JP6996037B2 - 原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルター - Google Patents

Description

本発明は、原子力エネルギーの分野、すなわち、原子炉へ冷却剤を途切れることなく供給することにより、緊急モードにおいて、原子力発電所の安全性を確保することに関する。

原子力発電所の運転中の最も危険な事故の１つは、一次系配管の破壊である。

この事故の結果、冷却剤が原子炉格納容器に両方的に流出する。この過程は、過熱した蒸気と空気の混合物の形で、原子炉格納容器への大きな質量とエネルギーの放出を伴う。これにより、原子炉が脱水状態になり、残留熱により炉心が加熱される。同時に、原子炉格納容器下で圧力と温度が上昇する。

質量とエネルギーの放出の結果により、機器と原子炉格納容器の耐食コーティングが破壊され、冷却剤がデブリにより満杯状態になる。

原子炉を過熱及び炉心溶融から保護するために、受動部品と能動部品を含む非常用炉心冷却システムが設計されている。スプリンクラーシステムにより、原子炉格納容器から、圧力が低下し、熱が除去される。

アクティブ安全システムの機能のために、原子炉格納容器内にあるタンクからのホウ素溶液のストックが使用される。タンクからの溶液は、そのエリアの非常用炉心冷却系システムに入り、次に原子炉に入り、その後、パイプラインの破損部から原子炉格納容器のタンクに戻る。

この場合、溶液には大量のデブリが含まれており、これにより安全システム回路の要素が故障し、炉心冷却が停止する可能性がある。

これを防ぐために、タンクから安全システムに溶液を供給するための吸い込み口にフィルターを装置することが必要である。

大量の不純物やデブリを含む溶液がフィルターを通過すると、フィルター要素が詰まる可能性があり、原子炉への流体供給が不十分になる。この現象に対処するために、さまざまな技術的ソリューションが使用される。

従来、自浄式フィルターが知られている（２００６年１０月５日公開のＵＳ ２００６／０２１９６４５ Ａ１、「Ｓｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇ ｓｔｒａｉｎｅｒ」及び１９９７年１１月１８日発行のＵＳ ５６８８４０２、「Ｓｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇ ｓｔｒａｉｎｅｒ」）。液体タンクに、フィルターが設けられ、自浄式フィルターの入口に異物を捕捉する格子が設けられる。フィルターハウジングの可変の切断面を有する。入口から出口に向かって先細りであり、フィルターハウジングの狭い部分にブレード付きのタービンが設置され、フィルター出口に装置されたポンプによって生成される流体の流れによって回転する。フィルターには、タービンから格子までフィルターの軸に沿って通過するシャフトが装備される。このシャフトは、格子の外側に取り付けられたブラシとタービンを接続し、ブラシがシャフトの軸を中心に回転する可能性がある。（ＵＳ ２００６／０２１９６４５－遠心流体の流れを作成し、格子の表面を洗浄する羽根車が追加される）。

このフィルターの作動中、タービンがブラシを回転させて、ブラシが格子表面を外側から洗浄する。これによって冷却剤の流量の減少を防ぎ、それにより非常モードでの原子力発電所の安全性を高める。ただし、このような方法には、フィルター格子の洗浄効率が不十分という欠点がある。つまり、洗浄中に、外部ブラシが異物の粒子を格子の穴に大きく押し込むため、穴が粒子で詰まる。１つのブラシの代わりに羽根車を使用すると、この欠点をある程度修正できるが、十分な程度ではない。さらに、一定の流量のタービンを使用すると、液体の流れが等しく遅くなり、格子に異物がなくても、または少量の異物が入っていても、流れのエネルギーの一部が取り除かれる。これにより、フィルターを通る液体の流れが遅くなり、原子力発電所の安全性に悪影響を及ぼす。

また、従来、自浄式フィルターが知られている（１９９８年９月２９日発行の「Ｓｅｌｆ－ｃｌｅａｎｉｎｇ ｓｔｒａｉｎｅｒ」 ＵＳ ５８１５５４４）。このフィルターでは、フィルター要素が円筒形フィルターハウジングの側面でもあり、ブラシに加えて、外部フィルター表面は、ハウジングの外側に装備されたノズルを備えた、特別に配された管からの流れにより洗浄される。これらの管はポンプに接続されており、フィルターで既に洗浄された液体の圧力をポンプで送り込む。このようなフィルターはより良い洗浄を可能にするが、フィルター表面を洗浄するには効率がまだ不十分である。これは、不純物の粒子をフィルター要素の穴に押し込み、表面に塗り散らすブラシの使用によるものである。フィルター表面を洗浄する流体の流れは、フィルターの外側に、主に、接線方向に向けられる。これにより、洗浄効率が低下するだけでなく、洗浄プロセスが外部ポンプに依存し、フィルター動作の信頼性が低下する。

また、従来、プール及び池からの取水装置も知られている（ＲＵ ２４７３７３６、２０１３年１月２７日公開）。取水装置には、穴あき円筒形管、流線型ヘッド、タービンに接続された２つのブラシの形の洗浄装置が含まれる。一つのブラシは、穴あきパイプの外側に設置され、もう一つのブラシは、転がる可能性があるように内側に設置されている。取水装置には、バンパー垂直プレートを備え、頂点から底に向けて、母線に沿って、放射状に設けられたドーム型ケースの形状でデブリ保護装置が装備されている。タービンは、羽根板であり、その軸を中心に回転可能な付加的な円筒形コネクタ内に設置され、垂直に回転可能に、ドーム型ハウジングに固定されている
この装置の欠点は、フィルター表面の洗浄効率が十分でないことである。ブラシの形にした洗浄装置は、穴あき円筒形管の外面からのデブリを十分に洗浄せず、デブリを網状円筒の穴に押し込むため、穴が詰まる。さらに、一定の液体流量のタービンを使用することが、液体の流れを一定に均等に遅くし、網に異物がなくても、または少量の異物が入っていても、流れのエネルギーの一部が取り除かれる。

本発明に最も似た類似物（ＵＳ ５１０８５９２、１９９２年０４月２８日公開）は、ノズル構造によって同時に回転及び洗浄される回転式自洗フィルターであり、その長さに沿って間隔を空けた入口及び出口開口部を有する主円筒形管を含む。また、上記の出口は管とポンプを連絡する役割を果たし、上記の入口は管と液体を連絡する役割を果たす。また、破片から液体を濾過するための円筒形遮蔽、入口に流入する流体が遮蔽によってろ過されるように、遮蔽を主管及び入口に対して外側に保つために遮蔽を主管の周りで同軸に回転させるように構成された遮蔽を固定するための手段、主管内で同軸に伸び、その端を越えて突き出ている入口管を含む。なお、主管の側壁に１つまたは複数の穴が作られ、そこから１つまたは複数の管が提供される。その管の外側の端には、入口管から供給される液体で遮蔽を回転及び回転させるためのノズルが装備されている。

ＵＳ ２００６／０２１９６４５ Ａ１ ＵＳ ５６８８４０２ ＵＳ ５８１５５４４ ＲＵ ２４７３７３６ ＵＳ ５１０８５９２

特許文献５による自洗フィルターの回転の欠点は、フィルタース遮蔽の回転に費やされる流れエネルギーの損失に関連して、フィルター表面の不十分な洗浄効率であるとともに、外部ポンプを使用して一定の流体の流れを作り出して遮蔽を洗浄し、フィルターを回転させる必要があるため、原子力工学で使用する場合のフィルターの安全性が低下する、ことにある。

本発明の目的は、ピットタンク原子力発電所のアクティブフィルターを提供することであり、これにより、非常モードでの安全性を高めることができる。

本発明の技術的結果は、ピットタンクのフィルターの洗浄効率を高めることにより、またフィルターを流れる流体のエネルギーを使用してフィルター表面が汚れている場合にのみ使用される洗浄機構を作動させることにより、非常モードにおける原子力発電所の安全性を高めることである。

技術的な結果は、カバー、フィルター要素の形で作られた底面及び側面を備えたハウジングと、フィルターの中央垂直軸の一端に固定された複数のチャネルを備えたパイプとを備え、浄化流体をストレーナーの中央部から、複数のチャネルを介してパイプの他端からフィルター要素に供給するように構成され、前記フィルターハウジングは、上部部分と下部部分の２つの部分で構成され、各部分には少なくとも１つのフィルター要素が装備され、前記上部部分と前記下部部分の間に、タービンが設置され、流体が通過する間に回転するように構成され、タービンシャフトがパイプに接続され、前記タービンの回転中に、前記フィルターハウジングから浄化された流体をサンプリング可能とされている。

側面を円筒形にすることが好ましい。

浄化された液体をフィルター要素に供給する管の端部に、浄化された液体を広範囲の角度で供給するように構成された噴霧ノズルを設けることが合理的である。

フレームと、その中に位置し、三角形断面の水平及び垂直のワイヤーから作られたセクタースロットグリッドとの形状のフィルター要素に構成することが望ましい。

タービンの回転中に流体を抽水ための穴を管に設けることが好ましい。

ピットタンクの基礎に固定する可能性のあるフランジ状の底面を作ることが合理的である。

原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルターの概形、Ａ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図、Ｄ－Ｄ断面図及び詳細図Ｃを示す。 フィルター要素とその部品の概形を示す。 アクティブフィルターの洗浄器の管の概形を示す。 洗浄器のノズルからの噴射とフィルター要素の表面の相互作用を示す。 通常運転中の原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルターを示す。すなわち液体に不純物がない場合。 原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルターは、非常モードで下部フィルター要素に破片層が形成され、これにより上部フィルター要素から流体が流れることを示す。 不純物及び破片からの洗浄モードでの原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルターを示す。

好ましい実施の形態によると、原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルターは、カバー１５、下部フランジ１、及び下部フィルター要素３と上部フィルター要素１４が取り付けられた垂直の複数の支持体２を備えたハウジングを含み、下部フィルター要素３と上部フィルター要素１４がそれぞれハウジングの下部と上部に配置される。フランジ１は、ピットタンクの基部に取り付けてアクティブフィルターに接続するように設計されている。垂直の支持体２は、継輪１に接続されている。複数の支持体２の間には、下部フィルター要素３及び上部フィルター要素１４が設置されている。下部フィルター要素３及び上部フィルター要素１４は、フィルター要素のフレーム１６に接続された、セクタースロットグリッドの形態で作られ、三角形断面のワイヤー要素からなる水平ワイヤー１７及び垂直ワイヤー１８から構成される。アクティブフィルターの円筒面は、フィルター要素３、１４の４つのセクターで形成されている。

タービン室４は、アクティブフィルターの上部部分と下部部分の間に設置され、アクティブフィルターの上部部分に入る液体の流れ全体がタービン室４を通過するようになっている。タービン室４は、室ケーシング、シャフト柱５、シャフト６、軸受７、タービンスリーブ８とタービンブレード９から構成されている。タービン室４では、並進流体の流れは、スリーブ８とタービンブレード９の回転運動に変換される。

下部洗浄器１０のシャフト及び上部洗浄器１１のシャフトは、タービンスリーブ８に接続されている。クリーナのパイプ１２は、洗浄器のシャフトに取り付けられている。洗浄器のパイプ１２は、プロファイルパイプの形状で作られている。アクティブフィルターの中心軸から離れたパイプの端部には、ノズル１３が取り付けられており、洗浄器の活動範囲内での出力噴射の分布を保証する。洗浄器パイプの反対側には、液体を取り入れるための穴１９が貫通カットアウトの形で作られており、洗浄器が方向２１（図３）に回転するときに、洗浄器１２のパイプに対して、次に、ノズル１３の開口部２２へ液体２０の流れを供給する。それは、フィルター要素３、１４の方向、及びろ過された液体の流れ２３とは反対の全体的な方向に、広範囲の角度で浄化された液体をスプレーするように構成されてもよい（図４）。

こうして、アクティブフィルターの設計は、ノズル１３を出る浄化された液体の逆流で表面の自洗浄を提供する。加えて、アクティブフィルターを通る液体の流れは、逆流を生成するためのエネルギー源として使用される。これは、緊急状態での原子力発電所の動作の安全性を高める。緊急状態での動作は保証されない外部エネルギー源、例えば、ポンプの使用を必要としないためである。さらに、タービンの運転及びフィルター要素３、１４の洗浄のための液体の流れからの電力消費は、下部のフィルター要素３が詰まっている場合にのみ発生する。これにより、アクティブフィルターを通る液体の流れのエネルギー損失の合計が減少し、それにより緊急状態での原子力発電所の安全性が向上する。

好ましい実施形態では、アクティブフィルターは、ピットタンクの底部に設置され、ピットタンクから炉心に液体を排出する垂直取水路の上に取り付けられた基部に、フランジ１により、気密に取り付けられる、としてもよい。こうして、その洗浄中、デブリ及び不純物は、アクティブフィルターから、捨て去られ、ピットタンクの底に沈殿し、その後、フィルター要素３、１４にも、炉心の冷却システムにも沈殿しなかった。

（発明の詳細な説明）
原子力発電所の通常運転中には、冷却剤の漏れが発生しないため、アクティブフィルターを通る流体の流れはない。

原子力発電所の炉心で冷却剤の損失を引き起こした事故の場合、この冷却剤は、ピットタンクに蓄積し始め、アクティブフィルターの下部フィルター要素３のレベルに達すると、取水システム系において、それらを流れ、その後、冷却剤は、ポンプの助けにより、炉心に戻る。また、下側のフィルター要素３には、最初は外部の不純物やデブリが詰まっていないため、液体の流れのほぼ全体が下側のフィルター要素３を通過し、タービンブレード９を通り過ぎる。その結果、タービンを通る流れはない（図５）。この場合、洗浄器は回転せず、フィルター要素（３、１４）の表面は、洗浄されない。これにより、タービン９の回転のための流体の流れからのエネルギー消費はなくなる。

続いて、外部の不純物及びデブリを含む液体が流入すると、図６に示すように、底部から上部に向かって、下部フィルター要素３は、デブリ層で詰まる。このプロセスは、フィルター要素３の表面上の流体の流れの分布によって決定され、液体の総体積の約８０％が下部フィルター要素３の面積の下部２０％を流れる。このプロセスは、下部フィルター要素３の表面がデブリ層で完全に覆われるまで続く。

このプロセスの間、下部フィルター要素３の圧力損失は、ほぼ一定のままであり、下部フィルター要素３のフィルター表面の損失によって決定される。結果として生じるデブリ層の厚みは、小さくなり、デブリ層は、緩んだ状態となる。

下部フィルター要素３がデブリ層で完全に覆われると、主な流体は、上部フィルター要素１４を通って、したがって、タービン室４を通って、流れ始める。タービンが回転を開始し、洗浄器のパイプ１２を回転させる。これにより、流体が液体取入口１９の穴に流れ込む（図３）。次に、入ってくる流体は、遠心力の作用で加速し、過剰な圧力でノズル開口部１３に放出される。ノズル１３からフィルター要素３、１４の表面までの距離は、ノズル１３からの噴流が隣接する洗浄器間の空間全体を洗浄するように、選択できる（図４）。

このように、そのフィルター要素３、１４を介してアクティブフィルターの外側に向けて、局所的な流れが生成される。デブリ層は、破壊され、その小片は、ピットタンクの底部に放出される。流体が上部フィルター要素１４を通って入る場合における、フィルター要素３、１４の洗浄について、図７に示す。

デブリがフィルター要素３、１４上に存在する間、その成分は、凝固する。したがって、噴射によって破壊されたデブリの小片は、大きいサイズと高い密度を有している。これにより、堆積速度が速くなり、破壊により生じた破片は、再びフィルター要素３、１４の表面に到達する。しかし、はるかに低くなるか、又は、それらは、ピットタンクの底部に沈下する。

下部フィルター要素３を洗浄した後、液体は、アクティブフィルターの下部に入り、その結果、タービン速度が低下する。

さらに、フィルター洗浄サイクルは、周期的に繰り返される。アクティブフィルターの上部部分と下部部分の間におけるタービンの位置は、下部フィルター３が目詰まりした後、周期的な洗浄を可能にする。その結果、フィルター３、１４の洗浄が必要とされない状況で、タービンの回転の損失が減少し、さらに、シャフト６の軸受の負荷が減少し、その運用寿命を延ばす。上記のように、これらの要因は両方とも、緊急モードでの原子力発電所の安全性に直接影響する。

好ましい実施形態では、グラファイトプレーン軸受をシャフト支持体６として使用することができる。グラファイト軸受には、次のような利点がある。液体媒体で機能すること。摩擦係数が低いこと。厳しい環境に耐えること。５００°Ｃまでの温度で使用されること。さらに、アクティブフィルターの設計は、溶液中にデブリが存在する場合にのみ、すなわち、事故の場合のみ、シャフト６の回転を提供する。こうして、軸受の寿命は、最大３０日間に制限される。

ノズル１３によって、フィルターの表面の完全な走査は、洗浄シャフト１０、１１の１回転毎に、実行される。また、フィルター要素３、１４の総面積の０．５％未満が、同時に、洗浄される。

原子力発電所ピットタンクのアクティブフィルターは、緊急状態での安全性を高め、さまざまなタイプの原子力発電所に適用できる。

Claims (5)

1. 原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルターであって、
   カバー、フィルター要素の態様で作られた底面及び側面を備えたハウジングと、
   アクティブフィルターの中央垂直軸の一端に固定された複数のチャネルを備えたパイプとを備え、
   浄化流体をストレーナーの中央部から、複数のチャネルを介してパイプの他端からフィルター要素に供給するように構成され、
   前記ハウジングは、上部部分と下部部分の２つの部分で構成され、
   各部分には少なくとも１つのフィルター要素が装備され、
   前記上部部分と前記下部部分の間に、タービンが設置され、流体が通過する間に回転するように構成され、
   タービンシャフトがパイプに接続され、
   前記タービンの回転中に、前記ハウジングから浄化された流体をサンプリング可能とされている
   原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルター。
2. 前記側面は、円筒形である
   請求項１に記載の原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルター。
3. 浄化された液体をフィルター要素に供給するパイプの端部に、浄化された液体を広範囲の角度で供給するように構成されたノズルが設けられている
   請求項１に記載の原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルター。
4. 前記パイプには、前記タービンの回転中に流体を取り入れるための穴が設けられている
   請求項１に記載の原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルター。
5. 前記底面は、フランジ形状に形成され、前記ピットタンクの基部に、取り付けられる
   請求項１に記載の原子力発電所のピットタンクのアクティブフィルター。

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