JP4202197B2 - 原子炉の炉内構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子炉の構造に関し、特に加圧水型原子炉内を流れる冷却材を整流しうる炉内構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷却材を整流しうる炉内構造に関し、従来技術として、特許文献１〜３がある。このような文献には、外周形状が円形の連接板が記載されており、このような連接板が用いられた加圧水型原子炉の原子炉容器内の基本的構造を図７に示す。図７において冷却材１は、原子炉容器２に一体的に形成された冷却材入口ノズル３から流入し、原子炉容器２と炉心槽４との間の環状に形成された下降流路、すなわちダウンカマー部５内を下向きに下降流６として流れる。下降流６は、キー溝構造により炉心槽４の下部と原子炉容器２との位置決めを行うラジアルキー部７を通過し、下部プレナム８に至る。冷却材１は、下部プレナム８の球面状の内面９により向きを変えられ上昇し、下部連接板１０、上部連接板１１および下部炉心支持板１２等を通過した後、炉心１３に流入する。炉心１３に流入した上昇流１４は、炉心１３内の燃料集合体１５で発生する熱エネルギーを吸収して高温となり、上部プレナム１６の冷却材出口ノズル１７を通り、図示しない蒸気発生器へと流出する。その後、冷却材１は、蒸気発生器内の冷却水に熱を伝え加熱沸騰させた後、冷却材循環ポンプにより再び原子炉容器に送られ、冷却材入口ノズル３より原子炉容器２内に戻される。
【０００３】
冷却材入口ノズル３及び冷却材出口ノズル１７は、原子炉容器２を下方から見て図８に示されるように配置されている。
説明の便宜のため、上方の一対の冷却材出口ノズル１７が対称な位置となる軸線を角度０°の軸線とし、反時計回りに角度を規定し、各軸の名称として用いる。
上方の一対の冷却材出口ノズル１７の反対側には、１８０°軸線に対して対称な位置に、さらに一対の冷却材出口ノズル１７が配置されている。また、９０°軸線に対して対称な位置に、一対の冷却材入口ノズル３が配置され、２７０°軸線に対して対称な位置に、さらに一対の冷却材入口ノズル３が配置されている。
【０００４】
一方、図９に示されるように、ダウンカマー部５の下部のラジアルキー部７は、０°軸線の位置を基準に６０°おきに、ダウンカマー部５内に６つ配置されている。
また、図１０に示されるように、下部プレナム８に配置された下部連接板１０は、板状体であって、外周には円周形状のリング部２１を備えている。リング部２１の内側にはリム部２３が設けられ、計装案内管が挿入される多数の小穴２２を有する。リム部２３はこれらの小穴２２の周囲を取り囲んで支持するようにメッシュ状に広がりリング部２１と連結している。
【０００５】
図１１（ａ）〜（ｂ）は、下部プレナム８の下部連接板１０の下方における冷却材１の流れの様子を示す図であり、（ａ），（ｂ）は下部プレナム８の下方から下部連接板１０を見た図である。
一対の冷却材入口ノズル３から流入した冷却材１同士は、合流して流速を速めてダウンカマー部５を下降する。この際、冷却材１は、ダウンカマー部５において一部が周方向に分散しながら、ダウンカマー部５を下降する。
このため、冷却材１の流れは、冷却材入口ノズル３からほぼ鉛直方向にダウンカマー部５を下降し、下部連接板１０のリング部２１と下部プレナム８の内面９との間を通って下部プレナム８の中心側に流れ込む主流２６，２７と、ダウンカマー部５において周方向に分散する分散流とに分類できる。
分散流の一部は、下降途中で０°軸線、１８０°軸線に位置するラジアルキー部７に衝突し、ラジアルキー部７で左右に分離した剥離流２８，２９を形成し、同じく下部連接板１０と下部プレナム８の内面９との間を通って下部プレナム８の内側に流れ込む。
【０００６】
図１１（ａ）は、下部連接板１０の下方の剥離流２８、２９の流れと、剥離流２８，２９により、ラジアルキー部７の周辺に小渦、すなわち剥離による物体後流剥離渦が発生している様子を示している。ここで、冷却水１は高レイノルズ数における乱流の状態で流れており、乱流の特性上、流れの中では、小さな渦が発生／消滅を繰り返しランダムな速度の流れを有して流れている。以下に述べる衝突流と上記の剥離流が合流すると、より複雑な流れとなり、合流の仕方によっては剥離流を安定あるいは発展させる可能性、または、小さな渦を安定あるいは発展させる可能性があり得る。
図１１（ｂ）は、９０°軸線側及び２７０°軸線側からそれぞれ流れ込む主流２６，２７が下部連接板１０の中心付近で衝突し、その後衝突流として０°軸線及び１８０°軸線側に分離して流れ、ラジアルキー部７付近に到達したときの様子を示している。ラジアルキー部７付近に流れ込む主流の２６，２７の衝突流により、剥離が拡げられて、この剥離渦が助長され、剥離渦自身の大きさは大きくなる。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２９９９１２４号公報（第２−３頁、図３、図４）
【特許文献２】
特許第３１９３５３２号公報（第３−４頁、図２、図３）
【特許文献３】
特開平８−６２３７２号公報（第２−２頁、図４）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
加圧水型原子炉において、ダウンカマー部５を下降し下部プレナム８を通った後、上昇して炉心１３に入る冷却材１にこのような剥離渦が発生・存在すると、炉心１３に流れ込む冷却材１の流量が変化をもたらし不均一になる。また、冷却材１の流れの圧力損失が増加する。原子炉の出力性能に問題はなくても、流動の適正化、安定した流動と運転管理のためにはこの様な乱れの要因は抑制することが望ましい。
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、乱流渦も含めて剥離渦等の発生と助長を抑制し、炉心１３に冷却材１が均一に流れ込むと共に、冷却材１の流れの圧力損失を低減して、冷却材の流れを安定させる原子炉の炉内構造を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る加圧水型原子炉の炉内構造は、冷却材入口ノズルと、底部に下部プレナムを画設する圧力容器と、この圧力容器内に配置された炉心と、この炉心の周囲に配置された炉心槽と、圧力容器と炉心槽との間に画設される環状のダウンカマー部と、ダウンカマー部に設けられ炉心槽を圧力容器に対して固定するラジアルキー部と、下部プレナム内で且つダウンカマー部の下方に設けられた連接板とを備えた原子炉において、冷却材入口ノズルから導入された冷却材のうち、その冷却材の流れの大部分はダウンカマー部の周方向に分散せずにノズルの真下を鉛直に流れ、さらに、下部プレナムの内面と連接板の外周部との間を通って、連接板の下方を流れる冷却材は、下部プレナムの中心に向かって流れる主流を形成し、連接板の外周形状は、前記主流の流れ方向に対して、一方側には円弧部が形成され、他方側には、円弧部よりも連接板の中心側に切り欠かれた切欠部が形成されて、前記主流の流れ方向に対して非対称形状をなすことを特徴とするものである。
また、ラジアルキー部が、主流の流れ方向に対して９０°位相をずらした方向に配置され、冷却材入口ノズルから導入された冷却材のうち、その一部の流れはダウンカマー部を鉛直方向から離れ、ダウンカマー部の周方向に分散してから鉛直方向に流れてラジアルキー部に衝突し、前記ラジアルキー部でその左右に分離した剥離流れとなった後、下部プレナムの内面と連接板の外周部との間を通って連接板の下方を流れる冷却材は、下部プレナムの中心に対しその左右に分離した方向に向かって流れる剥離流を形成し、連接板の外周形状は、前記剥離流が発生する前記ラジアルキー部の位置から前記下部プレナムの中心に向かう方向に対して非対称形状をなすようにしてもよい。
また、連接板の外周形状は、剥離流発生方向に対して、一方側には円弧部が形成され、他方側には、円弧部よりも連接板の中心側に切り欠かれた切欠部が形成されてもよい。
さらに、連接板は、連接板本体と円弧形状をもつ剥離渦抑制部材とを別個に有し、剥離渦抑制部材を連接板本体の外周に取り付けることにより、剥離渦抑制部材の円弧形状が、連接板の外周の円弧部を構成するようにしてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１に係る原子炉の炉内構造を示す断面図である。この原子炉は加圧水型原子炉であり、その炉内構造は、図７に示した従来の加圧水型原子炉における下部連接板１０の代わりに、下部連接板３０を用いたものである。
すなわち、圧力容器である原子炉容器２は、着脱自在の蓋により上部開口が閉じられ、そこから炉心槽４が垂下支持されている。炉心槽４の下部には水平な下部炉心板４ａに支持された炉心１３を構成する多数の燃料集合体１５が下部炉心板４ａ上に並べられている。
また、原子炉容器２と炉心槽４との間には、冷却材１が流れる環状の流路であるダウンカマー部５が画設されている。ダウンカマー部５の下部で、下部炉心支持板１８の外側には、炉心槽４を原子炉容器２に対して固定するキー溝構造のラジアルキー部７が設けられている。
さらに、原子炉容器２は、底部に半球面状の下部プレナム８が画設されており、下部炉心支持板１８に連結した下部炉心支持柱１９が上部連接板１１、下部連接板３０、落下緩衝板２０に連絡している。下部炉心支持板１８に連結されて鉛直方向に延びた複数の計装案内管２０ａが上部連接板１１により互いに連接されている。
【００１１】
また、図８に示されるように、それぞれ一対の冷却材出口ノズル１７が、０°軸線、１８０°軸線に対して対称な位置にそれぞれ配置されている。それぞれ一対の冷却材入口ノズル３が、９０°軸線、２７０°軸線に対して、対称な位置にそれぞれ配置されている。
一方、ラジアルキー部７は、図９に示されるように、０°軸線の位置を基準に６０°おきに、ダウンカマー部５内に６つ配置されている。
【００１２】
下部プレナム８に配置された下部連接板３０は、図２に示されるように、０°軸線を基準に、中心角が４５°ごとの間隔で、円弧状の円弧部３２と、円弧部３２よりも中心側に切り欠かれた切欠部３３とが交互に形成された板状体のリング部３１を備えている。このリング部３１は、下部連接板３０の外周部を構成する。また、切欠部３３の外縁は直線状に切り欠かれている。
リング部３１の内側にはリム部３４が設けられ、計装案内管２０ａが挿入される多数の小穴３５を有する。リム部３４はこれらの小穴３５の周囲を取り囲んで支持するようにメッシュ状に広がる板状体でリング部３１と連結している。
このように、下部連接板３０の外周形状は、円弧部３２と切欠部３３とが交互に形成され、主流の流れ方向である９０°−２７０°の軸線に対して、非対称形状であるとともに、主流の流れ方向に対して９０°位相をずらした方向であって剥離流が発生するラジアルキー部７の位置の方向である０°−１８０°の軸線に対しても非対称形状である。また、切欠部３３と下部プレナム８の内面９との間に形成される冷却材１が通る流路面積Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ７は、円弧部３２と下部プレナム８の内面９との間に形成される冷却材１が通る流路面積Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ８よりも大きくなるように形成されている。
【００１３】
次に、実施の形態に係る原子炉の内部を冷却材がどのように流れるか図１〜４に基づいて説明する。
冷却材１は、原子炉容器２に９０°軸線及び２７０°軸線に一対ずつある冷却材入口ノズル３から流入し合流して流速を速めて、原子炉容器２と炉心槽４との間のダウンカマー部５内を下向きに流れる。ダウンカマー部５を鉛直に流れる主流３６，３７は、ほぼ同じ流速で、下部プレナム８の内面９と下部連接板３０のリング部３１との間を通って、図３に示されるように、下部連接板の下方をそれぞれ９０°軸線及び２７０°軸線の方向から下部プレナム８の中心に向かって流れる。
しかしながら、９０°軸線付近の下部プレナム８の内面９と下部連接板３０のリング部３１との間の流路面積は、角度９０°を境にして異なり、角度４５°〜９０°の流路面積Ｓ１の方が角度９０°〜１３５°の流路面積Ｓ２よりも大きい。このため、主流３６のうち、切欠部３３側を流れる主流３６ａは、円弧部３２側を流れる主流３６ｂより、流速が速くなり、流量も多くなる。
【００１４】
一方、２７０°軸線付近の下部プレナム８の内面９と下部連接板３０のリング部３１との間の流路面積は、角度２７０°を境にして異なり、角度２２５°〜２７０°の流路面積Ｓ３の方が角度２７０°〜３１５°の流路面積Ｓ４よりも大きい。このため、主流３７のうち、切欠部３３側を流れる主流３７ｂは、円弧部３２側を流れる主流３７ａより、流速が速くなる。
ここで、主流３６ａと主流３７ａとによる衝突流の方向は、主流３６ａは主流３７ａより速いため中心に対し２７０°側にずれる。主流３６ｂと主流３７ｂとによる衝突流の方向は、主流３７ｂは主流３６ｂより速いため９０°側にずれることになる。
【００１５】
さらに、ダウンカマー部５において周方向に分散した分散流の一部は、下降途中でラジアルキー部７に衝突し、ラジアルキー部７で左右に分離した剥離流３８及び３９が形成され、下部プレナム８の内面９と下部連接板３０のリング部３１との間を通って、それぞれ０°軸線及び１８０°軸線の方向から下部連接板３０の下方を、下部プレナム８の中心からずれて同中心に対しその左右に分離した方向に向かって流れ込む。
０°軸線付近の下部プレナム８の内面と下部連接板３０の外周部との間の流路面積は、角度０°を境にして異なり、角度３１５〜３６０°（０°）の流路面積Ｓ５の方が角度０°〜４５°の流路面積Ｓ６よりも大きいため、剥離流３８のうち、切欠部３３側を流れる剥離流３８ａは、円弧部３２側を流れる剥離流３８ｂより流速が速くなり、また流量が多くなる。同様に、角度１３５〜１８０°の流路面積Ｓ７の方が角度１８０°〜２２５°の流路面積Ｓ８よりも大きいため、剥離流３９のうち、切欠部３３側を流れる剥離流３９ｂは、円弧部３２側を流れる剥離流３９ａより流速が速くなり、また流量が多くなる。
このように、衝突流と剥離流の衝突位置Ｃ１，Ｃ２をずらし、さらに、主流と剥離流とが正面から対向してぶつかるように構成されている。すなわち、主流の流れの対称性を崩すことによって、衝突流が剥離部に流れて衝突させ、剥離流の間に流れ込むのを防ぎ、剥離渦の助長を防ぐことができる。さらに、剥離流の流れの対称性も崩すことによって剥離渦の規則・対称的な生成を抑え、一層、剥離渦の助長を抑制することができる。
【００１６】
また、図４に示されるように、下部連接板３０の上方では、下部連接板３０の下方の流れを示す図３とは対照的に、下部連接板３０の下方において、流速の相対的に速い部位は、下部連接板３０の上方では逆に流速が遅くなっている。これは、下部連接板３０の下方で流速の相対的に速い部位、例えばＰ１では、下部連接板３０の下方に、より多くの冷却材１が流れ込み、上方を流れる冷却材１の流量が少なくなるため、主流４６ａの流速が主流３６ａの流速よりも遅くなる。すなわち、主流及び剥離流の相対的な流速の分布は、下部連接板３０の上方と下方とではそれぞれ反対の関係になっている。
このように、下部連接板３０の上方においても、主流、剥離流のそれぞれの流れの対称性を崩すことによって、剥離渦の発生と助長を抑制することができる。
【００１７】
実施の形態２．
実施の形態２に係る原子炉の炉内構造は、実施の形態１に用いられた下部連接板３０の代わりに、下部連接板４０を設けたものである。
図５に示されるように、下部連接板４０は、図２に示す下部連接板３０に対し、外周の切り欠き形状が異なるのみである。
主流が通る９０°軸線及び２７０°軸線側の切欠部４１は、剥離流が通る０°軸線及び１８０°軸線側の切欠部４２に対して、切り欠きを形成する弧の半径が小さく且つ下部連接板４０の中心側に深く切り欠かれている。
また、切欠部４１及び４２は、ともに、図２の下部連接板３０の直線状の切欠部３３よりも、下部連接板４０の中心側に切り欠かれ、切り欠きの両端の角は丸くされている。
このように、主流が通る切欠部４１を深く切り欠くことで、切欠部４１を通る主流と円弧部４３を通る主流との流れのアンバランスをさらに大きくすることができ、物体後流剥離渦の発生と助長を抑制することができる。
また、弧状の切り欠きにし、かつ切り欠きの両端の角部を滑らかにすることにより、直線状の切り欠きよりも流れの分布を連続的にすることができ、対称性を崩した主流、剥離流の流れを安定させることができる。
【００１８】
実施の形態３．
実施の形態３に係る原子炉の炉内構造は、実施の形態１に用いられた下部連接板３０の代わりに、下部連接板５０を設けたものである。
図６に示されるように、下部連接板５０は、図２に示す下部連接板３０に対してリング部３１を有しない下部連接板本体５１の外周の一部、角度９０°〜１３５°及び角度２７０°〜３１５°の範囲に、円弧状の外周５２ａを有するほぼＴ字形状の板状体である剥離渦抑制部材５２を溶接、ねじ止め等により下部連接板本体５１に固定したものである。なお、このような渦抑制部材５２を外周に備えた下部連接板５０を一体物として製作してもよい。
このように、角度９０°〜１３５°及び角度２７０°〜３１５°の範囲に、円弧状の外周５２ａを有する渦抑制部材５２を設けることによっても、実施の形態１と同様に、主流のアンバランスを生じさせることができる。
また、渦抑制部材５２を別に製作して下部連接板本体５１に取り付ける構造とすることにより、例えば、既存の原子炉に、下部連接板本体５１のようなリング部を有しない下部連接板が取り付けられている場合、後からこのような剥離渦抑制部材５２を容易に取り付けることができる。これにより、既存の原子炉においても剥離渦の発生と助長を容易に抑制することができる、
なお、下部連接板本体５１の角度１８０°〜２２５°及び角度０°〜４５°の範囲に、上述した剥離渦抑制部材５２を設けて、剥離流のアンバランスを生じさせ、剥離渦の発生と助長を抑制することもできる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、原子炉の炉内において、連接板の外周形状は、主流の流れ方向に非対称形状をなすので、剥離渦（物体後流剥離渦）の発生と助長を抑制し、炉心に冷却材が均一に流れ込むと共に、冷却材の流れの圧力損失を低減することができ、冷却材の流れを安定させることができる。また、衝突流と剥離流を合流（重畳）させずに衝突させることにより合流による乱流渦の安定を抑制することができ、また、連接板の外周形状が、主流の流れ方向に対して、一方側には円弧部が形成され、他方側には、円弧部よりも連接板の中心側に切り欠かれた切欠部が形成されているので、簡易な構造で、剥離渦の発生と助長を抑制することができる。
請求項２に記載の発明によれば、連接板の外周形状は、剥離流発生方向に対しても非対称形状をなすので、さらに剥離渦の発生と助長を抑制することができる。
請求項３に記載の発明によれば、連接板の外周形状は、剥離流発生方向に対して、一方側には円弧部が形成され、他方側には、円弧部よりも連接板の中心側に切り欠かれた切欠部が形成されているので、簡易な構造で、さらに剥離渦の発生と助長を抑制することができる。
請求項４に記載の発明によれば、連接板は、連接板本体と円弧形状をもつ渦抑制部材とを別個に有し、渦抑制部材を連接板本体の外周に取り付けることにより渦抑制部材の円弧形状が連接板の外周の円弧部を構成するので、既存の原子炉において、後から渦抑制部材を連接板本体に容易に取り付けることができ剥離渦の発生と助長を容易に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態１に係る原子炉の炉内構造を示す立断面図である。
【図２】 図１のII-II線に沿う平断面図である。
【図３】 図１の下部連接板の下方の流れを模式的に示す、下部プレナムの下方から見た平面図である。
【図４】 図１の下部連接板の上方の流れを模式的に示す、下部プレナムの下方から見た平面図である。
【図５】 この発明の実施形態２に係る原子炉の炉内構造に用いられる下部連接板周辺を下方から見た平断面図である。
【図６】 この発明の実施形態３に係る原子炉の炉内構造に用いられる下部連接板周辺を下方から見た平断面図である。
【図７】 従来の原子炉の炉内構造を一部変位図示して示す立断面図である。
【図８】 図７のIIX-IIX線に沿う冷却材入口ノズル及び冷却材出口ノズル周辺の構造を示す平断面図である。
【図９】 図７のIX-IX線に沿う平部分断面図である。
【図１０】 図７のX-X線に沿う平断面図である。
【図１１】図７の下部連接板の下方の流れを模式的に示す図であり、（ａ），（ｂ）は下部プレナム８の下方から下部連接板を見た図である。
【符号の説明】
１・・・冷却材、２・・・原子炉容器、３・・・冷却材入口ノズル、４・・・炉心槽、５・・・ダウンカマー部、７・・・ラジアルキー部、８・・・下部プレナム、９・・・下部プレナムの内面、１３・・・炉心、３０，４０，５０・・・下部連接板、３１・・・リング部（連接板の外周部）、３２,４３・・・円弧部、３３，４１，４２・・・切欠部、３６，３７・・・主流、３８，３９・・・剥離流、５２ａ・・・円弧状の外周（円弧部）、５２・・・渦抑制部材。

Claims (4)

1. 冷却材入口ノズルと、底部に下部プレナムを画設する圧力容器と、この圧力容器内に配置された炉心と、この炉心の周囲に配置された炉心槽と、圧力容器と炉心槽との間に画設される環状のダウンカマー部と、ダウンカマー部に設けられ炉心槽を圧力容器に対して固定するラジアルキー部と、下部プレナム内で且つダウンカマー部の下方に設けられた連接板とを備えた原子炉において、
   冷却材入口ノズルから導入された冷却材のうち、その冷却材の流れの大部分はダウンカマー部の周方向に分散せずにノズルの真下を鉛直に流れ、さらに、下部プレナムの内面と連接板の外周部との間を通って、連接板の下方を流れる冷却材は、下部プレナムの中心に向かって流れる主流を形成し、
   連接板の外周形状は、前記主流の流れ方向に対して、一方側には円弧部が形成され、他方側には、円弧部よりも連接板の中心側に切り欠かれた切欠部が形成されて、前記主流の流れ方向に対して非対称形状をなすことを特徴とする原子炉の炉内構造。
2. ラジアルキー部が、主流の流れ方向に対して９０°位相をずらした方向に配置され、
   冷却材入口ノズルから導入された冷却材のうち、その一部の流れはダウンカマー部を鉛直方向から離れ、ダウンカマー部の周方向に分散してから鉛直方向に流れてラジアルキー部に衝突し、前記ラジアルキー部でその左右に分離した剥離流れとなった後、下部プレナムの内面と連接板の外周部との間を通って連接板の下方を流れる冷却材は、下部プレナムの中心に対しその左右に分離した方向に向かって流れる剥離流を形成し、
   連接板の外周形状は、前記剥離流が発生する前記ラジアルキー部の位置から前記下部プレナムの中心に向かう方向に対して非対称形状をなす請求項１に記載の原子炉の炉内構造。
3. 連接板の外周形状は、剥離流発生方向に対して、一方側には円弧部が形成され、他方側には、円弧部よりも連接板の中心側に切り欠かれた切欠部が形成された請求項１または２に記載の原子炉の炉内構造。
4. 連接板は、連接板本体と円弧形状をもつ剥離渦抑制部材とを別個に有し、剥離渦抑制部材を連接板本体の外周に取り付けることにより、剥離渦抑制部材の円弧形状が、連接板の外周の円弧部を構成する請求項１ないし３のいずれかに記載の原子炉の炉内構造。

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