JPH06331778A - 高速増殖炉炉壁の冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速増殖炉炉壁の冷却構造において、厳しい
熱応力状態になることを極力回避しながら高強度を保持
し、かつ円筒シェルへのオーバル振動の励起を防止し、
流体連成振動の発生を回避できる円筒シェルの構造を提
供する。 【構成】 厚さ１８ｍｍの円筒シェル２の上端部に、炉
壁１に向けて厚さ５０ｍｍの頂部フランジ３を屈設して
あり、円筒シェル２と頂部フランジ３との接合部を円弧
形状にしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速増殖炉炉壁の冷却
構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関連する技術は、例えば、特開
昭６３−１１５０９４号公報に開示されているので、こ
の公知例を用いて、従来の高速増殖炉炉壁の冷却構造に
ついて説明する。図３は従来の高速増殖炉の模式縦断面
図、図４は図３の炉壁冷却構造部分の拡大図である。

【０００３】すなわち、高速増殖炉では、低温ナトリウ
ム４を、原子炉格納容器８の炉壁１、及び熱応力の発生
を緩和するために１５ｍｍ程度に厚さを極力薄くしてあ
る円筒シェル２の間に下部から流入させた後、円筒シェ
ル２の上端部に溶着してある整流板３から溢出させ、炉
壁１を低温に保持することにより、高速増殖炉の安全性
を図っている。

【０００４】しかし、この構造では炉壁１と円筒シェル
２の間に形成される環状の低温ナトリウム液面５で、周
波数０.３〜０.５Ｈｚ程度の周方向の波が発生し、その
液面振動によって誘起される静水頭圧の変動から、円筒
シェル２にオーバル振動（円形断面を楕円に変形する振
動）が励起され、流体連成振動が発生する。

【０００５】この流体連成振動は比較的周波数が低く、
この周波数は炉壁１と円筒シェル２との間の低温ナトリ
ウム液面５に発生する波数に比例するが、０．３〜０．
５Ｈｚ程度である。

【０００６】また、円筒シェル２の上端部からの低温ナ
トリウム４の溢出時において、低温ナトリウム４の流れ
が円筒シェル２の内面から剥離する場合は、低温ナトリ
ウム４が低温ナトリウム液面５上に充満しているガスを
巻き込み、これが新たな液面振動を誘発する。このた
め、円筒シェル２の上端部に、円筒シェル２の厚さより
も１.５倍程度大きい、２０〜２５ｍｍ程度の厚さの整
流板９を溶着して、剥離の発生を防止している。

【０００７】更に、特開昭６１−３０８５号公報、特開
昭６２−８８９９２号公報、及び特開平３−３１７９２
号公報には、関連技術が開示されており、そのうち、前
の二者には円筒シェルの上端部を内側にわん曲させる構
造について、後の一者には円筒シェルの振動について、
それぞれ述べられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来では、ナトリウム
の温度変化時に円筒シェルに発生する熱応力を極力緩和
するために、円筒シェルの厚さを薄くしてあり、したが
って剛性の高い構造になっていない。

【０００９】上述のように、円筒シェルには整流板が付
設されているが、整流板は、溢出する低温ナトリウムの
流れを円筒シェルの内面から剥離させないという目的に
よってのみ設置されており、円筒シェルの高剛性化に
は、ほとんど寄与しない構造となっている。

【００１０】一方、上述のように、炉壁と円筒シェルと
の間の環状の低温ナトリウム液面に発生する周波数０.
３〜０.５Ｈｚ程度の周方向の波により液面振動が誘発
され、低温ナトリウムの静水頭圧が変動することがあ
る。

【００１１】この場合、円筒シェルの剛性が高くないと
きは、円筒シェルの固有振動数が低いので、円筒シェル
にオーバル振動（円形断面を楕円に変形する振動）が励
起され、流体連成振動の発生を避けることができない。

【００１２】したがって、環状の低温ナトリウム液面に
発生する周方向の波の周波数０.３〜０.５Ｈｚよりも高
い固有振動数を持つように円筒シェルの剛性を高める必
要がある。

【００１３】また、原子炉の通常運転時、ナトリウムの
温度が５００℃以上になること、及び原子炉の起動時及
び停止時にはナトリウム液面が１ｍ近く上下変動するこ
とから、原子炉格納容器は非常に厳しい熱応力状態に曝
される。

【００１４】特に、ナトリウム液面が変動する場合は、
熱ラチェットと言われる熱応力の変動によって、原子炉
格納容器が径方向に塑性変形し、原子炉格納容器が軸方
向にくびれる現象の発生する。

【００１５】すなわち、ナトリウム温度の変動時には、
原子炉格納容器の炉壁に熱応力が発生し、炉壁の構成材
料は疲労損傷をするが、この場合は、ナトリウム温度が
５００℃以上にもなることから、この疲労損傷はクリー
プを伴った、いわゆるクリープ疲労損傷となる。

【００１６】上述のように、原子炉格納容器の炉壁の構
成材料は、大きな熱応力が発生する非常に厳しい環境下
に置かれるので、実際の設計では、クリープ疲労損傷を
如何にして低減するかについて苦慮しており、従来の構
造のままでは、原子炉格納容器の構造の健全性は一般に
は成立しない。

【００１７】近年、原子炉の容量が大きくなり、高温側
にヒートバランスを設定する傾向にあることから、クリ
ープ疲労損傷は更に大きくなる傾向にある。

【００１８】以上のことから、その対策として、原子炉
格納容器の炉壁より内側に、二重の円筒シェルを設置
し、炉壁と外側円筒シェルとの間、及び外側円筒シェル
と内側円筒シェルとの間に、それぞれ、下部から低温ナ
トリウムを導くことにより、炉壁の温度を低下させ、液
体ナトリウム液面の変動時や液体ナトリウム温度の変動
時に発生する炉壁の熱応力を大幅に緩和させることも考
えられる。

【００１９】しかし、円筒シェルは、依然として厳しい
熱応力状態に曝されるので、この熱応力に対処するた
め、円筒シェルを極力薄肉構造とすることが必要であ
る。

【００２０】本発明の目的は、高速増殖炉炉壁の冷却構
造において、厳しい熱応力状態になることを極力回避し
ながら高強度を保持し、かつ円筒シェルへのオーバル振
動の励起を防止し、流体連成振動の発生を回避できる円
筒シェルの構造を提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、次のように
して達成することができる。

【００２２】（１）通常運転時、炉壁と炉壁の内側に設
けてある円筒シェルとの間に低温ナトリウムを導入する
とともに、円筒シェルの内側に高温ナトリウムを導入
し、低温ナトリウムによって高温ナトリウムを炉壁に接
触させないようにしてある高速増殖炉炉壁の冷却構造に
おいて、円筒シェルが、円筒シェルにオーバル振動が励
起されて流体連成振動が発生する振動数よりも高い固有
振動数を有する高剛性の構造からなること。

【００２３】（２）通常運転時、炉壁と炉壁の内側に設
けられた円筒シェルとの間に低温ナトリウムを導入する
とともに、円筒シェルの内側に高温ナトリウムを導入
し、低温ナトリウムによって高温ナトリウムを炉壁に接
触させないようにしてある高速増殖炉炉壁の冷却構造に
おいて、円筒シェルの上端部に炉壁に向けて頂部フラン
ジを屈設してあること。

【００２４】（３）（２）において、円筒シェルと頂部
フランジとの接合部が円弧形状からなること。

【００２５】（４）（２）又は（３）において、円筒シ
ェルの厚さが１６〜２０ｍｍの範囲内にあり、頂部フラ
ンジの厚さが３０〜９０ｍｍの範囲内にあること。

【００２６】（５）（２）において、頂部フランジの先
端部を炉壁まで延長し、炉壁に固着してあること。

【００２７】

【作用】本発明における作用を、図５を用いて説明す
る。

【００２８】図５は、流体連成振動発生に関する説明図
であり、これは発明者の解析結果から得られたものであ
る。

【００２９】縦軸には円筒シェルの固有振動数、横軸に
は炉壁と円筒シェルとの間の環状の低温ナトリウム液面
に発生する周方向の波の数を示してある。

【００３０】また、符号１０〜１５は、波数と円筒シェ
ルの固有振動数との関係線図を示しており、１０は流体
連成振動が発生する場合、１１は円筒シェルの厚さが１
５ｍｍで、頂部フランジを設置していない場合、１２は
円筒シェルの厚さが１５ｍｍで、円筒シェルに頂部フラ
ンジ（厚さ５０ｍｍ）を屈設してある場合、１３は円筒
シェルの厚さが１５ｍｍで、円筒シェルに頂部フランジ
(厚さ１００ｍｍ)を屈設してある場合、１４は円筒シェ
ルの厚さが２３ｍｍで、頂部フランジを設置していない
場合、１５は円筒シェルの厚さが１８ｍｍで、頂部フラ
ンジ（厚さ５０ｍｍ）を屈設してある場合である。

【００３１】すなわち、流体連成振動が発生するとき
の、円筒シェルの固有振動数、及び炉壁と円筒シェルと
の間の環状の低温ナトリウム液面に発生する周方向の波
の間の関係は、線図１０に示すようになる。また、線図
１０より下領域、すなわち斜線領域では、円筒シェルの
厚さが薄くなり過ぎ、円筒シェルの構造強度が大きく低
下するので、実用上、不適当な領域である。

【００３２】したがって、流体連成振動の発生を回避
し、かつ円筒シェルを構造強度上からも満足が得られる
ようにするには、円筒シェルの固有振動数が、線図１０
よりも高い領域にあるように、円筒シェルの構造を変え
る必要がある。

【００３３】これに対して、従来の場合、例えば、円筒
シェルの厚さが１５ｍｍで、頂部フランジを設置してい
ない場合は、線図１１に示すようになり、線図１１は波
数が４以上では斜線領域内にある。したがって、この場
合は、流体連成振動が発生したり、円筒シェルの構造が
破壊したりすることになる。

【００３４】したがって、上記のような事態発生を回避
するため、円筒シェルの厚さが１５ｍｍのままで、円筒
シェルの上端部に頂部フランジ（厚さ５０ｍｍ）を屈設
した場合を考えると、線図１２に示すようになる。この
場合は、円筒シェルの上端部に炉壁に向けて頂部フラン
ジを屈設してあることが、円筒シェルの剛性を増加させ
ることもあって、円筒シェルの剛性が大幅に増加し、固
有振動数は上昇する。しかし、中間の波数で流体連成振
動の発生域（線図１０）に多少掛かってしまうことにな
る。

【００３５】更に、頂部フランジの厚さを１００ｍｍに
変えた場合は、線図１３に示すようになり、流体連成振
動の発生は回避できるが、頂部フランジと炉壁との間隙
が小さくなり過ぎて、低温ナトリウムの溢出時における
低温ナトリウムの吹き出しによる流れの乱れが問題とな
る。

【００３６】また、円筒シェルの厚さを２３ｍｍにし、
頂部フランジを設置していない場合は、線図１４に示す
ようになり、剛性は十分に増加し、この場合でも流体連
成振動の発生を回避することができる。しかし、円筒シ
ェルの厚さが大きくなり過ぎるため、熱応力への対処の
仕方が厳しくなる。

【００３７】上記の検討結果から、円筒シェルの厚さを
１８ｍｍに抑え、かつ円筒シェルの上端部に頂部フラン
ジ（厚さ５０ｍｍ）を屈設した場合を取り上げてみた。
その結果、線図１５に示すようになり、流体連成振動の
発生を回避できることがわかった。

【００３８】すなわち、本発明では、線図１５の場合を
採用したので、円筒シェルについて、オーバル振動の励
起はなく、熱応力の問題を含め、構造強度上でも問題は
ない。

【００３９】また、本発明では、頂部フランジの先端部
を炉壁まで延設し、炉壁に固着してあるので、円筒シェ
ルの剛性が高まり、流体連成振動の発生を回避すること
ができる。

【００４０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１を用いて説明
する。図１は本実施例の炉壁冷却構造部分の模式縦断面
図である。

【００４１】高速増殖炉では、前述のように、炉壁１に
発生する熱応力を緩和するために、炉壁１の近傍に炉壁
冷却構造が設置されてある。すなわち、炉壁１の内側に
円筒シェル２を設けて、炉壁１と円筒シェル２との間
に、下部から低温ナトリウム３を流入させ、円筒シェル
２の上端部から溢出させている。このような炉壁冷却構
造において、従来では、円筒シェル２の先端部に整流板
９(図４参照)が設けられていた。

【００４２】本実施例では、整流板９の代わりに、円筒
シェル２の上端部に炉壁１に向けて頂部フランジ３を屈
設して、円筒シェル２の剛性を高め、かつ、円筒シェル
２と頂部フランジ３との接合部を円弧形状にしてある。
また、円筒シェルの厚さを１８ｍｍに、また頂部フラン
ジの厚さを５０ｍｍに、それぞれ設定してある。

【００４３】すなわち、頂部フランジ３と炉壁１との間
隙は、低温ナトリウム４の吹き出しを防止するために、
十分に確保する必要がある。したがって、頂部フランジ
３の厚さを一定以下に制限する必要があり、９０ｍｍが
上限と考えられる。本実施例では、頂部フランジ３の厚
さを、上述のように５０ｍｍに設定してある。

【００４４】また、本実施例では、頂部フランジ３の厚
さを５０ｍｍに設定したが、このような頂部フランジ３
の厚さで、円筒シェル２の厚さを１２ｍｍとした場合
は、波数４〜５において流体連成振動の発生域に入る
（図５の線図１２参照）ので、円筒シェル２の厚さを増
す必要があり、円筒シェル２の厚さを１８ｍｍにしてあ
る。

【００４５】また、頂部フランジ３と円筒シェル２との
接合部で、低温ナトリウム４の流線が剥離しないよう
に、接合部を円弧形状に加工している。

【００４６】すなわち、本実施例では、上述のような炉
壁冷却構造にした結果、前述の図５の線図１５に示すよ
うに、円筒シェル２へのオーバル振動の励起が防止さ
れ、流体連成振動の発生を回避することができた。

【００４７】なお、本実施例における円筒シェル２及び
頂部フランジ３の各厚さの設定の際、それらの厚さの最
適な組合わせについて、種々検討を行った。その結果、
それらの厚さは、頂部フランジの厚さでは３０〜９０ｍ
ｍ、及び円筒シェル２の厚さでは１６〜２０ｍｍの中に
あることを明らかにできた。

【００４８】次に、本発明の他の実施例を、図２を用い
て説明する。図２は本実施例の炉壁冷却構造部分の平面
図である。

【００４９】頂部フランジ３の先端部を炉壁１まで延ば
し、この先端部を炉壁１に溶接により固着してある。こ
のようにして、円筒シェル２の剛性を増加させ、円筒シ
ェル２の固有振動数を高め、流体連成振動の発生を防止
できる円筒シェル２の構造にしてあり、この場合も流体
連成振動の発生回避に効果を有している。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、高速増殖炉炉壁の冷却
構造において、厳しい熱応力状態になることを極力回避
しながら高強度を保持し、かつ円筒シェルへのオーバル
振動の励起を防止し、流体連成振動の発生を回避できる
円筒シェルの構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の炉壁冷却構造部分の模式縦
断面図である。

【図２】本発明の他の実施例の炉壁冷却構造部分の平面
図である。

【図３】従来の高速増殖炉の模式縦断面図である。

【図４】図３の炉壁冷却構造部分の拡大図である。

【図５】流体連成振動発生に関する説明図である。

【符号の説明】

１…炉壁、２…円筒シェル、３…頂部フランジ、４…低
温ナトリウム、５…低温ナトリウム液面、６…高温ナト
リウム、７…高温ナトリウム液面、８…原子炉格納容
器、９…整流板。 １０〜１５…波数と円筒シェルの固有振動数との関係線
図［１０…流体連成振動が発生する場合、１１…円筒シ
ェルの厚さ１５ｍｍ、頂部フランジなしの場合、１２…
円筒シェルの厚さ１５ｍｍ、頂部フランジの厚さ５０ｍ
ｍの場合、１３…円筒シェルの厚さ１５ｍｍ、頂部フラ
ンジの厚さ１００ｍｍの場合、１４…円筒シェルの厚さ
２３ｍｍ、頂部フランジなしの場合、１５…円筒シェル
の厚さ１８ｍｍ、頂部フランジの厚さ５０ｍｍの場
合］。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通常運転時、炉壁と該炉壁の内側に設け
   てある円筒シェルとの間に低温ナトリウムを導入すると
   ともに、前記円筒シェルの内側に高温ナトリウムを導入
   し、前記低温ナトリウムによって前記高温ナトリウムを
   前記炉壁に接触させないようにしてある高速増殖炉炉壁
   の冷却構造において、前記円筒シェルが、該円筒シェル
   にオーバル振動が励起されて流体連成振動が発生する振
   動数よりも高い固有振動数を有する高剛性の構造からな
   ることを特徴とする高速増殖炉炉壁の冷却構造。
2. 【請求項２】 通常運転時、炉壁と該炉壁の内側に設け
   られた円筒シェルとの間に低温ナトリウムを導入すると
   ともに、前記円筒シェルの内側に高温ナトリウムを導入
   し、前記低温ナトリウムによって前記高温ナトリウムを
   前記炉壁に接触させないようにしてある高速増殖炉炉壁
   の冷却構造において、前記円筒シェルの上端部に前記炉
   壁に向けて頂部フランジを屈設してあることを特徴とす
   る高速増殖炉炉壁の冷却構造。
3. 【請求項３】 前記円筒シェルと前記頂部フランジとの
   接合部が円弧形状からなる請求項２記載の高速増殖炉炉
   壁の冷却構造。
4. 【請求項４】 前記円筒シェルの厚さが１６〜２０ｍｍ
   の範囲内にあり、前記頂部フランジの厚さが３０〜９０
   ｍｍの範囲内にある請求項２又は３記載の高速増殖炉炉
   壁の冷却構造。
5. 【請求項５】 前記頂部フランジの先端部を前記炉壁ま
   で延長し、前記炉壁に固着してある請求項２記載の高速
   増殖炉炉壁の冷却構造。