JPH0530237B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はタンク形高速増殖炉に係り、特にルー
フスラブに形成される環状空間でのカバーガスの
対流に基づく温度分布を均一化して、ルーフスラ
ブに挿着する炉心上部機器などの熱変形を防止す
るのに好適な構成を有するタンク形高速増殖炉に
関する。

〔発明の背景〕

一般にタンク形高速増殖炉においては、例えば
第１図に示すように、原子炉容器１が上面をルー
フスラブ２によつて密閉され、その密閉空間内に
炉心３が炉心支持構造４によつて支持されてい
る。

ルーフスラブ２には各種の炉上部機器、例えば
炉心３にて加熱された高温の１次ナトリウム５と
２次ナトリウムの熱交換を行なう中間熱交換器
（以下、IHXという）６、１次ナトリウムを炉内
で循環させるためのポンプ７、炉心３の出力等を
制御する制御棒駆動機器８、又は燃料交換時に燃
料交換機（図示せず）を所定の位置に位置決めす
るための回転プラグ９等の炉上部機器が挿着され
ている。そして、このような原子炉構造において
は、ルーフスラブ２の周囲部及びそのルーフスラ
ブ２に挿着される各炉上部機器の周囲に、その軸
心が上下方向に沿う複数の環状空間が形成されて
いる。即ち、ルーフスラブ２の熱遮蔽層１４の外
周と原子炉容器１との間に形成される環状空間、
及びルーフスラブ２と、IHX６、ポンプ７、制
御棒駆動機器８、回転プラグ９等との間に形成さ
れる環状空間等である。

ところで、ホツトプール５の高温の１次ナトリ
ウムの上方には、不活性ガス（ナトリウムと反応
しない）であるアルゴンガスが充填されており、
ナトリウム液面とルーフスラブ２間を満してい
る。このカバーガスは、前記環状空間内にも流入
する。

一方、定格運転中は、ホツトプール５の１次ナ
トリウム温度は一般に500℃程度であり、ホツト
プール５に面したルーフスラブ２の下面は、特別
な配慮をしないとホツトプール５の高温ナトリウ
ムにより加熱され、約400℃程度にまで昇温され
るが、このルーフスラブ２に搭載される各種炉心
計装等の電気部品の制限温度は約70℃程度である
ので、ルーフスラブ２および回転プラグ９の下部
には、通常不活性ガスによる冷却流路１３と熱遮
蔽層１４等からなる冷却手段が設けられる。

したがつて、ルーフスラブ２に形成される環状
空間においては、下部が高温、上部が低温となつ
ており、このような温度分布が与えられた場合、
レイリ数 Ra＝（g〓ΔTL³）／（aν） ここに、ｇ；重力加速度 β；ガスの体膨脹係数 ΔT；環状空間における上下の温度差 Ｌ；環状空間の代表長さ ａ；ガスの温度伝導率 ν；ガスの動粘性係数 がある値（これを臨界レイリ数と呼ぶ）以上にな
ると自然対流が発生する。第２図にこの自然対流
の流動状況の一例を示す。高温のアルゴンカバー
ガスは、環状空間の１ケ所１５で上昇流１６とな
り、環状空間の上端で２方向に分かれ、これと正
反対の周方向位置１７で下降流１８となつてカバ
ーガス層へ戻る。このような対流の発生組数は、
環状空間の高さと直径の関係で決定される。即
ち、対流はカバーガスの上昇、下降距離（環状空
間高さ）と、環状空間上部での対流の水平方向移
動距離とがほぼ等しくなるような形状で生ずるも
のであり、タンク型原子炉の場合ルーフスラブ２
を貫通するIHX６、ポンプ７等により形成され
る環状空間では第２図に示すような一対の自然対
流が生ずるのが一般的である。また、原子炉容器
１とルーフスラブ２との間の環状空間の如く環状
空間高さに比べて直径が著しく大きい場合には数
対の自然対流が生ずるものである。そして、この
場合、上昇流１６側のガス温度は下降流１８側の
ガス温度に比べて高温であるため、環状空間の周
方向に温度差が生じ、この環状空間部に配置され
る各部品に熱変形が発生することになる。

例えば、原子炉容器１とルーフスラブ２の間に
形成される環状空間においては、環状空間高さに
比べ、直径が大きいため数対の自然対流が発生す
るが、これら数対の自然対流は、原子炉容器中心
に対して非対称の位置に配置されている燃料移送
シユート及び直接炉心冷却系用中間熱交換器や、
炉心中心に対して偏心設置される各回転プラグ等
の、原子炉容器中心に対する非対称な原子炉構造
の影響を受け、必ずしも規則的な対流が生じるわ
けではない。したがつて環状空間で180°異なる位
置、つまり対象位置における温度も必ずしも等し
い訳ではなく、原子炉容器全体を見れば周方向に
不均一な温度分布になる可能性は多分にあり、こ
れは原子炉容器の熱変形の原因となる。

また、ルーフスラブ２を貫通するIHX６、ポ
ンプ７、制御棒駆動機構８、回転プラグ９等の比
較的小径な炉上部機器の場合は環状空間部での熱
変形が原子炉容器内への挿入部分に拡大して表わ
れ、機器接触による不都合の発生が考えられる。

なお、自然対流は、以下の項目が同時に満足さ
れた場合に発生することが知られている。

(a) 環状空間のギヤツプ幅がある値以上であるこ
と。

(b) 下方が高温、上方が低温のいわゆる流動不安
定状態であること。

(c) 環状空間を形成する壁が熱抵抗を有するこ
と。

従来では、(a)項を利用し、環状空間に金属メツ
シユを充填することにより、自然対流の発生を防
止する手段が考えられている。しかし、この場合
はプラント寿命中全体にわたつて、即ち定格運転
中においても、またIHX６やポンプ７の引抜き
メンテナンス時においても、メツシユの小片の原
子炉中への落下防止手段が必要であるが、そのた
めには構成が非常に複雑化するという問題が生じ
る。

一方、(b)項を利用するものとして、特開昭57−
38695号で開示されたものがある。即ち、第３図
及び第４図に示すように、機器の外胴と外ケーシ
ングとの間に上下方向及び周方向に複数の対流防
止片１９を設けたものである。しかしながら、こ
のような対流防止片１９をタンク型高速増殖炉の
ルーフスラブの環状空間に適用することは下記の
理由により困難であると考えられる。

IHXおよび循環ポンプは、故障時における引
き抜きメンテナンスが可能なように設計される
が、上述のような対流防止板は、アルゴンカバー
ガス中のナトリウムミストの付着と相まつてルー
フスラブと固着する可能性がある。

また、上述の対流防止板は環状空間のギヤツプ
幅がほぼ均一な場合には非常に有効であるが、タ
ンク型高速増殖炉においは、IHXはルーフスラ
ブと炉心支持構造の２ケ所を貫通するため、ルー
フスラブ貫通孔と炉心支持構造の貫通孔の相対的
製作誤差の分だけ環状空間のギヤツプ幅が不均一
となり、対流防止板が有効に働かなくなる可能性
がある。

さらに原子炉構造に、このような金属の小片を
用いる場合は特に、落下、ナトリウム中への混入
を防止することが必要であるが、直径20数ｍにも
及ぶ原子炉容器の内面に莫大な数の対流防止板を
取り付けることは信頼性の観点から望ましいこと
ではない。

なお、自然対流が生じたとしても、環状空間内
に数対の対流を生ぜしめ、温度差による機器の熱
変形が一方向に生じないようにすることも考えら
れる。

IHX、ポンプ、制御棒駆動機構である炉心上
部機構等のルーフスラブ貫通機器に対して、この
考え方を適用した場合の構造の一例を平面図で示
すと第５図のようになる。IHX、ポンプ、炉心
上部機構等のルーフスラブ貫通機器２０およびル
ーフスラブ２に、仕切り板２１を取り付け、元
来、一対の対流が生じようとしていたものを数対
の対流に分割しようとする。しかしながら、
IHX、ポンプ等のメンテナンス時の引き抜きを
可能にするためには、長期間の運転によつて仕切
り板が固着しないよう、仕切り板を互いにわずか
ながら離して取り付ける必要があり、逆に、少し
でも仕切り板間に隙間があると一対の自然対流が
生じてしまい（一般に自然対流の流速は小さいた
め、流路にかなりの障害があつても圧力損失は小
さく、流れは障害を通り抜けてしまう）、この構
造は成立しなくなる。

また、原子炉容器とルーフスラブ間の環状空間
の自然対流は、もともと数対生じているが、前述
のように、この部分では対称な対流が生じている
とは考えられず原子炉容器に周方向温度差が生じ
る可能性がある。そのため、第５図に示すような
構造対策を施しても上述の問題点は残る。

〔発明の目的〕

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもの
で、ルーフスラブに形成される環状空間内へのア
ルゴンカバーガスの自然対流による機器の変形を
確実に防止することができるタンク形高速増殖炉
を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明にタンク形高速増殖炉は、原子炉容器を
上部から閉塞するルーフスラブに、その軸心が上
下方向に向いて環状空間が形成され、この環状空
間に下方から原子炉容器内のカバーガスが流入す
るものであつて、環状空間部に下方から流入する
カバーガスが上昇し、周方向に流動し、それから
降下して形成される対流によつて起きる環状空間
の周方向の温度差を、環状空間の軸心に関して対
称的に生じさせるために、そのカバーガスを降下
させるガス降下部を設けるようにしている。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第６図及び第７図を
参照して説明する。なお、本実施例はIHXまわ
りの環状空間を対象として実施したものである。
その他の原子炉上部機器の周囲に適用した場合及
びルーフスラブ周囲の環状空間に適用した場合に
ついても共通性が多いのでこれらに対する記述は
省略する。

第６図に示すように、IHX６の外胴３０はホ
ツトプール中の高温の１次ナトリウム中に浸漬さ
れている。このため、外胴を軸方向上方に伝導に
より熱が伝わり、何らかの対策を講じないと外胴
上端のフランジ部３１まで高温となつてしまう。
通常は、ルーフスラブ２との間に熱膨張差によつ
て生じる応力を除去するため、IHX６の外胴３
０の内側に冷却配管３２が設けられ、外胴３０お
よびフランジ３１を冷却するようになつている。
また、環状空間の下端には、ナトリウムミストが
環状空間内へ侵入し、IHX６又はルーフスラブ
へ付着しないようにミスト侵入防止機構３３、例
えばベローズを用いたシール部やナトリウム溜り
を設け、ナトリウムミストを捕えシールするナト
リウムダム等の対策が施される。

このような環状空間において、前述のごとく、
一般には一対の自然対流が発生しようとするが、
本実施例では、第７図に示すようにIHXの外胴
３０の板厚を周方向に沿う等間隔部位で数ケ所外
方に厚くし、環状空間に突出する上下方向に沿う
複数の突条３４を形成している。このような突条
３４（換言すれば厚肉部）は、本発明で達成しよ
うとする目的を満たすためには、周方向に最低２
ケ所以上必要である。

このような構成によると、IHX６の外胴３０
は内側から冷却されて冷却配管３２から環状空間
に接するIHX６の外胴３０の外表面までの熱抵
抗によつて外胴３０の表面温度が決まることか
ら、凹条部３５では、その表面温度は低く、突条
部３４では高くなる。従つて、環状空間内で突条
部３４ではアルゴンガスは上昇流となり、凹条部
３５では、下降流となるが、これらの上昇流、下
降流が環状空間内でその軸心に関して対称的に発
生するので、IHX６が熱変形で一方向に傾くこ
とがなく、従つてその機能を損うことはない。な
お、本実施例のように、環状空間内に凹凸が存在
する構成では、熱的境界条件による対流の位置の
規定だけでなく、形状による対流の位置の規制が
容易になり、安定した対流を得ることができると
いう利点もある。

なお、突条部３４及び凹条部３５の数として
は、IHX６の外胴３０における発生応力の低減
という観点からすれば周方向温度差を小さくする
ようにできるだけ多いことが好ましいが、一方、
安定な、かつ、所定の位置で対流を得るようにす
るにはできるだけ少ない方が良い。一般的なタン
ク型原子炉構造の運転温度条件、構造寸法を基に
した試算によれば、IHX外胴における発生応力
を降伏応力の1/2〜1/3程度に押えるためには、凹
凸の組数はおよそ４〜８程度が好ましいことが確
認されている。

以上の実施例によれば、IHX６の熱変形が防
止され、IHX６と炉心支持構造間のシール部の
小型化が図れる。特にベローズシールの場合に
は、漏洩ナトリウム量を少なくすることができ
る。また、循環ポンプの熱変形を生じないので、
循環ポンプのかじり等を確実に防止することがで
きる。

なお、前記実施例では、環状空間内の熱降下部
を環状空間に突出する突条３４にしたが、本発明
はそのようなものに限らず、他の種々の手段にす
ることが可能である。

例えば第８図及び第９図に示すものは、環状空
間の内周壁を形成する部材、即ちIHX６の外胴
３０の表面部近傍に周方向に間隔的に埋設された
冷却配管３２によつて熱降下部を構成したもので
ある。

このような構成によつても、IHX６の周囲に
形成された環状空間に高温部４０と低温部３９を
形成することができ、機器の熱変形が防止できる
ものであり、この場合は特に熱降下部を積極的
に、かつ直接的に設定できるので、高信頼性が得
られる。

また、第１０図及び第１１図に示すものは、熱
降下部を、IHX６の外胴３０に一定半径で周方
向に冷却配管３２を配置し、この冷却配管３２の
表面側に一定間隔で断熱材３６を配設することに
よつて、環状空間内に熱降下部を形成したもので
ある。

このような構成によつても、前記実施例と同様
の効果を奏することができ、この場合は、冷却配
管３２の配管構成の簡単化が図れるという利点が
ある。

なお、以上の実施例では、環状空間の内周壁を
形成する部材によつて熱降下部を形成したが、外
周壁を構成する部材又はそれと内周壁構成部材の
両方によつて形成してもよいことは勿論である。

〔発明の効果〕

以上の実施例で詳述したように、本発明に係る
タンク形高速増殖炉によれば、ルーフスラブに形
成される環状空間部にカバーガスの対流に基づく
温度差を周方向に対象的に生じさせる熱降下部を
設けたので、ルーフスラブ自身又は各種の炉心上
部機器の熱変形を確実に防止することができると
いう、安全対策上の優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図はタンク型FBR原子炉を示す構成図、
第２図は自然対流の流動状況を示す説明図、第３
図は従来例を示す概略図、第４図はその詳細構成
図、第５図は他の従来例を示す概略図、第６図は
本発明の一実施例を示す要部断面図、第７図は第
６図の−線断面図、第８図は本発明の他の実
施例を示す要部断面図、第９図は第８図の−
線断面図、第１０図はさらに他の実施例を示す要
部断面図、第１１図は第１０図の−線断
面図である。 １……原子炉容器、２……ルーフスラブ、３…
…炉心、６，７，８……炉心上部機構、３２……
冷却配管、３４……突条部、３６……断熱材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉容器の上部を内部から熱的に遮蔽する
   と共に外部から閉塞するルーフスラブに、その軸
   心が上下方向に向う環状空間が形成され、この環
   状空間に下方から原子炉容器内のカバーガスが流
   入するタンク形高速増殖炉において、前記環状空
   間に流入するカバーガスの上昇、周方向への流動
   及び降下によつて形成する対流に基づく環状空間
   での周方向の温度差を、環状空間の軸心に関して
   対称的に生じさせるカバーガスのガス降下部を設
   けてなることを特徴とするタンク形高速増殖炉。 ２ ガス降下部は、環状空間の内周壁又は外周壁
   を形成する部材のいずれか一方又は両方の内部に
   一定半径で周方向に配設された冷却配管と、内周
   壁又は外周壁を形成する部材のいずれか一方又は
   両方からその環状空間に突出する上下方向に沿う
   複数の突条であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のタンク形高速増殖炉。 ３ ガス降下部は、環状空間の内周壁又は外周壁
   を形成する部材のいずれか一方又は両方の表面部
   近傍に周方向に間隔的に配設された冷却配管であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   タンク形高速増殖炉。 ４ ガス降下部は、環状空間の内周壁又は外周壁
   を形成する部材のいずれか一方又は両方に一定半
   径で周方向に配設された冷却配管と、この冷却配
   管の表面側に周方向に間隔的に配設された断熱材
   とによつて形成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のタンク形高速増殖炉。