JP2554700B2

JP2554700B2 - 自然循環沸騰軽水型原子炉及び自然循環沸騰軽水型原子炉からの主蒸気抽出方法

Info

Publication number: JP2554700B2
Application number: JP63079093A
Authority: JP
Inventors: 毅新野; 忠和中山; 良造鶴岡; 実三木; 延功岩田; 和人小山
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd Ibaraki; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: US5019328A; JPH01250893A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、自然循環沸騰軽水型原子炉に関するもので
ある。

［従来の技術］沸騰軽水型原子炉を用いた典型的た原子力発電所にあ
っては、沸騰軽水型原子炉で発生した主蒸気をタービン
を含むタービン系に供給して主蒸気を熱的エネルギを電
気的エネルギに変換するようになっている。

発生した主蒸気には放射性物質が含まれているので、
原子炉系、タービン系およびそれらを連結する配管系は
それぞれ放射線遮蔽構造体により遮蔽されている。これ
により、外部への放射性物質からの放射線の影響が防止
されている。

主蒸気中の放射性物質の主要なものは¹⁶Nである。¹⁶N
は、炉心内の軽水、すなわち冷却材中の¹⁶Oと中性子と
の以下に示す反応により生成される。この反応は（n,
p）反応と略称されている。¹⁶ O＋ｎ→¹⁶N＋¹H 通常の冷却材中では、発生した¹⁶Nはすぐに非揮発性
の強い陰イオン例えばNO₂ ^-またはNO₃ ^-になる。よって、
主蒸気中に含まれている¹⁶Nの量は少ない。

近年、冷却材の水質改善のために酸素抑制材が注入さ
れている。酸素抑制材が冷却材中に注入されると、冷却
材の酸化ポテンシャルは減少する。これにより揮発性の
¹⁶Nに変換され易い陽イオン例えばNH₄ ⁺が増加する。

また、酸素抑制材とは別に、冷却材中に注入される物
質として、H₂、NH₃、N₂H₄等がある。これらの物質も、
酸素抑制材と同様に、¹⁶N増加の要因となっている。

この¹⁶Nに対しては、原子炉圧力容器だけでなく、タ
ービン系および配管系は、コンクリート製または鉄製の
放射線遮蔽構造体により遮蔽され、¹⁶Nから放出される
放射線の外部への漏洩は十分に抑えられている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、主蒸気中の¹⁶Nの増加に応じて、遮蔽構造体
は重厚かつ大型化し、プラント建設コストの上昇を招く
ことになってきた。

よって、本発明は、タービン系および配管系の遮蔽構
造体の軽量化および小型化に寄与する沸騰軽水型原子炉
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］前記本発明の目的を達成する構成は、蒸気／水室と蒸気室とに分割されている圧力容器と、前記蒸気／水室内に配設され放射性同位元素¹⁶Nを含
む主蒸気を発生する炉心であって、複数の燃料要素を有
する炉心と、前記蒸気／水室内に配設され該炉心を取囲んでいるシ
ュラウドと、該シュラウドから発生した主蒸気を前記蒸気室へと通
し該主蒸気の湿り度を減少させる蒸気乾燥器と、一端部が前記シュラウドに接続され前記蒸気／水室内
を前記蒸気室に向かって延在し前記主蒸気が放射性同位
元素¹⁶Nと共に流れるチムニであって、冷却材として軽
水が充填されており、他端部が前記蒸気乾燥器に向かっ
て開放されているチムニと、前記圧力容器から主蒸気を取り出すための蒸気出口で
あって、前記圧力容器の壁に設けられた蒸気出口と、前記シュラウドから前記蒸気乾燥器を介して前記蒸気
出口まで前記主蒸気が通って流れる蒸気経路とを有する
自然循環沸騰軽水型原子炉にある。

他の構成は方法的なものであり、その方法は、放射性
同位元素¹⁶Nを含む主蒸気を自然循環沸騰軽水型原子炉
から抽出する方法であって、放射性同位元素¹⁶Nを含む主蒸発を発生させるため原
子炉を通して圧力容器内で軽水を自然循環させ、前記放射性同位元素¹⁶Nの半減期の２倍以上の時間を
かけて前記主蒸気を前記圧力容器内を移動させ、そして前記主蒸気を前記圧力容器から抽出する、自然循環沸
騰軽水型原子炉からの主蒸気抽出方法である。

［作用］圧力容器内の放射性物質¹⁶Nのインベントリ（invento
ry）は、¹⁶Nが圧力容器内を流れる時間に依存してい
る。本発明によれば、炉心で発生した主蒸気中に含まれ
る放射性物質¹⁶Nは、¹⁶Nの半減期（約７秒）より長い時
間をかけて原子炉の圧力容器内を流れることができる。
すなわち、本発明では、主蒸気の流速を抑えかつ／また
は主蒸気の経路長を長くすることにより、主蒸気が圧力
容器内を流れる時間が長くなる。

これにより、原子炉圧力容器内で放射性物質¹⁶Nのイ
ンベントリは減少され、原子炉圧力容器からタービン系
に向かう主蒸気中の¹⁶Nの量は少なくなる。これによ
り、配管系およびタービン系に対する遮蔽構造体を小型
軽量とすることができる。また、従来の遮蔽構造体を用
いた場合には、遮蔽効果をより向上させることができ
る。

［実施例］第１図において、本発明の一実施例である自然循環沸
騰軽水型原子炉は、蒸気／水室および蒸気室に分割され
た圧力容器１を有する。複数の燃料要素を含む燃料組立
体を備えた炉心２は、この圧力容器１の蒸気／水室に配
設されている。炉心シユラウド３がこの炉心２を取囲ん
でいる。

炉心シュラウド３の上端部から管状のチムニ４が蒸気
／水室内を蒸気室に向かって延びている。チムニ４には
冷却材である軽水が充填されている。チムニ４の内径
は、炉心シュラウド３の外径より大きい。また、チムニ
４の端部41すなわち冷却材の水面は後述する蒸気乾燥器
５に向かって開放されており、両者間にはその有効解放
面積を制限するようなものは存在しない。

チムニ４の上方には、圧力容器１の蒸気／水室と蒸気
室との間を連通する蒸気乾燥器５が設けられている。蒸
気乾燥器５は、圧力容器１の壁から半径方向内方に突出
する周方向突起13に装架されている。

蒸気乾燥器５の出口には管状の蒸気ガイド６が取り付
けられている。蒸気ガイド６はステイ61を介して圧力容
器１のトップヘッド部分12に固定されている。蒸気ガイ
ド６は蒸気室内を上方に延びている。トップヘッド部分
12が圧力容器１に組み込まれると、蒸気ガイド６に設け
られた突起62が蒸気乾燥器５の上端に設けられたアイナ
ット51に当接して蒸気乾燥器５を突起13に押し付けずれ
ないように保持する。

蒸気室に対応する圧力容器１の壁には蒸気出口７が設
けられている。

つぎに、この構成の原子炉の作動について説明する。

まず、原子炉が駆動されると、炉心内の軽水が加熱さ
れ沸騰し、蒸気が発生する。発生した蒸気は、主蒸気と
して、チムニ４内を上昇する。チムニ端部41において、
主蒸気は、気液二相形態（水蒸気及び水滴）で蒸気乾燥
器５に向かって上昇する。これに伴いチムニ端部41から
は軽水がオーバフローし、圧力容器１と、チムニ４およ
びシュラウド３との間に形成された空間を炉心下部に向
かって下方に流れ、再び炉心により加熱される。これに
より冷却材の自然循環が完成される。

主蒸気は、蒸気乾燥器５を通る間に、その湿り度が減
少し、かつ蒸気ガイド６に規制されかつ沿って蒸気室内
を上昇する。その後、主蒸気は蒸気出口７に向かって下
方に流れ、蒸気出口７を通ってタービン系に送られる。
これにより、シュラウド３から蒸気出口７まで延びる蒸
気経路が形成される。

この実施例においては、チムニ４の端部41すなわち冷
却材の水面が蒸気乾燥器５に向かって開放している。す
なわち、両者間にはその有効解放面積を制限するような
ものは存在しない、これに対して、第２図に示される従
来の沸騰軽水型原子炉にあっては、シュラウド３の端部
は閉塞されており、かつ減少された断面積を有する蒸気
分離器を複数備えた蒸気分離組立体８が閉塞シュラウド
端部に連通している。（第１図のものと同一または同様
な働きを成すものには同一の符号を付しその作動の説明
は省略する。ただし、同一符号の要素の寸法はほぼ等し
い。）第２図の原子炉にあっては、蒸気分離組立体８に
より蒸気経路の有効面積が狭められているので、蒸気分
離組立体８内を流れる主蒸気の流速は増加される。よっ
て、主蒸気が、シュラウド３から蒸気出口７まですなわ
ち蒸気経路内を流れる時間は約５秒である。これに対し
て、本実施例では、蒸気分離組立体８が無いので、蒸気
経路の有効面積が狭められることがない。よって、主蒸
気は、チムニ端部41から減速された速度でゆっくりと蒸
気乾燥器５に向かって上昇し、５秒以上の時間をかけて
蒸気経路内を流れる。また、チムニ４の内径は、炉心シ
ュラウド３の外径より大きくなっているので、チムニ４
内を流れる主蒸気の流速は、炉心シュラウド３での主蒸
気の流速より減少する。

さらに、本実施例においては、蒸気ガイド６により主
蒸気の蒸気乾燥器５から蒸気出口７へのショートカット
が防止される。すなわち蒸気経路が延長される。これに
より、さらに主蒸気が蒸気経路内を流れる時間は延ばさ
れる。

第3A図及び第３図Ｂを参照して、蒸気経路の経路長と
主蒸気の流速との関係を第１図の実施例原子炉と第２図
の原子炉との比較において詳細に説明する。

チムニ４内を流れる主蒸気の流速V1は、対応する延長
された炉心シュラウド部分内を流れる主蒸気の流速v1よ
り小さい（V1＜v1）。これは何故ならば、炉心での単位
時間での発生主蒸気量が同一の場合、有効面積が炉心シ
ュラウド３の断面積と同じシュラウド部分を流れている
主蒸気流速v1は変化しないが、有効断面積が炉心シュラ
ウド３の断面積に比して拡大されているチムニ４内を流
れる主蒸気流速V1は減速されるからである。また、チム
ニ４と蒸気乾燥器５との間を流れる主蒸気の流速V2は、
対応する蒸気分離組立体８内を流れる主蒸気の流速v2よ
り小さい（V2＜v2）。これは何故ならば、有効断面積が
減少された蒸気分離組立体８内を流れる主蒸気はその流
速が増加されるが、チムニ４と蒸気乾燥器５との間の開
放された空間を流れる主蒸気の流速は減速されるからで
ある。

このように、実施例の主蒸気は減速された流速でほぼ
同一の距離（L1＋L2＝l1＋l2）を流れることになるの
で、従来のものに比して、より長い時間をかけて炉心シ
ュラウド３から蒸気乾燥器５まで流れることになる。

つぎに、蒸気乾燥器５において、どちらの場合も、所
定の割合で減速される（V3＜v3、L3＝l3）。

よって、蒸気乾燥器５をでた主蒸気は蒸気室内を従来
のものv4より小さい流速V4で流れる（V4＜v4）。しか
も、本実施例では、蒸気ガイド６により主蒸気の蒸気出
口７へのショートカットが防止されている。すなわち蒸
気経路が延長されているので（L4＞l4）、蒸気ガイド６
から蒸気出口７まで主蒸気が流れる時間は従来のものに
比して長くなる。

以上から明らかなように、本実施例の原子炉において
は、従来のものに比して主蒸気が圧力容器内を流れる時
間が長くなる。従来のものが約５秒であったので、各機
器の寸法が変わらない場合、上記時間を¹⁶Nの半減期
（約７秒）より十分に長くすることができる。その結
果、主蒸気中の¹⁶Nの量は、圧力容器１内で大幅に減少
される。よって、タービン系に送られる主蒸気中の¹⁶N
の量が少ないので、従来に比して小形軽量の遮蔽構造体
をタービン系及び配管系に安全に適用することができ
る。

第4A図から第4C図までを参照して、発電プラントの各
部位における¹⁶Nのインベントリインデックス（主蒸気
中の¹⁶Nのインベントリ／従来（第２図）の炉心シュラ
ウドでの主蒸気中の¹⁶Nのインベントリ）と、炉心シュ
ラウド３からの各部位までの主蒸気の到達時間との関係
を、第１図のものと第２図のものとを比較する。なお、
符号９、10、11はそれぞれ原子炉格納容器、高圧タービ
ン、および低圧タービンを示している。

図から明らかな通り、従来のものにあっては、蒸気乾
燥器５までの到達時間が約１秒であり、蒸気出口７まで
のそれは約５秒である。これに対して、実施例では、蒸
気乾燥器５までの到達時間が約８秒に延び、また蒸気出
口７までのそれは約14秒（¹⁶Nの半減期の２倍）に延び
ている。これにより、従来のものの蒸気出口７での¹⁶N
のインベントリは、炉心シュラウドでのそれに比して60
％になっているが、本実施例の蒸気出口７での¹⁶Nのイ
ンベントリは、炉心シュラウドでのそれに比して25％に
減少している。すなわち、従来のものの蒸気出口７での
¹⁶Nインベントリに比して、本実施例のそれは約40％
（＝25/60）に減少している。これはタービンの遮蔽構
造体の厚さを、コンクリート換算で、約15cm減少させる
ことができることを意味する。

本発明においては、圧力容器内での主蒸気の流速を減
少させ、かつ／又は主蒸気の経路長を延長することによ
り、上記の効果が得られるものである。よって、上述の
実施例の構成の他にも、チムニ４の軸線方向の寸法を延
ばしたもの、または蒸気乾燥器の流路抵抗を増加させた
もの等の実施例がある。また、上記ガイド６は、図示さ
れた実施例のものに代えて、蒸気出口と反対方向に傾け
られたものまたは螺旋状に巻かれたものでもよい。

［発明の効果］以上の説明のように、請求項１の発明によれば、原子
炉の圧力容器からの蒸気記中の¹⁶Nによる放射能インベ
ントリが軽減されるので、その主蒸気を通す機器周りの
放射線遮蔽構造が簡単となり、設備の小型化ができる効
果、あるいは放射線の遮蔽が完全に近くなる効果が得ら
れる。

請求項２の発明によれば、請求項１の効果を、原子炉
圧力容器内で¹⁶Nの半減期を充分にむかえることによ
り、より確実に達成できる。

請求項３の発明によれば、請求項１の効果を原子炉圧
力容器内の主蒸気経路を延長することにより確実になし
得る。

請求項４の発明によれば、請求項３の効果を上記ガイ
ドにより蒸気乾燥器から蒸気出口までの主蒸気経路を延
長することにより確実になし得る。

請求項５の発明によれば、請求項３の効果をチムニの
軸心方向寸法を増加させることにより確実になし得る。

請求項６の発明によれば、請求項３の効果を、蒸気ガ
イドによる主蒸気経路延長と、チムニの軸心方向寸法を
増加させることによる主蒸気経路延長とによりより一層
確実になし得る。

請求項７の発明によれば、請求項２の効果を、原子炉
圧力容器内の主蒸気移動速度を減速させて確実に達成す
る効果が得られる。

請求項８の発明によれば、請求項７の効果を、チムニ
の形状を変更することにより確実に達成する効果が得ら
れる。

請求項９の発明によれば、原子炉圧力容器内で主蒸気
中の¹⁶Nの半減期を確実にむかえるようにできるから、
原子炉圧力容器内から外へ抽出される主蒸気中の¹⁶Nに
よる放射能インベントリが軽減されて、その主蒸気を通
す機器周りの放射線遮蔽構造が簡単となり、設備の小型
化が出来る効果、あるいは放射線の遮蔽が完全に近くな
る効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である自然循環沸騰軽水型原
子炉の断面図、第２図は従来の沸騰軽水型原子炉の断面
図、第3A図および第3B図はそれぞれ第１図および第２図
の原子炉内の主蒸気の流れの状態を示す線図、第4A図お
よび第4B図は、第１図および第２図の原子炉を用いたプ
ラントの系統を示す線図、そして第4C図は、第4A図およ
び第4B図に示された各部位における、炉心上端からの到
達時間と¹⁶Nのインベントリとの関係を示すグラフ図で
ある。１……原子炉圧力容器、２……原子炉炉心３……炉心シュラウド、４……チムニ５……蒸気乾燥器、６……蒸気ガイド７……蒸気出口、９……原子炉格納容器 10……高圧タービン、11……低圧タービン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鶴岡良造茨城県日立市幸町３丁目２番１号日立エンジニアリング株式会社内 (72)発明者三木実茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者岩田延功茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者小山和人茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】蒸気／水室と蒸気室とに分割されている圧
力容器と、前記蒸気／水室内に配設され放射性同位元素¹⁶Nを含む
主蒸気を発生する炉心であって、複数の燃料要素を有す
る炉心と、前記蒸気／水室内に配設され該炉心を取囲んでいるシュ
ラウドと、該シュラウドから発生した主蒸気を前記蒸気室へと通し
該主蒸気の湿り度を減少させる蒸気乾燥器と、一端部が前記シュトラウドに接続され前記蒸気／水室内
を前記蒸気室に向かって延在し前記主蒸気が放射性同位
元素¹⁶Nと共に流れるチムニであって、冷却材として軽
水が充填されており他端部が前記蒸気乾燥器に向かって
開放されているチムニと、前記圧力容器から主蒸気を取り出すための主蒸気出口で
あって、前記圧力容器の壁に設けられた蒸気出口と、前記シュラウドから前記蒸気乾燥器を介して前記蒸気出
口まで前記主蒸気が通って流れる蒸気経路とを有する自
然循環沸騰軽水型原子炉。
【請求項２】前記主蒸気が前記シュラウドから前記蒸気
出口まで流れるのに前記放射性同位元素の半減期の２倍
以上の時間をかけることを特徴とする請求項１記載の自
然循環沸騰軽水型原子炉。
【請求項３】前記蒸気経路を延長する手段をさらに有す
ることを特徴とする請求項２記載の自然循環沸騰軽水型
原子炉。
【請求項４】前記延長手段が、前記蒸気乾燥器の一端部
に接続されかつ前記蒸気室内を延在する蒸気ガイドを有
し、前記蒸気出口は前記圧力容器の該ガイドの出口より
下方の壁部分に設けられていることを特徴とする請求項
３記載の自然循環沸騰軽水型原子炉。
【請求項５】前記経路延長手段は前記チムニの軸線寸法
を増加させることによりなることを特徴とする請求項３
記載の自然循環沸騰軽水型原子炉。
【請求項６】前記経路延長手段はさらに前記チムニの軸
線寸法を増加させることによりなることを特徴とする請
求項４記載の自然循環沸騰軽水型原子炉。
【請求項７】前記前記蒸気経路内を流れる前記主蒸気の
移動スピードを減少する手段をさらに有することを特徴
とする請求項２記載の自然循環沸騰軽水型原子炉。
【請求項８】前記移動スピード減少手段は前記チムニの
半径方向寸法を前記シュラウドを越えて増加させること
によりなることを特徴とする請求項７記載の自然循環沸
騰軽水型原子炉。
【請求項９】放射性同位元素¹⁶Nを含む主蒸気を自然循
環沸騰軽水型原子炉から抽出する方法であって、放射性同位元素¹⁶Nを含む主蒸気を発生させるため原子
炉を通して圧力容器内で軽水を自然循環させ、前記放射性同位元素¹⁶Nの半減期の２倍以上の時間をか
けて前記主蒸気を前記圧力容器内を移動させ、そして前記主蒸気を前記圧力容器から抽出する、自然循環沸騰
軽水型原子炉からの主蒸気抽出方法。