JP4886220B2

JP4886220B2 - 高速炉

Info

Publication number: JP4886220B2
Application number: JP2005163346A
Authority: JP
Inventors: 靖坪井; 竜馬加藤; 明雄高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2025-06-02
Also published as: JP2006337215A

Description

本発明は、高速炉（高速増殖炉）に係り、特に運転初期段階における反応度を安定的に制御することができる高速炉の炉心、制御棒および中性子吸収構造に関するものである。

核燃料集合体で構成される高速炉の炉心は、炉心バレルにより周囲から被覆して保護されており、その外側には炉心の反応を制御する反射体が炉心を囲うように設けられている。反射体は上方の反射体駆動軸によって上下方向に駆動されるように構成されており、反射体の外側周囲には隔壁が設けられている。隔壁の外側周囲には遮蔽体が設けられている。隔壁は上方に延びており、隔壁の外側には、電磁ポンプ及び中間熱交換器が上方から吊持されている。電磁ポンプと隔壁との間はシールベローズによってシールされ、中間熱交換器の上方には、崩壊熱除去コイルが設けられ、崩壊熱の静的直接除去システム（ＰＲＡＣＳ：Primary Reactor Auxiliary Cooling System）として作動するようになっている。これらの全てが原子炉容器内に収納されており、この原子炉容器はガードベッセル内に収納されている。

また、高速炉は約２０ｍの縦長であるため、電磁ポンプが止まった場合でも大きな自然循環流量が得られると共に、崩壊熱を原子炉容器からガードベッセルに輻射で伝熱し、さらにガードベッセルの外側は空気が自然通風で流れるようにしているため、直接外に熱を伝えて除去する原子炉自然放熱システム（ＲＶＡＣＳ：Reactor Vessel Auxiliary Cooling System）として作動する。高速炉は、原子炉容器の寿命（３０年）中の中性子照射量が１０２３ｎｖｔ（Ｅ＞０．１ＭｅＶ）を超え、従来のステンレス鋼の使用限界を超えるため、材料は高クロム鋼に限定される。高速炉は、炉心を囲った反射体を徐々に移動することにより、燃焼していない炉心を少しずつ燃焼させ１０年以上の長期間燃料を燃焼し続けることができる。また、燃料交換は、炉心の上方に位置する電磁ポンプおよび中間熱交換器を外して行うことができる。

原子炉冷却材は炉心を冷却し、加熱された後（〜５００℃）に、炉心の上方の電磁ポンプで駆動され、中間熱交換器で２次冷却材と熱交換し、再び炉心に導かれる。さらに、原子炉を停止させる際には、炉心の上部に設けられている中性子吸収棒を中性子吸収棒保持棒から外して落下させるか、または、反射体を降下させる方法があるが、両炉停止系が不作動の場合にも、負の温度係数による固有の停止特性により原子炉を停止させることができる。

中性子吸収および中性子吸収棒保持棒は、上部プラグにより吊持され、中心が垂直方向に延ばされ、炉心上部に位置している。また、中性子吸収棒は案内管に格納されており、延長棒と中性子吸収棒保持棒とを連結して保持している。反射体の上部にはボイド管が設置されており、ボイド管により冷却材を排除することにより反射体の価値を高めている。

従来、運転時における反応度を安定的に制御するために、種々の提案がされている。例えば、簡素な構成で高速炉の制御可能な燃焼反応度を増大させ、水没時の未臨界性の確保と核燃料の反応度寿命の長期化を図る技術（特許文献１参照）、ナトリウム等の冷却材流量低下時に負の反応度が自動的に投入されることにより炉心の安全性を向上する技術（特許文献２参照）、制御棒にカムユニットを適用して炉心反応度を確実に行う技術（特許文献３参照）、中央部分が空洞部となるように多数の燃料集合体を束ね、全体として円環状に配設する技術（特許文献３参照）等が知られている。
特開平５−５２９７９号公報特開平８−２０１５６２号公報特開平５−１９６７７１号公報

上述した従来の技術では、主として通常運転における長期寿命化等に着目されている。しかし、炉心の長寿命化のために運転初期の余剰反応度を大きくすると、炉停止の余裕が小さくなるという問題がある。

また、反射体のボイド管では破損した場合に冷却材が侵入し、反応度が挿入される可能性がある。また、反射体は炉心からの中性子束及びγ線により発熱しており、その発熱を適切に除熱する必要がある。

さらに、反射体にはシリコンカーバイド等の炭素系材料により反射体の反応度を高めることができ、その場合には冷却材流れから被覆する必要があり、缶の変形を防止する必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、運転初期の炉停止余裕を十分確保することができ、ボイド管の破損時に入る反応度を小さくすることを可能とし、冷却材温度を一定とすることができ、反射体の変形防止を有効に図ることができる高速炉を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、原子炉容器の炉心部に六角管状の核燃料集合体と六角管状のラッパ管を配置し、このラッパ管内に円筒状の制御棒案内管を挿入し、この制御棒案内管に沿って制御棒を昇降し得るようにし、前記原子炉容器の炉心部周囲に反射体を設置し、この反射体の上部に、軸方向および周方向の少なくともいずれかの方向に複数分割されたボイド管を設置し、前記炉心部はこの炉心部に供給される冷却材によって冷却される高速炉において、前記ラッパ管と前記制御棒案内管とのギャップ部に、ハフニウムを適用し中性子を吸収して出力を抑制する中性子吸収材を設置したことを特徴とする高速炉を提供する。

本発明によれば、制御棒案内管の外側に、従来設けられていなかった中性子吸収材を固定配置することにより、出力を抑制することができ、炉心の長寿命化のために運転初期の余剰反応度を大きくする場合においても、運転初期の炉停止余裕を十分確保することができる。したがって、ボイド管の破損時に入る反応度を小さくすることが可能となり、温度を一定とすることができ、反射体の変形を防ぐことができる。

以下、本発明に係る高速炉の実施の形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態（図１、図２）］
図１は、本発明の第１実施形態を示すもので、制御棒構成を示す縦断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図である。

図１に示すように、本実施形態では、原子炉容器の炉心部に配置される六角管状のラッパ管１を備えている。このラッパ管１は、長尺な縦長管状のものであり、上下端部が開口した構成となっている。ラッパ管１の下端開口には冷却材流入口２が開口している。このラッパ管１内に円筒状の制御棒案内管３が同心配置で挿入され、制御棒案内管３内には制御棒４が挿入されている。制御棒４の上端は、図示省略の制御棒駆動機構から垂下する垂直な駆動軸５に、連結部６を介して連結された延長棒７を介して、昇降可能に吊下されている。

このような構成において、ラッパ管１と制御棒案内管３との間に形成されているギャップ部８に、中性子吸収体９が設置されている。この中性子吸収体９は、中性子吸収材として多数のハフニウム板１０を適用したものである。すなわち、図２に拡大して示すように、ラッパ管１の内周面に沿う横断面六角形の外側被覆缶１１と、制御棒４を覆うように配置された横断面円形の内側被覆缶１２との間に、多数のハフニウム板１０が放射状に配列して設けられている。本実施形態では、これらの被覆缶１１，１２および中性子吸収材としてのハフニウム板１０の全体が一体型として構成された場合を示している。なお、図２に示すように、制御棒４は、制御棒被覆管１３内に多数の吸収棒１４を収納した構成となっている。

また、ラッパ管１の下端の冷却材入口内には、制御棒案内管３とギャップ部８に設置された中性子吸収体９とに冷却材を供給する冷却材流路１５が形成されている。そして、冷却材流路１５にはオリフィス１６が形成され、このオリフィス１６によって冷却材が配分され、ラッパ管１と制御棒案内管３との間の中性子吸収体９側に向けて流れるようになっている。このようにして、制御棒４の吸収棒１４とハフニウム板１０からなる中性子吸収材がそれぞれ冷却される。なお、以上の構成を有する制御棒集合体は、燃料交換機で取り扱うことができる。

本実施形態によれば、固定した中性子吸収体９を制御棒案内管３の外側に配置することにより、固定状態で設置することができる。そして、制御棒案内管３の外側には、従来設けられていなかったハフニウム板１０からなる中性子吸収材を固定配置することにより、出力を抑制することができ、炉心の長寿命化のために運転初期の余剰反応度を大きくする場合においても、運転初期の炉停止余裕を十分確保することができる。したがって、ボイド管の破損時に入る反応度を小さくすることが可能となり、温度を一定とすることができ、中性子反射体の変形防止に対しても効果がある。なお、中性子吸収体９への冷却材流量はオリフィス１６によって調整することができる。

［第２実施形態（図３〜図５）］
図３は、本発明の第２実施形態を示すもので、制御棒構成を示す縦断面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図であり、図５は作用説明図である。

図４に示すように、本実施形態では、ギャップ部８に設置される中性子吸収体９が周方向に沿って複数体に分割されている。図４に示した例では、ラッパ管１に沿う各角部から分割され、例えば図１に示した中性子吸収体９を６体に分けた分割体９ａとして構成されている。そして、各分割体９ａには、図３に示すように、それぞれ上方からワイヤ１７が接続されおり、これらのワイヤ１７で吊上げ可能となっている。

図３には、図１で省略した上部案内管１８が示されている。ワイヤ１７は、この上部案内管１８内に挿通されている。また、案内管の分割体９ａが挿通する上部案内管１８の下端位置には、例えばピン状の進退式止め部材１９ａを有するストッパ１９が設けられている。そして、図５に示すように、ラッパ管１からワイヤ１７によって引上げた中性子吸収材の分割体９ａを、ストッパ１９によって吊り下げた高さ位置に停止させ、上部案内管１８内に保持できるようになっている。

このような本実施形態によれば、必要な中性子吸収量に応じて中性子吸収体９の分割体９ａを制御棒４の上方に移動させて冷却材からの中性子吸収量を調整することができる。したがって、高速炉運転が例えば初期運転から通常運転に移行して出力を高めるような場合等に適宜対応することができ、実用性の高いものとすることができる。

ここでは中性子吸収材を周方向に６分割した例を示したが、中性子吸収量の調整を容易とする構成が実現される限り、分割数はこれに限定されない。なお、他の構成については、第１実施形態と同様であるから、図に第１実施形態と同一符号を付して説明を省略する。

［第３実施形態（図６、図７）］
図６は、本発明の第３実施形態を示すもので、高速炉の炉心構造を示す縦断面図である。図７は、図６のＣ−Ｃ線に沿う拡大断面図である。

図６および図７に示すように、原子炉容器の炉心２０の周囲に反射体２１が設置されており、この反射体２１の上部に、中性子吸収用のボイド管（キャビティ管）２２が設置されている。このボイド管２２は、軸方向および周方向の少なくともいずれかの方向に複数分割された構成となっている。本実施形態では、このボイド管２２が、図６に示すように、軸方向に３個に分割され、図７に分割線（鎖線）で示すように、周方向に２つに分割され、計６個の分割体２２ａとされている。これらのボイド管２２は反射体駆動軸２３により吊下される構成となっている。なお、各分割体２２ａには冷却材流路孔２４が形成されている。

このような本実施形態の構成によると、原子炉容器の炉心２０の周囲に設置される反射体２１を分割することにより、各分割体２２ａの反応度を小さくすることができ（図示の例では１／６）、ボイド管２２の破損時の対応としての利点を得ることができる。なお、かかる利点を得るために反射体２１を分割する具体的構成については図示したものには限定されず、軸方向、周方向それぞれに分割する構成に代えて、例えば軸方向または周方向のいずれかの方向に複数分割する構成としてもよい。

［第４実施形態（図８、図９）］
図８は、本発明の第４実施形態を示すもので、高速炉の炉心構造を示す縦断面図である。図９は、図８のＤ−Ｄ線に沿う拡大断面図である。

図８および図９に示すように、本実施形態では、原子炉容器の炉心２０の周囲に反射体２１が設置されている。この反射体２１の構成要素には、冷却材流路孔２４が径方向に分割して配置されている。この反射体２１の冷却材流路孔２４は、炉心の内周側ほど密に、または出力に依存して内側ほど大径に形成されている。

このような構成によると、発熱が大きい炉心側では冷却材流路孔２４の密度を高め、相対的に発熱が小さい外周側では冷却材流路孔２４の密度が低いことから、反射体２１全体として、温度の均一化が図れるようになる。

［第５実施形態（図１０〜図１３）］
図１０は、本発明の第５実施形態を示すもので、高速炉の炉心構造を示す縦断面図である。図１１は、図１０のＥ−Ｅ線に沿う拡大断面図である。図１２は、図１１の「イ」部を拡大して示す拡大図であり、図１３は、図１２の「ロ」部をさらに拡大して示したものである。

図１０〜図１２に示すように、本実施形態では、反射体２１の構成要素が、炭素系材料である例えばシリコンカーバイドまたはグラファイトを適用したブロック３０を集合配列して構成されている。すなわち、シリコンカーバイドまたはグラファイト等は鉄等に比して中性子の反射性が高いので、中性子反射特性を高めることができる。これらのブロック３０には冷却材流路孔２４が形成されている。

なお、シリコンカーバイドまたはグラファイトからなる反射体２１は表面保護のため、その表面側が、例えばステンレス鋼製の板からなる被覆缶３１によって被覆されている。そして、この被覆缶３１の端部の接合部は、図１３に示すように、板材の折り曲げによる接合部３２によって重合した構成とされており、これにより、接合部３２に照射変形あるいは熱変形等の負荷により荷重が作用した場合に、板材の摺動によって容易に吸収されるようになっている。このように、シリコンカーバイド等からなるブロック３０の被覆缶３１においては、炉心側の被覆材の照射変形による伸び変形をこの摺動部分において吸収することにより、反射体２１の変形を防ぐことができる。

本発明に係る高速炉の第１実施形態を示す縦断面図。図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。本発明の第２実施形態を示す制御棒構成を示す縦断面図。図３のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図。本発明の第２実施形態の作用説明図。本発明の第３実施形態を示す高速炉の炉心構造を示す縦断面図。図６のＣ−Ｃ線に沿う拡大断面図。本発明の第４実施形態を示す高速炉の炉心構造を示す縦断面図。図８のＤ−Ｄ線に沿う拡大断面図。本発明の第５実施形態による炉心構造を示す縦断面図。図１０のＥ−Ｅ線に沿う拡大断面図。図１１の「イ」部を拡大して示す拡大図。図１２の「ロ」部を拡大して示す拡大図。

符号の説明

１‥ラッパ管、２‥冷却材流入口、３‥制御棒案内管、４‥制御棒、５‥駆動軸、
６‥連結部、７‥延長棒、８‥ギャップ部、９‥中性子吸収体、９ａ‥分割体、
１０‥ハフニウム板、１１，１２‥被覆缶、１３‥制御棒被覆管、１４‥吸収棒、
１５‥冷却材流路、１６‥オリフィス、１７‥ワイヤ、１８‥上部案内管、
１９ａ‥止め部材、１９‥ストッパ、２０‥炉心、２１‥反射体、２２‥ボイド管、
２２ａ‥分割体、２３‥反射体駆動軸、２４‥冷却材流路孔、３０‥ブロック、
３１‥被覆缶。

Claims

原子炉容器の炉心部に六角管状の核燃料集合体と六角管状のラッパ管を配置し、このラッパ管内に円筒状の制御棒案内管を挿入し、この制御棒案内管に沿って制御棒を昇降し得るようにし、前記原子炉容器の炉心部周囲に反射体を設置し、この反射体の上部に、軸方向および周方向の少なくともいずれかの方向に複数分割されたボイド管を設置し、前記炉心部はこの炉心部に供給される冷却材によって冷却される高速炉において、前記ラッパ管と前記制御棒案内管とのギャップ部に、ハフニウムを適用し中性子を吸収して出力を抑制する中性子吸収材を設置したことを特徴とする高速炉。
前記ラッパ管内には、前記制御棒案内管および前記中性子吸収材に冷却材を供給する冷却材流路を形成し、この冷却材流路に前記冷却材を配分するオリフィスを設けた請求項１記載の高速炉。
前記ギャップ部に設置される中性子吸収材を周方向に分割した請求項１記載の高速炉。
分割した前記中性子吸収材を上方からワイヤで吊上げ可能とした請求項３記載の高速炉。
分割した前記中性子吸収材を吊上げた位置に停止させ、ピン状の進退式止め部材を有するストッパを、分割した前記中性子吸収材が挿通する上部案内管の下端位置に設けた請求項４記載の高速炉。
前記反射体に、軸方向に形成された冷却材流路孔を径方向に複数列配置した請求項５記載の高速炉。
前記反射体の冷却材流路孔は、内周側ほど密に、または出力に依存して内側ほど大径とした請求項６記載の高速炉。
前記反射体の構成要素として、シリコンカーバイドまたはグラファイトを適用した請求項７記載の高速炉。
前記反射体の構成要素をステンレス鋼板からなる被覆体で被覆した請求項８記載の高速炉。
前記被覆体の接合部に折り込み部を設け、この折り込み部を介して前記被覆体を摺動可能な構成とした請求項９記載の高速炉。