JPS5823914B2 - 中性子吸収材の支持装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的には原子炉に、そして特定的には制御
棒を炉心に対して移動させる装置に係るものである。

原子力発電所において発生する可能性がある最も重大な
事故の１つは、冷却材流の循環停止を検出した時に制御
装置が炉の急速運転停止を失敗することである。

冷却材流の循環停止は、配管の破断或は冷却材循環ポン
プの１つ或はそれ以上の停止の何れかによって起り得る
。

この型の事故は、炉内に発生する熱を運び出せなくなる
ので特に重大である。

もし炉が熱を発生し続けると強大な圧力が冷却系内に発
生する。

更にこの熱発生は、もしスクラムによって終了させなけ
れば、炉心の大部分を溶解させてしまう。

一次冷却部材に液体ナトリウムを用いている原子炉では
、炉スクラムが直ちに行なわれないとナトリウム流の一
部或は全てが循環停止することによって生ずる特別な問
題がある。

現今設計の液体金属高速増殖炉では、ナトリウム流が循
環停止した時に発生するナトリウム・ボイド係数と呼ば
れる正の反応度利得がある。

ナトリウム温度はその沸点まで上昇し、そこでナトリウ
ム蒸気の「ボイド」が形成されて反応度、出力、それ以
上の沸騰、及び重大な結果の可能性が増大する。

この反応度利得は、ナトリウムの中性子吸収効果は小さ
いけれどもＯではないことから発生するのである。

炉心をナトリウムが循環しなくなると中性子吸収スペク
トルをシフトさせ、中性子の数が増加する。

このシフト自体は燃料の核分裂性原子による中性子捕捉
の確率を増加させる。

現在用いられている原子炉制御装置及びスクラム回路は
全く信頼できるものではあるが、原子炉産業においては
絶対的に簡単な炉制御装置を作る努力が断えず続けられ
ている。

この産業においては現在技術に完全に満足している者は
いない。

できる限り信頼できる炉停止装置を作ることが絶えず強
調されている。

これらの努力には、可動機械部品の数を最小とし、成分
を電気的障害及びセンサの故障の両者に無関係ならしめ
るように設計することが含まれている。

本発明の目的は、従来技術の限界及び欠陥を打破するこ
とである。

本発明の別の目的は、冷却材の循環停止事故により原子
炉の出口温度が増大するとき原子炉及びその周囲の破壊
を防ぐことである。

本発明の別の目的は、炉の出力レベルを低下させるため
に可動機械部品の数を最小とし電気的障害及びセンサの
故障の両者に無関係ならしめた簡単な装置を開発するこ
とである。

本発明の別の目的は、一次冷却材の温度の上昇に正比例
するように原子炉の出力レベルを低下させることである
。

本発明の別の目的は、液体金属高速増殖炉の反応度に負
の温度係数を与える装置を提供することである。

このような炉の反応度は、典型的には殆んどＯか或は正
の温度係数を有しているものである。

更に、本発明の別の目的は、一次冷却材の循環停止事故
後に、どのような検出装置或は制御棒アクチュエータも
介在しないで、原子炉の出力レベルを全出力の１５パー
セント以下まで低下させることである。

これらの、及び他の目的は、中性子吸収材及び熱によっ
て伸張可能な部材を含む原子炉の出力レベルを低下させ
るための装置によって達成する。

伸張可能部材は棒駆動シャフト上或は炉心を収容してい
る容器上に取付けられるようになっている。

このように取付けると、伸張可能部材は吸収材を炉心に
対して移動させ、一次冷却材の温度に感応するようにな
る。

伸張可能部材は、一次冷却材の温度が上昇するとその熱
的伸張によって吸収材を炉心に極めて接近するように移
動させる。

また伸張可能部材は、吸収材の炉心への運動が増巾され
るようにその熱的伸張を増巾する手段を含んでいる。

以下に添附図面を参照して好ましい実施例を説明するが
、この説明から本発明の別の目的及び特色が明白となる
であろう。

第１図は公知の構造の液体金属高速増殖炉を示す。

この炉は複数の燃料要素１０を収容している炉心８を含
んでいる。

炉が発生する熱は、枠駆動機構１４によって炉心８に対
して昇降させられる一連の制御棒１２によって調整され
る。

炉心８は容器１６内に収容され、原子炉全体は一次遮蔽
体１８内に入れられている。

炉は燃料として部分濃縮ウラン（υ２３５）或はプルト
ニウム（ｐｕ２３９ ）を用い、一次冷却材は典型的に
は大気圧のす） ＩＪウムである。

第１図の炉は、入口ノズル２０を通して炉容器に入る液
体ナトリウムの流れによって冷却される。

液体ナトリウムは燃料要素１０の下に位置する充満室に
流入する。

次で一次冷却材は炉心８を通って上方に流れ、炉心８で
は核分裂反応によって発生した熱が一次冷却材に伝えら
れる。

次に冷却材は出口ノズル２２を通って容器１６から流出
する。

一次冷却材内の熱は二次熱交換器（図示せず）か或は蒸
気発生器の何れかに伝えられる。

この二次熱交換器蒸気は電力の生産のために発生させる
のである。

第２図は出力レベルを制御するために炉心８に出入する
ように移動する制御棒１２の一部を示すものである。

制御棒１２は、第１図の枠駆動機構１４に接続されてい
る棒駆動シャフト２８を含んでいる。

枠駆動機構１４は制御棒１２を炉心８に出入させるよう
に精密に移動させる電気・機械原動機である。

枠駆動機構１４は、炉をスクラムするために制御棒を炉
心８内に急速に挿入できるように、棒駆動シャフト２８
を解放することもできる。

第２図の制御棒１２は炉内の中性子を吸収するための吸
収材３０を有している。

吸収材３０はステンレス鋼シートで作られた缶３１を含
み、この缶３１は導管となっていてその中をナトリウム
が流れる。

缶３１は複数の細長い円形の毒物収容枠３２のためのハ
ウジングにもなっている。

これらの棒３２内の毒物は炭化硼素Ｂ４Ｃのような中性
子を容易に吸収する材料である。

棒駆動シャフト２８と吸収材３０との間には熱によって
伸張可能な部材３４が取付けられており、この部材３４
はその熱伸張を増巾する手段を有している。

伸張可能部材３４は異なる半径の複数の同軸シリンダ又
は管３６で作られている。

各シリンダ３６の主軸は棒駆動シャフト２８及び吸収材
３０の運動の方向と平行に配向されている。

シリンダ３６は一次冷却材内に浸漬され、複数の孔３８
を有している。

これらの孔３８を通して一次冷却材がシリンダ間に流入
できるようになっており、シリンダ３６の長さを一次冷
却材の温度の変化に直接的に対応するように変化させる
。

熱伸張可能部材３４は、線膨張係数の異なるシリンダを
用いそれらの端を上下で交互に結合することによって、
その熱伸張を増巾している。

第２図において番号３６で示されているシリンダは膨張
係数の大きいα１材料で作られ、残りのシリンダ３６′
は小さい膨張係数α２の材料で作られている。

一番内側のシリンダ３６は大きい膨張係数α１の材料で
作られ、その上端は枠駆動シャフト２８に取付けられて
いる。

この一番内側のシリンダ３６は、その下端を次の小さい
膨張係数α２の材料製のやや大きいシリンダ３６′に結
合されている。

この第２のシリンダ３６′はその上端を（一番内側のシ
リンダ３６と枠駆動シャフト２８との結合点附近におい
て）次の大きめのシリンダ３６に取付けられている。

このように、次々に大きくなって行くシリンダは交互に
熱膨張係数が大きいものと小さいものとが配列され、交
互に上と下とが結合されている。

この様子が第２図に示されている。

好ましい実施例では、大きい膨張係数α１を有するシリ
ンダ３６はステンレス鋼製であり、小さい熱膨張係数α
２を有するシリンダ３６′はインパール製である。

ステンレス鋼の線膨張係数は１０〜１２Ｘ１０ ’（
長さ増加／単位長／’Ｃ）であり、インパールは約０．
９Ｘ１０−’である。

熱伸張可能部材３４の増巾効果は、シリンダ３６が全長
りであると仮定して数学的に次のように示される。

一連のシリンダ３６が大きい膨張係数α１を有し、シリ
ンダ３６′が小さい膨張係数α２を有しているものとす
る。

材料α１のＮ本のシリンダ及び材料α２のＮ−１本のシ
リンダ３６′に対しては、部材の合計伸長△Ｌは △Ｌ、（Ｎ（α１−α２）＋α２）Ｌ△Ｔで表わすこと
ができる。

ここにα１〉α２ であり、また△Ｔは温度変化である。

この△Ｌの大きさは、エクスカーション中に到達した温
度において原子炉出力を全出力の数パーセントに減少す
るだけの長さだけ制御棒を挿入するに十分な大きさとす
る必要がある。

原子炉は常に負の温度係数をもつように、すなわち、温
度が増大するにつれて反応度が減少するように設計され
ている。

もし平均炉温度が、例えば３００°Ｃに増加することが
許されるならば、負の温度係数のため反応度は減少し、
これだけで全出力の５０％以下に炉の出力を低減できる
よう多くの炉は設計されている。

もし燃料を下端支持しているのであれば燃料を上方へ熱
膨張させることによって炉心に負の温度係数を持たせる
ことができる。

すなわち、炉は僅か持上がり、制御棒をそれだけ侵入さ
せること５なるからである。

又、燃料棒の下方への熱膨張が制御棒の炉心内への侵入
を更に増大する。

高温における負の温度係数の影響により制御棒の極めて
僅かな動きだけで炉出力を全出力の小さいパーセンテー
ジに減少することができる。

例えばα１−１０−５／°Ｆ１α２＝７×１Ｏ−６１０
Ｆとし、そして全長Ｌ＝５メートルの１８−８ステンレ
ス鋼のシリンダ５本とニッケル合金（ハステロイＣ又は
インコネルＸ）のシリンダ４本とを使用すると全長５メ
ートルに対する伸長△Ｌは５．５センチメートルとなり
、これは炉を低出力にするに足るだけ制御棒を挿入する
大きさである。

シリンダの厚みは２−５ミリメートルであり、各シリン
ダの間隔はシリンダの屈曲や真円度の許容値よりも大き
くするが、良質の材料ではその間隔は１−３ミＩＪメー
トルモある。

温度変化につれて長さが変化し、でも厚みは変化するこ
とはないので熱伸張増巾器の素子の厚みは必要な機械的
強度を与えるだけの大きさとする。

第２図の熱伸張部材３４が、均一の周期を維持するため
に振子を補償するシステムに若干の面で対比できること
に注目されたい。

例えば、１９世紀の振子時計に用いられている振子には
、周囲温度の変化を補償する機械的装置が組込まれてい
る。

これらの装置は、振子の保持腕の主軸に沿って釣合いお
もりを移動させ、周囲温度の変化に起因する保持腕の長
さの変化を補償している。

これらの振子補償装置は、典型的には機械的ヨークと、
それぞれが異なる熱膨張係数を有している２組の平行棒
を含んでいる。

ヨークは交互に各組の棒と係合して熱膨張増巾器を形成
している。

動作の際、制御棒１２は第１図に示すように原子炉内に
設置される。

熱伸張増巾器３４は炉から出る一次冷却材の温度にさら
され、炉内のナトリウム出口ノズル２２より下のレベル
に位置ぎめされる。

過度時又は事故時の原子炉の出口温度の上昇を抑制する
に必要な負の反応度の量に依存して、熱伸張増巾器３４
及び吸収材３０は１つ或は複数の制御棒に取付けられる
。

伸張増巾器及び吸収材は必ずしも制御棒に取付ける必要
はなく、炉容器１６の構造成分に取付けてもよいことも
注意されたい。

必要なことは、吸収材が一次冷却材の温度の変化によっ
て炉心に対して運動できるように成分を位置ぎめするこ
となのである。

原子炉の動作の際、中性子吸収材を含む制御棒１２は、
炉内の中性子数の増加を精密に制御するように炉心８に
対して位置ぎめされる。

典型的には、起動時には吸収材３０は炉心８内への完全
挿入位置から個々に、及び群として部分的に引抜かれる
。

一次冷却材の温度が上昇すると、炉内の反応度は負の温
度係数のために低下する。

この負反応度の上昇を補償するために、制御棒１２は枠
駆動機構１４によって炉心８から若干引抜かれる。

炉がラインに導かれて電力を供給し始めると制御棒１２
は炉心８から更に引抜かれる。

炉が全出力で運転されている場合は、若干の制御棒１２
は炉心８から完全に引出され、他の残りの制御棒１２は
部分的に挿入されている。

枠駆動シャフト２８と吸収材３０との間に熱伸張増巾器
３４を接続しである制御棒１２は、増巾器３４を接続し
てない制御棒１２と同じように動作している。

例えば一次系配管の破断、主循還ポンプ（図示せず）の
停止、或は−次冷却材主循還ループ内の弁（図示せず）
の閉止の何れかによって、冷却材流の循環は停止する。

このようになると、一次冷却材は炉が発生した熱の除去
を停止する。

炉は冷却材が循環しているときと殆んど同一の出力レベ
ルで熱を発生し続けるから、一次冷却材の温度鵜高騰を
し始める。

一次冷却材の温度が上昇すると熱伸張増巾器３４の長さ
を増加し、吸収材３０を炉心８に極めて接近するように
移動させる。

吸収材３０は、枠駆動機構１４が移動させない限り静止
している枠駆動シャフト２８に対して下方に移動する。

この移動によって吸収材３０はより多くの中性子を吸収
するので、それに対応して炉の出力レベルが低下するよ
うになる。

炉心８への吸収材３０のこの運動は温度の上昇に正比例
している。

第２図の熱伸張増巾器３４は、一次冷却材と熱的に密接
に通ずるように配置され、一次冷却材が炉から流出する
点における一次冷却材の温度に感応するようになってい
る。

熱伸張増巾器３４は複数の孔３８を有しており、これら
の孔３８によって一次冷却材は自由にシリンダ３６．３
６’の周囲を流れることができる。

循環停止後に一次冷却材が下方に流れる際に、一次冷却
材はその熱を対流によって熱伸張増巾器３４に伝える。

一次冷却材の流れが完全に停止すると、増巾器内のシリ
ンダ３６，３６’は伝導或は自然対流の何れかによって
加熱される。

典型的には、冷却材循環停止事故の場合、検出装置及び
スクラム機構が直ちに温度過度を終了させ、綜合出力或
は温度に重大な上昇を与えることなく炉の運転を停止さ
せる。

しかし、全ての炉検出器、作動機構、及び電源が故障し
ても、熱伸張増巾器３４が炉内に吸収材３０を挿入して
炉の運転を停止するので、本発明は附加的な安全性を提
供することになる。

若干の原子炉では吸収材３０を炉心内に完全に挿入する
必要がないかも知れないことに注意されたい。

これらの炉では、炉の出力レベルを全出力の１５％以下
の低い安定状態のレベルまで低下させれば充分である。

この出力レベルでは、熱負荷は冷却材の自然対流によっ
て除去することができ、小さい緊急冷却用ヒート・シン
クによって消散させることができる。

本発明は、液体金属高速増殖炉が通常極めて小さい負の
温度係数或は若干圧の係数の反応度の倒れかを有してい
ることから、この型の炉に対して特別の応用を有してい
る。

吸収材３０と組合わせた熱伸張増巾器３４は負の温度係
数の反応度を支え、動作中の炉を安定させる。

増殖炉の動作は、一次冷却材の温度が上昇すると吸収材
が炉心に接近するように移動して負の反応度を挿入する
ので自己補正型となる。

本発明の装置が、温度暴走を最低に抑えて炉を運転停止
させることなく過大出力過渡を終らせる手段となってい
ることにも注目されたい。

この過渡はスクラムなしで解消することができ、炉はラ
インに留まって電力を発生することができる。

以上に液体金属高速増殖炉に用いられる好ましい実施例
を説明したが、本発明は加圧水炉、ガス冷却炉、及び沸
騰水炉のような他の炉への応用も企図するものである。

更に、吸収材３０は炭化硼素である必要はなく、他のど
のような中性子吸収材料であってもよい。

本発明はまた排出される一次冷却材を監視する位置以外
の炉内の他の位置への熱伸張増巾器３４の配置も企図す
るものである。

例えば増巾器は、流入する一次冷却材を検出するように
炉内に位置ぎめしてもよいし、炉心の下の一次冷却材の
温度を検出するように炉底に位置ぎめしてもよい。

以上のように本発明を遂行するための最良のモードを説
明したが、本発明の範囲から逸脱することなく変更が可
能であることは明白であろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による液体金属高速増殖炉の斜視図であ
り、第２図は本発明による第１図の炉の制御棒の部分切
除側面図であり、そして第３図は第２図の制御棒の一部
の内部を示すための第２図の３−３矢視断面図である。 ８・・・・・・炉心、１０・・・・・・燃料要素、１２
・・・・・・制御棒、１４・・・・・・枠駆動機構、１
６・・・・・・容器、１８・・・・・・一次遮蔽体、２
０・・・・・・人口ノズル、２２・・・・・・出口ノズ
ル、２８・・・・・・枠駆動シャフト、３０・・・・・
・吸収材、３１・・・・・・缶、３２・・・・・・毒物
収容棒、３４・・・・・・熱によって伸張可能な部材、
３６，３６’・・・・・・シリンダ、３８・・・・・・
孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原子炉の一次冷却材の温度に少なくとも部分的にさ
   らされ、原子炉内で中性子吸収材を支持している支持装
   置において、一次冷却材へさらされる支持装置の部分が
   一端又は他端で交互に接続されている複数の同軸に配置
   した管から成る熱伸張増巾器を含み、その隣接する管は
   異なる熱膨張係数を有していることを特徴とする中性子
   吸収材の支持装置。