JP5948934B2 - 高温ガス炉 - Google Patents
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Description
本発明は、原子炉の一型式である高温ガス炉（ＨＴＧＲ）に係り、特に出口管接続部の改良に関する。
一般に、高温ガス炉は、セラミックス(炭化ケイ素等)被覆の燃料と化学的に不活性なヘリウムガスを冷却材として使用し、高温の炉心にガスを通過させて加熱することで高温の熱エネルギーを取り出すものである。
図３に高温ガス炉１００の基本的な炉構造を示す。
高温ガス炉１００の炉内構造物は、黒鉛製構造物と鋼構造物とで構成される。図示のように、内側反射体ブロック１１、燃料ブロック１２及び外側反射体ブロック１３からなる炉心１０は、正六角柱の黒鉛ブロックを積上げた構造である。固定反射体ブロック２０は、炉心１０を取囲むように配置され、その内面形状は炉心１０の六角柱ブロックの積層配置に合致するように設計されている。また、図３中の「Ｆ１」は冷却材（ヘリウムガス）の流れを示している。この冷却材の原子炉入口温度は２５０〜６００℃程度、出口温度は７５０〜１０００℃程度となる。
高温ガス炉１００の炉内構造物は、黒鉛製構造物と鋼構造物とで構成される。図示のように、内側反射体ブロック１１、燃料ブロック１２及び外側反射体ブロック１３からなる炉心１０は、正六角柱の黒鉛ブロックを積上げた構造である。固定反射体ブロック２０は、炉心１０を取囲むように配置され、その内面形状は炉心１０の六角柱ブロックの積層配置に合致するように設計されている。また、図３中の「Ｆ１」は冷却材（ヘリウムガス）の流れを示している。この冷却材の原子炉入口温度は２５０〜６００℃程度、出口温度は７５０〜１０００℃程度となる。
高温ガス炉１００では、二重管構造のクロスダクト６０の入口管６１（外管）から原子炉圧力容器５０内に流入させた低温の冷却材を、炉心１０を取り囲む側面側の固定反射体ブロック２０に設けた流路孔を通流させるようにして炉上部の上部プレナム７０に導き、次いでこの冷却材を燃料ブロック１２に設けた多数の流路孔を通流させるようにして炉心１０を冷却しながら下降させて高温に加熱し、そして加熱された冷却材を高温プレナム３０に集めた後、クロスダクト６０の出口管６２（内管）から原子炉圧力容器５０の外に流出させるようにしている（非特許文献１参照）。
図４は、高温ガス炉１００のクロスダクト６０の接続部分を拡大して示した断面図である。図４に示すように、クロスダクト６０の出口管６２の先端は、高温プレナム３０を区画する炉下部の固定反射体ブロック２０ａに設けられた開口部２０ｂに嵌挿されている。この開口部２０ｂの内径は、熱膨張などを考慮し、クロスダクト６０の出口管６２の外径より僅かに大きい寸法に設定されている。
このようなクロスダクト６０の接続部構造にあっては、固定反射体ブロック２０ａの開口部２０ｂの内周面と出口管６２の外周面とにより形成される環状の隙間において冷却材の漏れ流れＦ２を生じてしまう恐れがある。特に、出口管６２の外側と内側との間は、原子炉内で最も差圧が大きいために、漏れ流れＦ２が生じ易い部位となっている。
冷却材は、図３に示したとおり、本来、出口管６２の外側を通って炉心１０へ向かい、炉心１０を冷却した後に取り出されるものであるが、漏れ流れＦ２が生じると冷却材が炉心１０を通らずに直ちに出口管６２の内側に流入し、原子炉外へ流出してしまうことになる。
この漏れ流れＦ２は、炉心１０の冷却に寄与する流れではないために炉心部を流れる有効冷却材流量を低下させ、その結果、炉心１０が有効に冷却されずに炉心１０の燃料ブロック１２内の燃料が過熱されてしまうという問題を生じる。
岡本、大橋「原子力の熱利用を拡大する小型高温ガス炉」富士時報，Vol.83，N0.3，2010年, P218〜P222。
本発明は上記の問題点に鑑みなされたもので、クロスダクト６０の出口管６２と炉心下部の固定反射体ブロック２０ａとの間の環状の隙間における冷却材の漏れ流れを防止し、炉心部に流れる冷却材流量を十分に確保して、炉心１０内の燃料ブロック１２の過熱を確実に防止することのできる高温ガス炉を提供することにある。
請求項１の発明は、入口管と該入口管内部に設置された出口管からなる二重管構造のクロスダクトを有し、前記入口管から原子炉圧力容器内に流入させた冷却材を、炉心内を通過させて高温に加熱し、固定反射体で区画された炉下部の高温プレナムを経由して前記出口管から原子炉圧力容器外に流出させる高温ガス炉において、前記出口管が接続される前記固定反射体の開口部の内周面と前記出口管の外周面との間に、前記入口管から流入させた冷却材が炉心内を通過せずに前記出口管に流入する漏れ流れを防止するためのシール手段を設け、前記シール手段は、前記出口管の外周壁面に径方向に向けて突出する鍔状の突起を複数設けることによって形成した複数の凹凸部と、前記複数の凹凸部の各嵌合溝に嵌挿されたシールリング部材とからなり、かつ、前記シールリング部材は前記固定反射体の開口部の直径と同じ外径寸法を有し、前記シールリング部材が前記固定反射体の開口部内を摺動可能に配置されていて、前記シールリング部材は、その内周面と前記出口管の外周壁面との間に所定のクリアランスを持たせるように内径寸法が設定されていることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載の高温ガス炉において、前記シールリング部材が黒鉛又はその複合材で形成されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の高温ガス炉において、前記シールリング部材がステンレス鋼又は超耐熱合金鋼で形成されていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１に記載の高温ガス炉において、前記シールリング部材がステンレス鋼又は超耐熱合金鋼で形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、クロスダクトの出口管が接続される固定反射体開口部の内周面と出口管の外周面との間に、入口管から流入させた冷却材が炉心内を通過せずに出口管に流入する漏れ流れを防止するためのシール手段を設けたことにより、炉心部を流れる冷却材流量の低下がなくなり、炉心燃料が過熱されてしまうことを防止できるので、高温ガス炉を安定した状態で運転し続けることが出来る。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、クロスダクトの出口管部シール構造（本発明でいう「シール手段」）以外の構成要素については、上述した従来の高温ガス炉と同様であるため説明を省略する。
図１は本発明の実施形態に係る高温ガス炉の出口管部シール構造を示す図である。図１において、８０は入口管８１と出口管８２からなる二重管構造のクロスダクト８０であり、このクロスダクト８０の出口管８２が接続される炉下部の固定反射体ブロック２０ａの開口部２０ｂと出口管８２との間にはシール手段８３が設けられている。
シール手段８３は、出口管８３の外周壁に径方向に向けて突出する鍔状の突起を複数設けることによって形成された凹凸部８３１と、これら複数の凹凸部８３１の各嵌合溝８３２に嵌め込まれた環状のシールリング部材８３３（図では計９枚）とで構成される。
また、シールリング部材８３３は、その外径寸法が固定反射体ブロック２０ａの開口部２０ｂの直径と同じ寸法に設定されており、かつ、その内径寸法が出口管８２の外周壁面（嵌合溝８３１ａの底面）との間に所定のクリアランスを保つように出口管８２の外径より僅かに大きい寸法に設定されている。
このようなシール手段８３によれば、入口管８１から流入した冷却材が上方へ向かわず、炉心を通過せずに直接出口管８２の入口側へ向かうような流れを生じたとしても、出口管８２の固定反射体ブロック２０aと対向する部分には軸方向に沿って多段にシールリング部材８３３が配置されており、各シールリング部材８３３の外周面と固定反射体ブロック２０aの開口部２０bの内周面とが接触して、固定反射体ブロック２０ａと出口管８２との隙間を確実に塞ぐことになるので、クロスダクト８０側から高温プレナム３０側へ向かう冷却材の漏れ流れを防止することができる。
また、シールリング部材８３３の内径が出口管８２の外周壁面との間に所定のクリアランスを持たせるように設定されており、出口管８２と固定反射体ブロック２０ａとが垂直（鉛直）方向に変位してこれらの垂直方向の相対的位置関係が変化したとしても、シールリング部材８３３が嵌合溝８３２内を移動して出口管８２に加わるせん断力や曲げ応力を吸収・緩和するので、シールリング部材８３３の外周面は固定反射体ブロック２０ａの開口部２０ｂの内周面と接触した状態を保って十分なシール性能を維持することができる。
さらに、シールリング部材８３３の外径が固定反射体ブロック２０ａの開口部２０ｂの直径と同じに設定されているので、出口管８２と固定反射体ブロック２０ａとが水平方向に変位して水平方向の相対的位置関係が変化した場合であっても、これに追従するようにシールリング部材８３３の外周面が固定反射体ブロック２０ａの開口部２０ｂの内周面と接触したまま軸方向に摺動するので、水平方向の変位に対してもシール性能を維持することが可能である。
図２に、シールリング部材８３３の２つの具体例を示す。図２（Ａ）は黒鉛又はその複合材からなるシールリング部材８３３Ａを示す図であり、図２（Ｂ）は金属製のシールリング部材８３３Ｂを示す図である。
まず、図２（Ａ）のシールリング部材８３３Ａは、固定反射体ブロック２０ａと同じ材料、例えば黒鉛材料又はその複合材料で製作され、半円形状に２分割されている部材を図１に示す嵌合溝８３２に嵌め込んで付き合わせることでシールリングを構成するようにしたものである。このシールリング部材８３３Ａによれば、高温ガス炉運転時の温度上昇等に起因して固定反射体ブロック２０ａが熱膨張して開口部２０ｂの径が広がっても、これと追従するように略同じ熱膨張係数をもつシールリング８３３Ａの外径が変化するので、固定反射体ブロック２０ａの開口部２０ｂの内周面とシールリング部材８３３Ａの外周面との間に隙間ができるのを防ぐことが出来る。
また、図２（Ｂ）のシールリング部材８３３Ｂは、弾性に優れた金属材料、例えばステンレス鋼又は超耐熱合金鋼（インコイルやハステロイ等）で製作されている。このシールリング部材８３３Ｂは、リングの一箇所に合い口を切った形状をしており、温度上昇に伴って全体が外径方向に広がろうとする特性を有している。このようなシールリング部材８３３Ｂによれば、図１に示す固定反射体ブロック２０ａの開口部２０ｂの内周面とシールリング部材８３３Ｂの外周面との間の接触圧をその弾性によって適度に保ちながら、開口部２０ｂ内を摺動可能になるので、さらにシール性能を高めることが出来る。
本実施の形態によれば、出口管と炉下部の固定反射体ブロックとの接続部位で生じていた冷却材の漏れ流れを、冷却材全体流量の１％未満にまで低減させることが可能となり、確実に炉心燃料の過熱を防止することが出来る。また、シール手段８３は構造的にも簡素であり、長期に渡って安定したシール性能を維持することが可能である。
１０：炉心、 １１：内側反射体ブロック、 １２：燃料ブロック、 １３：外側反射体ブロック、 ２０ａ：（炉下部）固定反射体ブロック、 ２０ｂ：開口部、 ３０：高温プレナム、 ４０：下部プレナム、 ５０：原子炉圧力容器、 ７０：上部プレナム、 ８０：クロスダクト、 ８１：入口管、 ８２：出口管、 ８３：シール手段、 ８３１：凹凸部、 ８３２：嵌合溝、 ８３３：シールリング部材、 １００：高温ガス炉。
Claims (3)
- 入口管と該入口管内部に設置された出口管からなる二重管構造のクロスダクトを有し、前記入口管から原子炉圧力容器内に流入させた冷却材を、炉心内を通過させて高温に加熱し、固定反射体で区画された炉下部の高温プレナムを経由して前記出口管から原子炉圧力容器外に流出させる高温ガス炉において、
前記出口管が接続される前記固定反射体の開口部の内周面と前記出口管の外周面との間に、前記入口管から流入させた冷却材が炉心内を通過せずに前記出口管に流入する漏れ流れを防止するためのシール手段を設け、
前記シール手段は、前記出口管の外周壁面に径方向に向けて突出する鍔状の突起を複数設けることによって形成した複数の凹凸部と、前記複数の凹凸部の各嵌合溝に嵌挿されたシールリング部材とからなり、かつ、前記シールリング部材は前記固定反射体の開口部の直径と同じ外径寸法を有し、前記シールリング部材が前記固定反射体の開口部内を摺動可能に配置されていて、
前記シールリング部材は、その内周面と前記出口管の外周壁面との間に所定のクリアランスを持たせるように内径寸法が設定されていることを特徴とする高温ガス炉。 - 請求項１に記載の高温ガス炉において、前記シールリング部材が黒鉛又はその複合材で形成されていることを特徴とする高温ガス炉。
- 請求項１に記載の高温ガス炉において、前記シールリング部材がステンレス鋼又は超耐熱合金鋼で形成されていることを特徴とする高温ガス炉。
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