JP2006162339A - 熱交換器及び原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器及び原子炉において、伝熱管の密度波振動を抑制して安定した熱交換用流体の流動を可能とする。
【解決手段】原子炉容器１１内にライザー１４を設けて下部に炉心槽１７を設けることで、内部に充填した一次冷却材を中央部と外周部との間で自然循環可能とし、ライザー１４の外周側上部に、外部から二次冷却材の供給路４４が連結された入口ヘダー４２と、外部から二次冷却材の排出路４５が連結された出口ヘダー４３とを設け、Ｕ字形状をなす複数の伝熱管４６の各上端部を入口ヘダー４２と出口ヘダー４３にそれぞれ連結し、各伝熱管４６の上流側端部に振動抑制手段としてのオリフィス６１を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、伝熱管の外部を流動する一次流体とこの伝熱管の内部を流動する二次流体との間で熱交換を行う熱交換器、並びに蒸気発生器を容器の内部に収容した原子炉に関する。

近年、原子力発電設備は、電力の自由化や需要の鈍化により大型炉の経済性を確保すると共に高い安全性を確保できる小型の原子力プラントが要望されている。この要望に沿うものとして、例えば、一体型モジュラー軽水炉（ＩＭＲ）が提案されている。この一体型モジュラー軽水炉は、炉心を冷却する冷却系統としての蒸気発生器を原子炉容器内に一体化して内蔵することで、原子炉と蒸気発生器をつなぐ配管と循環ポンプを削除し、この冷却系統内で冷却材を自然循環させることによって蒸気発生器によって炉心から熱出力を取り出すようにしたものである。

そして、この一体型モジュラー軽水炉の蒸気発生器では、一次冷却材が自然循環するその循環経路にＵ字形状をなす多数の伝熱管が配設され、伝熱管内を流れる二次冷却材は、この伝熱管の外部を流動する高温の一次冷却材から熱を奪って液体から気体（蒸気）となり、外部に移送されてタービンを駆動する。なお、このような原子炉としては、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開２００３−０４３１７６号公報

上述した一体型モジュラー軽水炉の蒸気発生器では、伝熱管内を流れる二次冷却材が、外部を流動する高温の一次冷却材から熱を奪うことで液体から気体になるが、伝熱管の上流側では、液体の中に気体としての気泡が混入する２相状態となっている。そして、この状態で、例えば、伝熱管に供給する冷却材の流量が変動すると、この２相状態の領域が上下に変動して圧力損失が増減し、冷却材の不安定流動による密度波振動が発生してしまう。この密度波振動は、電熱管内での冷却材の安定した流動に悪影響を与えるものであり、原子炉の冷却効率や発電効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、伝熱管の密度波振動を抑制して安定した熱交換用流体の流動を可能とした熱交換器及び原子炉を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための請求項１の発明の熱交換器は、内部に熱交換用一次流体の流路が形成された容器と、前記容器内における前記流路に配設された複数の伝熱管と、該各伝熱管の一端部が連結されると共に熱交換用二次流体の供給路が連結された入口ヘダーと、前記各伝熱管の他端部が連結されると共に熱交換用二次流体の排出路が連結された出口ヘダーと、前記入口ヘダーまたは前記出口ヘダーまたは前記各伝熱管における上流側端部に設けられて前記伝熱管の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段とを具えたことを特徴とするものである。

請求項２の発明の熱交換器では、前記伝熱管は、Ｕ字形状をなして上方に位置する各端部が前記入口ヘダー及び前記出口ヘダーに連結されたことを特徴としている。

請求項３の発明の熱交換器では、前記伝熱管内の熱交換用二次流体は、熱交換用一次流体との熱交換により液体及び気体の２相状態で移送可能であることを特徴としている。

請求項４の発明の熱交換器では、前記振動抑制手段は、前記伝熱管の上流側端部に設けられたオリフィスであることを特徴としている。

請求項５の発明の熱交換器では、前記振動抑制手段は、前記伝熱管の上流側における内周面に長手方向に沿って設けられたフィンであることを特徴としている。

請求項６の発明の熱交換器では、前記振動抑制手段は、前記伝熱管の上流側における内周面に螺旋方向に沿って設けられたガイド部であることを特徴としている。

請求項７の発明の熱交換器では、前記振動抑制手段は、前記入口ヘダーに設けられて内部に供給された熱交換用二次流体に旋回流を付与する旋回流付与手段を有することを特徴としている。

請求項８の発明の熱交換器では、前記伝熱管における少なくとも内表面に酸化被膜を形成すると共に、該酸化被膜に対して放射線を照射する放射線照射手段を設けたことを特徴としている。

請求項９の発明の熱交換器では、前記振動抑制手段は、前記入口ヘダー内または前記出口ヘダー内に設けられ、前記各伝熱管の連結部をブロックごとに仕切ると共に、各ブロック間での熱交換用二次流体の流動を可能とする連通孔を有する仕切部材であることを特徴としている。

請求項１０の発明の熱交換器では、前記伝熱管の上流側端部に内部を流動する熱交換用二次流体に対して流動抵抗を付与する抵抗付与手段を設けたことを特徴としている。

また、請求項１１の発明の原子炉は、密閉式の原子炉容器と、前記原子炉容器の内部に充填された一次冷却材を中央部と外周部との間で循環させる循環通路を形成するライザーと、該ライザーの内側に配設された炉心と、前記原子炉容器内における前記ライザーの外周側に配設されて外部から二次冷却材の供給路が連結された入口ヘダーと、前記原子炉容器内における前記ライザーの外周側に配設されて外部から二次冷却材の排出路が連結された出口ヘダーと、Ｕ字形状をなして各上端部が入口ヘダーと出口ヘダーにそれぞれ連結された複数の伝熱管と、前記入口ヘダーまたは前記出口ヘダーまたは前記各伝熱管における上流側端部に設けられて前記伝熱管の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段とを具えたことを特徴とするものである。

請求項１２の発明の原子炉では、前記振動抑制手段は、前記伝熱管の上流側端部に内部を流動する二次冷却材に対して流動抵抗を付与する抵抗付与手段を設けたことを特徴としている。

請求項１３の発明の原子炉では、前記振動抑制手段は、前記入口ヘダー内または前記出口ヘダー内に設けられ、前記各伝熱管の連結部をブロックごとに仕切ると共に、各ブロック間での二次冷却材の流動を可能とする連通孔を有する仕切部材であることを特徴としている。

請求項１の発明の熱交換器によれば、容器内に形成された熱交換用一次流体の流路に複数の伝熱管を配設し、熱交換用二次流体の供給路が連結された入口ヘダーに各伝熱管の一端部を連結し、熱交換用二次流体の排出路が連結された出口ヘダーに各伝熱管の他端部を連結し、入口ヘダーまたは出口ヘダーまたは各伝熱管における上流側端部に伝熱管の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段を設けたので、伝熱管内の二次流体は、外部を流動する高温の一次流体から熱を奪って熱交換が行われ、このとき、伝熱管内で発生する密度波振動は、振動抑制手段により入口ヘダーまたは出口ヘダーまたは伝熱管の上流側端部で抑制されることととなり、安定した熱交換用二次流体の流動を可能とすることができる。

請求項２の発明の熱交換器によれば、伝熱管をＵ字形状として上方に位置する各端部を入口ヘダー及び出口ヘダーに連結したので、入口ヘダーから各伝熱管に供給された二次流体は、流動中に一次流体から熱を奪って出口ヘダーに至ることとなり、この流動中に液相から気相に適正に変化することができる。

請求項３の発明の熱交換器によれば、伝熱管内の熱交換用二次流体が、熱交換用一次流体との熱交換により液体及び気体の２相状態で移送可能としたので、この２相状態の領域が変動することはなく、安定して二次流体の流動させることができる。

請求項４の発明の熱交換器によれば、振動抑制手段を伝熱管の上流側端部に設けられたオリフィスとしたので、オリフィスにより流動する二次流体に対して流動抵抗を付与することで密度波振動を抑制することができ、全体として構造の簡素化を図ることができる。

請求項５の発明の熱交換器によれば、振動抑制手段を伝熱管の上流側における内周面に長手方向に沿って設けられたフィンとしたので、フィンにより流動する二次流体に対して流動抵抗を付与することで密度波振動を抑制することができると共に、フィンにより伝熱面積を拡大することで伝熱を促進することができ、全体として構造の簡素化を図ることができる。

請求項６の発明の熱交換器によれば、振動抑制手段を伝熱管の上流側における内周面に螺旋方向に沿って設けられたガイド部としたので、伝熱管に流入する二次流体は、ガイド部により螺旋流となることで流動抵抗が付与されて密度波振動を抑制することができ、全体として構造の簡素化を図ることができる。

請求項７の発明の熱交換器によれば、振動抑制手段を入口ヘダーに設けられて内部に供給された熱交換用二次流体に旋回流を付与する旋回流付与手段としたので、入口ヘダーに供給された二次流体は、旋回流付与手段により旋回流とになってから伝熱管に流入することとなり、二次流体に流動抵抗が付与されて密度波振動を抑制することができ、全体として構造の簡素化を図ることができる。

請求項８の発明の熱交換器によれば、伝熱管における少なくとも内表面に酸化被膜を形成すると共に、この酸化被膜に対して放射線を照射する放射線照射手段を設けたので、放射線照射手段により伝熱管の酸化被膜に対して放射線が照射されることで、伝熱管内面の親水性が向上し、限界熱流束を向上することができる。

請求項９の発明の熱交換器によれば、振動抑制手段を、入口ヘダー内または出口ヘダー内に設けられて各伝熱管の連結部をブロックごとに仕切ると共に、各ブロック間での熱交換用二次流体の流動を可能とする連通孔を有する仕切部材としたので、各伝熱管内で発生する密度波振動は、仕切部材により入口ヘダーや出口ヘダーで抑制されることととなり、この密度波振動が他の伝熱管に伝達されることはなく、安定した熱交換用二次流体の流動を可能とすることができる。

請求項１０の発明の熱交換器によれば、伝熱管の上流側端部に内部を流動する熱交換用二次流体に対して流動抵抗を付与する抵抗付与手段を設けたので、各伝熱管内で発生する密度波振動は、抵抗付与手段により抑制され、且つ、仕切部材により他の伝熱管に伝達されることはなく、安定した熱交換用二次流体の流動を可能とすることができる。

また、請求項１１の発明の原子炉によれば、原子炉容器内にライザーを設けて一次冷却材を中央部と外周部との間で循環させる循環通路を形成し、このライザーの内側に炉心を配設し、ライザーの外周側に、外部から二次冷却材の供給路が連結された入口ヘダーと、外部から二次冷却材の排出路が連結された出口ヘダーとを設け、Ｕ字形状をなす複数の伝熱管の上端部を入口ヘダーと出口ヘダーにそれぞれ連結し、入口ヘダーまたは出口ヘダーまたは各伝熱管の上流側端部に伝熱管の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段を設けたので、伝熱管内の二次冷却材は、外部を流動する高温の一次冷却材から熱を奪って熱交換が行われ、このとき、伝熱管内で発生する密度波振動は、振動抑制手段により入口ヘダーまたは出口ヘダーまたは伝熱管の上流側端部で抑制されることととなり、安定した熱交換用流体の流動を可能とすることができ、原子炉の冷却効率及び発電効率を向上することができる。

請求項１２の発明の原子炉によれば、振動抑制手段を伝熱管の上流側端部に内部を流動する二次冷却材に対して流動抵抗を付与する抵抗付与手段としたので、各伝熱管内で発生する密度波振動は、抵抗付与手段により抑制されることとなり、安定した二次冷却材の流動を可能とすることができる。

請求項１３の発明の原子炉によれば、振動抑制手段を入口ヘダー内または前記出口ヘダー内に設けられて各伝熱管の連結部をブロックごとに仕切ると共に、各ブロック間での二次冷却材の流動を可能とする連通孔を有する仕切部材としたので、各伝熱管内で発生する密度波振動は、仕切部材により入口ヘダーや出口ヘダーで抑制されることととなり、この密度波振動が他の伝熱管に伝達されることはなく、安定した二次冷却材の流動を可能とすることができる。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る熱交換器及び原子炉の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る原子炉における蒸気発生器の一部を表す概略図、図２は、実施例１の原子炉の概略構成図、図３は、図２のIII−III断面図、図４は、実施例１の液相部の蒸気発生器の概略図である。

実施例１の原子炉は、蒸気発生器を原子炉容器内に一体化して内蔵する一体型モジュラー軽水炉（ＩＭＲ）であり、本発明の熱交換器を原子炉内に配設される蒸気発生器に適用して説明する。一体型モジュラー軽水炉において、図１乃至図３に示すように、原子炉容器１１は、その内部に炉内構造物が挿入できるように、原子炉容器本体１２とその上部に固定される原子炉容器蓋１３により構成されている。原子炉容器本体１１は検討形状をなし、下部に対して上部が拡大してその内径が大きくなるように形成されている。この原子炉容器本体１１内には、この原子炉容器本体１１より小径の円筒形状をなすライザー１４が配設されており、上端部及び下端部が原子炉容器本体１１に固定されており、上部に蒸気流出孔１４ａ及び一次冷却材流出孔１４ｂが複数形成されている。

このライザー１４内にて、下部に固定された上下の炉心板１５，１６により炉心槽１７が支持されており、内部に燃料集合体１８が挿入されている。ライザー１４の中間部には、制御棒クラスタ案内支持板１９が固定され、上部炉心板１５との間に多数の制御棒クラスタ案内管２０が支持されており、ライザー１４の上部には、炉心支持板２１が固定され、制御棒クラスタ案内支持板１９との間に多数の駆動軸案内管２２が支持されている。また、ライザー１４の上部には、制御棒駆動装置支持板２３が固定され、ここに制御棒駆動装置２４が支持されており、各制御棒クラスタ２５が駆動軸案内管２２、制御棒クラスタ案内管２０内を通って燃料集合体１８まで延出されている。

従って、制御棒駆動装置２４により制御棒クラスタ２５を移動して燃料集合体１８に挿入することで、炉心槽１７内で核分裂を起こし、発生した熱エネルギーにより原子炉容器１１内に充填された一次冷却材が加熱されて沸騰し、気泡が発生する。この沸騰した一次冷却材は、この気泡を伴って炉心槽１７からその上方へと対流作用によって上昇し、一次冷却材の液面まで上昇すると、蒸気となって液相部から気相部へと移行する。そして、一次冷却材は一次冷却材流出孔１４ｂを通ってライザー１４の外側へ、また、蒸気は蒸気流出孔１４ａを通ってライザー１４の外側へ流動し、後述する蒸気発生器に熱を奪われて冷却・凝縮され、ライザー１４の外側を通って下方へと炉心槽１７まで下降する。ここに、ライザー１４により一次冷却材を原子炉容器１１内の中央部と外周部との間で自然循環させる循環通路が形成されることとなる。

また、原子炉容器本体１２の上部であって、ライザー１４の外側には、上述した蒸気発生器が設けられているが、この蒸気発生器は、気相部の蒸気発生器（ＳＧＶ）３１と、液相部の蒸気発生器（ＳＧＬ）４１とから構成され、潜熱と顕熱によって炉心からの熱移送を行うようにしすると共に、沸騰量制御及び出力制御を行うようにしている。

即ち、気相部の蒸気発生器３１において、原子炉容器１１内におけるライザー１４の外周側には、２組（図１では１組だけ示してある）の入口ヘダー３２及び出口ヘダー３３が周方向に沿って配設されている。この入口ヘダー３２及び出口ヘダー３３は密閉中空箱型形状をなし、入口ヘダー３２に原子炉容器１１の外部から二次冷却材の供給路３４が連結される一方、出口ヘダー３３に原子炉容器１１の外部から二次冷却材の排出路３５が連結されている。そして、この入口ヘダー３２と出口ヘダー３３との間には、ライザー１４の外側にその周方向に沿って複数の伝熱管３６が架設されており、入口ヘダー３２の二次冷却材をこの複数の伝熱管３６を通して出口ヘダー３３に移送可能となっており、二次冷却材が伝熱管３６内を流動するとき、前述したように、一次冷却材の蒸気から熱を奪って熱交換を行うことができる。

また、液相部の蒸気発生器４１において、原子炉容器１１内におけるライザー１４の外周側であって、蒸気発生器３１の下方には、入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３が隣接して設けられ、この入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３が周方向に沿って４組配設されている。この入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３は密閉中空箱型形状をなし、入口ヘダー４２に原子炉容器１１の外部から二次冷却材の供給路４４が連結される一方、出口ヘダー４３に原子炉容器１１の外部から二次冷却材の排出路４５が連結されている。そして、この入口ヘダー４２と出口ヘダー４３との間には、ライザー１４の外側にその長手方向に沿って複数の伝熱管４６が架設されている。この複数の伝熱管４６はＵ字形状をなし、所定間隔ごとに管支持板４７によって原子炉容器本体１２に支持されており、各上端部が入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３にそれぞれ連結されている。従って、入口ヘダー４２の二次冷却材をこの複数の伝熱管４６を通して出口ヘダー４３に移送可能であり、二次冷却材が伝熱管４６内を流動するとき、前述したように、高温の一次冷却材から熱を奪って熱交換を行うことができる。

そして、各蒸気発生器３１，４１における二次冷却材の供給路３４，４４及び排出路３５，４５は、タービン５１、循環ポンプ５２をループ状の循環路５３に連結されている。従って、各蒸気発生器３１，４１の伝熱管３６，４６にて熱交換した二次冷却材の蒸気は、出口ヘダー３３，４３から排出路３５，４５を通って循環路５３に送られ、タービン５１を駆動して発電を行う。その後、この発電に供された二次冷却水の蒸気は、図示しない復水器によって復水されて液体となり、循環ポンプ５２によって各入口ヘダー３２，４２に移送され、再び、各伝熱管３６，４６内を流動することで熱交換を行う。

ところで、上述した蒸気発生器３１，４１では、各伝熱管３６，４６内を流れる二次冷却材が高温の一次冷却材から熱を奪うことで液体から気体になるが、各伝熱管３６，４６の上流側では、液体の中に気体としての気泡が混入する２相状態となっており、特に、液相部の蒸気発生器４１では、伝熱管４６がＵ字形状であるため、二次冷却材の流量が変動すると、この２相状態の領域が上下に変動して圧力損失が増減し、二次冷却材の不安定流動による密度波振動が発生しやすい。

そこで、実施例１では、図１に示すように、液相部の蒸気発生器４１にて、複数の伝熱管４６における上流側端部に、この伝熱管４６の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段を設けている。本実施例にて、この振動抑制手段は、各伝熱管４６の上流側端部に設けられたオリフィス６１である。

即ち、入口ヘダー４２の底面には複数（図示は１つ）の貫通孔６２が形成されると共に、その周囲に伝熱管４６と同径の取付フランジ６３が形成されている。円筒形状をなす連結部材６４は、内部に細孔６５と傾斜孔６６とからなるオリフィス６１が形成されている。そして、入口ヘダー４２の取付フランジ６３に連結部材６４の基端部が嵌合する一方、伝熱管４６の基端部に連結部材６４の先端部が嵌合し、溶接などの結合手段により取付フランジ６３と連結部材６４と伝熱管４６とが一体に連結されている。

また、各伝熱管４６における内面及び外面に酸化チタンなどにより酸化被膜が形成されている。そのため、原子炉の運転中は、炉心槽１７での核分裂（放射線照射手段）によりガンマ（γ）線が発生し、このガンマ線が伝熱管４６に形成された酸化被膜に照射することで、伝熱管４６の親水性が向上し、限界熱流束が向上する。

従って、本実施例の原子炉にて、図２に示すように、運転中は、炉心槽１７での核分裂エネルギーの発生により一次冷却材が原子炉容器１１内の中央部と外周部との間で自然循環することとなり、蒸気発生器３１，４１にて、高温の一次冷却材と低温の二次冷却材との間で熱交換が行われ、生成された蒸気によりタービン５１を駆動することができる。

また、液相部の蒸気発生器４１にて、図１に示すように、循環ポンプ６２により供給路４４から入口ヘダー４２に供給された二次冷却材は、複数の伝熱管４６を通して出口ヘダー４３に移送される。このとき、入口ヘダー４２から伝熱管４６に浸入した直後の二次冷却材は液相状態であるが、高温の一次冷却材により加熱されて気泡が発生し、伝熱管４６の中間部で蒸気となって出口ヘダー４３に至る。この場合、各伝熱管４６に導入される二次冷却材の流量が変動すると、液相に気泡が混入する２相状態の領域が上下に変動して圧力損失が増減し、二次冷却材の不安定流動による密度波振動が発生しやすい。ところが、伝熱管４６の上流側端部にオリフィス６１が設けられているため、伝熱管４６内での流動抵抗が増大することで密度波振動の発生が抑制されることととなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができる。

このように実施例１の原子炉によれば、原子炉容器１１内にライザー１４を設けて下部に炉心槽１７を設けることで、内部に充填した一次冷却材を中央部と外周部との間で自然循環可能とし、ライザー１４の外周側上部に、外部から二次冷却材の供給路４４が連結された入口ヘダー４２と、外部から二次冷却材の排出路４５が連結された出口ヘダー４３とを設け、Ｕ字形状をなす複数の伝熱管４６の各上端部を入口ヘダーと４２出口ヘダー４３にそれぞれ連結し、各伝熱管４６の上流側端部に振動抑制手段としてのオリフィス５１を設けている。

従って、液相部の蒸気発生器４１にて、伝熱管４６内を流動する低温の二次冷却材は、外部を流動する高温の一次冷却材から熱を奪って熱交換が行われ、生成された蒸気によりタービン５１を駆動する。このとき、伝熱管４６に浸入した二次冷却材は高温の一次冷却材により加熱されて気泡が発生し、液相に気泡が混入した２相領域が生成され、二次冷却材の不安定流動による密度波振動が発生しやすいが、伝熱管４６に導入された二次冷却材はオリフィス６１により流動抵抗が増大して密度波振動の発生が抑制されることととなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができ、その結果、原子炉の冷却効率及び発電効率を向上することができる。

また、伝熱管４６での二次冷却材の密度波振動の発生を抑制する振動抑制手段として、オリフィス５１を設けたことで、伝熱管の構造がそれほど複雑化することはなく、全体構造の簡素化を図ることができる。

そして、伝熱管４６をＵ字形状として上方に位置する各端部を入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３に連結したことで、入口ヘダー４２から各伝熱管４６に供給された二次冷却材は、流動中に一次冷却材から熱を奪って出口ヘダー４３に至ることとなり、この流動中に液相から気相に適正に変化することができる。更に、各伝熱管４６における内面及び外面に酸化チタンなどにより酸化被膜を形成しており、原子炉の運転中に炉心槽１７で発生したガンマ線が伝熱管４６に形成された酸化被膜に照射することで、伝熱管４６の親水性が向上し、限界熱流束を向上することができる。

図５は、本発明の実施例２に係る原子炉における蒸気発生器の一部を表す概略図、図６は、図５のVI−VI断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例２において、図５及び図６に示すように、蒸気発生器４１にて、複数の伝熱管４６における上流部に、この伝熱管４６の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段として、各伝熱管４６の上流部の内面にフィン７１を設けている。即ち、このフィン７１は、伝熱管４６の内面にその長手方向に沿って４つ固定され、各フィン７１は周方向均等間隔に位置している。また、各フィン７１は、伝熱管４６の入口ヘダー４２に連結される基端部から、出口ヘダー４３に連結される先端部側に向けて所定の領域Ｌに設けられており、この領域Ｌは二次冷却水が液相単独、または気泡を含む２相の領域である。

従って、入口ヘダー４２から伝熱管４６に浸入した直後の二次冷却材は高温の一次冷却材により加熱されて気泡が発生し、伝熱管４６の中間部で蒸気となって出口ヘダー４３に至る。この場合、各伝熱管４６に導入される二次冷却材の流量が変動すると、液相に気泡が混入する２相状態の領域が上下に変動して圧力損失が増減し、二次冷却材の不安定流動による密度波振動が発生しやすい。ところが、伝熱管４６の上流部にフィン７１が設けられているため、伝熱管４６内での流動抵抗が増大することで密度波振動の発生が抑制されることととなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができる。

このように実施例２の原子炉によれば、蒸気発生器４１における各伝熱管４６の上流部に振動抑制手段としてのフィン７１を設けている。従って、伝熱管４６に浸入した二次冷却材は高温の一次冷却材により加熱されて気泡が発生し、液相に気泡が混入した２相領域が生成され、二次冷却材の不安定流動による密度波振動が発生しやすいが、伝熱管４６に導入された二次冷却材はフィン７１により流動抵抗が増大して密度波振動の発生が抑制されることととなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができる。また、伝熱管４６内は、フィン７１により内部の伝熱面積が拡大されており、一次冷却水から二次冷却水への伝熱を促進することができる。

図７は、本発明の実施例３に係る原子炉における蒸気発生器の伝熱管の断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例３において、図７に示すように、蒸気発生器４１にて、伝熱管４６の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段として、この伝熱管４６の上流部の内面に内部フィン７１を設けると共に、外面に外部フィン７２を設けている。内部フィン７１は、前述した実施例２と同様に、伝熱管４６の内面に４つ固定され、二次冷却水が液相単独、または気泡を含む２相の領域に設けられている。一方、外部フィン７２は、伝熱管４６の外面にその長手方向に沿って全域に、且つ、周方向に均等間隔に固定さている。

従って、この実施例３の原子炉によれば、蒸気発生器４１における各伝熱管４６の上流部に内部フィン７１を設けると共に、全域に外部フィン７２を設けたので、伝熱管４６に導入された二次冷却材はこの外部フィン７１により流動抵抗が増大して密度波振動の発生が抑制されることととなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができる。また、伝熱管４６は、内部フィン７１及び外部フィン７２により全体の伝熱面積が拡大されており、一次冷却水から二次冷却水への伝熱を促進することができる。

図８は、本発明の実施例４に係る原子炉における蒸気発生器の伝熱管の縦断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例４において、図８に示すように、蒸気発生器４１にて、伝熱管４６の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段として、この伝熱管４６の上流部の内面に螺旋溝（ガイド部）７３を設けている。この螺旋溝７３は、前述した実施例２のフィン７１と同様に、二次冷却水が液相単独、または気泡を含む２相の領域に設けられている。

従って、この実施例４の原子炉によれば、蒸気発生器４１における各伝熱管４６の上流部に螺旋溝７３を設けたので、伝熱管４６に導入された二次冷却材はこの螺旋溝７３により螺旋流となることで流動抵抗が増大し、密度波振動の発生が抑制されることととなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができる。また、伝熱管４６内を流動する二次冷却材は、螺旋流となるために流路長が長くなり、一次冷却水から二次冷却水への伝熱を促進することができる。

図９は、本発明の実施例５に係る原子炉における蒸気発生器の伝熱管の縦断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例５において、図９に示すように、蒸気発生器４１にて、伝熱管４６の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段として、この伝熱管４６の上流部の内面に螺旋溝７３を設けると共に、外面に外部フィン７２を設けている。この螺旋溝７３は、前述した実施例４と同様に、二次冷却水が液相単独、または気泡を含む２相の領域に設けられており、外部フィン７２は、前述した実施例３と同様に、伝熱管４６の長手方向全域に設けられている。

従って、この実施例５の原子炉によれば、蒸気発生器４１における各伝熱管４６の上流部の内面に螺旋溝７３を設けると共に、外面に外部フィン７２を設けたので、伝熱管４６に導入された二次冷却材はこの螺旋溝７３により螺旋流となることで流動抵抗が増大し、密度波振動の発生が抑制されることととなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができる。また、伝熱管４６内を流動する二次冷却材は、螺旋流となるために流路長が長くなると共に、伝熱面積が拡大されてることとなり、一次冷却水から二次冷却水への伝熱を促進することができる。

図１０は、本発明の実施例６に係る原子炉における蒸気発生器の伝熱管の縦断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例６において、図１０に示すように、蒸気発生器４１にて、伝熱管４６の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段として、入口ヘダー４２における伝熱管４６との連結部に螺旋溝（旋回流付与手段）７４を設けている。入口ヘダー４２の底面には伝熱管４６と同径の連結フランジ７５が一体に形成され、この連結フランジ７５の内面に螺旋溝７４が形成されている。そして、入口ヘダー４２の連結フランジ７５と伝熱管４６の基端部が適合した状態で、連結リング７６により両者が一体に連結されている。

従って、この実施例６の原子炉によれば、蒸気発生器４１の入口ヘッダ４２における伝熱管４６との連結部の内面に螺旋溝７４を設けたので、伝熱管４６に導入された二次冷却材は入口ヘッダ４２の螺旋溝７３により事前に螺旋流となって導入されることとなり、伝熱管４６での流動抵抗が増大し、密度波振動の発生が抑制されることととなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができる。また、旋回溝７４を入口ヘダー４２に形成したことで、多数の伝熱管４６の形状を変更する必要はなく、製造コストを低減することができる。

図１１は、本発明の実施例７に係る原子炉における蒸気発生器の入口ヘダーの水平断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例７において、図１１に示すように、蒸気発生器４１にて、伝熱管４６の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段として、入口ヘダー７７を中空円筒形状（旋回流付与手段）としている。この入口ヘダー７７は水平円形断面をなし、二次冷却材がこの入口ヘダー７７の外周側に接線方向に沿って導入されるように、二次冷却材の供給路４１が入口ヘダー７７の外周部に連結されている。

従って、この実施例７の原子炉によれば、蒸気発生器４１の入口ヘダー７７を中空円筒形状とし、二次冷却材が入口ヘダー７７内に接線方向に沿って導入されるように供給路４４をこの入口ヘダー７７の外周部に連結している。そのため、供給路４４から入口ヘダー７７内に導入された二次冷却材は、この入口ヘッダ７７内で螺旋流となり、旋回流の状態で各伝熱管４６内に導入されることとなり、伝熱管４６での流動抵抗が増大し、密度波振動の発生が抑制されることととなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができる。また、入口ヘダー７７により振動抑制手段を構成したことで、多数の伝熱管４６の形状を変更する必要はなく、製造コストを低減することができる。

図１２は、本発明の実施例８に係る原子炉における蒸気発生器の一部を表す概略図、図１３は、入口ヘダーと伝熱管との連結部を表す断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例８において、図１２及び図１３に示すように、蒸気発生器４１にて、伝熱管４６の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段として、入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３における各伝熱管４６の連結部をブロックごとに仕切る仕切部材８１，８２を設けている。この仕切部材８１，８２は、入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３内を複数の部屋Ａ，Ｂ，Ｃ・・・に区画するように、この入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３の内部に鉛直方向に沿って複数固定されており、この仕切部材８１，８２には、各部屋Ａ，Ｂ，Ｃ・・・を連通して二次冷却材を流通可能な複数の連通孔８３，８４が形成されている。

従って、この実施例８の原子炉によれば、蒸気発生器４１の入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３における各伝熱管４６の連結部をブロックごとに仕切ると共に、各部屋Ａ，Ｂ，Ｃ・・・を連通する連通孔８３，８４を有する仕切部材８１，８２を設けている。そのため、供給路４４から入口ヘダー４２内に導入された二次冷却材は、連通路８３を通って各部屋Ａ，Ｂ，Ｃ・・・に流通し、複数の伝熱管４６を通って出口ヘダー４３に至り、二次冷却材は伝熱管４６の流動時に高温の一次冷却材から熱を奪って熱交換を行う。このとき、伝熱管４６に浸入した二次冷却材は液相に気泡が混入した２相領域が生成され、二次冷却材の不安定流動による密度波振動が発生しやすいが、特定の伝熱管４６で発生した密度波振動は、入口ヘッダ４２及び出口ヘダー４３の各仕切部材８１，８２により他の伝熱管に伝達されることが抑制され、全体の伝熱管４６での密度波振動の発生が抑制されることとなり、伝熱管４６により二次冷却材を安定して流動させることができる。

なお、この実施例８にて、入口ヘダー４２及び出口ヘダー４３に仕切部材８１，８２を設けたが、入口ヘダー４２または出口ヘダー４３のいずれかに仕切部材８１，８２を設けても、伝熱管４６での密度波振動の発生を抑制することができる。また、この実施例７にて、各伝熱管４６に抵抗付与手段として、上述した各実施例のオリフィス６１やフィン７１、螺旋溝７３，７４などを設けることで、各伝熱管４６単独で密度波振動の発生を抑制すると共に、各ヘダー４２，４３で伝熱管４６での密度波振動の伝達を抑制することができる。

また、上述した実施例１にて、伝熱管４６における内面及び外面に酸化チタンなどにより酸化被膜を形成し、炉心槽１７での核分裂で発生するガンマ線をこの酸化被膜に照射することで、伝熱管４６の親水性が向上して限界熱流束が向上するようにしたが、別途、放射線照射手段を設けてもよく、この放射線もガンマ線に限るものではない。

また、本発明の原子炉を一体型モジュラー軽水炉に適用し、熱交換器をこの軽水炉に用いられる液相部の蒸気発生器に適用して説明したが、適用技術はこれらに限るものではない。例えば、本発明の原子炉を重水炉に適用してもよく、また、熱交換器を気相部の蒸気発生器に適用してもよい。更に、熱交換器を原子炉に限らず、ボイラなどに適用しても良い。

本発明に係る熱交換器及び原子炉は、入口ヘダーや出口ヘダーや伝熱管における上流側端部に伝熱管の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段を設けたものであり、いずれの種類の熱交換器や原子炉にも適用することができる。

本発明の実施例１に係る原子炉における蒸気発生器の一部を表す概略図である。 実施例１の原子炉の概略構成図である。 図２のIII−III断面図である。 実施例１の液相部の蒸気発生器の概略図である。 本発明の実施例２に係る原子炉における蒸気発生器の一部を表す概略図である。 図５のVI−VI断面図である。 本発明の実施例３に係る原子炉における蒸気発生器の伝熱管の断面図である。 本発明の実施例４に係る原子炉における蒸気発生器の伝熱管の縦断面図である。 本発明の実施例５に係る原子炉における蒸気発生器の伝熱管の縦断面図である。 本発明の実施例６に係る原子炉における蒸気発生器の伝熱管の縦断面図である。 本発明の実施例７に係る原子炉における蒸気発生器の入口ヘダーの水平断面図である。 本発明の実施例８に係る原子炉における蒸気発生器の一部を表す概略図である。 入口ヘダーと伝熱管との連結部を表す断面図である。

符号の説明

１１ 原子炉容器
１４ ライザー
１７ 炉心槽
１８ 燃料集合体
２４ 制御棒駆動装置
３１ 気相部の蒸気発生器
４１ 液相部の蒸気発生器
４２ 入口ヘダー
４３ 出口ヘダー
４４ 供給路
４５ 排出路
４６ 伝熱管
５１ タービン
６１ オリフィス（抵抗付与手段、振動抑制手段）
７１ 内部フィン（抵抗付与手段、振動抑制手段）
７２ 外部フィン
７３ 螺旋溝（ガイド部、抵抗付与手段、振動抑制手段）
７４ 螺旋溝（ガイド部、旋回流付与手段、振動抑制手段）
７７ 入口ヘダー（旋回流付与手段、振動抑制手段）
８１，８２ 仕切部材（振動抑制手段）
８３，８４ 連通孔

Claims (13)

1. 内部に熱交換用一次流体の流路が形成された容器と、前記容器内における前記流路に配設された複数の伝熱管と、該各伝熱管の一端部が連結されると共に熱交換用二次流体の供給路が連結された入口ヘダーと、前記各伝熱管の他端部が連結されると共に熱交換用二次流体の排出路が連結された出口ヘダーと、前記入口ヘダーまたは前記出口ヘダーまたは前記各伝熱管における上流側端部に設けられて前記伝熱管の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段とを具えたことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、前記伝熱管は、Ｕ字形状をなして上方に位置する各端部が前記入口ヘダー及び前記出口ヘダーに連結されたことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１または２に記載の熱交換器において、前記伝熱管内の熱交換用二次流体は、熱交換用一次流体との熱交換により液体及び気体の２相状態で移送可能であることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の熱交換器において、前記振動抑制手段は、前記伝熱管の上流側端部に設けられたオリフィスであることを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１から３のいずれか一つに記載の熱交換器において、前記振動抑制手段は、前記伝熱管の上流側における内周面に長手方向に沿って設けられたフィンであることを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１から３のいずれか一つに記載の熱交換器において、前記振動抑制手段は、前記伝熱管の上流側における内周面に螺旋方向に沿って設けられたガイド部であることを特徴とする熱交換器。
7. 請求項１から３のいずれか一つに記載の熱交換器において、前記振動抑制手段は、前記入口ヘダーに設けられて内部に供給された熱交換用二次流体に旋回流を付与する旋回流付与手段を有することを特徴とする熱交換器。
8. 請求項１から６のいずれか一つに記載の熱交換器において、前記伝熱管における少なくとも内表面に酸化被膜を形成すると共に、該酸化被膜に対して放射線を照射する放射線照射手段を設けたことを特徴とする熱交換器。
9. 請求項１から３のいずれか一つに記載の熱交換器において、前記振動抑制手段は、前記入口ヘダー内または前記出口ヘダー内に設けられ、前記各伝熱管の連結部をブロックごとに仕切ると共に、各ブロック間での熱交換用二次流体の流動を可能とする連通孔を有する仕切部材であることを特徴とする熱交換器。
10. 請求項９に記載の熱交換器において、前記伝熱管の上流側端部に内部を流動する熱交換用二次流体に対して流動抵抗を付与する抵抗付与手段を設けたことを特徴とする熱交換器。
11. 密閉式の原子炉容器と、前記原子炉容器の内部に充填された一次冷却材を中央部と外周部との間で循環させる循環通路を形成するライザーと、該ライザーの内側に配設された炉心と、前記原子炉容器内における前記ライザーの外周側に配設されて外部から二次冷却材の供給路が連結された入口ヘダーと、前記原子炉容器内における前記ライザーの外周側に配設されて外部から二次冷却材の排出路が連結された出口ヘダーと、Ｕ字形状をなして各上端部が入口ヘダーと出口ヘダーにそれぞれ連結された複数の伝熱管と、前記入口ヘダーまたは前記出口ヘダーまたは前記各伝熱管における上流側端部に設けられて前記伝熱管の内部に発生する密度波振動を抑制する振動抑制手段とを具えたことを特徴とする原子炉。
12. 請求項１１に記載の原子炉において、前記振動抑制手段は、前記伝熱管の上流側端部に内部を流動する二次冷却材に対して流動抵抗を付与する抵抗付与手段を設けたことを特徴とする原子炉。
13. 請求項１１に記載の原子炉において、前記振動抑制手段は、前記入口ヘダー内または前記出口ヘダー内に設けられ、前記各伝熱管の連結部をブロックごとに仕切ると共に、各ブロック間での二次冷却材の流動を可能とする連通孔を有する仕切部材であることを特徴とする原子炉。

Images