(57)【要約】【課題】熱輸送装置の運転中において非凝縮性ガスを除去することにより放熱性能の低下を抑制することで、使用済核燃料を長期にわたって安定的に冷却する。【解決手段】受熱器１１と、放熱器１２と、前記受熱器で気相となった気相冷媒５ａを前記放熱器の上部へ移送する気相冷媒移送配管１３と、前記放熱器で冷却され液相となった液相冷媒５ｂを前記放熱器の下部から前記受熱器へ移送する液相冷媒移送配管１４と、を備えた熱輸送装置において、前記放熱器１２の下部を第１の配管７を介して非凝縮性ガス貯蔵容器１５の下部に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受熱器と、放熱器と、前記受熱器で気相となった気相冷媒を前記放熱器の上部へ移送する気相冷媒移送配管と、前記放熱器で冷却され液相となった液相冷媒を前記放熱器の下部から前記受熱器へ移送する液相冷媒移送配管と、を備えた熱輸送装置において、
前記放熱器の下部を第１の配管を介して非凝縮性ガス貯蔵容器の下部に接続したことを特徴とする熱輸送装置。
【請求項２】
前記放熱器を傾斜して配置したことを特徴とする請求項１記載の熱輸送装置。
【請求項３】
前記非凝縮性ガス貯蔵容器を略鉛直に配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の熱輸送装置。
【請求項４】
前記第１の配管に設けられた脱気弁と、前記非凝縮性ガス貯蔵容器の上部に設けられた第２の配管と、前記第２の配管に設けられた開閉弁及び真空ポンプと、前記放熱器下部の温度を計測する温度計を、さらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項５】
前記非凝縮性ガス貯蔵容器を複数設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項６】
前記非凝縮性ガス貯蔵容器の内面に複数の毛細管を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項７】
前記非凝縮性ガス貯蔵容器の外面に複数のフィンを設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
【請求項８】
前記非凝縮性ガス貯蔵容器の内部に吸着剤を配置したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱部を有する原子力プラントや産業用及び民生用機器を冷却するための熱輸送装置に関し、特に、外部動力を使用しない受動的な熱輸送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントや産業用及び民生用機器の多くは、通常使用時に発熱する機器を有しているが、事故時の冷却のため、又は、通常時の装置の省エネ化や小型化・軽量化等のため、外部動力を使用しない冷却装置の要望が高まっている。
【０００３】
特に、原子力プラントでは、原子炉設備の信頼性や安全性を一層高めるため、仮に、大災害等により３つの機能（全交流電源、海水冷却機能、使用済核燃料貯蔵プールの冷却機能）を全て喪失したとしても、炉心の損傷や使用済み燃料の損傷を防止し、放射性物質の放出を抑制しつつ冷却機能を持続することができる熱輸送装置が求められている。
【０００４】
このうち使用済核燃料貯蔵プール（ＳＦＰ；Spent Fuels Pool）について説明すると、通常時は外部動力を用いてＳＦＰを冷却している。原子炉建屋内に設置されているＳＦＰの内部に、使用済核燃料が設置され、使用済核燃料から発生する崩壊熱はＳＦＰ内のプール水に伝達される。プール水はスキマサージタンクに流入し、ポンプを介して、熱交換器で使用済核燃料の崩壊熱が除去された後、ＳＦＰに再び戻される。熱交換された熱は、熱交換器の２次系から原子炉機器冷却系を経て海に放出される。
【０００５】
ところで、ＳＦＰ１の冷却については、信頼性や安全性を一層高めるため、大災害等により外部動力が利用不可となり、既設の冷却系の機能が喪失するような状況においても、プール水を冷却できる装置が求められる。このような熱輸送装置として、受熱部と放熱部を有しその間に熱移送媒体を循環させるヒートパイプを用いることが提案されている。
【０００６】
このヒートパイプの伝熱効率を最大にするために、ヒートパイプを循環する熱移送媒体を単成分とすることが望ましく、そのため、熱移送媒体から伝熱効率の低下の要因となる非凝縮性ガスを除去する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−２３００７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、原子力プラントの使用済核燃料貯蔵プール（ＳＦＰ）１では、通常の冷却装置の機能が失われるような事故が発生した場合、プール水３を冷却するために長期にわたって受動的な熱輸送装置を運転させる必要がある。しかしながら、運転期間が長期化すると、熱移送媒体に含まれる非凝縮性ガスや配管の接続部等から侵入する非凝縮性ガスがヒートパイプ内にインリークしてヒートパイプ内の非凝縮性ガスが漸次増大し、次第に放熱性能及び熱輸送効率が低下するという課題がある。
【０００９】
しかしながら、従来の非凝縮性ガス除去手段は受熱器側に設けられており、受熱器がＳＦＰ内に設置されている原子力プラントの熱輸送装置には適用することができない。また、従来の非凝縮性ガス除去手段は基本的に熱輸送装置の起動時に熱輸送媒体から非凝縮性ガスを除去するもので、熱輸送装置を運転しながら非凝縮性ガスを除去することは想定していない。
【００１０】
本発明の実施形態は、上記課題を解決するためになされたものであり、熱輸送装置の運転中において非凝縮性ガスを除去することにより放熱性能の低下を抑制することで、使用済核燃料を長期にわたって安定的に冷却することが可能な熱輸送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る熱輸送装置は、受熱器と、放熱器と、前記受熱器で気相となった気相冷媒を前記放熱器の上部へ移送する気相冷媒移送配管と、前記放熱器で冷却され液相となった液相冷媒を前記放熱器の下部から前記受熱器へ移送する液相冷媒移送配管と、を備えた熱輸送装置において、前記放熱器の下部を第１の配管を介して非凝縮性ガス貯蔵容器の下部に接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本実施形態によれば、熱輸送装置の運転中において非凝縮性ガスを除去することにより放熱性能の低下を抑制することで、使用済核燃料を長期にわたって安定的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る熱輸送装置の構成図。
【図２】第２の実施形態に係る熱輸送装置の構成図。
【図３】（ａ）は第３の実施形態に係る非凝縮性ガス貯蔵容器の断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図。
【図４】（ａ）は第３の実施形態に係る非凝縮性ガス貯蔵容器の側面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る熱輸送装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
なお、以下の説明では熱輸送装置を原子力プラントに適用した例について説明するが、これに限定されず、他の発熱機器を有する産業用及び民生用機器にも適用できることはもちろんである。
【００１５】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る熱輸送装置を、図１を参照して説明する。
なお、本実施形態では熱輸送装置としてループ型ヒートパイプを用い、使用済核燃料貯蔵プール（ＳＦＰ）内に貯蔵された使用済核燃料２を冷却する例について説明する。
【００１６】
（全体構成）
本実施形態の熱輸送装置は、使用済核燃料２を貯蔵する使用済核燃料貯蔵プール（ＳＦＰ）１内に配置された受熱器１１、ＳＦＰ１の上方外部に設置された放熱器１２、使用済核燃料２からの受熱によって沸騰し気相となった受熱器１１内の気相冷媒５ａを放熱器１２へ移送する気相冷媒移送配管１３、及び放熱器１２で周囲の大気に放熱することで冷却され液相となった液相冷媒５ｂを重力で受熱器１１へ戻す液相冷媒移送配管１４と、放熱器１２に配管７により接続された非凝縮性ガス貯蔵容器１５とから構成される。なお、配管７は放熱器１２の下部と非凝縮性ガス貯蔵容器１５の下部を接続している。
【００１７】
放熱器１２は放熱効率を向上させるため、及び放熱器１２下部において気液分離を促進するために、オペレーションフロア４に対し傾斜して設けられる。また、放熱器１２の外面には適宜放熱フィン等を設けることができる（図示せず）。
非凝縮性ガス貯蔵容器１５は、放熱器１２の下部にから流入した非凝縮性ガスを貯留する機能を有し、オペレーションフロア４に対し略鉛直方向に設けられる。
【００１８】
使用済核燃料２はＳＦＰ１の底部に設置され、ＳＦＰ１内には使用済核燃料２の高さ（例えば４ｍ程度）の２倍程度又はそれ以上の水位のプール水３が貯留されている。なお、ＳＦＰ１には、使用済核燃料２が保管される他、定期検査時に原子炉圧力容器から取り出した使用中の燃料が一時保管される場合もある。
【００１９】
（作用）
上記のように構成された熱輸送装置において、使用済核燃料２からＳＦＰ１に移動した崩壊熱はＳＦＰ１内に設置された受熱器１１に伝わり、受熱器１１内部の液相冷媒５ｂは加熱され蒸発し高温の気相冷媒５ａとなる。高温の気相冷媒５ａは気相冷媒移送配管１３を通り、ＳＦＰ１の上方外部に設置された放熱器１２に流れ、放熱器１２を介して大気と熱交換し、凝縮して液相冷媒５ｂとなる。この液相冷媒５ｂは、液相冷媒移送配管１４を通り、受熱器１１に戻る。
【００２０】
このように、受熱器１１と放熱器１２、及びそれらを接続する気相冷媒移送配管１３と液相冷媒移送配管１４で構成されるループ型ヒートパイプの内部空間で生じる冷媒の蒸発及び凝縮による蒸発潜熱を利用して、使用済核燃料２が発生する崩壊熱をＳＦＰ１の外部に熱輸送することで、使用済核燃料２を冷却する。
【００２１】
ところで、上述したように、熱輸送装置の運転期間が長期化すると、ヒートパイプ内に非凝縮性ガス等がインリークし、ヒートパイプ内の非凝縮性ガスが漸次増大する可能性がある。インリークした非凝縮性ガスは、気相冷媒５ａの流れに付随し下流に流れていく。この気相冷媒５ａと非凝縮性ガスの混合気体は、放熱器１２で気相冷媒５ａが凝縮されるため、放熱器１２の下流に行くほど非凝縮性ガスの割合が増えるとともに、放熱器１２の下流部に滞留することになる。そして、放熱器１２内に滞留する非凝縮性ガスの量が増大すると、放熱器１２の放熱性能が低下する。
【００２２】
このため、本実施形態では、放熱器１２の下部に配管７を介して接続される非凝縮性ガス貯蔵容器１５を設け、放熱器１２の下部に滞留する非凝縮性ガスを引き込み貯留する。その際、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内は減圧されているため、非凝縮性ガスが放熱器１２の下部から非凝縮性ガス貯蔵容器１５内に流入する。
また、非凝縮性ガス貯蔵容器１５は略鉛直に設置されているため、気体の非凝縮性ガスが放熱器１２の下部から非凝縮性ガス貯蔵容器１５に容易に流入することができる。
【００２３】
（効果）
本実施形態によれば、ヒートパイプ内にインリークした非凝縮性ガスは、放熱器１２に滞留することなく、非凝縮性ガス貯蔵容器１５に導かれるため、放熱器１２における放熱性能の低下を防止することができる。これにより、事故時においても、ＳＦＰ１内の使用済核燃料２を長期にわたって安定的に冷却することができる。
【００２４】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る熱輸送装置を、図２を参照して説明する。なお、上記実施形態と同一又は類似の構成については同一の符号を付し、重複説明を省略する。
本実施形態は、非凝縮性ガス貯蔵容器１５に貯留した非凝縮性ガスを定期的に外部へ排出することを特徴とする。
【００２５】
（構成）
第２の実施形態に係る熱輸送装置は、放熱器１２の下部に配管７及び脱気弁２１を介して接続された少なくとも１つの非凝縮性ガス貯蔵容器１５と、非凝縮性ガス貯蔵容器１５の上部に接続された配管８と、配管８に設けられた開閉弁２３及び真空ポンプ２２と、放熱器１２の下部の温度を測定する温度計２４と、から構成される。非凝縮性ガス貯蔵容器１５は、オペレーションフロア４に対し略鉛直方向に設けられる。
【００２６】
（作用）
本実施形態に係る熱輸送装置の定常運転中は、脱気弁２１を開、開閉弁２３を閉とし、非凝縮性ガス貯蔵容器１５の下部に貯留した非凝縮性ガスを配管７を介して非凝縮性ガス貯蔵容器１５内へ導く。しかしながら、熱輸送装置を長期にわたって運転すると、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内の非凝縮性ガスの量が増加し、次第に放熱器１２下部からの非凝縮性ガスの流入特性が低下し、非凝縮性ガスを非凝縮性ガス貯蔵容器１５内に効率よく流入させることができなくなる。
【００２７】
そして、放熱器１２下部における非凝縮性ガスの滞留量が増大すると、放熱器１２下部の温度が冷媒の飽和温度から次第に大気温度まで低下する。温度計２４はこの温度低下を監視し、温度が所定の基準値以下となった場合、脱気弁２１を閉とする。同時に、開閉弁２３を開とし、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内の非凝縮性ガスを真空ポンプ２２により外部へ排出し、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内を減圧する。減圧後に、脱気弁２１を開、開閉弁２３を閉とし、定常運転に戻る。
【００２８】
この非凝縮性ガス貯蔵容器１５内の非凝縮性ガスの排出作業は短時間で終了するので、熱輸送装置の運転を中断することなく実施可能であるが、複数の非凝縮性ガス貯蔵容器１５を切り替え可能に並列に配置し、非凝縮性ガス貯蔵容器１５の排出作業を順次実施するようにしてもよい。
【００２９】
（効果）
本実施形態によれば、非凝縮性ガスの流入性能の低下を温度計２４により検出し、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内の非凝縮性ガスを随時排出可能とすることで、熱輸送装置を長期にわたって安定的に運転することができる。
また、非凝縮性ガス貯蔵容器１５を並列に複数設けることで、熱輸送装置の運転を中断することなく、使用済核燃料の冷却を継続することができる。
【００３０】
［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る熱輸送装置を、図３、図４を参照して説明する。なお、上記実施形態と同一又は類似の構成については同一の符号を付し、重複説明を省略する。
【００３１】
非凝縮性ガス貯蔵容器１５には、放熱器１２内の非凝縮性ガスのみならず気相媒体５ａも流れ込む可能性がある。
本実施形態では、この気相媒体５ａを非凝縮性ガス貯蔵容器１５内で積極的に凝縮させ、非凝縮性ガス貯蔵容器１５から排出することを特徴とする。
【００３２】
そのため、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、非凝縮性ガス貯蔵容器１５の内面にウイック（毛細管）３１を設け、凝縮した液相冷媒５ｂを非凝縮性ガス貯蔵容器１５の下方へ導き、液相冷媒移送配管１４に合流させるか、又は外部へ排出する（図示せず）。
【００３３】
また、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内の気相媒体５ｂの凝縮を促進するために、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、非凝縮性ガス貯蔵容器１５の外周面にフィン３２を複数設置する。
【００３４】
本実施形態によれば、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内に侵入した気相媒体５ｂを積極的に凝縮させ、外部へ排出することにより、非凝縮性ガス貯蔵容器１５の非凝縮性ガスの貯留機能を長期にわたって維持することができる。
【００３５】
［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る熱輸送装置を説明する。
非凝縮性ガス貯蔵容器１５に貯留される非凝縮性ガスの成分は、主に窒素、酸素、二酸化炭素である。
【００３６】
本実施形態では、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内に吸着剤を配置し（図示せず）、これらの非凝縮性ガスの少なくとも一部を吸着させ、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内に貯留される非凝縮性ガスの量を低減することを特徴とする。
【００３７】
本実施形態によれば、非凝縮性ガス貯蔵容器１５内に例えば活性炭や鉄粉からなる吸着剤を配置することにより、非凝縮性ガス貯蔵容器１５の貯留容量を実質的に大きくすることができるため、熱輸送装置をさらに長期にわたって安定的に運転することができる。
なお、活性炭は窒素、二酸化炭素の吸着機能を有し、鉄粉は酸素の吸着機能を有するが、同様な機能を有するものであれば、他の吸着剤を用いることができる。
【００３８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３９】
１…使用済核燃料プール（ＳＦＰ）、２…使用済核燃料、３…プール水、４…オペレーションフロア、５ａ…気相冷媒、５ｂ…液相冷媒、７…配管（第１の配管）、８…配管（第２の配管）、１１…受熱器、１２…放熱器、１３…気相冷媒移送配管、１４…液相冷媒移送配管、１５…非凝縮性ガス貯蔵容器、２１…脱気弁、２２…真空ポンプ、２３…開閉弁、２４…温度計、３１…毛細管（ウイック）、３２…フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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