JPS5922200B2 - 原子炉冷却材移送装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は原子炉に関するものであり、特に液体冷却材
を使用する原子炉における原子炉冷却材移送装置に関す
るものである。

現在使用されている成る型式の原子炉では、核物質を燃
料要素に成形し、集合体ζこ組んで圧力容器内に配置し
、この核物質の核分裂によって熱を発生させている。

この型式の商業用原子炉では、発生した熱を発電ζこ使
用している。

このような原子炉では一般に、−個若しくは複数個の一
次流れ及び熱交換系を備えており、かつ、それに対応し
た数の二次流れ及び熱交換系を備え、この二次流れ及び
熱交換系に慣用の蒸気タービンと発電機を結合させてい
る。

したがってこのような商業用原子炉におけるエネルギー
変換プロセスは、原子炉から一次冷却材流れ系への熱伝
達と、さら（こ発電用蒸気を発生させる二次系への熱伝
達とを含むことになる。

液体金属冷却型増殖炉のようζこ改良された原子炉（こ
おいては、液体すｌ−ＩＪウムのような原子炉冷却材は
一次冷却材流れ系を循環する。

典型的な一次系は原子炉容器内の炉心と、循環ポンプと
、熱交換器と、これらの機器を連結するパイプ装置とを
含んでいる。

−個若しくは複数個の一次系を備える原子炉では、炉心
と原子炉圧力容器とは各−次系について共通である。

炉心で発生した熱は原子炉容器内及び炉心を通る原子炉
冷却材によって炉心から除去される。

熱を受は入れた冷却材は原子炉容器から出て循環ポンプ
に流れる。

改良された増殖炉Ｏこおいては、この原子炉冷却材はそ
れから熱交換器に流れ、そこで中間流れ系に熱を伝達す
る。

冷された原子炉冷却材は熱交換器を出て原子炉容器にも
どり、上述の流れサイクルを繰り返すことになる。

液体金属冷却型原子炉の原子炉容器内の原子炉冷却材の
他に、循環ポンプにはポンプ囲いの内部に冷却材貯槽が
設けられるのが一般的である。

ポンプ流れがない場合は、原子炉容器内の原子炉冷却材
の液位と貯槽内の冷却材の液位とは等しい。

ポンプが運転された場合には原子炉容器の出口とポンプ
の入口との間のパイプに圧力差を生じる。

一定量のポンプ流れを維持するためには貯槽からの冷却
材を使用する必要がある。

必要な貯槽内冷却材の量はポンプ吸入パイプ内の差圧に
等しい。

ポンプインペラは常に冷却材中に浸っていなければなら
ないから、ポンプ貯槽内の冷却材の量はしばしば発生す
る差圧を補償するのに適した量でなければならない。

もし圧力差が太きければ、ポンプ貯槽内の冷却材の総量
も大きなものとなるという問題がある。

ポンプモーターが貯槽の外部にあるので、プロペラとモ
ーターとの間の回転軸が長くなるという間唄がある。

回転軸の最大長さには機能上の制限がある。

この長さの制限はポンプ貯槽内に貯蔵し得る冷却材の量
を制限することになる。

そしてこの問題はポンプ吸入パイプ内の圧力差を最小（
こすること（こよって効果的に解決されるものである。

この圧力差を最小にする方法の一つは、上記のような改
良された原子炉の原子炉容器内で原子炉冷却材の液面上
でカバーガスを加圧することである。

しかし、この方法は成る条件下で安全上の問題を生ずる
こと（こなる。

パイプ破断の如き万一の事故が生じた場合、カバーガス
の圧力は系から冷却材が漏れるのを促進させること（こ
なる。

冷却材が系から急激ζこ漏れて喪失するのはこのような
状態下では最も望ましくないことである。

過大な圧力差の発生を防ぎ、ポンプ貯槽内の液位低下を
防止するための他の方法としてはポンプの吸入パイプの
径をきわめて犬きく：（９１，４４センチメートル（３
６インチ）またはそれ以上）することである。

このような大径のパイプは循環ポンプ入口への冷却材の
流れを良くする。

しかしこの方法には欠点がある。

すなわち、パイプの径が大きいということは、収納施設
も大きくする必要があり、また一次系貯蔵タンクも大き
くする必要を生じ、さら（こそのような大径のパイプに
用いる大型のバルブの開発を必要とする。

しかも、ポンプの吸入ヘッドは制限されているからポン
プ速度もキャビテーションの発生Ｑこよって制限される
。

低速のポンプは高速のポンプよりも大型になるから、ポ
ンプ速度を低くするということは格納施設を大型にする
ことが必要になってくる。

したがって、この発明の第１の目的はポンプにおける圧
力差がいかなる安全上の問題も起すことがない冷却材循
環系を提供することにあり、冷却材循環機器のサイズと
コストを小さくし、したがってまた格納施設も小さくす
ることができる原子炉冷却材移送装置を提供することを
目的とするものである。

この目的ζこ対応して、この発明の原子炉冷却材移送装
置は、圧力容器と、熱交換器と、冷却材循環ポンプと、
冷却材が前記冷却材透型ポンプ（こよって前記圧力容器
と前記熱交換器を通して連続的に循環されるように前記
圧力容器と前記熱交換器と前記冷却材循環ポンプとを連
結する冷却材管と、前記圧力容器１０から冷却材を取り
出す管部分４８に設けられかつノズル６６を有するジェ
ットポンプ５０を備え、前記ノズル６６は前記冷却材循
環ポンプ２６から出た冷却材によって作動して圧力容器
１０から出た冷却材の圧力を増加させるように加圧され
た冷却材を通す管５２によって前記冷却材循環ポンプ２
６に連結されているものであることを特徴としている。

以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に基づいて
説明する。

第１図はこの発明の原理を使用した原子炉系の概略を示
している。

一般に原子炉圧力容器（以下単（こ「圧力容器」と呼ぶ
）１０として知られている円筒状囲いが炉心１２を収容
している。

炉心１２は主として被覆された燃料要素（図示せず）で
構成されており、この燃料要素はウラン−２３５（Ｕ２
３５）のような核分裂性物質を含んでおり、実質的に大
部分の熱を発生するものである。

圧力容器１０には冷却材入口部材１４と冷却材出口部材
１６が一体となって取り付けられており、かつ貫通して
いる。

原子炉の運転中は、圧力容器１０は液体ナトＩＪウムの
如き多量の原子炉冷却材で満されており、その液位が符
号１８で示されている。

圧力容器蓋体２０が圧力容器１０を密閉するために用い
られている。

炉心１２で発生した熱は冷却材流れによって運搬される
。

この冷却材は冷却材入口部材１４から入り、冷却材出口
部材１６から出るものである。

冷却材出口部材１６から出る高温の冷却材流れは連結部
材２２を通って主ポンプ２４ζこ運ばれる。

主ポンプ２４は、一般にポンプ貯槽として知られている
囲い２６を有し、この囲い２６は符号２８で示される液
位まで冷却材が満されている。

冷却材の液位２８の上にはカバーガスとして知られてい
る不活性ガス３５が充填されている。

主ポンプ２４ζこは冷却材入口部材３０と冷却材出口部
材３２が囲い２６を貫通して設けられており、囲い２６
は上端部をプラグ３４で閉じられている。

主ポンプ２４はモーター３６によって駆動され、このモ
ーター３６は囲い２６の外部に位置している。

軸３８がプラグ３４、カバーカス３５及び冷却材２８を
貫通してモーター３６からインペラ４０まで延びており
、これによってモーター３６の機械的な駆動をインペラ
の回転運動に変換している。

軸３８はプラグ３４との間でシールされており、これに
よって囲い２６内の気密を保っている。

インペラ４０の回転運動による強制を受けた冷却材は冷
却材出口部材３２を通って主ポンプ２４から出て、連結
パイプ４２を通って熱交換器４４に達する。

この熱交換器４４内Ｏこおいて冷却材は先に炉心１２か
ら得た熱を中間熱交換系（図示せず）の流体に伝達する
。

こうして、冷却された冷却材は熱交換器４４を出て連結
部材４６を通り、圧力容器１０の冷却材入口部材１４に
流れる。

第１図瘉こは原子炉の一次冷却材流れループが一個しか
示されていないが、これζこ限られないことは、この技
術の分野における熟練者にとっては明らかである。

この発明は原子炉の一次冷却材流れループの数がいくつ
の場合であっても同様に適用することができる。

さらに、この発明はコールドレッグポンプ（ｃｏｌｄ
ｌｅｇ ｐｕｍｐ ） ２４を用いて実施することが
できる。

すなわち、ポンプ２４が熱交換器４４から出た後の冷却
材を取り扱うように配置される場合にも、この発明は実
施可能である。

圧力容器１０の冷却材出口部材１６と主ポンプ２４の冷
却材入口部材３０との間の連結部材２２は一般にポンプ
吸入パイプ４８を含んでいる。

運転時には、主ポンプ２４は、主ポンプ２４の冷却材入
口部材３０と圧力容器１０の冷却材出口部材１６との間
のポンプ吸入パイプ４８／Ｉこ圧力差を生じさせる。

この圧力差を消却するため（こ、圧力容器１０の冷却材
出口部材１６の出来るだけ近くでポンプ吸入パイプに圧
力調整装置５０が取り付けである。

この圧力調整装置５０は圧力容器１０の冷却材出口部材
１６に結合していると同時に、バイパス導管５２を通し
て主ポンプ２４の冷却材出口部材３２とも結合している
。

バイパス導管５２は主ポンプ２４の冷却材出口部材３２
から出た冷却材のうちの予定された一部を圧力調整装置
５０に運ぶものである。

圧力調整装置５０は実質的ζこポンプ吸入パイプ４８内
の圧力差を消去するためのものであって、第３図に示す
ように、冷却材がバイパス導管５２からポンプ吸入パイ
プ４８に入ることを許すような一個若しくは複数個のノ
ズル７０を持つものにしてもよいし、また第２図に示す
ように慣用のジェットポンプとしてもよい。

圧力調整装置５０の運転は、それがノズル７０を使用し
た場合でもジェットポンプを使用した場合でも自動的に
行なわれる。

ポンプ吸入パイプ４８４こ挿入されたノズル７０はジェ
ットポンプと同様に機能するが、これは必ずしも慣行的
な形態ではない。

以下の説明はジェットポンプを使用した場合についてな
されるが、以下述べるように、この発明はノズルを使用
した形態のものζこついても適用されるものである。

圧力差が実質的に消去されることによって、囲い２６内
のインペラ４０を浸しておくのに必要な冷却材の量は少
なくてすむようになる。

必要な冷却材の量が少なくてすむということは囲い２６
の大きさを減少させることができる。

囲い２６の大きさを減少させることができると、モータ
ー３６とインペラ４０を連結する軸３８も短かくするこ
とができ、このことはひいてはインペラ４０を駆動スる
モーター３６の大きさを減少させることにもなり得る。

第２図には圧力調整装置５０として慣用のジェットポン
プか示されている。

ジェットポンプは図示したような形態において特別の札
点を持つ実施例として示されているが、熟練者にとって
はバイパス導管５２内の冷却材流れがポンプ吸入パイプ
４８内の冷却材と連通ずる他の多くの形態を容易に考え
ることができるであろう。

図に示す圧力調整装置（ジェットポンプ）５０は二個の
冷却材入口部材５４及び５６を有する。

ノズルを用いた冷却材入口部材５４は主ポンプ２４の冷
却材出口部材３２から抽出されてバイパス導管５２を通
った冷却材を圧力調整装置（ジェットポンプ）５０に運
ぶ。

主冷却材入口部材５６は圧力容器１０の冷却材出口部材
１６から来る冷却材を圧力調整装置（ジェットポンプ）
５０に運ぶ。

ノズルを用いた冷却材入口部材５４内の冷却材は圧力調
整装置（ジェットポンプ）５０を作動させるものであっ
て、以下［作動流（ｐｏｗｅｒ ｉｎｇ ｆ ｌｏｗ
）Ｗｎｊと呼ぶ。

主冷却材入口部材５６内の冷却材は［主冷却材流れＷｓ
Ｊで表示する。

圧力調整装置（ジェットポンプ）５０にはジェットノズ
ル６６があって冷却材入口部材５４に結合されている。

ジェットノズル６６の先端の断面積はＡｎである。

圧力調整装置（ジェットポンプ）５０（こはまたのど部
５８があって、その断面積はＡｍである。

ジェットノズルの面積Ａｎとのど部の面積Ａｍとの面積
比は面積比すで表示される。

作動流Ｗｎはジェットノズル６６４こ入り、のト部５８
で主冷却材流れＷｓと混合し、ディフューザ部６８を通
り、ポンプ吸入パイプ４８に入る。

これらの流れに沿って、圧力調整装置（ジェットポンプ
）５０には三種類の圧力が存在する。

ディフューザ部６８の端部６０（こおける冷却材の圧力
がディフューザ゛圧力Ｐｄである。

ノズル６６における作動流れの冷却材圧力がノズル圧力
Ｐｉであって６４の点で示される。

さらに、冷却材入口部材５６の点６２？こおける主冷却
材流れの圧力が主冷却材流れ圧力Ｐｏである。

点６０と点６２との間における圧力差［Ｐｄ−ＰｏＪは
ポンプ吸入パイプ４８における圧力損失に対応して必要
とされる圧力差である。

点６４と点６０との間の圧力差「Ｐｉ−ＰｄＪは作動流
れにおける圧力損失である。

圧力比Ｎは取得圧力を圧力損失で除したもの、すなわち
［（Ｐｄ−Ｐｏ ）／ （Ｐ ｉ−Ｐ ｄ ） Ｊであ
る。

主ポンプ２４の冷却材出口部材３２内の冷却材流れから
抽出すべき冷却材の量は圧力比Ｎと圧力調整装置（ジェ
ットポンプ）５０の設計によって変化する。

この技術の分野において良く知られているように、圧力
比Ｎは圧力調整装置（ジェットポンプ）５０の設計、特
に面積比すの変化に応じて多くの流量比φをとることが
できる。

ここで流量比φは主冷却材流れＷｓの作動流れＷｎに対
する割合として定義されるものである。

圧力比Ｎと流量比φの面積比すの変化に基づく正確な関
係は１９５７年１１月発行の刊行物［トランザクション
・オブ・ニーニスエムイー（Ｔｒａｎｓ−ａｃｔ １ｏ
ｎｏｆ Ｔｈｅ ＡＳＭＥ ）第７９巻、第２部」のア
ー／ｌ／−ジー・カニンカム（Ｒ，Ｇ、Ｃｕｎｎｉｎｇ
ｈａｍ ）著［ジェットポンプ理論及び高粘性流体の挙
動（Ｊｅｔ Ｐｕｍｐ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｐｅｒ
ｆｏｒｍａｎｃｅＷｉｔｈ Ｆｌｕｉｄｓ ｏｆ Ｈｉ
ｇｈ Ｖｉｓｃｏｓｉｔい」Ｑこ示されている。

この理論を使って一旦ポンプ吸入パイプ４８内の損失に
打ち勝つに必要な圧力差が計算されれば、圧力比及び流
量比を決定することができ、主ポンプ２４の冷却材出口
部材３２を通る出口流れから抽出すべき冷却材のパーセ
ンテージは流量比φの逆数として得られる。

この他、もし圧力調整装置（ジェットポンプ）５０の効
率ηが判っていれば、流量比φはφ−η／Ｎ の式を用いて計算される。

すなわち、前述の通り、主ポンプ２４の冷却材出口部材
３２を通る出口流れから抽出すべき冷却材のパーセンテ
ージは流量比φの逆数である。

第３図に示すようＯこ使用される圧力調整装置５０がノ
ズル７０である場合は、流量比は前と同様に求められる
が、但しここでは作動流れＷｎは、各ノズル７０の作動
流れＷｎｉの合計となる。

正味ノズル面積Ａｎも各ノズル７０の面積Ａｎｉの合計
となる。

作動流れＷｎから主冷却材流れへの運動の伝達はポンプ
吸入パイプ４８の壁に隣接した部分からポンプ吸入パイ
プ４８のコンチャー（ｃｏｎｔｏｕｒ）にかけて生じ、
これは運動の伝達がパイプのコンチャーから外側（こ広
がってパイプ壁に向う通常のジェットポンプの場合とは
逆である。

この形態の利点の一つは、もし一個のノズル７０が作動
しないような場合でも残りのノズル７０が引き続き圧力
調整機能を発揮する点である。

原子炉系が運転しない場合ζこは、圧力容器１０内の冷
却材１８の液位は囲い２６内の冷却材２８の液位と同じ
であり、バイパス導管５２には冷却材は流れない。

原子炉の運動が開始するとモーター３６の回転速度が上
がり、軸３８を介してインペラ４０が駆動される。

バイパス導管５２には冷却材の流れがないから、圧力調
整装置（ジェットポンプ）５０は作動せず、ただ主ポン
プ２４による圧力容器１０の冷却材出口部材１６から主
ポンプ２４の冷却材入口部材３０までの冷却材の流れが
あるだけである。

圧力調整装置（ジェットポンプ）５０はポンプ吸入パイ
プ４８内の圧力を高めることはないから、圧力差は冷却
材出口部材１６と冷却材入口部材３０との間に生じ、こ
の圧力差はポンプ吸入パイプ４８内の吸引力を生じさせ
る。

したがって主ポンプ２４の冷却材出口部材３４からの吐
出量を一定に保つためには囲い２６から冷却材を追加的
に引いて来なければならない。

モーター３６の速度を高めると冷却材は主ポンプ２４の
冷却材出口部材３２から抽出さベバイパス導管５２を通
って圧力調整装置（ジェットポンプ）５０に流れる。

このバイパス導管５２内の流れはポンプ吸入パイプ４８
に生じた吸引力によって生ずるのである。

この作動流れＷｎは圧力調整装置（ジェットポンプ）５
０内で主冷却材流れＷｓと混合してヘッドを発生させる
。

こ０）ヘッドは実質的に主ポンプ２４によってポンプ吸
入パイプ４８内に生じた圧力差と等しい。

このヘッドはノズル６６内の冷却材の流量Ｗｎと比例す
る。

一旦運転が始まれば流体移送系は自己補償をする。

もし主ポンプ２４の速度を高めると、速度の上昇はポン
プ吸入パイプ４８内に圧力差を生じる。

そして同時にこの速度の上昇は主ポンプ２４の冷却材出
口部材３２を通る冷却材の流量を増加させることになる
。

しかし冷却材出口部材３２から抽出される冷却材の量は
全吐出流量に対して一定のパーセンテージに予め定めら
れているから、そこでバイパス導管５２内の流量が増加
する。

バイパス導管５２内の流量の増加はノズル６６を通る冷
却材の量を増加させる。

ノズル６６の流れＷｎが増加するから、主冷却材流れＷ
ｓとの混合過程でヘッドを増加させる。

この増加したヘッドはポンプ吸入パイプ４８内の増加し
た圧力差に等しい。

したがって、この系はポンプ吸入パイプ４８内の圧力差
を消滅させ、主ポンプ２４の大きさを減少させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は液体冷却原子炉の一次冷却材流れ系を示す概略
説明図、第２図は一次冷却材流れ系に使用され得る慣用
のジェットポンプを示す拡大断面図、第３図は第２図に
示す装置の修正形を示す説明図。 １０・・・・・・圧力容器、１２・・・・・・炉心、２
４・・・・・・主ポンプ、２６・・・・・・囲い、３６
・・・・・・モーター、４０・・・・・・インペラ、４
４・・・・・・熱交換器、４８・・・・・・ポンプ吸入
パイプ、５０・・・・・・圧力調整装置、５２・・・・
・・バイパス導管、６６・・・・・・ジェットノズル、
７０・・・・・・ノズル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧力容器と、熱交換器と、冷却材循ｍ＝＋ｉンプと
   、冷却材が前記冷却材循環ポンプによって前記圧力容器
   と前記熱交換器を通して連続的に循環されるように前記
   圧力容器と前記熱交換器と前記冷却材循環ポンプとを連
   結する冷却材管と、前記圧力容器から冷却材をとり出す
   管部分に設けられかつノズルを有するジェットポンプを
   備え、前記ノズルは前記冷却材循環ポンプから出た冷却
   材によって作動して圧力容器から出た冷却材の圧力を増
   加させるように加圧された冷却材を通す管によって前記
   冷却材循環ポンプに連結されているものであることを特
   徴とする原子炉冷却材移送装置。 ２ 前記冷却材ポンプは前記熱交換器の下流で前記冷却
   材管に結合し、前記ジェットポンプは前記熱交換器の上
   流で前記圧力容器から冷却材をとり出す前記管部分に取
   り付けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の原子炉冷却材移送装置。