気水分離器及びそれを備えた沸騰水型原子炉
【課題】
キャリーアンダを増加させずに圧力損失とキャリーオーバを増加させる液膜量が低減できること。
【解決手段】
本発明は、下方から上方に向かう気液二相流Ｗの流路を形成する筒状体の軸中心に設けられたハブ２、及びハブ２を中心にして筒状体に向けて放射状に取り付けられた複数の旋回羽根３を含み、旋回羽根３の径方向に内側縁がハブ２に固定されており、筒状体の内壁に旋回羽根３の径方向に外側縁が固定されているスワラを備える気水分離器５４において、旋回羽根表面１３とディフューザ９の内壁面との交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒の内壁面との交線を開口部に含む穴又はスリット１１を設けたことを特徴とする。
キャリーアンダを増加させずに圧力損失とキャリーオーバを増加させる液膜量が低減できること。
【解決手段】
本発明は、下方から上方に向かう気液二相流Ｗの流路を形成する筒状体の軸中心に設けられたハブ２、及びハブ２を中心にして筒状体に向けて放射状に取り付けられた複数の旋回羽根３を含み、旋回羽根３の径方向に内側縁がハブ２に固定されており、筒状体の内壁に旋回羽根３の径方向に外側縁が固定されているスワラを備える気水分離器５４において、旋回羽根表面１３とディフューザ９の内壁面との交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒の内壁面との交線を開口部に含む穴又はスリット１１を設けたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は気水分離器及びそれを備えた沸騰水型原子炉に係り、特に、水と炉心で発生した蒸気を分離するために、炉心上部に配置されているものに好適な気水分離器及びそれを備えた沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な沸騰水型原子炉には、水と炉心で発生した蒸気を分離するために、炉心上部に気水分離器が設置されている。この気水分離器内では、旋回羽根とハブから構成されるスワラによって水と蒸気の気液二相流に旋回速度が与えられ、遠心力により気液密度差を利用して水と蒸気が分離される。
【０００３】
分離された水は、気水分離器の下方から排水されてダウンカマに戻り、再循環ポンプにより再び炉心へ送られる。一方、分離された蒸気は、蒸気乾燥器を通して更に湿分が取り除かれた後、タービンへ送られる。つまり、炉心で発生させた蒸気から極力湿分を取り除くことにより、発電効率を向上させている。
【０００４】
ところで、気水分離器の性能は、内部を通る気液二相流の圧力損失と蒸気中に含まれる水分を取り除く気水分離効率で表される。この気水分離効率は、気水分離器を通過した後の蒸気中に含まれる水分の重量比で表されるキャリーオーバ、及び蒸気から分離した水分中に含まれる蒸気量の重量比として表されるキャリーアンダで評価される。
【０００５】
図１及び図２は、気水分離器を構成するスワラ部分とその周辺を拡大して示したものである。
【０００６】
図１及び図２において、ハブ２の周囲には、旋回羽根３が複数枚設置されてスワラ８０を形成している。このスワラ８０は、テーパ状の拡大管、即ちスタンドパイプ１の上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積が拡大する拡大管であるディフューザ９の内壁面に固定されている。そして、下方に位置する炉心からの水と蒸気の気液二相流Ｗは、スタンドパイプ１から進入してスワラ８０に到達すると、旋回羽根３により周方向に旋回速度を与えられ、旋回流となった気液二相流Ｗは、水と蒸気の密度差により遠心分離される。蒸気に比べ密度の大きい水は、第一段内筒４内を径方向に移動し第一段内筒４の内壁面に液膜３０を形成する。
【０００７】
液膜３０は、第一段内筒４の内壁面上を旋回しながら上昇し、その大部分は第一段ピックオフリング６と第一段環状板７によって第一段排水流路１２に導かれ、分離された水として気水分離器５４の下方から排水されてダウンカマ（図示せず）に戻る。
【０００８】
この現象において、液膜３０の量が多い場合、液膜３０が第一段内筒４の内壁面上から第一ピックオフリング６、第一段環状板７を通り第一段排水流路１２の長い距離を移動することに起因する圧力損失が大きい。更に、第一段内筒４の内壁上の液膜３０から離脱する液滴３１の量も増加することでキャリーオーバが増加し、気水分離性能を悪化させてしまうことになる。
【０００９】
従って、第一段内筒４の内壁上の液膜３０量を減少させれば、気水分離器５４の圧力損失とキャリーオーバの両者を改善させることができる。
【００１０】
この第一段内筒の内壁面上の液膜量を減少させる手段として、第一段内筒にスリットを設け、このスリットに液膜をフローディバイダで案内することが、特許文献１に記載されている。
【００１１】
図３に、特許文献１に記載されている第一段内筒にスリットを設けた気水分離器５４を示す。該図に示す如く、特許文献１に記載されている気水分離器５４は、第一段内筒４の途中に軸方向に延びるスリット１０が、周方向に所定間隔をもって複数個設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平４−３１５９９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に記載されている気水分離器５４では、第一段内筒４の内壁面に形成された液膜３０は、スリット１０によって第一段内筒４外に排出されるが、液膜３０の厚さは一般的に薄いため、液膜３０と同時に蒸気も経路３４のように第一段内筒４外の第一段排水流路１２に排出されてしまう可能性が高いため、気水分離器の圧力損失とキャリーオーバを増加させる液膜量を低減させると、キャリーアンダが増加する可能性が高いという問題があった。
【００１４】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、キャリーアンダを増加させずに圧力損失とキャリーオーバを増加させる液膜量を低減できる気水分離器及びこれを備えた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】
【００１５】
本発明の気水分離器は、上記目的を達成するために、気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、該スタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、該ディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒と、該第一段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第一段外筒と、該第一段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第一段内筒よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板と、該第一段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒への流路として形成する第一段ピックオフリングとを少なくとも備え、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及び該ハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、前記旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、前記ディフューザの内壁又は前記第一段内筒の内壁に前記旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備えた気水分離器において、前記旋回羽根の表面と前記ディフューザの内壁面の交線を開口部に含む前記ディフューザ内壁面上に、穴又はスリットを設けるか、
又は前記旋回羽根の表面と前記第一段内筒の内壁面の交線を開口部に含む前記第一段内筒の内壁面上に、穴又はスリットを設けるか、
若しくは前記旋回羽根の前記ディフューザの内壁面と対向する端面の気液二層流が当接する側の辺を開口部に含む前記ディフューザの内壁面上に、穴又はスリットを設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の沸騰水型原子炉は、上記目的を達成するために、原子炉圧力容器と、該原子炉圧力容器内に設けられ、複数の燃料集合体が装荷された炉心と、該炉心が配置されるシュラウドと、前記原子炉圧力容器内の前記炉心の上方に複数並列に配置され、前記炉心で発生した蒸気と水の気水混合流を蒸気と水に分離する気水分離器と、該気水分離器の上方に位置し、該気水分離器で分離された湿り蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器と、該蒸気乾燥器で乾燥された蒸気をタービンに供給する主蒸気配管と、前記原子炉圧力容器とシュラウド間に形成され、前記気水分離器で分離された水が循環するダウンカマと、該ダウンカマの下方に配置され、該ダウンカマ内の水を前記炉心に供給するインターナルポンプとを備えた沸騰水型原子炉において、前記気水分離器は、上記した構成の気水分離器であることを特徴とする。
【００１７】
上記のようにすることによって、キャリーアンダ増加の原因となる第一段排水流路への蒸気の混入を防ぎながら、圧力損失とキャリーオーバ増加の原因となる第一段内筒の内壁面上の液膜量を低減させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、キャリーアンダを増加させずに圧力損失とキャリーオーバを増加させる液膜量を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の気水分離器を示し、スワラ部分とその周辺を拡大して示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。
【図３】特許文献１に記載されている気水分離器を示し、スワラ部分とその周辺を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の気水分離器が適用される沸騰水型原子炉の概略構造を示す縦断面図である。
【図５】従来の気水分離器を示す縦断面図である。
【図６】本発明の気水分離器の一実施例を示し、スワラ部分とその周辺を拡大して示す断面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ´線に沿う断面図である。
【図８】本発明の気水分離器の一実施例における液膜の厚さとディフューザ内壁面との関係を示す特性図である。
【図９】図５のＣ−Ｃ´線に沿う断面図である。
【図１０】本発明の気水分離器の一実施例における要点を説明するためのスワラ部分とその周辺を拡大して示す断面斜視図である。
【図１１】本発明の気水分離器の一実施例を、本発明に該当しない場合と比較して説明するためのスワラ部とその周辺の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図示した実施例に基づいて、本発明の気水分離器について説明する。尚、符号は、従来と同一のものについては同符号を使用する。
【実施例１】
【００２１】
先ず、本実施例の気水分離器を説明する前に、この気水分離器が適用される沸騰水型原子炉の概略の構造について、図４を用いて説明する。
【００２２】
図４は、改良型沸騰水型原子炉（以下、ＡＢＷＲという）を示すものである。
【００２３】
該図に示す如く、ＡＢＷＲは、原子炉圧力容器５１を有し、この原子炉圧力容器５１の内部に炉心シュラウド５０が設置され、複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心５３が炉心シュラウド５０内に配置されている。また、原子炉圧力容器５１内の炉心５３の上方には、炉心５３で発生した蒸気と水の気水混合流を蒸気と水に分離する気水分離器５４が複数並列に配置され、この気水分離器５４の上方には、気水分離器５４で分離された湿り蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器５５が配置されている。
【００２４】
更に、原子炉圧力容器５１と炉心シュラウド５０の間に形成される環状のダウンカマ５２の下方には、炉心５３に水を供給するためのインターナルポンプ５７（再循環ポンプ）が配置されており、このインターナルポンプ５７を運転することにより、ダウンカマ５２にある冷却水が炉心へ供給される。
【００２５】
一方、炉心５３では、核分裂により発生した熱で冷却水が沸騰し、蒸気と水の二相流状態となる。炉心５３で発生した気液二相流は気水分離器５４に流入し、気水分離器５４内にあるスワラにより旋回速度が与えられ、この旋回速度により二相流に遠心力が作用し、水と蒸気の密度差により水と蒸気が分離される。気水分離器５４を通過した二相流は、蒸気乾燥器５５に流入し、更に湿分が取り除かれる。
【００２６】
このようにして、湿分０．１重量パーセント以下に抑えた蒸気を、主蒸気配管５６を通してタービン（図示せず）に送り発電を行っている。
【００２７】
図５を用いて気水分離器５４の構成について詳しく説明する。
【００２８】
図５に示す如く、気水分離器５４は、気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプ１と、このスタンドパイプ１の上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザ９と、このディフューザ９の上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒４と、この第一段内筒４を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第一段排出流路１２を形成する第一段外筒５と、この第一段外筒５の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、第一段内筒４よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板７と、第一段環状板７の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒８への流路として形成する第一段ピックオフリング６と、第一段環状板７上に設置され流路を形成する第二段内筒８と、第二段内筒８を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第二段排出流路７６を形成する第二段外筒７０と、第二段外筒７０の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第二段内筒８よりも小径の円形孔を形成した第二段環状板７１と、第二段環状板７１の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第三段内筒７２への流路として形成する第二段ピックオフリング７９と、第二段環状板７１上に設置され流路を形成する前記第三段内筒７２と、第三段内筒７２を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第三段排出流路７７を形成する第三段外筒７４と、第三段外筒７４の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第三段内筒７２よりも小径の円形孔を形成した第三段環状板７５と、第三段環状板７５の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を気水分離器出口流路として形成する第三段ピックオフリング７３と、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ２及びハブ２を中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根３を含み、該旋回羽根３の径方向に内側縁がハブ２に固定されており、ディフューザ９の内壁又は第１段内筒４の内壁に旋回羽根３の径方向に外側縁が固定されているスワラ８０とで構成されている。
【００２９】
上述のスワラ８０は、ハブ２と呼ばれる円柱状の構造物に二相流に旋回速度を与えるための旋回羽根３が複数取り付けられており、旋回羽根３の外側縁は、ディフューザ９に固定されている。このため、スワラ８０自身は回転することなく、スワラ８０を通過した流体が回転するようになっている。
【００３０】
また、旋回羽根３は、スワラ８０の入口では鉛直方向と平行になっており、スワラ８０の出口に向かって鉛直方向に対する角度を増していく。即ち、スワラ８０の入口では鉛直方向と平行になっているが、そこからスワラ８０の出口に向かって鉛直方向に対する角度を増しながら旋回できる形状になっている。旋回羽根３は、スワラ出口の旋回羽根３の鉛直方向に対する角度をスワラ出口角度と呼び、このスワラ出口角度が大きいほど、流体の大きな旋回速度を与えることができる。
【００３１】
このように構成される気水分離器５４において、炉心５３で発生した気液二相流Ｗは、スタンドパイプ１から進入し、ディフューザ９部分に設置されたスワラ８０に至り、スワラ８０において、気液二相流Ｗは旋回流となり、水と蒸気に遠心分離される。
【００３２】
また、気水分離器５４では、スワラ８０で気液分離された水分をダウンカマ５２に戻すと共に、蒸気をタービンに導くための経路が、第三段内筒７２と第三段外筒７４により形成されている。
【００３３】
更に、第一段内筒４の頂部と第一段環状板７の間には空隙が形成されており、また第一段内筒４と第一段外筒５の間の空間が第一段排水流路１２を形成しているため、スワラ８０により気液二相流Ｗから遠心分離され第一段内筒４の内壁に形成された液膜は、第一段内筒４の頂部に至り、第一段環状板７との間の空隙、第一段内筒４と第一段外筒５の間の第一段排水流路１２を経由してダウンカマ５２に戻される。
【００３４】
気水分離器５４内における水と蒸気の動きについて、更に詳しく説明する。
【００３５】
図５に示した構成の気水分離器５４に導入される炉心５３からの気液二相流Ｗは、クオリティが約１５％であり、スタンドパイプ１に流入した気液二相流Ｗは、スワラ８０により旋回速度が与えられると、気液密度差による遠心力の違いにより水と蒸気は分離され、壁面へ移動した水は液膜を形成する。
【００３６】
第一段内筒４の壁面に形成された液膜は、第一段ピックオフリング６により、第一段内筒４と第一段外筒５で形成された第一段排水流路１２を通って気水分離器５４の外に排出される。第一段排水流路１２から排出された水は、再びダウンカマ５２に流入しインターナルポンプ５７により炉心５３に送られる。
【００３７】
一方、第一段排水流路１２に巻き込まれた蒸気は、水と共にダウンカマ５２、インターナルポンプ５７に導かれ、インターナルポンプ５７のインペラにキャビテーションなどの悪影響を及ぼすことがある。
【００３８】
上記のような第一段排水流路１２に巻き込まれる蒸気量を表す数値としてキャリーアンダがあり、気水分離器５４から下方に排出された流体中に含まれる蒸気の重量率として定義され、気水分離性能を表す指標の一つとなっている。
【００３９】
蒸気質量流量をＷｇ［ｋｇ／ｓ］、液質量流量をＷｌ［ｋｇ／ｓ］とすると、キャリーアンダ（ＣＵ）は、次式で表される。
［数１］
ＣＵ＝Ｗｇ／（Ｗｇ＋Ｗｌ）×１００（％） （１）
ところで、第一段内筒４で壁面に到達しなかった蒸気中の液滴は、第二段内筒８又は第三段内筒７２で内筒壁面に到達し、第二段ピックオフリング７９又は第三段ピックオフリング７３から第二段排水流路７６又は第三段排水流路７７を通って気水分離器５４の外へ排出される。第三段ピックオフリング７３を通過するまでに、内筒壁面に到達しなった液滴は、そのまま蒸気とともに気水分離器出口７８から蒸気乾燥器５５に流出する。
【００４０】
（１）式のキャリーアンダと並ぶ気水分離器の分離効率の指標として、キャリーオーバがあり、気水分離器から流出した流体中に含まれる液の重量率として定義され、蒸気質量流量をＷｇ［ｋｇ／ｓ］、液質量流量をＷｌ［ｋｇ／ｓ］とすると、キャリーオーバ（ＣＯ）は、次式で表される。
［数２］
ＣＯ＝Ｗｌ／（Ｗｇ＋Ｗｌ）×１００（％） （２）
次に、ディフューザ９の内壁面又は第一段内筒４の内壁面に形成される液膜の厚さに周方向分布が生じるメカニズムを図１及び図２を用いて説明する。
【００４１】
該図に示す如く、スタンドパイプ１内を上昇してきた気液二相流Ｗは、スワラ８０に到達すると旋回羽根３の曲面１３に衝突する。すると水と蒸気の衝突分離が起き、衝突した曲面１３に液膜が形成されることが解析により確認されている。形成された液膜は、もともと持っていた上方向の速度成分のため旋回羽根３の曲面１３上を上昇しながら、旋回羽根３の捻り構造より得られる遠心力により径方向に移動し、ディフューザ９の内壁面に達する。図２のディフューザ９の内壁面には液膜３５が存在するが、旋回羽根３の曲面１３付近では、曲面１３上に形成される液膜が移動してくるので、厚くなる部分３６が生じる。
【００４２】
上記のような原理でディフューザ９の内壁面又は第一段内筒４の内壁面に形成される液膜３５の厚さは、周方向に分布を持ち、旋回羽根３の曲面１３とディフューザ９の内壁面との交線１４付近が特に厚くなる。液膜の厚い部分３６は、スワラ８０を通過直後も続きスジ状の液膜３２になる。しかし、液膜３０の厚さの周方向分布は、第一段内筒４の内壁面を上昇していくと共に平滑化され、スジ状の液膜３２も消えていく。
【００４３】
液膜厚さの周方向分布について、図８の数値解析結果を用いて更に詳しく説明する。
【００４４】
図９は、図５に示す気水分離器５４のＣ−Ｃ’線に沿う断面図であり、図８は、図９のディフューザ９の内壁面１５上の液膜厚さの周方向分布である。図８の横軸は、図９におけるディフューザ９の内壁面１５を表しており、図８と図９にある地点ア、イ、ウは互いに対応している。
【００４５】
解析結果によると、図５のＣ−Ｃ’線に沿う断面における液膜３５の厚さの周方向分布は図８の実線のようになり、図５のＤ−Ｄ’線に沿う断面における液膜３０厚さの周方向分布は図８の破線のようになる。解析によると、図８の実線と破線の交点は、点アから１０ｍｍ前後である。
【００４６】
以上の説明を考慮して得られた本発明の特徴を、図６及び図７用いて説明する。
【００４７】
本発明では、図６及び図７に示すように、旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線を開口部に含む穴又はスリット１１を設けている。即ち、旋回羽根３のディフューザ９内壁面と対向する端面の気液二層流が当接する側の辺を開口部に含むディフューザ９内壁面上に、穴又はスリット１１を設けているものである。
【００４８】
上記の「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」の位置について図１０を用いて詳しく説明する。
【００４９】
図１０では、スワラ８０を確認するために、便宜上第一段外筒５、第一段内筒４、ディフューザ９とスタンドパイプ１を軸半周でカットしてある。また、図１０では、旋回羽根３は４枚である。
【００５０】
図１０において、旋回羽根表面とは、各旋回羽根３のうち、気液二相流Ｗの上昇流が衝突する曲面１３を指す。また、ディフューザ９の内壁面とは、ディフューザ９の内壁面１５を指す。
【００５１】
従って、「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線」とは、上記の２つの面が交わる図１０中に太線で示される交線１４である。図１０では、旋回羽根３は４枚なので、交線１４の数も４本となる。また、「旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」とは、スワラ８０が図１０のように、ディフューザ９内に設置されず、第一段内筒４内に設置されている場合の交線１４を指している。
【００５２】
以上が「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」の位置についての説明である。
【００５３】
上記の交線１４上の位置は、既述の説明の通り液膜が厚くなる箇所であるので、その位置に穴又はスリット１１を設ければ、第一段排水流路１２へ気液二相流Ｗ中の蒸気を排出させずに液膜のみを排出することができる。
【００５４】
本実施例の図６及び図７に示した穴又はスリット１１の最適な大きさについて説明する。
【００５５】
図８で説明したように、ディフューザ９の内壁面１５上において交線１４から約１０ｍｍ離れると、液膜の厚さは第一段内筒４の内壁面上の液膜３０の厚さと同等になるので、穴又はスリット１１の開口部は、交線１４から１０ｍｍ以内の距離に収めればよい。つまり、穴径又はスリット幅が１０ｍｍ以内であればよい。また、開口部の大きさを上記のようにすることによって、穴又はスリット１１の開口部上の液膜３５は、十分厚い部分となるので、気液二相流Ｗ中の蒸気を第一段排出流路１２に排出させてしまうことはなくなる。
【００５６】
このような本実施例とすることにより、キャリーアンダ増加の原因となる第一段排水流路１２への蒸気の混入を防ぎながら、圧力損失とキャリーオーバ増加の原因となる第一段内筒４の内壁面上の液膜量を低減させることができる。
【００５７】
次に、図１１を用いて本発明による実施例の構成を、本発明に該当しない構成の例と比較して説明する。
【００５８】
図１１において、太線で示される交線１４は、前述した「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」であり、穴又はスリット９０〜９５は、第一段内筒４又はディフューザ９上に開けられたものである。
【００５９】
本発明の実施例が備える「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線を開口部に含む穴又はスリット」に該当する穴又はスリットは、穴９１、スリット９２、穴９３、穴９５である。穴９１と穴９３は、その開口部の縁上に交線１４を含み、スリット９２と穴９５は開口部内に交線１４を含んでいる。一方、穴９０と穴９４は「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線を開口部に含む穴又はスリット」に該当せず、本発明には含まれない。穴９０と穴９４は、開口部に交線１４を含んでいない。
【００６０】
穴９０は、交線１４から伸びる液膜の厚いスジ状の液膜３２の軌跡から外れる可能性が高い。なぜなら、気液二相流Ｗの流量条件により、スジ状の液膜３２の軌跡は変化し、軌跡３３ａから軌跡３３ｂに移動することがあるためである。スジ状の液膜の軌跡が３３ｂとなり、穴９０の位置から外れた場合、穴９０の開口部上では、液膜が薄くなり、液膜に加えて蒸気も第一段排出流路１２へ排出し、キャリーアンダを増加させてしまう可能性が高い。
【００６１】
穴９４の位置は、交線１４から外れており、液膜３５が薄い部分であるので、穴９０と同様に蒸気を排出し、キャリーアンダを増加させてしまう。
【００６２】
特許文献１に記載された気水分離器は、図３のように、第一段内筒４上にスリット１０を備えるが、スリット１０の開口部は上記交線１４を含んでおらず、図１１の穴９０と同様のケースに分類される。スリット１０の位置は、スジ状の液膜３２の軌跡から外れ、液膜に加えて蒸気も第一段排出流路１２に排出してしまい、キャリーアンダを増加させてしまう可能性が高い。
【００６３】
上記問題を解決するためには、本実施例の穴９１、スリット９２、穴９３、穴９５のように、スリット１０の開口部が「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」を含む位置となるようにスリット１０の位置を移動させることにより、液膜の厚い部分とスリット１０の開口部を対応させればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、気水分離器を有する原子力プラント及び沸騰水型原子力プラントに適用可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１…スタンドパイプ、２…ハブ、３…旋回羽根、４…第一段内筒、５…第一段外筒、６…第一段ピックオフリング、７…第一段環状板、８…第二段内筒、９…ディフューザ、１０…スリット、１１…穴又はスリット、１２…第一段排水流路、１３…旋回羽根の曲面、１４…旋回羽根の曲面とディフューザ内壁面による交線、１５…ディフューザの内壁面、３０…液膜、３１…液滴、３２…スジ状の液膜、３３ａ、３３ｂ…スジ状の液膜の軌跡、３４…蒸気の経路、３５…ディフューザ内壁面上の液膜、３６…ディフューザ内壁面上の液膜の厚い部分、５０…炉心シュラウド、５１…原子炉圧力容器、５２…ダウンカマ、５３…炉心、５４…気水分離器、５５…蒸気乾燥器、５６…主蒸気配管、５７…インターナルポンプ、７０…第二段外筒、７１…第二段環状板、７２…第三段内筒、７３…第三段ピックオフリング、７４…第三段外筒、７５…第三段環状板、７６…第二段排水流路、７７…第三段排水流路、７８…気水分離器出口、７９…第二段ピックオフリング、８０…スワラ、９０、９４…本発明に該当しない穴、９１、９３、９５…本発明に該当する穴、９２…本発明に該当するスリット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は気水分離器及びそれを備えた沸騰水型原子炉に係り、特に、水と炉心で発生した蒸気を分離するために、炉心上部に配置されているものに好適な気水分離器及びそれを備えた沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な沸騰水型原子炉には、水と炉心で発生した蒸気を分離するために、炉心上部に気水分離器が設置されている。この気水分離器内では、旋回羽根とハブから構成されるスワラによって水と蒸気の気液二相流に旋回速度が与えられ、遠心力により気液密度差を利用して水と蒸気が分離される。
【０００３】
分離された水は、気水分離器の下方から排水されてダウンカマに戻り、再循環ポンプにより再び炉心へ送られる。一方、分離された蒸気は、蒸気乾燥器を通して更に湿分が取り除かれた後、タービンへ送られる。つまり、炉心で発生させた蒸気から極力湿分を取り除くことにより、発電効率を向上させている。
【０００４】
ところで、気水分離器の性能は、内部を通る気液二相流の圧力損失と蒸気中に含まれる水分を取り除く気水分離効率で表される。この気水分離効率は、気水分離器を通過した後の蒸気中に含まれる水分の重量比で表されるキャリーオーバ、及び蒸気から分離した水分中に含まれる蒸気量の重量比として表されるキャリーアンダで評価される。
【０００５】
図１及び図２は、気水分離器を構成するスワラ部分とその周辺を拡大して示したものである。
【０００６】
図１及び図２において、ハブ２の周囲には、旋回羽根３が複数枚設置されてスワラ８０を形成している。このスワラ８０は、テーパ状の拡大管、即ちスタンドパイプ１の上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積が拡大する拡大管であるディフューザ９の内壁面に固定されている。そして、下方に位置する炉心からの水と蒸気の気液二相流Ｗは、スタンドパイプ１から進入してスワラ８０に到達すると、旋回羽根３により周方向に旋回速度を与えられ、旋回流となった気液二相流Ｗは、水と蒸気の密度差により遠心分離される。蒸気に比べ密度の大きい水は、第一段内筒４内を径方向に移動し第一段内筒４の内壁面に液膜３０を形成する。
【０００７】
液膜３０は、第一段内筒４の内壁面上を旋回しながら上昇し、その大部分は第一段ピックオフリング６と第一段環状板７によって第一段排水流路１２に導かれ、分離された水として気水分離器５４の下方から排水されてダウンカマ（図示せず）に戻る。
【０００８】
この現象において、液膜３０の量が多い場合、液膜３０が第一段内筒４の内壁面上から第一ピックオフリング６、第一段環状板７を通り第一段排水流路１２の長い距離を移動することに起因する圧力損失が大きい。更に、第一段内筒４の内壁上の液膜３０から離脱する液滴３１の量も増加することでキャリーオーバが増加し、気水分離性能を悪化させてしまうことになる。
【０００９】
従って、第一段内筒４の内壁上の液膜３０量を減少させれば、気水分離器５４の圧力損失とキャリーオーバの両者を改善させることができる。
【００１０】
この第一段内筒の内壁面上の液膜量を減少させる手段として、第一段内筒にスリットを設け、このスリットに液膜をフローディバイダで案内することが、特許文献１に記載されている。
【００１１】
図３に、特許文献１に記載されている第一段内筒にスリットを設けた気水分離器５４を示す。該図に示す如く、特許文献１に記載されている気水分離器５４は、第一段内筒４の途中に軸方向に延びるスリット１０が、周方向に所定間隔をもって複数個設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平４−３１５９９３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１に記載されている気水分離器５４では、第一段内筒４の内壁面に形成された液膜３０は、スリット１０によって第一段内筒４外に排出されるが、液膜３０の厚さは一般的に薄いため、液膜３０と同時に蒸気も経路３４のように第一段内筒４外の第一段排水流路１２に排出されてしまう可能性が高いため、気水分離器の圧力損失とキャリーオーバを増加させる液膜量を低減させると、キャリーアンダが増加する可能性が高いという問題があった。
【００１４】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、キャリーアンダを増加させずに圧力損失とキャリーオーバを増加させる液膜量を低減できる気水分離器及びこれを備えた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】
【００１５】
本発明の気水分離器は、上記目的を達成するために、気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、該スタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、該ディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒と、該第一段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第一段外筒と、該第一段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第一段内筒よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板と、該第一段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒への流路として形成する第一段ピックオフリングとを少なくとも備え、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及び該ハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、前記旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、前記ディフューザの内壁又は前記第一段内筒の内壁に前記旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備えた気水分離器において、前記旋回羽根の表面と前記ディフューザの内壁面の交線を開口部に含む前記ディフューザ内壁面上に、穴又はスリットを設けるか、
又は前記旋回羽根の表面と前記第一段内筒の内壁面の交線を開口部に含む前記第一段内筒の内壁面上に、穴又はスリットを設けるか、
若しくは前記旋回羽根の前記ディフューザの内壁面と対向する端面の気液二層流が当接する側の辺を開口部に含む前記ディフューザの内壁面上に、穴又はスリットを設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の沸騰水型原子炉は、上記目的を達成するために、原子炉圧力容器と、該原子炉圧力容器内に設けられ、複数の燃料集合体が装荷された炉心と、該炉心が配置されるシュラウドと、前記原子炉圧力容器内の前記炉心の上方に複数並列に配置され、前記炉心で発生した蒸気と水の気水混合流を蒸気と水に分離する気水分離器と、該気水分離器の上方に位置し、該気水分離器で分離された湿り蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器と、該蒸気乾燥器で乾燥された蒸気をタービンに供給する主蒸気配管と、前記原子炉圧力容器とシュラウド間に形成され、前記気水分離器で分離された水が循環するダウンカマと、該ダウンカマの下方に配置され、該ダウンカマ内の水を前記炉心に供給するインターナルポンプとを備えた沸騰水型原子炉において、前記気水分離器は、上記した構成の気水分離器であることを特徴とする。
【００１７】
上記のようにすることによって、キャリーアンダ増加の原因となる第一段排水流路への蒸気の混入を防ぎながら、圧力損失とキャリーオーバ増加の原因となる第一段内筒の内壁面上の液膜量を低減させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、キャリーアンダを増加させずに圧力損失とキャリーオーバを増加させる液膜量を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の気水分離器を示し、スワラ部分とその周辺を拡大して示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。
【図３】特許文献１に記載されている気水分離器を示し、スワラ部分とその周辺を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の気水分離器が適用される沸騰水型原子炉の概略構造を示す縦断面図である。
【図５】従来の気水分離器を示す縦断面図である。
【図６】本発明の気水分離器の一実施例を示し、スワラ部分とその周辺を拡大して示す断面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ´線に沿う断面図である。
【図８】本発明の気水分離器の一実施例における液膜の厚さとディフューザ内壁面との関係を示す特性図である。
【図９】図５のＣ−Ｃ´線に沿う断面図である。
【図１０】本発明の気水分離器の一実施例における要点を説明するためのスワラ部分とその周辺を拡大して示す断面斜視図である。
【図１１】本発明の気水分離器の一実施例を、本発明に該当しない場合と比較して説明するためのスワラ部とその周辺の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図示した実施例に基づいて、本発明の気水分離器について説明する。尚、符号は、従来と同一のものについては同符号を使用する。
【実施例１】
【００２１】
先ず、本実施例の気水分離器を説明する前に、この気水分離器が適用される沸騰水型原子炉の概略の構造について、図４を用いて説明する。
【００２２】
図４は、改良型沸騰水型原子炉（以下、ＡＢＷＲという）を示すものである。
【００２３】
該図に示す如く、ＡＢＷＲは、原子炉圧力容器５１を有し、この原子炉圧力容器５１の内部に炉心シュラウド５０が設置され、複数の燃料集合体（図示せず）が装荷された炉心５３が炉心シュラウド５０内に配置されている。また、原子炉圧力容器５１内の炉心５３の上方には、炉心５３で発生した蒸気と水の気水混合流を蒸気と水に分離する気水分離器５４が複数並列に配置され、この気水分離器５４の上方には、気水分離器５４で分離された湿り蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器５５が配置されている。
【００２４】
更に、原子炉圧力容器５１と炉心シュラウド５０の間に形成される環状のダウンカマ５２の下方には、炉心５３に水を供給するためのインターナルポンプ５７（再循環ポンプ）が配置されており、このインターナルポンプ５７を運転することにより、ダウンカマ５２にある冷却水が炉心へ供給される。
【００２５】
一方、炉心５３では、核分裂により発生した熱で冷却水が沸騰し、蒸気と水の二相流状態となる。炉心５３で発生した気液二相流は気水分離器５４に流入し、気水分離器５４内にあるスワラにより旋回速度が与えられ、この旋回速度により二相流に遠心力が作用し、水と蒸気の密度差により水と蒸気が分離される。気水分離器５４を通過した二相流は、蒸気乾燥器５５に流入し、更に湿分が取り除かれる。
【００２６】
このようにして、湿分０．１重量パーセント以下に抑えた蒸気を、主蒸気配管５６を通してタービン（図示せず）に送り発電を行っている。
【００２７】
図５を用いて気水分離器５４の構成について詳しく説明する。
【００２８】
図５に示す如く、気水分離器５４は、気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプ１と、このスタンドパイプ１の上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザ９と、このディフューザ９の上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒４と、この第一段内筒４を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第一段排出流路１２を形成する第一段外筒５と、この第一段外筒５の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、第一段内筒４よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板７と、第一段環状板７の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒８への流路として形成する第一段ピックオフリング６と、第一段環状板７上に設置され流路を形成する第二段内筒８と、第二段内筒８を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第二段排出流路７６を形成する第二段外筒７０と、第二段外筒７０の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第二段内筒８よりも小径の円形孔を形成した第二段環状板７１と、第二段環状板７１の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第三段内筒７２への流路として形成する第二段ピックオフリング７９と、第二段環状板７１上に設置され流路を形成する前記第三段内筒７２と、第三段内筒７２を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第三段排出流路７７を形成する第三段外筒７４と、第三段外筒７４の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第三段内筒７２よりも小径の円形孔を形成した第三段環状板７５と、第三段環状板７５の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を気水分離器出口流路として形成する第三段ピックオフリング７３と、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ２及びハブ２を中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根３を含み、該旋回羽根３の径方向に内側縁がハブ２に固定されており、ディフューザ９の内壁又は第１段内筒４の内壁に旋回羽根３の径方向に外側縁が固定されているスワラ８０とで構成されている。
【００２９】
上述のスワラ８０は、ハブ２と呼ばれる円柱状の構造物に二相流に旋回速度を与えるための旋回羽根３が複数取り付けられており、旋回羽根３の外側縁は、ディフューザ９に固定されている。このため、スワラ８０自身は回転することなく、スワラ８０を通過した流体が回転するようになっている。
【００３０】
また、旋回羽根３は、スワラ８０の入口では鉛直方向と平行になっており、スワラ８０の出口に向かって鉛直方向に対する角度を増していく。即ち、スワラ８０の入口では鉛直方向と平行になっているが、そこからスワラ８０の出口に向かって鉛直方向に対する角度を増しながら旋回できる形状になっている。旋回羽根３は、スワラ出口の旋回羽根３の鉛直方向に対する角度をスワラ出口角度と呼び、このスワラ出口角度が大きいほど、流体の大きな旋回速度を与えることができる。
【００３１】
このように構成される気水分離器５４において、炉心５３で発生した気液二相流Ｗは、スタンドパイプ１から進入し、ディフューザ９部分に設置されたスワラ８０に至り、スワラ８０において、気液二相流Ｗは旋回流となり、水と蒸気に遠心分離される。
【００３２】
また、気水分離器５４では、スワラ８０で気液分離された水分をダウンカマ５２に戻すと共に、蒸気をタービンに導くための経路が、第三段内筒７２と第三段外筒７４により形成されている。
【００３３】
更に、第一段内筒４の頂部と第一段環状板７の間には空隙が形成されており、また第一段内筒４と第一段外筒５の間の空間が第一段排水流路１２を形成しているため、スワラ８０により気液二相流Ｗから遠心分離され第一段内筒４の内壁に形成された液膜は、第一段内筒４の頂部に至り、第一段環状板７との間の空隙、第一段内筒４と第一段外筒５の間の第一段排水流路１２を経由してダウンカマ５２に戻される。
【００３４】
気水分離器５４内における水と蒸気の動きについて、更に詳しく説明する。
【００３５】
図５に示した構成の気水分離器５４に導入される炉心５３からの気液二相流Ｗは、クオリティが約１５％であり、スタンドパイプ１に流入した気液二相流Ｗは、スワラ８０により旋回速度が与えられると、気液密度差による遠心力の違いにより水と蒸気は分離され、壁面へ移動した水は液膜を形成する。
【００３６】
第一段内筒４の壁面に形成された液膜は、第一段ピックオフリング６により、第一段内筒４と第一段外筒５で形成された第一段排水流路１２を通って気水分離器５４の外に排出される。第一段排水流路１２から排出された水は、再びダウンカマ５２に流入しインターナルポンプ５７により炉心５３に送られる。
【００３７】
一方、第一段排水流路１２に巻き込まれた蒸気は、水と共にダウンカマ５２、インターナルポンプ５７に導かれ、インターナルポンプ５７のインペラにキャビテーションなどの悪影響を及ぼすことがある。
【００３８】
上記のような第一段排水流路１２に巻き込まれる蒸気量を表す数値としてキャリーアンダがあり、気水分離器５４から下方に排出された流体中に含まれる蒸気の重量率として定義され、気水分離性能を表す指標の一つとなっている。
【００３９】
蒸気質量流量をＷｇ［ｋｇ／ｓ］、液質量流量をＷｌ［ｋｇ／ｓ］とすると、キャリーアンダ（ＣＵ）は、次式で表される。
［数１］
ＣＵ＝Ｗｇ／（Ｗｇ＋Ｗｌ）×１００（％） （１）
ところで、第一段内筒４で壁面に到達しなかった蒸気中の液滴は、第二段内筒８又は第三段内筒７２で内筒壁面に到達し、第二段ピックオフリング７９又は第三段ピックオフリング７３から第二段排水流路７６又は第三段排水流路７７を通って気水分離器５４の外へ排出される。第三段ピックオフリング７３を通過するまでに、内筒壁面に到達しなった液滴は、そのまま蒸気とともに気水分離器出口７８から蒸気乾燥器５５に流出する。
【００４０】
（１）式のキャリーアンダと並ぶ気水分離器の分離効率の指標として、キャリーオーバがあり、気水分離器から流出した流体中に含まれる液の重量率として定義され、蒸気質量流量をＷｇ［ｋｇ／ｓ］、液質量流量をＷｌ［ｋｇ／ｓ］とすると、キャリーオーバ（ＣＯ）は、次式で表される。
［数２］
ＣＯ＝Ｗｌ／（Ｗｇ＋Ｗｌ）×１００（％） （２）
次に、ディフューザ９の内壁面又は第一段内筒４の内壁面に形成される液膜の厚さに周方向分布が生じるメカニズムを図１及び図２を用いて説明する。
【００４１】
該図に示す如く、スタンドパイプ１内を上昇してきた気液二相流Ｗは、スワラ８０に到達すると旋回羽根３の曲面１３に衝突する。すると水と蒸気の衝突分離が起き、衝突した曲面１３に液膜が形成されることが解析により確認されている。形成された液膜は、もともと持っていた上方向の速度成分のため旋回羽根３の曲面１３上を上昇しながら、旋回羽根３の捻り構造より得られる遠心力により径方向に移動し、ディフューザ９の内壁面に達する。図２のディフューザ９の内壁面には液膜３５が存在するが、旋回羽根３の曲面１３付近では、曲面１３上に形成される液膜が移動してくるので、厚くなる部分３６が生じる。
【００４２】
上記のような原理でディフューザ９の内壁面又は第一段内筒４の内壁面に形成される液膜３５の厚さは、周方向に分布を持ち、旋回羽根３の曲面１３とディフューザ９の内壁面との交線１４付近が特に厚くなる。液膜の厚い部分３６は、スワラ８０を通過直後も続きスジ状の液膜３２になる。しかし、液膜３０の厚さの周方向分布は、第一段内筒４の内壁面を上昇していくと共に平滑化され、スジ状の液膜３２も消えていく。
【００４３】
液膜厚さの周方向分布について、図８の数値解析結果を用いて更に詳しく説明する。
【００４４】
図９は、図５に示す気水分離器５４のＣ−Ｃ’線に沿う断面図であり、図８は、図９のディフューザ９の内壁面１５上の液膜厚さの周方向分布である。図８の横軸は、図９におけるディフューザ９の内壁面１５を表しており、図８と図９にある地点ア、イ、ウは互いに対応している。
【００４５】
解析結果によると、図５のＣ−Ｃ’線に沿う断面における液膜３５の厚さの周方向分布は図８の実線のようになり、図５のＤ−Ｄ’線に沿う断面における液膜３０厚さの周方向分布は図８の破線のようになる。解析によると、図８の実線と破線の交点は、点アから１０ｍｍ前後である。
【００４６】
以上の説明を考慮して得られた本発明の特徴を、図６及び図７用いて説明する。
【００４７】
本発明では、図６及び図７に示すように、旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線を開口部に含む穴又はスリット１１を設けている。即ち、旋回羽根３のディフューザ９内壁面と対向する端面の気液二層流が当接する側の辺を開口部に含むディフューザ９内壁面上に、穴又はスリット１１を設けているものである。
【００４８】
上記の「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」の位置について図１０を用いて詳しく説明する。
【００４９】
図１０では、スワラ８０を確認するために、便宜上第一段外筒５、第一段内筒４、ディフューザ９とスタンドパイプ１を軸半周でカットしてある。また、図１０では、旋回羽根３は４枚である。
【００５０】
図１０において、旋回羽根表面とは、各旋回羽根３のうち、気液二相流Ｗの上昇流が衝突する曲面１３を指す。また、ディフューザ９の内壁面とは、ディフューザ９の内壁面１５を指す。
【００５１】
従って、「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線」とは、上記の２つの面が交わる図１０中に太線で示される交線１４である。図１０では、旋回羽根３は４枚なので、交線１４の数も４本となる。また、「旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」とは、スワラ８０が図１０のように、ディフューザ９内に設置されず、第一段内筒４内に設置されている場合の交線１４を指している。
【００５２】
以上が「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」の位置についての説明である。
【００５３】
上記の交線１４上の位置は、既述の説明の通り液膜が厚くなる箇所であるので、その位置に穴又はスリット１１を設ければ、第一段排水流路１２へ気液二相流Ｗ中の蒸気を排出させずに液膜のみを排出することができる。
【００５４】
本実施例の図６及び図７に示した穴又はスリット１１の最適な大きさについて説明する。
【００５５】
図８で説明したように、ディフューザ９の内壁面１５上において交線１４から約１０ｍｍ離れると、液膜の厚さは第一段内筒４の内壁面上の液膜３０の厚さと同等になるので、穴又はスリット１１の開口部は、交線１４から１０ｍｍ以内の距離に収めればよい。つまり、穴径又はスリット幅が１０ｍｍ以内であればよい。また、開口部の大きさを上記のようにすることによって、穴又はスリット１１の開口部上の液膜３５は、十分厚い部分となるので、気液二相流Ｗ中の蒸気を第一段排出流路１２に排出させてしまうことはなくなる。
【００５６】
このような本実施例とすることにより、キャリーアンダ増加の原因となる第一段排水流路１２への蒸気の混入を防ぎながら、圧力損失とキャリーオーバ増加の原因となる第一段内筒４の内壁面上の液膜量を低減させることができる。
【００５７】
次に、図１１を用いて本発明による実施例の構成を、本発明に該当しない構成の例と比較して説明する。
【００５８】
図１１において、太線で示される交線１４は、前述した「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」であり、穴又はスリット９０〜９５は、第一段内筒４又はディフューザ９上に開けられたものである。
【００５９】
本発明の実施例が備える「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線を開口部に含む穴又はスリット」に該当する穴又はスリットは、穴９１、スリット９２、穴９３、穴９５である。穴９１と穴９３は、その開口部の縁上に交線１４を含み、スリット９２と穴９５は開口部内に交線１４を含んでいる。一方、穴９０と穴９４は「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線を開口部に含む穴又はスリット」に該当せず、本発明には含まれない。穴９０と穴９４は、開口部に交線１４を含んでいない。
【００６０】
穴９０は、交線１４から伸びる液膜の厚いスジ状の液膜３２の軌跡から外れる可能性が高い。なぜなら、気液二相流Ｗの流量条件により、スジ状の液膜３２の軌跡は変化し、軌跡３３ａから軌跡３３ｂに移動することがあるためである。スジ状の液膜の軌跡が３３ｂとなり、穴９０の位置から外れた場合、穴９０の開口部上では、液膜が薄くなり、液膜に加えて蒸気も第一段排出流路１２へ排出し、キャリーアンダを増加させてしまう可能性が高い。
【００６１】
穴９４の位置は、交線１４から外れており、液膜３５が薄い部分であるので、穴９０と同様に蒸気を排出し、キャリーアンダを増加させてしまう。
【００６２】
特許文献１に記載された気水分離器は、図３のように、第一段内筒４上にスリット１０を備えるが、スリット１０の開口部は上記交線１４を含んでおらず、図１１の穴９０と同様のケースに分類される。スリット１０の位置は、スジ状の液膜３２の軌跡から外れ、液膜に加えて蒸気も第一段排出流路１２に排出してしまい、キャリーアンダを増加させてしまう可能性が高い。
【００６３】
上記問題を解決するためには、本実施例の穴９１、スリット９２、穴９３、穴９５のように、スリット１０の開口部が「旋回羽根表面とディフューザ９の内壁面の交線、又は旋回羽根表面と第一段内筒４の内壁面の交線」を含む位置となるようにスリット１０の位置を移動させることにより、液膜の厚い部分とスリット１０の開口部を対応させればよい。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、気水分離器を有する原子力プラント及び沸騰水型原子力プラントに適用可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１…スタンドパイプ、２…ハブ、３…旋回羽根、４…第一段内筒、５…第一段外筒、６…第一段ピックオフリング、７…第一段環状板、８…第二段内筒、９…ディフューザ、１０…スリット、１１…穴又はスリット、１２…第一段排水流路、１３…旋回羽根の曲面、１４…旋回羽根の曲面とディフューザ内壁面による交線、１５…ディフューザの内壁面、３０…液膜、３１…液滴、３２…スジ状の液膜、３３ａ、３３ｂ…スジ状の液膜の軌跡、３４…蒸気の経路、３５…ディフューザ内壁面上の液膜、３６…ディフューザ内壁面上の液膜の厚い部分、５０…炉心シュラウド、５１…原子炉圧力容器、５２…ダウンカマ、５３…炉心、５４…気水分離器、５５…蒸気乾燥器、５６…主蒸気配管、５７…インターナルポンプ、７０…第二段外筒、７１…第二段環状板、７２…第三段内筒、７３…第三段ピックオフリング、７４…第三段外筒、７５…第三段環状板、７６…第二段排水流路、７７…第三段排水流路、７８…気水分離器出口、７９…第二段ピックオフリング、８０…スワラ、９０、９４…本発明に該当しない穴、９１、９３、９５…本発明に該当する穴、９２…本発明に該当するスリット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、該スタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、該ディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒と、該第一段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第一段外筒と、該第一段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第一段内筒よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板と、該第一段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒への流路として形成する第一段ピックオフリングとを少なくとも備え、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及び該ハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、前記旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、前記ディフューザの内壁又は前記第一段内筒の内壁に前記旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備えた気水分離器において、
前記旋回羽根の表面と前記ディフューザの内壁面の交線を開口部に含む前記ディフューザ内壁面上に、穴又はスリットを設けたことを特徴とする気水分離器。
【請求項２】
気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、該スタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、該ディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒と、該第一段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第一段外筒と、該第一段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第一段内筒よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板と、該第一段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒への流路として形成する第一段ピックオフリングとを少なくとも備え、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及び該ハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、前記旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、前記ディフューザの内壁又は前記第１段内筒の内壁に前記旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備えた気水分離器において、
前記旋回羽根の表面と前記第一段内筒の内壁面の交線を開口部に含む前記第一段内筒の内壁面上に、穴又はスリットを設けたことを特徴とする気水分離器。
【請求項３】
気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、該スタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、該ディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒と、該第一段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第一段外筒と、該第一段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第一段内筒よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板と、該第一段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒への流路として形成する第一段ピックオフリングとを少なくとも備え、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及び該ハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、前記旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、前記ディフューザの内壁又は前記第１段内筒の内壁に前記旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備えた気水分離器において、
前記旋回羽根の前記ディフューザの内壁面と対向する端面の気液二層流が当接する側の辺を開口部に含む前記ディフューザの内壁面上に、穴又はスリットを設けたことを特徴とする気水分離器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の気水分離器において、
前記気水分離器は、前記第一段環状板上に設置され流路を形成する前記第二段内筒と、該第二段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第二段排出流路を形成する第二段外筒と、該第二段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に前記第二段内筒よりも小径の円形孔を形成した第二段環状板と、前記第二段環状板上に設置され流路を形成する第三段内筒と、前記第二段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を前記第三段内筒への流路として形成する第二段ピックオフリングと、前記第三段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第三段排出流路を形成する第三段外筒と、該第三段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第三段内筒よりも小径の円形孔を形成した第三段環状板と、該第三段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を気水分離器出口流路として形成する第三段ピックオフリングとを更に備えていることを特徴とする気水分離器。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の気水分離器において、
前記穴又はスリットの開口部は、前記旋回羽根の表面と前記ディフューザの内壁面の交線、若しくは前記旋回羽根の表面と前記第一段内筒の内壁面の交線から１０ｍｍ以内の距離にあることを特徴とする気水分離器。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の気水分離器において、
前記旋回羽根の表面は、複数の旋回羽根のうち気液二相流の上昇流が衝突する曲面であることを特徴とする気水分離器。
【請求項７】
原子炉圧力容器と、該原子炉圧力容器内に設けられ、複数の燃料集合体が装荷された炉心と、該炉心が配置されるシュラウドと、前記原子炉圧力容器内の前記炉心の上方に複数並列に配置され、前記炉心で発生した蒸気と水の気水混合流を蒸気と水に分離する気水分離器と、該気水分離器の上方に位置し、該気水分離器で分離された湿り蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器と、該蒸気乾燥器で乾燥された蒸気をタービンに供給する主蒸気配管と、前記原子炉圧力容器とシュラウド間に形成され、前記気水分離器で分離された水が循環するダウンカマと、該ダウンカマの下方に配置され、該ダウンカマ内の水を前記炉心に供給するインターナルポンプとを備えた沸騰水型原子炉において、
前記気水分離器は、請求項１乃至６のいずれかに記載の気水分離器であることを特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項１】
気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、該スタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、該ディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒と、該第一段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第一段外筒と、該第一段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第一段内筒よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板と、該第一段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒への流路として形成する第一段ピックオフリングとを少なくとも備え、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及び該ハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、前記旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、前記ディフューザの内壁又は前記第一段内筒の内壁に前記旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備えた気水分離器において、
前記旋回羽根の表面と前記ディフューザの内壁面の交線を開口部に含む前記ディフューザ内壁面上に、穴又はスリットを設けたことを特徴とする気水分離器。
【請求項２】
気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、該スタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、該ディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒と、該第一段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第一段外筒と、該第一段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第一段内筒よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板と、該第一段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒への流路として形成する第一段ピックオフリングとを少なくとも備え、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及び該ハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、前記旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、前記ディフューザの内壁又は前記第１段内筒の内壁に前記旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備えた気水分離器において、
前記旋回羽根の表面と前記第一段内筒の内壁面の交線を開口部に含む前記第一段内筒の内壁面上に、穴又はスリットを設けたことを特徴とする気水分離器。
【請求項３】
気液二相流を下方から上方に向かって導くスタンドパイプと、該スタンドパイプの上側端面に連通して流路を形成し、前記上側端面の流路断面積よりも上方に向けて流路断面積を拡大するディフューザと、該ディフューザの上側端面に連通して流路を形成する第一段内筒と、該第一段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の流路を形成する第一段外筒と、該第一段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第一段内筒よりも小径の円形孔を形成した第一段環状板と、該第一段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を第二段内筒への流路として形成する第一段ピックオフリングとを少なくとも備え、気液二相流の流路の軸中心を通るハブ及び該ハブを中心にして放射状に取り付ける複数の旋回羽根を含み、前記旋回羽根の径方向に内側縁が前記ハブに固定されており、前記ディフューザの内壁又は前記第１段内筒の内壁に前記旋回羽根の径方向に外側縁が固定されているスワラを備えた気水分離器において、
前記旋回羽根の前記ディフューザの内壁面と対向する端面の気液二層流が当接する側の辺を開口部に含む前記ディフューザの内壁面上に、穴又はスリットを設けたことを特徴とする気水分離器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の気水分離器において、
前記気水分離器は、前記第一段環状板上に設置され流路を形成する前記第二段内筒と、該第二段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第二段排出流路を形成する第二段外筒と、該第二段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に前記第二段内筒よりも小径の円形孔を形成した第二段環状板と、前記第二段環状板上に設置され流路を形成する第三段内筒と、前記第二段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を前記第三段内筒への流路として形成する第二段ピックオフリングと、前記第三段内筒を同心円状に間隔を空けて囲んで環状の第三段排出流路を形成する第三段外筒と、該第三段外筒の上側端面の内周縁を塞ぐと共に、前記第三段内筒よりも小径の円形孔を形成した第三段環状板と、該第三段環状板の前記円形孔を形成している内周縁から下方に向けて円筒状に起立させて前記円形孔を気水分離器出口流路として形成する第三段ピックオフリングとを更に備えていることを特徴とする気水分離器。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の気水分離器において、
前記穴又はスリットの開口部は、前記旋回羽根の表面と前記ディフューザの内壁面の交線、若しくは前記旋回羽根の表面と前記第一段内筒の内壁面の交線から１０ｍｍ以内の距離にあることを特徴とする気水分離器。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の気水分離器において、
前記旋回羽根の表面は、複数の旋回羽根のうち気液二相流の上昇流が衝突する曲面であることを特徴とする気水分離器。
【請求項７】
原子炉圧力容器と、該原子炉圧力容器内に設けられ、複数の燃料集合体が装荷された炉心と、該炉心が配置されるシュラウドと、前記原子炉圧力容器内の前記炉心の上方に複数並列に配置され、前記炉心で発生した蒸気と水の気水混合流を蒸気と水に分離する気水分離器と、該気水分離器の上方に位置し、該気水分離器で分離された湿り蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器と、該蒸気乾燥器で乾燥された蒸気をタービンに供給する主蒸気配管と、前記原子炉圧力容器とシュラウド間に形成され、前記気水分離器で分離された水が循環するダウンカマと、該ダウンカマの下方に配置され、該ダウンカマ内の水を前記炉心に供給するインターナルポンプとを備えた沸騰水型原子炉において、
前記気水分離器は、請求項１乃至６のいずれかに記載の気水分離器であることを特徴とする沸騰水型原子炉。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−３０８３（Ｐ２０１３−３０８３Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３７２３７（Ｐ２０１１−１３７２３７）
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（５０７２５０４２７）日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社 (858)
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