JPH02143192A - タンク型高速増殖炉 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ナトリウム冷却タンク型高速増殖炉に係わり
、特に、高温プレナム内の熱流動特性の改善に関するも
のである。

［従来の技術］ 第１０図は、従来のナトリウム冷却タンク型高速増殖炉
の原子炉主容器の縦断面略示図である。

第１０図の構成は、原子炉主容器１内に炉心２と炉心上
部機構３のほかに、複数基の中間熱交換器４及び、複数
基の一次系ボンブ５で構成されている。さらに、原子炉
主容器１内には炉心２より流出する高温の一次ナトリウ
ム６が存在する高温プレナム部７と中間熱交換器４より
流出する低温のナトリウムが存在する低温ブレナム部８
とを分離する熱遮蔽構造９が設置されている。この種の
代表的な原子炉は、仏国の５ｕｐｅｒ　Ｐｈａｎｉｘ炉
があるが、従来より、この種のタンク型高速増殖炉には
。

プレナム部が大きな熱容量のナトリウムを有する特徴が
あり、熱過渡時に伴う温度ゆらぎ現象により、構造材に
対する熱応力の影響が大きいと言う問題があった。

プレナム内の熱過渡時に発生する温度ゆらぎ現象に深く
関与する温度成Ｍ（ｔｈｅｒｓ＋ａｌ　５ｔｒａｔｉｆ
ｉｃａｔｉｏ口）流は、温度変動幅が大きく、低周波数
で撞動するので、周辺の構造材料に与える熱応力の影響
は、きわめて厳しいものといえる。

温度成層流現象は原子炉スクラム（緊急停止）時に発生
するもので、高温プレナム内に低温プレナムの冷たいナ
トリウムが流出した時に、浮力の影響によって、上部に
高温層が、下部に低温層が停留し、その界面の上下で急
峻な温度勾配が生ずる。さらに、停留している温度成層
界面は重力波の影響を受けて上下に揺動し、温度ゆらぎ
現象が誘発する。

温度成層界面が停留する領域は、第１０図において、中
間熱交換器４のフローエントランス１０の入口部である
。

一方、第１０図に示す従来技術の中間熱交換器４流入孔
の位置、及びその外周に設けられているフローエントラ
ンス１０の長さは、プレナム上部のカバーガスの巻き込
みを防止する事を考慮して設けたものである。

従来の技術では、ナトリウムの温度ゆらぎによる構造材
への影響は、完全に解明されていない。

温度成層流を消滅する対策としては、中間熱交換器側に
スリーブなどを設ける方法（特願昭５８−２１８４号）
あるいは、炉心上部機構側にバッファを設ける方法（特
願昭５９−１３２１６号）などにより、ミキシング効果
を促進するものはあるが、中間熱交換器４の流入孔がプ
レナム液深の深い位置にあり、さらに、フローエントラ
ンス１０が存在するために温度成層界面を消滅する効果
はほとんどない。

［発明が解決しようとする課Ｍ］ 上記した従来技術は、温度成層流を消滅する点について
配慮されておらず、根本的に温度成層流が発生しないプ
レナム構造の開発が臨まれる。

本発明の目的は、中間熱交換器の流入部を軸方向に分散
することによって、温度成層流が発生しないプレナム構
造を有するタンク型高速増殖炉を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明に係るタンク型高速増
殖炉の構成は、内部を５熱遮蔽構造によって、上側の高
温プレナム部と下側の低温プレナム部とに区画した原子
炉主容器内に、炉心と、この炉心から前記高温プレナム
部へ流出した一次ナトリウムを、その伝熱部で冷却し、
これを前記低温ブレナム部へ流出せしめる中間熱交換器
と、この中間熱交換器から流出した一次ナトリウムを吸
入し、これを前記炉心へ圧送するポンプとを収納したも
のであって、前記中間熱交換器の胴に、前記炉心から流
出したナトリウムを吸入し、これを前記伝熱部へ導くた
めの流入孔群を穿設してなるタンク型高速増殖炉におい
て、前記流入孔群は、胴の、高温プレナム部に臨む全長
さ範囲にわたって分布するようにしたものである。

［作用コ 本来、中間熱交換器の果すべき役割は、熱交換性能を最
高にすることであるが１本発明の起点である。いわゆる
温度成層流の消滅という課題もまた重要であった。その
ためには１本発明のように。

中間熱交換器の軸方向に設けた流入孔が高温ブレナム内
の一次系ナトリウムの流路となり、プレナムの底部から
自由液面位置までの全領域に分流するように作用するた
め、死水領域が生成しないので、温度成層流が発生しな
いようにすることである。

中間熱交換器への流入領域が拡大し広範囲に分流してい
るため、自由液面近傍の流速が低下するように作用し、
ガスが巻き込むことはない。

次に１本発明の中間熱交換器の熱交換性能について予め
検討する。

中間熱交換器（ＩＨＸ）の交換熱量は、（１）式で表わ
される。

Ｑ＝ＡＸＵＸΔＴｍ・・・・・・・・・（１）ここで。

Ｑ：交換熱量　　　（Ｋｃａｌ／ｈ） Ａ：伝熱面積　　　（ｒＩ？） Ｕ：総括熱貫流率　（にｃａｌ／ｉ　・ｈ−ｋ）ΔＴ■
：対数平均温度差（ｋ） 式（１）で総括熱貫流率Ｕは、 ｈ、：管外面熱伝達率（ｋｃａｌ／ｒｒｒ　ｈ・ｋ）ｈ
ｉ：管内面熱伝達率（ｋｃａｌ／ｒｒｆ　ｈ−ｋ）ｄ６
：伝熱管外径　　（ｍ） ｄｉ：伝熱管内径　　（ｍ） λｔ、：伝熱管熱伝導率（ｋｃａｌ／ｍ−ｈ・ｋ）ｒ、
：管外汚れ係数　　（ｒｉ（・ｈ−に／ｋＣａ１）ｒｉ
：管内汚れ係数　　（ｒｒｒ　・ｔｒｋ／ｋｃａｌ）ま
た、対数平均温度差（ΔＴｍ）は１次式による。

Ｔ：中間熱交換器−次ナトリウム温度（ｋ）ビニ中間熱
交換器二次ナトリウム温度（ｋ）添字　ｉ：入口、。：
出口 （１）式〜（３）式を用いて１例えば交換熱量３００Ｍ
Ｗ級の中間熱交換器について、従来型と本発明のものと
伝熱面積について計算により、比較してみる。

第８図は、軸方向に設けた各流入孔から等流量のナトリ
ウムが流入する場合の段数の影響を調べた結果である６
段数１段は、従来型の中間熱交換器である。多段になる
に伴い、必要伝熱面積は増加する傾向になり、５段設け
た場合、従来型に比べ１２．７％必要伝熱面積増加とな
る。１０段では、１５．５％の増加となる。この程度の
伝熱面積増加に対しては、従来型の中間熱交換器上部に
存在していた死水領域付近の胴部も熱交換部位として活
用することができるようになり、十分に対応可能であり
、中間熱交換器の長尺化及び炉容器の長尺化の必要はな
い。

第９図は、本発明による必要伝熱面積の増加分を低減す
るための一変形例で、各流入孔からのナトリウの流入量
に差を付けたものである。

流入孔段数は５段とし、第１段流入孔からの流入量を変
化させた。なお、第２段目以降は等流量流入とした。し
たがって、流入割合が１の場合が。

従来型中間熱交換器である。

第１段目に多量流入させることにより必要伝熱面積は小
さくなる。しかし、ガスの巻き込みの可能性が高くなっ
てくる１図では、第１段目に全流量の１７２を流入させ
た場合、必要伝熱面積の増加は６．２％にとどまる。

以上説明したように、温度成層流を消滅するために、中
間熱交換器胴（シェル）側に製作した多数の流入孔によ
る該中間熱交換器の熱交換性能の低下は、従来の死水領
域まで伝熱面積を拡大することにより、十分に補償する
ことができることを確認した。

［実施例］ 以下に本発明に係る一実施例を第１〜第３図を用いて説
明する。

第１図は１本発明の第１実施例を適用したタンク型高速
炉の使古器内構造を示した縦断面略示図である。・その
構成は、原子炉主容器１１内には。

炉心１２、炉心上部機構１３．と炉心１２を中心に炉容
器横断面上にサークル状に配置されている複数基の一次
系のポンプ１５、複数基の中間熱交換器１４１等の一次
系主要機器が一次系ナトリウム１６と共に格納されてい
る。さらに、熱遮蔽構造物１７を設け、上部の高温プレ
ナム１８と下部の低温プレナム１９とを隔離している。

以上が炉容器内の主要ＩＩ器の構成であるが、実際の内
部構造は、さらに複雑で１例えば、炉心崩壊熱除去系、
ナトリウム精製系など多くの補助系機器等で構成されて
いる。

本発明の特徴である上記した中間熱交換器１４の構造を
さらに詳細に第２図および第３図に示す。

中間熱交換器１４は、熱遮蔽構造物１７を貫通して高温
ブレナム１８と低温プレナム１９とを連結している。！
Ｒ２０の上部と下部に管板２１ａ。

２１ｂを設け、両管板２１ａ及び２１ｂの間を複数本の
伝熱管２２で連結している１本発明に係る中間熱交換器
の伝熱部は、Ｊ［径の伝熱管を用いた。

いわゆるシェル（胴）−チューブ（管）型の熱交換器を
採用してる。

胴２０には、熱遮蔽構造物１７の上部から、高温ブレナ
ム１８の自由液面の位置を含み、上部管板２１ａの下方
までの領域、さらに全周にわたって複数個の流入孔２３
　（２３’　、２３’　、２３”’・・・）を設け、流
入孔２３の開口面積は下方から上方へと大きく成るよう
に分布する。　胴２０の中心部には、下降管２４があり
下部の管板２１ｂと連結している。胴２０の下部で囲ま
れる管板２１ｂの部分は下部プレナム部２５を形成して
いる。

下降管２４の上部は二重管構造になっていて、環状流路
側は上部管板２１ａの上部に形成する上部プレナム部２
６と連結されている。

下降管２４は、二次冷却系（図示されていない）と接続
されていて、二次冷却系のナトリウムは下降管２４に流
入し、下部プレナム部２５から伝熱管２２に人、す、伝
熱管２２内部を上昇し、上部プレナム部２６を経て二重
管から、二次冷却系に戻るようになっている。

胴２０と下降管２４には伝熱管２２の支持機能と、胴側
流路を蛇行するようにバッフル板２７を多段に設けてい
る。

以下、第１図〜第３図により動作について説明する。

通常運転時の一次系の流路は、第１図の矢印に示すよう
に、炉心１２で加熱された一次系ナトリウム１６は、高
温プレナム１８内に流出し、中間熱交換器１４の流入孔
２３　（２３’　、２３”　、２３″・・・）へ流入す
る。中間熱交換＠Ｌ４内では伝熱管２２群の外側をパン
フル板２７に添って蛇行しながら下降する。伝熱管２２
の二次系側へ熱交換し温度が低下し、低温プレナム１９
へ流出する。

低温プレナム１９からは一次系ポンプ１５の入口側に入
り、再び炉心１２へ圧送するような矢印の順路で循環す
る。

高温ブレナム１８の自由液面部から混入したカバーガス
は、中間熱交換器１４の複数個の流入孔２３　（２３’
　、２３”、２３”′・・・）が広範囲に分流している
ため個々の流入孔２３部での流速が小さく、気泡は浮力
によって上昇するように作用する（第３図）、シたがっ
て、カバーガスの巻き込みは、フローエントランスを設
けなくとも防止することが８来る。

つぎに、原子炉のスクラム（５ｇ急停止）時の動作例に
ついて説明する。

原子炉がスクラム運転に入ると、炉心１２の発熱が停止
するため、低温プレナム１９内の冷たいナトリウムが炉
心１２を通過し、高温ブレナム１８へ流出する。さらに
、ナトリウムの流量は、定格運転時の約１０％以下に低
下するため、高温プレナム１８内では、高温ナトリウム
中に冷たいナトリウムが下方からゆっくりと流入するこ
とになり、温度成層流の発生しやすい条件になる。しか
し５本発明では、高温ブレナム１８の流出部が。

中間熱交換器１４の底から自由液面までの高さ方向に分
散しているため、高温プレナム１８内では撹拌効果が作
用し、温度分布が均一化される。仮に、温度成層界面が
発生しても停留することなく直ちに消滅してしまう、し
たがって、高温ブレナム１８内に存在する構成機器ある
いは、炉主容器１１内壁等への熱衝撃及び熱応力は緩和
する効果がある。

以下、他の実施例を説明する。

第４図は（第２実施例）、中間熱交換器１４の複数個の
流入孔２３の形状を矩形状にして、流入孔２３の大きさ
を下方から上方へと大きくしたものである。

第５図は（第３実施例）、中間熱交換器１４の複数個の
流入孔２３の形状を縦のスリット状にして、スリットの
開口部の幅を下方から上方へと広くしたものである。第
６図（第４実施例）は、中間熱交換器１４の複数個の流
入孔２３の形状を横のリング状にして、下方に設けるリ
ングの開口部の幅を狭く、上方へと広くしたものである
。

以上の変形例（第２〜第４実施例）は、上方で多く、下
方で少なくなるような流量配分にし、伝熱性能を改善す
る手段である。

さらに、ガスの巻き込み防止策としては、第７図（第５
実施例）に示すように液面近傍の流入孔の大きさを小さ
くするようにした。

以上説明したように、本発明の実施例によれば高温プレ
ナム内において、温度成層流が発生しないため１機器へ
の熱衝撃、熱応力を緩和する効果がある。また、フロー
エントランスを設けなくともガスの巻き込みが防止でき
るため、自由液面近傍まで伝熱面積を拡大することが出
来る。

流入孔の形状に関しては、特に規定はないが。

主として製作工程、費用から１円形または矩形（第３図
、第４図）とした。

また、横型リング状の流入孔（第６図）についても、第
２図にて説明した通り、構造上には問題はない。

［発明の効果］ 以上のごとく１本発明によれば、高温プレナム内におい
て、温度成層流が発生しないため、原子炉容器および内
部機器への熱衝撃、熱応力と・緩和する効果がある。ま
た、フローエントランスを設けなくともガスの巻き込み
が防止比きるため、これまでの死水領域であった自由液
面近傍までの領域を伝熱面積として拡大利用できるため
、中間熱交換器等の長尺化は必要としないなどの効果が
あり、信頼性が高く１合理化設計が可能なタンク型高速
増殖炉を提供できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例によるタンク型高速増
殖炉の縦断面略示図、第２図は、同上中間熱交換器の縦
断面略示図、第３図は、同上中間熱交換器の外胴流人孔
の外観図、第４図は１本発明第２実施例による中間熱交
換器の外胴流人孔の外観図、第５図は１本発明の第３実
施例による中間熱交換器の外胴流人孔の外観図、第６図
は１本発明の第４実施例による中間熱交換器の外胴流人
孔の外観図、第７図は１本発明の第５実施例による中間
熱交換器の外胴流人孔の外観図、第８図は、中間熱交換
器の流入孔段数の特性曲線、第９図は、中間熱交換器の
流入孔割合特性曲線、第１０図は、従来のタンク型高速
増殖炉の縦断面略示図である。 〈符号の説明〉 １．１１・・・原子炉主容器、２．１２・・・炉心、３
゜１３・・・炉心上部機構、４，１４・・・中間熱交換
器。 ５．１５・・・−次系ポンプ、６．１６・・・−次系す
１−リウム、７．１８・・・高温プレナム部、８，１９
・・・低温プレナム部、９．１７・・・熱遮蔽構造、１
０・・・フローエントランス、２１・・・管板、２２・
・・伝熱管。 ２３・・・流入孔、２４・・・下降管、２５・・・下部
プレナム、２６・・・上部プレナム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内部を、熱遮蔽構造によって、上側の高温プレナム
   部と下側の低温プレナム部とに区画した原子炉主容器内
   に、 炉心と、 この炉心から前記高温プレナム部へ流出した一次ナトリ
   ウムを、その伝熱部で冷却し、これを前記低温プレナム
   部へ流出せしめる中間熱交換器と、 この中間熱交換器から流出した一次ナトリウムを吸入し
   、これを前記炉心へ圧送するポンプとを収納したもので
   あって、 前記中間熱交換器の胴に、前記炉心から流出したナトリ
   ウムを吸入し、これを前記伝熱部へ導くための流入孔群
   を穿設してなるタンク型高速増殖炉において、 前記流入孔群は、胴の、高温プレナム部に臨む全長さ範
   囲にわたって分布したものであることを特徴とするタン
   ク型高速増殖炉。 ２、中間熱交換器の流入孔が、最上段孔は一次冷却材ナ
   トリウムの自由液面に到達する領域で開口することを特
   徴とする請求項１記載のタンク型高速増殖炉。 ３、中間熱交換器の前記外胴部に設ける流入孔は、下方
   から上方へ向って、その開口面積を徐々に大きくしたこ
   とを特徴とする請求項１記載のタンク型高速増殖炉。 ４、中間熱交換器の複数個の流入孔の形状は、円形また
   は矩形であることを特徴とする請求項１記載のタンク型
   高速増殖炉。 ５、中間熱交換器の複数個の流入孔の形状は、リング状
   または縦型のスリット状であることを特徴とする請求項
   １記載のタンク型高速増殖炉。 ６、中間熱交換器の外胴部に設ける流入孔にあって、前
   記炉心の出口側に面した方向から、前記中間熱交換器の
   背面側へ、前記流入孔の開口面積を徐々に大きくしたこ
   とを特徴とする請求項１記載のタンク型高速増殖炉。 ７、中間熱交換器内に軸方向に設けた多段のバッフル板
   は、下降管および外胴とを一体に支持した構造であるこ
   とを特徴とする請求項１記載のタンク型高速増殖炉。