JPS6228693A - 原子炉冷却系配管 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、原子炉の冷却系配管に係り、特にガス冷却型
原子炉に使用するのに好適な配管構造に関する。

〔発明の背景〕

従来、原子カプラント等で用いられる熱交換器の設計に
あたっては、伝熱管にピンホールが発生してプラグした
場合や、長期間の運転により伝熱管表面によごれが付着
する場合を想定し、予め１０〜２０％程度伝熱面積に余
裕をとっている。

仮に、熱交換を行う際、炉心を出て高温となり熱を与え
る側の流体を１次側、１次側から熱を与えらる側の流体
を２次側と呼ぶことにする。

定格運転状態で、１次側、２次側流体とも所定の流量、
入口温度で熱交換器に入ったとしたと、伝熱面積の余裕
がある分だけ、交換熱量が定格以上となり、１次側の熱
交換器出口温度が低下する。

１次側流体の温度が低下したため、炉心入口温度もそれ
に伴なって低下する。原子炉出力は一定であるので、炉
心出口温度、さらには熱交換器入口温度が低下し、定格
運転状態の温度レベルに達しないことになる。

これを防止するため、熱交換器の伝熱面積の余裕を吸収
する方法を検討する必要性がある。

代表的な伝熱面積の余裕の吸収方法としては、（１）１
次側流体の流量を減少させる、（２）２次側流体の温度
レベルを変え、対数平均温度差を小さくする方法等があ
る。

多目的高温ガス炉では、以下のような、熱交換器の伝熱
面積余裕の吸収方法を採用した例がある。

この例では高温ガス炉のプラント構成は、第１０図に示
すように、炉心１．１次冷却系二重配管２．中間熱交換
器３．２次冷却系二重配管４、蒸気発生器５．１次ヘリ
ウム循環機６．２次ヘリウム循環機７から成る。これら
の機器は、炉心を中心に対称に配置され、Ａ−Ｂの２ル
ープを構成する。第１０図の例は一方のループである。

冷却材としては、１次系、２次系ともにヘリウムガスを
使用している。

中間熱交換器３の伝熱面積余裕を吸収するために、１次
系の流体の条件を固定し、°２次系の流量を増加させる
。その結果、２次系の入口温度を上昇させ、それに伴な
う蒸気発生器５の２次系リウム出口温度を上昇させる必
要がある。

また蒸気発生器５の伝熱面積余裕と、中間熱交換器３の
伝熱面積余裕の吸収方法の結果要求される、２次系リウ
ム出口温度上昇のため、蒸気発生器の中間部に出口ノズ
ル８を設け、２次ヘリウムの一部をバイパスさせる。蒸
気発生器の出口部からの２次ヘリウムと中間ノズルから
バイパスされた２次ヘリウムを、バイパス流量比を変え
て混合させることにより、交換熱量の増加および中間熱
交換器入口温度の低下を防止する方法が採用されている
。

しかし、二次ヘリウム系を無くし一次系ヘリウムガスを
直接水系と熱交換させるプラント構成を採用した場合に
は、水側温度は、圧力によって定められる飽和温度から
著しく異なった値としたことができないので、変更でき
る温度レベルの範囲。

すなわち交換熱量調節範囲が限られ、−次系の温度、流
量を定格状態にすることができない恐れがある。

また、−次系ヘリウムの温度は二次系ヘリウムの温度よ
りも高いので、高温側ヘリウムの一部を熱交換器をバイ
パスさせ低温ヘリウムと混ぜる方法を採用するには、ノ
ズル、流量調節バルブ等を前記公知例よりもさらに高温
に耐えるようにしなければならず、設計・製作は非常な
困難がともなう。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、高温のヘリウムと比較的低温の水との
熱交換器のような著しく温度差のある熱交換器の伝熱面
積の余裕を吸収し、炉心入口での定格の温度・流量条件
を達成できる原子炉冷却系配管を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の要点は、配管部において、温度差の大きい高温
の冷却材と低温の冷却材を熱交換させることで、熱交換
器を定格以下の温度で出た１次側冷却材を加熱し、炉心
入口において定格の温度・流量条件を調整する点にある
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図〜第９図に基づいて説明
する。

従来、高温ガス炉においては、炉心出口冷却材温度が８
００〜１０００℃と非常に高く、圧力も４０ｋｇ／ｃｄ
程度と高いため、他のプラントのような一本の配管だけ
で、耐熱性、耐圧性を維持することが困難である。その
ため、第１１図に示すような同心円状の二重配管を採用
している。

第１１図は、第１０図に示した多目的高温ガス実験炉で
採用が予定されている１次系二重配管２の縦断面図を表
わしたものである。同心円の内側から外側に向かって、
高温ヘリウムガス流路９、ライナー１０、積層金属断熱
材１１、仕切板１２、繊維状断熱材１３、内管１４、高
温ヘリウムガス流路と逆方向に流れる低温ヘリウムガス
流路１５、圧力管１６．保温材１７という構成である。

内管１４より内側の構造物により、９ｏＯ℃前後のヘリ
ウムガス温度を保持し、低温のヘリウムガスで、内ＩＷ
１４を冷却し、圧力管１６により、約４０ｋｇ／ａ＆の
高圧を保持している。

この高温ガス炉の大きな特徴の一つである、二重配管構
造を利用した実施例１を、以下の第１図〜第５図を用い
て説明する。なお高温ヘリウムガス流路９、ライナー１
０．内管１４、低温ヘリウムガス流路１５、圧力管１６
、保温材１７は、従来のものと同一である。

実施例１の概略構造を、第１図の縦断面図、第１図のＡ
−Ａｇにおける横断面を示す第２図により説明する。ま
ず、二重配管の全長の一部分に、ライナー１ｏと内管１
４の間の断熱材を削除して、その環状空間部を隔壁１８
でもって仕切り、複数のセル１９を設置する。各々のセ
ル１９には、上下に配管２０．２１を、圧力管１６と保
温材１７を貫通するように配置して、セル１９内に、液
体金属またはガスを注入できる構成とした。

この注入・注出用配管２０．２１の周囲に断熱材２２を
巻き、二重配管外への熱損失を防止する。

また、低温ヘリウムガスが漏れないよう配管２０．２１
の圧力管１６、及び内管１４とのギャップを溶接構造と
した。さらに、配管２０．２１の先端部には、各々バル
ブ２３．２４が設けられ、セル１９に注入される液体金
属、または不活性ガスの量を調節する。

第３図は、液体金属と、不活性ガスの配管系統を示した
もので、各セル１９の注出用配管２１は、配管２５に統
合された後、液体金属側配管２７と不活性ガス側配管３
３に分岐する。配管２７は、液体金属タンク２８に接続
し、さらにタンク２８は配管２９と接続し、配管３１と
結合する。

同様に不活性ガス側も、配管３３が、不活性ガスタンク
３４と接続し、さらにタンク３４は配管３５と接続し、
配管３１と結合する。

これらの配管２７，２９，３３．３５には、バルブ２６
，３０，３２．３６を設ける。このバルブ２６，３０，
３２．３６の開閉により、不活性ガスのガス圧を利用し
、液体金属または不活性ガスを、配管３１へ導く。その
後分岐点から、各々のセル１９に設けられた注入用配管
２ｏに分配されるというループ構成である。

なお、運転開始前は、ライナー１ｏと内管１４が、冷却
系の圧力（約４０　ｋｇ／ｄ）で押しつぶされないよう
に、不活性ガスを各セル１９内に冷却系以上の圧力で封
入しておく。

実施例１の動作を以下に説明する。

原子炉プラント等で用いられている熱交換器は、前述の
ように製作上伝熱面積の余裕をとっている。

そのため５次式で計算される交換熱量Ｑは、その余裕分
だけ、定格値を上回る６ Ｑ＝Ｕ−Ａ−Ｊ’ｌ　　　　　　　　・・・・・・・・
・（１）ご二で、Ｕ：熱貫流率（Ｊ／耐・ｓ’Ｃ）Ａ：
伝熱面積（ｒｒｌ’） ａＴ、：対数平均温度差（’Ｃ） を表わしている。よって、交換熱量Ｑを下げるためには
、熱貫流率Ｕまたは対数平均温度差Ｊ”１を小さくする
必要がある。

熱貫流率Ｕ、対数平均温度差ΔＴ、は、それぞれ次式で
与えられる。なお、この熱交換器は、２次側流体が伝熱
管内を流れる構造とした。

・・・・・・・・・（２） Ｔ１．、、−Ｔ２□ ・・・・・・・・・（３） ここで、ｈ：流体の熱伝達率（Ｊ／ｒ＋（ｓ’Ｃ）λ：
伝熱管の熱伝導率（Ｊ／ｍｓ℃） ｒ：伝熱管の汚れ係数（ｒｒ？　ｓ　’Ｃ／　Ｊ　）Ｔ
：流体の温度（’Ｃ） ｄ、、ｄｏ：伝熱管の内径、外径（ｍ）を表わしている
。なお添字１，２は、１次側流体、２次側流体を、ｉｎ
、ｏｕｔは、熱交換器入口部、熱交換器出口部を表わし
ている。

交換熱量Ｑが、定格値を上回ると、１次側の熱が過剰に
２次側へ与えられるため、１次側の熱交換器出口温度Ｔ
１＋＋ｍｔが定格値以下となる。

第１０図に示すような高温ガス炉プラントでは、熱交換
された後のヘリウムガスは、ガス循環器６で断熱圧縮さ
れ、二重配管の外側の低温ヘリウムガス流路１５を通り
炉心１へ導かれる。

よって、熱交換器出口部での、ヘリウムガス温度が低下
すると、断熱圧縮により数度の温度上昇はあるが、炉心
入口部でのヘリウムガス温度が低下する。

このため、本実施例１では、炉心入口部でのヘリウムガ
ス温度の低下を防止するため第４図に示すような計装制
御系を設置する。即ち、炉心入口温度Ｔ。ａｒｍ　１ｍ
　を熱電対により検出し、定格運転状態における設定温
度Ｔ、ｌ、との差を判定し、冷却材の温度によってセル
１９に液体金属を注入するための、バルブの開度を制御
する機構を設ける。

第５図は、セル１９内に液体金属を注入する際の手順を
示している。

まず第４図に示した計装制御系により、炉心入口温度Ｔ
。ｗｒａ　１＋１　が設定温度Ｔ□、以下である場合は
、第３図の配管系統図に示した不活性ガス側バルブ３２
．３６を閉じる。そして、１番目のセル１９のバルブ２
３．２４を開けた後、液体金属側のバルブ２６．３０を
開ける。すると、不活性ガスの高い圧力により、タンク
２８内の液体金属が押出され、配管２９．３１を通り、
セル注入用配管２０からセル１９内へ流入する。セル１
９内の不活性ガスが、完全に液体金属に置換された後は
、セル注出用バルブ２４を閉じる。

このようにして、ライナー１０と内管１４の間の環状空
間に、熱伝導率が非常に良い液体金属を封入したセル１
９を構成する。

この二重配管は、内側を高温ヘリウムガスが、内側を低
温ヘリウムガスが流れる。対向流型の熱交換器と考える
ことができる。そこで、内管１４とライナー１０の環状
空間部を、不活性ガスから液体金属に置換することで、
内管１４、セル１９゜ライナー１０で構成される伝熱管
の熱伝導率が上がり、高温ヘリウムガスの熱が低温ヘリ
ウムガスに与えられ、炉心入口温度が上昇することにな
る。

１番目のセル１９内に液体金属を注入した後も、まだ炉
心入口温度が設定温度以下である場合は、２番目のセル
１９についても、前述の操作と同様にして、液体金属を
注入する。この操作を繰返し、炉心入口温度が、設定温
度になるまで、次々にセル１９内に液体金属を注入し、
配管部での交換熱量を増加させる。

一方、熱交換器の伝熱面積の余裕が小さくなってくると
、熱交換器出口部の１次側温度を定格値に近づく。しか
し二重配管内の、液体金属を注入した多数のセル１９の
効果で、二重配管を出た後の炉心入口温度が逆に熱を与
えられすぎて、設定温度以上となる。その場合は、まず
液体金属側のバルブ３０を閉じ、液体金属を注入してい
る最後のセル１９の注入用バルブ２４を開け、セル１９
内の液体金属をタンク２８へ戻す。それから、不活性ガ
ス側のバルブを開け、セル１９内に不活性ガスを再注入
し、炉心入口温度を下げる。

液体金属が注入されていた最後のセル１９に、不活性ガ
スを再注入した後も、炉心入口温度が設定温度以上であ
る場合は、その１つ前のセル１９について、同様な操作
により、不活性ガスを再注入する。この操作を繰返し、
炉心入口温度が、設定温度になるまで、次々にセル１９
内に不活性ガスを再注入し、配管部での交換熱量を減少
させる。

以上述べたように、実施例１によれば、液体金属を注入
したセル１９の個数を変えることで、二重配管部におい
て高温ヘリウムガスと低温ヘリウムガスとの交換熱量を
制御する。その結果、熱交換器を出た１次側ヘリウムガ
スを加熱し、炉心入口部において定格の温度・流量条件
を達成できる。

また熱交換器入口温度が低下し、（３）式で定義した対
数平均温度差を小さくすることができ、熱交換器の交換
熱量を減少できる。

第６図、第７図に示す実施例２は、第１図〜第５図に示
した二重配管に適用した実施例１とは異なり、高温の冷
却材が流れる配管と低温の冷却材が流れる配管が分離し
ている冷却系配管に適用したものである。

実施例２の概略構造を、第６図の縦断面図、第６図のＢ
−Ｂ線における断面を示す第７図により説明する。

まず、高温の冷却材が流れる配９３８と、低温の冷却材
が流れる配管の一部分を、互いに平行に配置する。この
一対の配管３７．３８の間隙を隔壁１８と支持材３９に
より仕切り、複数のセル１９を構成する。その後、一対
の配管３７．３８゜及びセル１９の周囲に保温材１７を
巻き、配管外部への熱損失を防止する。

なお各々のセル１９の側面に設けた注入用配管２０、注
出用配管２１、配管２０．２１の先端部に設けたバルブ
２３，２４、さらに第３図に示した液体金属および不活
性ガスの注入・注出用配管系、第４図に示した計装制御
系は、前述の実施例１のものと同一である。

実施例２の動作は、前述の実施例１の動作と同様である
。即ち、第４図に示した計装制御系により、炉心入口温
度と、設定温度との大小を比較判定し、二本の配管３７
．３８の間隙に設けられたセル１９内に、バルブ２３の
開度を制御して液体金属を注入する。

熱伝導率の非常に良い液体金属が封入されたセル１９を
介して、二本の配管を流れる冷却材は熱交換し、炉心入
口温度が上昇する。

このようにして計測される炉心−人口温度に応じて、液
体金属を注入したセル１９の個数を変えることで、セル
１９を介した高温の冷却材と低温の冷却材の交換熱量を
制御する。

その結果、熱交換器を定格以下の温度で出た１次側冷却
材を加熱し、炉心入口部において、定格の温度・流量条
件を達成できる。

また、熱交換器入口温度が低下するので、（３）式で定
義した対数平均温度差が減少し、熱交換器の交換熱量を
小さくすることができる。

第８図、第９図に示す実施例３は、第６図、第７図に示
した実施例２同様、高温の冷却材が流れる配管と低温の
冷却材が流れる配管の、一対の配管に適用したものであ
る。

実施例３の概略構造を、第８図の縦断面図、第８図のｃ
−ｃ’線における断面図を示す第９図により説明する。

なお、高温の冷却材が流れる配管３８、低温の冷却材が
流れる配管３７、及び保温材１７は、第６図、第７図に
示した実施例２と同一である。

本実施例３は１作動流体を注入できる複数のパイプ４ｏ
を、上端部は低温側配管３７、下端部は高温側配管３８
に挿入したものである。そして一対の配管３７．３８、
及びパイプ４ｏの周囲を保温材４０で断熱した構成であ
る。

゛各々のパイプ４ｏには、作動流体を注入、注出するた
め、側面に配管４１．４２を、保温材１７を貫通するよ
うに配置する。さらに配管４１゜４２の先端部には、バ
ルブ４３．４４を設け、パイプ４０内の作動流体の量を
調節する。

本実施例３の動作を以下に説明する。

熱交換器の伝熱面積に余裕があり、炉心入口温度が定格
以下である場合、第４図に示す実施例１と同様な計測制
御系を設け、計測された炉心入口温度と、設定温度との
大小を比較判定し、パイプ４０の側面に設けたバルブ４
３の開度を制御し。

パイプ４０内に作動流体を注入する。

パイプ４ｏ内に注入する作動流体は、高温側配管３８を
流れる冷却材温度以上で気化し、低温側配管３７を流れ
る冷却材温度以下で凝縮する性質の流体を選択する。

従って注入され、バイブ４ｏ白下端部にたまった作動流
体は、高温側配管３８を流れる冷却材で加熱され、一部
が気化し上端部へ向かう。一方、パイプ４ｏの上端部は
、低温側配管３７に挿入されており気化した作動流体は
、上端部で冷却され凝縮した後、パイプ４０の内面をっ
たって下降する。

即ち、バイブ４ｏ下端部で、高温の冷却材から気化熱を
奪い、上端部で凝縮する際、低温の冷却材に熱を与える
ことができる。

１番目のパイプ４ｏに作動流体を注入した後も、炉心入
口温度が設定温度以下である場合は、次のパイプに作動
流体を注入する。この操作を、炉心入口温度が、設定温
度になるまで繰返す。

一方、熱交換器の伝熱面積の余裕が小さくなった場合は
、パイプ４０内の作動流体を、気化する温度が高い流体
と置換して、高温側の冷却材から低温側の冷却材への熱
の移動を抑制する。

このように、実施例３によれば、作動流体を封入したヒ
ートパイプ４０の個数を変えることで。

配管部において、高温の冷却材と低温の冷却材との交換
熱量が制御できる。その結果、熱交換器の伝熱面積余裕
を吸収し、炉心入口部において定格の温度・流量条件を
達成できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、配管部において高温の冷却材と低温の
冷却材を、熱交換させることができるので、熱交換流体
間の温度差が著しい熱交換器の伝熱面積余裕を吸収し、
炉心入口において定格の温度・流量条件を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例１の配管部縦断面図、第２図
は、第１図のＡ−Ａ線断面図、第３図は、実施例１にお
ける液体金属と不活性ガスの配管系統図、第４図は、実
施例１の計測制御系を示すブロック線図、第５図はセル
内に液体金属を注入。 注出させる際の手順を示すフローチャート、第６図は、
本発明の実施例２の配管部縦断面図、第７図は第６図の
Ｂ−Ｂ線断面図、第８図は１本発明の実施例３の配管部
縦断面図、第９図は第８図のＣ−Ｃ線断面図、第１０図
は、多目的高温ガス炉におけるプラント構成図、第１１
図は多目的高温ガス炉で使用される二重配管の断面図で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炉心で生じた熱を受けて高温化した第１流体を通す
   第１配管と、前記熱を熱交換器で放出して低温化した第
   ２流体を通す第２配管とを冷却系配管として備える原子
   炉において、前記第１と第２の両配管の途中部位を伝熱
   装置で熱的に接続したことを特徴とした原子炉冷却系配
   管。 ２、前記伝熱装置は、第１と第２の両配管壁面間に設け
   た中空なセルと、前記セル内に入れた伝熱媒体であるこ
   とを特徴とした特許請求の範囲の第１項に記載の原子炉
   冷却系配管。 ３、前記伝熱装置は、第１と第２の両配管内に端部を設
   けたヒートパイプであることを特徴とした特許請求の範
   囲の第１項に記載の原子炉冷却系配管。