JP2012198128A - 気泡侵入防止装置および当該気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】液体金属冷却原子炉運転中に炉心で発生した中性子と遮蔽体材料との反応によって発生した気泡が炉心内の燃料集合体が配置された領域に侵入するのを防止する。
【解決手段】気泡侵入防止装置５０Ａは、原子炉容器内１２に形成される隔壁内側の冷却材１１が上昇する上昇流路２７に炉心１３が、隔壁外側の冷却材１１が下降する下降流路２８に炭化ホウ素が充填された筒状体で構成された遮蔽体２１が、遮蔽体２１及び炉心１３の下方空間に下部プレナム２６が配置される液体金属冷却原子炉の下部プレナム２６に設けられ、下部プレナム２６に流入した気泡Ｐを含む冷却材１１を導入口５５から導入し気泡Ｐを捕集する気泡捕集部５３と、捕集した気泡Ｐを炉心１３の外部へ導出する気泡排出部５６と、気泡Ｐが含まれない冷却材１１を上昇流路２７へ排出する冷却材排出部５７を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体金属冷却原子炉で生じる気泡が炉心部へ侵入するのを防止する気泡侵入防止装置および当該気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉に関する。

液体金属原子炉では、原子炉容器内に冷却系入口配管から、例えば、ナトリウム等の液体金属冷却材が流入し、燃料ピンが集合した燃料集合体へ供給される。供給された液体金属冷却材は、燃料ピンの熱を奪って昇温して冷却系出口配管から冷却系へ送出される。その後、冷却系で冷却された液体金属冷却材は再び冷却系入口配管から原子炉容器内に流入する。

液体金属冷却材は、アルゴンガス等の不活性ガス（カバーガス）で加圧され、冷却材自由液面を持っている。液面に流れがあると液体金属冷却材は時としてカバーガスを巻き込むことがある。このカバーガスは、冷却系出口配管を通して一旦原子炉格納容器から出ていくものの再び冷却系入口配管から原子炉容器内に戻ってくる。

原子炉容器内に戻ってきたカバーガスは、下部プレナム側から上昇し、エントランスノズルから燃料集合体のある炉心へ流入する。炉心に流入したカバーガスが燃料集合体を構成する燃料ピンの周囲を通過すると燃料集合体から出る中性子速度が速くなり反応度が変化する。この反応度の変化は外乱として突発的に生じるものであり、予測が困難である。

そこで、従来の液体金属冷却原子炉では、例えば、特開平６−２７３５６２号公報（特許文献１）に示されるように、自由液面で気泡となって巻き込まれたカバーガスが下部プレナム内に溜まって生じた気泡を排出するための流路を設けることが提案されている。

特開平６−２７３５６２号公報

一方、液体金属原子炉は、炉心で発生した中性子の原子炉容器の外側への漏れを防ぐために、炉心部の外側に中性子を吸収するための遮蔽体が設置されている。遮蔽体は、炭化ホウ素（ボロンカーバイド：Ｂ_４Ｃ）等の中性子を吸収する材料から構成されており、その中性子吸収材はＳＵＳ等のパイプ中に入れられている。遮蔽体の構成材料としてＢ_４Ｃが用いられている場合、原子炉運転中に炉心で発生した中性子とＢ_４Ｃの間で生じる反応により、遮蔽体内のＢ_４Ｃからヘリウムガスが発生する。

Ｂ_４Ｃが充填されているパイプが何らかの原因で破損すると、発生したヘリウムガスが炉容器内の液体金属冷却材中へ流入することになるが、一般的な液体金属冷却原子炉では、遮蔽体周辺の液体金属冷却材の流れ方向が炉心を通る冷却材の流れ方向と同じ上向きであるため、このヘリウムガスが液体金属冷却材の流れに逆らって炉心へ流入することは想定し得ない。

しかしながら、液体金属冷却原子炉によっては、液体金属冷却材が上向きに流れるシュラウドの内側ではなく、下向きに流れるシュラウドの外側に遮蔽体が設置されているものもある。このようなシュラウドの外側に遮蔽体が設置される液体金属冷却原子炉の場合、Ｂ_４Ｃが充填されているパイプが何らかの原因で破損すると、遮蔽体で発生したヘリウムガスは、下向き流れの液体金属冷却材とともに、下部プレナムを通過して炉心へ流入する場合もある。炉心内の燃料集合体が配置された領域（以下、「燃料部」と称する。）へのヘリウムガス流入は、正のボイド反応度挿入となり、炉心の急激な温度上昇をもたらすため、炉心内の燃料部へのヘリウムガスの流入を防ぐ何らかの方策が必要である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、液体金属冷却原子炉運転中に炉心で発生した中性子と、例えばＢ_４Ｃ等の遮蔽体材料との反応によって発生した気泡が燃料部に侵入するのを防止する気泡侵入防止装置および当該気泡侵入防止装置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。

本発明の実施形態に係る気泡侵入防止装置は、上述した課題を解決するため、原子炉容器内に設置された隔壁の内側の冷却材が上昇する上昇流路に炉心が、前記隔壁の外側の前記冷却材が下降する下降流路に炭化ホウ素が充填された筒状体によって構成された遮蔽体が、前記原子炉容器内の前記遮蔽体および前記炉心の下方空間に下部プレナムが配置される液体金属冷却原子炉の下部プレナムに設けられ、前記下降流路を流れ、下部プレナムに流入した気泡を含む冷却材を導入口から導入して、前記冷却材に含まれる気泡を捕集する気泡捕集部と、前記気泡捕集部で捕集された気泡を導入して前記炉心の内部の燃料ピンが装荷される燃料集合体領域の外部へ導出する気泡排出部と、前記気泡捕集部が気泡を捕集した後の気泡が含まれない冷却材を導入して前記上昇流路へ排出する冷却材排出部と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る液体金属冷却原子炉は、上述した課題を解決するため、上記の気泡侵入防止装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、液体金属冷却原子炉運転中に炉心で発生した中性子と遮蔽体の構成材料との反応によって発生した気泡が燃料集合体の配置された領域に侵入するのを防止することができる気泡侵入防止装置および当該気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉を提供することができる。

本発明の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の構成を示す縦断面図。 本発明の第１の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図。 本発明の第１の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるI−I線での断面図。 本発明の第１の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるII−II線での断面図。 本発明の第１の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるIII−III線での断面図。 本発明の第２の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図。 本発明の第２の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるIV−IV線での断面図。 本発明の第３の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図。 本発明の第３の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるV−V線での断面図。 本発明の第４の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図。 本発明の第４の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるVI−VI線での断面図。 本発明の第５の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図。 本発明の第５の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるVII−VII線での断面図。 本発明の第６の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図。 本発明の第６の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるVIII−VIII線での断面図。 本発明の第７の実施形態に係る気泡侵入防止装置の下部タンクの構成例（第１変形例）を示した概略図。 本発明の第７の実施形態に係る気泡侵入防止装置の下部タンクの構成例（第２変形例）を示した概略図。 本発明の第７の実施形態に係る気泡侵入防止装置の下部タンクの構成例（第３変形例）を示した概略図。

以下、本発明の実施形態に係る気泡侵入防止装置および当該気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉について、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉の一例である液体金属冷却原子炉１０（１０Ａ〜１０Ｆ）の構成を示す縦断面図である。なお、本図中の実線矢印は液体金属冷却材１１の流れを、破線矢印は気泡Ｐの流れを示したものである。

液体金属冷却原子炉１０は、例えば、ナトリウム、ナトリウムカリウム合金（ＮａＫ）および鉛ビスマス合金等の液体金属冷却材１１を満たした原子炉容器１２内に原子燃料集合体から構成される炉心１３を炉心支持板１４で保持し、この原子炉容器１２を、間に不活性ガスを満たした間隙１５を設けて格納容器（ガードベッセル）１６に格納し、格納容器１５を、例えば、地表下に掘り下げて形成したコンクリート製のサイロ１７内に間隔を置いて収容するようにして構成される。

液体金属冷却原子炉１０では、原子炉運転中の緊急事態に対処するために、または保守サービスを行うために、燃料の核***反応を停止し、低温停止の状態にする必要がある。このような場合、一般的には炉心１３に設けられた中性子吸収制御棒１８の挿入孔（図１において省略）に中性子吸収制御棒１８を挿入して、核***を生じるために必要な中性子を奪うことにより原子炉運転の停止が行なわれる。

また、液体金属原子炉１０では、炉心１３で発生した中性子の原子炉容器１２の外側への漏れを防ぐため、炉心１３の外側、かつ、隔壁（シュラウド）２０の外側に中性子を吸収するための遮蔽体２１が設置される。なお、符号２２は中性子反射体、２３は電磁ポンプ、２４は中間熱交換器（ＩＨＸ）であり、２５は上部を覆う格納ドーム、２６は下部プレナムである。

遮蔽体２１は、炭化ホウ素（ボロンカーバイド：Ｂ_４Ｃ）等の中性子を吸収する材料（中性子吸収材）から構成されており、その中性子吸収材は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）のパイプ等の筒状体の中に封入される。遮蔽体２１の構成材料としてＢ_４Ｃが用いられている場合、原子炉運転中に炉心１３で発生した中性子とＢ_４Ｃの間で生じる反応により、遮蔽体２１を構成するパイプ内に封入されたＢ_４Ｃからヘリウムガスが発生する。

原子炉容器１２の容器内には、隔壁２０の内側に位置し、液体金属冷却材１１が下から上（液面側）へ向かう方向に流動する領域となる上昇流路２７と、隔壁２０の外側に位置し、液体金属冷却材１１が上（液面側）から下へ向かう方向に流動する領域となる下降流路２８とが形成される。そのため、Ｂ_４Ｃが充填されている遮蔽体２１の筒状体が何らかの原因で破損すると、遮蔽体２１で発生したヘリウムガス（気泡）Ｐは、液体金属冷却材１１へ漏洩し、図１に破線矢印で示されるように、下向き流れ（実線矢印）の液体金属冷却材１１とともに、下部プレナム２６へ運ばれる。

液体金属冷却原子炉１０では、遮蔽体２１で発生したヘリウムガスを捕集して炉心１３の外側または炉心１３に設けられる中性子吸収制御棒１８の挿入孔へ排出し、炉心１３内の燃料ピンが装荷される燃料集合体領域（以下、「燃料部」と称する。）に気泡（ヘリウムガス）Ｐが侵入するのを防止する気泡侵入防止装置５０（５０Ａ〜５０Ｆ）が下部プレナム２６に設置される。

気泡侵入防止装置５０は、下部プレナム２６に流入する液体金属冷却材１１の全量が必ず気泡侵入防止装置５０を通過するように、炉心支持板１４および原子炉容器１２と密着させる。すなわち、気泡Ｐを含む液体金属冷却材１１が炉心支持板１４または原子炉容器１２との隙間を流動することのないように設置される。以下、各実施形態に係る気泡侵入防止装置５０Ａ〜５０Ｆおよび当該気泡侵入防止装置５０Ａ〜５０Ｆを備えた液体金属冷却原子炉１０Ａ〜１０Ｆついて説明する。

［第１の実施形態］
図２は、本発明の第１の実施形態に係る気泡侵入防止装置の一例である第１の気泡侵入防止装置５０Ａを備えた液体金属冷却原子炉の一例である第１の液体金属冷却原子炉１０Ａの下部側の構成を拡大して示した縦断面図である。なお、本図中の実線矢印は液体金属冷却材１１の流れを、破線矢印は気泡Ｐの流れを示したものである。

第１の液体金属冷却原子炉１０Ａは、下部プレナム２６に第１の気泡侵入防止装置５０Ａを備え、第１の気泡侵入防止装置５０Ａが下部プレナム２６に運ばれた全ての液体金属冷却材１１を内部に取り込み、液体金属冷却材１１に混入したヘリウムガス（気泡）Ｐを捕集し、捕集した気泡Ｐを炉心１３の外側へ排出するように構成される。

第１の気泡侵入防止装置５０Ａは、下部プレナム２６に運ばれた気泡Ｐを捕集する気泡捕集部としての下部タンク５３と、下部タンク５３の上方に設けられ、下部タンク５３で捕集した気泡Ｐを導いて炉心１３の外側へ排出する気泡排出部および液体金属冷却材１１を装置外へ排出する冷却材排出部としての上部タンク５４とを備える。

略円筒状に形成された下部タンク５３の外周面には、気泡Ｐを含んだ液体金属冷却材１１を内部に導入する導入口を有する導入部５５が設けられる。導入部５５は、液体金属冷却材１１を導入しやすくする観点から、液体金属冷却材１１の流れと略平行となるようにする。すなわち、導入口から流入した液体金属冷却材１１が下部タンク５３の内部へ向かうにつれて下へ移動するように角度を付ける。また、下部タンク５３は、例えば、上部タンク５４と一体化して構成されており、下部タンク５３の上面と上部タンク５４の下面とは同一面を形成する。

略円筒状に形成された上部タンク５４は、下部タンク５３で捕集した気泡Ｐを導いて炉心１３の外側領域へ排出する気泡排出部としての気泡排出管５６と、下部タンク５３で気泡Ｐが捕集（分離）された液体金属冷却材１１を導出して炉心１３の外側領域へ排出する冷却材排出部５７とを備える。

上部タンク５４の下面（下部タンク５３の上面）には、下部タンク５３で捕集した気泡Ｐを気泡排出管５６へ導く導入口と、下部タンク５３で気泡Ｐが捕集（分離）された液体金属冷却材１１を冷却材排出部５７へ導く導入口とがそれぞれ独立して設けられる。一方、上部タンク５４の上面は、全部または一部が開放しており、その開放部分が気泡排出管５６の排出口および冷却材排出部５７の排出口を構成する。

気泡排出管５６の排出口は、炉心１３の外側（周側）に位置するように構成されており、上部タンク５４に流入した気泡Ｐは、気泡排出管５６から炉心支持板１４を通して上昇流路２７の炉心１３の外側へ導かれる。また、冷却材排出部５７の排出口は、上部タンク５４の上面の開放箇所のうち、気泡排出管５６の排出口を除いた箇所であって、気泡排出管５６の排出口のように、必ずしも炉心１３の外側に位置するように構成することを要しない。上部タンク５４に流入した液体金属冷却材１１は、冷却材排出部５７から炉心支持板１４を通して上昇流路２７へ導かれる。

図３乃至５は、それぞれ、第１の気泡侵入防止装置５０Ａを備えた第１の液体金属冷却原子炉１０Ａの下部側の構成を拡大して示した縦断面図（図２）に示されるI−I線での断面図（図３）、II−II線での断面図（図４）、III−III線での断面図（図５）である。なお、図中の破線矢印は気泡Ｐの流れを示したものである。

第１の気泡侵入防止装置５０Ａでは、図３に示されるように、原子炉容器１２内の隔壁２０の外側に位置する下降流路２８から下向き流れの液体金属冷却材１１とともに下向きに流れてきた気泡Ｐが、周側（外側）から中心側（内側）へ流れ、Ｉ−Ｉ断面において現れる略円の接線方向に開口した導入部５５から第１の気泡侵入防止装置５０Ａ（より詳細には下部タンク５３）の内部へ取り込まれる。

第１の気泡侵入防止装置５０Ａの下部タンク５３の中では、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１が下部タンク５３の周に沿って移動し、その移動に伴う遠心力によって気泡Ｐと液体金属冷却材１１とが分離される。つまり、気泡（ヘリウムガス）Ｐと、液体金属冷却材１１との質量の差異によって、液体金属冷却材１１よりも質量の小さい気泡Ｐは遠心力も相対的に小さく下部タンク５３の径方向における中心側に、気泡Ｐよりも質量の大きい液体金属冷却材１１は下部タンク５３の径方向における外側（周側）へと分離される。

下部タンク５３内で液体金属冷却材１１と遠心分離され中心側に集積した気泡Ｐは、図４，５に示されるように、下部タンク５３の上面（上部タンク５４の下面であり、II−II線による切断面）であって、径方向の中心部に設けられた気泡排出管５６の導入口から気泡排出管５６の中へ導かれ、気泡排出管５６から炉心支持板１４を通り、上昇流路２７の炉心１３の外側（周側）へ排出される。

一方、気泡Ｐが分離された液体金属冷却材１１は、冷却材排出部５７から装置外、すなわち、炉心支持板１４を通り、上昇流路２７へ排出される。冷却材排出部５７から排出される液体金属冷却材１１には、気泡Ｐが含まれていないので、炉心１３の位置する中心側を含めて広範に排出される。

第１の気泡侵入防止装置５０Ａおよび第１の気泡侵入防止装置５０Ａを備えた第１の液体金属冷却原子炉１０Ａによれば、下部プレナム２６において、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１から気泡Ｐと液体金属冷却材１１とを分離することができる。また、分離した気泡Ｐは、気泡排出管５６を通して炉心１３の外側へ排出されるので、気泡Ｐが炉心１３の燃料部へ侵入するのを防ぐことができる。

［第２の実施形態］
図６は本発明の第２の実施形態に係る気泡侵入防止装置の一例である第２の気泡侵入防止装置５０Ｂを備えた液体金属冷却原子炉の一例である第２の液体金属冷却原子炉１０Ｂの下部側の構成を拡大して示した縦断面図、図７は第２の液体金属冷却原子炉１０Ｂの下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるIV−IV線での断面図である。

第２の気泡侵入防止装置５０Ｂは、第１の気泡侵入防止装置５０Ａに対して、導入部５５の個数で相違する。そこで、本実施形態の説明では、当該相違点を中心に説明し、同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。なお、本図中の実線矢印は液体金属冷却材１１の流れを、破線矢印は気泡Ｐの流れを示したものである。

第２の液体金属冷却原子炉１０Ｂは、下部プレナム２６に第２の気泡侵入防止装置５０Ｂを備え、第２の気泡侵入防止装置５０Ｂが下部プレナム２６に運ばれた全ての液体金属冷却材１１を内部に取り込み、液体金属冷却材１１に混入したヘリウムガス（気泡）Ｐを捕集し、捕集した気泡Ｐを炉心１３の外側へ排出するように構成される。また、第２の気泡侵入防止装置５０Ｂは、図６および図７に示されるように、例えば、四つ等の複数の導入部５５を備える。

第２の気泡侵入防止装置５０Ｂでは、図７に示されるように、原子炉容器１２内の隔壁２０の外側に位置する下降流路２８から下向き流れの液体金属冷却材１１とともに下向きに流れてきた気泡Ｐが、周側（外側）から中心側（内側）へ流れ、IV−IV断面において現れる略円の接線方向に開口した四つの導入部５５から第２の気泡侵入防止装置５０Ｂ（より詳細には下部タンク５３）の内部へ取り込まれる。

第２の気泡侵入防止装置５０Ｂの下部タンク５３の中では、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１が下部タンク５３の周に沿って移動し、その移動に伴う遠心力によって気泡Ｐと液体金属冷却材１１とが分離される。つまり、気泡（ヘリウムガス）Ｐと、液体金属冷却材１１との質量の差異によって、液体金属冷却材１１よりも質量の小さい気泡Ｐは遠心力も相対的に小さく下部タンク５３の径方向における中心側に、気泡Ｐよりも質量の大きい液体金属冷却材１１は下部タンク５３の径方向における外側（周側）へと分離される。

下部タンク５３内で液体金属冷却材１１と遠心分離され中心側に集積した気泡Ｐは、図６，７に示されるように、下部タンク５３の上面（上部タンク５４の下面）であって、径方向の中心部に設けられた気泡排出管５６の導入口から気泡排出管５６の中へ導かれ、気泡排出管５６から炉心１３の外側へ排出される。一方、気泡Ｐが分離された液体金属冷却材１１は、冷却材排出部５７から装置外、すなわち、炉心支持板１４を通り、隔壁２０の内側に位置する領域である上昇流路２７へ排出される。

第２の気泡侵入防止装置５０Ｂおよび第２の気泡侵入防止装置５０Ｂを備えた第２の液体金属冷却原子炉１０Ｂによれば、下部プレナム２６において、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１から気泡Ｐと液体金属冷却材１１とを分離することができる。また、分離した気泡Ｐは、気泡排出管５６を通して炉心１３の外側へ排出されるので、気泡Ｐが炉心１３の燃料部へ侵入するのを防ぐことができる。さらに、第２の気泡侵入防止装置５０Ｂでは、導入部５５が複数設置されていることにより、下部タンク５３内で液体金属冷却材１１の旋回流をより効率良く生じさせることができる。

なお、図７に示される第２の気泡侵入防止装置５０Ｂは、四つの導入部５５がバランス良く内部へ取り込む観点から略等間隔（約９０度）の間隔で配置されているが、導入部５５の個数および配置する間隔は任意で良い。

［第３の実施形態］
図８は本発明の第３の実施形態に係る気泡侵入防止装置の一例である第３の気泡侵入防止装置５０Ｃを備えた液体金属冷却原子炉の一例である第３の液体金属冷却原子炉１０Ｃの下部側の構成を拡大して示した縦断面図、図９は第３の液体金属冷却原子炉１０Ｃの下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるV−V線での断面図である。

第３の気泡侵入防止装置５０Ｃは、第１の気泡侵入防止装置５０Ａに対して、気泡排出管５６の個数で相違する。そこで、本実施形態の説明では、当該相違点を中心に説明し、同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。なお、図８に示される実線矢印は液体金属冷却材１１の流れを、破線矢印は気泡Ｐの流れを示したものである。

第３の液体金属冷却原子炉１０Ｃは、下部プレナム２６に第３の気泡侵入防止装置５０Ｃを備え、第３の気泡侵入防止装置５０Ｃが下部プレナム２６に運ばれた全ての液体金属冷却材１１を内部に取り込み、液体金属冷却材１１に混入したヘリウムガス（気泡）Ｐを捕集し、捕集した気泡Ｐを炉心１３の外側へ排出するように構成される。また、第３の気泡侵入防止装置５０Ｃは、図８および図９に示されるように、例えば、四つ等の複数の排出口を有する気泡排出管５６を備える。

第３の気泡侵入防止装置５０Ｃでは、図８に示されるように、原子炉容器１２内の隔壁２０の外側に位置する下降流路２８から下向き流れの液体金属冷却材１１とともに下向きに流れてきた気泡Ｐが、周側（外側）から中心側（内側）へ流れ、導入部５５から第３の気泡侵入防止装置５０Ｃ（より詳細には下部タンク５３）の内部へ取り込まれる。

第３の気泡侵入防止装置５０Ｃの下部タンク５３の中では、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１が下部タンク５３の周に沿って移動し、その移動に伴う遠心力によって気泡Ｐは下部タンク５３の径方向における中心側に、液体金属冷却材１１は下部タンク５３の径方向における外側（周側）に分離される。

下部タンク５３内で液体金属冷却材１１と遠心分離され中心側に集積した気泡Ｐは、図８，９に示されるように、下部タンク５３の上面（上部タンク５４の下面）であって、径方向の中心部に設けられた気泡排出管５６の導入口から気泡排出管５６の中へ導かれ、気泡排出管５６の四つの排出口から炉心１３の外側へ排出される。一方、気泡Ｐが分離された液体金属冷却材１１は、冷却材排出部５７から装置外、すなわち、炉心支持板１４を通り、隔壁２０の内側に位置する領域である上昇流路２７へ排出される。

第３の気泡侵入防止装置５０Ｃおよび第３の気泡侵入防止装置５０Ｃを備えた第３の液体金属冷却原子炉１０Ｃによれば、下部プレナム２６において、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１から気泡Ｐと液体金属冷却材１１とを分離することができる。また、分離した気泡Ｐは、気泡排出管５６を通して炉心１３の外側へ排出されるので、気泡Ｐが炉心１３の燃料部へ侵入するのを防ぐことができる。さらに、第３の気泡侵入防止装置５０Ｃでは、気泡排出管５６の排出口が複数設置されていることにより、下部タンク５３内に分離して捕集した気泡Ｐを炉心１３の外側の一箇所に偏在させることなく、炉心１３の外側の複数箇所に分散させて排出することができる。

なお、図９に示される第３の気泡侵入防止装置５０Ｃは、気泡排出管５６の四つの排出口がバランス良く炉心１３の外側へ排出する観点から略等間隔（約９０度）の間隔で配置されているが、気泡排出管５６の排出口の個数および配置する間隔は任意で良い。

［第４の実施形態］
図１０は本発明の第４の実施形態に係る気泡侵入防止装置の一例である第４の気泡侵入防止装置５０Ｄを備えた液体金属冷却原子炉の一例である第４の液体金属冷却原子炉１０Ｄの下部側の構成を拡大して示した縦断面図、図１１は第４の液体金属冷却原子炉１０Ｄの下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるVI−VI線での断面図である。

第４の気泡侵入防止装置５０Ｄは、第１の気泡侵入防止装置５０Ａに対して、気泡排出管５６から気泡Ｐを排出する場所が、炉心１３の外側ではなく炉心１３内に設けられた中性子吸収制御棒１８を挿入する挿入孔（以下、「中性子吸収制御棒挿入孔」と称する。）６１となる点で相違する。そこで、本実施形態の説明では、当該相違点を中心に説明し、同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。なお、図１０に示される実線矢印は液体金属冷却材１１の流れを、破線矢印は気泡Ｐの流れを示したものである。

第４の液体金属冷却原子炉１０Ｄは、下部プレナム２６に第４の気泡侵入防止装置５０Ｄを備え、第４の気泡侵入防止装置５０Ｄが下部プレナム２６に運ばれた全ての液体金属冷却材１１を内部に取り込み、液体金属冷却材１１に混入したヘリウムガス（気泡）Ｐを捕集し、捕集した気泡Ｐを気泡排出管５６へ導き、さらに、気泡排出管５６から炉心１３の内部に設けられる中性子吸収制御棒挿入孔６１を通して炉心１３の外へ排出するように構成される。

第４の気泡侵入防止装置５０Ｄでは、図１１に示されるように、原子炉容器１２内の隔壁２０の外側に位置する下降流路２８から下向き流れの液体金属冷却材１１とともに下向きに流れてきた気泡Ｐが、周側（外側）から中心側（内側）へ流れ、導入部５５から第４の気泡侵入防止装置５０Ｄ（より詳細には下部タンク５３）の内部へ取り込まれる。

第４の気泡侵入防止装置５０Ｄの下部タンク５３の中では、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１が下部タンク５３の周に沿って移動し、その移動に伴う遠心力によって、気泡Ｐは下部タンク５３の径方向における中心側に、液体金属冷却材１１は下部タンク５３の径方向における外側（周側）に分離される。

下部タンク５３内で液体金属冷却材１１と遠心分離され中心側に集積した気泡Ｐは、図１０，１１に示されるように、下部タンク５３の上面（上部タンク５４の下面）であって、径方向の中心部に設けられた気泡排出管５６の導入口から気泡排出管５６の中へ導かれ、気泡排出管５６から中性子吸収制御棒挿入孔６１を通して炉心１３の外へ排出される。炉心１３内の中性子吸収制御棒挿入孔６１には、燃料ピンが装荷されていないため、炉心１３内の燃料部を気泡Ｐが通過することはない。一方、気泡Ｐが分離された液体金属冷却材１１は、冷却材排出部５７から第４の気泡侵入防止装置５０Ｄの外部へ排出される。

第４の気泡侵入防止装置５０Ｄおよび第４の気泡侵入防止装置５０Ｄを備えた第４の液体金属冷却原子炉１０Ｄによれば、下部プレナム２６において、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１から気泡Ｐと液体金属冷却材１１とを分離することができる。また、分離した気泡Ｐは、気泡排出管５６および中性子吸収制御棒挿入孔６１を通して炉心１３の外へ排出されるので、気泡Ｐが炉心１３の燃料部へ侵入するのを防ぐことができる。

［第５の実施形態］
図１２は本発明の第５の実施形態に係る気泡侵入防止装置の一例である第５の気泡侵入防止装置５０Ｅを備えた液体金属冷却原子炉の一例である第５の液体金属冷却原子炉１０Ｅの下部側の構成を拡大して示した縦断面図、図１３は第５の液体金属冷却原子炉１０Ｅの下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるVI−VI線での断面図である。

図１２および図１３に示されるように、第５の液体金属冷却原子炉１０Ｅは第３の液体金属冷却原子炉１０Ｃと第４の液体金属冷却原子炉１０Ｄとを組み合わせて構成されたものであり、第５の液体金属冷却原子炉１０Ｅは、第３の気泡侵入防止装置５０Ｃと第４の気泡侵入防止装置５０Ｄとを組み合わせて構成された第５の気泡侵入防止装置５０Ｅを下部プレナム２６に備える。なお、図１２に示される実線矢印は液体金属冷却材１１の流れを、破線矢印は気泡Ｐの流れを示したものである。

第５の気泡侵入防止装置５０Ｅは、下部プレナム２６に運ばれた全ての液体金属冷却材１１を内部に取り込み、液体金属冷却材１１に混入したヘリウムガス（気泡）Ｐを捕集し、捕集した気泡Ｐを、気泡排出管５６および中性子吸収制御棒挿入孔６１へ導き、気泡排出管５６および中性子吸収制御棒挿入孔６１から炉心１３の外へ排出するように構成される。

このように構成される第５の気泡侵入防止装置５０Ｅおよび第５の気泡侵入防止装置５０Ｅを備えた第５の液体金属冷却原子炉１０Ｅによれば、下部プレナム２６において、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１から気泡Ｐと液体金属冷却材１１とを分離することができる。また、分離した気泡Ｐは、気泡排出管５６および中性子吸収制御棒挿入孔６１を通して炉心１３の外へ排出されるので、気泡Ｐが炉心１３の燃料部へ侵入するのを防ぐことができる。

［第６の実施形態］
図１４は本発明の第６の実施形態に係る気泡侵入防止装置の一例である第６の気泡侵入防止装置５０Ｆを備えた液体金属冷却原子炉の一例である第６の液体金属冷却原子炉１０Ｆの下部側の構成を拡大して示した縦断面図、図１５は第６の液体金属冷却原子炉１０Ｆの下部側の構成を拡大して示した縦断面図に示されるVIII−VIII線での断面図である。

第６の気泡侵入防止装置５０Ｆは、第１の気泡侵入防止装置５０Ａに対して、冷却材排出部５７の形状が相違する。そこで、本実施形態の説明では、当該相違点を中心に説明し、同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。なお、図１４および図１５に示される実線矢印は液体金属冷却材１１の流れを、破線矢印は気泡Ｐの流れを示したものである。

第６の液体金属冷却原子炉１０Ｆは、下部プレナム２６に第６の気泡侵入防止装置５０Ｆを備え、第６の気泡侵入防止装置５０Ｆが下部プレナム２６に運ばれた全ての液体金属冷却材１１を内部に取り込み、液体金属冷却材１１に混入したヘリウムガス（気泡）Ｐを捕集し、捕集した気泡Ｐを炉心１３の外側へ排出するように構成される。また、第６の気泡侵入防止装置５０Ｆの冷却材排出部５７は、図１５に示されるように、VIII−VIII断面が、例えば、略円環等の環状に現れるように形成される。

第６の気泡侵入防止装置５０Ｆでは、図１４に示されるように、原子炉容器１２内の隔壁２０の外側に位置する下降流路２８から下向き流れの液体金属冷却材１１とともに下向きに流れてきた気泡Ｐが、周側（外側）から中心側（内側）へ流れ、導入部５５から第６の気泡侵入防止装置５０Ｆ（より詳細には下部タンク５３）の内部へ取り込まれる。

第６の気泡侵入防止装置５０Ｆの下部タンク５３の中では、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１が下部タンク５３の周に沿って移動し、その移動に伴う遠心力によって気泡Ｐは下部タンク５３の径方向における中心側に、液体金属冷却材１１は下部タンク５３の径方向における外側（周側）に分離される。

下部タンク５３内で液体金属冷却材１１と遠心分離され中心側に集積した気泡Ｐは、図１４，１５に示されるように、下部タンク５３の上面（上部タンク５４の下面）であって、径方向の中心部に設けられた気泡排出管５６の導入口から気泡排出管５６の中へ導かれ、気泡排出管５６から炉心１３の外側へ排出される。一方、気泡Ｐが分離された液体金属冷却材１１は、冷却材排出部５７から装置外、すなわち、炉心支持板１４を通り、隔壁２０の内側に位置する領域である上昇流路２７へ排出される。

第６の気泡侵入防止装置５０Ｆおよび第６の気泡侵入防止装置５０Ｆを備えた第６の液体金属冷却原子炉１０Ｆによれば、下部プレナム２６において、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１から気泡Ｐと液体金属冷却材１１とを分離することができる。また、分離した気泡Ｐは、気泡排出管５６を通して炉心１３の外側へ排出されるので、気泡Ｐが炉心１３の燃料部へ侵入するのを防ぐことができる。

なお、図１５に示される第６の気泡侵入防止装置５０Ｆは、冷却材排出部５７のVIII−VIII断面が、略円環に現れるように形成されているが、必ずしも一つの略円環に現れるように形成される必要はなく、例えば、第６の気泡侵入防止装置５０ＦのVIII−VIII断面に複数の部分円環や多角形環として現れるように形成されていても良い。

［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態に係る気泡侵入防止装置（以下、「第７の気泡侵入防止装置」と称する。）および第７の気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉は、他の実施形態に係る気泡侵入防止装置および当該気泡侵入防止装置を備えた液体金属冷却原子炉に対して、下部タンク５３の代わりに、例えば、図１６〜図１８に示されるように変形した下部タンク５３Ａ〜５３Ｃを備える点で相違する。そこで、本実施形態の説明では、当該相違点を中心に説明し、同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。

図１６〜図１８は、本発明の第７の実施形態に係る気泡侵入防止装置の下部タンク５３の構成例である下部タンク５３Ａ〜５３Ｃを示した概略図である。

第７の気泡侵入防止装置に備えられる下部タンク５３Ａは、図１６に示されるように、下部タンク５３Ａの周の内面（タンク内側）に、らせん状またはうず状の溝６３を設けて構成される。このように構成される下部タンク５３Ａでは、らせん状またはうず状の溝６３によって、溝６３が設けられていない下部タンク５３よりも、下部タンク５３Ａ内に流入した液体金属冷却材１１の回転（周方向への移動）が促される。そのため、溝６３が設けられていない下部タンク５３よりも気泡Ｐの分離効果が向上する。

また、第７の気泡侵入防止装置に備えられる下部タンク５３Ｂは、図１７に示されるように、下部タンク５３の下面かつ中心軸６４上に、中心軸６４を回転軸として旋回自在な回転体としての旋回羽６５を取り付けた支持体６６を設けて構成される。旋回羽６５の高さは下部タンク５３の高さよりも低い任意の高さである。また、支持体６６は、旋回羽６５を旋回自在に支持するため、旋回羽６５の高さ以上であって、下部タンク５３の高さよりも低い任意の高さに形成される。

このように構成される下部タンク５３Ｂでは、下部タンク５３Ｂ内に流入した液体金属冷却材１１の流れによって、支持体６６が中心軸６４を回転軸として旋回自在な旋回羽６５が回転し、旋回羽６５の回転によって、旋回羽６５を取り付けた支持体６６が設けられていない下部タンク５３よりも、下部タンク５３Ｂ内に流入した液体金属冷却材１１の回転（周方向への移動）が促される。そのため、旋回羽６５を取り付けた支持体６６が設けられていない下部タンク５３よりも気泡Ｐの分離効果が向上する。

なお、上述の下部タンク５３Ｂの説明では、支持体６６に自転しない（液体金属冷却材１１の流れを受けて旋回する）旋回羽６５を取り付けた場合を説明したが、この旋回羽６５を、外部からの駆動力を受けて自転する（液体金属冷却材１１を自ら積極的に流動させる）ように構成しても良い。

さらに、第７の気泡侵入防止装置に備えられる下部タンク５３Ｃでは、図１８に示されるように、下部タンク５３の導入部５５の代わりに、気泡Ｐの導入口が大きく開口する一方、下部タンク５３の径方向の中心側へ向かうにつれて細くなるように構成された導入部６８を備える。

下部タンク５３Ｃでは、導入部６８が下部タンク５３Ｃの径方向の中心側へ向かうにつれて細くなる（縮径する）ように構成されることから、液体金属冷却材１１が下部タンク５３Ｃへ流入するときの流速は、下部タンク５３へ流入するときの流速よりも速くなり、導入部６８を備えていない下部タンク５３よりも気泡Ｐの分離効果が向上する。

第７の気泡侵入防止装置および第７の気泡侵入防止装置を備えた第７の液体金属冷却原子炉によれば、下部プレナム２６において、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１から気泡Ｐと液体金属冷却材１１とを分離することができる。また、分離した気泡Ｐは、気泡排出管５６を通して炉心１３の外へ排出されるので、気泡Ｐが炉心１３の燃料部へ侵入するのを防ぐことができる。

さらに、第７の気泡侵入防止装置では、下部タンク５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃの内部における液体金属冷却材１１の流速を、下部タンク５３の場合と比べて速くすることができるので、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１から気泡Ｐと液体金属冷却材１１とを分離する効率をより高めることができる。

以上、気泡侵入防止装置５０および気泡侵入防止装置５０を備えた液体金属冷却原子炉１０によれば、下部プレナム２６において、気泡Ｐが混入した液体金属冷却材１１から気泡Ｐと液体金属冷却材１１とを分離することができる。また、分離した気泡Ｐは、気泡排出管５６を通して炉心１３の外へ排出するので、気泡Ｐが炉心１３の燃料部へ侵入するのを防ぐことができる。

なお、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。例えば、図９に示される気泡排出管５６は、略同径の円周上に四つが等間隔で配置されているが、個数、配置位置、断面形状又は配置間隔等は任意に構成できる。また、図１６と図１８に示される下部タンク５３Ａ，５３Ｃとを組み合わせ、周の内面にらせん状またはうず状の溝６３が設けられた導入部６８を有する下部タンクを構成することもできる。

これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０（１０Ａ〜１０Ｆ）…液体金属冷却原子炉、１１…液体金属冷却材、１２…原子炉容器、１３…炉心、１４…炉心支持板、１５…間隙、１６…格納容器（ガードベッセル）、１７…サイロ、１８…中性子吸収制御棒、２０…隔壁（シュラウド）、２１…遮蔽体、２２…中性子反射体、２３…電磁ポンプ、２４…中間熱交換器（ＩＨＸ）、２５…格納ドーム、２６…下部プレナム、２７…上昇流路、２８…下降流路、５０（５０Ａ〜５０Ｆ）…気泡侵入防止装置、５３…下部タンク（気泡捕集部）、５４…上部タンク、５５…導入部、５６…気泡排出管（気泡排出部）、５７…冷却材排出部、６１…中性子吸収制御棒挿入孔、６４…中心軸、６５…旋回羽、６６…支持体、６８…導入部、Ｐ…気泡。

Claims (10)

1. 原子炉容器内に設置された隔壁の内側の冷却材が上昇する上昇流路に炉心が、前記隔壁の外側の前記冷却材が下降する下降流路に炭化ホウ素が充填された筒状体によって構成された遮蔽体が、前記原子炉容器内の前記遮蔽体および前記炉心の下方空間に下部プレナムが配置される液体金属冷却原子炉の下部プレナムに設けられ、
   前記下降流路を流れ、下部プレナムに流入した気泡を含む冷却材を導入口から導入し、内部で前記冷却材に含まれる気泡を遠心分離して捕集する気泡捕集部と、
   前記気泡捕集部で捕集された気泡を導入して前記炉心の内部の燃料ピンが装荷される燃料集合体領域の外部へ導出する気泡排出部と、
   前記気泡捕集部が気泡を捕集した後の気泡が含まれない冷却材を導入して前記上昇流路へ排出する冷却材排出部と、を備えることを特徴とする気泡侵入防止装置。
2. 前記気泡捕集部から前記気泡排出部へ前記気泡を導入する前記気泡排出部の導入口は、前記原子炉容器の径方向に対して中心側に設けられ、前記気泡捕集部から前記冷却材排出部へ前記冷却材を導入する前記冷却材排出部の導入口は、前記気泡排出部の導入口よりも前記原子炉容器の径方向に対して周側に設けられることを特徴とする請求項１記載の気泡侵入防止装置。
3. 前記気泡捕集部は、前記気泡捕集部の導入口を複数個設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の気泡侵入防止装置。
4. 前記気泡排出部は、前記気泡捕集部から導入した前記気泡を前記炉心の燃料集合体領域の外部へ導出する排出口を複数個設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の気泡侵入防止装置。
5. 前記気泡排出部は、前記気泡捕集部から導入した前記気泡を前記炉心の燃料集合体領域の外部へ導出する排出口を前記炉心に設けられる中性子吸収制御棒を挿入する挿入孔と接続させたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の気泡侵入防止装置。
6. 前記気泡捕集部は、前記気泡を捕集するタンクを備え、このタンクの周の内面にらせん状またはうず状の溝を設けたことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の気泡侵入防止装置。
7. 前記気泡捕集部は、前記気泡を捕集するタンクを備え、このタンクの中心軸上に、この中心軸を回転軸として旋回自在な旋回羽を有する回転体を設置したことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の気泡侵入防止装置。
8. 前記気泡捕集部は、前記気泡を捕集するタンクを備え、このタンクに、一端を前記気泡捕集部の導入口とし、他端を前記タンク内面とする筒状の導入部を設け、この導入部は、前記タンクの径方向に対する外側から内側に進むにつれて細くなるように構成されたことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の気泡侵入防止装置。
9. 前記冷却材排出部は、上面に前記気泡捕集部から導入した前記冷却材を装置外へ排出する排出口を設けたタンクを備え、前記冷却材排出部の排出口は、前記タンクの上面の水平断面が環状となるように構成されることを特徴とする１〜８の何れか１項に記載の気泡侵入防止装置。
10. 請求項１〜９記載の何れか１項に記載の気泡侵入防止装置を備えたことを特徴とする液体金属冷却原子炉。

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