原子炉の気水分離器
【課題】圧力損失の増加を極力抑え、高蒸気クオリティにおいても低キャリーオーバーを実現できる気水分離器を提供する。
【解決手段】液滴捕獲ガイド３を設けた排水衝突部材２を気水分離器の外筒１５の外側に配置し、気水分離器からの排水を排水衝突部材２に沿って水面下に衝撃少なく入水させて気水分離器周りでの液滴の発生を抑制し、かつ、排水が排水衝突部材２に衝突して発生した微細液滴等の蒸気乾燥器への排出を液滴捕獲ガイド３により抑制するので、高蒸気クオリティにおいても気水分離器周りからのキャリーオーバーが大きくならない上、気水分離器周りの流路の一部に限定して排水衝突部材２や液滴捕獲ガイド３を設けて圧力損失の増加を抑える。
【解決手段】液滴捕獲ガイド３を設けた排水衝突部材２を気水分離器の外筒１５の外側に配置し、気水分離器からの排水を排水衝突部材２に沿って水面下に衝撃少なく入水させて気水分離器周りでの液滴の発生を抑制し、かつ、排水が排水衝突部材２に衝突して発生した微細液滴等の蒸気乾燥器への排出を液滴捕獲ガイド３により抑制するので、高蒸気クオリティにおいても気水分離器周りからのキャリーオーバーが大きくならない上、気水分離器周りの流路の一部に限定して排水衝突部材２や液滴捕獲ガイド３を設けて圧力損失の増加を抑える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉で発生した蒸気を冷却水から分離するための気水分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントでは、発電機を駆動する蒸気タービンへ原子炉圧力容器内で発生させた高温高圧な蒸気を供給して発電機の駆動蒸気として用いている。
【０００３】
その蒸気の供給を受ける蒸気タービンのタービン翼部分がエロ−ジョンやコロージョンを発生することを抑制するために、原子炉圧力容器内で発生した蒸気は原子炉圧力容器内の複数の気水分離器による気水分離設備で原子炉圧力容器内の冷却水から蒸気を分離して蒸気中の液滴を除去し、その後に同じく原子炉圧力容器内の蒸気乾燥器に通して蒸気に同伴されてくる液滴を蒸気タービン側が求める一定値以下に除去して乾燥蒸気を作る。
【０００４】
その気水分離器と蒸気乾燥器は、原子炉圧力容器内に装備され、上述のように２段階で蒸気から液滴を除去する作用を行って、乾燥蒸気を作り、その乾燥蒸気が先に述べた蒸気タービンへ発電機の駆動蒸気として供給されて消費される。このような仕組みの原子炉は、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという）や改良型沸騰水型原子炉（以下、ＡＢＷＲという）として知られている。
【０００５】
従来の気水分離器は、内筒と外筒との間に排水流路を備えた構造物を上下多段に有し、上下多段間で内筒内と排水流路をピックオフリングを介して連通した構造と、その内筒内の流体に遠心力を与える旋回羽根とを備えて、気水分離部が上下多段に構成された遠心分離機構を備えている（例えば、特許文献１参照。）。これにより内筒内で蒸気と冷却水とが多段階にわたって遠心分離され、分離後の冷却水は排水流路から排水として下方の冷却水中に戻される。一方、分離された蒸気は蒸気乾燥器内に流入してさらに液滴を除去する処理を受けて蒸気タービン側へ供給される。
【０００６】
気水分離器の性能の指標の一つに、キャリーオーバーがある。キャリーオーバーは気水分離器から蒸気乾燥器へ液滴として排出される冷却水の蒸気に対する重量比を表わす。キャリーオーバーには、気水分離器内部で気液分離が不十分なため冷却水の一部が液滴状になって蒸気に混入したまま気水分離器から蒸気乾燥器へ排出される気水分離器内部からのキャリーオーバーと、気水分離器周りの水面に気水分離器から排出された排水及び蒸気が衝突することによって発生する液滴が、上昇蒸気によって蒸気乾燥器へ排出される気水分離器周りからのキャリーオーバーとがある。
【０００７】
これらキャリーオーバーが大きければそれだけ湿った蒸気が蒸気乾燥器へ排出されることになり、蒸気乾燥器で液滴が充分に除去されなかった場合には、タービン翼を損傷する恐れがあるので、キャリーオーバーについては蒸気タービンの信頼性を確保するために設計限界値が設けられており、その設計限界値の要求値に対して、既存の原子炉の気水分離器は余裕がある。
【０００８】
気水分離器周りからのキャリーオーバーを極力抑制する手段として、気水分離器周りの流路を覆う液滴捕獲リングを設けた構造（例えば、特許文献２参照。）や、気水分離器を構成している貫通孔を設けた内筒と外筒の間にデミスターを充填した構造（例えば、特許文献３参照。）が公知である。
【０００９】
また、気液分離手段として、気水分離器同士を繋ぐ振動防止板や対面する気水分離器の外壁への衝突を利用して、蒸気から液滴を除去することが公知である（例えば、特許文献４参照。）。
【００１０】
さらに、気水分離器の第二段目の分離領域からの排水口を、気水分離器の外筒を取り囲む配管で覆い、且つ配管の上端を閉鎖した構成により、配管の下端から原子炉内の冷却水中に気水分離器の排水が誘導されることが公知である（例えば、特許文献５参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１９７６７８号公報
【特許文献２】特開平８−１７９０７７号公報
【特許文献３】特開２００４−２４５６５６号公報
【特許文献４】特開２０００−１５３１１８号公報
【特許文献５】特開２０００−１９９７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
今後、国内で予定されている既設の沸騰水型原子炉の出力向上や米国で建設が予定されている高経済性単純化沸騰水型原子炉（以下、ＥＳＢＷＲという）、及びＡＢＷＲよりさらに出力を増大した次世代原子炉（以下、次世代ＢＷＲという）においては、現行ＡＢＷＲよりも気水分離器入口での蒸気クオリティ（全質量流量に対する蒸気質量流量の割合）が大きくなる。
【００１３】
蒸気クオリティが大きくなる（蒸気速度が大きくなる）と気水分離器の第２段、第３段の排水流路から排出された排水及び蒸気が、気水分離器周りの水面に衝突することによって発生する液滴の量が増加し、その液滴が上昇蒸気によって蒸気乾燥器へ排出されるために、気水分離器周りからのキャリーオーバーが増加する。
【００１４】
気水分離器周りからのキャリーオーバーを防ぐために気水分離器周りの流路を完全に覆う液滴捕獲リングを設けると、気水分離器周りの流路における圧力損失が増加する。また、気水分離器を構成している内筒と外筒に貫通孔を設け、その間にデミスターを充填した気水分離器においても、気液二相流がデミスター部を通過するため圧力損失が増加する。
【００１５】
また、気液分離促進のために、気水分離器内部からの液滴を含む蒸気を対面する気水分離器の外壁に衝突させると、気水分離器周りにおいて径が小さい液滴を発生させる可能性がある。径が小さい液滴は蒸気の上昇速度が小さくても蒸気乾燥器へ排出されるため、気水分離器周りからのキャリーオーバーが増加する恐れがある。
【００１６】
気水分離器の排水口を配管で覆う構成により排水を強制的に下方の冷却水側に誘導する構成では、第二段目の排水口から排出される蒸気が上部空間へ抜けることができずに再循環水中に含まれてしまうことが懸念される。再循環水中に含まれる蒸気の量が増えると、ＢＷＲやＡＢＷＲでは再循環水を循環させるジェットポンプあるいはインターナルポンプのポンプ性能を低下させる恐れがある。
【００１７】
本発明の目的は、圧力損失の増加を極力抑え、高蒸気クオリティにおいても低キャリーオーバーを実現できる気水分離設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の課題の解決手段は、原子炉圧力容器内に並列配置した複数個の気水分離器で、その原子炉圧力容器内で蒸気を冷却水から分離する気水分離設備において、その気水分離器の外周に存在する空間の一部分に限定して配置され、下側に開放された形状の液滴捕獲ガイドを有する構成の気水分離設備である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の気水分離設備によれば、圧力損失の増加を極力抑え、気水分離器周りからのキャリーオーバーを低く維持することができ、沸騰水型原子炉を採用したプラントの信頼性向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の液滴捕獲ガイド付排水衝突部材を設けた気水分離器群の縦断面図である。
【図２】本発明の実施例１による液滴捕獲ガイド付排水衝突部材の構造と気水分離器群への配置を示した説明図である。
【図３】本発明の実施例２による液滴捕獲ガイド付排水衝突部材の構造と気水分離器群への配置を示した説明図である。
【図４】本発明の実施例３による液滴捕獲ガイドの構造と気水分離器群への配置を示した説明図である。
【図５】本発明の気水分離器が採用される改良型沸騰水型原子炉の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明の各実施例を適用する対象のＡＢＷＲの構成を、図５により説明する。図５に示すように、ＡＢＷＲは、熱を発生する炉心２１、炉心２１を取り囲むシュラウド２２およびシュラウドヘッド２３、シュラウドヘッド２３に取り付けられて並列に配置された複数の気水分離器１、その上方にある蒸気乾燥器２４、圧力容器２５内の冷却水を循環させるインターナルポンプ２６を備えている。
【００２３】
インターナルポンプ２６によって炉心２１に送り込まれた冷却水は、炉心２１で加熱されて沸騰し、蒸気と水の気液二相流となる。この気液二相流は、圧力容器２５内の気水分離器１で蒸気と水に分離される。
【００２４】
分離された蒸気には湿分が多く含まれた湿り蒸気となっているので、圧力容器２５内の蒸気乾燥器２４で湿分がさらに取り除かれて乾燥蒸気とされ、クオリティを増した蒸気は、主蒸気配管２７を通って図示しない発電機を駆動する蒸気タービンに送られる。
【００２５】
また、気水分離器１で分離された冷却水は、給水ノズル２８から供給される給水と圧力容器２５内で混合され、ダウンカマ２９に流れ込み、インターナルポンプ２６によって炉心２１へ再循環する。
【００２６】
個々の気水分離器１は、図１の構成を有する。即ち、図１に示した気水分離器１は、上下３段構成の遠心分離作用を利用した気水分離器である。その気水分離器１は、シュラウドヘッド２３上部に連通するようにシュラウドヘッド２３に固定されたスタンドパイプ１１、スタンドパイプ１１の上端に固定されてスタンドパイプ１１に連通接続されて流路面積の小さいスタンドパイプ１１と流路面積が大きい後述の内筒１４とを接続するディフューザ１２、ディフューザ１２内に固定されて蒸気と水の二相流に旋回力を付与するスワラー１３、ディフューザ１２の上端に固定されてディフューザ１２に連通接続された内筒１４、内筒１４の外周囲を隙間を持って囲うように配置された外筒１５、外筒の上端を塞ぐ板とその中央部に設けられた短管から成るピックオフリング１６、内筒と外筒との間の隙間に設定されて内筒１４内上端からの排水を下方に導く流路として用いられる排水流路１７、外筒とスタンドパイプ１１との間の隙間を持って排水流路の排水口として形成された排水流路出口１８、詳細には後述する液滴捕獲ガイド３が設けられて外筒１５に支持されている排水衝突部材２とにより構成される。図１では、気水分離器１の各段の同等機能部品に同一数字を符号として印して各段ごとの同等機能部品の識別のためにその数字に添えて記号ａ、ｂ、ｃを印して区別している。
【００２７】
第１段排水流路出口１８ａは第１段外筒１５ａの下端が下方に開口しており、気水分離器周りに形成される水面３０より下側に開口が存在している。第２段排水流路出口１８ｂ及び第３段排水流路出口１８ｃは、第２段外筒１５ｂ及び第３段外筒１５ｃの下端が水平方向に開口しており、気水分離器周りに形成される水面３０より上側に開口が存在している。
【００２８】
液滴捕獲ガイド３を設けた排水衝突部材２は、外筒１５の外側の、第２段排水流路出口１８ｂより上側から気水分離器周りに形成される水面３０より下側にかけて設けられる。
【００２９】
第１実施例による液滴捕獲ガイド３を設けた排水衝突部材２の構成が図２に示されている。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面である。複数の気水分離器１を格子状に配置し、第２段排水流路出口１８ｂが隣接する気水分離器１の外筒１５外側に固定して設けた排水衝突部材２に対面するように配置される。
【００３０】
図２（ｂ）は、排水衝突部材２の斜視図であり、排水衝突部材２の上端には、液滴捕獲ガイド３が設けられる。液滴捕獲ガイド３は断面がＬ字型若しくは、他の実施例では有るが、図３（ｂ）のようにコの字型であり、いずれも開口面が垂直下向きとなる下側に開放された形状を有する。
【００３１】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示した第１実施例による排水衝突部材２の変形例であり、図２（ｂ）と同様の下側に開放された形状を有するが、加えて排水衝突部材２の垂直面に排水案内溝４が設けられている。
【００３２】
次に、以上のような構成にした第１実施例による気水分離器１の作用を以下に説明する。スタンドパイプ１１から流入した気液二相流はスワラー１３により旋回力を与えられ、遠心分離作用により密度の大きい水が外側に押し出され、密度の小さい蒸気が中心に集まる。
【００３３】
外側に押し出された水は内筒１４とピックオフリング１６のギャップから内筒１４と外筒１５で形成された排水流路１７を通って排水流路出口１８から原子炉圧力容器内の冷却水である炉水に戻される。本実施例の気水分離器１は、このように液膜を排水する機構が３段設けてある。
【００３４】
このうちの第２段排水流路出口１８ｂから排出される排水は、第２段排水流路出口１８ｂに対面するように設けられた排水衝突部材２に衝突し、排水衝突部材２の垂直面上で液膜を形成し、流下することで気水分離器１周りの水面下に排出される。
【００３５】
第２排水流路出口１８ｂからの排水が、速度の大きい蒸気と共に気水分離器１周りに形成される炉水水面に衝突することが抑制され、気水分離器１周りでの液滴の発生が抑制される。
【００３６】
また、排水衝突部材２に排水案内溝４が設けられていると、排水衝突部材２に沿った排水が促進される。また、気水分離器１周りの液滴が上昇する蒸気により運ばれる際、排水衝突部材２の上端に設けられた液滴捕獲ガイド３によりその液滴が蒸気乾燥器２４へ排出されることを抑制できる。
【００３７】
以上のことから、蒸気クオリティが大きくなる（蒸気速度が大きくなる）ことがあっても気水分離器１周りからのキャリーオーバーが大きくならない。
【００３８】
図１及び図２には、第２段排水流路出口１８ｂに対面するように設けられた排水衝突部材２を記載しているが、排水流路出口１８が水平方向で気水分離器周りに形成される水面３０より上側に開口が存在している第３段以降において、排水流路出口に対面するように排水衝突部材２を設けることで同様の作用が得られる。
【実施例２】
【００３９】
第２実施例による気水分離器１は図３に示されている。この第２実施例においては、既述の第１実施例における液滴捕獲ガイド３を両面側に設けた排水衝突部材２で隣接する気水分離器１を連結している。その他の構成は第１実施例と同じである。
【００４０】
第２実施例では、排水衝突部材２を隣接し合う気水分離器１同士を連結する形態で配置することで、第１実施例とは異なり、排水衝突部材２を気水分離器群の連結支持構造として利用することで、気水分離器同士の連結具を新規に採用することなく気水分離器１の振動を抑えるようにした構造が提供できる。その他の作用は第１実施例と同じである。
【実施例３】
【００４１】
第３実施例による気水分離器１は図４に示されている。この第３実施例においては、既述の第１実施例におる液滴捕獲ガイド３が設けられる対象を、排水衝突部材２から隣接する気水分離器１の外筒１５外壁に置き換えたものである。
【００４２】
この第３実施例による気水分離器１の構造では、排水流路出口１８は隣接する気水分離器１の外筒１５外壁に対面するように配置され、その対面位置の上方にて、外筒１５外壁の部位に、図４（ｂ）のように、液滴捕獲ガイド３が設置される。液滴捕獲ガイド３は断面がＬ字型で、図４（ｂ）のように、開口面が垂直下向きとなる下側に開放された形状を有する。
【００４３】
この第３実施例では、隣接する気水分離器１の外筒１５外壁を排水衝突部材２′として兼用することで、排水が外筒１５外壁に衝突した際に微小液滴が発生して上昇気流に同伴される可能性があるが、液滴捕獲ガイド３で捕獲することにより蒸気乾燥器への排出を抑制できる。その他の作用は第１実施例と同じである。
【００４４】
以上に説明したように、本発明の各実施例では、気液二相流に旋回力を付与するスワラー１３、気液二相流が通過する内筒１４、内筒１４の外部を取り囲むようにして内筒１４の内壁面側に分離された液膜を外部へ排出するための排水流路１７を形成するための外筒１５、排水流路１７入口に設けたピックオフリング１６、内筒１４へ気液二相流を導くスタンドパイプ１１、流路面積の小さい前記スタンドパイプ１１と流路面積が大きい前記内筒１４を接続するディフューザ１２を備え、前記内筒１４と前記外筒１５と前記ピックオフリング１６で複数段の排水流路１７と排水流路出口１８を形成した気水分離器１であって、外筒１５の外側に、衝突面の法線方向が水平方向となる排水衝突部材２を設け、下から二段目の排水流路出口１８ｂの位置よりも高い排水衝突部材２又は外筒１５外壁（排水衝突部材２′）の部位に、断面がＬ字型若しくはコの字型で開口面が垂直下向きとなる液滴捕獲ガイド３を備えている。
【００４５】
また、第２実施例では、前記排水衝突部材２を隣接する気水分離器１の間に配置し、その排水衝突部材２にて隣接する気水分離器１同士を連結して気水分離器群の耐振動等の強度を増してある。
【００４６】
また、第１実施例や第２実施例において、さらに排水衝突部材２の排水が流下する面に排水案内溝４を幅広く蛇行させて設けた場合には、排水衝突部材２に付着した液滴を幅広く排水案内溝４に集めて集約し迅速に炉水中に戻せる。
【００４７】
また、いずれの実施例でも排水衝突部材２の下端が、外筒１５の外部空間に形成される炉水の水面より下側にあるので、排水衝突部材２の面に接して流下する排水がその水面に直接落下するのに比較して衝撃少なく入水するので微細液滴の泡沫が水面上の上部空間に飛散して上昇気流に同伴されることが少ない。
【００４８】
いずれの実施例でも、隣接する気水分離器１に設けた排水衝突部材２或いは、その排水衝突部材２に代えて兼用する外筒１５外壁（排水衝突部材２′）に対面するように排水流路出口１８を配置して、複数の気水分離器１を三角格子状に配置を周到している。
【００４９】
いずれの実施例も、液滴捕獲ガイド３は気水分離器１の外筒１５の外側全周囲を覆うように配置するのではなく、気水分離器１の外筒１５の外側空間を上昇する蒸気等の流体の通気抵抗を抑制するために、図２、図３、図４のように、気水分離器１の外周に存在する空間の一部分に限定して配置され、衝突した排水等による微細液滴の上昇気流による蒸気乾燥器２４側への同伴を液滴捕獲ガイド３で抑制しながらも、気水分離器１の外周に存在する空間の通気抵抗の大幅な増加を抑制した。
【００５０】
以上に述べたように、気水分離器からの排水の衝突面の法線方向が水平方向となる衝突部材を設け、衝突部材の上端に、衝突面に垂直かつ鉛直方向に平行な断面がＬ字型若しくはコの字型で開口面が垂直下向きとなる液滴捕獲ガイドを、気水分離器外周空間の一部分に限定して配置することで、気水分離器からの排水を排水衝突部材に沿って気水分離器周りに形成される水面下に排出することにより、気水分離器周りでの液滴の発生を抑制し、かつ、排水衝突部材の上端に設けた液滴捕獲ガイドにより液滴が蒸気乾燥器へ排出されることを抑制できるため、高蒸気クオリティにおいても気水分離器周りからのキャリーオーバーが大きくならない。また、気水分離器周りの流路の一部にのみ排水衝突部材や液滴捕獲ガイドの新規構造物を設けることにより、その流路の圧力損失の増加を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内に装備される気水分離器に利用可能性がある。
【符号の説明】
【００５２】
１ 気水分離器
２ 排水衝突部材
２′ 排水衝突部材を兼ねる外筒
３ 液滴捕獲ガイド
４ 排水案内溝
１１ スタンドパイプ
１２ ディフューザ
１３ スワラー
１４ 内筒
１５ 外筒
１６ ピックオフリング
１７ 排水流路
１８ 排水流路出口
２１ 炉心
２２ シュラウド
２３ シュラウドヘッド
２４ 蒸気乾燥器
２５ 圧力容器
２６ インターナルポンプ
２７ 主蒸気配管
２８ 給水ノズル
２９ ダウンカマ
３０ 水面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉で発生した蒸気を冷却水から分離するための気水分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントでは、発電機を駆動する蒸気タービンへ原子炉圧力容器内で発生させた高温高圧な蒸気を供給して発電機の駆動蒸気として用いている。
【０００３】
その蒸気の供給を受ける蒸気タービンのタービン翼部分がエロ−ジョンやコロージョンを発生することを抑制するために、原子炉圧力容器内で発生した蒸気は原子炉圧力容器内の複数の気水分離器による気水分離設備で原子炉圧力容器内の冷却水から蒸気を分離して蒸気中の液滴を除去し、その後に同じく原子炉圧力容器内の蒸気乾燥器に通して蒸気に同伴されてくる液滴を蒸気タービン側が求める一定値以下に除去して乾燥蒸気を作る。
【０００４】
その気水分離器と蒸気乾燥器は、原子炉圧力容器内に装備され、上述のように２段階で蒸気から液滴を除去する作用を行って、乾燥蒸気を作り、その乾燥蒸気が先に述べた蒸気タービンへ発電機の駆動蒸気として供給されて消費される。このような仕組みの原子炉は、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという）や改良型沸騰水型原子炉（以下、ＡＢＷＲという）として知られている。
【０００５】
従来の気水分離器は、内筒と外筒との間に排水流路を備えた構造物を上下多段に有し、上下多段間で内筒内と排水流路をピックオフリングを介して連通した構造と、その内筒内の流体に遠心力を与える旋回羽根とを備えて、気水分離部が上下多段に構成された遠心分離機構を備えている（例えば、特許文献１参照。）。これにより内筒内で蒸気と冷却水とが多段階にわたって遠心分離され、分離後の冷却水は排水流路から排水として下方の冷却水中に戻される。一方、分離された蒸気は蒸気乾燥器内に流入してさらに液滴を除去する処理を受けて蒸気タービン側へ供給される。
【０００６】
気水分離器の性能の指標の一つに、キャリーオーバーがある。キャリーオーバーは気水分離器から蒸気乾燥器へ液滴として排出される冷却水の蒸気に対する重量比を表わす。キャリーオーバーには、気水分離器内部で気液分離が不十分なため冷却水の一部が液滴状になって蒸気に混入したまま気水分離器から蒸気乾燥器へ排出される気水分離器内部からのキャリーオーバーと、気水分離器周りの水面に気水分離器から排出された排水及び蒸気が衝突することによって発生する液滴が、上昇蒸気によって蒸気乾燥器へ排出される気水分離器周りからのキャリーオーバーとがある。
【０００７】
これらキャリーオーバーが大きければそれだけ湿った蒸気が蒸気乾燥器へ排出されることになり、蒸気乾燥器で液滴が充分に除去されなかった場合には、タービン翼を損傷する恐れがあるので、キャリーオーバーについては蒸気タービンの信頼性を確保するために設計限界値が設けられており、その設計限界値の要求値に対して、既存の原子炉の気水分離器は余裕がある。
【０００８】
気水分離器周りからのキャリーオーバーを極力抑制する手段として、気水分離器周りの流路を覆う液滴捕獲リングを設けた構造（例えば、特許文献２参照。）や、気水分離器を構成している貫通孔を設けた内筒と外筒の間にデミスターを充填した構造（例えば、特許文献３参照。）が公知である。
【０００９】
また、気液分離手段として、気水分離器同士を繋ぐ振動防止板や対面する気水分離器の外壁への衝突を利用して、蒸気から液滴を除去することが公知である（例えば、特許文献４参照。）。
【００１０】
さらに、気水分離器の第二段目の分離領域からの排水口を、気水分離器の外筒を取り囲む配管で覆い、且つ配管の上端を閉鎖した構成により、配管の下端から原子炉内の冷却水中に気水分離器の排水が誘導されることが公知である（例えば、特許文献５参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−１９７６７８号公報
【特許文献２】特開平８−１７９０７７号公報
【特許文献３】特開２００４−２４５６５６号公報
【特許文献４】特開２０００−１５３１１８号公報
【特許文献５】特開２０００−１９９７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
今後、国内で予定されている既設の沸騰水型原子炉の出力向上や米国で建設が予定されている高経済性単純化沸騰水型原子炉（以下、ＥＳＢＷＲという）、及びＡＢＷＲよりさらに出力を増大した次世代原子炉（以下、次世代ＢＷＲという）においては、現行ＡＢＷＲよりも気水分離器入口での蒸気クオリティ（全質量流量に対する蒸気質量流量の割合）が大きくなる。
【００１３】
蒸気クオリティが大きくなる（蒸気速度が大きくなる）と気水分離器の第２段、第３段の排水流路から排出された排水及び蒸気が、気水分離器周りの水面に衝突することによって発生する液滴の量が増加し、その液滴が上昇蒸気によって蒸気乾燥器へ排出されるために、気水分離器周りからのキャリーオーバーが増加する。
【００１４】
気水分離器周りからのキャリーオーバーを防ぐために気水分離器周りの流路を完全に覆う液滴捕獲リングを設けると、気水分離器周りの流路における圧力損失が増加する。また、気水分離器を構成している内筒と外筒に貫通孔を設け、その間にデミスターを充填した気水分離器においても、気液二相流がデミスター部を通過するため圧力損失が増加する。
【００１５】
また、気液分離促進のために、気水分離器内部からの液滴を含む蒸気を対面する気水分離器の外壁に衝突させると、気水分離器周りにおいて径が小さい液滴を発生させる可能性がある。径が小さい液滴は蒸気の上昇速度が小さくても蒸気乾燥器へ排出されるため、気水分離器周りからのキャリーオーバーが増加する恐れがある。
【００１６】
気水分離器の排水口を配管で覆う構成により排水を強制的に下方の冷却水側に誘導する構成では、第二段目の排水口から排出される蒸気が上部空間へ抜けることができずに再循環水中に含まれてしまうことが懸念される。再循環水中に含まれる蒸気の量が増えると、ＢＷＲやＡＢＷＲでは再循環水を循環させるジェットポンプあるいはインターナルポンプのポンプ性能を低下させる恐れがある。
【００１７】
本発明の目的は、圧力損失の増加を極力抑え、高蒸気クオリティにおいても低キャリーオーバーを実現できる気水分離設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の課題の解決手段は、原子炉圧力容器内に並列配置した複数個の気水分離器で、その原子炉圧力容器内で蒸気を冷却水から分離する気水分離設備において、その気水分離器の外周に存在する空間の一部分に限定して配置され、下側に開放された形状の液滴捕獲ガイドを有する構成の気水分離設備である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の気水分離設備によれば、圧力損失の増加を極力抑え、気水分離器周りからのキャリーオーバーを低く維持することができ、沸騰水型原子炉を採用したプラントの信頼性向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の液滴捕獲ガイド付排水衝突部材を設けた気水分離器群の縦断面図である。
【図２】本発明の実施例１による液滴捕獲ガイド付排水衝突部材の構造と気水分離器群への配置を示した説明図である。
【図３】本発明の実施例２による液滴捕獲ガイド付排水衝突部材の構造と気水分離器群への配置を示した説明図である。
【図４】本発明の実施例３による液滴捕獲ガイドの構造と気水分離器群への配置を示した説明図である。
【図５】本発明の気水分離器が採用される改良型沸騰水型原子炉の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【実施例１】
【００２２】
本発明の各実施例を適用する対象のＡＢＷＲの構成を、図５により説明する。図５に示すように、ＡＢＷＲは、熱を発生する炉心２１、炉心２１を取り囲むシュラウド２２およびシュラウドヘッド２３、シュラウドヘッド２３に取り付けられて並列に配置された複数の気水分離器１、その上方にある蒸気乾燥器２４、圧力容器２５内の冷却水を循環させるインターナルポンプ２６を備えている。
【００２３】
インターナルポンプ２６によって炉心２１に送り込まれた冷却水は、炉心２１で加熱されて沸騰し、蒸気と水の気液二相流となる。この気液二相流は、圧力容器２５内の気水分離器１で蒸気と水に分離される。
【００２４】
分離された蒸気には湿分が多く含まれた湿り蒸気となっているので、圧力容器２５内の蒸気乾燥器２４で湿分がさらに取り除かれて乾燥蒸気とされ、クオリティを増した蒸気は、主蒸気配管２７を通って図示しない発電機を駆動する蒸気タービンに送られる。
【００２５】
また、気水分離器１で分離された冷却水は、給水ノズル２８から供給される給水と圧力容器２５内で混合され、ダウンカマ２９に流れ込み、インターナルポンプ２６によって炉心２１へ再循環する。
【００２６】
個々の気水分離器１は、図１の構成を有する。即ち、図１に示した気水分離器１は、上下３段構成の遠心分離作用を利用した気水分離器である。その気水分離器１は、シュラウドヘッド２３上部に連通するようにシュラウドヘッド２３に固定されたスタンドパイプ１１、スタンドパイプ１１の上端に固定されてスタンドパイプ１１に連通接続されて流路面積の小さいスタンドパイプ１１と流路面積が大きい後述の内筒１４とを接続するディフューザ１２、ディフューザ１２内に固定されて蒸気と水の二相流に旋回力を付与するスワラー１３、ディフューザ１２の上端に固定されてディフューザ１２に連通接続された内筒１４、内筒１４の外周囲を隙間を持って囲うように配置された外筒１５、外筒の上端を塞ぐ板とその中央部に設けられた短管から成るピックオフリング１６、内筒と外筒との間の隙間に設定されて内筒１４内上端からの排水を下方に導く流路として用いられる排水流路１７、外筒とスタンドパイプ１１との間の隙間を持って排水流路の排水口として形成された排水流路出口１８、詳細には後述する液滴捕獲ガイド３が設けられて外筒１５に支持されている排水衝突部材２とにより構成される。図１では、気水分離器１の各段の同等機能部品に同一数字を符号として印して各段ごとの同等機能部品の識別のためにその数字に添えて記号ａ、ｂ、ｃを印して区別している。
【００２７】
第１段排水流路出口１８ａは第１段外筒１５ａの下端が下方に開口しており、気水分離器周りに形成される水面３０より下側に開口が存在している。第２段排水流路出口１８ｂ及び第３段排水流路出口１８ｃは、第２段外筒１５ｂ及び第３段外筒１５ｃの下端が水平方向に開口しており、気水分離器周りに形成される水面３０より上側に開口が存在している。
【００２８】
液滴捕獲ガイド３を設けた排水衝突部材２は、外筒１５の外側の、第２段排水流路出口１８ｂより上側から気水分離器周りに形成される水面３０より下側にかけて設けられる。
【００２９】
第１実施例による液滴捕獲ガイド３を設けた排水衝突部材２の構成が図２に示されている。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ断面である。複数の気水分離器１を格子状に配置し、第２段排水流路出口１８ｂが隣接する気水分離器１の外筒１５外側に固定して設けた排水衝突部材２に対面するように配置される。
【００３０】
図２（ｂ）は、排水衝突部材２の斜視図であり、排水衝突部材２の上端には、液滴捕獲ガイド３が設けられる。液滴捕獲ガイド３は断面がＬ字型若しくは、他の実施例では有るが、図３（ｂ）のようにコの字型であり、いずれも開口面が垂直下向きとなる下側に開放された形状を有する。
【００３１】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示した第１実施例による排水衝突部材２の変形例であり、図２（ｂ）と同様の下側に開放された形状を有するが、加えて排水衝突部材２の垂直面に排水案内溝４が設けられている。
【００３２】
次に、以上のような構成にした第１実施例による気水分離器１の作用を以下に説明する。スタンドパイプ１１から流入した気液二相流はスワラー１３により旋回力を与えられ、遠心分離作用により密度の大きい水が外側に押し出され、密度の小さい蒸気が中心に集まる。
【００３３】
外側に押し出された水は内筒１４とピックオフリング１６のギャップから内筒１４と外筒１５で形成された排水流路１７を通って排水流路出口１８から原子炉圧力容器内の冷却水である炉水に戻される。本実施例の気水分離器１は、このように液膜を排水する機構が３段設けてある。
【００３４】
このうちの第２段排水流路出口１８ｂから排出される排水は、第２段排水流路出口１８ｂに対面するように設けられた排水衝突部材２に衝突し、排水衝突部材２の垂直面上で液膜を形成し、流下することで気水分離器１周りの水面下に排出される。
【００３５】
第２排水流路出口１８ｂからの排水が、速度の大きい蒸気と共に気水分離器１周りに形成される炉水水面に衝突することが抑制され、気水分離器１周りでの液滴の発生が抑制される。
【００３６】
また、排水衝突部材２に排水案内溝４が設けられていると、排水衝突部材２に沿った排水が促進される。また、気水分離器１周りの液滴が上昇する蒸気により運ばれる際、排水衝突部材２の上端に設けられた液滴捕獲ガイド３によりその液滴が蒸気乾燥器２４へ排出されることを抑制できる。
【００３７】
以上のことから、蒸気クオリティが大きくなる（蒸気速度が大きくなる）ことがあっても気水分離器１周りからのキャリーオーバーが大きくならない。
【００３８】
図１及び図２には、第２段排水流路出口１８ｂに対面するように設けられた排水衝突部材２を記載しているが、排水流路出口１８が水平方向で気水分離器周りに形成される水面３０より上側に開口が存在している第３段以降において、排水流路出口に対面するように排水衝突部材２を設けることで同様の作用が得られる。
【実施例２】
【００３９】
第２実施例による気水分離器１は図３に示されている。この第２実施例においては、既述の第１実施例における液滴捕獲ガイド３を両面側に設けた排水衝突部材２で隣接する気水分離器１を連結している。その他の構成は第１実施例と同じである。
【００４０】
第２実施例では、排水衝突部材２を隣接し合う気水分離器１同士を連結する形態で配置することで、第１実施例とは異なり、排水衝突部材２を気水分離器群の連結支持構造として利用することで、気水分離器同士の連結具を新規に採用することなく気水分離器１の振動を抑えるようにした構造が提供できる。その他の作用は第１実施例と同じである。
【実施例３】
【００４１】
第３実施例による気水分離器１は図４に示されている。この第３実施例においては、既述の第１実施例におる液滴捕獲ガイド３が設けられる対象を、排水衝突部材２から隣接する気水分離器１の外筒１５外壁に置き換えたものである。
【００４２】
この第３実施例による気水分離器１の構造では、排水流路出口１８は隣接する気水分離器１の外筒１５外壁に対面するように配置され、その対面位置の上方にて、外筒１５外壁の部位に、図４（ｂ）のように、液滴捕獲ガイド３が設置される。液滴捕獲ガイド３は断面がＬ字型で、図４（ｂ）のように、開口面が垂直下向きとなる下側に開放された形状を有する。
【００４３】
この第３実施例では、隣接する気水分離器１の外筒１５外壁を排水衝突部材２′として兼用することで、排水が外筒１５外壁に衝突した際に微小液滴が発生して上昇気流に同伴される可能性があるが、液滴捕獲ガイド３で捕獲することにより蒸気乾燥器への排出を抑制できる。その他の作用は第１実施例と同じである。
【００４４】
以上に説明したように、本発明の各実施例では、気液二相流に旋回力を付与するスワラー１３、気液二相流が通過する内筒１４、内筒１４の外部を取り囲むようにして内筒１４の内壁面側に分離された液膜を外部へ排出するための排水流路１７を形成するための外筒１５、排水流路１７入口に設けたピックオフリング１６、内筒１４へ気液二相流を導くスタンドパイプ１１、流路面積の小さい前記スタンドパイプ１１と流路面積が大きい前記内筒１４を接続するディフューザ１２を備え、前記内筒１４と前記外筒１５と前記ピックオフリング１６で複数段の排水流路１７と排水流路出口１８を形成した気水分離器１であって、外筒１５の外側に、衝突面の法線方向が水平方向となる排水衝突部材２を設け、下から二段目の排水流路出口１８ｂの位置よりも高い排水衝突部材２又は外筒１５外壁（排水衝突部材２′）の部位に、断面がＬ字型若しくはコの字型で開口面が垂直下向きとなる液滴捕獲ガイド３を備えている。
【００４５】
また、第２実施例では、前記排水衝突部材２を隣接する気水分離器１の間に配置し、その排水衝突部材２にて隣接する気水分離器１同士を連結して気水分離器群の耐振動等の強度を増してある。
【００４６】
また、第１実施例や第２実施例において、さらに排水衝突部材２の排水が流下する面に排水案内溝４を幅広く蛇行させて設けた場合には、排水衝突部材２に付着した液滴を幅広く排水案内溝４に集めて集約し迅速に炉水中に戻せる。
【００４７】
また、いずれの実施例でも排水衝突部材２の下端が、外筒１５の外部空間に形成される炉水の水面より下側にあるので、排水衝突部材２の面に接して流下する排水がその水面に直接落下するのに比較して衝撃少なく入水するので微細液滴の泡沫が水面上の上部空間に飛散して上昇気流に同伴されることが少ない。
【００４８】
いずれの実施例でも、隣接する気水分離器１に設けた排水衝突部材２或いは、その排水衝突部材２に代えて兼用する外筒１５外壁（排水衝突部材２′）に対面するように排水流路出口１８を配置して、複数の気水分離器１を三角格子状に配置を周到している。
【００４９】
いずれの実施例も、液滴捕獲ガイド３は気水分離器１の外筒１５の外側全周囲を覆うように配置するのではなく、気水分離器１の外筒１５の外側空間を上昇する蒸気等の流体の通気抵抗を抑制するために、図２、図３、図４のように、気水分離器１の外周に存在する空間の一部分に限定して配置され、衝突した排水等による微細液滴の上昇気流による蒸気乾燥器２４側への同伴を液滴捕獲ガイド３で抑制しながらも、気水分離器１の外周に存在する空間の通気抵抗の大幅な増加を抑制した。
【００５０】
以上に述べたように、気水分離器からの排水の衝突面の法線方向が水平方向となる衝突部材を設け、衝突部材の上端に、衝突面に垂直かつ鉛直方向に平行な断面がＬ字型若しくはコの字型で開口面が垂直下向きとなる液滴捕獲ガイドを、気水分離器外周空間の一部分に限定して配置することで、気水分離器からの排水を排水衝突部材に沿って気水分離器周りに形成される水面下に排出することにより、気水分離器周りでの液滴の発生を抑制し、かつ、排水衝突部材の上端に設けた液滴捕獲ガイドにより液滴が蒸気乾燥器へ排出されることを抑制できるため、高蒸気クオリティにおいても気水分離器周りからのキャリーオーバーが大きくならない。また、気水分離器周りの流路の一部にのみ排水衝突部材や液滴捕獲ガイドの新規構造物を設けることにより、その流路の圧力損失の増加を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内に装備される気水分離器に利用可能性がある。
【符号の説明】
【００５２】
１ 気水分離器
２ 排水衝突部材
２′ 排水衝突部材を兼ねる外筒
３ 液滴捕獲ガイド
４ 排水案内溝
１１ スタンドパイプ
１２ ディフューザ
１３ スワラー
１４ 内筒
１５ 外筒
１６ ピックオフリング
１７ 排水流路
１８ 排水流路出口
２１ 炉心
２２ シュラウド
２３ シュラウドヘッド
２４ 蒸気乾燥器
２５ 圧力容器
２６ インターナルポンプ
２７ 主蒸気配管
２８ 給水ノズル
２９ ダウンカマ
３０ 水面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器内に並列配置した複数個の気水分離器で、前記原子炉圧力容器内の蒸気を前記原子炉圧力容器内の冷却水から分離する気水分離設備において、
前記気水分離器の外周に存在する空間に、前記外周の空間の一部分に限定して配置され、下側に開放された形状の液滴捕獲ガイドを有することを特徴とした気水分離設備。
【請求項２】
前記１項において、前記液滴捕獲ガイドは、前記気水分離器の外側に水平放射状方向へ配置してあることを特徴とした気水分離設備。
【請求項３】
前記２項において、前記気水分離器に板面を隣接する他の前記気水分離器側に向けて排水衝突部材を備え、
前記排水衝突部材に前記液滴捕獲ガイドを備え、
前記排水衝突部材の下部が、前記冷却水の水面下となる位置に成るように下方へ延長されていることを特徴とした気水分離設備。
【請求項４】
前記３項において、前記放射状方向へ前記排水衝突部材の板面と前記液滴捕獲ガイドが延長されて配置されていることを特徴とした気水分離設備。
【請求項５】
前記４項において、隣接し合う前記気水分離器同士を前記排水衝突部材で連結してあることを特徴とした気水分離設備。
【請求項６】
前記３項から５項のいずれか一項において、前記排水衝突部材は、前記排水衝突部材に排水案内溝を備えることを特徴とした気水分離設備。
【請求項７】
前記３項から６項のいずれか一項において、前記気水分離器を三角格子状に配置し、隣接し合う前記気水分離器の一方に設けた前記排水衝突部材に向けて、隣接し合う他方の前記気水分離器の排水流路出口からの排水が排出されるように、前記他方の前記気水分離器の排水流路出口が配置されていることを特徴とした気水分離器。
【請求項８】
前記１項又は２項において、前記液滴捕獲ガイドが、前記気水分離器の外筒の外壁に設置されていることを特徴とした気水分離設備。
【請求項９】
前記８項において、前記気水分離器を三角格子状に配置し、前記外壁の方向へ、隣接する他の前記気水分離器の排水流路出口からの排水が排出されるように、前記排水流路出口が配置されていることを特徴とした気水分離器。
【請求項１】
原子炉圧力容器内に並列配置した複数個の気水分離器で、前記原子炉圧力容器内の蒸気を前記原子炉圧力容器内の冷却水から分離する気水分離設備において、
前記気水分離器の外周に存在する空間に、前記外周の空間の一部分に限定して配置され、下側に開放された形状の液滴捕獲ガイドを有することを特徴とした気水分離設備。
【請求項２】
前記１項において、前記液滴捕獲ガイドは、前記気水分離器の外側に水平放射状方向へ配置してあることを特徴とした気水分離設備。
【請求項３】
前記２項において、前記気水分離器に板面を隣接する他の前記気水分離器側に向けて排水衝突部材を備え、
前記排水衝突部材に前記液滴捕獲ガイドを備え、
前記排水衝突部材の下部が、前記冷却水の水面下となる位置に成るように下方へ延長されていることを特徴とした気水分離設備。
【請求項４】
前記３項において、前記放射状方向へ前記排水衝突部材の板面と前記液滴捕獲ガイドが延長されて配置されていることを特徴とした気水分離設備。
【請求項５】
前記４項において、隣接し合う前記気水分離器同士を前記排水衝突部材で連結してあることを特徴とした気水分離設備。
【請求項６】
前記３項から５項のいずれか一項において、前記排水衝突部材は、前記排水衝突部材に排水案内溝を備えることを特徴とした気水分離設備。
【請求項７】
前記３項から６項のいずれか一項において、前記気水分離器を三角格子状に配置し、隣接し合う前記気水分離器の一方に設けた前記排水衝突部材に向けて、隣接し合う他方の前記気水分離器の排水流路出口からの排水が排出されるように、前記他方の前記気水分離器の排水流路出口が配置されていることを特徴とした気水分離器。
【請求項８】
前記１項又は２項において、前記液滴捕獲ガイドが、前記気水分離器の外筒の外壁に設置されていることを特徴とした気水分離設備。
【請求項９】
前記８項において、前記気水分離器を三角格子状に配置し、前記外壁の方向へ、隣接する他の前記気水分離器の排水流路出口からの排水が排出されるように、前記排水流路出口が配置されていることを特徴とした気水分離器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１９１０８０（Ｐ２０１１−１９１０８０Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５５２３１（Ｐ２０１０−５５２３１）
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【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２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【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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