JP2011064481A - 沸騰水型原子炉及び気水分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】シュラウドヘッドの強度の低下を抑制し、原子炉圧力容器の中心軸の位置での水位と原子炉圧力容器の周辺部での水位の差を低減できる沸騰水型原子炉を提供する。
【解決手段】沸騰水型原子炉１は、原子炉圧力容器２内のシュラウドヘッド５の上方で円筒の蒸気乾燥器スカート１９内に、複数の気水分離器６を配置している。気水分離器６のスタンドパイプ７がシュラウドヘッド５に設置される。スタンドパイプ７の横断面形状が流線形をしており、この流線形の先端部である前頭部１６が原子炉圧力容器２の中心軸に向って配置される。スタンドパイプ７の横断面形状が流線形であって流線形の先端部が原子炉圧力容器２の中心軸側を向いているので、スタンドパイプ７の形状損失を低減することができ、原子炉圧力容器２の中心軸付近での水位２４と蒸気乾燥器スカート１９の内面の位置での水位２５の差を低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、沸騰水型原子炉及び気水分離器に係り、特に、気液二相流を気体と液体とに分離する気水分離器を備えた沸騰水型原子炉及びこの気水分離器に関する。

沸騰水型原子炉は、複数の燃料集合体を装荷した炉心を原子炉圧力容器内に配置し、原子炉圧力容器内に設置した炉心シュラウドで炉心を取り囲んでいる。シュラウドヘッドが炉心シュラウドの上端部に設置され、複数の気水分離器がシュラウドヘッドに取り付けられている。

炉心に供給された冷却水は、燃料集合体に含まれた核燃料物質の核分裂で発生した熱によって加熱されて沸騰する。この沸騰によって冷却水の一部が蒸気になる。蒸気及び冷却水を含む気液二相流が、炉心から流出して気水分離器内に流入する。気水分離器は、流入した気液二相流に含まれた蒸気と冷却水を分離する（例えば、特開２０００−１５５１９１号公報参照）。分離された蒸気は、蒸気乾燥器でさらに水分を除去された後、原子炉圧力容器から排出されてタービンに供給され、タービンを回転させる。タービンに連結された発電機が回転して電力を発生させる。

気水分離器で分離された冷却水は、シュラウドヘッドに沿って、原子炉圧力容器と炉心シュラウドの間に形成された環状のダウンカマに導かれる。ダウンカマに流入した冷却水は、原子炉圧力容器内に供給された給水と共に、ダウンカマ内を下降し、原子炉圧力容器の底部に設けられたインターナルポンプによって昇圧されて炉心に供給される。

気水分離器は、シュラウドヘッドに取り付けられるスタンドパイプ、スワラーが内部に設けられてスタンドパイプの上端に取り付けられたディフューザ及び三つの気水分離段を有する。各気水分離段は、内筒、外筒及びピックオフリングを有し、内筒を外筒で取り囲み内筒の上端にピックオフリングを設置して構成される。第１気水分離段、第２気水分離段及び第３気水分離段がディフューザの上端から上方に向って順次設置される。スタンドパイプから流入した気液二相流はスワラーにより旋回力を与えられ、遠心分離作用により密度の大きい冷却水が外側に飛ばされて内筒の内面に液膜を形成しながら上昇し、密度の小さい蒸気が内筒の中心付近に集まって上昇する。内筒の内面に沿って上昇した冷却水は、ピックオフリングに衝突して内筒と外筒の間に形成された排水流路に排出され、気水分離器外に排出される。

沸騰水型原子炉は、運転中において原子炉圧力容器内の冷却水の水位を設定レベルに保持している。この冷却水の液面が、シュラウドヘッドよりも上方で第１気水分離段の位置に形成される。気水分離器で分離された冷却水は、林立する多数のスタンドパイプの間を通り、原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向って流れる。このような冷却水の流れによって、原子炉圧力容器の中心軸の位置と気水分離器を取り囲む蒸気乾燥器スカートの内面の位置で、原子炉水位に差が生じる（特開平８−１７９０７７号公報の図５参照）。すなわち、原子炉圧力容器の中心軸の位置での水位が蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位よりも高くなっている。

原子炉圧力容器の中心軸付近での水位が蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位よりも高くなる原因として、以下の三つがあげられる。第１の原因は、湾曲したシュラウドヘッドの上面の高さが、シュラウドヘッドの外周よりも原子炉圧力容器の中心軸で高くなっていることである。このため、原子炉圧力容器の中心軸の位置でのシュラウドヘッドの高さとシュラウドヘッドの外周でのシュラウドヘッドの高さの差により冷却水の水平方向の流れが加速され、結果的に、原子炉圧力容器の中心軸の位置での水位が蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位よりも高くなる。第２の原因は、冷却水の水平方向の流れにおいて、スタンドパイプによる形状損失によって原子炉圧力容器の中心軸付近での冷却水の静圧が、蒸気乾燥器スカートの内面の位置での静圧よりも大きくなることである。第３の原因は、冷却水の水平方向の流れにおいて、シュラウドヘッド上面での摩擦損失によって原子炉圧力容器の中心軸付近での冷却水の静圧が、蒸気乾燥器スカートの内面の位置での静圧よりも大きくなることである。

原子炉圧力容器の中心軸付近での水位と蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位の差を小さくすることが、沸騰水型原子炉の運転性を向上させる観点から望まれている。すなわち、蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位が、蒸気乾燥器スカートの下端よりも低くなると、気水分離器で分離された冷却水に付随した蒸気が、蒸気乾燥器スカートと原子炉圧力容器の間に形成される隙間を通ってタービンに導かれる。蒸気乾燥器スカートと原子炉圧力容器の間に形成される隙間を通る蒸気は、蒸気乾燥器を通過しないので湿分を含んだ状態でタービンに供給されることになる。このため、タービン翼がその湿分により損傷する恐れがある。沸騰水型原子炉では、蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位が蒸気乾燥器スカートの下端よりも低くならないように水位の下限値が設定されている。一方、原子炉圧力容器の中心軸付近での水位に対しては、気水分離器の気水分離性能が制限値を満たすように上限値が設定されている。原子炉圧力容器の中心軸付近の水位と蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位の差が大きいと、水位の制御範囲が狭くなり、沸騰水型原子炉の運転性が低下する。

特開平８−１７９０７７号公報には、第１の原因を解消するために、シュラウドヘッドの湾曲の度合いを小さくし、シュラウドヘッドの、原子炉圧力容器の中心軸の位置の高さとシュラウドヘッドの外周の位置での高さの差を小さくすることが提案されている。

気水分離器の性能指標として、シュラウドヘッドの下面に取り付けられた気水分離器のスタンドパイプの入口から、第三段の気水分離段のピックオフリングの出口までの気水分離器内の全圧力損失がある。気水分離器内の全圧力損失を低減できれば、例えばインターナルポンプの容量を低減できるため、より経済性の高い沸騰水型原子炉を提供できる。特開昭５９−１８４９０号公報には、気水分離器内の全圧力損失を低減するため、スタンドパイプの外径を大きくする技術が記載されている。

特開２０００−１５５１９１号公報 特開平８−１７９０７７号公報 特開昭５９−１８４９０号公報

特開平８−１７９０７７号公報のように、シュラウドヘッドの湾曲を小さくすることは、シュラウドヘッドの肉厚が現状のその肉厚と同じである場合には、シュラウドヘッドの強度が低下してしまう。

特開昭５９−１８４９０号公報のようにスタンドパイプの外径を大きくした場合には、気水分離器の全圧力損失を低減できる。しかしながら、シュラウドヘッド上方での冷却水の水平方向の流れに対してスタンドパイプ相互間における流路面積が狭くなるので、その水平方向の流れの流速が増加する。このため、冷却水の水平方向の流れにおけるスタンドパイプによる形状損失が増加し、原子炉圧力容器の中心軸付近の水位と蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位の差がさらに大きくなってしまう。

本発明の目的は、シュラウドヘッドの強度の低下を抑制し、原子炉圧力容器の中心軸の位置での水位と原子炉圧力容器の周辺部での水位の差を低減できる沸騰水型原子炉及び気水分離器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、気水分離器がシュラウドヘッドに取り付けられたスタンドパイプを有し、このスタンドパイプの横断面の形状は、原子炉圧力容器の第１中心軸とスタンドパイプの第２中心軸を結ぶ直線上でのスタンドパイプの第１の長さが、その直線と直交する方向でのスタンドパイプの第２の長さよりも長くなっている形状を有しており、スタンドパイプの、原子炉圧力容器の中心軸側の側面がその横断面形状において曲面を形成していることにある。

スタンドパイプの横断面の形状は、原子炉圧力容器の第１中心軸とスタンドパイプの第２中心軸を結ぶ直線上でのスタンドパイプの第１の長さが、その直線と直交する方向でのスタンドパイプの第２の長さよりも長くなる形状を有しており、スタンドパイプの、原子炉圧力容器の中心軸側の側面がその横断面形状において曲面を形成しているので、スタンドパイプによる形状損失を低減することができる。このため、原子炉圧力容器の中心軸の位置での水位と原子炉圧力容器の周辺部での水位の差を低減することができる。また、スタンドパイプが上記のような横断面形状を有することによって、シュラウドヘッドの、原子炉圧力容器の中心軸の位置での高さとシュラウドヘッドの周辺部での高さの差を小さくする必要がないので、シュラウドヘッドの強度の低下を抑制することができる。

好ましくは、スタンドパイプ内に形成された、気液二相流が上昇する上昇通路の横断面の形状が、上記の第１中心軸と上記の第２中心軸を結ぶ直線上での上昇通路の長さが、この直線と直交する方向での上昇通路の長さよりも長くなっている形状を有していることが望ましい。

このような横断面形状を有する上昇通路をスタンドパイプ内に形成することによって、上昇通路の摩擦損失が減少し、気水分離器の全圧力損失を低減できる。

本発明によれば、シュラウドヘッドの強度の低下を抑制し、原子炉圧力容器の中心軸の位置での水位と原子炉圧力容器の周辺部での水位の差を低減することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の沸騰水型原子炉の縦断面図をである。 図１に示す気水分離器付近の拡大図である。 図２のIII−III断面図である。 図２に示す気水分離器の拡大縦断面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 乱流中に置かれたスタンドパイプの横断面形状とそのスタンドパイプの抵抗係数の関係を示す説明図である。 従来の沸騰水型原子炉に用いられる気水分離器のスタンドパイプ付近での冷却水の流速及びスタンドパイプの形状損失を示す模式図である。 図４に示す気水分離器のスタンドパイプ付近での冷却水の流速及びスタンドパイプの形状損失を示す模式図である。 本発明の他の実施例である実施例２の沸騰水型原子炉における気水分離器付近の拡大縦断面図である。 図９のＸ−Ｘ断面図である。 図１０のXI−XI断面図である。 本発明の他の実施例である実施例３の沸騰水型原子炉における気水分離器のスタンドパイプ付近での横断面図である。 図１２に示すスタンドパイプの拡大横断面図である。 本発明の他の実施例である実施例４の沸騰水型原子炉における気水分離器のスタンドパイプの横断面図である。

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の沸騰水型原子炉を、図１、図２及び図３を用いて説明する。本実施例の沸騰水型原子炉１は、原子炉圧力容器２、炉心３、炉心シュラウド４、シュラウドヘッド５、気水分離器６及びインターナルポンプ２０を備えている。炉心３、炉心シュラウド４、シュラウドヘッド５及び気水分離器６は、原子炉圧力容器２内に配置される。

複数の燃料集合体が装荷された炉心３は、炉心シュラウド４によって取り囲まれている。シュラウドヘッド５が炉心シュラウド４の上端部に設置される。複数の気水分離器６がシュラウドヘッド５に取り付けられる（図２参照）。蒸気乾燥器１８が、原子炉圧力容器２内で気水分離器６の上方に配置され、原子炉圧力容器２に設置される。円筒である蒸気乾燥器スカート１９が、蒸気乾燥器１８に取り付けられ、下方に向って伸びている。全ての気水分離器６は、蒸気乾燥器スカート１９内に配置される。複数のインターナルポンプ２０が、原子炉圧力容器２の底部に設置される。インターナルポンプ２０のインペラが、原子炉圧力容器２と炉心シュラウド４の間に形成される環状のダウンカマ２１に配置される。

原子炉圧力容器２に接続された主蒸気配管２６がタービン２７に接続される。発電機２８がタービン２７に連結される。復水器２９は給水配管３２によって原子炉圧力容器２に接続される。給水ポンプ３０及び給水加熱器３１が給水配管３２に設置される。

気水分離器６を、図４を用いて詳細に説明する。気水分離器６は、スタンドパイプ７、ディフューザ８、スワラー９、第１気水分離段２２ａ、第２気水分離段２２ｂ及び第３気水分離段２２ｃを有する。スタンドパイプ７はシュラウドヘッド５に取り付けられる。ディフューザ８がスタンドパイプ７の上端（下流端）に取り付けられ、スワラー９がディフューザ８内に設置される。第１気水分離段２２ａがディフューザ８の上端（下流端）に設置され、第２気水分離段２２ｂが第１気水分離段２２ａの上端に設置され、第３気水分離段２２ｃが第２気水分離段２２ｂの上端に設置される。

第１気水分離段２２ａは、内筒１０ａ、外筒１１ａ及びピックオフリング１２ａを有する。円筒である内筒１０ａの下端（上流端）がディフューザ８の上端に設置される。外筒１１ａは内筒１０ａを取り囲んでおり、環状の排水通路１４ａが内筒１０ａと外筒１１ａの間に形成される。開口部３５ａが形成されたピックオフリング１２ａが外筒１１ａの上端（下流端）に取り付けられる。排出口１３ａが、内筒１０ａとピックオフリング１２ａの間に形成され、排水通路１４ａに連絡される。外筒１１ａの下端は、ディフューザ８の下端よりも下方（上流）に位置しており、スタンドパイプ７の上端部を取り囲んでいる。

第２気水分離段２２ｂは、内筒１０ｂ、外筒１１ｂ及びピックオフリング１２ｂを有する。円筒である内筒１０ｂの下端がピックオフリング１２ａの上面に設置される。外筒１１ｂは内筒１０ｂを取り囲んでおり、環状の排水通路１４ｂが内筒１０ｂと外筒１１ｂの間に形成される。開口部３５ｂが形成されたピックオフリング１２ｂが外筒１１ｂの上端に取り付けられる。排出口１３ｂが、内筒１０ｂとピックオフリング１２ｂの間に形成され、排水通路１４ｂに連絡される。排水通路１４ｂに連通する排出口１５ａが、外筒１１ｂの下端部に形成される。

第３気水分離段２２ｃは、内筒１０ｃ、外筒１１ｃ及びピックオフリング１２ｃを有する。円筒である内筒１０ｃの下端がピックオフリング１２ｂの上面に設置される。外筒１１ｃは内筒１０ｃを取り囲んでおり、環状の排水通路１４ｃが内筒１０ｃと外筒１１ｃの間に形成される。開口部３５ｃが形成されたピックオフリング１２ｃが外筒１１ｃの上端に取り付けられる。排出口１３ｃが、内筒１０ｃとピックオフリング１２ｃの間に形成され、排水通路１４ｃに連絡される。排水通路１４ｃに連通する排出口１５ｂが、外筒１１ｃの下端部に形成される。

気水分離器６のスタンドパイプ７の横断面の形状は、図５に示すように、外面で流線形を形成している。曲面で形成された前頭部１６、及び直線状の２つの側面を有する縮流部１７がスタンドパイプ７に含まれるチューブ３３の外面に設けられる。スタンドパイプ７の横断面において、前頭部１６及び縮流部１７はチューブ３３の中心軸を通る１つの直線上に配置され、前頭部１６と縮流部１７の間にチューブ３３が配置される。前頭部１６及び縮流部１７はチューブ３３の周方向において１８０°ずれた位置に存在する。本実施例に用いられる気水分離器６では、原子炉圧力容器２の中心軸とスタンドパイプ７の中心軸（チューブ３３の中心軸）を結ぶ直線上での、スタンドパイプ７の横断面におけるスタンドパイプ７の長さｃが、この直線と直交する方向での、スタンドパイプ７の長さｄよりも長くなっている。前頭部１６及び縮流部１７の上端は外筒１１ａの下端よりも下方に位置しており、前頭部１６及び縮流部１７の下端はシュラウドヘッド５の上面より上方に存在する。

スタンドパイプ７は、外筒１１ａの下端より上方で横断面が円形をしており、シュラウドヘッド５の上面より上方で外筒１１ａの下端より下方の領域で横断面が流線形をしている。スタンドパイプ７は、流線形の部分から円形の部分に向って横断面積が滑らかに縮小している。このように、スタンドパイプ７が流線形の部分から円形の部分に向って横断面積が滑らかに縮小しているので、排水通路１４ａの出口において、排水通路１４ａの流路断面積の急拡大による圧力損失の増加を抑制することができる。

また、外筒１１ａの下端とディフューザ８の下端の間で、スタンドパイプ７の横断面積を流線形とした場合、スタンドパイプ７の中心軸と原子炉圧力容器２の中心軸を結ぶ方向でのスタンドパイプ７の長さは外筒１１ａの内径よりも大きくなり、スタンドパイプ７の上端部が外筒１１ａ内に入らなくなってしまう。外筒１１ａの下端とディフューザ８の下端の間において、スタンドパイプ７の中心軸と原子炉圧力容器２の中心軸を結ぶ方向でのスタンドパイプ７の長さは外筒１１ａの内径よりも小さくしてスタンドパイプ７の横断面形状を流線形にした場合には、スタンドパイプ７の外面と外筒１１ａの外面との間に形成された場合では、排水通路１４ａの流路断面積が小さくなる。本実施例のように、スタンドパイプ７の流線形の部分を外筒１１ａの下端よりも下方に形成することによって、スタンドパイプ７を取り囲む排水通路１４ａの流路断面積を大きくすることができる。このため、排水通路１４ａの圧力損失の増加を抑制できる。

各気水分離器６は、図３に示すように、前頭部１６が原子炉圧力容器２の中心軸を向くように配置されている。このように配置された各気水分離器６では、スタンドパイプ７の横断面において前頭部１６の先端、チューブ３３の中心、及び縮流部１７の２つの側面の交点を結ぶ直線が、原子炉圧力容器２の中心軸を通っている。

沸騰水型原子炉１の運転時において、インターナルポンプ２０によって昇圧された冷却水が、炉心３に装荷された各燃料集合体内に供給され、燃料集合体内を上昇する。燃料集合体内を上昇する冷却水は、燃料集合体内に存在する核燃料物質の核分裂で発生した熱によって加熱されて沸騰し、その冷却水の一部が蒸気になる。蒸気及び冷却水を含む気液二相流が、炉心３から流出して各気水分離器６内に流入する。

気水分離器６に導かれた気液二相流は、スタンドパイプ７のチューブ３３内の上昇通路３４（図５参照）内を上昇する。この気液二相流は、スワラー９によって旋回力が付与されて旋回され、第１気液分離段２２ａの内筒１０ａ内に流入する。この旋回によって気液二相流に含まれた、蒸気よりも密度の大きい冷却水は、内筒１０ａの内面に向って飛ばされて内筒１０ａの内面に液膜を形成し、この内面に沿って上昇する。冷却水よりも密度が小さい蒸気は、気液二相流がスワラー９によって旋回しても、内筒１０ａの中心軸付近に集まって内筒１０ａ内を上昇する。

液膜状になって内筒１０ａの内面に沿って上昇した冷却水は、ピックオフリング１２ａに衝突して排出口１３ａを通って排水通路１４ａに排出される。排水通路１４ａ内に排出された冷却水は、排水通路１４ａ内を下降し、排水通路１４ａ下端の環状開口から気水分離器６の外へ排出される。沸騰水型原子炉１の運転時において、原子炉圧力容器２内でシュラウドヘッド５より上方に冷却水の水面２３が形成される。外筒１１ａの下端が水面２３よりも下方に位置しているので、第１気水分離段２２ａで気液二相流から分離されて排水通路１４ａ内を下降する冷却水は、シュラウドヘッド５よりも上方に存在する冷却水中に放出される。内筒１０ａの中心軸付近を上昇する蒸気は、第１気水分離段２２ａで分離されなかった一部の冷却水を含み、ピックオフリング１２ａの中心部に形成された開口部３５ａを通って、第２気水分離段２２ｂの内筒１０ｂ内に流入する。

内筒１０ｂ内に流入した冷却水を含む蒸気は旋回しているので、この蒸気と共に上昇した冷却水の一部は、遠心力により、内筒１０ｂの内面に向って飛ばされる。内面に向って飛ばされた冷却水は、液膜状になって内筒１０ｂの内面に沿って上昇する。この冷却水は、ピックオフリング１２ｂに衝突して排出口１３ｂを通って排水通路１４ｂに排出される。第２気水分離段２２ｂで分離された冷却水は、排水通路１４ｂ内を下降し、排出口１５ａから気水分離器６の外へ排出される。この冷却水は、排出口１５ａからシュラウドヘッド５よりも上方に存在する水面２３より下方の冷却水中に落下する。内筒１０ｂの中心軸付近を上昇する蒸気は、第２気水分離段２２ｂで分離されなかった冷却水を含み、ピックオフリング１２ｂの中心部に形成された開口部３５ｂを通って、第３気水分離段２２ｃの内筒１０ｃ内に流入する。

内筒１０ｃ内に流入した冷却水を含む蒸気は旋回しているので、この蒸気と共に上昇した冷却水は、遠心力により、内筒１０ｃの内面に向って飛ばされる。内面に向って飛ばされた冷却水は、液膜状になって内筒１０ｃの内面に沿って上昇する。この冷却水は、ピックオフリング１２ｃに衝突して排出口１３ｃを通って排水通路１４ｃに排出される。第３気水分離段２２ｃで分離された冷却水は、排水通路１４ｃ内を下降し、排出口１５ｂから気水分離器６の外へ排出される。この冷却水は、排出口１５ｂからシュラウドヘッド５よりも上方に存在する冷却水中に落下する。内筒１０ｃの中心軸付近を上昇する蒸気は、わずかな湿分を含み、ピックオフリング１２ｃの中心部に形成された開口部３５ｃから上方に排気され、気水分離器６から排気される。

気水分離器６で分離された、わずかな湿分を含む蒸気は、蒸気乾燥器１８に導入される。蒸気乾燥器１８で湿分が除去された蒸気は、原子炉圧力容器２から排気され、主蒸気配管２６を通ってタービン２７に導かれる。タービン２７が蒸気によって回転され、発電機２８も回転する。発電機２８の回転によって発電が行われる。タービン２７から復水器２９に排気された蒸気は、復水器２９で凝縮されて水になる。この水は、給水として、給水配管３２を通って原子炉圧力容器２内に供給される。給水配管３２内を流れる給水は、給水ポンプ３０で昇圧され、給水加熱器３１によって加熱されて温度が上昇する。

第１気水分離段２２ａで分離されて排水通路１４ａから排出された冷却水、第２気水分離段２２ｂで分離されて排水通路１４ｂを通り、排出口１５ａから排出された冷却水、及び第３気水分離段２２ｃで分離されて排水通路１４ｃを通り、排出口１５ｂから排出された冷却水は、シュラウドヘッド５より上方で水面２３より下方において、原子炉圧力容器２の中心軸から原子炉圧力容器２の内面に向って流れ、ダウンカマ２１内に流入する。これらの冷却水は、給水配管３２から供給された給水と共に、ダウンカマ２１内を下降し、インターナルポンプ２０によって昇圧される。

本実施例は、原子炉圧力容器２の中心軸とスタンドパイプ７の中心軸（チューブ３３の中心軸）を結ぶ直線上での、スタンドパイプ７の横断面におけるスタンドパイプ７の長さが、この直線と直交する方向での、スタンドパイプ７の長さよりも長くなっている、すなわち、スタンドパイプ７の横断面の形状が流線形をしているので、前述した第２の原因であるスタンドパイプによる形状損失を低減することができる。このため、原子炉圧力容器の中心軸付近での水位と蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位の差を低減することができる。

横断面の形状が異なるスタンドパイプを、水の水平方向の流れに対して垂直に配置し、それぞれのスタンドパイプの抗力係数Ｃ_Dを図６に示す。水の流れは乱流である。図６には、横断面の形状が円形、楕円形及び流線形の各スタンドパイプの抗力係数Ｃ_Dが示されている。図６に示されたｃは、原子炉圧力容器２の中心軸とスタンドパイプの中心軸を結ぶ直線上での、スタンドパイプの横断面におけるスタンドパイプの長さである。図６に示されたｄは、この直線と直交する方向での、スタンドパイプの長さである。長さｃは長さｄよりも長くなっている。従来の沸騰水型原子炉に用いられる気水分離器のスタンドパイプの横断面形状は円形である。この円形のスタンドパイプの抗力係数Ｃ_Dは１．０である。これに対し、ｄ／ｃが０．４である、横断面が流線形をしているスタンドパイプの抗力係数Ｃ_Dは０．０５以下である。横断面が流線形であるスタンドパイプの抗力係数Ｃ_Dが、横断面が円形であるスタンドパイプの抗力係数Ｃ_Dの２０分の１以下になる。したがって、気水分離器６のスタンドパイプ７の横断面が流線形をしているので、スタンドパイプの抗力係数Ｃ_Dが小さく、前述したように、スタンドパイプ７による形状損失を低減することができる。

また、長さｃが長さｄよりも長い横断面が楕円形であるスタンドパイプでは、ｄ／ｃが０．４であるとき、抗力係数Ｃ_Dが円形の場合より小さな０．６になる。

発明者らは、本実施例において、原子炉圧力容器２の中心軸付近での水位と蒸気乾燥器スカート１９の内面の位置での水位の差のうち、冷却水の水平方向の流れにおけるスタンドパイプ７の形状損失を原因として生じる水位差の低減効果を検討した。

この検討は、従来の沸騰水型原子炉に用いられる気水分離器（図７参照）及び本実施例の沸騰水型原子炉１に用いられる気水分離器６（図８参照）を対象に行った。図７及び図８は、それぞれの気水分離器のスタンドパイプ付近を示している。いずれの気水分離器においても、シュラウドヘッド５の上面から第１気水分離段の外筒１１ａの下端までの距離がＬになっている。

シュラウドヘッド５の上方の領域で原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向って流れる冷却水のスタンドパイプ周囲での流速をＵとしたとき、スタンドパイプの形状損失ΔＰは（１）式で求められる。

ΔＰ＝ｋＣ_DＵ² ……（１）
ここで、Ｃ_Dはスタンドパイプの横断面の形状によって決まる抗力係数であり、ｋは物性値のみによって決まる定数である。

従来の沸騰水型原子炉に用いられる気水分離器では、図７に示すように、シュラウドヘッド５の上面から外筒１１ａの下端までの距離Ｌの区間において、シュラウドヘッド５の上方の領域における原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向って流れる冷却水の流れが従来の横断面が円形のスタンドパイプ７Ｅの外面に沿って通過するとき、スタンドパイプ７Ｅの形状損失ΔＰ₀は（２）式で求められる。

ΔＰ₀＝ｋＣ_D0Ｕ₀ ² ……（２）
ここで、Ｃ_D0は横断面が円形のスタンドチューブ７Ｅが、乱流中に流れに対して垂直に置かれたときの抵抗係数、Ｕ₀はスタンドチューブ７Ｅを配置したときに原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向って流れる冷却水の流速である。

本実施例の従来の沸騰水型原子炉１に用いられる気水分離器６では、図８に示す距離Ｌにおいて、スタンドパイプ７が横断面を流線形をしている（図５参照）。その距離Ｌの区間において、シュラウドヘッド５の上方の領域における原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向って流れる冷却水の流れがスタンドパイプ７の外面に沿って通過するとき、スタンドパイプ７における形状損失ΔＰ₁は（３）式で求められる。

ΔＰ₁＝ｋＣ_D1Ｕ₁ ² ……（３）
ここで、Ｃ_D1は横断面が流線形のスタンドチューブ７が、乱流中に流れに対して垂直に置かれたときの抵抗係数、Ｕ₁はスタンドチューブ７を配置したときに原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向って流れる冷却水の流速である。

シュラウドヘッド５の上方の領域で上記した方向に流れる冷却水の流量が従来例（図７）及び本実施例（図８）で同じであるとしたときにおいて、形状損失ΔＰ₀と形状損失ΔＰ₁を比較した。本実施例に用いられる気水分離器６のスタンドパイプ７の横断面での長さｄは、従来例で用いられる気水分離器のスタンドパイプ７Ｅの外径と同じである。このため、原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向う冷却水の流れに対して、周方向に隣り合うスタンドパイプ７間に形成される流路面積と周方向に隣り合うスタンドパイプ７Ｅ間に形成される流路面積は同じであるとみなせる。また、シュラウドヘッド５の上方の領域で上記した方向に流れる冷却水の流れは、主に、各気水分離器の排水通路１４ａから排出された冷却水により生じる流れである。このため、シュラウドヘッド５の上方の領域で原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向う冷却水の流れは、シュラウドヘッド５の上面から外筒１１ａの下端までの距離Ｌの区間で生じる。シュラウドヘッドの上方の領域において、スタンドパイプの軸方向における冷却水の流速は一様とみなせる。以上に述べたことから、シュラウドヘッドの上方の領域での従来例（図７）及び本実施例（図８）の冷却水流量が同じ条件では、（４）式が成り立つ。

Ｕ₀＝Ｕ₁ ……（４）
スタンドパイプ７Ｅを含む気水分離器を有する従来例の沸騰水型原子炉において、原子炉圧力容器の中心軸の位置での水位と蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位との差のうち、原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向う冷却水の流れによるスタンドパイプ７Ｅの形状損失ΔＰ₀によって生じる水位差をΔＬ₀とする。また、スタンドパイプ７を含む気水分離器６を有する本実施例の沸騰水型原子炉１において、原子炉圧力容器の中心軸の位置での水位と蒸気乾燥器スカートの内面の位置での水位との差のうち、原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向う冷却水の流れによるスタンドパイプ７の形状損失ΔＰ₁によって生じる水位差をΔＬ₁とする。形状損失ΔＰ₀と水位差ΔＬ₀との間には、（５）式の関係が成り立つ。また、形状損失ΔＰ₁と水位差ΔＬ₁との間には、（６）式の関係が成り立つ。

ＮΔＰ₀＝ρｇΔＬ₀ ……（５）
ＮΔＰ₁＝ρｇΔＬ₁ ……（６）
ここで、ρは冷却水の密度、ｇは重力加速度、及びＮは原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向って流れる冷却水が通過するスタンドパイプの本数である。
（２）式、（３）式、（４）式、（５）式及び（６）式に基づいて、（７）式が得られる。

ΔＬ₁／ΔＬ₀＝ΔＣ_D1／ΔＣ_D0 ……（７）
横断面の形状が流線形になっているスタンドパイプ７を有する本実施例（図８）では、原子炉圧力容器２の中心軸の位置での水位と蒸気乾燥器スカート１９の内面の位置での水位との差のうち、原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向う冷却水によるスタンドパイプ７の形状損失ΔＰ₁によって生じる水位差が、（７）式による演算によれば、従来例（図７）で生じるその水位差の５％以下に低減できることが分かった。

本実施例では、スタンドパイプ７が、長さｃが長さｄよりも長くなっている流線形の横断面形状を有するので、特開平８−１７９０７７号公報の図１に示されるように、シュラウドヘッドの、原子炉圧力容器の中心軸の位置での高さとシュラウドヘッドの周辺部での高さの差を小さくする必要がない。このため、本実施例では、シュラウドヘッド５の強度の低下を抑制することができる。

本発明の他の実施例である実施例２の沸騰水型原子炉を、図９、図１０及び図１１を用いて説明する。本実施例の沸騰水型原子炉１Ａは、実施例１の沸騰水型原子炉１において気水分離器６を気水分離器６Ａに替えた構成を有する。沸騰水型原子炉１Ａの他の構成は沸騰水型原子炉１と同じである。

本実施例に用いられる気水分離器６Ａは、気水分離器６においてスタンドパイプ７をスタンドパイプ７Ａに替えた構成を有する。気水分離器６Ａの他の構成は気水分離器６と同じである。スタンドパイプ７Ａの横断面の形状は、スタンドパイプ７の横断面と同様に流線形をしている。上昇通路３４Ａがスタンドパイプ７Ａ内に形成される（図１１参照）。上昇通路３４Ａの横断面の形状も流線形をしている。このため、スタンドパイプ７Ａの肉厚は、スタンドパイプ７Ａの横断面の全体を通して実質的に同じである。上昇通路３４Ａの流路断面積は実施例１におけるスタンドパイプ７内の上昇通路３４の流路断面積よりも大きくなる。スタンドパイプ７Ａは、外筒１１ａの下端より上方で横断面が円形をしており、シュラウドヘッド５の上面より上方で外筒１１ａの下端より下方の領域で横断面が流線形をしている。スタンドパイプ７Ａは、流線形の部分から円形の部分に向って横断面積が滑らかに縮小している。

本実施例においても、原子炉圧力容器２の中心軸とスタンドパイプ７Ａの中心軸を結ぶ直線上での、スタンドパイプ７Ａの横断面におけるスタンドパイプ７Ａの長さが、この直線と直交する方向での、スタンドパイプ７Ａの長さよりも長くなっている。スタンドパイプ７Ａは前頭部１６Ａ及び縮流部１７Ａを有し、前頭部１６Ａが原子炉圧力容器２の中心軸の方を向いている。前頭部１６Ａ及び縮流部１７Ａは原子炉圧力容器２の中心軸とスタンドパイプ７Ａの中心軸を結ぶ直線上に配置されている。スタンドパイプ７Ａの横断面における前頭部１６Ａの先端部（原子炉圧力容器２の中心軸側の端部）は流路抵抗を低減するために曲面になっている。

本実施例によれば、横断面形状が流線形をしたスタンドパイプ７Ａを用いているので、実施例１と同様に、原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向う冷却水によるスタンドパイプ７の形状損失ΔＰ₁を低減することができ、原子炉圧力容器２の中心軸付近での水位と蒸気乾燥器スカート１９の内面の位置での水位の差を低減することができる。さらに、本実施例は、スタンドパイプ７Ａ内に形成される上昇通路３４Ａの流路断面積が、上昇通路３４Ａの横断面形状が流線形をしている関係上、スタンドパイプ７内に形成される流路断面積よりも大きくなるので、スタンドパイプ７Ａ内に形成された上昇通路３４Ａの摩擦損失が、実施例１よりも減少する。このため、本実施例では、気水分離器６Ａの全圧力損失が気水分離器６のそれよりも低減される。

本実施例では、実施例１と同様に、シュラウドヘッド５の強度の低下を抑制できる。

本発明の他の実施例である実施例３の沸騰水型原子炉を、図１２及び図１３を用いて説明する。本実施例の沸騰水型原子炉１Ｂは、実施例１の沸騰水型原子炉１において気水分離器６を気水分離器６Ｂに替えた構成を有する。沸騰水型原子炉１Ｂの他の構成は沸騰水型原子炉１と同じである。

本実施例に用いられる気水分離器６Ｂは、気水分離器６においてスタンドパイプ７をスタンドパイプ７Ｂに替えた構成を有する。気水分離器６Ｂの他の構成は気水分離器６と同じである。スタンドパイプ７Ｂの横断面の形状は、楕円形をしている。上昇通路３４Ｂがスタンドパイプ７Ｂ内に形成される（図１３参照）。上昇通路３４Ｂの横断面の形状も楕円形をしている。このため、スタンドパイプ７Ｂの肉厚は、スタンドパイプ７Ｂの横断面の全体を通して実質的に同じである。上昇通路３４Ｂの流路断面積は実施例１におけるスタンドパイプ７内の上昇通路３４の流路断面積よりも大きくなる。スタンドパイプ７Ｂは、外筒１１ａの下端より上方で横断面が円形をしており、シュラウドヘッド５の上面より上方で外筒１１ａの下端より下方の領域で横断面が楕円形をしている。スタンドパイプ７Ｂは、楕円形の部分から円形の部分に向って横断面積が滑らかに縮小している。

本実施例においても、原子炉圧力容器２の中心軸とスタンドパイプ７Ｂの中心軸を結ぶ直線上での、スタンドパイプ７Ｂの横断面におけるスタンドパイプ７Ｂの長さが、この直線と直交する方向での、スタンドパイプ７Ｂの長さよりも長くなっている。すなわち、スタンドパイプ７Ｂの横断面形状の楕円の長軸が原子炉圧力容器２の中心軸とスタンドパイプ７Ｂの中心軸を結ぶ直線上にあり、この楕円の短軸がその直線と直交する方向に存在する。

横断面の形状が楕円形であるスタンドパイプの抗力係数Ｃ_Dは、横断面の形状が円形である従来のスタンドパイプ７Ｅの抗力係数Ｃ_Dよりも小さくなる（図６参照）。このため、前述した第２の原因であるスタンドパイプ７Ｂによる形状損失ΔＰ₁を低減することができる。スタンドパイプ７Ｂを有する気水分離器６Ｂを備えた本実施例の沸騰水型原子炉１Ｂでは、従来の沸騰水型原子炉に比べて、原子炉圧力容器２の中心軸付近での水位と蒸気乾燥器スカート１９の内面の位置での水位の差を低減することができる。本実施例は、スタンドパイプ７Ｂ内の上昇通路３４Ｂの流路断面積が実施例１で用いられる気水分離器６のスタンドパイプ７内に形成された上昇通路３４の流路断面積よりも大きいので、気水分離器６Ｂの全圧力損失が気水分離器６のそれよりも低減される。

本実施例における水差の低減幅を実施例１と同様にして求めた。本実施例で用いられる横断面が楕円形をしたスタンドパイプ７Ｂのｄ／ｃが０．５である場合、このスタンドパイプ７Ｂの抗力係数Ｃ_Dは、０．６になり、横断面が円形であるスタンドパイプ７Ｅの抗力係数Ｃ_Dの１．０と比較して小さくなる。横断面の形状が楕円形になっているスタンドパイプ７Ｂを有する本実施例では、原子炉圧力容器２の中心軸の位置での水位と蒸気乾燥器スカート１９の内面の位置での水位との差のうち、原子炉圧力容器２の中心軸から原子炉圧力容器２の内面に向う冷却水によるスタンドパイプ７Ｂの形状損失ΔＰ₁によって生じる水位差が、（７）式による演算によれば、従来例（図７）で生じるその水位差の６０％に低減されることが分かった。

本実施例では、スタンドパイプ７Ｂが、長さｃが長さｄよりも長くなっている楕円形の横断面形状を有するので、実施例１と同様に、シュラウドヘッド５の、原子炉圧力容器２の中心軸の位置での高さとシュラウドヘッド５の周辺部での高さの差を小さくする必要がない。このため、本実施例では、シュラウドヘッド５の強度の低下を抑制することができる。

本発明の他の実施例である実施例４の沸騰水型原子炉を以下に説明する。本実施例の沸騰水型原子炉は、実施例１の沸騰水型原子炉１において気水分離器６を気水分離器６Ｃ（図１４参照）に替えた構成を有する。本実施例の沸騰水型原子炉の他の構成は沸騰水型原子炉１と同じである。

本実施例に用いられる気水分離器６Ｃは、気水分離器６においてスタンドパイプ７をスタンドパイプ７Ｃに替えた構成を有する。気水分離器６Ｃの他の構成は気水分離器６と同じである。スタンドパイプ７Ｃの横断面の形状は、実施例１に用いられる気水分離器６のスタンドパイプ７と同様に流線形をしている。上昇通路３４Ｃがスタンドパイプ７Ｃ内に形成され、この上昇通路３４Ｃの横断面形状は、実施例３に用いられる気水分離器６Ｂのスタンドパイプ７Ｂ内の上昇通路３４Ｂの横断面形状と同様に、楕円形をしている。このため、スタンドパイプ７Ｃの肉厚は、スタンドパイプ７Ｃの横断面の位置によって異なっている。しかしながら、上昇通路３４Ｃの横断面形状が楕円形をしているので、上昇通路３４Ｃの流路断面積は実施例１におけるスタンドパイプ７内の上昇通路３４の流路断面積よりも大きくなる。スタンドパイプ７Ｃは、外筒１１ａの下端より上方で横断面が円形をしており、シュラウドヘッド５の上面より上方で外筒１１ａの下端より下方の領域で横断面が流線形になっている。スタンドパイプ７Ｄは、楕円形の部分から円形の部分に向って横断面積が滑らかに縮小している。

本実施例においても、実施例１と同様に、前頭部１６が原子炉圧力容器２の中心軸側を向いており、原子炉圧力容器２の中心軸とスタンドパイプ７Ｃの中心軸を結ぶ直線上での、スタンドパイプ７Ｃの横断面におけるスタンドパイプ７Ｃの長さが、この直線と直交する方向での、スタンドパイプ７Ｃの長さよりも長くなっている。

本実施例によれば、実施例１と同様に、原子炉圧力容器の中心軸から原子炉圧力容器の内面に向う冷却水によるスタンドパイプ７Ｃの形状損失ΔＰ₁を低減することができ、原子炉圧力容器２の中心軸付近での水位と蒸気乾燥器スカート１９の内面の位置での水位の差を低減することができる。さらに、本実施例は、上昇通路３４Ｃの流路断面積が上昇通路３４の流路断面積よりも大きくなるので、上昇通路３４Ｃの摩擦損失が、実施例１よりも減少する。このため、本実施例では、気水分離器６Ｃの全圧力損失が気水分離器６のそれよりも低減される。本実施例でも、シュラウドヘッド５の強度の低下を抑制することができる。

本発明は沸騰水型原子炉に適用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ…沸騰水型原子炉、２…原子炉圧力容器、３…炉心、４…炉心シュラウド、５…シュラウドヘッド、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ…気水分離器、７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ…スタンドパイプ、８…ディフューザ、９…スワラー、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…内筒、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…外筒、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ピックオフリング、１６，１６Ａ…前頭部、１７，１７Ａ…縮流部、１９…蒸気乾燥器スカート、２３…水面、３４，３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ…上昇通路。

Claims (7)

1. 原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器内に配置されて炉心を取り囲む環状の炉心シュラウドと、前記原子炉圧力容器内で前記炉心シュラウドの上端部に取り付けられたシュラウドヘッドと、前記原子炉圧力容器内に配置されて前記シュラウドヘッドに設置され、前記シュラウドヘッドよりも上方に向かって伸びている複数の気水分離器とを備え、
   前記気水分離器が前記シュラウドヘッドに取り付けられたスタンドパイプを有し、
   前記スタンドパイプの横断面の形状は、前記原子炉圧力容器の第１中心軸と前記スタンドパイプの第２中心軸を結ぶ直線上での前記スタンドパイプの第１の長さが、前記直線と直交する方向での前記スタンドパイプの第２の長さよりも長くなっている形状を有しており、
   前記スタンドパイプの、前記原子炉圧力容器の中心軸側の側面が前記横断面において曲面を形成していることを特徴とする沸騰水型原子炉。
2. 前記炉心から供給される気液二相流が上昇する上昇通路が、前記スタンドパイプ内に形成され、
   前記上昇通路の横断面の形状が、前記第１中心軸と前記第２中心軸を結ぶ前記直線上での前記上昇通路の長さが、前記直線と直交する方向での前記上昇通路の長さよりも長くなっている形状を有している請求項１に記載の沸騰水型原子炉。
3. 前記気水分離器が、前記スタンドパイプの上端に接続され、上方に向って広がるディフューザと、前記ディフューザ内に設置されたスワラーと、内筒、前記内筒を取り囲む外筒、及び前記外筒の上端に取り付けられて開口部が形成されたピックオフリングを有し、前記内筒と前記ピックオフリングとの間にギャップを形成している複数段の気水分離部とを備え、
   前記複数段の気水分離部がディフューザより上方に向かって順次配置され、最も下方に位置する前記気水分離部の前記内筒が前記ディフューザに取り付けられ、
   最も下方に位置する前記気水分離部の前記外筒の下端が前記ディフューザよりも下方に位置しており、
   最も下方に位置する前記気水分離部の前記外筒の下端より下方で前記シュラウドヘッドの上面よりも上方の領域において、前記スタンドパイプが、前記第１の長さが前記第２の長さよりも長くなっている前記横断面形状を有している請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉。
4. 前記横断面形状が、流線形及び楕円形のいずれかの形状である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
5. スタンドパイプと、前記スタンドパイプの下流端に接続され、下流に向って広がるディフューザと、前記ディフューザ内に設置されたスワラーと、内筒、前記内筒を取り囲む外筒、及び前記外筒の下流端に取り付けられて開口部が形成されたピックオフリングを有し、前記内筒と前記ピックオフリングとの間にギャップを形成している複数段の気水分離部とを備え、
   前記複数段の気水分離部がディフューザより下流に向かって順次配置され、最も上流に位置する前記気水分離部の前記内筒が前記ディフューザに取り付けられ、
   最も上流に位置する前記気水分離部の前記外筒の上流端が前記ディフューザよりも上流に位置しており、
   前記スタンドパイプの横断面の形状は、前記スタンドパイプの中心軸を通る１つの直線上での前記スタンドパイプの第１の長さが、前記直線と直交する方向での前記スタンドパイプの第２の長さよりも長くなっている形状を有しており、
   前記スタンドパイプの、前記直線が交差する２つの側面のうち、１つの前記側面または両方の前記側面が曲面を形成していることを特徴とする気水分離器。
6. 前記最も上流に位置する気水分離部の前記外筒の上流端より上流で前記スタンドパイプの上流端よりも下流の領域において、前記スタンドパイプが、前記第１の長さが前記第２の長さよりも長くなっている前記横断面形状を有している請求項５に記載の気水分離器。
7. 前記横断面形状が、流線形及び楕円形のいずれかの形状である請求項５または６に記載の気水分離器。

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