JP4500276B2 - 自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造 - Google Patents

Description

本発明は、自然循環式沸騰水型原子炉に備えられるチムニの構造に関するものである。

これまでに商業運転されている強制循環式の沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという）では、円筒状の炉心シュラウド内に、横断面が正方形の燃料集合体をＸ軸方向、Ｙ方向（ともに水平方向）に並べて林立させて炉心を構成している。そして、横断面が略十字型の制御棒が、その周囲を囲む４体の燃料集合体の間に挿入可能に配置され、この制御棒を囲む４体の燃料集合体の単位を制御棒セルという。

近年では、自然循環式ＢＷＲが提唱され、その自然循環式ＢＷＲでは自然循環の駆動力確保のため、炉心の上に強制循環式ＢＷＲには無いチムニが設けられる（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載のチムニは、仕切り板により流路隔壁を構成して複数の格子流路を有している構成である。その場合、個々の燃料集合体に配分される冷却材流量は、下部プレナムから炉心へ流入時に各燃料集合体に分配され、燃料集合体を冷却して冷却材の気液二相流となり、さらに個々の燃料集合体を出てチムニの格子流路内で合流してチムニを通過後、上部プレナムで各格子流路の気液二相流全体が合流するまでの間の燃料集合体圧損と格子流路の圧損と、格子流路内のボイド率により主にきまる冷却材比重差による駆動力で決まる。

ここで、チムニの格子流路に冷却材の気液二相流が流れると、流体力による振動（流力振動）が発生する。流力振動は、格子流路を形成する流路隔壁に応力を与えるため、流路隔壁にはこの応力に対抗すべく高い構造健全性が要求される。そして、流路隔壁の構造健全性を向上させるためには、一般に、流路隔壁の厚さを厚くしたり、流路隔壁が形成する格子流路の断面積を小さくしたりすることによって、実現することができる。
なお、従来の自然循環式ＢＷＲにおけるチムニ構造は、図４に示すように、横断面において格子流路が正方格子状に配列したものである。
特公平７−２７０５１号公報（第１図、第２図）

しかしながら、流路隔壁の厚さを厚くすると、チムニを構成する材料及び製作コストが増加してしまうという問題があった。また、流路隔壁が形成する格子流路の断面積を小さくした場合でも、流路隔壁の総数（総面積）が増加するために、結局のところチムニを構成する材料及び製作コストが増加してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、構成する材料及び製作コストを特に増やすことなく、チムニの構造健全性を向上させることを課題とする。

前記課題を解決するため本発明は、複数の燃料集合体を横断面が円形状に装荷した炉心と、前記炉心の上に設置されたチムニを備えた自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造であって、前記チムニは、チムニ胴と、前記チムニ胴の内部に垂設された流路隔壁により区画される横断面矩形の複数の格子流路を含んでなり、前記複数の格子流路において、前記横断面矩形の対向する一組の二辺は、その辺の中間点において、それぞれ隣接する他の前記横断面矩形の一辺によって支持される構成である。

本発明によれば、構成する材料及び製作コストを特に増やすことなく、チムニの構造健全性を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、チムニの流路隔壁の一面において、冷却材の気液二相流が及ぼす圧力変動が、流力振動の加振力になるという知見に基づいて創作されたものである。流力振動を低減させることができれば、流路隔壁にかかる最大応力が低減し、チムニの構造健全性を向上させることができる。
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造について、図１及び図２を参照しながら詳細に説明する。第１の実施形態の説明においては、まず、チムニを備えた原子炉の概要について説明し、その後、本実施形態において特徴的なチムニ構造について詳細に説明する。

（原子炉の概要）
一般に、沸騰水型原子炉内の冷却材（軽水）の駆動方法は２通りあり、一方は再循環ポンプを用いて強制循環させる方法であり、他方は再循環ポンプを用いないで自然循環による方法である。本実施形態は、後者の自然循環による方法である。
自然循環による方法は、図１に示すように、原子炉圧力容器（以下、圧力容器という）６内に収納する炉心７で発生するボイド、すなわち蒸気（気相）と飽和温度の液相の冷却材の混合した密度の低い冷却材と、給水配管１６ｂから供給される給水と混合された液相の冷却材との比重差によって自然循環に必要な駆動力を得るものである。

図１に示すように本実施形態の自然循環式沸騰水型原子炉（以下、原子炉という）１は、円筒状の圧力容器６内に、炉心シュラウド８が、同心の円筒状に設けられている。この炉心シュラウド８は、その外側面と圧力容器６の内側面との間隙に環状空間を形成し、これをダウンカマ９という。また、炉心シュラウド８の内部には、多数の燃料集合体２１が配置された炉心７を収容している。

ダウンカマ９の上方には、復水器３から給水ポンプ４を介して、給水加熱器５で加熱の後、給水入口ノズル１７から圧力容器６内に供給される冷却材を圧力容器６内に均等に配分する図示しない給水スパージャが円環状に設けられている。
炉心シュラウド８は、シュラウドレグ８ａによって支持される。ダウンカマ９を下降した冷却材は、シュラウドレグ８ａ間の流路から、炉心７の下部の炉心下部プレナム（以下、下部プレナムという）１０に導き入れられる。

炉心７の下部には、炉心支持板２２を、上部には、上部格子板２３を設け、燃料集合体２１と制御棒２４の横方向の配置を決めている。
炉心支持板２２には、所定の間隔で円形の図示しない貫通孔が設けられ、その貫通孔に制御棒案内管２５が挿入され、制御棒案内管２５の下部は、圧力容器６の底部を貫通して制御棒２４を上下方向に動かす制御棒駆動機構（以下、ＣＲＤという）２６を収容する制御棒駆動機構ハウジング（以下、ＣＲＤハウジングという）２６ａの上部に組合わされている。
燃料集合体２１は、制御棒案内管２５の上端に取り付けられた図示しない燃料支持金具の上に据えられ、その荷重は制御棒案内管２５およびＣＲＤハウジング２６ａを介して、圧力容器６の底部に伝えられる。

前記の図示しない燃料支持金具は、側面に冷却材入口を有し、そこに図示しないオリフィスが設けられて、冷却材流量を規制している。燃料支持金具の冷却材入口に対応する制御棒案内管２５の側面には開口が設けられ、下部プレナム１０に導かれた冷却材が燃料支持金具を経て、燃料集合体２１内に導かれる。
個々の燃料集合体２１は、図示しない四角筒のチャンネルボックスで囲われ軸方向の個別の流路を形成しており、チャンネルボックスは上部格子板２３の上面まで到る構成をしている。
前記制御棒２４は図示しない中性子吸収物質を含む有効部を有し、その有効部が前記チャンネルボックスの外面をガイドとして、周囲の４体の燃料集合体２１間に挿入される。

炉心７の上には、炉心から出た冷却材の気液二相流を上方に導き自然循環駆動力を増加させるチムニ１１が設けられている。チムニ１１は、例えば圧力容器６と同心の円筒状のチムニ胴１１ｄを有し、その内部を仕切り板で格子状に仕切った格子流路１１ａを有している。以下では、格子流路１１ａを構成する前記仕切り板を流路隔壁１１ｂという。
なお、個々の格子流路１１ａを上方に流れる冷却材がチムニ１１内の上部で合流するように、チムニ１１の上部に上部プレナム１１ｃが設けられている。
なお、上部格子板２３とチムニ１１の下端とは、ダウンカマ９を下降する冷却材と、炉心７を出た冷却材とが混じらないような組み合わせ構造となっている。

チムニ１１の上端は、チムニヘッド１２ａで閉じられる。チムニヘッド１２ａには、所定の数の冷却材通過用の孔が設けられ、その孔はスタンドパイプ１２ｂを介して気液二相流から飽和蒸気と飽和水とを分離する気水分離器１２につながっている。気水分離器１２の上方には、蒸気乾燥器１３が設けられ、気水分離器１２を出た飽和蒸気に含まれる湿分を除去する。蒸気乾燥機１３を通過した蒸気は、蒸気ドーム１４、蒸気出口ノズル１５、主蒸気配管１６ａを経て、タービン２に送られる。
なお、チムニヘッド１２ａとスタンドパイプ１２ｂと気水分離器１２は一体に組み立てられており、燃料交換時には、一体でチムニ１１の上端から取り外し可能な構成となっている。

このように、概略説明した原子炉１においては、給水入口ノズル１７から供給される冷却材は、気水分離器１２で分離された飽和水と混合し、図１中矢印Ａで示される冷却材は、ダウンカマ９を下降し、シュラウドレグ８ａの図示しない間隙によって構成される流路から、炉心シュラウド８内に流入し、炉心７によって加熱される。炉心７からの加熱によって冷却材Ａは、矢印Ｂで示す飽和状態の気液二相流となり、この気液二相流は格子流路１１ａ、上部プレナム１１ｃ、スタンドパイプ１２ｂを経て、気水分離器１２によって、矢印Ｃで示す気相の飽和蒸気と、矢印Ｄで示す液相の飽和水に分離される。飽和蒸気Ｃは、蒸気乾燥器１３を経て、蒸気出口ノズル１５から主蒸気配管１６ａによってタービン２に導かれ発電に供される。
一方、飽和水Ｄは、圧力容器６内の冷却材に混合され、給水入口ノズル１７から供給される冷却材と更に混合されて、再びダウンカマ９を下降して圧力容器５内を循環する。

（チムニ１１の格子流路１１ａの構成）
次に、図２を参照（適宜、図１を参照）し、チムニ１１の横断面（以下、チムニ横断面という）の詳細な構成を説明する。
図２に示すように、チムニ１１は、圧力容器６（図１参照）と同心の円筒状のチムニ胴１１ｄを有し、その内部を仕切り板等の流路隔壁１１ｂで格子状に仕切った格子流路１１ａを有している。格子流路１１ａを構成する流路隔壁１１ｂは、例えばステンレス鋼等の、金属からなる。

ここで、格子流路１１ａの流路隔壁１１ｂは、原子炉の定期検査の際に、チムニ１１を圧力容器６の内部に設置したまま、格子流路１１ａを通じて燃料集合体２１などの交換作業を行う観点から、炉心７の上部格子板２３の前記制御棒セル単位で開けられた正方形の格子孔を横切るような形で塞がないように構成することが好ましい。なお、制御棒セルとは、横断面が略十字型の制御棒と、制御棒を囲む４体の燃料集合体とによって構成される単位である。
そして、図２における各格子流路１１ａの横断面の大きさは、炉心７（図１参照）に配置された４×４配列の燃料集合体２１に対応する。すなわち、各格子流路１１ａの横断面の大きさは、２×２配列の制御棒セルに対応する。従って、図２に示すチムニ横断面の構成は、格子流路１１ａを通じた燃料集合体２１などの交換作業を妨げるものではない。

そして、第１の実施形態のチムニ構造は、格子流路１１ａの横断面において、前記したように所定の大きさを有する正方形の格子流路１１ａが千鳥配列となっている。その結果、例えば、正方形１００の対向する一組の二辺１０１，１０１は、辺の中間点（途中）１０２，１０２において、それぞれ隣接する他の正方形２００，２００の一辺２０１，２０１によって支持されることとなる。

通常、対向する１対の二辺が支持されてもう１対の二辺が自由な長方形板（流路隔壁１１ｂの一面）が等分布荷重を受ける場合、最大たわみは支持された辺と辺との中間（自由な二辺を等間隔に分割する地点を結ぶ線上）に、最大応力は支持された辺に、それぞれ発生する。そして、この最大たわみ及び最大応力は、自由な二辺の長さが長いほど大きい値となる。従って、圧力変動による荷重を受ける場合、第１の実施形態の格子流路１１ａの構成によれば、長方形板である流路隔壁１１ｂの一面において、自由な二辺の長さを従来の半分にすることができるため、最大たわみ及び最大応力も低減させることができる。
なお、第１の実施形態のチムニ構造において、正方形１００のもう一組の対向する二辺１０３，１０３の途中は、特に他の正方形の一辺によって支持されてはいない。

以上のように第１の実施形態によれば、流路隔壁１１ｂの一面において支持点を増加させることによって最大応力を低減させ、チムニの構造健全性を向上させることができる。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態に係る自然循環式沸騰水型原子炉のチムニについて、図３を参照しながら詳細に説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態と比べ、チムニ内の格子流路１１ａの配列が異なるのみである。従って、第２の実施形態に特徴的な部分については詳細に説明するが、重複する説明は省略する。

図３に示すように、格子流路１１ａの横断面は、断面積の大きい正方形３００と、断面積の小さい正方形４００との、２種類の大きさの正方形からなる。正方形３００の大きさは、第１の実施形態と同様に、炉心７（図１参照）に配置された４×４配列の燃料集合体２３に対応する。すなわち、各格子流路１１ａの横断面の大きさは、２×２配列の制御棒セルに対応する。また、正方形４００の大きさは、炉心７（図１参照）に配置された２×２配列の燃料集合体２１に対応する。すなわち、各格子流路１１ａの横断面の大きさは、制御棒セル単位に対応する。従って、各格子流路１１ａの横断面が、正方形３００及び正方形４００のどちらであっても、格子流路１１ａを通じた燃料集合体２１などの交換作業を妨げるものではない。

そして、第２の実施形態のチムニ構造は、格子流路１１ａの横断面において、前記したように正方形３００の格子流路１１ａと正方形４００の格子流路１１ａとが、交互に配列している。言い換えると、正方形４００の格子流路１１ａは、４つの正方形３００の格子流路１１ａに囲まれて配列している。その結果、例えば、正方形３００の四つの辺３０１，…，３０１は、辺の中間点３０２，…，３０２において、それぞれ隣接する正方形４００，…，４００の一辺４０１，…，４０１によって支持されることとなる。

通常、対向する１対の二辺が支持されてもう１対の二辺が長方形板（流路隔壁１１ｂの一面）が等分布荷重を受ける場合、最大たわみは支持された辺と辺との中間（自由な二辺を等間隔に分割する地点を結ぶ線上）に、最大応力は支持された辺に、それぞれ発生する。そして、この最大たわみ及び最大応力は、自由な二辺の長さが長いほど大きい値となる。従って、圧力変動による荷重を受ける場合、第２の実施形態の格子流路１１ａの構成によれば、長方形板である流路隔壁１１ｂの一面において、自由な二辺の長さを従来の半分にすることができるため、最大たわみ及び最大応力も低減させることができる。なお、第２の実施形態のチムニ構造において、正方形４００の四辺４０１，…，４０１の途中は、特に他の正方形の一辺によって支持されてはいない。

以上のように第２の実施形態によれば、流路隔壁１１ｂの一面において支持点を増加させることによって最大応力を低減させ、チムニの構造健全性を向上させることができる。
また、第１の実施形態においては、正方形の二辺の中間点をそれぞれ隣接する正方形の一辺で支持するのみであったが、第２の実施形態においては、正方形の四辺の中間点をそれぞれ隣接する正方形の一辺で支持することができる。

なお、本実施形態において、正方形の一辺の途中を中間点として示したが、思想を逸脱しない範囲でずらしてもよい。また、本実施形態において、格子流路１１ａの横断面を正方形として説明したが、例えば長方形等の矩形であればよい。

第１の実施形態の自然循環式沸騰水型原子炉の縦断面の模式図である。 第１の実施形態のチムニ構造を説明するための図であって、図１のＧ−Ｇ横断面図である。 第２の実施形態のチムニ構造を説明するための図であって、図１のＧ−Ｇ横断面図である。 従来の自然循環式ＢＷＲにおけるチムニ構造を示す横断面図である。

符号の説明

１ 自然循環式沸騰水型原子炉
２ タービン
３ 復水気
４ 給水ポンプ
５ 給水加熱器
６ 原子炉圧力容器
７ 炉心
８ 炉心シュラウド
９ ダウンカマ
１０ 炉心下部プレナム
１１ チムニ
１１ａ 格子流路
１１ｂ 流路隔壁
１１ｃ 上部プレナム
１１ｄ チムニ胴
１２ 気水分離器
１２ａ チムニヘッド
１２ｂ スタンドパイプ
１３ 蒸気乾燥器
１４ 蒸気ドーム
１５ ビーム伝送ダクト
１５ 蒸気出口ノズル
１６ａ 主蒸気配管
１６ｂ 給水配管
１７ 給水入口ノズル
２１ 燃料集合体
２２ 炉心支持板
２３ 上部格子板
２４ 制御棒
２５ 制御棒案内管
２６ 制御棒駆動機構
２６ａ 制御棒駆動機構ハウジング
１００，２００，３００，４００ 正方形（横断面矩形）

Claims (4)

1. 複数の燃料集合体を横断面が円形状に装荷した炉心と、前記炉心の上に設置されたチムニを備えた自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造であって、
   前記チムニは、チムニ胴と、前記チムニ胴の内部に垂設された流路隔壁により区画される横断面矩形の複数の格子流路を含んでなり、
   前記複数の格子流路において、
   前記横断面矩形の対向する一組の二辺は、その辺の中間点において、それぞれ隣接する他の前記横断面矩形の一辺によって支持される構成を含むことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造。
2. 複数の燃料集合体を横断面が円形状に装荷した炉心と、前記炉心の上に設置されたチムニを備えた自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造であって、
   前記チムニは、チムニ胴と、前記チムニ胴の内部に垂設された流路隔壁により区画される横断面矩形の複数の格子流路を含んでなり、
   前記複数の格子流路において、
   複数の前記横断面矩形が、千鳥配列であることを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造。
3. 複数の燃料集合体を横断面が円形状に装荷した炉心と、前記炉心の上に設置されたチムニを備えた自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造であって、
   前記チムニは、チムニ胴と、前記チムニ胴の内部に垂設された流路隔壁により区画される横断面矩形の複数の格子流路を含んでなり、
   前記複数の格子流路において、
   複数の前記横断面矩形が、第一の横断面矩形と、該第一の横断面矩形よりも面積の小さい第二の横断面矩形を含んでなり、
   前記第一の横断面矩形の各一辺は、その辺の中間点において、それぞれ隣接する他の前記第一の横断面矩形の一辺によって支持され、前記第一の横断面矩形の四隅近傍の各一辺に前記第二の横断面矩形を形成する構成を含むことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造。
4. 前記複数の格子流路において、
   前記横断面矩形の各辺の長さは、前記炉心に配置された制御棒と該制御棒を囲む４体の燃料集合体を含んでなる制御棒セルを横断面視した矩形の各辺を整数倍した長さに対応することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造。

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