(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が液体で満たされる原子炉容器と、
該原子炉容器内に設けられ、上下方向に延びる筒状をなすとともに水平方向に複数配列された連結管、及び、該連結管を支持して水平方向に延びる支持板とを有する支持構造と、
各前記連結管に挿入された炉心構成要素と、
を備え、
前記炉心構成要素は、
小径部と、該小径部よりも上方に位置する大径部と、これら小径部及び大径部を接続するノズル側段差部とを有し、
前記連結管は、前記小径部との間で第一間隙を形成する第一筒状部と、前記大径部との間で第二間隙を形成する第二筒状部と、前記ノズル側段差部との間でダッシュポッド部を形成する連結管側段差部とを有し、
前記支持構造に、
前記第一間隙と、前記支持板の上方の空間とを連通させる連通孔が形成されている原子炉。
【請求項２】
前記連通孔の一端は前記第一筒状部の内周面に開孔し、他端は支持板の上側の面に開孔している請求項１に記載の原子炉。
【請求項３】
前記連通孔は、前記炉心構成要素の周方向に間隔をあけて複数設けられている請求項１又は２に記載の原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電設備では、炉心で進行する核分裂反応による熱を用いてタービンを駆動し、発電が行われる。炉心内部には、核燃料が封入された核燃料棒や、核分裂反応の進行を制御する制御棒等の炉心構成要素が格納されている。
【０００３】
炉心構成要素の端部にはエントランスノズルが形成されている。このエントランスノズルが連結管に挿入されることにより、炉心構成要素はそれぞれ自立した状態で支持されている。したがって、地震発生時に上下方向の振動が炉心構成要素に加わった場合、炉心構成要素連結管から上方に跳び上がってしまう。この場合、炉心構成要素が炉心内で散逸し、特に制御棒の挿入に支障を来す可能性がある。
【０００４】
上記のような炉心構成要素の跳び上がりを抑制するための技術として、下記特許文献１に記載されたダッシュポッド構造を備えるものが知られている。特許文献１に記載された原子炉では、エントランスノズルの嵌合面に形成された段差部と、連結管の嵌合面に形成された段差部とによってダッシュポッド部としての空間が形成されている。これにより、炉心構成要素に跳び上がりを生じさせる力が加わった場合であっても、ダッシュポッド部内に充満した流体（液体）の体積変化を妨げる力が減衰力として作用することで、炉心構成要素の跳び上がりを抑制することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１１７５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、一般的に原子炉では、エントランスノズルの上方の空間における圧力は０ＭＰａ程度であるのに対して、エントランスノズルの下方の空間は、該空間内を流通する流体によって０．３ＭＰａ程度となっている。この圧力差によって、ダッシュポッド部内に流入した流体が、炉心構成要素に対して上方へ向かう力を及ぼしてしまう可能性がある。すなわち、静止状態の炉心構成要素に対して上方へ向かう余分な力が加わってしまう。これにより、万が一地震等が発生した際に、跳び上がりがさらに助長されてしまう虞がある。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、炉心構成要素の跳び上がりを抑制することが可能な原子炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第一の態様によれば、原子炉は、内部が液体で満たされる原子炉容器と、該原子炉容器内に設けられ、上下方向に延びる筒状をなすとともに水平方向に複数配列された連結管、及び、該連結管を支持して水平方向に延びる支持板とを有する支持構造と、各前記連結管に挿入されたエントランスノズルと、を備え、前記エントランスノズルは、小径部と、該小径部よりも上方に位置する大径部と、これら小径部及び大径部を接続するノズル側段差部とを有し、前記連結管は、前記小径部との間で第一間隙を形成する第一筒状部と、前記大径部との間で第二間隙を形成する第二筒状部と、前記ノズル側段差部との間でダッシュポッド部を形成する連結管側段差部とを有し、前記支持構造に、前記第一間隙と、前記支持板の上方の空間とを連通させる連通孔が形成されている。
【０００９】
この構成によれば、支持構造に、第一間隙と支持板の上方の空間とを連通させる連通孔が形成されていることから、第一間隙内に流れ込んだ液体を、当該連通孔を通じて支持板の上方の空間に向けて逃がすことができる。すなわち、第一間隙内に流れ込んだ液体がノズル側段差部、及び連結管側段差部の間の空間に流入する可能性を低減することができるとともに、当該空間に流入した液体によって炉心構成要素に上方への力が加わる可能性を低減することができる。
【００１０】
本発明の第二の態様によれば、上記の原子炉では、前記連通孔の一端は前記第一筒状部の内周面に開孔し、他端は支持板の上側の面に開孔していてもよい。
【００１１】
この構成によれば、連通孔は、第一筒状部の内周面と、支持板の上側の面とを連通している。これにより、第一間隙内に流れ込んだ液体を、当該連通孔を通じて支持板の上方の空間に向けて逃がすことができる。
【００１４】
本発明の第三の態様によれば、上記の原子炉では、前記連通孔は、前記エントランスノズルの周方向に間隔をあけて複数設けられていてもよい。
【００１５】
この構成によれば、エントランスノズルの周方向にわたって複数の連通孔が形成されていることから、炉心構成要素に対して下方から働く力を、周方向のおおむね全域にわたって均等に低減することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、炉心構成要素の跳び上がりを抑制することが可能な原子炉を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る原子炉の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る炉心構成要素を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る炉心構成要素、及び支持構造の構成を示す拡大断面図であって、炉心構成要素が静止している状態を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る炉心構成要素、及び支持構造の構成を示す拡大断面図であって、炉心構成要素に跳び上がりが生じている状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る原子炉１は、原子炉容器２と、炉心３と、支持構造４と、上部構造物５と、を備えている。
【００１９】
原子炉容器２は、原子炉容器本体６と、遮蔽プラグ７と、冷却材入口配管８及び冷却材出口配管９と、隔壁１０と、を有する。原子炉容器本体６の上部には開孔部１１が形成され、上部とは反対側の底部を鉛直下方に向けて原子炉格納容器（図示省略）内に格納されている。遮蔽プラグ７は、原子炉容器本体６における上記開孔部１１に配置されることで、該開孔部１１を封止している。冷却材入口配管８及び冷却材出口配管９は、原子炉容器２内への冷却材（一次主冷却材）の出入口を形成する。隔壁１０は、中央部に開孔が形成された板状の部材である。隔壁１０は、原子炉容器２の内部で水平方向に延びることで、原子炉容器２内を上下方向に区画している。また、この原子炉容器２の内部は液体としての冷却材によって満たされている。
【００２０】
炉心３は、主として燃料棒集合体や、制御棒集合体を有し、原子炉容器２内の中央部に配置される。ここでは、燃料棒集合体や制御棒集合体など炉心３を構成する要素を総称して炉心構成要素１４と呼ぶ。なお、本実施形態に係る支持構造４は、炉心構成要素１４のうち、燃料棒１５に対して特に好適に採用することができる。
【００２１】
支持構造４は、炉心構成要素１４を下方から支持するための構造物であり、上下方向から見て原子炉容器２の中央部に配置される。隔壁１０は、この支持構造４と原子炉容器２とに固定されている。支持構造４は、水平方向に広がる支持板１２と、この支持板１２に対して上方から挿通された複数の連結管１３と、を有している。各連結管１３には、炉心構成要素１４が１つずつ配置される（図２参照）。
【００２２】
上部構造物５は、例えば炉心構成要素１４である制御棒を駆動するための駆動装置等を含む。この上部構造物５は、炉心３の上方に配置され、遮蔽プラグ７を上下方向に貫通するとともに、該遮蔽プラグ７によって原子炉容器２に対して固定される。
【００２３】
次に、上記の炉心構成要素１４、及び支持構造４の構成について図３、図４を参照して詳述する。図３に示すように、炉心構成要素１４としての燃料棒１５は、上下方向に延びる軸線Ａｃを中心とする円柱状をなしている。具体的には燃料棒１５は、相対的に小さな外径を有するエントランスノズル１６（小径部）と、このエントランスノズル１６よりも上方に位置し、相対的に大きな外径を有する燃料棒本体１７（大径部）と、これらエントランスノズル１６および燃料棒本体１７を上下方向に接続するノズル側段差部１８と、を有している。燃料棒１５の内側の領域は、上下方向にわたって中空に形成されている。当該中空部は、外部から流入した冷却材が下方から上方に向かって流通させる冷却材流路１９を形成する。
【００２４】
エントランスノズル１６は、燃料棒１５のうち、後述する支持構造４に対して挿入される部位をなしている。エントランスノズル１６の外周面には、周囲を流通する液体としての冷却材を内部に取り入れるための複数の流入開孔２０が形成されている。これら複数の流入開孔２０は、いずれも冷却材流路１９に連通されている。
【００２５】
エントランスノズル１６の下側の端部は、封止部材２１によって封止されている。この封止部材２１の外周側の寸法は、エントランスノズル１６における他の部分の外径寸法よりも大きく設定されている。言い換えれば、封止部材２１の外周面は、軸線Ａｃに対する径方向外側に向かって突出している。
【００２６】
一方で、エントランスノズル１６の上側の端部（すなわち、ノズル側段差部１８の下側に隣接する部分）には、上記の封止部材２１と同等の外径寸法を有する拡径部２２が設けられている。拡径部２２は、軸線Ａｃ方向にわたって同一の外径寸法を有している。
【００２７】
燃料棒本体１７は、核燃料等を内蔵することで、燃料棒１５の主要部をなす部材である。燃料棒本体１７は、軸線Ａｃ方向から見て六角形の断面形状を有している。燃料棒本体１７の内側の空間は、上述した冷却材流路１９の一部をなしている。
【００２８】
ノズル側段差部１８は、上記のエントランスノズル１６と燃料棒本体１７とを軸線Ａｃに沿って同軸に接続している。より具体的には、ノズル側段差部１８は、エントランスノズル１６側から燃料棒本体１７側に向かうにしたがって次第に拡径している。すなわち、ノズル側段差部１８の外表面２３は円錐面状をなしている。
【００２９】
以上のように構成された燃料棒１５は、支持構造４によって下方から支持されている。支持構造４は、水平方向に広がる支持板１２と、支持板１２によって支持される複数の連結管１３と、を有している。支持板１２は、軸線Ａｃ方向（上下方向）に間隔をあけて配列された一対の板状部材（上側板部２４、及び下側板部２５）を有している。上側板部２４と下側板部２５との間の空間には、上述した冷却材の一部が流通する。
【００３０】
上側板部２４、及び下側板部２５には、水平面内で互いに等間隔をあけて配列された複数の挿入開孔２６が形成されている。これら挿入開孔２６には、後述する連結管１３が１つずつ挿入される。挿入開孔２６の開孔形状は、連結管１３の外形に応じて適宜決定される。本実施形態では、挿入開孔２６は軸線Ａｃ方向から見て円形とされている。
【００３１】
さらに、上側板部２４の内部には、後述する連通孔３４の一部である板側流路２７が形成されている。本実施形態では、上側板部２４の内部に、複数の板側流路２７が軸線Ａｃに対する周方向に等間隔をあけて配列されている。それぞれの板側流路２７は、上側板部２４の内部で水平方向に延びるとともに、その一端は挿入開孔２６の内周面上に開孔している。一方で、板側流路２７の他端は、上側板部２４（支持板１２）の上方の空間に向かって開孔している。より詳細には、板側流路２７の他端を含む部分は、上側板部２４の厚さ方向（上記の軸線Ａｃ方向）に向かって屈曲することで、上側板部２４の上方に開孔している。
【００３２】
連結管１３は、上記の挿入開孔２６の内径寸法よりもわずかに小さな外径寸法を有する円筒状をなしている。連結管１３は、挿入開孔２６に対して上側から挿入されることで、燃料棒１５を支持板１２に対して支持するために設けられている。
【００３３】
本実施形態に係る連結管１３は、第一筒状部２８と、第二筒状部２９と、連結管側段差部３０と、を有している。第一筒状部２８は、連結管１３の下側部分を構成する部材であって、その外径寸法は延在方向の全域にわたって同一とされている。連結管１３に燃料棒１５が挿入されている状態において、第一筒状部２８の内周面と、エントランスノズル１６の外周面との間には間隙（第一間隙３１）が形成されている。この第一間隙３１は、軸線Ａｃ方向から見て円環状をなすとともに、当該軸線Ａｃ方向にわたって広がる空間である。
【００３４】
さらに、第一筒状部２８における軸線Ａｃ方向の中央部には、上記した上側板部２４と下側板部２５との間の空間を臨む開孔（第一開孔３２）が形成されている。すなわち、この第一開孔３２を経て、上側板部２４と下側板部２５との間の空間内を流通する冷却材の一部が第一間隙３１内に取り込まれる。
【００３５】
加えて、第一筒状部２８の上側の端部近傍（すなわち、第一開孔３２よりも上側の領域）には、連結管１３が挿入開孔２６に挿入された状態において、上述した板側流路２７の一端に連通する連結管側流路３３が形成されている。すなわち、この連結管側流路３３と、板側流路２７の一端とは、軸線Ａｃ方向における同一の位置に形成されている。また、連結管側流路３３は、板側流路２７と同様に、軸線Ａｃの周方向に等間隔をあけて、板側流路２７と同じ数だけ複数形成されている。言い換えれば、連結管１３は、挿入開孔２６に対して、連結管側流路３３と板側流路２７との周方向における位置が互いに合致するような姿勢で挿入・固定される。
【００３６】
板側流路２７と連結管側流路３３とは、水平方向に互いに連通されることで、連通孔３４を形成する。すなわち、本実施形態に係る支持構造４には、軸線Ａｃを中心として周方向に等間隔をあけて配列された複数の連通孔３４が形成されている。また、連通孔３４の一端（径方向内側の端部）は、上記の第一間隙３１に連通し、他端（径方向外側の端部）は、支持板１２の上方の空間に連通する。
【００３７】
第二筒状部２９は、第一筒状部２８の上方に位置するとともに、当該第一筒状部２８よりも大きな内径寸法を有する筒状をなしている。第二筒状部２９は、燃料棒本体１７の下端を含む部分を外周側から囲むことで、これを支持している。さらに、第二筒状部２９の内周面と、燃料棒本体１７の外周面との間には間隙（第二間隙３５）が形成されている。この第二間隙３５は、上記の第一間隙３１と同様に、軸線Ａｃ方向から見て円環状をなすとともに、当該軸線Ａｃ方向にわたって広がる空間である。
【００３８】
第一筒状部２８と第二筒状部２９とは、連結管側段差部３０によって上下方向に一体に接続されている。連結管側段差部３０は、支持板１２（上側板部２４）の上側の面と当接する円環状のフランジ部３６と、このフランジ部３６の内周側に一体に設けられた段差部本体３７と、を有している。フランジ部３６は、軸線Ａｃ方向から見て円環状をなしている。フランジ部３６の外径寸法は、支持板１２に形成された挿入開孔２６の開孔寸法よりも大きい。すなわち、連結管１３を挿入開孔２６に挿入した場合、このフランジ部３６が上側板部２４に対して上側から当接することで、当該連結管１３が下方へ脱落することなく支持される。
【００３９】
段差部本体３７は、上記の燃料棒１５におけるノズル側段差部１８の外表面２３に対して外周側から対向する対向面３８を有している。この対向面３８と、外表面２３との間には間隙（ダッシュポッド部３９）が形成されている。すなわち、対向面３８の内径寸法は、この外表面２３の外径寸法に対して、その延在方向の全域にわたって大きく設定されている。なお、ここで言うダッシュポッド部３９とは、第二筒状部２９の内周面、対向面３８、外表面２３、及び拡径部２２の表面によって囲まれた円環状の空間を指している。
【００４０】
以上のように構成された原子炉１では、炉心３（燃料棒１５）での核分裂反応により、熱が発生する。さらに、冷却材が上記の冷却材入口配管８から原子炉容器２内の下部に供給された後、下方から上方に向かって流れる。次いで、冷却材が連結管１３を経て燃料棒１５の内部を通過しながら炉心３の熱を吸収する。その後、高温となった冷却材が、冷却材出口配管９から原子炉容器２の外部に送出される。
【００４１】
ここで、原子炉容器２内を下方から上方に向かって流通する冷却材によって、支持板１２の下方の空間内における圧力は、支持板１２の上方の空間内における圧力よりも高くなっている。一例として、支持板１２の下方の空間内における圧力は、０．３ＭＰａ程度であるのに対して、支持板１２の上方の空間内における圧力は、０ＭＰａ程度となることが知られている。
【００４２】
このような圧力差に基づいて、上記の第一間隙３１には、下方から冷却材が流入する。第一間隙３１に下方から流入した冷却材は、さらに上方に向かって流れた後、ダッシュポッド部３９に到達する。ダッシュポッド部３９内に流入した冷却材は、ノズル側段差部１８の外表面２３に対して、下方から上方に向かう力を及ぼす。このように、地震等による外力が与えられていないにも関わらず、燃料棒１５には下方から上方に向かう力が常態的に加わる場合がある。したがって、地震が実際に発生し、燃料棒１５が連結管１３から跳び上がった場合、この跳び上がりが助長されてしまう虞がある。
【００４３】
しかしながら、本実施形態では、上記の支持構造４に、第一間隙３１と、支持板１２の上方の空間とを連通させる連通孔３４が形成されている。具体的には、支持板１２における上側板部２４に形成された板側流路２７及び、連結管１３に形成された連結管側流路３３によって連通孔３４が形成されている。この連通孔３４によって、第一間隙３１内に流れ込んだ冷却材を支持板１２の上方の空間に向けて逃がすことで、ダッシュポッド部３９内の圧力を第一間隙３１内の圧力と同等にすることができる。すなわち、第一間隙３１内に流れ込んだ冷却材がノズル側段差部１８、及び連結管側段差部３０の間の空間に流入する可能性を低減することができるとともに、当該空間に流入した液体によって燃料棒１５に上方への力が加わる可能性を低減することができる。
【００４４】
さらに、上記の構成によれば、エントランスノズル１６の周方向にわたって複数の連通孔３４が等間隔を空けて形成されていることから、燃料棒１５に対して下方から働く力を、周方向の全域にわたって均等に低減することができる。これにより、燃料棒１５に不用意な傾き等を生じる可能性が低減され、十分に安定的に当該燃料棒１５を支持することができる。
【００４５】
また、仮に地震等によって燃料棒１５が上方へ跳び上がった場合であっても、ダッシュポッド部３９内に流入した冷却材によって、スクイーズフィルムダンパ効果による減衰力が得られるため、燃料棒１５がさらに上方に変位する可能性を低減することができる。このスクイーズフィルムダンパ効果について以下に詳述する。
【００４６】
ダッシュポッド部３９は、第二筒状部２９の内周面、対向面３８、外表面２３、及び拡径部２２の表面によって囲まれた円環状の空間である。この空間は、下側で連通する第一間隙３１、及び上側で連通する第二間隙３５に比べて、十分に大きな容積を有している。したがって、図４に示すように燃料棒１５が急激に跳び上がった場合であっても、第一間隙３１、及び第二間隙３５からダッシュポッド部３９内に流入する冷却材の量は限りなく小さいものとみなすことができる。さらに、ダッシュポッド部３９内に存在する冷却材には、自身の体積を維持しようとする力が働く。すなわち、燃料棒１５及び連結管１３には、両者を互いに引き付ける力が働く。この力は、燃料棒１５が連結管１３から跳び上がろうとする場合に、当該燃料棒１５に対してはたらく減衰力となる。この減衰力によって、燃料棒１５が支持構造４から完全に離脱してしまう可能性を低減することができる。すなわち、炉心構成要素１４としての燃料棒１５を十分に安定的に支持することができる。
【００４７】
なお、上記の実施形態では、炉心構成要素１４としての燃料棒１５を支持構造４によって支持する場合について説明した。しかしながら、炉心構成要素１４としては燃料棒１５の他に、制御棒の上下動を案内する制御棒案内管を用いることも可能である。このような構成であっても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００６４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して説明した。なお、上記の実施形態は一例に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１…原子炉
２…原子炉容器
３…炉心
４…支持構造
５…上部構造物
６…原子炉容器本体
７…遮蔽プラグ
８…冷却材入口配管
９…冷却材出口配管
１０…隔壁
１１…開孔部
１２…支持板
１３…連結管
１４…炉心構成要素
１５…燃料棒
１６…エントランスノズル
１７…燃料棒本体
１８…ノズル側段差部
１９…冷却材流路
２０…流入開孔
２１…封止部材
２２…拡径部
２３…外表面
２４…上側板部
２５…下側板部
２６…挿入開孔
２７…板側流路
２８…第一筒状部
２９…第二筒状部
３０…連結管側段差部
３１…第一間隙
３２…第一開孔
３３…連結管側流路
３４…連通孔
３５…第二間隙
３６…フランジ部
３７…段差部本体
３８…対向面
３９…ダッシュポッド部
Ａｃ…軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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