JPH05240990A

JPH05240990A - 仕切られた分離コンデンサを有する二相原子炉プラント

Info

Publication number: JPH05240990A
Application number: JP4184251A
Authority: JP
Inventors: Marvin M Hui; マービン・マンワイ・フイ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1992-07-13
Publication date: 1993-09-21
Also published as: US5145639A; EP0526059A1; TW197523B

Abstract

(57)【要約】【目的】従来のものよりコンパクトで特性を改良した
原子炉プラント用分離コンデンサを構成する。【構成】単一のコンデンサ２００を仕切りにより分配
プレナム２１６と収集プレナム２１８とに分け、両プレ
ナムをマニホールド２０４を介して連通させ、マニホー
ルドの管を冷却液プール１２５中に配置し、両プレナム
をそれぞれの導管１３４，１３６を介して原子炉容器１
０６に連結する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉プラントに関
し、更に詳しくは、このようなプラントの分離コンデン
サ（isolation condenser ）に関する。本発明の主目的
は、流れの安定性を改良したことを特徴とするより簡単
でより小型な分離コンデンサを提供することにある。

【０００２】

【従来の技術】原子炉は、ウラニウム同位体（Ｕ２３
３，Ｕ２３５）およびプルトニウム同位体（Ｐｕ２３
９，Ｐｕ２４１）のような核分裂性原子の核分裂によっ
ている。中性子の吸収時、核分裂性原子は崩壊し、低い
原子量および高い運動エネルギの原子をいくつかの高い
エネルギの中性子とともに発生する。核分裂生成物の運
動エネルギは熱として急速に消散する。これが原子炉の
主なエネルギ生成である。崩壊の間に放出される中性子
のあるものは他の核分裂性原子によって吸収され、崩壊
および熱発生の連鎖反応を引き起こす。原子炉内の核分
裂性原子は、連鎖反応が自分自身で継続するように構成
されている。

【０００３】二相原子炉は、炉心で発生する熱を熱伝達
媒体の液相から気相への相変換という形で蓄積する。気
相を使用して、蓄積した熱をタービンおよび発電機に物
理的に伝達する。タービンおよび発電機は駆動され、電
気を発生する。タービンからの凝縮液は原子炉に戻さ
れ、次の熱伝達および冷却のために再循環液と一緒にさ
れる。二相原子炉は単相原子炉と対照的であり、この単
相原子炉は液体熱−伝達媒体の上昇した温度の形で主に
エネルギを蓄積する。加圧水型原子炉（ＰＷＲ）は原子
炉冷却液が液体状態で維持されるという点において単相
と考えられるが、加圧水からの熱を使用して、二次冷却
液を沸騰させ、タービンを駆動している。二相原子炉の
主な例は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）である。ＢＷＲに関
する次の説明は他の二相原子炉に容易に適用することが
できる。

【０００４】現在のＢＷＲは、タービンが原子炉から分
離された場合に原子炉の圧力容器から原子炉の自然崩壊
熱を除去するようになっている。タービンの停止中、主
蒸気ラインにある弁は閉じられ、蒸気がタービンに行か
ないようにしている。制御棒を完全に挿入することによ
って原子炉を停止した後でも、自然崩壊熱はある日数の
間発生し続けている。この熱は蒸気を発生するが、これ
が原子炉の圧力容器内に蓄積されて残っている場合に
は、容器の耐圧仕様を越えて、場合によってはひび割れ
を生ずるおそれがある。分離コンデンサは過度の圧力の
蓄積を避けるようにタービンの分離の間蒸気を処理すべ
く設計されたシステムの１つである。

【０００５】典型的な分離コンデンサは上側分配チャン
バおよび下側収集チャンバを有する。チャンバはコンデ
ンサプールの水内に沈められている。両チャンバはこれ
らの間に中間のプールの水を通って延在している垂直管
の配列を介して連結されている。分離されている間、蒸
気は分配チャンバに移される。蒸気は管内を強制的に押
し通される。そして、管はコンデンサプールとの熱交換
によって蒸気を凝縮し、水がコンデンサチャンバ内に流
れる。出口チャンバに連結されている排水導管は凝縮液
を原子炉に運び、冷却液の供給源を補充する。

【０００６】このようなコンデンサの性能は、コンデン
サプールが飽和状態に加熱されると、損なわれる。この
点において、プールに発生する蒸気は熱交換管を孤立さ
せて、更に熱伝達を制限し、マニホールドにおいて熱循
環を生ずる。熱循環はコンデンサにストレスを加え、そ
の構造的完全性を損ない、プール側の流れの不安定性を
誘発する。

【０００７】このような従来の分離コンデンサにおける
他の問題は、分配器および収集器がそれらの内部とコン
デンサプールとの間に形成される大きな圧力差に耐える
ことができることを保証するのに必要な材料の量に関係
している。平方インチ当り約１２５０ポンドまでの圧力
差を受け入れられなければならない。円板状の分配器お
よび収集器の、管シートを含む比較的平坦な境界部はこ
のような圧力に耐えるためにかなりの厚さが必要であ
る。この厚さは、コンデンサの大きさおよび質量を増大
するばかりでなく、より厚い材料で耐えることができる
大きな熱勾配による熱ストレスをコンデンサは受けるこ
とになる。

【０００８】流れの不安定性を受け難く、一層コンパク
トで重量の軽い分離コンデンサが要望されている。更
に、このようなコンデンサは製造および保守が経済的で
なければならない。

【０００９】

【発明の概要】本発明によれば、二相原子炉プラント
は、仕切りによって分配プレナムおよび収集プレナムに
分割されている隣接した容積を分離する分離コンデンサ
を有している。これらのプレナムはコンデンサが配設さ
れているコンデンサプールを通過するマニホールドの管
によって連結されている。コンデンサはベース、垂直に
延在した側壁、およびドーム状上部を有する。側壁の横
断面は、側壁が取り囲んでいる面積が少なくともその周
囲の長さの４分の１の２乗であるようになっている。

【００１０】プラントは、ドライウエル、ウエットウエ
ルおよびコンデンサウエルを画成している典型的にはコ
ンクリート製の密閉構造を有する。原子炉はドライウエ
ル内にあり、このドライウエルはそうでない場合には凝
縮できないガスで充填されている。ウエットウエルは冷
却液の抑制プールを有している。コンデンサはコンデン
サウエル内にあり、冷却液内に沈められている。原子炉
はタービンを駆動する蒸気を発生する。タービンは発電
機を駆動して電気を発生するために使用される。正常動
作の間、導管によって蒸気は原子炉からタービンに運ば
れ、凝縮液はタービンから原子炉に運ばれる。

【００１１】タービンが原子炉から結合を断たれると、
その結果の圧力の増大によって逃がし弁が作動し、蒸気
はコンデンサの分配プレナムに逃げることができる。蒸
気はマニホールド管に分配され、ここで熱エネルギを抑
制プールに引き渡す。エネルギの損失の結果、蒸気は液
体に凝縮する。液体は側壁を通って出口チャンバ内に流
れる。液体は、収集プレナムから、公称液体レベルより
下側のところにおいて原子炉に連結されている導管を通
って原子炉内に流れる。収集プレナムに蓄積されている
凝縮できないガスは導管によって抑制プールに運ばれ
る。

【００１２】本設計は、従来のコンデンサに比較して流
れの安全性が増強されている。従来のコンデンサの場
合、熱交換器の管の外側に形成される蒸気は重力の影響
があるところで上方に流れる。管は垂直であるので、上
昇する蒸気は管の周りに絶縁鞘部を形成し、その熱伝達
性能を損なう。それから、管の上部に達する蒸気の動き
は分配チャンバの管プレートによって妨げられる。そし
て、蒸気はマニホールドの近くに残り、コンデンサの動
作を妨げ、その完全性を脅かす。本設計では、熱交換管
はコンデンサチャンバから半径方向に延在している。上
昇する蒸気はその発生した所の管から逃げ、場合によっ
ては他の配列された管の間を通過し、コンデンサプール
の表面に妨げられずに上昇する。蒸気のこの比較的自由
な動きは対流を引き起こし、プール内におけるホットス
ポットを最小にし、更に蒸気を管から離すように誘導す
る。そして、最適な熱交換が維持され、コンデンサの構
造的完全性は長く維持される。

【００１３】熱交換管の半径方向の構造は、管をより長
くしてもコンデンサの高さを大きくする必要がないとい
う利点が更にある。垂直方向の制約を２つのチャンバと
管の間で分配する必要がないので、単一のコンデンサチ
ャンバを、またそのプレナムの各々も比較的高くするこ
とができる。この比較的高い収集プレナムによって凝縮
できないガスの出口に対して入口レベルを比較的高くす
ることができ、凝縮液からの凝縮できないガスの分離を
改良することができる。

【００１４】新規なコンデンサの構造はコンデンサの内
部と抑圧プールとの間の圧力差によって生じるストレス
を有利に分配することができる。このようにストレス処
理を改良することによって、小さな補強でより薄い境界
の壁を使用することができる。また、これは壁を通る熱
勾配および壁内のホットスポットを低減する。熱勾配お
よびホットスポットを低減することにより、熱ストレス
を低減し、コンデンサの有効な寿命を長くすることがで
きる。

【００１５】小型化は密閉構造の大きさを相応して小さ
くできる利点を有し、プラントのコストに大きな影響を
与える。更に、小型化と組み合わせた垂直方向の設計
は、比較的小さく軽いカバーの使用とともに、頭上から
のアクセスに対する要求を最小にしている。これは保守
を一層便宜かつ経済的にする。本発明のこれらのおよび
他の特徴および利点は添付図面を参照した次に示す説明
から明らかとなるであろう。

【００１６】

【実施例の記載】原子炉プラント１００は、図１に示す
ように、コンクリート製の密閉部１０１、原子炉１０
２、および該原子炉１０２で駆動されるタービン１０４
を有している。タービン１０４は発電機を駆動して電気
を発生するために使用されている。原子炉１０２は原子
炉容器１０６、および核分裂炉心１０８を含む内部装置
を有する。炉心１０８の活動は制御棒１１０を挿入した
り、引き出すことにより調整される。原子炉１０２は公
称レベル１１２までの水、および蒸気を含んでいる。水
は炉心１０８からの熱を伝達するために炉心１０８を通
って上方に循環する。この加熱による蒸気はタービン蒸
気導管１１４を通って容器１０６から出る。蒸気はター
ビン１０４を駆動するに従って凝縮し、その結果の凝縮
液は給水導管システム１１６をとおって容器１０６に戻
る。ドライウエル１１８は原子炉１０２を収容している
が、それ以外は窒素を充填されている。重力駆動式冷却
液システム（ＧＤＣＳ）１２０を使用して、緊急動作の
間、容器１０６から失われた冷却液を少なくとも一時的
に補充する。

【００１７】タービンの分離の間、分離コンデンサシス
テム１２２を使用して、原子炉１０２からの圧力、自然
崩壊熱、顕熱を消散させる。コンデンサシステム１２２
はコンデンサウエル１２４および水のプール１２５内に
沈められているコンデンサ２００を有する。コンデンサ
プール１２５は通気導管１２８を介して通気されてい
る。

【００１８】正常動作の間、タービン弁１３０およびコ
ンデンサ弁１３２は開放している。分離コンデンサ（Ｉ
Ｃ）モードの間は、タービン弁１３０が閉じているが、
コンデンサ弁１３２は開放したままであり、タービン１
０４を駆動するための蒸気をコンデンサ導管１３４を介
してコンデンサ２００に逃がす。コンデンサ２００から
の凝縮液は分離戻り導管１３６およびＩＣモードの間は
開放している弁１３８を介して容器１０６に流れて戻
る。導管１３４および１３６は容器１０６に独立に接続
されているように示されているが、実際にはこれらはそ
れぞれタービン導管１１４および１１６との接続を共有
し、容器の壁に開けられる貫通孔の数を最小にしてい
る。

【００１９】通常、蒸気弁１４０はＩＣモードのとき閉
じたままである。しかしながら、蒸気弁１４０は、蒸
気、特に凝縮できない蒸気が収集プレナム２１８から導
管１４２を介してウエットウエル１２６に移動できるよ
うに開放することができる。弁１４０は一般には受動型
冷却液密閉システム（ＰＣＣＳ）モードのとき開放され
ている。このモードにおいては、またＧＤＣＳ弁１４４
も開放し、ＧＤＣＳ１２０からの水が導管１４６を介し
て流れることができ、容器１０６から失われた冷却液を
補充する。

【００２０】コンデンサ２００は、図２に示すように、
チャンバ２０２および環状マニホールド２０４を有して
いる。チャンバ２０２は円板状ベース２０６、垂直方向
に延在している円筒形側壁２０８、および半球状カバー
２１０を有している。チャンバ２０２は囲まれたコンデ
ンサの容積２１２をプール１２５から分離している。環
状仕切り２１４はコンデンサの容積２１２を上側分配プ
レナム２１６と下側環状収集プレナム２１８に分割して
いる。

【００２１】収集プレナム２１８の半径方向内側には入
導管２２０があり、この入導管は蒸気導管１３４の延長
部として作用している。入導管２２０はベース２０６の
中心から垂直に分配プレナム２１６内まで延在してい
る。入導管２２０はステンレススティールからなる厚い
管である。この厚さは収集プレナム２１８内の出て行く
凝縮液を入導管２２０を通って上昇して入ってくる蒸気
の熱から断熱するように補助している。更に、断熱は仕
切り２１４と入導管２２０との間の蒸気スペース２２２
によっても行われている。また、この蒸気スペース２２
２は入導管２２０と仕切り２１４の熱膨張の差を許容し
ている。

【００２２】収集プレナム２１８はベース２０６の開口
部２２４を介して導管１３６に接続されている。この導
管１３６は凝縮液を容器１０６に流し戻すように作用し
ている。更に、コンデンサ２００は収集プレナム２１８
の半分より上方に垂直に延在している蒸気トラップ管２
２６を有している。この蒸気トラップ管２２６は導管１
４２に接続されている。弁１４０が開放すると、収集プ
レナム２１８内に蓄積された凝縮できないガスは導管１
４２を通ってウエットウエル１２６内に逃げることがで
きる。

【００２３】マニホールド２０４は外側に配列された４
８本の管２３０と内側に配列された４８本の管２３２の
全体で９６本の管を有する。各管２３０，２３２は分配
プレナム２１６から半径方向外側に延在し、側壁２０８
を通ってプール１２５内に入り、プール１２５を通って
湾曲し、そして側壁２０８を通って半径方向内側に延在
し、分配プレナム２１８に達している。そして、マニホ
ールド２０４はウエル１２４内に分配プレナム２１６と
収集プレナム２１８の間の唯一の流路を形成している。
勿論、原子炉容器１０６を通ってプレナム２１６と２１
８との間に別の流路がある。管支持部２３４はコンデン
サ２００の構造的完全性を維持するように補助してい
る。

【００２４】タービン分離の間、容器１０６からの蒸気
は導管１３６および入導管２２０を通って上昇し、蒸気
は分配プレナム２１６内に蓄積する。分配プレナム２１
６内に蓄積した蒸気は管２３０および２３２内に通さ
れ、そこで蒸気は熱エネルギをプール１２５に伝達して
捨て、少なくとも部分的には水に凝縮する。凝縮液は収
集プレナム２１８に流れ、そこからベース開口部２２４
および導管１３６を通って原子炉容器１０６内に流れ戻
る。蒸気および凝縮できないガスは収集プレナム２１８
内に蓄積されている液体を通って上昇する。残りの蒸気
の多くは液体から出る前に凝縮する。勿論、凝縮できな
いガスは液化しないで、収集プレナム２１８の上部に蓄
積する。コンデンサ２００の動作を妨げるような十分な
凝縮できないガスが発生する状態では、弁１４０が開放
し、凝縮できないガスをウエットウエル１２６に逃がす
ことができる。

【００２５】コンデンサ２００の主利点は、例えば１平
方インチ当り１２５０ポンドの過酷な圧力差を受ける可
能性のある境界がただ１つしかないことである。この境
界は側壁２０８およびカバー２１０で構成されている。
これらの構成要素は所与の周辺領域に対して最大の容積
部分を取り囲んでいる円筒形および球形構造を有してお
り、有利な圧力支持特性を示している。従来の分離コン
デンサにおいて、２つの圧力支持チャンバが必要であ
り、その各々はコンデンサのプールに露出して晒された
１つ以上の平坦な面を有している。このあまり最適でな
い構造は余分な厚さ、補強および大きさを必要としてい
る。勿論、コンデンサ２００は別々の分配および収集プ
レナム２１６および２１８を有している。しかしなが
ら、これらを分離している仕切り２１４は比較的薄くな
っている。これは、仕切り２１４の間の圧力差がマニホ
ールド２０４を介して接続されている流体によって比較
的小さくなっているからである。平坦な構造がベース２
０６によって形成されているが、これは導管１３４，１
３６および１４２とインタフェースするのに最も良く適
している。ベース２０６はコンクリート製の密閉部１０
１に対向しているので、ベースは圧力差を支持する必要
はない。

【００２６】比較として、典型的な従来のコンデンサは
７’の直径および３．７５’台の壁厚を有する２つの円
板状チャンバを有しているが、管は８’の直径まで延在
し、このようなコンデンサの重量は約４３トンとなって
いる。同様な機能は、側壁２０８が３’の直径および
２．５”の厚さを有する本発明で達成され得る。カバー
２１０は２．０”の薄さである。コンデンサ２００の全
体の重量は約１３トンであり、約７０％の低減である。
熱分離を行うために、入導管２２０は約２．０”の厚さ
である。しかしながら、仕切り２１４は約０．３７５”
の厚さであり、比較的薄くなっている。比較的小さく、
重量の軽いカバー２１０はコンデンサのチャンバ２０２
の内部へのアクセスを比較的有利にしている。

【００２７】各管２３０，２３２は単一の半径方向の平
面内にあるように図示され、分配プレナム２１６から出
る場合と同じ周辺方向の座標で収集プレナム２１８内に
入っている。代わりとして、マニホールドの各管はマニ
ホールドの所与の直径に対してより大きな長さを達成し
得るようにコイル状に巻かれていてもよい。更に、内側
および外側に配列された各管の長さは、内側に配列され
たコイルのピッチを密にすることにより等しくすること
ができる。コイル状に巻かれているか否かに関わらず、
各管は凝縮できないガスの出口の上部より下側のレベル
においてチャンバに戻っている。

【００２８】好適なコンデンサのチャンバの構造は円板
状ベース、円筒形側壁および半球状カバーを有している
が、他の構造でもよい。例えば、コンデンサのチャンバ
が原子炉の圧力容器に外面的に類似しているようにベー
スは球形にすることができる。このカプセル構造では、
コンデンサのチャンバはコンデンサウエル１２４の底部
の上に間隔をあけて設けられ、半球状の底部は場合によ
っては過酷な圧力差に耐えるようになっている。

【００２９】円筒形および球形の形状は圧力に耐え、密
閉した容積をコンデンサのプールから分離するのに理想
的に適しているが、他の構造でもよい。しかしながら、
コンデンサのチャンバは分配プレナムおよび収集プレナ
ムの両方を含む隣接の容積を密閉していなければならな
い。更に詳しくは、チャンバの形状は、終点として前記
容積内に点を有する線分上の各点がその容積内にあると
いうことである。すなわち、チャンバの形状は凸面形で
ある。

【００３０】更に、チャンバの形状は球形および円筒形
である必要はないが、これらの形状の利点を実質的に共
有するようにこれらの形状に十分類似していなければな
らない。側壁は円形横断面を有する円筒形と同じように
コンパクトである必要はないが、矩形横断面を有する箱
形よりも良くなければならない。すなわち、側壁の水平
横断面積はその周辺の長さの４分の１の２乗よりも大き
くなければならない。カバーはドーム形状でなければな
らない。すなわち、カバーは水平面においてその反転対
称部と合わせられた場合に容積を密閉するものでなけれ
はならない。代わりとして、フランジの部分を除いて、
カバーの表面上の各点はチャンバの容積内に曲率中心を
有していなければならない。上述した実施例に対するこ
れらおよび他の変更および変形は本発明に従って作られ
るものであり、発明の範囲は特許請求の範囲によって限
定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原子炉プラントの概略正面図である。

【図２】図１に示すプラントの分離コンデンサの拡大図
である。

【符号の説明】

１００原子炉プラント１０１密閉部１０２原子炉１０４タービン１０６原子炉容器１０８炉心１１０制御棒１１８ドライウエル１２２分離コンデンサシステム１２４コンデンサウエル１２５プール１２６ウエットウエル２００コンデンサ２０２チャンバ２０４マニホールド２１６分配プレナム２１８収集プレナム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウエットウエル、ドライウエルおよびコ
ンデンサウエルを画成している密閉構造であって、前記
ウエットウエルが前記ドライウエルと流体的に連通し、
前記ドライウエルが凝縮できないガスを含有し、前記ウ
エットウエルおよび前記コンデンサウエルが正常動作の
間コンデンサ冷却液を含有し、前記コンデンサウエルが
外部に対して通気されており、前記ウエットウエルおよ
びドライウエルが前記外部に対して流体的に分離されて
いる密閉構造と、前記ドライウエル内に設けられている原子炉圧力容器を
有し、該容器が正常動作の間熱伝達流体を有し、該熱伝
達流体が熱伝達液体および熱伝達蒸気を有し、前記容器
が熱伝達液体を熱伝達蒸気に変換する炉心を有し、公称
液体レベルを有する二相原子炉と、タービンと、熱伝達蒸気を前記原子炉から前記タービンに運ぶタービ
ン蒸気導管手段と、前記コンデンサウエル内に配設されているコンデンサで
あって、当該コンデンサが、コンデンサ容積を画成して
いるコンデンサチャンバを有し、該コンデンサチャンバ
はコンデンサ冷却液を該コンデンサチャンバの外側に配
置するように前記コンデンサ容積を前記コンデンサ冷却
液との流体交換から分離しており、前記コンデンサチャ
ンバが（１）ベース、（２）該ベース上に配設されて垂
直に延在しているとともに、開放した上部を有する側
壁、（３）前記上部を密閉するように前記側壁上に配設
されたドーム形状カバー、（４）前記コンデンサ容積を
分配プレナムと収集プレナムとに分割して、前記分配プ
レナムと前記収集プレナムとの間においては前記コンデ
ンサチャンバ内に完全に流体路が存在しないようにする
仕切り、および（５）各々が前記分配プレナムから前記
コンデンサ冷却液中を通り、更に前記側壁を通って前記
収集プレナムまで延在している複数の管を有するマニホ
ールドを含んでいる当該コンデンサと、前記原子炉容器内に過度の圧力が発生した場合、主に熱
伝達蒸気である熱伝達流体を前記容器から前記収集プレ
ナムに運ぶことによって前記原子炉容器内の過度の圧力
を軽減するために、前記公称液体レベルより上方で前記
原子炉に連結している逃し導管を介して前記原子炉に接
続され、前記ベースを通って前記分配プレナムと連通し
ている圧力軽減手段と、前記公称液体レベルより下側のレベルにおいて前記原子
炉に連結されている凝縮液戻り導管を介して、熱伝達液
体を前記収集プレナムから前記原子炉容器に運ぶ凝縮液
戻り手段であって、前記凝縮液戻り導管が前記ベースを
通って前記収集プレナムと連通している凝縮液戻り手段
とをそなえている原子炉プラント。
【請求項２】凝縮できないガスを前記分配プレナムか
ら前記ウエットウエルに運ぶために、前記マニホールド
の管が前記分配プレナムに連結されている最大レベルよ
りも高い面レベルの所まで前記コンデンサの全体内へ前
記ベースを通って延在しているガス導管を更に有する請
求項１記載の原子炉プラント。
【請求項３】前記コンデンサの側壁の横断面の面積が
その周囲の長さの４分の１の２乗よりも大きく、前記コ
ンデンサ容積が終点として該容積内に点を有する区分上
の各点が前記容積内にあるように成形されている請求項
１記載の原子炉プラント。