WO2011129063A1 - 気水分離器およびそれを用いた原子炉システム - Google Patents

気水分離器およびそれを用いた原子炉システム Download PDF

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池田　浩
智香子 岩城
佐藤　寿樹
一義 青木
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株式会社 東芝
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    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B01D45/16—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces generated by the winding course of the gas stream, the centrifugal forces being generated solely or partly by mechanical means, e.g. fixed swirl vanes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C3/06—Construction of inlets or outlets to the vortex chamber
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    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
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    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a steam separator and a nuclear reactor system using the same.
  • cooling water is divided into a primary cooling system circulating in the reactor and a secondary cooling system of a steam generator.
  • the primary cooling system high-temperature water is produced by the heat generated in the reactor core.
  • water in the secondary cooling system boils and becomes steam in a heat exchanger in the steam generator, and rotates the turbine and the generator.
  • a general nuclear reactor is provided with a plurality of steam-water separators, dryers, and the like in order to remove water from the two-phase flow of steam and water generated in the nuclear reactor or steam generator.
  • a core for accommodating a large number of fuel assemblies is formed slightly below the center.
  • the upper end opening of the shroud surrounding the core is closed by the shroud head.
  • the shroud head is provided with a stand pipe for the steam separator, and a dryer is disposed above the steam separator.
  • the steam separator is composed of a stand pipe, a swirler, a barrel, and the like, and has a structure in which water is centrifuged at the swirler portion and the barrel portion.
  • the centrifugally separated water is guided under the surface of the water and recirculated in the reactor pressure vessel together with the water flowing in from the water supply pipe.
  • the steam from which most of the water has been removed by the steam separator is further removed by the dryer.
  • the steam from which moisture has been removed is led out of the reactor pressure vessel through the main steam pipe and sent to the turbine.
  • an object of the present invention is to reduce carryover in which water droplets are discharged from the upper end of the barrel in the steam separator.
  • the present invention provides a steam / water separator which is formed in a vertically extending tubular shape in which a two-phase flow of steam and water flows from the bottom to the top, and swirls into the two-phase flow.
  • a swirler that applies force
  • a steam separation structure that separates a flow near the center of the barrel from a flow near the inner surface of the barrel out of the flows flowing in the barrel and guides the flow to the outside of the barrel.
  • the present invention provides a steam generating means for generating steam by heating water with heat generated by nuclear fission in a nuclear reactor system, and a steam formed in a vertically extending tube and sent from the steam generating means.
  • a barrel in which a two-phase flow of water flows from bottom to top, a swirler that imparts a swirling force to the two-phase flow, and a flow in the vicinity of the center of the barrel among the flows in the barrel is a flow in the vicinity of the inner surface of the barrel
  • a steam separator having a steam separating structure for separating and guiding the outside of the barrel.
  • FIG. 2 is a plan sectional view taken along the line II-II in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a side sectional view taken along line III-III in FIG. 1.
  • 1 is an elevational sectional view of a nuclear reactor system using a first embodiment of a steam-water separator according to the present invention. It is a partially expanded sectional view in 2nd Embodiment of the steam-water separator which concerns on this invention. It is a partially expanded sectional view in 3rd Embodiment of the steam-water separator which concerns on this invention. It is a partially expanded sectional view in a modification of the third embodiment of the steam separator according to the present invention.
  • FIG. 4 is an elevational sectional view of a nuclear reactor system using the first embodiment of the steam-water separator according to the present invention.
  • This reactor system has a reactor pressure vessel 16.
  • a water supply pipe 20 and a main steam pipe 19 are connected to the reactor pressure vessel 16.
  • a shroud 50, a steam separator 21, and a dryer 22 are provided inside the reactor pressure vessel 16.
  • the shroud 50 is a cylinder provided slightly below the center of the reactor pressure vessel 16. A large number of fuel assemblies are accommodated in the shroud 50, and these fuel assemblies form a core 17.
  • the upper end opening of the shroud 50 is closed by the shroud head 25.
  • a stand pipe 18 of the steam separator 21 is erected.
  • a dryer 22 is disposed above the steam / water separator 21.
  • Water flow 23 and steam flow 24 will be described.
  • the water guided from the water supply pipe 20 to the reactor pressure vessel 16 enters the core 17 from the lower part of the shroud 50. Water is boiled by the thermal energy of the core 17, and a two-phase flow of water and steam is produced in the stand pipe 18 part. That is, the core 17 formed by a plurality of fuel assemblies functions as steam generating means for generating steam by heating water with heat generated by nuclear fission.
  • the steam separator 21 is composed of a stand pipe 18, a swirler 8, a barrel 2 and the like.
  • the swirler 8 gives a turning force to the two-phase flow of water and steam flowing from the stand pipe 18 into the barrel 2.
  • the water is centrifuged in the barrel 2 portion by the turning force given by the swirler 8.
  • the centrifuged water is guided under the water surface 26 and recirculated in the reactor pressure vessel 16 together with the water flowing in from the water supply pipe 20.
  • the steam from which most of the water has been removed by the steam separator 21 is further removed by the dryer 22.
  • the steam from which moisture has been further removed by the dryer 22 is led out of the reactor pressure vessel 16 through the main steam pipe 19 and sent to the turbine.
  • FIG. 1 is a partially enlarged sectional view of the steam separator according to this embodiment.
  • the steam / water separator 21 has a barrel 2, a swirler 8, a pick-off ring 1, an annular body 41, and a descending flow path forming tube 27.
  • the barrel 2 is a vertically extending tube formed in a cylindrical shape. Inside the barrel 2, a two-phase flow of steam and water that flows through the stand pipe 18 and is given a turning force by the swirler 8 flows from the bottom to the top. Water subjected to centrifugal force by the swirler 8 forms a liquid film 5 on the inner surface of the barrel 2. Water that has not been taken into the liquid film 5 exists as water droplets 3.
  • the barrel 2 is formed with a through portion 40 penetrating from the outside to the inside by, for example, arranging two circular tubes having the same diameter at intervals in the axial direction.
  • the pick-off ring 1 is a tube having an outer surface facing the penetrating portion 40 of the barrel 2 with a gap therebetween.
  • the annular body 41 is an annular plate that spreads outward from the outer surface of the pick-off ring 1.
  • the descending flow path forming tube 27 is a tube extending downward from the annular body 41. The inner surface of the descending flow path forming tube 27 is opposed to the outer surface of the barrel 2 with a gap in between.
  • the pick-off ring 1 and the descending flow path forming tube 27 are both formed in a cylindrical shape and arranged coaxially with the barrel 2.
  • the diameter of the pick-off ring 1 is smaller than the diameter of the barrel 2.
  • the diameter of the descending flow path forming tube 27 is larger than the diameter of the barrel 2.
  • the annular body 41 is a ring having an inner diameter that is the same as the diameter of the pick-off ring 1 and an outer diameter that is the same as the diameter of the descending flow path forming tube 27 around the axis of the barrel 2.
  • the pickoff ring 1, the annular body 41, and the descending flow path forming pipe 27 separate the flow 43 in the vicinity of the inner surface of the barrel 2 from the flow flowing in the barrel 2 from the flow 4 in the vicinity of the center of the barrel 2. Guided to descend along the outer surface.
  • the pick-off ring 1, the descending flow path forming tube 27, the annular body 41, and the barrel 2 above the annular body 41 are fixed to the outer surface of the barrel 2 below the annular body 41 and protruded in the radial direction, for example. It is supported by fixing the inner surface of the forming tube 27.
  • Water with centrifugal force acting on the swirler 8 forms a liquid film 5 on the inner surface of the barrel 2.
  • steam is mainly flowing in the vicinity of the center of the barrel 2.
  • the liquid film 5 is removed outside the barrel 2 by the pick-off ring 1 or the like.
  • the steam / water separator 21 of the present embodiment further has a steam separation structure.
  • the steam separation structure includes a steam trap tube 29 and a cross tube 11.
  • the steam trap tube 29 is a tube having an outer surface facing the inner surface of the barrel 2 above the pick-off ring 1 with a gap in between.
  • the transverse pipe 11 is a pipe that communicates the inside of the steam capturing pipe 29 and the outside of the barrel 2.
  • the steam trap tube 29 is a circular tube having a diameter smaller than that of the pick-off ring 1.
  • the steam trap tube 29 is arranged coaxially with the barrel 2, the pick-off ring 1, and the like.
  • the lower end of the steam capturing pipe 29 is open, and the upper end communicates with the transverse pipe 11.
  • the transverse tube 11 is a circular tube that traverses the inside of the barrel 2, and both ends are attached to the barrel 2.
  • an opening is formed in a part of the side surface of the transverse pipe 11, and the periphery of the opening is attached to the upper end of the steam capturing pipe 29.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 2 shows an example in which the transverse tube 11 extends from the steam trap tube 29 in four directions and is connected to the barrel 2, it may naturally be configured to extend in three or less directions or in five or more directions.
  • FIG. 3 is a sectional side view taken along line III-III in FIG.
  • the cross-sectional shape of the transverse tube 11 is not particularly limited, but is preferably a streamline shape shown in FIG. 3 so as not to hinder the steam flow.
  • Such a steam trap tube 29 separates the flow in the vicinity of the center from the flow in the vicinity of the inner surface 2 of the barrel among the flows above the downstream of the pick-off ring 1 in the barrel 2, that is, on the downstream side.
  • the separated flow is guided to the outside of the barrel 2 through the steam trap tube 29 and the cross tube 11.
  • the steam flow rate in the entire plant increases due to, for example, an increase in the heat output in the nuclear reactor, the increase in the steam velocity in the barrel 2 can be suppressed or reduced. As a result, the steam flow rate in the entire plant can be increased without increasing carryover.
  • FIG. 5 is a partially enlarged sectional view of a steam / water separator according to a second embodiment of the present invention.
  • This embodiment is different from the steam / water separator of the first embodiment in that a drain pipe 28 and a flow path adjusting ring 10 are added as constituent elements.
  • the drain pipe 28 is a pipe having an inner surface facing the outer surface of the barrel 2 across a gap.
  • the flow path adjusting ring 10 protrudes from the outer surface of the barrel 2 toward the inner surface of the drain pipe 28 to reduce the flow path between the barrel 2 and the drain pipe 28.
  • the drain pipe 28 is formed in a cylindrical shape and is arranged coaxially with the barrel 2.
  • the diameter of the drain pipe 28 is larger than the diameter of the descending flow path forming pipe 27.
  • the flow path adjusting ring 10 is a ring having an inner diameter that is the same as the outer diameter of the barrel 2 and an outer diameter that is smaller than the inner diameter of the drain pipe 28.
  • the upper end of the drain pipe 28 is located above the lower end of the descending flow path forming pipe 27.
  • the flow path adjusting ring 10 is located below the lower end of the descending flow path forming pipe 27.
  • drain pipes 28 and the flow path adjusting ring 10 form a drain flow path into which the flow 44 descending along the outer surface of the barrel 2 flows. Further, the flow path adjusting ring 10 forms a small flow path area portion having a smaller cross-sectional area than the upper part in the middle of the drain flow path. Since the drain pipe 28 has a diameter larger than that of the descending flow path forming pipe 27, an opening is formed at an upper end portion located above the small flow path area portion.
  • the drain pipe 28 is supported by fixing a plate that is fixed to the outer surface of the barrel 2 and protrudes in the radial direction and the inner surface of the drain pipe 28.
  • water is removed to the drain pipe 28 side by the pick-off ring 10 or the like, but steam flows into the drain pipe 28 together with water under high quality conditions.
  • the flow path in the drain pipe 28 is narrowed by the flow path adjusting ring 10. For this reason, the water fills the flow path above the flow path adjustment ring 10, and the water surface 42 is formed above the flow path adjustment ring 10.
  • the steam that has flowed into the drain pipe 28 is discharged from the opening at the upper end of the drain pipe 28. Even if bubbles 7 are generated below the water surface 42 in the drain pipe 28, most of the light bubbles 7 rise and reach above the water surface 42 in the drain pipe 28, and the upper end of the drain pipe 28. It is discharged from the opening of the part.
  • the reduction of the carry-under is not a result of reducing the amount of fluid guided to the outside of the barrel 2 by increasing the diameter of the pick-off ring 1 or the like, so that the amount of water droplets rising inside the barrel 2, that is, the carry Does not increase over. Furthermore, since the flow of the steam is reversed toward the opening at the upper end portion of the drain pipe 28 at the lower end of the descending flow path forming pipe 27, the rise of water droplets is suppressed.
  • FIG. 6 is a partially enlarged sectional view of a third embodiment of the steam / water separator according to the present invention.
  • the steam / water separator 21 of the present embodiment has a drain pipe 6 whose diameter decreases as it goes down, instead of having the drain pipe 28 and the flow rate adjusting ring 10 of the second embodiment. Since the diameter of the drain pipe 6 is reduced downward, the cross-sectional area of the drain passage between the inner surface of the drain pipe 6 and the outer surface of the barrel 2 is reduced downward.
  • a gap 9 is provided between the upper end of the drain pipe 6 and the descending flow path forming pipe 27.
  • This gap 9 is a steam outlet.
  • the descending flow path forming pipe 27 and the drain pipe 6 may be formed as an integral pipe, and a hole penetrating from the inner surface to the outer surface may be formed in the pipe to form a steam outlet.
  • the portion where the cross-sectional area of the drainage channel is narrow is formed, the water surface 42 is formed above the portion.
  • the steam that has flowed into the drain pipe 28 is discharged from the opening at the upper end of the drain pipe 28.
  • the bubbles 7 are generated below the water surface 42 in the drain pipe 28, most of the light bubbles 7 rise and reach above the water surface 42 in the drain pipe 28 and are discharged from the steam outlet.
  • the reduction of the carry-under is not a result of reducing the amount of fluid guided to the outside of the barrel 2 by increasing the diameter of the pick-off ring 1 or the like, so that the amount of water droplets rising inside the barrel 2, that is, the carry Does not increase over. Furthermore, since the steam flow is reversed toward the opening at the upper end of the drain pipe 28 in the vicinity of the steam outlet, the rise of water droplets is suppressed.
  • the gap 9 is opened in the lateral direction, when water is discharged from the steam separator above the annular body 41, water falling from above the annular body 41 Inflow into the gap 9 can be prevented.
  • the upper end of the drain pipe 6 shown in FIG. 7 has a smaller diameter than the lower end of the descending flow path forming pipe 27, or the gap 9 shown in FIG. 8 is inclined downward toward the outer periphery.
  • FIG. 9 is a partially enlarged sectional view of a steam / water separator according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the steam / water separator 21 of this embodiment has a steam trap tube 29 that forms a part of the water droplet separation structure.
  • the steam trap tube 29 of this embodiment is connected to the cross tube 11. Further, the pick-off ring 1 in the second embodiment is not provided.
  • the steam capturing pipe 29 of the present embodiment is a pipe having an outer surface facing the penetrating portion 40 of the barrel 2.
  • the steam capturing pipe 29 is a circular pipe having a diameter smaller than that of the barrel 2 and is arranged coaxially with the barrel 2.
  • the lower end of the steam capturing pipe 29 is open, and the upper end is connected to the transverse pipe 11.
  • the flow outside the steam trap tube 29 passes through the cross tube 11 and flows upward.
  • the liquid film 5 formed on the inner surface of the barrel 2 and most of the water droplets having a velocity component in the outward direction due to centrifugal force are guided to the outside of the barrel 2 through the penetrating portion 40 of the barrel 2.
  • Water and steam guided to the outside of the barrel 2 are guided by the descending flow path forming pipe 27 so as to descend along the outer surface of the barrel 2.
  • the steam capture pipe 29 separates the flow near the inner surface of the barrel 2 out of the flow flowing in the barrel 2 from the flow near the center of the barrel 2 and guides the water droplet separation to descend along the outer surface of the two barrels. It constitutes a part of the structure.
  • the present embodiment includes the water droplet separation structure and the bubble separation structure such as the drain pipe 28 and the flow path adjusting ring 10, and thus increases carry-over as in the first embodiment. Carry-under is reduced without causing
  • the upper end of the steam capturing pipe 29 is connected to the transverse pipe 11. For this reason, steam flows mainly and the flow in the vicinity of the center of the barrel 2 that does not contain much water droplets passes through the steam capture pipe 29 and the transverse pipe 11 and is discharged to the outside of the barrel 2.
  • the steam flowing into the drain pipe 28 is discharged from the steam outlet at the upper end of the drain pipe 28 as in the fourth embodiment, and the steam in the barrel 2 also passes through the transverse pipe 11. It is discharged from the barrel 2 through.
  • the steam flow rate rising in the barrel 2 can be reduced.
  • the steam flow rate in the barrel after passing through the pick-off ring is reduced.
  • the carry-over can be reduced similarly to the first embodiment, and the carry-over in which the water droplets rise in the barrel can be reduced. Furthermore, since the pick-off ring 1 and the annular body 41 in the first embodiment do not protrude into the barrel 2, it is possible to prevent the flow from being separated at these edge portions. Therefore, since not only the centrifuged water but also the steam is removed, the carryover can be reduced even when the steam flow rate of the plant is increased.
  • the upper barrel 2a of the annular body 41 may have a smaller diameter than the barrel 2 as shown in FIG.
  • the gap 9 is described as being open upward, but the upper end is closed and opened laterally, or protrudes to the outer surface of the annular body 41 and above the gap 9. It is possible to provide a structure that prevents the inflow of water flowing down from above by providing a ridge located at (not shown). Further, for example, the transverse pipe 11 is formed by a curved pipe such as an elbow pipe shown in FIG.
  • FIG. 11 a substantially Y-shaped pipe shown in FIG. 12, or a substantially Y-shaped pipe having R (curvature) shown in FIG.
  • the pressure loss can be reduced further.
  • a plurality of elbow pipes in FIG. 11 may be arranged in the circumferential direction.

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Abstract

　気水分離器は、バレル（２）とスワラー（８）とピックオフリング（１）と蒸気捕捉管（２９）と横断管（１１）とを備える。スワラー（８）によって旋回力を与えられた蒸気と水の二相流は、バレル（２）の内部を上昇する。ピックオフリング（１）などによって、バレル（２）の内面近傍の流れ（４３）は、バレル（２）の中央近傍の流れ（４）と分離されて、バレル（２）の外面に沿って下降するように導かれる。バレル（２）の中央近傍の流れ（４）の大部分は、蒸気捕捉管（２９）によって外側の流れと分離されて、横断管（１１）を通ってバレル（２）の外部に導かれる。

Description

気水分離器およびそれを用いた原子炉システム
　本発明は、気水分離器およびそれを用いた原子炉システムに関する。
　沸騰水型の原子炉においては、炉心で発生した熱によって原子炉内で蒸気を発生させ、その蒸気によってタービンや発電機を回転させている。加圧水型の原子炉においては、冷却水は、原子炉内を循環する１次冷却系と蒸気発生器の２次冷却系に分かれている。１次冷却系では、原子炉炉心で発生した熱によって高温水がつくりだされる。２次冷却系では、蒸気発生器内の熱交換器で２次冷却系の水が沸騰して蒸気となり、タービンや発電機を回転させる。
　タービンに送られる蒸気は湿分を除去する必要がある。そこで、一般的な原子炉には、原子炉や蒸気発生器で発生した蒸気と水の二相流から水を除去するために、気水分離器やドライヤなどが複数設けられている。
　一般的な沸騰水型原子炉での水や蒸気の流れについて説明する。原子炉圧力容器の内部には、中央部よりやや下部に多数の燃料集合体を収納する炉心が形成される。炉心を取り囲むシュラウドの上端開口は、シュラウドヘッドで閉塞されている。シュラウドヘッドには気水分離器のスタンドパイプが立設され、気水分離器の上方にはドライヤが配設される。
　給水管から原子炉圧力容器へ導かれた水は、シュラウドの下部から炉心に入る。炉心の熱エネルギーによって水は沸騰し、スタンドパイプ部においては水と蒸気の二相流となっている。気水分離器は、スタンドパイプ、スワラー、バレルなどで構成されており、スワラー部とバレル部で水を遠心分離する構造となっている。
　遠心分離された水は、水面下に導かれ給水管から流入した水とともに原子炉圧力容器内を再循環する。一方、気水分離器によって大部分の水が除去された蒸気は、ドライヤでさらに湿分を除去される。湿分を除去された蒸気は、主蒸気管を通って原子炉圧力容器の外に導かれ、タービンへと送られる。
　スワラーで遠心力を受けることによって、密度の大きい水はバレル内面に液膜を形成し、バレル中央は主に蒸気が流れる。液膜はバレル内に突出したピックオフリングによってバレル外周に形成された排水管にかき出され、排水管を下降し気水分離器まわりの水面に排出される。また、一部の微小水滴は蒸気とともにバレル内を上昇する。
特開２００３－３２９７９３号公報 特開平１１－１４１８０３号公報 特開２０００－１５３１１８号公報
　従来の気水分離器において、気水分離器に流入した２相流のうち水を排水管からバレル外に除去しても、大部分の蒸気はバレル上方から流出する。このため、蒸気流速が速い場合は、蒸気によって運ばれる微小水滴が増加して、キャリーオーバーが大きくなってしまう可能性がある。
　そこで、本発明は、気水分離器において水滴がバレル上端から放出されるキャリーオーバーを低減することを目的とする。
　上述の目的を達成するため、本発明は、気水分離器において、鉛直に延びる管状に形成されて内部を蒸気と水の二相流が下から上に流れるバレルと、前記二相流に旋回力を与えるスワラーと、前記バレル内を流れる流れのうち前記バレルの中央近傍の流れを前記バレルの内面近傍の流れと分離して前記バレルの外側に導く蒸気分離構造体と、を有することを特徴とする。
　また、本発明は、原子炉システムにおいて、核分裂により発生する熱で水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生手段と、鉛直に延びる管状に形成されて内部を前記蒸気発生手段から送られる蒸気と水の二相流が下から上に流れるバレルと、前記二相流に旋回力を与えるスワラーと、前記バレル内を流れる流れのうち前記バレルの中央近傍の流れを前記バレルの内面近傍の流れと分離して前記バレルの外側に導く蒸気分離構造体と、を備えた気水分離器と、を有することを特徴とする。
　本発明によれば、気水分離器において水滴がバレル上端から放出されるキャリーオーバーを低減できる。
本発明に係る気水分離器の第１の実施形態における一部拡大立断面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線矢視平断面図である。 図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線矢視側断面図である。 本発明に係る気水分離器の第１の実施形態を用いた原子炉システムの立断面図である。 本発明に係る気水分離器の第２の実施形態における一部拡大立断面図である。 本発明に係る気水分離器の第３の実施形態における一部拡大立断面図である。 本発明に係る気水分離器の第３の実施形態の一変形例における一部拡大立断面図である。 本発明に係る気水分離器の第３の実施形態の他の変形例における一部拡大立断面図である。 本発明に係る気水分離器の第４の実施形態における一部拡大立断面図である。 本発明に係る気水分離器の第４の実施形態の一変形例における一部拡大立断面図である。 本発明に係る気水分離器の第２または第３の実施形態における横断管の一変形例を示す一部拡大立断面図である。 本発明に係る気水分離器の第２または第３の実施形態における横断管の他の変形例を示す一部拡大立断面図である。 本発明に係る気水分離器の第２または第３の実施形態における横断管のさらに他の変形例を示す一部拡大立断面図である。
　本発明に係る気水分離器の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。
　　［第１の実施形態］
　図４は、本発明に係る気水分離器の第１の実施形態を用いた原子炉システムの立断面図である。
　この原子炉システムは、原子炉圧力容器１６を有している。原子炉圧力容器１６には、給水管２０および主蒸気管１９が接続されている。原子炉圧力容器１６の内部には、シュラウド５０、気水分離器２１およびドライヤ２２が設けられている。
　シュラウド５０は、原子炉圧力容器１６の中央部よりやや下部に設けられた筒である。シュラウド５０の内部には、多数の燃料集合体が収納されていて、これらの燃料集合体は炉心１７を形成している。
　シュラウド５０の上端開口は、シュラウドヘッド２５で閉塞されている。シュラウドヘッド２５には、気水分離器２１のスタンドパイプ１８が立設されている。気水分離器２１の上方には、ドライヤ２２が配設されている。
　水の流れ２３と蒸気の流れ２４について説明する。給水管２０から原子炉圧力容器１６へ導かれた水は、シュラウド５０の下部から炉心１７に入る。炉心１７の熱エネルギーによって水は沸騰し、スタンドパイプ１８部においては水と蒸気の二相流となっている。つまり、複数の燃料集合体によって形成された炉心１７は、核分裂により発生する熱で水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生手段として機能している。
　気水分離器２１は、スタンドパイプ１８とスワラー８、バレル２などで構成されている。スワラー８は、スタンドパイプ１８からバレル２に流れ込む水と蒸気の二相流に旋回力を与える。気水分離器２１では、スワラー８で与えられた旋回力によってバレル２部分で水を遠心分離する。遠心分離された水は水面２６下に導かれ、給水管２０から流入した水とともに原子炉圧力容器１６内を再循環する。
　気水分離器２１によって大部分の水が除去された蒸気は、ドライヤ２２でさらに湿分を除去される。ドライヤ２２でさらに湿分が除去された蒸気は、主蒸気管１９を通って原子炉圧力容器１６の外に導かれタービンへと送られる。
　図１は、本実施形態の気水分離器の一部拡大立断面図である。
　気水分離器２１は、バレル２と、スワラー８と、ピックオフリング１と、環状体４１と、下降流路形成管２７とを有している。バレル２は、円筒状に形成された鉛直に延びる管である。バレル２の内部には、スタンドパイプ１８を流れてスワラー８で旋回力が与えられた蒸気と水の二相流が下から上に流れる。スワラー８で遠心力が作用した水は、バレル２の内面に液膜５を形成する。液膜５に取り込まれていない水は、水滴３として存在している。バレル２は、たとえば２本の同径の円管を軸方向に間隔を置いて配置することにより、外側から内側に貫通した貫通部４０が形成されている。
　ピックオフリング１は、バレル２の貫通部４０と空隙を挟んで対向する外面を持つ管である。環状体４１は、ピックオフリング１の外面から外側に広がる環状の板である。下降流路形成管２７は、環状体４１から下方に延びる管である。下降流路形成管２７の内面は、バレル２の外面と空隙を挟んで対向している。
　ピックオフリング１および下降流路形成管２７は、いずれも円筒状に形成され、バレル２と同軸に配置される。ピックオフリング１の径は、バレル２の径よりも小さい。また、下降流路形成管２７の径は、バレル２の径よりも大きい。環状体４１は、バレル２の軸を中心として、内径がピックオフリング１の径と同じで、外径が下降流路形成管２７の径と同じリングである。
　これらのピックオフリング１、環状体４１および下降流路形成管２７によって、バレル２内を流れる流れのうちバレルの内面近傍の流れ４３は、バレル２の中央近傍の流れ４と分離され、バレル２の外面に沿って下降するように導かれる。
　ピックオフリング１、下降流路形成管２７、環状体４１および環状体４１より上方のバレル２は、たとえば環状体４１より下方のバレル２の外面に固定されて径方向に突出した板と下降流路形成管２７の内面とを固定することによって支持される。
　スワラー８で遠心力が作用した水は、バレル２の内面に液膜５を形成する。一方、バレル２の中央近傍では主に蒸気が流れている。液膜５は、ピックオフリング１などによってバレル２の外部に除去される。
　本実施形態の気水分離器２１は、さらに蒸気分離構造体を有する。蒸気分離構造体は、蒸気捕捉管２９と横断管１１とを備える。
　蒸気捕捉管２９は、ピックオフリング１よりも上方のバレル２の内面と間隙を挟んで対向する外面を持つ管である。横断管１１は、蒸気捕捉管２９の内部とバレル２の外側とを連通させる管である。
　蒸気捕捉管２９は、ピックオフリング１よりも径が小さい円管である。蒸気捕捉管２９は、バレル２、ピックオフリング１などと同軸に配置される。蒸気捕捉管２９の下端は開口していて、上端は横断管１１に連通している。
　横断管１１は、バレル２内を横断する円管であって、両端部はバレル２に取り付けられている。また、横断管１１の側面の一部には開口が形成されていて、その開口の周囲が蒸気捕捉管２９の上端に取り付けられている。横断管１１は、１本でもよいし、２本以上であってもよい。
　図２は図１のＩＩ－ＩＩ線矢視平断面図である。図２では横断管１１が蒸気捕捉管２９から四方向に延びてバレル２に接続された例を示しているが、当然に三方向以下、あるいは五方向以上に延びる構成であってもよい。
　図３は図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線矢視側断面図である。横断管１１の断面形状は特に限定されないが、蒸気流を阻害しないように図３に示す流線形状であることが好ましい。
　このような蒸気捕捉管２９によって、バレル２内のピックオフリング１よりも上方すなわち下流側の流れのうち、中央近傍の流れをバレルの内面２近傍の流れと分離する。分離された流れは、蒸気捕捉管２９および横断管１１を通って、バレル２の外側に導かれる。
　このような気水分離器では、バレル２の中央付近を流れる蒸気を横断管１１から排出し、バレル２を上昇する流量を低下することができる。その結果、ピックオフリングを通過した後のバレル２内の蒸気流量が減少する。このため、バレル２内を上昇する蒸気流速が小さくなる。バレル２内を上昇する蒸気速度が小さくなることにより、上方に運ばれる水滴が少なくなり、キャリーオーバーが低減される。
　つまり、たとえば原子炉での熱出力が増加することなどによってプラント全体での蒸気流量が増加した場合であっても、バレル２内の蒸気速度の増加を抑制あるいは低減できる。その結果、キャリーオーバーを増加させることなく、プラント全体での蒸気流量を増加させることができる。
　本実施形態によれば、気水分離器において水滴がバレル上端から放出されるキャリーオーバーを低減することができる。
　　［第２の実施形態］
　図５は、本発明に係る気水分離器の第２の実施形態における一部拡大立断面図である。
　本実施形態では、第１の実施形態の気水分離器に比べて、排水管２８および流路調節リング１０が構成要素として加わっていることが相違する。
　排水管２８は、バレル２の外面と間隙を挟んで対向する内面を持つ管である。流路調節リング１０は、バレル２の外面から排水管２８の内面に向かって突出して、バレル２と排水管２８との間の流路を減少させている。
　排水管２８は、円筒状に形成され、バレル２と同軸に配置される。排水管２８の径は、下降流路形成管２７の径よりも大きい。流路調節リング１０は、内径がバレル２の外径と同じで、外径が排水管２８の内径よりも小さいリングである。
　排水管２８の上端は、下降流路形成管２７の下端よりも上方に位置している。流路調節リング１０は、下降流路形成管２７の下端よりも下方に位置している。
　これらの排水管２８および流路調節リング１０によって、バレル２の外面に沿って下降する流れ４４が流れ込む排水流路が形成される。また、これらの流路調節リング１０によって、この排水流路の途中に、上方よりも断面積が小さい小流路面積部が形成される。排水管２８は下降流路形成管２７よりも径が大きいため、小流路面積部よりも上方に位置する上端部には開口が形成されている。
　排水管２８は、バレル２の外面に固定されて径方向に突出した板と排水管２８の内面とを固定することによって支持される。
　本実施形態では、水がピックオフリング１０などによって排水管２８側に除去されるが、高クオリティ条件では水とともに蒸気も排水管２８に流入する。排水管２８内の流路は、流路調節リング１０によって流路幅が狭くなっている。このため、流路調節リング１０の上方では水が流路を満たし、流路調節リング１０の上方に水面４２が形成される。その結果、排水管２８に流入してきた蒸気は、排水管２８の上端部の開口から排出される。また、排水管２８内の水面４２よりも下方に気泡７が生じても、軽い気泡７の大部分は上昇して、排水管２８内の水面４２よりも上方に到達し、排水管２８の上端部の開口から排出される。
　このように、本実施形態によれば、排水管２８に流入してきた蒸気の大部分が排水管２８を下降することなく排出されるので、排水管２８を下降する水中の気体、すなわちキャリーアンダーが低減される。また、このキャリーアンダーの低減は、ピックオフリング１の径を大きくするなどしてバレル２の外側に導く流体の量を低減した結果ではないため、バレル２内を上昇する水滴の量、すなわち、キャリーオーバーを増加させることがない。さらに、下降流路形成管２７の下端で蒸気の流れが、排水管２８の上端部の開口に向かって反転することから、水滴が上昇することが抑制される。
　　［第３の実施形態］
　図６は、本発明に係る気水分離器の第３の実施形態における一部拡大立断面図である。
　本実施形態の気水分離器２１は、第２の実施形態の排水管２８および流量調節リング１０を有する代わりに、下にいくほど径が小さくなる排水管６を有している。排水管６の径は下方に向かって小さくなっているため、排水管６の内面とバレル２の外面との間の排水流路の断面積は、下方に向かって狭くなっている。
　排水管６の上端部と下降流路形成管２７の間には間隙９が設けられている。この間隙９が蒸気出口となっている。下降流路形成管２７と排水管６とを一体の管として形成し、その管に内面から外面に貫通した孔を形成して蒸気出口としてもよい。
　本実施形態でも、第２の実施形態と同様に、排水流路の断面積が狭くなっている部分が形成されているため、その部分よりも上方で水面４２が形成される。その結果、排水管２８に流入してきた蒸気は、排水管２８の上端部の開口から排出される。また、排水管２８内の水面４２よりも下方に気泡７が生じても、軽い気泡７の大部分は上昇して、排水管２８内の水面４２よりも上方に到達し、蒸気出口から排出される。
　このように、本実施形態によれば、排水管２８に流入してきた蒸気の大部分が排水管２８を下降することなく排出されるので、排水管２８を下降する水中の気体、すなわちキャリーアンダーが低減される。また、このキャリーアンダーの低減は、ピックオフリング１の径を大きくするなどしてバレル２の外側に導く流体の量を低減した結果ではないため、バレル２内を上昇する水滴の量、すなわち、キャリーオーバーを増加させることがない。さらに、蒸気出口の近傍で、蒸気の流れが、排水管２８の上端部の開口に向かって反転することから、水滴が上昇することが抑制される。
　また、間隙９が横方向に開口しているため、環状体４１よりも上方で水が気水分離器外に排出される構成の場合に、環状体４１よりも上方から落下してくる水が間隙９に流入するのを防止することができる。さらに、図７に示す排水管６の上端が下降流路形成管２７下端よりも小径となる構成、あるいは図８に示す間隙９が外周に向かって下方へ傾斜した構成とする等、蒸気出口から排水流路への水の流入を防止する構造とすることで、より効率的に間隙９への水の流入を防止することができる。
　　［第４の実施形態］
　図９は、本発明に係る気水分離器の第４の実施形態における一部拡大立断面図である。
　本実施形態の気水分離器２１は、水滴分離構造体の一部を形成する蒸気捕捉管２９を有している。本実施形態の蒸気捕捉管２９は、横断管１１に接続されている。また、第２の実施形態におけるピックオフリング１は設けられていない。
　本実施形態の蒸気捕捉管２９は、バレル２の貫通部４０と対向する外面を持つ管である。この蒸気捕捉管２９は、バレル２よりも径が小さい円管であり、バレル２と同軸に配置される。蒸気捕捉管２９の下端は開口しており、上端は横断管１１に接続されている。
　蒸気捕捉管２９の外側の流れは、横断管１１の間を抜けて上方にも流れる。しかしバレル２の内面に形成された液膜５、および、遠心力によって外側方向への速度成分を持つ水滴の大部分は、バレル２の貫通部４０を通ってバレル２の外側に導かれる。バレル２の外側に導かれた水および蒸気は、下降流路形成管２７によってバレル２の外面に沿って下降するように導かれる。
　つまり、蒸気捕捉管２９は、バレル２内を流れる流れのうちバレル２の内面近傍の流れをバレル２の中央近傍の流れと分離して、２バレルの外面に沿って下降するように導く水滴分離構造体の一部を構成している。このように、本実施形態は、水滴分離構造体と、排水管２８および流路調節リング１０などの気泡分離構造体を有しているため、第１の実施形態と同様に、キャリーオーバーを増加させることなくキャリーアンダーが低減される。
　また、蒸気捕捉管２９の上端は、横断管１１に接続されている。このため、主として蒸気が流れ、水滴があまり含まれないバレル２の中央近傍の流れは、蒸気捕捉管２９および横断管１１を通過して、バレル２の外部に排出される。このように本実施形態においては、第４の実施形態と同様に排水管２８に流入してきた蒸気が排水管２８の上端の蒸気出口から排出されるとともに、バレル２内の蒸気も横断管１１を通ってバレル２から排出される。このため、バレル２内を上昇する蒸気流量を低下することができる。その結果、ピックオフリングを通過した後のバレル内の蒸気流量が減少する。このため、バレル２内を上昇する蒸気流速が小さくなる。バレル２内を上昇する蒸気速度が小さくなることにより、上方に運ばれる水滴が少なくなり、キャリーオーバーが低減される。
　本実施形態によれば、第１の実施形態と同様にキャリーオーバーを低減できるとともに、バレル内を水滴が上昇するキャリーオーバーを低減することができる。さらに、第１の実施形態におけるピックオフリング１および環状体４１がバレル２内に突出していないので、これらのエッジ部で流れが剥離することなどを抑制することができる。よって、遠心分離した水だけでなく、蒸気も除去されるので、プラントの蒸気流量が増加した場合もキャリーオーバーを低減できる。
　なお、本実施形態の変形例として、図１０に示すように環状体４１の上側のバレル２ａをバレル２よりも小径としてもよい。このような構成とすることで、上述した本実施形態の効果に加えて、バレル２内面に付着しなかった小さな水滴３が上方に流れるのを抑制することが可能である。
　　［他の実施形態］
　上述の各実施形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施形態の特徴を組み合わせて実施してもよい。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、図５や図９では間隙９が上向きに開放しているものとして説明したが、上端が閉塞されて横方向に開口した構成とする、あるいは環状体４１の外面に突出して間隙９の上方に位置する樋を設ける（図示せず）等して、上方から流下する水の流入を防止する構造とすることができる。また、例えば横断管１１を図１１に示すエルボ管、あるいは図１２に示す略Ｙ字型管、図１３に示すＲ（曲率）を有する略Ｙ字型管などの曲管で形成し、蒸気流の圧力損失をより低減した構造とすることができる。また、図１１のエルボ管を周方向に複数配置してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…ピックオフリング、２…バレル、３…水滴、５…液膜、８…スワラー、９・・・間隙、１１…横断管、１６…原子炉圧力容器、１７…炉心、１８…スタンドパイプ、１９…主蒸気管、２０…給水管、２１…気水分離器、２２…ドライヤ、２３…水の流れ、２４…蒸気の流れ、２５…シュラウドヘッド、２６…水面、２７…下降流路形成管、２９…蒸気捕捉管、４０…貫通部、４１…環状体、５０…シュラウド

Claims (9)

  1. 　鉛直に延びる管状に形成されて内部を蒸気と水の二相流が下から上に流れるバレルと、
    　前記二相流に旋回力を与えるスワラーと、
    　前記バレル内を流れる流れのうち前記バレルの中央近傍の流れを前記バレルの内面近傍の流れと分離して前記バレルの外側に導く蒸気分離構造体と、
    　を有することを特徴とする気水分離器。
  2. 　前記蒸気分離構造体は、前記バレルの内面と空隙を挟んで対向する外面を持つ蒸気捕捉管と、この蒸気捕捉管の内部と前記バレルの外側とを連通させる横断管と、を備えること、を特徴とする請求項１に記載の気水分離器。
  3. 　前記バレル内を流れる流れのうち前記バレルの内面近傍の流れを前記バレルの中央近傍の流れと分離して前記バレルの外面に沿って下降するように導く水滴分離構造体と、
    　前記水滴分離構造体で導かれた下降する流れが流れ込む排水流路をこの排水流路が上方よりも断面積が小さい小流路面積部とこの小流路面積部よりも上方で開口した蒸気出口とを持つように形成する気泡分離構造体と、
    　を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気水分離器。
  4. 　前記気泡分離構造体は前記バレルの外面と間隙を挟んで対向する内面を持つ管状の排水管と前記バレルの外面から前記排水管の内面に向かって突出して前記小流路面積部を形成する流路調整リングとを備えることを特徴とする請求項３に記載の気水分離器。
  5. 　前記気泡分離構造体は前記バレルの外面と下方にいくほど小さくなる間隙を挟んで対向する内面を持つ管状の排水管を備えることを特徴とする請求項３に記載の気水分離器。
  6. 　前記水滴分離構造体は前記貫通部と空隙を挟んで対向する外面を持つ管状のピックオフリングとこのピックオフリングの外面から外側に広がる環状体とこの環状体から下方に延びて前記バレルの外面と空隙を挟んで対向する内面を持つ下降流路形成管とを備えることを特徴とする請求項３に記載の気水分離器。
  7. 　前記蒸気分離構造体は、前記バレルの内面と空隙を挟んで対向する外面を持つ蒸気捕捉管と、この蒸気捕捉管の内部と前記バレルの外側とを連通させる横断管と、を備え、
    　前記蒸気捕捉管は前記水滴分離構造体の一部であること、
    　を特徴とする請求項３に記載の気水分離器。
  8. 　前記蒸気出口は、前記蒸気出口の上方から流下してくる水が前記蒸気出口から前記排水流路へ流入することを防止する水流入防止構造を有することを特徴とする請求項３に記載の気水分離器。
  9. 　核分裂により発生する熱で水を加熱して蒸気を発生させる蒸気発生手段と、
    　鉛直に延びる管状に形成されて内部を前記蒸気発生手段から送られる蒸気と水の二相流が下から上に流れるバレルと、前記二相流に旋回力を与えるスワラーと、前記バレル内を流れる流れのうち前記バレルの中央近傍の流れを前記バレルの内面近傍の流れと分離して前記バレルの外側に導く蒸気分離構造体と、を備えた気水分離器と、
    　を有することを特徴とする原子炉システム。
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