(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数基の循環ポンプを備える高速炉の一次冷却材循環装置において、前記循環ポンプとして、冷却材に貯えられた熱を利用して熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプと、主電源からの交流電流によって作動される循環ポンプを備えることを特徴とする高速炉の一次冷却材循環装置。
【請求項２】
前記熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプは、前記熱電発電システムにより発電された直流電流によって作動する直流モータ駆動ポンプであることを特徴とする請求項１記載の高速炉の一次冷却材循環装置。
【請求項３】
前記熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプは、前記熱電発電システムにより発電された直流電流を直流・交流コンバータによって変換した交流電流によって作動される電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプであることを特徴とする請求項１記載の高速炉の一次冷却材循環装置。
【請求項４】
前記熱電発電システムは、両面の温度差により発電を行う熱電変換素子と、該熱電変換素子の一側面に冷却材に貯えられた熱を導く高温側熱伝導手段と、前記熱電変換素子の他側面を冷却する低温側熱伝導手段を備え、前記高温側熱伝導手段及び低温側熱伝導手段は、傾斜機能材料を有する熱応力緩和パッドを挟んで前記熱電変換素子に接合されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の高速炉の一次冷却材循環装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速炉の一次冷却系の冷却材を循環させる一次冷却材循環装置に関する。より詳しくは、本発明は、停電等の主電源喪失時においても冷却材を循環させる高速炉の一次冷却材循環装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速炉の一次冷却材循環装置は、停電等により主電源を喪失した場合であっても炉心の健全性を維持するのに必要な冷却材の最低流量を確保しなければならない。このため、従来の高速炉の一次冷却材循環装置は、一次冷却系の冷却材を循環させる機械式ポンプにフライホイールとポニーモータを設置していた。すなわち、主電源喪失後もフライホイールの回転慣性により一定時間ポンプを駆動し続けるようにし、その慣性エネルギが無くなるまでの短時間（数十秒程度）の間にディーゼル発電機を立ち上げるか又は電力供給源を非常用バッテリに切り替え、かかる電力によりポニーモータを作動させてポンプの回転を維持し、冷却材の流量として定格流量の約１０％を確保するようにしている。
【０００３】
主電源の喪失によって立ち上げられるディーゼル発電機は、短時間で確実に立ち上げを行えるように設計されている。また、ポニーモータの電力供給源となる非常用バッテリは、要求される時間にわたってポニーモータを連続運転できるように設計されている。そして、現実の高速炉プラントでは、これらを組み合わせることで多重性を与えプラントの安全性をより高める設計となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高速炉プラントでは機器類の信頼性を維持することが特に重要であり、そのためにはディーゼル発電機、非常用バッテリおよびポニーモータ等の保守管理に多大な労力が必要である。また、プラントの物量削減や経済性の観点からは、ディーゼル発電機や非常用バッテリを不要にすることが望ましい。これらのため、より信頼性が高く且つ保守の容易な高速炉の一次冷却材循環装置の開発が要請されている。
【０００５】
本発明は、簡単な構造で信頼性の高い高速炉の一次冷却材循環装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、請求項１記載の高速炉の一次冷却材循環装置は、複数基の循環ポンプを備える高速炉の一次冷却材循環装置において、前記循環ポンプとして、冷却材に貯えられた熱を利用して熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプと、主電源からの交流電流によって作動される循環ポンプを備える構成である。
【０００７】
したがって、冷却材に熱が貯えられている限り熱電発電システムは発電を行い、冷却材を循環させる循環ポンプを駆動し続ける。即ち、停電等により主電源を喪失した場合であっても、一次冷却材の循環が必要なほどに炉心の温度が高ければその熱を利用して発電が行われ、循環ポンプが一次冷却材を循環させて炉心を冷却し続ける。
【０００８】
この場合、請求項２記載の高速炉の一次冷却循環装置のように、熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプは、熱電発電システムにより発電された直流電流によって作動する直流モータ駆動ポンプであることが好ましい。この場合には、熱電発電システムにより発電された直流電流によって循環ポンプである直流モータ駆動ポンプを直接駆動することができる。
【０００９】
また、請求項３記載の高速炉の一次冷却循環装置のように、熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプは、熱電発電システムにより発電された直流電流を直流・交流コンバータによって変換した交流電流によって作動される電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプであることが好ましい。この場合には、交流を発生させることができるので、主循環ポンプとして電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプも使用することができる。
【００１０】
さらに、請求項４記載の高速炉の一次冷却循環装置は、熱電発電システムは、両面の温度差により発電を行う熱電変換素子と、該熱電変換素子の一側面に冷却材に貯えられた熱を導く高温側熱伝導手段と、熱電変換素子の他側面を冷却する低温側熱伝導手段を備え、高温側熱伝導手段及び低温側熱伝導手段は、傾斜機能材料を有する熱応力緩和パッドを挟んで熱電変換素子に接合された構成である。
【００１１】
したがって、高温側熱伝導手段によって導かれた冷却材の熱によって加熱される熱電変換素子の一側面と、低温側熱伝導手段によって冷却される他側面との間に温度差が発生する。この温度差により熱電変換素子が発電を行い、循環ポンプを作動させる。熱電変換素子には両面の温度差に起因して熱応力が発生するが、この熱応力は各熱応力緩和パッドの傾斜機能材料によって吸収される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１及び図６に、本発明を適用した高速炉の一次冷却材循環装置の実施形態の一例を示す。この高速炉は、原子炉容器１５内の炉心１９を冷却する一次冷却系の冷却材４として、例えば液体ナトリウムを使用するタンク型の高速増殖炉であり、一次冷却材循環装置は複数基の循環ポンプを備えると共に、当該循環ポンプとして、冷却材４に貯えられた熱を利用して熱電発電システム８により発電された電力を動力源として運転される循環ポンプ３と、主電源１８からの交流電流によって作動される循環ポンプ５を備えている。ここで、循環ポンプ３は、熱電発電システム８で発電される直流電流をそのまま利用する場合には直流モータ駆動ポンプが、また直流電流をＤ／Ａコンバータを介して交流に変換する場合には電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプが使用される。
【００１４】
熱電発電システム８は、図２に示すように、熱電変換モジュール６と、高温側熱伝導手段である集熱用ヒートパイプ２と、低温側熱伝導手段である放熱用ヒートパイプ７を備えて構成されている。熱電変換モジュール６は、図３に示すように、多数の熱電変換ユニット９の集合であり、各熱電変換ユニット９は、図４に示すように、熱電変換素子１の両側面に高温側熱応力緩和パッド１０及び低温側熱応力緩和パッド１１を接合して構成されている。
【００１５】
熱電変換素子１は両面の温度差により発電を行う素子で、例えば鉛・テルル（ＰｂＴｅ）半導体素子である。ただし、これに限るものではなく、例えばビスマス・テルル（ＢｉＴｅ）半導体素子やシリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）半導体素子等の使用が可能である。これらの半導体素子のうちいずれを選択するかは、使用温度領域等に応じて決定される。いずれの素子も、正孔の濃度が高いＰ型半導体と電子の濃度が高いＮ型半導体より成り、両者の組合せにより起電力を発生する。実際には、複数対のＰ型半導体とＮ型半導体を電気的に直列に接続することにより出力を増大させる。
【００１６】
各熱応力緩和パッド１０，１１は、傾斜機能材料１２，１３とグラファイト層１４より構成されている。各熱応力緩和パッド１０，１１のグラファイト層１４は各傾斜機能材料１２，１３と熱電変換素子１との間に配置され、熱電変換素子１の成分の拡散を防止する。
【００１７】
各傾斜機能材料１２，１３は、熱応力緩和材兼熱伝導体と電気絶縁材との組成割合を厚さ方向に徐々に変化させたもので、熱応力緩和材兼熱伝導体は、熱伝導率が大きく弾性定数の小さな材料、例えば銅やパラジウム等の金属である。ここで、銅は、熱伝導率λに対する弾性定数Ｅの比率（Ｅ／λ）が非常に小さい。したがって、熱伝導性の熱応力緩和材兼熱導伝体として銅を使用すると、高い熱伝導性能を維持しながら熱応力を緩和することができる。しかしながら、使用温度の高いＳｉＧｅ素子等を熱電変換素子１として使用する場合には、高温側熱応力緩和パッド１０の使用温度が銅の融点に接近するため、低温側熱応力緩和パッド１１についてのみ銅を使用し、高温側熱応力緩和パッド１０については銅に次いで性能の優れたパラジウムを使用することが好ましい。ただし、熱応力緩和材兼熱導伝体として使用する材料は、必ずしも銅やパラジウムに限るものではないことは勿論である。この場合、熱伝導率が大きく弾性定数の小さいもの、即ち熱伝導率に対する弾性定数の比率がより小さいものがより好ましい。また、この性質を満たすものであれば必ずしも金属に限定されない。一方、電気絶縁材は、例えばアルミナであり、アルミナの他にも窒化珪素や炭化珪素等のセラミックを適用することができる。炭化珪素等の各種のセラミックは、熱伝導性が良く、熱による変形が少なくしかも電気絶縁性に優れているため好ましい材料といえる。ただし、電気絶縁材として使用する材料は、必ずしもアルミナや窒化珪素等のセラミックに限るものではないことは勿論である。本実施形態の各傾斜機能材料１２，１３は、熱電変換素子１側を熱応力緩和材兼熱伝導体である銅（Ｃｕ）の層（以下、Ｃｕ層という）１２ａ，１３ａとすると共に、集熱用ヒートパイプ２又は放熱用ヒートパイプ７側を電気絶縁材であるアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）の層（以下、アルミナ層という）１２ｂ，１３ｂとし、さらに各Ｃｕ層１２ａ，１３ａと各アルミナ層１２ｂ，１３ｂとの間を銅とアルミナの組成割合を徐々に変化させる層１２ｃ，１３ｃとしている。各Ｃｕ層１２ａ，１３ａは、各熱電変換素子１Ｐ，１Ｎを電気的に直列に接続する電極としても機能する。
【００１８】
各熱応力緩和パッド１０，１１の傾斜機能材料１２，１３を構成する銅（熱応力緩和材兼熱導伝体）及びアルミナ（電気絶縁材）は、いずれも粉末の状態で入手することができる。したがって、粉末冶金法により傾斜機能材料１２，１３を製造することができる。例えば、２本のノズルから粉末を噴射する装置を使用し、一方のノズルから銅の粉末を型内に噴射させ、他方のノズルからアルミナの粉末を型内に噴射させる。この場合、両ノズルの噴射比率を制御することにより各粉末の充填割合を厚さ方向内側から両外側に向けてそれぞれ徐々に変化させた層状ないし板状のペレット（粉末の塊）を造る。ペレットの圧縮成形後、当該ペレットを炉で加熱して焼結することにより傾斜機能材料１２，１３を得ることができる。
【００１９】
このようにして製造される傾斜機能材料１２，１３では、線膨張率が大きく異なる熱応力緩和材兼熱導伝体と絶縁性材料との組成割合を徐々に変化させているので、各熱応力緩和パッド１０，１１として使用した場合には内部に発生する熱応力を特定箇所に集中させることなく分散させることができる。
【００２０】
集熱用ヒートパイプ２は、各熱電変換素子１の一側面（高温側面）に高温側熱応力緩和パッド１０を挟んで接合され、当該高温側面に冷却材４に貯えられた熱を導く。また、放熱用ヒートパイプ７は、各熱電変換素子１の他側面（低温側面）に低温側熱応力緩和パッド１１を挟んで接合され、当該低温側面を冷却する。
【００２１】
次に、一次冷却材循環装置の作動について説明する。
【００２２】
冷却材４の熱は集熱用ヒートパイプ２によって熱電発電システム８の各熱電変換素子１の高温側面に伝えられ、また、各熱電変換素子１の低温側の熱は放熱用ヒートパイプ７により除去される。したがって、各熱電変換素子１の両面間には温度差が発生し、各熱電変換素子１は循環ポンプ３を駆動させる電力を発生させる。即ち、停電等により主電源を喪失した場合であっても、冷却材４の循環が必要なほどに炉心１９の温度が高ければその熱を利用して発電が行われ、循環ポンプ３が冷却材４を循環させて炉心を冷却し続ける。
【００２３】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では、タンク型の高速炉に適用していたが、ループ型やハイブリッド型の高速炉にも適用可能である。ただしループ型の原子炉に適用した場合には、熱電発電システム８の電力で駆動されるポンプ３を原子炉容器１５内に設置する必要がある。そのため原子炉容器１５の構造によってはかかるポンプの設置スペースを確保するために若干の工夫を要する場合がある。例えば、一次主配管が原子炉容器１５の下部に接続する「下部流入方式」のループ型高速炉の場合には、原子炉容器１５の直径を若干増大させる必要がある。これに対して一次主配管が原子炉容器１５の側面に接続する「上部流入方式」または遮蔽プラグ２１を貫通して上部から原子炉容器１５に流入する「トップエントリー方式」のループ型高速炉の場合には、もともと原子炉容器内には十分なスペースが確保されているため、かかるポンプの設置は比較的容易である。
【００２４】
また、上述の説明では、熱電変換素子１を挟む各熱応力緩和パッド１０，１１の傾斜機能材料１２，１３として、一側面から他側面に向けて熱応力緩和材兼熱伝導体と電気絶縁材との組成割合を徐々に変化させたものを使用しているが、例えば、これらの組成割合を厚み方向の内側から両外側に向けてそれぞれ変化させるようにしても良い。例えば、図５に示すように、各傾斜機能材料１２，１３の厚さ方向の中央にアルミナ（電気絶縁材）層１２ｂ，１３ｂを形成し、その両側にアルミナとＣｕ（熱応力緩和材兼熱伝導体）の組成割合を徐々に変化させる層１２ｃ，１３ｃを形成し、さらにこれらの外側にＣｕ層１２ａ，１３ａを形成しても良い。この場合には、各傾斜機能材料１２，１３の厚さ方向全体からみて当該組成割合の変化の方向を途中で逆に、即ち電気絶縁材と熱応力緩和材兼熱導伝体の比が増加する傾向にあるか減少する傾向にあるかを途中で変えることができる。つまり、各傾斜機能材料１２，１３がアルミナ（セラミック）層１２ｂ，１３ｂの両側にＣｕ（金属）層１２ａ，１３ａを配置する構造となり、製造時の焼結温度から室温までの冷却過程において、金属とセラミックの熱膨張差に起因した反りや亀裂の発生防止を図ることができる。このため、各傾斜機能材料１２，１３の製造が容易になってコスト低減が可能になると共に、健全性も改善されて品質的に安定したものを得ることができる。また、各傾斜機能材料１２，１３の両外側を金属（Ｃｕ）層１２ａ，１３ａにできるので、即ち各傾斜機能材料１２，１３の両外側の材料を集熱用ヒートパイプ２又は放熱用ヒートパイプ７の材料と同一のもの又は線膨張率が近いものにすることができるため、高温側熱応力緩和パッド１０と集熱用ヒートパイプ２、低温側熱応力緩和パッド１１と放熱用ヒートパイプ７の接合が容易になると共に、これらの接合強度を増大させることができる。また、必ずしも両外側のＣｕ層１２ａ，１３ａの中央にアルミナ層１２ｂ，１３ｂを形成する必要はなく、いずれか一方のＣｕ層１２ａ，１３ａ側に偏らせた位置にアルミナ層１２ｂ，１３ｂを形成しても良い。即ち、両側の層１２ｃ，１３ｃの厚さを同一にする必要はなく、互いに変えても良い。また、両側の層１２ｃ，１３ｃの前記組成割合の変化の割合を、必ずしも熱電素子１側と集熱用ヒートパイプ２又は放熱用ヒートパイプ７側とで同一にする必要はなく、変化させても良いことは勿論である。なお、上述の熱応力緩和材兼熱伝導体から成るＣｕ層１２ａ，１３ａや電気絶縁材から成るアルミナ層１２ｂ，１３ｂは、必ずしも１００％のＣｕ又はアルミナより構成される必要はなく、実質的に熱応力緩和材兼熱伝導体としての機能を確保できる範囲で電気絶縁材等を含んでも良く、又は実質的に電気絶縁材としての機能を確保できる範囲で熱応力緩和材兼熱伝導体を含んでも良いことは勿論である。
【００２５】
さらに、上述の説明では、熱電発電システム８は熱電変換素子１、高温側熱伝導手段である集熱用ヒートパイプ２及び低温側熱伝導手段である放熱用ヒートパイプ７を備え、各ヒートパイプ２，７は、傾斜機能材料１２，１３を有する熱応力緩和パッド１０，１１を挟んで熱電変換素子１に接合していたが、傾斜機能材料１２，１３を有する熱応力緩和パッド１０，１１を省略しても良いことは勿論である。
【００２６】
【実施例】
（実施例１）
［一次冷却材循環装置の構成］
図６及び図７に示すように、一次冷却材循環装置の主循環ポンプとして全部で３基の機械式主循環ポンプを設置し、そのうちの１基を熱電発電システム８により発電された直流電流によって作動される循環ポンプ（以下、直流モータ駆動ポンプという）３とし、残りの２基を主電源１８からの交流電流によって作動される循環ポンプ（以下、交流モータ駆動ポンプ）５とした。なお、従来の主循環ポンプでは主電源喪失時のためにフライホイール及びポニーモータを備えていたが、本実施例に係る直流モータ駆動ポンプ３ではフライホイール及びポニーモータの両方を省略し、２基の交流モータ駆動ポンプ５についてはポニーモータのみを省略した。そして、２基の交流モータ駆動ポンプ５が一次冷却系定格流量の９０％（各々４５％ずつ）を分担し、残りの１０％を直流モータ駆動ポンプ３が分担するように設定した。
【００２７】
［熱電発電システムの構造］
熱電変換システム８の熱電変換モジュール６を、図１に示すケーシング２０内に２１個並べて収容し、原子炉遮蔽プラグ２１上に設置した。各熱電変換モジュール６は、３６０個の熱電変換ユニット９で構成した。２５ｍｍ角程度の大きさの熱電変換ユニット９の１個当たりの出力は約８Ｗ、１個の熱電変換モジュール６では約２．８８ｋＷの出力となる。したがって本モジュール６が２１個で約６０ＭＷの出力が得られる。熱電変換モジュール６の大きさは、縦が３０ｃｍ，横が１３ｃｍであり、縦方向に３列，横方向に７列並べることで２１個の熱伝変換モジュール６を原子炉遮蔽プラグ２１上の１ｍ角の正方形のスペースに設置することができた。
【００２８】
集熱用ヒートパイプ２は、各熱電変換モジュール６毎に６本ずつ、熱電発電システム８全体としては１２６本設置した。このとき、各集熱用ヒートパイプ２は、互いの間に所定距離の隙間をあけて矩形状に並べ束ねるようにして設置した。また、各集熱用ヒートパイプ２の下端を遮蔽プラグ２１を貫通させて原子炉容器１５のホットプレナム内に挿入する一方、これらの各上端を熱電変換ユニット９の高温側熱応力緩和パッド１０を挟んで各熱電変換素子１の一側面に接合した。各集熱用ヒートパイプ２内には、作動流体として、セシウムを封入した。ただし、セシウムに代えて、リチウム等を封入しても良い。
【００２９】
放熱用ヒートパイプ７は、各熱電変換モジュール６毎に７本ずつ、熱電発電システム８全体としては１４７本設置した。このとき、各放熱用ヒートパイプ７は、互いの間に所定距離の隙間をあけてほぼ矩形状に並べ束ねるようにして設置した。これら各放熱用ヒートパイプ７は２重ダクト１６の内側通路内に収容し、それぞれ下端を対応する熱電変換素子１の他側面即ち低温側面に接合した。即ち、各放熱用ヒートパイプ７を、熱電変換ユニット９の低温側熱応力緩和パッド１１を挟んで各熱電変換素子１の他側面に接合した。また、各放熱用ヒートパイプ７の上端近傍には、図８に示すように、放熱パネル１７を固着した。各放熱用ヒートパイプ７内に封入される作動流体として、水を封入した。ただし、水に限るものではないことは勿論である。
【００３０】
放熱用ヒートパイプ７を収容する２重ダクト１６はその内側通路と外側通路を下端部で通じさせている一方、その上端を原子炉建物の外部に突出させて内側通路及び外側通路を大気に開放している。したがって、２重ダクト１６内では、冷たい外気が外側通路を下降し、下端部で反転して内側通路に流入し、放熱用ヒートパイプ７を冷却しながら加熱されて上昇して排出される。すなわち、各放熱用ヒートパイプ７は、外気の自然循環により除熱を行うことができる。
【００３１】
電気出力６万ｋＷｅ程度の小型高速炉に適用する場合、集熱用ヒートパイプ２で熱電変換モジュール６に伝達される熱エネルギは７５０ｋＷである。そして、熱電変換モジュール６のエネルギ変換効率を８％と仮定すると、熱電発電システム８によって６０ｋＷの発電が行われることになる。残り６９０ｋＷの熱エネルギは放熱用ヒートパイプ７により原子炉格納容器１５の外部まで伝達され放出される。この場合の集熱用ヒートパイプ２の軸方向熱流束は３００Ｗ／ｃｍ2 程度である。従って内径５０ｍｍのヒートパイプを１２６本互いに隙間をあけながら１ｍ角の正方形断面スペースに配置することができる。かかる断面寸法は各循環ポンプ３，５の直径よりも小さく、原子炉容器１５内に容易に設置することができる。なお、集熱用ヒートパイプ２も同様である。
【００３２】
［運転条件］
通常運転状態における原子炉容器ホットプレナム内の冷却材４である液体ナトリウムの温度は、５３０℃程度である。この熱が集熱用ヒートパイプ２によって各熱電変換素子１の一側面に導かれた。また、２重ダクト１６の外側通路及び内側が開口する雰囲気（外気）の温度は３０℃位であり、各熱電変換素子１の他端面の熱が放熱用ヒートパイプ７及び２重ダクト１６を伝わって雰囲気に排出された。したがって、各熱電変換素子１の両面間には発電可能な温度差が発生した。
【００３３】
［作動］
原子炉が通常運転されている場合には、２基の交流モータ駆動ポンプ５は主電源（交流）１８から供給される電力により駆動され、また、直流モータ駆動ポンプ３は熱電発電システム８の熱電変換素子１から供給される直流電源により駆動される。この状態では、冷却材４の流量の９０％を２基の交流モータ駆動ポンプ５が分担し、残りの１０％を直流モータ駆動ポンプ３が分担する。
【００３４】
そして、停電等により主電源１８が喪失した場合には、２基の交流モータ駆動ポンプ５への電力供給が断たれる。このため、各交流モータ駆動ポンプ５はフライホイールに貯えられた慣性エネルギによりしばらくの間は回転するが、このエネルギの消耗によりその回転数を徐々に低下させ、数十秒経過後には完全に停止すると考えられる。一方、主電源１８を喪失した場合であっても、熱電発電システム８の熱電変換素子１は冷却材４の熱により発電し続けるので、直流モータ駆動ポンプ３への電力供給は継続されると考えられる。したがって、直流モータ駆動ポンプ３は作動し続け、冷却材４の定格流量の１０％の流量を確保することが可能である。
【００３５】
また、主電源１８を喪失した場合には、原子炉はスクラムされて炉心１９の出力は直ちに低下するように設計されている。しかしながら、炉心１９の温度は放射性物質の崩壊熱によりすぐには下がらない。また、原子炉容器１５のホットプレナム内の冷却材４及び構造材には継続して相当な熱エネルギが貯えられているため、原子炉停止後もしばらくの間は直流モータ駆動ポンプ３が作動し続け、定格時の一次系冷却材４の流量の約１０％を維持しておくことができると考えられる。これにより、一次冷却系による除熱能力も１０％が維持可能である。
【００３６】
各交流モータ駆動ポンプ５が完全に停止する原子炉停止の数十秒後の崩壊熱は、定格出力の約４％であると考えられる。すなわち、各交流モータ駆動ポンプ５が停止した後も、崩壊熱出力を上回る除熱能力を得ることが可能である。このため、ホットプレナム温度は徐々に低下し、この温度低下に呼応して熱電発電システム８による発電量が減少し、直流モータ駆動ポンプ３による冷却材４の流量も徐々に低下すると考えられる。しかしながら直流モータ駆動ポンプ３による流量が減少する頃には、炉心１９の温度は冷却材４の直流モータ駆動ポンプ３による強制的な循環を不要にするまで十分に下がっていると考えられる。
【００３７】
すなわち、炉心温度が高くて冷却材４を強制的に循環させる必要がある間は、炉心１９で発生した熱を利用して冷却材４を強制的に循環させておくことが可能である。このため、従来の高速炉プラントのように主電源喪失と同時にディーゼル発電機を起動して主循環ポンプのポニーモータに電力を供給する必要はなくなる。ただし、高速炉プラントにはディーゼル発電機を備えることがあるが、その役割は空調設備等への電力供給にとどまるため、必ずしも主電源喪失と同時にディーゼル発電機を起動させる必要はなく、起動に対する信頼性の要求は従来のものに比べて大幅に軽減されている。
【００３８】
［プラント効率への影響］
熱出力１５万ｋＷの小型高速炉プラントの場合について検討する。ここで、タービン発電機のエネルギ変換効率を４２％、熱電変換システムのエネルギ変換効率（熱損失を考慮した正味の値）を８％と仮定する。なお一次冷却系のポンプ動力以外の所内動力（二次冷却系ポンプ、空調換気系、予熱ヒータなど）も考慮してある。
【００３９】
正味プラント効率を比較すると、従来プラントでは３９．２４％であるのに対して、本発明の一次冷却系循環装置を適用したプラントでは３９．０３％となった。すなわち、本発明の一次冷却系循環装置を適用したプラントでは、従来プラントに比べて正味プラント効率をほとんど損なうことなく、以下の効果を得ることができた。つまり、主電源喪失時に炉心の冷却に最低限必要な冷却材４の流量を高い信頼性で確保することができた。また、従来必要であった一次冷却系の主循環ポンプのポニーモータを削減することができると共に、当該ポニーモータを駆動するための非常用バッテリ設備の削除も可能になり、或いはディーゼル発電機をポニーモータ駆動用として使用する必要がなくなるのでディーゼル発電機の起動に対する信頼性の要求を従来に比べて大幅に軽減することができた。さらにこれらのため、プラントの物量削減、保守管理の軽減および経済性の向上を実現することができた。
【００４０】
（実施例２）
上述の実施例１では、循環ポンプとして機械式のポンプ（交流モータ駆動ポンプ、直流モータ駆動ポンプ）を設置したが、機械式ポンプに代えて電磁ポンプを使用する。即ち、図９に示すように、２基の交流モータ駆動ポンプ（機械式ポンプ）５と１基の電磁ポンプ３を組み合わせて使用する。この場合、２基の交流モータ駆動ポンプ５を主電源１８の電力によって作動させる一方、電磁ポンプ３を熱電発電システム８の熱電変換素子１により発電された直流電流を直流・交流コンバータ２２によって変換した交流電流によって作動させる。なお、熱電発電システム８の構造は実施例１と同様であり、その説明は省略する。
【００４１】
本実施例では、定格運転時の流量の分担比率を、２基の機械式ポンプ５がそれぞれ４５％、電磁ポンプ３が１０％に設定する。電磁ポンプ３は機械式ポンプに比べて効率は劣るが、機械式ポンプ５における軸受けの固着などの故障がないため、信頼性は高い。この場合の正味プラント効率を試算すると３８．８２％になった。この値は、全ての主循環ポンプを機械式とした場合よりも低いものであるが、これは機械式ポンプよりも効率の低い電磁ポンプを使用したためであり、正味プラント効率への影響はわずかであることがわかった。
【００４２】
（実施例３）
循環ポンプの全てを電磁ポンプにする。即ち、各熱電変換素子１により発電した電力を直流・交流コンバータ２２により交流に変換し、これを動力源として主電源喪失時でも運転が可能な電磁ポンプ３と、主電源（交流）１８を動力源とする２基の電磁ポンプ５とを組み合わせる。この場合にはすべてが電磁ポンプであるため、主電源喪失時には主電源１８を動力源とする２基の電磁ポンプ３は瞬時に停止すると考えられる。これはフライホイール付き機械式ポンプが電源喪失直後にも慣性により一定時間だけ回転を続ける方式に比べて、炉心１９の健全性維持という観点からは条件的に厳しいものである。そのため定格運転時の流量の分担比率は、２基の電磁ポンプ５が各４０％、１基の電磁ポンプ３が２０％とし、電磁ポンプ３の分担を前述の各実施例よりも高めている。この場合の正味プラント効率を試算すると３８．４６％になった。機械式ポンプを使用した場合に比べて低い結果となったが、これは機械式ポンプよりも効率の低い電磁ポンプを使用したためであり、正味プラント効率への影響はわずかであることがわかった。なお、熱電発電システム８の構造や運転条件は実施例１と同様にした。
【００４３】
（実施例４）
上述の各実施例では熱電発電システム８の電力により駆動される循環ポンプとして直流モータ駆動ポンプ３を１基だけ設置したが、熱電変換素子１の電力により駆動されるポンプを２基以上設置しても良い。
【００４４】
（実施例５）
主電源１８の電力により駆動される循環ポンプを３基以上設置した場合であって良い。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の高速炉の一次冷却材循環装置では、循環ポンプとして、冷却材に貯えられた熱を利用して熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプと、主電源からの交流電流によって作動される循環ポンプを備えているので、主電源によることなく冷却材の熱を利用して炉心を冷却する一次冷却材を循環させることができる。このため、主電源喪失時に炉心の冷却に必要な冷却材の最低流量を高い信頼性で確保することが可能になる。また、従来必要であった一次主循環ポンプのポニーモータやこれを駆動する非常用バッテリ設備又はディーゼル発電機を不要にすることができるので、プラントの物量を削減することができると共に保守管理を容易にし、経済性を向上させることができる。さらに、ディーゼル発電機をプラントの空調設備等への電力供給用として使用することはあるがポニーモータ駆動用としては使用することがないので、ディーゼル発電機の起動に対する信頼性の要求を従来のものに比べて大幅に軽減することができる。
【００４６】
また、請求項２記載の高速炉の一次冷却材循環装置では、熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプが熱電発電システムにより発電された直流電流によって作動する直流モータ駆動ポンプであるので、熱電発電システムにより発電された直流電流によって主循環ポンプである直流モータ駆動ポンプを直接駆動することができる。
【００４７】
また、請求項３記載の高速炉の一次冷却材循環装置では、熱電発電システムにより発電された電力を動力源として運転される循環ポンプが熱電発電システムにより発電された直流電流を直流・交流コンバータによって変換した交流電流によって作動される電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプであるので、主循環ポンプとして交流電流によって作動する電磁ポンプまたは交流モータ駆動ポンプを使用することができる。
【００４８】
さらに、請求項４記載の高速炉の一次冷却循環装置では、熱電発電システムが、両面の温度差により発電を行う熱電変換素子と、該熱電変換素子の一側面に冷却材に貯えられた熱を導く高温側熱伝導手段と、熱電変換素子の他側面を冷却する低温側熱伝導手段を備え、高温側熱伝導手段及び低温側熱伝導手段は、傾斜機能材料を有する熱応力緩和パッドを挟んで前記熱電変換素子に接合されているので、熱電変換素子の温度差に起因して発生する熱応力を傾斜機能材料によって分散させて吸収することができる。このため、各熱伝導手段と熱電変換素子の接合状態が破壊され難くなり、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る一次冷却材循環装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る一次冷却材循環装置の熱電発電システムの断面図である。
【図３】図２の熱電発電システムを構成する熱電変換モジュールの斜視図である。
【図４】図３の熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子の断面図である。
【図５】熱電変換素子の他の実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る一次冷却材循環装置の第１の実施例を示すブロック図である。
【図７】図６の一次冷却材循環装置の熱電発電システムと各ポンプとの位置関係を上方から示す図である。
【図８】図６の熱電発電システムの放熱用ヒートパイプの放熱パネルを示す斜視図である。
【図９】本発明に係る一次冷却材循環装置の第２の実施例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  熱電変換素子
２  集熱用ヒートパイプ（高温側熱伝導手段）
３  循環ポンプ
４  冷却材
７  放熱用ヒートパイプ（低温側熱伝導手段）
８  熱電発電システム
１０，１１  熱応力緩和パッド
１２，１３  傾斜機能材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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