JP2018179891A - 自然循環型沸騰水型軽水炉 - Google Patents

Abstract

【課題】自然循環炉に適している利点を活用しつつ、炉内構造物との干渉の可能性を物理的に排除できる、実現性の高い上部制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉を提供する。【解決手段】正方形燃料集合体２２の間に上部側から挿入して炉出力を調整するための複数の十字型制御棒５と、自然循環流量を増加させるために炉心２の上方に設置された分割チムニ７と、分割チムニ７の上方に設けられ、重力によって気水分離を行うための重力気水分離空間２０と、重力気水分離空間２０の上方、かつ炉心２の上方の径方向外側に環状に配置され、重力気水分離空間２０を通過した湿り蒸気から湿分を除去するための環状ドライヤ１９と、を備え、分割チムニ７は、十字型制御棒５が炉心２から上方に引き抜かれる際に十字型制御棒５と干渉せず、かつ上方に引き抜かれる十字型制御棒５の径方向を支持する。【選択図】 図１

Description

本発明は、自然循環型沸騰水型軽水炉に関する。

上部挿入制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉に係る発明として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１によれば、炉心の上方に制御棒案内筒及び炉心シュラウドを配置し、更にその上に制御棒駆動機構を設けることで、炉心上部からの制御棒挿入を実現するとともに、制御棒案内筒のチムニ効果によって冷却材の炉内自然循環が可能になるとしている。

特開２００２−１２２６８６号公報

現行の沸騰水型軽水炉は下部挿入制御棒方式を採用している。図４に、現行の自然循環型の沸騰水型軽水炉の構造の一例を示す。

図４に示すように、沸騰水型軽水炉では、原子炉圧力容器１０１に内包される炉心１０２で発生する核反応熱によって水を沸騰させることで蒸気−飽和水の気液二相流を発生させる。気液二相流はスタンドパイプ１１６を介してセパレータ１１７に導かれ、セパレータ１１７で飽和水と湿り蒸気を分離（気液分離）する。

セパレータ１１７で分離された飽和水はシュラウド１０４と原子炉圧力容器１０１の間隙（ダウンカマ領域）を流下し、原子炉圧力容器１０１外から給水配管（図示省略）を介して供給される給水と混合された後、下部プレナム１１０を経由して炉心１０２に下方から流入する。

一方、セパレータ１１７で分離された微小液滴を随伴する湿り蒸気は、ドライヤ１０９でほぼ全ての液滴を除去されて乾き蒸気となった後、主蒸気配管１１５を介してタービン（図示省略）に導かれ、発電に使われる。

図４に示す沸騰水型軽水炉は自然循環型のため、炉心１０２に冷却水を送り込むためのジェットポンプやインターナルポンプがダウンカマ領域に配置されていない。沸騰水型軽水炉では、沸騰によって水の平均密度が大きく変化するため、加圧水型軽水炉に比べて、自然循環方式の採用が容易である。すなわち、シュラウド１０４より内側の炉心領域の気液二相流の平均水密度が、シュラウド１０４より外側のダウンカマ領域の単相水の水密度より小さいため、シュラウド内外の水頭差を駆動力として、ポンプを使用することなく、炉心１０２に冷却材を供給することができる。

一方、炉心１０２に装荷する燃料集合体（図示省略）に冷却材が流れる際には圧力損失が生じる。自然循環流量は、シュラウド内外の冷却材密度差によって生じる駆動力と前述した圧力損失のバランスで決まるが、一般に、炉心高さ分の水頭差に起因する駆動力だけでは、十分な炉心流量の確保が難しい。そこで、炉心１０２の除熱に必要となる炉心流量を確保するため、炉心１０２の上部に分割チムニ１０７及びその周囲を取り囲むチムニ円筒１０８を設置する。これらの炉内構造物を追加することで、炉心高さ分のシュラウド１０４内外の冷却材密度差に加えて、チムニ円筒１０８内外の冷却材密度差も自然循環駆動力として利用できるようになるため、炉心流量が増加し、炉心１０２を十分に冷却することができる。

ここで、原子炉圧力容器１０１は原子炉格納容器１１２内に格納される。原子炉格納容器１１２は複数の領域に区分されており、原子炉圧力容器１０１の真下の領域は下部ドライウェル１１４と呼ばれる。炉心１０２の出力は、制御棒駆動機構１０６を用いて原子炉圧力容器１０１の下方から制御棒１０５を挿入・引抜を行うことで調整する。

制御棒１０５の引き抜き代や制御棒交換用スペースを考慮に入れて、炉心１０２の真下の下部プレナム１１０や下部ドライウェル１１４の最低限必要となる高さが決定される。そのため、図４に示すように、下部挿入制御棒方式を採用すると、下部プレナム１１０及び下部ドライウェル１１４高さを一定以上確保する必要があり、炉心１０２の原子炉圧力容器１０１内及び原子炉格納容器１１２内での設置位置が高くなる。

原子炉格納容器１１２内には、万一の事故発生時に発生蒸気のエネルギーを吸収することで原子炉格納容器１１２の圧力上昇を抑制し、また、原子炉圧力容器１０１に注水することで炉心１０２の損傷を防止するための圧力抑制プール水１１３が蓄えられている。しかし、炉心１０２の高さが圧力抑制プール水１１３の水位より上にあるため、万一、動的設備であるポンプが使えない状況に陥ると炉心１０２に注水を行うことができなくなる。

これに対して、上部挿入制御棒方式を実現できれば、下部プレナム１１０及び下部ドライウェル１１４高さを低減することができ、炉心１０２位置を圧力抑制プール水１１３の水位と同等程度まで下げられる可能性がある。炉心１０２の位置を下げることができれば、万一、動的機器（ポンプ等）が使えなくなる重大な事故が発生したとしても、原子炉圧力容器１０１と原子炉格納容器１１２を均圧化することにより、圧力抑制プール水１１３の水位と原子炉圧力容器内水位１０３との水頭差を駆動力とする静的注水が可能となり、沸騰水型軽水炉の安全性を向上できることが期待される。

しかるに、特許文献１では、スタンドパイプ、セパレータ、ドライヤと制御棒駆動機構の干渉問題が解決されておらず、その実現は困難である。

本発明は上記の事情を鑑みてなされたもので、その目的は、沸騰水型軽水炉が自然循環炉に適している利点を活用しつつ、炉内構造物との干渉の可能性を物理的に排除できる、実現性の高い上部制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、上部挿入制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉であって、複数の正方形燃料集合体を正方格子状に装荷した炉心と、前記正方形燃料集合体の間に上部側から挿入して炉出力を調整するための複数の十字型制御棒と、自然循環流量を増加させるために前記炉心の上方に設置された分割チムニと、前記分割チムニの上方に設けられ、重力によって気水分離を行うための重力気水分離空間と、前記重力気水分離空間の上方、かつ前記炉心の上方の径方向外側に環状に配置され、前記重力気水分離空間を通過した湿り蒸気から湿分を除去するための環状ドライヤと、を備え、前記分割チムニは、前記十字型制御棒が前記炉心から上方に引き抜かれる際に前記十字型制御棒と干渉せず、かつ上方に引き抜かれる前記十字型制御棒の径方向を支持する構造であることを特徴とする。

本発明によれば、沸騰水型軽水炉が自然循環炉に適している利点を活用しつつ、炉内構造物との干渉の可能性を物理的に排除できる、実現性の高い上部制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉を提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の原子炉格納容器の構成図である。 本発明の好適な一実施例である実施例１の分割チムニの構成図である。 本発明の好適な一実施例である実施例２の分割チムニの構成図である。 現行の下部挿入制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉の説明図である。

以下に本発明の自然循環型沸騰水型軽水炉の実施例を、図面を用いて説明する。

＜実施例１＞
本発明の好適な一実施例である実施例１の上部挿入方式の自然循環型沸騰水型軽水炉を、図１および図２を用いて説明する。最初に、実現性のある上部挿入制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉の概念構成について図１を用いて説明する。図１は本実施例の原子炉格納容器の構成図である。

図１において、本実施例の上部挿入制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉では、複数の正方形燃料集合体２２（図２参照）が正方格子状に装荷された炉心２が原子炉圧力容器１内に配置される。原子炉圧力容器１には、主蒸気配管１５や給水配管（図示省略）が接続される。

炉心２の上方には、自然循環力を向上，増加させるための分割チムニ７が設置され、分割チムニ７はチムニ円筒８内に配置されている。チムニ円筒８はシュラウド４の上方に接続される。これによって、シュラウド４の外側かつ原子炉圧力容器１の内側の領域（ダウンカマ領域）の鉛直方向長さがチムニ円筒８の分だけ延長され、シュラウド４及びチムニ円筒８の内側の冷却材水頭とダウンカマの冷却材水頭差が増大して自然循環力が増加し、燃料集合体を冷却するための炉心流量を確保することができる。

本実施例の分割チムニ７は、十字型制御棒５が炉心２から上方に引き抜かれる際に十字型制御棒５と干渉せず、かつ上方に引き抜かれる十字型制御棒５の径方向を支持する構造となっている。その詳細は図２を用いて後述する。

図４に示すような従来技術とは異なる本発明の重要な特徴として、分割チムニ７の上方にはスタンドパイプ、セパレータ、ドライヤが配置されておらず、上部挿入制御棒方式の十字型制御棒５の挿入・引抜を妨げない構造となっている点が挙げられる。

具体的には、セパレータの代わりに、分割チムニ７の上方に重力による気水分離を行うための重力気水分離空間２０が設けられている。

また、湿り蒸気から湿分を除去するためのドライヤとして、重力気水分離空間２０の上方、かつ原子炉圧力容器１のトップヘッドと一体型の環状ドライヤ１９を採用する。なお、環状ドライヤ１９は、炉心２の上方の径方向外側に環状に配置されていればよい。

このような重力気水分離空間２０および環状ドライヤ１９を設けることで、十字型制御棒５及び制御棒駆動軸２１との干渉の可能性を物理的に排除している。これにより、本発明では、従来知見では実現困難であった上部挿入制御棒方式を実現する。

また、本実施例では、正方形燃料集合体２２の間に上部側から挿入して炉心２の出力を制御するための十字型制御棒５は、上端が制御棒駆動軸２１に接続され、制御棒駆動軸２１は原子炉圧力容器１外に配置される制御棒駆動機構６に接続されている。

本実施例の自然循環型沸騰水型軽水炉では、十字型制御棒５の上方向への引き抜き代を確保するために、原子炉圧力容器１のトップヘッドと原子炉格納容器１２のトップヘッドとの間隙は、図４に示す下部挿入制御棒方式のケースよりも広く確保する必要があり、当該部の必要空間容積が増加する。一方、上部挿入制御棒方式を実現することで、十字型制御棒５を下方に引き抜くためのスペースが不要になるため、図１に示すように、下部プレナム１０、下部ドライウェル１４の高さを低減することができる、との利点が得られる。

また、図４に示す従来の下部挿入制御棒方式の場合、下部プレナム１１０内の冷却材は、制御棒１０５の引き抜き代という観点だけではなく、原子炉の定期検査時に下部ドライウェル１１４で作業を行う作業員の被ばく低減の観点で必要な水深を確保する観点での制約もある。これに対し、本発明の上部挿入制御棒方式であれば、炉心２の流量を確保するためのインターナルポンプや制御棒駆動機構１０６といった、従来の沸騰水型軽水炉では下部ドライウェル１１４内で検査・点検を行う必要のあった機器が全て削減されている。このため、下部ドライウェル１４内での作業頻度が減少し、下部プレナム１０高さを大幅に低減できる可能性がある。

以上の効果により、図１に示すように、炉心２の設置位置が圧力抑制プール水１３水位と同程度とすることができる。このことから、万一、動的機器（ポンプ等）が使えなくなる重大な事故が発生したとしても、原子炉圧力容器１と原子炉格納容器１２が均圧化した後は、ポンプのような動的機器に頼ることなく、圧力抑制プール水１３の水位と原子炉圧力容器内水位３との水頭差を駆動力とする原子炉圧力容器１への静的注水を実現し、沸騰水型軽水炉の安全性の向上を図ることができる。

なお、本発明の上部挿入制御棒方式では、重力気水分離空間２０内に設置する複数の制御棒駆動軸２１により、湿り蒸気に随伴される微小液滴が制御棒駆動軸２１表面に付着して除去される効果が加わるため、下部挿入制御棒方式に比べて、重力気水分離空間２０の気水分離性能が向上し、重力気水分離性能向上効果も得られる。

以上のように、本発明の上部挿入制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉によれば、炉心２の上方の炉内構造物（スタンドパイプ、セパレータ、ドライヤ）と上方向に引き抜く十字型制御棒５や制御棒駆動軸２１との干渉の可能性を物理的に排除しつつ、原子炉圧力容器１内及び原子炉格納容器１２内における炉心２の設置位置を大幅に下げることができ、万一、ポンプ等の動的機器が使用できない重大な事故が発生したとしても、重力を駆動力とする静的注水によって炉心２を安定して冷却することができるため、自然循環型の沸騰水型軽水炉の安全性を向上することができる。

また、本実施例の分割チムニ７は、炉心２から上方に引き抜かれた十字型制御棒５を支持できる構造を実現することを特徴としている。その構造の詳細について図２を用いて説明する。図２は、本実施例の分割チムニ７及びチムニ円筒８を上から見た図である。

上述のように、本実施例の自然循環型沸騰水型軽水炉では、正方形燃料集合体２２が炉心２内に正方格子状に配置されている。このうち、４体の正方形燃料集合体２２毎に１本ずつ、十字型制御棒５が割り当てられており、挿入・引抜を行うことで十字型制御棒５の周辺の正方形燃料集合体２２の出力分布を調整する。

本実施例の分割チムニ７は、炉心２から上方に引き抜かれた状態の十字型制御棒５を支持することができるように、複数の制御棒支持筒２３と支持筒位置決めビーム２４Ａとから構成される。

制御棒支持筒２３は、正方形燃料集合体２２の約２倍の辺長をもつ大型の筒であり、十字型制御棒５の径方向を支持するよう正方格子状に配列して配置されている。図２に示すように、この制御棒支持筒２３によって、制御棒支持筒２３の間隙で上方向に引き抜かれた十字型制御棒５を支持することが可能となり、十字型制御棒５が気液二相流の流力振動発生によって破損するリスクを大幅に低減することができる。制御棒支持筒２３は、炉心２の長軸方向に対して垂直な方向の長さが十字型制御棒５と同じ長さであり、その断面積が正方形燃料集合体２２の炉心２の垂直方向の４体分の面積を占めるサイズとなっている。なお、気液二相流の大部分は、制御棒支持筒２３の筒内を上方に流れ、重力気水分離空間２０に到達する。

また、支持筒位置決めビーム２４Ａは、制御棒支持筒２３を支持するよう正方格子状に設置されている。この支持筒位置決めビーム２４Ａは、十字型制御棒５を安定して支持するために、制御棒支持筒２３の上下端（炉心２と接する分割チムニ７入口部、及び重力気水分離空間２０側の分割チムニ７出口部）の辺中央が支持筒位置決めビーム２４Ａと嵌め合い構造となっており、更にその嵌め合い部分が溶接されている。このような構造により、制御棒支持筒２３間の距離を適切に保持することを特徴としている。

また、図２に示すように、支持筒位置決めビーム２４Ａの端部をチムニ円筒８内壁に溶接されている。これにより、制御棒支持筒２３、支持筒位置決めビーム２４Ａのチムニ円筒８内における位置が固定されており、十字型制御棒５を安定して支持する特徴を有している。

このような分割チムニ７を用いることにより、流力振動発生による十字型制御棒５の破損リスクを大幅に低減することが可能となり、実現性のある上部挿入制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉を提供することができる。

＜実施例２＞
本発明の実施例２の上部挿入方式の自然循環型沸騰水型軽水炉を、図３を用いて説明する。図３は、本実施例の分割チムニ及びチムニ円筒８を上から見た図である。

なお、原子炉格納容器及び原子炉圧力容器内の構成は図１に同じであるため、詳細は省略する。ここでは、十字型制御棒５を支持できる分割チムニ７の構造の図２とは異なる部分を中心に説明する。また、実施例１と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。

図３に示すように、本実施例の分割チムニは、炉心２から上方に引き抜かれた状態の十字型制御棒５を支持することができるように、複数のビーム２４Ｂと制御棒支持梁２５とから構成される。

ビーム２４Ｂは、炉心２の上方に、正方形燃料集合体２２及び十字型制御棒５を上方に引き抜く際にいずれとも干渉しないように正方格子状に配置されており、正方格子を構成できるように縦横方向に一定間隔で配置されている。ビーム２４Ｂは、その径方向両端部がチムニ円筒８の内表面に溶接されたことでビーム２４Ｂのチムニ円筒８内での位置決めが行われている。ビーム２４Ｂは、実施例１の制御棒支持筒２３と同様に、炉心２の鉛直方向の長さが正方形燃料集合体２２の約２倍の長さである。

制御棒支持梁２５は、ビーム２４Ｂの辺のうち、正方形燃料集合体２２を上方に引き抜く際に干渉しないビーム２４Ｂの辺中央付近の炉心２の鉛直方向上側に設けられ、十字型制御棒５の十字状ブレードの先端を支持する。制御棒支持梁２５は、十字型制御棒５の端部を支持するために２本一組で構成される。

本実施例の分割チムニでは、実施例１の分割チムニ７と同様の効果が得られる。なお、本実施例の分割チムニは、実施例１の分割チムニ７に比べて溶接個所が多く、実施例１の分割チムニ７よりも製造に要するコストがかかる可能性があるが、実施例１の分割チムニ７に対して以下のような利点を有する。

すなわち、実施例１の分割チムニ７のような構造では、制御棒支持筒２３との干渉により、分割チムニ７を取り外さなければ、正方形燃料集合体２２を炉外に取り出す事ができない。これに対し、本実施例の分割チムニのような構造であれば、十字型制御棒５の端部だけを支持する構造のため、分割チムニを取り外すことなく、十字型制御棒５及び正方形燃料集合体２２を炉外に取り出すことができる。これにより、燃料交換時に分割チムニを取り外す必要が無くなるため、定検期間を短縮することができる。

以上のように、本実施例によれば、流力振動発生による十字型制御棒５の破損リスクを大幅に低減するとともに、分割チムニを取り外すことなく十字型制御棒５及び正方形燃料集合体２２を交換することが可能となり、定検期間短縮も実現しつつ、実現性のある上部挿入制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉を提供することができる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１…原子炉圧力容器
２…炉心
３…原子炉圧力容器内水位
４…シュラウド
５…十字型制御棒
６…制御棒駆動機構
７…分割チムニ
８…チムニ円筒
９…ドライヤ
１０…下部プレナム
１２…原子炉格納容器
１３…圧力抑制プール水
１４…下部ドライウェル
１５…主蒸気配管
１９…環状ドライヤ
２０…重力気水分離空間
２１…制御棒駆動軸
２２…正方形燃料集合体
２３…制御棒支持筒
２４Ａ…支持筒位置決めビーム
２４Ｂ…ビーム
２５…制御棒支持梁

Claims (6)

1. 上部挿入制御棒方式の自然循環型沸騰水型軽水炉であって、
   複数の正方形燃料集合体を正方格子状に装荷した炉心と、
   前記正方形燃料集合体の間に上部側から挿入して炉出力を調整するための複数の十字型制御棒と、
   自然循環流量を増加させるために前記炉心の上方に設置された分割チムニと、
   前記分割チムニの上方に設けられ、重力によって気水分離を行うための重力気水分離空間と、
   前記重力気水分離空間の上方、かつ前記炉心の上方の径方向外側に環状に配置され、前記重力気水分離空間を通過した湿り蒸気から湿分を除去するための環状ドライヤと、を備え、
   前記分割チムニは、前記十字型制御棒が前記炉心から上方に引き抜かれる際に前記十字型制御棒と干渉せず、かつ上方に引き抜かれる前記十字型制御棒の径方向を支持する構造である
   ことを特徴とする自然循環型沸騰水型軽水炉。
2. 請求項１に記載の自然循環型沸騰水型軽水炉において、
   前記分割チムニは、
   前記十字型制御棒の径方向を支持するよう正方格子状に配置された複数の制御棒支持筒と、
   前記制御棒支持筒を支持するよう正方格子状に設置された支持筒位置決めビームと、から構成される
   ことを特徴とする自然循環型沸騰水型軽水炉。
3. 請求項２に記載の自然循環型沸騰水型軽水炉において、
   前記分割チムニの前記制御棒支持筒と前記支持筒位置決めビームとは、嵌め合い構造で前記制御棒支持筒の上下端の辺中央が前記支持筒位置決めビームに対して溶接され、
   前記制御棒支持筒および前記支持筒位置決めビームを内包するチムニ円筒の内表面に前記支持筒位置決めビームの径方向両端が溶接されたことで前記支持筒位置決めビームの前記チムニ円筒内での位置決めが行われた
   ことを特徴とする自然循環型沸騰水型軽水炉。
4. 請求項２に記載の自然循環型沸騰水型軽水炉において、
   前記制御棒支持筒は、その断面積が前記正方形燃料集合体の炉心垂直方向の４体分の面積を占める
   ことを特徴とする自然循環型沸騰水型軽水炉。
5. 請求項１に記載の自然循環型沸騰水型軽水炉において、
   前記分割チムニは、
   前記炉心の上方に、前記正方形燃料集合体及び前記十字型制御棒を上方に引き抜く際にいずれとも干渉しないように正方格子状に配置された複数のビームと、
   前記ビームの辺に設けられ、前記十字型制御棒の十字状ブレードの先端を支持し、かつ、前記正方形燃料集合体を上方に引き抜く際に干渉しない制御棒支持梁と、から構成される
   ことを特徴とする自然循環型沸騰水型軽水炉。
6. 請求項５に記載の自然循環型沸騰水型軽水炉において、
   前記ビームを内包するチムニ円筒の内表面に前記ビームの径方向両端が溶接されたことで前記ビームの前記チムニ円筒内での位置決めが行われた
   ことを特徴とする自然循環型沸騰水型軽水炉。

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