JP5297962B2

JP5297962B2 - 沸騰水型原子炉

Info

Publication number: JP5297962B2
Application number: JP2009221818A
Authority: JP
Inventors: 直行石田; 智彦池側; 拓至永吉
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-09-28
Also published as: JP2011069752A

Description

本発明は、沸騰水型原子炉に関する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、炉心で発生させた蒸気を気水分離器および蒸気乾燥器で湿分を取り除き、タービンへ蒸気を送っている。また、気水分離器周囲を円筒状のドライヤスカートで取り囲み、気水分離器から排出された蒸気はすべてドライヤを通過する。

このＢＷＲでは、原子炉内水位がドライヤスカート位置に形成されている。原子炉運転中はドライヤスカート外の水位を計測して制御しており、異常な水位の上昇や低下が起きると原子炉をスクラムするようになっている。

水位は、液単相の水頭圧を測定して算出している。この測定領域に蒸気が混入すると正確な水位が算出できなくなる。そのため、気水分離器から排出された蒸気が水位測定領域に漏れ出さないようにドライヤスカートで仕切っている。ドライヤスカート内外では、ドライヤの圧力損失分だけ水位差があり、ドライヤスカートの鉛直方向長さを決定するのにこの水位差も考慮している。特許文献１にドライヤスカートの例を示す。

特開２００５−２３３８６６号公報

原子炉の出力を向上させると、蒸気流量が増加するため、ドライヤでの圧力損失が増加し、ドライヤスカート内外の水位差が増加する。原子炉水位は、ドライヤスカート外の液単相の水頭圧で測定している。そのため、ドライヤスカート内水位はドライヤスカート下端よりも低下しない範囲に出力向上幅が制限される。また、蒸気が漏れださないようにドライヤスカートを下方に伸ばすと、気水分離器から排出された冷却水が流れる流路を狭めて流動抵抗が増加するので、炉心流量が低下する可能性があった。従って、ドライヤスカートの長さを変えずに、出力向上幅を拡大する必要があった。

また、蒸気流量が増加すると、ドライヤスカートにかかる応力も増加するという課題もあった。

そこで、本発明は、ドライヤスカートを補強し、かつ、出力向上幅を拡大することを目的とする。

本発明は、蒸気に混入した水分を分離する気水分離器と、前記気水分離器の上部に設けられた蒸気乾燥機と、前記蒸気乾燥機の下部に接続され、前記気水分離器の外周側を円筒状に囲むドライヤスカートとを備え、前記ドライヤスカートは、前記ドライヤスカートの内外を連通させる連通穴と、前記連通穴を覆うとともに、前記連通穴から流出した蒸気が前記連通穴よりも上方向に逃げ、前記蒸気を放出する開口部を有したカバーを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ドライヤスカートを補強し、かつ、出力向上幅を拡大することができる。

実施例１のドライヤを示した断面図である。沸騰水型原子炉の内部構造物を示した縦断面図である。図２の上部を拡大した図である。実施例１のドライヤを示した断面図である。ドライヤを下方斜めから見た図である。実施例２のドライヤを示した断面図である。ドライヤを適用した沸騰水型原子炉の上面図である。実施例３のドライヤを示した断面図である。実施例３の排水管を示した断面図である。

本発明の実施例を以下に説明する。

本実施例のドライヤの構造を説明する前に、このドライヤが適用される沸騰水型原子炉の概略の構造を、図２を用いて以下に説明する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）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。原子炉圧力容器は、以下、ＲＰＶと称する。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４及び蒸気乾燥器５がＲＰＶ１内で炉心２の上方に配置される。複数のジェットポンプ１１が、ＲＰＶ１と炉心シュラウド３の間に形成された環状のダウンカマ６内に配置される。ＲＰＶ１に設けられる再循環系は、再循環系配管７及び再循環系配管７に設置された再循環ポンプ８を有する。再循環系配管７の一端はダウンカマ６に連絡される。再循環系配管７の他端は、ダウンカマ６内に配置されたライザ管１２の下端に接続される。

ＲＰＶ１内の上部に存在する冷却水は、給水配管２８からＲＰＶ１に供給された給水と混合されてダウンカマ６内を下降する。この冷却水の一部は、再循環ポンプ８の駆動によって再循環系配管７内に吸引され、再循環ポンプ８によって昇圧される。この昇圧された冷却水を、ジェットポンプ１１から噴出し、ジェットポンプ周囲の流体を吸い込みながら、冷却水を炉心２に送っている。冷却水３４は、下部プレナム２９を経て炉心２に供給される。冷却水３４は、炉心２を通過する際に加熱されて水及び蒸気を含む気液二相流となる。気水分離器４は気液二相流を蒸気と水に分離する。蒸気乾燥器５は気水分離器４の上部に設けられ、分離された蒸気は更に蒸気乾燥器（以下、「ドライヤ」という）５で湿分を除去されて主蒸気配管２７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。蒸気タービンに連結された発電機が回転し、発電が行われる。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。この凝縮水は、給水として給水配管２８によりＲＰＶ１内に供給される。気水分離器４及びドライヤ５で分離された水は、落下して冷却水としてダウンカマ６内に達する。

図３に示すように、沸騰水型原子炉では、圧力容器内に原子炉水位３１が存在し、通常、気水分離器４の第一バレル排水路出口４１の上方に原子炉水位３１が設定される。気水分離器４から排出された蒸気がドライヤ５を通過せずに主蒸気配管２７に流れ込むのを防ぐため、気水分離器４の外周側を円筒状に取り囲むようにドライヤスカート９が設置される。ドライヤスカート９を設置することにより、気水分離器４から排出された蒸気はすべてドライヤ５を通過して湿分を取り除かれ主蒸気配管２７からタービンへと送られる。このように、気水分離器４の周囲がドライヤスカート９で完全に取り囲まれているため、ドライヤスカート内の圧力は、ドライヤスカート外の圧力よりもドライヤ５の圧力損失分だけ高くなっている。このため、この圧力損失分に相当する水位差がドライヤスカート内外に生じる。

ドライヤスカート外の水位（以下、原子炉水位という）３１は制御されており、液単相の水頭圧により計測されている。もし異常が発生し、原子炉水位３１が設定された上限または下限を逸脱する場合には、スクラムされて原子炉は安全に停止される。原子炉水位３１が異常に低下して、ドライヤスカート下端９１から蒸気が漏れ出すと、液単相の水頭圧で計測している原子炉水位３１が正確に計測できなくなる。このため、先述したドライヤスカート内外の水位差も考慮して、異常時にドライヤスカート下端９１から蒸気が漏れ出さないように下限水位が設定される。

出力を向上する場合、蒸気流量が増加するのでドライヤ５の圧力損失が大きくなる。圧力損失が大きくなった分、ドライヤスカート内外の水位差は拡大する。この拡大幅が大きい場合に原子炉水位３１が下限水位近くになると、ドライヤスカート内水位３２がドライヤスカート下端９１を下回り蒸気が漏れ出す可能性がある。このため、出力向上幅が制限される。これを回避するために下限水位の設定値を上げることも考えられる。但し、水位制御幅が縮小する。また、原子炉水位が低下することで原子炉がスクラムされる可能性も増加する。

出力向上時に従来の水位下限値で運転するには、原子炉水位３１が異常に低下してもドライヤスカート下端９１から蒸気が漏れ出さないようにすればよい。蒸気が漏れ出さないように、ドライヤスカート９を下に伸ばす方法もある。但し、気水分離器４から排出された冷却水の流路を狭めて圧力損失を増やし、炉心流量を低下させる要因となりうる。

また、蒸気流量の増加によりドライヤにかかる応力は増加するので、信頼性を確保するためドライヤスカート９を補強するのが好ましい。

そこで本実施例では、異常に原子炉水位３１が低下した場合に、ドライヤスカート内水位３２がドライヤスカート下端９１を下回らないようなドライヤ構造とした。以下、本実施例のドライヤの構造を説明する。

図１，図４は、ドライヤスカートの断面図を示す。図４は原子炉水位が通常時の場合を示し、図１は原子炉水位が大きく低下している場合を示す。

図４に示すように、ドライヤスカート９の下部にドライヤスカート内外を連通させる連通穴９２を設けている。この連通穴９２は周方向に複数設けられている（図５）。ドライヤスカート９の外側には、連通穴９２を覆い鉛直上方に伸びるカバー９３を取り付けている。このカバーの開口部９４は、ドライヤスカート内水位３２が連通穴９２の位置まで低下したときに、ドライヤスカート外蒸気空間５１に露出する位置に設けている。通常時には、カバーの開口部９４はドライヤスカート外蒸気空間５１に露出している必要はない。

図１に示すように原子炉水位３１が異常に低下すると、ドライヤ５の圧力損失が変化しなければ、ドライヤスカート内外の水位差Ｈ０は保持される。そのため、連通穴９２がない場合、ドライヤスカート内水位が３２ａの位置まで低下し、ドライヤスカート下端９１から蒸気が漏れ出す可能性がある。連通穴９２を設けた場合、ドライヤスカート内水位３２が連通穴９２の位置に到達し、開口部９４もドライヤスカート外蒸気空間５１に露出する。そして、ドライヤスカート内蒸気空間５２とドライヤスカート外蒸気空間５１が連結されるので、ドライヤスカート内の蒸気の一部はカバー９３の流路９５を通して連通穴よりも上方向に逃げ、ドライヤスカート外蒸気空間５１へ放出される。ドライヤスカート９の中から外へ蒸気が流れる流路面積が増えるため、ドライヤスカート内の圧力が低下し、ドライヤスカート内外の水位差がＨ０からＨ１まで小さくなる。このため、出力を向上してドライヤスカート内外の水位差が大きくなっている場合でも、ドライヤスカート内水位が連通穴９２に到達した時点で水位差を小さくすることができる。そのため、従来の下限水位まで原子炉水位３１が低下してもドライヤスカート下端９１から蒸気が漏れ出すことはない。このため、原子炉水位３１の下限値を上げたり、ドライヤスカート９を長くしたりする必要がなく、出力向上幅を拡大できる。

カバー９３は各連通穴９１ａ，９１ｂ，９１ｃ，９１ｄにそれぞれ取り付けてもよいが、図５のように複数の連通穴９１に対して一つの大きいカバー９３を取り付けてもよい。この場合、部品点数を削減できるため、コストを低減することができる。

図７は、図１のＡＡ断面図を示す。沸騰水型原子炉において、４本の主蒸気配管２７は周方向に等間隔で配置されておらず、９０°および２７０°の方向に各２本ずつ集中して配置されている（図７において、主蒸気配管２７ａと２７ｃの中間を０°と規定し、時計回りに角度を規定する）。ドライヤスカート内の蒸気が連通穴９２を通過するときに、蒸気がドライヤスカート内水面３２から液滴を捕捉してドライヤスカート外蒸気空間５１に流れ、その液滴を伴ったまま主蒸気配管２７を通ってタービンへ流れ込む可能性がある。湿分が多いと、主蒸気配管２７やタービンの腐食等の問題を引き起こす可能性があるため、過度の湿分は好ましくない。そこで、連通穴９２の位置を主蒸気配管２７から離れた図７の０°および１８０°の位置を中心に配置している。この配置により、連通穴９２から主蒸気配管２７の入口までに距離があるため、蒸気内の液滴は重力の作用で落下し、タービンへ送られる液滴量を低減することができる。

また、ドライヤスカート外側に取り付けたカバー９３はドライヤスカート９の補強にもなり、ドライヤの信頼性を向上させることができる。なお、カバー９３をドライヤスカート９に取り付ける際、周方向の途中に一つないしは複数の補強板９９を設置すると強度が向上する。

このように、本実施例のドライヤスカートは、ドライヤスカートの内外を連通させる連通穴と、その連通穴を覆うとともに、連通穴から流出した蒸気が連通穴よりも上方向に逃げ、蒸気を放出する開口部を有したカバーを備えることにより、ドライヤスカートを補強し、かつ、出力向上幅を拡大することができる。

図６を用いて実施例２を説明する。本実施例が実施例１と異なるのは、カバー９３の開口部９４をＬ字型部材９６で覆っていることである。このＬ字型部材９６には以下の効果がある。

連通穴９２を通ってカバー９３に流入する蒸気は、気水分離器４から排出された蒸気である。この蒸気はドライヤ５を通過した蒸気よりも湿分が多い。また、ドライヤスカート内の蒸気が連通穴９２に進入する際に、ドライヤスカート内の液面を乱して液滴を捕捉する可能性がある。連通穴９２を通過する蒸気量が多くなりタービンへ運ばれる湿分が多くなると、主蒸気配管２７やタービンの腐食等の問題が発生する。

そこで、開口部９４をＬ字型部材９６で覆うことにより、蒸気流２１はＬ字型部材９６のところで大きく曲げられる。蒸気中に含まれる液滴は、蒸気との密度差による遠心分離作用でＬ字型部材９６に衝突し、Ｌ字型部材９６の内側表面に液膜３３を形成する。この液膜３３は、蒸気流２１によって外側に流され、ドライヤスカート外の液面に落下する。このとき、液膜３３は蒸気流２１の中を落下することになる。なお、Ｌ字型部材９６で液膜３３を形成させて大きな塊としているので、蒸気流２１に再び捕捉されてタービンに運ばれる液量の割合は、Ｌ字型部材を設けない場合よりも低減する。

Ｌ字型部材９６を取り付けたことにより、連通穴９２からドライヤスカート外蒸気空間５１までの流路抵抗が増えて圧力損失が増加する。そのため、ドライヤスカート内外の水位差Ｈ２は実施例１の水位差Ｈ１と比較すると若干大きくなるが、連通穴９２を設けない場合の水位差Ｈ０と比較すると小さくすることができる。

図８および図９を用いて実施例３を説明する。本実施例が実施例２と異なる点は、開口部９４を覆っているＬ字型部材９６の終端に液膜３３を集めて排出するドレン用溝９７を設けたことである。このドレン用溝９７は、Ｌ字型部材９６の周方向終端まで伸びている。そして、Ｌ字型部材９６の周方向終端部に液膜３３の排出管９８が設けられている（図９）。このドレン用溝９７には以下の効果がある。

実施例２で説明したように、割合はわずかであるが、Ｌ字型部材９６から落下する液膜３３が蒸気流２１に再び捕捉されてタービンへ運ばれる。また、カバー９３を通過する蒸気量が増加すると、ドライヤスカート内の液面から捕捉される液滴が増加し、液膜３３の絶対量が増えて湿分が過剰になる可能性がある。

そこで本実施例では、Ｌ字型部材９６の終端にドレン用溝９７を設けて、Ｌ字型部材９６に形成された液膜３３をこのドレン用溝９７に集める。集めた液膜３３は、Ｌ字型部材９６の周方向終端部に設けた排水管９８へ供給し、液膜３３をドライヤスカート外の液面に戻している。Ｌ字型部材９６で集められた液膜３３を開口部９４から排出された蒸気流２１の中を通過させずにドライヤスカート外の液面に戻すことができるため、液膜３３が再び蒸気流２１に捕捉されてタービンへ送られることを防ぐことができる。

Ｌ字型部材９６にドレン用溝９７を取り付けたことにより、連通穴９２からドライヤスカート外蒸気空間５１までの流路抵抗が増えて圧力損失が増加し、ドライヤスカート内外の水位差Ｈ３は実施例２の水位差Ｈ２と比較すると若干大きくなる。但し、連通穴９２を設けない場合の水位差Ｈ０と比較して、水位差を小さくすることができる。

本発明は、沸騰水型原子炉に適用可能である。

１原子炉圧力容器
２炉心
３炉心シュラウド
４気水分離器
５蒸気乾燥器（ドライヤ）
６ダウンカマ
７再循環系配管
８再循環ポンプ
９ドライヤスカート
１１ジェットポンプ
１２ライザ管
２１蒸気流
２７，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ主蒸気配管
２８給水配管
２９下部プレナム
３１原子炉水位
３２，３２ａドライヤスカート内水位
３３液膜
３４冷却水
４１第一バレル排水路出口
５１ドライヤスカート外蒸気空間
５２ドライヤスカート内蒸気空間
９１ドライヤスカート下端
９２，９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ連通穴
９３，９３ａ，９３ｂカバー
９４開口部
９５流路
９６Ｌ字型部材
９７ドレン用溝
９８排水管
９９ａ，９９ｂ補強板

Claims

蒸気に混入した水分を分離する気水分離器と、
前記気水分離器の上部に設けられた蒸気乾燥機と、
前記蒸気乾燥機の下部に接続され、前記気水分離器の外周側を円筒状に囲むドライヤスカートとを備え、
前記ドライヤスカートは、
前記ドライヤスカートの内外を連通させる連通穴と、
前記連通穴を覆うとともに、前記連通穴から流出した蒸気が前記連通穴よりも上方向に逃げ、前記蒸気を放出する開口部を有したカバーを備えることを特徴とする沸騰水型原子炉。
請求項１に記載の沸騰水型原子炉において、前記連通穴が前記円筒状部材の周方向に複数有することを特徴とする沸騰水型原子炉。
請求項１または請求項２に記載の沸騰水型原子炉において、前記開口部をＬ字型部材で覆うことを特徴とする沸騰水型原子炉。
請求項３に記載の沸騰水型原子炉において、前記Ｌ字型部材の終端に液膜を回収するドレン用溝を形成していることを特徴とする沸騰水型原子炉。
請求項４に記載の沸騰水型原子炉において、前記Ｌ字型部材の周方向終端に前記ドレン用溝と連通した排水管を有することを特徴とする沸騰水型原子炉。
請求項１から請求項５に記載の沸騰水型原子炉において、前記連通穴が周方向に主蒸気配管から最も遠い位置を中心に配置されていることを特徴とする沸騰水型原子炉。