JP2012057565A - 高速増殖炉用１次主循環ポンプ及び対流防止機構の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、腐食に対して留意した、或いは、確実に内側のケーシングの引き抜きおよび差込みが可能な対流防止機構を有する信頼性の高い高速増殖炉用１次主循環ポンプを提供し、また、前記対流防止機構の製造方法を提供することである。
【解決手段】本発明は、ポンプ部を覆いさらに上方に伸びる外側円筒ケーシングと、前記外側円筒ケーシングの内側に設けられた内側円筒ケーシングとで構成される二重円筒ケーシングの内部に充満する不活性ガスの対流を防止する対流防止機構を有する高速増殖炉用１次主循環ポンプにおいて、前記対流防止機構は前記二重円筒ケーシングのどちらか一方に固定され格子状に凹凸形状を有する凹凸部と、前記凹凸部と前記二重円筒ケーシングのうち前記凹凸部が固定されていない円筒ケーシングとの間の間隙とを有することを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、高速増殖炉用1次主循環ポンプに係わり、特に二重円筒ケーシングを備えた高速増殖炉用１次主循環ポンプの対流防止機構に関する。

高速増殖炉プラントは、特開２００２−３４１０８０号公報(特許文献１)に記載されているように、原子炉容器と中間熱交換器の間で一次系冷却材である１次ナトリウムを循環させる一次冷却系、中間熱交換器と蒸気発生器の間で二次系冷却材である２次ナトリウムを循環させる二次冷却系、蒸気発生器で発生した蒸気を主蒸気配管により高圧タービン及び低圧タービンに供給し、低圧タービンから排出された蒸気を復水器で凝縮することによって生じた給水を給水配管により蒸気発生器に戻す給水・主蒸気系の三系統を備えている。給水配管には、複数の給水加熱器及び給水ポンプが設けられている。高圧タービン及び低圧タービンは蒸気によって回転され、高圧タービン及び低圧タービンに連結された発電機が駆動されて発電される。

特開２００２−３４１０８０号公報に記載された高速増殖炉プラントは、ループ型の高速増殖炉プラントである。ループ型の高速増殖炉プラントは、炉心を内蔵する原子炉容器、中間熱交換器及び一次主循環ポンプを一次冷却系配管によって接続すると共に、中間熱交換器、蒸気発生器及び二次主循環ポンプを二次冷却系配管によって接続しているので、構造を単純化することができ、各機器間の冷却材の移動及び荷重の伝達が配管を介してのみ行われる。

特公昭６１−４６６７２号公報(特許文献２)に記載されたループ型高速増殖炉プラントの1次主循環ポンプの構造は、中央に回転軸が垂直に設置され、その外側に円筒状の内側ケーシングと外側ケーシングで構成される二重ケーシングが設置されている。回転軸は、上部及び下部で軸受により支えられ、軸受の下側に羽根車が取り付けられ、羽根車取り付け部分の下側垂直に吸込口が、横側水平に吐出口が設置されている。吸込口から羽根車に流入したナトリウムが羽根車の回転により昇圧され吐出口に流出し、一次冷却配管を循環する。ナトリウムの一部は軸受の隙間より、ケーシング内部に入り込みケーシング内部に自由液面を形成する。ケーシング内の液体金属の液面より上側の空間には不活性ガスが充満されている。また内側ケーシングと外側ケーシングの間の円筒状空間にも液面と不活性ガスの充満された空間があるが、その円筒状空間を周方向に４つに分割するように自然対流防止板が垂直に設置されている。

さらに特開昭６０-８４９１号公報(特許文献３)によると、液面から上部範囲の不活性ガスによる自然対流を防止し、自然対流によるケーシング周方向温度差の発生を軽減させるため、内側ケーシングの外周には薄板構造の自然対流防止板を上下に間隔をおいて複数段固定されており、各自然対流防止板の先端は外側ケーシングの円周面に接触している。

特開２００２−３４１０８０号公報 特公昭６１−４６６７２号公報 特開昭６０-８４９１号公報

二重ケーシング内は、下面は高温ナトリウム液面、上面は常温の構造物、側面は断熱材で囲まれた密閉空間になるので、自然対流により温度分布が生じる。軸方向に対する垂直な断面で周方向の温度分布が大きくなると、二重ケーシングが変形する可能性があるため、特許文献２、３のような従来の技術では、薄板構造の自然対流防止板を前記二重ケーシング空間が周方向に４つに分割されるように、また軸方向の上下に間隔をおいて複数段設置することによって大きな自然対流を分割し、温度偏差を低減させ二重ケーシングの熱変形を防止している。

しかしながら、ポンプの運転において流量によって液位が変化する。液位下の高温ナトリウム中に対流防止板が設置されている場合には、高温ナトリウムにより腐食に留意した設計が必要となる。
また内側のケーシングの引き抜きおよび差込みの際に、内側ケーシングに溶接された対流防止板が外側ケーシングと摩耗を引き起こすため、対流防止板と内側ケーシングの溶接部の強度を高める必要がある。

本発明はかかる技術的な課題を解決するためになされたもので、本発明の第１の目的は、腐食に対して留意した、或いは、確実に内側のケーシングの引き抜きおよび差込みが可能な対流防止機構を有する信頼性の高い高速増殖炉用１次主循環ポンプを提供することである。

本発明の第２の目的は、第１の目的を達成する対流防止機構の製造方法を提供することである。

本発明は、上記の目的を達成するために少なくとも以下の特徴を有する。
本発明は、羽根車、吸込口及び吐出口を有するポンプ部と、このポンプ部を覆いさらに上方に伸びる外側円筒ケーシングと、前記外側円筒ケーシングの内側に設けられた内側円筒ケーシングと、前記内外の二重円筒ケーシングの中心軸線上に設けられ前記羽根車を回転させる回転軸と、前記二重円筒ケーシングの内部に充満する不活性ガスの対流を防止する対流防止機構とを有する高速増殖炉用１次主循環ポンプにおいて、前記対流防止機構は、前記二重円筒ケーシングのどちらか一方に固定され、格子状に凹凸形状を有する凹凸部と、前記凹凸部と前記二重円筒ケーシングのうち前記凹凸部が固定されていない円筒ケーシングとの間の間隙と、を有することを第１の特徴とする。

また、本発明は、前記凹凸形状は前記二重円筒ケーシングの側面・断面から見て滑らかな曲線を有することを第２の特徴とする。
さらに、本発明は、前記凹凸形状は前記二重円筒ケーシングの側面・断面から見て矩形形状を有することを第３の特徴とする。

また、本発明は、前記凹凸部は外側ケーシングに固定されていることを第４の特徴とする。
さらに、本発明は、前記凹凸部は内側ケーシングに固定されていることを第５の特徴とする。

また、本発明は、前記凹凸部は前記二重円筒ケーシング内部全体に設けられていることを第６の特徴とする。
さらに、本発明は、前記外側ケーシング内のナトリウムの自由液面の上限以上の範囲に設けたことを第７の特徴とする。
また、本発明は、前記二重円筒ケーシングと前記凹凸部をオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304)で構成したことを第８の特徴とする。

さらに、本発明は、前記凹凸部は、前記２重ケーシングのうち前記凹凸部を固定しているケーシングと同様な板をプレス加工して、前記凹凸部の表面を形成し、前記凹凸部３７の表面と前記ケーシングで構成される中空部分にSUS304を補充して前記凹凸部３７を製造することを第９の特徴とする。

本発明によれば、腐食に対して留意した、或いは、確実に内側のケーシングの引き抜きおよび差込みが可能な対流防止機構を有する信頼性の高い高速増殖炉用１次主循環ポンプを提供できる。
また、本発明によれば、上記の対流防止機構の製造方法を提供できる。

高速増殖炉型原子力発電システム系統図である。 従来の高速増殖炉用1次主循環ポンプの構造図である。 二重円筒内自然対流の模式図である。 本発明の高速増殖炉用１次主循環ポンプの第１の実施例１を示す図である。 本発明の高速増殖炉用1次主循環ポンプの第２の実施例２を示す図である。 本発明の高速増殖炉用1次主循環ポンプの第３の実施例３を示す図である。 本発明の高速増殖炉用1次主循環ポンプの第４の実施例４を示す図である。

本実施形態の高速増殖炉型原子力発電システムは、図1に示すように、原子炉容器２と、原子炉容器２内に収納された核分裂性物質を含む炉心１と、ホットレグ５ａ及びコールドレグ５ｂとから成る一次冷却系配管５と、中間熱交換器３と、一次主循環ポンプ４と、中間熱交換器３に２次系冷却材を供給する２次冷却系配管８と、２次冷却系配管８内の２次系冷却材を循環させる２次主循環ポンプ７と、２次冷却系配管８に接続された蒸気発生器６と、蒸気発生器６にて発生した蒸気を高圧タービン１０ａ及び低圧タービン１０ｂに送る主蒸気系配管９ａと、仕事を終えた蒸気を復水器１２にて凝縮した水を蒸気発生器６に戻す給復水系配管９ｂと、高圧タービン１０ａ及び低圧タービン１０ｂの軸に連結された発電機１１と、復水器１２の下流側で給復水系配管９ｂに連結された給水ポンプ１３及び給水加熱器１４とから主に構成されている。

また、中間熱交換器３内には、崩壊熱除去系熱交換器１５が設置される。原子炉容器１内には、崩壊熱除去系熱交換器１６が設置され、これらの各崩壊熱除去系熱交換器１５、１６からの崩壊熱は、崩壊熱除去系冷却材を封入した崩壊熱除去系配管１８に連結されて、自然循環により上部に設置された空気冷却器１７から外部へ放熱される。この空気冷却器１７はファンを用いた強制冷却方式でもファン無しの自然冷却方式でも良い。
なお、図１には図示を省略しているが、この高速増殖炉型原子力発電システムには、1次冷却系配管５以降の各機器が２系統備えられている。

本実施形態の高速増殖炉型原子力発電システムは、炉心１にて加熱された１次系冷却材を中間熱交換器３に通して２次系冷却材を加熱すると共に、この２次系冷却材を蒸気発生器６に通して発生した蒸気を、主蒸気系配管９ａに供給し、この蒸気を高圧タービン１０ａ及び低圧タービン１０ｂに導いて、発電機１１により発電を行う。仕事に使用された蒸気は、復水器１２で凝縮されて水となり、その後、給水ポンプ１３及び給水加熱器１４を通ってそれぞれ加熱及び昇圧され、再び蒸気発生器６に給水される。

以下、実施形態に係る高速増殖炉用1次主循環ポンプについて説明する。図２は従来の高速増殖炉用1次主循環ポンプを示した図である。図２の左図は中央側面図であり、右図は左図におけるＡＡ'断面矢視図である。図２に示すように、１次主循環ポンプ４の構造は、中央に回転軸２１が垂直に設置され、その外側に円筒状の内側ケーシング２５と外側ケーシング２４で構成される二重ケーシングが設置されている。回転軸２１は、上部及び下部で軸受により支えられ、モーター１９より駆動する。二重ケーシングと回転軸２１の間のナトリウム漏れを防止するために軸封装置２０が設けられている。下部に用いられている静圧軸受２９の下側に羽根車３０が取り付けられ、羽根車３０取り付け部分の下側垂直に吸込口３３が、横側水平に吐出口３５が設置されている。ナトリウムの流れ３４として、吸込口３３から羽根車３０に流入したナトリウムが羽根車３０の回転により昇圧され吐出口３５に流出し、図１に示す一次冷却系配管５を循環する。羽根車３０からナトリウ流出入する羽根車周りの流路３１とケーシング内部３２のナトリウムを区切るためベアリングハウジング２８が設置されている。羽根車３０から流出入するナトリウムの一部は静圧軸受の隙間２７ａ、２７ｂより、ケーシング内部３２に入り込みケーシング内部３２に自由液面２６を形成する。ケーシング内部３２のナトリウムの自由液面２６より上側の空間には不活性ガスが充満されている。

ポンプ運転時には二重ケーシング内部２２は、下面は高温ナトリウム液面、上面は常温の構造物、側面は断熱材で囲まれた密閉空間になるので、図３の模式図に示されるように、不活性ガスは自然対流を形成し、上昇流３６ａ、下降流３６ｂにより温度分布が生じる。軸方向に対する垂直な断面で周方向の温度分布が大きくなると、二重ケーシングが変形する可能性がある。

本実施形態の係る高速増殖炉用主循環ポンプの対流防止機構は、高速増殖炉型原子力発電システムに使用されるもので、このような大きな自然対流によりケーシング変形を防止するために、図２に示す従来の対流防止機構は、二重ケーシング内部２２において、内側ケーシング２５に溶接された対流防止板２３の先端が外側ケーシング２４に接触するようにして設けられた対流防止板２３である。

図４は本発明の高速増殖炉用1次主循環ポンプ４の第１の実施例１を示す図である。実施例1の高速増殖炉用1次主循環ポンプ４Ａは、対流防止機構４０Ａ以外は図２と同じである。それ故、図４では、説明の差し障りの範囲において、図２と同じ機構を有するものの符号の多くは省略している。また、図４の左図及び右図は、図２と同様に、中央側面図及び左図におけるＡＡ'断面矢視図を示す。

本実施例１の対流防止機構４０Ａは、図４に示すように、外側ケーシング２４の二重ケーシング内部２２側の表面上に格子状に凹凸形状３７ａ、３７ｂを有する凹凸部３７と、凹凸部３７の凸部先端と内側ケーシング２５の間に設けた間隙３９とで構成される。図４の左図に示す外側ケーシング２４の内側表面上の凹凸形状３７ａは側面から見た形状で、図４の右図に示す凹凸形状３７ｂはＡＡ‘断面からの矢視方向に見た形状である。凹凸形状３７ａ、３７ｂは、例えばsinカーブのような滑らかな曲線により構成されている。

また、凹凸部３７並びに外側ケーシング２４及び内側ケーシング２５の材料に、ナトリウムと共存性のよいオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304)を用いる。さらに、外側ケーシング２４と同様な板をプレス加工して、凹凸部３７の表面を形成し、凹凸部３７の表面を有する板と外側ケーシング２４で構成される中空部分にSUS304を補充し、凹凸部３７を製造する。

本実施例１の対流防止機構４０Ａによれば、形状の表面に沿うコアンダ現象により、大きな自然対流を軸方向の小さな自然対流３８ａに分割できる。その結果、軸方向に垂直な断面における大きな自然対流に伴う上昇、下降流れを分断できるので、周方向位置の温度偏差は低減でき、二重ケーシングの熱変形を回避できる。

同様に、断面方向から見た前記外側ケーシングの内側表面上に凹凸な形状３８ｂにより、周方向に対する大きな自然対流も分割できるので、温度偏差を低減でき、二重ケーシングの熱変形を回避できる。
また、凹凸形状３７ａ、３７ｂを滑らかな曲線にすることで、さらに形状の表面に沿うコアンダ現象が強まり、さらに温度偏差の低減を促進させ二重ケーシングの熱変形をさらに回避できる。

さらに、本実施例１の対流防止機構４０Ａによれば、ポンプの運転上、流量によって自由液面２６が変化する場合においても、内側ケーシング２５と対流防止板２３の溶接部が無いため、溶接部による腐食の影響をなくし、全体としての腐食の影響を緩和できる。
さらにまた、本実施例１の対流防止機構４０Ａによれば、対流防止機構は内側ケーシング２５との間に間隙３９があるため、内側ケーシングの引き抜きおよび差込みが容易になる。

従って、本実施例１の対流防止機構４０Ａよれば、確実に自然対流に伴う温度偏差を低減し二重ケーシングの熱変形を回避でき、内側ケーシングと外側ケーシングと摩耗をなくし、内側ケーシングの引き抜きおよび差込みが容易な、さらに腐食に対して留意した信頼性の高い高速増殖炉用１次主循環ポンプを提供できる。

図５は本発明の高速増殖炉用1次主循環ポンプの第２の実施例２を示す図である。実施例２の高速増殖炉用1次主循環ポンプ４Ｂは、対流防止機構４０Ｂ以外は図２と同じである。それ故、図５においても、説明の差し障りの範囲において、図２と同じ機構を有するものの符号の多くは省略している。また、図５の左図及び右図は、図２と同様に、中央側面図及び左図におけるＡＡ'断面矢視図を示す。

本実施例２の対流防止機構４０Ｂが実施例１の対流防止機構４０Ａと異なる点は、実施例１とは逆に、内側ケーシング２５の内側表面上に凹凸部３７を設け、凹凸部３７の凸部先端と外側ケーシング２５の間隙３９で構成されている。
なお、凹凸部３７の形状、間隔等は実施例１と変えてもよいが、ここでは実施例１と同じとして同じ符号を付している。

本実施例２の対流防止機構４０Ｂにおいても、実施例１の対流防止機構４０Ａと同様な効果を奏することができる。

図６は本発明の高速増殖炉用1次主循環ポンプの第３の実施例３を示す図である。実施例３の高速増殖炉用1次主循環ポンプ４Ｃは、対流防止機構４０Ｃ以外は図２と同じである。それ故、図６においても、説明の差し障りの範囲において、図２と同じ機構を有するものの符号の多くは省略している。また、図６の左図及び右図は図２と同様に、中央側面図及び左図におけるＡＡ'断面矢視図を示す。

本実施例３の対流防止機構４０Ｃが実施例１の対流防止機構４０Ａと異なる点は、実施例１の凹凸部３７が滑らかな曲線の凹凸形状３７ａ、３７ｂを有しているのに対し、凹凸部４１の凹凸形状が矩形形状４１ａ、４１ｂを有している点である。

図７は本発明の高速増殖炉用1次主循環ポンプの第４の実施例４を示す図である。実施例４の高速増殖炉用1次主循環ポンプ４Ｄは、対流防止機構４０Ｄ以外は図２と同じである。それ故、図７においても、説明の差し障りの範囲において、図２と同じ機構を有するものの符号の多くは省略している。また、図６の左図及び右図は、図２と同様に、中央側面図及び左図におけるＡＡ'断面矢視図を示す。

本実施例４の対流防止機構４０Ｄは、実施例３の対流防止機構４０Ｃと異なる点は、実施例３の対流防止機構４０Ｃは外側ケーシングに矩形形状４１ａ、４１ｂを有する凹凸部４１を設けているに対し、内側ケーシング２４に矩形形状４１ａ、４１ｂを有する凹凸部４１を設けている点である。

実施例３、実施例４のそれぞれの対流防止機構４０Ｃ、４０Ｄにおいても、滑らかな曲線を有する凹凸部３７による温度偏差の低減の促進効果はやや低下するが、その他の効果は実施例１、実施例２の対流防止機構４０Ａ、４０Ｂとそれぞれ同様な効果を奏することができる。

以上の対流防止機構の実施例において、凹凸部は、２重ケーシング内部２２全体に設けたが、周方向位置の温度偏差の低減効果に差支えない範囲内に設けてもよい。例えば、上下方向に関しては、自由液面２６の上限以上の範囲のみに設けたり、周方向に関しては、９０度の位置に上下方向に数列ずつ設けたりしてもよい。

１：炉心 ２：原子炉容器
３：中間熱交換器
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ：１次主循環ポンプ
５：１次系冷却配管 ５ａ：ホットレグ配管
５ｂ：コールドレグ配管 ６：蒸気発生器
７：２次主循環ポンプ ８：２次冷却系配管
９：給復水・主蒸気系配管 ９ａ：主蒸気系配管
９ｂ：給復水系配管 １０ａ：高圧タービン
１０ｂ：低圧タービン １１：発電機
１２：復水器 １３：給水ポンプ
１４：給水加熱器
１５：中間熱交換器内の崩壊熱除去系熱交換器
１６：原子炉容器内の崩壊熱除去系熱交換器
１７：空気冷却器 １８：崩壊熱除去系配管
１９：モーター ２０：軸封装置
２１：回転軸 ２２：二重ケーシング内部
２３：対流防止板 ２４：外側ケーシング
２５：内側ケーシング ２６：自由液面
２７ａ、２７ｂ：静圧軸受の間隙 ２８：ベアリングハウジング
２９：静圧軸受 ３０：羽根車
３１：羽根車周りの流路 ３２：ケーシング内部
３３：吸込口 ３４：ナトリウム流れ
３５：吐出口 ３６ａ：上昇流
３６ｂ：下降流
３７：実施例１，２における対流防止機構の凹凸部
３７ａ：側面から見た凹凸部の形状 ３７ｂ：断面から見た凹凸部の形状
３８ａ：側面から見た小さい自然対流
３８ｂ：断面から見た小さい自然対流
３９：内側ケーシングと凹凸部の凸部との間隙
４０Ａ，４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ：本発明の実施例である対流防止機構
４１：実施例３、４における対流防止機構の凹凸部
４１ａ：側面から見た凹凸部の形状 ４１ｂ：断面から見た凹凸部の形状。

Claims (9)

1. 羽根車、吸込口及び吐出口を有するポンプ部と、このポンプ部を覆いさらに上方に伸びる外側円筒ケーシングと、前記外側円筒ケーシングの内側に設けられた内側円筒ケーシングと、前記内外の二重円筒ケーシングの中心軸線上に設けられ前記羽根車を回転させる回転軸と、前記二重円筒ケーシングの内部に充満する不活性ガスの対流を防止する対流防止機構とを有する高速増殖炉用１次主循環ポンプにおいて、
   前記対流防止機構は、前記二重円筒ケーシングのどちらか一方に固定され、格子状に凹凸形状を有する凹凸部と、前記凹凸部と前記二重円筒ケーシングのうち前記凹凸部が固定されていない円筒ケーシングとの間の間隙と、を有することを特徴とする高速増殖炉用１次主循環ポンプ。
2. 前記凹凸形状は前記二重円筒ケーシングの側面・断面から見て滑らかな曲線を有することを特徴とする請求項１に記載の高速増殖炉用１次主循環ポンプ。
3. 前記凹凸形状は前記二重円筒ケーシングの側面・断面から見て矩形形状を有することを特徴とする請求項１に記載の高速増殖炉用１次主循環ポンプ。
4. 前記凹凸部は外側ケーシングに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の高速増殖炉用１次主循環ポンプ。
5. 前記凹凸部は内側ケーシングに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の高速増殖炉用１次主循環ポンプ。
6. 前記凹凸部は前記二重円筒ケーシング内部全体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高速増殖炉用１次主循環ポンプ。
7. 前記凹凸部は、前記外側ケーシング内のナトリウムの自由液面の上限以上の範囲に設けたことを特徴とする請求項１に記載の高速増殖炉用１次主循環ポンプ。
8. 前記二重円筒ケーシングと前記凹凸部とをオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304)で構成したことを特徴とする請求項１に記載の高速増殖炉用１次主循環ポンプ。
9. 請求項８に記載の前記凹凸部は、前記２重ケーシングのうち前記凹凸部を固定しているケーシングと同様な板をプレス加工して、前記凹凸部の表面を形成し、前記凹凸部３７の表面と前記ケーシングで構成される中空部分にSUS304を補充して前記凹凸部３７を製造することを特徴とする対流防止機構の製造方法。

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