特表 2023-538046 原子炉用の熱交換器構成

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-09-06

(54)【発明の名称】原子炉用の熱交換器構成

(51)【国際特許分類】

   G21D 1/00 20060101AFI20230830BHJP

   G21C 1/02 20060101ALI20230830BHJP

   F28D 9/02 20060101ALI20230830BHJP

   F28F 11/00 20060101ALI20230830BHJP

【ＦＩ】

G21D1/00 Q

G21D1/00 S

G21C1/02 230

F28D9/02

F28F11/00 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023511816

(86)(22)【出願日】2021-04-09

(85)【翻訳文提出日】2023-04-14

(86)【国際出願番号】 US2021026733

(87)【国際公開番号】W WO2022039795

(87)【国際公開日】2022-02-24

(31)【優先権主張番号】63/066,788

(32)【優先日】2020-08-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】513313945

【氏名又は名称】テラパワー， エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】フリーマン，チャールズ グレゴリー

(72)【発明者】

【氏名】ヘイツラー，パヴェル

(72)【発明者】

【氏名】カネコ，カレン

(72)【発明者】

【氏名】ルーコフ，デビッド エム．

(72)【発明者】

【氏名】マーティン，クリストファー エー．

(72)【発明者】

【氏名】ピアース，ダニエル エル．

(72)【発明者】

【氏名】リオルダン，トーマス イー．

(72)【発明者】

【氏名】ワーナー，マーク アール．

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA42

3L103BB08

3L103CC40

(57)【要約】

原子炉は、一次原子炉冷却材から二次冷却材に熱エネルギーを伝達する熱交換器を含む。前記熱交換器は、小型プレート式熱交換器である。２以上の熱交換器が、前記原子炉容器の周りにおいて、離隔して配置されてもよい。複数の熱交換器は、前記原子炉容器の周りにおいて、垂直方向に、半径方向に、および／または周方向に離隔して配置されてもよい。第１熱交換器は、第２熱交換器と流体連通してもよい。２以上の熱交換器が、熱負荷を共有してもよく、したがって熱応力を共有してもよい。前記熱交換器は、第３流体流路および第３流体を有してもよい。前記第３流体は、核分裂生成物を除去するために使用されてもよく、漏れ検出のために使用されてもよく、放射化生成物の移動が阻害されるように酸化層を生成してもよく、および／または、追加の熱伝達を提供するために使用されてもよい。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子炉用のプレート式熱交換器であって、
複数のプレートと、
第１流体入口と、
第１流体出口と、
前記第１流体入口と前記第１流体出口との間を連通する第１流体通路であって、複数の案内チャネルとして複数の前記プレートに形成された第１流体通路と、
第２流体入口と、
第２流体出口と、
前記第２流体入口と前記第２流体出口との間を連通し、複数の第２案内チャネルとして複数の前記プレートに形成された第２流体通路であって、前記第１流体通路から流体的に分離された第２流体通路と、
を備える、プレート式熱交換器。

【請求項2】

第３流体入口と、
第３流体出口と、
前記第３流体入口と前記第３流体出口との間を連通する第３流体通路であって、前記第１流体通路および前記第２流体通路から流体的に分離された第３流体通路と、
をさらに備え、
前記第３流体通路は、熱エネルギー伝達以外の目的のために構成されている、請求項１に記載のプレート式熱交換器。

【請求項3】

第３流体通路は、第１流体および第２流体とは異なる第３流体を受け入れるように構成されている、請求項２に記載のプレート式熱交換器。

【請求項4】

前記第３流体は、前記第１流体の漏れ検出、前記第２流体の漏れ検出、または、前記第１流体の漏れ検出と前記第２流体の漏れ検出との両方のために用いられる、請求項３に記載のプレート式熱交換器。

【請求項5】

前記第３流体は、前記第３流体通路内に酸化層を生成するために用いられる、請求項３に記載のプレート式熱交換器。

【請求項6】

前記第３流体は、核分裂生成物または放射化生成物を捕捉するために用いられる、請求項３に記載のプレート式熱交換器。

【請求項7】

前記第３流体は、トリチウムを捕捉する、請求項６に記載のプレート式熱交換器。

【請求項8】

前記第３流体は、水素、ヘリウム、またはＣＯ_２である、請求項３に記載のプレート式熱交換器。

【請求項9】

前記第１流体入口と前記第１流体出口とは、前記プレート式熱交換器の同じ側に形成されている、請求項１に記載のプレート式熱交換器。

【請求項10】

前記第１流体入口および前記第１流体出口に結合された同軸導管をさらに備え、
前記同軸導管は、内側流体導管および外側流体導管を定めており、
前記内側流体導管は、前記第１流体入口および前記第１流体出口のうちの一方に流体的に結合されており、
前記外側流体導管は、前記第１流体入口および前記第１流体出口のうちの他方に流体的に結合されている、請求項９に記載のプレート式熱交換器。

【請求項11】

前記第１流体通路内における第１流体と、
前記第２流体通路内における第２流体と、
をさらに備える、請求項１に記載のプレート式熱交換器。

【請求項12】

前記第１流体は、ナトリウムである、請求項１１に記載のプレート式熱交換器。

【請求項13】

前記第２流体は、溶融塩である、請求項１１に記載のプレート式熱交換器。

【請求項14】

前記プレート式熱交換器は、第１プレート式熱交換器であり、
前記第１プレート式熱交換器に流体的に結合された第２プレート式熱交換器をさらに備える、請求項１に記載のプレート式熱交換器。

【請求項15】

前記第１プレート式熱交換器の前記第１流体出口は、前記第２プレート式熱交換器の第１流体入口と流体連通している、請求項１４に記載のプレート式熱交換器。

【請求項16】

前記プレート式熱交換器は、第１プレート式熱交換器であり、
協働して原子炉の熱負荷を扱うように構成された複数の熱交換器をさらに備える、請求項１に記載のプレート式熱交換器。

【請求項17】

複数の前記熱交換器のうちの少なくとも一部の熱交換器は、流体ヘッダによって流体連通している、請求項１６に記載のプレート式熱交換器。

【請求項18】

複数の前記熱交換器のうちの少なくとも一部の熱交換器は、直列に配管されている、請求項１６に記載のプレート式熱交換器。

【請求項19】

複数の前記熱交換器のうちの少なくとも一部の熱交換器は、並列に配管されている、請求項１６に記載のプレート式熱交換器。

【請求項20】

原子炉の熱交換器内の原子炉冷却材から核分裂生成物または放射化生成物を除去するための方法であって、
原子炉容器内にプレート式熱交換器を配置する工程と、
一次冷却材に、前記プレート式熱交換器の第１流体通路を通過させる工程と、
二次冷却材に、前記プレート式熱交換器の第２流体通路を通過させる工程と、
前記核分裂生成物または前記放射化生成物を引き寄せるように選択された第３流体に、前記プレート式熱交換器の第３流体通路を通過させる工程と、
前記核分裂生成物または前記放射化生成物を、前記プレート式熱交換器から前記第３流体により除去する工程と、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【発明の詳細な説明】

【0001】

〔関連出願の相互参照〕
本出願は、２０２０年８月１７日に出願された「ＨＥＡＴ ＥＸＣＨＡＮＧＥＲ ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＮＵＣＬＥＡＲ ＲＥＡＣＴＯＲ」という名称の米国仮特許出願第６３／０６６，７８８号の米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく利益を主張するものである。その内容全体が、参照によって本明細書に援用される。

【0002】

〔背景〕
熱交換器は、運転中の原子炉の炉心から二次流体への熱エネルギー伝達を可能にする装置である。熱エネルギーは二次流体に受け取られ、有用な目的に利用される。一部の場合において、熱エネルギーは、蒸気の発生に利用される。発生した蒸気は、例えば蒸気タービンを通じて、発電に利用される。

【0003】

多くの場合において、熱交換器はかなり大きく、原子炉の原子炉容器内のかなりの空間を占める。多くの場合において、熱交換器は、原子炉を設計する際の主要な設計因子であり、大部分において、原子炉容器の全高を決定し、結果として、格納構造物および他の構成要素の全体的なサイズに影響を及ぼす。

【0004】

さらに、大きな熱交換器は、必然的に、その流路の一部を炉心近傍に有し得る。炉心近傍において、当該熱交換器は、相対的に高い中性子放射線を受ける。熱交換器とその流路との遮蔽には、コスト、複雑さ、および原子炉容器内に設置する必要のある構成要素の数の増大が伴う。

【0005】

熱交換器内を循環する流体に応じて、この問題は悪化する。例えば、ナトリウム冷却高速炉では、一次冷却材は、ナトリウムであり、一次冷却材から熱エネルギーを受け取る二次流体もまた、ナトリウムであり得る。二次冷却材としてナトリウムを選択することは、その熱伝導率のため、熱交換器に関する設計上の諸決定のうちの多くの決定の決定要因となる。熱伝導率がより小さい二次冷却材を用いる原子炉では、熱交換器を大型化することが必要となり得る。例えば、一次冷却材としてナトリウムを使用し、二次冷却材として溶融塩を使用する原子炉では、熱交換器は必然的に、ナトリウム／ナトリウム熱交換器よりも実質的に大きなものとなる。これは主に、冷却材溶融塩の伝導率のオーダーが、ナトリウムの伝導率のオーダーよりも１００倍低いためである。結果として、一部の場合において、ナトリウム／塩熱交換器の高さは、同様の熱エネルギー伝達を提供するナトリウム／ナトリウム熱交換器の高さの２倍を超える。

【0006】

過去を振り返ると、結果的な熱交換器の必要とされるサイズによって、一次熱交換器に利用可能な冷却材が制限される場合がある。さらに、典型的な熱交換器のサイズは、少なくとも部分的に、原子炉容器の高さの決定要因となる。一次冷却材および二次冷却材の選択に関してより多くのフレキシビリティを有し、さらに原子炉容器内における１または複数の熱交換器の配置に関して複数の選択肢を有しつつ、その過程で原子炉容器の全体的なサイズを低減することができれば、当技術分野において顕著な利点となるだろう。これらの利点およびその他の利点は、以下の説明および添付の図面を参照することによって、明白になるだろう。

【0007】

〔概要〕
一部の実施形態によれば、原子炉用のプレート式熱交換器は、複数のプレート；第１流体入口と、第１流体出口と、前記第１流体入口と前記第１流体出口との間を連通する第１流体通路であって、複数の案内チャネルとして複数の前記プレートに形成された第１流体通路；および、第２流体入口と、第２流体出口と、前記第２流体入口と前記第２流体出口との間を連通し、複数の第２案内チャネルとして複数の前記プレートに形成された第２流体通路であって、前記第１流体通路から流体的に分離された第２流体通路を備える。

【0008】

一部の実施例では、当該プレート式熱交換器は、第３流体入口と、第３流体出口と、前記第３流体入口と前記第３流体出口との間を連通する第３流体通路であって、前記第１流体通路および前記第２流体通路から流体的に分離された第３流体通路と、をさらに備える。前記第３流体通路は、熱エネルギー伝達以外の目的のために構成されてもよい。

【0009】

例えば、第３流体通路は、第１流体および第２流体とは異なる第３流体を受け入れるように構成されてもよく、前記第１流体の漏れ検出、前記第２流体の漏れ検出、または、前記第１流体の漏れ検出と前記第２流体の漏れ検出との両方のために用いられてもよい。任意選択的に、前記第３流体は、前記第３流体通路内に酸化層（oxidation layer）を生成するために用いられてもよい。一部の場合において、第３流体は、核分裂生成物または放射化生成物（例えば、トリチウム）を捕捉するために用いられてもよい。

【0010】

一部の実施例によれば、前記第１流体入口と前記第１流体出口とは、前記プレート式熱交換器の同じ側に形成されていてもよい。一部の場合において、同軸導管が、前記第１流体入口および前記第１流体出口に結合されており、前記同軸導管は、内側流体導管および外側流体導管を定めており、前記内側流体導管は、前記第１流体入口および前記第１流体出口のうちの一方に流体的に結合されており、前記外側流体導管は、前記第１流体入口および前記第１流体出口のうちの他方に流体的に結合されている。

【0011】

前記第３流体は、水素、ヘリウム、ＣＯ２、またはこれらの組合せであってもよい。

【0012】

一部の実施形態において、第１流体が、前記第１流体通路内にあり、第２流体が、前記第２流体通路内にある。前記第１流体と前記第２流体とは異なる流体であってもよく、一部の場合において、前記第１流体と前記第２流体とは同じ流体であってもよい。前記第１流体は、ナトリウムであってもよく、一部の場合において、前記第２流体は、溶融塩であってもよい。

【0013】

一部の例では、前記プレート式熱交換器は、第１プレート式熱交換器であり、第２プレート式熱交換器が、前記第１プレート式熱交換器に流体的に結合されていてもよい。例えば、２以上の熱交換器（例えば、２個、３個、４個、６個、８個、またはそれ以上の数の熱交換器）が互いに流体的に結合された、複数の熱交換器のアレイが設けられてもよい。

【0014】

一部の場合において、前記第１プレート式熱交換器の前記第１流体出口は、前記第２プレート式熱交換器の第１流体入口と流体連通している。複数の熱交換器が、協働して原子炉の熱負荷（heat load）を扱うように構成されてもよい。

【0015】

一部の実施例では、複数の前記熱交換器のうちの少なくとも一部の熱交換器は、流体ヘッダによって流体連通している。言い換えれば、流体ヘッダは、共通の源から複数の前記熱交換器のうちの一部の熱交換器へ、流体を送達し得る。

【0016】

一部の場合において、複数の前記熱交換器のうちの少なくとも一部の熱交換器は、直列に配管されている。一部の場合において、複数の前記熱交換器のうちの少なくとも一部の熱交換器は、並列に配管されている。例えば、複数の前記熱交換器のうちの一部の熱交換器が、直列に配管されていてもよく、複数の前記熱交換器のうちの他の熱交換器が、並列に配管されていてもよい。一部の場合において、複数の熱交換器の第１グループを直列に配管する一方、複数の熱交換器の別のグループを並列に配管してもよい。一部の場合において、これらの２つのグループは、互いに流体連通するように配管されている。

【0017】

一部の実施形態による、原子炉の熱交換器内の原子炉冷却材から核分裂生成物または放射化生成物を除去するための方法であって、原子炉容器内にプレート式熱交換器を配置する工程と、一次冷却材に、前記プレート式熱交換器の第１流体通路を通過させる工程と、二次冷却材に、前記プレート式熱交換器の第２流体通路を通過させる工程と、前記核分裂生成物または前記放射化生成物を引き寄せるように選択された第３流体に、前記プレート式熱交換器の第３流体通路を通過させる工程と、前記核分裂生成物または前記放射化生成物を、前記プレート式熱交換器から前記第３流体により除去する工程と、を含む方法。

【0018】

〔図面の簡単な説明〕
詳細な説明において、添付の図面を参照して説明がなされる。図面においては、参照番号の最も左側の（１つ以上の）数字によって、その参照番号が最初に現れる図が識別される。異なる図における同じ参照番号の使用は、同様または同一の構成要素または特徴を示す。

【0019】

図１Ａは、一部の実施形態による、高温流体から低温流体へ熱エネルギーを伝達するためのプレート式熱交換器の模式図である。

【0020】

図１Ｂは、一部の実施形態による、同軸の入口および出口を有するプレート式熱交換器の模式図である。

【0021】

図２ａは、一部の実施形態による、シェルアンドチューブ式熱交換器を有するナトリウム冷却高速炉の模式図である。

【0022】

図２Ｂは、一部の実施形態による、プレート式熱交換器を有するナトリウム冷却高速炉の模式図である。

【0023】

図３Ａは、一部の実施形態による、インライン構成を有するプレート式熱交換器の図である。

【0024】

図３Ｂは、一部の実施形態による、図３Ａのプレート式熱交換器の断面図である。

【0025】

図４Ｂは、一部の実施形態による、ラテラル構成を有するプレート式熱交換器の図である。

【0026】

図４Ｂは、一部の実施形態による、図４Ａのプレート式熱交換器の断面図である。

【0027】

図５は、一部の実施形態による、ヘッダに結合された複数の熱交換器コアの一構成を示す。

【0028】

図６は、一部の実施形態による、配管によってヘッダに結合された複数の熱交換器コアの一構成を示す。

【0029】

図７は、一部の実施形態による、円弧状に配置された複数の熱交換器コアを示す。

【0030】

図８は、一部の実施形態による、積重ね構成において配置された複数の熱交換器コアを示す。

【0031】

図９は、一部の実施形態による、原子炉容器の一部分の周りに周方向に配置された複数の熱交換器コアを示す。

【0032】

図１０は、一部の実施形態による、列および行に配置され、かつ原子炉容器の内壁に沿って延びるように構成された、複数の熱交換器コアを示す。

【0033】

図１１は、一部の実施形態による、配管によってヘッダと流体連通する、垂直線に対してある角度で配置された複数の熱交換器コアを示す。

【0034】

図１２は、一部の実施形態による、原子炉容器内の複数の熱交換器コアの構成の例示的な配置を示す。

【0035】

〔詳細な説明〕
本開示は概して、原子炉用の熱交換器装置に関する。また、本開示は、原子炉容器全体にわたる複数の熱交換器の構成および位置に関する。一部の場合において、当該熱交換器によって、使用される熱交換器の配置、向きおよび数をフレキシブルにすることができる。さらに、記載された熱交換器に関して、より多様な二次冷却材が使用されてもよく、一部の場合において、１または複数の熱交換器を通る第３流体通路が設けられ得る。

【0036】

一部の実施形態において、小型熱交換器（compact heat exchanger）が、原子炉の原子炉容器内に設けられ、炉心内の一次冷却材から二次冷却材へ、熱を伝達する。一部の場合において、熱交換器は、ナトリウムから塩へ、熱エネルギーを伝達する。例えば、ナトリウム冷却高速炉（「ＳＦＲ（sodium-cooled fast reactor）」）では、原子炉容器内の一次冷却材として、ナトリウムが使用され得る。自然循環か、１もしくは複数の循環ポンプか、または複数の循環方式の組合せかのいずれかを通じてナトリウムが原子炉容器全体を循環するとき、反応性の高い領域に対してより近接したナトリウムが、熱エネルギーを受け取り、加熱されることになる。加熱されたナトリウムは熱交換器を通って流れるようにされてもよく、当該熱交換器において、熱エネルギーが、一次ナトリウム冷却材から二次冷却材へ伝達される。一部の場合において、当該二次冷却材は、ナトリウム、塩、または他の何らかの二次冷却材である。

【0037】

一次冷却材（例えば、ナトリウム）から二次冷却材（一部の場合において、溶融塩であってもよい）へ熱エネルギーを伝達するために、プレート式熱交換器が使用されてもよい。一部の場合において、プレート式熱交換器は、２つの入口および２つの出口を有してもよい。例えば、プレート式熱交換器は、ナトリウムのための入口および出口と、塩のための入口および出口と、を有してもよい。これらの液体のための流路は、熱交換器のそれぞれのプレート内のチャネルによって定められ得、これらのプレートは、これらの液体を分離した状態に保ち、高温流体から低温流体へと熱エネルギーを伝導する熱連通状態にあり得る。

【0038】

一部の場合において、第３入口および第３出口が設けられてもよく、第３流体流路は、熱交換器内の１または複数のプレートによって定められている。第３流体は、複数の目的のうちのいずれかの目的のために設けられてもよい。例えば、第３流体は、追加の熱伝達のために、高温流体もしくは低温流体のいずれかの流体の熱交換器における漏れを検出するために、核分裂生成物もしくは放射化生成物（例えば、トリチウム）を除去するために、または他の何らかの目的のために、提供されてもよい。一部の場合において、水素が、熱交換器内の第３流体として使用されてもよい。一部の場合において、ＣＯ２が、熱交換器内の第３流体として使用されてもよい。一部の場合において、ヘリウムが、熱交換器内の第３流体として使用されてもよい。

【0039】

いずれの場合においても、第３流体は、漏れ検出のために使用されてもよい。例えば、１または複数の検出器が、熱交換器の下流にある第３流体流上に配置されてもよく、第３流体は、熱交換器に入る前には第３流体中に存在していなかった１または複数の物質の含有に関して、検査されてもよい。例えば、第３流体が熱交換器を通過した後に、当該第３流体を塩に関して検査することができる。第３流体中の塩の存在は、（それが液体形態であろうと気体形態であろうと、）熱交換器内における塩漏れの指標となる。

【0040】

追加的または代替的に、熱交換器内の第３流体は、核分裂生成物および放射化生成物を引き寄せるために使用されてもよい。例えば、第３流体（例えば、ヘリウム、水素等）は、トリチウムを軽減する第３流体として使用されてもよい。第３流体は、核分裂生成物または放射化生成物が冷却材塩よりもむしろ当該第３流体に対してより高い親和性（affinity）を有するように、選択および／または構成されてもよい。この結果、熱交換器内に第３流体が存在しない場合と比較して、塩等の冷却材流体のトリチウム捕捉量が低減する。

【0041】

一部の場合において、熱交換器内の第３流体は、熱交換器内に酸化層を形成するために用いられてもよい。後述するように、酸化層は、トリチウムの侵入（penetration）を低減することが示されている。一例として、ナトリウム／塩熱交換器では、ナトリウム流路については、流路内に顕著な酸化層を有することはないだろうが、塩流路については、測定可能な酸化層を形成し得る。これにより、トリチウムの侵入が、ある程度低減する。酸化層を生じるように構成された第３流体を導入することによって、酸化層がない場合と比較して、トリチウムの侵入は、劇的に影響を受け、低減し得る。

【0042】

例えば、ＣＯ_２等の第３流体に、熱交換器を通る第３流体通路を通過させて、熱交換器内の表面上に酸化層を意図的に形成してもよい。本明細書に記載された通り、第３流体は、漏れ検出等の他の目的のために、さらに使用されてもよい。一部の場合において、ＣＯ_２等の第３流体に、第３流体通路を通過させてもよく、次いで、第４流体を、当該第３流体通路を通過させてもよい。例えば、ＣＯ_２が第３流体通路を通って流れてもよく、その後、別の時に、ヘリウムに第３流体通路を通過させてもよい。このように、第３流体通路は、複数の目的のために用いられてもよい。例えば、第３流体通路は、酸化層の形成、核分裂生成物または放射化生成物の捕捉、追加的な熱伝達の提供、漏れ検出のための利用、または、他の何らかの目的に使用されてもよいが、これらに限定されるものではない。熱交換器内において捕捉され得る、かかる放射化生成物の１つとして、トリチウムがある。

【0043】

すべての原子炉において、トリチウムは、炉心（燃料および他の炉心構成要素）における核反応によって、および、減速材／冷却材における核反応によって、生成される。トリチウム原子は、移動性が非常に高く、被覆およびその他の金属障壁を通過して拡散することができる。トリチウム原子は、「トラップ（trap）」され規制放射性廃棄物として処分されない限り、環境へ放出され得る。ＬＷＲ（軽水型原子炉（Light Water Reactor））におけるトリチウム生成とＳＦＲにおけるトリチウム生成とは同様である。しかしながら、放出比（放出トリチウム／生成トリチウム）は、２つの原子炉タイプに関して明確に異なっている。ＬＷＲから環境中に放出されるトリチウムの量は、ＳＦＲから環境中に放出されるトリチウムの量よりも、著しく多い。

【0044】

一部の場合において、ナトリウムシステムコールドトラップが、環境へのトリチウム放出を制御するために用いられる。コールドトラップは、コールドトラップ効率（一部の場合において、約７０％であってもよい）のために、低い入口温度（例えば、約１１５℃）で動作させてもよい。蒸気発生器の有無にかかわらず、ナトリウム冷却高速炉では、通常、一次コールドトラップおよび二次コールドトラップにおける高いトラップ効率を維持し、環境へのトリチウム放出を規制限界未満に保つのに十分な^１Ｈが、一次ナトリウムにおける（ｎ，ｐ）反応によって生成され得る。

【0045】

ナトリウムシステムの配管および構成要素の金属表面上における酸化によって、最大で約８８の係数だけ、金属障壁を通るトリチウムの拡散速度（diffusion rate）が低減し得る。一部の場合において、液体ナトリウムとの接触状態にある金属表面は、ナトリウムが酸素を捕集するため、酸化物コーティングをほとんど有しておらず、そのため、通常は、空気に曝された表面にのみ、酸化物コーティングが発達することとなる。

【0046】

混合酸化物燃料（mixed oxide fuel：ＭＯＸ）または三元合金金属燃料（ternary alloy metal fuel）を使用するＳＦＲの場合、三体核分裂生成によるトリチウム生成は、１６．９ｍＣｉ／ＭＷＤのオーダーである。ＴＷＲが二元合金金属燃料を使用する一部の場合において、トリチウムの三体核分裂生成率（ternary fission production rate）は、約１３．６ｍＣｉ／ＭＷＤである。Ｕ－２３５に関するトリチウム量が、Ｐｕ－２３９に関するトリチウム量の値の７６％だからである。

【0047】

トリチウムは、移動性が高く、ほとんどの金属障壁を通過して拡散する。したがって、多くの場合において、一部のトリチウムは、通常のプラント運転中に、炉心から一般的な環境中へ放出されることとなる。また、トリチウムは、事故に関連する放射性物質のソースタームを評価する際に重要な放射性同位体である。トリチウムは、燃料内の三体核分裂と、制御棒および半径方向遮蔽材内のホウ素（Ｂ）における中性子捕捉により、炉心内で生成される。

【0048】

燃料内またはＢ_４Ｃ吸収材中で生成されたトリチウム原子は、通常、ピン被覆を通じて一次ナトリウム内へ拡散する。トリチウム原子は、一次ナトリウムにおいて、ナトリウムと化学反応して、Ｎａ^３Ｈ（ナトリウムトリチド（sodium tritide））を形成する。多くの場合において、Ｎａ^３Ｈの大部分は、一次ナトリウムループの壁を通って複数の不活性セルのうちの１つの不活性セル内へ拡散し得る前に、一次コールドトラップ内においてトラップされ得る。また、一部のトリチウムは、Ｉ熱交換器（中間（intermediate）熱交換器）配管を通って３つの二次ループのうちの１つの二次ループ内へ拡散する傾向があり得る。当該一部のトリチウムは、そこでナトリウムと反応して、Ｎａ^３Ｈを形成し得る。当該Ｎａ^３Ｈは、二次コールドトラップ内においてトラップされ得る。

【0049】

「二次コールドトラップ（secondary cold trap）」に捕捉されないトリチウムは、二次ナトリウムループ配管の壁を通って格納構造物の外側の管路内へ拡散し得、ダンプ（dump）熱交換器（Ｄ熱交換器）の「管壁（tube walls）」を通って拡散するトリチウムと共に、外部環境へ排出され得る。

【0050】

トリチウムは、小さな原子であり、したがって、ほとんどの金属障壁を通って拡散することが予想される。しかしながら、金属表面が酸化物コーティングを有する場合、トリチウム拡散速度は、約８８の係数だけ、著しく低減する。この効果は、環境への^３Ｈの放出率（release rate）の重要な抑制因子である。

【0051】

一部の実施形態において、環境へのトリチウム放出は、ナトリウムシステムコールドトラップの働きによって制御され得る。ナトリウム冷却ＬＭＲの場合、ナトリウム冷却材中の不純物は、被覆の完全性が保護されるように、特定の濃度未満に維持される。不純物濃度は、ＰＴＩ（プラギング温度インジケータ（Plugging Temperature Indicator））によって監視される。ＰＴＩは、オリフィス板を通過するナトリウム流の圧力降下（ΔＰ）を測定する装置である。ΔＰの増加は、ナトリウム冷却材中のナトリウム不純物（酸化物および水素化物）の濃度が許容範囲を超えて増大したために、当該ナトリウム不純物が沈殿し始めていることを示す。ナトリウム処理システムのコールドトラップは、不純物レベルを、技術仕様によって要求される濃度未満に維持する。

【0052】

一部の例では、一次ナトリウム処理システム内のコールドトラップを使用して、トリチウム核分裂生成物の大部分を除去し得る。しかしながら、一部のトリチウムは、例えばナトリウム‐塩熱交換器を通じて、冷却材塩へ移動し得ることが可能である。一部の場合において、塩ループ内の１または複数のコールドトラップを用いて、冷却材塩ループからトリチウムを除去し、それによって、塩ループ内のトリチウムの量を低減することができる。しかしながら、トリチウムは、例えば、トリチウムが下流でトラップされるよう熱交換器を通過するときにトリチウムをトラップし得る流体を当該熱交換器に通過させることによって、熱交換器それ自体の内部において除去されてもよい。

【0053】

図１Ａおよび図１Ｂは、プレート式熱交換器として形成され得る小型熱交換器１００を示す。小型熱交換器１００において、２以上の流体が、適切な数字プレート１０２（１）、１０２（２）、１０２（ｎ）のうちのいずれかのプレートによって、互いに分離されている。プレートには、流体流れのチャネルが形成されていてもよい。流体流路は、機械加工、化学エッチング、レーザエッチング、または他の何らかの適切な処理によって形成されてもよい。プレートは、例えば材料伝導を通じて、当該２以上の流体の間に熱連通を提供していてもよい。一部の場合において、複数のプレートは、一体構造が形成されるように、互いに融合されてもよい。図示のように、一次原子炉冷却材１０４（ナトリウムであってもよい）は、頂部入口１０６から熱交換器に入り、そこでプレート内のチャネルを通って流れ、熱交換器の反対側の出口１０８から出る。二次冷却材流体（塩であってもよい）のための第２入口１１０を、熱交換器１００の１または複数の位置に設けることができる。二次冷却材流体出口１１２によって、二次冷却材が熱交換器１００から出られるようになる。一部の場合において、二次冷却材ループには、同軸管が含まれる。当該同軸管において、内側管は、外側管を通って延在する。内側管は、熱交換器の入口に結合されていてもよく、外側管は、熱交換器の出口に結合されていてもよい。

【0054】

この構成では、塩入口と塩出口とは、熱交換器の同じ側に形成されていてもよい。

【0055】

一部の場合において、第１熱交換器１００（１）の出口１０８によって、第２熱交換器１００（２）への入力が提供される。一部の場合において、２以上の熱交換器が、第１熱交換器の流体出口が第２熱交換器への流体入口を提供できるように、互いに直接、流体的に結合されてもよい。この構成によって、原子炉容器内でより小さな熱交換器を利用できるようになるとともに、熱交換器に加えられる熱応力が低減し、効率が大きくなり得る。

【0056】

例えば、熱交換器の入口と出口との間における所望の温度差がΔＴである場合に、熱エネルギーを伝達するために単一の熱交換器を設けると、結果として当該熱交換器に熱応力が生じる。２以上の熱交換器を同じΔＴを達成するために利用することによって、各々の熱交換器は、所望であるΔＴの全部よりも、小さな熱伝達を担うことができる。この結果、２以上の熱交換器の各々が受ける熱応力は、ΔＴの全部を担う単一の熱交換器よりも小さくなる。

【0057】

一部の実施形態において、２以上の熱交換器は、各々が自由に変形して互いに独立に膨張／収縮するよう、互いに流体的に結合されているが互いに構造的に結合されていない。言い換えれば、２以上の熱交換器は、熱応力を独立に扱う。その結果、複数の熱交換器にわたって熱応力を広げることによって、熱交換器に対する全体的な熱応力を低減しつつ熱伝達を管理することができる、ロバストな熱伝達システムが得られる。流れ抵抗の増大および圧力降下が起こり得るが、これらの損失は、熱交換器の設計、熱交換器を通る流路の設計、および熱伝達システムにおける寿命の増大によって、軽減され得る。

【0058】

さらに、熱交換器のサイズが小さいほど、原子炉容器内の適切な場所に熱交換器を配置できる可能性が大きくなる。例えば、複数の熱交換器を利用することによって、当該複数の熱交換器は、半径方向に、垂直方向に、周方向に、またはこれらの組合せにおいて、原子炉容器全体にわたって離隔して配置されてもよい。

【0059】

適切な熱交換器１００には、プリント回路熱交換器（printed circuit heat exchanger）、プレート式熱交換器（plate heat exchanger）、成形プレート式熱交換器（formed plate heat exchanger）、またはハイブリッド熱交換器（hybrid heat exchanger）が含まれるが、これらに限定されるものではない。そこでは、２以上の媒体が、１または複数の接合されたプレートにおける互いに反対の側を流れる。冷却媒体は、高圧下にあってもよいが、一部の実施形態では、低圧である。作動流体（一部の実施形態において、ナトリウムおよび塩である）は、２Ｄまたは３Ｄプレートパターンを通じて、１または複数の接合されたプレートの両側を流れるようにされてもよい。当該２Ｄまたは３Ｄプレートパターンは、所望の熱長さ（thermal length）および圧力降下を生成するように構成することができる。本明細書で使用されているように、ナトリウムおよび塩は、熱交換器内の例示的な作動流体として用いられる。ここで、ナトリウムは、炉心内の冷却材流体として使用され、塩は、原子炉容器の外部に熱エネルギーを伝達するための熱伝達流体として使用される。一部の実施形態において、熱交換器は、ナトリウムプール型原子炉と共に使用される。

【0060】

一部の実施形態によれば、ナトリウム入口１０６は、熱交換器１００の１つの面に隣接して（の近傍に）形成されている。ナトリウム出口１０８は、熱交換器１００の反対の面（反対の側）に形成されていてもよい。一部の実施形態において、原子炉容器内に設置された構成では、ナトリウム入口１０６は、熱交換器１００の頂面に隣接して（の近傍に）あってもよく、ナトリウム出口１０８は、熱交換器１００の底面に隣接して（の近傍に）あってもよい。一部の実施形態において、ナトリウム入口１０６は、ナトリウム出口１０８よりも高い位置にあってもよい。しかしながら、他の実施形態では、ナトリウム入口１０６は、熱交換器１００のいずれかの面にあってもよく、または、熱交換器１００のいずれかの面に隣接して（の近傍に）あってもよい。そして、ナトリウム出口１０８は、熱交換器１００の他のいずれかの面にあってもよく、または、熱交換器１００の他のいずれかの面に隣接して（の近傍に）あってもよい。多くの場合において、ナトリウム入口１０６およびナトリウム出口１０８は、熱交換器１００における互いに反対の面にある。

【0061】

塩入口１１０は、熱交換器１００の１つの面に位置してもよく、または、熱交換器１００の１つの面に隣接して（の近傍に）位置してもよい。当該１つの面は、ナトリウム入口１０６を有するように構成された面に直交する面であってもよい。塩出口１１２は、原子炉容器の同じ面を出入りし得る塩ループ配管が設けられるように、塩入口１１０と同じ面に形成されていてもよい。しかしながら、塩入口１１０および塩出口１１２は、熱交換器１００の異なる表面上に形成されていてもよい。一部の場合において、塩入口１１０と塩出口１１２とは、同軸であってもよく、外側導管によって取り囲まれた内側導管から形成されていてもよい。

【0062】

熱交換器１００は、複数の表面溝１１４を有する一連の平行プレート１０２（１）、１０２（２）、１０２（ｎ）から形成されていてもよい。それらは、複数のプレート１０２が互いに接合されたときに一連のチャネルが形成されるように、互いに隣接して配置されている。表面溝１１４は、光化学的にエッチングすることによって、機械的に形成することによって、または、他の何らかの処理を通じて、プレートの表面に形成されてもよい。表面溝１１４は、流体経路長および圧力降下等の所望の流れ特性をもたらすような大きさおよび構成とされてもよい。

【0063】

多くの場合において、プレート１０２は、互いに拡散接合されている。拡散接合は、接合を母材金属強度に戻し、優れた熱流体性能を可能にし、熱交換器１００を通る２Ｄおよび／または３Ｄ流体通路の設計最適化を可能にする、固相溶接処理（solid-state welding process）である。

【0064】

第２流体のための通路１１６は、第１流体を案内するためのチャネルを有するプレートを通して形成されてもよい。一部の実施形態において、同軸導管１１８は、第２流体の入口および出口のために使用されてもよい。一部の場合において、第２流体の入口および出口は、配管が単純となるように、熱交換器１００の同じ面に形成されてもよい。

【0065】

一部の実施形態において、同時に熱交換器１００のすべての層を通る流体連通経路を提供するヘッダまたはマニホルド（図示せず）が、流体入口または流体出口に取り付けられてもよい。代替的または追加的に、熱交換器１００内に一体型ヘッダが提供されるように、プレート形成段階中にポートを構成することができる。一部の場合において、熱交換器１００は、マニホルドによって接続されたヘッダとポートとの混合体でセミポートされ（semi-ported）てもよい。

【0066】

熱交換器１００は、任意の適切な材料から形成されてもよく、意図する用途に適したサイズで形成されてもよい。多くの場合、熱交換器１００は、同じ用途のためのシェルアンドチューブ式熱交換器よりも実質的に小さいように形成してもよい。言い換えれば、原子炉容器内で使用される場合、ナトリウム／塩熱交換器として設計された熱交換器１００は、同様の熱エネルギー伝達能力を有する、ナトリウム／塩熱伝達のために構成されたシェルアンドチューブ式熱交換器よりも、実質的に小さくてもよい。一部の場合において、熱交換器１００には、同様の用途のための同等のシェルアンドチューブ式熱交換器よりも、約７分の１の体積が必要となる。

【0067】

図示の例では、一次ナトリウムは、上面に形成されたナトリウム入口１０６から開いたスロットを通って下流へ流れ、熱交換器１００のプレート間に形成されたチャネルを通り、熱交換器１００の底面に形成されたナトリウム出口１０８へと流れる。塩は、塩入口１１０に入り、分配器を通じて複数の低温チャネルへ分配され、熱交換器１００内に形成されたチャネル内を上方へ流れて、塩出口１１２から出る。このような構成（当該構成においては、高温流体は、熱交換器の頂部付近から出て／入り、低温流体は、熱交換器の底部付近から出る／入る）では、効率的な流体の流れを促すために、自然の対流サイクルが利用される。例えば、通常、流体の温度差のせいで、より高温の流体は、流体のより低温の部分よりも、小さな密度を有するようになる。結果として、温められた流体は上昇傾向となり、より低温の流体は、重力によって下降することとなる。

【0068】

許容可能な圧力降下を指定することができる。運転コストを低減し、サイクル効率を向上するために、通常、圧力降下がより低いことが望ましい。一部の実施形態において、熱交換器１００を通るナトリウムの圧力降下は、約６ｐｓｉ未満であるか、または約５ｐｓｉ未満であるか、または約４ｐｓｉ未満であるか、または約３ｐｓｉ未満である。通常、より低い圧力降下には、冷却材の流れの長さが短いことと粘性が小さいこととが必要とされ得る。これは、その熱伝達係数に直接影響を及ぼす。圧力降下は、流れの長さ、流体の粘性および／または流れの幅を変化させることによって、調整することができる。同様に、熱通過（overall heat transfer）は、層の数および熱伝達面積の変化によって、影響を受け得る。

【0069】

プレート表面の種類は、特定の目的のために適応させることができる。プレート表面は、表面密度および熱伝達係数を高めるように形成されてもよい。プレート表面は、鋸歯状（serrated）、矢筈模様状（herringbone）、または多孔状（perforated）等の、任意の適切な構成を有するフィンとして形成されてもよい。もちろん、その他の構成も可能であり、本明細書において想定されている。組合せにおいて、または代替的に、通路は、任意の適切な方法を通じて、プレートに直接的に形成されてもよい。一部の場合において、通路は、光化学的エッチングにより形成されている。

【0070】

通路は、任意の適切なサイズおよび断面形状であってもよい。一部の実施形態において、形成されるチャネルは、約０．５ｍｍ、約０．７５ｍｍまたは約１ｍｍの半径を有する半円形状である。もちろん、熱交換器の設計流れパラメータに従って、その他の適切な断面形状およびサイズが考えられる。

【0071】

図２Ａおよび図２Ｂは、ナトリウム／ナトリウムシェルアンドチューブ式熱交換器２００（図２Ａ）とナトリウム／塩小型熱交換器１００（図２Ｂ）との間の、相対的なサイズ差を示す。特に、ナトリウム／塩シェルアンドチューブ式熱交換器２００は、図２Ａに示すナトリウム／ナトリウムシェルアンドチューブ式熱交換器１００よりも、著しく大きい。

【0072】

図２Ａは、ナトリウム／ナトリウム熱伝達のために設計されたシェルアンドチューブ式熱交換器２００を有する原子炉２０２の模式図を示す。図から分かるように、ナトリウム／ナトリウム熱交換器２００は、原子炉容器２０４内の最大の構成要素のうちの１つであり、原子炉２０２を設計する際の主要な設計因子である。事実、ナトリウム／ナトリウム熱交換器２００は、大部分において、原子炉容器２０４の高さを決定する。これにより、格納構造物およびその他の構成要素の全体的なサイズに影響が及ぼされる。

【0073】

さらに、ナトリウム／ナトリウム熱交換器２００が、相対的に高い中性子放射線を受ける炉心２０６に隣接して（の近傍に）あるため、ナトリウム／ナトリウム熱交換器２００の遮蔽は、困難であり、かつ費用がかかる。原子炉容器２０４内の空間的な制約のため、また、熱交換器２００のサイズのため、遮蔽は困難である。シェルアンドチューブ式ナトリウム／ナトリウム熱交換器２００をシェルアンドチューブ式ナトリウム／塩熱交換器に置き換える場合、上記の考慮事項は一層厳しいものとなる。ナトリウム／塩シェルアンドチューブ式熱交換器は、図示のナトリウム／ナトリウムシェルアンドチューブ式熱交換器２００よりも著しく大きいからである。

【0074】

多くの典型的な構成では、冷却材塩は、ナトリウムの約１００分の１の熱伝導率を有する。その結果、ナトリウム／塩シェルアンドチューブ式熱交換器には、ナトリウム／ナトリウム熱交換器よりも、実質的に大きな熱交換器が必要となる。一部の場合において、ナトリウム／塩熱交換器の高さは、ナトリウム／ナトリウムシェルアンドチューブ式熱交換器２００の高さの２倍を超える。一部の場合において、ナトリウム／塩熱交換器を利用することが有利であり得る。ナトリウム／塩熱交換器において、塩は、例えば統合エネルギーシステムにおける作動流体であり、塩は、熱エネルギー蓄積媒体である。典型的な中間ナトリウムループ（原子炉容器２０４内の一次冷却材から熱エネルギーを受け取り、原子炉容器２０４の外側の塩ループにそれを供給する）は、ナトリウム／塩熱交換器によって除かれ得る。しかしながら、中間ナトリウムループを除くことから実現されるいかなる利益も、急速に失われてしまう。ナトリウム／塩シェルアンドチューブ式熱交換器を促進するためには、原子炉容器２０４を著しく大きく（例えば、２倍高いオーダーに）する必要があるからである。同様に、格納構造物もまた、より大きな原子炉容器２０４が収容されるよう、サイズを増大させる必要がある。

【0075】

一部の実施形態において、原子炉容器２０４内の熱交換器は、原子炉容器２０４のサイズにおいて顕著な役割を演じる。熱交換器のサイズを低減することにより、原子炉容器のサイズをそれに応じて低減することができる。一部の実施形態において、小型熱交換器１００は、本明細書における実施形態全体を通じて実質的に記載されているように、原子炉容器２０４内の一次ナトリウム／塩熱交換器１００として使用される。

【0076】

図２Ｂに示すように、１または複数の熱交換器１００は、炉心２０６から一定距離離隔した場所において、原子炉容器２０４内に配置することができる。一部の場合において、放射線曝露の観点から、離隔が重要である。例えば、熱交換器１００が炉心２０６から離隔していればいるほど、熱交換器１００が曝露する放射線は少なくなる。その結果、熱交換器１００が炉心２０６から遠くに配置されていればいるほど、塩ループ内における塩の放射化を低減するために必要となる遮蔽が少なくなる。加えて、炉心２０６からの熱交換器１００の距離を長くすることで、原子炉容器２０４内のナトリウムの自然循環が向上する。また、炉心２０６からの熱交換器１００の距離を長くすることで、循環ポンプ２０８のサイズを低減できる場合もある。その結果、効率およびサイズに関するさらなる利点が得られる。一部の場合において、原子炉容器２０４内における１または複数の熱交換器１００を利用することによって、原子炉２０２の熱エネルギー出力の量を増大させることができ、または、熱エネルギー出力の量を犠牲にせずに、原子炉２０２のサイズを低減することができる。

【0077】

図２Ａのシェルアンドチューブ式熱交換器２００では、熱交換器は炉心２０６に隣接して（の近傍に）あり、熱伝達流体の放射化を低減するために多量の遮蔽が必要となる。この図２Ａのシェルアンドチューブ式熱交換器２００と比較して、熱交換器１００は小さく、かつ炉心２０６からより遠くに離隔して配置されているため、必要とされる遮蔽の量が低減する。したがって、熱交換器１００により、設計、構造、遮蔽、配管および必要コストが著しく簡素化されたプール原子炉の設計が可能となる。一部の実施形態において、熱交換器１００は、プール型原子炉と共に使用される。一部の実施形態において、プール型原子炉は、ナトリウムプール型原子炉である。一部の場合において、ナトリウムプール型原子炉は、高速中性子スペクトルにおいて運転する。

【0078】

一部の実施形態において、熱交換器１００内の塩ループの圧力は、熱交換器１００のナトリウムループ内の圧力よりも高い圧力である。結果として、熱交換器１００におけるいかなる漏れも、塩をナトリウム中に流入させるだろう。熱交換器１００内のいかなる潜在的な（起こり得る）漏れも、原子炉２０２のカバーガスシステムにおいて検出され得る。熱交換器１００のサイズおよび位置によって、熱交換器１００の除去および交換が容易になる。その結果、シェルアンドチューブ式熱交換器２００と比較して、熱交換器１００の保守および交換の効率が増大する。

【0079】

一部の実施形態において、複数の熱交換器を、プール型原子炉で利用することができる。前述したように、ナトリウム入口を熱交換器１００上のより高い位置に配置しつつ、ナトリウム出口を熱交換器１００上のより低い位置に配置してもよい。塩入口および塩出口は、熱交換器１００の同じ面に配置されてもよい。塩入口および塩出口は、熱交換器１００の設置、配管および任意選択的な（optional）交換における効率を促進するように配置されてもよい。一部の実施形態において、塩入口および塩出口は、同軸の入口および出口の管によって提供されてもよい。もちろん、例えば、別個の管、非同軸の管等の、その他の構成も可能である。また、塩入口および塩出口のその他の構成も可能である。塩入口および塩出口は、熱交換器１００における隣り合う面または互いに反対の面に配置されてもよい。

【0080】

２以上の熱交換器からのナトリウム出口を併合して、冷却されたナトリウムを炉心２０６に戻す単一のナトリウム出口としてもよい。原子炉２０２から熱エネルギーを受け取り、熱エネルギー蓄積システムに当該熱エネルギーを伝達するための作動流体として、塩を利用することによって、追加のナトリウムループが除かれる。さらに、これにより、ナトリウムの発火防止および遮蔽を有する大型のナトリウム管の必要性が改善し、従って、組立ておよびそれに伴うコストがさらに簡素化される。

【0081】

例示的な熱交換器１００がナトリウムプール原子炉に関して説明されてきたが、本明細書に記載された構成および利点は、他の原子炉タイプにも同様に適用可能であり得る。さらに、記載された冷却媒体には一例として塩が用いられているが、これは例示であって、その他の媒体および媒体の種類も可能である。

【0082】

図３Ａは、サンプル熱交換器３００を示し、図３Ｂは、熱交換器３００の断面図を示す。熱交換器３００は、ハウジング３０２を含む。熱交換器３００は、熱交換器３００を取り付けおよび／または配置するために使用され得る、１または複数の取り付け表面３０４（例えば、フランジ）を含んでもよい。熱交換器３００は、２つの作動流体が熱交換器３００を通過できるように、２対の入口／出口を含んでもよい。一方の流体が、もう一方の流体から熱エネルギーを受け取る。

【0083】

熱交換器３００は、所望の位置および向きに入口および出口を有するように、設計および構成することができる。例えば、一部の場合において、塩等の作動流体を熱交換器３００へ送達するためには、インラインインターフェース（in-line interface）とするか、あるいは、ラテラル（側方）インターフェース（lateral interface）とするか、の２つの選択肢がある。例えば、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、インラインインターフェースでは、入口および出口は、熱交換器の互いに反対の側に配置される。一方、ラテラルインターフェースでは、入口および出口は、互いに反対の側に配置されるのではなく、直交する側または同じ側に配置され得る。

【0084】

一部の場合において、インラインルーティングの選択肢によって、長さが増す可能性がある一方で、ルーティングの複数の選択肢のうちで最小の高さ／幅が提供される。また、インラインの選択肢では、高温および低温のナトリウム流れ内へ直接、インターフェース配管が配置されてもよい。代替のルーティングとして、混合ルーティング（mixed routing）がある。混合ルーティングでは、１つの流体通路がインラインルーティングにより構成され、第２流体通路がラテラルルーティングに合わせて構成される。流体通路のルーティングは、原子炉容器内における位置および向きに基づいて、必要となる接続部および配管と共に、必要に応じて決定することができる。

【0085】

図４Ａおよび図４Ｂは、入口４０２および出口４０４が熱交換器４００の同じ側に設けられた、ラテラルな流体ルーティングを有するサンプル熱交換器４００を示す。一部の場合において、熱交換器４００のコアは、原子炉容器内におけるナトリウムプール内において高温プールから低温プール内に入る大きな漏れが阻止されるよう、シールされている。一部の場合において、高温プールと低温プールとの間の漏れが計量されるよう、熱交換器において設計される。これにより、すべての漏れを防止するように熱交換器４００を設計することなく、設計が単純化され得る。また、これにより、熱交換器４００内における漏れを阻止するために通常、使用されるバッフルを省略できるようになり得る。

【0086】

一部の場合において、熱交換器４００は、入口４０２における高温プールと出口４０４における低温プールとの間の温度差を受ける。これによって、熱交換器４００に熱応力が生じる。したがって、熱交換器は、軸方向および垂直方向における熱交換器４００の相対運動を引き起こすように設計され得るが、横方向ではより顕著である。一部の場合において、流体流路を維持しつつ、長手方向における熱交換器の熱膨張および熱収縮が可能となるように、スライドラビリンスシール４０６が使用される。もちろん、流体シールを維持しつつ熱膨張および熱収縮が可能となるように、その他の適切な構造体が設けられてもよい。

【0087】

一部の場合において、スライドラビリンスシール４０６によって、配管の間もしくは隣り合う熱交換器４００の間の固定空間に熱交換器４００を挿入することが可能となり、または、当該固定空間から熱交換器４００を除去することが可能になる。一部の場合において、スライドラビリンスシール４０６によって、固定長さの位置に挿入するために熱交換器４００の全長を減少させ、次いで、隣接する構造体に結合できるように拡張することが可能になる。もちろん、確実な取り付けおよび熱交換器４００のための流体シールが得られるように、他の構造体（例えば、別個のシーリングプレート等）が、選択的に取り付けられてもよい。

【0088】

熱交換器４００における熱応力を管理する１つの方法は、熱交換器４００の少なくとも一部分を取り囲む熱スリーブ４０８を設け、高温プールからの一部の流体が熱スリーブ４０８へ漏入できるようにすることである。高温流体の一部が熱スリーブに入れるようにすることで、熱交換器壁への周期的熱応力が減衰し得る。

【0089】

図５は、互い違いの高温プレナムおよび低温プレナムとヘッダとを用いる熱交換器コア５１０の構成５００を示している。一部の場合において、高温プレナム５０２は、高温ヘッダ５０４と共通の流体連通状態にある。同様に、低温プレナム５０６は、低温ヘッダ５０８と共通の流体連通状態にあってもよい。低温ヘッダ５０８によって、熱交換器のプレート内を流れる一次冷却材（例えば、ナトリウム）から熱エネルギーを受け取る塩が流入してもよい。高温ヘッダ５０４によって、高温流体（例えば、塩）が高温プレナム５０２から出るための流路が設けられてもよい。

【0090】

熱交換器コア５１０は、本明細書の様々な実施形態に記載された通り、各々が流体通路を定める複数の接合されたプレートから形成されてもよい。熱交換器コア５１０のプレートによって、互い違いの高温プレナム５０２と低温プレナム５０６との間に分離が設けられてもよい。本明細書で使用されている通り、一群の接合されたプレートは、熱交換器コア５１０と称されることがある。図示の実施例では、複数の熱交換器コアが、共有の熱交換器本体内において一緒に使用されている。任意の適切な数の熱交換器コアが、熱交換器本体内において使用されてもよい。

【0091】

一部の実施形態において、複数の熱交換器コアは、原子炉の熱負荷（heat duty）要件を満たすように設けられている。熱交換器コアの数は、原子炉の全体的な熱負荷、熱交換器の設計された周期的熱応力、ならびに、流入流体と流出流体とのΔＴに基づいて選択されてもよい。一部の場合において、１２個、２４個、３６個、４８個、５０個またはそれ以上の数の熱交換器コアが、原子炉の熱負荷を扱うように設けられてもよい。複数の熱交換器が、任意の適切な構成において、炉心の周りに離隔して配置されていてもよく、互いに流体連通していてもよい。一部の実施例において、複数の熱交換器のうちの一部の熱交換器は、他の複数の熱交換器と流体連通している。

【0092】

熱負荷に応答して熱交換器コア５１０が熱膨張および熱収縮できるように、シールが設けられてもよい。当該シールは、例えば、溶接されたベローズ、または、隣り合う熱交換器コア間の結合部もしくは隣り合う熱交換器間の結合部の移動の制限を可能にする、他の何らかの膨張シールであってもよい。

【0093】

図６は、熱交換器コア６０２（１）、６０２（２）、６０２（ｎ）の構成６００を示す。ここでは、低温ヘッダ６０４および高温ヘッダ６０６は、配管６０８によって、個々の熱交換器コア６０２に結合されている。その結果、個々のコア６０２と、低温ヘッダ６０４または高温ヘッダ６０６との間に、流体連通が設けられている。熱交換器コア６０２は、実質的に熱交換器の実施形態に関して本明細書に記載された通りのものであってもよく、垂直方向もしくは水平方向、または他の何らかの向きを向いていてもよい。

【0094】

一部の場合において、この構成によって、個々のコア６０２を効率的に設置、除去、および／または交換することができ、さらに、熱膨張および熱収縮に適応するように、個々のコア６０２間に十分な空間を設けることができる。一部の場合において、熱交換器コア６０２は全て、並列配管構成において、共通のヘッダ６０４と連通している。一方、他の場合において、熱交換器コア６０２は、直列に配管されており、この場合、第１熱交換器コアの出口は、第２熱交換器コアの入口へ供給し得る。直列または並列に配管される場合、熱交換器コアの回路は各々、熱交換器の全温度変化の一部分のみを担ってもよい。一部の場合において、熱交換器コア６０２の各々は、熱交換器の全熱負荷内の特定の温度範囲を扱うように設計されてもよい。例えば、第１熱交換器コアは、原子炉内の一次冷却材の熱境界にある流体作動温度を扱うように設計されてもよい。言い換えれば、第１熱交換器コアは、第２熱交換器コアとは異なるように設計および構成されてもよい。個々のコアでは、種々の材料、流路長、圧力降下、および／または熱交換器コアのその他の特性が利用されてもよい。

【0095】

図７は、熱交換器コア７０２（１）、７０２（２）、７０２（ｎ）に関する積重ね構成７００を示す。熱交換器コア７０２は、実質的に熱交換器の実施形態に関して本明細書に記載された通りのものであってもよい。コア７０２は、垂直方向、水平方向、または他の何らかの向きを向いていてもよい。一部の場合において、コア７０２は、原子炉容器の周りにおいて、周方向および／または半径方向に配置されてもよい。一部の場合において、複数のコアの外側リング７０４は、複数のコアの内側リング７０６よりも、原子炉容器の壁の近くに配置されている。個々のコア７０２（１）、７０２（２）間の間隔は、半径および冷却材のルーティングのためのアクセスの必要性に応じたものであってもよい。任意の適切な数の熱交換器コア７０２が設けられ、直列に、並列に、または直列と並列との組合せ等の、任意の適切な構成において配管されてもよい。

【0096】

図８は、熱交換器コア８０２（１）、８０２（２）、８０２（ｎ）に関する例示的な積重ね構成８００を示す。熱交換器コア８０２は、実質的に熱交換器の実施形態に関して本明細書に記載された通りのものであってもよい。熱交換器コア８０２は、水平方向、垂直方向、または他の何らかの向きを向いていてもよい。コア８０２は、原子炉容器の周りにおいて、周方向および／または半径方向に配置されてもよい。図示のように、一部の場合において、２以上のコア８０２が、上下に積み重ねられてもよい。一部の場合において、原子炉容器高温プールからの流路は、複数のコア８０２の上側行（row）８０４に入ってもよく、炉心高温プールからコア８０２内への平行な経路および／または複数の入口が定められるように、複数のコアの下側行８０６にさらに入ってもよい。

【0097】

複数の熱交換器コア８０２の全ての例示的な構成がそうであろうように、個々のコアは、直列に、並列に、または直列と並列との組合せにおいて配管されてもよい。図示の積重ね構成８００では、第１熱交換器本体８０８は、複数のコア８０２の上側行８０４を含んでもよく、第２熱交換器本体８１０は、複数のコア８０２の下側行８０６を含んでもよい。各行は、一次冷却材が原子炉容器内を循環して熱交換器に入ることができるように、原子炉容器高温プールとは別個の入口を有してもよい。上側行８０４および下側行８０６では、同様に、一次冷却材をコア８０２内に導くためのヘッダ（図示せず）が利用されてもよく、または、追加的もしくは代替的に、一次冷却材を１または複数のコア８０２内に導くための配管が利用されてもよい。

【0098】

図９は、原子炉容器９０４の内部の周りにおいて周方向に配置された熱交換器コア９０２（１）、９０２（２）、９０２（ｎ）の例示的な位置を示す。コア９０２は、実質的に本明細書に記載された通りに構成されてもよい。コア９０２は、一部の場合において、炉心（図示せず）から遠隔に配置されている。熱交換器コア９０２のサイズの相対的な小ささと、炉心内における高い中性子放射能の領域に対する熱交換器コア９０２の近接性とによって、熱交換器コア９０２は、中性子放射線の多くを回避できるようになる。これにより、熱交換器がこれより著しく大きい場合、または、熱交換器が炉心に対してより近いところに冷却材流路を定める場合よりも、必要となる遮蔽がはるかに少なくなる。

【0099】

図１０は、熱交換器コア１００２（１）、１００２（２）、１００２（ｎ）の構成１０００を示す。コア１００２は、実質的に、熱交換器の実施形態に関して本明細書に記載された通りのものであってもよい。コア１００２は、原子炉容器の周りにおいて周方向に配置されていてもよく、さらに、複数の行（row）において積み重ねられていてもよい。図示のように、合計２０個のコア１００２に対して、高さ５で積み重ねられた４行のコア１００２がある。もちろん、原子炉の熱負荷要件に基づいて、より少ない数のコア１００２またはより多い数のコア１００２が同様に配置されてもよい。追加のコア１００２が、隣接する列（column）、追加の行に配置されてもよく、または、別個の熱交換器構成１０００に、原子炉容器の異なる部分に配置された任意の適切な数の行および／もしくは列が含まれてもよい。

【0100】

図１１は、原子炉の熱負荷に適応する任意の適切な数の行および列を含む複数の熱交換器コア１１０２の構成１１００を示す。熱交換器コアは、実質的に本明細書に記載された通りのものであってもよく、任意の適切な配管構成を用いるように設計されてもよい。例えば、複数の熱交換器コア１１０２は、直列に、並列に、または直列と並列との組合せにおいて配管されてもよい。図示のように、熱交換器構成１１００には、熱交換器コア１１０２を出入りする流体のための流路が定められるように、低温ヘッダ１１０４、高温ヘッダ１１０６、および配管１１０８が含まれてもよい。図示のように、コア１１０２は、任意の適切な向き（例えば、水平方向に、垂直方向に、または、任意の適切な角度で）を向いていてもよい。一部の場合において、第１熱交換器コアの出口は、第１熱交換器コアと第２熱交換器コアとが互いに直列に配管されるように、第２熱交換器コアの入口に流体的に結合されている。

【0101】

低温ヘッダ１１０４および高温ヘッダ１１０６は、二次冷却材（塩であってもよい）のための流体経路が形成されるように用いられてもよい。一部の場合において、複数のコアは、循環する一次冷却材（ナトリウムであってもよい）が個々の熱交換器コア内に入ることができるようにする個々の入口を有する。

【0102】

図１２は、図１１の複数の熱交換器コア１１０２に関する例示的な向きおよび位置を示す。原子炉１２００は、原子炉容器１２０２と、１または複数のポンプ１２０４と、を含む。ポンプ１２０４は、原子炉容器内の一次冷却材を、熱交換器コア１１０２内に導いてもよい。一部の場合において、ポンプ１２０４によって、例えば、１または複数の熱交換器コア入口と流体連通するプレナム内へ一次冷却材が強制的に入れられることにより、一次冷却材が高温プールから熱交換器内へ導かれる。

【0103】

図示のように、熱交換器コア１１０２は、低中性子放射能の領域である原子炉容器１２０２の頂部付近に配置されている。したがって、二次冷却材（一部の場合において、塩であってもよい）の放射化の程度は、炉心付近に流路を定める通常の熱交換器よりも、はるかに低い。さらに、複数の熱交換器コアのコンパクトな構成では、二次冷却材を中性子放射化から保護するために必要となる遮蔽１２０６がはるかに少ない。さらに、一部の実施形態において、記載された複数の熱交換器コアおよび原子炉容器内におけるそれらの様々な配置によって、原子炉容器内の塩放射化に関する問題を改善するナトリウム‐塩熱交換器が可能となる。

【0104】

本明細書に記載された熱交換器コアの構成では、個々のコアは、別個に構造的に支持されていてもよい。これにより、１つの熱交換器コアが他の熱交換器コアから機械的に分離され、個々のコアが互いに独立して変形および膨張できるようになる。このように、熱交換器コアは、熱応力を個別に扱うが、互いに流体的に結合されたままであってもよい。

【0105】

通常、中間ループが、ＳＦＲ内に設けられている。当該ＳＦＲでは、一次ナトリウムが熱エネルギーを中間ナトリウムループへ伝達する。次いで、中間ナトリウムループは、第３ループへ熱エネルギーを送達する。当該第３ループには、水、塩、または他の何らかの作動流体が含まれてもよい。図示され本明細書に記載された小型熱交換器を利用することによって、当該中間ループが除かれ得る。その結果、ナトリウム／塩熱交換器に必要となるサイズ、および、塩の放射化の回避等の、従来の実施における問題のうちの多くを回避するナトリウム‐塩熱交換器が得られる。

【0106】

本明細書に記載された複数の実施形態のうちの任意の実施形態と同様に、熱交換器コアによって、高温流路と低温流路との間に第３流体流路が定められ得る。第３流体流路は、漏れ検出のために使用されてもよく、さらに、一次冷却材を二次冷却材から分離するために使用されてもよい。第３流体が熱交換器を出るとき、当該第３流体を、一次冷却材材料または二次冷却材材料の含有に関して検査することができる。例えば、ヘリウムに第３流体流路を通過させ、その出口において、一次冷却材または二次冷却材の存在について検査することができる。

【0107】

一部の実施例では、第３流体流路は、熱交換器コア内における高温プレートおよび低温プレートの酸化を促進するために使用されてもよい。例えば、酸化性流体（oxidizing fluid）（例えば、ＣＯ_２等）に第３流体流路を通過させることで、流れのチャネル内に酸化層が形成されるようにしてもよい。酸化層は、トリチウム等の放射化生成物の移動（migration）を阻害することが示されている。

【0108】

一部の場合において、製造時に、熱交換器コア内に酸化層を形成することができる。例えば、複数の熱交換コアプレートを形成するとき、例えば、付加製造（additive manufacturing）、蒸着、プリンティング、または他の何らかの材料付加処理を通じて、複数のプレートに材料を付加することで複数の当該プレート上に酸化層を形成し、その後、それらを互いに結合してもよい。

【0109】

さらに、第３流体流路は、トリチウム等の放射化生成物を引き寄せるために使用されてもよい。一例として、塩へ渡る前にトリチウムを捕捉することができる流体（ヘリウム等）に、第３流体経路を通過させてもよい。二次冷却材に引き寄せられるトリチウムよりも多くのトリチウムが、第３流体に引き寄せられてもよい。次いで、捕捉されたトリチウムを、ヘリウムから除去することができる。一方法は、第１流体流路、第２流体流路および第３流体流路を有する熱交換器コアを形成する工程を含んでもよい。本方法は、トリチウム等の放射化生成物を引き寄せるように選択された第３流体に、第３流体流路を通過させる工程を含んでもよい。本方法は、第３流体が熱交換器コアを通過した後に当該第３流体を回収し、次いで、放射化生成物を隔離する工程をさらに含んでもよい。一部の場合において、本方法は、第４流体に第３流体流路を通過させる工程を含んでもよい。当該第４流体は、漏れ検出、酸化層の形成、または他の何らかの目的等の、別の目的に使用されてもよい。

【0110】

本明細書では、「熱交換器」という用語および「複数の熱交換器コア（heat exchanger cores）」という用語が使用されている。一部の場合において、熱交換器は、１または複数の熱交換器コアから形成されていてもよい。このように、単一のコアが他の熱交換器コアとは独立して独立した熱交換器として機能し得るとき、これらの用語は互換的に使用され得る。一部の場合において、複数の熱交換器コアは協働し、当該複数の熱交換器コアがまとめて１つの熱交換器として指し示され得る。

【0111】

本開示は、例示的な実施形態を提示するものである。それゆえ、本開示は、いかなる点においても、本開示の実施形態の範囲および添付した特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。特定された構成要素、機能およびそれらの関係の実装を示す機能構成ブロックの助けを借りつつ、実施形態を上述してきた。本明細書において、これらの機能的構成要素の境界は、説明の便宜上、任意に定められている。特定された機能およびそれらの関係が適切に実施される程度に、代替的な境界が定められてもよい。

【0112】

本開示の実施形態の一般的性質は、本開示の実施形態の一般的思想から逸脱することなく、当業者の知識を適用することで、様々な応用のために特定の実施形態を他者が過度の実験なしに容易に修正および／または適合し得る程度に十分に、かかる特定の実施形態の前述した説明によって明らかとなるだろう。それゆえ、かかる適合および修正は、本明細書に提示された教示および導きに基づいて、開示された実施形態の均等物の意味および範囲の中にあることが意図されている。本明細書における語法または用語は、本明細書に提示された教示および導きに照らして、当該本明細書の用語または語法が当業者によって解釈されるように説明することを目的とするものであって、限定を目的とするものではない。

【0113】

本開示の実施形態の広さおよび範囲は、上述した例示的実施形態のいずれの実施形態によっても限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲およびその均等物に従ってのみ画定されるべきである。

【0114】

別段の定めのない限り、または、使用された文脈内で別様に理解されない限り、とりわけ「し得る」、「し得るだろう」、「してもよいだろう」または「してもよい」等の、条件に関する語は概して、特定の実装形態が特定の特徴、要素および／または動作を含み得る一方で、他の実装形態が特定の特徴、要素および／または動作を含まないことを伝えることを意図したものである。このように、かかる条件に関する語は概して、特徴、要素および／もしくは動作が何らかの形で、１もしくは複数の実装形態に求められることを意図するものではなく、または、これらの特徴、要素および／もしくは動作が、任意の特定の実装形態に含まれるものなのか、あるいは、これらの特徴、要素および／もしくは動作が、任意の特定の実装形態において実行されるべきものなのかを判定するための論理が、ユーザ入力もしくはプロンプトの有無とは無関係に、１もしくは複数の実装形態に必ず含まれることを意図するものではない。

【0115】

当業者は、本明細書に開示される任意のプロセスまたは方法が多くの方法で修正され得ることを認識するであろう。本明細書に記載および／または図示された工程の工程パラメータおよび配列は単なる例として与えられており、所望に応じて変更することができる。例えば、本明細書で図示および／または説明される工程は特定の順序で示され、または説明され得るが、これらの工程は必ずしも図示または説明される順序で実行される必要はない。

【0116】

本明細書で説明および／または図示された様々な例示的な方法は、本明細書で説明または図示されたステップのうちの１つ以上のものを省略することもでき、または開示されたステップに加えて追加のステップを備えることもできる。さらに、本明細書で開示される任意の方法の工程は、本明細書で開示される任意の他の方法の任意の１つ以上の工程と組み合わせることができる。

【0117】

もちろん、本開示の様々な特徴を説明する目的のために、要素および／または方法の考えられる全ての組合せについて述べることは不可能である。しかしながら、当業者には、開示された特徴のさらなる多数の組合せおよび置換が可能であることが認識される。したがって、本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、本開示に対して様々な修正が行われ得る。さらに、明細書および添付した図面について考察することで、また、本明細書に提示された、開示された実施形態を実施することで、本開示のその他の実施形態が明らかとなり得る。本明細書および添付した図面において提示された実施例は、あらゆる点において、限定的なものではなく、例示的なものであるとみなされるべきである。本明細書には特定の用語が用いられているが、それらの用語は一般的かつ説明的な意味においてのみ使用されており、限定を目的として使用されたものではない。

【0118】

特に断らない限り、明細書で使用される用語「接続されている」、「結合されている」、「流体連通する」（およびそれらの派生語）は直接的および間接的（すなわち、他の要素または構成要素を介して）接続の両方を可能にするものとして解釈されるべきである。さらに、明細書で使用される用語「ａ」または「ａｎ」は「のうちの少なくとも１つ」を意味するものとして解釈されるべきである。最後に、使用を容易にするために、明細書で使用される用語「含む」および「有する」（およびそれらの派生語）は、単語「備える」と交換可能であり、同じ意味を有する。

【0119】

以上に述べた事柄と添付の図面とから、本明細書には特定の実装形態が例示の目的で記載されているが、添付した特許請求の範囲の趣旨および範囲ならびに特許請求の範囲において列挙された要件から逸脱せずに、様々な修正が行われ得ることが理解されるだろう。加えて、特定の態様が特定の特許請求の形態において以下に提示されているが、本発明者らは、利用可能な任意の特許請求の形態において、様々な態様を想定している。例えば、一部の態様のみが特定の構成において具現化されるものとして目下、説明がなされ得る一方で、その他の態様が同様に、そのようにして具現化され得る。本開示の利益を得る当業者には明らかであろうような様々な修正および変更が行われ得る。全てのかかる修正および変更を包含することが意図されている。したがって、限定的な意味ではなく、むしろ例示的な意味において、上記の説明が考察されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【0120】

【図1A】一部の実施形態による、高温流体から低温流体へ熱エネルギーを伝達するためのプレート式熱交換器の模式図である。

【図1B】一部の実施形態による、同軸の入口および出口を有するプレート式熱交換器の模式図である。

【図2a】一部の実施形態による、シェルアンドチューブ式熱交換器を有するナトリウム冷却高速炉の模式図である。

【図2B】一部の実施形態による、プレート式熱交換器を有するナトリウム冷却高速炉の模式図である。

【図3A】一部の実施形態による、インライン構成を有するプレート式熱交換器の図である。

【図3B】一部の実施形態による、図３Ａのプレート式熱交換器の断面図である。

【図4B】一部の実施形態による、ラテラル構成を有するプレート式熱交換器の図である。

【図4B】一部の実施形態による、図４Ａのプレート式熱交換器の断面図である。

【図5】一部の実施形態による、ヘッダに結合された複数の熱交換器コアの一構成を示す。

【図6】一部の実施形態による、配管によってヘッダに結合された複数の熱交換器コアの一構成を示す。

【図7】一部の実施形態による、円弧状に配置された複数の熱交換器コアを示す。

【図8】一部の実施形態による、積重ね構成において配置された複数の熱交換器コアを示す。

【図9】一部の実施形態による、原子炉容器の一部分の周りに周方向に配置された複数の熱交換器コアを示す。

【図10】一部の実施形態による、列および行に配置され、かつ原子炉容器の内壁に沿って延びるように構成された、複数の熱交換器コアを示す。

【図11】一部の実施形態による、配管によってヘッダと流体連通する、垂直線に対してある角度で配置された複数の熱交換器コアを示す。

【図12】一部の実施形態による、原子炉容器内の複数の熱交換器コアの構成の例示的な配置を示す。

【図1A-1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【国際調査報告】