JP6452732B2 - 流量分配装置及び該装置を有する原子炉モジュール - Google Patents

Description

本発明は原子炉設備に関し、特に圧力容器内の冷却剤の分布を最適化する流量分配装置及び原子炉モジュールに関する。

核エネルギーの利用技術の成熟に伴い、原子力発電所の安全性が高まっており、原子力発電所の建設は国の発展への重要なエネルギー保障となっている。

一定数の燃料棒は一定間隔で配列され（例：１５×１５或いは１7×１7等）、束になるように固定され、原子炉用燃料アセンブリと呼ばれる。原子炉用燃料アセンブリは、主にノズル、上下ノズル、スペーサグリッド、案内管及び燃料棒からなる。通常、原子炉用燃料アセンブリの原子炉での耐用年数は３〜５年である。これは、原子炉用燃料アセンブリが中性子場に暴露されるため、高温、高圧、高流速の冷却剤により洗い流される必要があるとともに、核分裂生成物による化学的作用及び複雑な機械的負荷を受ける必要があるので、作動条件が過酷となるためである。

周知のように、原子炉内の連鎖反応により大量の人体に有害な放射性物質、例えば、ヨウ素１３１、セシウム１３7等が生成される場合がある。これらの放射性物質の漏れを防ぐために、原子炉の外に多層の保護層を設置し、該多層の保護層において、第一層はジルコニウム合金ケースであり、燃料棒における放射性物質と冷却剤との接触を避けるために、燃料棒の外側を一層のジルコニウム合金ケースにより包み、該ジルコニウム合金ケースは１２００℃の高温に耐えることができる。第二層は原子炉圧力容器であり、該原子炉圧力容器は原子炉炉心を収容するためのものであり、原子炉炉心が動作時に極めて大きい蒸気圧が生じるため、原子炉圧力容器は高強度の合金鋼で製造し、燃料棒のジルコニウム合金ケースに破損が生じた場合に、放射性物質が大量に漏出しないことを確保するという保護作用を有する。第三層はコンクリート安全ケースであり、原子炉圧力容器の外側を被覆し、その主な作用は、原子炉圧力容器が爆発又は破損した場合、大量の放射性物質、放射性廃水が外に漏出することを防止することである。なお、旧ソ連のチェルノブイリ原子力発電所の原子炉は、該安全ケースが設置されていないため、原子炉の爆発によりプラントが破裂され、大量の放射性塵埃がそのまま大気中に侵入し、周囲環境に長時期の核汚染に与えてしまった。

従って、燃料棒は原子炉炉心で制御可能な連鎖反応を発生し、大量の熱を生成し、この熱は冷却剤による転換により直接にタービン発電機を稼働させることにより、核エネルギーの利用を実現する。即ち、冷却剤は核分裂により放出するエネルギーを原子炉外のボイラ又はタービンに移転し、運動エネルギーを電気エネルギーに転換する担体である。冷却剤は、液体でもよく、ガスでもよく、輸送ポンプにより原子炉とボイラとの間を循環して輸送される。冷却剤は減速剤を兼ねても良い。

以上より、原子炉に多層の保護層を設置する目的は、原子炉は爆発等の事故が発生した場合に、原子炉内の放射性物質が大量に外に漏出しないことを確保することである。原子炉で爆発が発生しないことを確保するための重要な要素は、原子炉炉心内の連鎖反応の速度及び温度を制御することであるため、圧力容器における冷却剤の流量分配及び制御はとても重要で、発電効率及び原子炉全体の安全性に繋がる。例えば、Westinghouse CorporationのAP１０００の初期設計は、圧力容器内に流量分配スカートを設置することがなく、この場合に行われたCFD計算は、原子炉炉心の入口における流量分配が許容されないことを示す。そこで、Westinghouse Corporationは圧力容器内に流量分配スカート５０`（図１参照）を増設した。該流量分配スカート５０`は環状構造であり、いくつかの同径の小孔５１`が開設されている。この際、CFD計算を新たに行った。流量分配スカート５０`の有無に基づく炉心の流量分配状況を下表に示す。

上表から明らかなように、流量分配スカート５０`を増設することにより、流量分配はより均一になり、発電効率及び核反応の安全性をさらに向上させることができる。

図２に示すように、このような構造の流量分配スカート５０`は圧力容器１０`に取り付けられ、作動の際に、冷却剤が下側封止ヘッド１１`内で急速に流れる時、流量分配スカート５０`自体の構造上の設計欠陥及び支持部３２`の冷却剤への阻止により、冷却剤は下側封止ヘッド内で強い渦が発生し、炉内部材が脱落し、事故を引き起こすことがあるため、このような構造の流量分配スカートには改善の余地が残されている。

上記の事情に基づいて、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、高安定性及び信頼性を有する流量分配装置を開発した。該流量分配装置は、従来の流量分配スカートと比べて、構造設計、流量分配の均一性及び渦防止性上において、従来の知見を突破し、わずかな構造上の変更により従来の流量分配スカートに存在する欠点を解決し、望ましい効果を得た。

本発明の目的は流量分配が均一で、確実で、安定し、且つ渦の発生を効果的に防止できる流量分配装置を提供することである。

本発明の他の目的は流量分配装置を含む原子炉モジュールを提供することである。前記流量分配装置は、冷却液の流量を均一且つ確実に安定して分配することができ、渦の発生を効果的に防止できる。

上記の目的を達成するために、本発明は、圧力容器内の冷却剤の流量分配に適用する流量分配装置であって、前記流量分配装置が凹み構造である流量分配部を含み、前記凹み構造が開口を有する流量分配チャンバとなるように形成され、前記流量分配部が前記圧力容器内に懸架して設置され、且つ原子炉炉心の直下に位置し、前記流量分配部の開口が前記原子炉炉心に向いており、前記流量分配部の底部の中心にさらに中心孔が貫通して開設され、前記中心孔が前記原子炉炉心の直下に位置し、前記流量分配部にさらに複数の分流孔が貫通して開設されている流量分配装置を提供する。

好ましくは、前記流量分配部の上縁は外向きに突出してフランジが形成され、前記フランジは前記原子炉炉心の炉心下支持板と接続する。

好ましくは、前記流量分配装置はさらに支持部を含み、該支持部の下端が前記圧力容器の下側封止ヘッドに固定され、前記流量分配部が前記支持部の上端に固定される。

好ましくは、前記分流孔は、前記中心孔を中心として均一に分布される。

好ましくは、前記流量分配部における分流孔は、下から上に徐々に小さくなる。

好ましくは、前記流量分配部は中空構造の半球形状であり、前記中空構造は前記流量分配チャンバを形成する。

好ましくは、前記流量分配部は中空構造の半楕円球状であり、前記中空構造は前記流量分配チャンバを形成する。

好ましくは、前記分流孔及び中心孔は鉛直方向となるように前記流量分配部に開設される。

好ましくは、前記分流孔及び中心孔の軸心線は前記流量分配部の壁面に対して垂直である。

本発明に係る原子炉モジュールは圧力容器を含み、前記圧力容器内にゴンドラが設けられ、前記ゴンドラ内に原子炉炉心が設けられ、前記圧力容器に冷熱管が接続され、さらに上記のような流量分配装置を含み、前記流量分配装置の流量分配部が前記圧力容器内の原子炉炉心の直下に懸架して設置される。

従来技術に比べ、本発明の流量分配装置の流量分配部は凹み構造であり、且つ該流量分配部は圧力容器内の原子炉炉心の直下に懸架して設置されており、前記流量分配部の開口は前記原子炉炉心に向いており、流量分配部の底部の中心にさらに中心孔が貫通して開設され、該中心孔は原子炉炉心の直下に位置し、流量分配部にさらに複数の分流孔が貫通して開設されることにより、冷却剤は中心孔及び分流孔の作用によって原子炉炉心に均一且つ安定して流入するとともに、冷却剤は中心孔の作用によって渦の発生を効果的に防止し、冷却剤の流量分配の均一性及び安定性をより一層向上させ、さらに、渦の発生がないため、原子炉の安全性及び信頼性が保障され、原発事故の発生を減少する。

図１は従来の流量分配スカートの構造模式図である。 図２は図１に示すような流量分配スカートが取り付けられた原子炉モジュールの構造模式図である。 図３は本発明の第１実施例における原子炉モジュールの構造模式図である。 図４は本発明の第２実施例における原子炉モジュールの構造模式図である。 図５は本発明の流量分配装置の流量分配部が半球形状である場合の構造模式図である。図５aは図５を別の角度から見た構造模式図である。図５bは図５の構造の側面模式図である。図５cは図５の構造の底面模式図である。 図６は本発明の流量分配装置の流量分配部が半楕円球状である場合の構造模式図である。図６aは図６を別の角度から見た構造模式図である。図６ｂは図６の構造の側面模式図である。図６cは図６の構造の底面模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。図面には、類似の参照符号は、類似の素子を示す。

如図３及び図４に示すように、本発明の原子炉モジュール１００は圧力容器１０を含み、前記圧力容器１０内にゴンドラ２０が設置され、前記ゴンドラ２０内に原子炉炉心３０が設置され、前記圧力容器１０に冷熱管４０が接続されており、該原子炉モジュール１００はさらに流量分配装置を含み、前記流量分配装置は流量分配部５０を有し、該流量分配部５０は前記圧力容器１０内に懸架して設置され、且つ前記原子炉炉心３０の直下に位置する。本発明の原子炉モジュール１００は流量分配装置を有することにより、圧力容器１０内の冷却剤は均一且つ安定して原子炉炉心３０に流入することができる。具体的には、本発明の流量分配装置の流量分配部５０は以下の二つの形態で圧力容器１０内に懸架して設置される。

第一の形態において、図３に示すように、本発明の流量分配部５０の上縁は外向きに突出してフランジ５１が形成され、前記フランジ５１は前記原子炉炉心３０の炉心下支持板３１と溶接又はねじ連結により接続されることにより、本発明の流量分配部５０は圧力容器１０内に懸架して設置され、且つ原子炉炉心３０の炉心下支持板３１が該流量分配部５０の開口５２を被覆するので、本発明の流量分配部５０を流れた冷却剤は直接原子炉炉心３０に入ることができ、構造が簡単で設計が合理的である。

第二の形態において、図４に示すように、前記流量分配装置は、さらに支持部３２を含み、前記支持部３２の下端３２１が前記圧力容器１０の下側封止ヘッド１１に固定され、前記流量分配部５０が前記支持部３２の上端３２２に固定されることにより、流量分配部５０は支持部３２の作用によって圧力容器内に懸架して設置され、且つ原子炉炉心３０の炉心下支持板３１が該流量分配部５０の開口５２を被覆するので、本発明の流量分配部５０を流れた冷却剤は直接に原子炉炉心３０に入ることができ、構造が簡単で、取付け及びメンテナンスをしやすくなる。

以上に説明した二つの形態の流量分配部５０が圧力容器１０内に懸架して設置される実施の形態は本発明の好ましい実施例だけであり、流量分配部５０が懸架して設置されるように限定するものではない。本発明の実施形態に基づき、当業者が創造的な活動をしない前提で得られる他の実施形態は全て本発明の技術範囲に含まれる。例えば、他の支持方式及び溶接方式により流量分配部５０を圧力容器１０内に懸架して設置することなどである。ここでは詳述しない。

以下、図５-図６cを参照しながら本発明の原子炉モジュール１００の流量分配装置をさらに詳細に説明する

図５-図６cに示すように、本発明の流量分配装置は凹み構造である流量分配部５０を含み、前記凹み構造が開口５２を有する流量分配チャンバ５３となるように形成され、前記流量分配部５０は、上記フランジ５１と炉心下支持板３１との溶接或いは支持部３２による支持により、圧力容器１０内に懸架して設置され、且つ原子炉炉心３０の直下に位置し、前記流量分配部５０の開口５２は前記原子炉炉心３０に向けられ、前記流量分配部５０の底部の中心にさらに中心孔５４が貫通して開設され、前記中心孔が前記原子炉炉心３０の直下に位置し、前記流量分配部５０にさらに複数の分流孔５５を貫通して開設する。

図５-図６cに示すように、前記分流孔５５は前記中心孔５４を中心として均一に分布されることが好ましい。均一に分布される分流孔５５は、冷却剤の流量分配の均一性をさらに向上させ、作動の安定性及び安全性を確保する。

図５-図６cに示すように、前記流量分配部５０における分流孔５５は下から上に徐々に小さくなることが好ましい。即ち、同じ水平高さにおける分流孔５５のサイズは同一で、異なる水平高さの分流孔５５は鉛直方向において多行の孔を形成し、上の分流孔５５はその下の分流孔５５より孔径が小さい。

図５-図５cに示すように、前記流量分配部５０は中空構造が半球形状であり、前記中空構造は前記流量分配チャンバ５３を形成することが好ましい。該実施例における流量分配部５０の上縁は外向きに突出して形成フランジ５１を形成し、前記フランジ５１と前記原子炉炉心３０の炉心下支持板３１とは溶接により接続されることにより、本発明の流量分配部５０は圧力容器内に懸架して設置され、且つ原子炉炉心３０の炉心下支持板３１は該流量分配部５０の開口５２を被覆し、本発明の流量分配部５０を流れる冷却剤は直接原子炉炉心３０に入ることができる。

図６-図６cに示すように、前記流量分配部５０は中空構造の半楕円球状であり、前記中空構造は前記流量分配チャンバ５３を形成することが好ましい。

図５-図６cに示すように、前記分流孔５５及び中心孔５４は鉛直方向となるように前記流量分配部５０に開設されることが好ましい。即ち、分流孔５５及び中心孔５４の軸線は鉛直方向となる。

図５-図６cに示すように、前記分流孔５５及び中心孔５４の軸心線は前記流量分配部５０の壁面に対して垂直であることが好ましい。即ち、分流孔５５及び中心孔５４の開設方向は流量分配部５０の壁面に対して垂直である。

以上より、本発明の流量分配部５０の中心孔５４の孔径は分流孔５５より大きく、冷却剤が下側封止ヘッド１１の内壁面と流量分配部５０の外壁面との間に形成されたリングキャビティに沿って下へ流動し、且つ流動の過程において分流孔５５を通過して流量分配チャンバ５３に均一に流入し、残される冷却剤の一部は中心孔５４の高さに到達する時に、該冷却剤は中心孔５４を通過して流量分配チャンバ５３に入る。中心孔５４が一つしかなく且つ孔径が比較的大きく、原子炉炉心３０の入口までの距離が一番遠いので、中心孔５４を通過した冷却剤は原子炉炉心３０の入口における流量分配の均一性に影響を与えることがない。比較的大きい中心孔５４を開設することにより、流量分配部５０及び下側封止ヘッド１１内の他のモジュールの局部抵抗係数を減少することができ、冷却剤に動力を提供する第１回路メインポンプに過大な負荷を加えることなく、核反応システムの第１回路システムの水利特性を最適化する。また、原子炉が破裂して水漏出事故を発生する時に、流量分配部５０は噴射段階の原子炉炉心３０の逆流を減少することができる。破裂による水漏出事故における噴射段階において、原子炉炉心３０が気化するため、原子炉炉心３０が逆流し、大量の原子炉炉心３０の流体は原子炉炉心３０から下側封止ヘッド１１を通じて降下部へ流れ、原子炉炉心３０の伝熱が悪化する。それに対して、流量分配部５０は冷却剤が原子炉炉心３０の入口から降下部へ逆流することに対する流動抵抗を向上させ、即ち、破裂による水漏出事故の場合、流量分配部５０は遮蔽作用を奏し、逆流流量を低下させ、事故の発展を抑制または緩和する。

図3-図6cに示すように、本発明の流量分配装置の流量分配部50は凹み構造とされ、且つ該流量分配部は圧力容器10内の原子炉炉心30の直下に懸架して設置されており、前記流量分配部50の開口52は前記原子炉炉心30に向けられ、流量分配部50の底部の中心にさらに中心孔54が貫通して開設され、該中心孔54は原子炉炉心30の直下に位置し、流量分配部50にさらに複数の分流孔55を貫通して開設することにより、冷却剤は中心孔54及び分流孔55の作用によって原子炉炉心30に均一且つ安定して流入するとともに、冷却剤は中心孔54の作用によって渦の発生を効果的に防止し、冷却剤の流量分配の均一性及び安定性をより一層向上させ、さらに、渦の発生がないため、原子炉の安全性及び信頼性が保障され、原発事故の発生を減少する。従って、本発明の流量分配装置は、従来の流量分配スカートに比べ、構造設計、流量分配の均一性及び渦防止性の点において、従来の知見を突破し、わずかな構造上の変更により従来の流量分配スカートに存在する欠点を解決し、望ましい効果を得た。

なお、本発明に係る圧力容器10、ゴンドラ20及び原子炉炉心30の具体的な構成及び動作原理は、当業者によく知られているため、ここでは詳細な説明を省略する。

以上説明したものは本発明の好ましい実施形態であるが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能である。

Claims (7)

1. 圧力容器内の冷却剤の流量分配に適用する流量分配装置であって、
   前記流量分配装置が凹み構造の流量分配部を含み、前記凹み構造が開口を有する流量分配チャンバとなるように形成され、前記流量分配部が前記圧力容器内に懸架して設置され、且つ原子炉炉心の直下に位置し、前記流量分配部の開口が前記原子炉炉心に向いており、前記流量分配部の底部は全体として貫通して開設された中心孔であり、前記中心孔が前記原子炉炉心の直下に位置し、前記流量分配部にさらに複数の分流孔が貫通して開設されており、
   前記流量分配部における同じ水平高さにおける分流孔のサイズは同一で、異なる水平高さの分流孔は鉛直方向において多行の孔を形成し、上の分流孔はその下の分流孔より孔径が小さいことを特徴とする流量分配装置。
2. 前記流量分配部の上縁には外向きに突出してフランジが形成され、前記フランジは前記原子炉炉心の炉心下支持板と接続することを特徴とする請求項１に記載の流量分配装置。
3. さらに支持部を含み、前記支持部の下端が前記圧力容器の下側封止ヘッドに固定され、
   前記流量分配部が前記支持部の上端に固定されることを特徴とする請求項１に記載の流量
   分配装置。
4. 前記流量分配部は中空構造の半球形状であり、前記中空構造は前記流量分配チャンバを形成することを特徴とする請求項１に記載の流量分配装置。
5. 前記流量分配部は中空構造の半楕円球状であり、前記中空構造は前記流量分配チャンバを形成することを特徴とする請求項１に記載の流量分配装置。
6. 前記分流孔の軸心線は前記流量分配部の壁面に対して垂直であり、前記中心孔の軸心線は、前記流量分配部の底部に垂直であることを特徴とする請求項１に記載の流量分配装置。
7. 圧力容器を含み、前記圧力容器内にゴンドラが設けられ、前記ゴンドラ内に原子炉炉心が設けられ、前記圧力容器に冷熱管が接続される原子炉モジュールであって、
   さらに、請求項１乃至６の何れに記載の流量分配装置を含み、前記流量分配装置の流量分配部が前記圧力容器内の原子炉炉心の直下に懸架して設置されることを特徴とする原子炉モジュール。