JPS61130895A - 原子炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の利用分野〕 本発明はタンク型原子炉の炉心上部構造に係わる。

〔発明の背景〕

従来、高速炉の炉内は第１図に示す構造をもっている。

ｇ子炉をスクニムすると第２図に示すように炉心の発熱
が崩壊熱にまで低下、これに応じて炉心流量も少なくな
るが、同時に炉心出口温度も低下する。このとき従来の
炉構造では炉心ｌから出た低温の冷却材は一度慣性力で
炉上部２の下方まで上昇したのち周囲より密度が大きい
ために上部プレナム３と下部プレナム４の間の断熱壁′
５まで下降する。さらに断熱壁５に沿い断熱壁面より上
方へ水平方向に密度の大きい低温冷却材６が満たされて
いく、炉心出口流量に等しい流量が高温冷却材７より中
間熱交換器８を経て下部プレナム４へ排出する。高出力
より低出力に変更されたポンプ９により炉心１に同量の
流量が送られる。

このような従来の炉内構造では原子炉のスクラム時、次
のような問題点があった。

すなわち炉心１より流出する低温冷却材６は上部プレナ
ム３に定格時にあった高温冷却材７と二層（成層）化し
炉内の中間熱交換器８．ポンプ９のシール壁１０．炉容
器１１等に低温冷却材が接１触する。このときこれらの
機器等が冷却材に触れる面は急激に温度が変化するいわ
ゆる熱衝撃を受ける。また同時に上下方向に大きな温度
差が生ずる結果熱膨張の違いによる熱応力が発生し、こ
れら機器等はきわめて厳しい材料・強度上の条件にさら
される。したがって従来の構造では、これら機器等の材
料を強度の大きいものにする必要があり、高価なものに
なる。また熱衝撃・熱疲労による材料強度の低下のため
に信頼性の点からも低くなるといった欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は外部電源停止・全電源停止時に流出する
低温冷却材をホールドアツプすることともに高温冷却材
と熱交換をさせて炉内機器等に対する熱１１１Ｍ・熱応
力をかくず手段を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、炉心上部に低温冷却材を閉じこめることがで
きるとともに高温冷却材と、熱交換のできる熱交換器を
設けるようにしたものである。

〔発明の実施例〕 本発明の一実施例を第３図を用いて説明する。炉心１．
中間熱交換器８．ポンプ９．炉容器１１等基本的な構造
は従来のものと同様である。本発明では炉心ｌの上部、
断熱壁５に接して円筒状の低温冷却材閉じ込めかつ熱交
換器１２を設ける。第４図は炉内まわりの本発明の部分
を示す０本発明による物理機構は２つある。第１は流れ
の影？（対流）がない場合、単純な力学的なつり合いが
成り立つことを利用している。第２は温度（密度）差の
違いにより浮力が生じ自然対流が生ずることを利用する
。

前者では炉心ｌより流出した低温冷却材は、スクラム開
始後１久第な温度が下っており、これに応じて定格時で
の高温冷却材の密度に比較して大きくなっている（重く
なついてる）。このため重い低温冷却材６は本発明の円
筒１２の内部にあった軽い高温冷却材７の下にたまって
いく、その代り円筒１２内部の高温冷却材７が排出され
ることになる。したがって円筒内が低温の重い冷却材で
完全に満たされるホールドアツプ時間だけスクラム開始
後から炉内の各機器等が熱衝撃を受ける時間を遅らせる
ことができる。これは単に熱衝撃までの時間遅れの作用
をするに過ぎない、しがし円筒１２が断熱材の場合には
、この作用のみとなるが、伝導材の場合には次の述べる
作用により熱衝撃をなくすことができる６ すなわち、後者では円筒１２が熱伝導材であれば第４図
に示すように円筒１２の外面より高温冷却材７より熱を
得て内面に接する低温冷却材を加熱する。この結果、領
域１３の冷却材は温度が高くなり低温冷却材６よりも密
度も小さくなる。いわゆる浮力が生じ軽くなった冷却材
は上昇し、これを補うために暖められながら周囲より冷
却材が流入してくる。すなわち自然対流が生じるために
円筒は熱交換器の役割を果すと同時に一種のポンプの役
割をも果す。したがって自然対流によるポンプ作用が炉
心出口から流出するスクラム時の流量程度にすることは
可能であるから低温冷却材は常に加熱されて上部プレナ
ム内の高温冷却材と混合させることができる。もちろん
低温冷却材を加熱する熱源としての高温冷却材の温度も
熱を与えるために下るが１円筒１２の体積を除いた上部
プレナムのほぼ全体を占める高温冷却材の体積は大きい
ためきわめてゆっくりとしか下らない。このために炉内
機器等が受ける熱衝撃はほとんどなくすることができる
。

次に定格（通常）運転時における本発明の影響を考えて
みる。第５図は定格運転時の炉心近くの流れのパターン
を示したものである。図５の流線１４が示すように炉心
部からの流れは強い噴流となっており、これにつられて
２次流れ１５が生ずる。この２次流れは、同時に上下方
向の温度差（事故時に比べれば少ないが）により低い温
度の冷却材を意味するおけであるから、Ｆ心からの噴流
の水平方向温度分布を図６のように変える。すなわち、
もし２次流れがなければ炉心の出力分布に応じた図７の
ような温度分布となる０両者の温度分布のうち炉上部機
構に対し水平方向の温度勾配の小さい２次流れのない分
布が望ましい。なぜなら温度差による熱応力を常に受け
るためである。

ここで本Ｊ！明による円筒を設けた場合、この円筒の半
径を炉心部半径より少し大きくしておけば噴流による２
次流れを無くすることができる。すなわち図８に示すよ
うに噴流へ周囲から冷却材が流れ込むことができず、も
はや２次流れはなくなる。

例えるなら円筒内の流れのようになる。したがって円筒
を設けることにより定格運転時にも良い影響を与える。

このときの条件は１円筒が伝熱性に優れている必要はな
く、単に防止ためであるから前に述べた単に容器として
の役割で充分果すことができる。

最後に全電源が停止するような事故の場合に本発明が有
効かを検討する。

流量、および温度は第９図のようになる。単に原子炉を
スクラムしたときと異なる点は、スクラム開始時、ポン
プはフライホイールをもっているために急に停止するの
ではなく除々に回転数を落としやがて停止する。したが
っであるとき炉心部での流量がなくなってしまう。しか
しながら、炉心部での崩壊部があるために炉心部にある
冷却材は、加熱され温度が上昇し浮力が働く。この結果
、本実施例の説明でも述べたように自然対流の流れが生
じ炉心部がポンプ作用をするので炉心からは一定の流れ
が生ずる。この冷却材の温度はかなり加熱されているの
で図９のようにポンプ停止後の炉心出口温度は急激に上
昇する。そののち、自然対流のポンプ力の対応した流量
から決まる冷却材温度は一定になる。したがって単なる
スクラム時との違いは炉心出口温度が一定値に低下する
まではほぼ同じであるが、その後の急激な温度上昇が見
られる点にある。このためにこの差違がどのように本実
施例に影響するかにある。

全電源停止でも物理的な機構は４スクラム時とポンプ停
止までの途中までは同じであるが、以後は異なる。第１
の機構は、軽い高温冷却水が重い低温冷却水の上にくる
２層化である。第２の機構は本発明の熱交換およびポン
プ作用である。第３は全電源停止時のみに現われる浮力
効果である。

この効果は第１の機構が力学的に安定（重い冷却材が下
に軽い冷却材が上）であるのに対し、力学的に不安定（
軽い冷却材が下で重い冷却材が上にあるが軽い冷却材が
浮力により上昇しようとして両室の混合が生ずる）とい
った全く反対の機構にもとづいている。

全電源停止時ではスクラム後ポンプ停止時までは第１と
第２の機構が働き外部電源停止時と同じ経過をたどる。

すなわち、第４図にもどって、本発明の円筒内に重い低
温冷却材が下方から水平に層を成しつつ円筒全体を満た
す、その後、円筒内面の近くで自然対流が誘起され熱交
換とポンプ作用する。外部電源停止では小ポンプへの変
換がされるので炉心流量はなめらかに一定になるが（第
２図参照）、全電源停止では流量がゼロに近くまで一度
低下する。ゼロになる手前までは外部電源停止と同じ時
間変化であるから、本発明が有効に働くことが解る。こ
の場合、円筒は熱伝導性の良いものとする必要があり、
その熱交換器作用を活用する。ポンプ停止直前以後の流
れを第１０図に示す、ポンプ停止後のきわめて少ない流
量では炉心出口の冷却材の温度が上昇しており円筒内に
今まであった低温の冷却材と混合し温度は平均の値とな
る。ただし平均値な温度になってもその温度は定格温度
よりも低い、すなわち円筒の温度の方が円筒内の冷却材
の温度よりも高いので第２の機構の自然対流が生じるこ
とになり、熱衝撃をなくすことができる。したがって炉
心内の崩壊熱が生ずる自然対流は一種のサーマルプール
ン（熱い流体の吹き上げ）となってまわりの冷たい冷却
材と混合をくり返す１本発明の円筒での自然対流は混合
による温度上昇分だけ外部電源の場合よりも弱くなるが
その効果は変らない、また炉心部を含めた流動抵抗等が
大きく炉心からの自然対流の温度が、定格値程度であっ
ても１円筒内にある低温冷却材との混合は同様にして生
ずるから円筒での自然対流がさらに弱くなるのみである
から１本発明は有効である。炉心部からの冷却材の温度
がさらに定格値を上まわるときには本発明は低温冷却材
の混合過程まで有効であるが、このような場合は設計上
防止するようにされているのでまず叩頭はないと云える
。

したがって全電源停止時でも本発明は有効に働き、熱衝
撃をなくすことができる。

これまで説明してきたように本発明の要となる・　のは
、容器としての役割にもまして熱交換器としての役割の
方が大きい。説明では、１つの実施例として円筒形状と
してきたが、熱交換力がある程度大きく（小出力のポン
プ流量、又は炉心部での自然対流）方が有効である。あ
まり大きいと、上部プレナム全体の温度低下が早くなる
ために機器等に熱衝撃が加わってします、したがって円
筒程度の伝熱面積からそれほど多くとる必要はない。

もし多くする必要があれば、これは円筒状の形状を変化
させれば容易に伝熱面積が得られる。また高速炉の冷却
材に使用される液体金属はきわめて熱伝導性が良く水の
２００倍にも達する。このため本発明の熱交換力を得る
には有利である。

そこで最も単純な円筒形状を第１１図にこれ以外の実施
例を第１２図および第１３図に示す。円筒形状はすでに
説明しているので省略する。第１２図は、フィンを内側
に付は伝熱面積を増加する。このときフィンはこれに接
する円筒より熱伝導で熱を得られるようにする。第１３
図はフィン付きをさらに強化し低温と高温の領域を交互
にくり返す６円筒内部への切り込みの深さは伝熱面積を
増加させる程度により決めるこれらの実施例の特徴は、
自然対流を利用しているために浮力（重力）の方向と一
致するように水平断面形状が同一のものとする。また伝
熱性能を大きくするためにこれらの表面を処理したもの
も有効である。この場合には、伝熱面積をその分だけ減
少させることができる。

〔発明の効果〕

本発明の効果は、円筒を用いた実施例により詳しく説明
したごとく、外部電源停止時、全電源停止時にきわめて
有効である。すなわち本発明は一種の熱交換器として作
用し、定格時での冷却材全体と低温冷却材が熱交換する
ことができる結果は炉内機器等への熱衝撃をなくすこと
ができる。また定常運転時には、２次流れ等を防ぎ、炉
上部での温度変化を少なくするという効果もある。

以上本発明によれば、これまで防ぐことのできなかった
熱衝撃をなくすという大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の高速炉の構造図、第２図は従来炉でスク
ラム（外部電源停止）時での炉心発熱。 流量、温度の変化を示す図、第３図は本発明による炉構
造図、第４図は本発明部分での熱交換機構の模式図、第
５図は定格運転時の流線図、第６図は従来炉構造での炉
心出口付近の温度分布図、第７図は本発明での炉心出口
付近の温度分布図、第８図は本発明の定格運転時の流線
図、第９図は全電源停止時での炉心発熱、流量、温度の
変化図。 第１０図は全電源停止時の炉心出口付近の流れ図、第１
１図は本発明の実施例を示す図、第１２図および第１３
図は本発明の他の実施例を示す図である。 ■・・・炉心、２・・・炉上部、３・・・上部プレナム
、４・・・下部プレナム、５・・・断熱壁、６・・・低
温冷却材、７・・−高温冷却材、８・・・中間熱交換器
、９・・・ポンプ、１０・・・シール壁、１１・・・炉
容器１２・・・本発明熱交換器、１３・・・境界層、１
４・・・流線、１５・・・２次流弔２図 原子炉又７ラム 寓８図 電９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原子炉の上部プレナムの炉心と炉上部機構の間に上
   下プレナム断熱壁に接して自然対流による熱交換器を有
   することを特徴とする原子炉。 ２、特許請求の範囲第１項において、任意断面の筒状の
   熱交換器を有するここを特徴とする原子炉。 ３、特許請求の範囲第１項において、周囲形状が曲線又
   は折れ線の筒状の熱交換器を有することを特徴とする原
   子炉。