(57)【要約】【課題】全段で内外の膨張差を均一化すること。【解決手段】第１金属体（１２）と、第１金属体（１２）に面接触して上下方向に接合する第２金属体（１２）とから構成されている。第１金属体と第２金属体は、それらに貫通する多数の冷却媒体通路（１６）を有している。多数の冷却媒体通路（１６）に流される冷却媒体のそれぞれの流量はそれぞれに固有に定義される。冷却媒体通路（１６）が貫通する面領域は、高温の第１面領域と低温の第２面領域に分かれる。第１面領域の流量は第２面領域の流量より多く、且つ、第１面領域の冷却媒体通路の熱吸収量は、第２面領域の冷却媒体通路の熱吸収量より多い。その結果、第１面領域と第２面領域の温度が上下段で均一化され、膨張差が少なくなる。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属体と、
前記第１金属体に面接触して上下方向に接合する第２金属体とを具え、
前記第１金属体と前記第２金属体は、前記第１金属体と前記第２金属体に貫通する多数の冷却媒体通路を有し、
前記多数の冷却媒体通路に流される冷却媒体のそれぞれの流量分布はそれぞれに固有に定義され、前記流量分布は、前記冷却媒体通路の通路方向に直交する面領域の上で定義される座標Ｘにより流量分布Ｑ（Ｘ）として記述され、
前記面領域は、
第１面領域と、
前記第１面領域の温度より低い温度の第２面領域を備え、
前記第１面領域の前記流量は前記第２面領域の流量より多く、且つ、前記第１面領域の冷却媒体通路の熱吸収量は、前記第２面領域の熱吸収量より多い
積層金属体の冷却構造。
【請求項２】
前記第１面領域の冷却媒体通路の面精度は４０μｍより粗い
請求項１の積層金属体の冷却構造。
【請求項３】
前記第１面領域の冷却媒体通路の断面積は前記第２面領域の冷却媒体通路の断面積より大きい
請求項１の積層金属体の冷却構造。
【請求項４】
前記第１面領域の冷却媒体通路には、前記冷却媒体の軸方向流れに旋回を与える旋回翼が内蔵されている
請求項１の積層金属体の冷却構造。
【請求項５】
前記第１面領域の冷却媒体通路の内面は凹凸面に形成されている
請求項１の積層金属体の冷却構造。
【請求項６】
前記第１面領域の冷却媒体通路の内面は螺旋溝面に形成されている
請求項１の積層金属体の冷却構造。
【請求項７】
前記第１面領域の冷却媒体通路の流速は前記第２面領域の冷却媒体通路の流速に同じであり、且つ、前記第１面領域の冷却媒体通路の個数密度は前記第２面領域の冷却媒体通路の個数密度より大きい
請求項１〜５から選択される１請求項の積層金属体の冷却構造。
【請求項８】
前記第１面領域の冷却媒体通路の内面には光触媒面に形成されている
請求項１の積層金属体の冷却構造。
【請求項９】
前記第１金属体と前記第２金属体とはともに環体として形成され、
前記第１面領域と前記環体の中心領域との間の距離は、前記第２面領域と中心領域との間の距離より小さい
請求項１〜８から選択される１請求項の積層金属体の冷却構造。
【請求項１０】
前記環体は中性子を受ける中性子反射体である
請求項９の積層金属体の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層金属体の冷却構造に関し、特に、中性子反射体に適用されて好適である積層金属体の冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の炉心部に相当する燃料束集合体から中性子が多量に放射される。その中性子の一部は、再反応に利用されず原子炉容器に向かう。原子炉容器と炉心部との間に円筒殻状の中性子反射体が配置される。中性子反射体は、中性子が原子炉容器を劣化させることを抑制し、且つ、反射する中性子を再反応のために利用するために用いられている。中性子反射体で吸収される中性子のエネルギーは、中性子と中性子反射体の間の相互作用（チェレンコフ）に起因するγ発熱総合中性子反射体の中で熱エネルギーに変換される。中性子反射体を冷却するために、中性子反射体の中には多数の冷却通路が形成されている。中性反射体の中の発熱分布は、不均一である。その中性子反射体は、中性子反射ブロックの多段積みの集合体として構成されている。発熱分布が不均一であれば、中性子反射ブロックの熱膨張変形に起因して、上下段の中性子反射ブロックの対向面どうしの間に隙間が生じ、その隙間から冷却通路の中の冷却水が漏出する恐れがある。発熱分布の不均一性を解消することは困難であるので、発熱分布に冷却分布を整合的に対応させて温度分布をより均一化することにより、中性子反射体の内部変形を緩和する技術が後掲の特許文献１で知られている。その公知の技術では、高温部では冷却水通路の個数密度を大きくし低温部では冷却水通路の個数密度を小さくし、又は、高温部では冷却水通路の内周面積を大きくし低温部では冷却水通路の内周面積を小さくしている。このような技術は、温度分布を全段で均一化する課題を解決するためには不十分である。
【０００３】
冷却媒体により合理的に冷却することにより冷却対象物体の熱膨張変形を全段で均一化することが求められる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１４９３７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、冷却媒体により合理的に冷却することにより冷却対象物体の熱膨張変形を均一化する積層金属体の冷却構造を提供することにある。
本発明の他の課題は、温度変化幅を低減することによりダイナミックな温度分布を均一化することにより熱膨張変形を低減し、熱変化に起因する金属疲労を抑制する積層金属体の冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による積層金属体の冷却構造は、第１金属体（１２）と、第１金属体（１２）に面接触して上下方向に接合する第２金属体（１２）とから構成されている。実際には、金属体の積層段数は、３又は３より多い。第１金属体と第２金属体は、第１金属体と第２金属体に貫通する多数の冷却媒体通路（１６）を有している。多数の冷却媒体通路（１６）に流される冷却媒体のそれぞれの流量はそれぞれに固有に定義される。流量は、冷却媒体通路（１６）の通路方向に直交する面領域の上で定義される座標Ｘにより流量分布Ｑ（Ｘ）として記述される。その面領域は、第１面領域（Ｌ２に交叉する面）と、第１面領域の温度より低い第２面領域（Ｌ１に交叉する面）とから形成されている。このような面領域は、実際には多くの部分面領域から形成されている。第１面領域の流量は第２面領域の流量より多く、且つ、第１面領域の冷却媒体通路の熱吸収量は、第２面領域の冷却媒体通路の熱吸収量より多い。
【０００７】
流量分布が同じであれば、上方段の金属体の第１面領域の温度は同じ段の第２面領域の温度より高く、且つ、その第１面領域の通路の冷却媒体の温度はその第２面領域の通路の冷却媒体の温度より高いので、更に上段の金属体では第１面領域の温度は第２面領域の温度よりますます高くなる。本発明では、第１面領域の流量は第２面領域の流量より多く、且つ、第１面領域の熱吸収量は第２面領域の熱吸収量より多いので、第１面領域と第２面領域の温度が上下段のそれぞれで均一化される。第１面領域の冷却媒体通路の断面積が第２面領域の冷却媒体通路の断面積より大きいことは、製造コストの低減の点で優れている。
【０００８】
熱吸収量の調整のためには、特に第１面領域の熱吸収量の増大のために、下記のような手段が採択される。第１面領域の冷却媒体通路の面精度は数１０μｍで比較的粗く、第１面領域の冷却媒体通路には冷却媒体の軸方向流れに旋回を与える旋回翼が内蔵され、第１面領域の冷却媒体通路の内面は凹凸面に形成され、又は、第１面領域の冷却媒体通路の内面は螺旋溝面に形成されている。第１面領域の冷却媒体通路の内面を光触媒面に形成することは効果的である。
【０００９】
流量分布は、通路個数密度分布と流速分布に依存する。流量を多くすることは、流速が同じで個数密度を大きくすること、又は、個数密度が同じであれば流速を速くすること、流速を速くし且つ個数密度を大きくすることにより実現される。流速を制御することは装置系を複雑化するので、流速一定個数密度増大が実施の形態として優れている。
【００１０】
第１金属体と第２金属体とはともに環体として形成され、第１面領域と環体の中心領域との間の距離は、第２面領域と中心領域との間の距離より小さい。そのような環体は、原子炉の中性子反射体である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による積層金属体の冷却構造は、縦方向の熱膨張量を全段で均一化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明による積層金属体の冷却構造の実施の好ましい形態は、図に対応して、詳細に記述される。原子炉（例示：ＢＷＲ：沸騰型原子炉）の熱取出し系は、炉心を内蔵する原子炉本体１と、熱交換器（蒸気発生器）２とから構成されている。原子炉本体１の中には、熱源である燃料束集合体３と、燃料束集合体３の外側に環状に配置される中性子反射体４とが格納されている。原子炉本体１から取り出される２相流５は熱交換器２に供給される。熱交換器２で２相流５が冷却されて液体化する冷却水６は反応炉冷却ポンプ（ＲＣＰ：Reactor Cooling Pump）７を介して原子炉本体１に戻される。冷却水６は、燃料束集合体３と中性子反射体４に通される。熱交換器２は蒸気発生装置であり、熱交換器２で生成される高圧蒸気９はタービン１１に提供される。
【００１３】
図２は、中性子反射体４の多段構造を示している。中性子反射体４は、鉛直方向に多段に積み上げられる複数の中性子反射体リングブロック１２で形成されている。中性子反射体リングブロック１２は、ＳＵＳで形成されている。複数の中性子反射体リングブロック１２は、複数箇所で鉛直方向に貫通する締付けロッド１３とボルト・ナット１４により互いに鉛直方向（上下方向）に締め付けられている。図３は、複数の中性子反射体リングブロック１２のうちの任意の１つを示している。中性子反射体リングブロック１２の中央穴には、燃料束集合体１５が装着されている。
【００１４】
中性子反射体リングブロック１２には、多数の冷却水通路１６が鉛直方向に貫通して開けられている。中性子反射体リングブロック１２の任意の部位の半径方向距離Ｒは、図３に示されるように、その部位と中心線Ｌとの間の距離により定義される。冷却水通路１６の穴直径が一定であれば、冷却水通路１６の面内で規定される数密度分布Ｄは、Ｄ（Ｒ）で表される。一般的な傾向としては、よりＲが大きい部位の温度はより低いので、Ｒがより大きいＤ（Ｒ）はより小さく設計される。又は、冷却水通路１６の分布は、穴面積密度分布Ｄ（Ｒ）として定義される。Ｒがより大きい部位の空間的穴面積密度はより小さい。本発明で重要な点は、冷却水通路１６の冷却効率がより高く設計されていることである。冷却効率がより高く同一に設計されている冷却水通路１６の分布は、冷却能力密度Ｄ（Ｒ）として表される。Ｒがより大きい部位の冷却能力はより小さい。
【００１５】
半径方向の温度落差が小さいことが実現された後に、冷却効率を高めることは有意義である。全体に温度が低下すれば、温度落差による膨張長さの差が絶対的に小さくなる。以下に、そのような冷却効率を向上させる実施の形態が述べられる。
【００１６】
図４は、冷却効率向上（冷却性能の向上）のための実施の形態を示している。１つの冷却水通路１６の中に、１つ又は複数の旋回流生成翼（旋回ベーン）１７が固定されて内装されている。旋回流生成翼１７は、放射方向に向き円周方向に等角度間隔で配列される複数（例示：６）枚の羽根で形成されている。軸方向に流れる冷却流体（例示：水）は、旋回流生成翼１７により回転方向成分の流勢を与えられ、冷却水通路１６の中で旋回しながら上昇する。この旋回速度に伴う流速の増加に伴い、熱伝達効率が増加し、除熱性能が向上する。
【００１７】
図５は、冷却効率向上のための実施の他の形態を示している。実施の本形態では、冷却水通路１６の内周面は凹凸面１８に形成されている。冷却流体と中性子反射体リングブロック１２とが接触する面積が増大し熱交換効率が上昇する。
【００１８】
図６は、冷却効率向上のための実施の更に他の形態を示している。実施の本形態では、冷却水通路１６の内周面は螺旋溝面１９に形成されている。冷却流体は、螺旋回転を与えられる。実施の本形態は、実施の図４の形態の旋回効果と同じ効果を有している。螺旋溝は、多重螺旋として提供され得る。
【００１９】
図７は、温度と膨張の関係を概念的に（模型的）示している。中心線に対して半径距離が異なる２つの円筒面と中心断面との交叉線は、Ｌ１とＬ２で示されている。任意の高さ位置で、Ｌ１の上の点の温度はＬ２の上の点の温度より高い。Ｌ１の上で、ボトムは点ＰＢで示され、中間位置は中間点ＰＭで示され、トップは点ＰＴで示されている。Ｌ２の上で、ボトムは点ＱＢで示され、中間位置は中間点ＱＭで示され、トップは点ＱＴで示されている。中位の中性子反射体リングブロック１２の中で、点ＰＭと点ＱＭは高さ方向の中間点として設定されている。冷却水通路１６に冷却媒体が通されていない場合の温度として、点ＰＢの温度は０゜Ｃであり、点ＰＴの温度は５００゜Ｃであり、点ＱＢの温度は０゜Ｃであり、点ＱＴの温度は４００゜Ｃであることが仮定される（ここで、温度値は比較検討のための例示であり現実の温度を反映する値ではない。）。
【００２０】
このような仮定のもとで、更に、冷却媒体が冷却水通路１６に通されて、点ＰＴの温度は５００゜Ｃから２００゜Ｃに冷却され、点ＱＴの温度は４００゜Ｃから２００゜Ｃに冷却されることが仮定される。このような場合には、点ＰＭの温度は３５０゜に冷却され、点ＱＭの温度は３００゜に冷却されることが自然に仮定される。図示される中段の中性子反射体リングブロック１２の上下方向長さは、Ｈで表される。中性子反射体リングブロック１２の材料の膨張係数は、βで表される。点ＰＭを含む線領域の縦方向長さＨは膨張によりＨＰ’に伸び、点ＱＭを含む線領域の縦方向長さＨは膨張によりＨＱ’に伸びる。
ＨＰ’＝Ｈ｛（１＋β・１５０）
ＨＱ’＝Ｈ｛（１＋β・１００）
点ＰＢから点ＰＭに上昇する冷却媒体が吸収する熱量が３００ｋＪであり、点ＱＢから点ＱＭに上昇する冷却媒体が吸収する熱量が２００ｋＪであることが仮定される。点ＰＭから点ＰＴに上昇する冷却媒体が吸収する熱量が３００ｋＪであり、点ＰＭから点ＰＴに上昇する冷却媒体が吸収する熱量が２００ｋＪであれば、点ＰＴの温度は２００゜Ｃに維持され、点ＱＴの温度は２００゜Ｃに維持される。このような場合に、下記の問題点がある。点ＰＭより上方の領域の冷却媒体の温度は、点ＰＭより下方の領域の冷却媒体の温度より高く、点ＱＭより上方の領域の冷却媒体の温度は、点ＱＭより下方の領域の冷却媒体の温度より高く、例えば、点ＰＢと点ＱＢで冷却媒体の温度はともに０゜Ｃである場合に、点ＰＭの冷却媒体の温度は８０゜Ｃであり、点ＱＭの冷却媒体の温度が５０゜Ｃであれば、熱交換量は下半分領域と上半分領域で異なるので、点ＱＴの温度が２００゜Ｃに冷却される場合に、点ＰＴの温度は２００゜Ｃまで冷却されることがなく、点ＰＴの温度は２００゜Ｃより高い。
【００２１】
このような議論は、線Ｌ１に対応する冷却通路の冷却効率が線Ｌ２に対応する冷却通路の冷却効率より高く、且つ、線Ｌ１に対応する冷却通路の冷却媒体の流速（又は流量）が線Ｌ２に対応する冷却通路の冷却媒体の流速（又は流量）に等しいことが仮定されている場合に正しい。このような問題点を解消するためには、線Ｌ１に対応する冷却通路の冷却媒体の流速が線Ｌ２に対応する冷却通路の冷却媒体の流速より速いことが必要である。下記の条件が必要である。
（１）空間分布の有意義な分布の第１は、流量分布Ｑ（Ｒ）である。そのような流量分布Ｑ（Ｒ）は、高発熱部の流量が低発熱部の流量より多い分布である。
（２）空間分布の有意義な分布の第２は、冷却効率分布Ｐ（Ｒ）である。ここで、冷却効率は、流量が一定である場合の熱吸収量として定義される。そのような冷却効率分布Ｐ（Ｒ）は、高発熱部の冷却効率が低発熱部の冷却効率より高い分布である。
【００２２】
図８は、冷却性能向上のための実施の更に他の形態を示している。実施の本形態では、中性子反射体リングブロック１２の内面側に薄い光触媒層２１が形成されている。光触媒層２１は、光（例示：チェレンコフ光）に反応して分子を分解する光学的触媒として提供されている。光触媒は、最近に脚光を浴びている酸化チタンが好適に提供され得る。入射光を受ける光触媒は、中性子反射体リングブロック１２の内面に付着するクラッドのような有機又は無機の化学物質である不純物を分解し、中性子反射体リングブロック１２の内周面は親水性を高める。親水性が向上している中性子反射体リングブロック１２の内面に気液２相の水は付着しやすく、その気液２相に含まれるクラッドは水に邪魔されて内面に付着しにくく、付着するクラッドは容易に水により洗い流される。中性子反射体リングブロック１２の内側の燃料束集合体１５を冷却しながら上昇する気液２相流は、中性子反射体リングブロック１２の内面に付着している親水性の不純物を流し取る。このような剥がし取りは、中性子反射体リングブロック１２の内周面の製作時の熱伝導性を回復させる。
【００２３】
好ましいその他の形態：
光触媒加工を冷却水通路１６の円筒面、螺旋面、凹凸面に施すことは有意義である。冷却水通路１６を高温化する中性子に起因するチェレンコフ光（水と中性子の相互作用に起因して発生するγ線）は、光触媒層２１の光触媒性能を強力に活性化することができる。冷却水通路１６の内面の仕上げ精度を粗くする。冷却水通路１６の公知の仕上げ精度は数十μｍの程度であるが、これより仕上げ精度を低下させることが効果的である。面精度の低下は、熱交換効率を向上させる。光触媒層２１が施されている場合には、面粗さの低下は付着物の付着性を高めることにはならない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明による積層金属体の冷却構造の実施の好ましい形態を示す機器系統図である。
【図２】図２は、中性子反射体の正面図である。
【図３】図３は、中性子反射体リングブロックの平面図である。
【図４】図４は、中性子反射体リングブロックの斜軸投影断面図である。
【図５】図５は、中性子反射体リングブロックの平面断面図である。
【図６】図６は、中性子反射体リングブロックの正面断面図である。
【図７】図７は、熱膨張量を示す断面図である。
【図８】図８は、中性子反射体リングブロックの平面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１２…第１金属体（第２金属体）
１６…冷却媒体通路
【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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