JPS61272596A - 中間熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野１ 本発明はタンク型高速増殖炉に用いられる中間熱交換器
に係り、特に胴と管束間の熱膨張差を吸収する構造を有
する中間熱交換器に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 従来、タンク型高速増殖炉において、原子炉容器のルー
フスラブに長尺円筒状のシェルアンドチューブ型中間熱
交換器を一次主循環ボンブと周方向に交互に複数台、間
隔的に吊下したものがある。

この中間熱交換器により原子炉容器内で一次冷却材と二
次冷却材との熱交換を行なう。中間熱交換器は一次冷却
材を循環させる垂直な外胴と、この外胴の軸心部に同心
的に配置され二次冷却材を循環させる内側管および外側
管を有している。この中間熱交換器の下端部は、原子炉
容器内の上下部にホットプールとコールドプールとを画
成する水平な隔壁の上下方向に沿う貫通孔に挿入され、
外胴は前記隔壁の貫通孔周縁に沿って設けたスタンドパ
イプにシール保持され−ている。そして、ホットプール
の高温の一次冷却材が中間熱交換器の外胴にあけた窓孔
から流入し、その外用内に設けた伝熱管部で、内側管お
よび外側管を流れる二次冷却材と熱交換して低温となり
、外胴の下端部からコールドプールに流入する。なお、
コールドブールの低温の一次冷却材は一次主循環ポンプ
によって強制的に炉心下部に導入され、炉心で加熱され
て上昇し、ホットブールに至る。

ところで、上記のような中間熱交換器が設置された高速
増殖炉において、原子炉の種々の運転モードにおいて中
間熱交換器に生じる温度分布を考察する。ここで、外胴
に設けられた窓孔から伝熱管部に流入する一次冷却材を
温度ＴＰＨ１外胴の下端部からコールドプールに流出す
る一次冷却材温度をＴＰＯとする。また、内側管を流れ
て伝熱管部へ流入する二次冷却材温度と外側管を流れて
伝熱管部から流出する二次冷却材温度をそれぞれＴＳＣ
とＴＳＨとする。そこで、伝熱管部と高さを同じくする
外胴との温度差について考えることにする。伝熱管の内
部には一次冷却材が下降して流れ、外部は二次冷却材が
接しながら上方へ移行するため伝熱管の温度は一次冷却
材と二次冷却材のそれぞれの温度の中間的な温度になっ
ていて高さ方向に温度分布を異にしている。

従って、下部管板付近ではＴＰＯとＴＳＣとの間、上部
管板の付近ではＴＰＨとＴＳＨとの間の温度になってい
る。

一方、外胴の温度は、この内側と二次冷却材が伝熱管を
通過して上方へ移行して流れ、その外側はスタンドパイ
プとの間のほとんど流動しない一次冷却材によって満た
されているので、およそ二次冷却材の温度に等しいと考
えられる。したがって外胴の温度は下部管板付近ではＴ
ＳＧ、上部管板付近ではＴＳＨ程度である。

上記したように伝熱管と外胴との間には温度差が常に存
在しているものと考えられ、この温度差によって生ずる
熱膨張差は、外胴あるいは伝熱管に過大な熱応力を引き
起こす可能性があるので、この熱膨張差を吸収する機構
を設置することが必要である。

この熱膨張差を生じる外胴と伝熱管の温度差を設計上安
全側に見積るために、伝熱管温度はそこ・を通過する一
次冷却材の温度に等しいと仮定し、外胴の温度はそこを
通過する二次冷却材温度に等しいと仮定する。したがっ
て、外胴と伝熱管の温度差は下部管板の付近ではＴＰＯ
−ＴＳＣｌまた上部管板付近ではＴＰＨ−ＴＳＨ程度で
ある。これらの値はタンク型高速増殖炉のシステム全体
の設計に基づく一次および二次冷却材の温度変化に依存
するわけであるが、通常の運転時にはおよそ４０〜５０
℃程度になっているものとされる。しかし、原子炉の運
転上の温度に伴って生ずる一次および二次冷却材温度の
過渡的な変化においてはかなり大ぎな温度差が生ずる可
能性もあり、特に二次冷却系が停止するようなホットシ
ョックが起こる現象において、この温度差は安全性を考
慮して大きめに見積っても下部管板の付近で１５０℃程
度にもなるものと考えておく必要がある。また、伝熱管
部の縦方向の長さは一般に５〜６ｍ程度であるから、こ
の温度差（縦方向に一様と仮定する）によって生ずる熱
膨張差はおよそ１５〜１８１１となる。このような大き
な熱膨張差を放置すれば伝熱管に生ずる圧縮応力による
伝熱管の座屈等、中間熱交換器の機器の健全性保持に悪
影響を及ぼすことが考えられる。

そこで、従来この対策として考えられたのは中間熱交換
器の下端部において、外胴と下部プレナムを形成する内
胴との間に熱膨張差吸収用のベローズを設けるというも
のである。このベローズは中間熱交換器の軸方向の変位
を吸収しやすい性質を有しており、これにより伝熱管と
外胴の熱膨張差を吸収する。

第４図は、上記ベローズの従来構造を拡大して示すもの
で、外胴１９の下端テーパ部の下端付近と内胴３３の下
端との間に一重のベローズ３４が設置されている。内胴
３３は下部管板２０ｂと一体であり、下部管板２０ｂと
図示しない上部管板とは伝熱管２１を介して溶接等によ
り大きな剛性を持って結合されている。更に、上部管板
はその周囲において外胴１９と再−び溶接等の方法によ
り溶着されている。したがって上部管板のレベルより下
側の外胴の温度と、上部管板、伝熱管２１、下部管板２
０ｂおよび内胴３３の温度との差によって生ずる外胴１
９下端と内胴３３下端の軸方向相対変位はほとんどすべ
てをベローズ３４により吸収され、外胴１９および伝熱
管２１に生ずる熱応力を緩和している。また、ベローズ
３４は、二次冷却材で満たされた外胴１９と内１１１３
３で形成されたテーパ状のアニユラス空間３６の圧力と
下部プレナム１０の一次冷却材の圧力との差圧を支えて
バウンダリーを形成している。

なお、図示しない隔壁およびその下方に配置する隔壁支
持体に、中間熱交換器挿入用の貫通孔の周縁に沿うスタ
ンドバイブ３０が固定されている。

このスタンドバイブ３０は、中間熱交換器１４の据付は
位置における外胴１９の下端よりも下方に長く延出して
いる。このスタンドバイブ３０と外胴１９との間にはベ
ローズ３５が設けられ、ホットブールとコールドブール
１０との間をシールするとともに、スタンドバイブ３０
と外胴１９との熱膨張差を吸収し得るようになっている
。

ところで、かような従来の中間熱交換器では、ベローズ
以外の部分はほとんど剛体であるとみなし、変位、つま
りひずみはベローズ３４．３５に集中する傾向があるた
め、ベローズ３４．３５自信の構造健全性が問題となる
。ベローズ３４，３５に作用される主な荷重は、上記熱
膨張差による軸方向の変位制御型の荷重および一次と二
次冷却材の圧力差である。特にタンク型の高速増殖炉の
場合、−次冷却材の圧力は低く、上記圧力差はかなり大
きい一次荷重として作用する。したがって、これに熱膨
張差による荷重が重畳した場合ベローズのラチェット変
形等の過大な変形挙動を引き起こす恐れがある。それを
防止するためには、熱膨張差による応力をできるだけ小
さくする必要があるが、それには、ベローズの軸長を増
して、ベローズの山数を多くする処置が考えられている
。しかしながら、このようにすると中間熱交換器の全長
は必然的に増大し、原子炉容器の深さ方向のサイズに制
約を与え、ひいてはタンク型高速増殖炉のコスト増大に
つながる問題点がある。

［発明の目的］ ・本発明はこのような問題引を解決するためになされた
もので、中間熱交換器の下端附近の外胴と内胴との間に
熱膨張差吸収用に内外二重のベローズを設けることによ
り、ベローズ自身の構造健全性を確保するとともに、中
間熱交換器の伝熱管や外用に生ずる熱応力の大幅な緩和
が図れ、コストダウンにつながる中間熱交換器を提供す
ることにある。

し発明の概要］ 本発明はこの目的を達成するため、中間熱交換器の下端
附近の外胴と内胴との間に、多層から成るベローズを装
着し、ベローズの一方を外胴に、他方を内胴に固定し、
多層のベローズ相互間には円筒状の折り返し筒を設置す
ることにより、短尺でかつ多数の山数を結果的にシリー
ズに設置し、外胴と内胴の大きな相対変位を吸収して一
次および二次冷却材のバウンダリーを形成するようにし
ている。

［発明の実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。な
お、第１図ないし第３図中、同一部分には同一符号を付
して重複した部分の説明を省略する。

まず、タンク型高速増殖炉の全体を第２図によって説明
する。

原子炉容器１は安全のため内側の主容器１ａとガードベ
ッセル１ｂとの二重構造とされており、円筒状のキャビ
ティウオール２内に吊下げ支持されている。この原子炉
容器１およびキャビティウオール２はルーフスラブ３に
より閉塞されている。

そして、主容器１ａ内の下部には炉心支持体４を介して
プレナム部５および炉心６が順次積層されている。この
炉心６の上部にはルーフスラブ３に炉心上部機構７が設
けられている。また、炉心６のちょうど上端部位置にお
いて、主容器１ａ内を上方のホットブール９と下方のコ
ールドブール１０とに区画する隔壁８が隔壁支持体８ｂ
によって設けられている。

また、ルーフスラブ３からは主容器１ａ内の一次冷却材
１５を循環させる複数の−次主循環ボンブ１１が周方向
に等間隔に吊下されている。これらの−法主循環ボンプ
１１の外側を包囲する薄肉円筒体１２が隔壁８を上下に
貫通して設けられている。また、各々の一次主循環ボン
ブ１１の下端からは炉内配管１３が導出され、その先端
がプレナム部５に接続されている。

さらに、ルーフスラブ３からは一次冷却材と二次冷却材
との熱交換を行なう複数の中間熱交換器１４が周方向に
等間隔に主容器１内に吊下されており、その下端は隔壁
８を貫通してコールドブール１０内に達している。この
ルーフスラブ３は内部の空洞部へ主容器１外に設置した
ガス循環装置１７により冷却ガスを循環供給することに
より加熱防止を図っている。また、ルーフスラブ３の下
面と一次冷却材１５の上面との空間には不活性ガスのカ
バーガスが充填されている。

ここで、以上のように構成されたタンク型高速増殖炉の
作用を説明する。

まず、液体ナトリウム等の液体金属からなる一次冷却材
１５は、炉心６を上方に向って通過する間に核反応によ
る熱エネルギを受けて加熱されて高温となり、炉心上部
機構７の窓孔を通してホットプール９内へ流入する。そ
して、−次冷却材１５は中間熱交換器１４へ上部から流
入し、二次冷却材としての液体金属へ熱エネルギを伝達
し、自らは温度降下してコールドブール１０内へ流入す
る。

一方、コールドブール１０内の一次冷却材１５は、薄肉
円筒体１２内を上昇して一次主循環ボンブ１１により昇
圧され、炉内配管１３を通ってプレナム部５へ戻される
。

次に中間熱交換器の構成および作用を第３図によって説
明する。

中間熱交換器１４は長尺な中空状の外胴１９を有し、こ
の外胴１９の上端に形成したフランジ１９ａがルーフス
ラブ３に支持され、中間熱交換器１４全体は吊下されて
いる。この外胴１９の下端はテーパ状に縮径され、隔壁
８の貫通孔８ａに押通されてコールドブール１０内に出
口ノズル１９ｂをもって開口している。

また、外胴１９の下部には上下管板２０ａ、２ｏｂの間
に貫通支持された多数の伝熱管２１が収納されている。

そして、外胴１９にあけた入口窓２２から上管板２Ｏａ
上に流入した一次冷却材１５〈大曲矢印）は、各伝熱管
２１内を流下して下管板２０ｂから流出し、出口ノズル
１９ｂを通ってコールドブール１０内に流下する。

また、外胴１９の中心部には、ルーフスラブ３の外部か
ら液体ナトリウム等の液体金属から成る二次冷却材２３
（大黒矢印）を上下管板２０ａ、２Ｏｂ間の空間２Ｏｃ
内に下端開口２４ａを通して送給する内側管２４と、前
記空間２０Ｇから一次冷却材１５との熱交換によって加
温されて二次冷却材２３を取出し、ルーフスラブ３外へ
導出する外側管２５とで形成されたダウンカフ２６が設
けられている。

なお、内側管下端で下管板２０ｂとの貫通部は、二次冷
却材２３が直接当たる゛ことから鏡板３１として構成し
である。

また、外胴１９の上端部には一次冷却材１５からの輻射
熱防止のための熱遮蔽板２７と、放射線遮断のため鋼球
を充填した放射線遮蔽体２８とが設けられている。ホッ
トプール９内の外胴１９の外側には、入口窓２２から外
胴１９内へ流入する一次冷却材を整流させるスカート２
９がルーフスラブ３の下面から垂下している。

ここで、中間熱交換器１４での熱交換作用を説明する。

一次冷却材１５は、第３図に大曲矢印で示すように、ホ
ットプール９内において、外胴１つとスカート２９との
間を通り、整流された状態で入口窓２２から外胴１９内
へ流入する。

一方、二次冷却材２３は、大黒矢印で示ずように、ダウ
ンカフ２６の内側管２４内を流下し、下端開口２４ａを
通って空間２Ｏｃ内に流入する。

そして、伝熱管２１内を流下する一次冷却材１５と、空
間２０ｃを上昇する二次冷却材２３とが相互に熱交換さ
れる。この熱交換後、低温状態になった一次冷却材１５
は伝熱管２１の開口から外胴１９内に流出し、出口ノズ
ル１９ｂを通ってコールビブール１０内に流入する。

一方、高温状態になった二次冷却材２３は、上管板２０
ａの部分でダウンカフ２６の外側管２５内に流入し、二
次主冷却材系の蒸気発生器（図示せず）へ送給される。

次に、外胴１９と内胴３３との間に設けた外、白画ベロ
ーズ３４ａ、３４ｂの構成について説明する。

第１図は第３図における中間熱交換器の外、白画ベロー
ズ３４ａ、３４ｂ、３５の部分を拡大して左半分のみを
示す断面図である。外内二重ベローズ３４ａ、３４ｂは
外胴１９と内胴３３との間に設置されており、外胴１９
側の外ベローズ３４ａと内胴３３側の内ベローズ３４ｂ
の二重ベローズの形をとっている。外ベローズ３４ａの
上端は外１１１９に、下端は折返し筒３８の下端に結合
固定され、また内ベローズ３４ｂの上端は折返し筒３８
の上端に、下端は内胴３３の下端に結合固定している。

次に上記構成の一実施例の作用を第１図によって説明す
る。

外胴１９と上部管板２０ａ、伝熱管２１、下部管板２０
ｂおよび内胴３３との温度差により生じた、外Ｊｉ１９
と内１１３３のそれぞれの下端部に現われる熱膨張差は
、外ｒＩＡ１９と内胴３３の間に設置された外ベローズ
３４ａおよび内ベローズ３４ｂの軸方向の伸縮によって
吸収される。−例として高速増殖炉の通常運転時に、外
胴１９と上部管板２０ａ、伝熱管２１、下部管板２０ｂ
および内胴３３との間に４０℃程度の温度差が生じてい
る場合を考察する。この場合、外胴１９と内胴３３の下
端部に生ずる熱膨張差による相対変位は、中間熱交換器
１４の詳細寸法にもよるがおよそ４龍程度になるものと
考えられる。また、この時、外胴１９側の温度が低い側
であるから、外胴１９の下端より内胴３３下端の方が下
に４ｎ伸びた状態となっている。二重ベローズ３４ａお
よび３４ｂは径が若干異なる他はほとんど同一の形状、
寸法を有しているので、それらの変位盪はほぼ均等に２
ｎずつに配分されると考えられる。したがってベローズ
を一重にした第４図に示す従来例に比較すれば、熱膨張
差を吸収するためにベローズ自身叫生ずる二次応力は半
減され、例え、二次冷却系が停止するホットショックの
事象において生じる過大な温度差による熱膨張であって
もベローズの健全性を確保して吸収し得ることができる
。特に、タンク型の高速増殖炉においては二次冷却材と
一次冷却材の圧力差が大きく、これによるベローズに生
じる一次応力は大きく、更にこの上に熱膨張差による一
次応力が繰り返し負荷された場合にはへローズの熱的ラ
チェットのような過大変形が心配されるが、本発明によ
れば、およそ半分の長さのベローズを用いることにより
このような過大変形の起こらない熱膨張吸収機構を提供
できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、第
３図における上部管板２０ａの上部空間に崩壊熱除去用
伝熱管（図示せず）が設けられている方式の中間熱交換
器に本発明を適用できる。

この例の効果について述べる。この方式の中間熱交換器
においては、崩壊熱除去運転時、上部管板２０ａより上
部空間′で熱交換が行なわれるため、−次冷却材１５は
上部管板２０ａより上部でコールド状態となり、伝熱管
２１もコールド状態になる。これに対して外胴１９はホ
ットブール９の熱的影響を受けるため、比較的高温に４
保持され、ベローズ３４には通常運転時とは逆でかつ大
きな熱膨張変位を生じることになる。

このような中間熱交換器にあっては、本発明のベローズ
はより一層の効果を発揮する。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、中間熱交換器の外胴と内
胴下端附近に多層から成るベローズを装置し、これらを
折り返し筒でシリーズに固定し、外胴と内胴を比較的短
いベローズによってシールしてなるものである。したが
って、外胴と、上部管板、伝熱管、下部管板および内胴
との温度差による熱膨張差を吸収し、しかもべＯ−ズ自
身の健全性を確保できる。また、−軸方向に短尺である
ような中間熱交換器を比較的安価に提供し、タンク型高
速増殖炉の主容器の深さ低減に寄与し、ひいては原子炉
全体のコストダウンに導くことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における中間熱交換器の下端
附近のみを拡大して示す断面図、第２図は原子炉容器全
体を示す断面図、第３図は本発明に係る中間熱交換器を
示す断面図、第４図は従来の中間熱交換器における下端
部を拡大して示す部分断面図である。 １・・・・・・・・・原子炉容器 ３・・・・・・・・・ルーフスラブ １９・・・・・・・・・外胴 ２０ａ・・・・・・上部管板 ２０ｂ・・・・・・下部管板 ２１・・・・・・・・・伝熱管 ３３・・・・・・・・・内胴 ３４ａ・・・・・・外ベローズ ３４ｂ・・・・・・内ベローズ ３７・・・・・・・・・端部金物 ３８・・・・・・・・・ガイドレール 第１図 第２図 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）タンク型高速増殖炉の主容器を覆うルーフスラブ
   を貫通して上記主容器内へ吊下げられ伝熱管外の二次冷
   却材を主容器内の一次冷却材から隔てる外胴と一次冷却
   材をその内部に含む下部プレナムを下部管板とともに形
   成する内胴を有する中間熱交換器において、前記外胴と
   内胴との間に多層から成るベローズを装着し、最外層の
   ベローズの一方を外胴に、最内層のベローズの一方を内
   胴に固定し、多層のベローズ相互間には円筒状の折り返
   し筒を設置し、これにベローズを順次固定してなること
   を特徴とする中間熱交換器。
2. （２）外胴内には上部管板の上部空間に崩壊熱除去用伝
   熱管コイルが設けられていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の中間熱交換器。