JP2005049099A - インターナルポンプおよび軽水型原子力プラント一次系配管 - Google Patents
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Abstract
【課題】インターナルポンプのギャップ部での流れの摩擦損失の増加を低減し、ポンプ部品の磨耗損傷の低減やポンプ性能の経年変化の抑制を図るとともに、原子力プラント一次系配管の大きな部分を占める再循環系配管と主蒸気管の経年的な固形付着物の抑制と放射線被曝低減を図ることにより信頼性の高いインターナルポンプおよび軽水型原子力プラント一次系配管を提供する。
【解決手段】原子炉圧力容器の下鏡部を貫通するポンプシャフトと、このポンプシャフトの前記原子炉圧力容器内側の先端に据付けられて圧力容器内の原子炉冷却水を強制循環させるポンプ羽根車と、前記ポンプシャフトを回転駆動させるためのモータ部と、前記モータ部下部で前記ポンプシャフトに取り付けられモータ内冷却水を強制循環させる補助羽根車を備えたインターナルポンプの前記ポンプ羽根車の外周面に親水性皮膜を設けたことを特徴とするインターナルポンプ。
【選択図】 図２
【解決手段】原子炉圧力容器の下鏡部を貫通するポンプシャフトと、このポンプシャフトの前記原子炉圧力容器内側の先端に据付けられて圧力容器内の原子炉冷却水を強制循環させるポンプ羽根車と、前記ポンプシャフトを回転駆動させるためのモータ部と、前記モータ部下部で前記ポンプシャフトに取り付けられモータ内冷却水を強制循環させる補助羽根車を備えたインターナルポンプの前記ポンプ羽根車の外周面に親水性皮膜を設けたことを特徴とするインターナルポンプ。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉圧力容器の下鏡部に取り付けられ、炉内の冷却水を強制循環させるウェットモータ型のインターナルポンプおよび軽水型原子力プラントの一次系配管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽水型原子力プラントの一次系配管系統においては、再循環ポンプにより駆動された冷却水は再循環系配管を通って原子炉圧力容器の炉心に流入し、炉心からの熱により沸騰して蒸気と水からなる気液二相流となり、液相部分をほとんど除いて液滴を随伴した蒸気流れとなって主蒸気管から高圧タービンおよび低圧タービンに流出する。
【０００３】
しかしながら、原子炉運転期間の長期化に伴い、炉水中に混じったわずかの固形物が一次系配管内に付着することにより、配管内の粗さ増加による摩擦圧力損失の増加をもたらし、その結果として再循環ポンプの負荷が増加し、設計で定められた定格炉心流量に達しない場合がある。また、これらの炉水中の固形物はいずれも炉心部を通過して放射性を帯びているため、プラント内の放射線被曝の増加につながることも予想される。
【０００４】
原子力プラントにおける従来の被曝低減技術としては、原子炉の残留熱除去系の配管に放射能付着防止のために耐熱性樹脂または金属製皮膜を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２３２２９５号公報（［０００５］〜［００１５］）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、上述した再循環ポンプを圧力容器に直接設置したタイプの再循環ポンプはインターナルポンプと呼称される。このインターナルポンプは、外部再循環用のループ配管の必要がないので、原子力プラント設備を簡略化し、合理的なプラント設計が可能である。
【０００７】
このインターナルポンプは、原子炉圧力容器の下鏡部に回転部品が直接取り付けられていることや、また軸封部のないウェットモータを採用しているという特殊な構成要因から、高い信頼性および耐久性が要求されており、以下の点について更なる改善が求められている。
▲１▼ 流体摩擦低減
▲２▼ 経年変化による性能低下の抑制
▲３▼ メンテナンス性の向上
【０００８】
特にインターナルポンプは、その構造上、構成機構において回転側部材と静止側部材との間に数多くの微小なギャップ（隙間）を有するため、このギャップ部分における流動抵抗がポンプ性能に及ぼす影響は決して小さくない。またギャップ部により冷却水の温度・圧力・流量の微妙なバランスによって局所的な二次流れが誘起されることもあり、これらはいずれも長期的には、インターナルポンプに大きなダメージを与える原因となり、インターナルポンプの性能低下を招く恐れがある。
【０００９】
すなわち、インターナルポンプにおいては、上述したギャップ部で流体の流れが阻害されて停滞することによって冷却性能が低下し、クラッドの巻き込みや付着の確率が増加し、それに伴って生じる経年変化が無視できなくなる。また回転機械にとっては、摩擦損失の増大は軸動力の増加やポンプ性能の低下にもつながる。
【００１０】
また、メンテナンスの頻度が増えれば、原子力発電プラントの運転性および経済性が低下するとともに、運転員や検査員の放射線被曝の機会が増える等のデメリットが生じる。
【００１１】
さらに、軽水型原子力プラントにおいては、運転期間の長期化に伴う再循環ポンプの負荷増加と放射線被曝の増加は、プラントの経年的な性能低下を招くため好ましくない。
【００１２】
本発明は上述したような課題を解決するためになされたものであり、インターナルポンプのギャップ部での流れの摩擦損失の増加を低減し、ポンプ部品の磨耗損傷の低減やポンプ性能の経年変化の抑制を図るとともに、原子力プラント一次系配管の大きな部分を占める再循環系配管と主蒸気管への経年変化による固形付着物の抑制と放射線被曝低減を図ることにより安全性および信頼性の高いインターナルポンプおよび軽水型原子力プラント一次系配管を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るインターナルポンプは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、原子炉圧力容器の下鏡部を貫通するポンプシャフトと、このポンプシャフトの前記原子炉圧力容器内側の先端に据付けられて圧力容器内の原子炉冷却水を強制循環させるポンプ羽根車と、前記ポンプシャフトを回転駆動させるためのモータ部と、前記モータ部下部で前記ポンプシャフトに取り付けられモータ内冷却水を強制循環させる補助羽根車を備えたインターナルポンプの前記ポンプ羽根車の外周面に親水性皮膜を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に、軽水型原子力プラントの一例として、ＢＷＲプラントの一次系配管系統図を示す。再循環ポンプ４１により駆動された冷却水は再循環系配管４２を通って原子炉圧力容器４３の炉心４４に流入し、炉心からの熱により沸騰して蒸気と水からなる気液二相流となり、液相部分をほとんど除いて液滴を随伴した蒸気流れとなって主蒸気管４５から高圧タービン４６、低圧タービン４７に流出する。タービンにて仕事をした蒸気は復水器４８により凝縮され、復水ポンプ４９により復水浄化系５１に送入されて浄化され、高圧復水ポンプ５２，給水加熱器５３，給水ポンプ５４を介して原子炉圧力容器に流入する。
【００１５】
この図１における再循環ポンプ４１をインターナルポンプと置換することにより、冷却水再循環系のループ配管が省略されるため、原子力プラントの一次系配管をより簡略化された配管ルーティングとすることが可能である。
【００１６】
インターナルポンプの一般的な構造を図２に示す。図２に示すようにインターナルポンプ１０は、原子炉圧力容器１の下鏡２を貫通して設けられたノズル部３に一体的に取り付けられる。
【００１７】
インターナルポンプ１０は、原子炉圧力容器１内で原子炉冷却水を循環させる機能を有し、回転軸であるポンプシャフト４と、ポンプシャフト４の原子炉圧力容器側先端に一体的に設けられたポンプ部５と、原子炉圧力容器１の下鏡２に設けられたノズル部３の下方外部に突出するモータケーシング６内に収容されたモータ部７とで構成される。モータ部７は、ポンプシャフト４を回転駆動させることによりポンプ部５を駆動させる。
【００１８】
モータ部７の上下端方向には、上部ラジアル軸受１１および下部ラジアル軸受１２がポンプシャフト４を支持するように配設される。さらに、ポンプシャフト４を上下方向に支持するためにモータケーシング６下部にスラスト軸受１８が配設される。
【００１９】
モータ部７は軸封部を持たないウェットモータタイプであり、モータ部７下部でポンプシャフト４に取り付けられた補助羽根車１３によってモータケーシング６内の冷却水を強制循環させ、モータ部７での発熱を冷却する。モータ冷却水は、補助羽根車１３の上流側に接続されたモータ冷却水入口ノズル１４からモータケーシング６の内部に流入し、上部ラジアル軸受１１の下流側に接続されたモータ冷却水出口ノズル１５から流出する。
【００２０】
また、炉内からクラッド（化学的に生成される、あるいは物理的に混入してくる微小な異物）がモータ部７内に侵入することを防止する目的で、上部ラジアル軸受１１の上流側にあるパージ水入口ノズル１６からパージ水が高圧で送り込まれる。
【００２１】
一方、モータ部７により回転駆動されたポンプ部５が、羽根車８の上部から原子炉圧力容器１内の冷却水を吸い込み、羽根車８及び案内羽根部９で加圧して原子炉圧力容器１の底部中心側へ向かって吐出する。この案内羽根部９はストレッチチューブ１７によりノズル部３の上端面に固定されている。
【００２２】
本発明に係るインターナルポンプ１０は、上記のような構成を有するインターナルポンプの構成部品に親水性の皮膜を設けることにより、炉内からのクラッドの侵入を防止する。
【００２３】
親水性皮膜を形成する親水性材料としては、ＴｉＯ２、ＰｂＯ、ＢａＴｉＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｒＴｉＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＦｅＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＭｎＴｉＯ３、ＳｎＯ２等の金属酸化物が好適である。親水性材料の被膜厚さについては、耐磨耗性を考慮すると０．１μｍ以上とする必要があり、伝熱性を考慮すると１０μｍ以下とする必要がある。したがって、親水性皮膜厚さは、０．１〜１０μｍの範囲に設けることが好ましい。
【００２４】
上記のようにインターナルポンプの構成部品に親水性皮膜を施工する構成を採用することによって、従来と同一寸法・形状のまま大きな設計変更を行うことなく、信頼性および耐久性に優れたインターナルポンプを提供できる。
【００２５】
次に、本発明に係るインターナルポンプの好ましい実施の形態について、具体例を参照して以下に詳細に説明する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
図３に、本発明に係るインターナルポンプの第１の実施形態における羽根車８および案内羽根部９部分の部分的な断面模式図を示す。
【００２７】
この羽根車８が、図２に示すポンプシャフト４を回転軸として回転することにより、原子炉冷却水が駆動されて炉内を循環する。ポンプ羽根車８の外周では周速が最も速くなり、微小な隙間を隔てて案内羽根部９が冷却水の流路を形成している。この流路（ギャップ部）で局所的な二次流れが誘起された場合、冷却水に含まれる微量のクラッドが停滞して部材表面に固着することがある。このようにクラッドが固着するとインターナルポンプの運転性能が低下する。
【００２８】
そこで第１の実施形態のインターナルポンプは、羽根車８の外周面及びそれに対向する案内羽根部９の内周面に親水性皮膜８ａ及び９ａを被覆して親水性を付与している。このように親水性皮膜を設けることにより、羽根車８および案内羽根部９表面のぬれ性が向上し、ギャップ部にクラッドが侵入した場合でも部材表面へのクラッドの付着が効果的に防止されるので、インターナルポンプの経年変化による性能低下を抑制することが可能である。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図４に、本発明に係るインターナルポンプの第２の実施形態におけるストレッチチューブ１７の構造を説明する断面図を示す。
【００３０】
ストレッチチューブ１７は、原子炉圧力容器の下鏡に取り付けられたノズル部３とその内部に据え付けられるポンプシャフト４との間隙に挿入される。インターナルポンプにおいては、モータケーシング６へのクラッドの侵入を防止するためにパージ水を循環させるが、ストレッチチューブ１７は、図４の下方向から上方向へ流通するパージ水の流路に位置する。このパージ水の流れが阻害されると、炉心側から微小なクラッドがモータケーシング６内に進入してくることとなる。
【００３１】
そこで、本実施の形態においては、ストレッチチューブ１７の表面に親水性皮膜１７ａを被覆して親水性を持たせるよう構成する。このことにより、ストレッチチューブ１７の表面のぬれ性が向上するので、流路における流体抵抗が小さく、パージ水の流量が良好に確保され、炉心側からモータ内へのクラッドの進入が効果的に抑制されるので、信頼性の高いインターナルポンプを提供することが可能である。
【００３２】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明に係るインターナルポンプの第３の実施形態におけるラジアル軸受１１およびラジアル軸受１２の配置を示す断面図である。
【００３３】
上部ラジアル軸受１１と下部ラジアル軸受１２は、モータケーシング６内でモータ部７の上部及び下部に配置され、ポンプシャフト４をラジアル方向に支持してインターナルポンプの回転性能を確保する重要な部品である。この上部ラジアル軸受１１および下部ラジアル軸受１２とポンプシャフト４とのギャップ量が変化すると、軸受特性に大きく影響する。
【００３４】
そこで、第３の実施形態のインターナルポンプにおいては、上部ラジアル軸受１１と下部ラジアル軸受１２の軸受部表面に親水性皮膜１１ａおよび親水性皮膜１２ａを被覆して親水性を付与する。この親水性皮膜１１ａおよび親水性皮膜１２ａによって、軸受部表面には液膜が常に確保されて軸受特性を良好に維持することができるとともに、モータケーシング６内に進入してきたクラッドの付着を抑制することができるため、インターナルポンプの信頼性が大幅に向上する。
【００３５】
（第４の実施の形態）
図６に、本発明に係るインターナルポンプの第４の実施形態におけるスラスト軸受１８部分の構造図を示す。
【００３６】
スラスト軸受１８は、モータケーシング６内でモータ部７の下部に配置されてポンプシャフト４を支持する部材である。このスラスト軸受と補助羽根車１３とのギャップ量が変化すると、軸受特性に大きく影響する。
【００３７】
そこで、第４の実施形態のインターナルポンプにおいては、スラスト軸受１８の軸受部表面に親水性皮膜１８ａを被覆して親水性を付与する構成とした。この親水性皮膜１８ａにより、スラスト軸受１８の表面に液膜が確保されて軸受特性が良好に維持されるとともに、モータ冷却水の流量を確保することができるため、インターナルポンプの信頼性が向上する。
【００３８】
（第５の実施の形態）
図７に、本発明に係るインターナルポンプの第５の実施形態としての、モータロータ７ａおよびモータステータ７ｂ部分の構造図を示す。
【００３９】
モータケーシング６内には、モータステータ７ｂとポンプシャフト４に取り付けられたモータロータ７ａが組み込まれる。モータステータ７ｂとモータロータ７ａとで形成される流路は、モータ巻線を保護するために、冷却水の流量を一定量確保する必要があるため、良好な流通性を維持するように設計しなければならない。
【００４０】
そこで、第６の実施形態のインターナルポンプにおいては、モータロータ７ａとモータステータ７ｂの表面に、それぞれ親水性皮膜７ｃおよび親水性皮膜７ｄを被覆して親水性を持たせる構成とした。この親水性皮膜７ｃおよび親水性皮膜７ｄによって、モータロータ７ａおよびモータステータ７ｂ表面のぬれ性が向上するため液膜が常に確保され、モータ冷却水の必要流量を確保することができるとともに、モータケーシング６内に進入してきたクラッドの付着を抑制してモータ巻線を保護することが可能となる。
【００４１】
（第６の実施の形態）
図８に、本発明の第６の実施形態としてインターナルポンプのパージ水配管を示す。
【００４２】
インターナルポンプにおいては、炉水中のクラッドの侵入を防止するために、モータ部７の上部にパージ水配管１６ａを接続して高圧のパージ水を送入する。パージ水は、ポンプシャフト４とノズル部３の隙間を図８の下方向から上方向へ流れることにより、炉心側から微小なクラッドがモータ内に侵入することを防止している。従って、パージ水配管１６ａの流通性を良好に維持することが重要である。
【００４３】
そこで、第６の実施形態のインターナルポンプにおいては、パージ水配管１６ａの内表面に親水性皮膜を被覆して親水性を付与する構成とする。この皮膜により、パージ水の流量が確保され、炉心側からモータケーシング６内へのクラッドの進入を効果的に防止することが可能である。従って、経年変化によるインターナルポンプの性能低下が抑制されるため、信頼性の高いインターナルポンプを提供することが可能である。
【００４４】
（第７の実施の形態）
図９に、本発明の第７の実施形態としてインターナルポンプのモータ冷却水配管及びモータ冷却器を示す。
【００４５】
モータ部７は軸封部を持たないウェットモータ方式であるため、モータケーシング６内を冷却水で満たしてモータ部７での発熱を冷却する必要がある。そのためモータ冷却器１９が設置され、モータケーシング６とモータ冷却器１９はモータ冷却水入口配管１４ａおよび冷却水出口配管１５ａで連結されている。
【００４６】
第７の実施形態のインターナルポンプにおいては、モータ冷却水入口配管１４ａおよび冷却水出口配管１５ａ及びモータ冷却器１９の内面に親水性皮膜を被覆して親水性を付与する構成とする。このように親水性皮膜を形成することにより、モータ冷却水の流量が常時必要量確保され、モータ部７での冷却性能を良好に維持することができるため、インターナルポンプの安全性および信頼性がさらに向上する。
【００４７】
（第８の実施の形態）
図１０に、本発明のインターナルポンプの第８の実施形態である慣性増加型インターナルポンプを示す。
【００４８】
慣性増加型インターナルポンプでは、モータケーシング内でポンプシャフトに円筒状のフライホイール２０を設置することで慣性モーメントを増加させる方式が採用されている。このフライホイール２０を設置することによってモータ冷却水の流れが阻害されると、モータ冷却性能が低下してしまう。
【００４９】
そこで第８の実施形態のインターナルポンプにおいては、フライホイール２０の表面に親水性皮膜を被覆して親水性を付与する構成とする。この皮膜施工によって、フライホイール２０によるモータ冷却水の流れの阻害が防止されるため、モータ冷却水の流量が確保され、モータ部７での冷却性能を維持することができる。
【００５０】
次に、本発明の原子力プラント一次系配管の実施形態として、軽水型原子力プラントの再循環系ポンプの負荷の増加を抑制した本発明の主蒸気管、原子炉再循環系配管について説明する。
【００５１】
図１１（Ａ）に示す原子量プラント一次系配管のうち、原子炉再循環系配管３１および主蒸気管３２の内表面に、図１１（Ｂ）に示すような親水性皮膜３３を設ける構成とする。このように、配管内面に皮膜を設けることにより、配管内面と水との親水性が向上し、流れ中に含まれる固形物の付着が防止される。また、固形付着物を洗浄して洗い流すことにより、配管内面の経年変化を抑制することができるため、耐久性に優れた信頼背の高い原子力プラントを提供することが可能となる。なお、図１１（Ａ）において、図１と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明のように、本発明に係るインターナルポンプおよび軽水型原子力プラント一次系配管によれば、従来と同一寸法および形状のまま大きな設計変更を行うことなく、信頼性および耐久性に優れたインターナルポンプおよび軽水型原子力プラント一次系配管を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＢＷＲプラント一次系統図を示すプロセスフロー図。
【図２】インターナルポンプの据え付け状態における構造断面図。
【図３】本発明に係るインターナルポンプの第１の実施形態における部分的な断面模式図。
【図４】本発明に係るインターナルポンプの第２の実施形態における部分的な断面模式図。
【図５】本発明に係るインターナルポンプの第３の実施形態における部分的な断面模式図。
【図６】本発明に係るインターナルポンプの第４の実施形態における部分的な断面模式図。
【図７】本発明に係るインターナルポンプの第５の実施形態における部分的な断面模式図。
【図８】本発明に係るインターナルポンプの第６の実施形態における部分的な断面模式図。
【図９】本発明に係るインターナルポンプの第７の実施形態における部分的な断面模式図。
【図１０】本発明に係るインターナルポンプの第８の実施形態における部分的な断面模式図。
【図１１】（Ａ）は、本発明に係る軽水型原子力プラント一次系配管を主蒸気管、再循環系配管としたＢＷＲプラントのフロー図、（Ｂ）は、本発明に係る軽水型原子力プラント一次系配管である主蒸気管、再循環系配管の構造断面図。
【符号の説明】
１，４３ 原子炉圧力容器（下鏡部）
２ 下鏡
３ ノズル部
４ ポンプシャフト
５ ポンプ部
６ モータケーシング
７ モータ部
７ａ モ―タロータ
７ｂ モ―タステータ
８ ポンプ羽根車
８ａ 親水性皮膜（羽根車外周）
９ 案内羽根
９ａ 親水性皮膜（案内羽根内周）
１０ インターナルポンプ
１１ 上部ラジアル軸受
１１ａ 親水性皮膜（軸受内面）
１２ 下部ラジアル軸受
１２ａ 親水性皮膜（軸受内面）
１３ 補助羽根車
１４ モータ冷却水入口ノズル
１４ａ モータ冷却水入口配管
１５ モータ冷却水出口ノズル
１５ａ モータ冷却水出口配管
１６ パージ水入口ノズル
１６ａ パージ水配管
１７ ストレッチチューブ
１７ａ 親水性皮膜
１８ スラスト軸受
１８ａ 親水性皮膜
１９ モータ冷却器
２０ フライホイール
３１，４２ 原子炉再循環系配管
３２，４５ 主蒸気管
３３ 親水性皮膜
４１ 原子炉再循環ポンプ
４３ 原子炉圧力容器
４４ 炉心
４６ 高圧タービン
４７ 低圧タービン
４８ 復水器
４９ 復水ポンプ
５１ 復水浄化系
５２ 高圧復水ポンプ
５３ 給水加熱器
５４ 給水ポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉圧力容器の下鏡部に取り付けられ、炉内の冷却水を強制循環させるウェットモータ型のインターナルポンプおよび軽水型原子力プラントの一次系配管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽水型原子力プラントの一次系配管系統においては、再循環ポンプにより駆動された冷却水は再循環系配管を通って原子炉圧力容器の炉心に流入し、炉心からの熱により沸騰して蒸気と水からなる気液二相流となり、液相部分をほとんど除いて液滴を随伴した蒸気流れとなって主蒸気管から高圧タービンおよび低圧タービンに流出する。
【０００３】
しかしながら、原子炉運転期間の長期化に伴い、炉水中に混じったわずかの固形物が一次系配管内に付着することにより、配管内の粗さ増加による摩擦圧力損失の増加をもたらし、その結果として再循環ポンプの負荷が増加し、設計で定められた定格炉心流量に達しない場合がある。また、これらの炉水中の固形物はいずれも炉心部を通過して放射性を帯びているため、プラント内の放射線被曝の増加につながることも予想される。
【０００４】
原子力プラントにおける従来の被曝低減技術としては、原子炉の残留熱除去系の配管に放射能付着防止のために耐熱性樹脂または金属製皮膜を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２３２２９５号公報（［０００５］〜［００１５］）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、上述した再循環ポンプを圧力容器に直接設置したタイプの再循環ポンプはインターナルポンプと呼称される。このインターナルポンプは、外部再循環用のループ配管の必要がないので、原子力プラント設備を簡略化し、合理的なプラント設計が可能である。
【０００７】
このインターナルポンプは、原子炉圧力容器の下鏡部に回転部品が直接取り付けられていることや、また軸封部のないウェットモータを採用しているという特殊な構成要因から、高い信頼性および耐久性が要求されており、以下の点について更なる改善が求められている。
▲１▼ 流体摩擦低減
▲２▼ 経年変化による性能低下の抑制
▲３▼ メンテナンス性の向上
【０００８】
特にインターナルポンプは、その構造上、構成機構において回転側部材と静止側部材との間に数多くの微小なギャップ（隙間）を有するため、このギャップ部分における流動抵抗がポンプ性能に及ぼす影響は決して小さくない。またギャップ部により冷却水の温度・圧力・流量の微妙なバランスによって局所的な二次流れが誘起されることもあり、これらはいずれも長期的には、インターナルポンプに大きなダメージを与える原因となり、インターナルポンプの性能低下を招く恐れがある。
【０００９】
すなわち、インターナルポンプにおいては、上述したギャップ部で流体の流れが阻害されて停滞することによって冷却性能が低下し、クラッドの巻き込みや付着の確率が増加し、それに伴って生じる経年変化が無視できなくなる。また回転機械にとっては、摩擦損失の増大は軸動力の増加やポンプ性能の低下にもつながる。
【００１０】
また、メンテナンスの頻度が増えれば、原子力発電プラントの運転性および経済性が低下するとともに、運転員や検査員の放射線被曝の機会が増える等のデメリットが生じる。
【００１１】
さらに、軽水型原子力プラントにおいては、運転期間の長期化に伴う再循環ポンプの負荷増加と放射線被曝の増加は、プラントの経年的な性能低下を招くため好ましくない。
【００１２】
本発明は上述したような課題を解決するためになされたものであり、インターナルポンプのギャップ部での流れの摩擦損失の増加を低減し、ポンプ部品の磨耗損傷の低減やポンプ性能の経年変化の抑制を図るとともに、原子力プラント一次系配管の大きな部分を占める再循環系配管と主蒸気管への経年変化による固形付着物の抑制と放射線被曝低減を図ることにより安全性および信頼性の高いインターナルポンプおよび軽水型原子力プラント一次系配管を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るインターナルポンプは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、原子炉圧力容器の下鏡部を貫通するポンプシャフトと、このポンプシャフトの前記原子炉圧力容器内側の先端に据付けられて圧力容器内の原子炉冷却水を強制循環させるポンプ羽根車と、前記ポンプシャフトを回転駆動させるためのモータ部と、前記モータ部下部で前記ポンプシャフトに取り付けられモータ内冷却水を強制循環させる補助羽根車を備えたインターナルポンプの前記ポンプ羽根車の外周面に親水性皮膜を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に、軽水型原子力プラントの一例として、ＢＷＲプラントの一次系配管系統図を示す。再循環ポンプ４１により駆動された冷却水は再循環系配管４２を通って原子炉圧力容器４３の炉心４４に流入し、炉心からの熱により沸騰して蒸気と水からなる気液二相流となり、液相部分をほとんど除いて液滴を随伴した蒸気流れとなって主蒸気管４５から高圧タービン４６、低圧タービン４７に流出する。タービンにて仕事をした蒸気は復水器４８により凝縮され、復水ポンプ４９により復水浄化系５１に送入されて浄化され、高圧復水ポンプ５２，給水加熱器５３，給水ポンプ５４を介して原子炉圧力容器に流入する。
【００１５】
この図１における再循環ポンプ４１をインターナルポンプと置換することにより、冷却水再循環系のループ配管が省略されるため、原子力プラントの一次系配管をより簡略化された配管ルーティングとすることが可能である。
【００１６】
インターナルポンプの一般的な構造を図２に示す。図２に示すようにインターナルポンプ１０は、原子炉圧力容器１の下鏡２を貫通して設けられたノズル部３に一体的に取り付けられる。
【００１７】
インターナルポンプ１０は、原子炉圧力容器１内で原子炉冷却水を循環させる機能を有し、回転軸であるポンプシャフト４と、ポンプシャフト４の原子炉圧力容器側先端に一体的に設けられたポンプ部５と、原子炉圧力容器１の下鏡２に設けられたノズル部３の下方外部に突出するモータケーシング６内に収容されたモータ部７とで構成される。モータ部７は、ポンプシャフト４を回転駆動させることによりポンプ部５を駆動させる。
【００１８】
モータ部７の上下端方向には、上部ラジアル軸受１１および下部ラジアル軸受１２がポンプシャフト４を支持するように配設される。さらに、ポンプシャフト４を上下方向に支持するためにモータケーシング６下部にスラスト軸受１８が配設される。
【００１９】
モータ部７は軸封部を持たないウェットモータタイプであり、モータ部７下部でポンプシャフト４に取り付けられた補助羽根車１３によってモータケーシング６内の冷却水を強制循環させ、モータ部７での発熱を冷却する。モータ冷却水は、補助羽根車１３の上流側に接続されたモータ冷却水入口ノズル１４からモータケーシング６の内部に流入し、上部ラジアル軸受１１の下流側に接続されたモータ冷却水出口ノズル１５から流出する。
【００２０】
また、炉内からクラッド（化学的に生成される、あるいは物理的に混入してくる微小な異物）がモータ部７内に侵入することを防止する目的で、上部ラジアル軸受１１の上流側にあるパージ水入口ノズル１６からパージ水が高圧で送り込まれる。
【００２１】
一方、モータ部７により回転駆動されたポンプ部５が、羽根車８の上部から原子炉圧力容器１内の冷却水を吸い込み、羽根車８及び案内羽根部９で加圧して原子炉圧力容器１の底部中心側へ向かって吐出する。この案内羽根部９はストレッチチューブ１７によりノズル部３の上端面に固定されている。
【００２２】
本発明に係るインターナルポンプ１０は、上記のような構成を有するインターナルポンプの構成部品に親水性の皮膜を設けることにより、炉内からのクラッドの侵入を防止する。
【００２３】
親水性皮膜を形成する親水性材料としては、ＴｉＯ２、ＰｂＯ、ＢａＴｉＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｒＴｉＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＦｅＴｉＯ３、ＫＴａＯ３、ＭｎＴｉＯ３、ＳｎＯ２等の金属酸化物が好適である。親水性材料の被膜厚さについては、耐磨耗性を考慮すると０．１μｍ以上とする必要があり、伝熱性を考慮すると１０μｍ以下とする必要がある。したがって、親水性皮膜厚さは、０．１〜１０μｍの範囲に設けることが好ましい。
【００２４】
上記のようにインターナルポンプの構成部品に親水性皮膜を施工する構成を採用することによって、従来と同一寸法・形状のまま大きな設計変更を行うことなく、信頼性および耐久性に優れたインターナルポンプを提供できる。
【００２５】
次に、本発明に係るインターナルポンプの好ましい実施の形態について、具体例を参照して以下に詳細に説明する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
図３に、本発明に係るインターナルポンプの第１の実施形態における羽根車８および案内羽根部９部分の部分的な断面模式図を示す。
【００２７】
この羽根車８が、図２に示すポンプシャフト４を回転軸として回転することにより、原子炉冷却水が駆動されて炉内を循環する。ポンプ羽根車８の外周では周速が最も速くなり、微小な隙間を隔てて案内羽根部９が冷却水の流路を形成している。この流路（ギャップ部）で局所的な二次流れが誘起された場合、冷却水に含まれる微量のクラッドが停滞して部材表面に固着することがある。このようにクラッドが固着するとインターナルポンプの運転性能が低下する。
【００２８】
そこで第１の実施形態のインターナルポンプは、羽根車８の外周面及びそれに対向する案内羽根部９の内周面に親水性皮膜８ａ及び９ａを被覆して親水性を付与している。このように親水性皮膜を設けることにより、羽根車８および案内羽根部９表面のぬれ性が向上し、ギャップ部にクラッドが侵入した場合でも部材表面へのクラッドの付着が効果的に防止されるので、インターナルポンプの経年変化による性能低下を抑制することが可能である。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図４に、本発明に係るインターナルポンプの第２の実施形態におけるストレッチチューブ１７の構造を説明する断面図を示す。
【００３０】
ストレッチチューブ１７は、原子炉圧力容器の下鏡に取り付けられたノズル部３とその内部に据え付けられるポンプシャフト４との間隙に挿入される。インターナルポンプにおいては、モータケーシング６へのクラッドの侵入を防止するためにパージ水を循環させるが、ストレッチチューブ１７は、図４の下方向から上方向へ流通するパージ水の流路に位置する。このパージ水の流れが阻害されると、炉心側から微小なクラッドがモータケーシング６内に進入してくることとなる。
【００３１】
そこで、本実施の形態においては、ストレッチチューブ１７の表面に親水性皮膜１７ａを被覆して親水性を持たせるよう構成する。このことにより、ストレッチチューブ１７の表面のぬれ性が向上するので、流路における流体抵抗が小さく、パージ水の流量が良好に確保され、炉心側からモータ内へのクラッドの進入が効果的に抑制されるので、信頼性の高いインターナルポンプを提供することが可能である。
【００３２】
（第３の実施の形態）
図５は、本発明に係るインターナルポンプの第３の実施形態におけるラジアル軸受１１およびラジアル軸受１２の配置を示す断面図である。
【００３３】
上部ラジアル軸受１１と下部ラジアル軸受１２は、モータケーシング６内でモータ部７の上部及び下部に配置され、ポンプシャフト４をラジアル方向に支持してインターナルポンプの回転性能を確保する重要な部品である。この上部ラジアル軸受１１および下部ラジアル軸受１２とポンプシャフト４とのギャップ量が変化すると、軸受特性に大きく影響する。
【００３４】
そこで、第３の実施形態のインターナルポンプにおいては、上部ラジアル軸受１１と下部ラジアル軸受１２の軸受部表面に親水性皮膜１１ａおよび親水性皮膜１２ａを被覆して親水性を付与する。この親水性皮膜１１ａおよび親水性皮膜１２ａによって、軸受部表面には液膜が常に確保されて軸受特性を良好に維持することができるとともに、モータケーシング６内に進入してきたクラッドの付着を抑制することができるため、インターナルポンプの信頼性が大幅に向上する。
【００３５】
（第４の実施の形態）
図６に、本発明に係るインターナルポンプの第４の実施形態におけるスラスト軸受１８部分の構造図を示す。
【００３６】
スラスト軸受１８は、モータケーシング６内でモータ部７の下部に配置されてポンプシャフト４を支持する部材である。このスラスト軸受と補助羽根車１３とのギャップ量が変化すると、軸受特性に大きく影響する。
【００３７】
そこで、第４の実施形態のインターナルポンプにおいては、スラスト軸受１８の軸受部表面に親水性皮膜１８ａを被覆して親水性を付与する構成とした。この親水性皮膜１８ａにより、スラスト軸受１８の表面に液膜が確保されて軸受特性が良好に維持されるとともに、モータ冷却水の流量を確保することができるため、インターナルポンプの信頼性が向上する。
【００３８】
（第５の実施の形態）
図７に、本発明に係るインターナルポンプの第５の実施形態としての、モータロータ７ａおよびモータステータ７ｂ部分の構造図を示す。
【００３９】
モータケーシング６内には、モータステータ７ｂとポンプシャフト４に取り付けられたモータロータ７ａが組み込まれる。モータステータ７ｂとモータロータ７ａとで形成される流路は、モータ巻線を保護するために、冷却水の流量を一定量確保する必要があるため、良好な流通性を維持するように設計しなければならない。
【００４０】
そこで、第６の実施形態のインターナルポンプにおいては、モータロータ７ａとモータステータ７ｂの表面に、それぞれ親水性皮膜７ｃおよび親水性皮膜７ｄを被覆して親水性を持たせる構成とした。この親水性皮膜７ｃおよび親水性皮膜７ｄによって、モータロータ７ａおよびモータステータ７ｂ表面のぬれ性が向上するため液膜が常に確保され、モータ冷却水の必要流量を確保することができるとともに、モータケーシング６内に進入してきたクラッドの付着を抑制してモータ巻線を保護することが可能となる。
【００４１】
（第６の実施の形態）
図８に、本発明の第６の実施形態としてインターナルポンプのパージ水配管を示す。
【００４２】
インターナルポンプにおいては、炉水中のクラッドの侵入を防止するために、モータ部７の上部にパージ水配管１６ａを接続して高圧のパージ水を送入する。パージ水は、ポンプシャフト４とノズル部３の隙間を図８の下方向から上方向へ流れることにより、炉心側から微小なクラッドがモータ内に侵入することを防止している。従って、パージ水配管１６ａの流通性を良好に維持することが重要である。
【００４３】
そこで、第６の実施形態のインターナルポンプにおいては、パージ水配管１６ａの内表面に親水性皮膜を被覆して親水性を付与する構成とする。この皮膜により、パージ水の流量が確保され、炉心側からモータケーシング６内へのクラッドの進入を効果的に防止することが可能である。従って、経年変化によるインターナルポンプの性能低下が抑制されるため、信頼性の高いインターナルポンプを提供することが可能である。
【００４４】
（第７の実施の形態）
図９に、本発明の第７の実施形態としてインターナルポンプのモータ冷却水配管及びモータ冷却器を示す。
【００４５】
モータ部７は軸封部を持たないウェットモータ方式であるため、モータケーシング６内を冷却水で満たしてモータ部７での発熱を冷却する必要がある。そのためモータ冷却器１９が設置され、モータケーシング６とモータ冷却器１９はモータ冷却水入口配管１４ａおよび冷却水出口配管１５ａで連結されている。
【００４６】
第７の実施形態のインターナルポンプにおいては、モータ冷却水入口配管１４ａおよび冷却水出口配管１５ａ及びモータ冷却器１９の内面に親水性皮膜を被覆して親水性を付与する構成とする。このように親水性皮膜を形成することにより、モータ冷却水の流量が常時必要量確保され、モータ部７での冷却性能を良好に維持することができるため、インターナルポンプの安全性および信頼性がさらに向上する。
【００４７】
（第８の実施の形態）
図１０に、本発明のインターナルポンプの第８の実施形態である慣性増加型インターナルポンプを示す。
【００４８】
慣性増加型インターナルポンプでは、モータケーシング内でポンプシャフトに円筒状のフライホイール２０を設置することで慣性モーメントを増加させる方式が採用されている。このフライホイール２０を設置することによってモータ冷却水の流れが阻害されると、モータ冷却性能が低下してしまう。
【００４９】
そこで第８の実施形態のインターナルポンプにおいては、フライホイール２０の表面に親水性皮膜を被覆して親水性を付与する構成とする。この皮膜施工によって、フライホイール２０によるモータ冷却水の流れの阻害が防止されるため、モータ冷却水の流量が確保され、モータ部７での冷却性能を維持することができる。
【００５０】
次に、本発明の原子力プラント一次系配管の実施形態として、軽水型原子力プラントの再循環系ポンプの負荷の増加を抑制した本発明の主蒸気管、原子炉再循環系配管について説明する。
【００５１】
図１１（Ａ）に示す原子量プラント一次系配管のうち、原子炉再循環系配管３１および主蒸気管３２の内表面に、図１１（Ｂ）に示すような親水性皮膜３３を設ける構成とする。このように、配管内面に皮膜を設けることにより、配管内面と水との親水性が向上し、流れ中に含まれる固形物の付着が防止される。また、固形付着物を洗浄して洗い流すことにより、配管内面の経年変化を抑制することができるため、耐久性に優れた信頼背の高い原子力プラントを提供することが可能となる。なお、図１１（Ａ）において、図１と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明のように、本発明に係るインターナルポンプおよび軽水型原子力プラント一次系配管によれば、従来と同一寸法および形状のまま大きな設計変更を行うことなく、信頼性および耐久性に優れたインターナルポンプおよび軽水型原子力プラント一次系配管を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＢＷＲプラント一次系統図を示すプロセスフロー図。
【図２】インターナルポンプの据え付け状態における構造断面図。
【図３】本発明に係るインターナルポンプの第１の実施形態における部分的な断面模式図。
【図４】本発明に係るインターナルポンプの第２の実施形態における部分的な断面模式図。
【図５】本発明に係るインターナルポンプの第３の実施形態における部分的な断面模式図。
【図６】本発明に係るインターナルポンプの第４の実施形態における部分的な断面模式図。
【図７】本発明に係るインターナルポンプの第５の実施形態における部分的な断面模式図。
【図８】本発明に係るインターナルポンプの第６の実施形態における部分的な断面模式図。
【図９】本発明に係るインターナルポンプの第７の実施形態における部分的な断面模式図。
【図１０】本発明に係るインターナルポンプの第８の実施形態における部分的な断面模式図。
【図１１】（Ａ）は、本発明に係る軽水型原子力プラント一次系配管を主蒸気管、再循環系配管としたＢＷＲプラントのフロー図、（Ｂ）は、本発明に係る軽水型原子力プラント一次系配管である主蒸気管、再循環系配管の構造断面図。
【符号の説明】
１，４３ 原子炉圧力容器（下鏡部）
２ 下鏡
３ ノズル部
４ ポンプシャフト
５ ポンプ部
６ モータケーシング
７ モータ部
７ａ モ―タロータ
７ｂ モ―タステータ
８ ポンプ羽根車
８ａ 親水性皮膜（羽根車外周）
９ 案内羽根
９ａ 親水性皮膜（案内羽根内周）
１０ インターナルポンプ
１１ 上部ラジアル軸受
１１ａ 親水性皮膜（軸受内面）
１２ 下部ラジアル軸受
１２ａ 親水性皮膜（軸受内面）
１３ 補助羽根車
１４ モータ冷却水入口ノズル
１４ａ モータ冷却水入口配管
１５ モータ冷却水出口ノズル
１５ａ モータ冷却水出口配管
１６ パージ水入口ノズル
１６ａ パージ水配管
１７ ストレッチチューブ
１７ａ 親水性皮膜
１８ スラスト軸受
１８ａ 親水性皮膜
１９ モータ冷却器
２０ フライホイール
３１，４２ 原子炉再循環系配管
３２，４５ 主蒸気管
３３ 親水性皮膜
４１ 原子炉再循環ポンプ
４３ 原子炉圧力容器
４４ 炉心
４６ 高圧タービン
４７ 低圧タービン
４８ 復水器
４９ 復水ポンプ
５１ 復水浄化系
５２ 高圧復水ポンプ
５３ 給水加熱器
５４ 給水ポンプ
Claims (12)
- 原子炉圧力容器の下鏡部を貫通するポンプシャフトと、このポンプシャフトの前記原子炉圧力容器内側の先端に据付けられて圧力容器内の原子炉冷却水を強制循環させるポンプ羽根車と、前記ポンプシャフトを回転駆動させるためのモータ部と、前記モータ部下部で前記ポンプシャフトに取り付けられモータ内冷却水を強制循環させる補助羽根車を備えたインターナルポンプの前記ポンプ羽根車の外周面に親水性皮膜を設けたことを特徴とするインターナルポンプ。
- 前記原子炉圧力容器の下鏡部に据付けられて前記ポンプ羽根車の外周面に対向するように設けられた案内羽根部の内周面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のインターナルポンプ。
- 前記原子炉圧力容器に設けられて前記ポンプシャフトを内設するノズル部に案内羽根部を固定するストレッチチューブの表面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のインターナルポンプ。
- 前記ポンプシャフトを径方向に支持する上部ラジアル軸受及び下部ラジアル軸受の軸受部表面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のインターナルポンプ。
- 前記ポンプシャフトを支持するスラスト軸受の軸受部表面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のインターナルポンプ。
- 前記モータ部を構成するモータロータの表面とモータステータの表面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のインターナルポンプ。
- 前記モータ部を収納するモータケーシングに外部からパージ水を送入するパージ水配管の内表面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のインターナルポンプ。
- 前記モータ部を収納するモータケーシングにモータ内冷却水を強制循環させるために配設されたモータ冷却水入口配管およびモータ冷却水出口配管の内表面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のインターナルポンプ。
- 前記モータ部を収容するモータケーシングの外部に配設され、モータ冷却水入口配管およびモータ冷却水出口配管によって前記モータケーシングと連結されてモータ冷却水を熱交換するモータ冷却器の内面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のインターナルポンプ。
- 前記モータ部を収納するモータケーシング内で前記ポンプシャフトに取り付けられ、インターナルポンプの回転慣性を増大させるフライホイールの表面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする請求項１記載のインターナルポンプ。
- 原子炉圧力容器とタービン発電機とを連結する主蒸気管内表面に親水性皮膜を設けたことを特徴とする軽水型原子力プラント一次系配管。
- 原子炉圧力容器内の冷却水を強制循環する再循環ポンプと接続した一次系再循環系配管内表面の炉水と接触する部分に親水性皮膜を設けたことを特徴とする軽水型原子力プラント一次系配管。
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-
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