JP2012189242A - 蒸気発生器のリーク検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気発生器の二重伝熱管の外管外への水素の浸入を抑制し、二重伝熱管の内管又は外管のリークを早期に確実に検出する。
【解決手段】給水ノズル４と、主蒸気ノズル５と、ナトリウム入口ノズル６と、ナトリウム出口ノズル７と、内管２ａと外管２ｂからなり両管との間に不活性ガスが流通する間隙２ｃが形成された二重伝熱管２と、前記給水ノズル４の下流側に設けられ前記間隙２ｃに不活性ガスを供給する下部ガスプレナム１０ｂと、前記主蒸気ノズル５の上流側に設けられ前記間隙からの不活性ガスが排出される上部ガスプレナム１０ａと、を有する蒸気発生器１のリーク検出システムにおいて、前記上部ガスプレナム１０ａは、圧力計２２ａ及び不活性ガス供給・排気部２３ａとから上部不活性ガス系２０ａを構成し、前記下部ガスプレナム１０ｂは、圧力計２２ｂ及び不活性ガス供給・排気部２３ｂとから下部不活性ガス系２０ｂを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は液体金属冷却型高速増殖炉に用いられる蒸気発生器のリーク検出システムに関する。

高速炉プラント、例えば、液体金属冷却型高速増殖炉プラントでは一般に冷却材として液体ナトリウムが用いられる。ナトリウムは水と激しく反応するため、ナトリウムと水との熱を交換する蒸気発生器には、高い信頼性が要求される。このような蒸気発生器の信頼性を向上させる対策の一つとして、ナトリウムと水との境界を二重化する二重伝熱管を用いるとともに、二重伝熱管のリークを検出するリーク検出器を設けることが知られている（特許文献１）。

このような二重伝熱管を用いた蒸気発生器の構成を図８（ａ）、（ｂ）により説明する。
蒸気発生器１は、縦長な本体胴の内部中心位置に内筒５２が配置され、内筒５２の周囲位置に多数のヘリカルコイル状の二重伝熱管２が層状に配置されて管束を構成している。本体胴５１の頂部には、ナトリウム入口ノズル４６が設置され、液体金属としての液体ナトリウムを本体胴５１内部に導入する。また、本体胴５１の底部には、ナトリウム出口ノズル４７が設置され、本体胴５１外にナトリウムを導出する。

本体胴５１の上側部には主蒸気管板５４が設けられる一方、主給水管板５５が本体胴５１の下部に設けられる。この主蒸気管板５４と主給水管板５５を接続する二重伝熱管２は、図８（ｂ）に示すように、外管２ｂおよび内管２ａにより二重の耐圧バウンダリーを有しており、内管２ａと外管２ｂとの間の間隙２ｃには不活性ガスとして熱伝導率の高いヘリウムガスが封入される。

このように構成された蒸気発生器１において、高温のナトリウムは、ナトリウム入口ノズル４６から本体胴５１に流入し、本体胴５１内を下降し、ナトリウム出口ノズル４７から胴外に流出までの間に、ヘリカルコイル状の管束を構成する二重伝熱管２の内管２ａ内を上昇する水と熱交換される。一方、水は、給水ノズル４９を経て二重伝熱管２の内管２ａ内を上昇する。この上昇する水は、途中で蒸気となり、主蒸気ノズル４２からタービン等に導かれる。

このような二重伝熱管方式の蒸気発生器では、二重伝熱管２の破損等によるナトリウムと水との反応事故を防止するために、二重伝熱管２からの微少なリークを検出するリーク検出器が備えられている。例えば、二重伝熱管２の内管２ａからリークが生じた場合は、間隙２ｃに水分が侵入し、間隙２ｃに連通する上下部ガスプレナム４８、５９に設置された湿分検出計からなるリ−ク検出器４０、４４によって水分を検出する。

また、外管２ｂにリークが発生した場合は、間隙２ｃを流れるヘリウムが外管２ｂ外側のナトリウム環境に侵入し、ナトリウムの出口配管４７に設置されたヘリウムガス検出器（図示せず）により漏洩ヘリウムを検出する（特許文献１）。

このように、二重伝熱管方式の蒸気発生器ではリーク検出器によってリークした水又はヘリウムを検出することにより二重伝熱管の異常を早期に検出し、蒸気発生器の信頼性を向上させ、ひいては高速増殖炉プラントの安全性及び信頼性を向上させている（特許文献１）。

特開平５−１８５０２号公報

上述した従来の二重伝熱管方式の蒸気発生器において、二重伝熱管の内管と外管との間の間隙にヘリウムを流通させる構成となっているが、間隙の入口側と出口側で特段の圧力制御をおこなっていないため、二重管の内管の水・蒸気側から発生する水素が内管と外管の間に侵入し、水素濃度が増加しつづけ、二重管の内管と外管の間にある水素が外管外のＮａ中に侵入することにより、ＮａＨなどの不純物が発生し、コールドトラップなどを用いて不純物を除去する純度管理が必要となっていた。

また、ヘリウムのリークについては、従来のヘリウム検出器はナトリウム循環系に取り付けられているため、検出精度が低く、微量の漏洩ヘリウムを早期に検出することは困難であった。

本発明では、上述の問題を解決するためになされたもので、二重伝熱管の内管又は外管のリークを早期に確実に検出することができる蒸気発生器のリーク検出システム装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る蒸気発生器のリーク検出システムは、給水ノズルと、主蒸気ノズルと、ナトリウム入口ノズルと、ナトリウム出口ノズルと、内管と外管からなり両管との間に不活性ガスが流通する間隙が形成された二重伝熱管と、前記給水ノズルの下流側に設けられ前記間隙に不活性ガスを供給する下部ガスプレナムと、前記主蒸気ノズルの上流側に設けられ前記間隙からの不活性ガスが排出される上部ガスプレナムと、を有する蒸気発生器のリーク検出システムにおいて、前記上部ガスプレナムは、圧力計及び不活性ガス供給・排気部を有する上部不活性ガス系を構成し、前記下部ガスプレナムは、圧力計及び不活性ガス供給・排気部を有する下部不活性ガス系を構成することを特徴とする。

また、本発明に係る蒸気発生器のリーク検出システムは、給水ノズルと、主蒸気ノズルと、ナトリウム入口ノズルと、ナトリウム出口ノズルと、内管と外管からなり両管との間に不活性ガスが流通する間隙が形成された二重伝熱管と、蒸気発生器の上部に形成されたカバーガス空間と、前記カバーガス空間内のカバーガスを循環させるカバーガス循環系と、前記カバーガス循環系に設けられた漏洩ガス検出器と、を有する蒸気発生器のリーク検出システムにおいて、前記カバーガス循環系のカバーガス取り出し口を前記カバーガス空間の上部に設け、カバーガス戻し口を前記カバーガス空間の下部に設けたことを特徴とする。

また、本発明に係る蒸気発生器のリーク検出システムは、給水ノズルと、主蒸気ノズルと、ナトリウム入口ノズルと、ナトリウム出口ノズルと、内管と外管からなり両管との間に不活性ガスが流通する間隙が形成された二重伝熱管と、前記給水ノズルの下流側に設けられ前記間隙に不活性ガスを供給する下部ガスプレナムと、前記主蒸気ノズルの上流側に設けられ前記間隙からの不活性ガスが排出される上部ガスプレナムと、蒸気発生器の上部に形成されたカバーガス空間と、前記カバーガス空間内のカバーガスを循環させるカバーガス循環系と、前記カバーガス循環系に設けられた漏洩ガス検出器と、を有する蒸気発生器のリーク検出システムにおいて、前記上部ガスプレナムは、圧力計及び不活性ガス供給・排気部を有する上部不活性ガス系を構成し、前記下部ガスプレナムは、圧力計及び不活性ガス供給・排気部を有する下部不活性ガス系を構成することを特徴とする。

本発明によれば、二重管の内管と外管の間隙における水素濃度を抑制させることによって、水素が外管外のＮａ中に侵入することを抑制でき、それに伴ってＮａＨなどの不純物の発生を抑制することができるため、コールドトラップなどの不純物除去装置を用いたＮａＨなどの不純物を除去する純度管理を省略することができる。また、蒸気発生器の二重伝熱管の内管又は外管のリークを早期に確実に検出することができる。

第１の実施形態に係るリーク検出システムの全体構成図。 第１の実施形態に係る上部ガスプレナムの構成図。 第２の実施形態に係るリーク検出システムの全体構成図。 第２の実施形態に係るリーク検出システムの変形例の全体構成図。 第３の実施形態に係るリーク検出システムの全体構成図。 第４の実施形態に係るリーク検出システムの全体構成図。 第５の実施形態に係るリーク検出システムの全体構成図。 （ａ）は従来の蒸気発生器及びリーク検出システムの全体構成図、（ｂ）は二重伝熱管の構成図。

以下、本発明に係る蒸気発生器のリーク検出システムの実施形態を図面を参照して説明する。なお、従来例と同一の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る蒸気発生器のリーク検出システムを図１、図２により説明する。
本第１の実施形態は内管からのリークを検出するリーク検出システムに関する。

（構成）
図１は蒸気発生器１の内管からのリークを検出するリーク検出システムの全体構成図である。
蒸気発生器１は、複数の二重伝熱管２からなる二重伝熱管束３と、給水ノズル４と、主蒸気ノズル５と、ナトリウム（以下「Ｎａ」という。）入口ノズル６と、Ｎａ出口ノズル７とアルゴンガスが封入されているカバーガス空間８とから構成され、各二重伝熱管２は、図８（ｂ）に示すように内管２ａと外管２ｂからなり、内管２ａと外管２ｂとの間の間隙２ｃをヘリウム（以下、「Ｈｅ」という。）ガスが流通するように構成されている。また、内管２ａ内には給水ノズル４からの水が循環し、外管２ｂの外側はＮａ環境で構成されている。水は内管２ａ内を循環している間にＮａとの熱交換により蒸気となり主蒸気ノズル５から蒸気タービン（図示せず）等に導かれる。

また、給水ノズル４の下流側と主蒸気ノズル５の上流側には上部ガスプレナム１０ａ及び下部ガスプレナム１０ｂが設けられ、それぞれ上部不活性ガス系２０ａ及び下部不活性ガス系２０ｂが接続されている。

上部ガスプレナム１０ａは、図２に示すように、複数の二重伝熱管２の内管２ａが挿通され、間隙２ｃを流れてきたＨｅは上部ガスプレナム１０ａ内に導かれ、上部ガスプレナム１０ａを含む上部不活性ガス系２０ａを循環する。

上部不活性ガス系２０ａは、上部ガスプレナム１０ａ、Ｈｅ供給・排気部２３ａ、湿分計２５ａ、ヘッダー２７ａ、ポンプ２６ａから構成され、ポンプ２６ａによって、Ｈｅは上部ガスプレナム１０ａ、湿分計２５ａ、ヘッダー２７ａ、ポンプ２６ａを循環する。ポンプ２６ａの上流側にヘッダー２７ａを有することにより、ポンプ２６ａによる脈動を抑制する。また、圧力計２２ａは上部不活性ガス系２０ａ内の圧力を監視し、所定の設定圧力になるようにＨｅ供給・排気部２３ａを制御する。

下部ガスプレナム１０ｂは、上部ガスプレナム１０ａと同様な構造を有し、下部不活性ガス系２０ｂからのＨｅを内管２ａと外管２ｂとの間の間隙２ｃに導入する。下部不活性ガス系２０ｂは、下部ガスプレナム１０ｂ、Ｈｅ供給・排気部２３ｂ、湿分計２５ｂ、ヘッダー２７ｂ、ポンプ２６ｂから構成され、ポンプ２６ｂによって、Ｈｅは下部ガスプレナム１０ｂ、湿分計２５ｂ、ヘッダー２７ｂ、ポンプ２６ｂを循環する。ポンプ２６ｂの上流側にヘッダー２７ｂを有することにより、ポンプ２６ｂによる脈動を抑制する。また、圧力計２２ｂは下部不活性ガス系２０ｂ内の圧力を監視し、所定の設定圧力になるようにＨｅ供給・排気部２３ｂを制御する。

（作用）
このように構成された本第１の実施形態において、下部不活性ガス系２０ｂの設定圧力を上部不活性ガス系２０ａの設定圧力よりも所定圧大きくなるようにＨｅ供給・排気部２３ａ、２３ｂを制御する。これにより、下部ガスプレナム１０ｂから上部ガスプレナム１０ａにＨｅが流れる。そして、二重伝熱管２の内管２ａ内の水・蒸気側から水素が発生し、この水素が内管２ａから拡散などにより通過することにより、水素が内管２ａと外管２ｂとの間の間隙２ｃに浸入する。その際、上部不活性ガス系２０ａは所定の設定圧になるように制御されているため、Ｈｅはこの間隙２ｃ内を流れ、間隙２ｃに浸入した水素はＨｅ供給・排気部２３ａから順次排出され、内管２ａと外管２ｂとの間の間隙２ｃの水素濃度の増加を防止することができる。

また、万一、内管２ａから水・蒸気がリークした際、水・蒸気は間隙２ｃを経由し、上部不活性ガス系２０ａ又は下部不活性ガス系２０ｂにより湿分計２５ａ又は湿分計２５ｂに到達することにより、この湿分計２５ａ、２５ｂの測定値の上昇によって内管２ａのリークを検出する。

（効果）
本実施形態によれば、蒸気発生器に上部ガスプレナムと下部ガスプレナムを設け、それぞれ独立した不活性ガス系を構成し、独自に圧力制御をおこない、内管と外管間の水素濃度を抑えることができるため、内管と外管間の水素が外管外のＮａ中に浸入することを抑制できる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る蒸気発生器のリーク検出システムを図３により説明する。なお、上記第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付与し、重複説明は省略する。
本第２の実施形態は外管からのリークを検出するリーク検出システムに関する。

（構成）
二重伝熱管束３を構成する二重伝熱管２の外管２ｂにリークが発生すると、内管２ａと外管２ｂとの間の隙間２ｃのヘリウムは外管２ｂの外側を流れるナトリウム環境中に放出され、その後、蒸気発生器１の上部のカバーガス空間８に移行する。

本第２の実施形態は、カバーガス空間８に移行したＨｅを迅速かつ高精度で検出することにより、二重伝熱管２の外管２ｂのリークを早期に検出する。
本第２の実施形態のリーク検出システムは、カバーガス取り出し口３５、ベーパートラップ２９、循環装置３２、ガスクロマトグラフィー等からなる漏洩ガス検出器３０、カバーガス排出部２８、カバーガス戻し口３６、とから構成される。

本第２の実施形態において、カバーガス取り出し口３５はカバーガス空間８の上部、すなわち、蒸気発生器１の頂部近傍に設けられ、また、カバーガス戻し口は蒸気発生器１の側部のカバーガス空間８に設けられる。なお、蒸気発生器１内のカバーガス空間８にはＡｒガスが封入されている。

（作用）
上記のように構成されたリーク検出システムにおいて、循環器３２によって、カバーガス空間８の上部から排出されたカバーバスは、ベーパートラップ２９、循環装置３２、カバーガス空間８を循環し、その一部は、Ｈｅ検出器からなる漏洩ガス検出器３０を通過し、カバーガス排出部２８から排出される。

万一、二重伝熱管２の外管２ｂにリークが発生すると、外管２ｂと内管２ａとの間の隙間２ｃを流れるＨｅガスがＮａ中に放出され、カバーガス空間８に移行するが、ＨｅとＡｒの質量差からＨｅはカバーガス空間８の上部に移行し貯留される。本リーク検出システムでは、カバーガス取り出し口３５はカバーガス空間８の上部に設けられているため、この上部に移行貯留したＨｅを漏洩ガス検出器３０により早期に検出することができる。

また、本リーク検出システムでは、カバーガスを循環させる循環器３２の機能を停止又は低下させてもよく、その場合、循環するＡｒの流量が相対的に低下し、Ｈｅ濃度が増加するので、Ｈｅが微少であっても確実に検出することができる。

さらに、カバーガス戻し口３６を、図４に示すように、カバーガス空間８の上部（蒸気発生器１の上部）に設けてもよく、その場合、上記と同様に、循環するアルゴンの流量が相対的に低下し、Ｈｅの濃度が増すので、Ｈｅが微少であっても確実に検出することができる。

（効果）
このように、本実施形態では、カバーガス取り出し口をカバーガス空間の上部に設けたため、二重伝熱管の外管のリークが微少であっても、当該外管のリークを早期にまた確実に検出することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る蒸気発生器のリーク検出システムを図５により説明する。なお、上記第１および第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付与し、重複説明は省略する。

本第３の実施形態では、カバーガス戻し口３６をカバーガス空間８下部のＮａ液面付近に設け、循環されたカバーガスをカバーガス空間８の下部に戻す。

これにより、カバーガスはカバーガス空間８内を下部から上部に向けて流れ、その間にカバーガス空間８内は混合されるので、リークしたＨｅはカバーガス空間８内に均等に分布する。このＨｅをＨｅ検出器で検出することにより、リークしたＨｅの量を定量化することが可能となり、リークの規模を検出することができる。

また、このリーク検出システムを複数系統設けることにより、または図５に示すように循環器３２からの配管を分岐してカバーガス戻し口３６を蒸気発生器１の周囲に複数設けることにより、カバーガス空間８内の混合をより促進するように構成してもよい。

本第３の実施形態によれば、リークしたＨｅの量を定量化することが可能となり、リークの規模を検出することができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る蒸気発生器のリーク検出システムを図６により説明する。なお、上記第１から第３の実施形態と同一の構成には同一の符号を付与し、重複説明は省略する。

本第４の実施形態では、循環装置３２からの配管を分岐して、一方をカバーガス空間８の上部に、他方をカバーガス空間８の下部に接続し、開閉弁３７により切り替え可能としている。

このように構成したことにより、リークしたＨｅを早期に検出するときはカバーガスをカバーガス空間８の上部に戻し、定量化するときはカバーガス空間８の下部に戻す。
本第４の実施形態によれば、開閉弁の切り替えによって、リークしたＨｅの早期検出又はリークしたＨｅ量の定量化を運転状況に応じて実施することができる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る蒸気発生器のリーク検出システムを図７により説明する。なお、上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付与し、重複説明は省略する。
本第５の実施形態は、第１の実施形態に係るリーク検出システムと第２〜第４の実施形態に係るリーク検出システムを併用して、外管からのＨｅのリークを検出する。

万一、二重伝熱管２の外管２ｂにリークが発生すると間隙２ｃを流れるＨｅガスがＮａ環境中に放出され、その後カバーガス空間８に移行するが、その際、上部不活性ガス系２０ａ又は下部不活性ガス系２０ｂにもＨｅ放出による圧力変化が生じる。この変化を圧力計２２ａ、２２ｂで検出することにより、外管２ｂの破損を検知することが可能となる。

このように、本第５の実施形態では、リークしたＨｅを漏洩ガス検出器３０による検出と上部不活性ガス系２０ａ又は下部不活性ガス系２０ｂにおける圧力変動の検出を併用して検出することにより、外管２ｂのリークをより確実に検出することができる。
また、この二重化システムにより、漏洩ガス検出器３０又は圧力計２２ａ、２２ｂの一方が故障した場合でも、Ｈｅリークを検出することが可能となる。

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、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。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…二重伝熱管、２ａ…内管、２ｂ…外管、２ｃ…間隙、３…伝熱管束、４…給水ノズル、５…主蒸気ノズル、６…Ｎａ入口ノズル、７…Ｎａ出口ノズル、８…カバーガス空間、１０ａ…上部ガスプレナム、１０ｂ…下部ガスプレナム、２０ａ…上部不活性ガス系、２０ｂ…下部不活性ガス系、２２ａ、２２ｂ…圧力計、２３ａ、２３ｂ…Ｈｅ供給・排気部、２５ａ、２５ｂ…湿分計、２６ａ、２６ｂ…ポンプ、２７ａ、２７ｂ…ヘッダー、２８…カバーガス排出部、２９…ベーパートラップ、３０…漏洩ガス検出器、３２…循環装置、３５…カバーガス取り出し口、３６…カバーガス戻し口、３７…開閉弁。

Claims (9)

1. 給水ノズルと、主蒸気ノズルと、ナトリウム入口ノズルと、ナトリウム出口ノズルと、内管と外管からなり両管との間に不活性ガスが流通する間隙が形成された二重伝熱管と、前記給水ノズルの下流側に設けられ前記間隙に不活性ガスを供給する下部ガスプレナムと、前記主蒸気ノズルの上流側に設けられ前記間隙からの不活性ガスが排出される上部ガスプレナムと、を有する蒸気発生器のリーク検出システムにおいて、
   前記上部ガスプレナムは、圧力計及び不活性ガス供給・排気部を有する上部不活性ガス系を構成し、前記下部ガスプレナムは、圧力計及び不活性ガス供給・排気部を有する下部不活性ガス系を構成することを特徴とする蒸気発生器のリーク検出システム。
2. 前記上部不活性ガス系と下部不活性ガス系の不活性ガス供給・排気部は、当該上部不活性ガス系と下部不活性ガス系内の圧力をそれぞれ所定圧に制御することを特徴とする請求項１記載の蒸気発生器のリーク検出システム。
3. 前記下部不活性ガス系の圧力は前記上部不活性ガス系の圧力とは異なる圧力を設定されることを特徴とする請求項２記載の蒸気発生器のリーク検出システム。
4. 給水ノズルと、主蒸気ノズルと、ナトリウム入口ノズルと、ナトリウム出口ノズルと、内管と外管からなり両管との間に不活性ガスが流通する間隙が形成された二重伝熱管と、蒸気発生器の上部に形成されたカバーガス空間と、前記カバーガス空間内のカバーガスを循環させるカバーガス循環系と、前記カバーガス循環系に設けられた漏洩ガス検出器と、を有する蒸気発生器のリーク検出システムにおいて、
   前記カバーガス循環系のカバーガス取り出し口を前記カバーガス空間の上部に設けたことを特徴とする蒸気発生器のリーク検出システム。
5. 前記カバーガス戻し口を前記カバーガス空間の下部に少なくとも一つ設けたことを特徴とする請求項４記載の蒸気発生器のリーク検出システム。
6. 前記カバーガス戻し口を前記カバーガス空間の上部に設けたことを特徴とする請求項４記載の蒸気発生器のリーク検出システム。
7. 前記カバーガス循環系を途中で分岐させ、一方のカバーガス戻し口を前記カバーガス空間の上部に、他方をカバーガス戻し口を前記カバーガス空間の下部に設けたことを特徴とする請求項４記載の蒸気発生器のリーク検出システム。
8. 給水ノズルと、主蒸気ノズルと、ナトリウム入口ノズルと、ナトリウム出口ノズルと、内管と外管からなり両管との間に不活性ガスが流通する間隙が形成された二重伝熱管と、前記給水ノズルの下流側に設けられ前記間隙に不活性ガスを供給する下部ガスプレナムと、前記主蒸気ノズルの上流側に設けられ前記間隙からの不活性ガスが排出される上部ガスプレナムと、蒸気発生器の上部に形成されたカバーガス空間と、前記カバーガス空間内のカバーガスを循環させるカバーガス循環系と、前記カバーガス循環系に設けられた漏洩ガス検出器と、を有する蒸気発生器のリーク検出システムにおいて、
   前記上部ガスプレナムは、圧力計及び不活性ガス供給・排気部を有する上部不活性ガス系を構成し、前記下部ガスプレナムは、圧力計及び不活性ガス供給・排気部を有する下部不活性ガス系を構成することを特徴とする蒸気発生器のリーク検出システム。
9. 前記二重伝熱管からのリークを、前記上部不活性ガス系の圧力計及び又は前記漏洩ガス検出器によって検出することを特徴とする請求項８記載の蒸気発生器のリーク検出システム。

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