JP3035274B2 - 原子炉容器内の被加熱流体混合促進構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発熱体と被加熱流
体とが熱交換を行う加圧水型原子炉の内部構造物の形状
及び配置に関し、特に、上部プレナム部の出口ノズル近
傍における内部構造物の形状及び配置に関する。

【０００２】

【従来の技術】動力用原子炉は、燃料棒内部で発生した
核反応熱を軽水等の冷却材で冷却する装置であり、即ち
核燃料と冷却材との間で熱交換が行われる。図９は、原
子炉の代表的一例である加圧水型原子炉の内部構造を示
している。原子炉容器１０の内部には、炉内構造物、核
燃料集合体、及び冷却材がある。これらを簡単に説明す
ると、軽水である原子炉冷却材の入口ノズル１１及び出
口ノズル１２が一体的に形成された原子炉容器１０の中
に、炉心槽３０が垂下支持されている。入口ノズル１１
及び出口ノズル１２の数は、原子炉の出力に応じた冷却
材循環ループの数と一致しており、通常それぞれ２乃至
４個であるが、これら複数の入口ノズル１１及び出口ノ
ズル１２は、円周方向に間隔を置いて配置されている。
炉心槽３０の内部下方には、水平方向に広がる下部炉心
支持板３２及び下部炉心板３１が設けられ、それらの下
方に下部プレナム４１が形成されている。

【０００３】下部炉心板３１の上には、多数の燃料集合
体３３が相隣接して装荷され、炉心を形成している。燃
料集合体３３の上部には、上部炉心板２１が上部炉心支
持柱２３を介して上部炉心支持板２０により支持されて
おり、この上部炉心板２１により燃料集合体３３を押さ
えて、冷却材流による浮き上り等を防止している。上部
炉心板２１の上面には、複数の制御棒クラスタ案内管２
２の下端が図示しない支持ピン等により支持され、この
制御棒クラスタ案内管２２は、上部炉心支持板２０を通
って上方に延出している。図示しない制御棒クラスタ
を、制御棒クラスタ案内管２２の中に炉心から引き込
み、或いは、制御棒クラスタ案内管２２の中から炉心の
燃料集合体３３の中に挿入することにより、炉心の熱出
力が調整される。

【０００４】図１０は、燃料集合体３３の上部の構造を
示す拡大構成図である。この図に示すように、上部炉心
板２１と上部炉心支持板２０とは、上部炉心支持柱２３
によって構造上、強度を保つように連結されていて、ま
た、上部炉心支持板２０を貫通する制御棒クラスタ案内
管２２も、上部炉心支持板２０に固定され横方向に支持
されている。このように連結された上部炉心板２１と上
部炉心支持板２０との間には、上部プレナム４０が画成
されている。

【０００５】次に、上記のように構成された原子炉容器
１０の内部の冷却材たる軽水の流れを説明する。入口ノ
ズル１１から流入した低温の軽水は、図９及び図１０の
矢印で示すように流れる。即ち、炉心槽３０と原子炉容
器１０の内面との間の環状下降空間を流れ下り、下部プ
レナム４１で反転する。上向きに方向を変えた軽水は、
下部炉心支持板３２及び下部炉心板３１を通って炉心内
に流入する。炉心内を上昇する軽水は、ほぼ平行な流れ
となって流れ、燃料集合体３３の燃料棒から核反応熱を
奪って温度が上昇する。上部炉心板２１を通った後横方
向に転向し、出口ノズル１２から流出し、出口配管４２
を通って図示しない蒸気発生器へ向かう。

【０００６】ここで、複数体の燃料集合体３３で構成さ
れる炉心は、通常、サイクル毎に約１／３程度の燃料を
交換するため、３サイクルの異なる燃焼度の燃料集合体
で構成され、燃焼度に応じて燃料集合体毎の出力が異な
る。また、原子炉出力を制御する制御棒が装荷された燃
料位置と炉心外周部とは、炉外への中性子束漏れもあ
り、炉心中心部に比べて低い中性子束分布となっている
ため、出力は低くなる。

【０００７】従って、炉心内の軽水の流れを若干詳しく
見ると、上記のような炉心内の中性子束分布の影響によ
り、核分裂反応が盛んな中心部を流れる矢印ｄの流れ
は、比較的よく加熱されて相対的に高温になって、炉心
から上部プレナム４０に入る。そして、制御棒クラスタ
案内管２２の内部及び周囲を流れて上部炉心支持板２０
の下面に至り、横方向に案内されて、図１０の矢印ｅ、
ｆ及びｇのように流れて出口ノズル１２へ流入する。

【０００８】一方、中性子束密度が相対的に小さい炉心
周辺部を流れた周辺部流ａは、加熱されるが中央部に比
べて相対的に低温のまま、炉心から上部プレナム４０に
流出する。周辺部流の炉心出口から出口ノズル１２へ向
かう矢印ｂの流れは、炉心槽３０の内側において上部炉
心構造物が無く、比較的抵抗が少ない領域を流れるた
め、直接的ないし短流路で出口ノズル１２に流入する。

【０００９】従って、出口ノズル１２に接続した出口配
管４２内では、相対的に低温の周辺部流が矢印ｃに示す
ように配管内の底部を流れ、相対的に高温の炉心の中心
部流が矢印ｇに示すように天井部を流れる。即ち、出口
配管４２及び出口ノズル１２内には、上部に冷却材の高
温層、下部に冷却材の低温層が形成されて成層化現象が
生じ、出口配管等に大きな熱勾配を持った温度分布とな
る。また、この温度差を持つ流れは、炉内構造物を通過
するときに渦を生ずることにより、流体の温度揺らぎを
発生するため、配管内温度計測に対して原子炉の平均温
度計測を行う場合の障害となり易い。

【００１０】そこで、原子炉容器内に設置された炉内構
造物の形状により、被加熱流体の流れを変えて、被加熱
流体の温度差を小さくするために混合を促進する構造
が、特開昭９−７２９８５号公報に開示されており、図
１１に、その構造を示す。この従来例では、発熱部の外
周部総てにスロット付き管２４を配置し、外周部から流
出する温度の低い軽水の矢印ａの流れの一部は、矢印
ｂ'のように適宜配設されたスロット付き管２４の中に
入って流れ、しかる後上方に設けられたスロットから上
部プレナム４０内に流出し、矢印ｃ'に示すように出口
ノズル１２に向かう。このように流れると、スロット付
き管２４内を流れた相対的に低温である周辺部流の一部
と前述の中心部流ｄ，ｅとは、上部プレナム４０内部で
程よく混合して、出口ノズル１２に流入する冷却材たる
軽水の温度の平均化が図られ、十分混合した軽水が出口
配管４２内を流れる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たように、外径を太くした管状のスロット付き管２４の
内部に低温の軽水を導き、この軽水を上部炉心板２１の
位置から出口ノズル１２の上部高さ近くまで上方へ案内
する構造物は、内部に軽水を通さない形状の上部炉心支
持柱２３に比べ外径が太いため、上部プレナム４０にお
いて出口ノズル１２に向かう横流れ流路が狭くなり、構
造物の流路抵抗が大きくなる。その結果、上部炉心支持
柱２３及び制御棒クラスタ案内管２２の流体荷重が増加
するため、制御棒クラスタ案内管２２の構造健全性に影
響を与える可能性が有る。

【００１２】また、炉心外周部に対応する燃料集合体の
上部の制御棒クラスタ案内管以外の総ての位置におい
て、上部炉心板２１と上部炉心支持板２０との間にスロ
ット付き管２４を配設する場合にも、上部プレナム４０
内における構造物の流路抵抗が大きくなり、制御棒クラ
スタ案内管２２にかかる流体荷重は、スロット付き管２
４を取り付けない場合の約２倍以上になる。特に、制御
棒クラスタ案内管２２の下端部は、前述したように支持
ピン等で上部炉心板２１にピン止めされているので、安
全性の面からも流体荷重が増加することは好ましくな
い。

【００１３】そこで、上記問題点を解決するために、本
発明は、出口ノズルに流入する冷却材の温度の平均化を
促進すると共に、上部プレナム内における流路抵抗を減
少させることのできる形状及び配置の原子炉容器内の被
加熱流体混合促進構造を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る本発明は、被加熱流体が低温域及び
高温域に分かれて流れる炉心上部に画成されると共に、
原子炉容器の側部に備えられた出口ノズルに流体連通す
る上部プレナムにおいて、前記炉心の前記低温域から流
出する前記被加熱流体を前記出口ノズル近傍まで案内す
ると共に、前記出口ノズルの内径にほぼ対応する位置且
つ長さに亙って複数の細長スロットが設けられている細
径部及び太径部から成る被加熱流体案内部材を前記上部
プレナムに配設する原子炉容器内の被加熱流体混合促進
構造を提供する。

【００１５】前記被加熱流体案内部材の前記太径部と前
記細径部との間に且つ連接するようにテーパ部を設け、
該テーパ部に複数の窓孔を設けることができる。また、
前記被加熱流体案内部材は、前記上部プレナムの外周部
に設けられる既存の上部炉心支持柱の位置に且つ交換し
て配設するのが望ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施の形態
を、添付図面を参照しながら説明するが、図中、同一符
号は、同一又は対応部分を示すものとする。

【００１７】図１は、本発明の被加熱流体案内管を取り
つけた加圧水型原子炉の全体を示す断面図であり、図２
は、その上部プレナム４０の詳細を示す拡大図である。
これらの図において、加圧水型原子炉の内部構造は、前
述の従来構造のものと大部分において同一であるため、
重複する部分の説明は、省略する。前述の従来構造と異
なる部分は、被加熱流体案内管としてのスロット付き管
１の形状である。スロット付き管１は、上部プレナム４
０内に、全く新しく設けてもよい。また、出口ノズル１
２への流出側に隣接した制御棒クラスタ案内管以外の既
設部材と交換して、スロット付き管１を設けても良い。

【００１８】図３に、スロット付き管１の拡大側面図を
示す。スロット付き管１は、筒状に形成され、その下端
３は、開放されており、このスロット付き管１を上部炉
心板２１に取り付けた際に、上部炉心板２１の穴を介し
て炉心に連通して、炉心から流出した冷却材がスロット
付き管１の内部を流れるようになっている。スロット付
き管１の上端側は、前述した上部炉心支持柱２３と同様
に、上部炉心支持板２０に取り付けて固定するように、
細径の取付部４とフランジ部４ａとを形成している。

【００１９】また、スロット付き管１の下端３からフラ
ンジ部４ａの下端までの部分、すなわち、設置した際に
上部プレナム４０内に位置する部分であってフランジ部
４ａを除いた部分は、下側が太径部５に、上側が細径部
６で形成されており、太径部５から細径部６に移行する
部分に、テーパ部７が設けられている。ここで、太径部
５と細径部６との長さ割合は、少なくとも１：３、すな
わち、スロット付き管１は、テーパ部７及びフランジ部
４ａを有することから、上部プレナム４０内に位置する
部分の２／３以上を細径部６にするのが好ましい。ま
た、細径部６は、少なくとも１５％以上、太径部５より
外径を縮小化する。

【００２０】次に、スロット付き管１の上部プレナム４
０内における配置位置を図４に示す。図４は、上部プレ
ナム４０における原子炉容器１０の横断面の１／４を示
し、各構造物の要部のみを示している。白抜きの４角形
は、制御棒クレスタ案内管２２、Ｘ字形は、上部炉心支
持柱２３、丸形は、従来のスロット付き管２４が配設さ
れた位置で、その内、斜線付きのものは、本発明に従う
スロット付き管１を取り付けた位置である。この図から
分かるように、従来は、炉心外周部に対応する総ての位
置において、スロット付き管２４を配設していたが（図
における白及び斜線付き丸印の位置）、この実施形態に
おいては、その配置位置を既存の上部炉心支持柱２３が
ある位置に限定し、この上部炉心支持柱２３と交換して
スロット付き管１を配設している（図における斜線付き
丸印の位置）。

【００２１】ここで、図５〜図８は、図４における各構
造物の配置位置をモデル化したもので、図５は、スロッ
ト付き管を全く取り付けしない従来の一般的な既設炉の
４ループプラントの配置図、図６は、炉心外周部に対応
する燃料集合体の上部総ての位置にスロット付き管２４
を取り付けた従来の配置図、図７は、既設炉の外周部に
配置された上部炉心支持柱２３をスロット付き管２４に
交換して配設した配置図、そして図８は、図７における
スロット付き管２４を本発明に係るスロット付き管１に
交換して配置した図である。これらの図５〜図８におけ
る、スロット付き管１の配置位置及びその外径の低減割
合における制御棒クラスタ案内管２２に作用する流体荷
重の変化の解析結果を表１に示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】この表２において、外径の低減割合は、従
来の外径が太いスロット付き管２４の外径を基準とし、
本発明に係るスロット付き管１としては、細径部６が約
２０％減少しているものを使用しているため、その低減
割合は、約０．８となる。また、既設炉の上部炉心支持
柱２３は、従来の太いスロット付き管２４に対して、低
減割合が０．５となる。一方、制御棒クラスタ案内管２
２に作用する流体荷重は、図５に示す既設炉の場合を基
準とする。

【００２４】この表１から分かるように、従来の外径の
太いスロット付き管２４を、炉心外周部に対応する燃料
集合体の上部位置総てに配設した場合（図６の配置）に
は、流路閉栓率が大きくなり、上部プレナム４０内の出
口ノズル１２周辺構造物、例えば、制御棒クラスタ案内
管２２に作用する流体荷重が既設炉の２．５倍と増加
し、流れに対する影響が大きい。次に、図７に示すよう
に、本発明に係る配置、すなわち、既設炉の外周部に配
置された上部炉心支持柱２３を外径の太いスロット付き
管２４に交換した場合だけで、制御棒クラスタ案内管２
２に作用する流体荷重は、１．５倍程度に抑えることが
できる。さらに、図８に示すように、従来の太いスロッ
ト付き管２４を本発明に係るスロット付き管１に取り替
えると、制御棒クラスタ案内管２２に作用する流体荷重
は、既設炉の１．３倍にしかならないことが分かる。な
お、実験により、スロット付き管１を炉心外周部に対応
する燃料集合体の上部総ての位置に取り付けることな
く、図８に示す配置にするだけで、冷却材の高温及び低
温の混合を促進することができることが判明した。

【００２５】図３に戻り、スロット付き管１の細径部６
には、このスロット付き管１を取り付けた際に、被加熱
流体の出口と共に、出口ノズル１２近傍の横流れが大き
い部分の流路閉栓を最小とするため、出口ノズル１２高
さの横流れの強い部分に対応する位置（図２参照）に、
細長スロット２を複数設ける。

【００２６】また、太径部５から外径を細径化するテー
パ部分７において、スロット付き管１内部を流れる冷却
材の軸流に対する流動抵抗（圧力損失）が増加する。こ
の流動抵抗が大き過ぎると、上部炉心板２１（図２参
照）を通過する冷却材の流量が不均一なり、炉心部で横
流れを生ずる影響がでることがある。従って、この流量
不均一を避けるため、細径部６で流路断面が縮小する相
当分以上の流路断面積を有する窓孔８を、スロット付き
管１のテーパ部７に複数設け、この窓孔８から冷却材の
一部が放出するようにする。このテーパ部７に設けられ
た窓孔８の流動抵抗、すなわち圧力損失の低減割合の実
験結果を表２に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】上記の表２から明らかなように、この窓孔
８を、図２に示すように出口ノズル１２より下側に設置
することにより、圧力損失が低減する。また、窓孔８の
向きは、スロット付き管１の内部の流れに対して、この
スロット付き管１からの冷却材の放出に効果的な方向で
ある。

【００２９】次に、上記のような構成のスロット付き管
１を原子炉容器１０内部の上部プレナム４０に配設した
場合の炉心内の軽水の流れを説明する。しかし、従前の
流れの例と大部分は同一のため、説明を省略し、図２を
用いて上部プレナム４０から出口ノズル１２までの流れ
を詳述する。

【００３０】上述したように、核分裂反応が炉心中心部
を流れる矢印ｄの流れは、比較的よく加熱されて相対的
に高温になって炉心から上部プレナム４０に入り、制御
棒クラスタ案内管２２の中及び周囲を流れて上部炉心支
持板２０の下面に至り、横方向に案内されて図２の矢印
ｅ及びｆのように出口ノズル１２に向かう。一方、中性
子束密度が相対的に小さい炉心周辺部を流れた周辺部流
ａは、加熱されるが相対的には低温で炉心から上部プレ
ナム４０に流出する。そして、その流れの一部は、適宜
配設されたスロット付き管１の中に入って流れ、出口ノ
ズル１２に対応する位置に設けられたスロット２から矢
印ｂ'の流れのように上部プレナム４０内に流出して、
出口ノズル１２に向かう。

【００３１】このように相対的に低温である冷却材をス
ロット付き管１内を流すことにより、低温の周辺部流と
高温の中心部流とは、程よく混合して出口ノズル１２に
矢印Ａの流れのように流入し、冷却材である軽水の温度
の平均化が図られ、十分混合した冷却材が出口配管４２
内を流れる。なお、スロット２を出口ノズル１２に対応
する位置及び長さに亙ってスロット付き管１に設けてあ
るので、上部プレナム４０内における冷却材の横流れが
大きい部分の流路閉栓を最小にすることができる。

【００３２】また、スロット付き管１の上部２／３の長
さの細径部６の径は、下部の太径部５に比べ１５％以上
細くなっているので、出口ノズル１２近傍の構造物に働
く流体荷重を低減するため、高温の中心部流が矢印ｆ'
の流れのように、スロット付き管１のスロット２を貫通
して出口ノズル１２に向かってスムーズに流れる。さら
に、低温の周辺部流と高温の中心部流との混合を促進す
ることができる。

【００３３】さらに、スロット付き管１には、太径部５
から細径部６へ移行するテーパ部７に窓孔８を設けたの
で、径縮小分の流量を細径部６に至る前に、スロット付
き管１内部から上部プレナム４０に放出することができ
る。このため、スロット付き管１内部を通過する軸流量
の低下が避けられ、上部炉心板２１の流路孔を通過する
冷却材の流量が不均一になることがなく、また、低温の
冷却材と高温の冷却材との混合がさらに促進されて均温
化が進む。

【００３４】

【発明の効果】請求項１に係る本発明は、被加熱流体が
低温域及び高温域に分かれて流れる炉心上部に画成され
ると共に、原子炉容器の側部に備えられた出口ノズルに
流体連通する上部プレナムにおいて、前記炉心の前記低
温域から流出する前記被加熱流体を前記出口ノズル近傍
まで案内すると共に、前記出口ノズルの内径にほぼ対応
する位置且つ長さに亙って複数の細長スロットが設けら
れている細径部及び太径部から成る被加熱流体案内部材
を前記上部プレナムに配設する原子炉容器内の被加熱流
体混合促進構造としたので、炉心外周部の低温域を流れ
た低温被加熱流体が、高温域を流れた高温加熱流体の流
れの中まで導かれて混合すると共に、上部プレナム内に
おける冷却材の横流れが大きい部分の流路閉栓を最小に
することができ、該非加熱流体案内部材による上部プレ
ナム内部の構造物の流体荷重の増加を低減することがで
きるため、出口ノズルに続く管内での熱成層化現象の発
生を防止し、且つ、制御棒クラスタ案内管等の構造物の
健全性を高める。

【００３５】

【００３６】請求項２に記載の本発明は、前記被加熱流
体案内部材の前記太径部と前記細径部との間に且つ連接
するようにテーパ部が設けられ、該テーパ部に複数の窓
孔が設けられているので、被加熱流体案内部材内部にお
ける径縮小分の流量を、細径部に至る前に被加熱流体案
内部材から上部プレナムに放出することができ、被加熱
流体案内部材内部の軸流量低下を避けることにより、炉
心部における横流れを防止すると共に、上部プレナム内
において低温被加熱流体と高温被加熱流体との混合が促
進され均温化が進む。

【００３７】請求項３に記載の本発明は、前記被加熱流
体案内部材が、前記上部プレナムの外周部に設けられる
既存の上部炉心支持柱の位置に且つ交換して配設される
ので、上部プレナム内部の構造物に作用する流体荷重を
さらに低減させることができ、構造物の健全性がさらに
高められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係る加圧水型原子炉の要
部を示す縦断面図である。

【図２】 前記実施形態の上部プレナム近傍の要部を示
す部分拡大断面図である。

【図３】 スロット付き管の一部切欠き拡大側面図であ
る。

【図４】 上部プレナム内の構造物の配置を示す１／４
平面構成図である。

【図５】 上部プレナム内の構造物の配置をモデル化し
た図である。

【図６】 上部プレナム内の構造物の配置をモデル化し
た図である。

【図７】 上部プレナム内の構造物の配置をモデル化し
た図である。

【図８】 上部プレナム内の構造物の配置をモデル化し
た図である。

【図９】 既設の一般的な加圧水型原子炉の要部を示す
縦断面図である。

【図１０】 図９の加圧水型原子炉の上部プレナム近傍
の要部を示す部分拡大断面図である。

【図１１】 従来のスロット付き管を取りつけた上部プ
レナム近傍の要部を示す部分拡大断面図である。

【符号の説明】

１…スロット付き管（細径型）、２…スロット、３…下
端、４…取付部、５…太径部、６…細径部、７…テーパ
部、８…窓孔、１０…原子炉容器、１１…入口ノズル、
１２…出口ノズル、２０…上部炉心支持板、２１…上部
炉心板、２２…制御棒クラスタ案内管、２３…上部炉心
支持柱、２４…スロット付き管（従来型：太径型）、３
０…炉心槽、３１…下部炉心板、３２…下部炉心支持
板、３３…燃料集合体、４０…上部プレナム、４１…下
部プレナム、４２…出口配管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栗村 力 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番 １号 三菱重工業株式会社 神戸造船所 内 (72)発明者 泉 元 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社 高砂研究所内 (56)参考文献 特開 平10−221479（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−197087（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−72985（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−240685（ＪＰ，Ａ) 饗場他，「153万ｋＷ級改良型ＰＷＲ の特徴」，三菱重工技報 第35巻，第４ 号（1998−７）ｐ．246−249 栗村他，「改良型ＰＷＲ炉内構造物の 設計」，三菱重工技報 第35巻，第４号 （1998−７）ｐ．250−253 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 15/02 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加熱流体が低温域及び高温域に分かれ
   て流れる炉心上部に画成されると共に、原子炉容器の側
   部に備えられた出口ノズルに流体連通する上部プレナム
   において、前記炉心の前記低温域から流出する前記被加
   熱流体を前記出口ノズル近傍まで案内すると共に、前記
   出口ノズルの内径にほぼ対応する位置且つ長さに亙って
   複数の細長スロットが設けられている細径部及び太径部
   から成る被加熱流体案内部材を前記上部プレナムに配設
   する原子炉容器内の被加熱流体混合促進構造。
2. 【請求項２】 前記被加熱流体案内部材の前記太径部と
   前記細径部との間に且つ連接するようにテーパ部が設け
   られ、該テーパ部に複数の窓孔が設けられている請求項
   １に記載の原子炉容器内の被加熱流体混合促進構造。
3. 【請求項３】 前記被加熱流体案内部材は、前記上部プ
   レナムの外周部に設けられる既存の上部炉心支持柱の位
   置に且つ交換して配設される請求項１または２に記載の
   原子炉容器内の被加熱流体混合促進構造。