JP2011242160A - 液体金属冷却原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】二重容器漏れのような仮想事象が発生したとしても、漏洩液体金属と冷却空気との接触を防止し、液体金属冷却原子炉から確実に熱を除去する。
【解決手段】内部に液体金属３が満たされた原子炉容器４と、前記原子炉容器４を格納する格納容器６と、前記格納容器６を環状空間３５を介して収納するサイロ７と、前記環状空間３５を区画し、サイロ７側に空気下降流路１２及び格納容器６側に空気上昇流路１３を形成する筒状のコレクタ１０と、を有する液体金属冷却原子炉において、前記サイロの底部１４に前記液体金属３よりも比重が小さい多数の閉止部材１５を配置するとともに、前記コレクタ１０は締結部材１９で接続された上部コレクタ１０ａと下部コレクタ１０ｂからなり、前記締結部材１９の融点は漏洩液体金属３ａの温度よりも低いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は原子炉容器補助冷却系を備えた液体金属冷却原子炉に関する。

液体金属冷却原子炉は、図１４に示すように、冷却材のナトリウム又はナトリウム・カリウム等の液体金属３を満たした原子炉容器４内に核燃料炉心２を配置し、原子炉容器４は、間に不活性ガスを満たした間隙５を介して格納容器６に格納され、格納容器６は地表下に掘り下げて形成したコンクリート製のサイロ７内に収容されている。

この液体金属冷却原子炉１では、原子炉運転中の緊急事態に対処するため、又は保守点検を行うために、燃料の核***反応を停止する必要があるが、その際、停止操作を行った後にも残留崩壊熱が炉心から生じ続けるため、液体金属冷却原子炉から発生する熱を除去する必要がある。

原子炉の熱は原子炉容器４から格納容器６に熱放射により伝えられ、格納容器６の温度が上昇し、格納容器６からの熱は外側のコンクリート製サイロ７等に向かって放射される。サイロ７等の構造物は、長期間の高温に耐えることができず、例えば、コンクリート製のサイロ７は膨張し、ひび割れが生じることがある。この格納容器６の熱を除去するために、格納容器６とサイロ７の間の環状空間３５に原子炉容器補助冷却系（ＲＶＡＣＳ）が設けられている。

ポンプ等の能動的な機器を用いない受動冷却系から構成されるこの原子炉容器補助冷却系は、自然対流で熱除去を行う冷却媒体として空気、すなわち大気を用いており、格納容器６の外側に空気が下降、上昇する空気冷却流路１２、１３を形成するように、格納容器６とサイロ７の間の環状空間３５に筒状のコレクタ１０を設ける構成となっている。

これにより、空気上昇流路１３中の空気は、格納容器の熱で加熱されることで空気上昇流路１３を上昇し、ダクト１７を経由して空気排出口１８から外部に放出される。また、空気冷却流路の空気下降流路１２へは空気取込口１６から空気の取り込みがおこなわれ、空気下降流路１２に取り込まれた空気は、空気下降流路１２を下方に流れてサイロ７の底部空間１４に流れ込んだ後、流れ方向を変えてコレクタ１０と格納容器６の間の空気上昇流路１３に流れ込み、格納容器６の外壁に沿って上方に流れ、その間に加熱されて格納容器の熱を外部に放出する（特許文献１）。

特開平６−１７４８８４号公報

上述した従来の液体金属冷却原子炉において、極端で起こりそうもない仮想事象、例えば原子炉容器及び格納容器の両方が破損し、原子炉容器内の高温の液体金属が格納容器からさらにサイロ内に漏出する事象が仮に発生した場合には、格納容器とサイロの間の空気冷却流路は機能しなくなり、原子炉容器補助冷却系は動作しなくなる。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、二重容器漏れのような仮想事象が発生したとしても、漏洩液体金属と冷却空気との接触を防止し、液体金属冷却原子炉から確実に熱を除去することができる受動的な原子炉補助冷却系を備えた液体金属冷却原子炉を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る液体金属冷却原子炉は、内部に液体金属が満たされた原子炉容器と、前記原子炉容器を格納する格納容器と、前記格納容器を環状空間を介して収納するサイロと、前記環状空間を区画し、サイロ側に空気下降流路及び格納容器側に空気上昇流路を形成する筒状のコレクタと、を有する液体金属冷却原子炉において、前記サイロの底部に前記液体金属よりも比重が小さい多数の閉止部材を配置するとともに、前記コレクタは締結部材で接続された上部コレクタと下部コレクタからなり、前記締結部材の融点は漏洩液体金属の温度よりも低いことを特徴とする。

また、本発明に係る液体金属冷却原子炉は、内部に液体金属が満たされた原子炉容器と、前記原子炉容器を格納する格納容器と、前記格納容器を環状空間を介して収納するサイロと、前記環状空間を区画し、サイロ側に空気下降流路及び格納容器側に空気上昇流路を形成する筒状のコレクタと、を有する液体金属冷却原子炉において、前記サイロの底部に前記液体金属よりも比重が小さい多数の閉止部材を配置するとともに、前記コレクタは複数の貫通孔を有し、前記貫通孔に漏洩液体金属の温度よりも低い融点の締結部材により閉塞板を固定したことを特徴とする。

また、本発明に係る液体金属冷却原子炉は、内部に液体金属が満たされた原子炉容器と、前記原子炉容器を格納する格納容器と、前記格納容器を環状空間を介して収納するサイロと、前記環状空間を区画し、サイロ側に空気下降流路及び格納容器側に空気上昇流路を形成する筒状のコレクタと、を有する液体金属冷却原子炉において、前記サイロの底部に前記液体金属よりも比重が小さい多数の閉止部材を配置するとともに、前記コレクタはバイメタル又は形状記憶合金からなる上部コレクタと下部コレクタからなり、漏洩液体金属の温度による変形により上部コレクタと下部コレクタの係合を解除することを特徴とする。

本発明によれば、二重容器漏れのような仮想事象が発生したとしても、漏洩液体金属と冷却空気との接触を防止し、液体金属冷却原子炉から確実に熱を除去することができる。

本発明の第１の実施形態に係る液体金属冷却原子炉の全体構成図。 本発明の第１の実施形態に係る上部及び下部コレクタの構成図。 本発明の第１の実施形態に係る仮想の二重容器漏れ事象が発生した後の液体金属冷却原子炉の全体構成図。 本発明の第２の実施形態に係る液体金属冷却原子炉の全体構成図。 本発明の第２の実施形態に係る上部及び下部コレクタの構成図。 本発明の第３の実施形態に係る液体金属冷却原子炉の全体構成図。 本発明の第３の実施形態に係るコレクタの構成図。 本発明の第３の実施形態に係る仮想の二重容器漏れ事象が発生した後の液体金属冷却原子炉の全体構成図。 本発明の第４の実施形態に係る液体金属冷却原子炉の全体構成図。 本発明の第４の実施形態に係るコレクタの構成図。 本発明の第４の実施形態に係る仮想の二重容器漏れ事象が発生した後の液体金属冷却原子炉の全体構成図。 本発明の第５の実施形態に係る液体金属冷却原子炉の全体構成図。 本発明の第５の実施形態に係る上部及び下部コレクタの構成図。 従来の液体金属冷却原子炉の全体構成図。

以下、本発明に係る液体金属冷却原子炉の実施形態を、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
（構成）
本発明の第１の実施形態に係る液体金属冷却原子炉を図１乃至図３により説明する。
液体金属冷却原子炉１は、核燃料炉心２と、ナトリウム、あるいはナトリウム・カリウム等の液体金属３からなる冷却材が液位Ｌｎまで満たされた原子炉容器４と、不活性ガスを満たした間隙５を介して原子炉容器４を格納する格納容器６と、この格納容器６を環状空間３５を介して収容する、地表下に掘り下げて形成したコンクリート製のサイロ７とから構成され、原子炉容器４と格納容器６は、上端部分がサイロ７の段部に支持されている。また、炉上部室９に収容された原子炉容器４と格納容器６の上部を覆うように格納ドーム８が配置されている。

格納容器６の外側壁とサイロ７の内側壁との間の環状空間３５には、上部がサイロ７に固定され、環状空間３５を格納容器６側とサイロ７側の２つに区画する環状のコレクタが設けられている。このコレクタは上部コレクタ１０ａと下部コレクタ１０ｂで構成され、上部コレクタ１０ａの下端部と下部コレクタ１０ｂの上端部は例えばボルト等の締結部材１９で固定されて一体化構造となっている（図１、図２）。これにより、空気下降流路（外方側流路）１２がサイロ７側に、空気上昇流路（内方側流路）１３が格納容器６側に形成され、空気下降流路１２と空気上昇流路１３は、各下端がサイロ７の底部１４に開口し、連通するようになっている。

また、上部コレクタ１０ａの下端部は、仮想事象である原子炉容器４及び格納容器６から液体金属漏れが生じた緊急時に、液体金属３が、図３に示すように原子炉容器４、格納容器６、サイロ７内に漏出時液面位置Ｌｃまで溜まった時に、液面Ｌｃから上方に一定の高さに位置するようにして設けられている。さらに、下部コレクタ１０ｂの下端部はサイロ７の底部近傍に位置するようにして設けられている。

締結部材１９は漏洩液体金属３ａの温度よりも融点が低い材料（例えば、亜鉛、インジウム、スズ、ビスマス、鉛などを主成分とした合金）で構成される（図２）。極端で起こりそうもない仮想事象である原子炉容器４及び格納容器６からの液体金属漏れが生じた緊急時に、下部コレクタ１０ｂは、漏洩液体金属３ａに浸かって高温になり、さらに、締結部材１９も高温により溶融し、上部コレクタ１０ａから下部コレクタ１０ｂが分離して落下する。

さらに、空気下降流路１２は、外部の冷却用空気を取り込むための空気取込口１６に接続され、空気上昇流路１３は、ダクト１７と接続し、さらに前記ダクト１７を通じて外部に冷却後空気を排出するための空気排出口１８が接続されている。

また、サイロ７の底部１４には、外部駆動、外部操作によらない受動的な閉止手段として、空気下降流路１２と空気上昇流路１３の流路形状よりも小さく、両流路１２、１３内を流通可能に形成され、内部にガスが封入された多数個の中空容器からなる閉止部材１５が、底部１４の上部に空間を確保するようにして底部１４の底面に配置、収納されている。このガスが封入された閉止部材１５は、液体金属３よりも比重が小さく、漏洩液体金属３ａの液面Ｌｃ上に浮かぶように形成されているが、通常時は、その重量により底部１４の底面に配置されている。なお、閉止部材１５は、耐熱耐液体金属性の材料で形成されており、その形状が、液面Ｌｃを埋め尽くすように浮かんだ際に、他の中空容器１９と隙間を作ることなく密着しあう同形もしくは大小異形の球体、略球体あるいは多面体、表面が凹凸面の立体等となっている。

（作用）
このように構成された液体金属冷却原子炉において、通常時は、原子炉容器４内に液体金属３が所定の通常時液面位置Ｌｎになるように満たされ、核燃料炉心２での核***による発生熱は、液体金属３を循環させることで外部に取り出し、発電等に供される。

そして、空気下降流路１２は空気取込口１６から冷却用空気を取り込み、空気下降流路１２を下方向に流通させ、サイロ７の底部１４で空気の流れ方向を反転させた後、空気上昇流路１３を上方向に流通させて格納容器の冷却を行い、冷却後の空気をダクト１７を通じて空気排出口１８から外部に排出する。また、通常時は、締結部材１９の温度は構成材料の融点未満となっているため、上部コレクタ１０ａと下部コレクタ１０ｂは一体化されたコレクタを形成している。
なお、冷却用の空気の流れは、空気が格納容器６の外壁面で熱せられて空気上昇流路１３を上方向に流れる自然対流によっている。

次に、極端で起こりそうもない仮想事象である原子炉容器４及び格納容器６からの液体金属漏れが生じた緊急時において、図３に示すよう、原子炉容器４内に通常時液面位置Ｌｎまで満たされていた液体金属３が、通常時より低い漏出時液面位置Ｌｃまで下がって原子炉容器４、格納容器６、環状空間３５内に溜まり、下部コレクタ１０ｂは液体金属に浸漬するが、このとき、下部コレクタ１１は漏洩液体金属３ａの熱によって高温になり、さらに、締結部材１９はその熱により溶融し、上部コレクタ１０から下部コレクタ１１が分離して落下する。

また、このとき、サイロ７の底部１４内に配置されている多数の閉止部材１５が、溜まってくる漏洩液体金属３ａの液面に、相互に密着して埋め尽くすように浮かび、液面の上昇と共に空気下降流路１２、空気上昇流路１３内に進入する。そして、漏洩液体金属３の液面が漏出時液面位置Ｌｃに達して液面上昇が止ると、空気下降流路１２、空気上昇流路１３内の停止した液面に、それぞれ多数個の閉止部材１５が密着するようにして液面を埋め尽くして浮かび、漏洩液体金属３ａと空気の接触が絶たれる。これによって、ナトリウム火災を防止すると共に、空気と漏洩液体金属３ａの接触によって生じる放射性反応生成物の生成を防いで、大気中に直接漏れ出ることを防止する。

さらに、このときに、図３に示すように、上部コレクタ１０ａにより、空気下降流路（外方側流路）１２がサイロ７側に形成され、空気上昇流路（内方側流路）１３が格納容器６側に形成され、空気下降流路１２と空気上昇流路１３は、各下端が漏出時液面位置Ｌｃを埋め尽くした閉止部材１５の上方に開口して連通するようになり、受動冷却系による原子炉容器補助冷却系が新たに構成される。

この新たに構成された原子炉容器補助冷却系において、サイロ７上部にフィルタ（図示せず）が設けられた空気取込口１６を介して外部から冷却用の空気が取り込まれ、取り込まれた空気は、上部コレクタによって形成される空気下降流路１２をサイロ７の内壁面に沿って下方向に流通してサイロ７の冷却を行い、その後、空気は、空気下降流路１２の下端が開口する漏出時液面位置Ｌｃを埋め尽くした閉止部材１５の上方の空間で空気の流れ方向が反転し、漏出時液面位置Ｌｃを埋め尽くした閉止部材１５の上方に下端が開口する空気上昇流路１３に流れ方向を変えて流入する。そして、空気上昇流路１３に流入した空気は、格納容器６の外壁面に沿って上方向に流通して格納容器６の冷却を行い、冷却後の空気はダクト１７を通じて空気排出口１８から外部に排出される。

以上説明したように、本第１の実施形態によれば、仮想事象のような事故が発生したとしても、新たに構成された受動的な原子炉容器補助冷却系により、漏洩液体金属と冷却空気との接触を防止し、液体金属冷却原子炉から確実に熱を除去することができる。

なお、上記実施形態では、外部駆動、外部操作によらない閉止部材１５としてガスを封入した中空容器を用いているが、これに限定されず、液体金属３の液面上に浮上できる比重を有する中実の耐熱耐液体金属性材料で閉止部材１５を構成してもよい。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る液体金属冷却原子炉を図４及び図５により説明する。
（構成）
本第２の実施形態では、締結部材１９と下部コレクタ１０ｃは液体金属の温度よりも融点が低い材料（例えば、亜鉛、インジウム、スズ、ビスマス、鉛などを主成分とした合金）で構成される。極端で起こりそうもない仮想事象である原子炉容器４及び格納容器６からの液体金属漏れが生じた緊急時に、下部コレクタ１０ｃは漏洩液体金属３ａに浸かって高温になり、さらに、締結部材１９も高温になった場合に、下部コレクタ１０ｃと締結部材１９は溶融し、上部コレクタ１０ａが残るように設けられている。

（作用）
上記のように構成された液体金属冷却原子炉において、極端で起こりそうもない仮想事象である原子炉容器４及び格納容器６からの液体金属漏れが生じた緊急時に、液体金属３が、通常時より低い漏出時液面位置Ｌｃまで下がるが、下部コレクタ１０ｃと締結部材１９は漏洩液体金属の熱によって溶融し、上部コレクタ１０ａが残る。これにより、受動冷却系による新たな原子炉容器補助冷却系が構成される。

本第２の実施形態によれば、仮想事象のような事故が発生したとしても、新たに構成された受動的な原子炉容器補助冷却系により、漏洩液体金属と冷却空気との接触を防止し、液体金属冷却原子炉から確実に熱を除去することができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る液体金属冷却原子炉を図６乃至図８により説明する。
（構成）
本第３の実施形態では、コレクタ１０は、側面に複数の貫通孔３２が設けられた筒状部材と各貫通孔３２を塞ぐ筒状の閉塞板１０ｄで構成され、コレクタ１０と閉塞板３２が締結部材１９で固定されて一体化構造となっている。コレクタ１０の下端部はサイロ７の底部近傍に位置するようにして設けられ、貫通孔３２の下端部は環状空間３５の漏出時液面位置Ｌｃよりも所定長さ高く設定されている。

締結部材１９は液体金属の温度よりも融点が低い材料（例えば、亜鉛、インジウム、スズ、ビスマス、鉛などを主成分とした合金）で構成され、漏洩液体金属の熱により溶融するようになっている。

（作用）
上記のように構成された液体金属冷却原子炉において、極端で起こりそうもない仮想事象である原子炉容器４及び格納容器６からの液体金属漏れが生じた緊急時に、漏洩液体金属３ａが、通常時より低い漏出時液面位置Ｌｃまで下がるが、締結部材１９は液体金属の熱によって溶融し、図８に示すように閉塞板１０ｄが筒状部材から分離しして底部に落下する。これにより、漏出時液面位置Ｌｃを埋め尽くした閉止部材１５の上方の空間で貫通孔３２を介して空気の流れ方向が反転し、受動冷却系による新たな原子炉容器補助冷却系が構成される。

本第３の実施形態によれば、仮想事象のような事故が発生したとしても、新たに構成された受動的な原子炉容器補助冷却系により、漏洩液体金属と冷却空気との接触を防止し、液体金属冷却原子炉から確実に熱を除去することができる。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る液体金属冷却原子炉を図９乃至図１１により説明する。
（構成）
本第４の実施形態は、上記第３の実施形態の筒状の閉塞板１０ｅを、締結部材とともに、液体金属の温度よりも融点が低い材料（例えば、亜鉛、インジウム、スズ、ビスマス、鉛などを主成分とした合金）で構成したものである。

（作用）
上記のように構成された液体金属冷却原子炉において、極端で起こりそうもない仮想事象である原子炉容器４及び格納容器６からの液体金属漏れが生じた緊急時に、漏洩液体金属３ａが、通常時より低い漏出時液面位置Ｌｃまで下がるが、図１１に示すように締結部材１９と閉塞板１０ｅは液体金属の熱によって溶融する。これにより、漏出時液面位置Ｌｃを埋め尽くした閉止体１５の上方の空間で貫通孔３２を介して空気の流れ方向が反転し、受動冷却系による新たな原子炉容器補助冷却系が構成される。

本第４の実施形態によれば、仮想事象のような事故が発生したとしても、新たに構成された受動的な原子炉容器補助冷却系により、漏洩液体金属と冷却空気との接触を防止し、液体金属冷却原子炉から確実に熱を除去することができる。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る液体金属冷却原子炉を図１２及び図１３により説明する。
（構成）
本第５の実施形態は、コレクタを上部コレクタ１０ａと下部コレクタ１０ｂで構成し、上部コレクタ１０ａの下端と下部コレクタ１０ｂの上端はバイメタルもしくは形状記憶合金で構成される。上部コレクタ１０ａの下端と下部コレクタ１０ｂの上端が漏洩液体金属１０ａの温度よりも低いときは、上部コレクタ１０ａの下端と下部コレクタ１０ｂの上端は屈曲して相互に係合し、一体化されたコレクタ構造となっている。

（作用）
上記のように構成された液体金属冷却原子炉において、極端で起こりそうもない仮想事象である原子炉容器４及び格納容器６からの液体金属漏れが生じた緊急時に、漏洩液体金属３ａが、通常時より低い漏出時液面位置Ｌｃまで下がり、上部コレクタ１０ａの下端と下部コレクタ１０ｂの上端が漏洩液体金属３ａの温度に達すると、バイメタルもしくは形状記憶合金の特性によって変形して、上部コレクタ１０ａの下端と下部コレクタ１０ｂの上端は真っ直ぐになり、係合が解除され上部コレクタ１０ａから下部コレクタ１０ｂが分離して落下する。
これにより、漏出時液面位置Ｌｃを埋め尽くした閉止部材１５の上方の空間で空気の流れ方向が反転し、受動冷却系による新たな原子炉容器補助冷却系が構成される。

本第５の実施形態によれば、仮想事象のような事故が発生したとしても、新たに構成された受動的な原子炉容器補助冷却系により、漏洩液体金属と冷却空気との接触を防止し、液体金属冷却原子炉から確実に熱除去を行うことができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、適宜、組合せ又は変更可能である。

１…液体金属冷却原子炉、２…核燃料炉心、３…液体金属、３ａ…漏洩液体金属、４…原子炉容器、５…間隙、６…格納容器、７…サイロ、８…格納ドーム、９…炉上部室、１０…コレクタ、１０ａ…上部コレクタ、１０ｂ、１０ｃ…下部コレクタ、１０ｄ、１０ｅ…閉塞板、１２…空気下降流路、１３…空気上昇流路、１４…底部、１５…閉止部材、１６…空気取込口、１７…ダクト、１８…空気排出口、１９…ボルト、３２…貫通孔、３５…環状空間、Ｌｎ…通常時液面位置、Ｌｃ…漏出時液面位置。

Claims (8)

1. 内部に液体金属が満たされた原子炉容器と、前記原子炉容器を格納する格納容器と、前記格納容器を環状空間を介して収納するサイロと、前記環状空間を区画し、サイロ側に空気下降流路及び格納容器側に空気上昇流路を形成する筒状のコレクタと、を有する液体金属冷却原子炉において、
   前記サイロの底部に前記液体金属よりも比重が小さい多数の閉止部材を配置するとともに、前記コレクタは締結部材で接続された上部コレクタと下部コレクタからなり、前記締結部材の融点は漏洩液体金属の温度よりも低いことを特徴とする液体金属冷却原子炉。
2. 前記上部コレクタの下端は漏洩液体金属の液面位置から上方に位置することを特徴とする請求項１記載の液体金属冷却原子炉。
3. 前記下部コレクタの融点は漏洩液体金属の温度よりも低いことを特徴とする請求項１又は２記載の液体金属冷却原子炉。
4. 内部に液体金属が満たされた原子炉容器と、前記原子炉容器を格納する格納容器と、前記格納容器を環状空間を介して収納するサイロと、前記環状空間を区画し、サイロ側に空気下降流路及び格納容器側に空気上昇流路を形成する筒状のコレクタと、を有する液体金属冷却原子炉において、
   前記サイロの底部に前記液体金属よりも比重が小さい多数の閉止部材を配置するとともに、前記コレクタは複数の貫通孔を有し、前記貫通孔に漏洩液体金属の温度よりも低い融点の締結部材により閉塞板を固定したことを特徴とする液体金属冷却原子炉。
5. 前記貫通孔は漏洩液体金属の液面よりも上方に設けられていることを特徴とする請求項４記載の液体金属冷却原子炉。
6. 前記閉塞板の融点は前記液体金属の融点よりも低いことを特徴とする請求項４又は５記載の液体金属冷却原子炉。
7. 内部に液体金属が満たされた原子炉容器と、前記原子炉容器を格納する格納容器と、前記格納容器を環状空間を介して収納するサイロと、前記環状空間を区画し、サイロ側に空気下降流路及び格納容器側に空気上昇流路を形成する筒状のコレクタと、を有する液体金属冷却原子炉において、
   前記サイロの底部に前記液体金属よりも比重が小さい多数の閉止部材を配置するとともに、前記コレクタはバイメタル又は形状記憶合金からなる上部コレクタと下部コレクタからなり、漏洩液体金属の温度による変形により上部コレクタと下部コレクタの係合を解除することを特徴とする液体金属冷却原子炉。
8. 前記上部コレクタの下端は漏洩液体金属の液面位置から上方に位置することを特徴とする請求項７記載の液体金属冷却原子炉。

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