(57)【要約】本発明は、配電網からの電力需要がゼロの場合の原子力発電プラント（１０）の運転方法に関する。この配電網には原子力発電プラント（１０）が接続され、また同期されている。この方法は、プラント（１０）によって生成される電力を所内負荷まで減少させるステップと、プラント（１０）を、ブレイトンサイクルが自立運転している発電運転モードから、ブレイトンサイクルが自立運転していなくて、発電回路（１２）を流れる作動流体の質量流量が補助的な送風機システム（３８）によって得られ、プラント（１０）が配電網と同期したままの待機モードへと変えるステップとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配電網に接続されており且つこれに同期される原子力発電プラントであり、作動流体としてヘリウムを使用し熱力学変換サイクルとしてブレイトンサイクルを使用する閉ループ発電回路を有する前記原子力発電プラントを、前記配電網からの電力需要がゼロの場合に運転する方法であって、
前記プラントによって生成される電力を所内負荷まで減少させるステップと、
前記プラントを、前記ブレイトンサイクルが自立運転している発電運転モードから、前記ブレイトンサイクルが自立運転しておらず、前記発電回路を流れる作動流体の質量流量が補助的な送風機システムによって得られ、且つ、前記プラントが前記配電網と同期したままである待機モードへと変えるステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記発電回路が、原子炉と、高圧圧縮機及び低圧圧縮機にそれぞれ駆動接続されている高圧タービン及び低圧タービンと、発電機に駆動接続されている出力タービンと、高圧圧縮機の再循環弁が取り付けられている高圧圧縮機の再循環ラインと、低圧圧縮機の再循環弁が取り付けられている低圧圧縮機の再循環ラインとを含む場合、前記生成される電力を減少させる前記ステップが、前記圧縮機の再循環弁の片方又は両方を開くステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記圧縮機の再循環弁の位置を制御し、前記発電機が前記プラントの所内負荷を形成するようにし、かつ、前記配電網への電力がゼロになるようにするステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記生成される電力を減少させる前記ステップが、前記発電回路のヘリウムインベントリーを減少させるステップを含む、請求項１〜３のいずれか1項に記載の方法。
【請求項５】
前記発電回路のヘリウムインベントリーを減少させる前記ステップが、ヘリウムインベントリー制御システムと前記発電回路とを流体連通させるステップと、前記発電回路から前記ヘリウムインベントリー制御システムへとヘリウムを移送するステップとを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記プラントを発電運転モードから待機モードへと変える前記ステップが、前記プラントが安定した後に、前記出力タービンが依然として前記所内負荷を生成する一方で、前記発電回路の質量流量が前記補助的な送風機システムによって形成される移行状態を生じさせるステップを含む、請求項３〜５のいずれか1項に記載の方法。
【請求項７】
前記補助的な送風機システムが、通常は開いている送風機システムのインライン弁と、該インライン弁に並列に接続されている一対の送風機と、該送風機のそれぞれに直列に接続されている、通常は閉じている送風機の隔離弁とを含む場合、前記移行状態を生じさせる前記ステップが、前記送風機をスタートさせるステップと、前記圧縮機の再循環弁、前記送風機システムのインライン弁、及び前記送風機システムの隔離弁の位置を制御するステップとを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
本明細書中に実質的に記載され例示されている、請求項１記載の方法。
【請求項９】
本明細書中に実質的に記載されている、原子力発電プラントの新規の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【説明】
【０００１】
本発明は原子力発電プラントに関する。より具体的には、本発明は電力需要がゼロに減少したときの原子力発電プラントの運転方法に関する。
【０００２】
本発明者は、熱力学変換サイクルとしてブレイトンサイクルを使用するように構成された閉ループ発電回路を含む原子力発電プラントについて認識している。
【０００３】
原子力発電プラントは典型的に全国電力網に接続されており、このプラントによって生成される電気は電力網からの需要に応じて変えられなければならない。
【０００４】
全国コントロールセンターが、電力網への電気の移送を最小にするように要求する可能性がある。この場合、即ち電力網からの電力需要がゼロに減少した場合、プラントは電力網に対して全く電力を移送しないか又は僅かな電力しか移送しない所内負荷を生成する。
【０００５】
また、電力需要の増加に対して比較的迅速に応えられるようにプラントを電力網に同期させたままにしておくことも重要であり、そのためには原子炉を臨界状態のままにしておくことも重要である。
【０００６】
さらに効率のためには、電力網への電力の移送がゼロのときの燃料の消費を減らすことが望ましい。本明細書の文脈では、電力網への電力の移送がゼロの状態とは、電力網に対して全く電力が移送されない状態と電力網に対して電力が非常に低レベルで移送される状態との両方を含むことを意図していることを理解されたい。
【０００７】
本発明によると、配電網からの電力需要がゼロの場合の原子力発電プラントの運転方法が提供されている。該原子力発電プラントは、該配電網に接続されまたこれに同期されており、作動流体としてヘリウムを使用し熱力学変換サイクルとしてブレイトンサイクルを使用する閉ループ発電回路を有する。この運転方法は、
プラントによって生成される電力を所内負荷まで減少させるステップと、
プラントを、ブレイトンサイクルが自立運転している発電運転モードから、ブレイトンサイクルが自立運転してなくて、発電回路を流れる作動流体の質量流量が補助的な送風機システムによって得られ、プラントが配電網と同期したままの待機モードへと変えるステップと
を含む。
【０００８】
作動流体の質量流量を維持又は支持する補助的な送風機システムがなかったならば、質量流量は望ましくない状態まで減少してしまうだろう。
【０００９】
発電回路が、原子炉と、高圧圧縮機及び低圧圧縮機にそれぞれ駆動接続されている高圧タービン及び低圧タービンと、発電機に駆動接続されている出力タービンと、高圧圧縮機の再循環弁が取り付けられている高圧圧縮機の再循環ラインと、低圧圧縮機の再循環弁が取り付けられている低圧圧縮機の再循環ラインとを含む場合、生成される電力を減少させるステップは、圧縮機の再循環弁の片方又は両方を開くステップを含むことができる。本発明の方法は、圧縮機の再循環弁の位置を制御し、発電機がプラントの所内負荷を形成し、配電網への電力がゼロになるようにするステップをさらに含むことができる。
【００１０】
生成される電力を減少させるステップは、発電回路のヘリウムインベントリーを減少させるステップを含むことができる。
【００１１】
原子力発電プラントは、発電回路のヘリウムインベントリーを増加させたり減少させたりするために使用できるヘリウムインベントリー制御システム（ＨＩＣＳ）を含むことができる。したがって、発電回路のヘリウムインベントリーを減少させるステップは、ヘリウムインベントリー制御システムと発電回路とを流体連通させるステップと、発電回路からヘリウムインベントリー制御システムへとヘリウムを移送することで少ない電力を生成するステップとを含むことができる。
【００１２】
この過程で炉心を通る質量流量は減少し、そのことによって生成される原子力も減少する。しかしながらブレイトンサイクルの効率は低質量流量では非常に低いため、炉心で生成される原子力は依然として大きい。炉心で形成されるエネルギーの大部分は、熱交換器に廃棄される。圧縮機の再循環ラインが、高質量流量又は比較的高温のいずれかの「内部回路」を形成する。これら２つの回路によって、熱をシステムから除去し熱交換器に廃棄できる状態が生じる。炉心で生成されるエネルギーの僅かな部分だけが、必要な所内負荷を形成するために使用される。
【００１３】
この状態は比較的長時間、典型的には約８時間、例えば夜じゅう続く。このことは、配電網に電力が移送されていないという事実にも関わらず、核燃料の消費が依然として大きいことを意味する。この状態でプラントを運転することの利点は、最小の電力が生成され、プラントが配電網に電気的に接続されたままであるという点である。プラントは依然として配電網に同期されたままである。その結果プラントは、再循環弁を閉じ補助的な送風機システムのスイッチをオフにすることによって、大きな電力を生産する状態に迅速に戻ることができる。
【００１４】
プラントを発電運転モードから待機モードへと変えるステップは、プラントが安定した後に、出力タービンが依然として所内負荷を生成する一方で、発電回路の質量流量が補助的な送風機システムによって形成される移行状態を生じさせるステップを含むことができる。
【００１５】
補助的な送風機システムが、通常は開いている送風機システムのインライン弁と、該インライン弁に並列に接続されている一対の送風機と、該送風機のそれぞれに直列に接続されている、通常は閉じている送風機の隔離弁とを含む場合、移行状態を生じさせるステップは、送風機をスタートさせるステップと、圧縮機の再循環弁、送風機システムのインライン弁、及び送風機システムの隔離弁の位置を制御するステップとを含むことができる。補助的な送風機システムは、プラントの起動用として使用するための起動用送風機システムとして機能してもよい。
【００１６】
移行がうまくいった後は、高圧タービン、高圧圧縮機、低圧タービン及び低圧圧縮機は著しく少ない質量流量で作動しており、このことは低効率レベルであり、著しく少ないエネルギーしか熱交換器に廃棄されないことを意味している。炉心の平均温度は上昇し、炉心で生成される原子力は減少する。このことは、この待機モードでは、低発電運転モードで消費するよりも著しく少ない核燃料しか消費されていないことを意味している。
【００１７】
待機モードのプラントは、発電運転モードへと移行する準備ができている。もっとも同期化にかかる時間が必要ないので、原子炉が臨界状態のままのために、プラントを電力需要の増加に比較的迅速に対応させることができる。出力タービンは５０Ｈｚで同期されたままなので、０Ｈｚ〜５０Ｈｚの不要な循環が要らない。
【００１８】
本発明の原子力発電プラントを概略的に示した添付の概略図面を参照して、例示として本発明を説明する。
【００１９】
図面において参照番号１０は、本発明の原子力発電プラントの一部を総括的に指している。
【００２０】
原子力発電プラント１０は、参照番号１２で総括的に示され、作動流体としてヘリウムを使用する、閉ループ発電回路を含む。この発電回路１２は、原子炉１４、高圧タービン１６、低圧タービン１８、出力タービン２０、レキュペレーター２２、前置冷却機２４、低圧圧縮機２６、中間冷却機２８、及び高圧圧縮機３０を含む。
【００２１】
原子炉１４は、球状燃料成分を使用するペブルベット炉である。原子炉１４は入口１４．１と出口１４．２とを有する。
【００２２】
高圧タービン１６は高圧圧縮機３０に駆動接続されており、上流側又は入口１６．１と下流側又は出口１６．２とを有する。この入口１６．１は原子炉１４の出口１４．２に接続されている。
【００２３】
低圧タービン１８は低圧圧縮機２６に駆動接続されており、上流側又は入口１８．１と下流側又は出口１８．２とを有する。この入口１８．１は高圧タービン１６の出口１６．２に接続されている。
【００２４】
原子力発電プラント１０は、参照番号３２で総括的に示され、出力タービン２０が駆動接続されている発電機を含む。出力タービン２０は上流側又は入口２０．１と下流側又は出口２０．２とを含む。この出力タービン２０の入口２０．１は、低圧タービン１８の出口１８．２に接続されている。
【００２５】
可変抵抗器バンク３３が、発電機３２との接続を切れるように、該発電機に接続可能である。
【００２６】
レキュペレーター２２は加熱又は低圧側３４と冷却又は高圧側３６とを有する。レキュペレーターの低圧側３４は入口３４．１と出口３４．２とを有する。低圧側の入口３４．１は出力タービン２０の出口２０．２に接続されている。
【００２７】
前置冷却機２４はヘリウム−水の熱交換器であり、ヘリウム入口２４．１とヘリウム出口２４．２とを含む。前置冷却機２４の入口２４．１は、レキュペレーター２２の低圧側３４の出口３４．２に接続されている。
【００２８】
低圧圧縮機２６は、上流側又は入口２６．１と下流側又は出口２６．２とを有する。低圧圧縮機２６の入口２６．１は、前置冷却機２４のヘリウム出口２４．２に接続されている。
【００２９】
中間冷却機２８はヘリウム−水の熱交換器であり、ヘリウム入口２８．１とヘリウム出口２８．２とを含む。ヘリウム入口２８．１は低圧圧縮機２６の出口２６．２に接続されている。
【００３０】
高圧圧縮機３０は、上流側又は入口３０．１と下流側又は出口３０．２とを含む。高圧圧縮機３０の入口３０．１は、中間冷却機２８のヘリウム出口２８．２に接続されている。高圧圧縮機３０の出口３０．２は、レキュペレーター２２の高圧側３６の入口３６．１に接続されている。レキュペレーター２２の高圧側３６の出口３６．２は、原子炉１４の入口１４．１に接続されている。
【００３１】
原子力発電プラント１０は補助的な又は起動用の送風機システムを含む。このシステムは参照番号３８で一般的に示され、レキュペレーター２２の低圧側３４の出口３４．２と前置冷却機２４の入口２４．１との間に接続されている。
【００３２】
補助的な送風機システム３８は、通常は開いている、起動用送風機システムのインライン弁４０を含む。この弁は、レキュペレーター２２の低圧側３４の出口３４．２と前置冷却機２４の入口２４．１との間にインラインに接続されている。２つの送風機４２が起動用送風機システムのインライン弁４０に並列に接続されており、通常は閉じている隔離弁４４が各送風機４２に関連しこれに直列に接続されている。
【００３３】
低圧圧縮機の再循環ライン４６が、低圧圧縮機２６の出口又は下流側２６．２と中間冷却機２８の入口２８．１との間の位置から補助的な送風機システム３８と前置冷却機２４の入口２４．１との間の位置まで延びている。通常は閉じている低圧再循環弁４８が、低圧圧縮機の再循環ライン４６に取り付けられている。
【００３４】
高圧圧縮機の再循環ライン５０が、高圧圧縮機３０の出口又は下流側３０．２とレキュペレーター２２の高圧側３６の入口３６．１との間の位置から低圧圧縮機２６の出口又は下流側２６．２と中間冷却機２８の入口２８．１との間の位置まで延びている。通常は閉じている高圧再循環弁５１が、高圧圧縮機の再循環ライン５０に取り付けられている。
【００３５】
レキュペレーターの再循環ライン５２が、レキュペレーター２２の高圧側３６の入口３６．１の上流の位置からレキュペレーター２２の高圧側３６の出口３６．２の下流の位置まで延びている。通常は閉じているレキュペレーターの再循環弁５４が、レキュペレーターの再循環ライン５２に取り付けられている。
【００３６】
プラント１０は高圧冷却材弁５６と低圧冷却材弁５８とを含む。高圧冷却材弁５６は、開いているときに、高圧圧縮機３０の高圧側又は出口３０．２から低圧タービン１８の入口又は低圧側１８．１へとヘリウムを再循環するように構成されている。低圧冷却材弁５８は、開いているときに、高圧圧縮機３０の高圧側又は出口３０．２から出力タービン２０の入口２０．１へとヘリウムを再循環するように構成されている。
【００３７】
プラント１０は使用時に全国配電網（図示せず）に接続されており、プラントからこの配電網に供給される電力は、全国コントロールセンターによって決定される。したがってプラントによって生成される電力は、全国コントロールセンターから受け取る需要にしたがって変化する。
【００３８】
通常の需要の状態で発電回路１２を使用する場合、この回路は自立運転ブレイトンサイクルで作動する。
【００３９】
しかしながら全国コントロールセンターが全国配電網へ電力を全く移送しないか又は僅かな電力しか移送しないように要求した場合、プラントによって生成される電力は所内負荷まで減少させられる。
【００４０】
これはブレイトンサイクルを維持したままで実現できるが、そうすることによって過度に燃料を消費するため望ましくない。したがってこの場合、プラントによって生成される電力が所内負荷まで減少させられると、プラントはブレイトンサイクルが自立運転している発電運転モードから、ブレイトンサイクルが自立運転していなくて、発電回路を流れる作動流体の質量流量が補助的な送風機システムによって得られる待機モードへと変わる。
【００４１】
したがって、生成する電力を所内負荷まで減少するように信号を受け取ると、炉心１４を通る質量流量が減少させられる。これは、発電回路１２のヘリウムインベントリーを減らし、また圧縮機の再循環弁４８、５１の片方又は両方を開くことによって実現できる。この過程で炉心１４を通る質量流量が減少する。このことによって、炉心の平均温度が上昇する。炉心から得られる負の反応度フィードバックによって、炉心１４で生成される原子力が減少する。しかしながらブレイトンサイクルの効率は、圧縮機の再循環弁４８、５１の使用による低質量流量では非常に低いので、炉心で生成される原子力は依然として大きく、典型的には約４０〜８０ＭＷである。炉心１４で生成されるエネルギーの大部分は中間冷却機２８及び前置冷却機２４に廃棄される。さらにヘリウムが圧縮機１６、１８、２０を循環した結果、高質量流量又は比較的高温のいずれかの回路が形成される。一旦プラントが安定すると、発電回路１２の質量流量が補助的な送風機システム３８によって形成される移行状態が生じる。そうするためには、圧縮機の再循環弁４８、５１、送風機システムのインライン弁４０及び送風機の隔離弁４４の位置を制御する。するとある段階でブレイトンサイクルは自立運転を停止し、発電回路１２の質量流量が送風機３８によって得られる。
【００４２】
移行がうまくいった後は、高圧タービン１６、高圧圧縮機３０、低圧タービン１８及び低圧圧縮機２６は著しく少ない質量流量で作動する。これは低効率レベルであり、著しく少ないエネルギーしか熱交換器２４、２８に廃棄されないことを意味している。炉心の平均温度は上昇し、炉心で生成される原子力は２０ＭＷ未満まで減少する。このことは、待機モードでは著しく少ない核燃料しか消費されず、原子炉が臨界状態のままであることを意味している。
【００４３】
電力需要が増加すると、プラント１０を発電運転モードに戻すことによってブレイトンサイクルを再開できる。発電機３２が電力網と同期したままであり、また原子炉１４が臨界状態のままである事実を鑑みると、同期化にかかる時間は必要ないため、電力需要の増加に対してプラント１０を比較的迅速に対応させることができる。
【００４４】
上述の方法で原子力発電プラント１０を運転することによって、核燃料の消費を実質的に減らすことができ、それに伴って効率を上げることができると、本発明者は確信している。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の原子力発電プラントを概略的に示した
【国際公開パンフレット】
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2005506539.tif 000016
2005506539.tif 000017
2005506539.tif 000018
2005506539.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月21日(2003.10.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配電網に接続されており且つこれに同期される原子力発電プラントであり、作動流体としてヘリウムを使用し熱力学変換サイクルとしてブレイトンサイクルを使用する閉ループ発電回路を有する前記原子力発電プラントを、前記配電網からの電力需要がゼロの場合に運転する方法であって、
前記プラントによって生成される電力を所内負荷まで減少させるステップと、
前記プラントを、発電運転モードから、前記発電回路を流れる作動流体の質量流量が補助的な送風機システムによって得られ、且つ、前記プラントが前記配電網と同期したままである待機モードへと変えるステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記発電回路が、原子炉と、高圧圧縮機及び低圧圧縮機にそれぞれ駆動接続されている高圧タービン及び低圧タービンと、発電機に駆動接続されている出力タービンと、高圧圧縮機の再循環弁が取り付けられている高圧圧縮機の再循環ラインと、低圧圧縮機の再循環弁が取り付けられている低圧圧縮機の再循環ラインとを含む場合、前記生成される電力を減少させる前記ステップが、前記圧縮機の再循環弁の片方又は両方を開くステップを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記圧縮機の再循環弁の位置を制御し、前記発電機が前記プラントの所内負荷を形成するようにし、かつ、前記配電網への電力がゼロになるようにするステップをさらに含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記生成される電力を減少させる前記ステップが、前記発電回路のヘリウムインベントリーを減少させるステップを含む、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記発電回路のヘリウムインベントリーを減少させる前記ステップが、ヘリウムインベントリー制御システムと前記発電回路とを流体連通させるステップと、前記発電回路から前記ヘリウムインベントリー制御システムへとヘリウムを移送するステップとを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記プラントを発電運転モードから待機モードへと変える前記ステップが、前記プラントが安定した後に、前記出力タービンが依然として前記所内負荷を生成する一方で、前記発電回路の質量流量が前記補助的な送風機システムによって形成される移行状態を生じさせるステップを含む、請求項３〜５のいずれか1項に記載の方法。
【請求項７】
前記補助的な送風機システムが、通常は開いている送風機システムのインライン弁と、該インライン弁に並列に接続されている一対の送風機と、該送風機のそれぞれに直列に接続されている、通常は閉じている送風機の隔離弁とを含む場合、前記移行状態を生じさせる前記ステップが、前記送風機をスタートさせるステップと、前記圧縮機の再循環弁、前記送風機システムのインライン弁、及び前記送風機システムの隔離弁の位置を制御するステップとを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
本明細書中に実質的に記載され例示されている、請求項１記載の方法。
【請求項９】
本明細書中に実質的に記載されている、原子力発電プラントの新規の運転方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
この状態は比較的長時間、典型的には約８時間、例えば夜じゅう続く。このことは、配電網に電力が移送されていないという事実にも関わらず、核燃料の消費が依然として大きいことを意味する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
移行がうまくいった後は、高圧タービン、高圧圧縮機、低圧タービン及び低圧圧縮機は著しく少ない質量流量で作動しており、このことは低効率レベルであり、著しく少ないエネルギーしか熱交換器に廃棄されないことを意味している。炉心の平均温度は上昇し、炉心で生成される原子力は減少する。このことは、この待機モードでは、低発電運転モードで消費するよりも著しく少ない核燃料しか消費されていないことを意味している。この状態でプラントを運転することの利点は、最小の電力が生成され、プラントが配電網に電気的に接続されたままであるという点である。プラントは依然として配電網に同期されたままである。その結果プラントは、再循環弁を閉じ補助的な送風機システムのスイッチをオフにすることによって、大きな電力を生産する状態に迅速に戻ることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
したがって、生成する電力を所内負荷まで減少するように信号を受け取ると、炉心１４を通る質量流量が減少させられる。これは、発電回路１２のヘリウムインベントリーを減らし、また圧縮機の再循環弁４８、５１の片方又は両方を開くことによって実現できる。この過程で炉心１４を通る質量流量が減少する。このことによって、炉心の平均温度が上昇する。炉心から得られる負の反応度フィードバックによって、炉心１４で生成される原子力が減少する。しかしながらブレイトンサイクルの効率は、圧縮機の再循環弁４８、５１の使用による低質量流量では非常に低いので、炉心で生成される原子力は依然として大きく、典型的には約４０〜８０ＭＷである。炉心１４で生成されるエネルギーの大部分は中間冷却機２８及び前置冷却機２４に廃棄される。さらにヘリウムが圧縮機２６，３０を循環した結果、高質量流量又は比較的高温のいずれかの回路が形成される。一旦プラントが安定すると、発電回路１２の質量流量が補助的な送風機システム３８によって形成される移行状態が生じる。そうするためには、圧縮機の再循環弁４８、５１、送風機システムのインライン弁４０及び送風機の隔離弁４４の位置を制御する。するとある段階でブレイトンサイクルは自立運転を停止し、発電回路１２の質量流量が送風機システム３８によって得られる。




【国際調査報告】
2005506539.tif 000020
2005506539.tif 000021
2005506539.tif 000022
2005506539.tif 000023