JP2018500581A - 原子力発電施設用の横置蒸気発生器、およびその組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管の本数と最長値とが制限された蒸気発生器の伝熱効率を高めることにより既製管を使用可能にする。【解決手段】原子炉施設用の横置蒸気発生器では、伝熱管束の含む伝熱管の本数Ｎｔｂは、各伝熱管の外径ｄｔｂ≦１４ｍｍの場合、【数１】を満たし、ｄｔｂ＞１４ｍｍの場合、【数２】を満たす。垂直方向において、隣接する伝熱管の隙間は伝熱管の間隔を超えない。【選択図】 図２

Description

本発明は蒸気発生器に関し、特に、原子力発電施設用の横置蒸気発生器に関する。

ロシア型加圧水型原子炉（ＶＶＥＲ）の開発以降、原子力発電施設の原子炉設備の蒸気発生器については２種類の設計、すなわち縦置および横置の蒸気発生器の開発が進められている。縦置の場合、蒸気発生器は、縦置の圧力容器と、横置の管板に埋め込まれた縦置のＵ字伝熱管とを有する。横置の場合、蒸気発生器は、横置の圧力容器と、縦置の１次冷却材用入口ヘッダおよび出口ヘッダに埋め込まれた横置の伝熱管とを有する。現在、これら２種類の設計概念はようやく、両方とも確立された技術へと発展しつつあるものの、技術動向は異っている。

本発明は、原子力発電施設用としては一般的な横置蒸気発生器（以下、単に「蒸気発生器」とも呼ぶ。）、例えば、特許文献１および特許文献２に開示された蒸気発生器に関し、縦置蒸気発生器には関しない。
横置蒸気発生器は、その設計に特有な以下に示す公知の特徴を有する。
−適度な蒸気負荷により、必要な蒸気含水量を確保しつつ簡素な分離方式を適用できる。
−２次系における適度な流量により、伝熱管および蒸気発生器の他の構成要素における振動の危険性が排除される。
−１次系の入口ヘッダおよび出口ヘッダが垂直な円筒形状であることにより、それらの表面上への腐食生成物（スラッジ）の堆積が防止されるので、各ヘッダが挿入された領域において伝熱管が腐食により損傷する危険性が低減する。
−２次系に供給される水の増加により、非常用給水系統が使用される場合に蒸気発生器を用いた原子炉冷却の信頼性が高まり、その蒸気発生器が蓄積可能な熱容量によって原子炉施設の過渡変化が軽減される。
−多段階蒸発の原理の適用により、蒸気発生器の重要部位において溶解している不純物の濃度を低く維持することができるので、腐食に関しては動作の信頼性が大幅に向上する。
−伝熱面が水平姿勢であることにより、水位が伝熱管の上側の列よりも低くても、１次系において媒体の自然循環が確実に行われる。
−非常事態における１次冷却材の自然循環にとって好ましい条件が得られる。
−保守管理を目的として１次系と２次系との両側から伝熱管束へアクセスがしやすい。蒸気発生器の圧力容器の下部には、スラッジが沈殿し、および堆積し得るが、そこには伝熱管は存在しない。よって、腐食で生成された不純物が蒸気発生器の圧力容器の下部に堆積したとしても、特別に設計されたブローダウンシステムおよびノズルでスラッジを洗い流すことが可能である。

先行技術が開示する横置蒸気発生器は、原子力工業分野への応用を目的としては設計されていないものの、その多くの重要な特徴は、原子力発電施設に適用される蒸気発生器の特徴と一致する。例えば特許文献３に開示された蒸気発生器はドラム型の圧力容器を有する。この容器は長手方向の軸が一般に水平であり、複数本の中空管を収容可能である。これらの中空管は複数の部分にグループ分けされており、大部分は互いに平行に配置され、支持枠に固定されている。同様な装置は特許文献４および特許文献５にも開示されている。

上述した設計では、伝熱管の埋め込みに垂直な管板が用いられる。この管板を横置蒸気発生器の設計に適用することは、構造あたりの高比重金属の量、製造工程の複雑さ、伝熱管と管板との間の接続部を密封する難しさ、および管板表面へスラッジが堆積する可能性（腐食が促進される。）の点で不利である。
本発明に最も類似する先行技術は、特許文献６に開示された蒸気発生器である。この蒸気発生器は、容器、入口ヘッダおよび出口ヘッダ、ならびに、これらのヘッダに接続された、水平方向に１列に並ぶ伝熱管束を含む。この伝熱管束はスペーサを備えており、垂直に伸びる管間トンネルによって複数の塊（バンク）に分けられている。水平な伝熱管は、水平方向には間隔（１．４４÷１．５５）ｄで、垂直方向には間隔（１．３５÷１．４０）ｄで取り付けられている。ここで、ｄは伝熱管の直径を表す。

本発明のもう１つの主題は、原子力発電施設用の横置蒸気発生器の組み立て方法である。
特許文献７に開示された横置蒸気発生器の組み立て方法は、楕円底を持つ鍛鋼製の外郭構造（シェル）から容器を製造するステップと、平蓋を有し、内径に対する平均高さの比が０．９〜０．１であるように選択された継手（フェルール）を製造するステップとを含む。この方法は、蒸気発生器を小型化して、製造工場から組み立て場所への輸送を容易にし、蒸気発生器用の収納箱内の自由空間を拡張させるように設計されている。

本発明による横置蒸気発生器の組み立て方法案に最も類似する方法は、非特許文献１に記載された方法である。この方法は、鍛造シェルである鋼鉄製の円筒容器に、プレス加工された２枚の楕円底、１次冷却材用の入口ヘッダおよび出口ヘッダ、給水ヘッダおよび化学試薬用ヘッダ、ならびに容器内のその他の構造物を、Ｕ字形伝熱管の束と共に溶接して蒸気発生器を製造するステップを必要とする。蒸気発生器の組み立て工程では、初めに垂直なヘッダが容器に取り付けられて溶接で固定される。次に、伝熱管束の支持体が容器に取り付けられ、伝熱管束が形成され、その他の構造物が容器に取り付けられる。最後に、楕円底が容器に溶接される。

国際公開第９３／２０３８６号 国際公開第９３／２０３８５号 欧州特許第１９２７８０９号明細書 特開平０６−３００２０１号公報 中国特許第２０３３８４９５２号明細書 ロシア特許第３０９２８号明細書 ロシア特許第１００５９０号明細書

「原子力発電施設の蒸気発生ユニット」、Ｎ．Ｇ．Ｒａｓｓｏｋｈｉｎ、Ｍｏｓｃｏｗ、Ｅｎｅｒｇｏａｔｏｍｉｚｄａｔ、１９８７年、６５〜６８ページ 「ロシア型加圧水型原子炉を有する原子力発電施設の蒸気発生器における流体力学および熱化学工程」、Ｎ．Ｂ．Ｔｒｕｎｏｖ、Ｓ．Ａ．Ｌｏｇｖｉｎｏｖ、Ｕ．Ｇ．Ｄｒａｇｕｎｏｖ、Ｍｏｓｃｏｗ、Ｅｎｅｒｇｏａｔｏｍｉｚｄａｔ、２００１年、５０ページ

特許文献３〜５に開示された設計では、伝熱管の埋め込みに垂直な管板が用いられる。この管板を横置蒸気発生器の設計に適用することは、構造あたりの高比重金属の量、製造工程の複雑さ、伝熱管と管板との間の接続部を密封する難しさ、および管板表面へスラッジが堆積する可能性（腐食が促進される。）の点で不利である。
これらの不利な点を補うことは、横置蒸気発生器の設計において、管板を排除する代わり、１次冷却材用入口ヘッダおよび出口ヘッダに、形がほぼ円筒である垂直管を用いれば可能である。例えば、上述した特許文献１に開示された、原子力工業用に設計された横置蒸気発生器は、長手方向の軸が水平に配置された円筒容器を含む。この容器は、本願の図１に示されているように、間隙を空けて配列されている伝熱管の束を垂直に収容している。給水分配管は、束ねられた伝熱管の間隙の中に配置されている。これらの伝熱管の端は、１次冷却材用垂直ヘッダの側壁の孔に固定されている。給水管の接続口は分配装置に接続されており、この分配装置は、給水管の入口の上端と同じ高さに屈曲点を持つパイプラインに接続されている。この設計の目的は、伝熱面における熱負荷の均一性を向上させることにより冷却材用ヘッダおよび給水管の腐食割れを回避することにある。しかし、垂直に収容されている伝熱管束に利用可能な間隙を設けることは、蒸気発生器の容器に収容可能な伝熱管の本数を著しく減少させる。これは更に伝熱面の出力および余裕をも減少させるので、蒸気発生器の信頼性を低下させる。
特許文献６に開示された設計では、伝熱管の間隔が選択可能である。しかし、蒸気発生器において伝熱管の長さまたは本数がどの程度であれば、ＶＶＥＲを備えた原子力発電施設の１次冷却材から２次冷却材への効果的な熱伝達にとって十分であるのかが制限されていない。
特許文献７に開示された蒸気発生器の組み立て方法では、フェルールが短いほど蒸気発生器の長手方向の寸法は短縮される。しかし、蒸気発生器の圧力容器の長さは変化しない。
非特許文献１に記載された蒸気発生器の組み立て方法において最も手間のかかる作業は、技術的観点からは、伝熱管束を１次冷却材用ヘッダに接続する作業である。この作業は、ヘッダの側壁の限られた面積に多数の深孔を狭い間隔で開け、続いてそれらの孔に伝熱管を挿入して密着させることを含む。多数の密集した深孔はヘッダの強度を低減させるので、蒸気発生器に設置可能な伝熱管の本数が制限される。

伝熱管の最大長の制限により、業界で採用されている管を蒸気発生器の伝熱面の形成に利用することができる。問題は、原子力発電施設用蒸気発生器の伝熱管がステンレス鋼製の継目なし管（シームレスパイプ）、例えば、長さ１０ｍ〜１５ｍの冷間引抜管または熱間圧延管で製造されていることである。現在、長さが３０ｍ〜４０ｍを超えるシームレスパイプの製造は業界では採用されていない。これにより、更に長い伝熱管を備えた蒸気発生器の製造は制限される。溶接管を蒸気発生器の伝熱面の形成に利用することは、信頼性を考慮すれば容認できない。

蒸気発生器の出力はその伝熱面積に依存する。伝熱面積は伝熱管束内の伝熱管の外径および本数の選択により決定される。伝熱管の外径を縮小して本数を増加させると、業界で採用されている管よりも短い管の利用により蒸気発生器の製造容易性を確保することができる。その一方で、伝熱管内での冷却材の流速が低減し、蒸気発生器の伝熱効率ならびに技術的性能および経済的効果も落ちる。その結果、原子力発電施設用蒸気発生器の製造には、伝熱管の本数と直径との間の比を選択するという問題が生じる。

本発明の目的は、全体の寸法を維持し、かつ伝熱管間を沸騰水が循環する最高速度を確保したまま、信頼性および製造容易性に対する要件を満たす高出力の蒸気発生器を設計することである。

上記課題を解決する目的で請求される蒸気発生器は、原子炉施設で利用される横置蒸気発生器であって、円筒容器、２枚の楕円蓋、少なくとも１本ずつの給水入口管と蒸気出口管、１次冷却材用の入口ヘッダと出口ヘッダ、および両方のヘッダに接続されている伝熱管束を備え、伝熱管束の含む伝熱管の本数Ｎ_ｔｂが各伝熱管の外径ｄ_ｔｂに次のように依存して選択されていることを特徴とする。

ｄ_ｔｂ≦１４ｍｍの場合は、

ｄ_ｔｂ＞１４ｍｍの場合は、

蒸気発生器のこの設計においては、伝熱管が伝熱管束の中に、下から上へは間隙を空けることなく均一の間隔で詰められている。すなわち、垂直方向において、隣接する伝熱管の間隙のサイズｂは伝熱管の間隔を超えない。
伝熱管束における伝熱管の密度は、伝熱管の断面積と伝熱管束の設置領域における伝熱管１本あたりの断面積との比に基づいて算出される。本発明においては、伝熱管束の設置領域における伝熱管１本あたりの断面積ｆ_ｔｂ（ｍｍ^２）に対する伝熱管の内部空間の断面積Ｓ_ｔｂ（ｍｍ^２）の比率が次式に基づいて選択されている。

伝熱管の内部空間の断面積Ｓ_ｔｂは次式で算出可能である。

ここで、δは伝熱管の壁厚（ｍｍ）であり、ｄ_ｔｂは伝熱管の直径（ｍｍ）である。
伝熱管束の設置領域における伝熱管１本あたりの断面積ｆ_ｔｂは次式から算出可能である。

ここで、Ｓ_ｖは伝熱管束における伝熱管の配列の垂直間隔（ｍｍ）であり、Ｓ_ｈはその配列の水平間隔（ｍｍ）である。ｋは、伝熱管束における伝熱管の配列の識別子である（直列の場合はｋ＝１であり、ジグザグ配列の場合はｋ＝２である）。

この式に適合させることにより、本発明による蒸気発生器の利点が確保される。この式は、伝熱管の本数および長さを制限する式との組み合わせにより、蒸気発生器の構造あたりの金属の比重を減少させると同時に、沸騰水（２次冷却材、作動媒体）を確実に循環させる。
蒸気発生器の伝熱管束内の伝熱管としては、オーステナイト系ステンレス鋼、特に、クロムニッケルオーステナイトステンレス鋼０８Ｃｒ１８Ｎｉ１０Ｔｉから成る継目なし引抜管が用いられる。

本発明による方法に係る課題は、この方法が次の特徴を持つという事実によって解決される。この方法は、原子炉施設用の横置蒸気発生器を組み立てる方法であって、円筒容器、２枚の楕円蓋、給水入口管と蒸気出口管とを少なくとも１本ずつ、１次冷却材用の入口ヘッダと出口ヘッダ、および外径ｄ_ｔｂの伝熱管Ｎ_ｔｂ本を製造するステップと、各ヘッダと伝熱管とを容器に設置して溶接することにより、伝熱管束を形成してヘッダに接続するステップと、楕円蓋を容器に設置して溶接するステップとを含む。垂直方向において、隣接する伝熱管の隙間ｂが伝熱管の間隔Ｓ_Ｖを超えず、かつ、伝熱管束の含む伝熱管の本数Ｎ_ｔｂが各伝熱管の外径ｄ_ｔｂ（ｍｍ）に次のように依存して選択されるように、伝熱管束は形成される。

ｄ_ｔｂ≦１４ｍｍの場合は、

ｄ_ｔｂ＞１４ｍｍの場合は、

伝熱管の本数Ｎ_ｔｂがその外径ｄ_ｔｂに依存する性質と、伝熱管束には伝熱管が下から上へ連続して、伝熱管間の垂直間隔を超えない垂直方向の間隙を空けて詰められているという性質との組み合わせは、Ｓ_ｔｂ／ｆ_ｔｂと蒸気発生器の特定の設計における伝熱管の本数Ｎ_ｔｂとの間の関係と共に次のことを可能にする。一方では、伝熱管における冷却材の流速を許容値に確実に維持し、かつ伝熱管の製造および取り付けの容易性を確保することができる。他方では、蒸気発生器に典型的な熱伝達係数を与え、発電範囲が２３０ＭＷ〜８５０ＭＷである蒸気発生器に対して選択された温度の最高値を維持し、かつ蒸気発生器を通過する冷却材の流量を約１０，０００ｍ^３／ｈｒ〜３０，０００ｍ^３／ｈｒに維持することができる。

１次系の入口ヘッダと出口ヘッダとを容器へ設置する前に、各ヘッダの側面には、伝熱管束の含む伝熱管と同数Ｎ_ｔｂ＝Ｎ_ｈｌの貫通穴が開けられる。１次冷却材用ヘッダの側面の穴数は、ヘッダの強度に対する保持条件に従って選択される。必要であれば、ヘッダの側壁の厚さおよび直径を増大させてヘッダの強度を高めてもよい。ヘッダの穿孔部分の強度を確保する目的では、隣接する孔の端間距離は側壁の内面に沿って５．５ｍｍ以上である。

この方法は更に、１次冷却材用ヘッダの内面に伝熱管の端を全周溶接することにより各ヘッダの側面の貫通穴に伝熱管を固定するステップと、各ヘッダと伝熱管との隙間が閉じるまで、各伝熱管を流体の圧力で各ヘッダの壁厚よりも大きく拡げ、各ヘッドの外面付近では機械的に丸めさせるステップとを備えている。この方法はまた、容器の中で伝熱管を直に、下から上へ向かって束ねるステップを更に備えていてもよい。伝熱管として、オーステナイト系ステンレス鋼から成る３０ｍ以下の継目なし引抜管が使用されてもよい。

本発明の技術的効果は、限られた本数および最大長の伝熱管を有する蒸気発生器において伝熱を効率化することである。

本発明による横置蒸気発生器およびその組み立て方法の可能な実施形態を、図面を参照しながら以下に詳述する。
蒸気発生器の全体図である。 蒸気発生器を楕円底から見た断面図である。 スペーサが間に挟まれた伝熱管を示す。 伝熱管束におけるジグザグ配列の断面を示す。 伝熱管束における１列配列の断面を示す。 伝熱管の塊（バンク）を分離する邪魔板（バッフル）の配列を示す。

蒸気発生器は、容器が横置型である熱交換ユニットであって、その中で伝熱面が液体中に沈められて配置されるように設計されている。この蒸気発生器は、添付の図面に示されている以下の構成要素を含む：容器１、伝熱管束（単に「束」ともいう。）２、１次冷却材用の入口ヘッダおよび出口ヘッダ３、給水分配装置４、非常用給水分配装置５、穴あき天井板６、穴あき水中板７、および化学試薬供給装置８。

容器１は蒸気発生器の構成部品であって、１次系の入口ヘッダおよび出口ヘッダ３、伝熱管束２として形成された伝熱面、およびその他の容器内の構造物を収容可能である。
容器１は、１次系の入口ヘッダおよび出口ヘッダ３が修理される際に用いられる２次系のマンホール９も収容可能である。
容器１は、水平方向において長尺の円筒形状である溶接コンテナであって、その両端には楕円底１０が溶接されている。これらの楕円底１０には、２次系空間へのアクセス用マンホール１１が設置されている。容器１はまた、１次冷却材供給用と除去用との接続管１２、蒸気除去用接続管１３、給水用接続管１４、およびその他の接続管とマンホールを含む。

１次冷却材用のヘッダ３は肉厚の円筒であり、それらの直径および厚さは場所によって異なる。各ヘッダ３は高強度のパーライト鋼からなり、その内面には耐腐食性の保護膜が積層されている。ヘッダ３は、中央の円筒部には、伝熱管１５の端を留めるための孔を有し、上部には、２次系のマンホール９を通じて内部にアクセスするための隙間（スプリット）を有する。

蒸気発生器の伝熱面は、オーステナイトステンレス鋼製の継目なし引抜管である伝熱管１５で形成される。伝熱管は、屈曲部がＵ字形である螺旋状に形成されて束２の中に配列され、ヘッダ３に向かって傾斜した状態で取り付けられている。これにより、伝熱管１５は水を完全に流し出すことが可能である。伝熱管１５は、その端をヘッダ３の内面に反溶接することにより、ヘッダ３に固定される。伝熱管１５を流体の圧力でヘッダ３の壁厚よりも大きく拡げ、ヘッダ３の外面付近では機械的に丸めさせる。この拡張工程は、ヘッダ３と伝熱管１５との間隙（スプリット）が閉じられるまで行われる。伝熱管１５は互いから一定の間隔を空けて（すなわち、束２の中で間隔を空けて）取り付けられている。これには、波形帯、平板等のスペーサ１６（図３）が用いられている。この固定構造により、伝熱管１５は熱膨張の間、移動可能である。

容器１の中に位置する内部装置は以下のものを含む。
−給水分配装置４。伝熱管束２の上方に位置し、パイプラインと、全長にわたって給排水口を有する分配管とから構成されている。この装置の製造に使用される主な物質はステンレス鋼である。
−非常用給水分配装置５。蒸気室に位置し、ヘッダと、全長にわたって給排水口を有する分配管とから構成されている。この製造に使用される物質はステンレス鋼である。
−蒸気発生器の洗浄中に化学試薬を供給する装置８。蒸気室に位置し、全長にわたって化学試薬排出口を有するヘッダから構成されている。この製造に使用される物質はステンレス鋼である。
−穴あき天井板６。蒸気発生器の上部に位置し、蒸気発生器から蒸気を抜く間、ヘッダ効果を低減させるように設計されている。この製造に使用される物質はステンレス鋼である。
−穴あき水中板７。ミシン目のように孔が開けられている。伝熱管束２の上方に位置し、蒸発面の蒸気負荷を均すように設計されている。この製造に使用される物質はステンレス鋼である。

沸騰水（２次冷却材）の循環を改善する目的で、蒸気発生器の伝熱管は複数の塊（バンク）にグループ分けされ、それらが互いに、図２および図６に示されている垂直な管間トンネルによって分離されていてもよい。さらに、図６に示されているように、蒸気発生器の伝熱管のバンクは、それらの側面に沿って広がる邪魔板（バッフル）１７によって分離されていてもよい。バッフル１７は沸騰水の循環路の上昇部分と下降部分とを形成している。この場合、伝熱管間で発生する蒸気は管間トンネルには到達しないので、比較的冷たい沸騰水の下降を妨げない。これにより、沸騰水の循環力が強化される。

別の実施形態では、沸騰水の上昇路と下降路とを形成するバッフルは、伝熱管のバンクのうち１次冷却材用の入口ヘッダの側に位置するもののみを閉じていてもよい。これらのバッフルは、孔のない金属板である。
蒸気発生器のこの構造の動作原理は以下の通りである。原子炉で加熱された冷却材は、１次冷却材用の入口ヘッダすなわち分配ヘッダ（ヘッダ３の片方）へ供給される。冷却材は分配ヘッダから束２に属する伝熱管１５へ供給され、これらの伝熱管１５を通過し、伝熱面を通じて熱を沸騰水へ伝える。冷却材は１次冷却材用の出口ヘッダすなわち収集ヘッダ（ヘッダ３の残りの片方）の中に収集され、循環ポンプによって収集ヘッダから原子炉へ戻される。蒸気発生器の容器１は沸騰水により、動作中に維持されるべきある高さまで満たされている。水は給水分配装置４によって蒸気発生器へ供給される。給水分配装置４から流出する水は沸騰水と混ざり合い、飽和温度まで加熱される。冷却材から伝わる熱は、蒸気発生器の配管の隙間において沸騰水の蒸発および蒸気の発生に費やされる。発生した蒸気は蒸気発生器の分離された部分へ上昇する。この部分は、自由空間、分離装置、またはこれら両方の組み合わせを含む。蒸気発生器の分離部分を通過後の蒸気は湿度が設計上の定格値である。蒸気はその後、蒸気発生器から汽水分離装置を通じて除去される。この装置は、蒸気除去用接続管１３、およびそれらの上流に取り付けられた穴あき天井板６を含む。蒸気発生器で生成された蒸気は、発電設備の蒸気動力サイクルに利用される。

一般の場合、非常用給水分配装置５、化学試薬供給装置８、穴あき天井板６、および穴あき水中板７は、蒸気発生器にとっては選択の自由な（必須ではない）部品（オプション）である。これらは、蒸気発生器の動作の信頼性、耐久性などの改善には必要とされるものに過ぎず、構造の異なる横置蒸気発生器には含まれていてもいなくてもよい。非常用給水分配装置５は、給水主管が損傷した場合、および、設計基準の事故の場合に２次系を通じた原子炉設備の冷却中、蒸気発生器への給水に用いられる。化学試薬供給装置８は、堆積した沈殿物および腐食生成物の除去目的で蒸気発生器を定期的に洗浄する間に用いられる。この装置は、化学試薬を蒸気発生器へ供給するのに用いられる。穴あき水中板７は、蒸気発生器の蒸気室の蒸気負荷を均すのに用いられる。これは、発生した蒸気の分離に関するパラメータを与えるのに必要であり、高出力の蒸気発生器にのみ関係する。穴あき天井板６は、蒸気発生器の蒸気室への通り道に抵抗を生じさせることにより、蒸気室内の蒸気の速度分布を一様にするのに用いられる。

原子力発電施設用の横置蒸気発生器は、以下の通りに組み立てられる：蒸気発生器の円筒容器１は１組の鋼鉄製シェルから製造され、次に熱処理および機械加工を受ける。楕円底１１、給水分配装置４、蒸気除去用接続管１３、入口ヘッダおよび出口ヘッダ３、並びにＵ字伝熱管１５（外径ｄ_ｔｂ、本数Ｎ_ｔｂ。）が製造される。その後、溶接された容器は支持体に取り付けられる。入口ヘッダおよび出口ヘッダ３は、側面にドリルとその他の工作機械とによる穿孔加工が施された後、蒸気発生器の容器内に取り付けられ、溶接により固定される。冷却材用の配管束に対する支持体が取り付けられ、伝熱管束２が容器の中で直に形成され、下から上へと列を成す。各伝熱管は冷却材用のヘッダに固定され、ヘッダの内側から丸められて溶接される。その他の容器内の構造物が取り付けられる。楕円底１１が容器１に取り付けられて溶接される。以下の装置も容器内に取り付けられてもよい：非常用給水分配装置５、化学試薬供給装置８、穴あき天井板６、および穴あき水中板７。これらの構成要素は蒸気発生器にとってオプションである。しかし、上述の通り、これらは蒸気発生器の動作を改良し、特にその動作の信頼性を高めるために設計されている。

伝熱管束２は、上から下へ連続的に伝熱管１５が詰められるように形成される。スペーサ１６は伝熱管束２の中に、伝熱管１５の垂直間隔を超えない隙間を確保する。
伝熱管の本数Ｎ_ｔｂは上述の関係に基づき、伝熱管の外径ｄ_ｔｂに依存して選択される。束の含む管の本数を増加すると同時に外径を縮小すると、束内では伝熱管の隙間が伝熱管の垂直間隔を超えないので伝熱面積が増加する結果、蒸気発生器の出力が増加する。その一方で、伝熱管間を沸騰水（２次冷却材）が確実に循環するようにしなければならない。

実施例１
以下のパラメータを持つ蒸気発生器を製造する。
熱出力Ｑ＝７５０ＭＷ、
冷却材の流量Ｇ＝２２，０００ｍ^３／ｈ、
伝熱面積Ｈ＝６０００ｍ^２、
伝熱管の外径ｄ_ｔｂ＝２１ｍｍ、および壁厚δ＝１．５ｍｍ、
冷却材の圧力Ｐ＝１６ＭＰа、
伝熱管の配列＝ジグザグ配列（ｋ＝１）、
束における伝熱管の垂直間隔および水平間隔Ｓ_ｖ＝Ｓ_ｈ＝３６ｍｍ。

本発明の実施形態によるこの蒸気発生器では、容器の中に収容可能な伝熱管の本数の許容下限は次式の通りである。

この蒸気発生器の容器に収容可能な伝熱管の本数の許容上限は次式の通りである。

伝熱管の本数が得られた範囲内、１９８８≦Ｎ_ｔｂ≦１１，４１７、である蒸気発生器の設計における冷却材の流速Ｗ（ｍ／ｓ）を、伝熱管の本数がその範囲外である蒸気発生器の設計における流速と比較してみよう。

伝熱管の本数が上記の範囲内である蒸気発生器における冷却材の流速は次式の通りである：２．１ｍ／ｓ≦Ｗ≦１２ｍ／ｓ。
伝熱管の本数が上記の範囲１９８８≦Ｎ_ｔｂ≦１１，４１７から外れている蒸気発生器における冷却材の流速を算出しよう。伝熱管が特定の本数より多い場合、例えば伝熱管が１３，０００本の場合、冷却材の流速は次式の通りである：Ｗ_{１３，０００}＝１．８４ｍ／ｓ。この例では冷却材の流速がかなり低く、効率的な熱伝達能力を確保することはできない。（冷却材の公称流速に関するデータは非特許文献２に示されている。この文献の５０ページには次の記載がある：「横置蒸気発生器の設計の実践からは、配管における冷却材の最適流速は４ｍ／ｓ〜６ｍ／ｓであることが推測される。」）したがって、伝熱管の本数が上記の範囲外である蒸気発生器は本発明による蒸気発生器よりも、技術的性能および経済的効果が劣るであろう。

蒸気発生器の設計で用いられる伝熱管が特定の本数より少ない場合、例えば伝熱管が５００本の場合、Ｗ_５００＝４８ｍ／ｓである。蒸気発生器の動作中、冷却材がこの流速であれば、伝熱管には浸食による深刻な摩耗および高頻度の損傷が生じるであろう。これは、蒸気発生器の技術的性能および経済的効果を低減させる。
伝熱管に必要な長さＬ_ｔｂを、実施例１で設定されたパラメータを持ち、かつ伝熱管の本数が設定範囲内、１９８８≦Ｎ_ｔｂ≦１１，４１７、である蒸気発生器の設計と、伝熱管の本数がこの範囲外である蒸気発生器との間で比較してみよう。

Ｌ_ｔｂ＝Ｈ／πｄ_ｔｂＮ_ｔｂを仮定した場合、伝熱管の本数が設定範囲内、１９８８≦Ｎｔｂ≦１１，４１７、である蒸気発生器の製造には十分な伝熱管の長さの範囲は次式の通りである：７．９７ｍ≦Ｌ_ｔｂ≦４５ｍ。
ここで注意すべきなことは、本発明による蒸気発生器の製造には、最大長が一般的には３０ｍ以下であるオーステナイトステンレス鋼製の継目なし引抜管が用いられることである。金属工業の開発動向によれば、最長４５ｍの継目なし引抜管または熱延管の製造が近い将来、可能になる見込みである。

伝熱管が特定の本数よりも少ない、例えば伝熱管が５００本である蒸気発生器の設計については、伝熱管に必要な長さは次式の通りである：Ｌ_ｔｂ＝１８２ｍ。長さ１８２ｍの継目なし伝熱管は現在の金属工業分野では入手不可能であり、近い将来においても製造の見込みはない。
実施例２
以下のパラメータを持つ蒸気発生器を製造する。

熱出力Ｑ＝１０００ＭＷ、
冷却材の流量Ｇ＝３６，０００ｍ^３／ｈ、
伝熱面積Ｈ＝９０００ｍ^２、
伝熱管の外径ｄ_ｔｂ＝１２ｍｍ、および壁厚δ＝１．１ｍｍ、
冷却材の圧力Ｐ＝１７ＭＰа。

本発明によるこの蒸気発生器では、容器に収容可能な伝熱管の本数の許容下限は次式の通りである。

この蒸気発生器の容器に収容可能な伝熱管の本数の許容上限は次式の通りである。

伝熱管の本数が得られた範囲内、６０００≦Ｎ_ｔｂ≦３２，０００、である蒸気発生器の設計における冷却材の流速Ｗ（ｍ／ｓ）を、伝熱管の本数がその範囲外である蒸気発生器の設計における流速と比較してみよう。

伝熱管の本数が上記の範囲内である蒸気発生器における冷却材の流速は次式の通りである：４ｍ／ｓ≦Ｗ≦２２ｍ／ｓ。
伝熱管の本数が上記の範囲、６０００≦Ｎｔｂ≦３２，０００、から外れている蒸気発生器における冷却材の流速を算出してみよう。伝熱管が特定の本数より多い場合、例えば伝熱管が４０，０００本の場合、冷却材の流速は次式の通りである：Ｗ_{４０，０００}＝３．３ｍ／ｓ。この例では冷却材の流速がかなり低く、効率的な熱伝達能力を確保することはできない。したがって、伝熱管の本数が上記の範囲外である蒸気発生器は本発明による蒸気発生器よりも、技術的性能および経済的効果が劣るであろう。

蒸気発生器の設計で用いられる伝熱管が特定の本数より少ない場合、例えば伝熱管が４０００本の場合、Ｗ_４０００＝３３ｍ／ｓである。蒸気発生器の動作中、冷却材がこの流速であれば、伝熱管には浸食による深刻な摩耗が生じ、破損した伝熱管が塞がるであろう。これは、蒸気発生器の技術的性能および経済的効果を低減させる。
伝熱管に必要な長さＬ_ｔｂを、実施例２で設定されたパラメータを持ち、かつ伝熱管の本数が設定範囲内、６０００≦Ｎ_ｔｂ≦３２，０００、である蒸気発生器の設計と、伝熱管の本数がこの範囲外である蒸気発生器との間で比較してみよう。

Ｌ_ｔｂ＝Ｈ／πｄ_ｔｂＮ_ｔｂを仮定した場合、伝熱管の本数が設定範囲内、６０００≦Ｎ_ｔｂ≦３２，０００、である蒸気発生器の製造には十分な伝熱管の長さの範囲は次式の通りである：７．４６ｍ≦Ｌ_ｔｂ≦３９ｍ。
伝熱管が特定の本数よりも少ない、例えば伝熱管が４０００本である蒸気発生器の設計については、伝熱管の必要な長さは次式の通りである：Ｌ_ｔｂ＝５９ｍ。長さ５９ｍの継目なし伝熱管は現在の金属工業分野では入手不可能である。したがって、この長さの伝熱管を有する原子力発電施設用の蒸気発生器は製造できない。

実施例３
実施例１と同じパラメータを持つ蒸気発生器を製造する。すなわち、伝熱管の外径ｄ_ｔｂ＝２１ｍｍ、壁厚δ＝１．５ｍｍ。本発明によれば、伝熱管の本数Ｎ_ｔｂは１９８８本から１１，４１７本までの範囲から選択される。伝熱管の内部空間の断面積Ｓ_ｔｂは次式の通りである：

伝熱管束内が直列配列（ｋ＝１）であり、かつ伝熱管の垂直間隔Ｓ_ｖおよび水平間隔Ｓ_ｈ（図２参照。）がいずれも３６ｍｍである場合、伝熱管束の設置領域における伝熱管１本あたりの断面積ｆ_ｔｂは次式の通りである。

このとき、伝熱管の内部空間の断面積Ｓ_ｔｂと伝熱管１本あたりの設置断面積ｆ_ｔｂとの間の関係は次式の通りである。

その結果、４本の隣接する伝熱管で形成される、断面積ｆ_ｔｂ＝１２９６ｍｍ^２である伝熱管束内の単位領域（セル）のうち８０％は、沸騰水（２次冷却材）の循環に利用可能な面積であるので、沸騰水の流れが制限されることはない。
この条件との適合性により、本発明による蒸気発生器は技術的および経済的に更に有利である。すなわち、この条件は、伝熱管の本数および長さを制限する条件との組み合わせにより、蒸気発生器の動作の信頼性の向上に寄与する。

最後に示された関係はまた次のことを裏付けている。本発明による蒸気発生器の設計は、蒸気発生器の容器の内部空間に伝熱管束を、隙間なく均一な間隔で詰めている。垂直方向において、隣接する伝熱管の間隙は、束内における伝熱管の垂直間隔を超えていない。

Claims (11)

1. 原子炉施設で利用される横置蒸気発生器であって、
   円筒容器、２枚の楕円蓋、少なくとも１本ずつの給水入口管と蒸気出口管、１次冷却材用の入口ヘッダと出口ヘッダ、および両方のヘッダに接続されている伝熱管束を備え、
   前記伝熱管束の含む伝熱管の本数Ｎ_ｔｂは、各伝熱管の外径ｄ_ｔｂに次のように依存して選択されており、
   ｄ_ｔｂ≦１４ｍｍの場合は、
   

   

   ｄ_ｔｂ＞１４ｍｍの場合は、
   

   

   
   垂直方向において、隣接する伝熱管の隙間は伝熱管の間隔を超えない
   ことを特徴とする蒸気発生器。
2. 伝熱管として、オーステナイト系ステンレス鋼から成る継目なし引抜管が使用されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
3. 前記伝熱管束の設置領域における伝熱管１本あたりの断面積ｆ_ｔｂに対する伝熱管の内部空間の断面積Ｓ_ｔｂの比率が次式に基づいて選択されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
   

   
4. 前記伝熱管束は、伝熱管の間を垂直方向に伸びている流路によって区切られた複数の塊にグループ分けされていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生器。
5. 前記複数の塊の側面に沿って広がっており、前記複数の塊を水蒸気の循環路の上昇部分と下降部分とに分けている邪魔板（バッフル）
   を更に備えた請求項４に記載の蒸気発生器。
6. 前記バッフルは、前記伝熱管束の塊のうち前記入口ヘッダの側に位置するものを、水蒸気の循環路の上昇部分と下降部分とに分けていることを特徴とする請求項５に記載の蒸気発生器。
7. 原子炉施設用の横置蒸気発生器を組み立てる方法であって、
   円筒容器、２枚の楕円蓋、給水入口管と蒸気出口管とを少なくとも１本ずつ、１次冷却材用の入口ヘッダと出口ヘッダ、および外径ｄ_ｔｂの伝熱管Ｎ_ｔｂ本を製造するステップと、
   各ヘッダと伝熱管とを前記容器に設置して溶接することにより、伝熱管束を形成してヘッダに接続するステップと、
   前記楕円蓋を前記容器に設置して溶接するステップと
   を含み、
   垂直方向において、隣接する伝熱管の隙間は伝熱管の間隔を超えないように前記伝熱管束を形成し、
   前記伝熱管束の含む伝熱管の本数Ｎ_ｔｂは、各伝熱管の外径ｄ_ｔｂに次のように依存して選択されている
   ことを特徴とする組み立て方法。
   ｄ_ｔｂ≦１４ｍｍの場合は、
   

   

   
   ｄ_ｔｂ＞１４ｍｍの場合は、
   

   
8. 前記容器への設置前に各ヘッダの側面に、前記伝熱管束の含む伝熱管と同数Ｎ_ｔｂの貫通穴を開けるステップを更に備えた請求項７に記載の組み立て方法。
9. 各ヘッダの内面に伝熱管の端を全周溶接することにより各ヘッダの側面の貫通穴に伝熱管を固定するステップと、
   各ヘッダと伝熱管との隙間が閉じるまで、各伝熱管を流体の圧力で各ヘッダの壁厚よりも大きく拡げ、各ヘッドの外面付近では機械的に丸めさせるステップと
   を更に備えた請求項８に記載の組み立て方法。
10. 前記容器の中で伝熱管を直に、下から上へ向かって束ねるステップを更に備えた請求項７に記載の組み立て方法。
11. 伝熱管として、オーステナイト系ステンレス鋼から成る３０ｍ以下の継目なし引抜管を使用することを特徴とする請求項７に記載の組み立て方法。

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