JPH0833462B2 - 冷却材循環用ポンプを有する原子炉 - Google Patents

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］ 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、そして炉芯上部機構６などが
納められている。炉容器２内にナトリウム１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、上部の高温プレナム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℃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
イドのレデュサー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、一次系ナトリウ
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ー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を設けてある。

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21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
いギャップを設けてある。1000MWe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/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１程度の数mm/s
ecの流速に低下する。さらに、環状空隙部27ではシャフ
ト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、原動機の駆動軸すなわちポ
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
存在するナトリウムミストはガスに比べて質量の大きい
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
止部に縦溝を設けてあるため、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、キャビテ
ーフロー状態となるため、溝部分で圧力が開放され、二
次流の過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、遠心力とキャビテ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ト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、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21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ー23
と流出フローガイドのレデュサー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１液中にあるイン
ペラー22を回転する。ナトリウム１はレデュサー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
デュサー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の開口部からナトリウム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Na
²⁴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図に示す軸受けベアリング
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28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、主に貫通部の開口部からの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、ナトリウムミトストラップ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12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11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、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。

1000MWe級のFBRに用いる機械式ポンプのシャフト21直
径は約500mmΦであり、環状空隙27の寸法はポンプシャ
フト21直径の約100分の１程度に設計され、定格約1000r
pmの回転数で運転される。第５図において、環状空隙27
の混合ガスはポンプシャフト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＝mrω^２ ……（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
“連動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、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溝31の部分をポンプシ
ャフト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、集合したナ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ッシュ等のウイック33を充填し
て、凝縮して液状になったナトリウムをウイック33の毛
細管現象で下方に輸送することもできる。

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
り口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、ナトリウム等の危険物
の他に有機溶剤、毒物、劇物等を取り扱う化学プラント
用のポンプ、攪拌機等の回転機器の軸封部にも適用でき
る。また、これまでのメッシュフィルター等を用いたナ
トリウムベ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トラップと
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
率の遠心分離器が得られる。

［発明の効果］ 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……ナトリウム、２……炉容器、３……炉心、４……
機械式ポンプ、５……中間熱交換器、６……炉心上部機
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……ナトリウム自
由液面、12……カバーガス空間、20……電動モータ、21
……ポンプシャフト、22……インペラ、23……流入レデ
ューサ、24……流出レデューサー、25……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……ナトリウムミストトラップ、33…
…ウィック。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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。