WO2013146684A1 - 電磁ポンプ及びクエンチタンク並びに液体金属ループ - Google Patents

電磁ポンプ及びクエンチタンク並びに液体金属ループ Download PDF

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WO2013146684A1
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liquid metal
outer cylinder
electromagnetic pump
duct
electromagnetic
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PCT/JP2013/058588
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French (fr)
Inventor
久利　修平
出 松下
寛 堀池
勲 村田
英二 帆足
幸子 土井
逸郎 加藤
Original Assignee
三菱重工メカトロシステムズ株式会社
国立大学法人大阪大学
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K44/02—Electrodynamic pumps
    • H02K44/06—Induction pumps
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/64—Quenching devices for bath quenching with circulating liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D15/00—Handling or treating discharged material; Supports or receiving chambers therefor
    • F27D15/02—Cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D2003/0034—Means for moving, conveying, transporting the charge in the furnace or in the charging facilities
    • F27D2003/0054—Means to move molten metal, e.g. electromagnetic pump

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic pump, a quench tank, and a liquid metal loop used for circulating a liquid metal such as liquid lithium.
  • an electromagnetic pump as described in Patent Document 1 is known.
  • a plurality of stator iron cores are arranged radially in the outer radial direction of a concentric double cylindrical tube, a plurality of comb-like slots are provided in the stator iron core, and a ring-shaped coil is provided in each slot.
  • the concentric double cylindrical tube is composed of an outer tube and an inner tube, and a duct is formed between the outer tube and the inner tube.
  • the inner tube has an inner iron core for passing magnetic lines of force through the inner tube. Further, both end portions of the inner tube are formed in a conical shape.
  • the outer cylinder is connected to the liquid sodium circulation loop path of the fast breeder reactor.
  • Each coil is arranged in the order of each phase as a three-phase AC winding in the flow direction, and when a three-phase AC is passed through the coil of this electromagnetic pump, a traveling magnetic field is generated in the flow direction in the duct. Also, a voltage is induced in the fluid according to the so-called Fleming's right-hand rule, an induced current flows, and Lorentz force is generated in the fluid itself. The liquid metal is transferred by the electromagnetic force generated by the traveling magnetic field and the induced current.
  • the back pressure of the electromagnetic pump is secured by preventing the occurrence of cavitation by securing the height of the loop pipe on the inlet side of the electromagnetic pump to about 10 m.
  • the apparatus becomes larger when the loop pipe is made higher.
  • the present invention has been made to solve such problems.
  • An electromagnetic pump according to the present invention includes a duct that allows a conductive liquid to flow between an outer cylinder and an inner cylinder, and is provided with an electromagnetic coil outside the outer cylinder.
  • the directional cross-sectional area is larger than the radial cross-sectional area on the outlet side.
  • the electromagnetic pump according to the present invention is the electromagnetic pump in which a duct for flowing a conductive liquid is formed between the outer cylinder and the inner cylinder, and an electromagnetic coil is provided on the outer side of the outer cylinder.
  • the outer surface of the inner cylinder has an inclination angle with respect to the axial direction such that the radial cross-sectional area on the duct inlet side is larger than the radial cross-sectional area on the outlet side.
  • the radial cross-sectional area of the duct formed between the outer cylinder and the inner cylinder changes.
  • the flow velocity on the inlet side can be slowed, so that there is an effect of preventing cavitation and an effect of reducing the loop height.
  • the electromagnetic pump according to the present invention is further characterized in that the radial interval between the outer cylinder and the inner cylinder is substantially uniform in the axial direction.
  • the magnetic flux density does not change greatly in the axial direction of the duct.
  • the electromagnetic pump according to the present invention includes a duct for flowing a conductive liquid between an outer cylinder and an inner cylinder, and an electromagnetic pump provided with an electromagnetic coil outside the outer cylinder.
  • One of the outer surfaces of the inner cylinder has an inclination angle such that the radial cross-sectional area on the duct inlet side is larger than the radial cross-sectional area on the outlet side with respect to the axial direction, and the other is parallel to the axial direction. It is characterized by.
  • the electromagnetic pump according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the current flowing through the electromagnetic coil on the inlet side is further controlled.
  • the magnetic field in the duct differs between the inlet side and the outlet side, so the current flowing through the electromagnetic coil on the inlet side can be increased. Uniform magnetic field in the axial direction of the duct. Thereby, since the inlet side flow velocity can be slowed in the axial direction of the duct, it works in the direction of preventing cavitation.
  • a quench tank according to the present invention is a quench tank that is arranged in a circulation path of a liquid metal loop and separates and cools liquid metal vapor or mixed gas in the liquid metal introduced into the tank body.
  • the inlet side of the electromagnetic pump according to any one of the above is connected.
  • liquid metal loop according to the present invention is characterized by including the quench tank.
  • FIG. 1 is a front view showing a quench tank according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in the radial direction of the electromagnetic pump shown in FIG. 3 is a cross-sectional view of the electromagnetic pump BB shown in FIG.
  • FIG. 4 is a front view showing a quench tank according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA in the radial direction of the electromagnetic pump shown in FIG. 6 is a cross-sectional view of the electromagnetic pump BB shown in FIG.
  • FIG. 7 is a front view showing a quench tank according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line AA in the radial direction of the electromagnetic pump shown in FIGS. 8 and 7.
  • 9 is a cross-sectional view of the electromagnetic pump BB shown in FIG.
  • FIG. 10 is a front view showing a quench tank according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 11 is a side view of the quench tank shown in FIG.
  • FIG. 12 is a top view of the quench tank shown in FIG. 13 is a cross-sectional view of the quench tank shown in FIG.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the cylinder.
  • FIG. 15 is sectional drawing which shows the cylinder of the quench tank concerning Embodiment 5 of this invention.
  • FIG. 15 is sectional drawing which shows the cylinder of the quench tank concerning Embodiment 5 of this invention.
  • FIG. 16 is a sectional view showing a quench tank according to Embodiment 6 of the present invention.
  • 17 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 18 is a sectional view showing a quench tank according to Embodiment 7 of the present invention.
  • 19 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 20 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
  • FIG. 22 is a block diagram showing a liquid metal loop of the present invention.
  • FIG. 1 is a sectional view in the flow direction showing an electromagnetic pump according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in the radial direction of the electromagnetic pump shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB.
  • This electromagnetic pump 100 includes a stainless steel outer cylinder 2, a stainless steel inner cylinder 3 arranged inside the outer cylinder 2, and an electromagnetic coil 4 arranged around the outer cylinder 2 in the housing 1. It is the structure provided with.
  • the outer cylinder 2 has a truncated cone shape as a whole, and has a large diameter on the inlet side and a small diameter on the outlet side.
  • the part (edge 2a of an outer cylinder) which engages with piping of a loop becomes a straight pipe shape.
  • the inner cylinder 3 has a large diameter on the inlet side and a small diameter on the outlet side.
  • a duct 5 is formed between the outer cylinder 2 and the inner cylinder 3. Since the duct 5 is formed in a gap between the outer cylinder 2 and the inner cylinder 3, the duct 5 has an annular shape. Further, the radial cross-sectional area of the duct 5 is large on the inlet side and small on the outlet side.
  • an internal iron core 6 for passing magnetic lines of force is provided in the inner cylinder 3.
  • a support plate 7 that supports the inner cylinder 3 is provided in the radial direction.
  • Four support plates 7 are equally provided in the circumferential direction near the front and rear ends of the inner cylinder 3.
  • conical caps 8 are provided on the front and rear sides of the inner cylinder 3.
  • the electromagnetic coil 4 includes a stator core 10 in which a plurality of slots 9 are formed in a comb shape, and a coil 11 arranged in the slot 9.
  • the stator iron core 10 has a configuration in which thin iron plates having comb-shaped slots 9 are laminated to form a laminated iron core having a predetermined thickness, and the laminated iron cores are evenly arranged around the outer cylinder 2.
  • the outer cylinder facing surface of the stator iron core 10 is inclined along the inclination angle of the outer cylinder 2. When the stator iron core 10 is arranged around the outer cylinder 2, the stator iron core 10 is against the outer peripheral surface of the outer cylinder 2. Abut without gaps.
  • the inclination angle is an angle of the inner surface of the outer cylinder 2 or the outer surface of the inner cylinder 3 with respect to the axial direction of the electromagnetic pump 4.
  • each slot 9 a coil 11 wound in an annular shape is arranged.
  • Each coil 11 is arranged in the order of each phase as a three-phase AC winding in the flow direction of the liquid metal. Since the difference in diameter between the inner cylinder 2 and the outer cylinder 3 is uniform in the flow direction of the duct 5, the electromagnetic force applied to the liquid metal can be made uniform in the flow direction by flowing a constant current through the electromagnetic coil 4. .
  • this electromagnetic pump 100 When a three-phase alternating current is passed through the coil 11 of the electromagnetic pump 100, a traveling magnetic field is generated in the flow direction in the duct 5. In addition, a voltage is induced in the fluid by the so-called Fleming law, an induced current flows, and Lorentz force is generated in the fluid itself. The liquid metal is transferred by the electromagnetic force generated by the traveling magnetic field and the induced current.
  • the inclination angle of the outer cylinder 2 may be set slightly larger than the inclination angle of the inner cylinder 3.
  • the cross-sectional area of the duct 5 on the inlet side can be made larger than the cross-sectional area of the duct 5 on the outlet side (not shown).
  • FIG. 4 is a sectional view in the flow direction showing the electromagnetic pump according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a radial cross-sectional view of the electromagnetic pump shown in FIG. 4 along AA
  • FIG. 6 is a cross-sectional view along BB.
  • the electromagnetic pump 200 is disposed in the housing 1 around a stainless outer cylinder 202, a stainless inner cylinder 203 disposed inside the outer cylinder 202, and the outer cylinder 202.
  • the electromagnetic coil 204 is provided.
  • the outer cylinder 202 is divided into three blocks, the first block 50 is made of a pipe having a large diameter and a straight line in the axial direction, and the second block 51 is continuous with the first block 50 and has a truncated cone shape as a whole.
  • the third block 52 is a pipe having a smaller diameter than the first block 50 and linear in the axial direction.
  • the inner cylinder 3 is also formed of a large-diameter and straight circular tube body of the first block 50, the second block 51 has a truncated cone shape, and the third block 52 is a small-diameter and linear tube in the axial direction. Consists of the body.
  • the inclination angles of the outer cylinder 202 and the inner cylinder 203 in the second block 51 are the same. The inclination angle is an angle of the inner surface of the outer cylinder 202 or the outer surface of the inner cylinder 203 with respect to the axial direction of the electromagnetic pump 200.
  • a duct 205 is formed between the outer cylinder 202 and the inner cylinder 203. Since the duct shape is formed between the outer cylinder 202 and the inner cylinder 203, the duct shape is annular. In the first block 50, since the outer cylinder 202 and the inner cylinder 203 are both linear, the cross-sectional area of the duct 205 is constant. In the second block 51, since the whole is a truncated cone shape, the cross-sectional area of the duct 205 gradually decreases in the flow direction. In the third block 52, since the outer cylinder 202 and the inner cylinder 203 are both linear, the cross-sectional area of the duct 205 is constant.
  • an internal iron core 206 for passing magnetic lines of force is provided in the inner cylinder 203.
  • a support plate 7 that supports the inner cylinder 203 is provided in the radial direction.
  • the support plates 7 are equally provided in four in the circumferential direction near the front and rear ends of the inner cylinder 203.
  • conical caps 8 are provided before and after the inner cylinder 203.
  • the tip of the cap 8 may be spherical.
  • the electromagnetic coil 204 includes a stator core 210 having a plurality of slots 9 formed in a comb shape, and a coil 11 disposed in the slot 9.
  • the stator iron core 210 has a structure in which thin iron plates having comb-shaped slots 9 are laminated to form a laminated iron core having a predetermined thickness, and the laminated iron cores are evenly arranged around the outer cylinder 202.
  • the outer cylinder facing surface of the stator core 210 in the second block 51 is inclined along the inclination angle of the outer cylinder 202. It abuts against the outer peripheral surface of the surface without any gap.
  • the inclination angle is an angle of the inner surface of the outer cylinder 202 or the outer surface of the inner cylinder 203 with respect to the axial direction of the electromagnetic pump 200.
  • each slot 9 a coil 11 wound in an annular shape is arranged.
  • Each coil 11 is arranged in the order of each phase as a three-phase AC winding in the flow direction of the liquid metal. Since the difference in diameter between the inner cylinder 203 and the outer cylinder 202 is uniform in the flow direction of the duct 205, the electromagnetic force applied to the liquid metal can be made uniform in the flow direction by flowing a constant current through the electromagnetic coil 204. .
  • the duct 205 on the inlet side of the electromagnetic pump 200 has a large cross-sectional area, so that the flow velocity on the inlet side decreases and works to prevent cavitation in the electromagnetic pump 200. .
  • FIG. 7 is a sectional view in the flow direction showing the electromagnetic pump according to the first embodiment of the present invention.
  • 8 is a cross-sectional view taken along the line AA in the radial direction of the electromagnetic pump shown in FIG. 7, and
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line BB.
  • a stainless steel outer cylinder 302 a stainless steel inner cylinder 303 disposed inside the outer cylinder 302, and an electromagnetic coil 304 disposed around the outer cylinder 302 are disposed in the housing 1. This is a configuration provided.
  • the outer cylinder 302 has a straight pipe shape whose inner surface is parallel to the axial direction.
  • the inner cylinder 303 has a truncated cone shape as a whole, and has a small diameter on the inlet side and a large diameter on the outlet side.
  • a duct 305 is formed between the outer cylinder 302 and the inner cylinder 303. Since the duct shape is formed between the outer cylinder 302 and the inner cylinder 303, the duct has an annular shape.
  • the inclination angle is an angle of the inner surface of the outer cylinder 302 or the outer surface of the inner cylinder 303 with respect to the axial direction of the electromagnetic pump 300.
  • the cross-sectional area of the duct 305 is large on the inlet side and small on the outlet side.
  • an internal iron core 306 for passing magnetic lines of force is provided in the inner cylinder 303.
  • a support plate 7 that supports the inner cylinder 303 is provided in the radial direction.
  • the four support plates 7 are equally provided in the circumferential direction near the front and rear ends of the inner cylinder 303.
  • conical caps 8 are provided before and after the inner cylinder 303.
  • the cap tip may be spherical.
  • the electromagnetic coil 304 includes a stator iron core 310 having a plurality of slots 9 formed in a comb shape, and a coil 11 disposed in the slot 9.
  • the stator iron core 310 has a structure in which thin iron plates having comb-shaped slots 9 are laminated to form a laminated iron core having a predetermined thickness, and the laminated iron cores are evenly arranged around the outer cylinder 302.
  • the outer cylinder facing surface of the stator iron core 310 abuts against the outer peripheral surface of the outer cylinder 302 without a gap.
  • the outer side of the stator core 310 is fixed to the inner surface of the housing 1.
  • a coil 11 wound in an annular shape is arranged in each slot 9.
  • Each coil 11 is arranged in the order of each phase as a three-phase AC winding in the flow direction of the liquid metal. Since the difference in diameter between the inner cylinder 303 and the outer cylinder 302 gradually decreases in the flow direction of the duct 305, in order to make the electromagnetic force applied to the liquid metal uniform in the flow direction, the current flowing through the electromagnetic coil 304 is supplied to the inlet side. Make it bigger.
  • the outer cylinder has a truncated cone shape as a whole and has a large diameter on the inlet side and a small diameter on the outlet side
  • the inner cylinder has a small diameter on the inlet side and a large diameter on the outlet side. May be.
  • the outer cylinder may have a truncated cone shape as a whole, the diameter on the inlet side may be increased and the diameter on the outlet side may be decreased, and the outer surface of the inner cylinder may be a circular tube body linear in the axial direction. Even in such a configuration, since the area on the inlet side of the duct is larger than that on the outlet side, the same effect as described above is obtained.
  • the electromagnetic pumps 100 to 300 of the first to third embodiments can be applied to various plants and products in addition to BNCT (boron neutron capture therapy), nuclear reactor, fusion reactor, fast breeder reactor, and the like.
  • BNCT boron neutron capture therapy
  • nuclear reactor nuclear reactor
  • fusion reactor fusion reactor
  • fast breeder reactor fast breeder reactor
  • FIG. 10 is a front view showing a quench tank according to Embodiment 4 of the present invention.
  • 11 is a side view of the quench tank shown in FIG. 10
  • FIG. 12 is a top view.
  • 13 is a cross-sectional view of the quench tank shown in FIG.
  • the quench tank 400 includes a tank main body 401 connected by piping to a receiving portion of a target forming portion that forms a liquid metal target, and a cylindrical body 402 provided in a substantially horizontal direction below the tank main body 401. .
  • the tank body 401 has a structure in which a sheet metal is processed into a cylindrical shape.
  • the pipe 403 from the target forming unit is provided on the upper side surface of the tank main body 401 and in a tangential direction with respect to the cylinder of the tank main body 401.
  • the liquid metal introduced from the pipe 403 enters the free liquid surface while rotating along the inner surface 401a of the tank body 401 (the flow of the liquid metal is indicated by a dotted arrow in the figure).
  • the target forming unit includes a nozzle that jets the liquid metal in a plane so as to cross the proton beam irradiation region, and a receiving unit that includes a diffuser that receives the jetted liquid metal.
  • the bottom of the tank body 401 is provided with four rectifying plates 404 that are radially spaced from the center of the cylinder axis.
  • the current plate 404 may be a flat plate, a mesh plate or a punching metal.
  • the number of rectifying plates 404 is not limited to four.
  • the cylindrical body 402 is slightly inclined with respect to the tank body 401 so that the front end 402a faces downward.
  • a plurality of separation plates 405 inclined with respect to the vertical direction are arranged inside the cylindrical body 402.
  • the interval between the adjacent separation plates 405 is determined by the bubble rising speed and the cylindrical body residence time, and specifically, preferably 3 cm or more and 5 cm or less.
  • the angle of the separation plate 405 is not limited to this, as shown in FIG. 14A, it is preferable that the angle in the axial direction of the tank body 401 is 45 degrees or more and 60 degrees or less from the vertical direction.
  • the separation plate 405 is provided over substantially the entire length of the cylindrical body 402 as shown in FIG. The length of the cylinder 402 is determined based on the ability to separate bubbles.
  • the liquid metal outlet 406 is provided downstream of the separation plate 405.
  • the pipe connected to the outlet 406 is connected to a pump constituting a liquid metal loop.
  • the pipe extending from the pump is connected to the target forming part via the heat exchanger, and constitutes a liquid metal loop as a whole.
  • the liquid metal whose temperature has been increased by being irradiated with the proton beam from the target forming unit is introduced into the tank body 401 through the pipe 3. Since the pipe 403 is connected in the tangential direction of the cylinder of the tank main body 401, the introduced liquid metal enters the free liquid level while circling along the inner surface 401 a of the tank main body 401. At this time, air bubbles enter from the free liquid surface.
  • the liquid metal that has entered the free liquid surface while rotating moves in a vortex in the tank body 401, but the rotation is stopped by the rectifying plate 404 provided in the lower part inside the body and stays in the lower part of the tank body 401. It will be in the state.
  • a hole 407 corresponding to the cylindrical body 402 is provided on the lower side surface of the tank main body 401, and the tank main body 401 and the cylindrical body 402 communicate with each other through the hole 407.
  • the hole 407 is provided with a second rectifying plate 408 made of a mesh plate or punching metal.
  • Buoyancy is increased by the growth of the bubbles, the rising speed of the bubbles is increased, and the bubbles move upward so as to roll under the slope of the separation plate 405. At that time, it grows up with surrounding bubbles and becomes larger bubbles until it reaches the free liquid level. Such a phenomenon occurs between the separation plates 405. The grown bubbles reach the free interface while the liquid metal flows in the longitudinal direction of the cylindrical body 402 and disappear. If the bubble grows and the rising speed increases, the bubble rises in such a short time, so that the bubble can be efficiently removed and the length of the cylindrical body 402 can be shortened.
  • the liquid metal from which bubbles are sufficiently removed is sucked by the electromagnetic pumps 100 to 300 and transferred to the circulation loop. Since the duct cross-sectional area is large on the inlet side of the electromagnetic pumps 100 to 300, a sufficient back pressure can be secured without taking the loop height, so that cavitation in the electromagnetic pumps 100 to 300 can be effectively prevented.
  • the electromagnetic pumps 100 to 300 again supply liquid metal to the target forming unit.
  • the quench tank 400 of the present invention by providing a plurality of separation plates 405 in the cylindrical body 402, bubbles are grown and quickly removed by the separation plate 405 while flowing liquid metal.
  • the length can be shortened and the quench tank 400 can be miniaturized.
  • the mixing of bubbles into the circulation loop can be minimized.
  • the target forming unit may be of a type that forms a liquid film by flowing a liquid metal at a high speed on a curved back plate as in the prior art.
  • FIG. 15 is sectional drawing which shows the cylinder of the quench tank concerning Embodiment 5 of this invention.
  • This quench tank has substantially the same configuration as that of the fourth embodiment, but the shape and arrangement of the separation plate 5 are different. The rest of the configuration is the same as that of the quench tank 400 of the fourth embodiment, and a description thereof will be omitted.
  • a punching metal having a plurality of holes 502 is used as a separation plate 501, and a plurality of these are arranged substantially horizontally.
  • the liquid metal flowing from the tank body 401 passes between the layers of the plurality of separation plates 501. Bubbles contained in the liquid metal hit the back surface of each separation plate 501, where the bubbles merge to grow.
  • the grown bubbles increase in buoyancy and move upward through the holes 502 of the separation plate 501.
  • the upper layer separation plate 501 also grows by adsorbing other bubbles and moves upward through the holes 502. Eventually, the greatly grown bubbles reach the free interface of the liquid metal in the cylinder 2 and disappear.
  • the separation plate 501 is formed of a mesh plate. That is, when bubbles hit the surface of the mesh and grow, the rising speed of the bubbles increases. The grown bubbles have large buoyancy, move to the upper layer through the mesh, and further grow to reach the free liquid surface of the liquid metal and disappear. In this way, if the bubbles grow and the rising speed increases, the bubbles are removed in such a short time, so that the bubbles can be efficiently removed, and the length of the cylinder can be shortened.
  • the optimum mesh size is determined by the capacity of the tank and the flow rate of the liquid metal.
  • the bottom of the tank body 601 is provided with four rectifying plates 604 in a radial pattern with a central portion around the cylindrical axis.
  • the rectifying plate 604 is preferably a mesh plate in order to promote bubble adhesion.
  • a punching metal having a large number of small-diameter holes may be used.
  • the number of rectifying plates 604 is not limited to four.
  • the upper part of the current plate 604 is supported by the support plate 602, and the lower part is supported by the bottom surface 605 of the tank body 601.
  • the length of the current plate 604 is determined based on the required bubble removal capability.
  • the electromagnetic pumps 100 to 300 described in the first to third embodiments are provided on the bottom 605 of the tank body 601.
  • the electromagnetic pumps 100 to 300 are provided in the vertical direction, and the side with the larger cross-sectional area of the duct is attached to the tank body 601.
  • the outlets of the electromagnetic pumps 100 to 300 are connected to the piping 603 of the circulation loop.
  • the pipe 603 extending from the electromagnetic pumps 100 to 300 is connected to the target forming unit via a heat exchanger, and constitutes a liquid metal loop as a whole.
  • the liquid metal that has been irradiated with the proton beam from the target forming unit and whose temperature has risen is introduced into the tank body 601 through the pipe 603. Since the pipe 603 is connected in the tangential direction of the cylinder of the tank body 601, the introduced liquid metal enters the free liquid surface while circling along the inner surface of the tank body 601. At this time, air bubbles enter from the free liquid surface.
  • the liquid metal that has entered the free liquid surface while rotating moves in a vortex in the tank body 601, but its rotation is stopped by the rectifying plate 604 provided on the lower side inside the body, and the tank body 601 It stays in the lower part.
  • Bubbles contained in the liquid metal grow in contact with the rectifying plate 604 and coalesce with adjacent bubbles.
  • the grown bubbles have higher buoyancy and rise along the current plate 604. In the process, the bubbles take in small bubbles nearby and continue to grow.
  • the grown bubbles increase in the speed of rising in the liquid metal, eventually reach the free liquid level in the tank body 601 and disappear.
  • the liquid metal from which bubbles are sufficiently removed is sucked by the electromagnetic pumps 100 to 300 and transferred to the circulation loop. Since the duct cross-sectional area is large on the inlet side of the electromagnetic pumps 100 to 300, a sufficient back pressure can be secured without taking the loop height, so that cavitation in the electromagnetic pumps 100 to 300 can be effectively prevented.
  • the electromagnetic pumps 100 to 300 again supply liquid metal to the target forming unit.
  • the quench tank 600 of the present invention a plurality of separation plates 604 are provided at the lower portion of the tank body 601, and bubbles are quickly removed by growing the bubbles with the separation plate 604 while flowing liquid metal. Compared with the case where the bubbles are naturally raised, the bubble separation region can be reduced. For this reason, the quench tank 600 can be reduced in size. In addition, since the occurrence of cavitation in the electromagnetic pump is prevented, the mixing of bubbles into the circulation loop can be minimized.
  • FIG. 18 is a sectional view showing a quench tank according to Embodiment 7 of the present invention.
  • 19 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 18,
  • FIG. 20 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 18, and
  • FIG. 21 is a cross-sectional view taken along line CC in FIG.
  • This quench tank 700 has substantially the same configuration as the quench tank 600 of the sixth embodiment, but is characterized in that the size of the rectifying plate 704 is reduced and a vane-like rectifying plate is provided on the rectifying plate 704. is there.
  • the quench tank 700 includes an upper blade 701 and a lower blade 702, and each of the upper blade 701 and the lower blade 702 includes three blades.
  • the upper blade 701 and the lower blade 702 have a predetermined inclined shape, and the surface of the blade has a configuration in which a mesh member 706 is provided in a metal plate frame 705.
  • the inclination angles of the upper blade 701 and the lower blade 702 are determined based on the flow angle of the inner wall of the liquid metal tank body 601.
  • the inclination angle of the upper blade 701 is looser than that of the lower blade 702.
  • the flow angle of the liquid metal flowing through the inner wall 601a of the tank body 601 gradually decreases from the upper part to the vicinity of the center. Since the introduced liquid metal circulates vigorously in the upper part of the tank body 601, the liquid metal flows at a large angle with respect to the vertical direction. For this reason, the upper blade
  • the inclination angle is set in accordance with the flow angle of the liquid metal in the vicinity of the center of the tank body 601 in the same manner as described above.
  • Four rectifying plates 704 provided in the lower part of the tank body 601 are slightly smaller than those in the sixth embodiment.
  • the function of the current plate 704 is as described in the sixth embodiment.
  • the behavior of the liquid metal in this quench tank will be explained.
  • the liquid metal that has been irradiated with the proton beam from the target forming unit and whose temperature has risen is introduced into the tank body 601 through the pipe 603. Since the pipe 603 is connected in the tangential direction of the cylinder of the tank body 601, the introduced liquid metal circulates along the inner surface of the tank body 601.
  • the liquid metal is guided by the upper blade 701 and the circulation direction is maintained. That is, the upper blade 701 maintains the flow direction of the liquid metal on the inner surface of the tank main body 601 so that the liquid metal does not rapidly change its angle and descend. Subsequently, the flow direction of the liquid metal is further maintained by the lower blade 702, and finally the liquid metal is smoothly introduced into the free liquid surface.
  • the liquid metal is retained in the lower portion of the tank body 601 by stopping its rotation by the current plate 704 provided on the lower side inside the tank body 601. The bubbles contained in the liquid metal adhere to the rectifying plate 704 and grow while being combined with the adjacent bubbles.
  • the grown bubbles have higher buoyancy and rise along the current plate 704. In the process, the bubbles take in small bubbles nearby and continue to grow. The grown bubbles increase in the speed of rising in the liquid metal, eventually reach the free liquid level in the tank body 601 and disappear.
  • the liquid metal from which bubbles are sufficiently removed is sucked by the electromagnetic pumps 100 to 300 and transferred to the circulation loop. Since the duct cross-sectional area is large on the inlet side of the electromagnetic pumps 100 to 300, a sufficient back pressure can be secured without taking the loop height, so that cavitation in the electromagnetic pumps 100 to 300 can be effectively prevented.
  • the electromagnetic pumps 100 to 300 again supply liquid metal to the target forming unit.
  • the quench tank 700 of the present invention since the upper blade 701 and the lower blade 702 smooth the entry speed of the liquid metal into the free liquid surface, bubbles are hardly generated. Further, since the bubbles are quickly removed by the separation plate 704 and the bubbles are removed, the separation region of the bubbles can be made smaller than when the bubbles are naturally raised. For this reason, the quench tank 700 can be reduced in size. In addition, since the occurrence of cavitation in the electromagnetic pumps 100 to 300 is prevented, the mixing of bubbles into the circulation loop can be minimized.
  • FIG. 22 is a block diagram showing a liquid metal loop of the present invention.
  • the quench tanks 400 to 700 described in the fourth to seventh embodiments are provided in the circulation path.
  • the target forming unit 801 of the liquid metal loop 800 includes a nozzle 802 that jets the liquid metal in a plane so as to cross the proton beam irradiation region, and a receiving unit 803 that includes a diffuser that receives the jetted liquid metal. The For this reason, bubbles are easily mixed in the receiving portion 803. Bubbles contained in the liquid metal are removed in the quench tanks 400 to 700.
  • the liquid metal from which the bubbles are removed is sent to the electromagnetic pumps 100 to 300. In the electromagnetic pumps 100 to 300, the pressure loss can be sufficiently reduced, so that there is an effect of effectively preventing cavitation in the electromagnetic pumps 100 to 300.
  • the electromagnetic pumps 100 to 300 send the liquid metal again through the heat exchanger 805 to the target forming unit 801.
  • the target is constituted by the jet of liquid metal, a back plate is not required behind the film flow of liquid metal as in the prior art. For this reason, neutron damage to the structure can be suppressed.
  • the quench tanks 400 to 700 are suitable for such a target forming unit 801.
  • a quench tank that is arranged in a circulation path of a liquid metal loop and separates and cools liquid metal vapor or mixed gas in the liquid metal introduced into the tank body, and the tank body forms a substantially horizontal flow of the liquid metal.
  • a separation plate made of a plate or a mesh plate having a separation region and having a plurality of holes therein is arranged so that the separation plate is substantially horizontal in the flow direction of the liquid metal.
  • the inlet sides of the first to third electromagnetic pumps are connected to the separation region.
  • a quench tank that is arranged in a circulation path of a liquid metal loop and separates and cools liquid metal vapor or mixed gas in the liquid metal introduced into the tank body, and the tank body forms a substantially horizontal flow of the liquid metal.
  • a separation plate having a separation region and having a plurality of holes inclined in the vertical direction or a mesh plate is disposed in the separation region, and the inlet side of the electromagnetic pump according to any of the first to third embodiments is further separated from the separation region. It is characterized by being connected to.
  • a quench tank that is arranged in a circulation path of a liquid metal loop and separates and cools liquid metal vapor or mixed gas in the liquid metal introduced into the tank body, and the tank body forms a substantially horizontal flow of the liquid metal.
  • a separation plate having a separation region, curved in the longitudinal direction and having a cross-sectional shape of at least one reverse recess, and a hole near the center and / or the middle of the top is disposed. Further, the inlet side of the electromagnetic pump according to the first to third embodiments is connected to the separation region.
  • a quench tank that is arranged in a circulation path of a liquid metal loop and separates and cools liquid metal vapor or mixed gas in the liquid metal introduced into the tank body, and is connected to the tank body and flows substantially vertically in the liquid metal.
  • a separation region that forms a recess, and a hole is formed in the vicinity of the center that is the bottom of the separation region, and a small hole is formed in the vicinity of the middle of the edge and the bottom.
  • a separation plate arranged with a predetermined distance from the bottom surface is disposed, and an inlet for introducing liquid metal from the tank body is provided between the separation plate and the bottom surface in the separation region, A liquid metal outlet is provided on the upper side of the separation plate, and the inlet side of the electromagnetic pumps of the first to third embodiments is connected to the separation region.
  • the separation area may be separated from the tank body.
  • a quench tank that is arranged in a circulation path of a liquid metal loop and separates and cools liquid metal vapor or mixed gas in the liquid metal introduced into the tank body, and is composed of a mesh plate or a punching plate at a lower portion in the tank body.
  • a quench tank wherein a separation plate is arranged in a vertical direction, and an inlet side of the electromagnetic pump according to any one of the first to third embodiments is connected to a lower portion of the tank body. Further, a blade having an inclination angle set along the flow angle of the liquid metal on the inner surface of the tank body may be provided above the separation plate of the tank body.
  • Electromagnetic pump 1 Case 2 Outer cylinder 3 Inner cylinder 4 Electromagnetic coil 5 Duct 6 Internal iron core 9 Slot 10 Stator iron core 11 Coil

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Abstract

　電磁ポンプ１００は、筐体１内に、ステンレス製の外筒２と、外筒２の内部に配置されたステンレス製の内筒３と、前記外筒２の周囲に配置した電磁コイル４とを備えた構成である。外筒２は、全体として円錐台形状であり、入口側の径が大きく、出口側の径が小さい。内筒３も同様に入口側の径が大きく、出口側の径が小さい。外筒２と内筒３との間にはダクト５が形成される。ダクト５の径方向の断面積は、入口側で大きく、出口側で小さくなる。この電磁ポンプ１００では入口側のダクト５の断面積が大きいので、液体金属の入口側の流速が下がって圧力損失を十分小さくできるので、総合的に電磁ポンプ１００におけるキャビテーションの発生を防止する方向に働く効果がある。このため、ループ配管の高さを低くでき、場合によってはループ配管の高さを確保する必要がなくなるので、装置をコンパクトにできる。

Description

電磁ポンプ及びクエンチタンク並びに液体金属ループ
　本発明は、液体リチウム等の液体金属の循環等に用いる電磁ポンプ及びクエンチタンク並びに液体金属ループに関するものである。
　従来から特許文献１に記載のような電磁ポンプが知られている。この電磁ポンプは、同心二重円筒管の外側径方向に複数の固定子鉄芯を放射状に配置し、この固定子鉄芯に櫛歯状のスロットを複数設け、各スロットにリング状のコイルを複数配置した構成である。同心二重円筒管は、外管と内管とから構成され、外管と内管との間にダクトが形成される。内管は、その内部に磁力線を通すための内部鉄芯を有する。また、内管の両端部は円錐状に形成される。外筒は、高速増殖炉の液体ナトリウムの循環ループ経路に接続される。
　各コイルは、流れ方向に三相交流巻線として各相の順に配置されており、この電磁ポンプのコイルに三相交流を流すと、ダクト内の流れ方向に進行磁界が発生する。また、所謂フレミングの右手の法則により流体中に電圧が誘起されて誘導電流が流れ、流体自体にローレンツ力が発生する。この進行磁界と誘導電流による電磁力により液体金属を移送する。
特開昭６２－１７８１５３号公報
　一般的なループでは、電磁ポンプの入口側のループ配管の高さを１０ｍ程度確保することで電磁ポンプの背圧を確保し、キャビテーションの発生を防止するようにしている。しかしながら、ループ配管を高くすると装置が大きくなるという問題点がある。この発明はかかる問題点を解決するためになされたものである。
　本発明に係る電磁ポンプは、外筒及び内筒の間に導電性の液体を流すダクトを形成すると共に、前記外筒の外側に電磁コイルを設けた電磁ポンプにおいて、前記ダクトの入口側の径方向断面積が出口側の径方向断面積より大きいことを特徴とする。
　ダクトの入口側の径方向断面積を大きくすると、入口側での流速が遅くなりキャビテーションを防止する方向に働く。このため、電磁ポンプを適用する導電性の液体の循環ループの高さを低くできる効果がある。
　また、本発明に係る電磁ポンプは、外筒及び内筒の間に導電性の液体を流すダクトを形成すると共に、前記外筒の外側に電磁コイルを設けた電磁ポンプにおいて、前記外筒の内面及び内筒の外面は、軸方向に対して、ダクト入口側の径方向断面積が出口側の径方向断面積より大きくなるような傾斜角度を有していることを特徴とする。
　即ち、外筒の内面及び内筒の外面に傾斜角度を持たせることで、外筒と内筒の間に形成されるダクトの径方向断面積が変化する。このようにしてダクトの入口側の径方向断面積を大きくすると、入口側での流速を遅くできるのでキャビテーションを防止する効果があると共にループ高さを低くできるという効果がある。
　また、本発明に係る電磁ポンプは、上記発明において、更に、外筒及び内筒の径方向の間隔が軸方向で略均一であることを特徴とする。
　電磁コイルにより生じさせる磁界がダクト内に均一に発生するので、ダクトの軸方向で磁束密度が大きく変化することがない。
　また、本発明に係る電磁ポンプは、外筒及び内筒の間に導電性の液体を流すダクトを形成すると共に、前記外筒の外側に電磁コイルを設けた電磁ポンプにおいて、外筒の内面及び内筒の外面の一方が、軸方向に対してダクト入口側の径方向断面積が出口側の径方向断面積より大きくなる傾斜角度を有し、他方が、軸方向に対して平行であることを特徴とする。
　係る構成であっても外筒と内筒の間に形成されるダクトの径方向断面積が変化し、前記ダクトの入口側の径方向断面積を大きくすると、入口側での流速が遅くなりキャビテーションが防止される方向に働くのでループ高さを低くできる効果がある。
　また、本発明に係る電磁ポンプは、上記発明において、更に、入口側の電磁コイルに流す電流が大きくなるように制御されることを特徴とする。
　即ち、この発明では、入口側において外筒と内筒との間隔が大きくなるとダクト内の磁界が入口側と出口側で異なる結果となるため、入口側の電磁コイルに流す電流を大きくすることでダクトの軸方向における磁界を均一化する。これにより、ダクトの軸方向で入口側流速を遅くできるので、キャビテーションを防止する方向に働く。
　また、本発明に係るクエンチタンクは、液体金属ループの循環経路に配置されタンク本体内に導入された液体金属中の液体金属蒸気或いは混入ガスを分離冷却するクエンチタンクであって、前記タンク本体に、上記のいずれか一つに記載の電磁ポンプの入口側を接続したことを特徴とする。
　また、本発明に係る液体金属ループは、上記クエンチタンクを備えたことを特徴とする。
図１は、この発明の実施の形態１にかかるクエンチタンクを示す正面図である。 図２は、図１に示した電磁ポンプの径方向のＡ－Ａ断面図である。 図３は、図１に示した電磁ポンプのＢ－Ｂ断面図である。 図４は、この発明の実施の形態２にかかるクエンチタンクを示す正面図である。 図５は、図４に示した電磁ポンプの径方向のＡ－Ａ断面図である。 図６は、図４に示した電磁ポンプのＢ－Ｂ断面図である。 図７は、この発明の実施の形態３にかかるクエンチタンクを示す正面図である。 図８、図７に示した電磁ポンプの径方向のＡ－Ａ断面図である。 図９は、図７に示した電磁ポンプのＢ－Ｂ断面図である。 図１０は、この発明の実施の形態４にかかるクエンチタンクを示す正面図である。 図１１は、図１０に示したクエンチタンクの側面図である。 図１２は、図１０に示したクエンチタンクの上面図である。 図１３は、図１０に示したクエンチタンクの断面図である。 図１４は、筒体の断面図である。 図１５は、この発明の実施の形態５にかかるクエンチタンクの筒体を示す断面図である。 図１６は、この発明の実施の形態６に係るクエンチタンクを示す断面図である。 図１７は、図１６のＡ－Ａ断面図である。 図１８は、この発明の実施の形態７に係るクエンチタンクを示す断面図である。 図１９は、図１８のＡ－Ａ断面図である。 図２０は、図１８のＢ－Ｂ断面図である。 図２１は、図１８のＣ－Ｃ断面図である。 図２２は、この発明の液体金属ループを示す構成図である。
（実施の形態１）
　図１は、この発明の実施の形態１にかかる電磁ポンプを示す流れ方向断面図である。図２は、図１に示した電磁ポンプの径方向のＡ－Ａ断面図、図３はＢ－Ｂ断面図である。この電磁ポンプ１００は、筐体１内に、ステンレス製の外筒２と、外筒２の内部に配置されたステンレス製の内筒３と、前記外筒２の周囲に配置した電磁コイル４とを備えた構成である。
　外筒２は、全体として円錐台形状であり、入口側の径が大きく、出口側の径が小さい。なお、ループの配管と取り合いを行う部分（外筒の端縁２ａ）は直管状となる。また、内筒３も同様に入口側の径が大きく、出口側の径が小さい。外筒２と内筒３との間にはダクト５が形成される。ダクト５の形状は、外筒２の内筒３との間隙に形成されることから円環状となる。また、ダクト５の径方向の断面積は、入口側で大きく、出口側で小さくなる。
　内筒３の中には、磁力線を通すための内部鉄芯６が設けられている。内筒３の外周面と外筒２の内周面との間には、内筒３を支持する支持板７が径方向に設けられている。当該支持板７は、内筒３の前後端近傍の周方向に４つ均等に設けられている。また、内筒３の前後には円錐形状のキャップ８が設けられている。
　電磁コイル４は、櫛歯状にスロット９を複数形成した固定子鉄芯１０と、前記スロット９に配置されたコイル１１とから構成される。固定子鉄芯１０は、櫛歯状のスロット９を形成した薄板鉄板を積層して所定厚を有する積層鉄芯とし、この積層鉄芯を外筒２の周囲に均等配置した構成である。固定子鉄芯１０の外筒対向面は、外筒２の傾斜角度に沿って傾斜しており、外筒２の周囲に配置した際に固定子鉄芯１０が外筒２の外周面に対して隙間なく当接する。前記傾斜角度は電磁ポンプ４の軸方向に対する外筒２の内面又は内筒３の外面の角度である。
　固定子鉄芯１０の外側は、筐体１の内周面に対して支持されている。また、各スロット９内には、円環状に巻回されたコイル１１が配置されている。各コイル１１は、液体金属の流れ方向に三相交流巻線として各相の順に配置される。内筒２と外筒３との径の差はダクト５の流れ方向で均一であるから、電磁コイル４に一定の電流を流すことで液体金属に付与される電磁力を流れ方向で均一にできる。
　次に、この電磁ポンプ１００の動作を説明する。この電磁ポンプ１００のコイル１１に三相交流を流すと、ダクト５内の流れ方向に進行磁界が発生する。また、所謂フレミング法則により流体中に電圧が誘起されて誘導電流が流れ、流体自体にローレンツ力が発生する。この進行磁界と誘導電流による電磁力により液体金属を移送する。
　また、この電磁ポンプ１００では入口側のダクト５の断面積が大きいので、液体金属の入口側の流速が下がり、電磁ポンプ１００におけるキャビテーションの発生を防止する方向に働く。このため、ループの高さを低くする効果が期待できる。場合によってはループの高さを確保する必要がなくなるので、装置をコンパクトにできる。
　また、外筒２の傾斜角度は内筒３の傾斜角度より若干大きく設定しても良い。これにより、入口側のダクト５の断面積を、出口側のダクト５の断面積よりもより大きくできる（図示省略）。
（実施の形態２）
　図４は、この発明の実施の形態２にかかる電磁ポンプを示す流れ方向断面図である。図５は、図４に示した電磁ポンプの径方向のＡ－Ａ断面図、図６はＢ－Ｂ断面図である。この電磁ポンプは、この電磁ポンプ２００は、筐体１内に、ステンレス製の外筒２０２と、外筒２０２の内部に配置されたステンレス製の内筒２０３と、前記外筒２０２の周囲に配置した電磁コイル２０４とを備えた構成である。
　外筒２０２は、３ブロックに分かれており、第１ブロック５０は大径で軸方向に直線状の配管からなり、第２ブロック５１は第１ブロック５０と連続して全体として円錐台形状であり、第３ブロック５２は第１ブロック５０より小径で軸方向に直線状の配管からなる。
　同様に、内筒３も前記第１ブロック５０の大径で直線状の円管体からなり、第２ブロック５１は円錐台形状となり、第３ブロック５２は小径で軸方向に直線状の円管体からなる。第２ブロック５１における外筒２０２及び内筒２０３の傾斜角度は同じである。傾斜角度は電磁ポンプ２００の軸方向に対する外筒２０２の内面又は内筒２０３の外面の角度である。
　外筒２０２と内筒２０３との間にはダクト２０５が形成される。ダクト形状は、外筒２０２の内筒２０３との間に形成されることから円環状となる。第１ブロック５０では、外筒２０２及び内筒２０３とも直線状であるためダクト２０５の断面積は一定である。第２ブロック５１では、全体が円錐台形状のため流れ方向に次第にダクト２０５の断面積が小さくなる。第３ブロック５２では、外筒２０２及び内筒２０３とも直線状であるためダクト２０５の断面積は一定である。
　内筒２０３の中には、磁力線を通すための内部鉄芯２０６が設けられている。内筒２０３の外面と外筒２０２の内面には、内筒２０３を支持する支持板７が径方向に設けられている。当該支持板７は、内筒２０３の前後端近傍の周方向に４つに均等に設けられている。また、内筒２０３の前後には円錐形状のキャップ８が設けられている。このキャップ８の先端は球形であっても良い。
　電磁コイル２０４は、櫛歯状にスロット９を複数形成した固定子鉄芯２１０と、前記スロット９に配置されたコイル１１とから構成される。固定子鉄芯２１０は、櫛歯状のスロット９を形成した薄板鉄板を積層して所定厚を有する積層鉄芯とし、この積層鉄芯を外筒２０２の周囲に均等配置した構成である。第２ブロック５１における固定子鉄芯２１０の外筒対向面は、外筒２０２の傾斜角度に沿って傾斜しており、外筒２０２の周囲に配置した際に固定子鉄芯２１０が外筒２０２の外周面に対して隙間なく当接する。前記傾斜角度は電磁ポンプ２００の軸方向に対する外筒２０２の内面又は内筒２０３の外面の角度である。
　固定子鉄芯２１０の外側は、筐体１の内面に対して支持されている。また、各スロット９内には、円環状に巻回されたコイル１１が配置されている。各コイル１１は、液体金属の流れ方向に三相交流巻線として各相の順に配置される。内筒２０３と外筒２０２との径の差はダクト２０５の流れ方向で均一であるから、電磁コイル２０４に一定の電流を流すことで液体金属に付与される電磁力を流れ方向で均一にできる。
　以上のような構成の電磁ポンプ２００であっても、電磁ポンプ２００の入口側のダクト２０５の断面積が大きいので、入口側の流速が下がり、電磁ポンプ２００におけるキャビテーションの発生を防止する方向に働く。
（実施の形態３）
　図７は、この発明の実施の形態１にかかる電磁ポンプを示す流れ方向断面図である。図８は、図７に示した電磁ポンプの径方向のＡ－Ａ断面図、図９はＢ－Ｂ断面図である。この電磁ポンプは、筐体１内に、ステンレス製の外筒３０２と、外筒３０２の内部に配置されたステンレス製の内筒３０３と、前記外筒３０２の周囲に配置した電磁コイル３０４とを備えた構成である。
　外筒３０２は、軸方向に対して内面が平行な直管形状である。また、内筒３０３は、全体として円錐台形状であり、入口側の径が小さく、出口側の径が大きい。外筒３０２と内筒３０３との間にはダクト３０５が形成される。ダクト形状は、外筒３０２の内筒３０３との間に形成されることから円環状となる。傾斜角度は電磁ポンプ３００の軸方向に対する外筒３０２の内面又は内筒３０３の外面の角度である。この実施の形態３に係る電磁ポンプ３００は、内筒３０３が円錐台形状となっているので、ダクト３０５の断面積は入口側で大きく、出口側で小さくなる。
　内筒３０３の中には、磁力線を通すための内部鉄芯３０６が設けられている。内筒３０３の外面と外筒３０２の内面には、内筒３０３を支持する支持板７が径方向に設けられている。当該支持板７は、内筒３０３の前後端近傍の周方向に４つ均等に設けられている。また、内筒３０３の前後には円錐形状のキャップ８が設けられる。このキャップ先端が球形であっても良い。
　電磁コイル３０４は、櫛歯状にスロット９を複数形成した固定子鉄芯３１０と、前記スロット９に配置されたコイル１１とから構成される。固定子鉄芯３１０は、櫛歯状のスロット９を形成した薄板鉄板を積層して所定厚を有する積層鉄芯とし、この積層鉄芯を外筒３０２の周囲に均等配置した構成である。固定子鉄芯３１０の外筒対向面は、外筒３０２の外周面に対して隙間なく当接する。
　固定子鉄芯３１０の外側は、筐体１の内面に固定されている。また、各スロット９内には、円環状に巻回されたコイル１１が配置されている。各コイル１１は、液体金属の流れ方向に三相交流巻線として各相の順に配置される。内筒３０３と外筒３０２との径の差はダクト３０５の流れ方向で次第に小さくなるので、液体金属に付与される電磁力を流れ方向で均一にするため、電磁コイル３０４に流す電流を入口側で大きくする。
　以上のような構成の電磁ポンプ３００であっても、入口側のダクト３０５の断面積が大きいので、入口側の流速が下がり、その結果、電磁ポンプ３００におけるキャビテーションの発生を防止する方向に働く効果がある。
　また、図示しないが、外筒について、全体として円錐台形状でその入口側の径を大きく且つ出口側の径を小さくし、内筒について、入口側の径を小さく且つ出口側の径を大きくしても良い。また、外筒について、全体として円錐台形状でその入口側の径を大きく且つ出口側の径を小さくし、内筒について、外面を軸方向に直線状の円管体にしても良い。係る構成でも、ダクトの入口側の面積が出口側より大きくなるので、上記同様の作用効果を有するものとなる。
　上記実施の形態１～３の電磁ポンプ１００～３００は、ＢＮＣＴ（ホウ素中性子捕捉療法）、原子炉、核融合炉、高速増殖炉等の他、様々なプラントや製品に適用できる。
（実施の形態４）
　以下に、この発明の電磁ポンプ１００～３００をクエンチタンクに適用した例を示す。図１０は、この発明の実施の形態４にかかるクエンチタンクを示す正面図である。図１１は、図１０に示したクエンチタンクの側面図、図１２は上面図である。図１３は、図１０に示したクエンチタンクの断面図である。クエンチタンク４００は、液体金属のターゲットを形成するターゲット形成部の受け部に配管により接続されたタンク本体４０１と、タンク本体４０１の下部に略水平方向に設けられた筒体４０２とから構成される。前記タンク本体４０１は、円筒状に板金加工された構造である。前記ターゲット形成部からの配管４０３は、タンク本体４０１の上部側面であって、タンク本体４０１の円筒に対する接線方向に設けられている。これにより、配管４０３から導入される液体金属がタンク本体４０１の内面４０１ａに沿って回転しながら自由液面に入ることになる（液体金属の流れを図中点線矢印で示す）。前記ターゲット形成部は、陽子ビームの照射領域を横切るように液体金属を平面的に噴射するノズルと、噴射された液体金属を受けるディフューザからなる受け部とから構成される。
　タンク本体４０１の下部には、整流板４０４が円筒軸を中心に中央部分を空けて放射状に４枚設けられている。この整流板４０４は平板でも良いし、メッシュ板又はパンチングメタルでも良い。整流板４０４の枚数は、４枚に限定されない。
　前記筒体４０２は、タンク本体４０１に対して先端４０２ａが下に向くように若干傾いている。筒体４０２の内部には、図１４に示すように、鉛直方向に対して傾いた分離板４０５が複数配置されている。隣接する分離板４０５との間隔は、気泡上昇速度と筒体滞留時間とにより定まり、具体的には３ｃｍ以上５ｃｍ以下とするのが好ましい。分離板４０５の角度は、これに限定するものではないが、図１４（ａ）に示すように、タンク本体４０１の軸方向に鉛直方向から４５度以上６０度以下とするのが好ましい。また、分離板４０５は、図１４（ｂ）に示すように、筒体４０２の略全長に渡って設けられている。筒体４０２の長さは、気泡の分離能力に基づいて定める。
　分離板４０５の下流には前記液体金属の出口４０６が設けられている。出口４０６に接続された配管は、液体金属ループを構成するポンプに接続されている。ポンプから延出した配管は熱交換器を介してターゲット形成部に接続され、全体として液体金属ループを構成する。
　筒体４０２の下流側の底部には、上記実施の形態１～３に記載の電磁ポンプ１００～３００が設けられている。電磁ポンプ１００～３００は、垂直方向に設けられており、ダクトの断面積が大きい側が前記筒体４０２に取り付けられる。電磁ポンプ１００～３００の出口は、循環ループの配管に接続される。
　次に、このクエンチタンク内の液体金属の挙動について説明する。ターゲット形成部から陽子ビームを照射されて温度が上昇した液体金属は、配管３を通じてタンク本体４０１に導入される。配管４０３は、タンク本体４０１の円筒の接線方向に接続されているので、導入された液体金属はタンク本体４０１の内面４０１ａに沿って周回しながら自由液面に入る。このとき、自由液面から気泡が入りこむことになる。
　回転しながら自由液面に入った液体金属はタンク本体４０１内において渦を巻くように移動するが、本体内部の下部に設けた整流板４０４により回転が止められてタンク本体４０１の下部分に滞留した状態になる。タンク本体４０１の下部側面には前記筒体４０２に対応する穴４０７が設けられ、この穴４０７によりタンク本体４０１と筒体４０２とが連通している。この穴４０７には、メッシュ板又はパンチングメタルからなる第二整流板４０８が設けられる。液体金属が筒体４０２の長手方向に流れるに従い、図１４（ａ）に示すように、液体金属に含まれる気泡が上昇する。筒体内に配置した分離板４０５は所定の狭い間隔で配置されているので、気泡が少し上昇することでこの分離板４０５の表面に当たり、気泡同士が合体して成長する。
　気泡が成長することで浮力が増し、気泡の上昇速度が上がり、分離板４０５の斜面下を転がるように上昇移動する。その際も周囲の気泡と合体しながら成長し、自由液面に到達するまでにより大きな気泡となる。かかる現象が各分離板４０５の間で起こる。成長した気泡は、液体金属が筒体４０２の長手方向に流れる間に自由界面に到達し、消滅する。気泡が成長して上昇速度が速くなれば、それだけ短時間で気泡が上昇するので、気泡を効率的に除去でき且つ筒体４０２の長さを短くできる。
　次に、気泡が十分除去された状態の液体金属は、電磁ポンプ１００～３００により吸引されて循環ループに移送される。電磁ポンプ１００～３００の入口側はダクト断面積が大きいため、ループ高さを取らなくても十分な背圧を確保できるので、電磁ポンプ１００～３００におけるキャビテーションを有効に防止できる。電磁ポンプ１００～３００は液体金属を前記ターゲット形成部に再び供給する。
　また、液体金属を噴射してターゲットを形成した場合、受け部において液体金属に気泡が混入しやすい。このため、上記筒体４０２において気泡を除去することは液体金属噴流のターゲットを用いる場合に極めて有用である。
　以上、この発明のクエンチタンク４００によれば、筒体４０２内に複数の分離板４０５を設けることで、液体金属を流しながら分離板４０５により気泡を成長させてすばやく除去するので、筒体４０２の長さを短くでき、クエンチタンク４００を小型化できる。また、電磁ポンプ１００～３００におけるキャビテーションの発生が防止されるので、循環ループ内への気泡混入を最小限に抑えることができる。
　なお、上記ターゲット形成部は、従来のような湾曲したバックプレート上に液体金属を高速で流して液膜を形成する形式のものであっても良い。
（実施の形態５）
　図１５は、この発明の実施の形態５にかかるクエンチタンクの筒体を示す断面図である。このクエンチタンクは、実施の形態４と略同様の構成であるが、分離板５の形状と配置が異なる。その他は実施の形態４のクエンチタンク４００と同じであるからその説明を省略する。このクエンチタンクでは、複数の穴５０２を有するパンチングメタルを分離板５０１とし、これを複数略水平に配置している。タンク本体４０１から流れてきた液体金属は、複数の分離板５０１の層の間を通る。液体金属に含まれる気泡は、各分離板５０１の裏面に当たり、ここで気泡同士が合体して成長する。成長した気泡は浮力が大きくなり、分離板５０１の穴５０２を通じて上昇移動する。そして、上の層の分離板５０１においても更に他の気泡を吸着して成長し、穴５０２を通じて上昇移動する。最終的に、大きく成長した気泡は、筒体２内の液体金属の自由界面に至り、消滅する。
　このように、パンチングメタルからなる分離板５０２によっても気泡が成長してその上昇速度が増すため、当該気泡を分離するために必要な水平距離が短くて済む。このため、筒体を短くできるので、クエンチタンクを小型化できる。
　また、図示しないがメッシュ板により分離板５０１を構成した場合も上記同様の作用効果が得られる。即ち、メッシュの表面に気泡が当たり気泡が成長すると、その気泡の上昇速度が増す。また、成長した気泡は浮力が大きく、メッシュの目を通って上層に移動し、更に成長を続けて液体金属の自由液面に至り、消滅する。このように、気泡が成長して上昇速度が速くなれば、それだけ短時間で気泡が除去されるので、気泡の効率的な除去が可能であり、筒体の長さは短くて済む。最適なメッシュの目合いは、タンクの容量や液体金属の流速等により定める。
（実施の形態６）
　図１６は、この発明の実施の形態６に係るクエンチタンクを示す断面図である。図１７は、図１６のＡ－Ａ断面図である。このクエンチタンク６００は、タンク本体６０１が筒状であってその上部には上述したターゲット形成部からの配管６０３が接続される。また、当該配管６０３は円筒に対する接線方向に設けられている。これにより、配管６０３から導入される液体金属がタンク本体６０１の内面６０１ａに沿って回転しながら自由液面に入る。
　タンク本体６０１の下部には、整流板６０４が円筒軸を中心に中央部分を空けて放射状に４枚設けられている。この整流板６０４は、気泡の付着を促進するためメッシュ板とするのが好ましい。なお、小径の穴を多数形成したパンチングメタルでも良い。整流板６０４の枚数は、４枚に限定されない。当該整流板６０４は、支持プレート６０２によりその上部を支持され、下部はタンク本体６０１の底面６０５に支持される。整流板６０４の長さは、要求される気泡の除去能力に基づいて決定する。
　タンク本体６０１の底部６０５には、上記実施の形態１～３に記載の電磁ポンプ１００～３００が設けられている。電磁ポンプ１００～３００は、垂直方向に設けられており、ダクトの断面積が大きい側が前記タンク本体６０１に取り付けられる。電磁ポンプ１００～３００の出口は、循環ループの配管６０３に接続される。電磁ポンプ１００～３００から延出した配管６０３は、熱交換器を介してターゲット形成部に接続され、全体として液体金属ループを構成する。
　次に、このクエンチタンク内の液体金属の挙動について説明する。ターゲット形成部から陽子ビームを照射され温度が上昇した液体金属は、配管６０３を通じてタンク本体６０１に導入される。配管６０３は、タンク本体６０１の円筒の接線方向に接続されているので、導入された液体金属はタンク本体６０１の内面に沿って周回しながら自由液面に入る。このとき、自由液面から気泡が入り込む。
　回転しながら自由液面に入った液体金属は、タンク本体６０１内において渦を巻くように移動するが、本体内部の下側に設けた整流板６０４により、その回転が止められてタンク本体６０１の下部分に滞留する。液体金属に含まれる気泡は、整流板６０４に接触して付着し、隣接する気泡と合体しながら成長する。成長した気泡は、より浮力が増し、整流板６０４に沿って上昇する。その過程で当該気泡は付近の小さな気泡を取り込み、成長を続ける。成長した気泡は液体金属内を上昇する速度が大きくなり、最終的にはタンク本体６０１内の自由液面に至り、消滅する。
　気泡が十分除去された状態の液体金属は、電磁ポンプ１００～３００により吸引されて循環ループに移送される。電磁ポンプ１００～３００の入口側はダクト断面積が大きいため、ループ高さを取らなくても十分な背圧を確保できるので、電磁ポンプ１００～３００におけるキャビテーションを有効に防止できる。電磁ポンプ１００～３００は液体金属を前記ターゲット形成部に再び供給する。
　以上、この発明のクエンチタンク６００によれば、タンク本体６０１の下部に複数の分離板６０４を設け、液体金属を流しながら分離板６０４により気泡を成長させて当該気泡をすばやく除去するので、気泡を自然に上昇させる場合に比べて気泡の分離領域を小さくできる。このため、クエンチタンク６００を小型化できる。また、電磁ポンプにおけるキャビテーションの発生が防止されるので、循環ループ内への気泡混入を最小限に抑えることができる。
（実施の形態７）
　図１８は、この発明の実施の形態７に係るクエンチタンクを示す断面図である。図１９は、図１８のＡ－Ａ断面図、図２０は図１８のＢ－Ｂ断面図、図２１は図１８のＣ－Ｃ断面図である。このクエンチタンク７００は、実施の形態６のクエンチタンク６００と略同一の構成であるが、整流板７０４の寸法を小さくすると共に整流板７０４の上に羽根状の整流板を設けた点に特徴がある。その他の構成は実施の形態６のクエンチタンク６００と同じであるからその説明を省略し、同一構成要素には同一の符号を付する。このクエンチタンク７００は上部羽根７０１及び下部羽根７０２を備えており、上部羽根７０１及び下部羽根７０２とも３枚の羽根から構成されている。
　上部羽根７０１及び下部羽根７０２は、所定の傾斜形状を有し、羽根の表面は金属板の枠７０５内にメッシュ部材７０６を設けた構成である。上部羽根７０１及び下部羽根７０２の傾斜角度は、液体金属のタンク本体６０１の内壁の流れ角度に基づいて決定する。上部羽根７０１の傾斜角度は下部羽根７０２より緩い。
　タンク本体６０１の内壁６０１ａを流れる液体金属は上部から中央付近に至るまでの間に次第に鉛直方向に対する流れ角度が小さくなる。タンク本体６０１の上部では、導入された液体金属が勢いよく周回しているので、鉛直方向に対して大きな角度で液体金属が流れている。このため、上部羽根７０１は、液体金属の流れに沿って傾斜角度を大きく設定する。
　下部羽根７０２についても、上記同様に、タンク本体６０１の中央付近での液体金属の流れの角度に合わせてその傾斜角度を設定する。タンク本体６０１の下部に設けた４枚の整流板７０４は、実施の形態６のものより若干小さい。整流板７０４の機能は上記実施の形態６で説明した通りである。
　このクエンチタンク内の液体金属の挙動について説明する。ターゲット形成部から陽子ビームを照射され温度が上昇した液体金属は、配管６０３を通じてタンク本体６０１に導入される。配管６０３は、タンク本体６０１の円筒の接線方向に接続されているので、導入された液体金属はタンク本体６０１の内面に沿って周回する。
　液体金属は、上部羽根７０１にガイドされてその周回方向が維持される。即ち、上部羽根７０１はタンク本体６０１の内面で液体金属の流れの方向を維持し、液体金属が急激に角度を変えて降下しないようにしている。続いて、前記液体金属は前記下部羽根７０２により更にその流れの方向が維持され、最終的に滑らかに自由液面に導入される。液体金属は、タンク本体６０１の内部の下側に設けた整流板７０４により、その回転が止められてタンク本体６０１の下部分に滞留する。液体金属に含まれる気泡は、整流板７０４に接触して付着し、隣接する気泡と合体しながら成長する。
　成長した気泡は、より浮力が増し、整流板７０４に沿って上昇する。その過程で当該気泡は付近の小さな気泡を取り込み、成長を続ける。成長した気泡は液体金属内を上昇する速度が大きくなり、最終的にはタンク本体６０１内の自由液面に至り、消滅する。
　気泡が十分除去された状態の液体金属は、電磁ポンプ１００～３００により吸引されて循環ループに移送される。電磁ポンプ１００～３００の入口側はダクト断面積が大きいため、ループ高さを取らなくても十分な背圧を確保できるので、電磁ポンプ１００～３００におけるキャビテーションを有効に防止できる。電磁ポンプ１００～３００は液体金属を前記ターゲット形成部に再び供給する。
　以上、この発明のクエンチタンク７００によれば、上部羽根７０１及び下部羽根７０２により液体金属の自由液面への突入速度を滑らかにするので、気泡が生じ難い。更に、分離板７０４により気泡を成長させて当該気泡をすばやく除去するので、気泡を自然に上昇させる場合に比べて気泡の分離領域を小さくできる。このため、クエンチタンク７００を小型化できる。また、電磁ポンプ１００～３００におけるキャビテーションの発生が防止されるので、循環ループ内への気泡混入を最小限に抑えることができる。
（実施の形態８）
　図２２は、この発明の液体金属ループを示す構成図である。この液体金属ループ８００では、上記実施の形態４～７に記載のクエンチタンク４００～７００を循環経路に備えている。この液体金属ループ８００のターゲット形成部８０１は、陽子ビームの照射領域を横切るように液体金属を平面的に噴射するノズル８０２と、噴射された液体金属を受けるディフューザからなる受け部８０３とから構成される。このため、受け部８０３において気泡が混入しやすい。この液体金属に含まれる気泡は、上記クエンチタンク４００～７００において除去される。気泡が除去された液体金属は、電磁ポンプ１００～３００に送られる。電磁ポンプ１００～３００では圧力損失を十分小さくできるので当該電磁ポンプ１００～３００におけるキャビテーションを有効に防止する方向に働く効果がある。電磁ポンプ１００～３００は、液体金属を熱交換器８０５を通って再びターゲット形成部８０１に送る。
　この液体金属ループ８００によれば、液体金属の噴流によりターゲットを構成するので、従来のように液体金属の膜流の背後にバックプレートを要しない。このため、構造物への中性子損傷を抑制できる。クエンチタンク４００～７００は、このようなターゲット形成部８０１に好適である。
　また、上記実施の形態から、以下のように発明を特定することもできる。
　液体金属ループの循環経路に配置されタンク本体内に導入された液体金属中の液体金属蒸気或いは混入ガスを分離冷却するクエンチタンクであって、前記タンク本体は前記液体金属の略水平流れを形成する分離領域を有し、その内部に、複数の穴を有する板又はメッシュ板からなる分離板を、分離板が前記液体金属の流れ方向に略水平になるように配置し、更に、上記実施の形態１～３の電磁ポンプの入口側が前記分離領域に接続されていることを特徴とする。
　液体金属ループの循環経路に配置されタンク本体内に導入された液体金属中の液体金属蒸気或いは混入ガスを分離冷却するクエンチタンクであって、前記タンク本体は前記液体金属の略水平流れを形成する分離領域を有し、その内部に、鉛直方向に傾いた複数の穴を有する板又はメッシュ板からなる分離板が配置し、更に、上記実施の形態１～３の電磁ポンプの入口側が前記分離領域に接続されていることを特徴とする。
　液体金属ループの循環経路に配置されタンク本体内に導入された液体金属中の液体金属蒸気或いは混入ガスを分離冷却するクエンチタンクであって、前記タンク本体は前記液体金属の略水平流れを形成する分離領域を有し、その内部に、長手方向を軸に湾曲して断面が少なくとも１つの逆凹部形状を有し且つその頂部となる中央付近及び／又は中腹付近に穴を設けた分離板が配置され、更に、上記実施の形態１～３の電磁ポンプの入口側が前記分離領域に接続されていることを特徴とする。
　液体金属ループの循環経路に配置されタンク本体内に導入された液体金属中の液体金属蒸気或いは混入ガスを分離冷却するクエンチタンクであって、前記タンク本体に接続され且つ液体金属の略上下方向流れを形成する分離領域を有し、その内部に、凹形状であり且つその底となる中央付近に穴を設け、また、縁と底との中腹付近に小穴を設け、その底と前記分離領域の底面とが所定間隔をもつように配置された分離板が配置され、前記分離領域内の分離板と底面との間に前記タンク本体から液体金属を導入する導入口が設けられ、前記分離領域の前記分離板の上側に液体金属の出口が設けられ、更に、上記実施の形態１～３の電磁ポンプの入口側が前記分離領域に接続されていることを特徴とする。
　なお、上記分離領域は、タンク本体から分離していても良い。
　液体金属ループの循環経路に配置されタンク本体内に導入された液体金属中の液体金属蒸気或いは混入ガスを分離冷却するクエンチタンクであって、前記タンク本体内の下部にメッシュ板又はパンチング板からなる分離板を鉛直方向に配置し、更に、上記実施の形態１～３の電磁ポンプの入口側が前記タンク本体の下部に接続されていることを特徴とするクエンチタンク。また、前記タンク本体の前記分離板の上方に、当該タンク本体の内面の液体金属の流れ角度に沿ってその傾斜角度を設定した羽根を設けても良い。
　１００　電磁ポンプ
　１　筐体
　２　外筒
　３　内筒
　４　電磁コイル
　５　ダクト
　６　内部鉄芯
　９　スロット
　１０　固定子鉄芯
　１１　コイル

Claims (9)

  1. 　外筒及び内筒の間に導電性の液体を流すダクトを形成すると共に、前記外筒の外側に電磁コイルを設けた電磁ポンプにおいて、
    　前記ダクトの入口側の径方向断面積が出口側の径方向断面積より大きいことを特徴とする電磁ポンプ。
  2. 　外筒及び内筒の間に導電性の液体を流すダクトを形成すると共に、前記外筒の外側に電磁コイルを設けた電磁ポンプにおいて、
    　前記外筒の内面及び内筒の外面は、軸方向に対して、ダクト入口側の径方向断面積が出口側の径方向断面積より大きくなるような傾斜角度を有していることを特徴とする電磁ポンプ。
  3. 　更に、外筒及び内筒の径方向の間隔が軸方向で略均一であることを特徴とする請求項２に記載の電磁ポンプ。
  4. 　外筒及び内筒の間に導電性の液体を流すダクトを形成すると共に、前記外筒の外側に電磁コイルを設けた電磁ポンプにおいて、
    　外筒の内面及び内筒の外面の一方が、軸方向に対してダクト入口側の径方向断面積が出口側の径方向断面積より大きくなる傾斜角度を有し、他方が、軸方向に対して平行であることを特徴とする電磁ポンプ。
  5. 　更に、入口側の電磁コイルに流す電流が大きくなるように制御されることを特徴とする請求項１に記載の電磁ポンプ。
  6. 　更に、入口側の電磁コイルに流す電流が大きくなるように制御されることを特徴とする請求項２に記載の電磁ポンプ。
  7. 　更に、入口側の電磁コイルに流す電流が大きくなるように制御されることを特徴とする請求項４に記載の電磁ポンプ。
  8. 　液体金属ループの循環経路に配置されタンク本体内に導入された液体金属中の液体金属蒸気或いは混入ガスを分離冷却するクエンチタンクであって、
    　前記タンク本体に、請求項１～７のいずれか一つに記載の電磁ポンプの入口側を接続したことを特徴とするクエンチタンク。
  9. 　請求項８に記載のクエンチタンクを備えたことを特徴とする液体金属ループ。
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