JP2009210497A

JP2009210497A - 沸騰型原子炉の低圧損気水分離器

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Publication number: JP2009210497A
Application number: JP2008055811A
Authority: JP
Inventors: Akira Tanabe; 章田辺
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】旋回機構により長いスペースをとることにより、低圧損化および高性能化を実現する。
【解決手段】スタンドパイプ２５出口に旋回機構３２をつけるとともに、入口部を伸ばしてそこに旋回機構３３を設け旋回流を流し込むことにより低圧損化を図る。スタンドパイプ２５に縦スリット２５aをあけてここからも水を排出して分離容量の増加を図る。内蔵型ＣＲＤを採用した場合、複数体の燃料集合体の上部にチムニー１５を設け、これと上記気水分離器１６を直結し、内蔵型ＣＲＤはスタンドパイプの間に収納しＦＩＶを避ける。
【選択図】図７

Description

本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の原子炉容器に設けられた、気水分離器の低圧力損失化および高性能化に関するものであり、内蔵型制御棒駆動機構を採用した場合に有効な改良となるものであるが、この概念は現行の下方からの制御棒駆動方式であるＢＷＲにも有効なものである。

沸騰水型原子炉は炉心内で発生した気液二相流を炉心上部に設置した気水分離器を用いて蒸気と水を分離する必要がある。そのために二相流を炉心上部に設けた炉心上部プレナム部にいったん貯めてから多数の細い配管（スタンドパイプ）を通し、その出口に旋回羽根を設け二相流に強力な旋回をかけて気水分離をしているが、この部分の圧力損失が大きいものとなっている。そして沸騰水型原子炉はこのような機器が炉心上部にあるために、制御棒駆動機構は現行では、原子炉圧力容器の下鏡部の外側から炉内上方に向かって貫通する制御棒駆動機構ハウジング（ＣＲＤハウジング）を設け、この制御棒駆動機構によって制御棒を炉心下方から、炉心内への挿入および炉心からの引き抜きを行う機構となっている。

しかし、原子炉圧力容器の下鏡を貫通して設置される制御棒駆動機構は、原子炉圧力容器の下に長い据付高さが必要となり、圧力容器の位置が高くなり、ひいては原子炉格納容器が大きくなり、製造コストが増加する等の問題がある。

そこで、近年では、原子炉圧力容器内部の炉心上方に設けられた炉心上部機構に、原子炉制御棒駆動機構を据付け、この原子炉制御棒駆動機構の駆動部に制御棒延長管を着脱可能に保持する電磁石を設け、原子炉圧力容器の下鏡を貫通して設置される制御棒駆動機構に代わる構成すなわち内蔵型制御棒駆動機構が提案されている（たとえば特許文献１参照）。

近年提案されている内蔵型制御棒駆動機構の技術の一例として、電動駆動の制御棒駆動機構を原子炉圧力容器内に設置している例もある（たとえば、非特許文献１、非特許文献２）。

また、近年提案されている内蔵型制御棒駆動機構の技術の一例として、すべてを水圧により制御棒駆動機構が動作するようにして、電気ケーブルや電気ケーブルの貫通部を不要化する改良案もある（たとえば特許文献２参照）。

気水分離器は二相流を細いスタンドパイプを通して一時的に絞って高速二相流とし、その出口部に旋回羽根を設置して二相流に強力な遠心力をかけて、蒸気を中心部に流し、水は周辺部に流して気液を分離するものであるが、従来技術としてこの旋回羽根を工夫した低圧損気水分離器等が提案されている（非特許文献３参照）。
なお、ここで取り上げた沸騰水型原子炉は現状での改良型ＢＷＲ（ＡＢＷＲ）であり圧力容器や気水分離器などの詳細については非特許文献４に説明されている通りであるが、この発明はＡＢＷＲのみならず、自然循環炉を含めた他のタイプのＢＷＲにも適用可能である。
特開平7-134192号公報特開平7-114096号公報ＴｏｓｈｉｂａＩＳＨＩＤＡ他、Development of In-vessel Type Control Rod Drive Mechanism for Marine Reactor, Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, Vol.38, No.7，p．557-570（July 2001）東芝、 NARABAYASHI、他日本原子力学会「2004年春の学会」、N-1〜N-6、セラミックス絶縁耐熱コイルを用いた内蔵CRD等に関する技術開発ＴｏｓｈｉｂａＹＡＭＡＺＡＫＩ，ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＬｏｓｓＳｔｅａｍＳｅｐａｒａｔｏｒｆｏｒＢｏｉｌｉｎｇＷａｔｅｒＲｅａｃｔｏｒｓ，ＩＣＯＮＥ−１５−１０４６４，Ａｐｒｉｌ２００７，Ｎａｇｏｙａ，Ｊａｐａｎ大間原子力発電所、原子炉設置許可申請書、添付書類８−３−２圧力容器内部構造物、平成11年９月、電源開発（株）

従来の気水分離器は、炉心上方にある炉心上部プレナムという広いスペースから細いスタンドパイプで流路を急激に絞り高速二相流とし、スタンドパイプの出口部に強力な旋回羽根を設け、一挙に二相流に強力な旋回をかけることにより、二相流を蒸気と水に分離している。しかし、この流路断面積が急激に減少する部分と細いスタンドパイプ部に流れる高速二相流部分と更にその出口部に一挙に高速旋回流を生ぜしめる旋回羽根の部分があるため、従来の気水分離器は大きな圧力損失が生じるという問題がある。そして、気水分離器の一体当たりの処理できる二相流も燃料集合体の３体分程度である。

上述したように、炉心上部には気水分離器のような機器を設置する必要があり、現行の沸騰型原子炉では、制御棒駆動機構は、原子炉圧力容器の下鏡に設置されている制御棒駆動機構ハウジングに収納されている。そのため、原子炉圧力容器の据付高さが高くなり、ひいては原子炉格納容器が大きくなり、製造コストが増加するなどの問題がある。

これを解決するために、制御棒駆動機構を原子炉圧力容器内に内蔵する案が従来提案されているが、これは炉心の上部プレナム部に設置することを考えている。この案は制御棒駆動機構は、炉心内で発生した気泡を含んだ二相流の激しい流れの中に設置することになる。この二相流はかなり大きな制御棒駆動機構の間隙を流れるため流路面積が急激に縮小したあと、急激に拡大することになる。このように内蔵型制御棒駆動機構を設置することにより二相流の流路断面積が急激に縮小し拡大することにより局所圧力損失の増加を引き起こす。また、その下流側では二相流から蒸気を分離するために気水分離器が付いており、ここでも流路断面積の急激な縮小が必要となっていて、ここでも局所圧力損失が生じている。

内蔵型制御棒駆動機構は炉心上部プレナム部に配列されているが、この部分は安全系の一つである高圧注水系より非常時に冷却水が注入される部分である。高圧注水系より注入される冷却水は、炉心上部プレナム部に林立する制御棒駆動機構の間を縫って注入されることになり、この冷却水は原子炉に均一に注入されにくくなる。

このように内蔵型制御棒駆動機構は原子炉圧力容器の下部構造が簡略化できるとともに、原子炉圧力容器の位置を低くできるなど多くの利点があるが、この内蔵型制御棒駆動機構を二相流の流路の中に設置することにより、流路断面積の急激な変化による二相流の圧力損失の増加や、高速二相流によるフローインデュースドバイブレーションが生じる可能性がある。

前記の課題を解決するために、本発明では沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器の下鏡内面よりも上方の部位に設けられた制御棒駆動機構ハウジングが二相流に直接さらされることが無いように、燃料集合体（バンドル）から出た二相流は複数バンドル毎（大部分は４バンドル毎）に一つのチムニーにまとめ、このチムニーの出口は連結部を経由して気水分離器のスタンドパイプに直結させ、この二相流はそのまま気水分離を行わせる。チムニーから気水分離器までの連結部は流路面積が緩やかに変化させ、この連結部およびその上流や下流の近傍に二相流の旋回機構を設け、気水分離器のスタンドパイプに流入する前段階で二相流を旋回させる。気水分離器の下部にあるスタンドパイプ部分は気水分離部分より細い円管であり、制御棒駆動機構ハウジングはこのスタンドパイプの外側のスペースに収納することができる。そしてこの部分は激しい二相流にさらされることはない。内蔵型制御棒駆動機構は電動駆動方式と水圧駆動方式が提案されているが、本方式はこの両方に適用できるが、特に特許文献２にある水圧駆動方式については、制御棒駆動水は炉心で発生した二相流と混合させず、再循環水と合流して炉心入口に達するようにできるので、飽和温度より低い給水を分流して制御棒駆動水とすることも可能となる。また、非特許文献２にある電動式制御棒駆動機構の大きさでもスタンドパイプを現状より太くできる。高圧注水系のノズルは蒸気乾燥器（ドライヤー）の下面に配管を通して設置し、各注水ノズルは各気水分離器の直上に位置するように設置し、注水は真下に向かって行うように配置する。

本発明によれば、気水分離させるために必要な二相流の旋回速度を与えるための旋回機構をスタンドパイプの上流側に移すことにより、より長いスペースを旋回機構にとることができ、従来はスタンドパイプ出口部で一挙に強力な旋回をかける必要があったが、上記の構造の工夫により下記のような低圧損化および高性能化が可能となる。まず、チムニー出口部の流路断面積を気水分離器のスタンドパイプ断面積にまで徐々に滑らかに減少させることにより、断面積の急減による二相流の圧力損失を軽減する。さらにこの連結部およびその上流や下流の近傍に二相流の旋回機能を設置し、スタンドパイプに流入する二相流は既に十分旋回をかけるようにする。これにより中心部に蒸気が流れるようになり、体積流量は減少するので、圧力損失は減少する。また、スタンドパイプ出口部の旋回機能は削除するか必要に応じて補助機能として設置すればよいことになり、スタンドパイプの出口部の圧力損失を大きく減少することができる。また、内蔵型制御棒駆動機構ハウジングは気水分離器のスタンドパイプの間に配置することにより、内蔵型制御棒駆動機構ハウジング自体による流路断面積の急減・急増による圧力損失は無くなる。これらの圧力損失低減効果によりにより、炉心の冷却水の駆動水頭の要求を下げることができる。また、内蔵型制御棒駆動機構ハウジングによる流路断面積の急減・急増によるフローインデュースドバイブレーションが無くなる。水圧駆動の内蔵型制御棒駆動機構の場合はその駆動水として給水の一部も利用することも可能となり、コストダウンにつながる。また、高圧注水系による注水が気水分離された蒸気に直接かかり、原子炉圧力を急速に下げるのに役立ち安全上好ましい方向になる。また炉心上部に内蔵型制御棒駆動機構を設置し易くなり、この方式により原子炉圧力容器の下鏡外方での制御棒駆動機構の突出部が無くなり、原子炉圧力容器の下部構造が簡素化される。したがって、原子炉圧力容器の位置が低くなり、ひいては原子炉格納容器が小さくなり、耐震設計上も有利になるとともに、製造コストの低減が図れる。

以下、本発明にかかわるチムニーおよび気水分離器の実施形態について図面を参照して説明する。

＜全体構成＞
図１は原子炉圧力容器の全体構成を示す断面図である。この図１に示すように、原子炉圧力容器１は、上面が開口する縦長な胴部２の下端に下鏡３が一体に設けられた容器本体部１aと、この容器本体部１aの上面を閉塞する上鏡４を有する上部蓋１ｂとにより構成されている。この原子炉圧力容器１内の最下端位置、すなわち下鏡の内面よりも上方の部位である炉内底部近傍位置に炉心支持板５が設けられている。この炉心支持板５の上方には上部格子板６が設けられ、更に上部格子板６の上方には制御棒駆動機構支持板７が設けられている。

炉心支持板５と上部格子板６との間には多数の燃料集合体８が装荷され、これにより炉心９が形成されている。核燃料集合体８は、縦長な四角筒状のチャンネルボックス内に複数本の燃料ピンが配置された構成のものである。

原子炉が停止時は核燃料集合体８の間には複数本の制御棒１０が配置されている。そして出力上昇時には上部格子板６と制御棒駆動機構支持板７との間に制御棒１０は引き抜かれる。このように制御棒１０は、炉心９の上方から炉心９内に向かって垂直下方に挿入し、また上方に引き抜くことができるようになっている。なお、各制御棒１０は十字型のブレードを有する縦長な構成のものであり、炉心周辺部を除き各ブレードが４体の燃料集合体８間に挿入される構成となっている。

制御棒駆動機構支持板７上には、複数の制御棒駆動機構１１が設けられている。これらの制御棒駆動機構１１は縦長な制御棒駆動機構ハウジング１２と、制御棒駆動機構ハウジング１２の下端から鉛直下方に延びた昇降軸１３とを備えており、昇降軸１３の下端は制御棒１０と結合している。制御棒駆動機構１１は、電動駆動モータまたは水力を駆動源としたモータ（水力モータ）により、この昇降軸１３を昇降動作されるようになっている。

なお、各制御棒駆動機構１１の上端側には、それぞれ縦長管状のガイド部材１４が設けられており、昇降軸１３が上方へ移動した場合、このガイド部材１４が案内管となる。なお水力モータの場合は、駆動水導入装置としての駆動水供給管２０を介して炉外から供給される駆動水ｃの水力を駆動源として用いるが、駆動水はこれらのガイド部材１４を介して制御棒駆動機構１１に導かれている。

図２に燃料集合体８のおよび制御棒１０の炉心９内の配置を示す。このように正方格子状に配列されている。また制御棒１０は核燃料集合体８の４体に一体配置されている。

図３にガイドチムニー１５の配置を示す。ガイドチムニー１５は４体の燃料集合体８に一体配列されている。そしてガイドチムニー１５はこの４体の燃料集合体８から発生する二相流のみをすべて取り込むように設計されている。

制御棒１０は挿入・引き抜きの際、図２、図３に示すように、炉心９内の領域では各燃料集合体８の外周部によってガイドされ、炉心９の上方領域では炉心からの二相流の通路であるガイドチムニー１５の外周部によってガイドされる。

制御棒駆動機構１１および制御棒駆動機構ハウジング１２は図１に示すように制御棒駆動機構支持板７の上に固定されている。そして、これらは円筒の気水分離器１６の間隙に設置されている。

気水分離器１６の上方には高圧注水配管２１からの水ｄを各気水分離器に向かって注水するための配管と注水ノズル２２を設置し、図１に示すようにその上方には蒸気乾燥器１７が設けられている。

原子炉圧力容器１の上下方向中間位置には、給水ｆを導入するための給水導入ノズル１８が設けられている。また、原子炉圧力容器１の上端位置には、蒸気ｓを外部に供給するための蒸気出口ノズル１９が設けられている。通常運転時の原子炉水の位置ｈは制御棒駆動機構支持板７と気水分離器１６の頂部との間に設定されている。

本実施形態の沸騰型原子炉では、炉心冷却水は原子炉圧力容器１の下部に設置された再循環ポンプ（インターナルポンプ）２３により強制循環されている。炉心冷却水は炉心９で加熱されることにより、蒸気が発生し二相流となり、気水分離器で分離された蒸気ｓは主蒸気ノズル１９を通ってタービンに行く。一方気水分離器で分離された水は再循環水としてダウンカマー２４を経由して炉心入口に至るが、ダウンカマー上部で給水ノズル１８を経たより低温の給水ｆと混合する。また、自然循環型ＢＷＲでは再循環ポンプを設置する代わりに、炉心上部プレナム部を長くして、ここに長いチムニーを設け、この部分の気泡による浮力効果により炉心冷却水の循環力を得ることになる。

＜詳細構成＞
図３から図７は、上述したガイドチムニー１５と気水分離器１６およびそれらの連結部２９の構造および制御棒１０と制御棒駆動機構１１との関係を示している。図３は図１のレベルＡの部分の燃料集合体８（点線）とガイドチムニー１５との関係を示している。図４はガイドチムニー１５と気水分離器１６の結合部２９を含めた立面図を示している。図５は図１のレベルＢのガイドチムニー１５のボックス部分のスペーサ３４および均圧孔付きスペ−サ３５の形状を示している。また、図５はガイドチムニー１５の上端のボックス形状から円筒チムニー１５aに変化している部分２９aの平面を示している。さらに、図５は円筒チムニー１５aからスタンドパイプ２５に変化している部分２９ｂの平面図も示している。図６はレベルＤの気水分離器のスタンドパイプ２５と制御棒駆動機構ハウジング１２およびその下に付いている制御棒１０の関係を示している。スタンドパイプ２５の間に制御棒ハウジング１２が丁度収まっている様子を太い実線で示す。また、レベルＥでの気水分離部の外筒２７と昇降軸ガイド部材１４との関係を中太の実線で示しているが余裕を持っておさまっていることがわかる。図７は図４の立面図を４５度回転して、四角から円筒となる部分２９aが分かるようし、そこに旋回羽根を描いたものである。また図７には縦スリットをあけることによる高性能化についての図を示した。図８は現行沸騰型原子炉に本発明を適用する場合の炉内構造物の図を示す。図９はその場合の気水分離器の立面図を示す。図１０はその場合の旋回機構を示す。また、図１０aには気水分離器入口の口径を内筒より細くする必要がある場合の旋回機構について立面図に示す。

（１）ガイドチムニー部
図３に示すように、ガイドチムニー１５は四角形の長尺ボックスで制御棒１０を囲んでいない組み合わせの複数体の燃料集合体８から発生する二相流をすべてここに導くようにする。このガイドチムニー１５の二相流に存在する気泡の浮力効果はインターナルポンプ２３の炉心冷却水の循環力をサポートするとともに、このインターナルポンプ２３の回転数が減少した場合やポンプが停止したときにも、自然循環力を保持する機能を持つ。これがチムニーと名づけた理由でもある。また出力運転中は制御棒１０を引き抜いて運転するが、このとき制御棒１０が所定の位置にあるようにガイドする役目を持つ。このガイドチムニー１５は制御棒の長さより長くしており、制御棒を全引き抜きしたときでも十分ガイドできるようになっている。

（２）ガイドチムニーと気水分離器部
図４はガイドチムニー１５と気水分離器１６とその連結部２９の外形図を示している。気水分離器１６はスタンドパイプ２５とスタンドパイプ出口拡大部３０と気水分離部２６から構成され、気水分離部２６は外筒２７と内筒２８から構成される。立面図の横に各レベルでの断面図を示す。ガイドチムニー１５は四角形であり、スタンドパイプ２５は円形なので、この連結部２９は断面が四角から円形に変化する部分２９aと断面が円形のチムニー部１５a（図４ではｑ−ｑ断面の点線に囲まれた部分）とｐ−ｐ断面に示すように断面が円形のまま徐々に縮小する円錐台の形状の部分２９ｂで構成される。

（３）ガイドチムニー１５の上端部
図５にガイドチムニー１５の上部からスタンドパイプ２５までの平面図を示す。図１の断面Ｂは制御棒を全引抜しても制御棒の翼より上の位置に来るようにしておくが、この断面に、各ガイドチムニー１５の間隔を所定に保つための部品３４（スペーサ）を設ける。またこのスペーサのうちの全てまたは半数は孔あきとし、ガイドチムニー間の均圧化を図る機能を持たせる。これを均圧孔付きスペーサ３５と名づける。なお、お互いのスペーサには熱膨張やわずかな変形を吸収できるように弾力性を持たせる必要がある。また更に均圧孔付きスペーサ３５の接合部には適切なパッキンを設け、ガイドチムニー１５の外側の領域からの水の出入りが無いようにする。これらのスペーサは制御棒を全引き抜きした状態よりも上部のガイドチムニー部につけなければならない。図５aにガイドチムニー下部に均圧孔を設ける場合を示す。この場合は制御棒との干渉を避けるためガイドチムニーの側面の中央部に設置し、横幅は狭くし縦長に設計し、必要な均圧孔の面積を確保する。また縦方向の位置についてはガイドチムニーの最下部付近に付ける。
図５の大きいほうの円形の部分は、四角いガイドチムニー１５から流路面積が徐々に減少する移行部分２９aを経て円筒状のチムニー１５aとなるところをあらわす。
また、円筒状のチムニー１５aから流路面積が徐々に減少する円錐台形状の移行部分２９ｂを経てスタンドパイプ２５の入り口の形状（断面Ｃ）を図５の小さいほうの円で示す。

（３）スタンドパイプ部
図６に断面Ｄにおけるスタンドパイプ２５と制御棒駆動機構ハウジング１２の関係を太い実線で示す。このようにスタンドパイプ２５の外形は制御棒駆動機構ハウジング１２を収納できる太さにする。また、スタンドパイプ２５の長さは制御棒駆動機構ハウジング１２を設置できる長さにする。図１の断面Ｅにおける気水分離部外筒２７と昇降軸ガイド部材１４との関係を中太線で示す。最も太い外筒２７の間に昇降軸ガイド部材１４が容易に収納できることがわかる。後の（６）で述べるようにスタンドパイプに流入する二相流は既に旋回している。これを利用して気水分離の効率を向上するがそれは（７）に述べる。

（４）気水分離部
従来の気水分離器はスタンドパイプ２５とその出口についた旋回羽根部および気水分離部２６より構成される。気水分離部２６は非特許文献４に描かれているように、外筒２７と内筒２８から構成され、三段の水流分離機構が付いている。本発明ではこの三段の気水分離部の構造は従来技術を利用することにする。なお、図１で描いた気水分離部はスペース上の余裕があるため、気水分離部は長さに余裕を取り、長めに描いている。この余裕は従来の設計の炉心上部プレナムの高さを節約することにより生じたものである。なお、内蔵型制御棒駆動機構を用いる場合の本発明では、炉心上部プレナムの代わりに均圧孔つきガイドチムニーが存在している。

（５）ガイドチムニーと気水分離器の連結部
図７にガイドチムニーから気水分離器までの構造を示す。四角いガイドチムニー１５から円筒のスタンドパイプ２５までの連結部２９について説明する。まずガイドチムニー１５から、この四角に内接する円筒のチムニー１５aになる移行部２９aがあり、この円筒のチムニー１５aからスタンドパイプ２５までは円錐状のパイプ２９ｂがある。この二つの部分の流路面積は徐々に減少するように設定する。チムニー・セパレータ連結部２９a、２９ｂの流路面積を徐々に減少させることにより二相流をスムーズに加速する。従来は強力な旋回をかけることをスタンドパイプ出口部３０のみの旋回羽根３２に頼っていたが、本発明は旋回機構を流路断面積が徐々に減少する部分およびその近傍に設置し、その旋回を加速する。圧力損失は流速の自乗に比例するが、旋回羽根は流路断面積が従来に比べて大きい部分に設置されているので、二相流の流速が従来の流速に比べて小さくなり、圧損も小さくなる。断面積の急速減少が無くなり局所圧力損失が減少する。連結部２９およびスタンドパイプ２５に流入する二相流は旋回しているので蒸気は中央に集まり、体積流量が減少する。以上の効果により気水分離器の圧力損失を低減することができる。

（６）二相流の旋回機構
四角形のチムニーから円筒のチムニーになる連結部に旋回機構３３を設ける。実施例としてはこの部分には「非特許文献３」で提案されているスワラー羽根３３aを４枚用いる。その羽根の一枚３１aを立面図に示した。次に、円筒チムニー１５a部分に旋回機構３１を設ける。実施例としては８枚羽根としその一枚３１aを立面図に示した。これらの旋回機構により気水分離のために必要な旋回を与えるようにする。円筒チムニーからより細いスタンドパイプに移行する円錐部分２９ｂでこの旋回流は更に加速されスタンドパイプ２５に流入する。スタンドパイプ出口部では流路が拡大することになるので、旋回流が乱れるのを防ぐためこの部分も羽根３２を設ける。この羽根による圧損はなるべく低くなるように次のように設計する。スタンドパイプ部２５では中央部に蒸気が集まっているので、その蒸気はそのまま気水分離部に流入するように、中央部は空洞にし、周辺の部分にのみ旋回羽根をつける。ここには４枚の羽根の場合を示した。その羽根の一枚３２aを立面図に示した。
四角いチムニー１５の部分は二相流は垂直に上昇して来るので、羽根３３の下端は垂直に設定し流れと同じ方向にして整流効果を持たせる。その後、緩やかにカーブして、出口部の羽根は垂直に対し３０度以上に傾け二相流に旋回をかけるようにする。旋回羽根３１aは上流側の羽根の角度より大きくし４５度以上に設定する。なおこの部分の旋回機構の中心部は支持用芯を入れるが、支持用芯の入口部と出口部には円錐状のコーンをつけるようにする。これらのコーンは流れをスムーズにして圧力損失を減らすためであり、特に出口部のコーンは蒸気を中心部に集めることにも役立つ。
広い流路から狭い流路に流体が流入するとき、渦は自然発生的に生まれるが、これを更に加速するべく、流路が狭くなる部分およびその上流側に旋回機構を設けるというのが本発明の一つの要素であるが、さらに、コリオリの力という自然力を利用して、旋回機構を設計する。すなわち、上昇二相流はコリオリの力をうけて、北半球では流れに対して右回転方向の力が働き、南半球では左回転方向の力が働く。そこで、北半球に原子炉を設置する場合の旋回機構は流れに対して右回転するように羽根を設定し、南半球に設置する場合は旋回機構は流れに対して左回転するように羽根を設定する。これらは微小な力ではあるが、自然の法則に則って設計することにより、より良い設計が可能となる。

（７）気水分離機能の高性能化
上に述べたように、スタンドパイプに流入する二相流は既に十分旋回がかかっている。これを利用して、気水分離機能を向上する。ここでの実施例はスタンドパイプに縦にスリット２５aを設け、旋回している水の一部をこのスリットを通して外に放出する。水を効率的に排出するためにスリットに沿って水の掻き出し用突起部を設け、気水分離部に流入する水を相当量ここでかきだしてしまう。図７にスリット部の j-j 断面にその形状を示す。このようにスタンドパイプ部にも気水分離機能を持たせることにより、高性能な気水分離器が可能となる。例えば、従来の気水分離のための水の流路（スリット）の長さは約2.8ｍであり、スタンドパイプに16ｃｍのスリット１２本をつけることにより流路の長さは約4.7ｍとなり約1.7倍の長さを得ることができる。なお、このスリット２５aから放出される水は、隣接する制御棒制御棒駆動機構ハウジングに正面からなるべく当たらないようスリットの位置を工夫する。また、スリットはスタンドパイプの強度がなるべく減少しないように縦方向に一列にせず、ずらして配置する。

（８）爪つきスリット
スリット部の詳細図を図７aに示す。スタンドパイプの肉厚は図に示すようにスリットに沿って爪を付けるように製作する。この爪により回転する二相流のうち水がスリットを通ってスタンドパイプより排出されやすくする。この爪部は旋回する流体の乱れを極力減らすために次のスリットまで徐々に断面積が変化するように設計する。例えば、図７aにおいて爪部の頂点をPとし、またスリットの入り口のもう一つの点をQ（図中の矢印で示す）とすると、PQ 間を円弧または楕円で結ぶ曲線とする。また、この部分によりスタンドパイプの肉厚を厚くすることができるので、スリットによる強度の低下をこの肉厚増加でカバーすることができ、スタンドパイプの補強にもなる。そのためにもこのスタンドパイプのスリット部の製造は一体型削り出し方式が望ましい。これでも強度が不足する場合はスタンドパイプの外側に、他との干渉を避けつつ、一部の肉厚を増やすなどで補強する。図７aに旋回流方向とスリットから排出される水の方向を示したが、このようにスリットの孔の方向は流体の流れの方向がなるべく急速に変化しないように、斜めにスリットを切るようにする。ここでは円筒の接線に対し斜め45度の方向とした。また、スリットの上下端部は矩形とはせず円弧とし、応力集中を避けるように工夫する。実施例としては図７の２５aに示すように、16cmの長さのスリットを縦方向に位置をずらして配置する。流れ方向に対し右旋回の場合は、上方に向かって右方向にスリットをずらす。左旋回の場合は左方向にずらすようにする。実施例ではスタンドパイプの長さは60ｃｍ程度は必要となるが、内蔵型制御棒駆動機構を収納するためにもこの程度は必要となる。スタンドパイプ部分のクオリティはまだ小さく、旋回により水は円筒の周辺に集まり爪付きスリットにより水を排出しやすい状態になっている。この部分でかなりの量の水は分離されるので、従来の気水分離部はクオリティがより大きな領域について気水分離をすればよいことになる。またこの考えを発展させて、気水分離部の内筒部分の上部までこの爪つきスリットを付けることにより、従来の気水分離部の外筒を削除した気水分離器も可能となる。

（９）高圧注水系
各気水分離器１６の上には注水ノズル２２が一つずつ配置し、ここに高圧注水配管２１からの水ｄが供給されるようにする。このノズル部分は高速蒸気流にさらされるので、小型の設計とし高圧注水配管にしっかりと固定し、この配管は蒸気乾燥器１７の下面に配置されているが、同様にしっかりと固定する。この注水ノズルからの水は気水分離器から発生した蒸気を直接凝縮できるので、減圧効果が大きい。なお、凝縮してできた水や注入された水はダウンカマーを通過して炉心に循環される。また、発生蒸気量が減少した場合には各気水分離器１６を経由して、炉心に注水される。

図８に沸騰水型原子炉の一般的な制御棒駆動機構を示す。このように、原子炉圧力容器の下鏡部３の外側から炉内上方に向かって貫通する制御棒駆動機構ハウジング５０を設け、制御棒１０を炉心下方から昇降させ、炉心内への挿入および炉心からの引き抜きを行う機構となっている。この場合について、本発明の低圧損セパレータを採用した場合を図８から図１０、図１０aに示す。
炉心上部プレナム４６の上部には上部プレナムヘッド４７があり、ここにスタンドパイプ２５が付いているがこのスタンドパイプの入口を伸ばし気水分離器入口部４１をつくる。なお、図８以降はこのスタンドパイプにスリットは描いていないが、スリットをつけることは可能である。

図９に気水分離器入口部４１の立面図を示す。気水分離器入口部４１の最下面は四角形または六角形などとし、炉心上部プレナム４６のほぼ全面を覆うようにすることにより二相流の入口流路面積を大きくとる。以下は正四角形の場合を示すが、二相流は、この四角形から円筒への移行部４１aを経て気水分離器入口円筒部４１b にゆき、円筒からスタンドパイプ移行部４１cで断面積が絞られてスタンドパイプに流入する。この気水分離器入口部４１に以下に述べる旋回機構をつけることにより、スタンドパイプは太くすることができる。この太さは上部プレナムヘッドの強度設計・他で決まるが最も太くしたい場合は気水分離器内筒２８と同じ径にすることができる。したがって、この図ではスタンドパイプ２５（２８）と表現した。なお、４１ｂは分かりやすくするため旋回機構を円筒部分につけたが、この部分を省略して４１ｃに直接旋回機構をつけることも可能である。

図１０に図９を４５度回転して形状の変化を分かりやすくし、そこに入口部旋回機構４２および円筒部旋回機構４３を示した。その入口部旋回羽根４２aおよび円筒部旋回羽根４３aおよび中心羽根サポート４４の形状の実施例を示した。これらは（６）二相流の旋回機構で述べたものと同じ考え方で設計する。

上部プレナムヘッドの条件などから、スタンドパイプ２５の径を気水分離器内筒２８より細くしなければならない場合について図１０aに示す。この場合は、スタンドパイプ出口で流路面積の拡大がある。そして、この部分で流れの乱れを防ぐためスタンドパイプ出口部旋回機構５２を設けることも可能である。（６）のスタンドパイプ出口部の旋回機構３２は中心部に芯を入れない場合を示したが、ここではここにはスタンドパイプ出口部旋回羽根に芯をつけた場合５２aを示す。これはスタンドパイプが長くて、水滴が中心部にも流れる傾向が現れた場合を考慮したものである。その場合でも芯は細くし、流れの抵抗を減らすようにする。なおセパレータ入口部や気水分離器の外筒は、十分なサポートをつけておく必要がある。

本発明に係わる一体型チムニー・気水分離器を説明するための沸騰型原子炉圧力容器内の配置を示す全体構成図発明にかかわる制御棒と燃料集合体の関係を説明するための炉内配置図図１のＡ線断面図本発明に係わる一体型チムニー・気水分離器の立面図図１のＢ線断面図図１のＡ線とＢ線の間に均圧孔を設ける場合の断面図図１のＣ線断面図とＤ線断面図本発明に係わる一体型チムニー・気水分離器の旋回機構図スタンドパイプの爪付きスリット部の詳細図現状の炉心下部より挿入する制御棒駆動機構を持った沸騰型原子炉に本名発明を採用した場合の原子炉圧力容器内の配置を示す図本発明にかかわる気水分離器入口部の立面図本発明に係わる気水分離器入口部の旋回機構図スタンドパイプの径を気水分離器内筒より細くする場合の図１０の変形例

符号の説明

１原子炉圧力容器
３下鏡
５炉心支持板
６上部格子板
７制御棒駆動機構支持板
８燃料集合体
９炉心
１０制御棒
１１制御棒駆動機構
１２制御棒駆動機構ハウジング
１３昇降軸
１４昇降軸ガイド部材
１５ガイドチムニー
１５a 円柱チムニー
１６気水分離器
２０制御棒駆動水供給管
２１高圧注水配管
２２注水ノズル
２４ダウンカマー
２５スタンドパイプ
２５a 爪つきスリット
２６気水分離部
２７気水分離器外筒
２８気水分離器内筒
２９連結部
２９a 四角チムニーから円筒チムニー移行部
２９b 円筒チムニーからスタンドパイプ移行部
３０スタンドパイプ出口部
３１連結部旋回機構
３１a 連結部旋回羽根
３２スタンドパイプ出口部旋回機構
３２a スタンドパイプ出口部旋回羽根
３３連結入口部旋回機構
３３a 連結入口部旋回羽根
３４ガイドチムニースペーサ
３５ガイドチムニー均圧孔付きスペーサ
３６下部用均圧孔付きスペーサ
４１気水分離器入口部（上部プレナム内）
４１a 四角から円筒への移行部（上部プレナム内）
４１b 気水分離器入口円筒部（上部プレナム内）
４１c 円筒からスタンドパイプ移行部（上部プレナム内）
４２入口部旋回機構（上部プレナム内）
４２a 入口部旋回羽根（上部プレナム内）
４３入口円筒部旋回機構（上部プレナム内）
４３a 入口円筒部旋回羽根（上部プレナム内）
４４中心羽根サポート（上部プレナム内）
４６炉心上部プレナム
４７上部プレナムヘッド
４８炉心シュラウド
４９シュラウドサポート
５０制御棒駆動機構ハウジング（現行型）
５２スタンドパイプ出口部旋回機構（芯付き）
５２a スタンドパイプ出口部旋回羽根（芯付き）
５３スタンドパイプ出口部旋回羽根芯

Claims

沸騰型原子炉は多数の気水分離器より構成されるが、この気水分離器の下部の部品であるスタンドパイプの下端に新たに入口部を備えた連結部を設け、この連結部の入口部からスタンドパイプに到る間の流路断面積を徐々に減少するようにし、更にこの連結部およびその上流や下流の近傍に二相流の旋回機構を設けた気水分離器。
連結部の入口は正方形または正六角形として、連結部相互の入口部の間に隙間が少なく広い面積から各気水分離器に二相流が流入するようにした請求項１の気水分離器。
二相流の流れに沿って多段に旋回機構を備えた請求項１および請求項２の気水分離器。
スタンドパイプに流入する二相流が既に十分旋回していることを利用し、スタンドパイプ出口部の旋回機構を削除するか、または補助的な機能を持たせるのみにし、更にスタンドパイプの太さを最大は気水分離器の内筒の太さまでに太くした気水分離器。
スタンドパイプや気水分離器内筒において、円筒の側部に、縦方向に細長い貫通部（スリット）を複数個設け、請求項１の工夫により円筒の内部の回転している水が直接ダウンカマー部に流出できるようにした気水分離器。
請求項５において、円筒の径方向に肉厚を変化させて水を掻き出すための爪を設け旋回する流体を効率よく掻き出す機能を付加するとともに、スリット付き円筒の強度を増加した
気水分離器。
沸騰型原子炉における炉心内に存在する多数の燃料集合体のうち、制御棒を囲っていない隣同士の複数体の燃料集合体から発生する二相流のみを流入させるチムニーを燃料集合体の上に設け、このチムニーは制御棒を炉心上方に引き抜いたときの制御棒のガイド機能を持たせるとともに、このチムニーの最上端にある出口部を気水分離器の入口部と直結させ一つのチムニーの出口部から出た二相流はそのチムニーに対応する気水分離器に全て流入するようにした、一体型チムニー・気水分離器。
チムニー内は炉心からの二相流の流れる領域、チムニーの外側は制御棒およびダウンカマーの水がある領域とし、チムニー内の二相流は制御棒がある領域にもれ出ないようにしつつ、隣同士のチムニー間で二相流が自由に出入りできるような小孔をチムニーの入口部と出口部の間の側部に備え、隣同士のチムニーを均圧化する機能を備えたチムニー。
請求項７の一体型チムニー・気水分離器に請求項１から請求項６および請求項８の一部または全ての項目を加えた沸騰型原子炉。
沸騰型原子炉における原子炉圧力容器の下鏡内面よりも上部の部位に設けられた縦長筒状の制御棒駆動機構ハウジングを、請求項７の気水分離器の最も細い部分例えばスタンドパイプの間に設置した内蔵型制御棒駆動機構。
内蔵型制御棒駆動機構で水圧を用いる場合給水の一部をその駆動水として利用する、請求項１０の方式を用いた内蔵型制御棒駆動機構。
各気水分離器の真上に高圧注水系のノズルを設け、このノズルへは蒸気乾燥器の下面に設置した高圧注水系配管を通して水を供給できるようにした高圧注水系設備。
請求項３の多段の旋回機構の一部に、流路の中央部は構造物を置かず空間とし、旋回羽根は周囲の構造物により支持する方式を用いた旋回機構を設けた気水分離器。
原子力発電所に設置する上方向または下方に移動する流体の旋回機構において、北半球に設置する場合は流れ方向にたいし右回転するように設計し、南半球に設置する場合は流れ方向に対し左回転するように設計することを特徴とした旋回機構。