JP2009509154A - 原子炉、特に、液体金属冷却型原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】炉心（４）の上のホットコレクタ（６）を、ホットコレクタを取り囲む実質的に環状のコールドコレクタ（７）から分離する円筒形の内側容器を備える型の原子炉、特に、液体金属（例えば、鉛または鉛ビスマス共晶合金などの液体重金属）によって冷却される原子炉、が提供されている。コールドコレクタ（７）内には、複数の循環・熱交換一体型アセンブリ（２０）が収容されており、各一体型アセンブリは、ポンプ（９）と、ポンプの両側に配置された２つの熱交換器（１０）と、輸送構造（２１）とを備えており、輸送構造を通って、炉心を冷却するための冷媒（８）がポンプから熱交換器に流れる。ポンプと、熱交換器と、輸送構造とは、互いに固定され、１つの構造を形成している。各一体型アセンブリは、ホットコレクタ（６）に接続された流入口（２６）と、コールドコレクタ（７）内の２つの流出部（３４）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、好ましくは円筒形の内側容器を備えた型の原子炉、特に、液体金属冷却型原子炉に関する。

周知のように、高速炉は、原子炉のケーシング（「外側容器」）内に熱交換器を備えており、ホットコレクタをコールドコレクタから流体的に分離することにより、炉心を冷却するための閉回路を形成する必要がある。

現在の方法では、流体的分離構造は、適切な形状の金属シェル（「内側容器」とも呼ばれる）によって構成され、金属シェルは、一般に複雑な形状を有し、ポンプおよび熱交換器を収容するためのいくつかの貫通口を備えている。

原子炉の出力のための主熱交換器の大部分は、ホットコレクタ内に浸漬されており、そこには、残留出力の排出のための補助回路も収容されている。

上述の方法には、多くの欠点があり、特に、炉心を冷却するための冷媒の自然循環を引き起こす速度に関して、コールドコレクタの体積ひいては冷媒の熱容量および熱慣性に関して、さらに、構造の複雑さに関しての欠点がある。

これらの欠点を克服するために、例えば、特許出願ＥＰ−Ａ−０３６２１５６に記載されたような、円筒形の内側容器を備えた原子炉が提案されている。しかしながら、そこに記載された方法は、原子炉の炉心と、熱交換器と、循環ポンプとを、様々な方法で連結する他の同様な周知の方法と同じように、全体の寸法および構造の複雑さの点、特に、冷媒を導くためのシステムが邪魔な点およびその構造について、十分に満足できるものではない。

したがって、本発明の目的は、周知の方法に関する上述の欠点を克服する原子炉を提供することである。

本発明は、添付の請求項１に記載の原子炉に関連し、さらなる特徴については、添付の従属項に記載されている。

本発明によると、循環・熱交換一体型アセンブリが利用される。一体型アセンブリは、循環ポンプと２つの熱交換器によって構成されることが好ましく、それらは、互いに流体的および機械的に接続されることで、非常に小型の単一構造を形成する。

このように、円筒形の内側容器の利用に関連するすべての利点を実現することができるが、さらに、原子炉全体の体積を大幅に低減する（約３０％）ことが可能であるため、原子炉の運転に必要な冷媒の量も大幅に低減できる。実際に、一体型アセンブリの流入口の領域に限定されて、熱交換器が内側容器に貫通する領域まで伸びる必要がなければ、ホットコレクタとコールドコレクタとの間の流体密閉のシステムは、決して邪魔にならない。さらに、複数の構成要素（ポンプおよび１または複数の熱交換器）を組み合わせた一体型アセンブリを利用することで、独立した構成要素（ポンプおよび熱交換器）を利用する場合に比べて、原子炉の天板上での貫通位置において占める空間が小さくなる。本発明の解決法によると、必要な時に原子炉から一体型アセンブリを簡単かつ迅速に取り外すことができる。

図１および図２によると、原子炉１は、ケーシングすなわち外側容器２を備えており、外側容器２は、天板３によって覆われて、炉心４と分離構造５とを内部に収容している。分離構造５は、ホットコレクタ６とコールドコレクタ７とを規定しており、それらの中を、炉心４を冷却するための冷媒８が循環している。外側容器２の内部には、さらに、冷媒８の循環のためのポンプ９と、熱交換器１０とが収容されている。熱交換器１０は、蒸気発生器であることが好ましく、冷媒８がそこを通過することで、炉心４で生成された出力を、二次外部回路内を循環する二次冷却材（周知であり図示せず）に伝達する。

冷媒８は、液体金属、特に、液体重金属（例えば、鉛または鉛ビスマス共晶合金）であることが好ましい。

外側容器２内には、様々な補助装置１２が収容されている。それらは、例えば、燃料の移送のための機械、機器および制御桿を支持するための構造、残留出力を除去するための補助熱交換器などを含むが、周知のものであって本発明に関連しない限りは、簡単のために、詳細な説明を省略して簡単に図示するに留めている。

分離構造５は、炉心４の上方に設置された実質的に円筒形の内側容器を備える。ホットコレクタ６は、内側容器１５内に規定されるため、炉心４の上方の中心に位置する。コールドコレクタ７は、外側容器２と内側容器１５との間に設けられた環状領域１６によって規定されるため、ホットコレクタ６の周囲に配置されている。

原子炉１は、コールドコレクタ７内に全体が配置された循環・熱交換一体型アセンブリ２０を、１つ、好ましくは複数、備える。添付した図面の例では、原子炉１は、互いに離間して内側容器１５の周囲に配置された複数（４つ）の一体型アセンブリ２０を備える。

図３ないし５によると、各一体型アセンブリ２０は、冷媒８の循環のためのポンプ９と、ポンプ９と並んで配置され、冷媒８が横切る１または複数の熱交換器１０と、輸送構造２１とを備えており、それら構成要素が、互いに固定されることで、１つの機械構造を形成している。図に示した好ましい実施形態では、各一体型アセンブリ２０は、ポンプ９と、ポンプ９の両側に配置された２つの熱交換器１０とを備える。ポンプ９および熱交換器１０は、それぞれ、実質的に垂直かつ互いに平行な軸に沿って伸びている。

ポンプ９は、シャフト２４を介してモータ２３によって駆動される羽根車２２を有する（これらの構造要素は実質的に周知のものである）。羽根車２２は、実質的に垂直な軸を有する実質的に円筒形の管状部材２５内に収容されており、管状部材２５は、管状部材２５の軸方向での両側の端部２８および２９によってそれぞれ規定される冷媒８のための流入口２６および流出口２７を有する。

各熱交換器１０は、実質的に円筒形のシェル３２を有しており、シェル３２の内部を冷媒８が通過する。シェル３２は、冷媒８の流入のための流入部３３と、流出部３４とを有しており、流入部３３は、輸送構造２１を介してポンプ９の流出口２７と連絡し、流出部３４は、シェル３２の下端３５に配置されている。

熱交換器１０は、様々な周知の方法に従って構成されてよい。図の例では、各熱交換器１０は、二次冷却材を通すための一群の管３６を有している。一群の管３６は、それぞれ、実質的に直線状であって熱交換器１０の中央を垂直に通り二次冷却材の流入のための流入コレクタ３８に接続された送出ストレッチ３７と、屈曲した連結部３９と、らせん状の主ストレッチ４０と、流出コレクタ４２に接続された実質的に直線状の回収ストレッチ４１と、を有する。いずれの場合でも、熱交換器１０の構成については、本明細書で単に例として記載したものと異なってもよいことを理解されたい。

輸送構造２１は、ポンプ９の流出口２７を熱交換器１０の流入部３３と流体的に接続するケーシングボックス４４を備える。ケーシングボックス４４は、平面視すると、環状領域１６内に収容されるように湾曲した形状（特に、ほぼ豆形）を有しており、底部が端壁４５によって閉じられ、内部には、ポンプ９および熱交換器１０が通っている。特に、端壁４５から下向きに、ポンプ９の環状部材２５と、熱交換器１０の末端部４６とが突き出しており、熱交換器１０の底部には、流出部３４を規定する開口部４７が設けられている。ポンプ９の流出口２７は、ケーシングボックス４４の内部に連絡しており、熱交換器１０の流入部３３は、ケーシングボックス４４内の端壁４５に対応する位置に形成されている。最上部において、ケーシングボックス４４は、覆い板４８を有しており、その上には、モータ２３、流入コレクタ３８、および、流出コレクタ４２が設置されている。ケーシングボックス４４の上部領域には、さらに、流出開口部４９が設けられている。流出開口部４９は、原子炉１の通常運転の条件下でのケーシングボックス４４内の冷媒８の液面よりも高い位置に形成され、熱交換器の故障または異常によって液面が上昇した場合に、ケーシングボックス４４からコールドコレクタ７に冷媒８があふれることを可能にする機能を有する。

一体型アセンブリ２０は、原子炉の天板３によって支持されて天板３からつり下げられ、コールドコレクタ７内に下向き垂直に突き出している。特に、ケーシングボックス４４は、天板３に形成された窓５０を通るように設置されており、板４８は、天板３に対して着脱可能にはめ込まれている。

各一体型アセンブリ２０は、ホットコレクタ６からの熱い冷媒８のための流入口２６と、コールドコレクタ７に流出する冷たい冷媒８のための２つの流出部とを有する１つの機械構造を構成する。

各一体型アセンブリ２０は、内側容器１５に固定されたパイプ５２を備える接続構造５１と、端部２８に固定されてポンプ９の流入口２６と連絡する接続部材５３とを介して、流体的にホットコレクタ６に接続されている。パイプ５２は、内側容器１５の側壁から半径方向に突き出ており、上向きに屈曲して、実質的に水平な自由端５４を有する腕形になっている。接続部材５３は、垂直軸Ａに沿って伸びており、軸Ａに関して軸対称を有し、管状部材２５の端部２８と、パイプ５２の自由端５４とに接続されている。特に、接続部材５３には、一体型アセンブリ２０を原子炉１から垂直に取り外せるように、軸Ａに沿って自由端５４と協働する解除可能な接続システム５５が備えられている。一体型アセンブリ２０を原子炉１から取り外す場合に、接続部材５３は、ポンプ９の管状部材２５と機械的に接続したままであり、パイプ５２は、内側容器１５に固定されたままとなる。

接続部材５３には、さらに、機械的な密閉システム５６が備えられており、それは、パイプ５２の自由端５４と協働し、場合によっては、管状部材２５の端部２８とも協働する。

解除可能な接続システム５５および機械的な密閉システム５６については、両方とも、当該分野で周知のシステムから選択されてよい。例えば、圧縮リングを備えたシステムが採用されてよい。

また、接続部材５３は、一体型アセンブリ２０の両軸端の間でのすべての熱膨張を補償するように、実質的に柔軟な部材になっている。接続部材５３の柔軟性は、例えば、金属ベローズなど、当該分野で周知の方法を用いて実現できる。

このように、流体密閉システムを必要とするのは、比較的小さい直径を有するポンプ９の流入口２６のみであり、個々の熱交換器１０では、周知の方法の場合と違って、さらなる密閉システムが必要ないことに注目されたい。

原子炉１の通常運転の条件下では、冷媒８の液面は、一体型アセンブリ２０（特に、ケーシングボックス４４）内では高さＨ１にあり、コールドコレクタ７内では高さＨ１よりも低い高さＨ２にあり、ホットコレクタ６内では高さＨ２よりもさらに低い高さＨ３にある。

通常運転の条件下では、冷媒８は、炉心４を通って循環し、ポンプ９によって接続構造５１内に吸い込まれ、その後に、実質的に垂直上向きの方向に管状部材２５を通過し、ケーシングボックス４４を高さＨ１まで満たす。

各ケーシングボックス４４において、冷媒８は、実質的に水平方向横向きに流れ、両側の流れに分かれて、熱交換器１０の流入部３３に到達する。次いで、冷媒８は、実質的に垂直方向下向きに熱交換器１０を通過し、二次冷却材に熱を移して、その後、冷却された状態で、流出部３４からコールドコレクタ７に流れ出て、そこから再び炉心４を横切る。

熱交換器１０の流入部３３は、冷媒８が原子炉１の天井からのガスを一緒に引き込まないように、ケーシングボックス４４内の冷媒８の自由表面よりも十分に低い高さに位置する。

最後に、ここに記載および図示した原子炉について、添付の特許請求の範囲を逸脱することなく、変形例および変更例を実施することができることを理解されたい。

本発明に従って、原子炉を示す略断面図。 わかりやすいように部品を取り除いた図１の原子炉の略平面図。 図１の原子炉の一部を形成する循環・熱交換一体型アセンブリを示す略正面図。 図３の一体型アセンブリの部分断面を示す略断面図。 図４の曲線Ｖ−Ｖが示す面における断面図。

Claims (14)

1. 炉心（４）の上のホットコレクタ（６）と、前記ホットコレクタを取り囲むコールドコレクタ（７）とを有する原子炉（１）、特に、液体金属冷却型原子炉、であって、前記ホットコレクタおよび前記コールドコレクタは、分離構造（５）によって分離されると共に、前記炉心（４）を冷却するための冷媒（８）が内部を循環しており、
   前記原子炉は、少なくとも１つの循環・熱交換一体型アセンブリ（２０）を備え、前記一体型アセンブリは、ポンプ（９）と、少なくとも１つの熱交換器（１０）と、輸送構造（２１）とを備え、前記輸送構造を通って、前記冷媒（８）が、前記ポンプから前記熱交換器へ流れ、前記ポンプと前記熱交換器と前記輸送構造とは、互いに固定されて１つの構造を形成し、
   前記一体型アセンブリは、前記コールドコレクタ（７）内に全体が収容されているとともに、前記ホットコレクタ（６）に接続された流入口（２６）と、前記コールドコレクタ（７）内に配置された少なくとも１つの流出部（３４）とを有することを特徴とする原子炉。
2. 請求項１に記載の原子炉であって、前記少なくとも１つの熱交換器（１０）は、前記ポンプ（９）の側方に配置されることを特徴とする原子炉。
3. 請求項１または２に記載の原子炉であって、前記一体型アセンブリ（２０）は、１つのポンプ（９）と、前記ポンプの両側に配置された２つの熱交換器（１０）とを備えることを特徴とする原子炉。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の原子炉であって、前記輸送構造（２１）は、ケーシングボックス（４４）を備え、前記ケーシングボックスは、予め設定された高さ（Ｈ１）までの冷媒を含み、前記ポンプ（９）を前記熱交換器（１０）に接続することを特徴とする原子炉。
5. 請求項４に記載の原子炉であって、前記ケーシングボックス（４４）は、上部領域に流出開口部（４９）を有しており、前記流出開口部は、前記高さ（Ｈ１）よりも高い位置に配置されていることを特徴とする原子炉。
6. 請求項４または５に記載の原子炉であって、前記ケーシングボックス（４４）は、平面視において、湾曲した形状のほぼ豆形を有しており、前記コールドコレクタ（７）の環状領域（１６）内に収容されることを特徴とする原子炉。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の原子炉であって、前記分離構造（５）は、前記炉心（４）の上方に配置された実質的に円筒形の内側容器（１５）によって規定されることを特徴とする原子炉。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の原子炉であって、前記ポンプ（９）は、前記冷媒（８）のための流入口（２６）および流出口（２７）を有し、前記一体型アセンブリ（２０）は、前記ポンプ（９）の前記流入口（２６）と連絡する接続構造（５１）を介して前記ホットコレクタ（６）に流体的に接続されていることを特徴とする原子炉。
9. 請求項８に記載の原子炉であって、前記接続構造（５１）は、柔軟な構造であることを特徴とする原子炉。
10. 請求項８または９に記載の原子炉であって、前記接続構造（５１）は、パイプ（５２）と、接続部材（５３）とを備え、前記パイプは、前記分離構造（５）に固定されており、前記接続部材は、垂直軸（Ａ）に沿って伸び、前記一体型アセンブリ（２０）を前記原子炉（１）から垂直に取り外せるように前記軸（Ａ）に沿って前記パイプ（５２）の自由端（５４）に対して着脱可能に接続されていることを特徴とする原子炉。
11. 請求項１０に記載の原子炉であって、前記接続部材（５３）は、前記軸（Ａ）に関して軸対称を有することを特徴とする原子炉。
12. 請求項１０または１１に記載の原子炉であって、前記接続部材（５３）は、前記パイプ（５２）の前記自由端と協働する機械的な密閉システム（５６）を備えることを特徴とする原子炉。
13. 請求項１ないし１２のいずれかに記載の原子炉であって、前記冷媒（８）は、実質的に垂直上向きに前記ポンプ（９）内に吸い込まれ、前記輸送構造（２１）内で実質的に水平方向に流れ、実質的に垂直下向きに前記熱交換器（１０）を通過することを特徴とする原子炉。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の原子炉であって、前記原子炉（１）の通常運転時には、前記冷媒（８）の液面は、前記一体型アセンブリ（２０）内では第１の高さ（Ｈ１）にあり、前記コールドコレクタ（７）内では前記第１の高さ（Ｈ１）よりも低い第２の高さ（Ｈ２）にあり、前記ホットコレクタ（６）内では前記第２の高さ（Ｈ２）よりも低い第３の高さ（Ｈ３）にあることを特徴とする原子炉。

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