JPH0126518B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉用の緊急炉心スプレイ装置に関
する。

第１図は、本発明による緊急炉心スプレイ装置
を使用するに適した沸騰水型原子炉を示す図であ
る。

第１図において、原子炉圧力容器１２内にはシ
ユラウド壁１４内に燃料集合体１６が装荷されて
いる。原子炉の通常運転時には、給水管１８から
供給された冷却水は、燃料集合体１６内で加熱さ
れて蒸気となる。この蒸気はセパレータ２０で冷
却水と分離された後、主蒸気管２２を通して外部
へ導かれ、タービン等を駆動する。したがつて、
原子炉圧力容器１２内の上部空間には常時蒸気が
充満している。一方、セパレータ２０で分離され
た冷却水は給水管１８からの冷却水と混合され、
再循環系２４の駆動により燃料集合体１６へ供給
される。

原子炉圧力容器１２内には、燃料集合体１６の
上部に設けたリング状のヘツダ２６およびスプレ
イノズル２８が配置され、原子炉の冷却材喪失事
故時に前記ヘツダ内に冷却水を供給する手段、例
えば緊急炉心冷却ポンプ等（図示せず）が設けら
れている。

すなわち、原子炉圧力容器１２内で炉心部上方
に配置されたヘツダ２６と、原子炉の冷却材喪失
事故時に前記ヘツダ内に冷却水を供給する手段
と、前記ヘツダに設けられて冷却水を前記炉心部
上方に環状に噴出するスプレイノズル２８とによ
り、緊急炉心スプレイ装置が構成されている。第
２図に示す如く、スプレイノズル２８はリング状
のヘツダ２６に沿つて円周上に多数個配列されて
いる。この緊急炉心スプレイ装置は、再循環系２
４の配管破断３０で代表される冷却材喪失事故時
に作動する緊急炉心冷却系の一系統である。すな
わち、配管破断３０が発生すると、原子炉圧力容
器１２内の冷却水が蒸気となつて破断口から流出
するため燃料集合体１６の温度が上昇するが、前
記緊急炉心スプレイ装置は、この温度上昇を一定
値以下に抑えるために、原子炉圧力容器１２内の
冷却水の水位低下を検出しその検出信号により作
動するようになつている。

第２図は、緊急炉心スプレイ装置の平面図であ
り、リング状のヘツダ２６には、多数の燃料集合
体１６で構成される炉心の中心に向つて冷却水を
噴出させるように多数のスプレイノズル２８が配
置されている。

従来の緊急炉心スプレイ装置に使用されるスプ
レイノズル２８には第３図に示すものがある。こ
のスプレイノズル２８の特徴は、ノズル開口部に
支持棒３２で支持された邪魔板３４が設けられて
いることである。この邪魔板３４に冷却水を衝突
させることにより噴出される冷却水の液滴化を促
進するとともに噴出された冷却水流の広がり角θ
を大きくすることができる。液滴化の促進および
広がり角θの拡大は、冷却水をより広範な領域に
より均等に散布させるために有効である。第２図
中には、一部のスプレイノズル２８について、各
スプレイノズルから噴出する冷却水の到達領域が
破線で示されている。冷却材喪失事故時には、蒸
気が充満した原子炉圧力容器１２内で、炉心冷却
に必要な量の冷却水がすべての燃料集合体１６に
供給されねばならない。そのため、スプレイノズ
ル２８の数および取付け角度は、冷却水ができる
だけ均等に燃料集合体１６に散布されるよう決め
られている。したがつて、多数のスプレイノズル
が必要となるため、緊急炉心スプレイ装置の構造
が複雑になる。

本発明の目的は、冷却材喪失事故時における炉
心部の冷却機能を損うことなく、緊急炉心スプレ
イ装置の構造を単純化することにある。

本発明の特徴は、環状に噴出された冷却水流の
外周を負圧にする手段をスプレイノズルに設けた
ことにある。

口径１インチのスプレイノズル２８を使用し
て、25℃の冷却水を250／minの流量で蒸気雰
囲気中に散布した場合の観察結果を第４図および
第５図に示す。第４図および第５図の破線が蒸気
雰囲気中に冷却水を散布した結果を示す。第６図
は、第５図に示す中心軸Ｘにおける燃料集合体に
スプレイされた冷却水量の分布を示している。破
線が蒸気雰囲気中における分布特性を示す。従来
の緊急炉心スプレイ装置では、このような蒸気雰
囲気中におけるスプレイノズル２８のスプレイ特
性を考慮して、スプレイノズル２８の個数および
配置が決められている。第６図の最もスプレイさ
れた冷却水量が少ないＡ点においても、冷却に必
要な所定量の冷却水が燃料集合体内にスプレイさ
れる。

第４図および第５図の実線で示す特性は、前述
した蒸気雰囲気中のスプレイ実験に用いたのと同
一形状のスプレイノズル２８を使用して、25℃の
冷却水を250／minの流量で空気中に散布した
時の状態を示すものである。同一条件下におい
て、蒸気雰囲気中の冷却水のスプレイ角が、空気
中におけるその角度よりも狭くなつている。この
現象は、スプレイノズル２８から噴出した冷却水
により蒸気が凝縮されることによる。すなわち、
環状の冷却水流４２の外側空間３６（第３図）
は、空間容積が広くスプレイされた冷却水により
周囲の蒸気が凝縮されても十分な蒸気が直ちに供
給されるのに対し、冷却水流４２の内側空間３８
は空間容積が小さく、しかも外側空間３６の蒸気
は水滴４０により凝縮されるため内側空間３８内
に到達しない。このような蒸気凝縮の結果、内側
空間３８の圧力は外側空間３６の圧力より低くな
り、この差圧が冷却水流４２に作用することによ
つてスプレイされた冷却水は内側に引き寄せられ
広がり角θが狭くなるのである。

本発明は、上記の検討結果に基づいてなされた
ものである。

第７図〜第９図は、本発明により噴出された冷
却水流の外側に減圧空間を形成する構造のスプレ
イノズルの作動原理を示す図である。

第７図に示すように、ノズル４４から噴出され
た冷却水流は元来不安定であり、このためスプレ
イ中心流４６は実線および破線のように変動す
る。これにつれてスプレイされた冷却水流の外周
の流れ４８も変動する。冷却水流は周囲の流体を
巻き込みながら広がるため、冷却水流４８の外周
近傍には同伴流５０が発生する。ところが、第８
図に示すように垂直壁５２と接続した水平壁５４
を設けるとスプレイ中心流４６は水平壁側に寄り
安定化することが知られている。このように、ス
プレイ中心流４６が水平壁５４側に片寄るのは、
冷却水流の上方では冷却水流の広がりに必要な十
分な流体の供給があるのに対し、冷却水流下方で
は垂直壁５２、水平壁５４および外周の流れ４８
により小さな空間が形成されて十分な流体の供給
がなく、この空間が減圧されるためである。ま
た、スプレイされた冷却水流が安定化するのは、
この小さな空間にスプレイ外周の流れ４８による
同伴流５６が安定した渦流となるためである。つ
まり、スプレイされた冷却水流には次のような一
般的性質がある。

(i) スプレイされた冷却水流の方向は元来いくら
か変動する。

(ii) 微小な圧力差でスプレイ中心流が一方向に片
寄る。

(iii) ノズル開口部近傍に渦流を形成するとスプレ
イされた冷却水流は安定化する。

このような特性は、流体論理素子の特性に類似
している。流体論理素子の一例としてアンドゲー
トを第９図に示す。圧力管５８に微小圧力を作用
させるとスプレイ中心流４６は下方に片寄り流路
６０に流入し、逆に圧力管６２に微小圧力を作用
させると流路６４に流入する。圧力管６２および
圧力管５８の双方に微小圧力を作用させた時のみ
中央の流路６６に流入しアンドゲートを形成す
る。

本発明は、上記のようなスプレイの特性をスプ
レイノズルに応用したものである。

以下、第１０図〜第１７図を参照して本発明の
実施例を説明する。

第１０図は本発明の緊急炉心スプレイ装置のス
プレイノズルの一実施例を示す縦断面図であり、
第３図に示した従来のスプレイノズルの場合に対
応する部分は同一符号で表示されており、ノズル
開口部には支持棒３２に固定された邪魔板３４が
設けられ、高圧の冷却水を邪魔板３４に衝突させ
て放射状に噴出するよう構成されている。スプレ
イノズル２８の環状壁の外周面に案内壁７０が設
けられ、この案内壁の先端は、スプレイノズル２
８の開口から噴出された環状の冷却水流４２の外
周面に接し、案内壁７０の内面と冷却水流４２と
の間に空間（減圧室）７２を形成するようその位
置が調整されている。

したがつて、減圧室７２内の流体（空気または
蒸気等）の一部は冷却水流４２の流れに同伴され
て減圧室７２外へ流出し、減圧室７２内は負圧状
態になる。減圧室７２内に残つた流体は、冷却水
流４２の流れにより、図示のような渦流としての
同伴流７４を形成する。この減圧室７２内の負圧
状態および同伴流７４によつて冷却水流４２が安
定化される。

第１０図のスプレイノズル２８は第１図に示す
原子炉圧力容器１２内に配置される緊急炉心スプ
レイ装置のヘツダ２６に取付けられる。冷却材喪
失事故時にスプレイノズル２８から冷却水を噴出
する時には、すでにスプレイノズル２８が存在す
るシユラウド壁１４内の上部空間が蒸気で満たさ
れている。スプレイを開始すると、スプレイされ
た冷却水流４２近傍の蒸気は冷却水流４２によつ
て凝縮される。減圧室７２内では蒸気の大部分が
凝縮され、しかも案内壁７０と冷却水流４２で囲
まれているため蒸気の補給がなく、このため減圧
室７２内の圧力は最も低くなる。

次に、冷却水流４２の内側空間３８において
は、蒸気の凝縮に伴ない減圧されるが、スプレイ
先端（第１０図の左側）から小量の蒸気が供給さ
れる。このため負圧状態にはなるがその負圧の程
度は減圧室７２よりも小さい。

外側空間３６においては、冷却水流４２の外周
が案内壁７０先端に衝突することにより微粒化し
たスプレイ水滴７６が生ずる。このスプレイ水滴
７６により外側空間３６から供給される蒸気が凝
縮するため、冷却水流４２と水滴７６との間の圧
力も若干低下する。冷却水流４２から離れた外側
空間３６における領域ではほとんど圧力低下がな
い。

つまり、減圧室７２の圧力をP₁、内側空間３
８の圧力をP₂、冷却水流４２と水滴７６との間
の圧力をP₃、外側空間３６の冷却水流４２から
離れた部分の圧力をP₄とすると、次のような関
係になる。

P₁＜P₂＜P₃＜P₄ したがつて、内側空間３８から冷却水流４２に
作用する圧力P₂と、減圧室７２および外側空間
３６側から冷却水流４２に作用する圧力P₁およ
びP₃とがバランスすることにより、蒸気雰囲気
中に冷却水を散布する場合にも冷却水流４２の広
がり角を所定の角度（例えば90度）に維持するこ
とが可能になる。すなわち、第５図の実線で示す
空気中にスプレイする場合の広がり角と同じにす
ることができる。

ノズル開口部の口径をD₀、案内壁７０の先端
の口径をＤとすれば、温度60℃の冷却水を蒸気雰
囲気中に散布する場合、Ｄ／D₀の値を1.7〜3.7位
の範囲にすれば、減圧室７２を設けないスプレイ
ノズルの空気中の広がり角90度を蒸気雰囲気中で
も維持することができた。

第１１図および第１２図は本発明のスプレイノ
ズルの他の実施例を示す図であり、第１０図の場
合に対応する部分はそれぞれ同じ符号で表示され
ている。

この実施例の特徴は、案内壁７０をスプレイノ
ズル２８の中心軸Ｙに対して偏心させ、しかも、
仕切板７８で円周に沿つて複数個の減圧室８０に
分割したことである。

このような構造によれば、上側では冷却水流４
２と減圧室８０との接触面積が広いため、冷却水
流４２はノズル開口部に応じた所定方向に噴出さ
れ、下側では冷却水流４２と減圧室８０との接触
面積が狭いため減圧室の効果が小さく冷却水流４
２は内側空間３８の方へ片寄る。このように下側
の冷却水流４２のみ内側へ片寄らせることによ
り、冷却水流到達量の分布をより平坦化すること
ができる。

第１３図は以上説明した各種のスプレイノズル
を蒸気雰囲気中で使用した場合炉心部への冷却水
到達量の分布を示すものである。この分布は、第
５図の中心軸Ｘの位置における燃料集合体内に到
達した冷却水分布を示す。第１３図において、破
線は第３図に示した従来のスプレイノズルを使用
した場合の測定値、実線は第１０図に示した本発
明の一実施例のスプレイノズルを使用した場合の
測定値および一点鎖線は第１１図に示した本発明
の他の実施例のスプレイノズルを使用した場合の
測定値である。

第１３図に示されるように、本発明の第１０図
および第１１図に示すスプレイノズルでは、従来
の第３図に示すスプレイノズルに比較して冷却水
到達量分布が平坦化されている。このため、冷却
材喪失事故時に炉心部にスプレイする冷却水量を
減少させることができる。また、本発明の各々の
実施例における冷却水流４２の噴射角は、第５図
の実線のように従来のスプレイノズルから冷却水
を空気中にスプレイした時と同じ噴射角になる。
本発明の各実施例のスプレイノズルは冷却材喪失
事故時に広範囲にわたつてスプレイすることが可
能となり、ヘツダ２６に設置する個数を低減する
ことができる。このため、緊急炉心スプレイ装置
の構造が著しく単純化されるとともに、冷却材喪
失事故時の冷却水のスプレイ流量を低減できる。
スプレイ流量が減少することによつて、ヘツダ２
６に冷却水を導く配管の直径を小さくできるとと
もに、その配管に設けられるポンプの容量を低減
できる。これは、緊急炉心スプレイ装置の構造の
単純化、すなわち、コンパクト化につながる。前
述した実施例では、少ないスプレイノズルから少
ない冷却水を冷却材喪失事故時に炉心部に均一に
スプレイすることができ、効率よく炉心部を冷却
することができる。

第１４図は本発明の緊急炉心スプレイ装置に用
いられるスプレイノズルのさらに他の実施例を示
す図である。

第１４図においては、第１０図または第１１図
の各部に対応する部分はそれぞれ同一符号で表示
されている。この実施例は蒸気雰囲気中で使用す
るのに好適であり、その特徴は、スプレイノズル
２８の先端近傍に二次噴出口としてのスリツト８
２を設けたことである。スリツト８２の形状は円
形あるいは矩形、または細長形状等適当なものに
することができる。このスリツト８２の径もしく
は巾を小さくしておけば、スリツト８２から噴出
する冷却水は液滴化し水滴８４を形成する。この
水滴８４のため、水滴８４と冷却水流４２との間
の中間空間８６内の蒸気が凝縮され、かつ中間空
間８６へは外側空間３６からほとんど蒸気が供給
されないので中間空間８６が減圧される。この中
間空間８６の減圧が冷却水流４２の内側空間３８
での蒸気凝縮による減圧とバランスすることによ
り、冷却材喪失事故時の冷却水流４２の噴射角を
大きくすることができる。すなわち、中間空間８
６の減圧の度合いは内側空間３８の減圧の度合い
よりも大きくなるので、冷却材喪失事故時の冷却
水流４２の噴射角を大きくすることができる。ス
リツト８２を設けているので、このスリツト８２
を通過する冷却水により環状の冷却水流４２を取
囲むように多量の水滴８４層を積極的に形成する
ことができ、第１０図のスプレイノズル２８にて
形成される少量の水滴７６の層に比べて中間空間
８６の減圧効果が著しく大きくなる。

第１５図および第１６図は本発明に用いられる
スプレイノズルの他の実施例を示す図であり、第
１４図の各部に対応する部分はそれぞれ同一符号
で表示されている。この実施例の特徴は、スプレ
イノズル２８の先端に二次噴出口としてのスリツ
ト８８を設けたことであり、加工の容易化も図ら
れている。スリツト８８は円周上に複数個形成さ
れ、スプレイされた冷却水流４２の外側に流体を
噴出して水滴８４を形成する形状を有している。
冷却水流４２と水滴８４との間の中間空間８６の
減圧効果を促進するためには、細いスリツト８８
を多数設けて冷却水流４２の外周に均一な水滴８
４を形成させることが好ましい。この実施例によ
つても、第１４図の場合と同様、蒸気中で使用す
る際の中間空間８６の減圧と内側空間３８の減圧
とをバランスさせることにより、冷却材喪失事故
時の冷却水流４２の噴射角を大きくすることがで
きる。

第１７図はさらに他の実施例を示す図であり、
第１４図の実施例に対応する部分は同一符号で表
示されている。この実施例の特徴は、スプレイノ
ズル２８の外側面に環状容器の形状をした室９０
を形成し、室９０とスプレイノズルの内側とを複
数個の孔９２で連結し、室９０の前面には環状の
スリツト９４を形成したことである。したがつ
て、冷却水の一部を環状スリツト９４から噴出さ
せてスカート状の水滴８４を冷却水流４２の外周
に形成させることができる。冷却水流４２と水滴
８４との間には、前述の実施例の場合と同様、中
間空間８６が形成される。この場合は、水滴８４
がスカート状に形成されるので、中間空間８６の
減圧効果を高めることができる。

第１８図は、本発明に用いられるスプレイノズ
ルのさらに他の実施例を示す図であり、第１４図
の実施例の各部に対応する部分はそれぞれ同一符
号で表示されている。この実施例の特徴は、スプ
レイノズル２８の外周に環状の室９０を形成する
とともに、室９０の後方にノズル内流れと平行な
孔９６を複数個形成し、室９０の先端に環状スリ
ツト９８を形成したことである。このような構成
によつても冷却水流４２の外周近傍にスカート状
の水滴８４を形成し、冷却水流４２との間の中間
空間８６の減圧効果を高めることができる。第１
８図の実施例では孔９６およびスリツト９８にお
ける流れ方向が急激には変化しないので、第１７
図の実施例に比べ、圧力損失を小さくすることが
できる。第１７図および第１８図の実施例でも、
冷却材喪失事故時の冷却水流４２の噴射角を大き
くできる。

本発明によれば、緊急炉心スプレイ装置を単純
化でき、しかもスプレイされる冷却材量を少なく
でき、冷却材喪失事故時における炉心部の冷却を
効率よく行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の緊急炉心スプレイ装置を実施
するに好適な沸騰水型原子炉の炉心部の構造を示
す説明図、第２図は第１図中の線―に沿つた
断面図、第３図は従来の緊急炉心スプレイ装置の
スプレイノズルの縦断面図、第４図は従来のスプ
レイノズルを空気中および蒸気中で使用する場合
の散布領域の相異を例示する説明図、第５図は第
４図の散布領域を上方から見た平面図、第６図は
第５図のＸ―Ｘ面での冷却材喪失事故時における
第３図のスプレイノズルからスプレイされた冷却
水到達量の分布を示す特性図、第７図〜第９図は
スプレイの特性および本発明の原理を示す説明
図、第１０図は本発明の緊急炉心スプレイ装置に
用いられるスプレイノズルの一実施例の縦断面
図、第１１図は本発明の緊急炉心スプレイ装置に
用いられるスプレイノズルの他の実施例の縦断面
図、第１２図は第１１図のスプレイノズルの正面
図、第１３図は本発明によるスプレイノズルの各
実施例および従来のスプレイノズルを蒸気中で使
用した場合の冷却水到達量の分布状態を比較して
示す特性図、第１４図および第１５図は本発明の
緊急炉心スプレイ装置に用いられるスプレイノズ
ルの他の実施例の縦断面図、第１６図は第１５図
のスプレイノズルの正面図、第１７図および第１
８図は本発明の緊急炉心スプレイ装置に用いられ
るスプレイノズルの他の実施例の縦断面図であ
る。 １２…原子炉圧力容器、１６…燃料集合体、２
６…ヘツダ、２８…スプレイノズル、３２…支持
棒、３４…邪魔板、３６…外側空間、３８…内側
空間、４０…水滴、４２…冷却水流、７０…案内
壁、７２…減圧室、７４…同伴流、７６…水滴、
８０…減圧室、８２…二次噴出口（スリツト）、
８４…水滴、８６…中間空間、８８…二次噴出口
（スリツト）、９４…二次噴出口（スリツト）、９
８…二次噴出口（スリツト）、θ…広がり角。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉圧力容器内で炉心部上方に配置された
   ヘツダと、原子炉の冷却材喪失事故時に前記ヘツ
   ド内に冷却水を供給する手段と、前記ヘツダに設
   けられて前記冷却水を前記炉心部上方に環状に噴
   出するスプレイノズルとからなる緊急炉心スプレ
   イ装置において、環状に噴出された冷却水流の外
   周の圧力を環状に噴出された前記冷却水流の内側
   に形成された空間の圧力よりも減圧する手段を、
   前記スプレイノズルに設けたことを特徴とする緊
   急炉心スプレイ装置。 ２ 前記冷却水流の外周を負圧にする手段が、前
   記スプレイノズルの噴出口の外側に設けられる案
   内壁の内側に形成される減圧室である特許請求の
   範囲第１項記載の緊急炉心スプレイ装置。 ３ 前記冷却水流の外周を負圧にする手段が、前
   記スプレイノズルの噴出口から流出する環状冷却
   材流の外側に一部の冷却水を噴出する前記スプレ
   イノズルに設けられた二次噴出口である特許請求
   の範囲第１項記載の緊急炉心スプレイ装置。