JPH05509165A - 専用の発電機をそなえた炉心隔離冷却系 - Google Patents
専用の発電機をそなえた炉心隔離冷却系Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
専用の発電機をそなえた炉心隔離冷却系技術分野
本発明は原子炉に関するものであり、更に詳しくは炉心隔離冷却(RCIC:r
eactor−core is。
1ation cooling)系に関するものである。
本発明の主要な目的は一体となっている原子炉プラントに対する電力が失われた
場合の有効性を増強したRCIC系を提供することである。
核分裂炉はウラン同位元素(U233、U235)およびプルトニウム同位元素
(Pu239、Pu241)のような核分裂性原子の核分裂に頼っている。中性
子の吸収時に、核分裂性原子が壊変して、数個の高エネルギー中性子とともに低
原子量、高運動エネルギーの原子が生じる。核分裂生成物の運動エネルギーは熱
として素早く消散される。
熱は原子炉の主要なエネルギー生成物である。壊変の間に放出される中性子のい
くつかが他の核分裂性原子によって吸収され、壊変と熱発生の連鎖反応が生しる
。原子炉内の核分裂性原子は連鎖反応が自己維持できるように配列される。
二相原子炉では、主として液状の熱伝達媒体の蒸発によって生しる蒸気圧の形で
炉心の発生する熱が蓄積される。
この蒸気圧を使ってタービンを回転させることができ、タービンは発電機を駆動
して電気を発生する。タービンからの凝縮液を原子炉に戻して、再循環液と合流
させ、更に熱伝達と冷却を行うことができる。二相炉の主要な例は沸騰水炉(B
WR:boiling−water reactor)である。二相炉は単相炉
と対照的である。単相炉は主として液体金属のような液状の熱伝達媒体の温度上
昇の形でエネルギーを蓄積する。沸騰水炉に関連する下記の説明は容易に他の形
式の二相炉に一般化して適用できる。
地震によって誘起され得る故障のような広範囲の故障シナリオを取り扱うように
、新式の原子炉プラントは設計されている。たとえば、過熱による損傷から炉心
を防護しながら原子炉を安全に停止させて、原子炉からタービンを急速に隔離す
るように原子炉を設計しなければならない。炉心の反応度を下げるために炉心内
に制御棒を挿入することができる。それにも拘わらず、炉心はかなりの量の「崩
壊」熱を発生し続ける。防護系が無い場合は、崩壊熱により原子炉容器の中に圧
力増加が生じることがある。この圧力により、原子炉容器内または結合された導
管内にひびが生じることがある。ひびにより、冷却材の喪失が生じることがある
。冷却材の喪失によって、炉心からの熱伝達が妨げられることがあり、次に炉心
溶融が生じることがある。これにより、本質的にプラントは回復不能となる。
炉心隔離冷却(RCI C)系は主タービンが原子炉から隔離された場合に炉心
を防護するために沸騰水炉で使用される防護系の一種を構成する。RCIC系は
水位が所定のしきい値より下降したときに外部タンクからの水を容器内にポンプ
作用で送り込むことにより原子炉圧力容器内の水位を調節する。RCICポンプ
はRCICタービンによって駆動される。原子炉圧力容器からの蒸気出力は(主
タービンに供給する)主蒸気管路からそらされて、RCICタービンを駆動する
。
RCICタービン自体の動力は蒸気により与えられるが、普通のRCIC系は電
力に依存している。たとえば、RCIC運転では普通、電気的に動作するある弁
を開閉することにより蒸気と水の流れの道筋を決定し直さなければならない。更
に、RCIC系が原子炉圧力容器内にポンプ作用で水を送り込む速度を調節する
制御ループは電気を必要とする。詳しく述べると、このループには普通、RCI
Cポンプ出力を測定するために使用される流れ要素、測定された流れを目標流と
比較するために必要とされる制御用電子回路、および電子的に制御される流体圧
駆動タービン加減弁が含まれる。付加的なRCIC制御用電子回路も、それらの
動作のため電気を必要とする。
更に、いくつかのRCIC構成要素、たとえば制御用電子回路およびモータ弁は
過熱しやすい。熱はRCICタービンを駆動する蒸気から、そして電気回路から
の消散から、伝導、ふく射、および対流により累積する。熱に鋭敏なRCIC構
成要素を防護するため、普通交流で駆動されるプラントの加熱、換気および空気
調和(HVAC: h e a ting、 ventilation and
air condltloning)系によって冷却を行うことができる。
多数のRCIC系および他の安全系は幾分電力に頼るので、安全原子炉プラント
は主タービンの停止(shutdown)とともに交流電力の喪失に対処しなけ
ればならない。地震が原子炉プラントに至る電力線を倒し、これにより主タービ
ンが隔離されて、発電所の停電(stati。
n blackout)に至ることがある。したがって、主タービンから、そし
て外部電力網および現場のディーゼル発電機からの電力の喪失にもかかわらず、
崩壊熱を扱うためにRCIC運転が利用できなければならない。
原子炉プラントには普通、プラントが交流電力から切り離された場合の大形後備
電池が含まれる。通常運転の間、電池は交流電力によって充電される。停電の間
は、電池が交流電力に取って代わる。しかし、このような電池によって蓄積され
るエネルギーは必然的に制限される。更に、RCIC系は電池電力を他の多くの
プラント系と共用しなければならない。普通、電池は2.3時間の電力を供給す
ることができる。しかし、妥当な目標値は約8時間の後備電力である。この付加
的な電力を供給するために、より大きな寸法と数の電池を使用することができる
。しかし、必要な電池電力をそなえた系のコスト、体積、および複雑さの問題が
ある。更に、電池電力を割り当てる際に問題がある。
停電の間、炉心を防護するために欠くことができないRCIC系を犠牲にして、
重要度の低い装置が電池を枯渇させることかあるからである。
必要とされるのは、崩壊熱の長時間の取り扱いを行うこきができ、プラントの他
の部分系の要求からは比較的独立して電力にアクセスするRCIC系である。こ
のRCIC系は付加的な大形電池や、比較的高価でかさ張る代替品を必要としな
いことが好ましい。
発明の概要
本発明によれば、RCIC系に補助発電機を設ける。RCIC構成要素が使用す
る電気を、この専用のRCIC発電機が供給する。詳しく述べると、RCIC系
の室の冷却および制御系がこの発電機から給電される。主電池は少なくとも部分
的にRCIC負荷から解放され得る。更に、RCIC発電機を使用して、主電池
またはRCIC系専用の電池を充電することにより、RCICタービンが一時的
に停止しているとき電力を供給することができる。
RCIC発電機はRCICポンプが運転しているときはいつでも電力を供給する
ので、RCIC系により水が出力される速度を調節するために必要とされる電力
を都合よく供給することができる。同様に、電気エネルギーの消費とRCICタ
ービンを通る蒸気流により熱が累積するとき、RCIC発電機は電気を供給する
。都合のよいことに、RCIC系の室の冷却は少なくとも部分的にRCIC発電
機の出力によって行うことができる。
したがって、発電所の停電の間、RCIC系は少なくとも部分的に自己給電する
ことができる。RCIC系は炉心の防護に欠くことができないので、このRCI
C発電機は炉心が防護される時間を伸ばすことができる。もちろん、発電機が運
転していないとき遂行されなければならないRCIC機能を実行するため電池電
力を使用することができる。これらの機能には、RCIC運転を開始するために
必要とされる弁制御、および一時的な運転停止の後でRCICタービンを再始動
するために必要とされる制御機能が含まれる。RCICポンプがオフである間に
必要とされる電気は主電池が供給することができ、または専用のRCIC電池が
この機能を提供することができる。いずれの場合も、RCICタービンが運転し
ているとき主電池とRCIC電池の一方または両方を充電することにより、発電
機は電池の動作を伸ばす。
発電機で得られる利点の1つとして、発電所の停電の間、空間の冷却(冷房)の
ための電力の供給がある。これらの特徴により、RCIC系は制御用電子回路お
よびアクチュエータの過熱を避けることができる。したがって、RCIC系は長
期間有効に運転することができる。その結果、比較的長い発電所の停電の間、炉
心を防護することができる。
本発明のこれらの特徴および利点ならびに他の特徴および利点は付図を参照した
詳細な説明で明らかとなる。
図面の簡単な説明
図1は本発明による沸騰水炉プラントの概略図である。
実施例の説明
本発明によれば原子炉プラント100には、炉心106を取り囲む原子炉圧力容
器104を持つ沸騰水炉102が含まれている。炉心106を通る容器104内
の冷却水の再循環はポンプ108によって行われる。炉心106を通って上向き
に流れる水の幾分かは蒸気に変換される。蒸気は水から分離され、通常の運転の
間、常時開の弁114で定められた通り主蒸気管路112を介して主タービン1
10に送られる。蒸気はタービン110を駆動するので、その軸116が出力発
電機118を駆動することにより、電気が出力線120を介して電力網に供給さ
れる。蒸気はその圧力エネルギーをタービン110に伝えて、凝縮する。
復水は水管路124を介して流体取扱系122に流出する。
流体取扱系122は水管路126ならびに常時開の逆止め弁128および130
を介して復水を容器104にポンプ作用で戻す。RCIC系により水を送るとき
は、逆止め弁128は水の流体取扱系122への逆流を防止する。
発電所の停電の場合には、原子炉102は停止される。
この停止には、制御棒を炉心106に挿入してその反応度を制限すること、およ
び弁114および128を閉じてタービン110を原子炉102から隔離するこ
とが含まれる。
炉心反応度の低下にもかかわらず、かなりの崩壊熱が数日間続くことがあり得る
。容器104の内側の温度が約500°Fから比較的安全な300°Fに下がる
まで炉心を防護するように炉心隔離冷却(R,CIC)系132が設計される。
この300°Fの温度では、他の炉心冷却手段が用いられる。
炉心の防護には、容器104内の安全な水位を維持することが含まれる。水位が
落ち過ぎると、熱が炉心から伝達されず、炉心が損傷する。水位が高過ぎると、
水が蒸気管路に流出1.て、タービンの作用を乱すことがある。
低水位表示器LLからの低水位表示に応動して、RCIC系は水貯蔵タンク】3
4からポンプにより容器゛104に水を送り込む。更に詳しく述べると、水位表
示器LLは計測バス135を介して低水位表示をRCIC系132に送る。RC
IC系132はRCICポンプ136に、水タンク134から常時開の弁140
および水管路138を通して水をくみ出させる。水はポンプ136から、原子炉
の低水位に応動して開かれる弁144および水管路142を通して送り出される
。水管路142は水管路126と合流する。原子炉の低水位の間、逆止め弁13
0は開いたままになっているが、上記のように逆止め弁128は閉じられる。
したがって、RCICポンプ136からの水は容器104に送り込まれる。代表
的なポンプ流量は毎分約800ガロンである。タンク134内の水は通常の運転
の間に流体取扱系122から供給される原子炉復水であり、原子炉102への8
時間の給水に対して復水が適切に供給される。給水の純度の適当なレベルを確保
するために復水が使用される。
RCICポンプ136はRCICタービン146により軸148を介して駆動さ
れる。RCICタービンは主タービン110に比べてかなり小さい。寸法が小さ
いので、運転停止の間に原子炉が供給する蒸気管路150に沿った、より小さな
蒸気流でRCICタービンを駆動することができる。この小さい寸法はRCIC
ポンプ136を駆動するには十分である。寸法が十分であるので、RCICター
ビン146にはその回転速度を制限するタービン加減弁151が含まれている。
容器1−04への水流速度を調節するように、タービン加減弁151がRCIC
制御器152により制御バス154を介して制御される。更に詳しく述べると、
水管路142を通る流量は流れ要素(FE:flow element)156
によって測定される。流量測定値は信号線157を介してRCIC制御器152
に伝えられる。RCIC制御器152は測定された流量を目標流量と比較する。
測定された流量が過大であれば、RCIC制御器152はタービン加減弁151
を部分的に閉じることによりタービン146への蒸気流を減らす。これにより、
タービン146の回転速度およびRC■Cポンプ136の回転速度が低下する。
測定された流量が目標流量より低下したときは、上記と逆の作用が行われる。
RC■C制御器152は水位表示器LLから低水位表示を計測バス159を介し
て受け、玉形弁158およびタービン加減弁]−51を開くことによりRCIC
タービン146を始動する。上側水位しきい値になったことを高水位表示器HL
が示すと、対応する表示がバス1−59を介してRCIC制御器152に送られ
る。このときRCIC制御器152は蒸気供給弁1−58およびタービン加減弁
151に閉じるように命しる。これにより、タービン1−46およびポンプ13
6は停止し、それは水位が低水位表示器L Lによって監視される水位より再び
低くなるまで続く。
RCICの数個の構成要素は温度に敏感である。すべての構成要素は約100°
Fの周囲温度で動作するように設計されている。しかj7.140°Fから15
0°Fより高い温度で性能の悪化や損傷が生じることがあり得る。詳!−2く述
べると、RCIC制御器152の電子構成要素、流体圧駆動式タービン加減弁1
51用の制御器、弁140.144.158.182および190を動作させる
電動機はすべて高過ぎる温度を受けやすい。したがって、RCIC系132はル
ームクーラ160を使用することによりRCICエンクロージャ162の内部を
冷却する。RCICエンクロージャ162の中には、害をこうむりやすいRCr
C構成要素が入っている。ルームクーラ160は電気で動作するフレオン利用真
空冷却装置である。蒸気がエンクロージャ162内に漏れた場合に生じるように
ルームクーラ160が温度を約140°Cより低く維持できなかった場合には、
RCIC系132が運転停止する。
主タービン110が原子炉〕02から隔離されたとき交流電力が利用可能なまま
になっていれば、プラントの加熱、換気および空気調和系はまだ利用できる。し
かし、発電所の停電の場合には、代替電源が必要とされる。プラント100には
後備電池164が含まれるが、その容量は2.3時間プラントの要求にこたえら
れるに過ぎない。
本発明によれば、RCIC系132には補助の発電機200が設けられる。発電
機200はRCICタービン146の軸148によって駆動される。したがって
、ポンプ136によって水が送られているときは常に、電気が供給される。この
電気を使用して、ルームクーラ160、RCIC制御器】−52、RCICター
ビン146の調速機、および玉形弁1−58の電動機が動作する。容器104内
への水流を制限するためにポンプ136をオフにした後、隔離の開始時と隔離中
にRCICタービン146を始動するために電池電力が使用される。ルームクー
ラ装置、RCIC制御器152、RCICモータ弁、タービン付属品、計測器、
および制御器を動作させるためにも電池電力が使用される。
電力は電力管理器166によって管理される。電力管理器166はバス168を
介して交流電力を受け、バス170を介して電池164から電池電力を受け、ま
た線172を介してRCIC発電機200から電力を受けるように構成される。
電力管理器166はこれら三つの電源からの電力をRCIC制御器152に供給
する。電力管理器166は必要に応じて利用可能な交流電力を電池164の充電
およびR,CI C制御器152に分配する。交流電力が無い場合には、電力管
理器166はバス174を介してRCIC発電機200からの電力をRCIC制
御器152に送る。
交流電力もRCIC発電機の電力も無い場合には、電力管理器166は必要に応
じて電池電力をRCIC制御器152に送る。電力管理器166はRCIC発電
機の余分の電力を電池164の充電に使うこともできる。電力管理器には、交流
電力を直流に変換し、またその逆を行うために、適当なインバータおよび積分器
が含まれる。
RCIC制御器152は原子炉計測器および専用のRCIC計測器と協力して、
原子炉の水位、原子炉の圧力、RCICエンクロージャ162の中の温度、ポン
プ136を通る水の流量、および弁158を通る蒸気の流量を監視する。この監
視の結果に基づいて、RCIC制御器152はタービン加減弁151を調節する
ことにより炉心を防護する。RCIC構成要素に対する安全な温度レベルを維持
するための必要に応して、RCIC制御器152はバス176を介してルームク
ーラ160も動作させる。これらの機能の遂行の必要に応じて、RCIC制御器
152は電力および制御信号を158.144.1−82.140、および19
0のようなRCICの電動弁に分配する。(図を簡単にするため、これらの弁に
対する制御線および電力線は図示されていない。)
付加的な安全手段を設けるため、原子炉プラント100ではウェットウェル18
0内のサプレッションプール178がRCIC系132に結合される。何らかの
理由で貯蔵タンク134からの流れが止まると、弁140が閉じられ、常時閉の
弁182が開かれることにより、原子炉102に対する代替の冷却水源が用意さ
れる。RCICポンプ136と通じるようにするため、弁140の下流にある水
管路138に、弁182によって制御される水管路184が結合されている。サ
プレッションプール178は冷却材喪失事故の間、圧力軽減を行うように設計さ
れている。このプールの中味はポンプ136を防護するためにストレーナ(sf
+xine+) 186によって濾過しなければならない粒子状物質を含んでい
る可能性が高い。
サプレッションプール178はRCICタービン146からの排気の凝縮も行う
。排気は排気管路188を通って排出される。排気管路188は常時開の弁19
0および逆止め弁192によって制御される。RCICタービン146が停止し
た後、排気管路の冷却によって管路188内に負の圧力が生じたとき、逆止め弁
192がタービン146への逆流を防止する。
RCIC系発電機を使用しているにもかかわらず、本発明の実施例はいくつかの
RCIC機能、特にタービンの始動について電池電力に頼っている。この機能は
主電池が提供することができる。しかし、停電中、タービンを後で再始動するた
めの手段が用意されていなければならない。発電機による支援および電池に蓄積
されたエネルギーの適切な管理により、主電池の貯蔵量は十分にすることができ
る。
代案として、RCIC系専用の電池をタービン始動のために使用することができ
る。この専用電池と主電池の一方または両方を充電するために、タービンの余分
のエネルギーを使用することができる。
冷却系は様々な方法で運転することができる。ルームクーラは、それを介して比
較的冷たい水、または他の冷却材がRCIC構成要素の近傍を流れるマニホール
ドとすることができる。RCICエンクロージャ内の空気を循環させることによ
り、空気からの冷却材への熱の伝達を容易にすることができる。水はRCICポ
ンプへの経路上の貯蔵タンク内の復水、またはもう一つの供給源からの水とする
ことができる。いずれの場合も、水は重力送りとして、マニホールドを介して水
をおくるためのエネルギーを不要とすることができる。交流電力が利用できる間
に水を予備冷却することにより、停電の間のそれの有効性を高めることができる
。この概念を更に延長して、交流電力を使用して凍らせ、カプセルに入れた氷を
RCICエンクロージャの中に貯蔵することにより、停電の間のヒートシンクと
することができる。
RCICエンクロージャ内の空気の循環は電気的に駆動されるファンによって行
わせることができる。代案として、タービン軸に取り付けられたプロペラで、必
要な空気の循環を行わせることができる。この場合、発電機の電気は冷却には不
要であり、タービンおよび蒸気流制御のような他のRCIC機能専用とすること
ができる。
代替実施例では、RCICタービンとRCICポンプとの間の可変の機械的なリ
ンク機構を設けることにより、タービン再始動の必要性を最小にし、発生する電
気を最大にする。水流を停止すべきとき、RCICポンプをタービンから切り離
すことができる。水流を調整するためにRCICポンプの速度を歯車伝動装置に
より早めたり遅(したりすることができる。タービンが絶えず回転しているので
、タービンの初期始動のためだけに電池が必要とされる。更に、タービンが常に
自由に回転しているので、最大限の電気が発生され、停電取り扱いの継続時間ま
たは停電の間に継続することができる機能の数が増大する。代案として、発電機
に対する伝動を変えることにより、タービン軸に対する負荷を調整することがで
きる。発電のための高レベルの機械的エネルギーを維持しながら、回転速度した
がって水流量を調整することができる。
本発明を沸騰水類について説明してきたが、熟練した当業者には明らかなように
本発明は他の二相原子炉に適用することができる。説明した実施例に対する上記
の変形および変更、ならびに他の変形および変更が本発明により提供され、それ
らの範囲を限定するのは請求の範囲である。
要 約 書
沸騰水原子炉プラントの炉心隔離冷却(RCIC)系で、給水をポンプ作用で原
子炉に送り込むために使用されるタービンにより発電機をも駆動する。発電所の
停電の間、この発電機を使用して、ルームクーラおよび制御用電子回路のような
RCIC構成要素を動作させる。
国際調査報告
Claims (6)
- 1.原子炉装置に於いて、 原子炉圧力容器、上記原子炉圧力容器内の炉心、および上記原子炉圧力容器内と 上記炉心を通して流体を循環させることにより上記炉心で発生される熱を伝達す る再循環手段を含む二相原子炉、 蒸気に蓄積された相変換エネルギーを発電機駆動用の機械的エネルギーに変換す るための主タービンであって、通常運転の間、蒸気管路を介して上記原子炉に結 合される主タービン、 上記機械的エネルギーを電気に変換するための主発電機であって、駆動軸を介し て上記主タービンに機械的に結合されている主発電機、 上記原子炉の外にある流体タンク、および少なくともいくつかは電力を必要とす る複数個の構成要素をそなえた炉心隔離冷却系を含み、 上記炉心隔離冷却系の上記構成要素が、上記タンクからの流体を上記原子炉圧力 容器内に送り込むための補助ポンプ、 上記補助ポンプを駆動する補助タービンであって、停電状態の間、上記原子炉圧 力容器に結合されて、上記原子炉圧力容器から蒸気を受けることができる補助タ ービン、上記補助ポンプから上記原子炉圧力容器内に流体を送り込む速度を調節 するように上記補助タービンの回転速度を調節する制御手段、 上記制御手段を冷却するための冷却手段であって、電力を受けるための入力をそ なえた冷却手段、および停電状態の間、上記構成要素が必要とする電力の少なく とも一部を供給するために上記補助タービンに結合された発電機を含んでいるこ とを特徴とする原子炉装置。
- 2.上記冷却手段を作動するための電力が上記発電機から供給される請求項1記 載の原子炉装置。
- 3.上記制御手段に動作させるための電力が上記発電機から供給される請求項1 記載の原子炉装置。
- 4.通常状態の間、第一の相に維持された物質を上記冷却手段が含み、停電状態 の間、上記物質が第二の相に遷移することにより、上記制御手段が冷却される請 求項1記載の原子炉装置。
- 5.上記停電状態の間に上記補助タービンの始動が行えるように、通常運転状態 の間に充電される電池が設けられている請求項1記載の原子炉装置。
- 6.上記炉心隔離冷却系に補助電池が含まれ、上記停電状態の間に上記補助ター ビンが一時的に停止した後の上記補助タービンの再始動のために上記補助電池が 用いられ、そして上記補助発電機によって充電できるように上記補助電池が上記 補助発電機に結合されている請求項1記載の原子炉装置。
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