JP2837874B2 - 液体金属冷却高速中性子炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、炉心で核分裂反応によつて放出される熱が
ナトリウムのような液体金属によつて除去される高速中
性子炉に関する。

従来の技術 例えば統合された高速中性子炉では、原子炉の一次回
路の全部がシール用スラブ又は板によつてシールされた
主容器中に収容される。このため、主容器内に、炉心
と、熱交換器と、炉心及び熱交換器の間で容器内に収め
られた液体金属の循環を起こす一次ポンプとが配置され
る。主容器を満たす液体金属は一般的にはアルゴンによ
つて構成される不活性気体被覆層を上に置いている。

このように設計された原子炉では、炉心を去り且つ熱
交換器へ入る比較的高温の液体金属を、熱交換器を去り
且つポンプによつて炉心へ送出される比較的低温の液体
金属から分離することが必要である。このために、主容
器中に配置される内部構造はその中に、比較的高温の液
体金属及び比較的低温の液体金属をそれぞれ収容するホ
ツトコレクタ及びコールドコレクタを画成する。これら
の内部構造は主に内部容器を具備し、該内部容器にはポ
ンプ及び熱交換器が横切つており且つ一般に内部構造は
ポンプのそれぞれを取囲むバツフルをも有する。

たとえどのような配置が高速中性子炉の内部構造に与
えられようと、前記構造は常に少なくとも１つのフエル
ール、カラー又はスリーブを有し、その上方縁は不活性
気体層中に配置される。通常は数個のそのようなフエル
ールが設けられ且つそれらはポンプを取囲むバツフルの
それぞれに属するフエルールと同様に、主容器に近接し
て配置された内部容器に属するフエルールを有する。

このタイプの原子炉では、フエルールは、特に原子炉
の或る過渡運転状態中に特に激しい熱応力にさらされ
る。

これらの熱応力の重要性及び大きさを理解するため
に、内部構造を構成する材料が悪い熱伝導体であるステ
ンレス鋼であることを心に留めねばならない。良い熱伝
導度を有する液体ナトリウムは内部構造の浸漬された部
分で非常に大きい熱交換率を発生することを可能にする
が、熱伝導の悪いアルゴンは、前記フェルールの露出さ
れた部分における熱交換率を極めて低いものとしてい
る。

原子炉の内部構造に関するナトリウム及びアルゴンの
熱挙動のこれらの差は、ナトリウムの場合に、温度によ
る比較的大きな体積変動を付加する。このため、ホツト
コレクタに収容されたナトリウムの温度が180゜から550
゜まで上昇すると、前記コレクタに収容されたナトリウ
ムの体積は11％だけ増加する。温度180℃が原子炉の運
転停止に相当し、温度550℃が原子炉の公称運転条件に
相当することの故に、原子炉が一組の運転条件から他の
運転条件へ移る過渡期間がホツトコレクタ中のナトリウ
ムのレベルを急速且つ大きく変動させる。或る運転条件
下では、これらの過渡期間の頻度は、特に原子炉が送電
網からの要求に応じて発電を行うように制御される時に
重要となり得る。

過渡運転条件がホツトコレクタ中のナトリウムのレベ
ルの低下によつて特徴付けられる時、フエルールの漸進
的に露出される部分は、フエルールが周囲のアルゴンよ
りも良く熱を伝導することの故に特別の問題を起こさず
にゆつくり冷却する。

しかしながら、ホツトコレクタ中のナトリウムのレベ
ルが急速に増加する時には、軸線方向熱勾配がホツトコ
レクタ中の自由なナトリウム表面から露出されたフエル
ールに発生する。用語「軸線方向熱勾配」はここでは主
容器及び内部容器の軸線と平行に、即ち垂直方向に方向
付けられた熱勾配を意味することと理解される。これら
の熱勾配はナトリウム及びアルゴンの間の温度変化の増
加及びホツトコレクタ中のナトリウムレベルの変化の速
度及び大きさの増加によつて増加する。

もし特別の予防措置がとられないならば、熱勾配は、
これらのフエルールに、熱曲げ、漸進的変形、疲労、ク
リープ及び疲労−クリープ相互作用の結果として座屈現
象を生じ、それにより損傷レベルは許容し得ない。熱勾
配が許容限界内にとどまるために、前記原子炉を、ホツ
トコレクタ中に収容されたナトリウムが180℃である運
転停止状態から、該ナトリウムが550℃である公称運転
状態まで、起動することは一般に数十時間以上にも及
ぶ。

発明が解決しようとする課題 本発明は、ホツトコレクタ中の液体金属レベルの上昇
中にフエルールに生じる熱勾配がレベル変動の速度及び
大きさがどんなであつても且つ前記フエルールの寸法及
び重量を不利に増加することなく許容限界内に維持する
ように、内部構造の露出されたフエルールが保護される
液体金属冷却高速中性子炉に向けられている。

課題を解決するための手段及び作用 後に説明する本発明の実施例に使用されている符号を
参考のために付記して記述すると、本発明は、炉心（1
8）が不活性気体層（26）とその下方の液体金属で満た
された主容器（10）内に配置され、上部にフェルールを
形成する内部容器（28,30）が、該主容器（10）内に配
置され且つ該主容器（10）内に比較的高温の液体金属を
含むホットコレクタ（32）と比較的低温の液体金属を含
むコールドコレクタ（34）とを画定しており、前記フェ
ルールの上方縁（28a,30a）は前記不活性気体層（26）
内に位置している高速中性子炉において、前記フェルー
ルが、前記ホットコレクタ（32）の側部に液体金属で満
たされたタンク（36）を有し、該タンク（36）の底部
（38）が前記ホットコレクタ（32）中の液体金属の最低
レベル（N_min）より下方に配置され且つ前記ホットコレ
クタ（32）中に満たされた液体金属の最高レベル
（N_max）の下方で、前記高速中性子炉が公称運転状態に
ある時に前記タンク（36）は前記ホットコレクタ（32）
と連通することを特徴とする。

この構成の結果として、ホツトコレクタ中に液体金属
の変動を生ずる原子炉運転状態への変動中に、前記コレ
クタの側部でフエルールのそれぞれへ結合されたタンク
は液体金属の充満を維持する。自然対流によつて前記液
体金属は露出するフエルールの高さの大部分をホツトコ
レクタに収容された液体金属の温度に維持する。その
上、前記タンクの付加は、薄い液体金属膜が自然対流を
許すに充分であるので、寸法及び重量の観点で不利にな
らない。

本発明の第１の実施例では、ホットコレクタの側部に
タンクを画定する壁の上方縁より上方で、タンクがホッ
トコレクタと連通するようになっている。

本発明の第２の実施例では、数個の通路がホツトコレ
クタの側部にタンクを画成する壁に形成され、該壁は原
子炉が公称運転状態にある時にホツトコレクタ中に収容
された液体金属のレベルより上方に配置される。

上述した利益に加えて、この解決策は、ホツトコレク
タ中の液体金属の自由表面の制限された大きさの急速な
変化により公称運転状態下で生じ且つ熱疲労の原因とな
る波の作用を前記内部構造のフエルール上で減衰するこ
とを可能にする。ホツトコレクタの側部にタンクを画成
し且つこれらの波の作用を受ける壁はそれが保護を保証
するフエルールよりもかなり薄く、それにより前記波の
作用は大きく減少される。更に、この解決策は、フエル
ールの露出する部分にフエルールの熱損失に対する熱遮
蔽を介在する結果としてフエルールでの温度勾配を更に
減少させる。

内部構造のフエルールのそれぞれの熱保護を保証する
タンクが１つのブロツクに作られる時には、漏洩はその
有効な部分を失わせる。しかしながら、フエルールに溶
接され且つタンクの底部を構成する棚板（シエルフ）は
ホツトコレクタの液体金属中に永続的に配置され、それ
によりフエルール中の軸線方向熱勾配は減衰されたまま
である。

しかしながら、フエルールの１つと関連した熱保護タ
ンクの漏洩の重大性を減らすために、前記タンクは好ま
しくはフエルールに沿つて分配され且つ互いに連接され
ない数個の並置された基本的なタンクから形成される。

このため、基本的なタンクは、フエルールに溶接され
た水平な棚板に固定された下方端において閉じられたほ
ぼ四角形の横断面を有する垂直管と、フエルールに対し
て係合された液体金属の上方端を保持するベルトとを具
備することができる。

本発明の実施例が添付図面を参照して以下に非制限的
に説明される。

実施例 第１図に例示する液体金属冷却される統合された高速
中性子炉は既知の全体的構造を有する。本発明の理解に
必要な前記構造の特徴だけを説明する。

従つて、原子炉は垂直方向に軸線を向けた主容器10を
具備し、該主容器はその上方端においてシール用スラブ
即ち板12によつてシールされている。容器10は安全容器
14によつて外側を二重にされており、且つ組立体はコン
クリートケーソン16中に形成された容器軸中に配置され
ている。

統合された原子炉の通常の様式で、原子炉主容器10は
炉心18と、図示しない熱交換器と、一次ポンプ20とを収
容している。炉心18は一般的にフロアリングと呼ばれる
支持構造24と液体金属供給支承部材22とを介して主容器
10の底部の上に載つている。図示しない熱交換器及びポ
ンプ20はシール用スラブ12に吊下げられている。

主容器10は一般的にナトリウムで構成された液体金属
で満たされ、その中に炉心18、熱交換器及びポンプが浸
漬されている。この液体金属は一般的にアルゴンによつ
て構成された不活性気体層26を上に置いている。

また、主容器10はステンレス鋼から作られた内部構造
を収容し、該内部構造は本質的に内部容器28とポンプ20
のそれぞれの周りに同心状に配置されたバツフル30とで
構成される。これらの構造は主容器10内でホツトコレク
タ32とコールドコレクタ34とを分離するために使用され
る。

内部容器28はその基部において支承部材22の周囲縁へ
溶接され且つ上方向へ漸次幅を広げ且つ主容器10内でそ
れに近接して同心状に配置された円筒状のフエルールの
形を完成し、その上方縁28aが不活性気体被覆層26中に
配置されるようになつている。ホツトコレクタ32はその
ように形成された内部容器28に形成され、一方、コール
ドコレクタ34は内部容器28と主容器10との間に配置され
る。

内部容器（28）には複数の開口部が備えられていて、
これら開口部を通って熱交換器及びポンプ（20）が延び
ている。更に詳述すれば、容器28は、熱交換器の入口ポ
ートがホツトコレクタ32へ通じ且つ熱交換器の出口ポー
トがコールドコレクタ34へ通じるように、アルゴンベル
装置のようなシール装置によつて熱交換器のそれぞれへ
連結される。更に、第１図に示すように、ポンプ20のそ
れぞれは内部容器28へ固定された円筒状バツフル30内に
配置され、バツフル30は円筒状フエルールの形で内部容
器から上方へ延び、その上方縁30aは不活性気体層26中
に配置される。

炉心18を去り且つ熱交換器中でまだ冷却されないホツ
トコレクタ32中に収容された液体金属の温度は原子炉運
転状態の関数として大きな変化を受ける。原子炉が運転
停止されると、温度は約180℃であるが、公称運転状態
では、温度は約550℃に達し、即ち原子炉の公称運転状
態下にある。

前述したように、そのような原子炉で使用される液体
金属を一般的に構成するナトリウムの特性を心に留める
と、これらの大きな温度変化はナトリウムの体積変化を
生じ、その結果ホツトコレクタ32内のナトリウムのレベ
ルを大きく変化させる。原子炉の内部構造を形成するス
テンレス鋼の悪い熱伝導度のために、ホツトコレクタ中
の液体金属レベルの大きな急速の増加は内部容器28及び
バツフル30のフエルールに許容し得ない損傷を生じるこ
とがある。

本発明によれば、第２図に更に詳細に例示するよう
に、前記損傷は、これらのフエルールのそれぞれがホツ
トコレクタ32の側部に液体金属を充満した熱保護タンク
36を装備することによつて回避され得る。

第２図に示す実施例で、前記熱保護タンク36はその底
部において、ホツトコレクタ中に収容された液体金属の
最低レベルN_minの下方でホツトコレクタ32の側部におい
て内部容器28のフエルールへ溶接された水平な棚板38に
よつて画成されている。この最低レベルは、原子炉が運
転停止している時、即ち温度がナトリウムの場合約180
℃である時のホツトコレクタ中の液体金属のレベルに相
当する。このため、タンク36の底部を形成する棚板38は
ホツトコレクタ32中の最低液体金属レベルN_minより下方
へおよそ100mmのところにあることができる。

ホツトコレクタ32の側部において、タンク36は内部容
器28のフエルールと平行な壁によつて画成され、該壁は
制限された厚さ（例えば約8mm）を有するバツフル40に
よつて構成される。内部容器28のフエルールと共にバツ
フル40は環状空間を画成し、該空間の一様な幅は例えば
約30mmであり得る。平行六面体のストリツプで構成され
る図示しないスペーサがタンクの全高さにわたつて取付
けられ且つ内部容器28のフエルールの全周囲にわたつて
規則的に分配され、前記フエルール及びバツフル40の間
に形成される間隙を一定に維持する。

第２図に示す実施例で、バツフル40の上方縁40aはホ
ツトコレクタ32中の最高液体金属レベルN_maxより下方の
レベルに配置される。この最高レベルは原子炉の公称運
転状態、即ち液体金属がナトリウムであるときに約550
℃の温度、に対応する。更に詳しくは、バツフル40の上
方縁40aはホツトコレクタ32中で最高液体金属レベルN
_maxより下方へ最大限100mmのところにある。

第２図に関して上述した構成の結果として、タンク36
のそれぞれは液体金属によつて永続的に満たされ、その
温度はホツトコレクタ32中に収容された液体金属の温度
に近い。その結果、このコレクタ中の液体金属が原子炉
運転状態への変化中に変化する時、前記タンクを装備し
たフエルール28はその高さの大部分にわたつて前記タン
ク中に収容された液体金属の温度に維持され、それはホ
ツトコレクタ32中に収容された液体金属の温度近くに常
にとどまる。このため、軸線方向熱勾配は、ホツトコレ
クタ32中の液体金属レベルに大きな急速の変化がある場
合でも非常に大きく減少される。

これらのタンク36は常に非常にゆつくりである原子炉
の最初の温度上昇中に実際に満たされる。この期間中、
タンクは最初にナトリウムエーロゾル凝縮物によつて満
たされ、次にホツトコレクタ32からの液体金属がバツフ
ル40の上方縁40aの上を溢流することによつて満たされ
る。

更に、タンク36中に収容された液体金属は、縁40aの
上方を介してホツトコレクタ32の液体金属とタンクの液
体金属との間に連通が生じると直ちに、主容器10中に収
容された液体金属の残りの部分と同時に自動的に純化さ
れる。

第３図は本発明の第２の実施例を示しており、そこで
は液体金属で充満したタンク36は、ホツトコレクタ32の
側部で内方容器28のフエルールに溶接された下方の水平
な棚板38と、棚板38の内周縁に溶接されてフエルール28
の上方部分を内部で二重にすると共に液体金属で充満し
た環状空間を形成するバツフル40とによつて画成されて
いる。

この実施例は、バツフル40の上方縁40′ａがホツトコ
レクタ中の最高液体金属レベルN_maxより高いレベルにお
いて内部容器28のフエルールの上方縁28aとほぼ同じ高
さに配置されていることで先の実施例と本質的に相違す
る。公称運転状態において、即ち液体金属レベルがその
最高値N_maxに達する時にタンク36とホツトコレクタ32と
の間の連通を許すために、円周方向に分配された通路42
がレベルN_maxより僅かに下方のレベルでバツフル40に形
成される。これらの通路42の下方縁はホツトコレクタ32
中の液体金属の最高レベルN_maxより下方へ最大限100mm
のところに正確に配置される。

この第２の実施例では、通路42は第１の実施例でバツ
フル40の上方縁の上方における連通と同じ作用を果た
す。換言すれば、通路42は原子炉が公称運転状態にある
時にタンク36及びホツトコレクタ32の間で液体金属の循
環を許す。その上、該通路はホツトコレクタ32中の液体
金属レベルが低い時にタンク32内に液体金属の存在を保
証するに充分なレベルに配置される。

更に、この実施例では、バツフル40の上方延長部は公
称運転状態でホツトコレクタ32中に収容された液体金属
の表面上に通常発生される波の内部容器28のフエルール
に及ぼす作用を減少することを可能にする。また、この
特徴はフエルール28又は30中の温度勾配を一層減少する
ことを可能にする。

上述した２つの実施例で、もし漏洩がタンク36の底部
で起こるならば、その中に収容されている液体金属はホ
ツトコレクタ32中に収容された液体金属のレベル変動の
全てを受ける。その結果、タンク中に収容された液体金
属によつて通常保証された作用はもはや履行されない。
原子炉運転状態がどうであつても、液体金属中に永続的
に浸漬された棚板38は前記内部容器のフエルールの軸線
方向熱勾配を減少する。

第４図に示す構造の変形例では、前記漏洩の重大性
は、タンクを多数の基本的な並設されたタンク36aに小
分割することによつて減少され、該基本的な並設された
タンクは内部容器28のフエルールの全周辺にわたつて分
配され且つ互いに連通しない。

更に詳しくは、基本的なタンク36aのそれぞれは垂直
管を具備し、該垂直管はほぼ四角形の横断面を有し且つ
ステンレス鋼から作られる。管44のそれぞれはその下方
端において溶接された栓46によつてシールされる。栓46
のそれぞれの下方の円筒状部分は対応する管44の軸線に
関して偏しており、該部分は内部容器28のフエルールに
溶接された下方の水平な棚板38′に形成された円形開口
中へ嵌合され且つ溶接される。更に、円形ベルト48が管
44の上方端において管44のそれぞれのホツトコレクタの
方へ向けられた面へ溶接され、内部容器28のフエルール
と係合された管の前記上方端を維持する。

第４図は第３図の実施例の変形例を示す。基本的なタ
ンク36aを構成する管44の上方端はこのようにして原子
炉のホツトコレクタ中の最高液体金属レベルより上方の
レベルに配置される。更に、ホツトコレクタの方へ向け
られた管のそれぞれの壁は最高レベルより僅かに下方の
レベルで通路42′によつて横断される。この構成は第３
図の実施例におけると同じ作用を履行することを可能に
し、且つ基本的なタンク36aの１つ以上が漏洩する場合
でもこれらの作用の実現を保証する。

明らかに第４図の変形例は第２図の実施例へ適用され
得る。この場合、管のそれぞれの上方端はホツトコクタ
32中の液体金属の最高レベルより僅かに下方のレベルに
配置される。

第２図乃至第４図と関連してなされた説明は第１図の
内部容器28のフエルールの保護に関係するが、匹敵する
構造が原子炉の内部構造の露出するフエルールのそれぞ
れのために備えられ且つ特に第１図のポンプ20を取囲む
バツフル30のフエルールのために備えられることは明ら
かである。

本発明は悪い熱伝導流体中で良い熱伝導流体の露出す
る構造に適用し得ることは注目されるべきである。従っ
て、本発明は統合された反応炉に制限されず、熱交換器
及び随意にポンプが主容器の外側に配置される「ループ
形」原子炉へも適用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は液体金属によつて冷却され且つ本発明に従つて
構成された統合された高速中性子炉の部分を示す垂直断
面図、第２図は本発明の第１の実施例に従つてホツトコ
レクタ側部の熱保護タンクを装備した第１図の原子炉の
内部容器のフエルールを拡大して例示する一部断面斜視
図、第３図は本発明の第２の実施例を例示する第２図に
匹敵する図、そして第４図は本発明の第２の実施例の変
形例を例示する第３図に匹敵する図である。 10……主容器、18……炉心、20……ポンプ、 26……不活性気体層、28……内部容器、 30……バツフル、32……ホツトコレクタ、 34……コールドコレクタ、36……保護タンク、 38……棚板、40……バツフル、42……通路、 36a……基本的なタンク、44……垂直な管、 42′……通路。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉心（18）が不活性気体層（26）とその下
   方の液体金属で満たされた主容器（10）内に配置され、
   上部にフェルールを形成する内部容器（28,30）が、該
   主容器（10）内に配置され且つ該主容器（10）内に比較
   的高温の液体金属を含むホットコレクタ（32）と比較的
   低温の液体金属を含むコールドコレクタ（34）とを画定
   しており、前記フェルールの上方縁（28a,30a）は前記
   不活性気体層（26）内に位置している高速中性子炉にお
   いて、 前記フェルールが、前記ホットコレクタ（32）の側部に
   液体金属で満たされたタンク（36）を有し、該タンク
   （36）の底部（38）が前記ホットコレクタ（32）中の液
   体金属の最低レベル（N_min）より下方に配置され、且つ
   前記ホットコレクタ（32）中に満たされた液体金属の最
   高レベル（N_max）の下方で、前記高速中性子炉が公称運
   転状態にある時に前記タンク（36）は前記ホットコレク
   タ（32）と連通することを特徴とする高速中性子炉。
2. 【請求項２】前記ホットコレクタ（32）の側部に前記タ
   ンク（36）を画定する壁（40）の上方縁（40a）より上
   方で、前記タンク（36）が前記ホットコレクタ（32）と
   連通するようになっている、特許請求の範囲第１項に記
   載の高速中性子炉。
3. 【請求項３】複数個の通路（42）が前記ホットコレクタ
   （32）の側部に前記タンク（36）を画定する壁（40）に
   形成され、該壁（40）が、前記高速中性子炉が公称運転
   状態にある時に前記ホットコレクタ（32）中に収容され
   た液体金属のレベル（N_max）より上方に位置する上方縁
   （40′ａ）を有する、特許請求の範囲第１項に記載の高
   速中性子炉。
4. 【請求項４】前記タンクが、前記フェルールに沿って分
   布され且つ互いに連通しない複数個の並設された基本的
   なタンク（36a）によって形成される、特許請求の範囲
   第１項に記載の高速中性子炉。
5. 【請求項５】前記基本的なタンク（36a）が、ほぼ四角
   形の横断面を有し且つ前記フェルールへ溶接された水平
   な棚板（38′）へ固定された下方端において閉じられた
   垂直な管（44）と、該管（44）の上方端を前記フェルー
   ルと係合状態に保つベルト（48）とを有する、特許請求
   の範囲第４項に記載の高速中性子炉。
6. 【請求項６】更に、前記主容器（10）内に配置された複
   数個のポンプ（20）と、各該ポンプ（20）を取り囲むバ
   ッフル（30）とを有し、各該バッフル（30）は上部に別
   のフェルールを形成しており、この別のフェルールの上
   方縁（30a）は前記不活性気体層（26）内に位置してお
   り、液体金属で満たされた別のタンクが前記別のフェル
   ールの各々に取り付けられている、特許請求の範囲第１
   項に記載の高速中性子炉。