JPH01196000A

JPH01196000A - 原子炉の非常時炉心冷却系

Info

Publication number: JPH01196000A
Application number: JP63019599A
Authority: JP
Inventors: Sunao Narabayashi; 直奈良林; Noboru Saito; 登斎藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-02-01
Filing date: 1988-02-01
Publication date: 1989-08-07
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: JP2801598B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（ｆｆｉ業上の利用分野）本発明はボイラ給水などに用いる高圧水噴出用のスチー
ムインジェクタに係り、特に軽水炉などの非常時炉心冷
却系の注水装置に好適なスチームインジェクタに関する
。

（従来の技術）スチームインジェクタは蒸気ＩｉｇＡ車その他のボイラ
給水用として用いられており、従来では例えば第１０図
に示す構成のものが知られている。

すな°わち、蒸気取入口１を右するケーシング２にニー
ドル弁３付きの蒸気噴出ノズル４を段（）、この然気噴
出ノズル４に水吸込口５を臨設している。この蒸気噴出
ノズル４の下流側に蒸気・水混合ノズル６および昇圧用
ディフューザ７を配設し、逆止弁８を介して吐出口９に
連通している。蒸気・水ｕ合ノズル６のスロート部１０
にはオーバーフロー排水管１１に連通ずるオーバーフロ
ー排水孔１２が間口している。

そして、例えばニードル弁３をハンドル１３により蒸気
噴出ノズル４から引抜き、蒸気取入口１から供給された
蒸気が蒸気噴出ノズル４から噴出すると、水吸込口５の
圧力は蒸気の凝縮により負圧となって大気圧以下となり
、タンクなどから水を吸い上げる。水吸込口５から吸い
込まれる低温水（７０℃以下）により蒸気が凝縮されつ
つ蒸気・水混合ノズル６へ流入し、スロート部１０で高
速水流となる。すなわち、蒸気のもつエンタルピη０が
飽和水のエンタルピη１よりも蒸発層熱分だけ高いこと
から、この蒸発潜熱が運動エネルギに変換し、高速水流
を形成する。この高速水流が昇圧用ディフューザ７内を
流通する際には、流体力学の法則により、次式で示（圧
力Δｐだけ昇圧する。

（ρ　：水の密度、Ｕｔ　ニスロートを通過する高速水
流の流速）これにより、スチームインジェクタでは蒸気の供給圧力
よりも高い吐出圧力を得ることができる。

昇圧用ディフューザ７の出口側の圧力が十分高くなると
、逆止弁８が自動的に開いて吐出口９から加圧水が噴出
する。

しかしながら、上述した従来構成のスチームインジェク
タによると、高々７ＫＷ／ｃｄＧの吐出圧しか得ること
ができない。これは蒸気機関車のボイラに用いられる程
度の低圧である。このような限界点が生じる原因は、蒸
気噴出ノズル４の断面形状が、先端に向かって次第に小
径となるのみであるためと考えられる。すなわち、この
ようなノズル形状では流体力学的に明らかにされている
ように、蒸気・水混合ノズル内での凝縮速度が低くなる
ため充分な蒸気噴出速度が得られなかことによる。

ところで、例えば沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内の
非常時における炉内圧力は７０８９／ｃｉＧとして設定
されている。このような高圧下で冷却水を噴出する非常
時炉心冷却系の注水装置として従来のスチームインジェ
クタを適用することは困難である。

そこで、原子炉非常時冷却系用スチームインジェクタと
して吐出圧を高める研究が種々行われており、その−構
成例を第１１図に示している。

このスチームインジェクタは、概略的には前記のものと
略同様の構成を有するが、蒸気噴出ノズル４が次第に拡
径するディフューザ形状とされており、蒸気流の超音速
が得られるようになっている。また、蒸気・水混合ノズ
ル６の次に第２ノズル１４を設けて、オーバーフロー排
水孔１２をスロート１０の上流側に形成している。

このスチームインジェクタによると、第１０図に示すス
チームインジェクタの約６倍の吐出圧（約４０に！Ｆ／
ｃｊＧ＞を得ることが可能とされている。

しかしながら、この第１１図のスチームインジェクタに
おいても７０に９／ｄＧの吐出圧を得ることは困難であ
る。

また非常時における炉心冷却系からの注水により、原子
炉圧力容器内の圧力は暫時低下して、最終的には大気圧
となるが、このような変化に対応して吐出蒸気圧を調整
できるスチームインジェクタはまだ知られていない。

また、従来では蒸気・水混合ノズルの入【コ部からスロ
ート部に至る流路断面形状を円錐状にするとともに、オ
ーバーフロー排水孔をスロート部の周方向全体に亘って
形成しているため、流れの剥離による圧力損失が比較的
大きく、これも加圧力低下の一因となっていた。

〈発明が解決しようとする課題）従来のスチームインジェクタにおいては、吐出圧力が比
較的低（制限され、原子炉の非常時炉心冷却等には適用
困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、原子
炉の非常時炉心冷却系の注水装置として適用できる十分
高い圧力の吐出水を噴射できるスチームインジェクタを
提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記の課題を解決するために、本発明は、蒸気取入口を
有するケーシングにニードル弁付きの蒸気噴出ノズルを
設け、この蒸気噴出ノズルに水吸込口を臨設し、その下
流側に蒸気・水混合ノズルおよび昇圧用ディフューザを
配設した高圧水噴出用スチームインジェクタにおいて、
前記蒸気噴出ノズルの出口部を下流側に向って拡径させ
るとともに、前記ニードル弁のニードルを前記蒸気噴出
ノズルの下流側に向って小径となるテーパ付きとするこ
とによりその蒸気噴出ノズルをディフューザ形状にした
ことを特徴とする。

なお、望ましくは、蒸気・水混合ノズルの入口部からス
０−１一部に至る流路断面形状を四半楕円形状にしたこ
とを特徴とする。

また、蒸気・水混合ノズルの流路断面積を可変とする断
面積可変手段を設けた。

この断面積可変手段は望ましくは、ディフューザの下流
側から流路軸方向に進退可能に挿着したニードルとする
。

また、そのニードルは、望ましくは供給蒸気圧に対応し
て進退量を設定する制御装置により駆動されるものとす
る。

さらに、蒸気・水混合ノズルのスロート部に軸方向に長
いスリット状のオーバーフロー排水孔を周方向に間隔的
に設ける。

さらにまた、蒸気噴出ノズルを環状のものとし、軸心部
に前記水吸込口を配置する。

なお、本発明のスチームインジェクタは望ましくは、水
吸込口を原子炉の非常用冷却系配管に接続し、加圧水の
吐出部を原子炉内のスプレィノズルに接続して原子炉の
非常時炉心冷却系用として適用する。

（作用）蒸気噴出ノズルをディフューザ形状にしたことにより、
蒸気の超音速流が形成されるため、蒸気のもつエンタル
ピが有効に運動エネルギに変換され、従来のものと比べ
て水の加圧力が大幅に高まる。しかも、蒸気噴出機能と
蒸気流ｆｆｉ：ｌ！Ｊ整用の弁絞り機能とが同一箇所で
行われるため、従来のものと異なり、蒸気噴出ノズルの
上流側で既に蒸気圧力が低下して蒸気の流速が゛十分に
上がらないなどの不具合も生じない。

また、蒸気・水混合ノズルの入口部からスロート部に至
る流路断面形状を四半楕円形状にすれば、従来のスチー
ムインジェクタで用いる円錐状の蒸気・水混合ノズルと
異なり、流れの剥離による圧力損失が防止でき、高速水
流を効率良く得ることができる。

また、蒸気・水混合ノズルの流路断面積を可変とする断
面積可変手段を設けた場合には、蒸気供給圧力が高い時
は流路断面積を減少させ、スロート部の水の流速を増加
させて（１）式のΔｐを大きくできる。一方、蒸気供給
圧力が低い時には吐出圧も低くてよいことから、Δｐを
小さくできする。これにより、必要圧力に応じた吐出水
圧を任意に設定することができる。なお、断面積可変手
段を流路軸方向に進退可能に挿着したニードルとすれば
、構成が簡単で、かつ断面積調整機能が確実である。

なお、ニードルを供給蒸気圧に対応して進退量を設定す
る制御装置により駆動されるものとすれば、自動操作が
可能となる。

さらに、蒸気・水混合ノズルのスロート部に軸方向に沿
うスリット状のオーバーフロー排水孔を周方向に間隔的
に設けたことにより、流れの剥離が発生する箇所を周方
向で減少させることが可能となる。

さらにまた、蒸気噴出ノズルを環状のものとし、軸心部
に水吸込口を配置したものとした場合にはノズル周囲か
ら噴出する蒸気によって中央部から水を吸込むので蒸気
の流れが極めて効率よく、かつ円滑に行なえる。

なお、本発明のスチームインジェクタを、原子炉の非常
時炉心冷却系用として適用した場合には、原子炉の非常
時における高圧化に対処することが可能となり、また冷
却による原子炉内の圧力変動に合わせて加圧水吐出調整
が行なえる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図〜第６図は第１の実施例を示している。

第１図および第２図に示すように、蒸気取入口２１を右
するケーシング２２にニードル弁２３付きの蒸気噴出ノ
ズル２４を設けている。この蒸気噴出ノズル２４に水吸
込口２５を臨設し、その下流側に蒸気・水混合ノズル２
６および昇圧用ディフューザ２７を介して吐出口２８を
設けている。

蒸気・水混合ノズル２６のスロート部２９にはオーバー
フロー排水孔３０が間口している。

蒸気噴出ノズル２４の出口部は下流側に向って拡径させ
、またニードル弁２３のニードル３１は蒸気噴出ノズル
２４の下流側に向って小径となるテーパ付きとし、これ
により蒸気噴出ノズル２４をディフューザ形状にしてい
る。なお、３３はニードル３１をノズル軸方向に進退駆
動するためのハンドルである。

そして、蒸気取入口２１からケーシング内に蒸気を供給
するとともに、ニードル３１をハンドル３２により蒸気
噴出ノズル２４から引抜くと、蒸気噴出ノズル２４から
蒸気が噴出し、水吸込口２５から吸い込まれる低温水（
７０’ＣＪＸ下）により蒸気が凝縮されつつ蒸気・水混
合ノズル２６へ流入し、スロート２９部で高速水流とな
る。

この場合において、蒸気噴出ノズル２４をディフューザ
形状にしたことにより、流体力学的に明らかにされてい
るように、蒸気の超音速流が形成されるため、蒸気のも
つエンタルピが有効に運動エネルギに変換され、従来の
ものと比べて蒸気・水混合ノズル２６内での凝縮速度が
高まり、７０Ｋｇ　／　ｄ　０以上の吐出圧を得ること
が可能となる。

しかも、蒸気噴出機能と蒸気流ｆａ調整用の弁絞り機能
とが同一箇所で行われるため、従来のように蒸気噴出ノ
ズルの上流側で既に蒸気圧力が低下して蒸気の流速が十
分に上がらないなどの不具合も１じない。

また、第３図（ａ）に示すように、蒸気・水混合ノズル
２６の入口部２６ａからスロート２９部に至る流路断面
形状を四半楕円形状にしている。

これにより、流路がきわめて滑らかな絞り断面形状とな
り、第３図（ｂ）に示す従来のスチームインジェクタの
ようにテーパ状および円柱状断面が角部を介して接続さ
れた蒸気・水混合ノズルとは異なり、流れの剥離による
圧力損失が防止でき、高速水流を効率良（得ることがで
きる。

また、第４図および第５図に示すように、蒸気・水混合
ノズル２６には、その流路断面積を可変とする断面積可
変手段３５を設けている。この断面積可変手段３５は昇
圧用ディフューザ２７の下流側から流路軸方向に進退可
能に挿着したテーパ付きのニードル３６と、これを操作
するためのハンドル３７とを有する構成としている。ハ
ンドル３７の外周面にはギヤ３９を形成し、ギャードモ
ータ４０によって回転駆動可能としている。ギャードモ
ータ４０は制御装置４１によって制御される。制御装置
４１は供給蒸気圧に対応して好適なノズル開度、すなわ
ちニードル３７の３！返ｎを設定するもので、蒸気取入
口２１に接続した流量検出器４２、その検出信号を増幅
するアンプ４３およびモータコントローラ４４などによ
り構成される。

蒸気取入口２１に供給される蒸気圧力が高い時はニード
ル３７をスロート２９内に深く挿入してスロート２９の
流路断面８％Ａ□を減少させ、スａ−１−２９声の水の
流速を増加させて（１）式のΔｐを大きくする。一方、
蒸気供給圧力が低い時には吐出圧も低くてよいことから
、ニードル３７をスロート２９部から侵方に引抜き動作
してスロート２９の流路断面！ａＡ、を増大させ、スロ
ート２９部の水の流速を減少させて（１）式のΔｐを小
さくする。これにより、蒸気の供給圧力が低く水の流速
Ｕ、が小さくても必要な水の流ωＷ１は確保される。

なお、流ｍｗ、は下式によって計算される。

Ｗｌ−ρ、・Ａ１・Ｕ■　　・・・・・・・・・（２）
したがって、この実施例のスチームインジェクタによる
と、広範囲の蒸気供給圧力で作動可能となり、信頼性お
よび性能を大幅に向上することができ、しかも、ニード
ルを供給蒸気圧に対応して進退農を設定する制御装置に
より駆動するようにしたので、自動操作が可能であり、
かつ構成も筒中である。

さらに、蒸気・水混合ノズル２６のスロート部に軸方向
に沿うスリット状のオーバーフロー排水孔３０を周方向
に間隔的に設けたことにより、流れの剥離が発生する箇
所を周方向で減少させることが可能となる。第６図（ａ
）、（ｂ）は流れの！ＩＪＩＩＩの状態をこの実誇例お
よび従来例について、それぞれ模式的に示したものであ
る。

第６図（ｂ）に示すように、従来のスチームインジェク
タの場合にはオーバーフロー水取出し用としてスロート
の途中に周方向に沿うスリット状のオーバーフロー排水
孔を形成していたことにより、スロート内面全体に亘っ
て流れの剥離Ｗ４ａが発生し、大きな圧力損失を生じて
いた。

これに対し、本実施例の場合には、第６図（ａ）に示す
ように、スロー］・の途中に複数個、軸方向に沿うスリ
ット状のオーバーフロー排水孔３０を周方向に間隔的に
形成していることから、スリットとして同一面積のもの
でも、流れの剥離＠ａ′は部分的にしか発生しないため
、圧力損失は非常に少ないものとなる。

なお、この実施例では、昇圧用ディフューザの断面形状
をスロート内面を接戦とする所定半径Ｒの部分楕円また
は部分円弧形状としている。

第３図（ａ）、（ｂ）の各右側部分に加圧用ディフュー
ザ形状を示している。本実施例のもの（同図（ａ））で
は、従来のもの（周回（ｂ））と異なリスロートとの接
続部に段差や角がなく、流れの剥離渦による圧力損失が
防止でき、高速水流の動圧を効率よく静水圧に変換する
ことができる。

次に本発明の他の実施例を第７図および第８図により説
明する。

この実施例では、蒸気噴出ノズル２４を環状のものとし
、その軸心部に水吸込口２５を配置した構成としている
。すなわち、この実施例では、前記実施例の蒸気噴出ノ
ズル２４のニードル３１を大径にした形状を有し、その
ニードル３１の外周側を蒸気噴出ノズル２４とし、水吸
込口２５はニードル３１の内部を穿った構造のものとし
ている。

そして、スチームインジェクタの後部から低温水を供給
し、蒸気は環状にノズル中央に向けて噴射するようにし
ている。つまり、蒸気噴出ノズル２４は内壁がノズル軸
心と平行な円筒形状で外壁は軸対称な滑らかな凸曲面を
もつ形状とされている。

この外壁と蒸気噴出ノズルを構成するケーシング内面も
軸対称の滑らかな凸曲面をもつ形状とされ、これにより
、蒸気の流路面積が拡張、縮小し、円環状のディフュー
ザ形ノズルが成されている。このディフューザ機能によ
り、容易に蒸気の超音速が形成されるため、蒸気のもつ
エンタルピが有効に運動エネルギに変換される。

このような構成によると、水注入方向とノズル軸心とが
同一方向に沿う構造であるため、圧力Ｉｎ失が少なく、
蒸気も環状で、−点に向けて噴出されるため、凝縮作用
の効率も向上する。

なお、その他の構成については、前記実施例のスチーム
インジェクタと同様であるから、図の対応する部分に同
一の符号を付してその説明を省略する。

第９図は本発明のスチームインジェクタを特に安全性重
視の次世代型原子炉の非常時冷却系に適用した場合のプ
ラント構造について示したものである。

すなわち、原子炉圧力容器４５の内部に配置した。ヘッ
ドスプレィ４６には補助給水配管４７を介してスチーム
インジェクタ４８の吐出口を接続し、さらにスチームイ
ンジェクタ４８の水吸込口は復水′ａ４９の復水貯蔵タ
ンク５０ｋ１．連結しである。そして、スチームインジ
ェクタ４８の然気取入口には、蒸気導入配管５１を介し
て原子炉圧力容器４５から蒸気が導入されるようにして
いる。

なお、５２はタービン、５３はタービン発ｌＦｉ機を示
している。

万一、事故が発生して、原子炉が隔離され、主給水が停
止した場合には、スチームインジェクタ４８に蒸気が供
給され、スチームインジェクタが作動し、これにより復
水がヘッドスプレィ４６に供給され、補助給水系または
非常時炉心冷却系として使用される。時間の経過にした
がって原子炉圧力容器４５の蒸気圧が低下していくが、
本発明に係るスチームインジェクタ４８を用いた場合に
は、炉内蒸気圧力低下に応じて加圧水吐出圧を変化させ
、効率良い運転が行なえる。なお、一般に用いている遠
心ポンプと巽なり、ディーゼル発電確のような大容量の
電源を必要としない静的な流体ポンプであり、原子炉事
故時には極めて高い信頼性を有するものとなり、安全性
向上に大きく寄与するものとなる。

なお、本発明のスチームインジェクタは原子炉用に限ら
ず、他の種々のボイラ注水等加圧水供給用の装置として
広く適用できることは勿論である。

以上の各実施例によれば、極めて高圧の加圧水を噴射で
きるとともに、吐出水の圧力調整が可能なスチームイン
ジェクタを提供することができ、下記の種々の効果が奏
される。

蒸気噴出ノズル２４をディフューザ形状にしたことによ
り、蒸気の超音速流が形成され、従来のらのと比べて水
の加圧力が大幅に高まる。

しかも、蒸気噴出機能と蒸気流Ｉｍ整用の弁絞り機能と
が同一箇所で行われるため、蒸気噴出ノズル２４の上流
側で蒸気の流速が十分に上がらないなどの不具合も生じ
ない。

また、蒸気・水混合ノズル２６の入口部からスロート部
２９に至る流路断面形状を四半楕円形状にしたことによ
り、流れの剥離による圧力損失が防止でき、高速水流を
効率良く得ることができる。

また、蒸気・水混合ノズル２６の流路断面積を可変とす
る断面積可変手段３５を設けたことにより、必要圧力に
応じた吐出水圧を任意に設定することができる。なお、
断面積可変手段３５を流路軸方向に進退可能に挿着した
ニードル３６とした場合には、構成が簡単で、かつ断面
積：１１整機能が確実である。

ｆだ、ニードル３６を供給蒸気圧に対応して進退量を設
定する制御装置４１により駆動されるものとした場合に
は、自動操作が可能となる。

さらに、蒸気・水混合ノズル２６のスロート部２９に軸
方向に沿うスリット状のオーバーフロー排水孔３０を周
方向にｒ８隔的に設けたことにより、流れの剥離が発生
する箇所を周方向で減少させることが可能となる。

さらにまた、蒸気噴出ノズル２４を環状のものとし、軸
心部に水吸込口２５を配置したものとした場合にはノズ
ル周囲から噴出する蒸気によって中央部から水を吸込む
ので蒸気の流れが極めて効率よく、かつ円滑に行なえる
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、蒸気噴出ノズルをディフューザ形状に
したことにより、蒸気の超音速流が形成され、従来のも
のと比べて水の加圧力が大幅に高まる。

しかも、蒸気噴出機能と蒸気流量調整用の弁絞り機能と
が同一箇所で行われるため、蒸気噴出ノズルの上流側で
蒸気の流速が十分に上がらないなどの不具合も生じない
。

本発明のスチームインジェクタを、原子炉の非常時炉心
冷却系用として適用した場合には、原子炉の非常時にお
ける高圧化に対処することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本〜発明に係るスチームインジェクタの一実施
例を示す断面図、第２図は第１図の蒸気噴出ノズル部を
示す拡大図、第３図（ａ）、（ｂ）は蒸気・水混合ノズ
ル部の形状を従来例との比較において示す拡大説明図、
第４図は蒸気・水混合ノズルの断面積可変手段の構造を
示す断面図、第５図はｔＩＩＩ１１装置を示す構成図、
第６図（ａ）（ｂ）はオーバーフロー排水孔の作用を従
来例との比較において示す説明図、第７図は本発明の他
の実施例を示す断面図、第８図は第７図の要ｄ１を拡大
して示す断面図、第９図は原子炉設備への適用例を示す
構成図、第１０図は従来例を示す断面図、第１１図は他
の従来例を示す断面図である。２１・・・蒸気取入口、２・・・ケーシング、２３・・
・ニードル弁、２４・・・蒸気噴出ノズル、２５・・・
水吸込口、２６・・・蒸気・水混合ノズル、２７・・・
昇圧用ディフューザ、２８・・・吐出口、２９・・・ス
ロート部、３０・・・オーバーフロー排水孔、３１・・
・ニードル、３２・・・ハンドル、３５・・・断面積可
変手段。出願人代理人　　　波　多　野　　　久第２図第５図ス第８図口第１Ｏ図１４　　　　、第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

蒸気取入口を有するケーシングにニードル弁付きの蒸気
噴出ノズルを設け、この蒸気噴出ノズルに水吸込口を臨
設し、その下流側に蒸気・水混合ノズルおよび昇圧用デ
ィフューザを配設した高圧水噴出用スチームインジェク
タにおいて、前記蒸気噴出ノズルの出口部を下流側に向
って拡径させるとともに、前記ニードル弁のニードルを
前記蒸気噴出ノズルの下流側に向つて小径となるテーパ
付きとすることによりその蒸気噴出ノズルをディフュー
ザ形状にしたことを特徴とするスチームインジェクタ。