JPH02183199A - 原子炉、コールドトラップ及び原子炉の冷却材からの不純物の除去方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉に関し、特に、原子炉の冷却材中に蓄
積する不純物の制御及び除去に関する。

本発明は特に、冷却材として液体金属を用いる原子炉に
関する。

液体金属を用いる原子炉の典型的な例として、ナトリウ
ムを冷却材とする液体金属高速増殖炉（Ｌ　Ｍ　Ｆ　Ｂ
　Ｒ）が挙げられる。かかる原子炉では、通常、液体金
属であるナトリウムは、「冷たい」ナトリウムが高圧プ
レナムから炉心に流入し、加熱されたナトリウムが炉心
から流出して低圧プレナムに流入し、かくして高圧プレ
ナムと低圧プレナムとの間で炉心内を循環する。高圧プ
レナム内のナトリウムは約７５０１Ｆ、低圧プレナム内
のナトリウムは約９５０′″Ｆの温度状態にある。この
ナトリウムの循環は密閉された圧密容器内で行われるが
、主として、反応性が強いナトリウムと、腐食や空気及
び水蒸気の漏洩及び拡散の結果として容器内に存在する
酸素及び水素との反応、及び最初に使用した燃料集合体
や燃料交換の際に炉心内へ挿入される新しい燃料集合体
のような新しい装備に咬着している酸素及び水分との反
応により、酸化物、水酸化物及び他の化合物が生成する
。従来技術によれば、これら不純物の制御はコールドト
ラップの使用により行われている。この従来法では、ナ
トリウムは所謂「エコノマイザＪと、「クリスタライザ
（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚｅｒ）　Ｊと呼ばれるコールド
トラップとによって別々に処理される。

エコノマイザは、コールドトラップからのナトリウムが
流通する冷却用ジャケットを有する管である。原子炉人
口（高圧側）ブレナムからのナトリウムはエコノマイザ
を通り、次いでコールドトラップを通過するが、コール
ドトラップ内において、冷却され低い温度になり、不純
物をそれらの飽和温度に到達させて沈澱させる０次に、
この冷却されたナトリウムはエコノマイザのジャケット
に通され、ここでエコノマイザに流入するナトリウムを
予備冷却するので、ナトリウムの流れは原子炉出口（低
圧側）プレナムへの放出前に再熱される。

上述の従来型装置は有効寿命が比較的短いので原子炉の
ライフサイクル中に交換する必要がある。

この装置の交換は費用が嵩み、しかも原子炉を停止しな
ければならない。

エコノマイザ及びクリスタライザを用いる代わりに、所
謂「ゲッタートラップ（ｇｅｔｔｅｒ　ｔｒａｐ）　Ｊ
の使用が擾案されている。ゲッタートラップでは、ｆＩ
Ｉ素不純物及び水素不純物は、鉄−バナジウム−ジルコ
ニウム系合金により冷却材から除去される。

この方式も費用が嵩む、その理由は鉄−バナジウム−ジ
ルコニウム系合金が高価なためである。

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服し、妥当な費用
で、しかも原子炉の運転停止を繰り返さないで原子炉の
冷却材中の不純物の制御及び除去を行うことにある。ま
た、本発明の目的は原子炉の冷却材からの不純物の制御
及び除去を行う長寿命のコールドトラップを提供するこ
とにある。

実験研究を行った結果、従来型エコノマイザークリスタ
ライザ方式はその有効捕獲容積の最高約２０％まで使用
できるに過ぎず、その後は役に立たなくなることが判明
している。これらの研究に基づけば、本発明の開発によ
り、上述の従来型方式は以下の理由でその有効性を失っ
ている。つまり、コールドトラップ、即ちクリスタライ
ザの第１の領域又は平面において液体ナトリウム溶液が
飽和状態になり酸化物及び水酸化物を沈澱させて局部的
な沈澱が生じるからである。この沈澱によりクリスタラ
イザが閉塞して冷却材の流入が実質的に減じ又は阻止さ
れ、クリスタライザ内では沈澱がそれ以上穴して起こら
なくなる。

本発明によれば、エコノマイザがクリスタライザと一体
化されたユニットの状態に形成されたコールドトラップ
によって、冷却材中の溶質の制御及び除去が行われる原
子炉が提供される。この新規なコールドトラップでは、
固形物がコールドトラップ内に堆積するとナトリウム溶
液の飽和温度が自動的に調節されて捕獲容積が実質的に
全て利用される０本発明を用いると、実質的にコールド
トラップの完全有効利用が図られるだけでなく、２つの
別々の構成要素、即ち、エコノマイザ及びクリスタライ
ザに代えて単一の一体型コールドトランプを用いること
により装置の構造が簡単になる。

本発明によれば、従来技術との類似関係で言えば「エコ
ノマイザ」と呼べる内側管と、同様に「クリスタライザ
］と呼べる外側管とから成る一体ユニットである長寿命
コールドトラップを有する原子炉が提供される。内側管
は両端が開口しており、これら両端のうち一方の端の近
傍で外側管に封着され、この端から外側管の中に延び、
外側管の封着端と反対側の端（これを、内側管の「出口
端Ｊと呼ぶ場合もある）の近傍で外側管内へ開口してい
る。外側管は両端が閉鎖されている。内側管と外側管は
通常は円筒形であると共に同軸状に配置される。これら
の管の間には充填物を収容する環状空間が画定される。

一般に内側管及び外側管はステンレス鋼製メツシュであ
る。外側管は冷却用ジャケットを備え、このジャケット
内を冷却された状態の窒素ガスが循環する。

コールドトラップは内側管がその入口端と称しても良い
端において高圧ブレナムに連結された状態で原子炉容器
内に設けられ、従ってこのプレナム内の高い圧力の下で
冷却材は内側管の開口入口端に流入する。冷却材は、内
側管の反対側の出口端に達した後、方向を転じて環状空
間内の充填物内へ流れる。外側管内の冷却材はジャケッ
ト内を流れている冷却積層の窒素ガスにより冷却される
七共に内側管を通って流れる流入冷却剤を予備冷却する
。外側管の周囲面及び充填物の外面に沿って温度が最も
低くなる。冷却材は充填物を通って上流から下流へ流れ
るが、充填物が垂直方向に配設されている場合、冷却材
は充填物の頂部から注入されて垂直方向下方へ流れる。

上流端では、冷却材は、酸化物及び水酸化物が沈澱物と
なる飽和り 用材は飽和温度（ナトリウムについては通常的３００°
Ｆ）に達して不純物が充填物の外面に沿って沈澱する。

冷却材が流れ続けると、沈澱した固形物は断熱材として
働き、沈澱が早い時期に始まった領域内の冷却材の温度
低下の度合いを減じる０次いで、沈澱は流れている冷却
材に沿って一層下流の領域で始まる。沈澱物は、先に生
成した沈澱物から軸方向下流側で且つ半径方向内方に充
填物に付着堆積する。このように、沈澱は充填物に沿っ
て上流から下流へ軸方向に、そして、充填。

物の周囲から半径方向内方へ徐々に進行する。沈澱した
固形物の層が軸方向且つ半径方向内方へ拡がると、熱伝
導の度合いが減少するので、不純物が飽和し、従って沈
澱が生じる領域は冷却材の流れに関し上流から下流へ、
そして半径方向内方へ徐々に進行する０本発明によれば
、コールドトラップは、固形物が充填物内に堆積するに
つれ熱勾配を自動的に補償する。内側管の周りの容積部
は常時、冷却用ジャケットの近傍の環状空間又は充填物
の領域よりも一層高い温度状態にある。したがって、冷
却材の流れチャンネルが内側管に隣接した又はその−層
近傍の外側管の領域内に保たれる。この流れチャンネル
により、時期尚早な閉塞が起こらず、従ってコールドト
ラップの捕獲容積は有効利用される。

本発明の一層深い理解のため、本発明の追加の目的及び
利点と共に本発明の構成と動作原理に関し、添付の図面
を参照して以下の詳細な説明を参照されたい。

図面は、本発明による原子炉１１、典型的には、液１体
ナトリウムを冷却材とする液体金属高速増殖炉を含む原
子力発電所を示している。原子炉１１は格納容器１５の
キャビテイ１３内に据え付けられている。格納容器１５
は１１１６を有し、この蓋から中央ドーム１８が延びて
いる。原子炉１１は原子力発電所１７（第６図及び第７
図）の−次系側のエネルギ源である。

原子炉１１は格納容器１５内に位置したルーフ２０を育
する原子炉容器１９を含む、容器１９内において、炉心
２５は炉心支持板２７から吊り下げられている。容器１
９には冷却材が入っており、の冷却材は、複数の一層ポ
ンプ２９（第２図）により、炉心下方に設けられたプレ
ナム３１と炉心上方のプレナム３３との間で炉心２５内
を上方に循環する。−次ポンプはＩ１６により支持され
ている。炉心下方のプレナム３１内の冷却材は炉心上方
のプレナム３３内の冷却材よりも圧力が高く且つ温度が
低い状態にある。原子炉はドーム１８内に延びる制御棒
駆動装置３７により炉心２５から出し入れできる制御棒
３５を含む、複数の中間熱交換器３９がＩＦ１６によっ
て支持されている。

典型的な例では、３つの一層ポンプ２９及び６つの中間
熱交換器３９−が配設される。−次ポンプは、中間熱交
換器３９のそれぞれの管側、即ち一次側を通して炉心か
ら高温の冷却材を汲み上げる。各中間熱交換器３９はそ
のシェル側、即ち、二次側の液体ナトリウムを介して容
器１９の外部に設けられた蒸気発生器４１に熱を伝える
。この二次液体ナトリウムは、中間熱交換器の下流側で
各ループに連結された二次ポンプ４３によりポンプ輸送
される。蒸気発生器（第２図及び第６図）はタービン４
５を駆動するよう連結されている。原子炉の運転停止後
、炉心内における核分裂生成物の崩壊により発生する熱
の除去のため原子炉と直接的な連携関係にある複数の、
通常は３つの補助冷却系（ＤＲＡＧＳ）４７が蓋１６か
ら吊り下げられている。

本発明によれば、原子炉！ｌは長寿命のコールドトラッ
プ組立体５１．５３を備えている。各コールドトラップ
組立体は隅肉溶接部５６により容器１９のルーフ２０に
固着された立て管５５（第３図）を有する。立て管５５
はコールドトラップ５１．５３用の取付け・遮蔽プラグ
６０と高温低圧プレナム３３との間に延びている。プラ
グ６０はルーフ２０に設けられたスロット内に配設され
ている０本発明による長寿命コールドトラップ５７（第
３図及び第４図）は各室て管５５の内部に位置した状態
でプラグ６０から吊り下げられている。各コールドトラ
ップ５７は内側の管５９及び外側の管６１を有する。外
側管６１は溶接部６２によりプラグ６０に接合されてい
る。外側管６！は、リング状溶接部６３によって内側管
５９に固着された全体的に球形の底部を有している。

通常は外側管及び内側管をステンレス鋼で作るのが良い
、内側管と外側管との間には環状空間が画定され、この
環状空間内には、ステンレス５ｔＩｌのワイヤ・メッシ
ユから成る充填物６５が配設されている。内側管５９は
その上端（第３図参照）が環状空間内へ開口している。

内側管はその上端近傍に電磁流量計６７を備えている（
第５図）、流量計は永久磁石６９（第５図）を育し、そ
の磁極は内側管５９の上端の互いに直径方向反対側の表
面に向いている。電極７１が、両磁極を結ぶ方向と直角
な方向に沿って直径方向の箇所で内側管５９を貫通して
いる。内側管５９を構成するステンレス鋼は当然のこと
ながら非磁性のものである。

外側管６１はその下端近傍に、立て管５５の内部に開口
した穴７７を有している。バッフル・リング８３が内側
管５９と外側管６１との間でプラグ６０から吊り下げら
れている。

コールドトラップ５７はユニットとして構成された状態
で立て管５５内に取付けられている。外側管６１に固着
された環状板８４がピストン・リング８５を介して立て
管の内面に連結されている。

内側管５９は高圧プレナム３１に開口した状態でこれに
連結され、冷却材をこの内側管を通って充填物６５内へ
送り込むようになっている。充填物を通って流れる冷却
材は立て管５５を通って低圧プレナム３３内へ放出され
る。

バフフル・リング８３は外側管６１との間に内側環状空
間９１、立て管との間に外側環状空間９３を画定してい
る。パンフル・リング８３は環状板８４の上方で終端し
ているので環状空間９１゜９３は互いに連通状態にある
。ａ状空間９１゜９３は外側管６１の冷却用ジャケット
を構成している。予め冷却された窒素ガスがコンデｉり
９５を介して環状空間９１内へ注入され、環状空間９１
に沿ってバッフル・リング８３の下端と環状板８４との
間の隙間を通って循環して外側管６１の外部領域を冷却
し、コンダクタ９７を通って排出される。

典型的な例では、コールドトラップ５７の外側管６１は
長さが２３８インチ、内径が６５．６インチである。環
状空間９１．９３の両方を含むコールドトラップの直径
は６６．４インチである。内側管は、４インチ５ＣＨ４
０！１管である。穴７７には２インチ５ＣＨ４０製管（
図示せず）を嵌着するのが良い、内側管５９は高圧プレ
ナム３１内へ延びるに充分な長さのものであることが必
要である。変形例として、コールドトラップ５７を比較
的短い内側管５９を有するよう構成しても良く、この場
合には取付けの際、延長部をその端に溶接するのが良い
。

本発明を具体化した原子炉の作動原理を説明すると、高
圧プレナム内の圧力により冷却材は内側管５９を通って
その開口上端から充填物６５内へ送り込まれ、次にこの
充填物を迩うて流れる。冷却材は穴７７を通って低圧プ
レナム３３内へ放出される。環状空間９１内を流れる窒
素ガスにより、外側管６１の外面及びそれを介して充填
物の外側傾城、そして充填物を通って流れる冷却材が冷
却される。冷却材は充填物６５にその頂部から約７５０
°Ｆの温度で流入し、下方に流れながら冷却されるが、
最も大きな冷却材の温度低下は充填物６５の外周部に沿
って生じる。冷却材は、最初に充填物に沿って上端と排
出端の中間の’ａｍにおいて、溶質である酸化物及び水
酸化物の飽和温度である約３００″Ｆに達する。説明の
都合上、冷却材の周囲領域において、頂部から６フイー
ト下の領域で先ず飽和温度に達するものとする。溶質の
沈澱は充填物６５の外周部に沿ってこの領域から始まり
下方に続いて生じる。冷却材が流れ続けると、沈澱した
層が断熱材として働いて半径方向内方の温度低下の度合
いを減じる。すると、６フイート下方の領域における沈
澱物のすぐ隣の冷却材は温度が飽和温度まで下がらず、
飽和温度になる箇所は一層下方の領域になる。かくして
沈澱は輪方向下方且つ半径方向内方へ徐々に生じ続ける
。

コールドトラップは閉塞されず、絶えず冷却材を流し続
ける。充填物６５を通って流れる冷却材はその温度が低
下しているので内側管５９内を流通している冷却材を予
備冷却する。

原子炉１１の寿命は約３０年である。コールドトラップ
５７の有効動作期間は約１３年であると推定される。原
子炉の３０年の寿命をカバーするため、原子炉の組み立
ての際、２つのコールドトラ、ブが取付けられる。当初
、冷却用窒素ガスはコールドトラップ組立体のうち一方
、例えば５１にだけ供給される。約１３年後には、コー
ルドトラップ組立体５１への冷却用窒素ガスの供給を止
めて冷却用窒素ガスをコールドトラップ組立体５３に供
給する。このコールドトラップ組立体５３は約１７年と
いう一層長い寿命を有することになる。その理由は、コ
ールドトラップ組立体５３を用いるときには、原子炉の
構成要素を最初から汚染していた酸素及び水分は最初の
１３年間に亙り作動状態にあワたコールドトラップ組立
体５１により除去されているからである。

本発明の実施例を本明細書において開示したが多くの設
計変更を容易に行うことができる０本発明は従来技術の
晴神に属する場合を除き塵室されることは無い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を具体化した原子炉の主要な特徴を示
す縦断面図である。 第２図は、ドーム状カバーを取り外した状態の第１ＷＪ
の■−■線の方向における平面図である。 第３図は、第２図の１１線における部分拡大縦断面図で
あり、本発明による長寿命一体型コールドトラップを詳
細に示す図である。 第４図は、第３図のＩＶ−ＩＶ線における横断面図であ
る。 第５図は、第３図において長方形Ｖで囲んだ流量計を示
す部分拡大図である。 第６図は、第１図及び第２図に示す原子炉の運転状態を
示す系統図である。 第７図は、本発明による原子炉の冷却材回路を示す略図
である。 （主要な参照番号の説明］ １１・・・原子炉、ｌ　５−・・格納容器、１９−容器
、２０−・・ルーフ、２５−・・炉心、２９−・・−次
ポンプ、３１−・・高圧プレナム、３３−低圧プレナム
、５１．５３．５７−・コールドトラップ、５５−・・
立て管、５９−・・内側管、６０−プラグ、６１−・・
外側管、６５−充填物、６７−・・電磁流量計、７７・
・・穴、８３・−・バッフル・リング、８４・・・環状
板、９１−・内側環状空間、９３−・・外側環状空間。 特許出願人：ウェスチングハウス・エレクトリック・コ
ーポレーシヨン 代　理　人：加藤　紘一部（外１名） ＦＩＧ、２゜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）炉心及び冷却材を炉心内に循環させる手段を含む
   流体回路を有する原子炉において、流体回路が、主枝路
   と、冷却材中に溶解している不純物の除去のため主枝路
   を通って導かれた冷却材の一部を連続的に導くよう主枝
   路に連結された補助枝路とを含み、コールドトラップが
   、内側バウンダリ及び外側バウンダリを有する環状部材
   と、内側バウンダリと外側バウンダリとの間に介在した
   充填物と、内側バウンダリを補助枝路に連結して補助枝
   路からの冷却材を連続的に内側バウンダリ内に、次いで
   充填物中に導く手段と、外側バウンダリを冷却し、充填
   物中の冷却材を半径方向内方へ徐々に冷却して冷却材中
   の不純物を充填物中において冷却材の上流から下流の方
   向へ軸方向に且つ半径方向内方へ徐々に沈澱させ、それ
   により、充填物を介する熱伝導の度合いを、充填物を通
   って流れる冷却材の上流から下流の方向へ且つ半径方向
   内方へ徐々に減少させる手段と、外側バウンダリを主枝
   路に連結して充填物を通過した冷却材を主枝路内に放出
   する手段とを有することを特徴とする原子炉。
2. （２）炉心と、冷却剤の流れに関し炉心の上流側に位置
   していて冷却材が高い圧力の状態で収容される第１のプ
   レナムと、冷却座の流れに関し炉心の下流側に位置して
   いて冷却材が低い圧力の状態で収容される第２のプレナ
   ムとの間で冷却材を炉心内に循環させる手段と、冷却材
   から不純物を除去する少なくとも一つのコールドトラッ
   プとを有する原子炉であって、コールドトラップは、内
   側管と、内側管との間に環状空間を画定するよう内側管
   を包囲した外側管と、内側管と外側管の間に設けられた
   充填物と、外側管に連結されていてその外面を冷却する
   手段とを有し、内側管は、第１のプレナムと連通してい
   て、冷却材を連続的に内側管内に、次いで充填物中に導
   き入れ、それにより冷却材を充填物中で冷却して不純物
   を、充填物中を通る冷却材の流れに関し上流から下流の
   方向へ徐々に沈澱させると共に冷却材の半径方向内方へ
   徐々に沈澱させ、それによって充填物を介する熱伝導の
   度合いを冷却材の流れに関し上流から下流の方向へ徐々
   に減少させると共に半径方向内方へ徐々に減少させるよ
   うにし、外側管は、充填物を通って第２のプレナムに向
   かって流れる冷却材の流れに関し下流側の領域に連結さ
   れていて浄化された冷却材を第２のプレナム内に放出す
   ることを特徴とする原子炉。
3. （３）原子炉の冷却材から不純物を除去するコールドト
   ラップにおいて、内側管と、内側管を包囲した外信管と
   、内側管と外側管の間に介在した充填物と、内側管と外
   側管の間に形成されていて、冷却材を内側管から充填物
   中に流すチャンネルと、チャンネルから見て遠くの位置
   で外側管に設けられていて充填物を通過した冷却材を放
   出させる手段と、外側管の外面に連結されていて該外面
   を冷却する手段とを有することを特徴とするコールドト
   ラップ。
4. （４）原子炉の冷却材から不純物を除去するコールドト
   ラップにおいて、両端が開口した内側管と、内側管の両
   端のうち一方の端の近傍で内側管に連結された外側管と
   を有し、内側管と外側管の間には、内側管の他方の端か
   ら、外側管と内側管の連結部まで延びる環状空間が画定
   され、内側管は冷却材を前記一端から前記他端を通して
   環状空間内に導き、充填物が環状空間内に設けられ、外
   側管の外面を冷却する手段が外側管に連結され、環状空
   間内へ導かれた冷却材を放出する手段が、内側管と外側
   管の前記連結部の近傍で外側管に設けられていることを
   特徴とするコールドトラップ。
5. （５）原子炉の冷却材から不純物を除去する方法であっ
   て、冷却材を、内側流路を通って充填物が収容された環
   状空間に連続的に導き入れ、次いで充填物中に通し、充
   填物の外側バウンダリを冷却してその外側バウンダリか
   ら冷却材を半径方向内方へ冷却し、充填物の外側バウン
   ダリの温度を、冷却材が、不純物を冷却材の流れの上流
   側から下流側に徐々に軸方向へ沈澱させると共に冷却材
   の半径方向内方へ徐々に沈澱させる温度に達するよう維
   持することを特徴とする方法。
6. （６）内側流路を通って流れる冷却材を、環状空間内の
   冷却材と熱交換させることにより予備冷却することを特
   徴とする請求項第（５）項記載の方法。