JP5641750B2 - 沸騰水型原子炉のジェットポンプの支持構造 - Google Patents

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の冷却材循環に用いられるジェットポンプの支持構造に関する。

沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器内部の冷却材を強制循環させ冷却効率を高めるほか、原子炉圧力容器内部への冷却材供給流量を調節していわゆる自己制御性を利用した出力制御を行う原子炉冷却材再循環系を備えている。

原子炉冷却材再循環系としては、原子炉圧力容器外部で冷却材ループを形成し、原子炉圧力容器から冷却材を取り出し昇圧した後、原子炉圧力容器内側に設けられるジェットポンプに冷却材を供給する外部循環方式が広く用いられている。ジェットポンプは、供給を受けた冷却材を駆動力とし、原子炉圧力容器内においてダウンカマ部での周辺冷却材の吸い込みと下部プレナムでのジェット噴出により冷却材強制流動を生じせしめ、冷却材の持つ熱除去能を高める役割を担っている。

このジェットポンプの支持構造として、シュラウドサポートプレートなどの原子炉構造体のほか、レストレントブラケット等の専用の固定具を用いてジェットポンプを原子炉圧力容器に堅く支持するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。

ところで、沸騰水型原子炉では、原子炉運転中にジェットポンプを流れる冷却材の流量を計測し、この冷却材の流量を制御指標とした原子炉出力制御が行われている。この原子炉出力制御では、ディフューザ管にジェットポンプ流量計測配管を取り付け、原子炉運転中にディフューザ管の所定位置における静水圧差を計測することにより行われる。このジェットポンプ流量計測配管の支持構造としては、ジェットポンプ流量計測配管の胴部を配管継手に溶着するようにしたものが知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−８５７９３号公報

最近の研究により、ステンレス鋼等の材料表面にて残留応力が引張の状態にあると、材料表層の微細な割れが応力腐食割れの主因になり得ることが分かっている。

ジェットポンプは、原子炉冷却材再循環系の一部を担い圧送冷却材の流路を形成しており、絶えず大きく振動すると共にインレットミキサのエルボ付近では冷却材反転により上向きの大きな力が作用する。従来のジェットポンプ支持構造では、ディフューザ管の噴出口を原子炉圧力容器のシュラウドサポートプレートに溶着させる構造を採用しているため、このメカニズムに基づく溶着部周辺の応力腐食割れが懸念される。

かかる応力腐食割れを抑止するためには、何らかの方法により材料表面の残留応力を引張側から圧縮側に改変することが有効策の１つとして考えられる。しかしながら、ジェットポンプを取り付ける際或いは取り付けた後において、材料表面の残留応力を圧縮側へと改善する施工の実施に困難性を伴い、さらに、放射線環境下で長時間作業を行なわなければならない問題となる。

また、別の問題として、従来のジェットポンプ支持構造では、レストレントブラケットを用いてインレットミキサ管とライザ管とを互いに連結することでジェットポンプ全体の支持能力を補助している。しかしながら、このレストレントブラケットにおいて、インレットミキサ管とライザ管とを連結するためのウェッジおよび調整用ねじは、インレットミキサ管等の振動によりその表面にて繰り返し摺動するために摩耗する。この磨耗が進行していくと、レストレントブラケットが持つジェットポンプの全体支持能力が喪失してジェットポンプが破損するおそれもある。また、ジェットポンプの破損を補修するに際して、放射線環境下で長時間作業を必要とする問題も生じる。

また、別の問題として、シュラウドサポートプレートは、ジェットポンプのディフューザ管から噴出される冷却材と接触する部分では他の部分に比べてエロージョンが生じやすい。シュラウドサポートプレートにおいてエロージョンに基づく局所的な磨耗などが進行すると、ジェットポンプの支持能力が低下するおそれがある。また、エロージョンによるシュラウドサポートプレートの補修に際して、放射線環境下で長時間作業を必要とする問題も生じる。

また、別の問題として、従来のジェットポンプ流量計測配管の支持構造は、ジェットポンプ流量計測配管の胴部と配管継手とが溶着される方式であるため、ジェットポンプ流量計測配管と配管継手との連結部分に形状の不連続が伴う。この形状の不連続は、連結部分における応力腐食割れを誘起しやすいものであり、応力腐食割れにより配管継手が持つジェットポンプ流量計測配管の支持能力が喪失すれば、原子炉出力制御に支障を来たす。また、このジェットポンプ流量計測配管の支持構造の補修に際して、放射線環境下で長時間作業を必要とする問題も生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、材料表面の残留応力を圧縮側へと改変する施工を行うことなく、残留応力に起因する応力腐食割れの発生を低減できるジェットポンプの支持構造を提供することを第１の目的とする。

また、ウェッジおよび調整用ウェッジが磨耗することで生じるインレットミキサ管−ライザ管の連結能力低下が解消されるレストレントブラケットを用いたジェットポンプの支持構造を提供することを第２の目的とする。

また、ジェットポンプのディフューザ管から噴出される冷却材によるエロージョンが生じにくいシュラウドサポートプレートを備えたジェットポンプの支持構造を提供することを第３の目的とする。

また、ジェットポンプ流量計測配管と配管継手との連結部における応力の集中が抑えられ、ジェットポンプ流量計測配管の支持能力が長期間維持されるジェットポンプ流量計測配管を備えたジェットポンプの支持構造を提供することを第４の目的とする。

上述した第１の目的を達成するため、本発明に係るジェットポンプの支持構造では、沸騰水型原子炉の原子炉冷却材再循環系を構成し、冷却材を上昇させるライザ管と、上昇した冷却材を下方に反転させると共にこの冷却材の降下流を駆動力として周囲の冷却材を巻き込むインレットミキサ管と、このインレットミキサ管を降下する冷却材を原子炉圧力容器内部で噴出するディフューザ管とを有するジェットポンプの支持構造において、前記ディフューザ管の開口端を原子炉圧力容器のシュラウドサポートプレートに溶接により固定したディフューザ管溶着部と、前記ディフューザ管溶着部と一体的に構成され、このディフューザ管溶着部に引張方向の残留応力が生じないように肉盛溶接した応力腐食割れ緩和部と、を備え、前記応力腐食割れ緩和部は、溶接に必要となる接合用の溶接金属と前記シュラウドサポートプレートの一部を溶接金属で構成し、この溶接金属は、シュラウドサポートプレートとディフューザ管との溶接に際して設けられる溶接開先よりも広い範囲に設けられることを特徴とする。

また、第２の目的を達成するため、本発明に係るジェットポンプの支持構造では、一側でライザ管を保持し他側でインレットミキサ管を取り囲み、インレットミキサ管とライザ管とを連結するレストレントブラケットと、前記レストレントブラケットとインレットミキサ管とで形成される隙間に挟み込まれてレストレントブラケットとインレットミキサ管の相対的な位置ずれを制限し、その隙間が拡大したときは、隙間のサイズに応じて自重で摺動降下するよう配置されたクサビ状ウェッジと、を備えることを特徴とする。

また、第３の目的を達成するため、本発明に係るジェットポンプの支持構造では、前記シュラウドサポートプレートは、前記原子炉圧力容器内部に設けられて炉心部およびジェットポンプを支持する一方、前記シュラウドサポートプレートは、前記ディフューザ管から噴出される冷却材が直接的に接触する部分が、前記シュラウドサポートプレートのその他の部分よりも高硬度の金属により構成したことを特徴とする。

また、第４の目的を達成するため、本発明に係るジェットポンプの支持構造では、沸騰水型原子炉のジェットポンプから冷却水を流量計へ案内するジェットポンプ流量計測配管を、そのジェットポンプに配管継手を介して取り付け、前記配管継手とジェットポンプ流量計測配管との突き合わせ連結部をジェットポンプ流量計測配管の長手方向に沿って外表面が面一となるように形状設定したことを特徴とする。

本発明によれば、第１に、材料表面の残留応力を圧縮側へと改変する施工を行うことなく、残留応力に起因する応力腐食割れの発生を低減できるジェットポンプの支持構造が実現される。

第２に、ウェッジおよび調整用ウェッジが磨耗することで生じるインレットミキサ管−ライザ管の連結能力低下が解消されるレストレントブラケットを用いたジェットポンプの支持構造が実現される。

第３に、ジェットポンプのディフューザ管から噴出される冷却材によるエロージョンが生じにくいシュラウドサポートプレートを備えたジェットポンプの支持構造が実現される。

第４に、ジェットポンプ流量計測配管と配管継手との連結部における応力の集中が抑えられ、ジェットポンプ流量計測配管の支持能力が長期間維持されるジェットポンプ流量計測配管を備えたジェットポンプの支持構造が実現される。

沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内部でのジェットポンプの支持構造を示す図。 図１に示すジェットポンプの支持構造の下部を示す拡大断面図。 図１に示すジェットポンプの支持構造の途中部を示す拡大俯瞰図。 図１に示すシュラウドサポートプレートの拡大断面図。 ジェットポンプ流量計測配管のジェットポンプ支持構造の拡大図。

本発明に係る沸騰水型原子炉のジェットポンプの支持構造の実施形態を、添付図面を参照して説明する。

図１は沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器を一部断面で示す斜視図であり、ジェットポンプの支持構造を示す図である。

ジェットポンプ１０は、原子炉圧力容器２１とシュラウド２２との間に形成される環状のダウンカマ２３に配置される。このジェットポンプ１０は、２０基程度設けられるのが一般的である。

ジェットポンプ１０は、再循環ポンプの作動により再循環系配管（図示省略）を圧送されてくる冷却材を再循環入口ノズル２４から取り込み、取り込んだ冷却材を上昇させるライザ管１１と、このライザ管１１に連結されてライザ管１１を上昇した冷却材を２方向に分岐させると共に下方に反転させるエルボ１２ａと、このエルボ１２ａで反転して降下する冷却材の流れを駆動力として周辺の冷却材を巻き込む混合ノズル１２ｂ、この混合ノズル１２ｂから冷却材を受け取り下方へと導くインレットミキサ管１２ｃ（以下、エルボ１２ａ、混合ノズル１２ｂおよびインレットミキサ管１２ｃを、総じてインレットミキサ１２と称す。）および冷却材を原子炉圧力容器２１内部の下部プレナム２５にジェット噴出するディフューザ管１３を用いて構成される。

ジェットポンプ１０は、原子炉冷却材再循環系を圧送されてくる冷却材が導入されるため、絶えず大きく振動すると共にインレットミキサ１２のエルボ１２ａ付近では冷却材反転により上向きの大きな荷重が作用する。このため、ジェットポンプ１０は、シュラウドサポートプレート２６などの原子炉構造体のほか、ライザブレース２７、トラジションピース２８など専用の固定具を用いて原子炉圧力容器２１に支持されるほか、本発明に係る第一のジェットポンプ支持構造Ａ、第二のジェットポンプ支持構造Ｂを用いて原子炉圧力容器２１に支持される。

また、ディフューザ管１３の冷却材噴出による構造材料のエロージョン低減を図るため、シュラウドサポートプレート２６に表面処理部Ｃが設けられ、さらに、ジェットポンプ流量計測配管２９の取り付け健全性を維持するため、ジェットポンプ流量計測配管２９の支持構造Ｄが設けられる。

［第一のジェットポンプ支持構造］
図２は図１に示す第一のジェットポンプ支持構造Ａの拡大断面図（原子炉圧力容器縦断面視）である。

第一のジェットポンプ支持構造Ａは、ディフューザ管溶着部Ａ１と、応力腐食割れ緩和部Ａ２とを備える。

ディフューザ管溶着部Ａ１は、ディフューザ管１３の開口端面とシュラウドサポートプレート２６の開口縁との溶接による接合部から成る。

応力腐食割れ緩和部Ａ２は、ディフューザ管溶着部Ａ１と一体的に構成されるものであり、ディフューザ管溶着部Ａ１に引張方向の残留応力が生じないように肉盛された溶接金属から成る。

応力腐食割れ緩和部Ａ２を成す溶接金属は、溶接に必要となる接合用の溶接金属のほか、あらかじめシュラウドサポートプレート２６の一部を溶接金属で構成して設けられる。

また、溶接金属は、ディフューザ管１３やシュラウドサポートプレート２６の振動によりシュラウドサポートプレート２６の材料表面に引張方向の残留応力が生じる範囲よりも広い範囲に設けられる。さらに、この溶接金属は、シュラウドサポートプレート２６とディフューザ管１３との溶接に際して設けられる溶接開先Ｐよりも広い範囲に設けられる。なお、符号Ｑは、原子炉圧力容器２１とシュラウドサポートプレート２６との溶接部である。

（効果）
ディフューザ管１３やシュラウドサポートプレート２６などの材料表面の残留応力を圧縮側へと改変する施工を行うことなく、この残留応力に起因する応力腐食割れの発生を低減できるジェットポンプ支持構造を実現できる。

［第二のジェットポンプ支持構造］
図３は図２に示す第二のジェットポンプ支持構造Ｂの拡大俯瞰図である。

第二のジェットポンプ支持構造Ｂは、レストレントブラケット４１と、ウェッジ４２および調整用ウェッジ４３（４３ａ、４３ｂ）とを備える。

レストレントブラケット４１は、一側がジェットポンプ１０のライザ管１１を保持し或いはライザ管１１に固定されるように構成され、他側でインレットミキサ１２のインレットミキサ管１２ｃを隙間をあけて取り囲むように構成される。

ウェッジ４２および調整用ウェッジ４３は、いずれもインレットミキサ１２のインレットミキサ管１２ｃに設けられる。

ウェッジ４２および調整用ウェッジ４３は、インレットミキサ管１２ｃ或いはレストレントブラケット４１の振動により、このインレットミキサ管１２ｃとレストレントブラケット４１とで形成される隙間が拡大したとき、その隙間のサイズに応じてウェッジ４２または調整用ウェッジ４３が自重により摺動降下するよう配置される。

ウェッジ４２および調整用ウェッジ４３は、少なくともレストレントブラケット４１或いはインレットミキサ管１２ｃとの摺動面が、コバルトを含有しない溶接可能な金属により構成される。

（効果）
上記した構成によりウェッジおよび調整用ウェッジが磨耗することで生じるインレットミキサ管−ライザ管の連結能力低下が解消されるジェットポンプ支持構造を実現できる。

また、摺動磨耗によりウェッジ等の材料核種が冷却水へと移行し、その材料核種が炉心部で発生する中性子を受けて放射化することに起因する放射能増大を抑制できる。

［シュラウドサポートプレート］
図４は図１に示すシュラウドサポートプレートの拡大断面図である。

シュラウドサポートプレート２６は、原子炉圧力容器内部に設けられて炉心部およびジェットポンプ１０を支持する一方、シュラウドサポートプレート２６は、図４に示すように、開口がディフューザ管１３の噴出口１３ａと重なり合って位置してディフューザ管１３から噴出され、下部プレナム２５に案内される冷却材が直接的に接触する部分が、このシュラウドサポートプレート２６のその他の部分よりも高硬度の金属により構成される表面処理部Ｃを有する。なお、符号１３ｂは、ディフューザ管１３とシュラウドサポートプレート２６との溶着部である。

表面処理部Ｃは、例えば、シュラウドサポートプレート２６の開口壁のうち少なくとも中央よりも下方に位置する部分２６ａに設けられる。この表面処理部Ｃは、コバルトを含有しない金属であり且つ溶接可能な金属から成る。

（効果）
上記した構成によりジェットポンプ１０のディフューザ管１３から噴出される冷却材によるエロージョンが生じにくいシュラウドサポートプレート２６を実現できる。また、エロージョンが生じ、このエロージョンによりシュラウドサポートプレート２６の材料核種が冷却水へと移行し、その材料核種が炉心部で発生する中性子を受けて放射化することに起因する放射能増大を抑制できる。

［ジェットポンプ流量計測配管の支持構造］
図５は本発明に係るジェットポンプ流量計測配管の支持構造を示す図である。

図５に示すように、ジェットポンプ流量計測配管２９の支持構造Ｄは、突き合わせ連結（溶接）部Ｄ１と、面一部Ｄ２とを備える。

突き合わせ連結部Ｄ１は、ジェットポンプ１０のディフューザ管１３に固定される配管継手Ｄ１１を有し、この配管継手Ｄ１１はジェットポンプ流量計測配管２９を支持している。配管継手Ｄ１１の断面とジェットポンプ流量計測配管２９の断面とが突き合わせて接続（溶接）されることにより、外表面が面一に構成される。

面一部Ｄ２は、突き合わせ接続される連結部Ｄ１がジェットポンプ流量計測配管２９の長手方向に沿って形状不連続部がなく外表面が面一となるように形状設定され、構成される。すなわち、ジェットポンプ流量計測配管２９と配管継手Ｄ１１とが、差込みよる接続溶接に較べ、突き合せ接続される溶接部に形状の不連続がない状態で連結され、溶接部に発生する応力を低減することが可能となる。

なお、ジェットポンプ流量計測配管２９は、軸方向に適宜間隔をおいて、ディフューザ管１３に配管サポート（図示せず）により支持される。

（効果）
ジェットポンプ流量計測配管の支持構造Ｄは、その計測配管２９と配管継手Ｄ１１とが外観において言わば一体的ないし面一なものとなっており、ジェットポンプ１０等の振動に基づく応力が集中しにくくなる。その結果、ジェットポンプ流量計測配管２９と配管継手Ｄ１１との連結部（溶接部）における応力の集中が抑えられ、ジェットポンプ流量計測配管２９の支持能力が長期間維持される。ジェットポンプ流量計測配管２９は、配管継手Ｄ１１との間に形状不連続部がないため、溶接部に発生する応力を低減させ、破損の可能性を低減させ、信頼性の高いジェットポンプ流量計測配管２９が得られる。

１０……ジェットポンプ， １１……ライザ管， １２……インレットミキサ， １２ａ……エルボ， １２ｂ……混合ノズル， １２ｃ……インレットミキサ管， １３……ディフューザ管， １３ａ……ディフューザの噴出口， ２１……原子炉圧力容器， ２２……シュラウド， ２３……ダウンカマ， ２４……再循環入口ノズル， ２５……下部プレナム， ２６……シュラウドサポートプレート， ２６ａ……シュラウドサポートプレートの開口壁下部， ２７……ライザブレース， ２８……トランジションピース， ２９……ジェットポンプ流量計測配管， ４１……レストレントブラケット，４２……ウェッジ， ４３（４３ａ，４３ｂ）……調整用ウェッジ， Ａ……第一のジェットポンプ支持構造，Ａ１……ディフューザ管溶着部， Ａ２……応力腐食割れ緩和部， Ｂ……第二のジェットポンプ支持構造， Ｃ……表面処理部， Ｄ……ジェットポンプ流量計測配管の支持構造，Ｄ１……突き合わせ連結部， Ｄ２……面一形状部， Ｄ１１……配管継手， Ｐ……溶接開先，Ｑ……溶接部．

Claims (6)

1. 沸騰水型原子炉の原子炉冷却材再循環系を構成し、冷却材を上昇させるライザ管と、上昇した冷却材を下方に反転させると共にこの冷却材の降下流を駆動力として周囲の冷却材を巻き込むインレットミキサ管と、このインレットミキサ管を降下する冷却材を原子炉圧力容器内部で噴出するディフューザ管とを有するジェットポンプの支持構造において、
   前記ディフューザ管の開口端を原子炉圧力容器のシュラウドサポートプレートに溶接により固定したディフューザ管溶着部と、
   前記ディフューザ管溶着部と一体的に構成され、このディフューザ管溶着部に引張方向の残留応力が生じないように肉盛溶接した応力腐食割れ緩和部と、を備え、
   前記応力腐食割れ緩和部は、溶接に必要となる接合用の溶接金属と前記シュラウドサポートプレートの一部を溶接金属で構成し、この溶接金属は、シュラウドサポートプレートとディフューザ管との溶接に際して設けられる溶接開先よりも広い範囲に設けられることを特徴とするジェットポンプの支持構造。
2. 一側でライザ管を保持し他側でインレットミキサ管を取り囲み、インレットミキサ管とライザ管とを連結するレストレントブラケットと、
   前記レストレントブラケットとインレットミキサ管とで形成される隙間に挟み込まれてレストレントブラケットとインレットミキサ管の相対的な位置ずれを制限し、その隙間が拡大したときは、隙間のサイズに応じて自重で摺動降下するよう配置されたクサビ状ウェッジと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のジェットポンプの支持構造。
3. 前記クサビ状ウェッジは、少なくともレストレントブラケット或いはインレットミキサ管との摺動面をコバルトを含有しない溶接可能な金属としたことを特徴とする請求項２に記載のジェットポンプの支持構造。
4. 前記シュラウドサポートプレートは前記原子炉圧力容器内部に設けられて炉心部およびジェットポンプを支持する一方、
   前記シュラウドサポートプレートは、前記ディフューザ管から噴出される冷却材が直接的に接触する部分が、前記シュラウドサポートプレートのその他の部分よりも高硬度の金属により構成したことを特徴とする請求項１に記載のジェットポンプの支持構造。
5. 前記高硬度の金属は、コバルトを含有しない金属で構成したことを特徴とする請求項４に記載のジェットポンプの支持構造。
6. 沸騰水型原子炉のジェットポンプから冷却水を流量計へ案内するジェットポンプ流量計測配管を、前記ジェットポンプに配管継手を介して取り付け、
   前記配管継手とジェットポンプ流量計測配管との突き合わせ連結部をジェットポンプ流量計測配管の長手方向に沿って外表面が面一となるように形状設定したことを特徴とする請求項１に記載のジェットポンプの支持構造。

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