JPH02307096A - 液体金属冷却型原子炉の冷却装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分！） 本発明は、液体金属冷却型原子炉の冷却装置に係り、特
に原子炉容器の外部に設置される２次冷却系の冷却装置
の改良に関する。

（従来の技術） 液体金属冷却材を使用している高速増殖炉では、原子炉
冷却材としての１次冷却材が高いレベルの放射能を帯び
るため、１次冷却系を蒸気発生系から隔離する必要があ
る。また、タービン発電機に供給するための蒸気生成過
程において、液体金属と水との熱交換が必要不可欠であ
る。ところが、この両者の接触によって生成する化学反
応熱は茜大で、これを散逸させる必要があることから、
１次冷却系と蒸気発生系との間に、さらに２次冷却系を
設置するのが通例である。

第１０図は、従来のこの種の液体金属冷却型原子炉の冷
却装置を示すもので、原子炉容器１内には、炉心２およ
びこの炉心２を冷却するための液体金属冷却材を原子炉
容器１内で循環させる１次主循環ポンプ３と、１次冷却
材と２次冷却材との熱交換を担う中間熱交換器４とから
なる１次冷却系がそれぞれ配置されている。

一方、２次冷却系は、第１０図に示すように中間熱交換
器４と、図示しないタービン発電機に供給するための蒸
気を生成する蒸気発生器５と、２次冷却材を循環させる
ために蒸気発生器５の内部に配設した電磁ポンプ６と、
これらの機器を接続する配管７とから構成されている。

なお、第１０図において、符号８はルーフスラブ、符号
９は原子炉壁である。

次に前記蒸気発生器５を第１１図を参照して説明する。

蒸気発生器５は、第１１図に示すように、本体胴１０と
本体支持スカート１１とにより、伝熱管１２を始めとす
る構造物を包含した構造となっており、また液体金属用
の配管７と、液体金属人口ヘッダ１３と、液体金属入口
分配管１４とにより、液体金属の入口部分が構成されて
いる。

また、本体胴１０の上部内側には、第１１図に示すよう
に、液体金属の体積変化吸収のための液面１５が形成さ
れており、また、本体胴１０の下部の下部鎖部１６には
、液体金属のドレン等のためのノズル１７が設けられて
おり、また蒸気発生器５の内部中心部分には、液体金属
の出口上昇管１８が設けられているとともに、その外周
部には、伝熱管束内側シュラウド１９が配置されている
。

また、水の入口部分は、第１１図に示すように、図示し
ない給水ポンプからの水が流入する水入口配管２０と、
水入口ヘッダ２１と、水入口分配管２２と、水入口水室
２３とで構成されており、また、蒸気の出口部分は、出
口蒸気室２４と、出口蒸気分流管２５と、出口蒸気ヘッ
ダ２６と、出口蒸気配管２７とで構成されている。

一方、電磁ポンプ６は、第１１図に示すように、液体金
属の出口上昇管１８の上部に、据付フランジ２８を介し
て挿入され、三相の電源ケーブル２９から端子箱３０に
てＭＩケーブル等の被覆ケーブル３１に接続後、液体金
属中に存する固定子コイル３２の部分を、螺旋状等にし
た被覆ケーブル３１で回巻して構成され、かつその外部
には、液体金属が流動するアニユラス空間３３をｉ４る
ために円筒状の外部鉄心３′４が配置されている。

次に、電磁ポンプ６の固定子コイル３２関連部分の詳細
を、第１２図を参照して説明する。

固定子コイル３２は、第１２図に示すように、オーステ
ナイトステンレス鋼等の被覆材３５によって、直接液体
金属と接触しないように被覆されているとともに、被覆
材３５との間に３宵する無機物等の絶縁材で電気的にも
絶縁されており、かつ内部鉄心３６の周囲に螺旋状に配
備されている。

すなわち、円柱形状をなす３本の被覆ケーブル３１が螺
旋状に巻上げられ、据付フランジ２８を経た後、三相の
交流電源に接続されている。

被覆ケーブル３１の周りには、第１２図に示すように、
液体金属の主流路をなすアニユラス空間３３が設けられ
、その外側には、円筒状をなす外部鉄心３４が配置され
ている。そして、被覆ケーブル３１自身は、その全体が
液体金属中に没しているため、固定子コイル３２からの
発生熱が、流動している液体金属によって容易に除去さ
れ、固定子コイル３２の温度上昇を充分小さく抑えるこ
とができる。

（発明が解決しようとする課題） 従来の液体金属冷却型原子炉の冷却装置において、被覆
ケーブル３１は、内部鉄心３６とは被覆材３５を介して
最内面で線接触しているのみであるので、固定子コイル
３２によってス起される磁束のうち、内部鉄心３６に収
斂され外部鉄心３４に向けてアニユラス空間３３を溝切
る方向に有効に利用される割合は、非常に小さいもので
ある。

このため、この構造の電磁ポンプ６では、ポンプの効率
、すなわち付加された電気エネルギに対して得られる流
体エネルギの割合が、１０％以下と非常に小さなものと
なる。

したがって、通常８０％程度の効率が得られる機械式ポ
ンプ等の場合と比較して、相対的に大容量の電源設備が
必要であり、液体金属冷却型原子炉の冷却装置としての
大容量化には不向きとされ、従来は、電気出力１０万Ｋ
Ｗ級以上の冷却装置としては採用されていない。

本発明は、このような点を考慮してなされたもので、電
磁ポンプの効率向上を図り、装置の大容量化を図ること
ができる液体金属冷却型原子炉の冷却装置を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、前記目的を達成する手段として、下方部に水
入口水室、中間部に出口蒸気室そして上方部に液体金属
入口部が設けられている中空円筒状の本体胴と、水入口
水室と出口蒸気室とを接続し、本体胴の内壁に沿ってほ
ぼ円環状に配設された伝熱管束と、本体胴内のほぼ中央
部を挿通して、伝熱管束の配設位置より半径内方向位置
に配設されだ液体金属出口上昇管と、液体金属出口上昇
管の上方内部に配設された電磁ポンプとからなる液体金
属冷却型原子炉の冷却装置であって、電磁ポンプは、周
面に櫛歯状部分が形成された円筒状の鉄心と、円筒状鉄
心の櫛歯状部分に組込まれた環状の固定子コイルと、円
筒状鉄心と固定子コイルの外面を一体的に被覆する被覆
材とを備え、被覆ナイで覆われた円筒状鉄心の固定子コ
イル組込側面には液体金属の主流路が形成され、その反
対側面には冷却用バイバイ流路が形成されていることを
特徴としている。

″（作　用） 本発明に係る液体金属冷却型原子炉の冷却装置において
は、中間熱交換器によって加熱された液体金属が、液体
金属入口配管を通り、蒸気発生器に供給され、蒸気発生
器を下降しながら給水と熱交換し、蒸気を発生せしめる
。熱交換して温度が低下した液体金属は、電磁ポンプの
作用により液体金属上昇管の下端開口から吸い上げられ
、さらに中間熱交換器に返送される。液体金属上昇管の
上部周囲で液体金属液面上の空間部に配設された電磁ポ
ンプは、液体金属出口配管方向に液体金属を移動させる
移動磁界を形成する。

ところで、電磁ポンプは、鉄心との接触面精を増大させ
、しかも接触面間の隙間を充分小さくするようにして固
定子コイルが配備されているため、磁束の漏れが抑制さ
れ、ポンプとしての効率を、４０〜５０％と高くするこ
とが可能となり、装置の大容量化が容易である。

一方、一体被覆構造の電磁ポンプは、発熱部である固定
子コイルと、主流路までの固定子コイル背面における距
離が大きくなるため、コイル部の温度上昇が生じ易くな
るが、反固定子コイル側の被覆材外側には、冷却用バイ
パス流路が設けられているので、コイル部で発生した熱
を効率的に除去し、固定子コイルや鉄心の過度の温度上
昇を抑制することが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第５図を参照
して説明する。

第１図は、蒸気発生器の詳細を示すもので、この蒸気発
生器５は、本体胴４０と本体支［１ｊスカート４１とに
よって、伝熱管４２を始めとする構造物を包含した構造
となっており、液体金属の入口部分は、液体金属用の配
管（図示せず）と、液体金属入口分配管４３とで構成さ
れている。

本体胴４０の上部内側には、第１図に示すように、液体
金属の体積変化吸収のための液面４４が形成され、また
、本体胴４０下部の下部境部４５には、液体金属のドレ
ン等のためのノズル４６が設けられている。また、蒸気
発生器５の内部中心部には、第１図および第２図に示す
ように、液体金属の出口上昇管４７が配置され、その外
部には、伝熱管束内側シュラウド４８が配置されている
。

また、水の人口部分は、第１図に示すように、図示しな
い給水ポンプからの水が流入する水入口配管４つと、水
入口ヘッダ５０と、水出口配管５１と、水入口水室５２
とで構成されており、また、蒸気の出口部分は、出口蒸
気室５３と、出口蒸気分流管５４と、出口蒸気ヘッダ５
５と、出口蒸気配管５６とで構成されている。

一方、電磁ポンプ６は、第１図に示すように、液体金属
の出口上昇管４７の上部内側に据付フランジ５７を介し
て挿入されており、その電源は、三相の電源ケーブルか
ら端子箱（いずれも図示せず）にて高温用ケーブル等に
接続された後、電線管５８の内部を経て、液体金属中に
存する外部固定子コイル５９および内部固定子コイル６
０に至る構成となっている。

内部固定子コイル６０は、第３図ないし第５図に示すよ
うに、アルミナ分散強化型銅合金等の高温での強度およ
び導電性に優れた材料を、無機物質のセラミック系材料
等の高温での電気絶縁性が高い材料で包んで構成され、
各コイル一層は、環状をなしている。そして、この内部
固定子コイル６０は、櫛歯状断面をなす積層板等からな
る内部鉄心６１の櫛歯状部分に、上下および背面を密着
させた状態で上下に複数個装着され、一体化されている
。この一体品は液体金属から隔離するため、オーステナ
イトステンレス鋼等からなる被ｆｆｌ＋４６２により外
面が完全に被覆されている。

一方、外部固定子コイル５９は、第３図ないし第５図に
示すように、内部固定子コイル６０と同一材質、同一構
成であり、外部鉄心６５に設けられた櫛歯状部分に密着
した状態で組込まれている。

そして、環状に形成された液体金属の主流路をなすアニ
ユラス空間６３を挾んで、外部固定子コイル５つは内側
寄りに、また内部固定子コイル６０は外側帯りにそれぞ
れコイルが位置している。

これら各コイル５９．６０の背面側には、第３図ないし
第５図に示すように、被覆材６２を介しその外側に、固
定子冷却のための液体金属バイパス流路６４がそれぞれ
設けられている。このうち、内部固定子コイル６０用の
液体金属バイパス流路６４は、内部鉄心６１の内側に位
置する単一の空孔で形成され、また、外部固定子コイル
５９用の液体金属バイパス流路６４は、外部鉄心６５の
外側に近接して位置する複数の空孔で形成されている。

また、液体金属バイパス流路６４のうち、電磁ポンプ６
の上方、すなわち吐出側寄りには、流路の流量配分を適
切に行なえるようにするため、流路の必要な除熱量と圧
力損失に見合ったオリフィス（図示せず）等が配されて
いる。

また、液体金属の出口上昇管４７と伝熱管束内側シュラ
ウド４８との間隙部には、不活性アルゴンガス等が封入
されており、また、本体胴４０下部のノズル４６には、
図示しない破壊板等が配設されている。

なお、第３図および第４図において、符号６６は環状部
材、符号６７は内部固定子支持部材、符号６８は電磁ポ
ンプ支持筒である。

次に、本実施例の作用について説明する。

第１０図に示すように、炉心２で発生した熱を冷却する
１次冷却材を、１次主循環ポンプ３で循環させると、中
間熱交換器４を介して２次冷却系に熱が伝達される。一
方、蒸気発生器５に内蔵された電磁ポンプ６により２次
冷却材の液体金属を循環させると、中間熱交換器４で成
熱した高温の液体金属が、配管７を通り液体金属入口分
配管４３を経て蒸気発生器５に流入する。

そして、高温の液体金属は、伝熱管４２の外側を流下し
ながら給水を蒸気にすべく熱を与え、自らは降温して低
温の液体金属となる。

この低温の液体金属は、蒸気発生器５内の下部において
開口して設置された液体金属の出口上昇管４７内を上昇
し、さらに電磁ポンプ６にて吐出圧を付与された後に、
第１０図に示す配管７を経て中間熱交換器４に環流する
。

一方、水、蒸気側においては、図示しない給水ポンプか
ら送り込まれた給水が、水入口配管４つから水入口ヘッ
ダ５０に流入後、水入口分配管５１で流量分配された後
、複数に分流されて水入口水室５２に至る。この水入口
水室５２から伝熱管４２の内部に分配送入された給水は
、伝熱管４２内を上昇しながら液体金属と熱交換され温
度上昇して蒸気となった後、出口蒸気室５３に至る。

そして、出口蒸気分流管５４の内部を通過して出口蒸気
ヘッダ５５で合流した後、出口蒸気配管５６から流出し
て図示しない蒸気タービンに送られる。

ところで、本実施例に係る電磁ポンプ６は、その内外の
固定子コイル５９．６０が、ともに鉄心６１．６５に設
けた櫛歯状部分に密着した状態で組込まれているので、
その誘起する磁束の大半を、各鉄心６１．６５にて収斂
させることができ、大容量化した場合でも、４０〜５０
％の充分大きなポンプ効率が得られる。

また、各固定子コイル５９．６０および鉄心６１．６５
の過度な温度上昇は、液体金属バイパス流路６４を、ポ
ンプの吐出側から吸込側に逆戻りする液体金属の流れと
除熱作用により、確実に回避することができる。

すなわち、内部固定子コイル６０の発熱による内部鉄心
６１の温度上昇は、鉄心６１内の透磁率を低下させ、ポ
ンプの効率を著しく低下させることになるが、内部鉄心
６１の内側に配した液体金属バイパス流路６４からの除
熱作用により、これを回避することができる。また、外
部固定子コイル５つの発熱による外部鉄心６５の温度上
昇も、外部鉄心６５の外側に形成されている液体金属バ
イパス流路６４からの除熱作用により抑えることができ
る。

そして、ここで回収された熱エネルギは、全て図示しな
いタービン発電設備等によって有効利用される。例えば
、タービン発電機に接続している場合を基に、その電気
エネルギへの変換効率を４０％と仮定すると、電磁ポン
プ６によって流体エネルギに変換できなかった電気エネ
ルギの損失分（６０〜５０％）は、そのほとんどが、各
固定子コイル５９．６０や鉄心６１．６５での熱損失で
あり、それらを全て回収できることから、電磁ポンプ６
に付加された電気エネルギのうち、２４〜２０％が再び
電気エネルギとなる。このため、見掛は上のポンプ効率
は、６４〜７０％となり、機械式ポンプの効率と比較し
てみても、はぼ遜色がない。

第６図および第７図は、本発明の第２実施例を示すもの
で、前記第１実施例における出口上昇管４７と伝熱管束
内側シュラウド４８との間に、反応圧力抑制筒７０を形
成したものである。

すなわち、液体金属の出口上昇管４７と伝熱管束内側シ
ュラウド４８との間に形成される二重円筒の中間空隙は
、第６図に示すように、蒸気発生器５の低温側液体金属
に導通する液面を有する構造の反応圧力抑制筒７０とし
て形成されている。

また、蒸気発生器５の上部には、第７図に示すように、
反応圧力放出管７１が配置され、この反応圧力放出管７
１には、図示しない被覆板等が配されている。

なお、その他の点については、前記第１実施例と同一構
成となっており、作用も同一である。

このように、反応圧力抑制筒７０を設けることにより、
蒸気発生器５の伝熱管４２における破損事故によりもた
らされる急激な圧力波の伝ムθや圧力上昇に対し、液体
金属液面によって大きな緩衝効果が得られる。特に、液
体金属の出口上昇管４７の上部に配されている電磁ポン
プ６を始めとする蒸気発生器５の低温側に存する構造物
および蒸気発生器５の外部に配されている配管や中間熱
交換器４の健全性、信頼性の向上に大きく寄与する。

また、蒸気発生器５の上部に、反応圧力放出管７１を配
することが可能となるため、蒸気発生器５の保護に必要
な液体金属収納タンク等の補助系機器を大１１に簡素化
できる。

第８図は、本発明の第３実施例を示すもので、前記第１
実施例における固定子の構造と異なり、内部固定子コイ
ル６０および内部鉄心６１側のみを被覆材６２で被覆し
、その中心部に、液体金属バイパス流路６４を形成する
ようにしたものである。

このように構成しても、前記第１実施例と同一の効果が
得られる。

第９図は、本発明の第４実施例を示すもので、前記第３
実施例とは逆に、外部固定子コイル５９および外部鉄心
６５側のみを被覆材６４で被覆し、その外側に、液体金
属バイパス流路６４を形成するようにしたものである。

このように構成しても、前記第１実施例と同一の効果が
期待できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、電磁ポンプの環状をなす
固定子コイルを、固定子鉄心の櫛歯状部分に組込んで鉄
心との接触面積を増大させるようにしているので、磁束
の漏れが抑制されてポンプ効率が向上し、装置の大容量
化がｉＪ能となる。

また、固定子コイルおよび固定子鉄心の外面を被覆する
被覆材の外側には、固定子コイル側の面に液体金属の主
流路が、また反固定子コイル側の面に冷却用バイパス流
路がそれぞれ形成されているので、コイル部で発生した
熱を効率よく除去し、コイルや鉄心の過度の温度上昇を
抑制することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の第１実施例に係る液体金属冷却型原子
炉の冷却装置を示す蒸気発生器の１１′ｒｉＩｊ図、第
２図は第１図の平面図、第３図は第１図の電磁ポンプの
部分を拡大して示す詳細図、第４図は第３図のＩＶ−Ｉ
Ｖ線断面図、第５図は第４図の固定子コイルおよび固定
子鉄心部分を示す説明図、第６図は本発明の第２実施例
を示す第１図相当図、第７図は第６図の平面図、第８図
は本発明の第３実施例を示す第５図ｔｍ当図、第９図は
本発明の第４実施例を示す第５図相当図、第１０図は従
来の液体金属冷却型原子炉の冷却装置を示す全体構成図
、第１１図は従来の蒸気発生器の構成図を示す断面図、
第１２図は第１１図の電磁ポンプの構成を示す要部拡大
断面図である。 １・・・原子炉容器、４・・・中間熱交換器、５・・・
蒸気発生器、６・・・電磁ポンプ、４０・・・本体胴、
４２・・・伝熱管、４３・・・液体金属入口分配管、４
４・・・液面、４７・・・出口上昇管、４８・・・伝熱
管束内側シュラウド、５９・・・外部固定子コイル、６
０・・・内部固定子コイル、６１・・・内部鉄心、６２
・・・被覆管、６３・・・アニユラス空間、６４・・・
液体金属バイパス流路、６５・・・外部鉄心、７０・・
・反応圧力抑制筒、７１・・・反応圧力放出管。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 第３図 第４図 第５図 第８図　　　　　　　　第９図 第１０図 第６図 第７図 茅１１図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下方部に水入口水室、中間部に出口蒸気室そして上
   方部に液体金属入口部が設けられている中空円筒状の本
   体胴と、 前記水入口水室と出口蒸気室とを接続し、前記本体胴の
   内壁に沿ってほぼ円環状に配設された伝熱管束と、 前記本体胴内のほぼ中央部を挿通して、前記伝熱管束の
   配設位置より半径内方向位置に配設された液体金属出口
   上昇管と、 前記液体金属出口上昇管の上方内部に配設された電磁ポ
   ンプとからなる液体金属冷却型原子炉の冷却装置におい
   て、 前記電磁ポンプは、周面に櫛歯状部分が形成された円筒
   状の鉄心と、 前記円筒状鉄心の櫛歯状部分に組込まれた環状の固定子
   コイルと、 前記円筒状鉄心と固定子コイルの外面を一体的に被覆す
   る被覆材と、 を備え、前記被覆材で覆われた円筒状鉄心の固定子コイ
   ル組込側面には液体金属の主流路が形成され、その反対
   側面には冷却用バイパイ流路が形成されていることを特
   徴とする液体金属冷却型原子炉の冷却装置。 ２、固定子コイルは、円筒状鉄心の外周側に組込まれて
   いることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。 ３、固定子コイルは円筒状鉄心の内周側に組込まれてい
   ることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。 ４、円筒状の鉄心は、内部鉄心とその外周部に同心に配
   設された外部鉄心とからなり、内部鉄心の外周側および
   外部鉄心の内周側に、それぞれ固定コイルが組込まれて
   いることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。 ５、液体金属出口上昇管と伝熱管束との間に円筒状の空
   隙を形成し、前記円筒状空隙内に液体金属の液面を形成
   したことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。