(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器と、該原子炉圧力容器の内部で発生させた蒸気を該原子炉圧力容器の上部の蒸気ドームから外部へ輸送する水平部分を有する蒸気配管と、該蒸気配管に連結して前記蒸気により駆動される高圧タービンとを備えた沸騰水型原子炉において、
前記蒸気配管に通気するように該蒸気配管の水平部分の外周面の下方に付設されたヘルムホルツ共鳴管と、
前記蒸気配管によって輸送される蒸気によって発生する音響共鳴に起因する圧力振動の振幅を検出する圧力センサと、
前記圧力センサによって検出された前記圧力振動の振幅の大きさに応じて前記ヘルムホルツ共鳴管の入口配管の開度を調整する開度調整弁とを備える
ことを特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項２】
前記ヘルムホルツ共鳴管は、前記蒸気配管で輸送される蒸気によって生成されたドレンを貯える共鳴減衰管を備え、
該ヘルムホルツ共鳴管は、
前記共鳴減衰管に貯えられたドレンの水位を検出する水位センサと、
前記水位センサによって検出された前記ドレンの水位が所定の範囲内のレベルに維持されるように該ドレンを排水する水位調節弁とを付設している
ことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項３】
前記ヘルムホルツ共鳴管は、前記蒸気配管で輸送される蒸気によって生成されたドレンをそのまま通過させて排水する共鳴減衰管を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項４】
前記ヘルムホルツ共鳴管及び前記圧力センサは、前記蒸気配管の複数箇所にそれぞれ設置され、所定以上の前記圧力振動の振幅を検出した圧力センサの設置位置に対応するヘルムホルツ共鳴管が、自己の入口配管に付設された開度調整弁の開度を調整する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の沸騰水型原子炉。
【請求項５】
前記ヘルムホルツ共鳴管は、複数の開度調整弁を備え、前記圧力振動の振幅の大きさに応じて前記複数の開度調整弁の開度を順次調整する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の沸騰水型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉に係り、特に、蒸気配管の圧力振動を抑制するのに好適な沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉の発電容量を増大する際に、蒸気流量の増大に伴って蒸気ドームや蒸気配管（以下、これらを総称して主蒸気系という）などの圧力振動が増大し、主蒸気系や各種機器の損傷の要因と考えられる事例が報告されている。そこで、主蒸気系の配管及びバルブや各種機器の損傷を避けるために、主蒸気系の流路形状の適正化や構造強度の増大などの対策が採られており、このような事例及びその対策方法が非特許文献１などに報告されている。
【０００３】
また、例えば、非特許文献２などには、火力発電の分野において、ガスタービン燃焼室の音響振動を減衰させるために、ヘルムホルツ共鳴管を利用した技術が開示されている。
【０００４】
【非特許文献１】NRC SPECIAL INSPECTION REPORT, 50-265/03-11
【非特許文献２】Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, April 2004, Vol.126 P.271-275
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
沸騰水型原子炉における主蒸気系での圧力振動の原因の一つとして、音響共鳴による振動が考えられる。つまり、原子炉圧力容器の蒸気ドームから、蒸気配管を通って高圧タービンに至る主蒸気系では、流体の流量変動に起因して圧力波が発生し、蒸気配管の系内を伝播して反射する。これによって、大振幅を持つ定在波（音響共鳴モード）が形成され、圧力振動の振幅が増幅する（つまり、共鳴振動する）可能性がある。特に、発電容量を増大した発電プラントにおいては、蒸気流量の増大に伴って流体流量の変動が大きくなるため、大きな音響共鳴を生じることがある。このような音響共鳴の現象は、発電プラントの配管構成や境界条件によって影響を受けるために発電プラントごとに振動特性が異なる。そのため、音響共鳴による振動の周波数、振幅、及び最大振幅の位置などを事前に予測することは困難である。そこで、主蒸気系や各種機器の健全性を確保するためには、主蒸気系や各種機器の設計裕度を十分大きく取って設計しておく必要がある。しかしながら、このようにして設計裕度を大きくとることにより、発電プラントの設備コストをさらに高騰させる要因となる。
【０００６】
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、発電プラントの設備コストを増大させることなく、主蒸気系で発生する音響共鳴に伴う圧力振動を効果的に抑制することができる沸騰水型原子炉を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器と、原子炉圧力容器の内部で発生させた蒸気を原子炉圧力容器の上部の蒸気ドームから外部へ輸送する水平部分を有する蒸気配管と、蒸気配管に連結して蒸気により駆動される高圧タービンとを備えた沸騰水型原子炉であって、蒸気配管に通気するように蒸気配管の水平部分の外周面の下方に付設されたヘルムホルツ共鳴管と、蒸気配管によって輸送される蒸気によって発生する音響共鳴に起因する圧力振動の振幅を検出する圧力センサと、圧力センサによって検出された圧力振動の振幅の大きさに応じてヘルムホルツ共鳴管の入口配管の開度を調整する開度調整弁とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の望ましい実施態様としては、ヘルムホルツ共鳴管が蒸気配管で輸送される蒸気によって生成されたドレンを貯える共鳴減衰管を備えている。そして、ヘルムホルツ共鳴管は、この共鳴減衰管に貯えられたドレンの水位を検出する水位センサと、この水位センサによって検出されたドレンの水位が所定の範囲内のレベルに維持されるようにドレンを排水する水位調節弁とを付設している。このような構成において、水位センサが共鳴減衰管に貯えられたドレンの水位を常時検出し、水位調節弁が、水位センサの検出信号に基づいて、共鳴減衰管の空間容積が蒸気配管で発生した音響共鳴を抑制できる最適容積となるように、共鳴減衰管に貯えられたドレンを排水してドレンの水位を適正なレベルに調整している。これによって、蒸気配管で発生した音響共鳴モードに起因する大きな圧力振動は、ヘルムホルツ共鳴管で生成された同一周波数の共鳴波によって抑制される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発電プラントの設備コストを増大させることなく、主蒸気系で発生する音響共鳴に伴う圧力振動を効果的に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
《概要》
本発明の沸騰水型原子炉は、主蒸気系における圧力振動の主たる要因が音響共鳴であることに着目し、その音響共鳴を回避するためにヘルムホルツ共鳴管を用いる。例えば、円筒形の入口配管と共鳴減衰管から成る円筒形状のヘルムホルツ共鳴管を主蒸気系に取り付け、入口配管の断面積又は共鳴減衰管の体積（以下、これらをまとめて共鳴管形状因子という）を可変することによってヘルムホルツ共鳴管の共鳴周波数を変化させる。このようにしてヘルムホルツ共鳴管の共鳴管形状因子を微調整して変化させることにより、ヘルムホルツ共鳴管の共鳴周波数を主蒸気系で発生した音響共鳴の周波数と一致させる。これによって、主蒸気系で発生した音響共鳴の振幅（以下、音響振動という）が減衰し、結果的に主蒸気系で発生した圧力振動を低下させることができる。なお、入口配管と共鳴減衰管の形状は必ずしも円筒形に限る必要はない。
【００１１】
本発明の沸騰水型原子炉では、共鳴管形状因子として共鳴減衰管の体積を変化させることにより、ヘルムホルツ共鳴管の共鳴周波数を主蒸気系の音響共鳴の周波数と一致させている。具体的には、ヘルムホルツ共鳴管を蒸気配管の下部に取り付け、そのヘルムホルツ共鳴管に溜まるドレンの量を調整することによって共鳴減衰管の体積（つまり、共鳴減衰管の空間容積）を変化させ、ヘルムホルツ共鳴管の共鳴周波数を主蒸気系の音響共鳴の周波数と一致させている。つまり、ヘルムホルツ共鳴管を蒸気配管の下部のドレンタンクとして用いることにより、そのドレンタンクのドレン量を調整して共鳴減衰管の空間体積を変化させることにより、ヘルムホルツ共鳴管の共鳴周波数と蒸気配管の音響振動の周波数とを一致させている。
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態による沸騰水型原子炉について詳細に説明するが、まず、音響振動を抑制させるために本発明の沸騰水型原子炉で使用されるヘルムホルツ共鳴管について説明する。
【００１３】
《ヘルムホルツ共鳴管》
図１は、本発明の沸騰水型原子炉で使用するのに好適な円筒形状のヘルムホルツ共鳴管の構造を示す側面図である。図１に示すように、ヘルムホルツ共鳴管１２は、円筒形の入口配管１２１と、やはり円筒形の共鳴減衰管１２２の２つの構成要素から成っている。なお、入口配管１２１と共鳴減衰管１２２の形状は、必ずしも円筒形に限る必要はない。このヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆは、次の（１）式で表わすことができる。
【００１４】
ｆ＝ｃ／（２π）×（Ａｎ／（Ｖ・Ｌｎ））０．５                      （１）
ここで、ｆは共鳴周波数（Ｈｚ）、ｃは音速（ｍ／ｓ）、Ａｎは入口配管１２１の断面積（ｍ２）、Ｖは共鳴減衰管１２２の体積（ｍ３）、Ｌｎは入口配管１２１の長さ（ｍ）である。
【００１５】
図１に示すように、ヘルムホルツ共鳴管１２の入口配管１２１には、一般的に開度調整弁１１が取り付けられている。この開度調整弁１１の開度を調整することによって、入口配管１２１の断面積Ａｎを変化させることが可能であり、（１）式から、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆを可変調整することができることが分かる。
【００１６】
図２は、図１に示す円筒形状のヘルムホルツ共鳴管における共鳴周波数を示す特性図であり、横軸に共鳴減衰管１２２の長さ（Ｌｒ）、縦軸に共鳴周波数（ｆ）を示している。なお、この特性図では入口配管１２１の径Ｄｎをパラメータとしている。図２から分かるように、入口配管１２１の径Ｄｎ、入口配管１２１の長さＬｎ、共鳴減衰管１２２の径Ｄｒ及び共鳴減衰管１２２の長さＬｒ（つまり、共鳴減衰管１２２の体積Ｖ）などによって、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆは変化している。例えば、入口配管１２１の径Ｄｎを変化させることによって共鳴周波数ｆは変化している。したがって、入口配管１２１に設けた開度調整弁１１の開度を変化させることによって、等価的に入口配管１２１の径Ｄｎを変化させ、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆを変化させることができる。通常、配管径に比べて音響共鳴モードの音波長は長いため、共鳴周波数ｆは、開口部の形状によらず、入口配管１２１の開口面積に依存する。そのため、開度調整弁１１の型式に依存されることなく、どのような型式の弁を用いてもヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆを調整することができる。
【００１７】
図２に示した例では、入口配管１２１の径Ｄｎをパラメータとした共鳴減衰管１２２の長さＬｒに対する３つの共鳴周波数特性を示しており、入口配管１２１の径Ｄｎを絞ることで、共鳴周波数ｆは低くなっている。すなわち、１つのヘルムホルツ共鳴管１２において、開度調整弁１１の開度を変化させれば、等価的に入口配管１２１の径Ｄｎを変化させることができ（つまり、入口配管１２１の断面積Ａｎを変化させることができ）、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆを可変調整できることを示している。
【００１８】
また、（１）式から分かるように、入口配管１２１に開度調整弁１１を設けなくても、言い換えれば、入口配管１２１の径Ｄｎ（つまり、入口配管１２１の断面積Ａｎ）を一定にしても、共鳴減衰管１２２の径Ｄｒ又は長さＬｒを変化させることによって（つまり、共鳴減衰管１２２の体積Ｖを変化させることによって）、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆを変化させることができる。そこで、本発明の沸騰水型原子炉で使用するヘルムホルツ共鳴管１２では、共鳴減衰管１２２に溜まるドレンの量を変化させることによって共鳴減衰管１２２の体積Ｖ（つまり、空間容積）を変化させ、その結果、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆを蒸気配管の音響共鳴の周波数と一致させて主蒸気系における圧力振動を抑制している。以下、蒸気配管の下部にヘルムホルツ共鳴管１２を取り付け、その共鳴減衰管１２２に溜まったドレンの量を調整することによって主蒸気系の圧力振動振幅を抑制する幾つかの実施形態について説明する。
【００１９】
《第１の実施形態》
図３は、本発明の第１の実施形態による沸騰水型原子炉の主蒸気系を示す構成図である。原子炉圧力容器１の下部には、ウランの核分裂によって蒸気２を発生させる冷却水が循環するシュラウドなどが構成されているがこの図では省略されている。原子炉圧力容器１の内部で発生した蒸気２は、蒸気乾燥器３の内部の波板４で水分が除去された後、原子炉圧力容器１の蓋５で囲まれた蒸気ドーム６内へ流入する。波板４で除去された水分は、ドレン管７を通って蒸気乾燥器３の下方に排出される。一方、蒸気２は、ノズル８から蒸気配管９を通って高圧タービン１０に流入して図示しない発電機を高速回転させる。
【００２０】
また、蒸気配管９の下部には、図１で示した構成のヘルムホルツ共鳴管１２が設置されている。すなわち、蒸気配管９の下部の開口部とヘルムホルツ共鳴管１２の入口配管１２１とを連通（通気）させることにより、蒸気配管９に対してヘルムホルツ共鳴管１２を設置する。このようにしてヘルムホルツ共鳴管１２を蒸気配管９の下部に設置することにより、共鳴減衰管１２２を主蒸気ライン（蒸気配管９）のドレンタンクとして用いる。なお、図３のヘルムホルツ共鳴管１２では、図１に示した開度調整弁１１は省略されているが、本実施形態においてヘルムホルツ共鳴管１２を蒸気配管９の下部に設置する場合は、開度調整弁１１はなくてもよい。もちろん、ヘルムホルツ共鳴管１２（入口配管１２１）に開度調整弁１１が存在していても構わない。
【００２１】
また、ヘルムホルツ共鳴管１２の底部にはドレン管２１が設けられ、そのドレン管２１は水位調節弁２２を介して図示しないドレンタンクにまで配管されている。さらに、ヘルムホルツ共鳴管１２の側部には、ヘルムホルツ共鳴管１２に溜まったドレン１２２ａの上限水位（ＨＷＬ）と下限水位（ＬＷＬ）を検出して電気信号を発信する水位発信器（ＬＴ）２３が設けられている。
【００２２】
さらに、水位発信器（ＬＴ）２３の電気信号を空気圧信号に変換するための電気／圧力変換器（Ｅ／Ｐ）２４が設けられ、その電気／圧力変換器（Ｅ／Ｐ）２４から出力された空気圧信号によって水位調節弁２２を開閉させるダイアフラム２５が設けられている。実際にはダイアフラム２５と水位調節弁２２とによってダイアフラム弁が構成されている。
【００２３】
次に、図３のように構成された沸騰水型原子炉の蒸気配管９において音響共鳴が発生した場合、ヘルムホルツ共鳴管１２によってその音響共鳴を抑制する方法について説明する。
【００２４】
蒸気ドーム６から高圧タービン１０に至る蒸気配管９の下方にヘルムホルツ共鳴管１２が設置されている。したがって、蒸気配管９を通過する蒸気２によって生成されたドレン１２２ａは、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴減衰管１２２に貯えられる。水位発信器（ＬＴ）２３がドレン１２２ａの上限水位（ＨＷＬ）を検出すると、電気／圧力変換器（Ｅ／Ｐ）２４を介してダイアフラム２５を駆動して水位調節弁２２を開にしてドレン１２２ａを排水する。水位発信器（ＬＴ）２３がドレン１２２ａの下限水位（ＬＷＬ）を検出すると、水位調節弁２２を閉にしてドレン１２２ａの排水を止める。このような動作によって、共鳴減衰管１２２の空間体積は、蒸気配管９を通過する蒸気２によって発生する音響共鳴を抑制するのに最適な体積となるように維持される。
【００２５】
ヘルムホルツ共鳴管１２による音響共鳴の抑制方法についてさらに詳しく説明する。蒸気配管９には、常に蒸気２が流通しているので、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴減衰管１２２には常時ドレンが溜まっている。また、共鳴減衰管１２２に溜まったドレンの水位は水位発信器(ＬＴ)２３によって常に検出される。
【００２６】
一方、沸騰水型原子炉の運転時において蒸気配管９で発生する音響共鳴の周波数とヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数とを一致させて音響共鳴を回避させるように、共鳴減衰管１２２の最適な体積Ｖをあらかじめ求めておく。そして、共鳴減衰管１２２の最適な体積Ｖがその共鳴減衰管１２２の空間容積となるようにドレン１２２ａの基準水位を求め、そのドレン１２２ａの基準水位に対して、音響共鳴の減衰に好適な範囲の上限水位（ＨＷＬ）と下限水位（ＬＷＬ）を設定し、水位発信器(ＬＴ)２３が上限水位（ＨＷＬ）と下限水位（ＬＷＬ）を検出できるように設定しておく。もちろん、水位発信器(ＬＴ)２３による水位検出の設定レベルは任意に設定可能である。
【００２７】
上記のようにドレン水位の検出レベルを設定した後、沸騰水型原子炉の運転中において、ヘルムホルツ共鳴管１２における共鳴減衰管１２２のドレン水位が音響共鳴の減衰に好適な範囲の上限水位（ＨＷＬ）に達したら、水位発信器(ＬＴ)２３が電気信号を発生する。すると、水位発信器(ＬＴ)２３の電気信号は電気／圧力変換器（Ｅ／Ｐ）２４へ送信されて空気圧信号に変換され、その空気圧信号によってダイアフラム２５を動作させて水位調節弁２２を開動作させる。これによって、共鳴減衰管１２２に溜まったドレン１２２ａはドレン管２１を介してドレンタンク（図示せず）へ排水される。
【００２８】
共鳴減衰管１２２に溜まったドレン１２２ａが排水されて、ドレン１２２ａの水位が音響共鳴の減衰に好適な範囲の下限水位（ＬＷＬ）に達すると、水位発信器(ＬＴ)２３は電気信号を停止させるので、電気／圧力変換器（Ｅ／Ｐ）２４は空気圧信号を停止させる。これによって、ダイアフラム２５は動作を停止するので水位調節弁２２は閉の方向に動作して、共鳴減衰管１２２に溜まったドレン１２２ａの排水を停止する。このようにして、共鳴減衰管１２２に溜まったドレン１２２ａは音響共鳴の減衰に好適な範囲の下限水位（ＬＷＬ）まで排水される。
【００２９】
一方、主蒸気ラインである蒸気配管９からは連続的にドレン１２２ａが発生して共鳴減衰管１２２に溜まるので、上記のような上限水位（ＨＷＬ）と下限水位（ＬＷＬ）の水位制御によって共鳴減衰管１２２に溜まったドレン１２２ａが適宜に排水され、共鳴減衰管１２２の空間体積は常に音響共鳴を回避するのに最適な体積Ｖ１に維持される。
【００３０】
したがって、図３に示す沸騰水型原子炉の構成において、蒸気ドーム６から、ノズル８、蒸気配管９を通り、高圧タービン１０に至る主蒸気系において、共鳴周波数ｆを持つ音響共鳴モードが形成された場合、共鳴減衰管１２２に溜まったドレン１２２ａの量を調整して共鳴減衰管１２２の体積Ｖ１を最適値に維持することにより、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆを音響共鳴モードの周波数と等しくして主蒸気系の音響共鳴モードの振幅を減衰させることができる。
【００３１】
つまり、主蒸気系内において、圧力波が伝播したり反射したりして増幅すると、各種機器の不具合を生じせしめる所定以上の大きな振幅を持つ音響共鳴モードが形成される。この音響共鳴モードによってヘルムホルツ共鳴管１２の入口の圧力振動が変動すると、そのヘルムホルツ共鳴管１２の内部に向かう流速に変動が生じる。そこで、共鳴減衰管１２２のドレン１２２ａの量を調整して共鳴減衰管１２２の体積Ｖを最適値に維持して、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆと音響共鳴モードの周波数とを一致させると、ヘルムホルツ共鳴管１２の入口の流速変動が大きくなるため、ヘルムホルツ共鳴管１２が主蒸気系内の音響エネルギーを吸収し、音響共鳴モードによる圧力振動を効果的に減衰させることができる。したがって、主蒸気系内の圧力振動の大きな位置にヘルムホルツ共鳴管１２の入口を設けることにより、音響共鳴モードを効果的に減衰させることができる。例えば、蒸気配管９のバルブ（図示せず）の近傍などで大きな圧力振動が生じた場合には、その近傍の蒸気配管９の位置にヘルムホルツ共鳴管１２を設置することによって圧力振動を抑制し、蒸気配管９に加わる圧力変動を低減させて信頼性の高い運転を維持することができる。
【００３２】
本実施の形態では、共鳴減衰管に溜まったドレンの排水によってヘルムホルツ共鳴管を最適な体積に設定することができる。したがって、沸騰水型原子炉の主蒸気系やヘルムホルツ共鳴管に新たな改造作業を行うことなく、ヘルムホルツ共鳴管を最適な体積に調整することができるので、主蒸気系で発生した音響共鳴に伴う圧力振動の抑制を容易に実現することが可能となる。これによって、発電プラントの運転管理を常に最適状態に維持することが可能な沸騰水型原子炉、及び沸騰水型原子炉における蒸気配管の音響振動抑制方法を提供することができる。
【００３３】
なお、上記の実施の形態では、共鳴減衰管１２２のドレン１２２ａの量を調整して共鳴減衰管１２２の体積Ｖを最適値に維持し、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆと音響共鳴モードの周波数とを一致させたが、その変形例として、ドレン１２２ａが溜まっていない共鳴減衰管１２２の正味の体積を、音響共鳴モードの周波数とヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆを一致させる最適値としてもよい。つまり、ヘルムホルツ共鳴管１２を蒸気配管９の下部に設けて共鳴減衰管１２２をドレンタンクとして用いる考え方は、図３に示す第１の実施形態と同じであるが、共鳴減衰管１２２の下部のドレン管２１からドレン１２２ａを垂れ流しで排出させる。これによって、共鳴減衰管１２２にドレン１２２ａが溜まっていないときの共鳴減衰管１２２の体積を最適値として、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆと音響共鳴モードの周波数とを一致させれば、前述と同様に、蒸気配管９で発生する音響共鳴を抑制することができる。
【００３４】
また、上記の実施形態では、ダイアフラム２５と水位調節弁２２からなるダイアフラム弁を用いて共鳴減衰管１２２に溜まったドレン１２２ａの量を上限水位（ＨＷＬ）と下限水位（ＬＷＬ）の間に調整したが、このようなドレン１２２ａの水位調整はダイアフラム弁以外でも実現することができる。例えば、水位調節弁２２に電磁弁を用い、共鳴減衰管１２２に溜まったドレン１２２ａの量が上限水位（ＨＷＬ）に達したら、水位発信器(ＬＴ)２３からの電気信号によって電磁弁をＯＮにしてドレン１２２ａを排水させ、ドレン１２２ａの量が下限水位（ＬＷＬ）に達したら、水位発信器(ＬＴ)２３からの電気信号を止めて電磁弁をＯＦＦにしてドレン１２２ａの排水を停止させるようにしてもよい。このような電磁弁を用いることによって電気／圧力変換器（Ｅ／Ｐ）２４が不要となるなどのメリットがある。
【００３５】
《第２の実施形態》
図４は、本発明の第２の実施形態による沸騰水型原子炉の主蒸気系を示す構成図である。図４に示す第２の実施形態による沸騰水型原子炉の構成が、図３に示す第１の実施形態による沸騰水型原子炉の構成と異なるところは、ヘルムホルツ共鳴管１２の入口配管１２１に開度調整弁１１を設け、圧力センサ１３、１４の信号によって制御を行う制御装置１５により開度調整弁１１を制御するように構成された点である。もちろん、ヘルムホルツ共鳴管１２をドレンタンクとして蒸気配管９の下部に設けたところは、第１の実施形態と同じである。したがって、第１の実施形態と重複する説明は可能な限り省略する。
【００３６】
図４において、原子炉圧力容器１の内部で発生した蒸気２は、蒸気乾燥器３の内部の波板４で水分を除去された後、原子炉圧力容器１の蓋５で囲まれた蒸気ドーム６内に流入する。除去された水分はドレン管７を通って蒸気乾燥器３の下方に排出される。一方、蒸気２は、ノズル８から蒸気配管９を通って高圧タービン１０へ流入して図示しない発電機を高速回転させる。
【００３７】
また、蒸気配管９の下部には、開度調整弁１１を介してヘルムホルツ共鳴管１２が、ドレンタンクとして設置されている。このヘルムホルツ共鳴管１２に溜まったドレンは、水位発信器（ＬＴ）２３、電気／圧力変換器（Ｅ／Ｐ）２４、ダイアフラム２５、及び水位調節弁２２による検出と制御によってドレン管２１から排出され、ドレンの水位は上限水位（ＨＷＬ）と下限水位（ＬＷＬ）の間に維持されることは、前述の第１の実施形態と同じである。
【００３８】
さらに、図４に示す第２の実施形態の沸騰水型原子炉では、蒸気ドーム６からノズル８、蒸気配管９を通って高圧タービン１０に至るまでの蒸気相の空間（主蒸気系）には、圧力センサ１３、１４が取り付けられている。ここで、圧力センサ１３、１４は、どちらか単独でもよいし、あるいは、それぞれ複数ずつ設置しても構わない。圧力センサ１３、１４からの圧力振動の信号は、制御装置１５内の信号処理部で処理され、開度調整弁１１の開度の制御に使用される。
【００３９】
すなわち、制御装置１５は、圧力センサ１３、１４の圧力振動の信号を入力して、圧力センサ１３、１４の圧力振動の振幅が最小になるように開度調整弁１１の開度を最適に制御する。例えば、開度調整弁１１を微小に開いたとき、圧力センサ１３、１４の圧力振動が減少する場合は、さらに開度調整弁１１を微小に開く。また、圧力センサ１３、１４の圧力振動が増加する場合は、開度調整弁１１を反対に閉じる方向に制御する。このような操作を繰り返すことにより、開度調整弁１１の開度を制御して（つまり、ヘルムホルツ共鳴管１２の入口配管１２１の断面積Ａｎを制御して）、蒸気配管９の音響共鳴を抑制する。これによって、圧力センサ１３、１４の圧力振動の振幅を最小にすることができる。
【００４０】
図５は、本実施の形態に用いるのに好適な制御装置の処理機能を示すブロック図である。制御装置１５は、信号処理部１５１と制御部１５２とによって構成される。信号処理部１５１では、圧力センサ１３、１４から入力された圧力振動の振幅を記憶部１５１１で記憶させ、開度調整弁１１の操作前後の圧力センサ１３、１４の圧力振動の振幅を、比較部１５１２で比較する。また、制御部１５２は、比較部１５１２の比較結果に基づいて、開度調整弁１１への新たな開度指令を決定し、開度調整弁１１へ制御信号を出力する。
【００４１】
このような機能により、主蒸気系の圧力振動が小さくなる方向へヘルムホルツ共鳴管１２における入口配管１２１の開度調整弁１１の開度を制御して、ヘルムホルツ共鳴管１２における入口配管１２１の実質的な開口面積（つまり、入口配管１２１の断面積Ａｎ）を調整する。これによって、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆが、主蒸気系に発生した共鳴振動の周波数に近づいて、主蒸気系の音響共鳴（圧力振動）を減衰させることができる。
【００４２】
本実施形態では、ヘルムホルツ共鳴管１２が蒸気配管９の下部に設置されており、この場合も、主蒸気系内の圧力振動の大きな位置にヘルムホルツ共鳴管１２の入口配管１２１を設けることにより、音響共鳴モードを効果的に減衰させることができる。この実施形態は、蒸気配管９の圧力振動が大きい場合に有効である。例えば、ノズル８で大きな圧力振動が生じた場合には、ノズル８の近傍にヘルムホルツ共鳴管１２を設置することにより、蒸気配管９の圧力振動を抑制して主蒸気系全体の圧力振動を小さくすることができる。特に、沸騰水型原子炉の場合には、ノズル８の近傍には安全弁が設置されているため、増出力時にこの実施形態の構成を適用する場合には、流路面積の広い大型の大容量安全弁を用いることにより増出力前に比べて弁数を削減し、余った弁座を使用してヘルムホルツ共鳴管を設置するなどの手段も可能である。
【００４３】
本実施形態のように、ヘルムホルツ共鳴管１２に溜まったドレンの量を制御して共鳴減衰管１２２の体積Ｖを最適値に調整すると共に、入口配管１２１の開度調整弁１１の開度を制御して入口配管１２１の断面積Ａｎを最適値に調整することにより、主蒸気系の音響共鳴による圧力振動をさらに高精度に抑制することが可能となる。
【００４４】
《第３の実施形態》
図６は、本発明の第３の実施形態による沸騰水型原子炉の主蒸気系を示す構成図である。第１の実施形態及び第２の実施形態と重複する説明は省略する。蒸気配管９の下部には、開度調整弁１１Ａを介してヘルムホルツ共鳴管１２Ａが設置され、かつ、開度調整弁１１Ｂを介してヘルムホルツ共鳴管１２Ｂが設置されている。これらのヘルムホルツ共鳴管１２Ａ、１２Ｂがドレンタンクとして構成されていることは、前述の第１の実施形態（図３）及び第２の実施形態（図４）と同じである。つまり、ヘルムホルツ共鳴管１２Ａ、１２Ｂには、図３の第１の実施形態又は図４の第２の実施形態の構成と同様に、ヘルムホルツ共鳴管１２Ａ、１２Ｂのドレン水位を最適なレベルに保持するために、ヘルムホルツ共鳴管１２Ａ、１２Ｂに溜まったドレンを排出するドレン配管系統が設けられているが、それらのドレン配管系統については省略されている。あるいは、ヘルムホルツ共鳴管１２Ａ、１２Ｂの底部にドレンを垂れ流すためのドレン管を設けてもよい。
【００４５】
また、蒸気ドーム６からノズル８、蒸気配管９を通って高圧タービン１０に至るまでの蒸気相の空間（主蒸気系）には、圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂが取り付けられている。ここで、圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂは、どれか単独でも、あるいは、３箇所のうち２箇所でも、あるいは、それぞれ複数個の設置であっても構わない。これらの圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂからの圧力振動の信号は、制御装置１５で処理され、開度調整弁１１Ａ、１１Ｂの開度の制御に使用される。なお、ヘルムホルツ共鳴管１２Ａ、１２Ｂの構成は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様である。
【００４６】
本実施形態では、蒸気配管９に蒸気ヘッダ１６が設置されている。この蒸気ヘッダ１６は、複数の並列配管で構成された蒸気配管９の各配管の均圧化、あるいは他の配管への分岐を可能とする分配器的な役割を担って設けられている。このように、蒸気ヘッダ１６が設置されている場合には、蒸気ヘッダ１６の前後で、音響共鳴モードの周波数位相が異なっている可能性がある。そこで、蒸気ヘッダ１６の前後の蒸気配管９のそれぞれの位置に、ヘルムホルツ共鳴管１２Ａとヘルムホルツ共鳴管１２Ｂを設けることにより、蒸気ヘッダ１６の前後において音響共鳴モードを効果的に減衰させることができる。例えば、蒸気ヘッダ１６で大きな圧力振動が生じた場合には、蒸気ヘッダ１６の前後のヘルムホルツ共鳴管１２Ａ、１２Ｂの共鳴周波数と音響共鳴モードの周波数とを一致させることにより、蒸気配管９の全域において圧力振動を抑制し、主蒸気系全体の圧力振動を抑えることができる。
【００４７】
つまり、制御装置１５は、圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂの圧力振動の信号を入力し、それらの圧力振動の振幅が最小になるように、開度調整弁１１Ａ、１１Ｂの開度が最適となるように制御する。例えば、開度調整弁１１Ａを微小に開いて圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂの圧力振動が減少する場合は、さらに開度調整弁１１Ａを微小に開く。また、圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂの圧力振動が増加する場合は、開度調整弁１１Ａを反対に閉じる方向に制御する。開度調整弁１１Ａ、１１Ｂについて、このような操作を繰り返すことにより、開度調整弁１１Ａ、１１Ｂの開度を制御して、圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂの圧力振動の振幅を最小にすることができる。
【００４８】
なお、制御装置１５の具体的な構成は、図５と同じであるが、第３の実施形態の場合は、制御部１５２が次のように動作する。すなわち、圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂからの圧力振動の振幅を記憶部１５１１で記憶させ、開度調整弁１１Ａ、１１Ｂを操作する前後の圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂの圧力振動の振幅を、それぞれ比較部１５１２で比較する。そして、その比較結果から開度調整弁１１Ａ、１１Ｂの新たな開度を決定し、開度調整弁１１Ａ、１１Ｂを制御する。
【００４９】
図６に示す第３の実施形態の沸騰水型原子炉の場合も、ヘルムホルツ共鳴管１２Ａ、１２Ｂの入口配管１２１が、蒸気配管９の圧力振動の大きな位置にあれば、音響共鳴モードをより効果的に減衰させることができる。そこで、圧力センサ１３、１４Ａ、１４Ｂからの圧力振動の信号を用いて制御装置１５を制御して開度調整弁１１Ａ、１１Ｂの開度を決定すれば、次のようにしてより効果的に音響共鳴を減衰させることができる。
【００５０】
すなわち、蒸気配管９で発生している音響振動モードを計算し、圧力振動の振幅の計算結果が大きい位置に設けられたヘルムホルツ共鳴管１２Ａ又は１２Ｂに対応する開度調整弁１１Ａ又は１１Ｂから順に新たな開度を決定し、当該開度調整弁から順に制御を行う。音響振動モードは、圧縮性流体の方程式もしくは音波方程式を基礎式として適当な境界条件を用いて数値計算することにより求められ、蒸気配管９の各位置における圧力振動の振幅を得ることができる。この音響振動モードから、開度調整弁１１Ａ、１１Ｂの位置における圧力振動振幅を求め、圧力振動の大きな方の開度調整弁を優先してこれから順に制御を行う。このような方法を用いることにより、より短時間に最適な開度調整弁１１Ａ、１１Ｂの開度を求めて圧力振動を減衰させることが可能となる。
【００５１】
つまり、第３の実施形態では、ヘルムホルツ共鳴管１２に溜まったドレンの量を制御して共鳴減衰管１２２の体積Ｖを最適値に調整すると共に、蒸気ヘッダ１６の前後においてヘルムホルツ共鳴管１２Ａ、１２Ｂの開度調整弁１１Ａ、１１Ｂの開度（断面積Ａｎ）を個別に最適値に調整することにより、蒸気配管９の音響共鳴による圧力振動をさらに高精度に抑制することが可能となる。
【００５２】
《第４の実施形態》
図７は、本発明の第４の実施形態による沸騰水型原子炉の主蒸気系を示す構成図である。この実施形態では、蒸気配管９の下部に複数の開度調整弁１１を有するヘルムホルツ共鳴管１２が設置されている。このヘルムホルツ共鳴管１２には、図３の第１の実施形態又は図４の第２の実施形態の構成と同様に、ヘルムホルツ共鳴管１２のドレン水位を最適なレベルに保持するために、ヘルムホルツ共鳴管１２に溜まったドレンを排出するドレン配管系統が設けられているが、それらのドレン配管系統については省略されている。あるいは、ヘルムホルツ共鳴管１２の底部にドレンを垂れ流すためのドレン管を設けてもよい。
【００５３】
また、蒸気ドーム６からノズル８、蒸気配管９を通って高圧タービン１０に至るまでの蒸気相の空間（主蒸気系）には、圧力センサ１３、１４が取り付けられている。ここで、圧力センサ１３、１４は、どちらか単独でも、あるいは、それぞれ複数個設置されていても構わない。圧力センサ１３、１４からの圧力振動の信号は、制御装置１５内の信号処理部で処理され、複数の開度調整弁１１の開度の制御に使用される。制御装置１５の構成は、第１の実施の形態で述べた図５の構成と同様であるので、重複する説明は省略する。
【００５４】
図８は、本実施形態で使用されるヘルムホルツ共鳴管１２を示す摸式側面図である。蒸気配管９の下部に連結する複数の入口配管１２１に、それぞれ開度調整弁１１が設けられており、これらの入口配管１２１を単一の共鳴減衰管１２２で結合している。複数の入口配管の断面積の和をＡｎとし、ドレンの最適水位によって決定される共鳴減衰管１２２の体積をＶとすることにより、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆは、前述の（１）式で求められ、その共鳴周波数ｆを蒸気配管９の音響共鳴の周波数と一致させることにより、蒸気配管９で発生する圧力振動を抑制することができる。なお、共鳴減衰管１２２は、図８に示すような配管に限ることはなく、蒸気配管９を囲むように配置したアニュラス状の容器でもよい。
【００５５】
この実施形態では、蒸気配管９の周囲にスペースがない場合でも蒸気配管９に沿ってヘルムホルツ共鳴管１２をコンパクトに配置することができる。また、ヘルムホルツ共鳴管１２には、複数の入口配管１２１を有するため、それらの入口配管１２１の断面積の和Ａｎを大きくとることができるので、蒸気配管９で発生する圧力振動の減衰率を大きくすることが可能となる。例えば、図８に示すような形状のヘルムホルツ共鳴管１２を用いて沸騰水型原子炉の増出力時に適用すれば、蒸気の流路面積が広い大型の大容量安全弁を用いることによって増出力前に比べて弁の数を削減することができるので、余った複数の弁座を使用してヘルムホルツ共鳴管を設置するなどの手段も可能である。
【００５６】
《まとめ》
以上説明した第２の実施形態から第４の実施形態までの沸騰水型原子炉は、ヘルムホルツ共鳴管１２が蒸気配管９の下部にドレンタンクとして設置され、共鳴減衰管１２２に溜まったドレン１２２ａの水位によって共鳴減衰管１２２の空間容積（体積Ｖ）を制御すると共に、入口配管１２１に取り付けられた開度調整弁１１の開度（断面積Ａｎ）を制御することによって、ヘルムホルツ共鳴管１２の共鳴周波数ｆを蒸気配管の音響共鳴の周波数と一致させている。これによって、より効果的に音響共鳴モードによる圧力振動を抑制することができる。
【００５７】
また、第２の実施形態から第４の実施形態までの沸騰水型原子炉においては、ヘルムホルツ共鳴管１２の入口配管１２１には全て開度調整弁１１が取り付けられ、制御装置１５によってそれらの開度調整弁１１の開度が制御される。しかし、一旦、開度調整弁１１の開度が決まれば、その後は開度調整弁１１の弁開度を固定して制御装置１５を無制御状態にしてもよいし、制御装置１５を取り外してもよい。
【００５８】
図９は、本発明による各実施形態の効果を説明するための周波数対音圧を示す特性図であり、ヘルムホルツ共鳴管を用いた場合と用いない場合の代表的な試験結果を示している。図の縦軸は蒸気乾燥器表面の音圧であり、ヘルムホルツ共鳴管がない場合には、低周波の特定の周波数で圧力振動ピークが生じる。図には、この低周波の圧力振動ピークにヘルムホルツ共鳴管の共鳴周波数を一致させた場合を示しており、ヘルムホルツ共鳴管により当該圧力振動ピークを有効に減衰できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の沸騰水型原子炉で使用するのに好適な円筒形状のヘルムホルツ共鳴管の構造を示す側面図である。
【図２】図１に示すヘルムホルツ共鳴管の寸法に対する共鳴周波数を示す特性図である。
【図３】本発明における第１の実施形態の沸騰水型原子炉の主蒸気系を示す構成図である。
【図４】本発明における第２の実施形態の沸騰水型原子炉の主蒸気系を示す構成図である。
【図５】本発明の各実施形態で用いられる制御装置の処理機能を示すブロック図である。
【図６】本発明における第３の実施形態の沸騰水型原子炉の主蒸気系を示す構成図である。
【図７】本発明における第４の実施形態の沸騰水型原子炉の主蒸気系を示す構成図である。
【図８】本発明における第４の実施形態で用いられるヘルムホルツ共鳴管を示す摸式側面図である。
【図９】本発明における各実施形態の効果を説明するための周波数対音圧を示す特性図である。
【符号の説明】
【００６０】
１    原子炉圧力容器
２    蒸気
３    蒸気乾燥器
４    波板
５    原子炉圧力容器蓋
６    蒸気ドーム
７    ドレン管
８    ノズル
９    蒸気配管
１０  高圧タービン
１１  開度調整弁
１２，１２Ａ，１２Ｂ  ヘルムホルツ共鳴管
１２１  入口配管
１２２  共鳴減衰管
１２２ａ  ドレン
１３，１４  圧力センサ
１５  制御装置
１５１  信号処理部
１５１１  記憶部
１５１２  比較部
１５２  制御部
１６  蒸気ヘッダ
２１  ドレン管
２２  水位調節弁
２３  水位発信器
２４  電気／圧力変換器
２５  ダイアフラム
【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】
0004469346.tif 000007
【図７】
0004469346.tif 000008
【図８】
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【図９】
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