JP3602726B2

JP3602726B2 - 高速炉用蒸気発生器

Info

Publication number: JP3602726B2
Application number: JP25303398A
Authority: JP
Inventors: 満神戸
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1998-09-07
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2018-09-07
Also published as: JP2000081496A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速炉用蒸気発生器に関する。更に詳述すると、本発明は水と激しく反応する液体金属冷却材の熱を水に伝えて蒸気を発生させる二重シェル（隔壁）型の高速炉蒸気発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナトリウム等の液体金属を冷却材として使用する高速炉プラントとして、二次冷却系を削除したものが提案されている。かかる二次系削除型高速炉プラントの蒸気発生器では、一次冷却系の液体ナトリウムと蒸気になる水との接触防止の信頼性を高めるために水の流路を二重管内に形成することが知られている。この二重管型蒸気発生器では、二重管の外管と内管の間の環状空間の雰囲気を常時監視することで二重管の破損を検出することができる。即ち、外管又は内管が破損すると液体ナトリウム又は水が外管と内管の間に漏れ出るが、外管と内管の間に不活性ガスの循環流を形成しておき当該不活性ガス循環流中にナトリウム・エーロゾル（ナトリウムを分散質、気体を分散媒とするコロイド系）や湿分を検出できるか否かを監視することで外管又は内管の破損を迅速に検出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、内管又は外管の破損を迅速に検出するためには外管と内管の間（隙間）を広くあけて不活性ガス循環流をスムーズに流す必要がある。一方、外管と内管の間の隙間が広くなるのに伴って熱抵抗が大きくなり、液体ナトリウムの熱が水に伝わり難くなってしまう。この対策として、外管と内管の間に網線を入れて伝熱媒体とすることも考えられるが、この場合であっても等価熱伝導率は単管の半分程度であり、蒸気発生器を大型化しなければならなかった。また、二重管を直管型とするのではなくヘリカルコイル型とすることで蒸気発生器の小型化は可能ではあるが、この場合には二重管を途中で接続する必要があり、その健全性の確認が新たな問題となってしまう。
【０００４】
本発明は信頼性の高い二重シェル型の蒸気発生器であって、二重シェルの破損を迅速に検出できる高速炉用蒸気発生器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、シェルを介して、高所から低所に流れる液体金属冷却材と低所から高所に流れる水との間で間接熱交換を行い前記液体金属冷却材の熱で蒸気を発生させる高速炉用蒸気発生器において、前記シェルを二重シェルとすると共に該二重シェルを貫通するヒートパイプ（炉心に挿入されるものを除く）を備え、前記ヒートパイプは傾斜した状態で配置され、前記液体金属材の熱を前記ヒートパイプを介して前記水に伝えるようにしている。
【０００６】
したがって、液体金属冷却材の熱はヒートパイプを通じて水に伝えられる。このため、たとえ二重シェル例えば二重胴のようなものの外胴と内胴の間を広くあけても液体金属冷却材の熱は良好に水に伝達される。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の高速炉用蒸気発生器において、二重シェルの間の隙間に不活性ガスの循環流を形成するガス循環手段と、循環流中の液体金属冷却材及び水を分散質とするエーロゾルを検出する検出手段を備えるようにしている。
【０００８】
この場合、二重シェル破損が起きると、破損したシェルからその外側を流れる流体が二重シェルの間の隙間に漏れ出して不活性ガス中を漂う。例えば、液体金属冷却材としての液体ナトリウムが二重シェルの間の隙間に漏れ出せばナトリウム・エーロゾルとなって不活性ガス中を漂い、水が漏れ出せばミストのようなエーロゾルとなって不活性ガス中を漂う。二重シェルの間の隙間では不活性ガスがガス循環手段によって常に循環しているので、不活性ガス中の液体金属冷却材や水を分散質とするエーロゾルは循環流にのって検出手段に迅速に到達し検出される。そして、液体金属冷却材を分散質とするエーロゾルか水を分散質とするエーロゾルかで二重シェルのいずれの側例えば外胴側か内胴側かが判明する。
【０００９】
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の高速炉用蒸気発生器において、ヒートパイプ内にタグガスを封入すると共に、液体金属冷却材の流路及び水の流路中に漏れたタグガスを検出する検出手段を備えるようにしている。
【００１０】
この場合、ヒートパイプが破損すると、封入されていたタグガスが液体金属冷却材の流路又は水の流路内に漏れ出る。各流路内の液体金属冷却材及び水（蒸気）は常に循環しており、ヒートパイプから液体金属冷却材の流路又は水の流路に漏れたタグガスはこれら各流路に設けられた検出手段に迅速に到達する。したがって、ヒートパイプが破損した場合には、検出手段によってタグガスが検出される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１に本発明を適用した高速炉用蒸気発生器の実施形態の一例を示す。この高速炉用蒸気発生器（以下、単に蒸気発生器という）は、例えば二次液体金属冷却系を削除して一次液体金属冷却系の熱を水系に伝える二次系削除型高速炉プラントに使用されるものであって、液体金属冷却材を高所から低所に流す流路１と水を低所から高所に流す流路２との間に二重シェル３を設けると共にこの二重シェル３を貫通するヒートパイプ（炉心に挿入されるものを除く）６を備え、流路１を流れる液体金属材の熱をヒートパイプ６を介して流路２を流れる水に伝え液体金属冷却材の熱で蒸気を発生させるようにしている。この蒸気発生器は設置スペースに形成された孔１１内に配置され、ブラケット２０及びステー１２によって支持されている。尚、本実施形態では、液体金属冷却材として液体ナトリウムが採用されており、液体金属冷却材が流れる流路をナトリウム系流路、水が流れる流路を水系流路と呼んでいる。
【００１３】
二重シェル３は、例えば中子９を囲繞する内胴５と更にその外側を囲繞する外胴４との二重胴により構成され、ケーシング１０内に上下に貫通するように配置されている。そして、外胴（外側シェル）４の外側即ち外胴４とケーシング１０の間がナトリウム系流路１に、内胴（内側シェル）５の内側即ち内胴５と中子９の間が水系流路２とされている。外胴４と内胴５の間には、図２に示すように、広い隙間（円筒形であるため、以下、環状空間と呼ぶ）１９が形成され、不活性ガスを循環させる流路が形成されている。そして、外胴４及び内胴５を貫通して液体金属冷却材の熱を水に伝えるヒートパイプ６が備えられている。尚、液体ナトリウムはナトリウム系流路１内を上から下に向けて、水（蒸気）は水系流路２内を下から上に向けてそれぞれ流れている。
【００１４】
ヒートパイプ６は、二重胴３の全周に亘って管軸方向に多数設置されている。また、ヒートパイプ６は傾斜した状態で配置されている。図２にヒートパイプ６の取付部分を拡大して示す。各ヒートパイプ６が貫通する内胴５の孔５ａの直径はヒートパイプ６の外径とほぼ同じ大きさに形成されており、各ヒートパイプ６は孔５ａの周囲に全周に亘って溶接されている。即ち、各ヒートパイプ６は内胴５に固定されており、且つ各ヒートパイプ６と内胴５との間はシールされている。一方、各ヒートパイプ６が貫通する外胴４の孔４ａの直径はヒートパイプ６の外径よりも若干大きく形成されており、内胴５に固定された各ヒートパイプ６の外胴４に対する移動を可能にし、外胴４と内胴５の軸方向熱膨張差を吸収できる構造となっている。各ヒートパイプ６と外胴４の間は、ベローズ１３によって塞がれてシールされている。
【００１５】
各ヒートパイプ６の作動流体としては、例えばカリウム、セシウム等の液体金属が適している。また、各ヒートパイプ６内には、タグガスが封入されている。このタグガスとしては、例えばクリプトン、キセノン等の放射化ガスが適している。各ヒートパイプ６内はナトリウム系流路１内及び水系流路２内よりも低圧になっている。各ヒートパイプ６は、外側端が内側端よりも低くなるように傾けて設置されている。
【００１６】
この蒸気発生器は、外胴４と内胴５の間の環状空間１９に不活性ガスの循環流を形成するガス循環手段１４と、この循環流中のナトリウム・エーロゾル及び湿分を検出する検出手段（以下、エーロゾル検出手段と呼ぶ）１５と、ナトリウム系流路１及び水系流路２中に漏れ出たタグガスを検出する検出手段（以下、タグガス検出手段と呼ぶ）１６を備えている。
【００１７】
ガス循環手段１４は、例えば循環路１７とポンプ１８から構成されている。循環路１７は、外胴４の上部と下部に形成されたポート４ｂ，４ｂに接続されている。ポンプ１８は循環路１７の途中に設置されている。外胴４と内胴５の間の環状空間１９及び循環路１７中には例えばヘリウムガス等の不活性ガスが充填されており、ポンプ１８を始動させるとポンプ１８→循環路１７→ポート４ｂ→外胴４と内胴５の間の環状空間１９→ポート４ｂ→循環路１７→ポンプ１８へと流れる不活性ガスの循環流が形成される。
【００１８】
エーロゾル検出手段１５は、ナトリウム・エーロゾル・ディテクタ７と湿分ディテクタ８を備えている。ナトリウム・エーロゾル・ディテクタ７は不活性ガス循環流中のナトリウム・エーロゾルを検出する。また、湿分ディテクタ８は不活性ガス循環流中の湿分即ち水を分散質とするエーロゾルを検出する。
【００１９】
タグガス検出手段１６は各ヒートパイプ６内に封入したタグガスを検出するタグガスモニタであり、ナトリウム系流路１及び水系流路２のそれぞれに設置されている。ナトリウム系流路１に設置されたタグガスモニタ１６は、液体ナトリウム中にタグガスが漏れているか否かを常時監視している。水系流路２に設置されたタグガスモニタ１６は、水（蒸気）中にタグガスが漏れているか否かを常時監視している。
【００２０】
この蒸気発生器では、図示しない炉心を冷却して高温となった液体ナトリウムの熱を多数のヒートパイプ６によって水系流路２内を循環する水に伝えて蒸気を発生させている。したがって、外胴４と内胴５との間を広くあけても液体ナトリウムの熱は水に良好に伝わり、蒸気発生器を大型化しなくても発電等に適した蒸気条件の蒸気を得ることができる。また、外胴４と内胴５の間を広くあけることが可能になったので、外胴４と内胴５の間の環状空間１９内に不活性ガスを良好に循環させることができ、後述するように二重胴３の破損を迅速に検出することができる。さらに、接触すると激しく反応する液体ナトリウムと水とは二重のバウンダリ即ち外胴４及び内胴５によって隔てられているので、単管によって隔てる場合に比べて接触防止の信頼性が向上する。
【００２１】
いま、何らかの原因により外胴４が破損した場合を考える。外胴４が破損した場合には、ナトリウム系流路１中を流れる液体ナトリウムが外胴４と内胴５の間の環状空間１９内に漏れてナトリウム・エーロゾルとなって不活性ガス中を漂う。環状空間１９にはガス循環手段１４によって不活性ガスの循環流が形成されているので、ナトリウム・エーロゾルはこの循環流にのって流れてナトリウム・エーロゾル・ディテクタ７に到達する。外胴４と内胴５の間の環状空間１９は不活性ガスがスムーズに循環できる程度に広くあいており、また、ガス循環手段１４は循環流を常時発生させているので、ナトリウム・エーロゾルは外胴４の破損後迅速にナトリウム・エーロゾル・ディテクタ７に到達する。即ち、ナトリウム・エーロゾル・ディテクタ７によって循環流中のナトリウム・エーロゾルの有無を常時監視しておくことで、外胴４の破損を迅速に検出することができる。
【００２２】
同様に、何らかの原因により内胴５が破損した場合には、水系流路２中を流れる水（蒸気）が外胴４と内胴５の間に漏れ不活性ガスの循環流にのって流れて湿分ディテクタ８に迅速に到達する。即ち、湿分ディテクタ８によって循環流中の湿分を常時監視しておくことで、内胴５の破損を迅速に検出することができる。
【００２３】
また、ヒートパイプ６が破損した場合を考える。ヒートパイプ６が破損した場合には、ヒートパイプ６内が低圧となっていることからナトリウム系流路１内の液体ナトリウム又は水系流路２内の水（蒸気）がヒートパイプ６内に流入し、これに伴ってヒートパイプ６内に封入されていたタグガスがナトリウム系流路１又は水系流路２内に漏れる。漏れたタグガスは液体ナトリウム又は水（蒸気）の流れにのって液体ナトリウム系又は水系を循環し、タグガス検出手段たるタグガスモニタ１６に迅速に到達する。即ち、タグガスモニタ１６によって液体ナトリウム又は水（蒸気）中のタグガスの存在を常時監視しておくことで、ヒートパイプ６の破損を迅速に検出することができる。なお、ヒートパイプ６が破損した場合には、ヒートパイプ６中の作動流体（液体金属）も液体ナトリウム又は水（蒸気）中に漏れ出る。この作動流体は液体ナトリウムとは反応しないが、水・蒸気とは反応する。ただし、１本のヒートパイプ６内の作動流体のインベントリーは僅か（例えば、ヒートパイプ６内容積の約１割で、通常は１００ｃｃ程度）であるため、作動流体と水・蒸気の反応は安全に終息し、隣接するヒートパイプ６を次々に破損させる現象（ウェステージ反応）を招く虞はない。
【００２４】
ここで、蒸気発生器には多数のヒートパイプ６が設置されているため、破損したヒートパイプ６の特定が必要となる。ヒートパイプ６の特定はケーシング１０から二重胴３を引き抜いた状態で各ヒートパイプ６の一端を加熱し、他端の温度応答を熱電対等によりチェックする。正常なヒートパイプ６であれば他端の温度は適切に上昇するが、破損したヒートパイプ６では他端の適切な温度上昇は生じないため、破損したヒートパイプ６を特定することができる。破損したヒートパイプ６の特定作業は、作業者の被爆を避けるためにロボットを使用して遠隔操作で行う。ただし、上述の方法に限るものではないことは勿論である。なお、破損したヒートパイプ６は、破損部分を切除してプラグし再使用可能である。
【００２５】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の説明では二次液体金属冷却系を削除して一次液体金属冷却系の熱を水系に伝える二次系削除型高速炉プラントに使用される蒸気発生器に適用していたが、二次液体金属冷却系を有する高速炉プラントの蒸気発生器に適用しても良いことは勿論である。
【００２６】
また、上述の説明では外胴４の外側に液体ナトリウムが流れるナトリウム系流路１を、内胴５の内側に水が流れる水系流路２をそれぞれ形成しているが、内胴５の内側にナトリウム系流路１を、外胴４の外側に水系流路２をそれぞれ形成するようにしても良い。更に、二重シェル３も図示のような二重胴で構成する必要はなく、場合によっては平坦な隔板などで２流路を分隔するように構成しても良い。
【００２７】
【実施例】
本発明を適用した蒸気発生器を実際に設計した。その一例を以下に示す。
【００２８】
（構造）
製作性の観点から現実的な寸法として、蒸気発生器の全長を１４ｍ、直径４ｍとした。液体ナトリウムに接する外胴４をＳＵＳ３１６製とし、水に接する内胴５をインコロイ８００製とした。外胴４と内胴５の間の環状空間１９には不活性ガスとしてヘリウムガスを循環させるようにした。外胴４と内胴５の軸方向熱膨張差は最大で７ｍｍとなるが、この熱膨張差、即ち内胴５に固定されているヒートパイプ６と外胴４との相対移動はヒートパイプ６と外胴４との間をシールするベローズ１３の変形で吸収する。ヒートパイプ６の作動流体として、カリウムまたはセシウムなどの液体金属を使用するようにした。また、ヒートパイプ６に封入するタグガスとしては、Ｋｒ，Ｘｅなどの放射化ガスを用いるようにした。
【００２９】
（伝熱性能）
伝熱性能はヒートパイプ（以下Ｈ／Ｐという）６の軸方向許容熱流束に依存する。そこで軸方向許容熱流束が３００Ｗ／ｃｍ^２（現状技術）の場合と、５００Ｗ／ｃｍ^２（今後の開発目標値）の場合について計算した。その結果、蒸気発生器１基あたりの熱出力は、前者では７５ＭＷ、後者では１２５ＭＷとなった。主な設計条件および仕様を以下に示す。
（設計条件および仕様）
蒸気サイクル：スーパーヒート・サイクル
ナトリウム入口温度：５５０℃
ナトリウム出口温度：４００℃
水入口温度：２８０℃
水出口温度：５００℃
Ｈ／Ｐ内径：４０ｍｍ
Ｈ／Ｐ軸方向許容熱流束：３００Ｗ／ｃｍ^２（現状技術）又は５００Ｗ／ｃｍ^２（今後の開発目標値）
Ｈ／Ｐ径方向許容熱流束：２０Ｗ／ｃｍ^２（セシウムＨ／Ｐで可能）
Ｈ／Ｐ配列：Ｐ／Ｄ＝２．０（３角配列）
Ｈ／Ｐ群周りの流動状況：４５°斜行流
Ｈ／Ｐ本数：２０，０００本
Ｈ／Ｐ全長：１ｍ（受熱部５０ｃｍ、放熱部５０ｃｍ）
Ｈ／Ｐ全断面積：２５ｍ^２
Ｈ／Ｐ全伝熱面積：１２５０ｍ^２（受熱部、放熱部各々の総表面積）
蒸気発生器熱出力：７５ＭＷ（現状技術）又は１２５ＭＷ（今後の開発目標値）
Ｈ／Ｐ取り付け二重胴の寸法：直径３ｍ、有効高さ８ｍ
ケーシング寸法：直径４ｍ、高さ１４ｍ
総重量（ナトリウムを除く）：約５０ｔｏｎ
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の高速炉用蒸気発生器によると、液体金属冷却材の熱はヒートパイプ（炉心に挿入されるものを除く）を通じて水に伝えられ、たとえ二重シェルの外壁と内壁の間を広くあけても液体金属冷却材の熱は良好に水に伝達されるので、激しく反応する液体金属冷却材と水とを二重のバウンダリ（二重シェル）で隔てて反応防止に対する信頼性を向上させた場合であっても、冷却材の熱を効率良く水に伝えて蒸気を発生させることができる。このため、信頼性の高い二重胴型の蒸気発生器を小型化することができる。
【００３１】
また、請求項２記載の高速炉用蒸気発生器によると、二重シェル破損が起きると、破損したシェルからその外側を流れる流体が二重シェルの間の隙間に漏れ出して不活性ガス中を漂うので、それを検出することによってシェル破損を検知することができるし、液体金属冷却材を分散質とするエーロゾルか水を分散質とするエーロゾルかで二重シェルのいずれの側例えば外胴側か内胴側かを判別することも可能となる。しかも、不活性ガスは循環しているので、液体金属冷却材又は水の漏れを連続して監視することができると共に、シェル破損を迅速且つ確実に検出することができる。
【００３２】
さらに、請求項３記載の高速炉用蒸気発生器によると、ヒートパイプの破損に伴って漏れ出るタグガスが常に循環している液体金属冷却材及び水（蒸気）により検出手段にまで運搬され迅速に検出されるので、ヒートパイプの破損を迅速且つ確実に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した高速炉用蒸気発生器の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明を適用した高速炉用蒸気発生器のヒートパイプの取付部分を拡大して示す概略構成図である。
【符号の説明】
１液体金属冷却材の流路
２水の流路
３二重胴（二重シェル）
４外胴
５内胴
６ヒートパイプ
１４ガス循環手段
１５エーロゾルの検出手段
１６タグガスの検出手段

Claims

シェルを介して、高所から低所に流れる液体金属冷却材と低所から高所に流れる水との間で間接熱交換を行い前記液体金属冷却材の熱で蒸気を発生させる高速炉用蒸気発生器において、前記シェルを二重シェルとすると共に該二重シェルを貫通するヒートパイプ（炉心に挿入されるものを除く）を備え、前記ヒートパイプは傾斜した状態で配置され、前記液体金属材の熱を前記ヒートパイプを介して前記水に伝えることを特徴とする高速炉用蒸気発生器。
前記二重シェルの間の隙間に不活性ガスの循環流を形成するガス循環手段と、前記循環流中の前記液体金属冷却材及び水を分散質とするエーロゾルを検出する検出手段を備えることを特徴とする請求項１記載の高速炉用蒸気発生器。
前記ヒートパイプ内にタグガスを封入すると共に、前記液体金属冷却材の流路及び前記水の流路中に漏れた前記タグガスを検出する検出手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の高速炉用蒸気発生器。