JPH01123196A - 原子炉用密度差ロツクの通過流量を抑制する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 東皇ユ」日Ｕ１九１ 本発明は、安全設計タイプの原子炉に用いられる上部あ
るいは下部密度差ロックを通過して流れる法皇を抑制す
る装置に関するものである。

発明の背景 上部および下部密度差ロックを備えている、″安全基準
”　（Ｓｅｃｕｒｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ）に基づいて建設
される安全設計タイプの原子炉においては、密度差ロッ
クは一つの重要な安全ｍ能構成要素をなすものである。

密度差ロックによって、温度の低い方の液体システムの
上に位置する温度の高い方の液体システムによって生ず
る境界領域において、これら二つの液体システムを互い
に分（プておくことができるのである。正常な運転状態
の下では、密度差ロックが、−次冷却システムから戻っ
てくる比較的温度の高い水と、二次冷却システム（ブー
ル）からくる温度の低い水とが混ざり合う、のを防止し
ている。温度レベルが１貨すると、上昇した温度レベル
を下げるべく、温度の高い水と低い水とを混合するため
に、まず取り敢えずこの密度差ロックを通って水が流れ
るようになるのである。

本発明の詳細な説明 本発明では、正常な運転状態の下で原子炉用密度差ロッ
クにおいて生ずる乱流による混合を減らし得るように、
平行に並べて組立てられた一層の管からなる一つのハニ
カム構造体が上記の境界領域に装備されている。乱流の
影響を弱めるために、このハニカム構造体の管は、その
長さが管の直径の４倍以上なければならない。

管の長さが管の直径の２０倍あれば、密度差ロックを通
過して流れる流量を極めて大幅に低減させるに充分であ
る。

管の内部において内部振動並の間で共振的な相互作用が
生ずるのを防ぐためには、いわゆるプラわるようにして
おかねばならない。このことは、断面積が変化する管を
使用するとか、管の長さの半分にわたって管の内部に隔
壁を設けておくとか、あるいは半径方向の熱流束を比較
的小さくしておくことによって達成できるのである。

水平方向の温度勾配が大きい場合、−次側と二次側との
間に対流によって一つの閉じた循環回路が生ずる恐れが
あり、それが密度差ロックを通って流れる流量を増加さ
せる原因となり得るのである。例えば、ある″安仝基準
準拠′″タイプの原子炉では、密度差ロックの一方の側
が温度の高い壁面で、他方の側が温度の低い壁面で仕切
られた形になっているので、温度勾配が生じ易いのであ
る。

密度差ロック内に温度勾配が生ずるのを防止するために
、ハニカム構造体を構成する管群の周囲には壁面との間
に隙間が設けられている。この隙間の幅は少なくとも数
デシメートル以上なければならない。その上、ハニカム
構造体の管はあまり密に詰まったものでなくて、管と管
との間に僅かな圧力差で水が流れるようなものでなくて
はならない。また密度差ロックの上端あるいは下端のと
ころは、管群の間のスペースを水の洩れないような仕切
り壁で塞いでおくべきである。この壁面に沿って自然対
流が生ずると、水平方向における温度の場が平均化され
ると同時に、垂直方向では温度がリニアに変化するよう
になるのである。密度差ロックの下側は、水平方向の圧
力勾配を生ぎしめる可能性のある流れが生じないように
しておくべきである。

図面による　　　の　　と　　のり 以下、一つの実施例について図面を参照しながら、本発
明の構造と特徴を更に詳しく説明しよう。

第１図は、密度差ロックを有する安全設計タイブの原子
炉の［ｉを示″ｇ概念的スケッチである。

この原子炉では、炉心ａｌ１１は一次冷却システム２か
ら戻ってくる水によって冷却されている。−水冷却シス
テム２の中に設けられているポンプ３は、このシステム
内を循環する水を送り出すのに適したものとなっている
。−水冷却システム２およびポンプ３を含む炉心部１は
、水で満たされた一つのプール４の中に設置されている
が、このプール４は、それ自身が二次冷却システム５を
構成するように設計されている。この原子炉では、−水
冷却システム２と二次冷却システム５とが上部および下
部の境界領域６．７で接するようになされている。−水
冷却システム２から戻ってくる温かい水は、この境界領
域において、二次冷却システム５からの冷たい水の上側
に位置することとなる。

このように境界領域で二つの液体システムが上下に分か
れていることが、これら二つの液体システムに対して一
つの密度差ロックとして機能を果たずこととなる。−水
冷却システム２内の密度をρ１、二次冷却システム５内
の密度をρ２としよう。また上部境界領域６と下部境界
領域７との間のレベルの差をｈとする。二つの冷却シス
テムにおける上部境界領域６と下部境界領域との間の圧
力差は、−水冷却システム２に対してはΔｐ１＝ρ１　
・ｇｈ＋Δｐ　　として、また二次冷却シスｕｍｐ テム５に対してはΔｐ　−ρ　・９ｈ　として表すこと
ができる。もし、上式によ二つの圧力差が等しくて互い
に釣り合っていれば、双方の境界領域は定常状態に止ま
っているだろう。二つのシステムの密度が同じではない
ので、平衡状態に達するだめの条件は、ボンピング作用
によって生ずる流れの圧力降下分が前述の静水頭による
圧力差の違いと丁度釣り合って帳消しになるように、ポ
ンプの回転数を選ぶことにある。もし原子炉の内部に温
度レベルの上昇を伴った何らかの異常事態が生じたとす
ると、二次冷却システム５から一次冷却システム２の中
に流れ込む一つの流れが生ずることとなる。二次冷却シ
ステム５の中の水は低温で冷却作用を有する上に、この
水はほう酸を含んでいるので、中性子を吸収することに
よって炉心を亜臨界に下げる効果がある。このように、
密度差ロックは簡単な構造でありながら、例えば”安全
基準″に基づいて設計される原子炉を安全に機能させる
ための、一つの条件となるものである。

しかしまた同時に、−水冷却システムの中に洩れ込んだ
ほう酸は原子炉の正常な運転条件の妨げになる可能性も
あるので、これらの密度差ロックがトラブルの原因にも
なり得るのである。

正常運転機関中でも、下記のような原因によって、これ
らの密度差ロックを通過してほう酸と熱の移動を生ずる
可能性がある：すなわち、分子の拡散、対流による層流
ないしは乱流状態の移動、ならびに、例えば内部振動波
の回折といったような、内部振動波の非線形的な現象に
よって生ずる移動、である。

分子の拡散は、拡散率が特に高い場合を除いて、通常は
極めて遅いものである。従ってこの場合、分子の拡散だ
番プは一応除外して差し支えない。対流による移動は、
壁面に近い薄い境界層内で、層流の状態において発生す
る。乱流の状態では、乱流による渦が液体内で拡散率を
高める役目を果たすのである。内部振動波によって生ず
る物質移動は、乱流による移動と同じように取り扱って
差し支えない。しかしながら、内部振動波は、外乱のレ
ベルが″純粋な”乱流の場合よりも遥かに低い状態でも
、強力な混合を引き起こすの可能性がある。その上、内
部撮動波は密度の勾配に何ら目立つほどの消失を伴わな
いで、長い距離にわたってエネルギーを伝送し得る、と
いう特性をもっている。何らの保護措置を加えられてい
ない密度の勾配の混合の様子を目視できるようにして見
ると、移動は二段階で行われていることが判る：すなわ
ら、境界領域における振動波がまず回折されて境界領域
を一層拡散状態にした上で、この拡散状態にある部分が
乱流によって追いやられるのである。

このような移動過程が明らかになったからには、何らか
の方法でこの境界領域を保護しよう、とするのは当然の
ことである。これは、平行に並べて組立てられた一層の
管からなる一つのハニカム構造体を境界領域に設けるこ
とによって実現できるのである。このハニカム構造体は
、垂直方向に水が流れるのは妨げないので、密度ロック
としての機能を損なうことはない。しかしながら、横方
向への液体の動きは抑制されるので、従って振動波の回
折が防止されるのである。簡単なテストの結果、この密
麿差ロックを通過する移動量は、ハニカム構造体を導入
することによって、約１／１０３に減少することが明ら
かとなった。

ハニカム構造体を導入することによって流れの中におけ
る乱流がなくなるわけではないが、境界領域に及ぼす乱
流の影響を減らすことができる。

ハニカムの外にある乱流は管の端面から奥へある程度の
距離までは侵入してくるが、渦の大ぎさには限りがある
ので、渦は管の直径の２倍程度を過ぎれば消滅してしま
うのである。

ランダムに生ずる乱流の渦は軸方向の振動を励起する。

もしこの振動の振幅が充分小さいものであれば、全ての
移動は対流と拡散の組合わせによって行われることとな
る。振動が生ずると、境界層において拡散が増大するこ
とになるが、それによる移動量は通常生ずる全ての周波
数帯において、振動を伴わない場合の分子の移動量の１
００倍以下である。振幅が大きくなってくると、境界層
内に不安定状態が発生し、その結果、混合が生ずるに到
る。この安定性について詳しく研究した結果、周波数も
また重要な意味をもっていることが明らかとなった。第
２図は、ハニカム構造体の管内で生ずる振動の安定性の
カーブを示すものである。

図中、Ａは振幅を、ωは周波数を、νは動粘性係数を表
している。

この図でカーブの上の領域は不安定領域である。

ある振幅が与えられた場合、流ればω−Ｎの付近の帯域
で不安定になる。

Δρ＝管の両端における密度の差 ａ　　＝９．８１ｍ／ｓ２ ρ。＝平均密度 し　＝管長−４・ｄｔｕｂｅ もし流れが不安定になると、移動量は１０３倍、すなわ
ちハニカム構造体が設けられていない場合と同じ値まで
増加する可能性がある。密度勾配のある場における振動
の自然振動数はＮによって与えられ、かつ不安定の度合
が最大になるのはω−Ｎのときであるので、この不安定
の度合を共振点と比較して見ればよいのである。

もし何らかの方法で、このＮの値を管の中で確実に変化
させることができるならば、それが特に大きな外乱をも
たらすものでない限り、移動量は減ることとなる。すな
わち、管の全長にわたって同時に共振が生じ得なくなる
ので、移動量が低減するはずである。管の中で共振しな
い部分は、共振している部分に一種の″拡散を抑える蓋
″とて被さることとなる。従って、静定状態において管
を通過する全移動ソは、最小の移動量をもつ部分によっ
て決まることとなるはずである。

Ｎの値を変えるためには、例えば第３図に示すように、
断面積の異なる２木の管８．９をつなぎ合わ仕ることに
よって、管の面積を途中で変えればよい。移動ＩＨは連
続しているので、移動量の勾配はこの管の途中で変わら
なければならず、すなわち、断面積の小さいところでは
勾配が急になり、また大ぎいところでは緩くなる。細い
方の管８ではＮが大きくなり、従ってこの管は低い周波
数に対して太い方の管９より一層安定したものとなる。

二つの管の移行部分は滑らかに作られているので、流れ
が乱されることはない。断面積を変えた管による簡単な
テストの結果によれば、断面積を５０％変えることによ
って移ｉｏ量は約１／３から１／４に減ることが明らか
になっている。

またもう一つの方法として、第４図に示すように、Ｎの
値を変えるために、１本の＠１ｏの中心に、管の長さの
半分にわたって１枚の薄い隔壁１１を設けておいてもよ
いのである。この隔壁１１のある部分では、壁面の面積
が増大するので、境界層における移動けが増加すること
となる。従って勾配は、隔壁のない部分はど急でなくて
もよいこととなる。この勾配が同じでないという事実に
も関わらず、移動量の方は同じになるはずである。

この場合には、隔壁をもたない部分の方が低い周波数に
対して一層安定になるのである。更に目視できるように
て見た結果によると、共振は管の全長にわたって同時に
は発生しないことが明らかとなっている。

また、管の長さを管の直径の４倍以上に長くしたハニカ
ム構造体を備えている密度差ロックを設置することによ
って、乱流は密度差ロックの奥の方まで侵入し得なくな
るのである。内部振動波相互間の共振作用をなくすため
には、いわゆるブラわるようにしておかな番プればなら
ない。このことは、管の断面積を途中で変えるか、管の
長さの半分にわたって隔壁を設けておくが、あるいは半
径方向の熱流束を比較的小さくしておくことによって達
成できる。断面積を変える場合には、断面積の差は少な
くとも５０％以上でなければならない。

この場合、管の直径の２０倍に相当する管の長さがあれ
ば、密度差ロックを通過して流れる流量を極めて大幅に
低減させることができる。

更に、″安全基準準拠゛°タイプの原子炉に用いる密度
差ロックは、例えばその水平方向の温度勾配をできるだ
けなくすようにすると、正常運転時の通過流量が少なく
なるのである。水平方向に大きな温度勾配がある場合、
−次側と二次側との間に対流によって一つの閉じた循環
回路が生ずるｑ面性があり、それが流量を数倍に増大さ
ゼる恐れがある。″安全基準準拠”タイプの原子炉では
、密度差ロックが一方の側を温度の高い壁面で、他方の
側を温度の低い壁面で区切られているので、水平方向に
温度勾配を生ずる危険性がある。設計が極めて正確に行
われておれば、水平方向の温度勾配は自然になくすこと
ができる。しかしこの場合、魔法瓶の原理ないしは類似
の方法を採用しない限り、密度差ロックを所熱すること
は不可能であり、しかもこの方法は高価な上に信頼性に
欠けるのである。ハニカム構造体の管群の周囲に、プー
ルに面した壁面および一層システム側に面した壁面に沿
って、幅が１ないし数デシメートルの一つの隙間１３を
設けてお（ことによって、そこに一つの自然対流が発生
し、温度の高い壁面に沿って上昇流が、また温度の低い
方の壁面に沿って下降流が生、する。すなわち、すでに
ある境界領域の外側に第２の流れが生ずることとなる。

この場合、熱の伝達の方が対流に比べると遅いプロセス
であるために、この流れは水平方向の温度勾配を補償す
ることとなる。定常状態においては、温度の低い壁面と
高い壁面にそれぞれ接する二つの薄い境界層内を除いて
、その他のところでは垂直方向には主としてリニアな温
度変化が、また水平方向には一定の温度レベルが得られ
るようになるのである。管と管の間の水平方向で抵抗を
少なくするために、管群を構成する管は疎らに配置され
ている。

管の上端部あるいは下端部では、管と管の間の空間は、
例えば適切な孔を明けた一枚の板に管を装着するといっ
た方払によって、その頂部が閉塞されている。

更にまた、密度差ロックから原子炉に到る上昇管の外側
に、対流境界層が発生するのを防止し得るように、密度
差ロックには一つのスポイラー、ないしは閉塞Ｓ置が設
けられている。このスポイラ−は、密度差ロック全体が
このスポイラ−から生ずる流れの跡の中にすっぽり入っ
てしまうほどの広がりをもって、流れをそらせるのであ
る。もしこの流れの跡における速度が充分低ければ、圧
力変動があっても許容できる程度である。またこれらの
閉塞装置は、前述の管と管の間の空間を下側でも閉塞す
るように配置されている。塞がれていない面積は、何ら
問題になるような圧力変化が生じない程度に、できるだ
け小さ（抑える必要がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、上部および下部密度差ロックを備えた、安全
設計タイプの原子炉の概念的なスケッチを示し、 第２図は、ハニカム構造体を構成する管内に発生する振
動に対する、安定性のカーブを示しており、 第３図は、ハニカム＃Ｉ″＆体に用いられる個々の管の
、一つの実施例を示しており、 第４図は、ハニカム構造体に用いられる個々の管の、も
う一つの実施例を示しており、第５図は、閉塞装置およ
び隙間の部分を示した、ハニカム構造体の上半部を示す
図である。 １・・・炉心部、　　　　　　２・・・−次冷却システ
ム３・・・ポンプ　　　　　　　４・・・プール５・・
・二次冷却システム　　６・・・上部境界領域７・・・
下部境界領域　　　　８，９．１０・・・菅１１・・・
隔壁　　　　　　　１２・・・頂部１３・・・隙間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）原子炉用の密度差ロックにおける二つの異なる液
   体システム間の境界領域に、互いに平行に並べて組立て
   られた短管の管群からなる一つのハニカム構造体が設け
   られている、ことを特徴とする原子炉用上部あるいは下
   部密度差ロックの通過流量を抑制する装置。（２）前述
   の短管の断面積が途中で変化している、ことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項による装置。 （３）前述のハニカム構造体内の全ての短管が、管の長
   さは同じながら断面積の異なる二つの管部分（８、９）
   からなつている、ことを特徴とする特許請求の範囲第２
   項による装置。 （４）前述の異なつた断面積を有する二つの管部分（８
   、９）の間における断面積の差が少なくとも５０％以上
   ある、ことを特徴とする特許請求の範囲第３項による装
   置。 （５）前述のハニカム構造体内の全ての短管（１０）が
   それらの長さの半分にわたつて、これらの短管（１０）
   の中心部にそれぞれ一枚の薄い隔壁（１１）を備えてい
   る、ことを特徴とする特許請求の範囲第１項による装置
   。 （６）前述の短管の長さが、管の直径４本分の合計より
   も大きいことを特徴とする、特許請求の範囲第１項から
   第５項までのいずれか一つの項あるいは幾つかの項によ
   る装置。 （７）半径方向の熱流束が、前述の管群に供給するのに
   適した値になされている、ことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項による装置。 （８）プールならびに一次冷却システムに面する壁面に
   沿つて、前述の短管を組立てて作られた管群の周囲に一
   つの隙間（１３）が設けられている、ことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項による装置。 （９）前述の短管を組立てて作られた管群において、管
   （８）の間の空間が頂部（１２）において閉塞されてい
   る、ことを特徴とする特許請求の範囲第１項による装置
   。 （１０）原子炉に到る上昇管の外側に、対流境界層が発
   生するのを防止するために、密度差ロックに一つのスポ
   イラー、もしくは管と管との間の空間を下端部において
   局部的に閉塞する装置が設けられている、ことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項による装置。