(57)【要約】  例示実施例において、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）が提供され、圧力容器部分（１２、１４、１６）を含み、圧力容器内には原子炉炉心（１０）が配置され、圧力容器内の原子炉炉心の上方には中空の中央ライザ（３６）が垂直に配行される。圧力容器内に貫流型の蒸気発生器（ＯＴＳＧ）３０が配置され、中央ライザ及び圧力容器により画定される環状容積部内に配列した垂直管（３２）を含んでいる。蒸気発生器は、垂直管を包囲し且つ給水入り口（５０）及び蒸気出口（５２）を有する流体流れ容積部を更に含む。加圧水型原子炉は、給水入り口位置で流体流れ容積部に注入された給水が、蒸気発生器の管内を流動する一次冷却材から生じる熱で蒸気に変換され、当該蒸気が蒸気出口位置で流体流れ容積部から排出される運転状態を有する。
2014510897.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ軸を画定する、全体に円筒状の圧力容器、
該全体に円筒状の圧力容器内に配置した原子炉炉心、
前記全体に円筒状の圧力容器の内側に同中心的に配置した中空の中央ライザにして、前記原子炉炉心に近位して前記原子炉炉心により加熱された一次冷却材を受ける底端部と、前記原子炉炉心から遠位側の上端部とを有する中央ライザ、
前記中央ライザと前記全体に円筒状の圧力容器との間に画定される環状容積部内で前記シリンダ軸と平行に配置した管を含む貫流型の蒸気発生機(OTSG)にして、前記中央ライザの上端部から排出される一次冷却材が前記管内を前記原子炉炉心に向けて流動し、給水入り口及び蒸気出口を有する流体流れ容積部を更に含み、該給水入り口位置で該流体流れ容積部に注入された流体が前記蒸気出口位置で該流体流れ容積部から排出され、各管内の一次冷却材の流れ方向とは全体に逆方向で当該管の外側に流出する蒸気発生機、
を含む装置。
【請求項２】
前記蒸気発生機の外側シュラウドと前記圧力容器との間の給水環状部が、前記給水入り口位置で前記流体流れ容積部に注入される流体を緩衝し、
前記蒸気発生機の外側シュラウドと前記圧力容器との間の蒸気環状部が、前記蒸気出口位置で前記流体流れ容積部から排出される流体を緩衝し、
前記給水環状部の外径が前記蒸気環状部の外径より大きい請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記蒸気発生機の外側シュラウドが、一定外径の円筒状の外側シュラウドを含み、前記給水環状部及び蒸気環状部が、蒸気発生機の前記円筒状の外側シュラウドの一定外径により画定されると同一の内径を有する請求項２に記載の装置。
【請求項４】
原子炉にして、その運転状態において、給水入りロ位置で流体流れ容積部に注入される給水を含む流体が、前記管内を流動する一次冷却材からの熱移行により蒸気に変換され、次いで出口位置で前記流体流れ容積部から排出される原子炉を含む請求項１に記載の装置。
【請求項５】
蒸気発生機が、その運転状態において、給水入り口位置で流体流れ容積部内に注入される給水を該給水の沸点またはそれ以下の温度に加熱する一体のエコノマイザを画定する請求項４に記載の装置。
【請求項６】
蒸気発生機の外側シュラウドと圧力容器との間の給水環状部が、給水入り口位置で前記流体流れ容積部に注入される給水を緩衝し、前記蒸気発生機の外側シュラウドと前記圧力容器との間の蒸気環状部が、蒸気出口位置で前記流体流れ容積部から排出される蒸気を緩衝し、前記給水環状部の外径が前記蒸気環状部の外径より大きい請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記蒸気発生機の外側シュラウドが、一定外径の円筒状の外側シュラウドを含み、前記給水環状部と蒸気環状部とが、前記蒸気発生機の円筒状の外側シュラウドの一定外径により画定されると同一の内径を有する請求項６に記載の装置。
【請求項８】
全体に円筒状の圧力容器内に配置した流れ逸らせ体を更に含み、該流れ逸らせ体が、中央ライザの上端部に面する流れ逸らせ体表面にして、前記中央ライザの上端部から放出される一次冷却材を蒸気発生機の管の入りロに向けて再配向する傾斜及び湾曲の少なくとも何れかを有する流れ逸らせ体表面を含む請求項４に記載の装置。
【請求項９】
全体に円筒状の圧力容器内に配置した、孔開けした円筒状の流れ逸らせ体にして、中央ライザの上部から垂直方向に伸延する流れ逸らせ体を更に含む請求項４に記載の装置。
【請求項１０】
中央ライザの上端部から分離した逸らせプレートを更に含み、全体に円筒状の圧力容器が該逸らせプレートと協働して一体の加圧器容積部を画定するシール用上部を含み、前記加圧器容積部が、前記逸らせプレートにより前記全体に円筒状の圧力容器の残余の内側容積部から分離され、原子炉の運転状態において、加圧水型原子炉(PWR)が含まれ、一体の加圧器容積部が、全体に円筒状の圧力容器の残余の内側容積部内に配置した一次冷却材温度より高温の流体を収納する請求項４に記載の装置。
【請求項１１】
前記逸らせプレートが、中央ライザの上端部に面する流れ逸らせ用表面にして、前記中央ライザの上端部から放出される一次冷却材を蒸気発生機の管の入り口に向けて再配向する傾斜及び湾曲の少なくとも何れかを有する流れ逸らせ用表面を含む請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
中性子吸収用の制御棒と、
該制御棒を原子炉炉心に関して制御下に挿入及び引き抜く構成を有する制御棒駆動機構(CRDM)と、
を更に含み、
前記制御棒駆動機構が、前記一体の加圧器容積部内のまたは当該加圧器容積部を通過する部分を有さない請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
蒸気発生機の各管が１００℃未満である原子炉非運転状態において、蒸気発生機の各管が軸方向に引張されない請求項４に記載の装置。
【請求項１４】
原子炉運転状態において、蒸気発生機の各管内を流動する一次冷却材の温度が少なくとも５００℃であり、前記蒸気発生機の各管が前記原子炉運転状態において軸方向圧縮状態とされる請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記蒸気発生機の各管が、オーステナイト系ニッケルクロムベースの合金製とされ、各管が、中央ライザ及び圧力容器に装着した管板支持体に固定され、前記中央ライザ及び圧力容器がスチール製とされ、前記オーステナイト系ニッケルクロムベースの合金の熱膨張率がスチールのそれより高い請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記蒸気発生機の各管が、中央ライザ及び圧力容器に装着した管板支持体に固定され、前記中央ライザ及び圧力容器が支持体の材料製とされ、前記蒸気発生機の各管の熱膨張率が該支持体材料のそれより高く、前記各管が、その端部が拡大して前記支持体に固定され、かくしてポワゾン効果により軸方向引張状態とされる請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
原子炉運転状態において、管内を流動する一次冷却材の圧力が、流体流れ容積部内の流体のそれより高い請求項４に記載の装置。
【請求項１８】
原子炉運転状態において、管内を流動する一次冷却材の圧力が、流体流れ容積部内の流体の少なくとも２倍である請求項４に記載の装置。
【請求項１９】
圧力容器、該圧力容器内に配置した原子炉炉心、該原子炉炉心上方で前記圧力容器内で垂直方向に配置した中空の中央ライザ、を含む加圧水型原子炉(PWR)と、該加圧水型原子炉の前記圧力容器内に配置した貫流型の蒸気発生機(OTSG)にして、(i)前記中央ライザ及び(ii)該中央ライザ及び前記圧力容器により画定される環状容積部、の少なくとも一方の内部で垂直方向に配置した管を含み、該垂直方向に配置した管を包囲する流体流れ容積部を更に含み、前記加圧水型原子炉の運転状態において、前記流体流れ容積部にその給水入り口位置で注入される給水が、蒸気発生機の管内部を流動する一次冷却材から生じる熱により蒸気に変換され、該蒸気が蒸気出口位置で前記流体流れ容積部から排出される装置。
【請求項２０】
前記蒸気発生機が、前記中央ライザ及び圧力容器により画定される環状容積部内で垂直方向に配置した各管を包囲する外側シュラウドを更に含み、前記蒸気発生機の該外側シュラウドと前記圧力容器との間の給水環状部にして、前記給水入り口位置で流体流れ容積部に注入される給水を緩衝する給水環状部と、前記外側シュラウドと前記圧力容器との間の蒸気環状部にして、蒸気出口位置で流体流れ容積部から排出される蒸気を緩衝する蒸気環状部と、を含み、前記給水環状部の外径が前記蒸気環状部のそれより大きい請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
原子炉運転状態において前記蒸気発生機が、前記給水入り口位置で前記流体流れ容積部に注入される給水を該給水の沸点またはそれ以下の温度に加熱する一体のエコノマイザを画定する請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
全体に円筒状の圧力容器内で中央ライザの上方に配置した流れ逸らせ体を更に含み、該流れ逸らせ体が、前記中央ライザの上部に面する流れ逸らせ用表面を有し、該流れ逸らせ用表面が、前記中央ライザの上端部から放出される一次冷却材を蒸気発生機の管の入り口に向けて再配向する傾斜及び湾曲の少なくとも何れかを有する請求項１９に記載の装置。
【請求項２３】
前記流れ逸らせ体が、前記圧力容器を上部の一体の加圧器容積部と、残余の下部の内側容積部とに分割し、原子炉運転状態において、前記上部の一体の加圧器容積部が、前記圧力容器の残余の下部の内側容積部内に配置した一次冷却材温度より高温の流体を収納する請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記圧力容器が上部の一体の加圧器容積部と、残余の下部の内側容積部とに分割され、原子炉運転状態において、前記上部の一体の加圧器容積部が、前記圧力容器の残余の下部の内側容積部内に配置した一次冷却材温度より高温の流体を収納する請求項１９に記載の装置。
【請求項２５】
中性子吸収用の制御棒と、該制御棒を原子炉炉心に関して制御下に挿入及び引き抜く構成を有する制御棒駆動機構(CRDM)と、を更に含み、前記制御棒駆動機構が、前記一体の加圧器容積部内のまたは当該加圧器容積部を通過する部分を有さない請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
蒸気発生機の各管が１００℃未満である原子炉非運転状態において、蒸気発生機の各管が軸方向に引張されない請求項１９に記載の装置。
【請求項２７】
原子炉運転状態において、蒸気発生機の各管内を流動する一次冷却材の温度が少なくとも５００℃であり、前記蒸気発生機の各管が前記原子炉運転状態において軸方向圧縮状態とされる請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
原子炉運転状態において、各管内を流動する一次冷却材の圧力が流体流れ容積部内の流体のそれ以上である請求項１９に記載の装置。
【請求項２９】
貫流型の蒸気発生機(OTSG)の製造ステップにして、
該蒸気発生機の各管を軸方向引張下に取り付けることを含む製造ステップ、
前記蒸気発生機を、前記各管が引張状態となる高温下に前記蒸気発生機を運転するステップ、
を含む方法。
【請求項３０】
前記製造ステップが、各管の端部を拡大させて各管に軸方向引張を付与して管板内に固定することを含む請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
原子炉の蒸気発生機を組み込み、かくして一体の原子炉を形成することを更に含み、運転が該一体型の原子炉の運転を含む請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉分野、蒸気発生機及び蒸気発生機分野、発電機分野及び関連分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
海上及び地上ベースの発電及びその他用途の小型原子炉が知られている。原子炉圧力容器内に蒸気発生機を一体化させたそれらのある原子炉には、小型化と、圧力容器貫通部数及びまたはサイズが減少することで、過酷な冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）を起こす恐れや放射性一次冷却材全量が原子炉圧力容器内に残留する恐れが低減する等の利益がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願第１２／７２２，６６２号
【特許文献２】米国特許出願第１２／７２２，６９６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低コスト、製造容易、及びその他利益のある小型原子炉を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１様相によれば、全体にシリンダ形状を有し且つシリンダ軸を画定する圧力容器、該圧力容器内に配置した原子炉炉心、前記圧力容器内部に該圧力容器と同中心状態に配置した中空の中央ライザにして、前記原子炉炉心により加熱された一次冷却材を受けるための、原子炉炉心に近位する底端部と、原子炉炉心から遠位側の上端部と、を含む中央ライザ、貫流型蒸気発生機（ＯＴＳＧ）にして、前記中央ライザと圧力容器との間に画定される環状容積部内に前記シリンダ軸と平行に配置した管と、前記中央ライザの上端部から放出されて前記管内を原子炉炉心方向に流動する一次冷却材と、更に、給水入り口及び蒸気出口を有する流体流れ容積部にして、前記給水入り口位置から流体流れ容積部内に注入された流体が前記蒸気出口位置で該流体流れ容積部から放出され、前記管の外側を前記管内の一次冷却材の流れと全体に逆方向に流動する流体流れ容積部と、を有する貫流型蒸気発生機、を含む装置が提供される。
【０００６】
本発明の他の様相によれば、圧力容器、該圧力容器内に配置した原子炉炉心、前記圧力容器内部の前記原子炉炉心上部に垂直に配置された中空の中央ライザ、を含む加圧水型原子炉（ＰＷＲ）、該加圧水型原子炉の前記圧力容器内に配置した貫流型の蒸気発生機にして、（ｉ）前記中央ライザ及び（ｉｉ）該中央ライザと前記圧力容器とにより画定される環状容積部、の少なくとも一方の内側に配置した垂直管と、更に、該垂直管を包囲する流体流れ容積部と、を含む貫流型蒸気発生機、を含み、前記加圧水型原子炉が、給水入り口位置で前記流体流れ容積部内に注入された給水が前記貫流型蒸気発生機の前記管内部を流動する一次冷却材から生じる熱により蒸気に変換され、該蒸気が蒸気出口位置で前記流体流れ容積部から放出される装置が提供される。
本発明の他の様相によれば、貫流型蒸気発生機（ＯＴＳＧ）にして、軸方向引長下に前記貫流型蒸気発生機の各管を取り付けるステップを含む貫流型蒸気発生機の構成ステップ、前記各管を軸方向に圧縮する高温下に貫流型蒸気発生機を運転するステップ、を含む方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
低コスト、製造容易、及びその他利益のある小型原子炉が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、ここに開示する如き一体型の蒸気発生機を含む原子炉の部分破除した斜視図である。
【図２】図２は、蒸気発生機の降水管容積部を強調するために管を省略して示す、図１の原子炉圧力容器の上部の側方断面図である。
【図３】図３は、図２を線Ｄ−Ｄに沿って切断した断面図である。
【図４】図４は、図１の一体型蒸気発生機における一次及び二次の各冷却材の流れ図である。
【図５】図５は、図１の一体型の蒸気発生機の製造及び配置におけるプロセスブロック図である。
【図６】図６は、別態様における圧力容器の上部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１を参照するに、原子炉の部分破除した斜視図が示される。原子炉炉心１０が全体に円筒状の圧力容器内に配置される。例示実施例では圧力容器は、原子炉炉心１０を格納する低圧の上部またはセクション１２を構成する圧力容器部分１４と、中間フランジ１６とを含む。当該構成は例示的なものであって圧力容器は一般に、単一の如き少数部分またはセクション、あるいは２つの部分またはセクション、３つの部分またはセクション（例示図の如き）、４つの部分またはセクション（例えば、４つの上部“キャップ”部分または当該上部またはセクションから分離したセクション）、等から構成され得る。各圧力容器部分１２、１４、１６は、例示した軽水炉実施例では水（Ｈ2Ｏ）である一次冷却材が、随意的には、反応性制御用の、ホウ素化合物（例えば、“ホウ酸水”）等のその他添加物を含む。意図されるその他実施例では一次冷却材は重水（Ｄ2Ｏ）の如きその他流体であり得る。一次冷却材は圧力容器部分１２、１４、１６の容積部の殆どまたは全てを充填する。原子炉入り口環状部１８が炉心１０を包囲し、かくして一次冷却材は炉心１０に向けて流動可能である。
【００１０】
随意的なシールドまたはシュラウド２０が原子炉入り口環状部１８内に配置され、炉心１０からの放射に対する追加的なシールドを提供する。例示した原子炉は加圧水型原子炉（ＰＷＲ）であり、一次冷却材は運転圧力下ではその沸点（飽和温度）以下の温度下に高圧状態に維持されるが、一次冷却材が高圧下に飽和温度で作用する沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）、あるいはその他の、重水使用等の原子炉形態も意図され得るものとする。
【００１１】
原子炉は、その内側上部の中性子吸収用の制御棒２２と、当該制御棒を原子炉炉心１０に関して制御下に挿入及び引き抜く構成を有する制御棒駆動機構２４（ＣＲＤＭ）とにより制御される。図１では制御棒２２は２本のみ示されるが、ある実施例では数十あるいは数百本の制御棒が、その集合的反応が一様に制御されるよう、その各挿入ポイントを原子炉炉心エリアを横断して間隔配分され得る。制御棒駆動機構２４は、その各々が１つまたは１つ超の制御棒を制御する多数のユニット（詳細は図示せず）に分割され得る。例えば、複数の制御棒が、連結棒／スパイダアセンブリあるいはその他の好適なカップリング（詳細は例示しない）を介して単一の制御棒駆動機構と作動上連結され得る。ある例示実施例では制御棒駆動機構ユニットは、連結用の棒／スパイダアセンブリを介して制御棒に作動上連結した主ネジを駆動するモーターを含み、当該モーターが作働すると、前記主ネジ、連結棒、スパイダ、制御棒、を含むアセンブリが直線移動せしめられる。それら制御棒駆動機構ユニットは主ネジを介しての原子炉炉心１０内への制御棒挿入を微調整するため、反応を増分的に精細制御する“グレイロッド”の操作用に好適である。ある例示実施例では、制御棒駆動機構ユニットは、連結棒、スパイダ、制御棒、を含むアセンブリを原子炉炉心１０からリフトして引き出し、またＳＣＲＡＭ中にはリフト力を解除して制御棒を炉心１０内に重力及び随意的な単数あるいは複数の流体圧力で落下させ得るリフト用ピストンを含み得る。それら制御棒駆動機構ユニットは、原子炉安全システムの一部として“シャットダウンロッド”用に好適に使用される。
【００１２】
更に他の例示実施例では、グレイロッド及びシャットダウンロッドの各機能を、例えば分離自在のボールナットカップリングを主ネジと共に用いて一体化させ、かくして、通常は当該制御棒駆動機構ユニットがグレイロッド機能を提供するが、ＳＣＲＡＭ中はボールナットが分離して制御棒を解放して炉心１０に挿入させる。更に他の制御棒駆動機構の例示実施例が、何れもここでの引用により本明細書の一部とする、各々“原子炉用制御棒駆動機構”と題し、２０１０年３月１２付けで提出された米国出願番号第１２／７２２，６６２号及び同第１２／７２２，６９６号に示される。これらの出願に記載される制御棒駆動機構ユニットによれば、モーター及び主ネジ間の連結部に解放性が無く、当該モーターと主ネジとの間にはむしろ、ＳＣＲＡＭを有効化する分離ラッチを設けたグレイ／シャットダウンロッド機能が提供される。これらの別態様構成では主ネジはＳＣＲＡＭせず、むしろ、主ネジがモーターと係合状態に維持される間、アンラッチされた連結棒及び制御棒が互いに炉心方向にＳＣＲＡＭする。
【００１３】
例示した制御棒駆動機構ユニット２４は、グレイ及びまたはシャットダウンロッド機能を提供する、説明されたタイプあるいはその他の制御棒駆動機構ユニット構成の制御棒駆動機構ユニットからなる種々の組み合わせを含む、１つまたは１つ超の制御棒駆動機構ユニットを含み得る。例示した制御棒駆動機構２４は内部型制御棒駆動機構であり、モーター、主ネジ、連結棒等を含む機械的及び電磁的部品の全てが、電線、流体圧ラインあるいはその他の電力または制御線のみをみをこれら部品に接続する状態下に、内部の各圧力容器部分１２、１４、１６に配置される。他の実施例では制御棒駆動機構は、モーターを圧力容器部分の外側、例えばその上部または下部に取り付けた外部制御棒駆動機構ユニットを含み得る。
尚、図１を参照するに、一次冷却材は、作動中の原子炉炉心１０付近で一次冷却材が加熱されることで生じる自然対流により自然循環され得る。更にはまたはあるいは、一次冷却材の循環は、随意的な原子炉の冷却材ポンプ２６により駆動または支援され得る。例示した冷却材ポンプ２６は内部ポンプであり、その何れも圧力容器部分１２、１４、１６の内側に配置したロータ及びステータ要素を有している。あるいは、例えば、好適な導管または管を介して圧力容器部分に連結した外部ステータやロータを有する外部ポンプを利用し得、あるいは自然対流型の原子炉実施例における如く、循環ポンプを全く省略することもできる。
【００１４】
図１、２、及び３を参照して原子炉を更に説明する。図２には上部圧力容器部分１４の側方断面図がその内部の選択したコンポーネントと共に示され、図３には、図２の線Ｄ−Ｄに沿った断面図が示される。図１に示すように、例示した原子炉は一体型、即ち、蒸気発生機３０を内側の圧力容器部分１２、１４、１６と一体化したものである。例示実施例では圧力容器部分１２、１４、１６は全体に円筒状であり、シリンダ軸Ａ（図２にのみ示す）を画定する。蒸気発生機３０は上部圧力容器部分１４内に配置した垂直管貫流型の蒸気発生機３０である。蒸気発生機３０は、（ｉ）全体に円筒状の上部圧力容器部分１４内に同中心状態に配置した中空の中央ライザ３６と、（ｉｉ）前記上部圧力容器部分１４との間に画定される環状の“降水管”容積部３４内に前記シリンダ軸Ａと平行な状態下に垂直配置した垂直管３２を含む。前記中空の中央ライザ３６はその内部に中央ライザ流路３８を画定する。蒸気発生機３０は、前記降水管容積部３４内に配置した垂直管３２を包囲する外側シュラウド４０と、中央ライザ３６と垂直管３２との間に配置した内側シュラウド４２（図２及び３にはＯＴＳＧの前記各シュラウド４０及び４２は示されるが、垂直管３２は環状の降水管容積部３４を明示するために省略されている）。
【００１５】
以下に、例示した原子炉における一次冷却材の流路を説明する。中央ライザ３６は原子炉炉心１０で加熱された一次冷却材を受ける、原子炉炉心１０に近位する底端部と、原子炉心１０から遠位側の上端部とを有する。原子炉炉心１０で加熱された一次冷却材は中央ライザ３６内の中央ライザ流路３８を上昇する。一次冷却材流れは中央ライザ３６の頂部位置で１８０°（即ち、全体に上昇する流れから全体に下降する流れへと）ターンする。蒸気発生機３０の垂直管３２に流入した一次冷却材は当該垂直管３２の下部端から排出されて一次出口プレナム４４に入り、当該一次出口プレナムが、一次冷却材を原子炉入り口環状部１８に送り、次いで原子炉炉心１０に戻す。
【００１６】
図１〜３を尚、参照し且つ図４を参照するに、蒸気発生機３０の外側及び内側の各シュラウド４０及び４２が、これら各シュラウド４０、４２間に蒸気発生機３０の流体流れ容積部を画定している。この流体流れ容積部は垂直管３２を包囲し、給水入り口５０及び蒸気出口５２を有する。図では給水入り口５０及び蒸気出口５２は各１つが例示されるが、他の実施例では多数設け、かくしてリダンダンシー、及びまたは、シリンダ軸Ａを横断する平面における半径方向対称性を改善させ得る。流体（例えば給水）は給水入り口５０位置で流体流れ容積部に注入され、上記出口５２位置で流体流れ容積部から（例えば蒸気として）排出される。流体流れ容積部内では流体は、蒸気発生機３０の垂直管３２内の一次冷却材の流れとは全体に逆の、全体に上昇する方向に流動する。
【００１７】
尚、図１〜３及び４を参照するに、例示した加圧水型原子炉（ＰＷＲ）では、その運転中において、給水入り口５０位置で蒸気発生機３０の流体流れ容積部内に注入された給水は当該蒸気発生機３０の垂直管３２内を流動する一次冷却材の発生する熱により蒸気に変換された後、上記出口５２位置で流体流れ容積部から排出される。当該状況は図４に示され、例示した３本の垂直管３２は下降する一次冷却材流れ（Ｆprimary）をその一部に担持する状態で示される。図４では、蒸気発生機３０の流体流れ容積部は、当該流れ容積部を画定する外側及び内側の各シュラウド４０、４２の一部を示すことで表される。図１〜３との相関性を容易化させるべく、図４には全体に円筒状の圧力容器の軸Ａに相当する軸方向も示される。蒸気発生機３０の流れ容積部内を流動する流体は“二次”冷却材と称されることもあり、蒸気発生機３０内の流体流れ容積部内の当該二次冷却材の、全体に上昇する“向”流は図４では二次冷却材流れ（Ｆsecondary）として表示される。上昇中の一次冷却材流れ（Ｆprimary）から発生する熱は二次冷却材流れ（Ｆsecondary）に移行され、かくして当該二次冷却材は加熱され、結局、蒸気流れ（Ｓsecondary）の形態を有する二次冷却材流れに変換される（図４には当該蒸気流れ（Ｓsecondary）も点線矢印で表示される）。図示されないが、蒸気出口５２を出る蒸気流れ（Ｓsecondary）はタービンあるいはその他の蒸気動作装置の方向に流動し且つこれを動作させる動作用蒸気として好適に作用する。
【００１８】
例示実施例では蒸気発生機３０の流体流れ容積部は、中央ライザ３６及び上部圧力容器部分１４から離間した外側及び内側の各シュラウド４０、４２により画定される。これにより、有益には、蒸気発生機３０が垂直管３２及び当該垂直管を包囲する前記外側及び内側の各シュラウド４０、４２を含む１つのユニットとして構成され得、かくして、前記上部圧力容器部分１４内に１つのユニットとして組み込み可能である。しかしながら、内側シュラウドを中央ライザ３６の外側表面とし、及びまたは、外側シュラウドを上部圧力容器部分１４の内側表面としても良い。
外側シュラウド４０が上部圧力容器部分１４から離間する実施例（例示実施例の如く）では、外側シュラウド４０と圧力容器部分１４との間の環状空間が随意的には有益目的用に使用され得る。例示実施例では、外側シュラウド４０と圧力容器部分１４との間の当該環状空間は、蒸気発生機３０の外側シュラウド４０と（上部）圧力容器部分１４との間にあって給水入り口５０位置で流体流れ容積部内に注入される給水を緩衝させる給水環状部６０を画定する。同様に、蒸気発生機３０の外側シュラウド４０と（上部）圧力容器部分１４との間の蒸気出口環状部６２は、蒸気出口５２位置で流体流れ容積部から排出される蒸気を緩衝させる。
【００１９】
ある実施例では、前記給水環状部及び蒸気出口環状部は内径及び外径が同じである。それら実施例では外側シュラウドと、関連する圧力容器部分は当該環状部の軸方向長さに渡る直径が一定である。しかしながら例示実施例の場合、給水環状部６０の外径は蒸気出口環状部６２のそれより大きい。これは、給水環状部６０を包囲する上部圧力容器部分１４部分の直径を、蒸気出口環状部６２を包囲する前記上部圧力容器部分１４部分の直径と比較して増大させたことによるものである。例示実施例では前記各環状部６０、６２の軸方向長さに渡る外側シュラウド４０の直径は一定のままである。当該構成上、ローカルでの残留水量がずっと多くなるため、給水損失（ＬＯＦＷ）アクシデント発生時に蒸気発生機がボイルオフするまでの時間を比較的長引かせることができる。
【００２０】
図１及び２を参照するに、先に言及したように、一次冷却材用の流れ回路には、一次冷却材が中央ライザ３６内の中央ライザ流路３８から放出されて蒸気発生機３０の垂直管３２の上端部内に流入する際の流れ１８０°逆転部が含まれる。随意的には、この逆転流れを容易化する流れ逸らせプレート７０が設けられる。例示した流れ逸らせプレート７０は全体に円筒状の圧力容器部分１４内に配置され、中央ライザ３６の上端部から排出される一次冷却材を蒸気発生機３０の垂直管３２の入り口に向けて再配向させるよう傾斜または（例示の如く）湾曲された、中央ライザの上端部に面する流れ逸らせ面７２を有する。流れ逸らせプレート７０は、一次入り口プレナム７４により中央ライザ３６の上部から離間される。
【００２１】
先に言及した如く、例示した原子炉は加圧水型原子炉（ＰＷＲ）であり、一次冷却材は過冷却され且つ正圧下に維持される。ある実施例では一次冷却材の加圧は外部加圧機により提供される。しかしながら、例示実施例では一次冷却材は内部の加圧機によっても提供される。その場合、流れ逸らせ面７２は、前記一次入り口プレナム７４により中央ライザ３６の上端部から離間された流れ逸らせプレート７０の一部としても作用する。全体に円筒状の圧力容器部分１２、１４、１６（より正確には上部圧力容器部分１４）は、流れ逸らせプレート７０と協働して一体の加圧機容積部８０を画定するシール用頂部７８を含み、前記加圧機容積部８０は、全体に円筒状の圧力容器部分１２、１４、１６の残余の内側容積部から流れ逸らせプレート７０により分離される。加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の運転時において、前記加圧機容積部８０は、全体に円筒状の圧力容器部分１２、１４、１６の残余の内側容積部内の一次冷却材の温度より高温の流体（一次冷却材の飽和液体及び蒸気）を収納する。この実施例では飽和温度は加圧機ヒーター８２（図１にのみ示す）により維持され、加圧機噴霧ノズル８４が、加圧機容積部８０内の蒸気の幾分かを凝縮させて減圧させるメカニズムを提供する。流れ逸らせプレート７０は好適には、前記前記加圧機容積部８０と、全体に円筒状の圧力容器部分１２、１４、１６の残余の内側容積部との間を流体連通する開口（図示せず）を含む。前記流体連通により、全体に円筒状の圧力容器部分１２、１４、１６の残余の内側容積部内の圧力レベルが確立される。加圧機容積部８０と、一次入り口プレナム７４との間における、流れ逸らせプレート７０を横断する温度には差があるため、全体に円筒状の圧力容器部分１２、１４、１６内の残余の一次流体は、加圧機容積部８０内の飽和温度未満のほぼ１１℃（２０°Ｆ）の温度下で過冷却液体状況に維持される。この過冷却水準の液体が、原子炉炉心１０内の一次流体における、加圧水型原子炉内における代表的な過冷却核沸騰におけるそれより著しく蒸気体積率の高い飽和バルク沸騰を防止する。加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉心におけるバルク沸騰の防止は加圧装置（８０、８２、８４、７８及び７０）により可能となるものであり、また、燃料ペレットや燃料クラッド温度を増大させる核沸騰（ＤＮＢ）からの離脱の恐れを最小化することから、原子炉燃料棒の一体性上有益である。
【００２２】
図１〜４を参照して加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の例示実施例を説明したが、以下に幾つかの追加様相及び変更例を説明する。
ある実施例では運転中の原子炉炉心１０の熱出力は４２５ＭＷである。高温の原子炉冷却水は、制御棒駆動機構２４の周囲を流れるコア上部空間を含む、ホットレグと称する回路内を流動する。前記ホットレグは中央ライザ３６を入り口プレナム７４まで伸延し、原子炉冷却材は当該入り口プレナムにおいて中央ライザ流路３８を介して蒸気発生機３０の各垂直管３２に流入する。蒸気発生機３０の垂直管は中央ライザ３６を取り巻き且つ、蒸気発生機３０の中央ライザ３６と外側シュラウド４０との間の環状部内に配置した、蒸気発生機の垂直管３２の環状アレイを含む。当該構成には、中央ライザ３６が、１９００ｐｓｉａ（絶対値での１３１００．５ｋＰａ／当該定量的実施例における）の高圧の原子炉一次冷却材を、本実施例では８２５ｐｓｉａ（絶対値での５６８８．３７５ｋＰａ）である低圧の二次冷却材から分離させる利益がある。中央ライザ３６を介して内側圧力部分を用いることで、一次圧力の境界が蒸気発生機３０に対して内側となり、ホットレグ用の前記中央ライザ流路３８を画定するライザとしてのデュアルユースを提供することから、設計上のコンパクト化及び効率化が図られる。設計上の考慮事項の１つは、中央ライザ３６、垂直管３２、上部圧力容器部分１４との間に熱膨張差がある点である。この熱膨張は、給水環状部６０に収納される給水温度が、蒸気出口環状部６２内における、上部圧力容器部分１４の温度範囲内のものとなる蒸気温度より実質的に低いことから追加敵熱応力が発生することで一層複雑化される。
【００２３】
これらの熱膨張差の熱応力の影響を緩和させる１方法は、蒸気発生機の運転及び非運転の各条件範囲における応力を平衡化させることである。ある実施例では垂直管３２を、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標名）６９０等のオーステナイト系ニッケルクロムベースの合金から作製し、垂直管３２をスチール製の支持体に固定することである。当該支持体は、上部管板９０と、下部管板９２とを含む（図２に示される）。一般に、オーステナイト系ニッケルクロムベースの合金はその熱膨張率がスチールのそれ以上である。前記蒸気発生機の運転及び非運転の各条件範囲における応力を平衡化は、蒸気発生機のＩｎｃｏｎｅｌ（商標名）６９０製の垂直管３２を前記上部管板９０及び下部管板９２の合致する孔内に拡大させ、かくして当該垂直管３２に応力を予備負荷することにより好適に達成される。前記拡大により各垂直管はポワソン効果を介して引張される。一般に、当該コンセプト上、蒸気発生機３０の垂直管３２を流動する一次冷却材は原子炉運転時は、例えば、少なくとも５００℃の如く比較的高温であり、当該高温での原子炉運転時に蒸気発生機３０の各垂直管３２が軸方向に圧縮される設計とされる。他方、蒸気発生機３０の各垂直管３２は、例えば１００℃未満の温度の如き好適に定量化された室温の如き実質的に低い温度での原子炉非運転状態時に軸方向に引張される設計とされる。
【００２４】
運転及び非運転の各範囲に渡る応力平衡化は、各垂直管３２を室温時（例えば、ある実施例では１００℃未満）に軸方向に引張されるよう予備応力負荷し、かくして、蒸気発生機のＩｎｃｏｎｅｌ（商標名）６９０製の垂直管３２と、圧力容器部分１４の中央ライザ３６のスチールとの間の熱膨張差により、温度が、ある実施例では例えば少なくとも５００℃である運転温度に上昇した場合に各垂直管を軸方向引張状態から軸方向圧縮状態に移行させるようにすることで達成される。圧力容器部分１４、垂直管３２、中央ライザ３６、の間における熱応力差は、上部管板９０及び下部管板９２位置におけるこれら各コンポーネントの共通接続部により設定されるが、随意的には、給水ノズル５０を圧力容器内の低位置に位置決めし、かくして高温の出口蒸気で容器を覆う蒸気出口環状部６２をもっと長くすることや、給水環状部６０の半径を大きくして当該給水環状部６０の軸方向長さを短くすることで減少させ得る。
図５を参照するに、垂直管３２に予備応力を負荷し、次いで軸方向引張状態に配置する製造シーケンスが示される。運転時（１００）において、各垂直管３２は蒸気発生機フレームの各管板９０、９２に取り付けられ、または各垂直管の端部を拡大させて各管板９０、９２に固定することで支持される。その結果（１０２）、垂直管３２が軸方向引張される。運転時（１０４）において、予備応力負荷された垂直管３２を含む蒸気発生機３０が圧力容器部分１２、１４、１６内に組み込まれ、かくして図１−４の加圧水型原子炉（ＰＷＲ）を構成する。運転時（１０６）において、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）が始動されて運転状態となり、かくして、蒸気発生機３０の各垂直管３２内を流動する一次冷却材温度が、少なくとも５００℃である運転温度（例示実施例における）となる。その結果（１０８）、オーステナイト系ニッケルクロムベースの合金製の垂直管３２は、スチール製の、中央ライザ３６及び各管板９０、９２を介して接続した圧力容器部分１４のそれと比較して高い熱膨張率により軸方向に圧縮される。
【００２５】
ある実施例では、その動作状態において蒸気発生機３０は、給水入り口５０位置で流体流れ容積部内に注入される給水をその沸点またはそれ以下の温度に加熱する一体のエコノマイザを画定する。当該実施例では、垂直管構成の蒸気発生機３０では給水が垂直管３２の外側の流れにより加熱されることから、エコノマイザ一体化型の蒸気発生機（ＩＥＯＴＳＧ）である。給水は給水ノズル５０を通して流入し、給水環状部６０全体に配分され、管束のシュラウド４０と下部の管板９２との間の間隙あるいはその他通路（図示せず）を介して垂直管３２に入る。動作モードにおいて、給水は垂直管３２の外側を流動し、一次冷却材が、強制対流によりその熱を当該給水流れに移行させ、かくして過冷却され、次いで飽和沸騰して蒸気流れを形成する。約９５％の蒸気等級下に臨界熱フラックスに達した蒸気は安定膜沸騰に移行し、次いで１００％蒸気等級下に乾燥する。その後、管束内の強制対流により温度上昇して過熱状況となった蒸気は蒸気出口環状部６２及び蒸気出口５２を介して蒸気発生機を出る。過熱蒸気は蒸気タービンに分与される以前に水分分離機に通す必要がない（ある実施例では水分分離器が含まれ得るが）。
【００２６】
以下に、一体型加圧機の幾つかのその他様相を説明する。加圧機は当該加圧機の加圧機ヒーター８２及び加圧機噴霧ノズル８４を介して一次冷却水の圧力を制御する。システム圧力を増大させるには、原子炉制御システム（図示せず）を用いて加圧機ヒーター８２を起動させる。システム圧力を減少させるには、原子炉入り口環状部１８の頂部の加圧機噴霧ノズル８４から冷却材ポンプ２６の放出側に、細い外部ライン（図示せず）を介してコールドレグウォーターを注入させる。加圧機容積部８０は、一次入り口プレナム７４と当該加圧機容積部８０との間の空間を分離する流れ逸らせプレート７０により形成される。流れ逸らせプレート７０は随意的には、孔開けしたシリンダ開口１２４（図６には流れ逸らせプレートの上部は示されない）、あるいは円錐形状の流れ流れ逸らせ表面７２（図２）、あるいはその他の湾曲または傾斜表面にして、一次入り口プレナム７４内の一次冷却材における、蒸気発生機３０の垂直管３２の各上端部に流入して垂直管３２内における下降流れを設定する以前のターン動作を支援する表面を含むことで、流れ逸らせ体としても作用する。例示した加圧機は加圧機容積部８０と、圧力制御用構造としての加圧機ヒーター８２、加圧機噴霧ノズル８４とを含み、有益には、完全一体化した加圧機（即ち、１２、１４、１６）であり、また有益には、外部制御棒駆動機構あるいはその他コンポーネント用のパススルーを有さない。
【００２７】
中央ライザ３６は、原子炉炉心１０を出る一次冷却材を蒸気発生機３０の一次入り口プレナム７４に送る中央ライザ流路３８を形成する。本実施例は当該目的用の水平方向配管は有さない。その結果、冷却材ポンプ２６を停止した状態で原子炉を自然循環モード（電源以上または損失中に生じて冷却材ポンプ２６の動作を停止させ得る）運転すると、一次冷却材の高温化は内側上部構造（例えば、複数の制御棒駆動機構２４）のみによって防止されることになる。この流れ抵抗は流れ面積が比較的大きいことから、原子炉炉心１０や蒸気発生機の垂直管３２の流れ抵抗と比較して大きくはない。中央ライザ３６の流れ抵抗は、前記通中央ライザ流路３８の直径が大きいためにその全体における割合も比較的小さい。
【００２８】
既存のある原子炉上記供給システムでは、冷却材損失アクシデント（ＬＯＣＡ）後に蒸気及び非凝縮性ガスが原子炉冷却材配管の高位置で収集され得、かくして、原子炉炉心と蒸気発生機との間における自然循環ループが防止される。有益には、ここで開示される一体型の加圧機容積部８０はその頂部位置が唯一の高位置であるため、非凝縮性ガスは一次冷却材循環ループから自動的に排除される。非凝縮性ガス及び蒸気は浮力により加圧機容積部８０の頂部に達するが、当該頂部では自然循環ループには干渉しない。
本発明の垂直管３２による蒸気発生機３０の他の利益は、随意的にはマルチモード動作することで原子炉炉心１０から崩壊熱を除去し得ることである。通常運転状態で始動した場合に冷却材ポンプ２６が運転停止すると、今や自然循環を介してではあるが、一次冷却水は原子炉炉心１０及び蒸気発生機の垂直管３２を通して循環し続ける。蒸気発生機３０の入り口５０に給水が送られる限り、原子炉炉心１０から放射性核分裂生成物を除去する管表面積は大きいままである。冷却材損失アクシデント（ＬＯＣＡ）中に一次冷却材が一次入り口プレナム７４の高さ以下に低下すると蒸気発生機３０の垂直管がコンデンサとして作用し得る。当該モードでは、原子炉炉心１０内の沸騰水は上昇して一次入り口プレナム７４及び加圧機容積部８０を満たす。二次側の低温の水及び蒸気（すなわち、シュラウド４０及び４２により垂直管３２の外側に画定される流体流れ容積部内の）により、蒸気発生機の各管３０内に凝縮が生じる。凝縮水は重力のみにより蒸気発生機の垂直管３２を出て一次出口プレナム４４に入り、原子炉炉心１０に戻る。
【００２９】
垂直管構成の蒸気発生機３０では一次冷却材圧力は各垂直管３２内に存在する。一次冷却材の圧力は、シュラウド４０及び４２により垂直管３２の外側に画定される流体流れ容積部を流動する二次冷却材のそれより実質的に高い。ある実施例では、原子炉運転状態では垂直管３２内を流動する一次冷却材の圧力は流体流れ容積部における二次流体（給水または蒸気）のそれの少なくとも２倍である。これによりもっと薄い管を引張状態下に使用可能となる。逆に、一次冷却材が垂直管の外側を流動する場合は管は加圧されるため、一般に管壁をもっと厚くする必要がある。ある分析によれば、本発明の蒸気発生機実施例における引張設計の管壁は、管を加圧下に配置する場合に必要な管壁厚の約半分にできる。
【００３０】
より薄い管壁の使用は、蒸気発生機３０の実質的な軽量化に繋がり、また、垂直管３２用のＩｎｃｏｎｅｌ（商標名）６９０あるいはその他の、ニッケルクロムベースの合金材の使用を含む。垂直管構成の蒸気発生機３０の重量削減は一体型原子炉にとって有益である。例えば、図１〜３の例示実施例では、燃料補給中は蒸気発生機３０を取り外すことで原子炉炉心１０にアクセスする。その際は蒸気発生機３０を中間フランジ１６を介して下部の圧力容器部分１２から脱連結させる必要がある。軽量の垂直管構成の蒸気発生機３０により、燃料補給中にこの蒸気発生機３０をリフトして横にずらすための格納型クレーンの必要サイズが有益に低下される。
【００３１】
垂直管構成の蒸気発生機３０には保守管理面での利点もある。加圧機容積部８０及び一次入り口プレナム７４に近位する保守アクセス提供用の人道の提供が容易である。プラント停止中に、圧力容器から蒸気発生機３０を取り外すことなく、一次入り口プレナム７４を介して各垂直管３２を検査可能である。かくして実施する渦電流検査により、管の減肉及びクラックが判明する。当該検査により管閉塞が示された場合、停止中に蒸気発生機３０を取り外し、管プラグを下部及び上部の各管板９２、９０位置に組み込む。別法では管検査と管閉塞とが、蒸気発生機３０を原子炉横にずらして配置しての燃料補給中になされ得る。この場合は管の検査及び閉塞のために底部から容易にアクセスできる。
【００３２】
図６を参照して本発明の別態様の実施例を説明する。本実施例には、上部及び下部の各管板９０及び９２に取り付けた垂直管３２をエコノマイザ一体型の蒸気発生機（ＩＥ蒸気発生機）３０を含む。本実施例では、蒸気出口環状部のそれと比較してずっと大きい外径の給水環状部を提供する大きい直径を有さない点で前記上部圧力容器部分１４とは異なる改変上部圧力容器部分１４’を含む。図６の別態様の実施例ではむしろ、給水入り口５０に接続した給水環状部６０’の外径が、蒸気出口５２に接続した蒸気出口環状部６２の外径と同一とされる。改変上部圧力容器部分１４’は一体のシール用頂部７８を含まない点でも、上部圧力容器部分１４と相違する。むしろ、改変上部圧力容器部分１４’に上部フランジ１２０を用いて固定した分離したシール用頂部７８’が設けられる。更には、本改変実施例は一体の圧力容積部または逸らせプレート７０も含まない。むしろ、シール用頂部７８’が、一次入り口プレナム７４’を画定（圧力容積部は画定しないが）し、シール用頂部７８’が、中央ライザ３６の頂部位置でシリンダ開口１２４と協働して一次冷却材流れを逸らすよう機能する湾曲表面１２２を含む。
【００３３】
図６の実施例では図１〜３の実施例における如き加圧機容積部８０は省略されているため、当該図６の実施例では一次冷却材の加圧は自己加圧により好適に提供される。自己加圧法では、原子炉炉心からの蒸気を蒸気発生機の頂部位置、つまり一次入り口プレナム７４’に集める。一次冷却材の圧力は、蒸気を充満させる当該一次入り口プレナム７４’の圧縮性により調節される。出力を上げる場合は給水入り口５０への流入給水量を増量して垂直管３２内の沸騰長を長くする。原子炉炉心１０は、蒸気発生機３０からの炉心入り口温度の低下により減速材の反応度係数が負になることを介し、出力を増大させて負荷需要を追随する。原子炉炉心の出口温度は蒸気を充満させた一次入り口プレナム７４’の圧力及び飽和温度により調節されてほぼ一定温度に維持される。従って、出力増大に際しては原子炉炉心１０を横断しての温度上昇量が増大し、他方原子炉流量は冷却材ポンプ２６により決定される如き一定量に維持される。
他の実施例（図示せず）では、蒸気発生機の各管は圧力容器内の異なる位置に配置され得る。図１〜３及び６に例示する各実施例では、垂直管３２を含む蒸気発生機３０はその全体が降水管容積部３４内に配置される。しかしながら、より一般的には、各管は降水管容積部（例示した如く）、または中央ライザ３６内の中央ライザ流路３８内、または降水管容積部３４及び中央ライザ３６の両方の内部に配置され得る。
当該他の実施例における如く、分離式の内側シュラウド４２は、当該内側シュラウドに代えて中央ライザ３６の外側表面として具体化され得、及びまたは、分離式の外側シュラウド４０は、当該外側シュラウドに代えて上部圧力容器部分１４の内側表面として具体化し得る。また、下部管板９２を中間フランジ１６と一体化させても良い。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【符号の説明】
【００３４】
２  蒸気出口
１０  原子炉炉心
１２  圧力容器部分
１４  上部圧力容器部分
１６  中間フランジ
１８  入り口環状部
２０  シュラウド
２２  制御棒
２４  制御棒駆動機構ユニット
２６  冷却材ポンプ
３０  蒸気発生機
３２  垂直管
３４  降水管容積部
３６  中央ライザ
３８  中央ライザ流路
４０  外側シュラウド
４２  内側シュラウド
４４  一次出口プレナム
５０  給水ノズル
５２  蒸気出口
６０  給水環状部
６２  蒸気出口環状部
７０  流れ逸らせプレート
７２  流れ逸らせ表面
７４  口プレナム
７８  シール用頂部
８０  加圧機容積部
８２  加圧機ヒーター
８４  加圧機噴霧ノズル
９０  上部管板
９２  下部管板
１２０  上部フランジ
１２２  湾曲表面
１２４  シリンダ開口
【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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【図６】
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【国際調査報告】
2014510897.tif 000009