(57)【要約】一実施形態では、炉心内の装置と放熱フィンの集合体とを備えた受動的炉心崩壊熱輸送システムが開示される。上記装置は、燃料集合体３を含んだ少なくとも１つの冷却材流路２と、上記集合体における燃料を遮蔽プラグ６に連結する少なくとも１つのコレット継手４と、燃料からの崩壊熱を輸送するための少なくとも１つの液体金属サーモサイフォン５と、サーモサイフォン５からの熱を輸送するための少なくとも１つの他の液体金属サーモサイフォン７と、サーモサイフォン７からの熱を最終シンクに輸送するための、少なくとも１つの放熱フィン集合体１０と、を備える。液体金属の溶融による熱膨張は、伝導・対流の熱伝達経路を確立すると共に、熱を燃料集合体３からサーモサイフォン５に伝達し、上記熱を他のサーモサイフォン７に輸送した後にフィン集合体１０に輸送し、空気の自然循環によって大気に放散する。
2019505757.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心内の装置と放熱フィンの集合体とを備える、水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システムであって、
前記装置は、
燃料集合体３を含んだ少なくとも１つの冷却材流路２と、
前記集合体における燃料を遮蔽プラグ６に連結する少なくとも１つのコレット継手４と、
燃料からの崩壊熱を輸送するための少なくとも１つの液体金属サーモサイフォン５と、
前記サーモサイフォン５からの熱を輸送するための少なくとも１つの他の液体金属サーモサイフォン７と、
前記サーモサイフォン７からの熱を最終シンクに輸送するための、少なくとも１つの放熱フィン集合体１０と、
を備え、
液体金属の溶融による熱膨張は、伝導・対流の熱伝達経路を確立すると共に、前記熱を前記燃料集合体３から前記サーモサイフォン５に伝達し、前記熱を他のサーモサイフォン７に輸送した後に前記フィン集合体１０に輸送し、前記熱を空気の自然循環によって大気に放散する、
水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システム。
【請求項２】
前記燃料集合体３は、前記冷却材流路２に移行する少なくとも１つの下端取付手段１に結合される、請求項１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システム。
【請求項３】
前記遮蔽プラグ６は、放射線遮蔽手段と、前記冷却材流路２内部における流れガイドを提供する、請求項１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システム。
【請求項４】
コレット継手に結合された、前記冷却材流路を圧力シールするため少なくとも１つのシールプラグ９をさらに備える、請求項１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システム。
【請求項５】
前記放熱フィン集合体１０は、
原子炉密閉デッキ内の前記シールプラグの上方にある、前記フィンの少なくとも１つの隔離容器１１と、
前記システムの清掃と起動のための、少なくとも１つの外気との連通手段１２と、
前記トップカバープレートにある燃料装荷のための手段１３と、
流れガイド手段１４と、
前記フィンへの少なくとも１つの入口ダクト１５と、
少なくとも１つの入口／出口ダクト１６と、
前記格納容器に連結する手段１７と、
前記フィンからの高温空気を冷却するための、前記格納容器を取り囲む少なくとも１つの空冷ダクト１８と、
を備え、
前記熱輸送経路は、前記金属の溶融によって活性化され、前記金属の溶融は、部分１４、１５、１６、１７および１８による前記熱輸送経路を介した閉回路の空気自然循環により、最終シンクである大気に前記熱を伝達する、
請求項１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システム。
【請求項６】
前記放熱フィンは、矩形、円形または螺旋形の構造のいずれかを有しうる、請求項１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システム。
【請求項７】
前記放熱フィンは、取り外し可能にも、コンパクトな千鳥形にもしうる、請求項１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システム。
【請求項８】
前記放熱フィンは、適当な高温材料からなる、請求項１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システム。
【請求項９】
前記金属冷却材は、鉛である、請求項１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送システム。
【請求項１０】
水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送装置であって、
熱を発生させる燃料集合体３に結合された少なくとも１つの下端取付手段１と、
前記燃料集合体３を含んだ少なくとも１つの冷却材流路２と、ここで、燃料を冷却するために前記燃料集合体３が１次冷却水によって取り囲まれ、
前記集合体内の燃料を遮蔽プラグ６に連結する少なくとも１つのコレット継手４と、
熱を輸送するための少なくとも１つの液体金属サーモサイフォン５と、
放射線遮蔽と前記冷却材流路２における流れガイドのための少なくとも１つの遮蔽プラグ６と、
熱を輸送するための少なくとも１つの他の液体金属サーモサイフォン７と、
少なくとも１つの放熱フィン集合体１０に結合されると共に、前記冷却材流路２を圧力シールするための少なくとも１つのシールプラグ９と、
を備え、
少なくとも１つのシールプラグ９は、
前記他の液体金属サーモサイフォン７に結合される少なくとも１つのコレット継手を備え、
前記燃料集合体３は、
伝導・対流の熱伝達モードを用いて、前記崩壊熱をサーモサイフォン５に伝導し、
前記熱を他のサーモサイフォン７に輸送した後に前記フィン集合体１０に輸送し、
この結果、前記熱輸送経路１４、１５、１６、１７および１８を介した大気への、閉回路の空気自然循環による冷却が行われる、
水冷式原子炉ための受動的炉心崩壊熱輸送装置。
【請求項１１】
水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送の方法であって、
ｉ．溶融金属の融点を超える燃料の温度の上昇による、前記溶融金属の溶融と、
ｉｉ．前記金属の溶融による、熱輸送経路の活性化と、
ｉｉｉ．燃料集合体３と、コレット継手４と、液体金属サーモサイフォン５と、他の液体金属サーモサイフォン７との間における、伝導・対流の熱伝達経路での熱伝達と、
ｉｖ．前記他の液体金属サーモサイフォン７から放熱フィン集合体１０への熱伝達と、
ｖ．前記フィンからの高温空気から最終シンクである大気への熱伝達と
を含む、方法。
【請求項１２】
前記金属が鉛である、請求項１１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送の方法。
【請求項１３】
前記金属冷却材は、前記熱を前記炉心から前記ヒートシンクへと伝達する、請求項１１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送の方法。
【請求項１４】
受動的に動作する、請求項１１に記載の水冷式原子炉のための受動的炉心崩壊熱輸送の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の主題は、一般に、緊急冷却装置の分野に関し、より詳細には、原子炉停止系向けの、炉心を別種の溶融金属冷却材を介した受動的崩壊熱輸送によって冷却するためのシステム、装置および方法の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、軽水炉の設計は、高温高圧の水の冷却能力に依存している。ただし、冷却材として水を高圧で使用する設計は、構造的完全性の欠陥による原子炉の冷却材喪失に対して責任を負う必要がある。この欠陥の原因は冷却材動作温度の上昇であり、その上昇の結果、加圧された冷却材の沸騰が活発になり、それが熱伝達、反応度パラメータに影響を及ぼし原子炉の不安定問題につながる。冷却材の状態を維持するには、圧力を高める必要がある。圧力を高めると構造的完全性に影響が及び、原子炉の冷却材喪失にいたる。したがって、一定の温度を超えた炉心の管理は減圧と冷却にかかっており、この減圧と冷却には、現時点では、外部構成部品と、それらが利用可能であることが必要になる。
【０００３】
様々な軽水炉システムの設計が従来技術で知られており、以下にそれらのいくつかについて述べる。
【０００４】
加圧型炉心注水蓄圧器:
この崩壊熱輸送システムでは、ＬＯＣＡ（Ｌｏｓｓ Ｏｆ Ｃｏｏｌａｎｔ Ａｃｃｉｄｅｎｔ、冷却材喪失事故）時に、炉心注水蓄圧器が、逆止め弁を介して蓄圧器圧力よりも小さい圧力で１次熱輸送系に接続される。蓄圧量は１５分間に足るだけある（１次熱輸送系の圧力に応じて６％の崩壊熱から効力を生じる）。この蓄圧器は１５分の設計容量を有する。上記の効果を達成するために、このシステムは高圧蓄圧器、配管、隔離弁、計装設備などかなりの数の構成部品を使用する。その結果、格納容器内における構成部品の密度が高くなる。
【０００５】
炉心補給水タンク：
設計シーケンスに基づいて自然循環を開始するように、弁を介して１次熱輸送系に接続される炉心補給水タンクが利用可能である。このタンクは６％の崩壊熱に対して効力を有し、３日の設計容量を有する。このタンクはまた、格納容器内部のタンク、配管、弁、計装設備など、可算構成部品を使用する。その結果、格納容器内における構成部品の密度が高くなる。
【０００６】
重力ドレインタンクシステム:
このシステムは、原子炉圧力が低い時のみ、弁を介して原子炉の１次冷却材系に接続される（１次熱輸送系の圧力に応じて１％の崩壊熱に対して効力を有する）。このシステムは、３日の設計容量を有し、炉心の高さを超えるタンク、配管、弁、計装設備などの構成部品を使用する。
【０００７】
受動冷却式蒸気発生器自然循環:
このシステムは、圧力に応じて能動的または受動的に、弁を介して蒸気発生器に接続される（１次熱輸送系の動作に応じて６％の崩壊熱に対して効力を有する）。このシステムはタンクの設計容量に応じて、１日という低い設計容量を有する。このシステムは、熱交換器、その熱交換器を浸漬する水プール、配管、計装設備など、多数の構成部品を使用する。
【０００８】
受動冷却式炉心隔離時復水器システム：
このシステムは、弁を介して１次熱輸送系に能動的または受動的に接続される。これは、１次熱輸送系の圧力に応じて６％の崩壊熱に対して効力を有する。設計容量は３日を超え、隔離時復水器、水プール、配管、計装設備などの構成部品を有する。これによって、格納容器内における構成部品の密度が高くなる。
【０００９】
従来技術の特許文献１により、液体金属によって冷却される原子炉が提供されている。特許文献１は、原子炉停止状態中に動作可能な、サーモサイフォン効果を確立するための停止時熱交換器手段について教示している。さらに特許文献１は、炉心（高熱源）と熱交換器（低熱源）との高度の差についても教示している。この差が、外部回路の中身が主要原子炉容器に抜けて空になったときに、主要原子炉容器内部でのサーモサイフォンの形成に役立つ。この特徴によって、サーモサイフォン効果による炉心の冷却が促進される。
【００１０】
上記を鑑みて、様々な概念に基づいた複数の設計が分かる。水冷式原子炉以外の様々な原子炉設計および産業用途では、サーモサイフォン冷却、フィンによる外気への熱輸送および液体金属冷却材が知られている。しかしながら、高速炉は５００℃を超える温度で動作し、高温で適合する液体金属冷却材を使用するが、水冷式原子炉は水の減速特性によって中性子スペクトルの熱中性子領域で動作し、水の飽和圧力下３００℃前後の温度で動作する。
【００１１】
上記の全ての、様々な原子炉系内に存在する崩壊熱除去システムは、熱を、炉心から直にではなく、１次冷却材からのみ除去する。これらのシステム設計における崩壊熱除去が所期の機能性を発揮するかどうかは、１次冷却材の利用可能性とそのシステムの健全性とにかかっている。また、これらのシステムは、多数の構成部品を必要とし、このため、格納容器内における構成部品の密度が大きくなる。
【００１２】
日本の福島沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）における最近の事故によって、１次冷却材からの熱輸送に加えて、炉心からの直接的な崩壊熱輸送の必要性があることが立証された。この水冷式原子炉における深刻な事故は、最終的な炉心の安全のために、水冷では抑えきれない高温になった時の炉心崩壊熱輸送が必要であることを明確に示している。
【００１３】
現在の各水冷式原子炉設計は、それらの１次熱輸送媒体として単相または二相の飽和水を組み込み、主要ヒートシンクへの熱伝達は主として、炉心からの、流体から流体への伝導・対流の熱伝達モードにより実現されている。福島の事故などの事故シナリオでは、炉心に、他の影響ベクトルに加えて、高温での所望のヒートシンクの欠如と熱伝達不足が生じる。したがって、高圧の水をベースとする熱輸送の域を超えた事故状態をカバーするために、別種の受動的崩壊熱輸送機構が必要である。したがって、その別種の機構は、燃料から直に崩壊熱を最終ヒートシンクへ輸送する水冷式原子炉のためのシステム、装置および方法を有することが望ましい。
【００１４】
以下に、本発明のいくつかの態様の基本的な理解が得られるように、本発明の簡単な要約を示す。この要約は本発明の詳細な概要ではない。この要約は、本発明の主要／重要な要素を特定し、本発明の範囲を規定することを意図したものではない。その唯一の目的は、後述する本発明の詳細な説明の導入として、本発明のいくつかの概念を簡単な形で示すことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第４６０８２２４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、燃料から直に崩壊熱を最終ヒートシンクへ輸送するためのシステム、装置および方法の設計を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、冷却材の自然対流循環を利用することによって電気供給、給水およびオペレータ操作に短期間依存することのない、改良された受動的原子炉停止時冷却系のためのシステム、装置および方法を提供することである。
【００１８】
本発明の他の目的は、複数の密閉サーモサイフォンに入った別種の液体金属冷却材と放熱フィンとを使用して、燃料から直に崩壊熱を最終ヒートシンクつまり大気へ輸送するためのシステム、装置および方法を提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、発熱性のＺｒ（ジルコニウム）−水反応よりも十分低く炉心温度を制限可能なシステム、装置および方法を提供することである。
【００２０】
本発明の他の目的は、能動的な外部入力または動力を用いずに、原子炉系から独立して、受動的に、燃料から直に熱を大気つまり最終ヒートシンクへ輸送することによって、崩壊熱除去するためのシステムを設計することである。
【００２１】
本発明の他の目的は、１％の崩壊熱を大気に輸送し、停止後数秒から効力を生じる装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
したがって、一実施形態では、炉心内の装置と放熱フィンの集合体とを備える受動的炉心崩壊熱輸送システムが開示される。上記装置は、燃料集合体を含んだ少なくとも１つの冷却材流路と、上記集合体における燃料を遮蔽プラグに連結する少なくとも１つのコレット継手と、燃料からの崩壊熱を輸送するための少なくとも１つの液体金属サーモサイフォンと、サーモサイフォンからの熱を輸送するための少なくとも１つの他の液体金属サーモサイフォンと、サーモサイフォンからの熱を最終シンクに輸送するための、少なくとも１つの放熱フィン集合体とを備える。液体金属の溶融による熱膨張は、伝導・対流の熱伝達経路を確立すると共に、熱を上記燃料集合体から上記サーモサイフォンに伝達し、前記熱を他のサーモサイフォンに輸送してから上記フィン集合体に輸送し、前記熱を空気の自然循環によって大気に放散する。
【００２３】
一実施形態では、受動的炉心崩壊熱輸送装置が開示される。上記装置は、熱を発生させる燃料集合体に結合された少なくとも１つの下端取付手段と、上記燃料集合体を含んだ少なくとも１つの冷却材流路と、ここで、燃料を冷却するために上記燃料集合体が１次冷却水によって取り囲まれ、上記集合体内の燃料を遮蔽プラグに連結する少なくとも１つのコレット継手と、熱を輸送するための少なくとも１つの液体金属サーモサイフォンと、放射線遮蔽と上記冷却材流路における流れガイドのための少なくとも１つの遮蔽プラグと、熱を輸送するための少なくとも１つの他の液体金属サーモサイフォンと、少なくとも１つの放熱フィン集合体に結合されると共に、上記冷却材流路を圧力シールするための少なくとも１つのシールプラグとを備える。上記シールプラグは、上記他の液体金属サーモサイフォンに結合される少なくとも１つのコレット継手を備える。上記燃料集合体は、伝導・対流の熱伝達モードを用いて、崩壊熱をサーモサイフォン５に伝導し、前記熱を他のサーモサイフォンに輸送した後に上記フィン集合体に輸送し、この結果、上記熱輸送経路を介した大気への、閉回路の空気自然循環による冷却が行われる。
【００２４】
本発明の他の態様、利点、および主な特徴については、本発明の例示的実施形態を開示する、添付の図面と併せた以下の詳細な説明から、当業者に明らかになるであろう。
【００２５】
本発明の特定の例示的実施形態の上記およびその他の態様、特徴、および利点は、添付の図面と併せた以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の主題の一実施形態による受動的崩壊熱輸送システムおよび装置の概略図である。
【図２】本発明の主題の一実施形態による装置のコレット継手の図である。
【図３】本発明の主題の一実施形態による装置の液体金属サーモサイフォンの図である。
【図４】本発明の主題の一実施形態による装置の他の液体金属サーモサイフォンの図である。
【図５】本発明の主題の一実施形態によるシステムの、大気に露出されたダクト内で冷却されている、フィンからの高温空気の移動のための構成を示す図である。
【図６】本発明の主題の一実施形態によるシステムの動作に関わる計算結果を示す図である。
【図７】本発明の主題の一実施形態によるシステムによる崩壊熱の輸送比率を示すグラフである。
【図８】本発明の主題の一実施形態について確認された最大燃料温度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
各図の要素は簡潔で明瞭になるように示されており、場合により一定の縮尺で描かれていないことを当業者なら理解するであろう。例えば、各図における要素のうちのいくつかの寸法は、本明細書の開示の様々な例示的実施形態の理解の向上に役立つように、他の要素に対して強調されていることがある。尚、図面全体にわたって、同じまたは同様の要素、特徴、および構造を示すために同じ参照番号が使用される。
【００２８】
添付の図面を参照した以下の説明は、本発明の例示的実施形態の包括的な理解に役立つように提供される。この説明は、その理解に役立つように様々な特定の詳細事項を含むが、それらは単に例示的なものとみなされるべきである。
【００２９】
したがって、本発明の範囲から逸脱することなしに、本明細書に記載されている実施形態の様々な変更および修正が行われうることを当業者なら分かるであろう。さらに、周知の機能および構造についての説明は、明瞭で簡潔になるように割愛した。
【００３０】
以下の説明および特許請求の範囲で使用されている用語および語句は、文献的意味に限定されることはなく、本発明の明瞭で一貫した理解を可能にするために本発明者によって使用されているにすぎない。したがって、本発明の例示的実施形態の以下の説明が、添付の特許請求の範囲その均等物によって定義される本発明を限定するためではなく、例示のためだけに提供されることは当業者にとって明らかであるはずである。
【００３１】
単数形「１つの」および「上記」は、文脈上明確な別段の指定がない限り、複数の指示対象物を含むことを理解されたい。
【００３２】
「ほぼ」という語の意味は、ここに記載された特徴、パラメータ、または値を正確に達成する必要はないが、その特徴によってもたらされるよう意図された効果を排除しない幅で、公差や測定誤差、測定精度限界およびその他の当業者に周知の要因などを含む、逸脱または変動が生じうるということである。
【００３３】
一実施形態に関して説明かつ／または例示される特徴は、他の１つまたは複数の実施形態で同じまたは類似した形で、ならびに／あるいはそれらの他の実施形態の特徴と組み合わせて、またはそれらの代わりに使用されうる。
【００３４】
尚、「備える／備えている」という語は、本明細書で使用される場合、そこに述べられている特徴、完成体、ステップまたは構成部品の存在を明示するために用いられるが、他の１つまたは複数の特徴、完全体、ステップ、構成部品またはそれらのグループの存在または追加を排除しない。
【００３５】
一実施形態では、本発明は、燃料から直に崩壊熱を最終ヒートシンクへ輸送するためのシステム、装置および方法の設計を提供する。
【００３６】
一実施形態では、本発明は、複数の密閉サーモサイフォンに入った別種の液体金属冷却材と放熱フィンとを使用して、燃料から直に崩壊熱を最終ヒートシンクつまり大気へ輸送するためのシステム、装置および方法の設計を提供する。
【００３７】
一実施形態では、本発明は、複数の密閉サーモサイフォン装置に入った別種の冷却材と、最終ヒートシンクつまり大気への崩壊熱輸送を提供することによって、１次冷却水の冷却機能故障時における受動的崩壊熱輸送のためのシステムおよび装置の設計を提供する。
【００３８】
一実施形態では、本発明は、能動的な外部入力または動力を用いずに、原子炉系から独立して、受動的に、燃料から直に熱を大気つまり最終ヒートシンクへ輸送することによって、崩壊熱除去するためのシステムおよび装置の設計を提供する。
【００３９】
一実施形態では、本発明は、１次冷却材からの熱輸送の代わりに、燃料から直に崩壊熱を大気へ受動的に輸送するための装置を提供する。
【００４０】
一実施形態では、本発明は、別種の炉心冷却を使用し、炉心温度を発熱性のＺｒ−水反応よりも低く制限するシステム、装置および方法を提供する。
【００４１】
一実施形態では、本発明は、１％の崩壊熱を大気へ転送可能な、停止後５０００秒から効力を生じるシステム、装置および方法を提供する。
【００４２】
一実施形態では、本発明は、複数の密閉サーモサイフォンに入った鉛などの別種の液体金属冷却材を使用して、炉心それ自体から直に熱を輸送し、崩壊熱を最終ヒートシンクつまり大気に直に放散する、受動的炉心崩壊熱輸送システムを提供し、最終的な炉心の安全をもたらす。
【００４３】
一実施形態では、炉心内の装置と放熱フィンの集合体とで構成される、受動的炉心崩壊熱輸送システムの設計が開示される。上記装置は、燃料集合体３を含んだ少なくとも１つの冷却材流路２と、上記集合体における燃料を遮蔽プラグ６に連結する少なくとも１つのコレット継手４と、燃料からの崩壊熱を輸送するための少なくとも１つの液体金属サーモサイフォン５と、サーモサイフォン５からの熱を輸送するための少なくとも１つの他の液体金属サーモサイフォン７と、サーモサイフォン７からの熱を最終シンクに輸送するための、少なくとも１つの放熱フィン集合体１０とを備える。液体金属の溶融による熱膨張により、伝導・対流の熱伝達経路が確立され、熱が上記燃料集合体３から上記サーモサイフォン５に伝達され、その熱を、上記サーモサイフォン５が他のサーモサイフォン７に輸送してから上記フィン集合体１０に輸送し、上記フィン集合体１０が空気の自然循環によって大気に放散する。コレット継手４は拡大可能なフィンガを有する。このフィンガは、上記構成部品を受けるために外向きに摺動し、保持されるべき上記構成部品の輪郭の周りにスナップ動作して密着する。
【００４４】
一実施形態では、本発明は、水素を放出しうる発熱性のＺｒ−水反応よりも低く炉心温度を制限するシステム設計を提供する。この設計は、機能するために外部入力を必要としない自己管理式の受動的なシステム設計を用いる。
【００４５】
一実施形態では、本発明は、燃料から直に崩壊熱を最終ヒートシンクつまり大気へ輸送するために、別種の液体金属冷却材を使用する装置を提供する。この輸送は、他の熱輸送システムの有無や外部電源の利用可能性に関係なく、長期間、安全に受動的に行われる。
【００４６】
一実施形態では、受動的炉心崩壊熱輸送装置が開示される。上記装置は、熱を発生させる燃料集合体３に結合された少なくとも１つの下端取付手段１と、上記燃料集合体３を含んだ少なくとも１つの冷却材流路２において、燃料を冷却するために上記燃料集合体３が１次冷却水によって取り囲まれる冷却材流路２と、上記集合体内の燃料を遮蔽プラグ６に連結する少なくとも１つのコレット継手４と、熱を輸送するための少なくとも１つの液体金属サーモサイフォン５と、放射線遮蔽と上記冷却材流路２における流れガイドのための少なくとも１つの遮蔽プラグ６と、熱を輸送するための少なくとも１つの他の液体金属サーモサイフォン７と、少なくとも１つの放熱フィン集合体１０に結合された、上記冷却材流路２を圧力シールするための少なくとも１つのシールプラグ９とを備える。上記シールプラグ９は、上記他の液体金属サーモサイフォン７に結合される少なくとも１つのコレット継手を備える。上記燃料集合体３が、伝導・対流の熱伝達モードを用いて、崩壊熱をサーモサイフォン５に伝導し、その熱を、上記サーモサイフォン５が他のサーモサイフォン７に輸送してから上記フィン集合体１０に輸送し、その結果、上記熱輸送経路１４、１５、１６、１７および１８を介した大気への、閉回路の空気自然循環による冷却が行われる。
【００４７】
一実施形態では、本発明のシステム、装置により、スターリングエンジンおよび熱電モジュールを使用して、崩壊熱を、原子炉内におけるステーションブラックアウト（ＳＢＯ）状態に対処するための電源として取り出すことが可能になる。さらに、崩壊熱を、安全性の難題としてとらえる代わりに、長期のステーションブラックアウト状況に対処するための動力源として扱う点で、本発明により根本的な変化がもたらされる。
【００４８】
一実施形態では、本発明は、１％の崩壊熱を大気に輸送し、停止後数秒から効力を生じうるシステム、装置を提供する。この装置は、１％の崩壊熱を大気に転送可能で、停止後５０００秒から効力を生じる。
【００４９】
次に図１を参照すると、受動的崩壊熱輸送システムおよび装置の概略図が示されている。部分１は、炉心内の冷却材流路に移行する、典型的な燃料集合体の下端取付具を示す。部分２は、燃料集合体を含んだ炉心内の冷却材流路を示す。燃料を冷却するために、その燃料集合体を取り囲んで冷却水が流れる。部分３は、上記冷却材流路の内部にある燃料集合体を示す。部分４は、燃料を遮蔽プラグに連結するコレット継手である。部分５は、液体金属サーモサイフォンである。部分６は遮蔽プラグであり、遮蔽プラグは、放射線遮蔽の目的を果たし、冷却材流路の内部で流れガイドとして働く。部分７は第２の移行液体金属サーモサイフォンである。部分８は上端取付具である。部分９はシールプラグを示す。シールプラグは、冷却材流路に対する圧力シールとして働き、部分７のためのコレット継手を有する。部分１０は放熱フィンの集合体である。
【００５０】
次に図５を参照すると、原子炉建屋の外側の大気に露出しているダクト内で、フィンからの高温空気が冷却されているのが示されている。この構成は、原子炉内部から物質を輸送することなく、熱輸送経路を確保する。部分１１は、原子炉密閉デッキ内のシールプラグ上方にあるフィンの隔離容器を示す。部分１２は、このシステムの清掃と起動のために、外気との連通を容易にする。部分１３は、トップカバープレートにある燃料装荷アクセスのための設備を示す。部分１４は、フィンへの冷却空気のための流れガイドである。部分１５はフィンへの入口ダクトである。部分１６は入口／出口ダクトである。部分１７は、格納容器に埋め込まれた突起である。部分１８は、フィンからの高温空気を冷却するための、格納容器を取り囲む空冷ダクト構造体である。このダクトは、自然循環によって空気を閉循環させるために、部分１６に接続される。
【００５１】
一実施形態では、複数の密閉サーモサイフォンからなる別種の機構においてヒートシンクを引き継ぐ別種の溶融金属冷却材として、炉心内で鉛のサーモサイフォンを使用する、別種の受動的崩壊熱輸送機構が提供される。
【００５２】
一実施形態では、受動的炉心崩壊熱輸送方法が開示される。この受動的炉心崩壊熱輸送のための方法は、溶融金属の融点を超える燃料の温度の上昇による、上記溶融金属の溶融と、上記金属の溶融による、熱輸送経路の始動と、燃料集合体３とコレット継手４と液体金属サーモサイフォン５と他の液体金属サーモサイフォン７の間における、伝導・対流の熱伝達経路での熱伝達と、上記他の液体金属サーモサイフォン７から放熱フィン集合体１０への熱伝達と、上記フィンからの高温空気から最終シンクつまり大気への熱伝達とで構成される。
【００５３】
次に、図３および４を参照すると、本発明によるサーモサイフォン５および７がそれぞれ示されている。サーモサイフォン５および７は、流体を循環させるための、上端および下端で連結された二重管式の環状の装置である。炉心の崩壊熱が、これらのサーモサイフォンのための熱源として働き、大気がヒートシンクとして働く。外環内の流体が、燃料からの崩壊熱によって加熱され、内環内の液体金属に比べて相対的に軽くなる。これによって、密度勾配が確立され、サーモサイフォン内部における流れおよび熱輸送が確立される。より軽い高温の流体が外環内で上昇し、より低温の上端で冷却される。冷却された重い流体は内環を通って下方へ流れ、加熱され、外環内で上昇する。こうして流体の流れが、温度勾配によって熱源とヒートシンクの間で確立される。サーモサイフォンの機能性は、受動的冷却、駆動水頭および温度勾配の要件に左右される。
【００５４】
１次冷却材による燃料冷却の喪失という重大事故シナリオ時に、部分３は、伝導・対流の熱伝達モードを用いて、崩壊熱を部分５に伝導する。その熱を部分５は部分７に輸送する。部分６は、固体物質であるよう意図され、代替としては、液体金属で充填される。部分７は熱を部分１０に輸送する。部分１０は、閉回路の空気自然循環によって冷却され、この閉回路は、部分１４、１５、１６、１７および１８による熱輸送経路を介して大気に至る。上記の熱輸送経路は、燃料温度が溶融金属の融点を超えたときに始動する。溶融による液体金属の熱膨張により、部分３、部分４、部分５および部分７の間における伝導・対流の熱伝達経路が確立される。通常運転時は、この熱輸送経路は作動状態ではなく、フィンの温度はシールプラグの温度と同じである。この熱輸送経路は、１次冷却喪失状態や炉心溶融状態など、燃料温度が高まる事故時に始動する。このシステムの各部分は全て連続的になっており、受動的に動作し、各部分間の温度差によって自己管理される。
【００５５】
好ましい一実施形態では、溶融金属冷却材は鉛である。鉛は炉心に適合した金属であり、原子炉冷却材の通常動作温度よりも高い融点を有する。この鉛によって、水から溶融金属への熱伝達の滑らかな移行が可能になる。鉛の吸収断面積および散乱断面積は、ジルコニウム（Ｚｒ）のものに類似しており、したがって燃料設計にあまり影響しえない。鉛は１６００℃までの非常に好適な動作範囲を有するので、炉心内のＺｒ−水爆発および被覆損傷と、それに関連する炉心事故が最小限に抑えられうる。
【００５６】
一実施形態では、本発明のシステムおよび装置は放熱フィンを有する。これらのフィンは、炉心からの液体金属サーモサイフォンに取り付けられる、矩形、円形または螺旋形のフィンなどの変形形態を有する取り外し可能な放熱フィンにしうる。
【００５７】
一実施形態では、上記放熱フィンは、空間の制約に対処するために、複数のサーモサイフォン用のコンパクトな千鳥形フィンにしうる。
【００５８】
炉心はその性質上、その最低の動力停止状態であっても、動作温度から事故温度まで変動しうる。したがって炉心では、最も可能性の低い設計基準外事象に対しても、安全のために満たすべき冷却要件の範囲が規定される。本発明のシステム、装置および方法は、３００℃を超えた冷却とより高温での自立式の受動的炉心管理という、１次冷却材による熱輸送の喪失の両問題に対処する。１次冷却材による熱輸送の喪失は、燃料それ自体に含まれる別種の溶融金属冷却材と、炉心から最終ヒートシンクつまり大気への受動的熱輸送とによって対処される。
【００５９】
本発明は、１％の崩壊熱から効力を生じ、長期間にわたって効力を有する。これは、１次熱輸送系、冷却材の圧力、および冷却材の水位などから独立しており、外部の構成部品と外部の流れは原子炉に接続されない。さらに、その能力は、適当なヒートシンクと崩壊熱からの発電の設計によって、６％の崩壊熱まで拡張されうる。また、設計容量は、炉心温度がヒートシンク温度を上回っている限り、３日を超える。さらに、必要な構成部品は、コンパクトな気密封止サーモサイフォンとフィン集合体である。その結果、格納容器内における構成部品の密度が低くなる。
【００６０】
上記システムおよび装置の効率を立証するために、上記システムの解析モデルを使用し、計算を行った。
【００６１】
４５０個の個別の垂直冷却材流路を有する１０００ＭＷｔｈの原子炉用装置による崩壊熱および熱輸送を、集中パラメータ法を使用して計算し、上記構成に対する停止後１０００００秒間にわたる結果をプロットしている。熱計算については、燃料はＵＯ２、被覆はジルコニウム、遮蔽プラグはＳＳ（ステンレス鋼）と仮定する。この装置は、図７に示されているように、５０００秒から効力を生じ、１％の崩壊熱輸送に使用されうる。この計算された事例に対して確認された最大燃料温度はほぼ５００℃であり、これが図８に示されている。この装置は、１％の崩壊熱輸送では、停止後５０００秒から効力を生じることが確認され、最大燃料温度は５００℃であると確認されている。
【００６２】
したがって、上記システムは、能動的な外部入力または動力を用いずに、原子炉系から独立して、受動的に、燃料から直に熱を最終ヒートシンク（大気）へ輸送することによって、崩壊熱除去を実現する。上記システムにおける大きな進歩とは、１次冷却材からの崩壊熱輸送の代わりに、燃料から直接的に行われる大気への受動的崩壊熱輸送を実現していることである。さらに、崩壊熱を、長期のステーションブラックアウト状況に対処するための動力源として扱う点で、根本的な変化がもたらされる。
【００６３】
上記に開示したものとは別に、本発明はまた、いくつかの追加の利益および利点を含む。追加の利益のうちの数点について以下に述べる。
・オペレータの介入も外部入力も不要の、燃料から最終ヒートシンクつまり大気への受動的崩壊熱輸送。
・長期間の無人安全運転が可能。
・１次冷却材およびその他の補助システムの利用可能性に関係なく、独立した機能性。
・既存の原子炉に適合可能な自己管理式の受動的システム。
・水素の放出を招く発熱性のＺｒ−水反応よりも十分に低く炉心温度を制限するため、原子炉系へアクセス不能になる二次的事故をなくす。
・別種の低圧高温の液体金属冷却材を燃料に直接導入することによって、高圧の１次冷却水による熱輸送と原子炉系に取り付けられた崩壊熱除去システムの故障に対処する。
・炉心からの冗長サーモサイフォンが、過酷事故状況時であっても、炉心における冷却の利用可能性を強化する。
・外部の冷却材プールに依存せず、取り扱い時に特別な冷却上の制約を伴わない、受動的事故耐性使用済燃料。
【００６４】
伝導、対流および同様の方法による熱の輸送または伝達などの方法は、本発明の本質部分とはみなされえない既存の機構／構成部品／要素によって実現されうることを当業者なら理解するであろう。したがって本発明では、既存のそれらに関する熱輸送／伝達などの方法については詳細に説明しない。
【００６５】
本明細書に記載の各構成の説明は、様々な実施形態の構造の全体的な理解をもたらすためのものであり、本明細書に記載の各構造を使用しうる装置およびシステムの全ての要素および特徴の完全な説明としての役割を果たすことを目的としていない。他の多くの構成については、上記の説明を検討すると当業者に明らかになるであろう。上記の説明から、本明細書の開示の範囲から逸脱することなしに構造的かつ論理的な置換および変更が行われうるような他の構成が用いられ、導き出されうる。各図はまた、単に表現的なものであり、場合により一定の縮尺で描かれていない。そのうちの特定の比率が強調され、他が最小化されうる。したがって、本明細書および図面は、限定的な意味ではなく例示的な意味で考慮されるべきである。
【００６６】
以上より、特定の構成についてここに例示し、説明したが、同じ目的を達成するよう計算された任意の構成が、この示した特定の構成と置き換えられうることを理解されたい。本明細書の開示は、本発明の様々な実施形態および構成の、任意／全ての適合形態または変形形態を包含することを意図したものである。上記の構成の組合せおよび本明細書で具体的には説明していないその他の構成については、上記の説明を検討すると当業者に明らかになるであろう。
【符号の説明】
【００６７】
１：下端取付具
２：冷却材流路
３：燃料集合体
４：コレット継手
５：液体金属サーモサイフォン
６：遮蔽プラグ
７：液体金属サーモサイフォン
８：上端取付具
９：シールプラグ
１０：フィンの集合体
１１：隔離容器
１２：外気との連通手段
１３：燃料装荷のための手段
１４：流れガイド手段
１５：フィンへの入口ダクト
１６：入口／出口ダクト
１７：格納容器に連結する手段
１８：空冷ダクト
【図１】
2019505757.tif 000003
【図２】
2019505757.tif 000004
【図３】
2019505757.tif 000005
【図４】
2019505757.tif 000006
【図５】
2019505757.tif 000007
【図６】
2019505757.tif 000008
【図７】
2019505757.tif 000009
【図８】
2019505757.tif 000010
【国際調査報告】
2019505757.tif 000011
2019505757.tif 000012