JPS6138594A - 沸騰水型原子力発電プラント - 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】 （発明の利用分野） 本発明は沸騰水型原子力発電プラント（以下ＢＷＲ発電
プラントと呼ぶ）に係り、特に安定なプラント発電出力
を呈する沸騰水型原子力発電プラントに関するものであ
る。

（発明の背景） 毘発電プラントは、原子炉の炉心に冷却材（冷却水）を
循環させ、炉心部で冷却材を加熱して高圧蒸気化し、そ
の高圧蒸気でタービン発電機を駆動し、発電を行うもの
である。原子炉の出力制御は、制御棒で行うほか、炉心
流量を変えるだけでも行うことができ、これがＢＷＲの
最大の特徴のひとつになっている。

炉心流量による出力制御は、炉心内で発生している蒸気
の核的時ｉを利用している。炉心の流量を減少すると、
蒸気量が増え、減速材密度が減少する結果、核反応の度
合が減り、出力も減少する。

出力が減少すると、蒸気の発生量が減って元の蒸気量に
戻り、炉心は出力が減少した状態で落ち着く。逆に炉心
流量を増加すると、出力が上った状態に炉心を落着かせ
ることができる。また炉心流量を一定にした場合は炉心
のある部分で核分裂の度合が増加すると、その部分の蒸
気量が増え、蒸気量の増加によシ核分裂の度合が減ると
いう負のフィードバック特性があり、このため、ＢＷＲ
炉心は自己制御性を持っているといわれる。

このように、炉心流量を増減させると原子炉出力がほぼ
比例して変化する。他方、原子炉蒸気発生量の変化分に
相当するだけタービン発電機によるプラント出力は変化
する。

炉心流量は再循環流量の調節によって調節される。再循
環流量の調節は、再循環ポンプ駆動モータの電源周波数
を操作して、再循環ポンプ回転速度を変化させることに
よって行う。平常、出力制御は炉心流量調整によって行
われ、制御棒位置の調整は主として長時間の燃焼に伴う
反応度補償及び炉心内の出力分布の調節のために行われ
る。

再循環ループは圧力容器の外部にそれぞれ１台の再循環
ポンプを有する２つのループで構成され】　　　１ ている。炉心を循環する冷却材のうち約３”−２はこの
再循環ループに取出され、再循環ポンプで昇圧された後
、ジェットポンプの駆動流体として、】　　　２ そのノズルに供給される。残りの約７〜百がジェットポ
ンプに吸引されて駆動流と混合後、炉心を流れる。ゾエ
ットボングは炉心シュラウドと圧力容器壁の間の環状空
間部であるダウンカマ部に通常１６〜２０台設置される
。ジェットポンプは可動部分のない構造であり、通常２
台１紹になっておシ、１組に対して１本のライザ管と２
個の駆動ノズル、吸込口、スロート及びディフューザを
有している。炉心流量はジェットポンプディフユーデか
ら吐出される流量の合計であり、各々のジェ＋７　）ポ
ンプ吐出流量は、ディフーーザの上部及び下部のタップ
間差圧（ダブルタップ差圧）又はディフーーデ上部遍炉
心下部プレナム間の差圧（ジングルメ、プ差圧）から求
まる。炉内に設置される１６〜２０台のジェットポンプ
は同一の形状、寸法、特性を持っている。また、再循環
ポンプによる駆動水流量が大であるほどジェットポンプ
から炉心への吐出水流量は大となる。

次に、再循環ループについて図を用いて詳述する。再循
環ループは第２図に示すように戻り曲管部１２、Ｔ字管
付戻シ曲管部１３、入口弁１４、吸込管２３、再循環ポ
ンプ８、吐出管１５、出口弁１６、母管１７、十字分岐
管（以下クロスと呼ぶ）１８、ヘッダ曲管１９、レデー
−サ２０．１字分岐部２１、ライザ管２２より構成され
ている。

沸騰水型原子炉の運転時において、再循環ループ配管内
を原子炉圧力容器１内の冷却水が流れる。

すなわち、ボンｆ８が駆動され、原子炉圧力容器内の冷
却水は曲管部１２、Ｔ字管付曲管部１３、入口弁１４、
吸込管２３、ポンプ８、吐出管１５、出口弁１６、母管
１７を順次通過して、クロス】８内に流入する。冷却水
はクロス１８で流動経路が分けられ、その一部はクロス
１８から直接、レデューサ２０、ライザ管２２を通って
原子炉圧力容器１内のジェット２ンプ（第１図には図示
せず）駆動水となる。大部分である残りの冷却水は、ク
ロス１８からヘッダ曲管１９に配設された複数個の１字
管分岐部２１により分岐せられ、夫々ライザ管２２を経
てジェットポンプ駆動水となる。

第３ａ、第３ｂ、第３ｃ図はクロス１８の正面断面図、
側面断面図、Ａ−Ａ平面断面を夫々示す。

これら図において、母管１７から流れｆｏはクロス１８
でヘッダ曲管１９方向への流れｆｌ、ｆ２と、レデュー
サ２０方向への流れｆ３に分れる。この分岐部の流れは
、分岐中央部に大きな旋回流動が無くレデューサ部２０
内で非常に複雑な流動を呈する流れ（第４図）と、両心
が両側のヘッダ曲管を貫通するような旋回流動を伴う流
れ（第５図）とが交互に生ずる場合がある。すなわち、
クロス部１８では両心の発生、消滅があって流動が不安
定であり、ｆｌ−ｆｚ　、ｆ３方向の流動抵抗の変化や
、これに伴う各ライザ管への流量分配、圧力損失が不規
則に変動して、再循環ループ全体の流量が安定しない可
能性がある。

流動実験によるとクロス部１８のヘッダ曲管１９側への
流れ／１−ｆｚの抵抗損失係数は両心有り（第５図）の
ときが両心なしく第４図）のときの約２倍であることが
わかった。

また、クロス部に両心の無い流動時（＠４図）の各ライ
ザ管２２の流量配分は第６図（この図は再循環ループで
再循環ポンプ１台について５本のライザ管２２がある場
合の例である）のようであり、中央ライザ管（ライザ管
番号３）流量力５他のライザ管流量より少々大きいが全
体に平坦な分布となっている。一方、クロス部に両心が
ある流動時（第５図）には各ライザ管の流量配分は中央
ライザ管流量のみが飛び抜けて大きい第７図に示す分布
となっている。すなわち、炉心に流入するジェットポン
プから吐出される冷却水は、炉心周方向で不均一となり
、炉内流動が不均一となる可能性がある。

ところで、再循環ループの全水力損失ΔＩ（は第８図を
参照して次式で求まる。

・・・（吸込口損失及び吸込、吐出管路摩擦損失）・・
・（クロス分岐部の損失） ・・・（１字分岐損失：クロス分岐からＴ字分岐までの
管摩擦損失） ・・・（レデー−サ部の損失） ・・・（ヘッダ曲管端部コーナの損失とＴ字分岐からそ
のコーナまでの管摩擦損失） ・・・（各ダイザ管の曲がり、絞り、２方向分岐。

ジェットポンプノズルなどの損失とライザ管からジェッ
トポンプノズルまでの管摩擦損失） ここに、 ｉ ”＝Ｑ。

ＱＩニライザ管流量 Ｑｏ：母管流量 ζ、ξ：損失係数 λ：管摩擦損失係数 ｔ：配管長さ Ｄｏ、Ｄ、ｄ：配管内径 Ａ６．Ａ、ａ：管路断面積。

上式よシ、クロス部の損失係数ζ４の変動は、直接、Δ
Ｈの変動につながることがわかる。したがってクロス部
で両心有りと無しのときではΔ）Ｉにの差が生じること
になる。

一般に、ポンプの作動点はポンプ自身の性能曲線とシス
テム損失曲線の交点（ヘッド、流量、抵抗（損失）のバ
ランスのとれた状態）として定まるので、交点よりも抵
抗が増加すると、ポンプが発揮する揚程では抵抗を補い
きれず流量が減少する。また、ポンプが発揮する揚程が
抵抗より大きい場合には流電が溶加する。

この概略を第９図に示すと、第９図の０点にてζ４が大
きい値をとるとシステムの損失合計は■となるが、■の
運転点はとフ得ないので■に落ち着く。次に■で、逆に
ζ４が小になると■へ移動するが、■の運転点はとり得
ないのでのに落ち着く。

実際には■と■の線上を往復することになる。すなわち
、再循環ポンプの流量−ヘッド特性は再循環ポンプモー
タの回転数が一定にもかかわらず、第１θ図に示す点Ａ
とＢとの間を往来して、ヘッド差Δｈ、流量差ΔＱを生
じる恐れがある。

以上のように、従来のＢＷＲ発ｔｆラントは流量やヘッ
ドが動揺する恐れのある再循環ループを有している。而
して前述したように再循環ループの流量とプラント発電
出力は密接な関係にあるために、変動率から伝えば微少
なオーダであるにせよプラント出力変動の可能性がある
という欠点を有していた。

ＢＷＲ炉心流量分布の均一化を図る再循環系の公知例と
して特開昭５６−５４３８９がある。

（発明の目的） 本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくシ、プ
ラント発電出力の安定な運転を行い得るＢＷＲ発電プラ
ントを提供するにある。

（発明の概要） 本発明は安定でない再循環ループの流動特性によっ・て
発電気出力がふらつく可能性のある点に着目し、プラン
ト発電出力の安定なりＷＲ発電プラントを得る手段とし
て、流動特性の安定な再循環ループを設け、これによっ
て出力変動発生可能性を解消するようにしたものである
。

（発明の実施例） 以下の説明および図面において、先述の従来例と同一構
成部分は同一符号で示す。

第１１図は本発明の適用されるＢＷＲ発電プラントの概
略図である。原子炉圧力容器１の内部の炉心２で発生し
た蒸気は気水分離器３、蒸気乾燥器４を通シ、蒸気ター
ビン５７に駆動する。蒸気タービン５には発ｔＰＡ６が
連結されており、発電作用を行う。蒸気タービン通過後
の蒸気は復水器７にて水となシ原子炉に戻る。本ＢＷＲ
発電プラントの再循環ループは本発明による後述の安定
流動再循環配管２５を有している。

上記ＢＷＲ発電プラントの再循環ループの概略平面図を
第１２図に示す。

第１３ａ、１３ｂ図は母管１７の一部に整流板２６を突
設した前記第１２図の再循環ループ内のクロス部１８の
側面断面およびＡ−Ａ断面図である。

本実施例はこのように構成したので、左右のへヴダ曲管
１９の中間、すなわち、クロス部１８の中央では、母管
１７からレデューサ２０に通り抜ける流れが整流板２６
によって偏るので、たとえヘッダ曲管１９に分岐する流
れが旋回成分を有していても、クロス部中央では前記偏
流のために、左右のヘッダ曲管１９で発生した旋回流に
よる両心を連結することができない。よって、１本の両
心が左右のヘッダ曲管１９を貫通するような流動状態（
第５図）とはならず、クロス部内の流れを両心の無い流
動状態（第４面）に保つことが可能となる。すなわち、
クロス部の温石有無によって発生するクロス部での各方
向への流動抵抗、各ライザ管２２への流量分配の変動が
発生せず、再循城ループ全体の流量変動も無く、出力の
安定なりＷＲ発電プラントを実現できる。上記整流板２
６の寸法及び設置位置は各プラントに依り適宜選定され
ることはもちろんである。

第１図は本発明実施例によるＢＷＲ発電プラント運転状
況のシミーレーション結果であり、プラント・クラメー
タを同時表示しである。第１図によれば、再循環ポンプ
流量、ジェットボンデループ流量、発電機出力の変動は
存在せず、きわめて良好な運転を呈していることがわか
る。また、本実施例によってクロス部の流動状態は第４
図に示すような流動状態で安定しており、さらに第６図
のような流量配分となっているから、炉内への流入も均
一化し、また、ヘッダ曲管１９を貫通する両心が無いの
で、両心発生時に生じる流路各部の水圧脈動も無くなり
、炉内の流動は安定化され、構造強度の面からも信頼性
の高いＢＷＲ発？ｌ！グランドを提供することが可能と
なる。さらに、両心が有ったシ無かったりすると、第９
図で説明したクロス部のヘッダ曲管方向への流れの損失
係数ζ４が変化するが、本発明実施例によればζ４は小
さい方て安定するので、システム全体の損失も小となり
、エネルギの節約にも資するところ大である。

ａ、１４ｂ −一一一一一一一 第１４図は２枚の整流板２７をクロス部１８内のヘッダ
曲管１９の口側に母管１７およびレデューサ２０の方向
に平行に設置した再循環ループ分岐管の例を示す側断面
およびＡ−Ａ断面図である。

本実施例の場合には、クロス部１８の中央で発達する旋
回流に対して整流板２７に邪魔板的役割（両心が無い流
れからみれば整流の役割である）を課して両心を発生さ
せないようにしているので、前記と全く同様の効果が達
成される。

第１５図はクロス部１８内にライザ管２２と一体構造の
内管２８を挿入することにより、クロス部での両心の存
在場所を無くした、すなわち、両心の発生を防止した例
であり、前記と同様の効果が達成される。さらに、ライ
ザ管２２と一体構造ということより、強度的信頼性を損
うこともない。

第１６図はヘッダ曲り管１９側の内径と母管１７側の内
径とを同じくし、且つレデューサを省き、ライザ管の一
部を成す直管３０をクロス部の管壁２９に直接接続開口
させて構成したクロス部の例である。ヘッダ曲管側の径
を母管側と同じにしたことによジｆｔ　−ｆｚ力方向流
れが従来よ！７旋回を発生しにくくなυ、前記と同様の
効果が達成される。また、第１５図と第１６図に示した
例では、従来存在したクロス部の母管とレデューサ間の
流動の変化の自由度を取シ除いて、温石の発生無しの状
態に流動を制御しているともいえる。

第１７ａ、１７ｂ図は、クロス部１８において、ヘッダ
曲管１９の軸中心３１と母管１７の軸中心３２とをＥだ
けずらせて構成した例である。外見上はクロス部中央の
旋回流は激しくなると予想されようが、可視化実験を行
ってみると、複雑な流動状況とはなったが、クロス部中
央に温石を発生するような流動とはならず、温石発生防
止に効果のあることが確認された。ヘッダ曲管１９のク
ロス部での開口部が従来よりＥだけずれたことにより、
逆に旋回流発生のためのバランスが崩れてしまい、温石
が生成されず、本例の場合にも前記と同様の効果を得る
ことができる。

第１８ａ、１８ｂ図はクロス部流路内に旋回流本実施例
では案内羽根３３によりクロス部中央の旋回を助長し、
両心有シの流れを安定して発生せしめることができるの
で、両心有り、無しの不安定流動が無くなる。すなわち
、管路損失は前記各実施例より大きくなるが、再循環系
全体の流量変動は無くなり、安定なりＷＲ発電プラント
出力を得ることができる。

以上の各側はクロス部流動を一定の流動型に収の流量変
動発生原因がクロス部での流動変動に起因していること
に再度着目し、これがクロス部特有の流路構造に起因し
ているとの観点から、クロス部を再循環ループから排除
した例である。本例では、従来のクロス分岐部を廃し、
１字型部３４を設けた再循環ループを採用しており、第
１９ａ図はその概略平面図、第１９ｂ図はその側面図で
ある。本実施例の場合には母管１７の直上に位置するラ
イザ管は無く、全てのライザ管２２は左右のへ、ダ曲管
１９から分岐していることによシ、流量変動発生原因箇
所を削除したので、ＢＷＲ発電プラントの出力変動は発
生しない。なお、本例の場合にはクロス分岐部の代りに
１字分岐部としたが、Ｙ字分岐部とした変形例も考えら
れる。

また、実験によって、従来構造のクロス部での流力１分
配比（第３ａ図のｆｔ　、ｆｚ　、ｆｓの比）がｆｌ：
　Ｊ’２　：　ｆ３＝０．３６〜０．４４　：　０．３
６〜０．４４　：　０．１２〜０．２８のとき、クロス
部中央に温石が有ったり無かったシして、再循環系の流
量変動が発生しているので、流量配分比ｆｔ　：ｆ２　
：ｆｌを上記数値以外としても流量変動は回避できるこ
とが判明している。よって変動を回避できるような上記
数値以外の流量分配比を与える再循環ループでも、当然
ながら流量変動は発生せず、発電出力の安定なりＷＲ発
電プラントを提供するという本発明の目的は達成できる
。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明によれば、従来のＢＷＲ発電
プラントの構造を大きく変更することなく、きわめて簡
単な構造で再循環ループの流動を安定化することによシ
、出力変動のない安定なりＷＲ発電プラントを提供でき
る。

更に、再循環？ンゾの負荷変動や再循環ループ配管への
変動荷重が減るので、これらに事故が発生する確率が低
下し、ポンプの消費電力変動もなくなってプラント運転
が安定化し、信頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の効果を示すＢＷＲプラントノ！ラメー
タのシミュレーシｌン結果の図、第２図は沸騰水型原子
力発電プラントの再循環ループの構成説明図、第３ａ、
３ｂ、３ｃ図は従来のクロス分岐管の夫々正面、側面お
よびＡ−Ａ断面図、第４図は該クロス分岐管に旋回流が
発生していない場合の流動状況説明図、第５図は同クロ
ス分岐管に発生する旋回流の説明図、第６図および第７
図は再循環ループの流量変動時の各ライザ管流量分配説
明面、第８図は再循環ループの水力損失説明図、第９図
は再循環ループの流量変動現象説明図、第１０図は再循
環ポンプの運転特性図、第１１図は本発明の適用された
沸騰水型原子力発電プラントの概略構成図、第１２図は
第１１図の再循環ループの概略平面図、第１３ａ、１３
ｂ図は本発明の実施例に係る再循環ループ内のＴ字分岐
管の側面およびＡ−Ａ断面図、第１４８および１４ｂ図
。 第１５図、第１６図、第１７ａおよび１７ｂ図。 第１Ｓａおよび１８ｂ図はそれぞれ本発明の他の実施例
を示すクロス分岐管の構造図、第１９＆および１９ｂ図
は再循環ループにクロス分岐管が無い本発明の他の実施
例に係る再循環ループの概略平面図および側面７図であ
る。 く符号の説明〉 １：原子炉圧力容器　　２：炉心 ５：蒸気タービン　　　６：発電機 ７：復水器　　　　　　８二再循環ポンプ９　：再循環
？ングモータ　　　１１ニジエツトポンプ１７：母管　
　　　　　　　１８：クロス部１９：ヘッダ曲管　　　
　　２０ニレデューサ２１：１字管部　　　　　２２：
ライザ管２５：安定流動再循環配管　２６：整流板２７
；整流板　　３３：案内羽根　　３４：丁字管部第１図 第３ｂ図 第４図 第５図 篤６図 第７図 （中央ライザ管） 第８図 第１０図 内情環ポンプ流量 第１１図 第１２図 第１９α図 第１９ｂ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 原子炉からの蒸気供給系に接続された蒸気タービン発電
   機系、該蒸気タービン発電機系から原子炉へ到る復水給
   水系および原子炉炉心冷却材再循環ループを備えた沸騰
   水型原子力発電プラントにおいて、再循環ループの再循
   環ポンプから原子炉に接続されたライザ管へ到る経路中
   に再循環ループ内流量およびヘッドの動揺を防止する配
   管手段を備えたことを特徴とする沸騰水型原子力発電プ
   ラント。