(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心内に挿入した両端を閉じた管内に、一端側から順に封入ガス領域、液体ポイズン領域及び真空領域を設けると共に、前記液体ポイズン領域と前記真空領域とをフリーズシールで隔離し、前記炉心の異常な温度上昇により前記フリーズシールが溶解すると、前記液体ポイズン領域内の液体ポイズンが前記真空領域に移動することを利用して原子炉を停止させる自己作動型炉停止装置において、前記フリーズシールの前記液体ポイズン領域側の面に、前記液体ポイズンとの共存性に優れた材料より成り且つ前記フリーズシールが加熱されて溶解した場合に前記液体ポイズン領域と真空領域との差圧により破れる厚さの薄膜を配置すると共に、当該薄膜と前記フリーズシールとの間に、原子炉の停止時には前記薄膜と前記フリーズシールとが離間し、運転中には前記フリーズシールの体積膨張によって前記薄膜と前記フリーズシールとが部分的に僅かに接触して前記薄膜を支える隙間を設定したことを特徴とする自己作動型炉停止装置。
【請求項２】
前記フリーズシールは前記液体ポイズン領域側の面の周縁部を中央部に比べて凹ましていることを特徴とする請求項１記載の自己作動型炉停止装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属冷却若しくはガス冷却による高速炉の補助の炉停止装置として利用できる自己作動型炉停止装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、例えば長期にわたって高い信頼性を発揮することが要求されるため、砂漠、離島、発展途上国等の保守が容易にできないような環境に設置される高速炉に適し、また船舶用、海上立地用、宇宙用等の重力の方向と大きさが陸上と異なる環境に設置される超小型高速炉にも利用できる自己作動型炉停止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炉心の異常な温度上昇を感知して作動する自己作動型炉停止装置としては、例えば、特開平５−１８０９７６号公報に開示されたものが知られている。この自己作動型炉停止装置は、両端を閉じた管内に、上から順に封入ガスを充填した領域、液体ポイズンを充填した領域及び真空領域を設け、且つ液体ポイズン領域と真空領域とをフリーズシールで隔離すると共に真空領域を炉心領域に位置させるものである。
【０００３】
炉心の温度が異常に上昇した場合、フリーズシールが溶融する。したがって、液体ポイズンが真空領域に移動して炉心領域に位置し、炉心に負の反応度が挿入されることになって原子炉が停止する。液体ポイズンは、封入ガスの圧力と真空領域の負圧によって移動するので、この自己作動型炉停止装置は、重力の方向及び大きさとは無関係の確実な作動を図ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の自己作動型炉停止装置では、液体ポイズンとしてリチウムを、また、フリーズシールとしてアルミニウムをそれぞれ使用している。一方、フリーズシールとしては、ラジウム、バリウム、ストロンチウム等の使用も考えられる。これらのフリーズシール用材料にはリチウムに腐食されるものもあり、メンテナンスフリーとするには耐久性の点で改善が望まれる。
【０００５】
また、フリーズシールの強度は、その温度が融点以下であっても融点に近づくにつれて急激に低下する。このため、フリーズシールの温度が上昇して融点に達する前に振動などによって封入ガスの圧力と真空領域の負圧によって破壊され、設定温度を下回る温度でも作動する虞がある。
【０００６】
一方、フリーズシールの体積は通常の原子炉運転温度であっても膨張するので、フリーズシールの防食を検討するに際し、この体積膨張による影響を考慮しなければ炉停止装置としての信頼性と耐久性を得ることができない。
【０００７】
本発明は、耐久性に優れ、確実な作動を実現できる自己作動型炉停止装置を適用することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、炉心内に挿入した両端を閉じた管内に、一端側から順に封入ガス領域、液体ポイズン領域及び真空領域を設けると共に、液体ポイズン領域と真空領域とをフリーズシールで隔離し、炉心の異常な温度上昇によりフリーズシールが溶解すると、液体ポイズン領域内の液体ポイズンが真空領域に移動することを利用して原子炉を停止させる自己作動型炉停止装置において、フリーズシールの液体ポイズン領域側の面に、液体ポイズンとの共存性に優れた材料より成り且つフリーズシールが加熱されて溶解した場合に液体ポイズン領域と真空領域との差圧により破れる厚さの薄膜を配置すると共に、該薄膜とフリーズシールとの間に、原子炉の停止時には薄膜とフリーズシールとが離間し、運転中にはフリーズシールの体積膨張によって薄膜とフリーズシールとが部分的に僅かに接触して薄膜を支える隙間を設定するようにしている。
【０００９】
したがって、フリーズシールが液体ポイズンに直接接触することがなく、フリーズシールの腐食が防止される。また、薄膜とフリーズシールとの間には原子炉の停止時に生じる隙間が設けられているので、換言すれば室温での組立時において予め隙間が設けられているので、原子炉運転によりフリーズシールが加熱されて膨張した場合であっても薄膜を破ることがない。また、原子炉の運転により温度が上昇して封入ガス領域及び液体ポイズン領域の圧力が上昇しても、フリーズシールが溶解するまではこのフリーズシールに支えられている薄膜は破れない。
【００１０】
一方、炉心の温度が異常に上昇した場合、フリーズシールが溶融して薄膜は支えを失う。また、この状態では、封入ガス領域内の圧力は上昇しており、真空領域との間の圧力差が増加する。そこで、液体ポイズンが薄膜を破り、炉心燃料の中心レベルに位置する真空領域に移動する。即ち、炉心に負の反応度が挿入されることになり、原子炉が停止する。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、フリーズシールの液体ポイズン領域側の面の周縁部を中央部に比べて凹ますようにしている。したがって、原子炉の運転中におけるフリーズシールの体積膨張によって薄膜と接触する面は、周縁の凹んだ部分を除いて熱膨張量が少ない中央部分だけが僅かに軽く接触するため、フリーズシールと薄膜との半径方向熱膨張差に起因する応力も大幅に低減できる。ここで、薄膜とフリーズシールとの接触は、できるだけ中心近くで行われることが好ましく、更に薄膜が圧力で変形しないように支持する面積が必要である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の一形態に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１には、本発明の自己作動型炉停止装置の一例としてリチウム注入モジュールとして構成した場合の第１の例を示す。このリチウム注入モジュールは、両端を端栓７及び８で密封された封入管１の途中にハウジング２及びフリーズシール３を設けて、フリーズシール３よりも上方に液体ポイズン４が充填された領域（以下符号４は液体ポイズン若しくはそれが充填された領域のいずれかを示す）並びに封入ガス５が充填された領域（以下符号５は封入ガス若しくはそれが充填された領域のいずれかを示す）を形成すると共にフリーズシール３の下方に真空領域６を形成して成る。そして、フリーズシール３と液体ポイズン４との間には、液体ポイズン４とフリーズシール３との接触を防ぐ薄膜１３が配置されている。尚、封入ガス領域５は液体ポイズン領域４の上方に形成されている。
【００１４】
薄膜１３は、図２に詳しく示すように、フリーズシール３に対し、原子炉の停止時には当該薄膜１３とフリーズシール３とが離間し、運転中にはフリーズシール３の体積膨張によって当該薄膜１３とフリーズシール３とが部分的に僅かに接触して当該薄膜１３を支える隙間Ｓを設定するように配置されている。
【００１５】
ここで、フリーズシール３の液体ポイズン領域側の面の周縁部３ａは、円錐台状に勾配が与えられて水平でかつ平坦な中央部３ｂに対して凹まされている。したがって、薄膜１３とフリーズシール３の中央部分３ｂとの間にのみ上述の隙間Ｓが設けられ、その周りの周縁部３ａは原子炉運転中にも薄膜１３に触れることはない。依って、自己作動型炉停止装置の製造時においては、予め隙間Ｓを設けて薄膜１３が組み付けられている。尚、この薄膜１３は、フリーズシール３が加熱されて溶解した場合に液体ポイズン領域４と真空領域６との差圧により破れる厚さに設定されている。
【００１６】
液体ポイズン４としては例えばリチウム−６（以下Ｌｉ6 と記す）を用いる。Ｌｉ6 はＬｉ7 中の天然存在比が７．４２％であり、実際はこれを濃縮したものを用いる。Ｌｉ6 の濃縮度は高めるほど反応度価値を高くできるが、コスト高となる。
【００１７】
封入ガス５としては、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを室温にて大気圧〜数ｋｇ／ｃｍ2 Ｇに加圧して封入する。
【００１８】
封入管１は当該リチウム注入モジュールを重力依存型として構成するか、重力非依存型として構成するかによってその内径の大きさを異にする。即ち、重力依存型の場合は地上用の原子炉にのみ適用可能なもので、封入の管１の太さには制約がない。この場合、１本でかなりの反応度価値をもたせることができる。一方、重力非依存型の場合は船舶用、海上立地用、宇宙用などに適用可能なもので、封入管１内の液体ポイズン４と封入ガス５との界面９が重力の方向および大きさにかかわらず、想定される最大加速度に対して維持されるような一定値以下の内径を選定しなければならない。即ち、封入ガス５の表面張力によって、封入ガス５と液体ポイズン４との境界（界面９）が維持される封入管１の直径を選定することが重力非依存型とするには重要である。
【００１９】
また、封入管１およびハウジング２は、Ｌｉ6 及び原子炉の冷却材と共存性があり、且つ、設置する炉心部分の最高温度に耐えられる材質であることが必要である。そこで、ナトリウム冷却炉で冷却材局所最高温度が６００℃程度の場合には例えばステンレス鋼、タンタル（Ｔａ）、モリブデン・レニウム（Ｍｏ−Ｒｅ）合金またはニオブ・ジルコニウム（Ｎｂ−Ｚｒ）合金などが、リチウム冷却炉で冷却材局所最高温度が１２００℃程度の場合には例えばタンタル（Ｔａ）、モリブデン・レニウム（Ｍｏ−Ｒｅ）系合金又はニオブ・ジルコニウム（Ｎｂ−Ｚｒ）系合金などの使用が適する。
【００２０】
フリーズシール３は物質の凝固を利用したシール材で、ある温度に達すると溶融しシールを解除するものである。このフリーズシール３は、スクラム設定温度が融点となるような材料で、且つ封入管１およびＬｉ6 と共存性の良い材質のものを用いる。例えば、ナトリウム冷却炉用としては、アルミニウム（融点６６０℃）、ラジウム（融点７００℃）、バリウム（融点７１４℃）、ストロンチウム（融点７６８℃）等が採用できる。また、リチウム冷却炉用としては、例えばマンガン（融点１２５３℃）、ベリリウム（融点１２７０℃）等が適する。なお、フリーズシール３は、原子炉の正常運転時における温度で膨張して薄膜１３の中央部分に軽く僅かに接触してこれを支える。
【００２１】
薄膜１３は、液体ポイズンであるリチウムとの共存性に優れ、且つ融点が採用するフリーズシールの融点より高い材質のものを用いる。例えば、タンタル（Ｔａ）、モリブデン・レニウム（Ｍｏ−Ｒｅ）系合金又はニオブ・ジルコニウム（Ｎｂ−Ｚｒ）系合金等が挙げられる。なお、薄膜１３は、封入管１に対して拡散接合等により固定する必要がある。
【００２２】
以上のように構成された自己作動型炉停止装置はリチウム注入モジュールとされ、図３に示すように炉心内に設置される。そして、このリチウム注入モジュールは、平面的には炉心のどの位置にでも設置可能であるが、炉心中心に近いほど反応度価値を高くできる。また、設置レベルとしては、正常運転時（図３の（Ａ）参照）にはリチウム注入モジュールの液体ポイズン領域４を炉心（燃料）領域１０よりも上（炉心出口側）のレベルとし、かつ真空領域６を炉心領域１０に位置させている。そして、炉心の温度が以上に上昇すると、フリーズシール３が溶融する。すると、フリーズシール３の支持を無くした薄膜１３が破れて液体ポイズン４が真空領域６に移行し、炉心内に負の反応度を挿入することとなる。尚、図中の符号１１は燃料ピンないし燃料集合体の軸ブランケット・遮蔽体領域を、１２は軸ブランケット・遮蔽体・ガスプレナム領域を示す。
【００２３】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００２４】
例えば、フリーズシール３と薄膜１３との間の隙間Ｓを、加圧不活性ガス領域としても良い。加圧不活性ガス領域を構成するガスとしては、高温での安定性の良好なものが求められ、例えばアルゴンガス（Ａｒ）の使用が好ましい。このような構成にすることで、フリーズシール３と薄膜１３との直接的な接触を防止することができ、高温における両者間の相互拡散及び金属間化合物の生成によるフリーズシールの劣化を防止することができる。
【００２５】
また、フリーズシール３と薄膜１３との間に、図４に示すように、これらの間の原子炉運転時における接触が部分的となるような形状、例えば点在するチップ形状などの中間サポート２０を配置しても良い。中間サポート２０は、その融点がフリーズシール３の融点より高く、薄膜１３及びフリーズシール３の何れとも共存性の優れた材質のものを用いる。中間サポート２０の材質としては、例えばセラミック等が適している。このような構成にすることで、薄膜１３とフリーズシール３との直接的な接触を防止することができ、高温における両者間の相互拡散及び金属間化合物の生成によるフリーズシールの劣化を防止することができる。なお、中間サポート２０は、フリーズシール３と薄膜１３との何れに固定しても良い。また、液体ポイズン５の流れを阻害しないように、中間サポート２０を細かく分割したものとすることが好ましい。
【００２６】
フリーズシール３の薄膜１３と接触する面は、図２に示すような周辺が凹んだ円形であることが好ましいが、これに特に限られるものではなく、管中央寄りで薄膜１３の変形を防ぎ得る支持を得られる形状ないし配置であればどのような形状等でも実施可能である。例えば、多重リング形状や円形のテーブル面に放射状のスリットや溝が入れられていても良い。
【００２７】
【実施例】
図１のリチウム注入モジュールにおいてアルミニウム製のフリーズシール３と、タンタル（Ｔａ）製の薄膜１３及びハウジング２を採用した実施例を挙げて更に詳しく説明する。
【００２８】
フリーズシール３と薄膜１３の直径は１６ｍｍとする。またフリーズシール３の中央部（平面部分）３ｂの直径を１０ｍｍとする。薄膜３の厚さは２０μｍ（＝０．０２ｍｍ）とする。原子炉停止時におけるフリーズシール３の中央部３ｂと薄膜１３の隙間は０．３ｍｍとする。封入ガス領域（リチウム側上部チェンバ）５の封入ガス圧力を室温にて１kg/cm2G （ゲージ圧）とすると、作動設定温度（６６０℃）では熱膨張により約６kg/cm2abs （絶対圧）に加圧される。真空領域（下部チェンバ）６は真空である。また、フリーズシール３の中央部３ｂと薄膜１３との間には、予め０．３ｍｍの隙間が設けられており、フリーズシール３及び薄膜１３が膨張しても、フリーズシール３によって薄膜１３が破られることがないように設けられている。
【００２９】
原子炉の正常運転時には、フリーズシール３や薄膜１３は約６００℃になっている。この状態では、フリーズシール３及び薄膜１３は膨張し、隙間Ｓをなくしてフリーズシール３の中央部３ｂのみが薄膜１３に軽く接触してこれを支持している。したがって、この温度におけるリチウム側の封入ガス圧力（約６kg/cm2abs ）が薄膜１３に作用しても、薄膜１３はフリーズシール３の中央部３ｂに支えられて破れることがない。
【００３０】
また、約６００℃の状態では、フリーズシール３と薄膜１３との径方向の熱膨張量の差は、平面となっている中央部３ｂだけで接触させる場合の最も外径部分での熱膨張量の差が０．０５ｍｍであるのに対し、フリーズシール３の全面を平面として全面で接触させる場合の熱膨張量の差は０．０８ｍｍであった。したがって、フリーズシール３の中央部３ｂのみが薄膜１３に接触する本実施例の場合には、フリーズシール３の全面で薄膜１３に接触する場合に比べて径方向の熱膨張量の差を約４０％低減できた。このため、本実施例では、フリーズシール３と薄膜１３との径方向の熱膨張量の差に起因する応力が大幅に低減された。
【００３１】
即ち、本実施例のリチウム注入モジュールでは、フリーズシール３が溶融するまでは薄膜１３が破られることがなくフリーズシール３がリチウムに接触することはないため、フリーズシール３の健全性が長期的に保証される。
【００３２】
一方、原子炉が高温になり作動設定温度（スクラム設定温度）に達すると、フリーズシール３が溶融し薄膜１３は支えを失う。この作動設定温度における上記寸法のタンタル薄膜１３の許容応力は４．４〜４．８kg/cm2である。これに対し、上述したように薄膜１３には許容応力をはるかに上回る６kg/cm2の差圧が作用するので、薄膜１３はこの差圧によって直ちに破られる。すなわち、フリーズシール３が溶解すると直ちに液体ポイズンであるリチウムが真空領域（炉心燃料レベル）に移動し、炉心に負の反応度が挿入されることになって原子炉が停止する。
【００３３】
なお、本炉停止装置の組立時、即ち室温で薄膜１３に作用する差圧は、２kg/cm2であり、薄膜１３の許容応力に比べて十分小さい。したがって、フリーズシール３の中央部３ｂと薄膜１３との間に隙間が生じていても、薄膜１３が破れることはない。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の自己作動型炉停止装置では、フリーズシールの液体ポイズン領域側の面に、液体ポイズンとの共存性に優れた材料より成り且つフリーズシールが加熱されて溶解した場合に液体ポイズン領域と真空領域との差圧により破れる厚さの薄膜を配置すると共に、当該薄膜とフリーズシールとの間に、原子炉の停止時には薄膜とフリーズシールとが離間し、運転中にはフリーズシールの体積膨張によって薄膜とフリーズシールとが部分的に僅かに接触して薄膜を支える隙間を設定したので、フリーズシールが溶融して薄膜が破れるまでは、フリーズシールが液体ポイズンに接触することはないため、フリーズシールと液体ポイズンとの反応を防止してフリーズシールの劣化を防止できる。このため、自己作動型炉停止装置の信頼性と耐久性を向上させることができる。また、フリーズシールは、原子炉運転時に膨張して薄膜に接触し薄膜を部分的に軽く僅かに支えるので、フリーズシールと薄膜との間の半径方向の熱膨張差に起因する薄膜の破損を防止することができ、フリーズシールが溶融する前に薄膜が破れてしまうのを防止してフリーズシールの溶融前の液体ポイズンとの接触を確実に防止することができる。このため、自己作動型炉停止装置の信頼性をより向上させることができる。
【００３５】
また、請求項２記載の自己作動型炉停止装置では、フリーズシールの液体ポイズン領域側の面の周縁部を中央部に比べて凹ますので、原子炉の運転中におけるフリーズシールの体積膨張によって薄膜と接触する面が周縁の凹んだ部分を除いて熱膨張量の比較的小さな中央部分だけで僅かに軽く接触することとなるため、フリーズシールと薄膜との半径方向熱膨張差に起因する応力も大幅に低減できる。このため、長期にわたって薄膜の健全性を維持することができ、自己作動型炉停止装置の信頼性と耐久性とをより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した自己作動型炉停止装置をリチウム注入モジュールとした場合の実施形態の一例を示す断面図である。
【図２】図１のリチウム注入モジュールのフリーズシールが配置された部分を拡大した断面図である。
【図３】図１のリチウム注入モジュールを液体金属冷却高速炉の炉心に配置した一例を示し、（Ａ）は正常運転時における位置関係を示す概念図、（Ｂ）はスクラム時における位置関係を示す概念図である。
【図４】本発明を適用したリチウム注入モジュールの変形例を示し、フリーズシールが配置された部分を拡大した断面図である。
【符号の説明】
１  封入管
２  ハウジング
３  フリーズシール
４  液体ポイズン（リチウム）を充填した領域
５  封入ガスを充填した領域
６  真空領域
１３  薄膜
２０  中間サポート
【図１】
0003664417.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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