JPH0122915B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉の御御構造に関し、特に炉心の
異常な作動特性に応答する原子炉停止装置に関す
るものである。

原子炉内部での核分裂反応は、普通は吸収棒の
形の中性子吸収材を選択的に挿入及び引抜くこと
により制御できる。異常な作動状態時に原子炉を
すみやかに停止させることは重要であり、元々備
わつた性質として自動的に即ち固有的にこれらの
状態に応答して吸収棒を落下又は他の形態により
炉心中に挿入する装置が近年提案された。このよ
うな典型的な装置として、磁束によつて炉心上方
に保持された中性子吸収材料を含む自動停止装置
を開示した米国特許第3976540号によるものがあ
る。磁束回路は強磁性キユリー点材料を備え、こ
の材料はある選択された高温に応答して透磁率が
低下する性質を本来有し、磁気回路を遮断して、
磁石及び固着された吸収材を重力作用並びに補助
ばねの作用の下に炉心領域内へと落下させる。キ
ユリー点をもつように選定又は合金されたキユリ
ー点材料は周知である。

この教示並びに他の同様の教示は所望の自動停
止機力を提供するものであるが、これを更に改良
することもできる。一例として、上記米国特許の
場合、燃料棒上方を流れる冷却材は、吸収材が内
部に落下するところのからの中心域に流れる冷却
材と混合される。燃料棒中に過熱状態が発生する
と、燃料棒の周りに流れる冷却材は加熱される
が、空洞領域に流れる低温の冷却材により希釈さ
れるので、選択されたキユリー点に到達する応答
時間がおそくなる。また上記米国特許は、磁石集
合体及び固定された吸収材を横方向に支持するこ
とを提案しているが、これは摩擦特性に依存する
ため、必要以上に保持力を大きくしなければなら
ない。更にこの停止装置には、吸収材を自由に落
下させるため保持構造の一部を横方向に変位させ
るばねが必要とされる。またこの停止装置によれ
ば、吸収材だけでなく磁石も炉心中に落下するた
め、挿入時に磁石が潜在的に損傷性の高中性子束
に曝される。また挿入後に磁石及び吸収材を復旧
させるための機械的な操作装置も必要とされる。
更に吸収材と磁石及びこれらを上方位置に保持す
る機構の間に存在する接触面が比較的大きいの
で、通常作動期間中に自己溶着を生じて挿入を妨
げる可能性が存在する。また停止装置を試験する
にはキユリー点材料は電気抵抗加熱しなければな
らない。別の方法として、教示されていないが、
電力の遮断による試験が可能な電磁石を使用した
場合、電気導線が磁石と共に落下するので、炉心
中への挿入と同時に機械的な高負荷が生じ、電気
導線が高中性子束及び高温に曝される。

従つて本発明の主な目的は、今日の原子炉自動
停止装置に於る上述の欠点及びその他の欠点を解
消した改良型自動停止装置を提供することにあ
る。

この目的を達成するため、本発明により、原子
炉の炉心を通つて延びるダクト内に配設された中
性子吸収集合体を有し、この中性子吸収集合体
は、解放された時に中性子吸収集合体が上記炉心
上方の位置から上記炉心内に落下できるように駆
動構造に解放可能に連結されてなる原子炉停止装
置に於て、上記中性子吸収集合体が、温度に依存
する透磁率をもつキユリー点材料から成る電磁路
領域を含む電磁回路装置により上記駆動構造に結
合されてなることを特徴とする原子炉停止装置が
提供される。

吸収棒とアーマチユアとから成る組立体は、通
常の発電運転期間中、内部ダクト内において原子
炉の炉心領域の上方に位置されている。核分裂性
物質を含む好ましくは絶縁された多数の燃料棒
は、内部ダクトと外部ダクトとの間に形成された
環状域内においてダクトの上方に好ましくは位置
される。内部ダクトは、吸収棒及びアーマチユア
が炉心外部の上方位置にある時アーマチユアの外
周の非磁性インサートと横方向に整列される上端
近くの一部を除いて、強磁性材料から作られてい
る。

内部ダクトの非磁性部分を横切つて、上記内部
ダクトの外周にキユリー点材料が取付けてあり、
このキユリー点材料は、それと燃料棒との間の環
状域に流れる原子炉冷却材の温度の上昇に応答す
る性質を固有のものとして備えている。この応答
は、予め選択された程度までの透磁率の低下であ
る。

炉心上方の上部位置において、各構成部材は、
磁気ハウジング、アーマチユアの係合部分、調節
された空隙、環状域内のキユリー点材料、上記空
隙、アーマチユアの他の区分及び上記の磁気ハウ
ジングを順に通る直列磁気回路が形成されるよう
に位置される。そのため、内部ダクトの周りに流
れる冷却材が予め選択された高温に到達した場
合、キユリー点材料の透磁率が減少し、アーマチ
ユア及び吸収棒を支持する能力が失われるので、
これらが重力作用の下に急速に炉心領域中へと落
下する。

吸収棒及びアーマチユアを復旧及びリセツトす
るには、ハウジングとアーマチユアとが互に係合
する形状の表面を介して接触するまで、磁石コイ
ルとハウジング及び電磁石導線を制御自在に内部
ダクト中に下降させる。この位置では励磁された
電磁石は、磁束がキユリー点材料ではなく上記内
部ダクトの壁を通ることを除いては上記と同様の
磁路を形成する。この時全部の集合体をその通常
の発電のための作動位置に上昇させることができ
る。

この停止装置は、単に電磁石を形成するコイル
への電力を遮断することによつて容易に試験又は
すみやかに作動させることができる。電気導線は
電磁コイルと共に炉心の上方に位置したままにな
つており、高速挿入に関連するひずみ、高温又は
高中性子束状態に露呈されない。更に、環状域内
の冷却材のみがキユリー点材料の上方を通り、よ
り低温の冷却材はこれとは別に内部ダクト内を流
れるので、冷却材の高温に対する停止装置の応答
が迅速になる。またアーマチユア及び吸収棒は作
動時に内部ダクトを通つて自由に炉心領域内へと
落下するものであり、この運動を妨げる他の構造
物は存在しない。

本発明は単に例示のために図面に示した本発明
の好ましい一実施例についての以下の説明によつ
て一層明らかになるであろう。

第１図には炉容器１０を備えた典型的な原子炉
の下部が示され、炉容器１０には、燃料集合体１
２、制御集合体１４及び運動停止集合体１６を含
む複数の集合体が収容されている。核燃料は破線
で示した炉心領域１８内において燃料集合体中に
収納されている。炉心領域の周りに燃料親物質を
通常有する増殖型原子炉の場合、液体ナトリウム
である冷却材は、入口２０を通つて炉容器１０に
入り、上記のいろいろの集合体を通つて上方に流
れ、熱エネルギーを吸収し、通常は最終的な発電
の目的で例えば出口２２を通つて図示しない熱交
換装置に排出される。

原子炉の電力出力は、冷却材の流量を変化させ
ること、中性子吸収物質を収納した制御集合体１
４の部分の選択的位置決め並びに吸収物質を収納
する停止集合体１６の部分を完全に炉心内部又は
炉心外部に位置させることを含むいくつかの形態
で制御し得る。

第２図に本発明による自動的停止集合体１６の
その他の細部を示し、この集合体は、外部的な操
作用計装を必要とせず、その応答が発電所運転員
の誤操作又は他の保護系統の誤作動によつては阻
止できないという自動的即ち固有的な特徴を備え
ている。

停止集合体１６は、位置固定されたハウジング
２４を備えている。ハウジング２４は図示した特
定の実施例では略々６角形であるが、ハウジング
２４及び他の構成要素は、特定の炉心領域１８及
び原子炉の配列に従つてその全体的な形状を容易
に変化させ得るものである。ハウジング２４は外
部ダクト２６を有し、外部ダクト２６は炉心領域
１８を通つて延長しており、通常は普通の核燃料
棒２８を収納する燃料集合体１２により炉心領域
１８内において半径方向に画定されている。核燃
料棒２８は周知のように炉心領域１８の上方と下
方に親増殖物質を備えていてもよい。６角形の外
部ダクト２６の４隅の各々などに、停止集合体１
６の核燃料棒３０が位置され、核燃料棒３０は炉
心領域１８の内部から炉心領域１８の頂部３２よ
りも上方の個所まで上方に延びている。核燃料棒
３０は外部ダクト２６と内部ダクト３６との間に
形成された環状域３４中に配設されている。内部
ダクト３６は、クリツプ３１により示すように、
好ましくは下端において外部ダクト２６に固着さ
れている。

停止集合体１６の核燃料棒３０とこれに組合さ
れた構造物とは第２Ａ図に一層詳細に図示されて
いる。これは金属被覆４３中に気密に封止された
核燃料４１を備えている。絶縁組立体１４７は冷
却材が流れる環状空間１４５を形成するように被
覆４３から隔置されている。好ましい実施例によ
る絶縁組立体１４７はMgO又はZrO₂のような断
熱材５３を介在させた２本の金属管１４９，５１
を有する。これにより環状空間１４５を通つて流
れる高温の冷却材は他の冷却材流路から隔離され
ている。

ハウジング２４の内部には大体円筒形の囲い３
８が移動自在に支持されており、囲い３８は氷久
磁石又は好ましくは電磁石を形成するコイル４０
を気密に収納している。導線４２はジヤンクシヨ
ン４５に終端する導管４４を経てシール状態でコ
イル４０に取付けられている。囲い３８はアーマ
チユア５４の対応の表面５０，５２に整合状態で
当接する形状の表面４６，４８を備えている。製
造公差に依存して、表面４６，５０は当接させて
もよく、表面４８，５２は0.13mm程度でわずかに
離隔させる。これらの整合表面は、矢印で示した
予め選定された磁束が表面４６，４８，５０，５
２を横切つて移動し得る大きさにする。表面４
６，５０は整列し易くするために図示のように傾
斜面とすることが望ましい。囲い３８とアーマチ
ユア５４にそれぞれ固着した非磁性材料製プラグ
５８，５９の傾斜面４７，４９により整列が一層
容易に行われる。プラグ５８，５９は好ましくは
ステンレス鋼製であり、プラグ５８は、インサー
ト５７に組合されて、凹部６０中においてコイル
４０を支持し、スナツプリング６１により所定位
置に保持され、溶着部をその他に有してもよい。
プラグ５９はボルト６３によりアーマチユア５４
に固着してあり、溶接されていてもよい。

アーマチユア５４は大体円筒形であり、上部区
分６２及び下部区分６４を有し、そのいずれも強
磁性材料製である。区分６２，６４は非磁性イン
サート６６により接合され、2.4mm程度の選定さ
れた空隙６７により内部ダクト３６の内面から半
径方向に隔置されている。空隙６７の大きさは、
アーマチユア５４及びこれに取付けられた各構成
部材が後述するようにレリーズされた時膠着又は
自己溶着されずに自由に落下するのに充分な値で
ある。

アーマチユア５４には複数の中性子吸収棒６８
が固着されている。吸収棒６８は多くの方法で固
定でき、第３図に１つの好ましい固定方法を示
す。この支持構造は、アーマチユア５４から隔置
されてボルト７２によりこれに固着された板体７
０を備えている。板体７０は、構成部材の接続用
の通路７４だけでなく、冷却材が流れスペース７
８の方に通過して流れる通路７６も備えている。
アーマチユア５４は同様の通路７４′，７６′（第
２図参照）を備えている。吸収棒６８は好ましく
は板体７０にすえ込みされて単一の集合体（吸収
集合体）を形成する。吸収棒は長く、６フイート
（約1.8ｍ）程度であるため、好ましくは円筒状ケ
ーシング８０（第２図参照）が吸収棒６８を半径
方向に包囲し、溶接などによりアーマチユア５４
に固着されている。そのためアーマチユア５４と
吸収棒６８とを炉心領域１８中に落下させた場
合、吸収棒６８は、急速な落下を妨げ得るような
どんな固定構造物とも接触しない。

内部ダクト３６は、薄いシリンダー８２により
形成されるような非磁性材料の区分を備えてい
る。第２図に示すように各構成部材を上方の位置
にすると、非磁性のシリンダー８２はアーマチユ
ア５４の非磁性インサート６６に半径方向に整列
される。環状域３４内部において、内部ダクト３
６の非磁性のシリンダー８２の周囲に、キユリー
点材料集合体８４が位置されている。キユリー点
材料集合体８４は、図示した実施例では６角形で
あり、好ましくは内部ダクト３６にねじ部８６及
びピン（図示しない）により固着してある。キユ
リー点材料集合体８４は冷却材が通過して流れる
通孔８７を備えていてもよい。キユリー点材料
は、予め選定した温度例えば552℃までは保持の
ための透磁率を提供し、予め選定された温度以上
例えば565℃において透磁率及び磁気的保持力を
失うように選定される。このような性質を示すキ
ユリー点材料は、例えばニツケル−鉄合金から成
るもののように周知である。この材料の典型的な
応答曲線を第４図に示す。

停止装置即ち停止集合体１６の作用について説
明する。再び第２図を参照して、コイル４０が励
磁されると、矢印で示す磁気的保持用の磁束５６
が生ずる。囲い３８の下方中心部の符号Ｆで表わ
した個所では、磁束４６は上向きで、コイル４０
の周りを通つてその上方に至る。コイル４０の下
方での短絡は、プラグ５８，５９及びインサート
５７が非磁性であることから、この域に磁性材料
がないことにより阻止される。磁束５６は次に整
合された保持用の表面４６，５０を横断してアー
マチユア５４の上部区分６２に入る。インサート
６６が非磁性であり、磁性材料が存在しないこと
から、磁束５６がアーマチユア５４の下方区分６
４に直接に移行することは阻止され、かくして空
隙６７を横切つてキユリー点材料中に移行する。
キユリー点材料が低温になつていると、磁束５６
はこれを通過し、空隙６７を通つてアーマチユア
５４の下方区分６４に戻る。磁束５６は次に下方
区分６４の下部を通り、整合する表面４８，５２
を横断して、磁気回路を形成する。この磁路はア
ーマチユア５４とこれに固着された吸収棒６８と
を上方位置に保ち、吸収棒６８の底面は炉心領域
１８の上方にある。

外部ダクト２６内の上部には２つの主な冷却材
流路がある。第１の冷却材流路は内部ダクト３６
内にあり、内部ダクト３６の内面とケーシング８
０の外面との間に形成された環状空間９０内の小
さい部分と、吸収棒６８の周りの大きい部分とを
含む。この冷却材は、アーマチユア５４の周り及
び内部を通つて流れ、内部ダクト３６の上端及び
囲い３８の頂部において排出される。代表的な液
体ナトリウム冷却される高速増殖原子炉では、こ
の冷却材の温度は約400℃である。第２の主要な
冷却材流路は、環状域３４内においてキユリー点
材料の上方にある。停止集合体１６の核燃料棒３
０は核分裂による熱を発生しているので、この冷
却材、特に環状空間１４５（第２Ａ図参照）を経
て流れる冷却材部分は、代表的な原子炉の場合、
約510℃の通常運転温度にある。この高温の冷却
材は、対応的に約510℃において動作するキユリ
ー点材料の周りに流れる。好ましくは偏向羽根９
２を利用して燃料棒３０の周りからキユリー点材
料の方に冷却材を向ける。環状域３４中において
流れる冷却材は、キユリー点材料集合体８４より
上方の高さに到達するまでは、内部ダクト３６中
に流れる冷却材と混合しない。

過大な高温又は特に高中性子束のような異常な
運転状態が炉心領域１８に発生すると、環状域３
４を通つて流れる冷却材、特に環状空間１４５内
の冷却材は、核燃料棒３０の核分裂により急速に
加熱され、キユリー点材料の温度を高めて、その
透磁性を低下させ、磁路を遮断し、停止装置の保
持力を消失させる。そのためアーマチユア５４と
吸収棒６８とケーシング８０及び他の固定構造物
は、重力作用により炉心領域１８の方に、またそ
の内部中に落下する。第３図に落下開始の近傍で
のアーマチユア５４及び吸収棒６８の位置を示
し、ここで表面４６，４８，５０，５２の分離が
生じる。吸収棒６８が炉心領域１８内部に到達し
たら、周知の適切なストツパーにより落下を停止
させる。吸収集合体の位置を表示するため表示棒
９６を使用してもよい。

炉心が適切な状態になつて中性子束及び温度が
低下した時にアーマチユア５４及び吸収棒６８を
復旧させるためには、囲い３８及びコイル４０を
表面４６，５０及び表面４８，５２が係合するま
で軸９４を下降させることにより制御自在に下降
させる。コイル４０を励磁すると、第５図に示す
ように、磁束は上記と同様に矢印５６により表わ
した終路に従うが、この場合はキユリー点材料で
はなく、磁性の内部ダクト３６の壁を通る。その
ため磁気的保持力が回復され、軸９４を上昇させ
るとアーマチユア５４及び吸収棒６８は炉心外の
上方位置に復帰する。

上述した固有の即ち自動的操作以外に、コイル
４０への電力を断つことによつて吸収棒６８を炉
心領域１８中に下降させることができる。更に明
らかなように、停止集合体１６の核燃料棒３０を
使用しないでも、炉心領域１８を去る冷却材の温
度が望ましくない程度に上昇したときに停止集合
体１６をすみやかに応答させることはできるが、
この場合の応答速度は核燃料棒３０を使用した場
合ほど高くはならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は典型的な原子炉の一部を示す概略記列
図、第２図は本発明による原子炉停止装置の立断
面図であり、各構成部材を上方位置において示す
図、第２Ａ図は第２図のＡ−Ａ線に沿つて示
す断面図、第３図は第２図の原子炉停止装置を一
部断面により示す斜視図であり、それの別の細部
を示し、また各構成部材を最上方の位置から少し
下降した位置において示す図、第４図は代表的な
停止装置について飽和磁束密度及び合成磁力に対
する温度の周知の効果を定量的に示す線図、第５
図は第２図と同様の立面図であり、各構成部材を
下方の位置において示す図である。 １０……炉容器、１６……停止集合体（停止装
置）、１８……炉心領域（炉心）、３６……内部ダ
クト（ダクト）、３８……囲い（駆動構造）、４０
……コイル（電磁回路装置）、６８……中性子吸
収棒（吸収集合体）、８４……キユリー点材料集
合体（電磁路領域）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉の炉心を通つて延びるダクト内に配設
   された中性子吸収集合体を有し、この中性子吸収
   集合体は、解放された時に中性子吸収集合体が上
   記炉心上方の位置から上記炉心内に落下できるよ
   うに駆動構造に解放可能に連結され、上記中性子
   吸収集合体が、温度に依存する透磁率をもつキユ
   リー点材料から成る電磁路領域を含む電磁回路装
   置により上記駆動構造に結合されてなる原子炉停
   止装置に於て、上記駆動構造および上記中性子吸
   収集合体がダクト内に配設され、上記キユリー点
   材料は上記ダクトの周囲に配設され、上記ダクト
   は上記キユリー点材料により囲まれる領域におい
   て非磁性材料から成ることを特徴とする原子炉停
   止装置。 ２ 上記ダクトの残余部分が強磁性材料であり、
   上記電磁回路が、ハウジング内にシールされかつ
   上記駆動構造に接続されたコイルにより形成さ
   れ、上記ハウジングは、磁性材料製であり、磁性
   材料製である上記中性子吸収集合体の上端に適合
   するように構成され、上記ハウジングを上記中性
   子吸収集合体上に下降させてこの下降位置にて上
   記コイルを励磁したとき、上記ハウジングと上記
   中性子吸収集合体とを再結合させるように磁束が
   上記ダクトを通過するようにされてなる特許請求
   の範囲第１項記載の原子炉停止装置。 ３ 流れる冷却材を燃料要素を含む分裂性材料か
   ら上方にすぐに上記キユリー点材料の方に向ける
   装置を備えた特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の原子炉停止装置。 ４ 上記電磁回路装置が、強磁性材料製で上記ダ
   クトの近傍に配設された上部区分及び下部区分か
   ら成るアーマチユアを有し、上記上部区分と上記
   下部区分とは非磁性インサートにより隔てられて
   おり、上記ダクトが非磁性材料製部分を含み、上
   記非磁性インサートは上記ダクトの上記非磁性材
   料製部分の近傍に選択的に位置させ得、上記キユ
   リー点材料は上記ダクトの上記非磁性材料製部分
   に近接して上記ダクトに取付られており、上記ダ
   クトの非磁性材料製部分と上記キユリー点材料と
   上記インサートとを近接して位置させたとき、上
   記磁気回路が上記キユリー点材料を介して上記上
   部区分から下部区分にまで形成されるようにした
   特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか記載
   の原子炉停止装置。