JPH0346592A - 冷却材循環用ポンプを有する原子炉 - 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、冷却材循環用ポンプを有する原子炉にかかわ
り、特に、液体金属を冷却材とするナトリウム冷却型高
速増殖炉に関する。

［従来の技術］ 〈発明に最も近い公知例〉 Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　　Ｆａｓｔ　　Ｒｅａｃｔｏｒ　
　Ｐｏｔｉｅｒ　５ｔａｔｉｏｎ”Ｐ　ｈ　ｅｎｉｘ”
（カタログ） 高速増殖炉（以下ＦＢＲと記す。）は一般に液体ナトリ
ウムを冷却材として用いられ、ループ型とタンク型に型
式が分かれる。本発明は両型式に適用できるので従来技
術の例として、タンク型ＦＢＲについて説明する。第２
図は”Ｐｈｅｎｉｘ”炉等に代表される一般的なタンク
型ＦＢＲの一次系の構造を示す。図に示すように、炉容
器２の中に、炉心３、複数基の中間交換器５、複数基の
ポンプ４、そして炉心上部機構６などが納められている
。

炉容器２内にナトリウムｌが充填され、ルーフスラブ９
で蓋がされている。ナトリウム１は自由液面１１を有し
、その上部に不活性ガスのカバーガス空間１２を有して
いる。またナトリウム１は、隔壁構造物１０により、」
二部の高温プレナム７と下部の低温プレナム８に仕切ら
れている。

ポンプ４で駆動された低温プレナム８側のナトリウム１
は、炉心３に入る。ナトリウム１は炉心３の核反応熱で
加熱され、炉心３の上部から高温プレナム７に流出する
。高温プレナム７のナトリウム１は、中間熱交換器５に
流入し、中間熱交換器５内に配管された２次冷却系（図
示省略）へ熱交換して冷却され、再び低温プレナム８に
戻る一巡のループを形成する。以上の循環ループにおい
て、低温プレナム８は約３７０℃、高温プレナム７は約
５３０　’Ｃ程度で運転される。

ポンプ４の全体構造を第３図に示す。この種のポンプ４
は縦型機械式ポンプであり、炉容器２の上部に電動モー
タ２０を備え、シャフト２１はルーフスラブ９を貫通し
て低温プレナム８領域まで延長して、インペラ２２に連
結する。インペラ２２のケーシングからはポンプ流入フ
ローガイドのレデュサ−２３が低温プレナム８領域のナ
トリウム１液中に開口し、また、流出フローガイドのレ
デューサ２４は炉心３底部に配管されている。

液体ナトリウムは大気に露出すると激しく燃焼するほど
の化学的活性が高いことと、さらに、次系ナトリウムは
高い放射性物質であることから、ポンプ回転シャフトの
貫通部は大気から完全にシ−ルする構造とする必要があ
る。第４図に軸貫通部および軸封部の詳細を示す。ルー
フスラブ９の貫通部には軸シール機構の他に、γ線遮蔽
体２５を設けである。

軸封部２６部はメカニカルシール２８部とラビリンスシ
ール２９部の二重構造になっている。

メカニカルシール２８部は回転機器の軸シール法として
一般的な方法で、回転軸に取り付けられた従動リングと
ケーシングに取り付けられたシートリング面で潤滑油を
介してシールし、摺動面での発熱を冷却するため油を循
環する構造になっている。しかし、万一、油が漏れてナ
トリウムと接触すると激しく反応する危険があるため、
メカニカルシール２８の下部にはラビリンスシール２９
も設けられている。

ラビリンスシール２９は回転体と静止体との間に狭いギ
ャップ部と拡大室部を繰り返して軸方向に多段に設け、
ガスをパージして得られる圧力落差効果でシールする構
造である。

γ線遮蔽体２５の部分はポンプシャフト２１とγ線遮蔽
体２５との間に環状空隙部２７を形成し、そのギャップ
は熱変形、あるいは、回転時の偏心等によりシャフト２
１の回転が機械的に接触しないように考慮してシール部
に比べ広いギャップを設けである。１００１００Ｏ級の
ＦＢＲに用いる一次系のポンプでは、ラビリンスシール
２９部に流すパージガスは約数ｆｌ　／ｍｉｎ程度の少
流量で数十ｍｍ／ｓｅｃ程度の流速を得る設計である。

しかし、γ線遮蔽体２５部の環状空隙部２７ではその断
面積が広いため、約１０分の工程度の数ｌＩｌ′ｎ／ｓ
ｅｃの流速に低下する。さらに、環状空隙部２７ではシ
ャツ１−２１の直径も太くなるので回転により周速は数
十ｍ／ｓｅｃ程度にも達する。したがって、環状空隙部
２７ではガスパージ効果はほとんどなくナトリウム自由
液面１１から発生するナトリウムミストの浸入を抑制す
ることはできない。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術はポンプシャフトとγ線遮蔽体部分で形成
する環状空隙部にナトリウムミストの浸入を防ぐ点につ
いて配慮されておらず、根本的な対策が望まれる。

本発明の目的は、機械式ポンプの軸封部へのナトリウム
ミストの浸入を阻止し、ポンプシャフトの回転を阻害す
る要因を排除して、信頼性の高いＦＢＲ用機械ポンプを
提供することにある。

［問題を解決するための手段］ 上記の課題は、冷却材を充填し炉心を格納する炉容器、
同炉容器の上部外部に配置され上記冷却材循環用ポンプ
を電動する原動機、同原動機の旺動軸の軸封装置及び炉
容器の上部遮蔽体の貫通部を有するものにおいて、上記
上部遮蔽体の貫通部の」二記廓動軸を包囲する静止部に
その下端が前記貫通部の下端部に達する縦方向の溝を設
けたことによって解決される。

［作用］ 上記の構成要件によれば、原動機の原動軸すなわちポン
プシャフトとγ線遮蔽体部分で懲戒する環状空隙部に存
在するナトリウムミストはガスに比人で質量の大きい微
粒子として混在する。この混合ガスは、ポンプシャフト
の回転数とほぼ同速の回転流となり、その周速は毎秒数
十メートルにも達する。また、混合ガスの回転流には遠
心力が作用し、ガス中に存在するナトリウムミストの微
粒子には環状空隙の外側に偏析する作用が発生する。

本発明の構成要素であるところの、環状空隙の外側静止
部に縦溝を設けであるため、回転流は溝の部分で遠心力
を失い溝の部分に偏析しているナトリウムミストが積極
的に集合する。また、溝流路での回転流は、キャビチー
フロー状態となるため、溝部分で圧力が開放され、二次
流の渦流が発生し減圧状態となる。それによってナトリ
ウムミストには集中的に溝の部分に集合する作用が働く
。

したがって、遠心力とキャビチーフローの相乗効果によ
りナトリウムミストの回収は完壁となる。

集合したナトリウムミス１−は凝縮して液状になり、縦
溝を伝わって重力で下降し、下方のナトリウムプールに
戻される作用が働く。さら、ラビランスシールからのパ
ージガスの排ガスは環状空隙部を下降するが、溝の部分
の圧力分布が低いので、８ この部分を積極的に流動するように作用する。したがっ
て、少量のパージガス流でもナトリウムミストが最も多
量に集合している溝の部分を効果的に流動するので、ナ
トリウムミストの下降作用をさらに促進する効果が発生
する。

以上のように作用するので、ポンプシャフト軸封部への
ナトリウムミストの浸入を阻止することができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を添付図面にもとづいて説明す
る。本発明のＦＢＲ用機械的ポンプの主要構造は従来型
と同等なので第３図、第４図を用いて全体構成を説明し
、次いで、本発明の一実施例を第１図および第５図を用
いて説明する。さらに、本発明の変形例について第６図
〜第９図について述べる。

第３図に示すように、ＦＢＲに用いる機械式ポンプはほ
とんど縦型である。上部に電動モータ２０があり、電動
モータ２０から回転シャフト２工が下部へ垂直に延長し
、軸封部２６と、γ線遮蔽体２５部を貫通して、ナトリ
ウム１液中にあるインペラー２２に連結されている。イ
ンペラー２２のケーシングにはポンプ流入フローガイド
のレデュサ−２３と流出フローガイドのレデュサ−２４
が設けられている。

このように構成された機械式ポンプ４は次のように動作
する。別の装置で回転制御された電動モータ２０の駆動
力はシャフト２１を回転し、ナトリウムｌ液中にあるイ
ンペラー２２を回転する。

ナトリウム１はレデュサ−２３から流入し、インペラー
２２によりケーシング内で昇圧されレデュサ−２４から
流出するポンピング力を発生する。

縦型の機械式ポンプ４は炉容器２の上蓋であるルーフス
ラブ９の開口部からす１〜リウム１液中に吊り下げるよ
うに垂直に据え付けられるため、上部の電動モータ２０
部は大気雰囲気で、ルーフスラブ９の貫通部以下はナト
リウム雰囲気で稼働する。高温の液体ナトリウムは大気
に露出すると急激に発火する程の化学的活性度の高い危
険物であるとともに、ＦＢＲの一次系ナトリウムではさ
らにＮａ２４に放射能化されているので、炉容器２は完
全な密閉容器構造にする必要がある。そのため、回転体
であるポンプシャフト２１の貫通部は第４図に示す軸受
はベアリング部と軸封構造からなっている。

貫通部はナトリウム雰囲気からのシール構造２６と、放
射線遮蔽構造２５に分けられている。シール構造２６は
、メカニカルシール２８部の下にラビリンスシール２９
部を設けた二重構造になっている。メカニカルシール２
８部は、回転軸′に取り付けられた従動リングと、ケー
シングに取り付けられたシートリング面で油膜を介して
摺動して、回転軸を封じる構造である。ラビリンスシー
ル２９部は、回転体と静止体との間に狭いギャップ部と
拡大室部を繰り返し軸方向に設け、ガスをパージして得
られる圧力落差効果でシールする構造である。パージガ
スはパージガス注入口３０から注入し、シャフト２１の
周囲を下降し、カバーガス空間１２に放出する。放射線
遮蔽構造部２５はシール構造２６の下方に設けられ、主
に貫通部の開■１ ０部からのγ線の漏洩を遮蔽する目的で設けられるもの
で、鋼球を充填した構造になっている。γ線遮蔽体２５
部分の環状空隙２７部のギャップはシール構造２６部の
ギャップに比べ、約１０倍程度広くなっている。

そこで、本発明の一実施例では、ギャップの広いγ線遮
蔽体２５部分の環状空隙２７の内壁面に第１図に示すよ
うに軸方向に本発明に従った複数本の縦溝３１を設ける
。また、その縦溝３１の円周断面形状は第５図に示すよ
うに凹凸状になった、ナトリウムミドストラップ３２を
形成する。さらに、縦溝３１の下方の端部は、第４図に
示すカバーガス１２の領域まで延長して開放する構造を
有する。

一次系のナトリウム１は５００℃以上の高温で流動し、
その自由液面１１を覆うカバーガス空間↓２には、ナト
リウムの酸化防止のため、アルゴンガス等の不活性ガス
を用いている。ナトリウムは一般に自由液面■１からは
多量のナトリウムミストを発生し、アルゴンガス中に混
在する。また、１？ ポンプシャフト２１の軸封部は１００℃以下に保たれな
がら運転される。このように、上部が低温で、下部が高
温の温度条件では、ナトリウムミストを含んだ混合ガス
に自然対流が発生しやすい状態である。自然対流は環状
空隙２７の奥深くまで波及し、ナトリウムミストの浸入
の可能性がある。

１０ＱＯＭＷａ級のＦＢＲに用いる機械式ポンプのシャ
フト２１直径は約５００ｍ＋Φであり、環状空隙２７の
寸法はボンプシャフ１〜２１直径の約１００分の１程度
に設計され、定格約１１００Ｏｒｐの回転数で運転され
る。

第５図において、環状空隙２７の混合ガスはボンプシャ
フ１〜２１の回転と連動し回転流となり、毎秒数十メー
トルの速度に達する。

混合ガスの回転流には下記に示す遠心力（ｆ）が働く。

ｆ＝ｍｒω２・・・・・・・・・・・・・（１）ここに
、 ｍ：回転物体の質量 ｒ：回転半径 ω：角速度 したがって、混合ガス中に存在する質量の大きいナトリ
ウムミストは環状空隙２７の外側に偏析する。しかし、
ナトリウムミストトラップ３２部では、環状空隙２７の
外側内壁に凹凸状の縦溝３１があるため、溝の部分で遠
心力を失い、ナトリウムミストは積極的に集合する。ま
た、円周に形成される凹凸状流路内の流動形態は流体力
学的にパ連続したキャビティーフロー″であるため、ガ
ス流の圧力は凹の部分で開放され減圧状態となることか
ら、ガス流中のナトリウムミストには、さらに凹部に集
合する作用が助長される。集合したナトリウムミストは
凹の部で渦流となりながら凝縮し、自重により縦溝に伝
わって下降しナトリウムプールに戻される。

以上説明したように、本発明の実施例によればポンプシ
ャフトの貫通部に設けた縦溝部分が効果的にす１−リウ
ムミストをトラップする作用を発揮するため、ポンプシ
ャフトの軸封部に浸入して回転を阻害するすトリウムミ
ストの堆積を阻止することができ、信頼性の高いＦＢＲ
用機械式ポンプが達成できる。

以上、本発明の実施例では、環状空隙２７部の温度がポ
ンプシャフト２１からの熱伝導によりナトリウムの融点
温度以上になっているので特別な加熱装置を必要としな
いが、もし温度が低い場合には、環状空隙２７部をγ線
遮蔽体２５側から加熱する装置を設けることができる。

本発明の他の実施例として、第６図に示すように、ポン
プシャフトの貫通部に設けた縦ｉ苛３１の部分をポンプ
シャツ１〜の回転方向に対して下方に進むように、螺旋
状にすることもできる。螺旋溝は凹の部分で旋回流とな
るため、集合したすトリウムミストの下降作用を促進す
る働きが生まれるが、螺旋角度をあまり大きくすると、
凹凸状流路の流動抵抗が増加するため下降作用は低下す
る傾向にある。

また、他の実施例として、第７図に示すように、凹の部
分にステンレス製のメツシュ等のウィック３３を充填し
て、凝縮して液状になったナトリウムをウィック３３の
毛細管現象で下方に輸送する５ こともできる。

また、他の変形例として、凹部の形状を第８図に示すよ
うな台形、あるいは、第９図に示すような楕円などの円
形にすることもできる。これらの変形例は、凹部の入り
目部分が狭くなっているため、キャビティーフローによ
る凹部内の圧力降下割合が大きくなり、ミストトラップ
の効果は更に大きくなるが、構造が複雑になることから
、加工および組立工数が増加する傾向がある。

本発明の他への応用としては、ナ１〜リウム等の危険物
の他に有機容剤、毒物、劇物等を取り扱う化学プラント
用のポンプ、撹拌機等の回転機器の軸封部にも適用でき
る。また、これまでのメツシュフィルター等を用いたナ
トリウムペーパートラップに変わって本発明の遠心分離
機能を利用した高効率のナトリウムペーパー１〜ラツプ
として適用することができる。さらに、ウラン濃縮機に
用いられている様な各種の遠心分離機に適用すると、高
効率の遠心分離機器が得られる。

［発明の効果］ ］６ 以上のごとく、本発明によれば、ポンプシャフトの貫通
部に設けた縦溝部分が効果的にナトリウムミストをトラ
ップする作用を発揮するため、ポンプシャフトの軸封部
に浸入して回転を阻害するナトリウムミストの堆積を阻
止することができる。

したがって、信頼性の高い機械式ポンプを備えたナトリ
ウムを冷却材とする原子炉が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるポンプシャフト貫通部
の構造断面図、第２図は一般的なタンク型ＦＢＲの構成
線図、第３図は一般的なＦＢＲ用機械式ポンプ構造を示
す一部断面図、第４図は従来の機械式ポンプの軸封部構
造を示す一部断面図、第５図は本発明の一実施例による
ポンプシャフト貫通部の横断面図、第６図は本発明の縦
溝構造の他の変形例の構造を示す断面図、第７図は、本
発明の溝部形状の他の変形例の構造を示す要部の断面図
、第８図及び第９図はそれぞれ本発明の溝部形状の他の
変形例の構造を示す要部の断面図である。 １・・・す１〜リウム、２・・・炉容器、３・・・炉心
、４機械式ポンプ、５・・・中間熱交換器、６・・・炉
心」二部機構、７・・高温プレナム、８・・・低温プレ
ナム、９・・ルーフスラブ１０・・・隔壁構造物、１１
・・す１−リウム自由液面、１２・・・カバーガス空間
、２０・・・電動モータ、２１・・・ポンプシャツ１〜
．２２・・・インペラ、２３・・・流入レデューサ−１
２４・流出レデューサ−１２５・・・γ線遮蔽体、２６
・軸封部、２７・・環状空隙、２８・・・メカニカルシ
ール、２９・・・ラビリンスシール、３０・・・パージ
ガス導入口、３１・・溝、３２・・・ナトリウムミス１
〜トラツプ、３３・・・ウィック・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷却材を充填し炉心を格納する炉容器、同炉容器の
   上部外部に配置され上記冷却材循環用ポンプを駆動する
   原動機、同原動機の駆動軸の軸封装置及び炉容器の上部
   遮蔽体の貫通部を有するものにおいて、上記上部遮蔽体
   の貫通部の上記駆動軸を包囲する静止部にその下端が前
   記貫通部の下端部に達する縦方向の溝を設けたことを特
   徴とする冷却材循環用ポンプを有する原子炉。 ２、請求項１、において、前記縦方向の溝を複数本設け
   たことを特徴とする冷却材循環用ポンプを有する原子炉
   。 ３、請求項１、ないし２、において、縦方向溝を前記駆
   動軸の回転方向に傾斜させる螺旋状としたことを特徴と
   する冷却材循環用ポンプを有する原子炉。 ４、請求項１、ないし３、において、前記貫通部の駆動
   軸と静止部との空間にその上部から下部に流れるパージ
   ガスを供給するようにしたことを特徴とする冷却材循環
   用ポンプを有する原子炉。 ５、請求項１、ないし４、において、前記縦方向溝の一
   部ないし全部に毛細管作用を有するウイックを充填した
   ことを特徴とする冷却材循環用ポンプを有する原子炉。 ６、請求項１、ないし５、において、前記貫通部におけ
   る駆動軸と静止部の間を液体金属の融点以上に保持する
   手段をそなえたことを特徴とする冷却材循環用ポンプを
   有する原子炉。