(57)【要約】【課題】気液二相流の分離を十分に行うことができ、かつ圧力損失を低減することができる気水分離器を提供する。【解決手段】気水分離器７は、複数の強制式気水分離器エレメント１７と、複数の自然式気水分離器エレメント１８とを備えている。強制式気水分離器エレメント１７は、スワラー２２で付与された旋回力によって気液環状二相流が生じる流路を形成する内筒２２Ａ〜２２Ｃと、気液環状二相流を分離するピックオフリング２４Ａ〜２４Ｃと、分離された水を排出する排出流路２５Ａ〜２５Ｃを形成する外筒２３Ａ〜２３Ｃとを有している。自然式気水分離器エレメント１８は、内径寸法が５０ｍｍ以下であってスワラーがなくても気液環状二相流が生じる流路を形成する直管２６Ａと、気液環状二相流を分離するピックオフリング２８と、分離された水を排出する排出流路２９を形成する外筒２７とを有している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スワラーで付与された旋回力によって気液環状二相流が生じる流路を形成する内筒、前記内筒の上側に配置されて気液環状二相流を分離するピックオフリング、並びに、前記内筒の外周側に配置されて前記ピックオフリングで分離された液体を排出する排出流路を形成する外筒をそれぞれ有する複数の強制式気水分離器エレメントと、
スワラーがなくても気液環状二相流が生じる流路を形成する直管、前記直管の上側に配置されて気液環状二相流を分離するピックオフリング、並びに、前記直管の外周側に配置されて前記ピックオフリングで分離された液体を排出する排出流路を形成する外筒を有する少なくとも１つの自然式気水分離器エレメントと、を備えた気水分離器であって、
前記自然式気水分離器エレメントの前記直管は、スワラーがなくても気液環状二相流が生じるように、その内径寸法が５０ｍｍ以下であることを特徴とする気水分離器。
【請求項２】
請求項１記載の気水分離器において、
前記自然式気水分離器エレメントの前記直管は、シュラウドヘッドを貫通するように設けられたことを特徴とする気水分離器
【請求項３】
請求項１記載の気水分離器において、
前記自然式気水分離器エレメントは、気水分離器の径方向中心部に配置されたことを特徴とする気水分離器。
【請求項４】
請求項１記載の気水分離器において、
三角格子状に配置された３つの前記強制式気水分離器エレメントの間に、１つの前記自然式気水分離器エレメントが配置されたことを特徴とする気水分離器。
【請求項５】
請求項１記載の気水分離器において、
六角格子状に配置された６つの前記強制式気水分離器エレメントの間に、複数の前記自然式気水分離器エレメントが配置されたことを特徴とする気水分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉の気水分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子力発電プラントでは、沸騰水型原子炉の炉心で水（冷却材）を加熱して蒸気を生成し、この蒸気を蒸気タービンへ供給して蒸気タービンを駆動し、この蒸気タービンによって発電機を駆動するようになっている。原子炉の炉心では、蒸気と水の気液二相流が発生する。そのため、原子炉は、炉心で発生した気液二相流を湿り蒸気と水に分離する気水分離器と、この気水分離器で分離された湿り蒸気に含まれる水滴を除去する蒸気乾燥器とを備えている（気液分離システム）。このシステムにより、原子炉から蒸気タービンへ供給する蒸気の湿分を一定値以下に抑える。その結果、蒸気タービンの翼部分でのエロージョンやコロージョンの発生を防ぎ、蒸気タービンの健全性を維持するようになっている。
【０００３】
気水分離器は、複数の気水分離器エレメントで構成されている。各気水分離器エレメントは、例えば、シュラウドヘッドの上側に接続されたスタンドパイプと、このスタンドパイプの上側に接続されたディフューザと、このディフューザ内に固定されたスワラーと、ディフューザの上側に接続された第１段の内筒と、この第１段の内筒の外周側に配置された第１段の外筒と、この第１段の外筒の上端に設けられて第１段の内筒の上端との間にギャップを形成するピックオフリングとを有している。また、第１段のピックオフリングの上側に接続された第２段の内筒と、この第２段の内筒の外周側に配置された第２段の外筒と、この第２段の外筒の上端に設けられて第２段の内筒の上端との間にギャップを形成する第２段のピックオフリングとを有している。さらに、第２段のピックオフリングの上側に接続された第３段の内筒と、この第３段の内筒の外周側に配置された第３段の外筒と、この第３段の外筒の上端に設けられて第３段の内筒の上端との間にギャップを形成する第３段のピックオフリングとを有している。すなわち、例えば、内筒、外筒、及びピックオフリングで構成された気水分離機構を３段有している。
【０００４】
炉心で発生した気液二相流は、上部プレナムを経由して各気水分離器エレメントのスタンドパイプに流入する。そして、ディフューザ内のスワラーで旋回力が付与され、各段の内筒内で気液二相流の流動状態が旋回流（環状流）となる。すなわち、密度差による遠心力の違いにより、水が径方向外側に押し出されて、壁面に液膜流を形成する。そして、各段のピックオフリングで蒸気流と液膜流に分離される。すなわち、液膜流は、各段の内筒とピックオフリングの間に形成されたギャップを経由して、各段の内筒と外筒の間に形成された排出流路に流出し、その後、原子炉圧力容器とシュラウドの間のダウンカンマに排出される。蒸気流は、第１段〜第３段のピックオフリングを通過し、湿り蒸気プレナムを経由して蒸気乾燥器に供給されるようになっている。
【０００５】
ところで、近年、既設又は新設の原子炉において、炉心出力（熱出力）を向上させることが提唱されている。このような原子炉では、炉心全体における気液二相流のクオリティ（詳細には、気液二相流の質量流量に含まれる蒸気の質量流量の割合）や体積流量が増大する。あるいは、クオリティ分布の偏差や体積流量分布の偏差が比較的大きくなる。すなわち、炉心（又は上部プレナム）の径方向中心部では、気液二相流のクオリティ及び体積流量が大きくなる。そのため、気水分離器の径方向中心部に位置する気水分離器エレメントにおける気液二相流の体積流量が大きくなり、その気水分離器エレメントの圧力損失が大きくなる。そこで、例えば、気水分離器の径方向中心部に位置する気水分離器エレメントに対し、圧力損失を低減するため、スワラーを取り除くことが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１９７６７８号公報（段落００３７及び００３８等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、気水分離器エレメントに流入する気液二相流のクオリティが比較的大きければ（詳細には、例えば全気水分離器エレメントに流入する気液二相流のクオリティの平均値の１．３倍以上であれば）、スワラーがなくても二相流の流動状態が環状流になり、ピックオフリングで分離可能であると考えられている。そのため、スワラーを取り除くこと以外は、他の気水分離器エレメントと同じにしている。
【０００８】
しかしながら、スワラーを取り除くだけでは、気液二相流の流動状態が環状流とならない恐れがある。すなわち、特許文献１では、スワラーを取り除いた気水分離器エレメントの内筒の内径寸法は、スワラーを取り除いてない気水分離器エレメントの内筒の内径寸法と同じであって、比較的大きい。そのため、内筒内で気液二相流の流動状態が環状流とならず、ピックオフリングで気液二相流の分離を十分に行えないことが懸念される。
【０００９】
本発明の目的は、気液二相流の分離を十分に行うことができ、かつ圧力損失を低減することができる気水分離器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、スワラーで付与された旋回力によって気液環状二相流が生じる流路を形成する内筒、前記内筒の上側に配置されて気液環状二相流を分離するピックオフリング、並びに、前記内筒の外周側に配置されて前記ピックオフリングで分離された液体を排出する排出流路を形成する外筒をそれぞれ有する複数の強制式気水分離器エレメントと、スワラーがなくても気液環状二相流が生じる流路を形成する直管、前記直管の上側に配置されて気液環状二相流を分離するピックオフリング、並びに、前記直管の外周側に配置されて前記ピックオフリングで分離された液体を排出する排出流路を形成する外筒を有する少なくとも１つの自然式気水分離器エレメントと、を備えた気水分離器であって、前記自然式気水分離器エレメントの前記直管は、スワラーがなくても気液環状二相流が生じるように、その内径寸法が５０ｍｍ以下である。
【００１１】
このような本発明においては、自然式気水分離器エレメントの直管では、その内径寸法が５０ｍｍ以下であるから、スワラーがなくても気液二相流の流動状態が環状流となる。そのため、ピックオフリングで気液二相流の分離を十分に行うことができる。
【００１２】
また、例えば従来配置の強制式気水分離エレメントの間に、自然式気水分離器エレメントを追加した場合は、強制式気水分離器エレメントにおける気液二相流の体積流量を減少させることができ、強制式気水分離器エレメントの圧力損失を低減することができる。自然式気水分離器エレメントを追加しない場合と比べ、自然式気水分離器エレメントの圧力損失のぶんが増加するものの、強制式気水分離器エレメントの圧力損失の低減効果が大きいことから、全体として圧力損失を低減することができる。あるいは、例えば1つ又は複数の強制式気水分離器エレメントに代えて、それより多数の自然式気水分離器エレメントを設けた場合も、全体として圧力損失を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、気液二相流の分離を十分に行うことができ、かつ圧力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における沸騰水型原子炉の構造を表す鉛直方向断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの配置を表す水平方向部分拡大断面図である。
【図３】図２中断面III−IIIによる鉛直方向断面図であり、本発明の一実施形態における気水分離器を構成する強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの構造を表す。
【図４】直管の内径と気液二相流の流動状態との関係を表す図である。
【図５】本発明の一変形例における強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの配置を表す水平方向部分拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態における沸騰水型原子炉の構造を表す鉛直方向断面図である。図２は、本実施形態における強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの配置を表す水平方向部分拡大断面図である。図３は、図２中断面III−IIIによる鉛直方向断面図であり、本実施形態における強制式気水分離器エレメント及び自然式気水分離器エレメントの構造を表す。
【００１７】
沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器１と、圧力容器１内に設けられて炉心２を格納するシュラウド３と、シュラウド３の上側に設けられて上部プレナム４を形成する上部シュラウド５及びシュラウドヘッド６と、シュラウドヘッド６に設けられた気水分離器７と、気水分離器７の周囲に設けられて湿り蒸気プレナム８を形成するスカート９及び隔離板１０と、隔離板１０の上側に設けられた蒸気乾燥器１１と、圧力容器１とシュラウド３の間のダウンカマ１２に設けられた複数のインターナルポンプ１３とを備えている。
【００１８】
そして、インターナルポンプ１３の駆動により、ダウンカマ１２内の水が下部プレナム１４を経由して炉心２に供給される。炉心２では、核分裂により発生した熱で水が沸騰し、蒸気と水の二相流状態となる。この気液二相流が上部プレナム４を経由して気水分離器７に供給され、気水分離器７で湿り蒸気と水に分離される。気水分離器７で分離された湿り蒸気は、湿り蒸気プレナム８を経由して蒸気乾燥器１１に供給され、蒸気乾燥器１１で湿り蒸気に含まれる水滴が除去される。蒸気乾燥器１１で水滴が除去された蒸気は、主蒸気ノズル１５及び主蒸気配管（図示せず）を介し蒸気タービン（図示せず）へ供給される。これにより、蒸気タービンが駆動し、この蒸気タービンによって発電機（図示せず）が駆動する。そして、蒸気タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮されて水になり、この水が給水配管（図示せず）及び給水ノズル１６を介しダウンカマ１２に供給されるようになっている。なお、気水分離器７及び蒸気乾燥器１１で分離された水は、ダウンカマ１２に排出されて、給水ノズル１６から供給された水と合流するようになっている。
【００１９】
気水分離器７は、複数の強制式気水分離器エレメント１７と、複数の自然式気水分離器エレメント１８で構成されている。複数の強制式気水分離器エレメント１７は、シュラウドヘッド３の上側に、三角格子状に配置されている。複数の自然式気水分離器エレメント１８は、シュラウドヘッド３の径方向中心部（言い換えれば、気水分離器７の径方向中心部）に位置するように配置されている。また、自然式気水分離器エレメント１８は、強制式気水分離器エレメント１７より小径であり、複数の強制式気水分離器エレメント１７の間に配置されている。詳細には、三角格子状に配置された３つの強制式気水分離器エレメント１７の間に、１つの自然式気水分離器エレメント１８が配置されている。
【００２０】
強制式気水分離器エレメント１７は、シュラウドヘッド６の上側に接続されたスタンドパイプ１９と、このスタンドパイプ１９の上側に接続されたディフューザ２０と、このディフューザ２０内に固定されたスワラー２１と、ディフューザ２０の上側に接続された第１段の内筒２２Ａと、この第１段の内筒２２Ａの外周側に配置された第１段の外筒２３Ａと、この第１段の外筒２３Ａの上端に設けられて第１段の内筒２２Ａの上端との間にギャップを形成するピックオフリング２４Ａとを有している。また、第１段のピックオフリング２４Ａの上側に接続された第２段の内筒２２Ｂと、この第２段の内筒２２Ｂの外周側に配置された第２段の外筒２３Ｂと、この第２段の外筒２３Ｂの上端に設けられて第２段の内筒２２Ｂの上端との間にギャップを形成する第２段のピックオフリング２４Ｂとを有している。さらに、第２段のピックオフリング２４Ｂの上側に接続された第３段の内筒２２Ｃと、この第３段の内筒２２Ｃの外周側に配置された第３段の外筒２３Ｃと、この第３段の外筒２３Ｃの上端に設けられて第３段の内筒２２Ｃの上端との間にギャップを形成する第３段のピックオフリング２４Ｃとを有している。すなわち、内筒、外筒、及びピックオフリングで構成された気水分離機構を３段有している。
【００２１】
炉心２で発生した気液二相流は、上部プレナム４を経由して強制式気水分離器エレメント１７のスタンドパイプ１９に流入する。そして、ディフューザ２０内のスワラー２１で旋回力が付与され、内筒２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ内で気液二相流の流動状態が旋回流（環状流）となる。すなわち、密度差による遠心力の違いにより、水が径方向外側に押し出されて、壁面に液膜流を形成する。そして、ピックオフリング２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃで蒸気流と液膜流に分離される。すなわち、液膜流は、各段の内筒とピックオフリングの間に形成されたギャップを経由して、各段の内筒と外筒の間に形成された排出流路２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃに流出し、その後、ダウンカンマ１２に排出される。蒸気流は、ピックオフリング２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃを通過し、湿り蒸気プレナム８を経由して蒸気乾燥器１１に供給されるようになっている。
【００２２】
自然式気水分離器エレメント１８は、シュラウドヘッド６を貫通するように設けられた直管２６Ａと、この直管２６Ａの上側部分の外周側に配置された外筒２７と、この外筒２７の上端に設けられて直管２６Ａの上端との間にギャップを形成するピックオフリング２８と、このピックオフリング２８の上側に接続された直管２６Ｂとを有している。すなわち、直管、外筒、及びピックオフリングで構成された気水分離機構を１段有している。
【００２３】
炉心２で発生した気液二相流には、クオリティの径方向分布が生じている。すなわち、炉心２の径方向中心部では、気液二相流のクオリティが比較的大きく、炉心２の径方向外側では、気液二相流のクオリティが比較的小さくなっている。但し、気液二相流が上部プレナム４内を上昇している間に混合されるため、強制式気水分離器エレメント１７の入口では、炉心２の出口と比べ、クオリティ分布の偏差が減少している。自然式気水分離器エレメント１８は、気水分離器７の径方向中心部に位置するとともに、その入口（直管２６Ａの下端部）が上部プレナム４内に位置している。そのため、自然式気水分離器エレメント１８に流入する気液二相流のクオリティが、強制式気水分離器エレメント１７に流入する気液二相流のクオリティより大きくなっている。
【００２４】
ここで、本実施形態の大きな特徴として、強制式気水分離器エレメント１７の内筒２２Ａ（及び２２Ｂ，２２Ｃ）の内径寸法が例えば１６０ｍｍ程度であるのに対し、自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａ（及び２６Ｂ）の内径寸法が５０ｍｍ以下（詳細には、例えば２５ｍｍ）である。そのため、自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａでは、スワラーがなくても気液二相流の流動状態が環状流となる。
【００２５】
図４を用いて、直管２６Ａの内径と気液二相流の流動状態との関係を説明する。図４の横軸は、直管２６Ａの内径であり、縦軸は、気液二相流の圧力である。気液二相流の質量流速及びクオリティは、原子炉の定格運転時の条件を想定している。例えば気液二相流の圧力が５ＭＰａである場合、直管２６Ａの内径寸法が７０ｍｍ以下であれば、気液二相流の流動状態が環状流となる。また、例えば気液二相流の圧力が７ＭＰａである場合、直管２６Ａの内径寸法が６３ｍｍ以下であれば、気液二相流の流動状態が環状流となる。本実施形態の自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａでは、その内径寸法が５０ｍｍ以下であることから、スワラーがなくても気液二相流の流動状態が環状流となる。そのため、ピックオフリング２８で気液二相流の分離を十分に行うことができる。すなわち、液膜流は、直管２６Ａとピックオフリング２８の間に形成されたギャップを経由して、直管２６Ａと外筒２７の間に形成された排出流路２９に流出し、その後、ダウンカンマ１２に排出される。蒸気流は、ピックオフリング２８を通過し、湿り蒸気プレナム８を経由して蒸気乾燥器１１に供給される。
【００２６】
また、本実施形態では、従来配置の強制式気水分離器エレメント１７の間に、自然式気水分離器エレメント１８を追加している。これより、気水分離器７全体の流路断面積が増加するので、強制式気水分離器エレメント１７における気液二相流の体積流量を減少させることができる。また、本実施形態においては、自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａは、その下端部が上部プレナム４内に位置し（言い換えれば、強制式気水分離器エレメント１７のスタンドパイプ１９の下端部より炉心２側に位置し）、クオリティが比較的大きい気液二相流を導入している。これにより、強制式気水分離器エレメント１７における気液二相流のクオリティを減少させ、ひいては気液二相流の体積流量を減少させることができる。そして、強制式気水分離器エレメント１７の体積流量を減少させることにより、強制式気水分離器エレメント１７の圧力損失を低減することができる。自然式気水分離器エレメント１８を追加しない場合と比べると、自然式気水分離器エレメント１８の圧力損失のぶんが増加するものの、強制式気水分離器エレメント１７の圧力損失の低減効果が大きいことから、気水分離器７全体の圧力損失を低減することができる。
【００２７】
なお、上記一実施形態においては、既設の原子炉への適用等を考慮して、従来配置の強制式気水分離器エレメント１７の間に、自然式気水分離器エレメント１８を追加した場合を例にとって説明したが、これに限られない。例えば新設の原子炉へ適用する場合、従来配置における１つ又は複数の強制式気水分離器エレメント１７に代えて、それより多数の自然式気水分離器エレメント１８を設けてもよい。すなわち、図５で示すように、六角格子状に配置された６つの強制式気水分離器エレメント１７の間に、複数（図中では９つ）の自然式気水分離器エレメント１８が配置されてもよい。あるいは、図示しないが、六角以上の多角格子状に配置された６つ以上の強制式気水分離器エレメント１７の間に、複数の自然式気水分離器エレメント１８が配置されてもよい。これらの場合も、気水分離器全体の圧力損失を低減することができる。
【００２８】
また、上記一実施形態においては、複数の自然式気水分離器エレメント１８を備える場合を例にとって説明したが、これに限られず、少なくとも１つの自然式気水分離器エレメント１８を備えていればよい。また、上記一実施形態においては、自然式気水分離器エレメント１８の直管２６Ａは、シュラウドヘッド６に貫通するように設けられた場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、クオリティが比較的大きい気液二相流を導入できるのであれば、強制式気水分離器エレメント１７のスタンドパイプ１９と同様、シュラウドヘッド６の上側に接続されてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【００２９】
また、上記一実施形態においては、強制式気水分離器エレメント１７が３段の気液分離機構を有し、自然式気水分離器エレメント１８が１段の気液分離機構を有する場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、原子炉の仕様に応じて、例えば自然式気水分離器エレメント１８が２段以上の気液分離機構を有していてもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。
【００３０】
以上においては、本発明の適用対象として、インターナルポンプ１３を備えた改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ：Advanced Boiling Water Reactor）を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば、原子炉圧力容器の外側に設けられ、ダウンカマからの水を昇圧する再循環ポンプと、ダウンカマに設けられ、再循環ポンプからの水を下部プレナムに供給する複数のジェットポンプとを備えた沸騰水型原子炉（ＢＷＲ：Boiling Water Reactor）に適用してもよい。あるいは、例えば、自然対流によって水を循環させるタイプの高経済性単純化沸騰水型原子炉（ＥＳＢＷＲ：Economic Simplified Boiling Water Reactor）や、次世代の沸騰水型原子炉等に適用してもよい。
【００３１】
なお、上述した気水分離器の圧力損失の低減により、次の効果も得ることができる。例えばＡＢＷＲ又はＢＷＲにおいては、インターナルポンプ又は再循環ポンプの動力を低減することができる。また、気水分離器の圧力損失を低減したぶん、気液二相流の流量を増加させることができ、出力の向上を図ることができる。また、ＥＳＢＷＲ（又は、ＡＢＷＲ若しくはＢＷＲにおけるポンプの停止時）において、自然対流による水の循環量を増加させることができ、炉心を冷却する能力を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３２】
６      シュラウドヘッド
７      気水分離器
１７    強制式気水分離器エレメント
１８    自然式気水分離器エレメント
２１    スワラー
２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ    内筒
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ    外筒
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ    ピックオフリング
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ    排出流路
２６Ａ，２６Ｂ    直管
２７    外筒
２８    ピックオフリング
２９    排出流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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