JP2013140145A - 高温析出溶液インジェクタのための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】室温の析出溶液を高温高圧の供給水流動ラインに注入することができる、原子炉用の析出溶液インジェクタのための方法および装置を提供する。
【解決手段】この方法および装置は、流水の境界層を越えた供給水内のある位置で析出溶液が確実に送達されるようにし、溶液のスミアリングを防止し、インジェクタ内での析出溶液の詰まりを防止する。インジェクタの軸方向断面プロファイル、およびインジェクタ上の注入スロットの位置により、インジェクタ内への供給水の渦乱流を低減することができる。
【選択図】図１

Description

例示的な実施形態は、一般に原子炉に関し、より詳細には、室温の析出溶液を高温高圧の供給水流動ラインに送達する、高温析出溶液インジェクタのための方法および装置に関する。具体的には、この方法および装置は、流水の境界層を越えた供給水内のある位置で析出溶液が確実に送達されるようにし、注入タップのちょうど下流で供給水管上に溶体が過剰に析出するのを防止し、注入タップ内での溶体の析出がタップの閉塞を引き起こすのを防止する。

原子炉では、材料を原子炉表面上に析出するために、しばしば析出溶液が高温／高圧供給水ラインに注入される。具体的には、図１に示されているように、水素注入２を使用し、原子炉８内を循環する水のための脱酸素剤として働くように水素を供給水吸入ライン４ｂ（吸入ライン４ｂは供給水ポンプ１０への入口である）内で注入することができる。水素注入２と共に、貴金属（たとえば白金）析出溶液注入システム６を使用し、白金イオンを原子炉８の表面上で析出させるために、析出溶液を供給水吐出ライン４ａに注入することができる。図１には、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）８構成が示されているが、他のタイプの原子炉もまた、（本明細書に記載の白金析出溶液など）析出溶液注入を利用することができることを理解されたい。白金析出溶液は、たとえば、ヘキサヒドロキシ白金酸ナトリウム（Ｎａ₂Ｐｔ（ＯＨ）₆）の白金塩溶液とすることができる。この溶液を供給水吐出ライン４ａ内に注入することによって、白金イオンが原子炉８の表面上で析出し、その結果、白金は、原子炉内に存在し得る酸素分子と注入された水素を反応させるための触媒として働くことができる。水素を原子炉８の表面上で酸素分子と反応させることにより、水（Ｈ₂Ｏ）分子が生成され得る。この反応は、そうでないと金属構成部品の腐食を助長するおそれがある、原子炉８の表面上に存在する酸素分子を減少させ、おそらくはなくするように働き、それにより原子炉構成部品の耐用寿命を延長する。

図２に示されているように、従来の析出溶液インジェクタ構成１２は、析出溶液を供給水吐出ライン４ａに供給する化学物質供給スキッド（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｆｅｅｄ ｓｋｉｄ）２４を含むことができる。化学物質供給スキッドは、一般に、（容積式ポンプを介して）約５０〜１２０ｃｍ³／分の流量および通常１２５０ｐｓｉ（８６１８．７５ｋＰａ）未満の圧力で、室温にて化学析出溶液を送る。化学物質供給ライン２６により、析出溶液を化学物質供給スキッド２４から注入タップ２０に送ることができる。化学物質供給ライン２６内の析出溶液を遮断するために、１つまたは複数のインジェクタ弁１４を化学物質供給ライン２６内に含むことができる。一般に、パイプスタブ１６が弁１４吐出部に含まれる。溶接物１８が、注入タップ２０をパイプスタブ１６および供給水吐出ライン４ａに接続することができる。

従来の注入タップ２０の遠位端は供給水吐出ライン４ａの内面までしか延在しないことがあるため、析出した材料２２は、注入タップ２０の端部内に形成される可能性がある。析出した材料２２は、注入点６で形成される可能性がある。というのは、室温（すなわち低い温度）の析出溶液が高温高速の供給水（約１０〜２０ｆｔ／秒（３．０４８〜６．０９６ｍ／秒）の流速で２６０°Ｆ（１２６．６７℃）と４２０°Ｆ（２１５．５６℃）の間の範囲）の押し寄せる乱流と混合され、それにより析出溶液が白金イオンに分解され、次いでそれらが注入タップ２０の内部遠位端内で析出される可能性があるからである（ヘキサヒドロキシ白金酸ナトリウムＮａ₂Ｐｔ（ＯＨ）₆は、３００〜５００°Ｆ（１４８．８９〜２６０℃）の温度で分解し始めることに留意されたい）。析出した材料２２によって引き起こされる注入タップ２０の閉塞により、容積式ポンプでは、指定された注入流量をもたらすための注入圧力が増大するおそれがある。圧力は、インジェクタ構成１２の設計圧力まで増大し、全部の析出溶液が注入される前に注入を終了させることがある。これは、それ自体、原子炉８内で析出される白金の量を少なくする可能性がある。さらに、注入タップ２０の閉塞は、次に予定されている注入（典型的には、１年に１回行われる）の実施を妨げ、または閉塞を取り除くために予定外の原子炉の停止を必要とするおそれがある。

また、注入点６内の析出した材料２２による注入タップ２０の閉塞に加えて、ゆっくり流れる析出溶液が境界層を脱出し供給水のバルク流れに入ることができないため、供給水ライン４ａの内面に沿って、析出した材料２２のスミアリングが発生するおそれがある。スミアリングは、必要とされない、または望ましくないところで供給水ラインの内側に沿って、著しい量の白金イオンを析出させ、原子炉８に到達する白金の量を減少させることもある。

例示的な実施形態は、析出溶液を高圧／高温の供給水ラインに析出溶液を注入するための方法および装置を提供する。この方法および装置は、供給水ラインを通って移動する流体の境界層を越えて、関連のバルク流体流に析出溶液が確実に注入されるようにする。境界層を越えて析出溶液を注入することにより、インジェクタの閉塞、および供給水ラインの内面に沿った、析出した材料のスミアリングを緩和することができる。

例示的な実施形態の上記および他の特徴および利点は、添付の図面を参照して例示的な実施形態について詳細に述べることによって、より明らかになろう。添付の図面は、例示的な実施形態を描写するものであり、所期の特許請求の範囲を限定するものと解釈すべきでない。添付の図面は、明示的に言及されていない限り、原寸に比例して示されているものと考えるべきでない。

析出溶液注入を含む従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の図である。 従来の析出溶液インジェクタ構成の断面図である。 例示的な一実施形態による析出溶液インジェクタ構成の断面図である。 例示的な一実施形態によるインジェクタの遠位端の断面図である。 図４Ａのインジェクタの、軸方向の断面図Ａ−Ａである。

本明細書には、詳細な例示的な実施形態が開示されている。しかし、本明細書に開示されている特定の構造的、機能的詳細は、例示的な実施形態について述べるための典型的なものにすぎない。しかし、例示的な実施形態は、多数の代替形態で実施することができるので、本明細書に記載の実施形態だけに限定されるものと解釈すべきでない。

したがって、例示的な実施形態は、様々な修正形態および代替形態が可能であるが、その実施形態が例示として図面に示されており、本明細書で詳細に述べられることになる。しかし、例示的な実施形態を開示されている特定の形態に限定する意図はなく、反対に、例示的な実施形態は、例示的な実施形態の範囲内に入る修正形態、均等物、および代替形態すべてを包含すべきであることを理解されたい。同様の符号は、図の説明を通して同様の要素を指す。

本明細書では、様々な要素について述べるために第１、第２などの用語を使用することがあるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるべきでないことを理解されたい。これらの用語は、ある要素を別の要素から区別するために使用されるにすぎない。たとえば、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなしに、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書では、「および／または」という用語は、関連の列挙項目のうちの１つまたは複数からなる任意の、およびすべての組合せを含む。

ある要素が別の要素に「接続」または「結合」されると称されるとき、その要素は、他方の要素に対して直接接続または結合されてもよく、あるいは介在する要素が存在してもよいことを理解されたい。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続」または「直接結合」されると称されるとき、介在する要素は存在しない。諸要素間の関係について述べるために使用される他の語も同様に解釈すべきである（たとえば、「間」対「直接間」、「隣接」対「直接隣接」など）。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態について述べるためのものにすぎず、例示的な実施形態を限定するものではない。本明細書では、単数形「ａ」「ａｎ」「ｔｈｅ」は、別段文脈より明らかに示されない限り、複数形をも含むものとする。さらに、「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える、含む）」「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」「ｉｎｃｌｕｄｅｓ（含む）」および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」という用語は、本明細書で使用されるとき、述べられている特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことを理解されたい。

また、いくつかの代替の実施形態では、言及されている機能／動作が、図で言及されている順序から外れて行われることがあることに留意されたい。たとえば、連続して示されている２つの図が、必要とされる機能／動作に応じて、実際には実質的に同時に実行されてもよく、あるいは逆の順序で実行されることがあってもよい。

図３は、例示的な一実施形態による析出溶液インジェクタ構成３２の断面図である。インジェクタ構成３２は、供給水ライン４ａの内面を越えて延在する遠位端３０ａを備える中空のインジェクタ管３０を含む。具体的には、インジェクタ３０の遠位端３０ａは、供給水ライン４ａを通って移動するバルク流体流の決められた境界層を越えて延在することができる。境界層の深さ（およびインジェクタ３０の遠位端３０ａの必要とされる長さＸ）は、供給水の温度および速度に応じて変わる可能性がある。また、境界層の深さは、供給水ライン４ａ内を流れる流体のタイプ（および潜在的に変動する粘度）、供給水ライン４ａの直径および材料、ならびに供給水ライン４ａ内を流れる流体のレイノルズ数（および結果的に得られる境界層深さ）に影響を及ぼすことが知られている他のパラメータに応じて変わる可能性がある。したがって、長さＸは、少なくとも供給水ライン４ａ内を流れる流体の境界層を越えて延在するのに十分長いものとすべきであることを理解されたい。

また、析出溶液インジェクタ構成３２は、インジェクタ３０の外径と一致する、またはそれをわずかに超える内径を有するパイプスタブ１６ａを含む。このパイプスタブ１６ａは、供給水流力によって引き起こされるインジェクタ３０内の振動応力を最小限に抑えるのを支援する。

インジェクタ３０の内径は、析出材料が、インジェクタ３０の遠位端３０ａに流れるとき高温に加熱された場合、析出した材料によって引き起こされる潜在的な閉塞を助長することもあり得る。そのため、インジェクタ３０の内径は、十分小さくなるようにサイズ設定し、析出溶液が供給水ライン４ａに隣接する高温領域を素早く流通するようにすべきである。インジェクタ３０を通る析出溶液が５０〜１２０ｃｍ³／分の流量である場合、インジェクタ３０の内径を１／８インチ（３．１７５ｍｍ）にすると、３〜９インチ（７６．２〜２２９ｍｍ）／秒の流速になる。これは、析出溶液が高温領域内にあるのを１秒未満とし、この短期間中に析出溶液が劣化しないようにすることになる。

図４Ａは、例示的な一実施形態によるインジェクタ３０の遠位端３０ａの断面図である。インジェクタ３０は、インジェクタの下流側に位置する注入スロット３０ｂを備える（具体的には、注入スロット３０ｂは、インジェクタ３０の遠位端３０ａを通過する供給水流の下流である）。注入スロット３０ｂをインジェクタ３０の下流側に配置することにより、スロット３０ｂが供給水の高圧流から幾分保護され、それによりインジェクタ３０が析出した材料によって詰まる可能性を低減する。

インジェクタは、（図３に記載のように）インジェクタの遠位端３０ａが境界層を超えて延在すべきであるのと同様に、注入スロット３０ｂ全体が確実に、流れる供給水の境界層を越えて延在するようにサイズ設定されるべきである。これにより、供給水ライン４ａの内側で不必要に高い白金イオンの析出を受けることなく、析出溶液を供給水ライン４ａ内の供給水のバルク流れに完全に注入することができるようになる。そのため、長さＹ（供給水ライン４ａの内面から注入スロット３０ｂの開口までのインジェクタ長さ）は、供給水の境界層を越えて延在しなければならない。図３に記載のように、境界層深さは、供給水の温度および速度、供給水ライン内を流れる流体のタイプ、供給水ラインの直径および材料などに応じて変わる可能性がある。一例として、流水が２６０〜４２０°Ｆ（１２６．６７〜２１５．５６℃）の温度で１５〜２０フィート／秒（４．５７２〜６．０９６ｍ／秒）の範囲にある直径１６インチ（４０６ｍｍ）の供給水ライン４ａの場合、注入スロット３０ｂ全体が確実に供給水ライン４ａ内を流れる流体の境界層を越えて延在するようにするために１インチ（２５．４ｍｍ）の長さＹが適切である。

注入スロット３０ｂそれ自体のサイズもまた、インジェクタ３０の閉塞に影響を及ぼす可能性がある。したがって、析出溶液の流出速度が供給水流速にほぼ一致するように、注入スロット３０ｂの断面積をサイズ設定し、供給水乱流が注入スロット３０ｂに入らず、析出、および考えられる閉塞を引き起こさないようにすべきである。

注入スロット３０ｂは、注入スロット３０ｂを供給水流の高圧からさらに保護するために、ある距離だけインジェクタ３０のまさにその遠位端３０ａの下方に配置することができる。しかし、インジェクタ３０の遠位端３０ａは、供給水境界層の深さを大きく越えて延在すべきでない。境界層の位置を大きく越えてインジェクタの遠位端３０ａを延在させないことにより、高速の供給水流によるインジェクタ３０に対する曲がりおよび損傷を回避することができる。したがって、長さＸ（供給水ライン４ａ内で延在するインジェクタの遠位端３０ａの全長）は、必要とされる長さＹより約２０％以下大きいものとすべきである。

図４Ｂは、図４Ａのインジェクタ３０の、軸方向の断面図Ａ−Ａである。図４Ａで論じたように、注入スロット３０ｂは、インジェクタ３０の下流側に位置することができる（下流側は、供給水流方向の下流を意味する）。インジェクタ３０の軸方向断面プロファイル３０ｃは、注入スロット３０ｂと供給水のバルク流れとの間の界面で受ける可能性がある供給水の流体力を流体力学的に低減するために、（図４Ｂに示されているように）２つの鋭角の端部を有するテーパ形の楕円形とすることができる。注入スロット３０ｂは、（図４Ｂに示されているように）インジェクタ３０の、下流に面する鋭角の端部上に位置することができる。また、軸方向断面プロファイル３０ｃは、インジェクタ３０に入ることができる入来供給水の乱流を最小限に抑えるために注入スロット３０ｂがインジェクタ３０の下流側に位置する限り、円形、方形、または何らかの他の形状であってもよい。

このように例示的な実施形態について述べたので、これは多くの方法で変わり得ることが明らかになるであろう。そのような変型形態は、例示的な実施形態の所期の精神および範囲から逸脱するものとみなすべきでなく、当業者には明らかであるはずのそのような修正形態すべてが、以下の特許請求の範囲内に含まれるものとする。

２ 水素注入
４ａ 供給水吐出ライン
４ｂ 供給水吸入ライン
６ 貴金属析出溶液注入システム、注入点
８ 原子炉
１０ 供給水ポンプ
１２ 析出溶液インジェクタ構成
１４ インジェクタ弁
１６ パイプスタブ
１８ 溶接物
２０ 注入タップ
２２ 析出した材料
２４ 化学物質供給スキッド
２６ 化学物質供給ライン
３０ インジェクタ管３０
３０ａ 遠位端
３０ｂ 注入スロット
３０ｃ 軸方向断面プロファイル
３２ 析出溶液インジェクタ構成

Claims (14)

1. 析出溶液を高温の供給水管に注入する方法であって、
   前記供給水管内を流れる流体の境界層深さを決定するステップと、
   インジェクタを形成するステップと、
   前記インジェクタの遠位端上に注入スロットを形成するステップと、
   前記供給水管の側部を通して前記インジェクタを挿入するステップと、
   前記注入スロットが前記境界層の前記深さを越えて延在するように、前記供給水管内に前記インジェクタを延在させるステップと、
   前記供給水管内を流れる前記流体の方向に対して、前記インジェクタの下流側で前記注入スロットを配置するように前記インジェクタを回転させるステップと、
   前記析出溶液を前記インジェクタに、また前記供給水管に注入するステップと
   を含む方法。
2. 前記インジェクタを形成する前記ステップが、２つの鋭角のテーパ形の端部を有する楕円形を有するように前記インジェクタの軸方向断面を形作るステップを含み、前記注入スロットが、前記鋭角のテーパ形の端部のうちの１つに位置する、請求項１記載の方法。
3. 前記インジェクタを形成する前記ステップが、円形を有するように前記インジェクタの軸方向断面を形作るステップを含む、請求項１記載の方法。
4. 前記供給水管内に前記インジェクタを延在させる前記ステップが、前記境界層の前記深さより２０％以下大きい前記インジェクタの長さ全体が前記供給水管内に延在することを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記注入スロットを形成する前記ステップが、前記注入スロットを出る前記析出溶液の流速が前記供給水管内を流れる前記流体の流速にほぼ等しくなるように前記注入スロットの断面積をサイズ設定するステップを含む、請求項１記載の方法。
6. 前記インジェクタの下流に位置する原子炉に供給水ラインを接続するステップをさらに含み、
   前記析出溶液がヘキサヒドロキシ白金酸ナトリウムである、請求項１記載の方法。
7. 前記析出溶液を前記インジェクタに注入する前記ステップが、化学物質供給スキッドおよび容積式ポンプを介して行われる、請求項６記載の方法。
8. 析出溶液を高温の供給水管に注入するシステムであって、
   前記管を通して流体流を導くように構成された供給水管と、
   析出溶液を前記供給水管に注入するように構成された、前記供給水管内に延在するインジェクタの遠位端上に注入スロットを有するインジェクタとを備え、
   前記インジェクタの前記注入スロットが、前記供給水管を通る前記流体流の境界層の予想される深さを越えて延在し、
   前記注入スロットが、前記供給水管を通る前記流体流の方向に対して、前記インジェクタの下流側に位置する、システム。
9. 前記インジェクタの軸方向断面が、鋭角のテーパ形の端部を有する楕円形であり、前記注入スロットが、前記鋭角のテーパ形の端部のうちの１つに位置する、請求項８記載のシステム。
10. 前記インジェクタの軸方向断面が円形である、請求項８記載のシステム。
11. 前記インジェクタの前記供給水管内に延在する部分の長さ全体が、前記供給水管を通る前記流体流の前記境界層の前記予想される深さより２０％以下大きい、請求項８記載のシステム。
12. 前記注入スロットの断面積が、前記注入スロットを出る前記析出溶液の流速が前記供給水管を通る前記流体流の流速にほぼ等しくなるようにサイズ設定される、請求項８記載のシステム。
13. 供給水ラインに接続され、前記インジェクタの下流側に位置する原子炉をさらに備え、前記析出溶液がヘキサヒドロキシ白金酸ナトリウムである、請求項８記載のシステム。
14. 容積式ポンプが前記インジェクタに接続された化学物質供給スキッドをさらに備える、請求項１３記載のシステム。