JP2010518402A - 加圧水型原子炉のスカート状整流装置 - Google Patents

Abstract

原子炉容器の下部ヘッドの降水環状部の出口に有孔シリンダ構造のスカート状整流装置を支持して、シリンダ構造の壁部の貫通孔により冷却材の流れを案内する加圧水型原子炉の容器。スカート状整流装置は原子炉容器の下部ヘッド上の、間隔が不等または炉心バレルの固定点と垂直方向に整列していない半径方向に離隔した複数の場所で支持される。スカート状整流装置は、下部炉心支持板の下側全体にわたり実質的に平衡した冷却材の圧力及び流量が得られるようにする特異な構成の貫通孔パターンを使用する。

Description

関連出願の相互参照

本願は２００７年２月１２日付けの米国仮出願第６０／８８９，３１２号に基づく優先権を主張する。

政府の権益

本発明はエネルギー省との契約第ＤＥ−ＦＣ０７−０５１Ｄ１４６３６号に基づく政府助成でなされたものであり、米国政府は本発明につきある特定の権利を有する。

本発明は水冷式原子炉に係り、さらに詳細には、水冷式原子炉の炉心に流入する冷却材の分布を改良する装置に係る。

加圧水により冷却される原子炉発電システムの一次側は閉回路を構成するが、この閉回路は有用なエネルギーを発生させる二次側から隔離され且つ二次側と熱交換関係にある。一次側には、核分裂物質を含んだ複数の燃料集合体を支持する炉心内部構造を収容する原子炉容器と、熱交換蒸気発生器内の一次回路と、加圧器の内部空間と、加圧水を循環させるポンプ及び配管系とが含まれるが、配管系は各蒸気発生器及びポンプを原子炉容器にそれぞれ別個に接続する。蒸気発生器、ポンプ及び容器に接続された配管系より成るコンポーネントは一次側ループを形成する。一次側は加圧水の体積及び化学的性質をモニターする回路を含む補助回路にも接続されている。一次回路から分岐するよう構成された補助回路は、測定量の水を必要に応じて補給することにより一次回路の水量を維持し、原子炉の運転にとって重要な冷却水の化学的性質、特にホウ酸の含有量を監視することを可能にする。

炉心コンポーネントの平均温度は全出力運転時では５８０°Ｆ（３０４℃）である。保守のための原子炉システムの運転停止及び圧力容器内側へのアクセスが定期的に必要になる。かかる運転停止時に、圧力容器の内部コンポーネントは約５０°Ｆ（１０℃）の温度にまで冷えることがある。圧力容器の内部コンポーネントは上部及び下部の内部構造より成るのが一般的である。上部の内部構造は制御棒案内管集合体、支柱、閉鎖ヘッドを介して原子炉に挿入される計測器具用導管及び上部炉心板と呼ぶ燃料集合体整列構造を含む。下部の内部構造は炉心バレルと呼ぶ炉心支持構造と、炉心バレル内に位置する炉心シュラウドとを含むが、炉心シュラウドは炉心バレル内面の円形形状と、下部炉心支持板と上部炉心支持板との間に支持されて炉心を構成する燃料集合体の周囲形状に実質的に対応するステップ状パターンとの間を埋めるものである。

一般的に、原子炉容器は円筒状であり、半球状下端部を有する。炉心バレルは原子炉容器の円筒状部分と半球状部分とが出会う領域において、またはその近傍で原子炉容器の内壁に接続される。炉心の主要な支持体、即ち下端部に下部炉心支持体を被せた炉心バレルの下方において、半球状容器が下部ヘッドまたは下部プレナムを画定する。ほぼ環状の降水管は炉心バレルと原子炉容器の内壁との間で炉心バレルを取り囲んでいる。通常は水である冷却材がこの環状降水管に圧入される。冷却材の流れは下降して下部プレナムに流入する。下部プレナムの半球型の形状がその内部における冷却材の一様な循環に寄与する。下部炉心支持板の下側には原子炉炉心冷却材の複数の入口開口がある。冷却材は下部プレナムから炉心冷却材入口開口に流入した後、上昇して炉心に入り燃料集合体を冷却する。

炉心全体を適切且つ一様に冷却するためには、下部炉心支持板の炉心冷却材入口開口全
部にわたって均一な冷却材の流量と圧力が維持されることが必要である。冷却材の圧力または流量が均一でないと炉心に流入する冷却材の流れが一様でなくなり、炉心の燃料集合体が一様に冷却されなくなる。燃料集合体の冷却が一様でなくなると、「高温の燃料集合体」の場所に合わせるために炉心全体の燃焼率を強制的に下げる。冷却材の流量及び圧力が均一でないと、下部プレナムを循環する冷却材に渦流または他の乱流現象が発生することになる。

原子炉炉心をモニターする計測装置を設けることが望ましい。伝統的に、かかる計測装置を原子炉外部と接続するリード線は原子炉容器下方の半球状部分の中央から取り出される。下部炉心板の下側から原子炉容器下方の半球状部分の内壁に延びる複数の導管が下部プレナムを延びる計測用ラインを支持する。

下部プレナムにおける導管の存在は、下部プレナム内部における冷却材の一様な流れの維持及び循環する冷却材中に形成される渦流の破壊に寄与する。かかる渦流は冷却材の流れを乱し、交差する炉心冷却材入口に低圧領域を発生させる。

新型原子炉では、任意の計測用導管が原子炉容器から出る場所を下部プレナム以外にするのが望ましいこととされている。下部プレナムから計測用導管をなくすると、下部プレナムを循環する冷却材中に渦流が形成されることが判明している。

１９９３年１１月３０日発行の米国特許第５，２６７，２８５号は、渦流を抑制する手段として、下部プレナム内に、冷却材を通過させる開口を備えた下部支持板と平行に１個またはそれ以上の板を平行離隔関係で支持することを示唆している。

大型炉心を備えた大型の受動式発電所の出現により、下部炉心支持板の炉心冷却材入口開口の全てに亘り均一な冷却材の流量及び圧力が確実に維持されるように下部プレナム内の冷却材の分布を改善するためのさらなる手段が必要であることが明らかになってきた。

従って、かかる均一な流量及び圧力が維持されるように原子炉容器の下部プレナムの設計を改良することがさらに必要である。

上記及び他の目的は、下部ヘッド及び下部炉心支持板を備えた円筒状の原子炉圧力容器を用いることによって達成される。垂直壁部に複数の貫通孔が形成され、上方端縁部を有する円筒体を、上方端縁部を下部炉心支持板に隣接して、下部ヘッドの周りの複数の場所で支持することにより、原子炉圧力容器に流入しその円筒状壁部と炉心バレルとの間の環状部を下降する冷却材の大部分が円筒体の垂直壁部の貫通孔を通過して、炉心バレルの下端部により支持された下部炉心支持板の炉心への入口開口に流入するようにする。円筒体の上方端縁部は下部炉心支持板の底面の下方において間隔を置くのが望ましい。好ましくは、円筒体の垂直壁部の内側から半径方向内方に延びる円周方向リブを設けて該壁部の剛性を増加させることにより、流動する冷却材の圧力に耐え得るようにする。

一実施例において、円周方向リブを円筒体の垂直壁部の高さ方向の中央よりわずか上方に形成し、垂直壁部の貫通孔を第１及び第２のパターンで形成する。円筒体の垂直壁部に設ける貫通孔は実質的に同一サイズにし、第１のパターンの貫通孔をリブの上方に、また第２のパターンの貫通孔をリブの下方に形成するのが好ましい。第１のパターンの貫通孔は円周方向において実質的に連続しており、第２のパターンの貫通孔は円周方向において実質的に不連続であるのが望ましい。一実施例において、円筒体の垂直壁部の下部を切断することにより、円筒体の底部から垂直方向上方に延びる複数対の離隔した垂直スロットを形成するが、各対の垂直スロットは下部ヘッドに連結される固定用脚部を形成する。一
部の対の離隔した垂直スロット間の円周方向距離は他の対の離隔した垂直スロット間の円周方向距離とは異なるようにするのが望ましく、スロットは円筒体の直径方向に対称的であるのが望ましい。固定用脚部を下部プレナムに連結する場所は炉心バレルを原子炉圧力容器に固定する場所と垂直方向に整列しない。一実施例において、固定用脚部を６個乃至８個設けるが、スロットがリブの高さのすぐ下方まで垂直方向上方に延びるようにする。第２のパターンの不連続の貫通孔は固定用脚部により分離される。

別の実施例において、第１のパターンの貫通孔及び第２のパターンの貫通孔は実質的に整列して円周方向に延びる列を形成し、第２のパターンの列数は第１のパターンの列数よりも多い。第１のパターンの各列は入れ子関係にあり、第２のパターンの各列は入れ子関係にある。

円筒体は環状部と下部ヘッドの底部との間の空間を実質的に閉じるものであり、円筒体の垂直壁部の貫通孔は、冷却材の第１の部分が上昇し、直接、下部炉心支持板の複数の貫通孔を流れるように、また、第２の部分が下部ヘッドの下部の方へ下降し、渦流抑制板を通って上昇するように構成されている。

本発明は、好ましい実施例についての下記の説明を添付図面と関連させて読めばさらに理解することができる。

本発明を利用可能な原子炉システムの単純化した概略図である。 本発明を利用可能な原子炉圧力容器及び内部コンポーネントの部分断面立面図である。 図２に示す原子炉圧力容器の下部を示す部分断面図であり、本発明のスカート状整流装置が原子炉容器の下方半球状部分の内壁上に支持されている。 炉心支持板の下方に取り付けた本発明のスカート状整流装置を示す部分断面側面図である。 本発明のスカート状整流装置の貫通孔のパターンを平面で示す。 本発明のスカート状整流装置の一部の内側部分を示す斜視図である。

図面を参照して、図１は、閉鎖ヘッド（１２）が原子炉の炉心（１４）を包むほぼ円筒形の原子炉圧力容器（１０）を備えた原子炉一次系を単純化した形で示す。水のような液状原子炉冷却材がポンプ（１６）により容器（１０）内に圧入されるが、炉心（１４）を通過する際吸収される熱は蒸気発生器と通称される熱交換器（１８）へ送られ、蒸気駆動タービン発電機のような利用回路（図示せず）へ伝達される。原子炉冷却材はその後、ポンプ（１６）へ戻されて、一次ループが完了する。通常、上述したループが複数個、原子炉冷却材配管（２０）により単一の原子炉容器（１０）へ接続されている。

図２は、原子炉設計の一例をさらに詳細に示すものである。複数の燃料集合体（２２）が平行且つ垂直に延びる炉心（１４）に加えて、説明の目的のために、それ以外の原子炉容器の内部構造を下方の内部構造（２４）と上方の内部構造（２６）とに分けることが可能である。従来型設計では、下方の内部構造の機能は容器内における流れを方向付けるだけでなく炉心コンポーネント及び計測装置を支持、整列且つ案内することである。上方の内部構造は燃料集合体（２２）を拘束または二次的に拘束し、計測装置及び制御棒（２８）のようなコンポーネントを支持。案内する。

図２に示す原子炉例では、冷却材は１または２以上の入口ノズル（３０）を介して容器（１０）に流入した後、容器（１０）と炉心バレル（３２）との間の環状部分を下降し、
下部プレナム（３４）で１８０°方向転換した後、燃料集合体（２２）が配置された下部炉心支持板（３６）及び燃料集合体を通って上昇する。炉心及びその周辺領域を流れる冷却材の流量は通常大きく、毎秒約２０フィートの速度で毎分４００，０００ガロンのオーダーである。その結果生じる圧力降下及び摩擦力により燃料集合体が上昇する傾向にあるが、この動きは円形の上部炉心板（３８）を含む上方の内部構造（２６）により制限される。炉心（１４）を出た冷却材は上部炉心板（３８）の下側に沿って流れた後、複数の孔部を通過して上昇する。冷却材はその後、上昇し、１またはそれ以上の出口ノズル（４０）の方へ向かって半径方向に流れる。

直線移動可能な制御棒（２８）は通常、駆動シャフトと、中性子毒物棒のスパイダ集合体とを含むが、この中性子毒物棒は制御棒案内管（４８）により上方の内部構造（２６）及び整列した燃料集合体（２０）内に案内される。案内管（４８）は上部支持集合体（４４）に固定され、上部炉心板（３８）の頂部に圧力嵌めされた割ピンにより接続される。このピン構造は、必要に応じて行なわれる案内管の組立てまたは交換を容易にし、特に地震または高荷重事故状態下で炉心にかかる荷重が案内管（４８）でなくて主として支柱（４６）により支持されるようにする。これにより、制御棒の挿入能力に悪影響を与えかねない事故状態時の案内管の変形が抑制される。

大型の発電所では、下部炉心支持板（３６）の表面全体にわたり一定の流量及び圧力が維持されるように下部プレナム（３４）内の流れパターンをさらに改善するのが望ましい。この目的を達成するために、本発明は、図２において参照番号（５０）で指示し、図３−６に略示するスカート状整流装置を使用する。スカート状整流装置（５０）は原子炉容器の下部プレナム（３４）にある有孔シリンダ構造であり、容器（１０）と炉心バレル（３２）との間の環状部を出た冷却材を案内してスカート状整流装置（５０）の孔部を流れるようにするものであり、原子炉容器の下部ヘッド（５２）上の円周方向に離隔した場所にあるランド（５６）に一体的な固定用脚部（６６）を溶接することにより原子炉容器の下部ヘッド（５２）へ固着される。下部ヘッド（５２）の周りの円周方向に離隔した、ランド（５６）上のスカート状整流装置（５０）の取り付け場所は、間隔が一様ではないが直径方向で対称的であるため、炉心バレルを原子炉容器の壁の内部に取り付ける場所と垂直方向に整列しない。

図３は、スカート状整流装置（５０）の容器の下部ヘッド（５２）への接続態様及び下部炉心支持板（３６）に対するスカート状整流装置（５０）の相対的な間隔を示す。スカート状整流装置（５０）と、下部炉心支持板（３０）との間には、例えば地震のような事象発生時における炉心バレルの相対的な移動及び異なる熱膨張を可能にしてスカート状整流装置が損傷を受けないようにする空間（７０）が維持される。スカート状整流装置（５０）の孔部（７２）はほぼ同一サイズであり、２つの別個のパターンで配列されている。第１のパターン（６２）は、スカート状整流装置の上方端縁部（６８）と、その外表面を円周方向に延びる凹部（５８）を形成する水平リブとの間を延びる。第１のパターン（６２）は、円周方向に連続し、入れ子関係にある２列の孔部（７２）により形成される。第２のパターン（６４）は、スカート状整流装置（５０）の垂直壁部の凹部（５８）の下方の表面上において入れ子関係にある４列の孔部（７２）により形成される。パターン（６４）の孔部の各列の円周方向の広がりは、図４、５及び６に示す固定用脚部（６６）により中断する。円周方向の舌部（６０）はスカート状整流装置（５０）を円周方向に延びて、その下方にスカート状整流装置（５０）の厚い垂直壁部を画定するが、この厚い垂直壁部はスカート状整流装置の強度を増加させ、該装置を冷却材の流れ力に対して支持する。

図４は下部プレナム（３４）の４半部を示す立面図であり、炉心バレルを容器（１０）上に支持する半径方向キーの１つ及び支持脚部（６６）に対するその位置を示す。半径方向キー（７４）は容器（１０）の基軸上に支持されるが、一方、支持脚部は基軸からずら
すように設計されている。他の全ての点については、スカート状整流装置は、図３に関連して上述したように、図４に示したものである。下部炉心支持板（３６）はアクセスポート（７６）を備えているが、そのカバーは発電所の運転停止時に下部炉心支持板の下方の内部構造を点検するために取り外すことが可能である。スカート状整流装置（５０）を下部ヘッド（５２）上に支持する固定用脚部（６６）が通常６個乃至８個存在する。

図５は、スカート状整流装置（５０）の垂直壁部の外表面を平らにしたパターン図である。図５から、パターン（６２）の円周方向に実質的に連続する２列の孔部（７２）が入れ子関係にあることが良く分かる。図５からは、パターン（６４）の、固定用脚部（６６）により中断された円周方向に並んだ４列の孔部（７２）が入れ子関係にあることも良く分かる。

図６はスカート状整流装置（５０）の内部の斜視図であり、スカート状整流装置（５０）を補強するために半径方向内方に延びて剛性を付与する円周方向リブ（５８）を示す。対応コンポーネントを示すために同一の参照番号を幾つかの図に使用した。

図２及び３を再び参照して、冷却材は入口（３０）を通って容器（１０）に流入し、環状部（５４）を下降し、環状部（５４）の底でスカート状整流装置（５０）に遭遇する。冷却材の大部分はその後、スカート状整流装置（５０）の孔部（７２）を強制的に通過させられるが、冷却材の一部は上方へ向かい、直ぐに下部炉心支持板（３６）を通過する一方、第２の部分はプレナム（３４）の下部にある渦流抑制板の下を流れ、そこから渦流抑制板の孔部を上昇して下部炉心支持板へ向かう。この液圧作用により下部炉心支持板（３６）の下側全体にわたり圧力と流量が平衡した状態となる。

本発明を特定の実施例について詳細に説明したが、当業者は、開示内容全体に照らして、上述した実施形態の細部には種々の変更、代案が可能であることが分かるであろう。従って、開示した特定の実施形態はあくまでも説明を目的とするものであり、本発明の範囲を制限するものではなく、本発明の範囲は付記する請求項のすべておよびその均等物によって定義される。

Claims (22)

1. 原子炉圧力容器の円筒状壁部と、
   円筒状壁部の底を閉じる下部ヘッドと、
   円筒状壁部内に実質的に同軸的に配置され、円筒状壁部との間に冷却材が下降する環状部を画定する炉心バレルと、
   炉心バレルの底に被せる下部炉心支持板と、
   下部ヘッド内で下部炉心支持板の下方に位置する円筒状スカート状整流装置とより成り、円筒状スカート状整流装置は複数の貫通孔及び上方端縁部を備えた垂直壁部を有し、円筒状スカート状整流装置は、原子炉圧力容器に流入して環状部を下降する冷却材の流れの大部分が下部炉心支持板を通過する前に円筒状スカート状整流装置の垂直壁部の貫通孔を通過するように、少なくとも一部の間の円周方向距離が他の部分の間の円周方向距離とは異なる離隔した支持位置において、上方端縁部が下部炉心支持板に隣接して支持される原子炉圧力容器。
2. 円筒状スカート状整流装置の上方端縁部は下部炉心支持板の底面から離隔している請求項１の原子炉圧力容器。
3. 円筒状スカート状整流装置の垂直壁部の内側から半径方向内方に延びて該壁部の剛性を増加する円周方向リブを有する請求項１の原子炉圧力容器。
4. 前記リブは円筒状スカート状整流装置の垂直壁部の高さ方向の中心よりわずか上方に形成されている請求項３の原子炉圧力容器。
5. 円筒状スカート状整流装置の垂直壁部の貫通孔は第１のパターン及び第２のパターンで形成されている請求項３の原子炉圧力容器。
6. 円筒状スカート状整流装置の垂直壁部の全ての貫通孔は実質的に同一サイズである請求項５の原子炉圧力容器。
7. 第１のパターンはリブの上方にあり、第２のパターンはリブの下方にある請求項５の原子炉圧力容器。
8. 第１のパターンは円周方向で実質的に連続しており、第２のパターンは円周方向で実質的に不連続である請求項７の原子炉圧力容器。
9. 円筒状スカート状整流装置の底部から垂直方向上方に延び、円周方向に離隔したる複数対の垂直スロットは、円筒状スカート状整流装置の垂直壁部の下部に切断形成されており、各対の垂直スロットは支持位置で下部ヘッドに連結される固定用脚部を形成する請求項８の原子炉圧力容器。
10. 一部の対の離隔した垂直スロット間の円周方向距離は対の部分の対の離隔した垂直スロット間の円周方向距離とは異なる請求項９の原子炉圧力容器。
11. 垂直スロットは前記壁の底部から実質的にリブの高さまで上方に延びる請求項９の原子炉圧力容器。
12. 固定用脚部は６個乃至８個ある請求項９の原子炉圧力容器。
13. 固定用脚部は脚部間の円周方向距離より実質的に薄い請求項９の原子炉圧力容器。
14. 炉心バレルは、固定用脚部が炉心バレルの固定位置と垂直方向で整列しない円周方向に離隔した複数の位置において、下部ヘッドの底部から離隔した原子炉圧力容器の内部に固着されている請求項９の原子炉圧力容器。
15. 貫通孔が不連続である第２のパターンは貫通孔が固定用脚部により円周方向に分離されている請求項８の原子炉圧力容器。
16. 第１のパターンの貫通孔及び第２のパターンの貫通孔は円周方向に実質的に整列した列を形成し、第２のパターンの列数は第１のパターンの列数より多い請求項１５の原子炉圧力容器。
17. 第１のパターンの各列は第１のパターンの別の列と入れ子関係にあり、第２のパターンの各列は第２のパターンの別の列と入れ子関係にある請求項１６の原子炉圧力容器。
18. リブは円筒状スカート状整流装置の垂直壁部の外表面の円周方向凹部を形成する請求項３の原子炉圧力容器。
19. 円筒状スカート状整流装置の垂直壁部の外表面上には上方端縁部から下方に離隔したところに円周方向舌部が設けられており、前記舌部はその下方に厚い垂直壁部を形成する請求項１の原子炉圧力容器。
20. 円筒状スカート状整流装置の垂直壁部の貫通孔は、冷却材の第１の部分が上昇し、下部炉心支持板の複数の貫通孔を直接通過するように、また、冷却材の第２の部分が下部ヘッドの底部へ向けて下降するように構成されている請求項１の原子炉圧力容器。
21. 冷却材を通過させる貫通孔を備えた水平な渦流抑制板を有し、冷却材の第２の部分のうちの実質的な部分が下部炉心支持板の下側から渦流抑制板を通って上昇するように構成されている請求項２０の原子炉圧力容器。
22. 下部ヘッドと、
    下部炉心支持板と、
    下部ヘッド内の下部炉心支持板の下方に位置する円筒状スカート状整流装置とより成り、円筒状スカート状整流装置は複数の貫通孔及び上方端縁部を有する垂直壁部を備えており、円筒状スカート状整流装置は、原子炉加圧容器に流入する冷却材の流れの大部分が下部炉心支持板を通過する前に円筒状スカート状整流装置の壁部の貫通孔を通過するように、一部の間の円周方向距離が他の部分の間の円周方向距離とは異なる離隔した支持位置において、上方端縁部が下部炉心支持板に隣接して支持された原子炉容器を有する原子炉。

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