JPS594679B2 - 液体金属冷却高速炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体金属冷却高速炉に係り、特に原子炉圧力容
器およびこの圧力容器に設けられた出口ノズルを熱衝撃
あるいは熱変形等から保護するのに好適な液体金属冷却
高速炉に関する。

従来の液体金属冷却高速炉を第１図および第２図に基づ
いて説明する。

第１図において１は、下端部に入口ノズル２が、また側
面に出口ノズル３がそれぞれ設けられた原子炉圧力容器
であり、この圧力容器１内には、炉心燃料集合体４、ブ
ランケット燃料集合体５、反射体６および制御棒７等か
ら構成される炉心が配設され、この炉心の下方に下部プ
レナム８が、また上方に上部プレナム９がそれぞれ形成
されている。

炉心の下部には炉心構造物１０が設置され、入口ノズル
２から下部プレナム８に流入した冷却材を核熱設計に基
づいた冷却材流量に流量配分するようになっている。

炉心の上方には、第１図に示すように上部が回転プラグ
１１に支持された炉心上部機構１２が配置され、回転プ
ラグ１１の下面側には冷却材に浸漬されるディブトプレ
ート１３が設けられている。

第２図は前記炉心上部機構１２の下端部を示すもので、
熱遮蔽板１４から計装ウェル１５および制御棒上部案内
管１６が突設され、それらの下端部は、炉心上部機構１
２の下端に配された整流格子１７の各升目内に挿入され
ている。

以上の構成を有する高速炉においては、軽水炉に比較し
て比熱出力が高いため、冷却材としては一般に熱伝達特
性の良好なナトリウム等の液体金属が用いられる。

この冷却材は、図示しない循環ポンプにより圧力容器１
の入口ノズル２から下部プレナム８に流入し、炉心構造
物１０により核熱設計に基づいた冷却材流量に流量配分
されて各燃料集合体４，５の発熱を冷却する。

そして、炉心集合体より流出した冷却材は、炉心上部機
構１２の下部を経て上部プレナム９に達し、出口ノズル
３から圧力容器１外に流出する。

一般に高速炉を循環する冷却材はその流量が多く、炉心
入口での温度は３００℃程度で、炉心出口での温度は５
００℃以上の高温となる。

圧力容器１の上部プレナム９は容量が多く、燃料集合体
４．５の出口よりナトリウム液面までかなり大きな出力
側の高温ナトリウムのプールが形成される。

炉心の各集合体より流出した冷却材は、第２図に示す炉
心上部機構１２の整流格子１７を通り、熱遮蔽板１４付
近で流れる方向を変えて上部プレナム９に放射状に流出
するが、この高温冷却材は上部プレナム９内の既存の低
温冷却材と充分に混合されずに圧力容器１壁に到る。

このため、炉心での温度勾配により圧力容器１の壁に部
分的に温度差が生じる。

また原子炉のスクラム時には炉心での発熱が短時間に減
少し、冷却材温度が急激に低下するが、このような場合
、あるいは運転条件の変化により冷却材温度に変化が生
じた場合等には、ナトリウム冷却材の構成材料に対する
熱伝達特性が良好であることも相撲って圧力容器１に対
して局部的に短時間に高温度差を生じさせ、過度的な熱
衝撃を与えこの繰返しによる熱疲労が問題となる。

また、炉心からの冷却材が衝突する圧力容器１の壁面部
分に出口ノズル３等の不連続な部分がある場合には、熱
応力の発生が複雑となって強度的により厳しい条件とな
る。

このため、従来は第１図に示すように圧力容器１の内側
に内筒１８を配設し、この内筒１８にフローホールを設
けて燃料交換時等冷却材液面が低下した際に、このフロ
ーホールを介して冷却材を出口ノズル３に流すようにな
っている。

このような高速炉において、燃料集合体４，５を流出し
た冷却材は、炉心上部機構１２の下部を経て放射状に上
部プレナム９に流入するが、この冷却材の大部分は前記
内筒１８の内壁面に当たり、上方に流れる方向に向きを
変え内筒１８の上端を越えて内筒１８と圧力容器１壁面
との間を流下して出口ノズル３に達する。

しかし、炉心上部機構１２を流出した冷却材の一部は、
内筒１８のフローホールを介して直接圧力容器１に衝突
し、出口ノズル３から流出する。

ここで、スクラムした場合等、燃料集合体４゜５からの
冷却材の温度が急変した場合には、急激に温度が低下し
た冷却材がフローホールから直接流出していくものと、
内筒１８にそって上昇し内筒１８の上端で方向を変えて
内筒１８と圧力容器１との間を通って流出していくもの
との２通りのルートが形成され、この２通りのルートに
は冷却材が出口ノズル３に達するまでに時間的なずれが
ある。

このため、出口ノズル３付近において部分的に温度勾配
が生じ、熱衝撃、熱変形が生じて圧力容器の材料強度上
問題となる。

また、ポンプコーストダウン等の事故の場合には、冷却
材流量が急激に減少するとともに炉心がスクラムされ、
冷却材温度が低下するが、この低温の冷却材の流量は少
なく、かつ高温の冷却材に比べて比重が重いため、炉心
からの低温冷却材は直接フローホールを通って出口ノズ
ル３に達する流れとなる。

このため、高温の冷却材が上部プレナム９上部にたまり
、出口ノズル３付近の低い温度の冷却材との間に温度差
が生じ、この温度勾配により圧力容器１の壁面に熱応力
を生じる。

本発明はかかる従来の難点を解決するために創案された
もので、その目的とするところは、上部プレナム位置の
圧力容器の熱衝撃、熱変形および熱衝撃の繰返しによる
熱疲労を有効に防止することができる液体金属冷却高速
炉を提供するにある。

本発明は、炉心上部機構の下部外周に、下端部が整流格
子の外周面に密着する外筒を配設し、炉心上部機構から
流出する冷却材が直接圧力容器壁に達するのを防止する
とともに、上部プレナム内の冷却材の温度差に起因する
高温冷却材の滞留を防止し、圧力容器壁付近での急激な
温度変化を緩和して大きな温度差の発生を防止するよう
にしたものである。

一般に圧力容器の上部プレナムは容積が比較的大きく、
例えば７００Ｍｗｔ程度の熱出力の高速炉では、上部プ
レナムは２７ｏｍ程度の容量があり、冷却材流量は３０
０７１．’／ｍｉｎ程度になるように設計されている。

原子炉の運転中、スクラム等で冷却材温度が急激に変化
して上部プレナムに流出した場合、温度差を八ＴＯとす
ると、温度の経時的変化△Ｔτはで変化する。

第３図は上部プレナムでの経過時間に対する温度変化を
示すもので、図において実線Ａは上部プレナムに流出し
た冷却材が上部プレナム内の既存の冷却材と全く混合し
ないで圧力容器壁に達した場合、鎖線Ｂは積混合して達
した場合、破線Ｃはよく混合した場合をそれぞれ示す。

第３図からも明らかなように炉心流出冷却材が急激に温
度変化した場合でも上部プレナム既存の冷却材とよく混
合すれば、温度変化は緩和されて熱衝撃の問題は改善さ
れる。

また、ポンプのフローコーストダウン時の場合も、炉心
からの低温の冷却材を上部プレナムの上部に導ひき放出
すれば、既存の高温冷却材と混合しながら下降して出口
ノズルに到るため、部分的な温度差を生じることが緩や
かになり、熱変形が緩和されることが理解される。

第４図は本発明実施の具体例を示すもので、以下これに
ついて説明する。

図において１は、側面に出口ノズル３を有する原子炉圧
力容器であり、この圧力容器１内には炉心燃料集合体４
等で構成される炉心が配設され、その上方には炉心上部
機構１２が配置されている。

そして、炉心上部機構１２の上部は、前記圧力容器１の
上端部に配された回転プラグ１１に支持されている。

この回転プラグ１１の下面側には冷却材内に浸漬される
ディブトプレート１３が取付けられている。

以上までの構成は従来と同一であり、本実施例ではさら
に以下の構成が付加されている。

すなわち、炉心上部機構１２の外周部には、第４図に示
すように下部が炉心上部機構１２の下端の整流格子１７
外周面に密着し、上部が前記ディブトプレート１３近傍
に開口する比較的薄肉の筒状の外筒１９が配設されてい
る。

次に作用を第５図に基づいて説明する。

炉心燃料集合体４からの冷却材は、炉心上部機構１２の
下部から流出後、第５図に矢印で示すように外筒１９に
案内されて上昇し、上部のディブトプレート１３付近で
上部プレナム９に放出される。

そして、放出後の冷却材は圧力容器１の上部プレナム９
の比較的下端に配置されている出口ノズル３に向かって
下降し、出口ノズル３から外部に流出する。

この際、炉心流出冷却材は、上部プレナム９の上部端か
ら下部端に流下することになり、上部プレナム９の各部
を経由して滞留時間が長いため、この間に充分に既存の
冷却材との混合が促進される。

また、フローコーストダウン時においても同様な経路を
通って冷却材が流れるため、部分的な温度差を生じるこ
とが少ない。

以上説明したように本実施例によれば、炉心上部機構に
外筒を設けることにより、冷却材が圧力容器壁に直交す
ることなく上部プレナム内の既存の冷却材とよく混合す
るため、炉心での急激な温度変化、フローコーストダウ
ン時の流れ等に起因する冷却材の温度変化あるいは温度
分布が和らぎ、圧力容器の熱衝撃あるいは熱変形および
これによる材料の繰返し疲労等の発生を防止することが
できる。

また、従来のように内筒を配置する必要がなく、ために
内筒のフローホールに伴なう問題もない。

以上本発明を好適な実施例に基づいて説明したが、本発
明によれば、圧力容器および出口ノズルの熱衝撃、熱変
形および熱衝撃の繰返しによる熱疲労を有効に防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高速炉を示す断面図、第２図は炉心上部
機構の下部拡大断面図、第３図は上部プレナムでの経過
時間に対する温度変化を示すグラフ、第４図は本発明に
係る高速炉の一実施例を示す断面図、第５図は同作用を
説明する断面図である。 １・・・・・・原子炉圧力容器、３・・・・・・出口ノ
ズル、４・・・・・・炉心燃料集合体、１２・・・・・
・炉心上部機構、１７・・・・・・整流格子、１９・・
・・・・外筒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原子炉圧力容器内の炉心上方位置に、下端部に整流
   格子を有する炉心上部機構が配設された液体金属冷却高
   速炉において、前記炉心上部機構の下部外周に、下端部
   が前記整流格子の外周面に密着する外筒を配設したこと
   を特徴とする液体金属冷却高速炉。