JPH08338892A - Helium cooling high-temperature gas reactor - Google Patents

Helium cooling high-temperature gas reactor

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JPH08338892A
JPH08338892A JP7147806A JP14780695A JPH08338892A JP H08338892 A JPH08338892 A JP H08338892A JP 7147806 A JP7147806 A JP 7147806A JP 14780695 A JP14780695 A JP 14780695A JP H08338892 A JPH08338892 A JP H08338892A
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JP
Japan
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reactor
helium
temperature
gas
fuel
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Application number
JP7147806A
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Japanese (ja)
Inventor
Yasuo Mori
康夫 森
Makoto Hishida
誠 菱田
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Japan Atomic Energy Agency
Original Assignee
Japan Atomic Energy Research Institute
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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Abstract

PURPOSE: To make it possible to show the excellence from the viewpoint of energy resources and the global environment and desalt seawater at the same time because of its higher safety, high total thermal efficiency and no emission of carbon dioxide from all circuits. CONSTITUTION: An intermediate heat exchanger 9 separates a primary circuit including a reactor from a secondary circuit including a heat exchanger for supplying the heat capacity needed for a turbine system and a seawater desalting device in order not to leak any radioactive substances in the atmosphere. A heat exchanger of a helical-tube type is used in the intermediate heat exchanger 9. Moreover, the temperature of helium at the exit of the reactor is set at 950 deg.C and that at the entrance at 450 deg.C rather than a conventionally proposed temperature, 400 deg.C. In this case, in order to secure the integrity of the reactor according to the rise in the temperature at the entrance, the temperature of a pressure vessel is lowered by installing an inner heat-insulating layer with a metal corrugated sheet structure inside the reactor vessel to separate the thermal boundary and the pressure boundary.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、一次回路及び二次回路
の冷却材としてヘリウムガスを使用し、この二次回路に
ガスタービン発電システム及び淡水化システムを設け、
更に原子炉容器の内面に断熱層を設けることにより安全
性を高めた高温ガス炉システムに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention uses helium gas as a coolant for a primary circuit and a secondary circuit, and provides a gas turbine power generation system and a desalination system in the secondary circuit.
Further, the present invention relates to a high temperature gas reactor system with improved safety by providing a heat insulating layer on the inner surface of the reactor vessel.

【0002】本発明の高温ガス炉は、化学的に安定で放
射性物質を殆ど含まないヘリウムを一次回路及び二次回
路の冷却材として使用しているため、原子炉系から、周
囲環境への放射性物質の漏洩は非常に少ない。また事故
時においても水素のように化学的活性物質は生成され
ず、且つ軽水炉に比べて固有の安全性は極めて高い。ま
た、炭酸ガスを全く放出しない。すなわち、安全性及び
地球環境性に優れた原子炉である。したがって、高い安
全性と地球環境性が要求される分野での利用が望まれ
る。
Since the high temperature gas reactor of the present invention uses helium which is chemically stable and contains almost no radioactive material as a coolant for the primary circuit and the secondary circuit, it is radioactive from the reactor system to the surrounding environment. Very little material leakage. Further, even in the event of an accident, no chemically active substance is produced like hydrogen, and the inherent safety is extremely high compared to a light water reactor. Also, it does not emit carbon dioxide at all. That is, it is a nuclear reactor excellent in safety and global environment. Therefore, it is desired to be used in the fields where high safety and global environment are required.

【0003】軽水炉が約35%の熱効率であるのに対
し、本発明による高温ガス炉は炉出力の約90%を発電
と海水淡水化等に有効に利用できる。広く一般社会に供
給するための発電と、立地地区の民生(飲料水・冷暖房
等)や農産業用(かんがい・グリーンハウス空調等)に
利用するための淡水を海水から造成するための海水淡水
化を行うことが主な利用目的であるが、この他にも、タ
ービンからの約200℃の排熱を化学産業等にも多目的
に利用できる。また、多量の淡水が必要な時は、発電し
た電力等を用いてイオン半透膜淡水装置で多量の淡水を
造成することも可能である。
While the light water reactor has a thermal efficiency of about 35%, the high temperature gas reactor according to the present invention can effectively use about 90% of the reactor output for power generation and seawater desalination. Power generation to widely supply to the general public, and desalination to create fresh water from seawater for use in the livelihood of the location area (drinking water, cooling and heating, etc.) and for the agricultural industry (irrigation, greenhouse air conditioning, etc.) In addition to this, the exhaust heat of about 200 ° C. from the turbine can be used for multiple purposes in the chemical industry and the like. In addition, when a large amount of fresh water is required, it is possible to produce a large amount of fresh water by using the generated electric power or the like with an ion semipermeable membrane fresh water device.

【0004】本発明の高温ガス炉では、軽水炉の使用済
み燃料から再処理によって分離したウラン酸化物とプル
トニウム酸化物とを燃料として用い、核分裂性プルトニ
ウムを燃焼・消費させる。すなわち、軽水炉によって生
成された核分裂性プルトニウムを燃焼・消費させること
によって我が国のプルトニウム需給を合わせ、プルトニ
ウムを核兵器に利用されないようにする。このように、
本発明による高温ガス炉を軽水炉と組み合わせることに
よりウランサイクルをほとんど閉じさせることが可能で
あり、核エネルギーの安全確保上有用な役割を果たすと
考えられる。
In the high temperature gas reactor of the present invention, fissionable plutonium is burned and consumed by using uranium oxide and plutonium oxide separated from the spent fuel of the light water reactor by reprocessing. In other words, by burning and consuming the fissile plutonium produced by the light water reactor, Japan's supply and demand for plutonium will be adjusted so that plutonium will not be used for nuclear weapons. in this way,
By combining the HTGR according to the present invention with a light water reactor, the uranium cycle can be almost closed, and it is considered that it plays a useful role in ensuring the safety of nuclear energy.

【0005】[0005]

【従来の技術】黒鉛減速炭酸ガス冷却炉は1950年代
にイギリスを中心として、蒸気発電システムの熱源とし
て開発された。この型式の炉はイギリスで総出力約50
00MWまで開発が行われたが、異常な温度上昇あるい
は長時間運転によって炭酸ガス中の炭素が分離し、鉄鋼
を浸炭したり黒鉛と反応する等の問題が明らかとなり、
新しい炭酸ガス冷却炉の開発は進まなくなった。
2. Description of the Related Art A graphite-moderated carbon dioxide cooling furnace was developed as a heat source for a steam power generation system mainly in England in the 1950s. This type of furnace has a total output of about 50 in England.
Although the development up to 00 MW, problems such as carbon separation in carbon dioxide due to abnormal temperature rise or long-term operation, carburizing steel and reacting with graphite became clear,
Development of a new carbon dioxide cooling furnace has stopped.

【0006】炭酸ガス冷却炉の次には、化学的に不活性
で、伝熱特性にも優れたヘリウムを冷却材とする新しい
型式の高温ガス炉が米国及びドイツ等で開発・運転され
た。例えば、米国では原子炉出口温度750℃、発電効
率39%、炉出力330MW高温ガス炉が建設・運転さ
れ、ドイツでは原子炉出口温度750℃、発電効率39
%、炉出力290MWのTHTRが建設・運転された
が、開発途上種々の変更・改良が加えられ、発電コスト
が高価になったことなどの理由により、1990年前後
に運転を終えている。
Next to the carbon dioxide cooling furnace, a new type high temperature gas furnace using helium as a coolant, which is chemically inert and has excellent heat transfer characteristics, was developed and operated in the United States and Germany. For example, in the United States, a reactor outlet temperature of 750 ° C, power generation efficiency of 39%, a reactor output of 330 MW high temperature gas reactor was constructed and operated, and in Germany, reactor outlet temperature of 750 ° C, power generation efficiency of 39%.
%, The THTR with a reactor output of 290 MW was constructed and operated, but due to various changes and improvements being made during development and the cost of power generation becoming expensive, the operation was completed around 1990.

【0007】ドイツのユーリッヒにある原子力研究所で
は、THTRの開発と並行して、熱効率を更に高め、且
つ原子炉よりの熱エネルギーを発電以外の分野にも利用
することを目的として研究開発を進めた。特に、高温ガ
ス実験炉AVRを建設して燃料に関する種々の研究開発
を行い、SiC、カーボン層等で4重に被覆したTRI
SO燃料と呼ばれる優れた被覆燃料粒子を開発した。し
かしその反面、ヘリウムガスタービン発電システムの開
発においては動翼材料の開発に成功しなかった。また、
石炭ガス化システムの開発、熱エネルギーの長距離輸送
システムの開発においても優れた成果は得られず、将来
性も期待できないことが判明したため、数年前には実験
炉AVRの運転停止を含め、ほとんどの研究開発が中止
された。
At the Nuclear Research Institute in Jürich, Germany, in parallel with the development of the THTR, the research and development is being advanced with the aim of further improving the thermal efficiency and utilizing the thermal energy from the nuclear reactor in fields other than power generation. It was In particular, the high temperature gas experimental reactor AVR was constructed to carry out various R & D on fuels, and TRI was coated with SiC, carbon layers, etc.
We have developed excellent coated fuel particles called SO fuel. However, on the other hand, in the development of the helium gas turbine power generation system, the development of the blade material was not successful. Also,
It was found that excellent results were not obtained in the development of the coal gasification system and the long-distance transportation system of thermal energy, and the future could not be expected, so several years ago, including the shutdown of the experimental reactor AVR, Most research and development has been discontinued.

【0008】我が国においては1970年より通産省の
大型技術開発プロジェクトの一つに、高温ガス炉から得
られる1000℃の熱エネルギーを利用して鉄の原鉱石
を還元する直接製鉄の研究開発が行われた。このプロジ
ェクトにおいては、直接製鉄に必要な重要機器を含む高
温ヘリウムループが開発・建設・運転された。このルー
プは一次ヘリウム回路、二次ヘリウム回路及び三次還元
ガス製造系で構成されていた。一次ヘリウム回路の最高
温度1000℃で試験が行われ、所期の目的を満足する
結果が得られた。しかしその後、鉄鋼産業界での核熱利
用のニーズが減少したため、このプロジェクトで得られ
た技術は日本原子力研究所に移管された、その後、同研
究所ではヘンデルループ(大型構造機器実証試験ルー
プ)が製作され、高温ガス炉の機器開発、安全性に関す
る研究開発等が現在まで行われている。
In Japan, one of the large-scale technological development projects of the Ministry of International Trade and Industry since 1970, research and development of direct iron making, which reduces raw iron ore by utilizing thermal energy of 1000 ° C. obtained from a HTGR, has been conducted. It was In this project, a high-temperature helium loop including important equipment required for direct steelmaking was developed, constructed and operated. This loop consisted of a primary helium circuit, a secondary helium circuit and a tertiary reducing gas production system. The test was carried out at the maximum temperature of the primary helium circuit of 1000 ° C., and the results satisfying the intended purpose were obtained. However, since the need for nuclear heat utilization in the steel industry decreased after that, the technology obtained in this project was transferred to the Japan Atomic Energy Research Institute, and then the Handel Loop (large-scale structural equipment demonstration test loop) Has been manufactured, and the development of equipment for high-temperature gas reactors and the research and development on safety have been conducted to date.

【0009】1990年には、これまでの研究成果を基
に、原子力委員会が策定した「原子力開発利用長期計
画」に従い、日本原子力研究所において熱出力30MW
の高温工学試験研究炉(HTTR)の建設が決定・開始
され現在建設が進められている。HTTRは、ヘリウム
冷却高温ガス炉の基盤技術の確立と高度化を図るととも
に、高温工学に関する先端的研究が実施可能な研究施設
であり、高温ガス炉の固有安全性を確認し、高温原子炉
の利用分野の検討を計画している。この試験炉は従来の
ガス炉、高温ガス炉などの情報を基に実用上可能な95
0℃と言う高温でガス炉を稼働させる基盤技術を確立す
るのが目的であり、現在世界で建設され、近い内に運転
される唯一のガス炉である。本発明もこの試験炉の目的
と成果を踏まえて、高温ガス炉の実用化のための不可欠
な事項をその発明の目的及び構成とするものである。
In 1990, based on the research results so far, in accordance with the "long-term plan for nuclear power development and utilization" formulated by the Atomic Energy Commission, the heat output of 30 MW at the Japan Atomic Energy Research Institute.
Construction of the High Temperature Engineering Test Reactor (HTTR) has been decided and started and is currently under construction. The HTTR is a research facility that aims to establish and improve the basic technology of helium-cooled high-temperature gas reactors and to conduct advanced research on high-temperature engineering. We are planning to examine the application fields. This test furnace is practically available based on the information of conventional gas furnaces, high temperature gas furnaces, etc.
The purpose is to establish the basic technology to operate a gas furnace at a high temperature of 0 ° C, and it is the only gas furnace currently built in the world and operated in the near future. In view of the purpose and the result of this test furnace, the present invention also sets the essential matters for the practical application of the high temperature gas reactor as the object and the constitution of the invention.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】従来の原子炉は、炭酸
ガス等の地球環境汚染物質を殆ど排出せずに社会的役割
としての発電を行うことを主目的としているが、本発明
では発電とともにタービンの排熱等を用いて海水より淡
水を造成し、発電所の立地地区の民生・農業に供給する
という重要な2つの目的を解決し、更に軽水炉の使用済
み燃料中に残存するウランとプルトニウムとから燃料を
製造し、この燃料を本発明の原子炉内で使用することに
より核分裂性プルトニウムをほぼ完全に燃焼・消費させ
ることによってウラン燃料サイクルを閉じさせ、我が国
のプルトニウムの需給釣合の課題を解決する。
A conventional nuclear reactor has a main purpose of performing power generation as a social role while hardly emitting global environmental pollutants such as carbon dioxide gas. Solving the two important purposes of producing fresh water from seawater using the exhaust heat of turbines and supplying it to civilian and agricultural areas where the power plant is located, and further, uranium and plutonium remaining in the spent fuel of the light water reactor. A fuel is produced from the fuel, and by using this fuel in the reactor of the present invention, the uranium fuel cycle is closed by burning and consuming the fissile plutonium almost completely, and the problem of supply and demand balance of plutonium in Japan. To solve.

【0011】従来提案されているヘリウム冷却高温ガス
炉は経済性に重点を置いているため、ヘリウムタービン
系を一次回路中に設置する直接サイクルを採用してい
る。しかも、タービンの排熱回収のための再生熱交換器
としてコンパクト・プレート熱交換器の利用を提案して
いる。しかしながら、コンパクト・プレート熱交換器
は、一般産業用ガスタービンサイクルあるいは燃料電池
サイクル等において、作動圧力及び一次側と二次側の圧
力差がいずれも1MPaより小さい場合に用いられてお
り、高温ガス炉のガスタービンサイクルの場合のように
作動圧力が6MPaで一次側と二次側の圧力差が数MP
aに及ぶ場合には、熱交換器に発生する応力が過大とな
る。しかも、コンパクト・プレート熱交換器は構造が複
雑であるため溶接・ロー付け部の完全な検査は殆ど不可
能であり、原子炉設備に用いるには十分な信頼性がなく
使用すべきでない。
Since the helium-cooled high temperature gas reactors proposed so far have been focused on economy, a direct cycle in which a helium turbine system is installed in a primary circuit is adopted. Moreover, the use of a compact plate heat exchanger is proposed as a regenerative heat exchanger for exhaust heat recovery of the turbine. However, compact plate heat exchangers are used in general industrial gas turbine cycles, fuel cell cycles, etc. when the operating pressure and the pressure difference between the primary side and the secondary side are both less than 1 MPa. As in the case of the gas turbine cycle of a furnace, the operating pressure is 6 MPa and the pressure difference between the primary side and the secondary side is several MP
When it reaches a, the stress generated in the heat exchanger becomes excessive. Moreover, since the compact plate heat exchanger has a complicated structure, it is almost impossible to completely inspect the welded and brazed parts, and it is not reliable enough to be used for the reactor equipment and should not be used.

【0012】本発明では間接サイクルを用い、しかも一
次回路と二次回路の間にはヘリカルチューブ式の中間熱
交換器を設置する。この中間熱交換器は固体ふく射熱を
利用した高い伝熱性能を持つ上に十分な安全性も備えて
いる。ガスタービン発電系の再生熱交換器にも同様なヘ
リカルチューブ式熱交換器を採用する。すなわち、本発
明では、中間熱交換器及び再生熱交換器にコンパクト・
プレート式熱交換器を採用せずに、伝熱促進体を具備し
たヘリカルチューブ式熱交換器を採用し安全性を重視す
るとともに伝熱特性にも優れた解決法をとる。
In the present invention, an indirect cycle is used, and a helical tube type intermediate heat exchanger is installed between the primary circuit and the secondary circuit. This intermediate heat exchanger has high heat transfer performance using solid radiant heat and also has sufficient safety. A similar helical tube heat exchanger will be used for the regenerative heat exchanger of the gas turbine power generation system. That is, in the present invention, the intermediate heat exchanger and the regenerative heat exchanger are compact and
Instead of using a plate heat exchanger, a helical tube heat exchanger equipped with a heat transfer accelerator is adopted to emphasize safety and take a solution with excellent heat transfer characteristics.

【0013】軽水炉では回転体の軸シール等より流体の
漏洩が報告されているが、高温ガス炉では冷却材がヘリ
ウムであるから、一次回路及び二次回路とも流体中に放
射性物質が含まれる可能性は殆ど無い。更に、一次回路
の循環機は0.3MPa以下の圧力上昇しか要求されな
いため、磁気流体シール、磁気軸受を使用することが可
能であり、ヘリウム冷却材の漏洩は考えられない。ま
た、ヘリウムタービンあるいは圧縮機など二次回路の回
転体には優れた性能のシール機構を選択することによっ
て、二次回路内のヘリウムを漏洩させない解決が可能で
ある。
In light water reactors, fluid leakage has been reported due to shaft seals of rotating bodies, etc., but in the high temperature gas reactor, since the coolant is helium, the primary circuit and the secondary circuit may contain radioactive substances in the fluid. There is almost no sex. Furthermore, since the circulator of the primary circuit requires only a pressure increase of 0.3 MPa or less, it is possible to use a magnetic fluid seal and a magnetic bearing, and leakage of the helium coolant is unlikely. Further, by selecting a sealing mechanism having excellent performance for the rotating body of the secondary circuit such as a helium turbine or a compressor, it is possible to solve the problem that helium in the secondary circuit does not leak.

【0014】従来の高温ガス炉では蒸気タービンによる
発電を行うためタービン作動流体の温度が低く、そのた
め発電効率は40%以下と低い。発電効率を上げるため
には作動温度を高くする必要がある。本発明の高温ガス
炉では入口温度900℃のヘリウムタービンを用いるこ
とにより45%の発電効率を達成する。従来、ヘリウム
タービン高温ガス炉が実現しなかったのは、適当なヘリ
ウムタービンの動翼材が無かったためであるが、本発明
では、最近日本原子力研究所で開発された耐熱合金を使
用することにより実現可能と考える。
In the conventional high temperature gas reactor, the temperature of the turbine working fluid is low because power is generated by the steam turbine, and therefore the power generation efficiency is as low as 40% or less. It is necessary to raise the operating temperature in order to increase power generation efficiency. In the high temperature gas reactor of the present invention, a power generation efficiency of 45% is achieved by using a helium turbine having an inlet temperature of 900 ° C. Conventionally, the helium turbine high temperature gas reactor was not realized because there was no suitable blade material for the helium turbine, but in the present invention, by using a heat-resistant alloy recently developed by the Japan Atomic Energy Research Institute. Think feasible.

【0015】従来のヘリウムタービン高温ガス炉では発
電効率を高めるためタービン系を一次回路中に設け、更
に効率計算に当たっては技術的に不合理なタービンと圧
縮機の断熱効率を用いるとともに(例えば両者とも同じ
92%の値にとっている)、圧縮機の入口ヘリウム温度
にも不合理な温度を採用している(冷却材の年平均温度
に対し15℃程度高くとるべきところを30℃と低い温
度が取られている)。本発明では、タービン及び圧縮機
の断熱効率に対し十分検討を行い、技術的に合理的な数
値を用いている。また、圧縮機入口温度を低くし発電効
率を高めるために深度約150メータの海中から15℃
の海水を汲み出しこれを冷却水として用いている。
In the conventional helium turbine high temperature gas reactor, a turbine system is provided in the primary circuit in order to improve power generation efficiency, and in calculating efficiency, technically unreasonable adiabatic efficiency of the turbine and the compressor is used (for example, both of them are used). The same 92% value is used, and an unreasonable temperature is adopted for the helium temperature at the inlet of the compressor (a low temperature of 30 ° C is assumed to be 15 ° C higher than the annual average temperature of the coolant). Have been). In the present invention, the adiabatic efficiency of the turbine and the compressor has been thoroughly examined, and technically reasonable numerical values are used. In addition, in order to lower the compressor inlet temperature and increase power generation efficiency, it is possible to operate at a temperature of 15 ° C from the sea at a depth of approximately 150 meters.
It draws out seawater and uses it as cooling water.

【0016】ガスタービンサイクルの発電熱効率を高め
るためには、原子炉入口と出口におけるヘリウム温度を
高める必要がある。出口温度はこれまでの研究開発成果
及びHTTR試験炉計画等から考えると950℃を達成
することは可能であると考えられる。しかし従来の原子
炉と同じ炉容器構造を採用した場合には、入口温度を4
00℃以上にすることは困難であると考えられる。本発
明では、原子炉容器の内面に金属薄板波状構造の断熱層
を取り付けることによって、従来の原子炉容器壁が具備
していた耐圧境界と耐熱境界の2つの機能を分離する。
すなわち、耐圧境界は従来どおり原子炉容器壁に持た
せ、耐熱境界は金属薄板波状構造の断熱層に持たせるこ
とによって、原子炉容器の健全性を確保しつつ、原子炉
入口におけるヘリウム温度を450℃まで昇温させる。
原子炉入口温度を高くすることによってヘリウム冷却材
の流量が増加し、その結果ガスタービンサイクルの熱効
率を高めることができる。
In order to increase the heat generation efficiency of the gas turbine cycle, it is necessary to raise the helium temperature at the reactor inlet and outlet. Considering the results of research and development so far and the HTTR test reactor plan, etc., it is possible that the outlet temperature can reach 950 ° C. However, if the same reactor vessel structure as the conventional reactor is adopted, the inlet temperature will be 4
It is considered difficult to raise the temperature to 00 ° C or higher. In the present invention, a heat insulating layer having a corrugated metal sheet structure is attached to the inner surface of the reactor vessel to separate the two functions of the conventional reactor vessel wall, that is, the pressure-proof boundary and the heat-resistant boundary.
That is, the pressure-resistant boundary is provided on the reactor vessel wall as before, and the heat-resistant boundary is provided on the heat insulating layer having a corrugated structure of a thin metal plate, so that the helium temperature at the reactor entrance is kept at 450 while ensuring the integrity of the reactor vessel. Raise the temperature to ℃.
Increasing the reactor inlet temperature increases the flow rate of helium coolant, which can increase the thermal efficiency of the gas turbine cycle.

【0017】軽水炉の使用済み燃料には、残存するウラ
ンと運転中に生産されたプルトニウムとが含まれてい
る。現在、我が国では軽水炉の使用済み燃料に含まれて
いる核分裂性プルトニウムを燃焼させるため、酸化ウラ
ンと酸化プルトニウムの混合物からなるMOX燃料を製
造し、軽水炉で燃焼させる試みが開始されている。しか
しこのような所謂プルサーマルでは多量のMOX燃料を
燃焼することができず、近い将来我が国には多量の余剰
プルトニウムが存在するようになる。このプルトニウム
供給過剰の課題を解決するため、本発明の高温ガス炉に
おいては軽水炉の使用済み燃料から再処理によって取り
出したウランとプルトニウムとを燃料として用い、核分
裂性のプルトニウムをほぼ完全に燃焼・消費させる。こ
の際、プルトニウムを燃焼させると同時に、ウラン23
8から新たにプルトニウムを製造させないため、本発明
では、ウラン酸化物の燃料ペレットとプルトニウム酸化
物の燃料ペレットとの2種類を製作し、これらのペレッ
トを1個ずつ交互に挿入した燃料棒を作成して炉内で燃
焼させるか、あるいは、ウラン燃料ペレットのみを挿入
した燃料棒とプルトニウム燃料ペレットのみを挿入した
燃料棒とを製作してこれらを炉内に適当に配置して燃焼
させる炉心構成とする。
The spent fuel of the light water reactor contains residual uranium and plutonium produced during operation. Currently, in Japan, in order to burn fissionable plutonium contained in the spent fuel of a light water reactor, an attempt to produce a MOX fuel composed of a mixture of uranium oxide and plutonium oxide and burn it in a light water reactor has been started. However, such so-called plu-thermal cannot burn a large amount of MOX fuel, and a large amount of surplus plutonium will be present in Japan in the near future. In order to solve the problem of plutonium oversupply, in the high temperature gas reactor of the present invention, uranium and plutonium extracted from the spent fuel of the light water reactor by reprocessing are used as fuels, and fissionable plutonium is almost completely burned and consumed. Let At this time, plutonium is burned and uranium 23
In the present invention, two types of fuel pellets, a uranium oxide fuel pellet and a plutonium oxide fuel pellet, are produced in order not to newly produce plutonium from No. 8, and a fuel rod in which these pellets are alternately inserted one by one is produced. And burn it in the furnace, or manufacture a fuel rod in which only uranium fuel pellets are inserted and a fuel rod in which only plutonium fuel pellets are inserted, and appropriately arrange these in the reactor to burn them. To do.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】本発明は、ヘリウムを冷
却材とする高温ガス炉において、固有の安全特性に加え
て事故時にも放射性物質が絶対に大気に漏洩しないよう
に、原子炉を含む1次回路と、タービンシステム及び海
水淡水化装置に必要な熱量を供給する熱交換器等を含む
二次回路を、中間熱交換器によって分離する。そして、
この中間熱交換器にはヘリカルチューブ式の熱交換器を
採用してその安全性を高める。次に、ヘリウムタービン
システムの発電効率を高めるために原子炉出口のヘリウ
ム温度を950℃にするとともに、入口温度を従来提案
されている400℃から450℃にする。この際、入口
温度上昇に伴う原子炉容器の健全性を確保するため、原
子炉容器の内側に金属薄板波状構造の内部断熱層を取り
付け、温度境界と圧力境界を分離することによって圧力
容器の温度低下を図る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention includes a high temperature gas reactor using helium as a coolant, which includes a nuclear reactor so as to prevent radioactive materials from leaking to the atmosphere in the event of an accident, in addition to its inherent safety characteristics. An intermediate heat exchanger separates the primary circuit from the secondary circuit including a heat exchanger that supplies the turbine system and the seawater desalination device with the necessary amount of heat. And
A helical tube type heat exchanger is adopted for this intermediate heat exchanger to enhance its safety. Next, in order to increase the power generation efficiency of the helium turbine system, the helium temperature at the reactor outlet is set to 950 ° C, and the inlet temperature is set to 400 ° C to 450 ° C, which has been conventionally proposed. At this time, in order to ensure the integrity of the reactor vessel due to the rise in the inlet temperature, an internal heat insulating layer of a corrugated metal sheet is attached inside the reactor vessel to separate the temperature boundary from the pressure vessel temperature. Try to lower.

【0019】また、ヘリウムタービンの動翼に適した金
属材料を用い、同時に翼端損失を最小にする動翼翼型を
3次元計算によって決定するとともにタービンシステム
の最適化を図ることにより約45%の発電熱効率を得
る。また、原子炉からの熱エネルギーを発電とともに、
立地地域の民生・農産業に利用することによって、原子
炉プラントの全熱効率を約90%に高めるため、二次回
路には、ヘリウムタービンによる発電システムに加えて
フラッシュ式海水淡水化装置を設ける。
Further, by using a metal material suitable for the moving blade of the helium turbine, and simultaneously determining the moving blade airfoil type that minimizes the blade tip loss by three-dimensional calculation, and optimizing the turbine system, about 45% Obtain heat generation efficiency. Also, with the generation of thermal energy from the nuclear reactor,
In order to increase the total thermal efficiency of the nuclear reactor plant to approximately 90% by using it for the civilian and agricultural industries in the location area, the secondary circuit will be equipped with a helium turbine power generation system and a flash seawater desalination system.

【0020】更に、軽水炉の使用済み燃料中に生成され
るプルトニウムを本発明による高温ガス炉でほぼ完全に
燃焼・消費させるとともに新たにプルトニウムを生成さ
せないため、使用済み燃料に含まれるウランとプルトニ
ウムを化学的に分離して、それぞれ別の酸化物燃料とし
て原子炉内で燃焼させる。このようにして、軽水炉の燃
料中に生成された核分裂性プルトニウムをほぼ完全に燃
焼・消滅させるウランサイクルを殆ど閉じさせるととも
に、核燃料に転用できるプルトニウムが我が国に蓄えら
れないようにする。
Furthermore, since plutonium produced in the spent fuel of the light water reactor is burned and consumed almost completely in the high temperature gas reactor according to the present invention and no new plutonium is produced, uranium and plutonium contained in the spent fuel are removed. They are chemically separated and burned in the reactor as separate oxide fuels. In this way, the uranium cycle that almost completely burns and extinguishes the fissile plutonium produced in the fuel of the light water reactor is closed, and plutonium that can be converted to nuclear fuel is not stored in Japan.

【0021】[0021]

【作用】本発明の原理を図1、図2及び図3に基づいて
説明する。本発明の高温ガス炉では、安全性を高めるた
めに原子炉本体1を含む一次回路と利用系を含む二次回
路とに分離している。この2次回路においては、熱効率
約45%のヘリウムガスタービン発電システム2により
発電を行うとともに、タービン10の排熱を再生熱交換
器14を通した後に予冷却器15において海水に伝熱し
た熱量Q1と、高圧圧縮機11と低圧圧縮機12の間に
設けられた中間冷却器16で海水に伝熱した熱量Q2と
によって、海水をフラシャー11において加熱・フラッ
シュさせて淡水を造成する。ガスタービン発電と海水淡
水化に用いた熱量の和は原子炉熱出力の約90%であ
り、本発明の高温ガス炉は非常に高い全熱効率を持つシ
ステムである。
The principle of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3. In the high temperature gas reactor of the present invention, a primary circuit including the reactor body 1 and a secondary circuit including a utilization system are separated in order to enhance safety. In this secondary circuit, power is generated by the helium gas turbine power generation system 2 having a thermal efficiency of about 45%, and the amount of heat transferred from the exhaust heat of the turbine 10 to the seawater in the precooler 15 after passing through the regenerative heat exchanger 14. Seawater is heated and flashed in the flasher 11 by Q1 and the amount of heat Q2 transferred to the seawater by the intercooler 16 provided between the high-pressure compressor 11 and the low-pressure compressor 12, to produce fresh water. The sum of the amounts of heat used for gas turbine power generation and seawater desalination is about 90% of the reactor heat output, and the high temperature gas reactor of the present invention is a system having a very high total thermal efficiency.

【0022】軽水炉の使用済み燃料から分離して得られ
るウランとプルトニウムの酸化物を同じ形状・寸度の燃
料コンパクトに製造し、これらのコンパクトを一つづつ
交互に挿入した燃料棒を製造するか、あるいは、ウラン
コンパクトのみからなるウラン燃料棒とプルトニウムコ
ンパクトのみからなるプルトニウム燃料棒とを製造し、
これら燃料棒を炉心内に適当に配置して燃焼させること
により、軽水炉の使用済み燃料中に生成された核分裂性
プルトニウムを殆ど完全に燃焼・消費し、ウラン燃料サ
イクルを殆ど閉じたものにして、我が国の核分裂性プル
トニウム保有量をできる限り少なくする。
Is uranium and plutonium oxide obtained by separating from spent fuel of a light water reactor manufactured into a fuel compact of the same shape and size and manufacturing fuel rods in which these compacts are alternately inserted one by one? Or, manufacture a uranium fuel rod consisting only of uranium compact and a plutonium fuel rod consisting only of plutonium compact,
By appropriately arranging and burning these fuel rods in the core, the fissionable plutonium produced in the spent fuel of the light water reactor is almost completely burned and consumed, and the uranium fuel cycle is almost closed. To reduce the amount of fissile plutonium in Japan as much as possible.

【0023】本発明におけるガスタービンサイクルの熱
効率を上げるための具体的提案としては、原子炉入口に
おけるヘリウム温度T1を450℃と従来建設・運転さ
れている高温ガス炉より高い温度に設定する。その際、
原子炉容器4の安全性を確保するため、原子炉容器の内
側に図2に示すような金属薄板波状断熱層5を設置する
ことによって圧力境界と温度境界を分離し原子炉容器の
温度を300℃以下の低温に保つことにより十分な強度
余裕を持たせる。この圧力境界又は耐圧境界とは耐圧部
のことであり、ここでは原子炉容器をさし、又温度境界
又は耐熱境界は高圧ヘリウムを耐圧部に接しないように
する保護部分のことであり、ここでは原子炉容器の内側
に張り付けた断熱層のことを意味する。圧力境界と温度
境界を分離することにより、耐圧部の使用温度を低下さ
せるために安い材料を使用することができる。
As a concrete proposal for increasing the thermal efficiency of the gas turbine cycle in the present invention, the helium temperature T1 at the reactor inlet is set to 450 ° C., which is higher than that of the high temperature gas reactor conventionally constructed and operated. that time,
In order to ensure the safety of the reactor vessel 4, a metal thin plate corrugated heat insulating layer 5 as shown in FIG. Maintaining a low temperature of ℃ or below gives sufficient strength margin. This pressure boundary or pressure-resistant boundary refers to the pressure-resistant portion, and here refers to the reactor vessel, and the temperature boundary or heat-resistant boundary refers to the protective portion that prevents high-pressure helium from contacting the pressure-resistant portion. Means the heat insulation layer attached inside the reactor vessel. By separating the pressure boundary and the temperature boundary, it is possible to use a cheap material in order to reduce the operating temperature of the pressure resistant portion.

【0024】更に、一次回路と二次回路との間に設置さ
れた中間熱交換器9を使用して、原子炉出口温度(T
2)950℃の一次回路のヘリウムによって二次回路の
ヘリウムを加熱してタービン10に導入する。このター
ビン入口に向かう二次回路ヘリウムの温度(T3)を9
00℃にまで加熱するために、この中間熱交換器に設け
られたヘリカルコイル間に薄板状の円筒を設置し、この
円筒より放射される固体ふく射を利用する伝熱促進法を
使用して二次回路ヘリウムを加熱する。このタービン1
0により高圧圧縮機11、低圧圧縮機12及び発電機1
3が駆動される。ところで、低圧圧縮機及び高圧圧縮機
の駆動動力を低下して発電効率を高くするため、これら
圧縮機の入口ヘリウム温度を35℃まで冷却する。この
冷却において、低圧圧縮機の入口ヘリウム温度は、再生
熱交換器14と水深約150mから汲み上げた冷海水で
冷却される予冷却器15とにより35℃まで低下され
る。また、高圧圧縮機の入口ヘリウム温度を35℃まで
冷却するため、低圧圧縮機と高圧圧縮機との間には中間
冷却器16を設け、この中間冷却器の2次側冷却水とし
て水深約150mから汲み上げた冷海水を用いる。
Further, using the intermediate heat exchanger 9 installed between the primary circuit and the secondary circuit, the reactor outlet temperature (T
2) The helium in the secondary circuit is heated by helium in the primary circuit at 950 ° C. and introduced into the turbine 10. The temperature (T3) of the secondary circuit helium toward the turbine inlet is set to 9
In order to heat up to 00 ° C, a thin plate-shaped cylinder is installed between the helical coils provided in this intermediate heat exchanger, and a heat transfer enhancement method utilizing solid radiation radiated from this cylinder is used to Next circuit Heat helium. This turbine 1
0 means high pressure compressor 11, low pressure compressor 12 and generator 1
3 is driven. By the way, in order to reduce the driving power of the low-pressure compressor and the high-pressure compressor to increase the power generation efficiency, the inlet helium temperature of these compressors is cooled to 35 ° C. In this cooling, the inlet helium temperature of the low pressure compressor is lowered to 35 ° C. by the regenerative heat exchanger 14 and the precooler 15 cooled by the cold seawater pumped from a water depth of about 150 m. Moreover, in order to cool the inlet helium temperature of the high-pressure compressor to 35 ° C., an intermediate cooler 16 is provided between the low-pressure compressor and the high-pressure compressor, and a water depth of about 150 m is provided as secondary side cooling water of this intermediate cooler. Uses cold seawater drawn from.

【0025】更に、タービン10の動翼には900℃ま
で耐熱性のある金属材料を利用するとともに、タービン
動翼及び圧縮機動翼には最近の工業用タービン設計技術
を利用して動翼の翼端損失が最小になる形状の動翼を採
用することにより92%のタービン断熱効率と88%の
圧縮機断熱効率が達成される。また、ガスタービンサイ
クルの熱効率が最大となるタービン膨張比を用いる。こ
のようにして熱効率約45%のタービン発電システムが
達成される。予冷却器及び中間冷却器で加熱された冷海
水はフラッシュ法によりフラッシャー16において淡水
化される。
Further, a metal material having heat resistance up to 900 ° C. is used for the moving blades of the turbine 10, and the blades of the moving blades are manufactured by using the latest industrial turbine design technology for the turbine moving blades and the compressor moving blades. A turbine adiabatic efficiency of 92% and a compressor adiabatic efficiency of 88% are achieved by adopting a blade having a shape with minimum end loss. Further, the turbine expansion ratio that maximizes the thermal efficiency of the gas turbine cycle is used. In this way, a turbine power generation system having a thermal efficiency of about 45% is achieved. The cold seawater heated by the precooler and the intercooler is desalinated in the flasher 16 by the flash method.

【0026】ガスタービンサイクルの熱効率を高めるに
は、原子炉の入口及び出口のヘリウム温度を高めること
が必要である。出口温度は、多くの研究開発の結果によ
って慎重に決定されるべきであるが、日本原子力研究所
におけるこれまでの研究と現在建設中の試験原子炉の出
口温度950℃の仕様を参考にすると、本発明における
原子炉出口ヘリウム温度950℃は実際に達成可能であ
ると考える。原子炉入口のヘリウム温度450℃を達成
しつつ原子炉容器の温度を低く押えて安全性を確保する
ため、本発明では原子炉圧力容器4の内面に金属薄板波
状構造の内部断熱層5を設け、圧力容器の耐圧境界と耐
熱境界を分離した構造としている。このような構造にす
ることにより、原子炉入口のヘリウム温度を450℃ま
で高めても圧力容器の温度を300℃以下と低く押え原
子炉容器の安全性を確保することが可能である。
Increasing the thermal efficiency of the gas turbine cycle requires increasing the helium temperature at the reactor inlet and outlet. The outlet temperature should be carefully determined by the results of many R & Ds, but with reference to the previous research at the Japan Atomic Energy Research Institute and the specifications of the outlet temperature of the test reactor of 950 ° C currently under construction, It is considered that the reactor outlet helium temperature of 950 ° C. according to the present invention can be actually achieved. In order to secure the safety by keeping the temperature of the reactor vessel low while achieving the helium temperature of 450 ° C. at the reactor inlet, in the present invention, the inner heat insulation layer 5 having a corrugated metal thin plate is provided on the inner surface of the reactor pressure vessel 4. The pressure-resistant boundary and heat-resistant boundary of the pressure vessel are separated. With such a structure, even if the helium temperature at the reactor inlet is increased to 450 ° C., the temperature of the pressure vessel can be kept as low as 300 ° C. or lower and the safety of the reactor vessel can be ensured.

【0027】[0027]

【実施例】本発明は、図3に示すように安全性及び熱効
率を高めるシステム構成を採用している。また、軽水炉
の使用済み燃料に含まれる残存ウランと使用中に生成さ
れたプルトニウムを燃料として用いることにより、核分
裂性プルトニウムを燃焼・消費させ軽水炉と併せ用いる
ことによってウランサイクルを殆ど閉じさせることを特
徴とする。原子炉の入口におけるヘリウム温度T1は4
50℃であり、出口温度はT2は950℃である。この
原子炉の熱出力を中間熱交換器9において2次回路の作
動流体であるヘリウムに伝え、発電システム2のヘリウ
ムタービン10により高効率発電を行なうとともにター
ビンの排熱等を用いてフラッシュ式淡水化システム3に
よって海水から淡水を造成する。発電電力は一般社会で
利用し、淡水は立地地区における民生における飲料水、
冷暖房等と農産業における潅がい・グリーンハウスの空
調等に用いる。軽水炉が蒸気サイクルを用いて約35%
という低い熱効率で発電のみを行うのに対し、本発明の
高温ガス炉システムは、ガスタービンシステムによる発
電とフラッシュ式海水淡水化システム3とによるタービ
ン排熱利用により炉出力の約90%を有効に利用する高
い全熱効率をもったシステムである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention employs a system configuration that enhances safety and thermal efficiency as shown in FIG. In addition, by using the residual uranium contained in the spent fuel of the light water reactor and the plutonium produced during use as fuel, the fissionable plutonium is burned and consumed, and the uranium cycle is almost closed by using it together with the light water reactor. And Helium temperature T1 at the reactor inlet is 4
It is 50 ° C. and the outlet temperature T2 is 950 ° C. The heat output of this nuclear reactor is transmitted to helium, which is the working fluid of the secondary circuit, in the intermediate heat exchanger 9, and high-efficiency power generation is performed by the helium turbine 10 of the power generation system 2, and flash type fresh water is produced by using exhaust heat of the turbine. Fresh water is produced from seawater by the chemical system 3. The generated power is used by the general public, fresh water is drinking water for the people living in the area,
It is used for air conditioning, irrigation in the agricultural industry, and air conditioning for greenhouses. Light water reactor is about 35% using steam cycle
In contrast to performing only power generation with low thermal efficiency, the high temperature gas reactor system of the present invention effectively generates about 90% of the reactor output by power generation by the gas turbine system and utilization of turbine exhaust heat by the flash seawater desalination system 3. It is a system with high total thermal efficiency to be used.

【0028】更に、本発明は、安全性にも優れ、且つ軽
水炉で生成された核分裂性プルトニウムを燃料の一部と
して用いることにより燃焼・消費し、我が国における余
剰プルトニウムの保有量を最小限に止め、且つ炭酸ガス
問題のような地球環境問題も生じさせない等の特徴を持
つものである。本発明の高温ガス炉の燃料は、TRIS
O層で被覆された燃料粒子を使用している。この燃料の
安全性はこれまでの実験等により保証されている。
Furthermore, the present invention is excellent in safety and uses fissionable plutonium produced in a light water reactor as a part of fuel to burn and consume it, thereby minimizing the amount of surplus plutonium in Japan. In addition, it has the feature that it does not cause global environmental problems such as carbon dioxide problems. The fuel of the HTGR of the present invention is TRIS.
Fuel particles coated with an O layer are used. The safety of this fuel has been assured by previous experiments.

【0029】冷却材には化学的に全く不活性なヘリウム
を用いている。一次回路のヘリウム循環機6は磁気軸受
と磁性流体シールとを具備している。一次回路のヘリウ
ムは原子炉でT2=950℃まで加熱され、その熱エネ
ルギーは耐圧性に優れ、特殊な伝熱促進法を具備したヘ
リカルチューブ式中間熱交換器9によって2次回路の
6.1MPaのヘリウムに伝熱され、これをT3=90
0℃まで加熱する。従って、放射性物質が例え燃料粒子
より6.0MPaの一次回路ヘリウム中に漏洩しても2
次回路及び系外には漏出しない構造を持っている。
Helium, which is chemically completely inert, is used as the coolant. The helium circulator 6 of the primary circuit has a magnetic bearing and a magnetic fluid seal. Helium in the primary circuit is heated to T2 = 950 ° C. in the nuclear reactor, its thermal energy is excellent in pressure resistance, and the helical tube type intermediate heat exchanger 9 equipped with a special heat transfer promotion method allows the helium in the secondary circuit to reach 6.1 MPa. Heat is transferred to the helium of T3 = 90
Heat to 0 ° C. Therefore, even if the radioactive material leaks from the fuel particles into the primary circuit helium at 6.0 MPa, 2
It has a structure that does not leak to the next circuit or outside the system.

【0030】また、原子炉容器4の内面には内部断熱層
を設け、耐圧境界と耐熱境界とを分離することによって
原子炉容器の温度を300℃以下の低い温度に保ち安全
性を高めている。更に、1次回路のヘリウムは軽水炉な
どと異なり放射性物質を殆ど含んでおらず、また仮に配
管破断事故が生じても原子炉内に大量の空気が侵入して
炉内構造物を腐食するまでには非常に多くの時間がかか
り、この時間の間に適当な処理を施すことが可能であ
り、軽水炉より高い安全性を持っている。
Further, an internal heat insulating layer is provided on the inner surface of the reactor vessel 4, and the pressure-resistant boundary and the heat-resistant boundary are separated, so that the temperature of the reactor vessel is kept at a low temperature of 300 ° C. or lower to enhance safety. . Furthermore, unlike primary reactors such as light water reactors, helium in the primary circuit contains almost no radioactive substances, and even if a pipe breakage accident occurs, a large amount of air will enter the reactor and cause corrosion of internal reactor structures. Takes a lot of time, and it is possible to perform appropriate treatment during this time, and it has higher safety than light water reactors.

【0031】ヘリカルチューブ式中間熱交換器9は直径
の異なる多数のヘリカル管が並列に配置されている。こ
の熱交換器はその軸を垂直に設置され、ヘリカル管外を
一次ヘリウムが流れる。ヘリカル管の各列の間には薄い
金属円筒が取り付けられている。高温の一次回路ヘリウ
ムでこの円筒が加熱されると、固体ふく射が発生してヘ
リカル管が加熱されるために伝熱促進効果が生ずる。
In the helical tube type intermediate heat exchanger 9, a large number of helical tubes having different diameters are arranged in parallel. This heat exchanger has its axis installed vertically, and primary helium flows outside the helical tube. A thin metal cylinder is mounted between each row of helical tubes. When this cylinder is heated by the high temperature primary circuit helium, solid radiation occurs and the helical tube is heated, so that a heat transfer promoting effect is produced.

【0032】この伝熱促進円筒をもつ中間熱交換器の伝
熱実験結果の一例が図4に示される。円筒は一次回路ヘ
リウムと殆ど同じ温度であり、管外の温度抵抗は約25
℃、管内の温度抵抗も約25℃と優れた伝熱性能を持っ
ている。しかも、この金属円筒はカルマン渦によるヘリ
カル管の振動発生を抑制する効果も併せ持っている。ま
た、ヘリカル管は管の熱膨張を曲率半径の僅かな増加に
より強度低下を招くことなく吸収できる等安全性に優れ
た特性を持っている。
FIG. 4 shows an example of the heat transfer experiment result of the intermediate heat exchanger having the heat transfer promoting cylinder. The cylinder has almost the same temperature as the primary circuit helium, and the temperature resistance outside the tube is about 25.
℃, the temperature resistance inside the tube is about 25 ℃, which has excellent heat transfer performance. Moreover, this metal cylinder also has the effect of suppressing the vibration generation of the helical tube due to the Karman vortex. In addition, the helical tube has excellent safety characteristics such as being capable of absorbing thermal expansion of the tube without causing a decrease in strength due to a slight increase in the radius of curvature.

【0033】図5は本発明における高温ガス炉の熱効率
とタービンの膨張比との関係を示す。本発明では標準型
高温ガス炉として熱出力400MWのものを考える。図
3に示すように、原子炉の入口温度T1は450℃、出
口温度T2は950℃である。原子炉入口温度T1を従
来の高温ガス炉により高く設定し、タービン流量を増加
させることによってガスタービンシステムの熱効率を高
くしている。従来報告されているガスタービンシステム
においては50%程度の熱効率が得られるとしているも
のも見られるが、これらの報告においては、合理的な根
拠の無い圧縮機断熱効率、タービン断熱効率、あるいは
圧縮機入口温度等を用いて計算がなされており、信頼で
きる結果とは言えない。図5の計算例では、タービン断
熱効率を92%、圧縮機断熱効率を88%とし、予冷却
器15及び中間冷却器16の冷却水としては深度150
mの場所から汲み上げた15℃の海水を用い計算によっ
て求めた圧縮機入口温度T7=35℃を用いて計算し、
ガスタービンシステムの熱効率が45%になることを明
らかにしている。海水淡水化に必要な熱量は、予冷却器
と中間冷却器によって海水を加熱することによって与え
る。図3にはタービン膨張比=3.9、タービン熱効率
=45%の条件における温度・流量条件を示してある。
本発明の実施例では、発電と海水淡水化に用いている熱
量の合計は原子炉出力の約90%であり、非常に高い全
熱効率を持ったプラントである。
FIG. 5 shows the relationship between the thermal efficiency of the high temperature gas furnace and the expansion ratio of the turbine in the present invention. In the present invention, a standard high temperature gas reactor having a heat output of 400 MW is considered. As shown in FIG. 3, the reactor inlet temperature T1 is 450 ° C. and the outlet temperature T2 is 950 ° C. The reactor inlet temperature T1 is set higher in the conventional high temperature gas reactor and the turbine flow rate is increased to increase the thermal efficiency of the gas turbine system. Some of the gas turbine systems that have been reported so far are said to have a thermal efficiency of about 50%, but in these reports, there is no rational basis for compressor adiabatic efficiency, turbine adiabatic efficiency, or compressor adiabatic efficiency. Calculations are made using the inlet temperature, etc., and the results are not reliable. In the calculation example of FIG. 5, the turbine adiabatic efficiency is 92%, the compressor adiabatic efficiency is 88%, and the cooling water for the precooler 15 and the intercooler 16 has a depth of 150.
Calculated using the compressor inlet temperature T7 = 35 ° C. obtained by calculation using 15 ° C. seawater pumped from the place of m,
It reveals that the thermal efficiency of the gas turbine system will be 45%. The amount of heat required for desalination of seawater is given by heating seawater with a precooler and an intercooler. FIG. 3 shows temperature / flow rate conditions under conditions of turbine expansion ratio = 3.9 and turbine thermal efficiency = 45%.
In the embodiment of the present invention, the total amount of heat used for power generation and seawater desalination is about 90% of the reactor output, and the plant has a very high total thermal efficiency.

【0034】最近の軽水炉は熱効率が約35%、電気出
力が1300MWe程度であり、出力に関しては更に大
型化する傾向にある。しかし一方では、中小規模の原子
力発電所の必要性、性能向上などが検討され始められて
いる。本発明の実施例の高温ガス炉は熱出力400MW
t、電気出力180MWeであり、今後要求が生ずる中
小規模の原子力発電プラントとして最適である。更に、
発電以外にもタービンシステムからの排熱等を海水淡水
化にも利用し、製造した淡水を飲料水、冷暖房等の民生
用あるいは潅がい・グリーンハウス冷暖房など農産業用
に利用することを指向しており、中小規模での発電と立
地地区への貢献を主実施例としている。
The recent light water reactor has a thermal efficiency of about 35% and an electric output of about 1300 MWe, and the output tends to be further increased. However, on the other hand, the necessity and performance improvement of small and medium-sized nuclear power plants are being considered. The high temperature gas reactor of the embodiment of the present invention has a heat output of 400 MW.
It has an electric power output of 180 MWe and an electric output of 180 MWe, and is optimal as a small-to-medium-scale nuclear power plant with future demand. Furthermore,
In addition to power generation, exhaust heat from the turbine system is also used for desalination, and the produced fresh water is used for drinking water, commercial use such as air conditioning and heating, and agricultural industry such as irrigation and greenhouse heating and cooling. The main examples are power generation in small and medium scale and contribution to the location area.

【0035】本発明の実施例の高温ガス炉は燃料とし
て、軽水炉の使用済み燃料から取り出した残存ウランと
核分裂性プルトニウムを用い、これら核分裂性物質をほ
ぼ完全に燃焼・消滅させることを一つの大きな特徴とす
る。すなわち、使用済み燃料から再処理によってウラン
とプルトニウムとを化学的に分離した後、これらの酸化
物燃料からなる別々の燃料ペレット(例えば、直径26
mm、長さ39mm)を製造し、ウランぺレットとプル
トニウムペレットとを交互に挿入した燃料棒を製造する
か、あるいはウランペレットのみからなる燃料棒とプル
トニウムペレットのみからなる燃料棒を製造し、これら
の燃料棒を原子炉内に適当に配置して燃焼することによ
って、数年間で核分裂性プルトニウムを殆ど燃焼・消滅
させる。このように本発明の実施例の高温ガス炉によっ
て、軽水炉で生成される核分裂性プルトニウムを燃焼・
消費し、我が国における余剰プルトニウム保有量を無く
するとともに、ウランサイクルを閉じさせる。このよう
な燃料とその利用法は本発明の実施例の一つの大きな特
徴である。
The high temperature gas reactor of the embodiment of the present invention uses, as fuel, residual uranium and fissionable plutonium taken out from the spent fuel of the light water reactor, and one of the major measures is to almost completely burn and extinguish these fissionable substances. Characterize. That is, after the uranium and plutonium are chemically separated from the spent fuel by reprocessing, separate fuel pellets (for example, diameter 26
mm, length 39 mm) to produce fuel rods in which uranium pellets and plutonium pellets are alternately inserted, or to produce fuel rods consisting only of uranium pellets and plutonium pellets, Almost all the fissionable plutonium will be burned and extinguished within a few years by appropriately arranging the fuel rods of the above in the reactor and burning them. Thus, the high temperature gas reactor of the embodiment of the present invention burns the fissile plutonium produced in the light water reactor.
Consume and eliminate excess plutonium possession in Japan and close the uranium cycle. Such fuel and its use are one of the major features of the embodiment of the present invention.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明は、ヘリウムを冷却材とする高温
ガス炉において、ヘリウムタービン発電システム、海水
淡水化装置等利用系を二次回路に設置して、原子炉を含
む一次回路とは分離したり、原子炉容器の内面に断熱層
を設ける等随所に安全性を重視したシステム構成として
いる。更に、ヘリウムガスタービンによって45%と言
う高発電効率で発電するとともに、タービン排熱を立地
地区の民生・農業に利用できる淡水を造成するための海
水淡水化に利用することによって90%と言う高いシス
テムの全熱効率を達成する。更にその燃料には軽水炉の
使用済み燃料から再処理によって分離・抽出したウラン
とプルトニウムとを使用し、燃料体構造としては炉内で
数年間燃焼させることによって核分裂性プルトニウムを
殆ど燃焼・消滅させる構造としている。しかも出力規模
は180MWe程度の中小規模である。すなわち、本発
明による高温ガス炉プラントは、安全性、地球環境性、
高熱効率性を持った中小規模のエネルギー源として大き
な効果が期待できる。
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, in a high temperature gas reactor using helium as a coolant, a utilization system such as a helium turbine power generation system and a seawater desalination device is installed in a secondary circuit to separate it from a primary circuit including a nuclear reactor. In addition, the system configuration is designed to emphasize safety everywhere, such as by installing a heat insulating layer on the inner surface of the reactor vessel. Furthermore, the helium gas turbine generates electricity with a high power generation efficiency of 45%, and the turbine exhaust heat is used for seawater desalination to produce freshwater that can be used for civilian and agricultural purposes in the area. Achieve the total thermal efficiency of the system. Furthermore, the fuel used is uranium and plutonium separated and extracted from the spent fuel of the light water reactor by reprocessing, and the fuel structure is a structure that burns and extinguishes fissile plutonium by burning for several years in the reactor. I am trying. Moreover, the output scale is about 180 MWe, which is medium to small scale. That is, the HTGR plant according to the present invention is safe, environmentally friendly,
A great effect can be expected as a small and medium-sized energy source with high thermal efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】高効率間接サイクル・ヘリウム冷却高温ガス炉
の基本サイクル図である。
FIG. 1 is a basic cycle diagram of a high-efficiency indirect cycle helium-cooled high temperature gas reactor.

【図2】圧力境界と温度境界を分離した原子炉容器の断
面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a reactor vessel with a pressure boundary and a temperature boundary separated.

【図3】発電と海水淡水化用ヘリウム冷却高温ガス炉の
系統と主要部の温度・圧力・流量を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing the temperature / pressure / flow rate of a system and main parts of a helium-cooled high temperature gas reactor for power generation and seawater desalination.

【図4】一次回路と二次回路を結ぶヘリカルコイル式中
間熱交換器の各部の温度分布を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a temperature distribution of each part of a helical coil type intermediate heat exchanger connecting a primary circuit and a secondary circuit.

【図5】ヘリウムタービンの熱効率とタービンの膨張比
の関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the thermal efficiency of a helium turbine and the expansion ratio of the turbine.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

T1 原子炉入口温度 T2 原子炉出口温度 T3 タービン入口温度 T4 中間熱交換器二次回路ヘリウム入口温度 T5 タービン出口温度 T6 タービン排気側再生熱交換器出口温度 T7 圧縮機入口温度 T8 圧縮機出口温度 T9 冷海水温度 T10 冷海水中間冷却器出口温度 P1 原子炉出口ヘリウム圧力 P2 タービン入口温度 P3 圧縮機入口圧力 P4 圧縮機出口圧力 G1 一次回路ヘリウム流量 G2 二次回路ヘリウム流量 G3 造成淡水流量 G4 温海水流量 1 原子炉本体 2 発電システム 3 フラッシュ式淡水システム 4 圧力容器 5 断熱層 6 循環機 9 中間熱交換機 10 タービン 11 高圧圧縮機 12 低圧圧縮機 13 発電機 14 再生熱交換器 15 予冷却器 16 中間冷却器 17 排気ポンプ 18 フラッシャー T1 Reactor inlet temperature T2 Reactor outlet temperature T3 Turbine inlet temperature T4 Intermediate heat exchanger secondary circuit helium inlet temperature T5 Turbine outlet temperature T6 Turbine exhaust side regeneration heat exchanger outlet temperature T7 Compressor inlet temperature T8 Compressor outlet temperature T9 Cold seawater temperature T10 Cold seawater intercooler outlet temperature P1 Reactor outlet helium pressure P2 Turbine inlet temperature P3 Compressor inlet pressure P4 Compressor outlet pressure G1 Primary circuit helium flow rate G2 Secondary circuit helium flow rate G3 Freshwater flow rate G4 Hot seawater flow rate 1 Reactor Main Body 2 Power Generation System 3 Flash Fresh Water System 4 Pressure Vessel 5 Insulation Layer 6 Circulator 9 Intermediate Heat Exchanger 10 Turbine 11 High Pressure Compressor 12 Low Pressure Compressor 13 Generator 14 Regenerative Heat Exchanger 15 Precooler 16 Intermediate Cooling Device 17 exhaust pump 18 flasher

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【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成7年6月22日[Submission date] June 22, 1995

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement

【補正対象項目名】請求項1[Name of item to be corrected] Claim 1

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ヘリウムを冷却材とするガス冷却炉を対
象とし、ヘリウムが化学的に不活性な故に重大事故の可
能性は非常に少なく、且つ固有の安全性と事故時にも優
れた受動的冷却特性を持ち、更に放射性物質の漏出が無
いように原子炉を含む一次ヘリウム回路と、熱利用系の
ための二次ヘリウム回路とを分離・設置して安全性を高
め、炉の熱出力の約90%を利用する高い全熱効率を持
ち、更に全回路より炭酸ガスを全く放出しないので、エ
ネルギー資源・地球環境的にも優れ、且つ軽水炉のよう
に発電のみを目的としない、中小規模の発電・多目的利
用を特徴とするヘリウム冷却高温ガス。
1. A gas-cooled furnace using helium as a coolant, which is very unlikely to cause a serious accident because helium is chemically inert, and has inherent safety and excellent passive characteristics even during an accident. The primary helium circuit including the reactor has cooling characteristics and the secondary helium circuit for the heat utilization system is separated and installed so that there is no leakage of radioactive materials, and safety is improved to improve the heat output of the furnace. It has a high total thermal efficiency of using about 90% and does not emit carbon dioxide gas at all from the entire circuit, so it is an excellent resource for the environment and the global environment, and it is not a power generation facility like light water reactors.・ Helium-cooled high-temperature gas characterized by multipurpose use.
【請求項2】 一次回路のヘリウムは原子炉内で出口温
度950℃まで加熱されるが、ガスタービンサイクルの
発電熱効率を高めるために、従来350℃〜400℃で
あった原子炉入口温度を450℃まで高めて冷却材であ
るヘリウムの流量を増加させ、その際、原子炉容器の温
度を低温に保って安全性を確保するために、鋼鉄製の原
子炉容器内面に金属薄板波状構造の内部断熱層を取り付
けて原子炉容器の圧力境界と温度境界を分離し、ヘリウ
ムは炉の下部から入り、炉心と内部断熱層の間の環状空
間を流れ、450℃のヘリウムが直接原子炉容器と接し
ないようにすることによって原子炉容器の温度を約30
0℃以下に保持して安全性を確保すると同時に、ヘリウ
ム冷却材の原子炉入口温度を450℃まで高めることに
よって、一次及び二次回路のヘリウム流量を増加させ、
その結果ガスタービンサイクルの熱効率を向上させる原
子炉容器構造。
2. The helium in the primary circuit is heated to an outlet temperature of 950 ° C. in the reactor, but in order to improve the heat generation efficiency of the gas turbine cycle, the reactor inlet temperature of 350 ° C. to 400 ° C. is set to 450 ° C. To increase the flow rate of helium as a coolant by increasing the temperature to ℃, in order to maintain the temperature of the reactor vessel at a low temperature and ensure safety, the inside of the steel sheet metal corrugated structure inside the reactor vessel is made of steel. A heat insulation layer is attached to separate the pressure boundary and temperature boundary of the reactor vessel, helium enters from the lower part of the reactor, flows in the annular space between the core and the inner heat insulation layer, and helium at 450 ° C directly contacts the reactor vessel. The temperature of the reactor vessel will be reduced to about 30
By maintaining the temperature below 0 ° C to ensure safety, and simultaneously increasing the reactor inlet temperature of helium coolant to 450 ° C, the helium flow rate in the primary and secondary circuits is increased,
As a result, a reactor vessel structure that improves the thermal efficiency of the gas turbine cycle.
【請求項3】 二次回路に設置してあるヘリウムガスタ
ービンは最適膨張比の条件下において約45%の熱効率
で発電が可能であり、更に予冷却器及び中間冷却器にお
いて、タービン排気からの高温ヘリウムと高圧圧縮機出
口からの高温ヘリウムによって海水を加熱・フラッシュ
することによって淡水化し、この淡水を立地地域の民生
と農産業等に利用して、原子炉熱出力を発電と海水淡水
化等の多目的に利用可能で、しかも熱出力の約90%を
利用できる非常に高い全熱効率を持った高温ガス炉。
3. The helium gas turbine installed in the secondary circuit can generate power with a thermal efficiency of about 45% under the condition of the optimum expansion ratio, and further, in the precooler and the intercooler, the power from the turbine exhaust gas is exhausted. Seawater is desalinated by heating and flushing it with high-temperature helium and high-temperature helium from the outlet of the high-pressure compressor, and this freshwater is used for the civilian and agricultural industries in the location area to generate heat from the reactor and generate desalination of seawater. A high-temperature gas furnace with a very high total thermal efficiency that can be used for multiple purposes and can use about 90% of the heat output.
【請求項4】 ヘリウムガスタービンによって発電され
た電力は電力網に送電して社会的に利用することを主目
的とするが、一部の電力あるいは夜間の余剰電力を用い
てイオン半透膜交換淡水化によって淡水を造成し、立地
地区の民生・農産業に利用するかあるいは貯水等に用
い、一方、タービンからの排熱等は海水淡水化、化学産
業、等に用いることができる多目的利用の可能性を持つ
ことを特徴とする高温ガス炉。
4. The electric power generated by the helium gas turbine is mainly transmitted to an electric power grid for social use, but a part of the electric power or surplus electric power at night is used to replace the ion semipermeable membrane exchange fresh water. Desalination can be used for the civilian / agricultural industry in the location area or used for water storage, while exhaust heat from the turbine can be used for seawater desalination, chemical industry, etc. High temperature gas furnace characterized by having properties.
【請求項5】 軽水炉の使用済み燃料に含まれる残存ウ
ランと運転中に生成されたプルトニウムとを化学的に分
離した後別々の酸化物燃料コンパクトを作り、ウラン燃
料コンパクトとプルトニウム燃料コンパクトを燃料棒内
に軸方向に1個ずつ交互に挿入した燃料棒を炉内で燃焼
させるか、あるいは、ウラン燃料コンパクトのみからな
る燃料棒とプルトニウム燃料コンパクトのみからなる燃
料棒を製造してこれら別々の燃料棒を炉心内に適当に配
置して燃焼し、核分裂性プルトニウムをほぼ完全に燃焼
・消費して軽水炉で生成された核兵器に転換し得るプル
トニウムを無くすることを特徴とする請求項1又は請求
項2又は請求項3又は請求項4に記載の高温ガス炉。
5. A uranium fuel compact and a plutonium fuel compact are produced by chemically separating the residual uranium contained in the spent fuel of the light water reactor from the plutonium produced during operation, and producing separate oxide fuel compacts. These fuel rods are made by burning fuel rods that are inserted axially one by one alternately in the furnace, or by manufacturing fuel rods that consist of uranium fuel compact only and fuel rods that consist only of plutonium fuel compact. Is appropriately placed in the core and burned to burn the fissionable plutonium almost completely so as to eliminate plutonium that can be converted into nuclear weapons produced in a light water reactor. Alternatively, the high temperature gas reactor according to claim 3 or 4.
【請求項6】 軽水炉は、電気出力1000MW程度の
大出力規模を中心として開発・建設が進められている
が、本発明の高温ガス炉は電気出力180MWを中心と
し、この3倍程度までの中小規模を対象とする特徴を持
ち、請求項1又は請求項2又は請求項3又は請求項4又
は請求項5の特徴を持つ高温ガス炉。
6. A light water reactor is being developed and constructed mainly for a large output scale of about 1000 MW of electric output, but the high temperature gas reactor of the present invention is centered on an electric output of 180 MW, and is a medium or small size up to about 3 times this. A high-temperature gas-cooled reactor having a feature of scale and having the features of claim 1 or claim 2 or claim 3 or claim 4 or claim 5.
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