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発明の名称 自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−232434(P2007−232434A)
公開日 平成19年9月13日(2007.9.13)
出願番号 特願2006−51799(P2006−51799)
出願日 平成18年2月28日(2006.2.28)
代理人 【識別番号】100064414
【弁理士】
【氏名又は名称】磯野 道造
発明者 金森 健児 / 椿 正昭 / 廣川 文仁 / 大塚 雅哉 / 高橋 志郎
要約 課題
構成する材料及び製作コストを特に増やすことなく、チムニの構造健全性を向上させる。

解決手段
複数の燃料集合体を横断面がほぼ円形状になるように装荷した炉心と、炉心の上に設置されたチムニを備えた自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造であって、チムニは、チムニ胴11dと、チムニ胴11dの内部に垂設されて、流路隔壁11bにより区画された横断面矩形の複数の格子流路11aを含んでなり、複数の格子流路11aは、横断面矩形100の一辺101の途中102が、隣接する格子流路11aの横断面矩形200の一辺201によって支持される構成を含むことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造である。
特許請求の範囲
【請求項1】
複数の燃料集合体を横断面が円形状に装荷した炉心と、前記炉心の上に設置されたチムニを備えた自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造であって、
前記チムニは、チムニ胴と、前記チムニ胴の内部に垂設された流路隔壁により区画される横断面矩形の複数の格子流路を含んでなり、
前記複数の格子流路において、
前記横断面矩形の一辺の途中が、隣接する前記横断面矩形の一辺によって支持される構成を含むことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造。
【請求項2】
前記複数の格子流路において、
複数の前記横断面矩形が、千鳥配列であることを特徴とする請求項1に記載の自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造。
【請求項3】
前記複数の格子流路において、
複数の前記横断面矩形が、第一の横断面矩形と、該第一の横断面矩形よりも面積の小さい第二の横断面矩形を含んでなり、
前記第一の横断面矩形の一辺の途中が、隣接する前記第二の横断面矩形の一辺によって支持される構成を含むことを特徴とする請求項1に記載の自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造。
【請求項4】
前記複数の格子流路において、
前記横断面矩形の各辺の長さは、前記炉心に配置された制御棒と該制御棒を囲む4体の燃料集合体を含んでなる制御棒セルを横断面視した矩形の各辺を整数倍した長さに対応することを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、自然循環式沸騰水型原子炉に備えられるチムニの構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
これまでに商業運転されている強制循環式の沸騰水型原子炉(以下、BWRという)では、円筒状の炉心シュラウド内に、横断面が正方形の燃料集合体をX軸方向、Y方向(ともに水平方向)に並べて林立させて炉心を構成している。そして、横断面が略十字型の制御棒が、その周囲を囲む4体の燃料集合体の間に挿入可能に配置され、この制御棒を囲む4体の燃料集合体の単位を制御棒セルという。
【0003】
近年では、自然循環式BWRが提唱され、その自然循環式BWRでは自然循環の駆動力確保のため、炉心の上に強制循環式BWRには無いチムニが設けられる(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載のチムニは、仕切り板により流路隔壁を構成して複数の格子流路を有している構成である。その場合、個々の燃料集合体に配分される冷却材流量は、下部プレナムから炉心へ流入時に各燃料集合体に分配され、燃料集合体を冷却して冷却材の気液二相流となり、さらに個々の燃料集合体を出てチムニの格子流路内で合流してチムニを通過後、上部プレナムで各格子流路の気液二相流全体が合流するまでの間の燃料集合体圧損と格子流路の圧損と、格子流路内のボイド率により主にきまる冷却材比重差による駆動力で決まる。
【0004】
ここで、チムニの格子流路に冷却材の気液二相流が流れると、流体力による振動(流力振動)が発生する。流力振動は、格子流路を形成する流路隔壁に応力を与えるため、流路隔壁にはこの応力に対抗すべく高い構造健全性が要求される。そして、流路隔壁の構造健全性を向上させるためには、一般に、流路隔壁の厚さを厚くしたり、流路隔壁が形成する格子流路の断面積を小さくしたりすることによって、実現することができる。
なお、従来の自然循環式BWRにおけるチムニ構造は、図4に示すように、横断面において格子流路が正方格子状に配列したものである。
【特許文献1】特公平7−27051号公報(第1図、第2図)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、流路隔壁の厚さを厚くすると、チムニを構成する材料及び製作コストが増加してしまうという問題があった。また、流路隔壁が形成する格子流路の断面積を小さくした場合でも、流路隔壁の総数(総面積)が増加するために、結局のところチムニを構成する材料及び製作コストが増加してしまうという問題があった。
【0006】
そこで、本発明は、構成する材料及び製作コストを特に増やすことなく、チムニの構造健全性を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記課題を解決するため本発明は、複数の燃料集合体を横断面が円形状に装荷した炉心と、前記炉心の上に設置されたチムニを備えた自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造であって、前記チムニは、チムニ胴と、前記チムニ胴の内部に垂設された流路隔壁により区画される横断面矩形の複数の格子流路を含んでなり、前記複数の格子流路において、前記横断面矩形の一辺の途中が、隣接する前記横断面矩形の一辺によって支持される構成である。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、構成する材料及び製作コストを特に増やすことなく、チムニの構造健全性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
以下、本発明を実施するための最良の形態(以下「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明は、チムニの流路隔壁の一面において、冷却材の気液二相流が及ぼす圧力変動が、流力振動の加振力になるという知見に基づいて創作されたものである。流力振動を低減させることができれば、流路隔壁にかかる最大応力が低減し、チムニの構造健全性を向上させることができる。
《第1の実施形態》
第1の実施形態に係る自然循環式沸騰水型原子炉のチムニ構造について、図1及び図2を参照しながら詳細に説明する。第1の実施形態の説明においては、まず、チムニを備えた原子炉の概要について説明し、その後、本実施形態において特徴的なチムニ構造について詳細に説明する。
【0010】
(原子炉の概要)
一般に、沸騰水型原子炉内の冷却材(軽水)の駆動方法は2通りあり、一方は再循環ポンプを用いて強制循環させる方法であり、他方は再循環ポンプを用いないで自然循環による方法である。本実施形態は、後者の自然循環による方法である。
自然循環による方法は、図1に示すように、原子炉圧力容器(以下、圧力容器という)6内に収納する炉心7で発生するボイド、すなわち蒸気(気相)と飽和温度の液相の冷却材の混合した密度の低い冷却材と、給水配管16bから供給される給水と混合された液相の冷却材との比重差によって自然循環に必要な駆動力を得るものである。
【0011】
図1に示すように本実施形態の自然循環式沸騰水型原子炉(以下、原子炉という)1は、円筒状の圧力容器6内に、炉心シュラウド8が、同心の円筒状に設けられている。この炉心シュラウド8は、その外側面と圧力容器6の内側面との間隙に環状空間を形成し、これをダウンカマ9という。また、炉心シュラウド8の内部には、多数の燃料集合体21が配置された炉心7を収容している。
【0012】
ダウンカマ9の上方には、復水器3から給水ポンプ4を介して、給水加熱器5で加熱の後、給水入口ノズル17から圧力容器6内に供給される冷却材を圧力容器6内に均等に配分する図示しない給水スパージャが円環状に設けられている。
炉心シュラウド8は、シュラウドレグ8aによって支持される。ダウンカマ9を下降した冷却材は、シュラウドレグ8a間の流路から、炉心7の下部の炉心下部プレナム(以下、下部プレナムという)10に導き入れられる。
【0013】
炉心7の下部には、炉心支持板22を、上部には、上部格子板23を設け、燃料集合体21と制御棒24の横方向の配置を決めている。
炉心支持板22には、所定の間隔で円形の図示しない貫通孔が設けられ、その貫通孔に制御棒案内管25が挿入され、制御棒案内管25の下部は、圧力容器6の底部を貫通して制御棒24を上下方向に動かす制御棒駆動機構(以下、CRDという)26を収容する制御棒駆動機構ハウジング(以下、CRDハウジングという)26aの上部に組合わされている。
燃料集合体21は、制御棒案内管25の上端に取り付けられた図示しない燃料支持金具の上に据えられ、その荷重は制御棒案内管25およびCRDハウジング26aを介して、圧力容器6の底部に伝えられる。
【0014】
前記の図示しない燃料支持金具は、側面に冷却材入口を有し、そこに図示しないオリフィスが設けられて、冷却材流量を規制している。燃料支持金具の冷却材入口に対応する制御棒案内管25の側面には開口が設けられ、下部プレナム10に導かれた冷却材が燃料支持金具を経て、燃料集合体21内に導かれる。
個々の燃料集合体21は、図示しない四角筒のチャンネルボックスで囲われ軸方向の個別の流路を形成しており、チャンネルボックスは上部格子板23の上面まで到る構成をしている。
前記制御棒24は図示しない中性子吸収物質を含む有効部を有し、その有効部が前記チャンネルボックスの外面をガイドとして、周囲の4体の燃料集合体21間に挿入される。
【0015】
炉心7の上には、炉心から出た冷却材の気液二相流を上方に導き自然循環駆動力を増加させるチムニ11が設けられている。チムニ11は、例えば圧力容器6と同心の円筒状のチムニ胴11dを有し、その内部を仕切り板で格子状に仕切った格子流路11aを有している。以下では、格子流路11aを構成する前記仕切り板を流路隔壁11bという。
なお、個々の格子流路11aを上方に流れる冷却材がチムニ11内の上部で合流するように、チムニ11の上部に上部プレナム11cが設けられている。
なお、上部格子板23とチムニ11の下端とは、ダウンカマ9を下降する冷却材と、炉心7を出た冷却材とが混じらないような組み合わせ構造となっている。
【0016】
チムニ11の上端は、チムニヘッド12aで閉じられる。チムニヘッド12aには、所定の数の冷却材通過用の孔が設けられ、その孔はスタンドパイプ12bを介して気液二相流から飽和蒸気と飽和水とを分離する気水分離器12につながっている。気水分離器12の上方には、蒸気乾燥器13が設けられ、気水分離器12を出た飽和蒸気に含まれる湿分を除去する。蒸気乾燥機13を通過した蒸気は、蒸気ドーム14、蒸気出口ノズル15、主蒸気配管16aを経て、タービン2に送られる。
なお、チムニヘッド12aとスタンドパイプ12bと気水分離器12は一体に組み立てられており、燃料交換時には、一体でチムニ11の上端から取り外し可能な構成となっている。
【0017】
このように、概略説明した原子炉1においては、給水入口ノズル17から供給される冷却材は、気水分離器12で分離された飽和水と混合し、図1中矢印Aで示される冷却材は、ダウンカマ9を下降し、シュラウドレグ8aの図示しない間隙によって構成される流路から、炉心シュラウド8内に流入し、炉心7によって加熱される。炉心7からの加熱によって冷却材Aは、矢印Bで示す飽和状態の気液二相流となり、この気液二相流は格子流路11a、上部プレナム11c、スタンドパイプ12bを経て、気水分離器12によって、矢印Cで示す気相の飽和蒸気と、矢印Dで示す液相の飽和水に分離される。飽和蒸気Cは、蒸気乾燥器13を経て、蒸気出口ノズル15から主蒸気配管16aによってタービン2に導かれ発電に供される。
一方、飽和水Dは、圧力容器6内の冷却材に混合され、給水入口ノズル17から供給される冷却材と更に混合されて、再びダウンカマ9を下降して圧力容器5内を循環する。
【0018】
(チムニ11の格子流路11aの構成)
次に、図2を参照(適宜、図1を参照)し、チムニ11の横断面(以下、チムニ横断面という)の詳細な構成を説明する。
図2に示すように、チムニ11は、圧力容器6(図1参照)と同心の円筒状のチムニ胴11dを有し、その内部を仕切り板等の流路隔壁11bで格子状に仕切った格子流路11aを有している。格子流路11aを構成する流路隔壁11bは、例えばステンレス鋼等の、金属からなる。
【0019】
ここで、格子流路11aの流路隔壁11bは、原子炉の定期検査の際に、チムニ11を圧力容器6の内部に設置したまま、格子流路11aを通じて燃料集合体21などの交換作業を行う観点から、炉心7の上部格子板23の前記制御棒セル単位で開けられた正方形の格子孔を横切るような形で塞がないように構成することが好ましい。なお、制御棒セルとは、横断面が略十字型の制御棒と、制御棒を囲む4体の燃料集合体とによって構成される単位である。
そして、図2における各格子流路11aの横断面の大きさは、炉心7(図1参照)に配置された4×4配列の燃料集合体21に対応する。すなわち、各格子流路11aの横断面の大きさは、2×2配列の制御棒セルに対応する。従って、図2に示すチムニ横断面の構成は、格子流路11aを通じた燃料集合体21などの交換作業を妨げるものではない。
【0020】
そして、第1の実施形態のチムニ構造は、格子流路11aの横断面において、前記したように所定の大きさを有する正方形の格子流路11aが千鳥配列となっている。その結果、例えば、正方形100の対向する一組の二辺101,101は、辺の中間点(途中)102,102において、それぞれ隣接する他の正方形200,200の一辺201,201によって支持されることとなる。
【0021】
通常、対向する1対の二辺が支持されてもう1対の二辺が自由な長方形板(流路隔壁11bの一面)が等分布荷重を受ける場合、最大たわみは支持された辺と辺との中間(自由な二辺を等間隔に分割する地点を結ぶ線上)に、最大応力は支持された辺に、それぞれ発生する。そして、この最大たわみ及び最大応力は、自由な二辺の長さが長いほど大きい値となる。従って、圧力変動による荷重を受ける場合、第1の実施形態の格子流路11aの構成によれば、長方形板である流路隔壁11bの一面において、自由な二辺の長さを従来の半分にすることができるため、最大たわみ及び最大応力も低減させることができる。
なお、第1の実施形態のチムニ構造において、正方形100のもう一組の対向する二辺103,103の途中は、特に他の正方形の一辺によって支持されてはいない。
【0022】
以上のように第1の実施形態によれば、流路隔壁11bの一面において支持点を増加させることによって最大応力を低減させ、チムニの構造健全性を向上させることができる。
【0023】
《第2の実施形態》
次に、本発明の第2の実施形態に係る自然循環式沸騰水型原子炉のチムニについて、図3を参照しながら詳細に説明する。第2の実施形態は、第1の実施形態と比べ、チムニ内の格子流路11aの配列が異なるのみである。従って、第2の実施形態に特徴的な部分については詳細に説明するが、重複する説明は省略する。
【0024】
図3に示すように、格子流路11aの横断面は、断面積の大きい正方形300と、断面積の小さい正方形400との、2種類の大きさの正方形からなる。正方形300の大きさは、第1の実施形態と同様に、炉心7(図1参照)に配置された4×4配列の燃料集合体23に対応する。すなわち、各格子流路11aの横断面の大きさは、2×2配列の制御棒セルに対応する。また、正方形400の大きさは、炉心7(図1参照)に配置された2×2配列の燃料集合体21に対応する。すなわち、各格子流路11aの横断面の大きさは、制御棒セル単位に対応する。従って、各格子流路11aの横断面が、正方形300及び正方形400のどちらであっても、格子流路11aを通じた燃料集合体21などの交換作業を妨げるものではない。
【0025】
そして、第2の実施形態のチムニ構造は、格子流路11aの横断面において、前記したように正方形300の格子流路11aと正方形400の格子流路11aとが、交互に配列している。言い換えると、正方形400の格子流路11aは、4つの正方形300の格子流路11aに囲まれて配列している。その結果、例えば、正方形300の四つの辺301,…,301は、辺の中間点302,…,302において、それぞれ隣接する正方形400,…,400の一辺401,…,401によって支持されることとなる。
【0026】
通常、対向する1対の二辺が支持されてもう1対の二辺が長方形板(流路隔壁11bの一面)が等分布荷重を受ける場合、最大たわみは支持された辺と辺との中間(自由な二辺を等間隔に分割する地点を結ぶ線上)に、最大応力は支持された辺に、それぞれ発生する。そして、この最大たわみ及び最大応力は、自由な二辺の長さが長いほど大きい値となる。従って、圧力変動による荷重を受ける場合、第2の実施形態の格子流路11aの構成によれば、長方形板である流路隔壁11bの一面において、自由な二辺の長さを従来の半分にすることができるため、最大たわみ及び最大応力も低減させることができる。なお、第2の実施形態のチムニ構造において、正方形400の四辺401,…,401の途中は、特に他の正方形の一辺によって支持されてはいない。
【0027】
以上のように第2の実施形態によれば、流路隔壁11bの一面において支持点を増加させることによって最大応力を低減させ、チムニの構造健全性を向上させることができる。
また、第1の実施形態においては、正方形の二辺の中間点をそれぞれ隣接する正方形の一辺で支持するのみであったが、第2の実施形態においては、正方形の四辺の中間点をそれぞれ隣接する正方形の一辺で支持することができる。
【0028】
なお、本実施形態において、正方形の一辺の途中を中間点として示したが、思想を逸脱しない範囲でずらしてもよい。また、本実施形態において、格子流路11aの横断面を正方形として説明したが、例えば長方形等の矩形であればよい。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】第1の実施形態の自然循環式沸騰水型原子炉の縦断面の模式図である。
【図2】第1の実施形態のチムニ構造を説明するための図であって、図1のG−G横断面図である。
【図3】第2の実施形態のチムニ構造を説明するための図であって、図1のG−G横断面図である。
【図4】従来の自然循環式BWRにおけるチムニ構造を示す横断面図である。
【符号の説明】
【0030】
1 自然循環式沸騰水型原子炉
2 タービン
3 復水気
4 給水ポンプ
5 給水加熱器
6 原子炉圧力容器
7 炉心
8 炉心シュラウド
9 ダウンカマ
10 炉心下部プレナム
11 チムニ
11a 格子流路
11b 流路隔壁
11c 上部プレナム
11d チムニ胴
12 気水分離器
12a チムニヘッド
12b スタンドパイプ
13 蒸気乾燥器
14 蒸気ドーム
15 ビーム伝送ダクト
15 蒸気出口ノズル
16a 主蒸気配管
16b 給水配管
17 給水入口ノズル
21 燃料集合体
22 炉心支持板
23 上部格子板
24 制御棒
25 制御棒案内管
26 制御棒駆動機構
26a 制御棒駆動機構ハウジング
100,200,300,400 正方形(横断面矩形)




 

 


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