JP2009074960A - 反射体制御方式の高速炉 - Google Patents

Abstract

【課題】炉心と反射体との間に存在していた冷却材を排除して、反射体の移動領域における炉心への中性子反射を低減し、核燃料の反応度を低く抑え、かつ炉心周囲の温度環境に対する耐性の高い高速炉を提供する。
【解決手段】１次冷却材３０に浸された炉心２の外側に配置された反射体４を上下方向に移動させて炉心２からの中性子の漏洩を調整することによって炉心２の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉において、反射体４が移動する領域に位置する炉心２の周囲を１次冷却材３０よりも中性子反射能力が劣る物質で取り囲む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体金属の１次冷却材に浸された炉心の外側に設置された反射体を上下方向に移動させて炉心からの中性子の漏洩を調整することによって炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉に関する。

従来の高速炉について、特許文献１に構造の一例が開示されている。

図１９は、従来の高速炉の構成の一例を示す軸方向の断面図である。

図１９に示すように、従来の高速炉５０は核燃料の集合体からなる炉心２を有し、炉心２は全体としてほぼ円柱状に形成される。炉心２はこれを保護する炉心槽３によって外周を取り囲まれる。炉心槽３の外側には全体として炉心槽３を円環状に取り囲む複数の反射体４が配設される。反射体４の外側には反射体４の外周を取り囲み、１次冷却材の冷却材流路５の内壁を構成する隔壁６が設けられる。隔壁６の外側には間隔をあけて冷却材流路５の外壁を構成する原子炉容器７が配設される。冷却材流路５中には中性子遮へい体８が炉心２を取り囲むように配設される。原子炉容器７のさらに外側には原子炉容器７を保護するガードベッセル９が設けられる。

炉心槽３と隔壁６との間に設けられた空間によって炉心２の運転に使用される反射体４の移動領域が形成される。反射体４は、上部プラグ１０を貫通する駆動軸１１によって吊り下げられ、反射体駆動装置１２によって上下に移動可能に支持される。すなわち、反射体駆動装置１２の駆動に伴って駆動軸１１、ひいては反射体４は、炉心槽３と隔壁との間の移動領域内を上下方向に移動される。この反射体４の移動により、炉心２からの中性子の漏洩を調整し、炉心２の反応度が制御される。

炉心２、炉心槽３、隔壁６および中性子遮へい体８は、炉心支持板１３に搭載されて支持される。隔壁６は、炉心２を載置する炉心支持板１３から上方に延設され、この隔壁６と原子炉容器７との間に円環状の冷却材流路５が形成される。冷却材流路５に配置された中性子遮へい体８の上方の冷却材流路５中には円環状の電磁ポンプ１４が配設される。電磁ポンプ１４のさらに上方には中間熱交換器１５が配設される。中間熱交換器１５のさらに上方には崩壊熱除去コイル１６が配設される。

中間熱交換器１５と電磁ポンプ１４とは一体的に形成され、従来の高速炉５０の上部の構造体である外側シュラウド２３と一体連続的に構成されて吊り下げられる。中間熱交換器１５のチューブ側とシェル側とはそれぞれ１次冷却材と２次冷却材とが流通するように構成される。中間熱交換器１５と電磁ポンプ１４との下端部と、隔壁６の上端部との間には、従来の高速炉５０の熱による伸縮を吸収し、冷却材流路５を画するシールベロー１７が設けられる。中間熱交換器１５は、内胴２０と外胴２１とを有し、内胴２０と外胴２１との間には伝熱管２２が配設される。

従来の高速炉５０は炉心２にプルトニウムを含む核燃料を使用し、運転に際しては炉心２のプルトニウムを核分裂させて熱を出すとともに余剰の高速中性子を劣化ウランに吸収させ、燃やす量より多いプルトニウムを生成する。反射体４は炉心２から照射される中性子を反射し、炉心２の核燃料の燃焼・増殖を促進する。反射体４は、核燃料の燃焼に伴って核燃料の臨界を維持しながら下方から上方へ徐々に移動される。この反射体４の移動によって炉心２の新しい燃料部分が徐々に燃焼され、炉心２は核燃料の長期間燃焼を維持することができる。

従来の高速炉５０の運転に際しては、原子炉容器７内に１次冷却材である液体ナトリウムが満たされ、この１次冷却材によって炉心２を冷却しつつ核分裂による熱を外部に取り出す。

図１９に示した実線の矢印は１次冷却材の流れ方向を示している。これら実線の矢印に示すように、１次冷却材は電磁ポンプ１４によって冷却材流路５を下方に駆動され、中性子遮へい体８の内部を流過して原子炉容器７の底部に至る。次に１次冷却材は、流れ方向を反転されて炉心２内を流通しながら上昇し、炉心２が有する核燃料の核分裂で生じた熱によって加熱されて温度が上昇する。この温度が上昇した１次冷却材は、原子炉容器７上部の中間熱交換器１５のチューブ側に流入する。さらに１次冷却材は中間熱交換器１５で２次冷却材と熱交換を行った後に流出し、再び電磁ポンプ１４によって下方に駆動される。また、１次冷却材に対して２次冷却材は、従来の高速炉５０の外部から入口ノズル１８を経て中間熱交換器１５のシェル側に流入し、中間熱交換器１５で１次冷却材によって加熱された後に、出口ノズル１９から従来の高速炉５０の外部に流出する。この２次冷却材の熱が発電機の動力等に変換される。

ここで、反射体４については、特許文献２に構造の一例が開示されている。

図２０は、従来の反射体の構成の一例を示す軸方向の概略的な断面図である。

図２０に示すように、反射体４の上部には、１次冷却材よりも中性子反射能力が劣る真空または気体を内包する空間２４ａが形成された箱体２４が一体的に連接されるとともに、箱体２４の上端に駆動軸１１の下端が接続される。このように構成された反射体４と箱体２４とによれば、炉心槽３の外側が１次冷却材で満たされている場合に比べて、核燃料の反応度を低く抑えることができる。そうすると、核燃料の濃縮度を高めて、炉心２の反応度寿命の長期化を図ることができる。
特開平６−１７４８８２号公報 特開平６−５１０８２号公報

従来の高速炉５０の１次冷却材の温度は、炉心槽３内部の炉心２側では約５００℃、隔壁６の外側の中性子遮へい体８側では約３５０℃となり、炉心槽３と隔壁６との間には約１５０℃の温度差が生じる。さらに、１次冷却材が炉心２を通過する際には、１次冷却材は約３５０℃から約５００℃まで温められるため、炉心槽３内部の温度は軸方向に約１５０℃の温度差が生じる。この温度差の存在により、反射体４の上部に設けられた箱体２４は、その内部に発生する熱応力やクリープにより損傷する恐れがある。箱体２４が損傷して真空または気体が内包されている空間２４ａに１次冷却材が浸入すると、箱体２４は核燃料の反応度を低く抑える効果を喪失する。箱体２４が核燃料の反応度を低く抑える効果を喪失すると、反射体４の反射体価値は低下する。

本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、炉心２と反射体４との間に存在していた冷却材を排除して、反射体４の移動領域における炉心２への中性子反射を低減し、核燃料の反応度を低く抑え、かつ炉心周囲の温度環境に対する耐性の高い高速炉を提供することを目的とする。

前記の課題を解決するため本発明では、冷却材に浸された炉心の外側に配置された中性子反射体を上下方向に移動させて前記炉心からの中性子の漏洩を調整することによって前記炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉において、前記中性子反射体が移動する領域に位置する前記炉心の周囲を前記冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質で取り囲むことを特徴とする反射体制御方式の高速炉を提供する。

また、本発明では、冷却材に浸された炉心の外側に配置された中性子反射体を上下方向に移動させて前記炉心からの中性子の漏洩を調整することによって前記炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉において、前記中性子反射体の上方に炉心の周囲を前記冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質を内包する箱体が設けられ、前記中性子反射体および前記箱体は反射体案内管の内部に配設されたことを特徴とする反射体制御方式の高速炉を提供する。

本発明によれば、炉心と反射体との間に存在していた冷却材を排除して、反射体の移動領域における炉心への中性子反射を低減し、核燃料の反応度を低く抑え、かつ炉心周囲の温度環境に対する耐性の高い高速炉を提供することができる。

本発明に係る反射体制御方式の高速炉について添付図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
本発明に係る反射体制御方式の高速炉の第１実施形態について、図１から図７を参照して説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の構成を示す軸方向の断面図である。

図１に示すように、反射体制御方式の高速炉１は核燃料の集合体からなる炉心２を有し、炉心２は全体として柱状に形成される。炉心２は複数のボイド管２７で形成されたボイド管群２８によって外周を取り囲まれる。それぞれのボイド管２７の内部には全体として炉心２を取り囲む反射体（中性子反射体）４が配設される。ボイド管群２８の外周は、１次冷却材（冷却材）３０の冷却材流路５の内壁を構成する。ボイド管群２８の外側には間隔をあけて冷却材流路５の外壁を構成する原子炉容器７が配設される。冷却材流路５中には中性子遮へい体８が炉心２を取り囲むように配設される。原子炉容器７のさらに外側には原子炉容器７を保護するガードベッセル９が設けられる。

反射体４は、上部プラグ１０を貫通する駆動軸１１によって吊り下げられ、反射体駆動装置１２によって上下に移動可能に支持される。すなわち、反射体駆動装置１２の駆動に伴って駆動軸１１、ひいては反射体４は、ボイド管２７内を上下方向に移動される。この反射体４の移動により、炉心２からの中性子の漏洩を調整し、炉心２の反応度が制御される。

反射体４が上下に移動する領域を形成するボイド管２７は、反射体４が上下に移動可能な大口径管部２７ａと、大口径管部２７ａの上方に設けられ、反射体４を吊り下げる駆動軸１１が挿通される小口径管部２７ｂとから構成される。大口径管部２７ａは、反射体４が炉心２の下端から上端まで移動できる長さを有する。他方、小口径管部２７ｂは、１次冷却材３０の液面よりも低い位置で大口径管部２７ａの上端部と連通される。

炉心２および中性子遮へい体８は炉心支持板１３に搭載され支持される。ボイド管２７は、炉心２を載置する炉心支持板１３から上方に延設され、このボイド管２７で形成されたボイド管群２８の外周と原子炉容器７との間に円環状の冷却材流路５が形成される。冷却材流路５に配置された中性子遮へい体８の上方の冷却材流路５中には円環状の電磁ポンプ１４が配設される。電磁ポンプ１４のさらに上方には中間熱交換器１５が配設される。中間熱交換器１５のさらに上方には崩壊熱除去コイル１６が配設される。

中間熱交換器１５と電磁ポンプ１４とは一体に形成され、高速炉１の上部の構造体である外側シュラウド２３と一体連続的に構成されて吊り下げられる。中間熱交換器１５のチューブ側とシェル側とはそれぞれ１次冷却材３０と２次冷却材とが流通するように構成される。中間熱交換器１５と電磁ポンプ１４との下端部と、ボイド管２７の大口径管部２７ａの上端部との間には、高速炉１の熱による伸縮を吸収し、冷却材流路５を画するシールベロー１７が設けられる。中間熱交換器１５は、内胴２０と外胴２１とを有し、内胴２０と外胴２１との間には伝熱管２２が配設される。

中性子遮へい体８の上方に配設された電磁ポンプ１４、中間熱交換器１５および崩壊熱除去コイル１６は、１次冷却材３０に浸される。１次冷却材３０の液面より上方は、１次冷却材３０よりも中性子漏洩が大きい、すなわち中性子反射能力が劣るアルゴン、ネオンまたは窒素などからなる不活性ガスであるカバーガス３１で満たされる。

ボイド管２７の大口径管部２７ａの下部は、炉心支持板１３の上面に当接される部分と、炉心支持板１３の下面に突出し反射体４を炉心２の下端よりも下方に配置させる部分とから構成される。また、大口径管部２７ａの下端は、１次冷却材３０がボイド管２７内へ流入されないように閉じられる。ボイド管２７の小口径管部２７ｂの上端は、上部プラグ１０に当接されて支持される。小口径管部２７ｂには、カバーガス３１に満たされた空間部に管内外を連通するガス導入孔２７ｃが設けられる。ボイド管２７内部にはガス導入孔２７ｃを介してカバーガス３１が導入される。

ボイド管群２８は、連結軸３２により２体以上のボイド管２７が連結されてボイド管２７の長手軸方向に交差する方向の変位を拘束される。連結軸３２は、炉心２の上端面よりも高い位置に設けられる。また、連結軸３２は、例えば大口径管部２７ａと小口径管部２７ｂとに設けられる。なお、ボイド管２７を拘束する連結軸３２の配置によってボイド管群２８として十分な剛性が得られる場合は、小口径管部２７ｂの上端を上部プラグ１０に当接させる必要はない。この場合は、小口径管部２７ｂの上端を開口しておくことでガス導入孔２７ｃを省略できる。

高速炉１は、炉心２にプルトニウムを含む核燃料を使用し、運転に際しては炉心２のプルトニウムを核分裂させて熱を出すとともに、余剰の高速中性子を劣化ウランに吸収させて燃やす量より多いプルトニウムを生成する。反射体４は炉心２から照射される中性子を反射し、炉心２の核燃料の燃焼・増殖を促進する。反射体４は、核燃料の燃焼に伴って核燃料の臨界を維持しながら下方から上方へ徐々に移動される。この反射体４の移動によって炉心２の新しい燃料部分が徐々に燃焼され、炉心２は核燃料の長期間燃焼を維持することができる。

高速炉１の運転に際しては、原子炉容器７内に１次冷却材３０である液体ナトリウムが満たされ、この１次冷却材３０によって炉心２を冷却しつつ核分裂による熱を外部に取り出す。

図１に示した実線の矢印は１次冷却材３０の流れ方向を示している。これら実線の矢印に示すように、１次冷却材３０は電磁ポンプ１４によって冷却材流路５を下方に駆動され、中性子遮へい体８の内部を流過して原子炉容器７の底部に至る。次に１次冷却材３０は流れ方向を反転されて炉心２内を流通しながら上昇し、炉心２が有する核燃料の核分裂で生じた熱によって加熱されて温度が上昇する。この温度が上昇した１次冷却材３０は、原子炉容器７上部の中間熱交換器１５のチューブ側に流入する。さらに１次冷却材３０は中間熱交換器１５で２次冷却材と熱交換を行った後に流出し、再び電磁ポンプ１４によって下方に駆動される。また、図１に示した破線の矢印は２次冷却材の流れ方向を示している。１次冷却材３０に対して２次冷却材は、高速炉１の外部から入口ノズル１８を経て中間熱交換器１５のシェル側に流入し、中間熱交換器１５で１次冷却材３０によって加熱された後に、出口ノズル１９から外部に流出する。この２次冷却材の熱が発電機の動力等に変換される。

図２から図４は、本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心部の概略的な構成を示す平断面図である。

図２に示すように、炉心２は、平断面六角形状の燃料集合体３４（図中Ｆで示す。）を用いて構成され、例えば１８体の燃料集合体３４が全体で六角形状に配置される。この六角形状に配置された複数の燃料集合体３４の中央部には、炉心２の反応度制御用であり運転時には上方に引き抜かれる中性子吸収棒用の炉停止棒３５（図中Ｃで示す。）が配置される。

燃料集合体３４と炉停止棒３５とから構成された炉心２は、燃料集合体３４と同様に平断面が六角形状に形成された大口径管部２７ａを有するボイド管２７によって包囲される。例えば１８体のボイド管２７が炉心２を取り囲むように配設される。すなわち、ボイド管２７で形成されたボイド管群２８は、炉心２の周縁に六角形状の枠をなすように配設される。また、平断面が六角形状に形成された大口径管部２７ａの内部には、大口径管部２７ａの内壁との間で隙間を有し、平断面が六角形状に形成された反射体４が配設される。

すなわち、炉心２とボイド管群２８とは、中心に炉停止棒３５が配設され、この周縁に燃料集合体３４が配設され、さらにこの周縁にボイド管２７が配設された多層構造に構成される。

ボイド管２７の大口径管部２７ａ内には、小口径管部２７ｂに設けられたガス導入孔２７ｃを介して１次冷却材３０の液面上に充填されたカバーガス３１が導入される。また、大口径管部２７ａ内には、反射体４が高速炉１の上下方向へ移動可能に配置される。なお、ボイド管２７の小口径管部２７ｂは、反射体４を吊り下げる駆動軸１１を挿通できる平断面形状とすることができる。例えば小口径管部２７ｂの平断面形状は、円形状、楕円形状および多角形状のいずれかの形状として形成しても良い。

炉心２の周囲に配設されたボイド管２７で形成されたボイド管群２８の外周は、冷却材流路５の内壁を構成する。

また、図３に示すように、炉心２を取り囲むボイド管２７は、炉心２を中心としてその周縁に複数列の六角形状の枠をなすように配設することができる。例えば２４体のボイド管２７が炉心２を二重に取り囲むように配設される。

さらに、図４に示すように、ボイド管２７は、反射体４が内部に配設される内管２７ｄと、内管２７ｄとの間にカバーガス３１が導入される空間部を形成する外管２７ｅとを有する二重配管で構成することができる。ボイド管２７が二重になり、内管２７ｄと外管２７ｅとの間にカバーガス３１が導入される空間部が形成されるので、万一、外管２７ｅが破損して場合には、この空間部に１次冷却材３０が進入しても、内管２７ｄの内部にはカバーガス３１が導入された状態を維持できるので、反射体４の反射体価値の減少を防ぐことができる。内管２７ｄを多重に配設することでボイド管２７を多重配管とすることもできる。ボイド管２７を多重配管にすることで、各重をなす配管の破損が生じても反射体４の反射体価値の減少をさらに防ぐことができる。

図５から図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心を包囲するボイド管の拘束状態を概略的に示す平断面図である。

図５に示すように、炉心支持板１３上に搭載され支持されたボイド管２７で形成されたボイド管群２８は、炉心２の周縁に六角形状の枠をなすよう配設され、この六角形の略中心に対して向かい合うボイド管２７の対は、互いに連結軸３２により結合されて拘束される。

また、図６に示すように、炉心２の周縁に六角形状の枠をなすよう配設されたボイド管２７で形成されたボイド管群２８は、この六角形の略中心と同心で、かつ、この六角形に内包される円環状の連結環３７から各ボイド管２７へ放射状に配設された連結軸３２Ａにより連結されて拘束されるよう構成することもできる。

さらに、図７（Ａ）に示すように、炉心２の周縁に六角形状の枠をなすよう配設されたボイド管２７で形成されたボイド管群２８は、炉心２の周縁に六角形状の枠をなすよう配設され、この六角形の各辺と平行な線上で向かい合うボイド管２７の対は、互いに連結軸３２Ｂにより連結されて拘束されるよう構成することもできる。図７（Ａ）から（Ｃ）に示すように、この六角形の各辺と平行な線は、隣り合う辺ごとに交差しあう関係にあるので、ある辺に平行な連結管３０Ｂの組は、それぞれ高さ方向に異なる位置に設けることが望ましい。

本実施形態の高速炉１では、炉心２の周縁にボイド管２７を配設することで反射体４が移動する領域から１次冷却材３０を排除することができる。また、１次冷却材３０よりも中性子漏洩が大きい、すなわち中性子反射能力が劣るカバーガス３１をボイド管２７内部に満たすことができる。すなわち、従来の高速炉では、反射体４が移動する領域には１次冷却材３０が満たされていたが、本実施形態の高速炉１では、反射体４が移動する領域に１次冷却材３０よりも中性子反射能力が劣るカバーガス３１が満たされ、この領域における中性子漏洩の程度が大きくなる。したがって、従来の高速炉に対して、本実施形態の高速炉１では反射体４の相対的な反射体価値が向上する。また、ボイド管群２８を多重の六角形状の枠をなすように配設することで、炉心２を取り囲むボイド管の総数が増加し、反射体４の相対的な反射体価値をさらに向上させることができる。

また、従来の高速炉において反射体４の上部に配設された真空または気体を内包する箱体に比べて、カバーガス３１が導入されるボイド管２７は、炉心２に近い位置に設置することができるので、炉心２と反射体４との間に存在していた１次冷却材３０を排除することが可能となり、高いボイド効果を得ることができる。

さらに、ボイド管２７は、炉心２の上端よりも上方であり、かつ１次冷却材３０の液面下に小口径管部２７ｂが形成されることから、炉心２で加熱された１次冷却材３０を容易に崩壊熱除去コイル１６、中間熱交換器１５および電磁ポンプ１４に導くことができる。さらに、ボイド管２７の内部には、ガス導入孔２７ｃを介してカバーガス３１が導入されるので、反射体４やボイド管２７などから生じるボイド管２７内の熱を排出してボイド管２７内部を冷却することができる。さらにまた、ボイド管２７は、連結軸３２、３０Ａ、３０Ｂにより結合され拘束されているので、各ボイド管２７を独立に配設する場合に比べて、炉心２や１次冷却材３０からの熱応力や流体力によるねじれ等に対する強度を向上できる。

本実施形態の高速炉１によれば、燃料集合体３４と平断面形状が同形状である六角形断面で形成されたボイド管２７を炉心２の周縁を取り囲むように設置し、カバーガス３１を満たされたボイド管２７の内部空間を反射体４が駆動する構成とすることで、優れた反射体価値を有する反射体制御方式の高速炉を提供することが可能になる。すなわち、炉心２と反射体４との間に存在していた１次冷却材３０を排除して、反射体４の移動領域における炉心２への中性子反射を低減し、核燃料の反応度を低く抑え、かつ炉心周囲の温度環境に対する耐性の高い高速炉を提供することができる。

［第２の実施形態］
本発明に係る反射体制御方式の高速炉の第２実施形態について、図８から図９を参照して説明する。

図８は、本発明の第２実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の構成を示す軸方向の断面図である。

図９は、本発明の第２実施形態に係る反射体制御方式の高速炉を構成するボイド管の小口径管部の概略的な構成を示す平断面図である。

この高速炉１Ａにおいて第１実施形態の高速炉１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図８および図９に示すように、高速炉１Ａは、隣接する２体のボイド管２７のうち、一方のボイド管２７の大口径管部２７ａに上部プラグ１０を貫通する駆動軸１１によって吊り下げられた反射体４は、反射体駆動装置１２によって上下に移動可能に支持される。このボイド管２７の小口径管部２７ｂに挿通された駆動軸１１には、隣接する他方のボイド管２７の略中心に向かって突出された駆動軸連結軸３９が設けられる。

隣接する２体のボイド管２７のうち、他方のボイド管２７の大口径管部２７ａに配設された反射体４は、このボイド管２７の小口径管部２７ｂに挿通された駆動軸１１Ａによって吊り下げられる。駆動軸１１Ａの上端は、一方のボイド管２７から突出された駆動軸連結軸３９に結合される。

すなわち、隣接する２体のボイド管２７のうち、一方のボイド管２７の大口径管部２７ａ内に駆動軸１１により吊り下げられた反射体４と、他方のボイド管２７の大口径管部２７ａ内に駆動軸１１Ａにより吊り下げられた反射体４とは、この駆動軸１１から突出された駆動軸連結軸３９を介して連結される。

駆動軸連結軸３９は、反射体駆動装置１２によって反射体４が上下方向に移動される範囲で、常にカバーガス３１が満たされた１次冷却材３０の液面上に存する高さに設けられる。また、各ボイド管２７の小口径管部２７ｂには、反射体４の上下動に伴って移動する駆動軸連結軸３９の動作範囲に切り欠き２７ｄが設けられる。

なお、隣接する３体以上のボイド管２７に配設された反射体４を、複数の駆動軸連結軸３９を介して連結することもできる。

本実施形態の高速炉１Ａによれば、隣接するボイド管２７の内部に配設される反射体４が駆動軸連結軸３９により連結されるので、反射体４を駆動させる反射体駆動装置１２や、駆動軸１１を貫通させる上部プラグ１０の孔の数を反射体４およびボイド管２７の数より少なく構成することができる。また、反射体駆動装置１２の駆動制御を行う系統（図示省略）の簡素化や制御の容易化に寄与できる。

［第３の実施形態］
本発明に係る反射体制御方式の高速炉の第３実施形態について、図１０を参照して説明する。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る反射体制御方式の高速炉を構成するボイド管に配設される反射体の概略的な構成を示す平断面図である。

この高速炉１Ｂにおいて第１実施形態の高速炉１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１０に示すように、高速炉１Ｂを構成するボイド管２７の大口径管部２７ａは、平断面が六角形状に形成される。大口径管部２７ａの内部には、その内壁との間で隙間を有し、平断面が六角形状に形成され、長手軸方向に孔４ａを有する反射体４Ａが配設される。

孔４ａは複数設けることが可能であり、本実施例では例えば反射体４Ａに２９本の孔４ａが設けられる。

高速炉１Ｂ運転中に反射体４Ａに生じる熱は、ボイド管２７の内部に満たされたカバーガス３１を加熱する。この加熱されたカバーガス３１がボイド管２７から排気されることで反射体４Ａの冷却が行われる。反射体４Ａの孔４ａは、ボイド管２７から排気される加熱されたカバーガス３１の流路となる。また、反射体４Ａは、孔４ａが設けられたことにより表面積が増大するので、カバーガス３１による反射体４Ａの冷却効率が向上する。

［第４の実施形態］
本発明に係る反射体制御方式の高速炉の第４実施形態について、図１１を参照して説明する。

図１１は、本発明の第４実施形態に係る反射体制御方式の高速炉を構成するボイド管に配設される反射体の概略的な構成を示す平断面図である。

この高速炉１Ｃにおいて第１実施形態の高速炉１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１１に示すように、高速炉１Ｃを構成するボイド管２７の大口径管部２７ａは、平断面が六角形状に形成される。大口径管部２７ａの内部には、その内壁との間で隙間を有し、固定軸４ｃで固定された複数の円柱４ｂから形成された反射体４Ｂが配設される。

反射体４Ｂを形成する複数の円柱４ｂは、全体で六角形状に配置され、その外縁は、平断面が六角形状に形成されたボイド管の大口径管部２７ａ内壁に沿うよう配設される。各円柱４ｂは、カバーガス３１が流通する間隔をあけて配設される。隣接する円柱４ｂの間は固定軸４ｃにより拘束される。

高速炉１Ｃ運転中に反射体４Ｂに生じる熱は、ボイド管２７の内部に満たされたカバーガス３１を加熱する。この加熱されたカバーガス３１がボイド管２７から排気されることで反射体４Ｂの冷却が行われる。反射体Ｂは、複数の円柱４ｂを束ねた構成とすることで、六角柱状に構成する場合と比べて表面積が増大するので、カバーガス３１による反射体４Ｂの冷却効率が向上する。

［第５の実施形態］
本発明に係る反射体制御方式の高速炉の第５実施形態について、図１２から図１３を参照して説明する。

図１２は、本発明の第５実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の構成を示す軸方向の断面図である。

この高速炉１Ｄにおいて第１実施形態の高速炉１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１２に示すように、高速炉１Ｄを構成するボイド管２７は、炉心２の上端面よりも高い位置で、管の長手軸方向に交差する方向の変位を連結帯４１により拘束される。連結帯４１は、例えば大口径管部２７ａと小口径管部２７ｂとに設けられる。なお、ボイド管２７を拘束する連結帯４１の配置によってボイド管群２８として十分な剛性が得られる場合は、小口径管部２７ｂの上端を上部プラグ１０に当接させる必要はない。この場合は、小口径管部２７ｂの上端を開口しておくことでガス導入孔２７ｃを省略できる。

図１３は、本発明の第５実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心を包囲するボイド管の拘束状態を概略的に示す平断面図であり、（Ａ）はボイド管の大口径管部の拘束状態を概略的に示し、（Ｂ）はボイド管の小口径管部の拘束状態を概略的に示す。

図１３（Ａ）および（Ｂ）に示すように、炉心支持板１３上に搭載され支持されたボイド管２７で形成されたボイド管群２８は、炉心２の周縁に六角形状の枠をなすよう配設され、この六角形の周縁は連結帯４１により拘束される。

本実施形態の高速炉１Ｄによれば、ボイド管２７により形成されたボイド管群２８が、その周縁に設けられた連結帯４１により拘束されているので、炉心２の上方には１次冷却材３０の流路を十分に確保することができる。

［第６の実施形態］
本発明に係る反射体制御方式の高速炉の第６実施形態について、図１４から図１５を参照して説明する。

図１４と図１５とは、本発明の第６実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心部の概略的な構成を示す平断面図である。

この高速炉１Ｅにおいて第１実施形態の高速炉１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１４に示すように、高速炉１Ｅの燃料集合体３４（図中Ｆで示す。）と炉停止棒３５（図中Ｃで示す。）とから構成された炉心２は、燃料集合体３４と同様に平断面が六角形状に形成された大口径管部２７ａを有するボイド管２７によって包囲される。例えば１８体のボイド管２７が炉心２を取り囲むように配設される。すなわち、ボイド管２７で形成されたボイド管群２８は、炉心２の周縁に六角形状の枠をなすように配設される。

平断面が六角形状に形成されたボイド管２７の大口径管部２７ａの内部には、大口径管部２７ａの内壁との間で隙間を有し、平断面が六角形状に形成された第１の反射体４Ｃと、第２の反射体４Ｄとが配設される。

第１の反射体４Ｃがボイド管２７内を上下動する速度は、第２の反射体４Ｄがボイド管２７内を上下動する速度よりも速く構成される。また、第２の反射体４Ｄはボイド管２７内を上下動しないように固定して配設することもできる。なお、第１の反射体４Ｃと第２の反射体４Ｄとは、炉心２を均等に取り囲むように配置することが望ましく、例えばボイド管群２８が形成する六角形状の各頂点に位置するボイド管２７に第２の反射体４Ｄを配設し、他の位置に存するボイド管２７に第１のボイド管を配設することができる。

また、図１５に示すように、炉心２を取り囲むボイド管２７は、炉心２を中心としてその周縁に複数列の六角形状の枠をなすように配設することができる。例えば２４体のボイド管２７が二重に炉心２を取り囲むように配設される。このボイド管２７内に第１の反射体４Ｃと、第２の反射体４Ｄとが配設される。

本実施形態の高速炉１Ｅによれば、移動速度の異なる反射体の組み合わせにより、従来の高速炉の反応度制御に比べて、より細かな反応度制御が可能な高速炉を提供することができる。

［第７の実施形態］
本発明に係る反射体制御方式の高速炉の第７実施形態について、図１６から図１７を参照して説明する。

図１６は、本発明の第７実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の構成を示す軸方向の断面図である。

この高速炉１Ｆにおいて第１実施形態の高速炉１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１６に示すように、高速炉１Ｆのボイド管２７は、連結軸３２Ｃにより原子炉容器７と連結され、ボイド管２７の長手軸方向に交差する方向の変位が拘束される。連結軸３２Ｃは、炉心２の上端面よりも高い位置に設けられる。また、連結軸３２Ｃは、例えば大口径管部２７ａと小口径管部２７ｂとに設けられる。なお、ボイド管２７を拘束する連結軸３２Ｃの配置によってボイド管群２８として十分な剛性が得られる場合は、小口径管部２７ｂの上端を上部プラグ１０に当接させる必要はない。この場合は、小口径管部２７ｂの上端を開口しておくことでガス導入孔２７ｃを省略できる。

図１７は、本発明の第７実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心を包囲するボイド管の拘束状態を概略的に示す平断面図である。

図１７に示すように、炉心支持板１３上に搭載され支持されたボイド管２７で形成されたボイド管群２８は、炉心２の周縁に六角形状の枠をなすよう配設される。ボイド管群２８を構成する各ボイド管２７と原子炉容器７とは、ボイド管群２８が形成する六角形状の周縁と原子炉容器７の内壁との間で放射状に配設された連結軸３２Ｃにより連結される。

本実施形態の高速炉１Ｆによれば、ボイド管２７は、連結軸３２Ｃにより原子炉容器７の内壁と結合され拘束されるので、各ボイド管２７を独立に配設する場合に比べて、炉心２や１次冷却材３０からの熱応力や流体力によるねじれ等に対する強度を向上できる。

［第８の実施形態］
本発明に係る反射体制御方式の高速炉の第８実施形態について、図１８を参照して説明する。

図１８は、本発明の第８実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の構成を示す軸方向の断面図である。

この高速炉１Ｇにおいて第１実施形態の高速炉１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１８に示すように、反射体制御方式の高速炉１Ｇは核燃料の集合体からなる炉心２を有し、炉心２は全体として柱状に形成される。炉心２は複数の反射体案内管４２で形成された反射体案内管群４３によって外周を取り囲まれる。それぞれの反射体案内管４２の内部には全体として炉心２を取り囲む反射体４が配設される。反射体案内管群４３の外周は、１次冷却材３０の冷却材流路５の内壁を構成する。反射体案内管群４３の外側には間隔をあけて冷却材流路５の外壁を構成する原子炉容器７が配設される。冷却材流路５中には中性子遮へい体８が炉心２を取り囲むように配設される。原子炉容器７のさらに外側には原子炉容器７を保護するガードベッセル９が設けられる。

反射体４の上部には、１次冷却材３０よりも中性子反射能力が劣る真空または気体を内包する空間２４ａが形成された箱体２４が一体的に連接されるとともに、箱体２４の上端は、上部プラグ１０を貫通する駆動軸１１によって吊り下げられ、反射体駆動装置１２によって上下に移動可能に支持される。すなわち、反射体駆動装置１２の駆動に伴って駆動軸１１、ひいては反射体４および箱体２４は、反射体案内管４２内を上下方向に移動される。この反射体４および箱体２４の移動により、炉心２からの中性子の漏洩を調整し、炉心２の反応度が制御される。

反射体４が上下に移動する領域を形成する反射体案内管４２は、反射体４および箱体２４が上下に移動可能な大口径管部４２ａと、大口径管部４２ａの上方に設けられ、反射体４および箱体２４を吊り下げる駆動軸１１が挿通される小口径管部４２ｂとから構成される。大口径管部４２ａは、反射体４および箱体２４が炉心２の下端から上端まで移動可能な長さを有する。他方、小口径管部４２ｂは、１次冷却材３０の液面よりも低い位置で大口径管部４２ａの上端部と連通される。

炉心２および中性子遮へい体８は炉心支持板１３に搭載され支持される。反射体案内管４２は、炉心２を載置する炉心支持板１３から上方に延設され、この反射体案内管４２で形成された反射体案内管群４３の外周と原子炉容器７との間に円環状の冷却材流路５が形成される。冷却材流路５に配置された中性子遮へい体８の上方の冷却材流路５中には円環状の電磁ポンプ１４が配設される。電磁ポンプ１４のさらに上方には中間熱交換器１５が配設される。中間熱交換器１５のさらに上方には崩壊熱除去コイル１６が配設される。

中間熱交換器１５と電磁ポンプ１４とは一体に形成され、高速炉１の上部の構造体である外側シュラウド２３と一体連続的に構成されて吊り下げられる。中間熱交換器１５のチューブ側とシェル側とはそれぞれ１次冷却材３０と２次冷却材とが流通するように構成される。中間熱交換器１５と電磁ポンプ１４との下端部と、反射体案内管４２の大口径管部４２ａの上端部との間には、高速炉１Ｇの熱による伸縮を吸収し、冷却材流路５を画するシールベロー１７が設けられる。中間熱交換器１５は、内胴２０と外胴２１とを有し、内胴２０と外胴２１との間には伝熱管２２が配設される。

反射体案内管４２の大口径管部４２ａの下部は、炉心支持板１３の上面に当接される部分と、反射体４を炉心２の下端よりも下方に配置させる炉心支持板１３の下面に突出した部分とから構成される。反射体案内管４２の小口径管部４２ｂの上端は、上部プラグ１０に当接されて支持される。反射体案内管４２内部には１次冷却材３０が導入される。

図１８に示した実線の矢印は１次冷却材３０の流れ方向を示している。これら実線の矢印に示すように、１次冷却材３０は電磁ポンプ１４によって冷却材流路５を下方に駆動され、中性子遮へい体８の内部を流過して原子炉容器７の底部に至る。次に１次冷却材３０は流れ方向を反転されて炉心２内を流通しながら上昇し、炉心２が有する核燃料の核分裂で生じた熱によって加熱されて温度が上昇する。この温度が上昇した１次冷却材３０は、原子炉容器７上部の中間熱交換器１５のチューブ側に流入する。さらに１次冷却材３０は中間熱交換器１５で２次冷却材と熱交換を行った後に流出し、再び電磁ポンプ１４によって下方に駆動される。また、１次冷却材３０に対して２次冷却材は、高速炉１の外部から入口ノズル１８を経て中間熱交換器１５のシェル側に流入し、中間熱交換器１５で１次冷却材３０によって加熱された後に、出口ノズル１９から外部に流出する。この２次冷却材の熱が発電機の動力等に変換される。

高速炉１Ｇは、炉心２の周縁に配設された反射体案内管４２内に反射体４および箱体２４を配設できる。したがって、従来の高速炉において、炉心２を取り囲む円筒形状の炉心槽の外側に反射体４および箱体２４が配設される構成に比べて、高速炉１Ｇでは、反射体４および箱体２４を炉心２により近接させて配設できる。また、反射体案内管４２は、軸径に対する長手方向長さの比率が大きい駆動軸１１に吊り下げられた反射体４および箱体２４の上下動をサポートすることができる。

本実施形態の高速炉１Ｇによれば、燃料集合体３４と平断面形状が同形状である六角形断面で形成された反射体案内管４２を炉心２の周縁を取り囲むように設置し、反射体案内管４２の内部空間を反射体４が駆動する構成とすることで、優れた反射体価値を有する反射体制御方式の高速炉を提供することが可能になる。すなわち、炉心２と反射体４との間に存在していた１次冷却材３０を極力排除して、反射体４の移動領域における炉心２への中性子反射を低減し、核燃料の反応度を低く抑え、かつ炉心周囲の温度環境に対する耐性の高い高速炉を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の構成を示す軸方向の断面図。 本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心部の概略的な構成を示す平断面図。 本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心部の概略的な構成を示す平断面図。 本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心部の概略的な構成を示す平断面図。 本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心を包囲するボイド管の拘束状態を概略的に示す平断面図。 本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心を包囲するボイド管の拘束状態を概略的に示す平断面図。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の第１実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心を包囲するボイド管の拘束状態を概略的に示す平断面図。 本発明の第２実施形態に係る反射体制御方式の高速炉を構成するボイド管の小口径管部の概略的な構成を示す平断面図。 本発明の第２実施形態に係る反射体制御方式の高速炉を構成するボイド管の小口径管部の概略的な構成を示す平断面図。 本発明の第３実施形態に係る反射体制御方式の高速炉を構成するボイド管に配設される反射体の概略的な構成を示す平断面図。 本発明の第４実施形態に係る反射体制御方式の高速炉を構成するボイド管に配設される反射体の概略的な構成を示す平断面図。 本発明の第５実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の構成を示す軸方向の断面図。 本発明の第５実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心を包囲するボイド管の拘束状態を概略的に示す平断面図、（Ａ）はボイド管の大口径管部の拘束状態を概略的に示す平断面図、（Ｂ）はボイド管の小口径管部の拘束状態を概略的に示す平断面図。 本発明の第６実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心部の概略的な構成を示す平断面図。 本発明の第６実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心部の概略的な構成を示す平断面図。 本発明の第７実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の構成を示す軸方向の断面図。 本発明の第７実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の炉心を包囲するボイド管の拘束状態を概略的に示す平断面図。 本発明の第８実施形態に係る反射体制御方式の高速炉の構成を示す軸方向の断面図。 従来の高速炉の構成の一例を示す軸方向の断面図。 従来の反射体の構成の一例を示す軸方向の概略的な断面図。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ、１Ｇ 高速炉
２ 炉心
３ 炉心槽
４、４Ａ、４Ｂ 反射体
４Ｃ 第１の反射体
４Ｄ 第２の反射体
４ａ 孔
４ｂ 円柱
４ｃ 固定軸
５ 冷却材流路
６ 隔壁
７ 原子炉容器
８ 中性子遮へい体
９ ガードベッセル
１０ 上部プラグ
１１ 駆動軸
１２ 反射体駆動装置
１３ 炉心支持板
１４ 電磁ポンプ
１５ 中間熱交換器
１６ 崩壊熱除去コイル
１７ シールベロー
１８ 入口ノズル
１９ 出口ノズル
２０ 内胴
２１ 外胴
２２ 伝熱管
２３ 外側シュラウド
２４ 箱体
２４ａ 空間
２７ ボイド管
２７ａ 大口径管部
２７ｂ 小口径管部
２７ｃ ガス導入孔
２７ｄ 切り欠き
２８ ボイド管群
３０ １次冷却材
３１ カバーガス
３２、３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ 連結軸
３４ 燃料集合体
３５ 炉停止棒
３７ 連結環
３９ 駆動軸連結軸
４１ 連結帯
４２ 反射体案内管
４２ａ 大口径管部
４２ｂ 小口径管部
４３ 反射体案内管群
５０ 従来の高速炉

Claims (14)

1. 冷却材に浸された炉心の外側に配置された中性子反射体を上下方向に移動させて前記炉心からの中性子の漏洩を調整することによって前記炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉において、
   前記中性子反射体が移動する領域に位置する前記炉心の周囲を前記冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質で取り囲むことを特徴とする反射体制御方式の高速炉。
2. 前記中性子反射体が移動する領域は、
   前記炉心の周囲を取り囲み、前記冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質で満たされたボイド管で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の反射体制御方式の高速炉。
3. 前記ボイド管は、
   前記炉心を構成する六角形状の燃料集合体と平断面が略同形状であることを特徴とする請求項２に記載の反射体制御方式の高速炉。
4. 前記ボイド管に挿通されて前記中性子反射体を吊り下げる駆動軸と、前記駆動軸を介して前記中性子反射体を上下に移動させる反射体駆動装置とを有する反射体制御方式の高速炉において、
   隣接する前記ボイド管に挿通された前記駆動軸を駆動軸連結軸で連結し、前記反射体駆動装置を前記反射体の全数よりも少ない数量で構成したことを特徴とする請求項２または３に記載の反射体制御方式の高速炉。
5. 前記ボイド管は、前記炉心を中心に複数列の六角形状の枠をなすように配設されたことを特徴とする請求項３または４に記載の反射体制御方式の高速炉。
6. 前記六角形状の枠の略中心に対して向かい合う前記ボイド管の対は、互いに連結軸により結合されて拘束されたことを特徴とする請求項５に記載の反射体制御方式の高速炉。
7. 前記ボイド管を多重配管としたことを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の反射体制御方式の高速炉。
8. 前記中性子反射体は、
   ボイド管内に満たされた前記冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質が流れる流路が設けられたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の反射体制御方式の高速炉。
9. 前記炉心を取り囲む前記ボイド管の周囲を連結帯で拘束されたことを特徴とする請求項２に記載の反射体制御方式の高速炉。
10. 前記中性子反射体は、
    第１の中性子反射体と、前記第１の中性子反射体よりも移動速度の遅い第２の中性子反射体から構成されたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の反射体制御方式の高速炉。
11. 前記第２の中性子反射体は、
    前記炉心の周囲に固定されていることを特徴とする請求項１０に記載の反射体制御方式の高速炉。
12. 前記ボイド管は、
    連結軸によって前記炉心を収容する原子炉容器の内壁と連結されたことを特徴とする請求項２から１１のいずれか１項に記載の反射体制御方式の高速炉。
13. 前記ボイド管は、
    前記冷却材の液面上に満たされたカバーガスが導入されるガス導入孔が設けられたことを特徴とする請求項２から１２のいずれか１項に記載の反射体制御方式の高速炉。
14. 冷却材に浸された炉心の外側に配置された中性子反射体を上下方向に移動させて前記炉心からの中性子の漏洩を調整することによって前記炉心の反応度を制御する反射体制御方式の高速炉において、
    前記中性子反射体の上方に炉心の周囲を前記冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質を内包する箱体が設けられ、前記中性子反射体および前記箱体は反射体案内管の内部に配設されたことを特徴とする反射体制御方式の高速炉。

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