JP2020098600A - 減圧弁 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却材回路の減圧に備えるための簡素化された受動的弁を提供する。【解決手段】冷却材系用の減圧弁であって、主弁を有した主室１０５と、パイロットライン１０４と、二次弁１０７を有したブローダウンライン１０６とを備え、冷却材系の冷却材ラインを密封するように主弁１０１が設置されている。主室１０５は冷却材系の下流側に設置され、主室１０５は、パイロットラインを通じた冷却材系からの流体で満たされており、主室１０５内の流体の圧力が、主弁１０５のピストンヘッドに作用して、主室１０５内の流体圧力に応じて主弁１０１を開閉させる。二次弁１０７の作動状態に応じて可変な流体圧力を有したブローダウンライン１０６を通じて主室１０５から流体が流出することができ、二次弁１０７は、冷却材系内の状況に応じて自動的に開放される。【選択図】図１

Description

本開示は、原子炉用の受動的減圧弁に関するものである。

原子炉は、理想的なベースロード発電所をもたらすことから、送電網に加えることが望まれる。これは、原子炉が低炭素の電力源と考えられ、また（他の低炭素電力源に対しての制限要因となっている）変わりやすい気象条件に左右されないからである。これらの特徴が、原子炉を完全な電力ネットワークの主力として用いることを可能としている。世界各地で用いられる原子炉の最も一般的な型式の１つが、加圧水型炉（ＰＷＲ）である。そのＰＷＲにおいては、加圧水の一次回路が、冷却材、減速材に加えて、蒸気発生器への熱伝達流体としても用いられる。比較的単純な系統であることによって、これらの系統の規模を変えることができるという利点がもたらされる。従って、大規模発電所、および小型モジュール炉の両方に適しているのである。但し、全ての原子力発電所の場合と同様、事故を防止するための確固とした安全系が必要である。

現代の原子炉用の安全系は、能動性と受動性の両方を目指している。能動的な系は、オペレータおよび／または運転中の装置類（ポンプや発電機など）の制御下で作動し、通常運転時には非常用制御と関連付けられる。受動的な安全系は、作動のために如何なる外部オペレータの入力や運転中の能動的な系も必要としない。この後者の系は、外部電力やユーザー入力を必要としない、系の自動的な自己制御に備えているという有益性がある。非常事態においては、このことが望ましいのである。それは、特定の場合には、炉への電力が途絶してしまうことや、オペレータが手動で系を制御できないことがあり得るが、そのような場合に受動的な制御系は系が安全なまままであることを可能とする。

加圧水型炉の場合、主要な安全上の重大事の１つが冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）の場合である。その事故では、炉内へ流入する冷却水が喪失してしまい、それが直らなかったとすれば原子炉の損傷に繋がってしまうであろう。これは、冷却材なしでは、炉の燃料棒内での放射性崩壊によって生み出される熱が、炉の損傷する程度まで増大してしまうであろうからである。このことは、重大な原子力事故という結果を招き得るであろう。このことが発生し得る過程のうちの１つは、冷却材が沸騰してしまう場合であり、燃料被覆管の溶融および核分裂生成物の放出に繋がり得る。従って、このことが生じるのを防止するように、原子炉には、障害のある場合に冷却水を入れ換えることのできる非常用冷却系が備え付けられている。ＰＷＲにおいては、このことから保護するための系が、非常用炉心冷却装置（ＥＣＣＳ）として知られている。これらの装置は典型的には、目下の炉冷却材を放出するための管路の開放を必要とする。このための放出管は、炉の回路圧力を低く保ちつつ加熱された冷却材を除去するのに足る容量をもたらすように設計されている。この放出された冷却材に取って代わるために、新たな冷却材が（重力に委ねられて）系内へと注入される。これらの放出管路は通常、ＬＯＣＡの検出時に開くことのできる隔離弁を用いて炉から隔離されている。これは典型的には、発電所のパラメータを監視するための計装、設定点への到達時に起動信号を発生させるための制御系、および弁の位置を変化させるための弁作動器を必要とする。

この、ＬＯＣＡの場合における冷却流体の非常供給から冷却材を隔離するのを達成するための系は、当該技術において既知のものである。５５ｂａｒに加圧された蓄圧器と、通常運転中に７０ｂａｒの炉心とを隔離するのに、蓄圧器隔離受動弁（ＡＩＰＶ）が用いられている。原子炉回路内で圧力の低下があるときには、上流側に位置する蓄圧器と下流側の原子炉回路および炉心との間の圧力差に比例して当該弁が開く。ＡＩＰＶについては、弁位置が圧力差に比例しているので、原子炉回路圧力の回復によるか、蓄圧器圧力の放出でのいずれかで圧力が均等になったならば、弁が閉じてラインをもう一度隔離する。従って弁は、完全な系の減圧を許容するように開いて動かなくなったままとはならない。或いは、蓄圧器減圧用自動安全弁（ＡＳＶＡＤ）を用いることができる。これらは、系内の圧力から受ける力がある水準（これは、弁プランジャへ作用するバネにより加えられる力によって決まる）を下回るまで低下したときに弁を開くことによって、蓄圧器の気体空間から気体を排出するのに用いられる。ＡＳＶＡＤ弁は、通常の意味での隔離弁ではなく、特に気体の排出用に設計されたものである。そのような次第で、その弁は高圧高温の水の隔離に適したものではない。どちらの弁も、温度に基づいて作動するものであり、系の圧力と温度が上昇する非損傷型回路障害の過渡現象の場合には開くことができないため、かくして改善が必要なのである。ウェスティングハウスによるＡＰ１０００炉設計は、加熱された冷却材を放出するためのスクイブ（爆破）弁と称される弁を特徴としている。スクイブ弁には、弁を開くのに用いる爆薬が備え付けられている。しかしながら、スクイブ弁の誤作動は、重大な放射線災害という結果を生じさせるかもしれない。従って、発電所設計の安全性根拠は、誤作動を防止するための信頼性の高い制御・計測（Ｃ＆Ｉ）系に依存しており、かくして発電所設計に相当なコストを付加してしまう。

そのような次第で、冷却材回路の減圧に備えるための簡素化された受動的弁を開発することが望まれている。

第１の態様によれば、冷却材系用の減圧弁であって、主弁を有した主室と、パイロットラインと、二次弁を有したブローダウンラインとを備え、冷却材系の冷却材ラインを密封するように主弁が設置されており、主室は冷却系の下流側に設置され、主室は、パイロットラインを通じた冷却材系からの流体で満たされており、主室内の流体の圧力が、主弁のピストンヘッドに作用して、主室内の流体圧力に応じてその主弁を開閉させると共に、二次弁の作動状態に応じて可変な流体抵抗を有したブローダウンラインを通じて主室から流体が流出することができ、二次弁は、冷却材系内の状況に応じて自動的に開放される、減圧弁が提供される。

冷却材系は、例えば原子炉用の冷却材系とすることができる。この設計の利益は、冷却材ライン内の蒸気の存在に際して自動的に弁が開くことができる、ということである。これにより、ＥＣＣＳが機能することが可能となり、かくして系の安全性が向上するのである。

冷却材の状態に応じて二次弁が開いてよい。

冷却材系内の蒸気の存在に際して二次弁が開いてもよい。

二次弁はフロート装置であってよい。

フロート弁が保持用ケージを特徴としていてもよい。

主弁は自動隔離弁の上流側に設置されていてよい。

自動隔離弁は発電所の制御・計測系によって作動されてよい。

主弁はバネ作動式であってよい。

当該減圧弁は、原子炉の冷却材系で用いられてよい。

本発明の第２の態様は、先に考察したような減圧弁を含んだ冷却材系である。

相互に排他的な場合を除けば、上記態様のいずれか１つに関して説明された特徴は、必要な変更を加えて、如何なる他の態様にも適用され得る、ということを当業者は認識するであろう。さらに、相互に排他的な場合を除けば、本明細書で説明される任意の特徴は、如何なる態様にも適用され、および／または本明細書で説明される如何なる他の特徴とも組み合わされ得る。

ここで以下の図面を参照して、諸実施形態を例示としてのみ説明することとする。

本開示における減圧弁の模式図。 本開示における別の減圧弁の模式図。

事故状況が発生したときの原子炉の安全な停止を確保するために非常用炉心冷却装置（ＥＣＣＳ）が設けられている。その冷却装置は、種々の事故状況の場合に安全機構をもたらすように構成されている。ＥＣＣＳの形成に従事する多くの部分系が存在している。それらの部分系はそれぞれ冗長性を有しているため、部分系のうちの１つが故障した場合であっても安全に炉を停止することができる。ここで特に重要なのは、自動減圧系（ＡＤＳ）のような受動的な系である。そのＡＤＳは、主冷却材系を減圧して、より低圧の非常用冷却材系が機能することを可能とするために開く２つの弁から成っている。低圧冷却材注入系は、高圧系よりも大きな冷却能力を有しているので、炉の停止時における効率的な作動が非常に重要である。

受動的減圧（ＰａＤ）弁は通常、原子炉回路から伸びた放出管路内に位置する閉鎖弁である。その弁は、同じ放出路内に設置されて別の制御系で起動／作動される隔離弁とは異なった第２の隔離方法をもたらすものである。ＰａＤ弁は、冷却材における状態の変化の検出に基づいて開くように設計されている。この状態の変化は、液体である冷却材から気体への変化であることができるであろう（例えば、これは水から水蒸気への転移であることができるであろう）。図１は、本開示にて提案されるような浮力作動減圧弁ＢＯＰａＤの例を示している。ＢＯＰａＤ弁は、原子炉の加圧水系の下流側に定置されている。その弁は、発電所の制御・計測（Ｃ＆Ｉ）系によって作動される自動隔離弁（ＡＩＶ）と結び付けられている。ＢＯＰａＤ弁は、典型的には閉鎖位置にあるように構成されており、そのような次第で、弁の自動的な開放が、加圧水系内での安全機構の役目をする。これにより、主冷却材回路内の水を、緊急冷却用流体と入れ換えることができるよう、排出することが可能となる。

ＰａＤ弁１００は、図１に示すように、パイロットライン１０４を有していることによって機能する。そのパイロットライン１０４は、主原子炉回路の加圧水系から主室１０５内へと流体を供給するものである。主室１０５は主弁１０１を含んでおり、その主弁１０１は、自らに関連した作動機構を伴っている。その作動機構は、ピストンヘッドおよび弁棒１０２と、圧縮バネ１０３とを備えている。パイロットライン１０４に沿って主原子炉回路から主室１０５内へと供給される流体の高圧によって、弁のための弁ピストンおよび弁棒１０２が押され、これにより主弁に作用する圧縮バネ１０３が圧縮されて、弁が閉じられている。主室１０５に接続されているのが、パイロットラインよりも高い流体抵抗を有したブローダウンライン１０６である。ブローダウンラインはより高い流体抵抗を有しているが、そのブローダウンラインは液体で満たされている。その結果、フロートがシールに圧し付けられ、かくして流出断面積が制限されて抵抗が増大しているのである。圧縮バネ１０３は、主室内の圧力が当該バネの力を下回るまで低下した場合には、当該バネが、ピストンヘッドに作用する流体圧力に打ち勝って、ピストンヘッドを圧し動かし、主弁を圧し開くように設定されている。従って、これにより原子炉回路を減圧することが可能となる。

主室の上部にあるブローダウンライン１０６は、浮力作動式の二次弁１０７を特徴としている。その弁は、ブローダウンライン内の開口を密封するのに用いられる中空ボールフロート１０８を備えている。通常運転の下では、ブローダウンラインおよびフロート室１０９内の流体の存在によって、ボールが浮上させられて、ブローダウンライン上部の穴１１０を覆う。これは、フロートには、水中では正の浮力があり、気体中では負の浮力があるからである。一般的には二次弁内に水が存在することによって、弁が閉じたままであることが保証される。従って、主室内の圧力が維持され、主弁が閉じられている。しかしながら、流体ライン内に蒸気、即ち気体が存在する場合には、重力の影響でボールが落下してしまうであろう。そして、ブローダウンライン内の二次弁が開くこととなる。弁が開くと、流入量よりも流出量の方が多くなるように、流体の流れ抵抗がパイロットラインの抵抗を下回るまで低下する。従って、主室内の圧力はパイロットラインを通じた投入量によって制限され、かくして主室内の流体圧力が降下し、これが主弁の開放へと帰着するのである。フロート１０８が最初の位置から落下した後にそのフロートを収容し、かくしてフロート室１０９内へのブローダウンラインの開口１１２内へとフロートが落ち込んでしまう可能性を取り除くために、フロート室１０９内にケージ１１１があってもよい。通常使用時に弁を密封するのに有孔フロートシール１１３を用いてもよい。

主弁に結び付けられたバネ定数に関する設計上の考慮事項の選択によって、運転圧力の全範囲を十分に下回る圧力で弁が開くようにバネを設定することができる。その結果、通常の状況下では弁は閉じたままである。この設計の利点は、弁の開放が、回路圧力というよりは寧ろ主室内の流体の状態次第である、ということである。このことは、弁性能に影響することなく広範囲な運転圧力に亘って適切に機能する弁に帰着するものである。

ＬＯＣＡの場合には上流側の流体圧力が低下させられ、これが上流側の流体の水から水蒸気への変化に帰着することとなる。ＡＩＶは、Ｃ＆Ｉによって開放／トリップさせられて除勢される（これが、その開放に帰着することとなる）ように設定されるであろう。この場合、水蒸気はそれからパイロットラインを通じて主室内へと進み、そこからブローダウンライン内へと進む。フロート室に到達すると、フロート室内の水蒸気の存在によってフロートボール弁が落下し、それに伴って弁が開放されることとなる。フロート弁の開放は、主室内の圧力降下に帰着し、かくして主弁を開放させることとなる。これにより、系内の流体が放出ラインを通じて流出できることから、系を減圧させることが可能になることとなる。水蒸気が存在することなくＬＯＣＡが生じてしまった場合には原子炉回路の圧力が降下することとなり、それに伴って弁ピストンに作用する圧力が低下し、かくして主弁を開放させることが可能となる。

ＡＩＶの誤開放の場合には、系は依然として通常の状況下で作動していることとなり、加圧流体は蒸気へ変わることとはならない。系内に蒸気が存在しないので、フロート室内には気体が無いこととなる。それゆえ、フロートの正の浮力が保たれて、主弁は閉鎖位置のままである。少量の流体が系から漏洩し得るが、障害はその障害が存在するようにオペレータへ強調されるべきである。その結果、オペレータは重大でない危険要因を軽減するように措置をとることができる。

この構成に対しての代替案が図２に示されている。浮力作動式減圧弁は、パイロットライン２０４を有していることによって機能する。そのパイロットライン２０４は、主原子炉回路の加圧水系から主室２０５内へと流体を供給するものである。主室２０５は主弁２０１を含んでおり、その主弁２０１は、自らに関連した作動機構を伴っている。その作動機構は、ピストンヘッドおよび弁棒２０２を備えている。図１で用いられていた圧縮バネに代えて、一部が水で満たされ一部が気体で満たされて必要始動圧力に設定された蓄圧容器２０３が用いられている。これにより、弁の作動のための圧力値の精確な制御が可能となる。パイロットライン２０４に沿って主原子炉回路から主室２０５内へと供給される流体の高圧によって、弁のための弁ピストンおよび弁棒２０２が押される。この圧力は蓄圧容器によって供給される圧力よりも高く、かくして弁が閉じられている。主室２０５に接続されているのが、パイロットラインよりも高い流体抵抗を有したブローダウンライン２０６である。蓄圧容器２０３は、ピストンヘッドの下側を押して主弁を開放に至らしめるのに用いられる水／気体容量を蓄えている。従って、これにより原子炉回路を減圧することが可能となる。

図１と同様、主室の上部にあるブローダウンライン２０６は、浮力作動式の二次弁２０７を特徴としている。その弁は、ブローダウンライン内の開口を密封するのに用いられる中空ボールフロート２０８を備えている。通常運転の下では、ブローダウンラインおよびフロート室２０９内の流体の存在によって、ボールが浮上させられて、ブローダウンライン上部の穴２１０を覆う。これは、フロートには、水中では正の浮力があり、気体中では負の浮力があるからである。従って、主室内の圧力が維持され、主弁が閉じられている。しかしながら、流体ライン内に蒸気、即ち気体が存在する場合には、重力の影響でボールが落下してしまうであろう。そして、ブローダウンライン内の弁が開くこととなる。弁が開くと、流入量よりも流出量の方が多くなるように、流体の流れ抵抗がパイロットラインの抵抗を下回るまで低下する。従って、主室内の圧力はパイロットラインを通じた投入量によって制限され、かくして主室内の流体圧力が降下し、これが主弁の開放へと帰着するのである。フロート２０８が最初の位置から落下した後にそのフロートを収容し、かくしてフロート室２０９内へのブローダウンラインの開口２１２内へとフロートが落ち込んでしまう可能性を取り除くために、フロート室２０９内にケージ２１１があってもよい。通常使用時に弁を密封するのに有孔フロートシール２１３を用いてもよい。

提案した減圧弁は、動力用原子炉のための加圧ライン用の弁に関して示されてきたが、当該弁は任意の適切な系に適用することができる、ということを当業者は認識するであろう。例えば、これは、液体充填系が迅速に減圧される必要があったり、系の内容物が液体から気体／蒸気に相変化する場合には内容部を放出する必要があったりする、任意の産業用途であることができるであろう。これは、例えばタンクに液体の形態の揮発性有機化合物が入っていて、気体状態への変化が災害要因に相当する場合がそうであり得るであろう。この場合、潜在的には、災害要因を軽減するように内容部を別の場所へ放出することが望ましいのである。そのような場合、トリップ条件を適切な水準に大きさ合わせて設定する以外には、改変は必要とされないであろう。

本発明は上記で説明した各実施形態に限定されるものではなく、本明細書で説明した概念から逸脱することなく、種々の変更や改良を成すことができる、ということを理解されたい。相互に排他的である場合を除いて、各特徴の何れかを、単独で、或いは任意の他の特徴と組み合わせて採用してもよい。また本開示は、本明細書で説明した１つないし複数の特徴全ての組合わせや部分的組合せにも及び、それらを包含するものである。

Claims (10)

1. 冷却材系用の減圧弁であって、
   主弁を有した主室と、パイロットラインと、二次弁を有したブローダウンラインとを備え、前記冷却材系の冷却材ラインを密封するように前記主弁が設置されており、
   前記主室は前記冷却材系の下流側に設置され、前記主室は、前記パイロットラインを通じた前記冷却材系からの流体で満たされており、前記主室内の流体の圧力が、前記主弁のピストンヘッドに作用して、前記主室内の流体圧力に応じて前記主弁を開閉させると共に、前記二次弁の作動状態に応じて可変な流体圧力を有した前記ブローダウンラインを通じて前記主室から流体が流出することができ、前記二次弁は、前記冷却材系内の状況に応じて自動的に開放される、減圧弁。
2. 冷却材の状態に応じて前記二次弁が開く、請求項１記載の減圧弁。
3. 前記冷却材系内に蒸気が存在するときに前記二次弁が開く、請求項２記載の減圧弁。
4. 前記二次弁はフロート弁である、前記請求項のうちいずれか一項に記載の減圧弁。
5. 前記フロート弁は保持用ケージを特徴としている、請求項４記載の減圧弁。
6. 前記主弁は自動隔離弁の上流側に設置されている、請求項１記載の減圧弁。
7. 前記自動隔離弁は制御・計測系によって作動される、請求項６記載の減圧弁。
8. 前記主弁はバネ作動式である、請求項１記載の減圧弁。
9. 前記主弁は蓄圧容器によって作動される、請求項１記載の減圧弁。
10. 請求項１記載の減圧弁を含んだ冷却材系。