Development of seismic isolation systems for sodium-cooled fast reactors in Japan

日本における高速炉用免震装置の開発状況

川崎 信史 ; 渡壁 智祥; 若井 隆純 ; 山本 智彦  ; 深沢 剛司*; 岡村 茂樹*

Kawasaki, Nobuchika; Watakabe, Tomoyoshi; Wakai, Takashi; Yamamoto, Tomohiko; Fukasawa, Tsuyoshi*; Okamura, Shigeki*

日本は地震国であり、また、ナトリウム冷却型高速炉では、軽水炉と比較し薄肉化した構造として、機器が設計されている。それゆえに機器にかかる地震力を低減させるために、免震装置が採用されてきた。炉心耐震性及び原子炉容器の座屈健全性の観点から、高速炉用免震装置には、上下8Hz以下の固有周波数が必要となる。このような周波数条件を満足する3種類の免震概念を紹介する。上下8Hzの固有周波数は、厚肉積層ゴムにより達成される。この厚肉積層ゴムと皿バネを組み合わせることにより、上下固有周波数は、35Hzとなる。また、積層ゴムと空気バネを組み合わせ、ロッキング防止装置を組み込むことで、1Hz以下の上下固有周波数が達成できる。上下8Hz免震概念は、厚肉積層ゴムとオイルダンパーで構成されており、本概念が日本のリファレンス高速炉用免震概念である。本概念が選定された理由は、システム構成の簡素さと開発課題の少なさである。上下5Hz免震概念を用いた場合の上下方向の加速度応答は、上下8Hz免震概念と比較し、50%のレベルまで低減することが、解析検討によりわかっている。また、皿バネの静的試験等から、皿バネの設計式は既に検討されている。これらの知見を活用し、厚肉積層ゴムと皿バネを組み合わせることにより、上下5Hz免震装置を設計することが可能である。上下1Hz免震概念を用いた場合の上下方向の加速度応答は、上下8Hz免震概念と比較し、10%のレベルまで低減することが、わかっている。上下固有振動数が1Hzといった領域まで低減するとロッキング防止装置が必要となり、これまで複数のオイルダンパーをオイルラインで結合するタイプのロッキング防止装置等が、検討されてきた。このようにロッキング防止装置がシステムを複雑化しているため、システム構成を今後簡素化していくことが、本概念にとって大きな課題となっている。これら3種類の免震概念が高速炉に適用可能な免震装置であり、これらの免震装置を開発していくことは、サイト毎に、機器仕様の統一化を図ったうえで、適切な耐震余裕を確保していくうえで、重要となるため、今後、地震動条件などの関連動向の変化を踏まえ、開発を継続していく。

Sodium-cooled Fast Reactors (SFRs) have components with thinner walls as compared with light water reactors, although Japan is an earthquake-prone country. Thus, seismic isolation systems have been conventionally employed in SFR system design to reduce seismic forces on the systems in Japan. Implementation of seismic design in the reactor core and buckling design in the reactor vessel requires 8 Hz (or less) vertical frequency's isolation system being applied. This paper introduces three isolation concepts to achieve the frequency. The isolation systems, which enable vertical 8 Hz natural frequency, comprise thicker laminated rubber bearings (TRBs). By combining coned disk springs with TRBs, vertical natural frequency is in a range from roughly 3 Hz to 5 Hz. Combining pneumatic springs to RBs and adding the rocking suppression system, vertical natural frequency becomes under 1 Hz. All isolation systems need horizontal damping like oil dampers. A vertical 8 Hz isolation system with TRBs and oil dampers is under development in Japan as a principal isolation concept. The reasons of choosing this system are its simplicity and the number of developing issues. Since TRBs and oil dampers are basic isolation elements, they can be applied to other isolation systems. The response acceleration of 5 Hz vertical isolation is 50% of that of 8 Hz based on the analytical survey. A series of static tests of coned disk springs was carried out to confirm design equations. Based on these knowledge, 5 Hz vertical isolation system with TRBs and the coned disk springs can be designed. The response acceleration of 1 Hz vertical isolation is 10% of that of 8 Hz. A rocking suppression system was studied in the past, and the further simplification of this system is the largest challenge for this concept. These three isolation concepts are isolation candidates for SFRs in Japan. To obtain enough seismic margins for each plant site, these isolation systems need to be developed.