(57)【要約】【課題】ヘリウムガスなどの粘性が高い気体も十分に混合することができ、混合される気体の温度が異なっていたとしても、混合が促進され温度が均一化される混合促進構造を提供する。【解決手段】本発明に係る混合促進構造１００は、第１内管と、前記第１内管の外周に配される第１外管と、からなる第１二重管１０、及び、第２内管と、前記第２内管の外周に配される第２外管と、からなる第２二重管２０が合流する合流部二重管１４０と、前記合流部二重管１４０から延出する混合促進部二重管１５０と、前記混合促進部二重管１５０から延出する主二重管３０と、からなり、前記混合促進部二重管１５０に、バッフル板１６０が配されることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１内管と、前記第１内管の外周に配される第１外管と、からなる第１二重管、及び、
第２内管と、前記第２内管の外周に配される第２外管と、からなる第２二重管が合流する合流部二重管と、
前記合流部二重管から延出する混合促進部二重管と、
前記混合促進部二重管から延出する主二重管と、からなり、
前記混合促進部二重管に、バッフル板が配されることを特徴とする混合促進構造。
【請求項２】
前記バッフル板が、混合促進部内管に固着されることを特徴とする請求項１に記載の混合促進構造。
【請求項３】
前記バッフル板が１８０°の扇形であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の混合促進構造。
【請求項４】
前記バッフル板が、前記混合促進部二重管の延出方向に交互に配されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の混合促進構造。
【請求項５】
前記混合促進部二重管の混合促進部外管の径が、前記主二重管の主外管の径より大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の混合促進構造。
【請求項６】
前記合流部二重管の合流部外管の径が、前記第１外管の径、前記第２外管の径のいずれよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか５項に記載の混合促進構造。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の混合促進構造を用いた高温ガス炉プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度が異なる気体の混合を促進する混合促進構造、そのような混合促進構造が設けられた高温ガス炉プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温ガス炉は、炉心の構成材料および冷却材特性に基づく固有の安全性が高く、異常時の過渡挙動も極めて緩慢である。万一事故が発生しても、現在商業炉として稼働している軽水型原子炉のような制御棒駆動装置や緊急炉心冷却装置などの機械的作動要素を使用せずとも、高温ガス炉特有の構造に基づいて、負の反応度フィードバック特性により、原子炉出力が低下すると共に、自然の原理（ふく射、自然対流、熱伝導）により、燃料溶融を起こさずに原子炉を冷温停止させることができることが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平０８−３３８８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
図１２は高温ガス炉プラントにおける高温ガス炉３周辺の概略構造を模式的に示す図である。また、図１３は、第１二重管１０と第２二重管２０の連結部Ａと、連結部Ａから延出する主二重管３０とを抜き出して示している。また、図１４の（Ａ）は連結部Ａの平面図を、（Ｂ）はＸからみた連結部Ａを、（Ｃ）はＹからみた連結部Ａをそれぞれ示している。
【０００４】
図１２において符号７は炉心を示す。炉心７内にはウランが黒鉛等のセラミックスで被覆された燃料粒子が燃料スリーブ内に多数収容された燃料棒が多数配置されている。炉心７は軽水炉と同様に圧力容器５内に閉じ込められている。また、炉心７には制御棒８が差し込まれている。
【０００５】
圧力容器５には、例えば、複数の熱交換器などで約４００℃まで冷却されたヘリウムガス冷却材が注入される。ヘリウムガス冷却材は炉心７の上部から下部に流れ、約１，０００℃に加熱され、複数の熱交換器に与えられるか、或いは、発電用の直接ガスタービンに供給される。
【０００６】
以下、熱交換器として第１熱交換器（より具体的には、ＰＰＷＣ：Primary Pressurized Water Cooler）、第２熱交換器（より具体的には、ＩＨＸ：Intermediate Heat Exchanger）を用いた例について説明する。
【０００７】
圧力容器５と、複数の熱交換器との間は二重管によって接続されている。二重管は、内管と、その外周に配される外管とから構成されている。内管は、炉心７によって加熱されたヘリウムガスを熱交換器に供給するための流路として利用される。また、内管と外管との間の空間は、熱交換器によって冷却されたヘリウムガスを圧力容器５に循環させるための流路として用いられる。
【０００８】
第１熱交換器は、第１内管１５と第１外管１８とからなる第１二重管１０と接続されている。また、第２熱交換器は、第２内管２５と第２外管２８とからなる第２二重管２０と接続されている。また、第１二重管１０と第２二重管２０との連結部Ａからは、圧力容器５に向けて、主内管３５と主外管３８とからなる主二重管３０が延出している。ここで、主内管３５は、第１内管１５と第２内管２５との連結部から延出しており、主外管３８は、第１外管１８と第２外管２８との連結部から延出している。
【０００９】
上記のような高温ガス炉プラントにおいては、第１熱交換器で冷却されたヘリウムガスの温度と、第２熱交換器で冷却されたヘリウムガスの温度とが、異なっている。より具体的には、第１熱交換器で冷却されたヘリウムガスの温度は、第２熱交換器で冷却されたヘリウムガスの温度より高い。
【００１０】
高温ガス炉プラントにおいては、上記のように温度が異なるヘリウムガスが、連結部Ａの内管と外管との間の空間で合流し、圧力容器５に循環するようになっている。ところで、ヘリウムガスは粘性が高く、混合しづらい特性を有している。ここで、連結部Ａで合流し、圧力容器５に循環するヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を図１５及び図１６に示す。図１５及び図１６において温度分布の高低は濃淡で示されており、図の左側に示す凡例において１．０は最も高いヘリウムガスの温度を示しており、０．０は最も低いヘリウムガスの温度を示している。
【００１１】
前記の図からも分かるように、連結部Ａで合流した温度が異なるヘリウムガスは、粘性が高いために十分に混合され温度が均一とされることなく、圧力容器５に循環されてしまうこととなる。
【００１２】
以上のように、高温ガス炉プラントにおいては、温度の異なるヘリウムガスが十分混合されないことにより、圧力容器５に循環するヘリウムガス全体の適正な温度を計測することができず、プラントの運用面で問題であった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記のような問題点を解決するために、本発明に係る混合促進構造は、第１内管と、前記第１内管の外周に配される第１外管と、からなる第１二重管、及び、第２内管と、前記第２内管の外周に配される第２外管と、からなる第２二重管が合流する合流部二重管と、前記合流部二重管から延出する混合促進部二重管と、前記混合促進部二重管から延出する主二重管と、からなり、前記混合促進部二重管に、バッフル板が配されることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る混合促進構造は、前記バッフル板が、混合促進部内管に固着されることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る混合促進構造は、前記バッフル板が１８０°の扇形であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る混合促進構造は、前記バッフル板が、前記混合促進部二重管の延出方向に交互に配されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る混合促進構造は、前記混合促進部二重管の混合促進部外管の径が、前記主二重管の主外管の径より大きいことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る混合促進構造は、前記合流部二重管の合流部外管の径が、前記第１外管の径、前記第２外管の径のいずれよりも大きいことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る高温ガス炉プラントは、前記に記載の混合促進構造を用いた高温ガス炉プラントである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る混合促進構造１００は、記混合促進部二重管に、バッフル板が配されているので、このような本発明に係る混合促進構造１００によれば、ヘリウムガスなどの粘性が高い気体も十分に混合することができ、混合される気体の温度が異なっていたとしても、混合が促進され温度が均一化される。
【００２１】
また、本発明に係る混合促進構造１００を備えた高温ガス炉プラントによれば、温度が異なるヘリウムガスの混合が十分に促進され温度が均一化されるので、圧力容器５に循環するヘリウムガス全体の適正な温度を計測することができ、プラントの的確な運用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る混合促進構造１００の内部を透過的にみた斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る混合促進構造１００の構造を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る混合促進構造１００におけるバッフル板１６０によるガス混合効果の内部予想図である。
【図４】本発明の実施形態に係る混合促進構造１００におけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る混合促進構造１００におけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を斜視図でみたものである。
【図６】本発明の実施形態に係る混合促進構造１００におけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を平面図でみたものである。
【図７】比較例１に係る混合促進構造の内部を透過的にみた斜視図である。
【図８】比較例１に係る混合促進構造におけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を斜視図でみたものである。
【図９】比較例２に係る混合促進構造の内部を透過的にみた斜視図である。
【図１０】比較例２に係る混合促進構造におけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を斜視図でみたものである。
【図１１】本発明の実施形態に係る混合促進構造１００、従来例、比較例の混合促進を比較して示す図である。
【図１２】高温ガス炉プラントにおける高温ガス炉３周辺の概略構造を模式的に示す図である。
【図１３】第１二重管１０と第２二重管２０の連結部Ａと、連結部Ａから延出する主二重管３０とを抜き出して示している。
【図１４】連結部Ａの構造を示す図である。
【図１５】連結部Ａにおけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を斜視図でみたものである。
【図１６】連結部Ａにおけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を平面図でみたものである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る混合促進構造１００の内部を透過的にみた斜視図である。
【００２４】
このような本願発明に係る混合促進構造１００は、従来例と同様に、高温ガス炉プラントにおける高温ガス炉３の圧力容器５と、複数の熱交換器との間の配管に適用することが想定されているが、本願発明に係る混合促進構造１００の適用対象がこれに限定されるものではない。例えば、本願発明に係る混合促進構造１００は二重配管を有する適切なガス温度に測定及び制御する化学工業プラント、石油プラント、高圧ガスプラント等にも適用することができる。
【００２５】
なお、以下、本願発明に係る混合促進構造１００を、高温ガス炉プラントに適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２６】
図２は本発明の実施形態に係る混合促進構造１００の構造を示す図である。図２の（Ａ）は混合促進構造１００の平面図を、（Ｂ）はＸからみた混合促進構造１００を、（Ｃ）はＹからみた混合促進構造１００を、（Ｄ）はＢ−Ｂ断面図をそれぞれ示している。
【００２７】
また、図３は本発明の実施形態に係る混合促進構造１００におけるバッフル板１６０によるガス混合効果の内部予想図である。
【００２８】
本願発明に係る混合促進構造１００は、従来例の連結部Ａに適用して用いることが想定されている。また、本願発明に係る混合促進構造１００は、第１二重管１０や第２二重管２０、主二重管３０と同様に、ヘリウムガスの温度（約４００℃）に耐え得る材料で構成される。
【００２９】
第１熱交換器は、第１内管１５と第１外管１８とからなる第１二重管１０と接続されている。また、第２熱交換器は、第２内管２５と第２外管２８とからなる第２二重管２０と接続されている。
【００３０】
第１二重管１０と第２二重管２０との間には、本発明に係る混合促進構造１００が配されており、本発明に係る混合促進構造１００からは圧力容器５に向けて、主内管３５と主外管３８とからなる主二重管３０が延出している。
【００３１】
本発明に係る混合促進構造１００は、両端部において、第１二重管１０と第２二重管２０と接続されている合流部二重管１４０と、合流部二重管１４０から延出する混合促進部二重管１５０とから構成されている。また、混合促進部二重管１５０は、主二重管３０と接続されている。
【００３２】
なお、合流部二重管１４０は、本実施形態では、第１二重管１０と第２二重管２０の２本の二重管と接続されているが、合流部二重管１４０がより多くの二重管と接続される構成とすることもできる。
【００３３】
合流部二重管１４０は、合流部内管１４５と、その外周に配される合流部外管１４８とから構成されている。また、混合促進部二重管１５０は、混合促進部内管１５５と、その外周に配される混合促進部外管１５８とから構成さている。
【００３４】
本発明に係る混合促進構造１００の混合促進部二重管１５０内においては、混合促進部内管１５５と混合促進部外管１５８との間に複数のバッフル板１６０が設けられている。これらのバッフル板１６０は、いずれも混合促進部内管１５５に溶接されることで固着されている。
【００３５】
このように本発明に係る混合促進構造１００においては、バッフル板１６０は、混合促進部内管１５５に溶接し、混合促進部外管１５８には溶接しない構造を特徴としており、高温場における熱膨張等に伴う熱応力の発生を緩和している。
【００３６】
図１及び図２に示すように、本発明に係る混合促進構造１００においては、バッフル板１６０は１８０°の扇形をなしている。また、本発明に係る混合促進構造１００は、バッフル板１６０が、混合促進部二重管１５０が主二重管３０へと延出する方向に交互に配されることを特徴としている。
【００３７】
図３に示すように、本発明に係る混合促進構造１００は、混合促進部内管１５５と混合促進部外管１５８との間における複数のバッフル板１６０によって、第１二重管１０及び第２二重管２０より流入したヘリウムガスの流れを蛇行させ、混合を促進し、主二重管３０へと導く特徴を有している。
【００３８】
このように、本発明に係る混合促進構造１００は、内管と外管との間の環状部を流れる熱的に混合しづらいヘリウムガスについて、バッフル板１６０によって、混合を促進することで、ガスの温度（混合平均温度）を均質化する。そして、本発明に係る混合促進構造１００が適用される高温ガス炉プラントにおいては、ヘリウムガスの混合平均温度を正確に測定することで、適切なガス温度制御を行い、円滑なプラント運用を図ることができる。
【００３９】
なお、本発明に係る混合促進構造１００においては、混合促進部二重管１５０の混合促進部外管１５８の径が、主二重管３０の主外管３８の径より大きく設定されている。また、合流部二重管１４０の合流部外管１４８の径が、第１外管１８の径、第２外管２８の径のいずれよりも大きく設定されている。いずれの構造部においても、内管の径については変わることがない。
【００４０】
このように、本発明に係る混合促進構造１００の合流部二重管１４及び混合促進部二重管１５０の拡径により、ガス流路を拡大するとともにガス流速を低く抑えることにより、圧力損失を抑えるようにしている。
【００４１】
図４乃至図６は本発明の実施形態に係る混合促進構造１００におけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を示す図である。特に、図４から、高温（第１二重管１０側）及び低温（第２二重管２０側）のヘリウムガスは混合促進構造１００内のバッフル板１６０群を通過する際に蛇行している様子がわかる。これにより、ヘリウムガスは混合促進構造１００において、合流後、主二重管３０に流入する際には、非常によく混合されており、本発明の混合促進構造１００が、優れた混合促進の効果を有することがわかる。
【００４２】
ここで、本発明に係る混合促進構造１００による効果を、２つの比較例による効果と比較してみる。
【００４３】
図７は比較例１に係る混合促進構造の内部を透過的にみた斜視図である。図７に示す比較例１では、温度が異なるヘリウムガスの混合構造として、主二重管３０における主内管３５と主外管３８との間に、図示するように偏向板７０が設けられている。
【００４４】
図８は比較例１に係る混合促進構造におけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を斜視図でみたものである。
【００４５】
また、図９は比較例２に係る混合促進構造の内部を透過的にみた斜視図である。図９に示す比較例２では、温度が異なるヘリウムガスの混合構造として、主二重管３０における主内管３５と主外管３８との間に、図示するようにスパイラル板８０が設けられている。
【００４６】
図１０は比較例２に係る混合促進構造におけるヘリウムガスの温度分布のシミュレーション結果を斜視図でみたものである。
【００４７】
図８及び図１０を参照すると、混合促進装置がない従来の場合に比べて、ヘリウムガスの混合は多少されているものの、高温側のヘリウムガスと低温側のヘリウムガスがスパイラル状に絡みつく結果となり、完全には混合されていないことがわかる。
【００４８】
また、図１１は本発明の実施形態に係る混合促進構造１００、従来例、比較例の混合促進を比較して示す図である。図１１において、縦軸はヘリウムガスが流れる方向の長さを二重管の外径で除した値（無次元量）を、また、横軸は標準偏差を混合前のガス温度差で除したもの（ψ）をそれぞれ示している。
【００４９】
ここで、標準偏差はその断面における温度の分布状況を示すものであり、これを混合前のガス温度差で除したψは、混合の度合いを示す指標として用いることができる。すなわち、ψが０．５である場合が初期のヘリウムガス温度差であり、ψがゼロに向かうに従ってヘリウムガスがよく混合されていると評価することができる。
【００５０】
図１１を参照すると、まず、混合促進構造がない従来例、偏向板を有する比較例１に係る混合促進構造、及びスパイラル板を有する比較例２に係る混合促進構造、本願発明に係る混合促進構造１００のそれぞれの温度分布と比較すると、本願発明に係る混合促進構造１００は、合流後に主二重管３０に流入する際には、他のものに比べて、非常によく混合されており、混合促進の効果を確認できる。
【００５１】
混合促進構造がない従来例の場合、ヘリウムガスの流れ方向に対して、ヘリウムガスの混合の度合いがほとんど変化なく、混合前のヘリウムガス温度差の約８９％までしか温度差を低減することができず、ヘリウムガスの混合が起こりづらいことが定量的に示された。
【００５２】
また、比較例１及び比較例２の混合促進装置を設けた場合でも、それぞれ約６９％及び約４２％までしかヘリウムガスの温度差を低減できないことが示された。
【００５３】
一方、本願発明に係る混合促進構造１００を設置した場合と、混合促進装置等がない場合の結果とを比較すると、ψは急激に低下し、約０．０１７まで低下しており、本願発明に係る混合促進構造１００を設置することで、混合前のヘリウムガス温度差を約３％まで低下させることができる。
【００５４】
このことから、混合ヘリウムガスの温度差は、一般的に用いられている温度計測装置の測定精度及び制御の変動幅である４％より小さい値に抑えることができ、高温ガス炉プラントの適切な温度制御ができる。
【００５５】
また、混合促進構造１００内にバッフル板１６０を設置した場合には約１５００キロパスカル程度の圧力損失が生じるが、本願発明に係る混合促進構造１００の外管径を大きくすることにより約２８キロパスカルまで抑えることができ、従来の配管に設置するより圧力損失を約９８％低減させることができる。
【符号の説明】
【００５６】
３・・・高温ガス炉
５・・・圧力容器
７・・・炉心
８・・・制御棒
１０・・・第１二重管
１５・・・第１内管
１８・・・第１外管
２０・・・第２二重管
２５・・・第２内管
２８・・・第２外管
３０・・・主二重管
３５・・・主内管
３８・・・主外管
７０・・・偏向板
８０・・・スパイラル板
１００・・・混合促進構造
１４０・・・合流部二重管
１４５・・・合流部内管
１４８・・・合流部外管
１５０・・・混合促進部二重管
１５５・・・混合促進部内管
１５８・・・混合促進部外管
１６０・・・バッフル板
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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