JP2018179886A - 炉心異常蒸気発生のない高速増殖炉型原子力発電用原子炉システム - Google Patents

Abstract

【課題】 高速増殖炉型原子炉炉心の異常加熱、冷却材の異常蒸気発生を防止し、安全性を高める。【解決手段】燃料棒と冷却材であるアルカリ金属浴との界面で、アルカリ金属イオン蒸気が発生するとみられるので、燃料棒と原子炉容器等を正極とし、浴中に負極を浸漬、通電することにより、異常蒸気発生を抑制、防止する。又冷却材浴成分をＮａ−Ｂａ系、Ｌｉ−Ｃａ系等とすることにより、解決する。【選択図】図１

Description

高速増殖炉型原子力発電構造における原子炉の改良を提案する。

高速増殖炉もんじゅの廃炉が決定され、高速増殖炉の実用化は、当面見込めない。問題点の一つに原子炉内炉心部の異常蒸気発生加熱現象がある。この原因の一つに、炉心部でボイド係数が正となる冷却材ガス蒸気の異常発生があると考えられるが、適切な対策がなかった。

炉心部での異常加熱と蒸気発生を抑制、防止する方法を提案し問題を解決する。

原子炉内で発生するＮａ蒸気は、Ｎａが＋イオンとなることを知見し、原子炉内燃料棒、制御棒、原子炉容器と冷却材間の電位差を制御し、冷却材蒸気ガスの異常発生を抑制、制御する事により、高速増殖炉型原子力発電用原子炉の安全運転を可能とする技術である。

発明者は先ず燃料棒と冷却材浴との熱伝達現象に注目した。燃料棒はウラン、プルトニウムの核反応により、冷却材との界面では冷却材の沸点より高い温度にまで加熱される事がありうると考える。冷却材がＮａの場合には、燃料棒との界面では沸点である８８３℃を超えることは十分ありうることである。高速循環する冷却用Ｎａで冷却されていても、燃料棒との界面ではＮａの沸点近く、またそれ以上に加熱されれば，沸騰化すると考えねばならない。

その場合Ｎａ蒸気はイオン化しＮａ^＋になると考えられる。これは熱発電現象とされるが、Ｎａイオン電池でのＮａの挙動からほぼ確実とみる。したがって燃料棒に＋電荷を与えることになり、燃料棒は＋に帯電するであろう。したがってイオン化を防止することにより、蒸気化を抑制することが出来るとみる。すなわち燃料棒とＮａ冷却材界面での突沸、沸騰、蒸気化を抑制することが原子炉容器内部材の電位制御で可能となると考える。

そのために燃料棒を−に帯電することが考えられるが、その場合は、Ｎａ冷却液と燃料棒の界面で放電現象が起こり、燃料棒のＺｒ合金製容器管等を破壊することになり好ましくない。

またＮａが気化した場合の電子は、浴中に残り原子炉容器壁で放電されると考えられる。そこで燃料棒と浴界面でのＮａイオンの減少法としては、浴中に−電極を浸漬し、浴の正電位化を防ぐことが効果的とみる。これによりを燃料棒表面におけるＮａの解離蒸気化現象を抑制阻止することが出来る。すなわち処理をしない現状では燃料棒の＋電気は原子炉容器に流れ、次いで容器内部の低温度Ｎａ液へ戻る迷走電流回路を形成しているのである。もんじゅで発生した燃料棒の破断落下事故もこの現象が、起因している可能性が極めて高いとみる。

よってこれを解決するための電気的処理として、図１に改良ループ型原子炉構造を模式的に示し説明する。図において、１は原子炉上部に設置した複数の浴中電極であって、原子炉容器とは６の絶縁碍子管で絶縁されている。２は複数の燃料棒であって、容器とは絶縁碍子管５及び底部３の絶縁台で絶縁する。７は燃料棒頭部につけたＺｒ合金製の通電接続端子である。７の端子は８の電源制御機器の正極に接続されている。８の負極は１の浴中電極に接続され、Ｎａ浴の正電位化を防ぐ。又８の制御機器の負極は９の別の電源制御器の負極と接続されており、９の正極は原子炉容器に接続されている。これにより容器は浴電位に対し別途正電位に保つことが出来るので、Ｎａ浴による放電腐食を防ぐことが出来るものである。なお制御棒は原子炉容器と同電位でよいと考えるので、別途付加電圧は与えない。この結線の特徴は、燃料棒と、原子炉容器、付属機器との電位を別々に制御できる点にあり、特に燃料棒界面正電位を高くして、放電腐食を防止出来るのが特徴である。ただし炉中の３と５の碍子による燃料棒と構造体との絶縁が困難な場合には、図の点線の如く制御電源８の陽極を原子炉容器へも接続し、９の電源制御機器を設置せず、８の一電源制御機器のみとし、燃料棒と原子炉容器類は同正電位運転にするか、８の電源の中間端子より低電圧を採り容器類に接続する事も出来る。なお炉体は電位安定のためアースする。これが請求項１及び２である。

１０はＮａの乱流防止用上蓋，１１は炉中架台で液の整流化もする。その他原子炉中には整流化用の配管、遮蔽用ブランッケト等があるが図では省略した。１２は２次冷却系からの冷却液還流管、１３は冷却液吐出管である。またこれらの配管、機器類は原子炉容器炉体と同電位になるように設置する。又１の浴中電極の浸漬深さと電極長については、各々の構造において検討を要するが、燃料棒と電極の一部は図１のごとく平行部分をとるのが良いと考える。

制御機器 ８及び９はスイッチ、直流電源、電流コントローラー等からなり、原子炉内浴温度、特に燃料棒界面温度、制御機器の端子電圧、電流等をセンサーで検出し、自動制御することも可能である。なお直流電源は脈流電源でもよい。

浴中電極１は犠牲電極となるので、随時取り換えが必要になる。また電極棒は浴成分にも影響を受けるので注意する。浴中にＢａを添加する場合には炭素系電極は使用できないので、純鉄系のものを使用する。以上はＮａ浴で説明してきたが、他の冷却液の場合でも同様である。さらには、タンク型原子炉の場合も基本的には同様である。又２次冷却系に特願２０１５−１１９７６５、特願２０１６−１５３２２２の通電防食的処理を付加する時には、別電源で処理する。

浴成分の点で効果があるのは、Ｌｉとアルカリ土類金属である。Ｌｉは沸点が１３３０℃と高く蒸気発生を抑制できるものである。Ｎａ−Ｌｉ系は、低温では２相分離となるが、高温では単一相に溶け合うので、蒸気発生抑制に効果があるとみられる。

又Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａは沸点が高く、Ｎａ、Ｌｉに混合した場合、液の沸点上昇が期待できる。ただ高原子量のものは配管系での摩耗侵蝕に注意する。ＢａはＮａ中では、Ｂａ、４．５ａｔｏｍｉｃ％に共晶点があり、唯一、浴の融点を下げる特性があるので、共晶点付近の２５ａｔｏｍｉｃ％までの添加が可能である。ただしＣとの反応性には注意が必要である。Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａは相互固溶性があるので、ａｔｏｍｉｃ％でＢａの添加量と同量以下の複合添加が可能であろう。しかし添加量は何れの元素も必要最小限に抑制すべきであろう。Ｌｉ系では、Ｃａ、７ａｔｏｍｉｃ％にある共晶点を利用する。融点が１４０℃程度になり、Ｌｉ、Ｃａの高沸点が利用でき好都合で、３０ａｔｏｍｉｃ％以下の添加が可能である。よって請求項３は、Ｎａ、Ｌｉの単相液、又はその共存液に、さらにＣａ、Ｓｒ、Ｂａの１種以上を含む共晶系を基本とした。なおＣａ、Ｓｒ、Ｂａは相互固溶性があるので、多種添加できる。請求項３はこれら冷却材および原子炉システムに対する電気的処理の適用である。

本発明の適用により、高速増殖炉の異常蒸気発生及び過熱に対する安全性が増す。

改良型原子力発電用高速増殖炉用原子炉への本発明の実施例を示す模式図である。

１． 冷却液通電用炭素系または純鉄系等の陰極棒
２． 燃料棒、主にＺｒ合金管に収納
３． 燃料棒絶縁碍子
４． 制御棒、駆動部を含む
５． 燃料棒絶縁碍子管
６． 陰極棒絶縁碍子管
７． 燃料棒通電用端子
８． 中間端子付き直流電圧付加用電源と制御機器、浴電極−燃料棒間用
９． 直流電圧付加用電源と制御機器、浴電極−原子炉容器及び機器間用
１０．冷却液整流化用上蓋
１１．炉心受け架台
１２．冷却液還流管
１３．冷却液吐出管
１４．炉内冷却液

又Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａは沸点が高く、Ｎａ、Ｌｉに混合した場合、液の沸点上昇が期待できる。ただ高原子量のものは配管系での摩耗浸食に注意する。Ｎａ系では、Ｂａ４．５ａｔｏｍｉｃ％に共晶点があり、浴の融点を下げる特性があるので、共晶点以上の２５ａｔｏｍｉｃ％までの添加が許容できる。又Ｃａ、ＳｒはＢａと相互固溶性があるので、Ｂａの添加量と同量程度迄の複合添加が可能であろう。Ｌｉ系では、Ｃａ７ａｔｏｍｉｃ％にある共晶点を利用する。融点は１４０℃程度になり、Ｌｉ、Ｃａの高沸点が利用でき好都合で、３０ａｔｏｍｉｃ％以下のＣａ添加が出来る。Ｌｉ−Ｂａ系でも１０．５ａｔｏｍｉｃ％Ｂａに共晶点があるので、Ｂａを３０ａｔｏｍｉｃ％以下添加する場合も融点が低く好結果が期待できる。従ってＬｉ−Ｃａ系、Ｌｉ−Ｂａ系、Ｌｉ−Ｃａ−Ｂａ系あるいはＬｉとＮａの１液溶融性、共晶性の点からＬｉ−Ｃａ−Ｎａ系を選び、これらを主成分とし、Ｓｒ含有の有無に関係なく、これら主成分系の共晶系となるような成分量で構成された冷却材を使用するのが１次系冷却材として好ましい。
よって請求項３はＮａ、Ｌｉの単相液、またはその共存液で、さらにＮａ系ではＢａ添加系が主体であり、この他にＣａ、Ｓｒ、Ｌｉの１種以上を含む共晶系を選定した。Ｌｉ系ではＣａ又はＢａ添加の共晶系を主体として選定したものである。又Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａは相互に固溶性があるので、多種添加できる。請求項３はこれら冷却材を適用した原子炉システムに対する請求項１、２の電気的処理の適用である。

Claims (3)

1. 高速増殖炉型原子力発電構造において、運転中に発生する原子炉内燃料棒と冷却用アルカリ金属液、又はアルカリ金属主成分液との界面で主に発生する突沸現象、沸騰現象、異常蒸気発生現象を抑制するために、燃料棒、制御棒、原子炉容器及びその他の機器類を正極とし、冷却用アルカリ金属液又はアルカリ金属主成分の冷却液を負極とする電極を浸漬し、通電を行う事により、冷却液の蒸気発生を抑え、炉心の異常加熱を抑制制御することを特徴とする安全性の高い高速増殖炉型原子力発電システム。
2. 燃料棒と冷却液間及び原子炉用容器と冷却液間において、各々別個の電流付加制御機器を用いるか、制御機器の電源中間端子より電圧を取り、燃料棒と原子炉容器に異なる正電位をあたえ、炉心の蒸気発生、異常加熱を抑制制御することを特徴とする請求項１の高速増殖炉型原子力発電システム。
3. 冷却材のアルカリ金属成分がＮａ、Ｌｉの何れか、またはその混合液であるアルカリ金属主成分液に、その他添加成分として、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａの１種以上を添加し、かつＮａ系では、Ｂａ量が２５ａｔｏｍｉｃ％以下のＮａ−Ｂａ系あるいはＮａ−Ｂａ−Ｌｉ系を主成分とし、Ｃａ、Ｓｒの含量に関係なく、これら主成分の共晶系となるような成分量で構成されている冷却材とするか、Ｌｉ系では、Ｃａ量が３０ａｔｏｍｉｃ％以下のＬｉ−Ｃａ系あるいはＬｉ−Ｃａ−Ｎａ系を主成分とし、Ｓｒ、Ｂａの含量に関係なく、これら主成分の共晶系となるような成分量で構成されている冷却材とし、これを用いた高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、請求項１および請求項２の電気的処理を付加した高速増殖炉型原子力発電システム。

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