JP3971146B2 - 気水分離器及び沸騰水型原子炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉で発生した蒸気を冷却水から分離する気水分離器と、原子炉圧力容器の内部に炉心と複数の気水分離器を配置した沸騰水型原子炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電プラントでは、蒸気タービン翼部分でのエロージョンやコロージョン現象をなくしてタービン健全性を維持するため、原子炉の加熱で発生した蒸気を冷却水から分離する気水分離器と、分離された蒸気に含まれる液滴を除去する蒸気乾燥器とで構成される気水分離システムが使用されており、蒸気に含まれる液滴量を一定値以下にして蒸気タービンに供給する。
【０００３】
図6は、気水分離器を用いた改良型沸騰水型原子炉の一例で、原子炉圧力容器101の中には冷却水が所定の水位まで満たされ、シュラウド102内に炉心103が設置される。炉心103の発熱で発生した蒸気は、冷却水と混合状態で上部プレナム104を経由し、スタンドパイプ2によりシュラウドヘッド105に多数設置された気水分離器1に流入して液滴を含む蒸気と冷却水に分離される。
【０００４】
液滴を含む蒸気は、蒸気乾燥器106で液滴が除去された上で主蒸気管107を経由して、図示していない蒸気タービンに供給されて発電機を駆動する。
【０００５】
この時、蒸気乾燥器106で除去された液滴は、蒸気乾燥器スカート108と原子炉圧力容器101との間から下方にある冷却水中に戻される。一方、発電機の駆動に使用された蒸気は、図示していない復水器で凝縮され、給水加熱器で加熱された後、給水管109から原子炉圧力容器101内に給水として戻される。
【０００６】
気水分離器1で分離された冷却水は、給水管109から供給される給水と混合された上でダウンカマ110内を降下し、インターナルポンプ111にて運動エネルギーを与えられ、下部プレナム112を経由して炉心103に再循環される。
【０００７】
ところで、従来の気水分離器1は一般的に特開平１０―１９７６７８号公報に示されている様に、気水分離部が多段構成されているものを使用し、これにより必要な気水分離性能が確保出来るようにするのが一般的である。この多段構成の気水分離器では、大略、次のようにして気水分離ができるようになっている。
【０００８】
原子炉で発生した蒸気と冷却水との混合流体は、気水分離器の下端に位置するスタンドパイプに流入し、次いでスタンドパイプの上端に接続されるディフューザ内に配置するハブとその周囲に固定設置する複数の旋回羽根で構成するスワラーを通過することにより遠心力を付与されて旋回流となる。さらに、旋回流になった気液混合流は、ディフューザの上端に接続される第１段内筒に流入して密度が高い冷却水は外周側に液膜を形成し、中心側の液滴を含む蒸気とに分離される。分離された蒸気は第1段ピックオフリングの内側を通過し、液膜の大部分は第１段ピックオフリングの外側を通過して第１段外筒により外部に排水される。
【０００９】
第１段ピックオフリングを通過した液滴を含む蒸気は遠心力を有しており、第1段気水分離部と同様の構成である第2段気水分離部に流入して遠心力により蒸気から液滴が分離され外部に排水される。このように、従来の気水分離器は必要な気水分離性能が確保できるように気水分離部を多段で設置する構成となっている。
【００１０】
一方、近年においては、炉心における熱出力と発電量を増加できるよう、冷却水の再循環経路中における気水分離器の圧力損失の低減が要望されている。
【００１１】
気水分離器の圧力損失を低減する公知技術として、実開平８―１３６１号公報に記載のものがある。この公知技術は、スタンドパイプと第１段内筒との間にディフーサがなく、流速が相対的に低い第１段内筒にスワラーを設置することにより圧力損失を低減するものである。また、別の気水分離器の圧力損失を低減する公知技術として、原子力学会「2000年秋の大会」Ｅ34−37に記載のものがある。この公知例では、スワラーを第1段円筒内に設け、ハブ径を小さくすることにより、圧力損失を大幅に低減する技術が示されている。
【００１２】
気水分離器の気水分離性能を向上する公知技術として、特開平６―２７３５７１号公報に記載のものがある。この公知技術は、第２段内筒を第１段ピックオフリングより小さくして第２段内筒での遠心力を増加することにより気水分離性能を向上するものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術には以下の課題が存在する。
【００１４】
まず、実開平８―１３６１号公報の技術においては、加圧水型原子炉の蒸気発生器を対象としており、ディフューザや直径の細いスタンドパイプを備える構成ではないことから、沸騰水型原子炉や改良型沸騰水型原子炉には適用できない。
【００１５】
また、原子力学会「2000年秋の大会」Ｅ34−37ではハブの直径が小さくなるほど、またスワラー羽根出口角が小さくなるほど圧力損失は低減するが、その反面、気水分離性能は低下する。
【００１６】
一方、特開平６―２７３５７１号公報の技術においては、遠心力を増加することにより気水分離性能を向上することができるが、圧力損失の低減については考慮されていない。
【００１７】
本発明の第１の目的は、高い気水分離性能を維持しつつ圧力損失の低減を可能とする気水分離器を提供することにある。
【００１８】
また、本発明の第２の目的は、気水分離器の圧力損失を低減するとともに高い気水分離性能を維持することにより、炉心の出力を増加して経済性を向上させた沸騰水型原子炉を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
第１の目的を達成するための第１の手段は、円筒状の第１段内筒と、前記第1段内筒の上方に配置した第１段ピックオフリングと、前記第１段内筒の外部を取り囲むように配置した第１段外筒とで第1段気水分離部を構成し、円筒状のスタンドパイプの上端に流路面積を拡大するディフューザを接続し、前記ディフューザの上端に前記第1段内筒を接続し、前記第１段内筒に設けたハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラーにより気液混合流に遠心力を与え、前記第１段内筒の内壁に遠心力で分離された液体で液膜を形成させて前記第１段ピックオフリング、前記第１段外筒により前記液膜を排水し、さらに前記第1段気水分離部の上方に少なくとも第2段気水分離部を接続して多段構成とした気水分離器において、前記ハブの直径ｄと前記第１段内筒の内径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）を0.25＜（ｄ／Ｄ）＜0.35、前記スワラーの旋回羽根の出口平均角度θを45°＜θ＜48°とし、第１段ピックオフリングの内径aと前記第１段内筒の内径Ｄとの比（ａ／Ｄ）を0.80＜（ａ／Ｄ）＜0.84とする。
【００２０】
また、前記第１の目的は、ハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラーをディフューザ部分に設け、ハブの直径ｄと第１段内筒の内径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）を0.25＜（ｄ／Ｄ）＜0.35、スワラーの旋回羽根の出口平均角度θを45°＜θ＜48°とし、第１段ピックオフリングの内径aと前記第１段内筒の内径Ｄとの比（ａ／Ｄ）を0.80＜（ａ／Ｄ）＜0.84とする第２の手段によっても達成される。
【００２１】
さらに第２の目的は、原子炉圧力容器の内部に核***反応により発熱する炉心と複数の気水分離器を配置した沸騰水型原子炉において、前記気水分離器として、前記気水分離器のいずれかを用いることにより達成される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による気水分離器及び沸騰水型原子炉について、図示の実施形態により説明する。図１は、本発明の第１の実施形態で、これは、本発明による気水分離器を、例えば図6で説明する改良型沸騰水型原子炉に適用した場合の一実施形態例である。従って、シュラウドヘッド106と上部プレナム104は図6で説明した通りである。
【００２３】
図１(a)に示した本発明の実施形態にかかわる気水分離器1は、第1段気水分離部3と第2段気水分離部4、第3段気水分離部5からなる3段構成の気水分離器である。第1段気水分離部3は、シュラウドヘッド105の上に設置され、上部プレナム104内に連通したスタンドパイプ2の上端に接続されたディフューザ6を備えている。ディフューザ6の上端には内径Ｄの第1段内筒7が接続され、この第1段内筒7の内部にはスワラー8を備えている。そして、このスワラー8は中心部に位置する直径ｄのハブ9とその周囲に設置された複数の旋回羽根10とで構成される。ハブと第１段内筒の内径の比（ｄ／D)を0.25＜（ｄ／Ｄ）＜0.35、旋回羽根の出口平均角度θを45°＜θ＜48°とすることにより、気液分離性能の設計要求値を満足できる様にしている。また、第１段ピックオフリングの内径aと前記第１段内筒の内径Ｄとの比（ａ／Ｄ）を0.80＜（ａ／Ｄ）＜0.83とすることにより気液分離性能を維持しながら、更に低圧損化を図っている。
【００２４】
この第1段内筒7の外周には、周方向に配置した複数の仕切り板11を介して第1段外筒12が設置されている。そして、第1段内筒7と第1段外筒12との間には、仕切り板11によって流路が形成され、第1段外筒12の下端は下方に開口している。
【００２５】
第２段気水分離部4は、第１段ピックオフリング13の上に組み立てられた第２段内筒14、第２段外筒15、第２段ピックオフリング16を有し、第２段外筒15の下端には第２段排水口が設けてある。
【００２６】
第３段気水分離部5は、第２段ピックオフリング13上に組み立てられた第３段内筒17、第３段外筒18、第３段ピックオフリング19を有し、第３段外筒18の下端には第３段排水口が設けてある。
【００２７】
次に、以上のように構成した本実施形態の気水分離器１の作動概要を説明する。蒸気と冷却水との混合流体が、上部プレナム104からシュラウドヘッド105に接続したスタンドパイプ2に流入し、第１段内筒7内部に設置されハブ9と複数の旋回羽根10とで構成されるスワラー8で遠心力を付与され、第１段内筒7内で液滴を含む蒸気と液膜に分離される。分離された液膜の８０〜９０％以上は、第１段ピックオフリング13で分離され、遠心力と重力により第１段内筒7と第１段外筒12の間を流下し、排水される。第１段ピックオフリング13を通過した液膜は、第２段内筒14に流入し、第２段ピックオフリング16で分離され、重力により第２段内筒14と第２段外筒15の間を流下して第２段排水口から排出され、第１段外筒12の外面に沿って流下する。この時、排水とともに第２段排水口から流出した蒸気は気水分離器1の外部を上昇する。
【００２８】
第２段ピックオフリング16を通過して第３段内筒17に流入する蒸気に含まれる液滴は、遠心力によって第３段内筒17の内壁に付着し、第３段ピックオフリング19で分離され、重力により第３段内筒17と第３段外筒18の間を流下して第３段排水口から排出され、第２段外筒15の外面に沿って流下する。この時、排水とともに第３段排水口から流出した蒸気は気水分離器1の外部を上昇する。
【００２９】
本実施形態の気水分離器1におけるスワラー8の詳細を図1(b)に示す。スワラー8は、ハブ9と複数の旋回羽根10で構成される。図(b)に示す旋回羽根は８枚であるが、１例であり、８枚の必然性はなく、６枚から８枚程度にすればよい。ハブ9は、半球状の下端部9ａと円柱状の本体部9ｂと円錐と半球で構成される流線形の上端部9ｃで構成され、複数の旋回羽根10は円柱状の本体部9ｂに設置されている。なお、前記ハブ９の上端部９ｃは平坦状にカットしてもよい。
【００３０】
本実施例の特徴は、スワラー8が第１段内筒７内に設置されていること、ハブ9が少なくとも半球状の下端部9ａと円柱状の本体部9ｂとで構成され、複数の旋回羽根10は円柱状の本体部9ｂに設置されていることである。
【００３１】
図2（a)及び図2(b)を用いて第２の実施形態を説明する。第１実施形態と第２実施形態の主な相違は、ディフューザ6の内部にスワラー8を備えていることである。本実施形態では、流路面積の小さいスタンドパイプ2における高速の混合流体にスワラー8に設けた複数の旋回羽根10により旋回力が与えられるため、ハブ9の径を小さくでき、スワラーの重量を低減できる特徴がある。
【００３２】
本実施形態の気水分離器1におけるスワラー8の詳細を図2(b)に示す。スワラー8は、ハブ9と複数の旋回羽根10で構成される。ハブ9は、半球状の下端部9ａと円柱状の本体部9ｂと円錐と半球で構成される流線形の上端部9ｃで構成され、複数の旋回羽根10は円柱状の本体部9ｂに設置されている。なお、前記ハブ９の上端部９ｃは、先の第１実施形態と同様、平坦状にカットしてもよい。
【００３３】
以下に、従来技術と対比して、第１実施形態と第２実施形態の特徴と機能について説明する。一般に気水分離器の圧力損失の大部分を示す加速損失を低減する方法として、（１）ハブ直径ｄを小さくして軸方向の流速を低減する。（２）スワラーの旋回羽根における出口平均角度θ（ハブ側と内筒側の出口角度の平均値）を小さくして周方向の流速を低減する。（３）第１段ピックオフリング径aを大きくして軸方向の流速を低減する。
【００３４】
しかし、前記の圧力損失低減策には、各々以下に示すような課題がある。（１）に示すハブ径ｄを小さくする方法では、軸方向の流速の低減と共に、気液分離に影響する周方向の流速も低下するために、気液分離性能が悪くなる。（２）に示す旋回角度を小さくする方法では、気液分離に影響する周方向の流速も低下するために、気液分離性能が悪くなる。（３）に示すピックオフリング径を大きくしすぎると、スワラーによる遠心力で第1段内筒内に形成される液膜の一部がピックオフリングで捕獲できずに第２段内筒内に流出し、気液分離性能が悪くなる。
【００３５】
そこで、ハブ径、スワラーの旋回羽根の出口平均角度、第1段ピックオフリング径をパラメータに水・空気可視化試験を実施し、気水分離器から流出する液滴の質量流量率（キャリーオーバー）の設計要求値（一般には10％）を満足しながら、圧力損失を従来セパレータより30％程度低減できる範囲について検討した。水・空気可視化試験では、日本原子力学会「2000年春の年会」E47−48に示されている様に、実機条件での遠心力と気液混合流の液の質量流量比（クオリティ）を模擬する。これにより実機条件でのキャリーオーバーと圧力損失を予測することができる。
【００３６】
試験の結果、図１及び図2に示す気水分離器において、スワラーの形状パラメータであるハブ径比とスワラー旋回羽根の出口平均角度が図3で示す本発明の範囲（ハブ径比（ｄ／Ｄ）が0.25＜（ｄ／Ｄ）＜0.35、スワラーの旋回羽根の出口平均角度θが45°＜θ＜48°の範囲）では、キャリーオーバーの制限値を満足しながら圧力損失を３０％程度低減できることを試験により確認した。しかし、この範囲よりハブ径比が小さい領域やスワラーの旋回羽根の出口平均角度が小さい領域では、キャリーオーバーが増大するため、低圧損化を図る別の手段を付加する必要が必要である。
【００３７】
図1及び図２示す気水分離器の図３に示す範囲のスワラー形状について、第1段ピックオフリング径aと第1段内筒内径Ｄとで定義する第1段ピックオフリング径比（ａ／Ｄ）が0.76〜0.84の範囲で試験した。一般に、第1ピックオフリング内径を大きくすると、図4に示す様に、第1内筒内7の第1段ピックオフリング13近傍の液膜7厚さに対しての余裕が低減し、第1段ピックオフリング13で液膜20の一部が捕獲できないために液滴21が流出し、キャリーオーバーが大きくなる可能性がある。
【００３８】
図5（a)、図5(b)に試験結果を示すが、本発明の第１ピックオフリング径比の範囲（第１段ピックオフリング内径比（ａ／Ｄ）が0.80＜（ａ／Ｄ）＜0.83）では、液膜厚さに対して余裕があるため、従来技術よりもキャリーオーバー特性が低下することなしに圧力損失が低減できる。
【００３９】
なお、前記した気水分離器は、新設される原子炉のみならず、現在運転されている原子炉の気水分離器を交換することにより、炉心の熱出力を増加して経済性を向上させることもできる。
【００４０】
【発明の効果】
発明によれば、沸騰水型原子炉に配置する気水分離器において、高い気水分離性能を維持しつつ圧力損失を大幅に低減することができる。
【００４１】
また、発明によれば、気水分離器を配置する沸騰水型原子炉において、前記気水分離器を使用することにより高い気水分離性能を維持しつつ圧力損失を大幅に低減することができ、炉心の流量と熱出力を増加して経済性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態である気水分離器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２実施形態である気水分離器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。
【図３】本発明のスワラー形状範囲を示す図である。
【図４】第１ピックオフリング近傍の流動様相を示す図である。
【図５】本発明のピックオフリング径の範囲を示す図である。
【図６】改良型沸騰水型原子炉の縦断面図である。
【符号の説明】
1…気水分離器、2…スタンドパイプ、3…第1段気水分離部、4…第2段気水分離部、5…第3段気水分離部、6…ディフューザ、7…第１段内筒、8…スワラー、9…ハブ、10…旋回羽根、11…仕切り板、12…第１段外筒、13…第１段ピックオフリング、14…第２段内筒、15…第２段外筒、16…第２段ピックオフリング、17…第３段内筒、18…第３段外筒、19…第３段ピックオフリング、20…液膜、21…液滴、101…原子炉圧力容器、102…シュラウド、103…炉心、104…上部プレナム、105…シュラウドヘッド、106…蒸気乾燥器、107…主蒸気配管、108…蒸気乾燥器スカート、109…給水管、110…ダウンカマ、111…インターナルポンプ、112…下部プレナム。

Claims (3)

1. 円筒状の第１段内筒と、前記第1段内筒の上方に配置した第１段ピックオフリングと、前記第１段内筒の外部を取り囲むように配置した第１段外筒とで第1段気水分離部を構成し、円筒状のスタンドパイプの上端に流路面積を拡大するディフューザを接続し、前記ディフューザの上端に前記第1段内筒を接続し、前記第１段内筒に設けたハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラーにより気液混合流に遠心力を与え、前記第１段内筒の内壁に遠心力で分離された液体で液膜を形成させて前記第１段ピックオフリング、前記第１段外筒により前記液膜を排水し、さらに前記第1段気水分離部の上方に少なくとも第2段気水分離部を接続して多段構成とした気水分離器において、
   前記ハブの直径ｄと前記第１段内筒の内径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）を0.25＜（ｄ／Ｄ）＜0.35、前記スワラーの旋回羽根の出口平均角度θを45°＜θ＜48°とし、前記第１段ピックオフリングの内径aと前記第１段内筒の内径Ｄとの比（ａ／Ｄ）を0.80＜（ａ／Ｄ）＜0.83としたことを特徴とする気水分離器。
2. 円筒状の第１段内筒と、前記第1段内筒の上方に配置した第１段ピックオフリングと、前記第１段内筒の外部を取り囲むように配置した第１段外筒とで第1段気水分離部を構成し、円筒状のスタンドパイプの上端に流路面積を拡大するディフューザを接続し、前記ディフューザの上端に前記第1段内筒を接続し、前記ディフューザに設けたハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラーにより気液混合流に遠心力を与え、前記第１段内筒の内壁に遠心力で分離された液体で液膜を形成させて前記第１段ピックオフリング、前記第１段外筒により前記液膜を排水し、さらに前記第1段気水分離部の上方に少なくとも第2段気水分離部を接続して多段構成とした気水分離器において、
   前記ハブの直径ｄと前記第１段内筒の内径Ｄとの比（ｄ／Ｄ）を0.25＜（ｄ／Ｄ）＜0.35、前記スワラーの旋回羽根の出口平均角度θを45°＜θ＜48°とし、前記第１段ピックオフリングの内径aと前記第１段内筒の内径Ｄとの比（ａ／Ｄ）を0.80＜（ａ／Ｄ）＜0.83としたことを特徴とする気水分離器。
3. 原子炉圧力容器の内部に核***反応により発熱する炉心と複数の気水分離器を配置した沸騰水型原子炉において、
   前記気水分離器は請求項１又は請求項2に記載の気水分離器であることを特徴とする沸騰水型原子炉。

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