(57)【要約】原子炉用の蒸気発生器は、炉容器のライザー塔底部と交差する第１平面に近接するプレナムを含む。蒸気発生器はさらに、第１平面と近似的に平行であって炉容器のライザー塔頂部と交差する第２平面に近接するプレナムを含む。蒸気発生器はさらに、第１平面に近接して配置されたプレナムから第２平面に近接するプレナムの一つへ冷却材を送達する複数の蒸気発生器管を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉蒸気発生器であって、
炉容器の塔の底部と交差する第１平面に近接する３つ以上のプレナムと、
前記第１平面と近似的に平行であって前記塔の頂部と交差する第２平面に近接する３つ以上のプレナムと、
前記第１平面に近接して配置された３つ以上のプレナムの一つから前記第２平面に近接する３つ以上のプレナムの少なくとも一つへの冷却材流路を形成する複数の蒸気発生管と
を含む原子炉蒸気発生器。
【請求項２】
前記３つ以上のプレナムは、前記塔のまわりに近似的に９０度おきに配向された前記第１平面に近接する４つのプレナムを含む請求項１の原子炉蒸気発生器。
【請求項３】
前記３つ以上のプレナムは、前記塔のまわりに近似的に９０度おきに配向された前記第２平面に近接する４つのプレナムを含む請求項１の原子炉蒸気発生器。
【請求項４】
前記第１平面に近接する４つのプレナムはそれぞれ、前記第２平面に近接する４つのプレナムの一つの直上に存在する請求項３の原子炉蒸気発生器。
【請求項５】
前記塔は、近似的に円形の断面を含むライザーに対応する請求項１の原子炉蒸気発生器。
【請求項６】
前記第１平面に近接する３つ以上のプレナムの少なくとも一つ又は前記第２平面に近接する３つ以上のプレナムの少なくとも一つは、前記塔の中央部分に向かって面する近似的に平坦な管板を含む請求項１の原子炉蒸気発生器。
【請求項７】
前記近似的に平坦な管板は複数の穿孔を含み、
前記穿孔は、炉容器壁に近い方の縁近傍よりも前記塔に近い方の縁近傍で低密度である請求項６の原子炉蒸気発生器。
【請求項８】
前記複数の穿孔の少なくともいくつかは、蒸気発生管の入口圧力を低減するオリフィスを含む請求項７の原子炉蒸気発生器。
【請求項９】
前記複数の穿孔の少なくともいくつかに含まれたオリフィスは、前記第１平面に配置された第１プレナムと前記第２平面に配置された第２プレナムとの間に延びる蒸気発生器配管の長さによってもたらされる圧力降下全体の少なくとも１５．０％の圧力降下を導入する請求項８の原子炉蒸気発生器。
【請求項１０】
前記複数の蒸気発生管の所定の一方が前記複数の蒸気発生管の所定の他方と交互に配置される請求項１の原子炉蒸気発生器。
【請求項１１】
原子炉蒸気発生器であって、
ライザー塔のまわりに一平面内に設けられた３つ以上のプレナムを有する頂部を含み、
前記３つ以上のプレナムの少なくとも一つのプレナムが、前記蒸気発生器の底部に面する近似的に平坦な管板を含み、
前記少なくとも一つのプレナムの近似的に平坦な管板は、複数の穿孔を含み、
前記複数の穿孔は、前記少なくとも一つのプレナムの内側縁近くの領域と前記少なくとも一つのプレナムの外側縁近くの領域との間で密度が変化する原子炉蒸気発生器。
【請求項１２】
前記穿孔の密度は、前記少なくとも一つのプレナムの内側縁近くの領域における少数から前記少なくとも一つのプレナムの外側縁近くの多数まで変化する請求項１１の原子炉蒸気発生器。
【請求項１３】
前記複数の穿孔は複数の同心円弧に配列される請求項１１の原子炉蒸気発生器。
【請求項１４】
前記複数の穿孔の各穿孔は直径が１５．０から２０．０ｍｍである請求項１１の原子炉蒸気発生器。
【請求項１５】
原子炉を運転する方法であって、
３つ以上のプレナムの第１群から複数の流路へ作動流体を送達することと、
前記複数の流路の少なくともいくつかにおいて前記作動流体を蒸発させることであって、前記蒸発させることは少なくとも部分的に、炉冷却材から前記複数の流路の少なくともいくつかへの熱エネルギーの結合によってもたらされることと、
蒸発した冷却材を３つ以上のプレナムの第２群へ移送することと
を含む方法。
【請求項１６】
前記送達することはさらに、前記作動流体の圧力を低減することを含む請求項１５の方法。
【請求項１７】
前記作動流体は、第１平面に配置された３つ以上のプレナムの群の第１プレナムと第２平面に配置された３つ以上のプレナムの群の第２プレナムとの間に延びる流路によって少なくとも部分的にもたらされる圧力降下全体の少なくとも１５．０％の量だけ圧力が低減される請求項１６の方法。
【請求項１８】
前記送達することはさらに、前記３つ以上のプレナムの第１群の少なくとも一つのプレナムの近似的に平坦な管板を通して前記作動流体を前記複数の流路に結合することを含む請求項１５の方法。
【請求項１９】
移送することはさらに、前記３つ以上のプレナムの第２群の少なくとも一つの近似的に平坦な管板を通して前記作動流体を前記３つ以上のプレナムの第２群へ移送することを含む請求項１５の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子炉の蒸気発生器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉において、核物質の炉心が、反応を生じさせるべく炉内部の小体積に閉じ込められる。多くの例では、制御された核反応が、炉心の燃料交換が必要となる前に、数年のような長期間にわたり持続し得る。したがって、適切に設計された原子炉は、水を蒸気に変換するための熱源として使用される場合、無炭素の安定かつ高信頼性のエネルギー源を与えることができる。
【０００３】
原子炉は、水のような作動流体を利用する。この作動流体は、大気圧よりも著しく上の圧力で蒸気に変換される。加圧された蒸気はその後、機械エネルギーを電流に変換するタービンを駆動するべく使用される。蒸気はその後、凝縮して再び水となって炉へと戻される。多くの原子炉では、作動流体の蒸発、凝縮及び蒸発のサイクルが日ごとに及び年ごとに連続する。
【０００４】
このように、原子炉の重要な特徴は、入力側で液体冷却材を受け入れ、その冷却材を原子炉の熱源にさらすことにより蒸発させ、及びその蒸発した冷却材をタービンに入力する蒸気発生器ということになる。したがって、蒸気発生器の効率、製造容易性、性能及び安全機能は、継続した調査、分析及び評価の領域を代表している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０４７４３８（Ａ１）号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０３１６１８１（Ａ１）号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０１１４７０５（Ａ１）号明細書
【特許文献４】特開２００１−１８８０９３号公報
【特許文献５】国際公開第２０１１／０９７５９７（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【０００６】
いくつかの実施形態において、原子炉用の蒸気発生器は、炉容器の塔の底部と交差する第１平面に近接する３つ以上のプレナムを含む。蒸気発生器はさらに、第１平面と近似的に平行であって当該塔の頂部と交差する第２平面に近接する３つ以上のプレナムを含む。蒸気発生器はさらに、第１平面に近接して配置された３つ以上のプレナムの一つから第２平面に近接する３つ以上のプレナムの少なくとも一つへ冷却材を送達する流路からの複数の蒸気発生管を含む。
【０００７】
他の実施形態において、蒸気発生器の頂部は、ライザー塔のまわりに近似的に９０度おきに一平面内に設けられた３つ以上のプレナムを含む。３つ以上のプレナムの少なくとも一つのプレナムは、蒸気発生器の底部に面する近似的に平坦な管板を含む。少なくとも一つのプレナムの近似的に平坦な管板は複数の穿孔を含む。複数の穿孔は、少なくとも一つのプレナムの内側縁近くの領域と少なくとも一つのプレナムの外側縁近くの領域との間で密度が変化する。
【０００８】
他の実施形態において、原子炉を操作する方法は、３つ以上のプレナムの第１群から複数の流路へ作動流体を送達することと、当該複数の流路の少なくともいくつかにおいて当該作動流体を蒸発させることとを含む。その蒸発は少なくとも部分的に、炉冷却材から当該複数の流路の当該少なくともいくつかへの熱エネルギーの結合によってもたらされる。方法はさらに、蒸発した冷却材を３つ以上のプレナムの第２群へ移送することを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
以下の図面を参照して非限定的かつ非網羅的な態様が説明される。
【００１０】
【図１】一例の実施形態に係る蒸気発生器を用いた原子炉モジュールの図である。
【図２】一例の実施形態に係る蒸気発生器を、近似的に円筒状のライザー塔まわりの二等角斜視図で示す。
【図３】一例の実施形態に係る蒸気発生器を、近似的に円筒状のライザー塔まわりの底面図で示す。
【図４】一例の実施形態に係る原子炉用蒸気発生器に使用されるプレナムの詳細を示す。
【図５】一例の実施形態に係る原子炉用蒸気発生器に使用されるプレナムの上面図を示す。
【図６】一例の実施形態に係る原子炉の蒸気発生器に使用されるプレナムの管板穿孔に使用されるオリフィスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
原子炉に使用される蒸気発生器の様々なシステム及び配列が記載される。複数の実装において、４つのプレナムを含む一群のプレナムが、原子炉の近似的に円筒状のライザー塔の底部まわりに９０度の増分で第１平面内に配列される。４つのプレナムを含む第２群のプレナムが、原子炉の円筒状の塔の頂部まわりに９０度の増分で第２平面内に配列される。円筒状のライザー塔の頂部及び底部双方に配置されたプレナムは、当該複数の蒸気発生器管の一つに結合することが許容された穿孔を有する実質的に又は近似的に平坦な管板を含む。いくつかの実施形態において、円筒状のライザー塔の底部に近接するプレナムの穿孔の少なくともいくつかの中にオリフィスが設けられる。オリフィスの存在により少なくとも部分的に、ライザーの底部において流体がプレナムから上方に流れるにつれて圧力低下が生じる。
【００１２】
一定の他の実施形態において、３つのプレナムが、原子炉の近似的に円筒状のライザー塔の底部まわりに１２０度で第１平面内に配列される。３つのプレナムを含む第２群のプレナムが、原子炉の円筒状のライザー塔の頂部まわりに１２０度で第２平面内に配列される。円筒状のライザー塔の頂部及び底部双方に配置されたプレナムは、複数の蒸気発生器管の一以上に結合することが許容された穿孔を有する実質的に又は近似的に平坦な管板を含む。複数の蒸気発生器管は、円筒状のライザー塔の底部に配置されたプレナムと頂部に配置されたプレナムとの間に流路を形成する。いくつかの実施形態において、円筒状のライザー塔の底部に近接して配置されたプレナムの少なくともいくつかの穿孔の中にオリフィスが設けられる。オリフィスの存在により少なくとも部分的に、ライザーの底部において流体がプレナムから上方に流れるにつれて圧力低下が生じる。
【００１３】
一定の実施形態において、プレナムの近似的に平坦な管板の一以上における穿孔は、円筒状のライザー塔に近いプレナムの縁近傍では密度が低く（例えば管板の単位面積当たりの数が少なく）、かつ、蒸気発生器を封入する炉容器の外壁の近くでは密度が高い（例えば単位面積当たりの数が多い）。近似的に平坦な管板における穿孔の当該密度変化により、炉容器内の一次流体から蒸気発生器管内の二次作動流体への近似的に均一の熱結合がもたらされる。
【００１４】
ここに使用されるように、かつ、以下のセクションにおいて詳細に記載されるように、本発明のいくつかの実施形態は様々な原子炉技術を含む。すなわち、複数の実装が、酸化ウラン、水素化ウラン、窒化ウラン、炭化ウラン、混合酸化物及び／又は他のタイプの放射性燃料を用いる原子炉を含む。留意すべきことだが、実施形態は、任意の特定タイプの炉冷却メカニズムにも、核反応の中で熱を生成するべく用いられ又は核反応に関連する任意の特定タイプの燃料にも限られない。
【００１５】
図１は、一例の実施形態に係る蒸気発生器を用いた原子炉モジュールの図である。図１において、炉心５は、円筒形状又はカプセル形状の炉容器２０の底部に位置決めされる。炉心５は、例えば数年のような期間にわたって生じる制御された反応を起こす一定量の核分裂性物質を含む。図１には明示的に示されていないが、制御棒は、炉心５内の核分裂速度を制御するべく用いられる。制御棒は、銀、インジウム、カドミウム、ホウ素、コバルト、ハフニウム、ジスプロシウム、ガドリニウム、サマリウム、エルビウム及びユーロピウム又はこれらの合金及び化合物を含む。しかしながら、これらは単に、多くの可能な制御棒材料のいくつかにすぎない。
【００１６】
複数の実装において、円筒形状又はカプセル形状の格納容器１０が炉容器２０を取り囲む。格納容器は、水又は他の流体冷却材のプール内に部分的に又は完全に浸されている。炉容器２０と格納容器１０との間の体積は、炉容器２０から外部環境への熱伝達を低減するべく部分的に又は完全に排気される。しかしながら、他の実施形態において、炉容器２０と格納容器１０との間の体積は、炉容器と格納容器との間の熱伝達を増加させる気体及び／又は流体によって少なくとも部分的に充填されてもよい。
【００１７】
特定の実装において、炉心５は、例えばホウ素又は他の添加物を含む水のような流体の中に部分的に又は完全に浸される。流体は炉心表面との接触後に上昇する。図１において、加熱された冷却材の上方の動きが、炉心５の上の矢印１５によって表されている。冷却材は、少なくとも部分的に又は近似的に円筒形状のライザー塔３０を通って上方に進行して蒸気発生器４０及び４２の頂上を超え、そして、対流により炉容器２０の内側壁に沿って下方に引き戻される。こうして、冷却材は蒸気発生器４０及び４２に熱を付与することができる。炉容器の底部に到達した後、炉心５との接触により、矢印１５によって象徴されるように冷却材の加熱がもたらされる。
【００１８】
図１では蒸気発生器４０及び４２が別個の要素として示されているが、蒸気発生器４０及び４２は、円筒状の形状を含むライザー塔３０まわりに巻きつけられた一定数のらせんコイルを表してもよい。もう一つの実装において、他の一定数のらせんコイルが、ライザー塔３０の上側部分に反対方向に巻きつけられる。例えば、第１らせんコイルが反時計回り方向に巻きつけられる一方、第２らせんコイルが時計回り方向に巻きつけられる。しかしながら、異なった構成の及び／又は異なった配向の熱交換器の使用が妨げられるわけではないので、実施形態がこの点に限られるわけではない。さらに、流体線７０が蒸気発生器４０及び４２の上側部分の直上に位置決めされるように示されているが、他の実装では、炉容器２０はこれよりも少ない又は多い量の冷却材を含む。
【００１９】
図１において、原子炉の通常運転が、加熱された冷却材がライザー塔３０によって画定されるチャネルを通って上昇しかつ蒸気発生器４０及び４２と接触する態様で進められる。冷却材は、蒸気発生器４０及び４２との接触後、矢印２５によって示される熱サイフォン過程を引き起こす態様で炉容器２０の底に向かって沈む。図１の例において、炉容器２０内の冷却材は圧力が大気圧よりも高いままであり、それゆえ冷却材は蒸発（すなわち沸騰）なしで高温に維持される。蒸気発生器４０及び４２内の冷却材の温度が増加すると、冷却材は沸騰を開始する。沸騰が開始すると、蒸発した冷却材は、熱交換器４０及び４２の頂部から引き回されてタービン８０及び８２の一以上を駆動する。タービン８０及び８２は、蒸気の熱ポテンシャルエネルギーを電気エネルギーに変換する。冷却材は凝縮後、熱交換器４０及び４２の底部まで戻る。
【００２０】
プレナム８５が、図１の蒸気発生器４０及び４２の入力ポートに配置される。いくつかの実施形態において、プレナム８５は、タービン８０／８２からの冷却材を蒸気発生器４０／４２に結合させる近似的に平坦な管板を含む。ライザー塔３０の下側部と交差する第１水平面に近接して配置されたプレナム８５の少なくとも一つは、ライザー塔３０の上側部と交差する平面に向かって上方に面する近似的に平坦な管板を含む。ライザー塔３０の上側部と交差する第２水平面に近接して配置されたプレナム８７の少なくとも一つは、ライザー塔３０と交差する平面の下側部に向かって面する近似的に平坦な管板を含む。
【００２１】
図２は、一例の実施形態に係る蒸気発生器を、近似的に円筒状のライザー塔まわりの二等角斜視図で示す。図２において、密接な間隔に置かれた管のいくつかの層を含む流路が、プレナム１００とプレナム１２０との間にらせん状に延びていることわかる。いくつかの実施形態において、プレナム１００は、平面１０５のような第１平面内で、ライザー塔を取り囲む近似的に円筒状の形状まわりに９０度おきに離間される。プレナム１００及びプレナム１２０は双方とも、蒸気発生器１１０の中央セクションと交差する平面１１５に向かって面する近似的に平坦な管板を含む。図２において、プレナム１００及び１２０間に延びる管は、近似的に２４．０から３０．０メートルの長さを含む。一定の実装において、平面１０５に近接する３つ以上のプレナム及び平面１２５に近接する３つ以上のプレナムにより少なくとも部分的に、例えばプレナム１２０の一つとプレナム１００の一以上との間に流路を形成する蒸気発生器管それぞれの長さのばらつきを所定しきい値まで低減することができる。
【００２２】
しかしながら、他の実装では、プレナム１００と１２０との間にもう一つの流路を形成する蒸気発生器管が、２２．０メートル、２０．０メートル、１８．０メートル及び他の例示的長さのような２４．０メートル未満の長さを含み得ることに留意すべきである。さらに他の実装では、プレナム１００と１２０との間に延びる管は、３２．０メートル、３５．０メートル、４０．０メートル及び他の例示的長さのような３０．０メートルを超える長さを含む。さらに、本発明の実装及び実施形態がこの点に限られないことを理解すべきである。
【００２３】
ライザー塔の底部近くの平面１２５内に近似的に配置されたプレナム１２０もまた、９０度おきに離間される。図２において、プレナム１００及び１２０は双方とも、近似的に平坦な管板を含む。各管板は、プレナムから蒸気発生器１１０の管へと冷却材を結合する穿孔を含む。図２の実施形態では、平面１０５に近接する各プレナム１００は、平面１２５に近接する複数のプレナム１２０のうち対応するプレナムの近似的に上又は直上に示される。しかしながら、複数のプレナム１００の一以上が平面１０５内をプレナム１２０に対して回転することが妨げられるわけではない。
【００２４】
いくつかの実施形態において、管板は、蒸気発生器１１０の管に結合される１５．０から２０．０ｍｍの直径を有する穿孔を含む。しかしながら、他の実施形態は、直径が１２．０ｍｍ、１０．０ｍｍ又はこれらより小さいような、１５．０ｍｍ未満の穿孔を有する管板を使用する。加えて、一定の他の実施形態は、２５．０ｍｍ、３０．０ｍｍ、３５．０ｍｍ等の例示的直径のような、２０．０ｍｍより大きな直径の穿孔を有する管板を使用する。
【００２５】
図３は、一例の実施形態に係る蒸気発生器を、近似的に円筒状のライザー塔まわりの底面図で示す。図３において、プレナム２２０は、例えば図１のライザー塔３０を表す近似的に円形状のまわりに、例えば近似的に９０度おきに離間される。図３はまた、ライザー塔を取り囲む蒸気発生器管の様々な同心層も示す。
【００２６】
図４は、一例の実施形態に係る原子炉用蒸気発生器に使用されるプレナムの上面図を示す。図４において示されるのは、蒸気発生器の個々の管に結合されるのに適した穿孔を有する近似的に平坦な管板である。図４の穿孔は同心の円弧に配列される。外側縁２６０のような外側縁に向かって、内側縁２５０（例えば低密度）よりも単位面積当たり多数（例えば高密度）の穿孔が存在する。図５において、縁２５０は、円筒状のライザー塔に近い方のプレナムの一部分に対応する。外側縁２６０は、図１の炉容器２０のような炉容器壁に近い方のプレナムの一部分に対応する。
【００２７】
図５は、一例の実施形態に係る原子炉用蒸気発生器に使用されるプレナムの詳細を示す。図５において、管板３３０は、近似的に平坦に示され、かつ、ライザー塔の縁３３５からの距離が増加するにつれて密度が増加する穿孔を含む。炉容器壁の縁３４０に近い方のプレナム３２０の一部分では、ライザー塔の縁３３５に近い方の管板の一部分よりもかなり高密度の穿孔が存在する。
【００２８】
図６は、一例の実施形態に係る原子炉の蒸気発生器に使用されるプレナムの管板穿孔に使用されるオリフィスを示す。いくつかの実施形態において、オリフィスは、冷却材３５０の圧力を低減するべく使用される。恐らく、蒸気発生器管の長さによってもたらされる圧力降下全体の、例えば少なくとも１５．０％の量だけ低減される。いくつかの実施形態において、冷却材３５０の圧力を低減することにより、例えば起動状態中に特に懸念される圧力安定性を高めることができる。図５の管板３３０の穿孔の少なくともいくつかの中に配置された図６のオリフィスを使用して圧力を安定させることにより、例えば、図１の原子炉モジュールの低出力運転中に特によく見られる湿り蒸気と乾き蒸気との間の瞬間的な振動を低減又はなくすことができる。そして、これにより、例えばタービン８０及び８２の一以上の性能を劣化させ得るような、湿り蒸気が図１のタービン８０及び８２に結合される可能性が低減される。
【００２９】
いくつかの実施形態において、原子炉の運転方法は、恐らくは例えば炉容器の第１平面内に配置された３つ以上のプレナムの第１群から複数の流路へ作動流体を送達することを含む。この送達は、流動不安定性を防止するのに十分な量だけ作動流体の圧力を低減することを含む。一実施形態において、圧力降下のパーセンテージは、第１平面に配置された第１プレナムと第２平面に配置された第２プレナムとの間に延びる蒸気発生器配管の長さによってもたらされる圧力降下全体の少なくとも１５．０％を含む。送達は、３つ以上のプレナムの第１群の少なくとも一つのプレナムの近似的に平坦な管板を通る流路に作動流体を結合することを含む。方法はさらに、当該複数の流路の少なくともいくつかにおいて作動流体を蒸発させることを含む。この蒸発は少なくとも部分的に、炉冷却材から当該流路の少なくともいくつかへ熱エネルギーを結合することによってもたらされる。方法はさらに、蒸発する冷却材を３つ以上のプレナムの第２群へ移送して、恐らくはこれらのプレナムの少なくとも一つの近似的に平坦な管板を通るようにすることを含む。
【００３０】
いくつかの例を例示かつ記載してきたが、当業者には、以下の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な他の修正がなされ及び均等物に置換され得ることが理解される。
【図１】
2015514995.tif 000003
【図２】
2015514995.tif 000004
【図３】
2015514995.tif 000005
【図４】
2015514995.tif 000006
【図５】
2015514995.tif 000007
【図６】
2015514995.tif 000008
【国際調査報告】
2015514995.tif 000009
2015514995.tif 000010