JPH0684994B2

JPH0684994B2 - 非常用炉心冷却装置

Info

Publication number: JPH0684994B2
Application number: JP61041788A
Authority: JP
Inventors: 洋明鈴木; 道雄村瀬; 重雄幡宮; 正則内藤; 研司富永
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-02-28
Filing date: 1986-02-28
Publication date: 1994-10-26
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: EP0234566A2; EP0234566B1; EP0234566A3; DE3765133D1; US4822557A; JPS62200292A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、原子炉配管の破断による冷却材喪失事故時に
作動する非常用炉心冷却装置に係り、特に作動の信頼性
が高く、かつ炉心冷却に好適な非常用炉心冷却装置に関
する。

〔従来の技術〕

従来の加圧水型原子炉の路内の構成を第２図に示す。通
常運転時には、ポンプによつて駆動された冷却水がコー
ルドレグ１からダウンカマ３を下降し、下部プレナム４
を通つて多数の燃料集合体21で構成される炉心９に導か
れる。冷却水は炉心９で燃料からの熱により加熱された
のち、上部プレナム５からホツトレグ２を通り蒸気発生
器に導かれる。蒸気発生器で熱を奪われた冷却水はポン
プに戻り再び駆動されてコールドレグ１に導かれる。11
0万KWクラスの原子炉ではこのようなループが４つあ
る。

このような加圧水型原子炉の配管、例えばコールドレグ
１に破断が生じると（冷却材喪失事故）、破断口から冷
却水が流出し、これに伴い圧力容器６内部の水位が低下
してくる。また、炉心９での核分裂による発生熱を減少
させるため、制御棒が上部炉心支持柱８を通して燃料集
合体21に挿入され、炉心９はスクラムする。炉心スクラ
ム後も崩壊熱により炉心９で熱が発生し、炉心９の水位
が低下して燃料被覆管21が露出した後被覆管温度が上昇
してくる。そこで、炉心を冷却するために非常用炉心冷
却装置が作動し、コールドレグ１及びホツトレグ２から
圧力容器６の内部へ冷却水が注入される。しかし、崩壊
熱により炉心９で発生した蒸気と減圧沸騰により下部プ
レナム４で発生した蒸気が上部炉心板25を吹き上げ、上
部炉心板において冷却水の落下が抑制される（CCFL現
象）。このため、ホツトレグ２から供給された冷却水の
一部は、破断口をもつループに流入し破断口から流出し
てしまう。また、上部プレナム５に蓄積された冷却水の
静水頭、上部炉心板25における局所圧力損失などにより
炉心９における圧力が上昇し、コールドレグ１からダウ
ンカマ３を通り下部プレナム４へ注入された冷却水が炉
心９を上昇してくる速度（再冠水速度）が制限される。
このような冷却材喪失事故時に、従来の装置は特開昭50
-43396号に記載されているように圧力容器外部に保有し
た冷却水を上部炉心支持柱８を通して注入するようにな
つていた。しかし、炉心９からの蒸気の吹き上げによつ
て炉心上方に保持される冷却水を炉心冷却に有効利用す
る点については考慮されていなかつた。なお、沸騰水型
原子炉の燃料集合体を対象とした従来の装置は、特開昭
52-56298号に記載されているように炉心上方に炉心スプ
レイ装置を設け、燃料集合体の上端部にロート状開口、
側壁に複数個の開口を有する冷却水案内管を設けている
が、冷却水案内管内を吹き上げる蒸気による冷却水の落
下抑制現象（CCFL）が考慮されていない。このため、炉
心上方に炉心スプレイ装置を設け、側壁に複数個の開口
を上端に頂端開口を有する案内管を設けている特開昭52
-59293号及び特開昭59-59294号に記載されている如く側
壁の開口から蒸気が流入し、案内管を通つて燃料集合体
上方に流出する蒸気案内管として作用する。この場合、
蒸気案内管を流出する蒸気流量が限定されているため燃
料集合体上部の上部タイプレートを吹き上げる蒸気量の
減少にはあまり寄与せず、燃料集合体上方の冷却水を燃
料集合体内に流入させる効果は少ない。すなわち、炉心
もしくは燃料集合体の上方の冷却水を炉心もしくは燃料
集合体内に効果的に落下させるためには、案内管内部と
案内管外部との吹き上げ蒸気による冷却水落下抑制現象
（CCFL）の相互作用を考慮しなければならない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、炉心（もしくは燃料集合体）内から吹
き上げる蒸気によつて炉心（もしくは燃料集合体）上方
に保持される冷却水の落下抑制現象（CCFL）に基づく冷
却水の落下促進については考慮されておらず、冷却水を
圧力容器外部から炉心スプレイ装置などにより圧力容器
内部に供給するためには、配管破断を検出する装置とポ
ンプ及び弁等の構成要素から成る冷却水供給装置を必要
とし、装置が複雑となり、また、ポンプ及び弁等の故障
も考慮しなければならないという問題があつた。

本発明の目的は、炉心から吹き上げる蒸気によつて落下
が抑制される炉心上方の冷却水を効果的に炉心に落下さ
せることにより、炉心冷却に有効利用し、冷却材喪失事
故時における炉心の健全性を向上し、かつポンプ及び弁
等の駆動機器がなく作動の信頼性も高い非常用炉心冷却
装置を得ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、炉心と炉心の上方とを連通する流路を設
け、この流路の下端部に流路面積を小さくする絞り部を
形成することにより達成される。

〔作用〕

一般に、流路を下から蒸気が吹き上げ、上から水が落下
してくる場合には、流路の上部もしくは下部において、
吹き上げる蒸気によつて水の落下が抑制される。この現
象はCCFLと呼ばれている。本発明のように、流路の下部
における流路面積を流路内で最小にすると、上部での蒸
気流速は下部での蒸気流速より小さくなり、上部から流
入可能な水流量を下部から流出する水流量よりも常に大
きくすることができる。したがつて、原子炉の配管の破
断による冷却材喪失事故時においては、下部プレナム及
び炉心における蒸気発生により炉心の上方に保持されて
いる冷却材を炉心冷却に有効に利用できる。

〔実施例〕

一般に、流路を下から蒸気が吹き上げ、上から水が落下
してくる場合には、流路の上部もしくは下部において、
吹き上げる蒸気によつて水の落下が抑制される。この現
象はCCFLと呼ばれ、第３図に示すような特性となる。流
路の下部における流路面積を、例えばオリフイスを設け
て、流路内で最小にすると、上部での蒸気流速は下部で
の蒸気流速より小さくなり、上部から流入可能な水流量
を下部から流出する水流量よりも常に大きくすることが
できる。このような流路22を炉心９の上部に設けられた
構造物、例えば加圧水型原子炉の上部炉心板25に付加し
た場合の動作を第４図及び第５図により説明する。第４
図において、位置ａ及びｂはそれぞれ上部炉心板25に付
加された流路の下部と上部を示し、位置ｃは上部炉心板
25に設けられている流路孔を示す。上部炉心板25に付加
された流路を吹き上げる蒸気の流速は流路面積を縮小し
た位置ａで律せられており、上部炉心板25で仕切られた
２つのプレナム間の圧力バランスから、位置ａでの蒸気
流速は位置ｃでの蒸気流速とほぼ等しくなつている。従
つて、流路面積が位置ａよりも大きい位置ｂでは、蒸気
流速が、流路面積に逆比例して、位置ｃよりも小さくな
り、下からの蒸気の吹き上げにより位置ｃで水が落下で
きない場合でも、位置ｂからは水が落下することが可能
である。これ以後の流動状態及び圧力分布の変化を第５
図により説明する。上部炉心板25に付加された流路22で
は上部から水が流入し、かつ上部から流入してくる水流
量は下部から流出する水流量よりも多いため、流路22内
に水が蓄積されてくる。水が蓄積されてくると流動抵抗
は増大し、流路22を吹き上げる蒸気流速が減少する。蒸
気流速が減少すると上部から流入できる水流量が増大
し、流路22に加速度的に水が蓄積されてくる。最終的に
流路22は水で満たされ、第５図の（３）で示されるよう
な圧力分布となる。位置ａをはさんで、流路22内の圧力
が炉心９内の圧力よりも高くなるように流路22の長さを
選べば、流路22内は水が連続的に落下する状態となり、
その流量は位置ａにおける圧力差と流動抵抗によつて決
まる。このように、本発明では、下からの蒸気の吹き上
げによつて炉心の上部に設置されている構造物の流路孔
から水が落下できない場合でも、構造物に付加された流
路を通して水が連続的に落下することができるため、従
来は炉心の上方に保持されていた冷却水を炉心冷却に有
効に利用し、冷却材喪失事故時における炉心の健全性を
さらに向上することができる。また、炉心上方に保持さ
れていた冷却水の減少により炉心内の蒸気が流出しやす
くなり、炉心圧力の低下を促進して、冷却水が炉心に流
入しやすくなる。

さらに、第６図に示すように、低温水と高温水とを封入
した蓄水タンク及び低温水を炉心に導く注水管を設ける
ことも有効である。

このような構成を備えることにより、原子炉の冷却材喪
失事故時には、冷却材が炉外へ放出されることにより炉
内の圧力が低下し、圧力容器内の圧力が蓄水タンク内高
温水の飽和圧力に達すると高温水が沸騰を開始する。こ
の減圧沸騰による体積膨張で低温水が炉心内へ注入され
る。従来の蓄圧型注水設備では、高温水の替わりに加圧
ガスが用いられているが、本実施例では加圧ガスの1/4
〜1/5の容積の高温水で同一の注水力を得ることがで
き、弁及びポンプ等の駆動機器もなく作動の信頼性が高
くなる。

以下、本発明の実施例をより具体的に説明する。第１図
は本発明の一実施例を示すもので、炉心９は約200体の
燃料集合体21から構成される。この燃料集合体21で構成
される炉心９の最外周の位置に流路22が付加され、この
流路22は上部炉心板25に取り付けられている。第７図は
第１図に示した実施例における横断面を示したもので、
流路22は最外周の燃料集合体21とシユラウド10との間の
空間に設置されているため、シユラウド10の大きさを変
更する必要はない。流路22は上部炉心板25に溶接によつ
て取り付けられている。流路22の下部には流路面積を最
小とするために、例えばオリフイス27が設けられてい
る。なお、オリフイス27は、流路面積を流路22内で最小
とするものであり、ノズル及びベンチユリー等で代用で
きる。流路22の長さは、第５図で説明したように、流路
22が水で満たされたときに、流路22内の圧力が下端にお
いて炉心９内の圧力よりも高くなるように選ぶ必要があ
る。この条件から決定される流路22の最小の長さは、上
部炉心板25から燃料集合体21の下端までの長さをＬとし
たときに、0.08Lとなる。従つて、流路22の長さを0.08L
より大きくとれば流路22内を水が連続的に落下するよう
になり、流路22の長さを大きくとるほどオリフイス27で
の圧力差が大きくなるために落下水流速が増大する。ま
た、上部格子板25上方の冷却水を炉心９に落下させるこ
とにより炉心９を効果的に冷却するという観点から、最
も出力密度の高い燃料集合体21の中心位置まで早期に水
位を回復してやることが望ましい。従つて、流路22の長
さとしては0.08Lから0.5Lが好適である。オリフイス27
の流路面積は流路内で最小となつていれば本発明は有効
に働く。しかし、第４図からわかるように、オリフイス
27の流路面積を流路22の上端の流路面積で割つた比率α
が小さいほど、本発明が有効に働く蒸気流速の上限が大
きくなる。すなわち、蒸気の吹き上げによつて水が落下
できなくなるときの蒸気流速をV_g,oとすると、流路22の
上端24の蒸気流速がV_g,oとなるときの上部炉心板25の流
路孔26における蒸気流速はV_g,o／αとなり、この値はα
が小さいほど大きくなる。流路孔26の流路面積は流路22
の上端24の全流路面積と比べて十分大きく、事故時に上
部格子板25を吹き上げる蒸気流量が、例えば炉心の出力
密度の増大等の理由により、通常のプラントより大きく
なる場合には、その分αを小さくすれば蒸気流量の増大
にもかかわらず流路22において水が連続的に落下するよ
うにできる。このように、事故時に上部格子板25を吹き
上げる蒸気流量との兼ねあいから、αの範囲としては0.
25〜0.85が好適である。なお、オリフイス27の形状は順
流に対する流動抵抗を増大させ、逆流に対する流動抵抗
を減少させるために、第８図に示すように順流に対して
末広がりのテーパ形状又はラバール形状とすることが望
ましい。またオリフイスは下向きでなく、横向きに取り
付けてもよい。

以下説明する実施例においては、流路22は８本設置され
ており、オリフイス27の流路面積は流路22の上端24の流
路面積の71％に、流路22の長さは上部炉心板25から燃料
集合体21の下端までの長さをＬとしたとき0.38Lに、流
路22の流路面積は燃料集合体21の１体当りの流路面積の
40％になつている場合について説明する。このような加
圧水型原子炉の通常運転時には、ポンプによつて駆動さ
れた水が下部プレナム４から多数の燃料集合体21で構成
された炉心９に流れ込む。炉心９に流入した冷却水の一
部は上部炉心板25に付加された流路22に流れ込むため、
流路22を付加する前と同量の冷却水を燃料集合体21側に
流すためにはポンプの容量を増大させなければならない
が、その割合は高々２％にすぎない。このような加圧水
型原子炉において配管、例えばコールドレグ１の破断に
より冷却材喪失事故が起こつた場合を想定する。このと
きの、炉内の流動状態の変化を第９図により説明する。
配管破断が起こると、破断口からの冷却水の流出によつ
て圧力容器６内部の圧力が低下してくる。配管破断直後
（第９図−（１））には、炉心９の上部に高温水が、下
部に低温水（サブクール約25℃）があり、高温水が減圧
沸騰することによる膨張力によつて冷却水が炉心を下向
きに流れる。配管破断後約３秒で、下部プレナム４内部
の冷却水の温度も飽和温度に達し減圧沸騰を始める。下
部プレナム４で減圧沸騰により発生した蒸気及び炉心９
での発熱により発生した蒸気が上部格子板25の流路孔26
を吹き上げ、水が流路孔26を通つて炉心に落下すること
を疎外するため、破断後約５秒には炉心９の内部に水位
が形成され、燃料集合体21の大部分は蒸気中に露出する
（第９図−（２））。本実施例では、流路22の上部流路
孔24を吹き上げる蒸気流速は、蒸気流量が流路面積最小
の下部23によつて律せられているために、流路孔26を吹
き上げる蒸気流速の71％となる。このため、流路孔26を
吹き上げる蒸気流速が水の流入できない値よりも大きい
場合でも、第10図のCCFL特性に示すように、上部流路孔
24から水が流入することができる。このような場合に
は、第５図で説明したメカニズムによつて、配管破断後
約10秒には流路22を通して水が連続的に落下するように
なる。このとき、流路22内側と炉心９側との圧力バラン
スから計算される下部流路孔23における水流速は4.9m/s
となる。下部流路孔23を落下した水は、炉心の下から燃
料棒を冷却しながら炉心を上昇してくるが、このときの
速度（再冠水速度）V_rの、流路22を付加したことによる
増加分は、水が蒸気相を含まないと考えれば次式で与え
られる。

ここに、S₁：流路22の下部流路孔23の全流路面積（m²） S₀：炉心９の流路面積（m²）本実施例ではS₁／S₀は0.012となつており、炉心再冠水
速度の増加分は少なくとも5.9cm/sとなる。なお、流路2
2の本数を増やし、その分流路22の流路面積を縮小して
も同様の効果を得ることができる。また、本実施例で
は、上部炉心板25上に保持される冷却水がすみやかに炉
心９に落下するため、炉心９で発生する蒸気が上部に抜
けやすくなり炉心９内の圧力が低下するので、ダウンカ
マ３と炉心９側との圧力バランスにより、健全側のコー
ルドレグ１から注入される水がダウンカマ３から下部プ
レナム４を通つて炉心９に流入しやすくなる。さらに、
本実施例では、上部格子板25の上部に保持される冷却水
を事故後早期から炉心冷却に有効に活用できるため、蒸
気単相の冷却モードから気相の冷却モードに変わる時間
が早くなり、燃料被覆管の冷却特性が向上する。なお、
燃料棒間隔を小さくすることによつて炉心９を稠密化
し、炉心９を小型化する場合、炉心９の出力密度が増大
し、かつ、上部炉心板25の流路孔26の流路面積が減少す
るために、上部炉心板において冷却水がさらに落下しに
くくなるが、オリフイス27の流路面積をさらに小さくし
て上部流路孔24での蒸気流速を低くすれば、流路22を通
して上部炉心板25上方の冷却水を落下できる。このよう
に、炉心９内の蒸気発生量に応じて、オリフイス27と流
路22の上部流路孔24との流路面積の比を適正に決定すれ
ば、いかなる炉心出力の変化にも対応できる。本実施例
によれば、炉心の周辺に流路を付加するだけで、炉心再
冠水速度を少なくとも5.9cm/s増加させ、また、事故後
早期から燃料被覆管の冷却特性が向上する効果がある。

本発明の他の実施例を第11図に示す。本実施例の特徴
は、第１図及び第７図で示した実施例に、さらに短尺の
流路40を追加した点である。本実施例では、流路40を４
本設置しており、オリフイス47の流路面積は流路40の上
端44の流路面積の71％に、流路40の長さは上部炉心板25
から燃料集合体21の下端までの長さをＬとしたとき0.15
Lに、流路40の流路面積は燃料集合体21の１体当りの流
路面積の1.6倍になつている。このような加圧水型原子
炉の通常運転時には、ポンプによつて駆動された水が下
部プレナムから炉心９に流れ込む。炉心９に流入した水
の一部は流路22及び流路40に流れ込むため、流路22及び
流路40を付加する前と同量の冷却水を燃料集合体21側へ
流すためにはポンプの容量を増大させなければならない
が、その割合は６％にすぎない。このような加圧水型原
子炉において配管、例えば第１図に示したコールドレグ
１の破断により冷却材喪失事故が起こつた場合を想定す
ると、下部プレナムでの減圧沸騰及び炉心９での発熱に
より発生した蒸気が上部格子板25の流路孔26を吹き上
げ、エントレイメント（蒸気に同伴されること）により
炉心９から吹き上げられた水、ホツトレグから上部プレ
ナムに注入された水、又は事故発生時に炉心９の上部に
存在していた水の一部を上部炉心板25の上部に保持す
る。本実施例では、上部炉心板25に流路22及び流路40が
付加されており、流路の下部には流路内で流路面積を最
小にするようにそれぞれオリフイス27とオリフイス47が
設けられている。このため、先の実施例で説明したよう
に、上部炉心板25の流路孔26を水が落下できない場合で
も、流路22及び流路40を水が連続的に落下できるように
なる。流路22を付加したことによる炉心再冠水速度の増
加は先の実施例で説明したように5.9cm/sである。流路4
4内側と炉心９側との圧力バランスから計算される下部4
3における水流速は2.3m/sとなる。また、流路40の下部4
3の全流路面積を炉心９の流路面積で割つた値は、本実
施例では0.024となつており、流路40を付加したことに
よる炉心再冠水速度の増加は5.5cm/sとなる。従つて本
実施例では、炉心が蒸気中に露出した後、流路22の下端
23まで水位が回復してくる間は炉心再冠水速度11.4cm/s
増加し、その後流路40の下端まで水位が回復してくる間
は炉心再冠水速度は5.5cm/s増加する。なお、長さが0.5
Lよりも長い流路をさらに追加すればこの流路の下端ま
で水位が回復してくる速度をさらに増加することができ
る。本実施例によれば、炉心の周辺に流路を付加するだ
けで、炉心再冠水速度が5.5から11.4cm/s増加するため
炉心の上部まで早期に水位が回復し、また、事故後早期
から燃料被覆管の冷却特性が向上する効果がある。

本発明の第２実施例を第12図に示す。この実施例の特徴
は、第１図に示した実施例において、上部炉心支持板30
により圧力容器６内に蓄水タンク31を形成し、蓄水タン
ク31を隔離壁32により高温水蓄積空間33と低温水蓄積空
間34とに分割したことである。通常運転時には高温の冷
却水（約290℃）がコールドレグ１からリーク孔35を通
つて高温水蓄積空間33に流れ込み、さらにリーク孔36を
通つて上部プレナム５に抜けている。一方、低温水蓄積
空間34では放熱により冷却水温度が低下している（約16
0℃）。また、第１図に示した実施例と同様に、上部炉
心板25に流路22が付加されており、流路22の下部にはオ
リフイス27が設けられている。このような加圧水型原子
炉において配管、例えばコールドレグ１の破断により冷
却材喪失事故が起こつた場合を想定すると、下部プレナ
ム４での減圧沸騰及び炉心９での発熱により発生した蒸
気が上部炉心板25の流路孔26を吹き上げ、エントレイメ
ントにより炉心９から吹き上げられた水、ホツトレグ２
から上部プレナム５に注入された水、又は事故発生時に
炉心９の上方に存在していた水の一部を上部炉心板25の
上方に保持する。本実施例では、上部炉心板25に流路22
が付加されており、流路22の下部23には流路22内で流路
面積を最小とするようにオリフイス27が設けられてい
る。このため、先の実施例で説明したように、上部炉心
板25の流路孔26を水が落下できない場合でも、流路22を
水が連続的に落下するようになり、炉心の再冠水速度が
少なくとも5.9cm/s増加する。また、冷却水が破断口を
もつループにバイパスすることがなく、現状の非常用炉
心冷却系を有効に活用することができる。炉心９内の水
位が低下し炉心９が露出すると、流路22を通して冷却水
が炉心９に流入し始めるため、流路22の効果は出力が高
い炉心露出直後に顕著である。圧力容器６内部の圧力が
低下して、高温水蓄積空間33内の高温冷却水の温度290
℃に対する飽和圧力である65気圧より低くなると、高温
水蓄積空間33に蓄積されていた高温の冷却水が減圧によ
り沸騰を起こし体積が膨張する。この体積膨張力により
低温水蓄積空間34に保持されていた低温の冷却水がリー
ク孔37から上部炉心支持柱８を通つて燃料集合体21の上
部に供給され、燃料集合体21が冷却される。この体積膨
張力を利用した炉心の冷却効果は、上部プレナム５内の
冷却水が流路22を通して全て炉心９に落下した後から炉
心９が再冠水する間、特に顕著である。本発明によれ
ば、炉心露出直後の出力が高い間は上部炉心板25の上方
に保持される冷却水を炉心冷却に有効に利用でき、その
後は高温冷却水の減圧沸騰による膨張力を駆動源として
低温の冷却水を直接炉心に供給できるため炉心の冷却特
性及び信頼性が向上する効果がある。

なお、本実施例においては、蓄水タンク31を圧力容器６
内に設けたが、圧力容器６の外部に設け、ホツトレグ２
もしくはコールドレグ１を通して冷却水を炉心９に供給
してもよい。この場合、蓄水タンク内の一部分のみ加熱
器で加熱することにより高温水を形成することができ
る。

本発明の第３実施例を第13図により説明する。電気出力
110万KWクラスの加圧水型原子炉では約200体の燃料集合
体があり、そのうち75％の燃料集合体には制御棒が挿入
されない。この実施例では、流路22として、この制御棒
の挿入されない全燃料集合体数の18％に当る燃料集合体
の制御棒案内管を使用するようにしたものである。流路
22の上部24と下部23には流路孔が設けられ上部ノズル50
の上部と燃料集合体内を連結する流路を形成する。例え
ば、17×17配列の燃料集合体では、１体当り制御棒案内
管は24本ある。なお、上部ノズル50には流路孔26が設け
られている。本発明の最適な実施例では、下部の流路孔
23は流路22の長さをＬとしたとき上から0.4Lの位置に設
けられており、その流路面積は流路22の流路面積の83％
となつている。このよな燃料集合体をもつ加圧水型原子
炉で配管、例えば第12図に示したコールドレグ１の破断
により冷却材喪失事故が起こつた場合を想定すると、減
圧沸騰及び炉心での発熱により発生した蒸気が上部ノズ
ル50の流路孔26を吹き上げ、エントレイメントにより炉
心から吹き上げられた水、ホツトレグに注入された水、
又は事故発生時に炉心上方に存在していた水の一部を上
部ノズル50の上方に保持する。上部の流路孔24を吹き上
げる蒸気流速は流路面積を最小とした下部流路孔23によ
つて律せられているため、流路孔26を吹き上げる蒸気流
速よりも小さくなる。このため、流路孔26を吹き上げる
蒸気流速が水が流入できなくなる値よりも大きい場合で
あつても第10図のCCFL特性に示すように、上部流路孔24
から水が流入する。これによつて、第５図で説明したメ
カニズムにより、流路22を通して下部流路孔23から水が
連続的に落下する。このとき、流路22の内側と炉心側と
の圧力バランスから計算される下部流路孔23における水
流速は4.9m/sとなる。本実施例では、流路22の下部流路
孔23における全面積を炉心の流路面積で割つた値は0.01
となつており、本発明による炉心再冠水速度への寄与は
4.9cm/sとなる。また、本実施例では上部ノズル50の上
方に保持される冷却水を事故後早期から出力密度の最も
高い燃料集合体の中央部に導くことができるため、燃料
被覆管の冷却特性を向上できる。本実施例によれば、炉
心再冠水速度を4.9cm/s増加させ、また事故早期から出
力密度の最も高い燃料集合体の中央部に冷却水を導くこ
とができるから燃料被覆管の冷却特性も向上できる効果
がある。

本発明の第４実施例を第14図に示す。本実施例は、燃料
棒間隔を小さくした稠密炉心を有する沸騰水型原子炉に
適用したものである。本実施例では多数の燃料集合体21
で構成される炉心９の最外周の位置に流路22が付加さ
れ、この流路22は上部炉心板25に取り付けられている。
流路22の下部23には流路22内で流路面積が最小となるよ
うにオリフイス27が設けられている。本実施例の好適な
例では、オリフイス27の流路面積を流路22の上部流路孔
24の流路面積の71％に、流路22の長さを上部炉心板25か
ら燃料集合体31の下端までの長さをＬとしたとき0.38L
に、流路22の全流路面積を燃料集合体21の１体当りの流
路面積の3.2倍にしている。通常運転時には、多数の燃
料集合体21で構成された炉心９で、冷却水は燃料からの
熱により加熱され沸騰する。発生した蒸気はセパレータ
65で気水分離され、ドライヤー66で乾燥された後主蒸気
配管67を通つてタービンに送られる。タービンに送られ
た蒸気は復水器で水に戻された後、ポンプで駆動され給
水配管68を通つてダウンカマ３に戻る。ダウンカマ３に
戻つた冷却水はインターナルポンプ70によつて駆動さ
れ、下部プレナム４を通つて炉心９に流入する。このよ
うな沸騰水型原子炉において配管、例えば給水配管68に
破断が生じた場合を想定すると、冷却水の流出に伴い圧
力容器６内の水位が低下してくる。水位が給水配管68に
達した後は、蒸気放出となるが、減圧沸騰により引き続
き冷却水が失われていき、水位が低下し続ける。そこ
で、炉心９に冷却水を供給するために炉心スプレイ配管
72を通して冷却水が上部炉心板25上方に散布される。冷
却水を炉心９に直接供給しないのは燃料被覆管の熱応力
を考慮したためであり、冷却水を上部炉心板25の上方に
散布すれば蒸気との混合により冷却水は飽和温度近くま
で昇温されるので熱応力は十分小さくなる。しかし、冷
却水を上部炉心板25上方に散布した場合には、減圧沸騰
及び炉心での発熱により発生した蒸気が上部炉心板25の
流路孔26を吹き上げ冷却水の落下が抑制される。本実施
例では、流路22の上部流路孔24を吹きあげる蒸気流速は
オリフイス27で流路面積を最小とした下部流路孔23によ
つて律せられているため、上部格子板25に設けた流路孔
26の蒸気流速よりも小さくなる。このため、流路孔26を
吹き上げる蒸気流速が水が流入できなくなる値よりも大
きい場合でも、第10図のCCFL特性に示すように流路22の
上部流路孔24から水が流入する。したがつて、第５図で
説明したメカニズムによつて、流路22を通して水が連続
的に落下する。このとき、流路22内側と炉心９側との圧
力バランスから計算される流路22の下部流路孔23におけ
る水流速は5.3m/sとなる。本実施例では、流路22の下部
流路孔23の全面積を炉心９の流路面積で割つた値は0.01
2となつており、本発明による炉心再冠水速度への寄与
は少なくとも6.4cm/sとなる。本実施例によれば、冷却
水は飽和温度近くまで昇温された後炉心に導かれるた
め、燃料被覆管の熱応力が十分小さくなり、また炉心再
冠水速度が少なくとも6.4cm/s増加する効果がある。

本発明の第５実施例を第15図及び第16図に示す。第15図
に示した例は、第７図に示した実施例において流路22の
下部に形状記憶合金から成る遮へい板29を設けたもので
ある。この遮へい板29は、原子炉の通常運転時（冷却材
温度約290℃）においては第15図（１）に示すように閉
じている。従つて、通常運転時に流路22を流れる冷却水
の流量はほぼ零となり、流路22を流出する冷却水を補充
するためのポンプの容量増加が不要となる。一方、冷却
材喪失事故時には圧力容器内圧力の低下に伴い冷却水温
度が低下し、冷却水温度が例えば250℃以下に低下する
と第15図（２）に示すように遮へい板29が開く。遮へい
板29が開くと、上部炉心板25に設けられた流路孔26から
上部プレナム５内の冷却水が炉心９内に落下できない条
件下においても流路22内を吹き上げる蒸気流量はオリフ
イス27を設けた流路22の下部流路孔23で制限され、流路
22上部24での蒸気流速が減少し、上部プレナム５内の冷
却水を流路22を通して効果的に炉心９に落下する。本実
施例によれば、通常運転時におけるポンプ容量の増大を
防止し、かつ冷却材喪失事故時における炉心への冷却水
流入を促進し、燃料被覆管の冷却能力を向上できる効果
がある。

第16図に示した例は、第15図に示した実施例において、
さらにオリフイス27にも形状記憶合金を用いたことにあ
る。通常運転時には、遮へい板29は第16図（１）に示す
ように閉じている。冷却材喪失事故時には、冷却水温度
の低下により遮へい板29が第16図（２）に示すように開
く。上部プレナム５内の冷却水が流路22を通して炉心９
内に流入し始めると流路22内は冷却水で満されるため流
動抵抗が大きくなり炉心９から流路22に蒸気が流入する
ことはない。従つて、上部プレナム５内の冷却水が流路
22を通して炉心９に落下し、オリフイス27が冷却水によ
つて冷却され、例えば200℃以下になると、第16図
（３）に示すようにオリフイス27が開き、冷却水の落下
を促進する。本実施例によれば、通常運転時におけるポ
ンプ容量の増大を防止し、冷却材喪失事故時における炉
心への冷却水の流入をさらに促進できる効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、原子炉配管の破断による冷却材喪失事
故時において、下部プレナム及び炉心における蒸気発生
により炉心の上方に保持される冷却材を炉心冷却に有効
に利用できるので、事故時における炉心の健全性を向上
できると共に、弁及びポンプ等の駆動機器が必要ないの
で作動の信頼性も高い非常用炉心冷却装置が得られると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の第１実施例を示す縦断面図、第２
図は従来装置の縦断面図、第３図〜第５図はそれぞれ本
発明の原理を説明するための線図、第６図は低温水と高
温水とを封入した蓄水タンクを示す縦断面図、第７図は
第１図の炉心部を示す図で、（ａ）は平面断面図、
（ｂ）は流路22の部分を拡大して示す断面図、（ｃ）は
（ｂ）図のＡ−Ａ断面図、（ｄ）は（ｂ）図のＢ−Ｂ断
面図、第８図はオリフイス部の形状の例を示す縦断面
図、第９図は流動状態の変化を示す炉心の縦断面図、第
10図はCCFL特性を示す線図、第11図は本発明の他の例を
示す図で、（ａ）は炉心部の平面断面図、（ｂ）は流路
22,40の部分を拡大して示す断面図、第12図は本発明の
第２実施例を示す縦断面図、第13図は本発明の第３実施
例を示す図で、燃料集合体の部分を簡略的に示す斜視図
（ａ）と流路の部分の断面図（ｂ）、第14図は本発明の
第４実施例を示す縦断面図、第15図及び第16図はそれぞ
れ本発明の第５実施例を説明する図で、流路付近の断面
図である。８……上部炉心支持柱、21……燃料集合体、22……流
路、25……上部炉心板、27……オリフイス、31……蓄水
タンク、33……低温水蓄積空間、34……高温水蓄積空
間、40……短尺の流路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内藤正則茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者富永研司茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子核変換により熱を発生させる炉心を原
子炉容器内に有する原子炉において、炉心と該炉心上部
の原子炉容器内を連通する流路を設け、この流路の下部
に流路面積を小さくする絞りを設けたことを特徴とする
非常用炉心冷却装置。
【請求項２】特許請求の範囲の第１項において、流路の
流路面積が最小となる絞りをオリフィスとし、このオリ
フィスを形状記憶合金で構成し、高温で流路面積が縮小
し、低温で流路面積が拡大するように構成したことを特
徴とする非常用炉心冷却装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項において、上部炉心
板から燃料集合体の下端までの長さをＬとしたとき、炉
心と炉心上部を連通するように設けた前記流路の長さを
0.08L〜0.5Lとしたことを特徴とする非常用炉心冷却装
置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項において、前記流路
の絞り部の流路面積をその流路の上端部における流路面
積で割つた比率αを0.25〜0.85の範囲としたことを特徴
とする非常用炉心冷却装置。