JP3139856B2 - 管式熱交換器 - Google Patents

管式熱交換器

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JP3139856B2 JP04294897A JP29489792A JP3139856B2 JP 3139856 B2 JP3139856 B2 JP 3139856B2 JP 04294897 A JP04294897 A JP 04294897A JP 29489792 A JP29489792 A JP 29489792A JP 3139856 B2 JP3139856 B2 JP 3139856B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】本発明は、原子炉冷却材ループにおける
水対水の管式熱交換器に関し、特に、加圧水型原子炉の
冷却材ループにおける蒸気発生器を介しての冷却能力の
喪失がある場合等の仮定事象の間における原子炉からの
炉心崩壊熱を伝達するように設計された熱交換器に関す
る。本発明は自然対流だけによって原子炉を冷却するよ
うに設計された受動系に特に有用である。
【0002】米国特許第4,753,771号明細書
は、自然対流によって炉心から炉心崩壊熱を除去するた
め、水対水の残留熱除去熱交換器を用いる加圧水型原子
炉用として適切に設計された受動安全系を開示してい
る。この受動安全系において、熱交換器は格納容器内の
原子炉水貯蔵タンクに配置されている。熱交換器は、炉
心冷却用の一次水回路のホットレッグ及びコールドレッ
グに配管を介して流体連結されている。例えば冷却材ポ
ンプの故障等の冷却系事故の場合、その冷却水は自然循
環をして、炉心からパイプを介して熱交換器を通ってか
ら、他のパイプを介して炉心まで戻る。上記米国特許明
細書に開示されるように、熱交換器は、通常、水貯蔵タ
ンク内に配置された入口マニホルドから出口マニホルド
まで延在する複数の管を備える。従って、残留熱除去用
のこの熱交換器は崩壊熱を水貯蔵タンクの水に伝達す
る。
【0003】理想的には、上記米国特許明細書に開示さ
れた熱交換器等の残留熱除去用の熱交換器はあったとし
てもまれにしか必要とされることはなく、通常、原子力
発電プラントの他の諸系統が作動する。それにもかかわ
らず、残留熱除去用の熱交換器は、原子炉系圧力で汚染
一次冷却水を収容するので、定期的に検査し、必要に応
じて修繕しなければならない。
【0004】上記米国特許明細書に開示された熱交換器
はその安全機能を十分に発揮するが、かかる熱交換器の
定期保守及び修繕のような運転中での事柄は、原子力発
電プラントの運転を不利にする可能性がある。例えば、
管を簡単に検査するには、通常、その検査の前に水貯蔵
タンクの排水を必要とする。しかしながら、水貯蔵タン
クは非常に大きく約1,858,060.8cm2(約
2,000ft2)以上の面積と約914.4cm(約
30ft)以上の高さとを有し、排水には長時間かかる
こともある。水貯蔵タンクの排水の際には、原子炉容器
の除去も必要とされることがあり、それによって運転停
止が一層長くなる。また、上述の設計は、水貯蔵タンク
内ではあるが、熱交換器に至るパイプ或は該熱交換器か
ら延びるパイプの破裂後に、水貯蔵タンクを許容負荷に
しておくのに難しさがあり得る。
【0005】
【発明の概要】本発明の目的は、現行下で設計されたも
のよりもより容易に検査及び修繕が可能である、原子炉
冷却材回路における水貯蔵タンク内の残留熱除去用熱交
換器を提供することである。本発明の更なる目的は、水
貯蔵タンクの外側から容易に検査及び修繕が可能な熱交
換器を提供することである。本発明の他の目的は、水貯
蔵タンクの外側に大きな連結パイプの全てを移動するこ
とである。
【0006】上述した目的のため、本発明は、炉心崩壊
熱を原子炉から水貯蔵タンク内の水に伝達するため、該
水貯蔵タンク内に配置された水対水の管式熱交換器を提
供するものである。水貯蔵タンクは、それぞれが開口を
画成する2つの離間したタンク連結部を有する。熱交換
器は水貯蔵タンク内に配置された複数の管を有する。こ
れ等の管はタンク連結部にそれぞれ隣接した管板組立体
から延在している。
【0007】本発明の好ましい実施例において、複数の
管は管板において該管板の直径を最小とするピッチで離
間しているので、管板の厚みは最小限とすることが可能
であり(設計厚さは設計圧力での直径の関数である)、
管端部間の管部分は水貯蔵タンク内での自然循環を促進
する他の異なるピッチで離間している。よってこれ等管
は、該管板から正方形ピッチで延在してから長方形ピッ
チでその管の大部分に沿って延びるのが好ましい。好ま
しくは、これ等の管はC形状であり、水貯蔵タンクの壁
部とは独立して支持されている。
【0008】
【実施例】図1には、遮蔽建屋1と円筒形の金属製格納
容器シェル32との水平断面が概略的に図示され、本発
明が利用され得る加圧水型原子炉系の主要構成要素を示
している。原子炉容器3内に収容された炉心2は、原子
炉冷却系の一部を形成する一次水回路中を循環する水を
連続的に加熱する。炉心2内で加熱された水は、一次水
回路のループ状配管の内のホットレッグ5を介して蒸気
発生器4に供給される。ホットレッグ5は原子炉容器3
から蒸気発生器4まで延在しており、該蒸気発生器内で
は二次水回路(図示せず)中を循環する水によって熱が
取り出される。蒸気発生器4内での熱交換の後、水は一
次水回路のループ状配管におけるコールドレッグ6を通
ってそこから導出され、原子炉容器3内に再度導入され
る。パイプ8によってホットレッグ5に連通している加
圧器7が一次冷却材回路で要求される圧力を維持してい
る。
【0009】また図2を参照すると、水がコールドレッ
グ6から原子炉容器3に入ると、水は原子炉容器3内を
下方へ向けられ、ダウンカマー9を介して該原子炉容器
内の底部へ流れる。水はそこから炉心2を通って上方へ
強いられ、上述したように、最終的にはホットレッグ5
を通じて加熱状態で原子炉容器3を離れる。一次水回路
(即ち、原子炉冷却材系)の水は原子炉冷却材ポンプ1
0(1つのみを図示)によって循環が維持される。
【0010】上記した原子炉構成要素、それらの配置及
び動作は周知である。また従来、各種構成要素の内部や
同各種構成要素に沿っての温度、水レベル及び圧力等の
種々のパラメータは、周知のセンサ、記録システム及び
/或は表示システムによって連続的に定常通りに検知さ
れる。かかる従来のパラメータ検知システムは符号11
のブロックによって表す。
【0011】格納容器内の水貯蔵タンク12は、その体
積の大部分が原子炉冷却材系配管のレベルの上方、即ち
ホットレッグ5及びコールドレッグ6、原子炉容器3内
の水路等の高さレベルの上方に位置するように、上記遮
蔽建屋1内に配置されている。好ましくは、水貯蔵タン
ク12は通気孔を有する完全な天井を備える。また、こ
の水貯蔵タンクを60.96〜76.2cm(24〜3
0ft)のコンクリートで遮蔽することもできる。水貯
蔵タンク12内の装備を取り替えるために、天井には複
数の装備用ハッチ(図示せず)を設けることができる。
水貯蔵タンク12は、格納容器領域に適合するようなあ
らゆる好都合な標準形状或は非標準形状とすることがで
きる。
【0012】水貯蔵タンク12はパイプ13によって原
子炉容器3のダウンカマー9内と連結させることが可能
であり、該パイプ13は、逆止弁14を中心として水貯
蔵タンク側での圧力がダウンカマー側と比べて小さい限
り、該逆止弁14により閉状態が維持される。
【0013】この水貯蔵タンク12は本発明に係る1つ
或はそれ以上の受動的な残留熱除去用の熱交換器を収容
し、その内の1つが符号15で概略的に示されている。
図示の如く、熱交換器は水貯蔵タンクの壁部を越えて延
在する複数の管板ヘッダー17を有することができる。
より小さな格納容器の領域を利用すべく、ヘッダー17
は水貯蔵タンクの壁部内に引っ込ませることもできる。
通常、熱交換器15は水貯蔵タンク12内に貯蔵された
水の中に全体的に浸漬されており、原子炉における冷却
材のループ状配管より上方の高さに配置されている。こ
うして水貯蔵タンク12内の冷水は、この熱交換器15
に対して、初期的な熱シンクとして機能する。
【0014】熱交換器15は、パイプ19によって原子
炉冷却系のホットレッグ5に連結させることが可能であ
る一方、下方に延在するパイプ20によってコールドレ
ッグ6に連結させることが可能である。このパイプ20
は、通常は閉状態で故障時に開状態となる絞り弁21に
よって遮断可能である。絞り弁21は、例えば上記パラ
メータ検知システム11によって、パイプ20を通る流
量を調整することができる。
【0015】原子炉冷却材系におけるホットレッグ5及
びコールドレッグ6の高さレベルの上方には、2つの球
状の炉心補給水タンク22(図1にはその2つを示す
が、図2には一方のみを示す)。以下、この炉心補給水
タンク22の一方のみに関連するパイプ連結部について
説明するが、理解して戴けるように、冗長性を付与すべ
く他方の炉心補給水タンク22用として同等の配管が二
重に使用され得る。
【0016】冷水が満たされた炉心補給水タンク22の
内側スペースの上部は、比較的に小径のパイプ23によ
って加圧器7の蒸気スペースと連通可能である。更に、
炉心補給水タンク22の上方スペースは比較的に大径の
パイプ24によってコールドレッグ6と連結させること
ができる。逆止弁25をパイプ23に配することがで
き、これで該パイプ23を通って加圧器7の方向への流
体の流れを防止するようにする。この炉心補給水タンク
の底部は、故障時に開となる遮断弁27により通常は閉
じられているパイプ26によって原子炉容器3のダウン
カマー9に連結され得る。
【0017】加圧器7の蒸気スペースからは、水貯蔵タ
ンク内に開口すると共に動力作動式の圧力逃し弁29に
よって通常閉状態に維持される減圧パイプ28が延在し
てもよい。
【0018】水貯蔵タンク12はその下方部に出口ニッ
プル30を備えることができ、該出口ニップルは、水貯
蔵タンク12からの水の流出を防ぐ一方、張水した格納
容器から水貯蔵タンク12への水の流入を許容する逆止
弁31によって通常閉状態に維持される。
【0019】このような系の作動については上記米国特
許第4,753,771号明細書を参照されたい。
【0020】図3には、本発明が利用され得る、床レベ
ル43にある水貯蔵タンク40が概略的に示されてい
る。一般に水貯蔵タンク40は蜂の巣状構造44によっ
て支持された金属製ライナ42(図4に示す)を備え
る。この金属製ライナ42は、好ましくは、水の腐食作
用に抗するステンレス鋼製品であって、約0.318〜
0.635cm(約1/8〜1/4in.)の厚みを有
する。支持用の蜂の巣状構造44は、好ましくは、約6
0.96〜76.2cm(約24〜30in.)の厚み
を有するコンクリート製遮蔽体内に埋め込まれた通常の
構造用鋼製支持体(図示せず)を含む。水貯蔵タンク4
0は、通気孔(図示せず)を有して水貯蔵タンク40全
体を覆うコンクリート製天井45をも備えることができ
る。好ましくは、その埋め込まれた構造用鋼は水貯蔵タ
ンク40全体の荷重を支持すべく設計されており、コン
クリートの方は安全率を提供している。代替的には、水
貯蔵タンクは、その設計に応じて、コンクリート遮蔽体
を備えないこともあり得る。
【0021】水貯蔵タンク40は(図1に関連して上述
したような)種々のタンク連結部を備えることになり、
該タンク連結部としては、一次冷却水回路と、本発明を
実施している熱交換器58のアセンブリ(図2参照のこ
と)の入口側管板組立体50及び出口側管板組立体52
(図6に明示)との間の連通を許容する入口側連結部4
6及び出口側連結部48を含む。あらゆる適切なタンク
構造を使用し得る。図5は、取付板62及び64に入口
側連結部46及び出口側連結部48がそれぞれ開口とし
て画成されている1つの好ましい設計例を示す。これ等
の取付板62及び64は、垂直方向のT形部材66と水
平方向のT形部材68との対によって支持されている。
この支持アセンブリ60は相互にボルト止め或は溶接に
よって接合され得る。この支持アセンブリは、上記水貯
蔵タンクのライナ42を支持する埋め込まれた構造用鋼
の一部ではないのが好ましいが、他の実施例ではそうし
た場合もあり得る。図4中の符号70によって示される
ように、取付板62及び64は水貯蔵タンク40のライ
ナ42に溶接される。
【0022】管板組立体50及び52は、その内の管板
組立体50を例示する図6に最も良く示されている。図
示の管板組立体50は、600゜Fの入口一次水と70
゜Fの水貯蔵タンク内の水との熱応力と、高い過渡圧力
とに耐えるべく特に設計されている。一般に管板組立体
50は円形の管板76を備え、この管板は、該管板か
ら、逆方向屈曲部を画成するU状フランジ延長リング8
0まで延びるスカート部78を有する。延長リング82
はU状フランジ延長リング80から取付リング84まで
延びている。管板組立体50及び52のこれ等の構成要
素は相互に溶接されて、単一構造体を形成している。ま
た、入口側水室86は一次水入口側連結部88とアクセ
ス用人員専用通路90とを有して管板76に溶接されて
いる。好ましい実施例において、入口側連結部88は管
板組立体50に通気孔を付けるべく水室86の上部近辺
に配置されている。管板組立体50の形状は管板76の
外周(及びスカート部78)と延長リング82の内周と
の間に環状部92を一般に画成する。出口側管板組立体
52はこの入口側管板組立体50と略々同様であり、出
口側連結部95を備えた出口側水室94を有する。
【0023】図4に示されるように、管板組立体取付用
の延長リング82は取付板62及び64の内側面に隣接
する。好ましくは、延長リング82は、取付リングのボ
ルト穴98(図6に図示)を通って取付板62及び64
にあるボルト用盲穴99(図5に4つのボルト穴を示
す)内へ延入するボルトによって取付板62及び64に
結着されている。取付板62及び64と延長リング82
との間にキャノピー或はオメガ溶接部102を形成し
て、該溶接部を水貯蔵タンク40の外側における格納容
器領域から検査するのが好都合である。また、これ等の
溶接部は一次水の高温にさらされることがない。その理
由は、水貯蔵タンク40内の水は管板76の背後からの
熱と該管板のスカート部78からの熱のかなりの量を吸
収するからである。こうして取付板62及び64と延長
リング82は、水貯蔵タンク温度、即ち全ての熱的条件
の下において通常約70゜Fを維持することになる。加
えて、溶接部70に隣接するボルト穴98及びボルト穴
99を通る取付ボルトは実質的に一定した温度に維持さ
れることになり、熱の繰り返し条件中に緩む傾向はな
い。従って、入口側管板組立体50の面に対する高圧過
渡現象は支持アセンブリ即ち支持構造60によって効果
的に吸収される。更に、従来のフランジシール(図示せ
ず)を取付板62及び64と取付リング84との間に用
いることができる。
【0024】好ましくは、管板組立体50及び52の重
量は、該管板組立体50及び52の間に延在する管11
4の重量を略々支持する熱交換器支持構造112によっ
て支持される。従って、ハウジング装架台118は管板
の取付リング84に溶接されることができる(図6に示
されるように)と共に、該ハウジング装架台118のボ
ルト穴122を通ってこのハウジング装架台118に対
向するように前側ハウジング部材120の背部側に配置
された補強リング124のボルト穴まで延在する複数の
ボルト(図示せず)によって、支持構造112の前側ハ
ウジング部材120に装着される。図4に示される前側
ハウジング部材120は、(平面で見た場合)後方に延
びるU形の端部134を有する厚板126からなる。厚
板126は、水平部材130及び上部ブレース132に
よって補強されている。
【0025】図4における熱交換器支持構造112は、
熱交換器管114の束の両側で前側ハウジング部材12
0から延在する複数の側方ハウジング部材138を備え
る。この側方ハウジング部材138は、水貯蔵タンク4
0内の水の自然循環を許容する大きな開口140及び1
42を有する複数の板として示されている。代替的に
は、これ等の側方ハウジング部材138は、前側ハウジ
ング部材120に溶接或はボルト止めされた複数の管状
構造部材或は他の公知の構造部材であってよい。上部ブ
レース147を有する後側ハウジング部材146は側方
ハウジング部材138の間に延在している。この後側ハ
ウジング部材146もまた水貯蔵タンク内の水の自然循
環を許容するための大きな開口149及び151を有す
る。散布器(図示せず)が水貯蔵タンク40内に用いら
れている実施例において、後側ハウジング部材146は
熱交換器管114への蒸気衝突を防止すべくバッフルを
付けることもできる。複数の直立リブ152を有する上
部ハウジング部材150は側方ハウジング部材138上
に支持されている。この上部ハウジング部材150は熱
交換器管114を略々覆うと共に、水貯蔵タンク内の水
面(熱交換器管114と上部ハウジング部材又は上部構
造部材150の間の領域内を一般に変動する水面)から
の蒸発と格納容器領域の加湿とを実質的に制限する。
【0026】図4に示されるように、前側ハウジング部
材120及び後側ハウジング部材(後部支持部材)14
6の上方部は上部ハウジング部材150の上方に延びて
いる。この高く上げた構造は、上向き突起(後側ハウジ
ング部材146の突起158によって表されている)を
支持する。該上向き突起は天井に取り付けられた横整列
支持体162にあるスロット(スロット160によって
表されている)に整列する。この構造は、横スラストに
抗して熱交換器支持構造112を横方向から支持してい
る。
【0027】熱交換器管114は水貯蔵タンク40内の
水を自然循環すべく設計されている。よって、一次水入
口88は一次水出口95よりも実質的に高所に位置され
ており、一次水回路内で浮力を発生するようにしてい
る。従って、熱交換器管114は約609.6cm(約
20ft)或はそれ以上までの垂直方向の高さを有する
ことができる。入口側連結部46及び出口側連結部48
は、好ましくは、1つの垂直平面内に配置される。図示
されるように、熱交換器管114は管板組立体50及び
52から水平方向に延びてから、それらの間で中央垂直
延在部を形成すべく屈曲している。好ましくは、熱交換
器管114は、該管の膨張を可能にしながら、固定され
た管板の使用を許容すべく図示の如くの「C」形状を形
成する。また、かかる形状は管及びベンド部の数を最少
限とすることになる。ある設計において、僅かに異なる
形状及びベンド部半径を有するたった27本の僅かに異
なる1.905cm(3/4in.)の管プロフィール
が厳格な冷却要件を満足すべく要求される。他の実施例
では設計条件に依存して、他の管形状及び管寸法が利用
され得る。他の実施例における管は、側壁におけるタン
ク連結部に隣接する第1の管板とタンク天井或はタンク
床におけるタンク連結部に隣接する第2の管板とで、L
形或はJ形とすることが可能である。
【0028】熱交換器58は蒸気発生器製作のために利
用される技術と同一の技術を用いて製作され得る。従っ
て、熱交換器管114は上記直立リブ152の間で上部
ハウジング部材150から懸架されたハンガー(図示せ
ず)によって支持され得る。また、それらは側方ハウジ
ング部材138の間に延在する水平ロッド(図示せず)
によって適所に維持され得る。他の支持構造を利用する
こともできる。熱交換器管114を支持する第1の目的
は、熱交換器が直面することを要求される如何なる場合
(又は事象)の間も既知の形状を維持することである。
これ等の場合は地震発生時や散布器起動時を含み得る。
流れによって誘導された振動及び摩耗のための熱交換器
管114の支持体は、作動が短時間であることと熱交換
器58のタンク側における比較的に低い速度とによっ
て、より典型的な熱交換器のものより重要性が低い。
【0029】好ましくは、熱交換器管114は管板組立
体50及び52の直径を最小とするピッチ(即ち、隣接
する熱交換器管の中心間距離)を有するので、管板の厚
みは最小となり得る。しかしながら、小さなピッチは水
貯蔵タンク40内における熱交換器管114を通過する
貯蔵水の自然循環を遅らせる可能性がある。従って、熱
交換器管114の垂直部は、本発明の一定の実施例にお
ける自然循環を促進すべく設計された異なるピッチで配
置され得る。1.905cm(3/4in.)のC形熱
交換器管が用いられた好ましい実施例において、熱交換
器管114の管板組立体50及び52に対する隣接部は
3.81cm(1.5in.)の正方形ピッチで配置さ
れており、該熱交換器管の中間垂直部は3.81cm×
7.62cm(1.5in.×3.0in.)の長方形
ピッチで配置されている。ピッチにおける変動は、隣接
する熱交換器管列の漸増的な水平長を延長することによ
って、その水平部から垂直部にかけての遷移ベンド部に
おいて調整可能である。
【0030】好都合なことには、高温の熱交換器管11
4と低タンク温度の管支持構造112の間の膨張差は上
記C形状の弾性変形によって吸収可能である。加えて、
垂直な横支持体の配置と熱交換器管114の水平長さ
は、曲げ応力を許容可能なレベルまで制御すべく設計可
能である。従って、垂直支持体の間隔と熱交換器管の水
平長さとは、530゜Fの潜在的な最大温度差(最大設
計プロセス圧力での600゜Fから周囲圧力での70゜
Fを引いたもの)を受け入れるために、1.905cm
(3/4in.)径の熱交換器管用で少なくとも約10
1.6cm(約40in.)とすべきである。他の設計
要件を満足すべく他の実施例においては、他の適切な管
配列を利用することが可能である。
【0031】上記の壁部貫通型管板構造は、大きな直
径、高圧、原子炉冷却材ライン(図1に示されたパイプ
19及び20等)を排除する利点がある。よって、図1
のパイプ19は熱交換器入口88に溶接可能であり、パ
イプ20は熱交換器出口95に溶接可能である。従っ
て、水貯蔵タンク40内に大量のエネルギーを導入する
大きなパイプ破裂の可能性は排除される。1.905c
m(3/4in.)の熱交換器管(容易に栓塞可能)の
破裂は、水貯蔵タンク内の水に運動エネルギーを殆ど導
入することがなく、容易に吸収可能である。
【0032】本発明の好ましい実施例を図示し且つ説明
したが、本発明は特許請求の範囲に記載の範囲内で種々
実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明が実施されている加圧水型原子炉の概略
平面断面図である。
【図2】本発明の好ましい実施例を示す、図1の加圧水
型原子炉の概略構成図である。
【図3】本発明を実施する熱交換器が利用された水貯蔵
タンクの立面図である。
【図4】本発明の好ましい実施例である熱交換器を含
む、図3における4−4線に沿った水貯蔵タンクの縦断
面図である。
【図5】図4に示されたタンク連結部用の支持構造の斜
視図である。
【図6】図4に示された管板組立体の断面図である。
【符号の説明】
2 炉心 3 原子炉容器 15,58 熱交換器 12,40 水貯蔵タンク 46 入口側連結部(タンク連結部) 48 出口側連結部(タンク連結部) 50,52 管板組立体 76 管板 114 熱交換器管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エフ・トーマス・ジョンソン アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ピ ッツバーグ、ノーマ・ドライブ 4625 (72)発明者 リチャード・スチュアート・オー アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ピ ッツバーグ、オハラ・メナー 229 (72)発明者 テリー・リー・シュルツ アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、マ リースビル、メイフラワー・コート 4062 (56)参考文献 特開 昭62−9294(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G21C 15/18

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原子炉における冷却水ループにおいて、
    原子炉での崩壊熱を水貯蔵タンク内の水に伝達するた
    め、該水貯蔵タンク内に配置された水対水の管式熱交換
    器であって、前記 水貯蔵タンクが、それぞれが開口を画成する2つの
    離れたタンク連結部を有し、 管式熱交換器が、2つの管板組立体から延在して前記
    水貯蔵タンク内に配置された複数の管と、該管板組立体
    にそれぞれ溶接連結されアクセス用人員専用通路を具え
    た水室とを有し、 前記2つの管板組立体は前記2つのタンク連結部にそれ
    ぞれ隣接して配置されている、 管式熱交換器。
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