(57)【要約】【課題】液体金属冷却型原子炉の上部プレナムでの成層界面の温度勾配を緩和する。【解決手段】実施形態による液体金属冷却型原子炉は、炉心２と、炉心２および原子炉冷却材を内包する原子炉容器１と、原子炉容器１の上部を密閉する遮蔽プラグ１０と、遮蔽プラグ１０から垂下され炉心の上方に設けられた炉心上部機構９と、原子炉容器１内に設けられて原子炉冷却材を循環させる主循環用電磁ポンプ７と、原子炉冷却材から熱を除去する中間熱交換器６と、原子炉停止後の原子炉容器１内の原子炉冷却材の温度成層化を緩和する温度成層化緩和装置とを備える。温度成層化緩和装置は、原子炉冷却材の液面１００ａより下方かつ炉心２より上方にあって原子炉冷却材を冷却する冷却部２１と、原子炉容器１外にあって冷却部２１からの入熱を放出する放熱部２２と、冷却部２１と放熱部２２とを接続する冷却配管２３とを有する冷却装置２０でもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心と、
前記炉心および前記炉心を冷却する原子炉冷却材を内包する原子炉容器と、
前記原子炉容器の上部を密閉する遮蔽プラグと、
前記遮蔽プラグから垂下され支持されて前記炉心の上方に設けられた炉心上部機構と、
前記原子炉容器内に設けられて前記原子炉冷却材を循環させる主循環ポンプと、
前記原子炉容器内に設けられて前記原子炉冷却材から前記原子炉容器の外部に熱を除去する中間熱交換器と、
原子炉停止後の前記原子炉容器内の原子炉冷却材の温度成層化を緩和する温度成層化緩和装置と、
を備えることを特徴とする液体金属冷却型原子炉。
【請求項２】
前記温度成層化緩和装置は、
前記原子炉容器内の前記原子炉冷却材の液面より下方かつ前記炉心より上方にあって前記原子炉冷却材を冷却する冷却部と、
前記原子炉容器外にあって前記冷却部からの入熱を放出する放熱部と、
前記冷却部と前記放熱部とを接続する冷却配管と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の液体金属冷却型原子炉。
【請求項３】
前記温度成層化緩和装置は、
前記炉心上部機構の側部に配設されて前記原子炉冷却材の液面より下方かつ前記炉心より上方にあって周囲の前記原子炉冷却材を上昇させる電磁ポンプを有する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体金属冷却型原子炉。
【請求項４】
前記温度成層化緩和装置は、
前記炉心上部機構の側部に配設されて前記原子炉冷却材の温度成層界面より下にあって周囲の前記原子炉冷却材を磁気熱量効果により温度上昇させる電磁石を有する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の液体金属冷却型原子炉。
【請求項５】
前記温度成層化緩和装置は、
原子炉停止後に、前記原子炉冷却材を逆流させた後に順流に復帰させるように前記主循環ポンプを制御する炉停止後制御装置を有する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の液体金属冷却型原子炉。
【請求項６】
炉心と、
前記炉心および前記炉心を冷却する原子炉冷却材を内包する原子炉容器と、
前記原子炉容器の上部を密閉する遮蔽プラグと、
前記遮蔽プラグから垂下され支持されて前記炉心の上方に設けられて制御棒駆動機構を支持する炉心上部機構と、
前記原子炉容器内に設けられて前記原子炉冷却材を循環させる主循環ポンプと、
前記原子炉容器内に設けられて前記原子炉容器の外部に前記原子炉冷却材の熱を除去する中間熱交換器と、
を備えた液体金属冷却型原子炉の運転制御方法であって、
原子炉停止後に、前記主循環ポンプによる駆動方向を逆向きにすることにより前記原子炉冷却材を逆流させ、前記中間熱交換器出口の低温の前記原子炉冷却材を前記中間熱交換器入口付近まで移動させる逆流ステップと、
前記逆流ステップの後に、前記逆方向の駆動を停止し、順方向に戻し前記原子炉冷却材を順流に復帰させる順流ステップと、
を有することを特徴とする液体金属冷却型原子炉の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、液体金属冷却型原子炉およびその運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射体制御原子炉は反射体を微小な速度で移動させて燃料を燃焼させる商用原子炉で、受動的安全性の確保が容易な金属燃料炉心に微小速度で移動する反射体を採用することにより、高い安全性の確保（負またはゼロボイド反応度炉心など）と長い炉心寿命の実現が可能になる。
【０００３】
一般に、反射体制御原子炉においては、炉心外周に設けられた反射体を上下に移動させることにより中性子のストリーミング効果を利用して炉心出力制御を行う。反射体制御原子炉の原子炉容器内は、筒状の隔壁で区切られている。
【０００４】
一般に、炉心上方に設けられた上部プレナム領域では、主循環ポンプトリップを伴う炉心スクラム時において、冷却材であるナトリウムの流量が低下した状態で、炉心出口の冷却材温度が急激に低下した場合、その上方の高温領域との間で熱成層化現象の発生が予想される。
【０００５】
熱成層化現象が発生すると、上部プレナムにおいて、急峻な温度勾配とそれに伴う熱応力が生じ、熱変形などの不具合が起こる。これは、反射体制御原子炉ばかりではなく、液体金属冷却型原子炉において、構造健全性を低下させる要因となる。
【０００６】
たとえば、自然循環時に、炉心バレルと隔壁との間にある反射体領域では、炉心側からの熱移行がある。また、中性子照射により反射体が中性子を吸収する際、反射体から発熱する。炉心に近いほど中性子照射が大きいため、発熱が大きくなる。
【０００７】
さらに、原子炉主冷却系とは別に、原子炉容器内の冷却材の熱を除去する補助冷却系が設けられている場合は、原子炉容器の外壁に近い側の流路は冷やされる。したがって、反射体の内側の温度が高く、外側の温度が低くなるために、原子炉容器内の径方向で、内側は温度上昇による上昇流が発達し、外側では下降流ができる。
【０００８】
また、この反射体領域には下部から低温冷却材を流すため対流が起こる。この対流のために径方向温度分布ができ、熱応力が発生して熱変形等の不具合が生じる恐れがある。これは反射体制御原子炉の構造健全性を低下させる要因ともなる。これを避けるために反射体支持板に小さな孔を設け、反射体部の熱流れを制御するような技術が開示されている（特許文献１）。
【０００９】
しかしながら、ポンプトリップ時の上部プレナムの温度成層化を緩和する手法についての技術の提案はなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１２−０４２３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
炉心スクラム後においては、冷却材が炉心から受ける熱は大きく減少するため、低温のまま上部プレナムに流入して温度成層化が発生する。この温度成層化による成層界面における急峻な温度勾配は、熱応力による熱変形などの不具合を引き起こす。
【００１２】
そこで、本発明の実施形態は、液体金属冷却型原子炉の上部プレナムで発生する成層界面の温度勾配を緩和することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態による液体金属冷却型原子炉は、炉心と、前記炉心および前記炉心を冷却する原子炉冷却材を内包する原子炉容器と、前記原子炉容器の上部を密閉する遮蔽プラグと、前記遮蔽プラグから垂下され支持されて前記炉心の上方に設けられた炉心上部機構と、前記原子炉容器内に設けられて前記原子炉冷却材を循環させる主循環ポンプと、前記原子炉容器内に設けられて前記原子炉冷却材から前記原子炉容器の外部に熱を除去する中間熱交換器と、原子炉停止後の前記原子炉容器内の原子炉冷却材の温度成層化を緩和する温度成層化緩和装置と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の実施形態は、炉心と、前記炉心および前記炉心を冷却する原子炉冷却材を内包する原子炉容器と、前記原子炉容器の上部を密閉する遮蔽プラグと、前記遮蔽プラグから垂下され支持されて前記炉心の上方に設けられて制御棒駆動機構を支持する炉心上部機構と、前記原子炉容器内に設けられて前記原子炉冷却材を循環させる主循環ポンプと、前記原子炉容器内に設けられて前記原子炉容器の外部に前記原子炉冷却材の熱を除去する中間熱交換器と、を備えた液体金属冷却型原子炉の運転制御方法であって、原子炉停止後に、前記主循環ポンプによる駆動方向を逆向きにすることにより前記原子炉冷却材を逆流させ、前記中間熱交換器出口の低温の前記原子炉冷却材を前記中間熱交換器入口付近まで移動させる逆流ステップと、前記逆流ステップの後に、前記逆方向の駆動を停止し、順方向に戻し前記原子炉冷却材を順流に復帰させる順流ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の実施形態によれば、液体金属冷却型原子炉の上部プレナムで発生する成層界面の温度勾配を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す立断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す図１のII−II線矢視水平断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す立断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す図３のIV−IV線矢視水平断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す立断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す図５のVI−VI線矢視水平断面図水平断面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成および冷却材の動きを示す立断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る反射体制御原子炉の運転制御方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る液体金属冷却型原子炉およびその運転制御方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１８】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す立断面図である。
【００１９】
原子炉冷却材を内包する原子炉容器１内に、炉心２が設けられており、炉心２の径方向外側は筒状の炉心バレル４に囲まれている。炉心バレル４のさらに外側には筒状の隔壁５が設けられており、その外側には遮蔽体８が設けられている。
【００２０】
炉心バレル４と隔壁５の間の環状空間には、上下駆動される反射体３が設けられており、反射体３の鉛直方向の位置によって炉心２の反応度が制御される。
【００２１】
遮蔽体８の上方には原子炉容器１内の原子炉冷却材を循環する主循環用電磁ポンプ７が設けられており、さらにその上方には、原子炉冷却材から熱を除去する中間熱交換器６が設けられている。
【００２２】
原子炉容器１の上部には遮蔽プラグ１０が設けられており、原子炉容器１の上部の開口を密閉している。原子炉容器１内の原子炉冷却材（たとえば金属ナトリウム）は液面１００ａを形成しており、液面１００ａの上部空間はアルゴンガスなどの不活性ガスで満たされている。
【００２３】
遮蔽プラグ１０の中央を貫通して、炉心上部機構９が設けられている。炉心上部機構９は、遮蔽プラグ１０から垂下され支持されており、炉心２出口直上まで延びている。炉心上部機構９には、炉心中央部に挿入される安全棒などを駆動する制御棒駆動機構９ａが収納されている。なお、炉心上部機構９には、炉心出口の温度や流速などの炉心出口計装などが収納されていてもよい。
【００２４】
遮蔽プラグ１０には、原子炉停止後の原子炉容器１内の原子炉冷却材の温度成層化緩和装置として冷却装置２０が取り付けられている。冷却装置２０は、冷却部２１、放熱部２２および冷却配管２３を有する。冷却部２１、冷却配管２３、放熱部２２の高温側内は、冷却媒体が封じ込まれている。冷却媒体は、たとえば、ガスや液体状の冷媒等でよい。
【００２５】
冷却部２１は、原子炉冷却材の液面１００ａより下であって、成層界面１００ｂが形成されると考えられるレベルより上方を中心に設けられており、冷却部２１周囲の原子炉冷却材を冷却する。放熱部２２は、熱交換器であり、原子炉容器１および遮蔽プラグ１０の外側、たとえば遮蔽プラグ１０上に設けられており、冷却部２１から冷却配管２３を経由して移送された原子炉冷却材からの熱を２次側の伝熱媒体に伝達することによって放出する。
【００２６】
なお、放熱量は、温度成層化を解除するに必要な程度でよいので、放熱部２２は、たとえば、ヒートパイプや雰囲気に放出することでもよい。
【００２７】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す水平断面図である。冷却部２１は、径方向には、炉心上部機構９と原子炉容器１の周囲の温度成層化を回避するために、炉心上部機構９と原子炉容器１の近傍に設けられている。また、炉心上部機構９と原子炉容器１の周方向に温度のアンバランスが生ずることを回避するために、周方向に対称となるように冷却部２１は配設されている。
【００２８】
以上のように構成された本実施形態においては、通常運転時には、原子炉冷却材は、主循環用電磁ポンプ７により駆動され、原子炉容器１内を循環する。
【００２９】
すなわち、原子炉冷却材は、主循環用電磁ポンプ７により下方に吐出され、遮蔽体８の領域に流入し、各遮蔽体８の周囲を下方に流れ、原子炉容器１下部の下部プレナム１１に流入する。
【００３０】
下部プレナム１１で上向きに流れの方向を変えて、炉心２に流入する。なお、炉心２への流入するのと並列に一部は、反射体３が設けられている領域すなわち炉心バレル４と隔壁５との間の環状流路にも流入する。
【００３１】
炉心２から高温状態で流出した後、炉心上部機構９の周囲を上昇し、炉心２上方の上部プレナム１２に入る。上部プレナム１２では、隔壁５の上端を乗り越える。隔壁５の外側に出た後、原子炉冷却材は、下側に向きを変えて、中間熱交換器６に流入し、中間熱交換器６で冷却された後に、再び、主循環用電磁ポンプ７に入る。
【００３２】
原子炉が停止すると、主循環用電磁ポンプ７は通常の運転を停止し、主循環用電磁ポンプ７が健全であれば低流量モードに移行する。このように原子炉容器１内の循環流量が低くなった状態では、原子炉容器１内の原子炉冷却材の流れは、原子炉冷却材の液面１００ａ付近までには十分に到達しないことから、この状況が進めば、熱成層化現象により、徐々に成層化が進み成層界面１００ｂが形成されてくる。
【００３３】
このとき、冷却装置２０を起動させて、原子炉冷却材の液面１００ａ直下近傍の冷却部２１が設けられている周囲の原子炉冷却材を冷却する。温度成層による成層界面１００ｂより上部の高温の原子炉冷却材は冷却され温度が低下して下方に流れる。この結果、原子炉冷却材の温度成層化による成層界面１００ｂが乱される。この混合によって成層界面１００ｂに形成された急峻な温度勾配は緩和される。
【００３４】
以上のように、本実施形態によれば、液体金属冷却型原子炉の上部プレナム１２で発生する成層界面１００ｂの温度勾配を緩和することができる。
【００３５】
［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す立断面図である。本実施形態による温度成層化緩和装置は、炉心上部機構９の側面に設けられた混合用電磁ポンプ３１を備えている。破線で温度成層化による成層界面１００ｂの凡その高さの例を示している。混合用電磁ポンプ３１は、想定される成層界面１００ｂの上下にまたがって設けられている。
【００３６】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す水平断面図である。混合用電磁ポンプ３１は、炉心上部機構９の周囲の一部に巻きつくように設けられている。炉心上部機構９の周方向に大きな温度分布が発生しないように周方向にできるだけ対称に配設することが望ましい。
【００３７】
このように構成された本実施形態では、原子炉停止後の低流量状態において、混合用電磁ポンプ３１を上昇流が生じるように駆動させると、成層界面１００ｂより下側の温度の低い原子炉冷却材が上昇し、成層界面１００ｂより上方の温度の高い領域に流入するため、上下に循環流が生じ、温度成層化が緩和される。
【００３８】
また、混合用電磁ポンプ３１で下降流が生じるように駆動させると、成層界面１００ｂより上側の温度の高い原子炉冷却材が下降し、成層界面１００ｂより下方の温度の低い領域に流入するため、原子炉冷却材の温度成層化による成層界面１００ｂが乱される。この混合によって成層界面１００ｂに形成された急峻な温度勾配は緩和される。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、液体金属冷却型原子炉の上部プレナム１２で発生する成層界面１００ｂの温度勾配を緩和することができる。
【００４０】
［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す立断面図である。本実施形態による温度成層化緩和装置は、炉心上部機構９の側面に設けられた電磁石４１を備えている。破線で温度成層化による成層界面１００ｂの凡その高さの例を示している。電磁石４１は、想定される成層界面１００ｂより下側に設けられている。
【００４１】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成を示す水平断面図である。電磁石４１は、炉心上部機構９の周囲の一部に巻きつくように設けられている。炉心上部機構９の周方向に大きな温度分布が発生しないように周方向にできるだけ対称に配設することが望ましい。
【００４２】
このように構成された本実施形態では、原子炉停止後の低流量状態において、電磁石４１を励磁すると電磁石４１周辺に磁界が生ずる。この磁界による磁気熱量効果によって周囲の原子炉冷却材は温度が上昇する。
【００４３】
温度が上昇した原子炉冷却材は、浮力により成層界面１００ｂより下側から上方に流入する。上方に流入した後は、磁場の影響から解放されるため、温度はもとの状態に復帰する。このため、成層界面１００ｂより上方の温度の高い領域に低温の原子炉冷却材が存在することになり、下方に再び降下する。この結果、自然対流による循環流が生じ、成層界面１００ｂが揺らいで温度混合する。この混合によって成層界面１００ｂに形成された急峻な温度勾配は緩和される。
【００４４】
以上のように、本実施形態によれば、液体金属冷却型原子炉の上部プレナム１２で発生する成層界面１００ｂの温度勾配を緩和することができる。
【００４５】
［第４の実施形態］
図７は、本発明の第４の実施形態に係る反射体制御原子炉の原子炉容器内の構成および冷却材の動きを示す立断面図である。本実施形態による温度成層化緩和装置は、原子炉を停止した後の主循環用電磁ポンプ７を制御する炉停止後制御装置５０を備えている。
【００４６】
炉停止後制御装置５０は、原子炉が停止した信号を受けて後、成層界面１００ｂが生ずると想定される適当な時間遅れの後に、主循環用電磁ポンプ７に通常と逆方向に駆動するように指令信号を発する。
【００４７】
主循環用電磁ポンプ７が逆流方向に原子炉容器１内の原子炉冷却材を駆動することにより、中間熱交換器６の出口付近（下側）にある冷却されて低温になっている原子炉冷却材は、中間熱交換器６の入口側（上側）に戻る。
【００４８】
このように中間熱交換器６出口側（下側）の低温の原子炉冷却材が入口側（上側）に戻ると想定される適切な時間間隔後に、炉停止後制御装置５０は逆流方向運転を停止し順流方向に駆動するように主循環用電磁ポンプ７に指令信号を発する。必要によって、その後も、同様の制御を反復する。
【００４９】
次に、このような炉停止後制御装置５０による制御による作用を説明する。
【００５０】
逆流方向に原子炉容器１内の原子炉冷却材を駆動することにより、中間熱交換器６出口付近（下側）の低温の原子炉冷却材が中間熱交換器６の入口側に戻るが、この際に、中間熱交換器６と隔壁５とで形成される環状のギャップにも低温の原子炉冷却材が流れこみ、隔壁５の温度が低下する。
【００５１】
この状態で、順流に戻ると、隔壁５は低温となっているため、成層界面１００ｂより上にある高温冷却材は、隔壁５によって冷やされるため、隔壁５の近傍で下降流が生じる。このようにして、成層界面１００ｂから隔壁５上端までの高温の原子炉冷却材に自然対流が生じ、成層界面１００ｂに生じた急激な温度分布が緩和される。
【００５２】
以上のように、本実施形態によれば、液体金属冷却型原子炉の上部プレナム１２で発生する成層界面１００ｂの温度勾配を緩和することができる。
【００５３】
なお、本実施形態は、炉停止後制御装置５０による例を示したが、制御装置による自動的な制御に限定されるものではなく、人為的に操作してもよい。
【００５４】
図８は、本発明の第４の実施形態に係る反射体制御原子炉の運転制御方法を示すフロー図である。
【００５５】
原子炉停止後に、成層界面１００ｂが形成されると考えられる時点において、主循環用電磁ポンプ７による駆動方向を逆向きにすることにより原子炉冷却材を逆流させ、中間熱交換器６出口付近の低温の原子炉冷却材を中間熱交換器６入口付近まで移動させる（Ｓ０１）。
【００５６】
ステップＳ０１の後に、中間熱交換器６出口付近の低温の原子炉冷却材を中間熱交換器６入口付近まで移動したと考えられる時点で、逆流を停止し順流に戻す（Ｓ０２）。
【００５７】
この変形例においても、同様の作用、効果を得ることができる。
【００５８】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいく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。たとえば、各実施形態は、反射体制御原子炉に本発明を適用した例を示しているが、反射体制御原子炉以外の液体冷却型原子炉に一般的に適用可能である。また、たとえば、原子炉容器内の循環は、電磁ポンプに限るものではなく、機械式のポンプでもよい。
【００５９】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。すなわち、原子炉容器１内部に冷却部２１を設けること、炉心上部機構９に混合用電磁ポンプ３１を設けること、炉心上部機構９に電磁石４１を設けること、および炉停止後制御装置５０を設けることは、互いに矛盾するものではなくこれらを組み合わせてもよい。
【００６０】
さらに、これらの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。
【００６１】
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同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００６２】
１・・・原子炉容器
２・・・炉心
３・・・反射体
４・・・炉心バレル
５・・・隔壁
６・・・中間熱交換器
７・・・主循環用電磁ポンプ（主循環ポンプ）
８・・・遮蔽体
９・・・炉心上部機構
９ａ・・・制御棒駆動機構
１０・・・遮蔽プラグ
１１・・・下部プレナム
１２・・・上部プレナム
２０・・・冷却装置
２１・・・冷却部
２２・・・放熱部
２３・・・冷却配管
３１・・・混合用電磁ポンプ
４１・・・電磁石
５０・・・炉停止後制御装置
１００ａ・・・液面
１００ｂ・・・成層界面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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