各種冷却材に対する構造設計の技術評価:ナトリウム冷却炉 配管引回し寸法をパラメータとした発生熱応力の検討

Study on sodium coolant loop-type reactor; Parametric study on maximum thermal stress depending on routing dimension of piping system

月森 和之; 古橋 一郎*

Tsukimori, Kazuyuki; Furuhashi, Ichiro*

ナトリウム冷却ループ型大型炉の設計において、1次系配管に発生する応力の低減が設計成立の重要な鍵のひとつである。本件は、炉容器と中間熱交換器を結ぶ基本的な配管系として面内S字型のレイアウトを対象として、想定される寸法範囲で弾性計算によるパラメータサーベイを行い、配管ルーティングに依存した発生応力の傾向を把握し、最適のルーティング候補を選定することを目的とする。得られた主要な見解は以下のとおりである。(1)概して、ノズルよりもエルボ部の応力が厳しくなる。炉容器出口ノズルと中間熱交換器入口ノズル間レベル差と炉容器出口ノズルと液面までの距離を大きくすると、エルボの応力は減少する傾向にある。(2)超90度エルボを適用することで、エルボに発生する応力を大幅に低減することが期待できる。暫定的に応力制限を課した場合、超90度エルボ配管引回しは、従来の90度エルボ配管引回しに比べて広い寸法パラメータ範囲で成立する。(3)告示501号ベースでエルボの応力評価を行った場合、エルボ端部で応力強さが最大となる場合、シェル要素による計算された応力よりも過大となる傾向にある。この場合、エルボ中央と端部最大応力の平均を最大値とみなすことで、簡便かつ保守的に最大応力強さを評価できる。(4)従来の90度エルボによる配管引回しでエルボ部の応力強さが最小となるケース(炉容器出口ノズルと中間熱交換器入口ノズル間レベル差V=7m、炉容器出口ノズルと液面までの距離V1=5m)に対して、105度エルボを前提として、ノズル間レベル差の最小化および同寸法で発生応力の大幅低減という2つの観点からそれぞれについて、V=5m,V1=4mおよびV=7m,V1=5mという代替引回しを提示した。いずれの場合もノズル部の応力は、90度エルボ配管引回しに比べて減少する。

lt is one of the important key points to reduce thermal stress of the primary piping system in the design of sodium coolant loop-type FBR plants. The objectives of this study are to understand the characteristics of the thermal stresses in the simple S-shaped hot leg piping systems which run from the outlet nozzle of the reactor vessel (R/V) to the inlet nozzle of the intermediate heat exchanger (IHX), and to propose some recommendable routings of piping systems. Results are summarized as follows. (1)Generally, the thermal stresses in elbows are severer than those at nozzles. The tendency was observed that the stress in elbow decreases with the increase of the distance between the outlet nozzle of R/V and the inlet nozzle of IHX and also the distance between the outlet nozzle of R/V and the liquid surface level. (2)lt is expected to reduce thermal stresses in elbow to big extent by adopting super 90 degree elbows. Therefore, in these cases the dimension region which satisfies the allowable stress is broad compared with that in the case of the conventional 90 degree elbow. (3)The stress estimations in elbow based on 'MITl notice No.501' become excessively large compared with the results by FEA using shell elements, when the maximum stress occurs at the end of elbow. ln these cases, the estimation can be rationalized by replacing the maximum stress by the mean of stresses at the end and at the middle of the elbow. (4)Two routings with 105 degree elbows are recommended. 0ne has the advantage from the view point of reduction of length of pipe and the other does from the view point of reduction of thermal stresses, compared with the routing with 90 degree elbows.