JP2008292396A - ジェットポンプ及び原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】効率を増大できるジェットポンプ及び原子炉を提供する。
【解決手段】ジェットポンプ２０はノズル部２８及びリングヘッダー２３を有するノズル装置９を備える。ノズル部２８はリングヘッダー２３の下端に結合される。ノズル装置９は軸方向に曲面を形成する内部円筒部材２７の内側に冷却水吸引通路３５を形成している。ノズル部２８は円筒部材２９，３１を有し、円筒部材２９と円筒部材３１の間に環状の噴出口３４を形成する。円筒部材３１の下端３２は円筒部材２９の下端３０よりも上方に位置している。下端３２が下端３０よりも上方に位置するので、噴出口３４から噴出された噴出流４０は、混合器１１の中心軸に向って傾斜するように噴出される。このため、冷却水吸引通路３５の下方で噴出流４０の内側に大きな吸引力を発生する逆円錐形の減圧領域４１が形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ジェットポンプ及び原子炉に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適なジェットポンプ及び原子炉に関する。

原子炉圧力容器内にジェットポンプを設置した従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、再循環ポンプで原子炉圧力容器内の冷却水を駆動水として吸込んで昇圧し、昇圧した駆動水をジェットポンプに供給している。そのジェットポンプは、ノズル装置、ベルマウス及び混合器が一体となった管構造を備えている。このノズルは、駆動水の速度を増加させて、ベルマウス内にその駆動水を噴出する。この噴出された駆動水によって、ノズル装置の周囲に存在する冷却水（被駆動水）が、吸引されてベルマウスを通って混合器部に流入する。混合器から排出された冷却水は、下部プレナムを経て炉心に供給される（例えば、特許文献１参照）。

特許文献２は、被搬送物（雨水、沈砂池に流入した下水及び固形物等）を吸引する吸引管及び吸引管を取囲む筒状部材を有するジェットポンプを記載する。更に、このジェットポンプは、吸引管を取囲んで設けられて筒状部材と吸引管の間に高圧水供給室を形成している。高圧水供給室に開口する複数の噴射口が、吸引管を取囲んで配置されている。高圧水供給室内に供給された高圧水がそれらの噴射口から噴出されることによって、吸引管から被搬送物を吸引する。

特許文献３の図３に記述されたジェットポンプは、ベンチュリー管を有し、ベンチュリー管の上流に駆動水を噴出させるノズル装置を備えている。このノズルは、内側円筒及び内側円筒を取囲む外側円筒を有する。内側円筒と外側円筒の間に形成された駆動水用流路は、断面積が駆動水の吐出側に向かって徐々に減少する環状流路になっている。駆動水用流路に供給された駆動水は、その流路の一端（環状噴出口）からベンチュリー管内に向かって噴出される。ノズル装置の周囲に存在する洗浄水が、ノズルから噴出される駆動水によってベンチュリー管内に吸引される。具体的には、この洗浄水は、ノズル装置とベンチュリー管の間に形成される第１冷却水吸引流路、及び内側円筒より内側に形成される第２冷却水吸引流路をそれぞれ通ってベンチュリー管内に流入する。ノズル装置からは円筒状態になった駆動水が噴出される。円筒状態の駆動水の横断面は連続したリングになっている。

米国特許第３，６２５，８２０号 特開２００２−８９４９９号公報 特開２００１−９０７００号公報

ジェットポンプの性能は、以下に示すようなＭ比、Ｎ比、効率によって表される。Ｍ比は、駆動水（再循環水）の流量Ｑａに対する、吸引水（冷却水）の流量Ｑｂの比である。

Ｍ比 ＝ Ｑｂ／Ｑａ ……（１）
Ｎ比は、駆動水に対する吸引水の全水頭比であり、次式で表される。

Ｎ比 ＝ （Ｈｃ−Ｈｂ）／（Ｈａ−Ｈｃ） ……（２）
ここで、Ｈａはノズル装置の駆動水入口における全水頭、Ｈｂはジェットポンプの吸引水入口における全水頭、Ｈｃはジェットポンプ出口における全水頭である。効率は、駆動水に対する吸引水のエネルギーの比であり、Ｍ比とＮ比の積で表される。

効率 ＝ Ｍ比 × Ｎ比 ……（３）
ジェットポンプとしては、高Ｍ比、高Ｎ比、高効率であることが望ましい。容量の小さい再循環ポンプを用いて、効率良くジェットポンプ出口での冷却水流量を増加することができれば、再循環系をコンパクト化することができ、再循環系の設置スペースを低減できる。

例えば、既設原子炉（例えば、ＢＷＲ）の増出力時には、炉心流量を増加して炉心の冷却能力を高めることにより、出力の増大幅を拡大できる。また、運転中の炉心流量制御幅を拡大することにより、炉心内のボイド率変化を増大させて中性子の減速を調節し、燃料経済性を高めることができる。このような炉心流量の増加を可能にするためは、再循環ポンプ、給水ポンプ、及びジェットポンプの改良が考えられる。発明者らは、増出力を目的とした既設原子炉の改造においては、再循環ポンプ及び給水ポンプなどの大型機器の改造、交換に比べて、ジェットポンプの改良の方が時間短縮の面で有効であることを見出した。ジェットポンプの性能は、駆動水と吸引水の混合部の形状に大きく依存するため、駆動水のノズル装置のみを交換することにより、性能を向上できる可能性がある。

高Ｍ比で、高Ｎ比、高効率を達成するためには、新たな機能の追加が必要である。本発明では、高Ｍ比、高Ｎ比、高効率のジェットポンプを達成するための新たな手段を提供する。特に、駆動水のノズル部のみを変更することにより、ジェットポンプのノズル装置以外の部分や、再循環ポンプ、給水ポンプなどの機器の改造、交換を不要とする。

特許文献２には、環状部に複数の噴射口を設け、吸引部と混合部が一体構造となったジェットポンプの実施例がある。これは、吸引管内を通過する流体以外に吸引できないものである。もし、特許文献２に記載されたジェットポンプを原子炉圧力容器内のオープンエリアであるダウンカマ内に設置した場合には、吸引部での圧力損失が大きくなり、Ｍ比を大きくすることができない。また、吸引部での圧力損失を小さくし、Ｍ比を大きくするために口径を大きくすると、環状部が大きくなり、現状のＢＷＲで２台１セットのジェットポンプを狭い領域であるダウンカマ内に設置できなくなる。

特許文献３に記述されたジェットポンプは、ノズル装置から噴出される駆動水の噴出流によって、ノズル装置の周囲に存在する被駆動水を、第１冷却水吸引通路及び第２冷却水吸引通路をそれぞれ通してベンチュリー管内に流入させる。特許文献３に記載されたノズル装置を特許文献１記載されたジェットポンプに用いることによって、ジェットポンプの効率を増大させることができる。しかしながら、原子炉の増出力の度合いを大きくするためには、ジェットポンプの更なる効率向上が求められる。

本発明の目的は、効率を増大できるジェットポンプ及び原子炉を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、ジェットポンプのノズル装置が、被駆動流体が流れる被駆動流体通路を有すると共に、被駆動流体通路を取り囲み駆動流体が供給されるヘッダー領域を内部に形成しているヘッダー部、及び被駆動流体通路を取り囲んでヘッダー部からの駆動流体が供給される噴出口を含み、ヘッダー部の下方に位置するノズル部を有し、ノズル部は、第１筒状部材、及び第１筒状部材の内側に配置されて第１筒状部材との間にその噴出口を形成する第２筒状部材を有し、第２筒状部材の下端が第１筒状部材の下端よりも上方に位置していることにある。

第２筒状部材の下端が第１筒状部材の下端よりも上方に位置しているので、噴出口から噴出された噴出流がジェットポンプの中心軸に向って傾斜するように噴出される。このため、ノズル装置に形成された被駆動流体通路の下方で噴出流の内側に、従来のノズル装置で発生する吸引力よりも大きな吸引力を発生する減圧領域（例えば、逆円錐形状の減圧領域）が形成される。この減圧領域の作用により、被駆動流体通路を通してジェットポンプ本体に吸引される冷却水の量が増大する。また、噴出口から噴出された噴出流がジェットポンプの中心軸に向って傾斜するように噴出されるので、噴出流とジェットポンプ本体との間の幅が広くなり、ノズル装置とジェットポンプ本体との間に形成される他の被駆動流体通路を通してジェットポンプ本体内に吸引される冷却水の量も増大する。

上記したように吸引される冷却水の量が増大する本発明のジェットポンプは、効率がさらに向上する。

本発明によれば、ジェットポンプの効率を更に向上させることができる。また、このジェットポンプを原子炉に適用した場合には、増出力への対応が容易になる。

原子炉に用いられるジェットポンプは、高効率でＭ比が大きいこと、つまり、吸引される水量が多いことが要求される。特許文献３に示されたジェットポンプは、環状噴出口から真下に駆動水が噴出される。環状のこの実施例で示される環状噴射水流内に吸引される水が通過する入口部構造では、急激な縮流により、大きな圧力損失があり、入口部でキャビテーション等が発生し、吸引水量を制限するためＭ比が小さくなり高効率は達成されない。この環状噴出ジェットポンプでの吸引水は、主にノズル装置の中心に形成された冷却水吸引通路を通過するが、この構造においては、より多く吸引水を増やす対策が施されていない。また、直下環状に噴出した水流では、噴出水が中央で閉じた形とはならないことから最大の減圧効果が得られないものである。したがって、このジェットポンプをそのまま原子炉のジェットポンプとして使用することはできない。

発明者らは、特許文献３に記載されたジェットポンプの課題の解決案を模索するために種々の検討を行った。この検討結果を以下に説明する。発明者らは、ジェットポンプのスロート内で生じる減圧効果をより増大できるノズル構造を検討した。この結果、発明者らは、ノズル装置の噴出口を形成する一対の筒状部材の形状を変えることによって、スロート内への冷却水の吸引量を増大できることを見出した。すなわち、冷却水の吸引量は、内側に配置された第２の筒状部材の下端を外側に配置された第１の筒状部材の下端よりも上方に位置させることによって、より増加した。冷却水の吸引量の増加は、ジェットポンプの効率向上に大きく貢献する。上記の構成により冷却水の吸引量の増加がもたらされる理由が、第２筒状部材の下端を第１筒状部材の下端よりも上方に位置することによって、噴出口から噴出された噴出流がジェットポンプの中心軸に向って傾斜するように噴出され、ノズル装置に形成された冷却水吸引通路の下方で噴出流の内側に大きな吸引力を発生する逆円錐形の減圧領域が形成されるからであることも突き止めた。

本発明は、上記の新たな知見、すなわち、第２筒状部材の下端を第１筒状部材の下端よりも上方に位置させるという新たな構成を見出すことによって成されたものである。

さらに、冷却水吸引通路を通して吸引される冷却水の量が、ノズル装置内に形成される冷却水吸引通路の側面に、軸方向に曲面を形成することによって増大することが分かった。このような構成を、上記した第２筒状部材の下端を第１筒状部材の下端よりも上方に位置させるという構成と併用することによって、冷却水の吸引量がさらに増加される。

冷却水吸引通路の側面を形成する内部円筒部材の外側に位置して駆動水が通過する領域（駆動水通過領域）を形成する外部円筒部材の側面に、軸方向に曲面を形成することによって、駆動水通過領域の圧力損失を低減することができる。このため（２）式の（Ｈａ−Ｈｃ）の項のＨａが小さくなるので、ジェットポンプの効率が向上する。

本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例１のジェットポンプを、以下に説明する。本実施例のジェットポンプの構造を説明する前に、そのジェットポンプが適用される沸騰水型原子炉の概略の構造を、図１及び図２を用いて以下に説明する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、原子炉圧力容器（原子炉容器）1を有し、原子炉圧力容器１内に炉心シュラウド６を設置している。原子炉圧力容器は、以下、ＲＰＶと称する。複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心２が、炉心シュラウド６内に配置される。気水分離器１３及び蒸気乾燥器１４が原子炉圧力容器１内で炉心２の上方に配置される。ジェットポンプ２０が、ＲＰＶ１と炉心シュラウド６の間に形成される環状のダウンカマ７内に配置される。ＲＰＶ１に設けられる再循環系は、吸込み配管１７、吐出配管１９及び再循環ポンプ１８を有する。吸込み配管１７及び吐出配管１９は、再循環系配管を構成し、再循環ポンプ１８に接続される。吸込み配管１７は、ＲＰＶ１に接続されてダウンカマ７に連絡されている。吐出配管１９は、ダウンカマ７内に配置されたライザ管２１及び分岐管２２を介してジェットポンプ２０のノズル装置９に接続される。給水配管３及び主蒸気配管１５がＲＰＶ１に接続される。

ＲＰＶ１内の上部に存在する被駆動水である冷却水（被駆動流体、冷却材）８は、給水配管３からＲＰＶ１に供給された給水４と混合されてダウンカマ７内を下降する。冷却水８は、再循環ポンプ１８の駆動によって吸込み配管１７内に流入し、再循環ポンプ１８によって昇圧される。この昇圧された冷却水８を、便宜的に、駆動水（駆動流体）という。この駆動水１０は、吐出配管１９、ライザ管２１及び分岐管２２を介してジェットポンプ２０のノズル装置９から噴出される。ノズル装置９の周囲に存在する冷却水８は、駆動水１０の噴出によって、ベルマウス２４から混合器１１内（スロート部内）に吸い込まれる。混合器１１はスロート部及びディフューザ部を含んでいる。その冷却水８は、駆動水１０と共に混合器１１内を下降し、混合器１１の下端（ディフューザ部の下端）から吐出される。混合器１１から吐出された冷却水（被駆動水及び駆動水１０を含む）を、便宜的に冷却水１２と称する。冷却水１２は、下部プレナム５を経て炉心２に供給される。冷却水１２は、炉心２を通過する際に加熱されて水及び蒸気を含む二相流となる。気水分離器１３は蒸気と水を分離する。分離された蒸気は、更に蒸気乾燥器１４で湿分を除去されて主蒸気配管１５に排出される。この蒸気は、蒸気タービン（図示せず）に導かれ、蒸気タービンを回転させる。蒸気タービンに連結された発電機が回転し、電力が発生する。蒸気タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて水となる。この凝縮水は、給水４として給水配管３よりＲＰＶ１内に供給される。気水分離器１３及び蒸気乾燥器１４で分離された水は、落下して冷却水８としてダウンカマ７内に達する。

ノズル装置９及び混合器１１を主要な構成要素とするジェットポンプ２０は、再循環ポンプ１８の動力を駆動水１０から冷却水８に効果的に伝え、ジェットポンプ２０から吐出される冷却水１２の流量を駆動水１０の流量よりも増大させる。具体的には、駆動水１０は、炉心２に供給する冷却水１２の流量を増加するために用いられる。再循環ポンプ１８によって与えられた駆動水１０の運動エネルギーが冷却水８に有効に作用すると、冷却水８が駆動されて冷却水１２の流量が更に増加する。そのため、駆動水１０の運動エネルギーが増加するようにノズル装置９の出口における駆動水１０の流速を増加させると共に、混合器１１の入口部（スロート部）で流路面積をベルマウス２４のそれよりも小さくすることにより冷却水８の速度を増加して静圧を減圧させる。これにより、冷却水８を混合器１１に吸い込むことができ、少ない動力で必要な炉心流量を確保することができる。

このようなジェットポンプ２０において、Ｍ比及びＮ比を上げ、効率を更に上昇させるためには、流力損失を極力小さくすること、及び駆動水で誘発される吸引力を最大限利用することが重要となる。そこで、本実施例のジェットポンプ２０は、ノズル装置９において環状の噴出口３２によって取り囲まれる冷却水吸引通路（被駆動流体通路）３３の上部を開放して、ダウンカマ７内を下降する冷却水８の流力を損失無く吸込み力として利用し、混合器１１内への冷却水８の吸込み量を増加させている。また、ノズル装置９は、環状噴出口３２から駆動水１０の噴出流を内側に向って噴出させている。このような噴出流を形成することによって、前述したように、被駆動水の吸引量をさらに増加することができる。

本実施例のジェットポンプ２０を、図３〜図５を用いて詳細に説明する。ジェットポンプ２０は、図２に示すように、ノズル装置９、ベルマウス２４及び混合器１１を有する。ベルマウス２４及び混合器１１をジェットポンプ本体と称する。混合器１１は、上部のスロート部で流路断面積が狭く、スロート部よりも下方、すなわちディフューザ部内を下方に向かうにしたがってその流路断面積が徐々に増大している。ベルマウス２４は、上方に向かって末広がりになっており、混合器１１の上端に取り付けられている。ノズル装置９は、ベルマウス２４の上部開口に対向して配置され、複数の支持板３９を介してベルマウス２４に取り付けられる。これらの支持板３９は、ベルマウス２４の周方向に等間隔に配置され、ベルマウス２４の半径方向においてベルマウス２４の周辺から中心に向かって伸びている。支持板３９の相互間でノズル装置９とベルマウス２４との間には、ノズル装置９の周囲に存在する冷却水8をベルマウス２４内に導く冷却水吸引流路（被駆動流体流路）４２（図３参照）が形成されている。

水平方向に伸びる２本の分岐管２２が、１本のライザ管２１の上端部に接続される。ライザ管２１は吐出配管１９に接続されている。ライザ管２１は２つのジェットポンプ２０の間に配置される。２本の分岐管２２はそれらのジェットポンプ２０の各ノズル装置９に別々に接続される。なお、図２には、ジェットポンプ２０の性能を評価する上で必要となる前述の(１)式及び(２)式に用いられる変数を該当する部位に併せて記した。

ノズル装置９は、図３に示すように、リングヘッダー２３及びノズル部２８を有する。リングヘッダー２３は、外部円筒部材２５及び内部円筒部材２７を有する。外部円筒部材２５は、円筒部２５Ａ、及び円筒部２５Ａの下端につながる、軸方向に曲面を有する筒部（以下、曲面筒部という）２６を有する。内部円筒部材２７も、軸方向に曲面を有している。外部円筒部材２５と内部円筒部材２７は上端部で互いに結合される。環状空間（ヘッダー領域）３３が外部円筒部材２５と内部円筒部材２７の間に形成される。複数の補強板３６が、ノズル装置９の周方向に間隔を置いて配置され、外部円筒部材２５と内部円筒部材２７を連結する。これらの補強板３６は、ノズル装置９の半径方向を向いて環状空間３３内に配置されている。補強板３６は、図５に示すように、上端部では下方に向かうに従って厚みが増大し、下端部では下方に向かって厚みが減少している。ノズル部２８は、円筒部材２９，３１を有する。円筒部材２９は外部円筒部材２５の下端に設けられ、円筒部材３１は内部円筒部材２７の下端に設けられている。円筒部材２９，３１は同心円状に配置され、円筒部材３１は円筒部材２９の内側に位置している。ノズル部２８は、円筒部材２９と円筒部材３１の間に噴出口３４を形成している（図３参照）。噴出口３４の横断面は、スリット３７（図４参照）が形成されているが、実質的に環状をしている。円筒部材３１の下端３２は円筒部材２９の下端３０よりも上方に位置している。円筒部材２９，３１は、下端部にそれぞれ傾斜面を形成している。

ノズル装置９は、内部に冷却水吸引通路（被駆動流体通路）３５を形成している。冷却水吸引通路３５は、ノズル装置９の軸方向においてノズル装置９を貫通するように設けられ、内部円筒部材２７及び円筒部材３１の内側に位置する。ノズル装置９は、冷却水吸引通路１６がＲＰＶ１の軸方向を向くようにダウンカマ７内に配置される。この配置は実施例２〜５においても適用されている。

スリット３７は、ノズル装置９の半径方向に伸びてノズル装置９の周囲と冷却水吸引通路３５を連絡している。スリット３７はノズル装置９の軸方向にも伸びている。スリット３７は、半径方向に伸びて外部円筒部材２５及び内部円筒部材２７に取り付けられた一対の側壁（図示せず）間に形成され、環状空間３３と連通していない。

再循環ポンプ１８で昇圧された駆動水１０は、リングヘッダー２３内の環状空間３３内に導かれる。環状空間３３内を流下した駆動水１０は、噴出口３４から噴出される。噴出口３４から噴出された噴出流４０は、ベルマウス２４内に向かって噴出される。この噴出流４０によって発生する吸引力によって、ノズル装置９の周囲に存在する冷却水８は冷却水吸引通路３５を通してベルマウス２４内に導かれる。さらに、ノズル装置９の周囲に存在する冷却水８は、噴出流４０によって、ノズル装置９とベルマウス２４の間に形成される冷却水吸引通路４２を通ってベルマウス２４内に吸引される。冷却水吸引通路３５，４２を通ってベルマウス２４内に流入した冷却水８は、駆動水１０と共に混合器１１の下端から排出され、炉心２へと導かれる。

以上に述べたジェットポンプ２０は、以下に示す（ａ）〜（ｄ）の特徴を有する。この特徴によって得られる作用効果を詳細に説明する。
（ａ）側面（内部円筒部材２７）が軸方向において曲面を有している冷却水吸引通路３５を形成する。
（ｂ）リングヘッダー２３が軸方向に曲面を形成している曲面筒部２６を有する。
（ｃ）ノズル部２８を構成する円筒部材３１の下端３２を、円筒部材２９の下端３０よりも上方に位置している。
（ｄ）ノズル装置９に半径方向に延び冷却水吸引通路３５に連絡されるスリットを形成する。
これらの特徴によって得られる作用効果を詳細に説明する。

冷却水吸引通路３５が側面に軸方向において曲面を形成しているので、ダウンカマ７内を下降する冷却水８を吸い込む時の圧力損失を小さくできる。これによって、冷却水吸引通路３５を通って吸引される冷却水８の流量Ｑｂを増加させることができる。

リングヘッダー２３が曲面筒部２６を有しているので、リングヘッダー２３の環状空間３３内に流入した駆動水１０の圧力損失を小さくすることができる。これによって、ノズル装置９の駆動水入口における全水頭Ｈａを減少させることができる。

（ａ）及び（ｂ）の特徴によって生じる効果を、図６に示す従来のノズル装置９’との比較で説明する。ノズル装置９’は、外部円筒部材４３及び内部円筒部材４６を有する。外部円筒部材４３は、円筒部４４、及び円筒部４４の下端につながる漏斗状筒部４５を有する。内部円筒部材４６も漏斗の形状をしている。外部円筒部材４３と内部円筒部材４６は上端部で互いに結合される。環状空間５１が外部円筒部材４３と内部円筒部材４６の間に形成される。ノズル装置９’のノズル部５４は、円筒部材４８，４９を有する。円筒部材４８が外部円筒部材４３の下端に設けられ、円筒部材４９は内部円筒部材４６の下端に設けられている。円筒部材４８，４９は同心円状に配置される。円筒部材４８と円筒部材４９の間に噴出口５０を形成している。円筒部材４８の下端は円筒部材４９の下端は同じ高さに位置している。

ノズル装置９’は、内部円筒部材４６の内側に形成された冷却水吸引通路３５Ａ内に流入した冷却水８は、内部円筒部材４６の漏斗状の内面に沿って下降する。内部円筒部材４６と円筒部材４９の接合部が角部を形成しているので、その漏斗状の内面に沿って下降する冷却水８の流れによって、冷却水吸引通路３５Ａ内でその角部付近に減圧領域５３が形成される。漏斗状筒部４５と円筒部材４８の接合部にも角部が形成されている。環状空間５１内に流入した駆動水１０が漏斗状筒部４５の内面に沿って下降するので、この駆動水１０の流れによって、噴出口５０内でその角部付近に減圧領域５２が形成される。減圧領域５２の形成によって噴出口５０内の流路が狭くなり、減圧領域５３の形成によって冷却水吸引通路３５Ａが狭くなるので、それぞれの流路にける圧力損失が増大する。したがって、冷却水吸引通路３５Ａを通して吸引される冷却水８の流量Ｑｂが減少する。また、ノズル部５４の噴出口５０の入口における全水頭Ｈａが大きくなる。

本実施例で用いられるノズル装置９は、軸方向に曲面を形成している曲面筒部２６及び内部円筒部材２７を有するので、減圧領域５２，５３が形成されない。したがって、ノズル装置９は、ノズル装置９’のように、冷却水吸引通路３５及び噴出口３４内の流路が狭くならない。ノズル装置９を備えた本実施例のジェットポンプ２０とノズル装置９’を備えた従来のジェットポンプのそれぞれの性能を図７に示す。図７は、横軸がＭ比を縦軸がジェットポンプの効率を示している。円筒部材４８，４９のそれぞれの下端の高さが同じであるノズル装置９’を備えた従来のジェットポンプの特性は、図７において、Ａで示される。軸方向に曲面を形成している曲面筒部２６及び内部円筒部材２７を有するノズル装置９を備えた本実施例のジェットポンプ２０の特性は、Ｂで示される。ジェットポンプ２０は、軸方向に曲面を形成している曲面筒部２６及び内部円筒部材２７を有することによって、Ｂで示されるようにジェットポンプの効率が向上する。これは、（ａ）の特徴によって（１）式における吸引される冷却水の流量Ｑｂが増大し、（ｂ）の特徴によって（２）式における、ノズル装置９の駆動水入口における全水頭Ｈａが小さくなるためである。

（ｃ）の特徴によって生じる効果を、図８〜図１０を用いてノズル装置９’との比較で説明する。円筒部材３１の下端３２が円筒部材２９の下端３０よりも上方に位置しており、円筒部材２９と円筒部材３１の間の最狭小部の長さが短くなるので圧力損失を小さくでき、かつ、噴出流４０を混合器１１の中心軸に向いかつ下方に向かって傾斜するように噴出することができる。このため、ダウンカマ７を下降する冷却水８の、冷却水吸引通路３５を通して吸引される量が増加する。この詳細な理由を、図８及び図９を用いて説明する。図８はノズル装置９’の噴出口５０からの噴出流４０Ａの噴出状態を示し、図９は本実施例に用いるノズル装置９からの噴出流４０の噴出状態を示している。

ノズル装置９’では、円筒部材４８及び円筒部材４９のそれぞれの下端が同じ高さに位置しているので、噴出流４０Ａは噴出口５０から真下に噴出する。したがって、この結果、ノズル装置９’の冷却水吸引通路３５Ａの下方で噴出流４０Ａの内側に形成される減圧領域５５が大きくなり（図８参照）、冷却水吸引通路３５を通しての、ダウンカマ７を下降する冷却水８の吸引力５７Ｂが小さくなる。また、ベルマウス２４から流入する冷却水８においては、混合器１１のスロートと噴出流４０Ａの間に形成される間隙Ｇ１が小さくなるので、ノズル装置９’とベルマウス２４の間に形成される冷却水吸引通路４２Ａを経て間隙Ｇ１からスロート内に流入する冷却水８の量が少なくなる。

これに対し、ノズル装置９では、円筒部材３１の下端３２が円筒部材２９の下端３０よりも高い位置に存在するため、噴出流４０が混合器１１の中心軸に向いかつ下方に向かって傾斜するように噴出される。このような噴出流４０によって、冷却水吸引通路３５の下方で噴出流４０の内側に、吸引力５７Ａが大きくなる逆円錐形の小さい領域である減圧領域４１が形成される。したがって、ノズル装置９’での減圧領域５５より減圧部容積が小さくなることから、減圧割合が大きくなる。この割合が大きい逆円錐形の減圧領域４１の形成によって、ダウンカマ７を下降する冷却水８の、冷却水吸引通路３５を通って吸い込まれる量が多くなる。本実施例は、噴出流４０が混合器１１の中心軸に向って傾斜するように噴出されるので、混合器１１のスロートと噴出流４０の間に形成される間隙Ｇ２が上記した間隙Ｇ１よりも広くなる。このため、冷却水吸引通路４２及び間隙Ｇ２を通ってスロート内に流入する冷却水８の量も増大する。

円筒部材３１の下端３２が円筒部材２９の下端３０の高さよりも高い位置に存在する場合、例えば、下端３２が下端３０よりも６ｍｍ高い位置にある場合には、図１０に示すように、Ｍ比が大きくなったとき、下端３２と下端３０が同じ高さにある場合よりも、ジェットポンプ２０の効率が増大する。すなわち、円筒部材３１の下端３２が円筒部材２９の下端３０の高さよりも高い位置に存在して、噴出口３４から噴出される噴出流４０が混合器１１、具体的にはスロートの中心軸に向って噴出されるとき、逆円錐形の減圧領域４１が噴出流４０の内側に形成されるので、ジェットポンプ２０の効率が増大する。この効率向上は、（１）式における、吸引される冷却水の流量Ｑｂ（冷却水吸引通路３５を通って吸引される冷却水８の流量と間隙Ｇ２を通って吸引される冷却水８の流量の和）が増加するからである。

軸方向に曲面を形成している曲面筒部２６及び内部円筒部材２７を有し、さらに、円筒部材３１の下端３２が円筒部材２９の下端３０の高さよりも高い位置に存在するノズル装置９を備えるジェットポンプ２０の効率は、図１１に示す特性Ｃのように、軸方向に曲面を形成している曲面筒部２６及び内部円筒部材２７を有するだけの場合（図１１の特性Ｂ）よりも向上する。図１１に示す特性Ａはノズル装置９’を備えた従来のジェットポンプの効率を示している。

（ｄ）の特徴によって生じる効果を以下に説明する。ノズル装置９は、冷却水吸引通路３５の下方で噴出流４０の内側に強力な逆円錐形の減圧領域４１が（ｃ）の特徴によって形成され、冷却水吸引通路３５を通しての冷却水８の吸引量が増加する。しかしながら、ＲＰＶ１内に設置された既存のジェットポンプのノズル装置をノズル装置９に交換するだけで、ジェットポンプの効率向上を図る場合を想定すると、以下の課題が生じる。既存のジェットポンプの混合器１１を使用するので、スロートの内径は固定されており、この内径はさほど大きくはない。このため、交換するノズル装置９に形成される冷却水吸引通路３５の吐出側の内径もあまり大きくすることができないので、減圧領域４１で発生する吸引力５７Ａが勝り、減圧領域４１でキャビテーションが発生する可能性がある。このキャビテーションの発生を緩和するために、本実施例のジェットポンプは、ノズル装置９にスリット３７を形成している。減圧領域４１での過剰な減圧を緩和してキャビテーションの発生を防止するために、吸引力５７Ａを利用し、ノズル装置９の周囲に存在する冷却水８を、スリット３７を通して減圧領域４１に吸引する。このようなスリット３７を通しての冷却水８の吸引によっても、冷却水８の混合器１１内への吸引量を増すことができる。

既設のＢＷＲでは、ジェットポンプのベルマウス及びスロートの内径を増大することができないこと、及び狭いダウンカマ７内でノズル装置の設置スペースを増大できないこと等の理由により、ノズル装置そのものをコンパクにする必要がある。ノズル装置のコンパクト化により、ノズル装置内に形成される冷却水吸引通路３５の流路断面積を大きくすることができない。しかしながら、本実施例のジェットポンプのノズル装置９のように、（ａ）の特徴及び（ｃ）の特徴を備えることで、冷却水吸引通路３５を通しての冷却水８の吸引力が増加する。過剰な減圧力が発生した場合には、キャビテーションが発生することも想定される。そこで、この減圧力を有効に利用するため、ノズル装置９に上記のスリット３７を形成する。ノズル装置９の周囲に存在する冷却水８がこのスリット３７を通して補わられるので、減圧領域４１で発声する過剰な減圧を回復させることができ、キャビテーションの発生を抑えると共に吸引される冷却水８の流量を増加させることができる。

本発明の他の実施例であるジェットポンプを、図１２〜図１４を用いて説明する。本実施例のジェットポンプ２０Ａは、実施例１のジェットポンプ２０のノズル装置９をノズル装置９Ａに替えた構成を有する。ジェットポンプ２０Ａの他の構成は、ジェットポンプ２０と同じである。ノズル装置９Ａはノズル装置９のノズル部２８をノズル部２８Ａに替えた構成を有し、他の構成はノズル装置９と同じである。ノズル部２８Ａは、円筒部材２９と円筒部材３１の間に複数の噴出口形成部材５７を設置している。複数の噴出口形成部材５７は、ノズル装置９Ａの周方向に所定の間隔を置いて配置される。円筒部材３１の下端３２は円筒部材２９の下端よりも上方に位置している。噴出口形成部材５７の下端は、下端３０と下端３２を結ぶ直線の位置になるように傾斜している。ノズル部２８Ａの噴出口３４Ａは、隣り合う噴出口形成部材５７の相互間で円筒部材２９と円筒部材３１の間に形成される（図１３参照）。噴出口３４Ａは周方向に複数個形成され、隣り合う噴出口３４Ａは間に介在する噴出口形成部材５７の周方向の幅だけ離されている。ノズル装置９Ａはノズル装置９のようにスリット３７を形成していない。

これらの噴出口３４Ａから噴出される複数の噴出流４０Ａは、ノズル装置９Ａの周方向において、環状に配置される。噴出流４０Ａ相互間には、噴出口形成部材５７の影響によりそれぞれギャップ５８が形成される（図１４参照）。複数の噴出流４０Ａの内側に形成される減圧領域４１での過剰な減圧によって生じる吸引力５７Ａ（図９参照）の作用により、冷却水吸引流路４２を通った冷却水８は、それらのギャップ５８を通って減圧領域４１内に流入してベルマウス２４内に導入される（図１２の冷却水８ａ）。本実施例のジェットポンプ２０Ａは、減圧領域４１での過剰な減圧を利用してギャップ５８を通して減圧領域４１内に冷却水８ａを導入できるので、減圧領域４１での過剰な減圧を緩和してキャビテーションの発生を防止することができ、かつ、冷却水８の混合器１１内への吸引量を増すことができる。噴出口形成部材５７の配置は、実施例１におけるスリット３７の形成と同じ効果を得ることができる。さらに、本実施例は、スリット３７の形成で得られる効果以外の、実施例１で生じる効果を得ることができる。

本発明の他の実施例であるジェットポンプを、図１５及び図１６を用いて説明する。本実施例のジェットポンプ２０Ｂは、実施例１のジェットポンプ２０のノズル装置９をノズル装置９Ｂに替えた構成を有する。ジェットポンプ２０Ｂの他の構成は、ジェットポンプ２０と同じである。ノズル装置９Ｂはノズル装置９のノズル部２８をノズル部２８Ｂに替えた構成を有し、他の構成はノズル装置９と同じである。ノズル部２８Ｂは円筒部材２９の下端部に内側に突出する複数の突起部５９を設けている。複数の突起部５９は、ノズル装置９Ｂの周方向に所定の間隔を置いて不連続に配置されている。複数の突起部５９はその周方向において図１６に示す複数の窪み領域５９に対応する位置に設けられる。円筒部材２９の下端３０は円筒部材３１の下端３２よりも下方に位置している。突起部５９を形成するノズル装置９Ｂはスリット３７を形成していない。

噴出口３４から噴出された噴出流４０Ｂの一部が、複数の突起部５９に沿って内側に流れ方向が変更される。このため、これらの突起部５９の下方において、図１６に示すように、噴出流４０Ｂの周方向に複数の窪み領域５９が形成される。これらの窪み領域５９においては、スロートと噴出流４０の間に形成される間隙Ｇ２が広くなる。

本実施例のジェットポンプ２０Ｂは、実施例１で生じる効果のうち、スリット３７の形成によって生じる効果以外の効果を得ることができる。本実施例は、スロートと噴出流４０Ｂの間に形成される間隙Ｇ２が、周方向における複数箇所において、ノズル装置９’で形成される間隙Ｇ１（図８参照）よりも広くなる。このため、冷却水吸引通路４２を通ってスロートと噴出流４０Ｂの間に流入する冷却水８の量が増大する。ジェットポンプ２０Ｂの効率は向上する。

複数の突起部５９を、実施例１及び２の円筒部材２９の下端部に内側に突出するように設けてもよい。突起部５９は不連続ではなく連続した環状に形成して円筒部材２９の下端部に設けることも可能である。さらには、噴出口形成部材５７を実施例１のノズル装置９において円筒部材２９と円筒部材３１の間に設置することも可能である。

図２に示すジェットポンプが適用されるＢＷＲの概略縦断面図である。 本発明の好適な一実施例である実施例１のジェットポンプの構造図である。 図２に示すノズル装置付近の縦断面図である。 図２に示すノズル装置の平面図である。 図３に示す補強板の縦断面図である。 従来のノズル装置の縦断面図である。 図３に示すノズル装置及び従来のノズル装置を用いた各ジェットポンプの効率を示す特性図である。 図６に示すノズル装置のノズル部からの冷却水の噴出状態を示す説明図である。 図３に示すノズル装置のノズル部からの冷却水の噴出状態を示す説明図である。 図３に示すノズル装置のノズル部を構成する２つの円筒部材の下端のレベル差によるジェットポンプの効率の変化を示す特性図である。 図３に示すノズル装置及び従来のノズル装置を用いた各ジェットポンプの効率を示す特性図である。 本発明の他の実施例である実施例２のジェットポンプに用いられるノズル装置のノズル先端部の構成図である。 図１２のXIII−XIII断面図である。 図１２のXIV−XIV断面図である。 本発明の他の実施例である実施例３のジェットポンプに用いられるノズル装置のノズル先端部の構成図である。 図１５のXVI−XVI断面図である。

符号の説明

１…原子炉圧力容器、２…炉心、６…炉心シュラウド、７…ダウンカマ、８…冷却水（非駆動水）、９，９Ａ，９Ｂ…ノズル装置、１０…非駆動水、１１…混合器、１７…吸込み配管、１８…再循環ポンプ、１９…吐出配管、２０，２０Ａ…ジェットポンプ、２３…リングヘッダー、２４…ベルマウス、２５…外内部円筒部材、２６…曲面筒部、２７…内部円筒部材、２８，２８Ａ，２８Ｂ…ノズル部、２９，３１…円筒部材、３０，３２…下端、３４，３４Ａ…噴出口、３５，４２…冷却水吸引通路、３７…スリット、４１…減圧領域、５７…噴出口形成部材。

Claims (8)

1. 駆動流体を噴出するノズル装置と、前記駆動流体の噴出によって吸い込まれる前記ノズル装置の周囲に存在する被駆動流体及び前記駆動流体を混合し、混合した流体を排出する排出口を有するジェットポンプ本体とを備え、
   前記ノズル装置は、前記被駆動流体が流れる被駆動流体通路を有すると共に、前記被駆動流体通路を取り囲み駆動流体が供給されるヘッダー領域を内部に形成しているヘッダー部、及び前記被駆動流体通路を取り囲んで前記ヘッダー部からの前記駆動流体が供給される噴出口を含み、前記ヘッダー部の下方に位置するノズル部を有し、
   前記ノズル部は、第１筒状部材、及び前記第１筒状部材の内側に配置されて前記第１筒状部材との間に前記噴出口を形成する第２筒状部材を有し、
   前記第２筒状部材の下端が前記第１筒状部材の下端よりも上方に位置していることを特徴とするジェットポンプ。
2. 駆動流体を噴出するノズル装置と、前記駆動流体の噴出によって吸い込まれる前記ノズル装置の周囲に存在する被駆動流体及び前記駆動流体を混合し、混合した流体を排出する排出口を有するジェットポンプ本体とを備え、
   前記ノズル装置は、前記被駆動流体が流れる被駆動流体通路を有すると共に、前記被駆動流体通路を取り囲み駆動流体が供給されるヘッダー領域を内部に形成しているヘッダー部、及び前記被駆動流体通路を取り囲んで前記ヘッダー部からの前記駆動流体が供給される噴出口を含み、前記ヘッダー部の下方に位置するノズル部を有し、
   前記ノズル部は、第１筒状部材、及び前記第１筒状部材の内側に配置されて前記第１筒状部材との間に前記噴出口を形成する第２筒状部材を有し、
   前記第２筒状部材の下端が前記第１筒状部材の下端よりも上方に位置しており、
   突起部を、前記第２筒状部材の下端よりも下方で前記第１筒状部材の下端部に、前記第１筒状部材よりも内側に突出させて設置していることを特徴とするジェットポンプ。
3. 前記被駆動流体通路の側面となる、前記ヘッダー部の内側筒状部材の内面が、軸方向に曲面を形成している請求項１または請求項２に記載のジェットポンプ。
4. 駆動流体を噴出するノズル装置と、前記駆動流体の噴出によって吸い込まれる前記ノズル装置の周囲に存在する被駆動流体及び前記駆動流体を混合し、混合した流体を排出する排出口を有するジェットポンプ本体とを備え、
   前記ノズル装置は、前記被駆動流体が流れる前記ノズル装置の軸方向に伸びる第１被駆動流体通路を有すると共に、前記第１被駆動流体通路を取り囲み駆動流体が供給されるヘッダー領域を内部に形成しているヘッダー部、及び前記第１被駆動流体通路を取り囲んで前記ヘッダー部からの前記駆動流体が供給される噴出口を含み、前記ヘッダー部の下方に位置するノズル部を有し、
   前記ノズル部は、第１筒状部材、及び前記第１筒状部材の内側に配置されて前記第１筒状部材との間に前記噴出口を形成する第２筒状部材を有し、
   前記第２筒状部材の下端が前記第１筒状部材の下端よりも上方に位置しており、
   前記被駆動流体を前記第１被駆動流体通路に導く第２被駆動流体通路を、前記ヘッダー部及び前記ノズル部の少なくとも一つに形成することを特徴とするジェットポンプ。
5. 前記第１被駆動流体通路の側面となる、前記ヘッダー部の内側筒状部材の内面が、軸方向に曲面を形成している請求項４に記載のジェットポンプ。
6. 前記ヘッダー領域を形成する、前記ヘッダー部の外側筒状部材の内面が、軸方向に曲面を形成している請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のジェットポンプ。
7. 複数の噴出口形成部材を前記第１筒状部材と前記第２筒状部材の間に設置して周方向に間隔を置いて配置し、前記噴出口が前記周方向において前記噴出口形成部材の相互間にそれぞれ形成されている請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のジェットポンプ。
8. 原子炉容器と、前記原子炉容器内に設置され、前記原子炉容器内に形成される炉心に冷却材を供給する複数のジェットポンプとを備え、
   前記ジェットポンプが、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載されたジェットポンプであることを特徴とする原子炉。

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