示す表である。It is a table|surface which shows each condition of the performance test of each heat pipe. 図4の各ヒートパイプの異なる照射条件下における熱輸送量を示すグラフである。5 is a graph showing the amount of heat transported under different irradiation conditions for each heat pipe of FIG. 4; 本発明のさらに他の実施形態におけるヒートパイプを説明する図である。It is a figure explaining the heat pipe in other embodiment of this invention.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in these embodiments are merely examples for facilitating understanding of the invention, and do not limit the invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are given the same reference numerals to omit redundant description, and elements that are not directly related to the present invention are omitted from the drawings. do.

図1は、本発明の実施形態におけるヒートパイプが適用される原子炉の概略構成(事故時の状態)を説明する図である。以下では、理解を容易にするために沸騰水型原子炉(BWR)を例示して説明するが、改良型沸騰水型原子炉(ABWR)についても本実施形態を適用可能である。 FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration (state at the time of an accident) of a nuclear reactor to which a heat pipe according to an embodiment of the present invention is applied. A boiling water reactor (BWR) will be exemplified below for easy understanding, but the present embodiment can also be applied to an advanced boiling water reactor (ABWR).

原子炉建屋100には原子炉格納容器102が設置され、その中に原子炉圧力容器104が設置されている。原子炉圧力容器104は、ペデスタル106によって原子炉格納容器102内に支持されている。原子炉格納容器102の下方にはサプレッションプール108(圧力抑制室ともいう)が設けられていて、過剰な蒸気をサプレッションプール108内の水に注入することによって圧力をさげることができる。また、原子炉圧力容器104には、ウラン等からなる燃料棒を束ねた燃料集合体110が収容されている。 A reactor containment vessel 102 is installed in the reactor building 100, and a reactor pressure vessel 104 is installed therein. Reactor pressure vessel 104 is supported within reactor containment vessel 102 by pedestal 106 . A suppression pool 108 (also called a pressure suppression chamber) is provided below the containment vessel 102 and can be depressurized by injecting excess steam into the water in the suppression pool 108 . The reactor pressure vessel 104 also accommodates a fuel assembly 110 in which fuel rods made of uranium or the like are bundled.

なお図1は炉心溶融などの事故時の状態を示している。図1では原子炉格納容器102の下部およびサプレッションプール108の部屋に水が溜まっているように描いているが、通常の運転中は、原子炉格納容器102は窒素充填され、サプレッションプール108内部には適量の水が保有されている。また図1では、原子炉格納容器102および原子炉圧力容器104の下端に、溶融デブリ112が堆積しているように描いている。 Note that FIG. 1 shows the state at the time of an accident such as core meltdown. In FIG. 1, water is drawn in the lower part of the containment vessel 102 and the room of the suppression pool 108, but during normal operation, the containment vessel 102 is filled with nitrogen, and the inside of the suppression pool 108 is filled with nitrogen. holds an adequate amount of water. FIG. 1 also depicts molten debris 112 deposited on the lower ends of the reactor containment vessel 102 and the reactor pressure vessel 104 .

炉心溶融によって発生した溶融デブリ112は、高線量環境下で放熱して冷えるまでには相当の時間を要する。そこで本実施形態では、高線量環境下に適したヒートパイプ114、116、118、120を用いて、溶融デブリ112の熱を除去している。 Molten debris 112 generated by core meltdown takes a considerable amount of time to dissipate heat and cool down in a high-dose environment. Therefore, in this embodiment, the heat of the molten debris 112 is removed using heat pipes 114, 116, 118, and 120 suitable for a high dose environment.

ヒートパイプ114は、原子炉圧力容器104に収容された燃料集合体110の位置から原子炉格納容器102の外に引き出されるように設置されている。ヒートパイプ116は、原子炉圧力容器104の下端に堆積した溶融デブリ112の位置から原子炉圧力容器104の外に引き出されるように設置されている。ヒートパイプ118、120は、原子炉格納容器102の下端、ここではペデスタル106の下に堆積した溶融デブリ112の位置から上方に立設している。 The heat pipe 114 is installed so as to be pulled out of the reactor containment vessel 102 from the position of the fuel assembly 110 housed in the reactor pressure vessel 104 . The heat pipe 116 is installed so as to be pulled out of the reactor pressure vessel 104 from the location of the molten debris 112 deposited at the lower end of the reactor pressure vessel 104 . Heat pipes 118 , 120 rise above the location of molten debris 112 deposited under the lower end of reactor containment vessel 102 , here under pedestal 106 .

以下では代表的にヒートパイプ120について説明する。ただし、各ヒートパイプ114、116、118、120は、上記のように原子炉格納容器102または原子炉圧力容器104内での設置位置が異なっているが、その構造および機能などは同様である。 The heat pipe 120 will be described below as a representative. However, the heat pipes 114, 116, 118, and 120 have different installation positions in the reactor containment vessel 102 or the reactor pressure vessel 104 as described above, but have the same structure and function.

図2は、本発明の実施形態におけるヒートパイプ120を説明する図である。図2(a)は、ヒートパイプ120の全体と内部構造を示す図である。図2(b)は、図2(a)のA-A断面図である。図2(c)は、ヒートパイプ120内に配置されるパラジウム触媒122(後述)を示している。 FIG. 2 is a diagram illustrating the heat pipe 120 in the embodiment of the invention. FIG. 2A is a diagram showing the entire heat pipe 120 and its internal structure. FIG. 2(b) is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 2(a). FIG. 2(c) shows a palladium catalyst 122 (described below) disposed within the heat pipe 120. FIG.

ヒートパイプ120は、本体124と、内部構造体126とを備える。本体124は、例えば熱伝導性が高い材質(ここではSUS316)からなる円筒状の部材であって、蒸発部となる加熱側の端部128と、凝縮部となる冷却側の端部130とを有する。また本体124の内部には、少量の作動液(水)が減圧状態で封入されている。なお作動液の量は、ヒートパイプ120の内部体積の例えば10%としている。さらにヒートパイプ120の全長すなわち本体124の全長は、図示のように寸法L1としている。 Heat pipe 120 includes a body 124 and an internal structure 126 . The main body 124 is a cylindrical member made of, for example, a material with high thermal conductivity (SUS316 in this case), and includes a heating-side end 128 serving as an evaporating portion and a cooling-side end 130 serving as a condensing portion. have. A small amount of hydraulic fluid (water) is sealed inside the main body 124 in a decompressed state. Note that the amount of working fluid is, for example, 10% of the internal volume of the heat pipe 120 . Furthermore, the overall length of the heat pipe 120, ie, the overall length of the main body 124, is dimension L1 as shown.

内部構造体126は、図2(a)に示すように本体124の内部に収容される構造体であって、その全長が寸法L2であり、本体124の全長の寸法L1より小さい。また内部構造体126は、図2(b)に示すように外形が星型(六角形)の中空の構造体であり、その外周にはカーボンファイバー132(図2(a)参照)が巻き付けられている。内部構造体126は、その外周に巻かれたカーボンファイバー132により毛細管構造(ウィック)を形成している。 The internal structure 126 is a structure housed inside the main body 124 as shown in FIG. As shown in FIG. 2(b), the internal structure 126 is a star-shaped (hexagonal) hollow structure, and the outer circumference thereof is wrapped with carbon fibers 132 (see FIG. 2(a)). ing. The internal structure 126 forms a capillary structure (wick) with carbon fibers 132 wound around its outer periphery.

ここで一般的なヒートパイプは、加熱側の端部が加熱されると、作動液の蒸発・凝縮のサイクルにより、熱をすばやく移動(輸送)して、冷却側の端部で放熱し冷却する、という機能を有する。しかし、高線量環境下においては、作動液(水)が放射線分解によって水素ガスと酸素ガスに分解される。さらに水素ガスは、冷却しても凝縮しない(液体にならない)。そのため、一般的なヒートパイプでは、高線量環境下で熱移動の機能を失ってしまい、溶融デブリ112の熱を除去する機能を維持することが困難となる。 Here, in a general heat pipe, when the heating side end is heated, heat is quickly transferred (transported) through the cycle of evaporation and condensation of the working fluid, and the heat is released and cooled at the cooling side end. , has the function of However, in a high-dose environment, the working fluid (water) is decomposed into hydrogen gas and oxygen gas by radiolysis. Furthermore, hydrogen gas does not condense (do not become liquid) when cooled. Therefore, in a general heat pipe, the heat transfer function is lost in a high dose environment, and it becomes difficult to maintain the function of removing heat from the molten debris 112 .

そこで本実施形態のヒートパイプ120では、図2(a)に示すように、内部構造体126と本体124の冷却側の端部130との間に、冷却部空間134を形成している。冷却部空間134は、非凝縮性ガスである水素ガスを蓄積させる空間であり、さらに水素ガスを蓄積したままで凝縮可能な水蒸気も溜めることができる。なお冷却部空間134の図2(a)に示す寸法L3は、本体124の寸法L1と内部構造体126の寸法L2との差に相当する。 Therefore, in the heat pipe 120 of the present embodiment, a cooling space 134 is formed between the internal structure 126 and the cooling-side end 130 of the main body 124, as shown in FIG. 2(a). The cooling section space 134 is a space for accumulating hydrogen gas, which is a non-condensable gas, and can also store water vapor that can be condensed while the hydrogen gas is being accumulated. Note that the dimension L3 of the cooling space 134 shown in FIG. 2A corresponds to the difference between the dimension L1 of the main body 124 and the dimension L2 of the internal structure 126 .

ヒートパイプ120では、図2(a)の矢印Bに示すように溶融デブリ112(図1参照)からの熱が本体124の加熱側の端部128に入力されると、作動液が蒸発した気体(水蒸気)が矢印Cに示すように内部構造体126の内部を通る。この水蒸気は、冷却部空間134に溜まってさらに凝縮して水となる。これにより、ヒートパイプ120では、本体124の冷却側の端部130で矢印Dに示すように放熱する。 In the heat pipe 120, when heat from the molten debris 112 (see FIG. 1) is input to the heating-side end 128 of the main body 124 as indicated by arrow B in FIG. (water vapor) passes through the interior of the internal structure 126 as indicated by arrow C. This water vapor accumulates in the cooling section space 134 and is further condensed to become water. As a result, in the heat pipe 120 , heat is radiated as indicated by an arrow D at the end 130 on the cooling side of the main body 124 .

さらに水は、内部構造体126の外周に巻かれたカーボンファイバー132を利用した毛細管現象によって、矢印Eに示すように本体124の加熱側の端部128に向かって戻される。戻された作動液(水)は、本体124の加熱側の端部128が加熱されると、再び水蒸気となって矢印Cに示すように移動する。 Further, water is returned toward the heated end 128 of the body 124 as indicated by arrow E by capillary action utilizing the carbon fibers 132 wrapped around the inner structure 126 . The returned working fluid (water) turns into steam again and moves as shown by arrow C when the end 128 on the heating side of the main body 124 is heated.

したがってヒートパイプ120では、高線量環境下で放射線分解により作動液(水)が分解されて水素ガスが発生しても、作動液の循環すなわち蒸発・凝縮のサイクルを継続できるため、溶融デブリ112の熱を除去する機能を維持できる。 Therefore, in the heat pipe 120, even if the working fluid (water) is decomposed by radiolysis in a high-dose environment to generate hydrogen gas, the circulation of the working fluid, that is, the cycle of evaporation and condensation, can be continued. It can maintain its ability to remove heat.

さらにヒートパイプ120では、内部構造体126の内部にパラジウム触媒122が配置されている。パラジウム触媒122は、図2(c)に示すように、細線と箔のリングの組み合わせで構成された鎖状または線状となっている。パラジウム触媒122は、非凝縮性ガスである水素ガスに触れることで水素ガスを原子状に解離吸着し、同様に、酸素ガスに触れることで酸素ガスを原子状に解離吸着する。 Further, in heat pipe 120 , palladium catalyst 122 is arranged inside internal structure 126 . The palladium catalyst 122, as shown in FIG. 2(c), is in the form of a chain or a line composed of a combination of thin wires and foil rings. The palladium catalyst 122 atomically dissociates and adsorbs hydrogen gas when it comes into contact with hydrogen gas, which is a non-condensable gas, and similarly, when it comes in contact with oxygen gas, it atomically dissociates and adsorbs oxygen gas.

このため、ヒートパイプ120では、高線量環境下で放射線分解により作動液(水)が分解されて水素ガスと酸素ガスが発生しても、パラジウム触媒122により、非凝縮性ガスである水素ガスを原子状に解離吸着し、酸素ガスを原子状に解離吸着し、原子状となった水素ガスと原子状となった酸素ガスを水に再結合する。 Therefore, in the heat pipe 120, even if the working fluid (water) is decomposed by radiolysis in a high-dose environment to generate hydrogen gas and oxygen gas, the palladium catalyst 122 converts hydrogen gas, which is a non-condensable gas. It dissociatively adsorbs in atomic form, oxygen gas is dissociated and adsorbed in atomic form, and hydrogen gas in atomic form and oxygen gas in atomic form are recombined with water.

したがってヒートパイプ120では、高線量環境下で作動液の循環を継続することができるため、溶融デブリ112の熱を除去する機能を維持できる。さらにヒートパイプ120では、パラジウム触媒122を鎖状または線状とすることにより、パラジウム触媒122と水素ガスとの接触面積を大きくし、圧力損失を少なくすることができる。なお、触媒としては、パラジウムに限らず、白金等の他の白金族金属を用いてもよい。 Therefore, the heat pipe 120 can continue to circulate the working fluid in a high radiation dose environment, so that the function of removing the heat of the molten debris 112 can be maintained. Furthermore, in the heat pipe 120, by making the palladium catalyst 122 chain-shaped or linear, the contact area between the palladium catalyst 122 and the hydrogen gas can be increased, and the pressure loss can be reduced. The catalyst is not limited to palladium, and other platinum group metals such as platinum may be used.

図3は、本発明の他の実施形態におけるヒートパイプ120Aを説明する図である。ヒートパイプ120Aは、パラジウム触媒122を内部構造体126の内部に代えて、冷却部空間134に配置した点で、上記のヒートパイプ120と異なる。 FIG. 3 is a diagram illustrating a heat pipe 120A according to another embodiment of the invention. Heat pipe 120A differs from heat pipe 120 in that palladium catalyst 122 is arranged in cooling section space 134 instead of inside internal structure 126 .

このようなヒートパイプ120Aでは、高線量環境下で放射線分解により作動液(水)が分解されて水素ガスと酸素ガスが発生しても、水素ガスを蓄積させる冷却部空間134内にパラジウム触媒122が配置されていることになる。このため、ヒートパイプ120Aによれば、非凝縮性ガスである水素ガスを原子状に解離吸着し、酸素ガスを原子状に解離吸着し、原子状となった水素ガスと原子状となった酸素ガスを水に再結合する。したがってヒートパイプ120Aでは、高線量環境下で作動液の循環を継続することができるため、溶融デブリ112の熱を除去する機能を維持できる。 In such a heat pipe 120A, even if the working fluid (water) is decomposed by radiolysis in a high-dose environment to generate hydrogen gas and oxygen gas, the palladium catalyst 122 is placed in the cooling section space 134 for accumulating hydrogen gas. is placed. For this reason, according to the heat pipe 120A, hydrogen gas, which is a non-condensable gas, is dissociated and adsorbed into atoms, oxygen gas is dissociated and adsorbed into atoms, and hydrogen gas that is in the form of atoms and oxygen that is in the form of atoms are dissociated and adsorbed. Recombines gas with water. Therefore, in the heat pipe 120A, the working fluid can be continuously circulated in a high radiation dose environment, and the function of removing the heat of the molten debris 112 can be maintained.

図4は、各ヒートパイプの性能試験の各条件を示す表である。図示のように、この性能試験では、3つの試験体として試料S1、S5、S8を用意した。なお各試料S1、S5、S8はいずれも、本体124の寸法L1は50cmであり、作動液(水)の量はヒートパイプの内部容積の10%としている。 FIG. 4 is a table showing each condition of the performance test of each heat pipe. As shown, in this performance test, samples S1, S5, and S8 were prepared as three specimens. In each of the samples S1, S5, and S8, the dimension L1 of the main body 124 is 50 cm, and the amount of working fluid (water) is 10% of the internal volume of the heat pipe.

試料S1は、内部構造体126の寸法L2が「48cm」、触媒「なし」である。つまり、試料S1では、寸法L3が「2cm」の冷却部空間134が形成されている。試料S5は、内部構造体126の寸法L2が「43cm」であるため、寸法L3が「7cm」の冷却部空間134が形成されている。また試料S5は、試料S1と同様、触媒「なし」である。 In the sample S1, the dimension L2 of the internal structure 126 is "48 cm" and the catalyst is "none". That is, in the sample S1, the cooling section space 134 with the dimension L3 of "2 cm" is formed. In the sample S5, the dimension L2 of the internal structure 126 is "43 cm", so the cooling section space 134 with the dimension L3 of "7 cm" is formed. Further, the sample S5, like the sample S1, has no catalyst.

試料S8は、内部構造体126の寸法L2が「43cm」であるため、試料S5と同様、寸法L3が「7cm」の冷却部空間134が形成されている。さらに試料S8では、鎖状または線状のパラジウム触媒122を冷却部空間134に配置した。すなわち試料S8は、図3に示すヒートパイプ120Aと同じ構成を有している。 In the sample S8, since the dimension L2 of the internal structure 126 is "43 cm", the cooling section space 134 with the dimension L3 of "7 cm" is formed similarly to the sample S5. Furthermore, in sample S8, a chain or linear palladium catalyst 122 was arranged in the cooling section space 134 . That is, the sample S8 has the same configuration as the heat pipe 120A shown in FIG.

図5は、図4の各ヒートパイプの異なる照射条件下における熱輸送量を示すグラフである。図中、横軸は高線量環境下を想定した吸収線量(kGy)、縦軸は熱輸送量(W)をそれぞれ示している。 FIG. 5 is a graph showing the amount of heat transport of each heat pipe in FIG. 4 under different irradiation conditions. In the figure, the horizontal axis indicates the absorbed dose (kGy) assuming a high-dose environment, and the vertical axis indicates the amount of heat transport (W).

まず、試料S1、S5を比較すると、試料S5は、上記したように試料S1に比べて、非凝縮性ガスである水素ガスを蓄積させる冷却部空間134が大きい。その結果、試料S5では、図5に示すように試料S1に比べて、吸収線量を高めたときの性能劣化が抑制されていることが明らかになった。 First, comparing the samples S1 and S5, the sample S5 has a larger cooling section space 134 for accumulating hydrogen gas, which is a non-condensable gas, than the sample S1 as described above. As a result, as shown in FIG. 5, it was found that the deterioration of performance when the absorbed dose was increased was suppressed in the sample S5 compared to the sample S1.

つぎに、試料S5、S8を比較すると、試料S5、S8は、上記したように非凝縮性ガスである水素ガスを蓄積させる冷却部空間134の大きさは同じである。しかし、試料S8では、鎖状または線状のパラジウム触媒122が冷却部空間134に配置されているため、水素ガスを原子状に解離吸着し、酸素ガスを原子状に解離吸着し、原子状となった水素ガスと原子状となった酸素ガスを水に再結合することができる。その結果、試料S8では、図5に示すように試料S5に比べて、吸収線量108(kGy)の照射後も、熱移動の機能(伝熱性能)がほぼ維持されていることが明らかになった。 Next, comparing the samples S5 and S8, the samples S5 and S8 have the same size of the cooling section space 134 for accumulating hydrogen gas, which is non-condensable gas, as described above. However, in the sample S8, since the chain or linear palladium catalyst 122 is arranged in the cooling part space 134, hydrogen gas is dissociatively adsorbed in the atomic state, oxygen gas is dissociatively adsorbed in the atomic state, and The hydrogen gas and atomic oxygen gas can be recombined with water. As a result, as shown in FIG. 5, it was found that the heat transfer function (heat transfer performance) was substantially maintained in the sample S8 even after irradiation with an absorption dose of 108 (kGy) compared to the sample S5. Ta.

図6は、本発明のさらに他の実施形態におけるヒートパイプ120Bを説明する図である。ヒートパイプ120Bは、パラジウム触媒122を内部構造体126の内部だけでなく、さらに冷却部空間134にも配置した点で、上記のヒートパイプ120と異なる。 FIG. 6 is a diagram illustrating a heat pipe 120B in still another embodiment of the invention. The heat pipe 120B differs from the heat pipe 120 described above in that the palladium catalyst 122 is arranged not only inside the internal structure 126 but also in the cooling section space 134 .

このようなヒートパイプ120Bでは、高線量環境下で放射線分解により作動液(水)が分解されて水素ガスと酸素ガスが発生しても、内部構造体126の内部に加え、水素ガスを蓄積させる冷却部空間134内にパラジウム触媒122が配置されていることになる。このため、ヒートパイプ120Bによれば、非凝縮性ガスである水素ガスを原子状に解離吸着し、酸素ガスを原子状に解離吸着し、原子状となった水素ガスと原子状となった酸素ガスを水に再結合する。したがってヒートパイプ120Bでは、高線量環境下で作動液の循環を継続することができるため、溶融デブリ112の熱を除去する機能を維持できる。 In such a heat pipe 120B, even if the working fluid (water) is decomposed by radiolysis in a high-dose environment to generate hydrogen gas and oxygen gas, hydrogen gas is accumulated in addition to the inside of the internal structure 126. The palladium catalyst 122 is arranged in the cooling section space 134 . Therefore, according to the heat pipe 120B, the hydrogen gas, which is a non-condensable gas, is dissociated and adsorbed into atoms, and the oxygen gas is dissociated and adsorbed into atoms, and the hydrogen gas that is in the form of atoms and the oxygen that is in the form of atoms are dissociated and adsorbed. Recombines gas with water. Therefore, in the heat pipe 120B, the working fluid can be continuously circulated in a high radiation dose environment, so the function of removing the heat of the molten debris 112 can be maintained.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, it goes without saying that the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person skilled in the art can conceive of various modifications or modifications within the scope described in the claims, and these also belong to the technical scope of the present invention. Understood.

本発明は、原子炉格納容器または原子炉圧力容器内の溶融デブリの熱を除去する高線量環境下に適したヒートパイプとして利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a heat pipe suitable for a high dose environment for removing heat from molten debris in a reactor containment vessel or a reactor pressure vessel.

100…原子炉建屋、102…原子炉格納容器、104…原子炉圧力容器、106…ペデスタル、108…サプレッションプール、110…燃料集合体、112…溶融デブリ、114、116、118、120、120A、120B…ヒートパイプ、122…パラジウム触媒、124…本体、126…内部構造体、128…加熱側の端部、130…冷却側の端部、132…カーボンファイバー、134…冷却部空間 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100... Reactor building, 102... Reactor containment vessel, 104... Reactor pressure vessel, 106... Pedestal, 108... Suppression pool, 110... Fuel assembly, 112... Molten debris, 114, 116, 118, 120, 120A, DESCRIPTION OF SYMBOLS 120B...Heat pipe 122...Palladium catalyst 124...Main body 126...Internal structure 128...End on heating side 130...End on cooling side 132...Carbon fiber 134...Cooling space

Claims (2)

原子炉格納容器または原子炉圧力容器内の溶融デブリの熱を除去する高線量環境下に適したヒートパイプであって、
円筒状の本体と、
前記本体内に収容されウィックを有する内部構造体とを備え、
作動液が水であり、
前記内部構造体の内部には、パラジウム触媒が配置されていて、水素ガスを原子状に解離吸着し、酸素ガスを原子状に解離吸着し、原子状となった前記水素ガスと前記酸素ガスを、水に再結合することを特徴とするヒートパイプ。
A heat pipe suitable for high-dose environments for removing heat from molten debris in a nuclear reactor containment vessel or reactor pressure vessel, comprising:
a cylindrical body;
an internal structure contained within the body and having a wick;
the working fluid is water,
A palladium catalyst is placed inside the internal structure, which dissociatively adsorbs hydrogen gas into atoms, dissociatively adsorbs oxygen gas into atoms, and converts the atomic hydrogen gas and the oxygen gas into atoms. , a heat pipe that recombines with water.
前記パラジウム触媒は、鎖状または線状であることを特徴とする請求項に記載のヒートパイプ。 2. The heat pipe of claim 1 , wherein the palladium catalyst is chain or linear.
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