JP3920241B2 - 液体金属炉用蒸気発生器とその伝熱方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属炉用蒸気発生器とその伝熱方法に関するもので、より詳細には、蒸気発生器の内部に充填される伝熱媒介流体を強制循環させ、伝熱管の束の構造を改善し、ソジウムと水の反応による事故発生可能性自体を現実的に除去しながら、同時に伝熱性能が向上されるようにする液体金属炉用蒸気発生器とこれの伝熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、液体金属炉は、高速中性子を核反応に利用して熱を生産する原子炉の一種で、冷却材として高圧の水の代わりに金属である液体状態の金属を使用する原子炉を意味するものである。
【０００３】
このような液体金属炉の一例として、図９に示した従来の液体金属炉の系統図を説明すると次の通りである。
【０００４】
液体金属炉は、炉心１００で冷却材であるソジウムが加熱された後、ソジウム循環配管１０１を伝って循環されながら蒸気発生器３００で水への伝熱が起こり、これを介して発生される蒸気でタービン４００を駆動させるように構成されるのだが、蒸気発生器３００の伝熱管漏洩事故の時に漏れた水がソジウムと激烈な反応を起こすため、このような事故に備えて前記ソジウム循環配管１０１と水循環配管３０１との間に中間熱交換器２００と中間熱伝達配管２０１とを含む中間熱伝達系統を設置することになるのである。
【０００５】
従って、前記液体金属炉は、炉心１００の熱がソジウムに伝達された後、ソジウム循環配管１０１を介して中間熱伝達系統の中間熱交換器２００で中間熱伝達配管２０１を介して流れるソジウムに伝熱が成され、前記中間熱伝達配管２０１を介して流れるソジウムと蒸気発生器３００で水循環配管３０１を介して流れる水への伝熱が起こり発生される蒸気でタービン４００を駆動させ発電が生じることになるのである。
【０００６】
しかし、前記のように、蒸気発生器は伝熱管の漏洩時、水とソジウム間での激烈な化学的反応による事故が起きることになり、このような事故から炉心を保護するために中間熱伝達系統という別途の系統を設けているのだが、ソジウムと水との間の反応事故の可能性は常に存在し、またこのような中間系統の使用は液体金属によって建設費用を増加させる要因となる。
【０００７】
このような問題点を解消するために提案されたもので、図１０に図示した従来の別の一例を示す概略的な系統図を説明すると次の通りである。
【０００８】
液体金属炉は、炉心１００と連結され加熱された液体金属が移動される高温配管１０１が具備され、前記高温配管１０１の一側に高温伝熱管１０２が束で設置され、タービン３００と連結され給水が移動される低温配管３０１が具備され、前記低温配管３０１の一側に低温伝熱管３０２が束で設置され、前記伝熱管１０２、３０２を受容する容器２０１と、前記容器２０１に充填された伝熱媒介流体２０２とで構成される蒸気発生器２００が具備されて構成されるものである。
【０００９】
前記のように構成された蒸気発生器２００の内部の伝熱管１０２、３０２を介した伝熱は、高熱の前記高温伝熱管１０２が伝熱媒介流体２０２を加熱して自然的に循環させることによって成されるものである。
【００１０】
そして、前記伝熱媒介流体２０２は、水と液体金属であるソジウムに化学的に安定的な物質から成るものである。
【００１１】
従って、前記のような液体金属炉は、水とソジウムに化学的に安定的な伝熱媒介流体２０２を自然循環させて、反応事故の発生可能性自体を現実的に除去することによって、中間熱伝達系統を実際的に排除することができるという概念で説明されるものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記のような伝熱媒介流体が水とソジウムに化学的に安定的な物質であるので、伝熱管の漏洩時の水とソジウムの激烈な化学反応による反応事故を予防することはできるが、自然循環により伝熱管と伝熱媒介流体間に十分な熱伝達面積を有することができず、蒸気発生器の伝熱性能が著しく低下される。
【００１３】
そして、前記のような伝熱性能の低下を防止して円滑な伝熱性能を有したり、要求される伝熱性能が実現されるようにするには、蒸気発生器の熱伝達面積が十分に大きくならなければならないので、蒸気発生器の大きさが非現実的に大きくなってしまい建設費の増加要因となり得る。
【００１４】
ところが、このような蒸気発生器の大型化は、格納ドームの内部に蒸気発生器を設置しなければならないという現実的な問題、つまり格納ドームを必要以上に大型化しなければならないので、これによって自然循環される蒸気発生器で中間熱伝達系統なしに液体金属炉を稼動するということは、概念としては充実であるが、現実的に実現することは難しいものである。
【００１５】
そこで、本発明は、前記のような従来の諸般問題点を解消するために案出されたもので、その目的は、ソジウムと水との反応による事故発生可能性自体を現実的に除去しながら、同時に伝熱性能が向上されるようにして、中間熱伝達系統の除去が実現されるようにする液体金属炉用蒸気発生器とその伝熱方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するために、本発明は、蒸気発生器及びタービンなどから構成される液体金属炉において；前記蒸気発生器の内部に充填される伝熱媒介流体を強制的に循環させることを特徴とする液体金属炉用蒸気発生器とその伝熱方法を有するものである。
【００１７】
そして、前記の強制循環は、伝熱媒介流体が閉鎖流動路を形成するように蒸気発生器の内部に設置される流路と、前記流路に設置される循環ポンプとによって成ることを特徴とする液体金属炉用蒸気発生器とその伝熱方法を有するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、液体金属炉用蒸気発生器の伝熱方法に対して詳細に説明する。
【００１９】
炉心から流入される加熱された液体金属であるソジウムが流動される高温伝熱管が束で設置され、タービンから流入される給水が流動される低温伝熱管が束で設置され、この二つの伝熱管の束を受容するように容器が具備され、前記容器の内部に伝熱媒介流体が充填され蒸気発生器が構成されるものである。
【００２０】
本伝熱方法は、前記のように構成された蒸気発生器で伝熱媒介流体を強制的に循環させ、伝熱媒介流体と伝熱管との間の対流熱伝達性能を高めるようにし、それによって蒸気発生器の伝熱性能が増大されるようにするものである。
【００２１】
前記のように、蒸気発生器の伝熱性能が増大されると、蒸気発生器が適正な大きさに構成され、中間熱伝達系統の実際的な除去が可能になるのである。
【００２２】
並びに、伝熱媒介流体の強制循環は、蒸気発生器の容器の内部に流路を形成し、前記流路に循環ポンプを設置した後、この循環ポンプを稼動することによって成される。
【００２３】
従って、本発明は、水とソジウムに化学的に安定的な伝熱媒介流体によって水とソジウムの反応事故の可能性自体を除去しながら、同時に伝熱媒介流体を強制的に循環させることによって、蒸気発生器の伝熱性能を向上させる方法である。
【００２４】
以下、添付の図面を参照にして本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【００２５】
図１に図示されているように、本発明による液体金属炉の概略的な全体系統図によって本発明の構成を説明すると次の通りである。
【００２６】
液体金属炉は、蒸気発生器３０の容器３１の内部に炉心１０によって加熱された液体金属、つまりソジウムが高温配管１１を介して流動されながら束で設置される高温伝達管１２を通って流動され、タービン２０を通過した水が低温配管２１を介して流動されながら前記容器３１の内部に束で設置される低温伝熱管２２を介して流動されるように構成されるものである。
【００２７】
前記のように、液体金属と水とが伝熱管１２、２２を介して流動されている状態で、蒸気発生器３０の容器３１の内部に設置される流路３３と、前記流路３３に設置される循環ポンプ３４とによって伝熱媒介流体３２が強制的に循環されるので、前記伝熱媒介流体３２と伝熱管１２、２２との間の対流熱伝達性能が高まり、それによって前記蒸気発生器３０の伝熱性能が増大されるのである。
【００２８】
並びに、前記伝熱媒介流体３２は、水とソジウムに化学的に安定的な鉛のような金属から成り、伝熱管１２、２２の漏洩による反応事故の発生可能性が現実的に除去されるのである。
【００２９】
従って、前記蒸気発生器３０は、反応事故の発生可能性を現実的に除去しながら、同時に伝熱媒介流体３２を強制的に循環させて伝熱性能を増大させることによって、炉心１０を保護しながら、同時に格納ドームに受容され得る適正な大きさに製作することができ、それによって中間熱伝達系統の実質的な除去が実現されるように構成されるのである。
【００３０】
一方、図２に図示されているように、本発明の第１実施例を示す概略的な縦断面図によって本発明を説明すると次の通りである。
【００３１】
液体金属炉は、格納ドーム４０の内部に炉心１０と蒸気発生器３０とが具備され、前記格納ドーム４０の外部に前記蒸気発生器３０と管路上に連結されるタービン２０が具備され構成されるものである。
【００３２】
前記のような液体金属炉の作動を説明すると、炉心１０を冷却しながら加熱された液体金属、つまりソジウムは高温配管１１を介して排出され、蒸気発生器３０の容器３１内に束で設置される高温伝熱管１２を通過して再び前記炉心１０に流入され、この循環は前記高温配管１１の管路上に設置されるポンプ１３によって連続的に起こるようになるのである。
【００３３】
そして、前記タービン２０と連結される低温配管２１を介して水が排出され、蒸気発生器３０の容器３１内に束で設置される低温伝熱管２２を通過して再び前記タービン２０に流入されるのだが、この循環過程は、前記低温配管２１の管路上に設置される給水ポンプ２３によって連続的に起こることになり、循環されている間、水が前記蒸気発生器３０で蒸気に変換され前記タービン２０を駆動させ発電を起こすことになるのである。
【００３４】
ここで、前記蒸気発生器３０が格納ドーム４０の内部に受容されるためには、反応事故を現実的に除去することができ、適正な大きさを有しなければならないのだが、反応事故の実質的な除去は鉛のような伝熱媒介流体を容器３１の内部に充填することによって成され、前記蒸気発生器３０の適正な大きさは伝熱性能の増大によって成されるのである。
【００３５】
図３に図示されているように、図２による概略的な要部拡大縦断面図によってこのような伝熱性能の増大のための構成及び作動関係をより詳細に説明すると次の通りである。
【００３６】
前記図３は、液体金属炉の蒸気発生器３０を拡大図示したものである。
【００３７】
蒸気発生器３０は、伝熱管１２、２２が流路３３の外周に交互になるように順次的に巻かれて配置され、この状態で容器３１の内部に充填された伝熱媒介流体３２が前記流路３３に設置された循環ポンプ３４によって強制的に循環されることによって、前記高温伝熱管１２と低温伝熱管２２との間の前記伝熱媒介流体３２の強制循環により対流熱伝達性能が高まり、それによって伝熱性能が増大されるのである。
【００３８】
言い替えると、前記伝熱媒介流体３２が循環ポンプ３４により流路３３に沿って強制に下向流動された後、前記流路３３の外周に上昇されながら高温伝熱管１２と低温伝熱管２２とを順に繰り返して通りながら熱伝達を起こすようになり、再び前記流路３２の上端に流入され、前記循環ポンプ３４により強制循環され連続的な閉回路循環流動をする事になるのである。
【００３９】
従って、前記蒸気発生器３０は、その内部に伝熱媒介流体３２を強制的に循環させて対流熱伝達性能を高めながら、同時に高温伝熱管１２と低温伝熱管２２束の改善された配置によって、より効果的な伝熱が成され、伝熱性能が増大されるように構成されるのである。
【００４０】
図４に提示されているように、第１実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフによって前記第１実施例の伝熱特性を説明すると次の通りである。
【００４１】
前記のグラフで、x/Lは容器内部の全体の高さLに対する変位xを示したもので、Tは温度を示したものである。
【００４２】
そして、前記グラフで、Thは高温伝熱管を介して流動される高温流体の温度を示すもので、Tmは容器に充填された伝熱媒介流体の温度を示したもので、Tcは低温伝熱管を介して流動される低温流体の温度を示したものである。
【００４３】
並びに、前記グラフは高温流体と伝熱媒介流体、そして低温流体が単相である時の温度変化を示したものである。
【００４４】
前記のグラフに示されているように、伝熱媒介流体が強制循環され流路の下部を通過して上昇されながら高温伝熱管及び低温伝熱管を交互に通過しながら温度の変化による対流熱伝達を起こすことになるのである。
【００４５】
そして、このような温度の変化は、伝熱媒介流体の閉回路循環流動により連続的に起こることによって、流路の下端での前記の伝熱媒介流体の温度と前記流路の上端での前記伝熱媒介流体の温度が同一に分布されるのである。
【００４６】
ところが、前記グラフでみると、流路の下端での伝熱媒介流体の温度は高温伝熱管内部の高温流体の温度より高くあらわれているが、これは高温伝熱管と低温伝熱管とを交互に配置することによる急な温度の変化によって発生される伝熱の非効率性を見せてくれるものである。
【００４７】
従って、前記の高温伝熱管と低温伝熱管とが組合型に巻かれて配置される伝熱管配置構造は、伝熱の非効率性が生じる恐れを内包している。
【００４８】
しかし、この結論は、相変化のない単相流体の温度変化を示す定量的分析値で、伝熱性能を低下させ得ると予測される小さな一例であるだけで、本発明の全体的な概念である伝熱性能の向上に大きな影響を与えるものでないことを明らかにしておく。
【００４９】
一方、図５に図示されているように、本発明の第２実施例を示す概略的な縦断面図によって本発明を説明すると次の通りである。
【００５０】
蒸気発生器３０は、流路３３を離隔された状態で受容するように上部が解放され下部が密閉された内筒３５が具備され、前記内筒３５を離隔された状態で受容するように上部が密閉され下部が解放された外筒３６が具備され、前記流路３３の外周に前記内筒３５と外筒３６の内部に伝熱管１２、２２がお互い交互になるよう上下に層を成した状態で多数回巻かれ半径方向に区分されるように配置されるのである。
【００５１】
そして、前記流路３３に設置される循環ポンプ３４を稼動して伝熱媒介流体３２が強制循環されるようにすれば、前記流路３３を通過した前記伝熱媒介流体３２が、内筒３５と外筒３６によって形成された環形の空間を上下繰り返し的に通過しながら前記内筒３５と外筒３６の内部で層を成す伝熱管１２、２２との対流による熱伝達を増大させ、蒸気発生器３０の伝熱性能が向上されるようにするのである。
【００５２】
並びに、前記伝熱媒介流体３２による二つの種類の伝熱管１２、２２の間の伝熱は、前記伝熱管１２、２２の層と層間を前記伝熱媒介流体３２が連続的に通過しながら細密に成され、少ない流量の前記伝熱媒介流体３２でも効率的な伝熱性能を発揮することができるようになるのである。
【００５３】
従って、前記蒸気発生器３０は、その内部に内筒３５と外筒３６とを設置して伝熱管１２、２２を多数の地域に区画し、この区画された地域を伝熱媒介流体３２が順次的に通過するようにして、前記伝熱媒介流体３２と前記伝熱管１２、２２間の対流による熱伝達が向上されるようにすることによって、伝熱性能が向上されるのである。
【００５４】
図６（ａ）と図６（ｂ）に提示されているように、第２実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフによって前記第２実施例の伝熱特性を説明すると次の通りである。
【００５５】
前記図６（ａ）は、流路の下端を通過して内筒の内部で伝熱媒介流体が上昇される時の高さに伴う温度分布を示したもので、前記の図６（ｂ）は、内筒を通過して伝熱媒介流体が外筒の内側上部から下部に流動する時の高さに伴う温度分布を示したものである。
【００５６】
前記のグラフで、x/Lは容器内部の全体の高さLに対する変位xを示したもので、Tは温度を示したものである。
【００５７】
そして、前記のグラフで、Tpは高温伝熱管を介して流動される高温流体の温度を示したもので、Tmは容器に充填された伝熱媒介流体の温度を示したもので、Thは低温伝熱管を介して流動される低温流体の温度を示したものである。
【００５８】
並びに、前記グラフは高温流体と伝熱媒介流体、そして低温流体が単相である時の温度変化を示したものである。
【００５９】
前記のグラフに示されているように、伝熱媒介流体は閉回路循環流動が起こるので、伝熱媒介流体の温度は、内筒から流入される部分と外筒から排出される部分とで同一に分布し、内筒から外筒に流動される部分で同一に分布するのである。
【００６０】
前記グラフで見ると、高温流体と低温流体の温度の間に伝熱媒介流体の温度が分布されるので、効率的な伝熱が成されることが分かる。
【００６１】
一方、図７に図示されているように、本発明の第３実施例を示す概略的な縦断面図によって本発明を説明すると次の通りである。
【００６２】
蒸気発生器３０は、流路３３の外周に、その上部に高温配管１１と連結される高温伝熱管１２が巻かれて具備され、前記高温伝熱管１２の下部に低温配管２１と連結される低温伝熱管２２が巻かれて具備されることによって、前記高温伝熱管１２の束と低温伝熱管２２の束とが流路３３で上下に区分して配置されるのである。
【００６３】
このように、前記伝熱管１２、２２の束を上下に区分して配置する事によって、伝熱媒介流体３２が流路３３と循環ポンプ３４により強制循環中に前記伝熱管１２、２２の束の温度差による急な温度の変化によって発生される伝熱の非効率性を防止することができ、また高温流体と伝熱媒介流体３２、そして伝熱媒介流体３２と低温流体間の伝熱のための流量と温度配置において、最も伝熱効率のよい方式である逆方向熱交換方式を使用することができるようになり、伝熱性能の向上が成されるのである。
【００６４】
言い替えると、温度の差が大きな前記高温伝熱管１２と低温伝熱管２２とを伝熱媒介流体３２が通過しながら、急な温度の変化による伝熱の非効率性が発生することになるのだが、これを防止するために前記高温伝熱管１２と低温伝熱管２２とを分離された地域に配置して、前記伝熱媒介流体３２が前記低温伝熱管２２の束を完全に通過した後で前記高温伝熱管１２の束に流入されるようにし、急な温度変化を防止することができ、またこのような前記伝熱管１２、２２の束の配置で、前記高温伝熱管１２の束と低温伝熱管２２の束が空間的に確然に区分されることによって、前記伝熱管１２、２２各々の束内の流体の入り口の位置及び流動方向を、前記伝熱媒介流体３２を含む他の流体の入り口の位置及び流動方向に拘束されず、独立的に設定することができるようになるので、伝熱性能のよい逆方向熱交換方式だけで高温流体と前記伝熱媒介流体３２、そして前記伝熱媒介流体３２と低温流体間の伝熱を成すことができ、伝熱の効率性を増進させるのである。
【００６５】
従って、前記蒸気発生器３０は、その内部に伝熱媒介流体３２を強制的に循環させるが、高温伝熱管１２と低温伝熱管２２とを区分された地域に配置することによって、伝熱性能が向上されるように構成されるのである。
【００６６】
図８に提示されているように、第３実施例に対する定量的な分析結果を示した温度分布グラフによって前記第３実施例の伝熱特性を説明すると次の通りである。
【００６７】
前記図８は、上下に区分配置される高温伝熱管と低温伝熱管で、各々の配置された高さを１と見て、これに対する伝熱媒介流体と各高さでの高温流体と低温流体の温度分布をグラフに示したものである。
【００６８】
前記のグラフで、x/Lは容器内部で各伝熱管が配置された部分の高さLに対する変位xを示すもので、Tは温度を示すものである。
【００６９】
そして、前記グラフで、Tp1は高温伝熱管を介して流動される高温流体の温度を示すもので、Tm.h1は前記高温伝熱管が配置された区間に循環される伝熱媒介流体の温度を示すもので、Tm.c1は低温伝熱管が配置された区間に循環される前記伝熱媒介流体の温度を示すもので、Th1は前記低温伝熱管を介して流動される低温流体の温度を示すものである。
【００７０】
並びに、前記グラフは高温流体と伝熱媒介流体、そして低温流体が単相である時の温度変化を示したものである。
【００７１】
前記グラフに示されているように、高温流体と低温流体の温度の間に伝熱媒介流体の温度が分布されることにより、効率的な伝熱が成されることが分かる。
【００７２】
【発明の効果】
上述したように、本蒸気発生器でソジウムと水との間の激烈な化学反応事故が起こるためには、高温流体であるソジウムが流動される伝熱管と、低温流体である水が流動される伝熱管とが同時に破損された状態にならなければならないが、両伝熱管が同時に破損される可能性は極稀であるので、現実的に考慮され得る場合は、一方の伝熱管が破損された状態で運転が成されている最中、もう一方の伝熱管が破損される場合である。
【００７３】
しかし、どちらか一方の伝熱管の破損は、現発電所の稼動中に感知技術、例えば圧力の変化の検出などで容易に感知することができるので、このような場合の事故が発生する可能性もやはり極度に小さくなり、従って事故可能性が現実的に除去されて液体金属炉の稼動に安全性が増進される効果を有する。
【００７４】
そして、前記のようにソジウムと水との間の化学反応を現実的に除去することによって、現在液体金属炉系統設計で使用される高価な中間熱伝達系統の除去が実現され、液体金属炉の建設費用を節減することができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による液体金属炉の概略的な全体系統図である。
【図２】本発明による液体金属炉の概略的な全体系統図である。
【図３】図２による概略的な要部拡大縦断面図である。
【図４】第１実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフである。
【図５】本発明の第２実施例を示した概略的な縦断面図である。
【図６】図６（ａ）と図６（ｂ）とは第２実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフである。
【図７】本発明の第３実施例を示した概略的な縦断面図である。
【図８】第３実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフである。
【図９】従来の一例を示した概略的な系統図である。
【図１０】従来の他の一例を示した概略的な系統図である。
【符号の説明】
１０：炉心
１１：高温配管
１２：高温伝熱管
１３：ポンプ
２０：タービン
２１：低温配管
２２：低温伝熱管
２３：給水ポンプ
３０：蒸気発生器
３１：容器
３２：伝熱媒介流体
３３：流路
３４：循環ポンプ
３５：内筒
３６：外筒
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属炉用蒸気発生器とその伝熱方法に関するもので、より詳細には、蒸気発生器の内部に充填される伝熱媒介流体を強制循環させ、伝熱管の束の構造を改善し、ソジウムと水の反応による事故発生可能性自体を現実的に除去しながら、同時に伝熱性能が向上されるようにする液体金属炉用蒸気発生器とこれの伝熱方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、液体金属炉は、高速中性子を核反応に利用して熱を生産する原子炉の一種で、冷却材として高圧の水の代わりに金属である液体状態の金属を使用する原子炉を意味するものである。
【０００３】
このような液体金属炉の一例として、図９に示した従来の液体金属炉の系統図を説明すると次の通りである。
【０００４】
液体金属炉は、炉心１００で冷却材であるソジウムが加熱された後、ソジウム循環配管１０１を伝って循環されながら蒸気発生器３００で水への伝熱が起こり、これを介して発生される蒸気でタービン４００を駆動させるように構成されるのだが、蒸気発生器３００の伝熱管漏洩事故の時に漏れた水がソジウムと激烈な反応を起こすため、このような事故に備えて前記ソジウム循環配管１０１と水循環配管３０１との間に中間熱交換器２００と中間熱伝達配管２０１とを含む中間熱伝達系統を設置することになるのである。
【０００５】
従って、前記液体金属炉は、炉心１００の熱がソジウムに伝達された後、ソジウム循環配管１０１を介して中間熱伝達系統の中間熱交換器２００で中間熱伝達配管２０１を介して流れるソジウムに伝熱が成され、前記中間熱伝達配管２０１を介して流れるソジウムと蒸気発生器３００で水循環配管３０１を介して流れる水への伝熱が起こり発生される蒸気でタービン４００を駆動させ発電が生じることになるのである。
【０００６】
しかし、前記のように、蒸気発生器は伝熱管の漏洩時、水とソジウム間での激烈な化学的反応による事故が起きることになり、このような事故から炉心を保護するために中間熱伝達系統という別途の系統を設けているのだが、ソジウムと水との間の反応事故の可能性は常に存在し、またこのような中間系統の使用は液体金属によって建設費用を増加させる要因となる。
【０００７】
このような問題点を解消するために提案されたもので、図１０に図示した従来の別の一例を示す概略的な系統図を説明すると次の通りである。
【０００８】
液体金属炉は、炉心１００と連結され加熱された液体金属が移動される高温配管１０１が具備され、前記高温配管１０１の一側に高温伝熱管１０２が束で設置され、タービン３００と連結され給水が移動される低温配管３０１が具備され、前記低温配管３０１の一側に低温伝熱管３０２が束で設置され、前記伝熱管１０２、３０２を受容する容器２０１と、前記容器２０１に充填された伝熱媒介流体２０２とで構成される蒸気発生器２００が具備されて構成されるものである。
【０００９】
前記のように構成された蒸気発生器２００の内部の伝熱管１０２、３０２を介した伝熱は、高熱の前記高温伝熱管１０２が伝熱媒介流体２０２を加熱して自然的に循環させることによって成されるものである。
【００１０】
そして、前記伝熱媒介流体２０２は、水と液体金属であるソジウムに化学的に安定的な物質から成るものである。
【００１１】
従って、前記のような液体金属炉は、水とソジウムに化学的に安定的な伝熱媒介流体２０２を自然循環させて、反応事故の発生可能性自体を現実的に除去することによって、中間熱伝達系統を実際的に排除することができるという概念で説明されるものである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記のような伝熱媒介流体が水とソジウムに化学的に安定的な物質であるので、伝熱管の漏洩時の水とソジウムの激烈な化学反応による反応事故を予防することはできるが、自然循環により伝熱管と伝熱媒介流体間に十分な熱伝達面積を有することができず、蒸気発生器の伝熱性能が著しく低下される。
【００１３】
そして、前記のような伝熱性能の低下を防止して円滑な伝熱性能を有したり、要求される伝熱性能が実現されるようにするには、蒸気発生器の熱伝達面積が十分に大きくならなければならないので、蒸気発生器の大きさが非現実的に大きくなってしまい建設費の増加要因となり得る。
【００１４】
ところが、このような蒸気発生器の大型化は、格納ドームの内部に蒸気発生器を設置しなければならないという現実的な問題、つまり格納ドームを必要以上に大型化しなければならないので、これによって自然循環される蒸気発生器で中間熱伝達系統なしに液体金属炉を稼動するということは、概念としては充実であるが、現実的に実現することは難しいものである。
【００１５】
そこで、本発明は、前記のような従来の諸般問題点を解消するために案出されたもので、その目的は、ソジウムと水との反応による事故発生可能性自体を現実的に除去しながら、同時に伝熱性能が向上されるようにして、中間熱伝達系統の除去が実現されるようにする液体金属炉用蒸気発生器とその伝熱方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記のような目的を達成するために、本発明は、蒸気発生器及びタービンなどから構成される液体金属炉において；前記蒸気発生器の内部に充填される伝熱媒介流体を強制的に循環させることを特徴とする液体金属炉用蒸気発生器とその伝熱方法を有するものである。
【００１７】
そして、前記の強制循環は、伝熱媒介流体が閉鎖流動路を形成するように蒸気発生器の内部に設置される流路と、前記流路に設置される循環ポンプとによって成ることを特徴とする液体金属炉用蒸気発生器とその伝熱方法を有するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、液体金属炉用蒸気発生器の伝熱方法に対して詳細に説明する。
【００１９】
炉心から流入される加熱された液体金属であるソジウムが流動される高温伝熱管が束で設置され、タービンから流入される給水が流動される低温伝熱管が束で設置され、この二つの伝熱管の束を受容するように容器が具備され、前記容器の内部に伝熱媒介流体が充填され蒸気発生器が構成されるものである。
【００２０】
本伝熱方法は、前記のように構成された蒸気発生器で伝熱媒介流体を強制的に循環させ、伝熱媒介流体と伝熱管との間の対流熱伝達性能を高めるようにし、それによって蒸気発生器の伝熱性能が増大されるようにするものである。
【００２１】
前記のように、蒸気発生器の伝熱性能が増大されると、蒸気発生器が適正な大きさに構成され、中間熱伝達系統の実際的な除去が可能になるのである。
【００２２】
並びに、伝熱媒介流体の強制循環は、蒸気発生器の容器の内部に流路を形成し、前記流路に循環ポンプを設置した後、この循環ポンプを稼動することによって成される。
【００２３】
従って、本発明は、水とソジウムに化学的に安定的な伝熱媒介流体によって水とソジウムの反応事故の可能性自体を除去しながら、同時に伝熱媒介流体を強制的に循環させることによって、蒸気発生器の伝熱性能を向上させる方法である。
【００２４】
以下、添付の図面を参照にして本発明の好ましい実施例を詳細に説明する。
【００２５】
図１に図示されているように、本発明による液体金属炉の概略的な全体系統図によって本発明の構成を説明すると次の通りである。
【００２６】
液体金属炉は、蒸気発生器３０の容器３１の内部に炉心１０によって加熱された液体金属、つまりソジウムが高温配管１１を介して流動されながら束で設置される高温伝達管１２を通って流動され、タービン２０を通過した水が低温配管２１を介して流動されながら前記容器３１の内部に束で設置される低温伝熱管２２を介して流動されるように構成されるものである。
【００２７】
前記のように、液体金属と水とが伝熱管１２、２２を介して流動されている状態で、蒸気発生器３０の容器３１の内部に設置される流路３３と、前記流路３３に設置される循環ポンプ３４とによって伝熱媒介流体３２が強制的に循環されるので、前記伝熱媒介流体３２と伝熱管１２、２２との間の対流熱伝達性能が高まり、それによって前記蒸気発生器３０の伝熱性能が増大されるのである。
【００２８】
並びに、前記伝熱媒介流体３２は、水とソジウムに化学的に安定的な鉛のような金属から成り、伝熱管１２、２２の漏洩による反応事故の発生可能性が現実的に除去されるのである。
【００２９】
従って、前記蒸気発生器３０は、反応事故の発生可能性を現実的に除去しながら、同時に伝熱媒介流体３２を強制的に循環させて伝熱性能を増大させることによって、炉心１０を保護しながら、同時に格納ドームに受容され得る適正な大きさに製作することができ、それによって中間熱伝達系統の実質的な除去が実現されるように構成されるのである。
【００３０】
一方、図２に図示されているように、本発明の第１実施例を示す概略的な縦断面図によって本発明を説明すると次の通りである。
【００３１】
液体金属炉は、格納ドーム４０の内部に炉心１０と蒸気発生器３０とが具備され、前記格納ドーム４０の外部に前記蒸気発生器３０と管路上に連結されるタービン２０が具備され構成されるものである。
【００３２】
前記のような液体金属炉の作動を説明すると、炉心１０を冷却しながら加熱された液体金属、つまりソジウムは高温配管１１を介して排出され、蒸気発生器３０の容器３１内に束で設置される高温伝熱管１２を通過して再び前記炉心１０に流入され、この循環は前記高温配管１１の管路上に設置されるポンプ１３によって連続的に起こるようになるのである。
【００３３】
そして、前記タービン２０と連結される低温配管２１を介して水が排出され、蒸気発生器３０の容器３１内に束で設置される低温伝熱管２２を通過して再び前記タービン２０に流入されるのだが、この循環過程は、前記低温配管２１の管路上に設置される給水ポンプ２３によって連続的に起こることになり、循環されている間、水が前記蒸気発生器３０で蒸気に変換され前記タービン２０を駆動させ発電を起こすことになるのである。
【００３４】
ここで、前記蒸気発生器３０が格納ドーム４０の内部に受容されるためには、反応事故を現実的に除去することができ、適正な大きさを有しなければならないのだが、反応事故の実質的な除去は鉛のような伝熱媒介流体を容器３１の内部に充填することによって成され、前記蒸気発生器３０の適正な大きさは伝熱性能の増大によって成されるのである。
【００３５】
図３に図示されているように、図２による概略的な要部拡大縦断面図によってこのような伝熱性能の増大のための構成及び作動関係をより詳細に説明すると次の通りである。
【００３６】
前記図３は、液体金属炉の蒸気発生器３０を拡大図示したものである。
【００３７】
蒸気発生器３０は、伝熱管１２、２２が流路３３の外周に交互になるように順次的に巻かれて配置され、この状態で容器３１の内部に充填された伝熱媒介流体３２が前記流路３３に設置された循環ポンプ３４によって強制的に循環されることによって、前記高温伝熱管１２と低温伝熱管２２との間の前記伝熱媒介流体３２の強制循環により対流熱伝達性能が高まり、それによって伝熱性能が増大されるのである。
【００３８】
言い替えると、前記伝熱媒介流体３２が循環ポンプ３４により流路３３に沿って強制に下向流動された後、前記流路３３の外周に上昇されながら高温伝熱管１２と低温伝熱管２２とを順に繰り返して通りながら熱伝達を起こすようになり、再び前記流路３２の上端に流入され、前記循環ポンプ３４により強制循環され連続的な閉回路循環流動をする事になるのである。
【００３９】
従って、前記蒸気発生器３０は、その内部に伝熱媒介流体３２を強制的に循環させて対流熱伝達性能を高めながら、同時に高温伝熱管１２と低温伝熱管２２束の改善された配置によって、より効果的な伝熱が成され、伝熱性能が増大されるように構成されるのである。
【００４０】
図４に提示されているように、第１実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフによって前記第１実施例の伝熱特性を説明すると次の通りである。
【００４１】
前記のグラフで、x/Lは容器内部の全体の高さLに対する変位xを示したもので、Tは温度を示したものである。
【００４２】
そして、前記グラフで、Thは高温伝熱管を介して流動される高温流体の温度を示すもので、Tmは容器に充填された伝熱媒介流体の温度を示したもので、Tcは低温伝熱管を介して流動される低温流体の温度を示したものである。
【００４３】
並びに、前記グラフは高温流体と伝熱媒介流体、そして低温流体が単相である時の温度変化を示したものである。
【００４４】
前記のグラフに示されているように、伝熱媒介流体が強制循環され流路の下部を通過して上昇されながら高温伝熱管及び低温伝熱管を交互に通過しながら温度の変化による対流熱伝達を起こすことになるのである。
【００４５】
そして、このような温度の変化は、伝熱媒介流体の閉回路循環流動により連続的に起こることによって、流路の下端での前記の伝熱媒介流体の温度と前記流路の上端での前記伝熱媒介流体の温度が同一に分布されるのである。
【００４６】
ところが、前記グラフでみると、流路の下端での伝熱媒介流体の温度は高温伝熱管内部の高温流体の温度より高くあらわれているが、これは高温伝熱管と低温伝熱管とを交互に配置することによる急な温度の変化によって発生される伝熱の非効率性を見せてくれるものである。
【００４７】
従って、前記の高温伝熱管と低温伝熱管とが組合型に巻かれて配置される伝熱管配置構造は、伝熱の非効率性が生じる恐れを内包している。
【００４８】
しかし、この結論は、相変化のない単相流体の温度変化を示す定量的分析値で、伝熱性能を低下させ得ると予測される小さな一例であるだけで、本発明の全体的な概念である伝熱性能の向上に大きな影響を与えるものでないことを明らかにしておく。
【００４９】
一方、図５に図示されているように、本発明の第２実施例を示す概略的な縦断面図によって本発明を説明すると次の通りである。
【００５０】
蒸気発生器３０は、流路３３を離隔された状態で受容するように上部が解放され下部が密閉された内筒３５が具備され、前記内筒３５を離隔された状態で受容するように上部が密閉され下部が解放された外筒３６が具備され、前記流路３３の外周に前記内筒３５と外筒３６の内部に伝熱管１２、２２がお互い交互になるよう上下に層を成した状態で多数回巻かれ半径方向に区分されるように配置されるのである。
【００５１】
そして、前記流路３３に設置される循環ポンプ３４を稼動して伝熱媒介流体３２が強制循環されるようにすれば、前記流路３３を通過した前記伝熱媒介流体３２が、内筒３５と外筒３６によって形成された環形の空間を上下繰り返し的に通過しながら前記内筒３５と外筒３６の内部で層を成す伝熱管１２、２２との対流による熱伝達を増大させ、蒸気発生器３０の伝熱性能が向上されるようにするのである。
【００５２】
並びに、前記伝熱媒介流体３２による二つの種類の伝熱管１２、２２の間の伝熱は、前記伝熱管１２、２２の層と層間を前記伝熱媒介流体３２が連続的に通過しながら細密に成され、少ない流量の前記伝熱媒介流体３２でも効率的な伝熱性能を発揮することができるようになるのである。
【００５３】
従って、前記蒸気発生器３０は、その内部に内筒３５と外筒３６とを設置して伝熱管１２、２２を多数の地域に区画し、この区画された地域を伝熱媒介流体３２が順次的に通過するようにして、前記伝熱媒介流体３２と前記伝熱管１２、２２間の対流による熱伝達が向上されるようにすることによって、伝熱性能が向上されるのである。
【００５４】
図６（ａ）と図６（ｂ）に提示されているように、第２実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフによって前記第２実施例の伝熱特性を説明すると次の通りである。
【００５５】
前記図６（ａ）は、流路の下端を通過して内筒の内部で伝熱媒介流体が上昇される時の高さに伴う温度分布を示したもので、前記の図６（ｂ）は、内筒を通過して伝熱媒介流体が外筒の内側上部から下部に流動する時の高さに伴う温度分布を示したものである。
【００５６】
前記のグラフで、x/Lは容器内部の全体の高さLに対する変位xを示したもので、Tは温度を示したものである。
【００５７】
そして、前記のグラフで、Tpは高温伝熱管を介して流動される高温流体の温度を示したもので、Tmは容器に充填された伝熱媒介流体の温度を示したもので、Thは低温伝熱管を介して流動される低温流体の温度を示したものである。
【００５８】
並びに、前記グラフは高温流体と伝熱媒介流体、そして低温流体が単相である時の温度変化を示したものである。
【００５９】
前記のグラフに示されているように、伝熱媒介流体は閉回路循環流動が起こるので、伝熱媒介流体の温度は、内筒から流入される部分と外筒から排出される部分とで同一に分布し、内筒から外筒に流動される部分で同一に分布するのである。
【００６０】
前記グラフで見ると、高温流体と低温流体の温度の間に伝熱媒介流体の温度が分布されるので、効率的な伝熱が成されることが分かる。
【００６１】
一方、図７に図示されているように、本発明の第３実施例を示す概略的な縦断面図によって本発明を説明すると次の通りである。
【００６２】
蒸気発生器３０は、流路３３の外周に、その上部に高温配管１１と連結される高温伝熱管１２が巻かれて具備され、前記高温伝熱管１２の下部に低温配管２１と連結される低温伝熱管２２が巻かれて具備されることによって、前記高温伝熱管１２の束と低温伝熱管２２の束とが流路３３で上下に区分して配置されるのである。
【００６３】
このように、前記伝熱管１２、２２の束を上下に区分して配置する事によって、伝熱媒介流体３２が流路３３と循環ポンプ３４により強制循環中に前記伝熱管１２、２２の束の温度差による急な温度の変化によって発生される伝熱の非効率性を防止することができ、また高温流体と伝熱媒介流体３２、そして伝熱媒介流体３２と低温流体間の伝熱のための流量と温度配置において、最も伝熱効率のよい方式である逆方向熱交換方式を使用することができるようになり、伝熱性能の向上が成されるのである。
【００６４】
言い替えると、温度の差が大きな前記高温伝熱管１２と低温伝熱管２２とを伝熱媒介流体３２が通過しながら、急な温度の変化による伝熱の非効率性が発生することになるのだが、これを防止するために前記高温伝熱管１２と低温伝熱管２２とを分離された地域に配置して、前記伝熱媒介流体３２が前記低温伝熱管２２の束を完全に通過した後で前記高温伝熱管１２の束に流入されるようにし、急な温度変化を防止することができ、またこのような前記伝熱管１２、２２の束の配置で、前記高温伝熱管１２の束と低温伝熱管２２の束が空間的に確然に区分されることによって、前記伝熱管１２、２２各々の束内の流体の入り口の位置及び流動方向を、前記伝熱媒介流体３２を含む他の流体の入り口の位置及び流動方向に拘束されず、独立的に設定することができるようになるので、伝熱性能のよい逆方向熱交換方式だけで高温流体と前記伝熱媒介流体３２、そして前記伝熱媒介流体３２と低温流体間の伝熱を成すことができ、伝熱の効率性を増進させるのである。
【００６５】
従って、前記蒸気発生器３０は、その内部に伝熱媒介流体３２を強制的に循環させるが、高温伝熱管１２と低温伝熱管２２とを区分された地域に配置することによって、伝熱性能が向上されるように構成されるのである。
【００６６】
図８に提示されているように、第３実施例に対する定量的な分析結果を示した温度分布グラフによって前記第３実施例の伝熱特性を説明すると次の通りである。
【００６７】
前記図８は、上下に区分配置される高温伝熱管と低温伝熱管で、各々の配置された高さを１と見て、これに対する伝熱媒介流体と各高さでの高温流体と低温流体の温度分布をグラフに示したものである。
【００６８】
前記のグラフで、x/Lは容器内部で各伝熱管が配置された部分の高さLに対する変位xを示すもので、Tは温度を示すものである。
【００６９】
そして、前記グラフで、Tp1は高温伝熱管を介して流動される高温流体の温度を示すもので、Tm.h1は前記高温伝熱管が配置された区間に循環される伝熱媒介流体の温度を示すもので、Tm.c1は低温伝熱管が配置された区間に循環される前記伝熱媒介流体の温度を示すもので、Th1は前記低温伝熱管を介して流動される低温流体の温度を示すものである。
【００７０】
並びに、前記グラフは高温流体と伝熱媒介流体、そして低温流体が単相である時の温度変化を示したものである。
【００７１】
前記グラフに示されているように、高温流体と低温流体の温度の間に伝熱媒介流体の温度が分布されることにより、効率的な伝熱が成されることが分かる。
【００７２】
【発明の効果】
上述したように、本蒸気発生器でソジウムと水との間の激烈な化学反応事故が起こるためには、高温流体であるソジウムが流動される伝熱管と、低温流体である水が流動される伝熱管とが同時に破損された状態にならなければならないが、両伝熱管が同時に破損される可能性は極稀であるので、現実的に考慮され得る場合は、一方の伝熱管が破損された状態で運転が成されている最中、もう一方の伝熱管が破損される場合である。
【００７３】
しかし、どちらか一方の伝熱管の破損は、現発電所の稼動中に感知技術、例えば圧力の変化の検出などで容易に感知することができるので、このような場合の事故が発生する可能性もやはり極度に小さくなり、従って事故可能性が現実的に除去されて液体金属炉の稼動に安全性が増進される効果を有する。
【００７４】
そして、前記のようにソジウムと水との間の化学反応を現実的に除去することによって、現在液体金属炉系統設計で使用される高価な中間熱伝達系統の除去が実現され、液体金属炉の建設費用を節減することができる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による液体金属炉の概略的な全体系統図である。
【図２】本発明による液体金属炉の概略的な全体系統図である。
【図３】図２による概略的な要部拡大縦断面図である。
【図４】第１実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフである。
【図５】本発明の第２実施例を示した概略的な縦断面図である。
【図６】図６（ａ）と図６（ｂ）とは第２実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフである。
【図７】本発明の第３実施例を示した概略的な縦断面図である。
【図８】第３実施例に対する定量的分析結果を示した温度分布グラフである。
【図９】従来の一例を示した概略的な系統図である。
【図１０】従来の他の一例を示した概略的な系統図である。
【符号の説明】
１０：炉心
１１：高温配管
１２：高温伝熱管
１３：ポンプ
２０：タービン
２１：低温配管
２２：低温伝熱管
２３：給水ポンプ
３０：蒸気発生器
３１：容器
３２：伝熱媒介流体
３３：流路
３４：循環ポンプ
３５：内筒
３６：外筒
Claims (5)
- 炉心と蒸気発生器及びタービンとで構成される液体金属炉において、
前記蒸気発生器に具備されている容器の内部に、高温伝熱管と低温伝熱管とを上下に層をなすように配置した後、前記容器の内部に伝熱媒介流体を充填し；
前記容器の内部中央に前記伝熱媒介流体の流路を形成し、前記流路に循環ポンプを設置し；
前記循環ポンプの稼動によって伝熱媒介流体が前記流路に沿って強制的に循環されることによって、前記高温伝熱管と低温伝熱管との間で伝熱が行われることを特徴とする液体金属炉用蒸気発生器の伝熱方法。 - 炉心（１０）と連結され液体金属が流動される高温伝熱管（１２）と、タービン（２０）と連結され給水が流動される低温伝熱管（２２）とが容器（３１）の内部に束で設置され、前記容器（３１）の内部に伝熱媒介流体（３２）が充填され構成される液体金属炉用蒸気発生器において；
前記容器（３１）の内部の中央に流路（３３）を形成し、前記流路（３３）に循環ポンプ（３４）が設置されていることを特徴とする液体金属炉用蒸気発生器。 - 前記流路（３３）の外周に高温伝熱管（１２）と低温伝熱管（２）とが交互になるように順次的に巻かれ配置されることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の液体金属炉用蒸気発生器。
- 前記流路（３３）を離隔された状態で囲むように上部が解放され下部が密閉された内筒（３５）が具備され、前記内筒（３５）を離隔された状態で囲むように上部が密閉され下部が解放された外筒（３６）が具備され、前記流路（３３）の外周に、前記内筒（３５）と外筒（３６）の内部に高温伝熱管（１２）と低温伝熱管（２２）とが上下に層を成すように多数回巻かれ、半径方向に区分配置されることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の液体金属炉用蒸気発生器。
- 前記流路（３３）の外周に高温伝熱管（１２）と低温伝熱管（２２）とが上下に区分されるように束で巻かれ配置されることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の液体金属炉用蒸気発生器。
Applications Claiming Priority (1)
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