JP3816527B2 - ペブルベッド炉 - Google Patents

Description

この発明は、重力の作用で燃料要素のペブルが入り込み、冷却ガスが降下流あるいは上昇流となって流れる、燃料要素のペブルを満たし、反射体の材料で仕切られている炉心空洞を備えたペブルベッド炉に関する。
ペブルベッド炉は周知である。例えば、ドイツ特許第31 49 794号明細書には、グラファイト炉心のペブルベッド炉が開示されている。ペブルベッド炉では、燃料要素のペブルのばら積みの山、つまりペブルベッドが重力の作用の下で反射体材料で仕切られている炉心空洞を移動する。原子炉の制御は、中性子吸収体、例えば制御棒で行われ、これ等の制御棒を反射体材料の穴の中に入れるか、あるいは炉を制御するため燃料要素ペブルのばら積みの山に入れる。
炉心空洞から引き出した燃料済の燃焼要素ペブルを交換するため、ばら積みの山を一杯に満たす。燃料要素ペブルを引き出すため、通常ペブル引出管を炉心空洞の底に設ける。これ等のペブル引出管には底の反射体の漏斗状の窪みの中の燃料要素を導入する。大きな炉心空洞あるいはペブルベッドにグラファイトの中心柱を持つ炉心空洞には多数のペブル引出管が装備されている。
燃料要素のばら積みの山を、通常垂直方向に冷却ガス、特にヘリウムが通過する。冷却ガスの流れ方向は燃焼要素ペブルを重力方向に装填する方向に一致する（降下流）。しかし、冷却ガスは炉心空洞を燃料要素ペブルの装填方向とは反対にも、つまり上昇方向に流れる（上昇流）。冷却ガスを導入したり排出するため、炉心空洞の天井反射体や底反射体に冷却ガス用の導入開口や排出開口がある。これ等の開口は通常それぞれガス流を均一にするため、特に冷却ガスの温度を平衡させるために使用されるガス捕集室に通じている。
燃料要素のペブルを重力方向に投入する時、ペブルの表面が磨耗する。炉心空洞の底に集まるペブルの破片も生じる。ペブルの破片は、特にばら積みの山の中に制御棒を入れ、このバラ積みの山の中で動かす時に生じる。そのようなペブルの破片は大体ペブル排出管を経由して炉心空洞から離れるが、底の反射体のガス通路にも付着し、詰まりの原因になる。冷却ガスの流れは、このような場合、著しく影響を受ける。
この発明の課題は、炉心空洞に燃料要素を入れてペブルベッド原子炉で長期間の運転時間でも乱れのない冷却ガスの案内を可能にすることにある。
上記の課題は、冒頭に述べた種類のペブルベッド原子炉にあって、請求の範囲第１項に規定する構成により解決されている。これにより、冷却ガスを炉心空洞に導入したり排出するため、冷却ガス導管に対する接続部が空洞の底の上に横方向に取り付けてある。従って、冷却ガスは、上昇流の場合、空洞の底の上で横に炉心空洞へ流れ込み、降下流の場合、炉心空洞から流れ出る。このような横穴には燃料要素のペブルの塊状の屑が入り込まない。
燃料要素のペブルを引き出すため、空洞の底を盆状あるいは窪み状に形成するか、あるいは空洞の底を隣接配置された多数の盆状あるいは窪み状に形成すれば、この発明の有利な構成で、冷却ガス導管が少なくとも二つの重なった面内で窪みあるいは漏斗の壁に合流する、請求の範囲第２項。好ましくは、冷却ガス導管は反射体の壁に水平に延びている、請求の範囲第３項。
中心柱を炉心空洞に配置する場合には、中心柱にある改造されたスペースを利用して冷却ガス導管が中心柱の内部に有利に敷設され、中心柱の壁のところに合流する、請求の範囲第４項。冷却ガスをそのように通す場合、全ての燃料要素をペブル引出管に入れるまで冷却ガスで取り囲むため、請求の範囲第５項のペブル引出部を中心柱に近い空洞の底の底領域に配置すると効果的である。
以下、この発明をその構成と共に実施例に基づきより詳しく説明する。ここに示すのは、
図１，漏斗状に形成された空洞の底と多数の面に合流する冷却ガス導管を備えたペブルベッド原子炉の半分の断面図、
図２，図１のペブルベッド原子炉の他の実施態様の半分の断面図、
図３，中心柱を持つペブルベッド原子炉の半分の断面図、
である。
図１には、円筒軸１と、燃料要素のペブルのばら積みの山２と、図１や後の図面にただ暗示的に示すペブルベッドと、ばら積みの山２を取り囲む反射体３と、空洞の底５にあるペブル引出部４とを備えた円筒状の炉心空洞の下部が半断面図にして模式的に示してある。空洞の底５には、この実施例の場合、漏斗状の内部空間があり、漏斗の先端は空洞の底５の底面６まで通じ、ペブル引出部４で合流している。空洞の底５の壁の中を延びる冷却ガス導入部７は、空洞の底５の漏斗状の内部空間の多数の面、この実施例の場合、垂直方向に重なった二つの面でその内壁８に合流する。図１では、冷却ガスの導入部７の二つの二滑動部９，１０が模式的に示してある。これ等の導管を介して冷却ガスは開口１１を通して空洞の底の漏斗で燃料要素のペブルのばら積みの山２に通じる。冷却ガスは、この実施例の場合、炉心空洞を上流方向に、つまり燃料要素のペブルを重力で投入するのとは反対の方向に流れる。
冷却ガス導入部７には、冷却ガスが前置されているガス捕集室１２から流れ出る。円筒軸１の周りにリング上に延びるガス捕集室１２には、空洞の底５の漏斗上の内部空間で合流する二滑動部９，１０を有する多数の冷却ガス導入部７が接続し、この実施例の場合、多数の冷却ガス導入部が設けてある。図１や後続する図２と３には、ただこれ等の冷却ガス導入部の一つしか示してない。ガス捕集室１２へのガス導入はこれ等の図面に示してない。
図１の炉心空洞の他の実施態様が図２に示してある。図１の構成に相当する図の炉心空洞の構成要素は図２には図１と同じ参照符号であるが、更に′を付けてあり、例えば図１の円筒軸に「１」を付け、図２には「１′」を付けてある。
空洞の底５′の漏斗状の内部空間は、図２の実施例の場合、重なっている二つの台形切り株部分１３，１４に分割され、それ等のうちの上部の台形切り株部分１３は下部台形切り株部分１４に一致する台形角度と台形ベース直径１６をその台形の上端で有する。この直径は、炉心の空洞の内部空間に接続するため、燃料要素のペブルのばら積みの山２を入れる炉心空洞の内部空間の外径に一致する。下部台形切り株部分１４はその円錐上端に円錐基礎直径１７を有する。この直径は下部円錐切り株側の台形切り株部分１３の円錐切り株直径に一致する。従って、円錐切り株部分１３，１４は互いに重なって状態に揃えて配置されている。下部台形切り株部分１４は円錐引出部４′に通じているので、下部円錐切り株のその円錐切り株直径はペブル引出部４′の直径１８に一致する。
円錐切り株部分１３，１４の間には、冷却ガス導入部７′に接続する上部二滑動部１９が、冷却ガスを空洞の底５′の漏斗上の内部空間に排出する垂直の開口２０と共に配設されている。冷却ガスを通す下部二滑動部２１は下部円錐切り株部分１４の下を進み、空洞の底５′の漏斗先端の垂直開口２２と共に円錐引出部４′に直接合流する。冷却ガスは、図１の実施例のように、ガス捕集室１２′から冷却ガス案内部７′と下部二滑動部２１に流入する。ガス捕集室１２′には多数のガス導入部７′が接続している。図２では図１のようにこれ等の冷却ガス導入部の一つしか図示されていない。
図２の空洞の底５′の漏斗上の内部空間は水平に二つの円錐切り株部分に分割された漏斗で構成され、これ等の円錐切り株部分は上下に重なっていて、両者の間には上部二滑動部１９用の開口２０がある円筒状部分が配置されている。円錐引出部４′に合流し、合流領域に下部二滑動部２１の開口２２のある円筒状に延びた漏斗先端がある。そのような構成は、特にペブルベッドを通して冷却ガスを流す場合、十分小さい圧力降下の炉心空洞に適している。円筒部分に垂直に立ち、つまり燃料要素のペブルを進む方向に平行に向いた開口２０，２２を持つ水平に延びる冷却ガス案内部により、冷却ガス導入部あるいはそれ等の二滑動部の詰まりを防止する。
効率の高いペブルベッド原子炉に対して、ペブルのばら積みの山には中心柱を炉心空洞に配置し、燃料要素のペブルをこの中心柱の周りにリング状に盛り上げている。このようなペブルベッド原子炉に対して、図３はこの発明に対応する空洞の底の底面の上の横方向の冷却ガス導入部を示す。
図３には、図１と２と同じように、半断面の円筒軸２３と、中心柱２４と、この中心柱２４の周りに横断面でリング状に盛り上げた燃料要素のペブルのばら積みの山２５と、このばら積みの山２５を取り囲む反射体２６および複数のペブル引出部２７とを備えた円筒状の炉心空洞を模式的に示し、図３ではこれ等のペブル引出部２７のうちだた一つを示す。ペブル引出部は、空洞の底２８でその底面２９から出ていて、燃料要素の円錐状ベッド２５の下の円筒軸２３の周りにリング状に配置され、空洞の底２８の底面２９のところの中心柱２４の外壁３０の近くにある底領域に存在する。
この実施例では、空洞の底２８には漏斗状の内壁３１があり、この内壁を経由して燃料要素のペブルを空洞の底２８のペブル引出部２７に案内する。
冷却ガス導入部３２は中心柱２４の中心にある。この冷却ガス導入部３２には二滑動部があり、これ等の二滑動部は中心柱２４の壁を通して水平に通じ、穴あるいはスリットとして形成され、図３には示していない垂直に延びる合流開口３４を燃料要素の円錐のばら積みの山２５に合流させている。冷却ガスは燃料要素のペブルが円錐引出部２７の前の炉心の空洞から出る直前にある領域の円錐のばら積みの山に流入する。
ペブルベッドに冷却ガスの上昇流あるいは降下流のあるこのような冷却ガス導入部には下記の利点がある。即ち、
・ペブルベッドの中で中心柱の外壁に沿って流れる冷却ガスには、最大の効率密度を与える区域で燃料要素のペブルのばら積みの山を通過する特に短い距離が提供される。
・外部反射体の内壁に沿って流れる冷却ガスには、燃料要素のペブルのばら積みの山を通過する最長の距離が強いられるので、このガスはペブルベッドの区域を通過する時でも低出力密度で十分加熱される。
・中心柱の内部領域は、ガス捕集室、加熱ガスあるいは冷却ガスの室を入れるのに利用されると有利である。その場合、冷却ガスの上昇流では、中心柱の下部領域に冷却ガス室が、また上部領域に加熱ガス室が配置されている。降下流の場合には、これ等の室は逆に中心柱の中にある。
・底反射体である空洞の底には、ペブル引出部の外に開口がなく、この空洞の底は滑らかな表面と共に、より良い反射体作用と遮蔽作用を持つ大量の構造部材として、構造が低い場合（ここでは必要でないガス捕集室のためにも）形成されている。
・下流に流れる場合、加熱ガスは中心柱の下部ガス捕集室から簡単に蒸気発生部あるいは熱交換器に導入される。更に、加熱された冷却ガスを良好に混合できる。
上昇流の冷却ガスを従来の技術に合わせて、空洞の底の底面にある開口を通して燃料要素のペブルのばら積みの山に導く、中心柱と400MWの熱出力を持つペブルベッド高温原子炉は、炉心空洞からの冷却ガスの出口温度、150℃以上の出口温度に関する相違を示す。この温度差は、ペブル引出部が中心柱の壁のところに配置され、冷却ガスが中心柱の上でスリットを経由してペブルベッドに流入し、これ等のスリットが中心柱の下端に配置され、中心軸の長さの30％となる場合、10℃以下に低下する。出口温度差を更に低減するには中心柱の高さの上で可変される穴部分により達成される。その場合、冷却ガスの大部分は円錐引出部の上の領域のペブルベッドに導入される。
参照符号のリスト
円筒軸 １，１′
燃料要素のペブルのばら積みの山 ２，２′
反射体 ３，３′
ペブル引出部 ４，４′
空洞の底 ５，５′
底面 ６，６′
冷却ガス導入部 ７，７′
内壁 ８，８′
二滑動部 ９，１０
開口 １１
ガス捕集室 １２，１２′
円錐切り株部分 １３，１４
円錐角 １５
円錐基礎直径 １６，１７
円錐引出部の直径 １８
二滑動部 １９
開口 ２０
二滑動部 ２１
開口 ２２
円筒軸 ２３
中心柱 ２４
燃料要素のペブルのばら積みの山 ２５
反射体 ２６
円錐引出部 ２７
空洞の底 ２８
底面 ２９
中心柱の壁 ３０
内壁 ３１
冷却ガス導入部 ３２
二滑動部 ３３
合流開口 ３４

Claims (5)

1. 燃料要素のペブルが重力の作用で投入され、冷却ガスが降下流あるいは上昇流となって流れる炉心空洞であって、燃料要素のペブルを充填し、反射体の材料で仕切られている炉心空洞を備えたペブルベッド原子炉において、
   冷却ガスを排出あるいは導入するために設けてある冷却ガス導管（７，９，１０；７′，１９；３２，３３）が空洞の底（５，５′，２８）の底面（６，６′，２９）の上で横方向に炉心空洞に合流することを特徴とするペブルベッド原子炉。
2. 冷却ガス導管（７，９，１０）は燃料要素のペブルを引き出すため空洞（５）の底を盆状あるいは漏斗状に形成している場合、あるいは空洞の底を多数の盆状あるいは漏斗状に形成している場合、少なくとも二つの上下の面で盆の壁あるいは漏斗の壁に合流することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のペブルベッド原子炉。
3. 冷却ガス導管（９，１０；１９；３３）は水平に延びていることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載のペブルベッド原子炉。
4. 中心柱（２４）を炉心空洞に配置している場合、冷却ガス導管（３２，３３）は中心柱（２４）の中を進み、中心柱（２４）の壁のところ（３０）で合流することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のペブルベッド原子炉。
5. 燃料要素のペブルのために設けたペブル引出部（２７）は炉心空洞（２８）の中心柱（２４）の近くの底領域に配置されていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載のペブルベッド原子炉。

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