JP4358561B2 - 原子炉の冷却材供給構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子炉の1次冷却系の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
原子炉の1次冷却系の冷却材の流れに関する、従来技術として、特許文献1〜3がある。
図1および図4〜図6に基づいて、従来の加圧水型原子炉の原子炉容器内の冷却材流れの様子を説明する。
冷却材入口ノズル31,32,33,34及び冷却材出口ノズル41,42,43,44は、原子炉容器2を下方から見て図1に示されるように配置されている。
説明の便宜のため、図中の上部の一対の冷却材出口ノズル41,43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。
0°軸線の一対の冷却材出口ノズル41,43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42,44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31,32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33,34が配置されている。
【0003】
隣接する一組の冷却材出口ノズル及び冷却材入口ノズルには、それぞれ、蒸気発生器23及び冷却材ポンプが接続され、4つの1次冷却系のループが形成されている。
ここで、冷却材ポンプの吐出量は、同一の吐出量を有するのが一般的である。
【0004】
原子炉の内部の構造を示す図4に示されるように、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。ラジアルキー部7は、図5に示されるように、0°軸線の位置を基準に60°おきに6つ配置されている。
図5に戻り、原子炉容器2の底部には、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12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10に連絡している。
【0005】
図4において、冷却材1は、原子炉容器2と炉心槽4との間のダウンカマー部5内を下向きに下降流6として流れる。下降流6は、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43等から原子炉容器2の外部に流出する。
【0006】
原子炉容器2の外部に流出した冷却材1は、図1に示されるように、高温側配管22を通って蒸気発生器23に入り、伝熱管24を通して熱を2次側の冷却系に渡す。熱を奪われ低温になった冷却材1は、蒸気発生器23の出口側配管25を介して冷却材ポンプに入り、冷却材ポンプから低温側配管30を介して再度送り出され原子炉容器2内に戻される。ここで、それぞれの冷却材ポンプは、ほぼ同一の吐出流量で冷却材1を原子炉容器2内に送り出す。
【0007】
図6(a)、(b)は、下部プレナム8における冷却材1の流れの様子を示す図であり、下部プレナム8の下方から見た図である。
冷却材入口ノズル3から流入した冷却材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。
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。
【0008】
図6(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。
図6(b)は、90°軸線側及び270°軸線側からそれぞれ流れ込むに主流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。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炉内を流れている。すなわち、ランダム的な速度の乱れを有して流れている。
【0009】
【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)
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
衝突後の主流26,27と剥離流28,29は、ランダムな変動成分を持ちながら流れ、また、主流はその衝突の不安定性により流れる方向にもランダム性・任意性がある。ここで、図6(b)に示すように、衝突流(主流)が0°、180°軸線方向に流れて剥離流と合流すると、より複雑な流れを構成する。乱流の特性上、流れの中では小さな渦が生成・消滅を繰り返しているが、このランダムな変動成分を有する乱流流れの中で、流れの合流の仕方によっては、小さな渦が安定あるいは発展する可能性、または物体後流剥離渦と合流して安定あるいは発展する可能性がある。すなわち、剥離流の中に主流26,27が入って流れが合成されると、剥離が拡げられ、またランダムな乱流の小渦と剥離渦の合流の仕方によっては、剥離渦が安定あるいは助長する可能性がある。
もし、この様な状態が起こると、上昇して炉心13の下部炉心板4aに流入する流量分布に変化をもたらす。原子炉の出力性能に問題はなくても、流量分布の変化をなくすことが原子炉の安定した管理のためには望ましい。
【0011】
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、流量分布の変化をなくして原子炉の安定した管理を行いやすい、原子炉の冷却材循環構造を提供することを目的とする。
【0012】
この発明に係る原子炉の冷却材供給構造は、原子炉容器の一端に冷却材の主流発生方向軸線を挟んで配置された第1及び第2の冷却材入口ノズルと、原子炉容器の他端に冷却材の主流発生方向軸線を挟んで配置された第3及び第4の冷却材入口ノズルと、第1および第4の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第1の冷却材供給手段と、第2および第3の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第2の冷却材供給手段とを備え、第1および第3の冷却材入口ノズルが、冷却材の主流発生方向軸線に対して同じ側に配置されるとともに、第1および第2の冷却材供給手段の冷却材供給流量がそれぞれ異なることを特徴とするものである。
【0013】
第1の冷却材供給手段は、第1および第4の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第1および第4の冷却材ポンプであり、第2の冷却材供給手段は、第2および第3の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第2および第3の冷却材ポンプであり、第1及び第4の冷却材ポンプの吐出流量が、第2及び第3の冷却材ポンプの吐出流量よりも大きくなるようにすることができる。
また、第1の冷却材供給手段は、第1および第4の冷却材入口ノズルに接続される第5の冷却材ポンプであり、第2の冷却材供給手段は、第2および第3の冷却材入口ノズルに接続される第6の冷却材ポンプであり、第5の冷却材ポンプの吐出流量が、第6の冷却材ポンプの吐出流量よりも大きくなるようにすることができる。
【0014】
【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1次冷却材の循環構造を示す模式図であり、従来技術に対して吐出量の異なる第1,第2,第3,第4の冷却材ポンプ51,52,53,54を用いた点が異なるものである。
また、原子炉内の構造は図4で説明した従来の構造と同一である。
図1に示されるように、90°−270°軸線を挟んで対称な位置であって原子炉容器2の一端に、第1冷却材入口ノズル31及び第2冷却材入口ノズル32が配置されている。原子炉容器2の他端には、同じく90°−270°軸線を挟んで対称な位置に、第3冷却材入口ノズル33及び第4冷却材入口ノズル34が配置されている。ここで、90°−270°軸線は、下部プレナム8内の中心に向かって流入する冷却材の主流の流れ方向である主流発生方向軸線を構成する。
【0015】
また、第1冷却材入口ノズル31及び第3冷却材入口ノズル33、並びに第2冷却材入口ノズル32及び第4冷却材入口ノズル34は、0°−180°軸線を挟んで対向してそれぞれ配置されている。
また、0°−180°軸線を挟んで対称な位置であって0°側には、第1冷却材出口ノズル41及び第3冷却材出口ノズル43が配置されている。同じく0°−180°軸線を挟んで対称な位置であって180°側には、第2冷却材出口ノズル42及び第4冷却材出口ノズル44が配置されている。ここで、0°−180°軸線は、ラジアルキー部7に起因する剥離流が発生する方向である剥離流発生軸線を構成する。
【0016】
第1〜第4の冷却材入口ノズル31〜34と第1〜第4の冷却材出口ノズル41〜44との間には、それぞれ冷却材1が原子炉容器2から流出して、再度冷却材1が原子炉容器2に導入される1次冷却系の4つのループが形成されている。
例えば、第1冷却材出口ノズル41には、高温側配管22を介して蒸気発生器23が接続されている。蒸気発生器23内には、伝熱管24が設けられている。伝熱管24には蒸気発生器23の出口側配管25が接続されている。出口側配管25には、第1冷却材ポンプ51が接続され、第1冷却材ポンプ51は、低温側配管30を介して第1冷却材入口ノズル31に接続されている。
【0017】
各ループの構成は、冷却材ポンプ51〜54の吐出流量性能のみ異なる。
冷却材ポンプ51〜54の吐出流量性能は、第1冷却材ポンプ51、第4冷却材ポンプ54、第3冷却材ポンプ53、第2冷却材ポンプ52の順に、吐出流量が大きくなっている。例えば、第1冷却材ポンプ51の吐出流量を102の大きさとしたとき、第4冷却材ポンプ54は101、第3冷却材ポンプ53は99、第2冷却材ポンプ52は98である。
ここで、第1冷却材ポンプ51および第4冷却材ポンプ54は、第1の冷却材供給手段を構成し、第2冷却材ポンプ52および第3冷却材ポンプ53は、第2の冷却材供給手段を構成する。
【0018】
次に、実施の形態に係る原子炉の冷却材循環構造によって、原子炉の内部を冷却材がどのように流れるか図1及び2に基づいて説明する。
第1冷却材ポンプ51から吐出して第1冷却材入口ノズル31を介してダウンカマー部5内を鉛直に下降した冷却材1の流れは、下部プレナム8では、図2に示されるように、90°軸線側から下部プレナム8の中心に向かって流入し、最も速い主流36aを形成する。
第2冷却材ポンプ52から吐出し第2冷却材入口ノズル32を介してダウンカマー部5内を鉛直に下降した冷却材1の流れは、90°軸線側から下部プレナム8の中心に向かって流入し、最も遅い主流36bを形成する。
第3冷却材ポンプ53から吐出し第3冷却材入口ノズル33を介してダウンカマー部5内を鉛直に下降した冷却材1の流れは、180°軸線側から下部プレナム8の中心に向かって流入し、2番目に遅い主流37aを形成する。
第4冷却材ポンプ54から吐出し第4冷却材入口ノズル34を介してダウンカマー部5内を鉛直に下降した冷却材1の流れは、180°軸線側から下部プレナム8の中心に向かって流入し、2番目に速い主流37bを形成する。
【0019】
ここで、主流36aと主流37aとの衝突する位置C1は、主流36aが主流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との衝突する位置C2は、主流37bが主流36bより速いため、90°側にずれることになる。
【0020】
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、それぞれ0°軸線側及び180°軸線側から下部プレナム8の中心からずれた方向に向かって流れ込む。
このように、主流同士の流量・運動エネルギーをアンバランスにして、衝突位置C1,C2をずらし、主流の流れの対称性を崩して、衝突後の流れに方向性を与えることにより主流と剥離流の合成を妨げ、流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに、剥離流の剥離を小さくして剥離渦の助長を防ぐことができる。また、冷却材1が炉心13に均一な流量で流れ込み、炉心13の出力が変動することがなく、冷却材1の流れの圧力損失が増加することもない。
【0021】
なお、第1〜第4の冷却材ポンプ51〜54の吐出流量が上述した大小関係を満たすようなものであれば、性能の異なる第1〜第4の冷却材ポンプを別個に製造してもよい。また、同一仕様の冷却材ポンプにおける製造ばらつきを利用して、冷却材ポンプ単体での吐出流量性能を測定して、上述した大小関係になるように、第1〜第4冷却材ポンプ51〜54を選択して、各冷却系ループに組み付けてもよい。第1〜第4冷却材ポンプ51〜54の製作公差の範囲における流量の差を利用して、このような渦抑制に効果的な流量バランスを構成することもできる。
また、第1〜第4冷却材ポンプ51〜54のいずれかひとつのみの吐出流量を大きくあるいは小さくして、主流の流れの対称性を崩すようにしてもよい。
【0022】
実施の形態2.
図3は、この実施の形態2に係る原子炉の1次冷却材の循環構造を示す模式図であり、実施の形態1に係る1次冷却材の循環構造に対して、4つの冷却材ポンプ51〜54の代わりに、2つの冷却材ポンプ55、56を用いた点が異なるものである。
第5冷却材ポンプ55は、第1冷却材入口ノズル31および第4冷却材入口ノズル34に接続され、第6冷却材ポンプ56は、第2冷却材入口ノズル32および第3冷却材入口ノズル33に接続される。
吐出流量性能については、第5冷却材ポンプ55の方が第6冷却材ポンプ56よりも大きくなっている。例えば、第5冷却材ポンプ55の吐出流量を102の大きさとしたとき、第6冷却材ポンプ56は98である。
このように構成することによっても、図2に示されるように、主流同士の衝突位置C1,C2をずらし、主流の流れの対称性を崩すことによって流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに剥離渦の助長を防ぐことができる。
【0023】
【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、第1および第4の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第1の冷却材供給手段と、第2および第3の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第2の冷却材供給手段とを備え、第1および第3の冷却材入口ノズルが、冷却材の主流発生方向軸線に対して同じ側に配置されるとともに、第1および第2の冷却材供給手段の冷却材供給流量がそれぞれ異なるので、下部プレナムにおける主流の流れの対称性を崩して、流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに剥離流の助長を防止し、流量分布の変化をなくして、原子炉の安定した管理を行いやすくすることができる。
請求項2に記載の発明によれば、第1の冷却材供給手段は、第1および第4の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第1および第4の冷却材ポンプであり、第2の冷却材供給手段は、第2および第3の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第2および第3の冷却材ポンプであり、既存に使用している4つのポンプの吐出容量を変えるだけで、主流の流れの対称性を崩して流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに剥離流の助長を防止できる。
請求項3に記載の発明によれば、第1の冷却材供給手段は、第1および第4の冷却材入口ノズルに接続される第5の冷却材ポンプであり、第2の冷却材供給手段は、第2および第3の冷却材入口ノズルに接続される第6の冷却材ポンプであり、既存の4つのポンプを統合の上、吐出容量を変えるだけで、主流の流れの対称性を崩して流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに剥離流の助長を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施形態1に係る原子炉の冷却材循環構造を模式的に示す図である。
【図2】 実施形態1に係る原子炉の冷却材循環構造を用いた場合の、原子炉内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3】 この発明の実施形態2に係る原子炉の冷却材循環構造を模式的に示す図である。
【図4】 従来の原子炉の炉内構造を示す立断面図である。
【図5】 図4のV-V線に沿う平断面図である。
【図6】 図4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、31 第1冷却材入口ノズル、32 第2冷却材入口ノズル、33 第3冷却材入口ノズル、34 第4冷却材入口ノズル、51 第1冷却材ポンプ、52 第2冷却材ポンプ、53 第3冷却材ポンプ、54 第4冷却材ポンプ、55 第5冷却材ポンプ、56 第1冷却材ポンプ。
Claims (3)
- 原子炉容器の一端に冷却材の主流発生方向軸線を挟んで配置された第1及び第2の冷却材入口ノズルと、
原子炉容器の他端に冷却材の主流発生方向軸線を挟んで配置された第3及び第4の冷却材入口ノズルと、
第1および第4の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第1の冷却材供給手段と、
第2および第3の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第2の冷却材供給手段とを備え、
第1および第3の冷却材入口ノズルが、冷却材の主流発生方向軸線に対して同じ側に配置されるとともに、
第1および第2の冷却材供給手段の冷却材供給流量がそれぞれ異なることを特徴とする原子炉の冷却材供給構造。 - 第1の冷却材供給手段は、第1および第4の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第1および第4の冷却材ポンプであり、
第2の冷却材供給手段は、第2および第3の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第2および第3の冷却材ポンプであり、
第1及び第4の冷却材ポンプの吐出流量が、第2及び第3の冷却材ポンプの吐出流量よりも大きい請求項1に記載の原子炉の冷却材供給構造。 - 第1の冷却材供給手段は、第1および第4の冷却材入口ノズルに接続される第5の冷却材ポンプであり、
第2の冷却材供給手段は、第2および第3の冷却材入口ノズルに接続される第6の冷却材ポンプであり、
第5の冷却材ポンプの吐出流量が、第6の冷却材ポンプの吐出流量よりも大きい請求項1に記載の原子炉の冷却材供給構造。
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