JP4546489B2 - ジェットポンプ及び原子炉 - Google Patents

Description

本発明は、ジェットポンプ及び原子炉に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適なジェットポンプ及び原子炉に関する。

従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、原子炉圧力容器内にジェットポンプを設置している。ジェットポンプは、ノズル、ベルマウス、スロート及びディフューザを備える。再循環系配管は原子炉圧力容器に接続される。この再循環系配管に設けられた再循環ポンプの駆動によって昇圧された冷却水は、再循環系配管を通り、駆動水としてノズルからジェットポンプ内に噴出される。ノズルは、駆動水の速度を増加させる。噴出された駆動水によって、ノズルの周囲に存在する冷却水である被駆動水がベルマウスからスロート内に流入する。スロートを経てディフューザから排出された冷却水は、下部プレナムを経て炉心に供給される（特許文献１〜３参照）。

特許文献２は、スロートの下端をディフューザの上端部内に挿入したジェットポンプを記載している（特許文献２の図５参照）。特許文献３は、スリップジョイント部からジェットポンプ内の冷却水がその外部に漏洩するのを防止するために、スリップジョイント部を内部が負圧になるスロートに設けることを記述している。すなわち、スロートを軸方向の中央部で２つに分割し、下部スロートの上端を上部スロートの下端部内に挿入している（特許文献３の図６参照）。

ＢＷＲに用いられているジェットポンプの効率を向上させることが行われている。特許文献４は、ジェットポンプのスロートの内面に軸方向に伸びる複数の細い縦溝を形成することを記載している。

特開２００５−２３３１５２号公報 特開昭５８−２８６９５号公報 特開昭５８−１５７９８号公報 特開平８−１３５６００号公報

ジェットポンプの性能は、以下に示すようなＭ比、Ｎ比、効率によって表される。Ｍ比は、駆動水（再循環水）の流量Ｑａに対する、被駆動水（冷却水）の流量Ｑｂの比であり、（１）式で表される。

Ｍ比 ＝ Ｑｂ／Ｑａ ……（１）
Ｎ比は、駆動水に対する被駆動水の全水頭比であり、（２）式で表される。

Ｎ比 ＝ （Ｈｃ−Ｈｂ）／（Ｈａ−Ｈｃ） ……（２）
ここで、Ｈａはノズルの駆動水入口における全水頭、Ｈｂはジェットポンプの被駆動水入口における全水頭、Ｈｃはジェットポンプ出口における全水頭である。効率は、駆動水に対する被駆動水のエネルギーの比であり、Ｍ比とＮ比の積で表される。

効率 ＝ Ｍ比 × Ｎ比 ……（３）
ジェットポンプとしては、Ｍ比、Ｎ比及び効率がより高いことが望ましい。小さい容量の再循環ポンプを用いて、ジェットポンプから吐出される冷却水流量を効率良く増加させることができれば、再循環系をコンパクト化することができ、再循環系の設置スペースを低減できる。

例えば、既設の原子炉（例えば、ＢＷＲ）で出力向上を行う場合には、炉心流量を増加することにより、原子炉出力の向上幅を拡大することができる。また、炉心流量の制御幅の拡大によって、炉心内のボイド率の変化幅が増大し、燃料経済性を高めることができる。このように炉心流量を増加させるためには、再循環ポンプ、給水ポンプ及びジェットポンプを改良するとよい。発明者らは、出力向上を目的とした既設の原子炉の改造においては、再循環ポンプ及び給水ポンプなどの大型機器の改造、交換に比べて、ジェットポンプの改良が有効であることを見出した。特に、発明者らは、ジェットポンプの性能向上がスロート及びディフューザの構成を改良することにより可能であることを新たに見出した。
発明者らが見出した新たな課題を以下に説明する。
（課題１）
既存のジェットポンプを有するＢＷＲで出力向上を行うためには、ジェットポンプの効率を増大させる必要がある。再循環ポンプを変えないでジェットポンプのＮ比が同じである場合には、ジェットポンプの効率増大はＭ比の向上によって達成できる。Ｍ比の増大は、ベルマウス、スロート及びデフューザの圧力損失が大きくなりＮ比の減少をもたらすことになる。したがって、Ｍ比及びＮ比が高い状態でジェットポンプの効率を増大させるためには、ベルマウス、スロート、デフューザの圧力損失を低減する必要がある。
（課題２）
また、出力向上を行う既存のＢＷＲに設置されているジェットポンプは、メンテナンスを容易にするため、スロートの下端をデフューザの上端部に挿入するスリップジョイントを採用している（特許文献２の図５参照）。このような構造では、ジェットポンプ内の冷却水がスリップジョイントに形成される隙間から外部に漏洩する。この漏洩に基づいて流力振動が発生し、デフューザとスロートの接続部で磨耗が発生する原因となっている。したがって、ジェットポンプの健全性を確保するためには、この流力振動によるデフューザとスロートの接続部での磨耗を抑える必要がある。

本発明の目的は、ジェットポンプの流力振動を抑制し、かつ効率を更に増大できるジェットポンプ及び原子炉を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、ディフューザの上端部が、スロートの下端部でこの内側に形成された窪み内に挿入されており、この窪みより上方でスロートの内面の下端におけるスロートの第１内径がディフューザ上端におけるディフューザの第２内径以上であり、スロートとディフューザの間がシールされていることにある。

ディフューザの上端部がスロートの下端部でこの内側に形成された窪み内に挿入され、スロートの第１内径がディフューザの第２内径以上であるため、スロートでの圧力損失を低減することができる。また、スロート内に吸引される被駆動流体の流量も増加する。したがって、ジェットポンプの効率が増大する。スロートとディフューザの間がシールされているので、ジェットポンプ内を流れる流体の漏洩が無くなり、漏洩流体に起因して発生する流力振動が無くなる。このため、この流力振動が基になるスロートとディフューザの磨耗を回避することができる。

本発明によれば、ジェットポンプの流力振動を抑制し、かつジェットポンプの効率を更に増大することができる

上記した課題１及び２は、発明者らが特許文献３の図３に示された従来のジェットポンプを検討することによって新たに見出したものである。この検討結果について説明する。従来のジェットポンプは、メンテナンスをしやすくするため、上記した図３に示すように、スロートの下端部がディフューザの上端部内に挿入されてそれらが接続されている。この従来のジェットポンプは、スロート下端部の差込部における内径を大きくすることができない。もし、その内径を大きくした場合には、ディフューザの外径を全長にわたって大きくする必要があり、大掛かりな改造工事が必要となる。上記の図３に示された構造において、Ｍ比を増加させるために被駆動流体の流量を増加した場合には、スロートで制限されるので、ジェットポンプの圧力損失が大きくなってＮ比が小さくなる。この結果、ジェットポンプ効率の向上は見込めなくなる。
本発明の実施例では、スロートの下端部をディフューザの上端部より大きくして、包み込む構造とすることで、スロート、ベルマウスの径を大きくし、Ｎ比を小さく、Ｍ比を大きくして効率向上を図る形態とした。

さらに、上記の図３に示された構造では、スロートとディフューザの間からジェットポンプ内の冷却水が外部に漏洩する。この漏洩水に基づいて流力振動が発生し、ディフューザとスロートの接続部で磨耗が発生する。特許文献３の図６、図７に示された構成では、既存のジェットポンプのスロート、ディフューザの総取替えが必要になり、大掛かりな改造工事が必要となること、また、スロート部での分割では、従来と同内径であることから、リーク量を０とした場合、スロート部での圧力損失に変わりはなく、M比の増大は見込めない。また、従来とは逆にダウンカマ水を吸い込むようにした場所は、M比は僅かであるが向上する。しかし、その吸い込み流入水によって流力振動が発生し、ディフューザとスロートの接続部で磨耗が発生することになる。
本発明の実施例では、スロート下端部とディフューザ上端部の隙間を無くする構造とすることで、流力振動よる磨耗を回避する形態とした。これらの形態を取ることで、流力振動よる磨耗を回避し、大幅な効率向上を図ることができる。
本発明に係るジェットポンプの実施形態の詳細を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例1のジェットポンプを、以下に説明する。本実施例のジェットポンプを備えた沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の概略の構造を、図１及び図２を用いて以下に説明する。

ＢＷＲは、原子炉圧力容器（原子炉容器）1を有し、原子炉圧力容器１内に炉心シュラウド３を設置している。複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心２が、炉心シュラウド３内に配置される。気水分離器５及び蒸気乾燥器６が原子炉圧力容器１内で炉心２の上方に配置される。ジェットポンプ９が、原子炉圧力容器１と炉心シュラウド３の間に形成される環状のダウンカマ７内に配置される。原子炉圧力容器１には再循環系が設けられる。この再循環系は、再循環系配管１８及び再循環ポンプ１９を有する。再循環ポンプ１９は再循環系配管１８に設けられる。再循環系配管１８の一端は、原子炉圧力容器１に接続されてダウンカマ７に連絡されている。再循環系配管１８の他端は、ダウンカマ７内に配置されたライザ管２１及び分岐管２２を介してジェットポンプ９のノズル１０に接続される。主蒸気配管２５及び給水配管２６が原子炉圧力容器１に接続される。

原子炉圧力容器１内の上部に存在する冷却水（被駆動流体、冷却材）８は、給水配管２６から原子炉圧力容器１に供給された給水２７と混合されてダウンカマ７内を下降する。冷却水８は、再循環ポンプ１９の駆動によって再循環系配管１８内に流入し、再循環ポンプ１９によって昇圧される。この昇圧された冷却水８を、便宜的に、駆動水（駆動流体）という。この駆動水２３は、再循環系配管１８、ライザ管２１及び分岐管２２を介してジェットポンプ９のノズル１０から噴出される。ノズル１０の周囲に存在する冷却水８は、駆動水２３の噴出によって、ベルマウス１１からスロート１２内に吸い込まれる。この冷却水８は、駆動水２３と共にスロート１２内を下降し、ディフューザ１３から吐出される。ディフューザ１３から吐出される冷却水（冷却水８及び駆動水２３を含む）を、冷却水２４と称する。冷却水２４は、下部プレナム４を経て炉心２に供給される。冷却水２４は、炉心２を通過する際に加熱されて水及び蒸気を含む二相流となる。気水分離器５は蒸気と水を分離する。分離された蒸気は、更に蒸気乾燥器６で湿分を除去されて主蒸気配管２５に排出される。この蒸気は、蒸気タービン（図示せず）に導かれ、蒸気タービンを回転させる。蒸気タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて水となる。この水は、給水２７として給水配管２６より原子炉圧力容器１内に供給される。気水分離器５及び蒸気乾燥器６で分離された冷却水は、落下して冷却水８となる。

ノズル１０及びスロート１２等を主要な構成要素とするジェットポンプ９は、再循環ポンプ１９の動力を駆動水２３から冷却水８に効果的に伝え、ジェットポンプ９から吐出される冷却水２４の流量を駆動水２３の流量（Ｑａ）よりも増大させる。具体的には、駆動水２３は、炉心２に供給する冷却水２４の流量を増加するために用いられる。再循環ポンプ１９によって与えられた駆動水２３の運動エネルギーが冷却水８に有効に作用して、ベルマウス１１内に吸い込まれる冷却水８の流量（Ｑｂ）が増加し、冷却水２４の流量が更に増加する。そのため、駆動水２３の運動エネルギーが増加するようにノズル１０の出口における駆動水２３の流速を増加させると共に、スロート１２の入口部で流路面積をベルマウス１１のそれよりも小さくすることにより冷却水８の速度を増加して静圧を減圧させる。これにより、冷却水８をスロート１２に吸い込むことができ、少ない動力で必要な炉心流量を確保することができる。なお、図２には、ジェットポンプ２２の性能を評価する上で必要となる前記(1)、(2)式の記号を表す部位も合わせ記した。

ジェットポンプ９は、図２に示すように、ノズル１０、ベルマウス１１、スロート１２及びデフューザ１３を有する。ベルマウス１１、スロート１２及びディフューザ１３をジェットポンプ本体と称する。ベルマウス１１は、下方に向かうに従って流路断面積が減少し、下端にスロート１２の上端が接続される。スロート１２の下方にディフューザ１３が配置されている。スロート１２の流路断面積は、ジェットポンプ本体の中で最も狭くなっている。ディフューザ１３は、上端部で流路断面積が狭く、下方に向かうにしたがって流路断面積が徐々に増大している。ノズル１０は、ベルマウス１１の上部開口に対向して配置される。ノズル１０とベルマウス１１との間には、ノズル１０の周囲に存在する冷却水8をベルマウス１１内に導く冷却水吸引流路が形成される。固定板１７がノズル１０をベルマウス１１に固定している。

本実施例におけるスロート１２とディフューザ１３の結合構造を、図３を用いて説明する。リング部材（第１突起部）１４が、溶接（または焼き嵌めまたは冷やし嵌め）にてディフューザ１３の上端部に固定される。リング部材１４の上端はスロート１２の下端よりも下方に位置する。リング部材１４は外面にねじを切っている。突起部２９が、スロート１２の下端部に設けられ、半径方向で外側に突出している。袋ナット１５が、突起部２９を取り囲んで突起部（第２突起部）２９に支持されている。袋ナット１５は突起部２９に引っ掛かるようになっている。窪み２８がスロート１２の下端部で内面に形成される。窪み２８は、スロート１２の下端から上方に向かって延びており、スロート１２の周方向の全周にわたって形成される。このような窪み２８は環状の窪みであるとも言える。スロート１２は、窪み２８の上端において段差が形成されている。ディフューザ１３の上端部がスロート１２の窪み２８内に挿入される。シール部材（例えば金属製のＯリング）１６がディフューザ１３の上端とスロート１２の下端との間に配置される。袋ナット１５の内面に形成されたねじがリング部材１４のねじと噛み合わされる。袋ナット１５がリング部材１４に締め付けられ、ディフューザ１３の上端がスロート１２の下端に向かって押し付けられる。このようにして、スロート１２とディフューザ１３が、メンテナンス時において互いに解体できるように、結合される。シール部材１６は、スロート１２内を流れる冷却水がスロート１２の下端とディフューザ１３の上端を通って外部に漏洩することを防止する。

本実施例では、上記したスロート１２とディフューザ１３の結合部のそれぞれの内径、すなわち、窪み２８より上方でスロート１１の内面の下端の位置におけるスロート１１の内径Ｄ１とデフューザ１２の上端の位置における内径Ｄ２は同じにすることができる。その内径Ｄ１は、従来のジェットポンプ（特許文献３の図３参照）のスロート下端の内径Ｄ１’（後述の実施例２における図５（Ｂ）参照）よりも大きくなっている。このような本実施例は、スロート１２下端の内径Ｄ１を、現在、ＢＷＲに設置されているジェットポンプにおけるスロート下端の内径よりも約５％大きくすることができる。このため、本実施例におけるスロート１２下端での流路断面積が約１０％増大する。また、スロート１１の全長における内径及びベルマウス２１の内径も同じ寸法比で大きくすることができる。したがって、スロート１１での圧力損失が低減することができ、本実施例のジェットポンプ９のＮ比が増大する。また、スロート１１での圧力損失の低減は、ベルマウス１１に吸い込まれる被駆動水の流量を増大させてＭ比を増大させる。Ｍ比及びＮ比の増大により、ジェットポンプ９の効率が向上する。ジェットポンプ９を用いる本実施例のＢＷＲは、再循環ポンプ１９の容量を増大させることなく、出力向上を実現することができる。内径Ｄ１を内径Ｄ２よりも大きくしてもよい。

さらに、上記したようなスロート１２とディフューザ１３の間のシール性を確保できるスロート１２とディフューザ１３の結合部を採用することによって、ジェットポンプ９内からダウンカマ７への冷却水の漏洩が無くなる。このため、漏洩水で発生する流力振動が原因となる磨耗を回避することができる。

本実施例で用いたジェットポンプ９の効果を、図４を用いて説明する。横軸はＭ比を縦軸はジェットポンプの効率を表している。図４には、ＢＷＲに設置されている従来のジェットポンプの特性、及びスロート１２の流路断面積が１０％増加したジェットポンプ９の特性を示している。２．６４のＭ比で比較すると、ジェットポンプ９の効率は従来のジェットポンプのそれよりも約５％上昇する。

本実施例は、袋ナット１５をリング部材１４から取り外すことによって、スロート１２をディフューザ１３から取り外すことができる。このため、スロート１２のメンテナンスを容易に行うことができる。

本実施例は、ディフューザ１３を原子炉圧力容器１から取り外さずに、ディフューザ１３からスロート１２を取り外してディフューザ１３の上端部にリング部材１４を容易に取り付けることができる。また、取り外したスロートを下端部を厚肉にして下端部の内側に窪み２８を形成し、外側に突起部２９を形成し、袋ナット１５を装着したスロート１２を容易に準備することができる。このように、ＢＷＲに設置された既存のジェットポンプを容易にかつ短時間に、図３に示した構成に改良することができる。

本発明の他の実施例である実施例２のジェットポンプを、図５を用いて説明する。このジェットポンプ９Ａは、前述したＢＷＲに用いられる。ジェットポンプ９Ａは、ノズル１０、ベルマウス１１、スロート１２Ａ及びディフューザ１３Ａを有する（図５(Ａ)参照）。

本実施例におけるスロート１２Ａとディフューザ１３Ａの結合構造を、図５（Ｂ）を用いて説明する。リング部材１４の替りに突起部（第１突起部）３０が、ディフューザ１３Ａの上端部に、外側に向かって突出した状態で形成される。突起部３２はディフューザ１３Ａの一部である。突起部２９が、スロート１２Ａの下端部に設けられる。袋ナット１５が、突起部２９に支持される。窪み２８がスロート１２の下端部で内面に形成され、窪み２８の上端面は水平面になっている。ディフューザ１３の上端部には、シール部材を兼ねた縦断面が三角形になっているシール部３１が形成されている。

ディフューザ１３の上端部がスロート１２の窪み２８内に挿入され、シール部３１の頂部が窪み２８の上端面に対向する。袋ナット１５がリング部材１４に噛み合わされ、ディフューザ１３の上端がスロート１２の下端に向かって押し付けられる。これにより、シール部３１の頂部が窪み２８の上端面に押し付けられ、スロート１２の下端とディフューザ１３の上端のシールがなされる。本実施例も、スロート１２とディフューザ１３がメンテナンス時において互いに解体できるように、結合される。シール部３１は、スロート１２内を流れる冷却水がスロート１２の下端とディフューザ１３の上端を通って外部に漏洩することを防止する。

本実施例においても、スロート１１下端の内径Ｄ１はデフューザ１２上端の内径Ｄ２と同じにすることができる。その内径Ｄ１は、なお、従来のジェットポンプ（特許文献３の図３参照）のスロートの内面が、図５(Ｂ)において破線で示されている。この従来のスロート下端の内径はＤ１’である。その内径Ｄ１は内径はＤ１’よりも大きくなっている。

本実施例は実施例１で得られる効果を得ることができる。本実施例は、実施例１で用いるシール部材１６である金属性のＯリングが不要となる。

本発明の他の実施例である実施例３のジェットポンプを、図６を用いて説明する。このジェットポンプ９Ｂは、前述したＢＷＲに用いられる。ジェットポンプ９Ｂは、ノズル１０、ベルマウス１１、スロート１２Ｂ及びディフューザ１３Ｂを有する（図６(Ａ)参照）。

本実施例におけるスロート１２Ｂとディフューザ１３Ｂの結合構造を、図６（Ｂ）を用いて説明する。ディフューザ１３Ｂの上端部がスロート１２Ｂの下端部の内面に形成された窪み２８内に挿入される。ディフューザ１３Ｂは、スロート１２Ｂの焼き嵌め（または冷やし嵌め）によって、スロート１２Ｂに結合される。この焼き嵌め（または冷やし嵌め）によって、ディフューザ１３Ｂとスロート１２Ｂの間のシールが成されるので、スロート１２Ｂ内の冷却水が外部に漏洩しない。

本実施例は、実施例２で生じる効果を得ることができる。本実施例は、袋ナットをも追うける必要が無いので、スロートとディフューザの結合構造を単純化することができる。

本発明の好適な一実施例である沸騰水型原子炉の構成図である。 図１に示すジェットポンプの構成図である。 図２のＡ部の詳細縦断面図である。 図３に示す構成を有するジェットポンプと従来のジェットポンプの特性を示す説明図である。 本発明の実施例２におけるジェットポンプの構成を示し、（Ａ）はジェットポンプの側面図、（Ｂ）はＢ部の詳細縦断面図である。 本発明の実施例３におけるジェットポンプの構成を示し、（Ａ）はジェットポンプの側面図、（Ｂ）はＢ部の詳細縦断面図である。

符号の説明

１…原子炉圧力容器、２…炉心、６…炉心シュラウド、７…ダウンカマ、９，９Ａ，９Ｂ…ジェットポンプ、１０…ノズル、１１…ベルマウス、１２，１２Ａ，１２Ｂ…スロート、１３，１３Ａ，１３Ｂ…ディフューザ、１４…リング部材、１５…袋ナット、１６…シール部材、１８…再循環系配管、１９…再循環ポンプ、２８…窪み、２９…突起部、３１…シール部。

Claims (5)

1. 駆動流体を噴出するノズルと、前記駆動流体と吸引された被駆動流体が流入するスロートと、前記スロートに接続されて前記駆動流体及び前記被駆動流体が流れるディフューザとを備え、
   前記ディフューザの上端部が、前記スロートの下端部でこの内側に形成された窪み内に挿入されており、前記窪みより上方で前記スロートの内面の下端での第１位置における前記スロートの第１内径が前記ディフューザ上端での第２位置における前記ディフューザの第２内径以上であり、前記スロートと前記ディフューザの間がシールされており、
   前記窪みの位置において前記スロートと前記ディフューザは焼き嵌め及び冷やし嵌めのいずれかで接合されていることを特徴とするジェットポンプ。
2. 駆動流体を噴出するノズルと、前記駆動流体と吸引された被駆動流体が流入するスロートと、前記スロートに接続されて前記駆動流体及び前記被駆動流体が流れるディフューザとを備え、
   前記ディフューザの上端部が、前記スロートの下端部でこの内側に形成された窪み内に挿入されており、前記窪みより上方で前記スロートの内面の下端での第１位置における前記スロートの第１内径が前記ディフューザ上端での第２位置における前記ディフューザの第２内径以上であり、前記スロートと前記ディフューザの間がシールされており、
   前記スロートの下端よりも下方で前記ディフューザの上端部に外側に突出して第１突起部が設けられ、前記スロートの下端部に外側に突出して第２突起部が設けられ、前記第２突起部に引っ掛けられる結合部材が前記第１突起部と噛み合うことによって、前記スロートと前記ディフューザが結合されていることを特徴とするジェットポンプ。
3. 前記ディフューザの上端部に、前記窪みの上端面と接触して前記スロートと前記ディフューザの間をシールするシール部を形成する請求項２に記載のジェットポンプ。
4. 前記第１突起部が前記ディフューザに溶接、焼き嵌め及び冷やし嵌めのいずれかで取り付けられ、前記ディフューザの上端と前記窪みの上端面の間にシール部材を配置する請求項２に記載のジェットポンプ。
5. 原子炉容器と、前記原子炉容器内に設置され、前記原子炉容器内に形成される炉心に冷却材を供給する複数のジェットポンプとを備え、
   前記ジェットポンプが、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載されたジェットポンプであることを特徴とする原子炉。

Images