JP2007232442A - 自然循環式沸騰水型原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ内におけるボイド率、流動振動および流速等の流動特性を効率良く把握することができる。
【解決手段】チムニ格子流路１２の開放端部または上部プレナム１３に配置された測定孔２ａから圧力を伝送する第一の圧力伝送路１９と、格子流路１２内または上部格子板１０流路の任意の点に配置された測定孔２ｃまたはチムニ下端部における測定孔２ｂから圧力を伝送する第二の圧力伝送路１９と、その差圧を検出する差圧検出器３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ流路における流動特性が測定可能な自然循環式沸騰水型原子炉に関する。

自然循環式の沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器内の冷却水の循環流路を炉心の上部に設けた円筒状のチムニと炉心の周囲を囲う炉心シュラウドとを利用して形成されている。炉心シュラウドやチムニの外周面と原子炉圧力容器内面との間のダウンカマでは、当該ダウンカマを下降流路として、また、炉心やチムニの内側では当該内側を上昇流路として、冷却材が循環している。

このような循環流路を原子炉圧力容器内に備えているので、炉心で核反応による熱を受けて加熱された冷却材は、蒸気を伴う気液二相流となって炉心からチムニ内に抜けて出て上昇し、チムニの上部にある分離装置で液体と気体に分離されて、蒸気は原子炉圧力容器外のタービンに供給され、液体は下降流路側に戻される。
その下降流路では冷却材が、チムニ内の水と蒸気の二相流の冷却材よりも低温、水単相で密度が大きいので、その密度差に基づく自然循環作用で下降して流れる。下降した液体の流れは原子炉圧力容器の底部で上側に反転して再度炉心へ入り加熱される。このように、ポンプを使うことなく、冷却材が原子炉圧力容器内を自然循環している（例えば、特許文献１参照）。

そのため、自然循環式沸騰水型原子炉は、冷却材をポンプで強制的に循環させる強制循環式沸騰水型原子炉と比べて、冷却材を循環させるための系統および機器が簡略化されていることが最大の特徴であるといえる。
その冷却材を効率良く循環させるため、炉心の上方に格子構造物でチムニ内の上昇流路を複数の直立した区画（以下、格子流路とも言う）に仕切って、炉心から上昇してきた気液二相流を鉛直方向に導くようにした例もある（例えば、特許文献２参照）。

特開平０８−０９４７９３号公報（段落番号０００２〜０００６） 特公平０７−０２７０５１号公報（第２頁左欄の下から１０行目から始まる段落）

チムニ内にこのような格子流路を持つ自然循環式沸騰水型原子炉では、その下部に位置する炉心での冷却水と蒸気の流量の違いから、チムニの各格子流路それぞれにも、水・蒸気流量に違いが生じる。このため、後記するボイド率、圧力変動特性（流動振動）または流速等を測定し、運転時におけるチムニ内の流動特性を把握することが重要である。

これらの流動特性の把握のために、水と蒸気の電導率の違いを利用してボイド率を求めたり、或いは特定箇所の圧力を測定する方法が一般的に知られている。しかしながら、自然循環式沸騰水型原子炉では、チムニ内の圧力変動の幅や、２点間の差圧は、チムニ内の高い圧力に比べて相対的に非常に小さく、精度の高い測定方法が要求されると考えられ、圧力や差圧の測定によってチムニ内の流動特性を効率良く把握する方法が必要である。

そこで、本発明は、チムニ内の流動特性を効率良く把握することのできる自然循環式沸騰水型原子炉を提供することを課題としている。

前記した課題を解決するために、本発明は、自然循環式原子炉圧力容器のチムニ格子流路における差圧測定が可能なように、格子流路開放端部または上部プレナムに配置された測定孔から圧力を伝送する第一の圧力伝送路と、格子流路内または上部格子板流路の任意の点に配置された測定孔から圧力を伝送する第二の圧力伝送路と、前記第一の圧力伝送路および前記第二の圧力伝送路に接続され、前記２点の圧力の差を検出する差圧検出器とを備えたことを特徴としている。他の手段については後記にて説明する。

本発明によれば、チムニ内の流動特性を効率良く把握することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の実施形態は、以下の通りである。すなわち、自然循環式沸騰水型原子炉１は、図１に示すように、原子炉圧力容器５内には、複数の燃料集合体９が装荷されている炉心７と、炉心７の外周囲を囲う筒状の炉心シュラウド８と、炉心７の上部を構成している上部格子板１０と、上部格子板１０上に立設してある筒状のチムニ１１と、チムニ１１上に装備されてチムニ１１の上端を覆うスタンドパイプ付きの気水分離器１４と、気水分離器１４を下部のスカート部で囲うように気水分離器１４の上方に装備された蒸気乾燥器１５を炉内構造物として内蔵している。この原子炉圧力容器５の側面には、蒸気出口ノズル１６と給水入口ノズル１７とが、また下部には制御棒駆動機構ハウジング２１および圧力導管ハウジング２０が装備されている。

チムニ１１内の筒状の空間には、上方から見て矩形の格子を有する格子構造物が配備されている。その格子構造物の格子の辺を構成する金属製の板同士は隣接する板同士と溶接等により接合されて、格子構造物は溶接構造となっている。この格子構造物によりチムニ１１内の領域が格子状に仕切られて、炉心７の上方に直立した格子流路１２が複数形成される。
各格子流路１２は、流路横断面が矩形を成し、チムニ１１の上端よりも低い位置に上部の開放端部を有する。各格子流路１２の開放端部からチムニ１１の上端までの間の上部プレナム１３内では、格子状には仕切られずに横断的な一連の領域とされている。

チムニ１１内の差圧を測定するために、一方の測定孔（圧力検出部）２ａは格子流路１２の開放端部に設けられ、他方の測定孔（圧力検出部）２ｂはチムニ１１下端部の上部格子板１０の流路に配置し、それぞれ圧力導管１９を通じて差圧計３に接続され、差圧計３はさらにデータ処理器４と接続されている。なお測定孔（圧力検出部）２ｃはチムニ１１内の任意の点との差圧を測定する場合を想定して例示したものであるが、圧力導管１９の図示は省略してある。また圧力導管１９は、熱と中性子に耐えられるステンレス等の材質でできており、必要に応じて圧力導管ハウジング２０により保持される。

原子炉圧力容器５内には、冷却材として軽水が気水分離器１４の途中の高さにまで入れられている。その冷却材は、原子炉が運転されることにより、炉心７内で、燃料集合体９に格納されている核燃料による核反応で生じる熱を受ける。その熱によって加熱された冷却材は、蒸気と水の気液二相流を伴って比重が軽くなるので、自然に上昇して炉心７から各格子流路１２の下端へ、そして各格子流路１２内に入って上昇する。
そして、冷却材は、チムニ１１内の格子流路１２を上昇し上部の気水分離器１４を通過する。気液二相流状態の冷却材は、気水分離器１４を通過する際に気液二相流から水と蒸気が分離され、分離された水は、炉心シュラウド８やチムニ１１と原子炉圧力容器５内壁面との間の垂直な流路であるダウンカマ１８へと導かれ、ダウンカマ１８を下降流路として、さらに流下する。

その一方、気水分離器１４で分離された蒸気は、さらに湿分を除去するため蒸気乾燥器１５へと導かれ、蒸気乾燥器１５で十分に湿分分離された後に上方へ抜け出て、蒸気出口ノズル１６を通り、蒸気を駆動エネルギとする蒸気タービンへ送られる（図示なし）。なお、気水分離器１４を設けずに、蒸気乾燥器１５のみで湿分分離を実施する場合もある。
蒸気タービンで用いられた蒸気は、図示しない復水器で凝縮されて水に戻された上で冷却材（給水）として給水入口ノズル１７を通り原子炉圧力容器５内に流入し、ダウンカマ１８内の冷却材と混合して下降してゆく。

このように原子炉圧力容器５内での冷却材の流れは、ダウンカマ１８での下降域と炉心７内側での上昇域に分けられ、冷却水の上昇域では炉心７で発生した蒸気を含むため、下降域と比べ相対的に密度が小さい。そのため、ダウンカマ１８での下降域と炉心７内側での上昇域との冷却材間に水頭圧の差ができ、冷却材はダウンカマ１８を下降して下部プレナム６領域へ抜けて反転上昇して炉心下部へと冷却材が流れ込む力が生ずる。

このように自然循環式沸騰水型原子炉１は、冷却材の密度差を利用して自然循環するので、従来の強制循環式沸騰水型原子炉とは相違して、冷却材を循環させるための系統および機器が無い。また、炉心７での冷却材の加熱度合いは、炉心中央部で高く、周辺部で低いという、炉心７の横断面内での加熱の分布が発生する。その加熱の分布で冷却材の上昇速度に分布を生じて流れが乱れようとするが、その乱れを冷却材の流れの道を細かく格子流路１２で仕切って防止し、逆流等を防いで、安定して効率よく冷却材を循環させる。

従って、チムニ１１の格子流路１２内において、気液二相流中の気体（蒸気）の容積割合を示すボイド率、流動振動（ＦＩＶ：Flow Induced Vibration）を引き起こす圧力変動特性、および、流体の流速等の流動特性を把握することは、自然循環の効率性やチムニ１１内の機器および機能健全性を評価するうえで極めて重要である。
以下に、チムニ１１内の差圧を測定する方法と、それによってこれらの流動特性を効率よく把握する方法について説明する。

図２は、チムニ内の圧力または差圧の測定結果例である。
図２（ａ）は、チムニ内の任意の箇所の圧力を測定したときの出力を示すもので、縦軸が圧力、横軸が時間である。自然循環式沸騰水型原子炉１では、内部の圧力は、例えば７ＭＰａ（７，０００ＫＰａ）であり、気液二相流の圧力変動の幅は１０ＫＰａ前後である。或いはチムニ１１内部の上端と下端との水頭圧を６ｍと仮定しても、それは６０ＫＰａに過ぎない。すなわち、チムニ１１内の圧力変動や差圧は、圧力の絶対値に比べて１／１００にも満たないため、その部分を高い精度で測定することは非常に難しい。従って、圧力測定器の感度を上げてチムニ１１内の２点間の差圧を計測することにより、圧力変動や差圧を高い精度で求めることとなる。

しかしながら、例えば図１の測定孔２ｂと測定孔２ｃの２点の差圧を計測した場合、図２（ｂ）の差圧を示す線が出力される。つまり同一の格子流路１２内の２点では、気液二相流の圧力変動特性の作用によって、圧力変動の位相が等しくなるため、その差圧から、ボイド率は計算できるが、圧力変動（流動振動ＦＩＶ）を正しく求めることはできない。

本実施形態では、図２（ｃ）の差圧測定出力に示すように、差圧を計測する２点のうち、１点は圧力変動が殆ど発生しない格子流路１２の開放端部または上部プレナム１３に測定孔２ａを設ければ、他の任意の１点（例えば測定孔２ｂや測定孔２ｃ）との差圧や圧力変動が有効に測定可能となる。この格子流路１２開放端部や上部プレナム１３は、前記したように、格子状には仕切られずに横断的な一連の領域とされているので、全ての格子流路１２からの圧力が合成・相殺される作用があり、その圧力変動は、無いか、無視できる範囲である。また、ここでの平均圧力の絶対値は、格子流路内の平均圧力とほぼ同等であるため、計測精度を高くすることができる。以上のように、これらの適切な箇所で差圧を測定することにより、高い精度で、流動振動とボイド率を同時に評価することが可能である。

図１に戻り、本実施形態では、格子流路１２の開放端部の測定孔２ａと、格子流路１２内の測定孔２ｂまたは測定孔２ｃとの圧力は、個別の圧力導管１９を通じて接続されている差圧計３に伝送される。差圧計３は、その２点の差圧を検出し、データ処理器４に送り、データ処理器４は、それを出力する。

圧力導管１９内は、差圧計３の側から水を充填し気泡が無い状態としていれば、測定孔（２ａ、２ｂ、２ｃ）は気体（蒸気）に面していても構わない。また差圧計は、水圧式で数ＫＰａ〜１００ＫＰａの範囲で計測可能なものであれば問題ない。

次に、前記した実施形態で検出された差圧から、チムニの流動特性を算出する例を示す。
まず、ボイド率αについて、特定の格子流路１２内の測定孔２ａと測定孔２ｂの範囲のボイド率αを求める場合は、下記の演算式（１）をもとに得られる。
ｄＰ_ｍ＝［αρｇ＋（１−α）ρｌ］ｇＬ・・・(１)
ここで、ｄＰ_ｍは、図２（ｃ）の差圧の平均値、Ｌは測定孔２ａと測定孔２ｂの高さの差である。なお、ρｇは気相密度、ρｌは液相密度、ｇは重力加速度である。これらの密度は温度計による温度測定や、測定した差圧から評価することができる。特定の格子流路１２内の測定孔２ｂと測定孔２ｃ間においてボイド率を測定する場合も同様に、図２（ｂ）の差圧平均値より算出することが可能である。この場合、測定孔２ｂと測定孔２ｃは、同一の格子内で高さが異なる２点である。

また、本実施形態で測定した差圧は、測定孔２ａでの圧力変動が無視できるので、他方の測定孔（２ｂ、２ｃ）における圧力変動値と見なすことができる。この圧力変動値を境界条件として、構造解析を実施することにより、チムニ１１に働く流動振動（変動応力）を算出することができる。そして、得られた流動振動より、チムニ１１内の機器および機能健全性を評価することができる。

次に、図３は、測定孔を格子流路１２に設ける施工例を示した断面図である。
図３（ａ）は、図１の実施形態での格子断面図であり、圧力導管１９先端部の測定孔２ａを格子流路１２開放端部上に配置し、測定孔２ｂは格子の下端部の側面を切り欠いて貫通孔を設けた例である。圧力導管１９の配管例については後記する。

図３（ｂ）および（ｃ）は、前記した実施形態の変形例として示した図である。
図３（ｂ）は、圧力導管１９を格子内に水平方向に配置し、その中央に測定孔として下向きに貫通孔を設け、格子流路１２の開放端部に測定孔２ａを、格子流路１２の中間部に測定孔２ｃを、または、格子流路１２の下端部に測定孔２ｂを設置し、いずれか２点の差圧の測定例を示したものである。ここでは、貫通孔を下向きに配置することにより、流れの動圧Ｐを計測し、測定された動圧から流速Ｕを以下の式（２）により、評価することができる。
Ｕ＝（２Ｐ／ρ）^１／２ ・・・（２）
ここで、Ｐは動圧、ρは流体の密度である。

図３（ｃ）は、格子の隔壁材料の内部を鉛直方向に穴を設け、圧力導管１９として利用し、２つの圧力導管１９を導く下端部は二重管構造とし、またその上端部と下端部の側面に、隔壁材料の表面を切り欠いて開放し、測定孔（２ａ、２ｂ）を設けた例である。圧力導管１９として利用できる鋼管に仕切板を接合して、格子を形成し、下端部を二重管構造に切り欠いて設ける方法も可能である。図３（ｃ）の場合は、測定孔（２ａ、２ｃ）や圧力導管１９が、格子流路１２の中を上昇する流体に与える影響をなくすることができる。

図４は、チムニ１１下端部に圧力導管１９を配設する複数の施工例を示した断面図である。
図４（ａ）は、圧力導管１９の先端部の測定孔２ｂをチムニ１１の下端部に設け、格子の下端を切り欠いて、圧力導管１９を上部格子板１０の上に這わせてチムニ１１の外部まで配管した例であり、図４（ｂ）は、それを側面から見た断面図である。

図４（ｃ）は、上部格子板１０の上端に測定孔２ｂを設け、上部格子板１０の内部で圧力導管１９と接続した例である。この場合、チムニ１１の格子は加工が不要となる。
図４（ｄ）は、格子の下端を切り欠いて圧力導管１９の先端部の測定孔２ｂをチムニ１１の下端部に設け、その圧力導管１９を上部格子板１０の貫通孔を通して外部に配管したものである。
図４（ｅ）は、前記した図３（ｃ）のような格子内の鉛直方向の穴を利用し、格子流路１２の任意の高さの１点に測定孔２ｃを設け、上部格子板１０の内部にて圧力導管１９と接続した例であり、図４（ｆ）は、測定孔２ｃでの水平方向の断面図である。

図５は、格子流路１２開放端部に測定孔２ａを配設した例である。圧力導管１９の先端部に測定孔２ａを設けて、チムニ１１の格子上に配置し、接着するか、留め具で固定すれば、格子を加工することなく、測定孔２ａを設けることができる。
また、格子流路１２の開放端部以外でも、上部プレナム１３の空間内であれば、圧力は同じであり、且つ、前記したように圧力変動も無いか、無視できる範囲なので、測定孔２ａと同じ圧力が得られる。図６の測定孔２ｄはその一例である。

次に、図１と図６を用いて圧力導管１９の配管施工例を説明する。
図１では、圧力導管１９は、測定孔２ｂから、圧力導管ハウジング２０を通じて、炉心７および下部プレナム６を経由して原子炉圧力容器５外に出て、差圧計３に接続される。また、測定孔２ａからの圧力導管１９は、チムニ１１および炉心シュラウド８の内壁を通って、原子炉圧力容器５の下部から外部に出て差圧計３に接続されるが、必要に応じて圧力導管ハウジング２０が配設され、圧力導管１９を保持する。なお測定孔が２ｃの位置にある場合は、例えば下からの圧力導管１９を測定孔２ｃまで引延ばして配管してもよいし、或いは図４（ｅ）の例のように、上部格子板１０で圧力導管１９と接続してもよい。

この変形例として、制御棒駆動機構ハウジング２１を利用して、圧力導管１９を保持したものが図６（ａ）である。また図６（ｂ）の変形例のように、原子炉圧力容器５の側面に取り出し穴を設けて、或いはノズルを利用して（図示なし）、圧力導管１９を外部に取り出したり、また測定孔２ｂからの圧力導管１９も、チムニ１１および炉心シュラウド８の内壁を通って、原子炉圧力容器５の下部から外部に出してもよい。

本発明の実施形態に係る自然循環式沸騰水型原子炉の概略構成を示した図である。 本発明の実施形態に係るチムニ内の圧力または差圧の測定結果の一例である。 本発明の実施形態に係る測定孔の施工例を示した断面図である。 本発明の実施形態に係るチムニ下端部の圧力導管の配管例を示した図である。 本発明の実施形態に係る格子流路開放端部に測定孔を配設した例である。 本発明の実施形態に係る圧力導管の配管例を示した図である。

符号の説明

１ 自然循環式沸騰水型原子炉
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ 測定孔
３ 差圧計
４ データ処理器
５ 原子炉圧力容器
６ 下部プレナム
７ 炉心
８ 炉心シュラウド
９ 燃料集合体
１０ 上部格子板
１１ チムニ
１２ 格子流路
１３ 上部プレナム
１４ 気水分離器
１５ 蒸気乾燥器
１６ 蒸気出口ノズル
１７ 給水入口ノズル
１８ ダウンカマ
１９ 圧力導管
２０ 圧力導管ハウジング
２１ 制御棒駆動機構ハウジング

Claims (6)

1. チムニ格子流路における格子流路開放端部または上部プレナムに配置された測定孔から圧力を伝送する第一の圧力伝送路と、
   格子流路内または上部格子板流路の任意の点に配置された測定孔から圧力を伝送する第二の圧力伝送路と、
   前記第一の圧力伝送路および前記第二の圧力伝送路に接続され、前記２点の圧力の差を検出する差圧検出器と、
   を備えたことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
2. 前記任意の点は、チムニ下端部における点であることを特徴とする請求項１に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
3. 前記検出された差圧からチムニに発生する圧力変動を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
4. 少なくとも一つの前記圧力伝送路は、前記格子流路を構成する隔壁材料の内部に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
5. 前記圧力伝送路の一方の端部は、前記隔壁材料の表面を開放し、当該開放部分を前記測定孔となすことを特徴とする請求項４に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
6. 前記第一と前記第二の圧力伝送路は、前記隔壁材料の内部に二重管構造で設けられたことを特徴とする請求項４に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。

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