JP2022097583A - 上昇式熱交換器を備えた原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉、特に液体金属冷却型原子炉に関して、熱交換器を提供し、公知の解決法の欠点を全体として克服し、構造上および安全上の利点を有する原子炉内の位置を提供すること。
【解決手段】本発明は、液体金属（例えば鉛または鉛ビスマス共晶合金のような重金属）または溶融塩によって冷却される原子炉１であって、下部の一次流体の入口と、低温コレクタ７内の一次流体の自由表面Ｈ４近傍の周方向出口窓１７とを有する熱交換器１０、特に蒸気発生器を備えた原子炉に関する。出口窓１７は、低温コレクタ７内の自由表面Ｈ４に対して部分的に上昇した管束１３に対して中間位置に配置され、その高さ全体にわたって一次流体が、容器２内の被覆ガス２９に対して交換器の被覆ガス２８内に低圧を生じさせる補助装置２６によって、供給される。交換器を上昇させ、一次冷却材の自由表面Ｈ４の近傍に出口窓１７を位置決めすることにより、熱交換器内の二次流体が偶発的に放出された場合に、一次流体の移動を最小にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は原子炉、特に液体金属冷却型原子炉に関する。

多くの原子炉では、炉心で発生した熱は、第１のプロセス流体である一次冷却材（例えば液体金属）によって伝達され、炉心を備える一次容器の外側又は内側に配置することができる熱交換器によって、第２のプロセス流体（通常沸騰水）に伝達される。

特に液体金属冷却型原子炉の場合には、液体金属熱交換器が容器内に設置される。容器は、その容積内に原子炉構成要素を包含し、一次システムと呼ばれる。このシステムは、ある高さまで液体金属で満たされ、残りは液体金属を原子炉のルーフから分離する被覆ガスを包含する。このルーフには貫通孔が一次システムの構成要素のために配置される。

一次冷却材は自然循環または強制循環によって循環させることができる。

多くの原子炉では、一次冷却材は蒸気圧の低い流体であり、これにより一次容器を原子炉の運転中低圧に保つことができる。第２のプロセス流体は一般に、高圧で作動する流体である。これは、熱交換器の１つまたは複数の管の破損およびその結果としての第２のプロセス流体の流出を含む事故の結果を考慮しなければならないことを意味する。一次容器の過剰な加圧を回避するために、被覆ガスと圧力抑制システムとの間の連絡を提供する通気システムを使用することが一般的な実践である。

現在の技術では、この事故は、（ｉ）（例えば、螺旋管、直管、Ｕ字管を有する）熱交換器が非常に長く、（ｉｉ）熱交換器の内部では、原子炉ルーフのガスを巻き込まないために入口窓が上部ではあるが、一次冷却材の自由表面のかなり下にある状態で、一次冷却材が上から下へ循環し、その結果、（ｉｉｉ）出口窓は非常に低い（典型的には数百ＭＷの電力の原子炉内の一次冷却材の自由表面より５～１０ｍ下）という事実によって悪化する。管が破損した場合にはこのほか、第２のプロセス流体は結果的に容器内の深部に放出され、通気システムに向かって上昇するにつれて、交換器の内側と外側の両方で一次冷却剤の大きな移動を引き起こす。

扁平螺旋管型交換器に一次冷却剤の流出を垂直方向ではなく半径方向に提供する特許文献１（イタリア国特許出願公開第ＭＩ２００７Ａ００１６８５号明細書）の主要解決策によって改善が得られるが、この解決策でさえも、管束の下部での管の破損の場合には、二次冷却材が典型的には２～３ｍの深さで一次容器内に放出されることがあるため、問題を解決しない。

イタリア国特許出願公開第ＭＩ２００７Ａ００１６８５号明細書

このため、本発明の目的は、熱交換器を提供し、公知の解決法の欠点を全体として克服し、構造上および安全上の利点を有する原子炉内の位置を提供することである。

このため、本発明は、添付請求項１に定義されているような熱交換器に関し、添付の従属請求項に定義されているその付随的な特徴およびプラントエンジニアリング構成を備える。

都合の良いことには、熱交換器管の破損事故の間に移動する一次冷却剤の最大量を減少させるために、一次冷却剤流出窓は自由表面にて熱交換器の外部ケーシングの中間領域に位置決めされる。

交換管束は、サイフォン構成によって一次冷却材の自由表面に対して部分的に上昇している。

冷却液が熱交換器内の垂直ダクト内で底部から頂部へ搬送され、次いで熱交換器へ半径方向に流れ、その後、本発明によれば、管束の上部または下部を通って流れる一次流体の一部に対してそれぞれ、交換器の外部ケーシングによって垂直方向の下方または上方に迂回して、原子炉の低温コレクタの一次冷却材の自由表面の近傍の出口窓に達する特許文献１（イタリア国特許出願公開第ＭＩ２００７Ａ００１６８５号明細書）に記載されているように、扁平螺旋管を有する管束を使用することが好ましい。

本発明は、添付の図面の図を参照して、以下の非限定的な実施形態の例にてさらに説明される。
本発明による原子炉及び熱交換器の概略断面図。 本発明による交換器の管束の垂直断面の拡大図。

図１及び図２を参照すると、原子炉１は、ルーフ３で覆われてその内部に炉心４を含む原子炉容器２と、高温コレクタ６とコア４冷却用一次流体Ｆが循環する低温コレクタ７とを区切る液圧分離構造体５と、を備える。低温コレクタ７は、原子炉容器２と液圧分離構造体５との間の範囲の環状領域８によって規定され、このため高温コレクタ６の周囲に配置される。

低温コレクタ７に浸漬された原子炉容器２の内部には、ポンプ９がこのほか、一次流体Ｆを循環させるために収容され、一次流体Ｆと交差する熱交換器１０、好ましくは蒸気発生器が収容され、（既知であり図示しない）外部二次回路にて循環する二次冷却流体に炉心４にて発生した動力を伝達する。好ましくは、一次流体Ｆは液体金属、特に重液体金属、例えば鉛または鉛ビスマス共晶合金である。原子炉容器２の内部にはこのほか、例えば計装および制御棒のための支持構造、残留動力を除去するための補助熱交換器など、既知であり本発明に関連しないことから簡略化のために記載されていない種々の補助装置が収容される。

原子炉１は、熱循環および交換のための複数の熱交換器１０を備える。複数の熱交換器は全体として低温コレクタ７内に配置され、分離構造体５の周囲に円周方向に隙間を置いて配置される。

好ましくは、各熱交換器１０は内部に循環ポンプ９を収容する。この循環ポンプは、作動時に、低温コレクタ７内の一次流体Ｆの高さＨ４を高温コレクタ６内の高さＨ５よりも高くするようにポンプで加圧する。熱交換器１０のそれぞれは、一次流体Ｆと交差する孔１２を備えた円筒状内部シェル１１を有し、それぞれ下部板１４および上部板１５によって底部および上部で閉じられた管束１３を半径方向に供給する。

本発明によれば、管束１３は、交換器１０の外部シェル１６によって閉じられる。この交換器は、都合の良いことには、管束１３に対して可変の対応する半径方向ギャップｄを規定するために軸方向に可変の厚さを有し、熱交換器１０から一次流体Ｆを流出させる円周窓１７が管束１３の中心線の近くに設けられる。都合の良いことには、外部シェル１６は交換器１０の閉鎖板１８と一体であり、管束１３の下部板１４に対して垂直に摺動することができる。

管束の上部板１５は、半径方向隔壁１９によって管束１３の内部シェル１１と一体であり、内部容積２１を分離する垂直円周方向隔壁２０を備え、管束１３の出口と液圧的に連通する外部容積２２から管束１３への入口と流体連通する。

外部シェルの窓１７より上の部分２３と、熱交換器の閉鎖板１８と、相対的なシールを有してポンプ９を支持するフランジ２４とは、全体として上向きのガラスの形状を有する構造を構成し、容積２５の範囲を定める。

ダクト２７によって容積２５に接続されており、当該技術分野で知られているため図示しない補助装置２６が、その中の被覆ガス２８を、熱交換器１０の外側の容器２の被覆ガス２９に対して低圧に維持する。

被覆ガス２８内の低圧と、ポンプ９のヘッドと、一次回路のさまざまな部分の圧力損失の累積的な影響は、一次冷却剤の５つの異なる高さを確定する。すなわち、有孔シェル１１内の高さＨ１から容積２１の高さＨ２、容積２２の高さＨ３、低温コレクタ７の高さＨ４および高温コレクタ６の高さＨ５に徐々に減少する。

円周窓１７は、以下のように配置される。
‐上縁部３０は、低温コレクタの高さＨ４が、ポンプ９の停止過渡事象を含むさまざまなプラント過渡事象に従って変化する際に、常に一次流体に浸漬される。
‐下縁部３１は、容器２からの一次流体の任意の損失および容器２と安全容器３３との間の間隙３２の充填による容器２内の一次流体の高さの低下の後にも、少なくとも５０ｍｍの一次流体に常に浸漬される。

ルーフ３は、容器２内の被覆ガス２９内の圧力を制御する制御システム３５に接続されたダクト３４を備える。

解決策の利点は図面から明らかである。

‐管束１３の中間位置にある交換器から出口窓１７を位置決めすることにより、交換器１０の内側の二次流体の予定の放出点と出口窓との間の最大距離（典型的には１メートル程度）を減少させ、交換器管が破損した場合に、一次流体Ｆが被覆ガス２９に向かってあふれ出る際に、圧力下で二次冷却剤によって置換される交換器の一次流体Ｆの量を最小限に抑える。

‐低温コレクタ７内の自由表面Ｈ４の近傍にて交換器の高さから出口窓１７を位置決めすることにより、交換器管が破損した場合に、一次流体Ｆが被覆ガス２９に向かってオーバーフローする際に、圧力下で二次冷却剤によって置換される、交換器の外側にある一次流体Ｆの質量を最小にする。典型的には、圧力下の二次冷却材は、公知の解決策と同じように、一次冷却材のヘッドの下、数メートルではなく最大数十ｃｍの深さに放出することができる。

特に熱交換器が蒸気発生器である場合、蒸気発生器の１つまたは複数の管の破損によって放出された水‐水蒸気混合物は、一次冷却材Ｆと接触して沸騰を完了し、一次冷却材から自由表面Ｈ４の高さで分離し、次いで被覆ガス２９と混合する。この被覆ガスは、その後、相当量の蒸気が放出された場合に圧力抑制システムとして動作する補助システム３５によって圧力が制御される。

‐低温コレクタ７の自由表面Ｈ４からの熱交換器１０の管束の部分的な上昇は、コアに対する高さの相対的な差を増大させ、その結果自然循環での性能が向上する。

‐容器２から一次流体Ｆが流出する場合、窓１７の上縁部３０が露出することにより、交換器１０の管束の高さＨ４より上の部分が空になる。これは、隙間３２を埋めることに寄与し、窓１７の寸法を小さくしても、窓１７の下縁部３１が露出し、交換器１０を通る循環が停止するのを回避する。

添付の特許請求の範囲から逸脱しない修正および変形は、前述し図示した交換器および交換器を備えた原子炉に対して実施することができることを理解されたい。

Claims (5)

1. 炉心（４）の上方にある高温コレクタ（６）と、前記高温コレクタ（６）を取り囲み、分離構造体（５）によって分離される低温コレクタ（７）であって、前記炉心（４）を冷却するために一次流体（Ｆ）が循環する低温コレクタと、を収容する原子炉容器（２）を具備する原子炉（１）、特に重金属冷却型原子炉であって、
   前記原子炉は、前記高温コレクタ（６）から流入する一次流体を底部から提供するように構成される少なくとも１つの小型の熱交換器（１０）、特に蒸気発生器を具備する、原子炉において、
   前記交換器（１０）は、前記低温コレクタ（７）の前記一次流体の自由表面（Ｈ４）にて周方向出口窓（１７）を有することを特徴とする、原子炉（１）。
2. 前記熱交換器（１０）の前記出口窓（１７）は、前記熱交換器（１０）の外部シェル（１６）に設けられ、前記熱交換器（１０）の管束（１３）の中間部分に位置決めされる、請求項１に記載の原子炉（１）。
3. 前記熱交換器（１０）は、内部に循環ポンプ（９）を収容し、
   前記窓（１７）の上方に位置する前記外部シェル（１６）の上部（２３）と、前記熱交換器（１０）の閉鎖板（１８）と、前記ポンプ（９）を支持するフランジ（２４）とが、相対シールを用いて、前記低温コレクタ（７）の前記一次流体（Ｆ）の前記自由表面（Ｈ４）に対して上昇した容積（２５）を区切る上向きガラスの形状の構造体を全体として構成する、請求項２に記載の原子炉（１）。
4. 前記熱交換器（１０）の前記管束（１３）は、前記容積（２５）の内部にて部分的に延び、前記原子炉容器（２）の被覆ガス（２９）に対して前記容積（２５）内に含有された被覆ガス（２８）の低圧であって、補助装置（２６）によって得られた低圧によって、一次流体（Ｆ）が供給される、請求項３に記載の原子炉（１）。
5. 前記原子炉容器（２）と安全容器（３３）との間に隙間（３２）を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の原子炉（１）であって、
   前記窓（１７）の下縁部（３１）が、前記原子炉容器（２）からの一次流体の漏出及び前記隙間（３２）の充填の後に前記自由表面（Ｈ４）の高さが低下する場合にも、前記低温コレクタ（７）の前記一次流体の前記自由表面（Ｈ４）の下に維持される、原子炉（１）。

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