JP5415701B2 - 原子炉用ジェットポンプ - Google Patents

Description

この発明は沸騰水型原子炉の冷却材を循環させるための原子炉用ジェットポンプに関する。

図５は、特許文献１等に記載されるような従来一般に採用されている沸騰水型原子炉の概略構成を示す断面図である。同図５に示されるように、原子炉圧力容器１０には複数の燃料集合体によって構成される炉心１１が収容されている。また、原子炉圧力容器１０には、炉心１１の他、これを冷却するための冷却材１２が収容されている。

また、炉心１１の上方には気水分離器１３が配設され、更にこの気水分離器１３の上方には蒸気乾燥器１４が配設されている。冷却材１２は炉心１１をその下方から上方に流れ、同炉心１１の核反応熱によって昇温することにより水と蒸気の二相混合状態となる。そして、このように二相混合状態となった冷却材１２は、気水分離器１３に流入し同気水分離器１３において水と蒸気に分離される。こうして分離された蒸気は蒸気乾燥器１４により乾燥されて乾燥蒸気となり原子炉圧力容器１０の上部に接続された主蒸気管２０を介してタービン系（図示略）に供給される一方、水は炉心１１の周囲に区画形成されたダウンカマ部１５を介して下部冷却材室１６に流入し、再び炉心１１の下方から上方に流れる。

また、原子炉圧力容器１０には、ダウンカマ部１５の冷却材１２を炉心１１に再循環させるための再循環系６０が設けられている。この再循環系６０は、再循環ポンプ３０及びジェットポンプ４０の他、これら再循環ポンプ３０及びジェットポンプ４０を接続する再循環配管５０により構成されている。この再循環系６０のジェットポンプ４０は、炉心１１の周囲を囲むようにしてダウンカマ部１５に複数設けられるとともに、それらジェットポンプ４０に対応して再循環ポンプ３０及び再循環配管５０がそれぞれ複数設けられている。

図６は、再循環系６０のジェットポンプ４０を図５の矢印Ａの方向からみた矢視図である。同図６に示されるように、このジェットポンプ４０は、再循環ポンプ３０の吐出口に接続され、同再循環ポンプ３０から冷却材１２が供給される円管状の供給管４１を備えている。この供給管４１は下流側部分が二股に分岐し、それら分岐した下流側端部には円形の開口を有するノズル４２がそれぞれ形成されている。また、ノズル４２の下方には、そのノズル４２から噴出された冷却材１２を下部冷却材室１６に導入するための略円管状の導入管４３が設けられている。

この導入管４３は、ノズル４２から噴出された冷却材１２が流入するベルマウス４３１、同ベルマウス４３１の下流側端部に接続されたスロート４３２、同スロート４３２の下流側端部に接続されたディフューザ４３３によって構成されている。なお、ベルマウス４３１はノズル４２の噴出口４２ｂよりも大きな開口面積を有している。そして、複数の支持部材４２ａによってノズル４２がベルマウス４３１に支持されることにより、ノズル４２の噴出口４２ｂの中心とベルマウス４３１の開口中心とが一致する状態に維持されている。

また、ベルマウス４３１はその下流側に位置する部分ほど流路断面積が小さく設定された形状を有し、ノズル４２から流入する冷却材１２の流れ方向を徐々に変更してこれをスロート４３２に導入する。また、スロート４３２はベルマウス４３１からディフューザ４３３に至るまでの部分の流路断面積が一定に設定された直管状をなし、ベルマウス４３１から流入した冷却材１２をディフューザ４３３に導入する。一方、ディフューザ４３３は、上流側部分から下流側部分にかけて流路断面積が徐々に大きく設定されるとともに、下部冷却材室１６に接続される最下流側部分は流路断面積が一定に設定されている。このベルマウス４３１、スロート４３２を通じてディフューザ４３３に流入した冷却材１２は徐々に圧力回復して下部冷却材室１６に導入される。

また、ノズル４２からベルマウス４３１に冷却材１２を噴出させる際、ベルマウス４３１の周囲に存在するダウンカマ部１５の冷却材１２がノズル４２から噴出された冷却材１２により巻き込まれてベルマウス４３１に流入する。ここで、ノズル４２から噴出される冷却材１２の量を「Ｑｎ」、同冷却材１２によって巻き込まれてベルマウス４３１に流入する冷却材１２の量を「Ｑｓ」とした場合、それら流量の比（Ｑｓ／Ｑｎ）は一般にＭ比と称され、ジェットポンプ４０の特性を評価する指標として用いられている。
特開２００５−２３３１５２号公報

ところで、再循環系にて消費される電力量は原子力発電所における総発電量の数％を占めており、原子力発電所の発電効率を高めるために、この再循環系の消費電力量を極力抑制することが求められている。そしてこの点では、上述したＭ比を増大させることによりジェットポンプの効率を高めることが最も有効であり、具体的には「１．０〜１．５」に設定されている通常のジェットポンプのＭ比を「２．０」以上にまで高めた高流量比型のジェットポンプを採用することが望ましいと考えられている。

しかしながら一般には、Ｍ比を「０．８」程度から増大させるにつれてジェットポンプの効率は一旦向上するものの、同Ｍ比が約「１．５」以上の領域に至るとジェットポンプの効率は徐々に低下するようになる。これは、Ｍ比が増大することによりスロート内における冷却材の流量が増大して同内部での静圧が低下し、冷却材の圧力が十分に回復しないままディフューザに流入してしまうことに起因すると推定される。

この発明はこうした従来の実情に基づいてなされたものであり、その目的は、比較的高い流量比（Ｍ比）の領域にて作動させる原子炉用ジェットポンプにあって、ベルマウスからスロートの内部に流入した冷却材を早期に圧力回復させることによりポンプ効率の向上を図ることにある。

そして、こうした目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、再循環ポンプから吐出される冷却材を複数の噴口を有するノズルから噴出させて周囲の冷却材を巻き込みつつベルマウスに流入させるとともにスロートを介してディフューザに冷却材を排出する原子炉用ジェットポンプにおいて、前記スロートは少なくとも前記ベルマウスに接続される最上流側部分の内壁が同スロートの軸線に対して傾斜しその下流側が拡径するテーパ形状を有してなるものとしている。

同構成によれば、ベルマウスに続く最上流部分の内壁をテーパ形状としたため、複数の噴口を有するノズルを備え、比較的高い流量比（Ｍ比）の領域において作動させるようにした原子炉用ジェットポンプにあっても、ベルマウスからスロートの内部に流入した冷却材を早期に圧力回復させることができ、ポンプ効率の向上を図ることができるようになる。

また、請求項１に記載の発明では、前記スロートは、その最上流部分を含む第１のテーパ管と該第１のテーパ管の下流側に接続され前記軸線に対する内壁の傾斜角度が前記第１のテーパ管よりも大きく設定された第２のテーパ管とを含む、といった構成を採用している。

さらに、請求項１に記載の発明では、前記第１のテーパ管と前記第２のテーパ管との接続部分は前記傾斜角度が連続的に変化するようにその内壁が形成されてなるものとしている。

同構成によれば、冷却材が第１のテーパ管及び第２のテーパ管の接続部分を流れる際にその内壁に沿って流れ方向が徐々に変化するようになるため、同接続部分において乱流が発生することを抑制することができ、同乱流の発生に起因して冷却材の圧力回復が制限されてしまうことを抑制することができるようになる。

また、ノズルの噴口は、具体的にこれを請求項２に記載の発明によるように、前記スロートの軸線を中心とし同軸線周りに等角度間隔を隔てて配設することができ、その数は請求項３に記載の発明によるように、これを５つに設定することができる。

この発明によれば、ベルマウスに続く最上流部分の内壁をテーパ形状としたため、複数の噴口を有するノズルを備え、比較的高い流量比Ｍの領域において作動させる原子炉用ジェットポンプにあっても、ベルマウスからスロートの内部に流入した冷却材を早期に圧力回復させることができ、ポンプ効率の向上を図ることができるようになる。

以下、この発明にかかる原子炉用ジェットポンプの実施の形態について説明する。尚、この実施の形態における原子炉用ジェットポンプはノズルの形状及びスロート形状が異なるもののその他の形状は先の図５及び図６に示した構成と同様であり、また沸騰水型原子炉に関する構成についても同様であるため、その説明は割愛する。

図１はこの実施の形態にかかるジェットポンプ４０の部分断面図である。上述したように、ジェットポンプ４０の供給管４１は下流側部分が二股に分岐した形状を有し、それら分岐した下流側端部にはそれぞれノズル４２が形成されているが、同図１ではその一方のノズル４２並びに同ノズル４２から噴出された冷却材１２を下部冷却材室１６に導入するための導入管４３についてのみ図示している。尚、他方のノズル４２及び導入管４３についてもその構成は同様であるため説明は割愛する。

同図１に示されるように、導入管４３のベルマウス４３１に接続されるスロート４３４は、その最上流部分を含む第１のテーパ管４３４ａと、この第１のテーパ管４３４ａの下流側に接続された第２のテーパ管４３４ｂとによって構成されている。この第１のテーパ管４３４ａは、上流側部分がベルマウス４３１に接続されるとともに、スロート４３４の軸線Ｃ（図１に一点鎖線にて示す）に対しその内壁が所定角度θ１だけ傾斜して下流側が拡径するテーパ形状を有している。一方、第２のテーパ管４３４ｂについても同様に、スロート４３４の軸線Ｃに対しその内壁が所定角度θ２だけ傾斜して下流側が拡径するテーパ形状を有している。ここで、第２のテーパ管４３４ｂの傾斜角度θ２は、第１のテーパ管４３４ａの傾斜角度θ１よりも大きく設定されている。これら傾斜角度θ１，θ２は具体的には、傾斜角度θ１が「０．６４４°」、傾斜角度θ２が「１．４６９°」にそれぞれ設定されている。

図２は、第１のテーパ管４３４ａと第２のテーパ管４３４ｂとの接続部分（図１の部位Ｂ）を拡大して示す部分拡大断面図である。同図２に示されるように、第１のテーパ管４３４ａ及び第２のテーパ管４３４ｂは、それら内壁の傾斜角度が所定角度θ１から所定角度θ２まで連続的に増大するようにその接続部分の形状が設定されている。従って、冷却材１２が第１のテーパ管４３４ａから第２のテーパ管４３４ｂに流れ込む際、内壁近傍の冷却材１２は、その内壁に沿って流れ方向が徐々に変化する。このため、各テーパ管４３４ａ，４３４ｂの接続部分近傍における冷却材１２の乱流や渦流の発生は抑制されることとなる。

図３は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１及び同図３に示されるように、ノズル４２はその下流側部分が５つに分岐しており、それら分岐部分は下流側ほどその流路断面積が小さく設定された５つの噴出部４２ｄを構成している。そして、各噴出部４２ｄの下流側端部には、スロート４３４の軸線Ｃを中心とし同軸線周りに等角度間隔を隔てて位置する噴口４２ｃが形成されている。再循環系６０の再循環ポンプ３０から供給管４１に圧送された冷却材１２は、ノズル４２の各噴口４２ｃから周囲の冷却材１２を巻き込みつつベルマウス４３１にそれぞれ噴出される。

図４は、この本実施の形態にかかるジェットポンプ４０について、そのポンプ効率を示すグラフである。尚、同図４において「○」で示されるプロット点は、流量比（Ｍ比）を「１．５〜２．２」の範囲で変化させ場合におけるジェットポンプ４０のポンプ効率を示し、「●」で示されるプロット点は、この比較例として、図６に示されるように、ベルマウス４３１に接続されるスロート４３２が直管状をなす従来のジェットポンプのポンプ効率を示している。この図４に示されるように、比較例にかかるジェットポンプでは、Ｍ比が「１．５」近傍で比較的高いポンプ効率を示すものの、Ｍ比が増大するにつれて徐々に同ポンプ効率が低下する。一方、本実施の形態にかかるジェットポンプ４０にあっては、Ｍ比が増大した場合でもポンプ効率の低下は僅かであり、比較例に対して高いポンプ効率を維持している。これは、ベルマウス４３１に接続されるスロート４３４の最上流側部分の内壁、すなわち第１のテーパ管４３４ａの内壁をスロート４３４の軸線Ｃに対して傾斜させ、その下流側が拡径するテーパ形状としたため、ベルマウス４３１からスロート４３４の内部に流入した冷却材１２を早期に圧力回復させることができるためであると推定される。このように、本実施の形態にかかるジェットポンプ４０は、従来のジェットポンプと比較してＭ比を「２．０」以上にまで高めた高Ｍ比域においても高いポンプ効率にて作動させることができる。

以上説明したように、本実施の形態にかかるジェットポンプ４０によれば次の作用効果を奏することができる。
（１）「２．０」以上の比較的高い流量比（Ｍ比）の領域において作動させるジェットポンプ４０にあっても、ベルマウス４３１からスロート４３４の内部に流入した冷却材１２を早期に圧力回復させることができ、ポンプ効率の向上を図ることができるようになる。

（２）また、第１のテーパ管４３４ａ及び第２のテーパ管４３４ｂの接続部分について、それら内壁の傾斜角度が所定角度θ１から所定角度θ２まで連続的に増大するようにした。このため、冷却材１２が第１のテーパ管４３４ａから第２のテーパ管４３４ｂに流れ込む際、内壁近傍の冷却材１２は、その内壁に沿って流れ方向が徐々に変化するようになり、各テーパ管４３４ａ，４３４ｂの接続部分近傍における冷却材１２の乱流や渦流の発生は抑制することができ、ひいてはポンプ効率の更なる向上を図ることができるようになる。

尚、本発明は、上記実施の形態の他、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・スロート４３４の軸線Ｃに対して第１のテーパ管４３４ａの傾斜角度θ１を「０．６４４°」、第２のテーパ管４３４ｂの傾斜角度θ２を「１．４６９°」に設定したが、これらは（θ１＜θ２）の関係を満たす範囲で適宜変更することができる。具体的には、第１のテーパ管４３４ａの傾斜角度θ１については「０．４００〜０．９００°」の範囲で、また第２のテーパ管４３４ｂの傾斜角度θ１については「１．０００〜２．０００°」の範囲でそれぞれ変更することができる。

・スロート４３４を第１のテーパ管４３４ａ及び第２のテーパ管４３４ｂによって構成し、その内壁の傾斜角度を２段階に変化するようにしたが、少なくともベルマウス４３１に接続される最上流側部分がテーパ形状であれば、傾斜角度は一定でもよく、また３段階以上に変化させるようにしてもよい。更に、傾斜角度がベルマウス４３１からディフューザ４３３にかけて連続的に増大させるようにしてもよい。その他、スロート４３４の中間部分にその内壁がスロート４３４の軸線Ｃと平行に延びる直管部を設ける構成を採用することもできる。

・ノズル４２に５つの噴口４２ｃを形成するようにしたが、２〜４つの噴口４２ｃ、或いは６つ以上の噴口を有するノズル４２を採用することもできる。

ジェットポンプの部分断面図。 図１の部分Ｂを拡大して示す部分拡大断面図。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。 ジェットポンプのポンプ効率と流量比との関係を示すグラフ。 沸騰水型原子炉の部分断面図。 従来一般のジェットポンプの部分断面図。

符号の説明

１０…原子炉圧力容器、１１…炉心、１２…冷却材、１３…気水分離器、１４…蒸気乾燥器、１５…ダウンカマ部、１６…下部冷却材室、２０…主蒸気管、３０…再循環ポンプ、４０…ジェットポンプ、４１…供給管、４２…ノズル、４２ａ…支持部材、４２ｂ…噴出口、４２ｃ…噴口、４２ｄ…噴出部、４３…導入管、４３１…ベルマウス、４３２…スロート、４３３…ディフューザ、４３４…スロート、４３４ａ…第１のテーパ管、４３４ｂ…第２のテーパ管、５０…再循環配管、６０…再循環系。

Claims (3)

1. 再循環ポンプから吐出される冷却材を複数の噴口を有するノズルから噴出させて周囲の冷却材を巻き込みつつベルマウスに流入させるとともに同冷却材をスロートを介してディフューザに排出する原子炉用ジェットポンプにおいて、
   前記スロートは少なくとも前記ベルマウスに接続される最上流側部分の内壁が同スロートの軸線に対して傾斜しその下流側が拡径するテーパ形状を有しており、
   前記スロートは、その最上流部分を含む第１のテーパ管と該第１のテーパ管の下流側に接続され前記軸線に対する内壁の傾斜角度が前記第１のテーパ管よりも大きく設定された第２のテーパ管とを含み、
   前記第１のテーパ管と前記第２のテーパ管との接続部分は前記傾斜角度が連続的に変化するようにその内壁が形成されてなる
   ことを特徴とする原子炉用ジェットポンプ。
2. 請求項１に記載の原子炉用ジェットポンプにおいて、
   前記複数の噴口は前記スロートの軸線を中心とし同軸線周りに等角度間隔を隔てて配設される
   ことを特徴とする原子炉用ジェットポンプ。
3. 請求項２に記載の原子炉用ジェットポンプにおいて、
   前記噴口は前記同軸線周りに５つ配設される
   ことを特徴とする原子炉用ジェットポンプ。

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