JPH10153677A

JPH10153677A - 原子炉反応度制御用ガス膨張モジュール及びそのモジュールを用いた原子炉の炉心

Info

Publication number: JPH10153677A
Application number: JP8310536A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Saito; 義則齋藤; Kazuo Takahashi; 和雄高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 1998-06-09

Abstract

(57)【要約】【課題】高速炉における冷却材流量喪失事故の際に、ガ
ス膨張モジュールで従来よりも速やかに、高速炉の炉心
に大きな負の反応度を投入して安全裕度を向上させる。【解決手段】ガス膨張モジュール１のダクト壁面１１
に、封入ガスへの熱伝達を促進するための伝熱促進体２
１を設ける。ただし、冷却材流量喪失事故の際の中性子
リークによる負の反応度投入効果に極力影響しないよ
う、炉心外周部に配置したGEM1においては、伝熱促進体
２１は径方向外側へ向かう経路をふさがないように設置
した。ＧＥＭのガス体積膨張速度の向上のため、ガスへ
の熱伝達率の大きいガス膨張初期の上部ブランケット６
より高いＧＥＭ１上部位置の範囲となる軸方向長さを有
する伝熱促進体２１を設置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉の炉心の反
応度を周囲の状況変化に応じて自己作動的に反応度を制
御するのに用いられるガス膨張モジュールとそのモジュ
ールを採用した原子炉の炉心に関する。

【０００２】

【従来の技術】炉心に装荷された核燃料により発生した
熱を、炉心を冷却する様に通過する液体金属を介して水
に伝達し、この水を加熱，蒸発させ、発生した蒸気でタ
ービンを回転させることにより発電機を駆動し、発電を
行う高速炉プラントが公知である。

【０００３】図２は、高速炉プラントの高速炉の原子炉
内の構造の縦断面図である。

【０００４】原子炉容器７１には核燃料を装荷した炉心
部７２が収容される。

【０００５】炉心７２は、原子炉容器７１内に満たされ
た液体金属冷却材であるナトリウム中に浸漬状態で設置
され、炉心支持構造物７３により支持される。

【０００６】原子炉容器７１内は、仕切板８０によっ
て、上部プレナムと下部プレナムとに区画される。炉心
７２の上方には、制御棒４の駆動機構等を収容した炉心
上部機構７７が設置されている。一方、炉心７２の下部
に高圧プレナム７５、及び低圧プレナム７６がある。高
圧プレナム７５には一次冷却材入口配管７８から一次冷
却材であるナトリウムが供給され、上部プレナムの一次
冷却材出口配管７９から流出するよう循環される。

【０００７】当該高速炉において、一次冷却材の循環流
量が減少するような事故が発生した場合に、炉心に負の
反応度を投入して事故を安全に収束させるための装置と
しては、ガス膨張モジュール（ＧＥＭ：Gas Expansion
Module）７４がある。

【０００８】ＧＥＭとは、燃料集合体上部の開口部をふ
さぎ、燃料ピンを取り除くことによって内部に空間を形
成し、ガスを封入できるようにしたものである。

【０００９】外形は燃料集合体とほぼ同じまたは円柱形
状の管状体であり、炉心内や炉心周辺部などに配置され
る。

【００１０】高速炉の定格運転時には、冷却材主循環ポ
ンプの運転により、炉心入口部の圧力はＧＥＭの初期ガ
ス封入圧力より高くなる。

【００１１】ＧＥＭ内のガスは圧縮され、内部は下部よ
り流入した冷却材が満たされるので、通常は中性子の反
射体としての役割を果たしている。

【００１２】もし万一冷却材を循環させるポンプが停止
するような事故が発生した場合には、冷却材流量が減少
して、炉心入口側圧力が低下する。

【００１３】ＧＥＭ内に封入されているガスは膨張し、
炉心近傍にガス空間を形成する。

【００１４】炉心で生成された中性子は、ＧＥＭ内のガ
ス空間を通して炉心外側や炉心上下方向へ漏洩しやすく
なる。この結果、炉心の反応度を低下させることがで
き、事故を安全に収束させることができる。

【００１５】このＧＥＭに関する公知技術としては、例
えば以下のものがある。

【００１６】公知技術（１）NUCLEAR TECHNOLOGY VOL.
８８ OCT.１９８９ pp.２１−２９小型高速炉試験において、ＧＥＭ内部のナトリウム液位
の低下速度すなわち封入ガスの体積膨張速度が大きいほ
ど、時間に対する反応度投入量は大きくなることを確認
している。

【００１７】公知技術（２）日本原子力学会誌，Ｖol.
３７，Ｎo.４，pp.３２７−３３７，(１９９５) ＧＥＭの負の反応度投入量の解析において、ＧＥＭ壁面
やＧＥＭ周囲の冷却材からの熱が瞬時に伝達される場合
ほど、ＧＥＭ内部のナトリウム液位の低下速度すなわち
封入ガスの体積膨張速度は大きくなり時間に対する反応
度投入量が最も多いことを確認している。

【００１８】公知技術（３）特開平4−33591号公報およ
び特開平6−160571 号公報高速炉において、多数の燃料集合体を装荷した炉心領域
の燃料集合体間に、内部に筒状の冷却材を形成し不活性
ガス等の封入気体が封入されたキャビティ集合体を装荷
し、原子炉冷却材の圧力変化により、キャビティ内の冷
却材液面が炉心軸方向に変動するように設定すること
で、冷却材圧力減少時に炉心反応度の低減を図るもので
ある。

【００１９】公知技術（４）特開平6−222176 号公報高速炉において、多数の燃料集合体を装荷した炉心領域
の燃料集合体間に、内部に筒状の冷却材を形成し不活性
ガス等の封入気体が封入されたキャビティ集合体を装荷
し、原子炉冷却材の温度変化により、キャビティ内の冷
却材液面が炉心軸方向に変動するように設定すること
で、冷却材圧力減少時に炉心反応度の低減を図るもので
ある。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の技
術においてはＧＥＭのガスの膨張速度を高めることにつ
いては配慮されていない。

【００２１】冷却材流量喪失事故が発生した後の過渡状
態においては、炉心温度が上昇する。

【００２２】従来の炉心構造でも炉心の最高温度は炉心
構成材料の許容値以下に抑えられているが、ＧＥＭを用
いて炉心に負の反応度を投入すれば炉心の温度上昇を抑
制できる。

【００２３】ＧＥＭ内部に封入したガスの膨張速度を高
めることができれば、さらに炉心の温度上昇を小さく抑
えることができ、安全性を向上できるとともに炉心構成
材料の制限緩和などが可能となる。

【００２４】本発明の第１目的は、ＧＥＭ内部に封入し
たガスの膨張速度を高めたＧＥＭを提供することにあ
り、第２目的は、異常時にできるだけ速やかにより大き
な負の反応度を原子炉炉心に投入して炉心の裕度を高め
ることである。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記第１目的を達成する
ための第１手段は、一端が閉鎖され、他端が開口されて
いる中空な管状構造物と、前記管状構造物の開周囲に装
備されたスペーサとを備えた原子炉反応度制御用ガス膨
張モジュールにおいて、前記スペーサの位置から前記一
端寄りの前記管状構造物内に前記管状構造物内のガスの
体積変化速度を促進するガス体積変化速度促進構造物が
装備されていることを特徴とした原子炉反応度制御用ガ
ス膨張モジュールであり、ガス体積変化速度促進構造物
がガス膨張モジュール内のガスの膨張速度を加速するの
でガス膨張モジュール内のガス領域の拡大が迅速になさ
れ、原子炉に採用された際の中性子の漏洩を迅速に達成
し、その漏洩も、ガス体積変化速度促進構造物がスペー
サよりも一端よりに寄せてあるから、障害物少なく充分
に成され、ガス膨張モジュールによる反応度制御を迅速
に得ることができる。

【００２６】同じく第２手段は、上部に上部ブランケッ
トが備わる炉心を有する原子炉の反応度制御用ガス膨張
モジュールにおいて、前記原子炉に前記ガス膨張モジュ
ールを装荷した状態での前記炉心の上部ブランケット領
域下端から上方の前記ガス膨張モジュール内に前記ガス
膨張モジュール内のガスの体積変化速度を促進するガス
体積変化速度促進構造物が装備されていることを特徴と
した原子炉反応度制御用ガス膨張モジュールであり、ガ
ス体積変化速度促進構造物がガス膨張モジュール内のガ
スの膨張速度を加速するのでガス膨張モジュール内のガ
ス領域の拡大が迅速になされ、原子炉に採用された際の
中性子の漏洩を迅速に達成し、その漏洩も、ガス体積変
化速度促進構造物が炉心からの中性子の漏洩を妨げない
ように上部ブランケットよりの高さに寄せてあるから、
障害物少なく充分に成され、ガス膨張モジュールによる
反応度制御を迅速に得ることができる。

【００２７】同じく第３手段は、第１手段又は第２手段
において、ガス体積変化速度促進構造物は、ガス膨張モ
ジュール内面と熱的に接続され、前記ガス膨張モジュー
ル内側に通された伝熱壁面を備えた構造物であることを
特徴とした原子炉反応度制御用ガス膨張モジュールであ
り、ガス膨張モジュールの内面のみならず、ガス体積変
化速度促進構造物の伝熱壁面からもガス膨張モジュール
外部からの熱をガス膨張モジュール内のガスに伝えるか
ら、ガスへの伝熱面積の拡大によるガスへの大量の伝熱
作用が得られ、ガスが迅速に膨張して第１手段又は第２
手段による作用効果がガスの周囲からの熱の取り込みに
よって達成される。

【００２８】同じく第４手段は、第３手段において、前
記伝熱壁面は補強壁としてガス膨張モジュール内面に固
定されていることを特徴とした原子炉反応度制御用ガス
膨張モジュールであり、第３手段による作用効果に加え
て、ガス膨張モジュールの上部が伝熱壁によって補強さ
れ、ガス膨張モジュールの強度が向上し、上部を横方向
から支える構成のない炉心やその周辺に採用した際の曲
がりにくさを向上し、ガス膨張モジュールの炉心等から
の引き抜きやさし込みに際しての取扱が容易となる。

【００２９】同じく第５手段は、第１手段から第４手段
のいずれか一手段において、ガス体積変化速度促進構造
物は、メッシュ状又は多孔質状の部材により構成されて
いることを特徴とした原子炉反応度制御用ガス膨張モジ
ュールであり、第１手段から第４手段のいずれか一手段
による作用効果に加えて、メッシュ状又は多孔質状の部
材は単位伝熱面積比が大きいので、ガスへの伝熱をさら
に促進でき、請求項１から請求項４までのいずれか一項
の発明による、より迅速な制御能力発揮する。同じく第
６手段は、第１手段から第５手段までのいずれか一手段
において、ガス膨張モジュールの上端は原子炉の燃料交
換設備によって扱えるハンドリングヘッドによって閉鎖
されていることを特徴とした原子炉反応度制御用ガス膨
張モジュールであり、原子炉の燃料交換設備によりハン
ドリングヘッド部分を扱って、ハンドリングヘッドと一
体のガス膨張モジュールを特別な取扱設備を新設するこ
となく取り扱うことができる。

【００３０】同じく第７手段は、第６手段において、ハ
ンドリングヘッドにガス体積変化速度促進構造物が取り
付けてあることを特徴とした原子炉反応度制御用ガス膨
張モジュールであり、第６手段による作用効果に加え
て、ハンドリングヘッドからの熱をもガス膨張モジュー
ル内のガスにガス体積変化速度促進構造物を経由して効
率よく伝達してガスの膨張をより促進し、より迅速に原
子炉反応度制御が成せる。

【００３１】上記第２目的を達成するための第８手段
は、ガス膨張モジュールを炉心又は前記炉心の外周囲に
装荷してある原子炉の炉心において、前記ガス膨張モジ
ュールは前記第１手段から第７手段までのいずれか一項
に記載の原子炉反応度制御用ガス膨張モジュールである
ことを特徴とした原子炉の炉心であり、ガス膨張モジュ
ールが作動した際、ガス膨張モジュールのガス膨張速度
が速く、且つガス膨張モジュール内に中性子の漏洩障害
物も少ないから、炉心からの中性子漏洩が迅速に成さ
れ、炉心が負の反応度を迅速に受けることとなり、負の
反応度の投入が遅れるのに比べて、例えば、冷却材流量
喪失事象に対する裕度を高めることができ、炉心の安全
性が向上する。

【００３２】同じく第９手段は、第８手段において、炉
心の内側にガス体積変化速度促進構造物を装備しないガ
ス膨張モジュールを、前記炉心の外周囲に前記第１手段
から第７手段までのいずれか一項に記載の原子炉反応度
制御用ガス膨張モジュールを、それぞれ装荷してあるこ
とを特徴とした原子炉の炉心であり、第８手段による効
果に加えて、ガス膨張モジュールが作動した際、炉心の
横方向（水平方向）はガス膨張モジュール内の膨張に囲
われ、炉心内にも炉心内のガス膨張モジュールの膨張ガ
スが存在するので、炉心内の中性子は炉心外の方向に良
く抜けて漏洩する上、炉心内のガス膨張モジュールには
上部に中性子の抜けの障害となるガス体積変化速度促進
構造物が存在しないので、炉心内の中性子の上方への抜
けが起こりやすく、より一層迅速に炉心は負の反応度を
受けやすく、より一層炉心の安全性が向上する。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明の実施例は、ＧＥＭ内部に
伝熱促進体などのＧＥＭ内のガスの体積変化速度を促進
するためのガス体積変化速度促進構造を設置することに
よって達成される。ただし、当該のガス体積変化速度促
進構造は、ＧＥＭ内部にガス空間が形成された状態にお
いて、炉心外部へ向かう中性子の運動を極力阻害しない
ようにＧＥＭ内上部位置に設置する。

【００３４】ＧＥＭ内部の炉心上部位置に設置した伝熱
促進構造は、外部冷却材温度と平衡になるまでＧＥＭ外
部の冷却材から構造体内部へ熱を伝達され、通常運転時
においてはほぼ外部にある冷却材温度と同一の温度と成
っている。

【００３５】上記と同様に、ＧＥＭを構成する各部材お
よび内部に封入されるガスも同様に、通常運転時におい
てはほぼ外部冷却材温度と同一と成っている。

【００３６】冷却材流量喪失事故が発生した場合には、
短時間に冷却材圧力が低下してGEM内の封入ガスの圧力
が冷却材循環圧力に比較して大きくなるために、封入ガ
スが膨張して一時的にガス温度が低下する。

【００３７】この冷却材流量喪失事故のときには、ＧＥ
Ｍ壁面などＧＥＭを構成する部材から封入ガスへ熱が伝
達されることで、ガスの内部エネルギーは増大してガス
の膨張が促される。なお、ＧＥＭを構成する部材は封入
ガスに比べて密度の高い金属であるため、ＧＥＭ構成部
材からガスへの熱が伝達される場合における当該構成部
材の温度の低下は小さい。

【００３８】伝熱促進構造の設置により封入ガスが接触
して熱を伝達される構成部材が増えることで、ＧＥＭ外
部から封入ガスに伝達される熱量が増加するため、伝熱
促進構造を設置しない場合と比較してより短時間でガス
温度は上昇する。

【００３９】これにより、ＧＥＭ壁面からの入熱のみに
頼った従来の場合よりガス体積膨張速度を大きくでき、
より速やかに大きな負の反応度を原子炉炉心へ投入でき
る。以下、本発明の各実施例をより具体的に説明する。

【００４０】本発明の第１の実施例であるガス膨張モジ
ュールを、図１から図１１を用いて説明する。

【００４１】図１は、本発明によるガス膨張モジュール
（ＧＥＭ）構造の一例で、（ａ）が縦断面図，（ｂ）が
Ａ−Ａ′矢視図，（ｃ）がＢ−Ｂ′矢視図である。

【００４２】ＧＥＭ１は、燃料集合体（図示せず）の上
部の開口部をふさぎ、燃料ピンを取除くことによって内
部に空間を設け、ガスを封入できるようにしたものであ
る。外形は燃料集合体とほぼ同じである。下部よりエン
トランスノズル２０，下部遮蔽体１２，ＧＥＭダクト壁
面１１，上部遮蔽体１３，ハンドリングヘッド１０の部
品で構成される。

【００４３】エントランスノズル２０が、燃料集合体同
様に高圧プレナム７５に配置されるので、エントランス
ノズル２０には、冷却材循環ポンプの吐出圧力が作用す
る。ＧＥＭダクト壁面１１内部は空洞になっており、ダ
クト壁面１１上部にはハンドリングヘッド１０が接続さ
れている。ＧＥＭ用のハンドリングヘッド１０は、燃料
集合体用のものとは異なり、冷却材流路は設けられてお
らず、ダクト壁面１１上部の端栓の役割も果たしてい
る。また、ハンドリングヘッド１０下部には上部遮蔽体
１３が接続され、エントランスノズル２０上部には下部
遮蔽体１２が接続されており、炉心７２の軸方向上部お
よび下部から周囲への放射線を遮蔽する。

【００４４】ハンドリングヘッド１０をブロック状の構
造とすることにより、上部遮蔽体１３の作用を兼ねた軸
方向上部の放射線遮蔽の役割をもたせることが可能であ
る。またエントランスノズル２０をブロック状の構造と
することにより、下部遮蔽体１２の作用を兼ねた軸方向
下部の放射線遮蔽の役割をもたせることが可能である。

【００４５】図２は、高速炉の炉心構造の縦断面図であ
る。原子炉容器７１には核燃料を装荷した炉心部７２が
収容される。炉心７２は、原子炉容器７１内に満たされ
た液体金属冷却材であるナトリウム中に浸漬状態で設置
され、炉心支持構造物７３により支持される。原子炉容
器７１内は、仕切板８０によって、上部プレナムと下部
プレナムとに区画される。

【００４６】炉心７２の上方には、制御棒４の駆動機構
等を収容した炉心上部機構７７が設置されている。一
方、炉心７２の下部に高圧プレナム７５、及び低圧プレ
ナム７６がある。

【００４７】高圧プレナム７５には一次冷却材入口配管
７８から一次冷却材であるナトリウムが供給され、上部
プレナムの一次冷却材出口配管７９から流出するよう循
環される。

【００４８】本発明のＧＥＭ１を配置した内側炉心２，
外側炉心３，制御棒４，遮蔽体５で構成された炉心体系
の一例の横断面図を図３に示す。

【００４９】ＧＥＭ１は水平断面において、炉心内部及
び炉心外周部に配置される。GEM1内部の空間には、アル
ゴン等の不活性ガスを封入した後に炉心７２に装荷す
る。

【００５０】ＧＥＭ１を炉心７２に装荷すると、冷却材
のナトリウムがエントランスノズル２０からＧＥＭ１内
部に流れ込み、ＧＥＭ内部でＮａ液柱を形成する。

【００５１】このＮａ液面の高さは、封入されているガ
スの圧力と液柱のヘッド及び高圧プレナムの圧力のバラ
ンスにより定まる。

【００５２】図４にＧＥＭ１の作動原理の概念図を示
す。

【００５３】冷却材主循環ポンプ（図示せず）が定格運
転に達すると、高圧プレナム７５の圧力が上昇してＧＥ
Ｍ１内部のガスを圧縮する。

【００５４】このときのＧＥＭ１内部のＮａ液面高さ
が、隣接して配置される炉心２，３の軸方向上部ブラン
ケット６領域に達するように、初期にＧＥＭ１に封入さ
れるガス量を調整する。

【００５５】ＧＥＭ１内部にガスを保持する空間が確保
できるならば、冷却材流路を持つ燃料集合体用のハンド
リングヘッド１０をそのまま利用し、その下部に上部遮
蔽体１３を別に設けること、ＧＥＭダクト壁面１１内部
空間の端栓のために隔壁を設けること等により、ＧＥＭ
１を構成することもできる。

【００５６】図４左に示すように、冷却材主循環ポンプ
が定格運転状態にある場合にはＮａ液柱が炉心高さ７２
の位置に達して炉心７２側面をおおうので、ＧＥＭ１内
部の質量密度は大きくなりＧＥＭ１は中性子の反射体と
して作用する。

【００５７】万一冷却材主循環ポンプが停止し、冷却材
流量喪失のような事故が発生した場合には、高圧プレナ
ム７５の圧力が低下するので、ＧＥＭ１内部に封入され
たガスが膨張し、ＧＥＭ１内のＮａを高圧プレナム７５
に排出する。

【００５８】最終的には図４右に示すように、Ｎａ液面
高さは軸方向下部ブランケット７領域にまで低下する。
この状態では、炉心７２側面にガス空間が形成されるの
で、中性子が炉心７２の径方向に漏洩しやすくなり、炉
心に負の反応度が投入されることになる。よって、冷却
材圧力低下時の負の反応度の投入速度すなわち封入ガス
の体積膨張速度をでき得る限り大きくすることが、ＧＥ
Ｍに要求される性能である。

【００５９】しかし、公知技術では冷却材ポンプ停止時
の封入ガスの体積膨張挙動（ナトリウム液面挙動）は実
験的に明らかでない。特に、封入ガスの体積膨張時にお
けるＧＥＭダクト壁面１１から封入ガスへの非定常の熱
伝達現象を、ナトリウム液面を有する体系での過渡試験
によって系統的に解明した公知技術例は過去にない。そ
こで今回、発明者らは冷却材ポンプ停止時のＧＥＭの封
入ガス膨張挙動と、封入ガスの体積膨張時におけるＧＥ
Ｍダクト壁面から封入ガスへの非定常の熱伝達現象を模
擬した試験を実施した。

【００６０】図５から図８に発明者らが実施した上記模
擬試験における測定結果を示す。

【００６１】図５は、圧力過渡変化中のＧＥＭ内部のナ
トリウム液位の測定値と、断熱膨張を仮定した時および
等温膨張（瞬時に壁温度とガス温度とが熱平衡に達した
場合の膨張）を仮定した時のナトリウム液位の計算値で
ある。過渡変化中では、封入ガス温度の低下が小さいた
めに、断熱膨張よりもむしろ等温膨張を仮定した場合の
ナトリウム液位の変化に近い。

【００６２】しかし、ガスの体積膨張をさらに促進させ
ることでガス膨張過程を瞬時熱平衡により近づけるよう
にして、ＧＥＭ性能の改善が可能である。

【００６３】図６は、圧力過渡変化中の封入ガス流速の
測定値である。

【００６４】過渡変化開始よりガス流速は徐々に増加し
て、最大流速に達した後に過渡変化終了の直前に急激に
低下する。特に過渡変化初期のガス流速が小さいことか
ら、ナトリウム液位が高い位置（即ち炉心上部位置）に
ある時のガス体積膨張を促進して体積膨張速度を向上さ
せることができれば、ＧＥＭの性能改善にはより有効と
いえる。

【００６５】図７は、圧力過渡変化中のＧＥＭダクト壁
面から封入ガスへの伝熱量の測定値である。過渡変化開
始より急激に伝熱量は増加するが、その後のガス膨張中
には伝熱量はほぼ一定である。

【００６６】図８は、圧力過渡変化中のＧＥＭダクト壁
面から封入ガスへの熱伝達率の測定値である。過渡変化
開始より急激に熱伝達率は増加して、ガス膨張初期にお
いては熱伝達率は大きい。しかし、図７の伝熱量の増加
が小さくなると同時に熱伝達率は急激に低下して、ガス
膨張中から終了までの間には緩やかに減少し、熱伝達率
は小さい。

【００６７】ＧＥＭのガス体積膨張速度またはナトリウ
ム液面低下速度の向上策としては、圧力過渡変化の開始
時（ガス膨張初期）すなわちナトリウム液面が高い位置
にあるＧＥＭ上部位置のダクト壁面などのＧＥＭ構造物
から封入ガスへの伝熱量を増加させることが有効であ
る。

【００６８】上記の伝熱量増加策を実現するための具体
的なＧＥＭ構造としては、特に図８に示されるようにガ
ス膨張初期においては熱伝達率は大きいことから、ＧＥ
Ｍ上部部材と封入ガスとの接触壁の面積増大による伝熱
促進構造が考えられる。この伝熱促進構造によるガスの
体積膨張速度の向上策を実現したのが、図１に示したＧ
ＥＭ１である。

【００６９】ＧＥＭ１においては、炉心７２上部の上部
ブランケット６高さ位置より高い位置に、伝熱促進体２
１をＧＥＭダクト壁面１１内側に設置することで、ガス
膨張初期におけるガスへの伝熱促進を実現できる。

【００７０】図９は、図１のＡ−Ａ′視図（ｂ）を拡大
したものである。

【００７１】従来のＧＥＭにおいてはガスへの熱の伝達
面はダクト壁面１１のみであり、ＧＥＭ長手方向の単位
長さ当たりの伝熱面の大きさ（以降、これを単位伝熱面
積と呼ぶ）はダクト横断面の周長である。

【００７２】このダクトに内接するように断面が円筒の
伝熱促進体２１を設置した場合の単位伝熱面積は、ほぼ
（円周長の２倍)−(ダクト壁面１１と伝熱促進体２１の
接触部分の長さ)×(接触箇所の数）分だけ、従来ＧＥＭ
より大きくなる。

【００７３】図９ではダクト断面は正六角形なので、一
辺の長さをＬとすると周長は６Ｌである。

【００７４】また、ダクト壁面１１に伝熱促進体２１を
固定する部分（即ち、伝熱促進体２１とダクト壁面１１
の接触部分）の全周３６０度に占める角度をｎ度とする
と、図９のＧＥＭと従来ＧＥＭとの単位伝熱面積の比
は、数１で与えられる。伝熱促進体２１とダクト壁面１
１とを固定するのに十分なｎ＝２０度としたときの数１
の値は約２.５となる。

【００７５】

【数１】

【００７６】図１０は、試験結果（従来ＧＥＭ）の場合
におけるガスへの伝熱量（測定値）と、図９に基づいて
ナトリウム液位が１.６ｍ以上はＧＥＭ壁面の２.５倍の
伝熱面の場合の伝熱量計算結果を示したものである。

【００７７】過渡変化開始のガス膨張初期における伝熱
量は、従来ＧＥＭの場合より約2.5倍大きくなる。

【００７８】しかし、ガス膨張が進行した時刻９.５秒
以降にはガスの接触面積に占める促進体２１の接触面積
の割合は急速に小さくなることで、促進体２１を設置し
た場合と設置しない従来ＧＥＭとではほぼ同じ伝熱量に
なる。

【００７９】図１１は、試験結果（従来ＧＥＭ）の場合
におけるナトリウム液位の測定値と、図９に基づいてナ
トリウム液位が１.６ｍ以上はＧＥＭ壁面の２.５倍の伝
熱面の場合（これをケース１と呼ぶ）、およびＧＥＭダ
クト長手方向の全長に亘ってＧＥＭ壁面の２.５倍の伝
熱面の場合（これをケース２と呼ぶ）のナトリウム液位
計算結果を示したものである。

【００８０】ケース１と２では、従来ＧＥＭの場合より
過渡変化開始のガス膨張初期における伝熱量は約２.５
倍大きくなるためにナトリウム液位の降下速度（ガス体
積膨張速度）は従来ＧＥＭの場合より大きくなり、負の
反応度投入速度は大きくなる。ナトリウム液位１.６ｍ
までの範囲では、ケース１と２ではナトリウム液位の変
化はほぼ一致しており、１.６ｍまでナトリウム液位が
降下するのに要する時間はともに従来ＧＥＭより０.２
秒短縮され、伝熱促進体２１によるガスへの伝熱量の増
大によりガス膨張が促進される。

【００８１】また、ケース２ではＧＥＭ全長に亘って従
来ＧＥＭより伝熱が促進されるため、１.６ｍ以下のナ
トリウム液位でもさらにガス体積膨張速度の増加が見ら
れる。

【００８２】しかし、軸方向全体の伝熱促進構造では、
ナトリウム液面降下時の摩擦抵抗の増大により液面低下
速度の低減や、伝熱促進体の挿入による周囲への中性子
リーク効果の低減がある。

【００８３】そのため、特に、炉心上部位置のみの伝熱
促進体２１を有するＧＥＭ１の負の反応度投入速度は、
軸方向全体の伝熱促進構造を有するＧＥＭよりも高くな
る。伝熱促進体２１は円筒状であるために、ＧＥＭ１へ
作用する荷重，熱応力および封入ガス圧力に抗する外力
支持部材の役割を兼ねることも可能である。

【００８４】この場合には、封入ガス圧力をさらに増加
させて、ガスの体積膨張速度をさらに増加させることも
可能となる。

【００８５】また、伝熱促進体２１をメッシュ状または
多孔質状の部材とすることで、数１よりさらに大きな単
位伝熱面積比とすることが可能である。

【００８６】この場合には、封入ガスへの伝熱をさらに
促進させてガスの体積膨張速度をさらに増加させること
も可能となる。

【００８７】図１２に、本発明の第２の実施例による伝
熱促進構造を示す。

【００８８】以下に述べる変更内容以外は第１実施例と
同じである。

【００８９】伝熱促進体２１ａは、ダクト１１の横断面
多角形の頂点と断面中央（断面多角形の重心）の位置を
板梁状であることを特徴としている。この場合の単位伝
熱面積は、ほぼ（伝熱促進体２１ａと壁面１１に囲まれ
た三角形の周長)×(断面多角形の頂点の数）分だけ、従
来ＧＥＭより大きくなる。

【００９０】よって、図１２のＧＥＭと従来ＧＥＭとの
単位伝熱面積の比は、３となり、図９の実施例よりも大
きいためにさらに伝熱が促進されガスの体積膨張速度を
向上させることが可能となる。

【００９１】図１３に、本発明の第３の実施例による伝
熱促進構造を示す。

【００９２】以下に述べる変更内容以外は第１実施例と
同じである。

【００９３】伝熱促進体２１ｂは、ダクト１１に内接し
た別の伝熱促進体２１の内部に位置しており、ハンドリ
ングヘッド１０または上部遮蔽体１３と結合して、ＧＥ
Ｍ１上部よりガス空間内部へ懸架された構造であること
を特徴としている。この場合の単位伝熱面積は実施例１
よりも大きいことは明らかで、さらに伝熱が促進されガ
スの体積膨張速度を向上させることが可能となる。

【００９４】図１４に、本発明の第４の実施例による伝
熱促進構造を示す。

【００９５】以下に述べる変更内容以外は第１実施例と
同じである。

【００９６】ダクト１１に内接したフィン状伝熱促進体
２１ｃの構造を設けることで、壁面からの熱伝達を促進
することを特徴としている。

【００９７】ただし、伝熱促進体２１ｃの設置にあたっ
ては、ＧＥＭ１内を通過する中性子の運動に極力影響し
ないように、伝熱促進体２１ｃの形状（長さおよび
幅），数および配置方向等を配慮する必要がある。

【００９８】炉心外周部に配置したＧＥＭ１は、炉心７
２から径方向外側へ中性子を漏洩させる役割を持ってい
る。伝熱促進体２１ｃは炉心径方向外側へ向かう経路を
ふさがないように設置した。

【００９９】中性子は炉心内のそれぞれの集合体から飛
び出してくるので、中性子の運動方向は炉心中心から放
射状の方向のみとは限らない。

【０１００】従って、伝熱促進体２１ｃの径方向の長さ
を大きくとりすぎたり、伝熱促進体２１ｃ相互の間隔を
小さくして多数の伝熱促進体２１ｃを設置することがな
ければ、伝熱促進体２１ｃの設置により中性子リーク効
果を阻害することはない。

【０１０１】図１５に、本発明の第５の実施例による炉
心構造を示す。

【０１０２】以下に述べる変更内容以外は第１実施例と
同じである。

【０１０３】図２では本発明のＧＥＭ１は水平断面にお
いて炉心内部及び炉心外周部に配置されているが、図１
５では伝熱促進体２１を有する本発明のＧＥＭ１は炉心
外周部に配置されており、炉心内部には伝熱促進体のな
いＧＥＭ１０１が配置されていることに特徴がある。

【０１０４】炉心内部のＧＥＭ１０１上部に伝熱促進体
を設けないことで、冷却材流量低下時における上部ブラ
ンケット６より炉心７２上部の中性子リーク効果をより
高めることが可能となる。

【０１０５】また、炉心内部に配置されるＧＥＭと炉心
外周部に配置されるＧＥＭの伝熱促進体の２１，２１
ａ，２１ｂ，２１ｃ等の形態を変えて組み合わせて用い
ることで、冷却材流量低下時における負の反応度投入効
果を炉心内部と炉心外周部で調整することができ、冷却
材流量喪失事象に対する裕度を高めて高速炉を運転する
ことが可能である。

【０１０６】いずれの実施例でも高速炉の原子炉炉心に
ＧＥＭを装荷乃至は原子炉炉心の外周囲に近接して原子
炉内に装備され、ＧＥＭのエントランスノズル部分は炉
心を支える構造部分に差し込んで下方と横方向が支持さ
れ、図１のスペーサ１０２部分が炉心よりも高い位置に
存在しており、その部分も含めてエントランスノズルよ
りも上の部分は横方向を支持する構造物はなく、隣接す
る燃料集合体や隣接するＧＥＭとスペーサ１０２部分で
横方向から当たり合っており、スペーサ１０２部分から
上方は横方向に曲がりやすい。

【０１０７】スペーサ１０２部分から上方はＧＥＭ内の
伝熱促進体がＧＥＭ内壁面に実質的に固定されて補強壁
として機能し、そのスペーサ１０２部分から上方での曲
がりを抑制している。

【０１０８】このような曲げ抑制により、炉心からＧＥ
Ｍを燃料交換機で取り出したり入れたりする作業がまが
ったものに比べて容易に行える。

【０１０９】いずれの実施例でも、熱をＧＥＭ内のガス
に加えてガスの膨張を行う例であったが、炉心からの冷
却材の温度を温度センサーで検知してＧＥＭ内にＧＥＭ
内の冷却材液面を押し下げるに充分な圧力にて圧縮して
保存させたガスを検知温度が冷却材喪失事象時に特有な
高温となったときに保存ガスを解放してＧＥＭ内の冷却
材液面を押し下げてガス領域を熱に依存することなく高
速にて拡大するようにしても良い。このように、熱に依
存しないガス体積変化速度促進構造を採用しても良い
が、この場合には、ＧＥＭは自己作動の機能がない上
に、一回作動すると入れ替える必要性がある。

【０１１０】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、ＧＥＭ内部の
ガスの膨張速度を高めて、且つ中性子の漏洩に障害とな
る構造を避けて、迅速に中性子の漏洩しやすい環境を作
り、炉心に対して短い時間でより大きな負の反応度を投
入することができる。

【０１１１】請求項２の発明によれば、請求項１と同様
な効果が得られる。

【０１１２】請求項３の発明によれば、ＧＥＭが受ける
熱をＧＥＭ内のガスに拡大した伝熱壁面にて大量に供給
して請求項１の効果を自発的に達成できる。

【０１１３】請求項４の発明によれば、請求項３の発明
による効果に加えて、ガス膨張モジュールの剛性が高め
られる。

【０１１４】請求項５の発明によれば、請求項１から請
求項４までのいずれか一項の発明による効果に加えて、
請求項１から請求項４までのいずれか一項の発明による
ガス体積変化速度を一層のこと高めることができて、よ
り迅速な制御能力発揮する。請求項６の発明によれば、
請求項１から請求項５までのいずれか一項の発明による
効果に加えて、燃料交換設備を燃料の取扱ばかりでな
く、ガス膨張モジュールの取扱設備として兼用できる。

【０１１５】請求項７の発明によれば、請求項６の発明
による効果に加えて、ハンドリングヘッドからの熱をガ
ス膨張に迅速に寄与させることができるので、ガス体積
変化速度を一層のこと高めることができて、より迅速な
制御能力発揮する。

【０１１６】請求項８の発明によれば、冷却材流量喪失
事象に対する事後の負の反応度投入を迅速に成せる炉心
が提供でき、炉心の安全性が向上する。

【０１１７】請求項９の発明によれば、請求項８の発明
による効果に加えて、冷却材流量喪失事象に対する事後
の炉心内の中性子の抜けが向上して、負の反応度投入を
より一層迅速に成せる炉心が提供でき、炉心の安全性が
より一層向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例によるガス膨張モジュール
の各段面構造を示しており、（ａ）図は全体の縦断面図
であり、（ｂ）図は（ａ）図のＡーＡ′矢視断面図であ
り、（ｃ）図は（ａ）図のＢーＢ′矢視断面図である。

【図２】高速炉の原子炉容器内を示した縦断面図であ
る。

【図３】本発明のガス膨張モジュールを高速炉の炉心と
その周辺に配置した場合の炉心の水平断面図である。

【図４】本発明のガス膨張モジュールを炉心の周囲に配
置した場合の定格運転時と冷却材主循環ポンプ停止時の
両者を左右に混在して表示した作動原理を縦断面として
表した図である。

【図５】ガス膨張時のガス膨張モジュール内のナトリウ
ム液位の時間変化を示したグラフ図である。

【図６】ガス膨張時のガス膨張モジュール内のガス流速
の時間変化を示したグラフ図である。

【図７】ガス膨張時のガス膨張モジュール壁から封入ガ
スへの伝熱量の時間変化を示したグラフ図である。

【図８】ガス膨張時のガス膨張モジュール壁から封入ガ
スへの熱伝達率の時間変化を示したグラフ図である。

【図９】本発明の第１実施例によるガス膨張モジュール
の伝熱促進体とガス膨張モジュール内壁面との接触状態
を水平断面で示した図である。

【図１０】ガス膨張時のガス膨張モジュール壁から封入
ガスへの伝熱量の時間変化を、従来例と本発明の一実施
例について比較表示したグラフ図である。

【図１１】ガス膨張時のガス膨張モジュール内のナトリ
ウム液位の時間変化を、従来例と本発明の一実施例につ
いて比較表示したグラフ図である。

【図１２】本発明の第２実施例によるガス膨張モジュー
ルの伝熱促進体付近の水平断面図である。

【図１３】本発明の第３実施例によるガス膨張モジュー
ルの伝熱促進体付近の水平断面図である。

【図１４】本発明の第４実施例によるガス膨張モジュー
ルの伝熱促進体付近の水平断面図である。

【図１５】本発明のガス膨張モジュールと他のガス膨張
モジュールとを高速炉の炉心とその周辺に配置した状態
を炉心の水平断面方向から見た図である。

【符号の説明】

１…ＧＥＭ、２…内側炉心、３…外側炉心、４…制御
棒、５…遮蔽体、６…上部ブランケット、７…下部ブラ
ンケット、１０…ハンドリングヘッド、１１…ＧＥＭダ
クト壁面、１２…下部遮蔽体、１３…上部遮蔽体、２１
…伝熱促進体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端が閉鎖され、他端が開口されている中
空な管状構造物と、前記管状構造物の開周囲に装備され
たスペーサとを備えた原子炉反応度制御用ガス膨張モジ
ュールにおいて、前記スペーサの位置から前記一端寄り
の前記管状構造物内に前記管状構造物内のガスの体積変
化速度を促進するガス体積変化速度促進構造物が装備さ
れていることを特徴とした原子炉反応度制御用ガス膨張
モジュール。
【請求項２】上部に上部ブランケットが備わる炉心を有
する原子炉の反応度制御用ガス膨張モジュールにおい
て、前記原子炉に前記ガス膨張モジュールを装荷した状
態での前記炉心の上部ブランケット領域下端から上方の
前記ガス膨張モジュール内に前記ガス膨張モジュール内
のガスの体積変化速度を促進するガス体積変化速度促進
構造物が装備されていることを特徴とした原子炉反応度
制御用ガス膨張モジュール。
【請求項３】請求項１又は請求項２において、ガス体積
変化速度促進構造物は、ガス膨張モジュール内面と熱的
に接続され、前記ガス膨張モジュール内側に通された伝
熱壁面を備えた構造物であることを特徴とした原子炉反
応度制御用ガス膨張モジュール。
【請求項４】請求項３において、前記伝熱壁面は補強壁
としてガス膨張モジュール内面に固定されていることを
特徴とした原子炉反応度制御用ガス膨張モジュール。
【請求項５】請求項１から請求項４までのいずれか一項
において、ガス体積変化速度促進構造物は、メッシュ状
又は多孔質状の部材により構成されていることを特徴と
した原子炉反応度制御用ガス膨張モジュール。
【請求項６】請求項１から請求項５までのいずれか一項
において、ガス膨張モジュールの上端は原子炉の燃料交
換設備によって扱えるハンドリングヘッドによって閉鎖
されていることを特徴とした原子炉反応度制御用ガス膨
張モジュール。
【請求項７】請求項６において、ハンドリングヘッドに
ガス体積変化速度促進構造物が取り付けてあることを特
徴とした原子炉反応度制御用ガス膨張モジュール。
【請求項８】ガス膨張モジュールを炉心又は前記炉心の
外周囲に装荷してある原子炉の炉心において、前記ガス
膨張モジュールは前記請求項１から請求項７までのいず
れか一項に記載の原子炉反応度制御用ガス膨張モジュー
ルであることを特徴とした原子炉の炉心。
【請求項９】請求項８において、炉心の内側にガス体積
変化速度促進構造物を装備しないガス膨張モジュール
を、前記炉心の外周囲に前記請求項１から請求項７まで
のいずれか一項に記載の原子炉反応度制御用ガス膨張モ
ジュールをそれぞれ装荷してあることを特徴とした原子
炉の炉心。