(57)【要約】【課題】原子炉内での旋回流の発生を抑制する原子炉の冷却材循環構造を提供する。【解決手段】第１〜第４の冷却材入口ノズル３１〜３４と第１〜第４の冷却材出口ノズル４１〜４４との間には、それぞれ冷却材が原子炉容器２から流出して、再度冷却材が原子炉容器２に導入される１次冷却系の４つのループが形成されている。例えば、第１冷却材出口ノズル４１には、高温側配管２２を介して蒸気発生器２３が接続されている。蒸気発生器２３内には、伝熱管２４が設けられ、伝熱管２４には蒸気発生器２３の出口側配管２５が接続され、出口側配管２５には第１冷却材ポンプ５１が接続され、第１冷却材ポンプ５１は低温側配管３０を介して第１冷却材入口ノズル３１に接続されている。冷却材ポンプ５１〜５４の吐出流量性能は、第１冷却材ポンプ５１、第４冷却材ポンプ５４、第３冷却材ポンプ５３、第２冷却材ポンプ５２の順に、吐出流量が大きくなっている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉容器の一端に冷却材の主流発生軸線を挟んで配置された第１及び第２の冷却材入口ノズルと、
原子炉容器の他端に冷却材の主流発生方向軸線を挟んで配置された第３及び第４の冷却材入口ノズルと、
第１および第４の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第１の冷却材供給手段と、
第２および第３の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第２の冷却材供給手段とを備え、
第１および第３の冷却材入口ノズルが、主流発生方向軸線に対して同じ側に配置されるとともに、
第１および第２の冷却材供給手段の冷却材供給流量がそれぞれ異なることを特徴とする原子炉の冷却材供給構造。
【請求項２】
第１の冷却材供給手段は、第１および第４の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第１および第４の冷却材ポンプであり、
第２の冷却材供給手段は、第２および第３の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第２および第３の冷却材ポンプであり、
第１及び第４の冷却材ポンプの吐出流量が、第２及び第３の冷却材ポンプの吐出流量よりも大きい請求項１に記載の原子炉の冷却材供給構造。
【請求項３】
第１の冷却材供給手段は、第１および第４の冷却材入口ノズルに接続される第５の冷却材ポンプであり、
第２の冷却材供給手段は、第２および第３の冷却材入口ノズルに接続される第６の冷却材ポンプであり、
第５の冷却材ポンプの吐出流量が、第６の冷却材ポンプの吐出流量よりも大きい請求項１に記載の原子炉の冷却材供給構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子炉の１次冷却系の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉の１次冷却系の冷却材の流れに関する、従来技術として、特許文献１〜３がある。
図１および図４〜図６に基づいて、従来の加圧水型原子炉の原子炉容器内の冷却材流れの様子を説明する。
冷却材入口ノズル３１，３２，３３，３４及び冷却材出口ノズル４１，４２，４３，４４は、原子炉容器２を下方から見て図１に示されるように配置されている。
説明の便宜のため、図中の上部の一対の冷却材出口ノズル４１，４３が対称な位置となる軸線を角度０°の軸線とし、反時計回りに角度を規定し、各軸の名称として用いる。
０°軸線の一対の冷却材出口ノズル４１，４３の反対側には、１８０°軸線に対して対称な位置に、さらに一対の冷却材出口ノズル４２，４４が配置されている。また、９０°軸線に対して対称な位置に、一対の冷却材入口ノズル３１，３２が配置され、２７０°軸線に対して対称な位置に、さらに一対の冷却材入口ノズル３３，３４が配置されている。
【０００３】
隣接する一組の冷却材出口ノズル及び冷却材入口ノズルには、それぞれ、蒸気発生器２３及び冷却材ポンプが接続され、４つの１次冷却系のループが形成されている。
ここで、冷却材ポンプの吐出量は、同一の吐出量を有するのが一般的である。
【０００４】
原子炉の内部の構造を示す図４に示されるように、原子炉容器２は、着脱自在の蓋により上部開口が閉じられ、そこから炉心槽４が垂下支持されている。炉心槽４の下部には水平な下部炉心板４ａに支持された炉心１３を構成する多数の燃料集合体１５が下部炉心板４ａ上に並べられている。
また、原子炉容器２と炉心槽４との間には、冷却材１が流れる環状の流路であるダウンカマー部５が画設されている。
ダウンカマー部５の下部には、炉心槽４を原子炉容器２に対して固定するキー溝構造のラジアルキー部７が設けられている。ラジアルキー部７は、図５に示されるように、０°軸線の位置を基準に６０°おきに６つ配置されている。
図５に戻り、原子炉容器２の底部には、半球面状の下部プレナム８が画設されており、下部炉心支持板１２に連結した下部炉心支持柱１９が上部連接板１１、下部連接板１０に連絡している。
【０００５】
図４において、冷却材１は、原子炉容器２と炉心槽４との間のダウンカマー部５内を下向きに下降流６として流れる。下降流６は、ラジアルキー部７を通過し下部プレナム８に至る。冷却材１は、下部プレナム８の球面状の内面９により向きを変えられ上昇し、下部連接板１０、上部連接板１１および下部炉心支持板１２等を通過した後、炉心１３に流入する。炉心１３に流入した上昇流１４は、炉心１３内の燃料集合体１５で発生する熱エネルギーを吸収して高温となり、上部プレナム１６の冷却材出口ノズル４３等から原子炉容器２の外部に流出する。
【０００６】
原子炉容器２の外部に流出した冷却材１は、図１に示されるように、高温側配管２２を通って蒸気発生器２３に入り、伝熱管２４を通して熱を２次側の冷却系に渡す。熱を奪われ低温になった冷却材１は、蒸気発生器２３の出口側配管２５を介して冷却材ポンプに入り、冷却材ポンプから低温側配管３０を介して再度送り出され原子炉容器２内に戻される。ここで、それぞれの冷却材ポンプは、ほぼ同一の吐出流量で冷却材１を原子炉容器２内に送り出す。
【０００７】
図６（ａ）、（ｂ）は、下部プレナム８における冷却材１の流れの様子を示す図であり、下部プレナム８の下方から見た図である。
冷却材入口ノズル３から流入した冷却材１は、ダウンカマー部５において一部が周方向に分散しながらダウンカマー部５を下降する。
冷却材１の流れは、冷却材入口ノズル３からほぼ鉛直方向にダウンカマー部５を下降し、下部連接板１０のリング部２１と下部プレナム８の内面９との間を通って下部プレナム８の中心側に流れ込む主流２６，２７と、ダウンカマー部５において周方向に分散する分散流とに分類できる。
分散流の一部は、下降途中でラジアルキー部７に衝突し、ラジアルキー部７で左右に分離した剥離流２８，２９を形成し、同じく下部連接板１０と下部プレナム８の内面９との間を通って下部プレナム８の内側に流れ込む。
【０００８】
図６（ａ）は、下部連接板１０の下方の剥離流２８、２９の流れと、剥離流２８，２９により、ラジアルキー部７の周辺に小渦、すなわち剥離による物体後流剥離渦が発生している様子を示している。
図６（ｂ）は、９０°軸線側及び２７０°軸線側からそれぞれ流れ込むに主流２６，２７が下部連接板１０の中心付近で衝突し、その後衝突流として０°軸線及び１８０°軸線側に分離して流れ、ラジアルキー部７付近に到達したときの様子を示している。ここで、冷却水１は高レイノルズ数における乱流の状態で炉内を流れている。すなわち、ランダム的な速度の乱れを有して流れている。
【０００９】
【特許文献１】
特許第２９９９１２４号公報（第２−３頁、図３、図４）
【特許文献２】
特許第３１９３５３２号公報（第３−４頁、図２、図３）
【特許文献３】
特開平８−６２３７２号公報（第２−２頁、図４）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
衝突後の主流２６，２７と剥離流２８，２９は、ランダムな変動成分を持ちながら流れ、また、主流はその衝突の不安定性により流れる方向にもランダム性・任意性がある。ここで、図６（ｂ）に示すように、衝突流（主流）が０°、１８０°軸線方向に流れて剥離流と合流すると、より複雑な流れを構成する。乱流の特性上、流れの中では小さな渦が生成・消滅を繰り返しているが、このランダムな変動成分を有する乱流流れの中で、流れの合流の仕方によっては、小さな渦が安定あるいは発展する可能性、または物体後流剥離渦と合流して安定あるいは発展する可能性がある。すなわち、剥離流の中に主流２６，２７が入って流れが合成されると、剥離が拡げられ、またランダムな乱流の小渦と剥離渦の合流の仕方によっては、剥離渦が安定あるいは助長する可能性がある。
もし、この様な状態が起こると、上昇して炉心１３の下部炉心板４ａに流入する流量分布に変化をもたらす。原子炉の出力性能に問題はなくても、流量分布の変化をなくすことが原子炉の安定した管理のためには望ましい。
【００１１】
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、流量分布の変化をなくして原子炉の安定した管理を行いやすい、原子炉の冷却材循環構造を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る原子炉の冷却材供給構造は、原子炉容器の一端に冷却材の主流発生軸線を挟んで配置された第１及び第２の冷却材入口ノズルと、原子炉容器の他端に冷却材の主流発生方向軸線を挟んで配置された第３及び第４の冷却材入口ノズルと、第１および第４の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第１の冷却材供給手段と、第２および第３の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第２の冷却材供給手段とを備え、第１および第３の冷却材入口ノズルが、主流発生方向軸線に対して同じ側に配置されるとともに、第１および第２の冷却材供給手段の冷却材供給流量がそれぞれ異なることを特徴とするものである。
【００１３】
第１の冷却材供給手段は、第１および第４の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第１および第４の冷却材ポンプであり、第２の冷却材供給手段は、第２および第３の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第２および第３の冷却材ポンプであり、第１及び第４の冷却材ポンプの吐出流量が、第２及び第３の冷却材ポンプの吐出流量よりも大きくなるようにすることができる。
また、第１の冷却材供給手段は、第１および第４の冷却材入口ノズルに接続される第５の冷却材ポンプであり、第２の冷却材供給手段は、第２および第３の冷却材入口ノズルに接続される第６の冷却材ポンプであり、第５の冷却材ポンプの吐出流量が、第６の冷却材ポンプの吐出流量よりも大きくなるようにすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この実施の形態１に係る原子炉の１次冷却材の循環構造を示す模式図であり、従来技術に対して吐出量の異なる第１，第２，第３，第４の冷却材ポンプ５１，５２，５３，５４を用いた点が異なるものである。
また、原子炉内の構造は図４で説明した従来の構造と同一である。
図１に示されるように、９０°−２７０°軸線を挟んで対称な位置であって原子炉容器２の一端に、第１冷却材入口ノズル３１及び第２冷却材入口ノズル３２が配置されている。原子炉容器２の他端には、同じく９０°−２７０°軸線を挟んで対称な位置に、第３冷却材入口ノズル３３及び第４冷却材入口ノズル３４が配置されている。ここで、９０°−２７０°軸線は、下部プレナム８内を中心に向かって流れる主流の流れ方向である主流発生軸線を構成する。
【００１５】
また、第１冷却材入口ノズル３１及び第３冷却材入口ノズル３３、並びに第２冷却材入口ノズル３２及び第４冷却材入口ノズル３４は、０°−１８０°軸線を挟んで対向してそれぞれ配置されている。
また、０°−１８０°軸線を挟んで対称な位置であって０°側には、第１冷却材出口ノズル４１及び第３冷却材出口ノズル４３が配置されている。同じく０°−１８０°軸線を挟んで対称な位置であって１８０°側には、第２冷却材出口ノズル４２及び第４冷却材出口ノズル４４が配置されている。ここで、０°−１８０°軸線は、ラジアルキー部７に起因する剥離流が発生する方向である剥離流発生軸線を構成する。
【００１６】
第１〜第４の冷却材入口ノズル３１〜３４と第１〜第４の冷却材出口ノズル４１〜４４との間には、それぞれ冷却材１が原子炉容器２から流出して、再度冷却材１が原子炉容器２に導入される１次冷却系の４つのループが形成されている。
例えば、第１冷却材出口ノズル４１には、高温側配管２２を介して蒸気発生器２３が接続されている。蒸気発生器２３内には、伝熱管２４が設けられている。伝熱管２４には蒸気発生器２３の出口側配管２５が接続されている。出口側配管２５には、第１冷却材ポンプ５１が接続され、第１冷却材ポンプ５１は、低温側配管３０を介して第１冷却材入口ノズル３１に接続されている。
【００１７】
各ループの構成は、冷却材ポンプ５１〜５４の吐出流量性能のみ異なる。
冷却材ポンプ５１〜５４の吐出流量性能は、第１冷却材ポンプ５１、第４冷却材ポンプ５４、第３冷却材ポンプ５３、第２冷却材ポンプ５２の順に、吐出流量が大きくなっている。例えば、第１冷却材ポンプ５１の吐出流量を１０２の大きさとしたとき、第４冷却材ポンプ５４は１０１、第３冷却材ポンプ５３は９９、第２冷却材ポンプ５２は９８である。
ここで、第１冷却材ポンプ５１および第４冷却材ポンプ５４は、第１の冷却材供給手段を構成し、第２冷却材ポンプ５２および第３冷却材ポンプ５３は、第２の冷却材供給手段を構成する。
【００１８】
次に、実施の形態に係る原子炉の冷却材循環構造によって、原子炉の内部を冷却材がどのように流れるか図１及び２に基づいて説明する。
第１冷却材ポンプ５１から吐出して第１冷却材入口ノズル３１を介してダウンカマー部５内を鉛直に下降した冷却材１の流れは、下部プレナム８では、図２に示されるように、９０°軸線側から下部プレナム８の中心に向かって流入し、最も速い主流３６ａを形成する。
第２冷却材ポンプ５２から吐出し第２冷却材入口ノズル３２を介してダウンカマー部５内を鉛直に下降した冷却材１の流れは、９０°軸線側から下部プレナム８の中心に向かって流入し、最も遅い主流３６ｂを形成する。
第３冷却材ポンプ５３から吐出し第３冷却材入口ノズル３３を介してダウンカマー部５内を鉛直に下降した冷却材１の流れは、１８０°軸線側から下部プレナム８の中心に向かって流入し、２番目に遅い主流３７ａを形成する。
第４冷却材ポンプ５４から吐出し第４冷却材入口ノズル３４を介してダウンカマー部５内を鉛直に下降した冷却材１の流れは、１８０°軸線側から下部プレナム８の中心に向かって流入し、２番目に速い主流３７ｂを形成する。
【００１９】
ここで、主流３６ａと主流３７ａとの衝突する位置Ｃ１は、主流３６ａが主流３７ａより速いため、中心に対し２７０°側にずれる。主流３６ｂと主流３７ｂとの衝突する位置Ｃ２は、主流３７ｂが主流３６ｂより速いため、９０°側にずれることになる。
【００２０】
さらに、ダウンカマー部５において周方向に分散した分散流の一部は、下降途中でラジアルキー部７に衝突し、ラジアルキー部７で左右に分離した剥離流３８及び３９が形成され、それぞれ０°軸線側及び１８０°軸線側から下部プレナム８の中心からずれた方向に向かって流れ込む。
このように、主流同士の流量・運動エネルギーをアンバランスにして、衝突位置Ｃ１，Ｃ２をずらし、主流の流れの対称性を崩して、衝突後の流れに方向性を与えることにより主流と剥離流の合成を妨げ、流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに、剥離流の剥離を小さくして剥離渦の助長を防ぐことができる。また、冷却材１が炉心１３に均一な流量で流れ込み、炉心１３の出力が変動することがなく、冷却材１の流れの圧力損失が増加することもない。
【００２１】
なお、第１〜第４の冷却材ポンプ５１〜５４の吐出流量が上述した大小関係を満たすようなものであれば、性能の異なる第１〜第４の冷却材ポンプを別個に製造してもよい。また、同一仕様の冷却材ポンプにおける製造ばらつきを利用して、冷却材ポンプ単体での吐出流量性能を測定して、上述した大小関係になるように、第１〜第４冷却材ポンプ５１〜５４を選択して、各冷却系ループに組み付けてもよい。第１〜第４冷却材ポンプ５１〜５４の製作公差の範囲における流量の差を利用して、このような渦抑制に効果的な流量バランスを構成することもできる。
また、第１〜第４冷却材ポンプ５１〜５４のいずれかひとつのみの吐出流量を大きくあるいは小さくして、主流の流れの対称性を崩すようにしてもよい。
【００２２】
実施の形態２．
図３は、この実施の形態２に係る原子炉の１次冷却材の循環構造を示す模式図であり、実施の形態１に係る１次冷却材の循環構造に対して、４つの冷却材ポンプ５１〜５４の代わりに、２つの冷却材ポンプ５５、５６を用いた点が異なるものである。
第５冷却材ポンプ５５は、第１冷却材入口ノズル３１および第４冷却材入口ノズル３４に接続され、第６冷却材ポンプ５６は、第２冷却材入口ノズル３２および第３冷却材入口ノズル３３に接続される。
吐出流量性能については、第５冷却材ポンプ５５の方が第６冷却材ポンプ５６よりも大きくなっている。例えば、第５冷却材ポンプ５５の吐出流量を１０２の大きさとしたとき、第６冷却材ポンプ５６は９８である。
このように構成することによっても、図２に示されるように、主流同士の衝突位置Ｃ１，Ｃ２をずらし、主流の流れの対称性を崩すことによって流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに剥離渦の助長を防ぐことができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、第１および第４の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第１の冷却材供給手段と、第２および第３の冷却材入口ノズルに冷却材を供給する第２の冷却材供給手段とを備え、第１および第３の冷却材入口ノズルが、主流発生方向軸線に対して同じ側に配置されるとともに、第１および第２の冷却材供給手段の冷却材供給流量がそれぞれ異なるので、下部プレナムにおける主流の流れの対称性を崩して、流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに剥離流の助長を防止し、流量分布の変化をなくして、原子炉の安定した管理を行いやすくすることができる。
請求項２に記載の発明によれば、第１の冷却材供給手段は、第１および第４の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第１および第４の冷却材ポンプであり、第２の冷却材供給手段は、第２および第３の冷却材入口ノズルに対応してそれぞれ接続される第２および第３の冷却材ポンプであり、既存に使用している４つのポンプの吐出容量を変えるだけで、主流の流れの対称性を崩して流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに剥離流の助長を防止できる。
請求項３に記載の発明によれば、第１の冷却材供給手段は、第１および第４の冷却材入口ノズルに接続される第５の冷却材ポンプであり、第２の冷却材供給手段は、第２および第３の冷却材入口ノズルに接続される第６の冷却材ポンプであり、既存の４つのポンプを統合の上、吐出容量を変えるだけで、主流の流れの対称性を崩して流れのランダム性・複雑さを緩和するとともに剥離流の助長を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態１に係る原子炉の冷却材循環構造を模式的に示す図である。
【図２】実施形態１に係る原子炉の冷却材循環構造を用いた場合の、原子炉内の下部連接板の下方の流れを模式的に示す、下部プレナムの下方から見た平面図である。
【図３】この発明の実施形態２に係る原子炉の冷却材循環構造を模式的に示す図である。
【図４】従来の原子炉の炉内構造を示す立断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う平断面図である。
【図６】図４の下部連接板の下方の流れを模式的に示す図であり、（ａ），（ｂ）は下部プレナムの下方から下部連接板を見た図である。
【符号の説明】
１  冷却材、２  原子炉容器、３１  第１冷却材入口ノズル、３２  第２冷却材入口ノズル、３３  第３冷却材入口ノズル、３４  第４冷却材入口ノズル、５１  第１冷却材ポンプ、５２  第２冷却材ポンプ、５３  第３冷却材ポンプ、５４  第４冷却材ポンプ、５５  第５冷却材ポンプ、５６  第１冷却材ポンプ。
【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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