(57)【要約】  可搬型発電モジュール（100）であって、電力変換装置（201）であり、熱交換（208、204、214）、タービン膨張機（211）、及びコンプレッサタービン（210）、及び様々な種類の核燃料（700、502）が装填された亜臨界の核燃料カートリッジ（203）、前記亜臨界核燃料カートリッジは、前記燃料カートリッジを前記電力変換装置（201）と一体化して支持する装置で構成され、電気及びプロセス熱へ変換するために制御された量の熱エネルギー生成を可能にする設計同様の1つ又は複数の付加的に独立した一体型亜臨界モジュールへ中性子的に結合する密封した一体型の亜臨界パワーモジュールを形成する。【選択図】  図３Ｂ
2018513985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可搬型発電モジュール（100）であって、電力変換装置（201）であり、
熱交換（208、204、214）、タービン膨張機（211）、及びコンプレッサタービン（210）、及び
様々な種類の核燃料（700、502）が装填された亜臨界の核燃料カートリッジ（203）、
前記亜臨界核燃料カートリッジは、前記燃料カートリッジを前記電力変換装置（201）と一体化して支持する装置で構成され、電気及びプロセス熱へ変換するために制御された量の熱エネルギー生成を可能にする設計同様の1つ又は複数の付加的に独立した一体型亜臨界モジュールへ中性子的に結合する密封した一体型の亜臨界パワーモジュールを形成する。
【請求項２】
熱伝達燃料要素（500）を更に備え、前記熱伝達燃料要素は第1流体（1104）及び前記電気変換装置によって核燃料に熱的に結合され、前記電気変換装置は第1流体が核燃料を形成し減速させる材料と混合することなく、ブレイトン式電力サイクルを実行するように構成されている、請求項1に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項３】
前記電気変換装置は、第1流体が貯蔵器（1116）に含まれた第2流体と混合しないように構成され、前記電気変換装置がランキン式電力ボトミングサイクルを実行してブレイトン式サイクルで拒絶された熱エネルギーをプロセス熱及び電気に変換する、請求項2に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項４】
前記電力変換装置は、前記可搬型発電モジュールの圧力境界内で密封され、一体化されていることを特徴とする、請求項1で記載の可搬型発電モジュール。
【請求項５】
前記可搬型発電モジュールは、前記亜臨界燃料カートリッジが炉心内のアクティブ制御機構を必要としないように構成されている、請求項1に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項６】
前記亜臨界発電モジュールは、計装及び同位体製造機器の無侵襲的挿入用のポートを備える、請求項1に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項７】
バッテリー貯蔵庫（1201）を更に備え、前記バッテリー貯蔵庫は、放射シールドとして機能する前記可搬型発電モジュールに関して構成され、配置される、請求項1に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項８】
分裂反応を制御するための内部制御装置を更に含む、請求項1に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項９】
分裂反応を制御するための前記内部装置のリモート制御（105）を実行するための装置を更に備える、請求項8に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項１０】
前記密封された一体型亜臨界パワーモジュールは、2つ以上の前記一体型亜臨界パワーモジュールが互いに隣接して配置された時に、原子力制御機構（300）又は同位体生成に使用するための試料保持器の一方又は両方を受け入れるのに適した形状及び構成で密封された一体型亜臨界パワーモジュールの外側にチャネルが形成されるように幾何学的界面（605）で構成される、請求項1に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項１１】
前記密封された一体型亜臨界パワーモジュールは、2つ以上の前記密封された一体型亜臨界パワーモジュールが互いに隣接して配置された場合に、持続的な分裂連鎖反応を可能にする核分裂物質の限界質量が形成されるように充分な核分裂物質が装填される、請求項10に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項１２】
前記密封された一体型亜臨界パワーモジュールを近接する2つ以上の密封された一体型亜臨界パワーモジュールに能動的又は受動的に配置できるように構成された水平滑動機構（901）を更に備える、請求項11に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項１３】
前記密封された一体型亜臨界パワーモジュールを近接する2つ以上の一体型亜臨界パワーモジュールに能動的又は受動的に配置できるように構成された垂直滑動機構（901）を更に備える、請求項11に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項１４】
前記密封された一体型亜臨界パワーモジュールを近接した2つ以上の密封された一体型亜臨界パワーモジュールに配置できるように構成された水平滑動機構及び垂直滑動機構（901）を更に備える、請求項11に記載の可搬型発電モジュール。
【請求項１５】
熱交換器を形成する冷却材チャネル（507）を構成する異なる種類の核燃料で作動するように構成され、第1流体（1104）が核燃料及び第1流体と混合することなく前記チャネルを通って流れ、核燃料の冷却を提供する、核燃料炉心カートリッジ（203）。
【請求項１６】
前記炉心圧力境界（215）の外側からアクセスできる計装チャネル（508）を更に備える、請求項15に記載の核燃料コアカートリッジ。
【請求項１７】
前記炉心圧力境界（215）の外側から接近可能なチャネル（508）を更に備え、前記チャネルは同位体を生成するために選択された材料の露出に利用されるように構成されている、請求項15に記載の核燃料炉心カートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、2015年10月7日に出願した、「Holos Rapidly Deployable Highly-Integrated Micro Modular Reactor (HI-MMR)」と題する米国仮特許出願第62/284,707号及び「Transportable Sub-critical Modules for Power Generation & Related Methods」と題する米国仮特許出願第62/178,400の利益の優先性を主張し、その両方の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、ブレイトン式電力サイクル及びランキン式電力サイクルを組み合わせたリモート式発電用の電力変換及び調整を含む、原子炉の運転停止から数時間以内に展開可能で回収可能なマイクロモジュール式の、コンパクトで可搬型の本質的に安全な原子力発電機を用いた可搬型の配電可能な電力及びプロセス熱生成に関する。
【背景技術】
【０００３】
原子力発電機は、停止後に崩壊熱エネルギーを自然に生成する炉心から構成される。いくつかの要因の中でも特に停止後の核燃料のエネルギー量は、発電履歴及び電力密度に比例する。核燃料の加熱を回避するには、炉心の外部システムによって一般的に支持される冗長な熱を伝達する機構を用いて崩壊熱エネルギーを炉心から伝達する必要がある。当該システムは、炉心を含む容器から一定の距離にある施設内に一般的に設置され、熱エネルギーを環境に伝達するために利用される熱交換器に炉心を熱水力で結合する配管の複雑なネットワークを必要とする（すなわち、最終熱吸収器）。炉心を冷却する熱交換器を通る冷却材は、電動の再循環器（すなわち、ポンプ、送風機）を使って能動的に循環することができる。代替方法として、冷却材は、冷却材密度の変化に基づいて重力駆動する自然循環機構によって、炉心を通り受動的に循環することができる。現代の原子炉はその大きさとは無関係に、受動的、能動的、又はその両方を組み合わせて作動し、核燃料を含んだ圧力容器の外部で作動するように構成された冗長した炉心の崩壊熱除去システムに依存している。
【０００４】
炉心から崩壊熱エネルギーを除去するために「能動的な」安全機能を採用した設計は、炉心の電力に大きく依存し、全ての作動条件下だけでなく、炉心の停止中にも安全な温度内に維持している。安全運転を確保するために、能動的な安全システムに依存する設計では、冗長な専用の構内緊急用ディーゼル発電機（EDG）を介して電力に接続し、現場から離れた複数の電力網に常時接続する必要がある。
【０００５】
一方、受動的な安全機能に依存した設計では、重力及び炉心に対して比較的高い標高に設置されるタンク又は貯水構造（すなわち、覆工コンクリートの貯水池）に一般的に格納される冷却材（すなわち、水）の大量在庫に依存する。炉心及び冷却材の貯蔵タンク又は構造との間の高度差では、冷却材が自然循環を吸い上げ、炉心から崩壊熱エネルギーを効果的に除去することを確実にすることが必要とされる。冷却材の大量在庫に基づく受動的な安全機能の場合、崩壊熱の長期的な除去を適切に提供することは、比較的短時間に冷却材の在庫が補充できる性能に大きく依存する。受動的な再循環システムに基づく炉心の冷却効果は、最終熱吸収器に代表される環境温度及び湿度条件に強く依存する。
一般的に、環境温度が上昇すると、自然対流冷却を受動的かつ効果的に実行する性能が徐々に低下する。その結果、重力駆動の冷却材再循環に基づく受動的な崩壊熱の除去は、穏やかな気候で作動する原子力発電機に最も適している。
【０００６】
受動的及び能動的な安全システムは、一般的に炉心を収納する圧力容器の外部に展開する一式の部品によって形成される。その結果、ポンプや送風機を加えた受動的なシステム用の冗長な配管、バルブ、熱交換器、及び制御ケーブルで管理及び監視される動力から成る複雑なシステムとなる。
【０００７】
商業用に作動する原子炉の炉心、ならびに水中で減速されるモジュラー式小型原子炉（SMR）設計の炉心は、高温水や高温蒸気のある所で酸化する物質で覆われた要素を利用して核燃料が装填されるのが一般的である。冷却材の損失、又は炉心の能動的又は受動的な崩壊熱除去システムの不具合などで炉心の過熱が起こると、被覆材及び水/蒸気間の化学反応によって水素が生成される。水素が蓄積して自然発火し、それにより安全上深刻な課題が生じる。原子力事故の結果としての水素生成に対処するために、原子力発電所は、冗長な水素管理装置を採用し、例えば、発火の制御を実行して、水素の大量蓄積を防止する。これらの安全システムには作動させるための電力を必要とし、施設全体のバランスを更に複雑化させると同時に、運転コストを増加させる。冗長化は、一般的に確率論的リスク評価及び想定事故の設計を根拠とした結果である。複数の電力網への接続性、複数の緊急用ディーゼル発電機、及び制御と緊急用の動力を数時間で提供できる性能を備えたバッテリーによって供給される構内用電力網の利用性に代表される冗長性にもかかわらず、炉心融解及び水素爆発が原子力の歴史を通じて発生している（すなわち、福島第一原子力発電所に代表される事故シナリオ及び結果を参照）。
これは、設計上の事故を超えて引き起こされ、極端な地震、津波、電力網事故による喪失に代表されるような破壊的な事故は、確率的リスク評価によって予測されるように発生確率が非常に低いにも関わらず、安全性及び経済へ許容できない影響を与えていることを実証している。
【０００８】
可搬型MMR設計に関するもう1つの重要な要件は、発電システムによって表される総重量である。出願番号PCT/US2013/059445では、電力変換装置と一体化した炉心によって形成された「モジュール式可搬型原子力発電機」について説明している。この例における炉心は、能動的な制御機構及び燃料と一緒に埋め込まれた可燃性の中性子吸収材によって、時間の経過と共に制御される超臨界システムとして開発されている。このシステムを作動させるには、炉心、電力変換システム、一体型圧力容器及びシールドの総重量は、一般的に利用できる昇降運搬装置に対して依然としてかなり重い。更に、通常運転及び通常ではない状態でこのシステムが示す熱遮断は、運転及び事故シナリオに基づいた信頼性の高い設計の下で、比較的大型な炉心の中心部の温度が安全な範囲内にあることを保証するために依然として重大な課題を提起している。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、システム全体を形成するために組み立てられた際、弱い電力網のある現場又は、1つ又は複数のMMRが現地の電力網に給電する発電所を示す現場での様々な電力需要に適合し得る、可動性のマイクロモジュールリアクター（MMR）の集まりを介して発電を可能にする、臨界及び超臨界システムを形成するモジュール式サブコンポーネントを用いた原子力発電に関する。
提案されたMMRは、電力網と直接的、又は開閉所/変電所を介して相互作用し、MMRが遠隔の「電力系統のない」アプリケーションに必要とされる送電系統を示す発電を支持することもできる。本発明は、例えば電気やプロセス熱を可動性のある装置（すなわち船舶）及び固定設備（すなわち、陸上油田掘削装置及び海洋油田掘削装置）に供給するために核分裂及び崩壊熱原子力を利用する様々な発電部品に関する。また、本発明は支持電力を実行不能な再生可能エネルギー発電機（すなわち、風力、太陽光）に供給することもできると同時に、環境極限によって機能が損なわれることなく、展開場所に基盤を必要としないため、軍事基地の操作を前進させ遠隔操作させることができる。
【００１０】
本発明の目的は、運搬中のガンマ放射線及び通常運転中の中性子及びガンマ放射線に対する遮蔽を提供し、以下の要件を満たす可搬式完全密閉型亜臨界発電機モジュールを提供することである。
1）軽量であり、標準的な輸送プラットフォームを通じた輸送能力を確保するために、国際標準化機構（ISOコンテナ）に基づくコンテナによる従来の輸送貨物を特徴付ける寸法及び重量要件に完全に含まれる。
2）本質的に亜臨界であり、複数の亜臨界モジュールが展開場所で組み立てられる場合のみ超臨界になる。
3）提案されたMMRは、電気負荷タイプ（電気網、変電所、開閉所）とは独立して作動し、迅速な負荷追従を実行するため、現場での周辺機器（BoP）接続を必要としない。
4）冷却に対してのみ環境空気に依存する。
5）各亜臨界モジュールは、「普遍的な炉心プラットフォーム」を提供して、19%未満に濃縮された非増殖燃料を装填した「ユニバーサル燃料カートリッジ」内に含まれる様々な種類の燃料及びモデレータの相互作用を提供し、定格出力運転日数は最低11MWth（メガワット熱）で最低3,650日提供する。
6）各亜臨界モジュールは燃料サイクル終了時に、標準的な廃棄物処理キャニスター内に収まり、地質内の恒久的な収納場所での熱負荷要件を満たす地下にある恒久的な貯蔵庫用の電気を自動生成する。
7）遠隔操作が可能である。
8）超高圧容器制御機能を提供する。
9）センサーやプローブ用の亜臨界炉心の密封状態での接近を実現し、交換又は改修を容易にする。
10）同位体の選択的生成を支持するために、亜臨界炉心領域内に統合された密封ポートを介して保護された接近を提供する。
11）炉心に関するシナリオが侵害された場合であっても発揮性物質を放出することなく、敵意のある攻撃に耐えることができる。
12）「避難計画ゾーンゼロ」の要件（敵意のある攻撃又は妨害に関するシナリオにおいて発揮性物質を生成しないこと）に準拠している。
【００１１】
本発明の利点及び目的を達成するために、本明細書において具現化され幅広く説明されるように、本発明の一様態は、輸送及び運転中に熱水力及び遮蔽機能を提供する強化された構造内に含まれる、完全に密封され、独立した部分の炉心によって形成される可搬型の受動冷却式原子力発電機を提供する。
【００１２】
本発明の更なる目的及び利点は、以下の説明に部分的に記載され、部分的には説明から明らかになり、或いは本発明の実施よって習得される。本発明の目的及び利点は、添付の特許請求の範囲において、特に指摘した要素及び組み合わせによって実現し達成されうる。
【００１３】
前述の要約説明及び以下の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものにすぎず、特許請求される本発明を限定するものではないと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
添付の図面は本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成し、本発明に関するいくつかの実施形態を示し、説明と共に、MMR及びその様々な構成要素を説明している装置及び方法の原理を説明する役割を果たす。
【００１５】
【図１Ａ】本発明の例示的な実施形態に準じた、発電用可搬型MMRの斜視図である。
【００１６】
【図１Ｂ】本発明の例示的な実施形態に準じた、発電用可搬型MMRの斜視図である。
【００１７】
【図２Ａ】一体型電力変換装置（PCU）、制御装置、放射シールド、熱伝達装置を搭載している、完全密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）の概略図である。
【００１８】
【図２Ｂ】外部制御装置（外部コア制御システム）との界面に絞っている、中央部分を示した可搬型SSMの透視図である。
【００１９】
【図２Ｃ】必要な電力成分を備えたPCUと、様々な種類の核燃料と融合できるように設計されたユニバーサルコアカートリッジ（UCC）から構成されるSSMの機能系統図である。
【００２０】
【図３Ａ】超臨界（操作）電力システムを形成するために3つのSSMを結合した正面図である。
【００２１】
【図３Ｂ】各SSMが位置をずらして幾何学的バックリング及び材料バックリングの不整列を実行する性能を示しているSSMの斜視図である。
【００２２】
【図３Ｃ】ISO輸送コンテナに搭載した熱伝導及びシールド構造内に設置した、亜臨界的に完全に一体化された3つのSSMの斜視図である。
【００２３】
【図４Ａ】材料バックリング要件及び幾何学的バックリング要件を満たす単一の炉心を形成するために組み立てた、3つのSSMの斜視図である。
【００２４】
【図４Ｂ】ISO輸送コンテナ内で完全に一体化された構造へ先に結合したSSMを挿入し、機械的支持を得るための操作を示す。
【００２５】
【図５Ａ】周辺部に部分冷却チャネルを備えた6角形の中空棒の形状における核燃料の構成を示すが、これに限定されない。
【００２６】
【図５Ｂ】6角形の中空棒を形成する構成要素についてより詳細でかつ拡張した図である。
【００２７】
【図５Ｃ】6角形の中空棒7本が結合し、機械的支持を形成している部分を上部から見た概略図である。
【００２８】
【図５Ｅ】燃料充填前に6角形の中空棒の一部分を示した透視図である（中空を表示）。
【００２９】
【図５Ｆ】6角形の各燃料棒が、図示のように冷却チャネル装置の結合によって構造的に支持されるようになる方法を示した図である。
【００３０】
【図５Ｄ】ユニバーサルコアカートリッジ（UCC）内部の断面透視図である。
【００３１】
【図６Ａ】棒の内部に入れた燃料の周りに冷却チャネルが形成される様子を示した、6角形の燃料棒7本から構成されるクラスタの上面図である（明確にするために中身は空で示した）。
【００３２】
【図６Ｂ】冷却チャネルが6角形の各棒の周囲で形成され、更に大きな冷却チャネルが燃料バンドルの内壁及び6角形の燃料棒の母体との間で形成される、いくつかの6角形の燃料棒で形成された燃料バンドルの上面図である（視覚的に分かりやすくするために内部の燃料要素は取り除いている）。
【００３３】
【図６Ｃ】UCC内で密閉された一定数の燃料バンドルが入っている、6個のSSMからなる上面図である。
【００３４】
【図６Ｄ】完成したSSMの概略図である。
【００３５】
【図７Ａ】6角形の燃料棒を示した図である。
【００３６】
【図７Ｂ】図6A〜図6Cに記載した燃料母体の一部を示した図である。
【００３７】
【図７Ｄ】亜臨界の2つの炉心部分の透視図である。
【００３８】
【図７Ｆ】図6A〜図6Cに記載した燃料母体の一部を示した図である。
【００３９】
【図７Ｃ】UCCが恒久的に密封された状態で作動する際、UCCが燃料の充填、支持、及び冷却を行っている間に6角形の燃料棒を動かす冷却チャネルを形成するガイドを示す、UCCの一部を切り取った断面図である。
【００４０】
【図８Ａ】幾何学的バックリング及び材料バックリングに合わせて整列させるために構成された6個のSSMからなる上面図である（あらゆる炉心が電力を生成するために必要な構成）。
【００４１】
【図８Ｂ】6個のSSMを上から見た図である。
【００４２】
【図９Ａ】外骨格構造及び4つの内1つのSSMの実施形態の透視図である。
【００４３】
【図９Ｂ】図9Aで記載した外骨格支持構造の透視図であり、4つの内1つのSSMが完全に下へ延びている図である。
【００４４】
【図１０Ａ】外骨格構造に完全に一体化され、結合可能な単一SSMの透視図である。
【００４５】
【図１０Ｂ】SSM電力変換システムに密閉され一体化されたユニバーサルコアカートリッジを強調したSSMの断面斜視図である。
【００４６】
【図１１Ａ】SSMのハイブリット電力変換システムについての概略図である。
【００４７】
【図１２Ａ】SMMの概略図である。
【００４８】
【図１２Ｂ】SMMの概略図である。
【００４９】
【図１２Ｃ】SMMの概略図である。
【００５０】
【図１２Ｄ】SMMの概略図である。
【００５１】
【図１３Ａ】単一SSMの実施形態の断面図である。
【００５２】
【図１３Ｂ】電力変換構成要素及び加熱式ヒートシンクを示しているSSMの概略図である。
【発明の詳細な説明】
【００５３】
ここでは、本発明に関する例示的な実施形態を詳細に言及し、それぞれの例は添付の図面で示されている。同じ又は類似した部品を参照するため、可能な限り同じ参照番号が図面全体にわたって使用される。
【００５４】
図面及び実施形態の説明における名称：
100 一体型密封発電機
101 放射シールド
102 シールドヘッド
103 ISOコンテナ
104 バッテリー貯蔵庫
105 リモート制御システムリンク
200 SSM（密閉型亜臨界パワーモジュール）
200M 不整列SSM
201 PCU（電力変換装置）
202 内部制御装置
203 ユニバーサルコアカートリッジ
204 復熱装置熱交換器
205 作動流体及び制御/モニター用ケーブルポート
206 高電圧電源出力
207 外部コア制御装置
208 パワータービン放電、HEX
209 コンプレッサのモーター
210 コンプレッサタービンの段
210H コンプレッサタービンの段、高電圧用
210L コンプレッサタービンの段、低電圧用
211 パワータービンの段
212 発電機
213 SSMの頭部
214 中間冷却器、HEX
215 SSM内部との圧力境界
216 SSM置換スライディングシステム
300 外部コア制御装置
400 一体型SSM発電機、頭部に取り外し可能なシールドカバー付
401 一体型SSM発電機の外骨格構造
500 燃料伝熱スリーブ
501 固体燃料（すなわちTRISO）組成物Aを充填した燃料要素
502 TRISO燃料
503 部分冷却チャネルガイド
504 燃料伝熱の土台
505 燃料伝熱スリーブを充填した状態
506 完成した燃料冷却チャネルガイド
507 UCC内部冷却管
508 計装、制御、内部チューブ
509 密閉されていないUCCチャンバの端
600 燃料バンドル
601 燃料バンドルの内部冷却チャネル（冷却材流量）
602 SSMの内部冷却チャネル
603 101放射線シールドに相当
604 SSMの外部冷却チャネル（冷却材流量）
605 限界質量及び幾何学的界面
700 固体燃料（すなわちTRISO）組成物Bを充填した燃料要素
800 電力用に構成したSSM（整列した燃料形状及び大部分が座屈）
801 停止又は低電力用に構成したSSM（不整列な燃料形状及び大部分が座屈）
900 多数からなるSSMの外骨格構造（ISOコンテナ内に適合する）
901 SSMのアクティブアライメント及びパッシブアライメントの仕組み。H1〜H4はホロス、1〜4はSSM
1001 SSM外部メカニカルカプラ
1002 発電機カバー
1003 コンプレッサ/再循環モーター用カバー
1004 ユニバーサルコアカートリッジ、管頭部は密閉
1101 モーター/再循環冷却ジャケット
1102 発電機冷却ジャケット
1103 内部作動流体導管（ブレイトンサイクル部分）
1104 コア冷却作動流体（第1流体）
1105 コアリフレクター
1106 モーター/再循環装置、HEX
1107 発電機、HEX
1108 発電機ORX又はSRC、HEX
1109 発電機ORC又はSRC冷却ジャケット
1110 発電機ORC又はSRC
1111 ORC又はSRCタービン
1112 ORC又はSRCタービン放電
1113 プロセス熱、HEX制御
1114 プロセス熱、HEXシェル側
1115 プロセス熱、HEXチューブ側
1116 ORC流体又はSRC流体の貯蔵器（第2流体）
1117 ORC/SRCポンプ
1118 ORC/SRCポンプ吸引管
1119 ORC/SRCポンプ放電導管
1120 環境空気（第3流体）へのヒートシンク及び放射シールド
1121 発電機ORC/SRC、HEX放電管
1122 発電機HEX放電管
1123 高圧電力及び中間冷却器HEX管
1124 中間冷却器入口、高圧管
1125 中間冷却器出口、高圧管
1126 復熱装置、HEX高圧管
1127 パワータービン放電、HEX管
1200 メカニカルカプラ
1201 バッテリー貯蔵庫、シールドとして再使用
【００５５】
図1Aを参照すると、一体型密封発電機100が簡略化された斜視図で示されている。本発明に関する例示的な実施形態によると、一体型密封発電機100は放射シールド101から成り、発電機の内部構成要素から環境への熱遮断を行うための熱結合も提供する。当該発電機100は放射シールド101及び2つの半球状ヘッド102を備え、発電機100の内部環境と輸送コンテナ103の外部環境とを分離する圧力境界を提供しながら、両端に放射線遮蔽を提供する。発電モジュール全体は、概して図1Bに示すISOコンテナ103内部に適合するので、一般的な輸送機器を介して輸送することができる。
【００５６】
従って、可搬型マイクロモジュラー発電機100の斜視図を示す図1Bにおいて、一体型密封発電機は標準的なコンテナ103に適合し、その構造及び壁は熱伝達機構としても利用され、発電機101から環境へ熱エネルギーを伝達する。ISOコンテナ103の内部は、バッテリー貯蔵庫104及び、例えば無線リンクを介してリモート制御105を実行する機器などの補助部品であり、発電機100と共に示されている。バッテリー貯蔵庫は、負荷追従操作や起動操作を支持し、発電機100から輸送コンテナ103の外部環境へ放射線遮蔽を提供するために利用される。
【００５７】
図2Aは、発電機100を形成する完全密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）の概略図である。シールドを含めた発電機100全体の重量は、標準的な昇降運搬機器の昇降要件を克服できるので、発電機は、図2Aで示す通り、完全に一体化された完全装備の密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）200によって形成される。
密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）200は、一体型電力変換装置（PCU）201、内部制御装置202、ユニバーサルコアカートリッジ（UCC）203、熱伝達装置にも相当する放射シールド101、リモート制御用のアクセスポート105（すなわち、現場から離れた制御ステーションへのリンク）、及び負荷追従自動調節特性を備えた電力調整用のポート又はコネクタ206から構成される。
【００５８】
可搬式密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）200の斜視図である図2Bを参照すると、亜臨界モジュールの中央部分207が示されている。密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）のこの領域では、一連の非接触界面が定位置にあり、外部炉心制御機構との相互作用を可能にするため、炉心の外側で作動し、炉心内部で示される圧力境界を操作する。
【００５９】
図2Cは、必要な電力成分を備えたPCUと、様々な種類の核燃料で作動できるように構成されたユニバーサルコアカートリッジ（UCC）203から構成されるSSMの機能系統図である。この図で示す通り、電力変換装置は密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）の圧力境界内で完全に一体化されており、この構成では、2つの異なるターボ機械部品で作動する。コンプレッサ又は再循環装置210は、モーター209で電動駆動し、一方、パワータービン211は、作動流体又は第1流体の膨張により作動する。第1流体は、ユニバーサルコアカートリッジ（UCC）を冷却するためのガスとして構成することができるが、密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）200で作動する燃料及び熱力学サイクルに対応する熱的性質及び放熱性を有する流体を利用することができる。パワータービン211における膨張の後、第1流体はそのエネルギー含量の一部を復熱装置熱交換器208に送る。SSM内部との圧力境界215で示される圧力境界内におけるPCU（電力変換装置）201の熱力学関数に関する詳細な説明は、図11Aと関連して提供される。図2Cで示す構成では、密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）200と一体化されたPCU（電力変換装置）部品は、全てSSMの内部圧力境界内で作動している。
【００６０】
図3Aは、超臨界（操作）電力システムを形成するために3つの異なるSSMを結合した正面図を示す。この構成では、各密閉型亜臨界パワーモジュール（SSM）200は、図3Bで示す通り、互いに変換できる方法で支持される。この方法では、あらゆる核システムが臨界、超臨界又は亜臨界となるために必要な「幾何学的バックリング及び材料バックリング」の特性は、SSMをスライドさせて変えることができ、SSMが全て隣接して並行であり、コンパクトな構成又は拡張した構成を形成する際、システム「全体」としてコンパクトな炉心を形成できる。SSM動作の作動を提供する機構が詰まったり故障したりすると、密封された複数の亜臨界UCC203によって形成された炉心全体の中央部分に固体又は液体の形で中性子吸収材をもたらすことによって亜臨界状態を押し進めるために外部炉心制御装置300が使用される。
【００６１】
図3Cは輸送コンテナ103内にある発電機100の斜視図であり、持続的連鎖反応（電力）を生成するために核システムが必要とする位置へ各SSMをずらして幾何学的バックリング及び材料バックリングの不整列を実行し、個々のSSMに含まれる各炉心の一部（UCC203）内に制御棒を挿入する必要なく分裂反応を制御する性能を示している。例えば、図3Cで示すように、この構成においては、1つのSSM200が完全に挿入され、別のSSMが部分的に挿入され、3つ目のSSMは、亜臨界の炉心が他のSSM200の亜臨界炉心のいずれとも整列しない方法で配置される。
【００６２】
図4A及び図4Bでは、それぞれ3つのSSMが、各SSM200を互いに整列状態及び不整列状態でスライドさせるためのスライド機構機械的支持及び作動を提供するように構成された外骨格構造401を介して収納した取り外し可能な発電機の取り外し可能なヘッドを介して発電機に完全に挿入された際に炉心全体を形成するように構成された3つのSSMの斜視図を提供している。
【００６３】
図5Aは、核燃料の例示的な構成を示す。この図において、6角形状の燃料スリーブは、その周辺に部分的なチャネルを備え、様々な種類の核燃料を収容しながら構造的機能を提供し、核燃料を第1流体の冷却材に熱的に結合する。図5Aを参照すると、燃料スリーブ500は、図5Bに示すように成形することができ、この例において501は、TRISO又は他の種類のセラミック燃料502を含む燃料要素の一部を示す。複数のスリーブが並行して結合される時、それらは燃料熱伝達の母体504を形成し、ここでは部分的な冷却チャネルガイド503の組み合わせが筒形の冷却チャンネル506を形成する。第1流体の冷却材は、直接的に、又は図5F及び図5Dで示す通り、UCCで構成される冷却管を使って冷却チャネル506を流れることができる。図5Dに示すUCC203の内部に設置される複数の燃料熱伝達スリーブ500用ガイドのテンプレートを形成するので、単一の燃料熱伝達スリーブ500のそれぞれでは核燃料を装填でき、管507を用いてUCC内に誘導することができる。更に具体的に言うと、図5Dにおいて、UCC203は燃料熱伝達スリーブ500内の核燃料502と混合することなく管507の内部を第1流体が流れる、汎用性のある熱交換器を形成するように構成することができる。図5Dは、UCC203の断面図を示しており、ここで燃料熱伝達スリーブ500は、大型母体504を形成するように設置でき、一旦燃料スリーブ500がUCC203内に装填されると、この装置のヘッダは様々な種類の熱交換器を備えた密封型の管板の構成のように密封できる。同様の方法論により、計装、同位体生成、及び制御管508は、UCC圧力境界と相互作用することなく、亜臨界炉心の様々な領域に接近できるようにUCC内で密封することができる。
【００６４】
図6Aでは、6角形の燃料スリーブ（この構成では7つ）の集まり又は母体の上面図を示しており、燃料スリーブの内側に収容された燃料周辺全てに対する燃料の冷却専用の冷却チャネル（図5Bで示した部分的な複数のチャネル503の結合により形成されたチャネル506）を超えた冷却チャネルの形成を示している（明確にするためにこの図では空で示されている）。図6Bは、6角形の燃料スリーブ7つで形成された燃料バンドル600の上面図であり、ここで冷却チャネルは、各6角形のスリーブの周辺に形成され（図5Cで示すチャネル506）、追加のより大きな冷却チャネル601が燃料バンドル600及び6角形の燃料スリーブ母体504の内壁との間で形成される（視覚的に明瞭にするために内部燃料要素は取り除いている）。
【００６５】
図6Cは、この場合、異なる構成のUCC内に密封された燃料バンドルを含む、6つのSSM200の例示的な上面図であり、SSM200のそれぞれは、独立したPCU201を統合する。この図では、SSM200の数には柔軟性があり、主に寸法的な制約、重量制限、許容濃縮レベル（すなわち、非増殖要件を満たす19%以下）、定格出力運転日数（FEPD）、及び電力定格に依存することを示している。SSM200構造の原子力発電機を採用することで、様々な要件と電力定格を満たすことができる。
【００６６】
SSM200は、ユニバーサルコアカートリッジ（UCC）203と共に作動し、各UCCには、異なる燃料が装填され得る（炉心「全体の」中性子は各亜臨界密封モジュール200によって生成される結合中性子の結果である）。図7A及び図7Bは、UCC203内に装填するように構成された特定の種類の分裂性物質及び核分裂物質700が装填された6角形の燃料スリーブを示している。
図7F及び図7Dでは、6角形の燃料スリーブに異なる種類の核燃料502（すなわちTRISO）が装填され、最終的にこの種類の燃料には別のUCC203が装填される。
これは、発電機100の炉心全体が実質的に異なる核分裂性同位体及び核分裂性核種によって形成されることができることを示している。例えば、図6Cに示すように、6つのSSM200によって形成された可搬型発電機100を考慮し、6つのSSMのうち1つがトリウム系燃料を装填できると仮定すると、この構成における別のSSMには、ウラン系のUCC203及びプルトニウム系の別のSSMを装填できる。言い換えれば、SSM構造は、違う種に属する核燃料の燃焼を可能にする。
【００６７】
図8Aは、中央に整列させるように構成され、その結果各システムが電力を生成するための幾何学的バックリング及び材料バックリング要件に適合する6つのSSMの上面図であり、この図（上）において炉心全体は、幾何学的に対称な筒形のSSMの組み合わせとして示される（この炉心構成）。
【００６８】
図8Bは、不整列となるように構成した6個のSSMを上から見た図であり、従って幾何学的バックリング及び材料バックリング要件が満たされない。この場合、200M（不整列）と表示したSSM200の位置決めによって形成された幾何学的形状は、炉心全体が非対称であるようなものであり、それにより、例えば発電機100を停止の構成で維持するために、結合された中性子システムとして炉心を亜臨界状態に誘導する。
【００６９】
図9Aでは本発明の好ましい実施形態の斜視図を示しており、ここで外骨格構造900は、受動的及び能動的（重力駆動）手段を備えた構造的支持を提供し、互いにSSMの正確な動きを作動させる。この構成では、4個のSSMが炉心「全体」を形成し、視覚的に明確にするために、4個のうち1個のみを示している。
この表現において、外骨格構造900は、SSM200を輸送装置から取り外すための機械的結合を提供するように構成されている（SSM200が個別に輸送される場合）或いは、構造900は発電機100を形成し、本格稼働できる4つのSSM200の全てを収容できる。構造900によって提供され、この図には示されていない機械的機能には、放射線防護用及び敵意的又は偶発的な環境事故（発電機に向けられた発射体）に対する保護用のシールド結合を含む。SSM200が外骨格構造900に装填されると、例えば重力及び/又は油圧で駆動する一連の受動的及び受動的アクチュエータ901がSSM200の位置決めをリアルタイムで作動させ、各SSMに関しては外骨格構造900を装着する。図9Aでは、「ホロス」（ギリシャ語で「全体」を意味する）、モジュールH1のみが示されている。この場合、全体の炉心構成800は、互いに離れた位置にある4個のSSMで示されている。これは、各モジュールを備えたUCC203の内部位置に対応する全ての臨界面605が互いに離れているため、パワーモジュール100の停止をもたらす。この構成の下では、SSMは中性子的に分離されている。それぞれ独立したSSMが亜臨界システムを提供するので、分離した中性子は発電を行わない。一方、図9Bにおいて、炉心全体の構成801は、アクチュエータ901が完全に伸張されていることを示し、それにより発電機100による中性子結合をもたらし、電力生成を導く。各SSMが持ち上げられ、異なるUCC203間の中性子接続/結合が確実に中断された時に同時に作動される外部制御装置は、これらの表現には示されていない。
【００７０】
図10Aは、図9A及び図9Bで示されている外骨格構造に完全に一体化され、結合可能な単一SSMの透視図である。この図では、SSM200は視覚表示を簡素化するためにシールドなしで示されている。
図10Bは、亜臨界モジュールを形成する主要な内部構成要素を示しているSSM200の断面図である。従って、図10A及び図10Bの両方を参照すると、SSM200はメカニカルカプラ1001によって外骨格構造900に機械的に結合され、コンプレッサ/再循環装置ハウジング1003には電動機固定子/ローターアセンブリ209を含み、図11Aに記載されているブレイトン式発電サイクルシステム内を循環する第1流体（作動流体）から熱的に絶縁されている。
図10Bに示されているSSM200には、それぞれ低圧コンプレッサタービン210L及び高圧コンプレッサタービン210H、中間冷却器熱交換器214、冷却管507を備えたUCC203を備えている（その数が非常に多いため、視覚効果は暗領域である。UCC203内部にある管507の明瞭な描出は図5Dを参照）。SSM200の発電側では、復熱装置交換器208及び発電機212の一部と共にパワータービン211が示されている。この図では、IGBTパワーモジュールによって主に形成されるパワー電子機器は示されていない。
【００７１】
図11Aは、ブレイトン式電力サイクルを直接組み合わせたSSMのハイブリッド電力変換システムについての概略図であり、ここで作動流体（第1流体）はUCCに冷却しながら循環し、第2流体（有機又は蒸気）を備えたランキン式（蒸気又は有機）電力サイクルは、ブレイトン式電力サイクル側で使用される熱交換器の熱負荷を低減しながらSSM効率を高める。SSM200は、ORC又はSRCランキン式サイクルを作動させる必要がないため、この付加的な熱力学エンジンは、ブライトン式電力サイクルを形成する熱交換器の熱負荷及びサイズを低減して効率を向上させ、SSMを一時的又は恒久的な貯蔵施設に廃棄する際（10〜15年後）、冷却を確実にする。図11Aを概略図の左上から参照すると、内部作動流体（第1流体）1104は、導管又はチャネル1103を通って流れる。
コンプレッサ又は再循環器モーター209が第1流体1104を加圧すると、第1流体の加熱も行う。中間冷却器となる熱交換器214では、高圧用コンプレッサの段210Hで第2の圧縮段階に入る前に第1流体を冷却する。圧縮された第1流体1104は、UCC203の内部に収容された燃料及び減速物質と混合することなく、UCC203を管507に流入させる。第1流体1104がUCC203を排出する際、パワータービン211内で膨張し、発電機212を介して熱エネルギーを電気に変換させる。第1流体がタービン211によって排出されると、内部導管1103を通って流れ、それ自体をコンプレッサタービン低圧段210Lに示し、ブレイトン式サイクルをリセットする時に、熱エネルギーをパワータービン排出熱交換器208及び復熱装置熱交換器204に伝達する。熱交換器及び貯水器1116に含まれる第2流体は、ポンプ1117によって加圧され、中間冷却器熱交換器214の管側、復熱装置熱交換器204、及びタービン排出熱交換器208に入り主要なSSM200発電機212に結合され、調整された電力を生成する前に、モーター/再循環器熱交換器1106、ORC又はSRC生成装置1110熱交換器1108、及び発電機212熱交換器1107に冷却した第2流体を供給するマニホールドに排出される。タービン1111で排出された第2流体は、貯蔵器及び熱交換器1116に戻り凝縮する。この熱交換器は、熱エネルギーを環境流体（すなわち、第3流体、空気又は水）に変える。熱交換器及び貯蔵器1116には、SSMの操作中に中性子を全てガンマと共に遮蔽するフィンが装備されている。プロセス熱制御バルブ113は、熱交換器1115の管側で循環する外部流体にプロセス熱を提供するように作動させることができる。
【００７２】
図12Aは、全ての回転構成要素（タービン210及び211）間の機械的結合1200を用いたブレイトン式電力サイクルによって作動する第1流体を圧縮するように構成されたSSM200の概略図である。
【００７３】
図12Bは、全ての回転構成要素間の機械的結合1200及びSSM内部を特徴付ける圧力境界1105の外側にある発電機212を維持するための磁気的結合を用いたブレイトン式電力サイクルによって作動する作動流体を圧縮するように構成されたSSMの概略図である。
【００７４】
図12Cは、全ての回転構成要素間の機械的結合を用いたブレイトン式電力サイクルによって作動する作動流体を圧縮するように構成され、ここで発電機212はSSM圧力境界内で作動するように構成されたSSM200の概略図である。この図では、バッテリー貯蔵庫1201は、負荷追従、起動及び有効な放射シールドとして利用される。
【００７５】
図12Dは、全ての回転構成要素間の電気的結合でブレイトン式電力サイクルによって作動する作動流体を圧縮するように構成され、ここでコンプレッサ又は再循環器電気モーター209及び発電機212は共にSSM圧力境界の内部で作動するように構成されたSSMの概略図である。
【００７６】
図13Aは、UCC内に装填された燃料の材料組成を変更することによって、単一のSSMを炉心「全体」として作動するように構成できる本発明の好ましい実施形態の断面図である。
【００７７】
図13Bは、原子炉が運転中であってもその形状はヒートシンク及びシールドを形成する回旋状経路の外側を中性子が移動することを防止する放射線遮蔽も提供する電力変換部品及び加熱式ヒートシンク1120を示す、本発明におけるSSM200の概略図である。
【００７８】
開示された実施形態に関する前述の説明は、当業者が請求項を作成又は使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対する様々な修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、請求項の範囲から逸脱することなく、他の実施形態及び実装に適用され得る。従って、本開示は、本明細書に記載された実施形態及び実装に限定することを意図するものではなく、以下の特許請求の範囲及び本明細書に開示される原理及び新規特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。
【図１Ａ】
2018513985.tif 000003
【図１Ｂ】
2018513985.tif 000004
【図２Ａ】
2018513985.tif 000005
【図２Ｂ】
2018513985.tif 000006
【図２Ｃ】
2018513985.tif 000007
【図３Ａ】
2018513985.tif 000008
【図３Ｂ】
2018513985.tif 000009
【図３Ｃ】
2018513985.tif 000010
【図４Ａ】
2018513985.tif 000011
【図４Ｂ】
2018513985.tif 000012
【図５Ａ−５Ｆ】
2018513985.tif 000013
【図６Ａ−６Ｄ】
2018513985.tif 000014
【図７Ａ−７Ｆ】
2018513985.tif 000015
【図８Ａ】
2018513985.tif 000016
【図８Ｂ】
2018513985.tif 000017
【図９Ａ】
2018513985.tif 000018
【図９Ｂ】
2018513985.tif 000019
【図１０Ａ】
2018513985.tif 000020
【図１０Ｂ】
2018513985.tif 000021
【図１１Ａ】
2018513985.tif 000022
【図１２Ａ−１２Ｄ】
2018513985.tif 000023
【図１３Ａ】
2018513985.tif 000024
【図１３Ｂ】
2018513985.tif 000025
【国際調査報告】
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2018513985.tif 000027
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