(57)【要約】発電所の運転停止後、崩壊熱を利用して専用の蒸気タービン／発電機セットにより電力を発生させる原子力発電所補助バックアップ電源システム。崩壊熱によって生成された高温のガス状作動流体を、発電機を駆動する適当なサイズのタービンを作動させるためのバックアップとして利用する。タービンは、既存の原子力発電所の二次系の一部を利用するように構成され、タービン排気を周囲雰囲気に排出する。このシステムは原子炉の崩壊熱を除去する機能と発電所の系に電力を供給する機能を両方果たし、従来型電力源が利用不可能な場合でも運転停止を整然と行えるようにする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を発生する原子核反応を内部で発生させる炉心（１４）を有する原子炉容器（１０）と；
炉心（１４）で発生した熱を作動流体に伝達するための手段（１８）と；
高温の作動流体を搬送する主ヘッダ（２４）と；
主ヘッダ（２４）に接続され、主ヘッダから高温の作動流体を受け取り、高温の作動流体を利用して電気を発生させる主タービン／発電機（２６）であって、原子核反応が出力モードで進行する時、原子炉容器（１０）内の原子核反応により生じる通常の動作範囲のパラメータでオフサイト要件を満たす電気を発生するように構成された、主タービン／発電機（２６）と；
主ヘッダ（２４）に接続され、原子炉容器（１０）内の原子核反応が運転停止モードである時、原子核反応から抽出された崩壊熱により加熱された高温の作動流体からオンサイト要件を満たす電気を発生するように構成された、補助バックアップタービン／発電機（５６）と；
主ヘッダ（２４）に接続され、崩壊熱により加熱された作動流体を補助バックアップタービン／発電機（５６）に接続する抽気導管（５２）とから成る原子力発電施設。
【請求項２】
抽気導管（５２）は遮断弁（５４）を含み、該遮断弁は閉位置にある時、抽気導管を閉じることにより、高温の作動流体が主ヘッダ（２４）から補助バックアップタービン／発電機（５６）に分流されないようにする、請求項１記載の原子力発電施設。
【請求項３】
遮断弁は故障時に開位置となるように設計されている、請求項２記載の原子力発電施設。
【請求項４】
補助バックアップタービン／発電機（５６）のテストを行うために抽気導管（５２）を貫く経路を開くオーバーライド機構（６０）を含む、請求項３記載の原子力発電施設。
【請求項５】
補助バックアップタービン／発電機（５６）の電気出力は発電所の残留崩壊熱除去系（３６）に接続可能であり、さらに、従来型電源（２６）から残留崩壊熱除去系への電力の喪失を検出すると自動的に残留崩壊熱除去系をバックアップ補助タービン／発電機に接続する制御装置（６４）を含む、請求項１に記載の原子力発電施設。
【請求項６】
抽気導管（５２）は遮断弁（５４）を含み、該遮断弁は閉位置にある時、抽気導管を閉じることにより、高温の作動流体が主ヘッダ（２４）から補助バックアップタービン／発電機（５６）に分流されないようにする一方、制御装置（６４）は従来型電源（２６）から残留除去系への電力の喪失を検出すると自動的に遮断弁（５４）を開くことによって、高温の作動流体が抽気導管内に分流されるようにすることを特徴とする請求項５記載の原子力発電施設。
【請求項７】
前記炉心で発生した熱を作動流体に伝達するための手段は、一次側および二次側を有する蒸気発生器（１８）と給水系（３４）を含み、該給水系は：
給水貯蔵部（３２）と；
給水貯蔵部に接続され、給水を蒸気発生器（１８）の二次側に供給する補助／始動給水ポンプ（３６）とから成り、補助／始動給水ポンプに給電するのに従来型電源（２６）が利用できない場合、給水ポンプは補助バックアップタービン／発電機（５６）の電気出力に接続可能である、請求項１記載の原子力発電施設。
【請求項８】
従来型電源（２６）は送電網（４０）とオンサイトのディーゼル発電機である、請求項７記載の原子力発電施設。
【請求項９】
さらに、従来型電源（２６）から給水ポンプ（３６）への電力の喪失を検出すると自動的に給水ポンプを補助バックアップタービン／発電機（５６）に接続する制御装置（６４）を含む、請求項１に記載の原子力発電施設。
【請求項１０】
補助バックアップタービン／発電機（５６）は、崩壊熱サイクルの開始時と終了時に発生する蒸気質量流量の差と一致するターンダウン比を有する、請求項１に記載の原子力発電施設。
【請求項１１】
補助バックアップタービン／発電機（５６）は、補助バックアップ電力需要のために必要な量を超える高温の作動流体を放散する高温の作動流体ダンプ弁またはバイパス弁（４２）を具備する、請求項１０に記載の原子力発電施設。
【請求項１２】
補助バックアップタービン／発電機（５６）は補助タービン（４６）および補助発電機（４４）から成り、補助発電機のシャフト（６２）が実質的に一定速度で作動する、請求項１に記載の原子力発電施設。
【請求項１３】
補助バックアップタービン／発電機（５６）の発電機（４６）にかかる発電機負荷を検出することにより、補助バックアップタービン／発電機のタービン（４４）の駆動出力を制御して発電機負荷にマッチさせる制御装置（６４）を含む、請求項１に記載の原子力発電施設。
【請求項１４】
前記炉心で発生した熱を作動流体に伝達するための手段は、蒸気発生器（１８）と蒸気発生器よりも上方に配置された蒸気ドラム（５８）を含む、請求項１に記載の原子力発電施設。
【請求項１５】
補助バックアップ蒸気タービン／発電機（５６）、抽気導管（５２）、および主ヘッダ（２４）の少なくとも一部を収容する建屋（６８）を含む、請求項１に記載の原子力発電施設。
【請求項１６】
前記炉心で発生した熱を作動流体に伝達するための手段は、蒸気発生器（１８）と給水系（３４）から成り、該給水系は給水貯蔵部（３２）と補助／始動給水ポンプ（３６）を含み、少なくとも蒸気発生器と給水ポンプが建屋（６８）に収容される、請求項１５に記載の原子力発電施設。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的には原子力発電施設のための電力系統に関連し、より詳細には、エネルギー源として崩壊熱を利用して電力を発生させるバックアップ補助電力系統に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉発電システムの一次側は、販売可能な電気を発生させるための蒸気を生成する。加圧水型原子炉または液体金属冷却式原子炉のようなタイプの原子炉の一次側は、有用な蒸気を発生するために二次側と熱交換関係にあるがそれから隔離された閉回路を形成する。沸騰水型原子炉またはガス冷却式原子炉のようなタイプの原子炉の場合、販売可能な電気を発生させるためのガスは炉心で直接加熱される。以下では加圧水型原子炉への適用を例に挙げて本願発明を説明する。一次側は、核分裂物質を含む複数の燃料集合体を支持する炉心内部構造を取り囲む原子炉容器と、熱交換蒸気発生器の内部の一次回路と、加圧器、ポンプおよび加圧水を循環させるための配管類の内部空間と、蒸気発生器およびポンプをそれぞれ別個に原子炉容器に接続する配管類とより成る。蒸気発生器、ポンプおよび原子炉容器に接続された配管類より成る一次側の各部品は一次側ループを形成する。
【０００３】
説明目的のために、図１は、ほぼ円筒形の原子炉圧力容器１０と蓋ヘッド１２が炉心１４を密封する原子炉一次系を単純化したものである。水のような液体の原子炉冷却材は、ポンプ１６により圧力容器１０内に圧入され、炉心１４を通過する際熱エネルギーを吸収して、一般的に蒸気発生器と呼ばれる熱交換器１８へ送られ、交換された熱は蒸気駆動タービン発電機のような利用回路（図示せず）へ送られる。原子炉冷却材はその後ポンプ１６へ戻ることにより一次側ループが完成する。一般的に、上述したような複数のループが原子炉冷却材の配管２０により単一の原子炉容器１０に接続されている。
【０００４】
前の段落で述べたように、原子炉炉心１４内を循環されて加熱された一次流体は、一次流体入口ノズルを介して蒸気発生器１８内に流入する。この一次流体は、一次流体入口ノズルから一次流体入口ヘッダに入り、伝熱管群の内部を通って、一次流体出口ヘッダに流出し、そこから、一次流体出口ノズルを通って、原子炉冷却系の残りの部分へと導かれる。同時に、給水は、典型的には蒸気発生器内部の給水リングに接続された給水ノズルを介して、蒸気発生器の二次側、すなわち、蒸気発生器の、管群の外側とインターフェースする側に導入される。一実施形態において、給水は、蒸気発生器に入るとすぐに、湿分分離器から戻ってくる水と混ざり合う。ダウンカマー流と呼ばれるこの混合物は、蒸気発生器の外側胴部に隣接する環状室を下降した後、環状室の底部に位置して蒸気発生器の一次側入口ヘッダを二次側から隔てる管板によって方向転換され、環状室の内壁を形成する管群外筒の内側を伝熱管の外側と熱伝達関係で上昇する。水が管群と熱伝達関係で循環する間、伝熱管内の一次流体から管の周囲の水に熱が伝達され、管の周囲の水の一部が蒸気に変換される。この蒸気は上昇して、多数の湿分分離器を通過するが、その間に、蒸気から同伴湿分が分離される。蒸気は蒸気ノズルを介して蒸気発生器を出た後、蒸気ヘッダを経由して蒸気タービンを循環し、それに接続された発電機を駆動して電気を発生させる。発電機は消費市場に電力を搬送するために送配電設備に接続されているが、これらは当該技術分野において周知である。
【０００５】
原子炉の運転を停止させると、残留炉心崩壊熱を除去することにより、系を高温待機状態に維持するか、または冷温停止状態まで冷却する必要がある。炉心の崩壊熱は、一次側冷却水によって原子炉炉心から除去される。この冷却材流は蒸気発生器を通り、そこで一次冷却材の熱エネルギーの一部が蒸気状の別個の二次（非放射性）流との間で交換された後、放散される。現在は、このエネルギーの放散は、蒸気を大気に放出することによって行っている。蒸気を作るために使用される二次水は補助貯水源から蒸気発生器に継続的に供給される。通常、このモードでは、系の冷却が開始されるまでに、二次側の蒸気圧は約１，１００ｐｓｉａに上昇する（崩壊熱の除去に加えて、蓄積されたエネルギーの除去が必要となる）。この系が機能するには、大気圧下の補助給水を高圧の蒸気発生器内に圧入する手段が必要である。このための電力は、通常条件下では、送電網、または送電網が利用できない場合はバックアップ用ディーゼル発電機により提供される。地震と津波が原因の日本の最近の事故により、これらの系の潜在的な脆弱性についての認識が高まっている。
【０００６】
したがって、原子炉の崩壊熱の放散に用いる蒸気発生器に水を補給する給水ポンプ、一次側が低圧力の時使用される残留熱除去系、および発電所全体の監視・制御用計測器等の負荷のための電気エネルギー源として既存の発電所で現在使用されている送電網およびバックアップ用ディーゼル発電機に加えて別のバックアップ電源を利用可能にすることにより、脆弱性に対する防御を多層化することが望まれている。
【０００７】
さらに、このようなバックアップ電源は発電所に内蔵されていることが望ましい。
【発明の概要】
【０００８】
上記および他の目的は、一次および二次系を有する原子力発電施設によって達成される。一次系は、原子炉容器、一次側が原子炉容器に接続された蒸気発生器、蒸気発生器の一次側を原子炉容器に接続する一次冷却材配管類、および冷却材を一次冷却材配管類を介し原子炉容器と蒸気発生器一次側の間でその中を循環させる一次ポンプを含む。二次系には、蒸気発生器の一次側と熱交換関係にあって、蒸気出口ノズルから外へ出る蒸気を発生させる蒸気発生器の二次側が含まれる。二次系にはさらに、蒸気出口ノズルに接続された主蒸気ヘッダと、主蒸気ヘッダに接続されて蒸気を主蒸気ヘッダから受け取り、電気に変換する主蒸気タービン／発電機とが含まれる。上述の従来設計に付加されるのは、小型の補助バックアップ蒸気タービン／発電機と、主蒸気ヘッダに接続され、原子炉からの崩壊熱により蒸気発生器で発生した蒸気を補助蒸気タービン／発電機に接続する抽気導管である。主蒸気タービン／発電機は、原子核反応が出力モードで進行する時、原子炉容器内の原子核反応により生じる通常の動作範囲のパラメータでオフサイト要件を満たす電気を発生するように構成される。一方、補助バックアップ蒸気タービン／発電機は、原子炉容器内の原子核分裂反応が運転停止モードとなった後、原子核反応から抽出された崩壊熱によって蒸気発生器で発生した蒸気からオンサイト要件を満たす電気を発生するように構成される。好ましくは、抽気導管は遮断弁を含むが、該遮断弁は閉位置にある時、抽気導管を閉じることにより、蒸気が主蒸気ヘッダから抽気導管内に分流されないようにする。好ましくは、遮断弁は故障時に開位置となるように設計されており、補助バックアップ蒸気タービン／発電機をテストするために遮断弁を開くオーバーライド機構を含む。
【０００９】
一実施形態では、補助バックアップ蒸気タービン／発電機の電気出力は補助／始動給水ポンプまたは発電所の残留崩壊熱除去系に接続可能であり、原子力発電施設は残留崩壊熱除去系への電力の喪失を検出すると自動的に給水または残留崩壊熱除去系の電気負荷をバックアップ補助タービン／発電機に接続する制御装置を含む。好ましくは、制御装置は、給水または残留除去系への電力の喪失を検出すると、遮断弁を作動させて蒸気を抽気導管に分流させ、蒸気が補助バックアップ蒸気タービン／発電機に分流されるようにする。
【００１０】
好ましい実施形態では、原子力発電施設は、給水貯蔵部と、給水貯蔵部に接続され、給水を蒸気発生器の一次側と熱交換関係で二次側に供給する給水ポンプとを有する給水系を含む。給水ポンプに給電するのに別の電源が利用できない場合、給水ポンプは補助バックアップ蒸気タービン／発電機の電気出力に接続可能である。既存の発電所において、別の電源は典型的には送電網またはオンサイトのディーゼル発電機である。好ましくは、原子力発電施設は、電力の喪失を検出し、別の電源が利用不可の場合に自動的に給水ポンプを補助バックアップ蒸気タービン／発電機に接続する制御装置を含む。
【００１１】
その好ましい形態では、補助バックアップ蒸気タービン／発電機系は制御式タービンバイパス弁を有し、タービンは崩壊熱サイクルの開始時と終了時に発生する蒸気の質量流量の差と一致するターンダウン比を有する。所望の時間に達するまで、または時間の経過とともに減少する崩壊熱出力とマッチさせるための負荷削減が必要となるまで、系の動作を一定負荷に維持するのが好ましい。
【００１２】
この実施形態では、補助蒸気タービン／発電機は補助タービンと補助発電機を含むが、タービンと発電機は互いに直接、またはギアボックスのような減速装置を介して間接的に、結合されている。好ましくは、原子力発電施設は、補助タービン／発電機の発電機にかかる負荷を検出し、蒸気ダンプバイパス弁を用いて補助タービン／発電機のタービンの駆動出力を発電機負荷にマッチさせるように制御する制御装置を含む。
【００１３】
好ましくは、原子力発電施設は、蒸気発生器に接続され、蒸気発生器よりも上方に配置された蒸気ドラムを含む。本明細書に記載の例示的な実施形態は、さらに、原子炉容器、蒸気発生器、一次冷却材配管類、一次冷却材ポンプ、補助蒸気タービン／発電機、抽気導管、および主蒸気・給水ヘッダの少なくとも一部を収容するための格納建屋を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
添付の図面と併せて以下の実施態様の説明を読めば、本発明のさらなる理解を得ることができよう。
【００１５】
【図１】本明細書に記載の実施形態を適用することが可能な加圧水型原子炉一次系の概略図である。
【００１６】
【図２】本明細書に記載の実施形態を組み込んだ原子炉二次系の概略図である。
【実施例】
【００１７】
上述したように、炉心の崩壊熱の放散は、一次冷却材を蒸気発生器に通し、蒸気発生器で一次冷却材中のエネルギーの一部を別個の二次水流と交換して蒸気に変換した後、典型的には蒸気を排気することによって行われる。この蒸気を作るために使用される二次水は給水として補助貯水源から蒸気発生器に継続的に供給される。通常、このモードでは、系が十分冷却されて圧力が低下するまでに、二次側の蒸気圧は約１，１００ｐｓｉａに上昇する。したがって、系が機能するためには、大気圧下の補助給水を高圧の蒸気発生器内に圧入する手段が必要になる。このための電力は、通常条件下では、送電網、または送電網が利用できない場合はバックアップ用ディーゼル発電機により提供される。バックアップ用ディーゼル発電機は、原子炉の一次系を収容する格納容器の外で維持されるのが一般的である。地震と津波が原因の日本の最近の事故により、これらの系の潜在的な脆弱性についての認識が高まっている。したがって、本明細書で説明する実施形態は、発電所に内在して利用可能であり、放散することが必要なエネルギーのみを利用して給水または残留熱除去ポンプ用サイト電力を提供する代替的かつ独立した手段を提供する。小型モジュラー式原子炉について、利用可能な崩壊熱エネルギーを以下の表に示す。ペンシルベニア州クランベリー郡に所在のウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシー製のＡＰ１０００のような大型発電所では、それに相応しい多量の熱エネルギーを利用できる。任意の原子炉から利用可能な崩壊熱の量は、運転停止直前の原子炉出力レベルの既知の関数である。
【表１】
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【００１８】
本明細書に記載の系は、送電網およびバックアップ用ディーゼル発電機からの電力が利用不可の過渡事象時に発生する、給水または残留熱除去ポンプの負荷、さらに計測・制御のような他の発電所負荷等の原子力発電所の内部需要を満たすのに十分な電力を発生させることができる。この種の系は、全電源喪失時に原子力発電所を保護し、制御して運転停止に導くための「多層防御」戦略の別の層を提供する点で非常に重要である。本明細書に記載の系の主要な構成要素を図２に略示する。図２は、図１に示すような原子力発電設備の蒸気発生（二次）側を示す。蒸気発生器１８の二次側は、主蒸気ヘッダ２４に接続された蒸気出口ノズル２２を有する。蒸気発生器の蒸気出力は主蒸気ヘッダ２４を介して主タービン／発電機２６に運ばれる。蒸気が発電機を駆動して電気を発生させるが、その電気は電力バス３０を介して消費先へ送電するための調整を行うスイッチギア２８により処理される。
【００１９】
発電所の運転中、また、崩壊熱が原子炉容器１０から除去される時、給水は給水源３２から給水ライン３４を介して蒸気発生器１８の二次側へ供給されるが、これを駆動するのは給水ポンプ３６である。給水予熱器３８を使用して、給水を蒸気発生器の二次側へ導くことに伴う熱衝撃を低減する場合もある。通常の運転条件下では、給水ポンプ用の電力は、送電網４０によって、あるいは代替的にオンサイトのディーゼル発電機によって供給される。原子炉１０の運転停止時に、蒸気発生器を用いて崩壊熱を除去し、発生した蒸気を典型的には主蒸気ダンプ弁４２から排出するが、これは従来から知られていることである。
【００２０】
本願発明の一実施形態によれば、第２の、はるかに小さい、補助バックアップ蒸気タービン／発電機系５６が設けられる。補助バックアップタービン／発電機系５６のタービン４４は、適当なサイズの蒸気供給または抽気ライン５２とそれに接続された常閉型の隔離弁を介して、蒸気発生器１８または蒸気発生器に接続された蒸気ドラム５８に接続されている。これらの弁５４は、発電所の通常運転中または補助ディーゼル発電機から電力が供給される状態において、閉じた状態にあるが、故障すると開くように設計されている。このため、通常は補助タービン４４への蒸気流が遮断される。これらの弁にはオーバーライド制御機能またはバイパスラインおよび弁６０が設けられており、補助バックアップタービン４４とその発電機４６を必要に応じて定期的にテストすることができる。タービン４４は、崩壊熱除去時に存在する条件で動作するように設計されている。このタービンは、崩壊熱発生過渡事象の開始時と終了時に発生する蒸気の質量流量の差と一致するターンダウン比（最大対最小出力比）を有する。補助バックアップタービン／発電機５６は、対象の過渡期間に亘って、電力は変化するが、指定された一定の電圧と周波数で交流電気を発生するように設計された発電機４６を使用する。発電機の負荷を検出し、絞り弁を作動させて一定の発電機回転数でタービン出力を発電所の電力需要とマッチさせる制御系６４には、補助バックアップタービン／発電機による負荷にとって必要とされる量を超える蒸気を放散するための蒸気ダンプ弁が設けられている。コントローラ６４は、速度または電気負荷センサおよびモータ駆動弁を用いるプログラマブルロジックコントローラベースの系であってもよいし、あるいはタービン４４上の機械式蒸気加減装置として動作するように設計してもよい。さらに、適切な電気スイッチギア２８が設けられ、発電機４６の出力を発電所の配電網またはそのサブシステムにインターフェースする。このようにして生成された電気は、給水ポンプ３６、ならびに制御システム６４および残留熱除去ポンプ１６などの他の発電所システム５０に給電するためにそれらに接続される。必要に応じて熱交換器３８を設置し、タービン排気流６６を熱源として利用して給水を予熱し、その後タービン排気を大気に排出してもよい。蒸気発生器１８に入る給水の温度を上げて熱衝撃を減らす必要がある場合には、給水予熱器を設けることが望ましい。しかしながら、予熱器３８の両端間にある圧力降下に打ち克つには、予熱器のない給水システムと比較して給水ポンプの出力を大きくする必要があるので、このコンポーネントの必要性を最小限に抑えるかまたはそれを不要にすることが望ましい。
【００２１】
現在提案されている小型モジュラー式原子炉の構成には、蒸気ドラム５８を別個に有する貫流蒸気発生器を使用してもよい。蒸気ドラム５８の大きさは、少なくとも最初の８０分間分の崩壊熱にとって必要とされる蒸気発生器の給水需要を満たすのに十分な貯水量が存在するように設定する。崩壊熱は初期には多量であるため、必要な給水流量は、過渡事象のこの段階で最大である。補助給水は、この初期期間の後、長期間に亘って熱を除去するために使用される。蒸気ドラム５８を蒸気発生器１８よりも上方に配置し、自然循環流が蒸気ドラムと蒸気発生器との間で起きるようにすることが好ましい。通常運転では、これは蒸気に比べ液状の給水の方がはるかに高密度であることによる水圧ヘッドの差によって駆動される。給水は蒸気発生器に流入する前に低温の戻り復水と混合されるため、密度はさらに大きくなる。蒸気が低温の復水として戻されずに排出される原子炉運転停止状態では、蒸気ドラムの貯水温度は、ドラムの動作圧力に対応する飽和温度に上昇する。したがって、この高温の給水に水を補給し、排出された蒸気質量を補うことによって、蒸気発生器の圧力を適当な値に維持し、一次側の冷却能力を保つことが必要となる。本明細書に記載の補助バックアップ蒸気タービン／発電機は、崩壊熱除去過渡事象時に補助給水を蒸気ドラム内に移すためのポンプ能力を提供する、送電網および発電所のディーゼル発電機のためのバックアップシステムを提供する。以上説明したシステムは、給水が蓄えられ、蒸気発生器の圧力が十分に高ければ、電力および給水を提供することができる。
【００２２】
本明細書記載の補助電源を最もよく保護するために、補助バックアップ蒸気タービン／発電機５６、抽気導管５２及び主蒸気ヘッダ２４の少なくとも一部を、点線６８で略示する原子炉格納容器に隣接する耐震性建屋に収容してもよい。好ましくは、補助／始動給水ポンプ６８もこの建屋内に収容する。そうすることによって、格納容器に隣接するこの建物は、補助バックアップ崩壊熱除去システムを津波や竜巻等の自然災害の悪影響から最もよく遮蔽することができる。
【００２３】
本願発明の特定の実施形態について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施形態に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施形態は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何ら制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。
【図１】
2014527632.tif 000004
【図２】
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【国際調査報告】
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