JPH11295466A - 原子炉反応度制御用ガス膨張モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速炉における冷却材流量喪失事故の際に、ガ
ス膨張モジュールで従来よりも速やかに、高速炉の炉心
に大きな負の反応度を投入して安全裕度を向上させる。 【解決手段】ガス膨張モジュール１の封入ガス３０膨張
とナトリウム３２降下の速度を促進するための流動抵抗
（圧力損失）低減手段として、エントランスノズル２０
の開口部４０と接続部４４にテーパー状面取りまたはコ
ーナーＲを設け、また開口部４０の合計面積Ａを内部流
路４２よりも大きく設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉の炉心の反
応度を周囲の状況変化に応じて自己作動的に反応度を制
御するのに用いられるガス膨張モジュールとそのモジュ
ールを採用した原子炉の炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】炉心に装荷された核燃料により発生した
熱を、炉心を冷却する様に通過する液体金属を介して水
に伝達し、この水を加熱・蒸発させ、発生した蒸気でタ
ーピンを回転させることにより発電機を駆動し、発電を
行う高速炉プラントが公知である。

【０００３】図２は、高速炉プラントの高速炉の原子炉
内の製造の縦断面図である。原子炉容器７１には核燃料
を装荷した炉心部７２が収容される。炉心７２は、原子
炉容器７１内に満たされた液体金属冷却材であるナトリ
ウム中に浸漬状態で設置され、炉心支持構造物７３によ
り支持される。

【０００４】原子炉容器７１内は、仕切板８０によっ
て、上部プレナムと下部プレナムとに区画される。炉心
７２の上方には、制御棒４の駆動機構等を収容した炉心
上部機構７７が設置されている。一方、炉心７２の下部
に高圧プレナム７５、及び低圧プレナム７６がある。高
圧プレナム７５には一次冷却材入口配管７８から一次冷
却材であるナトリウムが供給され、上部プレナムの一次
冷却材出口配管７９から流出するよう循環される。

【０００５】当該高速炉において、一次冷却材の循環流
量が減少するような事故が発生した場合に、炉心に負の
反応度を投入して事故を安全に収束させるための装置と
しては、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ＝Gas Expansion
Module）１がある。ＧＥＭとは、燃料集合体上部の開口
部をふさぎ、燃料ピンを取り除くことによって内部に空
間を形成し、ガスを封入できるようにしたものである。

【０００６】図５は、ガス膨張モジュールの縦断面図で
ある。ＧＥＭ１ｐのダクト壁面11ｐの外形は燃料集合体
とほぼ同じまたは円柱形状の管状体であり、炉心内や炉
心周辺部などに配置される。高速炉の定格運転時には、
冷却材主循環ポンプの運転により、炉心入口部の圧力は
ＧＥＭの初期ガス封入圧力より高くなる。

【０００７】ＧＥＭ１ｐ内部に封入されたアルゴン（Ａ
ｒ）ガス３０ｐは、炉心冷却材ナトリウム（Ｎａ）と連
通するＧＥＭ内部ナトリウム３２ｐの圧力で圧縮され、
内部は下部より流入した冷却材Ｎａが満たされるので、
通常は中性子の反射体としての役割を果たしている。

【０００８】もし万一冷却材を循環させるポンプが停止
するような事故が発生した場合には冷却材流量が減少し
て、炉心入口側圧力が低下する。

【０００９】ＧＥＭ内に封入されているガスは膨張し、
炉心近傍にガス空間を形成する。炉心で生成された中性
子は、ＧＥＭ内のガス空間を通して炉心外側や炉心上下
方向へ漏洩しやすくなる。この結果、炉心の反応度を低
下させることができ、事故を安全に収束させることがで
きる。

【００１０】このＧＥＭに関する公知技術としては、例
えば以下のものがある。

【００１１】公知技術（１）NUCLEAR TECHNOLOGY V0L.8
8 0CT.1989 pp.21−29小型高速炉試験において、ＧＥＭ
内部のナトリウム液位の低下速度すなわち封入ガスの体
積膨張速度が大きいほど、時間に対する反応度投入量は
大きくなることを確認している。

【００１２】公知技術（２）日本原子力学会誌．Ｖo1.
３７，Ｎo.４，pp．３２７−３３７,（１９９５）ＧＥ
Ｍの負の反応度投入量の解析において、ＧＥＭ壁面やＧ
ＥＭ周囲の冷却材からの熱が瞬時に伝達される場合ほ
ど、ＧＥＭ内部のナトリウム液位の低下速度すなわち封
入ガスの体積膨張速度は大きくなり時間に対する反応度
投入量が最も多いことを確認している。

【００１３】公知技術（３）特開平4−33591号公報およ
び特開平6−160571 号公報の高速炉において、多数の燃
料集合体を装荷した炉心領域の燃料集合体間に、内部に
筒状の冷却材を形成し不活性ガス等の封入気体が封入さ
れたキャビティ集合体を装荷し、原子炉冷却材の圧力変
化により、キャビティ内の冷却材液面が炉心軸方向に変
動するように設定することで、冷却材圧力減少時に炉心
反応度の低減を図るものである。

【００１４】公知技術（４）特開平6−222176 号公報の
高速炉において、多数の燃料集合体を装荷した炉心領域
の燃料集合体間に、内部に筒状の冷却材を形成し不活性
ガス等の封入気体が封入されたキャビティ集合体を装荷
し、原子炉冷却材の温度変化により、キャビティ内の冷
却材液面が炉心軸方向に変動するように設定すること
で、冷却材圧力減少時に炉心反応度の低減を図るもので
ある。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の技
術においてはＧＥＭのガスの膨張速度を高めることにつ
いては配慮されていない。

【００１６】冷却材流量喪失事故が発生した後の過渡状
態においては、炉心温度が上昇する。

【００１７】従来の炉心構造でも炉心の最高温度は炉心
構成材料の許容値以下に抑えられているが、ＧＥＭを用
いて炉心に負の反応度を投入すれば炉心の温度上昇を抑
制できる。

【００１８】ＧＥＭ内部に封入したガスの膨張速度を高
めることができれば、さらに炉心の温度上昇を小さく抑
えることができ、安全性を向上できるとともに炉心構成
材料の制限綬和などが可能となる。

【００１９】本発明の第１目的は、ＧＥＭ内部に封入し
たガスの膨張速度を高めたＧＥＭを提供することにあ
り、第２目的は、異常時にできるだけ速やかにより大き
な負の反応度を原子炉炉心に投入して炉心の裕度を高め
ることである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記第１目的を達成する
ための第１手段として、一端が閉鎖され、他端がエント
ランスノズルの内部流路の一端と連通するように接続さ
れている中空な管状構造物と、前記内部流路の他端にエ
ントランスノズル開口部とを備えた原子炉反応度制御用
ガス膨張モジュールにおいて、前記エントランスノズル
開口部の合計面積が前記内部流路の断面積以上の大きさ
を有していることを特徴とした原子炉反応度制御用ガス
膨張モジュールが提供され、前記エントランスノズル開
口部でのナトリウム流れへの抵抗（圧力損失）を低減す
ることが可能となり、ＧＥＭ内部ナトリウムの排出促進
とＡｒガス領域の拡大が迅速になされ、原子炉に採用さ
れた際の中性子の漏洩を迅速に達成し、ガス膨張モジュ
ールによる反応度制御を迅速に得ることができる。

【００２１】上記第１目的を達成するための第２手段と
して、一端が閉鎖され、他端がエントランスノズルの内
部流路の一端と連通するように接続されている中空な管
状構造物と、前記内部流路の他端にエントランスノズル
開口部とを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モジュー
ルにおいて、前記エントランスノズル開口部の前記内部
流路に接続する側にテーパー状面取りまたは曲率を施し
たコーナーＲを施したことを特徴とした原子炉反応度制
御用ガス膨張モジュールが提供され、前記エントランス
ノズル開口部でのナトリウム流れの圧力損失を低減する
ことが可能となり、ＧＥＭ内部ナトリウムの排出促進と
Ａｒガス領域の拡大が迅速になされ、原子炉に採用され
た際の中性子の漏洩を迅速に達成し、ガス膨張モジュー
ルによる反応度制御を迅速に得ることができる。

【００２２】上記第１目的を達成するための第３手段と
して、一端が閉鎖され、他端がエントランスノズルの内
部流路の一端と連通するように接続されている中空な管
状構造物と、前記内部流路の他端にエントランスノズル
開口部とを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モジュー
ルにおいて、前記管状構造物と前記エントランスノズル
との接続部に曲率を施したコーナーＲを施したことを特
徴とした原子炉反応度制御用ガス膨張モジュールが提供
され、前記管状構造物と前記エントランスノズルとの接
続部でのナトリウム流れの圧力損失を低減することが可
能となり、GEM内部ナトリウムの排出促進とＡｒガス領
域の拡大が迅速になされ、原子炉に採用された際の中性
子の漏洩を迅速に達成し、ガス膨張モジュールによる反
応度制御を迅速に得ることができる。

【００２３】上記第１目的を達成するための第４手段と
して、一端が閉鎖され、他端がエントランスノズルの内
部流路の一端と連通するように接続されている中空な管
状構造物と、前記内部流路の他端にエントランスノズル
開口部とを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モジュー
ルにおいて、前記管状構造物と前記エントランスノズル
との接続部にテーパー状面取りを施し、前記テーパー状
位面取りの深さＨと前記内部流路の内径Ｄとの比Ｈ／Ｄ
を０.０５ 以上としたことを特徴とした原子炉反応度制
御用ガス膨張モジュールが提供され、前記管状構造物と
前記エントランスノズルとの接続部でのナトリウム流れ
の圧力損失を低減することが可能となり、ＧＥＭ内部ナ
トリウムの排出促進とＡｒガス領域の拡大が迅速になさ
れ、原子炉に採用された際の中性子の漏洩を迅速に達成
し、ガス膨張モジュールによる反応度制御を迅速に得る
ことができる。

【００２４】上記第１目的を達成するための第５手段と
して、一端が閉鎖され、他端がエントランスノズルの内
部流路の一端と連通するように接続されている中空な管
状構造物と、前記内部流路の他端にエントランスノズル
開口部とを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モジュー
ルにおいて、請求項１から請求項４までのいずれかの特
徴を組み合わせたことを特徴とした原子炉反応度制御用
ガス膨張モジュールが提供され、前記エントランスノズ
ル開口部もしくは前記管状構造物と前記エントランスノ
ズルとの接続部でのナトリウム流れの圧力損失を低減す
ることが可能となり、ＧＥＭ内部ナトリウムの排出促進
とＡｒガス領域の拡大が迅速になされ、原子炉に採用さ
れた際の中性子の漏洩を迅速に達成し、ガス膨張モジュ
ールによる反応度制御を迅速に得ることができる。

【００２５】上記第２目的を達成するための第６手段
は、前記第１手段から前記第５手段までのいずれか一項
に記載のガス膨張モジュールを、原子炉の炉心又は前記
炉心の外周囲に装荷してあることを特徴とした原子炉の
炉心であり、ガス膨張モジュールが作動した際、ガス膨
張モジュールのガス膨張速度が速く、且つガス膨張モジ
ュール内に中性子の漏洩障害物も少ないから、炉心から
の中性子漏洩が迅速に成され、炉心が負の反応度を迅速
に受けることとなり、負の反応度の投入が遅れるのに比
べて、例えば、冷却材流量喪失事象に対する裕度を高め
ることができ、炉心の安全性が向上する。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施例は、ＧＥＭ内のＡ
ｒガスの体積変化速度を促進するためのＡｒガスの体積
変化に伴うナトリウム排出流れへの抵抗（圧力損失）を
低減可能な流路形状を、エントランスノズルのダクト接
続部や開口部に設置することによって達成される。

【００２７】これにより、ナトリウム排出流れの圧力損
失を低減可能な流路形状を設置しない従来の場合よりガ
ス体積膨張速度を大きくでき、より速やかに大きな負の
反応度を原子炉炉心へ投入できる。

【００２８】以下、本発明の各実施例をより具体的に説
明する。

【００２９】（第１実施例）本発明の第１の実施例であ
るガス膨張モジュールを、図１から図４および図６から
図８を用いて説明する。

【００３０】図１は、本発明によるガス膨張モジュール
（ＧＥＭ）構造の一例で、（ａ）が縦断面図、（ｂ）が
エントランスノズル開口部４０の拡大図である。

【００３１】ＧＥＭ１は、燃料集合体（図示せず）の上
部の開口部をふさぎ、燃料ピンを取除くことによって内
部に空間を設け、Ａｒガス３０を封入できるようにした
ものである。外形は燃料集合体とほぼ同じである。下部
よりエントランスノズル２０，下部遮蔽体１２，ＧＥＭ
ダクト壁面１１，上部遮蔽体１３，ハンドリングヘッド
１０の部品で構成される。

【００３２】エントランスノズル２０が、燃料集合体同
様に高圧プレナム７５に配置されるので、エントランス
ノズル２０には、冷却材循環ポンプの吐出圧力が作用す
る。エントランスノズル２０に作用する圧力は、エント
ランスノズル開口部４０と、４０に接続する内部流路４
２と、さらに４２に接続するエントランスノズル−ダク
ト接続部４４とを介して、ＧＥＭ内部Ｎａ３２と封入Ａ
ｒガス３０にまで伝達される。

【００３３】ＧＥＭダクト壁面１１内部は空洞になって
おり、ダクト壁面１１上部にはハンドリングヘッド１０
が接続されている。ＧＥＭ用のハンドリングヘッド１０
は、燃料集合体用のものとは異なり、冷却材流路は設け
られておらず、ダクト壁面１１上部の端栓の役割も果た
している。

【００３４】また、ハンドリングヘッド１０下部には上
部遮蔽体１３が接続され、エントランスノズル２０上部
には下部遮蔽体１２が接続されており、炉心７２の軸方
向上部および下部から周囲への放射線を遮蔽する。ハン
ドリングヘッド１０をブロック状の製造とすることによ
り、上部遮蔽体１３の作用を兼ねた軸方向上部の放射線
遮蔽の役割をもたせることが可能である。またエントラ
ンスノズル２０をブロック状の構造とすることにより、
下部遮蔽体１２の作用を兼ねた軸方向下部の放射線遮蔽
の役割をもたせることが可能である。

【００３５】図２は、高速炉の炉心構造の縦断面図であ
る。

【００３６】原子炉容器７１には核燃料を装荷した炉心
部７２が収容される。炉心７２は、原子炉容器７１内に
満たされた液体金属冷却材であるナトリウム中に浸漬状
態で設置され、炉心支持構造物７３により支持される。
原子炉容器７１内は、仕切板８０によって、上部プレナ
ムと下部プレナムとに区画される。

【００３７】炉心７２の上方には、制御棒４の駆動機構
等を収容した炉心上部機構７７が設置されている。一
方、炉心７２の下部に高圧プレナム７５、及び低圧プレ
ナム７６がある。高圧プレナム７５には一次冷却材入口
配管７８から一次冷却材であるナトリウムが供給され、
上部プレナムの一次冷却材出口配管７９から流出するよ
う循環される。

【００３８】なお、前記エントランスノズル２０は、内
部Ｎａ３２と低圧プレナム７６とを連通させる機能の他
に、炉心７２内部でＧＥＭ本体１を支持する機能と、高
圧プレナム７５や低圧プレナム７６の炉心下部構造に対
して炉心７２から漏洩する中性子を可能な限り遮蔽する
ことでプレナム７５，７６を保護する機能も有する。本
発明のＧＥＭ１を配置した内側炉心２，外側炉心３，制
御棒４，遮蔽体５で構成された炉心体系の一例の横断面
図を図３に示す。

【００３９】ＧＥＭ１は水平断面において、炉心内部及
び炉心外周部に配置される。ＧＥＭ１内部の空間には、
アルゴン等の不活性ガスを封入した後に炉心７２に装荷
する。ＧＥＭ１を炉心７２に装荷すると、冷却材のナト
リウムがエントランスノズル２０からＧＥＭ１内部に流
れ込み、ＧＥＭ内部でＮａ液柱を形成する。このＮａ液
面の高さは、封入されているガスの圧力と液柱のヘッド
及び高圧ブレナムの圧力のバランスにより定まる。

【００４０】図４にＧＥＭ１の作動原理の概念図を示
す。

【００４１】冷却材主循環ポンプ（図示せず）が定格運
転に達すると、高圧プレナム７５の圧力が上昇してＧＥ
Ｍ１内部のガスを圧縮する。このときのＧＥＭ１内部の
Ｎａ液面高さが、隣接して配置される炉心２，３の軸方
向上部ブランケット６領域に達するように、初期にＧＥ
Ｍ１に封入されるガス量を調整する。ＧＥＭ１内部にガ
スを保持する空間が確保できるならば、冷却材流路を持
つ燃料集合体用のハンドリングヘッド１０をそのまま利
用し、その下部に上部遮蔽体１３を別に設けること、Ｇ
ＥＭダクト壁面１１内部空間の端栓のために隔壁を設け
ること等により、ＧＥＭ１を構成することもできる。

【００４２】図４左に示すように、冷却材主循環ポンプ
が定格運転状態にある場合にはＮａ液柱が炉心高さ７２
の位置に達して炉心７２側面をおおうので、ＧＥＭ１内
部の質量密度は大きくなリＧＥＭ１は中性子の反射体と
して作用する。万一冷却材主循環ポンプが停止し、冷却
材流量喪失のような事故が発生した場合には、高圧プレ
ナム７５の圧力が低下するので、ＧＥＭ１内部に封入さ
れたガスが膨張し、ＧＥＭ１内のＮａを高圧プレナム７
５に排出する。

【００４３】最終的には図４右に示すように、Ｎａ液面
高さは軸方向下部ブランケット７領域にまで低下する。
この状態では、炉心７２側面にガス空間が形成されるの
で、中性子が炉心７２の径方向に漏洩しやすくなり、炉
心に負の反応度が投入されることになる。よって、冷却
材圧力低下時の負の反応度の投入速度、すなわち封入Ａ
ｒガス３０の体積膨張速度および内部Ｎａ３２の液面降
下速度をでき得る限り大きくすることが、ＧＥＭに要求
される性能である。

【００４４】前記液面降下速度を大きくするには、ＧＥ
Ｍ１内部からエントランスノズル２０を介してＮａ３２
が排出される速度を大きくできればよく、そのためには
排出時のＮａ３２流れの流動抵抗すなわちＮａ流れの圧
力損失をできるだけ小さくすればよい。

【００４５】このＮａ流れの圧力損失としては、次の２
つがある。その１つは、壁面１１内部や内部流路４２と
Ｎａ３２との接触による摩擦圧力損失（以降、摩擦損失
と呼ぶ）である。もう１つは、Ｎａ流れの流路断面積が
Ｎａ流れ方向に急激に変化する部分、すなわち接続部４
４と開口部４０における局所圧力損失（以降、局所損失
と呼ぶ）である。

【００４６】ここで、エントランスノズル２０の圧力損
失Δｐは、一般に数式１で与えられる。

【００４７】

【数１】 Δｐ＝Ｋ_L1／Ａ²×Ｗ²／(２ρ)＋ｆ・(Ｌｉ／Ｄｉ)／Ａｉ²×Ｗ²／(２ρ) ＋Ｋ_L2／Ａｉ²×Ｗ²／(２ρ) …（数１） 数式１中の右辺第１項は開口部４０における局所損失、
右辺第２項は内部流路４２における摩擦損失、右辺第３
項は接続部４４における局所損失である。数式１中の
Ｗ，ρは、流路を流れるＮａの質量流量および質量密度
である。

【００４８】ＧＥＭ１のＡｒガス３０膨張時に生じるＮ
ａ３２の流れではガス膨張中にＡｒガス３０やＮａ３２
の圧力と温度は変化するために、流路を流れるＮａの質
量流量Ｗや質量密度ρは、ガス膨張期間中の各時刻にお
いて共に変化するが、ノズル２０全体で同じ大きさとみ
なせる。

【００４９】数式１中のＡは、開口部４０または接続部
４４における流路断面積で、内径ＤよりＡ＝πＤ^2/4 で
求められ、Ｋ_L1は開口部４０における局所圧力損失係数
（以降、局所損失係数と呼ぶ）、Ｋ_L2は接続部４４にお
ける局所損失係数である。

【００５０】数式１中のＡｉは内部流路４２における断
面積で、内径ＤｉよりＡｉ＝πＤｉ^2/4 で求められ、Ｌ
ｉは開口部４０から接続部４４までの流路４２の長さ、
Ｄｉは流路４２の代表寸法（内径）、ｆは内部流路４２
における摩擦損失係数である。

【００５１】数式１中の右辺第１項，右辺第２項，右辺
第３項のそれぞれの大きさに注目する。

【００５２】数式１中の右辺第１項，右辺第２項，右辺
第３項の大小関係については、第１項の係数＝Ｋ１_L／
Ａ²，第２項の係数＝ｆ・(Ｌｉ／Ｄｉ)／Ａｉ² ，第３
項の係数＝Ｋ_L2／Ａｉ² との大小関係を比較すればよ
い。

【００５３】エントランスノズル２０の前記の機能（Ｇ
ＥＭ本体１を支持する機能と、プレナム７５，７６を中
性子より保護する機能）のために流路４２の長さＬｉの
低減には限度があり、一方Ｌｉを大きくすると摩擦損失
が増大することからＬｉをできるだけ小さくしている。

【００５４】炉心７２に燃料集合体２，３と同様に装荷
するために、流路４２の代表寸法Ｄｉはダクト壁面１１
の寸法よりも大きくしておらず、このことから流路の断
面積Ａｉもダクト壁面の断面積よりも大きくすることは
ない。

【００５５】ノズル２０の面積Ａ，Ａｉに注目した場
合、開口部４０の合計面積ＡをＡｉよりも大きくするこ
とで、数式１中の右辺第１項を右辺第２項よりも相対的
に小さくでき、エントランスノズル２０の圧力損失を低
減することが可能となる。

【００５６】ＡをＡｉよりも大きくした場合には、第１
項の係数＝Ｋ_L1／Ａ² は小さくなるが、流路長さＬｉの
限度があるため、ＡをＡｉよりも非常に大きくすること
は不可能である。

【００５７】従来例では、第１項の係数＝Ｋ_L1／Ａ² は
第２項の係数＝ｆ・(Ｌｉ／Ｄｉ)／Ａｉ² よりも少なく
とも数倍以上大きい。

【００５８】よって、エントランスノズルの圧力損失に
占める局所損失の割合は、摩擦損失に比べて大きい。

【００５９】さらに、従来例では第１項の係数＝Ｋ_L1／
Ａ²は、第３項の係数＝Ｋ_L2／Ａｉ²に対しても少なくと
も数倍以上大きい。

【００６０】よって、エントランスノズルの局所損失の
中では、開口部４０の局所損失の占める割合が接続部４
４の局所損失の占める割合に比べて大きい。

【００６１】従来のＧＥＭにおける圧力損失について、
それぞれの割合は次のようになる。局所損失は全圧力損
失の９０％以上を占め、さらにその局所損失に占める開
口部の局所損失の割合は９０％以上を占める。

【００６２】以上のことから、ＧＥＭ内のＡｒガス３０
の体積変化速度を促進するためには、Ａｒガスの体積変
化に伴うＮａ３２流れの流動抵抗（圧力損失）を低減す
ればよく、そのためには、（ａ）開口部４０の局所損失
を相対的に低減するために、開口部４０の合計面積Ａを
内部流路の断面積Ａｉよりも大きくするか、（ｂ）開口
部４０と接続部４４の流路形状を、それらの局所損失が
可能な限り低減可能な形状とすれば良い。

【００６３】ガス膨張期間中のある時刻における開口部
４０または接続部４４の圧力損失を小さくするには、数
式１のように開口部４０の局所圧力損失係数Ｋ_L1，接続
部４４の局所圧力損失係数Ｋ_L2をできるだけ小さくする
ことが必要である。しかし、流路形状として曲率Ｒを有
するコーナーＲおよび加工深さＨを有するテーパー形状
における、開口部４０または接続部４４の局所圧力損失
係数Ｋ_L は、従来不明であった。

【００６４】図６に、発明者らが測定した、流路の形状
がコーナーＲとテーパーとで異なるときの加工深さｘ
（ＲまたはＨ）と、流路の代表寸法Ｄ（流路形状が円の
場合には内径）の比ｘ／Ｄと局所圧力損失係数Ｋ_L との
関係を示す。

【００６５】加工深さｘ／Ｄが０.０４ 以下では、テー
パーの方が局所圧力損失係数Ｋ_L は小さく、ｘ／Ｄが
０.０４ 以上ではコーナーＲの方が局所圧力損失係数Ｋ
_L は小さく、コーナーＲではＲ／Ｄが０.１６ 以上で局
所圧力損失係数Ｋ_L ＝０となる。

【００６６】一方、テーパーではＨ／Ｄ＝０.１５以上
でＫ_L ＝０.０７とほぼ一定となる。このように、開口
部４０または接続部４４における加工深さを深くするこ
とによって局所圧力損失の低減効果を得ることができ、
その低減効果の加工深さ依存性を、発明者らの計測した
図６の結果により定量的に明らかにした。

【００６７】一方、開口部４０および接続部４４におけ
る流路の局所圧力損失の低減のための加工深さは、４０
および４４の流路部分だけではなく、エントランスノズ
ル２０全体の加工工数と経済性とを考慮して決定する必
要がある。

【００６８】一般に、コーナーＲ加工はテーパー加工に
比べてより多くの加工工数を必要とする。いいかえれ
ば、同じ加工工数で比較した場合に、テーパーに比べて
コーナーＲの方は加工深さはより小さくなる。したがっ
て、エントランスノズル２０の製作に際しては、開口部
４０および接続部４４における流路の局所圧力損失の低
減のための流路形状およびその加工深さの選択方法は、
局所圧力損失の低減の程度と、同一の加工工数（等価工
数）における局所損失係数Ｋ_L で比較した場合における
経済性の程度との、これら２つの指標においてより適切
となるようにする。

【００６９】図１の実施例においては、エントランスノ
ズル２０における局所損失を最小とする目的を最優先さ
せて、開口部４０および接続部４４における局所損失が
最も小さくなるように次の３つの発明を用いた。

【００７０】（１）１つめの発明として、開口部４０の
局所損失が従来例よりも相対的に低減可能なように、開
口部４０の合計面積が内部流路４２の断面積以上の大き
さとなるように開口部４０の個数を設定したエントラン
スノズル２０を用いたことである。

【００７１】（２）２つめの発明として、開口部４０の
局所圧力損失係数Ｋ_L1＝０となるように、開口部４０の
内部流路４２に接続する側に加工深さである曲率Ｒと開
口部４０の代表寸法（内径）Ｄとの比が０.１６ 以上と
なるようなコーナーＲを施したエントランスノズル２０
を用いたことである。

【００７２】（３）３つめの発明として、接続部４４の
局所圧力損失係数Ｋ_L2＝０となるように、接続部４４に
加工深さである曲率Ｒと接続部４４の代表寸法（内径）
Ｄとの比が０.１６ 以上となるようなコーナーＲを施し
たエントランスノズル２０を用いたことである。

【００７３】以上３つの発明を用いたことにより、開口
部４０の局所損失を内部流路４２に比べて低減すること
が可能となる。

【００７４】図７から図８に発明者らが実施した、ＧＥ
Ｍ動作時（封入Ａｒガス膨張時）のエントランスノズル
における圧力損失の影響を評価した解析結果を示す。

【００７５】図７は、封入Ａｒガス膨張時のＧＥＭ内部
のナトリウム液位の解析値である。図８は、封入Ａｒガ
ス膨張時のＧＥＭ内部のナトリウム液位の降下速度の解
析値である。

【００７６】図７から図８には、（ケースａ）図５に示
した開口部４０ｐおよびダクト接続部４４ｐで共に圧力
損失がある従来例の場合と、（ケースｂ）開口部のみ前
記（３）の発明を用いた場合と、（ケースｃ）前記
（１）から（３）までの発明を全て用いた実施例１の場
合の、（ケースａ）から（ケースｃ）までの３つの解析
値を、それぞれ示してある。

【００７７】ナトリウム液位の変化において、上記（ケ
ースｂ）は（ケースａ）に比べて約２.２ 倍大きく変化
しており、さらに上記（ケースｃ）は（ケースａ）に比
べて約２.６ 倍大きく変化している。

【００７８】ナトリウム液位の降下速度の変化におい
て、上記（ケースｂ）は（ケースａ）に比べて約３.１
倍大きく、さらに上記（ケースｃ）は（ケースａ）に比
べて約４.２ 倍大きい。

【００７９】このように、エントランスノズルの圧力損
失を低減するために上記（１）から（３）の発明を施す
ことによって、封入Ａｒガス膨張時では、封入ガス温度
の低下が小さいために、断熱膨張よりもむしろ等温膨張
を仮定した場合のナトリウム液位の変化に近い。

【００８０】このように、（ケースｂ）と（ケースｃ）
では、従来ＧＥＭの場合よりガス膨張中におけるナトリ
ウム排出流れのエントランスのズルにおける圧力損失は
小さくなるために、ナトリウム液位の降下速度（ガス体
積速度）は従来ＧＥＭの場合より大きくなり、負の反応
度投入速度は大きくなる。

【００８１】（第２実施例）図９に、本発明の第２の実
施例を示す。

【００８２】以下に述べる変更内容以外は第１実施例と
同じである。エントランスノズル開口部４０ａは、内部
流路４２ａ側に接する開口部分に加工深さＨのテーパー
状面取りを施していることを特徴としている。開口部４
０ａにおけるＨと代表寸法Ｄａとの比Ｈ／Ｄａがゼロ以
上と設定することで、その局所損失係数Ｋ_L は開口部４
０ｐよりも小さくなるために、従来例と比較して開口部
４０ａの圧力損失は低減される。

【００８３】また、開口部の流路形状をテーパー状面取
りとすることで、実施例１のコーナーＲよりも同一加工
深さにおける加工コストを小さくすることで、エントラ
ンスノズルの製作におけるコスト低減（経済性向上）も
可能である。

【００８４】このように第２の実施例のＧＥＭでは、ナ
トリウム液位の降下速度と負の反応度投入速度は大きく
でき、従来例より性能を向上させることが可能となる。

【００８５】（第３実施例）図１０に、本発明の第３の
実施例を示す。

【００８６】以下に述べる変更内容以外は第１実施例と
同じである。エントランスノズル開口部４０ｂの代表寸
法である内径Ｄｂは、内部流路４２ｂの代表寸法である
内径Ｄｉよりも大きく設定され、また開口部４０ｂの個
数は１個であることを特徴としている。

【００８７】開口部４０ｂにおける流路面積は、内部流
路における流路面積よりも大きく設定することで、その
局所損失は開口部４０ｐよりも小さくなるために、従来
例と比較して開口部４０ｂの圧力損失は低減される。ま
た、開口部の個数を従来例よりも小さくすることで、エ
ントランスノズルの製作におけるコスト低減（経済性向
上）も可能である。このように第３の実施例のＧＥＭで
も、従来例より性能を向上させることが可能となる。

【００８８】（第４実施例）図１１に、本発明の第４の
実施例による伝熱促進構造を示す。

【００８９】以下に述べる変更内容以外は第２実施例と
同じである。エントランスノズル開口部４０ｃとそのテ
ーパー状面取りとの加工時の中心軸は、エントランスノ
ズル壁面５０ｃの面に対して垂直では無いことを特徴と
している。

【００９０】この場合、開口部４０ｃにおける最小の加
工深さＨｃ１と最大の加工深さＨc2のうち、Ｈｃ１と代
表寸法Ｄａとの比Ｈｃ１／Ｄｃがゼロ以上と設定するこ
とで、その局所損失係数Ｋ_L は開口部４０ｐよりも小さ
くなるために、従来例と比較して開口部４０ｃの圧力損
失は低減される。

【００９１】また、開口部４０ｃとそのテーパー状面取
りとの加工時の中心軸を壁面５０ｃの面に対して垂直で
は無いこととすることで、実施例２のテーパー状面取り
よりもエントランスノズル内側（内部流路４２ｃ側）か
らの加工がより容易になり、実施例２よりも同一加工深
さにおける加工コストを小さくすることで、エントラン
スノズルの製作におけるコスト低減（経済性向上）も可
能である。

【００９２】また本実施例に記載の、加工時の中心軸の
設定方法や加工深さＨｃ１，Ｈｃ２の設定方法について
は、コーナーＲの流路形状の場合にもあてはめることが
可能である。

【００９３】（第５実施例）図１２に、本発明の第５の
実施例による炉心構造を示す。

【００９４】以下に述べる変更内容以外は第３実施例と
同じである。エントランスノズル開口部４０ｄの代表寸
法である内径Ｄｄは内部流路４２ｄの代表寸法よりも大
きく設定し、開口部４０ｄにおける流路面積Ａｄは内部
流路４２ｄの流路面積よりも大きく設定することで、そ
の局所損失は開口部４０ｐよりも小さくなるために、従
来例と比較して開口部４０ｄの圧力損失は低減される。
また開口部４０ｄの形状は、実施例１０のように円形で
はなく楕円形でもよい。

【００９５】（第６実施例）図１３に、本発明の第６の
実施例による炉心構造を示す。

【００９６】以下に述べる変更内容以外は第５実施例と
同じである。エントランスノズル開口部４０ｅにおける
流路面積Ａｅは内部流路４２ｅの流路面積よりも大きく
設定することで、その局所損失は開口部４０ｐよりも小
さくなるために、従来例と比較して開口部４０ｅの圧力
損失は低減される。また開口部４０ｅの形状は、実施例
１０のように円形ではなく方形でもよい。

【００９７】このように、第５の実施例および第６の実
施例のように、開口部の個数やその形状に寄らず、開口
部の流路面積による設定でエントランスノズルの圧力損
失の低減の目的を達成することも可能である。

【００９８】（第７実施例）図１４に、本発明の第７の
実施例による炉心構造を示す。

【００９９】以下に述べる変更内容以外は第１実施例と
同じである。図２では本発明のＧＥＭ１は水平断面にお
いて炉心内部及び炉心外周部に配置されているが、図１
４ではこれまで述べた本発明の中でそれぞれ異なるエン
トランスノズルを有するＧＥＭ１ｆａと１ｆｂとを、炉
心内部と炉心外周部とに配置されていることに特徴があ
る。

【０１００】ＧＥＭ１ｆａと１ｆｂとして、エントラン
スノズル２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０
ｅ等の形態を変えて組み合わせて用いることで、冷却材
流量低下時における負の反応度投入効果を炉心内部と炉
心外周部で調整することができ、冷却材流量喪失事象に
対する裕度を高めて高速炉を運転することが可能であ
る。

【０１０１】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、エントランス
ノズル開口部における圧力損失の低減により、ＧＥＭ内
部のガスの膨張速度を高めて、迅速に中性子の漏洩しや
すい環境を作り、炉心に対して短い時間でより大きな負
の反応度を投入することができる。

【０１０２】請求項２の発明によれば、請求項１と同様
な効果が得られる。

【０１０３】請求項３の発明によれば、エントランスノ
ズル−ダクト接続部における圧力損失の低減により、請
求項１と同様な効果が得られる。

【０１０４】請求項４の発明によれば、請求項３と同様
な効果が得られる。

【０１０５】請求項５の発明によれば、請求項１から請
求項４までのいずれか一項の発明による効果を加え合わ
せて、請求項１から請求項４までのいずれか一項の発明
によるガス体積変化速度を一層のこと高めることができ
て、より迅速な制御能力発揮する。

【０１０６】請求項６の発明によれば、冷却材流量喪失
事象に対する事後の負の反応度投入を迅速に成せる炉心
が提供でき、炉心の安全性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるガス膨張モジュール
の各断面構造を示しており、（ａ）図は全体の縦断面図
であり、（ｂ）図はエントランスノズル開口部の拡大図
である。

【図２】高速炉の原子炉容器内を示した縦断面図であ
る。

【図３】本発明のガス膨張モジュールを高速炉の炉心と
その周辺に配置した場合の炉心の水平断面図である。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明のガス膨張モジュー
ルを炉心の周囲に配置した場合の定格運転時と冷却材主
循環ポンプ停止時の両者を左右に混在して表示した作動
原理を説明する縦断面図である。

【図５】従来例によるガス膨張モジュールの各断面構造
を示しており、（ａ）図は全体の縦断面図であり、
（ｂ）図はエントランスノズル開口部の拡大図である。

【図６】流路の形状が異なる場合の加工深さと局所圧力
損失係数の関係を示した特性図である。

【図７】ガス膨張時のガス膨張モジュール内のナトリウ
ム液位の時間変化を、従来例と本発明の一実施例につい
て比較表示したグラフ図である。

【図８】ガス膨張時のガス膨張モジュール内のナトリウ
ム液位降下速度の時間変化を、従来例と本発明の一実施
例について比較表示したグラフ図である。

【図９】本発明の第２実施例によるガス膨張モジュール
の伝熱促進体付近の水平断面図である。

【図１０】本発明の第３実施例によるガス膨張モジュー
ルの伝熱促進体付近の水平断面図である。

【図１１】本発明の第４実施例によるガス膨張モジュー
ルの伝熱促進体付近の水平断面図である。

【図１２】本発明の第５実施例によるガス膨張モジュー
ルの伝熱促進体付近の水平断面図である。

【図１３】本発明の第６実施例によるガス膨張モジュー
ルの伝熱促進体付近の水平断面図である。

【図１４】本発明の第７実施例による、本発明のガス膨
張モジュールと他の本発明のガス膨張モジュールとを高
速炉の炉心とその周辺に配置した状態を炉心の水平方向
から見た断面図である。

【符号の説明】

１…ＧＥＭ、２…内側炉心、３…外側炉心、４…制御
棒、５…遮蔽体、６…上部ブランケット、７…下部ブラ
ンケット、１０…ハンドリングヘッド、１１…ＧＥＭダ
クト壁面、１２…下部遮蔽体、１３…上部遮蔽体、２０
…エントランスノズル、４０…エントランスノズル開口
部、４２…エントランスノズル内部流路、４４…エント
ランスノズル−ダクト接続部、５０…エントランスノズ
ル壁面、Ｄ…開口部内径、Ｒ…開口部コーナーＲ加工深
さ、Ｈ…テーパー加工深さ、ｒ…ダクト接続部コーナー
Ｒ加工深さ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端が閉鎖され、他端がエントランスノズ
   ルの内部流路の一端と連通するように接続されている中
   空な管状構造物と、前記内部流路の他端にエントランス
   ノズル開口部とを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モ
   ジュールにおいて、前記エントランスノズル開口部の合
   計面積が前記内部流路の断面積以上の大きさを有してい
   ることを特徴とした原子炉反応度制御用ガス膨張モジュ
   ール。
2. 【請求項２】一端が閉鎖され、他端がエントランスノズ
   ルの内部流路の一端と連通するように接続されている中
   空な管状構造物と、前記内部流路の他端にエントランス
   ノズル開口部とを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モ
   ジュールにおいて、前記エントランスノズル開口部の前
   記内部流路に接続する側にテーパー状面取りまたは曲率
   を施したコーナーＲを施したことを特徴とした原子炉反
   応度制御用ガス膨張モジュール。
3. 【請求項３】一端が閉鎖され、他端がエントランスノズ
   ルの内部流路の一端と連通するように接続されている中
   空な管状構造物と、前記内部流路の他端にエントランス
   ノズル開口部とを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モ
   ジュールにおいて、前記管状構造物と前記エントランス
   ノズルとの接続部に曲率を施したコーナーＲを施したこ
   とを特徴とした原子炉反応度制御用ガス膨張モジュー
   ル。
4. 【請求項４】一端が閉鎖され、他端がエントランスノズ
   ルの内部流路の一端と連通するように接続されている中
   空な管状構造物と、前記内部流路の他端にエントランス
   ノズル開口部とを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モ
   ジュールにおいて、前記管状構造物と前記エントランス
   ノズルとの接続部にテーパー状面取りを施し、前記テー
   パー状位面取りの深さＨと前記内部流路の内径Ｄとの比
   Ｈ／Ｄを０.０５ 以上としたことを特徴とした原子炉反
   応度制御用ガス膨張モジュール。
5. 【請求項５】一端が閉鎖され、他端がエントランスノズ
   ルの内部流路の一端と連通するように接続されている中
   空な管状構造物と、前記内部流路の他端にエントランス
   ノズル開口部とを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モ
   ジュールであることを特徴とした請求項１から４のいず
   れか１項記載の原子炉反応度制御用ガス膨張モジュー
   ル。
6. 【請求項６】請求項１から請求項５までのいずれか１項
   記載のガス膨張モジュールを、原子炉の炉心又は前記炉
   心の外周囲に装荷してあることを特徴とした原子炉の炉
   心。