JP3499920B2 - 空冷用のじゃま板 - Google Patents
空冷用のじゃま板Info
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- JP3499920B2 JP3499920B2 JP16364694A JP16364694A JP3499920B2 JP 3499920 B2 JP3499920 B2 JP 3499920B2 JP 16364694 A JP16364694 A JP 16364694A JP 16364694 A JP16364694 A JP 16364694A JP 3499920 B2 JP3499920 B2 JP 3499920B2
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- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
- G21C15/18—Emergency cooling arrangements; Removing shut-down heat
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)
Description
に詳しく言えば原子炉の空冷技術に関する。
タイプの原子炉においては、原子炉容器を満たす高温の
液体金属(たとえば、液体ナトリウム)中に炉心が沈め
られている。液体金属は炉心を冷却するために使用され
るのであって、それにより吸収された熱は通常のごとく
にして動力を発生するために利用される。原子炉容器は
格納容器により包囲され、そして両者間の空間はアルゴ
ンのごとき不活性ガスで満たされている。
的に挿入されもしくは引抜かれる制御棒によって制御さ
れる。制御棒を炉心内に完全に挿入すれば、炉心の運転
を停止させることができる。とは言え、炉心からは一定
の期間にわたって残留崩壊熱が発生し続けるのであっ
て、かかる熱は熱放射により原子炉容器から格納容器に
伝達されてそれの温度を上昇させる。格納容器からの熱
はまた、それから外方に離隔して配置されたコンクリー
ト製のサイロに向かって放射される。これらの構成要素
の過熱を防止するため、原子炉容器補助冷却系(RVA
CS)と呼ばれる受動熱除去系が設けられるが、それは
たとえば米国特許第5043135号の明細書中に開示
されている。
サイロとの間に無孔の集熱円筒が同心的に配置されてい
る。その結果、集熱円筒の内面と格納容器との間には空
気の上昇流路が規定されると共に、集熱円筒の外面とサ
イロとの間には空気の下降流路が規定される。大気中の
空気が下降流路を通して下方に導かれ、その下端におい
て向きを変えて上昇流路に入り、次いで上方に流れて格
納容器を冷却する。集熱円筒の内面は格納容器からの熱
放射を受けるが、かかる熱は熱除去のため上方に流れる
空気に対して自然対流により伝達される。他方、集熱円
筒の外面は断熱材を有している。これは、集熱円筒から
の熱がサイロに伝達されるのを抑制すると共に、かかる
熱が下降流路内を下方に流れる空気に伝達されるのを抑
制するために役立つ。相対的に低温の下降流路内の空気
と上昇流路内の加熱された空気との温度差が大きいほ
ど、電動式ポンプを使用せずに受動的な空冷を促進する
自然循環の駆動力は大きくなる。
る格納容器の平均温度並びにある種の過渡運転時におけ
るそれの過渡的なピーク温度は比較的高い。それ故、A
SME規約に基づく高温要求条件に適合するように格納
容器を設計することが必要であって、それが格納容器の
原価を上昇させる。更にまた、コンクリート製サイロが
過度に加熱されないようにするため集熱円筒の外面上に
設置される断熱材は複雑であると共に比較的高価であ
る。このようなわけで、冷却系の複雑度および原価を低
減させるために格納容器の空冷方式の改良が望まれてい
るのである。
温の格納容器と相対的に低温のサイロとの間にじゃま板
が設置される。かかるじゃま板は、格納容器の外側に配
置されて両者間に内部上昇流路を規定する有孔内壁と、
内壁の外側に配置されて両者間に外部上昇流路を規定す
る無孔内壁とから成っている。内壁に設けられた開口に
より、熱放射は内壁を横方向に貫通して外壁に到達し得
る一方、内部上昇流路および外部上昇流路を通って上方
に流れる冷却用空気によって熱が除去される。
明を読めば、本発明の好適な実施の態様並びに追加の目
的および利点が一層明確に理解されよう。
ト製のサイロ12を有する典型的な新型液体金属炉(A
LMR)プラント10が略示されている。図示された実
施の態様の場合、サイロ12は環状または円形の横断面
を有すると共に、鉛直方向に延びる中心軸14を有して
いる。かかるサイロ12は地面16の下方に埋設されて
いることが好ましく、そしてその内部に環状の格納容器
18が同心的に配置されている。格納容器18の内部に
はまた、液体ナトリウムのごとき液体金属冷却材24中
に沈められた炉心22を収容した原子炉容器20が同心
的に配置されている。
納容器18および原子炉容器20は上部フレーム26か
ら下方に向かって直立状態で支持もしくは懸垂されてい
る。また、上部フレーム26は複数の防震装置28を介
してコンクリート製サイロ12上に支持されている。そ
の結果、格納容器18および原子炉容器20と周囲のコ
ンクリート製サイロ12との間においては束縛されない
運動が可能であると共に、地震の発生時にも格納容器1
8および原子炉容器20の構造の完全性が維持されるこ
とになる。
れもしくは引抜かれる通常のごとき複数の制御棒30
(図中には2本だけが示されている)によって制御され
る。完全に挿入された場合、制御棒30は炉心22の運
転を停止させるのに有効であるが、運転停止後にも一定
の期間にわたって残留崩壊熱が発生する。かかる残留崩
壊熱を除去するため、原子炉容器補助冷却系(RVAC
S)と呼ばれる受動熱除去系が設けられている。このR
VACSにおいては、格納容器18と原子炉容器20と
の間に空間が設けられ、そしてアルゴンのごとき不活性
ガスで満たされている。液体金属24からの熱は熱放射
によりアルゴンで満たされた空間を通して伝達され、そ
して格納容器18を加熱する。格納容器18からの熱を
受動的に除去するため、本発明に従えば、格納容器18
とサイロ12との間に配置されて空冷性能を向上させる
ために役立つ二重壁のじゃま板32が設けられている。
く、じゃま板32は格納容器18とサイロ12との間に
おいて互いに離隔して配置された有孔の集熱内壁34と
無孔の集熱外壁36との集合体である。図示された実施
の態様においては、格納容器18、内壁34、外壁36
およびサイロ12は環状であると共に互いに同心的に配
置されており、また内壁34および外壁36は円筒であ
る。内壁34の形状および寸法は、内壁34が半径方向
に沿って格納容器18から離隔しながらそれの外側に配
置されて両者間に内部上昇流路38を規定するように決
定されている。同様に、外壁36の形状および寸法は、
外壁36が半径方向に沿って内壁34から離隔しながら
それの外側に配置されて両者間に外部上昇流路40を規
定するように決定されている。また、外壁36は半径方
向に沿ってサイロ12から内方に離隔して両者間に外側
の下降流路42を規定している。
納容器18の底部とサイロ12の底部との間に規定され
た下部プレナム44から鉛直方向に沿って上方に延び、
そして原子炉容器20内の液体金属の液面よりも上方の
適当な高さにまで達している。外部上昇流路40はそれ
の下端に入口40aを有し、かつそれの上端に出口40
bを有している。また、内部上昇流路38はそれの下端
に入口38aを有し、かつそれの上端に出口38bを有
している。更にまた、下降流路42はそれの上端に入口
42aを有し、かつそれの下端に出口42bを有してい
る。なお、下降流路42の出口42bは内部上昇流路3
8の入口38aおよび外部上昇流路40の入口40aと
連通しながら下部プレナム44内に配置されている。
18およびじゃま板32の冷却用として使用すべき空気
48を受入れるために役立つ1個以上の吸気口46が地
面16より上方の適当な高さの位置に設けられている。
冷却用空気48を下方に向かって下降流路42の入口4
2aまで導くため、吸気ダクト50が吸気口46から下
降流路42の入口42aまで連通状態で延びている。冷
却用空気48は下降流路42を通して下方に導かれ、そ
れの出口42bから内方に向かい、次いで上方に向きを
変えて両上昇流路の入口38aおよび40aに入る。そ
の後、冷却用空気48は内部上昇流路38および外部上
昇流路40を通して上方に導かれる。両上昇流路の出口
38bおよび40bは、建屋の上部フレーム26を通っ
て上方に直立した排気ダクト52に連通して配置されて
いる。かかる排気ダクト52は、格納容器18およびじ
ゃま板32を冷却した後の加熱された空気をプラント1
0から排出するために役立つ1個以上の排気口54を有
している。格納容器18は炉心22からの崩壊熱によっ
て加熱されるために比較的高温であるから、かかる熱は
内部上昇流路38および外部上昇流路40内の冷却用空
気48中に放散される。その結果、冷却用空気48の密
度が低下してそれの浮力が増大するから、冷却用空気4
8は内部上昇流路38および外部上昇流路40を通って
上方に流れる自然循環を生じ、そして排気ダクト52お
よび排気口54を通して排出される。吸気口46に入る
冷却用空気48は比較的低温であり、かつ内部上昇流路
38および外部上昇流路40内を上昇する空気よりも密
度が高い。従って、冷却用空気48は重力の作用下で下
降流路42を通って下方に降下し、それにより下降流路
42次いで内部上昇流路38および外部上昇流路40を
通る冷却用空気48の自然循環または受動循環を助け
る。
除去を促進するため本発明の実施の一態様に従って設置
される二重壁のじゃま板32が一層明確に示されてい
る。詳しく述べれば、格納容器18の外面からの熱伝達
は、部分的には上昇する冷却用空気48中への直接放散
をもたらす自然対流によって行われ、また部分的には内
壁34および外壁36への熱放射によって行われる。後
者の場合、内壁34および外壁36は集熱体として働く
と共に、上昇する冷却用空気48中に熱を自然対流によ
り放散させるための表面積を増大させる。有孔の内壁3
4は複数の開口56を有しているが、図示された実施の
態様に従えば、かかる開口56は鉛直方向および水平方
向に沿って互いに離隔した円形の穴である。開口56の
寸法は、格納容器18からの熱放射の一部が波形の矢印
によって示されるごとく内壁34を横方向に貫通して外
壁36に到達し得るように予め決定されている。このよ
うにすれば、格納容器18からの熱放射を内壁34およ
び外壁36の両方に伝達し、次いで自然循環によって冷
却用空気48中に放散させることができる。
内壁34の全有効表面積に対する開口56の合計面積の
比率によって表わされる。図2および3に示された実施
の態様においては、有効量の熱放射が外壁36に到達し
て吸収されるようにするため、開口密度は全有効表面積
の約50%になっている。内壁34および外壁36から
の熱は内部上昇流路38および外部上昇流路40内を上
昇する冷却用空気48中に放散されるから、開口56の
寸法または直径は内部上昇流路38および外部上昇流路
40内におけるそれぞれの冷却用空気の流れに対する熱
伝達が釣合うよう適宜に最適化すればよい。
く、横方向に沿って格納容器18の外面と内壁34の内
面との間に規定された内幅Wiを有している。同様に、
外部上昇流路40は横方向に沿って内壁34の外面と外
壁36の内面との間に規定された外幅Woを有してい
る。また、下降流路42は横方向に沿って外壁36の外
面とサイロ12の内面との間に規定された幅Wdを有し
ている。上昇流路の内幅Wiおよび外幅Woは、内部上昇
流路38および外部上昇流路40内を上昇する冷却用空
気48の流速を調節するために予め決定されている。下
降流路の幅Wdは、それに対応して、下降流路42内を
下降してから内部上昇流路38および外部上昇流路40
内に流入する冷却用空気48の十分な供給を確保すると
共に、地震の発生時における原子炉容器アセンブリの運
動のために十分なスペースを与えるように選定されてい
る。
部上昇流路40の外幅Woは内部上昇流路38の内幅Wi
よりも小さい。その理由は、1つには内部上昇流路38
の直径に比べて外部上昇流路40の直径が大きいために
流量が増加することにあり、また1つには外壁36の加
熱に先立って内壁34が加熱されることにある。対流に
よる冷却用空気48への熱伝達率は、通例、冷却用空気
48と(たとえば鋼から成る)内壁34および外壁36
の放熱面との温度差に依存する。対流による熱伝達率は
また、内部上昇流路38および外部上昇流路40を通っ
て上昇する冷却用空気48の流速にも依存する。従っ
て、開口56の寸法並びに上昇流路の内幅Wiおよび外
幅Woを適宜に変更することによって格納容器18から
の熱除去を最適化することができる。また、開口56に
関する開口密度を適宜に変更することによって特定構造
の原子炉における熱伝達を最適化することもできる。な
お、所望ならば、内壁34および外壁36によって吸収
される熱放射を釣合わせるように開口密度を選定するこ
ともできる。内壁34はそれの内面および外面の両方か
ら対流による熱伝達をもたらし、従って内面のみからの
熱伝達を示す外壁36に比べて増加した伝熱面積を有す
るから、内部上昇流路38と外部上昇流路40との間を
適宜に釣合わせれば冷却用空気48への熱放散量の増加
が達成される。開口56自体の内部に得られる追加の表
面積もまた、熱を放散させるために利用することができ
ると共に、所望ならば内部上昇流路38と外部上昇流路
40との間における横断流れを促進するために利用する
こともできる。
ることによって達成される熱放散の向上は、格納容器1
8自体および外壁36の平均温度を顕著に低下させると
共に、原子炉の過渡運転時におけるそれらの過渡的なピ
ーク温度をも低下させる。従って、有孔の内壁34を含
まずに集熱外壁36のみを使用する構成に関して現在採
用されている高温要求条件ではなく、ASME規約に基
づく公知の低温要求条件に適合するように格納容器18
および外壁36を設計することが可能となる。これは冷
却系の複雑度および原価を低減させるのである。
ればまた、有孔の内壁34を含まない従来の構成におい
て要求されていたごとく、外壁36の外面上に比較的複
雑で高価な断熱材を設置する必要がなくなる。それ故、
外壁36の外面はコンクリート製サイロ12の内面に直
接に対向し得るのであって、外壁36の外面上に断熱材
は存在しないという特徴が得られる。サイロ12は格納
容器18に比べて相対的に低温であると共に、外壁36
からの熱伝達によって過度の温度上昇が起こる懸念は無
い。なお、外壁36を包囲する断熱材の排除に伴う原価
低減は、有孔の内壁34を組込むための追加の費用を実
質的に相殺するはずである。
らす追加の利点として、RVACSの下降流路42並び
に内部上昇流路38および外部上昇流路40を通って流
れる冷却用空気48が完全に遮断されたと仮定した場合
でも格納容器18からの顕著な熱除去が可能となる。こ
のような状況下では、熱は外壁36から(通例は存在す
る断熱材によって妨害されることなく)コンクリート製
サイロ12に直接に伝達され、次いで周囲の大地に伝達
されるのである。
上昇流路40内を上方に流れる冷却用空気48に対する
熱伝達を向上させるため、図2および3に示されるごと
く、鉛直方向に沿って互いに離隔しながら水平方向に延
びる複数の境界層トリップ58を格納容器18の外面お
よび外壁36の内面の少なくとも一方(好ましくは両
方)に配置することができる。かかるトリップ58は、
それぞれの側壁から突出した半円形の突起のごとき適当
な形状を有すると共に、公知のごとくに境界層の流れを
つまずかせて熱伝達を向上させるように選定された鉛直
方向のピッチPを有するように形成すればよい。
58は6.4mmの高さおよび152mmのピッチPを
有していた。開口56は51mmの直径および約50%
の開口密度を有していた。内部上昇流路38の内幅Wi
は約127mmであり、また外部上昇流路40の外幅W
oは約102mmであった。格納容器18、内壁34お
よび外壁36の肉厚はそれぞれ約25mm、9mmおよ
び25mmであった。解析の結果、外壁36に加えて有
孔の内壁34を使用すれば熱的性能が約8%だけ向上す
ることが予測され、またそれと共にトリップ58を使用
すれば向上率が更に顕著に上昇することが予測された。
それの上端のみにおいて上部フレーム26から懸垂もし
くは支持されており、従って地震の発生時におけるそれ
の振動はコンクリート製サイロ12から切離される。同
様に、内壁34もそれの上端において上部フレーム26
から懸垂することができる。そのためには、図2に示さ
れるごとく、円周方向および鉛直方向に沿って互いに離
隔して配置されかつ両端において内壁34および外壁3
6に適宜に溶接された複数の植込みボルト60によって
内壁34を外壁36に接合すればよい。かかるボルト6
0は、外壁36ひいては上部フレーム26に対して内壁
34を適宜に支持し得る限り、外壁36の上端付近のみ
に配置してもよいし、あるいは外壁36の鉛直高さ全体
にわたって使用してもよい。かかる実施の態様において
は外壁36が内壁34の重量を支持しているから、それ
に由来する追加の荷重に耐え得るように外壁36を通常
よりも厚くすることが好ましい。
の空間を二分するから、内部上昇流路38の内幅Wiは
格納容器18の供用中検査のために利用し得るスペース
を減少させる。とは言え、外壁36の外面上には断熱材
が存在しないから、それの外面に関する検査は下降流路
42から一層容易に実施することができるのである。以
上、好適と思われる実施の態様に関連して本発明を説明
したが、上記の説明に基づけばその他の変更態様も可能
であることは当業者にとって自明であろう。それ故、本
発明の精神および範囲から逸脱しない限り、かかる変更
態様の全てが前記特許請求の範囲内に包含されることを
理解すべきである。
するため格納容器とコンクリート製サイロとの間に配置
されたじゃま板を含む典型的な液体金属炉プラントの部
分断面概略立面図である。
よって囲まれた部分の部分断面拡大立面図であって、空
冷性能を向上させるため格納容器とコンクリート製サイ
ロとの間に配置された二重壁のじゃま板を示している。
された図2のじゃま板を示す斜視図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 サイロ(12)と該サイロの内側に配置
された格納容器(18)との間に設置されるじゃま板
(32)において、 前記格納容器(18)の外側に配置されて、冷却用空気
を上方に導くための内部上昇流路(38)を前記サイロ
との間に形成された有孔内壁(34)と、 前記有孔内壁(34)の外側に配置されて、冷却用空気
を上方に導くための外部上昇流路(40)を前記有孔内
壁と前記サイロとの間に形成する無孔外壁(36)とを
有し、 前記有孔内壁(34)が鉛直方向および水平方向に沿っ
て互いに離隔した複数の開口(56)を有し、前記開口
(56)を介して前記容器(18)からの熱放射の一部
が前記有孔内壁(34)を横方向に貫通して前記無孔外
壁(36)に到達することを特徴とするじゃま板。 - 【請求項2】 前記無孔外壁(36)は前記サイロとの
間に冷却用空気を下方に導くための外部下降流路(4
2)を形成し、かつ前記外部下降流路(42)は前記内
部上昇流路(38)および前記外部上昇流路(40)の
下端に連通して配置され、それにより冷却用空気を前記
内部上昇流路(38)および前記外部上昇流路(40)
内に導いて前記格納容器(18)を冷却する請求項1記
載のじゃま板。 - 【請求項3】 前記内部上昇流路(38)が横方向に沿
って前記格納容器(18)と前記有孔内壁(34)との
間に規定された内幅を有し、前記外部上昇流路(40)
が横方向に沿って前記有孔内壁(34)と前記無孔外壁
(36)との間に規定された外幅を有し、かつ前記外幅
は前記内幅よりも小さい請求項1記載のじゃま板。 - 【請求項4】 前記格納容器(18)、前記有孔内壁
(34)、前記無孔外壁(36)および前記サイロ(1
2)が環状でありかつ同心的に配置されている請求項1
記載のじゃま板。 - 【請求項5】 前記有孔内壁(34)が複数の互いに離
隔した植込みボルト(60)によって前記無孔外壁(3
6)に接合されている請求項1記載のじゃま板。 - 【請求項6】 前記内部上昇流路(38)および前記
外部上昇流路(40)内を上方に向かって流れる冷却用
空気に対する熱伝達を向上させるため、鉛直方向に沿っ
て互いに離隔した複数の水平方向の境界層トリップ(5
8)が前記格納容器(18)の外面および前記無孔外壁
(36)の内面の少なくとも一方に配置されている請求
項1記載のじゃま板。
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