(57)【要約】      （修正有）【課題】原子炉圧力容器、再循環ポンプ及び配管系からなる原子力発電設備のうち、原子炉圧力容器内の任意点における圧力脈動の最大値を、確実に算出することができる、圧力脈動評価方法と、圧力脈動評価プログラムおよびコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供する。【解決手段】再循環ポンプにおける圧力脈動を与えるステップ１と、再循環ポンプ吸込側から原子炉圧力容器の接続部に至る圧力脈動の伝播を評価し、接続部での変動流速を算出するステップ２と、再循環ポンプから原子炉圧力容器内のジェットポンプノズル部に至る圧力脈動の伝播を評価し、ノズル部での変動流速を算出するステップ３と、原子炉圧力容器内の任意点での圧力脈動を評価するステップ４とを備えると共に、前記ステップ４において、前記ステップ２及び前記ステップ３で得られた変動流速をそれぞれ原子炉圧力容器内に与えて評価を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器、再循環ポンプ及び配管系からなる原子力発電設備のうち、原子炉圧力容器内の圧力脈動評価方法であって、再循環ポンプにおける圧力脈動を与えるステップ１と、再循環ポンプ吸込側から原子炉圧力容器の接続部に至る圧力脈動の伝播を評価し、接続部での変動流速を算出するステップ２と、再循環ポンプから原子炉圧力容器内のジェットポンプノズル部に至る圧力脈動の伝播を評価し、ノズル部での変動流速を算出するステップ３と、原子炉圧力容器内の任意点での圧力脈動を評価するステップ４とを備えると共に、前記ステップ４において、前記ステップ２及び前記ステップ３で得られた変動流速をそれぞれ原子炉圧力容器内に与えて評価を行うことを特徴とする原子炉圧力容器内の圧力脈動評価方法。
【請求項２】
前記ステップ３は、ジェットポンプノズル部から原子炉圧力容器内へ伝播する変動流速を求めるため、再循環ポンプ配管内の圧力脈動解析結果と、別途解析または実験などにより算出したジェットポンプノズル部の吸入・吐出流量の変動成分の関係（例えば、変動流速比など）を用いることを特徴とする請求項１に記載の原子炉圧力容器内の圧力脈動評価方法。
【請求項３】
前記ステップ２、３、４の実機包絡線を求めるため、音速を変化させて最大脈動値の包絡を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の原子炉圧力容器内の圧力脈動評価方法。
【請求項４】
コンピュータを、請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力脈動評価法として機能させることを特徴とする圧力脈動評価プログラム。
【請求項５】
請求項４のプログラムを記録した、コンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉圧力容器内における、例えば、任意箇所にある流量計測用配管系等の破損原因となる圧力脈動を予測する評価方法と、圧力脈動評価プログラムおよび記録媒体に関するものである。
【０００２】
尚、本発明における圧力脈動とは、流体における圧力の時刻歴変動を意味する。
【背景技術】
【０００３】
近年において、ポンプで発生した圧力脈動が容器や配管系内に伝達して、周辺機器も含め損傷を与えることが、一般産業において広く知られている。
【０００４】
特に、原子力発電所の原子炉圧力容器内においては、例えば、流量計測用配管系等の計装配管が、この圧力脈動により振動して、当該配管が破損することになる。
【０００５】
このため、従来においては、実機計測データを用いて、検討対象である原子力発電所の再循環ポンプ諸特性で補正を行なった後に、原子炉圧力容器内の圧力脈動を推定する方法を採用している。
【特許文献１】特になし
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来における、実機計測データでは、圧力脈動が原子炉圧力容器内の数点でしか測定されていなかった。また、限られた運転条件における計測値しか取得されていなかった。
【０００７】
そのため、検討対象である原子炉圧力容器内の圧力動脈は、精度よく評価できていないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は如上のような従来存した諸事情に鑑み創出されたもので、原子炉圧力容器内の任意点における圧力脈動の最大値を、確実に算出することができる、原子炉圧力容器内の圧力脈動評価方法と、圧力脈動評価プログラムおよびコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、原子炉圧力容器、再循環ポンプ及び配管系からなる原子力発電設備のうち、原子炉圧力容器内の圧力脈動評価方法であって、再循環ポンプにおける圧力脈動を与えるステップ１と、再循環ポンプ吸込側から原子炉圧力容器の接続部に至る圧力脈動の伝播を評価し、接続部での変動流速を算出するステップ２と、再循環ポンプから原子炉圧力容器内のジェットポンプノズル部に至る圧力脈動の伝播を評価し、ノズル部での変動流速を算出するステップ３と、原子炉圧力容器内の任意点での圧力脈動を評価するステップ４とを備えると共に、前記ステップ４において、前記ステップ２及び前記ステップ３で得られた変動流速をそれぞれ原子炉圧力容器内に与えて評価を行うことで、上述した課題を解決した。
【００１０】
また、前記ステップ３は、ジェットポンプノズル部から原子炉圧力容器内へ伝播する変動流速を求めるため、再循環ポンプ配管内の圧力脈動解析結果と、別途解析または実験などにより算出したジェットポンプノズル部の吸入・吐出流量の変動成分の関係（例えば、変動流速比など）を用いることで、同じく上述した課題を解決した。
【００１１】
さらに、前記ステップ２、３、４の実機包絡線を求めるため、音速を変化させて最大脈動値の包絡を行うことで、同じく上述した課題を解決した。
【００１２】
この他、圧力脈動評価プログラムは、コンピュータを、請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力脈動評価法として機能させることで、同じく上述した課題を解決した。
【００１３】
また、コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、請求項４のプログラムを記録したことで、同じく上述した課題を解決した。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、原子炉圧力容器内の任意点における圧力脈動の予測値を精度良く安全側に算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
本発明に係る原子炉圧力容器内の圧力脈動評価方法は、例えば、原子力発電所等における略長円筒型タンク状の原子炉圧力容器１に適用される。
【００１７】
当該原子炉圧力容器１は、図１に示すように、内部下側に配した核燃料集合体２と、当該核燃料集合体２の上側であって原子炉圧力容器１の給水入口側に略位置するように配され、核燃料集合体２での核分裂によって発生した熱エネルギーで冷却水を沸騰させて水蒸気を分離させる気水分離器３と、当該気水分離器３の上側であって原子炉圧力容器１の蒸気出口側に略位置するように配した蒸気乾燥器４とを備えている。
【００１８】
また、前記核燃料集合体２の周囲には、図２に示すように、シュラウドを介して、例えば、２０基のジェットポンプ５を囲繞配置させてある。尚、冷却水の喫水線は、常に気水分離器３の下端側の一部を浸すように設定されている。
【００１９】
このジェットポンプ５は、図２に示すように、上側の逆Ｕ字形のノズル６と、ノズル６の先端に拡径した上側開口部が近接配置され、且つ下端開口部がラッパ状に拡がるディフューザとなっている縦長円筒状の混合室７とによって概ね構成されている。そして、ノズル６の下流側は配管を通じて吐出弁８に接続され、当該吐出弁８は再循環ポンプ１０の吐出口側に接続される。
【００２０】
一方、吸入配管と原子炉圧力容器１の接続部は配管を通じて吸込弁９に接続され、当該吸込弁９は再循環ポンプ１０の吸込口側に接続されている。さらに、混合室７のディフューザには、複数の溶接部によって固定された、例えば、直径約１４ｍｍの流量計測用配管１１が設置されている。
【００２１】
そして、図３に示すように、再循環ポンプ１０により開口面積Ａ１のノズル６先端（ポイント１）から混合室７内へ噴出する流速Ｖ１の駆動流体によって、混合室７の開口面積Ａ２を有する上側開口部（ポイント２）側のノズル６周囲における圧力Ｐ２がベルヌーイの原理に従って、流速が0m/sである位置でのＰ０に対し、負圧の状態となることでノズル６周囲の流体を巻き込む所謂エジェクタ効果のため、上側開口部から被駆動流体が流速Ｖ２で送り込まれる。
【００２２】
この後、混合室７内（ポイント３）で前述２流体は圧力Ｐ３、流速Ｖ３（通過面積Ａ３）の混合流体となり、ディフューザにおいて減速減圧状態となって前記核燃料集合体２の下側に送り出され、再び核燃料集合体２での核分裂によって発生した熱エネルギーで冷却水である流体を沸騰させる。
【００２３】
一般にポンプを含む配管系に発生する大きな圧力脈動は、再循環ポンプ１０によって発生する微小な圧力脈動の振動数が、再循環ポンプ１０を含む配管系の液柱の固有振動数と一致して共振することで現われる。また、この大きな圧力脈動の振動数は、配管系の構造上の固有振動数と一致しなくとも、許容できない騒音、振動の原因となることが知られている。
【００２４】
このような圧力脈動は、例えば、Ｚ枚羽根の渦巻遠心ポンプ等によるターボ型の再循環ポンプ１０で発生し、配管系を通じて原子炉圧力容器１内へ伝播する。
【００２５】
このタイプのポンプでは、再循環ポンプ１０を含む配管断面で測定した圧力脈動を周波数分析した場合、圧力脈動の卓越する振動数F (Hz)は、F =mN/60となる。ただし、mは正の整数、N（rpm）はポンプ回転数である。一般にm=Zのとき、特に圧力脈動が大きくなる。
【００２６】
次に、本発明に係る圧力脈動評価方法の具体的な例について、フロー図に基づき説明する。
【００２７】
図４に示すように、ステップ１では、要求される発電能力を有する原子力発電設備設計をもとに構築された、原子炉圧力容器１、再循環ポンプ１０及び配管系からなる系統の、配管内のある点（例えば、ポンプ位置）における圧力脈動値を設定する。
【００２８】
例えば、u＝u0・sinωt。ただし、uは流速値、ωはポンプ角振動数である。
【００２９】
次に、原子炉圧力容器１内への入力値を得るために、再循環ポンプ１０の吸込側と原子炉圧力容器１の接続部での変動流速を算出するステップ２と、ジェットポンプノズル部６での変動流速を算出するステップ３を行う必要がある。
【００３０】
まず、ステップ２は、ステップ２１乃至２６を備える。
【００３１】
ステップ２１では、再循環ポンプ１０から原子炉圧力容器１の接続部までの配管系を管長方向に沿っての一次元流とみなして、波動方程式を基に圧力脈動の伝搬を求める。例えば、伝達マトリックス法等を使って解く。
【００３２】
一般に、波動方程式は、距離をx、流速をｕ、時間をｔ、音速をC0とすると、
∂２u /∂t2 = C0・∂2u /∂x2  で表される。
【００３３】
ステップ２２では、前記数値計算をもとに、原子炉圧力容器１の接続部での配管系振動数対変動流速の関係を算定する。
【００３４】
ステップ２３乃至２６では、ステップ２２で得られた関係をもとに、配管系の音速をパラメータとして変化させ、各振動数において生じ得る変動流速の最大値を算出する。このとき、例えば、ある周波数における実機データ（別途取得）と解析結果を比較し、実機データを包絡するようにパラメータ（音速）の変化幅を決定することもできる。あるいは実験装置でデータを取得することで、パラメータの変化幅を決定することもできる。
【００３５】
ステップ２３では、例えば、ある音速C1のとき、解析により求めた変動流速が、図５（ａ）のＬ１に示す、振動数Ｆ１の山形ピーク状となって算定できたとする。
【００３６】
ステップ２４では、例えば、前述の配管内音速の変化幅を±１０％にすれば、実機で発生するであろう変動流速を包絡できるとする。つまり、（１−０．１）・Ｆ１＝Ｆ２、（１＋０．１）・Ｆ１＝Ｆ３となる。また、音速C2で解析して算定した変動流速を、図５（ａ）のＬ２に示すものとする。同様に、音速C3で解析して算定した変動流速を、図５（ａ）のＬ３に示すものとする。
【００３７】
ステップ２５では、出力結果に裕度を持たせ、最大値を求める操作として、図５（ａ）のＬ１、Ｌ２、Ｌ３の中で最もピークが出ているピーク値（この例ではＦ１）を振動数Ｆ２からＦ３の範囲における変動流速として、図５（ａ）のＡ線のように描き、実機包絡線として定める。
【００３８】
即ち、振動数Ｆ１おけるピーク値（圧力脈動または変動流速）を使うのではなく、Ｆ２、Ｆ３と振って、その最大値であるＡ線を求める。これが、Ｆ２からＦ３まで考えたときの最大値となり、例えば、Ｆ２におけるピーク値とＡ線を比較すると、Ａ線の方が大きく、Ｆ２におけるピーク値より裕度を持たせている。
【００３９】
同様に、Ｆ３におけるピーク値とＡ線を比較すると、Ａ線の方が大きく、Ｆ３におけるピーク値より裕度を持たせている。
【００４０】
ステップ２６では、Ａ線の左側とＦ２のピーク値を直線で結び、同様にＡ線の右側をＦ３のピーク値と結ぶ。Ｌ２の左側のなだらかな線（ピークから左側）は、そのまま包絡線として使用する。同様に、Ｌ３の右側のなだらかな線も、そのまま包絡線として使用する。
【００４１】
以上の結果から、図５（ｂ）に示すような略台形状の実機包絡線が得られる。
この包絡線が再循環ポンプ１０の吸入側と原子炉圧力容器１との接続部での変動流速であり、原子炉圧力容器１への入力とする。
【００４２】
次に、ステップ３は、ステップ３１乃至３７を備える。
【００４３】
ステップ３１では、再循環ポンプ１０からジェットポンプ５のノズル６の先端までの配管系を管長方向に沿っての一次元流とみなして、波動方程式を基に圧力脈動の伝搬を求める。例えば、伝達マトリックス法等を使って解く。
【００４４】
ステップ３２では、ノズル６先端から原子炉圧力容器内へ伝播する変動流速
（ν2）を求める。
【００４５】
ノズル６の先端における変動流速は、駆動流体の流量、被駆動流体の流量及び混合流体の流量の関係などから算出され、例えば、以下によって行なわれる。混合室７の開口面積Ａ２を有する上側開口部（ポイント２）の変動流速（ν2）は、ステップ３１で算出した開口面積Ａ１のノズル６の先端（ポイント１）における変動流速(ν1)に、別途実施する非定常流動解析または実験などにより算出した変動流速比（ν2/ν1）を乗じることで求められる。尚、算出したν2はν1に対する位相差を考慮した上で、原子炉圧力容器１内への入力条件とする。
【００４６】
ステップ３３では、前記数値計算をもとに、ノズル部での配管系振動数対変動流速の関係を算定する。
【００４７】
ステップ３４乃至３７では、ステップ３３で得られた関係をもとに、配管系の音速をパラメータとして変化させ、各振動数において生じ得る変動流速（ν2）の最大値を算出する。このとき、例えば、ある周波数における実機データ（別途取得）と解析結果を比較し、実機データを包絡するようにパラメータ（音速）の変化幅を決定することもできる。あるいは実験装置でデータを取得することで、パラメータの変化幅を決定することもできる。
【００４８】
ステップ３４では、例えば、ある音速C1のとき、解析により求めた変動流速（ν2）が、図５（ａ）のＬ１に示す、振動数Ｆ１の山形ピーク状となって算定できたとする。
【００４９】
ステップ３５では、例えば、前述の配管内音速の変化幅を±１０％にすれば、実機で発生するであろう変動流速（ν2）を包絡できるとする。つまり、（１−０．１）・Ｆ１＝Ｆ２、（１＋０．１）・Ｆ１＝Ｆ３となる。また、音速C2で解析して算定した変動流速（ν2）を、図５（ａ）のＬ２に示すものとする。同様に、音速C3で解析して算定した変動流速（ν2）を、図５（ａ）のＬ３に示すものとする。
【００５０】
ステップ３６では、出力結果に裕度を持たせ、最大値を求める操作として、図５（ａ）のＬ１、Ｌ２、Ｌ３の中で最もピークが出ているピーク値（この例ではＦ１）を振動数Ｆ２からＦ３の範囲における変動流速（ν2）として、図５（ａ）のＡ線のように描き、実機包絡線として定める。
【００５１】
ステップ３７では、Ａ線の左側とＦ２のピーク値を直線で結び、同様にＡ線の右側をＦ３のピーク値と結ぶ。Ｌ２の左側のなだらかな線（ピークから左側）は、そのまま包絡線として使用する。同様に、Ｌ３の右側のなだらかな線も、そのまま包絡線として使用する。
【００５２】
以上の結果から、図５（ｂ）に示すような略台形状の実機包絡線が得られる。この包絡線がジェットポンプノズル部６での変動流速（ν2）であり、原子炉圧力容器１への入力とする。
【００５３】
最後に、ステップ４では、原子炉圧力容器１内の任意点での圧力脈動を求める。ステップ４は、ステップ４１乃至４６を備える。
【００５４】
ステップ４１では、ステップ２、３の入力を基に原子炉圧力容器１内の任意点での圧力脈動値を、前記波動方程式を基に、例えば、３次元有限要素法等を用いて解く。
【００５５】
ステップ４２では、前記数値計算をもとに、任意点での振動数対圧力脈動の関係を算定する。
【００５６】
ステップ４３乃至４６では、ステップ４２で得られた関係をもとに、容器内の音速をパラメータとして変化させ、各振動数において生じ得る圧力脈動の最大値を算出する。このとき、例えば、ある周波数における実機データ（別途取得）と解析結果を比較し、実機データを包絡するようにパラメータ（音速）の変化幅を決定することもできる。あるいは、実験装置でデータを取得することで、パラメータの変化幅を決定することもできる。
【００５７】
ステップ４３では、例えば、ある音速C1のとき、解析により求めた圧力脈動値が、図５（ａ）のＬ１に示す、振動数Ｆ１の山形ピーク状となって算定できたとする。
【００５８】
ステップ４４では、例えば、前述の容器内音速の変化幅を±１０％にすれば、実機で発生するであろう圧力脈動値を包絡できるとする。つまり、（１−０．１）・Ｆ１＝Ｆ２、（１＋０．１）・Ｆ１＝Ｆ３となる。また、音速C2で解析して算定した圧力脈動値を、図５（ａ）のＬ２に示すものとする。同様に、音速C3で解析して算定した圧力脈動値を、図５（ａ）のＬ３に示すものとする。
【００５９】
ステップ４５では、出力結果に裕度を持たせ、最大値を求める操作として、図５（ａ）のＬ１、Ｌ２、Ｌ３の中で最もピークが出ているピーク値（この例ではＦ１）を振動数Ｆ２からＦ３の範囲における圧力脈動として、図５（ａ）のＡ線のように描き、実機包絡線として定める。
【００６０】
ステップ４６では、Ａ線の左側とＦ２のピーク値を直線で結び、同様にＡ線の右側をＦ３のピーク値と結ぶ。Ｌ２の左側のなだらかな線（ピークから左側）は、そのまま包絡線として使用する。同様に、Ｌ３の右側のなだらかな線も、そのまま包絡線として使用する。
【００６１】
以上の結果から、図５（ｂ）に示すような、最大値を表す略台形状の実機包絡線が得られる。
【００６２】
この包絡線が、原子炉圧力容器１内の任意点における最大圧力脈動値である。
【００６３】
尚、この圧力脈動評価方法は、解析コードとして組み入れることで、コンピュータにその解析システムの処理手順を実行させるためのプログラムとしたり、あるいは、そのプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、光磁気デイスク、ＦＤ、フラッシュメモリ等の記録媒体として使用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、原子炉圧力容器内において、機器破損の原因となる圧力脈動値を予測することを目的とした、原子炉圧力容器内の圧力脈動評価方法と、圧力脈動評価プログラムおよびコンピュータ読み取り可能な記録媒体として、原子力産業界において広く利用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】原子炉圧力容器の内部構成を示す断面図である。
【図２】原子炉圧力容器の内部構成を示す一部拡大の斜視図である。
【図３】ジェットポンプの作動原理を説明するための概略説明図である。
【図４】圧力脈動評価方法の手順を説明するためのフロー図である。
【図５】圧力脈動及び変動流速の実機包絡線の書き方を説明するもので、（ａ）は解析より求めた圧力脈動値のピーク曲線を示すグラフ、（ｂ）は３つのピーク曲線から包絡線を描いたグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
１…原子炉圧力容器
２…核燃料集合体
３…気水分離器
４…蒸気乾燥器
５…ジェットポンプ
６…ノズル
７…混合室
８…吐出弁
９…吸込弁
１０…再循環ポンプ
１１…流量計測用配管
【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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