JP2989157B2 - ガス圧力調整式温度制御方法 - Google Patents

ガス圧力調整式温度制御方法

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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスの熱伝導率の
変化を利用して炉内の発熱体の温度制御を行う方法に関
し、更に詳しく述べると、金属ベローズによってキャプ
セル封入ガスとベローズ伸縮のための駆動ガスを仕切
り、該金属ベローズを伸縮させキャプセル封入ガスの圧
力を調整することで温度制御を行う方法に関するもので
ある。この技術は、例えば原子炉内に設置した照射試験
用試料の温度制御等に有用である。
【0002】
【従来の技術】ガスの熱伝導率の変化を利用して温度制
御を行う方法は従来公知である。例えば、原子炉内に装
荷したキャプセル内に供給するガスを置換あるいは加減
圧することでガスの熱伝導率を変え、照射試験用試料の
温度を制御する方法が実際に行われている。その具体的
方法としては、混合ガス方式と圧力調整方式がある。
【0003】混合ガス方式は、熱伝導率が大きく異なる
2種類のガスの混合比を変えてキャプセル内に供給し、
それによって熱伝導率が変化することで温度を制御する
方法である。これは、例えば原子炉の出力変動等の影響
で照射試験用試料が予め設定した温度を逸脱しそうにな
った時に、キャプセル内を、所定の混合比に調整した混
合ガスで置換することで設定温度を超えないように制御
する。
【0004】圧力調整方式は、ガスの熱伝導率が真空側
で変化割合が大きいのに着目した温度制御方法である。
炉内に装荷したキャプセル内のガスを直接排気して圧力
調整を行い、それによるガス熱伝導率の変化を利用して
該キャプセル内の発熱体の温度制御を行っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】照射試験用試料をキャ
プセル内に収容し、原子炉内に設置して照射試験を行わ
せるような場合には、キャプセル封入ガスが原子炉から
の放射線で放射化する。そのため、温度を制御するに
は、その放射化したガスの排気が必要であり、温度制御
のために、照射試験を行っている期間中、多量の放射性
ガスを処分し続けなければならない。
【0006】本発明の目的は、原子炉内での温度制御に
使用する場合でも、温度制御中に放射化した温度制御ガ
スの排気を行う必要が無く、放射性ガスの処分を最少限
度に抑えることのできるガス圧力調整式温度制御方法を
提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、内部に発熱体
を収容したキャプセルを炉内に設置し、炉外には内部に
金属ベローズを収容するベローズ収納容器を設け、前記
キャプセル内と金属ベローズ内との間をガス配管で接続
してガスを封入し、ベローズ収納容器内の金属ベローズ
外側の空間に炉外ガス圧力調整系を接続し、炉外ガス圧
力を加減することで金属ベローズを伸縮させてキャプセ
ル封入ガスの圧力を制御し、それによるガス熱伝導率の
変化を利用して発熱体の温度制御を行うようにしたガス
圧力調整式温度制御方法である。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明は、例えば原子炉中での燃
料あるいは材料の照射試験などにおける温度制御に有用
である。その場合、好ましくはキャプセルを2重構造と
し、該キャプセルの内部中央に発熱体である照射試験用
試料(燃料あるいは材料など)を収容する。そして2重
構造のキャプセルの中間部をガスギャップとして、その
中間部にヘリウムガスをキャプセル封入ガスとして封入
する。
【0009】本発明による温度制御は、温度を一定に制
御する場合にも、あるいは予め決めた昇温・降温プログ
ラムに従って変化させるように制御する場合にも、適用
できる。しかし、この種の温度制御は、従来、一定温度
に保つように制御する場合に使用するケースの方が多
い。
【0010】
【実施例】図1は本発明に係るガス圧力調整式温度制御
方法を実施するための装置構成の一例を示しており、原
子炉内で材料や燃料の照射試験を行う場合の例である。
原子炉10の炉心12の冷却材通路14にキャプセル2
0を挿入する。原子炉10の外部には、キャプセル内ガ
ス置換系22、ガス仕切り部24、ベローズ加減圧系2
6、及び計測制御系28を設ける。
【0011】キャプセル20は、ここでは底部を除いて
二重構造となっており、その内部中央に照射試験用試料
30が収容され、中間部はガスギャップ32となる。照
射試験用試料30が収容される内部中央には、温度測定
のための熱電対34を挿入する。ガス仕切り部24は、
ベローズ収納容器36と、その中に収納されて伸縮自在
の金属ベローズ38とからなる。そして、該金属ベロー
ズ38の内部と前記キャプセル20のガスギャップ32
との間は1本の細いガス配管40によって連通してい
る。
【0012】キャプセル内ガス置換系22は、第1の手
動弁42を介して前記ガス配管40に接続されるヘリウ
ムガスボンベ44と、第2の手動弁46を介して前記ヘ
リウムガスボンベ44と第1の手動弁42との間に接続
される第1の真空ポンプ48からなる。第1の真空ポン
プ48は、照射前にキャプセル20内をヘリウムガスで
置換するために、該キャプセル20内を真空排気するの
に用いる。
【0013】ベローズ加減圧系26は、空気コンプレッ
サ50、アキュムレータ52、第1の電動弁54、加圧
側電動流量調節弁56からなる加圧側と、減圧側電動流
量調節弁58、一般排気系につながる第2の電動弁6
0、第3の電動弁62を有し一般排気系につながる第2
の真空ポンプ64からなる減圧側と、圧力計66などか
らなり、ベローズ収納容器36内の金属ベローズ38外
側の空間に接続される。アキュムレータ52は、空気コ
ンプレッサ50で加圧した空気を蓄えておく容器であ
る。また第2の真空ポンプ64は、系内を排気して金属
ベローズ38を伸長させるために用いる。
【0014】計測制御系28は、ベローズ加減圧系26
に設けた圧力計66からの圧力信号でベローズ収納容器
36内の圧力を計測し、キャプセル20の内部中央に挿
入した熱電対34からの温度信号を受けて、ベローズ加
減圧系26に設けた加圧側電動流量調節弁56及び減圧
側電動流量調節弁58の開閉度合いを制御する。
【0015】本発明において温度制御は、ベローズ収納
容器36内のガス圧を調整し、金属ベローズ38を伸縮
させて該金属ベローズ38の体積を変化させ、キャプセ
ル20内の照射試験用試料30の外側のガスギャップ3
2のガス圧力を変化させて、それによる熱伝導率を制御
することで行われる。
【0016】金属ベローズを圧縮する昇圧動作によっ
て、キャプセル20のガスギャップ32での圧力が高く
なって熱抵抗が小さくなり、照射試験用試料(発熱体)
30の温度は低下する。そのためには減圧側電動流量制
御弁58、第2の電動弁60及び第3の電動弁62を閉
じ、第1の電動弁54を開き、加圧側電動流量制御弁5
6の開度を制御する。すると空気コンプレッサ50で圧
縮されたアキュムレータ52内の空気がベローズ収納容
器36内に導入され、金属ベローズ38は押し縮めら
れ、ガスギャップ32のガスは加圧される。
【0017】金属ベローズを伸長する降圧動作では、キ
ャプセル20のガスギャップ32での圧力が低下して熱
抵抗が大きくなり、照射試験用試料30の温度は上昇す
る。そのためには、第1の電動弁54及び加圧側電動流
量制御弁56、第2の電動弁60を閉じ、第3の電動弁
62を開き、減圧側電動流量制御弁58の開度を制御
し、第2の真空ポンプ64でベローズ収納容器36内を
減圧する。すると金属ベローズ38は伸長し、ガスギャ
ップ32は減圧される。なお、系内圧力が大気圧以上の
場合には第2の電動弁60を使用して排気する。その
際、第3の電動弁62は第2の真空ポンプ64を保護す
るために閉じられる。
【0018】温度制御に先立って、まず第1及び第2の
手動弁42,46を使用してキャプセル20内をヘリウ
ムガスで置換する。第1の手動弁42と第2の手動弁4
6を開いて第1の真空ポンプ48で系内のガスを排気す
る。そのガスは放射化されているため、放射性ガス排気
系で処理する。排気後、第2の手動弁46を閉じる。ヘ
リウムガスボンベ44からヘリウムガスを供給し、所定
のガス圧となるようにして、その状態で第1の手動弁4
2も閉じる。このように第1及び第2の手動弁42,4
6は、キャプセル20内をヘリウムガスに置換するため
に使用するもので、温度制御中は使用しない。
【0019】例えば、キャプセル20の照射試験用試料
30の温度を一定に保つように制御する場合には、次の
ようにする。熱電対34からの信号を受けて計測制御系
28で加圧側電動流量調節弁56又は減圧側電動流量調
節弁58の開閉度合いを制御する。試料温度が上昇した
場合には、加圧側電動流量調節弁56を開いて金属ベロ
ーズ38を短縮させ、ヘリウムガス圧力を高める。する
とガスギャップ32での熱抵抗が小さくなり、温度が下
がる。逆に、試料温度が降下した場合には、減圧側電動
流量調節弁58を開いて金属ベローズ38を伸長し、ヘ
リウムガス圧力を下げる。するとガスギャップ32での
熱抵抗が大きくなり試料温度が上がる。このようにし
て、キャプセル20内に収容されている照射試験用試料
30の温度を一定に保つように制御することができる。
【0020】炉外側と炉内側の配管抵抗が大きく異なる
と、高圧側から低圧側の圧力変化を急激に実施した場合
には、大きな圧力差を生じることになる。しかし、温度
制御に必要な圧力範囲は0〜2kg/cm2 (絶対圧力)程
度と考えられ、両者の圧力は常にほぼ一致する。ここ
で、「ほぼ一致」と述べた理由は、金属ベローズの自重
等で厳密には圧力が異なるからであるが、この差は温度
制御に影響するような差異ではない。
【0021】ヘリウムガス圧力と熱伝導率との関係は、
「薄いガス層の真空の熱抵抗とその利用」(日本機械学
会誌、第73巻、第618号、P21〜29)に記載さ
れているように既知であり、本発明ではそれを利用でき
る。
【0022】温度制御可能範囲は、照射試験用試料の発
熱量と到達真空度によって決まる。発熱量が小さいと、
いくら真空度を上げても温度は上昇しないのに対して、
発熱量が大きいと、僅かに真空度を上げるだけで温度が
上昇するからである。制御可能な温度精度は、従来のガ
ス圧力調整方式では±5℃程度であり、本発明方法で
も、この程度の制御精度が見込まれる。
【0023】照射試験用試料は、大別すると「燃料」
(核分裂性物質:中性子によって核分裂し発熱するも
の)と「材料」である。燃料の形状は大部分が柱状であ
る。材料は、機械試験に応じて様々な形状であり、材質
はステンレス鋼などである。また照射期間は、例えば約
300日間といった期間にわたり、この間、温度制御を
行うことになる。
【0024】上記の実施例は、本発明を原子炉内におけ
る照射試験用試料の温度制御に適用した例であるが、そ
れに限らず、内部発熱する物体の温度制御に利用でき
る。
【0025】
【発明の効果】本発明は上記のように、キャプセル封入
ガスの圧力調整が金属ベローズを介して行われるため、
該キャプセル封入ガスを外部に放出することなく昇圧あ
るいは減圧して温度制御を行うことができる。このた
め、特に原子炉内で照射試験を行うような場合に、試験
期間中は放射性ガスを処分する必要がないので、放射性
ガスの処分を最少限度に抑えることができ、処理設備の
負担が軽くなるし、経済的にも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るガス圧力調整式温度制御装置の一
実施例を示す全体構成図。
【符号の説明】
10 原子炉 20 キャプセル 22 キャプセル内ガス置換系 24 ガス仕切り部 26 ベローズ加減圧系 28 計測制御系 30 照射試験用試料 32 ガスギャップ 34 熱電対 36 ベローズ収納容器 38 金属ベローズ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内部に発熱体を収容したキャプセルを炉
    内に設置し、炉外には内部に金属ベローズを収容するベ
    ローズ収納容器を設け、前記キャプセル内と金属ベロー
    ズ内との間をガス配管で接続してガスを封入し、ベロー
    ズ収納容器内の金属ベローズ外側の空間に炉外ガス圧力
    調整系を接続し、炉外ガス圧力を加減することで金属ベ
    ローズを伸縮させてキャプセル封入ガスの圧力を制御
    し、それによるガス熱伝導率の変化を利用して発熱体の
    温度制御を行うことを特徴とするガス圧力調整式温度制
    御方法。
  2. 【請求項2】 炉が原子炉であって、キャプセルは2重
    構造をなし、該キャプセルの内部中央に発熱体である照
    射試験用試料が収容され、中間部はガスギャップであっ
    てヘリウムガスをキャプセル封入ガスとして封入する請
    求項1記載のガス圧力調整式温度制御方法。
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