JP7160842B2 - 炉冷却ポンプのシャフトシールシステムのシールパッケージフェイスプレート - Google Patents

Description

本発明は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の主炉冷却ポンプの分野に関する。

より具体的には、本発明は、原子炉の主炉冷却ポンプの軸封止システムのシールｎｏ．１のシールパッケージについてのフェイスプレート、いわゆる活性面に関する。

加圧水型炉では、単に主ポンプとも呼称される主炉冷却ポンプが、炉の主回路の水の循環を確実にしている。軸の動的シールシステムによって、主回路と外部環境との間におけるシールが確保される。主炉冷却ポンプのこのような軸封止システムは、漏出が制御されたシステムである。当該軸封止システムは、直列に配置された３つのシールを含んでいる。シールそれぞれが、主シールを実現する２つのフェイスプレートを含んでいる。一方のフェイスプレートは、回転式フェイスプレートと呼称され、軸に固定された回転アセンブリに取り付けられており、他方のフェイスプレートは、浮動式フェイスプレートと呼称され、軸の軸線方向移動に追従するように軸線方向に自在に移動可能とされる非回転アセンブリに取り付けられている。

シールｎｏ．１は、主回路と外部環境との間における圧力降下の大部分を確実にしている。シールｎｏ．１は、１５５ｂａｒの圧力から約２ｂａｒの圧力に移行させることができる。このようなシールｎｏ．１は、厚さ約１０μｍの水膜を有する静水圧型シールである。フェイスプレートの面の特定の形状は、主シールとして機能しており、回転状態で静止している場合に当該面同士の自動調整を可能とする。

シールｎｏ．１は、活性面に機械加工された特定の形状に起因して、通常動作において、毎時約６００リットルの制御された漏出速度で機能する。高温の主流体は、主回路の圧力より僅かに高い圧力で冷水をシールｎｏ．１から上流に射出することに起因して、主回路に閉じ込められる。このような冷水の一部は、主回路を通過し、その残りは、常に温度を１００℃より低く維持するためにシールｎｏ．１を冷却するように、シールｎｏ．１を通過する、

シールｎｏ．１のフェイスプレートは、酸化アルミニウムから作られているが、現在では、より良好に摩擦に耐えるシリコン窒化物から作られている場合も多い。

原子力発電所への全電力が喪失したことを意味するＳＢＯ（発電所内全交流電源喪失）のような事故状況では、主炉冷却ポンプの軸封止システムの冷却回路は、動作不能状態となり、シールｎｏ．１から上流に冷水の高圧射出が不能となり、ポンプを遮熱する冷却をすることができなくなる。その結果として、主回路からの温水が、軸封止システムのシールに至るまで上昇する。

このような状況の調査の際に、出願人は、温水がシールｎｏ．１のシリコン窒化物から作られたフェイスプレート同士の間を通過することによって、当該フェイスプレートが損傷することを特定した。特にＳＢＯのような事故状況に相当する、（水の飽和蒸気圧以上の圧力での）加圧下において２００℃を超える温度に至るまで水が過熱された環境では、シリコン窒化物から作られたフェイスプレートは、損傷及び分解を受けることになる。特にＳＢＯのような状況下では、シリコン窒化物がアンモニアとケイ素とに変化する。その結果として、フェイスプレートは溶解及び浸食し、表面材料が失われるので、フェイスプレートの外形の崩壊が進行し、シールｎｏ．１からの漏れ流量が顕著に増大する。従って、フェイスプレートはもはや機能しない。

このような状況は問題である。必要な暫定措置が作業員によって手遅れにならないうちに実施されなければ、当該状況により、中心部の露出が急速に進行するからである。

これに関連して、本発明は、容易に実行可能で効果的な解決手段を提案することによって従来技術の欠点を処置し、特にシャフトシールシステムのすべての冷却源の損失を含む偶発的な状況（ＳＢＯタイプの状況）下において、原子炉の主炉冷却ポンプのシャフトシールシステムのシールｎｏ．１のシリコン窒化物から成るフェイスプレートの劣化を防止することを目的とする。

このために、本発明は、シリコン窒化物に対して熱水保護を付与する特定の保護層で、シールｎｏ．１のフェイスプレートの表面を覆うことを提案する。これにより、正常な動作条件下であってもＳＢＯタイプの偶発的な状況下においても、シリコン窒化物の分解が防止される。

より具体的には、本発明は、主回路と外部環境との間におけるシールを付与することを意図した、原子炉の主炉冷却ポンプのシャフトのシールシステムのための、シリコン窒化物から作られたフェイスプレートであって、圧力（水の飽和水蒸気圧以上の圧力）下において２００℃以上の温度に至るまで過熱された水に対して化学的に不活性とされる無孔材料から作られた保護層によって覆われている表面を有しているフェイスプレートを提案する。

従って、本発明は、ＳＢＯタイプの偶発的な状況（フェイスプレートの温度が２００℃より高い）下において水媒体内で不活性且つ非分解性な保護層であって、２００℃より高い温度状況下においてシリカに変化するシリコン窒化物から作られたフェイスプレートの表面の劣化及び浸食を防止することができる保護層を利用することから構成されている。本発明における保護層は、正常な動作状況及びＳＢＯタイプの偶発的な状況の両方において浸食に耐える。

本発明における保護層をシリコン窒化物から作られたフェイスプレートに付加することによって、フェイスプレートは、ＳＢＯタイプの状況に対する熱水耐性を有し、劣化に苦しむことが無くなる。

従って、このような窒化物から作られたフェイスプレートの劣化に対する保護は、既知のフェイスプレートの汚染の問題とは異なる特定の問題に対応する。

また、本発明におけるフェイスプレートは、以下に示す１つ以上の特徴を別々に又はすべての技術的に可能な組み合わせに従って有している：
－保護層が、フェイスプレートのシリコン窒化物に対して粘着性を有していること；
－保護層が、ホウ酸及び／又は水酸化リチウム及び／又は水酸化カリウムに対する化学的耐性を有していること；
－保護層が、一様な厚さを有しており、保護層が、一様な厚さを有しており、且つ、サポートの形状を考慮していること；
－保護層が、（特にフェイスプレートの２つの活性面の間における）摩擦及び擦過に耐え得る硬さを有していること；
－保護層が、フェイスプレート（１０，１１）の活性面と等しい粗さを有していること；
－保護層が、耐熱衝撃特性を有していること；
－保護層が、ナノ結晶性ダイヤモンド若しくは微結晶性ダイヤモンドから、又は酸化ジルコニウムから作られていること；
－保護層が、０．１μｍ～３０μｍの厚さ、優位には０．２μｍ～１０μｍの厚さ、好ましくは０．２μｍ～２μｍの厚さを有していること；
－フェイスプレートの活性面が、水膜と接触するように適合されており、保護層によって完全に覆われていること；
－保護層が、正常な状況及びＳＢＯの偶発的な状況下において、水によって発生する浸食に耐えること；
－保護層が、フェイスプレートの正常な動作を妨げないこと；
－正常な動作の際に又は偶発的な状況で受けるシールｎｏ．１のすべての状況に耐えること；及び
－フェイスプレートが、浮動式フェイスプレート又は回転式フェイスプレートとされること。

また、本発明は、本発明における少なくとも１つのシールパッケージを含むシールパッケージに関する。

また、本発明は、本発明における少なくとも１つのシールパッケージを含む、原子炉の主炉冷却ポンプのためのシャフトシールシステムに関する。

また、本発明は、本発明におけるシールシステムを含む主炉冷却ポンプに関する。

また、本発明は、本発明における主炉冷却ポンプを含む加圧水型炉に関する。

本発明の他の特徴及び優位点については、添付図面を参照しつつ以下の説明を精査すれば理解可能である。

本発明の一の実施例における主炉冷却ポンプのシャフトシールシステムの断面図である。 図１に表わす一の実施例におけるシールｎｏ．１の概略的な断面図である。 本発明の一の実施例におけるシールｎｏ．１のフェイスプレートの概略的な断面図である。 加圧下且つ２９０℃で水媒体に露呈させた後における、本発明における保護層を含むシールｎｏ．１のフェイスプレートの一例の表面状態を表わす、電子顕微鏡法によって得られた画像である。 加圧下且つ２９０℃で水媒体に露呈させた後における、保護層を具備しないシールｎｏ．１のフェイスプレートの一例の表面状態を表わす、電子顕微鏡法によって得られた画像である。 ＳＢＯタイプの状況下において主流体の上昇の後における、本発明における保護層を具備するフェイスプレートを含むシールｎｏ．１の時間関数とした漏れ流量の発生を表わすグラフである。 ＳＢＯタイプの状況下において主流体の上昇の後における、保護層を具備しないフェイスプレートを含むシールｎｏ．１の時間関数とした漏れ流量の発生を表わすグラフである。

すべての図面において、別段の定めがない限り、類似する構成要素には、類似する参照符号が付されている。

図１は、加圧水型炉の主炉冷却ポンプのシャフト７のシールパッケージ４のシステムを表わす。当該シャフトシールシステムは、図１において参照符号１で示すシールｎｏ．１と、図１において参照符号２で示すシールｎｏ．２と、図１において参照符号３で示すシールｎｏ．３を含んでいる。シールｎｏ．１、シールｎｏ．２、及びシールｎｏ．３それぞれは、シャフト７に固定されている回転式フェイスプレートとシャフト７の軸線方向移動に追従するが回転しない浮動式フェイスプレートとから構成されている。

図２は、シールｎｏ．１をより詳細に表わす。シールｎｏ．１は、主回路８と外部環境９との間における圧力降下の大部分を防止する。シールｎｏ．１は、静水圧型であり、約１０μｍの厚さを有する水膜を有している。シールｎｏ．１は、シャフト７に固定されている回転式フェイスプレート１０と、シャフト７の軸方向移動に追従可能とされる浮動式フェイスプレート１１とを含んでいる。シールｎｏ．１の漏れ流量は、浮動式フェイスプレート１１の２倍の傾斜によって、又はシールｎｏ．１のフェイスプレートの変形実施例（図示しない）における回転式フェイスプレート１０及び浮動式フェイスプレート１１それぞれの傾斜によって決定される。回転式フェイスプレート１０及び浮動式フェイスプレート１１は、シリコン窒化物から作られている。

図３は、本発明におけるシールｎｏ．１の回転式フェイスプレート１０及び浮動式フェイスプレート１１をより具体的に表わす。回転式フェイスプレート１０及び浮動式フェイスプレート１１のうち少なくとも１つのフェイスプレートの表面１２が、保護層１３によって覆われている。好ましくは、回転式フェイスプレート１０及び浮動式フェイスプレート１１の両方が、自身の活性面において保護層１３によって覆われている。

保護層１３は、２００℃以上の温度で水媒体内において化学的に不活性とされる無孔材料から作られている。保護層１３は、ＳＢＯの状況下においてシリコン窒化物から成るフェイスプレートの表面の劣化及び浸食を防止し、シールｎｏ．１の正常な動作を阻害しない。

また、保護層１３は、腐食、特にホウ酸、水酸化リチウム、及び水酸化カリウムに対する化学的耐性を有しており、耐浸食性を有している。さらに一般的には、保護層１３は、正常な動作状況及び偶発的状況下において、特に数時間又は数日にさえ及ぶＳＢＯの状況下においてシールｎｏ．１が受けるすべての条件に耐える。

保護層１３は、好ましくは０．１μｍ～３０μｍの厚さｅを有している。保護層１３の厚さｅは、好ましくは０．２μｍ～１０μｍとされる。好ましくは、保護層１３は０．２μｍ～２μｍの厚さを有している。

保護層１３は、サポートの形状を配慮しつつ、特定の手段によって一様にすなわち一定且つ一様な厚さで堆積されている。

保護層１３は、フェイスプレートの２つの活性面の間で発生する擦過及び当該擦過に付随する摩擦に耐えるように適合されている。

保護層１３は、数秒の間における例えば１５℃～９５℃の温度から２００℃の温度への移行のような実質的な熱衝撃に耐える。

保護層１３は、ナノ結晶性ダイヤモンド若しくは微結晶性ダイヤモンドから、又は酸化ジルコニウムから作られている。

比較として、図４ａ及び図４ｂは、１５５ｂａｒの圧力下において２９０℃の温度で水媒体に曝した後における、保護層１３を具備する場合と具備しない場合の、電子顕微鏡法によってフェイスプレートの表面状態を表わす２つのスナップショットである。

より具体的には、図４ａは、２μｍの厚さを有する本発明における保護層１３を含む、本発明におけるシールｎｏ．１のフェイスプレートのスナップショットである。図４ｂは、保護層を含まないシールｎｏ．１のフェイスプレートのスナップショットである。

図４ａに表わす保護層１３を具備するシリコン窒化物から成るフェイスプレートは損傷を受けていないが、図４ｂに表わす保護層を具備しないフェイスプレートの表面は、シリカ（ＳｉＯ_２）に関して、数十マイクロメートル～数百マイクロメートルの厚さで著しく損傷を受けている。さらに、シリカの上側層が時間経過に従って分解されるので、シリコン窒化物から成るフェイスプレートの数百マイクロメートル程度の高さが劣化及び溶解される。

図５ａは、シールｎｏ．１における主流体の温度が増大する際における本発明における保護層を具備するフェイスプレートを含むシールｎｏ．１の漏れ流量の発生を時間関数として表わすグラフである。図５ｂは、シールｎｏ．１における主流体の温度が増大する際における保護層を具備しないフェイスプレートを含むシールｎｏ．１の漏れ流量の発生を時間関数として表わすグラフである。

従って、本発明における保護層１３によって得られる増加量を容易に知ることができる。特に図５ｂのグラフでは、保護層を具備しない従来技術におけるフェイスプレートは、顕著な温度変化の後に急速に劣化するので、数時間のうちにシールｎｏ．１の漏れ流量が著しく増大する。対照的に、保護層を含む本発明におけるフェイスプレートでは、同一条件下においてシールｎｏ．１の漏れ流量は一定に維持される。

当然ではあるが、本発明は、図面を参照して説明された実施例に限定される訳では無く、本発明の技術的範囲を越えなければ変形例も考慮される。発明の詳細な説明で挙げた材料以外の材料であっても、ＳＢＯの状況下において不活性且つ安定した無孔材料である限り利用することができる。

１ シールｎｏ．１
２ シールｎｏ．２
３ シールｎｏ．３
４ シールパッケージ
７ シャフト
８ 主回路
９ 外部環境
１０ 回転式フェイスプレート
１１ 浮動式フェイスプレート
１２ フェイスプレートの表面
１３ 保護層

Claims (15)

1. 原子炉の主炉冷却ポンプのシャフト（７）のシールシステム（４）のためのシールパッケージ（１）の、シリコン窒化物から作られたフェイスプレート（１０，１１）であって、主回路と外部環境との間におけるシールを提供することを意図した前記フェイスプレート（１０，１１）において、
   前記フェイスプレート（１０，１１）が、２００℃以上の温度に至るまで加熱された加圧水に対して化学的に不活性とされる無孔材料から作られた保護層（１３）によって覆われており、
   前記保護層（１３）が、ナノ結晶性ダイヤモンド若しくは微結晶性ダイヤモンドから、又は酸化ジルコニウムから作られていることを特徴とするフェイスプレート（１０，１１）。
2. 前記保護層（１３）が、前記フェイスプレートのシリコン窒化物に対して粘着性を有していることを特徴とする請求項１に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
3. 前記保護層（１３）が、ホウ酸及び／又は水酸化リチウム及び／又は水酸化カリウムに対する化学的耐性を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
4. 前記保護層（１３）が、一様な厚さを有していることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
5. 前記保護層（１３）が、摩擦及び擦過に耐え得る硬さを有していることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
6. 前記保護層（１３）が、前記フェイスプレート（１０，１１）の活性面と等しい粗さを有していることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
7. 前記保護層（１３）が、耐熱衝撃特性を有していることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
8. 前記保護層（１３）が、０．１μｍ～３０μｍの厚さ（ｅ）を有していることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
9. 前記フェイスプレート（１０，１１）の活性面が、水膜と接触するように適合されており、前記保護層（１３）によって完全に覆われていることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
10. 前記保護層が、正常な状況及びＳＢＯの偶発的な状況下において、水によって発生する浸食に耐えることを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
11. 前記フェイスプレート（１０，１１）が、浮動式フェイスプレート又は回転式フェイスプレートとされることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載のフェイスプレート（１０，１１）。
12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載の少なくとも１つのフェイスプレート（１０，１１）を含んでいることを特徴とするシールパッケージ（１）。
13. 原子炉の主炉冷却ポンプのためのシャフト（７）のシールシステム（４）であって、前記シールシステム（４）が、請求項１２に記載の少なくとも１つのシールパッケージを含んでいることを特徴とするシールシステム（４）。
14. 原子炉の主炉冷却ポンプであって、前記主炉冷却ポンプが、請求項１３に記載のシールシステムを含んでいることを特徴とする主炉冷却ポンプ。
15. 請求項１４に記載の主炉冷却ポンプを含んでいることを特徴とする加圧水型炉。

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