特表 2024-547070 熱および電力発生のための原子炉

(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】2024-12-26

(54)【発明の名称】熱および電力発生のための原子炉

(51)【国際特許分類】

   G21D 5/00 20060101AFI20241219BHJP

   G21C 15/02 20060101ALI20241219BHJP

   G21C 17/02 20060101ALI20241219BHJP

   G21C 15/26 20060101ALI20241219BHJP

   G21D 1/00 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

G21D5/00

G21C15/02 B

G21C17/02 400

G21C15/26

G21D1/00 Q

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024537085

(86)(22)【出願日】2022-12-20

(85)【翻訳文提出日】2024-07-30

(86)【国際出願番号】 US2022082086

(87)【国際公開番号】W WO2024049490

(87)【国際公開日】2024-03-07

(31)【優先権主張番号】63/291,762

(32)【優先日】2021-12-20

(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】523059903

【氏名又は名称】オクロ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】デウィット， ジェイコブ

(72)【発明者】

【氏名】エバレット， パトリック

【テーマコード（参考）】

2G075

【Ｆターム（参考）】

2G075AA01

2G075BA03

2G075CA38

2G075DA08

2G075EA01

2G075FA20

2G075GA36

(57)【要約】

原子炉電力システムは、複数の核燃料要素であって、各核燃料要素は、核燃料要素を通して通過する、第１の冷却チャネルと、核燃料要素を通して通過し、第１の冷却チャネルから流体的に隔離される、第２の冷却チャネルとを備える、複数の核燃料要素を備える、炉心と、炉心を通して第１の流体クーラントを輸送するように構成される、第１の冷却システムであって、各核燃料要素の第１の冷却チャネルに流体的に接続される、第１の冷却システムと、炉心を通して第２の流体クーラントを輸送するように構成される、第２の冷却システムであって、各核燃料要素の第２の冷却チャネルに流体的に接続される、第２の冷却システムとを含む。第１の冷却チャネルを通した第１の流体クーラント流動の方向は、第２の冷却チャネルを通した第２の流体クーラント流動の方向と同一である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子炉電力システムであって、
複数の核燃料要素を備える炉心であって、前記複数の核燃料要素のそれぞれは、
前記核燃料要素を通して通過する第１の冷却チャネルと、
前記核燃料要素を通して通過し、前記第１の冷却チャネルから流体的に隔離される第２の冷却チャネルと
を備える、炉心と、
前記炉心を通して第１の流体クーラントを輸送するように構成される第１の冷却システムであって、前記第１の冷却システムは、各核燃料要素の前記第１の冷却チャネルに流体的に接続される、第１の冷却システムと、
前記炉心を通して第２の流体クーラントを輸送するように構成される第２の冷却システムであって、前記第２の冷却システムは、各核燃料要素の前記第２の冷却チャネルに流体的に接続される、第２の冷却システムと
を備える、原子炉電力システム。

【請求項2】

前記第１の冷却システムは、前記第２の冷却システムから流体的に隔離される、請求項１に記載の原子炉電力システム。

【請求項3】

前記原子炉電力システムの第１の動作モードでは、第１の体積の第１の流体クーラントが、前記第１の冷却システムを通して流動し、第２の体積の第２の流体クーラントが、前記第２の冷却システムを通して流動し、
前記原子炉電力システムの第２の動作モードでは、第１の体積の第１の流体クーラントが、前記第１の冷却システムを通して流動し、第２の体積の第２の流体クーラントが、前記第２の冷却システムを通して流動しない、
請求項１または２のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項4】

前記原子炉電力システムは、前記第１の動作モードおよび前記第２の動作モードの両方における動作の間、定格原子炉電力の１００パーセントにおいて、またはその近傍で動作するように構成される、請求項３に記載の原子炉電力システム。

【請求項5】

前記第１の動作モードにおける動作の間、前記第１の体積の第１の流体クーラントまたは前記第２の体積の第２の流体クーラントのうちの少なくとも一方は、自然循環によって輸送される、請求項３－４のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項6】

前記第２の動作モードにおける動作の間、前記第１の体積の第１の流体クーラントは、自然循環によって輸送される、請求項３－５のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項7】

前記第１の動作モードにおける動作の間、
前記第１の体積の第１の流体クーラントは、前記第１の冷却システムから、各核燃料要素の前記第１の冷却チャネルを通して流動し、
前記第２の体積の第１の流体クーラントは、前記第２の冷却システムから、各核燃料要素の前記第２の冷却チャネルを通して流動する、
請求項３－６のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項8】

前記第１の冷却チャネルおよび前記第２の冷却チャネルは、それぞれが、円筒形形状を有し、前記第１の冷却チャネルの円筒軸は、前記第２の冷却チャネルの円筒軸に平行である、請求項１－７のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項9】

前記第１の冷却チャネルを通した第１の流体クーラント流動の方向は、前記第２の冷却チャネルを通した第２の流体クーラント流動の方向と同一である、請求項１－８のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項10】

前記第１の冷却システム内の前記第１の流体クーラントから第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第１の熱交換器と、
前記第２の冷却システム内の前記第２の流体クーラントから第２の中間クーラントループの第２の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第２の熱交換器と
を備える、請求項１－９のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項11】

前記第１の中間クーラントは、自然循環によって前記第１の中間クーラントループを通して流動し、
前記第２の中間クーラントは、自然循環によって前記第２の中間クーラントループを通して流動する、
請求項１０に記載の原子炉電力システム。

【請求項12】

前記第１の冷却システム内の前記第１の流体クーラントから第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第１の熱交換器と、
前記第２の冷却システム内の前記第２の流体クーラントから前記第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第２の熱交換器と
を備える、請求項１－９のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項13】

前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器は、それぞれが、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応するレベルにおいて熱を伝達するように構成される、請求項１０－１２のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項14】

前記第１の中間クーラントループ内の前記第１の中間クーラントから第１の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される第３の熱交換器と、
前記第２の中間クーラントループ内の前記第２の中間クーラントから第２の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される第４の熱交換器と
を備える、請求項１０－１３のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項15】

前記第１の中間クーラントループまたは前記第２の中間クーラントループのうちの少なくとも一方は、複数の電力変換システムに熱を伝達するように構成される、請求項１０－１４のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項16】

動作の間、前記第１の電力変換システムおよび前記第２の電力変換システムは、それぞれが、独立して動作する、請求項１４－１５のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項17】

前記第１の電力変換システムは、第１のタービンを備え、
前記第２の電力変換システムは、第２のタービンを備え、
前記第１のタービンおよび前記第２のタービンのそれぞれは、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応する電力レベルにおいて動作するように構成される、
請求項１４－１６のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項18】

前記核燃料要素のそれぞれはさらに、
前記核燃料要素を通して通過する第３の冷却チャネルと、
前記核燃料要素を通して通過する第４の冷却チャネルと
を備え、
前記第１の冷却システムは、各核燃料要素の前記第３の冷却チャネルに流体的に接続され、
前記第２の冷却システムは、各核燃料要素の前記第４の冷却チャネルに流体的に接続される、
請求項１－１７のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項19】

前記第３の冷却チャネルおよび前記第４の冷却チャネルは、それぞれが、円筒形形状を有し、前記第３の冷却チャネルの円筒軸は、前記第４の冷却チャネルの円筒軸に平行である、請求項１８に記載の原子炉電力システム。

【請求項20】

前記第３の冷却チャネルを通した第１の流体クーラント流動の方向は、前記第４の冷却チャネルを通した第２の流体クーラント流動の方向と同一である、請求項１８または１９のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項21】

前記第１の流体クーラントおよび前記第２の流体クーラントは、それぞれが、水、液体金属、液体塩、超臨界流体、またはガスのうちの少なくとも１つから成る、請求項１－２０のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項22】

前記炉心は、並列に配列され、燃料アセンブリ領域の第１の端部から前記燃料アセンブリ領域の第２の端部まで延在する複数の核燃料要素を含む燃料アセンブリ領域を備え、前記原子炉電力システムは、
前記燃料アセンブリ領域の第１の端部に隣接して位置付けられるプレートであって、前記プレートは、前記炉心を通した流体クーラントの流動体積の変化を引き起こすために、サイズにおいて変化するように構成される１つまたはそれを上回るオリフィスを含む、プレート
を備える、請求項１－２１のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項23】

前記プレートは、クーラント入口と前記燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、
流体クーラントは、前記プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して前記燃料アセンブリ領域に進入する、
請求項２２に記載の原子炉電力システム。

【請求項24】

前記プレートは、クーラント出口と前記燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、
流体クーラントは、前記プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して前記燃料アセンブリ領域から退出する、
請求項２２に記載の原子炉電力システム。

【請求項25】

前記燃料アセンブリ領域の第２の端部に隣接して位置付けられる第２のプレートを備える、請求項２２－２４のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項26】

前記プレートは、変化する温度に伴って拡張または収縮するように構成される少なくとも１つの拡張可能材料から形成される、請求項２２－２５のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項27】

前記プレートは、変化する放射線レベルに伴って拡張または収縮するように構成される少なくとも１つの拡張可能材料から形成される、請求項２２－２６のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項28】

前記少なくとも１つの拡張可能材料の拡張または収縮は、前記１つまたはそれを上回るオリフィスのサイズの変化を引き起こす、請求項２６または２７のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項29】

方法であって、
電力を生成するように原子炉電力システムを動作させることであって、原子力発電炉システムは、
複数の核燃料要素を備える炉心であって、前記複数の核燃料要素のそれぞれは、
前記核燃料要素を通して通過する第１の冷却チャネルと、
前記核燃料要素を通して通過し、前記第１の冷却チャネルから流体的に隔離される第２の冷却チャネルと
を備える、炉心と、
各核燃料要素の前記第１の冷却チャネルに流体的に接続される第１の冷却システムと、
各核燃料要素の前記第２の冷却チャネルに流体的に接続される第２の冷却システムと
を備える、ことと、
前記第１の冷却システムによって、前記炉心を通して第１の流体クーラントを輸送することと、
前記第２の冷却システムによって、前記炉心を通して第２の流体クーラントを輸送することと
を含む、方法。

【請求項30】

前記第１の冷却システムは、前記第２の冷却システムから流体的に隔離される、請求項２９に記載の方法。

【請求項31】

前記原子炉電力システムの第１の動作モードでは、第１の体積の第１の流体クーラントが、前記第１の冷却システムを通して流動し、第２の体積の第２の流体クーラントが、前記第２の冷却システムを通して流動し、
前記原子炉電力システムの第２の動作モードでは、第１の体積の第１の流体クーラントが、前記第１の冷却システムを通して流動し、第２の体積の第２の流体クーラントが、前記第２の冷却システムを通して流動しない、
請求項２９または３０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項32】

前記第１の動作モードおよび前記第２の動作モードの両方における動作の間、定格原子炉電力の１００パーセントにおいて、またはその近傍で前記原子炉電力システムを動作させることを含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

前記第１の動作モードにおける動作の間、自然循環によって前記第１の体積の第１の流体クーラントまたは前記第２の体積の第２の流体クーラントのうちの少なくとも一方を輸送することを含む、請求項３１－３２のいずれか１項に記載の方法。

【請求項34】

前記第２の動作モードにおける動作の間、自然循環によって前記第１の体積の第１の流体クーラントを輸送することを含む、請求項３１－３３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項35】

前記第１の動作モードにおける動作の間、
前記第１の体積の第１の流体クーラントは、前記第１の冷却システムから、各核燃料要素の前記第１の冷却チャネルを通して流動し、
前記第２の体積の第２の流体クーラントは、前記第２の冷却システムから、各核燃料要素の前記第２の冷却チャネルを通して流動する、
請求項３１－３４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項36】

前記第１の冷却チャネルおよび前記第２の冷却チャネルは、それぞれが、円筒形形状を有し、前記第１の冷却チャネルの円筒軸は、前記第２の冷却チャネルの円筒軸に平行である、請求項２９－３５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項37】

前記第１の冷却チャネルを通した第１の流体流動の方向は、前記第２の冷却チャネルを通した第２の流体流動の方向と同一である、請求項２９－３６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項38】

前記第１の冷却システム内の前記第１の流体クーラントから第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第１の熱交換器と、
前記第２の冷却システム内の前記第２の流体クーラントから第２の中間クーラントループの第２の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第２の熱交換器と
を備える、請求項２９－３７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項39】

前記第１の中間クーラントは、自然循環によって前記第１の中間クーラントループを通して流動し、
前記第２の中間クーラントは、自然循環によって前記第２の中間クーラントループを通して流動する、
請求項３８に記載の方法。

【請求項40】

前記第１の冷却システム内の前記第１の流体クーラントから第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第１の熱交換器と、
前記第２の冷却システム内の前記第２の流体クーラントから前記第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第２の熱交換器と
を備える、請求項２９－３７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項41】

前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器は、それぞれが、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応するレベルにおいて熱を伝達するように構成される、請求項３８－４０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項42】

前記第１の中間クーラントループ内の前記第１の中間クーラントから第１の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される第３の熱交換器と、
前記第２の中間クーラントループ内の前記第２の中間クーラントから第２の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される第４の熱交換器と
を備える、請求項３８－４１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項43】

前記第１の中間クーラントループまたは前記第２の中間クーラントループのうちの少なくとも一方は、複数の電力変換システムに熱を伝達するように構成される、請求項２９－４２のいずれか１項に記載の方法。

【請求項44】

前記第１の電力変換システムおよび前記第２の電力変換システムを独立して動作させることを含む、請求項４２－４３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項45】

前記第１の電力変換システムは、第１のタービンを備え、
前記第２の電力変換システムは、第２のタービンを備え、
前記方法は、
定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応する電力レベルにおいて前記第１のタービンまたは前記第２のタービンのうちの一方を動作させること
を含む、請求項４２－４４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項46】

前記核燃料要素のそれぞれはさらに、
前記核燃料要素を通して通過する第３の冷却チャネルと、
前記核燃料要素を通して通過する第４の冷却チャネルと
を備え、
前記第１の冷却システムは、各核燃料要素の前記第３の冷却チャネルに流体的に接続され、
前記第２の冷却システムは、各核燃料要素の前記第４の冷却チャネルに流体的に接続される、
請求項２９－４５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項47】

前記第３の冷却チャネルおよび前記第４の冷却チャネルは、それぞれが、円筒形形状を有し、前記第３の冷却チャネルの円筒軸は、前記第４の冷却チャネルの円筒軸に平行である、請求項４６に記載の方法。

【請求項48】

前記第３の冷却チャネルを通した第１の流体クーラント流動の方向は、前記第４の冷却チャネルを通した第２の流体クーラント流動の方向と同一である、請求項４６または４７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項49】

前記第１の流体クーラントおよび前記第２の流体クーラントは、それぞれが、水、液体金属、液体塩、超臨界流体、またはガスのうちの少なくとも１つを含む、請求項２９－４８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項50】

前記炉心は、並列に配列され、燃料アセンブリ領域の第１の端部から前記燃料アセンブリ領域の第２の端部まで延在する複数の核燃料要素を含む燃料アセンブリ領域を備え、前記原子炉電力システムは、
前記燃料アセンブリ領域の第１の端部に隣接して位置付けられるプレートであって、前記プレートは、前記炉心を通した流体クーラントの流動体積の変化を引き起こすために、サイズにおいて変化するように構成される１つまたはそれを上回るオリフィスを含む、プレート
を備える、請求項２９－４９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項51】

前記プレートは、クーラント入口と前記燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、
流体クーラントは、前記プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して前記燃料アセンブリ領域に進入する、
請求項５０に記載の方法。

【請求項52】

前記プレートは、クーラント出口と前記燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、
流体クーラントは、前記プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して前記燃料アセンブリ領域から退出する、
請求項５１に記載の方法。

【請求項53】

前記燃料アセンブリ領域の第２の端部に隣接して位置付けられる第２のプレートを備える、請求項５０－５２のいずれか１項に記載の方法。

【請求項54】

前記プレートは、変化する温度に伴って拡張または収縮するように構成される少なくとも１つの拡張可能材料から形成される、請求項５０－５３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項55】

前記プレートは、変化する放射線レベルに伴って拡張または収縮するように構成される少なくとも１つの拡張可能材料から形成される、請求項５０－５４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項56】

前記少なくとも１つの拡張可能材料の拡張または収縮は、前記１つまたはそれを上回るオリフィスのサイズの変化を引き起こす、請求項５４または５５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項57】

原子炉電力システムであって、
炉心であって、前記炉心は、並列に配列され、燃料アセンブリ領域の第１の端部から前記燃料アセンブリ領域の第２の端部まで延在する複数の核燃料要素を含む燃料アセンブリ領域を備える、炉心と、
前記燃料アセンブリ領域の第１の端部に隣接して位置付けられるプレートであって、前記プレートは、前記炉心を通した流体クーラントの流動体積の変化を引き起こすために、サイズにおいて変化するように構成される１つまたはそれを上回るオリフィスを含む、プレートと
を備える、原子炉電力システム。

【請求項58】

前記プレートは、クーラント入口と前記燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、
流体クーラントは、前記プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して前記燃料アセンブリ領域に進入する、
請求項５７に記載の原子炉電力システム。

【請求項59】

前記プレートは、クーラント出口と前記燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、
流体クーラントは、前記プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して前記燃料アセンブリ領域から退出する、
請求項５７に記載の原子炉電力システム。

【請求項60】

前記燃料アセンブリ領域の第２の端部に隣接して位置付けられる第２のプレートを備える、請求項５７－５９のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項61】

前記プレートは、変化する温度に伴って拡張または収縮するように構成される少なくとも１つの拡張可能材料から形成される、請求項５７－６０のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項62】

前記プレートは、変化する放射線レベルに伴って拡張または収縮するように構成される少なくとも１つの拡張可能材料から形成される、請求項５７－６１のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項63】

前記少なくとも１つの拡張可能材料の拡張または収縮は、前記１つまたはそれを上回るオリフィスのサイズの変化を引き起こす、請求項６１または６２のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項64】

方法であって、
電力を生成するように原子炉電力システムを動作させることであって、前記原子炉電力システムは、
炉心であって、前記炉心は、並列に配列され、燃料アセンブリ領域の第１の端部から前記燃料アセンブリ領域の第２の端部まで延在する複数の核燃料要素を含む燃料アセンブリ領域を備える、炉心と、
前記燃料アセンブリ領域の第１の端部に隣接して位置付けられるプレートであって、前記プレートは、前記炉心を通した流体クーラントの流動体積の変化を引き起こすために、サイズにおいて変化するように構成される１つまたはそれを上回るオリフィスを含む、プレートと
を備える、こと
を含む、方法。

【請求項65】

前記プレートは、クーラント入口と前記燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、
流体クーラントは、前記プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して前記燃料アセンブリ領域に進入する、
請求項６４に記載の方法。

【請求項66】

前記プレートは、クーラント出口と前記燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、
流体クーラントは、前記プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して前記燃料アセンブリ領域から退出する、
請求項６４に記載の方法。

【請求項67】

前記原子炉電力システムは、前記燃料アセンブリ領域の第２の端部に隣接して位置付けられる第２のプレートを備える、請求項６４－６６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項68】

前記プレートは、変化する温度に伴って拡張または収縮するように構成される少なくとも１つの拡張可能材料から形成される、請求項６４－６７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項69】

前記プレートは、変化する放射線レベルに伴って拡張または収縮するように構成される少なくとも１つの拡張可能材料から形成される、請求項６４－６８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項70】

前記少なくとも１つの拡張可能材料の拡張または収縮は、前記１つまたはそれを上回るオリフィスのサイズの変化を引き起こす、請求項６８または６９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項71】

原子炉電力システムであって、
炉心と、
前記炉心を通して一次流体クーラントを輸送するように構成される一次冷却システムと、
前記一次冷却システム内の前記一次流体クーラントから第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第１の熱交換器と、
前記一次冷却システム内の前記一次流体クーラントから第２の中間クーラントループの第２の中間クーラントに熱を伝達するように構成される第２の熱交換器であって、前記第１の中間クーラントループは、前記第２の中間クーラントループから流体的に隔離される、第２の熱交換器と
を備える、原子炉電力システム。

【請求項72】

中間クーラントは、自然循環によって前記第１の中間クーラントループおよび前記第２の中間クーラントループを通して流動する、請求項７１に記載の原子炉電力システム。

【請求項73】

前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器は、それぞれが、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応するレベルにおいて熱を伝達するように構成される、請求項７１－７２のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項74】

前記第１の中間クーラントループ内の前記第１の中間クーラントから第１の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される第３の熱交換器と、
前記第２の中間クーラントループ内の前記第２の中間クーラントから第２の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される第４の熱交換器と
を備える、請求項７１－７３のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項75】

前記第１の中間クーラントループまたは前記第２の中間クーラントループのうちの少なくとも一方は、複数の電力変換システムに熱を伝達するように構成される、請求項７１－７４のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項76】

動作の間、前記第１の電力変換システムおよび前記第２の電力変換システムは、それぞれが、独立して動作する、請求項７４－７５のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項77】

前記第１の電力変換システムは、第１のタービンを備え、
前記第２の電力変換システムは、第２のタービンを備え、
前記第１のタービンおよび前記第２のタービンのそれぞれは、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応する電力レベルにおいて動作するように構成される、
請求項７４－７６のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項78】

方法であって、
電力を生成するように原子炉電力システムを動作させることであって、前記原子炉電力システムは、
炉心と、
一次冷却システムと、
第１の熱交換器と、
第２の熱交換器と
を備える、ことと、
前記一次冷却システムによって、前記炉心を通して一次流体クーラントを輸送することと、
前記一次冷却システム内の前記一次流体クーラントから、前記第１の熱交換器を通して、第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達することと、
前記一次冷却システム内の前記一次流体クーラントから、前記第２の熱交換器を通して、第２の中間クーラントループの第２の中間クーラントに熱を伝達することであって、前記第１の中間クーラントループは、前記第２の中間クーラントループから流体的に隔離される、ことと
を含む、方法。

【請求項79】

自然循環によって前記第１の中間クーラントループを通して前記第１の中間クーラントを輸送することと、
自然循環によって前記第２の中間クーラントループを通して前記第２の中間クーラントを輸送することと
を含む、請求項７８に記載の方法。

【請求項80】

前記第１の熱交換器および前記第２の熱交換器は、それぞれが、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応するレベルにおいて熱を伝達するように構成される、請求項７８－７９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項81】

前記原子炉電力システムは、
第３の熱交換器と、
第４の熱交換器と
を備え、
前記方法は、
前記第１の中間クーラントループ内の前記第１の中間クーラントから、前記第３の熱交換器を通して、第１の電力変換システムの第１の電力変換作動流体に熱を伝達することと、
前記第２の中間クーラントループ内の前記第２の中間クーラントから、前記第４の熱交換器を通して、第２の電力変換システムの第２の電力変換作動流体に熱を伝達することと
を含む、請求項７８－８０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項82】

前記第１の中間クーラントループまたは前記第２の中間クーラントループのうちの一方を通して複数の電力変換システムに熱を伝達することを含む、請求項７８－８１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項83】

前記第１の電力変換システムおよび前記第２の電力変換システムを独立して動作させることを含む、請求項８１－８２のいずれか１項に記載の方法。

【請求項84】

前記第１の電力変換システムは、第１のタービンを備え、
前記第２の電力変換システムは、第２のタービンを備え、前記方法は、
定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応する電力レベルにおいて前記第１のタービンまたは前記第２のタービンのうちの一方を動作させること
を含む、請求項８１－８３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項85】

原子炉電力システムであって、
炉心と、
前記炉心を通して一次流体クーラントを輸送するように構成される一次冷却システムと、
前記一次冷却システム内の前記一次流体クーラントから中間クーラントループの中間クーラントに熱を伝達するように構成される第１の熱交換器と、
前記中間クーラントループ内の前記中間クーラントから第１の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される第２の熱交換器と、
前記中間クーラントループ内の前記中間クーラントから第２の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される第３の熱交換器であって、前記第１の電力変換システムは、前記第２の電力変換システムから流体的に隔離される、第３の熱交換器と
を備える、原子炉電力システム。

【請求項86】

動作の間、前記第１の電力変換システムおよび前記第２の電力変換システムは、それぞれが、独立して動作する、請求項８５に記載の原子炉電力システム。

【請求項87】

前記第１の電力変換システムは、第１のタービンを備え、
前記第２の電力変換システムは、第２のタービンを備え、
前記第１のタービンおよび前記第２のタービンのそれぞれは、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応する電力レベルにおいて動作するように構成される、
請求項８５または８６のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項88】

前記第２の電力変換システムおよび前記第１の電力変換システムから流体的に隔離される第３の電力変換システムをさらに備える、請求項８５－８７のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項89】

前記第３の電力変換システム、前記第２の電力変換システム、および前記第１の電力変換システムから流体的に隔離される第４の電力変換システムをさらに備える、請求項８８に記載の原子炉電力システム。

【請求項90】

複数の電力変換システムの各電力変換システムは、各他の電力変換システムから独立して動作するように構成される、請求項８５－８９のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項91】

前記中間クーラントは、自然循環によって前記中間冷却ループを通して流動する、請求項８５－９０のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項92】

前記中間クーラントは、強制循環によって前記中間冷却ループを通して流動する、請求項８５－９１のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項93】

前記中間冷却ループは、前記中間クーラントの強制循環を駆動するように構成される２つまたはそれを上回るポンプを含む、請求項９２に記載の原子炉電力システム。

【請求項94】

前記中間冷却ループは、少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵ユニットに結合される、請求項８５－９３のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項95】

前記中間クーラントは、水、液体金属、液体塩、超臨界流体、またはガスのうちの少なくとも１つを含む、請求項８５－９４のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項96】

方法であって、
電力を生成するように原子炉電力システムを動作させることであって、前記原子炉電力システムは、
炉心と、
一次冷却システムと、
第１の熱交換器と、
第２の熱交換器と、
第３の熱交換器と
を備える、ことと、
前記一次冷却システムによって、前記炉心を通して一次流体クーラントを輸送することと、
前記一次冷却システム内の前記一次流体クーラントから、前記第１の熱交換器を通して、中間クーラントループの中間クーラントに熱を伝達することと、
前記中間クーラントループ内の前記中間クーラントから、前記第２の熱交換器を通して、第１の電力変換システムの第１の電力変換作動流体に熱を伝達することと、
前記中間クーラントループ内の前記中間クーラントから、前記第３の熱交換器を通して、第２の電力変換システムの第２の電力変換作動流体に熱を伝達することであって、前記第１の電力変換システムは、前記第２の電力変換システムから流体的に隔離される、ことと
を含む、方法。

【請求項97】

定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応する電力レベルにおいて複数の電力変換システムの２つまたはそれを上回る電力変換システムを動作させること
を含む第１の動作モードにおいて、前記原子炉電力システムを動作させることを含む、請求項９６に記載の方法。

【請求項98】

前記原子炉の合計電力出力が、定格原子炉電力の１００パーセントであるように、前記２つまたはそれを上回る電力変換システムを動作させることを含む、請求項９７に記載の方法。

【請求項99】

定格原子炉電力の１００パーセントに対応する電力レベルにおいて動作する前記２つまたはそれを上回る電力変換システムの第１の電力変換システムを動作させることと、
前記２つまたはそれを上回る電力変換システムの第２の電力変換システムをスタンバイ状態で動作させることと
を含む第２の動作モードにおいて、前記原子炉電力システムを動作させることを含む、請求項９７または９８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項100】

前記第１の動作モードにおいて前記原子炉電力システムを動作させることと、前記第２の動作モードにおいて前記原子炉電力システムを動作させることとの間で切り替えることを含む、請求項９９に記載の方法。

【請求項101】

前記第１の動作モードにおいて前記原子炉電力システムを動作させることと、前記第２の動作モードにおいて前記原子炉電力システムを動作させることとの間で切り替えることは、バッテリ、コンデンサ、または電力電子機器のうちの１つまたはそれを上回るものによって制御される、請求項１００に記載の方法。

【請求項102】

前記第２の電力変換システムの故障に応答して、前記第１の動作モードにおいて前記原子炉電力システムを動作させることと、前記第２の動作モードにおいて前記原子炉電力システムを動作させることとの間で切り替えることを含む、請求項１００に記載の方法。

【請求項103】

原子炉電力システムであって、
複数の燃料ピンを含む燃料アセンブリ領域を備える炉心と、
前記燃料アセンブリに隣接して位置付けられる質量分析計であって、前記質量分析計は、前記燃料アセンブリ内の１つまたはそれを上回る故障した燃料ピンの存在を検出するように構成される、質量分析計と
を備える、原子炉電力システム。

【請求項104】

前記質量分析計は、前記炉心のカバーガスプレナム内に位置付けられる、請求項１０３に記載の原子炉電力システム。

【請求項105】

前記炉心は、液体金属クーラントによって、ガスクーラントによって、水によって、または溶融塩クーラントによって冷却される、請求項１０３または１０４のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項106】

前記質量分析計は、核分裂ガスまたは事前充填された燃料ピンタグガスのうちの少なくとも一方の存在を検出することに基づいて、１つまたはそれを上回る故障した燃料ピンの存在を検出するように構成される、請求項１０３－１０５のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項107】

複数の質量分析計を備え、前記複数の質量分析計は、前記質量分析計のうちの２つまたはそれを上回るものが前記核分裂ガスまたは事前充填された燃料ピンタグガスのうちの少なくとも一方の存在を検出することに基づいて、前記燃料アセンブリ内の１つまたはそれを上回る故障した燃料ピンの存在を検出するように構成される、請求項１０３－１０６のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【請求項108】

故障した燃料ピンは、漏出する燃料ピンを備える、請求項１０３－１０７のいずれか１項に記載の原子炉電力システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して、原子炉に関し、より具体的には、信頼性のある電力および熱発生のために設計された原子炉に関する。

【背景技術】

【0002】

世界的なエネルギー成長、および汚染および排出量を低減させるための原動力が、新たな原子炉技術の商業化および設計を取り囲む、新たな活動を刺激している。これらの技術のうちのいくつかは、長時間持続する、かつ回復力を有する、高い信頼性の電力を提供するように設計された原子炉を含む。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

例示的実装では、原子炉電力システムは、複数の核燃料要素であって、複数の核燃料要素はそれぞれ、核燃料要素を通して通過する、第１の冷却チャネルと、核燃料要素を通して通過し、第１の冷却チャネルから流体的に隔離される、第２の冷却チャネルとを含む、複数の核燃料要素を含む、炉心と、炉心を通して第１の流体クーラントを輸送するように構成される、第１の冷却システムであって、各核燃料要素の第１の冷却チャネルに流体的に接続される、第１の冷却システムと、炉心を通して第２の流体クーラントを輸送するように構成される、第２の冷却システムであって、各核燃料要素の第２の冷却チャネルに流体的に接続される、第２の冷却システムとを含む。

【0004】

例示的実装と組み合わせ可能な側面では、第１の冷却システムは、第２の冷却システムから流体的に隔離される。

【0005】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の動作モードでは、第１の体積の第１の流体クーラントが、第１の冷却システムを通して流動し、第２の体積の第２の流体クーラントが、第２の冷却システムを通して流動し、第２の動作モードでは、第１の体積の第１の流体クーラントが、第１の冷却システムを通して流動し、いかなる第２の流体クーラントも、第２の冷却システムを通して流動しない。

【0006】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、電力システムは、第１の動作モードおよび第２の動作モードの両方における動作の間、定格原子炉電力の１００パーセントにおいて、またはその近傍で動作するように構成される。

【0007】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の動作モードにおける動作の間、第１の体積の第１の流体クーラントまたは第２の体積の第２の流体クーラントのうちの少なくとも一方は、自然循環によって輸送される。

【0008】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の流体クーラントは、第２の流体クーラントと同一である。

【0009】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の流体クーラントは、第２の流体クーラントと異なる。

【0010】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第２の動作モードにおける動作の間、第１の体積の第１の流体クーラントは、自然循環によって輸送される。

【0011】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の動作モードにおける動作の間、第１の体積の第１の流体クーラントは、第１の冷却システムから、各核燃料要素の第１の冷却チャネルを通して流動し、第２の体積の第２の流体クーラントは、第２の冷却システムから、各核燃料要素の第２の冷却チャネルを通して流動する。

【0012】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の冷却チャネルおよび第２の冷却チャネルは、それぞれ、円筒形形状を有し、第１の冷却チャネルの円筒軸は、第２の冷却チャネルの円筒軸に平行である。

【0013】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の冷却チャネルを通した第１の流体クーラント流動の方向は、第２の冷却チャネルを通した第２の流体クーラント流動の方向と同一である。

【0014】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、第１の冷却システム内の第１の流体クーラントから第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される、第１の熱交換器と、第２の冷却システム内の第２の流体クーラントから第２の中間クーラントループの第２の中間クーラントに熱を伝達するように構成される、第２の熱交換器とを含む。

【0015】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、中間クーラントは、自然循環によって第１の中間クーラントループおよび第２の中間クーラントループを通して流動する。

【0016】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、第１の冷却システム内の第１の流体クーラントから第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される、第１の熱交換器と、第２の冷却システム内の第２の流体クーラントから第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される、第２の熱交換器とを含む。

【0017】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の熱交換器および第２の熱交換器は、それぞれ、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応するレベルにおいて熱を伝達するように構成される。

【0018】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、第１の中間クーラントループ内の第１の中間クーラントから第１の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される、第３の熱交換器と、第２の中間クーラントループ内の第２の中間クーラントから第２の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される、第４の熱交換器とを含む。

【0019】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の中間クーラントループまたは第２の中間クーラントループのうちの少なくとも一方は、複数の電力変換システムに熱を伝達するように構成される。

【0020】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、動作の間、第１の電力変換システムおよび第２の電力変換システムは、それぞれ、独立して動作する。

【0021】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の電力変換システムは、第１のタービンを含み、第２の電力変換システムは、第２のタービンを含み、第１のタービンおよび第２のタービンはそれぞれ、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応する電力レベルにおいて動作するように構成される。

【0022】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、核燃料要素はそれぞれさらに、核燃料要素を通して通過する、第３の冷却チャネルと、核燃料要素を通して通過する、第４の冷却チャネルとを含む。第１の冷却システムは、各核燃料要素の第３の冷却チャネルに流体的に接続され、第２の冷却システムは、各核燃料要素の第４の冷却チャネルに流体的に接続される。

【0023】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第３の冷却チャネルおよび第４の冷却チャネルは、それぞれ、円筒形形状を有し、第３の冷却チャネルの円筒軸は、第４の冷却チャネルの円筒軸に平行である。

【0024】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第３の冷却チャネルを通した第１の流体流動の方向は、第４の冷却チャネルを通した第２の流体流動の方向と同一である。

【0025】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の流体クーラントおよび第２の流体クーラントは、それぞれ、水、液体金属、液体塩、超臨界流体、またはガスのうちの少なくとも１つを含む。

【0026】

別の例示的実装では、原子炉電力システムは、炉心と、炉心を通して一次流体クーラントを輸送するように構成される、一次冷却システムと、一次冷却システム内の一次流体クーラントから第１の中間クーラントループの第１の中間クーラントに熱を伝達するように構成される、第１の熱交換器と、一次冷却システム内の一次流体クーラントから第２の中間クーラントループの第２の中間クーラントに熱を伝達するように構成される、第２の熱交換器とを含む。第１の中間クーラントループは、第２の中間クーラントループから流体的に隔離される。

【0027】

例示的実装と組み合わせ可能なある側面では、中間クーラントは、自然循環によって第１の中間クーラントループおよび第２の中間クーラントループを通して流動する。

【0028】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の熱交換器および第２の熱交換器は、それぞれ、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応するレベルにおいて熱を伝達するように構成される。

【0029】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、第１の中間クーラントループ内の第１の中間クーラントから第１の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される、第３の熱交換器と、第２の中間クーラントループ内の第２の中間クーラントから第２の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される、第４の熱交換器とを含む。

【0030】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の中間クーラントループまたは第２の中間クーラントループのうちの少なくとも一方は、複数の電力変換システムに熱を伝達するように構成される。

【0031】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、動作の間、第１の電力変換システムおよび第２の電力変換システムは、それぞれ、独立して動作する。

【0032】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の電力変換システムは、第１のタービンを含み、第２の電力変換システムは、第２のタービンを含み、第１のタービンおよび第２のタービンはそれぞれ、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応する電力レベルにおいて動作するように構成される。

【0033】

別の例示的実装では、原子炉電力システムは、炉心と、炉心を通して一次流体クーラントを輸送するように構成される、一次冷却システムと、一次冷却システム内の一次流体クーラントから中間クーラントループの中間クーラントに熱を伝達するように構成される、第１の熱交換器と、中間クーラントループ内の中間クーラントから第１の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される、第２の熱交換器と、中間クーラントループ内の中間クーラントから第２の電力変換システムの電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される、第３の熱交換器とを含む。第１の電力変換システムは、第２の電力変換システムから流体的に隔離される。

【0034】

例示的実装と組み合わせ可能な側面では、動作の間、第１の電力変換システムおよび第２の電力変換システムは、それぞれ、独立して動作する。

【0035】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の電力変換システムは、第１のタービンを含み、第２の電力変換システムは、第２のタービンを含み、第１のタービンおよび第２のタービンはそれぞれ、定格原子炉電力の１００パーセントにおける、またはその近傍の原子炉電力レベルに対応する電力レベルにおいて動作するように構成される。

【0036】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、第２の電力変換システムおよび第１の電力変換システムから流体的に隔離される、第３の電力変換システムを含む。

【0037】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、第３の電力変換システム、第２の電力変換システム、および第１の電力変換システムから流体的に隔離される、第４の電力変換システムを含む。

【0038】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、複数の電力変換システムの各電力変換システムは、各他の電力変換システムから独立して動作するように構成される。

【0039】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、中間クーラントは、自然循環によって中間冷却ループを通して流動する。

【0040】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、中間クーラントは、強制循環によって中間冷却ループを通して流動する。

【0041】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、中間冷却ループは、中間クーラントの強制循環を駆動するように構成される、２つまたはそれを上回るポンプを含む。

【0042】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、中間冷却ループは、少なくとも１つの熱エネルギー貯蔵ユニットに結合される。

【0043】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、中間クーラントは、水、液体金属、液体塩、超臨界流体、またはガスのうちの少なくとも１つを含む。

【0044】

別の例示的実装では、方法は、電力を生成するように前述の実装のいずれか１つの原子炉電力システムを動作させることを含む。

【0045】

例示的実装と組み合わせ可能な側面では、第１の動作モードの間、複数の電力変換システムの２つまたはそれを上回る電力変換システムは、それぞれ、定格原子炉電力の１００パーセント未満に対応する電力レベルにおいて動作する。

【0046】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、２つまたはそれを上回る電力変換システムの動作の間、原子炉の合計電力出力は、定格原子炉電力の１００パーセントである。

【0047】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第２の動作モードの間、２つまたはそれを上回る電力変換システムの第１の電力変換システムは、定格原子炉電力の１００パーセントに対応する電力レベルにおいて動作し、２つまたはそれを上回る電力変換システムの第２の電力変換システムは、スタンバイ状態である。

【0048】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本方法は、第１の動作モードにおいて原子炉電力システムを動作させることと、第２の動作モードにおいて原子炉電力システムを動作させることとの間で切り替えることを含む。

【0049】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、第１の動作モードにおいて原子炉電力システムを動作させることと、第２の動作モードにおいて原子炉電力システムを動作させることとの間で切り替えることは、バッテリ、コンデンサ、または電力電子機器のうちの１つまたはそれを上回るものによって制御される。

【0050】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本方法は、第２の電力変換システムの故障に応答して、第１の動作モードにおいて原子炉電力システムを動作させることと、第２の動作モードにおいて原子炉電力システムを動作させることとの間で切り替えることを含む。

【0051】

別の例示的実装では、原子炉電力システムは、並列に配列され、燃料アセンブリ領域の第１の端部から燃料アセンブリ領域の第２の端部まで延在する、複数の核燃料要素を含む、燃料アセンブリ領域を含む、炉心と、燃料アセンブリ領域の第１の端部に隣接して位置付けられる、プレートであって、１つまたはそれを上回るオリフィスを含む、プレートとを含む。１つまたはそれを上回るオリフィスのサイズの変化は、炉心を通した流体クーラントの流動体積の変化を引き起こす。

【0052】

例示的実装と組み合わせ可能なある側面では、プレートは、クーラント入口と燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、流体クーラントは、プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して燃料アセンブリ領域に進入する。

【0053】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、プレートは、クーラント出口と燃料アセンブリ領域との間に位置付けられ、流体クーラントは、プレートの１つまたはそれを上回るオリフィスを通して燃料アセンブリ領域から退出する。

【0054】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、燃料アセンブリ領域の第２の端部に隣接して位置付けられる、第２のプレートを含む。

【0055】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、プレートは、変化する温度に伴って拡張または収縮するように構成される、拡張可能材料から形成される。

【0056】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、プレートは、変化する放射線レベルに伴って拡張または収縮するように構成される、拡張可能材料から形成される。

【0057】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、拡張可能材料の拡張または収縮は、１つまたはそれを上回るオリフィスのサイズの変化を引き起こす。

【0058】

別の例示的実装では、原子炉電力システムは、複数の燃料ピンを含む、燃料アセンブリ領域を含む、炉心と、燃料アセンブリに隣接して位置付けられる、質量分析計とを含む。質量分析計は、燃料アセンブリ内の１つまたはそれを上回る故障した燃料ピンの存在を検出するように構成される。

【0059】

例示的実装と組み合わせ可能なある側面では、質量分析計は、炉心のカバーガスプレナム内に位置付けられる。

【0060】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、炉心は、液体金属クーラントによって、ガスクーラントによって、水によって、または溶融塩クーラントによって冷却される。

【0061】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、質量分析計は、核分裂ガスまたは事前充填された燃料ピンタグガスのうちの少なくとも一方の存在を検出することに基づいて、１つまたはそれを上回る故障した燃料ピンの存在を検出するように構成される。

【0062】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、複数の質量分析計を含む。複数の質量分析計は、質量分析計のうちの２つまたはそれを上回るものが核分裂ガスまたは事前充填された燃料ピンタグガスのうちの少なくとも一方の存在を検出することに基づいて、燃料アセンブリ内の１つまたはそれを上回る故障した燃料ピンの存在を検出するように構成される。

【0063】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、故障した燃料ピンは、漏出する燃料ピンを含む。

【0064】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、原子炉電力システムは、ウラン－２３３、ウラン－２３５、またはプルトニウム－２３９等の核分裂性材料を含む、燃料と、燃料から離れるように熱を輸送するためのクーラントと、クーラントまたは冷却デバイスから電力変換システムに熱を伝達するための熱交換器と、計測設備と、支持構造と、遮蔽材とを含む。

【0065】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、核分裂性材料は、燃料要素内に含有されることができる。燃料要素は、原子炉容器の内側に保持されることができる。

【0066】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、一次クーラントは、燃料から熱を伝達し、熱を熱交換器に運搬し、そこで、熱は、中間クーラントに、または電力変換作動流体に伝達される。

【0067】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、個々に、または冗長セットにおいて独立して定寸され、定格原子炉電力の最大１００パーセントの所望の電力レベルにおいて熱を伝達する、複数の熱交換器が、使用される。

【0068】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、冗長熱交換器システムは、冗長かつ独立した電力変換システムの一部である。

【0069】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、原子炉の熱は、これらの独立した熱輸送経路を介して、使用可能な熱または電気に変換されることができる。

【0070】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、原子炉が、１つを上回るタービン発電機システムに結合されることができ、そのそれぞれは、最大１００パーセントの原子炉電力において動作することができる。

【0071】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、崩壊熱除去補助的冷却システムが、原子炉容器から崩壊熱を受動的に除去するために使用される。

【0072】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、外部冷却は、空気または液体等の流体を介して、原子炉容器システムから熱を除去することができる。

【0073】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、一次クーラントは、自然循環によって輸送され、自然対流によって熱を伝達する。

【0074】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、一次クーラントは、原子炉の始動から全出力にわたる電力レベルに及ぶ定常状態条件において、自然循環を介して流動する。

【0075】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、一次クーラントは、水、液体金属、液体塩、超臨界流体、またはガスであり得る。

【0076】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、一次熱輸送は、熱パイプを使用して遂行される。

【0077】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、１つまたはそれを上回るブースタポンプが、強制および混合循環を介して、流動パターンを確立することによって、原子炉の始動を促進するために使用され、これは、規定された電力レベルにおける自然循環に遷移し、ポンプは、停止される。

【0078】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、１つまたはそれを上回る中間冷却ループが、存在する。

【0079】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、１つまたはそれを上回る中間冷却ループは、自然循環で動作する。

【0080】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、十分なクーラント化学的性質および純度制御を維持することが、クーラントおよびコンポーネントの耐用寿命を確実にするために提供される。

【0081】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、プラント運転期間にわたって保守を低減させるように定寸される、受動的クーラント化学的性質制御システムが、使用される。

【0082】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、独立した熱輸送および電力変換システムは、１つのみが、電力を生成している間、他のシステムが、スタンバイしているように動作される。

【0083】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、独立した熱輸送および電力変換システムは、１つを上回る独立したシステムが、低減された容量において動作され、したがって、合計出力が、定格電力の１００パーセントとなるように動作される。

【0084】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、液体金属クーラントから中間クーラントに熱を伝達するように構成される、複数の熱交換器を含む。

【0085】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、液体金属クーラントから電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される、熱交換器を含む。

【0086】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、熱交換器は、低圧力降下熱交換器である。

【0087】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、１つまたはそれを上回る熱交換器は、原子炉電力の少なくとも１００パーセントを独立して伝達するように定格される。

【0088】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、液体金属クーラントを精製するように構成される、受動的に動作されるコールドトラップを含む。

【0089】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、動作の間、液体金属クーラントは、自然循環によって原子炉を通して流動する。

【0090】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、液体金属クーラントは、原子炉の始動から全出力に及ぶ電力レベルにおける定常状態条件において、自然循環によって輸送される。

【0091】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、本システムは、原子炉を通して液体金属クーラントを圧送するように構成される、ブースタポンプを含む。

【0092】

前述の側面のいずれかと組み合わせ可能なある側面では、中間クーラントは、液体金属クーラントと同一の流体を含む。

【0093】

別の例示的実装では、方法は、電力を生成するように前述の実装のいずれか１つの原子炉電力システムを動作させることを含む。

【0094】

本開示に説明される主題の１つまたはそれを上回る実装の詳細が、付随の図面および下記の説明に記載される。本主題の他の特徴、側面、および利点が、説明、図面、および請求項から明白となるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0095】

【図1A】図１Ａは、本開示による、原子炉の例示的燃料領域の上面図または底面図を示す。

【0096】

【図1B】図１Ｂは、本開示による、核燃料要素の２つの可能性として考えられる構成の例示的断面図を示す。

【0097】

【図2】図２は、本開示による、原子炉電力システムの概略図である。

【0098】

【図3A】図３Ａおよび３Ｂは、本開示による、原子炉電力システムおよび電力変換システムの概略図である。

【図3B】図３Ａおよび３Ｂは、本開示による、原子炉電力システムおよび電力変換システムの概略図である。

【0099】

【図4】図４Ａ－４Ｄは、本開示による、原子炉電力システムおよび電力変換システムの例示的構成の略図である。

【0100】

【図5】図５Ａおよび５Ｂは、受動的流動オリフィスデバイスを含む、例示的炉心を示す。

【発明を実施するための形態】

【0101】

詳細な説明
世界的なエネルギー成長、および汚染および排出量を低減させるための原動力が、新たな原子炉技術の商業化および設計を取り囲む、新たな活動を刺激している。これらの技術のうちのいくつかは、より分散された方式において長時間持続する、かつ回復力を有する、高い信頼性の電力を提供するように設計された原子炉を含む。

【0102】

原子炉システムは、ウラン－２３３、ウラン－２３５、またはプルトニウム－２３９等の核分裂性材料を含む、燃料と、燃料から離れるように熱を輸送するためにクーラントを使用する、クーラントと、クーラントまたは冷却デバイスから電力変換システムに熱を伝達するための熱交換器と、計測設備と、支持構造と、遮蔽材とを含む。核分裂性材料は、燃料要素内に含有されることができ、燃料要素は、原子炉容器の内側に保持されることができる。クーラントは、燃料から熱交換器に熱を伝達し、そこで、熱は、中間クーラントまたは電力変換作動流体に伝達される。クーラントは、自然循環で動作することができる。自然循環で動作するとき、クーラントは、推進力がクーラントに印加されることなく流動する。例えば、自然循環は、動作するポンプの不在下でクーラントを配管を通して流動させることができる。

【0103】

複数の熱交換器が、使用されることができ、そのそれぞれまたは複数のものの組み合わせは、定格原子炉電力生成の最大１００パーセントを伝達するために使用されることができる。定格原子炉電力は、原子炉の最大発電容量であり、典型的には、メガワット（ＭＷ）単位で測定される。したがって、それぞれ、１００パーセントの定格原子炉電力において定格される、複数の独立した電力変換経路が、提供される。

【0104】

例示的原子炉システムは、炉心と熱交換器との間の高度差と組み合わせて、炉心内のその動作温度におけるクーラントと、熱交換器内のその動作温度におけるクーラントとの間の密度の差異によって駆動される、自然循環によって流動する、流体クーラント（例えば、液体ナトリウムまたは液体鉛等の液体金属クーラント）を用いて動作する。

【0105】

原子炉システムの動作の間、一次クーラントは、燃料から熱を伝達し、熱を熱交換器に運搬し、そこで、熱は、中間クーラントに、または電力変換作動流体に伝達される。一次クーラントは、炉心を通して流動するクーラントである。個々に、または冗長セットにおいて独立して定寸され、定格原子炉電力の最大１００パーセントの所望の電力レベルにおいて熱を伝達する、複数の熱交換器が、使用されることができる。冗長熱交換器システムは、冗長かつ独立した電力変換システムの一部であり得る。

【0106】

いくつかの実装では、原子炉の熱は、独立した熱輸送経路を介して、使用可能な熱または電気に変換されることができる。原子炉は、１つを上回るタービン発電機システムに結合されることができ、そのそれぞれは、１００パーセントの原子炉電力において、またはその近傍で動作することができる。

【0107】

いくつかの実装では、独立した熱輸送および電力変換システムは、１つのみが、電力を生成している間、その他が、スタンバイしているように動作される。

【0108】

いくつかの実装では、独立した熱輸送および電力変換システムは、１つを上回る独立したシステムが、低減された容量において動作され、したがって、合計出力が、定格電力の１００パーセントに、またはその近傍にあるように動作される。

【0109】

いくつかの実装では、本システムは、液体金属一次クーラントから中間クーラントに熱を伝達するように構成される、複数の熱交換器を含む。いくつかの実装では、中間クーラントは、液体金属クーラントと同一の流体を含む。いくつかの実装では、中間クーラントは、自然循環によって輸送される。いくつかの実装では、本システムは、中間クーラントを格納する、１つまたはそれを上回る中間冷却ループを含む。１つまたはそれを上回る中間冷却ループは、自然循環で動作することができる。

【0110】

いくつかの実装では、本システムは、液体金属クーラントから電力変換作動流体に熱を伝達するように構成される、熱交換器を含む。熱交換器は、例えば、低圧力降下熱交換器であり得る。いくつかの実装では、１つまたはそれを上回る熱交換器は、それぞれ、原子炉電力の少なくとも１００パーセントを独立して伝達するように定格される。いくつかの実装では、複数の独立した中間クーラントループが、独立した電力変換システムに熱を伝達するように構成される。いくつかの実装では、１つの独立した中間クーラントループが、複数の独立した電力変換システムに熱を伝達するように構成される。

【0111】

図１Ａは、原子炉１００の例示的燃料領域の上面図または底面図を示す。図１Ａは、燃料要素の冷却チャネルに流体的に接続される、冷却トレインを描写する。原子炉１００の上面および底面図は、同一であり、単一の冷却トレインが、同一の冷却チャネルの上部および底部に流体的に接続され得る。

【0112】

図１Ａを参照すると、原子炉１００は、反射体１０４と、燃料要素を含む、炉心１１０とを格納する、原子炉容器１０２を含む。燃料要素は、原子炉１００の炉心を構成する。原子炉１００は、冷却トレイン１４０および冷却トレイン１５０を含む、２つの冷却システムまたは冷却トレインによって冷却される。２つの冷却トレインによって冷却されるものとして示されるが、原子炉１００は、付加的冷却トレイン、例えば、３つの冷却トレイン、４つの冷却トレイン、５つの冷却トレイン、またはそれを上回るものによって冷却されることができる。

【0113】

冷却トレイン１４０、１５０は、冷却トレイン１４０からのクーラント（例えば、液体、ガス、混合相流体）が、冷却トレイン１５０からのクーラントと混合せず、クーラントが、冷却トレイン１４０と冷却トレイン１５０との間で流動しないように、相互から流体的に隔離される。冷却トレイン１４０、１５０は、相互に並列に動作する。

【0114】

動作の間、冷却トレイン１４０、１５０は、独立して動作されることができる。いくつかの実施例では、冷却トレイン１４０、１５０は両方とも、クーラントが、冷却トレイン１４０、１５０の両方を通して流動するように動作する。いくつかの実施例では、冷却トレイン１４０は、クーラントが、冷却トレイン１４０のみを通して流動するように、冷却トレイン１５０が、スタンバイ状態である間に動作することができる。いくつかの実施例では、冷却トレイン１５０は、クーラントが、冷却トレイン１５０のみを通して流動するように、冷却トレイン１４０が、スタンバイ状態である間に動作することができる。

【0115】

冷却トレイン１４０、１５０はそれぞれ、炉心１１０の各燃料要素を通してクーラントを輸送することができる。例えば、冷却トレイン１４０は、燃料要素の冷却チャネルの前半部を通してクーラントを輸送することができ、冷却トレイン１５０は、燃料要素の冷却チャネルの後半部を通してクーラントを輸送することができる。

【0116】

炉心１１０の例示的燃料要素は、燃料要素１２０である。図１Ｂは、核燃料要素１２０の２つの可能性として考えられる構成の例示的断面図を示す。燃料要素１２０は、長方形角柱形状を有する。いくつかの実施例では、燃料要素１２０は、円筒形形状を有することができる。燃料要素１２０は、高い熱伝導率を有する材料から形成されることができる、低い電力密度を有することができる、またはその両方であり得る。

【0117】

いくつかの実施例では、燃料要素１２０は、５Ｗ／ｍ－Ｋまたはそれを上回る（例えば、８Ｗ／ｍ－Ｋまたはそれを上回る、１０Ｗ／ｍ－Ｋまたはそれを上回る、２０Ｗ／ｍ－Ｋまたはそれを上回る、３０Ｗ／ｍ－ｋまたはそれを上回る）熱伝導率を有する。燃料要素１２０の高い熱伝導率は、燃料からクーラントへの熱伝達を向上させることができ、原子炉１００が全ての冷却チャネルよりも少ないものを通して通過する流動を伴って動作するとき、核燃料が冷却されることを可能にすることができる。例えば、いくつかの動作モードでは、クーラントは、冷却トレイン１４０に流体的に結合される冷却チャネルを通して流動し得、冷却トレイン１５０に流体的に結合される冷却チャネルを通して流動しない場合がある。原子炉１００は、燃料要素１２０を成す材料の高い熱伝導率に起因して、低減されたクーラント流動を伴っても、定格容量の１００パーセントにおける、またはその近傍の電力レベルにおいて動作することができる。定格容量の１００パーセントにおける、またはその近傍の電力レベルは、定格原子炉電力の１０パーセント以内（例えば、５パーセント以内、３パーセント以内、２パーセント以内、１パーセント以内）の電力レベルを含むことができる。

【0118】

燃料要素１２０の低い電力密度は、燃料温度を低減させ、原子炉１００が全ての冷却チャネルよりも少ないものを通して通過する流動を伴って動作するとき、核燃料が冷却されることを可能にすることができる。原子炉１００は、燃料要素１２０のより低い電力密度に起因して、低減されたクーラント流動を伴っても、１００パーセントにおける、またはその近傍の電力レベルにおいて動作することができる。

【0119】

燃料要素１２０ａは、冷却トレイン１４０のための冷却チャネル１４１ａおよび１４２ａと、冷却トレイン１５０のための冷却チャネル１５１ａおよび１５２ａとを含む。冷却チャネル１４１ａおよび１４２ａは、冷却トレイン１４０からのクーラントを輸送する一方、冷却チャネル１５１ａおよび１５２ａは、冷却トレイン１５０からのクーラントを輸送する。燃料要素１２０ａはまた、黒鉛充填材１２４と、燃料ピン１２２とを含む。冷却チャネル１４１ａ、１４２ａ、１５１ａ、および１５２ａは、燃料要素１２０ａの黒鉛充填材を通して通過する。

【0120】

燃料要素１２０ｂは、冷却トレイン１４０のための冷却チャネル１４１ｂおよび１４２ｂと、冷却トレイン１５０のための冷却チャネル１５１ｂおよび１５２ｂとを含む。冷却チャネル１４１ｂおよび１４２ｂは、冷却トレイン１４０からのクーラントを輸送する一方、冷却チャネル１５１ｂおよび１５２ｂは、冷却トレイン１５０からのクーラントを輸送する。燃料要素１２０ｂはまた、燃料マトリクスまたは燃料ミート１３２を含む。

【0121】

冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂ、１５１ｂ、および１５２ｂは、燃料要素１２０ｂの燃料ミート１３２を通して通過する。燃料ミート１３２は、核燃料材料および減速材料の混合物を含むことができる。燃料ミート１３２は、金属材料を含むことができる。

【0122】

いくつかの実施例では、冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂ、１５１ｂ、および１５２ｂは、それぞれ、円筒形形状を有する。冷却チャネルの円筒軸は、相互に平行に延在することができる。例えば、冷却チャネル１４１ｂの円筒軸は、冷却チャネル１４２ｂの円筒軸に平行であり得る。

【0123】

いくつかの実装では、冷却トレイン１４０からのクーラントは、燃料要素の上部において燃料要素１２０の冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂに進入し、燃料要素１２０を通して、例えば、重力の方向に下向きに流動する。クーラントは、燃料要素１２０の底部において燃料要素１２０の冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂから退出し、冷却トレイン１４０に戻る。同様に、冷却トレイン１５０からのクーラントは、燃料要素の上部において燃料要素１２０の冷却チャネル１５１ｂ、１５２ｂに進入し、燃料要素１２０を通して下向きに流動する。クーラントは、燃料要素１２０の底部において燃料要素１２０の冷却チャネル１５１ｂ、１５２ｂから退出し、冷却トレイン１５０に戻る。したがって、冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂ、１５１ｂ、および１５２ｂを通した流体流動は、平行な均一な方向にあり、例えば、重力の方向に下向きであり得る。

【0124】

いくつかの実装では、冷却トレイン１４０からのクーラントは、燃料要素の底部において燃料要素１２０の冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂに進入し、燃料要素１２０を通して、例えば、重力の方向に対して上向きに流動する。クーラントは、燃料要素１２０の上部において燃料要素１２０の冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂから退出し、冷却トレイン１４０に戻る。同様に、冷却トレイン１５０からのクーラントは、燃料要素１２０の底部において燃料要素１２０の冷却チャネル１５１ｂ、１５２ｂに進入し、燃料要素１２０を通して上向きに流動する。クーラントは、燃料要素１２０の上部において燃料要素１２０の冷却チャネル１５１ｂ、１５２ｂから退出し、冷却トレイン１５０に戻る。したがって、冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂ、１５１ｂ、および１５２ｂを通した流体流動は、平行な均一な方向にあり、例えば、重力の方向に対して上向きであり得る。

【0125】

いくつかの実装では、冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂ、１５１ｂ、および１５２ｂを通した流体流動は、不均一な方向にあり得る。例えば、クーラントは、燃料要素１２０の上部において冷却トレイン１４０から冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂに進入することができ、燃料要素１２０の底部において冷却トレイン１５０から冷却チャネル１５１ｂ、１５２ｂに進入することができる。したがって、冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂを通した流体クーラント流動は、冷却チャネル１５１ｂ、１５２ｂを通した流体クーラント流動の方向とは反対の平行な方向にあり得る。

【0126】

４つの冷却チャネル１４１ｂ、１４２ｂ、１５１ｂ、および１５２ｂを有するものとして示されるが、燃料要素１２０は、より多いまたはより少ない冷却チャネルを含むことができる。例えば、燃料要素１２０は、２つの冷却チャネルを含み、２つの冷却トレインはそれぞれ、冷却チャネルのうちの一方に流体的に結合されることができる。いくつかの実施例では、燃料要素１２０は、６つの冷却チャネルを含み、２つの冷却トレインはそれぞれ、冷却チャネルのうちの３つに流体的に結合される、または３つの冷却トレインはそれぞれ、冷却チャネルのうちの２つに流体的に結合されることができる。冷却トレインおよび冷却チャネルの他の組み合わせも、可能性として考えられる（例えば、燃料要素あたり３つの冷却トレインおよび３つの冷却チャネル、燃料要素あたり４つの冷却トレインおよび４つの冷却チャネル、燃料要素あたり２つの冷却トレインおよび８つの冷却チャネル）。

【0127】

図２は、原子炉電力システム２００の概略図である。システム２００は、原子炉１００と、電力変換トレイン２３０ａおよび２３０ｂとを含む。電力変換トレイン２３０ａおよび２３０ｂは、独立した電力変換トレインである。電力変換トレイン２３０ａおよび２３０ｂは、原子炉１００からの熱によって駆動される。熱が、原子炉１００から、それぞれ、冷却ループ２４０および２５０によって、電力変換トレイン２３０ａおよび２３０ｂに輸送される。クーラントが、自然循環または強制循環を使用して、冷却ループ２４０によって輸送されることができる。

【0128】

冷却ループ２４０および２５０は、相互から流体的に隔離され、相互と並列に動作する。冷却ループ２４０は、高温クーラントを電力変換トレイン２３０ａに輸送するためのホットレグ２４２と、低温クーラントを原子炉１００に輸送するためのコールドレグ２４４とを含む。冷却ループ２５０は、高温クーラントを電力変換トレイン２３０ｂに輸送するためのホットレグ２５２と、低温クーラントを原子炉１００に輸送するためのコールドレグ２５４とを含む。

【0129】

いくつかの実施例では、冷却ループ２４０および２５０は、一次クーラントを輸送する。例えば、冷却ループ２４０および２５０は、図１Ａの冷却トレイン１４０および１５０を含むことができる。本実施例では、冷却トレイン１４０からの一次クーラントは、原子炉１００から、冷却ループ２４０を通して、電力変換トレイン２３０ａに流動し、冷却トレイン１５０からの一次クーラントは、原子炉１００から、冷却ループ２５０を通して、電力変換トレイン２３０ｂに流動する。

【0130】

いくつかの実施例では、冷却ループ２４０および２５０は、中間クーラントを輸送することができる。例えば、冷却トレイン１４０は、冷却ループ２４０内の中間クーラントによって冷却されることができ、冷却トレイン１５０は、冷却ループ２５０内の中間クーラントによって冷却されることができる。いくつかの実施例では、原子炉１００は、単一の一次冷却トレインを含み、冷却ループ２４０および２５０は、それぞれ、単一の一次冷却トレインから熱を除去するように構成される。

【0131】

図３Ａおよび３Ｂは、原子炉電力システムと、複数の電力変換システムとを含む、システムの概略図である。図３Ａを参照すると、システム３００は、原子炉１００と、冷却ループ２４０および２５０と、熱交換器３３０ａ、３３０ｂとを含む。熱交換器３３０ａおよび３３０ｂは、それぞれ、冷却ループ２４０および２５０から電力変換作動流体に熱を伝達する。原子炉１００、冷却ループ２４０および２５０、および熱交換器３３０ａおよび３３０ｂは、格納容器３４０内に位置する。

【0132】

電力変換作動流体は、熱交換器３３０ａから、配管システム３３３ａを通して、タービン３５０ａに輸送される。電力変換作動流体はまた、熱交換器３３０ｂから、配管システム３３３ｂを通して、タービン３５０ｂに輸送される。いくつかの実施例では、熱交換器３３０ａおよびタービン３５０ａは、第１の電力変換トレイン、例えば、図２の電力変換トレイン２３０ａの一部である。本実施例では、熱交換器３３０ｂおよびタービン３５０ｂは、第２の電力変換トレイン、例えば、図２の電力変換トレイン２３０ｂの一部である。

【0133】

いくつかの実施例では、熱交換器３３０ａおよび３３０ｂは、単一の中間冷却ループによって冷却される。例えば、中間冷却ループは、原子炉１００内の一次クーラントから熱交換器３３０ａおよび３３０ｂの両方に熱を輸送することができる。本実施例では、原子炉１００は、単一の一次冷却トレインによって、または単一の中間冷却ループに熱を伝達する複数の一次冷却トレインによって冷却されることができる。

【0134】

いくつかの実施例では、バイパス３３４が、配管システム３３３ａを配管システム３３３ｂに接続する。バイパス３３４は、熱交換器３３０ａからの電力変換作動流体が、バイパス３３４を通して流動し、タービン３５０ｂに動力供給し得、および／または熱交換器３３０ｂからの電力変換作動流体が、バイパス３３４を通して流動し、タービン３５０ａに動力供給し得るように実装されることができる。このように、第１の冷却システムまたは第２の冷却システムのいずれかからの熱は、タービン３５０ａ、３５０ｂの両方に動力供給するために使用されることができる。

【0135】

図３Ｂを参照すると、システム３０１は、炉心３０６と、一次クーラントシステム３０５と、中間熱交換器３０４とを含む、原子炉モジュール３０２を含む。熱交換器３０４は、単一の中間冷却ループ３０８によって冷却される。中間冷却ループ３０８は、一次クーラントシステム３０５から電力変換熱交換器３１０に熱を輸送する。システム３０１はまた、電力変換システム３１５ａおよび３１５ｂと、熱シンク３１６ａおよび３１６ｂとを含む。

【0136】

いくつかの実施例では、中間クーラントは、自然循環によって中間冷却ループ３０８を通して流動する。いくつかの実施例では、中間クーラントは、１つまたはそれを上回るポンプによって提供される推進力によって中間冷却ループ３０８を通して推進される。冗長ポンプが、強制循環を提供するために、中間ループ内に含まれることができる。冗長ポンプは、これが１つのポンプがオフラインになっても耐故障性であるように、中間システムの向上された信頼性を提供する。

【0137】

中間ループは、原子炉停止の場合に継続される発電を可能にするために、構造および／またはクーラントを含む、熱貯蔵媒体を介した熱エネルギー貯蔵装置を含むように設計されることができる。熱エネルギー貯蔵装置はまた、電力変換システムの組み合わせられた容量を使用する電力ピーキングを可能にすることができる。例えば、システム３０１は、熱エネルギー貯蔵装置３１１を含む。

【0138】

いくつかの実施例では、中間クーラントは、液体金属である。中間クーラントシステムは、増加された質量のクーラントを含むことによって、および／または中間クーラントループに流体的に接続される貯蔵タンク内の固体または相変化熱貯蔵媒体の使用を通して、１００パーセントの定格原子炉電力を上回る増加された電力生成を支援するために使用されるべき有意な量の熱エネルギーを貯蔵するように定寸されることができる。

【0139】

図４Ａ－４Ｄは、原子炉電力システムおよび電力変換システムの例示的構成の略図である。図４Ａを参照すると、原子炉４１０ａは、２つの冷却ループ４１２を通して、第１の電力変換トレイン４０１ａおよび第２の電力変換トレイン４０２ａに熱を提供する。

【0140】

図４Ｂを参照すると、第１の原子炉４１０ｂは、２つの冷却ループ４１４を通して、第１の電力変換トレイン４０１ｂおよび第２の電力変換トレイン４０２ｂに熱を提供し、第２の原子炉４２０ｂは、２つの冷却ループ４１６を通して、第３の電力変換トレイン４０３ｂおよび第４の電力変換トレイン４０４ｂに熱を提供する。

【0141】

図４Ｃを参照すると、第１の原子炉４１０ｃは、共有される冷却ループ４１８を通して、第１の電力変換トレイン４０１ｃおよび第３の電力変換トレイン４０３ｃに熱を提供し、第２の原子炉４２０ｃは、第１の電力変換トレイン４０１ｃおよび第２の電力変換トレイン４０２ｃに熱を提供し、第３の原子炉４３０ｃは、第２の電力変換トレイン４０２ｃおよび第３の電力変換トレイン４０３ｃに熱を提供する。

【0142】

図４Ｄを参照すると、第１の原子炉４１０ｄは、部分的に共有される冷却ループ４２２を通して、第１の電力変換トレイン４０１ｄおよび第２の電力変換トレイン４０２ｄに熱を提供し、第２の原子炉４２０ｄは、第２の電力変換トレイン４０２ｄおよび第３の電力変換トレイン４０３ｄに熱を提供する。

【0143】

開示される技法を使用して、原子炉電力システムは、原子炉電力システムが、１つまたはそれを上回る電力変換システムがオフラインであっても、全出力で動作し続け得るように、冗長性を組み込むことによって、高い動作稼働時間を達成することができる。

【0144】

いくつかの実施例では、原子炉電力システムは、複数の電力変換トレインが、それぞれ、定格原子炉電力のゼロパーセントを上回るが、定格原子炉電力の１００パーセント未満に対応する電力レベルにおいて動作している、第１の動作モードにおいて動作する。原子炉の組み合わせられた電力出力は、定格原子炉電力の最大１００パーセントであり得る。

【0145】

原子炉電力システムはまた、１つの電力変換トレインが、定格原子炉電力の１００パーセントに対応する電力レベルにおいて動作しており、他の電力変換トレインが、スタンバイ状態である、第２の動作モードにおいて動作することができる。原子炉システムは、第１の動作モードにおいて動作することと、第２の動作モードにおいて動作することとの間で迅速に切り替えることができる。例えば、２つの電力変換トレインが「高温」モードにおいて動作する状態では、本システムは、低温またはゼロ電力条件からの始動を実施することなく、２つの電力変換トレインを動作させることから単一の変換トレインを動作させることに切り替えることができる。これはまた、低減された複雑性の電力管理システムを可能にする。動作するタービンの回転慣性は、大規模な電圧途絶の可能性を低減させながら、迅速に負荷を拾うことができる。

【0146】

いくつかの実装では、崩壊熱除去補助的冷却システムが、原子炉容器から崩壊熱を受動的に除去するために使用される。いくつかの実装では、外部冷却は、空気または液体等の流体を介して、原子炉容器システムから熱を除去することができる。

【0147】

いくつかの実装では、一次クーラントは、自然循環によって輸送され、自然対流によって熱を伝達する。一次クーラントは、原子炉の始動から全出力にわたる電力レベルに及ぶ定常状態条件において、自然循環を介して流動することができる。一次クーラントは、例えば、水、液体金属、液体塩、超臨界流体、またはガスを含むことができる。

【0148】

いくつかの実装では、一次熱輸送は、熱パイプを使用して遂行される。いくつかの実施形態によると、１つまたはそれを上回るブースタポンプが、強制および混合循環を介して、流動パターンを確立することによって、原子炉の始動を促進するために使用され、これは、次いで、所望の電力レベルにおける自然循環に遷移する。ブースタポンプは、いったん自然循環が確立されると、停止されることができる。

【0149】

十分なクーラント化学的性質および純度制御を維持することが、クーラントおよびコンポーネントの耐用寿命を確実にすることに対して重要である。いくつかの実装では、プラント運転期間にわたって最小限の保守を可能にするように定寸される、受動的クーラント化学的性質制御システムが、使用される。いくつかの実装では、本システムは、液体金属クーラントを精製するように構成される、受動的に動作されるコールドトラップを含む。

【0150】

いくつかの実装では、動作の間、液体金属クーラントは、自然循環によって原子炉を通して流動する。液体金属クーラントは、原子炉の始動から全出力に及ぶ電力レベルにおける定常状態条件において、自然循環によって流動することができる。いくつかの実装では、本システムは、原子炉を通して液体金属クーラントを圧送するように構成される、ブースタポンプを含む。

【0151】

例示的実装では、原子力発電炉容器システムは、液体金属クーラント等の一次クーラントによって冷却される原子炉を少なくとも部分的に封入するように定寸される、内側容積を画定する、内側容器と、内側容器を全体的または実質的に封入するように定寸される、外側容器とを含む。原子炉は、複数の核燃料要素を含む。いくつかの実施例では、核燃料要素のうちの少なくともいくつかは、少なくとも部分的に、被覆材内に封入される。

【0152】

いくつかの実施例では、浸漬流体は、本システムのコンポーネントを冷却する。浸漬流体は、原子炉によって発生される熱エネルギーを貯蔵する。いくつかの実施例では、浸漬流体は、液体金属クーラントと同一の流体である。いくつかの実施例では、浸漬流体および液体金属クーラントは、流体的または油圧的に接続される。浸漬流体および液体金属クーラントは、流動ダイオード、圧力ゲート、浸透可能膜、または高低差のうちの１つによって、流体的に接続されることができる。いくつかの実施例では、本システムは、原子炉容器コンポーネントのモジュール式パッケージを含む。モジュール式パッケージは、本システムから可撤性であり得る。

【0153】

いくつかの実施例では、原子炉電力システムは、故障した燃料ピンを検出するために、質量分析計検出器を含む。典型的には、ガンマ分析計が、核分裂生成物を検出するために使用される。質量分析計は、原子炉の活性炉心の外側のカバーガスプレナム内に位置付けられることができる。本システムは、核分裂ガスおよび／または事前充填された燃料ピンタグガスを検出するために使用されることができる。カバーガスプレナム内のこれらの物質の存在は、ガスが、そうでなければ存在せず、ガスのいかなる他の源も、存在しないため、故障した、または漏出する燃料ピンから生じる可能性が高い。複数の質量分析計が、冗長性および重複性、および１つを上回る陽性信号の一致を伴う正常ではないガスの検出を確認するための能力を確実にするために使用されることができる。分析計は、全体的な原子炉計測設備および制御システムの一部であり得、故障した燃料要素が交換されるべきであるかどうかを決定するために使用されることができる。

【0154】

質量分析計検出器は、例えば、液体金属冷却原子炉のカバーガス領域内に位置付けられることができる。質量分析計検出器はまた、カバーガス領域またはガスプレナムが存在する、ガス冷却原子炉または溶融塩原子炉内に位置付けられることができる。質量分析計はまた、質量分析計が燃料ピン故障を示す核分裂生成物を検出し得る、クーラント化学的性質および制御システム内に位置することができる。

【0155】

図５Ａおよび５Ｂは、受動的流動オリフィスデバイスまたはオリフィスプレートを含む、例示的炉心５０１、５０２を示す。受動的流動オリフィスプレートは、燃料アセンブリ領域の上部端に、燃料アセンブリ領域の底部端に、または原子炉燃料アセンブリ領域の上部および底部端の両方に位置付けられることができる。

【0156】

炉心５０１は、クーラント入口５２１を含む。炉心５０１は、複数の燃料要素または燃料ピン５１３を含む、燃料アセンブリ領域５１１を含む。燃料アセンブリ領域５１１は、上部端５１５と、底部端５１７とを有する。いくつかの実施例では、上部端５１５は、重力の方向、例えば、ｚ方向において底部端５１７の上方に位置する。各燃料ピン５１３は、ｚ方向においてある長さを有する。

【0157】

炉心５０１は、燃料アセンブリ領域５１１の底部端５１７において受動的流動オリフィスデバイス５１０を含む。受動的流動オリフィスデバイス５１０は、流動オリフィス５０８と、受動的熱拡張オリフィスプレート５０９とを含む。３つのオリフィス５０８を有するものとして示されるが、プレート５０９は、より多いまたはより少ないオリフィス５０８を含むことができる。

【0158】

受動的流動オリフィスデバイス５１０は、クーラント入口５２１と燃料アセンブリ領域５１１との間に位置付けられる。流体クーラントは、プレート５０９のオリフィスを通して燃料アセンブリ領域５１１に進入する。受動的流動オリフィスデバイス５１０は、プレート５０９の表面が燃料ピン５１３の長さの方向に直角の方向に延在する状態で位置付けられる。例えば、燃料ピン５１３は、ｚ方向に延在し、プレート５０９の表面は、ｘ－ｙ平面に延在する。受動的流動オリフィスデバイス５１０は、拡張または収縮することによって、温度変化に受動的に自動的に応答することができる。受動的流動オリフィスデバイス５１０の拡張および収縮は、局所的な出力対流量比に基づいて、アセンブリレベルにおける流動体積の増加または減少を引き起こす。

【0159】

炉心５０２は、クーラント出口５２２を含む。炉心５０２は、複数の燃料ピン５１４を含む、燃料アセンブリ領域５１２を含む。燃料アセンブリ領域５１２は、上部端５１６と、底部端５１８とを有する。いくつかの実施例では、上部端５１６は、重力の方向、例えば、ｚ方向において底部端５１８の上方に位置する。各燃料ピン５１４は、ｚ方向においてある長さを有する。

【0160】

炉心５０２は、燃料アセンブリ領域５１２の上部端５１６において受動的流動オリフィスデバイス５２０を含む。受動的流動オリフィスデバイス５２０は、流動オリフィス５２８と、受動的熱拡張オリフィスプレート５２９とを含む。受動的流動オリフィスデバイス５２０は、オリフィス５２８内に位置付けられる、ディスク５１９を含む。環状部５３０が、オリフィス５２８とディスク５１９との間に形成される。ディスク５１９、プレート５２９、または両方の拡張および収縮は、環状部５３０の断面積を変化させる。環状部５３０の変化するサイズは、受動的流動オリフィスデバイス５２０を通した流体クーラントの流動体積を変化させる。ディスク５１９は、ワイヤまたは懸架アームを使用して、オリフィス５２８内に懸架されることができる。ディスク５１９は、ディスク５１９の周囲のクーラント流動が、半径方向において均一であるように、オリフィス５２８内に心合されることができる。

【0161】

受動的流動オリフィスデバイス５２０は、燃料アセンブリ領域５１２とクーラント出口５２２との間に位置付けられる。流体クーラントは、プレート５２９のオリフィス５２８を通して燃料アセンブリ領域５１２から退出する。受動的流動オリフィスデバイス５２０は、拡張または収縮することによって、温度変化に受動的に自動的に応答することができる。受動的流動オリフィスデバイス５２０の拡張および収縮は、局所的な出力対流量比に基づいて、アセンブリレベルにおける流動体積の増加または減少を引き起こす。

【0162】

受動的流動オリフィスデバイス５１０、５２０は、それぞれ、要素の核分裂電力生成に基づく増加されたクーラント温度に応答することができるか、または、その要素内で生成される光子および中性子との反応に基づく増加された放射加熱につながる材料を採用することができるかのいずれかである。これらは、少量の核分裂性材料、ホウ素、または高Ｚ材料を含むことができる。受動的流動オリフィスデバイス５１０、５２０はまた、温度および放射加熱の両方に応答するように設計されることができる。

【0163】

受動的流動オリフィスは、固定された、または移動させることが困難な流動オリフィスに関する必要性を軽減し、より容易な燃料シャッフリングを可能にすることができる。拡張および収縮する受動的流動オリフィスデバイスは、温度および放射能の変化に適応するために、炉心の寿命全体を通して経時的にクーラント流量を調節することができる。したがって、受動的流動オリフィスデバイスは、交換されることなく、炉心寿命の間の長い期間にわたって定位置に留まり、要求される保守の量を低減させることができる。

【0164】

流動オリフィスは、原子炉性能を向上させる、平坦な燃料要素クーラント出口温度分布を確実にする。受動的流動オリフィスデバイスは、それらがより高い温度を被るにつれて拡張し、流動面積を増加させ、圧力降下を低減させ、より多くの一次クーラント流動がオリフィスデバイスを通して流動することを可能にする、固体材料または液体またはガスエキスパンダを使用することができる。ガスおよび液体は、それらの増加された複雑性を補償し得る、好都合な拡張特性を有する。クーラント温度、放射加熱、または両方に応答することは、温度および電力挙動を所望のオリフィス拡張挙動と結び付けるであろう。

【0165】

本明細書は、多くの具体的実装詳細を含有するが、これらは、任意の発明または請求され得る内容の範囲に対する限定としてではなく、むしろ、特定の発明の特定の実装に特有な特徴の説明として解釈されるべきである。別個の実装の文脈において本明細書に説明されるある特徴はまた、単一の実装において組み合わせて実装されることができる。逆に、単一の実装の文脈において説明される種々の特徴はまた、複数の実装において、別個に、または任意の好適な副次的組み合わせにおいて実装されることができる。また、特徴が、ある組み合わせにおいて作用するものとして上記に説明され、さらには、最初にそのように請求され得るが、請求される組み合わせからの１つまたはそれを上回る特徴は、ある場合には、組み合わせから削除されることができ、請求される組み合わせは、副次的組み合わせまたは副次的組み合わせの変形例も対象とし得る。

【0166】

同様に、動作が、特定の順序において図面に描写されるが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が示される特定の順序において、または順次的順序において実施されること、または全ての図示される動作が実施されることを要求するものとして理解されるべきではない。ある状況では、マルチタスクおよび並列処理が、有利であり得る。また、上記に説明される実装における種々のシステムコンポーネントの分離は、全ての実装においてそのような分離を要求するものとして理解されるべきではなく、説明されるプログラムコンポーネントおよびシステムが、概して、単一のソフトウェア製品においてともに統合される、または複数のソフトウェア製品の中にパッケージ化され得ることを理解されたい。

【0167】

いくつかの実装が、説明されている。それにもかかわらず、種々の修正が、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、行われ得ることを理解されたい。例えば、本明細書に説明される例示的動作、方法、またはプロセスは、説明されるものよりも多いステップまたは少ないステップを含み得る。さらに、そのような例示的動作、方法、またはプロセスにおけるステップは、説明される、または図に図示されるものと異なる並びにおいて実施され得る。故に、他の実装も、以下の請求項の範囲内である。

【図1A-1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A-5B】

【国際調査報告】