JP7656609B2 - 炉停止システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、内容が参照により本明細書に組み込まれる「ＲＥＡＣＴＯＲ ＳＨＵＴＤＯＷＮ ＳＹＳＴＥＭ」と題した、２０１９年１２月１２日に出願された米国特許出願第１６／７１１，９２２号の利益を主張するものである。

本発明は、概して、原子炉に関し、より具体的には、原子炉を停止させる際に使用するためのシステムに関する。本発明はまた、かかる停止システムを有する原子炉、および原子炉を停止させる際に使用するためのシステムを提供する方法に関する。

現在、ほとんどの水炉技術および最先端の炉は、炉を停止させるために多様な停止機構に依存している。例としては、制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）、中性子吸収体球、一次流体へのホウ素注入などである。これらのシステムのほぼすべては、故障しやすい機械構成要素を使用して運転されるため、通常、高い信頼性と適格性が必要である。そのため、追加の冗長性と多様性を設計および安全性ケースに盛り込む必要があり、これにより、プラントが複雑になり、コストが跳ね上がる。これらのシステムのいくつかは、受動的特徴を有し、受動的特徴は、重力または他の潜在的なエネルギーを使用して受動的特徴を有効にする。しかしながら、これらのシステムは大きく、高度なマイクロ炉などのコンパクトな炉設計には魅力的ではない。さらに、かかるシステムは、水平炉には適用できない。ＴＲＩＧＡ研究炉などの固有の停止機構を有する炉は、設計特有のものであり、他の炉設計に適用することはできない。

したがって、原子炉の停止システムには改善の余地がある。

本明細書に記載される本発明の実施形態は、原子炉のための「固体状態」緊急炉心停止システムを提供する。本システムは、固有に作動するように設計されており、調節可能な設計設定点温度によってトリガーされる。さらに、本システムは、電力の使用によってオペレータが手動で稼働させることができる。本システムは、冷却材のタイプ、中性子エネルギースペクトルおよびサイズに関係なく、任意の原子炉にも適用可能である。この技術により、原子炉を、停止システムのためのＩＡＥＡの受動的安全性カテゴリーＢに入れることができる。

本発明の１つの態様として、原子炉を停止させる際に使用するためのシステムが提供される。本システムは、周囲環境からシールされた内部の領域を画定するハウジング、ゲート部材であって、ゲート部材が領域を、第１のコンパートメントと第１のコンパートメントから隔離された第２のコンパートメントとに分離するような方法で領域内に配設され、ゲート部材が、所定の融点を有する材料を含む、ゲート部材、第１のコンパートメント内に配設された中性子吸収材料、領域内に配設された分散機構、を備え、分散機構は、第１のコンパートメントから第２のコンパートメントへと中性子吸収材料を促すように構造化されている。

材料の所定の融点は、約８００℃であってもよい。

ゲート部材は、電流による作動時に材料を融解するように構造化されている、材料内に埋め込まれたいくつかの加熱器コイルを備え得る。

中性子吸収材料は、相変化材料を含み得る。

相変化材料は、インジウム／カドミウム合金、リチウム、または酸化ホウ素のうちの少なくとも１つを含み得る。

分散機構は、第２のコンパートメント内に配設された多孔性マトリックス構造を備え得る。

第２のコンパートメントは、真空下で保持され得る。

多孔性マトリックス構造は、１つ以上の金属から形成され得る。

多孔性マトリックス構造は、１つ以上のセラミック材料から形成され得る。

中性子吸収材料は、固体材料を含み得る。

分散機構は、第１のコンパートメント内に配設されたいくつかのばねを備え得る。

本システムは、第２のゲート部材であって、第２のゲート部材が領域を、所定の融点を有する別の材料を含む第２のゲート部材によって、第２のコンパートメントから隔離された第３のコンパートメントにさらに分離するような方法で領域内に配設されている、第２のゲート部材と、第１のコンパートメント内に配設された中性子吸収材料と、をさらに備え得る。

本発明の別の態様として、原子炉が提供される。原子炉は、原子核反応を収容するように構造化された炉心と、原子炉を停止させる際に使用するためのシステムと、を備える。本システムは、周囲環境からシールされた内部の領域を画定するハウジング、ゲート部材であって、ゲート部材が領域を、第１のコンパートメントと第１のコンパートメントから隔離された第２のコンパートメントとに分離するような方法で領域内に配設され、ゲート部材が、所定の融点を有する材料を含む、ゲート部材、第１のコンパートメント内に配設された中性子吸収材料、領域内に配設された分散機構、を備え、分散機構は、第１のコンパートメントから第２のコンパートメントへと中性子吸収材料を促すように構造化されており、本システムは、第１のコンパートメントが炉心の外側に位置付けられ、第２のコンパートメントが炉心内に配設されるように、炉心に対して位置付けられる。

本発明のさらに別の態様として、原子炉の炉心内の原子核反応を止める際に使用するためのシステムを提供する方法が提供される。本方法は、原子炉を停止させる際に使用するためのシステムを位置付けることを含み、本システムは、周囲環境からシールされた内部の領域を画定するハウジング、ゲート部材であって、ゲート部材が領域を、第１のコンパートメントと第１のコンパートメントから隔離された第２のコンパートメントとに分離するような方法で領域内に配設され、ゲート部材が、所定の融点を有する材料を含む、ゲート部材、第１のコンパートメント内に配設された中性子吸収材料、および領域内に配設された分散機構、を備え、分散機構は、第１のコンパートメントから第２のコンパートメントへと中性子吸収材料を促すように構造化されており、本システムを位置付けることは、第１のコンパートメントが炉心の外側に位置付けられ、第２のコンパートメントが炉心内に配設されるように、炉心に対してハウジングを位置付けることを含む。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴、ならびに特性は、関連する構造要素の運転方法および機能、ならびに製造上の部品と経済性との組み合わせとともに、同様の参照番号が様々な図の対応する部品を示す添付の図面を参照しながら以下の説明および添付の特許請求の範囲（そのすべてが本明細書の一部を形成する）を検討することにより、より明らかとなるであろう。しかしながら、図面は、例示および説明のみを目的とするものであり、本発明の限定の定義として意図されるものではないことが明示的に理解されるべきである。

本発明のさらなる理解は、添付の図面と併せて読み取られるときに、以下の好ましい実施形態の説明から得ることができる。

原子炉の炉心領域に対して位置付けられて示される本発明の１つの例示的な実施形態による、原子炉を停止させる際に使用するためのシステムの概略立面断面図である。 本発明の１つの例示的な実施形態による、図１に示されるようなシステムを有する炉配置の斜視断面図である。 本発明の別の例示的な実施形態による、原子炉を停止させる際に使用するためのシステムの概略立面断面図である。 図３の線４－４に沿って取られた、図３のシステムの立面端面図である。 図３の線５－５に沿って取られた、図３のシステムの立面断面図である。 一部分が炉運転モードで配設されている状態で示される本発明の１つの例示的な実施形態による、原子炉の炉心に対して位置付けられて示される、図３のシステムの概略図である。 一部分が炉停止モードで配設されている状態で示される本発明の１つの例示的な実施形態による、原子炉の炉心に対して位置付けられて示される、図３のシステムの別の概略図である。

以下の説明では、同様の参照符合は、図面のいくつかの図を通して同様のまたは対応する部品を示す。また、以下の説明において、「前方」、「後方」、「左」、「右」、「上向き」、「下向き」などといった用語は、便宜上の言い回しであり、限定する用語として解釈されるべきではないことが理解されるべきである。

本発明の一実施形態による、１つの例示的な、原子炉を停止させる際に使用するためのシステム４が、原子炉１０の炉心８（破線で概略的に示される）に対して位置付けられて、図１および図２に概略的に示されている。システム４は、中にシステム４が提供される周囲環境からシールされた内部の領域１４を画定するハウジング１２を含む。図１に例示の本発明の例示的な実施形態では、ハウジング１２は概して、管状部材から形成されているが、ハウジング１２は、本発明の範囲と異なることなく、他の形状（複数可）および／または相対的なサイズのものであってもよいことが理解されるべきである。システム４は、第１のゲート部材１６であって、第１のゲート部材１６が領域１４を、システム４が原子炉１０内に設置されているときに炉心８の外側に位置付けられる第１の端部セクション１８と、システム４が原子炉１０内に設置されているときに炉心８内に位置付けられる炉心セクション２０とに分離するような方法で領域１４内に配設される、第１のゲート部材１６をさらに含む。言い換えれば、炉心セクション２０は、第１のゲート部材１６によって第１の端部セクション１８から隔離される。第１のゲート部材１６は、原子炉１０の通常の運転温度を上回るが、炉の材料設計限界を超えない、炉の臨界温度を下回る、所定の融点を有する材料から形成されている。以下のさらなる考察から、かかる配置の重要性が理解されよう。さらに、第１のゲート部材１６は、外側の電源によって提供される電流による作動時に材料を融解するように構造化されている、第１のゲート部材１６の材料内に埋め込まれたいくつかの加熱器コイル２２を含み得る。

任意選択で（以下でさらに考察されるように）、システム４は、第２のゲート部材１６’であって、第２のゲート部材１６’が領域１４を、システム４が原子炉１０内に設置されているときに第１の端部セクション１８に対向する、炉心８の外側に位置付けられる第２の端部セクション１８’にさらに分離するような方法で領域１４内に配設される、第２のゲート部材１６’をさらに含み得る。第２のゲート部材１６’は、原子炉１０の通常の運転温度を上回るが、炉の材料設計限界を超えない、炉の臨界温度を下回る、所定の融点を有する材料から形成されている。さらに、第２のゲート部材１６’は、外側の電源によって提供される電流による作動時に材料を融解するように構造化されている、第２のゲート部材１６’の材料内に埋め込まれたいくつかの加熱器コイル２２を含み得る。

図１を引き続き参照すると、システム４は、第１の端部セクション１８および第２の端部セクション１８’内（すなわち、炉心８の外側）に配設された中性子吸収材料２４と、ハウジング１２の領域１４の炉心セクション２０内（すなわち、炉心８内）に配設された分散機構２６と、をさらに含み、分散機構２６は、第１の端部セクション１８および第２の端部セクション１８’の各々から炉心セクション２０へと中性子吸収材料２４を促すよう構造化されている。図１に示される実施例では、中性子吸収材料２４は、以下でさらに説明されるような方法で第１の端部セクション１８から炉心セクション２０に伝えられて、炉を停止させることができる相変化中性子吸収材料（例えば、限定されるものではないが、インジウム／カドミウム合金、リチウム、または酸化ホウ素）である。かかる実施例では、分散機構２６は、金属（例えば、限定されるものではないが、ステンレス鋼もしくはニオブジルコニウムなど）、または非常に低い中性子吸収断面を有していないセラミック（例えば、限定されるものではないが、グラファイト、酸化ベリリウム、またはアルミナ）のいずれかから作製され得る、多孔性マトリックスである。多孔性マトリックス材料内の空隙が、液体吸着を妨げ得るガスで別様に占有されないことを確実にするために、炉心セクション２０は、ハウジング１２内に画定される真空ポート２８を介して、または任意の他の好適な配置を介して提供されるような、真空下で保持され得る。

このようにシステム４の全般的な配置を説明したので、システム４の運転については、ここでは説明しない。図２に示されるような炉１０の通常の運転温度は、４５０℃を上回る。かかる温度では、中性子吸収材料２４は、既に液体相であることになる。炉オペレータは、加熱器コイル２２に電力を提供して、分散機構２６の多孔性マトリックス内に吸着されることになる第１のゲート部材１６（および／または第２のゲート部材１６’）を融解することによって、システム４を能動的に稼働させ、毛細管力によって多孔性マトリックス内への中性子吸収材料２４のアクセスを可能にすることができる。中性子吸収材料２４が、（炉１０の炉心８内に配設された）システム４の炉心セクション２０に均等に広がると、中性子吸収が起こり、ひいては、炉１０を停止させることになる。

一次冷却材が遮断され、炉１０がまだ運転中である事故シナリオでは、炉心８の温度は、内部に位置付けられたシステム４の炉心セクション２０の温度が上昇するにつれて上昇することになる。炉心セクション２０の温度が増加すると、炉心セクション２０からの熱により、第１のゲート部材１６（および／または第２のゲート部材１６’）が融解し、分散機構２６の多孔性マトリックス内に吸着され、毛細管力によって多孔性マトリックス内への中性子吸収材料２４のアクセスを可能にすることになる。中性子吸収材料２４が、（炉１０の炉心８内に配設された）システム４の炉心セクション２０に均等に広がると、中性子吸収が起こり、ひいては、炉１０を停止させることになる。したがって、システム４は、炉１０の温度が所定の運転限界（すなわち、ゲート部材（複数可）１６および／または１６’の融点）を超えた緊急事態の場合に受動的に稼働させることになる。

端部セクション１８または１８’のうちの単一のものと、内部に収められた中性子吸収材料２４との配置は、炉１０を停止させるのに十分であるが、かかるセクションのうちの２つを使用すること（空間が利用可能な場合）は、冗長性、ひいては、なおもさらなる炉の安全性を提供することが理解されるべきである。

本発明の例示的な実施形態では、熱は、（ｉ）ナトリウムなどの相変化流体を使用して熱を広げるヒートパイプもしくは熱サイフォン（任意のサイズの炉に利用され得る）、または（ｉｉ）固体導電性の管もしくはシェル（小型炉に適用可能）のいずれかであってもよい、統合されたヒートスプレッダ（概して２７として示される）の使用により、中性子吸収材料２４が存在するハウジング１２内の第１の端部セクション１８および第２の端部セクション１８’のうちの一方または両方に伝えられ得る。一般的に知られているようなヒートパイプおよび熱サイフォンの配置を用いることができる。典型的には、両方の配置は、一方の端部から別の端部に熱を伝える。図１および図２の実施例では、熱は、炉心８からハウジング１２の領域１４に、そしてシステム４の第１の端部セクション１８および第２の端部セクション１８’へと外に伝えられる。

ヒートパイプが用いられる場合、炉心セクション２０が特定の設計温度を上回ると、ナトリウムが融解し、比較的より冷たいシステム４の第１の端部セクション１８および第２の端部セクション１８’へと急速に流れる。次いで、熱は、ゲート１６および１６’を融解し、ここで液体状態にある中性子吸収材料２４が炉心セクション２０へと流れることを可能にする。熱が中性子吸収材料に、任意選択で、導電性フィン２８を介して伝えられると、ヒートスプレッダ内のナトリウムが凝縮し、ヒートパイプ（水平炉に適用可能）内のヒートスプレッダウィックの毛細管作用、または熱サイフォン（垂直炉に適用可能）内の重力によって受動的に炉心セクション２０へと再び輸送される。ヒートスプレッダは、全長にわたってデバイスの等温温度を維持する。

ここで図３～図７を参照して、本発明の別の実施形態による、原子炉を停止させる際に使用するためのシステム１０４の別の実施例を説明する。システム１０４の基本的な配置（すなわち、ハウジング１１２、領域１１４、第１の端部セクション１１８、第２の端部セクション１１８’（任意選択）、炉心セクション１２０、ゲート部材（複数可）１１６、１１６’、および発熱体（複数可）１２２）は概して、前述のシステム４のものと同じであり、それゆえ、本明細書ではさらに詳細に説明しない。システム１０４は、中性子吸収材料、およびしたがって用いられる分散機構の両方においてシステム４とは異なる。多孔性マトリックスの形態の分散機構２６によって液体相で分散される中性子吸収材料２４の代わりに、システム１０４は、固体中性子吸収材料１２４（例えば、限定されるものではないが、ホウ素カーバイド、ガドリニウムで被覆されたホウ素カーバイド、純ガドリニウム）を利用する。図３～図７に示される実施例では、中性子吸収材料１２４は、単一の固体円筒状の棒の形態であるが、中性子吸収材料は、本発明の範囲と異なることなく、他の幾何学形状、サイズ、または量（例えば、多様な要素）のものであってもよいことが理解されるべきである。中性子吸収材料１２４は、ハウジング１１２の領域１１４の端部セクション１１８内に配設された分散機構１２６によって端部セクション１１８から排出される。ウィッキング効果を利用して、概して、システム４の炉心セクション２０に液体中性子吸収材料２４を引き込むシステム４の分散機構２６とは異なり、システム１０４の分散機構１２６は、物理的な力Ｆを利用して、第１の端部セクション１１８から炉心セクション１２０に中性子吸収材料を排出する。かかる物理的な力Ｆは、任意の好適な配置を介して提供され得る。図３～図５に例示される例示的な実施形態では、物理的な力Ｆは、いくつかのばね１３０を介して提供される。より具体的には、図３～図５に例示される例示的な実施形態では、物理的な力Ｆは、４つの隔置されたスタックで配置された合計１２個のばね１３０を介して各端部セクション１１８に提供されており、各スタックは、間に位置付けられた位置合わせプレート１３２で端から端まで積み重ねられた３つのばね１３０を有する。

システム１０４の全般的な運転は、先に考察したシステム４のもの同様である。図６に示されるように、炉の通常の運転温度の間、固体中性子吸収材料１２４は、ゲート部材（複数可）１１６を介して端部セクション（複数可）１１８に収められることになる。炉のオペレータは、ゲート部材（複数可）１１６の加熱器コイル１２２に電力を提供してゲート部材（複数可）１１６を融解することによって、システム１０４を能動的に稼働させることができる。図７に示されるように、ゲート部材（複数可）１１６が十分な程度に融解すると、固体中性子吸収材料１２４は、分散機構１２６によって提供される物理的な力Ｆによって、（炉心８内に配設された）炉心セクション１２０内に排出される。炉心セクション１２０に入ると、固体中性子吸収材料１２４は、炉心８内に存在する中性子を吸収し、それに伴って、炉１０を停止させることになる。

一次冷却材が遮断され、炉１０がまだ運転中である事故シナリオでは、炉心の温度は、内部に位置付けられたシステム１０４の炉心セクション１２０の温度が上昇するにつれて上昇することになる。かかる熱により、ゲート（複数可）１１６が融解し、固体中性子吸収材料１２４が端部セクション（複数可）１１８から炉心セクション１２０に吐出されることを可能にし、それに伴って、炉１０を停止させる。したがって、システム１０４は、受動的な稼働を提供する。

前述の実施例から、本発明の実施形態は、能動的に運転することができるか、または受動的に作動することができる停止システムを提供することが理解されるべきである。本明細書に記載の受動的なシステムは、概して単純であり、冷却材のタイプ、炉の設計、向きなどに関係なく、マイクロ炉およびより大きな炉（数百メガワット）の両方で使用するようにスケール付けされ得る。ゲートを形成する材料は、炉の設計、およびオペレータの介入を伴わずに炉を停止させる必要がある設定点温度に基づいて選ばれる。例えば、ステンレス鋼３１６モノリス炉心を有するナトリウムヒートパイプマイクロ炉では、炉の停止は、約８００℃で開始されるべきである。したがって、青銅、黄銅、またはアルミニウム合金から形成されたゲートが、概して好適である。

本発明の特定の実施形態が詳細に記載されているが、当業者であれば、本開示の全体的な教示に照らして、これらの詳細に対する様々な修正例および代替が開発され得ることを理解されよう。したがって、開示される特定の実施形態は、例示のみを目的とするものであり、添付の特許請求の範囲ならびにこれらのいずれかおよびすべての均等物の全容が与えられる本発明の範囲に関して限定ものではない。

Claims (14)

1. 原子炉を停止させる際に使用するためのシステムであって、
   前記システムが、
   周囲環境からシールされた内部の領域を画定するハウジングと、
   ゲート部材であって、前記ゲート部材が前記領域を、第１のコンパートメントと前記第１のコンパートメントから隔離された第２のコンパートメントとに分離するような方法で前記領域内に配設され、前記ゲート部材が、所定の融点を有する材料を含む、ゲート部材と、
   前記第１のコンパートメント内に配設された中性子吸収材料と、
   前記領域内に配設された分散機構と、
   を備え、
   前記分散機構が、前記第１のコンパートメントから前記第２のコンパートメントへと前記中性子吸収材料を促すように構造化されており、
   前記分散機構が、前記第２のコンパートメント内に配設された多孔性マトリックス構造を備える、システム。
2. 前記材料の前記所定の融点が、約８００℃である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ゲート部材が、電流による作動時に前記材料を融解するように構造化されている、前記材料内に埋め込まれたいくつかの加熱器コイルを備える、請求項１に記載のシステム。
4. 前記中性子吸収材料が、相変化材料を含む、請求項１に記載のシステム。
5. 前記相変化材料が、インジウム／カドミウム合金、リチウム、または酸化ホウ素のうちの少なくとも１つを含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第２のコンパートメントが、真空下で保持される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記多孔性マトリックス構造が、１つ以上の金属から形成されている、請求項１に記載のシステム。
8. 前記多孔性マトリックス構造が、１つ以上のセラミック材料から形成されている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記中性子吸収材料が、固体材料を含む、請求項１に記載のシステム。
10. 前記分散機構が、前記第１のコンパートメント内に配設されたいくつかのばねを備える、請求項９に記載のシステム。
11. 第２のゲート部材であって、前記ゲート部材の材料とは異なり、所定の融点を有する別の材料を含む前記第２のゲート部材が、前記領域を前記第２のコンパートメントから隔離された第３のコンパートメントにさらに分離するような方法で前記領域内に配設されている、第２のゲート部材と、
    をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
12. 原子炉であって、
    原子核反応を収容するように構造化された炉心と、
    前記原子炉を停止させる際に使用するためのシステムと、を備え、前記システムが、
    周囲環境からシールされた内部の領域を画定するハウジング、
    ゲート部材であって、前記ゲート部材が前記領域を、第１のコンパートメントと前記第１のコンパートメントから隔離された第２のコンパートメントとに分離するような方法で前記領域内に配設され、前記ゲート部材が、所定の融点を有する材料を含む、ゲート部材と、
    前記第１のコンパートメント内に配設された中性子吸収材料、および
    前記領域内に配設された分散機構、
    を備え、
    前記分散機構が、前記第１のコンパートメントから前記第２のコンパートメントへと前記中性子吸収材料を促すように構造化されており、
    前記システムは、前記第１のコンパートメントが前記炉心の外側に位置付けられ、前記第２のコンパートメントが前記炉心内に配設されるように、前記炉心に対して位置付けられており、
    前記分散機構が、前記第２のコンパートメント内に配設された多孔性マトリックス構造を備える、原子炉。
13. 原子炉の炉心内の原子核反応を止める際に使用するためのシステムを提供する方法であって、
    前記方法が、前記原子炉を停止させる際に使用するための前記システムを位置付けることを含み、
    前記システムが、周囲環境からシールされた内部の領域を画定するハウジング、
    前記領域を、第１のコンパートメントと前記第１のコンパートメントから隔離された第２のコンパートメントとに分離するような方法で前記領域内に配設され、所定の融点を有する材料を含む、ゲート部材、
    前記第１のコンパートメント内に配設された中性子吸収材料、および
    前記領域内に配設された分散機構、
    を備え、
    前記分散機構が、前記第１のコンパートメントから前記第２のコンパートメントへと前記中性子吸収材料を促すように構造化され、前記第２のコンパートメント内に配設された多孔性マトリックス構造を備えており、
    前記システムを位置付けることは、前記第１のコンパートメントが前記炉心の外側に位置付けられ、前記第２のコンパートメントが前記炉心内に配設されるように、前記炉心に対して前記ハウジングを位置付けること、を含む、方法。
14. 前記システムは、前記第１のコンパートメントが前記原子炉の炉心の外側に位置付けられ、前記第２のコンパートメントが前記炉心内に配設されるように、前記炉心に対して位置付けられている、請求項１に記載のシステム。

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