(57)【要約】【課題】ＬＯＣＡ発生時の崩壊熱の除去を効率よく行うために、冷却効率に優れた原子炉用冷却器を提供することを課題とする。【解決手段】多数の伝熱管３４からなる伝熱管群３３ａ、３３ｂが交互に配置されるとともに、連通部２６において空気流出通路２４を空間的に塞ぐように、底面３７近傍から仕切部材２５の下端２５ａに向かって斜めに配置されている。タンク水３８は、伝熱管３４をほぼ覆うような高さまで貯えられ、浸水状態にある伝熱管群３３ａ、３３ｂの伝熱管３４はタンク水３８により冷却され、タンク水３８が蒸発して水位が下がりタンク水３８の上面から露出した伝熱管３４は、空気流入口２１から流入し、空気流出口２３から流出する気流によって冷却される。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉の炉心を冷却し崩壊熱により加熱された１次冷却材との熱交換を行って２次冷却材を蒸発させる蒸気発生器に接続されて、蒸発した２次冷却材を冷却し凝縮して蒸気発生器に戻して、崩壊熱を除去する原子炉用冷却器において、
仕切部材と、
この仕切部材により画され且つ仕切部材の下方の連通部で互いに連通する第１及び第２の縦通路と、
２次冷却材が内部を流れる複数の伝熱管を有する伝熱管群とを備え、
この伝熱管群は、連通部において、第１の縦通路を空間的に塞ぐように、第１の縦通路の底面近傍から仕切部材の下端に向かって、斜めに配置されたことを特徴とする原子炉用冷却器。
【請求項２】
伝熱管群の最上部の伝熱管は、仕切部材の下端近傍に配置され、最下部の伝熱管は、第１の縦通路の底面近傍に配置された請求項１に記載の原子炉用冷却器。
【請求項３】
冷却器は、伝熱管群の伝熱管をほぼ覆うような高さまで、第１及び第２の縦通路内に冷却水が貯えられ、
蒸発した２次冷却材が伝熱管群の伝熱管に導入されると、第１及び第２の縦通路内の冷却水により２次冷却材を凝縮するとともに、冷却水が蒸発して水位が下がり冷却水の上面から露出した伝熱管は、第２の縦通路から第１の縦通路に流入する気流によって冷却される請求項１または２に記載の原子炉用冷却器。
【請求項４】
第２の縦通路には、空気を外部から取り入れる空気流入口が設けられ、
第１の縦通路には、空気流入口から取り入れ伝熱管群を通過した空気を外部に流出する空気流出口が設けられ、
空気流出口は、空気流入口よりも高い位置に配置された請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子炉用冷却器。
【請求項５】
空気流入口及び空気流出口には、それぞれ開閉用扉が設けられた請求項４に記載の原子炉用冷却器。
【請求項６】
伝熱管群の伝熱管は、蒸気発生器から２次冷却材が導入される入口側が、伝熱管により冷却された２次冷却材を蒸気発生器に排出する出口側よりも上方に設けられ、
伝熱管は、全体にわたって、入口側から出口側に向かって下向きに傾斜して配置された請求項１〜５のいずれか一項に記載の原子炉用冷却器。
【請求項７】
伝熱管の一部は、他の部分よりも傾斜が急な熱膨張吸収部を備える請求項６に記載の原子炉用冷却器。
【請求項８】
冷却器の伝熱管群は、複数設けられ、２つの蒸気発生器にそれぞれ接続され得る第１及び第２の伝熱管群に区分され、
第１の伝熱管群と第２の伝熱管群とは、鉛直方向及び水平方向にそれぞれ交互に配置された請求項１〜７のいずれか一項に記載の原子炉用冷却器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子炉用冷却器に係り、とくに、炉心を冷却する１次冷却材及び１次冷却材を冷却する冷却系統を原子炉容器内に一体化して内蔵した冷却系統一体型原子炉の崩壌熱除去装置に用いられ、崩壊熱によって加熱された１次冷却材を冷却して加熱される２次冷却材を冷却する冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷却系統一体型原子炉の崩壊熱除去装置に用いられ、蒸気発生器により蒸発した２次冷却水を冷却する冷却器として、本出願人により平成１３年７月３０日に出願された特願２００１−２３００４２に記載されているものがある。この冷却器１は、図５及び６に示されるように、伝熱管２が貫通した有底筒状のタンク３から構成しており、通常はこのタンク３内にタンク水４を貯えている。タンク３は、仕切板５によってその内部が、伝熱管２が貫通している領域と、そうでない領域とに区分され、これらの領域はタンク底部側において連通している。
【０００３】
原子炉において１次冷却材喪失事故（Ｌｏｓｓ　ｏｆ　Ｃｏｏｌａｎｔ　Ａｃｃｉｄｅｎｔ。以下「ＬＯＣＡ」と称する）が発生すると、１次冷却水の熱は図示しない蒸気発生器において２次冷却水と熱交換され、１次冷却水が冷却されるとともに、２次冷却水は蒸気となって、蒸気発生器から冷却器１内の伝熱管２に導入される。伝熱管２の内側を流れる蒸気が、伝熱管２の周囲のタンク水４によって冷却され凝縮して水に戻される。この水が自重によって伝熱管２内を落下することによって蒸気発生器に再び供給され、原子炉容器の内部を冷却するために用いられる。
さらに、冷却器１のタンク水４は、伝熱管２の内部を流れる蒸気から熱を受け、沸騰して蒸発しタンク水４の水位が下がっていく。タンク水４の水面から上側に露出した伝熱管２に大気が直接あたり、図６に示されるように、伝熱管２全体が大気の流れによって空気冷却されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した冷却器１では、タンク水４を用いて２次冷却水を水冷する場合、大量のタンク水４が必要である。また、伝熱管２はタンクの底部まで配置されていないので、タンク水４のすべてを有効に利用して水冷することができなかった。さらに、大気による空冷においても効率的な冷却をおこなうことができなかった。
【０００５】
この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、ＬＯＣＡ発生時の崩壊熱の除去を効率よく行うために、冷却効率に優れた原子炉用冷却器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る原子炉用冷却器は、原子炉の炉心を冷却し崩壊熱により加熱された１次冷却材との熱交換を行って２次冷却材を蒸発させる蒸気発生器に接続されて、蒸発した２次冷却材を冷却し凝縮して蒸気発生器に戻して、崩壊熱を除去する原子炉用冷却器において、仕切部材と、この仕切部材により画され且つ仕切部材の下方の連通部で互いに連通する第１及び第２の縦通路と、２次冷却材が内部を流れる複数の伝熱管を有する伝熱管群とを備え、この伝熱管群は、連通部において、第１の縦通路を空間的に塞ぐように、第１の縦通路の底面近傍から仕切部材の下端に向かって、斜めに配置されたことを特徴とするものである。
【０００７】
伝熱管群の最上部の伝熱管は、仕切部材の下端近傍に配置され、最下部の伝熱管は、第１の縦通路の底面近傍に配置されてもよい。
冷却器は、伝熱管群の伝熱管をほぼ覆うような高さまで、第１及び第２の縦通路内に冷却水が貯えられ、蒸発した２次冷却材が伝熱管群の伝熱管に導入されると、第１及び第２の縦通路内の冷却水により２次冷却材を凝縮するとともに、冷却水が蒸発して水位が下がり冷却水の上面から露出した伝熱管は、第２の縦通路から第１の縦通路に流入する気流によって冷却されてもよい。
第２の縦通路には、空気を外部から取り入れる空気流入口が設けられ、第１の縦通路には、空気流入口から取り入れ伝熱管群を通過した空気を外部に流出する空気流出口が設けられ、空気流出口は、空気流入口よりも高い位置に配置されてもよい。
空気流入口及び空気流出口には、それぞれ開閉用扉が設けられてもよい。
伝熱管群の伝熱管は、蒸気発生器から２次冷却材が導入される入口側が、伝熱管により冷却された２次冷却材を蒸気発生器に排出する出口側よりも上方に設けられ、伝熱管は、全体にわたって、入口側から出口側に向かって下向きに傾斜して配置されてもよい。
伝熱管の一部は、他の部分よりも傾斜が急な熱膨張吸収部を備えてもよい。
冷却器の伝熱管群は、複数設けられ、２つの蒸気発生器にそれぞれ接続され得る第１及び第２の伝熱管群に区分され、第１の伝熱管群と第２の伝熱管群とは、鉛直方向及び水平方向にそれぞれ交互に配置されてもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態に係る原子炉用冷却器１０が用いられた冷却系統一体型原子炉の崩壊熱除去装置の構成を示す配置図である。
原子炉容器１１内には、１次冷却水１２に浸された状態の炉心１３と２つの蒸気発生器１４とが設けられている。蒸気発生器１４は、複数の伝熱管から構成され、炉心１３で発生した核分裂によるエネルギーによって加熱された１次冷却水１２と、主蒸気配管７内を流れる２次冷却水１５との間で熱交換を行う。
【０００９】
主蒸気配管７には、タービン２０，ポンプ１６，バルブ１７ａ，１７ｂが設けられている。
主蒸気配管７の途中、蒸気発生器１４とバルブ１７ａとの間及び蒸気発生器１４とバルブ１７ｂとの間には、主蒸気配管７から分岐して、ＬＯＣＡ発生時に、２次冷却水１５を冷却器１０に導入して、再度を主蒸気配管７に戻す導入管１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄが設けられている。
導入管１９ａ及び１９ｂの途中には、バルブ１８ａが設けている。導入管１９ｃ及び１９ｄの途中には、バルブ１８ｂが設けている。これらのバルブ１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂを開閉することによって通常時の運転状態からＬＯＣＡ発生時の運転状態に切り替えられる。
【００１０】
冷却器１０は、蒸気発生器１４よりも高い位置に配置しており、図２に示されるように、高さの異なる２つの直方体が隣接した形状であり、背の低い直方体の内部には、上方にある空気流入口２１を介して外部の大気が流入する空気流入通路２２が形成されている。また、背の高い直方体の内部には、上方にある空気流出口２３を介して空気が外部に流出する空気流出通路２４が形成されている。
ここで、空気流出通路２４は第１の縦通路、空気流入通路２２は第２の縦通路を構成し、これらは、仕切部材２５により画され、仕切部材２５の下方の連通部２６で互いに連通している。
【００１１】
空気流出口２３は、図２〜４に示されるように、空気流出通路２４の上部の両側面、前面及び後面にそれぞれ設けられ、各空気流出口２３にはシリンダ２７により平行移動する開閉扉２８が設けられている。また、空気流入口２１は、空気流入通路２２の上部の両側面、前面及び上面にそれぞれ設けられ、各空気流入口にもシリンダ２７により平行移動する開閉扉２８が設けられている。
なお、冷却器１０内を流れる空気の圧力損失を少なくし且つ空気が後述する伝熱管３４を通過する速度を高めるのに適した駆動力を与えるように、空気流出通路２４の側面の空気流出口２３と、空気流入通路２２の側面の空気流入口２１との間には、約５ｍ程度の高低差が設けられている。
【００１２】
図２及び３に示されるように、冷却器１０の後面には、それぞれが導入管１９ａに接続される複数の第１入口ヘッダ３１ａが設けられ、冷却器１０の前面に向かって斜めに延びている。また、それぞれが導入管１９ｃに接続される複数の第１出口ヘッダ３２ａが設けられ、冷却器１０の前面に向かって斜めに延びている。同様に、冷却器１０の後面には、それぞれが導入管１９ｂに接続される複数の第２入口ヘッダ３１ｂ、それぞれが導入管１９ｄに接続される複数の第２出口ヘッダ３２ｂが設けられ、冷却器１０の前面に向かって斜めに延びている。
【００１３】
第１入口ヘッダ３１ａと第１出口ヘッダ３２ａとの間には、図３に示されるように、左右方向に延び且つ内部を２次冷却水１５が流れる多数の伝熱管３４からなる第１の伝熱管群３３ａが配置され、第１入口ヘッダ３１ａ及び第１出口ヘッダ３２ａを介して、一方の蒸気発生器１４に接続されている。
第２入口ヘッダ３１ｂと第２出口ヘッダ３２ｂとの間には、同様に左右方向に延びる多数の伝熱管３４からなる第２の伝熱管群３３ｂが配置され、第２入口ヘッダ３１ｂ及び第２出口ヘッダ３２ｂを介して、他方の蒸気発生器１４に接続されている。また、それぞれ異なる蒸気発生器１４に接続されるこれらの伝熱管群３３ａと伝熱管群３３ｂとは、水平方向及び上下方向に交互に配置されている。
【００１４】
伝熱管群３３ａ、３３ｂの各伝熱管３４は、入口ヘッダ３１ａ、３１ｂ側（ＩＮ側）から出口ヘッダ３２ａ、３２ｂ側（ＯＵＴ側）まで全体にわたって、出口ヘッダ３２ａ、３２ｂに向かって下向きに傾斜している。また、各伝熱管３４のほぼ中央付近には、他の部分に比べさらに、傾斜が急になった熱膨張吸収部３６が形成されている。
【００１５】
一方、図２に示されるように、一つの伝熱管群３３ａ，３３ｂは、５段５０列の伝熱管３４から構成され、伝熱管３４の外周には、熱交換効率を高めるべく板状の冷却フィン３５が図２の紙面垂直方向に多数積層して設けられている。
また、伝熱管群３３ａ、３３ｂは、空気流出通路２４の底面３７から仕切部材２５の下端２５ａに向かって、底面３７に対して３０度の角度で斜めに配置されている。
これらの伝熱管群３３ａ、３３ｂは、連通部２６において、空気流出通路２４を空間的に塞ぐように斜めに配置され、連通部２６から空気流出通路２４の上方に抜ける空気がほとんど、伝熱管群３３ａ、３３ｂを通過するように構成されている。
また、ＬＯＣＡ発生前には、冷却水であるタンク水３８が、すべての伝熱管３４をほぼ覆うように、仕切部材２５の下端２５ａまで満たされている。
【００１６】
次に、この発明の実施の形態に係る原子炉用冷却器１０が用いられた冷却系統一体型原子炉の崩壊熱除去装置の動作を説明する。
図１に示されるように、原子炉の通常運転時には、バルブ１８ａ，１８ｂを閉じ、バルブ１７ａ，１７ｂを開状態にして運転する。
核分裂エネルギーによって加熱された炉心３が１次冷却水１２によって冷却され、１次冷却水１２自身は加熱され高温水となる。高温水となった１次冷却水１２は、蒸気発生器１４において、ポンプ６から供給される２次冷却水１５と熱交換し、１次冷却水１２が冷却されるとともに２次冷却水１５は蒸気となって、主蒸気配管７を介してタービン２０に導かれ、タービン２０を回転させ発電がなされる。
【００１７】
一方、原子炉においてＬＯＣＡが発生すると、崩壊熱除去動作が開始され、バルブ１７ａ，１７ｂを閉じ、バルブ１８ａ，１８ｂを開状態になる。また、冷却器１０において、タンク水３８の蒸発、外部からの異物の侵入を防ぐために通常運転時には閉じている空気流入口２１、空気流出口２３が、シリンダ２７の動作により開閉扉２８が移動して空気流入口２１、空気流出口２３が開口する。
ＬＯＣＡによって原子炉容器１内の１次冷却水１２の温度は上昇するが、１次冷却水１２の熱が蒸気発生器１４において蒸気の発生に利用されることにより１次冷却水１２は冷却される。
【００１８】
２つの蒸気発生器１４で生成された蒸気は、導入管１９ａ，１９ｂを通って冷却器１０まで上昇し、対応する入口ヘッダ３１ａ，３１ｂを介して伝熱管群３３ａ，３３ｂの伝熱管３４内に導入される。伝熱管３４内の蒸気は、伝熱管３４の周囲にあるタンク水３８によって冷却され、凝縮して伝熱管３４内に落下する。伝熱管３４は出口ヘッダ３２ａ，３２ｂに向かって傾斜しているので、凝縮して液化した２次冷却水１５は伝熱管３４内を出口ヘッダ３２ａ，３２ｂ側に重力によって流れて、出口ヘッダ３２ａ，３２ｂより排出されて対応する導入管１９ｃ，１９ｄを介してそれぞれの蒸気発生器１４に戻され、原子炉容器１の内部を冷却するために再度用いられる。
【００１９】
一方、図２に示されるように、伝熱管３４内の蒸気を冷却、凝縮させるのに利用されたタンク水３８は、蒸気から熱を受け、徐々に沸騰し蒸発してしまう。
タンク水３８が蒸発するにつれてタンク水３８の水位は下がる。しかしながら、伝熱管３４は底面３７近傍まで配置されているので、タンク水３８がほぼ全部なくなるまで伝熱管３４に直接触れているため、冷却効率が高い状態で、タンク水３８による水冷が維持される。そのため、タンク水３８が有効利用され、最小限のタンク水３８量で効率的に伝熱管３４を水冷することができる。
また、タンク水３８の水位が下がると、開口した空気流入口２１から流入した空気のほとんどは、水面から露出した伝熱管群３３ａ，３３ｂを通過する。タンク水３８がほとんど沸騰して蒸発すると、伝熱管群３３ａ，３３ｂ全体が空気流入口２１から流入した空気によって冷却される。
【００２０】
空気流出口２３と空気流入口２１との間には、適度な高低差が設けられているので、空気が伝熱管３４を通過する速度が大きく、空冷による冷却効率が高められる。また、ほとんどの空気が伝熱管群３３ａ，３３ｂを通過するので、これによっても空冷による冷却効率が高められる。さらに、伝熱管群３３ａ，３３ｂは、空気の流れに対して矢印のように垂直に近い方向を向いているので、一層空冷による冷却効率が高められる。
また、それぞれ異なる蒸気発生器１４に接続された伝熱管群３３ａ，３３ｂが、冷却器の上下方向及び左右方向に交互に配置されているので、タンク水３８の水位が徐々に下がっていく過程において、２つの蒸気発生器１４にはほぼ均等な割合で液化した２次冷却水１５が戻されることになり、それぞれの蒸気発生器１４において、１次冷却水１２をバランスよく冷却することができる。さらに、万一、一方の蒸気発生器１４に戻される２次冷却水１５が漏洩しても、残りの蒸気発生器１４に戻される２次冷却水１５によって崩壊熱が適切に除去される。
【００２１】
なお、冷却器１０の各伝熱管３４には蒸気が導入され、伝熱管３４は、入口ヘッダ３１ａ，３１ｂと出口ヘッダ３２ａ，３２ｂとの間に挟まれた状態で熱膨張することになる。しかしながら、各伝熱管３４に形成された傾斜が急になった熱膨張吸収部３６により、入口ヘッダ３１ａ，３１ｂから延びる伝熱管３４の直線部分と、出口ヘッダ３２ａ，３２ｂから延びる伝熱管３４の直線部分との間に、オフセットが形成されているので、それぞれの直線部分において熱膨張による伸びが妨げられることがない。そのため、伝熱管３４にかかる圧縮応力が急増せず、伝熱管３４が座屈し破損してしまうことがない。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、原子炉用冷却器は、原子炉の炉心を冷却し崩壊熱により加熱された１次冷却材との熱交換を行って２次冷却材を蒸発させる蒸気発生器に接続されて、蒸発した２次冷却材を冷却し凝縮して蒸気発生器に戻して、崩壊熱を除去する原子炉用冷却器において、仕切部材の下方の連通部で第２の縦通路と連通する第１の縦通路の底面近傍から仕切部材の下端に向かって、伝熱管群が斜めに配置されているので、冷却効率に優れているので、ＬＯＣＡ発生時の崩壊熱の除去を効率よく行うことができる。
【００２３】
また、この発明によれば、伝熱管群の最上部の伝熱管は、仕切部材の下端近傍に配置され、最下部の伝熱管は、第１の縦通路の底面近傍に配置されているので、冷却器内の冷却水がほぼ全部なくなるまで、伝熱管に冷却水が直接触れて効率的に伝熱管を水冷できる。
さらに、この発明によれば、冷却器は、伝熱管群の伝熱管をほぼ覆うような高さまで、第１及び第２の縦通路内に冷却水が貯えられ、蒸発した２次冷却材が伝熱管群の伝熱管に導入されると、第１及び第２の縦通路内の冷却水により２次冷却材を凝縮するとともに、冷却水が蒸発して水位が下がり冷却水の上面から露出した伝熱管は、第２の縦通路から第１の縦通路に流入する気流によって冷却されるようにしたので、最小限の冷却水量で伝熱管を水冷するとともに、冷却水の上面から露出した伝熱管を効率よく空冷できる。
【００２４】
また、この発明によれば、空気流出口は空気流入口よりも高い位置に配置されているので、空気が伝熱管を通過する速度を大きくすることができ、空冷による冷却効率が高められる。
さらに、この発明によれば、空気流入口及び空気流出口には、それぞれ開閉用扉が設けられているので、原子炉の通常運転時における、冷却器内の冷却水の蒸発、外部からの異物の侵入を防止できる。
【００２５】
また、この発明によれば、伝熱管は、全体にわたって、入口側から出口側に向かって下向きに傾斜して配置されているので、蒸気が冷却されて凝縮した２次冷却材は、伝熱管内を重力によって出口側に向かって流れることができる。
さらに、この発明によれば、伝熱管の一部は、他の部分よりも傾斜が急な熱膨張吸収部を備えているので、熱膨張により伝熱管が破損することがない。
また、この発明によれば、伝熱管群は、複数設けられ、２つの蒸気発生器にそれぞれ接続され得る第１及び第２の伝熱管群に区分され、第１の伝熱管群と第２の伝熱管群とは、鉛直方向及び水平方向にそれぞれ交互に配置されているので、２つの蒸気発生器において、１次冷却材をバランスよく冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態に係る原子炉用冷却器が用いられた冷却系統一体型原子炉の崩壊熱除去装置の構成を示す配置図である。
【図２】実施の形態に係る原子炉用冷却器の側面断面図である。
【図３】実施の形態に係る原子炉用冷却器の正面図である。
【図４】実施の形態に係る原子炉用冷却器の平面図である。
【図５】従来の原子炉用冷却器の水冷時の構造を示す側面図である。
【図６】従来の原子炉用冷却器の空冷時の構造を示す側面図である。
【符号の説明】
１０…冷却器、１２…１次冷却水、１３…炉心、１４…蒸気発生器、１５…２次冷却材、２１…空気流入口、２２…空気流入通路（第２の縦通路）、２３…空気流出口、２４…空気流出通路（第１の縦通路）、２５…仕切部材、２５ａ…仕切部材の下端、２６…連通部、２８…開閉用扉、３３ａ，３３ｂ…伝熱管群、３４…伝熱管、３６…熱膨張吸収部、３７…底面、３８…タンク水（冷却水）。
【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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