JPS63254301A - 熱交換器 - 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】 本発明は熱交換器に関し、特に水が液体及び／又は蒸気
状態で管を通過し、液体アルカリ金属、通常はナトリウ
ムをシェルを通して循環させるような、チューブインシ
ェル形熱交換器に関する。

このような熱交換器（蒸気発生器）は液体金属冷却型高
速核分裂原子炉発電所で使用される。

一般に、原子炉発電所の蒸気発生器では、水／蒸気を導
く管の各端が管の形状に従い溶接によって１つ又は２つ
の管仮に連結されている。すなわち、管がＵ字形である
ときは１つの管仮に、管が直線形又は３字形の場合には
２つの管仮に連結される。ナトリウムの中へ水／蒸気が
漏れると水−ナトリウムの相互作用が激しくて著しい損
傷の原因となるので、問題となる点は上記漏れの可能性
である。管と管板との間の溶接接合部は、この点に関し
て潜在的に影響を受け易いと考えられている。

蒸気発生器が上部管板と下部管板との間に延びている直
線形又は３字形の管を使用する型式のものである場合、
管と上部管板との間の溶接接合部はアルゴンのような不
活性のガス被覆領域内でナトリウムレベルの上に位置決
めされる。この被覆領域はやがて被覆ガスを採取するこ
とによって監視され、ガス中の水素の存在が検出される
。というのも、水素はナトリウム−水の相互作用の生成
物の１つで該相互作用の有無を示すからである。

しかしながら管と下部管板との間の溶接接合部はナトリ
ウム中に浸漬されており、上記領域の水素の検出のため
に開発された技術には大量のすトリウムを採取してナト
リウム中に溶解した水素を検出する技術が含まれる。溶
解水素の拡散するニッケル膜によってナトリウムから水
素の少なくとも一部を分離す為ことによって、上記検出
が行われる。

被覆ガス領域の水素の検出は敏感で比較的迅速なプロセ
スであるが、反応生成物が直接ナトリウムの中へ放出さ
れナトリウム流れで運び去られるような下部管板におけ
る漏れの検出は、特に反応生成物が全循環ナトリウム流
れと混合される場合にはさらに困難な作業になるものと
考えられる。

このような情況下では、既存の技術を使用して、比較的
長い時間尺度、例えば数時間に亘ってナトリウム中に溶
解した水素のバックグラウンドレベルの変化を検出する
ことしかできない。これは非消耗規模の小さな漏れ（こ
のような漏れが上記時間尺度に亘って非消耗的のままで
あるならば）には有用であるが、急激な消耗を引き起す
規模の範囲の漏れの場合にはそれで十分かどうか疑問で
ある。

溶解した水素を検出するためにナトリウムを採取する既
存の技術の基調をなす原理は、ナトリウムの中へ放出さ
れた水素は溶解するという前提に基づいており、その結
果溶解した水素を検出するためにナトリウムの採取が必
要になっている。本発明によれば、 管と管板との接合部を液体アルカリ金属に浸漬させた、
液体アルカリ金属−水型チューブインシエル形蒸気発生
器において、 給水口領域の上記浸漬した管と管板との接合部の領域で
発生する水素泡を収集ゾーンへ向かわせる手段と、 上記収集ゾーンの水素の存在を監視する手段とを備える
ことを特徴とする蒸気発生器を提供する。

本発明は、水素がナトリウムに溶解する傾向はあるが、
給水口領域における通常の温度では上記溶解速度が十分
遅いので、水素を気相で集め、ナトリウムの局部的な又
は大量の採取の必要性を回避するという認識に基づいて
いる。

本発明の本実施例では、給水口領域における管と管板と
の接合部は、液体金属アルカリのほぼ静止したゾーンに
配置されるような構成をとっており、給水口管板は液体
金属流れの高温領域から熱的に保護されおり（すなわち
その結果、上記接合部で発生する水素泡はすべて蒸気発
生器の比較的低温領域における水素泡と同様になる）、
給水口領域の接合部に隣接して発生した水素泡は蒸気発
生器を通して液体金属の大量流れで全く運び去られない
。このような実施例では、蒸気発生器が上記接合部から
間隔をへだてた液体金属出口ポートと、比較的少量（例
えば全流量の約２％）の液体金属を出口から流出させて
上述のほぼ静止したゾーンを形成させる流量抵抗手段と
を備えている。

流量抵抗手段は液体金属に対して高抵抗流路を作るよう
に設計され、液体金属出口ボートに隣接して配置された
、１つ又は２つ以上の管間隔用グリッドからなり、その
結果、低流量の液体金属をほぼ静止した領域へ入らせ、
気泡に作用する浮力を打ち消す冷却材速度の増大によっ
て、あるいは開口部の気泡の通過に抵抗するように制限
開口部により発生した表面張力作用によって、ガスがグ
リッドを通過しないようにする障壁を作る。

静止したゾーンの液体金属を蒸気発生器を通して液体金
属の大量流れへ戻すための戻り流路を設けるのがよい。

また、その戻り流路は収集ゾーンを横断していて、その
結果、ほぼ静止したゾーンを通して液体金属を循環させ
ることにより、水素泡がすべて収集ゾーンに移送される
のがよい。

流量抵抗手段は、水素泡に作用する浮力に勝る十分な速
度の液体金属速度を作り、その結果上記気泡が液体金属
の大量流れへ上昇しようとする傾向を最小にするのが好
ましい。

流量制限グリッドはプレート状にするのがよく、管受け
開口部は、各開口部の周りの周辺部分がその開口部から
通常軸線方向に突出し、その開口部を貫通する管を包囲
するスカートを形成するように作られる。このスカート
は、管と接触してばね板シールのように作動する。管は
包囲するスカートの内側に近接して嵌まり、その嵌まり
の近接度合はグリッドの片側から反対側へ流体が流出で
きる程度を制御する。グリッドは薄い金属板からなり、
開口部の製造中（例えば打抜操作によって）ばね板シー
ル型式のスカートの形成・を容易にし、薄いグリッドは
例えば一体的に形成された補強構造をもつことによっで
あるいは別個の支持構造を用いて、局部的に補強される
のがよい。

別の構成では、流量制限グリッドは間隙をもって管を受
けるための開口部を有し、さらに流れ抵抗を増大させる
ために、例えばグリッドとともに、該グリッドの片側か
ら反対側へラビリンス流路を形成するように配置された
六角形のワッシャ状の要素をグリッドに設けるのがよい
。

本発明の蒸気発生器に適用できる上述の特定のグリッド
設計は、グリッドの片側から反対側へ流体流量を減少さ
せる必要があるか、あるいはグリッドの片側から反対側
への流れに抗するシールをグリッドに設ける必要がある
ような他の形態の熱交換器にも適用可能であるとみなさ
れる。後者の例では、例えばグリッドの第１の実施例の
スカートはそれぞれ関連した管と密封接触して、グリッ
ドを通過するかなる漏れも実質的に阻止する。

本発明は、添付図面を参照した実施例をあげて以下説明
される。

第１図を参照すると、図示のナトリウム−木型蒸気発生
装置はシェル内にベローを備えた型式の直管からなり、
入口ノズル１３が付いた給水入口ヘッダ１２と（排）出
口ノズル１５が付いた蒸気（排）出口へフダ１４との間
に延びる垂直方向に細長い主シェル１０を備えている。

各ヘッガ１２．１４は管板１６．１８を有し、管束（簡
潔のために開示せず）が２つの管板１６．１８の間に延
びて水／蒸気を入ロヘソダ１２から出ロヘソダ１４まで
シェルの内部を通して導く。管と管板との接合は、第２
図に示した管・ビン（・ル溶隔突合せ溶接タイプのもの
がよく、個々の管２０とビントル２２が図示されている
。実際には、通常１５００を超える管があり、容管は各
管板１６．１８に管・ビントル溶接部を有していること
が理解される。

管束（第１図及び第３図に仮想線で示す、参照番号１９
を参照）は円形断面の流れ囲い板２４に収容されており
、この囲い板２４は液体ナトリウムの管束バイパス流量
を制限し、熱過渡現象及びナトリウム−水反応消耗から
主シェル１０を保護し、さらに主シェル１０の一体性を
損うことなくあるいはタイロッドによることなく管束の
支持グリッド２６を位置決めする手段を提供するのに役
立つ。囲い板２４は、鍛造フランジボルト付継手２８に
よって主シェルから支持されている。

ナトリウムは入力ノズル３０を介して蒸気発生装置の主
シェル１０に入り、環状チャンバ３１及び環状分配グリ
ッド３２を通過した後流れ囲い板の内部へ入る。分配グ
リッド３２は、ナトリウムが管束へ入るのに先立ってそ
の速度分布を円周方向にほぼ一様にするのに役立つ。ナ
トリウム流れはやがてグリッド２６を通して囲い板の中
へ下方に進んで水／蒸気を導いている管と熱交換された
後、ナトリウム流れの主部分は囲い板の部分３４の開口
部から横方向に出て出口ノズル３６を通して主シェル１
０から出る。

第３図に拡大して示すように、囲い板２４は出口部３４
を超えて下方へ続き、蒸気発生装置の下部領域へ全ナト
リウム流量のうち小量（例えば２％）を導びき、ナトリ
ウムの緩衝ゾーンすなわちほぼ静止したゾーンを形成し
、このゾーンは囲い坂出口部３４から下部管板１６へ下
方に延びる領域に比較的低温度のナトリウムの層状領域
を形成することによって、装置のナトリウムの出口にお
けるナトリウムの温度過渡現象から下部管板１６を保護
する熱障壁として働らく。

グリッド３０．４０及び４２によって緩衝ゾーンへのナ
トリウムの流量は低減される。なぜならば、グリッド３
８及び４２がナトリウムの流れを混合し且つ蒸気発生装
置の耐用期間中のある段階で蒸気管のいくつかを閉塞し
なければならない場合に生ずるホットスポットを回避す
るかなりの量の横断流れを作るための流れ再分配グリッ
ドであるからである。グリッド４２は、管束によって貫
通されているが全ナトリウム流量の約２％しか通過させ
ない高抵抗グリッドである。下部管板における管と管板
との接合部は、以下にその機能を詳記する消耗グリッド
４４によって保護されている。

囲い板２４は間隙を残すように消耗グリッド４４のすぐ
上で終り、この間隙を通して、ベロー５２を介して主シ
ェル１０に連結された下部シェル５０の外壁と囲い板２
４との間の環状領域４８へナトリウムを排出することが
できる。

間隙４６を介して出てゆくナトリウムは環状領域４８に
沿って上方へ移動し、プレート５４゜５６によって構成
された後傾流路を通った後、ナトリウムの大量流れ（矢
印参照）へ戻る。プレート５４，５６により、通常はノ
ズル６０を介してアルゴンのような不活性ガスで満たさ
れているガススペース５８を形成することができる。レ
ベル計６２によりこの領域のナトリウムレベルを監視す
ることができ、この結果、スペース５８へのガス供給を
制御することによってレベル６４をほぼ一定に維持する
ことができる。水素検出器６８にガススペースを連結す
るためのノズル６６が設けられている。

下部管板１６の領域にナトリウムのほぼ静止したゾーン
を作ることに加えて、ナトリウム低流量がまた管板１６
の上を通り、この領域で上昇する水素泡を、発生した水
素用の収集チャンバとして働らくガススペース５８へ移
送するのに役立つことがわかる。必要であれば、一部が
ポンプ装置によって、蒸気発生装置の外側すなわちシェ
ルの外側にあってもよい再循環ループを通してナトリウ
ムを吸引することを伴う強制流れを引き起こして、管板
１６を横切るナトリウム流量をさらに増大させてもよい
。下部管板１６の近くにナトリウムのほぼ静止したゾー
ンを設けることにより、管板１６に近接したナトリウム
は、蒸気発生装置のより高温領域における通常のナトリ
ウム温度に比べて比較的低温になる。このように、水素
がナトリウム中へ溶解する割合を減少させ、これによっ
て発生した水素のうちかなりの量を気相でガススペース
すなわち収集ゾーン５８へ移送させる。高抵抗グリッド
４２を適当に設計することによって、浮力作用で水素泡
がグリッド４２を通して上方へ移動（それ放出口３６の
領域で高温ナトリウムに溶は込む）する傾向を、グリッ
ド４２を通る下向きのナトリウム速度が浮力による上向
きの気泡の終速度より大きく及び／又は表面張力の作用
が十分で気泡がグリッドを通過できないようにすること
によって減少又は阻止することができる。

以上より、例えば、下部管板１６の近くのナトリウムの
中へ水すなわち蒸気が少量洩れる結果発生する水素は環
状ガススペース５８へ移送され、そこで水素センサ６８
により水素を検出することができることがわかる。管板
１６に隣接した水素泡の発生位置からガススペース５８
に現われるまでの移送時間は比較的迅速なので、ある管
の最初の漏洩源が、その漏洩源からの蒸気およびナトリ
ウム−水反応生成物の衝突によって隣接した他の管を腐
食させる結果、他の管によって第２の漏れを引き起こす
前に水素の発生を検出することができるようになる。か
くして、ガススペース５８の水素の検出に応答して、蒸
気発生装置を停止して例えばダンプノズル６９のような
抜き出し個所を介してナトリウムを抜き出し、漏れが他
の管へ拡がらないようにし、引き続いて漏れた管を修理
することができる。

実際には、ある場所に発生した漏れが隣接した場所で腐
食を生じさせる割合を減少させることによって安全性を
より高める必要がある。このため、消耗グリッド４４が
下部管板１６に近接して設けられている。消耗グリッド
４４の機能は、路管と′管板との溶接接合部（これらの
漏れの発生については最も弱い場所である）を各セルで
囲うことであり、この結果、ある特定の溶接部からの小
さな漏れにより発生した蒸気及びナトリウム−水反応生
成物の立ち上りが周囲の囲いセルに最初に衝突し、少な
くとも上記立ち上りがセル壁の厚さを貫通して腐食する
まで隣接した管を保護する。管の貫通するセルを形成す
る耐腐食性金属の交差ストリップ５１（第２図参照）の
グリッドとして、消耗管を製造するのがよい。したがっ
て、消耗グリッドを備えることにより、蒸気発生装置を
停止する前に小さな漏れの検出に利用できる時間がかな
り延長され、周囲の管への損傷の危険性を低減すること
ができる。

第４図は、シヱル７０及び管束７２（仮想外形線で示す
）が３字形になっている別の態様の蒸気発生装置の下部
を示している。この下部を除けば、第４図の蒸気発生装
置は全体として第１図乃至第３図の装置と同様であり、
以下の記載は本発明の関係において相異なる特徴に限定
される。ナトリウムの主流れは出口部７６を介して流れ
囲い板７２から出て化ロア８を介して蒸気発生装置を出
る。主流れのうち少量部分は高抵抗グリッド８０を通し
て下方へ通ることができ、装置の下端にほぼ静止した領
域を形成する。下部管板８２は溶接接合部（第２図）に
よって管束７２に連結されており、この接合部は上述し
た消耗グリッド８４によって囲まれている。給水は、ヘ
ッダ８８のノズル８６を介して管束へ供給される。必要
なときにナトリウムを抜き出するための通気管路９０が
設けられる。

この実施例では、下部管板の近くの漏れの結果発生した
水素泡９２は、バッフル板９４．９６によって、レベル
センサ１００及び水素センサとの接続用のノズル１０２
を備えた収集チャンバ９日の中へ案内される。再び必要
に応じて、水素泡を移送するためのナトリウム流量を圧
送再循環流れによって高めても良い。第１図の実施例に
おけるように、静止したゾーンにより少なくとも水素の
一部は気相で残り、発生した水素泡はすべてチャンバ９
８に集まり、そこで通常チャンバ９８に存在するアルゴ
ン中で水素の存在を検出することができる。かくして、
両方の実施例では、ナトリウムー水の相互作用を検出す
るために、ナトリウムから試料を抽出しそのナトリウム
試料から水素を抽出する必要がある。

第５図は、ある形態の高抵抗グリッドを概略的に説明し
ている。この高抵抗グリッドは本発明の上述の実施例に
適用するのもよいが、グリッドの通過流量を最小にすべ
き環境であればどこでも適用することができる。図示の
如く、グリッド１１０は環状スカート１１４が作られる
ように金属薄板に孔を開けることによって製造される非
常に薄い有孔プレート１１２を備え、この環状スカート
１１４はばね仮シールのように蒸気／水管１１６と協働
してグリッド１１０を通過する流量を所望の比率まで低
下させる。比較的薄いプレート１１２には局部的な一体
の補強形成部を有することによって個有の剛性が与えら
れても良いし、あるいは管相互間のグリッドプレート１
１２を補強するのに役立つ適当な形状の交差ストラップ
１１８のグリッドによってプレート１１２を支持しても
よい。

第６図及び第７図を参照すると、第５図のグリッドのよ
うにその他の形態の熱交換器の設計に適用できるもう１
つの形態の高抵抗グリッドが示されている。このグリッ
ドは透かし構造１２６で支持された多数の層の六角形プ
レー）　１２０，１２２゜１２４によって形成されてお
り、そのプレートのピンチ中心がある層から次の層まで
オフセントさせて配列され、ある層の六角形プレート間
の小さ、な隙間が隣接した層のプレートによって覆われ
、こうしてラビリンスを作りそれ故に高抵抗なグリッド
を貫通する流体流路を作る。図示の如く、各六角形プレ
ートには中央管受け孔が形成されており、各プレートの
頂点には隣接した管の外形に合致する部分円状の切欠部
１２８が形成されている。

グリッドを形成するプレー）１２０，１２２゜１２４の
層を、プレートの整列した穴　１３２を通過して支持構
造１２６に係合するねじ付き止め具１３０によって一体
に固着されるのがよい。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明による垂直直管形蒸気発生装置の断面
図であり、 第２図は、管と管板との接合部の一形態を説明する概略
図であり、 第３図は、第１図の装置の下部の拡大図であり、第４図
は、第３図と同様にＪ字形管形蒸気発生装置の下部の拡
大図であり、 第５図は、本発明の装置に使用できる新規な形態の高抵
抗グリッドを説明する図であり、第６図は、第５図と同
様にもう１つの形態のグリッドを示す図であり、 第７図は、第６図のグリッドの破断平面図である。 １０・・・・・・主シェル、　　　１６．１８・・・・
・・管板。 １面め捧ＩＦ（内容に変更なし） 手続補正書（方式）６２．７．２９ １．事件の表示　　昭和６２年特許願第９７２５７号２
、発明の名称　　　　　熱　交　換　器３、補正をする
者 事件との関係　　出願人 ４、代理人 氏　名　（５９９５）弁理士　中　　村　　　　　稔−
；”　ゝ・′τ−、、ノ ５、ｈｉ正命令の日付　　　昭和６２年６月３０日願書
に最初に添付した明細書及び図面の浄書（内容：こ変更
なし）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）管と管板との接合部を液体アルカリ金属に浸漬さ
   せた、液体アルカリ金属−水型のチューブインシェル形
   蒸気発生器において、 給水口領域の上記浸漬した管と管板との接合部の領域で
   発生する水素泡を収集ゾーンへ向かわせる手段と、 上記収集ゾーンの水素の存在を監視する手段と を備えることを特徴とする蒸気発生器。
2. （２）上記給水口領域の管の管板との接合部は液体金属
   アルカリのほぼ静止したゾーンに配置されており、上記
   給水口管板は液体金属流れの高温領域から熱的に保護さ
   れるように構成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の蒸気発生器。
3. （３）上記接合部から間隔をへだてた液体金属出口ポー
   トと、上記ほぼ静止したゾーンを形成するために比較的
   少量の液体金属を上記出口ポートから流出させるための
   流れ抵抗手段とを備えていることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載の蒸気発生器。
4. （４）上記流れ抵抗手段は、液体金属の高抵抗流路を作
   るように設計された低流量の液体金属を上記ほぼ静止し
   たゾーンへ流入させてガスの通過を阻止する障壁を作る
   ように上記液体金属出口ポートに隣接して配置された、
   １つもしくは２つ以上の管間隔用グリッドからなること
   を特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の蒸気発生器
   。
5. （５）上記静止したゾーンの液体金属を蒸気発生器を通
   して液体金属の大流量へ戻す戻り流路が設けられており
   、上記ほぼ静止したゾーンを通して液体金属を循環させ
   ることによって水素泡がすべて上記収集ゾーンへ移送さ
   れるように、上記戻り流路は上記収集ゾーンを横断して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第２項乃至第４項
   のいずれか１項に記載の蒸気発生器。
6. （６）上記流量制限用グリッドは管受け用開口部が設け
   られたプレート状であり、各開口部の周りの周辺部分は
   上記開口部からほぼ軸線方向に突出し、上記開口部を貫
   通する管を取り巻くスカートを形成していることを特徴
   とする特許請求の範囲第４項に記載の蒸気発生器。
7. （７）上記流量制限用手段は間隙をもって管を受け入れ
   る開口部を有し、流量抵抗を増すために、グリッドの片
   側から反対側へのラビリンス流路をグリッドとともに形
   成するように構成された六角形のワッシャ状の要素がグ
   リッドに設けられていることを特徴とする特許請求の範
   囲第４項に記載の蒸気発生器。