JP4006500B2 - 流量応答型炉停止駆動要素及び原子炉構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力プラントにおいて、受動的炉停止機構（ＳＡＳＳ：ＳｅｌｆＡｃｔｕａｔｅｄ Ｓｈｕｔｄｏｗｎ Ｓｙｓｔｅｍ）に適応させる流量応答型炉停止駆動要素及びこの流量応答型炉停止駆動要素を分散装架した原子炉構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に原子力プラントでは、冷却材循環機による炉心への冷却材の流量が低下することにより炉心冷却性能が低下する事故が発生した場合、これを検知し、制御棒を炉心に挿入して、原子炉出力を低下させ、原子炉を安全に停止させる設計としているが、万一の制御棒が炉心に挿入されない場合に対しても、炉心冷却性能低下事故が終息するように設計しなければならない。この対応として、炉心冷却性能低下による炉心状態及びこの炉心雰囲気の変化に基づき、受動的に制御棒が炉心に挿入される概念、即ち受動的炉停止機構（以下、ＳＡＳＳと称する）を採用する設計思想が有効とされている。
【０００３】
上記ＳＡＳＳは、ナトリウム冷却高速炉では、制御棒を磁石で保持し、炉心冷却性能低下事故等に冷却材が高温になることを利用して、磁石による保持力を低下して制御棒を落下させる概念が考えられている。この磁石式ＳＡＳＳの構造を、図８の炉心概念図によって説明すると、図中３１は炉心内に多数配列装架された炉心燃料集合体で、この炉心燃料集合体３１の群の中に一定配列に調整棒集合体３２が分散装架され、さらに同様に炉心燃料集合体３１の群の中に調整棒集合体３２に囲まれるように一定配列に安全棒集合体３３が分散装架されている。安全棒集合体３３の制御棒３４は電磁石３５により支持棒３６に保持されている。冷却材は下方から炉心燃料集合体３１に沿って上方へ矢印の如く流れる。
【０００４】
かかる構造の磁石式ＳＡＳＳにおいて、炉心燃料集合体３１内の燃料温度が上昇し、これに伴い燃料被覆管の温度も上昇すると、冷却材の温度も上昇する。この温度上昇した冷却材の上方への流れにより炉心中央部から安全棒集合体３３の制御棒３４を支持棒３６に保持している電磁石３５の部分に熱輸送され、電磁石３５の雰囲気温度が上昇し、電磁石３５の温度が上昇する。その結果、電磁石３５の制御棒保持力が低下し、制御棒３４が炉心中央部に落下し、炉が停止せしめられる。
【０００５】
ところで、ガス冷却炉のＳＡＳＳは、制御棒を下から支持して駆動しているため、単に磁石を切り離しても制御棒は落下しない。また、ガス冷却炉では、より高い温度状態で運転されるため、磁石による制御棒保持力が低下する。従って、磁石を大型化する必要がある。しかし、磁石を大型化すると、その熱容量が大きくなり、雰囲気温度の上昇に対する追従が鈍くなる。加えて、ガス冷却炉では冷却材であるガスの比熱および熱伝達率が小さいため、磁石自体の温度上昇はガスよりも遅れる。その結果、ＳＡＳＳの作動を遅らせることになり、早期に炉心冷却性能低下事故に対処できない可能性がある。先行技術文献として、特開平８−５０１８９号記載の原子炉停止装置がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、炉心の温度上昇が、炉心出力の割に冷却材流量が低下することにより生じることに着目し、冷却材流量の低下に反応させる方が磁石の温度上昇に依拠した方式よりも応答性の高いＳＡＳＳを構築できることから、差圧駆動式の流量応答型炉停止駆動要素を提供し、且つこの流量応答型炉停止駆動要素を炉心に挿入した原子炉構造を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の流量応答型炉停止駆動要素の１つは、炉心燃料集合体の外管と同じ長さで上端板に炉心出口導圧孔を設けた外管内に、下端板を貫通して上端部まで内管を同心に配設し、内管内には外管の下方に突出する内管下端部の底板から上端部まで炉心入口導圧管を同心に配設し、外管内にて内管の下部に内・外管連通孔を設け、内・外管内に前記炉心入口導圧管の炉心入口圧力と前記炉心出口導圧孔の炉心出口圧力が等しい時、炉心燃料域の上端レベルとなる量の液体金属を装入し、且つ外管内の液体金属に炉心燃料域の範囲にわたる長さで中性子吸収体を装入し、前記炉心入口導圧管の炉心入口圧力が前記炉心出口導圧孔の炉心出口圧力よりも高い時、その差圧により液面が移動し前記中性子吸収体が炉心燃料域よりも上方に位置するように構成したことを特徴とするものである。
【０００８】
かかる構成の流量応答型炉停止駆動要素において、中性子吸収体は、多数の球体から成る場合と、円筒状の成形物から成る場合とがあり、その構成金属は例えば炭化ホウ素ボロン合金、カドミウム合金等である。
【０００９】
本発明の流量応答型炉停止駆動要素の他の１つは、炉心燃料集合体の外管と同じ長さで上端板に炉心出口導圧孔を設けた外管内に、下端板を貫通して上端部まで内管を同心に配設し、外管の下方に突出する内管下端部の底板から上端部まで内管内に炉心入口導圧管を同心に配設し、外管内にて内管の下部に内・外管連通孔を設け、内・外管内に前記炉心入口導圧管の炉心入口圧力と前記炉心出口導圧孔の炉心出口圧力が等しい時、炉心燃料域の下端以下のレベルとなる量の液体金属を装入し、且つ外管内の液体金属に炉心燃料域の範囲にわたる長さの中性子反射体を炉心燃料域の下方にて装入し、前記炉心入口導圧管の炉心入口圧力が前記炉心出口導圧孔の炉心出口圧力よりも高い時、その差圧により液面が移動し前記中性子反射体が炉心燃料域に位置するように構成したことを特徴とするものである。
【００１０】
かかる構成の流量応答型炉停止駆動要素において、中性子反射体は、円筒状の成形物から成り、その構成は重水、ベリリウム、黒鉛、ステンレススチールなどである。
【００１１】
本発明の原子炉構造は、ガス冷却炉の炉心内に炉心燃料集合体が多数配列装架され、この炉心燃料集合体の群の中に調整棒集合体と安全棒集合体が一定配列に分散装架された原子炉構造において、調整棒集合体と安全棒集合体とに囲まれるように炉心燃料集合体の群の中に上記構成の２つの流量応答型炉停止駆動要素のいずれかが一定配列に分散装架されていることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の流量応答型炉停止駆動要素及び原子炉構造の実施形態について説明する。先ず、流量応答型炉停止駆動要素の１つの実施形態を図１，図２によって説明すると、１は炉心燃料集合体の外管と同じ長さの外管で、その外管１の上端板２に炉心出口導圧孔３が設けられている。外管１内には、下端板４を貫通して上端部まで内管５が同心に配設され、内管５内には、外管１の下方に突出する内管下端部の底板６を貫通して上端部まで炉心入口導圧管７が同心に配設されている。外管１内にて内管５の下部には内・外管連通孔８が設けられ、外管１及び内管５内に、前記炉心入口導圧管７の炉心入口圧力：Ｐ１ と前記炉心出口導圧孔３の炉心出口圧力：Ｐ₀が等しい時、炉心燃料域Ｆの上端レベルとなる量の鉛ビスマス等の液体金属９が装入されている。さらに外管１内の液体金属９中に、図１に示すように炉心燃料域Ｆの範囲にわたる高さで、多数の球体、例えばボロン球からなる中性子吸収体１０が装入されて、前記炉心入口導圧管７の炉心入口圧力：Ｐ₁が前記炉心出口導圧孔３の炉心出口圧力：Ｐ₀よりも高い時、その差圧により図２に示すように前記中性子吸収体１０が炉心燃料域Ｆよりも上方に位置するようになっている。尚、多数のボロン球からなる中性子吸収体１０は、図３に示すように炉心燃料域Ｆの範囲にわたる長さで、外管１と内管５との間で上下し得る円筒状の成形物の中性子吸収体１０′に代替してもよいものである。
【００１３】
上記のように構成された流量応答型炉停止駆動要素１１は、ガス冷却炉のＳＡＳＳ（受動的炉停止機構）として採用される。即ち、図４に示すようにガス冷却炉の炉心１２内に、炉心燃料集合体１３が多数配列装架され、この炉心燃料集合体１３の群の中に、調整棒集合体１４と安全棒集合体１５が一定配列に分散装架された原子炉構造において、前記調整棒集合体１４と安全棒集合体１５とに囲まれるように炉心燃料集合体１３の群の中に流量応答型炉停止駆動要素１１が一定配列に分散装架される。図４中、Ｆは炉心燃料域を示す。
【００１４】
上記のように流量応答型炉停止駆動要素１１を、炉心１２内の炉心燃料集合体１３の群の中に分散装架したガス冷却炉において、冷却材であるヘリウムは、炉心１２の下部のプレナム室１６に矢印のように入り、下から燃料集合体１３に沿って矢印のように上昇し、炉心燃料域Ｆで燃料から熱が与えられて温度上昇し、炉心１２から出ていく。この冷却材が一定量流れ、ガス冷却炉が定格運転されている時は、流量応答型炉停止駆動要素１１における炉心入口導圧管７の炉心入口圧力：Ｐ₁が炉心出口導圧孔３の炉心出口圧力：Ｐ₀よりも高いので、その差圧により図２に示すように内管５内の液体金属９が内・外管連通孔８を通して外管１内に押し出されてそのレベルが下降し、外管１内の液体金属９のレベルが上昇し、それに伴い外管１内の中性子吸収体１０（又は１０′）が炉心燃料域Ｆよりも上方に位置している。
【００１５】
然して、ガス冷却炉の冷却材流量低下事故時には、炉心温度が上昇し、冷却材温度が上昇し、冷却材の流量が零となるため、流量応答型炉停止駆動要素１１における炉心入口導圧管７の炉心入口圧力：Ｐ₁と炉心出口導圧孔３の炉心出口圧力：Ｐ₀とが等しくなり、図１に示すように外管１内の液体金属９が内・外管連通孔８を通して内管５内に戻り、外管１の液体金属９のレベルが下がり、内管５の液体金属９のレベルが上がって、両レベルが同一となる。これに伴い外管１内の中性子吸収体１０（又は１０′）が下降し、炉心燃料域Ｆに位置する。その結果、炉心燃料域Ｆで核分裂によって生成された中性子は、中性子吸収体１０（又は１０′）に吸収されていき、中性子の連鎖反応が抑えられ、原子炉出力が低下せしめられ、原子炉の安全停止がなされる。勿論、ガス冷却炉の緊急停止事故時或いは冷却材流量低下事故時には、炉心燃料集合体１３の群の中に分散装架された制御棒集合体１４と安全棒集合体１５は、本来の機能を果たすべく炉心燃料域Ｆのレベルに挿入される。
【００１６】
次に、流量応答型炉停止駆動要素の他の１つの実施形態を図５、図６によって説明すると、１は炉心燃料集合体の外管と同じ長さの外管で、その外管１の上端板２に炉心出口導圧孔３が設けられている。外管１内には、下端板４を貫通して上端部まで内管５が同心に配設され、内管５内には、外管１の下方に突出する内管下端部の底板６を貫通して上端部まで炉心入口導圧管７が同心に配設されている。外管１内にて内管５の下部に内・外管連通孔８が設けられ、外管１及び内管５内に、前記炉心入口導圧管７の炉心入口圧力：Ｐ₁と前記炉心出口導圧孔３の炉心出口圧力：Ｐ₀が等しい時、炉心燃料域Ｆの下端以下のレベルとなる量の鉛ビスマス等の液体金属９が装入されている。さらに外管１内の液体金属９中に、図５に示すように炉心燃料域Ｆの範囲にわたる長さで、外管１と内管５との間で上下し得る重水、ベリリウム、黒鉛、ステンレススチールなどからなる円筒状の成形物の中性子反射体１８が炉心燃料域Ｆの下方にて装入され、前記炉心入口導圧管７の炉心入口圧力：Ｐ₁が前記炉心出口導圧孔３の炉心出口圧力：Ｐ₁よりも高い時、その差圧により図６に示すように前記中性子反射体１８が炉心燃料域Ｆに位置するようになっている。
【００１７】
上記のように構成された流量応答型炉停止駆動要素１９は、ガス冷却炉のＳＡＳＳ（受動的炉停止機構）として採用される。即ち、図７に示すようにガス冷却炉の炉心１２内に、炉心燃料集合体１３が多数配列装架され、この炉心燃料集合体１３の群の中に、調整棒集合体１４と安全棒集合体１５が一定配列に分散装架された原子炉構造において、前記調整棒集合体１４と安全棒集合体１５とに囲まれるように炉心燃料集合体１３の群の中に流量応答型炉停止駆動要素１９が一定配列に分散装架される。図７中、Ｆは炉心燃料域を示す。
【００１８】
上記のように流量応答型炉停止駆動要素１９を炉心１２内の炉心燃料燃料集合体１３の群の中に分散装架したガス冷却炉において、冷却材であるヘリウムは、炉心１２の下部のプレナム室１６に矢印のように入り、下から燃料集合体１３に沿って矢印のように上昇し、炉心燃料域Ｆで燃料から熱が与えられて温度上昇し、炉心１２から出ていく。この冷却材が一定量流れ、ガス冷却炉が定格運転されている時は、流量応答型炉停止駆動要素１９における炉心入口導圧管７の炉心入口圧力：Ｐ₁が炉心出口導圧孔３の炉心出口圧力：Ｐ₀よりも高いので、その差圧により図６に示すように内管５内の液体金属９が内・外管連通孔８を通して外管１内に押し出されてそのレベルが下降し、外管１内の液体金属９のレベルが上昇し、それに伴い外管１内の中性子反射体１８が炉心燃料域Ｆに位置するので、核分裂によって生成された中性子は中性子反射体１８に反射されて洩れが少なくなり連鎖反応が維持され、所定の原子炉出力が得られる。
【００１９】
然して、ガス冷却炉の冷却材流量低下事故時には、炉心温度が上昇し、冷却材温度が上昇するが、冷却材の流量が零となるため、流量応答型炉停止駆動要素１９における炉心入口導圧管７の炉心入口圧力：Ｐ₁と炉心出口導圧孔３の炉心出口圧力：Ｐ₀が等しくなり、図５に示すように外管１内の液体金属９が内・外管連通孔８を通して内管５内に戻り、外管１の液体金属９のレベルが下がり、内管５の液体金属９のレベルが上がって、両レベルが同一となる。これに伴い外管１内の中性子反射体１８が下降し、炉心燃料域Ｆの下方に位置する。その結果、炉心燃料域Ｆで核分裂によって生成された中性子は、中性子反射体１８がないため洩れていき、中性子の連鎖反応が減少し、原子炉出力が低下せしめられ、原子炉の安全停止がなされる。勿論、ガス冷却炉の緊急停止事故時或いは冷却材流量低下事故時には、炉心燃料集合体１３の群の中に分散装架された調整棒集合体１４と安全棒集合体１５は、本来の機能を果たすべく炉心燃料域Ｆのレベルに挿入される。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明で判るように本発明の流量応答型炉停止駆動要素は、冷却材流量の低下に即応する入口圧力と出口圧力の差圧により、中性子吸収体を炉心燃料域に相当する位置に自動的に移動したり、或いは中性子反射体を炉心燃料域に相当する位置の外の下方に自動的に移動したりすることができるので、磁石の温度上昇に依拠した方式よりも敏速なＳＡＳＳの作動が可能である。また、磁石式のＳＡＳＳは低流量時に応答が遅くなるが、差圧は流量の２乗に比例するので、本発明の流量応答型炉停止駆動要素は、低流量でも有効に中性子吸収体或いは中性子反射体を所要の位置に移動できる。
【００２１】
また、本発明の原子炉構造は、上記の作用効果を奏する流量応答型炉停止駆動要素を、ガス冷却炉の炉心内における炉心燃料集合体の群の中に調整棒集合体と安全棒集合体に囲まれるように一定配列に分散装架したものであるから、ガス冷却炉の冷却材流量低下事故時に、流量応答型炉停止駆動要素における中性子吸収体を炉心燃料域に、或いは中性子反射体を炉心燃料域外に敏速に移動し、中性子の連鎖反応を減少して原子炉出力を低下することができるので、制御棒などの誤引き抜きがあっても事故に至らず、原子炉の安全停止を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の流量応答型炉停止駆動要素の一実施形態で、中性子吸収体が炉心燃料域に位置している状態を示す縦断面図である。
【図２】図１における中性子吸収体が炉心燃料域外の上方に位置している状態を示す縦断面図である。
【図３】中性子吸収体の他の例を示す斜視図である。
【図４】図１の流量応答型炉停止駆動要素を炉心燃料集合体の群の中に分散装架したガス冷却炉の炉心概念図である。
【図５】本発明の流量応答型炉停止駆動要素の他の実施形態で、中性子反射体が炉心燃料域外の下方に位置している状態を示す縦断面図である。
【図６】図５における中性子反射体が炉心燃料域に位置している状態を示す縦断面図である。
【図７】図５の流量応答型炉停止駆動要素を炉心燃料集合体の群の中に分散装架したガス冷却炉の炉心概念図である。
【図８】磁石式ＳＡＳＳの構造を示すナトリウム冷却高速炉の炉心概念図である。
【符号の説明】
１ 外管
２ 上端板
３ 炉心出口導圧孔
４ 下端板
５ 内管
６ 底板
７ 炉心入口導圧管
８ 内・外管連通孔
９ 液体金属
１０ 中性子吸収体（ボロン球）
１０′中性子吸収体（円筒状の成形物）
１１ 流量応答型炉停止駆動要素
１２ 炉心
１３ 炉心燃料集合体
１４ 調整棒集合体
１５ 安全棒集合体
１６ プレナム室
１８ 中性子反射体
１９ 流量応答型炉停止駆動要素
Ｆ 炉心燃料域

Claims (3)

1. 炉心燃料集合体の外管と同じ長さで上端板に炉心出口導圧孔を設けた外管内に、下端板を貫通して上端部まで内管を同心に配設し、内管内には外管の下方に突出する内管下端部の底板から上端部まで炉心入口導圧管を同心に配設し、外管内にて内管の下部に内・外管連通孔を設け、内・外管内に前記炉心入口導圧管の炉心入口圧力と前記炉心出口導圧孔の炉心出口圧力が等しい時、液面が炉心燃料域の上端レベルとなる量の液体金属を装入し、且つ外管内の液体金属に炉心燃料域の範囲にわたる長さで中性子吸収体を装入し、前記炉心入口導圧管の炉心入口圧力が前記炉心出口導圧孔の炉心出口圧力よりも高い時、その差圧により液面が移動し前記中性子吸収体が炉心燃料域よりも上方に位置するように構成したことを特徴とする流量応答型炉停止駆動要素。
2. 炉心燃料集合体の外管と同じ長さで上端板に炉心出口導圧孔を設けた外管内に、下端板を貫通して上端部まで内管を同心に配設し、内管内には外管の下方に突出する内管下端部の底板から上端部まで炉心出口導圧管を同心に配設し、外管内にて内管の下部に内・外管連通孔を設け、内・外管内に前記炉心入口導圧管の炉心入口圧力と前記炉心出口導圧孔の炉心出口圧力が等しい時、液面が炉心燃料域の下端以下のレベルとなる量の液体金属を装入し、且つ外管内の液体金属に炉心燃料域の範囲にわたる長さの中性子反射体を炉心燃料域の下方に装入し、前記炉心入口導圧管の炉心入口圧力が前記炉心出口導圧孔の炉心出口圧力よりも高い時、その差圧により液面が移動し前記中性子反射体が炉心燃料域に位置するように構成したことを特徴とする流量応答型炉停止駆動要素。
3. ガス冷却炉の炉心内に炉心燃料集合体が多数配列装架され、この炉心燃料集合体の群の中に調整棒集合体と安全棒集合体が一定配列に分散装架された原子炉構造において、調整棒集合体と安全棒集合体とに囲まれるように炉心燃料集合体の群の中に請求項１又は２記載の流量応答型炉停止駆動要素が一定配列に分散装架されていることを特徴とする原子炉構造。

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