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【発明の名称】 蒸気発生装置用伝熱管、蒸気発生装置、および高速増殖炉
【発明者】 【氏名】碓井 志典

【氏名】戸田 幹雄
【要約】 【課題】ナトリウムと水との接触を阻止し、安全性に優れた蒸気発生装置を提供すること。

【解決手段】熱交換用の伝熱管５を備えた蒸気発生装置において、伝熱管５を、３重の同心円状に配置された管６、７、８にて構成するとともに、各管６、７、８相互の隙間９、１０に高熱伝導性の液体金属（鉛ビスマス）を導入すること。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 熱交換用の伝熱管を備えた蒸気発生装置において、前記伝熱管を、３重の同心円状に配置された管にて構成するとともに、各管相互の隙間に高熱伝導性の液体金属を導入したことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項２】 熱交換用の伝熱管を備えた蒸気発生装置において、前記伝熱管を、３重の同心円状に配置された内側管、中央管、外側管にて構成するとともに、前記内側管と前記中央管との間、前記中央管と前記外側管との間にそれぞれ隙間を設け、前記各隙間に高熱伝導性の液体金属を導入したことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項３】 請求項２に記載の蒸気発生装置において、前記内側管と前記中央管との間の隙間を保つ第１の隙間保持体と、前記中央管と前記外側管との間の隙間を保つ第２の隙間保持体とを備えたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項４】 請求項３に記載の蒸気発生装置において、前記第１および第２の隙間保持体を前記中央管に備えたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項５】 請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の蒸気発生装置において、前記高熱伝導性の液体金属を貯蔵する貯蔵容器を備え、前記貯蔵容器と前記各隙間とを連通させたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項６】 請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の蒸気発生装置において、前記高熱伝導性の液体金属として鉛ビスマス（ＰｂＢｉ）を用いたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項７】 請求項２乃至６のうちいずれか１項に記載の蒸気発生装置において、前記内側管の内側に蒸気発生材、前記外側管の外側に前記蒸気発生材よりも温度が高い高温流体を流通させ、前記高温流体の熱を、前記外側管、前記外側管と前記中央管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属、前記中央管、前記中央管と前記内側管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属、前記内側管を介して前記蒸気発生材に移動させ、前記蒸気発生材から蒸気を発生させるようにしたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項８】 請求項７に記載の蒸気発生装置において、前記内側管の内側を流通する高温流体の圧力を、前記中央管と前記内側管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属の圧力よりも高くしたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項９】 請求項８に記載の蒸気発生装置において、前記内側管にリークが発生した場合には、前記内側管の内側から、前記中央管と前記内側管との隙間側へと流出した前記蒸気発生材の、前記高熱伝導性の液体金属に含まれる濃度を検出することによって前記リークを検知する濃度検出手段を備えたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項１０】 請求項８または請求項９に記載の蒸気発生装置において、前記内側管にリークが発生した場合には、前記内側管の内側から、前記中央管と前記内側管との隙間側へと放出された圧力によってもたらされる増加圧力を検知することによって前記リークを検知する圧力検出手段を備えたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項１１】 請求項８乃至１０のうちいずれか１項に記載の蒸気発生装置において、前記各隙間と連通し、前記高熱伝導性の液体金属を貯蔵する貯蔵容器と、前記貯蔵容器に備えられ、前記内側管にリークが発生した場合には、前記内側管の内側から、前記中央管と前記内側管との隙間側へと放出される圧力によってもたらされる増加圧力を吸収するためのカバーガス領域とを備えたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項１２】 請求項７乃至１１のうちいずれか１項に記載の蒸気発生装置において、前記蒸気発生材を水、前記高温流体をナトリウム（Ｎａ）としたことを特徴とする蒸気発生装置。
【請求項１３】 蒸気発生装置に備えられ、蒸気発生材と高温流体との熱交換を行う蒸気発生装置用伝熱管であって、３重の同心円状に配置された管にて構成するとともに、各管相互の隙間に高熱伝導性の液体金属を導入したことを特徴とする蒸気発生装置用伝熱管。
【請求項１４】 蒸気発生装置に備えられ、被冷却材と冷却材との熱交換を行う蒸気発生装置用伝熱管であって、３重の同心円状に配置された内側管、中央管、外側管にて構成するとともに、前記内側管と前記中央管との間、前記中央管と前記外側管との間にそれぞれ隙間を設け、前記各隙間に高熱伝導性の液体金属を導入したことを特徴とする蒸気発生装置用伝熱管。
【請求項１５】 請求項１４に記載の蒸気発生装置用伝熱管において、前記内側管と前記中央管との間の隙間を保つ第１の隙間保持体と、前記中央管と前記外側管との間の隙間を保つ第２の隙間保持体とを備えたことを特徴とする蒸気発生装置用伝熱管。
【請求項１６】 請求項１５に記載の蒸気発生装置用伝熱管において、前記第１および第２の隙間保持体を前記中央管に備えたことを特徴とする蒸気発生装置用伝熱管。
【請求項１７】 請求項１３乃至１６のうちいずれか１項に記載の蒸気発生装置用伝熱管において、前記高熱伝導性の液体金属として鉛ビスマス（ＰｂＢｉ）を用いたことを特徴とする蒸気発生装置用伝熱管。
【請求項１８】 請求項１４乃至１７のうちいずれか１項に記載の蒸気発生装置用伝熱管において、前記内側管の内側に蒸気発生材、前記外側管の外側に前記蒸気発生材よりも温度が高い高温流体を流通させ、前記高温流体の熱を、前記外側管、前記外側管と前記中央管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属、前記中央管、前記中央管と前記内側管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属、前記内側管を介して前記蒸気発生材に移動させ、前記蒸気発生材から蒸気を発生させるようにしたことを特徴とする蒸気発生装置用伝熱管。
【請求項１９】 請求項１８に記載の蒸気発生装置用伝熱管において、前記内側管の内側を流通する高温流体の圧力を、前記中央管と前記内側管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属の圧力よりも高くしたことを特徴とする蒸気発生装置用伝熱管。
【請求項２０】 請求項１８または請求項１９に記載の蒸気発生装置用伝熱管において、前記蒸気発生材を水、前記高温流体をナトリウム（Ｎａ）としたことを特徴とする蒸気発生装置用伝熱管。
【請求項２１】 冷却材としてナトリウムを用いた高速増殖炉であって、炉心に装荷された核燃料の核分裂により発生する核分裂エネルギーによって前記冷却材を加熱し、請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の蒸気発生装置を用いて、前記加熱された冷却材であるナトリウムと、水との熱交換を行い、前記水を蒸気に転換するようにしたことを特徴とする高速増殖炉。
【請求項２２】 冷却材としてナトリウムを用いた高速増殖炉であって、核燃料が装荷されてなる炉心が配置された原子炉容器を含み、前記炉心を冷却する前記冷却材を循環させる第１のループと、前記第１のループに備えられ、前記核燃料の核分裂により発生する核分裂エネルギーによって発熱した炉心を冷却し、自身は加熱される前記冷却材であるナトリウムと水との熱交換を行い前記水を蒸気に転換させる、請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の蒸気発生装置とを備えたことを特徴とする高速増殖炉。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、蒸気発生装置用伝熱管、蒸気発生装置、および高速増殖炉に係り、更に詳しくは、物理的に独立している複数の同心円状の管から構成される蒸気発生装置用伝熱管、およびこの蒸気発生装置用伝熱管を用いることによって、万が一、一方の管が破損した場合であっても、他方の管が同時に破損することのない蒸気発生装置、更には、この蒸気発生装置を用いることによって、２次ナトリウム系ループを省略することが可能な高速増殖炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来主流の高速増殖炉は、冷却材としてナトリウムが使用されている。ナトリウムは水と接触すると爆発的な化学反応を生じる物質であることが知られている。したがって、図７の系統概要図に示すように、蒸気発生装置３９の伝熱管破損が生じても、原子炉内を循環し放射性を帯びたナトリウムと水とが接触し爆発反応を引き起こすことが無いように、１次ナトリウム系ループ４０の他に、２次ナトリウム系ループ４１が設けられている。
【０００３】１次ナトリウム系ループ４０には、このループ内においてナトリウムを循環させるための１次循環ポンプ４２が備えられている。この１次循環ポンプ４２によって冷却材であるナトリウムが１次ナトリウム系ループ４０内を循環する。この１次ナトリウム系ループ４０は、原子炉容器４３、中間熱交換器４４に導かれており、これによって、原子炉容器４３内の炉心４５で発生した熱が、１次ナトリウム系ループ４０を循環するナトリウムによって除去される。一方、このナトリウムは、炉心４５において加熱された後に、中間熱交換器４４に導かれる。そして、中間熱交換器４４において、２次ナトリウム系ループ４１内を循環するナトリウムによって冷却され、再び原子炉容器４３側に導かれる。
【０００４】一方、２次ナトリウム系ループ４１にもまた、このループ内においてナトリウムを循環させるための２次循環ポンプ４６が備えられている。この２次循環ポンプ４６によって冷却材であるナトリウムが２次ナトリウム系ループ４１内を循環する。この２次ナトリウム系ループ４１は、中間熱交換器４４、蒸気発生装置３９に導かれており、これによって、中間熱交換器４４において、１次ナトリウム系ループ４０内を循環するナトリウムが、２次ナトリウム系ループ４１内を循環するナトリウムによって冷却される。一方、２次ナトリウム系ループ４１内を循環するナトリウムは、中間熱交換器４４において加熱された後に、蒸気発生装置３９に導かれる。そして、蒸気発生装置３９において、水ループ４７内を循環する冷却水によって冷却され、再び２次ナトリウム系ループ４１内を循環する。
【０００５】この水ループ４７には、このループ内において水を循環させる給水ポンプ４８が備えられている。この給水ポンプ４８によって水がこの水ループ４７内を循環する。この水ループ４７は、蒸気発生装置３９、タービン４９に導かれており、これによって、蒸気発生装置３９において、２次ナトリウム系ループ４１内を循環するナトリウムが、水ループ４７内を循環する水によって冷却される。一方、水ループ４７内を循環する水は、蒸気発生装置３９において加熱され蒸気となってタービン４９に導かれ、タービン４９の回転に供される。そして、この蒸気によってタービン４９が回転することによって発電される。
【０００６】上述したように、冷却材としてナトリウムを用いた高速増殖炉では、２次ナトリウム系ループ４１を設けることによって、万が一、蒸気発生装置３９の伝熱管に破損が生じても、ナトリウムと水との反応による圧力上昇や反応物生成によって炉心の健全性が損なわれないような対策が講じられている。
【０００７】このように、冷却材としてナトリウムを用いた高速増殖炉プラントでは、２次ナトリウム系ループ４１が設置されており、この２次ナトリウム系ループ４１を削除することが経済的に有利なプラントとなる。
【０００８】その有望な概念として、蒸気発生装置の伝熱管として、図８にその断面図を示すような二重管伝熱管５１を用いるという概念がある。
【０００９】このような二重管伝熱管５１を用いた蒸気発生装置は、図８および図９（ａ）に示すように、その内側に高圧の水蒸気の流れる内管６と、その外側をナトリウムが流れる外管８とが機械的に密着した密着二重管や、図９（ｂ）に示すように、内管６と外管８との間に0.4mm程度の組網線５２を挟んだ組網線入り二重管がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような二重管伝熱管５１を用いた蒸気発生装置を適用した高速増殖炉では、以下のような問題がある。
【００１１】すなわち、図９に示すような二重管伝熱管５１は、素材メーカーで製作されるため、製造法が同じという理由で伝熱管の安全シナリオ構築上、内管６と外管８との同時破損を回避することが困難である。
【００１２】つまり、図９に示すような二重管伝熱管５１は、内管６と外管８とが機械的に接触しているため、一方の管が破損した場合の機械的荷重が他方の管に伝達され、他方の管の破損を引き起こすものとみなされる。このように、図９に示すような二重管伝熱管５１は、単管による伝熱管と同じと見なされるために、このような二重管伝熱管５１を蒸気発生装置１に適用しても２次ナトリウム系ループ４１を削除することはできないという問題がある。
【００１３】本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、ナトリウムを冷却材として用いた高速増殖炉において用いられる蒸気発生装置の伝熱管を、複数の同心円状の管から構成し、各々の管の間に隙間を設けることにより、万が一、一方の管が破損した場合であっても、その機械的荷重が他方の管に伝達されることがないようにし、もって、複数の同心円状の管が同時破損することのない蒸気発生装置用伝熱管を提供することにある。
【００１４】また、その第２の目的は、ナトリウムと水との間の熱交換を行い蒸気を発生させる蒸気発生装置に、第１の目的に記載したような蒸気発生装置用伝熱管を適用することによって、万が一、一方の管が破損した場合であっても、ナトリウムと水との接触を阻止し、安全性に優れた蒸気発生装置を提供することにある。
【００１５】更にまた、その第３の目的は、ナトリウムを冷却材として用いた高速増殖炉において、第２の目的に記載したような蒸気発生装置を適用することによって、２次ナトリウム系ループを削除することが可能で、経済的に優れた高速増殖炉を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。
【００１７】すなわち、請求項１の発明では、熱交換用の伝熱管を備えた蒸気発生装置において、伝熱管を、３重の同心円状に配置された管にて構成するとともに、各管相互の隙間に高熱伝導性の液体金属を導入する。
【００１８】請求項２の発明では、熱交換用の伝熱管を備えた蒸気発生装置において、伝熱管を、３重の同心円状に配置された内側管、中央管、外側管にて構成するとともに、内側管と中央管との間、中央管と外側管との間にそれぞれ隙間を設け、各隙間に高熱伝導性の液体金属を導入する。
【００１９】請求項３の発明では、請求項２の発明の蒸気発生装置において、内側管と中央管との間の隙間を保つ第１の隙間保持体と、中央管と外側管との間の隙間を保つ第２の隙間保持体とを備える。
【００２０】請求項４の発明では、請求項３の発明の蒸気発生装置において、第１および第２の隙間保持体を中央管に備える。
【００２１】請求項５の発明では、請求項１乃至４のうちいずれか１項の発明の蒸気発生装置において、高熱伝導性の液体金属を貯蔵する貯蔵容器を備え、貯蔵容器と各隙間とを連通させる。
【００２２】請求項６の発明では、請求項１乃至５のうちいずれか１項の発明の蒸気発生装置において、高熱伝導性の液体金属として鉛ビスマス（ＰｂＢｉ）を用いる。
【００２３】請求項７の発明では、請求項２乃至６のうちいずれか１項の発明の蒸気発生装置において、内側管の内側に蒸気発生材、外側管の外側に蒸気発生材よりも温度が高い高温流体を流通させ、高温流体の熱を、外側管、外側管と中央管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属、中央管、中央管と内側管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属、内側管を介して蒸気発生材に移動させ、蒸気発生材から蒸気を発生させる。
【００２４】請求項８の発明では、請求項７の発明の蒸気発生装置において、内側管の内側を流通する高温流体の圧力を、中央管と内側管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属の圧力よりも高くする。
【００２５】請求項９の発明では、請求項８の発明の蒸気発生装置において、内側管にリークが発生した場合には、内側管の内側から、中央管と内側管との隙間側へと流出した蒸気発生材の、高熱伝導性の液体金属に含まれる濃度を検出することによってリークを検知する濃度検出手段を備える。
【００２６】請求項１０の発明では、請求項８または請求項９の発明の蒸気発生装置において、内側管にリークが発生した場合には、内側管の内側から、中央管と内側管との隙間側へと放出された圧力によってもたらされる増加圧力を検知することによってリークを検知する圧力検出手段を備える。
【００２７】請求項１１の発明では、請求項８乃至１０のうちいずれか１項の発明の蒸気発生装置において、各隙間と連通し、高熱伝導性の液体金属を貯蔵する貯蔵容器と、貯蔵容器に備えられ、内側管にリークが発生した場合には、内側管の内側から、中央管と内側管との隙間側へと放出される圧力によってもたらされる増加圧力を吸収するためのカバーガス領域とを備える。
【００２８】請求項１２の発明では、請求項７乃至１１のうちいずれか１項の発明の蒸気発生装置において、蒸気発生材を水、高温流体をナトリウム（Ｎａ）とする。
【００２９】請求項１３の発明では、蒸気発生装置に備えられ、蒸気発生材と高温流体との熱交換を行う蒸気発生装置用伝熱管であって、３重の同心円状に配置された管にて構成するとともに、各管相互の隙間に高熱伝導性の液体金属を導入する。
【００３０】請求項１４の発明では、蒸気発生装置に備えられ、被冷却材と冷却材との熱交換を行う蒸気発生装置用伝熱管であって、３重の同心円状に配置された内側管、中央管、外側管にて構成するとともに、内側管と中央管との間、中央管と外側管との間にそれぞれ隙間を設け、各隙間に高熱伝導性の液体金属を導入する。
【００３１】請求項１５の発明では、請求項１４の発明の蒸気発生装置用伝熱管において、内側管と中央管との間の隙間を保つ第１の隙間保持体と、中央管と外側管との間の隙間を保つ第２の隙間保持体とを備える。
【００３２】請求項１６の発明では、請求項１５の発明の蒸気発生装置用伝熱管において、第１および第２の隙間保持体を中央管に備える。
【００３３】請求項１７の発明では、請求項１３乃至１６のうちいずれか１項の発明の蒸気発生装置用伝熱管において、高熱伝導性の液体金属として鉛ビスマス（ＰｂＢｉ）を用いる。
【００３４】請求項１８の発明では、請求項１４乃至１７のうちいずれか１項の発明の蒸気発生装置用伝熱管において、内側管の内側に蒸気発生材、外側管の外側に蒸気発生材よりも温度が高い高温流体を流通させ、高温流体の熱を、外側管、外側管と中央管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属、中央管、中央管と内側管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属、内側管を介して蒸気発生材に移動させ、蒸気発生材から蒸気を発生させる。
【００３５】請求項１９の発明では、請求項１８の発明の蒸気発生装置用伝熱管において、内側管の内側を流通する高温流体の圧力を、中央管と内側管との隙間に導入された高熱伝導性の液体金属の圧力よりも高くする。
【００３６】請求項２０の発明では、請求項１８または請求項１９の発明の蒸気発生装置用伝熱管において、蒸気発生材を水、高温流体をナトリウム（Ｎａ）とする。
【００３７】請求項２１の発明では、冷却材としてナトリウムを用いた高速増殖炉であって、炉心に装荷された核燃料の核分裂により発生する核分裂エネルギーによって冷却材を加熱し、請求項１乃至１２のうちいずれか１項の発明の蒸気発生装置を用いて、加熱された冷却材であるナトリウムと、水との熱交換を行い、水を蒸気に転換する。
【００３８】請求項２２の発明では、冷却材としてナトリウムを用いた高速増殖炉であって、核燃料が装荷されてなる炉心が配置された原子炉容器を含み、炉心を冷却する冷却材を循環させる第１のループと、第１のループに備えられ、核燃料の核分裂により発生する核分裂エネルギーによって発熱した炉心を冷却し、自身は加熱される冷却材であるナトリウムと水との熱交換を行い水を蒸気に転換させる、請求項１乃至１２のうちいずれか１項の発明の蒸気発生装置とを備える。
【００３９】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００４０】なお、以下の各実施の形態の説明に用いる図中の符号は、図７から図９と同一部分については同一符号を付して示すことにする。
【００４１】（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態を図１から図５を用いて説明する。
【００４２】図１は第１の実施の形態に係る蒸気発生装置の全体構成の一例を示す断面図、図２は伝熱管の詳細を示す断面図、図３は図２中に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００４３】すなわち、本実施の形態に係る蒸気発生装置１は、上部鏡２および下部鏡３と接続している容器４内に、複数の伝熱管５を配してなる。
【００４４】伝熱管５は、図２および図３に示すように、内管６、中央管７、外管８を同心円状に配し、それぞれの管の間に、伝熱を阻害しない範囲で隙間９、１０（約0.5mm：これは製作性や伝熱上から決める数字で任意）を備えている。それぞれの管は例えば12Crや９CrといったCr鋼によって製造するが、一般的に伝熱管に用いられている材料であれば、その他の鋼材を用いて製造しても良い。
【００４５】このように、伝熱管５は、内管６と中央管７との間の隙間９、中央管７と外管８との間の隙間１０をそれぞれ備えていることによって、各々の管６、７、８を互いに分離させている。したがって、万が一、内管６もしくは外管８が破損した場合であっても、その破損時の圧力は、中央管７が保持し、機械的な荷重も中央管７が吸収するため、内管６と外管８と同時には破損しないようにしている。また、製作工程上も、工場で管を３重に組み上げ、素管の製作及び組立製作も分離していることから、同一の材料とは見なされず同一起因事象による同時破損を問われない。
【００４６】下部鏡３には、冷却水入口ノズル１１を備えている。この冷却水入口ノズル１１は、伝熱管５の内管６の下端部に接続しており、内管６の内部に冷却水Ｗを供給する。このように伝熱管５に供給された冷却水Ｗは、内管６内を上昇する。そして、後述するように、上昇途中において外管８の外側を下降する高温のナトリウム（Ｎａ）と熱交換を行い、ナトリウムから熱を奪ってナトリウムを冷却する一方、自らはこの熱を受熱することによって蒸気となる。
【００４７】上部鏡２には、蒸気出口ノズル１２を備えている。この蒸気出口ノズル１２は、伝熱管５の内管６の上端部に接続しており、内管６の内部を上昇してくる蒸気を、例えばタービン回転用の蒸気としてタービン設備に供給したり、あるいは熱源として供給する。
【００４８】また、下部鏡３には、鉛ビスマス供給口１４を備えている。この鉛ビスマス供給口１４は、容器４の内部に熱伝導性の高い液体金属として例えば鉛ビスマス（ＰｂＢｉ）を供給する。このように容器４の内部に供給された鉛ビスマスは、図２に示すように、下部分離板１６の下端部から、伝熱管５の内管６と中央管７との間の隙間９、および中央管７と外管８との間の隙間１０に導入されるようにしている。つまり、容器４と下部鏡３とを分離する下部分離板１６は、伝熱管５を貫通させるための貫通穴を備えており、この貫通穴に伝熱管５の外管８の下部をシール溶接している。この場合、外管８および中央管７の下端部は、下部分離板１６の下端部とほぼ一致させている。
【００４９】同様に、容器４と上部鏡２とを分離する上部分離板１７もまた、伝熱管５を貫通させるための貫通穴を備えており、この貫通穴に伝熱管５の外管８の上部をシール溶接している。この場合、外管８および中央管７の上端部は、上部分離板１７の上端部とほぼ一致させている。なお、中央管７の上端部には、図４に示すようなツバ１８を備えており、図２に示すようにこのツバ１８を上部分離板１７の上端部に引っ掛ける。これによって、中央管７が容器４から下部鏡３側へと抜け落ちないようにしている。
【００５０】このような構成とすることによって、各々の隙間９、１０は下部鏡３側、および上部鏡２側において互いに連通し、かつ、各隙間９、１０には、鉛ビスマス供給口１４から供給された鉛ビスマスが導入されるようになる。
【００５１】また、図４に示すように、内管６および中央管７にスペーサワイヤ２０をスパイラル状に巻くことによって、隙間９、１０の間隔を保持している。なお、スペーサワイヤ２０を巻く代わりに、図５の断面図に示すように、中央管７に突起部２１、２２を備え、これによって隙間９、１０の間隔を保持するようにしても良い。すなわち、中央管７の外向きに備えた突起部２１によって隙間１０の間隔を保持し、中央管７の内向きに備えた突起部２２によって隙間９の間隔を保持するようにしても良い。なお、両隙間９、１０の間隔は、同じでも、同じでなくても構わない。
【００５２】本実施の形態に係る蒸気発生装置１では、下部鏡３の内部、各隙間９、１０の内部を鉛ビスマスで満たすために、上部鏡２内の鉛ビスマス液面２３まで、鉛ビスマスを鉛ビスマス供給口１４から供給する。なお、上部鏡２内部の鉛ビスマス液面２３の上部空間は、例えばアルゴンガスなどの不活性ガスを充満させたカバーガス領域２４としている。更に、上部鏡２には、カバーガス領域２４と空間的に連通している圧力放出ノズル２５を備えている。
【００５３】上部鏡２の内部には、鉛ビスマスに含まれる湿度を測定する湿分計２７を備えている。また、圧力放出ノズル２５には圧力計２８を備え、カバーガス領域２４の圧力が上昇した場合には、この圧力計２８によって、それを検知できるようにしている。
【００５４】一方、容器４には、ナトリウム入口ノズル３０とナトリウム出口ノズル３１とを備えている。ナトリウム入口ノズル３０は、高温のナトリウムを容器４内に導入するためのノズルである。また、ナトリウム出口ノズル３１は、容器４に導入されたナトリウムを排出するためのノズルである。このナトリウム入口ノズル３０から容器４内に導入された高温のナトリウムは、伝熱管５の外管８の外側を下降する過程において、内管６の内部を上昇する冷却水Ｗとの間で、伝熱管５を介した熱交換を行い、冷却水Ｗを蒸発させる一方、自らは冷却されて低温のナトリウムとなり、ナトリウム出口ノズル３１から蒸気発生装置１の外部に排出されるようにしている。なお、冷却水Ｗとナトリウムとの間で行われる熱交換は、外管８、隙間１０に導入されている鉛ビスマス、中央管７、隙間９に導入されている鉛ビスマス、内管６を介した熱伝達によって行われるが、鉛ビスマスは、熱伝導性が高い物質であることから、伝熱管５の断面径方向に沿ってなされるこのような熱伝達の効率を著しく低下させることはない。
【００５５】このように構成することによって、本実施の形態に係る蒸気発生装置１は、図３に示すように、伝熱管５の内管６の内側に冷却水Ｗを、隙間９、１０に鉛ビスマス（ＰｂＢｉ）を、外管８の外側にナトリウム（Ｎａ）を導入する。なお、圧力を比較すると、内管６の内側、次いで隙間９、１０、外管８の外側の順に圧力を低くしている。一例として、内管６の内側の圧力は約１６０気圧、外管８の外側の圧力は約１〜２気圧としている。
【００５６】次に、以上のように構成した本実施の形態に係る蒸気発生装置の作用について説明する。
【００５７】本実施の形態に係る蒸気発生装置１では、その下部に設けられた冷却水入口ノズル１１から、伝熱管５の内管６の内側に、冷却水Ｗが高圧（約１６０気圧）で導入される。導入された冷却水Ｗは内管６の内部を上昇して行く。
【００５８】また、鉛ビスマス供給口１４から伝熱管５の隙間９および隙間１０には、熱伝導性の高い液体金属である鉛ビスマスが導入される。なお、隙間９および隙間１０の圧力は、内管６の内部圧力よりも低く、外管８の外側圧力よりも高い。
【００５９】更に、ナトリウム入口ノズル３０から、伝熱管５の外管８の外側に、高温のナトリウムがほぼ常圧（約１〜２気圧）で導入される。導入された高温のナトリウムは、外管８の外側を下降して行く。
【００６０】これによって、上昇する冷却水Ｗと、下降する高温のナトリウムとの間における熱交換が伝熱管５を介してなされる。すなわち、高温のナトリウムが下降している外管８の外側から、冷却材が上昇している内管６の内側へ熱が伝達する。この熱の伝達は、外管８、隙間１０に導入されている鉛ビスマス、中央管７、隙間９に導入されている鉛ビスマス、内管６を介して行われるが、鉛ビスマスは、熱伝導性が高い物質であることから、伝熱管５の断面径方向に沿ってなされるこのような熱伝達は、効率良く行われる。
【００６１】これによって、外管８の外側のナトリウムは冷却され、ナトリウム出口ノズル３１から排出される。一方、内管６の内側の冷却水Ｗは、蒸気に転換され、この蒸気は、蒸気出口ノズル１２から排出される。
【００６２】次に、万が一、伝熱管５の内管６および外管８のうちのいずれかの管が破損した場合の作用について説明する。
【００６３】伝熱管５は、例えばスペーサワイヤ２０や中央管７に備えられた突起部２１、２２によって、内管６と中央管７との間に隙間９が、また、中央管７と外管８との間に隙間１０がそれぞれ確保され、これによって、各々の管６、７、８が互いに分離している。
【００６４】したがって、万が一、内管６もしくは外管８が破損した場合であっても、その破損時の圧力は、中央管７によって保持され、機械的な荷重もまた中央管７によって吸収されるため、内管６と外管８とは同時には破損しない。すなわち、冷却水Ｗとナトリウムとが接触しないので、ナトリウムと水との爆発反応が阻止される。
【００６５】更に、このように破損時の圧力が、隙間９、１０に導入された鉛ビスマスによって保持された場合、この保持された圧力によって、鉛ビスマス液面２３の上部空間であるカバーガス領域２４の圧力が高められる。その結果、カバーガス領域２４に充満されているアルゴンガスなどのガスが圧力放出ノズル２５を介して放出される。この圧力が圧力計２８に検知されることによって、内管６もしくは外管８に破損が生じたものと判定される。
【００６６】更にまた、破損した管が内管６であった場合には、内管２９の内部の圧力が隙間９、１０よりも高いために、内管２９の破損箇所から、隙間９、１０側へと冷却水Ｗが流出し、隙間９、１０に導入されている鉛ビスマスと混合し、鉛ビスマス中の湿分が上昇する。この湿分の上昇が湿分計２７によって検知されることによって、内管６に破損が生じたものと判定される。
【００６７】上述したように、本実施の形態に係る蒸気発生装置１においては、上記のような作用により、万が一、内管６および外管８のうちいずれか一方の管が破損した場合であっても、その破損によって生じる圧力上昇、機械的荷重は、中央管７によって吸収され、他方の管に伝達されないので、内管６と外管８との同時破損を阻止することができる。
【００６８】内管６と外管８との間に、隙間９、１０を介することによって、それぞれの管と分離している中央管７を設けることによって、外管８の外側を流れる高温のナトリウムと、内管６の内側を流れる冷却水Ｗとの間の熱交換の効率低下が懸念される。しかしながら、熱伝導特性に優れた液体金属である鉛ビスマスを隙間９、１０に導入することによって、ナトリウムと冷却水との熱交換を効率良く行うことができる。
【００６９】また、万が一、内管６および外管８のうちいずれか一方の管が破損した場合には、その破損によって生じる圧力上昇が圧力計２８によって検知されることによって、破損が生じたことを検知することができる。特に、内管６が破損した場合には、内管６から流出する冷却水Ｗによって上昇する鉛ビスマス中の湿分が湿分計９１によって測定されることによっても、内管６に破損が生じたことを検知することができる。
【００７０】すなわち、ナトリウムと水との爆発反応を阻止することが可能で、かつ、内管６または外管８に破損が生じた場合には、それを検知することが可能となる。
【００７１】なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、次のようにしても同様に実施できるものである。
【００７２】すなわち、上記実施の形態では、内管６の内部に高圧の冷却水Ｗを、外管８の外側に常圧高温のナトリウムをそれぞれ導入する場合について説明したが、内管６の内部に常圧高温のナトリウムを、外管８の外側に高圧の冷却水Ｗを導入するようにしても良い。この場合、図１に示すナトリウム出口ノズル３１から冷却材を導入し、ナトリウム入口ノズル３０から蒸気を排出するようにする一方、蒸気出口ノズル１２からナトリウムを導入し、冷却水入口ノズル１１からナトリウムを排出するようにする。
【００７３】また、上記実施の形態は、蒸気発生装置によって発生された蒸気を更に加熱する同機能の装置、例えば過熱器に適用することも可能である。
【００７４】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態を図６を用いて説明する。
【００７５】図６は、本実施の形態に係る高速増殖炉の系統概要図であり、図７と同一部分には同一符号を付している。
【００７６】すなわち、本実施の形態に係る高速増殖炉は、第１の実施の形態に係る蒸気発生装置１を適用し、図７に示す従来技術による高速増殖炉から、２次ナトリウム系ループ４１、およびそれに付随する中間熱交換器４４、２次循環ポンプ４６を省略した構成としている。
【００７７】ナトリウム系ループ３３は、ポンプ３４を備えている。そして、このポンプ３４は、ナトリウムをナトリウム系ループ３３内で循環させる。ナトリウム系ループ３３の途中には、原子炉容器４３、蒸気発生装置１を接続している。
【００７８】ポンプ３４によって昇圧され原子炉容器４３に送られたナトリウムは、原子炉容器４３内の炉心４５で発生した熱を奪い、炉心４５を冷却するとともに、自身は加熱されて高温ナトリウムとなる。更に、この高温ナトリウムは、図１に示すナトリウム入口ノズル３０から蒸気発生装置１に導入され、蒸気を発生するための熱源として利用された後にナトリウム出口ノズル３１から排出されて再びナトリウム系ループ３３に戻る。
【００７９】一方、水ループ４７には、このループ内において冷却水Ｗを循環させる給水ポンプ４８を備えており、この給水ポンプ４８によって、水ループ４７内に冷却水Ｗを循環させる。この水ループ４７の途中には、蒸気発生装置１、タービン４９を接続している。
【００８０】給水ポンプ４８によって昇圧された冷却水Ｗは、図１に示す冷却水入口ノズル１１から蒸気発生装置１に導入され、伝熱管５を介して高温ナトリウムによって加熱されて蒸気となり、蒸気出口ノズル１２から排出されるようにしている。給水ポンプ４８は、このようにして蒸気出口ノズル１２から排出された蒸気を、タービン回転用の蒸気としてタービン４９へ送る。そして、この蒸気によってタービン４９を回転させ、発電する。タービン４９の回転に供された蒸気は、冷却水Ｗに復水され、再び水ループ４７に戻る。
【００８１】次に、以上のように構成した本実施の形態に係る高速増殖炉の作用について説明する。
【００８２】本実施の形態に係る高速増殖炉の冷却材であるナトリウムは、ポンプ３４によって昇圧され、ナトリウム系ループ３３内を循環する。そして、原子炉容器４３に送られると、炉心４５で発生した熱が、この循環しているナトリウムによって奪われ、炉心４５が冷却される。一方、ナトリウムは加熱されて高温ナトリウムとなり、ナトリウム入口ノズル３０から蒸気発生装置１に導入される。
【００８３】一方、水ループ４７内の冷却水Ｗは、給水ポンプ４８によって、この水ループ４７内を循環する。そして、冷却水入口ノズル１１から蒸気発生装置１に導入される。
【００８４】これによって、蒸気発生装置１では、伝熱管５の外管８の外側に高温のナトリウムが導入され、内管６の内部に冷却水Ｗが導入されることによって、高温のナトリウムと冷却水Ｗとの間での熱交換がなされる。
【００８５】この熱交換によって、冷却水Ｗは蒸気に転換され、蒸気出口ノズル１２から排出される。排出された蒸気は、給水ポンプ４８によって、タービン回転用の蒸気としてタービン４９へ送られる。そして、この蒸気によってタービン４９が回転し、発電される。タービン４９の回転に供された蒸気は、冷却水Ｗに復水され、再び水ループ４７に戻る。
【００８６】一方、この熱交換によって、高温のナトリウムは冷却され、ナトリウム出口ノズル３１から排出され、再びナトリウム系ループ３３に戻される。
【００８７】本実施の形態に係る高速増殖炉は、第１の実施の形態に係る蒸気発生装置１を適用していることから、伝熱管５において内管６と外管８とが同時に破損することが無く、ナトリウムと水とが接触しない。
【００８８】このため、従来技術の高速増殖炉において設けていた２次ナトリウム系ループ４１、中間熱交換器４４、ポンプ４６、および２次ナトリウム系ループ４１に設けられた図示しないその他の機器類を削除することが可能となる。これによって構成が簡素化されるので、安全性を確保しつつ、経済的に優れた高速増殖炉を実現することが可能となる。なお、２次ナトリウム系ループ４１、中間熱交換器４４、ポンプ４６、および２次ナトリウム系ループ４１に設けられた図示しないその他の機器類を削除することによって、約３０％のコスト低減効果があると概算されている。
【００８９】以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００９０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、ナトリウムを冷却材として用いた高速増殖炉において用いられる蒸気発生装置の伝熱管を、複数の同心円状の管から構成し、各々の管の間に隙間を設けることにより、万が一、一方の管が破損した場合であっても、その機械的荷重が他方の管に伝達されることがないようにすることができる。
【００９１】以上により、複数の同心円状の管が同時に破損することのない蒸気発生装置用伝熱管を実現することができる。
【００９２】また、ナトリウムと水との間の熱交換を行い蒸気を発生させる蒸気発生装置に、この蒸気発生装置用伝熱管を適用することによって、万が一、一方の管が破損した場合であっても、ナトリウムと水との接触を阻止し、安全性に優れた蒸気発生装置を実現することができる。
【００９３】更にまた、ナトリウムを冷却材として用いた高速増殖炉において、この蒸気発生装置を適用することによって、２次ナトリウム系ループを削除することが可能で、経済的に優れた高速増殖炉を実現することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００６２０８
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
【出願日】 平成１３年１月１６日（２００１．１．１６）
【代理人】 【識別番号】１０００５８４７９
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴江 武彦 （外５名）
【公開番号】 特開２００２−２１４３８６（Ｐ２００２−２１４３８６Ａ）
【公開日】 平成１４年７月３１日（２００２．７．３１）
【出願番号】 特願２００１−７８００（Ｐ２００１−７８００）