JP2528658B2 - ポンプ／熱交換器集合体 - Google Patents

ポンプ／熱交換器集合体

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JP2528658B2 JP62150067A JP15006787A JP2528658B2 JP 2528658 B2 JP2528658 B2 JP 2528658B2 JP 62150067 A JP62150067 A JP 62150067A JP 15006787 A JP15006787 A JP 15006787A JP 2528658 B2 JP2528658 B2 JP 2528658B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体金属のような導電流体を圧送するために
利用されるフローカプラーと呼ばれる電磁ポンプ、特
に、第１液体金属流、例えば、中間ナトリウム流の内部
エネルギーを第２液体金属流、例えば、１次ナトリウム
流に伝達させるため液体金属冷却炉に使用される上記ポ
ンプに係る。また、このようなフローカプラーを熱交換
器を含む集合体に組込むことにより第２液体金属流の比
較的高い熱エネルギーを第１液体金属流に伝達する方式
をも提案するものである。
液体金属冷却型高速増殖炉（LMFBR）開発の初期にお
いて、電磁（EM）ポンプによって液体金属を圧送できる
ことが判明した。このEMポンプは従来の回転羽根車を備
えたポンプに比較して、構造が簡単であり、可動部分を
全く含まないという利点を持つ。前記回転羽根車式ポン
プのような機械式ポンプは軸受やシールのような高い精
度を要求される可動部分の領域に振動や熱ひずみに伴う
固有の問題を抱えている。また、機械式ポンプの回転羽
根車と関連するキャビテーションの問題はEMポンプには
存在しない。
このようなEMポンプの１種で別名フローカプラーと呼
ばれるものは原子炉の炉心で加熱される流体金属の１次
流を圧送するのに特に好適である。このフローカプラー
は液体金属の中間流の内部エネルギーを１次流に伝達し
てこれを駆動または圧送する。
フローカプラーの初期の例はBrillの米国特許第2,71
5,190号及びPulleyの英国特許第745,460号に開示されて
いる。典型的なフローカプラーにあっては、中間流を形
成する被駆動液体金属がフローカプラーの発電ダクトを
通過する。発電ダクトの近傍にポンプダクトが設けら
れ、１次流がこのポンプダクトを流れる。発電ダクト及
びポンプダクト内の中間及び１次液体金属流に共通の磁
場が作用する。１次流が共通磁場を通過すると比較的低
い電圧が発生し、これによって発電ダクト内に大きい電
流が発生し、この電流が発電ダクトとポンプダクトの間
に設けた短い低抵抗電極及び両ダクトのそれぞれの側に
設けた導体を介してポンプダクトに供給される。その結
果起こるポンプダクト内の高電流と共通磁場との相互作
用がポンプダクトの１次流を駆動する。従って、発電ダ
クト内の中間液体金属流がポンプダクト内の１次液体金
属流に「結合」される。LMFBRシステムにおけるこのよ
うなフローカプラーの利用は“Nuclear Energy"誌1981
年,Vol.20.2月、No.1の頁79−90に掲載されたD.F.David
son等の論文“Sodium Electrotechnology at the Risle
y Nuclear Power Development Laboratories"に記載さ
れている。A.R.Keetonの等の米国特許第4,469,471号は
このようなフローカプラー改良実施態様を開示してい
る。
W.G.Romanの米国特許第4,412,785号には原子炉と併用
するためのフローカプラー／熱交換器集合体が開示され
ている。この集合体は内槽及び外槽間に環状域を形成す
る。環状域内には、複数組の伝熱管を各隣接組間に比較
的広い空間が画定されるように配置される。環状域を通
って半径方向に磁場を発生させる。第１導電流体、例え
ば中間液体金属を強力な中間ポンプにより前記空間を通
して圧送し、第２導電流体、例えば１次液体金属を前記
複数組の伝熱管に導入する。半径方向の磁束が中間液体
金属流を１次液体金属流と結合する。複数組の伝熱管の
間の前記空間を通る外部のポンプにより圧送された中間
液体金属流が半径方向の磁束を貫通すると、環状域を中
心とする円周方向に電圧及び電流が発生する。電流は隣
接する伝熱管及びこれを流れる１次液体金属を通過して
反対方向の駆動力を発生させ、１次液体金属を駆動また
は圧送する。
EPRI NP−1656,TPS 79−774,Final Report,（1981年
１月）におけるI.R.McNab及びC.C.Alexion共著の論文
“High−Efficiency DC Electromagnetic Pumps and Fl
ow Couplers for LMFBRs"にはプール型LMFBR用の一体的
な熱交換器／フローカプラー集合体が記載されている。
複数のダクト・モジュールを円形に配列し、隣接するダ
クト・モジュール間に励磁コイルを設ける。各ダクト・
モジュールは１次液体金属が流れるポンプダクト及び中
間液体金属が反対方向に流れる発電ダクトを含む。励磁
コイルから発生する磁束はすべてのダクト・モジュール
を通る円形磁場を形成するように鉄心回路によって向け
られる。一実施例では、中間液体金属を中央の入口に導
入されるように下向きに導く。中間液体金属は次いで上
向きに流れて前記垂直管の周りを通り、それぞれの発電
ダクトへ導入される。１次液体金属流は下向きにポンプ
ダクトを流れ、ポンプダクトを出てから中間熱交換器の
伝熱管に流入し、これを流下したのち、放出され、炉心
へ還流する。フローカプラーはこのような中間熱交換器
の下方に配置すればよい。上記実施例では、フローカプ
ラーを通過する時、中間液体金属流も一次液体金属流も
炉心の出口における温度と同程度の比較的高い温度、例
えば900乃至1,000度Ｆのレベルにある。液体金属流の温
度を下げることができれば、フローカプラーの電気的効
率を改善することができる。また、比較的低い温度で動
作する場合、フローカプラーに課せられる機械的設計条
件もゆるめられる。中間熱交換器の垂直管の上端、即
ち、出口端も、フローカプラーの発電ダクトの下端、即
ち、入口端も単一の管板または支持板で支持されるか
ら、本来なら単一の支持板で支持される中間熱交換器の
多数の伝熱管が発電ダクトに取って代わられ、所定の中
間液体金属の流量を得るのに必要な所与の数の伝熱管を
収容するため直径または寸法を増大させた集合体が必要
となる。中間液体金属流と１次液体金属流との間の熱伝
達効率を増大するには、一体的な熱交換器／フローカプ
ラー集合体のサイズを維持または縮小しながら中間液体
金属流の流量を増大させることが望ましい。
本発明の主要目的は、液体金属冷却炉のための改良型
ポンプ／中間熱交換器集合体を提供することにある。
この目的に鑑み、本発明の要旨は、加熱された第１導
電流体から、圧送される第２導電流体へ熱エネルギーを
伝達し、圧送された第２導電流体から第１導電流体へ内
部エネルギーを伝達するために、第２導電流体の流れを
受ける環状空洞部を画定する手段及び空洞部内に配設し
た複数の伝熱管を含み、伝熱管のそれぞれが第１導電流
体の流れを受けて空洞部内の第２導電流体を加熱する熱
交換器と、熱交換器の下方に配設され、円形に配列した
複数のフローカプラーのそれぞれが第１導電流体を受け
るポンプダクト及び第２導電流体を受ける発電ダクトか
ら成るポンプ集合体と、第２導電流体を受けるため環状
空洞部の中心にかつフローカプラーの配列内に配設した
導管とを含むポンプ／熱交換器集合体であって、ポンプ
集合体の下方に配設され、中央の前記導管と連通して第
２導電流体を受け、フローカプラーの発電ダクトのそれ
ぞれに連通して圧送された第２導電流体を上向きに発電
ダクトに流入させる第１プレナム・チェンバと、熱交換
器とポンプ集合体の中間に配設され、発電ダクトのそれ
ぞれと連通して発電ダクトのそれぞれから放出された第
２導電流体を集め、環状空洞部と連通して集められた第
２導電流体を該空洞部へ送る第２プレナム・チェンバ
と、熱交換器とポンプ集合体の中間に配置され、伝熱管
と連通して該管から放出される第１導電流体を受け、ポ
ンプダクトと連通して第１導電流体をこれに導入する第
３プレナム・チェンバとより成り、圧送された第２導電
流体の内部エネルギーが第１導電流体に伝達されると共
に、これにより第１導電流体が圧送され、前記ポンプ／
熱交換器集合体は更に、それぞれがフローカプラーの互
いに隣接する２つの中間に配設され、互いに協働して発
電ダクト及びポンプダクトのそれぞれを通過する環状磁
場を発生させる複数の励磁コイルを含むことを特徴とす
るポンプ／熱交換器集合体にある。
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を
詳細に説明する。
第１図には中間熱交換器（IHX）16とフローカプラー
または１次ナトリウム・ポンプ（PSP）18の集合体15を
含む原子炉装置10を示した。IXH16とPSP18はナトリウム
のような導電流体の１次ループまたは１次流14及びナト
リウムのような導電流体の中間ループまたは中間流20を
含む回路に結合される。後述するように、PSP18は１次
ループ14に沿い炉心12を介して液体金属を圧送し、１次
流体は炉心において500℃程度の比較的高い温度に加熱
される。IHX16は加熱された１次液体金属から中間液体
金属へ熱エネルギーを伝達する。中間ループ20におい
て、機械式ポンプ22が中間液体金属を入口導管21を介し
てPSP18、即ち、フローカプラーへ圧送し、PSP18は駆動
される中間液体金属の内部エネルギーを１次液体金属へ
伝達する。１次液体金属をも駆動するため、機械式ポン
プ22は容量が大きくなければならない。中間液体金属は
炉心12で加熱された１次液体金属から熱エネルギーを受
け、出口導管23を通って蒸気発生器24へ流入する。
水のような蒸発可能な流体を蒸気発生器24に循環させ
ることにより水を蒸発させてから蒸気ループ34に沿って
タービン26へ循環させ、タービン26の羽根を回転させて
発電機26を駆動し、電気エネルギーを出力させる。使用
済蒸気はタービン26を出てコンデンサ30により復水させ
られたのち、復水ポンプ32へ還流し、再び蒸気発生器24
へ循環させられる。
第２及び３図から明らかなように、プール型原子炉の
炉心12を囲む環状域内に複数のPSP/IHX集合体15を組込
む。第３図に示すよう、６つの前記PSP/IHX集合体15a〜
15fを炉心槽36の周りに円形アレイを形成するように配
置する。炉心槽36を生体遮蔽42が囲んでいる。中間液体
金属は入口導管21からIHX16に流入し、出口導管23を通
って放出される。１次液体金属は矢印40aで示すよう
に、PSP18によって中性子遮蔽38の周りを通るように圧
送されて加熱された後、矢印40bで示すように複数のIHX
s16のそれぞれへ還流される。
PSP/IHX集合体15のその他の特徴を第４及び５図に示
す。入口導管21は集合体15のほぼ全長に相当する軸方向
長さを有する外側及び内側下降管44、45と接続し、集合
体15の底に設けた下部内側プレナム68bに中間液体金属
を導入する。外側下降管44は内側下降管45の周りにこれ
と同心に配置され、内側下降管との間に下降環状路86を
形成する。中間液体金属は矢印84の方向にPSP/IHX16を
通り、中間液体金属出口導管46から流出する。中間出口
導管は下降管44、45の周りにこれと同心に配置され、出
口導管23と接続して中間液体金属が中間ループ20内を搬
送されるようにする。
PSP/IHX集合体15はIHX外殻48を含み、この外殻48はIH
X16を囲み、上端においてIHX16を支持すると共に、上部
管板50及び下部管板52をも囲む。上下管板50、52は伝熱
管のアレイ54を挟持する。伝熱管54は互いに間隔を保
ち、IHX外殻48と外側下降管44の間に形成される環状空
間に配設される。矢印84で示すように、中間液体金属は
伝熱管54の周りを流れ、前記環状空間を通過する。１次
液体金属は矢印82で示すように伝熱管54内を流れ、下端
からIHX下部プレナム64へ流出する。プレナム64の下端
は環状外側上部支持板56によって囲まれる。板56の周り
に、１次液体金属を放出するための、板56の全幅を貫通
する複数組の孔74a,74bを設ける。
PSP/IHX集合体はPSP18を囲んでこれを収納するPSP外
殻49を含む。PSP外殻49はその上端で内側上部支持板58
を支持し、板58は矢印84で示すように中間流体金属が上
向きに通過できるように周縁に複数組の孔を含む。中間
殻51の上下縁部は外側上部支持板56及び内側上部支持板
58にそれぞれオーバーラップする。板56、58及び中間殻
51は、中間液体金属を受けてこれをPSP18から上向き
に、外側下降管44と該下降管44を同心関係に囲む中間導
管106との間に形成された連結環状通路へ流入させるフ
ローカプラー上部プレナム66を画定する。各ポンプダク
ト72a,72bの上端は外側上部支持板56によって支持さ
れ、発電ダクト70a,70bの上端は内側上部支持板58によ
って支持されるから、IHX16の複数の伝熱管54を互いに
等間隔にかつコンパクトなアレイを形成するように配設
することにより１次液体金属の流量を増大させ、PSP/IH
X集合体15の直径または断面積を極力縮小することがで
きる。
PSP外殻49はその下端において内側下部支持板62を支
持する。外側支持板60は板62の下方にこれと間隔を保っ
て配置され、下部殻体65と共にフローカプラー下部ディ
フーザ68を形成し、このディフーザ68は下降管44から中
間液体金属を受け、矢印84で示すようにその方向を上向
きに変えて開口格子110、板62の通孔及びPSP18を通過さ
せる。50％開口の格子110は渦の形成を防ぎ、均一な中
間液体金属流をPSP18に流入させる。フローカプラーの
下部ディフーザ68は圧力損失が最小となるように形成
し、寸法設定する。
PSP/IHX集合体15は中間及び１次液体金属流により発
生する内部圧力及び内部応力に耐え得るように構造設計
されている。正常な稼動条件下では両液体金属流が互い
に反対方向に流動するから、これらの液体金属流が通過
する中間ダクト70と１次ダクト72の差圧が軽減される。
その場合、中間ダクト70内の圧力降下が１次ダクト72内
の昇圧となって現われるのが普通である。従って、ダク
ト70、72間の差圧は例えば97〜310KPaの範囲で変動す
る。IHX下部プレナム64内の１次液体金属とフローカプ
ラー上部プレナム66内の中間液体金属との差圧が通常97
KPaであるのに対して、フローカプラー下部ディフーザ6
8内の中間液体金属と１次ダクト72a,72bの下方延長部内
の１次液体金属との圧力差は通常310KPa程度である。た
だし、均衡が崩れると、中間回路内の圧力が1520KPaに
上昇し、１次回路内の圧力が0KPaに低下することもあり
得る。
外側下部支持板60はその外周部分をPSP外殻49で支持
されるだけで、内周部分は支持されないままの状態にあ
る。内側上部支持板58及び内側下部支持板62はそれぞれ
の外周部分をPSP外殻49で支持され、それぞれの内周部
分を内殻88によって支持される。PSP外殻49及び内殻88
はPSP/IHX集合体15による内部圧力及び軸方向重量と、P
SP/IHX集合体15に作用する垂直方向の地震荷重に耐え得
るように設計されている。集合体15の設計及び形状には
殻体48、50、88に歪みを生じないように配慮した。PSP/
IHX集合体15は緩衝材としてプールのナトリウムを充填
した公差の小さい支持管内に配置されているから、水平
方向地震荷重が問題になることはない。
第４及び５図と共に第６及び７図を参照すると明らか
なように、図示のPSP18は複数のそれぞれ独立したポン
プまたはフローカプラー、即ち、ダクト・モジュール69
a〜69hを含む。各ダクト・モジュール69は１対の中間ダ
クトまたは発電ダクト70a,70b,及び１対の１次ダクトま
たはポンプダクト72a,72bから成る。中間ダクト70は１
次ダクト72間に配置され、１次ダクト72aのPSP外殻49を
起点として、中間ダクト70a,1次ダクト72b,中間ダクト7
0bと続くシーケンスを形成する。特に第５図から明らか
なように、中間液体金属は矢印84で示すように、上向き
に各ダクト・モジュール69またはフローカプラーの各中
間ダクト対70a,70bを通過したのち、合流してフローカ
プラーの上部プレナム66に流入する。１次液体金属は矢
印82で示すように、下向きに複数組の孔74a,74bを通っ
て対応の１次ダクト72a,72bに流入し、これを通って１
組の出口孔108a,108bからそれぞれ放出される。各ダク
ト・モジュール69は外側下部支持板60内にそれぞれに対
応の出口孔108a,108bを具備する。
特に第６及び７図から明らかなように、隣接する１対
のダクト・モジュール69間に１個づつ配置した一連の励
磁コイル76a〜76hにより環状の磁場が形成される。各励
磁コイル76は対応の磁場極片78を中心に配置され、各ダ
クト・モジュールが配置されているエアギャップを横切
るような方向の磁場が各励磁コイル76によって形成され
る。PSP18に複数の励磁コイル76を使用するのは冗長度
を高めるためである。各励磁コイル76を完全に制御及び
モニターできるように、それぞれに固有のコイル・リー
ド104を介して別々に給電する。各磁極片78は第７図に
示すように１対の支持脚112a,112bによりIHX外殻49内に
支持される。複数の励磁コイル76a〜76f及び対応の磁極
片78a〜78fによって形成される磁場の全体形状は環状で
ある。ただし、磁極片78はそれぞれ両端に１対の磁極面
79a,79bを有する。単一磁極片78の磁極面79a,79bはモジ
ュール69を横切る磁場が一様となるようにそれぞれのダ
クト・モジュール69と平行に配設される。別々のコイル
・リード104は下降環状路86を通って各励磁コイル76に
延びるようにPSP/IHX集合体15に導入される。第５図に
示すように、各コイル76は互いに電気的に直列接続され
た複数のターン98を構成する中空部材を具備する。
所与の体積の励磁コイル76から発生する起磁力を最大
にするため、ターン98を中空部材で形成し、第５図に示
すように少量の中間ナトリウムをこれに循環させて冷却
する。フローカプラー下部ディフーザ68に圧入される中
間液体金属のごく一部を、ディフーザ68と連通する複数
の入口導管94の１つへ上向きに送入する。複数の入口導
管94は冷却用中間液体金属を円形に構成された入口マニ
ホルド92へ流入させる。第５及び７図に示すように、複
数の入口供給管100が冷却用中間液体金属をターン98へ
送入する。冷却用中間液体金属は複数の出口供給管102
を通ってターン98から、これも円形に構成された出口マ
ニホルド90に放出される。次いで、中間液体金属は出口
マニホルド90から上向きに複数の出口導管96を通ってフ
ローカプラー上部プレナム66へ放出される。本発明の図
示の実施例では、励磁コイル76のターン98全体における
圧力降下は中間ダクト70a,70bにおける圧力降下と等し
くなるように設定する。図示実施例の場合、約2.54cm×
2.54cmの銅線140回巻のターン98で各励磁コイル76を形
成してある。ターン98は、それぞれが20回巻のターンか
ら成る平行な７組を液圧的に接続する。20回巻ターン98
から成る各組をその１つの層の外側から内側にむかって
巻き、次の層では励磁コイル76の内側から外側へ戻るよ
うにしてコイル76を全体として螺線状に完成すればよ
い。従って、入口及び出口供給管100、102のそれぞれを
コイル76の外側に接続すればよい。
第７図に示す実施例の場合、PSP18は12本の１次ダク
ト72及び12本の中間ダクト70を含む。互いに隣接する１
対の１次ダクト72及び中間ダクト70がフローカプラーを
形成する。この実施例は合計12組のフローカプラーを含
む。４本のダクト70、72から成る１対のフローカプラー
はフローカプラー・モジュール69のうちのひとつを形成
する。各フローカプラー・モジュール69は互いに並列に
作用し、機械式ポンプ22によって与えられる中間ナトリ
ウムの比較的高い液圧または圧力の形の内部エネルギー
を、電流及び磁場の複合作用下に能率良く１次液体金属
に伝達する。この複合作用はローレンツの関係式に基づ
く。即ち、速度で磁場をつ通過する電化q0に作用す
る力（ベクトル）は関係式 ＝qo× で表わされる。これはベクトル関係式であるから速度
が磁場Ｂに対して直角なら、力が最大となる。励磁コ
イル76は各ダクト・モジュール69の各フローカプラーを
通過する、矢印75で示すような環状の磁場を発生させ
る。矢印75で示す磁場が各中間ダクト70を通過するに従
って、第７図の面と直交する線に沿って上向きに圧送さ
れる中間液体金属と前記線と直交する方向の磁場75との
相互作用が電圧勾配を発生させ、破線73aで示すようにP
SP18の中心にむかって半径方向に内方へ向う電流を発生
させる。各ダクト・モジュール69はダクト70、72の周り
を通って再び１次ダクト72aに流入する１対の実効リタ
ーン・パス73bを提供する積層構造80内に形成される。
各ダクト・モジュール69及びその積層構造80内を流れる
電流は他のダクト・モジュールを流れる電流から電気的
に隔離される。パス73に沿って半径方向に内方へ１次ま
たはポンプダクト72a及び72bを流れる電流と矢印75で示
すようにこの電流と直交する磁場との相互作用が１次ダ
クト72a,72b内の１次液体金属に力を作用させ、第７図
の平面と直交する線に沿って下向きに１次液体金属を圧
送する。中間ダクト70を１次ダクト72と交互に設けるこ
とによって循環する端電流の発生を防止する。各ダクト
70、72はその釣合いが最適となるように個別に寸法設定
する。磁場形状を環状としたことによってPSP外殻49内
の空間を最適条件で利用し、PSP外殻49の外径をIHX外殻
48の外径とほぼ同じサイズに維持することができる。ま
た、磁場を環状に形成することで、複数の磁極片78a〜7
8f内の鉄の量を最小限に抑えることができる。
第４及び５図に基づき、中間及び１次液体金属の流動
態様を以下に要約する。矢印84−１〜84−４はPSP/IHX
集合体15における中間液体金属の流れを示し、矢印84−
１は中間液体金属流の起点を、矢印84−８は中間液体金
属が集合体15から流出するところをそれぞれ示す。中間
ループ20の入口導管21に導入された中間液体金属は下降
管44、45を通ってフローカプラー下部ディフーザ68に流
下し、ここで反転して再び各ダクト・モジュール69の中
間ダクト70a,70bを上向きに流れる。合計６組の中間ダ
クト70を通る中間液体金属の平行流がフローカプラー上
部プレナム66に導入されると、このプレナム66は最小限
の圧力損失を伴って中間液体金属を集め、導管108及び
下降管45によって形成される環状路を上向きに通過さ
せ、IHX16へ流入させる。IHX16を上向きに流れる中間液
体金属は伝熱管54の周りを循環しながら該管54の間の空
間を流動したのち、中間出口導管46から放出され、出口
導管23を通って中間ループ20へ還流する。
同様に、１次液体金属は82−１〜82−６で示す径路及
び順序に従ってPSP/IHX集合体15を還流する。加熱され
た１次液体金属は炉心12から還流してIHX16の伝熱管54
に導入され、その熱エネルギーを周囲に流れる中間液体
金属に伝達する。冷却された１次液体金属は伝熱管54か
らIHX下部プレナム64へ放出される。１次液体金属はそ
のまま流下して孔74a,74bを通り、複数組の１次ダクト7
2a,72bのそれぞれに流入し、これを流下し、圧送された
のち、出口孔108a,108bから放出され、１次ループ14を
通って炉心12に還流する。
各ダクト・モジュール69と連携の積層構造は機械的、
電気的及び電磁流体力学的条件を満たすように構成しな
ければならない。ダクト70、72内には真空状態から高圧
状態に至る広い範囲の圧力状態が発生する場合が多い。
また、中間及び１次ダクト70、72間に高い差圧が現われ
ることも多い。多くの場合、１次ダクト72内だけではな
く、中間ダクト70内にも高温が発生し、約320℃にも達
する。0.83℃／秒という比較的高い速度で83℃程度の急
速な過渡的温度変化が起こる可能性がある。
第８及び９図を参照して、積層構造80及びそのダクト
・モジュール69の構造を詳細に説明する。隣接ダクト7
2、70は、ダクトの軸方向長さに沿って配置されて一方
のダクトを他方のダクトから分離し、第７及び８図に示
すように半径方向パス73aに沿って１次ダクト72aから中
間ダクト70aへ、中間ダクト70aから１次ダクト72bへ、
１次ダクト72bから中間ダクト70bへ電流を通過させる電
極として作用するセンサープレート120により分離され
ている。各ダクト・モジュール69の両端において、１対
の電極122a,122bが１次ダクト72aの、センタープレート
120aとは反対側の側壁と、中間ダクト70bの、センター
プレート120cとは反対側の側壁をそれぞれ形成する。典
型的には、電極122a,122b及びセンタープレート120a,12
0b,120cは電流が電極122aから１次ダクト72a内の１次液
体金属、センタープレート120a、中間ダクト70a内の中
間液体金属、センタープレート120b,1次ダクト72b内の
１次液体金属、センタープレート120c及び中間ダクト70
b内の中間液体金属を通って電極122bへ半径方向に電流
パス73aに沿って流れ易くするため、銅のような良導体
で形成する。
電流は電極122bを通ってリターン・パス73bに沿って
積層構造80内の電極122aへ流れる。第８及び９図に示す
積層構造80は複数の重なり合った複合板114と電流帰還
用の導体130とを含む。第８図に示すように、複合板114
は、ダクト・モジュール69の両側に沿って配置され、磁
極片78との連携により、ダクト・モジュール69によって
形成されるエアギャップを通る磁場の形成を容易にする
ため磁性材で形成した１対の側方素子116a,116bを含
む。複合板114はほかに、磁場がダクト・モジュール69
を迂回することなくダクト70、72内の内部圧に耐えるた
め高強度の非磁性材で形成した上下素子118a,118bを含
む。
帰線導体130は第９及び11図に示す本発明の実施例の
場合、ダクト・モジュールの長手方向両側に沿う位置に
ある側方部分130a,130b、第11図に示すようにダクト・
モジュールの頂部に位置する上部130c,及びダクト・モ
ジュール69の他端に設けた（図示しない）底部素子130d
を含む一体的な中空矩形部材である。
第11図に示すように、複合板114の頂部素子118a（及
び図示しない底部素子118b）は電極122a（及び図示しな
い電極122b）内の凹部148に埋め込まれ、ステンレスス
チールのような適当な高強度材料で形成される。電極凹
部148に素子122を挿入することで、ダクト70、72内に発
生する圧力に対する積層構造80の抵抗力及び強度が増大
する。これらの素子中の電位にばらつきがある場合、軸
方向に電流が流れるのを防止するため、各頂部素子118a
の周りに絶縁層を配設する。
第８、９及び11図から明らかなように、複合板114と
帰線導体130は複合板114及び帰線130内の孔に複数のボ
ルト134を挿入することにより積み重ねて組立て、一体
的に保持する。各ボルト134を絶縁スリーブ138で囲むこ
とによりボルト134を電気的に隔離する。保持キャップ1
40内の孔にもボルト134を挿通し、ボルト134の端部にナ
ット136を螺着して複合板114、帰線導体130及び保持キ
ャップ140を一体的に保持する。
帰線導体130の幅は図示実施例の場合、複合板114の幅
の２倍に設定することにより、抵抗損失が極力軽減され
るように電流リターン・パスの導電率を高める一方、複
合板114の磁束密度が妥当なレベルとなるように充分な
幅を維持する。複合板114及び帰線導体130をダクト70、
72の軸線に沿って積層することにより、ダクトの熱膨張
を吸収させる。帰線導体130と複合板114を積層すること
は積層構造80の過渡的温度変化に対する熱応答を全体が
薄い伝熱部材として応答するレベルまで高めるのに有効
である。
特に第８及び12図から明らかなように、頂部電極122a
から底部電極122bに至るダクト・モジュール69の長辺に
沿って配設された絶縁層124a、124bにより半径方向電流
パス73aとリターン・パス73bを互いに電気的に絶縁す
る。４本のダクト72、70のそれぞれに内張り128を施す
ことにより、高温液体金属が絶縁層124を損傷するのを
防止する。常態においてダクト70、72内に発生する高圧
により全溶着内張り128a,128b,128c,128dが対応のダク
ト72a,70a,72b,70bへ圧接される。絶縁層124と内張り12
8の熱膨張係数には差があるから、内張り128を絶縁層12
4に結合することは不可能である。内張り128をそれぞれ
対応のダクト70または72内に保持するため、複数のＴ字
形保持手段152を、絶縁層124内に形成した同様の形状を
有するスロット154に嵌入させ、スロット154から突出す
る端部を、第13図に示すように、対応の内張り128に連
結する。保持手段152と内張り128の連結点間の間隔は内
張り128がダクト70、72内の真空状態、及びダクト・モ
ジュール69の温度上昇に伴うある程度の相対的な摺動に
耐えるように設定する。
第９及び11図に示すように、内張り128は対応するダ
クト70、72の作用域、即ち、磁極片78及び積層構造80が
ダクト70、72を通過する磁場を閉じ込める領域を越えて
広がっている。内張り128は上方へ広がり、対応のダク
ト70または72と同様の形状を有する矩形殻体144によっ
て支持されている。支持殻体144と内張り128の延長部分
との間に絶縁層143を介在させることにより、この箇所
に発生し易い端電流を減少させる。さらに、支持殻体14
4と同様の寸法に設定された矩形孔を有する、互いに間
隔を保つ複数の矩形板142を支持殻体144の周りに配設す
ることにより、内部圧力に耐えるようダクト70、72を補
強する。
作用域の両側の端部においては、磁極片78によって形
成される磁束密度が一様ではなく、作用域から遠ざかる
につれてほとんど指数関数的に低下する。磁束密度の傾
向は電磁流体的設計とその関連の磁気境界パターンによ
り決まる。端部において、磁極片78にフレア部分79を設
けることにより、エアギャップを漸増的に広げ、磁束密
度を低下させる。
第８図に略示したセンタープレート120の詳細を第1
1、12、14及び15図に示す。センタープレート120の構造
により、各ダクト内に比較的高い圧力が、また、隣接ダ
クト70、72間に高い圧力差が確実に閉じ込められる。セ
ンタープレート120は半径方向の電流73aのための低抵抗
パスが形成されるように高良導体、例えば、銅で構成す
る。このプレート120を補強するため、第11図に示すよ
うに、各プレート120内に複数の補強棒126を配設する。
補強棒126は高強度材料、例えばステンレススチールか
ら成る。特に第８及び14図から明らかなように、補強棒
126を、絶縁層124の孔に挿通し、積層した複合板114及
び帰線導体130内に形成したスロット160へ挿入する。半
径方向電流パス73aを帰還電流パス73bから電気的に絶縁
するため、絶縁材層156をセンタープレート120と複合板
114及び帰線導体130の間に介在させる。また、補強棒12
6の端部を受けて入れて機械的強度を増大するようにス
テンレススチール製の挿入体158を設ける。特に第12図
から明らかなように、複合板114の側方素子116と帰線導
体130との間に絶縁層150を介在させることにより、これ
らの素子に不均一な電位が発生した際に帰線130導体間
に軸方向電流が流れるのを防止する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による１次ナトリウム・ポンプ（PSP）
／熱交換器集合体を組込んだ液体金属冷却型原子炉装置
の簡略図。 第２及び３図はそれぞれ第１図に示したプール型液体金
属冷却型原子炉を一部切り欠いて略示する側面図及び頂
面図。 第４図は第１、２及び３図に略示したPSP/熱交換器集合
体の詳細な斜視図。 第５図は第４図に示したPSP/熱交換器集合体の縦断面
図。 第６及び７図はそれぞれPSP/熱交換器集合体を第５図６
−６線に沿う、フローカプラーの上方から見た断面図及
び第５図７−７線に沿う、フローカプラーの主要域また
は作用域を通して見た断面図。 第８図は２本の中間ダクト及び２本の１次ダクトを含む
ダクト・モジュールの第５図８−８線に沿う頂面図。 第９図はフローカプラーの端部を示すためダクト・モジ
ュール及び励磁コイルを第７図９−９線に沿い一部側面
図で示す断面図。 第10図は第９図に示した励磁コイル中空ターンの断面
図。 第11図は第８図11−11線に沿うダクト・モジュールの部
分断面図。 第12図は第11図12−12線に沿うダクト・モジュール１次
ダクトの部分断面図。 第13図は内張りとダクト側壁との相互連結態様を示す、
中間及び１次ダクトの内張りの部分断面図。 第14及び15図は１次及び中間ダクトを分離するセンター
プレートをそれぞれ第11図の14−14線及び15−15線に沿
って示す部分断面図である。 16……中間熱交換器（IHX） 18……１次ナトリウム・ポンプ（PSP） 44、45……下降管 54……伝熱管 64……IHX下部プレナム 66……PSP上部プレナム 68……PSP下部プレナム 70……発電ダクト 72……ポンプダクト 76……励磁コイル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリストファー・コンスタンチン・アレ キシオン アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ノ ース・ハンチンドン、マイケル・ドライ ブ 14320 (72)発明者 ウェイン・カウルダー・サンプマン アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ノ ース・ハンチンドン、ガフィー・リルト ン・ロード 11350 (56)参考文献 特開 昭61−54495（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−51496（ＪＰ，Ｕ) ＰＲＯＧ．ＡＳＴＲＯＮＡＯＴ ＡＥ ＲＯＮＡＵＴ，Ｖｏｌ．100（1985）Ｐ. 533−547 ＰＲＯＧ．ＡＳＴＲＯＮＡＯＴ ＡＥ ＲＯＮＡＵＴ，Ｖｏｌ．84（1983）Ｐ. 266−286 ＵＳ ＤＯＥ Ｒｅｐ，Ｎｏ．ＥＰＲ ＩーＮＰー1656（1981）Ｐ．50

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】加熱された第１導電流体から、圧送される
    第２導電流体へ熱エネルギーを伝達し、圧送された第２
    導電流体から第１導電流体へ内部エネルギーを伝達する
    ために、第２導電流体の流れを受ける環状空洞部を画定
    する手段及び空洞部内に配設した複数の伝熱管を含み、
    伝熱管のそれぞれが第１導電流体の流れを受けて空洞部
    内の第２導電流体を加熱する熱交換器と、熱交換器の下
    方に配設され、円形に配列した複数のフローカプラーの
    それぞれが第１導電流体を受けるポンプダクト及び第２
    導電流体を受ける発電ダクトから成るポンプ集合体と、
    第２導電流体を受けるため環状空洞部の中心にかつフロ
    ーカプラーの配列内に配設した導管とを含むポンプ／熱
    交換器集合体であって、ポンプ集合体の下方に配設さ
    れ、中央の前記導管と連通して第２導電流体を受け、フ
    ローカプラーの発電ダクトのそれぞれに連通して圧送さ
    れた第２導電流体を上向きに発電ダクトに流入させる第
    １プレナム・チェンバと、熱交換器とポンプ集合体の中
    間に配設され、発電ダクトのそれぞれと連通して発電ダ
    クトのそれぞれから放出された第２導電流体を集め、環
    状空洞部と連通して集められた第２導電流体を該空洞部
    へ送る第２プレナム・チェンバと、熱交換器とポンプ集
    合体の中間に配置され、伝熱管と連通して該管から放出
    される第１導電流体を受け、ポンプダクトと連通して第
    １導電流体をこれに導入する第３プレナム・チェンバと
    より成り、圧送された第２導電流体の内部エネルギーが
    第１導電流体に伝達されると共に、これにより第１導電
    流体が圧送され、前記ポンプ／熱交換器集合体は更に、
    それぞれがフローカプラーの互いに隣接する２つの中間
    に配設され、互いに協働して発電ダクト及びポンプダク
    トのそれぞれを通過する環状磁場を発生させる複数の励
    磁コイルを含むことを特徴とするポンプ／熱交換器集合
    体。
  2. 【請求項２】励磁コイルのそれぞれによって発生される
    磁場を選択的に制御できるように励磁コイルのそれぞれ
    に別々のリード線を連携させたことを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載のポンプ／熱交換器集合体。
  3. 【請求項３】前記導管が、互いに同心関係に配設され、
    両者間にリード線を通す環状通路を形成する第１及び第
    ２下降管から成ることを特徴とする特許請求の範囲第２
    項に記載のポンプ／熱交換器集合体。
  4. 【請求項４】それぞれが複数の励磁コイルのうちの対応
    のものと連携し、この励磁コイルから発生する磁束を環
    状磁場として形成する複数の磁極片を含むことを特徴と
    する特許請求の範囲第１項に記載のポンプ／熱交換器集
    合体。
  5. 【請求項５】複数の励磁コイルのそれぞれを、それぞれ
    が中空部材である複数のターンで形成したことを特徴と
    する特許請求の範囲第１項に記載のポンプ／熱交換器集
    合体。
  6. 【請求項６】第２導電流体を中空ターンに導入すること
    によって励磁コイルを冷却する手段を含むことを特徴と
    する特許請求の範囲第５項に記載のポンプ／熱交換器集
    合体。
  7. 【請求項７】前記導入手段が、マニホルドと、第１プレ
    ナム・チェンバ及びマニホルドと連通関係にあって第２
    導電流体をマニホルドに導入する少なくとも１つの導管
    と、それぞれがマニホルド及び励磁コイルの１つと連携
    して第２導電流体を１つの励磁コイルのターンに導入す
    る複数の供給管手段とから成ることを特徴とする特許請
    求の範囲第６項に記載のポンプ／熱交換器集合体。
  8. 【請求項８】前記導入手段が、第２マニホルドと、第２
    プレナム・チェンバ及び第２マニホルドと連通関係にあ
    る少なくとも１つの第２導管と、それぞれが第２マニホ
    ルド及び励磁コイルの１つと連携して１つの励磁コイル
    から放出される第２導電流体を受け、放出された第２導
    電流体を第２マニホルド及び第２導管を介して第２プレ
    ナム・チェンバに供給する１組の第２供給手段をも含む
    ことを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載のポンプ
    ／熱交換器集合体。
  9. 【請求項９】第２プレナム・チェンバから環状空洞部に
    至る通路を画定する手段を含むことを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載のポンプ／熱交換器集合体。
  10. 【請求項１０】環状空洞部と連通関係にあって加熱され
    た第２導電流体を空洞部から放出する手段を含むことを
    特徴とする特許請求の範囲第９項に記載のポンプ／熱交
    換器集合体。
  11. 【請求項１１】ポンプ集合体が、その底部に設けた第１
    板と、第１板の上方に配設されてこれと共に第１プレナ
    ム・チェンバを形成する第１環状板と、第１環状板の上
    方に配設されて第１環状板との間に複数のフローカプラ
    ーを支持する第２環状板と、ポンプ集合体の周りに配設
    され、その上端で第２環状板を、下端で第１環状板をそ
    れぞれ支持する殻体とを含むことを特徴とする特許請求
    の範囲第１項に記載のポンプ／熱交換器集合体。
  12. 【請求項１２】第３環状板と、第３環状板の下方に配設
    されて第３環状板との間に複数の伝熱管を支持する第４
    環状板と、第４環状板の下方に配設されて第４環状板と
    の間に第３プレナム・チェンバを画定する第５環状板
    と、熱交換器の周りに配設されて、その上端で第３環状
    板を、その下端で第４及び第５環状板をそれぞれ支持す
    る第２殻体とを含むことを特徴とする特許請求の範囲第
    １項に記載のポンプ／熱交換器集合体。
  13. 【請求項１３】第２及び第５環状板が互いに間隔を保っ
    て両者間に第２プレナム・チェンバを画定することを特
    徴とする特許請求の範囲第12項に記載のポンプ／熱交換
    器集合体。
  14. 【請求項１４】第１及び第２殻体のそれぞれがほぼ等し
    い直径を有することを特徴とする特許請求の範囲第12項
    に記載のポンプ／熱交換器集合体。
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