JP2018506724A - 加圧水型原子炉施設用の横置蒸気発生器、及びそれを有する原子炉施設 - Google Patents

Abstract

原子炉施設が有する加圧水型原子炉は循環路を４本備えている。各循環路では横置蒸気発生器が水平な伝熱管束を含む。この伝熱管束は、管間トンネルによって複数のバンクに分割され、圧力容器の中で１次冷却材用ヘッダーに接続されている。圧力容器の呼び径Ｄvess、圧力容器の横方向におけるヘッダーの中心線間の距離Ｓ、および楕円蓋の内面間の距離ＬKは次式に基づいて選択されている：【数１】【選択図】 図１

Description

本発明は、電力産業分野に関し、特に、加圧水型原子炉（ＶＶＥＲ）を有する原子力発電施設用の横置蒸気発生器、およびＶＶＥＲと横置蒸気発生器とを有する原子炉施設に関する。

蒸気発生器は、ＶＶＥＲを有する原子力発電施設（ＮＰＰ）の原子炉設備（ＲＰ）の１次系において最も重要な要素である。蒸気発生器は、原子炉の生成した熱で蒸気を発生させる。この蒸気が発電用タービンに対する作動媒体として用いられる。蒸気発生器は、蒸気の生成能力に加え、ＮＰＰのあらゆる稼働状態において炉心の確実かつ連続的な冷却能力を確保しなければならない。

蒸気発生器の稼働中、放射性の高い１次冷却材がポンプの力で蒸気発生器を通過する。この理由により、ＮＰＰの蒸気発生器は原子炉建屋の格納容器内に設置されるので、格納容器のサイズは蒸気発生器のサイズに大きく影響される。
加圧水型原子炉（ＶＶＥＲ）を有する原子力発電施設の原子炉設備が開発されてからは、蒸気発生器については２種類の設計、即ち、縦置蒸気発生器と横置蒸気発生器との開発が進められている。縦置蒸気発生器は、縦置きの圧力容器と、横置きの管板内に埋め込まれた縦置きのＵ字伝熱管とを有する。横置蒸気発生器は、横置きの圧力容器と、縦置きの１次冷却材用入口ヘッダー及び出口ヘッダーに埋め込まれた横置きの伝熱管とを有する。現在、これら２種類の設計概念は両方とも確立された技術へと発展しつつあるものの、技術動向は異なっている。
本発明は横置蒸気発生器に関し、特に、 横置蒸気発生器をＶＶＥＲ式の原子炉と組み合わせて原子炉施設に応用することに関する。

本発明の背景技術によれば、横置蒸気発生器には異なる設計が存在する。これらの設計の間では、信頼性、サイズ、流量、伝熱管束の配管密度、内部構造物の配置、単位構造あたりの金属の比重などが異なる。
特許文献１に開示された蒸気発生器は、横置きの圧力容器と、その中に設置された横置きの伝熱管束とを有する。伝熱管は、縦置きの１次冷却材用入口ヘッダー及び出口ヘッダーに埋め込まれている。給水装置が伝熱管束の中央に位置する。

特許文献２に開示されている横置蒸気発生器は、両端に１枚ずつ溶接された楕円蓋を含む容器を備えている。この容器の底には平らな蓋付きのフェルールがある。特許文献２によれば、フェルールの平均高さと呼び径との間の比率が０．１〜０．９である。フェルールが短いほど蒸気発生器の長手方向のサイズは小さい。この設計により蒸気発生器が小型化されるので、製造工場から組み立て場所への蒸気発生器の輸送が容易であり、蒸気発生器の収納空間内に空き領域が増える。

ロシア製のＶＶＥＲに対抗する外国製の原子炉が西欧型加圧水型原子炉（ＰＷＲ）である。ＰＷＲ式の原子炉施設は一般に横置蒸気発生器を備えている。縦置きの圧力容器を有する上述の蒸気発生器と異なり、横置蒸気発生器には、その設計の結果得られる以下の公知の特色がある。
・適度な蒸気負荷により、必要な蒸気含水量を確保しつつ簡素な分離方式を適用可能である。
・２次系における適度な流量により、伝熱管および蒸気発生器の他の構成要素における振動の危険性が除かれる。
・１次系の入口ヘッダー及び出口ヘッダーが垂直な円筒形状であることにより、それらの表面上への腐食生成物（スラッジ）の堆積が防止されるので、各ヘッダーが挿入された領域において伝熱管が腐食により損傷する危険性が低減する。
・２次系に供給される水量の増加により、非常時給水システムが使用される場合に蒸気発生器を用いた原子炉冷却の信頼性が高まり、その蒸気発生器の蓄積可能な熱容量によって原子炉施設の過渡変化が軽減される。
・伝熱面が水平姿勢であることにより、水位が伝熱管の上側の列よりも低くても、１次系において媒体の自然循環が確実に行われる。
・緊急事態における１次冷却材の自然循環にとって好ましい条件が得られる。
・保守管理を目的として１次系と２次系との両側から伝熱管束へアクセスがしやすい。蒸気発生器の圧力容器の下部には、スラッジが沈殿し、堆積しうるが、そこには伝熱管が存在しない。したがって、腐食で生じた不純物が蒸気発生器の圧力容器の下部に堆積したとしても、ブローダウンシステム及びノズルを用いてスラッジを洗い流すことができる。

本発明の背景技術によれば、原子力工業に関する発明には、縦置蒸気発生器に関する工学的経験に基づいた横置蒸気発生器の開発を含むものが存在する。例えば、特許文献３に開示された加圧水型原子炉施設は、原子炉、その格納容器の出口に接続された入口を有する冷却材ポンプ、このポンプの出口において高温側配管に接続された入口と原子炉格納容器の入口に接続された低温側配管の出口とを有する蒸気発生器を備えている。この蒸気発生器は水平方向に長い容器を有し、その内部に、水平方向に伸びているＵ字伝熱管の束を含む。伝熱管は縦置きの管板に挿入されている。

原子炉施設の別の問題点は、複数台の蒸気発生器を放射状に配置することにある。この配置は原子炉建屋のサイズの増加につながり、格納容器の製造工程を複雑化させ、その建設費用を増大させる。ロシア及び海外に既存の原子力発電施設においては、ＶＶＥＲ−１０００式原子炉の信頼性と費用対効果とが十分に実証されている。当然ながら、原子炉施設の各部品、およびそれらを組み合わせの中で改良の必要なものは、原子炉の操作の過程において定期的に特定されている。
特許文献４に開示されたＶＶＥＲ−１０００式原子炉施設（ＲＰ）は１次冷却材循環路を４本備え、それぞれが蒸気発生器ＰＧＶ−１０００と原子炉冷却材ポンプ（ＲＣＰ）とを含む。このＲＰの１次冷却材循環路は２つの部分からなる。第１の部分は高温側配管であり、ＲＰ及び蒸気発生器に接続されている。第２の部分は低温側配管であり、ＲＣＰで１次冷却材を蒸気発生器から原子炉へ送るのに利用される。各循環路の機能は、蒸気発生器を通してＲＣＰから原子炉へ、またはその逆へ、１次冷却材を自発的に移動させることにある。蒸気発生器の主要な機能は、１次冷却材によって原子炉の炉心から蒸気発生器へ伝達された熱で飽和蒸気を発生させることにある。ＲＰ、蒸気発生器、及びＲＣＰは、内径８５０ｍｍの溶接配管（ＤＮ８５０）を用いて相互に接続されている。ＲＰを蒸気発生器に接続している主管は、曲率半径１３４０ｍｍの屈曲を含む垂直管である。１次系における熱膨張及び振動はすべて１次冷却材の水頭によって生じる。冷却材の高い温度及び圧力は配管の屈曲部及び溶接部に影響し、配管にひび割れるほどの損傷を与えかねない。特許文献４に開示の実用新案は特に、循環路の溶接部Ｎｏ．１１１への損傷を防ぐように設計されている。上述の問題を解決する目的でこの実用新案は、蒸気発生器の高温側ヘッダーと高温側配管との接続に小型のヘッダーを利用する。これにより、高温側配管のうち小型ヘッダーの下端から高温側配管の屈曲部までの長さは０．２５ｍ以下であり、低温側配管の長さは高温側配管の長さと一致している。

国際出願第９３２０３８６号明細書 ロシア実用新案第１００５９０号明細書 米国特許第５３３１６７７号明細書 ロシア実用新案第１４３５４１号明細書

特許文献１に開示された蒸気発生器では、給水装置が伝熱管束の中央に位置するので、蒸気発生器の容器内に詰められた伝熱面には、水平方向に大きな裂け目がある。蒸気発生器の圧力容器内への伝熱管の詰め方が不十分である結果、原子炉施設の蒸気発生器としては発電力が低く、単位構造あたりの金属の比重が高く、耐久性が低い。
特許文献２に開示されている横置蒸気発生器には、容器の底に平らな蓋付きのフェルールがある。このフェルールが短いほどこの蒸気発生器は長手方向に小型化されるが、その圧力容器の長さは変化しない。即ち、この装置では単位構造あたりの金属の比重が低減しない。
特許文献３に開示された蒸気発生器では伝熱管が縦置きの管板に挿入されている。横置蒸気発生器の設計への管板の適用には次の欠点がある。単位構造あたりの金属の比重が高い。製造工程が複雑である。管板への伝熱管の接続を密封することが難しい。管板の適用により、蒸気発生器内には多数の伝熱管を設置することができない結果、各伝熱管がかなり長い。上述の蒸気発生器の設計は、原子炉施設内に縦置蒸気発生器を横置きにすることとほとんど同一である。この原子炉施設の特色は、蒸気発生器内の伝熱管が少ないことである。これは、配管室には管板が１枚だけ設置されていること、即ち、伝熱面全体が単一のＵ字管のループにより形成されることによる。その結果、伝熱管は長く、その側壁は薄い。これによって、原子炉施設の動作の信頼性が低減する。なぜなら、その蒸気発生器では、伝熱管の詰まりに対する余裕が比較的小さく、１次冷却材の流れに対する伝熱管の抵抗が比較的高いからである。これらは、事故の進行を悪化させるように影響する。

特許文献４の実用新案の欠点は、蒸気発生器の設計及び製造工程が更に複雑化していることである。小型ヘッダーの追加によって、それを出口ヘッダーに溶接するのに余分な溶接が必要であることが示唆されるからである。この点が改善されないままでは、この蒸気発生器及び原子炉施設の動作の信頼性は低減する。
本発明の目的は、蒸気発生器の圧力容器のサイズを増大させることなく、その中に設置される伝熱管を増加させることにより原子炉施設の性能を向上させ、併せて、建築費用を増加させることなく、その原子炉施設を原子炉建屋内へ設置可能にすることである。

加えて、蒸気発生器の伝熱管数は、蒸気発生器の出力を増加させて蒸気のパラメーターを改良するのに、特に圧力を高めるのに重要である。これによって、原子炉施設の効率化が可能である。蒸気発生器の圧力容器内における伝熱管の増加は、蒸気発生器の耐久性も向上させる。これは、伝熱管の中に詰まりの生じたものが１本以上含まれるとしても他の伝熱管が利用可能であるので、蒸気発生器を稼働し続けることが可能であることによる。原子炉施設の一部として機能する蒸気発生器では、その圧力容器内の伝熱管が多いほど原子炉施設の冷却効率は高い、即ち、原子炉炉心における限界熱流束比が上昇する。蒸気発生器の圧力容器内における伝熱管の増加はまた、圧力容器の単位構造あたりの金属の比重も低減させる。一方、圧力容器が小さいほど蒸気発生器の流量が大きい。

目下の課題を解決する目的で提案される本発明による横置蒸気発生器は、加圧水型原子炉施設用であって、給水入口管及び蒸気出口管を少なくとも１本ずつ、並びに楕円蓋を両端に備えている円筒状の圧力容器と、蒸気を発生させる伝熱面を形成しており、管間トンネルによって複数の塊（バンク）に分割されている伝熱管束と、この伝熱管束に接続された１次冷却材用の入口ヘッダー及び出口ヘッダーとを備えている。圧力容器の横方向における入口ヘッダーと出口ヘッダーとの中心線間の距離Ｓは、圧力容器の内径Ｄ_vessとの比率が満たす不等式０．４≦Ｓ／Ｄ_vess≦０．６に基づいて選択されている。楕円蓋の内面間の距離、すなわち蒸気発生器の長さＬ_Kは次式に基づいて選択されている：

ここで、Ｄ_headは、各ヘッダーのうち伝熱管束に貫かれている穿孔領域の外径（ｍｍ）であり、αは、各伝熱管が中央部に含む屈曲の角度（度）であり、Ｂ₁は、伝熱管束の中央部に位置する管間トンネルの幅（ｍｍ）であり、Ｂ₂は、各ヘッダーに面した管間トンネルの幅（ｍｍ）であり、Ｓ_headは、各ヘッダーの外面上、その周方向に沿った伝熱管の間隔（ｍｍ）であり、Ｓ_hは、伝熱管束における伝熱管の水平間隔（ｍｍ）であり、Ｈ_hesは、蒸気発生器の伝熱面積（ｍ²）であり、Ｎ_tbは、蒸気発生器の含む伝熱管の数（本）であり、ｄは、各伝熱管の外径（ｍｍ）であり、Δは、圧力容器の長手方向における伝熱管束の外面から楕円蓋の内面までの距離（ｍｍ）である。各伝熱管の屈曲の角度αは９０°≦α≦１５０°の範囲から選択され、距離Δは３００ｍｍ≦Δ≦１０００ｍｍの範囲から選択されている。

蒸気発生器への最大数の伝熱管の設置が、保守性、信頼性、及び伝熱効率を確保したままで可能であるかは、蒸気発生器の圧力容器の横方向における１次冷却材用ヘッダーの中心線間の距離Ｓが、実験で得られた上記の関係から選択されることで決まる。
原子炉建屋内での原子炉施設の配置は蒸気発生器の圧力容器の長さＬ_Kで決まる。なぜなら、大型の蒸気発生器４台を原子炉格納容器の限られた空間内に設置することが難しいからである。また、その長さＬ_Kが本発明に従って選択された値であれば、蒸気発生器の伝熱面を形成する伝熱管束のＵ字管の製造が確実に容易である。これは、原子炉施設の完全性、及び信頼のおけるその稼働に不可欠である。

本発明によれば、蒸気発生器の伝熱管束には伝熱管が下から上へ連続して詰められており、垂直方向において隣接する伝熱管の隙間が伝熱管の垂直間隔を超えない。伝熱管束は、管間トンネルによって複数のバンクに分割されている。管間トンネルは垂直方向に伸びており、その幅は１００ｍｍ〜２５０ｍｍである。伝熱管は水平方向に伸びて、垂直方向に伸びている１次冷却材用ヘッダーの孔に挿入されている。ヘッダーとの接続点では伝熱管は屈曲しており、その曲率半径は少なくとも６０ｍｍ、好ましくは１００ｍｍ以上である。ヘッダーの側壁に必要な強度を持たせる目的で、ヘッダーの外面の含む穿孔領域の面積は、伝熱管の接続用に開けられた孔の総面積を少なくとも２０％超えている。

蒸気発生器の内部構造物には次のものが含まれていてもよい：伝熱管束の上方に設置された給水分配器、蒸気室内に設置された非常時給水分配器、蒸気発生器の洗浄中に化学試薬を供給するための装置、穴あき水中板、穴あき天井板。
本発明の第２の対象は、加圧水型原子炉と横置蒸気発生器とを有する原子炉施設である。原子炉は循環路を４本備えている。各循環路は、蒸気発生器、原子炉冷却材ポンプ、及び１次冷却材循環用主管を有する。蒸気発生器は水平な伝熱管束を含む。この伝熱管束は、管間トンネルによって複数のバンクに分割され、かつ、楕円蓋を両端に有する円筒形状の圧力容器の中で１次冷却材用の入口ヘッダーと出口ヘッダーとに接続されている。圧力容器の呼び径Ｄ_vess、圧力容器の横方向における入口ヘッダーと出口ヘッダーとの中心線間の距離Ｓ、および楕円蓋の内面間の距離、すなわち蒸気発生器の長さＬ_Kは次式に基づいて選択されている：

ここで、Ｄは蒸気発生器の定格流量（ｔ／ｈ）であり、Ｎ_tbは圧力容器内にある伝熱管の数（本）であり、Ｓ_v、Ｓ_hはそれぞれ、伝熱管束の含む伝熱管の垂直間隔（ｍｍ）、水平間隔（ｍｍ）であり、ｋは、１つのバンク内における配管形態の識別子（ｋ＝１はインライン配管を表し、ｋ＝２はジグザグ配管を表す。）であり、Ｈは圧力容器内の配管部分の高さ（ｍｍ）であり、Ｄ_headは、各ヘッダーのうち伝熱管束に貫かれている穿孔領域の外径（ｍｍ）であり、αは、各伝熱管が中央部に含む屈曲の角度（度）であり、Ｂ₁は、伝熱管束の中央部に位置する管間トンネルの幅（ｍｍ）であり、Ｂ₂は、各ヘッダーに面した管間トンネルの幅（ｍｍ）であり、Ｓ_headは、各ヘッダーの外面上、その周方向に沿った伝熱管の間隔（ｍｍ）であり、Ｈ_hesは蒸気発生器の伝熱面積（ｍ²）であり、ｄは各伝熱管の外径（ｍｍ）であり、Δは、圧力容器の長手方向における伝熱管束の外面から楕円蓋の内面までの距離（ｍｍ）である。各伝熱管の屈曲の角度αは９０°≦α≦１５０°の範囲から選択され、距離Δは３００ｍｍ≦Δ≦１０００ｍｍの範囲から選択されている。

地震に対する安定性を向上させる目的で、蒸気発生器と原子炉冷却材ポンプとは、油圧緩衝器によって原子炉建屋の壁に接続されていてもよい。作業室の温度を下げることによってキャビテーションに対する余裕を増やす目的で、原子炉冷却材ポンプは、循環路内を１次冷却材が流れる方向において蒸気発生器よりも下流に設置されていてもよい。原子炉施設の操作の信頼性を高める目的で、原子炉冷却材ポンプが２台ずつ、各循環路に取り付けられてもよい。即ち、原子炉冷却材ポンプは、循環路の主管の高温側部分（ホットレグ）及び低温側部分（コールドレグ）の両方に設置されていてもよい。ポンプに余剰の可能性を与えることによって、その信頼性が向上する。

原子炉施設の別の配置においては、流量の比較的低い原子炉冷却材ポンプ２台が循環路の主管のコールドレグに並列に設置されていてもよい。これによって、ポンプを小型化し、安全余裕を増加させ、かつ原子炉施設の技術的性能及び経済的効果を向上させることが可能である。
また、原子炉施設の各循環路は、主管に設置された仕切弁を備えていてもよい。これによって、原子炉施設の操作の信頼性を向上させることが可能である。すなわち、蒸気発生器が原子炉から隔離可能であるので、原子炉施設を停止することなく、蒸気発生器の修理を行うことができる。

本発明の適用による技術的効果は、蒸気発生器の圧力容器内に設置される伝熱管が増加し、およびそれらの保守性が高く、Ｕ字管の製造が簡単であることにより、蒸気発生器の熱伝達率が上昇し、その信頼性及び耐久性が向上することにある。併せて、蒸気発生器の圧力容器の単位構造あたりの金属の比重も低減する。本発明の適用による技術的効果にはまた、原子炉施設の信頼性、耐久性、及び効率の向上、原子炉施設の蒸気発生器の単位構造あたりの金属の比重の低減、並びにこれらの製造工程の容易化も含まれる。

原子炉施設が取り付けられた格納容器の水平断面図である。 蒸気発生器の圧力容器の水平断面図である。 伝熱管の１次冷却材ヘッダーへの接続点における蒸気発生器の圧力容器の水平断面詳細図である。 蒸気発生器の、１次冷却材入口ヘッダーの中心線に沿った断面図である。 伝熱管の千鳥配置を示す。 伝熱管の直列配置を示す。 主循環パイプライン（ＭＣＰ）のコールドレグ上に原子炉冷却材ポンプ（ＲＣＰ）が取り付けられた原子炉施設（ＲＰ）１次冷却材循環路を示す。 ＭＣＰのコールドレグ上とホットレグ上にＲＣＰが１つずつ取り付けられたＲＰ１次冷却材循環路を示す。 ＭＣＰのコールドレグ上に２つのＲＣＰが取り付けられたＲＰ１次冷却材循環路を示す。 ＭＣＰのコールドレグ上とホットレグ上に仕切弁が１つずつ取り付けられたＲＰ１次冷却材循環路を示す。

蒸気発生器を含む原子炉施設設備及びその安全装置は、ＮＰＰ原子炉室内に取り付けられる。原子炉室は、加圧部と非加圧部からなる。１次系設備と原子炉は、一般的には加圧部に取り付けられる。
図１は、原子炉施設が取り付けられた格納容器１の水平断面を示す。該格納容器は、プレストレスト鉄筋コンクリートの円筒として設計され、その厚みは、例えば、ＶＶＥＲ−１０００の構成においては１．２ｍ、内径は４５ｍ、高さは５２ｍである。

炉２は、格納容器１の中央部に位置する主循環パイプライン（ＭＣＰ）３によって複数の蒸気発生器４に接続されている。原子炉冷却材ポンプ（ＲＣＰ）５は、１次冷却材（加圧水）をＭＣＰを通じて蒸気発生器４から炉２へと送り込み、また炉２から蒸気発生器４へと送り戻すために用いられる。加熱又は冷却中における圧力を保ち、冷却材の体積のばらつきを相殺するために、加圧器６をさらに原子炉施設内で稼働させてもよい。図１に示されるように、蒸気発生器４は格納容器内の原子炉施設設備のうちで最も大きな面積を占める。しかしながら、社会の発展により、さらに多くの電力生成が求められるようになり、さらに多くの原子炉施設電力をＮＰＰから得ることが求められるようになった。そのため、蒸気発生器の伝熱面及びサイズもより大きくすることが求められるようになったが、そのような蒸気発生器は現時点において既に原子炉の建屋箱に収めるのがほぼ不可能である。格納容器の面積とサイズをさらに増加させるのは、ＮＰＰの主要部分の建設の規模及び費用の目覚ましい増加のため経済的ではない。

本発明は、圧力容器内の伝熱管の数を増加させることによって、蒸気発生器の伝熱の強さ、信頼性及び持続性を増加させることを可能にする。これによって、サイズを大きく増加させることなく原子炉施設の性能を向上させることが可能となり、また蒸気発生器を特定のサイズの格納容器箱内に収めることが可能となる。
ＶＶＥＲを有する原子炉施設用の本発明に係る横置蒸気発生器４は、少なくとも給水接続管８と蒸気排出接続管９を備える円筒状容器７、２つの楕円蓋１０、内部構造物、蒸気発生器の伝熱面を形成する伝熱管束１３に接続された１次冷却材の入口ヘッダー１１及び出口ヘッダー１２を有する。伝熱管束１３は、管間トンネル１６によってバンク１４とバンク１５に分割される。ただちに課題を解決するために、１次冷却材のヘッダー１１の中心線及びヘッダー１２の中心線の間における蒸気発生器の圧力容器７横方向の距離Ｓ（図２）は、以下の比率に基づいて選択される。

ここでＤ_ｖｅｓｓは蒸気発生器の圧力容器の内径であり、楕円蓋の内表面に沿った蒸気発生器の長さＬ_Kは、以下の比率に基づいて選択される：

ここで、Ｄ_ｈｅａｄは、穿孔部内における冷却材ヘッダーの外径（ｍｍ）、
αは、伝熱管中央の屈曲角度（ｄｅｇ．）、
Ｂ_１は、伝熱管中央管間トンネルの幅（ｍｍ）、
Ｂ_２は、冷却材ヘッダーの反対側に位置する伝熱管の管間トンネルの幅（ｍｍ）、
Ｓ_ｈｅａｄは、冷却材ヘッダーの外表面上における伝熱管の周辺間隔（ｍｍ）である。この間隔は、冷却材ヘッダーの外表面上の水平方向列における１つの伝熱管の中心から隣接する伝熱管の中心までの距離として測定される。

Ｓｈは、水平伝熱管束の行における伝熱管同士の間隔（ｍｍ）である。図５及び図６に示されるように、この間隔は、冷却材ヘッダーの外表面上の水平方向列における１つの伝熱管の中心から隣接する伝熱管の中心までの距離として測定される。
Ｈ_ｈｅｓは、蒸気発生器の伝熱面の面積（ｍ^２）である。蒸気発生器の伝熱面の面積は、伝熱管束を構成する伝熱管の表面積の合計として測定される。

Ｎ_ｔｂは、蒸気発生器の伝熱管の数（ｐｃｓ．）である。
ｄは、伝熱管の外径（ｍｍ）、
Δは、伝熱管束の外側の管１７から蒸気発生器の底１０の内表面までの、蒸気発生器の長手方向軸に沿った距離（ｍｍ）である。ここで、伝熱中央管の屈曲角度αと距離Δは、以下の範囲から選択される：９０°≦α≦１５０°及び３００ｍｍ≦Δ≦１０００ｍｍ。

本発明によれば、図５及び図６に示されるように、蒸気発生器の伝熱管束１３は、隣接する管同士の間の垂直方向の隙間ｂが束内の管同士の垂直間隔を超えないように底から上方向に連続して配された複数の伝熱管で満たされている。水平伝熱管はそれぞれ、垂直１次冷却材のヘッダー１１及びヘッダー１２が有する孔に挿入される。図３に示されるように、冷却材ヘッダーへの接続点において、伝熱管の屈曲は少なくとも６０ｍｍ、好ましくは少なくとも１００ｍｍの半径Ｒｈを有する。

蒸気発生器は、少なくとも以下の内部構造物を含む：伝熱管束１３の上方に位置する給水分配器１８、蒸気空間内に位置する非常時給水分配器１９、蒸気発生器の洗浄中に化学試薬を供給するための装置２０、没入有孔板２１、頭上有孔板２２。
蒸気発生器４の稼働中、１次冷却材は炉２から蒸気発生器の入口ヘッダー１１へと供給され、伝熱管束１３を構成する複数の管に分配され、その中を流れてボイラー水、即ち２次冷却材（媒質）への伝熱を伝熱面壁を通して行う出口ヘッダー１２へと流れる。供給水は、接続管８及び接続管８に接続された給水分配器１８を通して蒸気発生器に供給され、蒸気発生器内でボイラー水を形成し、蒸気発生器内で蒸気と水の混合物と混ざり合うことにより温められる。飽和状態まで温められた水は、蒸気発生器循環系（２次系）内へと引き込まれる。２次冷却材は、蒸気発生器の伝熱面上で沸騰し、循環系のライザー部を上昇する。蒸気発生器内の蒸気から水を分離するために、単段階重力沈下分離が行われる。蒸気は、容器7の上部にある蒸気管９を通して蒸気発生器から排出される。

伝熱管束１３から出ていく蒸気は、管バンクの長さ方向に沿った管間トンネル１６、２３内における、及び蒸気発生器の容器と管束との間の隙間内における下方向への水の動きによって相殺される。
蒸気発生器の長さＬ_Kの計算のために提示された実験式における比率は、蒸気発生器の底近傍における伝熱面管屈曲の処理要件に基づく。伝熱管束を構成する管は、３つの屈曲を有するＵ字型である。中央屈曲の角度は９０°〜１５０°の間、伝熱管束の外側の管と底の内底面との間の距離は３００ｍｍ〜１０００ｍｍの間である。この角度と距離は、処理、及び技術面及び経済面を考慮して極めて重要である。好ましい伝熱管中央屈曲角度は、１２０°である。

式０．４≦Ｓ／Ｄ_ｖｅｓｓ≦０．６は、ほぼ同一の幅を有する複数の熱管バンクを有する蒸気発生器の設計を記述する。伝熱管バンク同士の幅が等しいならば、Ｓ／Ｄ_ｖｅｓｓ＝０．５であるときに最大の数の伝熱管を蒸気発生器内に収めることが可能となり、他の条件が同一ならば、これによって蒸気発生器の圧力容器の構造物単位の金属特定量が減少する。

蒸気発生器はヘッダー間の横方向の距離が上記の特定の範囲を超える状態で組み立てられてもよいが、そのような蒸気発生器における管の数は、容器内の空間が効率的に使用されていないために、効率的な稼働に必要な数を下回る。具体的には、冷却材ヘッダーの中心線同士の間の横方向における距離ＳがＳ≦０．４・Ｄ_ｖｅｓｓならば、伝熱管束領域の長手方向断面に隣接する蒸気発生器の中央部の大きな空間が、以下に述べる理由により、伝熱管で満たされないままとなる。冷却材ヘッダーの孔にそれぞれ伝熱管を挿入するためには、伝熱管は特定の屈曲半径Ｒｈ（図３）を有さなければならず、伝熱管の端部の直線部分の長さは、管が挿入されるヘッダー壁の孔の深さを超えなければならない。加えて、ヘッダーの孔に挿入されるためには、伝熱管屈曲の半径は少なくとも６０ｍｍ、好ましくは少なくとも１００ｍｍでなければならない。

冷却材ヘッダーの中心線同士の間の横方向における距離ＳがＳ≧０．６・Ｄ_ｖｅｓｓならば、伝熱管束の領域内の容器側壁に隣接する蒸気発生器の周縁部内の大きな空間が、前述の理由により伝熱管で満たされないままとなる。冷却材ヘッダーの複数の孔に複数の伝熱管を挿入するためには、伝熱管は特定の屈曲半径を有さなければならず、伝熱管の端部の直線部分の長さは、管が挿入されるヘッダー壁の孔の深さを超えなければならないからである。

選択された容器の内径Ｄ_ｖｅｓｓ、冷却材ヘッダーの中心線同士の間の横方向における距離Ｓ及び（楕円蓋の内面間の距離である）長さＬ_Kを有する蒸気発生器の製造によって、蒸気発生器の選択されたサイズの圧力容器内に最大数の伝熱管を収めることが可能となり、伝熱管を安全に設置し、最小の直径を有する容器内に所要の含水量を有する蒸気を得て、Ｕ字型の複数の伝熱管の製造を容易とするための要件を満たすことができる。蒸気発生器のサイズＤ_ｖｅｓｓ及びＬ_Kは、蒸気発生器を格納容器箱内の原子炉施設の一部として取り付けることを考慮している。

本発明に係る蒸気発生器を備えた原子炉施設が図１に示されている。この原子炉施設は、４つの循環路を有する原子炉２を備える。４つの循環路はそれぞれ、伝水平熱管束１３を有する蒸気発生器４、原子炉冷却材ポンプ５、及び１次冷却材の主循環パイプライン３を備える。水平伝熱管束１３は、管間トンネル１６によってバンク１４とバンク１５に分割され、楕円蓋１０を有する円筒状容器７内で、１次冷却材ヘッダー１１及びヘッダー１２に接続される。容器7の内径Ｄ_ｖｅｓｓ、１次冷却材ヘッダー１１及び１２の中心線同士の間の横方向における距離Ｓ、及び楕円蓋１０の複数の内表面に沿った蒸気発生器の長さＬ_Kは、それぞれ、以下の比率に基づいて選択される：

ここで、Ｄは、蒸気発生器の定格能力（ｔ／ｈ）、
Ｎ_ｔｂは、蒸気発生器の容器内における伝熱管の数（ｐｃｓ．）、
Ｓｖは、伝熱管束の垂直方向列における伝熱管同士の間隔（ｍｍ）、Ｓｈは、伝熱管束の水平方向列における伝熱管同士の間隔（ｍｍ）をそれぞれ示す。これは、図５及び図６に示されている。

ｋは、バンク内における伝熱管束の配置識別子（ｋ＝１は直列配置を、ｋ＝２は千鳥配置を示す）、
Ｈは、蒸気発生器の容器の管で満たされる高さ（ｍｍ）である。これは、図４に示されている。
Ｄ_ｈｅａｄは、穿孔領域における１次系ヘッダーの外径（ｍｍ）、
αは、伝熱管中央の屈曲角度（ｄｅｇ．）、
Ｂ_１は、伝熱管中央トンネルの幅（ｍｍ）、
Ｂ_２は、冷却材ヘッダーの反対側に位置する伝熱管トンネルの幅（ｍｍ）、
Ｓ_ｈｅａｄは、冷却材ヘッダーの外表面上における伝熱管の周辺間隔（ｍｍ）、
Ｈ_ｈｅｓは、蒸気発生器の伝熱面の面積（ｍ^２）、
ｄは、伝熱管の外径（ｍｍ）、
Δは、伝熱管束の外側の管から蒸気発生器の底の内表面までの、蒸気発生器の長手方向軸に沿った距離である。ここで、伝熱管の屈曲角度α及び距離Δは以下の範囲から選択される：９０°≦α≦１５０°及び３００ｍｍ≦Δ≦１０００ｍｍ。

地震に対する安定性の向上のために、蒸気発生器と原子炉冷却材ポンプが油圧緩衝器２４によって原子炉建屋の壁に取り付けられてもよい。
図７〜図９は、４つの循環路のうちの１つを用いて例示される、提案された原子炉施設の配置の選択肢を示す。該循環路は、品目２５として示されるＭＣＰコールドレグと、品目２６として示されるホットレグを有する。

作業室内の冷却材の温度を下げることによって空洞化マージンを増加させるために、図７に示されるように、原子炉施設２の冷却材ポンプ５は、循環路内における１次冷却材の流れに沿って蒸気発生器４の下流側のＭＣＰ３のコールドレグ２５上に取り付けられてもよい。
図８に示される別の選択肢では、原子炉施設の稼働の信頼性を向上させるために、２つの原子炉冷却材ポンプ５が１つずつ、各循環路に取り付けられてもよい。即ち、原子炉冷却材ポンプ５が、循環路内の主循環パイプラインのホットレグ２６及びコールドレグ２５の両方に取り付けられてもよい。ポンプが余剰する可能性によって、信頼性が向上する。

原子炉施設の別の配置においては、図９に示されるように、能力がより低い２つの原子炉冷却材ポンプ５が、主循環パイプラインのコールドレグ２５上に並列に取り付けられてもよい。これによって、ポンプのサイズを減少させ、信頼性マージンを増加させ、原子炉施設の技術的及び経済的性能を向上させることが可能となる。
加えて、図１０に示されるように、原子炉施設の主循環パイプラインのコールドレグ２５上及びホットレグ２６上に、それぞれ仕切弁２７を設けてもよい。これによって、原子炉施設の稼働の信頼性が強まり、蒸気発生器を原子炉から隔離し、原子炉施設を停止することなく修理を行うことが可能となる。

原子炉施設は以下のように動作する。
原子炉施設の工程系統図は、２つの循環系からなる。１次系は、放射性であり、格納容器１に位置し、ＶＶＥＲ２及びＭＣＰ３の循環路４つを備える。この４つの循環路を通して、１次冷却材、即ち加圧水（１６０ｋｇｆ／ｃｍ^２）が、原子炉冷却材ポンプ５によって炉心２へと汲み入れられる。原子炉の入口における水温は約２８９℃で、原子炉の出口における水温は約３２２℃である。炉２内で熱された水は、４本のＭＣＰパイプライン３を通して蒸気発生器４へと供給される。蒸気加圧器６は、１次冷却材の圧力と界面を保つ。

２次系は、非放射性であり、蒸発器と、給水施設と、ユニット脱塩施設と、タービン発電機（不図示）からなる。１次冷却材は、２次系の水へ伝熱を行うことにより蒸気発生器４内で冷却される。蒸気発生器４で生成された飽和水蒸気はタービン装置へと供給され、タービン装置は蒸気排出接続管９及び蒸気ヘッダーによって発電機を回転させる。
例
ＶＶＥＲを有するＮＰＰが建設された。信頼性の高い原子炉冷却を提供するために、蒸気発生器は以下のパラメーターを有する：
・蒸気発生器の伝熱面の面積Ｈ_ｈｅｓ＝６０００ｍ^２。

以下のパラメーターを有する蒸気発生器が、原子炉施設用に製造された：
・原子炉施設の蒸気発生器に対する蒸気の能力Ｄ＝１５００ｔ／ｈ、
・穿孔部における１次系ヘッダーの外径Ｄ_ｈｅａｄ＝１２００ｍｍ、
・伝熱管中央管間トンネルの幅Ｂ_１＝２００ｍｍ、
・冷却材ヘッダーの反対側に位置する伝熱管の管間トンネルの幅Ｂ_２＝２００ｍｍ、
・伝熱管の外径ｄ＝１６ｍｍ、
・水平伝熱管束の行における伝熱管同士の間隔Ｓｈ＝２４ｍｍ、
・垂直伝熱管束の行における伝熱管同士の間隔Ｓｖ＝２２ｍｍ、
・蒸気発生器内の伝熱管の数Ｎ_ｔｂ＝１０，０００ｐｃｓ．、
・伝熱束の配置識別子ｋ＝１（直列配置を示す）、
・蒸気発生器の容器の管で満たされる高さＨ＝２３００ｍｍ。

本発明によれば、蒸気発生器の圧力容器の内径Ｄ_ｖｅｓｓは、以下の比率に基づく範囲内から選択される：

２８２５ｍｍ≦Ｄ_ｖｅｓｓ≦４２０２ｍｍ。
冷却材ヘッダーの中心線同士の間の横方向における距離Ｓは、以下の比率に基づく範囲から選択される：

及び１１３０ｍｍ≦Ｓ≦２５２１ｍｍ。
蒸気発生器の長さ（すなわち楕円蓋の内面間の距離）Ｌ_Kは、以下の比率に基づく範囲から選択される。
９０°≦α≦１５０°及び３００ｍｍ≦Δ≦１０００ｍｍ及び１３，７９０ｍｍ≦Ｌ_K≦１６，８０７ｍｍのとき、

蒸気発生器の圧力容器の内径Ｄ_ｖｅｓｓが２８２５ｍｍより小さいならば、そのような蒸気発生器内に間隔要素によって伝熱管を安全に設置するのは不可能である。したがって、伝熱管のための空間が残らず、そのため蒸気発生器の設計の信頼性に関する要件は満たされない。４２０２ｍｍを超える内径を有する蒸気発生器の圧力容器を原子炉施設内に取り付けるのは経済的でない。なぜなら、圧力容器の構造物単位の金属特定量が増加し、発生した蒸気の含水量及び施設効率は改善されないにもかかわらず格納容器のサイズは増加するからである。蒸気発生器の伝熱面の面積は変わらないため、冷却材は原子炉施設のＭＣＰ内で同じ温度範囲のままとなる。その結果、炉心における臨界熱流束比は増加しない。

（楕円蓋の内面間の距離である）長さＬ_Kが１３，７９０ｍｍを下回る蒸気発生器は、束内のＵ字型の管の屈曲及び固定の最高の性能を提供しない。なぜなら、管の屈曲角度が１５０°を上回り、束の外側の管と容器の底との間の距離が３００ｍｍを下回るため、束支持部材の取り付けが妨げられるからである。
（楕円蓋の内面間の距離である）長さＬ_Kが１６，８０７ｍｍを超える蒸気発生器は合理的ではない。なぜなら、蒸気発生器の圧力容器の長さが増加しても、脱水などの蒸気の質の指標は改善されず、伝熱面の面積は６０００ｍ^２で一定となるからである。これは、蒸気発生器の長さが伝熱管の数又は伝熱面の面積の増加によってではなく、屈曲角度が狭くなり、伝熱管束と蒸気発生器の底との間の隙間が大きくなりすぎることによって増加するためである。この結果、炉心における臨界熱流束比の増加又は蒸気発生器内における蒸気の含水量及び圧力のパラメーターの改善のないまま原子炉施設の蒸気発生器の構造物単位の金属特定量が増加し、原子炉施設の稼働に対する好ましい技術的効果のないまま格納容器のサイズが増加することになる。

冷却材ヘッダーの中心線同士の間の横方向における距離Ｓが少なくとも１１３０ｍｍである場合、蒸気発生器の伝熱束の中央部は管によって満たされない。１次系冷却系の側壁の孔に伝熱管を固定するためには、伝熱管の端部の直線部分の長さは１次系冷却系の側壁の孔の深さを超える必要がある。この条件が満たされない場合、伝熱管を冷却材ヘッダーの側壁の孔に配置し固定することができない。したがって、蒸気発生器の伝熱管束の中央部が管で満たされなければ、蒸気発生器内に特定の数の伝熱管又は特定のサイズの伝熱面を設けることができなくなり、原子炉施設の性能指標が損なわれる。

冷却材ヘッダーの中心線同士の間の横方向における距離Ｓが２５２１ｍｍを超える場合、蒸気発生器の圧力容器の側壁近傍に伝熱管束を取り付けるのは不可能となる。その結果、原子炉施設の特定の伝熱面の面積及び性能指標を提供することができなくなる。

Claims (11)

1. 加圧水型原子炉施設用の横置蒸気発生器であって、
   給水入口管及び蒸気出口管を少なくとも１本ずつ、並びに楕円蓋を両端に備えている円筒状の圧力容器と、
   蒸気を発生させる伝熱面を形成しており、管間トンネルによって複数の塊（バンク）に分割されている伝熱管束と、
   前記伝熱管束に接続された１次冷却材用の入口ヘッダー及び出口ヘッダーと
   を備え、
   前記圧力容器の横方向における前記入口ヘッダーと前記出口ヘッダーとの中心線間の距離Ｓは、前記圧力容器の内径Ｄ_vessとの比率が満たす不等式０．４≦Ｓ／Ｄ_vess≦０．６に基づいて選択されており、
   楕円蓋の内面間の距離Ｌ_Kは次式に基づいて選択されている
   ことを特徴とする蒸気発生器：
   

   

   ここで、
   Ｄ_headは、各ヘッダーのうち前記伝熱管束に貫かれている穿孔領域の外径（ｍｍ）であり、
   αは、各伝熱管が中央部に含む屈曲の角度（度）であり、
   Ｂ₁は、前記伝熱管束の中央部に位置する管間トンネルの幅（ｍｍ）であり、
   Ｂ₂は、各ヘッダーに面した管間トンネルの幅（ｍｍ）であり、
   Ｓ_headは、各ヘッダーの外面上、その周方向に沿った伝熱管の間隔（ｍｍ）であり、
   Ｓ_hは、前記伝熱管束における伝熱管の水平間隔（ｍｍ）であり、
   Ｈ_hesは、前記蒸気発生器の伝熱面積（ｍ²）であり、
   Ｎ_tbは、前記蒸気発生器の含む伝熱管の数（本）であり、
   ｄは、各伝熱管の外径（ｍｍ）であり、
   Δは、前記圧力容器の長手方向における前記伝熱管束の外面から楕円蓋の内面までの距離（ｍｍ）であり、
   各伝熱管の屈曲の角度αは９０°≦α≦１５０°の範囲から選択され、
   距離Δは３００ｍｍ≦Δ≦１０００ｍｍの範囲から選択されている。
2. 前記伝熱管束には伝熱管が下から上へ均等に詰められており、垂直方向において隣接する伝熱管の隙間が伝熱管の垂直間隔を超えないことを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
3. 管間トンネルは垂直方向に伸びており、その幅は１００ｍｍ〜２５０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
4. 各伝熱管は各ヘッダーとの接続点において屈曲しており、その曲率半径は少なくとも６０ｍｍ、好ましくは１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
5. 各ヘッダーの穿孔領域の面積は、各伝熱管をそのヘッダーへ接続するための孔の総面積を、少なくとも２０％超えていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
6. 加圧水型原子炉と横置蒸気発生器とを有する原子炉施設であって、
   前記原子炉は循環路を４本備えており、
   各循環路は、蒸気発生器、原子炉冷却材ポンプ、及び１次冷却材循環用主管を有し、
   前記蒸気発生器は、水平な伝熱管束を含み、
   前記伝熱管束は、管間トンネルによって複数の塊（バンク）に分割され、かつ、楕円蓋を両端に有する円筒形状の圧力容器の中で１次冷却材用の入口ヘッダーと出口ヘッダーとに接続されており、
   前記圧力容器の呼び径Ｄ_vess、前記圧力容器の横方向における前記入口ヘッダーと前記出口ヘッダーとの中心線間の距離Ｓ、および楕円蓋の内面間の距離Ｌ_Kは次式に基づいて選択されている
   ことを特徴とする原子炉施設：
   

   

   ここで、
   Ｄは、前記蒸気発生器の定格流量（ｔ／ｈ）であり、
   Ｎ_tbは、前記圧力容器内にある伝熱管の数（本）であり、
   Ｓ_v、Ｓ_hはそれぞれ、前記伝熱管束の含む伝熱管の垂直間隔（ｍｍ）、水平間隔（ｍｍ）であり、
   ｋは、１つのバンク内における配管形態の識別子（ｋ＝１はインライン配管を表し、ｋ＝２はジグザグ配管を表す。）であり、
   Ｈは、前記圧力容器内の配管部分の高さ（ｍｍ）であり、
   Ｄ_headは、各ヘッダーのうち前記伝熱管束に貫かれている穿孔領域の外径（ｍｍ）であり、
   αは、各伝熱管が中央部に含む屈曲の角度（度）であり、
   Ｂ₁は、前記伝熱管束の中央部に位置する管間トンネルの幅（ｍｍ）であり、
   Ｂ₂は、各ヘッダーに面した管間トンネルの幅（ｍｍ）であり、
   Ｓ_headは、各ヘッダーの外面上、その周方向に沿った伝熱管の間隔（ｍｍ）であり、
   Ｈ_hesは、前記蒸気発生器の伝熱面積（ｍ²）であり、
   ｄは、各伝熱管の外径（ｍｍ）であり、
   Δは、前記圧力容器の長手方向における前記伝熱管束の外面から楕円蓋の内面までの距離（ｍｍ）であり、
   各伝熱管の屈曲の角度αは９０°≦α≦１５０°の範囲から選択され、
   距離Δは３００ｍｍ≦Δ≦１０００ｍｍの範囲から選択されている。
7. 前記蒸気発生器と前記原子炉冷却材ポンプとは、油圧緩衝器によって原子炉建屋の壁に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の原子炉施設。
8. 前記原子炉冷却材ポンプは、循環路内を１次冷却材が流れる方向において前記蒸気発生器よりも下流に設置されていることを特徴とする請求項６に記載の原子炉施設。
9. 前記原子炉冷却材ポンプは、循環路の主管の高温側部分（ホットレグ）及び低温側部分（コールドレグ）の両方に設置されていることを特徴とする請求項６に記載の原子炉施設。
10. 前記原子炉冷却材ポンプは別の１台と共に、循環路の主管のコールドレグに並列に設置されていることを特徴とする請求項６に記載の原子炉施設。
11. 各循環路は、主管に設置された仕切弁を更に有する請求項６に記載の原子炉施設。

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