JPS58200901A - 液体金属高速増殖炉のための蒸気発生器 - Google Patents

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】 本発明は、液体金部高速増殖炉のためのＪ形蒸気発牛器
に関する。

液体冷却剤（通常は液体ナトリウム）と水の熱交換を行
なう蒸気発生器は、液体金属高速増殖炉（ＬＭ１ｉ’Ｂ
Ｒ）発電所の重要な構成部分である。

現在米国で研究開発中の蒸気発生器には大きく分けて６
つの型のデザインがある。これらは、ら線形蒸気発生器
、膨張用能な胴を有する複式管式、及びＪ形蒸気発生器
であり、Ｊ形の由来は蒸気発生器がその頂部近くで湾曲
あるいは屈曲部分を有することである。

プロトタイプのＪ形蒸気発生器が液体金属高速増殖炉に
用いるために設計されている。しかしながら、試験を行
なった結果、棟々の問題、特に外殻内の管の膨張に起因
する問題があることが判明した。

したかつて、本発明の主要目的は、高い安全性と性能を
有するＪ形蒸気発生器を提供することにある。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

原子炉で発生したエネルギーは、各々６つの蒸気発生器
より成る６つの熱除去装置により一次系から取去る必要
かある。茶系の蒸気発生器のうち２つは蒸発器であり、
残りのひとつは過熱器である。これらの蒸気発生器は全
べて、はきんと同一の設計であり、このため蒸発器内で
線繊する流体の安定性を確保するために蒸発型入１１に
設＋Ｊた個々の水流絞りを取去るかあるいは取付けるこ
とによって任意の蒸発器と過熱器を相ｒ１に取換えｉ＋
Ｊ能である。

蒸発器と過熱器は、第１Ａ及び１Ｂ図に示すように垂直
姿勢をとるよう取付ける。それらは実際には、胴とその
内部に定置管板を介して取付けた熱交換器である複数の
管より成り、桐と管束には通常９０°の屈曲部があり（
Ｊ形構造）管と桐か異なる膨張率で熱膨張するのをｒｉ
Ｊ能にする。第１Ａ及び１Ｂ図は１８０°の屈曲部を示
す。

太い矢印で示すように、ナトリウムの流れは垂直方向で
Ｆ方に向かい、有効直線部分のｍ部近くのナトリウム取
入れノズル１から胴内の管に東行に、管２内を−１一方
に流れる蒸気／水とけ反対の方向に流れる。各ユニット
には７６９個の管２（外径５．／８インチ）かあり、そ
の製造に用いる材料は、２−１／４クロム−１モリブデ
ンである。

蒸気発生器管支持体（第２Ｂ、６図） 蒸気発生器の加熱時、管２及び胴ろの異なる熱膨張は、
管の屈曲５部分の管２がたわむことにより＝’Ｊ能とな
る。この異なる膨張体・数での膨張を許容できるよう番
こする必要かある。さもないと、管２はゆがみ、最終的
には破損してナトリウムと水が反応することになる。し
たがって、熱膨張時、管２が自由に変位できるようにす
ることが重要である。しかも、管２は耐震性や運搬のた
め管と管の間の間隔を適正な値に保つための横方向支持
体を必要とする。しかしながら、この要求のため、管２
を比較的長いスパンでいかにして正しく支持するかとい
う問題が生じる。

現在、屈曲部の管の横方向支持は、管の隣接する列の間
に置いた支持バー（図示せず）によりなされる。この支
持バーは、管２の自由運動を許容するよう管を横方向に
おいて支持する。９０゜の位置に設けた支持体によって
は、管２相互間にＩＦシい間隔を維持できないことか判
明している。過去、６０°Ｅｌび６０°の位置に同様な
支持体を付加的に用いることが試みられたか失敗に終り
、管２はそれら相互間の異なる膨張係数のためゆかんで
支持バー上で整列関数を保てなくなった。

第ろ及び２Ｂ図を参照して、本発明の一実施例によれは
、管２の列は屈曲部において複数（屈曲部卯あたり好ま
しくは４個）の支持グリッド５により横方向に支持する
。各支持グリッドは、管２の列のひとつおきに横方向支
持を４えるリブ６を有する。したがって、成るひとつの
列の肯２をとって考えると、それはひとつおきの支持プ
レートにより横方向に支持される。

第６図では、図示を簡単にするため多数の管２が省略さ
れている。実際は、第６図に示す横断面において、管は
実質的にその横断面全体を占める。−列の管、列７、た
けを省略なしに完全に、ドす。この列７は一側をリブ８
により支持し、列７の他側にはリブがなくギャップある
いは空隙９かある。第６図の横断面を最も下方の管支持
グリッド５に沿ってとったものと仮定すると（第２Ｂ図
で１０で示す）、グリッド１０のギャップ９に相当する
位置にグリッド１１のリブ６がある。同様に、グリッド
１０（１３図）のリブ８に相当する位置は、グリッド１
１のギャップである。この支持パターンがひとつおきの
グリッドにおいて繰返されるため、グリッド１０及び１
２は同一であり、グリッド１１及び１ろは同一である。

この設計で管の支持及び管相互間の離隔を行ない、管が
ギャップ９の方に熱膨張できるようにする。

エルボ・シュラウドの配置（％ｇ２Ｂ図）蒸気発生器の
管２の列状体は、シュラウドにより囲繞する。蒸気発生
器の上部の屈曲部の近傍にあるシュラウド１４を、エル
ボ―シュラウドト呼ぶ。内側列の・管とエルボ・シュラ
ウド１４の間にギャップを設けて、熱膨張時、内側列の
管とエルボ・シュラウド１４との接融を回避する必要が
ある。このギャップのため、蒸気発生器全体の直径が大
きいものとなる。

本発明によれば、エルボ・シュラウド１４の中心線１８
は、胴の中心線１７と同一でない。第２Ｂ図に示すよう
に、エルボ・シュラウドの中心線１８の曲率中心（点１
５）は管２と桐６の曲率中心（点１６）と同一ではない
。これら２つの点は、は＼゛２．５インチ隔たる。管２
はｌｌ１−１３と同心関係を維持するか、エルボ・ンユ
ラウド１４と管２の間に１４偏心関係か存在する。この
偏心関係により、エルボ−シュラウドと最も隣接する管
列２０の間のギャップ１９の幅は、２．５ないし６．５
またけ大きくなる。第２Ｂ図に示すように、ギャップ１
９の大きさは位置により異なるか、これは熱収縮による
管２めたわみが同しく位置により冗なるためである。し
たかつて、ギャップ１９の大きさは最悪の・１１態の管
２の収縮の大きさにとって適当な値であるように、最大
でなく颯小Ｉζすることがてきる。あるいは、内側列の
管か熱的収縮してもエルボ・シュラウド１４と接触しな
いように、蒸気発生器により大きい△Ｔをもたせるよう
にすることかできる。こうすると、ある一定の直径の蒸
気発生器により許容できる熱的過渡現象の大きさが増加
する。

エルボ・シュラウド／入［」熱ライチ取付けＬ段（第１
　Ｂ　、　２Ｂ　、　２Ｃ図） 従来技術による蒸気発生器の設計では、熱ライナ２１と
エルボ・シュラウド１４の間の接続は機械網」により行
なわれた。これらの機械継トは、必要とされる機械的構
造の特殊性により、熱的に加えられる負荷に対する構造
解析が困難である。

従来技術による蒸気発生器組立ての齢、エルボ−シュラ
ウド１４は管２の取付は後装着される。

エルボｅシュラウド１４と人ＩＩ’ｌ熱ライナ２１の接
続ハ、管２の取付は後行なう必要かあり、この時点ては
溶接は非常にむすかしいため、機械継丁を用いる。本発
明では、エルボ・シ。ラウド１４は、第１Ｂ図の開１１
部２２かられかるように項部を開放したま５にされるた
め、エルボ・シュラウド１４と熱ライナ２１を定位置に
置いたま５管の取付けを行なうことができる。管を支持
する頂部リング（同図には図示されず）は、管取付けの
あと定位置で溶接する。熱ライナ２１の材料は、溶接作
業を容易にするために、２−１／４クロム−１モリブデ
ンでなくろ１６ステンレスステイールを用いる。

エルボ・シュラウド１４と熱ライナ２１の間の接続は、
ボルトによらず溶接部２′５により行なわれ、したかつ
てこれら２つの部分は一体的なユニットと考えることが
できる。

管の振動防１１−のための設計変更 （第ｉ　Ｂ、　、　２０図） エルボ領域において管２を正しく支持することに関連す
る問題のひとつは、管の低い固有振動数のたｙ）エルボ
領域の管２の可撓性スパン部分が流れにより大きい振幅
で振動して管が破損する可能性があることである。振動
抑制器を使用してもよいが、熱膨張時、管２の自由な運
動を許容するよう設計するのは困難である。屈曲部の管
２の振動は、管束の入口２４に流入するナトリウムによ
り惹き起されると考えられている。

管束の入口２４は、シュラウドの頂部領域にある。

本発明によると、入口ノズル１に関する管束式Ｌ］２４
の相対位置を低くしてエルボ領域の管２の屈曲部を振動
励起力から隔離することにより、管２の屈曲部の振動を
大幅に減少できる。２つのスペーサ・プレート２５（第
２Ｂ及び２Ｃ図をμよ）を従来の設計の場合よりさらに
−ＩＥ隔して、管を振動励起力から効果的に隔離した。

これらふたつの離隔プレート２５を側路する周波数信号
は、蒸気発生器には生じない。これらの本発明の特徴は
、計算により立証されている。さらに管束２４の入口を
低い位置に設けることにより、ナトリウム流がエルボ内
に流入することによるエルボ領域の熱的疲労及び過渡現
象に関連する問題を最少にすることができる。このこと
は大きな改良であると考えられる。

入口熱ライナ／ノズル・ライナ・シール（第１４１３，
２Ｃ，４図） 従来の設計では、入口熱ライナ２１とノズル・ライナ２
９の接続に機械的接続方法が用いられた。

本発明は、入口熱ライナ２１とラビリンス・デ、イスク
・シールの間を溶接しく２７）ノズルリングを通る流れ
を制限する。定常動作時シールのステップ部が低い静圧
をもちこのため流れかディスク２８から押出されるため
、流れの方向が制御される。入口熱ライナ２１とノズル
・シールの間の溶接は、ステンレス・ステイールを用い
る。これは予熱することなく、かつもし２−１／４クロ
ム−１モリブデンのライナを用いた場合必要となる溶接
後の熱処理なしに溶接が行なえるため重要でアル。シー
ル・ディスク２８は、ステンレス・ステイールのライナ
２１と２−１　／４クロムー１モリブデンの入口ノズル
との間に介在する好都合の手段を提供する。

シールそれ自身の一般的形状は、環状ディスク２８の内
端と外端がふくらχで円形の断面をもち新規な設計であ
ると考えられる。断面でみると、シールの横断面は、第
４図に示すように２つの球か直線部分により接続されて
いるようにμえる。これら２つの球のうちのひとつは、
常に、△Ｔの膨張がいかなる方向に起ころうともシール
表面と接触する。

入口熱ライナ／エルボ・シュラウド支持手段（第２Ｃ，
ＩＯＡ、ＩＯＢ図） 従来の装置では、熱ライナ２１とエルボ・シュラウド１
４はボルトで接続することにより支持された。本発明に
よると、一体的な熱ライナ２１とエルボ・シュラウド１
４は、半径方向キーにより支持する。これらのキー５７
は、インコネル７１８で形成し、ステンレス・ステイー
ルの熱ライナ２１に機械的に固着する。半径方向キー５
７は横方向の運動あるいは振動を防止する。キーは、熱
ライナとエルボ・シュラウドを入口ヘッダー上に支持す
る一体的なパッドを有する。これらのキーはリング５８
に機械加工により形成した別個の組のキー溝に嵌入させ
る。リング５８は入口ヘッダーの内径部に嵌入する。こ
れら別個のリングの使用により胴への応力の集中が回避
され、かつキー溝の回転方向位置の調節が容易になる。

キーと一体的なパッドは、ステンレス・スティールの熱
ライナと２−１／４クロム−１モリブデンの１同が異な
る膨張係数で熱膨張すると摺動する。取付けと取外しを
容易にするためピン６０により定位置にロックしたせん
断リング５９は、装置の負荷か増加するとそれに反応す
る。

キー５７は七宝形の横断面をもつが、それはステンレス
・ステイールの熱ライナト２−１／４　りｏム−１モリ
ブデンの胴の間に介在出来るよう適当な位置にある。

スペーサープレートの取付け （第２０，２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、５，６，７，８図）蒸気
発生器の直線部分に沿う種々の位置にスペーサ・プレー
ト３０を設け、複数列の管２を適当な相互間隔で支持さ
せる。従来の設計によると、これらのスペーサ・プレー
ト３０はボルトによりシュラウド２１に固着される。本
発明によればスペーサープレート３０を支持（垂直方向
負荷に対して反応さ′せるために特異なスペーサ保持部
材３２を用いる。この方法によると、スペーサ・プレー
）３０はシュラウド６１の内径とスペーサープレート６
０の外径との間の間隙で自由に浮動できる。浮動できる
というこの特徴は、複数列の管に＝Ｊ撓性が付与され、
このため管２の側部にかかる負荷の一部が該側部の小さ
いたわみにより取除かれるという理由で非常に重要であ
る。この特徴のため最終的には、軸方向の摩擦負荷、管
２のゆがみ、ひっかかり及びこれらによる故障の可能性
が最終的に減少する。本発明によると、複数のスペーサ
保持部材６２は、シュラウド６１のまわりに間隔をおい
て配置したスペーサ保持バー６３によりシュラウド３１
にロックする。スペーサープレート３０は、スペーサ保
持部材６２の２つのラグ３５間のギャップ３４に挿入す
る。スペーサープレート３０の外径とスペーサ保持部材
ろ２の平らな表面の間に小さなギャップ６６が存在する
（第６図を参照）。このギャップ６６内でスペーサリプ
レートロ０が自由に浮動できる。

管束出口の位置（第１Ｂ、２Ｆ、２Ｆ”図）本発明によ
れは、管束出口３７はナトリウム出１１６８より低い位
置に置く。管束出口３７を低位置に設けるについては、
２つの理由がある。ひとつは、管束人口２４を低位置に
設けたことにより失なった熱伝達面積を補償する必要が
あることである。しかしながら、これより重要なことは
蒸気発生器の底部においてナトリウムが停滞する領域を
なくすことである。ナトリウムの停滞領域をなくすこと
により、胴イの熱疲労による破損を惹き起こす胴６上の
高温−低温境界領域による浸食が回避される。管束出口
３７を低い位置に設けることにより、管束出口への流れ
はがって停滞領域であったところへ侵入して、高温−低
温境界領域が発生できないようにする。図面に示すよう
に、管束出口３７は従来の設計よりもはソ１８インチ低
い位置にある。

シュラウド支持手段 （第１Ｂ、２Ｄ、２ａ、９．ｔｏＡ、１１図）従来の設
計では、円筒形シュラウド３１は一般的に、胴の側部の
７ランジ（図示せず）に固着したボルトによりその頂部
において支持されていた。熱ライナ２１とノズル・ライ
ナ２６の溶接作業を容易にするため、シュラウド３１を
下方から取付けることが望まれる。シュラウド３１を下
方から取付けるようにすると７ランジを省略できる。も
つとも、ボルトが永久的に張力状態を続けることができ
る必要かある（張力状態の継続は好ましくない）。した
がって、シュラウド３１を頂部位置４０にある振動減衰
１段で、底部位置６９において一般的に支持する、シュ
ラウｌ−′３１の新しい支持方法が開発された。第９．
ＩＯＡ及び１１図は、シュラウド３１の支持手段を示す
。ナツト・プレート４０をシュラウド３１に固着する。

シュラウド３１は下方から胴６内に挿入する。ナツト・
プレート４０が胴６の一部であるラグ４１を摺動通過す
るまでシュラウド３１を充分に挿入し、それからシュラ
ウド３１とナツト・プレート４０を同転する。また、主
支持リング４２’、−″Ｆ方ｈ’、　；、　ｂ人しラグ
４１を過ぎたあと回転する。下方の支持リング４３は、
１ｌｌｉｌ　３のラグ４１とともにキー接続手段を形成
する。主支持リング４２と下方支持リング４６は外径上
の点４４において出合い、そのため相互の並心運動はで
きない。したがって、支持体は組立てると温度変化によ
る半径方向の熱膨張を許容すると同時に、シュラウドを
垂直方向に支持しかつ角度方向の不整合を補償する。

ボルト４５の目的は運搬あるいは事故時支持を与えるこ
とである。

ナツト・プレート４０、主支持リング４２、Ｆ力支持リ
ング４３及びボルト取付はリング４６はすへて、型７１
８のニッケル合金により形成する。シュラウドと１（同
は、２−１／４クロム−１モリブデンにより作られる。

第１，２Ｄ及び１２図は振動減衰手段４７を示す。

振動減衰ト段４７は、熱ライナ２１とシュラウド３１の
振動を減衰させるのに用いる。ひとつの振動減衰器４７
で両方の振動を減衰する。振動減衰器４７は、流れによ
り誘発された振動の減衰をするよう設計されている。地
震による振動は、熱ライナ２１とシュラウド３１が並進
運動をしＩＩＩｏ］　３の一部隆起表面に突当ることに
より対応できる。この型の対応は、摩耗の可能性かある
ため流れに誘発された振動に対しては起こらない。熱ラ
イナ２１に固着したリング４９と一体的な複数の板ばね
４８は、胴ろに接触し、熱ライナ２１のＦ方部分の振切
を減衰するために用いる。同しリング４９のｔ部表面か
らトノｊに延ひるのＣ４、音叉の形をした重数のばね５
０である。片叉状の各ばね５０は、熱ライナ６１の上方
リング５２のノツチ５１内に挿入されると圧縮される。

板ばね及び音叉状のばねは、振動による並進運動に関連
してノツチの内部で、あるいは桐に接触して動くことに
よる摩整力の作用により振動を減衰しあるいは除去する
。ニッケル合金７１８で形成した片持ビームあるいはア
ームは、内部機構のｒ３１撓性を維持しノツチ５１内で
ひっかかることなしに軸方向の熱膨張を口Ｊ能にする。

以−し、本発明の好ましい実施例について述へたが、こ
の蒸気発生器には種々の変形が本発明の精神から逸脱す
ることなく考えられる。たとえは、蒸気発生器の屈曲部
は異なる曲率あるいは異なる幾何学的形状をもたせるこ
ともてきる。

したかつて、本明細書の記述は制限的でなく例示的に解
釈されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ及び１Ｂ図はＪ形管をもつ蒸気発生器の概略図：
第２Ａ　１．２Ａ２ないしＧ図はＪ形蒸気発生器の各部
構造の詳細を示す図：第３図は第２Ｂ図の断面図：第４
図は第２Ｃ図の一部の拡大図：第５図は第２Ｅ図の断面
図：第６図は第５図の断面図：第７図は・第６図の断面
図：第８図はスペーサ保持手段の斜視内：第９図は第２
Ｅ図の一部の拡大図：第１０Ａ図は第２０図の一部の拡
大図：第１０Ｂ図は十字形半径方向キーを示す斜視図：
第１１図はシュラウド支持装置の斜視図：第１２図は第
２Ｄ図の一部を詳Ｙｌｉ＋に示す図である。 ２・・・管、６・・・祠、５・・・支持グリッドあるい
はストラップ、２１・・・熱ライナ、１４・・・エルボ
・シュラウド、２４・・・管束式Ｃ１、２８・・・環状
ディスク、６１・・・シュラウド、２６・・・ノズル−
・ライナ、５７・・・十字形キー。 ＦＩＧ、＋２ １１ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　−ｒ　　　　　　ＦＩＧ、　６第１頁の続き ０発　明　者　ロパート・マクドウエル・ロビアメリカ
合衆国ペンシルベニア 州ノース・ハンチントン・ウニ イネ・ドライブ１４１７０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｊ形管束がそれを囲繞するＪ形外殻内に装着した管
   板間に配設され、前記管束と外殻か、一端に水東管板を
   有する垂直部とその垂直部の他端から延ひる屈曲部とか
   ら成り、屈曲部の自由端には管板が装着され、管束の容
   管は前記垂直部き屈曲部との境界点ではゾ９０°屈曲し
   て前記外殻に関する管の膨張を許容し、ＭｉＪ記垂直部
   は前記屈曲部より実質的に長い、液体金属高速増殖かの
   ための蒸気発生器において、前記管束は前記外殻の垂直
   部内において少なくともひとつの１−字形支持手段によ
   り、前記外殻垂直部の中心位置を保持しなからその垂直
   部の半径方向に膨張出来るように支持され、屈曲部内に
   おいては管束の容管は屈曲部に関して上ド移動出来るよ
   うに支持されることを特徴とする蒸気発生器。 ２、　屈曲部内において容管は、屈曲部の曲率中心から
   管列間を外方へ延ひそれぞれ隣接する位置において一つ
   置きの列の管の間に配設したストラップにより支持され
   ることを特徴とする前記第１項記載の蒸気発生器。 ３、　前記屈Ｆ＋１（部内の容管は、外殻に関する容管
   の膨張を許容する空間を形成するよう外殻屈曲部に関し
   偏心的に配設したことを特徴とする＋’＋ｉＪ記第１あ
   るいは２項記載の蒸気発生器。 ４、　熱ライナはＯ１Ｊ記垂面垂直管束を囲繞し、エル
   ボ・シュラウドは前記屈曲部内の管束のまわりに配設し
   、前記熱ライナとエルボ・シュラウドは溶接されること
   を特徴とする前記第１，２または６項記載の蒸気発生器
   。 ５、　前記外殻の垂直部はその預端部近くに人［１ノズ
   ルを有し、前記垂直部内の管束は前記熱ライナ内に配設
   したシュラウドにより支持され、＋３ｉＪ記シユラウド
   は前記人ｌ］ノズルの１一方を延ひて前記屈曲部のシュ
   ラウドから離隔され、前記屈曲部のシュラウドのド端に
   は管支持プレートを配設して振動の前記屈曲部への伝達
   か防止することを特徴とする前記第４項記載の蒸気発生
   器。 ６、　前記垂直部のシュラウドに振動減衰支持構造を関
   連［７て設け、その支持構造は前記熱ライナに付設した
   リングを有し、そのリングは外殻に接１戦する現数の板
   はねと複数の音叉状部材を支持し、ｎｉＪ記計叉状部材
   は軸方向に延ひて前記シュラウドと一体のフランジに形
   成したノツチ内に嵌入［７，１）１ｊ記シユラウド、ラ
   イナ及び外殻の間でＩｖ：擦保合か達成されることを特
   徴とする前記第５項記載の蒸気発生器。 乙　前記！Ｆ直部のシュラウドのまわりに多数の１−″
   字形支持構造を配設し、十字形支持構造の各々ノ（ｉＺ
   　ｉ［′ｔで管支持プレートか前記シュラウドを横切っ
   て延ひることを特徴とする前記第１ないし６項のうち任
   意の一項に面一した蒸気発生器。