JPS6154495A - 高速増殖炉 - 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〕 本発明は高速増殖炉の原子炉構造に関する。

〔発明の背景〕

液体金属、特にす）　ＩＪウムを冷却材とした高速増殖
炉（ＦＢＲ）の炉型にはループタイプとタンクタイプが
ある。いずれも、核分裂で発生する炉心の熱を直接冷却
する１次冷却系と、中間熱交換器を介して炉外に熱を輸
送する２次冷却系、さらにタービン発電機を駆動する過
熱蒸気を得る蒸気発生器、および水・蒸気系等の冷却系
で構成されている。

ループタイプはこれらの冷却系および各コンポーネント
を配管で接続してシステムを構成する。

これに対して、タンクタイプは炉心、１次系ポンプ中間
熱交換器等の１次冷却系機器を大きなタンク内に納め、
炉心を直接冷却する１次系の冷却材はこのタンク内を循
環して中間熱交換器２次側から炉外へ熱を伝送するシス
テムである。本発明は、後者のタンクタイプに適用する
とより効果的であるため、タンクタイプのＦＢＲを例に
主に記述する。

第８図は、仏画の”　３ｕｐｅｒ　ｐｈｅｎｉｘ　’炉
を例に示したシステム全体図である。炉心１．１次系ポ
ンプ２、および中間熱交換器３等の１次系機器をタンク
炉主容器４内に納め１次冷却系５を構成し、中部熱交換
器３の２次側には２次系ポンプ６、蒸気発十器７等で構
成した２次冷却系８が接続され、蒸気発生器７の２次側
には給水ポンプ９、タービン１０、発電機１１および復
水器１２等で構成された水中蒸気系１３が接続され、Ｆ
Ｂ几全全体冷却系を構成している。通常、熱交換効率、
プラント制御性等の観点から、２次系以降タービンまで
の冷却系を複数ループに分割されている。３ｕｐｅｒＰ
ｈｅｎｉｘの場合、中間熱交換器３の８基に対して２次
系８及び水・蒸気系１３が４ループで構成されている。

１次冷却系５と水・蒸気系１３の間に２次冷却系８を設
ける最大の理由は炉心１において高速中性子を吸収して
放射化されたナトリウムによる外部への被爆を防ぐため
一旦中間熱交換器３を介して２次冷却系８内の非放射性
のナトリウムに熱伝達した後蒸気発生器７側へ熱輸送し
、１次冷却系５内の放射化されたナトリウムが主容器４
外へ出ないようにする安全性の配慮からである。

第９図は上述した１次冷却系５の構造図である。

タンク炉主容器４内に１次冷却系５が全て納まっている
。はぼ中心に炉心１があり炉心１の下部に高圧プレナム
室１９が存在し、１次系ポンプ２の出口配管２人がこの
高圧プレナム室１９に接続されている。タンク炉主容器
４を隔壁構造２０で上部プレナム部１７と下部プレナム
部１８とに分割し、中間熱交換器３はこの隔壁構造２０
を貫通して配置されている。炉心１の直上には燃料交換
、制御棒等の駆動機構を有する炉上部機構１６がある。

夕／り炉上容器４の頂部にはルーフスラブ１４とよばれ
るふたを設けてあり、前述の中間熱交換器３、炉上部機
構１６及び１次系ポンプ２等のコンポーネントを吊下げ
るように支持・している。

ルーフスラブ１４の下面には、高温ナトリウムからの輻
射熱を防ぐため熱しゃへい板を設けておる。

これらの構成は、５ｕｐｅｒ　ｐｈｅｎｉｘ及び％開昭
４９−１２５７９７記載の基本的構造である。

り炉直径が約２１ｍであシ、周囲に８基の中間熱交換器
３と４基の機械式の１次系ポンプ２が配置されている。

このように構成された原子炉構造において、１次冷却系
５内のす）　ＩＪウムは、炉心１で加熱され″、上部プ
レナム１７で中間熱交換器３に入り、２次冷却系８内の
ナトリウムに熱を受は渡した後下部プレナム１８に放出
される。１次系ポンプ２の吸入部がこの下部プレナム１
８内に開放されていて前述の如く熱を受は渡した結果、
低温となったナトリウムを矢印ａの如く導入し、再び高
温プレナム室１９に矢印すの如く圧送込れる。

したがって１次系ナトリウムはこのように夕／り炉上客
器４内を加熱、冷却をくり返しながら循環する。この間
１次冷却系内のナトリウムは放射化され、半減期の長い
２２Ｎａが蓄積されるため補修・点検が困難な状態にな
ってくる。したがってＦＢＲ，の１次冷却系内の機器は
高い信頼性が要求される。ところが、機械式ポンプは回
転機器であり熱変形、振動等に最も弱い故障率の最も高
いポテンシャルを秘めた機器である。最近仏画でこの機
械式ポンプに代って電磁ポンプを導入する具体的検討が
されている。（１９８４，４第３回液体金属技術国際会
議で発表）電磁ポンプを１次冷却系５内に組込んだ場合
、ポンプの機械的故障率は低下するが、電磁ポンプの使
用環境が高温ナトリウムの液深中であるため、新たな問
題として励磁コイル、及び、給電用電線等の電気的耐久
性、絶縁体の耐ナトリウム性等が発生する。さらには、
前述の具体的検討内容によれば、中間熱交換器と電磁ポ
ンプとを直列に結合したにすぎないからその直列方向の
スペースファクターは良くなく、直列方向の長さが長く
なりすぎて大型なＦＢＲ主容器になる傾向に見受けられ
る。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、スペースファクターが良く信頼性の高
いＦＢＲ原子炉構造を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、高速増殖炉の１次冷却系と２次冷却系との両
冷却系内の各液体金属の内、一方の系内イ′、　　。

の液体金属を１次流体として、他方の系内の液体金属を
２次流体として導入する中間熱交換器を備え、前記２次
冷却系に２次冷却系内の液体金属を流動させるポンプを
備えた高速増殖炉において、前記中間熱交換器を、磁界
発生装置と、前記磁界発生装置によって発生した磁束を
横切る方向に流路方向を定めて作った流路と、前記流路
を導電性の伝熱板で仕切って構成した１次冷却系流路と
２次冷却系流路とで構成し、前記１次冷却系流路を前記
１次冷却系内に組み込み、前記２次冷却系流路を前記２
次冷却系内に組み込んだことを特徴とした高速増殖炉で
ある。

〔発明の実施例〕

第１図、第２図に示す本発明の第１実施例によるＦＢＲ
原子炉構造は以下の通りである。

タンク型主客器４はループスラブ１４によってふたがさ
れる。このループスラブ１４に支持された炉上部機構１
６の下方には炉心１が配置される。

この炉心１は主客器４に取り付いた隔壁２０によって支
持される。この隔壁２０は主容器４内を上部プレナム１
７と下部プレナム１８とに分−すている。この下部プレ
ナム１８内において、炉心１と流体的に連通ずる高圧プ
レナム宣１９が形成されている。

上部プレナム１７内においては、炉上部４３構１６を囲
うように環状の電磁フロー・カプラ聾中間熱交換器２１
が形成される。

この電磁フローカプラ型中間熱交換器２１の構造は次の
通υである。即ち、ナトリウムに対して耐久性の有るス
テンレス板によって表面が被援された円筒状の内側磁石
２４と、この内側磁石２４の外側を囲うように配置され
ておシ、ステンレス板で被覆された円筒状の外側磁石２
３とを有する。

これら両磁石２３．２４は、配置する際に当って、両磁
石２３．２４との間に生じた環状のスペースを磁束が横
切る方向となるように極性を合せる。

両磁石２３．２４ともに、高温ナトリウム液中において
使用されるから、磁性の高温特性の良い物、例えばキュ
ウリ一点の高い磁性材料を用いる。又１、両磁石２３．
２４ともに、アルニコＶ等の永久磁石であるが、この磁
石の磁性材としては、先に述べた如くできるだけ高温特
性の良い物が選択される。これら、両磁石２３．２４に
よシ磁界発生装置が構成される。両磁石２３．２４との
間に生じた環状のスペース内には、導電性を有し、ナト
リウムに対する耐久性の有るステンレス板が第２図に示
す如く波形に加工された状態で伝熱板３０として配置さ
れる。この伝熱板３０の両端は互いに溶接されるととも
に、部分的に両磁石２３．２４を被覆しているステンレ
ス板に溶接されている。

この伝熱板３０を備えることにより、両磁石２３゜２４
間に生じた環状のスペースは、内側磁石２４方向に面し
た１次冷却系流路３１と、外側磁石２３方向に面した２
次冷却系流路３２とに分けられることに成るｃ２次冷却
系流路３２に流体的に連通され、１次冷却系流路３１と
は遮断して設けた入口配管２６は、ループスラブ１４を
通り抜けてリング状の曲管でおる入口ヘッダ管２９に連
通接続される。又２次冷却系流路３２に流体的に連通さ
れ、１次冷却系流路３１とは遮断して設けた出口配管２
７はルーフスラブ１４を通り抜けてリング状の曲ｇセあ
る出口ヘッダ管２８に連通接続される。上部プレナム１
７において、１５１］口された入口２５は１次と２次の
各冷却系流路３１．３２の内、１次冷却系流路３１にの
み流体的に連通している。１次流体出口配管２２は上部
が、１次。

２次の各冷却系流路３１．３２の内、１次冷却系流路３
１にのみ流体的に連通して、下部が高圧ブレナム室１９
内に連通接続される。以上が電磁フローカプラ型中間熱
交換器２１の構造である。

入口へツタ管２９には２次冷却系配管２９ａの一端が、
出口ヘッダ管２８には同じく２次冷却系配管２８ａの一
端が接続される。配管２９ａの他端は２次冷却系８のポ
ンプ６の吐出口側に接続され、配管２８ａの他端は蒸気
発生器７へ接続される。２次冷却系８と水・蒸気系１３
は従来例と同じ構成であって、第１図中には従来例と同
じ部品には従来と同じ符号を付けである。

以上の構造のＦＢＲ原子炉において、ポンプ６によるポ
ンプ力で２次冷却系８内のナトリウム液を循環させると
、２次冷却系８内のナトリウム液は２９ａから入口ヘッ
ダ管２９内に入り、各入口配管２６へ分流して流れ込み
、伝熱板３０に沿って２次冷却流路３２内を上昇し、各
出口配管２７へ流れ出て出口ヘッダ管２８内で合流し配
管２８ａを通って蒸気発生器７内へ送られ、再度ポンプ
６に吸引されて循環する。この２次冷却系８内のナトリ
ウム液の循環が生じると、２次冷却系８のナトリウム液
が２次冷却系流路３２を上昇する時に、１次冷却系流路
３１内のナトリウム液に下方への流動力を与える作用を
誘発する。この作用は後述にて詳細に説明する。この為
、主容器４内における上部プレナム１７中のナトリウム
液は入口２５から１次冷却系流路３１内を下方へ流動し
て１次流体出口配管２２内を通って高圧プレナム室１９
内に吐出され、炉心１を通過して加熱され上部プレナム
１７内へ戻される。そして、主容器４内のナトリウム液
と２次冷却系８内のナトリウム液とが伝熱板３０に接し
て互いに逆方向に流動する際、伝熱板３０を介して主客
器４内のす）　ＩＪウム液から２次冷却系８内のナトリ
ウム孜が熱を受は取シ蒸気発生器７・＼熱を輸送する。

輸送されて米だ熱は水・蒸気系１３によって蒸気発生の
為に費やされて、発電機１１のタービン１０を回転する
エネルキーに使用される。

次に１次冷却系流路３１内のナトリウム液に流動力を与
える作用を以下に説明する。

第３図は電流フローカップラの動作原理を図示したもの
で、両磁石２３．２４による共通な磁束ＣＢ）内に主容
器４と２次冷却系のす）　ＩＪウム液が４電体として存
在し外力により一方の導電体（２次冷却系のす）　ＩＪ
ウム液）に例えばボンプロの力（Ｆ）を与えると、導電
体（２次冷却系のす）　ＩＪウム液）に磁束ＣＢ）と力
（Ｆ）とにそれぞれ直角方向に電流（Ｉ）が発生する。

この現象はフレミングの右手の法則にぶる発電部に相当
するものである。

一方電流（Ｉ）を受けた他方の導電体（１次冷却系流路
３１内のすｌ−ＩＪウムｇ）は同じ磁束（Ｂ）を受ける
と今紋はフレミングの左手の法則に従った電動作用が働
き（Ｂ）、（Ｉ）とにそれぞれ直角方向に力（Ｐ）が訪
起される。よって同一磁束（Ｂ）内に存在する２流路内
の各導電体の他方には結果的にポンプによる駆動力の方
向と反対方向の反力力（Ｐ）なる流動力として発生する
ことになる。

この原理に基づく、電磁フローカップラ型中間熱交換器
の動作原理を説明したのが第４図である。

第３図に示した互いに対向する複数の流路を導電性で波
形の伝熱板３０にて交互に円周状に配列することによっ
て連続した環状電流３４〔第３図中のＣＩ）に相当する
もの〕の回路が成立する。

共通な磁束３３〔第３図中の（Ｂ）に相当するもの〕は
円筒の外側磁石２３と内側磁石２４を設は両磁石間に形
成される環状空間を半径方向に向いている。この環状空
間部分に前述の環状電流３４の流れる回路を一致させる
ことによって第３図の原理図が連続的に成立した。電磁
フローカップラが成り立つ。さらにこの電磁フローカツ
プジを中間熱交換器として成立させるためには熱交換量
に必要な伝熱面積が必要とされる。そのためには、前述
した駆動力とポンプ力流路の境界壁を伝熱面と共用させ
るため軸方向に有効な長さが必蒙となる。第４図では軸
方向に数段の３石２３ａ。

２３ｂ、２４ａ、２４ｂを設けである。実施例では３段
式を採用しているが、各段の磁極方向はＮ　　Ｓ、　Ｓ
　　Ｎ、　Ｎ　　Ｓの１＠に自己タリすることによって
、磁気が打ち消されることはない。したがって、各段の
接合部分で正負駄犬の磁束３３が発生する。

第４図においてポンプ６で駆動されたＦＢＲ２次冷却系
のナトリウム液３５を下方から２次冷却系流路３２に注
入し、上昇流とすることによって両磁石２３．２４で囲
われた環状流路の部分に環状電流３４が発生する。この
環状電流３４０大きさと方向は、磁石各段接合部分で互
に逆方向となり最大の電流値が発生する。そして波形伝
熱板３０を介して隣接している１次冷却系流路３１内の
ナトリウムｉ３６にはこの環状電流３４と磁束３３を受
けて下降流れ方向の力が誘起する。磁石各段接合部分の
互に逆方向の磁束と電流は用対的に同一方向の力をナト
リウム液３６に与える。したがって電磁カップラの作用
域は、全長、全半径の伝熱面で作用し、全ての力が合成
され大きなナトリウム液３６を下降させる力を発生する
。

このように本発明の第１実施例によれば、ＦＢ几の１次
冷却系のナトリウム液の駆動力を得るため可動部品の機
械あるいは電気部品、電力供給部品を一切必要としない
静的な電磁フローカップラ型を用いるため、ＦＢＲプラ
ントの信頼性は著しく向上する。

また、電磁フローカップ２のカップリング部分と熱交換
器の伝熱面領域とが全て一致して共用できるため、スペ
ースファクターが著しく向上し、ＦＢＲＩ次系システム
の小厘化につながり、同じ出力を得る夕／り炉上容器の
直径を約７３％にする小型化に成功した。したがって、
全体的には大巾な建設コストダウンの効果がある。

第１図および第２図に示した実施例ではタンク炉主容器
の内壁全周に１巡の電磁フローカップラ型中間熱交換器
を１基設ける構造を示したが、外め変形例としては、第
５図に示す本発明の第２実旅例のように、数基の小型電
磁フローカップラ型中間熱交換器４０を炉心１を中心に
配置し、各電磁フローカップラ型中間熱交換器４０の１
次側出口配管４１を高圧プレナム室１９に接続する。本
変形例は実施例に比ベタ／り炉上容器４の直径を小さく
する効果は少ない。

第６図は第５図に示した電磁フローカップラ型中間熱交
換器４０のたて断面構造を示したものである。第７図は
その工こ断面構造を示したものである。

中心部に２次冷却系入口管４２を設け、これを通った２
次冷却系のす）　ＩＪウム液は下部で点線矢印の如く折
返し上昇流となり、２次冷却系出口管４３から２次冷却
系８へ流出する。胴体４４の上部に設けた開口の１次冷
却系ナトリウム液の入口４５から上部プレナム１７の１
次冷却系のナトリウム液が流入し、実線矢印の如く下部
の１次冷却系出口配管４１から流出する。永久磁石とし
て、胴の内・外周に内側磁石４６外側磁石４７を設け、
さらに軸方向に数段の配置にて磁石を設けて磁気回路を
構成する。各磁石４６．４７で囲われた環状の流路部は
波形のステンレス製伝熱板４８を設は上昇流の２次冷却
系流路４９と下降流の１次冷却系流路５０を汲成し、１
次冷却系流路の駆動源になる第７図中の環状電流５１は
環状流路と同軸に発生する。

以上説明した第５図、第６図、第７図の例においても、
中間熱交換器４０が熱交換機能と１次冷却系のポンプ機
能とをはだすので１次冷却系ボ／プを省略することがで
きるため第１実施例と同じようにシステム９信頼性は著
しく向上すると共に両機能をスペースファクター良くま
とめることができる効果がおる。

以上説明したように各実施例によれば、タンク炉内の１
次系ポンプを・省略することができるため、機械磨耗、
振動、あるいは熱変形等による機械的故障、又は、絶縁
破壊等による電気的故障の要因は全て無くなり、システ
ムの信頼性は著しく向上する。また、中間熱交換器の伝
熱面と電磁カップラの作用面が共用一致させることρ；
できるため、スペースファクターが向上する。

この他、流量の制御は２次系流量制御で同時に行なわれ
るため、プラント全体の制御特性も向上する利点がある
。

〔発明の効果〕

以上の如く、本発明によれば、熱交換作用と非機械的ポ
ンプ作用とを同一機器によって達成できるのでスペース
ファクターが良くなると同時に機械的ポンプが不用とな
るので信頼性の高い高速増殖炉が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例によるＦＢＲ原子炉の縦断
面とその冷却系を示す全体図、第２図は第１図のＡ−Ａ
断面にして前後対称につき半分だけを示した図、第３図
は第１図に示した電磁フローカプラ世中間熱交換器にお
ける磁束とポンプ力と電流とのベクトル関係図、第４図
は同じく第３図の童理を第１図の実体に合せて示した図
、第５図は本発明の第２実施例によるＦＢＲ原子炉の主
容器縦断面図、第６図は第５図に示した中間熱交換器の
縦断面図、第７図は第６図のＢ−Ｂ断面図、第８図は従
来のＦＢ几原子炉の冷却系統図、第９図は従来のＦＢＲ
原子炉主容器の縦断面図である、。 １・・・炉心、４・・・タンク炉主容器、１６・・・炉
上部機構、１７・・・上部プレナム、１８・・・下部プ
レナム、１９・・・高圧プレナム室、２１．４０・・・
電磁フローカプラ型中間熱交換器、２２．４１・・・１
次冷却系出口配管、２３．４７・・・外り１ｊ磁石、２
４．４６・・・内側磁石、２５．４５・・・入口、２６
．４２・・・２次冷却系入口配管、２７．４３・・・２
次冷却系出口配管、３０．４８・・・伝熱板、３１．５
０・・・１次冷却系流路、３２．４９・・・２次冷却系
流路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高速増殖炉の１次冷却系と２次冷却系との両冷却系
   内の各液体金属の内、一方の系内の液体金属を１次流体
   として、他方の系内の液体金属を２次流体として導入す
   る中間熱交換器を備え、前記２次冷却系に２次冷却系内
   の液体金属を流動させるポンプを備えた高速増殖炉にお
   いて、前記中間熱交換器を、磁界発生装置と、前記磁界
   発生装置によつて発生した磁束を横切る方向に流路方向
   を定めて作つた流路と、前記流路を導電性の伝熱板で仕
   切つて構成した１次冷却系流路と２次冷却系流路とで構
   成し、前記１次冷却系流路を前記１次冷却系内に組み込
   み、前記２次冷却系流路を前記２次冷却系内に組み込ん
   だことを特徴とした高速増殖炉。 ２、特許請求の範囲の第１項において、磁界発生装置は
   環状に配置した内側磁石と、前記内側磁石の外側を環状
   流路スペースを前記内側磁石との間で生じるように囲ん
   で環状に配置した外側磁石とで構成したことを特徴とし
   た高速増殖炉。 ３、特許請求の範囲の第２項において、前記各磁石はス
   テンレス板を被覆材として備えることを特徴とした高速
   増殖炉。 ４、特許請求の範囲の第２項において、前記各磁石は永
   久磁石であることを特徴とした高速増殖炉。 ５、特許請求の範囲の第２項において、前記各磁石は高
   速増殖炉の主容器の上下方向に延びる中心線を囲う環状
   に配置したことを特徴とした高速増殖炉。 ６、特許請求の範囲の第１項において、前記１次冷却系
   流路の入口を高速増殖炉の主容器内液体金属中に開口し
   、前記１次冷却系流路の出口を配管を介して前記高速増
   殖炉の高圧プレナム室に連通接続したことを特徴とした
   高速増殖炉。