(57)【要約】  原子力発電所は、例えば過酷事故シナリオの間、格納容器（１９０）内に存在する冷却材にナノ粒子を供給する。ナノ粒子は、あらゆる非常用炉心冷却系（５０）から独立して、受動的に又は能動的に供給されることができる。ナノ粒子供給部（２００）は、例えば、ナノ流体又は固体ナノ粒子を貯蔵するタンク、又はナノ粒子を含有する溶解可能な塗料（２０２）を有することができる。ナノ粒子を提供するための方法も提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子力発電所において、
原子炉と、
冷却材を有する原子炉冷却材系と、
格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、
原子炉のための非常用炉心冷却系が設けられており、
非常用炉心冷却系から独立したナノ粒子供給部が設けられており、該ナノ粒子供給部が、事故の後に、格納容器内に配置された冷却材にナノ粒子を供給することができることを特徴とする、原子力発電所。
【請求項２】
原子炉が、原子炉容器と絶縁材とを有しており、ナノ粒子供給部が、絶縁材と原子炉容器との間に配置されている、請求項１記載の原子力発電所。
【請求項３】
ナノ粒子供給部が、格納容器内のナノ粒子含有塗料を含む、請求項１記載の原子力発電所。
【請求項４】
塗料が、格納容器内の原子炉の壁部に配置されている、請求項３記載の原子力発電所。
【請求項５】
ナノ粒子供給部が、格納容器の床に配置されている、請求項１記載の原子力発電所。
【請求項６】
ナノ粒子供給部が、格納容器の最も低い床から上方に既知の距離を置いて配置されている、請求項５記載の原子力発電所。
【請求項７】
ナノ粒子供給部が、格納容器内の冷却材水位に関して作動可能である、請求項５記載の原子力発電所。
【請求項８】
ナノ粒子供給部が、受動的に作動可能である、請求項１記載の原子力発電所。
【請求項９】
ナノ粒子供給部が、オペレータによって作動可能である、請求項１記載の原子力発電所。
【請求項１０】
ナノ粒子供給部が、電動弁を介して作動可能である、請求項１記載の原子力発電所。
【請求項１１】
ナノ粒子供給部が、濃縮されたナノ粒子流体を提供する、請求項１記載の原子力発電所。
【請求項１２】
ナノ粒子供給部が、加圧されている、請求項１記載の原子力発電所。
【請求項１３】
原子力発電所において、
原子炉と、
格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、
格納容器内に配置されたナノ粒子供給部が設けられており、該ナノ粒子供給部が、格納容器内の流体に直接にナノ粒子を提供することができることを特徴とする、原子力発電所。
【請求項１４】
原子力発電所において、
原子炉と、
格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、
原子炉に配置された自立型ナノ粒子供給部が設けられていることを特徴とする、原子力発電所。
【請求項１５】
原子炉が、外壁を有する原子炉容器及び絶縁材を含み、ナノ粒子供給部が、原子炉容器と絶縁材との間又は原子炉容器の外壁に配置されている、請求項１４記載の原子力発電所。
【請求項１６】
原子力発電所において、
原子炉と、
格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、
格納容器内に配置されたナノ粒子供給部が設けられており、該ナノ粒子供給部が、格納容器内の冷却材水位に関して作動可能であることを特徴とする、原子力発電所。
【請求項１７】
原子力発電所において、
原子炉と、
格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、
格納容器内に配置されたナノ粒子含有塗料が設けられており、該ナノ粒子含有塗料が、冷却材によって溶解可能であることを特徴とする、原子力発電所。
【請求項１８】
ナノ粒子含有塗料が、原子炉容器の外壁に配置されている、請求項１６記載の原子力発電所。
【請求項１９】
原子力発電所における事故除熱能力を改良するための方法において、
事故の間に、格納容器内の冷却材に直接に解放されることができるナノ粒子を提供することを含むことを特徴とする、原子力発電所において事故除熱能力を改良するための方法。
【請求項２０】
原子力発電所における事故除熱能力を改良するための方法において、
非常用炉心冷却系から独立して解放されることができるナノ粒子を提供することを含むことを特徴とする、原子力発電所において事故除熱能力を改良するための方法。
【請求項２１】
原子力発電所における事故除熱能力を改良するための方法において、
冷却材によって溶解可能なナノ粒子含有塗料によって、格納容器の区分を塗装することを含むことを特徴とする、原子力発電所において事故除熱能力を改良するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
本発明は概して原子力発電所、特にこのような発電所の非常用システムに関する。
【０００２】
原子力発電所は一般的に、原子炉と、原子炉から熱を取り出し、電力を発生するための原子炉冷却材系（ＲＣＳ）とを有している。２つの最も一般的な原子炉の形式、すなわち沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）及び加圧水型原子炉（ＰＷＲ）は、水を用いる。加圧水型原子炉（ＰＷＲ）においては、原子炉冷却材系からの加圧及び加熱された水が熱を発電機に受け渡し、この発電機は、タービンに動力を与えるために冷却材を沸騰させる二次冷却材流を有している。ＢＷＲにおいて、原子炉は、発電機のための蒸気を発生するために原子炉冷却材を直接に沸騰させる。発電機の下流の、ただし原子炉の上流のＲＣＳ区分は、コールドレッグと呼ばれており、原子炉の下流でかつ発電機の上流の区分は一般的にホットレッグと呼ばれている。
【０００３】
一般的に冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）と呼ばれるような故障がＲＣＳにおいて生じると、炉心が適切に冷却されず、原子炉において温度が上昇し始める。炉心における燃料エレメントの温度が上昇し、チェックされていないと、溶融を生ぜしめる恐れがあり、潜在的に原子炉を故障させ、溶融物を格納容器建屋内に解放する。ＰＷＲ及びＢＷＲにおいて生じる恐れがあるＬＯＣＡの１つの形式は、主流れライン破損（ＭＳＬＢ）である。
【０００４】
ＰＷＲ及びＢＷＲのためのこのような過酷事故（シビアアクシデント）の間、大量の冷却水が、格納容器建屋の床に蓄積することができ、最終的に、原子炉容器の外側に到達し、実質的に原子炉容器の冷却に寄与する。このような場合、格納容器の内部の圧力及び温度の進化は、約１５０℃の最大温度と共に、５〜１８時間で数バールまでの圧力の増大を伴い、これは、数日間で大気圧及び大気温度に減少される。原子力発電所は、かなりの安全上の余裕を持って、このような事故をしのぐように設計されている。冷却過程は、これらの温度における水及び空気の物理的特性に基づく。
【０００５】
ＬＯＣＡの間、ＲＣＳに付加的な水を提供することによって原子炉を冷却するために、ＢＷＲ及びＰＷＲにおいて非常用炉心冷却系（ＥＣＣＳ）が作動させられることができる。ＥＣＣＳは通常はこのように、ＲＣＳ内へ出る、遠心チャージングポンプ／高圧注入ポンプ（ＣＣＰ／ＨＰＩＰポンプ）等の高圧ポンプを有している。これは、格納容器内ＲＷＳＴ（ＩＲＷＳＴ）等の燃料取替用水タンク（ＲＷＳＴ）、又は格納容器水だめから、ＲＣＳのコールドレッグ内へ水を圧送することができる。ＲＣＳコールドレッグから熱交換機を通過する水を受け取る容積調節タンクも、ＣＣＰ／ＨＰＩＰポンプに水を提供することができる。
【０００６】
ＥＣＣＳは通常は、残留熱除去又は安全注入システムポンプ（ＲＨＲ／ＳＩＳポンプ）等の、低圧ポンプを有しており、この低圧ポンプは、ＲＷＳＴ又は格納容器水だめから、ＲＣＳのコールドレッグ及びホットレッグへ水を提供することができ、また、格納容器スプレー系に水を提供することができる。熱交換機は通常、ＲＨＲ／ＳＩＳポンプの後に設けられている。
【０００７】
つまり、原子炉容器の壁から熱を受け取る格納容器内の大量の水は、プラントのタイプに応じて、熱を格納容器建屋の壁を介して環境へ自然対流伝導させることと、熱交換機における強制対流との組み合わせにより、冷却されることができ、熱交換機は、一方の端部において格納容器水だめ（入口）を、他方の端部において格納容器スプレー系を有する、低圧系の一部である。
【０００８】
事故後冷却は、ＬＯＣＡの後の格納容器内の空気及び蒸気相の自然対流熱伝導の現象と、ＬＯＣＡ条件の間の炉心内の沸騰熱伝導とに関係する。
【０００９】
"In-Vessel Retention Enhancement through the Use of Nanofluids"というタイトルの記事には、事故シナリオの間の容器内保持（In-vessel retention）向上のためのナノ流体を使用することが記載されている。概念的なナノ流体注入系は、濃縮ナノ流体の２つの小さなタンクを有しており、各タンクは、計算モデルによって予測された向上を提供するために十分なナノ流体を供給することができる。注入は、注入ラインに接続された弁の手動作動によって生じると考えられる。これらの弁を作動させるための指示は、過酷事故手順においてなされることが要求される。注入は、重力と、タンクに取り付けられたアキュムレータによって提供される過剰圧力とによって駆動されると言われている。注入ラインは、格納容器内の物理的空間制限に応じて、これらの注入ラインが原子炉キャビティにおいて、再循環ラインにおいて、又はＩＲＷＳＴにおいて終わることができるようになっている。
【００１０】
発明の概要
本発明の目的は、事故条件、例えば過酷事故の晩期において、格納容器建屋からの排熱を改良することである。
【００１１】
本発明は、原子炉と、格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、原子炉のための非常用炉心冷却系が設けられており、非常用炉心冷却系から独立したナノ粒子供給部が設けられており、このナノ粒子供給部が、例えば過酷事故晩期において、格納容器内に配置された冷却材にナノ粒子を供給することができる、原子力発電所を提供する。
【００１２】
本発明は、原子炉と、格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、格納容器内に配置されたナノ粒子供給部が設けられており、このナノ粒子供給部が、格納容器内の流体に直接にナノ流体を提供することができる、原子力発電所をも提供する。
【００１３】
本発明は、原子炉と、格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、例えば原子炉容器の外壁と絶縁材との間の空間に又は原子炉容器の外壁において、原子炉に配置された自立型ナノ粒子供給部が設けられている、原子力発電所をも提供する。
【００１４】
本発明は、原子炉と、格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、格納容器内に配置されたナノ粒子供給部が設けられており、このナノ粒子供給部が、過酷事故晩期の間に、原子炉冷却材水位、例えば格納容器内の原子炉冷却材水位に関して作動可能である、原子力発電所をも提供する。
【００１５】
本発明は、原子炉と、格納容器とが設けられており、原子炉が格納容器内に配置されており、格納容器内の様々な位置、例えば、原子炉容器の外壁に、ナノ粒子含有塗料が設けられており、ナノ粒子含有塗料が、冷却材によって溶解可能である、原子力発電所をも提供する。
【００１６】
本発明は、事故の間、格納容器内の格納容器冷却材内に直接に解放されることができるナノ粒子を提供することを含む、原子力発電所における事故除熱能力を改良するための方法をも提供する。
【００１７】
本発明は、非常用炉心冷却系から独立して解放されることができるナノ粒子を提供することを含む、原子力発電所における事故除熱能力を改良するための方法をも提供する。
【００１８】
本発明は、格納容器の区分、例えば原子炉容器の外壁を、冷却材によって溶解可能な、ナノ粒子含有塗料で塗装することを含む、原子力発電所における事故除熱能力を改良するための方法をも提供する。
【００１９】
本発明の１つの好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による原子力発電所を概略的に示している。
【図２】本発明にとって重要な原子力発電所の原子炉領域の詳細をより詳細に示している。
【００２１】
好適な実施形態の詳細な説明
図１は、例えば、原子炉１０と、原子炉冷却材系２０と、二次冷却材流及びタービンを有する発電機３０とを有する、ＰＷＲ原子力発電所に関連して本発明を説明している。原子炉冷却材系２０は、発電機３０と原子炉１０との間のコールドレッグ２２と、原子炉１０と発電機３０との間のホットレッグ２４と、コールドレッグ２２における冷却材ポンプ２６とを有している。原子炉冷却材系２０は、１つ又は２つ以上の加圧器７０も有している。原子炉１０は格納容器１９０内に配置されており、この格納容器は、例えば、建屋の密閉された領域であってよい。
【００２２】
本願は、しかしながら、発電機３０が、二次冷却材流用いないタービンを有し、加圧器７０が存在しないＢＷＲに適用可能である。
【００２３】
ＲＣＳ２０は、通常運転の間、水を再循環させ、好適な実施形態において、通常運転の間、ＲＣＳにはナノ粒子は意図的に付加されない。なぜならば、ナノ粒子は、発電機及びその他の構成要素に関する問題を生じる恐れがあるからである。
【００２４】
原子力発電所はさらに、概して５０で示された非常用炉心冷却系を有しており、この非常用炉心冷却系は、１つ又は２つ以上のアキュムレータ又は炉心漏水タンク６０と、燃料取替用水タンク８０と、格納容器水だめ９０と、高圧ポンプ１００と、低圧ポンプ１１０とを有している。
【００２５】
ＲＷＳＴ８０は、遠心チャージングポンプ／高圧インジェクションポンプであってよいポンプ１００にライン１２０を介して接続されている。ポンプ１００は、降下熱交換器１２６を介してコールドレッグ２２から水を受け取ることができる容積調節タンク１２４にも接続されていてよい。ポンプ１００は、ＬＯＣＡの際にＲＷＳＴ８０又は格納容器水だめ９０からＲＣＳ２０内へ水を提供することができる。格納容器水だめ９０はこのように、例えばＲＷＳＴが空になった後に、過酷事故の間に格納容器に集まる水を提供する。
【００２６】
残留熱除去／安全注入システムポンプであってよい低圧ポンプ１１０は、ＲＷＳＴ８０又は格納容器水だめ９０から熱交換１２へ、及びホットレッグ２４、コールドレッグ２２及び格納容器スプレー系へ水を提供する。
【００２７】
この実施形態はナノ粒子供給部２００を提供し、このナノ粒子供給部２００は、ＥＣＣＳ５０及びその他の非常用冷却系から独立して、濃縮されたナノ流体又はナノ粒子を直接に、過酷事故の後に集まる格納容器流体に提供することができる。これらの系の性能から独立して、晩期における炉心冷却能力は、本発明によるナノ粒子を使用することにより増大されることができる。このように、ナノ粒子供給部２００は、圧力下で作動する安全システムの一部として組み込まれたナノ粒子供給部よりも、著しい利点を提供することができる。
【００２８】
図２は、原子炉１０及び格納容器１９０をより詳細に示している。ナノ粒子供給部２００は、原子炉１０のミラー絶縁外側シェル２０６と原子炉容器２１０との間、例えば絶縁外側シェル２０６の内面２０４、に配置された、ナノ粒子供給部２２０及び２３０を含んでいてよい。ナノ粒子供給部２００は、例えば格納容器の底部からの高さＤ１＋Ｄ２において、格納容器１９０に配置されたナノ粒子供給部２４０及び２５０も含むことができ、Ｄ１は例えば２メートルであり、Ｄ２は１メートルである。しかしながら、供給部２４０，２５０の一方又は両方が、例えば高さＤ２に、又は底部の高さに配置されることもできる。
【００２９】
さらに、ナノ粒子供給部２００は、容器の外側、又は原子炉１０又は格納容器１９０におけるその他の位置、例えば管２１８における、ナノ材料塗料２０２を含むことができる。塗料２０２は、後で説明されるように、液体可溶性である。
【００３０】
ナノ粒子供給部２２０，２３０，２４０，２５０は、様々な運転計画の確率論的計算を考慮して得られた合計容積及び操縦性を備えた、複数のナノ材料タンクを含んでいてよい。タンクは、ナノ粉体を出口に注入する乾燥ナノ粉体サイロ又は液体を出口に注入する濃縮ナノ流体タンクの組み合わせであることができる。濃縮ナノ流体タンクは、ナノ流体懸濁液の質を維持するために、所定の間隔でタンクへのナノ流体又はナノ材料の付加を許容する供給及び流出のシステムを有することができる。センサ６８はナノ粒子レベルを検出することができ、制御装置３００は、所望の濃度を提供するために、各供給部２２０，２３０，２４０，２５０の放出弁及び充填弁を作動させることができる。電動放出弁３０２は、ナノ粒子の解放を可能にするために設けられることができる。センサ６８の代わりに、オペレータは、タンクにおける決定されたナノ粒子濃度、及び所望の濃度を入力することができ、制御装置３００は、既知のタンク容積に基づいて、濃度を修正することができる。さらに、タンクにおけるナノ流体の全体的な質は、手作業で維持されてもよい。望まれるならば、制御装置３００は、過酷事故の過程を通じて、例えば制御室から、供給部２２０，２３０，２４０，２５０のための弁及びナノ粒子排出を制御するために使用されることができる。
【００３１】
ナノ粒子供給部２２０，２３０，２４０，２５０のタンクは、受動的又は能動的なアクチュエータによって作動される、ダイアフラム等の分離装置を用いて、窒素等の不活性ガスを使用して加圧されることができる。受動的なアクチュエータは、オペレータが介入することなく自動的に作動する。つまり、センサを有しかつ、ナノ粒子を自動的に供給するために制御装置３００によって制御されるあらゆるナノ粒子供給部２２０，２３０，２４０，２５０のように、塗料２０２は受動的である。例えば、ナノ粒子供給部２５０は、格納容器１９０における流体水位に基づいて作動するセンサ６８を有していてよく、流体水位が、例えばＤ１＋Ｄ２に達した時、放出弁３０２を開くことができる。格納容器における冷却材を沸騰させることによって溶解可能なシール等の、その他の受動的なシステムが、ナノ粒子供給部２２０，２３０，２４０，２５０に関して使用されることができる。
【００３２】
事故が、大きな管の破損であるならば、晩期において、格納容器１９０における沸騰水の水位が上昇する。したがって、本発明においては、有利には、冷却材による除熱を増大させることができるナノ粒子が、ＰＷＲ及びＢＷＲのＥＣＣＳから独立して供給されることができる。従来技術において、ナノ粒子の注入は、重力と、ＥＣＣＳのアキュムレータによって提供される過剰圧力とによって推進される。
【００３３】
小さな破損事故においてさえも、冷却材水位が供給部２４０，２５０に達していないとしても、供給部２４０，２５０におけるナノ粒子は、受動的又は能動的に作動させられることができる。ナノ流体が単に格納容器１９０内に放出されることができる。このように、この実施例においてナノ流体の形式のナノ粒子が、格納容器１９０内の水に直接に供給されることができる。
【００３４】
同様に、ナノ粒子供給部２２０，２３０は、例えば格納容器冷却材水位が原子炉容器１０の外壁の下側部分に達した場合に、適切な時期に、受動的又は能動的に作動させられることができる。これらのナノ粒子供給部２２０，２３０は、有利には、自立型である、すなわち、供給部全体が、原子炉容器１０の外壁に又はその周囲に配置されている。従来技術において、注入ラインは原子炉キャビティにおいて終わっていることができるが、これらの注入ラインは、破損又はその他の故障を受けやすく、原子炉容器の外壁のすぐ近傍に自立したナノ粒子供給部は、ナノ粒子の供給を保証することを助けることができる。
【００３５】
ナノ粒子含有塗料２０２は、原子炉容器２１０の壁部又は格納容器の壁部又は格納容器内のあらゆる場所に配置されていてよい。塗料２０２は、ＬＯＣＡの間に格納容器内に存在する加熱された水又はその他の流体に溶解可能であり、例えば水が原子炉容器壁部に接して沸騰するような過酷な段階において、塗料２０２はこのように格納容器冷却材内に溶解し、除熱特性を増大させる。
【００３６】
ナノ流体の他に、ナノ粒子供給部２２０，２３０，２４０，２５０は、ガス圧力を備えたフラスコから提供される不活性ガス流の助けによって注入されるべき固体ナノ粉体を提供することができる。
【００３７】
ナノ粒子は、サブミクロンサイズ、好適には１０〜３００ナノメートルサイズである。ナノ粒子は、好適には、照射野、温度及び圧力を考慮して過酷事故条件下で、非摩耗性、非反応性及び安定である。ナノ材料は、ＺｒＯ2、Ｃ（ダイアモンド）、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｆｅ3Ｏ4、Ｃｕ、ＣｕＯを含んでよいが、これらに限定されない。塗料、例えば水溶性ラテックス塗料に配置されている場合、濃度は、所望の塗料特性に関して決定されることができる。
【００３８】
ナノ粒子の供給は、容積ごとに０．００２％未満、例えば０．００１％、の格納容器水における濃度を維持するように設計されていることができる。例えば、ナノ粒子は、事故の間に容器内に存在する水の計算された容積に関して、又はＲＣＳ容積に関して、供給されることができる。ナノ粒子の沈降速度及びナノ流体塗料の溶解率は、ナノ粒子の付加的な供給の時間を決めるために、考慮されてよい。これらは、単に例であり、放出されるナノ粒子の正確な量は、ナノ粒子のタイプ、原子炉の設計、ナノ粒子の沈降特性、及び又は事故自体のタイプ及び苛酷さ（たとえば、ＬＯＣＡ又はＭＳＬＢが軽微又は甚大な事故であるかどうか）に応じて、形成されることができる。例えば非常用炉心冷却系における他の場所に設けられた、その他の装置及び方法を介して非常用炉心冷却系に導入される、ナノ粒子供給部も、考慮されることができる。
【符号の説明】
【００３９】
１０  原子炉、  ２０  原子炉冷却材系、  ２２  コールドレッグ、  ２４  ホットレッグ、  ３０  発電機、  ５０  非常用炉心冷却系、  ６０  炉心漏水タンク、  ６８  センサ、  ７０  加圧器、  ８０  燃料取替用水タンク、  ９０  格納容器水だめ、  １００  高圧ポンプ、  １１０  低圧ポンプ、  １２０  ライン、  １２６  熱交換器、  １９０  格納容器、  ２００  ナノ粒子供給部、  ２０２  ナノ粒子塗装、  ２１０  原子炉容器、  ２１８  管、  ２２０，２３０，２４０，２５０  ナノ粒子供給部、  ３００  制御装置、  ３０２  電動放出弁、
【図１】
2010520481.tif 000003
【図２】
2010520481.tif 000004
【国際調査報告】
2010520481.tif 000005
2010520481.tif 000006
2010520481.tif 000007