JP2006525500A - 沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器および沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内で蒸気と水を分離するための方法 - Google Patents

Abstract

原子炉圧力容器（２）において炉心（６）と蒸気と水を分離するための１つの分離機構（１０）との間に１つの流れ空間（８）が設けられており、流れ空間の流れ断面積が分離機構（１０）の前で拡大している。断面拡大によって、炉心（６）から流出する蒸気‐水混合物（Ｇ）の予備分離が起きる。予備分離は主に、中心領域にのみ１つのサイクロン機構（２４）を設け、１つの乾燥機構（２６）を専らサイクロン機構（２４）の横に配置するのに利用される。これにより、原子炉圧力容器（２）の全体として僅かな構造高さが達成される。

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器であって、蒸気と水を分離するための１つの分離機構が炉心の上方に設けられているものに関する。本発明はさらに、このような原子炉圧力容器内で蒸気と水を分離するための方法に関する。

沸騰水型原子炉では、炉心内を流れる冷却水が原子炉圧力容器内で加熱される。その際冷却水は一部が蒸気相に移り、蒸気と水とからなる混合物が炉心から流れ出る。電気エネルギーを発生するために蒸気が蒸気タービンに供給される前に、分離機構によって蒸気が水から分離される。

特許文献１から読み取ることのできるこのような分離機構は多数の分離器を有し、分離器は炉心の上部炉心支持格子で支えられており、炉心から流れ出る蒸気‐水混合物は分離器に直接導入される。分離器後の流れ方向で個々の分離器の下流側に乾燥器が設けられており、これらの乾燥器はバッフルプレートまたは方向転換板を有する。分離器内で蒸気‐水混合物はサイクロンの方式で回転させられ、重い水粒子は外側領域に集まり、貧水蒸気は中心領域に集まる。貧水蒸気は引き続き乾燥器に供給され、乾燥器から流出時には０．０１％〜０．０２％の残留水質量％を有するにすぎない。

１つのサイクロン機構または分離機構と流れ方向でこの機構の下流側に設けられる乾燥機構とからなる２段階構造を有する原子炉圧力容器の内部に沸騰水型原子炉では不可欠な蒸気‐水分離によって原子炉圧力容器は、従って原子炉圧力容器を収容した格納容器（コンテナ）も、全体としてきわめて大きな構造高さを必要とする。格納容器および原子炉圧力容器の安全基準が厳しいので大きな構造高さにはかなりの費用も結び付いている。
国際公開第９９／０８２８７号パンフレット

本発明の課題は、僅かな構造高さを有する原子炉圧力容器を可能とすることである。

この課題は、本発明によれば、炉心と分離機構との間に１つの流れ空間が設けられており、流れ空間の流れ断面積が分離機構の前で拡大している請求項１の原子炉圧力容器によって解決される。

この構成では運転中、蒸気‐水混合物は炉心から流れ空間内に流れ、この流れ空間は蒸気‐水混合物用に所定の流れ断面積を有する。混合物が分離機構に達する前に、混合物用流れ断面積が拡大している。重い、従って慣性な水の質量部はその際おおむね中心領域に留まる一方、軽い蒸気成分は外方に広がる。これにより既に最初の分離が現れる。それゆえにこの構成は、本来の分離機構に流入する既に前に水成分と蒸気成分の慣性の違いを予備分離用に利用するとの考えに基づいている。

既にこの措置でもって軽い蒸気成分が重い水成分から一部分離されているので、後続の分離機構ユニットは変化した事情に相応に適合させることができ、そのことから全体として、予備分離に基づいて分離機構は僅かな構造高さを有し得ることになる。

極力単純な構成を達成するために、合目的１展開において、流れ断面積をまず縮小させ、引き続き再び拡大させる１つの構造要素が設けられている。流れ断面積は実質的に原子炉圧力容器の内側断面積によって限定される。この構造要素によって簡単にこの最大流れ断面積がまず低減され、混合物が中心領域内で加速される。引き続き拡大し、特に例えば流れ断面積の２倍超に急激に拡大すると、流れ速度は再び減少し、軽い蒸気成分は中心領域から縁領域または外側領域へと流れる。

合目的には構造要素が、中心で流れ断面積を限定する１つの通路を有する１つの環状要素であり、この通路が入口側で先細となっている。この先細によって流れ断面積はまず恒常的に縮小され、これにより、望ましくない乱流または圧力損失を防止する。通路に続いて流れ断面積は最小値から主に急激に最大値へと拡大し、これにより特別効率的な予備分離が起きる。それゆえに通路は好ましくは入口側でのみ恒常的に先細となっている。

予備分離に基づいて縁領域には貧水混合物が既に存在するので、好ましい１展開において、中心領域にのみ１つの分離機構またはサイクロン機構が配置されている。この機構では富水混合物の分離が通常どおり旋回流または回転流を構成することによって起き、各サイクロンまたは分離器内に、中心の貧水蒸気領域を取り囲む循環液環が生じる。液環の水が原子炉圧力容器内に留まる一方、貧水蒸気領域は他の分離段後に蒸気タービンへと送られる。この場合サイクロン機構は複数のサイクロンを有することができる。単に１つの中心部分領域でサイクロンを使用すると費用が僅かになる。

中心に配置されるサイクロン機構の周りの環状空間内に主に１つの乾燥機構が配置されている。予備分離のゆえに縁領域には既に貧水混合物が存在するので、この縁領域では、複数の乾燥器を含むことのできる１つの乾燥機構を配置するだけで十分である。それゆえにこの縁領域では、上流側に設けるサイクロンと下流側に設ける乾燥器とによる２段階分離は必要でない。最初の分離段はむしろ、分離機構前の断面拡大による予備分離によって達成される。

原子炉圧力容器の所要の構造高さ低減を考慮して、乾燥機構が専らサイクロン機構の横に配置され、サイクロンから流出する蒸気‐水混合物が縁側に配置される乾燥機構を介して案内されると特別有利である。それゆえにこの構成ではサイクロン機構の上方に他の乾燥器が設けられてはいない。つまり原子炉圧力容器の構造高さは例えばサイクロン機構の上側高さによって決定される。

特別効率的な分離を考慮して乾燥機構は、好ましくは、サイクロン機構から流出する蒸気‐水混合物用の１つの第１乾燥ユニットと、通路から縁領域内に流れるその他の蒸気‐水混合物用の１つの第２乾燥ユニットとを含む。この措置により、両方の乾燥ユニットの異なる設計によって混合物の含水量の違いを考慮し、極力高い分離率を達成することができる。

その際、合目的には、第１乾燥ユニットがサイクロン機構と第２乾燥ユニットとの間に配置されている。その際特に、サイクロン機構から流出する混合物は好適な方向転換板を介して第１乾燥ユニットに導入される。乾燥機構から進出後、いまや乾燥した蒸気が蒸気流出管へと流れ、この蒸気流出管に運転時、タービンに至る蒸気管路が接続されている。

以下、単一の図面を基に本発明の１実施例が詳しく説明される。

原子炉圧力容器２が縦方向４に沿って延びている。下３分の１に炉心６が配置されており、炉心に１つの流れ空間８が続き、これにさらに分離機構１０が続いている。原子炉の運転時、冷却材循環ポンプ１２を介して１つの外縁領域１４から冷却水Ｗが中心に配置される炉心６に下から供給され、炉心を流通し、蒸気‐水混合物Ｇとして炉心６から進出する。混合物Ｇは分離機構１０を流通し、乾燥蒸気Ｄとして蒸気流出管１６方向へと分離機構から進出する。

１つの中心通路２０を有する１つの環状構造要素１８が流れ空間８内に配置されている。炉心６の方から通路２０は縦方向４で連続的に、特に恒常的に、先細りとなっている。つまり環状構造要素１８はこの領域において例えば円錐状に先細りに構成されている。これにより、流れ断面積は恒常的に減少する。最大流れ断面積は、外縁領域１４内部の面を取り囲む炉心バレルの内側断面積にほぼ一致している。この最大流れ断面積は通路２０の領域で最小流れ断面積に低減される。通路２０後、流れ断面積は再び急激に最大流れ断面積に広がる。

突然の断面拡大のゆえに水と蒸気との間で最初の相分離が起き、重い水粒子は慣性が大きいので、軽くて貧慣性の蒸気成分よりも、急激な断面変化に追従することが少ない。それゆえに、混合物Ｇが分離機構１０に流入する前に既に最初の相分離が起きており、通路２０に続く中心領域に富水混合物が存在し、縁領域２２には貧水混合物が存在する。慣性の違いに基づくこの最初の相分離は、分離機構１０の後続コンポーネントをこれらの異なる事情に適合させるのに利用される。詳細には、中心領域にのみ１つのサイクロン機構２４が設けられており、これを１つの乾燥機構２６が環状に取り囲んでいる。この乾燥機構２６は、１つの第１乾燥ユニット２８と１つの第２乾燥ユニット３０とを有し、後者はそれ自身とサイクロン機構２４との間に第１乾燥ユニット２８を収容している。

予備分離に基づいて縁領域２２の混合物Ｇは既に十分に乾燥しており、この個所にはサイクロンがもはや必要でない。十分な蒸気乾燥はここでは乾燥機構２６を排他的に配置することによって既に達成される。乾燥機構２６もサイクロン機構２４も多数の個別乾燥器もしくはサイクロンを有することができる。同じことは第１、第２乾燥ユニット２８、３０にもあてはまり、これらはやはり多数の個別乾燥器で形成しておくことができる。第２乾燥ユニット３０を流通後、乾燥蒸気は直接に蒸気流出管１６に達する。

サイクロン機構２４を流通する混合物Ｇは出口側、サイクロン機構２４の上端で、案内板３２によって縦方向とは逆に案内され、流入口３４を介して第１乾燥ユニット２８に送られる。ここで混合物Ｇは再び方向転換され、第１乾燥ユニット２８を縦方向４に流通し、乾燥蒸気Ｄとしてそこから進出し、第２乾燥ユニット３０から流出する蒸気Ｄと一緒に蒸気流出管１６に供給される。

案内板３２は中空円筒の態様に構成され、サイクロン機構２４を同軸で取り囲んで流路３６を残す。乾燥機構２６とサイクロン機構２４はそれらの入口側がそれぞれ同じ高さで整列している。その際、サイクロン機構２４と第２乾燥ユニット３０は混合物Ｇ用にそれぞれ１つの、流れ空間８の方を向いた吸込口を有する。第１乾燥ユニット２８内への吸込みは専ら流路３６の側から流入口３４を介して起きる。流路３６と第１乾燥ユニット２８は流れ空間８に対して密閉されている。この密閉実施の代わりに、ここには図示しない選択的１構成において流路３６と第１乾燥ユニット２８は流れ空間８に対して開口しており、サイクロン機構２４から進出した混合物Ｇは流れ空間８を介して乾燥機構２６に流入する。また、乾燥機構２６は必ずしも異なる乾燥ユニットに区分する必要がない。しかし区分する利点として、異なる乾燥ユニット２８、３０は相応する設計措置、例えば異なる構造高さによって、そこを流通する混合物Ｇの異なる含水量に調整されている。これにより、高い分離率が保証される。流れ空間８内での予備分離に基づいて縁領域２２の混合物は外縁領域１４近傍で最も乾燥しているので、乾燥機構２６のさらなる区別化を行い、例えば、既に十分に乾燥した混合物Ｇ用に外縁に第３乾燥ユニットを設ける可能性が引き続きある。

流れ空間８内での特に突然な断面拡大によって、最初の相分離に対する水および蒸気の異なる慣性挙動は有利なことに後続のコンポーネントを予備分離に適合させるのに利用される。その場合に決定的なのは、なお中心領域でのみサイクロン機構２４が必要である点である。これにより、サイクロン機構２４の周りの環状空間内で取付空間が自由となり、この取付空間は乾燥機構２６の配置用に、しかも特に乾燥機構２６を専らこの環状空間内でサイクロン機構２４の横に配置するのに利用される。つまりこうして、従来一般に行われるように乾燥機構２６を‐縦方向４に見て‐サイクロン機構の上に配置することは省かれ、全体として原子炉圧力容器の構造高さ低減が達成される。

沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器の略図である。

符号の説明

２ 原子炉圧力容器
４ 縦方向
６ 炉心
８ 流れ空間
１０ 分離機構
１２ 冷却材循環ポンプ
１４ 外縁領域
１６ 蒸気流出管
１８ 構造要素
２０ 通路
２２ 縁領域
２４ サイクロン機構
２６ 乾燥機構
２８ 第１乾燥ユニット
３０ 第２乾燥ユニット
３２ 案内板
３４ 流入口
３６ 流路
Ｄ 蒸気
Ｇ 混合物
Ｗ 冷却水

Claims (9)

1. 沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器（２）であって、蒸気と水を分離するための１つの分離機構（１０）が炉心（６）の上方に設けられているものにおいて、炉心（６）と分離機構（１０）との間に１つの流れ空間（８）が設けられており、流れ空間の流れ断面積が分離機構（１０）の前で拡大していることを特徴とする原子炉圧力容器。
2. 流れ断面積をまず縮小させ、引き続き再び拡大させる１つの構造要素（１８）が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の原子炉圧力容器（２）。
3. 構造要素（１８）が、中心で流れ断面積を限定する１つの通路（２０）を有する１つの環状要素であり、この通路が入口側で先細となっていることを特徴とする、請求項２記載の原子炉圧力容器（２）。
4. 分離機構（１０）が、流れ断面積の中心領域にのみ配置される１つのサイクロン機構（２４）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項記載の原子炉圧力容器（２）。
5. サイクロン機構（２４）の横に１つの乾燥機構（２６）が配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の原子炉圧力容器（２）。
6. 出口側でサイクロン機構（２４）から１つの蒸気流出管（１６）にかけて専ら乾燥機構（２６）を介して１つの流路（３６）が与えられていることを特徴とする、請求項５に記載の原子炉圧力容器（２）。
7. 乾燥機構（２６）が、サイクロン機構から流出する蒸気‐水混合物（Ｇ）用の１つの第１乾燥ユニット（２８）とその他の蒸気‐水混合物（Ｇ）用の１つの第２乾燥ユニット（３０）とを有することを特徴とする、請求項５または６記載の原子炉圧力容器（２）。
8. 第１乾燥ユニット（２８）がサイクロン機構（２４）と第２乾燥ユニット（３０）との間に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の原子炉圧力容器（２）。
9. 沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器（２）内で蒸気と水を分離するための方法において、炉心（６）から流出する蒸気‐水混合物（Ｇ）が、拡大した流れ断面積を有する１つの流れ空間（８）を通して１つの分離機構（１０）内に案内されることを特徴とする方法。
   

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