JP6434305B2 - 高速炉の制御棒案内管 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液体金属ナトリウムなどの冷却材を使用する高速炉の制御棒案内管に係り、特に高速炉の炉心損傷事故において、溶融燃料（損傷炉心物質）が制御棒案内管の周壁を溶融して侵入した場合の溶融燃料（損傷炉心物質）の御棒案内管からの排出機構に関するものである。

ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故において、燃料移動による再臨界を防止するためには、制御棒案内管を通じて損傷炉心物質を炉心外へ流出することが有効である。

図４は、制御棒集合体の基本的な構造図である。同図に示すように制御棒集合体１は、制御棒２と、その制御棒２を個別に収容する制御棒案内管３から主に構成されている。

制御棒案内管３の下端部には先細り状になったエントランスノズル４が設けられ、制御棒案内管３の内側の軸方向途中には縮径になった段部５が設けられ、その段部５の上にはダッシュポット(緩衝器)６が設置されている。

ダッシュポット６は凹部７を有し、全体の断面形状が略凹形をしており、凹部７の下部には円筒状の脚部８が設けられ、脚部８の内周部側から外周部側に向けて貫通した穴９が脚部８の周方向に沿って複数個形成されている。

ダッシュポット６の外径は、制御棒案内管３の内径よりも若干小さく、また、段部５の内径よりも若干大きく設計されており、ダッシュポット６を段部５の上に設置すると、制御棒案内管３とダッシュポット６の間に隙間１０が形成される。

冷却材である液体金属ナトリウム１１は、制御棒案内管３のエントランスノズル４側から流入し、制御棒案内管３の内側を上昇し、ダッシュポット６の穴９を通って、制御棒案内管３とダッシュポット６の間の隙間１０に流入し、制御棒２を冷却しながら制御棒案内管３の上部に至る。

図５は原子炉容器の内部の構造例を示す図で、図中の符号１２は原子炉容器、１３は液体金属ナトリウム流入配管、１４は液体金属ナトリウム流出配管、１５は炉心槽、１６は上部炉心支持板、１７は下部炉心支持板、１８は連絡管であり、図に示すような配置、構造になっている。

図６は、原子炉容器内での液体金属ナトリウムの流れの一部を示す図である。同図に示すように上部炉心支持板１６と下部炉心支持板１７の間に連絡管１８が架設されており、連絡管１８の内側に液体金属ナトリウム１１の流量を調整する流量調整部２０が設置されている。

この流量調整部２０は、例えば、複数の孔２１を開けた金属板２２を連絡管１８の内側に所定の間隔をおいて、孔２１が互いに重ならないように複数枚軸方向に設置した構造になっている。

液体金属ナトリウム１１は図５に示すように、液体金属ナトリウム流入配管１３によって原子炉容器１２内の下部に供給され、原子炉容器１２の下部から上昇して、図６に示すように連絡管１８の下部から入り込み、各金属板２２の孔２１を通過する際の流動抵抗により、液体金属ナトリウム１１の通過流量が制限され、それによって液体金属ナトリウム１１の流量調整がなされる。

図４に示すように、制御棒案内管３のエントランスノズル４が連絡管１８の上部に差し込まれているから、流量調整された液体金属ナトリウム１１は連絡管１８を出て制御棒案内管３に入る。

そして液体金属ナトリウム１１は、ダッシュポット６の穴９を通って制御棒案内管３とダッシュポット６の間に形成された隙間１０に流入して制御棒２を冷却し、制御棒案内管３の上部から排出される。

図７は炉心配置図で、図中の符号２３は炉心燃料集合体、２５は径方向ブランケット燃料集合体、２６は遮蔽体、２８は制御棒集合体であり、図に示すような配置になっている。

図７に示すように、燃料集合体２３の約１０体に対して、制御棒集合体２８が１体程度の割合で設けられており、各制御棒集合体２８が燃料集合体２３群の中に所定の間隔をおいて分散されている。

なお、原子炉でシビア・アクシデントが発生した場合の対応策に関する先行技術文献として、例えば特公平５−８０６３６号公報（特許文献１）や特開平５−３４１０８１号公報（特許文献２）などを挙げることができる。

特公平５−８０６３６号公報 特開平５−３４１０８１号公報

原子炉の定格運転に際しては、制御棒集合体１に対する液体金属ナトリウム１１の定格流量を確保する必要があり、そのために前述した流量調整部２０が設けられている。しかしながら、設計基準を超える事故により炉心が損傷して溶融するシビア・アクシデントを考慮すると、図４に示す制御棒集合体１の構造では改善すべき問題点がある。

ナトリウム冷却高速炉でのシビア・アクシデントでは、炉心の核的な特性により、原子炉の出力が増加する可能性がある。原子炉の核的活性度を低下させて安定状態に移行させるためには、シビア・アクシデントにおいて生じた溶融燃料を炉心外へ流出させることが効果的である。

ナトリウム冷却高速炉の燃料集合体は稠密ピン束で構成されており図７に示されているように、燃料集合体２３の約１０体に対して制御棒集合体２８が１体程度の割合で燃料集合体２３群中に分散されているから、制御棒集合体２８が溶融燃料の有効な流出経路となる。

しかしながら、図４に示す下方に流量調整部２０を備えた制御棒集合体１では溶融燃料の流出が妨げられて、原子炉が核的に安定状態に移行しない可能性があることが判明した。

図８（ａ）〜（ｃ）は、制御棒集合体１への溶融燃料（損傷炉心物質）３１の侵入から流量調整部２０による溶融燃料３１の流出阻止までの経過を説明する図である。

図８（ａ）に示すように、溶融燃料３１が制御棒集合体１の周壁を溶融して侵入すると、制御棒集合体１内にある液体金属ナトリウム１１と溶融燃料３１の熱的相互作用３２により、図８（ｂ）に示すように制御棒集合体１内のダッシュポット６ の上方にナトリウムボイド領域３３が形成され、それが発達する。

また、溶融燃料３１の一部は制御棒案内管３とダッシュポット６の間の隙間１０にも入り込むが、流量調整部２０により下方の流動抵抗が大きいから、初期状態では溶融燃料３１は制御棒２および制御棒２と制御棒案内管３の隙間を通って、制御棒集合体１内の上部に分散３４する。

図８（ｃ）に示すように、制御棒２および制御棒２と制御棒案内管３の隙間に入り込んだ溶融燃料３１が固化して隙間が閉塞３５されても、溶融燃料３１の侵入は引き続き起こり、溶融燃料３１はダッシュポット６の周囲に溜り、溶融燃料３１の固化とダッシュポット６の存在により閉塞３５が起こる。
また、ダッシュポット６ の所で閉塞３５しない場合、溶融燃料３１はダッシュポット６の穴９を通って下方に移動３６し、流量調整部２０の上面まで流下しそこで停止して、固化による閉塞３５が起こる。図８（ｃ）は、この状態を示している。

このように図４に示す制御棒集合体１の構造では、特に流量調整部２０で溶融燃料３１の流出が妨げられて、原子炉が核的に安定状態に移行しない可能性があることが判明した。

本発明はこのような技術背景においてなされたものであり、その目的は、炉心の核的活性度を低下させて原子炉を安定状態に移行させるために有効な手段である、溶融燃料の炉心外への流出を促進させることのできる高速炉の制御棒案内管を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、断面形状が略凹形の例えばダッシュポットなどの流路内構造物を内側に収容した高速炉の制御棒案内管において、
前記流路内構造物の略凹形を形成する凹部内に流入・堆積した溶融燃料の熱により昇温して溶断することのできる肉薄部を、前記凹部の周壁に当該凹部の周方向に沿って連続して設けたことを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記肉薄部を前記凹部の底部近傍に設けたことを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、当該制御棒案内管の前記流路内構造物の収容位置より下方に、前記凹部の底部の外径Ｄ３より径大の内径Ｄ４を有する排出筒部が下方に向けて形成され、前記凹部の底部が排出筒部側に臨んでいることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１ないし第３のいずれかの手段において、当該制御棒案内管の内側途中に縮径されて内径Ｄ２の段部が形成され、前記段部の内径Ｄ２よりも小径の外径Ｄ１を有する前記流路内構造物の凹部を前記段部の内側に収容して、前記段部と前記凹部の間に隙間が形成され、前記隙間により当該制御棒案内管内を流通する冷却材の流量が調整されることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は前記第１ないし第４のいずれかの手段において、前記冷却材が液体金属ナトリウムであることを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は前記第１ないし第５のいずれかの手段において、前記流路内構造物がダッシュポットであることを特徴とするものである。

本発明は前述のような構成になっており、溶融燃料の炉心外への流出を促進させることのできる高速炉の制御棒案内管を提供することができる。

本発明の実施例に係る制御棒集合体の構造図である。 本発明の実施例に係る制御棒案内管の要部拡大断面図である。 本発明の実施例に係る制御棒集合体への溶融燃料の侵入から流出までの経過を説明する図である。 制御棒集合体の基本的な構造図である。 原子炉容器内部の構造例を示す図である。 原子炉容器内での液体金属ナトリウムの流れの一部を示す図である。 炉心の配置図である。 従来の制御棒集合体への溶融燃料の侵入から流量調整部による溶融燃料の流出阻止までの経過を説明する図である。

次に本発明の実施例を図面とともに説明する。図1は本発明の実施例に係る制御棒集合体の構造図、図２は本発明の実施例に係る制御棒案内管の要部拡大断面図である。

制御棒集合体４０は、制御棒２と、その制御棒２を個別に収容する制御棒案内管４１から主に構成されている。

制御棒案内管４１の下端部には先細り状になったエントランスノズル４２が設けられ、制御棒案内管４１の内側途中には縮径になった段部４３と、その段部４３の下部からエントランスノズル４２の下端開口部までストレートに真下に延びた排出筒部４４が形成され、段部４３の内側にダッシュポット(緩衝器)４５が収容される。

なお、高速炉の通常運転時には排出筒部４４は、図１に示すように液体金属ナトリウム１１の流通路の一部を形成している。

ダッシュポット４５の全体の断面形状は略凹形をしており、ダッシュポット４５の上端外周につば部４６が設けられ、つば部４６の下部に前記略凹形を形成する凹部４７が一体に形成されている。

図２に示すように、凹部４７の周壁の外径Ｄ１は段部４３の内径Ｄ２よりも若干小径（Ｄ１＜Ｄ２）で、凹部４７の周壁には周方向に沿って複数個の穴４８が形成されている。

図１に示すように、制御棒案内管４１の上部からダッシュポット４５を制御棒案内管４１の内側に挿入し、ダッシュポット４５のつば部４６を制御棒案内管４１の段部４３の上に載置すると、ダッシュポット４５の凹部４７が段部４３の内側に収容され、炉心の下部付近に設置される。

このようにしてダッシュポット４５を収容すると、凹部４７の周壁と段部４３との間に、冷却材である液体金属ナトリウム１１が流通する隙間４９（図２参照）が形成される。この隙間４９は、凹部４７の周壁の穴４８を介して凹部４７の内部と連通している。

この隙間４９はそこを流通する液体金属ナトリウム１１の流量を調整（規制）する機能を有しており、従って制御棒案内管４１の段部４３と、ダッシュポット４５の凹部４７とで液体金属ナトリウム１１の流量調整部を構成している。従って図４に示すように、連絡管１８内に流量調整部２０を設ける必要がなく、部品点数の削減と、組み立て工数の削減が図れる。

また、図２に示すように、制御棒案内管４１内にダッシュポット４５を装着した状態で凹部４７の底部５０は、制御棒案内管４１の段部４３と排出筒部４４の連結部付近に位置している。

そして制御棒案内管４１の排出筒部４４の内径Ｄ４は、ダッシュポット４５の底部５０の外径Ｄ３よりも十分に大きく設計されており（Ｄ３≪Ｄ４）、底部５０が排出筒部４４側に臨んでいる。

さらに、凹部４７の周壁の外周面で底部５０の直上近傍には、凹部４７の周方向に連続して延びた凹溝５１が設けられ、それによって凹部４７の周方向に連続して延びた肉薄部５２が形成されている。

図３（ａ），（ｂ）は、制御棒集合体４０への溶融燃料（損傷炉心物質）３１の侵入から流出までの経過を説明する図である。

図３（ａ）に示すように、溶融燃料３１が制御棒集合体１の周壁を溶融して侵入すると、ダッシュポット４５の凹部４７内に流入して堆積する。

図２に示すダッシュポット４５のつば部４６の内周面に形成された傾斜面５３は、侵入した溶融燃料３１をダッシュポット４５の凹部４７内に導くガイドとして機能する。

ダッシュポット４５の肉薄部５２は、凹部４７内に堆積した高温の溶融燃料３１の熱容量効果で昇温して、溶断する。換言すれば、肉薄部５２の厚さは、凹部４７内に堆積した溶融燃料３１の熱容量によって溶断できる程度の厚さに設計されていることになる。

そして図３（ｂ）に示すように、肉薄部５２の溶断に伴い、ダッシュポット４５の下部５０はダッシュポット４５の本体から離れ、堆積した溶融燃料３１と一緒に排出筒部４４から入口プレナムに向かって落下５４して、溶融燃料３１を排出することができる。

前述のように、制御棒案内管４１の排出筒部４４の内径Ｄ４は、ダッシュポット４５の下部５０の外径Ｄ３よりも十分に大きく設計されているから（Ｄ３≪Ｄ４）、堆積した溶融燃料（溶融炉心物質）３１は従来のように停滞することなくスムーズに排出でき、制御棒案内管４１は再臨界を排除するための有効な排出手段となる。

なお、原子炉容器の内部構造ならびに炉心の配置などは図５ならびに図７と同様であるので、それらの重複する説明は省略する。

前記実施例では冷却材として液体金属ナトリウムを使用したが、水などの他の冷却材を使用することも可能である。

前記実施例では図２に示すように、ダッシュポット４５の周壁に、それの軸方向と直交する方向に延びた穴４８を形成したが、ダッシュポット４５の周壁に、それの軸方向に対して斜め上方向に延びた穴を形成することも可能である。

前記実施例では流路内構造物としてダッシュポット４５を用いたが、本発明はダッシュポットに限定されるものではなく、断面形状が略凹形の他の流路内構造物の周壁に肉薄部を設けることも可能である。

１１：液体金属ナトリウム、
１６：上部炉心支持板、
１７：下部炉心支持板、
１８：連絡管、
３１：溶融燃料（損傷炉心物質）、
４０：制御棒集合体、
４１：制御棒案内管、
４２：エントランスノズル、
４３：段部、
４４：排出筒部、
４５：ダッシュポット（緩衝器）、
４６：つば部、
４７：凹部、
４８：穴、
４９：隙間、
５０：下部、
５１：凹溝、
５２：肉薄部、
５４：落下、
Ｄ１：凹部の外径、
Ｄ２：段部の内径、
Ｄ３：底部の外径、
Ｄ４：排出筒部の内径。

Claims (6)

1. 断面形状が略凹形の流路内構造物を内側に収容した高速炉の制御棒案内管において、
   前記流路内構造物の略凹形を形成する凹部内に流入・堆積した溶融燃料の熱により昇温して溶断することのできる肉薄部を、前記凹部の周壁に当該凹部の周方向に沿って連続して設けたことを特徴とする高速炉の制御棒案内管。
2. 請求項１に記載の高速炉の制御棒案内管において、
   前記肉薄部を前記凹部の底部近傍に設けたことを特徴とする高速炉の制御棒案内管。
3. 請求項１または２に記載の高速炉の制御棒案内管において、
   当該制御棒案内管の前記流路内構造物の収容位置より下方に、前記凹部の底部の外径Ｄ３より径大の内径Ｄ４を有する排出筒部が下方に向けて形成され、前記凹部の底部が排出筒部側に臨んでいることを特徴とする高速炉の制御棒案内管。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高速炉の制御棒案内管において、
   当該制御棒案内管の内側途中に縮径されて内径Ｄ２の段部が形成され、前記段部の内径Ｄ２よりも小径の外径Ｄ１を有する前記流路内構造物の凹部を前記段部の内側に収容して、前記段部と前記凹部の間に隙間が形成され、前記隙間により当該制御棒案内管内を流通する冷却材の流量が調整されることを特徴とする高速炉の制御棒案内管。
5. 請求項４に記載の高速炉の制御棒案内管において、
   前記冷却材が液体金属ナトリウムであることを特徴とする高速炉の制御棒案内管。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高速炉の制御棒案内管において、
   前記流路内構造物がダッシュポットであることを特徴とする高速炉の制御棒案内管。