JP2011226955A - 液体金属冷却型原子炉及びその除熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】除熱能力の高い液体金属冷却型原子炉及びその除熱方法を提供する。
【解決手段】液体金属冷却型原子炉１０において、炉心１１及びその冷却材Ｌを保持する原子炉容器２２と、原子炉容器２２の外側を取り囲む格納容器２３と、格納容器２３の外側に空気を流動させて除熱を行う空気流路Ｕと、原子炉容器２２及び格納容器２３の間隙Ｄに充填材Ｔを注入する注入部３０と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体金属を冷却材として用いる液体金属冷却型原子炉及びその除熱方法に関する。

液体金属冷却型原子炉では、運転中の緊急事態に対処するため、又は保守点検を行うために、燃料における核分裂反応を停止して、低温状態に到達させる必要がある。一般に原子炉の停止は、炉心に炉停止棒を挿入して、核分裂を生じさせる中性子を燃料から奪うことにより行われる。
しかし、原子炉停止後も、ある一定時間は残留崩壊熱が炉心から発生し続けるため、原子炉容器内の液体金属冷却材の温度は、速やかには低下しない。従って、原子炉停止後に何らかの作業を行うためには、この残留崩壊熱を早急に消散させる必要がある。

この液体金属冷却材、及び隣接する炉構造物は、熱容量が大きいため、残留崩壊熱の消散の助けになる。この液体金属冷却材に蓄積した残留崩壊熱は、原子炉容器から格納容器に伝達され、そして空気を作動流体とする受動冷却システム（ＲＶＡＣＳ）により外部に排出される。

これにより、一般にＳＵＳで製作される原子炉容器や格納容器が、長期間に亘り高温にさらされて強度低下することを防止するとともに、これらの外側に配置されたコンクリート製のサイロが脆く性質変化することを防止する。

このような残留崩壊熱の除去を促進させるために、液体金属冷却型原子炉において、導流板（図面符号９参照）の壁に有孔流路を設けることが提案されている（例えば、特許文献１）。また、液体金属冷却型原子炉に適用された技術ではないものの、原子炉の格納容器の外側表面を水で濡らして格納容器の除熱を促進する技術も提案されている（例えば、特許文献２）。

特許第３４９９９２０号明細書 特許第２８１３４１２号明細書

ところで、原子炉の通常運転時の発生熱及び原子炉停止時に発生する残留崩壊熱は、原子炉容器及び格納容器の間隙における輻射並びに封入されている不活性ガスの熱伝導及び対流によって、受動冷却システム（ＲＶＡＣＳ）に伝達される。
一方において、原子炉容器及び格納容器の間隙における熱伝達は、熱伝導や対流の寄与は小さく輻射が支配的であると考えられている。このために、輻射による熱伝達効率が増大するように、原子炉容器の外側壁及び格納容器の内側壁は、高輻射率が得られるように処理されている。

しかし、現実には、原子炉容器及び格納容器の温度差は大きいことから、受動冷却システム（ＲＶＡＣＳ）の除熱効率に比べ、原子炉容器から格納容器への熱伝達効率が悪いことが明らかである。
このために、液体金属冷却型原子炉は、複数種類の崩壊熱除去システムを備えて冗長性を持たせているが、なんらかの理由で、受動冷却システム（ＲＶＡＣＳ）しか使用できない場合は、炉心の低温停止を達成するまでに長時間を要してしまう。
また、原子炉の熱出力を増大させた設計において、受動冷却システム（ＲＶＡＣＳ）だけでは、除熱能力が不充分になることも予想される。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、除熱能力の高い液体金属冷却型原子炉及びその除熱方法を提供することを目的とする。

液体金属冷却型原子炉において、炉心及びその冷却材を保持する原子炉容器と、前記原子炉容器の外側を取り囲む格納容器と、前記格納容器の外側に空気を流動させて除熱を行う空気流路と、前記原子炉容器及び前記格納容器の間隙に充填材を注入する注入部と、を備えることを特徴とする。
液体金属冷却型原子炉の除熱方法において、炉心及びその冷却材を保持する原子炉容器とその外側を取り囲む格納容器との間隙に充填材を注入する工程と、前記格納容器の外側に空気を流動させて除熱を行う工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、原子炉容器及び格納容器の間隙に液体金属等の熱伝導性の良い充填材が注入されることにより、格納容器の外壁の温度を上昇させて、受動冷却システム（ＲＶＡＣＳ）等による除熱能力の高い液体金属冷却型原子炉及びその除熱方法が提供される。

本発明に係る液体金属冷却型原子炉の第１実施形態を示す構成断面図。 第１実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の動作説明図。 （Ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図。 （Ａ）は第１実施形態の変形例を示す部分断面図、（Ｂ）は第１実施形態の他の変形例を示す部分断面図。 （Ａ）は第２実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の構成断面図、（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面図。 第３実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の構成断面図。 第３実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の動作説明図。 第３実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の動作説明図。 第４実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の構成断面図。 第４実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の動作説明図。 第４実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の動作説明図。 第５実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の構成断面図。 第５実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の動作説明図。 第５実施形態に係る液体金属冷却型原子炉の動作説明図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態の液体金属冷却型原子炉１０は、（以下、単に「原子炉」という）は、炉心１１及びその冷却材Ｌを保持する原子炉容器２２と、原子炉容器２２の外側を取り囲む格納容器２３と、原子炉容器２２及び格納容器２３の間隙Ｄに充填材Ｔを注入する注入部３０と、格納容器２３の外側に空気を流動させて除熱を行う空気流路Ｕと、を備えている。
そして、これら原子炉容器２２、格納容器２３、注入部３０及び空気流路Ｕは、地中に埋設されているコンクリート製のサイロ２５の内部に形成されている。

この原子炉容器２２及び格納容器２３は、その上部開口部分が支持板２１の下面側において支持されている。この格納容器２３は、原子炉容器２２とともに炉心１１を二重に取り囲み、内側の原子炉容器２２が損傷して冷却材Ｌが漏洩してもその液面高さを確保して、炉心１１が露出して空焚きにならないようにするものである。
そして、支持板２１の上面側には、中性子反射体１２及び炉停止棒１５をそれぞれ駆動させる駆動部１４，１６が配置され、さらにその上側がトップドーム４１により覆われている。

炉心１１の外側には、ワイヤ１３により懸垂された中性子反射体１２が環状に配置され、駆動部１４によりこの炉心１１の外周に沿って上下方向に移動する。
そして、中性子反射体１２は、炉心１１から放出される中性子を調整し核分裂反応を制御する。この中性子反射体１２を炉心１１の底部側から頭部側に向って上昇させると、炉心１１から放出される高速中性子は中性子反射体１２で減速され、熱中性子となって炉心１１に戻される。そして、炉心１１は、この熱中性子を吸収して核分裂の連鎖反応を持続させ、連続的に熱エネルギーを出力する。
炉停止棒１５は、駆動部１６により上下方向に移動し、炉心１１に挿入されることにより熱中性子を吸収して核分裂の連鎖反応を妨害し、原子炉１０を停止させるものである。

冷却材Ｌは、液体ナトリウム等の液体金属で、原子炉容器２２内に満たされる液面と支持板２１との間には不活性ガスが封入されている。
そして、冷却材Ｌは、電磁ポンプ１８の駆動力によって円筒状の隔壁１７の外側から内側に向かって原子炉容器２２の内部を循環し、発熱する炉心１１から熱エネルギーを回収する。そして、冷却材Ｌは、中間熱交換器１９において二次側冷却材通流配管（図示略）を流動する二次冷却材と熱交換して冷却される。
そして、冷却された冷却材Ｌは、再び電磁ポンプ１８で昇圧されて隔壁１７の外側を下降し、隔壁１７の下端部で折り返しその内側を上昇して炉心１１で熱供給を受けるといった循環を繰り返す。

次に、格納容器２３の外側に形成される受動冷却システム（ＲＶＡＣＳ：Reactor Vessel Air Cooling System）を説明する。
このＲＶＡＣＳは、格納容器２３の外表面と、サイロ２５の内表面と、円筒形の導流板２６と、から形成される空気流路Ｕに空気が自然対流して除熱を行うものである。

この空気流路Ｕを流動する空気は、導入路２７から取り込まれて、導流板２６の外側面に沿って下降してからその下端部で折り返し、導流板２６の内側面に沿って上昇して格納容器２３の外表面から熱を奪って排出路２８から大気中に排出される。

注入部３０は、加圧部３１と、ヒータ３２と、液溜部３５と、連通路３６と、から構成されている。
このように構成される注入部３０は、炉心１１の停止後、原子炉容器２２及び格納容器２３の間隙Ｄに充填材Ｔを注入して原子炉容器２２及び格納容器２３の間の熱伝導性を向上させ、発生した崩壊熱の上記したＲＶＡＣＳにおける除熱効率を向上させるものである。これにより、他の崩壊熱除去システム（図示略、例えばＩＲＡＣＳ；Intermediate Reactor Auxiliary Cooling System等）が動作不良になっても充分な除熱機能を維持することができる。

液溜部３５は、間隙Ｄの容量よりも大容量で構成され、充填材Ｔを冷却材Ｌの底面よりも低いレベルで収容する。ここで、充填材Ｔは、原子炉容器２２及び格納容器２３の到達温度において液体状態を示し、かつ冷却材Ｌに対し不活性であり、さらには熱伝導率の高いものであれば適用することができ、例えば、低融点金属である半田、ウッズメタル、インジウム等が挙げられる。

なお、充填材Ｔとしてこれら低融点金属を採用する場合は、液溜部３５で凝固しないように、充填材Ｔはヒータ３２で加熱され溶融状態を維持している。
加圧部３１は、液溜部３５の内部をその端部から連通路３６の開口の方向に向かって水平方向に移動するピストンで構成される。
そして、図２に示されるように、加圧部３１は、充填材Ｔを加圧して連通路３６を経由して液溜部３５内部の充填材Ｔを間隙Ｄに導く。

なお、その動作を示す図１のＡ−Ａ断面及び図２のＢ−Ｂ断面がそれぞれ図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示される。
また、崩壊熱の除熱が終了したところで、逆動作により、加圧部３１のピストンを元の外側の位置まで戻し、間隙Ｄに注入された充填材Ｔを液溜部３５の内部に戻す。

図４（Ａ）の部分断面は第１実施形態の変形例を示している。
この変形例において加圧部３３は、液溜部３５の内部をその下端部から連通路３６の開口の方向に向かって垂直方向に移動するピストンにより構成されている。
この加圧部３３は、充填材Ｔを垂直方向に加圧して連通路３６を経由して液溜部３５内部のヒータ３２で溶融状態にされた充填材Ｔを間隙Ｄに導く。
また、崩壊熱の除熱が終了したところで、逆動作により、加圧部３３のピストンを元の下側の位置まで戻し、間隙Ｄに注入された充填材Ｔを液溜部３５の内部に戻す。

図４（Ｂ）の部分断面図は第１実施形態の他の変形例を示す。
この変形例において連通路３６は、複数（図では三本）で構成されている。
これにより、複数の連通路３６のうちいずれかにおいて、仮に低融点金属である充填材Ｔが固化して閉塞した場合においても、他の連通路３６において充填材Ｔを間隙Ｄに注入することができる。

（第２実施形態）
次に図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に基づいて本発明の第２実施形態を説明する。ここで図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＢ−Ｂ断面図を示している。
なお、図５において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。

第２実施形態における原子炉１０は、注入部３０が、間隙Ｄにおいて加熱されて昇温した充填材Ｔを冷却するための冷媒Ｗの循環路４３が形成されている。そして、この循環路４３は、加圧部３１の動作に干渉しないように、単数または複数（図では４本）が、液溜部３５に配置されている。
ここで冷媒Ｗは、水や空気等が適宜採用され、循環路４３に設けられたポンプ４６により循環して、昇温した充填材Ｔの除熱を行う。

この循環路４３の経路中には、冷媒Ｗが貯蔵されるタンク４２が配置され、その近傍に配置される流止弁４５の動作により冷媒Ｗを液溜部３５に供給して昇温した充填材Ｔを除熱する。そして、昇温した冷媒Ｗは、同じく循環路４３の経路中に配置される放熱器４４により冷却される。

この第２実施形態においては、充填材Ｔが間隙Ｄに注入された後、伝達された崩壊熱が連通路３６を経由して液溜部３５に到達することになる。そこで、ヒータ３２による加熱を停止するとともに、流止弁４５を開いてタンク４２から冷媒Ｗが液溜部３５に供給される。
これにより、ＲＶＡＣＳの機能をサポートして崩壊熱の除熱効果をさらに向上させることができる。

（第３実施形態）
次に図６、図７、図８に基づいて本発明の第３実施形態を説明する。なお、これら図面において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
この第３実施形態において注入部５０は、充填材Ｔを冷却材Ｌの上面よりも高いレベルで収容する液溜部５１と、液溜部５１及び間隙Ｄを連通する連通路５３と、充填材Ｔを加熱して溶融状態を維持するヒータ５５と、連通路５３における充填材Ｔの流止弁５２とから構成されている。
そして、第３実施形態において連通路５３の一端は、格納容器２３に接続されている。

さらに、第１実施形態及び第２実施形態の注入部３０（図１参照）に対応する第３実施形態の位置には、冷却材Ｌの下面よりも低いレベルで間隙Ｄに充填された充填材Ｔ（図７参照）を排出する排液部３７が設けられている（図８参照）。そして、間隙Ｄ及び排液部３７を結ぶ経路２４には、充填材Ｔの流止弁５４が設けられている。

第３実施形態において注入部５０は、サイロ２５の上部に、間隙Ｄの容量よりも大容量で構成され液溜部５１に充填材Ｔが保持されている（図６参照）。そして、流止弁５２を開くと液溜部５１に保持される充填材Ｔが、重力落下して連通路５３を経由して間隙Ｄに注入される（図７参照）。
そして、崩壊熱の除熱が終了したところで流止弁５４を開いて間隙Ｄに注入された充填材Ｔを排液部３７に排出する（図８参照）。

（第４実施形態）
次に図９、図１０、図１１に基づいて本発明の第４実施形態を説明する。なお、これら図面において図６と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
この第４実施形態において、液溜部５１及び間隙Ｄを連通する連通路５６の一端は、間隙Ｄ及び排液部３７を結ぶ経路２４に接続されている。

第４実施形態において注入部５０は、サイロ２５の上部に、間隙Ｄの容量よりも大容量で構成され液溜部５１に充填材Ｔが保持されている（図９参照）。そして、流止弁５４を開くと液溜部５１に保持される充填材Ｔが、重力落下して連通路５６を経由して間隙Ｄに注入される（図１０参照）。
そして、崩壊熱の除熱が終了したところで流止弁５７を開いて間隙Ｄに注入された充填材Ｔを排液部３７に排出する（図１１参照）。

（第５実施形態）
次に図１２，図１３，図１４に基づいて本発明の第５実施形態を説明する。なお、この図面において図９と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
この第５実施形態において注入部５０は、排液部３７における充填材Ｔを液溜部５１に戻す返還路５９を備える。さらに、排液部３７に排出された充填材Ｔをこの返還路５９に向けて押し出すための加圧部３１が設けられている。

第５実施形態において間隙Ｄに充填材Ｔを注入するプロセスは、図１０に参照される第４実施形態の場合と同様である。さらに、崩壊熱の除熱が終了して間隙Ｄの充填材Ｔを排液部３７に排出するプロセスも図１１に参照される第４実施形態の場合と同様である。
そして、排液部３７に充填材Ｔが排出されると（図１３参照）、返還路５９の流止弁５８が開くとともに加圧部３１のピストンが動作して充填材Ｔを返還路５９に向けて押し出す（図１４参照）。そして、返還路５９に設けられたポンプ４６により重力に逆らって充填材Ｔが液溜部５１に回収される。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、原子炉容器２２と格納容器２３との間隙Ｄに低融点金属等の充填材Ｔが注入されることにより、優れた除熱能力を有するとともに、この充填材Ｔの回収を可能とする液体金属冷却型原子炉が提供される。

本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。
例えば、崩壊熱の除去は、格納容器の外側の空気を自然対流により流動させることを例示したが、これに限定されることはなく、強制流動させたり、他の除熱手段と組み合わせたりする場合もある。

１０…液体金属冷却型原子炉、１１…炉心、１２…中性子反射体、１３…ワイヤ、１４，１６…駆動部、１５…炉停止棒、１７…隔壁、１８…電磁ポンプ、１９…中間熱交換器、２１…支持板、２２…原子炉容器、２３…格納容器、２４…経路、２５…サイロ、２６…導流板、２７…導入路、２８…排出路、３０，５０…注入部、３１，３３…加圧部、３２…ヒータ、３５，５１…液溜部、３６…連通路、３７…排液部、４１…トップドーム、４２…タンク、４３…循環路、４４…放熱器、４６…ポンプ、５３，５６…連通路、４５，５２，５４，５７，５８…流止弁、５５…ヒータ、５９…返還路、Ｄ…間隙、Ｌ…冷却材、Ｔ…充填材、Ｕ…空気流路、Ｗ…冷媒。

Claims (9)

1. 炉心及びその冷却材を保持する原子炉容器と、
   前記原子炉容器の外側を取り囲む格納容器と、
   前記格納容器の外側に空気を流動させて除熱を行う空気流路と、
   前記原子炉容器及び前記格納容器の間隙に充填材を注入する注入部と、を備えることを特徴とする液体金属冷却型原子炉。
2. 請求項１に記載の液体金属冷却型原子炉において、
   前記注入部は、
   前記充填材を前記冷却材の底面よりも低いレベルで収容する液溜部と、前記液溜部及び前記間隙を連通する連通路と、前記充填材を加熱して溶融状態を維持するヒータと、前記充填材を加圧して前記液溜部から前記間隙に導く加圧部と、を有することを特徴とする液体金属冷却型原子炉。
3. 請求項２に記載の液体金属冷却型原子炉において、
   前記連通路は、単数又は複数で構成され、
   前記加圧部は、前記液溜部の内部をその端部から前記連通路の開口の方向に向かって水平方向又は垂直方向に移動するピストンであることを特徴とする液体金属冷却型原子炉。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の液体金属冷却型原子炉において、
   前記注入部は、前記間隙において加熱された前記充填材を冷却するための冷媒循環路が形成されていることを特徴とする液体金属冷却型原子炉。
5. 請求項１に記載の液体金属冷却型原子炉において、
   前記注入部は、
   前記充填材を前記冷却材の上面よりも高いレベルで収容する液溜部と、前記液溜部及び前記間隙を連通する連通路と、前記充填材を加熱して溶融状態を維持するヒータと、前記連通路に設けられる前記充填材の流止弁と、を有することを特徴とする液体金属冷却型原子炉。
6. 請求項５に記載の液体金属冷却型原子炉において、
   前記間隙に充填された前記充填材を前記冷却材の下面よりも低いレベルで排出させる排液部と、前記間隙及び前記排液部を結ぶ経路に設けられる前記充填材の流止弁と、を備えることを特徴とする液体金属冷却型原子炉。
7. 請求項６に記載の液体金属冷却型原子炉において、
   前記連通路は、前記経路を経由して前記間隙に連通することを特徴とする液体金属冷却型原子炉。
8. 請求項６又は請求項７に記載の液体金属冷却型原子炉において、
   前記排液部における前記充填材を前記液溜部に戻す返還路を備えることを特徴とする液体金属冷却型原子炉。
9. 炉心及びその冷却材を保持する原子炉容器とその外側を取り囲む格納容器との間隙に充填材を注入する工程と、
   前記格納容器の外側に空気を流動させて除熱を行う工程と、を含むことを特徴とする液体金属冷却型原子炉の除熱方法。

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