JP4105902B2 - 液体金属冷却炉用熱交換器および液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法 - Google Patents
液体金属冷却炉用熱交換器および液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属冷却炉用熱交換器および液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は原子炉容器内に収容するのに適した液体金属冷却炉用熱交換器および液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法に関するものである。なお、本明細書において「熱交換器」には、蒸気発生器、過熱器、凝縮器をも含んでいる。
【０００２】
【従来の技術】
高速増殖炉（ＦＢＲ）では通常、冷却材に液体ナトリウムを用いているが、ナトリウムは水に対して化学的に活性であるため、冷却系統を１次〜３次の冷却系に分割している。即ち、１次冷却系と２次冷却系に液体ナトリウムを使用し、３次冷却系に水／蒸気を使用している。炉心を冷却する１次冷却系と発電用タービンを駆動する３次冷却系との間に２次冷却系を設け、１次冷却系と２次冷却系に液体ナトリウムを使用し、３次冷却系に水／蒸気を使用することで、炉心を冷却して放射化された液体ナトリウム（１次冷却系）と水／蒸気（３次冷却系）との接触の可能性を無くして安全性の確保を図っている。
【０００３】
高速増殖炉にとって、２次冷却系の存在は、軽水炉に比較して建設コストの増加を招く原因となる。このため、２次冷却系を省略したいとの要請があり、種々の検討が行われている。例えば、液体ナトリウムと水／蒸気との間で熱交換を行う蒸気発生器（ＳＧ）を、液体ナトリウムと水との接触を完全に防止する構造にできれば２次冷却系の省略が可能である。
【０００４】
かかる構造の蒸気発生器として、二重管式蒸気発生器が知られている。二重管式蒸気発生器では伝熱管の一本一本を二重管で構成しており、二重管のどちらか一方のバウンダリ（管壁）が破れたとしても、伝熱管（二重管）の外側を流れる液体ナトリウムと、伝熱管内の二重の流路のうち内側の流路を流れる水／蒸気とが接触しないようにしている。伝熱管内の二重の流路のうち外側の流路にはヘリウムガスが流れており、ヘリウムガス中の水分や液体ナトリウム中のヘリウムを検出することでバウンダリが破れたことを早期に検出し、原子炉の運転を停止させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二重管式蒸気発生器は大きなものであり、たとえ２次冷却系を省略できたとしても原子炉全体をさほど小型化することができず、建設コストを大きく減らすことはできない。また、システムをコンパクトにして経済性の向上を図る高速増殖炉としてプール型高速増殖炉があるが、プール型高速増殖炉では中間熱交換器を原子炉内に設置する。中間熱輸送系を省略し、この中間熱交換器の代わりに蒸気発生器を設置すれば、システムの簡素化によりプラントシステムとしての高い経済性が得られる可能性があるが、小型化が困難な二重管式蒸気発生器を用いるとプール型高速増殖炉の炉容器を大型化してしまうため、システム合理化のメリットを十分に活かしきれない。
【０００６】
ところで、非常にコンパクトに設計できる熱交換器として、プレートフィン熱交換器（ＰＦＳＧ）がある。図２１にプレートフィン熱交換器の熱交換部の概念を示す。プレートフィン熱交換器は波状のフィン１０１をろう付けした仕切板１０２を介して２系統以上の流体の熱交換を行うもので、通常は別系統の流体流路が交互に積層されている。高速増殖炉にプレートフィン熱交換器を適用することができれば、非常にコンパクトな熱交換部を構成することができる。しかし、プレートフィン熱交換器は製作過程でのろう付け部（通常、波板のフィン１０１と仕切板１０２との接合には銀ろう付けを用いる。これは、図示しないヘッダ部の溶接の際に、熔解し剥離する可能性がある。）の信頼性が低く、また、フィン１０１と仕切板１０２との接合部のような微少な隙間は二相流部が流れる場合には腐食誘起物が堆積する可能性があり、高い信頼性が要求される高速増殖炉用の蒸気発生器として採用することはできない。
【０００７】
本発明は、小型化が可能で信頼性が高い液体金属冷却炉用熱交換器を提供することを目的とする。
【０００８】
【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、多数の伝熱管を有し、伝熱管内を流れる冷却水と伝熱管の外を流れる液体金属冷却材との間で熱交換を行う液体金属冷却炉用熱交換器において、伝熱管を並列に密着させて並べると共に、伝熱管の列の周囲に配置されて伝熱管の列との間に空間を形成する壁部材と、伝熱管の列と壁部材との間に介在されたスペーサを備え、伝熱管の列とスペーサと壁部材は密着状態で加圧されながら加熱されて接合された板状ユニットを構成し、液体金属冷却材の流路中に複数の板状ユニットを隙間をあけて並べると共に、板状ユニットの空間に不活性ガスを流通させるものである。
【０００９】
したがって、板状ユニットの周囲を流れる液体金属冷却材と板状ユニットの伝熱管内を流れる冷却水との間で熱交換が行われる。伝熱管同士は密着しているので、伝熱管の周壁の隣りの流路との境の部分がフィンとして機能し、熱の伝達を促進する。また、板状ユニットを液体金属冷却材の流路中に配置するので、板状ユニットの間に液体金属冷却材が流れ、熱交換を行うことができる。
【００１０】
板状ユニットを構成する伝熱管、スペーサ、壁部材は密着した状態で加圧・加熱されて接合され、表面の原子の拡散により境目なく一体化されている。また、伝熱管内はもともと外部から画された独立の流路を構成している。これらのため、伝熱管内の冷却水が漏れにくく、且つ、板状ユニットの外から液体金属冷却材が染み込み難い構造である。さらに、伝熱管の周囲には不活性ガスが流通する空間が形成されているので、冷却水と液体金属冷却材を二重のバウンダリによって画することができる。
【００１１】
また、請求項２記載の液体金属冷却炉用熱交換器は、板状ユニットの伝熱管が１列に並べられている。したがって、２列以上に並べた場合に比べて、熱交換を効率よく行うことができる。
【００１２】
また、請求項３記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、液体金属冷却材は原子炉容器内を循環する１次冷却材であり、板状ユニットを原子炉容器内に配置しても良い。
【００１３】
また、請求項４記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、冷却水は伝熱管内で加熱されて蒸気に変化するようにしても良い。
【００１４】
さらに、請求項５記載の発明は、多数の伝熱管を有し、伝熱管内を流れる冷却水と伝熱管の外を流れる液体金属冷却材との間で熱交換を行う液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法において、伝熱管を並列に密着させて並べた状態で加圧しながら加熱することで伝熱管の周壁同士を接合して中間製品を製造し、中間製品と、中間製品の周囲に配置されて中間製品との間に空間を形成する壁部材と、中間製品と壁部材との間に介在されたスペーサとを密着させた状態で加圧しながら加熱することで接合して板状ユニットを製造し、液体金属冷却材の流路中に複数の板状ユニットを隙間をあけて並べるようにしている。
【００１５】
即ち、多数の伝熱管を境目なく一体化して中間製品を製造し、この中間製品と壁部材とスペーサとを境目なく一体化して板状ユニットを製造する。そして、複数の板状ユニットを液体金属冷却材の流路中に設置すると、請求項１記載の液体金属冷却炉用熱交換器が製造される。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１から図５に、本発明を適用した液体金属冷却炉用熱交換器１の実施形態の一例を示す。この液体金属冷却炉用熱交換器１（図４）は、図１に示すように、多数の伝熱管２を有し、伝熱管２内を流れる冷却水３と伝熱管２の外を流れる液体金属冷却材４との間で熱交換を行うもので、伝熱管２を並列に密着させて並べると共に、伝熱管２の列７の周囲に配置されて伝熱管２の列７との間に空間５を形成する壁部材６と、伝熱管２の列７と壁部材６との間に介在されたスペーサを備え、伝熱管２の列７とスペーサと壁部材６は密着状態で加圧されながら加熱されて接合された板状ユニット９（図２，図３）を構成し、液体金属冷却材４の流路３８（図５）中に複数の板状ユニット９を隙間をあけて並べると共に、板状ユニット９の空間５に不活性ガスを流通させている。
【００１８】
本実施形態では、板状ユニット９の伝熱管２は１列に並べられている。また、液体金属冷却材４は原子炉容器１１内を循環する１次冷却材であり、板状ユニット９を原子炉容器１１内に配置している。なお、本実施形態では、本発明を蒸気発生器に適用している。つまり、冷却水３は図示しない発電用タービンへと循環する２次冷却材であり、冷却水３は伝熱管２内で加熱されて蒸気に変化する。
【００１９】
板状ユニット９は、有効熱交換部１２と、ヘリウムガス部１３と、導入管１４を備えている。有効熱交換部１２は多数の伝熱管２を１列に並列に並べて一体化したもので、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing；熱間等方加圧法）加工によって一体化している。
【００２０】
なお、本明細書では、部材同士の表面を密着させ、加圧しながら加熱して拡散接合し、部材同士の境目をなくして一体化する加工をＨＩＰ加工という。また、圧力のかけ方は等方的であることが好ましいが、必ずしも等方的であることに限らない。例えば、互いに直交する３軸方向から圧力をかけるようにしても良く、この場合、３軸方向から同時に圧力をかけるようにしても良く、一の軸方向から圧力をかけることをその方向を変えて繰り返し行うようにしても良い。さらに、圧力を伝える媒体として不活性ガス等の気体を使用して等方的に圧力をかけることが好ましいが、圧力媒体として液体を使用しても良く、あるいは、圧力媒体として粉体等を使用しても良い。ＨＩＰ加工では、例えば材料の融点の７割程度の温度に加熱して加圧するので、特に加工品の端部に関して製作較差が悪化することがある。このため、機械加工を行い加工品の寸法を所定値にする。本実施形態では、図６に示すように、伝熱管２の列７の周囲に板１５と平板２９を配置し、これらを一緒にＨＩＰ加工することで、ＨＩＰ加工後の仕上げしろを形成している。伝熱管２は、例えば横断面形状が矩形を成す矩形管であり、１列に並べて配置することで、管壁同士を密着させて板状にすることができる。
【００２１】
また、本実施形態では、ＨＩＰ加工時に伝熱管２、板１５、平板２９の密着の度合いを上げるために、各部材の隙間を真空引きしている。また、ＨＩＰ加工時の加圧により伝熱管２が潰れてしまうのを防止するために、伝熱管２の端部に閉止板１０を仮溶接して塞ぎ伝熱管２内を例えば１２００気圧に加圧している。
【００２２】
このようにＨＩＰ加工により一体化させた中間製品１６（図７）を切削など機械加工して閉止板１０の除去と寸法出しを行う（図８）。この後、伝熱管２の端部に曲板１７を溶接し（図９）、更に曲板１７に蓋１８を溶接する（図１０）。曲板１７と蓋１８を合わせることで例えば３本の流路が構成され、当該流路によって伝熱管２と別の伝熱管２を接続することで伝熱管２の列７は全体として例えば３本の流路１９を構成する。即ち、冷却水３の流路１９として、図２に示すように、幾重にも折り返されたものが形成される。
【００２３】
ヘリウムガス部１３は、２枚の平板６，２０、スペーサとしてのグリッド２１、スペーサとしてのバー８より構成されている。図１１に示すように、グリッド２１の周囲をバー８で囲み、２枚の平板６，２０で挟んでいる。そして、図１２に示すように、これらの部材を密着させ、ＨＩＰ加工を行って一体化させることで、ヘリウムガス部１３を製造する。平板６，２０間にグリッド２１を挟み込むことでグリッド２１の部分が空間５となる。なお、有効熱交換部１２に対向する部分のグリッド２１の空隙部には、伝熱性能向上を目的としてワイヤメッシュを充填し、その他の部分のグリッド２１の空隙部にはワイヤメッシュを充填していない。また、必要に応じて機械加工を行い寸法出しを行う。
【００２４】
板状ユニット９は、図１３に示すように、有効熱交換部１２、ヘリウムガス部１３、導入管１４をＨＩＰ加工によって一体化することで製造される。即ち、有効熱交換部１２、３本の導入管１４、曲板２２、中子２３を並べ、これらの周囲をスペーサ２４で囲み、一対のヘリウムガス部１３で挟んでいる。そして、これらの部材を密着させ、ＨＩＰ加工を行って一体化させることで、板状ユニット９を製造する。なお、曲板２２内には３本の流路が形成されており、有効熱交換部１２の流路１９と導入管１４を接続する。ヘリウムガス部１３は平板６とは反対側の平板２０を有効熱交換部１２に密着するように配置される。したがって、平板６が伝熱管２の列７との間に空間５を形成する壁部材である。なお、このようにして製造された板状ユニット９は、あとはヘッダー２５を取り付けるだけであり、外形寸法に若干の誤差があったとしても機械加工を行って面取り等を行う必要はない。
【００２５】
板状ユニット９にはヘッダー２５が取り付けられている。ヘッダー２５は、連結ブロック２６と、２枚の蓋２７，２８より構成されている。ヘッダー２５の製作手順を図１４〜図１９に示す。
【００２６】
連結ブロック２６は、例えば鍛造加工されたブロックを加工したものであり、図１５に示すように、連結ブロック２６の上面には入口側水室２６ａとなる凹部と、出口側水室２６ｂとなる凹部が形成されている。また、図１６に示すように、連結ブロック２６の底面には、板状ユニット９を差し込むスリット状のソケット２６ｃが多数形成されている。なお、図１６には、一のソケット２６ｃのみを図示しているが、実際には、多数のソケット２６ｃが形成されている。ソケット２６ｃに板状ユニット９を挿入すると、導入管１４が入口側水室２６ａに開口し、伝熱管２が出口側水室２６ｂに開口する。板状ユニット９は連結ブロック２６に溶接されており、板状ユニット９の外れを防止すると共に、板状ユニット９と連結ブロック２６の間をシールしている。連結ブロック２６の形状は正確な立方体形状ではなく、平面視において円弧状に湾曲している。したがって、ソケット２６ｃに挿入した板状ユニット９は円弧状に並んで配置される。
【００２７】
入口側水室２６ａと出口側水室２６ｂは蓋２７，２８によって塞がれている。入口側水室２６ａの蓋２７には流入管３０が、出口側水室２６ｂの蓋２８には流出管３２がそれぞれ溶接されている。また、蓋２７，２８は連結ブロック２６に溶接されている。流入管３０と流出管３２は、例えば三重管であり、最も内側の流路に水／蒸気を流すようにし、液体金属冷却材４との間に三重の隔壁を設けて安全性をより高めている。
【００２８】
なお、一のヘッダー２５に複数の板状ユニット９を取り付けたもの（以下、熱交換ユニット３３という）を複数備えて蒸気発生器１を構成しても良いし、単一の熱交換ユニット３３から蒸気発生器１を構成しても良い。即ち、熱交換ユニット３３の数を増減することで、熱交換の能力を調整することができる。また、一のヘッダー２５に取り付ける板状ユニット９の数を増減することで、熱交換の能力を調整することができる。
【００２９】
この蒸気発生器１を設置したプール型高速増殖炉を図５に示す。原子炉容器１１内には、１次冷却材である液体金属冷却材４、例えば液体ナトリウム（以下、液体ナトリウム４という）が蓄えられている。原子炉容器１１内には円筒壁３４が設けられており、円筒壁３４の内側と外側に流路３７，３８を形成している。蒸気発生器１は外側流路３８内に、円筒壁３４の上端近傍を囲むように配置されている。炉心３５を冷却して高温になった液体ナトリウム４は円筒壁３４内の内側流路３７を上昇して円筒壁３４の上から外側流路３８に流れ込み、蒸気発生器１で熱交換を行って冷却される。そして電磁ポンプ３６で下方に向けて圧送され、原子炉容器１１の底の部分から内側流路３７に流入して炉心３５へと循環する。
【００３０】
この高速増殖炉では、蒸気発生器１は複数の熱交換ユニット３３を備えており、複数の熱交換ユニット３３をリング状に配置して円筒壁３４の全周を囲んでいる。即ち、外側流路３８には、板状ユニット９が全周にわたって放射状に配置さている。このため、外側流路３８を下降する液体ナトリウム４は、必ず蒸気発生器１の板状ユニット９の間を通過する。液体ナトリウム４は熱伝達特性に優れており、板状ユニット９の表面にフィンを設けていなくても板状ユニット９に熱を良好に伝達することができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、電磁ポンプ３６によって液体ナトリウム４を強制的に循環させるようにしているが、電磁ポンプ３６を省略して液体ナトリウム４を自然循環させるようにしても良い。即ち、板状ユニット９は外側流路３８の流れの方向に沿って配置されており、板状ユニット９の間を液体ナトリウム４が流れるようになっている。このため、液体ナトリウム４の流れ抵抗の増加を抑えることができ、液体ナトリウム４の自然循環が可能である。
【００３２】
一方、２次冷却系の冷却水３は図示しない発電用タービンを駆動した後、図示しない復水器によって凝集され図示しないポンプによって蒸気発生器１へと圧送される。蒸気発生器１に圧送された冷却水３は各熱交換ユニット３３に供給され、流入管３０から入口側水室２６ａに流入する。そして、冷却水３は入口側水室２６ａから各板状ユニット９に流入し、導入管１４→曲板２２内の流路→伝熱管２へと循環する。冷却水３は伝熱管２内を流れる途中で液体ナトリウム４によって加熱され蒸気となる。伝熱管２内で冷却水３から変換された蒸気は出口側水室２６ｂに流れ込み、流出管３２から流出して他の熱交換ユニット３３の流出管３２から流出した蒸気と合流し、発電用タービンへと循環する。
【００３３】
この蒸気発生器１では、伝熱管２を密着させて並列に並べているので、伝熱管２の周壁のうち隣りの流路１９との境の部分２ａがプレートフィンとして機能し、熱伝達を促進する。つまり、板状ユニット９は、流路１９中の部分２ａがフィンとして機能するため、小型で熱交換性能に優れたプレートフィン熱交換器となる。このため、蒸気発生器１を小型化することができる。しかも、本実施形態では、板状ユニット９の伝熱管２を１列に並べているので、２列以上に並べた場合に比べて、熱交換を効率良く行うことができる。このため、蒸気発生器１をより一層小型化することができる。蒸気発生器を小型化できる結果、蒸気発生器１の製造コストを下げることができ、また、原子炉も小型化できてその製造コストも下げることができ、原子力発電プラントの発電コストを下げることができて経済的に優れている。
【００３４】
また、板状ユニット９内の冷却水３の流路１９を幾重にも折り返すようにしているので、板状ユニット９を大きくしなくても流路１９を長くすることができ、逆に、その分だけ板状ユニット９を小型化することができて蒸気発生器を小型化することができる。また、流路１９を幾重にも折り返す場合には、流路１９の本数が少なくて足りるため、ヘッダー２５の構造を簡素なものにすることができる。
【００３５】
さらに、蒸気発生器１を小型化することができるので、原子炉容器１１内に設置するのが容易であり、小型で経済的なプール型高速増殖炉に適した蒸気発生器１を提供することができる。そして、このことからも原子力発電プラントの発電コストを下げることができ、経済的に優れている。
【００３６】
蒸気発生器１の板状ユニット９はＨＩＰ加工によって継ぎ目のない一体構造となっている。また、冷却水３が流れる伝熱管２は管でありもともと外部から画された独立の流路１９を構成している。これらのため、伝熱管２内の冷却水３と板状ユニット９の外の液体ナトリウム４が接触し難い構造であり、安全性に優れている。また、伝熱管２の周囲に空間５を形成しているので、伝熱管２はいわば二重管構造になり、冷却水３と液体ナトリウム４を二重のバウンダリによって画することができる。このため、冷却水３と液体ナトリウム４をより一層接触し難くすることができ、安全性をより一層向上させることができる。
【００３７】
そして、冷却水３と液体ナトリウム４との接触を防止することができるので、ループ型高速増殖炉で必要であった２次ナトリウム冷却系を省略することができる。即ち、１次ナトリウム冷却系と水／蒸気系との間で直接熱交換を行うことができ、原子炉プラントの単純化を図ることができる。このため、原子炉プラントの製造コストを下げることができて経済性をより一層向上させることができると共に、安全性をより一層向上させることができる。
【００３８】
また、蒸気発生器１の板状ユニット９はＨＩＰ加工によって継ぎ目のない一体構造となっており、例えばヘッダー２５を取り付ける工程等その後の製造工程で欠陥品になり難い構造である。また、板状ユニット９内の流路１９は伝熱管２や導入管１４等で形成されており、冷却水３の滞留が発生し難く、腐食誘起物が堆積し難い構造である。これらのため、信頼性に優れ、高い信頼性が要求される原子炉への使用に適した蒸気発生器１を提供することができる。
【００３９】
蒸気発生器１の板状ユニット９の空間５には、例えばヘリウムガス等の不活性ガスが流れている。空間５中の不活性ガスは板状ユニット９の外の液体ナトリウム４よりも大きな値に加圧されている。このため、仮に、板状ユニット９の表面に亀裂等が生じたとしても液体ナトリウム４が板状ユニット９内に流入するのを防止し、冷却水３との接触を防止することができる。また、仮に、液体ナトリウム４が板状ユニット９内に流入したとしても空間５内には不活性ガスが流れており、液体ナトリウム４が水分と反応することはない。さらに、液体ナトリウム４中の不活性ガスを検出することで、板状ユニット９の表面に亀裂等が生じたことを早期に検出することができるので、原子炉の運転を迅速に停止することが可能になる。
【００４０】
また、板状ユニット９の空間５に不活性ガス１０を流しているので、不活性ガス１０中の水分を検出することで、板状ユニット９内の冷却水３の流路１９に亀裂等が生じたことを早期に検出することができる。即ち、板状ユニット９内の流路１９に亀裂等が生じると冷却水３が空間５内に漏出するので、不活性ガス中の水分を検出することで冷却水３の流路１９の亀裂等を早期に検出することができ、原子炉の運転を迅速に停止することが可能になる。
【００４１】
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、板状ユニット９の中間製品１６に曲板１７及び蓋１８を溶接することで、板状ユニット９内の流路１９を幾重にも折り返すように形成していたが、必ずしも流路１９を幾重にも折り返すようにしなくても良い。例えば、図２０に示すように、板状ユニット９内の流路１９を直線状に形成しても良い。冷却水３の流路１９を直線状にすることで、板状ユニット９の幅が許す範囲で流路１９の数を増やすことができる。この構造では、流路１９の折り返しがなく、また、流路１９の数を増やすことで流路１本当たりの流量が減少するため、流動に伴う冷却水３の圧力損失を非常に小さくすることができる。
【００４２】
また、上述の説明では、原子炉容器１１内に設置する蒸気発生器１を例に説明していたが、原子炉容器１１の外に設置する蒸気発生器に適用しても良いことは勿論である。例えば、ループ型高速増殖炉の蒸気発生器に適用しても良い。
【００４３】
また、上述の説明では、蒸気を発生させる蒸気発生器１を例に説明していたが、熱交換器、過熱器等に適用しても良いことは勿論である。
【００４４】
また、上述の説明では、伝熱管２として横断面形状が矩形状のものを使用していたが、横断面形状が矩形状の伝熱管２に限るものではない。例えば、横断面形状が三角形の伝熱管２や六角形の伝熱管２等を使用しても良く、その他の形状の伝熱管２を使用しても良い。なお、横断面形状が三角形の伝熱管２を使用する場合には、三角形の底辺と頂点を上下互い違いに並べることが好ましい。
【００４５】
【実施例】
交換熱量１３５ＭＷ、ナトリウム入口／出口温度５１０℃／３５５℃、給水温度２１０℃、蒸気出口温度４５３℃、蒸気圧力１０．７ＭＰａの条件で、図２に示す流路１９を幾重にも折り返すタイプの熱交換器について試算を行った。
【００４６】
その結果、一の板状ユニット９当たりの冷却水３の流路１９の本数が４本で、幅が１ｍ、厚さが２１ｍｍ、高さが２．７ｍの板状ユニット９を１０ｍｍ間隔で配置して６５枚必要なことが分かった。
【００４７】
冷却水３の圧力損失は７ｋｇ／ｃｍ２程度であり、十分に許容される範囲である。シェル＆チューブ型熱交換器の熱交換部の体積が、ＭＷ当たり０．０５７５ｍ３であるのに対し、本発明の蒸気発生器１の熱交換部の必要体積は０．０４ｍ３となり、シェル＆チューブ型熱交換部と比較して約７０％の体積となっている。
【００４８】
このように本発明の蒸気発生器はコンパクトであることに加え、冷却水３と液体ナトリウム４との間に２重の境界を持つ安全性の高いものであり、高速増殖炉の２次系削除に効果があり、高速増殖炉の建設コストの低減に有効である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の液体金属冷却炉用熱交換器では、伝熱管を平行に密着させて並べると共に、伝熱管の列の周囲に配置されて伝熱管の列との間に空間を形成する壁部材と、伝熱管の列と前記壁部材との間に介在されたスペーサを備え、伝熱管の列とスペーサと壁部材は密着状態で加圧されながら加熱されて接合された板状ユニットを構成し、液体金属冷却材の流路中に複数の板状ユニットを隙間をあけて並べると共に、板状ユニットの空間に不活性ガスを流通させるようにしているので、伝熱管の周壁のうち隣りの流路との境の部分をプレートフィンとして機能させることができ、熱交換を効率良く行うことができる。このため、蒸気発生器を小型化することができ、ひいては原子力発電プラントを小型化することができ、発電コストを下げることができて経済的である。また、板状ユニットは継ぎ目のない一体構造であり、しかも冷却水の流れの滞留を防いで腐食誘起物が堆積し難い構造であり、蒸気発生器の安全性と信頼性を向上させることができる。
【００５０】
また、請求項２記載の液体金属冷却原子炉用熱交換器では、板状ユニットの伝熱管が１列に並べられているので、２列以上に並べた場合に比べて、熱交換を効率よく行うことができる。
【００５１】
また、請求項３記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、液体金属冷却材は原子炉容器内を循環する１次冷却材であり、板状ユニットを原子炉容器内に配置しても良い。
【００５２】
また、請求項４記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、冷却水が伝熱管内で加熱されて蒸気に変化するものであっても良い。
【００５３】
さらに、請求項５記載の液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法では、伝熱管を並列に密着させて並べた状態で加圧しながら加熱することで伝熱管の周壁同士を接合して中間製品を製造し、中間製品と、中間製品の周囲に配置されて中間製品との間に空間を形成する壁部材と、中間製品と壁部材との間に介在されたスペーサとを密着させた状態で加圧しながら加熱することで接合して板状ユニットを製造し、液体金属冷却材の流路中に複数の板状ユニットを隙間をあけて並べるようにしているので、請求項１記載の液体金属冷却炉用熱交換器を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した液体金属冷却炉用熱交換器の実施形態の一例を示し、その板状ユニットの断面図である。
【図２】同熱交換器の板状ユニットの概略構成を示す概念図である。
【図３】同熱交換器の板状ユニットを示す斜視図である。
【図４】同熱交換器を示す斜視図である。
【図５】同熱交換器を使用した高速増殖炉の概略構成図である。
【図６】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、伝熱管等をＨＩＰ加工する前の状態を概念的に示す斜視図である。
【図７】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、伝熱管等をＨＩＰ加工した状態を概念的に示す斜視図である。
【図８】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、中間製品を機械加工した状態を概念的に示す斜視図である。
【図９】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、中間製品に曲板を溶接した状態を概念的に示す斜視図である。
【図１０】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、曲板を溶接した中間製品に蓋を溶接した状態を概念的に示す斜視図である。
【図１１】同熱交換器のヘリウムガス部の製作手順を示し、平板等をＨＩＰ加工する前の状態を概念的に示す斜視図である。
【図１２】同熱交換器のヘリウムガス部の製作手順を示し、平板等をＨＩＰ加工した状態を概念的に示す斜視図である。
【図１３】同熱交換器の板状ユニットの製作手順を示し、有効熱交換部やヘリウムガス部等をＨＩＰ加工する前の状態を概念的に示す斜視図である。
【図１４】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、加工前の連結ブロックを示す斜視図である。
【図１５】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、連結ブロックに入口側水室と出口側水室を切削加工した状態を示す斜視図である。
【図１６】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、連結ブロックを上下逆にしてソケットを切削加工した状態を示す斜視図である。
【図１７】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、ソケットを切削加工した連結ブロックの上下を元に戻した状態を示す斜視図である。
【図１８】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、ソケットに板状ユニットを挿入して溶接した状態を示す斜視図である。
【図１９】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、連結ブロックに蓋を溶接した状態を示す斜視図である。
【図２０】本発明を適用した液体金属冷却炉用熱交換器の他の実施形態を示し、その板状ユニットの概略構成を示す概念図である。
【図２１】従来のプレートフィン熱交換器の要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 液体金属冷却炉用熱交換器
２ 伝熱管
３ 冷却水
４ 液体金属冷却材
５ 空間
６ 平板（壁部材）
７ 伝熱管の列
８ バー（スペーサ）
９ 板状ユニット
１６ 中間製品
２１ グリッド（スペーサ）
３８ 液体金属冷却材の流路
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体金属冷却炉用熱交換器および液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は原子炉容器内に収容するのに適した液体金属冷却炉用熱交換器および液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法に関するものである。なお、本明細書において「熱交換器」には、蒸気発生器、過熱器、凝縮器をも含んでいる。
【０００２】
【従来の技術】
高速増殖炉（ＦＢＲ）では通常、冷却材に液体ナトリウムを用いているが、ナトリウムは水に対して化学的に活性であるため、冷却系統を１次〜３次の冷却系に分割している。即ち、１次冷却系と２次冷却系に液体ナトリウムを使用し、３次冷却系に水／蒸気を使用している。炉心を冷却する１次冷却系と発電用タービンを駆動する３次冷却系との間に２次冷却系を設け、１次冷却系と２次冷却系に液体ナトリウムを使用し、３次冷却系に水／蒸気を使用することで、炉心を冷却して放射化された液体ナトリウム（１次冷却系）と水／蒸気（３次冷却系）との接触の可能性を無くして安全性の確保を図っている。
【０００３】
高速増殖炉にとって、２次冷却系の存在は、軽水炉に比較して建設コストの増加を招く原因となる。このため、２次冷却系を省略したいとの要請があり、種々の検討が行われている。例えば、液体ナトリウムと水／蒸気との間で熱交換を行う蒸気発生器（ＳＧ）を、液体ナトリウムと水との接触を完全に防止する構造にできれば２次冷却系の省略が可能である。
【０００４】
かかる構造の蒸気発生器として、二重管式蒸気発生器が知られている。二重管式蒸気発生器では伝熱管の一本一本を二重管で構成しており、二重管のどちらか一方のバウンダリ（管壁）が破れたとしても、伝熱管（二重管）の外側を流れる液体ナトリウムと、伝熱管内の二重の流路のうち内側の流路を流れる水／蒸気とが接触しないようにしている。伝熱管内の二重の流路のうち外側の流路にはヘリウムガスが流れており、ヘリウムガス中の水分や液体ナトリウム中のヘリウムを検出することでバウンダリが破れたことを早期に検出し、原子炉の運転を停止させるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、二重管式蒸気発生器は大きなものであり、たとえ２次冷却系を省略できたとしても原子炉全体をさほど小型化することができず、建設コストを大きく減らすことはできない。また、システムをコンパクトにして経済性の向上を図る高速増殖炉としてプール型高速増殖炉があるが、プール型高速増殖炉では中間熱交換器を原子炉内に設置する。中間熱輸送系を省略し、この中間熱交換器の代わりに蒸気発生器を設置すれば、システムの簡素化によりプラントシステムとしての高い経済性が得られる可能性があるが、小型化が困難な二重管式蒸気発生器を用いるとプール型高速増殖炉の炉容器を大型化してしまうため、システム合理化のメリットを十分に活かしきれない。
【０００６】
ところで、非常にコンパクトに設計できる熱交換器として、プレートフィン熱交換器（ＰＦＳＧ）がある。図２１にプレートフィン熱交換器の熱交換部の概念を示す。プレートフィン熱交換器は波状のフィン１０１をろう付けした仕切板１０２を介して２系統以上の流体の熱交換を行うもので、通常は別系統の流体流路が交互に積層されている。高速増殖炉にプレートフィン熱交換器を適用することができれば、非常にコンパクトな熱交換部を構成することができる。しかし、プレートフィン熱交換器は製作過程でのろう付け部（通常、波板のフィン１０１と仕切板１０２との接合には銀ろう付けを用いる。これは、図示しないヘッダ部の溶接の際に、熔解し剥離する可能性がある。）の信頼性が低く、また、フィン１０１と仕切板１０２との接合部のような微少な隙間は二相流部が流れる場合には腐食誘起物が堆積する可能性があり、高い信頼性が要求される高速増殖炉用の蒸気発生器として採用することはできない。
【０００７】
本発明は、小型化が可能で信頼性が高い液体金属冷却炉用熱交換器を提供することを目的とする。
【０００８】
【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、多数の伝熱管を有し、伝熱管内を流れる冷却水と伝熱管の外を流れる液体金属冷却材との間で熱交換を行う液体金属冷却炉用熱交換器において、伝熱管を並列に密着させて並べると共に、伝熱管の列の周囲に配置されて伝熱管の列との間に空間を形成する壁部材と、伝熱管の列と壁部材との間に介在されたスペーサを備え、伝熱管の列とスペーサと壁部材は密着状態で加圧されながら加熱されて接合された板状ユニットを構成し、液体金属冷却材の流路中に複数の板状ユニットを隙間をあけて並べると共に、板状ユニットの空間に不活性ガスを流通させるものである。
【０００９】
したがって、板状ユニットの周囲を流れる液体金属冷却材と板状ユニットの伝熱管内を流れる冷却水との間で熱交換が行われる。伝熱管同士は密着しているので、伝熱管の周壁の隣りの流路との境の部分がフィンとして機能し、熱の伝達を促進する。また、板状ユニットを液体金属冷却材の流路中に配置するので、板状ユニットの間に液体金属冷却材が流れ、熱交換を行うことができる。
【００１０】
板状ユニットを構成する伝熱管、スペーサ、壁部材は密着した状態で加圧・加熱されて接合され、表面の原子の拡散により境目なく一体化されている。また、伝熱管内はもともと外部から画された独立の流路を構成している。これらのため、伝熱管内の冷却水が漏れにくく、且つ、板状ユニットの外から液体金属冷却材が染み込み難い構造である。さらに、伝熱管の周囲には不活性ガスが流通する空間が形成されているので、冷却水と液体金属冷却材を二重のバウンダリによって画することができる。
【００１１】
また、請求項２記載の液体金属冷却炉用熱交換器は、板状ユニットの伝熱管が１列に並べられている。したがって、２列以上に並べた場合に比べて、熱交換を効率よく行うことができる。
【００１２】
また、請求項３記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、液体金属冷却材は原子炉容器内を循環する１次冷却材であり、板状ユニットを原子炉容器内に配置しても良い。
【００１３】
また、請求項４記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、冷却水は伝熱管内で加熱されて蒸気に変化するようにしても良い。
【００１４】
さらに、請求項５記載の発明は、多数の伝熱管を有し、伝熱管内を流れる冷却水と伝熱管の外を流れる液体金属冷却材との間で熱交換を行う液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法において、伝熱管を並列に密着させて並べた状態で加圧しながら加熱することで伝熱管の周壁同士を接合して中間製品を製造し、中間製品と、中間製品の周囲に配置されて中間製品との間に空間を形成する壁部材と、中間製品と壁部材との間に介在されたスペーサとを密着させた状態で加圧しながら加熱することで接合して板状ユニットを製造し、液体金属冷却材の流路中に複数の板状ユニットを隙間をあけて並べるようにしている。
【００１５】
即ち、多数の伝熱管を境目なく一体化して中間製品を製造し、この中間製品と壁部材とスペーサとを境目なく一体化して板状ユニットを製造する。そして、複数の板状ユニットを液体金属冷却材の流路中に設置すると、請求項１記載の液体金属冷却炉用熱交換器が製造される。
【００１６】
【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。
【００１７】
図１から図５に、本発明を適用した液体金属冷却炉用熱交換器１の実施形態の一例を示す。この液体金属冷却炉用熱交換器１（図４）は、図１に示すように、多数の伝熱管２を有し、伝熱管２内を流れる冷却水３と伝熱管２の外を流れる液体金属冷却材４との間で熱交換を行うもので、伝熱管２を並列に密着させて並べると共に、伝熱管２の列７の周囲に配置されて伝熱管２の列７との間に空間５を形成する壁部材６と、伝熱管２の列７と壁部材６との間に介在されたスペーサを備え、伝熱管２の列７とスペーサと壁部材６は密着状態で加圧されながら加熱されて接合された板状ユニット９（図２，図３）を構成し、液体金属冷却材４の流路３８（図５）中に複数の板状ユニット９を隙間をあけて並べると共に、板状ユニット９の空間５に不活性ガスを流通させている。
【００１８】
本実施形態では、板状ユニット９の伝熱管２は１列に並べられている。また、液体金属冷却材４は原子炉容器１１内を循環する１次冷却材であり、板状ユニット９を原子炉容器１１内に配置している。なお、本実施形態では、本発明を蒸気発生器に適用している。つまり、冷却水３は図示しない発電用タービンへと循環する２次冷却材であり、冷却水３は伝熱管２内で加熱されて蒸気に変化する。
【００１９】
板状ユニット９は、有効熱交換部１２と、ヘリウムガス部１３と、導入管１４を備えている。有効熱交換部１２は多数の伝熱管２を１列に並列に並べて一体化したもので、ＨＩＰ（Hot Isostatic Pressing；熱間等方加圧法）加工によって一体化している。
【００２０】
なお、本明細書では、部材同士の表面を密着させ、加圧しながら加熱して拡散接合し、部材同士の境目をなくして一体化する加工をＨＩＰ加工という。また、圧力のかけ方は等方的であることが好ましいが、必ずしも等方的であることに限らない。例えば、互いに直交する３軸方向から圧力をかけるようにしても良く、この場合、３軸方向から同時に圧力をかけるようにしても良く、一の軸方向から圧力をかけることをその方向を変えて繰り返し行うようにしても良い。さらに、圧力を伝える媒体として不活性ガス等の気体を使用して等方的に圧力をかけることが好ましいが、圧力媒体として液体を使用しても良く、あるいは、圧力媒体として粉体等を使用しても良い。ＨＩＰ加工では、例えば材料の融点の７割程度の温度に加熱して加圧するので、特に加工品の端部に関して製作較差が悪化することがある。このため、機械加工を行い加工品の寸法を所定値にする。本実施形態では、図６に示すように、伝熱管２の列７の周囲に板１５と平板２９を配置し、これらを一緒にＨＩＰ加工することで、ＨＩＰ加工後の仕上げしろを形成している。伝熱管２は、例えば横断面形状が矩形を成す矩形管であり、１列に並べて配置することで、管壁同士を密着させて板状にすることができる。
【００２１】
また、本実施形態では、ＨＩＰ加工時に伝熱管２、板１５、平板２９の密着の度合いを上げるために、各部材の隙間を真空引きしている。また、ＨＩＰ加工時の加圧により伝熱管２が潰れてしまうのを防止するために、伝熱管２の端部に閉止板１０を仮溶接して塞ぎ伝熱管２内を例えば１２００気圧に加圧している。
【００２２】
このようにＨＩＰ加工により一体化させた中間製品１６（図７）を切削など機械加工して閉止板１０の除去と寸法出しを行う（図８）。この後、伝熱管２の端部に曲板１７を溶接し（図９）、更に曲板１７に蓋１８を溶接する（図１０）。曲板１７と蓋１８を合わせることで例えば３本の流路が構成され、当該流路によって伝熱管２と別の伝熱管２を接続することで伝熱管２の列７は全体として例えば３本の流路１９を構成する。即ち、冷却水３の流路１９として、図２に示すように、幾重にも折り返されたものが形成される。
【００２３】
ヘリウムガス部１３は、２枚の平板６，２０、スペーサとしてのグリッド２１、スペーサとしてのバー８より構成されている。図１１に示すように、グリッド２１の周囲をバー８で囲み、２枚の平板６，２０で挟んでいる。そして、図１２に示すように、これらの部材を密着させ、ＨＩＰ加工を行って一体化させることで、ヘリウムガス部１３を製造する。平板６，２０間にグリッド２１を挟み込むことでグリッド２１の部分が空間５となる。なお、有効熱交換部１２に対向する部分のグリッド２１の空隙部には、伝熱性能向上を目的としてワイヤメッシュを充填し、その他の部分のグリッド２１の空隙部にはワイヤメッシュを充填していない。また、必要に応じて機械加工を行い寸法出しを行う。
【００２４】
板状ユニット９は、図１３に示すように、有効熱交換部１２、ヘリウムガス部１３、導入管１４をＨＩＰ加工によって一体化することで製造される。即ち、有効熱交換部１２、３本の導入管１４、曲板２２、中子２３を並べ、これらの周囲をスペーサ２４で囲み、一対のヘリウムガス部１３で挟んでいる。そして、これらの部材を密着させ、ＨＩＰ加工を行って一体化させることで、板状ユニット９を製造する。なお、曲板２２内には３本の流路が形成されており、有効熱交換部１２の流路１９と導入管１４を接続する。ヘリウムガス部１３は平板６とは反対側の平板２０を有効熱交換部１２に密着するように配置される。したがって、平板６が伝熱管２の列７との間に空間５を形成する壁部材である。なお、このようにして製造された板状ユニット９は、あとはヘッダー２５を取り付けるだけであり、外形寸法に若干の誤差があったとしても機械加工を行って面取り等を行う必要はない。
【００２５】
板状ユニット９にはヘッダー２５が取り付けられている。ヘッダー２５は、連結ブロック２６と、２枚の蓋２７，２８より構成されている。ヘッダー２５の製作手順を図１４〜図１９に示す。
【００２６】
連結ブロック２６は、例えば鍛造加工されたブロックを加工したものであり、図１５に示すように、連結ブロック２６の上面には入口側水室２６ａとなる凹部と、出口側水室２６ｂとなる凹部が形成されている。また、図１６に示すように、連結ブロック２６の底面には、板状ユニット９を差し込むスリット状のソケット２６ｃが多数形成されている。なお、図１６には、一のソケット２６ｃのみを図示しているが、実際には、多数のソケット２６ｃが形成されている。ソケット２６ｃに板状ユニット９を挿入すると、導入管１４が入口側水室２６ａに開口し、伝熱管２が出口側水室２６ｂに開口する。板状ユニット９は連結ブロック２６に溶接されており、板状ユニット９の外れを防止すると共に、板状ユニット９と連結ブロック２６の間をシールしている。連結ブロック２６の形状は正確な立方体形状ではなく、平面視において円弧状に湾曲している。したがって、ソケット２６ｃに挿入した板状ユニット９は円弧状に並んで配置される。
【００２７】
入口側水室２６ａと出口側水室２６ｂは蓋２７，２８によって塞がれている。入口側水室２６ａの蓋２７には流入管３０が、出口側水室２６ｂの蓋２８には流出管３２がそれぞれ溶接されている。また、蓋２７，２８は連結ブロック２６に溶接されている。流入管３０と流出管３２は、例えば三重管であり、最も内側の流路に水／蒸気を流すようにし、液体金属冷却材４との間に三重の隔壁を設けて安全性をより高めている。
【００２８】
なお、一のヘッダー２５に複数の板状ユニット９を取り付けたもの（以下、熱交換ユニット３３という）を複数備えて蒸気発生器１を構成しても良いし、単一の熱交換ユニット３３から蒸気発生器１を構成しても良い。即ち、熱交換ユニット３３の数を増減することで、熱交換の能力を調整することができる。また、一のヘッダー２５に取り付ける板状ユニット９の数を増減することで、熱交換の能力を調整することができる。
【００２９】
この蒸気発生器１を設置したプール型高速増殖炉を図５に示す。原子炉容器１１内には、１次冷却材である液体金属冷却材４、例えば液体ナトリウム（以下、液体ナトリウム４という）が蓄えられている。原子炉容器１１内には円筒壁３４が設けられており、円筒壁３４の内側と外側に流路３７，３８を形成している。蒸気発生器１は外側流路３８内に、円筒壁３４の上端近傍を囲むように配置されている。炉心３５を冷却して高温になった液体ナトリウム４は円筒壁３４内の内側流路３７を上昇して円筒壁３４の上から外側流路３８に流れ込み、蒸気発生器１で熱交換を行って冷却される。そして電磁ポンプ３６で下方に向けて圧送され、原子炉容器１１の底の部分から内側流路３７に流入して炉心３５へと循環する。
【００３０】
この高速増殖炉では、蒸気発生器１は複数の熱交換ユニット３３を備えており、複数の熱交換ユニット３３をリング状に配置して円筒壁３４の全周を囲んでいる。即ち、外側流路３８には、板状ユニット９が全周にわたって放射状に配置さている。このため、外側流路３８を下降する液体ナトリウム４は、必ず蒸気発生器１の板状ユニット９の間を通過する。液体ナトリウム４は熱伝達特性に優れており、板状ユニット９の表面にフィンを設けていなくても板状ユニット９に熱を良好に伝達することができる。
【００３１】
なお、本実施形態では、電磁ポンプ３６によって液体ナトリウム４を強制的に循環させるようにしているが、電磁ポンプ３６を省略して液体ナトリウム４を自然循環させるようにしても良い。即ち、板状ユニット９は外側流路３８の流れの方向に沿って配置されており、板状ユニット９の間を液体ナトリウム４が流れるようになっている。このため、液体ナトリウム４の流れ抵抗の増加を抑えることができ、液体ナトリウム４の自然循環が可能である。
【００３２】
一方、２次冷却系の冷却水３は図示しない発電用タービンを駆動した後、図示しない復水器によって凝集され図示しないポンプによって蒸気発生器１へと圧送される。蒸気発生器１に圧送された冷却水３は各熱交換ユニット３３に供給され、流入管３０から入口側水室２６ａに流入する。そして、冷却水３は入口側水室２６ａから各板状ユニット９に流入し、導入管１４→曲板２２内の流路→伝熱管２へと循環する。冷却水３は伝熱管２内を流れる途中で液体ナトリウム４によって加熱され蒸気となる。伝熱管２内で冷却水３から変換された蒸気は出口側水室２６ｂに流れ込み、流出管３２から流出して他の熱交換ユニット３３の流出管３２から流出した蒸気と合流し、発電用タービンへと循環する。
【００３３】
この蒸気発生器１では、伝熱管２を密着させて並列に並べているので、伝熱管２の周壁のうち隣りの流路１９との境の部分２ａがプレートフィンとして機能し、熱伝達を促進する。つまり、板状ユニット９は、流路１９中の部分２ａがフィンとして機能するため、小型で熱交換性能に優れたプレートフィン熱交換器となる。このため、蒸気発生器１を小型化することができる。しかも、本実施形態では、板状ユニット９の伝熱管２を１列に並べているので、２列以上に並べた場合に比べて、熱交換を効率良く行うことができる。このため、蒸気発生器１をより一層小型化することができる。蒸気発生器を小型化できる結果、蒸気発生器１の製造コストを下げることができ、また、原子炉も小型化できてその製造コストも下げることができ、原子力発電プラントの発電コストを下げることができて経済的に優れている。
【００３４】
また、板状ユニット９内の冷却水３の流路１９を幾重にも折り返すようにしているので、板状ユニット９を大きくしなくても流路１９を長くすることができ、逆に、その分だけ板状ユニット９を小型化することができて蒸気発生器を小型化することができる。また、流路１９を幾重にも折り返す場合には、流路１９の本数が少なくて足りるため、ヘッダー２５の構造を簡素なものにすることができる。
【００３５】
さらに、蒸気発生器１を小型化することができるので、原子炉容器１１内に設置するのが容易であり、小型で経済的なプール型高速増殖炉に適した蒸気発生器１を提供することができる。そして、このことからも原子力発電プラントの発電コストを下げることができ、経済的に優れている。
【００３６】
蒸気発生器１の板状ユニット９はＨＩＰ加工によって継ぎ目のない一体構造となっている。また、冷却水３が流れる伝熱管２は管でありもともと外部から画された独立の流路１９を構成している。これらのため、伝熱管２内の冷却水３と板状ユニット９の外の液体ナトリウム４が接触し難い構造であり、安全性に優れている。また、伝熱管２の周囲に空間５を形成しているので、伝熱管２はいわば二重管構造になり、冷却水３と液体ナトリウム４を二重のバウンダリによって画することができる。このため、冷却水３と液体ナトリウム４をより一層接触し難くすることができ、安全性をより一層向上させることができる。
【００３７】
そして、冷却水３と液体ナトリウム４との接触を防止することができるので、ループ型高速増殖炉で必要であった２次ナトリウム冷却系を省略することができる。即ち、１次ナトリウム冷却系と水／蒸気系との間で直接熱交換を行うことができ、原子炉プラントの単純化を図ることができる。このため、原子炉プラントの製造コストを下げることができて経済性をより一層向上させることができると共に、安全性をより一層向上させることができる。
【００３８】
また、蒸気発生器１の板状ユニット９はＨＩＰ加工によって継ぎ目のない一体構造となっており、例えばヘッダー２５を取り付ける工程等その後の製造工程で欠陥品になり難い構造である。また、板状ユニット９内の流路１９は伝熱管２や導入管１４等で形成されており、冷却水３の滞留が発生し難く、腐食誘起物が堆積し難い構造である。これらのため、信頼性に優れ、高い信頼性が要求される原子炉への使用に適した蒸気発生器１を提供することができる。
【００３９】
蒸気発生器１の板状ユニット９の空間５には、例えばヘリウムガス等の不活性ガスが流れている。空間５中の不活性ガスは板状ユニット９の外の液体ナトリウム４よりも大きな値に加圧されている。このため、仮に、板状ユニット９の表面に亀裂等が生じたとしても液体ナトリウム４が板状ユニット９内に流入するのを防止し、冷却水３との接触を防止することができる。また、仮に、液体ナトリウム４が板状ユニット９内に流入したとしても空間５内には不活性ガスが流れており、液体ナトリウム４が水分と反応することはない。さらに、液体ナトリウム４中の不活性ガスを検出することで、板状ユニット９の表面に亀裂等が生じたことを早期に検出することができるので、原子炉の運転を迅速に停止することが可能になる。
【００４０】
また、板状ユニット９の空間５に不活性ガス１０を流しているので、不活性ガス１０中の水分を検出することで、板状ユニット９内の冷却水３の流路１９に亀裂等が生じたことを早期に検出することができる。即ち、板状ユニット９内の流路１９に亀裂等が生じると冷却水３が空間５内に漏出するので、不活性ガス中の水分を検出することで冷却水３の流路１９の亀裂等を早期に検出することができ、原子炉の運転を迅速に停止することが可能になる。
【００４１】
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、板状ユニット９の中間製品１６に曲板１７及び蓋１８を溶接することで、板状ユニット９内の流路１９を幾重にも折り返すように形成していたが、必ずしも流路１９を幾重にも折り返すようにしなくても良い。例えば、図２０に示すように、板状ユニット９内の流路１９を直線状に形成しても良い。冷却水３の流路１９を直線状にすることで、板状ユニット９の幅が許す範囲で流路１９の数を増やすことができる。この構造では、流路１９の折り返しがなく、また、流路１９の数を増やすことで流路１本当たりの流量が減少するため、流動に伴う冷却水３の圧力損失を非常に小さくすることができる。
【００４２】
また、上述の説明では、原子炉容器１１内に設置する蒸気発生器１を例に説明していたが、原子炉容器１１の外に設置する蒸気発生器に適用しても良いことは勿論である。例えば、ループ型高速増殖炉の蒸気発生器に適用しても良い。
【００４３】
また、上述の説明では、蒸気を発生させる蒸気発生器１を例に説明していたが、熱交換器、過熱器等に適用しても良いことは勿論である。
【００４４】
また、上述の説明では、伝熱管２として横断面形状が矩形状のものを使用していたが、横断面形状が矩形状の伝熱管２に限るものではない。例えば、横断面形状が三角形の伝熱管２や六角形の伝熱管２等を使用しても良く、その他の形状の伝熱管２を使用しても良い。なお、横断面形状が三角形の伝熱管２を使用する場合には、三角形の底辺と頂点を上下互い違いに並べることが好ましい。
【００４５】
【実施例】
交換熱量１３５ＭＷ、ナトリウム入口／出口温度５１０℃／３５５℃、給水温度２１０℃、蒸気出口温度４５３℃、蒸気圧力１０．７ＭＰａの条件で、図２に示す流路１９を幾重にも折り返すタイプの熱交換器について試算を行った。
【００４６】
その結果、一の板状ユニット９当たりの冷却水３の流路１９の本数が４本で、幅が１ｍ、厚さが２１ｍｍ、高さが２．７ｍの板状ユニット９を１０ｍｍ間隔で配置して６５枚必要なことが分かった。
【００４７】
冷却水３の圧力損失は７ｋｇ／ｃｍ２程度であり、十分に許容される範囲である。シェル＆チューブ型熱交換器の熱交換部の体積が、ＭＷ当たり０．０５７５ｍ３であるのに対し、本発明の蒸気発生器１の熱交換部の必要体積は０．０４ｍ３となり、シェル＆チューブ型熱交換部と比較して約７０％の体積となっている。
【００４８】
このように本発明の蒸気発生器はコンパクトであることに加え、冷却水３と液体ナトリウム４との間に２重の境界を持つ安全性の高いものであり、高速増殖炉の２次系削除に効果があり、高速増殖炉の建設コストの低減に有効である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の液体金属冷却炉用熱交換器では、伝熱管を平行に密着させて並べると共に、伝熱管の列の周囲に配置されて伝熱管の列との間に空間を形成する壁部材と、伝熱管の列と前記壁部材との間に介在されたスペーサを備え、伝熱管の列とスペーサと壁部材は密着状態で加圧されながら加熱されて接合された板状ユニットを構成し、液体金属冷却材の流路中に複数の板状ユニットを隙間をあけて並べると共に、板状ユニットの空間に不活性ガスを流通させるようにしているので、伝熱管の周壁のうち隣りの流路との境の部分をプレートフィンとして機能させることができ、熱交換を効率良く行うことができる。このため、蒸気発生器を小型化することができ、ひいては原子力発電プラントを小型化することができ、発電コストを下げることができて経済的である。また、板状ユニットは継ぎ目のない一体構造であり、しかも冷却水の流れの滞留を防いで腐食誘起物が堆積し難い構造であり、蒸気発生器の安全性と信頼性を向上させることができる。
【００５０】
また、請求項２記載の液体金属冷却原子炉用熱交換器では、板状ユニットの伝熱管が１列に並べられているので、２列以上に並べた場合に比べて、熱交換を効率よく行うことができる。
【００５１】
また、請求項３記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、液体金属冷却材は原子炉容器内を循環する１次冷却材であり、板状ユニットを原子炉容器内に配置しても良い。
【００５２】
また、請求項４記載の液体金属冷却炉用熱交換器のように、冷却水が伝熱管内で加熱されて蒸気に変化するものであっても良い。
【００５３】
さらに、請求項５記載の液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法では、伝熱管を並列に密着させて並べた状態で加圧しながら加熱することで伝熱管の周壁同士を接合して中間製品を製造し、中間製品と、中間製品の周囲に配置されて中間製品との間に空間を形成する壁部材と、中間製品と壁部材との間に介在されたスペーサとを密着させた状態で加圧しながら加熱することで接合して板状ユニットを製造し、液体金属冷却材の流路中に複数の板状ユニットを隙間をあけて並べるようにしているので、請求項１記載の液体金属冷却炉用熱交換器を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した液体金属冷却炉用熱交換器の実施形態の一例を示し、その板状ユニットの断面図である。
【図２】同熱交換器の板状ユニットの概略構成を示す概念図である。
【図３】同熱交換器の板状ユニットを示す斜視図である。
【図４】同熱交換器を示す斜視図である。
【図５】同熱交換器を使用した高速増殖炉の概略構成図である。
【図６】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、伝熱管等をＨＩＰ加工する前の状態を概念的に示す斜視図である。
【図７】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、伝熱管等をＨＩＰ加工した状態を概念的に示す斜視図である。
【図８】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、中間製品を機械加工した状態を概念的に示す斜視図である。
【図９】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、中間製品に曲板を溶接した状態を概念的に示す斜視図である。
【図１０】同熱交換器の有効熱交換部の製作手順を示し、曲板を溶接した中間製品に蓋を溶接した状態を概念的に示す斜視図である。
【図１１】同熱交換器のヘリウムガス部の製作手順を示し、平板等をＨＩＰ加工する前の状態を概念的に示す斜視図である。
【図１２】同熱交換器のヘリウムガス部の製作手順を示し、平板等をＨＩＰ加工した状態を概念的に示す斜視図である。
【図１３】同熱交換器の板状ユニットの製作手順を示し、有効熱交換部やヘリウムガス部等をＨＩＰ加工する前の状態を概念的に示す斜視図である。
【図１４】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、加工前の連結ブロックを示す斜視図である。
【図１５】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、連結ブロックに入口側水室と出口側水室を切削加工した状態を示す斜視図である。
【図１６】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、連結ブロックを上下逆にしてソケットを切削加工した状態を示す斜視図である。
【図１７】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、ソケットを切削加工した連結ブロックの上下を元に戻した状態を示す斜視図である。
【図１８】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、ソケットに板状ユニットを挿入して溶接した状態を示す斜視図である。
【図１９】同熱交換器のヘッダーの製作手順を示し、連結ブロックに蓋を溶接した状態を示す斜視図である。
【図２０】本発明を適用した液体金属冷却炉用熱交換器の他の実施形態を示し、その板状ユニットの概略構成を示す概念図である。
【図２１】従来のプレートフィン熱交換器の要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 液体金属冷却炉用熱交換器
２ 伝熱管
３ 冷却水
４ 液体金属冷却材
５ 空間
６ 平板（壁部材）
７ 伝熱管の列
８ バー（スペーサ）
９ 板状ユニット
１６ 中間製品
２１ グリッド（スペーサ）
３８ 液体金属冷却材の流路
Claims (5)
- 多数の伝熱管を有し、前記伝熱管内を流れる冷却水と前記伝熱管の外を流れる液体金属冷却材との間で熱交換を行う液体金属冷却炉用熱交換器において、前記伝熱管を並列に密着させて並べると共に、前記伝熱管の列の周囲に配置されて前記伝熱管の列との間に空間を形成する壁部材と、前記伝熱管の列と前記壁部材との間に介在されたスペーサを備え、前記伝熱管の列とスペーサと壁部材は密着状態で加圧されながら加熱されて接合された板状ユニットを構成し、前記液体金属冷却材の流路中に複数の前記板状ユニットを隙間をあけて並べると共に、前記板状ユニットの前記空間に不活性ガスを流通させることを特徴とする液体金属冷却炉用熱交換器。
- 前記板状ユニットの伝熱管は１列に並べられていることを特徴とする請求項１記載の液体金属冷却炉用熱交換器。
- 前記液体金属冷却材は原子炉容器内を循環する１次冷却材であり、前記板状ユニットを前記原子炉容器内に配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の液体金属冷却炉用熱交換器。
- 前記冷却水は前記伝熱管内で加熱されて蒸気に変化することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液体金属冷却炉用熱交換器。
- 多数の伝熱管を有し、前記伝熱管内を流れる冷却水と前記伝熱管の外を流れる液体金属冷却材との間で熱交換を行う液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法において、前記伝熱管を並列に密着させて並べた状態で加圧しながら加熱することで前記伝熱管の周壁同士を接合して中間製品を製造し、前記中間製品と、前記中間製品の周囲に配置されて前記中間製品との間に空間を形成する壁部材と、前記中間製品と前記壁部材との間に介在されたスペーサとを密着させた状態で加圧しながら加熱することで接合して板状ユニットを製造し、前記液体金属冷却材の流路中に複数の前記板状ユニットを隙間をあけて並べることを特徴とする液体金属冷却炉用熱交換器の製造方法。
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