JPS61122597A - 中間熱交換器 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明はタンク型高速増殖炉に用いられる中間熱交換器
に係り、特に胴と管束間の熱膨張差を吸収する構造を有
する中間熱交換器に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来、タンク型高速増殖炉において、原子炉容器のルー
フスラブに長尺円筒状のシェルアンドチューブ型中間熱
交換器を一次主循環ボンブと周方向に交互に複数台、間
隔的に吊下したものがある。

この中間熱交換器により原子炉容器内で一次冷却材と二
次冷却材との熱交換を行なう。中間熱交換器は一次冷却
材を循環させる垂直な外胴と、この外胴の軸心部に同心
的に配置され二次冷却材を循環させる内側管および外側
管を有している。この中間熱交換器の下＠ｉ部は、原子
炉容器内の上下部にホットブールとコールドプールとを
画成する水平な隔壁の上下方向に沿う貫通孔に挿入され
、外胴は前記隔壁の貫通孔周縁に沿って設けたスタンド
パイブにシール保持されている。そして、ホットプール
の高温の一次冷却材が中間熱交換器の外胴にあけた窓孔
から流入し、その外胴内に設けた伝熱管部で、内側管お
よび外側管を流れる二次冷却材と熱交換して低温となり
、自然対流によって外胴の下端部からコールドプールに
流入する。なお、コールドプールの低温の一次冷却材は
一次主循環ボンブによって強制的に炉心下部に導入され
、炉心で加熱されて上昇し、ホットプールに至る。

ところで、上記のような中間熱交換器が設置された高速
増殖炉において、原子炉の種々の運転モードにおいて中
間熱交換器に生ずる温度分布を考察する。ここで、外胴
に設けられた窓孔から伝達管部に流入する一次冷却材温
度をＴＰＨ，外胴の下端部からコールドプールに流入す
る一次冷却材温度をＴＰＯとする。また、内側管を流れ
て伝熱管部へ流入する二次冷却材温度と外側管を流れて
′　　　　伝熱管部から流出する二次冷却材温度をそれ
ぞれＴＳＣとＴＳＨとする。そこで、伝熱管部と高さを
同じくする外胴との温度差について考えることにする。

伝熱管の内部には一次冷却材が下降して流れ、外部は二
次冷却材が接しながら上方へ移行するため伝熱管のｆｊ
Ａ度は一次冷却材と二次冷却材のそれぞれの温度の中間
的な温度になっていて、高さ方向に温度分布を異にして
いる。

したがって、下部管板の附近ではＴＰＯとＴＳＣとの間
、上部管板の附近ではＴＰＨとＴＳＨとの間の温度にな
っている。

一方、外胴の温度は、この内側と二次冷却材が伝熱管を
通過して上方へ移行して流れ、その外側はスタンドパイ
プとの間のほとんど流動しない一次冷却材によって満た
されているので、およそ二次冷却材の温度に等しいと考
えられる。したがって外胴の温度は下部管板附近ではＴ
ＳＣ１上部看板附近ではＴＳＨ程度である。

上記したように伝熱管と外胴との間には温度差が常に存
在しているものと考えられ、この温度差によって生ずる
熱膨張差は、外胴あるいは伝熱管に過大な熱応力を引き
起こす可能性があるので、この熱膨張差を吸収する機構
を設置することが必要である。

この熱膨張差を生じる外胴と伝熱管の温度差を設計上安
全側に見積るために、伝熱管温度はそこを通過す゛る一
次冷却材の温度に等しいと仮定し、外胴の温度はそこを
通過する二次冷却材温度に等しいと仮定する。したがっ
て、外胴と伝熱管の温度差は下部管板の付近ではＴＰＯ
−ＴＳＣｌまた、Ｌ部管板附近ではＴＰＨ−ＴＳＨ程度
である。これらの値はタンク型高速増殖炉のシステム全
体の設計に基づく一次および二次冷却材の温度変化に存
在するねであるが、通常の運転時にはおよそ４０〜５０
℃程度になっているものとされる。しかし、原子炉の運
転上の温度に伴って生ずる一次および二次冷却材温度の
過渡的な変化においてはかなり大きな温度差が生ずる可
能性もあり、特に二次冷却系が停止するようなホットシ
フツクが起こる現象において、この温度差は安全性を考
慮して大きめに見積っても下部管板の附近で１５０℃程
度にもなるしのと考えておく必要がある。また、伝熱管
部の縦方向の長さは一般に５〜６ｍ程度であるから、こ
の温度差（縦方向に一様と仮定する）によって生ずる熱
膨張差はおよそ１５〜１８履となる。このような大きな
熱膨張差を放置すれば伝熱管に生ずる圧縮応力による伝
熱管の座屈等、中間熱交換器の機器の健全性保持に悪影
響を及ぼすことが考えられる。

そこで、従来この対策として考えられたのは中間熱交換
器の下端部において、外胴と下部プレナムを形成する内
胴との間に熱膨張差吸収用のベローズを設けるというも
のである。このベローズは中間熱交換器の軸方向の変位
を吸収しやすい性質を有しており、これにより伝熱管と
外胴の熱膨張差を吸収する。

第４図は、上記ベローズの従来構造を拡大して示すもの
で、外胴１９の下端テーバ部の下端附近と内胴３３の下
端との間に一重のベローズ３４が設置されている。内胴
３３は下部管板２０ｂと一体であり、下部管板２０ｂと
図示しない上部管板とは伝熱管２１を介して溶接等によ
り大きな剛性を持って結合されている。更に、上部管板
その周囲に、１３いて外胴１９と再び溶接等の方法にＪ
こり酒石ざている。したがって、上部管板のレベルより
下側の外胴の温度と、上部管板、伝熱管２１、下部管板
２０ｂおよび内１）ｉ　３３の温度との差によっで生ず
る外ｌｌ１１９下端と内胴３３下端の軸方向相対変位は
ほとんどすべてをベローズ３４により吸収され、外胴１
９および伝熱管２１に生ずる熱応力を緩和している。ま
た、ベローズ３４は、二次冷却材で満された外胴１９と
内胴３３で形成されたｊ−バ状のアニユラス空間３６の
圧力と下部プレナム１０の一次冷却材の圧力との差圧を
支えてバウンダリーを形成しでいる。

なお、図示しない隔壁およびその下方に配置する隔壁支
持体に、中間熱交換器挿通用の貫通孔の周縁に沿うスタ
ンドバイブ３０が固定されている。

このスタンドパイプ３０は、中間熱交換器１４の据付は
位置における外胴１９の下端よりも下方にへ 長く延出しでいる。このスタンドバイブ３０と外ＩＨ１
９との間にはベローズ３５が設けられ、ホラ１〜プール
とコールドブール１０との間をシールするとともに、ス
タンドパイプ３０と外胴１９との熱膨張差を吸収し得る
ようになっている。

ところで、かような従来の中間熱交換器では、ベローズ
以外の部分はほとんど剛性であるとみなし、変位、つま
りひずみはベローズ３４．３５に集中する傾向があるた
め、ベローズ３４．３５自身の構造健全性が問題となる
。ベローズ３４．３５に作用される主な荷重は、上記熱
膨張差による軸方向の変位制御型の荷重および一次と二
次冷却材の圧力差である。特にタンク型の高速増殖炉の
場合、−次冷却材の圧力は低く、上記圧力差はかなり大
きい一次荷重として作用する。したがって、これに熱膨
張差による荷重が重畳した場合ベローズのラチェット変
形等の過大な変形挙動を引き起こす恐れがある。それを
防止するためには、熱膨張差による応力をできるだけ小
さくする必要があるが、それには、ベローズの軸長を増
して、ベローズの山数を多くする処置が考えられている
。しかしながら、このようにすると中間熱交換器の全長
は必然的に増大し、原子炉容器の深さ方向のサイズに制
約を与え、ひいてはタンク型高速増殖炉のコスト増大に
つながる問題点がある。

〔発明の目的〕

本発明はこのような問題点を解決するためになされたち
ので、中間熱交換器の下端附近の外胴と内胴との間に熱
膨張差吸収用に内外２重のベローズを設けることにより
、ベローズ自身の構造健全性を確保°ツるとともに、中
間熱交換器の伝熱管や外胴に生ずる熱応力の大幅な緩和
が図れ、コストダウンにつながる中間熱交換器を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明はこの目的を達成するため、中間熱交換器の下端
附近の外胴と内胴との間にできる軸方向にのびたアニユ
ラス空間にベローズの伸縮を円滑にするだめのガイドレ
ールを設けるとともに、このガイドレールに端部金物を
摺動自在に設け、この端部金物に二重ベローズの一端を
固定しである乙ので、この二重ベローズの往動と復動の
両方で外胴と内胴の相対変位を吸収して一次および二次
冷却材のバウンダリーを形成するようにしている。

（発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。な
お、第１図ないし第３図中、同一部分には同一符号を付
して重複した部分の説明を省略する。

まず、タンク型高速増殖炉の全体を第２図によって説明
する。

原子炉容器１は安全のため内側の主容器１ａとガードベ
ッセル１ｂとの２重構造とされており、円筒状のキャビ
ティウオール２内に吊下げ支持されている。この原子炉
容器１およびキレビテイウォール２はルーフスラブ３に
より閉塞されている。

そして、主容器１ａ内の下部には炉心支持体４を介して
プレナム部５および炉心６が順次ｇＩ層されている。こ
の炉心６の上部にはルーフスラブ３に炉心上部機構７が
設けられている。また、炉心６のちょうど上端部位置に
おいて、主容器１ａ内を上方のホットブール９と下方の
コールドブール１０とに区画する隔壁８が隔壁支持体８
ｂによつて設けられている。

また、ルーフスラブ３からは主容器１ａ内の一次冷却材
１５を循環させる複数の一次主循環ボンブ１１が周方向
に等間隔に吊下されている。これらの−法主循環ボンブ
１１の外側を包囲する薄肉円筒体１２が隔壁８を上下に
貫通して設けられている。また、各々の一次主循環ボン
プ１１の下端からは炉内配管１３が導出され、その先端
がプレナム部５に接続されている。

さらに、ルーフスラブ３からは一次冷却材と二次冷却材
との熱交換を行なう複数の中間熱交換器１４が周方向に
等間隔に主容器１内に吊下されており、その下端部は隔
壁８を貫通してコールドプール１０内に達している。こ
のルーフスラブ３は内部の空洞部へ主容器１外に設置し
たガス循環装置１７により冷却ガスを循環供給すること
により加熱防止を図っている。また、ルーフスラブ３の
へ 下面と一次冷却材１５の上面との空間には不活性ガスの
カバーガスが充填されている。

ここで、以上のように構成されたタンク型高速増殖炉の
作用を説明する。

まず、液体ナトリウム等の液体金属からなる一次冷却材
１５は、炉心６を上方に向って通過する間に核反応によ
る熱エネルギを受けて加熱されて高温となり、炉心上部
機構７の窓孔を通してホットブール９内へ流入する。そ
して、−次冷却材１５は中間熱交換器１４へ上部から流
入し、二次冷却材としての液体金属へ熱エネルギを伝達
し、自らは温度降下してコールドプール１０内へ流下り
る。

一方、コールドプール１０内の一次冷却月１５は、薄肉
円筒体１２内を上昇して一次主循環ボンプ１１により昇
圧され、炉内配管１３を通ってプレナム部５へ戻される
。

次に中間熱交換器の構成および作用を第３図によって説
明する。

中間熱交換器１４は長尺な中空状の外胴１９を有し、こ
の外胴１９の上端に形成した７ランジ１９ａがルーフス
ラブ３に支持され、中間熱交換器１４全体は吊下されて
いる。この外胴１９の下端はテーパ状に縮径され、隔壁
８の貫通孔８ａに挿通されてコールドプール１０内に出
口ノズル１９ｂをもって開口している。

また、外胴１９の下部には上下管板２０ａ、２０ｂの間
にｄ通支持された多数の伝熱管２１が収納されている。

そして、外胴１９にあけた入口窓２２から上管板２Ｏａ
上に流入した一次冷却材１５（太白矢印）は、各伝熱管
２１内を流下して下管板２０ｂから流出し、出口ノズル
１９ｂを通ってコールドプール１０内に流下する。

また、外胴１９の中心部には、ルーフスラブ３の外部か
ら液体ナトリウム等の液体金属からなる二次冷ＩＪｌ材
２３（大黒矢印）を上下管板２０ａ。

２Ｏｂ間の空間２Ｏｃ内に下端開口２４ａを通して送給
する内側管２４と、前記空間２０ｃから一次冷却材１５
との熱交換によって加温されて二次冷２Ｊ１　＋Ａ’　
２３を取出し、ルーフスラブ３外へ導出する外側管２５
とで形成されたダウンカフ２６が設けられている。

なお、内側管下端で下管板２０ｂとの貫通部は、二次冷
却材２３が直接当ることから鏡板３１として構成しであ
る。

また、外胴１９の上端部には一次冷却材１５からの輻射
熱防止のための熱遮蔽板２７と、放射線遮断のため鋼球
を充填した放射線遮蔽体２８とが設けられている。ホッ
トプール９内の外胴１９の外側には、入口窓２２から外
胴１９内へ流入する一次冷却材を整流させるスカート２
９がルーフスラブ２下面から垂下している。

ここで、中間熱交換器１４での熱交換作用を説明する。

一次冷却材１５は、第３図に太白矢印で示すように、ホ
ットブール９内において、外ｌ５４１９とスカート２９
との間を通り、整流された状態で入口窓２２から外１！
ｉ１９内へ流入する。

一方、二次冷却材２３は、大黒矢印で示すように、ダウ
ンカフ２６の内側管２４内を流下し、下ｖａ開口２４ａ
を通って空間２Ｏｃ内に流入する。

そして、伝熱管２１内を流下する一次冷却材１５と、空
間２０ｃを上昇する二次冷却材２３どが相互に熱交換さ
れる。この熱交換後、低温状態になった一次冷却材１５
は伝熱管２１の炉開口から外胴１９内に流出し、出口ノ
ズル１９ｂを通ってコールドブール１０内に流入する。

一方、高温状態になった二次冷却材２３は、上管板２０
ａの部分でダウンカフ２６の外側管２５内に流入し、二
次主冷却材系の蒸気発生器（図示せず）へ送給される。

次に、外ｒｆ４１９と内胴３３との間に設けた外、白画
ベローズ３４ａ、３４ｂの構成について説明する。

第１図は第３図における中間熱交換器の外、白画ベロー
ズ３４ａ、３４ｂ、３５の部分を拡大して左半分のみ示
す断面図である。外内二重ベローズ３４ａ、３４ｂは外
１ｊｉ１１９と内胴３３との間アニユラス空間３６内に
設置されており、外胴１９側の外ベローズ３４ａと内胴
３３側の内ベローズ４　　　３４ｂの往＋ｉ　する二重
ベローズの形をとっている。

外ベローズ３４ａの下端は外胴１９の下端に結合固定さ
れ、内ベローズ３４ｂの下端は内胴３３の下端に結合固
定されている。また二重ベローズ３４ａおよび３４ｂの
上端はそれぞれ、外胴１つの内面および内胴３３の外面
に設置されたガイドレール３８に沿って上下に摺動する
端部金物３７に結合固定されている。

次に上記構成の一実施例の作用を第１図によって説明す
る。

外胴１９と上部管板２０ａ、伝熱管２１、下部管板２０
ｂおよび内胴３３との温度差により生じた、外胴１９と
内胴３３のそれぞれの下端部に現われる熱膨張差は、外
胴１９と内胴３３の間に設置された外ベローズ３４ａお
よび内ベローズ３４ｂの軸方向の伸縮によって吸収され
る。−例として高速増殖炉の通常運転時に、外胴１９と
上部管板２０ａ、伝熱管２１、下部管板２０ｂおよび内
胴３３と間に４０℃程度の温度差が生じている場合を考
察する。この場合、外１’Ｈ１９と内胴３３の下端部に
生ずる熱膨張差による相対変位は、中間熱交換器１４の
詳細寸法にもよるがおよそ４ｓ程度になるものと考えら
れる。また、この時、外胴１９ＩｌｌｌＩの温度が低い
側であるから、外胴１９の下端より内胴３３下端の方が
下に４Ｍ伸びた状態となっている。２重ベローズ３４ａ
および３４ｂのそれぞれ一端を固定している端部金物３
７は外胴１９内面と内＋１ｉｉ　３３外面に設置された
ガイドレール３８に沿って軸方向に円滑にＭ　ｆＪｉし
、また、２重ベローズ３４ａおよび３４ｂは径が若干異
なる池はほとんど同一の形状、寸法を有しているので、
外べ臼−ズ３４ａは収縮し、内ベローズ３４ｂは伸長し
、それらの変位量はほぼ均等に２　ｍｍずつに配分され
ると考えられる。したがってベローズを−１にした第４
図に示す従来例に比較すれば、熱膨張差を吸収するため
にベローズ自身に生じる二次応ノ〕は半減され、例え、
二次冷却系が停止するホットショックの事象において生
じる過大な温度差による熱膨張であってもベローズの蛙
全性を確保し゛Ｃ吸収し得ることができる。特に、タン
ク型の高速増殖炉においては二次冷却材と一次冷却材の
圧力差が大ぎく、これによるベローズに生じる一次応力
は大きく、更にこの上に熱膨張差による一次応力が繰り
返し負荷された場合にはベローズの熱的ラチェットのよ
うな過大変形が心配されるが、本発明によれば、およそ
半分の長さのベローズを用いることによりこのような過
大変形の起こらない熱膨張吸収機構を提供できる。

（発明の効果〕 以上説明したように本発明は、中間熱交換器の外胴と内
胴下端附近を、一端を外胴と内胴の間に設置したガイド
レール上を円滑に摺動する端部金物に固定された比較的
短い２重ベローズによってシールしてなるものである。

したがって、外胴と、上部管板、伝熱管、下部管板およ
び内）１との温度差による熱膨張差を吸収し、しかもベ
ローズ自身の叶全性を確保できる。また、軸方向に短尺
であるような中間熱交換器を比較的安価に提供し、タン
ク型高速増殖炉の主容器の深さ低減に寄与し、ひいては
原子炉全体のコストダウンに青くことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における中間熱交換器の下端
附近のみを拡大して示す断面図、第２図は原子炉容器全
体を示す断面図、第３図は本発明に係る中間熱交換器を
示す断面図、第４図は従来の中間熱交換器にお【プる下
端部を拡大して示す部分断面図である。 １・・・原子炉容器、３・・・ルーフスラブ、１９・・
・外胴、２０ａ・・・上部管板、２０ｂ・・・下部管板
、２１・・・伝熱管、３３・・・内胴、３４ａ・・・外
ベローズ、３４ｂ・・・内ベローズ、３７・・・端部金
物、３８・・・ガイドレール。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第１図 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、タンク型高速増殖炉の主容器を覆うルーフスラブを
   貫通して上記主容器内へ吊下げられ伝熱管外の二次冷却
   材を主容器内の一次冷却材から隔てる外胴と一次冷却材
   をその内部に含む下部プレナムを下部管板とともに形成
   する内胴を有する中間熱交換器において、前記外胴と内
   胴との間に形成するアニュラス空間内に前記外胴と内胴
   との内面で摺動自在に設けられた端部金物に二重ベロー
   ズの端を固定するとともにこの二重ベローズの他端を前
   記外胴と内胴の端部に固定したことを特徴とする中間熱
   交換器。 ２、端部金物は外胴または内胴あるいは外胴および内胴
   にて設置されたガイドレールに沿つて摺動自在に設けら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   中間熱交換器。