JP2003043177A - 冷却系統一体型原子炉およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】できるだけ小さな原子炉容器から、できるだけ
大きな出力を取り出すことによって、経済的に優れた冷
却系統一体型原子炉を提供する。 【解決手段】原子炉の炉心１と、炉心１を冷却する１次
冷却材２とを原子炉容器４内に一体化して内蔵してなる
冷却系統一体型原子炉であって、１次冷却材２によって
液浸された領域である液相部Ｆに配置され、１次冷却材
２を冷却する蒸気発生器３Ｆと、１次冷却材２の液面よ
りも上部側の領域である気相部Ｖに配置され、気相部Ｖ
に移行した気体状の１次冷却材を冷却する蒸気発生器３
Ｖとを原子炉容器４内に備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炉心を冷却する冷
却系統を原子炉容器内に一体化して収納し、原子炉容器
内で冷却材を主に自然循環させることによって炉心から
熱出力を取り出す冷却系統一体型原子炉およびその運転
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の冷却系統一体型原子炉では、図８
に示すように、蒸気発生器３を１次冷却材２に液浸して
配置して、炉心１の中の燃料と１次冷却材２との間、及
び１次冷却材２と伝熱管５との間の熱伝達を対流による
自然循環を利用して行うか、あるいは、図９に示すよう
に、炉心１の中の燃料と１次冷却材２との間の熱伝達は
沸騰、１次冷却材２と伝熱管５との間の熱伝達は凝縮で
行う方式が採用されている。

【０００３】すなわち、図８に示すような冷却系統一体
型原子炉では、原子炉容器４内に炉心１と蒸気発生器３
とが設けられており、更に、炉心１で引き起こる核分裂
のエネルギーによって加熱された炉心１を冷却するとと
もに自身は加熱される１次冷却材２によって炉心１と蒸
気発生器３とが液浸されている。このような冷却系統一
体型原子炉は、軽水炉あるいは高速増殖炉に適用されて
おり、１次冷却材２としては、軽水炉の場合には軽水
が、高速増殖炉の場合にはナトリウム（Ｎａ）が一般的
に用いられている。

【０００４】炉心１近傍の１次冷却材２は、炉心１で引
き起こる核分裂のエネルギーによって加熱されると密度
が小さくなり、図中矢印Ｗ_１に示すように、対流により
炉心１側からその上方側へと上昇する。そして、炉心１
の上方側に設けられた蒸気発生器３の伝熱管５内を流れ
る２次冷却水６によって冷却されその熱が奪われるとと
もに、蒸気発生器３の伝熱管５内を流れる２次冷却水６
は沸騰し、蒸気７として取り出される。

【０００５】１次冷却材２は、このようにして蒸気発生
器３において冷却されることによって密度が大きくなる
ので、図中矢印Ｗ_２に示すように対流により蒸気発生器
３側から炉心１側へと下降する。この下降した１次冷却
材２が炉心１を冷却することによって、１次冷却材２自
身は加熱されて密度が小さくなり、対流により再び炉心
１側からその上方側へと上昇する。

【０００６】上述したようなメカニズムを繰り返すこと
によって、１次冷却材２は原子炉容器４内において図中
矢印Ｗ_１および図中矢印Ｗ_２に示すように自然循環する
とともに、炉心１において発生した核分裂エネルギーに
よって蒸気７が生成される。この蒸気７がタービンの回
転に用いられることによって電力エネルギーとして、あ
るいはこの蒸気７が熱源に用いられることによって熱エ
ネルギーとして利用される。

【０００７】なお、制御棒９は、炉心１で発生する核分
裂反応を制御することにより、原子炉の出力調整を行う
ものであって、内部に硼素（Ｂ）など中性子を吸収する
物質が含まれている。そして、炉心１に挿入されること
によって核分裂反応を抑制し、逆に炉心１に挿入されて
いる状態から炉心１の上部側へと引き抜かれることによ
って核分裂反応が促進される。このような制御棒９の上
下方向への駆動は制御棒駆動機構１０によってなされ
る。

【０００８】一方、図９に示すような冷却系統一体型原
子炉では、１次冷却材２によって浸されている領域であ
る液相部Ｆよりも上部の領域である気相部Ｖに、蒸気発
生器３が設けられている。１次冷却材２は、炉心１で引
き起こる核分裂のエネルギーによって加熱されて沸騰
し、気泡１１を発生する。そして、１次冷却材２は、こ
の気泡１１を伴って図中矢印Ｗ_１に示すように、対流に
より炉心１側からその上方側へと上昇する。気泡１１
は、１次冷却材２の液面、すなわち液相部Ｆの上端部ま
で上昇すると、蒸気となって気相部Ｖへと上昇する。こ
のようにして気相部Ｖに上昇した蒸気は、蒸気発生器３
の伝熱管５を介して２次冷却水６を蒸発させる一方、自
身は冷却、凝縮され、液体に戻って液相部Ｆに落下す
る。２次冷却水６の沸騰によって生成された蒸気７もま
たタービンの回転に用いられることによって電力エネル
ギーとして、あるいはこの蒸気７が熱源に用いられるこ
とによって熱エネルギーとして利用される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の冷却系統一体型原子炉では、以下のような問
題がある。

【００１０】すなわち、図８にその構成を示す冷却系統
一体型原子炉の場合には、炉心１内で気泡１１は生じて
いないので、１次冷却材２の炉心１からの出口である炉
心１の上端部付近と、１次冷却材２の蒸気発生器３から
の出口である蒸気発生器３の下端部付近との冷却材密度
差が小さく、自然循環流量が小さい。そのため、出力を
増大しようとすると蒸気発生器３を大型化せねばなら
ず、それに伴い原子炉容器４の高さも高くしなければな
らないために、出力の上限は原子炉容器４の製造限界か
ら限界がある。

【００１１】その一方で、蒸気発生器３への給水流量を
変えると、蒸気発生器３の出口である蒸気発生器３の下
端部付近の１次冷却材２の温度を変えられる為、負の温
度係数を持つ炉心１の出力を給水流量のみで制御できる
という所謂タービン主、原子炉従の運転が可能であり、
出力制御が容易となるというメリットがある。

【００１２】一方、図９にその構成を示す冷却系統一体
型原子炉では、炉心１の除熱は沸騰で行われるので、１
次冷却材２の炉心１からの出口、すなわち炉心１の上端
部における上昇流部が、液体の１次冷却材２と気泡１１
とによる２層流となり、蒸気発生器３の下端部付近にお
ける下降流部との冷却材密度差を大きく取ることがで
き、自然循環流量が増加する。このため、図８にその構
成を示す冷却系統一体型原子炉よりも出力増大への対応
が容易である。

【００１３】しかしながら、蒸気発生器３への給水流量
を増加すると原子炉容器４の内圧が低下し、炉心ボイド
量（炉心１を通過する１次冷却材２に含まれる気泡１１
の量）が増大する為、負のボイド係数を持つ炉心１の出
力は低下することとなり、意図した出力増大と逆方向に
作用をすることとなる。したがって、先ず炉心１の出力
を変化させてからタービンの出力を変化させるという所
謂原子炉主、タービン従の運転方法を取らざるをえず、
出力制御が容易でないという欠点を持つ。

【００１４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、その第１の目的は、できるだけ小さな原子
炉容器から、できるだけ大きな出力を取り出し、もっ
て、経済的に優れた冷却系統一体型原子炉を提供するこ
とにある。

【００１５】また、その第２の目的は、このような原子
炉を、タービンを主とし、原子炉を従とする簡素な操作
で運転可能とし、もって、出力制御の容易な冷却系統一
体型原子炉の運転方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、以下のような手段を講じる。

【００１７】すなわち、請求項１の発明の冷却系統一体
型原子炉では、上記第１の目的を達成するために、原子
炉の炉心と、炉心を冷却する１次冷却材とを原子炉容器
内に一体化して内蔵してなる冷却系統一体型原子炉であ
って、液相部冷却手段と、気相部冷却手段とをそれぞれ
原子炉容器内に備えている。

【００１８】液相部冷却手段は、１次冷却材によって液
浸された領域である液相部に配置され、１次冷却材を冷
却する。気相部冷却手段は、１次冷却材の液面よりも上
部側の領域である気相部に配置され、気相部に移行した
気体状の１次冷却材を冷却する。

【００１９】請求項２の発明では、上記第１の目的を達
成するために、原子炉の炉心と、炉心を冷却する１次冷
却材とを原子炉容器内に一体化して内蔵してなる冷却系
統一体型原子炉であって、液相部熱交換器と、気相部熱
交換器とをそれぞれ原子炉容器内に備えている。

【００２０】液相部熱交換器は、１次冷却材によって液
浸された領域である液相部に配置され、例えば複数の伝
熱管を備えてなり、１次冷却材と、この１次冷却材を冷
却して自身は加熱される第１の２次冷却材との間の熱交
換を、これら各伝熱管を介して行う。気相部熱交換器
は、１次冷却材の液面よりも上部側の領域である気相部
に配置され、例えば複数の伝熱管を備えてなり、気相部
に移行した気体状の１次冷却材と、この１次冷却材を冷
却して自身は加熱される第２の２次冷却材との間の熱交
換を、これら各伝熱管を介して行う。

【００２１】請求項３の発明では、上記第１の目的を達
成するために、原子炉の炉心と、炉心を冷却する１次冷
却材とを原子炉容器内に一体化して内蔵してなる冷却系
統一体型原子炉であって、液相部蒸気発生器と、気相部
蒸気発生器とをそれぞれ原子炉容器内に備えている。

【００２２】液相部蒸気発生器は、１次冷却材によって
液浸された領域である液相部に配置され、例えば複数の
伝熱管を備えてなり、これら各伝熱管を介して、１次冷
却材と、この１次冷却材を冷却して自身は加熱される第
１の２次冷却材との間の熱交換を行い、第１の２次冷却
材から蒸気を発生させる。気相部蒸気発生器は、１次冷
却材の液面よりも上部側の領域である気相部に配置さ
れ、例えば複数の伝熱管を備えてなり、これら各伝熱管
を介して、気相部に移行した気体状の１次冷却材と、こ
の１次冷却材を冷却して自身は加熱される第２の２次冷
却材との熱交換を行い、第２の２次冷却材から蒸気を発
生させる。

【００２３】請求項４の発明では、上記第１の目的を達
成するために、請求項３の発明の冷却系統一体型原子炉
において、第１の２次冷却材の液相部蒸気発生器への供
給流量を制御する第１の供給流量制御手段と、第２の２
次冷却材の気相部蒸気発生器への供給流量を制御する第
２の供給流量制御手段とを付加する。

【００２４】請求項５の発明では、上記第１の目的を達
成するために、請求項３の発明の冷却系統一体型原子炉
において、第１の２次冷却材の液相部蒸気発生器への供
給流量と、第２の２次冷却材の気相部蒸気発生器への供
給流量との和に対する、第２の２次冷却材の気相部蒸気
発生器への供給流量の割合（沸騰除熱割合）を、５％か
ら２０％の範囲にする。

【００２５】請求項６の発明では、上記第１の目的を達
成するために、請求項１乃至５のうち何れか１項の発明
の冷却系統一体型原子炉において、１次冷却材を液相部
内において強制的に循環させるポンプを付加する。

【００２６】請求項７の発明の冷却系統一体型原子炉の
運転方法では、上記第２の目的を達成するために、原子
炉の炉心と、炉心を冷却する１次冷却材とを原子炉容器
内に一体化して内蔵し、１次冷却材によって液浸された
領域である液相部に配置され、例えば複数の伝熱管を備
えてなり、これら各伝熱管を介して、１次冷却材と、こ
の１次冷却材を冷却して自身は加熱される第１の２次冷
却材との間の熱交換を行い、第１の２次冷却材から蒸気
を発生させる液相部蒸気発生手段と、１次冷却材の液面
よりも上部側の領域である気相部に配置され、例えば複
数の伝熱管を備えてなり、これら各伝熱管を介して、気
相部に移行した気体状の１次冷却材と、この１次冷却材
を冷却して自身は加熱される第２の２次冷却材との間の
熱交換を行い、第２の２次冷却材から蒸気を発生させる
気相部蒸気発生手段とをそれぞれ原子炉容器内に備えて
なる冷却系統一体型原子炉の運転方法であって、液相部
蒸気発生手段へ供給する第１の２次冷却材の供給流量
と、気相部蒸気発生手段へ供給する第２の２次冷却材の
供給流量とをそれぞれ独立に制御する。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の各実施の形態に
ついて図面を参照しながら説明する。

【００２８】なお、以下の各実施の形態の説明に用いる
図中の符号は、図８および図９と同一部分については同
一符号を付して示すことにする。

【００２９】（第１の実施の形態）本発明の第１の実施
の形態を図１から図６を用いて説明する。

【００３０】図１は、第１の実施の形態に係る冷却系統
一体型原子炉の構成例を示す立断面図である。

【００３１】図１に示すように、本実施の形態に係る冷
却系統一体型原子炉は、図９に示す従来技術の冷却系統
一体型原子炉の液相部Ｆに液浸するように蒸気発生器３
Ｆを付加した構成としている。すなわち、液相部Ｆの蒸
気発生器３Ｆと、気相部Ｖの蒸気発生器３Ｖとの２つの
蒸気発生器３を備えている。

【００３２】蒸気発生器３Ｖの伝熱管５Ｖの両端は、２
次冷却ループ１２Ｖに接続しており、２次冷却ループ１
２Ｖによってその下端部から供給された２次冷却水６Ｖ
を蒸発させ、生成した蒸気７Ｖをその上端部に接続され
た２次冷却ループ１２Ｖに戻すようにしている。一方、
蒸気発生器３Ｆの伝熱管５Ｆの両端は、２次冷却ループ
１２Ｆに接続しており、２次冷却ループ１２Ｆによって
その下端部から供給された２次冷却水６Ｆを蒸発させ、
生成した蒸気７Ｆをその上端部に接続された２次冷却ル
ープ１２Ｆに戻すようにしている。

【００３３】２次冷却ループ１２Ｖおよび２次冷却ルー
プ１２Ｆは、蒸気７Ｖおよび蒸気７Ｆの流れ方向下流側
において合流し２次冷却ループ１２を形成している。こ
れによって、蒸気７Ｖおよび蒸気７Ｆは２次冷却ループ
１２で合流し、その合流した蒸気７がタービン１５に導
入され、発電に供されるようにしている。

【００３４】タービン１５において発電に供された蒸気
７は、図示しない復水器によって復水されて２次冷却水
６に戻り、この２次冷却水６は、ポンプ１３によって２
次冷却ループ１２の下流側に駆動されるようにしてい
る。

【００３５】２次冷却ループ１２は、ポンプ１３の下流
側において２次冷却ループ１２Ｖと、２次冷却ループ１
２Ｆとに分岐している。また、２次冷却ループ１２Ｖお
よび２次冷却ループ１２Ｆは、流量調節バルブ１４Ｖお
よび流量調節バルブ１４Ｆを備えており、おのおのの流
量調節バルブ１４の弁開度を調節することによって、２
次冷却ループ１２Ｖを介して蒸気発生器３Ｖに供給され
る２次冷却水６Ｖの流量と、２次冷却ループ１２Ｆを介
して蒸気発生器３Ｆに供給される２次冷却水６Ｆの流量
とをそれぞれ独立に調節可能としている。

【００３６】上述するような構成とすることによって、
炉心１で引き起こる核分裂エネルギーは、以下に説明す
るように、タービン１５に供給される蒸気７の生成に供
されるようにしている。

【００３７】すなわち、原子炉容器４では、炉心１で引
き起こる核分裂のエネルギーによって１次冷却材２が加
熱されて沸騰し、気泡１１が発生する。そして、１次冷
却材２は、この気泡１１を伴って図中矢印Ｗ_１に示すよ
うに、炉心１側からその上方側へと対流作用によって上
昇する。気泡１１は、１次冷却材２の液面まで上昇する
と、蒸気となって液相部Ｆから気相部Ｖへと移行する。
このようにして液相部Ｆから気相部Ｖに上昇した蒸気
は、蒸気発生器３Ｖの伝熱管５Ｖを介して２次冷却水６
Ｖを蒸発させ蒸気７Ｖを生成する一方、自身は冷却、凝
縮され、液体に戻って液相部Ｆに落下する。伝熱管５Ｖ
に供給される２次冷却水６Ｖの流量は、ポンプ１３の吐
出力および流量調節バルブ１４Ｖの弁開度を調節するこ
とによって制御されるようにしている。

【００３８】一方、原子炉容器４内を気泡１１とともに
上昇した１次冷却材２は、蒸気発生器３Ｆの伝熱管５Ｆ
内を流れる２次冷却水６Ｆによって冷却されその熱が奪
われるとともに、この２次冷却水６Ｆは沸騰し、蒸気７
Ｆとして取り出される。伝熱管５Ｆに供給される２次冷
却水６Ｆの流量は、ポンプ１３の吐出力および流量調節
バルブ１４Ｆの弁開度を調節することによって制御され
るようにしている。蒸気発生器３Ｆによって冷却された
１次冷却材２は、密度が大きくなるので、図中矢印Ｗ_２
に示すように蒸気発生器３Ｆ側から炉心１側へと対流作
用により下降する。この下降した１次冷却材２が炉心１
を冷却することによって、１次冷却材２自身は加熱され
て密度が小さくなり、対流作用により再び炉心１側から
その上方側へと上昇する。

【００３９】次に、以上のように構成した本実施の形態
に係る冷却系統一体型原子炉の運転方法について説明す
る。

【００４０】図２に、本実施の形態に係る冷却系統一体
型原子炉において、２次冷却水６Ｆの給水流量を増加さ
せた場合における主要な運転特性パラメータ（炉心入口
温度、内部圧力、炉心出力）の応答特性を示す。

【００４１】すなわち、図２に示すように、２次冷却水
６Ｆの給水流量を増加させると、１次冷却材２が蒸気発
生器３Ｆによって効率よく冷却されるようになることか
ら、蒸気発生器３Ｆの下端部付近の１次冷却材２の温度
が低下する。これによって、炉心１の上端部付近と、蒸
気発生器３Ｆの下端部付近とにおける１次冷却材２の冷
却材密度差が大きくなり、１次冷却材２の流量が増加す
ると共に、炉心１の下端部である炉心入口における１次
冷却材２の温度（炉心入口温度）が低下する。炉心１は
負の冷却材温度特性を持っているため、炉心入口温度の
低下に伴って炉心出力が増加する。２次冷却水６Ｆの給
水流量を一定値に戻すと、炉心出力の増加も停止し、一
定出力状態になる。また、炉心入口温度の低下に伴って
蒸気発生器5Fの蒸気圧が低下する為、蒸気発生器5Vの蒸
気圧も低下する。そのため、蒸気発生器5Vでの除熱量が
増加する為内部圧力は低下する。

【００４２】図３に、本実施の形態に係る冷却系統一体
型原子炉において、２次冷却水６Ｖの給水流量を増加さ
せた場合における主要な運転特性パラメータ（内部圧
力、炉心出力）の応答特性を示す。

【００４３】すなわち、図３に示すように、２次冷却水
６Ｖの給水流量を増加させると、蒸気発生器３Ｖによっ
てなされる気相部Ｖからの除熱が増加する為、原子炉容
器４の内部圧力が低下する。それに伴い、炉心１内のボ
イド量が増加する為、負のボイド反応度係数を持ってい
る炉心１の炉心出力は低下する。その状態で２次冷却水
６Ｖの給水流量の増加を停止しても炉心１の発熱量と蒸
気発生器３Ｖでの除熱量がバランスしていない為、更に
原子炉容器４の内部圧力と炉心出力とは低下する。この
ような状態から安定な状況に復帰する為には、制御棒９
を引き抜いて炉心１に反応度を添加し、炉心出力を増加
させる必要がある。

【００４４】図４に、本実施の形態に係る冷却系統一体
型原子炉において、２次冷却水６Ｆの給水流量と、２次
冷却水６Ｖの給水流量との両方を増加させた場合におけ
る主要な運転特性パラメータ（炉心入口温度、内部圧
力、炉心出力）の応答特性を示す。なお、この場合、２
次冷却水６Ｖの給水流量と、２次冷却水６Ｆの給水流量
との比を一定としている。

【００４５】すなわち、図４に示すように、２次冷却水
６Ｆの給水流量と、２次冷却水６Ｖの給水流量とを、互
いの流量比が一定になる条件の下でそれぞれ増加させる
と、液相部Ｆでは、１次冷却材２の炉心入口温度が低下
する。これは、炉心出力を増加する方向に働く。これに
伴い、炉心１において核分裂エネルギーによって放出さ
れるエネルギーも増加するが、気相部Ｖにおける蒸気発
生器３Ｖに供給される２次冷却水６Ｖの給水流量もま
た、液相部Ｆにおける蒸気発生器３Ｆに供給される２次
冷却水６Ｆの給水流量に比例して増加しているので、結
局沸騰除熱量と対流除熱量との比に変化は無く、原子炉
容器４の内部圧力は一定に保たれる。

【００４６】上述したように、２次冷却水６Ｆの給水流
量を増加させる図２に示すような運転方法では、炉心出
力が単純に増加するために、２次冷却水６Ｆの給水流量
を制御することによって炉心出力を簡単に制御すること
ができる所謂タービン主、原子炉従の運転が可能とな
る。

【００４７】一方、２次冷却水６Ｖの給水流量を増加さ
せることによって炉心出力を増加させる図３に示すよう
な運転方法では、上述したようなボイド量の増加を招
く。このため、負のボイド反応度計数の効果によって逆
に炉心出力が減少してしまう。これを補うためには、制
御棒９を引き抜くことにより炉心出力を増加させなけれ
ばならず、原子炉主、タービン従の複雑な操作を伴う運
転となってしまう。

【００４８】２次冷却水６Ｆの給水流量と、２次冷却材
６Ｖの給水流量とを、互いに流量比が一定になる条件の
下でそれぞれ増加させることによって炉心出力を増加さ
せる図４に示すような運転方法では、２次冷却水６Ｆと
２次冷却水６Ｖとの給水流量を何れも増加させているの
で、液相部Ｆと気相部Ｖとの両相において効率良く除熱
することができ、かつ、所謂タービン主、原子炉従の運
転が可能となる。

【００４９】次に、図４に示すような運転方法を適用し
た本実施の形態に係る冷却系統一体型原子炉について、
出来るだけ小さな原子炉容器から出来るだけ大きな出力
を取り出すことが可能な条件について検討した結果につ
いて説明する。

【００５０】図５は、同一の炉心出力を得ることができ
る沸騰除熱割合と原子炉容器の高さとの関係を示す図で
ある。

【００５１】沸騰除熱割合とは、炉心１からの総除熱量
に対する沸騰除熱量の割合であって、全給水流量（（２
次冷却水６Ｖの給水流量）＋（２次冷却水６Ｆの給水流
量））に対する気相部Ｖの給水流量（２次冷却水６Ｖの
給水流量）に相当する。図５において、沸騰除熱割合が
０％のところは、液相部Ｆのみから除熱する図８の冷却
系統一体型原子炉の運転方法に相当し、沸騰除熱割合が
１００％のところは、気相部Ｖのみから除熱する図９の
冷却系統一体型原子炉の運転方法に相当する。したがっ
て、沸騰除熱割合が０％〜１００％の間が、本実施の形
態に係る冷却系統一体型原子炉の運転方法に相当する範
囲である。

【００５２】図６に示すように、本実施の形態に係る冷
却系統一体型原子炉の原子炉容器４の高さｈは、原子炉
上部ドームの高さａ、蒸気発生器３Ｖの高さｂ、蒸気発
生器３Ｆの高さｃ、炉心１の上端部と蒸気発生器３Ｆの
下端部との間の距離ｄ、炉心１の高さｅ、原子炉下部ド
ームの高さｆの総和によって決定される。なお、蒸気発
生器３Ｖの下端部と、蒸気発生器３Ｆの上端部との間の
距離ｇは極めて小さいので無視することができる。

【００５３】沸騰除熱割合が小さい段階では、液相部Ｆ
の蒸気発生器３Ｆによって大部分除熱しなければならな
い。したがって、図５に示すように、蒸気発生器３Ｆの
高さｃを高くする必要がある。また、自然対流による流
量を確保する為に、蒸気発生器３Ｆの設置高さも高くす
る必要があり、炉心１の上端部と蒸気発生器３Ｆの下端
部との間の距離ｄも相当量確保する必要がある。これら
は、原子炉容器４の高さｈを高くする方向に寄与する。

【００５４】一方、沸騰除熱割合が増加して行くと、気
泡１１の発生によって１次冷却材２の流量が促進される
ために、炉心１の上端部と蒸気発生器３Ｆの下端部との
間の距離ｄを小さくすることができるようになる。これ
に伴って、原子炉容器４の高さｈも低減される。しかし
ながら、蒸気発生器３Ｆの伝熱管５Ｆの放射化を防止す
る為に、蒸気発生器３Ｆを炉心１から相当量隔離して配
置しなければならないという要求から、炉心１の上端部
と蒸気発生器３Ｆの下端部との間の距離ｄは、所定距離
以上小さくすることはできない。

【００５５】図５の検討例では、原子炉容器４の高さｈ
は、沸騰除熱割合が１０％程度のところで下限を示して
いる。沸騰除熱割合が増加すると、蒸気発生器３Ｆの高
さｃは減少する一方、蒸気発生器３Ｖの高さｂは増加す
る。一般に対流熱伝達よりも凝縮熱伝達の方が除熱効率
が良いために、同じ熱量を除熱するのに必要な高さは、
蒸気発生器３Ｆよりも蒸気発生器３Ｖの方が小さくて済
む。したがって、蒸気発生器３Ｖの高さｂと、蒸気発生
器３Ｆの高さｃとの合計（ｂ＋ｃ）は、沸騰除熱割合が
増加するに連れて小さくなる。

【００５６】一方、原子炉上部ドームの高さａは、蒸気
発生器３Ｖへの２次冷却水６Ｖの給水流量変化に対する
圧力変化の感度を緩和する為に、沸騰除熱割合の増加と
ともに高くして行く必要がある。

【００５７】以上の検討より、原子炉容器４の高さｈ
は、炉心１の上端部と蒸気発生器３Ｆの下端部との間の
距離ｄが下限値に達する場合（沸騰除熱割合が１０％近
傍）が最小値となる。それ以上沸騰除熱割合が増えた場
合には、一定の炉心出力を得るために必要な原子炉容器
４の高さｈは徐々に高くなり、沸騰除熱割合が７０％程
度より高くなると、沸騰除熱割合が０％の場合の原子炉
容器４の高さｈよりも高くなる。

【００５８】上述したように、本実施の形態に係る冷却
系統一体型原子炉は、図８に示す冷却系統一体型原子炉
の長所と、図９に示す冷却系統一体型原子炉の長所とを
併せ備えている。すなわち、本実施の形態に係る冷却系
統一体型原子炉では、炉心１における核分裂反応による
エネルギーによって１次冷却材２が沸騰し、気泡１１が
生成される。これによって、１次冷却材２の上昇流量が
高められ、蒸気発生器３Ｆにおける除熱効率を高めるこ
とができる。更に、気泡１１は気相部Ｖに移行し、蒸気
発生器３Ｖによって効率良く除熱されるようになる。こ
のように、液相部Ｆと気相部Ｖとにそれぞれ蒸気発生器
３Ｆ，３Ｖを備えることによって、効率良い除熱が実現
されることから、炉心出力を一定としたまま原子炉容器
４の高さｈを低減化することが可能となる。これによっ
てコストダウンを実現することができる。

【００５９】また、本実施の形態に係る冷却系統一体型
原子炉は、２次冷却水６Ｆおよび２次冷却水６Ｖの給水
流量をそれぞれ独立に制御することができるので運転融
通性が高い。炉心出力を変化させる場合は、主として２
次冷却水６Ｆの給水流量を変化させることにより、所謂
タービン主、原子炉従の運転方法によって、炉心出力を
容易に制御することが可能となる。また、２次冷却水６
Ｖの給水流量を変化させる場合であっても、２次冷却水
６Ｆと２次冷却水６Ｖとの給水流量比を一定としたまま
変化させることによって、タービン主、原子炉従の運転
方法によって、炉心出力を容易に制御することが可能と
なる。

【００６０】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態を図７を用いて説明する。

【００６１】図７は、第２の実施の形態に係る冷却系統
一体型原子炉の構成例を示す立断面図である。

【００６２】すなわち、図７に示す本実施の形態に係る
冷却系統一体型原子炉は、図１に示す第１の実施の形態
に係る冷却系統一体型原子炉の原子炉容器４の下部に１
次冷却材ポンプ１７を付加した構成としたものである。
その他の構成については、図１と同一であるので、図７
では、図１と部分には同一符号を付している。よって、
ここでは、同一符号が付された部分については重複説明
を避け、ここでは異なる部分についてのみ述べる。

【００６３】１次冷却材ポンプ１７は、内部に回転翼を
備えている。そして、図中矢印Ｗ_２に示すように蒸気発
生器３Ｆ側から炉心１側へと下降する１次冷却材２を内
部に取り込み、回転翼の回転によって１次冷却材２の流
量を高め、炉心１の下部側から炉心１に吐出するように
している。

【００６４】なお、図７では、原子炉容器４の下部に１
次冷却材ポンプ１７を１つのみ設置した構成を示してい
るが、このような１次冷却材ポンプ１７は複数設置して
も良い。

【００６５】本実施の形態に係る冷却系統一体型原子炉
は、以上のような構成をしているので、第１の実施の形
態に係る冷却系統一体型原子炉の作用効果に加えて、以
下に示すような作用効果を奏することができる。

【００６６】すなわち、本実施の形態に係る冷却系統一
体型原子炉では、１次冷却材ポンプ１７によって１次冷
却材２が高流量で強制的に循環されるので、蒸気発生器
３Ｆによる除熱効率が高められる。これによって、蒸気
発生器３Ｆの高さｃを低減しても同一の炉心出力を得る
ことができるので、原子炉容器４の高さｈの低減化が可
能となる。

【００６７】以上、本発明の好適な実施の形態につい
て、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかか
る構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技
術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更
例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及
び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと
了解される。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
できるだけ小さな原子炉容器から、できるだけ大きな出
力を取り出すことが可能となり、もって、経済的に優れ
た冷却系統一体型原子炉を実現することができる。

【００６９】また、このような原子炉を、タービンを主
とし、原子炉を従とする簡素な操作で運転することが可
能となり、もって、出力制御の容易な冷却系統一体型原
子炉の運転方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係る冷却系統一体型原子炉
の構成例を示す立断面図

【図２】第１の実施の形態に係る冷却系統一体型原子炉
において、液相側２次冷却水の給水流量を増加させた場
合における運転特性パラメータの応答特性図

【図３】第１の実施の形態に係る冷却系統一体型原子炉
において、気相側２次冷却水の給水流量を増加させた場
合における運転特性パラメータの応答特性図

【図４】第１の実施の形態に係る冷却系統一体型原子炉
において、液相側２次冷却水の給水流量と、気相側２次
冷却水の給水流量との両方を増加させた場合における運
転特性パラメータの応答特性図

【図５】同一の炉心出力を得ることができる沸騰除熱割
合と原子炉容器の高さとの関係を示す図

【図６】原子炉高さの内訳を説明するための立断面図

【図７】第２の実施の形態に係る冷却系統一体型原子炉
の構成例を示す立断面図

【図８】従来技術による冷却系統一体型原子炉の構成例
を示す立断面図（液相部に蒸気発生器を備えた場合）

【図９】従来技術による冷却系統一体型原子炉の構成例
を示す立断面図（気相部に蒸気発生器を備えた場合）

【符号の説明】

Ｆ…液相部 Ｖ…気相部 １…炉心 ２…１次冷却材 ３…蒸気発生器 ４…原子炉容器 ５…伝熱管 ６…２次冷却水 ７…蒸気 ９…制御棒 １０…制御棒駆動機構 １１…気泡 １２…２次冷却ループ １３…ポンプ １４…流量調節バルブ １５…タービン １７…１次冷却材ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 美映 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 三 菱重工業株式会社内 (72)発明者 碓井 修二 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 三 菱重工業株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原子炉の炉心と、前記炉心を冷却する１
   次冷却材とを原子炉容器内に一体化して内蔵してなる冷
   却系統一体型原子炉であって、 前記原子炉容器内の、前記１次冷却材によって液浸され
   た領域である液相部に配置され、前記１次冷却材を冷却
   する液相部冷却手段と、 前記原子炉容器内の、前記１次冷却材の液面よりも上部
   側の領域である気相部に配置され、前記気相部に移行し
   た気体状の前記１次冷却材を冷却する気相部冷却手段と
   を備えてなる冷却系統一体型原子炉。
2. 【請求項２】 原子炉の炉心と、前記炉心を冷却する１
   次冷却材とを原子炉容器内に一体化して内蔵してなる冷
   却系統一体型原子炉であって、 前記原子炉容器内の、前記１次冷却材によって液浸され
   た領域である液相部に配置され、前記１次冷却材と、こ
   の１次冷却材を冷却して自身は加熱される第１の２次冷
   却材との間の熱交換を行う液相部熱交換器と、 前記原子炉容器内の、前記１次冷却材の液面よりも上部
   側の領域である気相部に配置され前記気相部に移行した
   気体状の前記１次冷却材と、この１次冷却材を冷却して
   自身は加熱される第２の２次冷却材との間の熱交換を行
   う気相部熱交換器とを備えてなる冷却系統一体型原子
   炉。
3. 【請求項３】 原子炉の炉心と、前記炉心を冷却する１
   次冷却材とを原子炉容器内に一体化して内蔵してなる冷
   却系統一体型原子炉であって、 前記原子炉容器内の、前記１次冷却材によって液浸され
   た領域である液相部に配置され、前記１次冷却材と、こ
   の１次冷却材を冷却して自身は加熱される第１の２次冷
   却材との間の熱交換を行い、前記第１の２次冷却材から
   蒸気を発生させる液相部蒸気発生器と、 前記原子炉容器内の、前記１次冷却材の液面よりも上部
   側の領域である気相部に配置され、前記気相部に移行し
   た気体状の前記１次冷却材と、この１次冷却材を冷却し
   て自身は加熱される第２の２次冷却材との間の熱交換を
   行い、前記第２の２次冷却材から蒸気を発生させる気相
   部蒸気発生器とを備えてなる冷却系統一体型原子炉。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の冷却系統一体型原子炉
   において、 前記第１の２次冷却材の前記液相部蒸気発生器への供給
   流量を制御する第１の供給流量制御手段と、 前記第２の２次冷却材の前記気相部蒸気発生器への供給
   流量を制御する第２の供給流量制御手段とを付加してな
   る冷却系統一体型原子炉。
5. 【請求項５】 請求項３に記載の冷却系統一体型原子炉
   において、 前記第１の２次冷却材の前記液相部蒸気発生器への供給
   流量と、前記第２の２次冷却材の前記気相部蒸気発生器
   への供給流量との和に対する、前記第２の２次冷却材の
   前記気相部蒸気発生器への供給流量の割合を、５％から
   ２０％の範囲にするようにした冷却系統一体型原子炉。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のうち何れか１項に記載
   の冷却系統一体型原子炉において、 前記１次冷却材を前記液相部内において強制的に循環さ
   せるポンプを付加してなる冷却系統一体型原子炉。
7. 【請求項７】 原子炉の炉心と、前記炉心を冷却する１
   次冷却材とを原子炉容器内に一体化して内蔵し、前記１
   次冷却材によって液浸された領域である液相部に配置さ
   れ、前記１次冷却材と、この１次冷却材を冷却して自身
   は加熱される第１の２次冷却材との間の熱交換を行い、
   前記第１の２次冷却材から蒸気を発生させる液相部蒸気
   発生手段と、前記１次冷却材の液面よりも上部側の領域
   である気相部に配置され、前記気相部に移行した気体状
   の前記１次冷却材と、この１次冷却材を冷却して自身は
   加熱される第２の２次冷却材との間の熱交換を行い、前
   記第２の２次冷却材から蒸気を発生させる気相部蒸気発
   生手段とをそれぞれ前記原子炉容器内に備えてなる冷却
   系統一体型原子炉の運転方法であって、前記液相部蒸気
   発生手段へ供給する前記第１の２次冷却材の供給流量
   と、前記気相部蒸気発生手段へ供給する前記第２の２次
   冷却材の供給流量とをそれぞれ独立に制御するようにし
   た冷却系統一体型原子炉の運転方法。