JP2017503156A - 高速中性子炉及び高速中性子炉の中性子反射体ブロック - Google Patents

Abstract

原子力工学の分野、液体重金属冷却高速中性子炉の着脱式中性子反射体ブロックの設計に関する。本高速中性子炉は、液体重金属冷却燃料棒からなる炉心と、炉心の周囲に配置された中性子反射体ブロックとを含み、炉心境界より上の側壁に少なくとも１つの入口開口部を有する鋼鉄容器であって、入口開口部が冷却材流の一部をブロック間空間から容器へ方向転換する鋼鉄容器と、この容器に取り付けられた少なくとも１つの垂直管であって、炉心の上下境界を通過する前記方向転換した冷却材流がこれを通って容器の底部に入る垂直管とを含み、また、容器の外側、入口開口部より上に、ブロック間空間の冷却材流に流体抵抗を引き起こすための絞り装置が取り付けられる。これにより、動作安全性及び高速中性子炉の性能を高め、蒸気発生器の熱交換面を低減する。【選択図】図１

Description

本発明は原子力工学の分野に関し、より詳細には着脱式中性子反射体ブロックを含む液体重金属冷却高速中性子炉に関する。

先行技術は、反射体ブロックを含む液体重金属冷却高速中性子炉を開示している［非特許文献１、２０１２年１２月２７日発行の特許文献１］。

液体重金属冷却高速中性子炉の反射体ブロックは、下記要件を必要とする：中性子線及びガンマ線から、反射体の外側に位置する原子炉プラントの非着脱式非再装荷式シェルを保護する；反射体の鋼鉄構造体における容積測定のエネルギー放出が燃料棒より２〜３倍以上少なく、反射体ブロックを冷却する冷却材流が、混合により炉心の燃料棒部分からの冷却材を冷却するため、反射体ブロックを通る冷却材流を最小限にする；中性子の寄生捕獲を低減するため、反射体ブロック断面の構造材料の含有量を最小限にする。

現在、稼働するナトリウム冷却高速中性子炉を有する原子力発電所（ＮＰＰ）は、反射体ブロックが頭部、中間部分及び足部の３つの部分からなる設計を用いている。このような反射体ブロックは、足部でブロックを冷却する冷却材を供給する原子炉容器に取り付けられる。ブロックのナトリウム冷却材をブロックの炉心空間に設置した浄化装置を用いて絞り、ブロック間空間におけるナトリウム洗浄冷却材をタケノコ継手を介して足部の外側で、浄化装置を用いて容器の上部で絞る。ナトリウム冷却材における前記絞り構造はすべて、局部ナトリウム速度が８÷１０ｍ／ｓまで増加してもよいためやや小型であり、絞り流路を冷却材用の小さい断面積で設計してもよい。

ロシア特許第２４０８０９４号

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｔｏｍｉｃ−ｅｎｅｒｇｙ．ｒｕ／ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／３６０００

本発明グループにより解決される課題は、構造体洗浄率の観点で、液体重金属冷却材に上下限を与えることにより、液体重金属冷却原子炉プラントの熱流動を改善する高速中性子炉反射体ブロックを設計することである。

特許請求された一群の発明の技術的結果は、炉心半径に沿った冷却材温度を均一化することにより低下した燃料被覆管温度に基づく高速中性子炉の動作安全性の上昇；反射体ブロックを通過した冷却材温度を高めることにより上昇した炉心出口の冷却媒体混合温度、すなわち炉心の燃料棒部分を通った冷却材温度及び反射体ブロックを通った冷却材温度に基づく高速中性子炉の性能上昇である。

特許請求された技術的結果は、高速中性子炉を得ることであり、液体重金属冷却燃料棒からなる炉心と、炉心の周囲に配置された中性子反射体ブロックとを含み、側壁に少なくとも１つの入口開口部を有する容器であって、入口開口部が冷却材流の一部をブロック間空間から容器まで方向転換する容器と、容器に取り付けられた少なくとも１つの垂直管であって、炉心の上下境界を通過する方向転換した冷却材流がこれを通って容器の底部に入る垂直管とを含み、容器の外側、入口開口部より上に、絞り装置がブロック間空間の冷却材流に流体抵抗を引き起こすために取り付けられる。

特許請求された技術的結果は、高速中性子炉の中性子反射体ブロックを得ることであり、側壁に少なくとも１つの入口開口部を有する容器であって、入口開口部が冷却材流の一部をブロック間空間から容器まで方向転換する容器と、容器に取り付けられた少なくとも１つの垂直管であって、方向転換した冷却材流がこれを通って容器の底部に入る垂直管とを含み、容器の外側、入口開口部より上に、絞り装置がブロック間空間の冷却材流に流体抵抗を引き起こすために取り付けられる。

冷却材は反射体ブロック間を通過後、容器壁の３０の開口部を通り、垂直管を通り、炉心下部（炉心入口）及び上部（炉心出口）境界間を３回流れる；このように、冷却材自体の放射線吸収により、及び電離性放射線吸収に伴ってエネルギーを放出する反射体ブロック鋼鉄構造体の冷却工程における、冷却材流路に沿った継続的な加熱により、冷却材は３回以上加熱される。したがって、局所冷却材流速が大きい絞り装置を用いず、冷却材流をより長い流路に変える。ここで、反射体ブロック容器内部の冷却材流路の転換により、及びより長い流路に沿った摩擦損失により、高い流体抵抗が得られる。同時に、反射体ブロックの流体抵抗が増す。また、反射体ブロック及び燃料棒は流体原子炉プラントの一次回路で平行に伸びる。すなわち、炉心における通常の流動差は同じものに反応する。したがって、より大きい冷却材流速は炉心の燃料棒部分に向けられる。これは、炉心半径に沿って上昇する冷却材温度を確実に均一にする。

炉心及び反射体ブロックを流れる冷却材の温度均一化は、炉心の燃料棒に入る冷却材流を増加させることにより、燃料被覆管（ホットスポット温度）の最大温度を低減させる。これは、液体重金属冷却高速中性子炉における燃料被覆管の性能基準を決定する主な制限因子の１つである。

さらに、本発明の具体的な実施形態において、垂直管は上部炉心境界より上で容器に接続される。

さらに、本発明の具体的な実施形態において、中性子反射体ブロック容器はマルテンサイト−フェライト構造用鋼で作られる。

さらに、本発明の具体的な実施形態において、中性子反射体ブロックはさらに足部を含む。

燃料棒の三角形の配列のための炉心要素の配置説明図 図２は反射体ブロックの縦断面説明図

図１に示す要素配置を有する高速中性子炉は、燃料棒（２）からなる炉心（１）と、主に鉛または鉛ビスマス共晶合金である液体重金属冷却材とを含む。炉心（１）は下部境界Ｈ₁（炉心入口）及び上部境界Ｈ₂（炉心出口）を有する。中性子反射体ブロック（３）は炉心（１）の周囲に配置され、中性子漏れを低減し、中性子を炉心（１）に戻すように設計される。

図２に示す中性子反射体ブロックは、側壁に少なくとも１つの入口開口部（５）を有する鋼鉄容器（４）であって、冷却材流（６）の一部をブロック間空間から容器へ、及び回転ヘッダー（５１）へ方向転換する鉄鋼容器と、少なくとも１つの垂直管（７）であって、方向転換した冷却材流（６）がこれを通って容器（４）の底部に入り、溶接によりヘッダー（５¹）を経て容器に接続される垂直管とを含む。垂直管（７）は、反射体ブロックの縦軸に沿って設置されてもよいし、その縦軸に巻き付けてもよい。絞り装置（８）は、容器（４）の外側：その上部、入口開口部（５）から反射体ブロック出口までの部分に取り付けられる。その設計により、ブロック間空間の垂直断面における方向転換した冷却材流に相当な流体抵抗を引き起こし、ブロック間空間から容器（４）までの冷却材流が増加する。絞り装置（８）における冷却材速度は、洗浄された容器（４）壁の崩壊／腐食を低減するため、２÷２．５ｍ／ｓを超えない。好ましい実施形態において、絞り装置（８）は、容器（４）壁に溶接された一側にオーバーレイ鋼鉄板を含み、この板は容器壁面から徐々に変化するか、または波形がつけられて、その下の冷却材流を改善する。切断面の幅及び長さを設定することにより、オーバーレイ板の下を流れる冷却材の流速を調節するため、オーバーレイ板に溝がつけられる。一反射体ブロックのオーバーレイ板の外側は、隣接する反射体ブロックのオーバーレイ板の外側と接触しているか、または隙間がある。絞り装置（８）の性能を上昇させるため、オーバーレイ板を上部炉心境界（Ｈ₂）より上の反射体ブロックの各容器（４）壁に配置して、反射体ブロック間の隙間をすべて覆う。絞り装置（８）のオーバーレイ板下の反射体ブロック容器（４）壁を徐々に細くして、板下の冷却材流を増加させてもよい。反射体ブロックはさらに、原子炉の土台に取り付けられる足部（９）を含む。好ましい実施形態では、マルテンサイト−フェライト構造用鋼で作られた反射体ブロック容器（４）を有してもよい。この種の鋼鉄を液体重金属冷却媒体に用いると、腐食耐性を有し、高中性子照射の条件下で優れた可塑性を維持するためである。垂直管（７）は、管（７）接続点での溶接接合部の照射脆化を低減するように、炉心（１）の下部（Ｈ₁）及び上部（Ｈ₂）境界間に取り付けるのではなく、炉心（１）の上部境界（Ｈ₂）より上、容器（４）内に取り付けるのが好ましい。これは、より高い中性子束が炉心（１）のＨ₁及びＨ₂間を通るため、及び冷却材流路が反射体ブロックの容器に沿って上方に作られた開口部によって増加するためである。反射体ブロック容器（４）は、使用する燃料棒（２）の配置によって、三角、四角、六角、または他の任意の形状の断面であってよい。

燃料棒（２）を有する核燃料集合体は、高速中性子炉の炉心（１）に装荷される。容器（４）の側壁の入口開口部（５）が炉心（１）の上部境界（Ｈ_２）より上に位置するように、中性子反射体ブロック（３）を炉心（１）の周囲に配置する。このように、炉心（１）の上部境界（Ｈ_２）を通過する冷却材流（６）部分は、ブロック間空間から開口部（５）及びヘッダー（５¹）を通って反射体ブロック容器（４）に入る。すなわち、底部から上部までブロック間に平行な冷却材流から９０°回転する。その後、さらに９０°回転することにより、方向転換した冷却材流（６）は、炉心（１）の上部境界（Ｈ₂）を通過する垂直管（７）を通って、容器（４）の底部まで下流に流れる。その後、冷却材流（６）は１８０°回転し、容器（４）内で上流に流れ、反射体ブロック容器（４）から出るまで、再び炉心（１）の下部（Ｈ₁）及び上部（Ｈ₂）を通過する。

このように、反射体ブロック容器（４）における方向転換した冷却材流（６）の流動回路案は、反射体ブロックを通過する冷却材の加熱、及び混合帯における炉心（１）半径に沿った、冷却材加熱温度の均一化を増進する：混合帯では、燃料棒及び反射体ブロックを通過した冷却材流が炉心（１）の上（Ｈ₂）下（Ｈ₁）境界間の反射体路間を３回通った冷却材流の一部として混合される。したがって、冷却材で放射線を吸収することにより、及び反射体ブロック（３）鋼鉄構造体からエネルギーを放出するときの継続的な加熱により３回以上加熱される。炉心（１）半径に沿った温度プロファイルを均一化するとき、上部炉心（１）境界（Ｈ₂）より上の冷却材の媒体混合温度も上昇する。媒体混合温度は、炉心（１）の燃料棒を通った冷却材流、及び反射体ブロック（３）を通過した冷却材流を混合して達する温度である。このような均一化は、反射体ブロック（３）を通過した冷却材の温度上昇により起こる。炉心（１）の上部境界（Ｈ₂）で冷却媒体混合温度を上昇させることにより、原子炉プラント性能が上昇する。つまり、タービン（明確にするため省略）における二次回路冷却材を介した出力を、炉心（１）における同じ熱出力で増加させることができる。水のエンタルピーは二次回路の同じ流速で増加する。炉心（１）出口で媒体混合温度を上昇させることにより、蒸気発生器の熱交換面を同じ二次回路の出力（明確にするため省略）で低減できる。

Claims (6)

1. 液体重金属冷却燃料棒からなる炉心と、前記炉心の周囲に配置された中性子反射体ブロックとを含む高速中性子炉であって、
   側壁に少なくとも１つの入口開口部を有する容器であって、前記入口開口部が冷却材流の一部を前記ブロック間空間から前記容器へ方向転換する容器と、
   前記容器内に取り付けられた少なくとも１つの垂直管であって、前記炉心の上下境界を通過する前記方向転換した冷却材流がこれを通って前記容器の底部に入る垂直管と、を含み、
   前記容器の外側、前記入口開口部より上に、絞り装置が前記ブロック間空間の前記冷却材流に流体抵抗を引き起こすために取り付けられる
   ことを特徴とする高速中性子炉。
2. 少なくとも１つの垂直管が前記上部炉心境界より上で、前記容器に接続される
   請求項１に記載の原子炉。
3. 高速中性子炉の中性子反射体ブロックであって、
   側壁に少なくとも１つの入口開口部を有する容器であって、前記入口開口部が前記冷却材流の一部を前記ブロック間空間から前記容器へ方向転換する容器と、
   前記容器に取り付けられた少なくとも１つの垂直管であって、前記方向転換した冷却材流がこれを通って前記容器の底部に入る垂直管と、
   を含み、
   前記容器の外側、前記入口開口部より上に、絞り装置が前記ブロック間空間の前記冷却材流に流体抵抗を引き起こすために取り付けられる
   ことを特徴とする高速中性子炉の中性子反射体ブロック。
4. 垂直管が前記上部炉心境界より上で、前記容器に接続される
   請求項３に記載の反射体ブロック。
5. 前記中性子反射体ブロック容器がマルテンサイト−フェライト構造用鋼で作られる
   請求項３に記載の反射体ブロック。
6. 前記中性子反射体ブロックが足部を含む
   請求項３に記載の反射体ブロック。

Images