JP4001305B2 - Fast reactor primary coolant circulation system - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速炉の一次冷却系の冷却材を循環させる一次冷却材循環装置に関する。より詳しくは、本発明は、停電等の主電源喪失時においても冷却材を循環させる高速炉の一次冷却材循環装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高速炉の一次冷却材循環装置は、停電等により主電源を喪失した場合であっても炉心の健全性を維持するのに必要な冷却材の最低流量を確保しなければならない。このため、従来の高速炉の一次冷却材循環装置は、一次冷却系の冷却材を循環させる機械式ポンプにフライホイールとポニーモータを設置していた。すなわち、主電源喪失後もフライホイールの回転慣性により一定時間ポンプを駆動し続けるようにし、その慣性エネルギが無くなるまでの短時間(数十秒程度)の間にディーゼル発電機を立ち上げるか又は電力供給源を非常用バッテリに切り替え、かかる電力によりポニーモータを作動させてポンプの回転を維持し、冷却材の流量として定格流量の約10%を確保するようにしている。
【0003】
主電源の喪失によって立ち上げられるディーゼル発電機は、短時間で確実に立ち上げを行えるように設計されている。また、ポニーモータの電力供給源となる非常用バッテリは、要求される時間にわたってポニーモータを連続運転できるように設計されている。そして、現実の高速炉プラントでは、これらを組み合わせることで多重性を与えプラントの安全性をより高める設計となっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高速炉プラントでは機器類の信頼性を維持することが特に重要であり、そのためにはディーゼル発電機、非常用バッテリおよびポニーモータ等の保守管理に多大な労力が必要である。また、プラントの物量削減や経済性の観点からは、ディーゼル発電機や非常用バッテリを不要にすることが望ましい。これらのため、より信頼性が高く且つ保守の容易な高速炉の一次冷却材循環装置の開発が要請されている。
【0005】
本発明は、簡単な構造で信頼性の高い高速炉の一次冷却材循環装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項1記載の高速炉の一次冷却材循環装置は、複数基の循環ポンプを備える高速炉の一次冷却材循環装置において、前記循環ポンプとして、冷却材に貯えられた熱を利用して熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプと、主電源からの交流電流によって作動される循環ポンプを備える構成である。
【0007】
したがって、冷却材に熱が貯えられている限り熱電発電システムは発電を行い、冷却材を循環させる循環ポンプを駆動し続ける。即ち、停電等により主電源を喪失した場合であっても、一次冷却材の循環が必要なほどに炉心の温度が高ければその熱を利用して発電が行われ、循環ポンプが一次冷却材を循環させて炉心を冷却し続ける。
【0008】
この場合、請求項2記載の高速炉の一次冷却循環装置のように、熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプは、熱電発電システムにより発電された直流電流によって作動する直流モータ駆動ポンプであることが好ましい。この場合には、熱電発電システムにより発電された直流電流によって循環ポンプである直流モータ駆動ポンプを直接駆動することができる。
【0009】
また、請求項3記載の高速炉の一次冷却循環装置のように、熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプは、熱電発電システムにより発電された直流電流を直流・交流コンバータによって変換した交流電流によって作動される電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプであることが好ましい。この場合には、交流を発生させることができるので、主循環ポンプとして電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプも使用することができる。
【0010】
さらに、請求項4記載の高速炉の一次冷却循環装置は、熱電発電システムは、両面の温度差により発電を行う熱電変換素子と、該熱電変換素子の一側面に冷却材に貯えられた熱を導く高温側熱伝導手段と、熱電変換素子の他側面を冷却する低温側熱伝導手段を備え、高温側熱伝導手段及び低温側熱伝導手段は、傾斜機能材料を有する熱応力緩和パッドを挟んで熱電変換素子に接合された構成である。
【0011】
したがって、高温側熱伝導手段によって導かれた冷却材の熱によって加熱される熱電変換素子の一側面と、低温側熱伝導手段によって冷却される他側面との間に温度差が発生する。この温度差により熱電変換素子が発電を行い、循環ポンプを作動させる。熱電変換素子には両面の温度差に起因して熱応力が発生するが、この熱応力は各熱応力緩和パッドの傾斜機能材料によって吸収される。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【0013】
図1及び図6に、本発明を適用した高速炉の一次冷却材循環装置の実施形態の一例を示す。この高速炉は、原子炉容器15内の炉心19を冷却する一次冷却系の冷却材4として、例えば液体ナトリウムを使用するタンク型の高速増殖炉であり、一次冷却材循環装置は複数基の循環ポンプを備えると共に、当該循環ポンプとして、冷却材4に貯えられた熱を利用して熱電発電システム8により発電された電力を動力源として運転される循環ポンプ3と、主電源18からの交流電流によって作動される循環ポンプ5を備えている。ここで、循環ポンプ3は、熱電発電システム8で発電される直流電流をそのまま利用する場合には直流モータ駆動ポンプが、また直流電流をD/Aコンバータを介して交流に変換する場合には電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプが使用される。
【0014】
熱電発電システム8は、図2に示すように、熱電変換モジュール6と、高温側熱伝導手段である集熱用ヒートパイプ2と、低温側熱伝導手段である放熱用ヒートパイプ7を備えて構成されている。熱電変換モジュール6は、図3に示すように、多数の熱電変換ユニット9の集合であり、各熱電変換ユニット9は、図4に示すように、熱電変換素子1の両側面に高温側熱応力緩和パッド10及び低温側熱応力緩和パッド11を接合して構成されている。
【0015】
熱電変換素子1は両面の温度差により発電を行う素子で、例えば鉛・テルル(PbTe)半導体素子である。ただし、これに限るものではなく、例えばビスマス・テルル(BiTe)半導体素子やシリコン・ゲルマニウム(SiGe)半導体素子等の使用が可能である。これらの半導体素子のうちいずれを選択するかは、使用温度領域等に応じて決定される。いずれの素子も、正孔の濃度が高いP型半導体と電子の濃度が高いN型半導体より成り、両者の組合せにより起電力を発生する。実際には、複数対のP型半導体とN型半導体を電気的に直列に接続することにより出力を増大させる。
【0016】
各熱応力緩和パッド10,11は、傾斜機能材料12,13とグラファイト層14より構成されている。各熱応力緩和パッド10,11のグラファイト層14は各傾斜機能材料12,13と熱電変換素子1との間に配置され、熱電変換素子1の成分の拡散を防止する。
【0017】
各傾斜機能材料12,13は、熱応力緩和材兼熱伝導体と電気絶縁材との組成割合を厚さ方向に徐々に変化させたもので、熱応力緩和材兼熱伝導体は、熱伝導率が大きく弾性定数の小さな材料、例えば銅やパラジウム等の金属である。ここで、銅は、熱伝導率λに対する弾性定数Eの比率(E/λ)が非常に小さい。したがって、熱伝導性の熱応力緩和材兼熱導伝体として銅を使用すると、高い熱伝導性能を維持しながら熱応力を緩和することができる。しかしながら、使用温度の高いSiGe素子等を熱電変換素子1として使用する場合には、高温側熱応力緩和パッド10の使用温度が銅の融点に接近するため、低温側熱応力緩和パッド11についてのみ銅を使用し、高温側熱応力緩和パッド10については銅に次いで性能の優れたパラジウムを使用することが好ましい。ただし、熱応力緩和材兼熱導伝体として使用する材料は、必ずしも銅やパラジウムに限るものではないことは勿論である。この場合、熱伝導率が大きく弾性定数の小さいもの、即ち熱伝導率に対する弾性定数の比率がより小さいものがより好ましい。また、この性質を満たすものであれば必ずしも金属に限定されない。一方、電気絶縁材は、例えばアルミナであり、アルミナの他にも窒化珪素や炭化珪素等のセラミックを適用することができる。炭化珪素等の各種のセラミックは、熱伝導性が良く、熱による変形が少なくしかも電気絶縁性に優れているため好ましい材料といえる。ただし、電気絶縁材として使用する材料は、必ずしもアルミナや窒化珪素等のセラミックに限るものではないことは勿論である。本実施形態の各傾斜機能材料12,13は、熱電変換素子1側を熱応力緩和材兼熱伝導体である銅(Cu)の層(以下、Cu層という)12a,13aとすると共に、集熱用ヒートパイプ2又は放熱用ヒートパイプ7側を電気絶縁材であるアルミナ(Al2O3)の層(以下、アルミナ層という)12b,13bとし、さらに各Cu層12a,13aと各アルミナ層12b,13bとの間を銅とアルミナの組成割合を徐々に変化させる層12c,13cとしている。各Cu層12a,13aは、各熱電変換素子1P,1Nを電気的に直列に接続する電極としても機能する。
【0018】
各熱応力緩和パッド10,11の傾斜機能材料12,13を構成する銅(熱応力緩和材兼熱導伝体)及びアルミナ(電気絶縁材)は、いずれも粉末の状態で入手することができる。したがって、粉末冶金法により傾斜機能材料12,13を製造することができる。例えば、2本のノズルから粉末を噴射する装置を使用し、一方のノズルから銅の粉末を型内に噴射させ、他方のノズルからアルミナの粉末を型内に噴射させる。この場合、両ノズルの噴射比率を制御することにより各粉末の充填割合を厚さ方向内側から両外側に向けてそれぞれ徐々に変化させた層状ないし板状のペレット(粉末の塊)を造る。ペレットの圧縮成形後、当該ペレットを炉で加熱して焼結することにより傾斜機能材料12,13を得ることができる。
【0019】
このようにして製造される傾斜機能材料12,13では、線膨張率が大きく異なる熱応力緩和材兼熱導伝体と絶縁性材料との組成割合を徐々に変化させているので、各熱応力緩和パッド10,11として使用した場合には内部に発生する熱応力を特定箇所に集中させることなく分散させることができる。
【0020】
集熱用ヒートパイプ2は、各熱電変換素子1の一側面(高温側面)に高温側熱応力緩和パッド10を挟んで接合され、当該高温側面に冷却材4に貯えられた熱を導く。また、放熱用ヒートパイプ7は、各熱電変換素子1の他側面(低温側面)に低温側熱応力緩和パッド11を挟んで接合され、当該低温側面を冷却する。
【0021】
次に、一次冷却材循環装置の作動について説明する。
【0022】
冷却材4の熱は集熱用ヒートパイプ2によって熱電発電システム8の各熱電変換素子1の高温側面に伝えられ、また、各熱電変換素子1の低温側の熱は放熱用ヒートパイプ7により除去される。したがって、各熱電変換素子1の両面間には温度差が発生し、各熱電変換素子1は循環ポンプ3を駆動させる電力を発生させる。即ち、停電等により主電源を喪失した場合であっても、冷却材4の循環が必要なほどに炉心19の温度が高ければその熱を利用して発電が行われ、循環ポンプ3が冷却材4を循環させて炉心を冷却し続ける。
【0023】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、タンク型の高速炉に適用していたが、ループ型やハイブリッド型の高速炉にも適用可能である。ただしループ型の原子炉に適用した場合には、熱電発電システム8の電力で駆動されるポンプ3を原子炉容器15内に設置する必要がある。そのため原子炉容器15の構造によってはかかるポンプの設置スペースを確保するために若干の工夫を要する場合がある。例えば、一次主配管が原子炉容器15の下部に接続する「下部流入方式」のループ型高速炉の場合には、原子炉容器15の直径を若干増大させる必要がある。これに対して一次主配管が原子炉容器15の側面に接続する「上部流入方式」または遮蔽プラグ21を貫通して上部から原子炉容器15に流入する「トップエントリー方式」のループ型高速炉の場合には、もともと原子炉容器内には十分なスペースが確保されているため、かかるポンプの設置は比較的容易である。
【0024】
また、上述の説明では、熱電変換素子1を挟む各熱応力緩和パッド10,11の傾斜機能材料12,13として、一側面から他側面に向けて熱応力緩和材兼熱伝導体と電気絶縁材との組成割合を徐々に変化させたものを使用しているが、例えば、これらの組成割合を厚み方向の内側から両外側に向けてそれぞれ変化させるようにしても良い。例えば、図5に示すように、各傾斜機能材料12,13の厚さ方向の中央にアルミナ(電気絶縁材)層12b,13bを形成し、その両側にアルミナとCu(熱応力緩和材兼熱伝導体)の組成割合を徐々に変化させる層12c,13cを形成し、さらにこれらの外側にCu層12a,13aを形成しても良い。この場合には、各傾斜機能材料12,13の厚さ方向全体からみて当該組成割合の変化の方向を途中で逆に、即ち電気絶縁材と熱応力緩和材兼熱導伝体の比が増加する傾向にあるか減少する傾向にあるかを途中で変えることができる。つまり、各傾斜機能材料12,13がアルミナ(セラミック)層12b,13bの両側にCu(金属)層12a,13aを配置する構造となり、製造時の焼結温度から室温までの冷却過程において、金属とセラミックの熱膨張差に起因した反りや亀裂の発生防止を図ることができる。このため、各傾斜機能材料12,13の製造が容易になってコスト低減が可能になると共に、健全性も改善されて品質的に安定したものを得ることができる。また、各傾斜機能材料12,13の両外側を金属(Cu)層12a,13aにできるので、即ち各傾斜機能材料12,13の両外側の材料を集熱用ヒートパイプ2又は放熱用ヒートパイプ7の材料と同一のもの又は線膨張率が近いものにすることができるため、高温側熱応力緩和パッド10と集熱用ヒートパイプ2、低温側熱応力緩和パッド11と放熱用ヒートパイプ7の接合が容易になると共に、これらの接合強度を増大させることができる。また、必ずしも両外側のCu層12a,13aの中央にアルミナ層12b,13bを形成する必要はなく、いずれか一方のCu層12a,13a側に偏らせた位置にアルミナ層12b,13bを形成しても良い。即ち、両側の層12c,13cの厚さを同一にする必要はなく、互いに変えても良い。また、両側の層12c,13cの前記組成割合の変化の割合を、必ずしも熱電素子1側と集熱用ヒートパイプ2又は放熱用ヒートパイプ7側とで同一にする必要はなく、変化させても良いことは勿論である。なお、上述の熱応力緩和材兼熱伝導体から成るCu層12a,13aや電気絶縁材から成るアルミナ層12b,13bは、必ずしも100%のCu又はアルミナより構成される必要はなく、実質的に熱応力緩和材兼熱伝導体としての機能を確保できる範囲で電気絶縁材等を含んでも良く、又は実質的に電気絶縁材としての機能を確保できる範囲で熱応力緩和材兼熱伝導体を含んでも良いことは勿論である。
【0025】
さらに、上述の説明では、熱電発電システム8は熱電変換素子1、高温側熱伝導手段である集熱用ヒートパイプ2及び低温側熱伝導手段である放熱用ヒートパイプ7を備え、各ヒートパイプ2,7は、傾斜機能材料12,13を有する熱応力緩和パッド10,11を挟んで熱電変換素子1に接合していたが、傾斜機能材料12,13を有する熱応力緩和パッド10,11を省略しても良いことは勿論である。
【0026】
【実施例】
(実施例1)
[一次冷却材循環装置の構成]
図6及び図7に示すように、一次冷却材循環装置の主循環ポンプとして全部で3基の機械式主循環ポンプを設置し、そのうちの1基を熱電発電システム8により発電された直流電流によって作動される循環ポンプ(以下、直流モータ駆動ポンプという)3とし、残りの2基を主電源18からの交流電流によって作動される循環ポンプ(以下、交流モータ駆動ポンプ)5とした。なお、従来の主循環ポンプでは主電源喪失時のためにフライホイール及びポニーモータを備えていたが、本実施例に係る直流モータ駆動ポンプ3ではフライホイール及びポニーモータの両方を省略し、2基の交流モータ駆動ポンプ5についてはポニーモータのみを省略した。そして、2基の交流モータ駆動ポンプ5が一次冷却系定格流量の90%(各々45%ずつ)を分担し、残りの10%を直流モータ駆動ポンプ3が分担するように設定した。
【0027】
[熱電発電システムの構造]
熱電変換システム8の熱電変換モジュール6を、図1に示すケーシング20内に21個並べて収容し、原子炉遮蔽プラグ21上に設置した。各熱電変換モジュール6は、360個の熱電変換ユニット9で構成した。25mm角程度の大きさの熱電変換ユニット9の1個当たりの出力は約8W、1個の熱電変換モジュール6では約2.88kWの出力となる。したがって本モジュール6が21個で約60MWの出力が得られる。熱電変換モジュール6の大きさは、縦が30cm,横が13cmであり、縦方向に3列,横方向に7列並べることで21個の熱伝変換モジュール6を原子炉遮蔽プラグ21上の1m角の正方形のスペースに設置することができた。
【0028】
集熱用ヒートパイプ2は、各熱電変換モジュール6毎に6本ずつ、熱電発電システム8全体としては126本設置した。このとき、各集熱用ヒートパイプ2は、互いの間に所定距離の隙間をあけて矩形状に並べ束ねるようにして設置した。また、各集熱用ヒートパイプ2の下端を遮蔽プラグ21を貫通させて原子炉容器15のホットプレナム内に挿入する一方、これらの各上端を熱電変換ユニット9の高温側熱応力緩和パッド10を挟んで各熱電変換素子1の一側面に接合した。各集熱用ヒートパイプ2内には、作動流体として、セシウムを封入した。ただし、セシウムに代えて、リチウム等を封入しても良い。
【0029】
放熱用ヒートパイプ7は、各熱電変換モジュール6毎に7本ずつ、熱電発電システム8全体としては147本設置した。このとき、各放熱用ヒートパイプ7は、互いの間に所定距離の隙間をあけてほぼ矩形状に並べ束ねるようにして設置した。これら各放熱用ヒートパイプ7は2重ダクト16の内側通路内に収容し、それぞれ下端を対応する熱電変換素子1の他側面即ち低温側面に接合した。即ち、各放熱用ヒートパイプ7を、熱電変換ユニット9の低温側熱応力緩和パッド11を挟んで各熱電変換素子1の他側面に接合した。また、各放熱用ヒートパイプ7の上端近傍には、図8に示すように、放熱パネル17を固着した。各放熱用ヒートパイプ7内に封入される作動流体として、水を封入した。ただし、水に限るものではないことは勿論である。
【0030】
放熱用ヒートパイプ7を収容する2重ダクト16はその内側通路と外側通路を下端部で通じさせている一方、その上端を原子炉建物の外部に突出させて内側通路及び外側通路を大気に開放している。したがって、2重ダクト16内では、冷たい外気が外側通路を下降し、下端部で反転して内側通路に流入し、放熱用ヒートパイプ7を冷却しながら加熱されて上昇して排出される。すなわち、各放熱用ヒートパイプ7は、外気の自然循環により除熱を行うことができる。
【0031】
電気出力6万kWe程度の小型高速炉に適用する場合、集熱用ヒートパイプ2で熱電変換モジュール6に伝達される熱エネルギは750kWである。そして、熱電変換モジュール6のエネルギ変換効率を8%と仮定すると、熱電発電システム8によって60kWの発電が行われることになる。残り690kWの熱エネルギは放熱用ヒートパイプ7により原子炉格納容器15の外部まで伝達され放出される。この場合の集熱用ヒートパイプ2の軸方向熱流束は300W/cm2 程度である。従って内径50mmのヒートパイプを126本互いに隙間をあけながら1m角の正方形断面スペースに配置することができる。かかる断面寸法は各循環ポンプ3,5の直径よりも小さく、原子炉容器15内に容易に設置することができる。なお、集熱用ヒートパイプ2も同様である。
【0032】
[運転条件]
通常運転状態における原子炉容器ホットプレナム内の冷却材4である液体ナトリウムの温度は、530℃程度である。この熱が集熱用ヒートパイプ2によって各熱電変換素子1の一側面に導かれた。また、2重ダクト16の外側通路及び内側が開口する雰囲気(外気)の温度は30℃位であり、各熱電変換素子1の他端面の熱が放熱用ヒートパイプ7及び2重ダクト16を伝わって雰囲気に排出された。したがって、各熱電変換素子1の両面間には発電可能な温度差が発生した。
【0033】
[作動]
原子炉が通常運転されている場合には、2基の交流モータ駆動ポンプ5は主電源(交流)18から供給される電力により駆動され、また、直流モータ駆動ポンプ3は熱電発電システム8の熱電変換素子1から供給される直流電源により駆動される。この状態では、冷却材4の流量の90%を2基の交流モータ駆動ポンプ5が分担し、残りの10%を直流モータ駆動ポンプ3が分担する。
【0034】
そして、停電等により主電源18が喪失した場合には、2基の交流モータ駆動ポンプ5への電力供給が断たれる。このため、各交流モータ駆動ポンプ5はフライホイールに貯えられた慣性エネルギによりしばらくの間は回転するが、このエネルギの消耗によりその回転数を徐々に低下させ、数十秒経過後には完全に停止すると考えられる。一方、主電源18を喪失した場合であっても、熱電発電システム8の熱電変換素子1は冷却材4の熱により発電し続けるので、直流モータ駆動ポンプ3への電力供給は継続されると考えられる。したがって、直流モータ駆動ポンプ3は作動し続け、冷却材4の定格流量の10%の流量を確保することが可能である。
【0035】
また、主電源18を喪失した場合には、原子炉はスクラムされて炉心19の出力は直ちに低下するように設計されている。しかしながら、炉心19の温度は放射性物質の崩壊熱によりすぐには下がらない。また、原子炉容器15のホットプレナム内の冷却材4及び構造材には継続して相当な熱エネルギが貯えられているため、原子炉停止後もしばらくの間は直流モータ駆動ポンプ3が作動し続け、定格時の一次系冷却材4の流量の約10%を維持しておくことができると考えられる。これにより、一次冷却系による除熱能力も10%が維持可能である。
【0036】
各交流モータ駆動ポンプ5が完全に停止する原子炉停止の数十秒後の崩壊熱は、定格出力の約4%であると考えられる。すなわち、各交流モータ駆動ポンプ5が停止した後も、崩壊熱出力を上回る除熱能力を得ることが可能である。このため、ホットプレナム温度は徐々に低下し、この温度低下に呼応して熱電発電システム8による発電量が減少し、直流モータ駆動ポンプ3による冷却材4の流量も徐々に低下すると考えられる。しかしながら直流モータ駆動ポンプ3による流量が減少する頃には、炉心19の温度は冷却材4の直流モータ駆動ポンプ3による強制的な循環を不要にするまで十分に下がっていると考えられる。
【0037】
すなわち、炉心温度が高くて冷却材4を強制的に循環させる必要がある間は、炉心19で発生した熱を利用して冷却材4を強制的に循環させておくことが可能である。このため、従来の高速炉プラントのように主電源喪失と同時にディーゼル発電機を起動して主循環ポンプのポニーモータに電力を供給する必要はなくなる。ただし、高速炉プラントにはディーゼル発電機を備えることがあるが、その役割は空調設備等への電力供給にとどまるため、必ずしも主電源喪失と同時にディーゼル発電機を起動させる必要はなく、起動に対する信頼性の要求は従来のものに比べて大幅に軽減されている。
【0038】
[プラント効率への影響]
熱出力15万kWの小型高速炉プラントの場合について検討する。ここで、タービン発電機のエネルギ変換効率を42%、熱電変換システムのエネルギ変換効率(熱損失を考慮した正味の値)を8%と仮定する。なお一次冷却系のポンプ動力以外の所内動力(二次冷却系ポンプ、空調換気系、予熱ヒータなど)も考慮してある。
【0039】
正味プラント効率を比較すると、従来プラントでは39.24%であるのに対して、本発明の一次冷却系循環装置を適用したプラントでは39.03%となった。すなわち、本発明の一次冷却系循環装置を適用したプラントでは、従来プラントに比べて正味プラント効率をほとんど損なうことなく、以下の効果を得ることができた。つまり、主電源喪失時に炉心の冷却に最低限必要な冷却材4の流量を高い信頼性で確保することができた。また、従来必要であった一次冷却系の主循環ポンプのポニーモータを削減することができると共に、当該ポニーモータを駆動するための非常用バッテリ設備の削除も可能になり、或いはディーゼル発電機をポニーモータ駆動用として使用する必要がなくなるのでディーゼル発電機の起動に対する信頼性の要求を従来に比べて大幅に軽減することができた。さらにこれらのため、プラントの物量削減、保守管理の軽減および経済性の向上を実現することができた。
【0040】
(実施例2)
上述の実施例1では、循環ポンプとして機械式のポンプ(交流モータ駆動ポンプ、直流モータ駆動ポンプ)を設置したが、機械式ポンプに代えて電磁ポンプを使用する。即ち、図9に示すように、2基の交流モータ駆動ポンプ(機械式ポンプ)5と1基の電磁ポンプ3を組み合わせて使用する。この場合、2基の交流モータ駆動ポンプ5を主電源18の電力によって作動させる一方、電磁ポンプ3を熱電発電システム8の熱電変換素子1により発電された直流電流を直流・交流コンバータ22によって変換した交流電流によって作動させる。なお、熱電発電システム8の構造は実施例1と同様であり、その説明は省略する。
【0041】
本実施例では、定格運転時の流量の分担比率を、2基の機械式ポンプ5がそれぞれ45%、電磁ポンプ3が10%に設定する。電磁ポンプ3は機械式ポンプに比べて効率は劣るが、機械式ポンプ5における軸受けの固着などの故障がないため、信頼性は高い。この場合の正味プラント効率を試算すると38.82%になった。この値は、全ての主循環ポンプを機械式とした場合よりも低いものであるが、これは機械式ポンプよりも効率の低い電磁ポンプを使用したためであり、正味プラント効率への影響はわずかであることがわかった。
【0042】
(実施例3)
循環ポンプの全てを電磁ポンプにする。即ち、各熱電変換素子1により発電した電力を直流・交流コンバータ22により交流に変換し、これを動力源として主電源喪失時でも運転が可能な電磁ポンプ3と、主電源(交流)18を動力源とする2基の電磁ポンプ5とを組み合わせる。この場合にはすべてが電磁ポンプであるため、主電源喪失時には主電源18を動力源とする2基の電磁ポンプ3は瞬時に停止すると考えられる。これはフライホイール付き機械式ポンプが電源喪失直後にも慣性により一定時間だけ回転を続ける方式に比べて、炉心19の健全性維持という観点からは条件的に厳しいものである。そのため定格運転時の流量の分担比率は、2基の電磁ポンプ5が各40%、1基の電磁ポンプ3が20%とし、電磁ポンプ3の分担を前述の各実施例よりも高めている。この場合の正味プラント効率を試算すると38.46%になった。機械式ポンプを使用した場合に比べて低い結果となったが、これは機械式ポンプよりも効率の低い電磁ポンプを使用したためであり、正味プラント効率への影響はわずかであることがわかった。なお、熱電発電システム8の構造や運転条件は実施例1と同様にした。
【0043】
(実施例4)
上述の各実施例では熱電発電システム8の電力により駆動される循環ポンプとして直流モータ駆動ポンプ3を1基だけ設置したが、熱電変換素子1の電力により駆動されるポンプを2基以上設置しても良い。
【0044】
(実施例5)
主電源18の電力により駆動される循環ポンプを3基以上設置した場合であって良い。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1記載の高速炉の一次冷却材循環装置では、循環ポンプとして、冷却材に貯えられた熱を利用して熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプと、主電源からの交流電流によって作動される循環ポンプを備えているので、主電源によることなく冷却材の熱を利用して炉心を冷却する一次冷却材を循環させることができる。このため、主電源喪失時に炉心の冷却に必要な冷却材の最低流量を高い信頼性で確保することが可能になる。また、従来必要であった一次主循環ポンプのポニーモータやこれを駆動する非常用バッテリ設備又はディーゼル発電機を不要にすることができるので、プラントの物量を削減することができると共に保守管理を容易にし、経済性を向上させることができる。さらに、ディーゼル発電機をプラントの空調設備等への電力供給用として使用することはあるがポニーモータ駆動用としては使用することがないので、ディーゼル発電機の起動に対する信頼性の要求を従来のものに比べて大幅に軽減することができる。
【0046】
また、請求項2記載の高速炉の一次冷却材循環装置では、熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプが熱電発電システムにより発電された直流電流によって作動する直流モータ駆動ポンプであるので、熱電発電システムにより発電された直流電流によって主循環ポンプである直流モータ駆動ポンプを直接駆動することができる。
【0047】
また、請求項3記載の高速炉の一次冷却材循環装置では、熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプが熱電発電システムにより発電された直流電流を直流・交流コンバータによって変換した交流電流によって作動される電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプであるので、主循環ポンプとして交流電流によって作動する電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプを使用することができる。
【0048】
さらに、請求項4記載の高速炉の一次冷却循環装置では、熱電発電システムが、両面の温度差により発電を行う熱電変換素子と、該熱電変換素子の一側面に冷却材に貯えられた熱を導く高温側熱伝導手段と、熱電変換素子の他側面を冷却する低温側熱伝導手段を備え、高温側熱伝導手段及び低温側熱伝導手段は、傾斜機能材料を有する熱応力緩和パッドを挟んで前記熱電変換素子に接合されているので、熱電変換素子の温度差に起因して発生する熱応力を傾斜機能材料によって分散させて吸収することができる。このため、各熱伝導手段と熱電変換素子の接合状態が破壊され難くなり、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る一次冷却材循環装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図2】本発明に係る一次冷却材循環装置の熱電発電システムの断面図である。
【図3】図2の熱電発電システムを構成する熱電変換モジュールの斜視図である。
【図4】図3の熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子の断面図である。
【図5】熱電変換素子の他の実施形態を示す断面図である。
【図6】本発明に係る一次冷却材循環装置の第1の実施例を示すブロック図である。
【図7】図6の一次冷却材循環装置の熱電発電システムと各ポンプとの位置関係を上方から示す図である。
【図8】図6の熱電発電システムの放熱用ヒートパイプの放熱パネルを示す斜視図である。
【図9】本発明に係る一次冷却材循環装置の第2の実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 熱電変換素子
2 集熱用ヒートパイプ(高温側熱伝導手段)
3 循環ポンプ
4 冷却材
7 放熱用ヒートパイプ(低温側熱伝導手段)
8 熱電発電システム
10,11 熱応力緩和パッド
12,13 傾斜機能材料[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a primary coolant circulating apparatus for circulating a coolant in a primary cooling system of a fast reactor. More specifically, the present invention relates to a primary coolant circulation device for a fast reactor that circulates a coolant even when main power is lost such as a power failure.
[0002]
[Prior art]
The primary coolant circulation system for the fast reactor must ensure the minimum coolant flow rate necessary to maintain the soundness of the core even when the main power supply is lost due to a power failure or the like. For this reason, in the conventional primary coolant circulation device for a fast reactor, a flywheel and a pony motor are installed in a mechanical pump that circulates the coolant in the primary cooling system. That is, even after the main power supply is lost, the pump is continuously driven for a certain period of time due to the rotational inertia of the flywheel, and the diesel generator is started up for a short time (about several tens of seconds) until the inertial energy disappears, or the power is The supply source is switched to the emergency battery, and the pony motor is operated by such electric power to maintain the rotation of the pump, so that about 10% of the rated flow rate is secured as the flow rate of the coolant.
[0003]
Diesel generators that are started up due to the loss of the main power supply are designed to start up reliably in a short time. The emergency battery serving as the power supply source of the pony motor is designed so that the pony motor can be continuously operated over a required time. And in an actual fast reactor plant, it combines with these, and it has the design which gives multiplicity and raises the safety | security of a plant more.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the fast reactor plant, it is particularly important to maintain the reliability of the equipment, and for that purpose, a great deal of labor is required for maintenance management of diesel generators, emergency batteries, pony motors, and the like. Moreover, it is desirable to eliminate the need for a diesel generator and an emergency battery from the viewpoint of reducing the amount of plant material and economy. For these reasons, there is a demand for the development of a primary coolant circulation device that is more reliable and easier to maintain.
[0005]
An object of the present invention is to provide a primary coolant circulating apparatus with a simple structure and high reliability.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, a primary coolant circulation device for a fast reactor according to claim 1 is stored in a coolant as the circulation pump in the primary coolant circulation device for a fast reactor having a plurality of circulation pumps. Pump that is operated using the power generated by the thermoelectric power generation system using the generated heat as a power source And a circulation pump operated by an alternating current from the main power supply It is a configuration.
[0007]
Therefore, as long as heat is stored in the coolant, the thermoelectric power generation system generates power and continues to drive the circulation pump that circulates the coolant. That is, even if the main power supply is lost due to a power failure or the like, if the temperature of the core is high enough to circulate the primary coolant, power is generated using the heat, and the circulation pump uses the primary coolant. Continue cooling to keep the core cool.
[0008]
In this case, as in the primary cooling and circulating apparatus of the fast reactor according to
[0009]
Moreover, like the primary cooling and circulation device of the fast reactor according to
[0010]
Furthermore, in the primary cooling and circulating apparatus of the fast reactor according to
[0011]
Therefore, a temperature difference is generated between one side surface of the thermoelectric conversion element heated by the heat of the coolant guided by the high temperature side heat conduction unit and the other side surface cooled by the low temperature side heat conduction unit. Due to this temperature difference, the thermoelectric conversion element generates power and operates the circulation pump. Thermal stress is generated in the thermoelectric conversion element due to the temperature difference between both surfaces, and this thermal stress is absorbed by the functionally gradient material of each thermal stress relaxation pad.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on the best mode shown in the drawings.
[0013]
FIG. And FIG. 1 shows an example of an embodiment of a primary coolant circulating apparatus for a fast reactor to which the present invention is applied. This fast reactor is a tank type fast breeder reactor that uses, for example, liquid sodium as the
[0014]
As shown in FIG. 2, the thermoelectric
[0015]
The thermoelectric conversion element 1 is an element that generates power based on a temperature difference between both surfaces, and is, for example, a lead-tellurium (PbTe) semiconductor element. However, the present invention is not limited to this, and for example, a bismuth tellurium (BiTe) semiconductor element, a silicon germanium (SiGe) semiconductor element, or the like can be used. Which of these semiconductor elements is selected is determined according to the operating temperature region and the like. Each element is composed of a P-type semiconductor having a high hole concentration and an N-type semiconductor having a high electron concentration, and generates an electromotive force by a combination of both. In practice, the output is increased by electrically connecting a plurality of pairs of P-type semiconductor and N-type semiconductor in series.
[0016]
Each thermal
[0017]
Each of the functionally
[0018]
Copper (thermal stress relaxation material and heat conductor) and alumina (electrical insulating material) constituting the functionally
[0019]
In the functionally
[0020]
The heat collecting
[0021]
Next, the operation of the primary coolant circulation device will be described.
[0022]
The heat of the
[0023]
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above description, it is applied to a tank type fast reactor, but it can also be applied to a loop type or hybrid type fast reactor. However, when applied to a loop reactor, the
[0024]
In the above description, as the functionally
[0025]
Furthermore, in the above description, the thermoelectric
[0026]
【Example】
Example 1
[Configuration of primary coolant circulation system]
As shown in FIGS. 6 and 7, a total of three mechanical main circulation pumps are installed as main circulation pumps of the primary coolant circulation device, and one of them is generated by a direct current generated by the thermoelectric
[0027]
[Structure of thermoelectric power generation system]
21
[0028]
Six heat collecting
[0029]
Seven
[0030]
The
[0031]
When applied to a small fast reactor having an electrical output of about 60,000 kW, the heat energy transmitted to the
[0032]
[Operating conditions]
The temperature of the liquid sodium which is the
[0033]
[Operation]
When the nuclear reactor is normally operated, the two AC motor drive pumps 5 are driven by electric power supplied from the main power supply (AC) 18, and the DC
[0034]
When the
[0035]
In addition, when the
[0036]
It is considered that the decay heat after several tens of seconds after the reactor stop when each AC motor-driven
[0037]
That is, while the core temperature is high and it is necessary to forcibly circulate the
[0038]
[Influence on plant efficiency]
Consider the case of a small fast reactor plant with a thermal output of 150,000 kW. Here, it is assumed that the energy conversion efficiency of the turbine generator is 42%, and the energy conversion efficiency of the thermoelectric conversion system (net value in consideration of heat loss) is 8%. In-house power (secondary cooling system pump, air conditioning ventilation system, preheating heater, etc.) other than the pump power of the primary cooling system is also taken into consideration.
[0039]
Comparing the net plant efficiency, it was 39.24% in the conventional plant, and 39.03% in the plant to which the primary cooling system circulation device of the present invention was applied. That is, in the plant to which the primary cooling system circulation device of the present invention was applied, the following effects could be obtained without substantially losing the net plant efficiency as compared with the conventional plant. That is, the flow rate of the
[0040]
(Example 2)
In the first embodiment described above, a mechanical pump (AC motor drive pump, DC motor drive pump) is installed as a circulation pump, but an electromagnetic pump is used instead of the mechanical pump. That is, as shown in FIG. 9, two AC motor-driven pumps (mechanical pumps) 5 and one
[0041]
In this embodiment, the flow rate sharing ratio during rated operation is set to 45% for the two
[0042]
(Example 3)
All circulation pumps are electromagnetic pumps. That is, the electric power generated by each thermoelectric conversion element 1 is converted into alternating current by the DC /
[0043]
(Example 4)
In each of the above-described embodiments, only one DC
[0044]
(Example 5)
This may be the case where three or more circulation pumps driven by the power of the
[0045]
【The invention's effect】
As described above, in the primary coolant circulation device of the fast reactor according to claim 1, the circulation pump is operated using the electric power generated by the thermoelectric power generation system using the heat stored in the coolant as the power source. Circulating pump And a circulation pump that is operated by alternating current from the main power supply Therefore, it is possible to circulate the primary coolant that cools the core using the heat of the coolant without using the main power source. For this reason, when the main power supply is lost, the minimum flow rate of the coolant necessary for cooling the core can be ensured with high reliability. In addition, the pony motor for the primary main circulation pump and the emergency battery equipment or diesel generator for driving the primary main circulation pump, which were necessary in the past, can be eliminated, so that the quantity of the plant can be reduced and maintenance management is easy. Thus, the economy can be improved. In addition, diesel generators are sometimes used to supply power to air conditioning facilities in plants, but are not used to drive pony motors. Compared with, it can be greatly reduced.
[0046]
Moreover, in the primary coolant circulation device of the fast reactor according to
[0047]
Moreover, in the primary coolant circulation device of the fast reactor according to
[0048]
Furthermore, in the primary cooling and circulating apparatus of the fast reactor according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of an embodiment of a primary coolant circulating apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a thermoelectric power generation system of a primary coolant circulation device according to the present invention.
FIG. 3 is a perspective view of a thermoelectric conversion module constituting the thermoelectric power generation system of FIG. 2;
4 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion element constituting the thermoelectric conversion module of FIG. 3;
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another embodiment of a thermoelectric conversion element.
FIG. 6 is a block diagram showing a first embodiment of a primary coolant circulating apparatus according to the present invention.
7 is a diagram showing a positional relationship between the thermoelectric power generation system and each pump of the primary coolant circulating apparatus in FIG. 6 from above. FIG.
8 is a perspective view showing a heat dissipation panel of a heat pipe for heat dissipation in the thermoelectric power generation system of FIG. 6. FIG.
FIG. 9 is a block diagram showing a second embodiment of the primary coolant circulating apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Thermoelectric conversion element
2 Heat pipe for heat collection (high temperature side heat conduction means)
3 Circulation pump
4 Coolant
7 Heat pipe for heat dissipation (low temperature side heat conduction means)
8 Thermoelectric power generation system
10,11 Thermal stress relaxation pad
12, 13 Functionally graded material
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