JPH10332883A

JPH10332883A - 高速炉の一次冷却材循環装置

Info

Publication number: JPH10332883A
Application number: JP9142423A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Kanbe; 満神戸; Moriyasu Tokiwai; 守泰常磐井
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1998-12-18
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: JP4001305B2

Abstract

(57)【要約】【課題】構造を簡単にする。信頼性を高める。【解決手段】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、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
を含むものである。

Description

【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を含む構成であ
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、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、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を含んでいる。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Ｓ
ｉＧｅ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１
２ａ，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，１
３ｃ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１
２，１３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１
２，１３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，１
３ｃ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６０Ｍ
Ｗ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１
５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ｋ
Ｗ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を
含むので、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、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、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

Claims

【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を
含む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。