JP2015083887A

JP2015083887A - Steam separator

Info

Publication number: JP2015083887A
Application number: JP2013221857A
Authority: JP
Inventors: 健一上遠野; Kenichi Katono
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a steam separator capable of sufficiently separating a steam-water two-phase flow and reducing pressure loss.SOLUTION: A steam separator 7 includes a plurality of forced steam separator elements 17 and a plurality of natural steam separator elements 18. The forced steam separator elements 17 include: inner cylinders 22A to 22C each of which forms a channel in which a steam-water annular two-phase flow is generated by a swirling force applied by a swirler 22; pick-off rings 24A to 24C that separates the steam-water annular two-phase flow; and outer cylinders 23A to 23C that form discharge channels 25A to 25C for discharging separated water, respectively. The natural steam separator elements 18 each include: a straight pipe 26A that forms a channel which has an inside diameter of not more than 50 mm and in which a steam-water annular two-phase flow is generated even without a swirler; a pick-off ring 28 that separates the steam-water annular two-phase flow; and an outer cylinder 27 that forms a discharge channel 29 for discharging the separated water.

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の気水分離器に関する。 The present invention relates to a steam separator for a boiling water reactor.

沸騰水型原子力発電プラントでは、沸騰水型原子炉の炉心で水（冷却材）を加熱して蒸気を生成し、この蒸気を蒸気タービンへ供給して蒸気タービンを駆動し、この蒸気タービンによって発電機を駆動するようになっている。原子炉の炉心では、蒸気と水の気液二相流が発生する。そのため、原子炉は、炉心で発生した気液二相流を湿り蒸気と水に分離する気水分離器と、この気水分離器で分離された湿り蒸気に含まれる水滴を除去する蒸気乾燥器とを備えている（気液分離システム）。このシステムにより、原子炉から蒸気タービンへ供給する蒸気の湿分を一定値以下に抑える。その結果、蒸気タービンの翼部分でのエロージョンやコロージョンの発生を防ぎ、蒸気タービンの健全性を維持するようになっている。 In a boiling water nuclear power plant, water (coolant) is heated in the core of a boiling water reactor to generate steam, and this steam is supplied to the steam turbine to drive the steam turbine, which generates power. It is designed to drive the machine. A gas-liquid two-phase flow of steam and water occurs in the reactor core. Therefore, the nuclear reactor is a steam-water separator that separates the gas-liquid two-phase flow generated in the core into wet steam and water, and a steam dryer that removes water droplets contained in the wet steam separated by the steam-water separator. (Gas-liquid separation system). This system keeps the moisture content of steam supplied from the reactor to the steam turbine below a certain level. As a result, the occurrence of erosion and corrosion at the blade portion of the steam turbine is prevented, and the soundness of the steam turbine is maintained.

気水分離器は、複数の気水分離器エレメントで構成されている。各気水分離器エレメントは、例えば、シュラウドヘッドの上側に接続されたスタンドパイプと、このスタンドパイプの上側に接続されたディフューザと、このディフューザ内に固定されたスワラーと、ディフューザの上側に接続された第１段の内筒と、この第１段の内筒の外周側に配置された第１段の外筒と、この第１段の外筒の上端に設けられて第１段の内筒の上端との間にギャップを形成するピックオフリングとを有している。また、第１段のピックオフリングの上側に接続された第２段の内筒と、この第２段の内筒の外周側に配置された第２段の外筒と、この第２段の外筒の上端に設けられて第２段の内筒の上端との間にギャップを形成する第２段のピックオフリングとを有している。さらに、第２段のピックオフリングの上側に接続された第３段の内筒と、この第３段の内筒の外周側に配置された第３段の外筒と、この第３段の外筒の上端に設けられて第３段の内筒の上端との間にギャップを形成する第３段のピックオフリングとを有している。すなわち、例えば、内筒、外筒、及びピックオフリングで構成された気水分離機構を３段有している。 The steam-water separator is composed of a plurality of steam-water separator elements. Each steam separator element is connected to, for example, a stand pipe connected to the upper side of the shroud head, a diffuser connected to the upper side of the stand pipe, a swirler fixed in the diffuser, and an upper side of the diffuser. The first-stage inner cylinder, the first-stage outer cylinder disposed on the outer periphery of the first-stage inner cylinder, and the first-stage inner cylinder provided at the upper end of the first-stage outer cylinder And a pick-off ring that forms a gap with the upper end of the substrate. In addition, a second-stage inner cylinder connected to the upper side of the first-stage pick-off ring, a second-stage outer cylinder arranged on the outer peripheral side of the second-stage inner cylinder, and an outer side of the second-stage A second-stage pick-off ring provided at the upper end of the cylinder and forming a gap with the upper end of the second-stage inner cylinder; Further, a third-stage inner cylinder connected to the upper side of the second-stage pick-off ring, a third-stage outer cylinder arranged on the outer peripheral side of the third-stage inner cylinder, and an outer side of the third-stage A third-stage pick-off ring provided at the upper end of the cylinder and forming a gap between the upper end of the third-stage inner cylinder; That is, for example, it has three stages of air-water separation mechanisms composed of an inner cylinder, an outer cylinder, and a pick-off ring.

炉心で発生した気液二相流は、上部プレナムを経由して各気水分離器エレメントのスタンドパイプに流入する。そして、ディフューザ内のスワラーで旋回力が付与され、各段の内筒内で気液二相流の流動状態が旋回流（環状流）となる。すなわち、密度差による遠心力の違いにより、水が径方向外側に押し出されて、壁面に液膜流を形成する。そして、各段のピックオフリングで蒸気流と液膜流に分離される。すなわち、液膜流は、各段の内筒とピックオフリングの間に形成されたギャップを経由して、各段の内筒と外筒の間に形成された排出流路に流出し、その後、原子炉圧力容器とシュラウドの間のダウンカンマに排出される。蒸気流は、第１段〜第３段のピックオフリングを通過し、湿り蒸気プレナムを経由して蒸気乾燥器に供給されるようになっている。 The gas-liquid two-phase flow generated in the reactor core flows into the stand pipe of each steam separator element via the upper plenum. Then, a swirl force is applied by the swirler in the diffuser, and the flow state of the gas-liquid two-phase flow becomes a swirl flow (annular flow) in the inner cylinder of each stage. That is, due to the difference in centrifugal force due to the density difference, water is pushed out radially outward to form a liquid film flow on the wall surface. Then, the vapor flow and the liquid film flow are separated by a pick-off ring at each stage. That is, the liquid film flow flows out to the discharge channel formed between the inner cylinder and the outer cylinder of each stage via the gap formed between the inner cylinder and the pick-off ring of each stage, and then It is discharged into a down comma between the reactor pressure vessel and the shroud. The steam flow passes through the first to third stage pick-off rings and is supplied to the steam dryer via the wet steam plenum.

ところで、近年、既設又は新設の原子炉において、炉心出力（熱出力）を向上させることが提唱されている。このような原子炉では、炉心全体における気液二相流のクオリティ（詳細には、気液二相流の質量流量に含まれる蒸気の質量流量の割合）や体積流量が増大する。あるいは、クオリティ分布の偏差や体積流量分布の偏差が比較的大きくなる。すなわち、炉心（又は上部プレナム）の径方向中心部では、気液二相流のクオリティ及び体積流量が大きくなる。そのため、気水分離器の径方向中心部に位置する気水分離器エレメントにおける気液二相流の体積流量が大きくなり、その気水分離器エレメントの圧力損失が大きくなる。そこで、例えば、気水分離器の径方向中心部に位置する気水分離器エレメントに対し、圧力損失を低減するため、スワラーを取り除くことが提案されている（例えば特許文献１参照）。 Incidentally, in recent years, it has been proposed to improve the core output (heat output) in existing or new nuclear reactors. In such a nuclear reactor, the quality of the gas-liquid two-phase flow in the entire core (specifically, the ratio of the mass flow rate of the steam contained in the mass flow rate of the gas-liquid two-phase flow) and the volume flow rate increase. Alternatively, the deviation of the quality distribution and the deviation of the volume flow distribution become relatively large. That is, the quality and volume flow rate of the gas-liquid two-phase flow are increased at the radial center of the core (or upper plenum). Therefore, the volume flow rate of the gas-liquid two-phase flow in the steam-water separator element located at the radial center of the steam-water separator increases, and the pressure loss of the steam-water separator element increases. Thus, for example, it has been proposed to remove the swirler to reduce the pressure loss with respect to the steam / water separator element located at the radial center of the steam / water separator (see, for example, Patent Document 1).

特開平１０−１９７６７８号公報（段落００３７及び００３８等参照）JP-A-10-197678 (see paragraphs 0037 and 0038, etc.)

特許文献１では、気水分離器エレメントに流入する気液二相流のクオリティが比較的大きければ（詳細には、例えば全気水分離器エレメントに流入する気液二相流のクオリティの平均値の１．３倍以上であれば）、スワラーがなくても二相流の流動状態が環状流になり、ピックオフリングで分離可能であると考えられている。そのため、スワラーを取り除くこと以外は、他の気水分離器エレメントと同じにしている。 In Patent Document 1, if the quality of the gas-liquid two-phase flow flowing into the gas-water separator element is relatively large (specifically, for example, the average value of the quality of the gas-liquid two-phase flow flowing into the whole gas-water separator element) It is considered that the flow state of the two-phase flow becomes an annular flow and can be separated by a pick-off ring without a swirler. Therefore, it is the same as other steam separator elements except that the swirler is removed.

しかしながら、スワラーを取り除くだけでは、気液二相流の流動状態が環状流とならない恐れがある。すなわち、特許文献１では、スワラーを取り除いた気水分離器エレメントの内筒の内径寸法は、スワラーを取り除いてない気水分離器エレメントの内筒の内径寸法と同じであって、比較的大きい。そのため、内筒内で気液二相流の流動状態が環状流とならず、ピックオフリングで気液二相流の分離を十分に行えないことが懸念される。 However, if only the swirler is removed, the flow state of the gas-liquid two-phase flow may not be an annular flow. That is, in Patent Document 1, the inner diameter of the inner cylinder of the steam / water separator element from which the swirler is removed is the same as the inner diameter of the inner cylinder of the steam / water separator element from which the swirler is not removed, and is relatively large. Therefore, there is a concern that the flow state of the gas-liquid two-phase flow in the inner cylinder does not become an annular flow, and the gas-liquid two-phase flow cannot be sufficiently separated by the pick-off ring.

本発明の目的は、気液二相流の分離を十分に行うことができ、かつ圧力損失を低減することができる気水分離器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a steam-water separator that can sufficiently separate a gas-liquid two-phase flow and can reduce pressure loss.

上記目的を達成するために、本発明は、スワラーで付与された旋回力によって気液環状二相流が生じる流路を形成する内筒、前記内筒の上側に配置されて気液環状二相流を分離するピックオフリング、並びに、前記内筒の外周側に配置されて前記ピックオフリングで分離された液体を排出する排出流路を形成する外筒をそれぞれ有する複数の強制式気水分離器エレメントと、スワラーがなくても気液環状二相流が生じる流路を形成する直管、前記直管の上側に配置されて気液環状二相流を分離するピックオフリング、並びに、前記直管の外周側に配置されて前記ピックオフリングで分離された液体を排出する排出流路を形成する外筒を有する少なくとも１つの自然式気水分離器エレメントと、を備えた気水分離器であって、前記自然式気水分離器エレメントの前記直管は、スワラーがなくても気液環状二相流が生じるように、その内径寸法が５０ｍｍ以下である。 In order to achieve the above object, the present invention provides an inner cylinder that forms a flow path in which a gas-liquid annular two-phase flow is generated by a swirling force applied by a swirler, and a gas-liquid annular two-phase arranged above the inner cylinder. A plurality of forced air / water separator elements each having a pick-off ring that separates the flow and an outer cylinder that is disposed on the outer peripheral side of the inner cylinder and forms a discharge flow path for discharging the liquid separated by the pick-off ring A straight pipe that forms a flow path in which a gas-liquid annular two-phase flow is generated without a swirler, a pick-off ring that is disposed above the straight pipe and separates the gas-liquid annular two-phase flow, and the straight pipe An air / water separator having at least one natural air / water separator element that has an outer cylinder that is disposed on the outer peripheral side and has an outer cylinder that forms a discharge channel that discharges the liquid separated by the pick-off ring, Natural air moisture The straight pipe vessels element, as also gas-liquid annular two-phase flow occurs without swirler, its inner diameter is 50mm or less.

このような本発明においては、自然式気水分離器エレメントの直管では、その内径寸法が５０ｍｍ以下であるから、スワラーがなくても気液二相流の流動状態が環状流となる。そのため、ピックオフリングで気液二相流の分離を十分に行うことができる。 In such a present invention, since the internal diameter of the straight pipe of the natural type steam separator element is 50 mm or less, the flow state of the gas-liquid two-phase flow is an annular flow even without a swirler. Therefore, the gas-liquid two-phase flow can be sufficiently separated by the pick-off ring.

また、例えば従来配置の強制式気水分離エレメントの間に、自然式気水分離器エレメントを追加した場合は、強制式気水分離器エレメントにおける気液二相流の体積流量を減少させることができ、強制式気水分離器エレメントの圧力損失を低減することができる。自然式気水分離器エレメントを追加しない場合と比べ、自然式気水分離器エレメントの圧力損失のぶんが増加するものの、強制式気水分離器エレメントの圧力損失の低減効果が大きいことから、全体として圧力損失を低減することができる。あるいは、例えば1つ又は複数の強制式気水分離器エレメントに代えて、それより多数の自然式気水分離器エレメントを設けた場合も、全体として圧力損失を低減することができる。 In addition, for example, when a natural air / water separator element is added between the conventional forced air / water separator elements, the volume flow rate of the gas-liquid two-phase flow in the forced air / water separator element can be reduced. And the pressure loss of the forced steam separator element can be reduced. Compared to the case where no natural air / water separator element is added, the pressure loss of the natural air / water separator element increases, but the effect of reducing the pressure loss of the forced air / water separator element is large. As a result, pressure loss can be reduced. Alternatively, for example, when one or a plurality of forced steam / water separator elements are provided in place of a larger number of natural steam / water separator elements, the pressure loss can be reduced as a whole.

本発明によれば、気液二相流の分離を十分に行うことができ、かつ圧力損失を低減することができる。 According to the present invention, the gas-liquid two-phase flow can be sufficiently separated and the pressure loss can be reduced.

本発明の一実施形態における沸騰水型原子炉の構造を表す鉛直方向断面図である。1 is a vertical sectional view showing a structure of a boiling water reactor in an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態における強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの配置を表す水平方向部分拡大断面図である。It is a horizontal direction partial expanded sectional view showing arrangement of a forced type steam-water separator element and a natural type steam-water separator element in one embodiment of the present invention. 図２中断面III−IIIによる鉛直方向断面図であり、本発明の一実施形態における気水分離器を構成する強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの構造を表す。FIG. 3 is a vertical sectional view taken along section III-III in FIG. 2 and shows the structure of a forced-type steam-water separator element and a natural-type steam-water separator element that constitute a steam-water separator according to an embodiment of the present invention. 直管の内径と気液二相流の流動状態との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the internal diameter of a straight pipe | tube, and the flow state of a gas-liquid two-phase flow. 本発明の一変形例における強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの配置を表す水平方向部分拡大断面図である。It is a horizontal direction partial expanded sectional view showing arrangement | positioning of the forced-type steam-water separator element and natural-type steam-water separator element in one modification of this invention.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本実施形態における沸騰水型原子炉の構造を表す鉛直方向断面図である。図２は、本実施形態における強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの配置を表す水平方向部分拡大断面図である。図３は、図２中断面III−IIIによる鉛直方向断面図であり、本実施形態における強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの構造を表す。 FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the structure of a boiling water reactor in this embodiment. FIG. 2 is a partial enlarged cross-sectional view in the horizontal direction showing the arrangement of the forced air / water separator element and the natural air / water separator element in the present embodiment. FIG. 3 is a vertical sectional view taken along section III-III in FIG. 2 and shows the structure of the forced-type steam-water separator element and the natural-type steam-water separator element in the present embodiment.

沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器１と、圧力容器１内に設けられて炉心２を格納するシュラウド３と、シュラウド３の上側に設けられて上部プレナム４を形成する上部シュラウド５及びシュラウドヘッド６と、シュラウドヘッド６に設けられた気水分離器７と、気水分離器７の周囲に設けられて湿り蒸気プレナム８を形成するスカート９及び隔離板１０と、隔離板１０の上側に設けられた蒸気乾燥器１１と、圧力容器１とシュラウド３の間のダウンカマ１２に設けられた複数のインターナルポンプ１３とを備えている。 The boiling water reactor includes a reactor pressure vessel 1, a shroud 3 provided in the pressure vessel 1 for storing the core 2, an upper shroud 5 provided on the upper side of the shroud 3 to form an upper plenum 4, and a shroud A head 6, a steam / water separator 7 provided in the shroud head 6, a skirt 9 and a separator 10 provided around the steam / water separator 7 to form a wet steam plenum 8, and an upper side of the separator 10. A steam dryer 11 provided and a plurality of internal pumps 13 provided in a downcomer 12 between the pressure vessel 1 and the shroud 3 are provided.

そして、インターナルポンプ１３の駆動により、ダウンカマ１２内の水が下部プレナム１４を経由して炉心２に供給される。炉心２では、核分裂により発生した熱で水が沸騰し、蒸気と水の二相流状態となる。この気液二相流が上部プレナム４を経由して気水分離器７に供給され、気水分離器７で湿り蒸気と水に分離される。気水分離器７で分離された湿り蒸気は、湿り蒸気プレナム８を経由して蒸気乾燥器１１に供給され、蒸気乾燥器１１で湿り蒸気に含まれる水滴が除去される。蒸気乾燥器１１で水滴が除去された蒸気は、主蒸気ノズル１５及び主蒸気配管（図示せず）を介し蒸気タービン（図示せず）へ供給される。これにより、蒸気タービンが駆動し、この蒸気タービンによって発電機（図示せず）が駆動する。そして、蒸気タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて水になり、この水が給水配管（図示せず）及び給水ノズル１６を介しダウンカマ１２に供給されるようになっている。なお、気水分離器７及び蒸気乾燥器１１で分離された水は、ダウンカマ１２に排出されて、給水ノズル１６から供給された水と合流するようになっている。 Then, by driving the internal pump 13, the water in the downcomer 12 is supplied to the core 2 via the lower plenum 14. In the core 2, water boils with heat generated by fission, resulting in a two-phase flow state of steam and water. This gas-liquid two-phase flow is supplied to the steam-water separator 7 via the upper plenum 4, and is separated into wet steam and water by the steam-water separator 7. The wet steam separated by the steam separator 7 is supplied to the steam dryer 11 via the wet steam plenum 8, and water droplets contained in the wet steam are removed by the steam dryer 11. The steam from which water droplets have been removed by the steam dryer 11 is supplied to a steam turbine (not shown) via a main steam nozzle 15 and a main steam pipe (not shown). Thereby, a steam turbine drives and a generator (not shown) drives with this steam turbine. The steam discharged from the steam turbine is condensed into water by a condenser (not shown), and this water is supplied to the downcomer 12 through a water supply pipe (not shown) and the water supply nozzle 16. It has become. The water separated by the steam separator 7 and the steam dryer 11 is discharged to the downcomer 12 and joins with the water supplied from the water supply nozzle 16.

気水分離器７は、複数の強制式気水分離器エレメント１７と、複数の自然式気水分離器エレメント１８で構成されている。複数の強制式気水分離器エレメント１７は、シュラウドヘッド３の上側に、三角格子状に配置されている。複数の自然式気水分離器エレメント１８は、シュラウドヘッド３の径方向中心部（言い換えれば、気水分離器７の径方向中心部）に位置するように配置されている。また、自然式気水分離器エレメント１８は、強制式気水分離器エレメント１７より小径であり、複数の強制式気水分離器エレメント１７の間に配置されている。詳細には、三角格子状に配置された３つの強制式気水分離器エレメント１７の間に、１つの自然式気水分離器エレメント１８が配置されている。 The steam / water separator 7 is composed of a plurality of forced steam / water separator elements 17 and a plurality of natural steam / water separator elements 18. The plurality of forced air / water separator elements 17 are arranged in a triangular lattice shape on the upper side of the shroud head 3. The plurality of natural air / water separator elements 18 are arranged so as to be positioned at the radial center of the shroud head 3 (in other words, the radial center of the steam / water separator 7). The natural air / water separator element 18 has a smaller diameter than the forced air / water separator element 17 and is disposed between the plurality of forced air / water separator elements 17. Specifically, one natural steam / water separator element 18 is disposed between three forced steam / water separator elements 17 arranged in a triangular lattice pattern.

強制式気水分離器エレメント１７は、シュラウドヘッド６の上側に接続されたスタンドパイプ１９と、このスタンドパイプ１９の上側に接続されたディフューザ２０と、このディフューザ２０内に固定されたスワラー２１と、ディフューザ２０の上側に接続された第１段の内筒２２Ａと、この第１段の内筒２２Ａの外周側に配置された第１段の外筒２３Ａと、この第１段の外筒２３Ａの上端に設けられて第１段の内筒２２Ａの上端との間にギャップを形成するピックオフリング２４Ａとを有している。また、第１段のピックオフリング２４Ａの上側に接続された第２段の内筒２２Ｂと、この第２段の内筒２２Ｂの外周側に配置された第２段の外筒２３Ｂと、この第２段の外筒２３Ｂの上端に設けられて第２段の内筒２２Ｂの上端との間にギャップを形成する第２段のピックオフリング２４Ｂとを有している。さらに、第２段のピックオフリング２４Ｂの上側に接続された第３段の内筒２２Ｃと、この第３段の内筒２２Ｃの外周側に配置された第３段の外筒２３Ｃと、この第３段の外筒２３Ｃの上端に設けられて第３段の内筒２２Ｃの上端との間にギャップを形成する第３段のピックオフリング２４Ｃとを有している。すなわち、内筒、外筒、及びピックオフリングで構成された気水分離機構を３段有している。 The forced air / water separator element 17 includes a stand pipe 19 connected to the upper side of the shroud head 6, a diffuser 20 connected to the upper side of the stand pipe 19, and a swirler 21 fixed in the diffuser 20; A first-stage inner cylinder 22A connected to the upper side of the diffuser 20, a first-stage outer cylinder 23A disposed on the outer peripheral side of the first-stage inner cylinder 22A, and the first-stage outer cylinder 23A A pick-off ring 24A is provided at the upper end and forms a gap with the upper end of the first-stage inner cylinder 22A. Further, a second-stage inner cylinder 22B connected to the upper side of the first-stage pick-off ring 24A, a second-stage outer cylinder 23B disposed on the outer peripheral side of the second-stage inner cylinder 22B, A second-stage pickoff ring 24B is provided at the upper end of the second-stage outer cylinder 23B and forms a gap with the upper end of the second-stage inner cylinder 22B. Furthermore, a third-stage inner cylinder 22C connected to the upper side of the second-stage pick-off ring 24B, a third-stage outer cylinder 23C disposed on the outer peripheral side of the third-stage inner cylinder 22C, A third-stage pick-off ring 24C is provided at the upper end of the third-stage outer cylinder 23C and forms a gap with the upper end of the third-stage inner cylinder 22C. That is, it has three stages of steam-water separation mechanisms composed of an inner cylinder, an outer cylinder, and a pick-off ring.

炉心２で発生した気液二相流は、上部プレナム４を経由して強制式気水分離器エレメント１７のスタンドパイプ１９に流入する。そして、ディフューザ２０内のスワラー２１で旋回力が付与され、内筒２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ内で気液二相流の流動状態が旋回流（環状流）となる。すなわち、密度差による遠心力の違いにより、水が径方向外側に押し出されて、壁面に液膜流を形成する。そして、ピックオフリング２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃで蒸気流と液膜流に分離される。すなわち、液膜流は、各段の内筒とピックオフリングの間に形成されたギャップを経由して、各段の内筒と外筒の間に形成された排出流路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃに流出し、その後、ダウンカンマ１２に排出される。蒸気流は、ピックオフリング２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃを通過し、湿り蒸気プレナム８を経由して蒸気乾燥器１１に供給されるようになっている。 The gas-liquid two-phase flow generated in the core 2 flows into the standpipe 19 of the forced steam separator element 17 via the upper plenum 4. Then, a swirl force is applied by the swirler 21 in the diffuser 20, and the flow state of the gas-liquid two-phase flow becomes a swirl flow (annular flow) in the inner cylinders 22A, 22B, 22C. That is, due to the difference in centrifugal force due to the density difference, water is pushed out radially outward to form a liquid film flow on the wall surface. The pickoff rings 24A, 24B, and 24C separate the vapor flow and the liquid film flow. That is, the liquid film flow passes through a gap formed between the inner cylinder and the pick-off ring of each stage, and is discharged into the discharge channels 25A, 25B, and 25C formed between the inner cylinder and the outer cylinder of each stage. After that, it is discharged to the down comma 12. The steam flow passes through the pick-off rings 24A, 24B, and 24C, and is supplied to the steam dryer 11 via the wet steam plenum 8.

自然式気水分離器エレメント１８は、シュラウドヘッド６を貫通するように設けられた直管２６Ａと、この直管２６Ａの上側部分の外周側に配置された外筒２７と、この外筒２７の上端に設けられて直管２６Ａの上端との間にギャップを形成するピックオフリング２８と、このピックオフリング２８の上側に接続された直管２６Ｂとを有している。すなわち、直管、外筒、及びピックオフリングで構成された気水分離機構を１段有している。 The natural air / water separator element 18 includes a straight pipe 26A provided so as to penetrate the shroud head 6, an outer cylinder 27 disposed on the outer peripheral side of the upper portion of the straight pipe 26A, and the outer cylinder 27 A pickoff ring 28 provided at the upper end and forming a gap with the upper end of the straight pipe 26 </ b> A, and a straight pipe 26 </ b> B connected to the upper side of the pickoff ring 28 are provided. That is, it has one stage of the steam-water separation mechanism composed of a straight pipe, an outer cylinder, and a pick-off ring.

炉心２で発生した気液二相流には、クオリティの径方向分布が生じている。すなわち、炉心２の径方向中心部では、気液二相流のクオリティが比較的大きく、炉心２の径方向外側では、気液二相流のクオリティが比較的小さくなっている。但し、気液二相流が上部プレナム４内を上昇している間に混合されるため、強制式気水分離器エレメント１７の入口では、炉心２の出口と比べ、クオリティ分布の偏差が減少している。自然式気水分離器エレメント１８は、気水分離器７の径方向中心部に位置するとともに、その入口（直管２６Ａの下端部）が上部プレナム４内に位置している。そのため、自然式気水分離器エレメント１８に流入する気液二相流のクオリティが、強制式気水分離器エレメント１７に流入する気液二相流のクオリティより大きくなっている。 The gas-liquid two-phase flow generated in the core 2 has a quality radial distribution. That is, the quality of the gas-liquid two-phase flow is relatively high at the central portion in the radial direction of the core 2, and the quality of the gas-liquid two-phase flow is relatively small outside the radial direction of the core 2. However, since the gas-liquid two-phase flow is mixed while rising in the upper plenum 4, the deviation of the quality distribution is reduced at the inlet of the forced steam separator element 17 compared to the outlet of the core 2. ing. The natural air / water separator element 18 is located at the radial center of the air / water separator 7, and its inlet (the lower end of the straight pipe 26 </ b> A) is located within the upper plenum 4. Therefore, the quality of the gas-liquid two-phase flow flowing into the natural gas-water separator element 18 is higher than the quality of the gas-liquid two-phase flow flowing into the forced gas-water separator element 17.

ここで、本実施形態の大きな特徴として、強制式気水分離器エレメント１７の内筒２２Ａ（及び２２Ｂ，２２Ｃ）の内径寸法が例えば１６０ｍｍ程度であるのに対し、自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａ（及び２６Ｂ）の内径寸法が５０ｍｍ以下（詳細には、例えば２５ｍｍ）である。そのため、自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａでは、スワラーがなくても気液二相流の流動状態が環状流となる。 Here, as a major feature of the present embodiment, the inner diameter dimension of the inner cylinder 22A (and 22B, 22C) of the forced steam separator element 17 is, for example, about 160 mm, whereas the natural steam separator element 18 The straight pipe 26A (and 26B) has an inner diameter of 50 mm or less (specifically, for example, 25 mm). Therefore, in the straight pipe 26A of the natural-type steam / water separator element 18, the flow state of the gas-liquid two-phase flow becomes an annular flow without a swirler.

図４を用いて、直管２６Ａの内径と気液二相流の流動状態との関係を説明する。図４の横軸は、直管２６Ａの内径であり、縦軸は、気液二相流の圧力である。気液二相流の質量流速及びクオリティは、原子炉の定格運転時の条件を想定している。例えば気液二相流の圧力が５ＭＰａである場合、直管２６Ａの内径寸法が７０ｍｍ以下であれば、気液二相流の流動状態が環状流となる。また、例えば気液二相流の圧力が７ＭＰａである場合、直管２６Ａの内径寸法が６３ｍｍ以下であれば、気液二相流の流動状態が環状流となる。本実施形態の自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａでは、その内径寸法が５０ｍｍ以下であることから、スワラーがなくても気液二相流の流動状態が環状流となる。そのため、ピックオフリング２８で気液二相流の分離を十分に行うことができる。すなわち、液膜流は、直管２６Ａとピックオフリング２８の間に形成されたギャップを経由して、直管２６Ａと外筒２７の間に形成された排出流路２９に流出し、その後、ダウンカンマ１２に排出される。蒸気流は、ピックオフリング２８を通過し、湿り蒸気プレナム８を経由して蒸気乾燥器１１に供給される。 The relationship between the inner diameter of the straight pipe 26A and the flow state of the gas-liquid two-phase flow will be described with reference to FIG. The horizontal axis in FIG. 4 is the inner diameter of the straight pipe 26A, and the vertical axis is the gas-liquid two-phase flow pressure. The mass flow rate and quality of the gas-liquid two-phase flow are based on conditions at the rated operation of the reactor. For example, when the pressure of the gas-liquid two-phase flow is 5 MPa, the flow state of the gas-liquid two-phase flow is an annular flow if the inner diameter dimension of the straight pipe 26A is 70 mm or less. For example, when the pressure of the gas-liquid two-phase flow is 7 MPa, the flow state of the gas-liquid two-phase flow is an annular flow if the inner diameter dimension of the straight pipe 26A is 63 mm or less. In the straight pipe 26A of the natural air / water separator element 18 of the present embodiment, the inner diameter dimension is 50 mm or less, so that the flow state of the gas-liquid two-phase flow is an annular flow without a swirler. Therefore, the gas-liquid two-phase flow can be sufficiently separated by the pick-off ring 28. That is, the liquid film flow flows out to the discharge flow path 29 formed between the straight pipe 26A and the outer cylinder 27 via the gap formed between the straight pipe 26A and the pick-off ring 28, and then the down flow It is discharged to the comma 12. The steam flow passes through the pick-off ring 28 and is supplied to the steam dryer 11 via the wet steam plenum 8.

また、本実施形態では、従来配置の強制式気水分離器エレメント１７の間に、自然式気水分離器エレメント１８を追加している。これより、気水分離器７全体の流路断面積が増加するので、強制式気水分離器エレメント１７における気液二相流の体積流量を減少させることができる。また、本実施形態においては、自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａは、その下端部が上部プレナム４内に位置し（言い換えれば、強制式気水分離器エレメント１７のスタンドパイプ１９の下端部より炉心２側に位置し）、クオリティが比較的大きい気液二相流を導入している。これにより、強制式気水分離器エレメント１７における気液二相流のクオリティを減少させ、ひいては気液二相流の体積流量を減少させることができる。そして、強制式気水分離器エレメント１７の体積流量を減少させることにより、強制式気水分離器エレメント１７の圧力損失を低減することができる。自然式気水分離器エレメント１８を追加しない場合と比べると、自然式気水分離器エレメント１８の圧力損失のぶんが増加するものの、強制式気水分離器エレメント１７の圧力損失の低減効果が大きいことから、気水分離器７全体の圧力損失を低減することができる。 In the present embodiment, a natural air / water separator element 18 is added between the forced air / water separator elements 17 of the conventional arrangement. Thereby, since the cross-sectional area of the entire steam-water separator 7 increases, the volume flow rate of the gas-liquid two-phase flow in the forced steam-water separator element 17 can be reduced. In the present embodiment, the straight pipe 26A of the natural air / water separator element 18 has its lower end located in the upper plenum 4 (in other words, the standpipe 19 of the forced air / water separator element 17). A gas-liquid two-phase flow having a relatively high quality is introduced. Thereby, the quality of the gas-liquid two-phase flow in the forced gas-water separator element 17 can be reduced, and consequently the volume flow rate of the gas-liquid two-phase flow can be reduced. And the pressure loss of the forced air / water separator element 17 can be reduced by decreasing the volume flow rate of the forced air / water separator element 17. Compared to the case where the natural steam separator element 18 is not added, the pressure loss of the natural steam separator element 18 increases, but the pressure loss reduction effect of the forced steam separator element 17 is large. Therefore, the pressure loss of the whole steam separator 7 can be reduced.

なお、上記一実施形態においては、既設の原子炉への適用等を考慮して、従来配置の強制式気水分離器エレメント１７の間に、自然式気水分離器エレメント１８を追加した場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば新設の原子炉へ適用する場合、従来配置における１つ又は複数の強制式気水分離器エレメント１７に代えて、それより多数の自然式気水分離器エレメント１８を設けてもよい。すなわち、図５で示すように、六角格子状に配置された６つの強制式気水分離器エレメント１７の間に、複数（図中では９つ）の自然式気水分離器エレメント１８が配置されてもよい。あるいは、図示しないが、六角以上の多角格子状に配置された６つ以上の強制式気水分離器エレメント１７の間に、複数の自然式気水分離器エレメント１８が配置されてもよい。これらの場合も、気水分離器全体の圧力損失を低減することができる。 In the above-described embodiment, in consideration of application to an existing nuclear reactor or the like, a case where a natural-type steam / water separator element 18 is added between the conventional-type forced steam / water separator elements 17 is used. Although described as an example, the present invention is not limited to this. For example, when applied to a newly installed nuclear reactor, one or a plurality of forced air / water separator elements 17 in the conventional arrangement may be replaced with a larger number of natural air / water separator elements 18. That is, as shown in FIG. 5, a plurality (9 in the figure) of natural steam / water separator elements 18 are arranged between six forced steam / water separator elements 17 arranged in a hexagonal lattice pattern. May be. Alternatively, although not shown, a plurality of natural air / water separator elements 18 may be arranged between 6 or more forced air / water separator elements 17 arranged in a hexagonal or more polygonal lattice shape. Also in these cases, the pressure loss of the whole steam separator can be reduced.

また、上記一実施形態においては、複数の自然式気水分離器エレメント１８を備える場合を例にとって説明したが、これに限られず、少なくとも１つの自然式気水分離器エレメント１８を備えていればよい。また、上記一実施形態においては、自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａは、シュラウドヘッド６に貫通するように設けられた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、クオリティが比較的大きい気液二相流を導入できるのであれば、強制式気水分離器エレメント１７のスタンドパイプ１９と同様、シュラウドヘッド６の上側に接続されてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。 Moreover, in the said one Embodiment, although demonstrated taking the case where the some natural type | formula water separator element 18 was provided as an example, it is not restricted to this, If at least one natural type | formula water separator element 18 is provided, Good. In the above-described embodiment, the straight pipe 26 </ b> A of the natural steam separator element 18 has been described as an example so as to penetrate the shroud head 6. However, the present invention is not limited to this. That is, as long as a gas-liquid two-phase flow having a relatively high quality can be introduced, it may be connected to the upper side of the shroud head 6 in the same manner as the stand pipe 19 of the forced steam / water separator element 17. In this case, the same effect as described above can be obtained.

また、上記一実施形態においては、強制式気水分離器エレメント１７が３段の気液分離機構を有し、自然式気水分離器エレメント１８が１段の気液分離機構を有する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、原子炉の仕様に応じて、例えば自然式気水分離器エレメント１８が２段以上の気液分離機構を有していてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。 In the above embodiment, the forced steam / water separator element 17 has a three-stage gas / liquid separation mechanism, and the natural steam / water separator element 18 has a one-stage gas / liquid separation mechanism. However, this is not a limitation. That is, according to the specifications of the nuclear reactor, for example, the natural-type steam-water separator element 18 may have two or more stages of gas-liquid separation mechanisms. In this case, the same effect as described above can be obtained.

以上においては、本発明の適用対象として、インターナルポンプ１３を備えた改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ：Advanced Boiling Water Reactor）を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、原子炉圧力容器の外側に設けられ、ダウンカマからの水を昇圧する再循環ポンプと、ダウンカマに設けられ、再循環ポンプからの水を下部プレナムに供給する複数のジェットポンプとを備えた沸騰水型原子炉（ＢＷＲ：Boiling Water Reactor）に適用してもよい。あるいは、例えば、自然対流によって水を循環させるタイプの高経済性単純化沸騰水型原子炉（ＥＳＢＷＲ：Economic Simplified Boiling Water Reactor）や、次世代の沸騰水型原子炉等に適用してもよい。 In the above description, an improved boiling water reactor (ABWR) provided with an internal pump 13 has been described as an application target of the present invention. However, the present invention is not limited to this. That is, for example, a recirculation pump that is provided outside the reactor pressure vessel and pressurizes water from the downcomer, and a plurality of jet pumps that are provided in the downcoma and supply water from the recirculation pump to the lower plenum. The present invention may be applied to a boiling water reactor (BWR). Alternatively, for example, the present invention may be applied to a highly economical simplified boiling water reactor (ESBWR) that circulates water by natural convection, a next-generation boiling water reactor, or the like.

なお、上述した気水分離器の圧力損失の低減により、次の効果も得ることができる。例えばＡＢＷＲ又はＢＷＲにおいては、インターナルポンプ又は再循環ポンプの動力を低減することができる。また、気水分離器の圧力損失を低減したぶん、気液二相流の流量を増加させることができ、出力の向上を図ることができる。また、ＥＳＢＷＲ（又は、ＡＢＷＲ若しくはＢＷＲにおけるポンプの停止時）において、自然対流による水の循環量を増加させることができ、炉心を冷却する能力を向上させることができる。 In addition, the following effect can also be acquired by reduction of the pressure loss of the steam-water separator mentioned above. For example, in ABWR or BWR, the power of the internal pump or the recirculation pump can be reduced. Moreover, the flow loss of the gas-liquid two-phase flow can be increased by reducing the pressure loss of the steam separator, and the output can be improved. Further, in ESBWR (or when the pump in ABWR or BWR is stopped), the amount of water circulated by natural convection can be increased, and the ability to cool the core can be improved.

６シュラウドヘッド
７気水分離器
１７強制式気水分離器エレメント
１８自然式気水分離器エレメント
２１スワラー
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ内筒
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ外筒
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃピックオフリング
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ排出流路
２６Ａ，２６Ｂ直管
２７外筒
２８ピックオフリング
２９排出流路 6 Shroud head 7 Air / water separator 17 Forced air / water separator element 18 Natural air / water separator element 21 Swirler 22A, 22B, 22C Inner cylinder 23A, 23B, 23C Outer cylinder 24A, 24B, 24C Pickoff rings 25A, 25B , 25C Discharge flow path 26A, 26B Straight pipe 27 Outer cylinder 28 Pickoff ring 29 Discharge flow path

Claims

An inner cylinder that forms a flow path in which a gas-liquid annular two-phase flow is generated by a swirling force applied by a swirler, a pick-off ring that is disposed above the inner cylinder and separates the gas-liquid annular two-phase flow, and the inner cylinder A plurality of forced air / water separator elements each having an outer cylinder that forms a discharge flow path for discharging the liquid separated by the pick-off ring disposed on the outer peripheral side of
A straight pipe that forms a flow path in which a gas-liquid annular two-phase flow is generated without a swirler, a pick-off ring that is disposed above the straight pipe and separates the gas-liquid annular two-phase flow, and an outer peripheral side of the straight pipe At least one natural air / water separator element having an outer cylinder that forms a discharge passage for discharging the liquid separated by the pick-off ring,
The natural water / gas separator element has an inner diameter of 50 mm or less so that a gas / liquid annular two-phase flow is generated without a swirler.

The steam separator according to claim 1,
The straight water separator of the natural air / water separator element is provided so as to penetrate the shroud head

The steam separator according to claim 1,
The natural air / water separator element is disposed at the radial center of the air / water separator.

The steam separator according to claim 1,
A steam / water separator, wherein one natural steam / water separator element is disposed between the three forced steam / water separator elements arranged in a triangular lattice pattern.

The steam separator according to claim 1,
A steam / water separator, wherein a plurality of the natural steam / water separator elements are arranged between the six forced steam / water separator elements arranged in a hexagonal lattice pattern.