JPH0519087A

JPH0519087A - 高速増殖炉とそれに使用されるポンプ設備

Info

Publication number: JPH0519087A
Application number: JP3173590A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Goto; 忠後藤; Yoshihiko Sato; ▲吉▼彦佐藤; Goro Aoyama; 吾朗青山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1991-07-15
Publication date: 1993-01-26
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: JP2529036B2

Abstract

(57)【要約】【目的】原子炉炉容器２の小型化と機器の信頼性が向上
し、システム全体の簡素化が図られ、低コスのタンク型
高速増殖炉の構造を提供することを目的とする。【構成】回転磁界により回転されるターンテーブル１６
と同軸で回転するインペラ１５部を有するポンプ回転可
動部を炉心３直下に組み込み、さらに原子炉容器２壁の
外壁側に回転磁界を発生するステータ１６を設け、ステ
ータ１６の回転磁界による電磁力の結合で原子炉容器内
部のポンプ回転可動部を回転する一次冷却系ポンプ設備
を構成し、これによって、ポンプに関する電気機器要素
の耐ナトリウム性の問題が無くなる。また、ルーフスラ
ブ９の貫通部及びポンプ据え付けスペースが不要とな
り、中間熱交換器５を高温プレナム７領域に稠密に配置
することが可能になることから、原子炉炉容器２の小型
化と機器の信頼性が向上し、システム全体の簡素化が図
られ、低コストのタンク型高速増殖炉の構造。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、高速増殖炉に係わり、
特に、炉心直下にポンプを配置した一次冷却系を備えた
高速増殖炉に関する。

【従来の技術】高速増殖炉（以下、単にＦＢＲと記
す。）は一般に液体金属ナトリウムを冷却材として用い
られ、ループ型とタンク型に形式が分かれる。本発明は
両形式に適用できるがタンク型炉に適用した場合、より
効果的であるためタンク型ＦＢＲについて従来技術を以
下に説明する。図２はフェニックス（Phenix）炉等に代
表される一般的なタンク型ＦＢＲの一次系の構造を示
す。図２に示すように、タンクである原子炉容器２の中
に炉心３と、複数基の縦形ポンプ４と、複数基の中間熱
交換器５と、そして炉心上部機構６などが納められてい
る。原子炉容器２内にはナトリウム１が充填されルーフ
スラブ９で蓋がされている。また原子炉容器２内のナト
リウム１は、隔壁構造物１０により、上部の高温プレナ
ム７と下部の低温プレナム８に仕切られている。前記し
た複数基の縦型ポンプ４と中間熱交換器５はルーフスラ
ブ９を貫通し、高温プレナム７、および低温プレナム８
まで延長し、周方向に配列されて一次系を構成してい
る。複数基の縦型ポンプ４の流体流入口は低温プレナム
８領域に開口し、流体出口は配管によって炉心槽底部に
接続されている。以上のように構成した従来型のタンク
型ＦＢＲの一次冷却系は次のように動作する。複数基の
縦型ポンプ４が同時に稼働し、低温プレナム８領域のナ
トリウム１を炉心３に圧送する。ナトリウム１は炉心３
の核分裂熱で加熱され、高温ナトリウム１となり炉心３
上部から高温プレナム７領域に流出する。高温ナトリウ
ム１は複数基の中間熱交換器５に分流し、内部を降下し
ながら伝熱管を介して二次冷却系（図示省略）へ熱を交
換して冷却され、低温ナトリウムとなり再び低温プレナ
ム８領域に戻る一巡の流路を形成する。以上説明したタ
ンク型ＦＢＲのこれまでの設計例では熱出力3000MWt 級
で、８基の中間熱交換器５と、４基の縦型ポンプ４をい
ずれも均等分布に近くなるように炉心の回りに周方向に
配列することから原子炉容器２の直径が約２０メートル
にも及ぶ大型のタンク容器になる。原子炉容器の蓋であ
るルーフスラブ９も原子炉容器２と同じ大直径となる。
また、ルーフスラブ９は放射線遮蔽機能と断熱機能を有
すると共に縦型ポンプ４，中間熱交換器５、および炉上
部機構６を支える強度部材であることから、さらに大型
かつ重量物になる。したがって、タンク型ＦＢＲのシス
テムはますます複雑になり、建設コストは同クラスの軽
水炉に比べ２倍以上にもなっている。従って、さらに大
幅な合理化の必要がある。近年、タンク型ＦＢＲの合理
化設計の研究が盛んに行われていて、その狙いは、いか
に炉容器の直径を小さくし、物量を減らし、さらに、シ
ステムの簡素化を図るかが主流である。図３及び図４及
び図５並びに図６に従来の合理化設計を目的とした一例
を示す。図３の構成は特開昭60−33083 号公報及に、図
４の構成は特開昭63−113390号公報に、図５の構成はノ
バアトム（NOVATOME）の文献に、図６の構成は特開昭62
−278485号公報に示されている。図３，図４は、中間熱
交換器の内部に機械式ポンプを挿入し機器の合体をした
構成の例で、図３の例では中間熱交換器５の内部に電磁
カップリング１３及びポンプシステム４ａが存在する。
図４の例ではポンプシャフト４ｂがルーフスラブ９を貫
通し、そのポンプシャフト４ｂが中間熱交換器５内部に
存在する構成である。図５の例では中間熱交換器と電磁
ポンプとを直列に合体した構成が存在する。図６の例で
は、炉心の下部に複数個のアニュラスリニアインダクシ
ョンポンプ型の電磁ポンプを設置した構成が示されてい
る。

【発明が解決しようとする課題】図３，図４，図５，図
６のいずれもが原子炉容器２の直径を小さくするのが目
的の従来技術であるが、図３の例では中間熱交換器５の
内部に電磁カップリング１３及びポンプシステム４ａが
存在するため中間熱交換器５の内部構造が複雑で径方向
に大きくなり、このため、中間熱交換器５の直径が大き
くなる欠点がある。また、図４の例ではポンプシャフト
４ｂの貫通部が依然としてルーフスラブ９に存在するた
めルーフスラブ９の簡素化には寄与しないし、ポンプシ
ャフト４ｂが中間熱交換器５内部に存在するから中間熱
交換器５の径が大きくなり、結果として複雑で原子炉容
器の径も大きくなる。さらいには、中間熱交換器出口に
ポンプの駆動部４ａが近接して存在するため、低温プレ
ナム領域での低温ナトリウムのミキシング効果が十分に
行われない等の欠点がある。また一方、中間熱交換器５
と電磁ポンプ１４とを直列に合体した図５の例では機器
の長さが長くなり、延いては原子炉容器２の高さが長尺
になり、高さ方向での大型化を伴う。図６の例では、炉
心の下部に複数個のアニュラスリニアインダクションポ
ンプ型の電磁ポンプを設置したから、図５と同じように
電磁ポンプの励磁コイルや複数基のポンプへの給電部
等、全ての電気機器要素が高温なナトリウムの液中に存
在せざる得ず、電気絶縁材の耐ナトリウム性に問題が生
じやすくて実現性に乏しい。上記した従来技術の原子炉
容器の小型化を狙った例のうち、中間熱交換器とポンプ
とを合体した例では、かえって、ポンプのシャフト部
や、ルーフスラブ貫通部の構造が複雑になったり、また
は原子炉容器の長尺化等の問題が残る。さらに電磁ポン
プを配置した例では、電気機器要素の耐ナトリウム性に
問題が残る。このように従来技術では、原子炉容器の小
直径化にともなう問題が発生する。従って、本発明の第
１の目的は、原子炉容器の小型化を現実的に達成するこ
との出来る高速増殖炉提供することにあり、第２の目的
は第１の目的を達成するに特に好適なポンプ設備を提供
することにある。

【課題を解決するための手段】本発明の第１の目的を達
成する第１の手段は、冷却材を包含できるタンク内に、
前記冷却材が下方から上方に通過できる炉心と、前記炉
心の下方に配備されて前記炉心へ前記冷却材を供給する
ポンプと、前記冷却材に対して熱交換の出来る熱交換機
とを装備したタンク型高速増殖炉において、前記ポンプ
は前記タンク内に配備されて前記冷却材に動圧を与える
回転可動部分を備え、前記回転可動部分は前記タンクの
外側に装備された回転磁界発生装置で回転自在に電磁的
に結合されていることを特徴としたタンク型高速増殖炉
である。同じく第２の手段は、第１の手段において、前
記回転可動部分は、複数の流体案内羽根を備えたインペ
ラ部分と、前記インペラ部分に固定されて回転磁界の誘
導により回転するターンテーブルとから成り、前記回転
可動部分は水平と垂直方向とにおいて軸受により支持さ
れることを特徴とするタンク型高速増殖炉である。同じ
く第３の手段は、第１の手段又は第２の手段において、
前記回転可動部分を囲うポンプケーシングは流体吸い込
み口が水平方向に、流体出口が上向きに備わることを特
徴とするタンク型高速増殖炉である。第４の手段は、第
１の手段又は第２の手段又は第３の手段において、前記
ポンプの流体出口から前記炉心までの前記冷却材流路の
途中に冷却材流量分布を前記炉心の径方向に均一化する
整流機構を備えていることを特徴とするタンク型高速増
殖炉である。同じく第５の手段は、熱交換器で冷却され
たタンク内の冷却材をポンプで炉心に供給する一次冷却
系を備えたタンク型高速炉において、前記ポンプは前記
冷却材雰囲気中に前記炉心と直列な配置で回転自在に配
備された前記冷却材に対する動圧付与手段を有し、前記
冷却材とは隔離されて前記冷却材よりも低温な雰囲気中
に前記動圧付与手段に回転力を与える回転磁界発生装置
を備えていることを特徴とするタンク型高速増殖炉であ
る。同じく第６の手段は、ポンプにより駆動された冷却
材が熱交換器と炉心との間を循環する一次冷却系ループ
を備えた高速炉において、前記ポンプは前記一次冷却系
ループ内の前記冷却材雰囲気中に回転自在に配備された
前記冷却材に対する動圧付与手段を有し、前記冷却材と
は隔離されて前記冷却材よりも低温な雰囲気中に前記動
圧付与手段に回転力を与える回転磁界発生装置を備えて
いることを特徴とする高速増殖炉である。同じく第７の
手段は、第６の手段において、前記低温な雰囲気は前記
一次冷却系ループの外側の気体雰囲気中であることを特
徴とする高速増殖炉である。上述の本発明の第２の目的
を達成するための第８の手段は、流体に動圧を与える回
転可動部分が、その回転軸の延長方向に離れている回転
磁界発生装置と回転誘導自在に電磁的に結合されている
ことを特徴とするポンプ設備である。同じく第９の手段
は、第８の手段において、前記回転可動部分は、複数の
流体案内羽根を備えたインペラ部分と、前記インペラ部
分に固定されて回転磁界の誘導により回転するターンテ
ーブルとから成り、前記回転可動部分は水平と垂直方向
とにおいて軸受により支持されることを特徴とするポン
プ設備である。同じく第１０手段は、第８の手段又は第
９の手段において、前記回転可動部分を囲うポンプケー
シングは流体吸い込み口と流体出口との配置角度が９０
度ずれていることを特徴とするポンプ設備である。同じ
く第１１の手段は、第８の手段又は第９の手段又は第１
０の手段において、前記ポンプケーシングの流体出口流
路に流体の流量分布を前記流体出口の径方向に均一化す
る整流機構を備えていることを特徴とするポンプ設備で
ある。本発明の第１の目的を達成するための第１２の手
段は、上方にルーフスラブを、内部に低温プレナム領域
と高温プレナム領域とに区画する隔壁を有する原子炉容
器内に、熱輸送媒体として液体金属の一次冷却材が入れ
られ、前記原子炉容器内に、炉心と、その炉心に前記低
温プレナム領域の液体金属を供給するポンプと、前記炉
心で加熱されて前記高温プレナム領域に前記炉心から出
された前記液体金属を受け入れて二次冷却系に熱を伝達
する中間熱交換器とを装備して構成したタンク型高速増
殖炉において、前記ポンプは前記液体金属に動圧を与え
る一基の回転可動部を前記炉心の直下の低温プレナム領
域に有し、前記回転可動部に電磁力で回転誘導する回転
磁界を発生する一基のステータを前記原子炉容器の外側
に設け、前記ステータに回転磁界の回転量を可変する制
御装置を備えたことを特徴するタンク型高速増殖炉であ
る。同じく第１３の手段は、第１２の手段において、前
記高温プレナム領域に複数基の前記中間熱交換器を周方
向にポンプを挾まずに連続して密に配列したことを特徴
とするタンク型高速増殖炉である。同じく第１４の手段
は、第１３の手段において、前記回転可動部は、複数枚
の流体案内羽根を備えたインペラ部と、平断面での配置
が複数個の磁性材と非磁性材部材とを交互に且つ放射状
に配列した円盤状のターンテーブル部とが回転中心を一
致させた同軸で連結した回転体とされ、その回転体は軸
受機構で回転軸方向その回転軸方向と直角な方向とを支
持されてポンプケーシング内に納めて構成され、そのポ
ンプケーシングの液体金属の流入口が前記ポンプケーシ
ングの外周囲の前記低温プレナム領域に開口し、出口流
路が前記炉心の前記液体金属流入入口と連結した流路を
形成していることを特徴とするタンク型高速増殖炉であ
る。同じく第１５の手段は、第１４の手段において、前
記ポンプケーシングの前記液体金属の出口と前記炉心へ
の液体金属の流入入口部の間の流路に、中心領域は小孔
で外周ほど大孔な孔が分布する多孔板を設けた整流機構
を備えることを特徴とするタンク型高速増殖炉である。

【作用】第１の手段では、回転磁界発生装置により発生
した回転磁界がタンクの外側からタンクの内側のポンプ
の回転可動部分に電磁結合し、その回転可動部分がその
回転磁界により回転される。ポンプの回転可動部分の回
転によりタンク内の冷却材が動圧を受けて炉心へ供給さ
れる作用が得られる。第２の手段では、第１の手段によ
る作用に加えて、回転磁界が軸受で支持されたターンテ
ーブルを回転させ、そのターンテーブルに結合されたイ
ンペラ部分が同時に回転し、そのインペラ部分の回転に
よりタンク内の冷却材に動圧を付与する作用が得られ
る。第３の手段では、第１の手段又は第２の手段による
作用に加えて、高温冷却材を上方に吐出する炉心の出口
よりも低い位置にある低温の冷却材を下方の構造物に影
響を受けること無く水平方向より吸い込みポンプで動圧
を与えて炉心の下方から上方の炉心に供給する作用が得
られる。第４の手段では、第１の手段又は第２の手段又
は第３の手段による作用に加えて、ポンプにより動圧を
与えられた冷却材は炉心に入る前に整流機構で炉心の径
方向に流量分布を均一化され、冷却材が炉心内に極力均
一に流入する作用が得られる。第５の手段では、タンク
内の冷却材よりも低温な雰囲気からタンク内の冷却材温
度影響による電気的特性の変化を大きく受けること無く
回転磁界発生装置は回転磁界を発生して動圧付与手段を
その回転磁界で回転させ、動圧付与手段は回転すること
によりタンク内の冷却材に動圧を付与し、炉心の冷却材
入り口と出口との間に圧力差を付与し、炉心内に冷却材
を通過させる作用が得られる。第６の手段では、一次冷
却系ループ内の冷却材よりも低温な雰囲気から一次冷却
系ループ内の冷却材温度影響による電気的特性の変化を
大きく受けること無く回転磁界発生装置は回転磁界を発
生して動圧付与手段をその回転磁界で回転させ、動圧付
与手段は回転することにより一次冷却系ループ内の冷却
材に動圧を付与し、炉心の冷却材入り口と出口との間に
圧力差を付与し、炉心内に冷却材を通過させる作用が得
られる。第７の手段では、第６の手段による作用に加え
て、液体に対するシールを考慮すること無く回転磁界発
生装置は一次冷却系ループの外側の気体雰囲気中から雰
囲気のことなる一次冷却系ループ内の冷却材中にある動
圧付与手段を回転磁界で回転する作用が得られる。第８
の手段では、回転可動部分が、その回転軸の延長方向に
離れている回転磁界発生装置と電磁的に結合されて回転
磁界により回転して流体に動圧を与える作用が得られ
る。第９の手段では、第８の手段による作用に加えて、
回転磁界が軸受で支持されたターンテーブルを回転さ
せ、そのターンテーブルに結合されたインペラ部分が同
時に回転し、そのインペラ部分の回転により流体に動圧
を付与する作用が得られる。第１０手段では、第８の手
段又は第９の手段による作用に加えて、ポンプケーシン
グは流体吸い込み口と流体出口との配置角度が９０度ず
れているから流体を直角に向きを変えて吐出する作用が
得られる。第１１の手段では、第８の手段又は第９の手
段又は第１０の手段による作用に加えて、整流機構によ
りポンプからの吐出流体の吐出口幅方向の流量分布を均
一化方向に整流する作用が得られる。第１２の手段で
は、回転磁界の可変制御装置により制御された回転磁界
が原子炉容器の外側のステータから出て原子炉容器の内
側の回転可動部を回転させ、その回転可動部とステータ
は各一基にして複数基あるのに比べて回転磁界の干渉等
の弊害が起こらず低温プレナム内の液体金属に動圧を確
実に付与して炉心に液体金属を供給し、一次冷却系内に
液体金属を循環させる作用が得られる。第１３の手段で
は、第１２の手段による作用に加えて、高温プレナム領
域内にポンプが存在しないから高温プレナム領域に多く
の中間熱交換器を密に配備して効率良く熱エネルギ−の
一次冷却系から二次冷却系への伝達行える作用が得られ
る。第１４の手段では、第１３の手段による作用に加え
て、ターンテーブルはターンテーブルの磁性材が回転磁
界の磁界に磁気的に結合して回転し、その回転によりタ
ーンテーブルに連結されたインペラ部が回転し、インペ
ラ部は低温プレナム領域の液体金属を吸引して動圧を与
えて炉心へ供給される作用が成される。第１５の手段で
は、第１４の手段による作用に加えて、多孔板に中心領
域は小孔で外周ほど大孔な孔の分布により動圧を受けて
流れの中心ほど流速が早い流速分布を平均化し、炉心へ
の供給流量を均一化する作用が得られる。

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は本発明のタンク型ＦＢＲ一次冷却系
の構造を示した全体図である。冷却材であるナトリウム
を充満した原子炉容器２の内部に、以下に述べる一次冷
却系機器の全てを格納してタンク型ＦＢＲの一次冷却系
を構成する。ルーフスラブ９を蓋として有する原子炉容
器２のほぼ中心に炉心３を配置する。炉心３の頂部を境
に隔壁構造物１０を設けて上部に自由液面を有する高温
プレナム７領域を、下部に低温プレナム８領域を区画形
成する。中間熱交換器５はルーフスラブ９から挿入し、
高温プレナム７領域を通して、下部の低温プレナム８領
域に達するように隔壁構造物１０を貫通して配置する。
中間熱交換器５は炉心３を中心にサークル状に複数基配
置する。これらの中間熱交換器５の一次冷却系ナトリウ
ム１は上部の高温プレナム７領域から流入し、中間熱交
換器５内を下降し、下部の低温プレナム８領域に流出す
る流路を形成する。二次冷却系は中間熱交換器５の頂部
から配管で導かれ、二次冷却系ループ（図示省略）に接
続されている。炉心３の直上部に炉内計装、および制御
棒駆動装置を含む炉上部機構６を設けて、ルーフスラブ
９でこれを支持している。炉心３の直下部にポンプイン
ペラ１５と連結したターンテーブル１６とで構成した回
転可動部、及び整流機構１７を内蔵したポンプケーシン
グ１８で構成したポンプ構成部分を配置する。図７に回
転可動部の拡大図を示す。この領域には梁構造の炉心支
持構造部があるが、空間領域で低温プレナム８領域に相
当する。さらにポンプケーシング１８の位置に対応し
て、且つ原子炉容器２の外壁に密着して回転磁界発生装
置としてステータ１９を設ける。この部分は原子炉容器
２の外周に設けられているガードベッセル２０との間隙
のメンテナンスエリアである。ステータ１９には外部に
設けた回転磁界の制御装置としてのポンプ回転数制御装
置２１から制御電力を供給する電源配線２２が布設され
る。前記したポンプケーシング１８は円筒状の下方で低
温プレナム８領域に開口しナトリウムの流入口を形成す
る。ポンプケーシング１８の上部は炉心３の下部に存在
する高圧プレナム部に連結した流路で、流出口を形成す
る。さらにポンプケーシング１８の流出流路の中間部に
整流機構１７を設ける。整流機構１７は中心領域が小孔
で周囲が大孔に成るように分布した多孔板構造を形成し
ており、多好板は複数枚多段に設けてもよい。多好板の
目的は炉心入口部で平坦な流速分布になるような流動圧
力損失特性を有するような整流機構を構成する。前記図
７に示した回転可動部の内、回転体の構造を図８に示
す。上段にポンプインペラ１５があり、下段のターンテ
ーブル１６とはシャフト２３で連結されている。ターン
テーブル１６下面の中心部にピボット軸受け２４を設
け、回転部の下向き荷重を支え、さらに、シャフト２３
の部分に横荷重を受ける軸受２５を設け、円盤状の回転
体を形成する。ターンテーブル１６はステータ１９との
磁気ギャップが最も小さくなるように原子炉容器２の底
板部に配置される。ターンテイブル１６は複数個の磁性
材２６と非磁性材２７の部材を交互に、かつ放射状に配
列した円盤状の磁極を形成するが、具体的な構造は円板
状のステンレス鋼に放射状の溝を設け、溝の凹部分に炭
素鋼等の磁性材の磁極を埋め込んで成形するとよい。ポ
ンプインペラ１５部は流体案内羽根２８を周囲放射状に
設け、さらに、流体案内羽根２８の形状は回転によって
円周の流入口２９から流入して中心部から流出する流線
型を成す軸流式ポンプのインペラ構造である。前記した
ステータ１９は図９に示すようにドーナツ状の励磁型磁
界発生装置である。磁性材の磁極３１は交流磁界による
渦電流損失を低減させるため、表面が絶縁皮膜で覆われ
た珪素鋼板等の磁性鋼板をコイル状に巻いて同芯状に積
層し、偏平な円筒形に加工する。さらに、放射状に複数
個の溝を加工して磁極を構成する。他の加工法として
は、複数枚の磁性鋼板を積層にし一括円筒形に成形する
こともできる。放射状の溝の凹部に励磁コイル３２を組
み込んでステータ１９を構成する。図１０及び図１１に
ステータ部１９の詳細な部分構造を示す。励磁コイル３
２の形状は励磁磁界の方向が水平になるように「亀の子
型」に整形してある。このようなコイル形状は一般の誘
導電動機のステータに用いられているものと同様であ
る。円周状の凹部溝に埋め込まれる励磁コイル３２の配
置関係は交流電源の相数と磁極数によって定まる。例え
ば、図１０のＡ₁−Ａ₂断面を示す図１１のように、一個
の溝には励磁コイル（ａコイル）の一辺（３２ａ）と最
後の励磁コイル（ｚコイル）の一辺（３２ｚ₀）が一緒
に入っていて、また、(ａコイル)のもう一辺(３２ａ₀）
の入っている溝にはつぎの励磁コイル（ｂコイル）の一
辺（３２ｂ）が一緒に入っている様に全周に渡って互い
のコイルの一辺が重なるように配置する。このように配
列された励磁コイル３２に多相交流電流を給電して一方
向の回転磁界を得るためには図１２に示すように結線す
るとよい。つまり、図に示すように、各励磁コイルの一
辺で磁極に発生する磁界が連続して(Ｎ−Ｓ−Ｎ−Ｓ・・
・)と成るように矢印の方向に給電する。この図示は最も
簡単な２層，全節，重ね巻の例であるが、基本的には、
各励磁コイルで発生する磁界の合成が一方向の円に成る
ように結線するもので、電源の相数，コイルの数，磁極
の数等によってその結線法も異なる。前記のターンテー
ブル１６の磁極数は、ステータ１９の磁極３１の数と一
致するのが最も磁気力の結合効率がよい。ポンプ回転数
制御装置２１の具体的構成図を図１３に示す。出力設定
３３は原子炉特有の出力値をコンピュータより与え、流
量マスターステーション３４でポンプの運転の「手動」
か「自動」かを選択する。関数発生器３５は出力設定３
３に見合った制御信号を発生する。比較器３６は運転状
態の流量（Ｆ）を取り込み、出力設定信号と比較し、差
分を発生する。Ｐ＋Ｉ制御器３７はポンプ系の動特性を
考慮して差分変化値について微分，積分演算をし、制御
信号を補正する。制御信号は再び流量マスターステーシ
ョン３４ａを経てリミッター回路３８に入る。ここでは
制御系から逸脱しないように制御信号に制限を加える。
次に、ポンプの回転数に相当する発電機の（Ｍ−Ｇセッ
ト）回転数を比較器３６ａに取り込み、制御信号と比較
し、差分を発生する。差分信号を制御範囲設定器３９で
抑制した後、再びＰ＋Ｉ制御器３７ａと関数発生器３５
ａを経て補正された制御信号は、コントロールドライバ
４０に入る。コントロールドライバ４０はＭ−Ｇセット
４６の流体継手４３のトルクを調整する。Ｍ−Ｇセット
４６は電動機４２，流体継手４３、および発電機４４等
が回転シャフトで連結している。電動機４２は商用電源
が供給され一定回転数で回転しているが、流体継手４３
で回転トルクを制御されるため発電機４４では回転数が
制御され、周波数の制御された交流電源を発生する。発
電機４４には回転数計４５が設けてあり、検出された回
転数信号は、前述の比較器３６ａに取り込まれている。
発電された交流電源を配線２２で導きステータ１９の励
磁コイル３２に給電してポンプ制御装置２１を構成す
る。以上説明した制御装置の基本部はＭ−Ｇセットで周
波数を変換する方式について記述したが、ほかにサイリ
スターのスイッチング周期の制御による周波数変換方式
もある。以上のように構成した本発明のタンク型ＦＢＲ
の一次冷却系は次のように動作をする。ＦＢＲの運転制
御は炉心の出力を一定に維持するために、中性子束量や
炉心出口の流体温度、および、一次冷却系ナトリウムの
循環流量を検出し、原子炉の運転状態を監視しながらコ
ンピュータを内蔵した中央制御盤から制御棒の挿入量や
ナトリウムの循環流量を制御する。一次冷却系のナトリ
ウム流量を可変するには一次冷却系ポンプの回転数を調
節して行う。本発明の場合、図１において炉心出口に設
けた流量計からの一次冷却系ナトリウム循環流量信号を
炉心上部機構６から導き、上述したポンプ制御装置２１
に取り込まれる。ポンプ制御装置２１では原子炉の出力
設定値と比較制御された交流電流を発生し、ポンプ電源
配線２２を通してステータ１９の励磁コイル３２に供給
され、ステータ１９の磁極３１が励磁される。各磁極３
１には供給電流の周波数に同期してつぎつぎに円周方向
に励磁され回転磁界を発生する。磁界は非磁性材の原子
炉容器２の壁と、ナトリウム１を透過し、内部の磁性体
のターンテーブル１６に達する。ターンテーブル１６側
の各磁性材部分２６は磁界を受けて磁化し磁気力で回転
磁界に同期して回転をする。ポンプインペラ１５もター
ンテーブル１６と同軸で回転し軸流ポンプが成立する。
回転するポンプインペラ１５の流入口２９に流体吸引力
が発生し、低温プレナム８領域のナトリウムが流入す
る。ポンプケイシング１８内で加圧され圧送されたナト
リウム１はポンプインペラ１５の上部流出口３０から流
出する軸流ポンプとして働く。軸流式ポンプの流速分布
はポンプインペラの中心部が高く周囲が低い特性がある
ため、整流機構１７を通すことによって平坦な流速分布
が得られ、炉心３の高圧プレナムに供給される。ナトリ
ウム１は炉心３の核分裂熱で加熱され、ほぼ５３０℃の
高温のナトリウムとなり、炉心３上部から高温プレナム
７領域に流出する。高温ナトリウム１は複数基の中間熱
交換器５に分流し、中間熱交換器５内を下降流動する間
に伝熱管を介して二次冷却系（図示省略）へ熱を交換し
てほぼ３５０℃程度まで冷却され、低温のナトリウムと
なり低温プレナム８領域で合流する。低温プレナム８領
域に戻った低温ナトリウムは再びポンプに至る一巡の流
路を形成する。二次冷却系に伝熱された熱は、図示され
ていないが二次冷却系ループのナトリウムを循環し、蒸
気発生器で水を加熱し蒸気を発生し、蒸気タービンを回
転し、発電機により発電する原子力発電システムを構成
する。以上説明した本発明のシステムを従来型の1000MW
e 級のタンク型ＦＢＲに適用した場合について検討して
みる。電気出力1000MWe 級のタンク型ＦＢＲでは１基当
り約300MWtの交換熱量の能力を持つ中間熱交換器５を８
基保有する。この中間熱交換器８基を高温プレナム７領
域内に稠密に配列することが出来ることから原子炉容器
２の直径は１２〜１３ｍ程度になる。この寸法は従来型
に比べ約６０％の小型になる。つぎに、一次冷却系ポン
プについて検討する。従来型の縦型ポンプは直径約１ｍ
程度のインペラで、約２００ｍ³／ｍｉｎ程度の流量を
出すものが４基で構成されている。このシステムを本発
明のように１基のポンプに合体した場合のポンプ設備の
規模について検討する。機械式ポンプの流量比（Ｑa／
Ｑb），吐出圧力比（Ｈa／Ｈb），回転数比（ｎa／ｎ
b）およびインペラの直径比（Ｄa／Ｄb）の各要素間に
は以下の関係がある。（Ｑa／Ｑb）＝（ｎa／ｎb）・（Ｄa／Ｄb）³・・・・・・・・・(1) （Ｈa／Ｈb）＝（ｎa／ｎb）²・（Ｄa／Ｄb）²・・・・・・・・・(2) よって、軸動力比（Ｐa／Ｐb）は（Ｐa／Ｐb）＝（ｎa／ｎb）³・（Ｄa／Ｄb）⁵・・・・・・・・・(3) の関係が得られる。ここに、Ｑａ，Ｈa，Ｐa，ｎa，Ｄa
は本発明のポンプの各値を、Ｑｂ，Ｈｂ，Ｐｂ，ｎｂ，
Ｄｂは従来型のポンプの各値を示す。本発明と従来ポン
プのシステムとの関係をＱa＝４Ｑb、Ｈa＝Ｈbとすれ
ば、上式(1)(2)からＤa／Ｄb＝２，ｎa／ｎb＝１／２と
なり、本発明は従来型に比べポンプインペラの直径を２
倍にし、回転数を半分にすることで成立する。一方、駆
動源の軸動力は上式(3)からＰa＝４Ｐbとなり、４倍の
軸動力を必要とする。この駆動力を発生させるための電
磁力の大きさは、ステータで発生する磁束密度、及びス
テータと対面するターンテーブルの電磁力結合面積に比
例し、また、ステータとターンテーブルとの磁気ギャッ
プの二乗に反比例する特性がある。したがって、大きな
電磁力を得るためにはターンテーブルの直径を大きく
し、磁気ギャップを出来るだけ小さくするような構造に
する。また、ステータの励磁コイルの巻数を多く、さら
に、ステータへの供給電流を大きくし、いわゆるアンペ
ア・ターン（起磁力）を大きく取るとよい。したがっ
て、ターンテーブルの直径は上記したインペラの直径に
関わりなく決定してもよい。同クラスの炉心槽の直径は
約６ｍで、炉容器底部の鏡板部に梁構造の炉心支持構造
によって支えられているが、炉心の下部は十分な空隙が
ある。したがってターンテーブルの直径は最大で、炉心
槽の直径寸法まで拡大することが可能である。以上説明
したように、本発明の実施例によれば、ポンプシステム
の設置場所は炉容器内部のうち最も温度が低い領域であ
り、さらに、炉心下部の領域は下部遮蔽が施されている
ため放射線被爆量も低い領域である。このため機器の設
置場所の環境としては最適である。また、本発明ではポ
ンプの電気機器要素がナトリウム液中に存在しないこ
と、ルーフスラブからポンプシャフトの貫通部が無くし
たこと等から、システムの信頼性が著しく向上する。さ
らに、高温プレナム領域からポンプ部分が無くなるため
この領域に複数基の中間熱交換器を稠密に配列すること
が可能になり、その分だけ炉容器の直径を小さくするこ
とができるなどシステムの簡素化を図り、且つ機器の信
頼性を向上させたタンク型ＦＢＲが達成できる。以上、
本発明の実施例ではポンプ駆動部がインペラとターンテ
ーブルとをシャフトで連結して回転する構造を採用して
いるが、変形例として図１４に示すようにインペラ１５
とターンテーブル１６の合体形の駆動部にすることも可
能である。この例ではインペラ１５の羽根２８の部分を
磁性材で構成した磁極２６として共用するもので、この
変形例が成立するためには、流動特性から要求されるポ
ンプインペラの形状、及び寸法が電磁力側の要求するタ
ーンテーブルの磁極構造と寸法が一致することが必要で
ある。さらに変形例として、ターンテーブルの下部軸受
け部２４を磁気で浮上する磁気軸受型にすることも可能
である。この場合、ターンテーブルの軸受け部分も磁性
体とし、下部に設けたドーナツ状のステータの中心部に
軸受け用の磁界発生コイルを追加設置し、外部電源から
励磁することによって可能である。磁気浮上型軸受け方
式は機械的磨耗部が無くなり機器の信頼性が一層向上す
るが、大きな浮上用の磁気力を必要とす場合がある。し
かし、ステータに設けた励磁コイルを超伝導コイルに置
き換えることによって小電力の供給で高出力の磁気力が
得ることも可能である。この外、本発明のシステムを採
用した応用例としては、極端な合理化設計に撤した熱出
力400MWt級の小型モジューラ型炉に適用した場合より効
果的である。

【発明の効果】請求項１の発明によれば、炉心の下のタ
ンク内空間に機械式ポンプの回転可動部を設けてその回
転可動部の回転作用に供する回転電磁力発生設備をタン
ク外に備えて両者をタンク壁面を挾んで電磁的に結合し
たから、炉心とポンプが直列に配列されて原子炉が小型
化される上、回転電磁力発生設備が高温液体環境から外
れて信頼性が高くてその分現実性を高めることが出来る
という効果が得られる。請求項２の発明によれば、請求
項１の発明による効果に加えて、ポンプの回転可動部が
回転磁界で回転誘導されるターンテーブルと冷却材を送
り出すインペラ部とに分け、これら両者を固定関係に備
えているから、回転磁界を強く受ける方が有利なターン
テーブルを回転電磁力発生設備に近く、冷却材を炉心に
送り出すインペラ部を炉心に寄せて配備するなどの有利
な配置が採用でき、インペラ部を回転させるという機能
にも支障が無いという効果が得られる。請求項３の発明
によれば、請求項１又は請求項２の発明による効果に加
えて、水平方向から冷却材を吸い込んで上方の炉心へ供
給できるから、吸い込み口が下方にあるのに比べて下方
に冷却材が円滑に流れ込んで溜る吸い込みを円滑にする
ための空間を確保する必要が無くてその分特に上下方向
の原子炉の小型化に寄与できる。請求項４の発明によれ
ば、請求項１又は請求項２又は請求項３の発明による効
果に加えて、整流機構により炉心へ冷却材を極力均一分
布にて供給する効果が得られる。請求項５の発明によれ
ば、炉心と直列にポンプの冷却材に対する動圧付与手段
を配置して原子炉の小型化を成し、さらに、その動圧付
与手段を回転させる回転磁界発生装置は冷却材よりも低
温なる雰囲気にあるから、冷却材による熱影響の障害を
受けず、さらには冷却材側と回転磁界発生装置側との隔
離手段に貫通部分無くして電磁的に動圧付与手段と回転
磁界発生装置とを結合することが出来るから貫通部のシ
−ル性や強度維持の配慮も必要無くて信頼性が高まり、
原子炉の小型化を現実的なものとできる効果がある。請
求項６の発明によれば、ポンプの動圧付与部分を機械的
結合無しに電磁的に回転磁界発生部分に結合して回転さ
せるから、一次冷却材ループをポンプの部品が貫通する
ことが無くて、ポンプは原子炉を小型化するに都合の良
い一次冷却材ループの任意の途中位置に容易に配備でき
るようになり、且つ冷却材温度を受けにくい状態に回転
磁界発生部分が存在するから、信頼性も高まるという効
果が得られる。請求項７の発明によれば、請求項６の発
明による効果に加えて、回転磁界発生部分の液体に対す
るシールを配慮する必要が無いから、より信頼性が高く
なる。請求項８の発明によれば、ポンプの流体に動圧を
与える部分とその部分に回転を誘起させる回転磁界発生
装置とが回転磁界で電磁的に無接触にて結合された状態
で、且つその回転磁界発生装置がポンプ回転軸の延長方
向に離れていて回転軸の軸廻りにその回転磁界発生装置
を配備する必要が無いから、ポンプの配備可能な環境条
件が広がるという効果が得られる。請求項９の発明によ
れば、請求項８の発明による効果に加えて、ポンプのイ
ンペラ部と回転磁界に誘導されて回転するターンテーブ
ルとを同期回転できるように固定関係に置きながらもそ
の両者の位置を離すことが出来るから、ターンテーブル
を回転磁界発生装置にちかずけたり、インペラ部をポン
プからの吐出流体を受ける相手にちかずける等の合理的
な配置がとれるという効果が得られる。請求項１０の発
明によれば、請求項８又は請求項９の発明による効果に
加えて、ポンプの吸い込み口と吐出口とが直角な角度関
係にあって、原子炉炉心の下にポンプを配備した際に、
原子炉容器内下部の低温冷却材を原子炉容器内構造物が
少ない水平側方から炉心側の上方に冷却材を送り出すの
に好適な構成が取りいれやすくなるという効果が得られ
る。請求項１１の発明によれば、請求項８又は請求項９
又は請求項１０の発明による効果に加えて、ポンプの吐
出流量分布を流体出口の径方向に均一化するから、その
流体を受け入れる側に流量分布の不均衡が生じにくいと
いう効果が得られる。請求項１２の発明によれば、炉心
の下の低温環境下の低温プレナム内に機械式ポンプの回
転可動部を設けてその回転可動部の回転作用に供する回
転電磁力を発生するステータをより一層低温環境下であ
る原子炉容器外に備えて両者を原子炉容器壁面を挾んで
電磁的に結合したから、炉心とポンプが直列に配列され
て原子炉が小型化される上、回転電磁力を発生するステ
ータが高温液体環境から外れ、且つステータもそのステ
ータの磁力の影響を受ける回転可動部もそれぞれ一基ず
つであるから、電磁結合関係において確実であり、もっ
て信頼性がを高めてその分上述の小型化の現実性を高め
ることが出来、さらにはポンプがルーフスラブを貫通し
たりルーフスラブに支持されることが無いから、ルーフ
スラブも簡素化できるという効果が得られる。請求項１
３の発明によれば、請求項１２の発明による効果に加え
て、中間熱交換器間に配備されていたポンプが炉心下に
配備されることにより中間熱交換器を密に配備できるか
ら、熱の取り出し効率良くなる効果が得られる。請求項
１４の発明によれば、請求項１３の発明による効果に加
えて、ポンプの回転可動部が回転磁界で回転誘導される
ターンテーブルと冷却材を送り出すインペラ部とに分
け、これら両者を固定関係に備えているから、回転磁界
を強く受ける方が有利なターンテーブルをステータに近
く、冷却材を炉心に送り出すインペラ部を炉心に寄せて
配備するなどの有利な配置が採用でき、インペラ部を回
転させるという機能にも支障が無いという効果が得られ
る。請求項１５の発明によれば、請求項１４の発明によ
る効果に加えて、炉心への径方向流量配分を均等にしや
すくなるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるタンク型ＦＢＲの縦断面
図。

【図２】従来のタンク型ＦＢＲの縦断面図。

【図３】従来の他のタンク型ＦＢＲの縦断面を左半分に
つき示した図。

【図４】従来のさらに他のタンク型ＦＢＲの縦断面を左
半分につき示した図。

【図５】従来のさらに他のタンク型ＦＢＲの縦断面を左
半分につき示した図。

【図６】従来のさらに他のタンク型ＦＢＲの縦断面図。

【図７】図１のポンプ回転可動部の拡大図。

【図８】図７のポンプ回転可動部の要部の斜視図。

【図９】図１のステータ部の斜視図。

【図１０】図１のステータ部の励磁コイルの部分構造説
明概念図。

【図１１】図１０のＡ₁−Ａ₂矢視断面図。

【図１２】図１０の励磁コイルの結線方法説明図。

【図１３】図１のポンプ制御装置の制御フローチャート
図。

【図１４】本発明で採用できるインペラ部の変形例を示
す斜視図。

【符号の説明】

１…ナトリウム、２…炉容器、３…炉心、４…機械式ポ
ンプ、５…中間熱交換器、６…炉上部機構、７…高温プ
レナム、８…低温プレナム、９…ルーフスラブ、１０…
隔壁構造物、１１…ナトリウム自由液面、１２…カバー
ガス空間、１３…電磁カップリング、１４…電磁ポン
プ、１５…ポンプインペラ、１６…ターンテーブル、１
７…整流機構、１８…ポンプケーシング、１９…ステー
タ、２０…ガードベッセル、２１…ポンプ回転数制御装
置、２２…電源配線、２３…シャフト、２４…下部軸
受、２５…シャフト軸受、２６…磁性材、２７…非磁性
材、２８…案内羽根、２９…流入口、３０…流出口、３
１…磁極、３２…励磁コイル、３３…出力設定、３４…
流量マスタステーション、３５…関数発生器、３６…比
較器、３７…Ｐ＋Ｉ制御器、３８…リミッター、３９…
制御範囲設定器、４０…コントロールドライバ、４１…
電動機電源、４２…電動機、４３…流体継手、４４…発
電機、４５…回転数計、５６…Ｍ−Ｇセット。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却材を包含できるタンク内に、前記冷却
材が下方から上方に通過できる炉心と、前記炉心の下方
に配備されて前記炉心へ前記冷却材を供給するポンプ
と、前記冷却材に対して熱交換の出来る熱交換機とを装
備したタンク型高速増殖炉において、前記ポンプは前記
タンク内に配備されて前記冷却材に動圧を与える回転可
動部分を備え、前記回転可動部分は前記タンクの外側に
装備された回転磁界発生装置で回転自在に電磁的に結合
されていることを特徴としたタンク型高速増殖炉。
【請求項２】請求項１において、前記回転可動部分は、
複数の流体案内羽根を備えたインペラ部分と、前記イン
ペラ部分に固定されて回転磁界の誘導により回転するタ
ーンテーブルとから成り、前記回転可動部分は水平と垂
直方向とにおいて軸受により支持されることを特徴とす
るタンク型高速増殖炉。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、前記回転
可動部分を囲うポンプケーシングは流体吸い込み口が水
平方向に、流体出口が上向きに備わることを特徴とする
タンク型高速増殖炉。
【請求項４】請求項１又は請求項２又は請求項３におい
て、前記ポンプの流体出口から前記炉心までの前記冷却
材流路の途中に冷却材流量分布を前記炉心の径方向に均
一化する整流機構を備えていることを特徴とするタンク
型高速増殖炉。
【請求項５】熱交換器で冷却されたタンク内の冷却材を
ポンプで炉心に供給する一次冷却系を備えたタンク型高
速炉において、前記ポンプは前記冷却材雰囲気中に前記
炉心と直列な配置で回転自在に配備された前記冷却材に
対する動圧付与手段を有し、前記冷却材とは隔離されて
前記冷却材よりも低温な雰囲気中に前記動圧付与手段に
回転力を与える回転磁界発生装置を備えていることを特
徴とするタンク型高速増殖炉。
【請求項６】ポンプにより駆動された冷却材が熱交換器
と炉心との間を循環する一次冷却系ループを備えた高速
炉において、前記ポンプは前記一次冷却系ループ内の前
記冷却材雰囲気中に回転自在に配備された前記冷却材に
対する動圧付与手段を有し、前記冷却材とは隔離されて
前記冷却材よりも低温な雰囲気中に前記動圧付与手段に
回転力を与える回転磁界発生装置を備えていることを特
徴とする高速増殖炉。
【請求項７】請求項６において、前記低温な雰囲気は前
記一次冷却系ループの外側の気体雰囲気中であることを
特徴とする高速増殖炉。
【請求項８】流体に動圧を与える回転可動部分が、その
回転軸の延長方向に離れている回転磁界発生装置と回転
誘導自在に電磁的に結合されていることを特徴とするポ
ンプ設備。
【請求項９】請求項８において、前記回転可動部分は、
複数の流体案内羽根を備えたインペラ部分と、前記イン
ペラ部分に固定されて回転磁界の誘導により回転するタ
ーンテーブルとから成り、前記回転可動部分は水平と垂
直方向とにおいて軸受により支持されることを特徴とす
るポンプ設備。
【請求項１０】請求項８又は請求項９において、前記回
転可動部分を囲うポンプケーシングは流体吸い込み口と
流体出口との配置角度が９０度ずれていることを特徴と
するポンプ設備。
【請求項１１】請求項８又は請求項９又は請求項１０に
おいて、前記ポンプケーシングの流体出口流路に流体の
流量分布を前記流体出口の径方向に均一化する整流機構
を備えていることを特徴とするポンプ設備。
【請求項１２】上方にルーフスラブを、内部に低温プレ
ナム領域と高温プレナム領域とに区画する隔壁を有する
原子炉容器内に、熱輸送媒体として液体金属の一次冷却
材が入れられ、前記原子炉容器内に、炉心と、その炉心
に前記低温プレナム領域の液体金属を供給するポンプ
と、前記炉心で加熱されて前記高温プレナム領域に前記
炉心から出された前記液体金属を受け入れて二次冷却系
に熱を伝達する中間熱交換器とを装備して構成したタン
ク型高速増殖炉において、前記ポンプは前記液体金属に
動圧を与える一基の回転可動部を前記炉心の直下の低温
プレナム領域に有し、前記回転可動部に電磁力で回転誘
導する回転磁界を発生する一基のステータを前記原子炉
容器の外側に設け、前記ステータに回転磁界の回転量を
可変する制御装置を備えたことを特徴するタンク型高速
増殖炉。
【請求項１３】請求項１２において、前記高温プレナム
領域に複数基の前記中間熱交換器を周方向にポンプを挾
まずに連続して密に配列したことを特徴とするタンク型
高速増殖炉。
【請求項１４】請求項１３において、前記回転可動部
は、複数枚の流体案内羽根を備えたインペラ部と、平断
面での配置が複数個の磁性材と非磁性材部材とを交互に
且つ放射状に配列した円盤状のターンテーブル部とが回
転中心を一致させた同軸で連結した回転体とされ、その
回転体は軸受機構で回転軸方向その回転軸方向と直角な
方向とを支持されてポンプケーシング内に納めて構成さ
れ、そのポンプケーシングの液体金属の流入口が前記ポ
ンプケーシングの外周囲の前記低温プレナム領域に開口
し、出口流路が前記炉心の前記液体金属流入入口と連結
した流路を形成していることを特徴とするタンク型高速
増殖炉。
【請求項１５】請求項１４において、前記ポンプケーシ
ングの前記液体金属の出口と前記炉心への液体金属の流
入入口部の間の流路に、中心領域は小孔で外周ほど大孔
な孔が分布する多孔板を設けた整流機構を備えることを
特徴とするタンク型高速増殖炉。