JP2020503493A - 炉内の冷却材の体積を制御するシステムにおける合流用ｔ字管 - Google Patents

Abstract

【課題】異常な条件下で動作する際も一体性と正常な動作とを保つＴ字管を提供する。【解決手段】炉内の冷却材の体積を制御するシステムにおける合流用Ｔ字管は、端の２つが、所定温度の冷却材を運ぶバイパス管へ接続され、残りの開口部が、非常時に異なる温度の冷却材を運ぶ補給システムの配管へ接続されているＴ字部と、異なる温度の冷却材の流れを分離する挿入部とを備えている。挿入部はバイパス管内の冷却材の流れの上流に配置されている。これにより、外側がＴ字管への冷却材の入口に対して上流側に位置し、内側がＴ字管の中で片持ち梁のように支持されて、前記Ｔ字部の領域に開口部を持つ管を形成している。このＴ字管は、その出口に取り付けられて、挿入部と共に、冷却材の同軸流路を形成しているアダプターを更に備えている。【選択図】図１

Description

本発明は原子力産業に関し、特にロシア型加圧水型原子炉（ＶＶＥＲ）の一次循環系に利用可能なものに関する。

現在のＶＶＥＲ原子力発電施設（ＮＰＰ）では、飽和水蒸気、またはわずかに過熱状態の水蒸気を発生させる２つの循環系が構成され、利用されている。蒸気発生器で発生する水蒸気の圧力レベルは原子炉内で可能な冷却材の加熱量に依存し、６−７ＭＰａである。

この施設の一次循環系は、原子炉内で解放された熱を除去し、蒸気発生器内で二次循環系へ運ぶように設計されている。一次循環系は、原子炉、蒸気発生器、原子炉冷却ポンプ（ＲＣＰ）、および冷却材用の配管以外にも、加圧システムと、一次循環系の圧力で動作する一次冷却材浄化システムとを含む。一次循環系を動作させるには更に次の補助システムも必要である。補給浄化システム、排気システム、漏れ制御システム、特別排水処理システム等々。

一次循環系の補給システムは、原子炉冷却系へ補給水を供給して加圧器内の冷却水位を所定レベルに維持する。このシステムは処理用の循環系から取った水を戻すことで、一次循環系へ水を補い、（配管の破裂、ＮＰＰの停電等）圧力低下で生じる非常事態では一次循環系内の圧力を保ち、些細な漏れはもちろん、循環系からの制御された漏れの流量を相殺する。

一般に、一次循環系において冷却水の体積を制御するシステムは、補給ポンプ、再生熱交換器、排水最終冷却器、流量制限装置、および特別排水処理設備から成る（特許文献１参照）。

このシステムの主な問題は、補給ノズルの金属に大きな温度差と応力とが生じることにある。混じり合う流れの温度差が大きいからである。その結果、強度が失われ、設備の不具合につながる。これを防ぐには、バイパス管がシステムに加えられる。バイパス管の一端は補給ノズルに接続され、他端は排水ノズルに接続される。

Ｔ字接続は、ＶＶＥＲ原子炉施設の様々なシステムにおいて、配管の分岐の接続に広く利用されている。

これらの施設の発電設備では熱交換処理が様々な要素（ボイラー管、蒸気発生器、その他の熱交換器、燃料要素、その他、原子炉の構造要素、ＣＰＳ駆動ユニット、配管要素等）において行われる。これらでは温度のゆらぎが特徴的である。

このゆらぎの特徴は多くの要素に依存する。最も強いゆらぎは次の動作中に生じる。核沸騰、加熱面における蒸気の不安定な発生、加熱された面上への水分の搬送、流れの層化、冷却水流のゆらぎ、自然対流等。温度ゆらぎは熱応力に同様な（ときには大きな）ゆらぎを生じさせる。これは、媒体による腐食作用と組み合わさった定常的な負荷に加わると、構成要素の腐食による弱化または不具合につながりかねない。

温度が高く、比較的ゆっくりと変化する場合には、余分な熱応力は避けられる。しかし、その場合でさえ、熱応力はクリープ（ゆっくりとした変形）の条件下では破壊過程を促進させる。

高い温度差の冷却材の混合、または定常的ではない自然対流は配管にダメージを与える。

ノズルの１つにセラミックス製の断熱材を使用して熱応力、熱変形を抑え、Ｔ字接続の安全性と信頼性とを向上させる工夫が知られている（特許文献２参照）。しかし、この装置は原子炉では使用不能である。それは、合流の高い温度差により、Ｔ字管が必要な強度を持たないからである。

本発明に最も近い技術は、原子炉内の冷却材の体積を制御するシステムにおける合流用のＴ字管である（特許文献３参照）。これが含むＴ字部は、端の２つが所定温度の冷却材を運ぶ主管に接続され、残りの開口部が、異なる温度の冷却材を運ぶシステムの補助配管に接続されている。このＴ字管は更に、異なる温度の冷却材の流れを分ける挿入部を含む。

ソビエト連邦特許第９９００００号明細書 米国特許第５５７５４２３号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０３３４５９４号明細書

特許文献３に開示のＴ字管では、冷却材の流れを分ける挿入部が、補助管と主管との結合部に大きな温度勾配を生み出す。これが、Ｔ字接続に信頼性を損なわせる。配管と横方向の分岐との熱変形が、Ｔ字部の物質の強度を超える大きな応力につながるからである。

以上のとおり、原子炉の設計、試験、および稼働の間、緊急保護システムに主に必要なことは、冷却材が損なわれる事故（設計上想定される最大の事故）において保護システムが安全性を確保することである。炉心を流れる冷却材が予期せず失われる場合、原子力発電施設全体に深刻な影響を与えかねない。流れの消失は、原子炉冷却ポンプもしくはバルブの不具合、または原子炉圧力容器の出入口における主管の破裂の結果、生じうる。

冷却材の温度は、補給管内では摂氏２０度であるが、バイパス管内では摂氏３００度までに達する。合流の高い温度差によって、Ｔ字管には強度の不具合が生じかねない。

本発明の目的は、Ｔ字管に一体性と正常な動作とを確保させることにある。

本発明の上記の目的を解決する手段として、炉内の冷却材の体積を制御するシステムにおける合流用Ｔ字管はＴ字部と挿入部とを備えている。Ｔ字部は、端の２つが、所定温度の冷却材を運ぶバイパス管へ接続され、残りの開口部が、非常時に異なる温度の冷却材を運ぶ補給システムの配管へ接続されている。挿入部は異なる温度の冷却材の流れを分離する。

挿入部はバイパス管内の冷却材の流れの上流に配置されることにより、外側がＴ字管への冷却材の入口に対して上流側に位置し、内側が（Ｔ字管の中で片持ち梁のように支持されて）Ｔ字部の領域に開口部を持つ管を形成している。Ｔ字管は更にアダプターを備えている。このアダプターは、Ｔ字管の出口に取り付けられて、挿入部と共に、冷却材の同軸流路を形成している。

好ましくは、挿入部の外側の内面は減流器として設計されている。好ましくは、挿入部の管の開口部は楕円形である。

これらの特徴はＴ字管に、その動作条件が乱される際にも、温度ゆらぎと関連する周期的応力との高周波数成分と低周波数成分とを低減させることにより強度を保持させて、一体性と正常な動作とを確保させることができる。

異なる温度の流れは混合が促進される。挿入部の外側の内面が減流器として形作られ、挿入部の管の開口部が楕円形だからである。

本発明の技術的効果は、温度ゆらぎと関連する周期的応力との高周波数成分と低周波数成分とを低減させて強度を保持することにより、Ｔ字接続の信頼性を向上させることである。

組み立て後のＴ字管を示す。 標準的なＴ字管の表面における温度分布を示す。 提案のＴ字管の表面における温度分布を示す。

図１に示されているように、炉内の冷却材の体積を制御するシステムにおける合流用Ｔ字管はＴ字部（１）と挿入部（２）とを備えている。挿入部の外側（３）は、熱い冷却材の流れを運ぶバイパス管（図には示されていない。）に接続され、内側（４）はＴ字部の内側に位置し、開口部（５）を含む。Ｔ字管にはアダプター（６）が、Ｔ字部（１）と熱い冷却材を除去するバイパス管（図には示されていない。）との間に取り付けられている。補給管（７）は、緊急時に冷たい冷却材の流れを運ぶものであり、Ｔ字部の残りの開口部に接続されている。

稼働中、冷却水は原子炉冷却管から取られて再生熱交換器へ流れ込み、補給水を加熱する。補給水はＲＣＰへ流れ込む。熱交換器が正常に動作すれば、Ｔ字管には支障は無い。補給水の温度がバイパス管内の冷却水の温度と同程度であるので、熱応力が生じないからである。

事故の場合、補給水は加熱されなくなり、（補給管を通して）ＲＣＰに入る際、熱交換器に温度勾配が生じる結果、Ｔ字管に熱応力が生じる。さらに、補給水の温度低下はまた、緊急時だけでなく、原子炉施設が稼働中に電力を喪失し、原子炉緊急保護システムが疑似的に起動した場合にも、温度差が生じうる。

この場合、冷たい補給水は補給管（７）を通してＴ字部（１）へ入り、アダプター（６）と挿入部（４）との間の同軸流路へ入った後、バイパス管から挿入部（２）の外側（３）の減流部を通して流れてきた熱水と一部が混ざり、最終的には、挿入部（２）の管の開口部（５）を通して入ってくる流れと混ざる。この結果、冷たい補給水とバイパス管からの熱水との間で熱が急速に交換される。これにより、図３が示すようにＴ字部を通過する流れの等温化が確実に行われる。

それ故、Ｔ字管に挿入部（２）を使用することで、熱い冷却水と冷たい冷却水との混合が、補給管とバイパス管との接続部に大きな温度勾配を発生させることなく、確実に行われる。さらに、比較的高い温度勾配の効果が挿入部（２）では落ちるので、挿入部の不具合はＴ字部（１）の破壊ほど危険ではなく、挿入部（２）を新しいものに交換するだけで容易に修繕可能である。

膨大な研究と計算とが筆者達によって実行された結果、提案の設計であれば、異常な動作が生じた場合でも、Ｔ字管はその一体性と正常な動作とを確保することが示された（図２、図３参照）。これは、温度ゆらぎと関連する周期的応力との高周波数成分と低周波数成分との低減により一体性の強度が保持されることによる。

Claims (3)

1. 炉内の冷却材の体積を制御するシステムにおける合流用Ｔ字管であり、
   端の２つが、所定温度の冷却材を運ぶバイパス管へ接続され、残りの開口部が、非常時に異なる温度の冷却材を運ぶ補給システムの配管へ接続されているＴ字部と、
   異なる温度の冷却材の流れを分離する挿入部と
   を備え、
   前記挿入部は前記バイパス管内の冷却材の流れの上流に配置されることにより、外側が前記Ｔ字管への冷却材の入口に対して上流側に位置し、内側が前記Ｔ字管の中で片持ち梁のように支持されて、前記Ｔ字部の領域に開口部を持つ管を形成しており、
   前記Ｔ字管の出口に取り付けられて、前記挿入部と共に、冷却材の同軸流路を形成しているアダプター
   を更に備えたＴ字管。
2. 前記挿入部の外側の内面が減流部として形作られていることを特徴とする請求項１に記載のＴ字管。
3. 前記挿入部の管の開口部が楕円形であることを特徴とする請求項１に記載のＴ字管。