(57)【要約】【課題】熱交換器において液体金属が流れる高温側通路が閉塞する兆候を把握可能な熱交換システムを提供する。【解決手段】実施形態によれば、熱交換システム５は、流量測定装置４０により測定された液体金属の流量を示すデータである液体金属流量と、入口側圧力測定装置４１により測定された圧力を示すデータである入口圧力とを取得して処理する処理装置５０を有している。処理装置５０は、液体金属流量及び入口圧力に基づいて、高温側通路３５に閉塞の兆候があるか否かを判定する。【選択図】図４
2016142580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、
当該高温側通路を流れる液体金属の流量を測定する流量測定装置と、
前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、
前記流量測定装置により測定された液体金属の流量を示すデータである液体金属流量と、前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力とを取得して処理する処理装置と、
を備え、
当該処理装置は、前記液体金属流量及び前記入口圧力に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定する
ことを特徴とする熱交換システム。
【請求項２】
原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、
前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、
前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の圧力を測定する出口側圧力測定装置と、
前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力と、前記出口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである出口圧力とを取得して処理する処理装置と、
を備え、
当該処理装置は、前記入口圧力及び前記出口圧力に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定する
ことを特徴とする熱交換システム。
【請求項３】
原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、
前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の温度を測定する入口側温度測定装置と、
前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の温度を測定する出口側温度測定装置と、
前記入口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである入口温度と、前記出口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである出口温度とを取得して処理する処理装置と、
を備え、
当該処理装置は、前記入口温度及び前記出口温度に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定する
ことを特徴とする熱交換システム。
【請求項４】
原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、
当該高温側通路を流れる液体金属の流量を測定する流量測定装置と、
前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、
前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の温度を測定する入口側温度測定装置と、
前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の圧力を測定する出口側圧力測定装置と、
前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の温度を測定する出口側温度測定装置と、
前記流量測定装置により測定された液体金属の流量を示すデータである液体金属流量と、前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力と、前記入口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである入口温度と、前記出口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである出口圧力と、前記出口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである出口温度とを取得して処理する処理装置と、
を備え、
当該処理装置は、前記液体金属流量、前記入口圧力、前記入口温度、前記出口圧力及び前記出口温度に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定する
ことを特徴とする熱交換システム。
【請求項５】
前記低温側通路を流れるガスの流量を制御する流量制御弁を、さらに備える
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱交換システム。
【請求項６】
前記処理装置は、前記高温側通路に閉塞の兆候があると判定した場合、前記低温側通路を流れるガスの流量が低下するよう、前記流量制御弁を制御する
ことを特徴とする請求項５に記載の熱交換システム。
【請求項７】
前記高温側通路より上流側に設けられており、液体金属を加熱可能なヒータを、さらに備える
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熱交換システム。
【請求項８】
前記処理装置は、前記高温側通路に閉塞の兆候があると判定した場合、前記高温側通路に流入する液体金属の温度が上昇するよう、前記ヒータを制御する
ことを特徴とする請求項７に記載の熱交換システム。
【請求項９】
前記熱交換器は、複数設けられており、
各熱交換器の高温側通路の上流側には、それぞれ、対応する熱交換器の高温側通路に流入する液体金属の流量を制御する液体金属流量制御弁が設けられている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の熱交換システム。
【請求項１０】
前記処理装置は、前記複数の熱交換器のうち特定の熱交換器において高温側通路に閉塞の兆候があると判定した場合、前記複数の熱交換器のうち当該特定の熱交換器以外の熱交換器の高温側通路を流れる液体金属の流量が低下するよう、前記液体金属流量制御弁を制御する
ことを特徴とする請求項９に記載の熱交換システム。
【請求項１１】
前記熱交換器は、前記高温側通路を画定する壁体が形成された高温側プレートと、前記低温側通路を画定する壁体が形成された低温側プレートが、それぞれ複数積層されて構成されたプレート形熱交換器である
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の熱交換システム。
【請求項１２】
液体金属により炉心を冷却する原子炉と、
ガスによりタービンが駆動されるガスタービンと、
前記原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、前記タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、
当該高温側通路を流れる液体金属の流量を測定する流量測定装置と、
前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、
前記流量測定装置により測定された液体金属の流量を示すデータである液体金属流量と、前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力とを取得して処理する処理装置と、
を備え、
当該処理装置は、前記液体金属流量及び前記入口圧力に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定する
ことを特徴とする原子力発電システム。
【請求項１３】
液体金属により炉心を冷却する原子炉と、
ガスによりタービンが駆動されるガスタービンと、
前記原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、前記タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、
前記高温側通路を流れる液体金属の流量を測定する流量測定装置と、
前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、
前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の温度を測定する入口側温度測定装置と、
前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の圧力を測定する出口側圧力測定装置と、
前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の温度を測定する出口側温度測定装置と、
前記流量測定装置により測定された液体金属の流量を示すデータである液体金属流量と、前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力と、前記入口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである入口温度と、前記出口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである出口圧力と、前記出口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである出口温度とを取得して処理する処理装置と、
を備え、
当該処理装置は、前記液体金属流量、前記入口圧力、前記入口温度、前記出口圧力及び前記出口温度に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定する
ことを特徴とする原子力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、原子炉を冷却する冷却材としての液体金属と、ガスタービンに供給される作動流体としてのガスとの間で熱交換を行う熱交換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉には、冷却材として液体金属を用いるもの（いわゆる、液体金属冷却炉）がある。このような原子炉には、例えば、ナトリウムを冷却材として用いた高速炉がある。このような原子炉（液体金属冷却炉）を冷却する冷却システムには、冷却材としての液体金属とガスとの間で熱交換を行って高温の液体金属の熱を低温のガスに伝達する熱交換器が設けられるものがある。
【０００３】
例えば、ナトリウム冷却型高速炉の冷却システムにおいては、一次冷却材としてのナトリウムから、二次冷却材としてのナトリウムに熱を伝達する熱交換器（いわゆる中間熱交換器）に加えて、二次冷却材としてのナトリウムの熱を、ガスタービンに供給されるガスに伝達する熱交換器がある。
【０００４】
このような熱交換器には、液体金属が流れる微細な通路と、ガスが流れる微細な通路が、それぞれ多数形成されたものがある。例えば、下記の非特許文献１には、溝が多数形成されたプレートを積層し、隣り合うプレートの間に、液体金属やガスが流れる微細な通路が多数形成された熱交換器、いわゆるプレート形熱交換器が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】L. CACHON、外９名「Innovative power conversion system for the French SFR prototype, ASTRID」、（米国）、Proceeding of ICAPP '12、Chicago, USA、 June 24-28, 2012,、Paper 12300、p.541−550
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した液体金属の熱をガスに伝達する熱交換器は、高温の液体金属が流れる通路（以下、高温側通路と記す）と、低温のガスが流れる通路（以下、低温側通路と記す）との温度差が、液体金属同士で熱交換を行う熱交換器に比べて大きいため、高温側通路においては、液体金属に溶解していた融点の比較的高い不純物が析出することがある。高温側通路に不純物が析出すると、当該析出した不純物が高温側通路を閉塞させてしまい、当該高温側通路に冷却材としての液体金属が流れなくなる可能性がある。
【０００７】
本発明の実施形態は、上記事情に鑑みてなされたものであって、熱交換器において液体金属が流れる高温側通路が閉塞する兆候を把握可能な熱交換システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の熱交換システムは、原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、当該高温側通路を流れる液体金属の流量を測定する流量測定装置と、前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、前記流量測定装置により測定された液体金属の流量を示すデータである液体金属流量と、前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力とを取得して処理する処理装置と、を備え、当該処理装置は、前記液体金属流量及び前記入口圧力に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の他の態様の熱交換システムは、原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の圧力を測定する出口側圧力測定装置と、前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力と、前記出口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである出口圧力とを取得して処理する処理装置と、を備え、当該処理装置は、前記入口圧力及び前記出口圧力に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他の態様の熱交換システムは、原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の温度を測定する入口側温度測定装置と、前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の温度を測定する出口側温度測定装置と、前記入口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである入口温度と、前記出口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである出口温度とを取得して処理する処理装置と、を備え、当該処理装置は、前記入口温度及び前記出口温度に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の態様の熱交換システムは、原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、当該高温側通路を流れる液体金属の流量を測定する流量測定装置と、前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の温度を測定する入口側温度測定装置と、前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の圧力を測定する出口側圧力測定装置と、前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の温度を測定する出口側温度測定装置と、前記流量測定装置により測定された液体金属の流量を示すデータである液体金属流量と、前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力と、前記入口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである入口温度と、前記出口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである出口圧力と、前記出口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである出口温度とを取得して処理する処理装置と、を備え、当該処理装置は、前記液体金属流量、前記入口圧力、前記入口温度、前記出口圧力及び前記出口温度に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の実施形態の原子力発電システムは、液体金属により炉心を冷却する原子炉と、ガスによりタービンが駆動されるガスタービンと、前記原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、前記タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、当該高温側通路を流れる液体金属の流量を測定する流量測定装置と、前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、前記流量測定装置により測定された液体金属の流量を示すデータである液体金属流量と、前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力とを取得して処理する処理装置と、を備え、当該処理装置は、前記液体金属流量及び前記入口圧力に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の他の態様の原子力発電システムは、液体金属により炉心を冷却する原子炉と、ガスによりタービンが駆動されるガスタービンと、前記原子炉を冷却する冷却材としての液体金属が流れる高温側通路と、前記タービンに供給される作動流体としてのガスが流れる低温側通路とを、それぞれ複数有し、当該高温側通路を流れる液体金属の熱を当該低温側通路を流れるガスに伝達する熱交換器と、前記高温側通路を流れる液体金属の流量を測定する流量測定装置と、前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の圧力を測定する入口側圧力測定装置と、前記高温側通路より上流側に設けられており、当該高温側通路に流入する液体金属の温度を測定する入口側温度測定装置と、前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の圧力を測定する出口側圧力測定装置と、前記高温側通路より下流側に設けられており、当該高温側通路から流出した液体金属の温度を測定する出口側温度測定装置と、前記流量測定装置により測定された液体金属の流量を示すデータである液体金属流量と、前記入口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである入口圧力と、前記入口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである入口温度と、前記出口側圧力測定装置により測定された圧力を示すデータである出口圧力と、前記出口側温度測定装置により測定された温度を示すデータである出口温度とを取得して処理する処理装置と、を備え、当該処理装置は、前記液体金属流量、前記入口圧力、前記入口温度、前記出口圧力及び前記出口温度に基づいて、前記高温側通路に閉塞の兆候があるか否かを判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施形態によれば、熱交換器において液体金属が流れる高温側通路が閉塞する兆候を把握して、当該高温側通路に閉塞が生じることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態の原子力発電システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】第１の実施形態の熱交換システムが有する熱交換器を説明する模式図である。
【図３】第１の実施形態の熱交換システムが有するプレート形熱交換器の断面図である。
【図４】第１の実施形態の熱交換システムの構成を示す模式図である。
【図５】第１の実施形態の変形例の熱交換システムの構成を示す模式図である。
【図６】第２の実施形態の熱交換システムの構成を示す模式図である。
【図７】第２の実施形態の変形例の熱交換システムの構成を示す模式図である。
【図８】第３の実施形態の熱交換システムの構成を示す模式図である。
【図９】第３の実施形態の変形例の熱交換システムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００１７】
〔第１の実施形態〕
（原子力発電システムの概略構成）
まず、第１の実施形態の原子力発電システムの概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の原子力発電システムの概略構成を示す模式図である。
【００１８】
図１に示すように、原子力発電システム１において、原子炉１０は、炉心１１を冷却する一次冷却材として液体金属を用いるもの、いわゆる液体金属冷却炉である。本実施形態において、原子炉１０は、一次冷却材としての液体金属にナトリウムを用いた高速炉、いわゆるナトリウム冷却型高速炉（ＳＦＲ）である。
【００１９】
原子力発電システム１は、一次冷却材としてのナトリウムが循環する回路（以下、一次冷却材回路と記す）１３を有している。一次冷却材回路１３には、ナトリウム（一次冷却材）を循環させるためポンプ、いわゆる一次冷却材ポンプ（ＲＣＰ）１５が設けられている。
【００２０】
本実施形態の原子力発電システム１は、作動流体の熱エネルギを機械的仕事に変換する装置（以下、ガスタービンと記す）２０を有している。ガスタービン２０は、作動流体の膨張によって機械的動力を発生させる回転機械（以下、単に「タービン」と記す）２２と、作動流体の圧力を上昇させる回転機械（以下、圧縮機と記す）２４とを有している。タービン２２は、圧縮機２４及び発電機８を回転駆動する。圧縮機２４は、タービン２２からの機械的動力を受けて回転して、作動流体の圧力を上昇させる。本実施形態において、タービン２２に供給される作動流体には、不活性ガスである窒素が用いられている。
【００２１】
加えて、原子力発電システム１は、ガスタービン２０の作動流体を加熱する装置として、一次冷却材回路１３を流れる一次冷却材の熱を、タービン２２に供給される作動流体に伝達する中間熱交換器３０を有している。本実施形態において、中間熱交換器３０は、原子炉１０を冷却する冷却材である液体金属の熱を、タービン２２に供給される作動流体である窒素（ガス）に伝達する、いわゆるナトリウム−ガス熱交換器である。以下の説明において、「中間熱交換器３０」と記す。本実施形態において、中間熱交換器３０は、複数のプレート形熱交換器３３（図２参照）により構成されている。
【００２２】
本実施形態のガスタービン２０には、タービン２２から供給される作動流体の熱により、圧縮機２４から中間熱交換器３０に向かう作動流体を加熱する熱交換器（以下、再生熱交換器と記す）２６が設けられている。また、ガスタービン２０には、再生熱交換器２６からの作動流体を冷却して圧縮機２４に流す熱交換器（以下、冷却器と記す）２８が設けられている。
【００２３】
中間熱交換器３０は、原子炉１０を冷却する冷却材としての液体金属（ナトリウム）と、再生熱交換器２６から供給された作動流体としてのガスとの間で熱交換を行って、液体金属の熱をガスに伝達することにより、タービン２２に供給されるガス（窒素）を加熱する。
【００２４】
（熱交換器の構成）
次に、本実施形態の熱交換システムが有する熱交換器の構成について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、本実施形態の熱交換システムが有する熱交換器を説明する模式図である。図３は、本実施形態の熱交換システムが有するプレート形熱交換器の断面図である。
【００２５】
図２に示すように、本実施形態の中間熱交換器３０は、圧力容器３１の内部に、複数のプレート形熱交換器３３が収容されている。各プレート形熱交換器３３は、それぞれ、液体金属（ナトリウム）と窒素（ガス）が流通可能に構成されており、高温の液体金属の熱を、より低温のガスに伝達するよう構成されている。
【００２６】
図３に示すように、プレート形熱交換器３３は、高温の液体金属（ナトリウム）が流れる通路（以下、高温側通路と記す）３５と、低温のガス（窒素）が流れる通路（以下、低温側通路と記す）３７とを有している。プレート形熱交換器３３は、高温側通路３５を画定する壁体が形成されたプレート（以下、高温側プレートと記す）３６と、低温側通路３７を画定する壁体が形成されたプレート（以下、低温側プレートと記す）３８とを有している。プレート形熱交換器３３は、高温側プレート３６と低温側プレート３８とを所定の方向に、それぞれ複数積層されて構成されている。
【００２７】
プレート形熱交換器３３は、高温側通路３５が複数並列して延びており、且つ低温側通路３７が複数並列して延びている。高温側通路３５を流れる高温の液体金属の熱は、高温側プレート３６及び低温側プレート３８を介して、低温側通路３７を流れるガスに伝達される。複数のプレート形熱交換器３３を含む中間熱交換器３０は、高温側通路３５を流れる液体金属（ナトリウム）と、低温側通路３７を流れるガス（窒素）との間において熱交換を行って、液体金属を冷却すると共にガスを加熱する。
【００２８】
このようなプレート形熱交換器においては、液体金属が流れる高温側通路３５と、ガスが流れる低温側通路３７との温度差が大きい場合、高温側通路３５においては、液体金属に溶解していた融点の比較的高い不純物が析出し、場合によっては、当該不純物が高温側通路３５を閉塞させる可能性がある。
【００２９】
（熱交換システムの構成）
本実施形態の熱交換システム５の構成について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態の熱交換システムの構成を示す模式図である。
【００３０】
図４に示すように、本実施形態の熱交換システム５は、上述したプレート形熱交換器３３を複数備えた中間熱交換器３０に加えて、当該中間熱交換器３０を貫流する液体金属の流量を測定する装置（以下、流量測定装置と記す）４０を有している。流量測定装置４０は、中間熱交換器３０内にある高温側通路３５を流れる液体金属の流量を合計した値を測定する。本実施形態において、流量測定装置４０は、中間熱交換器３０の圧力容器３１の外に設けられている。
【００３１】
熱交換システム５において、中間熱交換器３０の高温側通路３５より上流側には、高温側通路３５に流入する液体金属の圧力を測定する装置（以下、入口側圧力測定装置と記す）４１と、高温側通路３５に流入する液体金属の温度を測定する装置（以下、入口側温度測定装置と記す）４２が設けられている。本実施形態において、入口側圧力測定装置４１及び入口側温度測定装置４２は、中間熱交換器３０の圧力容器３１の外に設けられている。
【００３２】
また、熱交換システム５において、中間熱交換器３０の高温側通路３５より下流側には、高温側通路３５から流出した液体金属の圧力を測定する装置（以下、出口側圧力測定装置と記す）４３と、高温側通路３５から流出した液体金属の温度を測定する装置（以下、出口側温度測定装置と記す）４４が設けられている。本実施形態において、出口側圧力測定装置４３及び出口側温度測定装置４４は、中間熱交換器３０の圧力容器３１の外に設けられている。
【００３３】
加えて、熱交換システム５は、上述した、流量測定装置４０、入口側圧力測定装置４１、入口側温度測定装置４２、出口側圧力測定装置４３、及び出口側温度測定装置４４からのデータを取得し、処理する装置（以下、単に「処理装置」と記す）５０を有している。本実施形態において、処理装置５０は、コンピュータにより構成されている。
【００３４】
処理装置５０は、流量測定装置４０により測定された流量を示すデータ（以下、単に「液体金属流量」と記す）と、入口側圧力測定装置４１により測定された圧力を示すデータ（以下、単に「入口圧力」と記す）と、入口側温度測定装置４２により測定された温度を示すデータ（以下、単に「入口温度」と記す）と、出口側圧力測定装置４３により測定された圧力を示すデータ（以下、単に「出口圧力」と記す）と、出口側温度測定装置４４により測定された温度を示すデータ（以下、単に「出口温度」と記す）とを取得する。
【００３５】
処理装置５０は、上述した液体金属流量、入口圧力、入口温度、出口圧力、及び出口温度を、常時監視している。すなわち、処理装置５０は、中間熱交換器３０における液体金属の流動を監視する監視装置として作動する。処理装置５０は、上述したデータに基づいて、中間熱交換器３０の高温側通路３５において閉塞の兆候があるか否かを判定する。高温側通路３５において閉塞の兆候があるか否かを判定する手法について、その一例を以下に説明する。
【００３６】
処理装置５０は、流量測定装置４０により測定された液体金属流量が、予め設定された所定の閾値を下回る場合に、当該液体金属流量が低下したと判定する。また、処理装置５０は、入口側圧力測定装置４１により測定された入口圧力が、予め設定された所定の閾値を上回る場合に、当該入口圧力が上昇したと判定する。また、処理装置５０は、出口側温度測定装置４４により測定された出口温度が、予め設定された所定の閾値を上回る場合に、当該出口圧力が上昇したと判定する。
【００３７】
加えて、処理装置５０は、入口側温度測定装置４２により測定された入口温度が上昇したか否かを判定する機能を有している。また、処理装置５０は、出口側圧力測定装置４３により測定された出口圧力が上昇したか否かを判定する機能を有している。
【００３８】
処理装置５０は、これらの判定結果に基づいて、中間熱交換器３０の高温側通路３５の閉塞の兆候の有無を判定する。本実施形態において、処理装置５０は、高温側通路３５を流れる液体金属流量が低下したと判定し、且つ入口圧力が上昇したと判定した場合に、高温側通路３５において閉塞の兆候があるものと判定する。また、処理装置５０は、入口圧力が上昇したと判定し、且つ出口圧力が上昇していないと判定した場合にも、高温側通路３５において閉塞の兆候があるものと判定する。また、処理装置５０は、入口温度が上昇していないと判定し、且つ出口温度が上昇したと判定した場合にも、高温側通路３５において閉塞の兆候があるものと判定する。
【００３９】
なお、処理装置５０は、中間熱交換器３０の高温側通路３５を流れる液体金属流量が、低下したと判定し、入口圧力が上昇したと判定し、出口温度が上昇したと判定し、入口温度が上昇していないと判定し、且つ、出口圧力が上昇していないと判定した場合に、高温側通路３５において閉塞の兆候があると判定するものとしても良い。
【００４０】
処理装置５０は、当該判定結果を、例えば表示装置（図示せず）に表示して、運転員に通知することにより、当該運転員は、熱交換器において液体金属が流れる高温側通路が閉塞する兆候を把握することができる。運転員が、液体金属流量や、ガスの流量等、原子力発電システム１の運転状態を制御することにより、当該高温側通路３５が閉塞することを抑制することができる。
【００４１】
以上に説明したように中間熱交換器３０において液体金属が流れる高温側通路３５が閉塞する兆候を把握して、当該高温側通路３５に閉塞が生じることを抑制できる。
【００４２】
なお、本実施形態において、流量測定装置４０、入口側圧力測定装置４１、入口側温度測定装置４２、出口側圧力測定装置４３、及び出口側温度測定装置４４は、中間熱交換器３０の外に、それぞれ単数設けられるものとしたが、本発明に係る熱交換システムの態様は、これに限定されるものではない。
【００４３】
例えば、図５に示す変形例の熱交換システム５Ｂのように、中間熱交換器３０の圧力容器３１の内側において、各プレート形熱交換器３３に対応して、分岐する配管にそれぞれ、流量測定装置４０、入口側圧力測定装置４１、入口側温度測定装置４２、出口側圧力測定装置４３、及び出口側温度測定装置４４が設けられるものとしても良い。このように構成された熱交換システム５Ｂは、プレート形熱交換器３３ごとに高温側通路３５において閉塞の兆候があるか否かを判定することができる。また、流量測定装置４０、入口側圧力測定装置４１、入口側温度測定装置４２、出口側圧力測定装置４３、及び出口側温度測定装置４４が、中間熱交換器３０の内側の高温側通路３５の比較的近傍に設けられているため、より早期に高温側通路３５において閉塞の兆候があるかを把握することができる。
【００４４】
また、本実施形態では、流量、圧力、温度の各パラメータの閾値判定によりで閉塞の兆候の有無を判定していたが、閾値判定に限られない。例えば、各パラメータについて、経時的変化を監視して判定することが可能である。出口流量を例として、このような判定手法をいくつか例示して説明する。
【００４５】
処理装置５０は、所定の間隔（例えば一時間毎）で流量測定装置４０から間欠的にデータを取得する。そして、取得したデータを過去のデータと比較して、閉塞の兆候有無を判定する。例えば、最新のデータを含む連続的した所定数のデータの全てが、その直前のデータよりも小さい場合に、閉塞の兆候があると判定する。具体的には、所定数を３とした場合、最新のデータが一時間前のデータよりも低く、かつ一時間前のデータが二時間前のデータより低く、かつ二時間前のデータが三時間前のデータよりも低い場合に、閉塞の兆候ありと判定する。この場合、データの揺らぎによる影響を軽減するために、複数のデータの平均と比較することもできる。例えば、あるデータと、当該データの一時間前から三時間前までを平均したデータとを比較するようにしてもよい。
【００４６】
また、過去のデータとの比較について、単純な大小ではなく、所定値または所定割合より大きく低下しているかどうか、で判定することとしてもよい。
【００４７】
あるいは、最新のデータと、当該最新のデータを取得した時間から所定時間以内の期間のうち最大値となるデータを比較して、所定値あるいは所定の割合より大きく低下していた場合に、閉塞の兆候ありと判定することもできる。
【００４８】
これらの例では、処理装置５０が間欠的にデータを取得することとしたが、連続的にデータを取得する場合でももちろん適用できる。この場合、データの比較は所定時間ごとの平均を比較することで、データのゆらぎによる影響を低減できる。例えば現在時刻〜現在時刻から１０分前までの平均と、現在時刻から１０分前〜２０分前までの平均とを比較する。
【００４９】
これらの経時的変化による判定を複数組み合わせることも、上述した閾値判定を組み合わせることも可能である。閾値判定や、所定時間以内の期間の最大値とを比較する手法は、閉塞による影響が急激な場合に迅速に兆候をとらえることができる。一方、連続的に低下しているかを判定する手法は、閉塞による影響が緩やかに表れる場合に、閉塞の兆候を確実にとらえることができる。
【００５０】
このような経時的変化による判定は、当然、圧力や温度についても同様に採用することができる。
【００５１】
〔第２の実施形態〕
第２の実施形態の熱交換システムの構成について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態の熱交換システムの構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５２】
図６に示すように、本実施形態の熱交換システム５Ｃにおいて、中間熱交換器３０の低温側通路３７を流れるガスの流量を制御する流量制御弁（以下、ガス流量制御弁と記す）６０が設けられている。本実施形態において、ガス流量制御弁６０は、中間熱交換器３０の低温側通路３７より上流側に設けられており、より詳細には、中間熱交換器３０と再生熱交換器２６とを接続する配管６２の途中に設けられている。
【００５３】
このように構成された熱交換システム５Ｃにおいては、処理装置５０が中間熱交換器３０の高温側通路３５に閉塞の兆候があると判定した場合、運転員がガス流量制御弁６０を閉じ側に操作して、低温側通路３７を流れるガスの流量を低下させることができる。低温側通路３７を流れるガスの流量を低下させることにより、ガスによる冷却能力、すなわち高温側通路３５から低温側通路３７への伝熱量が低下して、高温側通路３５と、当該高温側通路３５を流れる液体金属の温度が上昇する。これにより、当該高温側通路３５において析出した不純物を溶解させることができ、当該高温側通路３５に閉塞が生じることを防止することができ、また、部分的な閉塞を解消することができる。
【００５４】
上述の操作が行われた後、処理装置５０が、高温側通路３５に閉塞の兆候がないと判定した場合には、ガス流量制御弁６０を開き側に操作して、低温側通路３７を流れるガスの流量を、高温側通路３５に閉塞の兆候があると判定された前の状態に戻す。これにより、タービン２２に所望のガスを供給してガスタービン２０を所定の出力で作動させることができる。
【００５５】
なお、本実施形態の熱交換システム５Ｃにおいて、ガス流量制御弁６０は、運転員により操作されるものとしたが、ガス流量制御弁６０を操作する態様は、これに限定されるものではない。例えば、ガス流量制御弁６０は、上述した処理装置５０により自動的に制御されて、低温側通路３７を流れるガス流量を制御するものとしても良い。
【００５６】
また、本実施形態の熱交換システム５Ｃにおいて、ガス流量制御弁６０は、中間熱交換器３０と再生熱交換器２６とを接続する配管の途中に設けられてものとしたが、ガス流量制御弁６０の配置は、この態様に限定されるものではない。ガス流量制御弁６０は、中間熱交換器３０の低温側通路３７を流れるガスの流量を制御可能であれば、圧縮機２４から中間熱交換器３０に向かうガス流路の任意の場所に設けることができる。
【００５７】
例えば、図７に示す変形例の熱交換システム５Ｄのように、複数の中間熱交換器３０が並列に接続されている場合には、各中間熱交換器３０の低温側通路３７に、それぞれ対応してガス流量制御弁６０を設けることも好適である。当該変形例においては、各中間熱交換器３０にそれぞれ対応して、流量測定装置４０、入口側圧力測定装置４１、入口側温度測定装置４２、出口側圧力測定装置４３、及び出口側温度測定装置４４（図４参照）が設けられており、処理装置５０は、各中間熱交換器３０について、高温側通路３５に閉塞の兆候があるか否かを判定する。閉塞の兆候があると判定された中間熱交換器３０のガス流量制御弁６０を操作することにより、当該中間熱交換器３０における閉塞を防止することができる。
【００５８】
〔第３の実施形態〕
第３の実施形態の熱交換システムの構成について、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態の熱交換システムの構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５９】
図８に示すように、本実施形態の熱交換システム５Ｅにおいて、中間熱交換器３０の高温側通路３５より上流側には、当該高温側通路３５に流入する液体金属（ナトリウム）を加熱可能なヒータ７０が設けられている。本実施形態において、ヒータ７０は、一次冷却材回路１３Ｅを構成する配管のうち、中間熱交換器３０と原子炉１０とを接続する配管７２の途中に設けられている。
【００６０】
このように構成された熱交換システム５Ｅにおいては、処理装置５０が中間熱交換器３０の高温側通路３５に閉塞の兆候があると判定した場合、運転員がヒータ７０を作動させて、中間熱交換器３０の高温側通路３５に向かう液体金属を、当該ヒータ７０において加熱する。これにより、高温側通路３５に流入する液体金属の温度を上昇させることができる。流入する液体金属の温度を上昇させることにより、当該高温側通路３５に析出した不純物を溶解させることができ、高温側通路３５に閉塞が生じることを防止することができ、また、部分的な閉塞を解消することができる。
【００６１】
なお、本実施形態の熱交換システム５Ｅにおいて、ヒータ７０は、運転員により操作されるものとしたが、ヒータ７０を操作する態様は、これに限定されるものではない。例えば、ヒータ７０は、処理装置５０により制御されて、当該処理装置５０により高温側通路３５に閉塞の兆候があると判定された場合に作動するものとしても良い。
【００６２】
例えば、図９に示す変形例の熱交換システム５Ｆのように、複数の中間熱交換器３０が並列に接続されている場合には、各中間熱交換器３０の高温側通路３５に、それぞれ対応して液体金属（ナトリウム）の流量を制御する流量制御弁（以下、液体金属流量制御弁と記す）８０を設けることも好適である。当該変形例においては、各中間熱交換器３０にそれぞれ対応して、流量測定装置４０、入口側圧力測定装置４１、入口側温度測定装置４２、出口側圧力測定装置４３、及び出口側温度測定装置４４（図４参照）が設けられており、処理装置５０は、各中間熱交換器３０について、高温側通路３５に閉塞の兆候があるか否かを判定する。
【００６３】
閉塞の兆候があると判定された場合、ヒータ７０を作動させて各中間熱交換器３０に向かう液体金属の温度を上昇させると共に、中間熱交換器３０に対応する液体金属流量制御弁８０以外の液体金属流量制御弁８０を閉じ側に操作する。これにより、閉塞の兆候があると判定された中間熱交換器３０の高温側通路３５を流れる液体金属の流量を増大させる。
【００６４】
このよう制御することで、閉塞の兆候があると判定された中間熱交換器３０の温度を上昇させるができ、当該温度の上昇により当該高温側通路３５に析出した不純物を溶融させて、閉塞を防止することができる。なお、上述した液体金属流量制御弁８０の操作は、運転員により行われるものとしても良いし、処理装置５０により自動的に行われるものとしても良い。
【００６５】
〔他の実施形態〕
上述した各実施形態において、熱交換システム５，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆは、それぞれ、流量測定装置４０、入口側圧力測定装置４１、入口側温度測定装置４２、出口側圧力測定装置４３及び出口側温度測定装置４４（図４参照）を有するものとしたが、本発明に係る熱交換システムは、この態様に限定されるものではない。本発明に係る熱交換システムは、これらの測定装置４０，４１，４２，４３，４４のうち、流量測定装置４０と入口側圧力測定装置４１のみを有するものとしても良い。この場合、処理装置は、高温側通路３５を流れる液体金属流量が低下したと判定し、且つ入口圧力が上昇したと判定した場合に、高温側通路３５において閉塞の兆候があるものと判定することができる。
【００６６】
また、熱交換システムは、測定装置として入口側圧力測定装置４１及び出口側圧力測定装置４３のみを有するものとしても良い。この場合、処理装置は、入口圧力が上昇したと判定し、且つ出口圧力が上昇していないと判定した場合に、高温側通路３５において閉塞の兆候があるものと判定することができる。
【００６７】
また、熱交換システムは、測定装置として入口側温度測定装置４２及び出口側温度測定装置４４のみを有するものとしても良い。この場合、処理装置は、入口温度が上昇していないと判定し、且つ出口温度が上昇したと判定した場合に、高温側通路３５において閉塞の兆候があるものと判定することができる。
【００６８】
また、上述した各実施形態において、原子力発電システム１は、原子炉１０の炉心を冷却する一次冷却材としての液体金属と、タービン２２に供給される作動流体としてのガスとの間で熱交換を行って、高温側通路３５を流れる液体金属の熱を、低温側通路３７を流れるガスに伝達するものとしたが、本発明に係る原子力発電システムの態様は、これに限定されるものではない。例えば、原子力発電システムは、二次冷却材としての液体金属が循環する回路（いわゆる二次冷却材回路）と、二次冷却材回路を循環する液体金属、すなわち原子炉を冷却する二次冷却材としての液体金属の熱を、タービンに供給される作動流体としてのガスに伝達する中間熱交換器とを有し、処理装置は、当該中間熱交換器の高温側通路に閉塞の兆候があるかを判定するよう構成しても良い。
【００６９】
また、上述した各実施形態において、原子炉１０を冷却する冷却材としての液体金属は、ナトリウムであるものとしたが、本発明に係る液体金属は、これに限定されるものではない。冷却材としての液体金属には、鉛やビスマス、リチウム等の金属や、これらの合金を用いることが可能である。
【００７０】
また、上述した各実施形態において、タービン２２に供給される作動流体としてガスは、窒素であるものとしたが、本発明に係るガスは、これに限定されるものではない。作動流体としてのガスには、二酸化炭素等の様々な種類のガスを用いることが可能である。
【００７１】
また、上述した各実施形態において、高温側通路３５を流れる液体金属の熱を、低温側通路３７を流れるガスに伝達する熱交換器は、プレート形熱交換器３３であるものとしたが、本発明に係る熱交換器は、この態様に限定されるものではない。高温側通路３５と低温側通路３７とを、それぞれ複数有していれば良い。本発明には、例えば、プレートフィン（plate-fin）形熱交換器や、チューブフィン（tube-fin）形熱交換器など、様々な種類の熱交換により構成されているものとしても良い。
【００７２】
本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７３】
１  原子力発電システム、５，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ，５Ｆ  熱交換システム、８  発電機、１０  原子炉、１１  炉心、１３，１３Ｅ  一次冷却材回路、１５  一次冷却材ポンプ（ＲＣＰ）、２０  ガスタービン、２２  タービン、２４  圧縮機、２６  再生熱交換器、２８  冷却器、３０  中間熱交換器（熱交換器）、３１  圧力容器、３３  プレート形熱交換器、３５  高温側通路、３６  高温側プレート、３７  低温側通路、３８  低温側プレート、４０  流量測定装置、４１  入口側圧力測定装置、４２  入口側温度測定装置、４３  出口側圧力測定装置、４４  出口側温度測定装置、５０  処理装置、６０  ガス流量制御弁（流量制御弁）、６２，７２  配管、７０  ヒータ、８０  液体金属流量制御弁（流量制御弁）
【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】
2016142580.tif 000009
【図８】
2016142580.tif 000010
【図９】
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