(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温ガス炉で加熱された高温高圧ガスをガスタービンに導入して圧縮機及び発電機を駆動させて発電を行い、ガスタービンで使用後の減圧ガスを前記圧縮機で加圧して高圧ガスとし、この高圧ガスを高温ガス炉に戻して前記高温高圧ガスとして循環使用することからなる、高温ガス炉ガスタービン発電システムにおいて、
高温ガス炉の高圧ガス導入、排出配管を双２重構造とし、圧縮機からの高圧ガスを、２重導入配管の外側流路を経て高温ガス炉の炉内構造で加熱後、２重排出配管の外側流路を経て取り出し、更に前記排出配管の内側流路を経て高温ガス炉の炉心部に導入して加熱後、前記導入配管の内側流路を経て取り出し、得られた高温高圧ガスをガスタービンに供給し、
前記２重排出配管の外側流路を経て取り出した高圧ガスを、高温ガス炉の外部に設けられた再生熱交換器で加熱後に前記排出配管の内側流路を経て高温ガス炉の炉心部に導入することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記再生熱交換器が、ガスタービンと圧縮機との間の減圧ガス流路に設けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
ガスタービンに２台の圧縮機を結合し、これらの圧縮機間に中間熱交換器を配置したことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記高温ガス炉及びガスタービン発電システムに加えて、熱交換圧力容器を設け、前記２重排出配管の外側流路を経て取り出した高圧ガスを、前記熱交換圧力容器内に設けられた再生熱交換器に導入して加熱後に前記排出配管の内側流路を経て高温ガス炉の炉心部に導入して加熱後にガスタービンに導入し、ガスタービンからの減圧ガスを前記熱交換圧力容器内に設けられた前置冷却器に導入することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
ガスタービン発電システムが動力変換容器内に設けられ、その容器がフランジ構造により複数部分に分割されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
ガスタービン発電システムを構成するガスタービン、圧縮器及び発電機が動力変換容器内に垂直配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力による発電に関するものであり、特に、２重管が原子炉圧力容器から２本出ている構造の双２重管配管を配置した高温ガス炉ガスタービン発電システム装置とその冷却材最適流れ配置機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高温ガス炉ガスタービンシステムについては、すでに米国、ドイツ、南アフリカ等で独自の設計が進んでいる。このシステムは、高温ガス炉で加熱された高温高圧ガスをガスタービンに導入して圧縮機及び発電機を駆動させて発電を行い、ガスタービンで使用後の減圧ガスを前記圧縮機で加圧して高圧ガスとし、この高圧ガスを高温ガス炉に戻して循環使用することからなるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高温ガス炉発電プラント固有の高い安全性を損なわず、高効率でプラントコストを下げかつ、メンテナンスが容易に行える方法は、いまだ開発されていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、次の構成を採用することにより前記課題を解決するものである。
▲１▼  双２重配管配置による冷却材〈タービン駆動用の高圧ガス）の改良された流れ方式を採用した点、
▲２▼  双２重配管配置を使用することにより冷却材の流路を最短構造に構成できるので、プラント全体をコンパクト化できる機器配置にすることができる点、
▲３▼  高温ガス炉及び高温ガス炉の圧力容器を冷却するための冷却材の最適流れ配置を行うことができる点、及び
▲４▼  複数のフランジ構造を使用してガスタービン等を収容する動力変換容器を分割することにより、それに収容されたターボ機器のメンテナンスを容易に行うことができる点。
【０００５】
【実施例】
以下、本発明を、６００ＭＷｔ級高温ガス炉直接サイクルシステムの設計図により具体的に説明する。
【０００６】
（実施例１）
本発明の１段圧縮機採用ケースである高温ガス炉直接サイクルシステムを図１により説明すると、このシステムは高温ガス炉８とガスタービンシステム９とから構成されている。この高温ガス炉は原子炉圧力容器１４で覆われ、その容器内部に炉内構造１５及び炉心１６が設けられている。更にこの高温ガス炉には、高圧ガス流入用の２重配管１７及びその流出用の２重配管１８が設けられている。又、前記ガスタービンシステム９は、ガスタービン１９とこれに結合した圧縮機２０及び発電機２１とから構成されている。
【０００７】
本発明の高温ガス炉直接サイクルシステムを運転する場合には、圧縮機２０からの高圧ガス２９が、高温ガス炉の２重配管１７の外側流路を経て炉内冷却チャンネル３０に導入されて炉内構造１５を冷却して加熱され、２重配管１８の外側流路から流出される。この加熱高圧ガスが、流路３１を経てガスタービンシステム９の再生熱交換器２２に導入された後、再度、高温ガス炉の２重配管１８の内側流路３２を経て炉心１６及び炉床支持構造体３４に導入されて加熱される。このようにして得られた高温高圧ガスが、流路２５からガスタービン１９に導入されて圧縮機２０を駆動し、且つこの圧縮機に回転シャフト２４を介して結合された発電機２１を駆動して発電を行う。
【０００８】
ガスタービンに導入された高温高圧ガスが、タービン中で膨張し、配管２６から再生熱交換器２２及び前置冷却器２３を経て圧縮機２０に導入された後に、流路２９を経て高温ガス炉に戻される。
【０００９】
即ち、圧力容器１４で覆われた高温ガス炉８（炉内構造１５及び炉心１６から構成される）から７００℃〜１０００℃に加熱された冷却ガスは、２重配管１７の流路２５を流れて直接ガスタービンシステム９に流入し、力スタービン１９（排熱温度４５０℃〜６００℃）、発電機２１により、電気エネルギーに変換される。その後低温力スは配管２６を通り、再生熱交換器２２及び前置冷却器２３で温度交換してさらに低温化された状態（約３０℃）で、圧縮機２０に入りガス圧力が上げられる。圧縮機から仕事をされた高圧ガスは配管２９ならびに炉床支持構造体３４を通って原子炉圧力容器内１４に尊かれ、炉内冷却チャンネル３０を通って、原子炉上部に一旦導かれた後圧力容器１４の内側を冷却しながら再び原子炉炉床部と通過した後、２重配管１８から流路３１を通って炉外に出る。その後、再生熱交換器２２を通って熱交換された後、２重配管１８の内側流路３２及び炉内チャンネル３３を通って、原子炉炉心１６に導かれる。
【００１０】
（実施例２）
本発明の、サイクル効率を向上させるため２段圧縮機を採用することによりサイクル内圧力を高圧化したケースである、高温ガス炉直接サイクルシステムを図２により説明する。このシステムは、ガスタービンシステム９内の圧縮機を２台に増やし、この両圧縮機間に中間熱交換器３５を配置した構造のものである。
【００１１】
このシステムは高温ガス炉８とガスタービンシステム９とから構成されている。この高温ガス炉は原子炉圧力容器１４で覆われ、その容器内部に炉内構造１５及び炉心１６が設けられている。更にこの高温ガス炉には、高圧ガス流入用の２重配管１７及びその流出用の２重配管１８が設けられている。又、前記ガスタービンシステム９は、ガスタービン１９と、これに結合した圧縮機２０ａ及び２０ｂと、発電機２１とから構成されている。
【００１２】
本発明の高温ガス炉直接サイクルシステムを運転する場合には、圧縮機２０ｂからの高圧ガス２９が、高温ガス炉の２重配管１７の外側流路を経て炉内冷却チャンネル３０に導入されて炉内構造１５を冷却して加熱され、２重配管１８の外側流路から流出される。この加熱高圧ガス３１が、ガスタービンシステム９の再生熱交換器２２に導入されて再度加熱される。再加熱されたガス３２が、高温ガス炉の２重配管１８の内側流路を経て炉心１６及び炉床支持構造体３４に導入されて加熱される。このようにして得られた高温高圧ガス２５が、高温ガス炉の２重配管１７の内側流路を経てガスタービン１９に導入されて圧縮機２０ａ及び２０ｂを駆動し、且つこれらの圧縮機に回転シャフト２４を介して結合された発電機２１を駆動して発電を行う。
【００１３】
ガスタービンに導入された高温高圧ガスがタービン中で膨張して減圧され、この減圧ガス２６が再生熱交換器２２及び前置冷却器２３で再加熱され、圧縮機２０ａで加圧後に、中間熱交換器３５を経て圧縮機２０ｂに導入された後に、高圧ガス２９として高温ガス炉に戻される。
【００１４】
（実施例３）
本発明の水平機器配置型の高温ガス炉直接サイクルガスタービンシステムを図３により説明する。このシステムは、原子炉圧力容器１４、動力変換圧力容器３６及び熱交換器圧力容器３８からなる３つの圧力容器を水平に配置した構成のガスタービンシステムである。
【００１５】
原子炉圧力容器８内に高温ガス炉炉心ならびに炉構造機器が納められ、動力変換圧力容器３６内にタービン１９、圧縮機２０ならびに発電機２１が収納され、熱交換器圧力容器３８内に再生熱交換器２２及び前置冷却器２３が収納されている。
【００１６】
原子炉圧力容器１４、動力変換圧力容器３６及び熱交換器圧力容器３８からなるターボ機器は、水平配置であり、炉心１６からの高温ガス２５は２重配管１７の内側流路内５を通って直接、タービン１９に回転シャフト２４方向から流入する。この配置は、原子炉−動力変換機器（タービン等）間の配置距離を最短にすることによって、プラント全体をコンパクトに設計できる利点がある。さらに、ターボ機器のメンテナンスにおいて、図４に示す動力変換容器フランジ構造を採用することにより、分解組立が容易になる。
【００１７】
本発明の高温ガス炉直接サイクルシステムを運転する場合には、圧縮機２０からの高圧ガス２９が、高温ガス炉の２重配管１７の外側流路を経て炉内冷却チャンネル３０に導入されて炉内構造１５を冷却して加熱され、２重配管１８の外側流路から流出される。この加熱高圧ガス３１が熱交換器圧力容器３８の再生熱交換器２２に導入されて加熱され、その加熱ガス３２が高温ガス炉の２重配管１８の内側流路を経て炉心１６及び炉床支持構造体３４に導入されて加熱される。得られた高温高圧ガス２５が、ガスタービン１９に導入されて圧縮機２０を駆動し、且つこの圧縮機に回転シャフト２４を介して結合された発電機２１を駆動して発電を行う。
【００１８】
ガスタービン１９に導入された高温高圧ガスがタービン中で膨張減圧され、その減圧ガス２６が熱交換圧力容器３８内の再生熱交換器２２及び前置冷却器２３中で加熱され、この加熱ガス２８が圧縮機２０で加圧され、得られた高圧ガス２９が高温ガス炉に戻される。
【００１９】
（実施例４）
本発明の動力変換圧力容器フランジ構造の高温ガス炉直接サイクルガスタービンシステムを図４によりの説明する。
【００２０】
このシステムは、動力変換容器３６に、フランジ構造（３７ａ〜３７ｃ）を採用することにより、ターボ機器の分解を、▲１▼動力変換容器鏡３６を開放し、発電機２１と回転シャフト２４間の接続を外すことにより発電機を動力変換圧力容器から回転シャフト方向に取り出し、▲２▼次にフランジ３７ｂを外して圧縮機２０、タービン１９の順に動力変換容器外に引き抜き、整備点検を行う。組立は分解手順の全く逆の手順で行う。このシステムの運転操作は図１の操作と基本的に同じである。
【００２１】
〈実施例５）
本発明の垂直機器配置構造の高温ガス炉直接サイクルガスタービンシステムを図５により説明する。
【００２２】
動力変換圧力容器３９を垂直配置することによって、さらにプラント配置をコンパクト化させた例である。炉心１６からの高温ガス２５はタービン１９に、直接、回転シャフト（２４）に対して垂直方向から流入する。このシステムの運転操作は図３の操作と基本的に同じである。
【００２３】
【発明の効果】
本発明は、次の点により、高温ガス炉発電プラントの低コスト化が実現できる。
【００２４】
（イ）  双２重配管配置流れ方式を採用することによって、原子炉圧力容器内部を効率良く冷却できることから、原子炉圧力容器に低価格の圧力容器鋼Ｍｎ−１／２Ｍｏ−１／２ＮＩ等の採用が可能で、プラントコスト低減に効果的である。
【００２５】
（ロ）  原子炉圧力容器、動力変換圧力容器（垂直ないし水平配置）及び熱交換器圧力容器の最適配置によりプラントのコンパクト設計が可能で、プラントコスト低減に効果的である。
【００２６】
（ハ）  原子力圧力容器に双２重管配管システムを採用した冷却構造を採用することにより、原子炉圧力容器材として安価な軽水炉用材料（Ａ５３３Ｂ）を利用することができるため、プラントコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  １段圧縮機採用ケースに関する、本発明の高温ガス炉直接サイクルガスタービン流路を示す図である。
【図２】  サイクル効率を向上させるため２段圧縮機を採用することによってサイクル内圧力を高圧化したケースに関する、本発明の高温ガス炉直接サイクルガスタービン流路を示す図である。
【図３】  水平タービン機器を配置したケースに関する、本発明の高温ガス炉直接サイクルガスタービンシステムを示す図である。
【図４】  動力変換圧力容器フランジ構造を使用した、本発明の高温ガス炉直接サイクルガスタービンシステムを示す図である。
【図５】  ガスタービン機器を垂直に配置したケースに関する、本発明の高温ガス炉直接サイクルガスタービンシステムを示す図である。
【符号の説明】
８：高温ガス炉
９：ガスタービンシステム
１４：原子炉圧力容器
１５：炉内構造
１６：炉心
１７：２重配管
１８：２重配管
１９；ガスタービン
２０：圧縮機
２１：発電機
２２：再生熱交換器
２３：前置冷却器
３４：炉床支持構造体
３７：フランジ
３８及び４０：熱交換圧力容器
【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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