JP2899979B2 - 高温ガス炉 - Google Patents

高温ガス炉

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    • G21C1/00Reactor types
    • G21C1/04Thermal reactors ; Epithermal reactors
    • G21C1/06Heterogeneous reactors, i.e. in which fuel and moderator are separated
    • G21C1/07Pebble-bed reactors; Reactors with granular fuel
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高温ガス炉に係り、特に高温ガス及び高温ガ
スと熱交換される作動流体の循環手段を有する装置、更
には原子炉に付設される蒸気発生器及びその循環系統に
関する。
〔従来の技術〕
原子炉に用いられる圧力容器は、出力が300MWe程度以
上の中型乃至大型の高温ガス炉になると炉心の大きさ等
の理由からプレストレスコンクリート圧力容器(以下PC
RVという)を用いることが必要となる。PCRV型の高温ガ
ス炉では炉心上方に制御棒駆動装置などが設けられ、そ
の位置関係から炉心を出た高温側のヘリウム冷却材は蒸
気発生器の管束の下方から入ることになる。
例えば、第3図に示す高温ガス炉において、31は炉
心,32は黒鉛反射体枠,33はPCRV,34は蒸気発生器,35は伝
熱管管束,36は給水管,37は蒸気配管,38はガス循環機,39
はクロスヘッド,40は上部ペネトレーション,41は補助炉
心冷却系である。
この高温ガス炉では、蒸気発生器の上部の給水配管36
から流入した給水は、伝熱管管束35内を下方に流下する
に従って加熱されて二相流、更に過熱蒸気となって蒸気
配管7から取り出される、所謂完全なダウンヒルボイリ
ング(down hill boiling)方式となっている。
このダウンヒルボイリング方式では、熱流力学的に不
自然であり、特に低出力時の安定性が懸念され、そのた
めの対応処置が必要と考えられている。
また、第4図に示す高温ガス炉はブロック燃料型の高
温ガス炉であり、51は炉心,52はPCRV,53は蒸気発生器,5
4は伝熱管管束,55,56はそれぞれ給水配管,蒸気配管,57
はガス循環機,58は上部ペネトレーション,59は補助炉心
冷却系である。この高温ガス炉において、給水配管55,
蒸気配管56はいずれも蒸気発生器53の下部に配置されて
おり、蒸気発生器53内のヘリウム冷却材の流れ方向の如
何に拘わらず少なくとも一部はダウンヒルボイリングの
形態となる。
したがって、従来の高温ガス炉では、作動流体の熱流
力学的に不自然な形態となるために、蒸気発生器自体、
特に低出力時の安定性が懸念される。
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、
水/蒸気側の作動流体の合理的な熱流力学的状態を利用
し、特に原子炉の安全性で重要視される自然循環除熱に
よる崩壊熱除去能を著しく強化することができる高温ガ
ス炉を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は、炉心上部にガス入口流路を有するダウン
フロー型原子炉と、該原子炉の周囲に複数の蒸気発生器
を配設した高温ガス炉において、前記原子炉下部から、
前記原子炉の上部ガス入口流路により上部まで、高温ガ
スを抜き出す断熱管を設け、この高温ガスが反転下降す
るガス下降流路内に、前記原子炉の上部ガス入口流路よ
り上部に位置するようにガス冷却用の熱交換器を有する
蒸気発生器を設け、該蒸気発生器の下部に冷却ガスを前
記原子炉の上部ガス入口流路に送給するガス循環機を設
けることによって達成される。
〔作用〕
高温ガス、例えば、原子炉炉心部より高温加熱された
ヘリウム冷却材ガスは、原子炉の周囲に配設した蒸気発
生器の断熱管の上部まで立ち上げた後、反転して熱交換
器の外部を流下する。一方、熱交換器への給水は、熱交
換器内を上昇する過程で高温のヘリウム冷却材により加
熱され、二相流、過熱蒸気となる。したがって、ダウン
ヒルボイリングによる熱流力学的な不安定性が排除され
る。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第1図は本発明の一実施例であるペプルベッド型PCRV
型高温ガス炉に適用したときの実施例を示す概略的構成
図である。
この高温ガス炉においては、黒鉛反射体枠2に囲まれ
た炉心1内はクロスダクト3を介して蒸気発生器4に連
通している。黒鉛反射体枠2の外周には、ライナ冷却系
5が配設され、黒鉛反射体枠2の上部には上部ペネトレ
ーション6が配置されている。
炉心に対して高所に設けられた蒸気発生器4の中心部
には、クロスダクト3内の内管に連通すると共に内面側
に断熱が施された断熱配管(高温ガス断熱上昇管)7が
同心上に配置され、その上端面は、蒸気発生器4の上部
側で開口している。断熱配管7の外周側には伝熱管管束
(ヘリカル状熱交換管)8が配設されており、この伝熱
管管束8の下方側に給水配管(液入口ノズル)9が設け
られ、伝熱管管束8の上方側に蒸気配管(蒸気出口ノズ
ル)10が設けられている。断熱配管7の外周側であっ
て、伝熱管管束8の下部側空間部はその途中で縮経され
ると共に断熱配管7と同心上に配管状体となって下端部
で開口し、その開口部に攪拌翼11aが設けられたガス循
環機11を備えている。この配管状体の外周側空間部は、
クロスダクト3の外側アニュラス部を介して炉心1側に
連通している。
図中、12は崩壊熱除去系を示し、水取入口13を有する
貯水タンク14を備え、この貯水タンク14からの配管15は
タービン系統からの給水配管9の途中に連結され、配管
15から分岐したバイパス管15aは黒鉛反射体枠2の外周
に配設されたライナ冷却系5に連通されている。また、
貯水タンク14からの配管16もライナ冷却系5の上部に連
結されている。更に、蒸気配管10はタービン系統への配
管から分岐したバイパス管17を備えている。
なお、図中、18はPCRVを示し、蒸気発生器4は、炉心
1の周りに複数基配置される。
次に上記のように構成される高温ガス炉の作用につい
て説明する。
まず通常運転中の動作について述べる。PCRV18の中に
据付けられ、黒鉛反射体枠2の中に設けられたペブルベ
ッド型の炉心1で核反応により熱を発生する。この熱は
炉心1内を流下する加圧ヘリウム冷却材により冷却さ
れ、これにより加熱された高温ヘリウムガス冷却材はク
ロスダクト3内の内管を通して蒸気発生器4に流入す
る。蒸気発生器4に流入した高温ヘリウムガスは断熱配
管7の中を通して一旦蒸気発生器4の頂部に立上げら
れ、上部で反転して伝熱管束8の外部を通して下降しな
がら冷却され、低温ヘリウムガスとなってガス循環機11
により吸引・排出され駆動されてクロスダクト3の外側
アニュラス部を通して再び炉心1に送り込まれる。この
場合、蒸気発生器4の下部において給水配管9より給水
を取り入れ、ヘリカル状の伝熱管管束8内を立上げ、上
部で蒸気配管10より取り出す形態となっている。蒸気発
生器4の水/蒸気側の構造は、水/蒸気の流れの状況を
熱流力的に自然で無理のないアップヒルボイリングとし
ており、不自然なダウンヒルボイリングといった要因を
排除している。
第2図は本発明の高温ガス炉の他の実施例を示し、ブ
ロック燃料型の鋼製圧力容器を用いた高温ガス炉に適用
したときの概略的構成図である。
第2図において、炉心21及び黒鉛反射体枠22は、鋼製
圧力容器23に覆われ、炉心21には制御棒導入管24が挿入
可能となっている。
第2図において、蒸気発生器及び崩壊熱冷却系は第1
図と実質的に同一であるので同一符号で示す。
本発明例において、炉心21の核反応による熱は、炉心
21内を流下する加圧ヘリウム冷却材を加熱する。この加
熱された高温ヘリウムガス冷却材はクロスダクト3を通
して蒸気発生器4に流入する。蒸気発生器4に流入した
高温ヘリウムガスは断熱配管7の中を上昇し蒸気発生器
4頂部に立上げられ、上部で反転して伝熱管管束8の外
部を通過し下降しながら、水/蒸気を加熱して冷却され
低温ヘリウムガスとなる。低温ヘリウムガスはガス循環
機11により昇圧されてクロスダクト3の外側アニュラス
部を通して再び炉心21に送り込まれる。
したがって、本発明例においても、蒸気発生器4の下
部で給水配管9より給水を取り入れ、ヘリカル状の伝熱
管管束8を立上げ、上部で蒸気配管10より取り出す形態
となり、不自然なダウヒルボイリングといった要因を排
除できる。
次に異常時における設備対応とその挙動について第1
図に用いて述べる。まず、ガス循環機11の不作動という
ガス循環系の故障の緊急事態に対しては、蒸気発生器4
内の伝熱管管束8は炉心1に対して自然循環駆動を極力
大きくするよう炉心位置に対してできるだけ高所にくる
よう蒸気発生器4の構造及び蒸気発生器4の据付位置に
ついて配慮されており、また、図に例示した如くガス循
環機11を下方に設け、弁等の介入を要することなく低温
ヘリウム冷却材が炉心1側に送り込まれるような構造と
なっている。
また、炉心1との間の流路についても自然循環の経路
が形成される。
次に蒸気発生器4の水側の異常で、例えば冷却水駆動
ポンプ等の故障等水側循環系の緊急事態に対しては、大
量の保有水を貯留した貯水タンク14からの大量の水が配
管15を介して給水配管9側に供給され、蒸気発生器4の
熱流力的の自然の流れを利用して、特にポンプ等の駆動
力を用いることなく自然循環力によって長期に、かつ安
定的に水の気化熱の放散によって崩壊熱の除去を継続さ
せる。なお、貯水タンク14からの水を配管15a、15、16
を介してライナ冷却系5に給水し、同様に崩壊熱の除去
を静的に行なうことができる。
なお、この貯水タンク14は外部より容易に、例えば消
防水等の補給ができるよう取り入口13を設けておくこと
により半永久的に崩壊熱除去機能が保証されることにな
る。
なお、本発明例では第1図のPCRV型のペブルベッド燃
料型高温ガス炉への適用について述べたが、これはPCRV
型のブロック燃料型高温ガス炉及び第2図に示す鋼製圧
力容器のブロック燃料型原子炉、さらに同じくペブルベ
ッド燃料型高温ガス炉にも適用できる。
〔発明の効果〕
以上のように本発明によれば、蒸気発生器内の水/蒸
気の流れは下部において水(サブクール水)として注入
し、上部より蒸気として出てゆくため、従来、全域的に
あるいは部分的にダウンヒルボイリングになっていた作
動流体の流動不安定性を起こすなどの不自然で無理のあ
る熱流力的問題が解決され、運転上や設備上の対応が一
段と軽減される効果がある。
更に、通水系統、例えばポンプ等に故障が起こり、通
水不可能という事態があっても、自然な水の流れと炉心
冷却ガスの自然循環力を活用し、貯水タンク等からなる
蒸気潜熱利用の崩壊熱除去系に切換えて崩壊熱除去能を
完全に行うことができる効果がある。
すなわち、高温ガス炉と蒸気発生器間は、ガス循環機
が停止してもヘリウム冷却材が自然循環するようになっ
ており、また、蒸気発生器の熱交換部は流動抵抗が小さ
く、ポンプが停止しても貯水タンクからの水が自然循環
するようになっている。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明における蒸気発生器及び蒸気潜熱利用の
崩壊熱除去系の一実施例を示す概略的構成図、第2図は
本発明における他の実施例として、鋼製圧力容器を用い
た高温ガス炉における蒸気発生器および蒸気潜熱利用の
崩壊熱除去系の実施例を示す概略的構成図、第3図は従
来のPCRV型のペブルベッド燃料型高温ガス炉を示す概略
的構成図、第4図は従来のPCRV型のブロック燃料型高温
ガス炉を示す概略的構成図である。 1,21……炉心、2,22……黒鉛反射体枠、3……クロスダ
クト、4……蒸気発生器、5……ライナ冷却系、6……
上部ペネトレーション、7……断熱配管(高温ガス断熱
上昇管)、8……伝熱管管束(ヘリカル状熱交換管)、
9……給水配管(液入口ノズル)、10……蒸気配管(蒸
気出口ノズル)、11a……攪拌翼、11……ガス循環機、1
2……崩壊熱除去系、13……取り入口、14……貯水タン
ク、15,16……配管、15a,17……バイパス、18……PCR
V。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−151894(JP,A) 特開 昭63−9889(JP,A) 特開 昭63−225196(JP,A) 特開 昭53−120086(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G21C 1/24 G21D 1/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炉心上部にガス入口流路を有するダウンフ
    ロー型原子炉と、該原子炉の周囲に複数の蒸気発生器を
    配設した高温ガス炉において、前記原子炉下部から、前
    記原子炉の上部ガス入口流路により上部まで、高温ガス
    を抜き出す断熱管を設け、この高温ガスが反転下降する
    ガス下降流路内に、前記原子炉の上部ガス入口流路より
    上部に位置するようにガス冷却用の熱交換器を有する蒸
    気発生器を設け、該蒸気発生器の下部に冷却ガスを前記
    原子炉の上部ガス入口流路に送給するガス循環機を設け
    たことを特徴とする高温ガス炉。
  2. 【請求項2】前記原子炉は炉心周囲に冷却ガス流路を有
    し、前記蒸気発生器は中心部に断熱管、その周囲にガス
    下降流路内にガス冷却用の熱交換器、下部にはガス循環
    機を有し、該原子炉と該蒸気発生器とを同心二重管式ク
    ロスダクトで接続したことを特徴とする特許請求の範囲
    第(1)項の記載の高温ガス炉。
  3. 【請求項3】前記蒸気発生器の熱交換器は下部に給水入
    口ノズルを、上部に蒸気出口ノズルを設けたヘリカルコ
    イル状の熱交換器で、前記給水入口ノズルの給水ライン
    に冷水を注入するラインを設けると共に、前記給水ライ
    ンあるいは蒸気出口ノズルの蒸気ラインに圧力調整手段
    を設けたことを特徴とする特許請求の範囲第(2)記載
    の高温ガス炉。
  4. 【請求項4】貯水タンクを設け、ライナーへの給水ライ
    ンを設けると共に、前記冷水を注入するラインと接続
    し、さらに前記蒸気出口ノズルの蒸気ラインに蒸気放出
    ラインを設けたことを特徴とする特許請求の範囲第
    (3)項に記載の高温ガス炉。
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