JPS6352098A - 圧力管型原子炉 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧力管型原子炉に関する。

〔従来の技術〕

圧力管型原子炉の基本構造を動力炉核燃料開発事業団が
建設した新型転換炉「ふげん」原子炉設置許可申請書を
例にとり、第１０図、第１１図及び第１２図により説明
する。

圧力管型原子炉は、炉心４を収容し圧力管案内管３２内
に挿通されている複数の圧力管２１と。

圧力管案内管を包囲している減速材５を収容している減
速材タンク１と、減速材タンク１内に設けられ、原子炉
の出力を制御する制御棒を収容する複数の制御棒案内管
１０とから成る。複数の圧力管２１は、原子炉を通過し
た後、圧力管集合管（図示せず）に接続されている。

炉心で発生した熱は、圧力管内を環流する原子炉冷却材
で冷却され、加熱された原子炉冷却材は、圧力管集合管
に導かれて蒸気となる。しかし、炉心で発生した熱の一
部は、圧力管から圧力管案内管３２を介して熱輻射によ
り、減速材５に伝達され、減速材の温度が上昇する。減
速材の温度が過度に上昇して沸騰すると、ボイド（気泡
）が発生し、原子炉に負の反応度が生じ、炉の制御が不
安定になるので、減速材の温度が過度に上昇するのは好
ましくない。

従って、減速材の温度を下げる為に、減速材循環ポンプ
２．減速材循環配管３３．熱交換器３及び減速材配分管
９から成る減速材冷却装置を設けている。減速材タンク
１内の減速材５は減速材循環ポンプ２で熱交換器３へ送
られ、補機冷却系ポンプ８で循環される二次冷却材で冷
却された後。

減速材配分管９及び制御棒案内管１０を通って減速材タ
ンクへ還流する。

又、圧力管２１から圧力管案内管３２を介しての熱輻射
を遮蔽する為に、圧力管２１の外壁と圧力管案内管３２
の内壁との間隔を充分大きくすると共に、この間に炭酸
ガスを流している。「ふげん」の場合、この間隔は１６
ｍである。

このように、減速材５と圧力管２１内を流れる原子炉冷
却材とは、設計上、熱的にできるだけ切りはなされてお
り、減速材冷却装置も原子炉冷却材の冷却とは、なんら
関連を有していない。

自然循環による原子炉系装置の冷却については、「高速
増殖炉」　（安成　弘著、昭和５７年同文書院刊）に記
載されている。これを第１３図により説明する。炉心１
６は一次冷却材２０で満たされた原子炉容器１４内に設
置されており、この−次冷却材が原子炉−次系冷却装置
によって循環されながら炉心で発生する熱を冷却してい
る。原子炉−次系冷却装置に故障が生じた際、炉心で加
熱された一次冷却材を冷却する為の装置の一つとして、
原子炉容器内に設けられ、−次冷却材２０と二次冷却材
の熱交換をする中間交換器１５と、前記中間熱交換器に
接続されて二次冷却材を冷却する空気冷却器１７と、前
記中間熱交換器１５と前記空気冷却器１７の間にあって
二次冷却材を循環させる二次循環ポンプ１９とから成る
原子炉冷却材緊急冷却装置を設けている。この装置は、
二次循環ポンプにより二次冷却材を循環させ、空気冷却
器１７により二次冷却材を冷却することにより、−次冷
却材を冷却するよう計画されているが、二次循環ポンプ
が故障の場合でも、二次冷却材の自然循環による冷却が
可能である。但し、これは、炉心を直接冷却する一次冷
却材の冷却の為のものであって、減速材を対象としたも
のではない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

圧力管型原子炉において、原子炉冷却材が圧力管に充分
供給されない為、炉心の温度が異常に上昇する場合は、
圧力管集合管に非常用冷却水が注入され、該冷却水が各
圧力管を通じて炉心に達して炉心を冷却する他、種々の
緊急炉心冷却装置が設けられているが、いずれも何らか
の動力を要するものである。従って、前記動力の途絶あ
るいはその動力で駆動される機器の故障が生じた場合は
、炉心の冷却が充分行われず、過熱による圧力管の損傷
や、炉心の溶融につながる可能性がある。

本発明の目的は、圧力管型原子炉において炉心周辺に大
量に存在する減速材を冷却媒体として、動力によって駆
動される機器を用いることなく。

炉心の熱を除去する装置を有する原子炉を提供するにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

前記の目的は、減速材タンク内の減速材を冷却する自然
循環冷却装置を設けること、又減速材タンクに上下方向
に′ｒｔ設した圧力管案内管の内壁と、前記圧力管案内
管内に挿通された圧力管の外壁との間隔を、圧力管の過
熱による熱膨脹に基づく破断歪より小さく、且つ通常運
転時の圧力管と圧力管案内管の間の熱遮蔽に必要な最小
の間隔より大きくすることによって達成される。

〔作用〕

第５図、第６図、第７図及び第１４図により本発明の詳
細な説明する。

減速材タンク１内で熱せられた減速材５は、密度が小さ
くなって配管６内を上昇し、サージタンク２８を経て冷
却塔７内の空気冷却器３０に達する０次いで、減速材は
、空気冷却器３０で冷却され、密度が大となって配管２
９内を下降し、減速材タンク１内へ還流する。

第６図は圧力管２１と圧力管案内管３２の間隔を小さく
した場合の作用を示し、第１４図は圧力管の熱変形開始
曲線と圧力管破断歪曲線を示す。

圧力管には１通常運転状態では常にある一定の応力σ。

がかかつており、この条件下で圧力管温度が圧力管熱変
形開始温度Ｔｃ　を超えると、圧力管は破断歪ｉｃで破
断する。圧力管にかかる応力σＣは次の様に表わすこと
ができる。

ｔ σ０・・・圧力管にかかる応力 Ｐ・・・圧力管にかかる内圧 ｔ　・・・圧力管の肉厚 ｄ、・・・圧力管の内径 、圧力管案内管３２の内径をＤＩとし、圧力管２１の外
径をｄｏとした時、 Ｄ１≧ｄｏ　（１＋　ｉｃ）　　　　　　　−（２）で
あれば、圧力管案内管は圧力管の破断に至る変形に何ら
関与しない、今、前記Ｄ１とｄｏの関係を、 Ｄａ　＜ｄｏ　（１＋ｉｃ）　　　　　　　−（３）と
なるように定めると、圧力管が異常昇温によって変形を
はじめても、歪量が破断歪ε。に達する前に圧力管２１
が圧力管案内管３２の内面に接触して、圧力管案内管が
圧力管の破損防止に有効に作用する。更に圧力管外壁と
圧力管案内管内壁が直接接触することにより、圧力管か
ら圧力管案内管を介しての減速材タンク内の減速材への
熱伝導性がよくなり、炉心の熱の減速材への移動が促進
される。第７図は、圧力管と圧力管案内管が接触した場
合の圧力管の温度変化曲線２６と圧力管案内管の温度変
化曲線２７を示す図で、時間ｔ＾で圧力管と、圧力管案
内管が接触した状態を表わし、接触後の圧力管の温度低
下が明らかであり、熱伝導性の向上と減速材による冷却
の効果をよく示している。

〔実施例〕

第１〜４図及び第６図により本発明の一実施例を説明す
る。

第１図は、本発明による圧力管型原子炉を示す。

炉心４を収容し冷却材が環流する圧力管２１と、該圧力
管２１を包囲する減速材５を収容した減速材タンクク１
と、減速材タンク１の中に設けられ。

原子炉の出力を制御する制＃＃を収容する制御棒案内管
１０とから成る圧力管型原子炉が、原子炉格納容器１１
内に設けられ、減速材冷却装置は、減速材タンク１に接
続され、減速材を循環する減速材循環ポンプ２と、一端
を減速材循環ポンプ２に、他端を減速材配分管９に接続
され、原子炉格納容器外に設けられた補機冷却系ポンプ
８によって循環される二次冷却材で減速材を冷却する熱
交換器３とを有し、更に一端を前記熱交換器３に、他端
を複数の制御棒案内管１０に接続した減速材配分９９と
、炉心より高い位置に設けられたサージタンク２８と、
前記減速材タンク１と前記サージタンク２８を接続する
減速材上昇管６と、＃ｊ納容器外に設けられた冷却塔７
及び冷却塔７に内蔵され、且つ原子炉炉心より高い位置
に設けられた空気冷却器３０と、空気冷却器３０と減速
材配分管９を接続する減速材戻りＩｒＦ２９とから成る
自然循環冷却装置３５を有する。

本実施例では、減速材の液面は、通常運転状態では第２
図に示されるように、減速材上Ｍ、管６と減速材戻り管
２９（第２図及び第３図では、減速材配分管９及び制御
棒案内管１０を省略しである）に自由液面を有するよう
制御されており、且つ冷却された減速材は、減速材配分
管９及び制御棒案内１１０を経て減速材タンク１へ還流
する。温度上昇による減速材の体積増加分は、配管又は
サージタンクの空間部分に収容され、減速材を内包する
タンク、配管に過大な圧力を生ずることはない。

通常運転状態では、炉心４が発生した熱は、圧力管２１
内を環流する原子炉冷却材によって冷却されるが、熱の
一部は輻射により、圧力管外壁から圧力管案内管壁を通
して減速材タンク内の減速材へ伝達される。この結果、
減速材の温度が上昇するので、減速材循環ポンプ２によ
り減速材５を循環させ、熱交換器３により所望の温度に
まで冷却する。この状態では、第２図に示したように減
速材液面は、減速材上昇管６及び減速材戻り管２９の中
にあり、空気冷却器３０を通過する減速材の流れはなく
、自然循環による減速材冷却は行われない。

何かの原因で圧力管２］の温度が異常に上昇し、圧力管
案内管３２を通しての減速材５への熱伝達量が増加し、
同時に減速材循環ポンプ２又は補機冷却系ポンプ８が停
止すると、減速材５が沸騰して減速材中にボイド（気泡
）３１が発生し、減速材液位が上昇し、減速材は第３図
に示す如くサージタンク２８を経て立見冷却器３０に達
する。これに伴い、減速材５は、空気冷却器３０で冷却
され、減速材戻り管２９．減速材配分管９及び制御棒案
内管１０を経て減速材タンク１へ還流する。

減速材沸騰時には、減速材の密度は次の通りとなる。

〒＝α・σｇ　＋　（１−α）σ８　　　　・・　（４
）ａ　”’減速材沸騰時の減速材の密度 α・・・ボイド率 σｌ・・・減速材沸騰時の減速材の気相密度σｅ・・・
減速材沸騰時の減速材の液相密度自然循環力は、減速材
の冷却前と冷却後の密度差により生じる為、次の式で表
わすことができる。

ΔＰ＝　（７−σ工）Ｈ・・・　（５）＝　（α　・　
σｇ＋　（１−α）　σ。−σｉ）Ｈ・・・　（６） ΔＰ・・・自然循環力 σ１・・・減速材冷却後の減速材の密度Ｈ・・・減速材
タンクと空気冷却器の高さの差（元高） これからＨとαの関係は、 σ−σ１　α（σ１−σａ）　−（σ１−σｅ）・・・
　（７） となり、減速材タンクと空気冷却器の高さの差Ｈが一定
ならば、ボーｒド率が増加すればする程、すなわち減速
材の沸騰が激しくなるほど、自然Ｗｉ環力が増加する。

第９図は、前記第７式を図に表わしたもので、ある特定
の自然循環力に対しては、ボイド率すなわち自然循環を
行うべき沸騰状＠を定めれば、冷却塔７を設置すべき高
さＨが求められることを示している。

高速増殖炉における原子炉−次冷却材の自然循環冷却で
は、冷却材が沸騰してボイドができると、原子炉の正の
反応度が生じて出力が増加し、冷却できなくなるが、圧
力管型原子炉の場合は、減速材が沸騰してボイドができ
ると、前述のように自然循環力が増加する共に、第９図
に示すごとく、原子炉の出力が減少する方向の原子炉の
負の反応度を生じて出力が低下し、炉心の冷却に有利で
ある。

冷却塔７の元高Ｈの設定に当っても、高速増殖炉の原子
炉−次冷却材は、温度による密度の差が大きいので沸騰
状態を考慮する必要はないが、圧力管型原子炉の減速材
の場合は、温度による密度の差が少なく、沸騰を考慮に
入れることによってはじめて、実現可能な冷却塔の元高
Ｈとすることが可能となる。

第４図は、減速材タンク１にヒートパイプ１２を設けた
実施例を示す図である。基本的な構造は、従来の技術と
同じであるので詳細な説明は省略するが、第１０図の従
来技術に示す部分と対応する部分には同一の参照符号を
付しである。従来技術による減速材冷却装置に追加して
、自然循環冷却装置としてのヒートパイプ１２が、蒸発
端を減速材タンク瑠１内に、冷却器１３を設けた凝縮端
を減速材タンク１の外側にして減速材タンク１に装着さ
れている。減速材タンク１内の減速材５の熱は、ヒート
パイプ１２の蒸発端でヒートパイプの内部流体を蒸発さ
せ、蒸発した内部流体は、ヒートパイプ内を凝縮端へ上
昇する。上昇した前記流体は凝縮端に設けられた冷却器
１３で熱を奪われて凝縮し、再び液体となってヒートパ
イプ内を蒸発端へ移動する。この作用が継続して行われ
、減速材５の冷却が行われる。このようにして、ヒート
パイプを用いることにより、減速材タンク１内の減速材
５を、動的機器を用いて循環することなく冷却すること
が可能であり、減速材循環ポンプ運転時間を短縮するこ
とができると共に、放射性物質を含んだ減速材を原子炉
格納容器外へ取出すことなく自然循環冷却可能となり、
放射線管理上も有利である。

第６図は、圧力管２１と圧力管案内管３２の間隔を制限
した時の実施例を示す、原子炉の基本的な構造は、従来
技術及び減速材の自然循環冷却装置で構成したものであ
り、実施例を記載しであるので詳細な説明は省略する。

圧力管２１と圧力管案内管３２の間隔は、前述の Ｕｓ　＜ｄｏ　（１＋ｇｃ）　　　　　　　　−（８）
Ｄｉ・・・圧力管案内管外径 ｄｏ・・・圧力管外径 ６ｃ・・・圧力管の破断歪 を満足し、且つ通常運転時の熱遮蔽の機能を果す大きさ
とする。「ふげん」の場合６〜１０ｍが適当である。圧
力管２１の温度上昇が激しく、熱変形や内圧による変形
を生じた場合でも、前記（９）式により圧力管２１の外
径と圧力管案内管３２の内径の比を定めているので、破
断歪１ｃに至る前に圧力管２１の外径が圧力管案内管３
２の内壁に接触して、圧力管２１から圧力管案内管３２
を通しての減速材５への熱伝達性が良くなり、減速材に
よる炉心の冷却が能率よく行えると共に、圧力管案内管
３２が圧力管２１の変形を防ぐ補強材として作用する。

〔発明の効果〕

本発明により、圧力管型原子炉において、動的機器から
成る原子炉冷却材冷却装置が使用できない事故が発生し
ても、炉心の温度上昇をおくらせることが可能となり、
他の対策を行う時間の余裕を増すことができると共に、
減速材冷却装置を確率論に基づいて評価した時の信頼度
を向上すること可能となる。

更に、炉心を収容した圧力管と圧力管案内管の間の間隔
を制限することにより、事故時の炉心の温度上昇をおく
らせ、事故に対する対策を行う時間の余裕を増すことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す系統図、第２図は本発明
の実施例の通常運転時の作動状態を示す図、第３図は事
故時の作動状態を示す図、第４図は本発明の他の実施例
を示す系統図、第５図は本発明の作用を示す図、第６図
は本発明のもう一つの実施例を示す図、第７図は圧力管
と圧力管案内管が接触した時の温度変化を示す図、第８
図は減速材のボイド率αと空気冷却器の元高Ｈの関係を
示す図、第９図は減速材のボイド率αと炉心の反応度と
の関係を示す図、第１０図は従来の圧力管型原子炉を示
す系統図、第１１図は圧力管と圧力管案内管及び減速材
タンクを示す図、第１２図は圧力管と圧力管案内管の相
互関連を示す図、第１３図は高速増殖炉の原子炉−次冷
却材の緊急冷却装置であり、第１４図は圧力管の熱変形
開始曲線と圧力管破断歪曲線を示す。 １・・・減速材タンク、２・・・減速材循環ポンプ、３
・・・熱交換器、４・・・炉心、５・・・減速材、６・
・・減速材上昇管、７・・冷却塔、１０・・・制御棒案
内管、１２・・・自然循環冷却装置（ビートパイプ）、
１３・・・冷却器、２１・・・圧力管、２８・・サージ
タンク、２９・・・減速材戻り管、３０・・・空気冷却
器、３２・・・圧力管案内管、３５・・・自然循環冷却
装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炉心を収容し冷却材が還流する圧力管と、この圧力
   管が挿通している圧力管案内管と、前記圧力管を包囲す
   る減速材を収容した減速材タンクと、減速材タンクの中
   に設けられ、原子炉の出力を制御する制御棒を収容する
   制御棒案内管と、前記減速材タンクに接続されて減速材
   タンク内の減速材を循環させる減速材循環ポンプと、減
   速材循環ポンプによつて循環される減速材を冷却する熱
   交換器とを有する圧力管型原子炉において、 減速材タンク内の減速材を冷却する自然循環冷却装置を
   設けたことを特徴とする圧力管型原子炉。 ２、自然循環冷却装置が、減速材タンクの上方に接続さ
   れ炉心より高い位置に設けられたサージタンクと、一端
   を前記サージタンクに、他端を減速材タンクに接続され
   、冷却塔に内蔵され且つ原子炉炉心より高い位置に設け
   られた空気冷却器とを有することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の圧力管型原子炉。 ３、自然循環冷却装置が、蒸発器を減速材タンク内に、
   冷却器を設けた凝縮端を減速材タンク外にして減速材タ
   ンクに装着したヒートパイプであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の圧力管型原子炉。 ４、前記圧力管案内管の内壁と、前記圧力管案内管内に
   挿通された圧力管の外壁との間隔を、圧力管の過熱によ
   る熱膨脹に基づく破断歪より小さく、且つ通常運転時の
   圧力管と圧力管案内管の間の熱遮蔽に必要な最小の間隔
   よりも大きくしたことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第３項のいずれか１項に記載の圧力管型原子炉
   。