JP7334480B2

JP7334480B2 - 高温ガス炉システム

Info

Publication number: JP7334480B2
Application number: JP2019104274A
Authority: JP
Inventors: 勇次郎田澤; 博尾崎; 一孝大橋; 大輔定廣; 嘉信石垣
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-06-04
Filing date: 2019-06-04
Publication date: 2023-08-29
Anticipated expiration: 2039-06-04
Also published as: JP2020197468A

Description

本発明は、高温ガス炉を熱源として出力を得ることができる高温ガス炉システムに関する。

原子炉の一型式である高温ガス炉にあっては、熱交換器等の設備によって原子炉で発生した熱エネルギーを利用するシステムに組み込まれる。かかるシステムとしては、特許文献１に開示される構成が知られている。特許文献１のシステムにおける熱交換器は、原子炉で加熱された一次冷却材となるヘリウムガスと、二次冷却材となる水との間で熱交換を行い、該水を蒸気としてタービン発電系等の負荷に供給している。

特開２０１３－８８２０７号公報

特許文献１のようなシステムにおいて、原子炉の出力を要求負荷に応じて変化させる運転を実施した場合、システムの稼働率が低下して熱利用のコストが高くなる。これは、一般に原子力における熱利用のコストは、資本コスト等の固定費の割合が大きいので、稼働率の低下が熱利用のコストに直接影響するためである。従って、原子炉の運転にあっては、原子炉の出力を一定とすることが要求される。

また、特許文献１のシステムでは、熱交換器における蒸気発生用の伝熱管等においてバウンダリ破損が生じた場合、原子炉の炉内へ水侵入を引き起こす、という問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、原子炉出力を一定としつつ要求負荷の変化に対応でき、原子炉内への水侵入を想定不要とすることができる高温ガス炉システムを提供することを目的の一つとする。

本発明における一態様の高温ガス炉システムは、炉心に一次冷却材を通過させて加熱する高温ガス炉と、前記高温ガス炉で加熱された前記一次冷却材で加熱される蓄熱材を貯留する蓄熱システムと、前記蓄熱システムで加熱された前記蓄熱材で蒸気を発生して出力を行う負荷部とを備え、前記蓄熱システムは、前記一次冷却材と前記蓄熱材の間での熱交換を行う熱交換器と、前記熱交換器から供給される前記蓄熱材を収容し、前記負荷部に前記蓄熱材を供給する高温蓄熱槽と、前記負荷部で蒸気発生を行った前記蓄熱材を収容し、前記負荷部から前記蓄熱材を回収する低温蓄熱槽と、前記低温蓄熱槽から前記熱交換器を通じて前記高温蓄熱槽に前記蓄熱材を送出する第１循環ポンプと、前記高温蓄熱槽から前記負荷部を通じて前記低温蓄熱槽に前記蓄熱材を送出する第２循環ポンプと、を備え、前記熱交換器、前記高温蓄熱槽、前記低温蓄熱槽及び前記負荷部で前記蓄熱材を循環し、前記負荷部は、該負荷部で蒸気を循環する蒸気用ポンプを備え、前記第１循環ポンプ、前記第２循環ポンプ及び前記蒸気用ポンプの駆動を制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記第１循環ポンプの送出量を一定に保ちつつ、前記蒸気用ポンプの送出量の増減に応じて前記第２循環ポンプの送出量を増減させることを特徴とする。

本発明によれば、高温ガス炉から蓄熱システムの蓄熱材を介して負荷部に熱エネルギーを供給できるので、蓄熱システムから負荷部への蓄熱材の供給量を調整することで、負荷部の要求出力に応じた蒸気のエネルギーを取り出し可能となる。これにより、原子炉の出力を一定に維持しつつも、負荷部に要求される出力変化に対応することができる。しかも、原子炉の一次冷却材と負荷部の蒸気（水）との間で直接熱交換することが回避可能となるので、原子炉内への水侵入を想定不要にでき、安全性を向上することができる。

実施の形態に係る高温ガス炉システムの概略構成図である。図２Ａは、原子炉熱出力及びタービン出力の時間変化を示すグラフであり、図２Ｂは、蓄熱槽における貯蔵量の時間変化を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態に係る高温ガス炉システムについて、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、実施の形態に係る高温ガス炉システムの概略構成図である。図１に示すように、高温ガス炉システム１は、高温ガス炉１０と、蓄熱システム２０と、負荷部３０とを備えて構成されている。

高温ガス炉１０は、高温の炉心に一次冷却材としてヘリウムガスＨＧを通過させて加熱することで高温の熱エネルギーを取り出す原子炉とされる。高温ガス炉１０では、ヘリウムガスＨＧの入口１１における温度が２５０～６００℃、出口１２における温度が７５０～１０００℃程度とされる。高温ガス炉１０における入口１１及び出口１２には、循環配管１３が接続され、該循環配管１３によって出口１２から流出された高温のヘリウムガスＨＧが蓄熱システム２０を経て、入口１１に流入する。なお、図１では入口１１及び出口１２を高温ガス炉１０の異なる位置に設けたが、循環配管１３を二重配管として、同一位置に設けてもよい。

循環配管１３には、ヘリウムガスＨＧを送出する冷却材用ポンプ１５が設けられている。冷却材用ポンプ１５の作動により、ヘリウムガスＨＧが循環配管１３内にて高温ガス炉１０の入口１１から高温ガス炉１０の炉心内部を経て出口１２に流れ、蓄熱システム２０を通過するように循環される。

蓄熱システム２０は、高温ガス炉１０で熱エネルギーを得たヘリウムガスＨＧと蓄熱材ＨＳとの間で熱交換を行う熱交換器２１を備えている。また、蓄熱システム２０は、熱交換器２１で熱エネルギーを得た蓄熱材ＨＳを収容する高温蓄熱槽２２と、負荷部３０で熱エネルギーが取り出された蓄熱材ＨＳを収容する低温蓄熱槽２３とを備えている。よって、高温蓄熱槽２２には低温蓄熱槽２３より高温の蓄熱材ＨＳが収容される。ここで、蓄熱材ＨＳとしては、化学的に不活性な溶融塩等が用いられる。

熱交換器２１は、循環配管１３の一部をコイル状に形成した伝熱管２１ａと、伝熱管２１ａ及び蓄熱材ＨＳを収容する容器２１ｂとを備えた構成が例示できる。熱交換器２１では、伝熱管２１ａを流れるヘリウムガスＨＧによって加熱された蓄熱材ＨＳが、容器２１ｂから高温連通管２４ａを通じて高温蓄熱槽２２に供給される。また、熱交換器２１の容器２１ｂには、負荷部３０で熱エネルギーが取り出された蓄熱材ＨＳが、低温蓄熱槽２３から低温連通管２４ｂを通じて送出される。

低温連通管２４ｂには、該低温連通管２４ｂ内の蓄熱材ＨＳを低温蓄熱槽２３から熱交換器２１側に送出する第１循環ポンプ２５が設けられている。第１循環ポンプ２５の作動によって、蓄熱材ＨＳが低温蓄熱槽２３から熱交換器２１の容器２１ｂを通じて高温蓄熱槽２２に送出される。

高温蓄熱槽２２には蓄熱材供給管２６ａが接続され、該蓄熱材供給管２６ａを通じて高温蓄熱槽２２から負荷部３０に蓄熱材ＨＳが供給される。また、低温蓄熱槽２３には蓄熱材回収管２６ｂが接続され、該蓄熱材回収管２６ｂを通じて負荷部３０から低温蓄熱槽２３に蓄熱材ＨＳが回収される。

蓄熱材供給管２６ａには、その内部の蓄熱材ＨＳの流れを遮断及び許容する弁２７が設けられる。蓄熱材回収管２６ｂには、該蓄熱材回収管２６ｂ内の蓄熱材ＨＳを負荷部３０から低温蓄熱槽２３側に送出する第２循環ポンプ２８が設けられている。第２循環ポンプ２８の作動によって、蓄熱材ＨＳが高温蓄熱槽２２から負荷部３０の後述する蒸気発生器３１を通じて低温蓄熱槽２３に送出される。よって、第１循環ポンプ２５及び第２循環ポンプ２８を作動することで、熱交換器２１、高温蓄熱槽２２、負荷部３０及び低温蓄熱槽２３で蓄熱材ＨＳを循環することができる。

負荷部３０は、蒸気発生器３１及び蒸気タービン３２を備えている。

蒸気発生器３１は、蒸気ＳＴが流れる伝熱管３１ａと、伝熱管３１ａ及び蓄熱材ＨＳを収容する容器３１ｂとを備えた構成が例示できる。蒸気発生器３１の容器３１ｂには、蓄熱材供給管２６ａを通じて高温蓄熱槽２２から蓄熱材ＨＳが流入する。容器３１ｂに流入した蓄熱材ＨＳは、伝熱管３１ａを流れる蒸気ＳＴに熱エネルギーを取り出されてから、蓄熱材回収管２６ｂを通じて低温蓄熱槽２３に流入する。従って、蒸気発生器３１は、蒸気タービン３２を経て低温となった蒸気ＳＴを蓄熱材ＨＳによって加熱して高温の蒸気ＳＴを発生する。

蒸気タービン３２には、蒸気発生器３１の伝熱管３１ａに連通する蒸気供給管３３及び蒸気回収管３４が接続されている。蒸気タービン３２は、蒸気供給管３３から供給された蒸気ＳＴが仕事を行って回転軸３２ａを回転させ、仕事を行った蒸気ＳＴは蒸気回収管３４を介して蒸気発生器３１に回収される。蒸気タービン３２は、回転軸３２ａの回転によって出力を行うようになり、該回転で発電機Ｇを駆動する。蒸気回収管３４には蒸気用ポンプ３５が設けられ、蒸気用ポンプ３５の作動によって、蒸気発生器３１と蒸気タービン３２との間で蒸気ＳＴを循環する。

なお、負荷部３０においては、蒸気回収管３４の経路中に不図示のドレン設備や熱交換器等を設け、蒸気発生器３１に回収される蒸気ＳＴが調整されるようにしてもよい。

高温ガス炉システム１は、上記の各ポンプ１５、２５、２８、３５に接続される制御部４０を更に備えている。制御部４０は、各ポンプ１５、２５、２８、３５における駆動の開始及び停止、駆動時の送出量を制御する。

次に、本実施の形態の高温ガス炉システム１における出力調整方法について、図１に加えて図２を参照して説明する。図２Ａは、原子炉熱出力及びタービン出力の時間変化を示すグラフであり、図２Ｂは、蓄熱槽における貯蔵量の時間変化を示すグラフである。

高温ガス炉システム１の運転では、高温ガス炉（原子炉）１０は、図２Ａに示すように、定格運転として時間変化せずに常に一定の熱出力となる条件とする。ここで、本実施の形態では、負荷部３０に対し、昼間（６時～１８時）が夜間（１８時～６時）に比べて相対的に出力（発電量）の要求負荷が少ない場合を想定条件とする。なお、図２Ａに示す負荷部３０の出力変化は、一例を示すに過ぎないものであり、昼夜の出力を逆にしたり、漸次増減したりする場合も同様に対応可能である。

上記の条件において、高温ガス炉１０の熱出力を一定としつつ、熱交換器２１にてヘリウムガスＨＧから蓄熱材ＨＳで熱交換される熱エネルギー量を一定とする。このため、制御部４０では、冷却材用ポンプ１５の駆動を制御し、ヘリウムガスＨＧの循環流量を一定とする。また、制御部４０では、第１循環ポンプ２５の駆動を制御し、低温蓄熱槽２３から熱交換器２１を経て高温蓄熱槽２２に流れる蓄熱材ＨＳの送出量を一定とする。

このように冷却材用ポンプ１５及び第１循環ポンプ２５の駆動を維持しながら、発電量の要求負荷が少ない昼間は、負荷部３０での出力を減らしつつ、蓄熱システム２０に熱エネルギーを蓄積する。このためには、夜間に比べて少なくなる出力に応じ、制御部４０によって、蒸気用ポンプ３５による蒸気ＳＴの送出量を夜間に比べ減少するよう制御する。更に、蒸気用ポンプ３５における送出量減少に応じ、制御部４０にて、第２循環ポンプ２８による蓄熱材ＨＳの送出量も夜間に比べ減少するよう制御する。この間、図２Ｂに示すように、高温蓄熱槽２２では高温となる蓄熱材ＨＳの貯蔵量が次第に増加し、且つ、低温蓄熱槽２３では低温となる蓄熱材ＨＳの貯蔵量が次第に減少する。よって、蓄熱システム２０としての蓄熱量が増加することとなる。

一方、発電量の要求負荷が大きくなる夜間は、蓄熱システム２０で蓄熱した熱を用いて出力を増やす運転を行う。このときも冷却材用ポンプ１５及び第１循環ポンプ２５の駆動を一定に維持する。昼間に比べて出力を増やすべく、制御部４０によって、蒸気用ポンプ３５による蒸気ＳＴの送出量を昼間に比べ増加するよう制御する。更に、蒸気用ポンプ３５における送出量増加に応じ、制御部４０にて、第２循環ポンプ２８による蓄熱材ＨＳの送出量も昼間に比べ増加するよう制御する。この間、図２Ｂに示すように、高温蓄熱槽２２では高温となる蓄熱材ＨＳの貯蔵量が次第に減少し、且つ、低温蓄熱槽２３では低温となる蓄熱材ＨＳの貯蔵量が次第に増加する。よって、蓄熱システム２０としての蓄熱量が減少することとなる。

以上のように、本実施の形態によれば、高温ガス炉１０の熱出力を一定としつつ蓄熱システム２０の蓄熱量を変化させることで、要求負荷に応じた負荷部３０の出力変化を実現することができる。これにより、高温ガス炉システム１がベースロード電源としてはもとより、負荷変動へ対応可能な電源としても利用することができる。しかも、蓄熱システム２０によって、高温ガス炉１０の炉心を流れるヘリウムガスＨＧと負荷部３０の蒸気ＳＴとが蓄熱材ＨＳを介して熱交換するので、高温ガス炉１０への水侵入を想定不要とした安全性を向上したシステムとすることができる。また、高温ガス炉１０への水侵入を回避することで、炉心構成要素である黒鉛材料と反応して炉心健全性が損なわれることを防止できる。

また、上記のように蓄熱システム２０の蓄熱量を減少させる場合には、蓄熱システムを有しないシステムの定格出力より大きい最大出力を得ることができ、高温ガス炉１０の設備コストを低減することができる。

更に、上記実施の形態では、第１循環ポンプ２５の送出量を一定に保ちつつ、蒸気用ポンプ３５の送出量の増減に比例するよう第２循環ポンプ２８の送出量を増減させて制御している。従って、要求負荷が増減する場合に蓄熱システム２０で駆動制御するポンプを第２循環ポンプ２８だけにすることができる。これにより、蓄熱システム２０での制御の簡略化、制御負担の軽減を図ることができ、要求負荷の増減に対する応答性を向上することができる。

また、蓄熱材ＨＳを溶融塩とすることで、仮に熱交換器２１でのバウンダリ破損を想定した場合でも、高温ガス炉１０の炉心構成要素である黒鉛材料との反応を抑制して損傷を防止することができる。

本発明の実施の形態は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の趣旨を逸脱しない範囲において様々に変更、置換、変形されてもよい。さらには、技術の進歩又は派生する別技術によって、本発明の技術的思想を別の仕方で実現することができれば、その方法を用いて実施されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本発明の技術的思想の範囲内に含まれ得る全ての実施態様をカバーしている。

上記実施の形態では、負荷部３０における蒸気（水）を二次冷却材としたが、該二次冷却材として、蒸気以外のヘリウムガス等のガスや溶融塩等を冷却材とてもよい。

また、熱交換器２１及び蒸気発生器３１の構成は、上記実施の形態と同様に熱交換を行える限りにおいて、伝熱管２１ａ、３１ａを用いた構成とは異なる構成としてもよい。

更に、負荷部３０は、蒸気タービン３２を用いた構成に限られず、蓄熱材ＨＳから熱エネルギーを取り出し可能な他の熱利用装置としてもよい。

また、第１循環ポンプ２５の駆動による送出量は適宜変化させてもよいが、上記実施の形態のように一定とした方が制御を簡略化できる点で有利となる。

１高温ガス炉システム
１０高温ガス炉
２０蓄熱システム
２１熱交換器
２２高温蓄熱層
２３低温蓄熱層
２５第１循環ポンプ
２８第２循環ポンプ
３０負荷部
３５蒸気用ポンプ
４０制御部
ＨＧヘリウムガス（一次冷却材）
ＨＳ蓄熱材
ＳＴ蒸気

Claims

炉心に一次冷却材を通過させて加熱する高温ガス炉と、
前記高温ガス炉で加熱された前記一次冷却材で加熱される蓄熱材を貯留する蓄熱システムと、
前記蓄熱システムで加熱された前記蓄熱材で蒸気を発生して出力を行う負荷部とを備え、
前記蓄熱システムは、前記一次冷却材と前記蓄熱材の間での熱交換を行う熱交換器と、
前記熱交換器から供給される前記蓄熱材を収容し、前記負荷部に前記蓄熱材を供給する高温蓄熱槽と、
前記負荷部で蒸気発生を行った前記蓄熱材を収容し、前記負荷部から前記蓄熱材を回収する低温蓄熱槽と、
前記低温蓄熱槽から前記熱交換器を通じて前記高温蓄熱槽に前記蓄熱材を送出する第１循環ポンプと、
前記高温蓄熱槽から前記負荷部を通じて前記低温蓄熱槽に前記蓄熱材を送出する第２循環ポンプと、
を備え、
前記熱交換器、前記高温蓄熱槽、前記低温蓄熱槽及び前記負荷部で前記蓄熱材を循環し、
前記負荷部は、該負荷部で蒸気を循環する蒸気用ポンプを備え、
前記第１循環ポンプ、前記第２循環ポンプ及び前記蒸気用ポンプの駆動を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記第１循環ポンプの送出量を一定に保ちつつ、前記蒸気用ポンプの送出量の増減に応じて前記第２循環ポンプの送出量を増減させることを特徴とする高温ガス炉システム。
前記蓄熱材は溶融塩であることを特徴とする請求項１に記載の高温ガス炉システム。