JP2005140711A

JP2005140711A - 原子力発電プラント

Info

Publication number: JP2005140711A
Application number: JP2003379257A
Authority: JP
Inventors: Shiro Takahashi; 志郎高橋; Masaya Otsuka; 雅哉大塚; Koji Shiina; 孝次椎名; Shinichi Hisatsune; 眞一久恒; Kimiaki Moriya; 公三明守屋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】
本発明の目的は原子炉の給水配管内において異物捕捉構造を備えた原子力発電プラントを提供する。
【解決手段】
上記課題を解決するために、本発明の原子力発電プラントでは、原子炉に最も近い高圧給水加熱器から原子炉内の給水スパージャまでの経路に、重力，慣性力，遠心力又は磁力を利用して異物を捕捉するための構造物を設置することを特徴とするものである。
また、上記課題を解決するために、本発明の原子力発電プラントでは、原子炉に最も近い高圧給水加熱器から原子炉内の給水スパージャまでの経路に、曲がり管，分岐管，合流管の下流にフィルタを用いて異物を捕捉するための構造物を設置したことを特徴とするものである。
【効果】
本発明によれば、異物による炉内構造物及び機器の損傷を抑制し、より安全な原子力発電プラントを提供することが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は異物捕捉構造を備えた原子力発電プラントに関する。

従来の異物捕捉構造を備えた原子力発電プラントとして、例えば特開２００３−98284号公報には燃料集合体上流に位置する燃料支持金具や燃料集合体の下部タイプレートに曲がり流路，波板，メッシュ構造等のフィルタを設置し、燃料集合体に流入する異物を捕捉する技術を開示している。この技術の場合、炉心に流入する冷却材流量の変化を抑制する観点から、極力、圧力損失を低減し、異物捕捉率の高いフィルタ構造を開発することを主な目的としている。

特開２００３−９８２８４号公報

上述の従来の技術では、燃料集合体に流入する異物を抑制するには、ある程度有効な技術であるとされている。しかしながら、燃料支持金具や燃料集合体の員数は多く、フィルタ製作及び点検に多大なコストが必要である。また、フィルタ自体が破損する可能性もあるため、極力、炉内には炉内構造物を増加しないことが望ましい。燃料支持金具や燃料集合体にフィルタを設置する場合、燃料集合体や燃料支持金具の大きさに制約をうけるため、容易に断面積を拡大できず、圧力損失の低減には限界がある。そのため、圧力損失増加を抑制する制限から、フィルタの穴径を十分に小さくできず、異物の捕捉性能が低下してしまう。その上、異物がフィルタに付着すると、目詰まりとなり、圧力損失を増大する懸念が考えられていた。

また、最近炉心以外の炉内機器でも異物が引っかかると、炉内機器に損傷を与える可能性があることが明らかになった。例えば、循環ポンプや下部プレナム内の炉内構造物等に対して異物や損傷を防ぐためには、従来の技術では防ぐことはできず、的確な場所での異物捕捉構造の技術が必要となった。これは、従来の発明では、下部プレナム内における炉内機器の下流に位置するため、炉内機器の損傷に対処することはできなかった。

また、炉内の流れは上昇流であり、炉内に設置する従来の技術では、せっかく捕まえたデブリも流れが止まると、フィルタから離れて、下降し、異物の回収が困難となってしまっていた。

その他の課題として、給水系統において、機器が破断して、ルースパーツとなった場合、炉内へ流入する前に、捕捉してルースパーツを取り出す必要がある。

上記課題を解決するためには、適切な場所で、適切なデブリの捕獲方法が必要と考える。従来の技術は原子炉内に捕捉構造を設置することを検討していたが、炉内に新たな構造物を設置することは、課題が多く、新たな不具合を誘発する可能性がある。また、最近、給水系統から異物が混入する可能性があることが判明した。このため、デブリ捕獲構造を給水配管内に設置することを検討する。しかし、給水配管では、給水過熱器，ポンプ等の様々な機器，構造物が有り、構造物を通過するに従って、異物を混入する確立や可能性が増加する。そのため、本発明では、異物混入の可能性がある最下流の高圧給水過熱器以降から、原子炉の入口である給水スパージャまでに、異物捕捉構造を設置する構成を採用するようにした。

また、高圧給水過熱器以降から、原子炉の入口である給水スパージャまでの配管に設置することにより、以下の利点が考えられる。

異物の遠心力Ｆｒ及び重力Ｆｇは以下の式（１）及び（２）で表される。

但し、ｇ：重力加速度、ｕ：流速、Ｒ：曲率半径、Ｖ：体積、ρ：密度
配管の曲がり部では、流速が高いため強い遠心力が発生する。すなわち、この強い遠心力を利用することにより、異物を分離して捕捉することが可能となる。すなわち、捕獲構造の設置場所により、適切な捕獲方法を選定するようにする。すなわち、配管内では流速が高く、曲がり管，分岐管，Ｔ字管，十字管等の配管では、高い遠心力を得ることが出来る。

さらに、高圧給水過熱器は給水を過熱し、水温を上昇する。水温の上昇により、水の密度は減少する。すなわち、高圧給水過熱器以降に、異物捕捉構造を設置すると、水の密度が減少し、遺物と水の密度差が増加する。その結果、（１）及び（２）式が示すように、遠心力及び重力を利用した場合の捕捉性能が向上する。特に、密度の小さい異物に対して、高圧給水過熱器以降に設置することは有効である。

また、捕捉構造は分離部，収集部及び排出部を設置することにより、機能的に異物を外部へ排出することが可能である。以上に示したように、遠心力，重力及び慣性力による異物捕捉方法において、原子炉に最も近い高圧給水過熱器から、原子炉の入口である給水スパージャまでの給水配管に異物捕捉構造を設置することが望ましい。

高圧給水加熱器には大小多数の異物が混入するので、異物混入の可能性がある最下流の高圧給水過熱器以降から、原子炉の入口である給水スパージャまでにフィルタを設置すると、捕捉効率及び異物の回収率を高くできる。フィルタによる異物捕捉構造に対しても配管内の遠心力，重力，慣性力又は磁力を利用することで優れた効果を発揮する。例えば、曲がり管の遠心力により与えられた乱れた流れや二次流れは、線状の異物の方向を複雑に変化させ、異物を回転させながら流す。そのため、フィルタに対して、異物は回転しながら、接触するため、捕捉効率が非常に高まる。曲がり管や分岐管による乱れた流れは、その管径の数１０倍までも維持されるため、フィルタを設置するには、給水配管系統は非常に有効な場所である。また、本発明ではフィルタ設置部の配管断面積を比較的大きく製作できるため、異物がフィルタに詰まった場合において、フィルタの圧力損失増加に及ぼす目詰まりの影響を小さくできる。また、従来は圧力損失を抑制するため、フィルタの流路径を小さくできず、捕捉性能を低下させていた。これに対して、本発明は配管断面を拡大して、流路断面積を大きくできるとともに、炉心の圧力損失には影響を及ぼさないため、フィルタの流路径を大幅に小さくでき、捕捉効率を高めることが実現できる。

さらに、本発明では、水平方向や下降方向に向く流れの中にフィルタを設置することで、運転を停止した場合でもフィルタに引っかかっていた異物を消失することは無く、高い異物回収率を期待できる。

以上のように、本発明においては異物捕捉構造としてフィルタを設置した場合、従来の技術の問題点を解決することが可能である。

また、従来の技術では約８００体の燃料集合体を炉心から引き抜く方法しか全ての異物を回収する術は無く、莫大な作業が必要であった。これに対し、本発明では異物を取り出すためのフランジ部やドレン排出部を数体だけ給水系統に設置することにより、数体のフランジ部及びドレン排出部の点検により、異物の回収を容易に行えるようになる。

更に、従来の技術では燃料集合体と同数の約８００体の異物捕捉構造が必要であったが、本発明によれば数個の異物捕捉構造の設置だけで同等の効果を得ることが実現出来る。

更に、給水系統において、機器が破断しルースパーツとなった場合、炉内へ流入する前に本発明によりルースパーツを回収して、炉内への流入を抑制できるようになる。

本発明によれば、異物による炉内構造物及び機器の損傷を抑制した原子力発電プラントを供給することを実現出来る。

本発明の原子力発電プラントの一実施例を図１を用いて以下に説明する。図１は本発明の原子力発電プラントの異物捕捉構造である。本実施例においては、異物捕捉構造は原子炉に最も近い高圧給水加熱器以降で、原子炉内の給水スパージャまでの給水配管経路にあり、給水配管１の曲がり管（異物分離部）２とその外側下流に位置する異物捕捉部３と異物収集部（ポケット）４及び異物排出部５で構成されている。この捕捉部３は上流側の給水配管１と中心位置を若干ずらして設置している。このずれの効果を、図２に示す粒子の二相流解析を用いて説明する。ずれ量εを主配管内径（Ｄ）以内の距離（１Ｄ）にすると壁面に衝突している粒子をほぼ確保できるが、曲がり管出口から管内径の距離を超えると捕獲が困難となる。また、異物捕捉部３や収集部４の配管径を主管より増加して、このずれ分を吸収することも可能である。原子炉内部と異なり、給水配管１では７ｍ／ｓ程度の早い流れが存在する箇所があり、曲がり管２では高い遠心力が期待できる。上流から流れてきた異物６は曲がり管２の遠心力及び慣性力の作用により、曲がり管の外側に向かい、異物捕捉部３へ流入する。この異物捕捉部では、ゆっくりとした対流が生じているため、時間の経過、もしくは流動状況の変化により、再度、主流に流れ込む可能性がある。そのため、この部分に異物収集部５（ポケット）を設置する。異物収集部５では、異物は重力により沈殿する。そして、排出部より、定検時等に沈殿した異物を適宜排出する。排出部にはドレンラインやフランジの設置が考えられる。フランジの場合は、定検時に空けて、異物を取り出すことができる。以上の構成により効果的に異物を捕捉することが可能となる。

図３に本発明の他の実施例を示す。図３は前述した実施例においてずれ量εが０の場合の例を示したものである。この実施例の場合ある程度の異物の捕捉率が見込まれると共に、捕捉構造の製作性が向上する。また、この実施例では、異物捕捉部と収集部を曲がり管で設置した例を示しており、この構造により構成が簡易になるとともに、捕捉した異物を下部に沈殿させる効果が得られる。

図４(ａ)〜図４(ｃ)に本発明の他の実施例を示す。この実施例では閉止した端面で流速が低下する効果を利用して、重力の作用により異物を収集部４に捕捉する例である。図４(ａ)の実施例では給水配管経路中で水流が上昇する分岐管に端面が閉止した配管とフランジ及びドレン排出部を設置している。この場合、合流管や分岐管でも遠心力及び慣性力の作用により異物を分離しており、本実施例の内容は合流管や分岐管でも適用できる。すなわち、端面が閉止された配管，分岐管に端面が閉止された配管を結合すると効率の高い異物の捕獲が可能となる。図４（ｂ）の実施例のように配管，分岐管として端面が閉止された分岐管を設置しても良く、また、図４（ｃ）の実施例のように配管，分岐管として端面が閉止された曲がり管を設置しても良い。これらの図４（ａ）〜図４（ｃ）の実施例のような方法で分離する場合、重力の影響が大きいため、異物捕捉構造の上流側の配管径をディフューザ等により拡大したり、分岐管の給水スパージャに向かう配管の管径を拡大するとより高い効果が得られる。

図５に本発明の他の実施例を示す。水流の方向を変えることにより、捕捉部と収集部を一体にでき、遠心力と慣性力に加え重力の作用も利用できるため、捕捉率が向上する。

図６も本発明の他の実施例を示したものであり、曲がり管の方向を変化させた例である。この実施例の場合、曲がり管の手前の直管部において、重力の影響により異物がある程度配管下部に沈降しており、異物捕捉を効率よくできる。また、内部には、異物を収集するＬやＵ型の内部構造７や異物を誘導する内部構造８を設置すると、異物の捕捉率を向上できると考える。

図７は本発明の他の実施例であり、内部構造７が円筒構造の場合を示したものである。円筒形状は強度が高いため安定して異物を捕捉できる。

図８は本発明の他の実施例であり、配管拡大部を結合し、遠心力，慣性力及び重力により異物を分離する実施例である。尚、この実施例の変型例として直前の曲がり管が存在せず直線上の配管中に配置しても重力により分離が可能である。

図９は本発明の他の実施例であり、曲がり管を１８０°や３６０°のように回転角度を増加したものである。このような実施例によれば遠心力の働く期間が増加するため、分離効率が増加する。

また、図１０から図１２に示した実施例は両端面が閉止した構造物９に給水配管１を結合することにより、重力及び曲がりの効果を得て、異物を高い捕捉率で分離できるようにしたものである。構造物９は容器や、キャップ，フランジで端面が閉止した配管等を採用することが可能であり、図１０の実施例においては水流が上昇する部分に構造物９を配置したものであり、図１１の実施例は水平方向の配管の位置を上下に少しずらすことで異物を捕捉するものである。また、図１２は上側の配管からの水流が下側の配管から出る構成において異物を効果的に捕捉するようにしたものである。

図１３は本発明の他の実施例でありバイパス部１０を設置して、流れをコントロールし捕捉効率を高めた例である。本実施例では、バイパス部を設置すると流れの流速を制御できるため捕捉効率が高まる。

図１４は本発明の他の実施例であり旋回流を利用した例である。遠心力が強く、継続して働くため、曲がり管より捕捉効率が高いと考える。

図１５から図２２に示す実施例は原子炉に最も近い高圧給水加熱器以降で、原子炉内の給水スパージャまでの経路中にフィルタ１１を設置した例である。配管内の曲がり管，分岐管による遠心力や乱れはフィルタによる異物捕捉構造に対しても優れた効果を有する。遠心力により与えられた乱れた流れや断面の二次流れは、線状の異物の方向を複雑に変化させ、異物を回転させながら流す。そのため、フィルタに対して、異物は回転しながら、接触するため、捕捉効率が非常に高まる。曲がり管や分岐管による乱れた流れは、その管径の５０倍までも維持されるため、フィルタを設置するには、給水配管は非常に有効な場所になる。特に曲がり管内の二次流れは配管断面に対して垂直な流れであり、流れに平行に流れていた異物を回転させる効果を有する。フィルタ１１には網目構造，メッシュ構造，多孔板，波板，パンチプレート，多数の配管等の構造物が採用できる。

図１５の実施例ではフィルタの穴位置を上下にずらして、複数枚設置することで捕捉効率を高めている。更に図１５のように異物捕捉構造の両端をフランジで結合することで交換及び検査を容易にしている。尚、図１５以降の実施例では図面に向かって左から右へ流体が流れている。図１６の実施例ではフィルタ内部に曲がり部を設置し、ワイヤ等の線状の異物の捕捉率を高めている。また、図１７の実施例のように、配管や構造物等で断面積の大きいものを給水配管に結合し、フィルタ設置部分の配管断面積を拡大することにより、圧力損失を低減するようにしたものである。図１８の実施例では、フィルタの点検や異物回収のためのフランジ部１２やドレン排出部を設置した構成を示したものである。図
１９及び図２０の実施例はフィルタ部分の断面積を増加させた例である。フィルタに凹凸を設置することにより、フィルタの表面積を拡大している。

図２１の実施例は管を多数集めて、フィルタとして利用した場合である。この実施例においては既存の管を集めた構造であり、製作性及び信頼性に優れている。また管として曲がり管を用いることで、捕捉効率を高めることが実現できる。図２２の実施例はフィルタとして波板を用いた例である。特にこの実施例によれば線状の異物の捕捉に効果があると考える。

尚、以上に示した実施例において、異物捕捉構造として磁力を付加し、金属性の異物を捕捉する機能を設けるようにして、異物の捕捉，収集効率を向上するようにしてもよい。この場合の例として、異物を捕捉する構造部分そのものを磁化しても良いし、また、異物を捕捉する構造部分に磁石等の金属性の異物を捕捉するものを設置するようにしてもよい。

本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。本発明の異物捕捉構造の概略図。

符号の説明

１…給水配管（主管）、２…異物分離部（曲がり管）、３…異物捕捉部、４…異物収集部、５…異物排出部、６…異物、７…異物を収集する内部構造、８…異物を誘導する内部構造、９…端面を閉止した結合構造物（配管）、１０…バイパス部、１１…フィルタ、
１２…フランジ部。

Claims

原子力発電プラントにおいて、
原子炉に最も近い高圧給水加熱器から原子炉内の給水スパージャまでの経路に、異物を捕捉するための構造物を設置した原子力発電プラント。
原子力発電プラントにおいて、
原子炉に最も近い高圧給水加熱器から原子炉内の給水スパージャまでの経路に、重力，慣性力，遠心力又は磁力を利用して異物を捕捉するための構造物を設置した原子力発電プラント。
原子力発電プラントにおいて、
原子炉に最も近い高圧給水加熱器から原子炉内の給水スパージャまでの経路に、フィルタを用いて異物を捕捉するための構造物を設置した原子力発電プラント。
請求項１で示した範囲内の給水配管の異物捕捉構造に関して、曲がり管もしくは分岐管もしくは合流管の近傍１Ｄ以内に、異物を捕獲、もしくは、収集するための構造を設置した原子力発電プラント。
請求項１の原子力発電プラントにおいて、
前記経路内の給水配管に関して、曲がり管及びその下流に、端面が閉止された配管を結合したことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項１の原子力発電プラントにおいて、
前記経路内の給水配管に関して、曲がり管及びその下流に両端面が閉止された配管を結合したことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項１の原子力発電プラントにおいて、
前記経路内の給水配管に関して、両端面が閉止され、断面積が拡大された配管を結合したことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項１の原子力発電プラントにおいて、
前記経路内の給水配管に関して、曲がり管下流で、配管内径以内の曲がり管外側方向で、かつ、管中心が上流側主管の延長線よりずれて設置され、端面が閉止された配管を設置したことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項１の原子力発電プラントにおいて、
前記経路内の給水配管に関して、曲がり管の下流１Ｄ以内の曲がり管外側方向で、かつ、管内径が主管より大きくて、端面が閉止された配管を給水配管に設置したことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項１の原子力発電プラントにおいて、
前記経路内の給水配管に関して、ひとつの端面が閉止した分岐管もしくは上流に分岐管を有する配管に、端面が閉止した配管、もしくは、フランジ部、もしくは、ドレン排出部、もしくは端面を閉止した曲がり管、もしくは端面を閉止した分岐管を設置したことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項１の原子力発電プラントにおいて、
前記経路内の給水配管に関して、円筒構造物やＬやＵ字型等の内部構造物を給水配管に設置したことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項１の原子力発電プラントにおいて、
前記経路内の給水配管に関して、上流に分岐管を有する給水配管、もしくは、分岐管に、両端面が閉止した配管、もしくは、両端面が閉止した構造物、もしくは、端面が閉止した曲がり管、もしくは、２つ以上の端面を閉止した分岐管、もしくは、フランジ部、もしくは、ドレン排出部を結合したことを特徴とする原子力発電プラント。
請求項１，２及び３の異物捕捉構造を設置した配管にフランジ部を設置した原子炉の給水配管。
請求項１，２及び３の異物捕捉構造を設置した配管にドレン排出部を設置した原子炉の給水配管。
原子力発電プラントにおいて、
原子炉に最も近い高圧給水加熱器から原子炉内の給水スパージャまでの経路に、曲がり管，分岐管，合流管の下流にフィルタを用いて異物を捕捉するための構造物を設置した原子力発電プラント。
請求項２及び１５のフィルタに関して、多孔板，メッシュ構造，パンチングプレート，波板，集合管とした異物捕捉構造を備えることを特徴とする原子力発電プラント。
請求項２及び１５のフィルタに関して、フィルタを複数枚設置し、その穴配置が異なる異物捕捉構造を備えることを特徴とする原子力発電プラント。
請求項２及び１５のフィルタに関して、フィルタの流路に曲がり部を備えることを特徴とする原子力発電プラント。
請求項２及び１５のフィルタに関して、フィルタ設置部の配管流路の断面積を拡大したことを特徴とする原子炉の給水配管。