JPH04335190A - 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】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は液体金属を冷却材とする
高速増殖炉に係り、特に高速増殖炉の炉心構造を改良し
た液体金属冷却型高速増殖炉に関する。

【０００３】

【従来の技術】液体金属を冷却材とする高速増殖炉は、
核分裂性物質を充填した多数の燃料集合体を装荷して炉
心を構成しており、主にナトリウムが燃料からの熱除去
を行なう冷却材として使用される。

【０００４】この液体金属冷却型高速増殖炉においては
、何等かの原因により冷却材流量の減少が生じると、冷
却材温度が上昇して冷却材密度が減少し、反応度が投入
される。高速増殖炉の反応度は原子炉の出力規模に依存
し、小型炉では負であるが、中型炉や大型炉では正の反
応度となり冷却材密度の減少により炉出力を上昇させる
おそれがある。

【０００５】高速増殖炉は、通常冷却材であるナトリウ
ムが蒸発してボイド化することはないが、万一の事故を
想定し、ナトリウムがボイド化した場合でも、原子炉が
安全に停止し、炉心の安全性が保たれる設計となってい
る。

【０００６】冷却材であるナトリウムがボイド化した時
の原子炉の応答としては、炉心が小型の場合は、中性子
の炉心からの洩れが大きいため、上述したように、負の
反応度となって炉心を安全に停止させることができる。

【０００７】これに対し、高速増殖炉の炉心が大型にな
ると、炉心からの中性子洩れが少なくなり、冷却材であ
るナトリウムがボイド化したときの反応度が正となる。 この正の反応度状態のときに、炉心が安全に停止するか
否かは、他の反応度要因を含めて詳細な解析を行なって
、炉心の安全性を確認する必要がある。

【０００８】冷却材であるナトリウムによる正の反応度
は、炉心からの中性子洩れの増大や中性子スペクトルの
軟化により低減できる関係上、従来から反応度を抑制し
て小さくするために、炉心内に中性子吸収物質を装荷し
たり、炉心高さを低くして偏平化した偏平炉心を構成し
て中性子洩れを増大させたり、あるいはベリリウムや水
素化ジルコニウム等の中性子減速材を装荷して中性子ス
ペクトルを軟化させる手段が採られてきた。いずれにし
ても、冷却材であるナトリウムのボイド反応度を小さく
できれば、炉心の安全性・信頼性がより一層向上し、原
子炉の安全設計上非常に価値がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高速増殖炉
のような原子力プラントにおいては、プラントの設計上
、炉心安全性の見地から炉心出力を極度に小さく設計す
ることは、発電コストの点で好ましくない。

【００１０】また、冷却材であるナトリウムが万一ボイ
ド化した場合でも、炉心の反応度を負にするには、炉心
出力を例えば、１００ＭＷｅ程度の小型炉にしなければ
ならず、この炉心出力を上廻るとナトリウムのボイド化
反応度が正になるという問題が生じることになる。

【００１１】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、冷却材による炉心のボイド反応度が零または
負に保ちつつ、より大きな出力の炉心を得ることができ
る高速増殖炉を提供することを目的とする。〔発明の構
成〕

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高速増殖炉
は、上述した課題を解決するために、多数の燃料集合体
を多環状に装荷して炉心領域を形成し、この炉心領域の
中央部には燃料集合体を装荷しないアニュラー型炉心を
備えた高速増殖炉において、前記炉心領域の中央部に不
活性ガスを封入したキャビティ容器を配設し、このキャ
ビティ容器に冷却材流路を形成し、この冷却材流路に一
次冷却材を流出入可能な冷却材連通孔を設け、前記冷却
材流路の冷却材液面が一次冷却材圧力の変化により炉心
の軸方向に変動するように設定したものである。

【００１３】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る高速増殖炉は、キャビティ容器内に封入さ
れる不活性ガスの圧力を調節する圧力発生制御装置をキ
ャビティ容器に圧力調整管を介して連通させる一方、キ
ャビティ容器内の冷却材流路は底部に設けられた冷却材
連通孔を介して高圧プレナムに連通せしめられたもので
ある。

【００１４】

【作用】本発明の高速増殖炉はアニュラー型炉心を備え
たものにおいて、炉心領域の中央部に不活性ガスを封入
したキャビティ容器を配設し、このキャビティ容器内に
環状の冷却材流路を形成してこの流路内に冷却材連通孔
から一次冷却材を案内する一方、冷却材流路の冷却材液
面が一次冷却材の圧力変化により炉心の軸方向に変動さ
せるようにしたので、何らかの原因により原子炉容器内
の冷却材流量が減少した場合には一次冷却材の動圧が低
下してキャビティ容器内の不活性ガス圧力と冷却材圧力
のバランスが崩れ、不活性ガス圧力が冷却材圧力を上廻
って冷却材液面が低下する。この冷却材液面の低下によ
りキャビティ領域への中性子漏洩が増加し、炉心の反応
度が低下する。したがって、大型炉心においても、冷却
材によるボイド反応度を零または負に保つことができ、
炉出力の低下や炉停止に至らしめることができ、燃料の
破損を防止できるので、炉の安全性や信頼性をより一層
向上させることができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明に係る高速増殖炉の一実施例に
ついて添付図面を参照して説明する。

【００１６】図１は、本発明に係る液体金属冷却型高速
増殖炉の一例を示す断面図である。高速増殖炉は原子炉
建屋１のキャビティウォール１ａ内に設けられた原子炉
安全容器２を有し、この安全容器２内に原子炉容器３が
収容され、二重の容器構造に構成される。

【００１７】原子炉容器３内には核燃料を装荷した炉心
部４が収容される。炉心部４は原子炉容器３内に満たさ
れた液体金属冷却材であるナトリウム５中に浸漬状態で
設置され、炉心支持構造物６により支持される。原子炉
容器３内はこの支持構造物６を境にして上部プレナム７
と下部プレナム８とに区画される。炉心部４の上方には
、制御棒駆動機構等を収容した炉心上部機構１０が設置
される一方、炉心部４の周りには一次冷却材と二次冷却
材とを熱交換させる中間熱交換器１１や一次冷却材を原
子炉容器３内で強制循環させる循環ポンプ１２が設置さ
れる。

【００１８】前記中間熱交換器１１や循環ポンプ１２は
原子炉容器の上部を覆う上部蓋１３およびルーフスラブ
１４に吊設状態で支持される。ルーフスラブ１４の中央
部には回転プラク１５が回転自在に設けられ、この回転
プラグ１５の偏心位置に小回転プラグ１６が回転自在に
支持される。符号１７はカバーガス空間であり、この空
間１７内に不活性ガスであるカバーガスが充填される。

【００１９】一方、高速増殖炉の炉心部４は、図２およ
び図３に示すようなアニュラー型炉心２０を構成してい
る。この炉心２０は、核分裂物質（核燃料）を充填した
角筒状（例えば六角筒状）の燃料集合体２１を多数ほぼ
同心円の多環状に装荷して構成されるアニュラー状の炉
心領域２２と、この炉心領域２２の周囲に形成される径
ブランケット領域２３、上部軸ブランケット領域２４お
よび下部軸ブランケット領域２５と、径ブランケット領
域２３の外周側に形成される径方向遮蔽体領域（径方向
中性子遮蔽領域）２６と、前記上部軸ブランケット領域
２４の上方にガスプレナム領域２７を介して設けられた
上部遮蔽体領域（上部軸方向中性子遮蔽領域）２８と、
前記下部軸ブランケット領域２５の下方に形成された下
部ガスプレナム領域あるいは下部遮蔽体領域２９と、前
記炉心領域２２の中央部に炉心軸方向に貫通するように
設けられたキャビティ領域３０とから構成される。

【００２０】炉心領域２２には多数の制御棒３１が図示
しない制御棒駆動機構により出し入れ自在に分散配置さ
れ、上記制御棒３１の出し入れにより原子炉運転の起動
・停止や炉出力が制御されるようになっている。また、
径ブランケット領域２３には燃料核種の親物質を多く含
むブランケット燃料集合体３２が装荷される。

【００２１】また、炉心領域２２の中央部に、炉心２０
を軸方向を貫通して延びるようにしてキャビティ領域３
０が設けられ、このキャビティ領域３０には不活性ガス
が封入された密閉筒状のキャビティ容器３３が図４に示
すように設置される。キャビティ容器３３は炉心領域２
２の各燃料集合体２１の内周側にほぼ内接するようにし
て出し入れ可能に設置され、炉心支持板３５の上部支持
板３６上に支持される。炉心支持板３５の上部支持板３
６と下部支持板３７との間に高圧プレナム３８が形成さ
れ、この高圧プレナム３８内に循環ポンプ１２から吐出
された一次冷却材であるナトリウムが供給されるように
なっている。

【００２２】キャビティ容器３３は内部にスリーブ状（
アニュラー状）冷却材流路であるキャビティ流路４０が
仕切筒４１により形成されて二重筒構造に構成される一
方、キャビティ容器３３の底部には高圧プレナム３８内
に延びる複数の脚部４３が周方向に沿って等間隔に設け
られる。脚部４３には冷却材であるナトリウムを流出入
させる冷却材連通孔としての流入孔４４が形成され、こ
の流入孔４４を介して高圧プレナム３８はキャビティ容
器３３内のキャビティ流路４０に連通している。

【００２３】一方、キャビティ容器３３の仕切筒４１内
に中央キャビティ４５が形成され、この中央キャビティ
４５の下部に下部中性子遮蔽体４６が、上部に上部中性
子遮蔽体４７が炉心２０の下部遮蔽体領域２９および上
部遮蔽体領域２８にそれぞれ対応して設けられる。各中
性子遮蔽体４６，４７はディスク状のステンレス鋼（Ｂ
４　Ｃ焼結体やハフニウムの希釈材でもよい。）を積層
したり、あるいは角筒状ステンレス鋼をハニカム状に配
設して構成される。

【００２４】キャビティ容器３３内の中央キャビティ４
５の中間部には、必要に応じて中性子吸収体４９が配設
される。この中性子吸収体４９はほぼ炉心上面位置ＵＰ
から炉心下面位置ＬＰに相当する炉心有効高さに亘って
設けられ、炉心領域２２からキャビティ容器３３内に洩
れる中性子を吸収するようになっている。

【００２５】また、キャビティ容器３３内にはアルゴン
やヘリウム等の不活性ガスが封入されており、この不活
性ガスは圧力発生制御装置５０によりキャビティ内圧制
御調整管５１を介して圧力調整される。この圧力調整に
よりキャビティ流路４０のナトリウム液面レベルが調節
される一方、このナトリウム液面は、ナトリウム液位計
５２により検出される。前記キャビティ内圧制御調整管
５１は炉心上部機構１０を軸方向に貫通するキャビティ
容器引抜用内筒５４内を上方に延び、ルーフスラブ１４
の上方に設置された圧力発生制御装置５０に接続されて
いる。

【００２６】なお、図４において、符号５５は燃料集合
体２１のエントランスノズル５５を示し、符号５６は燃
料集合体２１内への冷却材流入孔である。

【００２７】次に、本実施例の作用を説明する。

【００２８】この液体金属冷却型高速増殖炉に適用され
るアニュラー型炉心２０は、従来から炉心の冷却材ボイ
ド係数を低減させる炉心配置として知られているが、本
実施例ではアニュラー型炉心２０の特徴を利用して燃料
集合体２１を配置しない炉心領域２２の中央部にキャビ
ティ容器３３を炉心軸方向に貫通して配置したものであ
る。

【００２９】キャビティ容器３３内には、スリーブ状の
冷却材流路であるキャビティ流路４０が形成され、この
キャビティ流路４０に高圧プレナム３８から流入孔４４
を介して一次冷却材であるナトリウムが流入するように
なっており、キャビティ流路４０に流入したナトリウム
の液面高さは、圧力発生制御装置５０により調整される
。

【００３０】前記キャビティ流路４０は、炉心領域２２
の各燃料集合体２１に隣接する内周側に配置され、この
流路幅は、キャビティ容器３３内の封入不活性ガスと一
次冷却材の圧力バランスが変動した場合、ナトリウム液
面がレベルＬ１　からレベルＬ２　に低下することによ
る中性子の漏洩効果（キャビティ領域への中性子洩れ）
を増大させることと、キャビティ容器３３の必要ナトリ
ウム重量の最適化を図って設定される。

【００３１】しかして、高速増殖炉の定格出力運転中に
、何らかの原因（ポンプの停止や大量の気体の流入等）
により一次冷却材流量の低下が生じた場合には、一次冷
却材の動圧が低下する。この冷却材の動圧低下により、
キャビティ容器３３内に封入された不活性ガスの圧力と
一次冷却材であるナトリウム圧力との圧力バランスが崩
れ、封入ガス圧力がナトリウム圧力を上廻ってナトリウ
ム液面が低下する。

【００３２】しかし、このナトリウム液面の低下により
、炉心領域２２からキャビティ領域３０への中性子の漏
洩が増大して炉心の反応度が低下する。この結果、原子
炉の炉出力が低下し、炉停止に至らしめたり、また、燃
料の破損を防止できるので、炉心の健全性や安全性を充
分に維持できる。

【００３３】キャビティ流路４０のナトリウム液面はレ
ベルＬ１　が通常運転時のナトリウム液位であり、この
位置は例えば図３の上部軸ブランケット領域２４の中間
レベルに相当する。また、ナトリウム液面のレベルＬ２
　は一次冷却材流量低下時のナトリウム液位であり、こ
の位置は例えば下部軸ブランケット領域２５の下方に相
当する。

【００３４】キャビティ流路４０内のナトリウム液面の
低下時には、炉心領域２２等からキャビティ領域３０を
通して軸方向の中性子ストリーリングを増強させること
ができる。また、キャビティ領域３０内のキャビティ流
路４０の幅とナトリウム液面の低下による反応度との関
係は、図６に示すように表わされ、キャビティ流路幅が
大きいほど反応度が低下することがわかる。

【００３５】また、キャビティ容器３３内に、中性子吸
収体４９を必要に応じて設置することにより、キャビテ
ィ領域３０に接する炉心領域２２やブランケット領域２
４，２５からキャビティ領域３０への径方向の中性子洩
れを増大させることができる。

【００３６】しかして、アニュラー型炉心２０の炉心領
域２２の中央部にキャビティ容器３３を配置してアニュ
ラー型炉心２０とキャビティ容器３３とを組み合せるこ
とにより、炉心高さや炉心領域幅の最適化に大きな自由
度を持たせることができる。キャビティ容器３３内の圧
力は圧力発生制御装置５０と連結させることにより、キ
ャビティ容器３３内の圧力を調節して炉心の部分負荷運
転等のための出力制御が可能となる。キャビティ流路４
０のナトリウム液面の上下変動によって制御される反応
度は、図７に示すように限定された範囲となり、ナトリ
ウム液面レベルが炉心有効高さを変動する場合にのみ、
反応度が追随する。

【００３７】本実施例では、炉心領域２２に隣接して中
央部にキャビティ容器３３を配置するのでキャビティ容
器３３等の構造物への高速中性子フルエンスが増大する
が、炉上部にキャビティ容器引抜用内筒５４を具備して
いるのでキャビティ容器３３は高速増殖炉の寿命中に必
要に応じて交換することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上に述べたように本発明に係る高速増
殖炉においては、炉心領域の中央部に不活性ガスを封入
したキャビティ容器を配設して内部に冷却材流路を形成
し、この冷却材流路に冷却材連通孔を介して一次冷却材
を流出入可能に形成し、前記冷却材流路の冷却材液面が
一次冷却材の圧力変化により炉心軸方向に変動するよう
に設定されているので、一次冷却材の流量が減少すると
、冷却材の動圧が低下して不活性ガス圧力が冷却材圧力
を上廻って冷却材液面を低下させる。この冷却材液面の
低下により、炉心領域からキャビティ領域への中性子漏
洩が増加し、炉心の反応度が低下する。したがって、炉
心領域の中央部にキャビティ容器を配置することにより
、冷却材流量の低下に伴って炉心反応度を低下させるこ
とができ、アニュラー型炉心の中央領域を有効に活用す
ることにより、大型炉心においても炉心の反応度を零ま
たは負に保って炉出力の低下や炉停止能力を向上させ、
しかも、燃料の破損を防止できるので、炉の安全性や信
頼性が一層向上する。

【００３９】また、炉停止能力を向上させるキャビティ
容器を設置することにより、中性子経済や増殖特性を悪
化させることなく、冷却材による正の反応度を低下させ
ることができ、冷却材流量の低下時に炉出力の上昇によ
る炉心損傷を抑制でき、炉の安全性や信頼性を高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る高速増殖炉の一実施例を示す縦断
面図。

【図２】本発明に係る高速増殖炉に備えられるアニュラ
ー型炉心の平断面図。

【図３】図２のアニュラー型炉心の炉心構成を示す断面
図。

【図４】図３に示すアニュラー型炉心の炉心領域の中央
部を示す図。

【図５】図４に示すアニュラー型炉心の中央部のキャビ
ティ領域を高圧プレナム側から見上げた図。

【図６】アニュラー型炉心に備えられるキャビティ容器
内のキャビティ流路幅と、このキャビティ流路の冷却材
液面低下による反応度との関係を示す図。

【図７】キャビティ容器内の不活性ガスの圧力調整によ
り反応度を制御する場合の反応度変化を示す図。

【符号の説明】

１　　原子炉建屋 ３　　原子炉容器 ４　　炉心部 ５　　ナトリウム（一次冷却材） ６　　炉心支持構造物 ７　　上部プレナム ８　　下部プレナム １０　　炉心上部機構 １１　　中間熱交換器 １２　　循環ポンプ １４　　ルーフスラブ １５　　回転プラグ ２０　　アニュラー型炉心 ２１　　燃料集合体 ２２　　炉心領域 ２３　　径ブランケット領域 ２４　　上部軸ブランケット領域 ２５　　下部軸ブランケット領域 ２６　　径方向遮蔽体領域 ２７　　ガスプレナム領域 ２８　　上部遮蔽体領域 ２９　　下部ガスプレナムまたは下部遮蔽体領域３０　
　キャビティ領域 ３１　　制御棒 ３２　　集合体ブランケット燃料 ３３　　キャビティ容器 ３５　　炉心支持板 ３６　　上部支持板 ３７　　下部支持板 ３８　　高圧プレナム ４０　　キャビティ流路（冷却材流路）４１　　仕切筒 ４３　　脚部 ４４　　流入孔（冷却材流量孔） ４５　　中央キャビティ ４６　　下部遮蔽体 ４７　　上部遮蔽体 ４９　　中性子吸収体 ５０　　圧力発生制御装置 ５１　　圧力調整管 ５２　　ナトリウム液位計 ５４　　キャビティ容器引抜用内筒 ５５　　エントランスノズル ５６　　冷却材流入孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　多数の燃料集合体を多環状に装荷して
   炉心領域を形成し、この炉心領域の中央部には燃料集合
   体を装荷しないアニュラー型炉心を備えた高速増殖炉に
   おいて、前記炉心領域の中央部に不活性ガスを封入した
   キャビティ容器を配設し、このキャビティ容器に冷却材
   流路を形成し、この冷却材流路に一次冷却材を流出入可
   能な冷却材連通孔を設け、前記冷却材流路の冷却材液面
   が一次冷却材圧力の変化により炉心の軸方向に変動する
   ように設定したことを特徴とする高速増殖炉。
2. 【請求項２】　　キャビティ容器内に封入される不活性
   ガスの圧力を調節する圧力発生制御装置をキャビティ容
   器に圧力調整管を介して連通させる一方、キャビティ容
   器内の冷却材流路は底部に設けられた冷却材連通孔を介
   して高圧プレナムに連通せしめられた請求項１記載の高
   速増殖炉。