説明

ジェットポンプ及び原子炉

【課題】ジェットポンプの流力振動を抑制しかつ効率を更に増大できるジェットポンプ及び原子炉を提供する。
【解決手段】ジェットポンプは、ノズル、ベルマウス、スロート12及びデフューザ13を有する。ベルマウスの下端に接続されたスロート12の下方に、ディフューザ13が配置される。リング部材14がディフューザ13の上端部に固定される。スロート12の下端部で突起部29が外側に突出している。スロート12の下端部で内面に形成された窪み28がスロート12の下端から上方へ延びる。ディフューザ13の上端部が窪み28内に挿入される。シール部材16がディフューザ13上端とスロート12下端との間に配置される。突起部29に支持された袋ナット15がリング部材14に噛み合わされ、ディフューザ13の上端がスロート12の下端に押し付けられる。スロート11下端の内径D1とデフューザ12上端の内径D2は同じである。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ジェットポンプ及び原子炉に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適なジェットポンプ及び原子炉に関する。
【背景技術】
【0002】
従来の沸騰水型原子炉(BWR)は、原子炉圧力容器内にジェットポンプを設置している。ジェットポンプは、ノズル、ベルマウス、スロート及びディフューザを備える。再循環系配管は原子炉圧力容器に接続される。この再循環系配管に設けられた再循環ポンプの駆動によって昇圧された冷却水は、再循環系配管を通り、駆動水としてノズルからジェットポンプ内に噴出される。ノズルは、駆動水の速度を増加させる。噴出された駆動水によって、ノズルの周囲に存在する冷却水である被駆動水がベルマウスからスロート内に流入する。スロートを経てディフューザから排出された冷却水は、下部プレナムを経て炉心に供給される(特許文献1〜3参照)。
【0003】
特許文献2は、スロートの下端をディフューザの上端部内に挿入したジェットポンプを記載している(特許文献2の図5参照)。特許文献3は、スリップジョイント部からジェットポンプ内の冷却水がその外部に漏洩するのを防止するために、スリップジョイント部を内部が負圧になるスロートに設けることを記述している。すなわち、スロートを軸方向の中央部で2つに分割し、下部スロートの上端を上部スロートの下端部内に挿入している(特許文献3の図6参照)。
【0004】
BWRに用いられているジェットポンプの効率を向上させることが行われている。特許文献4は、ジェットポンプのスロートの内面に軸方向に伸びる複数の細い縦溝を形成することを記載している。
【0005】
【特許文献1】特開2005−233152号公報
【特許文献2】特開昭58−28695号公報
【特許文献3】特開昭58−15798号公報
【特許文献4】特開平8−135600号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ジェットポンプの性能は、以下に示すようなM比、N比、効率によって表される。M比は、駆動水(再循環水)の流量Qaに対する、被駆動水(冷却水)の流量Qbの比であり、(1)式で表される。
【0007】
M比 = Qb/Qa ……(1)
N比は、駆動水に対する被駆動水の全水頭比であり、(2)式で表される。
【0008】
N比 = (Hc−Hb)/(Ha−Hc) ……(2)
ここで、Haはノズルの駆動水入口における全水頭、Hbはジェットポンプの被駆動水入口における全水頭、Hcはジェットポンプ出口における全水頭である。効率は、駆動水に対する被駆動水のエネルギーの比であり、M比とN比の積で表される。
【0009】
効率 = M比 × N比 ……(3)
ジェットポンプとしては、M比、N比及び効率がより高いことが望ましい。小さい容量の再循環ポンプを用いて、ジェットポンプから吐出される冷却水流量を効率良く増加させることができれば、再循環系をコンパクト化することができ、再循環系の設置スペースを低減できる。
【0010】
例えば、既設の原子炉(例えば、BWR)で出力向上を行う場合には、炉心流量を増加することにより、原子炉出力の向上幅を拡大することができる。また、炉心流量の制御幅の拡大によって、炉心内のボイド率の変化幅が増大し、燃料経済性を高めることができる。このように炉心流量を増加させるためには、再循環ポンプ、給水ポンプ及びジェットポンプを改良するとよい。発明者らは、出力向上を目的とした既設の原子炉の改造においては、再循環ポンプ及び給水ポンプなどの大型機器の改造、交換に比べて、ジェットポンプの改良が有効であることを見出した。特に、発明者らは、ジェットポンプの性能向上がスロート及びディフューザの構成を改良することにより可能であることを新たに見出した。発明者らが見出した新たな課題を以下に説明する。
(課題1)
既存のジェットポンプを有するBWEで出力向上を行うためには、ジェットポンプの効率を増大させる必要がある。再循環ポンプを変えないでジェットポンプのN比が同じである場合には、ジェットポンプの効率増大はM比の向上によって達成できる。M比の増大は、ベルマウス、スロート及びデフューザの圧力損失が大きくなりN比の減少をもたらすことになる。したがって、M比及びN比が高い状態でジェットポンプの効率を増大させるためには、ベルマウス、スロート、デフューザの圧力損失を低減する必要がある。
(課題2)
また、出力向上を行う既存のBWRに設置されているジェットポンプは、メンテナンスを容易にするため、スロートの下端をデフューザの上端部に挿入するスリップジョイントを採用している(特許文献2の図5参照)。このような構造では、ジェットポンプ内の冷却水がスリップジョイントに形成される隙間から外部に漏洩する。この漏洩に基づいて流力振動が発生し、デフューザとスロートの接続部で磨耗が発生する原因となっている。したがって、ジェットポンプの健全性を確保するためには、この流力振動によるデフューザとスロートの接続部での磨耗を抑える必要がある。
【0011】
本発明の目的は、ジェットポンプの流力振動を抑制し、かつ効率を更に増大できるジェットポンプ及び原子炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、ディフューザの上端部が、スロートの下端部でこの内側に形成された窪み内に挿入されており、この窪みより上方でスロートの内面の下端におけるスロートの第1内径がディフューザ上端におけるディフューザの第2内径以上であり、スロートとディフューザの間がシールされていることにある。
【0013】
ディフューザの上端部がスロートの下端部でこの内側に形成された窪み内に挿入され、スロートの第1内径がディフューザの第2内径以上であるため、スロートでの圧力損失を低減することができる。また、スロート内に吸引される被駆動流体の流量も増加する。したがって、ジェットポンプの効率が増大する。スロートとディフューザの間がシールされているので、ジェットポンプ内を流れる流体の漏洩が無くなり、漏洩流体に起因して発生する流力振動が無くなる。このため、この流力振動が基になるスロートとディフューザの磨耗を回避することができる。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、ジェットポンプの流力振動を抑制し、かつジェットポンプの効率を更に増大することができる
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
上記した課題1及び2は、発明者らが特許文献3の図3に示された従来のジェットポンプを検討することによって新たに見出したものである。この検討結果について説明する。従来のジェットポンプは、メンテナンスをしやすくするため、上記した図3に示すように、スロートの下端部がディフューザの上端部内に挿入されてそれらが接続されている。この従来のジェットポンプは、スロート下端部の差込部における内径を大きくすることができない。もし、その内径を大きくした場合には、ディフューザの外径を全長にわたって大きくする必要があり、大掛かりな改造工事が必要となる。上記の図3に示された構造において、M比を増加させるために被駆動流体の流量を増加した場合には、スロートで制限されるので、ジェットポンプの圧力損失が大きくなってN比が小さくなる。この結果、ジェットポンプ効率の向上は見込めなくなる。
本発明の実施例では、スロートの下端部をディフューザの上端部より大きくして、包み込む構造とすることで、スロート、ベルマウスの径を大きくし、N比を小さく、M比を大きくして効率向上を図る形態とした。
【0016】
さらに、上記の図3に示された構造では、スロートとディフューザの間からジェットポンプ内の冷却水が外部に漏洩する。この漏洩水に基づいて流力振動が発生し、ディフューザとスロートの接続部で磨耗が発生する。特許文献3の図6、図7に示された構成では、既存のジェットポンプのスロート、ディフューザの総取替えが必要になり、大掛かりな改造工事が必要となること、また、スロート部での分割では、従来と同内径であることから、リーク量を0とした場合、スロート部での圧力損失に変わりはなく、M比の増大は見込めない。また、従来とは逆にダウンカマ水を吸い込むようにした場所は、M比は僅かであるが向上する。しかし、その吸い込み流入水によって流力振動が発生し、ディフューザとスロートの接続部で磨耗が発生することになる。
本発明の実施例では、スロート下端部とディフューザ上端部の隙間を無くする構造とすることで、流力振動よる磨耗を回避する形態とした。これらの形態を取ることで、流力振動よる磨耗を回避し、大幅な効率向上を図ることができる。
本発明に係るジェットポンプの実施形態の詳細を以下に説明する。
【実施例1】
【0017】
本発明の好適な一実施例である実施例1のジェットポンプを、以下に説明する。本実施例のジェットポンプを備えた沸騰水型原子炉(BWR)の概略の構造を、図1及び図2を用いて以下に説明する。
【0018】
BWRは、原子炉圧力容器(原子炉容器)1を有し、原子炉圧力容器1内に炉心シュラウド3を設置している。複数の燃料集合体(図示せず)が装荷された炉心2が、炉心シュラウド3内に配置される。気水分離器5及び蒸気乾燥器6が原子炉圧力容器1内で炉心2の上方に配置される。ジェットポンプ9が、原子炉圧力容器1と炉心シュラウド3の間に形成される環状のダウンカマ7内に配置される。原子炉圧力容器1には再循環系が設けられる。この再循環系は、再循環系配管18及び再循環ポンプ19を有する。再循環ポンプ19は再循環系配管18に設けられる。再循環系配管18の一端は、原子炉圧力容器1に接続されてダウンカマ7に連絡されている。再循環系配管18の他端は、ダウンカマ7内に配置されたライザ管21及び分岐管22を介してジェットポンプ9のノズル10に接続される。主蒸気配管25及び給水配管26が原子炉圧力容器1に接続される。
【0019】
原子炉圧力容器1内の上部に存在する冷却水(被駆動流体、冷却材)8は、給水配管26から原子炉圧力容器1に供給された給水27と混合されてダウンカマ7内を下降する。冷却水8は、再循環ポンプ19の駆動によって再循環系配管18内に流入し、再循環ポンプ19によって昇圧される。この昇圧された冷却水8を、便宜的に、駆動水(駆動流体)という。この駆動水23は、再循環系配管18、ライザ管21及び分岐管22を介してジェットポンプ9のノズル10から噴出される。ノズル10の周囲に存在する冷却水8は、駆動水23の噴出によって、ベルマウス11からスロート12内に吸い込まれる。この冷却水8は、駆動水23と共にスロート12内を下降し、ディフューザ13から吐出される。ディフューザ13から吐出される冷却水(冷却水8及び駆動水23を含む)を、冷却水24と称する。冷却水24は、下部プレナム4を経て炉心2に供給される。冷却水24は、炉心2を通過する際に加熱されて水及び蒸気を含む二相流となる。気水分離器5は蒸気と水を分離する。分離された蒸気は、更に蒸気乾燥器6で湿分を除去されて主蒸気配管25に排出される。この蒸気は、蒸気タービン(図示せず)に導かれ、蒸気タービンを回転させる。蒸気タービンから排出された蒸気は、復水器(図示せず)で凝縮されて水となる。この水は、給水27として給水配管26より原子炉圧力容器1内に供給される。気水分離器5及び蒸気乾燥器6で分離された冷却水は、落下して冷却水8となる。
【0020】
ノズル10及びスロート12等を主要な構成要素とするジェットポンプ9は、再循環ポンプ19の動力を駆動水23から冷却水8に効果的に伝え、ジェットポンプ9から吐出される冷却水24の流量を駆動水23の流量(Qa)よりも増大させる。具体的には、駆動水23は、炉心2に供給する冷却水24の流量を増加するために用いられる。再循環ポンプ19によって与えられた駆動水23の運動エネルギーが冷却水8に有効に作用して、ベルマウス11内に吸い込まれる冷却水8の流量(Qb)が増加し、冷却水24の流量が更に増加する。そのため、駆動水23の運動エネルギーが増加するようにノズル10の出口における駆動水23の流速を増加させると共に、スロート12の入口部で流路面積をベルマウス11のそれよりも小さくすることにより冷却水8の速度を増加して静圧を減圧させる。これにより、冷却水8をスロート12に吸い込むことができ、少ない動力で必要な炉心流量を確保することができる。なお、図2には、ジェットポンプ22の性能を評価する上で必要となる前記(1)、(2)式の記号を表す部位も合わせ記した。
【0021】
ジェットポンプ9は、図2に示すように、ノズル10、ベルマウス11、スロート12及びデフューザ13を有する。ベルマウス11、スロート12及びディフューザ13をジェットポンプ本体と称する。ベルマウス11は、下方に向かうに従って流路断面積が減少し、下端にスロート12の上端が接続される。スロート12の下方にディフューザ13が配置されている。スロート12の流路断面積は、ジェットポンプ本体の中で最も狭くなっている。ディフューザ13は、上端部で流路断面積が狭く、下方に向かうにしたがって流路断面積が徐々に増大している。ノズル10は、ベルマウス11の上部開口に対向して配置される。ノズル10とベルマウス11との間には、ノズル10の周囲に存在する冷却水8をベルマウス11内に導く冷却水吸引流路が形成される。固定板17がノズル10をベルマウス11に固定している。
【0022】
本実施例におけるスロート12とディフューザ13の結合構造を、図3を用いて説明する。リング部材(第1突起部)14が、溶接(または焼き嵌めまたは冷やし嵌め)にてディフューザ13の上端部に固定される。リング部材14の上端はスロート12の下端よりも下方に位置する。リング部材14は外面にねじを切っている。突起部29が、スロート12の下端部に設けられ、半径方向で外側に突出している。袋ナット15が、突起部29を取り囲んで突起部(第2突起部)29に支持されている。袋ナット15は突起部29に引っ掛かるようになっている。窪み28がスロート12の下端部で内面に形成される。窪み28は、スロート12の下端から上方に向かって延びており、スロート12の周方向の全周にわたって形成される。このような窪み28は環状の窪みであるとも言える。スロート12は、窪み28の上端において段差が形成されている。ディフューザ13の上端部がスロート12の窪み28内に挿入される。シール部材(例えば金属製のOリング)16がディフューザ13の上端とスロート12の下端との間に配置される。袋ナット15の内面に形成されたねじがリング部材14のねじと噛み合わされる。袋ナット15がリング部材14に締め付けられ、ディフューザ13の上端がスロート12の下端に向かって押し付けられる。このようにして、スロート12とディフューザ13が、メンテナンス時において互いに解体できるように、結合される。シール部材16は、スロート12内を流れる冷却水がスロート12の下端とディフューザ13の上端を通って外部に漏洩することを防止する。
【0023】
本実施例では、上記したスロート12とディフューザ13の結合部のそれぞれの内径、すなわち、窪み28より上方でスロート11の内面の下端の位置におけるスロート11の内径D1とデフューザ12の上端の位置における内径D2は同じにすることができる。その内径D1は、従来のジェットポンプ(特許文献3の図3参照)のスロート下端の内径D1’(後述の実施例2における図5(B)参照)よりも大きくなっている。このような本実施例は、スロート12下端の内径D1を、現在、BWRに設置されているジェットポンプにおけるスロート下端の内径よりも約5%大きくすることができる。このため、本実施例におけるスロート12下端での流路断面積が約10%増大する。また、スロート11の全長における内径及びベルマウス21の内径も同じ寸法比で大きくすることができる。したがって、スロート11での圧力損失が低減することができ、本実施例のジェットポンプ9のN比が増大する。また、スロート11での圧力損失の低減は、ベルマウス11に吸い込まれる被駆動水の流量を増大させてM比を増大させる。M比及びN比の増大により、ジェットポンプ9の効率が向上する。ジェットポンプ9を用いる本実施例のBWRは、再循環ポンプ19の容量を増大させることなく、出力向上を実現することができる。内径D1を内径D2よりも大きくしてもよい。
【0024】
さらに、上記したようなスロート12とディフューザ13の間のシール性を確保できるスロート12とディフューザ13の結合部を採用することによって、ジェットポンプ9内からダウンカマ7への冷却水の漏洩が無くなる。このため、漏洩水で発生する流力振動が原因となる磨耗を回避することができる。
【0025】
本実施例で用いたジェットポンプ9の効果を、図4を用いて説明する。横軸はM比を縦軸はジェットポンプの効率を表している。図4には、BWRに設置されている従来のジェットポンプの特性、及びスロート12の流路断面積が10%増加したジェットポンプ9の特性を示している。2.64のM比で比較すると、ジェットポンプ9の効率は従来のジェットポンプのそれよりも約5%上昇する。
【0026】
本実施例は、袋ナット15をリング部材14から取り外すことによって、スロート12をディフューザ13から取り外すことができる。このため、スロート12のメンテナンスを容易に行うことができる。
【0027】
本実施例は、ディフューザ13を原子炉圧力容器1から取り外さずに、ディフューザ13からスロート12を取り外してディフューザ13の上端部にリング部材14を容易に取り付けることができる。また、取り外したスロートを下端部を厚肉にして下端部の内側に窪み28を形成し、外側に突起部29を形成し、袋ナット15を装着したスロート12を容易に準備することができる。このように、BWRに設置された既存のジェットポンプを容易にかつ短時間に、図3に示した構成に改良することができる。
【実施例2】
【0028】
本発明の他の実施例である実施例2のジェットポンプを、図5を用いて説明する。このジェットポンプ9Aは、前述したBWRに用いられる。ジェットポンプ9Aは、ノズル10、ベルマウス11、スロート12A及びディフューザ13Aを有する(図5(A)参照)。
【0029】
本実施例におけるスロート12Aとディフューザ13Aの結合構造を、図5(B)を用いて説明する。リング部材14の替りに突起部(第1突起部)30が、ディフューザ13Aの上端部に、外側に向かって突出した状態で形成される。突起部32はディフューザ13Aの一部である。突起部29が、スロート12Aの下端部に設けられる。袋ナット15が、突起部29に支持される。窪み28がスロート12の下端部で内面に形成され、窪み28の上端面は水平面になっている。ディフューザ13の上端部には、シール部材を兼ねた縦断面が三角形になっているシール部31が形成されている。
【0030】
ディフューザ13の上端部がスロート12の窪み28内に挿入され、シール部31の頂部が窪み28の上端面に対向する。袋ナット15がリング部材14に噛み合わされ、ディフューザ13の上端がスロート12の下端に向かって押し付けられる。これにより、シール部31の頂部が窪み28の上端面に押し付けられ、スロート12の下端とディフューザ13の上端のシールがなされる。本実施例も、スロート12とディフューザ13がメンテナンス時において互いに解体できるように、結合される。シール部31は、スロート12内を流れる冷却水がスロート12の下端とディフューザ13の上端を通って外部に漏洩することを防止する。
【0031】
本実施例においても、スロート11下端の内径D1はデフューザ12上端の内径D2と同じにすることができる。その内径D1は、なお、従来のジェットポンプ(特許文献3の図3参照)のスロートの内面が、図5(B)において破線で示されている。この従来のスロート下端の内径はD1’である。その内径D1は内径はD1’よりも大きくなっている。
【0032】
本実施例は実施例1で得られる効果を得ることができる。本実施例は、実施例1で用いるシール部材16である金属性のOリングが不要となる。
【実施例3】
【0033】
本発明の他の実施例である実施例3のジェットポンプを、図6を用いて説明する。このジェットポンプ9Bは、前述したBWRに用いられる。ジェットポンプ9Bは、ノズル10、ベルマウス11、スロート12B及びディフューザ13Bを有する(図6(A)参照)。
【0034】
本実施例におけるスロート12Bとディフューザ13Bの結合構造を、図6(B)を用いて説明する。ディフューザ13Bの上端部がスロート12Bの下端部の内面に形成された窪み28内に挿入される。ディフューザ13Bは、スロート12Bの焼き嵌め(または冷やし嵌め)によって、スロート12Bに結合される。この焼き嵌め(または冷やし嵌め)によって、ディフューザ13Bとスロート12Bの間のシールが成されるので、スロート12B内の冷却水が外部に漏洩しない。
【0035】
本実施例は、実施例2で生じる効果を得ることができる。本実施例は、袋ナットをも追うける必要が無いので、スロートとディフューザの結合構造を単純化することができる。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】本発明の好適な一実施例である沸騰水型原子炉の構成図である。
【図2】図1に示すジェットポンプの構成図である。
【図3】図2のA部の詳細縦断面図である。
【図4】図3に示す構成を有するジェットポンプと従来のジェットポンプの特性を示す説明図である。
【図5】本発明の実施例2におけるジェットポンプの構成を示し、(A)はジェットポンプの側面図、(B)はB部の詳細縦断面図である。
【図6】本発明の実施例3におけるジェットポンプの構成を示し、(A)はジェットポンプの側面図、(B)はB部の詳細縦断面図である。
【符号の説明】
【0037】
1…原子炉圧力容器、2…炉心、6…炉心シュラウド、7…ダウンカマ、9,9A,9B…ジェットポンプ、10…ノズル、11…ベルマウス、12,12A,12B…スロート、13,13A,13B…ディフューザ、14…リング部材、15…袋ナット、16…シール部材、18…再循環系配管、19…再循環ポンプ、28…窪み、29…突起部、31…シール部。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
駆動流体を噴出するノズルと、前記駆動流体と吸引された被駆動流体が流入するスロートと、前記スロートに接続されて前記駆動流体及び前記被駆動流体が流れるディフューザとを備え、
前記ディフューザの上端部が、前記スロートの下端部でこの内側に形成された窪み内に挿入されており、前記窪みより上方で前記スロートの内面の下端での第1位置における前記スロートの第1内径が前記ディフューザ上端での第2位置における前記ディフューザの第2内径以上であり、前記スロートと前記ディフューザの間がシールされていることを特徴とするジェットポンプ。
【請求項2】
前記窪みの位置において前記スロートと前記ディフューザは焼き嵌め及び冷やし嵌めのいずれかで接合されている請求項1に記載のジェットポンプ。
【請求項3】
前記スロートの下端よりも下方で前記ディフューザの上端部に外側に突出して第1突起部が設けられ、前記スロートの下端部に外側に突出して第2突起部が設けられ、前記第2突起部に引っ掛けられる結合部材が前記第1突起部と噛み合うことによって、前記スロートと前記ディフューザが結合されている請求項1に記載のジェットポンプ。
【請求項4】
前記ディフューザの上端部に、前記窪みの上端面と接触して前記スロートと前記ディフューザの間をシールするシール部を形成する請求項3に記載のジェットポンプ。
【請求項5】
前記第1突起部が前記ディフューザに溶接、焼き嵌め及び冷やし嵌めのいずれかで取り付けられ、前記ディフューザの上端と前記窪みの上端面の間にシール部材を配置する請求項3に記載のジェットポンプ。
【請求項6】
原子炉容器と、前記原子炉容器内に設置され、前記原子炉容器内に形成される炉心に冷却材を供給する複数のジェットポンプとを備え、
前記ジェットポンプが、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載されたジェットポンプであることを特徴とする原子炉。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2008−170367(P2008−170367A)
【公開日】平成20年7月24日(2008.7.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−5771(P2007−5771)
【出願日】平成19年1月15日(2007.1.15)
【出願人】(507250427)日立GEニュークリア・エナジー株式会社 (858)