JP2008292355A

JP2008292355A - 高速炉用中間熱交換器

Info

Publication number: JP2008292355A
Application number: JP2007139159A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Yoshimura; 良治吉村; Kimitaka Kimura; 公隆木村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2008-12-04

Abstract

【課題】原子炉容器内蔵型の高速炉用中間熱交換器の入口環状通路を流れる２次冷却材の周方向流量分布の均等化を図り、流量分布の偏りによる伝熱管の損傷を防止する。
【解決手段】２次冷却材が導入される入口ノズル１８と、２次冷却材が流下する入口環状流路３１と、前記入口環状流路３１に接続された管束部とを有する高速炉用の原子炉容器内蔵の中間熱交換器１５において、前記入口ノズル１８と前記入口環状流路３１の間に環状の入口ヘッダ５１を設けるとともに、前記入口環状流路３１を前記入口ヘッダ５１の端部に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、中間熱交換器を原子炉容器内に内蔵した高速炉用の中間熱交換器に関する。

従来の原子炉容器内蔵の高速炉用の中間熱交換器が特許文献１（特開平６−１７４８８２号公報）に開示されている。従来の中間熱交換器１５を内蔵する高速増殖炉１は、図１６に示すように、核燃料の集合体からなる炉心２を有し、炉心２は全体としてほぼ円柱状に形成されている。炉心２の外側には炉心バレル３、反射体４が配設され、反射体４の外側には１次冷却材の冷却材流路５の内壁を構成する隔壁６が設けられている。

隔壁６の外側には間隔をあけて冷却材流路５の外壁を構成する原子炉容器７が、冷却材流路５中には中性子遮蔽体８が配設されている。中性子遮蔽体８の上方の冷却材流路５中には円環状の電磁ポンプ１４が配設され、電磁ポンプ１４のさらに上方に中間熱交換器１５が配設されている。中間熱交換器１５と電磁ポンプ１４は一体に形成され、原子炉の上部の構造体と一体連続的に構成されている。

図１６に示すように、中間熱交換器１５のチューブ側とシェル側はそれぞれ１次冷却材と２次冷却材が流通するように構成されている。

図１７は図１６の中間熱交換器１５を拡大して表示したもので、中間熱交換器１５は上部管板３３、下部管板３４、複数の伝熱管２２、内胴２０、外胴２１からなる管束部３５と、入口ノズル１８、入口環状流路３１、出口ノズル１９、出口環状流路３２からなる管束部３５と外部の間を流通させる２次冷却材流路から構成される。

中間熱交換器１５の管束部３５のシェル側の入口は外部と接続された入口ノズル１８と入口環状流路３１を介して流通するよう構成され、シェル側の出口は外部と接続された出口ノズル１９と出口環状流路３２を介して流通するよう構成されている。

運転に際しては、原子炉容器７内に１次冷却材の液体ナトリウムが満たされ、この１次冷却材によって炉心２を冷却しつつ核分裂による熱を外部に取り出す。

図１６の実線の矢印は１次冷却材の流れ方向を示しており、これら実線の矢印に示すように１次冷却材は電磁ポンプ１４によって下方に駆動され、中性子遮蔽体８の内部を流過して原子炉容器７の底部に至る。

次に、１次冷却材は炉心２内を流通しながら上昇し、原子炉容器７上部で中間熱交換器１５のチューブ側に流入する。さらに、１次冷却材は中間熱交換器１５で２次冷却材と熱交換を行った後に流出し、再び電磁ポンプ１４によって下方に駆動される。

図１６および図１７の破線の矢印は２次冷却材の流れ方向を示しており、２次冷却材は外部から入口ノズル１８、入口環状流路３１を経て中間熱交換器１５の管束部３５のシェル側に流入し、管束部３５の伝熱管２２を通して１次冷却材により加熱された後に、出口環状流路３２を経て出口ノズル１９から外部に流出してその熱を動力等に変換する。

上記中間熱交換器１５は、管束部３５の外側に２次冷却材を流通させる環状流路３１、２を設けているのでその流路面積を広くとることができるため、２次冷却材の通過圧損を小さくすることができるとともに、原子炉容器構造を小型化することができる。
特開平６−１７４８８２号公報（特許第３１２６５２４号）

上述した従来の原子炉容器内蔵型の高速炉用中間熱交換器は、２次冷却材が入口ノズルから流入した後、３６０°全周にわたって入口がある管束部のシェル側に流入させる構造であり、入口ノズルから周方向にほぼ均等に流量分配させる必要がある。

仮に、環状流路で偏流が発生し、それが管束へ持ち込まれて管束内で周方向に流量分布の偏りが発生すると、１次冷却材との熱交換量の差が周方向に生じ、その偏りが大きい場合には伝熱管に温度差が生じて熱膨張差により座屈が生じる恐れがある。

また、環状流路は縦長の薄肉円筒状の胴板を多重に組み合わせて形成するが、製作の際、流路幅の精度をよく保つ必要がある。しかしながら、流路幅の変形が大きい場合には、上述の偏流が拡大されることも考えられる。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、２次冷却材の管束部に至る環状流路での周方向流量配分の均等化を図ることができるとともに、流路幅の製作精度と製作性のよい環状流路を有する、シンプルでコンパクトな構成で１次と２次冷却材の熱交換を実現する高性能で信頼性の高い中間熱交換器を提供することにある。

具体的には、本発明の原子炉容器内蔵の高速炉用中間熱交換器は、２次冷却材が導入される入口ノズルと、２次冷却材が流下する入口環状流路と、前記入口環状流路に接続された管束部と、出口環状流路とを有する原子炉容器内蔵の中間熱交換器において、前記入口ノズルと前記入口環状流路の間に環状の入口ヘッダを設けるとともに、前記入口環状流路は前記入口ヘッダの端部に接続された構成にしたものである。

また、本発明は、入口環状流路に、多孔板、邪魔板または板状のフローガイドからなる整流部材を設けたことを特徴とするものである。

また、本発明は、入口ノズルが複数設けられ、それぞれ前記環状の入口ヘッダに接続したことを特徴とするものである。

さらに、本発明は、入口環状通路に複数のスペーサを設置したことを特徴とするものである。

本発明によれば、入口ノズルと前記入口環状流路の間に環状の入口ヘッダを設けるとともに、前記入口環状流路は前記入口ヘッダの端部に接続された構成を採用することにより、環状流路を流れる２次冷却材は周方向に流量分布の偏りが抑制され、均等化される。

また、本発明によれば、入口環状流路に、多孔板、邪魔板または板状のフローガイドからなる整流部材を設けたことにより、さらに周方向流量分布の偏りが抑制され、周方向流量配分の均等化を図ることができる。

また、本発明によれば、入口ノズルが複数設けられ、それぞれ前記環状の入口ヘッダに接続したことにより、入口ヘッダへ２次冷却材を分配して流入させ、環状流路を流れる２次冷却材は周方向に流量分布の偏りをさらに抑制する。

さらに、本発明によれば、入口環状通路に複数のスペーサを設置したことにより、環状流路の変形を抑制し、環状流路を流れる２次冷却材の周方向の流量分布の偏りを低減することができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１乃至図３を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る中間熱交換器の構造図である。図２は図１に示す中間熱交換器の入口環状流路３１の上部見取図、図３は図１に示す中間熱交換器における入口環状流路での流量分布例である。図１において、本実施の形態の中間熱交換器１５は上部管板３１、下部管板３２、複数の伝熱管２２、内胴２０、外胴２１からなる管束部３５と、出口ノズル１９、出口環状流路３２、入口ノズル１８、入口環状流路３１、入口ヘッダ５１、多孔板５２からなる管束部３５と外部の間を流通させる２次冷却材流路から構成される。図１及び図２において入口ヘッダ５１は入口ノズル１８と入口環状流路３１の間に入口ノズル１８より大きな断面積を有し環状に形成される。入口環状流路３１は、外側シュラウド２３と外胴２１に形成され、入口ノズル１８の端部に環状の狭い流路を形成するように接続される。

２次冷却材は入口ノズル１８から入口ヘッダ５１に流入し、ここで流れの向きが変わり、２次冷却材の多くは入口ヘッダ５１を周方向に流れる。入口環状流路３１の入口は、入口ヘッダに比して流路面積が小さいことによる流動抵抗を有しているので、２次冷却材は周方向に分配されて入口環状流路３１に流れる。入口環状流路３１に流入後はほぼ下に向かって流れ、その後向きを水平に、その後上向きに変えて管束部３５のシェル側に流入する。

図３は入口環状流路３１の下部における２次冷却材流量の周方向分布の例であり、上記構成を採用した入口環状流路３１の流量分布と、後述する入口に整流部材（多孔板）を設けた場合の流量分布を図示している。

このように、入口環状流路３１の入口は、入口ヘッダに比して流路面積が小さいことによる流動抵抗を有しているので、従来の入口ヘッダを有していない熱交換器に比して、流量分布の偏りを減少せしめ、入口環状流路３１での２次冷却材流量の周方向配分の均等化を図ることができる。なお、後述する第２の実施の形態では、前記入口環状流路に整流部材を配置することにより、より流量分布の均等化を図ることができる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態によれば、２次冷却材が管束部に至る環状流路での周方向流量配分の均等化を図ることができ、シンプル、コンパクトな構成で１次と２次冷却材の熱交換を実現する高性能で信頼性の高い中間熱交換器を提供することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図３乃至図７を用いて説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る中間熱交換器の構造図である。図５は図４に示す中間熱交換器の入口環状流路３１の上部見取図、図３は図４に示す中間熱交換器における入口環状流路での流量分布例である。第１の実施の態様とは、整流部材として多孔板５２が入口環状流路３１の入口において外側シュラウド２３と外胴２１に接続されている点で異なっている。

図３は入口環状流路３１の下部における２次冷却材流量の周方向分布の例であり、入口環状流路３１の入口に流動抵抗機能と整流機能を有する多孔板からなる整流部材を設けることにより流量分布がより均等化されることが示されている。

このように、環状の入口ヘッダ５１と設けるとともに、入口環状流路３１に多孔板５２からなる整流部材を設けたので、第１の実施態様に係る中間熱交換器よりも、管束部３５に至る入口環状流路３１での２次冷却材流量の周方向配分をさらに均等化することができる。

なお、多孔板の製作は容易であり、また、例えば多孔の径やピッチを周方向に変えることにより流量分配の調整も可能である。また、径の大きい外側シュラウド３１と外胴２１を多孔板５２と合わせて製作することで、外側シュラウド３１と外胴２１の径の精度を入口環状流路３１の入口で保つことができる。

図６は図４と同様の中間熱交換器１５の断面図であり、多孔板５２を入口環状流路３１の下部に設けている点が図４と異なっている。この多孔板５２の整流・流動抵抗機能により２次冷却材の流量の周方向配分を均等化することができるので、管束部３５へ持ち込まれる偏流を低減できる。

なお、多孔板などの整流部材の設置個数は１つに限られるものではなく、図７に示すように複数設けてもよい。また、整流部材の配置場所も環状流路の上部または下部に限定されるものではなく、環状流路内に設ければよい。

また、図４及び図５は多孔板を外側シュラウド２３と外胴２１に接続している場合であるが、熱応力低減のため、もしくは製作性のために多孔板５２を両方の胴体に直接接続しない場合の構造としては図７がある。図７は入口環状流路３１の断面であり、多孔板５２は外側シュラウド２３から接続する。多孔板５２と外胴２１との間には隙間を設け、多孔板５２の下流側に受け板５５を外胴２１から設けている。多孔板５２と受け板５５の間は摺動するため径方向の熱応力が生じなく、多孔板５２を胴体の片側のみから接続することができる。なお、図７では環状流路の下部にも多孔板５２を設けて一層の流量の周方向均等化を図っている。

以上説明したように本発明の第２の実施の形態によれば、入口環状流路３１に多孔板からなる少なくとも１つの整流部材を設けたことにより、２次冷却材が管束部に至る環状流路での周方向流量配分の均等化を図ることがででき、流路幅の製作精度と製作性のよい環状流路を有する、シンプル、コンパクトな構成で１次と２次冷却材の熱交換を実現する高性能で信頼性の高い中間熱交換器を提供することができる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について、図８及び図９を用いて説明する。なお、第１の実施の形態と同一の構成部品には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図８は図１に示す中間熱交換器１５の入口環状流路３１の上部見取図であり、本実施の形態の中間熱交換器は、図１の入口環状流路３１の入口に整流部材として邪魔板５３を設けたことを特徴とする。

図８において、邪魔板５３は外胴２１との間に隙間を設け外側シュラウド２３から接続される。隙間は周方向に変化させている。

この邪魔板５３により、邪魔板５３と外胴２１との隙間を通過する２次冷却材の整流・流動抵抗機能を、第１の実施の形態よりも大きく、かつ、調整可能にすることができ、管束部３５に至る入口環状流路３１での２次冷却材流量の周方向配分のさらなる均等化を図ることができる。さらに、環状流路の片側の胴体からのみ邪魔板５３を接続しているので、製作性がよく、また、熱応力が発生する心配がない。

図９は、邪魔板５３が設けられた入口環状流路３１の上面図である。邪魔板５３は周方向に１４分割されている。その半数は外側シュラウド２３から接続して外胴２１との間に隙間を設け、残り半数は外胴２１からから接続して外側シュラウド２３との間に隙間を設ける構造とし、各々が交互に設置される。この構造により、組立しやすく、整流・流動抵抗機能を外側シュラウド２３側と外胴２１側とに分散させることにより、２次冷却材の周方向流量分配の均等化を図ることができる。

以上説明したように本発明の第３の実施の形態によれば、製作性がよく、また、熱応力を発生させずに２次冷却材が管束部に至る環状流路での流量の周方向分布の偏りを低減することができる。

（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態について、図１０を用いて説明する。
図１０は図１に示す中間熱交換器１５の入口環状流路３１の上部見取図であり、本実施の形態の中間熱交換器は、図１の入口環状流路３１の入口に整流部材としてフローガイド５４を設けたことを特徴とする。

図１０において、外側シュラウド２３と外胴２１に接続し、入口環状流路３１の軸方向に沿って、周方向に所定の間隔をあけて複数のフローガイド５４を設けている。

２次冷却材はこのフローガイド５４の間を通過する際フローガイド５４に沿って流れるので、流速の水平方向成分が抑制され、少ない流動抵抗で整流でき、渦などの不整な流れを管束部に持ち込むことを低減できる。入口環状流路３１の入口のフローガイド５４に、さらに図５に示した入口環状流路の下部の多孔板５２を加えてもよく、これにより２次冷却材が管束部に至る環状流路での流量の周方向分布低減できる。

図１０はフローガイド５４を外側シュラウド２３と外胴２１に接続しているが、熱応力低減のため、もしくは製作性のためにフローガイド５４を一方の胴体のみに接続してもう一方の胴体との間に隙間を設ける場合に、その隙間を調整する構造として図１１がある。図１１は入口環状流路３１上部の見取図であり、フローガイド５４は外側シュラウド２３から接続し、フローガイド５４と外胴２１との間には隙間を設け、その隙間の上方にコの字状の受け板５５を外胴２１から接続している。受け板５５の軸方向の長さはフローガイド５４より短くてもよい。フローガイド５４と受け板５５の間にも隙間があり、その隙間に調整代を有するＬ字状のスペーサ５６、５７を差し込み、締結部５８で受け板５５に固定する。これにより、フローガイド５４を片側の胴体のみ接続する場合に入口環状流路３１の流路幅の調整機能を持たせながら２次冷却材の整流を図れる。なお、図５の多孔板５２、図８及び図９の邪魔板５３にも図９と同様な隙間調整機能を有する構造をとることが可能である。

以上説明したように本発明の第４の実施の形態によれば、管束部に至る環状流路において少ない流動抵抗で２次冷却材の整流を実現できる。

また、上記第２から第４の実施形態では、整流部材として、それぞれ多孔板、邪魔板、フローガイドが用いられているが、それらを環状通路に複数配置すること、また、それらを組み合わせて配置してもよい。

（第５の実施の形態）
次に、本発明の第５の実施の形態について、図１２を用いて説明する。
図１２は入口ヘッダ５１および入口環状流路３１の上面図である。図１２において、本実施の形態の中間熱交換器は、入口配管３６を分岐し２本の入口ノズル１８から入口ヘッダ５１に２次冷却材を導入することを特徴とする。

図１２において、入口ノズル１８から流入するノズル１箇所あたりの２次冷却材流量は半分になり、１箇所のノズルから入口ヘッダ５１内で分配させる周方向範囲も半分の１８０°になるので、入口環状流路３１での流量の周方向均等化を図れる。

図１３は図１２と同様の図であるが、入口ノズル１８を入口ヘッダ５１の接線方向に設けている点が異なる。２次冷却材は入口ヘッダ５１に流入後、入口ヘッダ５１の外壁に沿って旋回して流れ、入口ヘッダ５１の内壁に当たることがないので、２次冷却材が周方向に配分される際の圧損が少ない状態で入口環状流路３１での流量の周方向均等化を図ることができる。

なお、上記説明では入口配管３６を２つに分岐する例を説明したが、２つに限定されるものではなく、必要に応じて３以上に分岐してもよい。

以上説明したように本発明の第５の実施の形態によれば、入口ノズルからの流量と配分範囲を少なくでき、２次冷却材が管束部に至る環状流路での流量の周方向分布をさらに均等化することができる。

（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態について、図１４を用いて説明する。
図１４において、本実施の形態の中間熱交換器では、環状流路内にスペーサ６１を設けていることを特徴とする。

図１４は上面図を付した入口環状流路３１の断面図であり、外側シュラウド２３と外胴２１に各々周方向８個、軸方向に３列ある円柱状のスペーサを接続し、外側シュラウド２３側のスペーサと外胴２１側のスペーサを接触させている。

これにより製作時もしくは運転時において入口環状流路３１の輪切断面形状が変形しようとしても、いくつかのスペーサ同士が接触することにより環状流路の変形を少なくでき、流路幅を確保することができる。また、接触させる構造としているので、環状流路両側胴体の軸方向熱伸び差を逃がせ、この方向の熱応力を低くして流路幅を保つことができる。

なお、図１５は部分上面図を付した入口環状流路３１の断面図であり、第３の実施の形態で説明した邪魔板５３がスペーサ６１の片側を兼ねている。これにより環状流路の流路幅を確保すると同時に整流・流動抵抗を設けて流量の周方向分布低減を図っている。このスペーサ６１は、邪魔板５３だけではなく、他の整流部材と併用して設けることができることはもちろんである。

以上説明したように本発明の第６の実施の形態によれば、環状流路の変形を少なくでき、２次冷却材が管束部に至る環状流路での流量の周方向分布の偏りを低減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る中間熱交換器の断面図。本発明の第１の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路上部の見取図。本発明の第１及び第２の実施の形態に係る中間熱交換器における流量分布例。本発明の第２の実施の形態に係る中間熱交換器の断面図。本発明の第２の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路上部の見取図。本発明の第２の実施の形態に係る中間熱交換器の断面図。本発明の第２の実施の形態に係る中間熱交換器の多孔板接続構造の一例を示す環状流路の断面図。本発明の第３の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路上部の見取図。本発明の第３の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路の断面上面図。本発明の第４の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路上部の見取図。本発明の第４の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路上部の部分見取図。本発明の第５の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路の上面図。本発明の第５の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路の上面図。本発明の第６の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路の断面図。本発明の第６の実施の形態に係る中間熱交換器の環状流路の断面図。中間熱交換器を内蔵した高速増殖炉の従来例。中間熱交換器の従来例。

符号の説明

１…高速増殖炉、２…炉心、５…１次冷却材流路、６…隔壁、７…原子炉容器、１４…電磁ポンプ、１５…中間熱交換器、１８…入口ノズル、１９…出口ノズル、２０…内胴、２１…外胴、２２…伝熱管、２３…外側シュラウド、３１…入口環状流路、３２…出口環状流路、３３…上部管板、３４…下部管板、３５…管束部、３６…入口配管、５１…入口ヘッダ、５２…多孔板、５３…邪魔板、５４…フローガイド、５５…受け板、５６…周方向スペーサ、５７…径方向スペーサ、５８…締結部、６１…スペーサ。

Claims

２次冷却材が導入される入口ノズルと、２次冷却材が流下する入口環状流路と、前記入口環状流路に接続された管束部と、出口環状流路とを有する高速炉用の原子炉容器内蔵の中間熱交換器において、前記入口ノズルと前記入口環状流路の間に環状の入口ヘッダを設けるとともに、前記入口環状流路は前記入口ヘッダの端部に接続されたことを特徴とする高速炉用中間熱交換器。
前記入口環状流路に少なくとも１つの整流部材を設けたことを特徴とする請求項１記載の高速炉用中間熱交換器。
前記整流部材は、多孔板からなることを特徴とする請求項２記載の高速炉用中間熱交換器。
前記整流部材は、邪魔板からなることを特徴とする請求項２載の高速炉用中間熱交換器。
前記邪魔板は周方向に分割されていることを特徴とする請求項４記載の高速炉用中間熱交換器。
前記整流部材は、板状のフローガイドからなることを特徴とする請求項２記載の高速炉用中間熱交換器。
前記フローガイドは、一方の胴体との間に隙間を形成するように他の胴体に取り付けるとともに、前記隙間の間隔を調整可能としたことを特徴とする請求項６記載の高速路用中間熱交換器。
前記整流部材は、前記多孔板、前記邪魔板、または前記板状のフローガイドのいずれか２つ以上の組み合わせからなることを特徴とする請求項１乃至７記載の高速炉用中間熱交換器。
前記入口環状通路に複数のスペーサを設置したことを特徴とする請求項１乃至８記載の高速炉用中間熱交換器。
前記入口ノズルが複数設けられ、それぞれ前記環状の入口ヘッダに接続されることを特徴とする請求項１乃至９記載の高速炉用中間熱交換器。
前記入口ノズルが、前記入口環状通路の接線方向に前記環状の入口ヘッダに接続されたことを特徴とする請求項１０項記載の高速炉用中間熱交換器。
２次冷却材が導入される入口ノズルと、２次冷却材が流下する入口環状流路と、前記入口環状流路に接続された管束部と、出口環状流路とを有する原子炉容器内蔵の中間熱交換器において、前記入口ノズルと前記入口環状流路の間に環状の入口ヘッダを設けるとともに、前記入口環状流路は前記入口ヘッダの端部に接続された中間熱交換器を備えたことを特徴とする高速炉。
前記入口環状流路に、少なくとも１つの整流部材が設けられたことを特徴とする請求項１２記載の高速炉。
前記入口ノズルが複数設けられ、それぞれ前記環状の入口ヘッダに接続されることを特徴とする請求項１２または１３記載の高速炉。