JPH0221556B2

JPH0221556B2 -

Info

Publication number: JPH0221556B2
Application number: JP56066060A
Authority: JP
Inventors: Fumiaki Yamamoto; Tadayoshi Kato; Yasuhiro Isobe
Original assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp; Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Current assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp; Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1990-05-15
Also published as: JPS57179796A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は沸騰水形原子力炉の原子炉再循環系ポ
ンプのキヤビテーシヨンの発生を検出する装置に
関する。一般に沸騰水形原子炉を用いた原子力発電設備
は第１図に示す如く構成されている。すなわち、
１は原子炉圧力容器であつて、この原子炉圧力容
器１内には炉心２が収容されている。そして、こ
の炉心２で発生した蒸気は気水分離器３、蒸気乾
燥器４を通つて主蒸気管５に流れ、主蒸気隔離弁
６および主蒸気加減弁７を介してタービン８に供
給されこのタービン８を駆動する。そして、この
タービン８によつて発電機９を駆動して発電をな
す。また、上記タービン８を駆動した蒸気は復水
器１０内で凝縮して復水となり、給水ポンプ１１
によつて給水スパージヤ１２から上記の原子炉圧
力容器１内に戻されるように構成されている。ま
た、１３は原子炉再循環系であつて、原子炉圧力
容器１内に設けられたジエツトポンプ１４…と原
子炉圧力容器１外に設けられた再循環ポンプ１５
…とから構成されている。なお、１６…は再循環
ポンプ１５…を駆動する駆動用モータ、１７…は
その制御回路である。そして、原子炉圧力容器１
内上部の炉水の一部は再循環ポンプ１５…に吸込
まれて高圧に昇圧され、ジエツトポンプ１４…の
ノズル部に供給されて噴出し、周囲の炉水を吸引
してこのジエツトポンプ１４…を通つて原子炉圧
力容器内下部に供給される。そして、この原子炉
圧力容器１内下部に送られた炉水は炉心２を上方
に流れ、水と蒸気の２相流となつて気水分離器３
に送られて水と蒸気に分離される。そして、この
分離された水は原子炉圧力容器１内上部に流出
し、再循環ポンプ１５…およびジエツトポンプ１
４…によつて原子炉圧力容器１内下部に送られ、
以下この径路を循環する。ところで、上記気水分
離器３で分離された炉水の温度はこの原子炉圧力
容器１内の蒸気の飽和温度に近い温度すなわちサ
ブクールが少ない状態であるが、この炉水がジエ
ツトポンプ１４…に吸込まれるまでの径路の途中
には給水スパージヤ１２が設けられており、この
給水スパージヤ１２から供給される比較的低温の
給水と混合されるため温度が低下し、またこれら
ジエツトポンプ１４…のノズル部には炉内水面か
らの水頭圧が加わるので、これらジエツトポンプ
１４…では通常の状態ではキヤビテーシヨンを生
じない。しかし、何らかの原因で上記ジエツトポ
ンプ１４…のノズル部に流れる炉水のサブクール
が小さくなつたような場合、たとえば給水スパー
ジヤ１２からの給水の供給が停止したような場合
や、ジエツトポンプ１４…のノズル部の静圧が減
少したような場合、たとえば炉内水位が減少した
ような場合にはこれらのジエツトポンプ１４…で
キヤビテーシヨンが発生する可能性がある。たと
えば第２図から第６図までには全給水流量喪失の
場合の状態を示す。すなわち、第２図に示す如く
給水流量ａが全喪失すると炉心２に流入する冷却
材の温度が上昇し、炉心２内のボイド率が増大す
るため第２図に示す如く中性子束ｂは漸減してゆ
く。そして給水流量ａの喪失により第３図に示す
如く原子炉水位ｄが低下し、この原子炉水位低下
信号により原子炉がスクラムされて中性子束ｂは
急減する。そして、この原子炉のスクラムにより
炉心２内に制御棒が挿入されて反応度が減少する
のでボイド率が減少し、炉心２内を通過する冷却
材の圧力損失が低下してゆくので、第２図の如く
炉心流量ｃは少しずつ増加してゆくが、原子炉水
位ｄの低下によつて再循環ポンプ１５…がトリツ
プされ炉心流量ｃは低下してゆく。また、第３図
に示す如く原子炉水位ｄとともに低下してゆき、
スクラムに続く主蒸気隔離弁６の閉弁によりこの
原子炉圧力ｅは急速に上昇する。そして、このよ
うな場合におけるジエツトポンプ１４…の各種の
吸込水頭すなわちNPSHを解折したところ第４
図の如き結果を得た。すなわち、これらジエツト
ポンプ１４…のノズル部において必要とされる静
圧すなわち必要吸込水頭ｆは漸減してゆくが、実
際にこのジエツトポンプ１４…のノズル部近傍に
作用する静圧すなわち有効吸込水頭ｇは原子炉水
位ｄや原子炉圧力ｅの低下により途中で大幅に低
下し、このため有効吸込水頭から必要吸込水頭を
減じた余裕吸込水頭ｈ（ΔNPSH）は約８秒〜23
秒の間で負となる。このため、この期間内ではジ
エツトポンプ１４…のキヤビテーシヨンを生じる
可能性があり、キヤビテーシヨンを生じた場合に
はジエツトポンプ１４…の流量が低下する。そし
て、このようにキヤビテーシヨンを生じた場合に
は第５図に示す如くキヤビテーシヨンが生じた場
合の炉心入口流量c₂はキヤビテーシヨンを生じな
い場合の炉心入口流量c₁に対して過渡的に大幅に
低下する。このため、燃料の冷却が一時的に低下
する。したがつて、第６図に示す如く燃料の最小
限界出力比の余裕（ΔMCPR）はキヤビテーシヨ
ンを生じない場合はi₁の如く正の値を維持するが
キヤビテーシヨンを生じた場合はi₂の如く一時的
に負の値となり、燃料の健全性を損なう可能性が
あつた。また、このようにキヤビテーシヨンを生
じれば振動等によりジエツトポンプを破損する可
能性もある。しかし、このようなキヤビテーシヨ
ンは多くの場合には上述の如く一時的に短時間だ
け発生する場合が多く、これを確実に検出しかつ
防止することは困難であり、従来は高度に熟練し
た運転員がこのようなキヤビテーシヨンの発生を
予測し、一時的にジエツトポンプ１４…や再循環
ポンプ１５…等の原子炉再循環系ポンプの運転状
態を変更してこれらキヤビテーシヨンを防止する
ようにしていたが、このようなキヤビテーシヨン
を確実に検出することは困難であつた。本発明は以上の事情にもとづいてなされたもの
で、その目的とするところは原子炉再循環系ポン
プに生じるキヤビテーシヨンを自動的かつ確実に
検出することができるキヤビテーシヨン検出装置
を得ることにある。以下本発明を図面に示す実施例にしたがつて説
明する。第７図ないし第１０図は本発明の第１実施例を
示す。図中１０１は原子炉圧力容器であつて、こ
の原子炉圧力容器１０１内には炉心１０２が収容
されている。そして、炉水すなわち冷却材はこの
炉心１０２を下方から上方に通過して蒸気と水の
２相流となり、気水分離器１０３に送られる。そ
してこの気水分離器１０３では水と蒸気を分離
し、分離された蒸気は蒸気乾燥器１０４に送られ
て湿分が除去され、主蒸気管１０５を介してター
ビン１０６に送られる。そして、この主蒸気管１
０５の途中には主蒸気隔離弁１０７および主蒸気
加減弁１０８が設けられている。そして上記主蒸
気隔離弁１０７は事故時等において閉弁され、原
子炉を隔離する。また上記主蒸気加減弁１０８は
圧力制御回路１０９によつて制御され、原子炉圧
力容器１０１内からタービン１０６へ送られる主
蒸気の流量を調整し、この原子炉圧力容器１０１
内の圧力を一定の圧力に維持するように構成され
ている。そして、上記タービン１０６によつて発
電機１１０が駆動され、発電をなすように構成さ
れている。また、このタービン１０６を駆動した
蒸気は復水器１１１で凝縮されて復水となり、給
水ポンプ１１２によつて給水スパージヤ１１３に
送られ、原子炉圧力容器１０１内に給水されるよ
うに構成されている。また、１１４は原子炉再循
環系であつて、原子炉圧力容器１０１内に設けら
れている複数のジエツトポンプ１１５…と原子炉
圧力容器１０１外に設けられている再循環ポンプ
１１６…およびこれらを連結する管路から構成さ
れている。なお、上記再循環ポンプ１１６…は駆
動モータ１１７…によつて駆動され、これら駆動
モータ１１７…は再循環制御回路１１８…によつ
て制御されている。そして、上記気水分離器１０
３で分離された炉水は給水スパージヤ１１３から
供給される低温の給水と混合して炉心１０２の外
方に流れ、その一部は再循環ポンプ１１６…に吸
込まれて高圧に昇圧され、ジエツトポンプ１５…
のノズル部に供給される。そして、このノズル部
に供給された高圧炉水は高速で噴射され、周囲の
炉水とともにジエツトポンプ１１５…内に流入
し、このジエツトポンプ１１５…を通つて原子炉
圧力容器１０１内下部に送られる。そして、この
原子炉圧力容器１０１内下部に送られた炉水は炉
心１０２を下方から上方に向つて流れ、炉心１０
２で発生する熱により加熱されて水と蒸気の２相
流となつて炉心１０２の上面から流出する。そし
て、この炉心１０２の上面から流出した水と蒸気
の２相流は気水分離器１０３で水と蒸気に分離さ
れ、分離された炉水は給水とともにふたたび炉心
１０２の外方に流れ、以下この径路を循環する。
そして、このような原子炉には上記ジエツトポン
プ１１５…のキヤビテーシヨンの発生を検出する
キヤビテーシヨン検出装置１１９とこのキヤビテ
ーシヨン検出装置１１９からの信号を受けて原子
炉圧力容器１０１内の圧力を上昇させ、キヤビテ
ーシヨンを防止するキヤビテーシヨン防止装置１
２０とが設けられている。以下、まず上記キヤビ
テーシヨン検出装置１１９の構成を説明する。す
なわち、１２１は原子炉圧力検出器であつて、原
子炉圧力容器１０１内の圧力すなわち原子炉圧力
を検出する。また、１２２は水位検出器であつ
て、原子炉圧力容器１０１内の炉水位すなわち原
子炉水位を検出する。また、１２３は炉水圧力検
出器であつて、この炉水圧力検出器１２３はジエ
ツトポンプ１１５…のノズル部の近傍に設けら
れ、この部分の静圧を検出する。また、１２４は
温度検出器であつて、この温度検出器１２４はジ
エツトポンプ１１５…のノズル部近傍に配置され
この部分の炉水温度を検出する。また、１２５は
流量検出器であつて、ジエツトポンプ１１５…を
通過する炉水の流量を検出するように構成されて
いる。そして、これら原子炉圧力検出器１２１、
水位検出器１２２、炉水圧力検出器１２３、温度
検出器１２４および流量検出器１２５からの信号
はそれぞれキヤビテーシヨン検出回路１２６に送
られるように構成されている。そして、このキヤ
ビテーシヨン検出回路１２６はこれら信号をもと
にして以下の如き演算をおこなつてキヤビテーシ
ヨンの発生を検出するように構成されている。す
なわち、温度検出器１２４で検出したジエツトポ
ンプ１１５…のノズル部近傍の炉水温度から蒸気
表もしくは状態方程式によりこの部分の冷却材の
飽和圧力P_JPを求め、また上記炉水温度から蒸気
表もしくは状態方程式によりこの部分の冷却材比
容積V_JPを求める。なお、比容積とは密度の逆数
（ρ〕１／V_JP）である。また、水位検出器１２２
で検出した原子炉水位から炉水面よりジエツトポ
ンプ１１５…のノズル部までの高さすなわち炉水
の水頭Ｈを求める。また、これらジエツトポンプ
１１５…のキヤビテーシヨン係数をＫ、ジエツト
ポンプ１１５…の吸込部の断面積をA_JP、重力加
速度をＧとし、これらはあらかじめ求められ、入
力されている。原子炉圧力検出器１２１の信号か
ら求めるか、または炉水圧力検出器１２３の信号
から演算により求めた原子炉圧力をＰ、流量検出
器１２５で検出したジエツトポンプ１１５…の流
量をF_JPとすると、これらジエツトポンプ１１５
…の吸入部に作用する有効吸込水頭NPSH₁は NPSH₁＝（Ｐ−P_JP）V_JP＋Ｈ ……(1) であり、またこれらジエツトポンプ１１５…の必
要吸込水頭NPSH₀ NPSH₀＝Ｋ／2G・（V_JP・F_JP／A_JP）² ……(2) で求められる。そして、この有効吸込水頭
NPSH₁から必要NPSH₀を減じて ΔNPSH＝NPSH₁−NPSH₀ ……(3) なる余裕吸込水頭ΔNPSHを求める。したがつ
て、この余裕吸込水頭ΔNPSHが正であればジエ
ツトポンプ１１５…のキヤビテーシヨン発生の条
件に対して余裕があり、キヤビテーシヨンの生じ
る可能性は少なく、またこの余裕吸込水頭
ΔNPSHが負になるとキヤビテーシヨンが発生す
るものである。そして、このキヤビテーシヨン検
出回路１２６では常にこの余裕吸込水頭ΔNPSH
を監視し、このΔNPSHが所定の正の値たとえば
＋50〔ｍ〕以下となつた場合にはキヤビテーシヨ
ン予告信号を出力して表示器１２７に送り、その
旨を表示するように構成されている。また、この
ΔNPSHが所定の負の値たとえば−10〔ｍ〕以下
となつた場合にはキヤビテーシヨンが発生したと
みなしてキヤビテーシヨン発生信号を出力するよ
うに構成されている。なお、１２８は記録器、１
２９は入出力器であつて上記キヤビテーシヨン発
生信号はこれら記録器１２８および入出力器１２
９を介して出力されるように構成されている。ま
た、設定値の変更等の指令信号もこの入出力器１
２９を介して上記のキヤビテーシヨン検出回路１
２６に入力されるように構成されている。そし
て、このキヤビテーシヨン発生信号はキヤビテー
シヨン防止装置１２０に送られ、キヤビテーシヨ
ンの発生を防止するように構成されている。次に
このキヤビテーシヨン防止装置１２０の構成を説
明する。すなわち、１３０は制御器であつて、上
記キヤビテーシヨン検出装置１１９から送られて
来たキヤビテーシヨン発生信号はこの制御器１３
０に入力される。そして、この制御器１３０はキ
ヤビテーシヨン発生信号を記録・表示器１３１に
送つて記録・表示するとともに、このキヤビテー
シヨン発生信号を原子炉圧力変更回路１３２に送
る。そして、この原子炉圧力変更回路１３２はこ
のキヤビテーシヨン発生信号に対応して圧力変更
信号を出力し、これを前述の主蒸気加減弁１０８
を制御する圧力制御回路１０９に送り、その設定
値を変更し、主蒸気加減弁１０８の弁開度を減少
させて原子炉圧力を上昇させるように構成されて
いる。また、この原子炉圧力変更回路１３２には
水位検出回器１３３からの原子炉水位信号、再循
環制御回路１１８から送られる再循環ポンプ１１
６の回転数信号、および炉内中性子検出器１３４
から送られる中性子束信号すなわち原子炉出力に
対応した信号がそれぞれ入力するように構成され
ている。そして、この原子炉圧力変更回路１３２
ではこれらの信号に対応して圧力変更信号に補正
を加え、たとえば再循環ポンプ１１６…の回転数
が高い場合、原子炉の出力が高い場合、原子炉水
位が低い場合には圧力変更信号の圧力変更値を高
くするように構成されている。以上の如く構成された本発明の第１実施例はキ
ヤビテーシヨン検出装置１１９のキヤビテーシヨ
ン検出回路１２６により常時余裕吸込水頭
ΔNPSHが監視されており、このΔNPSHが所定
の正の値以下となるとキヤビテーシヨンの予告信
号を出力するので運転員はこのキヤビテーシヨン
予告の表示にしたがつて設備の運転状態を変更
し、キヤビテーシヨンの発生を未然に防止するこ
とができる。そして、このΔNPSHが所定の負の
値以下となるとキヤビテーシヨン発生とみなして
キヤビテーシヨン発生信号をキヤビテーシヨン防
止装置１２０に送る。そしてこのキヤビテーシヨ
ン防止装置１２０はこの信号に対応して原子炉圧
力変更回路１３２から圧力変更信号が圧力制御回
路１０９に送られて主蒸気加減弁１０８の弁開度
を減少し、原子炉圧力をＰを高める。したがつて
前記(1)式によつて有効吸込水頭NPSH₁が上昇す
るので余裕吸込水頭ΔNPSHが増大して正の値と
なり、キヤビテーシヨンを防止する。なお、この
第１実施例では原子炉圧力変更回路１３２から既
設の圧力制御回路１０９に圧力変更信号を送るよ
うに構成したので、上記原子炉圧力変更回路１３
２はただ圧力変更信号だけを出力すればよく、そ
の構造が簡単ですむ。また、原子炉圧力変更回路
１３２には原子炉水位、再循環ポンプ１１６…の
回転数、原子炉の出力にそれぞれ対応した信号が
入力され、圧力変更信号はこれらの信号に対応し
て補正されるので、原子炉圧力の上昇は必要最小
限ですみ、設備に不必要な負担をかけることがな
い。なお、この第１実施例の装置を設けた原子力
発電設備において原子炉給水流量が完全に喪失し
た場合についての特性を第８図から第１０図に示
す。すなわち、第８図に示す如く給水流量ａ、中
性子束ｂはそれぞれ従来と同様な特性を示し、ま
た炉心流量ｅは中間の段階で原子炉圧力の上昇が
生じるので炉心流量ｃは一時的に上昇せず単調に
減少する。また、第９図に示す如く原子炉水位ｄ
の低下の特性も従来と大差はないが、原子炉圧力
ｅはキヤビテーシヨン防止装置１２０が作動した
時点e_Pから昇する。そして、この原子炉圧力の上
昇によつて有効吸込水頭NPSH₁が上昇するため
第１０図に示す如く余裕吸込水頭ΔNPSHは従来
の場合h₁では一時的に−100〔ｍ〕近くまで低下す
るのに対してこの第１実施例の場合h₂では常に正
の値となり、キヤビテーシヨンの発生を有効に防
止する。なお、本発明は上記の第１実施例には限定され
ない。たとえば第１１図ないし第１４図には本発明の
第２実施例を示す。この第２実施例は主蒸気隔離
弁１０７の駆動機構１３５を制御する原子炉圧力
変更回路１３６に制御器１３０を介してキヤビテ
ーシヨン発生信号を送り、キヤビテーシヨン発生
の場合には主蒸気隔離弁１０７の開度を零すなわ
ち閉弁するものである。そして、この第２実施例
の場合には第１２図に示す如く給水流量ａ、中性
子束ｂ、炉心流量ｃの特性は第１実施例と略等し
く、また第１３図に示す如く原子炉水位ｄの特性
もあまり変ならい。しかし、この第２実施例はキ
ヤビテーシヨン発生信号により主蒸気隔離弁１０
７を閉弁して主蒸気を遮断するので原子炉圧力ｅ
の上昇が大きく、よつて第１４図に示す如くこの
第２実施例の場合の余裕吸込水頭h₂は常に比較的
大きな正の値となり、余裕が大となる。なお、こ
の第２実施例は上記の点以外は前記第１実施例と
同様の構成で第１１図中第１実施例と対応する部
分には同符号を附してその説明を省略する。さらに本発明は上記の実施例にも限定されな
い。たとえばキヤビテーシヨン防止装置は必らずし
も上記のものには限らない。また、キヤビテーシヨン検出回路は必らずしも
キヤビテーシヨン予告信号を出力するものに限ら
ず、キヤビテーシヨン発生信号のみを出力するも
のであつてもよい。また、前記実施例のものはジエツトポンプのキ
ヤビテーシヨンを検出するものであるが、この他
の原子炉再循環系ポンプ、すなわち再循環ポンプ
やインターナルポンプを有するものではそのイン
ターナルポンプのキヤビテーシヨン検出回路とし
ても同様に適用できることはもちろんである。さらに上記実施例では、原子炉圧力容器内の圧
力、水位、温度および原子炉再循環系ポンプの流
量を、原子炉圧力検出器１２１または炉水出力検
出器１２３、水位検出器１２２、温度検出器１２
４および流量検出器１２５で求めているが、これ
らを求める手段も上記実施例に限られるものでは
ない。上述の如く本発明は、原子炉圧力容器内の水位
を求める手段と、原子炉圧力容器内の圧力を求め
る手段と、原子炉圧力容器内の温度を求める手段
と、原子炉再循環系ポンプの流量を求める手段
と、上記各手段で求めた水位、圧力、温度および
流量のうち水位と圧力と温度から上記原子炉再循
環系ポンプの吸入側の有効吸込水頭を求め上記温
度と流量から上記原子炉再循環系ポンプの必要吸
込水頭を求めるとともに上記有効吸込水頭から必
要吸込水頭を減じて余裕吸込水頭を算出してこの
余裕吸込水頭が負の値となつた場合にキヤビテー
シヨン発生信号を出力するキヤビテーシヨン検出
回路とを具備したものである。したがつて、原子
炉再循環系ポンプのキヤビテーシヨンを確実に検
出でき、キヤビテーシヨンを有効に防止すること
ができる等その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は従来例を示し、第１図は
原子力発電設備の概略構成図、第２図は給水流量
全喪失の場合の給水流量、中性子束、炉心流量の
特性を示す線図、第３図は同原子炉水位と原子炉
圧力の特性を示す線図、第４図は同吸込水頭の特
性を示す線図、第５図は同炉心入口流量の特性を
示す線図、第６図は同最小限界出力比の特性を示
す線図である。第７図ないし第１０図は本発明の
第１実施例を示し、第７図は概略構成図、第８図
は給水流量全喪失の場合の給水流量、中性子束、
炉心流量の特性を示す線図、第９図は同原子炉水
位、原子炉圧力の特性を示す線図、第１０図は同
余裕吸込水頭の特性を示す線図である。また、第
１１図ないし第１４図は本発明の第２実施例を示
し、第１１図は概略構成図、第１２図は給水流量
全喪失の場合の給水流量、中性子束、炉心流量の
特性を示す線図、第１３図は同原子炉水位および
原子炉圧力の特性を示す線図、第１４図は同余裕
吸込水頭の特性を示す線図である。１０１…原子炉圧力容器、１０２…炉心、１０
５…主蒸気管、１０６…タービン、１０７…主蒸
気隔離弁、１０８…主蒸気加減弁、１１３…給水
スパージヤ、１１４…原子炉再循環系、１１５…
ジエツトポンプ（原子炉再循環系ポンプ）、１１
６…再循環ポンプ（原子炉再循環系ポンプ）、１
１９…キヤビテーシヨン検出装置、１２６…キヤ
ビテーシヨン検出回路、１２０…キヤビテーシヨ
ン防止装置、１３２…原子炉圧力変更回路、１３
６…原子炉圧力変更回路。

Claims

【特許請求の範囲】１原子炉圧力容器内の水位を求める手段と、原子炉圧力容器内の圧力を求める手段と、原子炉圧力容器内の温度を求める手段と、原子炉再循環系ポンプの流量を求める手段と、上記各手段で求めた水位、圧力、温度および流
量のうち水位と圧力と温度から上記原子炉再循環
系ポンプの吸入側の有効吸込水頭を求め、上記温
度と流量から上記原子炉再循環系ポンプの必要吸
込水頭を求めるとともに、上記有効吸込水頭から
必要吸込水頭を減じて余裕吸込水頭を算出して、
この余裕吸込水頭が負の値となつた場合にキヤビ
テーシヨン発生信号を出力するキヤビテーシヨン
検出回路と、を具備したことを特徴とする原子炉再循環系ポン
プのキヤビテーシヨン検出装置。２前記キヤビテーシヨン検出回路は前記余裕吸
込水頭が所定の正の値以下となつた場合にキヤビ
テーシヨン予告信号を出力し、また前記余裕吸込
水頭が所定の負の値以下となつた場合にキヤビテ
ーシヨン発生信号を出力するものであることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の原子炉再循
環系ポンプのキヤビテーシヨン検出装置。