JP2008128655A - 沸騰水型自然循環原子炉およびその運転制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】沸騰水型自然循環原子炉で、大きなコストインパクト無しに、炉心流量を制御可能にして、出力制御能力を向上する。
【解決手段】沸騰水型自然循環原子炉は、原子炉容器１と、原子炉容器１内に収容された炉心１４と、炉心１４の外周を覆って原子炉容器１内部を内外に区画する筒状の炉心シュラウド１０と、炉心シュラウド１０の上部を覆う炉心シュラウドヘッド２６と、炉心シュラウドヘッド２６の上方に配置されて上下端部に開口を有する筒状のチムニー１５と、チムニー１５の上端部の外周を覆うように配置された筒状の後置シュラウド２０と、後置シュラウド２０の上部を覆って上部に後置シュラウドヘッド開口７０を有する後置シュラウドヘッド２７と、後置シュラウドヘッド開口７０に接続されて後置シュラウドヘッド２７の上方に配置された気水分離器１６と、を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、沸騰水型自然循環原子炉およびその運転制御方法に関する。

自然循環型原子炉（自然循環炉）の出力制御には制御棒による方法があるが、この時間応答性は悪く（高々数時間オーダー）、現在普及している強制循環炉の再循環ポンプ速度制御のような速い応答性（数秒オーダー）を実現するのは困難であった。また、自然循環炉は自然循環力確保のために原子炉圧力容器高さが高く、格納容器建屋全体としても高く大きくなる傾向にあった。そのため強制循環炉と比べてデメリットが多く、特に大型化によるスケールメリットを生かす必要のある現状の大型プラントにおいて、自然循環炉のメリットである簡素化設備構造と安い運転費を生かすことが現実的には難しかった。

自然循環炉においても出力を制御する方法については以前から考えられてはいた。たとえば給水加熱量を制御して炉心入口サブクール度を調節して出力を制御する方法などが提案されている（特許文献１）。しかし、この手法は再循環流量制御に比べて時間応答性が遅く（数十秒オーダー）、大幅な炉心入口サブクール度の増減は困難であり、出力を上げようとして給水加熱量を減らすとタービン効率が減少するなどの欠点があった。また、たとえば給水流量の増減により炉水位を制御して、それによって自然循環流量を増減させて出力を制御する方法があるが、この手法は再循環流量制御に比べ時間応答性が遅く（数十秒オーダー）、大幅な炉水位の増減には多大な時間と気水分離器性能の水位範囲の制限などが加わり現実的ではなかった。

また、ジェットポンプを内蔵する自然循環型沸騰水型自然循環炉が提案されている（特許文献２）。しかしこれは、原子炉圧力容器の底部のジェットポンプを設置して原子炉圧力容器底部に高温高圧の水を流し原子炉圧力容器上部と下部に過大な温度差が生じるのを防止するものであり、自然循環炉の流量を制御するものではない。
特開平８−２３３９８９号公報 特開平５−７２３７５号公報

自然循環炉においても現在の商用の強制循環炉のように再循環流量制御を行なおうとすると、沸騰水型原子炉の場合には必然的に外部駆動の機器が必要になる。しかし、そのままでは強制循環炉と同じになってしまい、自然循環炉本来のメリットが生かせない。たとえばジェットポンプによる再循環システムにしても、これでは高揚程のジェットポンプ駆動ポンプおよび高圧給水配管が必要になり、物量増加に加えて運転費は現在の商用沸騰水型原子炉の内蔵再循環ポンプ（ＲＩＰ）やジェットポンプシステムよりも大幅に増大してしまう。

結局これは、再循環流量制御幅をある程度犠牲にしても、自然循環に一部駆動力補助という機能を追加実現するシステムをいかなる構成で成立させるか、という課題に帰結すると考えられる。

本発明は、沸騰水型自然循環原子炉において、大きなコスト増大無しに炉心流量を制御可能にして出力制御能力を向上させることを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る沸騰水型自然循環原子炉は、原子炉容器と、前記原子炉容器内に収容された炉心と、前記炉心の外周を覆って前記原子炉容器内部を内外に区画する筒状の炉心シュラウドと、前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドの上部を覆う炉心シュラウドヘッドと、前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドヘッドの上方に配置されて上下端部に開口を有する筒状のチムニーと、前記原子炉容器内で前記チムニーの少なくとも上端部の外周を覆うように配置された筒状の後置シュラウドと、前記原子炉容器内で前記後置シュラウドの上部を覆って上部に後置シュラウドヘッド開口を有する後置シュラウドヘッドと、前記原子炉容器内で前記後置シュラウドヘッド開口に接続されて前記後置シュラウドヘッドの上方に配置された気水分離器と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る沸騰水型自然循環原子炉運転制御方法は、原子炉容器と、前記原子炉容器内に収容された炉心と、前記炉心の外周を覆って前記原子炉容器内部を内外に区画する筒状の炉心シュラウドと、前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドの上部を覆う炉心シュラウドヘッドと、前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドヘッドの上方に配置されて上下端部に開口を有する筒状のチムニーと、前記原子炉容器内で前記チムニーの少なくとも上端部の外周を覆うように配置された筒状の後置シュラウドと、前記原子炉容器内で前記後置シュラウドの上部を覆って上部に後置シュラウドヘッド開口を有する後置シュラウドヘッドと、前記原子炉容器内で前記後置シュラウドヘッド開口に接続されて前記後置シュラウドヘッドの上方に配置された気水分離器と、前記原子炉容器の外側に配置された駆動ポンプと、前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドおよび後置シュラウドの外側に配置され、前記駆動ポンプから供給される給水を駆動水として、前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドおよび後置シュラウドの外側の水を下方に駆動するジェットポンプと、を有する沸騰水型自然循環原子炉の運転制御方法において、前記原子炉容器内の水位を測定し、前記炉心の流量を測定し、前記水位および炉心の流量が所定の幅に入るように前記駆動ポンプを制御すること、を特徴とする。

本発明によれば、沸騰水型自然循環原子炉において、大きなコスト増大無しに炉心流量を制御可能にして出力制御能力を向上させることができる。

以下、本発明に係る沸騰水型自然循環原子炉の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
本発明に係る沸騰水型自然循環原子炉の第１の実施形態を、図１から図３を用いて説明する。

図１は第１の実施形態の沸騰水型自然循環原子炉の構成を示す模式的立断面図である。この図に示すように、原子炉圧力容器１は軸を鉛直方向とするほぼ円筒状の容器であって、その内部に炉心１４が配置され、炉心１４の外周は、軸を鉛直方向とする筒状の炉心シュラウド１０によって覆われている。炉心シュラウド１０の上端は炉心シュラウドヘッド２６によって閉じられ、炉心シュラウドヘッド２６の上方には複数のチムニー１５が立設されている。各チムニー１５は軸を鉛直方向にした筒状であって、その下端は炉心シュラウドヘッド２６の下方に向かって開口しており、上端も開口している。

チムニー１５の上端全体外側を覆うように筒状の後置シュラウド２０が配置され、後置シュラウド２０の上端は後置シュラウドヘッド２７によって閉じられている。この後置シュラウドヘッド２７の下方で後置シュラウド２０に囲まれた位置に出口プレナム４５が形成される。

後置シュラウドヘッド２７の上端には複数の後置シュラウドヘッド開口７０が形成され、これら各後置シュラウドヘッド開口７０それぞれから上方に気水分離器１６が立設されている。気水分離器１６の上方には蒸気乾燥器４０が配置されている。

原子炉圧力容器１内で炉心シュラウド１０および後置シュラウド２０の外側には環状の空間であるダウンカマ（アニュラス部）１２が形成され、ダウンカマ１２内に、複数のジェットポンプ２２が原子炉圧力容器１の円周方向に沿って配列されている。各ジェットポンプ２２の上端にはジェットポンプ駆動ノズル４１が配置され、ジェットポンプ駆動ノズル４１には、原子炉圧力容器１の外に配置された駆動ポンプ６１によって、給水配管４３内の給水が供給されるようになっている。

原子炉圧力容器１内で炉心１４の下方には下部プレナム１３が形成されている。また、炉心１４内に制御棒（図示せず）を下方から挿入したり下方へ抜き出したりするために、原子炉圧力容器１下方に制御棒駆動機構４２が配置されている。

沸騰水型自然循環原子炉は原子炉圧力容器１の炉心シュラウド１０の内側と外側の密度差（ヘッド）を利用して大きな自然循環流量を確保するものである。炉心シュラウド１０の外側のダウンカマ１２を下降した冷却材は、下部プレナム１３から炉心１４に流入し、炉心で燃料棒から熱を受け取って沸騰し、気液二相流となりチムニー１５内を上昇する。

この実施形態では、チムニー１５上端から出た気液二相流が２段階で気相と液相に分離され、液相はダウンカマ１２から下部プレナム１３に向けて再循環する。一方、分離された気相（蒸気）は主蒸気配管４４を経て、図示しないタービンへ送られる。タービンで発電した後の蒸気は復水器（図示せず）で凝縮して復水となり給水配管４３を通って原子炉圧力容器１に戻る。

本実施形態では、第１段目の気水分離手段として、チムニー１５の上部に後置シュラウド２０を設ける。後置シュラウド２０の下端は開放されており、後置シュラウド２０内側下端からダウンカマ１２への流路３２がある。チムニー１５出口の流体は、後置シュラウドヘッド２７下の出口プレナム４５内で重力によって部分的に気水分離し、分離水は後置シュラウド２０下端の流路３２を通って後置シュラウド２０の外側のダウンカマ１２へ出て下降する。後置シュラウド２０の上方には、第２段目の気水分離手段である気水分離器１６を設置するための後置シュラウドヘッド２７が配置されている。気水分離器１６で分離された液相の水は、流路３３を通ってダウンカマ１２に出て、下降する。

本実施形態での原子炉圧力容器１内の流れを、図２および図３を参照して説明する。自然循環のパスは、図２に示すように以下の２段階に分けられる。すなわち、第１のパス５１は、後置シュラウドヘッド２７の下部で気水分離された液相がダウンカマ１２へ向かうパスであり、第２のパス５３は、通常の気水分離器１６を通って分離された液相がダウンカマ１２へ向かうパスである。

このような第１の気水分離と第２の気水分離を行なう自然循環炉に、さらにジェットポンプ２２を設ける。この場合の原子炉圧力容器１内の流れは以下の通りとなる。まず、ジェットポンプ２２は第２段目の気水分離水の第２のパス５３の水を再度昇圧して、第１段目の気水分離水の第１のパス５１の水と並列混合させ、それらを下部プレナム１３経由で炉心１４に供給することができる。第１段目の後置シュラウドヘッド２７下部での気水分離はフリーサーフェス（自由液面）気水分離の構成であり、第２段目での気水分離は従来と同じ遠心分離型気水分離器１６を用いている。

このような構成にすると、基本的に炉心流量（自然循環流量）は出口プレナム４５にできる水位と炉心シュラウド１０内の二相流の密度差による自然循環のパス５１で確保される。気水分離器１６で分離された水も自然循環のパス５３で流れる。

この実施形態によれば、通常の自然循環炉と比べて自然循環に有効なヘッドＨが小さくなるので全自然循環流量は少なくなるが、安定な自然循環流が確保される。

このような運転状態でジェットポンプ２２を稼動すると、炉心流量を変化させることが可能である。図５にこの実施形態の効果を示す。従来の沸騰水型自然循環原子炉では、原子炉出力は、炉心流量の自然循環特性で決まる曲線的な関係であり、定格出力近傍では炉心流量が変更されても原子炉出力はほぼ一定の状態であった。一方、本実施形態による炉心流量制御可能な自然循環炉では、運転範囲を図の罫線領域に広げることが可能である。この結果、従来と同じ程度の揚程があれば短時間の負荷変動に対応するのに十分な炉心流量とその変動幅を確保でき、大きなコストインパクト無しに自然循環炉を強制循環炉並みの出力制御能力が付加されることになる。なお、原子炉水位の維持には、給水配管４３からバイパスした一部をジェットポンプ吸込み側に設けられる給水スパージャ４６に戻すことで対応できる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態を、図４を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。

この実施形態では、沸騰水型自然循環炉に、炉心流量計６３と水位計６４を設け、これらの計測器の出力信号を制御器６２に入力する。制御器６２は、これらの信号に基づいてジェットポンプ２２の駆動ポンプ６１の圧力を制御する。

炉心流量の増減は、駆動ポンプ６１の圧力を制御して行なう。駆動ポンプ６１の速度を上げてジェットポンプ２２吐出圧力を増大させると、ジェットポンプ２２吐出流量が増加し、出口プレナム４５内水位もそれに応じて上昇する。このとき、炉心流量と出力に応じて炉心シュラウド１０内流速が増減するが、前置気水分離で分離される水量はほとんど変わらない。したがって、炉心流量は、ジェットポンプ２２吐出流量分だけ増加する。このとき制御棒を固定していれば、炉心流量の増減に対応して出力が増減する。炉心流量制御幅は後置シュラウド２０内水位の上下幅で決まり、およそ１５〜２０％で、現行強制循環炉のフローウィンドウ程度は確保できる。

［その他の実施形態］
以上説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、炉心が原子炉圧力容器内に収容されていることとしたが、原子炉容器は必ずしも「圧力容器」でなくてもよい。また、蒸気乾燥器４０は省略してもよい。

本発明に係る沸騰水型自然循環原子炉の第１の実施形態の構成を示す模式的立断面図である。 図１の沸騰水型自然循環原子炉におけるジェットポンプ不動作時の冷却材の流れを示す模式的立断面図である。 図１の沸騰水型自然循環原子炉におけるジェットポンプ動作時の冷却材の流れを示す模式的立断面図である。 本発明に係る沸騰水型自然循環原子炉の第２の実施形態の構成を示す模式的立断面図である。 本発明の効果を説明する原子炉出力と炉心流量の関係を示す特性図である。

符号の説明

１…原子炉圧力容器（原子炉容器）
１０…炉心シュラウド
１２…ダウンカマ（アニュラス部）
１３…下部プレナム
１４…炉心
１５…チムニー
１６…気水分離器
２０…後置シュラウド
２２…ジェットポンプ
２６…炉心シュラウドヘッド
２７…後置シュラウドヘッド
３２，３３…流路
４０…蒸気乾燥器
４１…ジェットポンプ駆動ノズル
４２…制御棒駆動機構
４３…給水配管
４４…主蒸気配管
４５…出口プレナム
４６…給水スパージャ
５１，５３…パス
６１…駆動ポンプ
６２…制御器
６３…炉心流量計
６４…水位計
７０…後置シュラウドヘッド開口

Claims (4)

1. 原子炉容器と、
   前記原子炉容器内に収容された炉心と、
   前記炉心の外周を覆って前記原子炉容器内部を内外に区画する筒状の炉心シュラウドと、
   前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドの上部を覆う炉心シュラウドヘッドと、
   前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドヘッドの上方に配置されて上下端部に開口を有する筒状のチムニーと、
   前記原子炉容器内で前記チムニーの少なくとも上端部の外周を覆うように配置された筒状の後置シュラウドと、
   前記原子炉容器内で前記後置シュラウドの上部を覆って上部に後置シュラウドヘッド開口を有する後置シュラウドヘッドと、
   前記原子炉容器内で前記後置シュラウドヘッド開口に接続されて前記後置シュラウドヘッドの上方に配置された気水分離器と、
   を有することを特徴とする沸騰水型自然循環原子炉。
2. 前記原子炉容器の外側に配置された駆動ポンプと、
   前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドおよび後置シュラウドの外側に配置され、前記駆動ポンプから供給される給水を駆動水として、前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドおよび後置シュラウドの外側の水を下方に駆動するジェットポンプと、
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型自然循環原子炉。
3. 前記原子炉容器内の水位を測定する水位計と、
   前記炉心の流量を測定する炉心流量計と、
   前記水位計および炉心流量計の出力が所定の幅に入るように前記駆動ポンプを制御する制御器と、
   をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の沸騰水型自然循環原子炉。
4. 原子炉容器と、
   前記原子炉容器内に収容された炉心と、
   前記炉心の外周を覆って前記原子炉容器内部を内外に区画する筒状の炉心シュラウドと、
   前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドの上部を覆う炉心シュラウドヘッドと、
   前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドヘッドの上方に配置されて上下端部に開口を有する筒状のチムニーと、
   前記原子炉容器内で前記チムニーの少なくとも上端部の外周を覆うように配置された筒状の後置シュラウドと、
   前記原子炉容器内で前記後置シュラウドの上部を覆って上部に後置シュラウドヘッド開口を有する後置シュラウドヘッドと、
   前記原子炉容器内で前記後置シュラウドヘッド開口に接続されて前記後置シュラウドヘッドの上方に配置された気水分離器と、
   前記原子炉容器の外側に配置された駆動ポンプと、
   前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドおよび後置シュラウドの外側に配置され、前記駆動ポンプから供給される給水を駆動水として、前記原子炉容器内で前記炉心シュラウドおよび後置シュラウドの外側の水を下方に駆動するジェットポンプと、
   を有する沸騰水型自然循環原子炉の運転制御方法において、
   前記原子炉容器内の水位を測定し、
   前記炉心の流量を測定し、
   前記水位および炉心の流量が所定の幅に入るように前記駆動ポンプを制御すること、
   を特徴とする沸騰水型自然循環原子炉運転制御方法。

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