JPH0631820B2 - 高速増殖炉の熱交換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はナトリウム冷却型高速増殖炉での使用に好適
な、熱交換・蒸気発生システムに関するものである。

〔発明の背景〕

ナトリウム冷却型高速増殖炉の商用化にあたり、軽水炉
のコストの大幅低減が目標とされ、様々な方策が考えら
れている。これらの方策のうち、コスト低減に最も大き
な効果を与えるのは、機器、構造、システム構成のコン
パクト化である。ナトリウム冷却型高速増殖炉には、ル
ープ型とタンク型の２種類の炉型があり、各々の基本構
成を第５図，第６図に示す。第５図はループ型の基本構
成例で、第６図はタンク型の基本構成を示したものであ
る。まず、ループ型を例により説明する。第５図に示す
様に、炉心２で発生する熱は、一次主循環ポンプ３で駆
動される一次主冷却系１１により、中間熱交換器５を介
して２次主冷却系１２に伝えられる。２次主冷却系１２
は２次主循環ポンプ４で駆動され、蒸気発生器６を介し
て水系１３に熱を伝える。給水ポンプ10により蒸気発生
器６に送り込まれた給水は、蒸気発生器６で蒸気化さ
れ、蒸気タービン７を回して発電する。以上が高速増殖
炉の発電過程であるが、これは第６図に示したタンク型
の場合も基本的には変わらない。タンク型の場合は、炉
容器１の内部に一次主冷却系１１を収納した構造になつ
ており、一次系機器は炉容器１内に収納される。これら
の基本構成のうち、２次主冷却系１２は安全上の観点、
すなわち１次系ナトリウムと水系を完全に分離する２重
バウンダリとして設けられている。従つて、１次主冷却
系および水系のバウンダリの安全性が確立されれば、２
次主冷却系は不用となるが、現状の技術では安全性の確
立は難しい。それゆえ、２次主冷却系を設置する必要が
あり、原子炉システムのコンパクト化を妨げ、プラント
を大型化する大きな要因の１つとなつている。そこで、
２次主冷却系を可能な限りコンパクト化するため、中間
熱交換器とポンプ、蒸気発生器とポンプ、または中間熱
交換器と蒸気発生器を一体化する構成が、従来より考え
られている。

この従来の考え方の一例を第７図に示す。第７図は中間
熱交換器５と蒸気発生器６を縦につないだもので、中間
熱交換器５で一次系ナトリウムから熱を伝えられた２次
系ナトリウムは、２重配管１５の内筒側を通り、上部の
蒸気発生器６に導かれ、伝熱管１６を介して水系に熱を
供給する。この考え方は、全プラント費の約５％を占
め、全長数百ｍにも達する２次系配管を極力減らす事に
より、コスト低減、コンパクト化をねらつたもので、中
間熱交換器５や蒸気発生器６の機器の構造は従来と全く
変わらず、機器構造も含めた一体化の概念は認識されて
いない。この従来例のようにした場合、下の中間熱交換
器のメンテナンスが非常に困難となる事や、中間熱交換
器５と蒸気発生器６とをつないでいる２重配管１５の部
分の耐震および熱応力・熱疲労に関して、信頼性に問題
がある事など種々の問題点が派生してくる。従つて、実
機に適用するには、安全上解決すべき課題が多々あり、
現実的ではない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、信頼性も高く、しかもコンパクトな熱
交換・蒸気発生システムを提供する事にある。

〔発明の概要〕

本発明の構成要件は、炉心を冷却する１次冷却系と、前
記１次冷却系から蒸気発生系へ熱を伝える２次冷却系と
を備えた高速増殖炉において、前記１次冷却系から前記
２次冷却系への伝熱手段と、前記２次冷却系から前記蒸
気発生系への伝熱手段との内の一方を内筒に開口部を備
えた内外２重円筒構造のタンクの前記内筒内に設け、他
方を前記２重円筒構造の内外筒の間に設けたことを特徴
とした高速増殖炉の熱交換装置であって、前記１次冷却
系から前記２次冷却系への伝熱が前記内筒内か前記２重
円筒構造の内外筒の間内のいずれか一方で行われ、他方
にはその伝熱後の前記２次冷却系の冷却材が内筒に開口
部を通って流入し、その他方側において前記２次冷却系
から前記蒸気発生系への伝熱が行われる、という作用が
得られる。このような作用によりいずれか一方の伝熱手
段が破れて伝熱手段を挟んで存在する二流体が反応等生
じてもその破断事故の影響は内筒の壁面に遮られて他方
の伝熱手段や系統に及びにくくて信頼性と安全性とが向
上する上、さらには、前記２次冷却系の冷却材は内筒を
流路として利用するから、２次冷却系の配管を大幅に簡
略化できるという効果が得られる。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図に示す。本実施例では、２重
管構造の内筒２３の内部に中間熱交換器５を設置し、内
筒２３と外筒２４の間に蒸気発生器伝熱管１６を設置し
てある。炉心で熱を供給された１次系のナトリウムは、
中間熱交換器５の頂部の入口３１より流入し、伝熱管２
２の中を通つて、出口３２から抜けていく。その際、シ
エル側を通る２次系ナトリウムと熱交換する。２次系ナ
トリウムは、２次系主循環ポンプで循環され、下部の流
入口３０より内筒２３の内側の中間熱交換器５のシエル
側を通過して、１次系ナトリウムより熱を伝えられ、内
筒２３の上部窓２５より、環状部に流れ込み蒸気発生器
伝熱管１６を介して水系に熱を伝え、蒸気を発生させ
る。２次系ナトリウムは環状部の下部のヘツダ２８を通
して、流出口２９より２次系主循環ポンプへ戻つてい
く。内筒２３の内側には、２次系ナトリウムが中間熱交
換器５内に効率良く流入するように、仕切り１７を設け
てある。この様に一体化した場合に問題になるのは、従
来例で述べた様に、構造が複雑化することによりメンテ
ナンスの困難さ、および耐震、熱応力・熱疲労、蒸気発
生器伝熱管１６の破損時のナトリウム−水反応による水
素発生等に対する安全性である、以下、これらの点につ
いて考えてみる。まず、本実施例ではメンテナンスを容
易にするため、上部フランジ２６と下部フランジ２７の
２つを持つ２重フランジ構造としている。上部フランジ
２６は中間熱交換器５に溶接してあり、中間熱交換器５
は上部フランジ２６と共に引き抜くことができる。ま
た、下部フランジ２７は内筒２３と蒸気発生器伝熱管１
６の両者と一体の構造になつており、中間熱交換器５の
引き抜き後に、内筒２３と一緒に蒸気発生器伝熱管１６
を引き抜くことができる。従つて、このような構造にす
ることで、中間熱交換器と蒸気発生器が単独になつてい
る場合と比較して、本実施例が同程度のメンテナンス性
を有することが判る。さらに、耐震、熱応力・熱疲労の
面では、全体を２重管構造にすることにより、第７図で
示した従来例の２重管接続部の様に過度に熱および応力
が集中する部分がなく、信頼性が向上している。また、
内部２３が中間熱交換部と蒸気発生部の間の隔壁が役割
を果たすため、蒸気発生器伝熱管１６の破損事故時にナ
トリウム−水反応で発生した水素は、環状部の上方のガ
ス空間に導かれる。ゆえに、下部フランジ２７に従来と
全く同様なラプチャデイスクを用いた圧力逃がし機構を
設置すれば、水素発生による事故拡大を防止することが
できる。事故の際、発生した水素の一部が内筒２３の上
部窓２５を通つて、内筒２３の内側に入り込む心配があ
るが、２次ナトリウムのフローパターンを見れば判る様
に、環状部に比べ内側の方が常に圧力は高いため水素は
流入しにくく、ほとんど環状部の上方へ抜けていく。

従つて、本実施例はメンテナンス性、信頼性、安全性の
面で、従来の縦置一体型で比べて格段にすぐれていて、
中間熱交換器、蒸気発生器の単独型と比べても全く遜色
しない。本実施例は、２次系主循環ポンプを除いて２次
系ループを削除した構成で、いわば２次系ループをタン
クにした熱交換・蒸気発生システムと言うことができ
る。この構成により、原子炉建屋の敷地面積が約１／２
に減少でき、２次系配管の大幅削減と合わせて、全プラ
ント費用の１０〜１５％が削減できる見通しである。

第２図は他の実施例を示したものである。本実施例で
は、内筒２３の内側に蒸気発生器６を、内筒２３と外筒
２４の環状部に中間熱交換器を設置し、さらに中間熱交
換器に電磁フローカプラーを適用して、２次系主循環ポ
ンプも不用した。この中間熱交換器部の構造を説明す
る。まず、内筒２３および外筒２４は、第３図で示す様
に磁石３８または磁性体３７の表面をナトリウムに対し
て耐久性のあるステンレス板３９で被覆した構造となつ
ている。磁石３８は、内筒２３と外筒２４の少なくとも
どちらか一方に設置されておれば良く、例えば本実施例
の様に３分割する場合は磁束３５の向きが環状部を横切
る方向となるように、第２図のごとく極性を合せて配置
する。磁石３８，磁性体３７共に高温下で使用されるか
ら、キユリー点の高い材料を選択する必要がある。この
様な構造とすることで、内筒２３と外筒２４の間の磁界
を発生する。環状部には導電性で、ナトリウムに耐久性
のあるステンレス板を用いた波形伝熱板３６が設置され
る。波形伝熱板３６は両端が溶接され、さらに上端は下
部フランジ２７に、下端は仕切り板４３に溶接され、１
次系ナトリウムと２次系ナトリウムを完全に分離する構
造となつている。一次系主循環ポンプで駆動される１次
系ナトリウムは環状部入口３１より流入して、上方から
下方へと流れ、出口３２より再び炉心へ戻つていく。こ
の際、ナトリウムが導電体であり、しかも磁束３５に直
交して流れるから、フレミングの右手の法則により、そ
れぞれに直交する円周方向にリング電流が発生する。そ
の結果、磁束３５および円周方向に発生したリング電流
により、今度はフレミングの左手の法則から、２次系ナ
トリウムに１次系ナトリウムの流れ方向と逆向きの力が
誘起され、２次系ナトリウムが下方から上方へと駆動さ
れる。これが電磁フローカプラーの動作原理である。２
次系ナトリウムは、１次系ナトリウムにより駆動される
ばかりではなく、波形伝熱板３６を介して熱を伝えら
れ、内筒２３の内側の蒸気発生器６を通じて、水系に熱
を供給する。本実施例でも、メンテナンス性を考慮し
て、２重フランジ構造としている。上部フランジ２６に
は蒸気発生器６を、下部フランジ２７には内筒２３と波
形伝熱板３６が溶接されており、それぞれ独立に引き抜
くことが可能な構造になつている。

本実施例によれば、１次系ナトリウムの駆動力により、
２次系ナトリウムを駆動するから、２次系主循環ポンプ
が不用になり、さらにコンパクト化され、コスト低減が
可能となる。また２次系ナトリウムを駆動流体として、
１次系主循環ポンプをなくした構成も可能である。

以上で説明した本発明は、基本的にはループ型、タンク
型を問わずに適用できる。ただし、第１図で説明した実
施例をタンク型に適用する場合、構造上、炉容器が大き
くなると予想され、第２図で示した実施例と同様に、内
筒の内側に蒸気発生器を、環状部に中間熱交換器を設置
する構造の方が望ましい。この様な観点から、タンク型
に適した構造を持つ本発明の一実施例を第４図に示す。
本実施例では、内筒２３の内側に蒸気発生器６を、環状
部に中間熱交換器伝熱管２２を配してある。ホツトプレ
ナム４５の１次系ナトリウムは外筒上部の窓４７より流
入し、隔壁４４でホツトプレナム４５と隔離されている
コールドプレナム４６へ流出する。２次系ナトリウム
は、２次系主循環ポンプ４により駆動され、流入ヘツダ
４１より伝熱管２２内を通つて１次系ナトリウムと熱交
換し、下部のバツフル板４２を通つて蒸気発生器に熱を
供給する。その後、流出ヘツダ４０を通つて２次系主循
環ポンプ４に戻つていく。この実施例でも上部は２重フ
ランジ構造として、メンテナンス性を良くしている。

本実施例は、タンク型高速増殖炉に適する構造を持ち、
タンク型高速増殖炉に設置したままでもメンテナンスが
容易であるという効果がある。

〔発明の効果〕

以上で説明したように、本発明によれば、ループ型、タ
ンク型を問わずに適用可能で、２次系ループの大幅削減
により、コンパクトでコスト低減効果が大きく、しかも
従来の一体型に比べて、信頼性、安全性にすぐれた高速
増殖炉の熱交換器が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例による熱交換装置の縦断面図、
第２図は同じく他の実施例による熱交換装置の縦断面
図、第３図は第２図で示した壁の構造断面図、第４図は
本発明のさらに他の実施例による熱交換装置の縦断面
図、第５図は従来のループ型高速増殖炉の冷却系統図、
第６図は同じくタンク型高速増殖炉の冷却系統図、第７
図は従来の熱交換装置の断面スケルトン図である。 １……原子炉容器、２……炉心、３……１次系主循環ポ
ンプ、４……２次系主循環ポンプ、５……中間熱交換
器、６……蒸気発生器、１１……１次主冷却系、１２…
…２次主冷却系、１３……水系、１５……２重管部、１
６……蒸気発生器伝熱管、２０……蒸気出口、２１……
給水入口、２２……中間熱交換器伝熱管、２３……内
筒、２４……外筒、２６……上部フランジ、２７……下
部フランジ、２９……２次系ナトリウム出口、３０……
２次系ナトリウム入口、３１……１次系ナトリウム入
口、３２……１次系ナトリウム出口、３４……仕切り、
３５……磁束の方向、３６……波形伝熱板、３７……磁
性体、３８……磁石、３９……ステンレス被覆板、４２
……バツフル板、４３……仕切り板、４４……隔壁、４
５……ホツトプレナム、４６……コールドプレナム。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】炉心を冷却する１次冷却系と、前記１次冷
   却系から蒸気発生系へ熱を伝える２次冷却系とを備えた
   高速増殖炉において、前記１次冷却系から前記２次冷却
   系への伝熱手段と、前記２次冷却系から前記蒸気発生系
   への伝熱手段との内の一方を内筒に開口部を備えた内外
   ２重円筒構造のタンクの前記内筒内に設け、他方を前記
   ２重円筒構造の内外筒の間に設けたことを特徴とした高
   速増殖炉の熱交換装置。
2. 【請求項２】前記１次冷却系から２次冷却系への伝熱手
   段は電磁フローカプラーであることを特徴とした特許請
   求の範囲第１項に記載の高速増殖炉の熱交換装置。