JPS591998B2 - 液体金属冷却原子炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特に原子炉容器の底部に設けられた人口ノズル
から冷却材を流入させる方式の液体金属冷却原子炉の改
良に関する。

高速増殖炉は、従来の軽水炉などに比較して比熱出力が
非常に高いので、冷却材として熱伝達特性の良好な液体
金属とくに液体ナトｌ）ラムが使用されている。

一方、炉内および炉外の配管の点においても高速増殖炉
は冷却材が液体金属であること、冷却材の流速および流
量がきわめて大きいこさ、炉容器の出口温度が５００℃
以上と高く、入口側の温度が３００℃程度と低いこと、
液体金属の使用温度における蒸気圧が十分に低いことな
どのため軽水炉用容器や配管とはかなり異なっている。

また、各炉心燃料集合体内を通流した流速の大きい冷却
材の噴流が土塀し、出口ノズルからループ配管に流出す
る際液面上部のカバーガスを巻き込み、これが気泡とな
ってループ内を、循環してはならず、さらに炉心および
ブランケット燃料ならびにその周辺部からの冷却材を良
好に混合させるために、炉心上面プレナムの容量を大き
くし、炉心上面の燃料集合体出口からす） ＩＪウム液
面までかなり大きい高温す） ｌ）ラムのプールを形成
する必要がある。

なお、熱交換器もポンプも炉容器内に収納させるタンク
形の設計も行なわれているが、最近の配管技術の向上や
配管の配設が簡単で形が整い保守が容易であるなどの理
由から、冷却材が炉容器から出ロノズル経て流出し、熱
交換器および循環ポンプを経て再び炉容器の入口ノズル
へ戻る閉ループ配管方式の原子炉、殊に複数の熱交換器
を使用する複数ループ方式の原子炉が一般的である。

以上の点に鑑みて従来、液体金属を冷却材に使用した原
子炉は第１図に示したように構成されている。

すなわち、原子炉容器１の底部１ａに容器の曲面の半径
方向（こ向けて入口ノズル２を設け、上部側壁に出口ノ
ズル３を設けている。

炉容器１の内部に炉心燃料４、軸方向ブランケット燃料
５、半径方向ブランケット燃料６、これら燃料４，５゜
６を保持し冷却材流路を形成させる炉心構造物１および
それらをとりまく反射体８、熱遮蔽板９などを収納し、
冷却材である液体金属ナトリウム１２を出口ノズル３の
位置より上方に至るまで満たし、そのナトリウム１２の
液面の上部空間１３にカバーガスを封入している。

そして、冷却材の液体すｔ−ＩＪウム１２を人口ノズル
２から流入させ、炉心構造物７によって流量配分して炉
心燃料４およびブランケット燃料５，６、反射体８など
を冷却させ、上部プレナム１０から出口ノズル３を経て
炉容器１外へと流出させ熱交換器、循環ポンプ（図示し
ていない）を経て入口ノズル２へ戻す閉ループ配管方式
となっている。

なお、図中１４は炉心の土部機構で、制御棒駆動機構を
内蔵しており、また炉容器１の上部開口には図示してな
いが回転プラグが嵌着されている。

このような従来の高速炉においては設計計算において応
力の求め方が比較的容易であり、実証されていることと
、製作士も容易であり、溶接技術についても簡便である
との理由から一般に人口ノズル２が炉容器１に対して容
器１の曲面の半径方向に向けて設けられている。

したがって、容器１の下部において半径方向の入口ノズ
ル２から下部プレナム１１に噴入してきた高速流の液体
ナトリウム冷却材は炉心構造物７の下部に直空すること
となる。

ところで、このような原子炉にあっては、出口ノズル３
を流れ出て熱交換器を経て人口ノズル２に戻るループに
おいて、その冷却系統に何らかの故障が生じ、たとえば
その熱交換器の二次系においてポンプ停止、二次冷却材
の流路閉塞、喪失などがあって一次側冷却材が冷却され
ないと、出口ノズル３から出た冷却材は出口温度の高温
のまま再び入口ノズル２から流入することになる。

この場合、炉心の冷却材温度が急激に変化するので液体
ナトリウムの冷却材が炉心構造物に対して熱伝達特性が
良好であることにも基因して、炉心構造物に局部的に短
時間にかなりの高温度差を生じさせる。

そして過度的な熱衝撃を与え或いは繰返しによる疲労を
生じせしめる可能性がある。

また上記のように上部プレナム１０は容積が大きく高温
の液体ナトリウムが蓄積されており、かかる高温流体の
下部プレナムへの供給が持続するので、その影響は大き
いものがある。

また、複数ループの場合、各ノズルから流入した液体ナ
トリウム冷却材が充分に混合されることが望ましいが、
単に人口ノズルが容器の曲面の半径方向に向けて設けら
れているものではその混合効果が充分ではなかった。

さらに複数ループの場合、それらの二次主冷却系が同時
に故障することはあり得ないが、成るループの入口ノズ
ルより定常の冷却材が流入し別のループの入口ノズルよ
り急激な温度変化を伴なう冷却材が流入すると、それら
が炉心構造物の成る部分のごく近接したところに混合し
ないままそれぞれ直空したりし、構造物に熱衝撃を与え
る虞れがある。

そこで、このような問題を解消するためにたとえば特公
昭３４−７０３８号公報に記載されているように人口ノ
ズルの配管を炉容器の外周に対して接線方向に取付けて
冷却材の水平旋回運動発生手段を構成した例が知られて
いる。

この例において、容器の内壁に沿って炉心部の外面との
間隙を冷却材は旋回しつつ下降せしめられ底部に達した
後もなお平面的旋回運動を継続しながら上昇して支持板
の面に達し各燃料集合体内に送られる。

また下部プレナム内に偏向板を配置して冷却材に旋回流
を生じさせる手段も知られている。

これらの手段では炉容器または炉内構成部の一部に入口
ノズルからの冷却材が直空する部分が生じてこれらに熱
衝撃を与える欠点があり、この欠点を防止するため熱衝
撃防止板を設けているのが実情である。

本発明は上記欠点を除去するためになされたもので、第
１の目的は炉容器の下部プレナムに流入する冷却材が充
分混合され、また複数ループから構成されるものにおい
ても各ノズルから流入した冷却材が互に良く混合し得る
ように、入口ノズル内に螺旋状に旋回しながら流入する
案内流路を設けてなる液体金属冷却原子炉を提供するも
のである。

本発明の他の目的は入口ノズル配管から下部プレナムに
流入する冷却材中に混入する好ましくない気泡を分離除
去するため、人口ノズルに設けた案内流路の開口部近傍
に気泡収集管を設けてなる液体金属冷却原子炉を提供す
ることにある。

一般に炉容器１の下部プレナム１１は炉容器１が底部に
おいて曲面の鏡状となる構造であるため、また口径の大
きなノズルを設けるために容積はかなり大きく形成され
る。

たとえば１００ＭＷの熱出力の高速炉において冷却材の
循環全流量は０．６ｍ３１５ｅＣ１下部プレナム容積は
１８ｍ３位に設計される。

流入した冷却材と下部プレナム内にすでに流入している
冷却材とが良く混合されるものとすれば、ΔＴｏの高温
の冷却材が急激にノズルから流入したときｔｓｅｃ後の
混合された下部プレナムの冷却材温度はΔＴ（ｔ）＝Δ
’Ｉ’ｏ（１−ｅ−１）で表わされ、かなり温度上昇が
ゆるやかになり急激な温度変化による熱衝撃は全く問題
にしなくてもよいことになる。

また大出力の大型高速炉のように複数のループで流入さ
せるとき各ループのノズルからの流入冷却材同志、ある
いはそれぞれ既存の冷却材が充分混合されれば急激な冷
却材温度上昇が下部プレナムにおける如何なる部分にお
いても起り得す、炉心構造物に対する熱衝撃は全く懸念
するには及ばない。

したがって、本発明は下部プレナムにおいて充分冷却材
の混合をはかるために入口ノズル内に冷却材が螺旋状に
旋回しながら流入し得る案内流路を設けたものである。

以下、第２図から第９図を参照しながら本発明の各実施
例を説明する。

なお、第１図と同一部分は同一符号をもって示し、重複
する部分の説明を省略する。

第２図は入口ノズル２の部分を拡大して示したもので、
炉容器１の底部１ａに入口ノズル２が炉壁面と直角にた
とえば溶接などによって取付けられた例で、図中矢印は
冷却材の流入方向を示している。

第３図は入口ノズル２の先端部を底部１ａの壁面より内
部へ突出させたもので下部プレナム内に流入した冷却材
が逆流しないように突出部１５を設けた例を示す。

このような入口ノズル２内に第４図および第５図に示し
たように２枚の板を互に半径方向にねじりを与えた翼板
１６を挿着して、冷却材が翼板１６を通過した場合案内
流路となって旋回流を生じさせるようにしているのであ
る。

第６図は突出部１５を有する入口ノズル２内に前記翼板
１６を挿着した例を示す。

第７図および第８図は人口ノズル２の内面に螺旋状の溝
１７を刻設しかつノズル２内に螺旋状の溝１８を側面に
刻設した案内子１９を挿着した例を示す。

第９図は突出部１５を有する入口ノズル内に第７図と同
様の溝１７を刻設するとともに案内子１９を挿着した例
を示す。

これらの溝１７，１８は螺旋状の案内流路となって冷却
材が流通すると旋回流を生せしめる。

しかして、入口ノズル２から流入した冷却材は旋回流と
なって下部プレナム１１に流入し遠心力により半径方向
へ拡散し、すでに内部に存在している冷却材と混合する
。

第１０図および第１１図は入口ノズル２から下部プレナ
ム１１内へ冷却材を流入させた場合の拡散分布状態を示
したものであり、これら各図に対応した位置ａ、ｂ、ｃ
における流速とノズル先端までの関係を示したのが第１
２図および第１３図である。

第１０図と第１３図が本発明に係る冷却材の案内流路を
設けた例で、第１１図と第１２図が案内流路を設けない
従来例を示している。

第１０図および第１３図においては冷却材は炉心構造物
１へ向うにつれて流速が減少しそのピーク曲線がほぼ平
坦になっており半径方向へ拡散しているこさが認められ
る。

これに対して従来例では流速はそれほど衰えず炉心構造
物７へ直空することが認められる。

図中たて軸は冷却材の流速をｍ／ｓで、よこ軸はノズル
の中心からの距離を龍で示しており、３種類の実験はそ
れぞれ印によって対応させて区分しである。

以上のように本発明によれば冷却材は旋回流により入口
ノズルの半径方向へ拡散するため従来例のように入口ノ
ズルからの噴流が炉心構造物の下面に直空することがな
いので、冷却系統の故障等の場合においても炉心構造物
に熱衝撃を与え繰り返しの疲労などの発生を防止するこ
とができる。

第１４図は入口ノズルの開口部近傍に冷却材中に含まれ
る気泡の除去手段を設けた例を示すもので、第１５図か
ら第１８図はノズル部の詳細を示している。

すなわち、入口ノズル２の軸心練土で炉容器側開口部に
その開口部を上流側へ向けたラッパ２１を有する気泡収
集管２０を設け、この収集管２０を放出圧調節器２２に
接続し、この調節器２２を気泡放出口２４を有する延長
管２３を介して上部空間１３に接続したものとなってい
る。

第１５図および第１６図はねじり翼板１６を内挿した入
口、ノズル２の先端軸心線上にラッパ２１を有する収集
管２０を配設した例を示し、第１７図は突出部１５を有
するノズル２にラッパ２１を有する収集管２０を突出部
１５の形状に応じて折り曲げて配設した例を示し、第１
８図はノズル配管２内にラッパ２１を有する収集管２０
を挿着した例を示している。

しかして、閉ループ配管中の冷却材は人口ノズル２内に
設けた案内流路１６によって旋回流となり下部プレナム
１１へ進行する。

ここで冷却材中に気泡が混入している場合、冷却材の旋
回運動により気泡はノズルの中央部に集中しノズルの流
出側へ向う。

この中央部に集中した気泡はラッパ２２１から気泡収集
管２０内へと導かれ、続いて放出圧力調節器２２へと導
ひかれる。

下部プレナム１１の圧力は燃料集合体の圧力損失を考慮
してかなり高い圧力となっている。

そのため収集した気泡をそのまま延長管２３を通して炉
容器１内の上部空間１３に放出したのではかなりの量の
冷却材が延長管２３を介して噴出するので調節器２２で
気泡を含んだ流体の圧力を低下させたのち放出口２４か
らカバーガス中に気泡を放出するようにしている。

以上述べたようにこの実施例では、冷却材は入口ノズル
２で旋回流さなり、冷却材中に気泡が混入している場合
、気泡は中央部近傍に集中するためノズルの開口部近傍
に配置した収集管２０で気泡を吸い出して炉容器内のカ
バーガス中に放出することにより気泡の混在しない冷却
材を燃料集合体へ供給することができる。

本発明は前記各実施例のように構成するものであるから
冷却材は入口ノズルから螺旋状になって下部プレナムへ
流入し炉心構造物近傍で半径方向に拡散して充分混合す
るので炉心構造物の下部に直空することがない。

よって炉容器に損傷を与えることがないすぐれた効果を
奏する。

またノズルの開口部近傍に気泡収集管を設けているため
に気泡を含まない冷却材を流入させることができ、もっ
て燃料被覆管と冷却材との確実な熱伝達により被覆管材
料に熱衝撃を与えることがなく安全な原子炉を提供し得
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の液体金属冷却原子炉の一例を一部概略的
に示す縦断面図、第２図は第１図における人口ノズルを
拡大して示す部分縦断面図、第３図から第９図は本発明
に係る原子炉の入口ノズルの各実施例を示す縦断面図な
いしは正面図、第１０図は本発明に係る炉容器の底部に
おける流量分布状態を示す縦断面図、第１１図は従来の
第１０図と同様の流量分布状態を示す縦断面図、第１２
図および第１３図は炉容器の底部における半径方向と流
速との関係を示す曲線図で第１３図は本発明を第１２図
は従来をそれぞれ示す、第１４図は本発明に係る原子炉
の他の実施例を一部概略的に示す縦断面図、第１５図か
ら第１８図までは第１４図における入口ノズル部分の各
側を拡大して示す縦断面図ないしは正面図である。 １・・・・・・原子炉容器、２・・・・・・人口ノズル
、３・・・・・・出口ノズル、４・・・・・・炉心燃料
、５，６・・・・・・ブランケット燃料、７・・・・・
・炉心構造物、８・・・・・・反射体、９・・・・・・
熱遮蔽板、１０・・・・・・土部プレナム、１１・・・
・・・下部プレナム、１２・・・・・・液体ナトリウム
、１３・・・・・・上部空間、１４・・・・・・炉心上
部機構、１５・・・・・・突出部、１６・・・・・・ね
じり翼板、１γ・・・・・・溝、１８・・・・・・溝、
１９・・・・・・案内子、２０・・・・・・気泡収集管
、２１・・・・・・ラッパ、２２・・・・・・放出圧調
節器、２３・・・・・・延長管、２４・・・・・・放出
口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉容器の底部に設けられた人口ノズルから液体
   金属の冷却材を上記炉容器内へ流入させるとともに上記
   炉容器内の冷却材を上記炉容器の上部から流出させるよ
   うにした液体金属冷却原子炉において、前記入口ノズル
   内に設けられ前記冷却材を螺旋状ζこ旋回させながら前
   記炉容器内へと流入させる案内流路を具備してなること
   を特徴とする液体金属冷却原子炉。 ２ 原子炉容器の底部に設けられた人口ノズルから液体
   金属の冷却材を上記炉容器内へ流入させるとともに上記
   炉容器内の冷却材を上記炉容器の上部から流出させるよ
   うにした液体金属冷却原子炉において、前記入口ノズル
   内に設けられ前記冷却材を螺旋状に旋回させながら前記
   炉容器内へと流入させる案内路と、前記人口ノズルの軸
   心練土で、かつ冷却材出口側に開口部を上流側に向けて
   設けられた気泡収集管と、この気泡収集管内に侵入した
   流体の圧力を低下させる圧力調整器と、この圧力調整器
   を通った流体を刺客器内土部のカバーガス中に放出する
   延長管とを具備してなることを特徴とする液体金属冷却
   原子炉。