沸騰水型原子炉の気水分離器
【課題】沸騰水型原子炉の気水分離器内部を変えないで原子炉の運転条件範囲を拡大、或いは蒸気乾燥器入口での湿分の制限値を変えないでスワラーの流動抵抗を低減できる気水分離器を提供する。
【解決手段】沸騰水型原子炉の気水分離器の第１段外筒１４ａと、第２段外筒１４ｂとの両外壁面には、上下方向へ螺旋状に板状の液膜流ガイド（凸部１ａ，１ｂ）が４本周方向へ均等に設置される。各液膜流ガイド（凸部１ａ，１ｂ）は周方向に４分の１周に渡って螺旋状に巻きつけて設置され、４本で全周をカバーするように装備され、第２段外筒に装着された液膜流ガイド（凸部１ｂ）の下端が第１段外筒に装着された液膜流ガイド（凸部１ａ）の上端とが周方向において同じ位置にされている。また、第１段外筒１４ａに装着された液膜流ガイド（凸部１ａ）の下端が原子炉定格運転時の原子炉圧力容器内の自由液面２１下に水没するようにその下端位置を設定してある。
【解決手段】沸騰水型原子炉の気水分離器の第１段外筒１４ａと、第２段外筒１４ｂとの両外壁面には、上下方向へ螺旋状に板状の液膜流ガイド（凸部１ａ，１ｂ）が４本周方向へ均等に設置される。各液膜流ガイド（凸部１ａ，１ｂ）は周方向に４分の１周に渡って螺旋状に巻きつけて設置され、４本で全周をカバーするように装備され、第２段外筒に装着された液膜流ガイド（凸部１ｂ）の下端が第１段外筒に装着された液膜流ガイド（凸部１ａ）の上端とが周方向において同じ位置にされている。また、第１段外筒１４ａに装着された液膜流ガイド（凸部１ａ）の下端が原子炉定格運転時の原子炉圧力容器内の自由液面２１下に水没するようにその下端位置を設定してある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉において炉心から流出した水と蒸気の混合流を水，蒸気それぞれに分離するために原子炉圧力容器内に配置される気水分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用途に用いられる沸騰水型原子炉は原子炉圧力容器を有し、その内部に複数の燃料集合体が装荷された炉心が配置されている。沸騰水型原子炉においては、ポンプ或いは自然循環力を利用して炉心下端面よりサブクール水として炉心に流入させた冷却材を、炉心内の核燃料の発熱によって加熱させて沸騰させる。この沸騰によって冷却水の一部が蒸気となるため、炉心上端面から流出する冷却材の流れは水と蒸気の混合流となる。
【０００３】
原子炉圧力容器内の炉心の上方には、多数の気水分離器及び蒸気乾燥器がスタンドパイプを介して炉心のシュラウドヘッド上に配置されている。気水分離器は、炉心から流出した水と蒸気の混合流をシュラウドヘッド内からスタンドパイプを通じて受け入れて分離し、分離した蒸気を原子炉圧力容器内で気水分離器の上方に配備されている蒸気乾燥器へと供給する。
【０００４】
蒸気乾燥器では、気水分離器から供給された蒸気に微小液滴などの形でごく僅かに含まれる湿分をさらに除去して乾燥させる。蒸気乾燥器を通過した乾燥蒸気は、原子炉圧力容器から主蒸気配管を介して発電機用タービンに供給される。
【０００５】
タービンに供給される乾燥蒸気が十分に乾燥していないと、液滴の衝突などによってタービン翼の損傷を引き起こす可能性がある。このため、蒸気乾燥器通過後の蒸気の湿分は一定値以下に制限する必要がある。このため、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分も前記の制限値と蒸気乾燥器の除湿性能から決まる値で制限される。従って、気水分離器の気水分離性能への要求の一つは、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分が前記の理由により決まる制限値以下とできることである。
【０００６】
現行の改良型沸騰水型原子炉で採用されている気水分離器では、水と蒸気の密度差を利用した遠心分離方式を用いている。具体的には、炉心からの水と蒸気の混合流を垂直円筒の下端から流入させたのち、スワラーと呼ばれる旋回羽根を持つ構造物で円筒の中心軸位置を中心軸とする旋回流とする（例えば、特許文献１参照）。密度が蒸気と比べて大きな水は、旋回による遠心力で円筒内壁に付着して液膜流を形成する。一方、蒸気は円筒の中心軸付近を上昇していく。
【０００７】
円筒内壁上に形成された液膜流は、高さ方向複数ヶ所で円筒内壁面付近の流れのみが流入できる排出専用の流路に選択的に流入して気水分離器外部に排出され、円筒上端からは円筒内壁に付着しなかった水を液滴の形で同伴した蒸気のみが流出する。
【０００８】
水と蒸気の混合流に与える旋回力を大きくする、すなわち回転の周方向速度を大きくした方が水に働く遠心力は大きくなるため、気水分離器から流出する蒸気の湿分は旋回力が大きい方が基本的に低くなる。しかし、旋回力を与えるスワラーなどの構造物は流動抵抗体ともなるため、強い旋回力を与えようとすると気水分離器通過時の流動抵抗も大きくなるのが一般的である。
【０００９】
気水分離器の流動抵抗の増加は、冷却材再循環ポンプの揚程の増大などを招くため望ましくない。このため、原子炉の定格運転条件近傍で排出蒸気の湿分が所定の制限値以下とできる範囲で、水と蒸気の混合流に与える旋回力を抑えたスワラーの形状や寸法を選んで気水分離器の流動抵抗を抑えるのが一般的である。
【００１０】
さらに一歩進め、炉心の径方向出力分布に依存して水と蒸気の混合流の流量や蒸気の流量割合に径方向分布があることに着目し、径方向位置毎にスワラー形状や寸法が異なる気水分離器を配置する技術がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
また、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分は気水分離器外部の流動状況にも影響を受ける。
旋回によって円筒内壁に付着、液膜を形成した水は、前記のように排出専用の流路へ誘導されて気水分離器外部に排出される。このとき、原子炉の運転条件によっては排出される水が気泡などの形で蒸気を同伴する場合がある。
【００１２】
水とともに気水分離器外へ排出された蒸気は、気水分離器間の空間を上昇し、蒸気乾燥器に流入する。気水分離器外部を上昇する蒸気も様々な原因によって液滴を同伴し得るため、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分量は、気水分離器上端から流出した蒸気の湿分量と気水分離器外部を上昇してきた蒸気の湿分量との和となる。気水分離器外部を上昇する蒸気の湿分を除去する技術として、気水分離器間の隙間を覆う液滴捕獲リングを設けたものがある（例えば、特許文献３参照）。
【００１３】
また、気水分離器の内筒にトレイを螺旋状に装備し、そのトレイに内筒からの分離水（排水）を受けさせて分離水が垂直降下するに比べて流速が緩やかになるようにして自由液面まで導くものもある（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１８３４８９号公報
【特許文献２】特開平１０−１９７６７８号公報
【特許文献３】特開平８−１７９０７７号公報
【特許文献４】実開昭６０−６０５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記液滴保護リングを採用した特許文献３においては、上段側の気水分離器の排水口から排水された水が液滴保護リングに到達して気水分離器の外側を上昇する蒸気の通気抵抗となる。その上、排水口から直接あるいは液滴保護リングから排水が水面に落下あるいは上昇流に同伴されて大小さまざまな粒径の液滴を発生させる。上昇蒸気に同伴された粒径の小さい液滴を液滴保護リングで捕捉しようとすると、液滴保護リングの密度が大きくなり一層蒸気の通気抵抗が大きくなる傾向を示す懸念がある。
【００１６】
また、気水分離器の内筒に螺旋状のトレイを装備した特許文献４においては、トレイで分離水を自由液面へ誘導するため、気水分離器の外筒は極端に短く、自由液面よりもはるかに上方に外筒の下端部が位置し、外筒の下端は水没しないため、気水分離器の第１段目の排水口は自由液面下に水没しない。
【００１７】
これに対して現行の気水分離器のように、第１段目の排水口出口を水没させることによる作用の一つは、出口圧力を一定に保つことで排水流路の入口と出口間の差圧を一定に保ち、排水路内部を通過する排水の流量を時間的に安定させることである。これは、多段構成の気水分離器において排水流量が大きい第１段目の内筒外壁と外筒内壁とで形成される排水流路の排水口を、自由液面より上に設けることは望ましくない。
【００１８】
特許文献４の実施例では外筒を短くしたために排水流路の出口は自由液面より上に開口している。かかる構造では、分離水の流量に変動が発生した場合、排水路の出口圧力も変動し、安定した排水が阻害される可能性がある。排水流量が時間的に変動して排水の流れが蒸気を含んだ間欠的なものとなると、排水口で水の一部が蒸気に同伴されてキャリーオーバーとなるため、現行の気水分離器よりもキャリーオーバーが増える可能性がある。すなわち、特許文献４の構成でも、キャリーオーバー低減には寄与しないものと推察される。さらには、特許文献４の気水分離器は上段の気水分離部（コルゲートセパレータ）からの分離水の排水が外筒に接して減速降下せず直接的に周囲の自由液面にほぼ垂直に落下して上昇蒸気による液滴の同伴を促進することでキャリーオーバーが増える可能性もあり、このような観点からでも、特許文献４の構成は、キャリーオーバー低減に寄与しない可能性が高いと推察される。
【００１９】
したがって、現行の沸騰水型原子炉の気水分離器は、一般的には、図２のように、気水分離器の周囲に液滴保護リングが無く、且つ気水分離器の第１段排水口が自由液面下に水没できる構成の気水分離器が採用されている。その現行の気水分離器について考察した結果、以下のような気水分離器外周囲での液滴発生およびその液滴の上昇蒸気による蒸気乾燥器側への同伴機構が明らかとなった。
【００２０】
その同伴機構とは以下のとおりであるが、まずは気水分離器内外の水及び蒸気の流動挙動について、図２を参照して簡単に説明する。原子炉の炉心より上方へ流出した水と蒸気の混合流はスタンドパイプ１７に上向きに流入し、ディフューザ１２内に設けたスワラー１１で旋回流３１となる。
【００２１】
旋回に伴う遠心力によって、水と蒸気の混合流のうち蒸気より密度の大きな水の大部分はまず第１段内筒１３ａ内壁面上に付着して液膜を形成する。第１段内筒１３ａ内壁面上を上昇した液膜の大部分は、第１段ピックオフリング１５ａによって選択的に第１段排水流路１９ａに誘導される。第１段排水流路１９ａに誘導された水はそのまま下向きに流れ、自由液面２１より低い位置に設けられた第１段排水口１６ａより排水される。ただし、第１段排水路１９ａを流下する水は気泡２６ａ，２６ｂなどの形で若干の蒸気を同伴する。
【００２２】
第１段排水口１６ａから流出したこの同伴蒸気気泡の一部の気泡２６ｂは水とともに流下するが、残りの気泡２６ａは原子炉圧力容器内の水の自由液面２１まで上昇し、気水分離器外部での上昇蒸気流形成の原因の一つとなる。
【００２３】
一方、第１段内筒１３ａ内で旋回流によって第１段内筒１３ａ内壁面上に付着しなかった水は液滴２７として蒸気に同伴され、第１段ピックオフリング１５ａの内側を通過して第２段内筒１３ｂに流入する。また、第１段ピックオフリング１５ａによって第１段排水流路１９ａに誘導されなかった液膜も第２段内筒１３ｂに流入する。
【００２４】
スワラー１１で水と蒸気の混合流に与えられた旋回力はスワラー１１からの流れ方向距離が長くなるとともに減衰するが、第２段内筒１３ｂ内でも旋回力は水と蒸気の混合流に作用して気水分離に有効に作用する。このため、蒸気に同伴された液滴２７の一部は第２内筒１３ｂ内壁面上を上昇する液膜に付着する。第２段内筒１３ｂ内壁面上を第２段ピックオフリング１５ｂ高さまで上昇した液膜は、ほぼ全量が第２段排水流路１９ｂに誘導され、第２段排水口１６ｂから気水分離器外部へ排出される。
【００２５】
ここで、第２段内筒１３ｂから排出される水量は第１段内筒１３ａから排出される水量よりも少ないことなどが原因で、水とともに第２段排水口１６ｂから排出される蒸気量は第１段排水口１６ａから排出される蒸気量よりも多くなり易い。第２段排水口１６ｂから排出された蒸気も気水分離器外部を上昇していく。第３段内筒１３ｃ内には第２段ピックオフリング１５ｂ内側を通過しての液膜の流入はほぼ無いとみなせ、実質的に液滴２７を同伴した蒸気のみが流入する。
【００２６】
気水分離器内を上昇する蒸気中の同伴液滴２７の一部は旋回力や蒸気流の乱れによってさらに第３段内筒１３ｃ内壁面上に付着し、第３段排水流路１９ｃを介して第３段排水口１６ｃから排出される。排出される水量は第２段排水口１６ｂからの排出水量よりもさらに少なく、水とともに排出される蒸気量は第２段排水口１６ｂからの場合と同様に第１段排水口１６ａからの排出蒸気量よりも多くなり易い。
【００２７】
第３段排水口１６ｃから排出された蒸気も気水分離器外部を上昇していく。一方、第３段内筒１３ｃ内でも壁面上に付着しなかった液滴２７は、蒸気とともに第３段ピックオフリング１５ｃの内側を通って気水分離器外部に排出され、気水分離器外部を上昇してきた蒸気の同伴液滴２７とともに蒸気乾燥器入口に到達する。
【００２８】
続いて、気水分離器外部での蒸気への液滴同伴の発生機構について図２を用いて簡単に説明する。液滴同伴の発生機構として、図２中にＡ乃至Ｄに示す４つの液滴同伴の発生機構が挙げられる。液滴同伴の発生機構Ａは、上昇蒸気流が外筒１４外壁面上を流下する液膜２８の一部を巻き上げたり、液膜２８表面に発生した波の先端を引きちぎったりする際に発生した液滴２７をそのまま同伴するものである。
【００２９】
この液滴同伴の発生機構Ａによる蒸気流の液滴同伴発生は液膜２８の厚みが大きいほど発生し易い。このため、流下液膜の流量が大きくなる第１段外筒１４ａ外壁面上で最も発生し易く、基本的に液膜２８が形成されない第３段外筒１４ｃ外壁面上では発生しない。
【００３０】
液滴同伴の発生機構Ｂは、第１段外筒１４ａ外壁面上を流下してきた液膜２８が原子炉圧力容器内の水の自由液面２１に達した際に、自由液面２１との衝突や周囲蒸気の巻き込みなどによって自由液面２１を波立たせ、波立ちとともに発生した液滴２７の一部が自由液面２１近傍の蒸気に同伴されるものである。自由液面２１の波立ちや蒸気の巻き込みの程度は液膜２８の流量よりも流下速度に強く支配される。
【００３１】
液滴同伴の発生機構Ｃは、第２段乃至第３段排水流路１９ｂ，１９ｃを流下してきた水の一部が、それぞれの排水口１６ｂ，１６ｃ付近で同じ経路で排出される蒸気に液滴２７として同伴されるものである。
【００３２】
液滴同伴の発生機構Ｄは、第１段排水口１６ａから自由液面２１下に水とともに排出された蒸気気泡２６ａが上昇し、自由液面２１ではじけた際に発生した液滴を同伴して蒸気が上昇していくというものである。
【００３３】
このような水と蒸気の混合流の気水分離に旋回力を利用する気水分離器では、一般的に旋回流の周方向速度を大きくすることで気水分離器内部での気水分離効率を上げることができる。しかし、その混合流を旋回させる旋回羽根を持つスワラーは流動抵抗ともなる。
旋回力を与えるということは混合流の流れの向きを強制的に変えることであるため、一般的に旋回力を大きくできるスワラー構造ほど流れの向きを変えることになり流動抵抗は大きくなる。
【００３４】
改良型沸騰水型原子炉の現行気水分離器では、定格運転条件における水と蒸気の混合流の流入流量や蒸気の流量割合を含む広い流動条件範囲で所定の気水分離効率が得られるスワラー形状及び寸法の組み合わせが選ばれている。このように現行の気水分離器のスワラー設計は気水分離効率についてロバスト性が高く、原子炉の形式や炉心熱出力の変更に対して使用本数や配置の変更だけで対応できている。他方、気水分離器の流動抵抗はあくまで小さいことが望ましいが、スワラー設計の変更による流動抵抗の低減と前記のロバスト性の高い気水分離効率性能の維持や性能向上との両立は一般的に極めて困難である。
【００３５】
ところで、気水分離器の気水分離性能への要求は、その下流に設けられている蒸気乾燥器入口に流入する蒸気の湿分の制限値で決まる。加えて、蒸気乾燥器入口での湿分は主に気水分離器のスワラー設計で決まる気水分離器内の気水分離効率だけでなく、気水分離器外部を上昇していく蒸気の同伴液滴量も影響することが実験的に分かっている。
【００３６】
従って、気水分離器外部を上昇していく蒸気の同伴液滴量を低減できれば、スワラー設計の変更を伴うことなく蒸気乾燥器の入口での湿分が低減できる。この場合、気水分離器の流動抵抗は低減できないが、現行気水分離器の持つ気水分離性能のロバスト性を損ねることがない。また、スワラー設計を変更して流動抵抗を低減して気水分離器内部での気水分離効率が下がっても、その効率の低下幅が、気水分離器外部を上昇していく蒸気の同伴液滴量低減相当分以下であれば蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分の制限値は満足できる。
【００３７】
本発明の目的は、沸騰水型原子炉における気水分離器外部を上昇する蒸気への液滴の同伴を抑制して蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分を低減することで、気水分離器内部の構造や寸法，蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分の制限値を変えることなく原子炉の運転条件範囲を拡大可能、或いは蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分の制限値を変えることなくスワラーの流動抵抗を低減可能な気水分離器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明の目的は、
スワラーによって旋回力を与えられた後の気液混合流体を通す内筒と、
前記内筒の外周囲に配備されて前記内筒との間に排水流路を形成する外筒と、
前記内筒内壁面の液膜流を前記排水流路に誘導するピックオフリングと環状板との組立体と、
前記排水流路の排水口と、を有する気液分離部を上下に直列多段に備え、
前記多段の内の最下段の前記排水口が原子炉定格運転時の原子炉圧力容器内の自由液面下に水没できる配置で備わる沸騰水型原子炉の気水分離器において、
前記外筒の外周囲に、前記排水口から前記外筒外面上に沿って流れ落ちる前記液膜流を受ける面を有する液膜流ガイドを前記面が傾斜するように螺旋状に装備してあることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器によって達成される。
【００３９】
このような沸騰水型原子炉の気水分離器では、記述の液滴同伴の発生機構Ａ，Ｂの成立要件を抑制することができ、上昇蒸気への液滴の同伴（キャリーオーバー）の発生を抑制できる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、気水分離器内部の構造や寸法を変更することなく、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分を低減できる。このため、スワラーなどの気水分離器内構造物の設計を変更することなく原子炉の運転条件範囲を拡大、或いは蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分の制限値を変えることなく気水分離器内の流動抵抗を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例１である気水分離器の外観を示す鳥瞰図である。
【図２】現行気水分離器の構造と気水分離器外部での蒸気への液滴同伴発生機構を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例１である気水分離器外筒外壁面近傍の蒸気及び液膜の流れの向きを示す模式図である。
【図４】沸騰水型原子炉内に配置された気水分離器の気水分離性能の特性を模式的に示すグラフである。
【図５】本発明の実施例２である気水分離器の外観を示す鳥瞰図である。
【図６】本発明の実施例３である気水分離器の一部を切断して示す鳥瞰図である。
【図７】図５のＡ−Ａ′矢視による第２段外筒の断面図である。
【図８】図５の第２段外筒の変形例をＡ−Ａ′矢視にて表した第２段外筒の断面図である。
【図９】沸騰水型原子炉の縦断面を右側半分で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
沸騰水型原子炉の気水分離器に本発明を採用した実施例では、気水分離器は以下の構成を備える。すなわち、その気水分離器は各環状板を各段の境に下方から第１段，第２段，第３段の上下直列３段の第１，第２，第３気水分離部を備える構成を有する。
【００４３】
気水分離器の内部構成は図２の現行の気水分離器と同じである。すなわち、円筒状の第１段内筒と、この第１段内筒の上端に配置した第１段ピックオフリング及び第１段環状板と、第１段内筒の外部を取り囲むように配置した第１段外筒とで第１段気水分離部を構成し、円筒状のスタンドパイプの上端に流路面積を拡大するディフューザを接続し、このディフューザの上端に第１段内筒を接続し、ハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラーにより気液混合流に旋回力を与え、旋回に伴う遠心力で分離された液体で第１段内筒の内壁面上に液膜流を形成させて、第１段ピックオフリング、第１段環状板で液膜流を第１段排水流路内に誘導して、第１段排水流路の液膜流を第１段排水口から原子炉圧力容器内の水中に排水する。
【００４４】
さらに第１段気水分離部の第１段環状板の上方に設けた円筒状の第２段内筒と、この第２段内筒の上端に配置した第２段ピックオフリング及び第２段環状板と、第２段内筒の外部を取り囲むように配置した第２段外筒とで第２段気水分離部を構成し、旋回に伴う遠心力で分離された液体で第２段内筒の内壁面上に液膜流を形成させて、第２段ピックオフリング，第２段環状板で液膜流を第２段排水流路内に誘導して、第２段排水流路の液膜流を第２段排水口から原子炉圧力容器内の水中に排水し、さらに第２段気水分離部の第２段環状板の上方に設けた円筒状の第３段内筒と、この第３段内筒の上端に配置した第３段ピックオフリング及び第３段環状板と、第３段内筒の外部を取り囲むように配置した第３段外筒とで第３段気水分離部を構成し、旋回に伴う遠心力や上昇蒸気流の流れの乱れにより分離された液体で第２段内筒の内壁面上に液膜流を形成させて、第３段ピックオフリング，第３段環状板で液膜流を第３段排水流路内に誘導して、第３段排水流路の液膜流を第３段排水口から原子炉圧力容器内の水中に排水し、乾燥した蒸気が第３段ピックオフリングから上方外部へ抜け出て蒸気乾燥器内に供給される。
【００４５】
このような現行のものと同じ内部構成を有する気水分離器の第１段外筒と第２段外筒の各外壁面には液膜流ガイドとして板状の凸状部を、外筒の半径方向に突き出し、さらに螺旋状配置して取り付けられる。これにより、外筒に沿って流れ落ちる液膜流を凸状部の上方斜めへ向いた板面が受け止めて螺旋の斜めの傾斜に沿って降下速度緩やかに液膜流を原子炉圧力容器内の水の自由液面に誘導する。さらには、気水分離器の外筒に沿って上昇する蒸気流を、凸状部の下方斜めに向いた板面が受け止めて斜め上方へ誘導して、液膜流の水が上昇蒸気に同伴されることを抑制する。
【００４６】
その板状の凸状部は、第１段外筒にだけ取り付けることであっても、上記と同様に、降下速度緩やかに液膜流を原子炉圧力容器内の水の自由液面に誘導することや、上昇する蒸気流を、凸状部の下方斜めに向いた板面が受け止めて斜め上方へ誘導して、液膜流の水が上昇蒸気に同伴されることを抑制することが可能である。
【００４７】
第３段外筒の外壁面には何も構成を付加しておらず現行の構成と同じである。また、板状の凸状部は、凹状部に置き換えてもよい。具体的には、第１段外筒と第２段外筒の外壁面に外壁沿いに流下する排水後の液膜流を受ける面が生じるように形成した溝、あるいはその溝の上斜めの一面を外筒の半径方向へ延長した板状の凸状部を、螺旋状にして設ける。
【００４８】
このような着換え構成の液膜流ガイドによっても、外筒の外壁面に沿って流下する液膜流を溝等の液膜流ガイドの上斜め向きの面が受け止めて螺旋の斜めの傾斜に沿って降下速度緩やかに液膜流を原子炉圧力容器内の水の自由液面に誘導する。さらには、気水分離器の外筒に沿って上昇する蒸気流を、凸状部の下方斜めに向いた板面が受け止めて斜め上方へ誘導して、液膜流の水が上昇蒸気に同伴されることを抑制する。
【００４９】
この場合にも、着換え構成の液膜流ガイドは少なくとも第１段外筒に装備されればよい。さらには、着換え構成の液膜流ガイドを第２段外筒に、板状の凸状部を有する液膜流ガイドを第１段外筒に装備、あるいはその逆に装備することであってもよい。
【００５０】
特に、溝を用いた液膜流ガイドは、半径方向への突き出しが無いか抑制できるので、気液分離装置の外側を上昇する蒸気流の流動抵抗になり難いよさがある。
【００５１】
また、第１段外壁に装備される液膜流ガイドは、原子炉運転時における原子炉圧力容器内の水の液面よりも下方に下端が到達するように配慮することにより、排水された液膜の液面への突入も穏やかとなり、蒸気による液滴の同伴が良く抑制できる。
【００５２】
このようにして、原子炉圧力容器内の自由液面よりも上の気水分離器外部での蒸気流への液滴の同伴の発生、すなわち蒸気の湿分増加の原因として挙げられる、外筒外壁面上を流下していく液膜の一部が、逆向きに流れる上昇蒸気との摩擦力によって引きちぎられ、液滴となって蒸気に同伴される場合と、第１段外筒の外壁面上を流下してきた液膜が自由液面に流れ込む際に自由液面を乱し、その際に発生した液滴が自由液面付近の蒸気流に同伴される場合とにおける上昇蒸気への液滴の同伴発生機構が抑制できる。
【実施例１】
【００５３】
沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器３０内には、図９のように、シュラウド３１で囲われた炉心３２と、その上方のシュラウドヘッド３３と、シュラウドヘッド３３に設置された気水分離器３４と、気水分離器３４の上方に配備された蒸気乾燥器３５とが内蔵されている。
【００５４】
その原子炉圧力容器３０内には冷却材として水（軽水）が自由液面２１を持つようにして入れられている。その水はインターナルポンプ３６によってダウンカマ３７から矢印４０のように炉心３２内へ供給されて、炉心３２で加熱され、そこで蒸気と液体との気液二層混合流が発生する。その混合流はシュラウドヘッド３３内へ上昇して、シュラウドヘッド３３から各気水分離器３４へと分配され気液分離作用を受ける。気液分離後の蒸気は上昇して蒸気乾燥器３５に流入して乾燥蒸気として原子炉圧力容器３０の上部空間に抜け出て主蒸気ノズル３８から発電機を駆動するための蒸気タービンへ供給され駆動蒸気として使用される。使用後の蒸気は凝縮されて、給水ノズル３９から原子炉圧力容器３０内に戻される。
【００５５】
その気水分離器３４は、シュラウドヘッド３３上にシュラウドヘッド３３内と連通するように設置されたスタンドパイプ１７の上端に連通接続されている。気水分離器３４は、前述のように、各環状板２０ａ，２０ｂ，２０ｃを各段の境に下方から第１段，第２段，第３段の上下直列３段の第１，第２，第３気水分離部を備える構成を有する。
【００５６】
スワラー１１などの気水分離器の内部の構造や寸法は改良型沸騰水型原子炉で現行使用されている図２に沿って記述した気水分離器と同一である。
【００５７】
まず気水分離器の内部の水及び蒸気の流動挙動について説明する。炉心より流出した水と蒸気の混合流はスタンドパイプ１７に上向きに流入し、ディフューザ１２内に設けたスワラー１１で旋回流３１となる。旋回に伴う遠心力によって、蒸気より密度の大きな水の大部分はまず第１段内筒１３ａ内壁面上に付着して液膜を形成する。
【００５８】
第１段内筒１３ａ内壁面上を上昇した液膜の大部分は、第１段ピックオフリング１５ａと第１段環状板２０ａによって選択的に第１段排水流路１９ａに誘導される。第１段排水流路１９ａに誘導された水はそのまま下向きに流れ、原子炉圧力容器内の水の自由液面２１より低い位置に設けられた第１段排水口１６ａより排水される。ただし、第１段排水路１９ａを流下する水は気泡２６ａ，２６ｂなどの形で若干の蒸気を同伴する。第１段排水口１６ａから流出したこの同伴蒸気気泡の一部の気泡２６ｂは水とともに流下するが、残りの気泡２６ａは自由液面２１まで上昇し、気水分離器外部での上昇蒸気流形成の原因の一つとなる。
【００５９】
一方、第１段内筒１３ａ内で旋回流によって第１段内筒１３ａ内壁面上に付着しなかった水は液滴２７として蒸気に同伴され、第１段ピックオフリング１５ａの内側を上方へ通過して第２段内筒１３ｂに流入する。また、第１段ピックオフリング１５ａによって第１段排水流路１９ａに誘導されなかった液膜も第２段内筒１３ｂに流入する。
【００６０】
スワラー１１で与えられた旋回力はスワラー１１からの流れ方向の距離の増大とともに減衰するが、第２段内筒１３ｂ内でも旋回力は気水分離に有効である。このため、蒸気に同伴された液滴２７の一部は第２段内筒１３ｂ内壁面上を上昇する液膜に付着する。第２段内筒１３ｂ内壁面上を第２段ピックオフリング１５ｂ高さまで上昇して第２段環状板２０ｂに上昇を妨げられた液膜流れは、ほぼ全量が第２段排水流路１９ｂに誘導され、第２段排水口１６ｂから気水分離器外部へ排出される。
【００６１】
ここで、第２段内筒１３ｂから排出される水量は第１段内筒１３ａから排出される水量よりも少ないことなどが原因で、水とともに第２段排水口１６ｂから排出される蒸気量は第１段排水口１６ａから排出される蒸気量よりも大きくなり易い。第２段排水口１６ｂから排出された蒸気も気水分離器外部を上昇していく。
【００６２】
さらに蒸気は第２段ピックオフリング１５ｂから上方の第３段内筒１３ｃ内に入るが、第２段ピックオフリング１５ｂ内側を通過しての液膜の流入はほぼ無いとみなせ、実質的に液滴２７を同伴した蒸気のみが流入する。蒸気中の同伴液滴２７の一部は旋回力や蒸気流の乱れによってさらに第３段内筒１３ｃ内壁面上に付着し、第３段ピックオフリング１５ｃと第３段環状板２０ｃとに誘導されて第３段排水流路１９ｃ内に入り、その第３段排水流路１９ｃの第３段排水口１６ｃから排出される。排出される水量は第２段排水口１６ｂからの排出水量よりもさらに小さく、水とともに排出される蒸気量は第２段排水口１６ｂからの場合と同様に第１段排水口１６ａからの排出蒸気量よりも大きくなり易い。第３段排水口１６ｃから排出された蒸気も気水分離器外部を上昇していく。
【００６３】
一方、第３段内筒１３ｃ内でも壁面上に付着しなかった液滴２７は、蒸気とともに第３段ピックオフリング１５ｃの内側を通って上部排出口１８から気水分離器外部に排出され、気水分離器外部を上昇してきた蒸気及びその蒸気に同伴された液滴２７とともに蒸気乾燥器入口に到達する。
【００６４】
このような現行の沸騰水型原子炉の気水分離器の外周囲に、図１，図３のように液膜流ガイド１が装備される。実施例１の気水分離器は記述のように上下直列３段の気水分離部を持ち、鉛直方向３ヶ所に第１段排水口１６ａ，第２段排水口１６ｂ及び第３段排水口１６ｃが設けられている。そして、第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上には、液膜流ガイド１として高さ方向に螺旋を描くように板状の凸部１ａ，１ｂが周方向に等間隔にそれぞれ４本設置されている。第２段外筒１４ｂ外壁面上に設置したそれぞれの板状の凸部１ｂは、第２段外筒１４ｂ上端と下端との間で第２段外筒１４ｂの外壁面上を周方向に１／４周するように配置されている。
【００６５】
一方、第１段外筒１４ａ外壁面上に設置したそれぞれの板状の凸部１ａは、第１段外筒１４ａ上端から原子炉の定格運転条件時に原子炉圧力容器内に形成される自由液面高さ２１の間で第１段外筒１４ａ外壁面上を周方向に１／４周するように配置され、かつ、その下端の高さは原子炉定格運転時の原子炉圧力容器内の水の自由液面２１よりも下方としている。
【００６６】
また、第１段外筒１４ａ外壁面上に設けた凸部１ａの上端と第２段外筒１４ｂ外壁上に設けた板状の凸部１ｂの下端の周方向位置は一致させてある。
【００６７】
気水分離器の各排水口から流出した液膜流は、各外筒沿いに流下し、凸部１ａの斜め上方向に向いた面に受け止められ、螺旋状に降下誘導され、その降下速度が垂直降下に比べて緩やかになる。その一方で、気水分離器の外周囲で下方から各外筒沿いに上昇してきた蒸気流は凸部１ａの斜め下向きの面に受け止められ、螺旋降下する液膜流との強い勢力状態での干渉がさけられる。
【００６８】
さらに説明すれば、本発明の実施例１は、前述の蒸気による液滴同伴発生機構Ａ乃至Ｄに示した気水分離器外部での蒸気への液滴同伴の発生のうち、Ａ及びＢで示した発生機構での液滴の蒸気への同伴を抑制することで、気水分離器外部を上昇してきた蒸気の蒸気乾燥器入口での湿分を低減するものである。
【００６９】
図１に示す実施例１における板状の凸部１ａ，１ｂが、第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面近傍の蒸気と液膜の流れに与える効果を図３を用いて説明する。図３は、第１段乃至第３段外筒１４ａ，１４ｂ，１４ｃの外壁面を周方向に展開して示す図で、図中のＸ及びＹで示す一点鎖線の位置は実際には周方向の同じ位置となる。図中の実線矢印は第２段排水口１６ｂ及び第３段排水口１６ｃから流出し、液膜流として第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上を流下する水の流れを表す。
【００７０】
破線矢印は、第１段乃至第３段外筒１４ａ，１４ｂ，１４ｃの外壁面付近を上昇する蒸気の流れを表す。第３段排水口１６ｃから流出した水は、重力によって第２段外筒１４ｂ外壁面上を流下するが、やがて第２段外筒１４ｂ外壁面上に設置された板状の凸部１ｂに達する。凸部１ｂに達した水は、図中の実線矢印で示すように凸部１ｂの斜め上向き面３上に沿って斜め下向きに流下していく。
【００７１】
一方、現行の構造の気水分離器では流下液膜２８に直接接して上昇していた蒸気流は、第２段外筒１４ｂ外壁面上に設置された板状の凸部１ｂの斜め下向き面４に衝突する。蒸気流にとって板状の凸部１ｂが流動抵抗となるため、まず第２段外筒１４ｂ外壁面付近の上昇速度は低下する。さらに、蒸気が第２段外筒１４ｂ外壁面に沿って上昇する際も、速度が相対的に速い領域は図中に破線矢印で示す板状の凸部１ｂの斜め下向き面４に沿った一部の領域とできる。
【００７２】
このように第２段外筒１４ｂ外壁面付近で蒸気が主に上昇する領域と液膜２８が主に流下する領域を分けることで、流下液膜２８が高速な上昇蒸気流に直接さらされることがなくなる。これにより、上昇上気流が外筒１４外壁面上を流下する液膜２８の一部を巻き上げたり、液膜２８表面に発生した波の先端を引きちぎったりする際に発生した液滴をそのまま同伴するという、図２中の同伴発生機構Ａで示した機構による上昇蒸気への液滴２７の同伴発生を大幅に抑制できる。
【００７３】
この効果は、第１段外筒１４ａ外壁面上に設けた板状の凸部１ａにおいても同様である。図１に示す実施例１では、第１段外筒１４ａ外壁面上に設置した板状の凸部１ａの下端の高さを自由液面２１よりも下方としている。このため、第１段外筒１４ａ外壁面上を流下する水は板状の凸部１ａの斜め上向き面３に沿って流れたまま自由液面２１に達する。
自由液面２１に達した時点での流下水の速度は鉛直下向きに流下する従来構造での液膜２８の速度よりも小さくなるため、自由液面２１との衝突などを原因とする液滴の発生量も小さくできる。
【００７４】
すなわち、第１段外筒１４ａ外壁面上を流下してきた液膜２８が自由液面２１に達した際に、自由液面２１との衝突や周囲蒸気の巻き込みなどによって自由液面２１を波立たせ、波立ちとともに発生した液滴２７の一部が自由液面２１近傍の蒸気に同伴されるという、図２中の液滴同伴発生機構Ｂで示した機構による上昇蒸気への液滴２７の同伴発生を大幅に低減できる。
【００７５】
以上で述べた本発明の実施例１における気水分離器外部での蒸気への液滴同伴量の抑制が、気水分離器全体の気水分離性能に与える効果を図４を用いて説明する。図４は気水分離器へ流入する水と蒸気の質量流量の和が一定の条件において、クオリティが変化した場合の蒸気乾燥器入口での湿分の変化を模式的に示すグラフである。クオリティとは水と蒸気の混合流の質量流量に対する蒸気の質量流量に対する比である。
【００７６】
ここでグラフ横軸のクオリティの増加は、例えば原子炉の経済性を向上するために、原子炉圧力容器内の機器構成は変更せずに炉心の熱出力のみを増加させた場合に相当する。
図中の実線で示す曲線が現行気水分離器における蒸気乾燥器入口での湿分のクオリティに対する変化特性である。また、図中には破線で気水分離器内部から、一点鎖線で気水分離器外部からの湿分のクオリティに対する変化特性をそれぞれ示してある。破線及び一点鎖線で示した気水分離器内外からの湿分の和が、実線で示す気水分離器全体での蒸気乾燥器入口の湿分となっている。
【００７７】
図中に（II）で示すクオリティ範囲が気水分離器が適用できる最大のクオリティ範囲で、この範囲において実線で示す気水分離器全体での蒸気乾燥器入口での湿分が蒸気乾燥器入口での制限値よりも小さくなっている。特にクオリティ範囲（II）のうちでも、蒸気乾燥器入口での湿分がほぼ一定となっている範囲で実際には使用される。
【００７８】
クオリティが低い側の（Ｉ）の範囲で、蒸気乾燥器入口での湿分はクオリティの低下とともに急激に増加する。これは、クオリティが低いほど流入する水の流量が大きいこと、及び水と蒸気の混合物の流速が小さくなるためスワラー１１による旋回力が小さくなることが重畳することが原因である。従って、クオリティ範囲（Ｉ）での蒸気乾燥器入口での湿分の増減は、図中破線で示す気水分離器内部からの湿分の増減で実質的に決まる。
【００７９】
一方、クオリティが高い側の（III）の範囲では蒸気乾燥器入口での湿分はクオリティの上昇とともに増加する。このクオリティ範囲での蒸気乾燥器入口での湿分の増加は、図
中一点鎖線で示す気水分離器外部からの湿分の増加によるものである。クオリティ範囲（III）ではスワラー１１に与えられる旋回力は気水分離に十分であるため、気水分離器内部からの湿分はこのクオリティ範囲では増加しない。
【００８０】
一方、気水分離器へ流入する蒸気流量が大きくなるため、排水口１６から水とともに流出する蒸気の流量も増加する。このため気水分離器外部での蒸気流の上昇速度も増加し、第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上を流下する液膜２８からの蒸気流への液滴同伴量も増加することになる。
【００８１】
実施例１に示す本発明における気水分離器では第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上で流下液膜２８と上昇蒸気がそれぞれ別の領域を主に流れているため、上昇蒸気速度の増加による流下液膜２８からの液滴発生量増加は抑制される。その結果、主に気水分離器外部からの湿分増加によって現行構造の気水分離器では使用可能範囲外となっている図４中のクオリティ領域（III）での蒸気乾燥器入口での湿分を低減でき、気水分離器の使用可能範囲をより高クオリティ側に広げることができる。
【００８２】
なお、実施例１に示す気水分離器は現行構造の気水分離器の第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上に液膜流ガイドとなる板状の凸部１ａ，１ｂを設置したもので、スワラー１１形状などの気水分離器内部の構造や寸法は一切変更していない。このため、基本的に気水分離器内部の構造や寸法のみに依存する使用可能範囲の低クオリティ側の制限は変わらない。
【００８３】
このように、実施例１に示す本発明における気水分離器を用いれば、設計や性能の確認に多大なコストを要するスワラー１１形状や寸法を変更することなく、使用可能なクオリティ条件の上限を上げることができる。このような気水分離特性を持つ気水分離器ならば、炉心の高出力化などによって炉心出口でのクオリティが高くなってもそのまま適用可能である。
【００８４】
また図４で示したように、気水分離器の使用可能範囲であるクオリティ範囲（II）においても、気水分離器外部から蒸気乾燥器入口に達する湿分は存在する。従って実施例１の気水分離器では、クオリティ領域（II）においても蒸気乾燥器入口での湿分は現行構造の気水分離器１０よりも小さくなる。本発明によるこの気水分離性能の向上分は、蒸気乾燥器の除湿性能や気水分離器内部での気水分離性能の低下分に振り向けることができる。
【００８５】
先に述べた気水分離器のスワラー１１設計と同様に蒸気乾燥器においても圧力損失低減と除湿性能の両立は困難であり、単なる低圧損化のための構造変更は除湿性能の低下を招くことが多い。実施例１の気水分離器と組み合わせれば、タービン入口での湿分を制限値以下としつつ、蒸気乾燥器の低圧損化が可能である。逆に蒸気乾燥器の除湿性能及び圧力損失は変更せず、蒸気乾燥器入口での湿分を現行構造の気水分離器と同等としたまま、スワラー１１の形状，寸法，取付け位置などを変更して気水分離器を低圧損化することもできる。
【００８６】
なお図１に示す実施例１では、全ての板状の凸部１の外筒１４外壁面からの外筒１４径方向での高さを同等としているが、使用時のクオリティ条件や取り付ける鉛直方向位置によって変えても良い。例えば、第２段外筒１４ｂ外壁面上を流下する水は第３段排水口１６ｃから排出されたものだけだが、第１段外筒１４ａ外壁面上を流下する水はそれに第２段排水口１６ｂから排出された水を加えたものとなる。
【００８７】
このため、流下する水の流量が大きい第１段外筒１４ａ外壁面上の板状の凸部１ａの高さの方が第２段外筒１４ｂ外壁面上の板状の凸部１ｂの高さより相対的に高くなっていて良い。また使用条件が現行よりも高クオリティ側で第３段排水口１６ｃからの排水がほとんどないような場合には、板状の凸部１は第１段外筒１４ａの外壁面上のみに設けても良い。さらに液膜２８の流れに沿った方向でも板状の凸部１の外筒１４の外壁面からの外筒１４径方向での高さは一定でなくとも良い。
【００８８】
さらに図１に示す実施例１では、加工が比較的容易という観点から液膜流ガイド１として板状の凸部１を選んだ。しかし、外筒１４外壁面上で流下液膜２８と高速で上昇する蒸気流を極力分離して流すとの観点からは、雨どいなどに用いられるような上向きに開口面を持つ半円形や略四角形の断面を持つ長尺部材を螺旋状に外筒１４外壁面上に設けて液膜流ガイド１としても良い。
【実施例２】
【００８９】
本発明の実施例２による気水分離器を図５を用いて説明する。実施例２の気水分離器は既述の実施例１と同様に上下直列３段の気水分離部を持ち、鉛直方向３ヶ所に第１段排水口１６ａ，第２段排水口１６ｂ及び第３段排水口１６ｃが設けられている。そして、第１段外筒１４ａ外壁面上には、液膜流ガイドとして実施例１と同様の高さ方向に螺旋を描くように板状の凸部１ａが周方向に等間隔にそれぞれ４本設置されている。
【００９０】
一方、第２段外筒１４ｂ外壁面上には液膜流ガイドとして水平断面内で切り欠き状の形状を持つ４本の溝２が設けられている。溝２の形状は水平断面で見ると、図７のように、第２段外筒１４ｂを一部切り欠いて、破線で囲んだ２つの面から成る“Ｖ字”の凹みを持つ溝形状となっている。
【００９１】
溝２の形状については、図８のように、斜め下向き面４は第２段外筒１４ｂの半径方向へ突き出た板状の凸部によって形成され、斜め上向き面３は第２段外筒１４ｂを一部切り欠いて“Ｖ字”の凹みを持つ溝形状を作って形成され、斜め下向き面４の第２外筒の半径方向の突き出し長さを、斜め上向き面３の第２外筒の半径方向長さの１／２としてある。
このように実施例１のように斜め下向き面４を利用した液滴同伴発生の抑制作用を得たいが、斜め下向き面４が上昇蒸気流の流動抵抗となることを実施例１よりも軽減したい場合には、図８の溝２と板状凸部との併用構造が有効である。
【００９２】
これらの溝２は、第２段外筒１４ｂの上端と下端との間で第２段外筒１４ｂの外壁面上を周方向に１／４周するように螺旋状に配置されており、液膜流を受けて螺旋降下して流されるように斜め上向き面３を有する。また、第１段外筒１４ａ外壁上に設けた凸部１ａの上端での斜め上向き面３と第２段外筒１４ｂ外壁面上に設けた溝２の下端での斜め上向き面３の周方向位置は実質的に一致させてある。
【００９３】
なお、スワラー１１などの気水分離器の内部の構造や寸法は、既述の実施例１と同様であり、改良型沸騰水型原子炉で現行使用されている気水分離器と同一である。
【００９４】
先に述べたように、第３段排水口１６ｃからの排水量は第２段排水口１６ｂからの排水量より小さい。このため、第２段外筒１４ｂの外壁面に設ける液膜流ガイド構造の斜め上向き面３の外筒１４外壁面からの外筒１４径方向での高さは流下する液膜２８の流量に合せて低いもので良い。第２段外筒１４ｂ外壁面上に設けた溝２構造は、第１段外筒１４ａ外壁面上に設けた板状の凸部１ａと違って上昇蒸気流を優先的に流すための斜め下向き面４を有しないが、斜め上向き面３が低くても良いので外筒１４外壁面の切削加工、或いはプレス加工で比較的容易に形成できる利点がある。また、斜め下向き面４が無いため外筒１４外壁面近傍での蒸気流の流動抵抗増加も抑制できる。同様の効果は三角形断面を有する長尺部材を螺旋状に外筒１４外壁面上に設けることでも得ることができる。
【実施例３】
【００９５】
本発明の実施例３による気水分離器を図６を用いて説明する。図８は実施例３における本発明の気水分離器の第２段排水口１６ｂ付近の構造を、一部を切断して示す鳥瞰図である。本実施例における気水分離器は、第１段外筒１４ａ外壁面上に実施例１に類似した板状の凸部１ａを４本設けている。
【００９６】
板状の凸部１ａの上端は、第２段外筒１４ｂの内壁面と第２段内筒１３ｂの外壁面との間に形成される第２段排水流路１９ｂの内部まで延長されている。例えば、図６に示す実施例では板状の凸部１ａの上端高さから第２段排水口１６ｂ高さの間で第２段内筒１３ｂの外壁面上を周方向にほぼ１／８周するように螺旋状に配置しているため、第２段排水流路１９ｂを流下する水の１／２は第２段排水口１６ｂ高さまで流下してきた時点で板状の凸部１ａの斜め上向き面３上にすでに集められる。
【００９７】
これら板状の凸部１ａの斜め上向き面３に集めることができる水は、実施例１のように板状の凸部１ａの上端が第２段排水口１６ｂの下端までの場合には、第２段排水口１６ｂから流出する際に板状の凸部１ａの斜め下向き面４に沿って上昇してきた蒸気流に直接さらされて液滴として飛散する可能性がある。
【００９８】
本実施例における構造ならば、板状の凸部１ａの斜め下向き面４に沿って上昇してきた蒸気流による第２段排水口１６ｂ近傍での液滴発生を抑制し、気水分離器１０外部からの蒸気の湿分増加を防ぐことができる。
【００９９】
なお、一般的に排水口１６の開口面積を小さくすると平均的な排水速度が大きくなる。
排水速度の増大は排水が外筒１４外壁面から離脱しやすくなるため、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分低減の観点からは望ましくない。例えば、直接蒸気流中に排水が飛び出せば自由液面２１に達するまでに蒸気流中への液滴飛散は避けられないほか、さらに液塊として自由液面２１に落下した際には自由液面２１を激しく乱して液滴発生を引き起こす。
【０１００】
しかし、本実施例のように第２段排水口１６ｂで排水に寄与する開口範囲を限定した場合、明らかに排水のために不要となる周方向位置の開口部分は無くしても良い。排水口１６の開口面積が小さくできれば外筒１４の強度確保が容易となる。さらに、排水流路内で板状の凸部１ａを外筒１４内壁面及び内筒１３外壁面と溶接などで接合すれば、気水分離器の強度自体を向上できる。その他の構成や作用は実施例１と同様である。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、沸騰水型原子炉の気水分離器に採用されることに産業上の利用可能性がある。
【符号の説明】
【０１０２】
１ａ，１ｂ 凸部
２ 溝
３ 斜め上向き面
４ 斜め下向き面
１１ スワラー
１２ ディフューザ
１３ａ 第１段内筒
１３ｂ 第２段内筒
１３ｃ 第３段内筒
１４ａ 第１段外筒
１４ｂ 第２段外筒
１４ｃ 第３段外筒
１５ａ 第１段ピックオフリング
１５ｂ 第２段ピックオフリング
１５ｃ 第３段ピックオフリング
１６ａ 第１段排水口
１６ｂ 第２段排水口
１６ｃ 第３段排水口
１７ スタンドパイプ
１８ 上部排出口
１９ａ 第１段排水流路
１９ｂ 第２段排水流路
１９ｃ 第３段排水流路
２０ａ 第１段環状板
２０ｂ 第２段環状板
２０ｃ 第３段環状板
２１ 自由液面
２６ａ，２６ｂ 気泡
２７ 液滴
２８ 液膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉において炉心から流出した水と蒸気の混合流を水，蒸気それぞれに分離するために原子炉圧力容器内に配置される気水分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用途に用いられる沸騰水型原子炉は原子炉圧力容器を有し、その内部に複数の燃料集合体が装荷された炉心が配置されている。沸騰水型原子炉においては、ポンプ或いは自然循環力を利用して炉心下端面よりサブクール水として炉心に流入させた冷却材を、炉心内の核燃料の発熱によって加熱させて沸騰させる。この沸騰によって冷却水の一部が蒸気となるため、炉心上端面から流出する冷却材の流れは水と蒸気の混合流となる。
【０００３】
原子炉圧力容器内の炉心の上方には、多数の気水分離器及び蒸気乾燥器がスタンドパイプを介して炉心のシュラウドヘッド上に配置されている。気水分離器は、炉心から流出した水と蒸気の混合流をシュラウドヘッド内からスタンドパイプを通じて受け入れて分離し、分離した蒸気を原子炉圧力容器内で気水分離器の上方に配備されている蒸気乾燥器へと供給する。
【０００４】
蒸気乾燥器では、気水分離器から供給された蒸気に微小液滴などの形でごく僅かに含まれる湿分をさらに除去して乾燥させる。蒸気乾燥器を通過した乾燥蒸気は、原子炉圧力容器から主蒸気配管を介して発電機用タービンに供給される。
【０００５】
タービンに供給される乾燥蒸気が十分に乾燥していないと、液滴の衝突などによってタービン翼の損傷を引き起こす可能性がある。このため、蒸気乾燥器通過後の蒸気の湿分は一定値以下に制限する必要がある。このため、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分も前記の制限値と蒸気乾燥器の除湿性能から決まる値で制限される。従って、気水分離器の気水分離性能への要求の一つは、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分が前記の理由により決まる制限値以下とできることである。
【０００６】
現行の改良型沸騰水型原子炉で採用されている気水分離器では、水と蒸気の密度差を利用した遠心分離方式を用いている。具体的には、炉心からの水と蒸気の混合流を垂直円筒の下端から流入させたのち、スワラーと呼ばれる旋回羽根を持つ構造物で円筒の中心軸位置を中心軸とする旋回流とする（例えば、特許文献１参照）。密度が蒸気と比べて大きな水は、旋回による遠心力で円筒内壁に付着して液膜流を形成する。一方、蒸気は円筒の中心軸付近を上昇していく。
【０００７】
円筒内壁上に形成された液膜流は、高さ方向複数ヶ所で円筒内壁面付近の流れのみが流入できる排出専用の流路に選択的に流入して気水分離器外部に排出され、円筒上端からは円筒内壁に付着しなかった水を液滴の形で同伴した蒸気のみが流出する。
【０００８】
水と蒸気の混合流に与える旋回力を大きくする、すなわち回転の周方向速度を大きくした方が水に働く遠心力は大きくなるため、気水分離器から流出する蒸気の湿分は旋回力が大きい方が基本的に低くなる。しかし、旋回力を与えるスワラーなどの構造物は流動抵抗体ともなるため、強い旋回力を与えようとすると気水分離器通過時の流動抵抗も大きくなるのが一般的である。
【０００９】
気水分離器の流動抵抗の増加は、冷却材再循環ポンプの揚程の増大などを招くため望ましくない。このため、原子炉の定格運転条件近傍で排出蒸気の湿分が所定の制限値以下とできる範囲で、水と蒸気の混合流に与える旋回力を抑えたスワラーの形状や寸法を選んで気水分離器の流動抵抗を抑えるのが一般的である。
【００１０】
さらに一歩進め、炉心の径方向出力分布に依存して水と蒸気の混合流の流量や蒸気の流量割合に径方向分布があることに着目し、径方向位置毎にスワラー形状や寸法が異なる気水分離器を配置する技術がある（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
また、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分は気水分離器外部の流動状況にも影響を受ける。
旋回によって円筒内壁に付着、液膜を形成した水は、前記のように排出専用の流路へ誘導されて気水分離器外部に排出される。このとき、原子炉の運転条件によっては排出される水が気泡などの形で蒸気を同伴する場合がある。
【００１２】
水とともに気水分離器外へ排出された蒸気は、気水分離器間の空間を上昇し、蒸気乾燥器に流入する。気水分離器外部を上昇する蒸気も様々な原因によって液滴を同伴し得るため、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分量は、気水分離器上端から流出した蒸気の湿分量と気水分離器外部を上昇してきた蒸気の湿分量との和となる。気水分離器外部を上昇する蒸気の湿分を除去する技術として、気水分離器間の隙間を覆う液滴捕獲リングを設けたものがある（例えば、特許文献３参照）。
【００１３】
また、気水分離器の内筒にトレイを螺旋状に装備し、そのトレイに内筒からの分離水（排水）を受けさせて分離水が垂直降下するに比べて流速が緩やかになるようにして自由液面まで導くものもある（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１８３４８９号公報
【特許文献２】特開平１０−１９７６７８号公報
【特許文献３】特開平８−１７９０７７号公報
【特許文献４】実開昭６０−６０５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記液滴保護リングを採用した特許文献３においては、上段側の気水分離器の排水口から排水された水が液滴保護リングに到達して気水分離器の外側を上昇する蒸気の通気抵抗となる。その上、排水口から直接あるいは液滴保護リングから排水が水面に落下あるいは上昇流に同伴されて大小さまざまな粒径の液滴を発生させる。上昇蒸気に同伴された粒径の小さい液滴を液滴保護リングで捕捉しようとすると、液滴保護リングの密度が大きくなり一層蒸気の通気抵抗が大きくなる傾向を示す懸念がある。
【００１６】
また、気水分離器の内筒に螺旋状のトレイを装備した特許文献４においては、トレイで分離水を自由液面へ誘導するため、気水分離器の外筒は極端に短く、自由液面よりもはるかに上方に外筒の下端部が位置し、外筒の下端は水没しないため、気水分離器の第１段目の排水口は自由液面下に水没しない。
【００１７】
これに対して現行の気水分離器のように、第１段目の排水口出口を水没させることによる作用の一つは、出口圧力を一定に保つことで排水流路の入口と出口間の差圧を一定に保ち、排水路内部を通過する排水の流量を時間的に安定させることである。これは、多段構成の気水分離器において排水流量が大きい第１段目の内筒外壁と外筒内壁とで形成される排水流路の排水口を、自由液面より上に設けることは望ましくない。
【００１８】
特許文献４の実施例では外筒を短くしたために排水流路の出口は自由液面より上に開口している。かかる構造では、分離水の流量に変動が発生した場合、排水路の出口圧力も変動し、安定した排水が阻害される可能性がある。排水流量が時間的に変動して排水の流れが蒸気を含んだ間欠的なものとなると、排水口で水の一部が蒸気に同伴されてキャリーオーバーとなるため、現行の気水分離器よりもキャリーオーバーが増える可能性がある。すなわち、特許文献４の構成でも、キャリーオーバー低減には寄与しないものと推察される。さらには、特許文献４の気水分離器は上段の気水分離部（コルゲートセパレータ）からの分離水の排水が外筒に接して減速降下せず直接的に周囲の自由液面にほぼ垂直に落下して上昇蒸気による液滴の同伴を促進することでキャリーオーバーが増える可能性もあり、このような観点からでも、特許文献４の構成は、キャリーオーバー低減に寄与しない可能性が高いと推察される。
【００１９】
したがって、現行の沸騰水型原子炉の気水分離器は、一般的には、図２のように、気水分離器の周囲に液滴保護リングが無く、且つ気水分離器の第１段排水口が自由液面下に水没できる構成の気水分離器が採用されている。その現行の気水分離器について考察した結果、以下のような気水分離器外周囲での液滴発生およびその液滴の上昇蒸気による蒸気乾燥器側への同伴機構が明らかとなった。
【００２０】
その同伴機構とは以下のとおりであるが、まずは気水分離器内外の水及び蒸気の流動挙動について、図２を参照して簡単に説明する。原子炉の炉心より上方へ流出した水と蒸気の混合流はスタンドパイプ１７に上向きに流入し、ディフューザ１２内に設けたスワラー１１で旋回流３１となる。
【００２１】
旋回に伴う遠心力によって、水と蒸気の混合流のうち蒸気より密度の大きな水の大部分はまず第１段内筒１３ａ内壁面上に付着して液膜を形成する。第１段内筒１３ａ内壁面上を上昇した液膜の大部分は、第１段ピックオフリング１５ａによって選択的に第１段排水流路１９ａに誘導される。第１段排水流路１９ａに誘導された水はそのまま下向きに流れ、自由液面２１より低い位置に設けられた第１段排水口１６ａより排水される。ただし、第１段排水路１９ａを流下する水は気泡２６ａ，２６ｂなどの形で若干の蒸気を同伴する。
【００２２】
第１段排水口１６ａから流出したこの同伴蒸気気泡の一部の気泡２６ｂは水とともに流下するが、残りの気泡２６ａは原子炉圧力容器内の水の自由液面２１まで上昇し、気水分離器外部での上昇蒸気流形成の原因の一つとなる。
【００２３】
一方、第１段内筒１３ａ内で旋回流によって第１段内筒１３ａ内壁面上に付着しなかった水は液滴２７として蒸気に同伴され、第１段ピックオフリング１５ａの内側を通過して第２段内筒１３ｂに流入する。また、第１段ピックオフリング１５ａによって第１段排水流路１９ａに誘導されなかった液膜も第２段内筒１３ｂに流入する。
【００２４】
スワラー１１で水と蒸気の混合流に与えられた旋回力はスワラー１１からの流れ方向距離が長くなるとともに減衰するが、第２段内筒１３ｂ内でも旋回力は水と蒸気の混合流に作用して気水分離に有効に作用する。このため、蒸気に同伴された液滴２７の一部は第２内筒１３ｂ内壁面上を上昇する液膜に付着する。第２段内筒１３ｂ内壁面上を第２段ピックオフリング１５ｂ高さまで上昇した液膜は、ほぼ全量が第２段排水流路１９ｂに誘導され、第２段排水口１６ｂから気水分離器外部へ排出される。
【００２５】
ここで、第２段内筒１３ｂから排出される水量は第１段内筒１３ａから排出される水量よりも少ないことなどが原因で、水とともに第２段排水口１６ｂから排出される蒸気量は第１段排水口１６ａから排出される蒸気量よりも多くなり易い。第２段排水口１６ｂから排出された蒸気も気水分離器外部を上昇していく。第３段内筒１３ｃ内には第２段ピックオフリング１５ｂ内側を通過しての液膜の流入はほぼ無いとみなせ、実質的に液滴２７を同伴した蒸気のみが流入する。
【００２６】
気水分離器内を上昇する蒸気中の同伴液滴２７の一部は旋回力や蒸気流の乱れによってさらに第３段内筒１３ｃ内壁面上に付着し、第３段排水流路１９ｃを介して第３段排水口１６ｃから排出される。排出される水量は第２段排水口１６ｂからの排出水量よりもさらに少なく、水とともに排出される蒸気量は第２段排水口１６ｂからの場合と同様に第１段排水口１６ａからの排出蒸気量よりも多くなり易い。
【００２７】
第３段排水口１６ｃから排出された蒸気も気水分離器外部を上昇していく。一方、第３段内筒１３ｃ内でも壁面上に付着しなかった液滴２７は、蒸気とともに第３段ピックオフリング１５ｃの内側を通って気水分離器外部に排出され、気水分離器外部を上昇してきた蒸気の同伴液滴２７とともに蒸気乾燥器入口に到達する。
【００２８】
続いて、気水分離器外部での蒸気への液滴同伴の発生機構について図２を用いて簡単に説明する。液滴同伴の発生機構として、図２中にＡ乃至Ｄに示す４つの液滴同伴の発生機構が挙げられる。液滴同伴の発生機構Ａは、上昇蒸気流が外筒１４外壁面上を流下する液膜２８の一部を巻き上げたり、液膜２８表面に発生した波の先端を引きちぎったりする際に発生した液滴２７をそのまま同伴するものである。
【００２９】
この液滴同伴の発生機構Ａによる蒸気流の液滴同伴発生は液膜２８の厚みが大きいほど発生し易い。このため、流下液膜の流量が大きくなる第１段外筒１４ａ外壁面上で最も発生し易く、基本的に液膜２８が形成されない第３段外筒１４ｃ外壁面上では発生しない。
【００３０】
液滴同伴の発生機構Ｂは、第１段外筒１４ａ外壁面上を流下してきた液膜２８が原子炉圧力容器内の水の自由液面２１に達した際に、自由液面２１との衝突や周囲蒸気の巻き込みなどによって自由液面２１を波立たせ、波立ちとともに発生した液滴２７の一部が自由液面２１近傍の蒸気に同伴されるものである。自由液面２１の波立ちや蒸気の巻き込みの程度は液膜２８の流量よりも流下速度に強く支配される。
【００３１】
液滴同伴の発生機構Ｃは、第２段乃至第３段排水流路１９ｂ，１９ｃを流下してきた水の一部が、それぞれの排水口１６ｂ，１６ｃ付近で同じ経路で排出される蒸気に液滴２７として同伴されるものである。
【００３２】
液滴同伴の発生機構Ｄは、第１段排水口１６ａから自由液面２１下に水とともに排出された蒸気気泡２６ａが上昇し、自由液面２１ではじけた際に発生した液滴を同伴して蒸気が上昇していくというものである。
【００３３】
このような水と蒸気の混合流の気水分離に旋回力を利用する気水分離器では、一般的に旋回流の周方向速度を大きくすることで気水分離器内部での気水分離効率を上げることができる。しかし、その混合流を旋回させる旋回羽根を持つスワラーは流動抵抗ともなる。
旋回力を与えるということは混合流の流れの向きを強制的に変えることであるため、一般的に旋回力を大きくできるスワラー構造ほど流れの向きを変えることになり流動抵抗は大きくなる。
【００３４】
改良型沸騰水型原子炉の現行気水分離器では、定格運転条件における水と蒸気の混合流の流入流量や蒸気の流量割合を含む広い流動条件範囲で所定の気水分離効率が得られるスワラー形状及び寸法の組み合わせが選ばれている。このように現行の気水分離器のスワラー設計は気水分離効率についてロバスト性が高く、原子炉の形式や炉心熱出力の変更に対して使用本数や配置の変更だけで対応できている。他方、気水分離器の流動抵抗はあくまで小さいことが望ましいが、スワラー設計の変更による流動抵抗の低減と前記のロバスト性の高い気水分離効率性能の維持や性能向上との両立は一般的に極めて困難である。
【００３５】
ところで、気水分離器の気水分離性能への要求は、その下流に設けられている蒸気乾燥器入口に流入する蒸気の湿分の制限値で決まる。加えて、蒸気乾燥器入口での湿分は主に気水分離器のスワラー設計で決まる気水分離器内の気水分離効率だけでなく、気水分離器外部を上昇していく蒸気の同伴液滴量も影響することが実験的に分かっている。
【００３６】
従って、気水分離器外部を上昇していく蒸気の同伴液滴量を低減できれば、スワラー設計の変更を伴うことなく蒸気乾燥器の入口での湿分が低減できる。この場合、気水分離器の流動抵抗は低減できないが、現行気水分離器の持つ気水分離性能のロバスト性を損ねることがない。また、スワラー設計を変更して流動抵抗を低減して気水分離器内部での気水分離効率が下がっても、その効率の低下幅が、気水分離器外部を上昇していく蒸気の同伴液滴量低減相当分以下であれば蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分の制限値は満足できる。
【００３７】
本発明の目的は、沸騰水型原子炉における気水分離器外部を上昇する蒸気への液滴の同伴を抑制して蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分を低減することで、気水分離器内部の構造や寸法，蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分の制限値を変えることなく原子炉の運転条件範囲を拡大可能、或いは蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分の制限値を変えることなくスワラーの流動抵抗を低減可能な気水分離器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明の目的は、
スワラーによって旋回力を与えられた後の気液混合流体を通す内筒と、
前記内筒の外周囲に配備されて前記内筒との間に排水流路を形成する外筒と、
前記内筒内壁面の液膜流を前記排水流路に誘導するピックオフリングと環状板との組立体と、
前記排水流路の排水口と、を有する気液分離部を上下に直列多段に備え、
前記多段の内の最下段の前記排水口が原子炉定格運転時の原子炉圧力容器内の自由液面下に水没できる配置で備わる沸騰水型原子炉の気水分離器において、
前記外筒の外周囲に、前記排水口から前記外筒外面上に沿って流れ落ちる前記液膜流を受ける面を有する液膜流ガイドを前記面が傾斜するように螺旋状に装備してあることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器によって達成される。
【００３９】
このような沸騰水型原子炉の気水分離器では、記述の液滴同伴の発生機構Ａ，Ｂの成立要件を抑制することができ、上昇蒸気への液滴の同伴（キャリーオーバー）の発生を抑制できる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、気水分離器内部の構造や寸法を変更することなく、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分を低減できる。このため、スワラーなどの気水分離器内構造物の設計を変更することなく原子炉の運転条件範囲を拡大、或いは蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分の制限値を変えることなく気水分離器内の流動抵抗を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例１である気水分離器の外観を示す鳥瞰図である。
【図２】現行気水分離器の構造と気水分離器外部での蒸気への液滴同伴発生機構を示す模式図である。
【図３】本発明の実施例１である気水分離器外筒外壁面近傍の蒸気及び液膜の流れの向きを示す模式図である。
【図４】沸騰水型原子炉内に配置された気水分離器の気水分離性能の特性を模式的に示すグラフである。
【図５】本発明の実施例２である気水分離器の外観を示す鳥瞰図である。
【図６】本発明の実施例３である気水分離器の一部を切断して示す鳥瞰図である。
【図７】図５のＡ−Ａ′矢視による第２段外筒の断面図である。
【図８】図５の第２段外筒の変形例をＡ−Ａ′矢視にて表した第２段外筒の断面図である。
【図９】沸騰水型原子炉の縦断面を右側半分で示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
沸騰水型原子炉の気水分離器に本発明を採用した実施例では、気水分離器は以下の構成を備える。すなわち、その気水分離器は各環状板を各段の境に下方から第１段，第２段，第３段の上下直列３段の第１，第２，第３気水分離部を備える構成を有する。
【００４３】
気水分離器の内部構成は図２の現行の気水分離器と同じである。すなわち、円筒状の第１段内筒と、この第１段内筒の上端に配置した第１段ピックオフリング及び第１段環状板と、第１段内筒の外部を取り囲むように配置した第１段外筒とで第１段気水分離部を構成し、円筒状のスタンドパイプの上端に流路面積を拡大するディフューザを接続し、このディフューザの上端に第１段内筒を接続し、ハブと複数の旋回羽根で構成されるスワラーにより気液混合流に旋回力を与え、旋回に伴う遠心力で分離された液体で第１段内筒の内壁面上に液膜流を形成させて、第１段ピックオフリング、第１段環状板で液膜流を第１段排水流路内に誘導して、第１段排水流路の液膜流を第１段排水口から原子炉圧力容器内の水中に排水する。
【００４４】
さらに第１段気水分離部の第１段環状板の上方に設けた円筒状の第２段内筒と、この第２段内筒の上端に配置した第２段ピックオフリング及び第２段環状板と、第２段内筒の外部を取り囲むように配置した第２段外筒とで第２段気水分離部を構成し、旋回に伴う遠心力で分離された液体で第２段内筒の内壁面上に液膜流を形成させて、第２段ピックオフリング，第２段環状板で液膜流を第２段排水流路内に誘導して、第２段排水流路の液膜流を第２段排水口から原子炉圧力容器内の水中に排水し、さらに第２段気水分離部の第２段環状板の上方に設けた円筒状の第３段内筒と、この第３段内筒の上端に配置した第３段ピックオフリング及び第３段環状板と、第３段内筒の外部を取り囲むように配置した第３段外筒とで第３段気水分離部を構成し、旋回に伴う遠心力や上昇蒸気流の流れの乱れにより分離された液体で第２段内筒の内壁面上に液膜流を形成させて、第３段ピックオフリング，第３段環状板で液膜流を第３段排水流路内に誘導して、第３段排水流路の液膜流を第３段排水口から原子炉圧力容器内の水中に排水し、乾燥した蒸気が第３段ピックオフリングから上方外部へ抜け出て蒸気乾燥器内に供給される。
【００４５】
このような現行のものと同じ内部構成を有する気水分離器の第１段外筒と第２段外筒の各外壁面には液膜流ガイドとして板状の凸状部を、外筒の半径方向に突き出し、さらに螺旋状配置して取り付けられる。これにより、外筒に沿って流れ落ちる液膜流を凸状部の上方斜めへ向いた板面が受け止めて螺旋の斜めの傾斜に沿って降下速度緩やかに液膜流を原子炉圧力容器内の水の自由液面に誘導する。さらには、気水分離器の外筒に沿って上昇する蒸気流を、凸状部の下方斜めに向いた板面が受け止めて斜め上方へ誘導して、液膜流の水が上昇蒸気に同伴されることを抑制する。
【００４６】
その板状の凸状部は、第１段外筒にだけ取り付けることであっても、上記と同様に、降下速度緩やかに液膜流を原子炉圧力容器内の水の自由液面に誘導することや、上昇する蒸気流を、凸状部の下方斜めに向いた板面が受け止めて斜め上方へ誘導して、液膜流の水が上昇蒸気に同伴されることを抑制することが可能である。
【００４７】
第３段外筒の外壁面には何も構成を付加しておらず現行の構成と同じである。また、板状の凸状部は、凹状部に置き換えてもよい。具体的には、第１段外筒と第２段外筒の外壁面に外壁沿いに流下する排水後の液膜流を受ける面が生じるように形成した溝、あるいはその溝の上斜めの一面を外筒の半径方向へ延長した板状の凸状部を、螺旋状にして設ける。
【００４８】
このような着換え構成の液膜流ガイドによっても、外筒の外壁面に沿って流下する液膜流を溝等の液膜流ガイドの上斜め向きの面が受け止めて螺旋の斜めの傾斜に沿って降下速度緩やかに液膜流を原子炉圧力容器内の水の自由液面に誘導する。さらには、気水分離器の外筒に沿って上昇する蒸気流を、凸状部の下方斜めに向いた板面が受け止めて斜め上方へ誘導して、液膜流の水が上昇蒸気に同伴されることを抑制する。
【００４９】
この場合にも、着換え構成の液膜流ガイドは少なくとも第１段外筒に装備されればよい。さらには、着換え構成の液膜流ガイドを第２段外筒に、板状の凸状部を有する液膜流ガイドを第１段外筒に装備、あるいはその逆に装備することであってもよい。
【００５０】
特に、溝を用いた液膜流ガイドは、半径方向への突き出しが無いか抑制できるので、気液分離装置の外側を上昇する蒸気流の流動抵抗になり難いよさがある。
【００５１】
また、第１段外壁に装備される液膜流ガイドは、原子炉運転時における原子炉圧力容器内の水の液面よりも下方に下端が到達するように配慮することにより、排水された液膜の液面への突入も穏やかとなり、蒸気による液滴の同伴が良く抑制できる。
【００５２】
このようにして、原子炉圧力容器内の自由液面よりも上の気水分離器外部での蒸気流への液滴の同伴の発生、すなわち蒸気の湿分増加の原因として挙げられる、外筒外壁面上を流下していく液膜の一部が、逆向きに流れる上昇蒸気との摩擦力によって引きちぎられ、液滴となって蒸気に同伴される場合と、第１段外筒の外壁面上を流下してきた液膜が自由液面に流れ込む際に自由液面を乱し、その際に発生した液滴が自由液面付近の蒸気流に同伴される場合とにおける上昇蒸気への液滴の同伴発生機構が抑制できる。
【実施例１】
【００５３】
沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器３０内には、図９のように、シュラウド３１で囲われた炉心３２と、その上方のシュラウドヘッド３３と、シュラウドヘッド３３に設置された気水分離器３４と、気水分離器３４の上方に配備された蒸気乾燥器３５とが内蔵されている。
【００５４】
その原子炉圧力容器３０内には冷却材として水（軽水）が自由液面２１を持つようにして入れられている。その水はインターナルポンプ３６によってダウンカマ３７から矢印４０のように炉心３２内へ供給されて、炉心３２で加熱され、そこで蒸気と液体との気液二層混合流が発生する。その混合流はシュラウドヘッド３３内へ上昇して、シュラウドヘッド３３から各気水分離器３４へと分配され気液分離作用を受ける。気液分離後の蒸気は上昇して蒸気乾燥器３５に流入して乾燥蒸気として原子炉圧力容器３０の上部空間に抜け出て主蒸気ノズル３８から発電機を駆動するための蒸気タービンへ供給され駆動蒸気として使用される。使用後の蒸気は凝縮されて、給水ノズル３９から原子炉圧力容器３０内に戻される。
【００５５】
その気水分離器３４は、シュラウドヘッド３３上にシュラウドヘッド３３内と連通するように設置されたスタンドパイプ１７の上端に連通接続されている。気水分離器３４は、前述のように、各環状板２０ａ，２０ｂ，２０ｃを各段の境に下方から第１段，第２段，第３段の上下直列３段の第１，第２，第３気水分離部を備える構成を有する。
【００５６】
スワラー１１などの気水分離器の内部の構造や寸法は改良型沸騰水型原子炉で現行使用されている図２に沿って記述した気水分離器と同一である。
【００５７】
まず気水分離器の内部の水及び蒸気の流動挙動について説明する。炉心より流出した水と蒸気の混合流はスタンドパイプ１７に上向きに流入し、ディフューザ１２内に設けたスワラー１１で旋回流３１となる。旋回に伴う遠心力によって、蒸気より密度の大きな水の大部分はまず第１段内筒１３ａ内壁面上に付着して液膜を形成する。
【００５８】
第１段内筒１３ａ内壁面上を上昇した液膜の大部分は、第１段ピックオフリング１５ａと第１段環状板２０ａによって選択的に第１段排水流路１９ａに誘導される。第１段排水流路１９ａに誘導された水はそのまま下向きに流れ、原子炉圧力容器内の水の自由液面２１より低い位置に設けられた第１段排水口１６ａより排水される。ただし、第１段排水路１９ａを流下する水は気泡２６ａ，２６ｂなどの形で若干の蒸気を同伴する。第１段排水口１６ａから流出したこの同伴蒸気気泡の一部の気泡２６ｂは水とともに流下するが、残りの気泡２６ａは自由液面２１まで上昇し、気水分離器外部での上昇蒸気流形成の原因の一つとなる。
【００５９】
一方、第１段内筒１３ａ内で旋回流によって第１段内筒１３ａ内壁面上に付着しなかった水は液滴２７として蒸気に同伴され、第１段ピックオフリング１５ａの内側を上方へ通過して第２段内筒１３ｂに流入する。また、第１段ピックオフリング１５ａによって第１段排水流路１９ａに誘導されなかった液膜も第２段内筒１３ｂに流入する。
【００６０】
スワラー１１で与えられた旋回力はスワラー１１からの流れ方向の距離の増大とともに減衰するが、第２段内筒１３ｂ内でも旋回力は気水分離に有効である。このため、蒸気に同伴された液滴２７の一部は第２段内筒１３ｂ内壁面上を上昇する液膜に付着する。第２段内筒１３ｂ内壁面上を第２段ピックオフリング１５ｂ高さまで上昇して第２段環状板２０ｂに上昇を妨げられた液膜流れは、ほぼ全量が第２段排水流路１９ｂに誘導され、第２段排水口１６ｂから気水分離器外部へ排出される。
【００６１】
ここで、第２段内筒１３ｂから排出される水量は第１段内筒１３ａから排出される水量よりも少ないことなどが原因で、水とともに第２段排水口１６ｂから排出される蒸気量は第１段排水口１６ａから排出される蒸気量よりも大きくなり易い。第２段排水口１６ｂから排出された蒸気も気水分離器外部を上昇していく。
【００６２】
さらに蒸気は第２段ピックオフリング１５ｂから上方の第３段内筒１３ｃ内に入るが、第２段ピックオフリング１５ｂ内側を通過しての液膜の流入はほぼ無いとみなせ、実質的に液滴２７を同伴した蒸気のみが流入する。蒸気中の同伴液滴２７の一部は旋回力や蒸気流の乱れによってさらに第３段内筒１３ｃ内壁面上に付着し、第３段ピックオフリング１５ｃと第３段環状板２０ｃとに誘導されて第３段排水流路１９ｃ内に入り、その第３段排水流路１９ｃの第３段排水口１６ｃから排出される。排出される水量は第２段排水口１６ｂからの排出水量よりもさらに小さく、水とともに排出される蒸気量は第２段排水口１６ｂからの場合と同様に第１段排水口１６ａからの排出蒸気量よりも大きくなり易い。第３段排水口１６ｃから排出された蒸気も気水分離器外部を上昇していく。
【００６３】
一方、第３段内筒１３ｃ内でも壁面上に付着しなかった液滴２７は、蒸気とともに第３段ピックオフリング１５ｃの内側を通って上部排出口１８から気水分離器外部に排出され、気水分離器外部を上昇してきた蒸気及びその蒸気に同伴された液滴２７とともに蒸気乾燥器入口に到達する。
【００６４】
このような現行の沸騰水型原子炉の気水分離器の外周囲に、図１，図３のように液膜流ガイド１が装備される。実施例１の気水分離器は記述のように上下直列３段の気水分離部を持ち、鉛直方向３ヶ所に第１段排水口１６ａ，第２段排水口１６ｂ及び第３段排水口１６ｃが設けられている。そして、第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上には、液膜流ガイド１として高さ方向に螺旋を描くように板状の凸部１ａ，１ｂが周方向に等間隔にそれぞれ４本設置されている。第２段外筒１４ｂ外壁面上に設置したそれぞれの板状の凸部１ｂは、第２段外筒１４ｂ上端と下端との間で第２段外筒１４ｂの外壁面上を周方向に１／４周するように配置されている。
【００６５】
一方、第１段外筒１４ａ外壁面上に設置したそれぞれの板状の凸部１ａは、第１段外筒１４ａ上端から原子炉の定格運転条件時に原子炉圧力容器内に形成される自由液面高さ２１の間で第１段外筒１４ａ外壁面上を周方向に１／４周するように配置され、かつ、その下端の高さは原子炉定格運転時の原子炉圧力容器内の水の自由液面２１よりも下方としている。
【００６６】
また、第１段外筒１４ａ外壁面上に設けた凸部１ａの上端と第２段外筒１４ｂ外壁上に設けた板状の凸部１ｂの下端の周方向位置は一致させてある。
【００６７】
気水分離器の各排水口から流出した液膜流は、各外筒沿いに流下し、凸部１ａの斜め上方向に向いた面に受け止められ、螺旋状に降下誘導され、その降下速度が垂直降下に比べて緩やかになる。その一方で、気水分離器の外周囲で下方から各外筒沿いに上昇してきた蒸気流は凸部１ａの斜め下向きの面に受け止められ、螺旋降下する液膜流との強い勢力状態での干渉がさけられる。
【００６８】
さらに説明すれば、本発明の実施例１は、前述の蒸気による液滴同伴発生機構Ａ乃至Ｄに示した気水分離器外部での蒸気への液滴同伴の発生のうち、Ａ及びＢで示した発生機構での液滴の蒸気への同伴を抑制することで、気水分離器外部を上昇してきた蒸気の蒸気乾燥器入口での湿分を低減するものである。
【００６９】
図１に示す実施例１における板状の凸部１ａ，１ｂが、第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面近傍の蒸気と液膜の流れに与える効果を図３を用いて説明する。図３は、第１段乃至第３段外筒１４ａ，１４ｂ，１４ｃの外壁面を周方向に展開して示す図で、図中のＸ及びＹで示す一点鎖線の位置は実際には周方向の同じ位置となる。図中の実線矢印は第２段排水口１６ｂ及び第３段排水口１６ｃから流出し、液膜流として第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上を流下する水の流れを表す。
【００７０】
破線矢印は、第１段乃至第３段外筒１４ａ，１４ｂ，１４ｃの外壁面付近を上昇する蒸気の流れを表す。第３段排水口１６ｃから流出した水は、重力によって第２段外筒１４ｂ外壁面上を流下するが、やがて第２段外筒１４ｂ外壁面上に設置された板状の凸部１ｂに達する。凸部１ｂに達した水は、図中の実線矢印で示すように凸部１ｂの斜め上向き面３上に沿って斜め下向きに流下していく。
【００７１】
一方、現行の構造の気水分離器では流下液膜２８に直接接して上昇していた蒸気流は、第２段外筒１４ｂ外壁面上に設置された板状の凸部１ｂの斜め下向き面４に衝突する。蒸気流にとって板状の凸部１ｂが流動抵抗となるため、まず第２段外筒１４ｂ外壁面付近の上昇速度は低下する。さらに、蒸気が第２段外筒１４ｂ外壁面に沿って上昇する際も、速度が相対的に速い領域は図中に破線矢印で示す板状の凸部１ｂの斜め下向き面４に沿った一部の領域とできる。
【００７２】
このように第２段外筒１４ｂ外壁面付近で蒸気が主に上昇する領域と液膜２８が主に流下する領域を分けることで、流下液膜２８が高速な上昇蒸気流に直接さらされることがなくなる。これにより、上昇上気流が外筒１４外壁面上を流下する液膜２８の一部を巻き上げたり、液膜２８表面に発生した波の先端を引きちぎったりする際に発生した液滴をそのまま同伴するという、図２中の同伴発生機構Ａで示した機構による上昇蒸気への液滴２７の同伴発生を大幅に抑制できる。
【００７３】
この効果は、第１段外筒１４ａ外壁面上に設けた板状の凸部１ａにおいても同様である。図１に示す実施例１では、第１段外筒１４ａ外壁面上に設置した板状の凸部１ａの下端の高さを自由液面２１よりも下方としている。このため、第１段外筒１４ａ外壁面上を流下する水は板状の凸部１ａの斜め上向き面３に沿って流れたまま自由液面２１に達する。
自由液面２１に達した時点での流下水の速度は鉛直下向きに流下する従来構造での液膜２８の速度よりも小さくなるため、自由液面２１との衝突などを原因とする液滴の発生量も小さくできる。
【００７４】
すなわち、第１段外筒１４ａ外壁面上を流下してきた液膜２８が自由液面２１に達した際に、自由液面２１との衝突や周囲蒸気の巻き込みなどによって自由液面２１を波立たせ、波立ちとともに発生した液滴２７の一部が自由液面２１近傍の蒸気に同伴されるという、図２中の液滴同伴発生機構Ｂで示した機構による上昇蒸気への液滴２７の同伴発生を大幅に低減できる。
【００７５】
以上で述べた本発明の実施例１における気水分離器外部での蒸気への液滴同伴量の抑制が、気水分離器全体の気水分離性能に与える効果を図４を用いて説明する。図４は気水分離器へ流入する水と蒸気の質量流量の和が一定の条件において、クオリティが変化した場合の蒸気乾燥器入口での湿分の変化を模式的に示すグラフである。クオリティとは水と蒸気の混合流の質量流量に対する蒸気の質量流量に対する比である。
【００７６】
ここでグラフ横軸のクオリティの増加は、例えば原子炉の経済性を向上するために、原子炉圧力容器内の機器構成は変更せずに炉心の熱出力のみを増加させた場合に相当する。
図中の実線で示す曲線が現行気水分離器における蒸気乾燥器入口での湿分のクオリティに対する変化特性である。また、図中には破線で気水分離器内部から、一点鎖線で気水分離器外部からの湿分のクオリティに対する変化特性をそれぞれ示してある。破線及び一点鎖線で示した気水分離器内外からの湿分の和が、実線で示す気水分離器全体での蒸気乾燥器入口の湿分となっている。
【００７７】
図中に（II）で示すクオリティ範囲が気水分離器が適用できる最大のクオリティ範囲で、この範囲において実線で示す気水分離器全体での蒸気乾燥器入口での湿分が蒸気乾燥器入口での制限値よりも小さくなっている。特にクオリティ範囲（II）のうちでも、蒸気乾燥器入口での湿分がほぼ一定となっている範囲で実際には使用される。
【００７８】
クオリティが低い側の（Ｉ）の範囲で、蒸気乾燥器入口での湿分はクオリティの低下とともに急激に増加する。これは、クオリティが低いほど流入する水の流量が大きいこと、及び水と蒸気の混合物の流速が小さくなるためスワラー１１による旋回力が小さくなることが重畳することが原因である。従って、クオリティ範囲（Ｉ）での蒸気乾燥器入口での湿分の増減は、図中破線で示す気水分離器内部からの湿分の増減で実質的に決まる。
【００７９】
一方、クオリティが高い側の（III）の範囲では蒸気乾燥器入口での湿分はクオリティの上昇とともに増加する。このクオリティ範囲での蒸気乾燥器入口での湿分の増加は、図
中一点鎖線で示す気水分離器外部からの湿分の増加によるものである。クオリティ範囲（III）ではスワラー１１に与えられる旋回力は気水分離に十分であるため、気水分離器内部からの湿分はこのクオリティ範囲では増加しない。
【００８０】
一方、気水分離器へ流入する蒸気流量が大きくなるため、排水口１６から水とともに流出する蒸気の流量も増加する。このため気水分離器外部での蒸気流の上昇速度も増加し、第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上を流下する液膜２８からの蒸気流への液滴同伴量も増加することになる。
【００８１】
実施例１に示す本発明における気水分離器では第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上で流下液膜２８と上昇蒸気がそれぞれ別の領域を主に流れているため、上昇蒸気速度の増加による流下液膜２８からの液滴発生量増加は抑制される。その結果、主に気水分離器外部からの湿分増加によって現行構造の気水分離器では使用可能範囲外となっている図４中のクオリティ領域（III）での蒸気乾燥器入口での湿分を低減でき、気水分離器の使用可能範囲をより高クオリティ側に広げることができる。
【００８２】
なお、実施例１に示す気水分離器は現行構造の気水分離器の第１段外筒１４ａ及び第２段外筒１４ｂの外壁面上に液膜流ガイドとなる板状の凸部１ａ，１ｂを設置したもので、スワラー１１形状などの気水分離器内部の構造や寸法は一切変更していない。このため、基本的に気水分離器内部の構造や寸法のみに依存する使用可能範囲の低クオリティ側の制限は変わらない。
【００８３】
このように、実施例１に示す本発明における気水分離器を用いれば、設計や性能の確認に多大なコストを要するスワラー１１形状や寸法を変更することなく、使用可能なクオリティ条件の上限を上げることができる。このような気水分離特性を持つ気水分離器ならば、炉心の高出力化などによって炉心出口でのクオリティが高くなってもそのまま適用可能である。
【００８４】
また図４で示したように、気水分離器の使用可能範囲であるクオリティ範囲（II）においても、気水分離器外部から蒸気乾燥器入口に達する湿分は存在する。従って実施例１の気水分離器では、クオリティ領域（II）においても蒸気乾燥器入口での湿分は現行構造の気水分離器１０よりも小さくなる。本発明によるこの気水分離性能の向上分は、蒸気乾燥器の除湿性能や気水分離器内部での気水分離性能の低下分に振り向けることができる。
【００８５】
先に述べた気水分離器のスワラー１１設計と同様に蒸気乾燥器においても圧力損失低減と除湿性能の両立は困難であり、単なる低圧損化のための構造変更は除湿性能の低下を招くことが多い。実施例１の気水分離器と組み合わせれば、タービン入口での湿分を制限値以下としつつ、蒸気乾燥器の低圧損化が可能である。逆に蒸気乾燥器の除湿性能及び圧力損失は変更せず、蒸気乾燥器入口での湿分を現行構造の気水分離器と同等としたまま、スワラー１１の形状，寸法，取付け位置などを変更して気水分離器を低圧損化することもできる。
【００８６】
なお図１に示す実施例１では、全ての板状の凸部１の外筒１４外壁面からの外筒１４径方向での高さを同等としているが、使用時のクオリティ条件や取り付ける鉛直方向位置によって変えても良い。例えば、第２段外筒１４ｂ外壁面上を流下する水は第３段排水口１６ｃから排出されたものだけだが、第１段外筒１４ａ外壁面上を流下する水はそれに第２段排水口１６ｂから排出された水を加えたものとなる。
【００８７】
このため、流下する水の流量が大きい第１段外筒１４ａ外壁面上の板状の凸部１ａの高さの方が第２段外筒１４ｂ外壁面上の板状の凸部１ｂの高さより相対的に高くなっていて良い。また使用条件が現行よりも高クオリティ側で第３段排水口１６ｃからの排水がほとんどないような場合には、板状の凸部１は第１段外筒１４ａの外壁面上のみに設けても良い。さらに液膜２８の流れに沿った方向でも板状の凸部１の外筒１４の外壁面からの外筒１４径方向での高さは一定でなくとも良い。
【００８８】
さらに図１に示す実施例１では、加工が比較的容易という観点から液膜流ガイド１として板状の凸部１を選んだ。しかし、外筒１４外壁面上で流下液膜２８と高速で上昇する蒸気流を極力分離して流すとの観点からは、雨どいなどに用いられるような上向きに開口面を持つ半円形や略四角形の断面を持つ長尺部材を螺旋状に外筒１４外壁面上に設けて液膜流ガイド１としても良い。
【実施例２】
【００８９】
本発明の実施例２による気水分離器を図５を用いて説明する。実施例２の気水分離器は既述の実施例１と同様に上下直列３段の気水分離部を持ち、鉛直方向３ヶ所に第１段排水口１６ａ，第２段排水口１６ｂ及び第３段排水口１６ｃが設けられている。そして、第１段外筒１４ａ外壁面上には、液膜流ガイドとして実施例１と同様の高さ方向に螺旋を描くように板状の凸部１ａが周方向に等間隔にそれぞれ４本設置されている。
【００９０】
一方、第２段外筒１４ｂ外壁面上には液膜流ガイドとして水平断面内で切り欠き状の形状を持つ４本の溝２が設けられている。溝２の形状は水平断面で見ると、図７のように、第２段外筒１４ｂを一部切り欠いて、破線で囲んだ２つの面から成る“Ｖ字”の凹みを持つ溝形状となっている。
【００９１】
溝２の形状については、図８のように、斜め下向き面４は第２段外筒１４ｂの半径方向へ突き出た板状の凸部によって形成され、斜め上向き面３は第２段外筒１４ｂを一部切り欠いて“Ｖ字”の凹みを持つ溝形状を作って形成され、斜め下向き面４の第２外筒の半径方向の突き出し長さを、斜め上向き面３の第２外筒の半径方向長さの１／２としてある。
このように実施例１のように斜め下向き面４を利用した液滴同伴発生の抑制作用を得たいが、斜め下向き面４が上昇蒸気流の流動抵抗となることを実施例１よりも軽減したい場合には、図８の溝２と板状凸部との併用構造が有効である。
【００９２】
これらの溝２は、第２段外筒１４ｂの上端と下端との間で第２段外筒１４ｂの外壁面上を周方向に１／４周するように螺旋状に配置されており、液膜流を受けて螺旋降下して流されるように斜め上向き面３を有する。また、第１段外筒１４ａ外壁上に設けた凸部１ａの上端での斜め上向き面３と第２段外筒１４ｂ外壁面上に設けた溝２の下端での斜め上向き面３の周方向位置は実質的に一致させてある。
【００９３】
なお、スワラー１１などの気水分離器の内部の構造や寸法は、既述の実施例１と同様であり、改良型沸騰水型原子炉で現行使用されている気水分離器と同一である。
【００９４】
先に述べたように、第３段排水口１６ｃからの排水量は第２段排水口１６ｂからの排水量より小さい。このため、第２段外筒１４ｂの外壁面に設ける液膜流ガイド構造の斜め上向き面３の外筒１４外壁面からの外筒１４径方向での高さは流下する液膜２８の流量に合せて低いもので良い。第２段外筒１４ｂ外壁面上に設けた溝２構造は、第１段外筒１４ａ外壁面上に設けた板状の凸部１ａと違って上昇蒸気流を優先的に流すための斜め下向き面４を有しないが、斜め上向き面３が低くても良いので外筒１４外壁面の切削加工、或いはプレス加工で比較的容易に形成できる利点がある。また、斜め下向き面４が無いため外筒１４外壁面近傍での蒸気流の流動抵抗増加も抑制できる。同様の効果は三角形断面を有する長尺部材を螺旋状に外筒１４外壁面上に設けることでも得ることができる。
【実施例３】
【００９５】
本発明の実施例３による気水分離器を図６を用いて説明する。図８は実施例３における本発明の気水分離器の第２段排水口１６ｂ付近の構造を、一部を切断して示す鳥瞰図である。本実施例における気水分離器は、第１段外筒１４ａ外壁面上に実施例１に類似した板状の凸部１ａを４本設けている。
【００９６】
板状の凸部１ａの上端は、第２段外筒１４ｂの内壁面と第２段内筒１３ｂの外壁面との間に形成される第２段排水流路１９ｂの内部まで延長されている。例えば、図６に示す実施例では板状の凸部１ａの上端高さから第２段排水口１６ｂ高さの間で第２段内筒１３ｂの外壁面上を周方向にほぼ１／８周するように螺旋状に配置しているため、第２段排水流路１９ｂを流下する水の１／２は第２段排水口１６ｂ高さまで流下してきた時点で板状の凸部１ａの斜め上向き面３上にすでに集められる。
【００９７】
これら板状の凸部１ａの斜め上向き面３に集めることができる水は、実施例１のように板状の凸部１ａの上端が第２段排水口１６ｂの下端までの場合には、第２段排水口１６ｂから流出する際に板状の凸部１ａの斜め下向き面４に沿って上昇してきた蒸気流に直接さらされて液滴として飛散する可能性がある。
【００９８】
本実施例における構造ならば、板状の凸部１ａの斜め下向き面４に沿って上昇してきた蒸気流による第２段排水口１６ｂ近傍での液滴発生を抑制し、気水分離器１０外部からの蒸気の湿分増加を防ぐことができる。
【００９９】
なお、一般的に排水口１６の開口面積を小さくすると平均的な排水速度が大きくなる。
排水速度の増大は排水が外筒１４外壁面から離脱しやすくなるため、蒸気乾燥器入口での蒸気の湿分低減の観点からは望ましくない。例えば、直接蒸気流中に排水が飛び出せば自由液面２１に達するまでに蒸気流中への液滴飛散は避けられないほか、さらに液塊として自由液面２１に落下した際には自由液面２１を激しく乱して液滴発生を引き起こす。
【０１００】
しかし、本実施例のように第２段排水口１６ｂで排水に寄与する開口範囲を限定した場合、明らかに排水のために不要となる周方向位置の開口部分は無くしても良い。排水口１６の開口面積が小さくできれば外筒１４の強度確保が容易となる。さらに、排水流路内で板状の凸部１ａを外筒１４内壁面及び内筒１３外壁面と溶接などで接合すれば、気水分離器の強度自体を向上できる。その他の構成や作用は実施例１と同様である。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
本発明は、沸騰水型原子炉の気水分離器に採用されることに産業上の利用可能性がある。
【符号の説明】
【０１０２】
１ａ，１ｂ 凸部
２ 溝
３ 斜め上向き面
４ 斜め下向き面
１１ スワラー
１２ ディフューザ
１３ａ 第１段内筒
１３ｂ 第２段内筒
１３ｃ 第３段内筒
１４ａ 第１段外筒
１４ｂ 第２段外筒
１４ｃ 第３段外筒
１５ａ 第１段ピックオフリング
１５ｂ 第２段ピックオフリング
１５ｃ 第３段ピックオフリング
１６ａ 第１段排水口
１６ｂ 第２段排水口
１６ｃ 第３段排水口
１７ スタンドパイプ
１８ 上部排出口
１９ａ 第１段排水流路
１９ｂ 第２段排水流路
１９ｃ 第３段排水流路
２０ａ 第１段環状板
２０ｂ 第２段環状板
２０ｃ 第３段環状板
２１ 自由液面
２６ａ，２６ｂ 気泡
２７ 液滴
２８ 液膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スワラーによって旋回力を与えられた後の気液混合流体を通す内筒と、
前記内筒の外周囲に配備されて前記内筒との間に排水流路を形成する外筒と、
前記内筒内壁面の液膜流を前記排水流路に誘導するピックオフリングと環状板との組立体と、
前記排水流路の排水口と、を有する気液分離部を上下に直列多段に備え、
前記多段の内の最下段の前記排水口が原子炉定格運転時の原子炉圧力容器内の自由液面下に水没できる配置で備わる沸騰水型原子炉の気水分離器において、
前記外筒の外周囲に、前記排水口から前記外筒外面上に沿って流れ落ちる前記液膜流を受ける面を有する液膜流ガイドを前記面が傾斜するように螺旋状に装備してあることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項２】
請求項１において、最下段の前記気液分離部の外筒に装着された前記液膜流ガイドは、下端が前記自由液面下に水没する位置に設定されていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項３】
請求項２において、隣接する各段の気液分離部の各外筒に装着された各液膜流ガイドが、相対的に上段側の液膜流ガイドの下端が、相対的に下段側の液膜流ガイドの上方に位置するように配置されていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項４】
請求項３において、前記外筒に装着される前記各液膜流ガイドは、一つの前記液膜流ガイドについて前記外筒の外周囲４分の１周囲に渡って装着され、前記外筒一筒につき４本の前記液膜流ガイドが周方向に均等配置されていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項において、最下段の前記気液分離部の外筒に装着された前記液膜流ガイドは、隣接する上段の前記気液分離部の前記排水流路内へ螺旋状にして延長されている部分を備えていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項６】
請求項１から請求項４において、前記液膜流ガイドは、前記外筒の外壁面に形成された溝か前記外筒の半径方向へ突き出た板状の凸部か、前記凸部と前記溝の併用構造を有するものであることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項７】
請求項６において、最下段の前記気液分離部の外筒には前記液膜流ガイドとして前記凸部が装着され、それよりも上段の前記気液分離部の外筒には前記液膜流ガイドとして前記溝が形成されていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項１】
スワラーによって旋回力を与えられた後の気液混合流体を通す内筒と、
前記内筒の外周囲に配備されて前記内筒との間に排水流路を形成する外筒と、
前記内筒内壁面の液膜流を前記排水流路に誘導するピックオフリングと環状板との組立体と、
前記排水流路の排水口と、を有する気液分離部を上下に直列多段に備え、
前記多段の内の最下段の前記排水口が原子炉定格運転時の原子炉圧力容器内の自由液面下に水没できる配置で備わる沸騰水型原子炉の気水分離器において、
前記外筒の外周囲に、前記排水口から前記外筒外面上に沿って流れ落ちる前記液膜流を受ける面を有する液膜流ガイドを前記面が傾斜するように螺旋状に装備してあることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項２】
請求項１において、最下段の前記気液分離部の外筒に装着された前記液膜流ガイドは、下端が前記自由液面下に水没する位置に設定されていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項３】
請求項２において、隣接する各段の気液分離部の各外筒に装着された各液膜流ガイドが、相対的に上段側の液膜流ガイドの下端が、相対的に下段側の液膜流ガイドの上方に位置するように配置されていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項４】
請求項３において、前記外筒に装着される前記各液膜流ガイドは、一つの前記液膜流ガイドについて前記外筒の外周囲４分の１周囲に渡って装着され、前記外筒一筒につき４本の前記液膜流ガイドが周方向に均等配置されていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項において、最下段の前記気液分離部の外筒に装着された前記液膜流ガイドは、隣接する上段の前記気液分離部の前記排水流路内へ螺旋状にして延長されている部分を備えていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項６】
請求項１から請求項４において、前記液膜流ガイドは、前記外筒の外壁面に形成された溝か前記外筒の半径方向へ突き出た板状の凸部か、前記凸部と前記溝の併用構造を有するものであることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【請求項７】
請求項６において、最下段の前記気液分離部の外筒には前記液膜流ガイドとして前記凸部が装着され、それよりも上段の前記気液分離部の外筒には前記液膜流ガイドとして前記溝が形成されていることを特徴とした沸騰水型原子炉の気水分離器。
【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２０１０−２６１８２１（Ｐ２０１０−２６１８２１Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１３１３７（Ｐ２００９−１１３１３７）
【出願日】平成２１年５月８日（２００９．５．８）
【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２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月８日（２００９．５．８）
【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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