JP5191913B2

JP5191913B2 - 自然循環式沸騰水型原子炉

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Publication number: JP5191913B2
Application number: JP2009015486A
Authority: JP
Inventors: 秀範田中; 椿　　正昭
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP2010175284A

Description

本発明は、自然循環式沸騰水型原子炉に係り、特に、原子炉容器内を循環する冷却材の駆動力を確保するために備えられるチムニの構造に関する。

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）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水平面内でＸ軸方向及びＹ方向に並列させて炉心を構成しており、互いに隣接する４体の燃料集合体の間には、横断面が略十字型の制御棒が挿入可能に配置されている。この１本の制御棒の周囲を囲む４体の燃料集合体の組を、制御棒セルという。

近年、強制循環式ＢＷＲのように原子炉容器内の冷却材をポンプ駆動するのではなく、自然循環させる自然循環式ＢＷＲが提唱されている。この自然循環式ＢＷＲには、冷却材を自然循環させる駆動力を確保するための装置として、炉心の上方に強制循環式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、炉心からの蒸気と冷却材の混合物（気液二相流）を鉛直方向に導くためのもので、多数の直立した格子流路から構成されている。かかる構成のチムニを備えた場合、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に流入した冷却材が、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その上方に配置されたチムニの格子流路内で合流し、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の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決定される冷却材の比重差に基づく駆動力で決まる。

ところで、チムニの格子流路に冷却材の気液二相流が流れると、流れによる各格子流路間の差圧や流体力による振動（流力振動）が発生し、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。

またチムニは、原子炉の安全性を確保のために定期的に行われる炉内点検や燃料の交換時に取外し、取付け作業が必要となるので、取外し、取付け性の良いことや、取外し時に自重で端部が変形しないように高い剛性が要求される。さらに、これらの作業時にクレーン等で操作されるため、なるべく軽量であることが求められる。

チムニは、円筒形のチムニ胴と、当該チムニ胴の内部に垂設される流路隔壁とから構成されている。チムニ胴と流路隔壁の結合方法としては、流路隔壁の上端部及び下端部に流路隔壁をチムニ胴に連結するための上部支持板及び下部支持板を設け、上下の支持板とチムニ胴との間にくさびを打ち込んで、流路隔壁を水平方向に支持するという例がある（例えば、特許文献２参照）。また、流路隔壁の強化に関しては、各格子流路を形成する流路隔壁の一辺の途中を、隣接する格子流路を形成する他の流路隔壁によって支持するという例（例えば、特許文献３参照）、及び、平板状の流路隔壁を格子状に組合わせるのではなく、複数の角管を組合わせて所要の格子流路を形成する例もある（例えば、特許文献４参照）。

特公平７−２７０５１号公報特開２００７−２３２５４６号公報特開２００７−２３２４３４号公報特開２００７−２３２４２１号公報

特許文献２，３に記載のチムニは、仕切板を格子状に組合わせて流路隔壁を構成するので、その横断面を見たとき、図２に示すように、格子流路１０１を構成する仕切板１０２の端部が自由端となる。この自由端となっている部分は剛性が低いので、流力振動が作用するとその基端部に大きな応力が集中し、疲労破壊を起こす懸念がある。なお、図３において、符号１０３はチムニ全体を示し、符号１０４はチムニ胴を示している。

かかる不都合を解消するためには、仕切板１０２の端部をチムニ胴と接合するという方法も考えられるが、このようにすると、取外し、取付け作業の際にチムニ胴と流路隔壁とを同時に取り扱わなくてはならないので、重量が大きくなり、原子炉圧力容器に対するチムニの位置決め作業などを行いにくくなるなどの不都合を生じる。

一方、特許文献４に記載のチムニは、角管を組合わせて格子流路を形成するので、端部に自由端が形成されず、強度的に高い健全性を有しているが、複数の角管を用いることから各格子流路を形成する流路隔壁が二重構造となり、材料の無駄が多くなって、チムニが高コスト化したり、大重量化するという問題点がある。

本発明は、このような従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、流路隔壁をチムニ胴から分離でき、軽量かつ高剛性で耐久性に優れたチムニを提供することにある。

前記の課題を解決するため、本発明は第１に、原子炉圧力容器と、複数の燃料集合体を装荷し、前記原子炉圧力容器内に収納される炉心と、前記原子炉圧力容器内で前記炉心の上方に設置されるチムニとを備えた自然循環式ＢＷＲにおいて、前記チムニは、前記原子炉圧力容器と同心に配置されるチムニ胴と、該チムニ胴とは分割可能に構成され、前記チムニ胴の内部に垂設される流路隔壁とからなり、前記流路隔壁は、複数の仕切板を格子状に組合わせることにより形成される横断面が矩形の複数の格子流路を有し、前記格子流路から外向きに突出する仕切板の端部が、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結されているという構成にした。

かかる構成によると、格子流路から外向きに突出する仕切板の端部を連結部材を介して連結するので、何者にも拘束されない自由端をなくすか、その数を減らすことができ、流路隔壁の強度ひいてはチムニの耐久性を高めることができる。また、格子流路から外向きに突出する仕切板の端部を、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結するので、連結部材を介して互いに連結されない仕切板の端部を設けることができ、連結部材の数量を抑制することができて、流路隔壁の重量増加を小さくすることができる。

本発明は第２に、前記第１の自然循環式ＢＷＲにおいて、前記格子流路から外向きに突出する全ての仕切板の端部が、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結されているという構成にした。

かかる構成によると、格子流路から外向きに突出する全ての仕切板の端部を連結部材にて拘束するので、自由端のない流路隔壁を得ることができ、チムニの構造健全性を最も高めることができる。

本発明は第３に、前記第１の自然循環式ＢＷＲにおいて、前記格子流路から外向きに突出する仕切板の端部のうち、一部の仕切板の端部について、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結されているという構成にした。

かかる構成によると、格子流路から外向きに突出する全ての仕切板の端部を連結部材にて拘束するのではなく、一部の仕切板の端部のみを連結部材にて拘束するので、流路隔壁の軽量化を図ることができる。このようにしても、格子流路からの突出量が大きく、強度的に弱い仕切板の端部を選択的に連結部材を用いて拘束することにより、チムニにおける所要の構造健全性を確保することができる。

本発明は第４に、前記第３の自然循環式ＢＷＲにおいて、前記格子流路から外向きに突出する仕切板の端部のうち、前記格子流路からの突出量が最も大きい仕切板の端部について、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結されているという構成にした。

かかる構成によると、格子流路からの突出量が最も大きく、強度的に最も弱い仕切板の端部を連結部材にて拘束するので、チムニの構造健全性を高めることができる。

本発明は第５に、前記第１の自然循環式ＢＷＲにおいて、前記連結部材は、前記流路隔壁を構成する仕切板とほぼ同一長さに形成されており、前記仕切板の長さ方向の一端から他端まで一連に連結しているという構成にした。

かかる構成によると、連結部材を用いて流路隔壁を構成する仕切板の一端から他端まで一連に連結するので、格子流路から突出する仕切板の強度を最も高めることができる。

本発明は第６に、前記第１の自然循環式ＢＷＲにおいて、前記連結部材は、前記流路隔壁を構成する仕切板の長さよりも短尺に形成されており、前記仕切板の長さ方向の一部を連結しているという構成にした。

かかる構成によっても、格子流路から突出する仕切板の振動を抑制できるので、チムニの構造健全性を高めることができる。

本発明は、格子流路から外向きに突出する仕切板の端部を連結部材を介して連結し、流路隔壁から何者にも拘束されない自由端をなくすか、その数を減らすので、流路隔壁の強度を高めることができて、疲労強度などの耐久性を高めることができると共に、クレーンで吊り上げたときの自重による変形を防止することができる。また、格子流路から外向きに突出する仕切板の端部を、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結するので、連結部材の数量を抑制することができて、チムニを構成する流路隔壁の重量増加を小さくすることができ、原子炉圧力容器に対する取外し、取付け作業を容易化することができる。

実施形態に係る自然循環式ＢＷＲの縦断面図である。従来例に係るチムニの横断面図である。実施形態に係るチムニの上面図及び縦断面図である。図３のＸ−Ｘ横断面図である。実施形態に係る流路形成装置の下面図である。実施形態に係るチムニの要部拡大断面図である。実施形態に係る流路隔壁の要部斜視図である。

以下、本発明に係る自然循環式ＢＷＲの構成を、原子炉の概要とチムニの構造に項分けして説明する。

〈原子炉の概要〉
自然循環式ＢＷＲは、図１に示すように、原子炉圧力容器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とが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密度の高い液相の冷却材との比重差によって、ＢＷＲ内の冷却材（軽水）を自然循環させるに必要な駆動力を得るものである。

図１に示すように、本実施形態に係る自然循環式ＢＷＲ１は、円筒状の原子炉圧力容器６内に、シュラウドレグ８ａによって支持された円筒状の炉心シュラウド８が同心に設けられている。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の空間を形成している。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が装架された炉心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及び給水加熱器５を通って給水入口ノズル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給水スパージャ（図示省略）が円環状に設けられている。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の下部に形成される下部プレナム１０に導き入れられる。

炉心７の下部には炉心支持板２２が設けられ、上部には上部格子板２３が設けられていて、燃料集合体２１及び制御棒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ＣＲＤハウジング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。

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て、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、原子炉圧力容器６内の冷却材の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、圧力容器６と同心に配置された円筒状のチムニ胴１１ｄと、その内部に垂設される流路隔壁１１ｂとから構成されており、流路隔壁１１ｂには、横断面が矩形の複数の格子流路１１ａが形成されている。実施形態に係るチムニ１１の構成については、下記の〈チムニの構造〉の欄で詳細に説明する。

チムニ１１の上部には、各格子流路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、上部プレナム１１ｃが設けられている。また、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り合わ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が除去される。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の上端から取り外ずされる。

本実施形態に係る自然循環式ＢＷＲは、かかる構成を有するので、給水入口ノズル１７から供給される冷却材が、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によって加熱された冷却材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６内を循環する。

〈チムニの構造〉
図３に示すように、チムニ１１は、冷却材の上昇流と下降流とを分けるチムニ胴１１ｄと、上昇流が流れる複数の格子流路１１ａを形成する流路形成装置１１Ａと、流路形成装置１１Ａを支える台座１１ｇと、台座１１ｇに立てられたガイドピン３０と、チムニ胴１１ｄに接合された案内棒３２を有する。チムニ胴１１ｄは円筒状に形成されており、このチムニ胴１１ｄ内に流路形成装置１１Ａが配置されている。図３に示すように、流路形成装置１１Ａは、流路隔壁１１ｂと、流路隔壁に溶接等で接合された上部支持板１１ｅ及び下部支持板１１ｆと、上部支持板１１ｅに接合されたフック３１を有している。

流路形成装置１１Ａは、チムニ胴１１ｄに取付けられた台座１１ｇに支えられている。原子炉圧力容器６内にチムニ１１を設置する際には、まずチムニ胴１１ｄが上部格子板２３に取付けられる。その後、流路形成装置１１Ａが、フック３１に掛けてクレーン等によって吊下ろされ、図３に示す上部支持板１１ｅ及び図５に示す下部支持板１１ｆとに設けた切り欠き３３に案内棒３２が通るようにすることで、流路形成装置１１Ａの位置を決めて吊下ろすことができる。流路形成装置１１Ａが台座１１ｇに着座する部分では、図５に示す下部支持板に設けた孔３４とガイドピン３０を合わせることで最終的な流路形成装置１１Ａの位置決めがされる。炉内の点検時や燃料交換時には、前記と逆の手順を行うことで、チムニ胴１１ｄを取り外さなくても、流路形成装置１１Ａのみを取り外すことができる。

流路隔壁１１ｂは、図４に示すように、ステンレス鋼等の金属材料からなる複数の仕切板を格子状に組合わせることによって形成され、横断面が矩形の複数の格子流路１１ａを有している。そして、各格子流路１１ａの端部から外向きに突出する仕切板の端部については、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ、連結部材１１ｈを介して連結されている。図４（ａ）は、各格子流路１１ａの端部から外向きに突出する全ての仕切板の端部について、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材１１ｈを介して連結した例であり、図４（ｂ）は、各格子流路１１ａの端部から外向きに突出する各仕切板のうち、各格子流路１１ａからの突出量が最も小さい仕切板の端部を除く一部の端部について、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材１１ｈを介して連結した例であり、図４（ｃ）は、各格子流路１１ａの端部から外向きに突出する各仕切板のうち、各格子流路１１ａからの突出量が最も大きい仕切板の端部のみを、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材１１ｈを介して連結した例である。

図４（ａ）の流路隔壁１１ｂは、各格子流路１１ａから外向きに突出する全ての仕切板の端部を連結部材１１ｈにて拘束するので、自由端のない流路隔壁を得ることができ、格子間の差圧荷重や流体振動や自重で発生する最大応力を低減させることができて、チムニ１１の構造健全性を最も高めることができる。また、図４（ｂ）の流路隔壁１１ｂは、一部の仕切板の端部のみを連結部材１１ｈにて拘束するので、流路隔壁１１ｂの軽量化を図ることができる。さらに、図４（ｃ）の流路隔壁１１ｂは、各格子流路１１ａからの突出量が最も大きく、強度的に最も弱い仕切板の端部を連結部材１１ｈにて拘束するので、流路隔壁１１ｂの構造健全性を高めることができる。このように、一部の仕切板の端部についてのみ連結部材１１ｈにて拘束する場合にも、各格子流路１１ａからの突出量が大きく、強度的に弱い仕切板の端部を選択的に連結部材１１ｈを用いて拘束することにより、流路隔壁１１ｂひいてはチムニ１１の構造健全性を確保することができる。また、本実施形態に係るチムニ１１は、流路形成装置１１Ａの剛性が高くなったことで、炉内点検時や燃料交換時における流路形成装置１１Ａの吊作業の際に、流路形成装置１１Ａのたわみが抑えられ、その取扱性を向上させることができる。

なお、連結部材１１ｈは、図７（ａ）に示すように、流路隔壁１１ｂを構成する仕切板とほぼ同一長さの金属板を用いて、仕切板の長さ方向の一端から他端まで一連に連結することもできるし、図７（ｂ）に示すように、流路隔壁１１ｂを構成する仕切板よりも短尺の金属板を用いて、仕切板の長さ方向の一部を連結することもできる。仕切板と連結部材１１ｈの連結手段としては、溶接を用いることができる。図７（ａ）に示す例によると、各格子流路１１ａから突出する仕切板の強度を最も高めることができる。また、図７（ｂ）に示す例によると、連結部材１１ｈの重量増加を抑制することができ、軽量にして高強度のチムニ１１を得ることができる。

本発明は、海外ＥＳＢＷＲに適用可能である。

１自然循環式沸騰水型原子炉
２タービン
３復水器
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
８ａシュラウドレグ
９ダウンカマ
１０炉心下部プレナム
１１チムニ
１１Ａ流路形成装置
１１ａ格子流路
１１ｂ流路隔壁
１１ｃ上部プレナム
１１ｄチムニ胴
１１ｅ上部支持板
１１ｆ下部支持板
１１ｇ台座
１１ｈ連結部材
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
３０ガイドピン
３１フック
３２案内棒
３３切り欠き
３４孔

Claims

原子炉圧力容器と、複数の燃料集合体を装荷し、前記原子炉圧力容器内に収納される炉心と、前記原子炉圧力容器内で前記炉心の上方に設置されるチムニとを備えた自然循環式沸騰水型原子炉において、
前記チムニは、前記原子炉圧力容器と同心に配置されるチムニ胴と、該チムニ胴とは分割可能に構成され、前記チムニ胴の内部に垂設される流路隔壁とからなり、
前記流路隔壁は、複数の仕切板を格子状に組合わせることにより形成される横断面が矩形の複数の格子流路を有し、前記格子流路から外向きに突出する仕切板の端部が、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結されていることを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
前記格子流路から外向きに突出する全ての仕切板の端部が、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
前記格子流路から外向きに突出する仕切板の端部のうち、一部の仕切板の端部について、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結されていることを特徴とする請求項１に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
前記格子流路から外向きに突出する仕切板の端部のうち、前記格子流路からの突出量が最も大きい仕切板の端部について、その両側に隣接して配置されるいずれか一方の仕切板の端部とのみ連結部材を介して連結されていることを特徴とする請求項３に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
前記連結部材は、前記流路隔壁を構成する仕切板とほぼ同一長さに形成されており、前記仕切板の長さ方向の一端から他端まで一連に連結していることを特徴とする請求項１に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
前記連結部材は、前記流路隔壁を構成する仕切板の長さよりも短尺に形成されており、前記仕切板の長さ方向の一部を連結していることを特徴とする請求項１に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。