(57)【要約】【課題】空冷式の冷却システムの除熱性能を高めることを目的とする。【解決手段】冷却システム１００は、原子力プラントに適用される冷却システムであって、吸気用の空気取込口４を備えている冷却塔１と、冷却塔１に収納され、冷却塔１における吸気の流路上に設けられている空冷熱交換器２と、冷却塔１の外部に設けられた吸気よりも密度の小さい流体の供給源６と、供給源６と冷却塔１とを接続し、流体を冷却塔１に供給する供給配管５とを備える。【選択図】図１
2016080301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気用の空気取込口を備える冷却塔と、
前記冷却塔に収納され、該冷却塔における吸気の流路上に設けられた空冷熱交換器と、
前記冷却塔の外部に設けられた前記吸気よりも密度の小さい流体の供給源と、
前記供給源と前記冷却塔とを接続し、前記流体を前記冷却塔に供給する供給配管とを備えたことを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却システムにおいて、
水冷熱交換器と、該水冷熱交換器を収納する冷却水プールとを備えた水冷システムを前記供給源として備え、
前記供給配管は前記冷却水プールと前記冷却塔とを接続することを特徴とする冷却システム。
【請求項３】
請求項1および請求項２に記載の冷却システムにおいて、
前記供給配管は前記空冷熱交換器より上方の位置で開口していることを特徴とする冷却システム。
【請求項４】
請求項２に記載の冷却システムにおいて、
前記供給配管から分岐する放出配管と、
前記供給配管及び前記放出配管に設けられた流量調整バルブとを備えることを特徴とする冷却システム。
【請求項５】
請求項２に記載の冷却システムにおいて、
前記供給配管から分岐する放出配管と、
前記供給配管に設けられたチョーキングオリフィスと、
前記放出配管に設けられた流量調整バルブとを備えることを特徴とする冷却システム。
【請求項６】
請求項５に記載の冷却システムにおいて、
前記チョーキングオリフィスは、前記冷却塔に供給する流体の質量流量が前記冷却塔内の吸気の質量流量の１５〜２５％となるように設定されていることを特徴とする冷却システム。
【請求項７】
請求項２に記載の冷却システムと、
前記冷却水プールの水冷熱交換器に接続する原子炉圧力容器と、
前記原子炉圧力容器を格納する原子炉格納容器とを備えることを特徴とする原子力プラント。
【請求項８】
空冷熱交換器を収納する冷却塔の外部から、吸気よりも密度の小さい流体を該冷却塔に供給することを特徴とする冷却方法。
【請求項９】
請求項８に記載の冷却方法において、
原子炉圧力容器で発生した蒸気の冷却により発生した蒸気を前記流体として前記冷却塔に供給することを特徴とする冷却方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の冷却方法において、
前記冷却塔に供給する蒸気の質量流量を前記冷却塔内の吸気の質量流量の１５〜２５％とすることを特徴とする冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力プラントに適用される冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントは、非常時に電源を喪失しても炉心の崩壊熱を除去して原子炉を冷却する必要がある。電源不要の冷却システムとして、空気の自然循環を利用した空冷式のものが提案されている（特許文献１等を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１７４４４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、一般的に、自然循環を利用した空冷式の冷却システムは除熱効率が低いため、大きな除熱性能を確保するためにはシステムを大型化する必要がある。
【０００５】
本発明は上記に鑑みてなされたもので、空冷式の冷却システムの除熱性能を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、吸気用の空気取込口を備える冷却塔と、前記冷却塔に収納され、該冷却塔における吸気の流路上に設けられた空冷熱交換器と、前記冷却塔の外部に設けられた前記吸気よりも密度の小さい流体の供給源と、前記供給源と前記冷却塔とを接続し、前記流体を前記冷却塔に供給する供給配管とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、空冷式の冷却システムの除熱性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷却システムの一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る冷却システムを適用した原子力プラントの一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る冷却システムを適用した原子力プラントの一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【図４】蒸気の供給量と自然循環流量との関係を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜第１実施形態＞
（構成）
図１は、本実施形態に係る冷却システムの一構成例の概略構成を表す縦断面図である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態に係る冷却システム１００は冷却塔１、空冷熱交換器２、供給配管５及びタンク（供給源）６を備えている。
【００１１】
冷却塔１は、例えば上方に延びる煙突状に形成されていて、上部の冷却塔出口８が開口している。冷却塔１は吸気用の空気取込口４を備えている。この空気取込口４を介して外部の空気が吸気として冷却塔１に取り込まれる。空気取込口４は、冷却塔１を構成する壁面のうち空冷熱交換器２付近の少なくとも一部（図１では、冷却塔１の下端部の２箇所）に設けられている。
【００１２】
空冷熱交換器２は冷却塔１に収納されていて、冷却塔１における空気の流路上（空気取込口４と冷却塔出口８の間）に設けられている。空冷熱交換器２は複数本の伝熱管３を備えている。伝熱管３の一端側には被冷却流体供給配管（第１の配管）３４が接続し、第１の配管３４を介して周囲の空気よりも高温の被冷却流体が供給される。空冷熱交換器２は、第１の配管３４を介して被冷却流体を発生させた設備から供給される被冷却流体と冷却塔１内の空気を熱交換することで被冷却流体を冷却する。伝熱管３の他端側には被冷却流体戻し配管（第２の配管）３５が接続し、空冷熱交換器２での熱交換により冷却された被冷却流体を発生元の設備に戻す。なお、空冷熱交換器２の伝熱管３の本数は、必要な除熱性能を考慮して任意に設定することができる。
【００１３】
タンク６は、冷却塔１に取り込まれる空気より密度の小さい流体（供給流体）の供給源として冷却塔１の外部に設けられている。タンク６から冷却塔１に供給される供給流体としては、例えば、蒸気の他、ヘリウム等の同じ温度において空気より軽い気体がある。
【００１４】
供給配管５はタンク６と冷却塔１とを接続している。単に出口開口が冷却塔１の内部に臨んでいれば良いが、本実施形態では供給配管５は冷却塔１の壁面を貫通して冷却塔１の内部まで延在し、上向きに開口している。本実施形態では、供給配管５は、空冷熱交換器２より上方の位置で冷却塔１に接続し、冷却塔１内において空冷熱交換器２より上方の位置で開口している。供給配管５には流量調整バルブ３２が設けられている。流量調整バルブ３２を操作することにより、冷却塔１に供給する供給流体の流量を調整することができる。なお、流量調整バルブ３２は人力で操作されても良く、中央制御室（不図示）からの信号により操作されても良い。
【００１５】
（動作）
空冷熱交換器２の伝熱管３に被冷却流体が供給され、空冷熱交換器２で被冷却流体と空気の熱交換が行われると、空気の温度が上昇し、被冷却流体の温度が低下する。空気は、一般的に、温度が上昇すると密度が低下するため、空冷熱交換器２での熱交換により温度が上昇した空気は浮力により冷却塔１内を上昇し、冷却塔出口８から大気中へ放出される。冷却塔１内の空気が大気中に放出されると、放出された空気量に相当する量の空気が空気取込口４から冷却塔１内に新たに取り込まれる。このようにして、冷却塔１内に空気が自然力で取り込まれる自然循環が生じる。以下、自然力により冷却塔１に取り込まれる空気の流量を自然循環流量と言う。
【００１６】
ところで、温められた空気に働く浮力Ｆは式（１）で表される。
Ｆ＝（ρ∞−ρｈ）ｇＨ・・・式（１）
但し、ρ∞：冷却塔外の空気の密度、ρｈ：冷却塔内の空気の密度、ｇ：重力加速度、Ｈ：冷却塔高さ
【００１７】
自然循環流量を増加させるには、冷却塔１内の空気の浮力を増加させて、冷却塔１から大気中に放出される空気の量を増加させればよい。式（１）から、冷却塔１内の空気の浮力を増加させるには、冷却塔１の冷却塔高さＨを高くするか、冷却塔１内の空気の密度ρｈを小さくすればよいことが分かる。
【００１８】
本実施形態では、流量調整バルブ３２を操作してタンク６内から供給配管５を介して空冷熱交換器２よりも上方の位置で冷却塔１内に供給流体を供給する。上述のように、供給流体の密度は冷却塔１内の空気の密度より小さいため、供給流体を供給した後の冷却塔１内の空気と供給流体との混合気の密度ρmは、供給気体を供給する前の冷却塔１内の空気の密度ρｈよりも小さくなる。したがって、式（１）に示すように、供給気体を供給した後の冷却塔１内の混合気の浮力は、供給気体を供給する前の冷却塔１内の空気の浮力よりも大きくなる。その結果、冷却塔１から大気中に放出される空気の量が増加し、自然循環流量が増加する。
【００１９】
（実施例１）
本実施例では、大気圧条件で３０℃の空気の密度ρ∞を約１．１７ｋｇ／ｍ３、熱交換器で温められて１００℃になった空気の密度ρｈを０．９３ｋｇ／ｍ３、１００℃の蒸気の密度を０．６０ｋｇ／ｍ３とする。
【００２０】
冷却塔１内の空気質量流量の２０％に相当する量の供給流体を冷却塔１内に供給すると、冷却塔１内の混合気の密度ρmは０．８４ｋｇ／ｍ３となる。その結果、冷却塔１の内部の混合気の密度ρmと冷却塔１の外部の空気の密度ρ∞との密度差が０．２４ｋｇ／ｍ３から０．３３ｋｇ／ｍ３に増加するため、式（１）に示すように、供給気体を供給した後の冷却塔１内の混合気の浮力は供給気体を供給する前の冷却塔１内の空気の浮力に比べて約３８％増加する。上述のように、冷却塔１内の混合気の浮力が増加すると、自然循環流量が増加する。自然循環流量が増加すると、冷却塔１に取り込まれる空気の流速も上昇するため、空冷熱交換器２の伝熱管３での圧力損失が増加する。冷却塔１内に取り込まれる空気の流速は、この圧力損失の増加分と浮力の増加分とが一致するように決まる。圧力損失は空気の流速の二乗に比例することから、浮力が３８％増加することにより冷却塔１に取り込まれる空気の流速は約１７％増加する。単相流の強制対流熱伝達率は、一般に流速の０．８乗に比例するため、空冷熱交換器２における伝熱量は約１３％向上する。
【００２１】
（効果）
（１）本実施形態によれば、空気より密度の小さい供給流体を冷却塔１内に供給することで、冷却塔１内の混合気の浮力を増加させることができる。これにより、冷却塔１から大気中に放出される空気量を増加させることができ、自然循環流量を増加させることができる。自然循環流量が増加すると冷却塔１に取り込まれる空気の流速が増加するため、空冷熱交換器２における伝熱量を増加させ、冷却システム１００の除熱性能を高めることができる。
【００２２】
（２）一般的に、空気の自然循環を利用した冷却システムの除熱性能を向上させる方法として、熱交換器に用いられる伝熱管にフィンを取り付けて伝熱面積を増加させる、冷却塔の高さを高くして空気の自然循環流量を増加させる等の方法がある。しかしながら、これらの方法では熱交換器や冷却塔が大型化する。さらに、コストが大幅に増加する可能性もある。
【００２３】
これに対し、本実施形態では、タンク６と冷却塔１を供給配管５で接続し、タンク６から冷却塔１に供給配管５を介して供給流体を供給することにより、冷却システム１００の除熱性能を向上させている。これにより、大きさを同等としつつ、高性能の冷却システムとすることができる。したがって、空冷熱交換器２や冷却塔１が大型化することがない。さらに、コストの大幅な増加を抑えることもできる。
【００２４】
（３）本実施形態では、冷却システム１００の除熱性能を向上させた分、空冷熱交換器２が備える伝熱管３の本数を減らしたり、伝熱管３の長さを短縮したり、或いは冷却塔１の高さを低くして冷却システム１００を小型化させても十分な除熱性能を確保することができる。これにより、性能を同等としつつ、小型化させた冷却システムとすることができる。したがって、コストを低減させることができる。また、冷却システム１００の利便性を高めることができ、適用範囲を拡大させることができる。
【００２５】
（４）空冷熱交換器２よりも下方から、吸気より高温の供給流体（例えば、蒸気）を供給する場合でも、上述のように冷却塔１内の混合気の密度が低下して浮力が増加し、除熱性能向上の効果が得られる。但し、空冷熱交換器２には多数の伝熱管３が設置され流路面積が狭くなっているため、伝熱管３の周囲の混合気の流速は増加する。伝熱管３の周囲の混合気の流速が増加すると、伝熱管３の圧力損失が増加するため、冷却塔１に取り込まれる新たな空気量が減少し、その分だけ除熱性能向上の効果が弱まる。また、高温の蒸気と混合した混合気の温度は吸気よりも高温であり、空冷熱交換器２の伝熱管３に供給された被冷却流体との温度差が小さくなる分だけ除熱性能向上の効果を得る上で不利に働く。
【００２６】
これに対し、本実施形態では、冷却塔１内において空冷熱交換器２より上方の位置で開口するように供給配管５を配置し、空冷熱交換器２よりも上方の位置で供給流体を冷却塔１に供給している。そのため、伝熱管３の圧力損失の増加を抑制することができる。空冷熱交換器２の上方の空間は流路面積が広いため、混合気の流速が増加しても圧力損失の増加分は浮力の増加分に対して十分小さい。また、伝熱管３に供給された被冷却流体を冷却塔１に取り込まれた常温の（加熱されていない）空気と熱交換させることができる。よって、冷却システム１００の除熱性能をより効果的に高めることができる。
【００２７】
（５）仮に供給流体が供給過多になると、冷却塔出口８を介する混合気の放出が追い付かず、空気取込口４からの吸気が阻害され、又は減少し、除熱効果の低下が懸念される。それに対し、本実施形態では、供給配管５に流量調整バルブ３２を設け、供給源６から冷却塔１に供給される供給流体の流量を調整することができる。そのため、供給源６から冷却塔１に過度に供給流体が供給されることにより空気取入口４を介して冷却塔１に取り込まれる空気量が減少することを抑制することができる。
【００２８】
（６）本実施形態では、冷却塔１において空気が自然循環する。そのため、電源不要で被冷却流体を冷却することができる。
【００２９】
＜第２実施形態＞
（構成）
図２は本実施形態に係る冷却システムを適用した原子力プラントの一構成例の概略構成を表す縦断面図である。図２において、上記第１実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３０】
図２に示すように、本実施形態に係る原子力プラント２００は、原子炉格納施設２０１及び冷却システム２０２を備えている。以下、各構成要素について説明する。
【００３１】
１．原子炉格納施設
原子炉格納施設２０１は、原子炉圧力容器１０、原子炉格納容器１１及び原子炉建屋１２を備えている。原子炉建屋１２には原子炉格納容器１１が収納されている。原子炉格納容器１１には原子炉圧力容器１０が格納されている。原子炉圧力容器１０内には炉心１５が配置されている。特に図示していないが、炉心１５により原子炉圧力容器１０で発生した蒸気はタービンに供給されてタービンを駆動し、タービンの回転動力が発電機に伝えられて発電される。原子炉格納容器１１の内部には、原子炉圧力容器１０の下端側を取り囲むようにサプレッションチェンバ４３が設けられている。サプレッションチェンバ４３の内部には水が貯えられている。サプレッションチェンバ４３には吸引配管４５が設けられている。吸引配管４５の一端側はサプレッションチェンバ４３の水中に配され、他端側はポンプ４６に接続している。ポンプ４６には吐出配管４７の一端側が接続している。吐出配管４７の他端側は原子炉圧力容器１０に接続している。ポンプ４６は、原子炉圧力容器１０からの蒸気流で駆動されるタービン４８と接続されている。このため、ポンプ４６は外部電源なしに蒸気タービン４８で駆動され、吸引配管４５を介してサプレッションチェンバ４３の水を吸い上げ、吐出配管４７を介して原子炉圧力容器１０に水を供給する。
【００３２】
２．冷却システム
本実施形態に係る冷却システム２０２は水冷システム２０３と空冷システム２０４とを備えている。本実施形態に係る冷却システム２０２は、タンク６の代わりに水冷システム２０３を供給流体の供給源として備えている点で第１実施形態の冷却システム１００と異なる。第１実施形態との相違点を中心に順次説明していく。
【００３３】
・水冷システム
水冷システム２０３は、原子炉建屋１２内に設けられ、水冷熱交換器２１、冷却水プール２３、被冷却流体供給配管（第３の配管）３９及び被冷却流体回収配管（第４の配管）４０を備えている。
【００３４】
冷却水プール２３は原子炉圧力容器１０よりも低位置に設けられていて、本実施形態では、地面よりも低位置に設けられている。冷却水プール２３の内部には冷却水２４が貯えられている。冷却水２４としては、純水が好ましいが、非常用としては海水等でも良い。冷却水プール２３は外部から冷却水を給水できるように構成されている。
【００３５】
第３の配管３９は、原子炉圧力容器１０に接続し、電源喪失等の非常時に原子炉圧力容器１０内で発生する被冷却流体（蒸気）を水冷システム２０３に供給するためのものである。遮断弁５１および５２を開放することにより水冷システム２０３が起動する。遮断弁５１および５２は、原子力プラント２００が通常稼働状態にあるときは閉状態にあり、電源喪失等の非常時に開状態になる。遮断弁５１および５２は人力で操作されても良く、中央制御室（不図示）からの信号により操作されても良い。第３の配管３９にはチョーキングオリフィス４１が設けられている。チョーキングオリフィス４１を設けることにより、開口面積で水冷熱交換器２１に供給する被冷却流体の流量を設定することができる。流速は音速を超えることがないため、チョーキングオリフィス４１における被冷却流体の速度上限を制限することができるからである。
【００３６】
水冷熱交換器２１は冷却水プール２３の冷却水２４中に収納されていて、複数本の伝熱管２２を備えている。伝熱管２２の一端側は第３の配管３９を介して原子炉圧力容器１０に接続し、第３の配管３９を介して被冷却流体として原子炉圧力容器１０で発生した蒸気が供給される。水冷熱交換器２１は、第３の配管３９を介して原子炉圧力容器１０から供給される被冷却流体と冷却水プール２３内の冷却水２４を熱交換することで被冷却流体を冷却する。伝熱管２２の他端側は第４の配管４０を介してサプレッションチェンバ４３に接続し、水冷熱交換器２１での熱交換により冷却された被冷却流体がサプレッションチェンバ４３に送られる。第４の配管４０にはチョーキングオリフィス４２が設けられている。チョーキングオリフィス４２は第３の配管３９に設けられたチョーキングオリフィス４１と同様のものである。なお、水冷熱交換器２１の伝熱管２２の本数は、必要な除熱性能を考慮して任意に設定することができる。
【００３７】
２−２．空冷システム
本実施形態では、空冷システム２０４の供給配管５は水冷システム２０３の冷却水プール２３と冷却塔１を接続している。つまり、本実施形態では、水冷熱交換器２１での熱交換により冷却水プール２３で発生した蒸気が供給配管５を介して冷却塔１に供給される。
【００３８】
供給配管５における流量調整バルブ３２よりも上流側の位置からは放出配管７が分岐している。放出配管７は、供給配管５を介して冷却水プール２３から冷却塔１に供給される蒸気の一部を大気中に放出するものである。放出配管７には流量調整バルブ３３が設けられている。流量調整バルブ３３を操作することにより大気中に放出する蒸気量を調整することができる。例えば、流量調整バルブ３２，３３の開度により冷却塔１に供給する蒸気量が調整される。なお、流量調整バルブ３３は流量調整バルブ３２と同様、人力で操作されても良く、中央制御室（不図示）からの信号により操作されても良い。
【００３９】
本実施形態の空冷システム２０４では、第１の配管３４及び第２の配管３５が原子炉圧力容器１０に設けられた熱交換器１３に接続している。本実施形態では、電源喪失等の非常時に原子炉圧力容器１０で発生した被冷却流体が熱交換器１３を介して第１の配管３４により空冷熱交換器２の伝熱管３に供給され、空冷熱交換器２での熱交換により冷却され、第２の配管３５により熱交換器１３に戻され、原子炉圧力容器１０で発生した被冷却流体と熱交換する。本実施形態では、第１の配管３４及び第２の配管３５に遮断弁（第１の弁）３６及び遮断弁（第２の弁）３７が設けられている。第１の弁３６及び第２の弁３７は、原子力プラントが通常稼働状態にあるときは閉状態にあり、電源喪失等の非常時に開状態になる。第１の弁３６及び第２の弁３７は人力で操作されても良く、中央制御室（不図示）からの信号により操作されても良い。
【００４０】
なお、本実施形態では、第３の配管３９が熱交換器１３より上方の位置で原子炉圧力容器１０に接続している。熱交換器１３に対しては、第１の配管３４が第２の配管３５よりも上方の位置で接続している。
【００４１】
（動作）
本実施形態は必要時のみ使用され、使用開始後の崩壊熱が大きい期間は水冷システム２０３と空冷システム２０４を併用して被冷却流体の冷却を行い、崩壊熱が低下した後は空冷システム２０４のみを用いて被冷却流体の冷却を行う。以下、具体的に説明する。
【００４２】
空冷システム２０４の第１の弁３６及び第２の弁３７を開状態にすると、冷却システム２０２が起動する。第１の弁３６が開状態になると、原子炉圧力容器１０で発生した熱が熱交換器１３を介して第１の配管３４により空冷熱交換器２に供給され、大気に放出される。空冷熱交換器２で冷却された被冷却流体は第２の配管３５により熱交換器１３に戻され、原子炉圧力容器１０で発生した蒸気と熱交換する。このようにして、熱交換器１３と空冷熱交換器２の間を被冷却流体が循環することにより原子炉圧力容器１０内の崩壊熱が除去される。
【００４３】
空冷熱交換器２の熱交換により温度が上昇した空気は、浮力を得て冷却塔１内を上昇して冷却塔出口８から大気中へ放出される。冷却塔１には、冷却塔出口８から大気中へ放出された空気量に相当する量の空気が空気取入口４を介して新たに取り込まれる。
【００４４】
一方、原子炉圧力容器１０で発生した蒸気は第３の配管３９の入口とサプレッションチェンバ４３の圧力差により原子炉圧力容器１０から水冷熱交換器２１の伝熱管２２に供給され、冷却水２４との熱交換により伝熱管２２内で凝縮する。蒸気の凝縮により発生した潜熱は伝熱管２２を介して冷却水プール２３の冷却水２４に伝熱し、蒸気が凝縮される。凝縮水は第４の配管４０を介してサプレッションチェンバ４３に送られる。冷却水プール２３では、冷却水２４が沸騰して蒸気が発生する。冷却水プール２３で発生した蒸気は、供給配管５を介して原子炉建屋１２の外部へ導かれ、冷却塔１に供給される。必要に応じて、供給配管５及び放出配管７に設けた流量調整バルブ３２，３３を操作し、冷却塔１に供給する蒸気量を制御し、残りの蒸気を放出配管７を介して大気中に放出しても良い。
【００４５】
冷却塔１に供給された蒸気は、空冷熱交換器２での熱交換により温度が上昇した冷却塔１内の空気よりもさらに密度が小さく、浮力により冷却塔１内を上昇する。蒸気は冷却塔１内を上昇する間に空気と混合し、冷却塔出口８から大気中へ放出される。第１実施形態で説明したように、空気よりも密度の小さい供給流体を冷却塔１に供給することにより、冷却塔１内に取り込まれる空気量が増加し、空冷システム２０４の伝熱性能が向上する。
【００４６】
その後、水冷システム２０３からの蒸気の供給が止んだ後は、空冷システム２０４のみで原子炉格納施設２０１の冷却を行う。
【００４７】
（効果）
上記構成により、本実施形態でも、空気より密度の小さい供給流体を冷却塔１内に供給し、蒸気供給配管５の出口を空冷熱交換器２の上方に設置し、供給配管５に流量調整弁３２を設けているため、第１実施形態と同様の効果が得られる。前述した通り、第３の配管３９とサプレッションチェンバ４３の圧力差で水冷システム２０３が作動するので、本実施形態においても電源不要のメリットがある。加えて、本実施形態では次の効果が得られる。
【００４８】
本実施形態では、空冷システム２０４の除熱性能が向上して除熱量が増加した分、水冷システム２０３を小型化することができる。そのため、冷却水プール２３の冷却水２４を節約することができる。また、冷却水プール２３を小型化できるので、冷却水プール２３の配置の自由度が増す。
【００４９】
また、本実施形態の原子力プラント２００は、起動直後の崩壊熱の大きい期間に水冷システム２０３を空冷システム２０４と相対的に併用する。仮に起動時から空冷システム２０４を単独運用する場合、一定の性能を確保するために空冷システム２０４を大型化させる必要がある。これに対し、本実施形態では、除熱性能が高い水冷システム２０３を併用して崩壊熱の大きな期間に効率的に蒸気を冷却することにより、空冷システム２０４を小型化させることができる。これはコスト低減にも寄与する。
【００５０】
また、本実施形態では、冷却水プール２３と冷却塔１を供給配管５で接続し、冷却水プール２３で発生した蒸気を供給流体として冷却塔１に供給している。つまり、空冷熱交換器２と水冷熱交換器２１を備えた既存の原子力プラントがあれば供給配管５及び流量調整バルブ３２等を追加するだけで、除熱性能の高い冷却システムを構築することができる。
【００５１】
＜第３実施形態＞
（構成）
図３は本実施形態に係る冷却システムを適用した原子力プラントの一構成例の概略構成を表す縦断面図である。図３において、上記第２実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００５２】
本実施形態は、供給配管５に流量調整バルブ３２に替えてチョーキングオリフィス４４を設けた点で第２実施形態と異なる。第２実施形態との相違点を中心に説明していく。
【００５３】
本願の発明者らは鋭意研究の結果、次の知見を得た。
【００５４】
発明者らは、冷却塔１に蒸気を供給することによる自然循環流量の変化について、伝熱管３の圧力損失係数、冷却塔１の高さ、冷却塔１内の圧力損失係数をパラメータとした感度解析を実施し、図４の結果を得た。図４は蒸気の供給量と自然循環流量との関係を例示する図である。横軸は冷却塔１に取り込まれる空気の質量流量（空気質量流量）に対する冷却塔１に供給される蒸気の質量流量（蒸気質量流量）の割合、縦軸は蒸気供給後の空気質量流量を蒸気供給前の空気質量流量で除した値を示している。図４において、実線は伝熱管３の圧力損失係数、冷却塔１の高さ、冷却塔１内の圧力損失係数を任意の値（以下、基準値という）に設定した場合（第１の場合）の自然循環流量の変化を示している。また、点線は基準値に対し冷却塔１の高さを高くした場合（第２の場合）の自然循環流量の変化を示し、一点鎖線は基準値に対し伝熱管３の圧力損失係数を大きくした場合（第３の場合）の自然循環流量の変化を示している。図４に示すように、空気質量流量の１５〜２５％程度の蒸気を冷却塔１に供給すると、第１〜３の場合のいずれにおいても自然循環流量が最大になる、或いはある程度増加していることが分かる。
【００５５】
自然循環流量は、冷却塔１で発生する浮力と冷却塔１および空冷熱交換器２で発生する圧力損失の釣り合いで決まるため、予め予測することができる。したがって、例えば、第２実施形態の構成においては、空冷システム２０４の除熱性能を最大限にするため、供給配管５の流量調整バルブ３２の開度を制御して予測した自然循環流量の１５〜２５％程度の蒸気を冷却塔１に供給すればよい。
【００５６】
本実施形態では、供給配管５に流量調整バルブ３２の代わりにチョーキングオリフィス４４を設けた。本実施形態では、予測した自然循環流量の１５〜２５％程度の蒸気を冷却塔１に供給することができるようにチョーキングオリフィス４４の開口面積を設定している。その他の構成は、チョーキングオリフィス４１と同様である。
【００５７】
（効果）
チョーキングオリフィス４４の上流側と下流側の圧力差が、蒸気が音速でチョーキングオリフィス４４を通過するときの圧力損失を超えると、チョーキングオリフィス４４を流れる蒸気の流量は一定となる。そのため、本実施形態では、電源不要で冷却塔１に供給する蒸気量を空冷システムの除熱量を最大限にする流量に設定することができる。また、冷却塔１に蒸気が過度に供給されることを抑制することができる。
【００５８】
＜その他＞
本発明は上記した各実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能である。また、各実施形態の構成の一部を削除及び置換することも可能である。
【００５９】
例えば、第１の弁３６及び第２の弁３７を遮断弁とした場合を例に挙げて説明した。しかしながら、本発明の本質的効果は空冷式の冷却システムの除熱性能を高めることであり、この本質的効果を得る限りにおいては、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、第１の弁３６及び第２の弁３７を切換弁としても良い。
【００６０】
また、第３の配管３９及び第４の配管４０にチョーキングオリフィス４１，４２を設けた場合を例に挙げて説明したが、上述した本発明の本質的効果を得る限りにおいては、必ずしもこの構成に限定されない。例えば、第３の配管３９及び第４の配管４０にチョーキングオリフィス４１，４２に代わって流量調整バルブを設けても良い。
【符号の説明】
【００６１】
１  冷却塔
２  空冷熱交換器
４  空気取込口
５  供給配管
６  供給源
７  放出配管
１０  原子炉圧力容器
１１  原子炉格納容器
２１  水冷熱交換器
２３  冷却水プール
３２，３３  流量調整バルブ
４１，４２，４４  チョーキングオリフィス
２０３  水冷システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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