JP7488750B2 - 高速炉の炉心 - Google Patents
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Description
本発明は、高速炉の炉心に関する。
従来、原子炉を安全に連転するために、炉心から発生する中性子を測定することが行われている。高速炉の炉心から発生する中性子の遮蔽設計では、主容器内の機器である炉内機器に入射する中性子束を制限値以下にするという第１要求と、炉心監視のための中性子計装である中性子検出器に入射する中性子束を制限値以上にするという第２要求との２つの相反する要求を満足することが要求される。
例えば、特許文献１では、タンク型の高速炉において第１要求と第２要求とを満たすために、中性子遮蔽能力が小さいアルゴンやヘリウム等の気体を封入、又は真空にした中空円筒を炉心と中性子検出器との間の炉内位置に設けておき、中空円筒により主容器外への中性子透過を促進して中性子検出器により中性子束を測定する方法が開示されている。
中空円筒は炉内構造物であり、冷却材としての液体ナトリウムに浸っている。液体ナトリウムは高温であることから、液体ナトリウム内に検査機器等を設けて中空円筒の検査及び破損検知を行うことが困難である。故障した中空円筒を使用し続けると、中性子検出器による中性子束の測定値の正確度が低下してしまうという問題が生じていた。
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、中性子検出器による中性子束の測定値の正確度を向上させることを目的とする。
断面形状が正六角形状であり、着脱可能な集合体を有する高速炉の炉心であって、高速炉の炉心の中心領域に収容され、燃料を格納する前記集合体である燃料集合体と、前記中心領域に隣接し、前記燃料集合体と、前記高速炉の主容器の内部に設置されている炉内機器との間の領域に収容され、前記燃料から発生する中性子を減衰させる前記集合体である遮蔽集合体と、前記中心領域及び前記遮蔽集合体の格納領域に隣接し、前記燃料集合体と、前記主容器の外部に設置されている中性子検出器との間の領域に収容され、前記遮蔽集合体よりも前記中性子を透過させる、前記炉心から着脱可能であるとともに断面形状が正六角形状の透過体と、を有する。
前記燃料を冷却する冷却材は液体金属であり、前記透過体の内部が前記冷却材で満たされてもよい。
前記遮蔽集合体と前記透過体とは同一形状の筐体を有しており、前記遮蔽集合体は、前記筐体内の所定空間内に、前記中性子を減衰させる中性子遮蔽材を有し、前記透過体は、前記筐体内の前記所定空間内に、前記冷却材を有してもよい。
前記遮蔽集合体と前記透過体とは同一形状の筐体を有しており、前記遮蔽集合体は、前記筐体内の所定空間内に、前記中性子を減衰させる中性子遮蔽材を有し、前記透過体は、前記筐体内の前記所定空間内に、前記冷却材を有してもよい。
本発明によれば、炉外に設置する中性子検出器による中性子束の測定値の正確度を向上させることができるという効果を奏する。
本実施形態に係る高速炉の炉心を説明するにあたり、高速炉の構造について説明する。図１は、本実施形態に係る高速炉１００の構成を示す図である。図２は、本実施形態に係る原子炉１の内部構造を模式的に示す図である。図１に示すように、高速炉１００は、原子炉１と、複数の中性子検出器６とを備える。
原子炉１は、タンク型の原子炉である。原子炉１は、図１に示すように主容器２を有する。原子炉１の主容器２の内部には、図１及び図２に示すように、炉内機器としてのポンプ３及び中間熱交換器５と、炉心４とが設けられている。
主容器２は、直径が１５ｍから２０ｍ程度の容器である。
ポンプ３は、炉心４の径方向に３基設けられている。ポンプ３は、炉心４から発生し、中性子検出器６に入射する中性子を遮らないように、図１に示すように、炉心４と中性子検出器６との間の領域とは異なる領域に設けられている。炉心４と中性子検出器６との間の領域は、図１に示すように、６つ並んでいる中性子検出器６のうち外側の２つの中性子検出器６と、これらの中性子検出器６に最も近い燃料集合体とを結ぶ直線によって囲まれる領域Ａである。ポンプ３は、炉心４に一次冷却材としての低温ナトリウムを供給するための炉内配管に低温ナトリウムを圧送する。
ポンプ３は、炉心４の径方向に３基設けられている。ポンプ３は、炉心４から発生し、中性子検出器６に入射する中性子を遮らないように、図１に示すように、炉心４と中性子検出器６との間の領域とは異なる領域に設けられている。炉心４と中性子検出器６との間の領域は、図１に示すように、６つ並んでいる中性子検出器６のうち外側の２つの中性子検出器６と、これらの中性子検出器６に最も近い燃料集合体とを結ぶ直線によって囲まれる領域Ａである。ポンプ３は、炉心４に一次冷却材としての低温ナトリウムを供給するための炉内配管に低温ナトリウムを圧送する。
炉心４は、炉内配管を介して供給される低温ナトリウムを昇温させる。昇温して高温状態となったナトリウムを高温ナトリウムという。炉心４の詳細については後述する。
中間熱交換器５は、図１に示すように、主容器２内に４基設けられている。中間熱交換器５は、炉心４から発生し、中性子検出器６に入射する中性子を遮らないように、図１に示すように、炉心４と中性子検出器６との間の領域とは異なる領域に設けられている。中間熱交換器５は、流入口５１及び流出口５２を有している。中間熱交換器５は、流入口５１から流入した高温ナトリウムと、二次冷却材として機能するナトリウムとの熱交換を行う。熱交換が行われることにより温度が低下したナトリウムは、低温ナトリウムとして、流出口５２から下部プレナムへと流出する。
中性子検出器６は、原子炉１内で発生した中性子束を測定する。高速炉１００には、３種類の中性子検出器６として、出力領域系の中性子検出器、広域系の中性子検出器、後備の出力領域系の中性子検出器が、それぞれ４チャンネル分設けられている。
［炉心４の構成］
本実施形態において、炉心４は、主容器２の内部に設置されている炉内機器としてのポンプ３及び中間熱交換器５に入射する中性子束を制限値以下にするという第１要求と、中性子検出器６に入射する中性子束を制限値以上にするという第２要求との２つの要求を満足するための構造を有している。以下、炉心４の構成について説明する。
本実施形態において、炉心４は、主容器２の内部に設置されている炉内機器としてのポンプ３及び中間熱交換器５に入射する中性子束を制限値以下にするという第１要求と、中性子検出器６に入射する中性子束を制限値以上にするという第２要求との２つの要求を満足するための構造を有している。以下、炉心４の構成について説明する。
図３は、本実施形態に係る炉心４の構成を示す図である。炉心４は、断面形状が正六角形状であり、着脱可能なラッパ管に各種要素を格納した集合体を複数有している。具体的には、炉心４は、図３に示すように、燃料集合体４１と、遮蔽集合体４３と、透過体４４とを有している。また、炉心４は、制御棒４２を有する。
燃料集合体４１は、炉心４の中心領域Ａ１に収容されている。燃料集合体４１は、ラッパ管内に燃料要素としての核分裂性物質を格納した物体である。制御棒４２は、例えば、炉心４の中心領域Ａ１の内部と、炉心４の中心領域に隣接する位置と設けられており、制御装置（不図示）により、燃料集合体４１の間への挿入量が制御される。これにより、燃料集合体４１に格納されている燃料の核分裂が制御される。
遮蔽集合体４３は、炉心４から着脱可能であるとともに断面形状が正六角形状である。遮蔽集合体４３は、中心領域Ａ１に隣接し、燃料集合体４１と、炉内機器としてのポンプ３及び中間熱交換器５の間の領域である遮蔽領域Ａ２に収容されている。遮蔽集合体４３は、燃料集合体４１に格納されている燃料から発生する中性子を減衰させることにより、ポンプ３及び中間熱交換器５に入射する中性子束を予め規定されている制限値以下にする。
透過体４４は、中心領域Ａ１と、遮蔽集合体４３の格納領域としての遮蔽領域Ａ２に隣接し、燃料集合体４１と、中性子検出器６との間の領域である透過領域Ａ３に着脱可能な状態で収容されている。透過体４４は、遮蔽集合体４３よりも中性子を透過させる。
遮蔽集合体４３と、透過体４４とは同一形状の筐体を有している。図４は、本実施形態に係る遮蔽集合体４３と、透過体４４との構造を示す図である。図４（ａ）は、遮蔽集合体４３を示しており、図４（ｂ）は、透過体４４を示している。遮蔽集合体４３及び透過体４４は、中空構造を有するラッパ管である。ラッパ管の上端と下端には、チャージドレイン用の開口部が設けられている。また、ラッパ管の上端には、ラッパ管を炉心４に着脱する燃料交換機（不図示）が把持可能なハンドリングヘッド（不図示）が設けられている。燃料交換機は、ハンドリングヘッドを把持することにより、ラッパ管を移動させることができる。原子炉１の管理者は、透過体４４を検査したり交換したりする際に、燃料交換機を用いて透過体４４を着脱することができる。
遮蔽集合体４３は、図４（ａ）に示すように、筐体内の所定空間に、中性子を減衰させるステンレス鋼や炭化ホウ素等の中性子遮蔽材４３１を有している。これに対し、透過体４４は、図４（ｂ）に示すように、筐体内の所定空間に中性子遮蔽材を有しておらず、中空である。
遮蔽集合体４３及び透過体４４が炉心４に収容されると、開口部を介して内部の所定空間に冷却材としてのナトリウムが侵入する。遮蔽集合体４３の所定空間には中性子遮蔽材４３１が収容されていることから、遮蔽集合体４３の所定空間には少量のナトリウムが侵入する。これに対し、透過体４４の所定空間には中性子遮蔽材が収容されておらず、所定空間が中空であることから、透過体４４の所定空間はナトリウムで満たされる。ナトリウムは中性子遮蔽材に比べて中性子を遮蔽しにくいことから、透過体４４は、遮蔽集合体４３に比べて中性子を透過させる。これにより、中性子検出器６に入射する中性子束を制限値以上にすることができる。
図５は、原子炉１における、炉心４の中心軸からの径方向の距離と、中性子束との関係を示すグラフである。図５に示す横軸は、所定高さにおける炉心４の中心軸からの径方向の距離を示しており、縦軸は、中性子束の量を示している。図５に示す実線の特性は、炉心４の中心軸から炉内機器が設置されている方向に直線を引いた場合における、中心軸からの距離と、中性子束の量との関係を示している。図５に示す破線の特性は、炉心４の中心軸から中性子検出器６が設置されている方向に直線を引いた場合における、中心軸からの距離と、中性子束の量との関係を示している。
炉心４の中心軸から炉内機器が設置されている方向には、遮蔽集合体４３が収容されていることから、図５の実線の特性に示すように、遮蔽集合体４３が収容されている２００ｃｍから３００ｃｍ付近の距離で、中性子束が大きく減衰していることが確認できる。これにより、原子炉１は、炉内機器としてのポンプ３及び中間熱交換器５に入射する中性子束を制限値以下にするという第１要求を満たし、中間熱交換器５に流入する２次ナトリウムの放射化を抑えることができる。
一方、炉心４の中心軸から中性子検出器６が設置されている方向には、透過体４４が収容されていることから、図５の破線の特性に示すように、透過体４４が収容されている２００ｃｍから３００ｃｍ付近の距離で、実線の特性に比べて中性子束が減衰していないことが確認できる。これにより、原子炉１は、中性子検出器６に入射する中性子束を制限値以上にするという第２要求とを満たすことができる。
［本実施形態における効果］
以上のとおり、本実施形態に係る高速炉１００の炉心４は、炉心４の中心領域に隣接し、燃料集合体４１と、主容器２の内部に設置されている炉内機器であるポンプ３及び中間熱交換器５との間の領域に収容され、燃料から発生する中性子を減衰させる遮蔽集合体４３と、中心領域及び遮蔽集合体４３の格納領域に隣接し、燃料集合体４１と、主容器２の外部に設置されている中性子検出器６との間の領域に収容され、遮蔽集合体４３よりも中性子を透過させる透過体４４とを有する。
以上のとおり、本実施形態に係る高速炉１００の炉心４は、炉心４の中心領域に隣接し、燃料集合体４１と、主容器２の内部に設置されている炉内機器であるポンプ３及び中間熱交換器５との間の領域に収容され、燃料から発生する中性子を減衰させる遮蔽集合体４３と、中心領域及び遮蔽集合体４３の格納領域に隣接し、燃料集合体４１と、主容器２の外部に設置されている中性子検出器６との間の領域に収容され、遮蔽集合体４３よりも中性子を透過させる透過体４４とを有する。
このようにすることで、高速炉１００の炉心４は、炉内機器に入射する中性子束を制限値以下にすること、及び炉内における高温等の課題を忌避して炉外に設置されている中性子検出器に入射する中性子束を制限値以上にすることを簡易な構成で実現することができる。また、高速炉１００の炉心４は、透過体４４が着脱可能であることから、透過体４４を炉心４から定期的に取り出して検査を行ったり透過体４４を定期的に交換したりすることができ、原子炉の運転中に、原子炉の健全性が保証することができるとともに、中性子検出器６の指示値の動作の健全性を保証することができる。また、炉心４は、複数の透過体４４により構成されているので、一部の透過体４４の性能が変化したとしても、中性子束の測定に与える影響が小さい。したがって、高速炉１００の炉心４は、中性子検出器６による中性子束の測定値の正確度を向上させることができる。
また、本実施形態に係る高速炉１００の炉心４において、透過体４４の内部は、冷却材としてのナトリウムで満たされる。ナトリウムは中性子遮蔽材に比べて中性子を遮蔽しにくいことから、透過体４４は、遮蔽集合体４３に比べて中性子を透過させ、中性子検出器６に入射する中性子束を制限値以上にすることができる。また、透過体４４が破損した場合であっても、透過体４４の内部は、冷却材としてのナトリウムで満たされたままで変化しない。したがって、透過体４４は、破損しても透過性能に影響を及ぼさないようにすることができる。
また、高速炉１００は、従来のように、中性子遮蔽能力が小さい気体を封入、又は真空にした中空円筒を炉心と中性子検出器との間の炉内位置に設けないので、故障した中空円筒を使用し続けることにより、中空円筒にナトリウムが流入して遮蔽能力が高まり中性子検出器による中性子束の測定値が低下し、正確な測定値が得られなくなるとともに、低下した測定値に基づいて不必要に炉心出力を上昇させてしまうという問題や、ガス漏れが発生することによる炉心における反応度外乱の発生の問題も生じない。
また、遮蔽集合体４３と透過体４４とは同一形状の筐体を有しており、遮蔽集合体４３は、筐体内の所定空間内に、中性子を減衰させる中性子遮蔽材４３１を有し、透過体４４は、筐体内の所定空間内に、冷却材としてのナトリウムを有する。このようにすることで、透過体４４を、従来から炉心４に収容されている遮蔽集合体４３と同様に炉心４に容易に着脱することができる。また、遮蔽集合体４３の筐体を利用して透過体４４を製造することができる。このため、透過体４４の製造コストを軽減することができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、上述の実施形態では、透過体４４の内部が冷却材であるナトリウムで満たされることとしたが、これに限らない。例えば、透過体４４の内部がアルミニウム等の中性子を減衰しにくい物質で満たされるようにしてもよい。
また、上述の実施形態では、原子炉１はタンク型の原子炉であることとしたが、これに限らない。原子炉１は、ループ型の原子炉であってもよい。原子炉１がループ型の原子炉であっても、炉心４は、上述の実施形態で説明した効果と同様の効果を奏することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。
１ 原子炉
２ 主容器
３ ポンプ
４ 炉心
５ 中間熱交換器
６ 中性子検出器
５１ 流入口
５２ 流出口
１００ 高速炉
４３１ 中性子遮蔽材
２ 主容器
３ ポンプ
４ 炉心
５ 中間熱交換器
６ 中性子検出器
５１ 流入口
５２ 流出口
１００ 高速炉
４３１ 中性子遮蔽材
Claims (3)
- 断面形状が正六角形状であり、着脱可能な集合体を有する高速炉の炉心であって、
高速炉の炉心の中心領域に収容され、燃料を格納する前記集合体である燃料集合体と、
前記中心領域に隣接し、前記燃料集合体と、前記高速炉の主容器の内部に設置されている炉内機器との間の領域に収容され、前記燃料から発生する中性子を減衰させる前記集合体である遮蔽集合体と、
前記中心領域及び前記遮蔽集合体の格納領域に隣接し、前記燃料集合体と、前記主容器の外部に設置されている複数の中性子検出器それぞれとの間の複数の領域それぞれにおいて、前記炉心の中心から径方向及び円周方向に隣接して複数収容され、前記遮蔽集合体よりも前記中性子を透過させる、前記炉心から着脱可能であるとともに断面形状が正六角形状の透過体と、
を有する高速炉の炉心。 - 前記燃料を冷却する冷却材は液体金属であり、
前記透過体の内部が前記冷却材で満たされる、
請求項１に記載の高速炉の炉心。 - 前記遮蔽集合体と前記透過体とは同一形状の筐体を有しており、
前記遮蔽集合体は、前記筐体内の所定空間内に、前記中性子を減衰させる中性子遮蔽材を有し、
前記透過体は、前記筐体内の前記所定空間内に、前記冷却材を有する、
請求項２に記載の高速炉の炉心。
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|---|---|---|---|
| JP2020187057A JP7488750B2 (ja) | 2020-11-10 | 2020-11-10 | 高速炉の炉心 |
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Country Status (1)
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2020
- 2020-11-10 JP JP2020187057A patent/JP7488750B2/ja active Active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| VASUDHA VERMA，Development of a Neutron Flux Monitoring System for Sodium-cooled Fast Reactors，Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology 1508，Section 5，スウェーデン，UPPSALA UNIVERSITET，2017年 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JP2022076608A (ja) | 2022-05-20 |
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