JPH0894784A - Ｇｅｍ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】原子炉を起動する際には、冷却材の流量の増加
にともない印加される反応度を、出力増大に伴い生じる
炉固有の反応度低減効果以下に抑えることができ、しか
も定格運転に際しては、炉心の冷却材流量が減少した時
に、自動的に大きな負の反応度が挿入されるような、流
量減少時の炉心安全性向上装置（ＧＥＭ装置）を提供す
る。 【構成】上端が上部遮蔽体で封止された外筒管１の内部
上方に上部ガス空間４を有するとともに、外筒管下端に
炉心装荷用エントランスノズル３と冷却材流入口５とを
有し、炉心への装荷時に冷却材流入口から外筒管内に冷
却材が流入することにより、上部ガス空間を圧縮して圧
力がバランスするレベルに外筒管内の冷却材液位が定ま
るようになっている従来のＧＥＭ装置を改良して、外筒
管内の内部下方に下部ガス室７を配設し、下部ガス室か
ら外筒管内部上方へ連通管８を立設してその上端を上部
遮蔽体に当接させ、連通管上端近傍の連通管周壁に連通
孔９を穿設し、下部ガス室と上部ガス空間とは連通管の
連通孔のみにより連通するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速炉の自然炉停止能
力を強化させるためのＧＥＭ（Gas Expansion Module）
装置の改良に関し、さらに詳しくは、冷却材流量減少時
に、炉心から中性子の漏洩を増大させ、炉の反応度を低
減させることにより、高速炉の安全性を向上させる装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に高速炉における燃料は、核分裂性
物質を装荷した炉心燃料と、この炉心の上下及び周囲に
配設され、天然ウランまたは減損ウランを装荷した上下
及び径方向ブランケット燃料により構成されている。そ
して、燃料からの熱除去のための冷却材として主にナト
リウムが使用されている。

【０００３】通常、炉心の冷却材流量の減少等、炉心に
何らかの異常が発生した時は、核反応を制御するための
制御棒がすみやかに炉心に挿入され、原子炉は停止す
る。しかし万一の事故を想定して、制御棒が炉内に挿入
されない事故時でも、炉の暴走が生じないように炉心を
構成することができれば、そのプラントの安全性は極め
て高いものとなる。

【０００４】前記仮想事故においては、冷却材の温度が
上昇し、冷却材の密度が減少すると、炉心が小型の時
は、中性子の炉心からの漏れが大きくなり、負の反応度
が入り炉心は確実に停止する。しかし、炉心が大型にな
ると、中性子の炉心からの漏れの割合が小さくなるた
め、冷却材の温度が上昇し密度が減少した時の反応度は
正となり、炉心を確実に停止させるには、他の反応度要
因をも含めた詳細な解析を行いその安全性を確認する必
要が生じる。

【０００５】従って、炉心が大型の場合においても、炉
心の冷却材流量の減少時に自動的に負の反応度を誘起さ
せるような装置を開発できれば、万一制御棒が炉内に挿
入されない事故時でも、炉を安全に停止させることがで
き、炉心の設計上非常に価値がある。現在、炉心の冷却
材流量が減少した時に自動的に負の反応度を誘起させる
装置として、ＧＥＭと呼ばれる装置が開発されている。

【０００６】図６を参照してこのＧＥＭ装置２０の構造
を説明すると、上端が上部遮蔽体２２で封止された外筒
管２１の内部上方に上部ガス空間２４を有しており、外
筒管２１下端に炉心装荷用エントランスノズル２３と冷
却材流入口２５とを有している。また外筒管２１の底部
には下部遮蔽体２６が配設されている。このＧＥＭ装置
２０は、炉心燃料集合体やブランケット燃料集合体と同
様に、エントランスノズル２３により炉心支持グリッド
に装荷することができ、通常は炉心の外周に複数本配列
装荷される。

【０００７】ＧＥＭ装置２０を炉心へ装荷すると、燃料
集合体と同様にエントランスノズル２３の冷却材流入口
２５から外筒管２１内に冷却材が流入する。しかしなが
ら、燃料集合体とは異なり外筒管２１上端が封止されて
いて冷却材は外筒管２１上端から流出できないため、流
入した冷却材の外筒管２１内での液位が上昇するにつれ
て上部ガス空間２４は圧縮され、圧力がバランスするレ
ベルで冷却材液位が定まる。図６のＧＥＭ装置Ａは、定
格運転時（冷却材流量１００％）のＧＥＭ装置内の冷却
材液位を示しており、冷却材の動圧により上部ガス空間
のガスが圧縮され、図６の左端に図示した炉心の上端に
相当する程度のレベルまでＧＥＭ装置内部が冷却材で満
たされる。この状態では、炉心で発生した中性子はＧＥ
Ｍ装置内部の冷却材で反射されて炉心に戻されることに
なるため、炉心の反応度は維持される。

【０００８】何らかの理由で冷却材流量が減少し、例え
ば冷却材流量が１５％程度となると、図６のＧＥＭ装置
Ｂに示したように冷却材の動圧の低下により上部ガス空
間２４のガスが膨脹し、ＧＥＭ装置内部の冷却材液位は
炉心の下端に相当するレベルまで押し下げられる。その
結果、炉心で発生した中性子の漏洩量が増加し、炉心の
反応度が負となるため、炉は自動的に停止することにな
る。このようにして、ＧＥＭ装置は炉心の冷却材流量が
減少した時に自動的に炉の反応度を低下させる装置とし
て機能し、炉心の安全性を向上させる上で有効なもので
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この装置を装
荷した炉心では次のような問題を伴う。即ち、原子炉を
起動する際の通常の運転操作として、炉心に制御棒が挿
入されている状態で冷却材の流量を自動運転範囲の下限
流量（例えば流量５５％）まで徐々に増大させる。自動
運転範囲下限流量に達した時点で制御棒を手動で引き抜
き、反応度を臨界出力にし、出力を自動運転範囲下限出
力まで徐々に増大せしめた後、制御棒を自動操作に切り
替え、事前に設定した制御プログラムにより冷却材流量
の増大と出力の増大とを所期の計画起動曲線に従って自
動制御する。

【００１０】しかしながら、ＧＥＭ装置を装荷した炉心
を起動するに際しては、出力の増大に伴って冷却材流量
を増加すると、ＧＥＭ装置内の冷却材液位も上昇し、炉
心からの中性子の漏洩を防ぐため、反応度の増大を引き
起こす。原子炉は本来的に、出力が増大して温度が上昇
した場合に反応度が低減するように設計されており、こ
れを反応度低減効果と称しているが、ＧＥＭ装置におけ
る冷却材液位上昇による上記の反応度の増大量が、原子
炉が固有に備える反応度低減効果を上回ると、炉心の反
応度が変わらなくてもこの現象だけで炉心全体の反応度
が正となる。正の反応度が大き過ぎる場合には、炉心全
体としての反応度をちょうど臨界にするために制御棒を
挿入しなければならなくなる。すなわち、原子炉の起動
時には出力上昇に伴い制御棒を引き抜くという通常の運
転方法とは異なる運転方法を採用しなければならなくな
る。

【００１１】こうした不自然な運転方法は、操作ミスの
少ないシステムを構築するという観点からは、好ましい
ものではない。ＧＥＭ装置を改良して上述の問題点を回
避できれば、炉心の安全性向上の観点から非常に望まし
いものである。

【００１２】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たものであり、原子炉を起動する際には、冷却材の流量
の増加にともない印加される反応度を、出力増大に伴い
生じる炉固有の反応度低減効果以下に抑えることがで
き、しかも定格運転に際しては、炉心の冷却材流量が減
少した時に、自動的に大きな負の反応度が挿入されるよ
うな、改良されたＧＥＭ装置を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成させる
ためには、以下の条件を満足するＧＥＭ装置を構築すれ
ば良いことになる。 (1) 自動運転範囲の下限流量時のＧＥＭ装置内冷却材液
位を、炉心との相対位置で見て極力高いレベルに設定で
きること。 (2) 異常による流量低減時、ＧＥＭ装置内冷却材液位が
できるだけ炉心下端レベル付近まで下がること。 (3) 定格運転時（冷却材流量１００％時）、ＧＥＭ装置
内液位が炉心上端を上回ること。 上記の条件を満足させるためには、ＧＥＭ装置内の上部
ガス空間を外筒管内上部側に追加的に広く取る構造とし
て、冷却材流量が高くなったときにＧＥＭ装置内の冷却
材液位ができるだけ上昇し、冷却材流量が低減したとき
に液位ができるだけ下がるようにして、ＧＥＭ装置内の
冷却材液位の差が大きくなるようにすれば良い。すなわ
ち、図６に示した従来型のＧＥＭ装置を上方に引き伸ば
した構造とするイメージになる。しかし、炉心上部の空
間は限られたものであるため、ＧＥＭ装置の外筒管を上
方に引き伸ばすことは不可能である。

【００１４】そこで本発明においては、外筒管内上部側
で必要とされる追加的ガス空間を外筒管内下部側に移設
し、外筒管内の上部ガス空間と下部ガス空間を連通管で
連通させる構造を考えた。かような構造によれば、ＧＥ
Ｍ装置内の冷却材最高液位は「上部ガス空間から連通管
を通して下部ガス空間に冷却材を溢れ出させない」とい
う制限で規定されることになる。

【００１５】すなわち本発明のＧＥＭ装置は、図１に例
示した実施例を参照して説明すると、上端が上部遮蔽体
２で封止された外筒管１の内部上方に上部ガス空間４を
有するとともに、外筒管１下端に炉心装荷用エントラン
スノズル３と冷却材流入口５とを有し、炉心への装荷時
に冷却材流入口５から外筒管１内に冷却材が流入するこ
とにより、上部ガス空間４を圧縮して圧力がバランスす
るレベルに外筒管１内の冷却材液位が定まるようになっ
ているＧＥＭ装置において、外筒管１内の内部下方に下
部ガス室７を配設し、下部ガス室７から外筒管１内部上
方へ連通管８を立設してその上端を上部遮蔽体２に当接
させ、連通管８上端近傍の連通管周壁に連通孔９を穿設
し、下部ガス室７と上部ガス空間４とは連通管８の連通
孔９のみにより連通するようにしたことを特徴とするも
のである。

【００１６】

【作用】上記のごとき構造の本発明のＧＥＭ装置の作用
を図２を参照して説明する。原子炉の起動時において
は、まず主系統制御棒全挿入状態で、原子炉冷却材流量
を自動運転範囲の下限流量まで計画起動曲線に基づいて
増大させる。自動運転範囲を流量５５％以上と設定する
と、自動運転範囲下限流量（５５％流量時）において
は、ＧＥＭ装置内の冷却材液位が炉心との相対位置で見
て極力高いレベル、すなわち炉心上端レベル程度にくる
ように設定する。従って、自動運転範囲内では、定格流
量時に冷却材流量が増大しても、ＧＥＭ装置内の冷却材
液位は炉心上端レベルより上方へ高くなるだけなので、
反応度の増大分は極く僅かとなる。

【００１７】何らかの理由で冷却材流量が減少した時
は、ＧＥＭ装置内の冷却材の動圧の低下により、ＧＥＭ
装置内部のガスが膨脹し冷却材の液位は押し下げられ
る。冷却材流量が１５％程度に低減した場合には、ＧＥ
Ｍ装置内冷却材液位は炉心下端近傍まで下がり、中性子
の漏洩量の増加による炉心の反応度の低下を達成でき
る。

【００１８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１は本発明によるＧＥＭ装置１０の好ま
しい実施例を示すものであり、外筒管１の上端は上部遮
蔽体２で封止され、下端は炉心に装荷するためのエント
ランスノズル３が突設されており、外筒管１内部上方に
は上部ガス空間４が形成されている。エントランスノズ
ル３には冷却材流入口５が設けられ、外筒部１内と連通
している。なお外筒部１の底部には下部遮蔽体６が配設
されている。

【００１９】以上の構造は従来のＧＥＭ装置の構造と同
じであるが、本発明のＧＥＭ装置においては、外筒管１
内の内部下方に下部ガス室７を配設し、下部ガス室７か
ら外筒管内部上方へ連通管８を立設してその上端を上部
遮蔽体２に当接固定し、連通管８上端近傍の連通管周壁
に連通孔９を穿設した点で、従来のＧＥＭ装置の構造と
は相違する。かような構造によれば、下部ガス室７と上
部ガス空間４とは連通管８および連通孔９を介してのみ
連通していることになる。

【００２０】外筒管１の形状は、炉心の燃料要素が挿入
される空隙に出し入れできる形状であればよく、燃料集
合体のラッパ管と同様な断面６角形の筒状でもよく、あ
るいは円筒でもよい。また外筒管１、下部ガス室７およ
び連通管８の材質はステンレス鋼が好ましく使用でき
る。

【００２１】このＧＥＭ装置１０は、燃料集合体あるい
はブランケット集合体に置き換えて炉心の所定個所、通
常は炉心の外周部に複数本配列装荷される。炉心に装荷
されると、炉心に流通する冷却材がＧＥＭ装置１０下部
の冷却材流入口５から外筒管１内に流入し、上部ガス空
間４さらには連通孔９と連通管８を介して下部ガス室７
を圧縮して圧力がバランスするレベルに外筒管１内の冷
却材液位が定まることになる。

【００２２】図３は、冷却材流量とＧＥＭ装置内冷却材
液位との関係を示しており、従来のＧＥＭ装置において
は、自動運転範囲の下限流量（本実施例では５５％に設
定）でＧＥＭ装置内冷却材液位は炉心の中間部付近のレ
ベルにあり、冷却材流量が定格流量（流量１００％）に
近づくにつれてＧＥＭ装置内冷却材液位は炉心上端レベ
ルに近づくように上昇するため、反応度が増大する方向
に作用する。これに対して本発明のＧＥＭ装置において
は、自動運転範囲の下限流量である５５％流量でＧＥＭ
装置内冷却材液位は炉心上端のレベルまで達しており、
５５％流量から定格流量までの自動運転範囲内では冷却
材流量の増減は反応度の増減にはあまり影響しない。し
かしながら、冷却材流量が１５％程度に低減した場合に
は、ＧＥＭ装置内冷却材液位は従来のＧＥＭ装置よりは
液位の低下はやや小さいが、炉心下端付近のレベルまで
下がり、炉心からの中性子の漏洩量を増加させて炉心反
応度を十分に低下させることができる。

【００２３】図４は、ＧＥＭ装置を炉心外周に６６本配
列装荷した時の冷却材流量と流量減少時のＧＥＭ反応度
との関係を、本発明装置と従来装置とで比較して示した
グラフであり、図５は、冷却材流量と微分反応度（図４
における単位流量増分当たりのＧＥＭ反応度の増分量）
との関係を、本発明装置と従来装置とで比較して示した
グラフである。なお、本実施例では本発明のＧＥＭ装置
および従来のＧＥＭ装置ともにＧＥＭ反応度を１．５ド
ルに設定した。その理由は次の通りである。出力６０万
ＫＷの高速炉においては、冷却材流量を定格時（流量１
００％）から流量１５％まで減少した場合、制御棒の挿
入ができなかった時でも、ＧＥＭ反応度を１．５ドルに
設定しておけば、炉心の正味の反応度が負になり、炉心
が安全に整定させることが事前の解析結果から判明して
いるからである。

【００２４】図４及び図５における出力補償反応度と
は、前述した原子炉本来の反応度低減効果に相当するも
のである。図４からわかるように、自動運転範囲の下限
流量を適切に設定すれば本発明のＧＥＭ装置におけるＧ
ＥＭ反応度は出力補償反応度を上回ることがないから、
原子炉起動時にＧＥＭ反応度が大き過ぎて制御棒を挿入
しなければならなくなるような通常とは逆の起動方法を
採用する必要をなくすことができる。

【００２５】本実施例における各種炉心状態でのＧＥＭ
装置内冷却材レベルとＧＥＭ反応度との関係は表１のよ
うにまとめることができる。

【００２６】

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＧＥＭ装
置を炉内に装荷すれば、起動時自動運転範囲において
は、炉心の反応度は冷却材流量の増大時においても殆ど
影響を受けず、冷却材流量が減少した時は、冷却材の動
圧の低下によりＧＥＭ装置内冷却材液位は炉心下端近傍
のレベルまで下がり、中性子の漏洩量の増加により炉心
の反応度を低下させることができる。こうした理由で、
本発明のＧＥＭ装置は炉心の冷却材の流量が減少した時
に自動的に反応度を低下させる装置として炉心の安全性
を向上させる上で有効なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＧＥＭ装置の好ましい実施例を示す概
念図。

【図２】本発明のＧＥＭ装置を炉心に装荷した時の、各
種炉心状態におけるＧＥＭ内装置内冷却材の液位挙動を
示す説明図。

【図３】冷却材流量とＧＥＭ装置内冷却材液位との関係
を示すグラフ。

【図４】ＧＥＭ装置を炉心外周に装荷した時の、冷却材
流量とＧＥＭ反応度との関係を示すグラフ。

【図５】図４に対応する、冷却材流量と微分反応度（単
位流量増分当たりのＧＥＭ反応度の増分量）との関係を
示すグラフ。

【図６】従来のＧＥＭ装置の説明図。

【符号の説明】

１…外筒管 ２…上部遮蔽体 ３…エントランスノズル ４…上部ガス空間 ５…冷却材流入口 ６…下部遮蔽体 ７…下部ガス室 ８…連通管 ９…連通孔 １０…ＧＥＭ装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上端が上部遮蔽体で封止された外筒管の
   内部上方に上部ガス空間を有するとともに、該外筒管下
   端に炉心装荷用エントランスノズルと冷却材流入口とを
   有し、炉心への装荷時に該冷却材流入口から該外筒管内
   に冷却材が流入することにより、該上部ガス空間を圧縮
   して圧力がバランスするレベルに外筒管内の冷却材液位
   が定まるようになっているＧＥＭ装置において、該外筒
   管内の内部下方に下部ガス室を配設し、該下部ガス室か
   ら外筒管内部上方へ連通管を立設してその上端を該上部
   遮蔽体に当接させ、該連通管上端近傍の連通管周壁に連
   通孔を穿設し、該下部ガス室と該上部ガス空間とは連通
   管の連通孔のみにより連通するようにしたことを特徴と
   するＧＥＭ装置。