JP2005195573A - 液体金属炉の安定的な受動残熱除去系 - Google Patents

液体金属炉の安定的な受動残熱除去系 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明液体金属炉の残熱除去系に関するものである。
【解決手段】 本発明の残熱除去用熱交換機は、中間熱交換機と所定距離を隔てて配列され、炉心からの残熱が伝達され外部の大気へ放出する。遮断筒は、上記中間熱交換機及び残熱除去用熱交換機を包むよう形成され、開放された上部面が上記高温槽の流体液位上部に突出し、下部面が上記低温槽と連結され、上記高温槽内の流体が上記中間熱交換機に流れられる流路管が形成される。かかる構造により原子炉事故時原子炉ポンプ停止と共に残熱除去が受動的に即刻行われ、従来の方式より発電所の安全性を高めることができる。
【選択図】 図3

Description

本発明は液体金属炉の残熱除去系に関する。より詳しくは液体金属炉において中間熱交換機と残熱除去用熱交換機を一体型に形成して残熱除去時受動性を保ちながら事故の発生次第残熱除去が行われ炉心冷却を事故初期から安定的に行えるようにする液体金属炉の残熱除去系に関するものである。
液体金属炉
液体金属炉(Liquid Metal Reactor、LMR)は高速中性子を用いて核分裂反応を起こしエネルギーを生産すると同時に非核分裂性物質のU238を核分裂性物質のPu239に変換して最初に燃料とされたU238より一層多くのPu239を生産することのできる高速増殖炉である。また、液体金属炉は原子力発電により発生する放射性核種を燃料から焼き払うことで、他炉型において発生する高準位放射性廃棄物量の貯蔵負荷を大幅に縮減できる原子炉である。
かかる液体金属炉は炉型に応じてループ(Loop)型とプール(Pool)型とに区分することができる。ループ型は1次系の熱伝達装置が原子炉容器の外部に設置される構造の液体金属炉として、熱伝達装置の維持及び補修が容易で原子炉容器構造が簡単な利点がある。これに比して、プール型は中間熱交換機(Intermediate Heat exchanger、IHX)、ポンプなどが原子炉容器内部のナトリウム冷却材と共に設置され、1次系配管破損による冷却材漏れの恐れが無いとの利点があり、またプール中に多量の冷却材を保有するので熱的慣性が大きく、事故時かなり長い運転者対処許容時間を有する利点がある。
液体金属炉には液体状態の金属を冷却材に用い除熱能力の優れたナトリウム(Na)を主に用いる。
残熱除去方式
従来の液体金属炉において炉心、中間熱交換機、蒸気発生機と連結される正常熱伝達系の機能が失われる場合のように原子炉事故時、炉心の崩壊熱(decay heat)を除去すべく諸方式の残熱除去系が使用された。ここでは、プール型液体金属炉に例えて説明する。
図1は従来の能動型残熱除去系を示した図である。図1において、原子炉(10)内には炉心(11)が設置され、炉心(11)はナトリウム(17)を加熱して上部の高温槽(18)に送る。高温槽(18)のナトリウム(17)は中間熱交換機(IHX、13)と熱交換を行い冷却され、冷却されたナトリウム(17)は原子炉下部の低温槽(19)に移動し再び炉心(11)に戻る。中間熱交換機(13)は外部の蒸気発生サイクル(図示せず)に熱を伝達することになり、外部の上記発生サイクルは蒸気を発生しながら動力を発生する。
残熱除去用熱交換機(14)は原子炉(10)の高温槽(18)内に中間熱交換機(13)と別途に設置されており、熱交換機に連結される配管に開閉弁(15)が装着される。開閉弁(15)は原子炉の正常作動時熱交換機(14)を通した外部への熱損失を防ぐために装着され、正常作動時は閉鎖、異常発生時は開放される。
図1の能動型残熱除去系は、原子炉の異常発生時残熱除去熱交換機(14)に連結された配管に設置される開閉弁(15)を開放し、こうして外部大気と熱交換を行う方式を採用している。しかし、原子炉の事故を認知し弁(15)を開放しなければならない能動型系統は、原子炉事故の認知時間遅延及び不確実性が存在し、弁を開けるには能動機器であるモータの作動及び外部からの電力供給が必要となる問題を抱えている。
したがって、かかる能動型残熱除去系の代わりに、事故発生時事故を認知するか否かに関わらず自動的に残熱除去が行われる受動型残熱除去系の必要性が台頭した。
能動型残熱除去系に代わって用いられる従来の受動型残熱除去系を図2に示した。図2において、原子炉(20)内に炉心(21)が設置され、ナトリウム(27)を加熱して上部の高温槽(28)に送り、ナトリウムが中間熱交換機(23)と熱交換を行い冷却されることは図1の構造と同一である。
正常熱除去系の機能喪失により高温槽(28)のナトリウムが加熱され体積が膨張すると、高温槽(28)の液位(X1)が上昇し、ナトリウムが原子炉内のオーバーフロースロット(30)を超えて流動することになる。オーバーフローになったナトリウムは原子炉容器の壁面(31)と直に接触しながら熱伝達を行うようになる。原子炉容器の壁面(31)に伝達された熱は輻射及び対流により再び原子炉容器外部の空気流路(26)に伝達され、空気分離機(24)により分割された空気流路を流れる空気に原子炉容器の熱が伝達される。熱が伝達された空気は密度差により大気に排出され続け、再び外部の冷気が空気流路を通して流入する。空気流路(26)の矢印(25)は空気の流動方向を示す。
かかる方式の残熱除去系は正常熱除去系の機能喪失時運転者の操作または外部からの如何なる措置無しでも作動することから、作動信頼性が保障される完全な受動の概念を有する利点がある。しかし、ナトリウムがオーバーフローになるまでおよそ数時間が必要となる。これは本格的に冷却されるまでにもやはり通常数時間かかることを意味し、この期間の間には効率的な冷却機能が無くなり原子炉内炉心を冷却させる自然対流水頭(head)の形成が脆弱になり、これにより原子炉内の炉心に対する局部冷却の不確実性が高まり、これにより炉心内の核燃料棒の温度が上昇し過ぎるとの欠点がある。また、かかる従来の系統においては本格的な残熱除去が行われるために原子炉内の流体がオーバーフロースロットから溢れるようその体積が大きくなければならないので流体温度が大幅に上昇しなければならない欠点を抱えている。
本発明は上記のような問題を解決するためのもので、 液体金属炉における事故発生時炉心の残熱を除去するにあたって如何なる外部からの操作無しでも自動的に受動性を保ちながら作動できる残熱除去機能を提供することに目的がある。
また、本発明は上記のように受動性を保ちながらも事故発生直後即刻に作動可能で、炉心冷却のための自然対流水頭の形成が効率的になるようにする残熱除去機能を提供することに目的がある。
上記のような目的を成し遂げるための構成手段として、本発明は炉心から出てくる高温の流体を収容する高温槽と、隔壁を介して上記高温槽と分離され高温槽から熱伝達された後の低温の流体を収容する低温槽とを含む原子炉容器；上記高温槽の流体と熱交換を行いながら高温槽の流体を低温槽に排出するよう下部面が上記低温槽に連結されたまま高温槽に配列され、外部の蒸気発生系に上記高温槽の熱を伝達する中間熱交換機；上記中間熱交換機と所定距離隔てて配列され、炉心からの残熱を外部大気に伝達する残熱除去用熱交換機；上記中間熱交換機及び残熱除去用熱交換機を包むよう形成され、開放された上部面が上記高温槽の流体液位上部に突出し、下部面が上記低温槽と連結され、上記高温槽内の流体が上記中間熱交換機に流入できる流路管が形成される遮断筒；及び、上記低温槽の流体を炉心に移動させ上記遮断筒内の流体の液位を上記高温槽の流体の液位より低く維持するポンプ；を含む液体金属炉の残熱除去系を提供する。
また、本発明は上述した発明構成の延長として上述した構造のように、炉心から出てくる高温の流体を収容する高温槽と、高温槽と隔壁を介して分離され高温槽から熱伝達された後の低温の流体を収容する低温槽とを含む原子炉容器；上記高温槽の流体と熱交換を行いながら高温槽の流体を低温槽に排出するよう下部面が上記低温槽に連結されたまま高温槽に配列され、外部の蒸気発生系に上記高温槽の熱を伝達する中間熱交換機；上記中間熱交換機と所定距離隔てて配列され、炉心からの残熱を外部大気に伝達する残熱除去用熱交換機；上記中間熱交換機及び残熱除去用熱交換機を包むよう形成され、開放された上部面が上記高温槽の流体液位上部に突出し、下部面が上記低温槽と連結され、上記高温槽内の流体が上記中間熱交換機に流入することのできる流路管が形成される遮断筒を提供し、追加的に、上記高温槽の流体が必要であれば上記遮断筒内部と中間熱交換機間の空間に流れられるようにする上記流路管の外壁内に形成される貫通孔に回転可能なよう装着され、流体内において浮力により浮上する浮上錐を装着した開閉膜；上記低温槽の流体を炉心に移動させ上記遮断筒内の流体の液位を上記高温槽の流体の液位より低く維持するポンプ；を含む液体金属炉の残熱除去系を提供する。
以上のように本発明による残熱除去系によると、液体金属炉の事故発生時炉心の残熱除去にあたって如何なる外部からの操作無しでも自然対流による自動循環流路を形成し、受動性を維持しながら作動できる効果を奏することができる。
また、本発明は上記のように受動性を維持しながらもポンプの稼動が停止された瞬間遮断筒内部の液位が上昇するよう構成して事故発生直後に即刻作動でき、 自然対流水頭の形成が効率的になるようにする残熱除去系を提供することができる。これにより従来の方式において存在する事故初期炉心冷却の不確実性を除去して発電所の安全性を向上させ、また事故時原子炉内部構造物が高温に露出される時間を短縮し、また構造物の最高温度を下げて構造物の健全性を向上させる。
以下、本発明の好ましき実施例について添付の図を参照しながらより詳しく説明する。以下において本発明の残熱除去系(system)に関りプール型液体金属炉を基準に説明し図示するが、ループ型液体金属炉にも(多少の変形または一部構成要素の削除を通して)適用することができる。
残熱除去系の構造
図3は本発明によるプール型液体金属炉の残熱除去系を示した図で、 図4は図3の中間熱交換機、残熱除去用熱交換機及び遮断筒の設置状態を示した図である。図5は図4のA-A線に沿った断面を示した図で、図6は図4のB-B線に沿った断面を示した図である。
プール型液体金属炉には中間熱交換機(Intermediate Heat exchanger、IHX)、ポンプなどが原子炉容器内部の冷却材と共に設置される。したがって、本発明の原子炉容器(51)には図3に示したように炉心(52)から出てくる高温の流体を収容する高温槽(56)が形成される。また、原子炉容器(51)には高温槽と隔壁(54)を介して分離され、高温槽から熱伝達された後の低温の流体を収容する低温槽(55)が形成される。
炉心(52)において核分裂により高温の熱が容器内の流体に伝達されると、これは高温槽(56)に移動し、高温槽(56)に配列された中間熱交換機(70)により高温の熱が中間熱交換機(70)内部の作動流体に伝達される。
中間熱交換機(70)は高温槽の熱を外部の蒸気発生系(図示せず)に伝達する。即ち、中間熱交換機(70)を含む中間熱伝達系(Intermediate Heat Transport System、IHTS)は原子炉容器の外部に配置される蒸気発生機、配管及びポンプから成り、中間熱交換機に高温の熱が伝達されると、これを外部に熱的に連結する上記発生機を通して蒸気発生系に伝達する機能を果たす。
この際、上記原子炉容器の高温槽及び低温槽を充填する冷却材に用いられる流体は除熱能力の優れたナトリウム(Na)を主に使用する。
中間熱交換機(70)は高温槽(56)の流体と熱交換を行いながら、高温槽の流体を低温槽に排出するよう下部面が低温槽(55)と繋がっている。即ち、中間熱交換機(70)は図4に示したように複数個の電熱管(71)の外部に高温槽の流体を流動させ対流熱伝達を行うことになる。かかる熱伝達を通して冷却された流体は中間熱交換機(70)の下部面を通過して低温槽(55)に流出するようになる。
本発明において残熱除去用熱交換機は図3及び図4に示したように中間熱交換機と隣接して配列されている。即ち、図3及び図4のように、残熱除去用熱交換機の電熱管は中間熱交換機(70)の周囲に所定間隔を隔ててコイル形状に巻き取られる。残熱除去系は残熱除去用熱交換機(Decay Heat exchanger、DHX)及び該熱交換機と連結される外気熱交換機及び配管から成ることができ、原子炉内部には電熱管及び上記言及した遮断筒及び中間熱交換機外壁から成る残熱除去用熱交換機のみが設置される。外気熱交換機は外部大気と熱交換を行うようになり炉心の崩壊熱を原子炉内残熱除去用熱交換機及び外気熱交換機を通して原子炉外側の大気へ放出するようになる。かかる熱交換のための外気熱交換機と原子炉内残熱除去用熱交換機流路内部の作動流体としては原子炉におけるように熱伝導性の優れたナトリウムを使用することができる。一方、上記残熱除去系においてポンプを使わず、作動流体の密度差を利用して自然対流が発生するよう外部に設置される外気熱交換機を残熱除去用熱交換機の高さより高い位置に設置する。
上記のように残熱除去用熱交換機電熱管を中間熱交換機と隣接するよう配列させ、遮断筒(61)を通して上記中間熱交換機及び残熱除去用熱交換機電熱管を高温槽の流体と一次的に遮断させる。遮断筒(61)は上記中間熱交換機(70)及び残熱除去用熱交換機(80)を包むよう形成される。遮断筒(61)の上部面は開放されており、高温槽(56)の流体液位(X1)の上部に突出している。また、遮断筒(61)の下部面は低温槽(55)と連結される。
遮断筒(61)は図4に示したように全体的に円筒形の形状となっている。遮断筒(61)の内部には中間熱交換機(70)と残熱除去用熱交換機の電熱管(80)が配列され、中間熱交換機(70)に高温槽(56)の流体が流入できるよう流路管(63)が形成される。流路管(63)は図4におけるように中間熱交換機へのみ流体が流入するよう円筒形の形状を有するようになる。
遮断筒(61)の下部面は低温槽(55)と流体の交換が可能なよう連結されている。即ち、遮断筒(61)の下部面中央には中間熱交換機(70)の下部終端が連結される中央貫通孔(72)が形成され、また中央貫通孔(72)の周囲に複数個の周辺貫通孔(62)が形成される。かかる中間熱交換機、残熱除去用熱交換機電熱管、遮断筒が一組となった熱交換機体系が原子炉容器内に複数個配列される。
一方、原子炉容器(51)の低温槽(55)には炉心(52)に低温槽の流体を移動させるポンプ(53)が設置される。ポンプ(53)は低温槽の流体を炉心(52)に移動させる役目を果たすが、これに付加してポンプ作動による流動現象により自動的に上記遮断筒(61)の内部に流入する低温槽流体の液位(X2)を高温槽流体の液位(X1)より低く維持し、原子炉の正常作動中DHXを通した熱損失を防止する。この特徴は後述する。
図１２はポンプ作動時本発明による遮断筒内における液位と高温槽における液位との差の形成原理を示した図である。図１２において残熱除去用熱交換機の電熱管が配置される環形空間の下部且つ中間熱交換機の下部でもあるb点と自由表面との圧力分布関係を数式的に説明すると次のとおりである。
b点の圧力は自由表面a点から中間熱交換機を通過してb点に到達する積分経路による値P2イと自由表面c点から残熱除去用電熱管配置空間を通過してb点に到達する積分経路による値P2ロは夫々次の式であらわすことができる。
P2イ=P1+ρg△Hィ−（ρvィ２）／２ --- 式(1)
P2ロ=P3+ρg△Hロ−（ρvロ ２）／２ --- 式(2)
しかしポンプが作動する正常原子炉運転時、中間熱交換機を流れる流体速度vイはかなりの大きさとなるが残熱除去用電熱管配置空間には流れが無いのでこの地域の流体速度vロは0となる。したがって、式(2)は次のとおりになる。
P2ロ=P3+ρg△Hロ ---式(3)
しかし、P2イとP2ロは同一地点の圧力なので、これらの値もやはり同一になり、したがって次の関係が成立する。
P1+ρg△Hイ−（ρvイ ２）／２＝P3+ρg△Hロ --- 式(4)
また、a点とc点の圧力はすべて自由表面の圧力として、これは原子炉内部の気体圧力なのでP1 = P3となり、下記式が成立する。
△Hロ＝△Hィ−（vイ ２）／（２g） --- 式(5)
結局、ポンプ(53)が正常作動する場合、流体の速度のために△Hイ≫△Hロとなり、したがって高温槽の流体の液位(X1)が遮断筒内部の流体の液位(X2)よりはるかに高くなる。しかし、事故によりポンプ(53)が作動しない場合、流体速度がOに近づくので、△Hイ≒△Hロの関係が成立する。これはポンプが停止する際遮断筒(61)の内部の流体の水頭が高温槽の液位(X1)まで上昇することを意味する。
したがって、上記ポンプ(53)は、正常作動時は遮断筒(61)内部の流体の液位(X2)を高温槽の流体の液位(X1)より大変低く保って残熱除去用電熱管が原子炉内部の流体と接触しないようにし、異常作動時ポンプが停止する場合は遮断筒内部の流体の液位(X2)が高温槽の流体の液位(X1)ほどまで上昇して残熱除去用電熱管(80)が原子炉内部の流体と接触するようにする機能を自動的に行うようになる。
残熱除去系の作動
上述したように本発明による残熱除去系は原子炉容器内部に設置された中間熱交換機及び該中間熱交換機を包む残熱除去用熱交換機を含み、これら熱交換機は遮断筒内部に配置される構造を有する。かかる構造を有する本発明による残熱除去系の作動を図７及び図８を参考しながら説明する。図７及び図８は図3の残熱除去系の作動状態を示したもので、図７は正常運転状態、図８は事故発生時を示した図である。
残熱除去用熱交換機(80)は正常運転状態においては熱伝達が極めて微々しく、原子炉内のポンプ及び中間熱伝達系の作動が正常でない場合、即ち異常状態になる場合は炉心の崩壊熱を含んだ系統の残熱を十分除去できるよう設計すべきである。
このために本発明においては残熱除去用熱交換機が高温槽の流体と直に接触しないよう半径方向には残熱除去用熱交換機設置空間を遮断筒(61)を通して外部の高温槽流体と遮断させ更に中間熱交換機(70)と所定距離隔てて配置し、垂直方向には先に説明したポンプ作動と共に自動的に形成される液位差を利用して原子炉内部の流体と遮断されるようにする。即ち、図７に示したように、遮断筒(61)の内部の低温槽流体の液位(X2)が高温槽流体の液位(X1)より低くなる。したがって、残熱除去用熱交換機の電熱管(80)は正常状態時の低温槽流体と接触せず、結局遮断筒内の気体中に存在するようになる。この際、気体にはヘリウム、窒素、アルゴンなどの非活性気体が充填され、かかる非活性気体は圧力が過度な場合圧力変動を吸収して系統全体の急激な圧力増加を防止する役目を果たす同時に、低い熱伝達係数を有するので熱遮蔽効果を奏するようになる。
結局、正常作動時高温槽の流体は遮断筒(61)に形成された流路管(63)を通して中間熱交換機(70)に投入され、中間熱交換機(70)から熱交換された後低温槽(55)に移動する。残熱除去用熱交換機(80)は図７の断面図のように高温槽及び低温槽の流体両方と全く接触しないので、単に気体を通した対流及び輻射熱伝達が行われることになる。しかし、かかる輻射熱伝達は伝導による熱伝達に比してその熱伝達量が極めて少ない。
したがって、正常作動時残熱除去用熱交換機(80)の伝熱量は無視してもよい程度にわずかとなる。
異常状態、即ち事故が発生した場合にはポンプ(53)の作動が止まり遮断筒(61)の内部の流体液位(X2)が高温槽(56)の流体液位(X1)とほぼ同じくなる。したがって、遮断筒(61)の内部に低温槽(55)からの流体が充填されるようになる。これは残熱除去用熱交換機(80)が低温槽流体中に置かれることを意味し、これは残熱除去用熱交換機(80)を通した熱伝達が効果的に行われる状態になることを意味する。かかる遮断筒(61)の内部における液位の上昇は事故発生時ポンプの稼動中止に応じて即刻行われるようになる。
事故時の残熱除去を目的とした中間熱交換機を通した中間系及び蒸気発生系への熱除去経路は、その経路が発電所正常稼動時の機能を行うよう経済的に設計されるので作動信頼度が低く、事故時は該経路への熱除去無しで残熱除去系のみにより残熱除去が行われなければならない。
事故発生時実際の残熱除去は次のように行われる。事故が発生するとポンプが停止するが、これにより先に説明した原理でポンプ停止と共に残熱除去電熱管(80)が配置される空間の液位が上昇し残熱除去電熱管は原子炉内の流体に浸されるようになる。一方、炉心からの高温の高温槽流体はポンプからの出力の代わりに自然対流の流動により中間熱交換機へ流れるようになり、この流体の熱は中間熱交換機壁(70)を通して遮断筒(61)の内部に充填された流体に伝達され、この流体に伝達された熱は残熱除去用熱交換機電熱管(80)に伝達される。この際、流体は熱伝達率の高い性質を有するナトリウムのような液体金属を使用しているので、残熱除去用熱交換機への効率的な熱伝達が可能となり、こうした熱伝達により加熱された残熱除去用熱交換機電熱管内部の作動流体は密度差により外部の外気熱交換機(図示せず)に流れ、外気熱交換機の空気により冷却された流体が再び原子炉内部残熱除去用熱交換機に循環して、自然発生的で持続的な熱交換サイクルが形成される。
一方、中間熱交換機(70)において残熱除去用熱交換機との熱交換を通して冷却された中間熱交換機内部を流れる原子炉流体は下部の低温槽に流入し、低温槽を通して炉心に流入し炉心の崩壊熱により加熱され再び高温槽に、そして高温槽から中間熱交換機への流体の循環が行われるようになるが、かかる循環は該流路において炉心から高温槽を経て残熱除去用熱交換機までの高温流路区間と残熱除去用熱交換機から低温槽を経て炉心までの低温流路区間とが夫々明確に形成されるので、これにより自然対流が確実且つ安定的に形成されるようになる。かかる自然対流は事故時自然的な現象により自動的に形成され、またこれにより炉心の冷却が安定的に維持される。
これはDHX(80)による残熱除去動作は運転者の操作や外部から電源などが供給されなくても自動的に残熱除去が可能になることを意味する。
また、本発明は事故発生に応じて即刻残熱除去機能が具現され得る利点を有する。従来の図2の形式による残熱除去系においては残熱除去回路が形成されるために高温槽(28)内の流体が温度上昇により膨張し低温槽に溢れなければ残熱除去熱伝達が形成されない。これは残熱除去系の作動まで長い時間がかかり即刻的な対応が困難であるとの問題を抱えていた。しかし、本発明はポンプの作動停止により即刻遮断筒内の流体の液位が上昇して残熱除去用熱交換機と流体とが接触し、これを通して残熱除去回路が直ちに形成される。したがって、本発明は原子炉事故に即刻対応できる利点を奏する。
本発明のかかる即刻的な残熱除去作動特性は原子炉内の残熱を早期に除去できる利点の他に次のような重要な利点も奏する。
1)安定的な炉心冷却
従来の方式においては先に説明したように原子炉内の流体が温度が上昇しながら膨張してオーバーフロースロットを超える前には本格的な残熱除去が行われず、こうして冷却源が明らかでない為炉心を冷却させる自然対流流路の形成が不確実になる。また、これによりたとえ原子炉の平均温度は制限値を超えなくても局部的に炉心内部においては温度が制限値を上昇してしまう問題が存在しかねない。しかし、本発明においては事故発生と共に即刻本格的な残熱除去が行われ、こうして冷却源が明らかに存在するので炉心を通過する自然対流流路が明確に形成され従来の方法におけるような炉心冷却の不確実性が取り除かれ炉心を安定的に冷却させられるようになる。
2)原子炉内部構造物温度の長期露出防止
従来の方式においては原子炉内部の流体温度が一定温度以上に上昇しなければ残熱除去が行われないが、本発明においては事故時流体温度の一定温度以上への上昇を待つこと無く直ちに作動するので、事故時原子炉内部構造物の最高到達温度を従来値より下げるがまたは内部構造物の高温に露出される時間を大幅に縮減して構造物に対する熱的負荷を減らし構造物の健全性を向上させる。
また、事故時従来の方式における中間熱交換機を通過する流量は原子炉からの熱除去無しで単に高温槽と低温槽を直に連結する効果のみ奏する。こうした効果は原子炉内部の高温部位と低温部位との温度差を減らし事故時炉心冷却に必需的な自然対流水頭(head)の形成を阻害し、自然対流冷却能力を劣らせる。しかし、本発明においては中間熱交換機を通過する流体もやはり残熱除去熱交換機への伝熱を通して流体の冷却が行われる。
発電所の事故発生時ポンプは炉心停止と共に自動的に停止するようになっているが、こうした機構が正常に作動しない極めて稀な多重事故(multiple failure)の場合、本発明は従来の方式の残熱除去系と同様に作動する。即ち、原子炉内の流体が温度上昇により膨張して遮断筒(61)の上部を超えると高温槽の高温流体が残熱除去用熱交換機の電熱管(80)と直に接触し効率的に残熱除去を行うことになる。この場合は先述した局部的な炉心加熱の問題は、ポンプが作動する場合なので炉心に十分な流量が供給され発生しなくなる。即ち、本発明は多重事故の場合のように極めて発生可能性の低い事故まで含む全ての場合の事故時炉心及び原子炉を安定的に冷却させられるようになる。
以上において本発明の残熱除去系の実施例１を説明したが、以下には本発明の実施例２を説明する。実施例２は実施例１の構造にポンプ作動により開閉が連動する開閉膜を設置して第1実施例における冷却機能を補強する概念である。
残熱除去系の開閉膜の構造
図９は本発明によるプール型液体金属炉残熱除去系の実施例２を示した図である。図１０は正常運転状態時の図９の開閉膜の断面で、図１１は事故発生時の図９の開閉膜の断面である。
本実施例においては実施例１におけるような残熱除去系に高温槽の流体が遮断筒内部に直接循環されるようにする開閉膜を付加できることを示す。
本実施例において原子炉容器、中間熱交換機(70)、残熱除去用熱交換機(80)、ポンプは実施例１と同一な構造を有する。また図９において実施例１と同一な図面番号は同一構成を示す。
本実施例による開閉膜(91)は遮断筒(61)の流路管(63)の外側壁面に回動可能に装着される。遮断筒(61)の流路管(64)の外側壁面には高温槽において中間熱交換機(70)に流入される流体が遮断筒(61)の内部にも流入されるよう貫通孔(94)が形成される。開閉膜(91)が開くと貫通孔(94)を通して高温槽の流体は残熱除去用熱交換機(80)が装着された遮断筒(61)の内部空間に流入し高温槽から遮断筒(61)の内部空間へ流体の流動経路を形成するようになる。
この際、流路管に形成される貫通孔(94)は遮断筒の内側において傾くよう形成された入口(92)を有する。貫通孔(94)の入口(92)は流路管(64)からの横方向長さが下部面において最も長く上部面において最も短く突出した形状を有し、かかる形状により開閉膜(91)が閉ざされた状態において傾斜を成すようにする。かかる傾斜は開閉膜自体の荷重により入口(92)が閉ざされた状態を維持させるためである。
開閉膜(91)は上記貫通孔の入口(92)の上部においてヒンジ結合を通して回動可能に装着され、下部には流体内において浮力により浮上する浮上錐(93)を装着している。浮上錐(93)は開閉膜(91)が閉ざされた状態、即ち正常状態においては開閉膜に作用する高温槽流体の圧力を耐えられる大きい重量を有するよう形成される。即ち、図１０において、浮上錐(93)によって開閉膜(91)が有するモメントによる下部方向への力が開閉膜全体に作用する流体の圧力による上部方向への力より大きいよう形成するのである。これは正常作動時に残熱除去系への高温槽流体の流れを防止することになる。
また、開閉膜(91)は原子炉の事故時、遮断筒(61)内部に流体が充填される場合浮上錐(93)に作用する浮力により自動的に開放されるよう、 即ち開閉膜(91)が図１１のように開くよう動かなければならない。浮上錐(93)の体積はこうして浮力により開放が自動的に行われる程度に形成する。即ち、浮上錐(93)の構造は錐を垂らした機構のような構造となり、この重さは浮上錐の周辺が気体であれば自重により流路管内部の流体圧力を制して開閉膜が閉ざされた状態を維持できるほどになり、体積は浮上錐の周辺が原子炉流体である場合浮力により開閉膜を完全に開放できるほどになるようにする。浮上錐の体積が浮力により開閉膜を完全に開放できるほどという意味は浮上錐部分の平均的な密度が流体の密度よりはるかに小さいということを意味する。
残熱除去系の開閉膜の作動
本実施例において開閉膜は原子炉の正常作動時には閉ざされた状態となる。正常作動時には図７のように遮断筒内部の流体の液位(X2)と高温槽流体の液位(X1)とが大きな差をなし、遮断筒内部の殆どは気体で充填される。これにより残熱除去用熱交換機への効率的な熱伝達経路が行われないことは先に説明したとおりである。
この場合は図１０のように開閉膜(91)は閉ざされた状態となる。気体内においては浮上錐(93)の重量により開閉膜(91)が時計回りに回転しようとするモメントを受け、こうした力により開閉膜は閉ざされた状態を保つことになる。但し、開閉膜に働く高温槽流体の圧力による逆方向モメントが浮上錐(93)によるモメントより小さくなければならない。
原始炉の事故発生時、図８のように遮断筒(61)内部の流体の液位(X2)が高温槽流体の液位(X1)とほぼ同一になるよう上昇する。これは遮断筒(61)の内部が流体により充填されることを意味し、開閉膜(91)もやはり流体の影響を受ける。開閉膜の浮上錐(93)は浮力を受けて上昇するようになる。したがって、図１１のように開放された状態となり、高温槽流体が遮断筒(61)の内部に流れるようになる。
このように開閉膜を形成して遮断筒内部に高温槽流体が移動可能になると、高温槽の流体が低温槽に循環する流路が形成され、こうして高温槽の流体が直に残熱除去用熱交換機の電熱管(80)と接触して大変効率的な残熱除去熱伝達経路が形成される。こうした熱伝達経路は実施例1において説明した中間熱交換機内部を通過する流体と残熱除去用電熱管(80)間の伝熱経路もそのまま維持しながら形成される。したがって、実施例２の場合、追加的な装置の使用及び変形により第1実施例の利点をそのまま維持しながらより効率的な残熱除去を可能にする相対的な利点を奏する。
本発明は特定の実施例に係わり図示し説明したが、添付の特許請求範囲により具備される本発明の精神や分野を外れない限度内において本発明が多様に改造及び変化され得ることは当業界において通常の知識を有する者であれば容易に想到できることを明かにしておく。
従来の能動型残熱除去系を示した図である。 従来の受動型残熱除去系を示した図である。 本発明によるプール型液体金属炉の残熱除去系を示した図である。 図3の中間熱交換機、残熱除去用熱交換機及び遮断筒の設置状態を示した図である。 図4のA-A線に沿って断面を示した図である。 図4のB-B線に沿って断面を示した図である。 図3の残熱除去系の作動状態を示したものであり、正常運転状態を示した図である。 図3の残熱除去系の作動状態を示したものであり、事故発生時を示した図である。 本発明によるプール型液体金属炉の残熱除去系の他実施例を示した図である。 正常運転状態時の図９の開閉膜の断面を示した図である。 事故発生時の図９の開閉膜の断面を示した図である。 本発明による遮断筒内における液位と高温槽における液位との差の形成原理を示した図である。
符号の説明
51 原子炉容器
52 炉心
53 ポンプ
54 隔壁
55 低温槽
56 高温槽
61 遮断筒
70 中間熱交換機
80 残熱除去用熱交換機
91 開閉膜
93 浮上錐

Claims (9)

  1. 炉心から出てくる高温の流体を収容する高温槽と、隔壁を介して上記高温槽と分離され高温槽から熱伝達された後の低温の流体を収容する低温槽とを含む原子炉容器；
    上記高温槽の流体と熱交換を行いながら高温槽の流体を低温槽に排出するよう下部面が上記低温槽に連結されたまま高温槽に配列され、外部の蒸気発生系に上記高温槽の熱を伝達する中間熱交換機；
    上記中間熱交換機と所定距離隔てて配列され、炉心からの残熱を外部の大気へ伝達する残熱除去用熱交換機；
    上記中間熱交換機及び残熱除去用熱交換機を包むよう形成され、開放された上部面が上記高温槽の流体液位上部に突出し、下部面が上記低温槽と連結され、上記高温槽内の流体が上記中間熱交換機に流入され得る流路管が形成される遮断筒；及び、
    上記低温槽の流体を炉心に移動させ、これにより上記遮断筒内の流体の液位を上記高温槽の流体の液位より低く維持するポンプ；
    を含む液体金属炉の残熱除去系。
  2. 上記残熱除去用熱交換機は上記ポンプが正常作動する場合、上記遮断筒内の流体と接触しない位置に配列される残熱管を具備することを特徴とする請求項１記載の液体金属炉の残熱除去系。
  3. 上記残熱除去用熱交換機は上記中間熱交換機の周囲に所定間隔を隔てながらコイル形状に巻き取られている残熱管を具備することを特徴とする請求項１記載の液体金属炉の残熱除去系。
  4. 上記中間熱交換機、残熱除去用熱交換機、及び遮断筒を一組として複数個設置されることを特徴とする請求項１記載の液体金属炉の残熱除去系。
  5. 上記遮断筒の下部面には複数個の貫通孔が形成され、上記下部面は上記原子炉容器の隔壁を貫通して一体に形成されることを特徴とする請求項１に記載の液体金属炉の残熱除去系。
  6. 炉心から出てくる高温の流体を収容する高温槽と、隔壁を通して上記高温槽と分離され高温槽から熱伝達された後の低温の流体を収容する低温槽とを含む原子炉容器；
    上記高温槽の流体と熱交換を行いながら高温槽の流体を低温槽に排出するよう下部面が上記低温槽に連結されながら高温槽に配列され、外部の蒸気発生系に上記高温槽の熱を伝達する中間熱交換機；
    上記中間熱交換機と所定距離隔てて配列され、炉心からの残熱を外部の大気へ伝達する残熱除去用熱交換機；
    上記中間熱交換機及び残熱除去用熱交換機を包むよう形成され、開放された上部面が上記高温槽の流体液位上部に突出し、下部面が上記低温槽と連結され、上記高温槽内の流体が上記中間熱交換機に流入され得る流路管が形成される遮断筒；
    上記高温槽の流体が上記遮断筒内部に移動可能なよう上記遮断筒の流路管壁面に形成される貫通孔に回動可能に装着され、流体内において浮力により浮上する浮上錐を下部に装着した開閉膜；
    上記低温槽の流体を炉心に移動させ、これにより上記遮断筒内の流体の液位を上記高温槽の流体の液位より低く維持するポンプ；
    を含む液体金属炉の残熱除去系。
  7. 上記貫通孔は上記遮断筒内側に向かって下方に行くほど漸次突出し、上記開閉膜が閉ざされた状態において傾斜を成すようにすることを特徴とする請求項６記載の液体金属炉の残熱除去系。
  8. 上記浮上錐の重量は上記開閉膜が閉ざされた状態において開閉膜全体に作用する高温槽の流体の圧力より大きいことを特徴とする請求項６記載の液体金属炉の残熱除去系。
  9. 上記浮上錐の平均密度が上記高温槽及び低温槽の流体の密度より小さいことを特徴とする請求項８記載の液体金属炉の残熱除去系。


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