JP4996158B2 - 高速炉 - Google Patents

Description

本発明は高速炉に係り、特に断熱性および強度に優れた隔壁を備え、性能および信頼性向上を図った高速炉に関する。

従来、高速炉の一例として、下記の特許文献１により開示された構成のものがある。この高速炉の構成について、図５を参照して説明する。

図５に示すように、この高速炉１は、核燃料の集合体からなる炉心２を有し、この炉心２は全体としてほぼ円柱状に形成されている。炉心２はこれを保護する炉心槽３によって外周を取囲まれている。炉心槽３の外側には、炉心槽３を取囲む円環状の反射体４が配置されている。

反射体４の外側には、反射体４を取囲み、１次冷却材の流路の内壁を構成する隔壁６が設けられている。隔壁６の外側には、間隔をあけて冷却材の流路の外壁を構成する原子炉容器７が配置されている。冷却材流路中には、中性子遮へい体８が炉心２を取囲むように配置されている。

炉心２および炉心槽３、隔壁６および中性子遮へい体８は、それぞれ全て炉心支持板１３に搭載され支持されている。
特許第３１２６５２４号公報

上述した高速炉において、炉心、炉心槽、隔壁、および中性子遮蔽体は、長尺で剛性が低いため耐震性など構造健全性の点から片端支持でなく、両端支持あるいは数ヶ所を支持する構成とすることが望ましい。

ここで、高速炉の冷却材温度は３５０〜５００℃で、炉心出口から中間熱交換器入口までのホット領域では５００℃、中間熱交換器から炉心入口までのコールド領域では３５０℃と、炉心支持構造物は高温かつ過大な温度差の条件で使用される。

また、炉心の高さは４〜５ｍであるため、炉心支持構造物は長尺構造である。従って、構造部材の鉛直方向の熱膨張量が非常に大きくなるため、両端支持あるいは数ヶ所を支持することは、構造部材の鉛直方向の自由な熱膨張を抑制することになり、その結果過大な熱応力が構造部材に発生することになる。

特に、１次冷却材の流路の内壁を構成する隔壁は、ホット領域とコールド領域との間の過大な温度差だけでなく、圧力差も受けるため、非常に厳しい環境にさらされる。

また、炉心出口の高温流体との熱交換により、中間熱交換器出口流体の温度が上昇した場合には、中間熱交換器入口温度が低下し、中間熱交換器入口と出口との間の温度差が減少するため、熱交換性能が低下する。

また、中間熱交換器下部の電磁ポンプの温度を上昇させることになり、故障の原因に繋がる。さらに、炉心入口までのコールド領域には原子炉容器、中性子遮蔽体、および炉心支持板があり、温度を下げて強度を確保する必要があるが、これらの温度が上昇することで強度が低下し、最悪の場合はクリープ損傷する危険性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、断熱性と強度に優れた隔壁を実現し、高性能でかつ信頼性の高い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、本発明では、炉心を構成する燃料集合体を搭載するエントランスモジュールと、このエントランスモジュールを搭載する炉心支持台と、この炉心支持台を搭載し原子炉容器に取付けられた炉心支持板と、前記炉心の外周を取囲む炉心槽と、この炉心槽の外周を取囲み上下に移動する反射体と、この反射体の外周を取囲み１次冷却材の冷却材流路の内壁を構成する隔壁と、この隔壁の外周を取囲み前記冷却材流路中に配設された中性子遮蔽体と、前記炉心槽と前記隔壁と前記中性子遮蔽体とを支持する原子炉容器に取付けられた上部支持板と、この上部支持板の上方の環状空間に設置され前記原子炉容器から取出し可能な中間熱交換器と、この中間熱交換器の上部に配設された崩壊熱除去コイルと、前記中間熱交換器の下部に配設された電磁ポンプとを有する高速炉において、前記炉心槽と前記隔壁とを一体化して同一の構造物としたことを特徴とする高速炉を提供する。

本発明に係る高速炉によれば、炉心槽と隔壁とを一体化して同一の構造物としたことにより、断熱性と強度が向上し、高性能化かつ信頼性向上が図れるようになる。

以下、本発明に係る高速炉の実施形態について図１〜図４を参照して説明する。なお、従来例と同一の構成部分については、図１〜図４に図５と同一の符号を付し、説明を省略する。

［第１実施形態（図１、図２）］
図１は、本発明の第１実施形態に係る高速炉の構成を示す全体断面図であり、図２は図１に示した高速炉の下部拡大図である。

図１および図２に示すように、本実施形態の高速炉１は、主に炉心２、炉心槽３、反射体４、隔壁６、中性子遮蔽体８、原子炉容器７、燃料集合体３７、エントランスモジュール３８、炉心支持板１３、上部支持板２９、中間熱交換器１５、電磁ポンプ１４、炉停止棒２６、上部プラグ１０、ガードベッセル９、および格納ドーム２９から構成されている。

燃料集合体３７は１体毎に、エントランスモジュール３８に取付けられ、エントランスモジュール３８は炉心支持台３９に取付けられている。炉心支持台３９は炉心支持板１３の上面に取付けられ、炉心支持板１３は原子炉容器７に取付けられている。

隔壁６および炉心槽３は一体化され、ベース２５を介して炉心支持板１３の上面に取付けられている。これにより、従来別々の構造物として炉心支持板１３に取付けられる場合に比べて隔壁６および炉心槽３の剛性を向上させることができる。

また、二度に分けられていた取付け回数が一度に減少することにより、作業工程を短縮することができる。さらに、隔壁６と炉心槽３とのギャップは反射体４の移動領域であるため、ギャップには厳しい管理が必要であるが、本実施形態では隔壁６と炉心槽３とを一体化したことにより、ギャップの管理が不要となり、取付け性を大幅に改善することができる。

また、隔壁６の上端は中間熱交換器１５の入口近傍に位置し、隔壁６の中間部には上部支持板２９が設置され、上部支持板２９は原子炉容器７に取付けられている。隔壁６は上部支持板２９に固定されておらず、水平方向のみ支持され、上下方向には支持されずに自由に摺動できるため、軸方向の熱膨張は拘束されない。

中性子遮蔽体８の下端は、炉心支持板１３に設けられた孔４０ａに差し込まれ、上端は上部支持板２９に設けられた孔４０ｂに差し込まれている。中性子遮蔽体８は、炉心支持板１３と上部支持板２９で挟み込んで支持されている。中性子遮蔽体８と上部支持板２９とは互いに密着せず、これらの間には熱膨張を吸収するために適切なギャップが設けられている。

炉心２を構成する燃料集合体３７は、エントランスモジュール３８および炉心支持板１３を介して原子炉容器７に取付けられた炉心支持板１３で支持されているため、自重や地震時の鉛直方向および水平方向の荷重は、炉心支持板１３を介して原子炉容器７に伝達される。

一方、燃料集合体３７の上端側は、炉心槽３の荷重パッド４１で燃料集合体３７の水平方向荷重を受け、炉心槽３からの水平荷重は、炉心槽３と隔壁６の間の周方向数ヶ所に設置されたリブ２４を介して隔壁６に伝えられる。また、隔壁６からの水平荷重は、上部支持板２９を介して原子炉容器７に伝達される。燃料集合体３７の上端は、このように水平方向のみを支持されているが、上下方向には拘束されていないため、燃料集合体３７は上下方向で自由に熱膨張が可能である。ここで、荷重パッド４１とリブ２４とを炉心槽３の上下方向と周方向に複数設置し、中間支持板４２をそれらの外側に取付けることで、上部支持板２９だけの場合よりも水平方向荷重から炉心２をより確実に保護することができる。

また、本実施形態では、電磁ポンプ１４により加圧された流体が中間熱交換器１５の入口側へリークすること防止するため、隔壁６と中間熱交換器１５あるいは隔壁６と電磁ポンプ１４との間には仕切り板３０が設けられ、この仕切り板３０と隔壁６、中間熱交換器１５あるいは電磁ポンプ１４との接触面に、ラビリンスシールが設けられてシールされている。仕切り板３０は複数枚であってもよい。これにより、リークによる高速炉１の性能の低下を防止することができる。ここで、ラビリンスシールではなく、ベローズを使用することもできる。ベローズを使用した場合には、隔壁６と中間熱交換器１５あるいは電磁ポンプ１４との間の熱膨張差を吸収したシール構造を形成することができる。

以上説明したように第１実施形態によれば、強度に優れた隔壁を実現し、信頼性の高い高速炉を提供することができる。

［第２実施形態（図３）］
図３は、本発明の第２実施形態を示す構成図である。なお、第１実施形態と同一の構成部品には図３に図１と同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図３に示すように、本実施の形態の高速炉１では、隔壁６が上部隔壁６ａと下部隔壁６ｂとに分割構成されている。

下部隔壁６ｂおよび炉心槽３は一体化され、ベース２５を介して炉心支持板１３の上面に取付けられている。これにより、従来別々の構造物として炉心支持板１３に取付けられる場合に比べて、下部隔壁６ｂおよび炉心槽３の剛性を向上させることができる。

下部隔壁６ｂの上端には上部支持板２９が設置され、上部支持板２９は原子炉容器７に取付けられている。下部隔壁６ｂは上部支持板２９に固定されておらず、水平方向のみ支持され、上下方向には支持されないで自由に摺動できるため、軸方向の熱膨張は拘束されない。

一方、上部隔壁６ａは上部支持板２９に取付けられており、上端は中間熱交換器１５の入口付近に位置し、締結部３２は下部隔壁６ｂおよび炉心槽３の上端よりも下側に位置している。これにより、締結部３２が高温の炉心出口流体２ａに直接さらされることなく、またコールド領域の中間熱交換器１５の出口流体にさらされるため、締結部３２の温度を下げ、強度を確保することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、強度に優れた隔壁を実現し、信頼性の高い高速炉を提供することができる。

［第３実施形態（図４）］
次に、本発明の第３実施形態について、図４を参照して説明する。なお、第１および第２実施形態と同一の構成部品には、図４に図１〜図３と同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図４に示すように、本実施の形態の高速炉１においては、上部隔壁６ａに断熱材３４が配設されている。この断熱材３４の外周は、カバー３３によって取囲まれている。ここで上部隔壁６ａの内側に断熱材３４を取付けることで、上部隔壁６ａの温度を下げ、強度を保つことができる。上部隔壁６ａの外側に断熱材３４を取付けることも可能であるが、内側の方が上部隔壁６ａの健全性の点では望ましい。また、断熱材３４は、熱伝導率が非常に小さいジルコニアセラミックスブロックであり、断熱性に優れた隔壁を実現することができる。ジルコニアセラミックスは、強靭性の材料であるため欠けにくく、万一カバーが損傷した場合にも、欠片が炉内に散乱しにくくなる。ここで、断熱材３４の素材は炭化珪素セラミックス、窒化珪素セラミックス、アルミナセラミックスのいずれでもよく、ファイバー材であってもよい。

このように、上部隔壁６ａに断熱材３４を取付けることで、炉心出口のホット領域の熱が中間熱交換器１５の出口側に伝わるのを抑え、熱交換性能の低下、電磁ポンプ１４の損傷、原子炉容器７、中性子遮蔽体８、上部支持板２９および炉心支持板１３等のコールド領域の各機器の損傷を防ぐことができる。

また、上部隔壁６ａには熱膨張吸収手段３６が備えられており、上部隔壁６ａとカバー３３との上下方向の熱膨張を吸収することができる。ここでは、熱膨張吸収手段３６の一例としてベローズが上部隔壁６ａに備えられているが、ベローズはカバー３３に備えられていてもよい。

さらに、上部隔壁６ａの高さ方向には仕切り板３５が配設されている。この仕切り板３５により断熱材３４が高さ方向に細かく分割されて配設されており、これにより断熱材３４の製作性が向上し、強度を確保することができる。また、周方向にも仕切り板を配設することにより、上部隔壁６ａの剛性を高めることができる。

以上説明したように本発明の第３実施形態によれば、断熱性と強度に優れた隔壁を実現し、信頼性の高い高速炉を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る高速炉を示す全体構成図。 図１に示した高速炉の下部拡大図。 本発明の第２実施形態に係る高速炉を示す構成図。 本発明の第３実施形態に係る高速炉を示す構成図。 高速炉の従来例を示す構成図。

符号の説明

１ 高速炉
２ 炉心
３ 炉心槽
４ 反射体
６ 隔壁
６ａ 上部隔壁
６ｂ 下部隔壁
７ 原子炉容器
８ 中性子遮蔽体
１３ 炉心支持板
１４ 電磁ポンプ
１５ 中間熱交換器
１６ 崩壊熱除去コイル
２９ 上部支持板
３０ 仕切り板
３２ 締結部
３３ カバー
３４ 断熱材
３５ 仕切り板
３６ 熱膨張吸収手段
３７ 燃料集合体
３８ エントランスモジュール
３９ 炉心支持台

Claims (4)

1. 炉心を構成する燃料集合体を搭載するエントランスモジュールと、
   このエントランスモジュールを搭載する炉心支持台と、
   この炉心支持台を搭載し原子炉容器に取付けられた炉心支持板と、
   前記炉心の外周を取囲む炉心槽と、
   この炉心槽の外周を取囲み上下に移動する反射体と、
   この反射体の外周を取囲み１次冷却材の冷却材流路の内壁を構成する隔壁と、
   この隔壁の外周を取囲み前記冷却材流路中に配設された中性子遮蔽体と、
   前記炉心槽と前記隔壁と前記中性子遮蔽体とを支持する原子炉容器に取付けられた上部支持板と、
   この上部支持板の上方の環状空間に設置され前記原子炉容器から取出し可能な中間熱交換器と、
   この中間熱交換器の上部に配設された崩壊熱除去コイルと、
   前記中間熱交換器の下部に配設された電磁ポンプとを備え、
   前記炉心槽と前記隔壁とを一体化して同一構造物としたことを特徴とする高速炉。
2. 前記隔壁を、上部支持板を境にして上部隔壁と下部隔壁とに分割する構成とした請求項１記載の高速炉。
3. 前記上部隔壁の内側に断熱材を配設し、その断熱材の外周をカバーで取囲んだ構成とした請求項２記載の高速炉。
4. 前記断熱材が、ジルコニアセラミックスである請求項３記載の高速炉。

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