JP3524884B2 - 高速増殖炉 - Google Patents
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Description
たは鉛ビスマスを用いた高速増殖炉に係り、更に詳しく
は、冷却材を自然循環させることによって、冷却材循環
用のポンプを不要とした高速増殖炉に関するものであ
る。
ナトリウムが使用されている。ナトリウムは水と接触す
ると爆発的な化学反応を生じる物質であることが知られ
ている。したがって、図4の系統概要図に示すように、
蒸気発生器15の伝熱管破損が生じても、原子炉内を循
環し放射性を帯びたナトリウムと水とが接触し爆発反応
を引き起こすことが無いように、1次ナトリウム系ルー
プ12の他に、2次ナトリウム系ループ13が設けられ
ている。
ープ内においてナトリウムを循環させるための1次循環
ポンプ16が備えられている。この1次循環ポンプ16
によって冷却材であるナトリウムが1次ナトリウム系ル
ープ12内を循環する。この1次ナトリウム系ループ1
2は、原子炉容器17、中間熱交換器18に導かれてお
り、これによって、原子炉容器17内の炉心19で発生
した熱が、1次ナトリウム系ループ12を循環するナト
リウムによって除去される。一方、このナトリウムは、
炉心19において加熱された後に、中間熱交換器18に
導かれる。そして、中間熱交換器18において、2次ナ
トリウム系ループ13内を循環するナトリウムによって
冷却され、再び原子炉容器17側に導かれる。
た、このループ内においてナトリウムを循環させるため
の2次循環ポンプ21が備えられている。この2次循環
ポンプ21によって冷却材であるナトリウムが2次ナト
リウム系ループ13内を循環する。この2次ナトリウム
系ループ13は、中間熱交換器18、蒸気発生器15に
導かれており、これによって、中間熱交換器18におい
て、1次ナトリウム系ループ12内を循環するナトリウ
ムが、2次ナトリウム系ループ13内を循環するナトリ
ウムによって冷却される。これによって、2次ナトリウ
ム系ループ13内を循環するナトリウムは、中間熱交換
器18において加熱された後に、蒸気発生器15に導か
れる。そして、蒸気発生器15において、水ループ22
内を循環する冷却水によって冷却され、再び2次ナトリ
ウム系ループ13内を循環する。
いて水を循環させる給水ポンプ23が備えられている。
この給水ポンプ23によって水がこのループ22内を循
環する。この水ループ22は、蒸気発生器15、タービ
ン25に導かれており、これによって、蒸気発生器15
において、2次ナトリウム系ループ13内を循環するナ
トリウムが、水ループ22内を循環する水によって冷却
される。一方、水ループ22内を循環する水は、蒸気発
生器15において加熱され蒸気となってタービン25に
導かれ、タービン25の回転に供される。そして、この
蒸気によってタービン25が回転することによって発電
される。
を用いた高速増殖炉では、2次ナトリウム系ループ13
を設けることによって、仮に蒸気発生器15の伝熱管に
破損が生じても、ナトリウムと水との反応による圧力上
昇や反応物生成によって炉心の健全性が損なわれないよ
うな対策が講じられている。
いた高速増殖炉プラントでは、2次ナトリウム系ループ
13が設置されており、この2次ナトリウム系ループ1
3を削除することが経済的に有利なプラントとなる。そ
の有望な概念として、冷却材をナトリウムに代えて、鉛
または鉛ビスマス(以下、「鉛ビスマス等」と称する)
を用いる高速増殖炉が検討されている。鉛ビスマスと
は、鉛(Pb)とビスマス(Bi)との共晶合金であっ
て、鉛にビスマスを加えると融点が低くなるので、冷却
材としての取り扱いが容易になる。図5は、これまで検
討された鉛ビスマス等を冷却材として用いた高速増殖炉
の原子炉容器の構成例を示す断面図である。
いられている鉛ビスマス等は、炉心19で発生した熱に
よって加熱される。加熱された冷却材は密度が減少する
ので原子炉容器17内部の上部側に備えられた蒸気発生
器15まで上昇する。そして、蒸気発生器15では、図
示しない伝熱管を介して、冷却材と水との熱交換がなさ
れ、冷却材は水によって冷却される一方、水は冷却材に
よって加熱されて蒸気となってタービンに供給される。
は、ポンプ27によって駆動され、再び炉心19側に戻
される。
うな従来の鉛ビスマス等を冷却材として用いた高速増殖
炉では、以下のような問題がある。
強い金属である。また、この腐食速度は、鉛ビスマス等
の流速が高い部位において促進される。したがって、鉛
ビスマス等の流速が最も高い部位であるポンプ27、特
にインペラ(図示せず)においては、腐食が激しく、頻
繁に交換する必要が生じる。
ビスマス等が流通する配管を太径化すること等によって
冷却材の圧力損失を低減させるための対策を講じ、鉛ビ
スマス等の流速を所定値(例えば2m/秒)以下に抑え
なければならないという問題がある。
ものであり、鉛または鉛ビスマスを冷却材として用いた
高速増殖炉において、自然循環で循環する冷却材によっ
て炉心を冷却するようにし、もって、腐食進行の遅い低
流速を実現するとともに、冷却材を循環させるためのポ
ンプを省略することが可能な高速増殖炉を提供すること
を目的とする。
めに、本発明では、以下のような手段を講じる。
して鉛または鉛ビスマスを用いた高速増殖炉であって、
原子炉容器下部に備えられた炉心に装荷された核燃料の
核***により発生する核***エネルギーによって冷却材
を加熱し、加熱されて原子炉容器内における全冷却材の
平均温度よりも温度が高くかつ平均密度よりも密度が低
くなった高温冷却材を、自然対流によって原子炉容器上
部側に上昇させる。 そして、原子炉容器上部側に備えら
れた蒸気発生器において、高温冷却材と水との熱交換を
行い、水を蒸気に転換するとともに高温冷却材を冷却
し、高温冷却材が冷却されて原子炉容器内における全冷
却材の平均温度よりも温度が低くかつ平均密度よりも密
度が高くなった低温冷却材を、自然対流によって炉心ま
で下降させることによって冷却材を原子炉容器内で自然
循環させて前記炉心を冷却する。 なお、蒸気発生器は、
内部に水を流通させることによって、自然対流により外
部を流れる高温冷却材と水との熱交換を行う複数の伝熱
管を原子炉容器の内周に沿って配置してなるヘリカルコ
イル型の蒸気発生器である。
速増殖炉において、原子炉容器下部側の冷却材を加熱
し、加熱されて原子炉容器内における全冷却材の平均温
度よりも温度が高くかつ平均密度よりも密度が低くなっ
た高温冷却材を、自然対流によって原子炉容器上部側に
上昇させる加熱手段を備える。
項2の発明の高速増殖炉において、自然対流によって原
子炉容器上部側に上昇した高温冷却材を空冷する空冷手
段を備える。
ちいずれか1項の発明の高速増殖炉において、原子炉容
器または原子炉容器の内部に配置する構造物をCr鋼材
で製造する。
いて図面を参照しながら説明する。
て説明する。
殖炉の原子炉容器の構成の一例を示す断面図である。
増殖炉は、冷却材として鉛または鉛ビスマス(以下、
「鉛ビスマス等」と称する)を用い、この冷却材を、ポ
ンプを用いることなく、自然循環させることによって炉
心1を冷却する。したがって、冷却材が低流速で原子炉
容器内を循環する環境を実現することができ、かつ、ポ
ンプを省略することができることから、鉛ビスマス等に
よる腐食速度を低減するとともに、炉内構造を簡素化
し、機器の交換やメンテナンスの手間を低減することが
可能な高速増殖炉である。
図1に示すように、原子炉容器2の内部に、炉心1、蒸
気発生器4、炉心1の出力を調整する制御棒駆動系5、
崩壊熱除去コイル6を少なくとも備えており、冷却材を
強制循環させるためのポンプを備えていない。なお、原
子炉容器2の内部には、上記構成要件の他に炉心出力、
温度、放射線等の運転パラメータを測定するための計装
機器等をも備えているが、ここではこれらの記載は省略
している。また、原子炉容器2の外には、断熱材3、加
熱パネル7、じゃま板8を備えている。
増殖炉では、炉心1で発生した熱を冷却材が受熱する。
炉心1で熱を受熱した冷却材は、原子炉容器2の内部の
全冷却材の平均温度よりも温度が高くなり、かつ平均密
度よりも密度が低くなるため、図中矢印に示すように、
原子炉容器2上部側に向かって上昇し、蒸気発生器4に
流入する。そして、蒸気発生器4の図示しない伝熱管を
介して、水との熱交換を行うことにより蒸気を発生させ
る。ここで発生された蒸気は、図示しないタービン設備
に供給され、タービンの回転に供されるようにしてい
る。
器4において蒸気を発生させる一方、蒸気発生器4にお
いて自身は熱を奪われ、冷却されるので、原子炉容器2
の内部の全冷却材の平均温度よりも温度が低くなり、か
つ平均密度よりも密度が高くなるため、図中矢印で示す
ように原子炉容器2下部に向かって自重によって下降す
る。このように原子炉容器2下部に下降した低温の冷却
材は、再び炉心1で加熱されると、再び原子炉容器2上
部側に向かって上昇し、蒸気発生器4まで流入する。
上昇、蒸気発生器4における冷却による下降を繰り返す
ことによって、冷却材は、原子炉容器2内を自然対流で
循環する。この自然循環時における駆動力(自然循環
力)は、高温部(炉心1近傍)の冷却材と低温部(蒸気
発生器4近傍)の冷却材との密度差、および炉心1と蒸
気発生器4との伝熱中心差を乗算したものである。自然
循環流量は、一巡の圧力損失とこの自然循環力がバラン
スした時に発生する。
と、蒸気発生器4近傍の低温部との温度差に比例する。
したがって、炉心1に冷却材が入る部位における冷却材
温度と、炉心1から冷却材が出る部位における冷却材温
度との差である炉心出入口温度差を大きし、一巡の圧力
損失を小さくすることによって、炉心1と蒸気発生器4
との伝熱中心差を小さくすることが可能となる。
ル6を備えている。外部電源喪失時等によって、蒸気発
生器4に蒸気発生用の水を供給することができない場合
には、蒸気発生器4は冷却材を冷却することができな
い。崩壊熱除去コイル6は、図示しない空気冷却器を備
えており、蒸気発生器4の冷却機能が喪失した場合に
は、蒸気発生器4に代って冷却材を空気によって冷却す
る。なお、崩壊熱除去コイル6によって冷却材を冷却し
た場合の自然循環力は、炉心1と崩壊熱除去コイル6と
の伝熱中心差に、高温部(炉心1近傍)の冷却材と低温
部(崩壊熱除去コイル6近傍)の冷却材との密度差を乗
算したものとなる。
は、炉心1で発生する崩壊熱が非常に小さくなるので、
上述した炉心出入口温度差が小さくなり、自然循環がし
ずらくなる。このため、原子炉容器2の下方に加熱パネ
ル7を設置している。この加熱パネル7は、原子炉容器
2の下部を加熱する。これによって、原子炉容器2の下
部近傍の冷却材が加熱され、上述したように原子炉容器
2内の全冷却材の平均密度よりも密度が低くなるので冷
却材が上昇し始める。このようにして上昇した冷却材
は、崩壊熱除去コイル6に流入する。そして、崩壊熱除
去コイル6がこの冷却材を冷却することによって冷却材
が自然循環するようになる。このように、メンテナンス
時及び運転開始時の場合などにおいて、加熱パネル7を
用いて冷却材を加熱した場合には、崩壊熱除去コイル6
を用いて冷却材を冷却する。
覆い、原子炉容器2からの熱放出を阻止している。更
に、原子炉容器2の下部側であって、原子炉容器2と断
熱材3との間の下部にはじゃま板8を設けており、加熱
パネル7で加熱した熱い空気が上部に移行することを阻
止している。これによって原子炉容器2の下部の冷却材
を効率良く加熱するようにしている。
ス等を冷却材として用いる場合、腐食抑制の観点から流
速を小さくする必要がある。本発明の実施の形態による
高速増殖炉は、上述したように、自然循環により運転流
量を確保することによって低流速を実現しているが、ま
た以下のような対策も講じている。すなわち、原子炉容
器2内における冷却材に対する圧力損失を低減させ、更
に流速を低下させるようにしている。
なウェイトを占める。したがって、本発明の実施の形態
では、炉心1の圧力損失を低減させるために、冷却材の
流路断面積を増大させている。炉心1は、図2にその断
面を示すような燃料集合体9を複数規則的に装荷してな
る。この燃料集合体9には、一定のピッチPで燃料ピン
10(外径d)を規則的に配置しており、冷却材は、燃
料ピン10と燃料ピン10との間隙を流れる。したがっ
て、燃料ピン10のピッチPと、燃料ピン10の外径d
との比である(P/d)を大きくすることによって圧力
損失は低減する。また、圧力損失は、冷却材の流路長さ
に相当する炉心1の高さを低くすることによっても低減
する。なお、図2では、燃料集合体9に配置される燃料
ピン10を代表的に記載したものであって、実際には、
各軸線Lの交点を中心として燃料ピン10を万遍なく配
置している。
速増殖炉では、燃料ピン10のピッチPと、燃料ピン1
0の外径dとの比である(P/d)を、従来の鉛ビスマ
ス等を冷却材として用いた高速増殖炉よりも大きくする
とともに、炉心1の高さを従来の鉛ビスマス等を冷却材
として用いた高速増殖炉よりも低くすることによって圧
力損失を低減している。
が小さくなり冷却材の流速を低下させることが可能とな
る一方、冷却材と、燃料ピン10の被覆管11との間の
熱伝達率が低下し、被覆管温度が高くなるために(P/
d)の上限値には制約がある。このため、燃料ピン10
の単位長さ当たりの発熱量である燃料線出力を、強制循
環時の燃料線出力の約1/3である約70W/cmに低
減するとともに、冷却材の炉心出口温度を従来のナトリ
ウム冷却炉の550℃よりも低下させて約490℃とし
ている。これによって、燃料ピン10における被覆管1
1の最高温度を約650℃に抑えるとともに、同時に鉛
ビスマス等による被覆管11の腐食を抑制するようにし
ている。
炉心1の下部には、炉心1に装荷された燃料に供給する
冷却材の流路を配分するためのオリフィス等による炉心
流路調整機能を備えている。従来技術による高速増殖炉
のようにポンプ27によって冷却材の強制循環を行って
いる場合には、この炉心流炉調整機構による圧力損失の
効果が大きかった。本発明の実施の形態のように冷却材
を自然循環させる場合には、高発熱の燃料集合体9には
自然に冷却材が多く流れる効果があるため、炉心流炉調
整機構は不要となる。その結果、圧力損失は更に小さ
い。
d)を大きくすると冷却材対燃料の体積比が増加するの
で、冷却材による中性子減速効果が大きくなり、増殖比
が減少するので、この観点からも(P/d)の上限値に
は制約がある。しかしながら、中性子減速効果が増加す
る効果は、酸化物燃料に代えて窒化物燃料を用いること
によってある程度改善することが可能である。例えば、
炉心燃料取出平均燃焼度を約15万MWd/tとする場
合、従来の酸化物燃料に代えて窒化物燃料を用いること
により、増殖比は約1.2と良好な燃料増殖比を維持す
ることができる。なお、同様の(P/d)を、ナトリウ
ムを冷却材として用いた高速増殖炉に適用した場合に
は、仮に酸化物燃料の代わりに窒化物燃料を用いても、
ナトリウムの中性子減速効果が鉛ビスマス等よりも大き
いことから、増殖比は約1.12しか得られない。
発生器4である。蒸気発生器4は、図3の断面図に示す
ように、原子炉容器2の内周側を一周するヘリカルコイ
ル型を採用している。なお、図3の断面図は、図1に示
すA−A方向に沿った矢視図である。ヘリカルコイル型
の蒸気発生器4は、冷却材の流路面積を大きくとれ、圧
力損失を低減する。また、蒸気発生器4の一周の伝熱管
長さを、原子炉容器2の一周の長さとほぼ同等に確保で
きるので、例えば図5に示すように、原子炉容器2の円
周部に蒸気発生器4を数基設置したものと比較して原子
炉容器2の半径、および蒸気発生器4の高さの両方の小
型化が可能となる。このため、自然循環力を決定する要
因の1つである炉心1と蒸気発生器4との伝熱中心差が
高く要求されても、原子炉容器2の高さをさほど高くし
なくても済む。
機器の材料は、強度が高く、かつ耐腐食性の高いCr鋼
材(例えば12Cr鋼)を採用している。
の形態に係る高速増殖炉の作用について説明する。
あり、鉛ビスマス等を冷却材として用いた場合、特に、
ポンプのインペラ等、流速の高い部位において腐食が促
進される。しかしながら、本発明の実施の形態に係る高
速増殖炉では、燃料ピン10のピッチPと燃料ピン10
の外径dとの比(P/d)を大きくすること、および冷
却材の流路面積が大きいヘリカルコイル型の蒸気発生器
4を採用することによって冷却材の圧力損失を低減して
いるので、冷却材が自然循環によって原子炉容器2内を
循環する。これによって、鉛ビスマス等の低流速による
循環が実現され、腐食進行が抑制される。また、冷却材
を強制的に循環させるためのポンプも不要となるため
に、構造が簡素化される。
は、一周の伝熱管長さを、原子炉容器2の一周の長さと
ほぼ同等に確保できるので、例えば図5に示すように、
原子炉容器2の円周部に蒸気発生器4を数基設置したも
のと比較して原子炉容器2の半径、および蒸気発生器4
の高さの両方が小型化される。すなわち、自然循環力を
決定する要因の1つである炉心1と蒸気発生器4との伝
熱中心差が高く要求された場合であっても、原子炉容器
2の高さをさほど高くする必要が無い。
の主要機器の材料には、例えば12Cr鋼のようなCr鋼
材を用いているので、高い強度、耐腐食性が実現され
る。
発熱が無く、冷却材は炉心1によって加熱されないが、
代わりに、加熱パネル7によって加熱され、原子炉容器
2内を上昇し、崩壊熱除去コイル6に流入する。そし
て、崩壊熱除去コイル6によって空冷され、その後、原
子炉容器2内を下降することによって自然循環が引き起
こされる。
によって、蒸気発生器4に蒸気発生用の水を供給するこ
とができない場合に冷却材を冷却するバックアップとし
ての使用が可能である。
る高速増殖炉においては、鉛または鉛ビスマスを、自然
循環作用を利用し、低流速で循環させることによって炉
心1を冷却することができるので、鉛または鉛ビスマス
による腐食進行を抑制することができる。また、これに
よって、冷却材を強制的に循環させるためのポンプは不
要となり、原子炉容器2内の構造を簡素化することがで
きる。更に、ヘリカルコイル型の蒸気発生器4の採用に
よって、原子炉容器2の外径、および高さを小型化する
ことができる。
延伸化、プラントサイズの小型化を実現する経済的に優
れた高速増殖炉を実現することが可能となる。
生器4による冷却材の冷却機能が喪失した場合であって
も、バックアップとして、崩壊熱除去コイル6を用いて
冷却材を空冷することができ、しかも圧力損失が小さい
ため冷却材の自然循環流量が大きくとれることから、本
発明の実施の形態に係る高速増殖炉は、安全性にも優れ
ている。
て、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかか
る構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技
術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更
例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及
び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと
了解される。
鉛または鉛ビスマスを冷却材として用いた高速増殖炉に
おいて、自然循環で循環する冷却材によって炉心を冷却
する。以上により、鉛または鉛ビスマスによってもたら
される腐食の進行が遅い低流速を実現するとともに、冷
却材を循環させるためのポンプを省略することが可能と
なり、経済的に優れた高速増殖炉を実現することができ
る。
容器の構成例を示す断面図
関係を示す断面図
平断面図
炉の系統概要図
子炉容器の構成例を示す断面図
Claims (4)
- 【請求項1】 冷却材として鉛または鉛ビスマスを用い
た高速増殖炉であって、 原子炉容器下部に備えられた炉心に装荷された核燃料の
核***により発生する核***エネルギーによって前記冷
却材を加熱し、加熱されて前記原子炉容器内における全
冷却材の平均温度よりも温度が高くかつ平均密度よりも
密度が低くなった高温冷却材を、自然対流によって原子
炉容器上部側に上昇させ、内部に水を流通させることによって、前記自然対流によ
り外部を流れる前記高温冷却材と前記水との熱交換を行
う複数の伝熱管を前記原子炉容器の上部側であって前記
原子炉容器の内周に沿って配置してなるヘリカルコイル
型の蒸気発生器において 前記高温冷却材と前記水との熱
交換を行い、前記水を蒸気に転換するとともに前記高温
冷却材を冷却し、前記高温冷却材が冷却されて前記原子
炉容器内における全冷却材の平均温度よりも温度が低く
かつ平均密度よりも密度が高くなった低温冷却材を、自
然対流によって前記炉心まで下降させることによって前
記冷却材を前記原子炉容器内で自然循環させて前記炉心
を冷却するようにしたことを特徴とする高速増殖炉。 - 【請求項2】 請求項1に記載の高速増殖炉において、 原子炉容器下部側の前記冷却材を加熱し、加熱されて前
記原子炉容器内における全冷却材の平均温度よりも温度
が高くかつ平均密度よりも密度が低くなった高温冷却材
を、自然対流によって前記原子炉容器上部側に上昇させ
る加熱手段を備えたことを特徴とする高速増殖炉。 - 【請求項3】 請求項1または請求項2に記載の高速増
殖炉において、 自然対流によって前記原子炉容器上部側に上昇した高温
冷却材を空冷する空冷手段を備えたことを特徴とする高
速増殖炉。 - 【請求項4】 請求項1乃至3のうちいずれか1項に記
載の高速増殖炉において、 前記原子炉容器または前記原子炉容器の内部に配置する
構造物をCr鋼材で製造したことを特徴とする高速増殖
炉。
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JP2001058572A JP3524884B2 (ja) | 2001-03-02 | 2001-03-02 | 高速増殖炉 |
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2001
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