JP2012112590A - 蒸気発生器及び原子力プラント - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気発生器の伝熱管周囲における蒸気クオリティの差を抑制する。
【解決手段】容器１１と、内側に熱交換領域を形成する内筒１２と、二次冷却材２よりも高温な一次冷却材が流通し、内筒よりも内側に配置された伝熱管１４と、容器内に二次冷却材を給する給水管１５と、を備え、熱交換領域には、水平断面上において給水管入口端側に高温領域が、出口端側に低温領域が形成され、二次冷却材はダウンカマ４を下降し内筒と管板１３の間から熱交換領域に流入し、一次冷却材と二次冷却材の熱交換によって蒸気が発生する蒸気発生器１であって、ダウンカマを経由して低温領域へ流入する二次冷却材の流路の流路抵抗を高め、ダウンカマから低温領域への二次冷却材の流入を抑制する抵抗手段２２をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、一次冷却材と二次冷却材の熱交換により蒸気を発生させる蒸気発生器に関する。

加圧水型原子炉や液体金属冷却炉等では、原子炉から取り出した熱を外部へ伝え、蒸気発生器でタービン発電機を駆動させるための蒸気を作る。

一般的な加圧水型原子炉の蒸気発生器は、一次冷却材が流通するＵ字型伝熱管群が、一次冷却材の入口と出口が下向きになるよう配置され、一次冷却材と伝熱管群周囲の二次冷却材が熱交換して二次冷却材が蒸発し、水・蒸気の二相流となる。蒸気発生器上部には気水分離器が配置され、二相流から蒸気が分離されて蒸気発生器外に導かれる。二相流から分離された水は、伝熱管群の外側に形成されたダウンカマを経由して伝熱管群周囲に導かれる。また、蒸気発生器には給水ノズルが接続され、二次冷却材が内部に供給される。

このような蒸気発生器に関して、熱交換効率の向上や伝熱管の損傷防止を目的とした技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３３３２８８号公報

上述した蒸気発生器では、一次冷却材の温度は、二次冷却材との熱交換により伝熱管入口から出口に近づくにつれて低くなる。このため、伝熱管入口寄りの高温側は伝熱管内外の温度差が大きいため熱交換量が多く、二次冷却材の蒸気クオリティ（蒸気の質量流量と全質量流量の比）が高くなる。一方、伝熱管出口寄りの低温側では伝熱管内外の温度差が小さいため熱交換量が少なく蒸気クオリティが低くなる。したがって、伝熱管高温側の上部ではＤＮＢ（Ｄｅｐａｒｔｕｒｅ Ｆｒｏｍ Ｎｕｃｌｅａｔｅ ｂｏｉｌｉｎｇ）が比較的発生しやすく、伝熱管が破損することも想定される。

さらに、伝熱管の高温側と低温側で蒸気クオリティの差が大きくなる。これによって、上部に複数設置されている気水分離器に入る流体条件が水平面上の位置によって異なるため、一定の気水分離性能を得るのが難しいという課題がある。

本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、伝熱管周囲における蒸気クオリティの差を抑制できる蒸気発生器及び原子力プラントの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の実施形態による蒸気発生器は、二次冷却材を収容する容器と、この容器内の下部に配置された管板と、この管板より上方に配置され、前記容器との間にダウンカマを形成し、その内側に熱交換領域を形成する内筒と、内部を前記二次冷却材よりも高温な一次冷却材が流通し、前記内筒よりも内側に配置され、前記管板に前記一次冷却材の入口端と出口端が接続された伝熱管と、前記容器に接続され、前記容器内に前記水を供給する給水管と、と、を備え、前記熱交換領域には、水平断面上において前記入口端側に高温領域が、前記出口端側に前記高温領域よりも温度の低い低温領域が形成され、前記二次冷却材は前記ダウンカマを下降し前記内筒と前記管板の間から前記熱交換領域に流入し、前記一次冷却材と前記二次冷却材の熱交換によって蒸気が発生する蒸気発生器であって、前記ダウンカマを経由して前記低温領域へ流入する前記二次冷却材の流路の流路抵抗を高め、前記ダウンカマから前記低温領域への前記二次冷却材の流入を抑制する抵抗手段をさらに備えることを特徴とする。

（ａ）は実施例１による蒸気発生器１の縦断面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線による矢視図、（ｃ）（ｄ）（ｅ）はそれぞれ抵抗体の変形例を示す図１（ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図、（ｆ）（ｇ）はそれぞれ抵抗体の変形例を示す要部拡大縦断面図。 実施例２による蒸気発生器１の縦断面図。 実施例３による蒸気発生器１の縦断面図。 実施例４による蒸気発生器１の縦断面図。 （ａ）は実施例５による蒸気発生器１の縦断面図、（ｂ）（ｃ）は内筒１２の下端近傍の正面図。 実施例５の変形例による蒸気発生器１の縦断面図。 実施例５の別の変形例による蒸気発生器１の縦断面図。 （ａ）は実施例６による蒸気発生器１の縦断面図、（ｂ）はスパージャ３５の下面図。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、各実施例においては加圧水型原子炉に用いられる蒸気発生器を例として説明する。

本発明の実施例１による蒸気発生器の構成について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は本実施例による蒸気発生器１の概略を示す縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線矢視断面図である。なお、図１（ａ）に示した黒矢印は二次冷却材の流れを、白抜き矢印は一次冷却材の流れを示している。

二次冷却材２を収容した容器１１の内部に、容器１１内部を径方向に隔てる内筒１２が設置されている。また、内筒１２の下方には管板１３が配置される。この内筒１２の内側に、中を高温の一次冷却材が流通するＵ字型の伝熱管群１４が配置される。伝熱管群１４は簡略的に図示しているが、Ｕ字型の伝熱管が複数束ねられたもので、一次冷却材の入口端１４ａと出口端１４ｂがそれぞれ管板１３に取り付けられている。

内筒１２と管板１３で囲まれて形成された水室３は、一次冷却材と二次冷却材の熱交換が行われる熱交換領域となる。また、容器１１と内筒１２の間には、二次冷却材２が下降するダウンカマ４が形成される。

容器１１には、容器１１内部に二次冷却材２を供給する給水管１５、容器１１外部へ蒸気を導く蒸気管１６が接続されている。また、管板１３の下方には一次冷却材の入口水室１７、出口水室１８が形成され、それぞれ一次冷却材の入口管１７ａ、出口管１８ａが接続されている。また、伝熱管群１４と蒸気管１６の間には気水分離器１９が設置される。また、管板１３上に、水室３の下部を入口管１７ａに近い側と出口管１８ａに近い側とに分離する仕切板２０が設置される。また、内筒１２の上方と内側とは、デッキ部２１によって隔離されている。気水分離器１９は水室３と連通するようデッキ部２１上に設置されている。なお、気水分離器１９の上方にさらに蒸気乾燥器が設置される場合もある。

ダウンカマ４の途中には、流路抵抗としての抵抗体２２が取り付けられている。この抵抗体２２は、図１（ｂ）に示すように、ダウンカマ４の出口管１８ａに近い側のみを部分的に閉塞するＣ字形状の部材である。

次に、蒸気発生器１の作用について説明する。

まず、一次冷却材の流れについて説明する。一次冷却材は、原子炉の炉心で加熱された後に原子炉圧力容器内から入口管１７ａに導かれ、蒸気発生器１下部から伝熱管群１４に流入する。そして、伝熱管群１４周囲の一次冷却材と熱交換を行いながら伝熱管群１４内を通過し、蒸気発生器１下部、出口管１８ａを経由して原子炉圧力容器内に戻される。伝熱管群１４を通過する際、一次冷却材との熱交換により、出口管１８ａに近いほど低温となる。

次に、二次冷却材の流れについて説明する。給水管１５からダウンカマ４に二次冷却材が供給される。供給された二次冷却材は、容器１１内の二次冷却材と合流・混合してダウンカマ４を下降し、内筒１２の下を通過して水室３に流入する。水室３に流入した水は、伝熱管群１４内の一次冷却材との熱交換により昇温しながら、伝熱管群１４の隙間等を通って水室３内を上昇していく。二次冷却材は熱交換によって沸騰してボイド２ａが発生し、気液二相流となって気水分離器１９に達する。そして、気水分離器１９により気液分離され、蒸気は蒸気管１６へ導かれ、水は気水分離器１９の周囲（デッキ部２１の上方）へ排出される。

気水分離器１９から周囲へ排出された二次冷却材（水）は、給水管１５から供給される二次冷却材と合流してダウンカマ４を下降し、ふたたび水室３へと導かれる。また、蒸気管１６へ導かれた蒸気は、図示しないタービンに運ばれ、タービンを回転させた後に復水となり、給水管１５から蒸気発生器１へ戻される。このようにして、一次冷却材、二次冷却材はそれぞれ循環している。

ここで、前述のとおり、伝熱管群１４は入口管１７ａに近いほど高温であるため、入口管１７ａに近い側は出口管１８ａに近い側に比べて二次冷却材の温度が高くなる。これにより、水室３内には入口管１７ａに近い側に高温領域５が、出口管に近い側に低温領域６が形成される。

通常、高温領域５のほうが一次冷却材と二次冷却材の熱交換量が多いため、高温領域５は低温領域６に比べて蒸気クオリティが高くなる。ここで、ダウンカマ４の出口管１８ａに近い側には、抵抗体２２が設置されている。換言すると、抵抗体２２は、二次冷却材の流れにおいてダウンカマ４のうち低温領域６の上流となる範囲に取り付けられたと言うことができる。この抵抗体２２により、ダウンカマ４中には狭隘部７が形成される。

ここで、本実施例による蒸気発生器１には抵抗体２２があるため、ダウンカマ４のうち低温領域６の上流側（以降、低温領域６側と記述する）は、高温領域５の上流側（以降、高温領域５側と記述する）に比べて流路抵抗が高くなっている。このため、抵抗体２２が無い場合と比較すると、二次冷却材は高温領域５側に多く流れることになる。

このような作用により、本実施例の蒸気発生器１によれば、高温領域５には低温領域６よりも二次冷却材の流量が高くなり、高温領域５におけるＤＮＢが起こる可能性を抑えることができる。また、高温領域５での熱交換量が増加するため、蒸気発生器１の効率が向上する。さらに、高温領域５と低温領域６の蒸気クオリティの差が抑制されるため、気水分離器や蒸気乾燥機による気水分離性能が向上する。

なお、Ｃ字形状の抵抗体２２をダウンカマ４の低温領域側に取り付けると説明したが、当然ながらこれに限定されるものではなく、二次冷却材についてダウンカマ４から高温領域５に流入する流路よりも、ダウンカマ４から低温領域６に流入する流路の流路抵抗が高くなっていれば効果が得られる。換言すると、ダウンカマ４を経由して低温領域６へ流入する二次冷却材の流路の流路抵抗を高める抵抗手段があればよい。

例えば、抵抗体２２に代えて容器２または内筒１２を、ダウンカマ４側に突部を有する形状として形成してもよい。また、ダウンカマ４の低温領域６側全体にわたって設ける必要はない。

また、Ｃ字形状部材でなくともよく、例えば略直方体形状部材を周方向に複数取り付ける等としてもよく、例えば略直方体形状や三角柱等の部材を周方向に複数取り付ける等としてもよい。これらの変形例の一例を、図１（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す。図１（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、図１（ａ）に示したＢ−Ｂ線矢視図であり、抵抗体２２の別の構成例を示している。それぞれ、複数の部材２２ａを取り付けることで抵抗体２２を構成している。このような場合、図示したように部材２２ａ間と、図示しないが部材２２ａと内筒１２の間を二次冷却材が流れる。

さらに抵抗体２２が、ダウンカマ４低温領域側の途中以外の、内筒１２と管板１３の間、または上端等に配置されていても同様の効果を奏する。

また、図１（ａ）では抵抗体２２の縦断面形状を長方形として図示しているが、当然ながらこれに限定されない。例えば、図１（ｆ）、（ｇ）に示すように、三角形や流線形断面とすることができる。

また、抵抗体２２の材質としては、二次冷却材中にさらされることを考慮し例えばステンレスが好適と考えられるが、単に流路抵抗として機能すればよく、これに限定されるものではない、

本発明の実施例２による蒸気発生器の構成について、図２を用いて説明する。図２は本実施例による蒸気発生器１の概略を示す縦断面図である。なお、実施例１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

実施例１では給水管１５がダウンカマ４の上部に接続されていたのに対し、本実施例では給水管１５がダウンカマ４の下部に接続されている。また、抵抗体２２は給水管１５よりも上方に設けられている。

実施例１では気水分離器１９から排出された二次冷却材と給水管１５から供給される二次冷却材が混合されてから狭隘部７を通過していたのに対し、本実施例では気水分離器１９から排出された二次冷却材が狭隘部７を通過してから給水管１５から供給される二次冷却材と混合され、低温領域６に流入する。また、給水管１５が内筒１２下端近傍に接続されている。したがって、低温領域６に流入する二次冷却材のうち、給水管１５から供給された二次冷却材の割合が多くなる。すると、気水分離器１９から排出された二次冷却材よりも給水管１５から供給される二次冷却材のほうが低温であるため、低温領域６に流入する二次冷却材の温度がより低くなる。この結果、低温領域６における一次冷却材と二次冷却材の温度差が大きくなるため、低温領域６での熱交換量が増大する。

以上説明したように、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を奏するとともに、低温領域６での熱交換量が増大するため、蒸気発生器１全体の熱交換量を向上させることができる。

本発明の実施例３による蒸気発生器の構成について、図３を用いて説明する。図３は本実施例による蒸気発生器１の概略を示す縦断面図である。なお、実施例２と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例では、抵抗体２２が内筒１２側に取り付けられている。このような構成であると、蒸気発生器１の保守や内部構造物のリプレースを行う際に、抵抗体２２を内筒１２とまとめて取り出すことができ、保守性が向上する。また、内筒１２に抵抗体２２を取り付けて容器１１内に設置するだけで良いので、既設の蒸気発生器１に容易に適用することができる。

以上説明したように、本実施例によれば実施例２と同様の効果を奏するとともに、蒸気発生器１の保守性、製作性が向上し、既設の蒸気発生器にも容易に適用することができる。

本発明の実施例４による蒸気発生器の構成について、図４を用いて説明する。図４は本実施例による蒸気発生器１の概略を示す縦断面図である。なお、実施例２と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例では、抵抗体２２に代えて、低温領域６側の容器１１内壁の、デッキ部２１と同一の高さ位置にオリフィス３１をとりつけている。このオリフィス３１により、低温領域６側のダウンカマ４上部に狭隘部７を形成している。

本実施例によれば、抵抗体２２に代えて抵抗手段としてのオリフィス３１を設けることで、実施例２と同様の効果を奏する。また、オリフィス３１を内筒１２側にとりつけることで、実施例３と同様の効果を奏する。

本発明の実施例５による蒸気発生器の構成について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は本実施例による蒸気発生器１の概略を示す縦断面図、図５（ｂ）、（ｃ）は内筒１２の下端近傍の正面図である。なお、実施例２と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例では、内筒１２の下端位置が高温領域５側と低温領域６側で異なり、高温領域５側のほうが内筒１２の軸方向長さが短く形成されている。これにより、低温領域６側においてダウンカマ４から内筒１２の内側へ流入する流路の抵抗を高めている。

内筒１２の下端は、図５（ｂ）に示すように高温領域５側と低温領域６側とで段差を持つように形成しても、図５（ｃ）に示すように下端が傾斜したような形状としてもよい。あるいは、まず下端の長さが同じ筒として形成したあとに、高温領域５側の下端に切り欠きを形成することとしてもよい。

また、上述の構成に代えて、図６に示すように低温領域６側にオリフィス３２を取り付ける、あるいは図７に示すように多孔板３３を取り付けて構成することも可能である。

本実施例によれば、ダウンカマ４下方と内筒１２内側を連通する開口について、高温領域５側よりも低温領域側７を狭く形成して抵抗手段とすることで、実施例２と同様の効果を奏する。

本発明の実施例６による蒸気発生器の構成について、図８を用いて説明する。図９（ａ）は本実施例による蒸気発生器１の概略を示す縦断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）に示したスパージャ３５を下から見た平面図である。なお、実施例１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例では、給水管１５に円環状のスパージャが接続されている。このスパージャ３５は中空で、下面に設けられた複数の給水口３６がダウンカマ４の上方に位置するように配置されている。給水管１５からの水は、スパージャ３５の中を通ってダウンカマ４上方から供給される。

ここで、図８（ｂ）に示すように、給水口３６は高温領域５側に多く設けられている。このような構成によると、給水が高温領域５側に多く配分されるため、高温領域５側の二次冷却材流量を高めることができる。また、給水口３６の数を高温領域５側に多く設けることに代えて、給水口３６の開口面積を高温領域５側が大きくなるように構成することもできる。

本実施例の蒸気発生器１によれば、給水管１５からの給水をダウンカマ４の高温領域５側に多く供給することで、実施例１と同様の効果を奏する。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行い、また各実施例を組み合わせることができる。

例えば、水室３に仕切板２０が配置されるものとして説明したが、仕切板２０には伝熱管群１４を支持するための水平板や、内筒５の内側に取り付けた水平板と組み合わせたエコノマイザ構造を形成してもよく、また仕切板２０がなくとも構わない。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 蒸気発生器
２ 二次冷却材
２ａ ボイド
３ 水室
４ ダウンカマ
５ 高温領域
６ 低温領域
７ 狭隘部
１１ 容器
１２ 内筒
１３ 管板
１４ 伝熱管群
１５ 給水管
１６ 蒸気管
１７ 入口水室
１７ａ 入口管
１８ 出口水室
１８ｂ 出口管
１９ 気水分離器
２０ 仕切板
２１ デッキ部
２２ 抵抗体
２２ａ 部材
３１、３２ オリフィス
３３ 多孔板
３５ スパージャ
３６ 給水口

Claims (8)

1. 二次冷却材を収容する容器と、
   この容器内の下部に配置された管板と、
   この管板より上方に配置され、前記容器との間にダウンカマを形成し、その内側に熱交換領域を形成する内筒と、
   内部を前記二次冷却材よりも高温な一次冷却材が流通し、前記内筒よりも内側に配置され、前記管板に前記一次冷却材の入口端と出口端が接続された伝熱管と、
   前記容器に接続され、前記容器内に前記水を供給する給水管と、
   と、を有し、
   前記熱交換領域には、水平断面上において前記入口端側に高温領域が、前記出口端側に前記高温領域よりも温度の低い低温領域が形成され、
   前記二次冷却材は前記ダウンカマを下降し前記内筒と前記管板の間から前記熱交換領域に流入し、前記一次冷却材と前記二次冷却材の熱交換によって蒸気が発生する蒸気発生器であって、
   前記ダウンカマを経由して前記低温領域へ流入する前記二次冷却材の流路の流路抵抗を高め、前記ダウンカマから前記低温領域への前記二次冷却材の流入を抑制する抵抗手段をさらに備えることを特徴とする蒸気発生器。
2. 前記給水管は、前記ダウンカマのうち前記低温領域の上流となる範囲に接続され、
   前記抵抗手段は、前記給水管の接続位置よりも上方に設けられたことを特徴とする請求項１記載の蒸気発生器。
3. 前記給水管は、前記ダウンカマのうち前記低温領域の上流となる範囲に接続され、
   前記抵抗手段は、前記給水管の接続位置よりも下方に設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の蒸気発生器。
4. 前記抵抗手段は、周囲よりも狭く形成された狭隘部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の蒸気発生器。
5. 前記抵抗手段は、前記二次冷却材の流路中に配置された多孔体または多孔板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の蒸気発生器。
6. 前記抵抗手段として、前記管板と前記内筒の間隔が、前記高温領域側よりも前記低温領域側が狭く形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の蒸気発生器。
7. 前記容器内に配置され、前記給水管と接続され、下面に複数設けられた給水口から前記ダウンカマに前記給水管から供給される前記二次冷却材を供給するスパージャを備え、
   前記抵抗手段として、前記低温領域の上流側に位置する前記給水口は、前記高温領域の上流側の前記給水口よりも流路抵抗が高く形成されて、前記スパージャが前記高温領域の上流側よりも前記低温領域の上流側に前記水を多く配分して供給するよう構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の蒸気発生器。
8. 一次冷却材を加熱する原子炉と、
   二次冷却材を前記一次冷却材と二次冷却材との熱交換により蒸発させる蒸気発生器と、
   前記蒸気発生器で発生した蒸気により回転させられるタービンと、を備えた原子力プラントであって、
   前記蒸気発生器は、前記二次冷却材を収容する容器と、
   この容器内の下部に配置された管板と、
   この管板より上方に配置され、前記容器との間にダウンカマを形成し、その内側に熱交換領域を形成する内筒と、
   内部を前記二次冷却材よりも高温な一次冷却材が流通し、前記内筒よりも内側に配置され、前記管板に前記一次冷却材の入口端と出口端が接続された伝熱管と、
   前記容器に接続され、前記容器内に前記水を供給する給水管と、
   と、を有し
   前記熱交換領域には、水平断面上において前記入口端側に高温領域が、前記出口端側に前記高温領域よりも温度の低い低温領域が形成され、
   前記ダウンカマを経由して前記低温領域へ流入する前記二次冷却材の流路の流路抵抗を高め、前記ダウンカマから前記低温領域への前記二次冷却材の流入を抑制する抵抗手段をさらに備えることを特徴とする原子力プラント。

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