(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水面下で燃料プールのプール水からの熱を受熱する上昇管と、前記燃料プールの水面上に配置され前記上昇管の上端部に接続された上部連通管と、前記上昇管の下端部に接続された下部連通管と、前記上部連通管と下部連通管に接続された下降管と、前記上昇管の上方側と前記下降管の下方側を覆う断熱部と、を有する燃料プールの熱輸送装置であって、
前記熱輸送装置が燃料プールの水面に浮かぶように、前記断熱部の比重を前記プール水の比重よりも小さくしたことを特徴とする燃料プールの熱輸送装置。
【請求項２】
前記断熱部は断熱性の樹脂又は多孔性のセラミック、断熱性又は断熱塗料を塗布した中空の環状部材からなることを特徴とする請求項１記載の燃料プールの熱輸送装置。
【請求項３】
前記上昇管及び下降管が複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料プールの熱輸送装置。
【請求項４】
前記上昇管の断面形状が上方に向かって拡大していることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の燃料プールの熱輸送装置。
【請求項５】
前記上昇管及び下降管の上端部にそれぞれ環状の上部連通管を接続するとともに当該上部連通管同士を連通配管により接続し、かつ、前記上昇管及び下降管の下端部にそれぞれ環状の上部連通管を接続するとともに当該下部連通管同士を連通配管により接続したことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の燃料プールの熱輸送装置。
【請求項６】
水面下で燃料プールのプール水からの熱を受熱する上昇管と、前記燃料プールの水面上に配置され前記上昇管の上端部に接続された上部連通管と、前記上昇管の下端部に接続された下部連通管と、前記上昇管の上方側と前記上部連通管を覆う断熱部と、前記燃料プールの外部に設置され前記上部連通管と下部連通管に接続された冷却器と、を有する燃料プールの熱輸送装置であって、
前記熱輸送装置が燃料プールの水面に浮かぶように、前記断熱部の比重を前記プール水の比重よりも小さくしたことを特徴とする燃料プールの熱輸送装置。
【請求項７】
前記冷却器と前記上部連通管及び下部連通管とを接続する配管の少なくとも一部を伸縮可能な部材により構成したことを特徴とする請求項６記載の燃料プールの熱輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温の貯留液を冷却するための熱輸送装置に関し、特に、使用済み燃料を貯蔵する原子力プラントの燃料プールに用いられる熱輸送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は高温の貯留液を冷却するための熱輸送装置に関するが、ここでは使用済み燃料を貯蔵する原子力プラントの燃料プールに適用した例を説明する。
従来の使用済み燃料を貯蔵する原子力プラントの燃料プールの冷却装置を図７により説明する。図７は原子力プラントの建屋３１内に設けられ、使用済み核燃料３３を保管する燃料プールの模式図である。
【０００３】
原子炉で使用された使用済み燃料３３は、原子炉建屋３１内に設置されている燃料プール３２に保管される。使用済み燃料３３からの発生熱（崩壊熱）により燃料プール３２内のプール水３４の温度が上昇するが、このプール水３４はスキマサージタンク３５に流入し、ポンプ３６により熱交換器３７で発生熱が除熱された後、貯蔵プール３２に再び戻される。なお、熱交換器３７で除去した発生熱は、熱交換器３７の２次系から海中等に放出される（図示せず）。
【０００４】
このように、従来の使用済み燃料プール３２では、プール水３４をポンプ３６に代表される動的機器により熱交換器３７を介して循環させることにより冷却している。したがって、何らかの原因で電源が喪失した場合にはプール水３４を冷却できなくなり、崩壊熱によりプール水３４の温度は上昇する。電源が復旧できない状況が続くと、蒸発による燃料プールの水位低下や、最終的には冷却水の喪失に至り、使用済み燃料が損傷する可能性が大きくなる。
【０００５】
このため、仮に津波等により全交流電源、海水冷却機能及び使用済み燃料プールの冷却機能の３つの機能を全て喪失したとしても、炉心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回復することができる冷却装置が求められている。このうち、使用済み燃料プールの冷却については、既設の冷却系の喪失を想定し、外部動力が利用不可の状況においても、プール水を冷却できる装置が求められている。
【０００６】
ところで、一般の民生機器又は産業機器の分野では、外部動力を使用しない冷却手段として従来からヒートシンクや循環流体の密度差で生じる熱対流を利用した熱輸送装置が知られている（特許文献１）。また、高発熱量用の冷却機器では、ヒートパイプを組み合わせた装置も用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２８３０１４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、外部動力を使用しない熱輸送装置としてヒートパイプによる熱輸送装置を用いた場合、ヒートパイプの一方はプール水に直接接触させ、他方は燃料プールの上方に設置されるが、その際、ヒートパイプを支持具や固定具により燃料プールの側壁等に固定する必要がある。しかしながら、地震や経年劣化により支持具や固定具が破損、落下したり、それにともなってヒートパイプも破損する可能性があり、その場合はヒートパイプによる冷却機能が失われるという課題があった。
【０００９】
本発明は、上記本課題を解決するためになされもので、外部動力を使用せずに、長期にわたって安定的に燃料プール水を冷却することができる燃料プールの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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る燃料プールの熱輸送装置は、水面下で燃料プールのプール水からの熱を受熱する上昇管と、前記燃料プールの水面上に配置され前記上昇管の上端部に接続された上部連通管と、前記上昇管の下端部に接続された下部連通管と、前記上部連通管と下部連通管に接続された下降管と、前記上昇管の上方側と前記下降管の下方側を覆う断熱部と、を有する燃料プールの熱輸送装置であって、前記熱輸送装置が燃料プールの水面に浮かぶように、前記断熱部の比重を前記プール水の比重よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の実施形態に係る燃料プールの熱輸送装置は、水面下で燃料プールのプール水からの熱を受熱する上昇管と、前記燃料プールの水面上に配置され前記上昇管の上端部に接続された上部連通管と、前記上昇管の下端部に接続された下部連通管と、前記上昇管の上方側と前記上部連通管を覆う断熱部と、前記燃料プールの外部に設置され前記上部連通管と下部連通管に接続された冷却器と、を有する燃料プールの熱輸送装置であって、前記熱輸送装置が燃料プールの水面に浮かぶように、前記断熱部の比重を前記プール水の比重よりも小さくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、外部動力を使用せずに、長期にわたって安定的に燃料プール水を冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る燃料プールの熱輸送装置の断面図。
【図２】第１の実施形態に係る燃料プールの熱輸送装置の変形例を示す図。
【図３】第２の実施形態に係る燃料プールの熱輸送装置の断面図。
【図４】第３の実施形態に係る燃料プールの熱輸送装置の断面図。
【図５】第４の実施形態に係る燃料プールの熱輸送装置の断面図。
【図６】第５の実施形態に係る燃料プールの熱輸送装置の断面図。
【図７】従来の燃料プールの冷却装置の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る燃料プールの熱輸送装置の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
［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及び図２により説明する。
（構成）
第１の実施形態に係る熱輸送装置１０は、図１に示すように、下方側が水面下にありプール水６からの熱を受熱する上昇管１と、水面上に露出している上昇管１の上端部に接続され周囲の雰囲気により冷却される上部連通管３と、上昇管１の下端部に接続された下部連通管４と、上部連通管３で液相となった凝縮水を下部連通管４に導く下降管２と、上昇管１の上方側と下降管２の下方側を覆う断熱部５とから構成される。各配管として、矩形、円形または楕円形等の断面形状を有する配管が用いられる。
【００１７】
断熱部５はプール水よりも比重が小さい部材が用いられる。例えば、比重の小さい断熱性の樹脂又は多孔性のセラミック（アルミナ、シリカ等）、断熱材からなる中空の環状部材、あるいは断熱塗料を塗布した中空の環状部材、等が用いられる。これにより、断熱部５は断熱機能とフロートの機能を有する。
この熱輸送装置１０を燃料プール３２内に配置したときに、熱輸送装置１０は断熱部５の浮力により燃料プール３２の水面に浮かぶことになる。
【００１８】
上昇管１では、断熱部５は水面直上の高温雰囲気からの熱を受熱しないように水面上に露出した上昇管１の大部分を覆い、水面下では高温のプール水６からの受熱を妨げないように上昇管１をできるだけ露出させるように配置される。また、下降管２では、下降管２を下降する液体の再蒸発を防ぐため、断熱部５は水面下の下降管２の大部分を覆うよう配置される。
このように、上昇管１及び下降管２に設置される断熱部５の長さ、容積は、上記のような受熱状態及び浮遊状態になるように適宜調整される。
【００１９】
本実施形態では熱輸送装置１０内の熱輸送媒体として水が用いられ、装置稼動前に飽和蒸気圧を所望の圧力になるように調整されている。水は入手が容易であり、仮に配管が破損した場合においても、周囲に及ぼす影響は小さい。また、飽和蒸気圧を装置稼動前に調整することで、装置の稼動開始温度を変更し、熱輸送効率を最適に調整することができる。
なお、熱輸送媒体として水以外の媒体を使用できることはもちろんである。
【００２０】
また、図１の例では、上昇管１及び下降管２がそれぞれ１本、２本の例で説明したが、これに限定されず適宜増減可能である。例えば、図２に示す変形例では、下降管２が３本設けられ、また、断熱部５が一体化された構成となっている。これにより熱輸送効率をさらに向上させることができる。
【００２１】
（作用）
このように構成された熱輸送装置１０において、上昇管１の下方部及び下部連通管４はプール水６の熱を受熱し内部の液体は沸騰して気相になり上昇管１内を上昇して上部連通管３に導かれる。上部連通管３では、周囲の雰囲気温度により冷却され、蒸気は冷却され凝縮し液相に変化する。凝縮水は下降管２を下降し下部連通管４に導かれ、再度、プール水６の熱を受熱して沸騰する。なお、図１の１１は受熱状況、１２は放熱状況を示す熱フローである。
【００２２】
本熱輸送装置１０はこのサイクルを繰り返すことにより、燃料プール３２のプール水６を能動的な装置を用いることなく、受動的な装置によって長期的にかつ効率的に冷却することができる。また、本熱輸送装置１０は燃料プール３２に浮遊した状態で使用するため、本熱輸送装置１０を燃料プール壁等に支持具や固定具を用いて固定する必要がなく、支持具や固定具の損傷によって熱輸送装置が機能不全となることはない。
【００２３】
（効果）
本第１の実施形態によれば、熱輸送装置１０を燃料プール３２の水面に浮遊させて使用するので、支持具や固定具等を用いる必要がない。その結果、地震時や経年劣化による支持部材等の脱落、破損により熱輸送装置が損傷を受けることがないため、燃料プール３２のプール水６を長期にわたって安定的に冷却することができる。
【００２４】
なお、本熱輸送装置１０は原子力プラントの事故時に燃料プール３２に投入してもよいが、通常時においてもプール水６の冷却に使用することができる。
また、下降管２に設置される断熱部５で必要な浮力が得られれば、上昇管１に断熱部を設置しなくともよい。
【００２５】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る熱輸送装置を図３により説明する。
本第２の実施形態に係る熱輸送装置１０では、上昇管１の断面形状を上方に向かうにしたがい拡大させる構成としている。これにより下降管２内で液相が気相に変化する場合の体積膨張を吸収し、蒸気の上方への流れを促進し、熱輸送能力を向上させることができる。
【００２６】
なお、図３の例では、水面上にある上昇管１の上方部を拡大した構成としているが、これに限定されず、上昇管１全体を下方から上方に向けて拡大する構成としてもよい。
【００２７】
［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る熱輸送装置を図４により説明する。
本第３の実施形態に係る熱輸送装置１０は、複数の上昇管１及び下降管２を環状に配置した構成としている。
【００２８】
本熱輸送装置１０は、図４に示すように、複数の上方管１を環状に外側に配置し、複数の下降管２をその内側に環状に配置し、さらに、それぞれの上下端部に円環状の上部連通管３ａ、３ｂと下部連通管４ａ、４ｂを接続し、さらに上部連通管３ａ及び３ｂと下部連通管４ａ及び４ｂを放射状の連通配管３ｃ、４ｃにより接続している。また、複数の上昇管１及び下降管２にはそれぞれ断熱部５が設けられている。
【００２９】
本第３の実施形態によれば、複数の上昇管１及び下降管２を環状に配置したことにより、熱輸送装置の重心が中心近傍となり、熱輸送装置はより安定して浮遊することができるため、熱輸送装置の安定性、熱効率をさらに向上させることが可能となる。
【００３０】
［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る熱輸送装置を図５により説明する。
【００３１】
（構成）
第４の実施形態に係る熱輸送装置１０は、複数の上昇管１の少なくとも水面上に露出している上方部と上部連通管３を断熱部５で覆い、上昇管１の下方部で発生した蒸気を上部連通管３及び配管２１を介して燃料プール３２の外部に設けられた冷却器７に導く構成としている。また、冷却器７で液相となった凝縮水は配管２２を介して下部連通管４に導かれる。
【００３２】
上昇管１及び上部連通管３に設置される断熱部５の長さ、幅、容積は、上昇管１が効率的に熱を受熱できるように、また、熱輸送装置が安定して浮遊できるように適宜調整される。
また、冷却器７は、例えばオペレーションフロア等の建屋内の適切な場所又は建屋外に設けられる。また、冷却器７は複数設けてもよい。
【００３３】
なお、配管２１、２２は、燃料プール３２の水面の揺動による熱輸送装置の動きに追随できるように、例えば配管の少なくとも一部にベローズや弾性部材等の伸縮可能な部材を用いることが望ましい（図示せず）。
【００３４】
（作用）
このように構成された熱輸送装置１０において、上昇管１の下方部及び下部連通管４はプール水の熱を受熱し内部の液体は沸騰して気相になり上昇管１内を上昇して上部連通管３及び配管２１を介して冷却器７に導かれる。冷却器７では、周囲の雰囲気温度により冷却され、蒸気は冷却され凝縮し液相に変化する。凝縮水は配管２２を介して下部連通管４に導かれ、再度、プール水の熱を受熱して沸騰する。
【００３５】
本熱輸送装置１０はこのサイクルを繰り返すことにより、燃料プール３２のプール水６を能動的な装置を用いることなく、受動的な装置によって長期的にかつ効率的に冷却することができる。
【００３６】
また、本熱輸送装置１０は燃料プール６に浮遊した状態で使用するため、熱輸送装置１０を燃料プール壁等に支持具や固定具を用いて固定する必要がなく、支持具や固定具の損傷によって熱輸送装置が機能不全となることはない。
【００３７】
（効果）
本第４の実施形態によれば、燃料プールの外部に冷却器を設置したことにより冷却効率をさらに向上させることができるとともに、燃料プールに投入する熱輸送装置の重量を軽減することが可能となる。
なお、本第４の実施形態に係る冷却器を、上記第１乃至第３の実施形態の熱輸送装置に適用してもよい。
【００３８】
［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る熱輸送装置を図６により説明する。
第５の実施形態に係る熱輸送装置１０は、上昇管と下降管の機能を有する単管のヒートパイプ８から構成される。
【００３９】
ヒートパイプ８は、下方部でプール水６の熱を受熱し内部の液体は沸騰して蒸気になり、ヒートパイプ８の上部まで上昇し、そこで周囲雰囲気により冷却され凝縮水は重力によりヒートパイプ８の下方部に下降し、再度、プール水６の熱を受熱して沸騰する。ヒートパイプ８に設けられる断熱部５の長さ、幅、容積は、ヒートパイプ８が効率的に熱を受熱できるように、また、ヒートパイプ８からなる熱輸送装置１０が安定して浮遊できるように適宜調整される。
【００４０】
また、燃料プール６に投入されるヒートパイプ８の本数は、使用済み燃料の発熱状態に応じて適宜増減する。
本第５の実施形態によれば、単管のヒートパイプ８を用いたことにより、コンパクトかつ低コストでの熱輸送装置１０を提供することができる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本熱輸送装置は燃料プールの冷却に限定されることはなく、他の種々の分野において容器内の高温の液体を冷却する場合に適用できることはもちろんである。
【００４２】
また、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】
【００４３】
１…上昇管、２…下降管、３、３ａ、３ｂ…上部連通管、４、４ａ、４ｂ…下部連通管、３ｃ、４ｃ…連通配管、５…断熱部、６…プール水、７…冷却器、８…ヒートパイプ、１０…熱輸送装置、２１…配管、２２…配管、３１…建屋、３２…燃料プール、３３…使用済み燃料、３４…プール水、３５…スキマサージタンク、３６…ポンプ、３７…熱交換器。
【図１】
0005734830.tif 000002
【図２】
0005734830.tif 000003
【図３】
0005734830.tif 000004
【図４】
0005734830.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005734830.tif 000007
【図７】
0005734830.tif 000008