JP6548022B2 - 原子炉 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉に関する。

原子力発電設備では、炉心で進行する核分裂反応による熱を用いてタービンを駆動し、発電が行われる。炉心内部には、核燃料が封入された核燃料棒や、核分裂反応の進行を制御する制御棒等の炉心構成要素が格納されている。
炉心構成要素の端部にはエントランスノズルが形成されている。このエントランスノズルが、連結管に挿入されることにより、炉心構成要素はそれぞれ自立した状態で支持されている。したがって、地震発生時には、炉心構成要素が連結管から跳び上がってしまう。この場合、炉心構成要素が炉心内で散逸し、特に制御棒の挿入に支障を来す可能性がある。

上記のような炉心構成要素の跳び上がりを抑制するための技術として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載された支持構造では、連結管の一部に貫通孔が設けられるとともに、エントランスノズルの側壁に上記貫通孔と対応する溝が形成されている。さらに、この装置は、上記貫通孔、及び溝を移動可能なシアロッドを備えている。

特開平５−１５００７５号公報

しかしながら、炉心、及びその周辺は高温に達することから、炉心構成要素や連結管等の各部材に熱伸びを生じる可能性がある。このような熱伸びが生じた場合、上記特許文献１に記載された支持構造では、シアロッドが貫通孔及び溝に対して正常に嵌合されず、所期の機能を果たせない可能性がある。すなわち、上記特許文献１の技術には改善の余地がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、簡便な構成を有し、炉心構成要素の跳び上がりを十分に抑制することが可能な原子炉を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様に係る原子炉は、内部が液体で満たされる原子炉容器と、該原子炉容器内に設けられ、上下方向に延びる筒状をなすとともに水平方向に複数配列された連結管と、各前記連結管に挿入されたエントランスノズルと、該エントランスノズルの上方に位置するとともに前記エントランスノズルよりも大径をなす外套部と、これらエントランスノズルと前記外套部とを上下方向に接続する接続部と、外套部の下端に設けられて、該外套部よりも大径をなすパッド部と、を有する複数の炉心構成要素と、を備え、互いに隣り合う前記パッド部同士の間に他の領域よりも上下方向の断面積が小さい狭窄部が形成されている。

この構成によれば、互いに隣り合う複数の炉心構成要素におけるパッド部同士が狭窄部を形成する。したがって、外部から与えられた上下方向の振動によって炉心構成要素に対して上向きの力が付加された場合、原子炉容器本体内の液体が狭窄部を流通する際に流路抵抗が生じる。この流路抵抗により、炉心構成要素の上方への跳び上がりを抑制することができる。

本発明の第二の態様に係る原子炉では、前記パッド部は、前記外套部の下端から前記接続部の下端まで延びていてもよい。

この構成によれば、パッド部と連結管の上端面との間の空間を小さくすることができる。これにより、パッド部と連結管の上端面との間でスクイーズ効果が生じるため、外部から上下方向の振動が加わった場合に、炉心構成要素に対して抵抗する方向に力が加わる。したがって、炉心構成要素の上方への跳び上がりを抑制することができる。

本発明の第三の態様に係る原子炉では、前記接続部の下端から前記エントランスノズルの上端までの面は、前記連結管の上端面の形状と対応する形状をなしてもよい。

この構成によれば、接続部の下端からエントランスノズルの上端までの面と、連結管の上端面との間でスクイーズ効果が生じるため、外部から上下方向の振動が加わった場合であっても、炉心構成要素に対して抵抗する方向に力を与えることができる。したがって、炉心構成要素の上方への跳び上がりを抑制することができる。

本発明によれば、簡便な構成を有し、炉心構成要素の跳び上がりを十分に抑制することが可能な原子炉を提供することができる。

本発明の各実施形態に係る原子炉の全体図である。 本発明の各実施形態に係る原子炉の炉心周辺を示す図である。 本発明の実施形態に係る炉心構成要素を示す図である。 本発明の実施形態に係る炉心構成要素の変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係る炉心構成要素を示す図である。 本発明の実施形態に係る炉心構成要素の変形例を示す図である。 本発明の実施形態に係る炉心構成要素の変形例を示す図である。

本発明の第一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、高速増殖炉としての原子炉１００を示す図である。この原子炉１００は、原子炉容器１と、炉心２と、支持構造物３と、上部構造物４と、を備えている。

原子炉容器１は、原子炉容器本体１０と、遮蔽プラグ１１と、冷却材入口配管１２及び冷却材出口配管１３と、隔壁１４と、を有する。原子炉容器本体１０の上部には開口部が形成され、上部とは反対側の底部を鉛直下方に向けて原子炉１００格納容器（不図示）内に格納されている。遮蔽プラグ１１は、原子炉容器本体１０における上記開口部に配置されることで、該開口部を封止している。冷却材入口配管１２及び冷却材出口配管１３は、原子炉容器１内への冷却材（一次主冷却材）の出入口を形成する。隔壁１４は、中央部に開口部が形成された板状の部材である。原子炉容器１の内部で隔壁１４が水平方向に延びることで、原子炉容器１内を上下方向に区画している。

炉心２は、主として制御棒集合体や、燃料棒集合体を有し、原子炉容器１内の中央部に配置される。ここでは、燃料集合体や制御棒集合体など炉心２を構成する要素を総称して炉心構成要素２０と呼ぶ。支持構造物３は、炉心構成要素２０を支持するための構造物であり、上下方向から見て原子炉容器１の中央部に配置される。さらに、隔壁１４は原子炉容器１と支持構造物３とに固定されている。

支持構造物３は、複数の連結管３０を有している。これら連結管３０に対して、炉心構成要素２０がそれぞれ１つずつ配置される。上部構造物４は、例えば炉心構成要素２０である制御棒を駆動するための駆動装置等を含んでいる。この上部構造物４は、炉心２の上方に配置され、遮蔽プラグ１１を貫通するとともに、該遮蔽プラグ１１によって固定される。

以上のように構成された原子炉１００では、炉心２での核分裂反応により、熱が発生する。さらに、冷却材が、上記の冷却材入口配管１２から原子炉容器１内の下部に供給された後、下方から上方に向かって流れる。次いで、冷却材が連結管３０を通り炉心構成要素２０の内部を通過して、炉心２の熱を吸収する。その後、高温となった冷却材が、冷却材出口配管１３から原子炉容器１の外部に送出される。

次に、本実施形態における炉心構成要素２０と連結管３０の支持構造について図３を参照して説明する。同図に示すように、本実施形態に係る炉心構成要素２０は、柱状をなす長尺の部材である。具体的には、この炉心構成要素２０は、外套部２１と、エントランスノズル２２と、これら外套部２１とエントランスノズル２２とを接続する接続部２３と、接続部２３の外周側に設けられたパッド部２４と、を有している。

外套部２１は、上下方向から見て六角形の断面を有するラッパ管、又は案内管であり、炉心構成要素２０の本体部をなしている。エントランスノズル２２は、外套部２１の一方側（特に、炉心構成要素２０を連結管３０内に配置した場合には下方側）の端部に形成される。さらに、炉心構成要素２０の内部は中空とされている。エントランスノズル２２側の端部から外套部２１側の端部にはそれぞれ開口部が形成されている。すなわち、これら端部を通じて炉心構成要素２０の内外が連通されている。さらに、外套部２１の下端を含む領域は、上方から下方に向かうにしたがって次第に縮径するとともに、上下方向から見て円形の断面をなすことで遷移部２５とされている。

接続部２３は、上記の外套部２１と、エントランスノズル２２とを上下方向に接続している。接続部２３の外径寸法は、外套部２１の外径寸法よりも小さく設定されている。さらに、外套部２１が上記のように六角形の断面形状を有しているのに対して、接続部２３は円形の断面形状を有している。接続部２３の断面積は上下方向にわたって一定とされている。言い換えれば、接続部２３は上下方向に延びる直管状をなしている。さらに、接続部２３の下端を含む部分は、上記の遷移部２５と同様に、上方から下方に向かうにしたがって次第に縮径することで当接部２６とされている。

パッド部２４は、上述の接続部２３の外周側に設けられる環状の部材である。パッド部２４の水平方向（上下方向に直交する方向）から見た断面はおおむね矩形状をなしている。一方で、パッド部２４の上下方向における断面の外周面はおおむね六角形をなしている。さらに、この断面の中央部は、上記接続部２３の外周面に対応した略円形に貫通されている。この貫通部は、パッド部開口２４１とされている。

パッド部２４の断面のうち、上記パッド部開口２４１を向く面はパッド部内周面２４２とされている。一方で、パッド部２４の外周側を向く面はパッド部外周面２４３とされている。さらに、上方側を向く面、及び下方側を向く面はそれぞれパッド部上面２４４、パッド部下面２４５とされている。

パッド部２４の内径寸法（すなわち、パッド部内周面２４２の径方向寸法）は、接続部２３の外径寸法とおおむね同一とされている。これにより、パッド部２４の内周面は接続部２３の外周面に対して該接続部２３の径方向外側から実質的に隙間なく密着した状態で固定支持される。

一方で、パッド部外周面２４３の径寸法、すなわち該パッド部外周面２４３のなす六角形の対角線の長さは、外套部２１の六角形における対角線の長さよりも大径となるように設定されている。

さらに、図３に示すように連結管３０は、エントランスノズル２２を外周側から囲む筒状の連結管本体部３１と、水平方向に間隔をあけて配列された複数の連結管本体部３１同士を支持する支持板部３２と、を有している。支持板部３２は連結管本体部３１の上端部（フランジ部３１Ａ）をそれぞれ下方から支持している。連結管本体部３１の上端における開口端は、下方から上方に向かうにしたがって次第に拡径することで連結管挿入部３３とされている。

以上のように構成された炉心構成要素２０は、図２、図３に示すように連結管３０に対して、水平方向に（水平面内に沿って）互いに隣接した状態で複数配列される。それぞれの炉心構成要素２０は、上下方向から見て断面がなす六角形の辺々を互いに対向させた状態で配列される。さらに、対向する辺々の間には、水平方向にわずかな間隙が形成される。原子炉１００の通常運用時には、この間隙は液体状態の冷却材で満たされている。

さらに、図３に示すように、水平方向に互いに対向するパッド部外周面２４３同士の間にも間隙が形成されることで狭窄部Ａとされている。この狭窄部Ａにも冷却材が充填されている。同様に、パッド部下面２４５と、フランジ部３１Ａとの間にもわずかな間隙が形成されている。特に、本実施形態では、これらパッド部下面２４５とフランジ部３１Ａとは互いに平行をなしてそれぞれ水平方向に延びている。言い換えれば、接続部２３の下端からエントランスノズル２２の上端までの面は、連結管３０の上端面（連結管挿入部３３）の形状と対応する形状をなしている。

一方で、接続部２３とエントランスノズル２２との間に形成された当接部２６は、上記の連結管挿入部３３に当接している。これにより、炉心構成要素２０が連結管３０上で支持される。言い換えれば、炉心構成要素２０の重量は、連結管挿入部３３によって支持された状態となる。

上記のように構成された原子炉１００に対して、例えば地震等によって上下方向の振動が加わった場合、炉心構成要素２０は連結管３０（支持板部３２）から上方に離間する方向に変位しようとする。ここで、上記のように炉心構成要素２０の外側は冷却材で満たされていることから、炉心構成要素２０の上方への変位に伴って、冷却材は下方に向かって流れようとする。（反対に、炉心構成要素２０が下方へ変位するときは、冷却材は上方に向かって流れようとする。）

しかしながら、このように流れようとする冷却材に対して、上記の狭窄部Ａで流路抵抗が生じる。さらに、パッド部下面２４５とフランジ部３１Ａの間でスクイーズフィルムダンパ現象が生じる。したがって、狭窄部Ａにおいて冷却材の流出入には圧損が生じることから、パッド部下面２４５がフランジ部３１Ａから離間・変位する際に、その相対速度に対する減衰力が生じる。

したがって、地震等によって外部から上下方向の振動が与えられた場合であっても、上方及び下方への相対速度に対する減衰力が生じることから、炉心構成要素２０の跳び上がりを低減することができる。

さらに、炉心構成要素２０が原子炉１００の運転中にわたって高温環境下に曝された場合、各部材に熱伸びによる変形が生じる可能性がある。このような熱伸びが生じた場合、パッド部２４同士の間の間隙、すなわち狭窄部Ａの開口寸法がさらに小さくなることから、冷却材に対する狭窄部Ａでの流路抵抗が大きくなる。これにより、炉心構成要素２０の相対速度に対する減衰力を損なうことなく、十分に維持することができる。

一方で、炉心構成要素２０の跳び上がり抑制を目的として、可動部品を用いた場合や、比較的に高い精度を要求される他の構成を用いた場合、上述の熱伸びによって所期の機能を果たせなくなる可能性がある。しかしながら、本実施形態の炉心構成要素２０では、このような可動部品を用いていないのみならず、他の部材と同等の加工精度、寸法精度が許容されるため、熱伸び等の影響を低減することができる。

さらに、パッド部２４を炉心構成要素２０とは別の部材として構成した場合、既設の原子炉１００に対して容易にこれを配置することができる。

また、上記のように、パッド部２４を設けるのみで十分に跳び上がりを抑制することができるため、炉心構成要素２０の部品点数を削減し、併せて製造コスト、施工コストを低減することができる。したがって、上記構成によれば、簡便な構成を有するとともに、炉心構成要素２０の跳び上がりを十分に抑制することが可能な原子炉１００を提供することができる。

さらに、上記のように、炉心構成要素２０は下方に設けられた連結管３０によって支持されていることから、パッド部２４をエントランスノズル２２に近接する側（炉心構成要素２０の下部）に設けることで、地震等の振動による揺動範囲をごく小さくすることができる。言い換えれば、パッド部２４を下方に設けることによって、炉心構成要素２０をさらに安定的に支持することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明した。しかしながら、上記の実施形態は一例に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更を施すことが可能である。

例えば、上記の実施形態では炉心構成要素２０における当接部２６は、水平方向から見て直線状に形成された構成について説明した。しかしながら、図４に示すように、接続部２３の下端からエントランスノズル２２の上端に向かうにしたがって次第に湾曲することで当接部２６０とされてもよい。より具体的には、この当接部２６０は、炉心構成要素２０の径方向内側から外側に向かって湾曲するように突出している。

これにより、当接部２６０と連結管挿入部３３とは、水平方向から見て円弧上の一点で当接することで、パッド部下面２４５と連結管３０との間の間隙をさらに小さくすることができる。したがって、上述のスクイーズフィルムダンパ現象をより効果的に発現させることができる。すなわち、上下方向の振動が炉心構成要素２０に加わった場合であっても、該炉心構成要素２０の上方への跳び上がりを抑制することができる。

さらに、図５に示すように、連結管挿入部３３を、上記の当接部２６０と対応した湾曲形状としてもよい。これにより、連結管挿入部３３と当接部２６０との密着性を高めることができる。したがって、パッド部２４と支持板部３２とによるスクイーズフィルムダンパ効果に加えて、連結管挿入部３３と当接部２６０との間でも同様の効果を発現させることができる。これにより、炉心構成要素２０の跳び上がりをさらに抑制することができる。

加えて、図５の例では、遷移部２５と接続部２３が連続した面を形成するとともに、パッド部内周面２４２も接続部２３の形状に対応した形状とされている。このような構成によれば、炉心構成要素２０の加工・製造に要するコストや時間をさらに削減することができる。さらには、外套部２１の下端からフランジ部３１Ａまでの空間の体積を、外套部２１の下端よりも上方の空間の体積よりも小さくすることができる。これにより、上述のスクイーズフィルムダンパ効果をより十分に作用させることができる。

この他、図６に示すような構成を採ることも可能である。同図の例では、パッド部２４が、遷移部２５の形状に対応した形状をなしている。より具体的には、本例におけるパッド部２４は、その上半部が上側から下側に向かうに従って次第に開孔径が減少するように形成されることで、エントランスノズル２２の遷移部２５と対応する形状とされている。
このような構成によれば、パッド部２４とフランジ部３１Ａとの間で生じるスクイーズフィルムダンパ現象をより効果的に生じさせることができる。すなわち、炉心構成要素２０の跳び上がりをさらに抑制することができる。

１…原子炉容器 ２…炉心 ３…支持構造物 ４…上部構造物 １０…原子炉容器本体 １１…遮蔽プラグ １２…冷却材入口配管 １３…冷却材出口配管 １４…隔壁 ２０…炉心構成要素 ２１…外套部 ２２…エントランスノズル ２３…接続部 ２４…パッド部 ２５…遷移部 ２６…当接部 ３０…連結管 ３１…連結管本体部 ３１Ａ…フランジ部 ３２…支持板部 ３３…連結管挿入部 １００…原子炉 ２４１…パッド部開口 ２４２…パッド部内周面 ２４３…パッド部外周面 ２４４…パッド部上面 ２４５…パッド部下面 ２６０…当接部 Ａ…狭窄部

Claims (3)

1. 内部が液体で満たされる原子炉容器と、
   該原子炉容器内に設けられ、上下方向に延びる筒状をなすとともに水平方向に複数配列された連結管と、
   各前記連結管に挿入されたエントランスノズルと、
   該エントランスノズルの上方に位置するとともに前記エントランスノズルよりも大径をなす外套部と、
   これらエントランスノズルと前記外套部とを上下方向に接続する接続部と、
   外套部の下端に設けられて、該外套部よりも大径をなすパッド部と、
   を有する複数の炉心構成要素と、
   を備え、
   互いに隣り合う前記パッド部同士の間に他の領域よりも上下方向の断面積が小さい狭窄部が形成された原子炉。
2. 前記パッド部は、前記外套部の下端から前記接続部の下端まで延びる請求項１に記載の原子炉。
3. 前記接続部の下端から前記エントランスノズルの上端までの面が、前記連結管の上端面の形状と対応する形状をなす請求項１又は２に記載の原子炉。

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