ジェットポンプ及び沸騰水型原子炉
【課題】ジェットポンプの共振を精度良く検出できるジェットポンプを提供する。
【解決手段】ジェットポンプ１５の振動監視装置２５は、圧力導管２６に接続された圧力変換器２７、圧力変換器２７に接続された信号処理装置２８を有する。ジェットポンプ１５のスリップジョイント部において、スロート１８の下端部がディフューザ１９の上端部内に挿入されてスロート１８とディフューザ１９の間に形成される環状間隙に、圧力導管２６が連絡される。環状間隙の変動圧力が、圧力導管２６に伝えられて電気信号に変化される。この電気信号を入力した信号処理装置２８が、環状隙間３３の変動圧力をフーリエ変換し、変動圧力のパワースペクトル密度を算出する。共振周波数でのパワースペクトル密度がこの設定値よりも大きくなったとき、信号処理装置２８は警報信号を出力する。
【解決手段】ジェットポンプ１５の振動監視装置２５は、圧力導管２６に接続された圧力変換器２７、圧力変換器２７に接続された信号処理装置２８を有する。ジェットポンプ１５のスリップジョイント部において、スロート１８の下端部がディフューザ１９の上端部内に挿入されてスロート１８とディフューザ１９の間に形成される環状間隙に、圧力導管２６が連絡される。環状間隙の変動圧力が、圧力導管２６に伝えられて電気信号に変化される。この電気信号を入力した信号処理装置２８が、環状隙間３３の変動圧力をフーリエ変換し、変動圧力のパワースペクトル密度を算出する。共振周波数でのパワースペクトル密度がこの設定値よりも大きくなったとき、信号処理装置２８は警報信号を出力する。
【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沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の沸騰水型原子炉は、再循環系配管が接続された原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）とＲＰＶ内の炉心を取り囲む炉心シュラウドの間に形成されたダウンカマ内に複数のジェットポンプを設置している。ジェットポンプは、エルボ、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ベルマウス及びスロート内に噴出される。ノズルは駆動水の速度を増加させる。ダウンカマ内のノズル周囲に存在する冷却水が、噴出された駆動水の作用によって、被駆動水としてスロート内に吸込まれ、駆動水と運動量を交換しながらディフューザ内に流入する。ディフューザから排出された冷却水は、ＲＰＶ内の下部プレナムを通って炉心に供給される。
【０００３】
ＲＰＶ内に設置されているジェットポンプは、検査及び修理等のためエルボからスロートまでがインレットミキサとして取り外し可能な構造となっている。熱膨張差を吸収するために、スロートとディフューザの接合部は、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たスリップジョイント（滑り継手）と呼ばれる構造となっている。スリップジョイントでは、微小な幅を有する環状隙間がスロートの外面とディフューザの内面との間に形成されている。スリップジョイント部では、ジェットポンプ内部の圧力がその外部のダウンカマの圧力よりも大きいため、ディフューザから環状隙間を通る漏洩流が発生する。経年変化によりジェットポンプの剛性が低下すると、大きな振動が発生しジェットポンプに磨耗及びクラック（ひび割れ）等が発生する可能性がある。さらに、ジェットポンプ内の流れまたは漏洩流の乱れ等の周波数と剛性の低下したジェットポンプの固有振動数が一致すると、共振して比較的大きな振動が発生し、その磨耗及びクラックの進展を早める可能性がある。
【０００４】
ジェットポンプの振動を監視する方法として、特開２０１０−１８５８８４号公報に超音波を用いた方法が示されている。ＲＰＶの外面に接触させた超音波送受信器からジェットポンプに向かって超音波を送信し、そのジェットポンプで反射した反射波を超音波送受信器で受信する。受信した反射波を処理して、ジェットポンプの振動・劣化を監視している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１８５８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の超音波を用いたジェットポンプの振動及び劣化を監視するシステムには以下の問題が生じる。
【０００７】
超音波を用いた、ＲＰＶ内のジェットポンプの振動計測は原理的には可能であり、ＲＰＶ外からその振動を計測できるというメリットがある。しかし、超音波をジェットポンプの対象箇所に正確に送信する必要があり、ＲＰＶの内部が見えない状態であるため、非常に繊細な超音波送受信器のＲＰＶ外面への設置作業が要求される。この設置作業は原子炉の運転が停止されてＲＰＶ内の冷却水の温度が低下した低温時に実施される。このため、沸騰水型原子炉を起動し冷却水の温度が上昇したときのＲＰＶ及びジェットポンプの熱膨張差を考慮して、超音波送受信器をＲＰＶ外面に設置する必要があり、この設置には高度な技術が要求される。さらに、ジェットポンプの検査及び補修等により、スロートを動かした場合には、超音波送受信器の設置位置を再調整する必要があり、調整作業のために長時間を必要とする。
【０００８】
振動監視のために歪みゲージ及び加速度計等をジェットポンプに直接取り付ける方法もある。この方法では、それらの計測器の劣化及び故障等による交換作業が必要となった場合、この交換作業はＲＰＶ内の作業となるため、交換作業に長時間掛かることになる。
【０００９】
また、上記したそれぞれの振動監視システムを設けていない場合には、ＲＰＶ内に設置されたジェットポンプは、沸騰水型原子炉の定期検査時に、ＲＰＶの上蓋を開放したときにのみ、ジェットポンプの検査が可能である。この検査の結果、ジェットポンプに対して早急な補修が必要であると判断された場合には、補修に必要な部品の調達及び補修工事の追加により、定期検査の工程の見直しが必要となる場合があり、工程の遅延が生じる可能性がある。上述した振動監視システムによりジェットポンプの補修箇所が断定できる場合には、事前に補修部品の調達及び定期検査の工程への組込みが可能であり、補修期間を短くすることができる。
【００１０】
また、上述した振動監視システムにより過大な振動が検知された場合、沸騰水型原子炉の運転を継続しながらジェットポンプの振動を抑えるために、原子炉出力を低下させる場合があるが、過大な振動が検知されたジェットポンプから吐出される冷却水流量を減少させることが有効である。標準的な沸騰水型原子力プラントは、再循環ポンプ１台に１０基のジェットポンプがつながった再循環系を２系統有している。問題となる１本のジェットポンプの流量を減少させると、他の９本のジェットポンプの流量も下がり、流量低下に伴う原子炉出力の減少幅が大きくなる。
【００１１】
本発明の目的は、ジェットポンプの共振を精度良く検出することができるジェットポンプ及び沸騰水型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、駆動流体を噴出するノズル装置と、駆動流体の噴出によって吸い込まれるノズル装置の周囲に存在する被駆動流体及び駆動流体が混合するスロートと、混合した流体の圧力を回復させ排出するディフューザと、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たスリップジョイント部とを備えたジェットポンプにおいて、スリップジョイント部のスロートとディフューザの間に形成される隙間の圧力に基づいて、ジェットポンプの共振を検出する振動監視装置を有することにある。
【００１３】
スリップジョイント部のスロートとディフューザの間に形成される隙間の圧力に基づいて、ジェットポンプの共振を検出するので、ジェットポンプが共振周波数で振動しているか否かを精度良く検出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ジェットポンプの共振を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の、振動監視装置を設けたジェットポンプの構成図である。
【図２】図１に示す振動監視装置の圧力導管が接続される、ジェットポンプのスリップジョイント部の拡大図である。
【図３】実施例１のジェットポンプが適用される沸騰水型原子炉の縦断面図である。
【図４】図１に示すジェットポンプの拡大図である。
【図５】実験で測定した、ジェットポンプの共振状態でのパワースペクトル密度分布の一例を示す説明図である。
【図６】実験で測定したスリップジョイント部での変動圧力のパワースペクトル密度分布の一例を示す説明図である。
【図７】実験で測定したスロート出口下方の変動圧力のパワースペクトル密度分布の一例を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施例である実施例２の沸騰水型原子炉の構成図である。
【図９】実験で測定した変動圧力のパワースペクトル密度のピーク値とスロート加速度の関係の一例を示した特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
発明者らは、ジェットポンプの振動を測定する方法について種々の検討を行った。この検討において、発明者らは、沸騰水型原子炉に用いられる実機のジェットポンプを模擬した１／３スケールのジェットポンプの実験装置を用いて、ジェットポンプのスロートの振動と各部の変動圧力を測定した。インレットミキサの固定具を緩め、意図的にジェットポンプの剛性を低下させた実験において、ジェットポンプの共振現象を再現し、そのときのスロートの振動加速度と変動圧力の関係を調べた。ジェットポンプのスロート加速度のパワースペクトル密度分布の一例を図５に示す。このパワースペクトル密度は、振動加速度の時間変化をフーリエ変換して求めた。スロートは周波数約４０Ｈｚで共振しており、その整数倍の周波数に高次モードの振動が見られる。
【００１７】
ジェットポンプのスリップジョイント部のディフューザの外面に圧力導管を接続し、ディフューザを貫通して設けた圧力取り出し孔によって、スリップジョイント部におけるディフューザの内面とスロートの外面との間に形成された環状間隙と圧力導管を連絡した。圧力導管で伝えられたその環状間隙内の変動圧力をフーリエ変換することにより、変動圧力のパワースペクトル密度分布が求められる。この変動圧力のパワースペクトル密度分布の一例を図６に示す。細線は、インレットミキサに共振が発生していない状態でのパワースペクトル密度分布であり、太線はインレットミキサに共振が発生している状態でのパワースペクトル密度分布である。共振が発生した場合にのみ、スロート加速度と同じ周波数（約４０Ｈｚ）にパワースペクトル密度の急激な増加が見られることが分かった。スロート出口下端より下方で測定した変動圧力のパワースペクトル密度分布の一例を図７に示す。細線はインレットミキサに共振が発生していない状態でのパワースペクトル密度分布、太線はインレットミキサに共振が発生している状態でのパワースペクトル密度分布である。インレットミキサに共振が発生しても、図７においては、図６と比較して目立った変化がないことが分かる。以上より、スリップジョイント部の環状隙間の変動圧力のパワースペクトル密度だけが、インレットミキサに共振が発生した場合に、共振周波数と同じ周波数で大きくなることがわかった。インレットミキサに共振が発生していない場合は、特定の周波数で突出してパワースペクトル密度が大きくならないため、スリップジョイント部の変動圧力を監視すればインレットミキサでの共振発生の有無が判断できる。スリップジョイント部の環状隙間の変動圧力により共振周波数が検出できるのは、以下の理由によるものと考えられる。共振してスロートが比較的大きな振幅で振動すると、スリップジョイント部における環状隙間が狭いため、環状隙間に対するスロートの振幅が相対的に大きく、環状隙間の水を共振周波数で圧縮、膨張させるため、それがインレットミキサの共振周波数での変動圧力となって検知される。その他の場所では、スロートの振幅に対して流路幅が断然大きく、スロートの共振の影響はほとんどない。
【００１８】
以上の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１９】
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、図１及び図２を用いて説明する。
【００２０】
まず、本発明の好適な実施例であるジェットポンプの振動監視装置を、以下に説明する。本実施例のジェットポンプの振動監視装置を説明する前に、このジェットポンプが適用される沸騰水型原子炉の概略の構造を、図３及び図４を用いて以下に説明する。
【００２１】
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）１は、原子炉圧力容器（原子炉容器）３を有し、原子炉圧力容器３内に炉心シュラウド２を設置している。原子炉圧力容器３は、以下、ＲＰＶと称する。複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心５が、炉心シュラウド２内に配置される。気水分離器６及び蒸気乾燥器７がＲＰＶ３内で炉心５の上方に配置される。複数のジェットポンプ１５が、ＲＰＶ３と炉心シュラウド２の間に形成される環状のダウンカマ４内に配置される。ＲＰＶ３に設けられる再循環系は、再循環系配管１１及び再循環系配管１１に設置された再循環ポンプ１２を有する。再循環系配管１１の一端はＲＰＶ３のノズルに接続されてダウンカマ４に連絡される。再循環系配管１１の他端は、ダウンカマ４内に配置されたライザ管１３の下端に連絡される。具体的には、再循環系配管１１の他端は、ＲＰＶ３の外側に配置されたリングヘッダ（図示せず）に接続される。ＲＰＶ３内に設置されたジェットポンプ１５の基数の１／２の本数の分岐管（図示せず）がリングヘッダに接続され、それぞれの分岐管がダウンカマ内４内に配置されたそれぞれのライザ管１３に別々に接続される。ライザ管１３の本数も、ジェットポンプ１５の基数の１／２である。
【００２２】
各ライザ管１３の上端は分岐管に接続され、この分岐管は隣り合う一対のジェットポンプ１５のそれぞれのエルボ１４と接続される。エルボ１４で流路が１８０°曲げられ、このエルボ１４がノズル１６に接続されている。ノズル１６は、複数の支持板２０によってベルマウス１６に取り付けられる。このため、エルボ１４、ノズル１６、ベルマウス１７及びスロート１８が一体構造となっており、この部分をインレットミキサ３２と呼ぶ。
【００２３】
ライザ管１３に取り付けられて水平方向に伸びている固定具３４及びウェッジ３５が、スロート１８を鉛直方向に固定している。分岐管に取り付けられたビーム３６が鉛直方向においてエルボ１４を固定している。
【００２４】
本実施例の各ジェットポンプ１５は、図１及び図４に示すように、ディフューザ１９、インレットミキサ３２及び振動監視装置２５を備えている。インレットミキサ３２において、ノズル１６の上端にエルボ１４の一端が接続され、ノズル１６がベルマウス１７の上方に配置され、ベルマウス１６がスロート１８の上端に接続されている。ノズル１６とベルマウス１７の間には、被駆動水である、ダウンカマ４内でノズル１６の周囲に存在する冷却水が流れる環状の冷却水通路が形成されている。スロート１８の下端部がディフューザ１９の上端部内に挿入されてスリップジョイント部Ｌを形成している（図２参照）。
【００２５】
ＲＰＶ３内の上部に存在する被駆動水である冷却水（被駆動流体、冷却材）は、給水配管９からＲＰＶ３に供給された給水と混合されてダウンカマ４内を下降する。冷却水は、再循環ポンプ１２の駆動によって再循環系配管１１内に吸引され、再循環ポンプ１２によって昇圧される。この昇圧された冷却水を、便宜的に、駆動水（駆動流体）という。この駆動水は、再循環系配管１１、ライザ管１３、分岐管及びエルボ１４内を流れてノズル１６に達し、ノズル１６からベルマウス１７及びスロート１８内に噴出される。ダウンカマ４内でノズル１６の周囲に存在する被駆動水である冷却水は、ノズル１６からの駆動水の噴出によって、ノズル１６とベルマウス１７の間に形成される冷却水通路を通り、ベルマウス１７を経てスロート１８内に吸い込まれる。この冷却水は、駆動水と共にスロート１８内を下降し、ディフューザ１９の下端から吐出される。ディフューザ１９から吐出された冷却水は、下部プレナム２２を経て炉心５に供給される。
【００２６】
冷却水は、炉心５を通過する際に加熱されて水及び蒸気を含む気液二相流となる。気水分離器６は気液二相流を蒸気と水に分離する。分離された蒸気は、更に蒸気乾燥器７で湿分を除去されて主蒸気配管８に導かれる。この蒸気は、主蒸気配管８により蒸気タービン（図示せず）に導かれ、蒸気タービンを回転させる。蒸気タービンに連結された発電機（図示せず）が回転し、電力が発生する。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。この凝縮水は、給水として給水配管９によりＲＰＶ３内に供給される。気水分離器６及び蒸気乾燥器７で分離された水は、落下して冷却水としてダウンカマ４内に達する。
【００２７】
エルボ１４、ノズル１６、ベルマウス１７、スロート１８及びディフューザ１９を主要な構成要素とするジェットポンプ１５は、ノズル１６の周囲の冷却水を吸込むことにより、少ない駆動水の流量でより多くの冷却水を炉心５に送り込むことができる。
【００２８】
ジェットポンプ１５は、検査及び補修のためインレットミキサ３２をディフューザ１９から取り外すことができるように、スロート１８とディフューザ１９をスリップジョイントで連結している。スリップジョイント部Ｌでは、スロート１８及びディフューザ１９は、互いに干渉されないで軸方向に移動できるので、それぞれの熱膨張差を吸収することができる。このため、スリップジョイント部Ｌにおいて、スロート１８及びディフューザ１９の熱膨張差に起因した応力が発生しない。
【００２９】
スリップジョイント部Ｌでは、スロート１８の外面とディフューザ１９の内面の間に、スロート１８を取り囲む環状隙間３３が形成される。スリップジョイント部Ｌ付近におけるディフューザ１９内の圧力がダウンカマ４の圧力よりも高いので、スロート１８からディフューザ１９に流入した冷却水の一部が、環状隙間３３を通ってダウンカマ４に流出する漏洩流２４になる。この漏洩流２４の流量は、スロート１８からディフューザ１９に流入した冷却水の全流量に対してごく僅かであり、ジェットポンプ１５の性能にほとんど影響しない。
【００３０】
ジェットポンプ１５の振動監視装置２５を、図１及び図２を用いて説明する。振動監視装置２５は、圧力導管２６、圧力変換器２７及び信号処理装置２８を有する。スリップジョイント部Ｌにおいて、環状隙間３３に開口する圧力取り出し孔２１がディフューザ１９の側壁を貫通して形成される。圧力導管２６は、圧力取り出し孔２１に連通するように、ディフューザ１９の外面に取り付けられる。圧力導管２６は、ＲＰＶ３の側壁を貫通してＲＰＶ３の外部に取り出され、ＲＰＶ３の外部で圧力変換器２７に接続される。信号処理装置２８はケーブルにより圧力変換器２７及び表示装置２９にそれぞれ接続される。信号処理装置２８及び表示装置２９もＲＰＶ３の外部に置かれている。本実施例は、振動監視装置２５を有するジェットポンプ１５が複数設けられている。
【００３１】
経年変化によりジェットポンプ１５を鉛直方向に固定しているビーム３６及びウェッジ３５の磨耗により、水平方向に固定している固定具３４に緩みが発生しジェットポンプの剛性が低下すると、ジェットポンプの振動が増加する。特に、ジェットポンプ１５内の冷却水の流れ２３及び漏洩流２４の乱れ等の周波数と剛性の低下したジェットポンプ１５の固有振動数が一致すると、共振して比較的大きな振動が発生し、磨耗及びクラックの進展を早める可能性がある。このため、沸騰水型原子炉１の運転中に共振が発生したことを検知できるようにし、ジェットポンプ１５のスロート１８内を流れる冷却水の流量を低下させる等、ジェットポンプ１５に損傷が生じないような対策をできるようにすることが望ましい。
【００３２】
本実施例のジェットポンプ１５は、振動監視装置２５を備えている。この振動監視装置２５の機能を以下に説明する。環状隙間３３を流れる漏洩流２４の変動圧力が、圧力取り出し孔２１及び圧力導管２６を通して圧力変換器２７に伝えられる。圧力変換器２７はその変動圧力を電気信号に変換する。この電気信号はケーブルにより信号処理装置２８に入力される。信号処理装置２８は、電気信号として入力した、環状隙間３３の変動圧力をフーリエ変換し、変動圧力のパワースペクトル密度を算出する。この算出されたパワースペクトル密度が、沸騰水型原子炉１の運転中において、常時、表示装置２９に表示される。
【００３３】
環状隙間３３の変動圧力を計測している間に、共振周波数（例えば、図６の４０Ｈｚ）でのパワースペクトル密度がこれの設定値よりも大きくなったとき、信号処理装置２８は、表示装置２９に警報信号を送信し、警報信号の表示及び警報音の発生を行う。信号処理装置２８は、共振周波数でのパワースペクトル密度がこれの設定値よりも大きくなったと判定したとき、ジェットポンプ１５で共振が発生していることを検出することになる。このような信号処理装置２８を有する振動監視装置２５は、環状隙間３３の変動圧力に基づいて、ジェットポンプ１５、すなわち、スロート１８での共振の発生を検出する。
【００３４】
ジェットポンプ１５で共振が発生していることを示す警報信号が出されたとき、自動またはオペレータの判断により、ジェットポンプ１５の保護処置を行う。沸騰水型原子炉１の運転を停止してもよいが、ジェットポンプ１５から吐出される冷却水の流量を低下させることにより共振が回避されるので、ジェットポンプから吐出される冷却水の流量を低下させて沸騰水型原子炉１の運転を継続することも可能である。具体的には、再循環ポンプ１２の回転数を減少させて、共振周波数でのパワースペクトル密度の突出が消えるまでジェットポンプ１５のスロート１８内を流れる冷却水の流量を低下させればよい。
【００３５】
本実施例は、振動監視装置２５により環状隙間３３の変動圧力を計測してこの変動圧力に基づいて求めた変動圧力のパワースペクトル密度を監視するので、ジェットポンプ１５、特に、スロート１８が共振周波数で振動しているか否かを精度良く検出することができる。このため、ジェットポンプ１５のスロート１８内を流れる冷却水の流量を低下させる等の対策をより早く行うことができ、ジェットポンプの健全性を確保することができる。また、ジェットポンプ１５の補修の準備を事前に行うことができ、沸騰水型原子炉１の定期検査期間におけるジェットポンプ１５の補修期間を短縮することができる。これは、沸騰水型原子炉１の稼働率低下を抑制することができる。
【００３６】
また、ジェットポンプ１５に共振が発生した場合には、前述したように、より早く、ジェットポンプ１５のスロート１８内を流れる冷却水の流量を低下させることができ、沸騰水型原子炉１の運転を継続することができる。
【実施例２】
【００３７】
本発明の他の実施例である実施例２の沸騰水型原子炉を、図８を用いて説明する。本実施例の沸騰水型原子炉も、実施例１で用いられる、振動監視装置２５を有するジェットポンプ１５を備えている。本実施例の沸騰水型原子炉は、さらに、各ライザ管１３に接続されるそれぞれの分岐管３９に設けられた流量調節弁４１及び制御装置３０を備えている。
【００３８】
本実施例の沸騰水型原子炉は、ＲＰＶ３の外側にリングヘッダ３８を配置し、このリングヘッダ３８に、ＲＰＶ３内に設置されたジェットポンプ１５の総基数の１／４の本数である５本の分岐管３９ａ〜３９ｅが接続される。再循環系ポンプ１２を設けた再循環系配管１１がリングヘッダ３８に接続される。５本のライザ管１３ａ〜１３ｅがＲＰＶ３内のダウンカマ４に配置されている。分岐管３９ａがライザ管１３ａに、分岐管３９ｂがライザ管１３ｂに、分岐管３９ｃがライザ管１３ｃに、分岐管３９ｄがライザ管１３ｄに、及び分岐管３９ｅがライザ管１３ｅに、それぞれ接続される。ライザ管１３ａが、図４に示すように、２基のジェットポンプ１５ａ及び１５ｂのそれぞれのノズル１６に連絡される。ライザ管１３ｂが、同様に、２基のジェットポンプ１５ｃ及び１５ｄのそれぞれのノズル１６に連絡される。ライザ管１３ｃが、同様に、２基のジェットポンプ１５ｅ及び１５ｆのそれぞれのノズル１６に連絡される。ライザ管１３ｄが、同様に、２基のジェットポンプ１５ｇ及び１５ｈのそれぞれのノズル１６に連絡される。ライザ管１３ｅが、同様に、２基のジェットポンプ１５ｉ及び１５ｊのそれぞれのノズル１６に連絡される。このような再循環系配管１１、リングヘッダ３８、分岐管３９ａ〜３９ｅ、ライザ管１３ａ〜１３ｅ及びジェットポンプ１５ａ〜１５ｊの接続関係は、実施例１で述べた沸騰水型原子炉も有している。上記した再循環系配管１１、再循環ポンプ１２、リングヘッダ３８、分岐管３９ａ〜３９ｅ及びライザ管１３ａ〜１３ｅは、一系統の再循環系の構成であり、沸騰水型原子炉は、このような再循環系を二系統備えている。ライザ管１３ａ〜１３ｅはＲＰＶ３の内部に配置され、分岐管３９ａ〜３９ｅがＲＰＶ３の外部に配置されている。
【００３９】
本実施例の沸騰水型原子炉では、流量調節弁４１ａが分岐管３９ａに、流量調節弁４１ｂが分岐管３９ｂに、流量調節弁４１ｃが分岐管３９ｃに、流量調節弁４１ｄが分岐管３９ｄに、及び流量調節弁４１ｅが分岐管３９ｅに、それぞれ設けられている。流量調節弁４１ａ〜４１ｅのそれぞれの開度は、制御装置３０によって制御される。ジェットポンプ１５ａ〜１５ｊのそれぞれに設けられた各振動監視装置２５の信号処理装置２８は、制御装置３０にケーブルにより接続されている。
【００４０】
例えば、ジェットポンプ１５ａに共振が発生したことが、ジェットポンプ１５ａに対応して設けられた振動監視装置２５で検出されたとき、ジェットポンプ１５ａのスロート１８内を流れる冷却水の流量を減少させるために、再循環ポンプ１２の回転数を減少させた場合には、ジェットポンプ１５ａ以外の他の９基のジェットポンプ１５ｂ〜１５ｊのそれぞれのスロート１８内を流れる冷却水の流量も減少してしまう。これでは、炉心流量の低下幅が大きくなり、原子炉出力の減少幅も大きくなる。
【００４１】
本実施例は、このような事態を避けることができる。本実施例においても、実施例１と同様に、環状隙間３３を流れる漏洩流２４の変動圧力が入力される振動監視装置２５の信号処理装置２８で変動圧力のパワースペクトル密度が算出される。或る一基のジェットポンプ１５、例えば、ジェットポンプ１５ａに対応して設けられた振動監視装置２５において、信号処理装置２８は、算出した変動圧力のパワースペクトル密度がこの設定値よりも大きくなったときに警報信号を表示装置２９及び制御装置３０に出力する。
【００４２】
制御装置３０は、ジェットポンプ１５ａに対応して設けられた振動監視装置２５の信号処理装置２８からの警報信号を入力したとき、ジェットポンプ１５ａに駆動水を供給する分岐管３９ａに設けられた流量調節弁４１ａの開度を減少させる。この開度制御により、共振が発生したジェットポンプ１５ａのノズル１６に供給される駆動水の流量が減少し、これに伴って、ダウンカマ４内でジェットポンプ１５ａのノズル１６の周囲に存在する冷却水の、ジェットポンプ１５ａのベルマウス１７及びスロート１８に吸い込まれる流量、すなわち、被駆動水の流量も減少する。この結果、ジェットポンプ１５ａのスロート１８内を流れる冷却水の流量が十分に減少すれば、ジェットポンプ１５ａにおける共振が生じなくなる。流量調節弁４１ａの開度を減少させることにより、共振を発生していないジェットポンプ１５ｂのノズル１６に供給される駆動水の流量も減少し、ジェットポンプ１５ｂから吐出される冷却水の流量が減少する。しかしながら、他の８基のジェットポンプ１５ｃ〜１５ｊに対応して設けられたそれぞれの振動監視装置２５からは警報信号が出力されないので、制御装置３０は、他の８基のジェットポンプ１５ｂ〜１５ｊに駆動水を供給する分岐管３９ｂ〜３９ｅに設けられた流量調節弁４１ｂ〜４１ｅのそれぞれの開度を低減させない。このため、ジェットポンプ１５ｃ〜１５ｊのそれぞれから吐出される冷却水の流量は変わらない。
【００４３】
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、さらに、制御装置３０が、或る振動監視装置２５からジェットポンプ１５での共振の発生を示す上記した警報信号を入力したときに、そのジェットポンプ１５に駆動水を供給する分岐管３９に設けられた流量調節弁４１の開度を減少させるので、共振が発生したジェットポンプ１５を含めてこの分岐管３９に連絡される２基のジェットポンプ１５に供給する駆動水の流量だけが減少され、残りのジェットポンプ１５に供給される駆動水の流量を減少させない。このため、共振が発生したジェットポンプ１５に供給する駆動水の流量が低減されるので、このジェットポンプ１５において発生していた共振が生じなくなる。流量調節弁４１の開度を減少させた分岐管３９に連絡される２基のジェットポンプ１５以外の残りの複数のジェットポンプ１５に供給される駆動水の流量が減少しないので、共振が発生しているジェットポンプ１５を共振が発生しない状態に変えることができて、炉心流量の低下幅を小さくすることができ、原子炉出力の低下幅も小さくなる。
【００４４】
本実施例では、流量調節弁４１の開度の低減を制御装置３０を用いて自動的に行ったが、オペレータが、表示装置２９に共振発生の警報信号が表示されたとき、該当する流量調節弁４１の開度を減少させてもよい。
【実施例３】
【００４５】
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、以下に説明する。
【００４６】
発明者らは、前述した１／３スケールのジェットポンプの実験装置を用いて実験を行い、図９に示す共振周波数でのパワースペクトル密度のピーク値の上昇に応じてスロート振動加速度も増加する関係を見出した。これらの関係を１／１スケールのジェットポンプ１５のモックアップ実験等で予め求める。
【００４７】
本実施例のジェットポンプは、実施例１におけるジェットポンプ１５と同じ構成を有する。本実施例のジェットポンプ１５の振動監視装置２５は、図９に示す、パワースペクトル密度のピーク値とスロートの振動加速度の関係を示す情報を振動監視装置２５のメモリに記憶している。この振動監視装置２５は、実施例１のジェットポンプ１５の振動監視装置２５と同様に、環状隙間３３の変動圧力を用いて、変動圧力のパワースペクトル密度を算出する。信号処理装置２８が、共振周波数でのパワースペクトル密度のピーク値に対応したスロートの振動加速度を、メモリに記憶しているパワースペクトル密度のピーク値とスロートの振動加速度の関係を示す情報を用いて求める。構造強度解析により求めたジェットポンプ１５が耐えうる振動加速度に安全係数を乗じた振動加速度の閾値が設定されている。信号処理装置２８は、求めたスロートの振動加速度がその閾値を超えたとき、ジェットポンプ１５に過大な共振が発生していると判定し、表示装置２９に警報信号を出力する。この警報信号は表示装置２９に表示される。このとき、オペレータは、実施例１と同様に、ジェットポンプ１５に発生した共振を回避するための保護措置を行う。
【００４８】
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、スロートの振動加速度が閾値を超えたときに、共振が発生しているジェットポンプ１５のスロート内を流れる冷却水の流量を低下させる等の保護措置を行うことができ、共振初期の振動レベルが比較的小さいときにジェットポンプ１５のその流量を低下させる必要がなくなり、原子炉稼働率を向上させることができる。
【００４９】
図９に示されたパワースペクトル密度のピーク値とスロートの振動加速度の関係を示す情報の替りに、パワースペクトル密度のピーク値とスロートの振幅の関係を示す情報を振動監視装置２５のメモリに記憶させてもよい。この時には、信号処理装置２８は、共振周波数でのパワースペクトル密度のピーク値に対応したスロートの振幅を、メモリに記憶しているパワースペクトル密度のピーク値とスロートの振幅の関係を示す情報を用いて求め、求められたスロートの振幅がこの振幅に対する閾値を超えたときに警報信号を出力する。スロートの振幅はスロートの振動加速度を二重積分することによって求めることができる。
【００５０】
本実施例における振動監視装置２５の信号処理装置２８での、共振周波数でのパワースペクトル密度のピーク値に対応したスロートの振動加速度（または振幅）を求める手法を、実施例２における信号処理装置２８に適用してもよい。このため、制御装置３０による該当する流量調節弁４１の開度の減少が、求められたスロートの振動加速度（または振幅）が閾値を超えたときに行われる。
【符号の説明】
【００５１】
１…沸騰水型原子炉、２…炉心シュラウド、３…原子炉圧力容器、５…炉心、６…気水分離器、１１…再循環系配管、１２…再循環ポンプ、１３，１３ａ〜１３ｅ…ライザ管、１４…エルボ、１５，１５ａ〜１５ｊ…ジェットポンプ、１６…ノズル、１７…ベルマウス、１８…スロート、１９…ディフューザ、２１…圧力取出し孔、２５…振動監視装置、２６…圧力導管、２７…圧力変換器、２８…信号処理装置、３２…インレットミキサ、３３…環状隙間、３９ａ〜３９ｅ…分岐管、４１ａ〜４１ｅ…流量調節弁。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェットポンプ及び沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の沸騰水型原子炉は、再循環系配管が接続された原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）とＲＰＶ内の炉心を取り囲む炉心シュラウドの間に形成されたダウンカマ内に複数のジェットポンプを設置している。ジェットポンプは、エルボ、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ベルマウス及びスロート内に噴出される。ノズルは駆動水の速度を増加させる。ダウンカマ内のノズル周囲に存在する冷却水が、噴出された駆動水の作用によって、被駆動水としてスロート内に吸込まれ、駆動水と運動量を交換しながらディフューザ内に流入する。ディフューザから排出された冷却水は、ＲＰＶ内の下部プレナムを通って炉心に供給される。
【０００３】
ＲＰＶ内に設置されているジェットポンプは、検査及び修理等のためエルボからスロートまでがインレットミキサとして取り外し可能な構造となっている。熱膨張差を吸収するために、スロートとディフューザの接合部は、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たスリップジョイント（滑り継手）と呼ばれる構造となっている。スリップジョイントでは、微小な幅を有する環状隙間がスロートの外面とディフューザの内面との間に形成されている。スリップジョイント部では、ジェットポンプ内部の圧力がその外部のダウンカマの圧力よりも大きいため、ディフューザから環状隙間を通る漏洩流が発生する。経年変化によりジェットポンプの剛性が低下すると、大きな振動が発生しジェットポンプに磨耗及びクラック（ひび割れ）等が発生する可能性がある。さらに、ジェットポンプ内の流れまたは漏洩流の乱れ等の周波数と剛性の低下したジェットポンプの固有振動数が一致すると、共振して比較的大きな振動が発生し、その磨耗及びクラックの進展を早める可能性がある。
【０００４】
ジェットポンプの振動を監視する方法として、特開２０１０−１８５８８４号公報に超音波を用いた方法が示されている。ＲＰＶの外面に接触させた超音波送受信器からジェットポンプに向かって超音波を送信し、そのジェットポンプで反射した反射波を超音波送受信器で受信する。受信した反射波を処理して、ジェットポンプの振動・劣化を監視している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１８５８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の超音波を用いたジェットポンプの振動及び劣化を監視するシステムには以下の問題が生じる。
【０００７】
超音波を用いた、ＲＰＶ内のジェットポンプの振動計測は原理的には可能であり、ＲＰＶ外からその振動を計測できるというメリットがある。しかし、超音波をジェットポンプの対象箇所に正確に送信する必要があり、ＲＰＶの内部が見えない状態であるため、非常に繊細な超音波送受信器のＲＰＶ外面への設置作業が要求される。この設置作業は原子炉の運転が停止されてＲＰＶ内の冷却水の温度が低下した低温時に実施される。このため、沸騰水型原子炉を起動し冷却水の温度が上昇したときのＲＰＶ及びジェットポンプの熱膨張差を考慮して、超音波送受信器をＲＰＶ外面に設置する必要があり、この設置には高度な技術が要求される。さらに、ジェットポンプの検査及び補修等により、スロートを動かした場合には、超音波送受信器の設置位置を再調整する必要があり、調整作業のために長時間を必要とする。
【０００８】
振動監視のために歪みゲージ及び加速度計等をジェットポンプに直接取り付ける方法もある。この方法では、それらの計測器の劣化及び故障等による交換作業が必要となった場合、この交換作業はＲＰＶ内の作業となるため、交換作業に長時間掛かることになる。
【０００９】
また、上記したそれぞれの振動監視システムを設けていない場合には、ＲＰＶ内に設置されたジェットポンプは、沸騰水型原子炉の定期検査時に、ＲＰＶの上蓋を開放したときにのみ、ジェットポンプの検査が可能である。この検査の結果、ジェットポンプに対して早急な補修が必要であると判断された場合には、補修に必要な部品の調達及び補修工事の追加により、定期検査の工程の見直しが必要となる場合があり、工程の遅延が生じる可能性がある。上述した振動監視システムによりジェットポンプの補修箇所が断定できる場合には、事前に補修部品の調達及び定期検査の工程への組込みが可能であり、補修期間を短くすることができる。
【００１０】
また、上述した振動監視システムにより過大な振動が検知された場合、沸騰水型原子炉の運転を継続しながらジェットポンプの振動を抑えるために、原子炉出力を低下させる場合があるが、過大な振動が検知されたジェットポンプから吐出される冷却水流量を減少させることが有効である。標準的な沸騰水型原子力プラントは、再循環ポンプ１台に１０基のジェットポンプがつながった再循環系を２系統有している。問題となる１本のジェットポンプの流量を減少させると、他の９本のジェットポンプの流量も下がり、流量低下に伴う原子炉出力の減少幅が大きくなる。
【００１１】
本発明の目的は、ジェットポンプの共振を精度良く検出することができるジェットポンプ及び沸騰水型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、駆動流体を噴出するノズル装置と、駆動流体の噴出によって吸い込まれるノズル装置の周囲に存在する被駆動流体及び駆動流体が混合するスロートと、混合した流体の圧力を回復させ排出するディフューザと、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たスリップジョイント部とを備えたジェットポンプにおいて、スリップジョイント部のスロートとディフューザの間に形成される隙間の圧力に基づいて、ジェットポンプの共振を検出する振動監視装置を有することにある。
【００１３】
スリップジョイント部のスロートとディフューザの間に形成される隙間の圧力に基づいて、ジェットポンプの共振を検出するので、ジェットポンプが共振周波数で振動しているか否かを精度良く検出することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ジェットポンプの共振を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の好適な一実施例である実施例１の、振動監視装置を設けたジェットポンプの構成図である。
【図２】図１に示す振動監視装置の圧力導管が接続される、ジェットポンプのスリップジョイント部の拡大図である。
【図３】実施例１のジェットポンプが適用される沸騰水型原子炉の縦断面図である。
【図４】図１に示すジェットポンプの拡大図である。
【図５】実験で測定した、ジェットポンプの共振状態でのパワースペクトル密度分布の一例を示す説明図である。
【図６】実験で測定したスリップジョイント部での変動圧力のパワースペクトル密度分布の一例を示す説明図である。
【図７】実験で測定したスロート出口下方の変動圧力のパワースペクトル密度分布の一例を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施例である実施例２の沸騰水型原子炉の構成図である。
【図９】実験で測定した変動圧力のパワースペクトル密度のピーク値とスロート加速度の関係の一例を示した特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
発明者らは、ジェットポンプの振動を測定する方法について種々の検討を行った。この検討において、発明者らは、沸騰水型原子炉に用いられる実機のジェットポンプを模擬した１／３スケールのジェットポンプの実験装置を用いて、ジェットポンプのスロートの振動と各部の変動圧力を測定した。インレットミキサの固定具を緩め、意図的にジェットポンプの剛性を低下させた実験において、ジェットポンプの共振現象を再現し、そのときのスロートの振動加速度と変動圧力の関係を調べた。ジェットポンプのスロート加速度のパワースペクトル密度分布の一例を図５に示す。このパワースペクトル密度は、振動加速度の時間変化をフーリエ変換して求めた。スロートは周波数約４０Ｈｚで共振しており、その整数倍の周波数に高次モードの振動が見られる。
【００１７】
ジェットポンプのスリップジョイント部のディフューザの外面に圧力導管を接続し、ディフューザを貫通して設けた圧力取り出し孔によって、スリップジョイント部におけるディフューザの内面とスロートの外面との間に形成された環状間隙と圧力導管を連絡した。圧力導管で伝えられたその環状間隙内の変動圧力をフーリエ変換することにより、変動圧力のパワースペクトル密度分布が求められる。この変動圧力のパワースペクトル密度分布の一例を図６に示す。細線は、インレットミキサに共振が発生していない状態でのパワースペクトル密度分布であり、太線はインレットミキサに共振が発生している状態でのパワースペクトル密度分布である。共振が発生した場合にのみ、スロート加速度と同じ周波数（約４０Ｈｚ）にパワースペクトル密度の急激な増加が見られることが分かった。スロート出口下端より下方で測定した変動圧力のパワースペクトル密度分布の一例を図７に示す。細線はインレットミキサに共振が発生していない状態でのパワースペクトル密度分布、太線はインレットミキサに共振が発生している状態でのパワースペクトル密度分布である。インレットミキサに共振が発生しても、図７においては、図６と比較して目立った変化がないことが分かる。以上より、スリップジョイント部の環状隙間の変動圧力のパワースペクトル密度だけが、インレットミキサに共振が発生した場合に、共振周波数と同じ周波数で大きくなることがわかった。インレットミキサに共振が発生していない場合は、特定の周波数で突出してパワースペクトル密度が大きくならないため、スリップジョイント部の変動圧力を監視すればインレットミキサでの共振発生の有無が判断できる。スリップジョイント部の環状隙間の変動圧力により共振周波数が検出できるのは、以下の理由によるものと考えられる。共振してスロートが比較的大きな振幅で振動すると、スリップジョイント部における環状隙間が狭いため、環状隙間に対するスロートの振幅が相対的に大きく、環状隙間の水を共振周波数で圧縮、膨張させるため、それがインレットミキサの共振周波数での変動圧力となって検知される。その他の場所では、スロートの振幅に対して流路幅が断然大きく、スロートの共振の影響はほとんどない。
【００１８】
以上の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１９】
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、図１及び図２を用いて説明する。
【００２０】
まず、本発明の好適な実施例であるジェットポンプの振動監視装置を、以下に説明する。本実施例のジェットポンプの振動監視装置を説明する前に、このジェットポンプが適用される沸騰水型原子炉の概略の構造を、図３及び図４を用いて以下に説明する。
【００２１】
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）１は、原子炉圧力容器（原子炉容器）３を有し、原子炉圧力容器３内に炉心シュラウド２を設置している。原子炉圧力容器３は、以下、ＲＰＶと称する。複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心５が、炉心シュラウド２内に配置される。気水分離器６及び蒸気乾燥器７がＲＰＶ３内で炉心５の上方に配置される。複数のジェットポンプ１５が、ＲＰＶ３と炉心シュラウド２の間に形成される環状のダウンカマ４内に配置される。ＲＰＶ３に設けられる再循環系は、再循環系配管１１及び再循環系配管１１に設置された再循環ポンプ１２を有する。再循環系配管１１の一端はＲＰＶ３のノズルに接続されてダウンカマ４に連絡される。再循環系配管１１の他端は、ダウンカマ４内に配置されたライザ管１３の下端に連絡される。具体的には、再循環系配管１１の他端は、ＲＰＶ３の外側に配置されたリングヘッダ（図示せず）に接続される。ＲＰＶ３内に設置されたジェットポンプ１５の基数の１／２の本数の分岐管（図示せず）がリングヘッダに接続され、それぞれの分岐管がダウンカマ内４内に配置されたそれぞれのライザ管１３に別々に接続される。ライザ管１３の本数も、ジェットポンプ１５の基数の１／２である。
【００２２】
各ライザ管１３の上端は分岐管に接続され、この分岐管は隣り合う一対のジェットポンプ１５のそれぞれのエルボ１４と接続される。エルボ１４で流路が１８０°曲げられ、このエルボ１４がノズル１６に接続されている。ノズル１６は、複数の支持板２０によってベルマウス１６に取り付けられる。このため、エルボ１４、ノズル１６、ベルマウス１７及びスロート１８が一体構造となっており、この部分をインレットミキサ３２と呼ぶ。
【００２３】
ライザ管１３に取り付けられて水平方向に伸びている固定具３４及びウェッジ３５が、スロート１８を鉛直方向に固定している。分岐管に取り付けられたビーム３６が鉛直方向においてエルボ１４を固定している。
【００２４】
本実施例の各ジェットポンプ１５は、図１及び図４に示すように、ディフューザ１９、インレットミキサ３２及び振動監視装置２５を備えている。インレットミキサ３２において、ノズル１６の上端にエルボ１４の一端が接続され、ノズル１６がベルマウス１７の上方に配置され、ベルマウス１６がスロート１８の上端に接続されている。ノズル１６とベルマウス１７の間には、被駆動水である、ダウンカマ４内でノズル１６の周囲に存在する冷却水が流れる環状の冷却水通路が形成されている。スロート１８の下端部がディフューザ１９の上端部内に挿入されてスリップジョイント部Ｌを形成している（図２参照）。
【００２５】
ＲＰＶ３内の上部に存在する被駆動水である冷却水（被駆動流体、冷却材）は、給水配管９からＲＰＶ３に供給された給水と混合されてダウンカマ４内を下降する。冷却水は、再循環ポンプ１２の駆動によって再循環系配管１１内に吸引され、再循環ポンプ１２によって昇圧される。この昇圧された冷却水を、便宜的に、駆動水（駆動流体）という。この駆動水は、再循環系配管１１、ライザ管１３、分岐管及びエルボ１４内を流れてノズル１６に達し、ノズル１６からベルマウス１７及びスロート１８内に噴出される。ダウンカマ４内でノズル１６の周囲に存在する被駆動水である冷却水は、ノズル１６からの駆動水の噴出によって、ノズル１６とベルマウス１７の間に形成される冷却水通路を通り、ベルマウス１７を経てスロート１８内に吸い込まれる。この冷却水は、駆動水と共にスロート１８内を下降し、ディフューザ１９の下端から吐出される。ディフューザ１９から吐出された冷却水は、下部プレナム２２を経て炉心５に供給される。
【００２６】
冷却水は、炉心５を通過する際に加熱されて水及び蒸気を含む気液二相流となる。気水分離器６は気液二相流を蒸気と水に分離する。分離された蒸気は、更に蒸気乾燥器７で湿分を除去されて主蒸気配管８に導かれる。この蒸気は、主蒸気配管８により蒸気タービン（図示せず）に導かれ、蒸気タービンを回転させる。蒸気タービンに連結された発電機（図示せず）が回転し、電力が発生する。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。この凝縮水は、給水として給水配管９によりＲＰＶ３内に供給される。気水分離器６及び蒸気乾燥器７で分離された水は、落下して冷却水としてダウンカマ４内に達する。
【００２７】
エルボ１４、ノズル１６、ベルマウス１７、スロート１８及びディフューザ１９を主要な構成要素とするジェットポンプ１５は、ノズル１６の周囲の冷却水を吸込むことにより、少ない駆動水の流量でより多くの冷却水を炉心５に送り込むことができる。
【００２８】
ジェットポンプ１５は、検査及び補修のためインレットミキサ３２をディフューザ１９から取り外すことができるように、スロート１８とディフューザ１９をスリップジョイントで連結している。スリップジョイント部Ｌでは、スロート１８及びディフューザ１９は、互いに干渉されないで軸方向に移動できるので、それぞれの熱膨張差を吸収することができる。このため、スリップジョイント部Ｌにおいて、スロート１８及びディフューザ１９の熱膨張差に起因した応力が発生しない。
【００２９】
スリップジョイント部Ｌでは、スロート１８の外面とディフューザ１９の内面の間に、スロート１８を取り囲む環状隙間３３が形成される。スリップジョイント部Ｌ付近におけるディフューザ１９内の圧力がダウンカマ４の圧力よりも高いので、スロート１８からディフューザ１９に流入した冷却水の一部が、環状隙間３３を通ってダウンカマ４に流出する漏洩流２４になる。この漏洩流２４の流量は、スロート１８からディフューザ１９に流入した冷却水の全流量に対してごく僅かであり、ジェットポンプ１５の性能にほとんど影響しない。
【００３０】
ジェットポンプ１５の振動監視装置２５を、図１及び図２を用いて説明する。振動監視装置２５は、圧力導管２６、圧力変換器２７及び信号処理装置２８を有する。スリップジョイント部Ｌにおいて、環状隙間３３に開口する圧力取り出し孔２１がディフューザ１９の側壁を貫通して形成される。圧力導管２６は、圧力取り出し孔２１に連通するように、ディフューザ１９の外面に取り付けられる。圧力導管２６は、ＲＰＶ３の側壁を貫通してＲＰＶ３の外部に取り出され、ＲＰＶ３の外部で圧力変換器２７に接続される。信号処理装置２８はケーブルにより圧力変換器２７及び表示装置２９にそれぞれ接続される。信号処理装置２８及び表示装置２９もＲＰＶ３の外部に置かれている。本実施例は、振動監視装置２５を有するジェットポンプ１５が複数設けられている。
【００３１】
経年変化によりジェットポンプ１５を鉛直方向に固定しているビーム３６及びウェッジ３５の磨耗により、水平方向に固定している固定具３４に緩みが発生しジェットポンプの剛性が低下すると、ジェットポンプの振動が増加する。特に、ジェットポンプ１５内の冷却水の流れ２３及び漏洩流２４の乱れ等の周波数と剛性の低下したジェットポンプ１５の固有振動数が一致すると、共振して比較的大きな振動が発生し、磨耗及びクラックの進展を早める可能性がある。このため、沸騰水型原子炉１の運転中に共振が発生したことを検知できるようにし、ジェットポンプ１５のスロート１８内を流れる冷却水の流量を低下させる等、ジェットポンプ１５に損傷が生じないような対策をできるようにすることが望ましい。
【００３２】
本実施例のジェットポンプ１５は、振動監視装置２５を備えている。この振動監視装置２５の機能を以下に説明する。環状隙間３３を流れる漏洩流２４の変動圧力が、圧力取り出し孔２１及び圧力導管２６を通して圧力変換器２７に伝えられる。圧力変換器２７はその変動圧力を電気信号に変換する。この電気信号はケーブルにより信号処理装置２８に入力される。信号処理装置２８は、電気信号として入力した、環状隙間３３の変動圧力をフーリエ変換し、変動圧力のパワースペクトル密度を算出する。この算出されたパワースペクトル密度が、沸騰水型原子炉１の運転中において、常時、表示装置２９に表示される。
【００３３】
環状隙間３３の変動圧力を計測している間に、共振周波数（例えば、図６の４０Ｈｚ）でのパワースペクトル密度がこれの設定値よりも大きくなったとき、信号処理装置２８は、表示装置２９に警報信号を送信し、警報信号の表示及び警報音の発生を行う。信号処理装置２８は、共振周波数でのパワースペクトル密度がこれの設定値よりも大きくなったと判定したとき、ジェットポンプ１５で共振が発生していることを検出することになる。このような信号処理装置２８を有する振動監視装置２５は、環状隙間３３の変動圧力に基づいて、ジェットポンプ１５、すなわち、スロート１８での共振の発生を検出する。
【００３４】
ジェットポンプ１５で共振が発生していることを示す警報信号が出されたとき、自動またはオペレータの判断により、ジェットポンプ１５の保護処置を行う。沸騰水型原子炉１の運転を停止してもよいが、ジェットポンプ１５から吐出される冷却水の流量を低下させることにより共振が回避されるので、ジェットポンプから吐出される冷却水の流量を低下させて沸騰水型原子炉１の運転を継続することも可能である。具体的には、再循環ポンプ１２の回転数を減少させて、共振周波数でのパワースペクトル密度の突出が消えるまでジェットポンプ１５のスロート１８内を流れる冷却水の流量を低下させればよい。
【００３５】
本実施例は、振動監視装置２５により環状隙間３３の変動圧力を計測してこの変動圧力に基づいて求めた変動圧力のパワースペクトル密度を監視するので、ジェットポンプ１５、特に、スロート１８が共振周波数で振動しているか否かを精度良く検出することができる。このため、ジェットポンプ１５のスロート１８内を流れる冷却水の流量を低下させる等の対策をより早く行うことができ、ジェットポンプの健全性を確保することができる。また、ジェットポンプ１５の補修の準備を事前に行うことができ、沸騰水型原子炉１の定期検査期間におけるジェットポンプ１５の補修期間を短縮することができる。これは、沸騰水型原子炉１の稼働率低下を抑制することができる。
【００３６】
また、ジェットポンプ１５に共振が発生した場合には、前述したように、より早く、ジェットポンプ１５のスロート１８内を流れる冷却水の流量を低下させることができ、沸騰水型原子炉１の運転を継続することができる。
【実施例２】
【００３７】
本発明の他の実施例である実施例２の沸騰水型原子炉を、図８を用いて説明する。本実施例の沸騰水型原子炉も、実施例１で用いられる、振動監視装置２５を有するジェットポンプ１５を備えている。本実施例の沸騰水型原子炉は、さらに、各ライザ管１３に接続されるそれぞれの分岐管３９に設けられた流量調節弁４１及び制御装置３０を備えている。
【００３８】
本実施例の沸騰水型原子炉は、ＲＰＶ３の外側にリングヘッダ３８を配置し、このリングヘッダ３８に、ＲＰＶ３内に設置されたジェットポンプ１５の総基数の１／４の本数である５本の分岐管３９ａ〜３９ｅが接続される。再循環系ポンプ１２を設けた再循環系配管１１がリングヘッダ３８に接続される。５本のライザ管１３ａ〜１３ｅがＲＰＶ３内のダウンカマ４に配置されている。分岐管３９ａがライザ管１３ａに、分岐管３９ｂがライザ管１３ｂに、分岐管３９ｃがライザ管１３ｃに、分岐管３９ｄがライザ管１３ｄに、及び分岐管３９ｅがライザ管１３ｅに、それぞれ接続される。ライザ管１３ａが、図４に示すように、２基のジェットポンプ１５ａ及び１５ｂのそれぞれのノズル１６に連絡される。ライザ管１３ｂが、同様に、２基のジェットポンプ１５ｃ及び１５ｄのそれぞれのノズル１６に連絡される。ライザ管１３ｃが、同様に、２基のジェットポンプ１５ｅ及び１５ｆのそれぞれのノズル１６に連絡される。ライザ管１３ｄが、同様に、２基のジェットポンプ１５ｇ及び１５ｈのそれぞれのノズル１６に連絡される。ライザ管１３ｅが、同様に、２基のジェットポンプ１５ｉ及び１５ｊのそれぞれのノズル１６に連絡される。このような再循環系配管１１、リングヘッダ３８、分岐管３９ａ〜３９ｅ、ライザ管１３ａ〜１３ｅ及びジェットポンプ１５ａ〜１５ｊの接続関係は、実施例１で述べた沸騰水型原子炉も有している。上記した再循環系配管１１、再循環ポンプ１２、リングヘッダ３８、分岐管３９ａ〜３９ｅ及びライザ管１３ａ〜１３ｅは、一系統の再循環系の構成であり、沸騰水型原子炉は、このような再循環系を二系統備えている。ライザ管１３ａ〜１３ｅはＲＰＶ３の内部に配置され、分岐管３９ａ〜３９ｅがＲＰＶ３の外部に配置されている。
【００３９】
本実施例の沸騰水型原子炉では、流量調節弁４１ａが分岐管３９ａに、流量調節弁４１ｂが分岐管３９ｂに、流量調節弁４１ｃが分岐管３９ｃに、流量調節弁４１ｄが分岐管３９ｄに、及び流量調節弁４１ｅが分岐管３９ｅに、それぞれ設けられている。流量調節弁４１ａ〜４１ｅのそれぞれの開度は、制御装置３０によって制御される。ジェットポンプ１５ａ〜１５ｊのそれぞれに設けられた各振動監視装置２５の信号処理装置２８は、制御装置３０にケーブルにより接続されている。
【００４０】
例えば、ジェットポンプ１５ａに共振が発生したことが、ジェットポンプ１５ａに対応して設けられた振動監視装置２５で検出されたとき、ジェットポンプ１５ａのスロート１８内を流れる冷却水の流量を減少させるために、再循環ポンプ１２の回転数を減少させた場合には、ジェットポンプ１５ａ以外の他の９基のジェットポンプ１５ｂ〜１５ｊのそれぞれのスロート１８内を流れる冷却水の流量も減少してしまう。これでは、炉心流量の低下幅が大きくなり、原子炉出力の減少幅も大きくなる。
【００４１】
本実施例は、このような事態を避けることができる。本実施例においても、実施例１と同様に、環状隙間３３を流れる漏洩流２４の変動圧力が入力される振動監視装置２５の信号処理装置２８で変動圧力のパワースペクトル密度が算出される。或る一基のジェットポンプ１５、例えば、ジェットポンプ１５ａに対応して設けられた振動監視装置２５において、信号処理装置２８は、算出した変動圧力のパワースペクトル密度がこの設定値よりも大きくなったときに警報信号を表示装置２９及び制御装置３０に出力する。
【００４２】
制御装置３０は、ジェットポンプ１５ａに対応して設けられた振動監視装置２５の信号処理装置２８からの警報信号を入力したとき、ジェットポンプ１５ａに駆動水を供給する分岐管３９ａに設けられた流量調節弁４１ａの開度を減少させる。この開度制御により、共振が発生したジェットポンプ１５ａのノズル１６に供給される駆動水の流量が減少し、これに伴って、ダウンカマ４内でジェットポンプ１５ａのノズル１６の周囲に存在する冷却水の、ジェットポンプ１５ａのベルマウス１７及びスロート１８に吸い込まれる流量、すなわち、被駆動水の流量も減少する。この結果、ジェットポンプ１５ａのスロート１８内を流れる冷却水の流量が十分に減少すれば、ジェットポンプ１５ａにおける共振が生じなくなる。流量調節弁４１ａの開度を減少させることにより、共振を発生していないジェットポンプ１５ｂのノズル１６に供給される駆動水の流量も減少し、ジェットポンプ１５ｂから吐出される冷却水の流量が減少する。しかしながら、他の８基のジェットポンプ１５ｃ〜１５ｊに対応して設けられたそれぞれの振動監視装置２５からは警報信号が出力されないので、制御装置３０は、他の８基のジェットポンプ１５ｂ〜１５ｊに駆動水を供給する分岐管３９ｂ〜３９ｅに設けられた流量調節弁４１ｂ〜４１ｅのそれぞれの開度を低減させない。このため、ジェットポンプ１５ｃ〜１５ｊのそれぞれから吐出される冷却水の流量は変わらない。
【００４３】
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、さらに、制御装置３０が、或る振動監視装置２５からジェットポンプ１５での共振の発生を示す上記した警報信号を入力したときに、そのジェットポンプ１５に駆動水を供給する分岐管３９に設けられた流量調節弁４１の開度を減少させるので、共振が発生したジェットポンプ１５を含めてこの分岐管３９に連絡される２基のジェットポンプ１５に供給する駆動水の流量だけが減少され、残りのジェットポンプ１５に供給される駆動水の流量を減少させない。このため、共振が発生したジェットポンプ１５に供給する駆動水の流量が低減されるので、このジェットポンプ１５において発生していた共振が生じなくなる。流量調節弁４１の開度を減少させた分岐管３９に連絡される２基のジェットポンプ１５以外の残りの複数のジェットポンプ１５に供給される駆動水の流量が減少しないので、共振が発生しているジェットポンプ１５を共振が発生しない状態に変えることができて、炉心流量の低下幅を小さくすることができ、原子炉出力の低下幅も小さくなる。
【００４４】
本実施例では、流量調節弁４１の開度の低減を制御装置３０を用いて自動的に行ったが、オペレータが、表示装置２９に共振発生の警報信号が表示されたとき、該当する流量調節弁４１の開度を減少させてもよい。
【実施例３】
【００４５】
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、以下に説明する。
【００４６】
発明者らは、前述した１／３スケールのジェットポンプの実験装置を用いて実験を行い、図９に示す共振周波数でのパワースペクトル密度のピーク値の上昇に応じてスロート振動加速度も増加する関係を見出した。これらの関係を１／１スケールのジェットポンプ１５のモックアップ実験等で予め求める。
【００４７】
本実施例のジェットポンプは、実施例１におけるジェットポンプ１５と同じ構成を有する。本実施例のジェットポンプ１５の振動監視装置２５は、図９に示す、パワースペクトル密度のピーク値とスロートの振動加速度の関係を示す情報を振動監視装置２５のメモリに記憶している。この振動監視装置２５は、実施例１のジェットポンプ１５の振動監視装置２５と同様に、環状隙間３３の変動圧力を用いて、変動圧力のパワースペクトル密度を算出する。信号処理装置２８が、共振周波数でのパワースペクトル密度のピーク値に対応したスロートの振動加速度を、メモリに記憶しているパワースペクトル密度のピーク値とスロートの振動加速度の関係を示す情報を用いて求める。構造強度解析により求めたジェットポンプ１５が耐えうる振動加速度に安全係数を乗じた振動加速度の閾値が設定されている。信号処理装置２８は、求めたスロートの振動加速度がその閾値を超えたとき、ジェットポンプ１５に過大な共振が発生していると判定し、表示装置２９に警報信号を出力する。この警報信号は表示装置２９に表示される。このとき、オペレータは、実施例１と同様に、ジェットポンプ１５に発生した共振を回避するための保護措置を行う。
【００４８】
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、スロートの振動加速度が閾値を超えたときに、共振が発生しているジェットポンプ１５のスロート内を流れる冷却水の流量を低下させる等の保護措置を行うことができ、共振初期の振動レベルが比較的小さいときにジェットポンプ１５のその流量を低下させる必要がなくなり、原子炉稼働率を向上させることができる。
【００４９】
図９に示されたパワースペクトル密度のピーク値とスロートの振動加速度の関係を示す情報の替りに、パワースペクトル密度のピーク値とスロートの振幅の関係を示す情報を振動監視装置２５のメモリに記憶させてもよい。この時には、信号処理装置２８は、共振周波数でのパワースペクトル密度のピーク値に対応したスロートの振幅を、メモリに記憶しているパワースペクトル密度のピーク値とスロートの振幅の関係を示す情報を用いて求め、求められたスロートの振幅がこの振幅に対する閾値を超えたときに警報信号を出力する。スロートの振幅はスロートの振動加速度を二重積分することによって求めることができる。
【００５０】
本実施例における振動監視装置２５の信号処理装置２８での、共振周波数でのパワースペクトル密度のピーク値に対応したスロートの振動加速度（または振幅）を求める手法を、実施例２における信号処理装置２８に適用してもよい。このため、制御装置３０による該当する流量調節弁４１の開度の減少が、求められたスロートの振動加速度（または振幅）が閾値を超えたときに行われる。
【符号の説明】
【００５１】
１…沸騰水型原子炉、２…炉心シュラウド、３…原子炉圧力容器、５…炉心、６…気水分離器、１１…再循環系配管、１２…再循環ポンプ、１３，１３ａ〜１３ｅ…ライザ管、１４…エルボ、１５，１５ａ〜１５ｊ…ジェットポンプ、１６…ノズル、１７…ベルマウス、１８…スロート、１９…ディフューザ、２１…圧力取出し孔、２５…振動監視装置、２６…圧力導管、２７…圧力変換器、２８…信号処理装置、３２…インレットミキサ、３３…環状隙間、３９ａ〜３９ｅ…分岐管、４１ａ〜４１ｅ…流量調節弁。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動流体を噴出するノズル装置と、前記駆動流体の噴出によって吸い込まれる前記ノズル装置の周囲に存在する被駆動流体及び前記駆動流体が混合するスロートと、混合した流体の圧力を回復させ排出するディフューザと、前記スロートの下端部が前記ディフューザの上端部内に挿入されたスリップジョイント部とを備えたジェットポンプにおいて、
前記スリップジョイント部の前記スロートと前記ディフューザの間に形成される隙間の圧力に基づいて、前記ジェットポンプの共振を検出する振動監視装置を有することを特徴とするジェットポンプ。
【請求項２】
前記振動監視装置は、前記隙間の圧力を電気信号に変換する圧力変換装置、及び前記圧力変換装置から出力された前記電気信号に基づいて、圧力のパワースペクトル密度を求め、前記共振が発生しているとの前記判定を、共振周波数での前記パワースペクトル密度が設定値を超えているときに行う信号処理装置を有する請求項１に記載のジェットポンプ。
【請求項３】
前記信号処理装置は、前記共振周波数での前記パワースペクトル密度のピーク値に対応した前記スロートの振動加速度及び前記スロートの振幅のいずれかが閾値を超えたとき、警報信号を出力する請求項２に記載のジェットポンプ。
【請求項４】
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配置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３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沸騰水型原子炉。
【請求項５】
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配置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に記載されたジェットポンプであり、
前記原子炉容器に接続されて前記原子炉圧力容器内の冷却材を昇圧するポンプが設けられた再循環系配管と、前記再循環系配管が接続されたヘッダと、前記ヘッダに接続された複数の分岐管と、前記原子炉容器内に配置されてそれぞれの前記分岐管に別々に接続され、昇圧された前記冷却材を該当する前記ジェットポンプの前記ノズル装置にそれぞれ導く複数のライザ管と、それぞれの前記分岐管に設けられた流量調節弁と、前記振動監視装置が前記共振を検出したとき、この共振が生じている前記ジェットポンプに連絡される前記分岐管に設けられた前記流量調節弁の開度を制御する制御装置とを備えていることを特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項６】
前記振動監視装置は、前記隙間の圧力を電気信号に変換する圧力変換装置、及び前記圧力変換装置から出力された前記電気信号に基づいて、圧力のパワースペクトル密度を求め、前記共振が発生しているとの前記判定を、共振周波数での前記パワースペクトル密度が設定値を超えているときに行い信号処理装置を有し、前記制御装置は、前記流量調節弁の開度制御を前記パワースペクトル密度が設定値を超えているときに行う請求項５に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項７】
前記信号処理装置は、前記共振周波数での前記パワースペクトル密度のピーク値に対応した前記スロートの振動加速度及び前記スロートの振幅のいずれかが閾値を超えたとき、警報信号を出力し、前記制御装置は、前記流量調節弁の開度制御を前記警報信号が出力されたときに行う請求項６に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項１】
駆動流体を噴出するノズル装置と、前記駆動流体の噴出によって吸い込まれる前記ノズル装置の周囲に存在する被駆動流体及び前記駆動流体が混合するスロートと、混合した流体の圧力を回復させ排出するディフューザと、前記スロートの下端部が前記ディフューザの上端部内に挿入されたスリップジョイント部とを備えたジェットポンプにおいて、
前記スリップジョイント部の前記スロートと前記ディフューザの間に形成される隙間の圧力に基づいて、前記ジェットポンプの共振を検出する振動監視装置を有することを特徴とするジェットポンプ。
【請求項２】
前記振動監視装置は、前記隙間の圧力を電気信号に変換する圧力変換装置、及び前記圧力変換装置から出力された前記電気信号に基づいて、圧力のパワースペクトル密度を求め、前記共振が発生しているとの前記判定を、共振周波数での前記パワースペクトル密度が設定値を超えているときに行う信号処理装置を有する請求項１に記載のジェットポンプ。
【請求項３】
前記信号処理装置は、前記共振周波数での前記パワースペクトル密度のピーク値に対応した前記スロートの振動加速度及び前記スロートの振幅のいずれかが閾値を超えたとき、警報信号を出力する請求項２に記載のジェットポンプ。
【請求項４】
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配置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３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沸騰水型原子炉。
【請求項５】
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配置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に記載されたジェットポンプであり、
前記原子炉容器に接続されて前記原子炉圧力容器内の冷却材を昇圧するポンプが設けられた再循環系配管と、前記再循環系配管が接続されたヘッダと、前記ヘッダに接続された複数の分岐管と、前記原子炉容器内に配置されてそれぞれの前記分岐管に別々に接続され、昇圧された前記冷却材を該当する前記ジェットポンプの前記ノズル装置にそれぞれ導く複数のライザ管と、それぞれの前記分岐管に設けられた流量調節弁と、前記振動監視装置が前記共振を検出したとき、この共振が生じている前記ジェットポンプに連絡される前記分岐管に設けられた前記流量調節弁の開度を制御する制御装置とを備えていることを特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項６】
前記振動監視装置は、前記隙間の圧力を電気信号に変換する圧力変換装置、及び前記圧力変換装置から出力された前記電気信号に基づいて、圧力のパワースペクトル密度を求め、前記共振が発生しているとの前記判定を、共振周波数での前記パワースペクトル密度が設定値を超えているときに行い信号処理装置を有し、前記制御装置は、前記流量調節弁の開度制御を前記パワースペクトル密度が設定値を超えているときに行う請求項５に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項７】
前記信号処理装置は、前記共振周波数での前記パワースペクトル密度のピーク値に対応した前記スロートの振動加速度及び前記スロートの振幅のいずれかが閾値を超えたとき、警報信号を出力し、前記制御装置は、前記流量調節弁の開度制御を前記警報信号が出力されたときに行う請求項６に記載の沸騰水型原子炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１７２６２０（Ｐ２０１２−１７２６２０Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３６５０６（Ｐ２０１１−３６５０６）
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【Ｆターム（参考）】
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