(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心の温度変化を感知して作動する高速炉用自己作動型出力制御装置において、不活性ガスが充填され底部で連通する封入管と内管との二重管を炉心内に挿入すると共に、前記内管の上端を前記炉心の外に配置され液体ポイズンを貯留するリザーバの上部に接続し、前記液体ポイズンが膨張していない状態では前記不活性ガスが前記リザーバ内に流入して前記液体ポイズンを前記リザーバ内に戻しており、炉内温度の上昇により膨張した前記リザーバ内の液体ポイズンが前記内管を通って前記封入管内に移動することを特徴とする高速炉用自己作動型出力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉心の出力規模に関係なく全ての液体金属冷却高速炉に利用でき、炉心の温度変化を感知して作動する高速炉用自己作動型出力制御装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、長期間にわたって高い信頼性を発揮し、砂漠、離島、発展途上国等の保守が困難な環境に設置される高速炉に適した高速炉用自己作動型出力制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炉心の温度上昇を感知して作動する自己作動型出力制御装置として、例えばガス膨張モジュールが知られている。このガス膨張モジュールは、炉心内に下端を開放した管を挿入し、その管内の上部にガス領域を下部に冷却材（例えば液体ナトリウム冷却炉ではナトリウム）領域をそれぞれ設ける構造で、炉心の温度上昇の際に管内のガスが膨張することを利用して炉出力を制御するものである。
【０００３】
また、改良型の自己作動型出力制御装置として、特開平５−１８０９７２号公報に記載されているリチウム膨張モジュールがある。このリチウム膨張モジュールは、液体ポイズン（リチウム６）及び不活性ガスを密封した封入管を炉内に設置し、炉内温度の上昇に伴い液体ポイズンを膨張させて炉心領域まで移動させ、中性子の吸収量を増加させて炉出力を制御するものである。封入管内の液体ポイズンは、不活性ガスとの境界に作用する表面張力を利用して当該不活性ガスの上方に封じ込められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のガス膨張モジュールでは、炉心内の局所ボイド係数が負の領域にしか設置できないため、設置できる領域が限定されて効果的に出力制御を行い難いという問題があった。即ち、一般的な高速炉では、炉心周縁の僅かな部分を除いてボイド係数が正になるので、ガス膨張モジュールの設置場所が限定されてしまう。この場合、炉心周縁の領域であればボイド係数は負であり、したがって、ガス膨張モジュールを設置することは可能であるが、この領域はもともと温度上昇が小さく、しかもインポータンスが低いため、多数のガス膨張モジュールを設置しない限り出力制御が難しかった。また、ガス膨張モジュールでは、高速炉の運転にともない冷却材に混入する気泡が管内に蓄積して炉心の反応度に影響を及ぼすため、これを防ぐ対策が必要であった。さらに、モジュールの管の下端が炉心内に開放されているため、一次主循環ポンプの脈動によって管内のナトリウム液面が振動し、炉心の出力変動を引き起こす虞があった。
【０００５】
また、改良型の自己作動型出力制御装置では、表面張力を利用して液体ポイズンを封入管の上部に保持することから封入管の内径をあまり大きくすることができないので、炉心内に導入する液体ポイズンの量が少なく反応度価値を大きくすることができなかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、▲１▼炉心の出力規模に影響されず、且つ炉心の殆どの領域に設置でき、▲２▼保守が不要で、長期にわたって高い信頼性を発揮し、▲３▼一次主循環ポンプの脈動による炉心の出力変動の問題がなく、▲４▼反応度価値を自由に設定できる高速炉用自己作動型出力制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
かかる目的を達成するため、本発明は、炉心の温度変化を感知して作動する高速炉用自己作動型出力制御装置において、不活性ガスが充填され底部で連通する封入管と内管との二重管を炉心内に挿入すると共に、内管の上端を炉心の外に配置され液体ポイズンを貯留するリザーバの上部に接続し、液体ポイズンが膨張していない状態では不活性ガスがリザーバ内に流入して液体ポイズンをリザーバ内に戻しており、炉内温度の上昇により膨張したリザーバ内の液体ポイズンが内管を通って封入管内に移動するようにしている。
【０００８】
したがって、炉心出口温度が上昇すると、リザーバ内の液体ポイズンは膨張し、内管を通って封入管内の底の部分に移動する。液体ポイズンは非圧縮性であり、封入管内の不活性ガスの圧力にかかわらず封入管内の封入ガス領域に移動する。
【０００９】
高速炉の通常運転時には、液体ポイズンは若干膨張して封入管の底に溜まる。この場合の封入管内の液体ポイズンの液面は、炉心燃料領域の下部のレベルにバランスしている。一方、炉心出口の温度が異常に上昇した場合、液体ポイズンはさらに膨張して封入管内への移動量が増加し、その液面は炉心燃料領域の上部のレベルに達する。これにより、中性子の吸収量が増加して反応度が低下する。
【００１０】
そして、反応度の低下により炉心出口の温度が下がると、膨張率が減少した液体ポイズンがリザーバ内に戻り、封入管内の液体ポイズンの液面が炉心燃料領域の下部のレベルにまで下がる。したがって、中性子の吸収量が減少して反応度が上昇する。
【００１１】
このような作用が繰り返され、所定の反応度価値の範囲内で炉心の温度変動が一定範囲内に自動的に制御される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明を適用した高速炉用自己作動型出力制御装置の実施の一形態を示し、例えばリチウム膨張モジュールとして実施する場合の一形態である。
【００１４】
リチウム膨張モジュール１は、図示しない炉心内に挿入される二重管２と、該二重管２の上端に接続されたリザーバ３より構成されている。二重管２は、底部で連通する封入管４と内管５とから構成され、上端近傍が逆Ｕ字形に成形されて下向きに折り曲げられリザーバ３に連結されている。内管５の下端５ａは、封入管４の底の近傍で開口している。また、内管５の上端５ｂはリザーバ３に連通され、封入管５の上端はリザーバ３で密閉されている。そして、二重管２内には不活性ガスが封入され、リザーバ３内には液体ポイズン６が貯留されている。
【００１５】
液体ポイズン６としては、例えばリチウム６（以下 6Ｌｉと記す）を用いる。
【００１６】
6Ｌｉは 7Ｌｉ中の天然存在比が７．４２％で、実際はこれを濃縮したものを用いる。 6Ｌｉの濃縮度を高めるほど反応度価値を高くできるが、コスト高となるのでこの点を考慮して濃縮度を決定するのが望ましい。また、二重管２内に封入されている封入ガス７は、例えばアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスである。封入ガス７は、室温にて二重管２内に充填される。なお、封入ガス７は、ボイドに相当する。
【００１７】
封入管４及び内管５は、 6Ｌｉ及び高速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必要がある。具体的には、ナトリウム冷却炉であって冷却材局所最高温度が６００℃程度のものには、例えばステンレス鋼の使用が適している。また、リチウム冷却炉であって冷却材局所最高温度が１２００℃程度のものには、例えばモリブデン・レニウム（Ｍｏ−Ｒｅ）系合金、ニオブ・ジルコニウム（Ｎｂ−Ｚｒ）系合金等の使用が適している。
【００１８】
一般に高速炉においては、炉心を平面的にみた場合、局所ボイド係数は周縁の僅かな部分を除いた殆どの部分で正を示す。このリチウム膨張モジュール１は、局所ボイド係数が正の位置に設置される。したがって、リチウム膨張モジュール１は、封入ガス７がボイドに相当するので、炉心を平面的にみた場合、当該炉心の殆どの位置に設置可能である。しかしながら、炉心の中心に近い位置ほど反応度価値を高くできるので、炉心の中心近傍に設置することが望ましい。また、炉心を側方からみた場合、二重管２のほぼ下半部が炉心領域に位置するように設置する。より好ましくは、図示の如く、封入管４及び内管５の底部付近が炉心の外に配置され、封入管４側へ流入して底部に貯まった液体ポイズン６が通常運転中には炉心領域に侵入しないように設けられる。リザーバ３は、炉心を下方から上方に向けて流れる冷却材の炉心出口付近に配置される。
【００１９】
次に、リチウム膨張モジュール１の作動について説明する。
【００２０】
高速炉が停止している場合、即ち、液体ポイズン６が膨張していない状態では、図２に示すように、封入管４内の封入ガス７が液体ポイズン６をリザーバ３内に戻している。そして、高速炉の運転が開始され、炉心において核連鎖反応が継続されると、リザーバ３内の液体ポイズン６はある程度熱せられて膨張し、封入ガス７を圧縮しながら二重管２内に移動する。即ち、膨張した液体ポイズン６は、内管５を通過して封入管４の底に溜まる。封入管４内の液体ポイズン６の液面の高さは、液体ポイズン６と封入ガス７の各圧力のバランスで決定されるが、高速炉が通常運転されている場合には、図１に示すように、炉心領域の下端付近でバランスする。したがって、この状態では、封入管４内の炉心領域はボイドに相当する封入ガス７で満たされる。
【００２１】
この状態より、反応度が過大になって炉心温度が上昇し、冷却材の炉心出口付近における温度が定格値よりも高くなると、リザーバ３内の液体ポイズン６がさらに膨張し、より多くの液体ポイズン６が封入管４内に流入してその液面が上昇する。したがって、図３に示すように、封入管４内の炉心領域に対応する部分がボイドに相当する封入ガス７に代わって液体ポイズン６で満たされ、核分裂反応に使用される中性子を吸収して反応度を低下させる。
【００２２】
そして、反応度の低下により炉心の温度が下がると、液体ポイズン６の膨張率が減少し、この液体ポイズン６は封入ガス７の圧力でリザーバ３内に戻される。したがって、封入管４内の液体ポイズン６の液面が下降して液体ポイズン６に吸収される中性子の量が減少すると共に、ボイドに相当する封入ガス７の領域が広がり、反応度が上昇する。
【００２３】
このように、液体ポイズン６は熱膨張を繰り返して核反応に使用される中性子の吸収量を増減させて、反応度を値１に収束させる。
【００２４】
以上のように構成されるリチウム膨張モジュール１は、例えば図４に示すようにして製作される。
【００２５】
先ず、封入管４、内管５及びリザーバ３を溶接により組み付けた後、これを不活性ガス雰囲気のグローブボックス（図示せず）内で２５０℃以上に加熱し、リザーバ３に設けられている液体ポイズン注入口３ａより 6Ｌｉを注入する。液体ポイズン６は、リザーバ３の上端レベルまで注入される。
【００２６】
次に、これを 6Ｌｉの融点（１８１℃）以下に冷却する。そして、 6Ｌｉが凝固した後、液体ポイズン注入口３ａを誘導加熱により溶解して閉塞する。この後、封入管４の不活性ガス注入口４ａより二重管２の内部を真空引きすると共に、当該二重管２内にアルゴンガス等の不活性ガス、即ち封入ガス７を充填した後、不活性ガス注入口４ａを誘導加熱により溶解して閉塞する。
【００２７】
このようにして製作されたリチウム膨張モジュール１を炉心に設置する場合、常温では封入された 6Ｌｉ（液体ポイズン６）が凝固しているため、リチウム膨張モジュール１の取扱いが容易である。そして、リチウム膨張モジュール１を炉心に設置すると、凝固していた 6Ｌｉが冷却材の熱で溶かされる。例えば、液体ナトリウム冷却炉では、燃料交換中の液体ナトリウム（冷却材）の温度は２００℃程度であり、リチウム膨張モジュール１を炉心に設置することで封入管４内の 6Ｌｉは直ちに溶解する。
【００２８】
また、リチウム膨張モジュール１は可動機器を有していないため、長期にわたって高い信頼性を発揮し保守が不要である。一方、高速炉の燃料交換の際に、必要に応じてリチウム膨張モジュール１を交換することは容易である。
【００２９】
なお、リチウム膨張モジュール１の性能を、従来のガス膨張モジュールの性能と比較した結果を表１に示す。表中、評価符号○は優れている、△は劣っている、を意味する。
【００３０】
【表１】
0003874309.tif 000002
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。例えば、上述の説明では、液体ポイズン６として 6Ｌｉを使用した場合について説明したが、液体ポイズン６としてはこれに限るものではない。例えば、ホウ素等を使用しても良い。
【００３１】
【実施例】
次に、本発明に係るリチウム膨張モジュール１をダクトレス集合体より構成される金属燃料用の超小型炉心に採用した実施例を説明する。
【００３２】
このリチウム膨張モジュール１の場合、封入管４の内径を１２ｍｍφ、内管５の外径を２ｍｍφ、リザーバ３の内径を１１０ｍｍφ、リザーバ３の長さを１．５ｍとする。このリチウム膨張モジュール１では、炉心出口温度が５０℃上昇した場合、封入管４内の液体ポイズン６の自由液面の移動量は約１ｍとなり、炉心領域の高さに匹敵する。封入ガス７の圧力は、室温にて大気圧程度で良い。なお、運転温度条件における封入管４の内圧は３ｋｇ／ｍｍ2 Ｇとなる。封入管４の肉厚を１ｍｍにすることで、上記内圧に十分に耐えることができる。
【００３３】
このリチウム膨張モジュール１を炉心の中心に１本設置すれば、炉心の寸法や 6Ｌｉの濃縮度によって多少異なるが、通常数１０¢程度以上の反応度価値を持つことが可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の高速炉用自己作動型出力制御装置は、不活性ガスが充填され底部で連通する封入管と内管との二重管を炉心内に挿入すると共に、内管の上端を炉心の外に配置され液体ポイズンを貯留するリザーバの上部に接続し、液体ポイズンが膨張していない状態では不活性ガスがリザーバ内に流入して液体ポイズンをリザーバ内に戻しており、炉内温度の上昇により膨張したリザーバ内の液体ポイズンが内管を通って封入管内に移動するようにしているので、炉内温度の変化を利用して反応度を制御することができる。また、一般的に高速炉は、出力規模の大小とは無関係に、炉心の殆どの領域が局所ボイド係数が正を示す領域である。局所ボイド係数が正の領域では、6Ｌｉが炉心領域に挿入されると炉心の反応度が減少する。即ち、本装置は、局所ボイド係数が正の領域にて有効となるものであり、高速炉用自己作動型出力制御装置を炉心の出力規模に影響されずに、且つ炉心の殆どの領域に設置することが可能になる。また、本装置は、可動機器を有していないために、長期にわたって高い信頼性を発揮し保守が不要になる。また、液体ポイズンは二重管及びリザーバ内に封入されているので、燃料交換の際に容易に交換することができる。さらに、二重管の太さを自由に設定できるので、反応度価値の設定の自由度も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高速炉用自己作動型出力制御装置の実施の一形態を示し、高速炉の通常運転時における状態を示す概念図である。
【図２】図１の高速炉用自己作動型出力制御装置の高速炉停止中における状態を示す概念図である。
【図３】図１の高速炉用自己作動型出力制御装置の高速炉の炉心出口温度が定格値よりも上昇した場合の状態を示す概念図である。
【図４】図１の高速炉用自己作動型出力制御装置の製作方法を示す概念図である。
【符号の説明】
１  リチウム膨張モジュール（高速炉用自己作動型出力制御装置）
２  二重管
３  リザーバ
４  封入管
５  内管
６  液体ポイズン
７  封入ガス
【図１】
0003874309.tif 000003
【図２】
0003874309.tif 000004
【図３】
0003874309.tif 000005
【図４】
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