JP5295859B2

JP5295859B2 - 原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステム

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Publication number: JP5295859B2
Application number: JP2009118880A
Authority: JP
Inventors: 一央亀井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-05-15
Also published as: JP2010266369A; US20100288848A1

Description

本発明は、原子力プラントの原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムに関する。

一般に沸騰水型原子力（ＢＷＲ）プラントでは、図１７に示すように、原子炉停止過程において原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１の頂部を冷却するために、ＲＰＶ１の頂部より冷却水をスプレイすることのできるヘッドスプレイライン３を設けている。このヘッドスプレイライン３の先端にはスプレイノズル８が設けられており、ヘッドスプレイライン３上の逆止弁４を経てＲＰＶ１内に水を噴射できる構造となっている。

ＢＷＲプラントのＲＰＶ１内には炉心１７が収容され、この炉心１７は原子炉冷却水で浸漬されている。ＲＰＶ１内は原子炉冷却水が貯留されている液相部１８とこの液相部上方の気相部１６に区画される。

このような構成のＢＷＲプラントにおいて、ＲＰＶ１内の原子炉冷却水中には、炉心１７での核反応に伴う中性子照射により、冷却水から分解生成される水素ガス及び酸素ガス、場合によっては燃料棒より微量に漏えいするＫｒ、Ｘｅ等の放射性希ガス等の非凝縮性ガスが存在する。この非凝縮性ガスに何らかの原因で着火すると、急速な燃焼を引き起こす可能性がある。そのため、ＢＷＲプラントではＲＰＶ頂部より主蒸気管に接続する配管４０を設け、この非凝縮性ガスを主蒸気系を介して復水器に導き、気体廃棄物処理が可能となるシステムを備えている。

また、上述のヘッドスプレイライン３においても、ヘッドスプレイをしていない場合にスプレイノズル８からの配管が立ち上がっているため、逆止弁４との間に非凝縮性ガスが蓄積する可能性がある。このことから常時、非凝縮性ガスを排出可能なベントライン１１が設置されており、非凝縮性ガスが主蒸気配管４１、復水器側に導かれ処理される構成としている（特許文献１）。

このベントライン１１には遠隔操作可能な止め弁１２が設置されており、プラント通常運転中は非凝縮性ガスを排出するため開となっている。一方、ヘッドスプレイをする際には、原子炉格納容器（ＰＣＶ）隔離弁５の開許可信号で止め弁１２を閉としてスプレイを開始するため、ヘッドスプレイ前に止め弁１２が全閉となっており、スプレイ水がベント排出先へバイパスされないようにしていた。

また、プラントによっては原子炉隔離時のＲＰＶ１への冷却水供給を担う系統である原子炉隔離時冷却系がヘッドスプレイライン３を使用している場合もある。この共用のヘッドスプレイライン３にも、上述と同様の非凝縮性ガス蓄積防止対策が施されている（図示せず）。

特開２００３−３１５４８２号公報

上述したように、従来のＢＷＲプラントにおいてＲＰＶの頂部をヘッドスプレイする場合、ヘッドスプレイ機能を維持するための手段として、ベント排出先へのバイパス流を完全に無くすために、ヘッドスプレイ開始前に止め弁１２を全閉としていた。しかし、この状態でヘッドスプレイを開始した場合、ヘッドスプレイライン３の非凝縮性ガスベントライン分岐部からベントライン止め弁１２までの配管内には飽和蒸気が閉塞されているため、閉塞された飽和蒸気がサブクール水であるスプレイ水に触れると、飽和蒸気が急激に凝縮し、閉塞配管内に水が急激に吸込まれ、止め弁１２の位置でウォーターハンマーが発生する可能性があり、その結果、系に過大圧力が発生する恐れがあった。
このため、ヘッドスプレイ時のベントライン１１内における蒸気凝縮によるウォーターハンマーを回避可能なヘッドスプレイシステムを開発することが急務となっていた。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、原子炉運転中はヘッドスプレイライン内の非凝縮性ガスをベントラインを介して排出可能とし、原子炉停止時は冷却水を原子炉圧力容器に確実に供給するとともに、ベントライン内での蒸気凝縮によるウォーターハンマー現象を回避することができる、安全性及び信頼性の高い原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムは、原子炉停止時に冷却水を原子炉圧力容器に供給するヘッドスプレイラインと、前記ヘッドスプレイラインに設けられた逆止弁と、前記ヘッドスプレイラインに接続され非凝縮性ガスを排出するベントラインと、前記ベントラインに設けられ運転時は開状態となるベントライン止め弁と、を備える原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムにおいて、前記ヘッドスプレイラインに前記冷却水が供給されたことを検出した後、一定時間後にベントライン止め弁を閉とするインターロック機構を備えることを特徴とする。

本発明によれば、原子炉運転中はヘッドスプレイライン内の非凝縮性ガスをベントラインを介して排出可能とし、原子炉停止時は冷却水を原子炉圧力容器に確実に供給するとともに、ベントライン内での蒸気凝縮によるウォーターハンマー現象を回避することができる、安全性及び信頼性の高い原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの構成図。本発明の第１の実施形態に係るインターロック機構の構成図。本発明の第２の実施形態に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの構成図。本発明の第２の実施形態に係るインターロック機構の構成図。本発明の第３の実施形態に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの構成図。本発明の第３の実施形態に係るインターロック機構の構成図。本発明の第４の実施形態に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの構成図。本発明の第５の実施形態に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの構成図。本発明の第５の実施形態に係るインターロック機構の構成図。本発明の第６の実施形態に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの構成図。本発明の第６の実施形態に係るインターロック機構の構成図。本発明の第６の実施形態に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの変形例。本発明の第６の実施形態に係るインターロック機構の変形例。本発明の第６の実施形態に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの他の変形例。本発明の第６の実施形態に係るインターロック機構の他の変形例。本発明の第７の実施形態に係る原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの構成図。従来の原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムの構成図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るヘッドスプレイシステムを図１及び図２により説明する。

図１において、原子炉停止過程に使用するヘッドスプレイシステムは、ＲＰＶ１の頂部より冷却水をスプレイすることのできるヘッドスプレイライン３が設けられ、このヘッドスプレイライン３の先端にはスプレイノズル８が設けられており、ヘッドスプレイライン３の逆止弁４を経てＲＰＶ１内に水を噴射できる構造となっている。

ＢＷＲプラントのＲＰＶ１内には炉心１７が収容され、この炉心１７は原子炉冷却水で浸漬されている。ＲＰＶ１内は原子炉冷却水が貯留されている液相部１８とこの液相部上方の気相部１６に区画される。ポンプ９により供給される水は、ポンプ吐出ライン１０及びヘッドスプレイライン３を介してＲＰＶ１頂部からＲＰＶ１内にスプレイされる。なお、ポンプ９は他の用途に使用してもよく、その際は、ポンプ吐出ライン１０に他系統の配管が接続される。

また、ヘッドスプレイライン３上には流量調整弁６、ＰＣＶ内側隔離弁５ａ、ＰＣＶ外側隔離弁５ｂ、逆止弁４及び流量計７が設置されている。この弁のうち最も下流にある逆止弁４からＲＰＶ１の間の配管には、プラント通常運転中に非凝縮性ガスが蓄積する可能性があることから、常時このガスを排出可能とするために、ベントライン１１を設置する。

このベントライン１１には常時蒸気を流す必要があることから、ベントライン１１は、プラント通常運転中に蒸気の流れのある主蒸気系に接続されている。ベントライン１１上には遠隔操作可能な止め弁１２を設置し、ヘッドスプレイ機能を果たしている最中に、ベント排出先へバイパス流が形成されることを防止する。

ヘッドスプレイライン３上のＰＣＶ内側隔離弁５ａ、ＰＣＶ外側隔離弁５ｂ、流量調整弁６は遠隔操作可能であり、その開閉状態を示すリミットスイッチ１３、１４、１５が設けられている。

また、図２に示す通り、ＰＣＶ内側隔離弁５ａ、ＰＣＶ外側隔離弁５ｂ、流量調整弁６のすべてがある開度以上となる条件が成立してから、一定時間経過後にベントライン止め弁１２を閉とするインターロック機構を設置する。

このように構成された第１の実施形態に係るヘッドスプレイシステムは、ヘッドスプレイ時には以下のように作動する。
プラント通常運転中、非凝縮性ガスを排出するためにベントライン止め弁１２は開であり、ＰＣＶ内側隔離弁５ａ、ＰＣＶ外側隔離弁５ｂ、流量調整弁６は閉である。原子炉停止過程のヘッドスプレイシステムは、ポンプ９を事前に運転状態にしておき、ＰＣＶ内側隔離弁５ａを開、ＰＣＶ外側隔離弁５ｂを開、流量調整弁６を開操作することで水が流れ出し、最終的に逆止弁４が開となりＲＰＶ１内に水が供給される。

ヘッドスプレイライン３に水が流れ出してから一定時間、ベントライン止め弁１２を開としておき、ベントライン１１内に水を通水する。水がベントライン止め弁１２に到達するまでの時間に十分に余裕を持ち、図２に示すインターロック機構によりベントライン止め弁１２を閉じる。

これによりヘッドスプレイライン３のベント分岐部からベントライン止め弁１２までの配管内に閉塞された飽和蒸気がなくなり、急激な蒸気凝縮によるウォーターハンマーを回避することができる。また、ベントライン止め弁１２の下流においても飽和蒸気の閉塞箇所がなければ、同様のウォーターハンマーは発生しない。ヘッドスプレイ中にベントライン止め弁１２が閉となれば、ヘッドスプレイの定格流量をＲＰＶ１に供給することができ、本システムの機能を果たすことができる。

また、ヘッドスプレイラインの運用上、ＰＣＶ内側隔離弁５ａ、ＰＣＶ外側隔離弁５ｂ、流量調整弁６のうち最後に開くのは流量調整弁６であることから、図２の弁開度の信号を流量調整弁６のみにした場合でも、上述と同様にウォーターハンマーを回避する作用を得ることができる。

本第１の実施形態によれば、ヘッドスプレイラインに冷却水が供給されたことを検出した後、一定時間後にベントライン止め弁を閉とするインターロック機構を備えることにより、蒸気凝縮によるウォーターハンマーにより系へ過大圧力がかかる可能性を回避しつつ、原子炉停止過程のＲＰＶ頂部の冷却機能、及びプラント通常運転中の非凝縮性ガス排出機能を満たした、安全性及び信頼性の高い原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムを提供することができる。

（第２の実施形態）
本第２の実施形態に係るヘッドスプレイシステムを図３及び図４により説明する。
本第２の実施形態の原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムが、第１の実施形態と異なる点は、ヘッドスプレイライン３上の逆止弁４にリミットスイッチ１９が設置されており、その開度信号からベントライン止め弁１２の閉信号を送る点であり、その他の構成、作用は第１の実施形態と実質的に同一なため説明を省略する。

本第２の実施形態において、図４に示す通り、逆止弁４がある開度以上となったことをリミットスイッチ１９で検出し、一定時間経過後にベントライン止め弁１２を閉とする。
このように本実施形態では、逆止弁４の弁開度に基づいてベントライン止め弁１２を閉とするもので、第１の実施形態と同様にウォーターハンマーを確実に回避することができる。

また、プラントによっては、ＰＣＶ内側隔離弁５ａ、ＰＣＶ外側隔離弁５ｂが逆止弁になっている場合もある。この場合は図４に示す弁の開度信号をヘッドスプレイライン３上の逆止弁４以外の弁のうち少なくとも１つの弁開度から取っても、上述と同様にウォーターハンマーを回避する作用を得ることができる。

（第３の実施形態）
本第３の実施形態に係るヘッドスプレイシステムを図５及び図６により説明する。
本第３の実施形態では、ヘッドスプレイライン３上の流量計７の流量信号２０に基づいて、ベントライン止め弁１２へ閉信号を送信することを特徴としている。

すなわち、図６に示す通り、ヘッドスプレイライン３上の流量計７の流量信号２０がある流量以上となってから一定時間経過後にベントライン止め弁１２を閉とする。
このように本実施形態では、流量計７の流量信号２０に基づいてベントライン止め弁１２を閉とするもので、第１及び第２の実施形態と同様にウォーターハンマーを確実に回避することができる。

（第４の実施形態）
本第４の実施形態に係るヘッドスプレイシステムを図７により説明する。
本第４の実施形態では、ヘッドスプレイライン３上の流量計の流量信号、流量調整弁の開度、ＰＣＶ内側隔離弁５ａ及びＰＣＶ外側隔離弁５ｂの開閉状態が中央操作室へ表示される機能２１〜２４を有することを特徴とする。

本実施形態では、操作員が中央操作室で流量計の流量信号２４、流量調整弁６の開度、ＰＣＶ内側隔離弁５ａ及びＰＣＶ外側隔離弁５ｂの開閉状態を表示装置により確認し、ヘッドスプレイライン３に水が流れているのを確認した後、一定時間経過後に中央操作室からベントライン止め弁１２を閉操作する。

これにより、ベントライン１１内の蒸気凝縮によるウォーターハンマーをさらに確実に回避することができる。また、ヘッドスプレイ中にベントライン止め弁１２が閉となっていれば、ヘッドスプレイの定格流量をＲＰＶ１に供給することができ、本システムの機能を果たすことができる。

（第５の実施形態）
本第５の実施形態に係るヘッドスプレイシステムを図８及び図９により説明する。
原子炉隔離時のＲＰＶ１への冷却水供給を担う系統である原子炉隔離時冷却系がヘッドスプレイとなっているプラントにおいては、原子炉隔離時冷却系と原子炉停止時ヘッドスプレイシステムの注入ラインを共有化している。

原子炉隔離時冷却系のポンプ吐出ラインとなるヘッドスプレイライン２５上には注入弁２６、ＰＣＶ隔離弁２７、逆止弁２８及び流量計２９が設置されている。この弁のうち最も下流にある逆止弁２８からＲＰＶ１の間の配管には、プラント通常運転中に非凝縮性ガスが蓄積する可能性があることから、常時このガスを排出可能とするために、ベントライン１１を設置する。

ベントライン１１には常時蒸気を流す必要があることから、ベントラインの接続先は、プラント通常運転中に蒸気の流れのある主蒸気系に接続する。ベントライン１１上には遠隔操作可能な止め弁１２を設置し、ヘッドスプレイ機能を果たしている最中ベント排出先へのバイパス流形成防ぐことを可能にしている。また原子炉隔離時冷却系の自動起動信号または中央操作室からの手動起動信号により、ポンプ３０が起動し、注入弁２６は開となる。また図９に示す通り、原子炉隔離時冷却系の自動起動信号または中央操作室からの手動起動信号から、一定時間経過後にベントライン止め弁１２を閉とする。

このように構成された本第５の実施形態において、ヘッドスプレイ時には以下のように作用する。
プラント通常運転中、非凝縮性ガスを排出するためにベントライン止め弁１２は開であり、注入弁２６は閉である。原子炉隔離時冷却系は起動信号から要求される時間以内に、ポンプ３０を起動、注入弁２６を全開とし定格流量をＲＰＶ１に注入する必要がある。ヘッドスプレイライン２５に水が流れ出してから一定時間、ベントライン止め弁１２を開としておき、ベントライン１１内に水を通水する。

水がベントライン止め弁１２に到達するまでの時間に十分に余裕を持ちベントライン止め弁１２を閉じる。これによりヘッドスプレイライン３のベント分岐部からベントライン止め弁１２までの配管内に閉塞された飽和蒸気がなくなり、急激な蒸気凝縮によるウォーターハンマーを回避することができる。

また、ベントライン止め弁１２の下流においても飽和蒸気の閉塞箇所がなければ、同様のウォーターハンマーは発生しない。原子炉隔離時冷却系に要求される起動信号から定格流量到達までの時間以内に、ベントライン止め弁１２を全閉して、バイパス流形成を回避すれば、原子炉隔離時冷却系の機能要求を満足することができる。

本第５の実施形態によれば、蒸気凝縮ウォーターハンマーにより系へ過大圧力がかかる可能性を回避しつつ、原子炉隔離時のＲＰＶ１への冷却水供給機能、及びプラント通常運転中の非凝縮性ガス排出機能を満たした安全性及び信頼性の高い原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムを提供することができる。

（第６の実施形態）
本第６の実施形態に係るヘッドスプレイシステムを図１０及び図１１により説明する。
本実施形態は、原子炉隔離時冷却系ポンプ吐出ライン２５上の注入弁２６のリミットスイッチ３１の信号に基づいてヘッドスプレイ止め弁１２に閉信号を送ることを特徴とする。図１１に示す通り、注入弁２６がある開度以上となり、リミットスイッチが作動した後、一定時間経過後にベントライン止め弁１２を閉とする。

なお、図１２、図１３に示すように、リミットスイッチを注入弁２６に設けるかわりに逆止弁２８に設けてもよく、その際、逆止弁２８がある開度以上となってリミットスイッチが作動した後、一定時間経過後にベントライン止め弁１２を閉とする。
さらに、図１４、図１５に示すように、流量計２９の流量信号３３に基づいて、ベントライン止め弁１２へ閉信号を送信してもよい。

このように本実施形態では、注入弁２６又は逆止弁２８のリミットスイッチ３１又は流量信号３３の信号に基づいてベントライン止め弁１２を閉とするもので、ウォーターハンマーを確実に回避することができる。

（第７の実施形態）
本第７の実施形態に係るヘッドスプレイシステムを図１６により説明する。
本実施形態は、原子炉隔離時冷却系ポンプ吐出ライン２５上の流量計２９の流量信号３３、注入弁２６の開閉状態を中央操作室へ送信し表示することを特徴とする。

本実施形態では、操作員が中央操作室で流量計２９の流量信号３３、注入弁２６の開閉状態を表示装置により確認し、ヘッドスプレイライン１１に水が流れているのを確認した後、一定時間経過後に中央操作室からベントライン止め弁１２を閉操作する。
これにより、ベントライン１１内の蒸気凝縮によるウォーターハンマーを回避することができる。

このように、原子炉隔離時冷却系に要求される起動信号から定格流量到達までの時間以内に、ベントライン止め弁１２を全閉して、バイパス流形成を回避すれば、原子炉隔離時冷却系の機能要求を満足することができる。

１…原子炉圧力容器、２…原子炉格納容器、３…ヘッドスプレイライン、４…逆止弁、５…隔離弁、５ａ…原子炉格納容器内側隔離弁、５ｂ…原子炉格納容器外側隔離弁、６…流量調整弁、７…流量計、８…スプレイノズル、９…ポンプ、１０…ポンプ吐出ライン、１１…ベントライン、１２…ベントライン止め弁、１６…原子炉圧力容器内気相部、１７…炉心、１８…原子炉圧力容器内液相部。

Claims

原子炉停止時に冷却水を原子炉圧力容器に供給するヘッドスプレイラインと、前記ヘッドスプレイラインに設けられた逆止弁と、前記ヘッドスプレイラインに接続され非凝縮性ガスを排出するベントラインと、前記ベントラインに設けられ運転時は開状態となるベントライン止め弁と、を備える原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステムにおいて、
前記ヘッドスプレイラインに前記冷却水が供給されたことを検出した後、一定時間後にベントライン止め弁を閉とするインターロック機構を備えることを特徴とする原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステム。
前記インターロック機構は前記逆止弁が所定の開度以上となってから一定時間経過後に前記ベントライン止め弁を閉とすることを特徴とする請求項１記載の原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステム。
前記ヘッドスプレイラインに前記逆止弁の外に複数の弁が設けられ、前記インターロック機構は前記複数の弁のうち少なくとも一つが所定の開度以上となってから一定時間経過後に前記ベントライン止め弁を閉とすることを特徴とする請求項１記載の原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステム。
前記ヘッドスプレイラインに流量計が設けられ、前記インターロック機構は前記流量計の計測値が所定の値以上となってから一定時間経過後に前記ベントライン止め弁を閉とすることを特徴とする請求項１記載の原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステム。
中央操作室に前記複数の弁の開閉状態又は前記流量計の流量信号を表示する表示装置を設け、前記インターロック機構はヘッドスプレイラインに前記冷却水が供給されたことを前記表示装置により確認した後、一定時間後にベントライン止め弁を閉とすることを特徴とする請求項３又は４記載の原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステム。
前記ヘッドスプレイラインに原子炉隔離時冷却系が接続され、前記インターロック機構は前記原子炉隔離時冷却系の起動信号から一定時間経過後に前記ベントライン止め弁を閉とすることを特徴とする請求項１記載の原子炉圧力容器ヘッドスプレイシステム。