(57)【要約】 【課題】配管内における不安定な渦の形成を抑制することができ、冷却材の流動安定性を確保可能な供給系配管を備えた高速増殖炉型原子力発電システムを提供する。  【解決手段】高速増殖炉型原子力発電システムを構成する配管類に、熱伸びを吸収するための１つ以上の曲げ部を形成する。この曲げ部の下流側の流路断面形状を、少なくとも曲げ部の腹側が平面状または扁平状に形成された非円形とする。具体的には、該部の流路断面形状を、長円形、楕円形、正方形または長方形に形成する。【選択図】図１
2009098122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心を備えた原子炉容器と、
前記原子炉容器に一次系冷却材を供給する一次冷却系配管と、
前記一次系冷却材を熱交換する中間熱交換器と、
前記一次系冷却材を昇圧して前記原子炉容器に供給する一次主循環ポンプと、
前記中間熱交換器に二次系冷却材を循環する二次冷却系配管と、
前記二次系冷却材を昇圧して前記中間熱交換器に供給する二次主循環ポンプと、
前記二次系冷却材で熱交換して水から蒸気にまで加熱する蒸気発生器と、
前記蒸気発生器に付設された給復水・主蒸気系配管と、
前記蒸気発生器にて発生した蒸気からエネルギーを回収する高圧タービンおよび低圧タービンと、
これら高圧タービンおよび低圧タービンに連結された発電機と、
前記低圧タービンから排出された蒸気を冷却して凝縮させる復水器と、
前記復水器にて凝縮された水を昇圧して前記蒸気発生器に供給する給水ポンプとを有する高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、
前記各配管のうち、少なくとも前記一次冷却系配管に１つ以上の曲げ部を形成すると共に、少なくとも当該曲げ部の下流側の一部に、前記曲げ部の腹側が平面状または扁平状に形成された非円形の断面形状を有する流路を形成したことを特徴とする高速増殖炉型原子力発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、
前記曲げ部の下流側の一部に形成される流路の断面形状を、長円形、楕円形、正方形または長方形に形成したことを特徴とする高速増殖炉型原子力発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、
前記曲げ部の下流側の一部に形成される流路の断面形状のみを非円形にし、他の部分の流路断面形状を円形にしたことを特徴とする高速増殖炉型原子力発電システム。
【請求項４】
請求項１に記載の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、
前記曲げ部の下流側を含む流路全体の断面形状を非円形にしたことを特徴とする高速増殖炉型原子力発電システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、
前記一次冷却系配管の一次系冷却材流入端に、前記一次冷却系配管に接続される側の口径が小さく、他端側の口径が大きいラッパ形状またはメガホン形状のレデューサを設置したことを特徴とする高速増殖炉型原子力発電システム。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、
前記一次冷却系配管の一次系冷却材流入端内部に、整流用十字格子機構を設置したことを特徴とする高速増殖炉型原子力発電システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、
前記曲げ部の内面に、翼型ガイドベーンを少なくとも１つ以上設置したことを特徴とする高速増殖炉型原子力発電システム。
【請求項８】
請求項３に記載の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、
内径がＤである円形断面の前記曲げ部を、曲率半径ＲがＲ／Ｄ≧１．１を満足するエルボ形状に形成したことを特徴とする高速増殖炉型原子力発電システム。
【請求項９】
請求項４に記載の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、
等価内径がＤｅである非円形断面の前記曲げ部を、曲率半径ＲがＲ／Ｄｅ≧１．１を満足するエルボ形状に形成したことを特徴とする高速増殖炉型原子力発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速増殖炉型原子力発電システムに係り、特に、一次冷却系配管、二次冷却系配管および給復水・主蒸気系配管などの配管類の引き回し形状と、各配管類の流路断面形状とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の原子力発電システムとして、例えば高速増殖炉は核分裂性物質を含む炉心で、一次系冷却材であるナトリウムを加熱して一次主循環ポンプで中間熱交換器と熱交換する一次冷却系、次に当該中間熱交換器で熱交換したナトリウムを二次主循環ポンプで蒸気発生器と熱交換させる二次冷却系、そして当該蒸気発生器で発生した蒸気を主蒸気管へ通して高圧タービンおよび低圧タービンへと送り、これら高圧タービンおよび低圧タービンの軸と連動した発電機で電気を発生させる給復水・主蒸気系の３系統から成る間接式発電方式である。なお、仕事に使用された蒸気は、通常の沸騰水型軽水炉原子力発電システムと同様に低圧タービン出口側に設置された復水器で凝縮して水となり、その後、給水加熱器および給水ポンプ等を通って昇圧、加熱されて蒸気発生器内に給水される。
【０００３】
なお、一般的な高速増殖炉システムの炉型は、多くの原子力関連図書に記載されている（例えば、非特許文献１参照。）。この非特許文献１に記載されているように、高速増殖炉システムのハード構成には、大きく分けてタンク型とループ型の２つのタイプとがある。
【０００４】
タンク型の高速増殖炉システムは、原子炉容器内に一次主循環ポンプ及び中間熱交換器が収納されるため、一次冷却系がコンパクトになり、原子炉建屋全体を小さくできる可能性がある。また、冷却材のインベントリが大きく、過渡時の温度変化が小さくなる。しかしながら、中間熱交換器の下部と一次主循環ポンプについては、低温部へ置く必要があるため、隔壁などが設置されているので構造が複雑になり、現象が複雑になりやすい。また、原子炉容器が大きくなるので、耐震性や製作容易性に対する配慮が必要となる。
【０００５】
一方、ループ型の高速増殖炉システムは、原子炉容器と一次主循環ポンプと中間熱交換器とが個別に設置されているため構造が単純であり、各機器間の冷却材の移動や荷重の伝達は配管を介してのみ行われる。したがって、現象の解明が比較的容易であり、不確定な要素が入る余地が少ない。また、各機器の独立性が高いため接近が容易であり、保守性、補修性に優れている。しかし、一次冷却系の熱膨張を吸収する配管の引き回しによっては、一次系の設置面積が大になる可能性がある。また、一次冷却系配管から冷却材漏洩に対して、ナトリウム受けの容器なども必要となる。よって、このループ型においては、配管の短縮が主要な課題である。
【０００６】
以下、高速増殖炉システムの開発課題を、今後日本で計画されているループ型の高速増殖炉システムを例にとって説明する。
【０００７】
図１３は、ループ型の高速増殖炉の開発課題を纏めた表図であって、この図から明らかなように、主な課題としては、経済性、信頼性向上および安全性向上の３つが挙げられている（例えば、非特許文献２，３参照。）。
【０００８】
経済性に係る課題は、建屋容積・物量の削減と、高燃焼度化による長期運転サイクルの実現とがあり、建屋容積・物量の削減に関しては、１．配管短縮のための高Ｃｒ鋼の開発、２．システム簡素化のための冷却系２ループ化、３．一次冷却系簡素化のためのポンプ組込型中間熱交換器の開発、４．原子炉容器のコンパクト化、５．システム簡素化のための燃料取扱系の開発、および６．物量削減と工期短縮のための格納容器の小型化が挙げられている。また、高燃焼度化による長期運転サイクルの実現に関しては、７．高燃焼度化に対応した燃料被覆管の開発が挙げられている。
【０００９】
信頼性向上に係る課題は、ナトリウムの取扱技術に関するものであり、８．配管２重化によるナトリウム漏洩対策強化、９．直管２重伝熱管蒸気発生器の開発、１０．保守及び補修性を考慮したプラント設計が挙げられている。
【００１０】
安全性向上に係る課題は、炉心安全性の向上と、建屋の免震技術とがあり、炉心安全性の向上に関しては、１１．受動的炉心停止と自然循環による炉心冷却、１２．炉心損傷時の再臨界回避技術の開発が挙げられている。また、建屋の免震技術に関しては、１３．建屋の３次元免震技術が挙げられている。
【００１１】
本発明は、経済性に係る課題の建屋容積・物量の削減に挙げられた「２．システム簡素化のための冷却系２ループ化」に対処するための手段に関する。即ち、非特許文献１に記載されているように、従来技術では、冷却系が３ループであるのに対して、新規の高速増殖炉システムでは、システム簡素化のために冷却系の２ループ化が求められている。これは、従来技術の３ループから配管システムのコンパクト化を目指して新規の高速増殖炉システムではアドバンスしたものである。これで、配管数が３つから２つへ減少することにより、一次系冷却材の供給流量が同じであれば配管1本あたりの一次冷却材流量が増加することになり、配管内の平均流速増加とこれに伴う開発課題が増加することになる。一次系冷却配管系統では、熱交換前の高温の一次冷却材が流れるホットレグと、熱交換後の低温の一次冷却材が流れるコールドレグの２系統があり、配管の熱膨張による熱伸び緩和を図るため少なくとも１つ以上の曲げ部を有し、配管をサポートせずに配管支持拘束を緩める設計を検討している。この曲げ部を有することで、一次冷却系の流れが局所的に高速となり、曲げ部下流側で通常の二次流れによる旋回流のみならず、曲げ部の腹側で流れのはく離が生じて渦の生成・消滅を繰り返す可能性がある。そこで、新規の高速増殖炉システムのコンパクト化のためには、配管内の流動安定性を確保すると同時に、配管の信頼性を向上させる必要がある。
【非特許文献１】堀雅夫、基礎高速炉工学編集委員会（編）、「基礎高速炉工学」、日刊工業新聞社、１９９３年１０月発行
【非特許文献２】「日本原子力研究開発機構、ＦＢＲサイクル実用化研究開発―ＦａＣＴプロジェクトが始動―ＦＢＲ技術に関する研究開発―」、原子力ｅｙｅ、Ｖｏｌ．５３、Ｎｏ．３、２００７年３月号、Ｐ．２６の図１
【非特許文献３】日本原子力学会誌、Ｖｏｌ．４９、Ｎｏ．６、２００７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
このように、原子炉と一次系循環ポンプを連結するための一次系配管であるホットレグおよびコールドレグに１つ以上の曲げ部を設けると、配管の曲げ部下流側で流れのはく離が生成することにより流動が不安定になる可能性がある。この流動不安定性は、２つの面で懸念がある。
【００１３】
まず、システム性能の面では、システム圧力損失の増加を引き起こし、またポンプ吸込み側の位置では飽和圧力状態から見て負圧になることでポンプ内キャビテーションを生じる懸念がある。
【００１４】
また、機器の信頼性の面では、配管の曲げ部下流側で流れのはく離が生成することにより、曲げ部下流の腹側での不安定な渦の生成と消滅を繰り返すことになり、この系内で渦の励振による圧力変動に起因した配管振動が発生しやすくなり、また、はく離渦の発生部位近傍で不純物の濃縮と共存した配管内面の腐食現象が生じる懸念がある。
【００１５】
以上、高速増殖炉システムのコンパクト化を図るために、設計の際、一次系配管など主要機器の連結配管に技術的なしわ寄せがかかり、それによる性能低下や機器の信頼性低下などの懸念がある。これは、二次系配管などにも同様の課題がある。
【００１６】
本発明は、かかる従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、建屋スペースおよび配管配置空間を大幅に変更することなく、コンパクトで高性能な一次系および二次系配管を備えた高速増殖炉型原子力発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、前記課題を解決するため、第１に、炉心を備えた原子炉容器と、前記原子炉容器に一次系冷却材を供給する一次冷却系配管と、  前記一次系冷却材を熱交換する中間熱交換器と、前記一次系冷却材を昇圧して前記原子炉容器に供給する一次主循環ポンプと、前記中間熱交換器に二次系冷却材を循環する二次冷却系配管と、前記二次系冷却材を昇圧して前記中間熱交換器に供給する二次主循環ポンプと、前記二次系冷却材で熱交換して水から蒸気にまで加熱する蒸気発生器と、前記蒸気発生器に付設された給復水・主蒸気系配管と、前記蒸気発生器にて発生した蒸気からエネルギーを回収する高圧タービンおよび低圧タービンと、これら高圧タービンおよび低圧タービンに連結された発電機と、前記低圧タービンから排出された蒸気を冷却して凝縮させる復水器と、前記復水器にて凝縮された水を昇圧して前記蒸気発生器に供給する給水ポンプとを有する高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、前記各配管のうち、少なくとも前記一次冷却系配管に１つ以上の曲げ部を形成すると共に、少なくとも当該曲げ部の下流側の一部に、前記曲げ部の腹側が平面状または扁平状に形成された非円形の断面形状を有する流路を形成するという構成にした。
【００１８】
かかる構成によると、曲げ部の下流側における冷却材の平均流速を低下させることができるので、該部におけるヘアピン渦の生成・放出を抑制することができ、当該配管内の流動安定性を高めることができる。
【００１９】
本発明は第２に、前記第１の構成の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、前記曲げ部の下流側の一部に形成される流路の断面形状を、長円形、楕円形、正方形または長方形に形成するという構成にした。
【００２０】
シミュレーションによると、曲げ部の下流側の流路断面形状をこれらの形状とすることにより、円形断面の場合に比べて、ヘアピン渦の生成・放出を抑制することができ、当該配管内の流動安定性を高めることができることが判った。
【００２１】
本発明は第３に、前記第１の構成の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、前記曲げ部の下流側の一部に形成される流路の断面形状のみを非円形にし、他の部分の流路断面形状を円形に形成するという構成にした。
【００２２】
ヘアピン渦の生成・放出は、曲げ部の下流側の限られた範囲内で生じるので、該部だけを非円形にすることによっても、ヘアピン渦の生成・放出に起因する不都合を抑制することができる。
【００２３】
本発明は第４に、前記第１の構成の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、前記曲げ部の下流側を含む流路全体の断面形状を非円形にするという構成にした。
【００２４】
前述のように、ヘアピン渦の生成・放出は、曲げ部の下流側の限られた範囲内で生じるので、該部だけを非円形にすれば足るが、一端から他端まで同一断面形状の配管を用いた方が製造が容易になる場合には、全体が非円形断面に形成された配管を用いることも可能である。
【００２５】
本発明は第５に、前記第１乃至第４の構成の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、前記一次冷却系配管の一次系冷却材流入端に、前記一次冷却系配管に接続される側の口径が小さく、他端側の口径が大きいラッパ形状またはメガホン形状のレデューサを設置するという構成にした。
【００２６】
かかる構成によると、レデューサを設置により、一次冷却系配管からの水中縦渦の吸い込みを抑制できるので、配管における流入流速分布の偏流を抑制することができ、曲げ部下流側でのヘアピン渦の生成・放出をより効率的に抑制することができる。
【００２７】
本発明は第６に、前記第１乃至第４の構成の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、前記一次冷却系配管の一次系冷却材流入端内部に、整流用十字格子機構を設置するという構成にした。
【００２８】
かかる構成によると、整流用十字格子機構により、配管の入口部で流入渦を崩壊することができるので、一次系流入部から水中縦渦の吸い込みおよび流入流速分布の偏流を抑制することができ、曲げ部下流側でのヘアピン渦の生成・放出をより効率的に抑制することができる。
【００２９】
本発明は第７に、前記第１乃至第４の構成の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、前記曲げ部の内面に、翼型ガイドベーンを少なくとも１つ以上設置するという構成にした。
【００３０】
かかる構成によると、曲げ部の内面に設置された１つ以上の翼型ガイドベーンにより、曲げ部における冷却材の３次元的に複雑な変動流をきれいに整流し、さらには平均流速を低下させることができるので、曲げ部下流側でのヘアピン渦の生成・放出をより効率的に抑制することができる。
【００３１】
本発明は第８に、前記第３の構成の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、内径がＤである円形断面の前記曲げ部を、曲率半径ＲがＲ／Ｄ≧１．１を満足するエルボ形状に形成するという構成にした。
【００３２】
曲げ部下流側におけるヘアピン渦の生成・放出は、曲げ部の曲率半径が小さくなるほど発生しやすくなる。シミュレーションによると、円形断面の曲げ部にあっては、曲げ部の内径をＤとしたとき、曲率半径ＲがＲ／Ｄ≧１．１を満足するエルボ形状に形成することによりヘアピン渦の生成・放出の抑制に効果があることが判った。
【００３３】
本発明は第９に、前記第４の構成の高速増殖炉型原子力発電システムにおいて、等価内径がＤｅである非円形断面の前記曲げ部を、曲率半径ＲがＲ／Ｄｅ≧１．１を満足するエルボ形状に形成するという構成にした。
【００３４】
上述のように、曲げ部下流側におけるヘアピン渦の生成・放出は、曲げ部の曲率半径が小さくなるほど発生しやすくなるが、シミュレーションによると、非円形断面の曲げ部にあっては、曲げ部の等価内径をＤｅとしたとき、曲率半径ＲがＲ／Ｄｅ≧１．１を満足するエルボ形状に形成することによりヘアピン渦の生成・放出の抑制に効果があることが判った。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の高速増殖炉型原子力発電システムは、配管に１つ以上の曲げ部を形成すると共に、当該曲げ部の下流側の一部に、当該曲げ部の腹側が平面状または扁平状に形成された非円形の断面形状を有する流路を形成するので、曲げ部の下流側における冷却材の平均流速を低下させることができて、該部におけるヘアピン渦の生成・放出を抑制することができ、配管内の流動安定性を高めることができる。よって、システムの圧力損失を低減できると共に、ポンプ内キャビテーションや配管内のヘアピン渦の生成・放出に起因する配管振動、配管の曲げ部下流側における不純物の濃縮、および配管内面の腐食現象を抑制または防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明に係る高速増殖炉型原子力発電システムの一実施形態を図面を用いて説明する。図１は本発明に係る高速増殖炉のシステム系統図である。現在、日本で計画されている新規に高速増殖炉もこのループ型高速増殖炉型原子力発電システムである。高速増殖炉型原子力発電システムは、原子炉容器１内に収納された核分裂性物質を含む炉心２で一次系冷却材であるナトリウムを加熱して一次主循環ポンプ５で中間熱交換器４と熱交換する一次冷却系配管３、次に当該中間熱交換器４で熱交換したナトリウムを二次主循環ポンプ７で蒸気発生器８と熱交換させる二次冷却系配管６、そして当該蒸気発生器８で発生した蒸気を主蒸気管へ通して高圧タービン１０ａ、低圧タービン１０ｂへと送り、高圧タービン１０ａおよび低圧タービン１０ｂの軸と連動した発電機１１で電気を発生させている給復水・主蒸気系配管９の３系統から成る間接式発電方式である。なお、仕事に使用された蒸気は、通常の沸騰水型軽水炉原子力発電システムと同様に低圧タービン出口側に設置された復水器１２で蒸気は凝縮して水となり、その後、給水加熱器１９および給水ポンプ２０等を通って昇圧、加熱されて蒸気発生器８内に給水される。ここで、原子炉容器１内の高温のナトリウムを吸い込んで中間熱交換器４へ送る配管をホットレグ３ａ、一次主循環ポンプ５から熱交換した低温のナトリウムを原子炉容器１へ戻す配管をコールドレグ３ｂと呼ぶ。
【００３７】
ループ型高速増殖炉型原子力発電システムは、原子炉容器１、一次主循環ポンプ５、中間熱交換器４が個別に設置されているため構造が単純であり、各機器間の冷却材の移動や荷重の伝達は配管３を介してのみ行われる長所がある。したがって各機器の現象の解明が比較的容易であり、不確定な要素が入る余地が少ない。また、各機器の独立性が高いため接近が容易であり、保守性、補修性に優れている。これらの点は、システムと各機器の開発を平行して行えるため、また各機器の相互干渉などの問題が少なく、開発課題を単純化してクリヤにできるメリットがある。しかし、一次冷却系の熱膨張を吸収するホットレグ３ａやコールドレグ３ｂのような配管の引き回しによっては、一次系の設置面積が大になる可能性がある。また一次冷却系配管から冷却材漏洩に対して、ナトリウム受けの容器などが必要となる。このループ型においては、配管の短縮が主要な課題である。この点が短所であると同時に、これらをクリヤすることができれば、開発にとって大きな進歩でもある。
【００３８】
本発明は、一次系ホットレグ配管３ａの断面形状を従来の円形断面形状ではなく、少なくとも曲げ部の腹側が平面状または扁平状に形状された非円形断面形状としたものである。図1には、この代表例として長円形状を示す。この際、原子炉容器の内壁面１ａの周方向θに沿って長円形状の長径が配置されるように扁平形状の長辺を設置すれば良い。なお、一次系ホットレグ配管３ａの断面形状は、少なくとも曲げ部の腹側が平面状または扁平状に形成されていればよく、後述するように、楕円形、正方形、長方形、四ツ葉型、セクタ、ヘアピン形状などの断面形状に形成することもできる。また、一次系ホットレグ配管３ａの長さ方向全体を均一な非円形断面形状とすることもできるし、曲げ部の下流側の一部のみを非円形断面形状とし、他の部分を円形断面とすることもできる。本発明の非円形配管は、コールドレグ３ｂ、二次冷却系配管６、給復水・主蒸気系配管９にも同様に使用することができる。ここで、原子炉容器１内の圧力は０．３ＭＰａ〜０．８ＭＰａと、従来の軽水炉に比べて比較的低圧の状態であるため、高圧状態で使用するような円管にして耐圧を検討する技術的課題はほとんどない。
【００３９】
図２は従来に対する本発明の対応案による技術課題の回避フローの概要を示す。図２の左側に従来例、右側に本発明のフローを示す。まず、一次冷却系配管の流路面積をＡとすると２ループ化により配管内平均流速は大きくなる。その結果、一次冷却系流入部および曲がり配管下流側で各種渦の発生が予想される。入口部では水中渦と偏流、エルボ下流側ではカルマン渦とヘアピン渦の生成が予想される。これらの結果、次の一次系配管の信頼性低下が懸念される。入口部での渦による影響として、ポンプ内のキャビテーションによる性能低下、インペラのエロージョン・コロージョン磨耗の発生および配管の流体力の偏りによる振動が考えられる。また、エルボ下流側での渦による影響として、エルボ下流側でのヘアピン渦の生成、放出周期による流体励起振動が考えられる。
【００４０】
これに対し、本発明では一次冷却系配管全体として流路断面を扁平流路として流路面積Ａを小さくすることで配管内平均流速を低下させる。またエルボ部内部にガイドベーンを設置し、エルボの曲率半径比Ｒ/Ｄeを１．１より大きくする。ここで、等価直径Ｄeは次の式で定義される。
【００４１】
Ｄe＝４Ａ／Ｌr
但し、Ａは流路断面積、Ｌrは濡れぶち長さである。等価直径は水力学の分野では水力直径と呼ばれ、三角形や楕円形はもとより各種形状を円管相当に置き換えて評価するために一般的に用いられているものである。
【００４２】
さらに、入口部に流入用レデューサを設置したり、流入時の旋回流の発生を防止するための十字格子を設置することもできる。これらの結果、上記に記載した各部の渦の生成を抑制・消滅することができ、次の一次冷却系配管の信頼性を向上させることができる。すなわち、入口部での渦抑制によりポンプ性能および信頼性を確保し、エルボ部下流側で配管の流動振動およびエロージョン抑制ができ、両者の影響により配管内の流動安定性を確保することが可能となる。
【００４３】
以上により、図１３に示した開発課題を解決することが可能となり、性能はもとより、信頼性を向上することができ、大型炉のハード成立性をクリヤすることが可能となる。
【００４４】
図３は原子炉容器１と一次主循環ポンプ５を接続する配管系統に発生する各種渦の概要図を示す。原子炉一次冷却系配管の例として、原子炉容器１と一次主循環ポンプ５を連結するホットレグ配管３ａを取り上げて説明する。原子炉容器１内へ設置された垂直配管はそのまま立ち上がり、ある高さで９０度曲がった後で水平配管を構成して中間熱交換器４および一次主循環ポンプ５へと流れ込む。ここで系統にもよるが、一次主循環ポンプ５へ吸い込まれる前に、中間熱交換器４あるいは図示しない崩壊熱除去系熱交換器などを通過することもある。ここで、従来の円形配管であると、入口部で水中縦渦と偏流した流れが生じる懸念がある。また、エルボ部下流側で曲がりによる二次流れに起因したカルマン渦とそれに伴うヘアピン渦の生成が懸念される。これらは主要な機器を連結する一次冷却系配管として、流動不安定に基づく配管振動などに大きな影響を与える可能性がある。
【００４５】
図４は一次冷却系配管系統の流路断面形状の相違によるエルボ下流側での渦の有無について解析結果の概要を示す。ここで、扁平流路によるエルボ部下流の消滅を検討するため、扁平流路の例として長円形状を用いて、非定常流動解析を行った。左側に従来の（ａ）円形断面形状の流路、右側に（ｂ）本発明の長円形状流路の流動解析結果の概要を示す。ここで、解析条件として、配管の種類を３６Ｂ配管、流入流量Ｇを一定とし、曲げ部の曲率半径比Ｒ／Ｄｅ＝１．０一定とした。左側の従来の場合、エルボ下流側の直ぐの位置（例えば、Ｌ／Ｄｅ＝０．２２）で不規則な渦の生成が見られる。但し、Ｌはエルボ下流の水平部から下流に沿った距離、Ｄｅは等価直径を示す。一方、右側の本発明の場合、エルボ下流側の直ぐの位置で渦が消滅している。これは、流路を扁平にすることで、曲げ部で二次流れから回り込んだ流れが渦のはく離を抑制する効果があることを示している。さらに流路断面積が大きくなることで、平均流速が低下していることも影響している。
【００４６】
図５は一次冷却系配管系統のエルボ部下流に沿った流速分布の概要図を示す。横軸に無次元流速ｕ/Ｕ、縦軸に半径方向の無次元距離Ｘ／Ｄｅをとり、エルボ配管部の各位置での半径方向の無次元速度分布を示している。但し、ｕは無次元距離Ｘ／Ｄｅにおける局所流速、Ｕは平均流速を示している。また、Ｘは図５に示すように、エルボ下流側の水平配管の半径方向の距離を示す。（ａ）はＬ／Ｄｅ＝０．０８４、（ｂ）はＬ／Ｄｅ＝０．２９、（ｃ）はＬ／Ｄｅ＝０．５２の場合である。エルボ部直ぐ下流の（ａ）ではエルボ腹側ではく離による逆流が生じており、はく離渦の生成が見られる。さらに（ｂ）、（ｃ）と流れの下流側に沿って逆流によるはく離流れは徐々に順流に回復してきているが、エルボ部の腹側から中心に向かって約１/３の位置までは３次元的な二次流れ・仮想的なカルマン渦の生成による背側から腹側へ補填するような流れの影響が継続しており、図示のように速度分布は十分に回復していない状況がわかる。
【００４７】
図６は一次冷却系配管のエルボ部下流に生じるヘアピン渦の周波数特性の概要図を示す。横軸は周波数ｆあるいは無次元数であるストローハル数Ｓｔ（＝Ｄｅ・ｆ／Ｕ）、縦軸はパワースペクトル密度をとる。図７から、数１０Ｈｚでパワースペクトル密度が大きくなる顕著な卓越周波数が見られる。エルボ下流側でのヘアピン渦の放出周波数ｆに卓越周波数が見られるため、これがホットレグ配管の固有振動数と十分に離れていないと共振領域に入り、ホットレグ配管のサポート条件が厳しくなる。このように、広い運転領域に渡り、卓越周波数の有無を分析し、最終的に圧力損失および流体励起振動を満足する観点から、本発明の構成で共振回避領域となるように運転条件および配管設計条件を見直していく必要がある。
【００４８】
図７は配管内流速と等価直径に対する各種渦の発生限界線の概要図を示す。横軸に平均流速Ｕ、縦軸に等価直径Ｄｅをとる。ここで、図中に示すように循環流量Ｇを一定とすれば、従来例の円形形状では非定常渦生成下限流速限界Ｕ＝Ｘより大きくなる領域にある。一方、本発明の扁平流路では等価直径Ｄｅも大きくなる上に、平均流速Ｕも小さくなるため、渦生成の下限流速限界値以下の領域となる。これにより、エルボ下流側で渦が消滅すると考えられる。これは、流路断面の扁平化により３次元的な二次流れの回りこむ流れに起因するはく離流が抑制され、また流路断面積の増加に伴い平均流速が低下することによるものと考える。
【００４９】
本発明の他の実施例を図８から図１２に示す。図８は本発明の他の実施例である高速増殖炉の一次冷却系配管の流路断面形状を示す。上図は一次冷却系配管の曲げ部を有するホットレグ３ａの例を示しており、下部から一次冷却材が垂直管へ流入１４ａし、曲げ部を通過した後に右側の水平管から一次冷却材が流出１４ｂする。ここで、本発明の他の実施例として、流路断面形状には（ａ）正方形、（ｂ）長方形、(ｃ)四ツ葉型形、（ｄ）セクタ形、（ｅ）ヘアピン形の例を示す。いずれも角部は丸みをつけて応力集中を緩和する構造とする。また、扁平形状であれば、前記の形状に限定するものではなく、楕円形などの他の形状にすることもできる。
【００５０】
図９から図１２までは、図８の構成例以外の他の変形例を説明したものであり、特に言及しない限りは図８の実施例と同じ符号の部材は同一の構成、効果を有するものである。なお、これら他の実施例は図１および図３の構成について適用できることは当然である。
【００５１】
図９は本発明の他の実施例である高速増殖炉の一次冷却系配管の入口部にレデューサ１５を設置した例である。原子炉容器１内にはホットレグ３ａやコールドレグ３ｂの他に多くの炉内構造物が設置されており、対象とするホットレグ３ａの入口部から一様に吸い込めるとは限らない。そこで、従来の垂直管の下端部へラッパー管のようなレデューサ１５を追設して、一次冷却材の流入流速を減少させてホットレグ３ａ内へ吸い込む方式とする。これにより、従来よりも均一な一様流入状態を形成することができる。
【００５２】
図１０は本発明の他の実施例である高速増殖炉の一次冷却系配管の入口部内部に旋回流防止用格子１６を設置した例である。図中にはＡ-Ａ断面に十字形状の例を示しているが、配管の周方向の回転流れである旋回流を抑制できれば、前記十字形状に限定するものでない。これにより、原子炉容器内から吸い込む際に旋回流入となることを抑制でき、水中渦の流入やエルボ下流側でのはく離渦の生成などを抑制することができる。
【００５３】
図１１は本発明の他の実施例である高速増殖炉の一次冷却系配管の曲げ部内部に二次流れやはく離流れを抑制するための流れを流線型に誘導するためのガイドベーン１７を設置した例である。腹側に長さの短いガイドベーン１７ａ、背側に長さの長いガイドベーン１７ｂを少なくとも１つ以上設置する。これにより、流入側で偏流や旋回流があっても、エルボ部下流側でのはく離流などを生成することを抑制できる。
【００５４】
図１２は本発明の他の実施例である高速増殖炉の一次冷却系配管の曲げ部の曲率半径比Ｒ/Ｄｅの影響を説明する図である。横軸に曲率半径比Ｒ／Ｄｅ、縦軸にはく離渦発生による圧力変動特性を示す。ここで、Ｒは曲率半径、Ｄｅは配管の等価直径を示す。図中には、一次冷却系流量Ｇが大きい場合（Ｕ≧９ｍ／ｓ）、中程度の場合（３ｍ／ｓ＜Ｕ＜９ｍ／ｓ）、小さい場合（Ｕ≦３ｍ／ｓ）の３種類を示した。一般的に、横軸のＲ／Ｄｅ＝１．０はショートエルボと呼ばれ、Ｒ／Ｄｅ＝１．５はロングエルボと呼ばれる。また縦軸にははく離渦の発生の有無を区別するための境界線を記した。流量Ｇが小さい場合、Ｒ／Ｄｅに無関係にはく離渦の生成は見られないが、流量Ｇが大きくなるにつれて、Ｒ／Ｄｅに依存性が大きくなり、Ｒ／Ｄｅが大きくなると緩やかな曲がり管を構成するためにはく離渦の生成が抑制されることがわかる。特に、Ｒ／Ｄｅ＝１．１を境にして大流量Ｇの場合でも、渦生成抑制効果が見られる。
【００５５】
以上、本発明の他の実施例として説明した図８から図１２までのそれぞれの発明を各々必要に応じて組み合わせれば、渦生成抑制効果はさらに大きくなる。これにより、ホットレグ配管の流動振動の抑制に貢献することができ、またはく離部近傍での配管内材料のエロージョン腐食などによる減肉現象を抑制することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の好適な実施例である高速増殖炉のシステム系統図。
【図２】従来案に対する本発明の対応案による技術課題の回避フローの概要図。
【図３】原子炉容器とポンプを接続する配管系統に発生する各種渦の概要図。
【図４】一次系配管系統の扁平流路によるエルボ部下流の渦消滅の解析結果の概要図。
【図５】一次系配管系統のエルボ部下流に沿った流速分布の概要図。
【図６】一次系配管系統のエルボ部下流に生じるヘアピン渦の周波数特性の概要図。
【図７】配管内流速と等価直径に対する各種渦の発生限界線の概要図。
【図８】本発明の他の実施例である高速増殖炉の配管形状の概要図。
【図９】本発明の他の実施例である高速増殖炉の一次冷却系配管に入口部レデューサを設置した概要図。
【図１０】本発明の他の実施例である高速増殖炉の一次冷却系配管入口内部に旋回流防止用格子を設置した概要図。
【図１１】本発明の他の実施例である高速増殖炉の一次冷却系配管曲げ部内部にガイドベーンを設置した概要図。
【図１２】本発明の他の実施例である高速増殖炉の一次冷却系配管曲げ部の曲率半径比の影響説明図。
【図１３】本発明の従来例である高速増殖炉の主概念１３課題の概要図。
【符号の説明】
【００５７】
１…原子炉容器、１ａ…原子炉容器の内壁面、２…燃料炉心、３…一次冷却系配管、３ａ…ホットレグ、３ｂ…コールドレグ、４…中間熱交換器、５…一次主循環ポンプ、６…二次冷却系配管、７…二次主循環ポンプ、８…蒸気発生器、９…給復水・主蒸気系配管、１０ａ…高圧タービン、１０ｂ…低圧タービン、１１…発電機、１２…水中縦渦、１３…ヘアピン渦、１４ａ…一次冷却材流入、１４ｂ…一次冷却材流出、１５…レデューサ、１６…旋回流防止十字格子、１７ａ…腹側ガイドベーン、１７ｂ…背側ガイドベーン、１８…復水器、１９…給水加熱器、２０…給水ポンプ
【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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【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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