JP2003344575A - 沸騰水型原子炉用羽根付きスペーサ及び燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料棒ピッチを小さくし、チャンネルボック
スと最外周燃料棒との間隔を大きくしても、最外周燃料
棒の熱的余裕、即ち、限界出力を改善する混合羽根付き
スペーサを得る。 【解決手段】 格子交点を中心に各格子毎に冷却材の流
れ方向に対し同じ方向に傾斜させて設けた４枚羽根から
構成された混合羽根をスペーサに備え、最外周燃料棒と
第２層燃料棒間の格子交点に配された混合羽根の一部も
しくは全部を、他の格子交点を中心に配された混合羽根
よりも大きくしたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は沸騰水型原子炉用燃
料集合体に関し、特に、最外周燃料棒の熱的余裕、即ち
限界出力を改善する混合羽根付きスペーサを具備した沸
騰水型原子炉用燃料集合体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は沸騰水型原子炉炉心及びこれに装
荷される燃料集合体の概要を示す説明図である。ａ図は
沸騰水型原子炉炉心の構成を示す平面図、ｂ図は該炉心
に装荷される燃料集合体の概要を示す斜視図である。

【０００３】ａ図に示す通り、沸騰水型原子炉（以下、
ＢＷＲと記す）炉心４１に装荷される燃料集合体４２
は、ｂ図に示すように燃料棒Ａと水管（ウォータチャン
ネルまたはウォータロッド、図ｂはウォータチャンネル
で代表）Ｗとを含む棒状燃料要素を正方配列し、それら
の上下端は端栓を介して上下の支持板（タイプレート）
４３，４４に装着し、中間高さ位置の複数箇所にはスペ
ーサ４５を所定間隔に保持したものが一般的である。

【０００４】このような燃料集合体４２は、炉心４１に
おいては、各燃料棒Ａを除熱する冷却水確保のため、ジ
ルカロイ製の角筒状のチャンネルボックス４６内に収め
られて炉心４１構造部の受座に所要数装荷され、原子炉
運転中は受座の入口オリフィスからチャンネルボックス
４６内に冷却水を送り込んで各燃料集合体４２の燃料棒
Ａの間を上向きに流れるようにし、燃料棒の反応熱で冷
却水を沸騰させて熱を外部に取り出すと共に燃料集合体
４２の除熱を行うようにしている。

【０００５】図５はＢＷＲにおける冷却水の二相流の様
子を示す拡大断面図である。図６は燃料棒表面の冷却材
流れの様子と温度分布を示す説明図である。ＢＷＲは炉
内で水蒸気を発生させる直接サイクル方式であるため、
炉心内で沸騰を許容している。従って、燃料の冷却は、
液相・蒸気（ボイド）の２相流の条件下で行われ、ボイ
ド率の高い燃料集合体上部の冷却水の流動様式は、図５
に示すように、冷却水５０は膜状の液相（液膜）５１が
チャンネルボックス４６の内壁面と燃料棒Ａの外周面と
で連続した環状流れを形成し、また、チャンネルボック
ス４６と燃料棒Ａとの間及び燃料棒Ａ同士の間には液滴
５２を伴う蒸気相５３が流れるという、所謂「環状流」
を形成し、燃料棒Ａの外周面の前記液相５１が燃料棒Ａ
の冷却に重要な役割を果たす。

【０００６】しかしながら、例えば過出力状態等の何ら
かの原因で燃料集合体が熱的に厳しい状態におかれ、所
謂「核沸騰状態から膜沸騰状態への遷移（沸騰遷移）」
が生じると、図６に示すように燃料棒Ａの外周面の液膜
５１が消失して除熱効果が急激に悪化するため、燃料棒
Ａの液膜消失領域における温度が急激に上昇し、ついに
はその部分でバーンアウトを生ずることとなる。ＢＷＲ
に特徴的な液膜の消失に伴うバーンアウトを特にドライ
アウトと呼ぴ、ドライアウトの生ずる燃料集合体全体の
熱負荷を限界出力と呼んでいる。

【０００７】限界出力を向上させる方策として種々のス
ペーサが提案されており、その代表として混合羽根付き
スペーサが特願平０３−５０４１７３（特表平０５−５
０４２０１号）で提案されている。図７に混合羽根付き
スペーサの一例を示す。混合羽根付きスペーサ７１は、
燃料棒を押圧・支持するスプリング（図示せず）を具備
した外側板７２及び格子板７３と、燃料棒で囲まれたサ
ブチャンネル流路のおよそ中心位置に相当する格子板７
３の交点に設けた４枚の混合羽根７０とで構成される。
混合羽根７０はスペーサの上面、即ち冷却材流れ方向の
下流側に取り付けられる。

【０００８】これらの混合羽根７０はサブチャンネル内
で冷却材に遠心力を付加して旋回流を引き起こし、重量
の重い液滴を選択的に燃料棒に付着させ、軽い蒸気はサ
ブチャンネル中央付近に偏流させる効果がある。このこ
とによってスペーサ下流側の燃料棒の液膜が厚くなり、
液膜の消失に至るまでの熱負荷が大きくなるため、限界
出力は増大する。

【０００９】一方、近年ＢＷＲでは燃料経済性向上と使
用済み燃料体数低減を目的として、燃料集合体から取り
出せるエネルギを増大する高燃焼度化が進められてい
る。高燃焼度化を実現するためには、燃料集合体の平均
濃縮度を高める必要があるが、原子炉停止時の未臨界度
を減少させることとなり、炉停止余裕が低下するという
問題が生ずる。また、燃料集合体の平均濃縮度を高める
ことにより、中性子のエネルギースペクトルが硬くな
り、ボイド率が変化したときの負の反応度変化の割合が
より大きくなって、炉心安定性や運転時の異常な過渡変
化時の熱的余裕が厳しくなるという間題が生ずる。これ
らの問題点を解決する方法として燃料棒ピッチを小さく
し、チャンネルボックスと最外周燃料棒の間隔を大きく
することが有効であることがわかっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】一般に燃料集合体の最
外周に配置された燃料棒の発熱量、すなわち出力ピーキ
ング係数は、燃料集合体間のギャップ水の存在により熱
中性子束が大きくなるため、他の燃料棒に比べて増大
し、その結果、最外周燃料棒の熱的余裕は減少する。こ
の熱的余裕の減少はスペーサ外側板上側に設けられたフ
ロータブによって非発熱のチャンネルボックス内側面近
傍に多く存在する液膜もしくは液滴を最外周燃料棒側に
偏流させることによって補償している。

【００１１】しかしながら、燃料棒ピッチを小さくする
ことは、最外周燃料棒近傍の水領域をさらに大きくする
ことになり、熱中性子束を高め、出力ピーキング係数の
増大を助長する。

【００１２】一方、熱水力的には、燃料棒を９行９列に
配列した設計を例にとると、図８に示すように、最外周
サブチャンネルの冷却材流量が増加するため燃料棒のチ
ャンネルボックスに面した側面の熱的余裕は向上する
が、最外周燃料棒と第２層燃料棒に囲まれた内側のサブ
チャンネルの冷却材は最外周サブチャンネルに取られて
減少し、内側サブチャンネルに面した側面の熱的余裕は
減少することになる。すなわち、燃料棒ピッチを小さく
し、チャンネルボックスと最外周燃料棒の間隔を大きく
することは、最外周燃料棒の出力ピーキング係数の増大
と相まって、最外周燃料棒の熱的余裕の減少、すなわち
限界出力の低下を招く可能性があった。

【００１３】本発明は、燃料棒ピッチを小さくし、チャ
ンネルボックスと最外周燃料棒との間隔を大きくして
も、最外周燃料棒の熱的余裕、即ち、限界出力を改善す
る混合羽根付きスペーサを具備した燃料集合体を得るこ
とを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載された発
明に係る沸騰水型原子炉用羽根付きスペーサは、数本の
燃料棒と該燃料棒よりも太径の水管とを含む棒状要素を
相互に間隔を開けて正方格子状に配列して保持する複数
のスペーサにより長手方向に間隔を開けた複数箇所で支
持した燃料バンドルを上下のタイプレートで保持して方
形断面形状のチャンネルボックス内に収容した沸騰水型
原子炉用燃料集合体のスペーサにおいて、前記スペーサ
は、格子交点を中心に各格子毎に冷却材の流れ方向に対
し同じ方向に傾斜させて設けた４枚羽根から構成された
混合羽根を備え、最外周燃料棒と第２層燃料棒間の格子
交点に配された混合羽根の一部もしくは全部を、他の格
子交点を中心に配された混合羽根よりも大きくしたもの
である。

【００１５】請求項２に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用羽根付きスペーサは、請求項１に記載の混合羽
根をスペーサ上面に設けたものである。

【００１６】請求項３に記載された発明に係る沸騰水型
原子炉用燃料集合体は、上部タイプレートと下部タイプ
レートとの間に配される複数のスペーサのうち、請求項
１又は２に記載されたスペーサを少なくとも一個以上装
着したものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明においては、格子交点を中
心に各格子毎に冷却材の流れ方向に対し同じ方向に傾斜
させて設けた４枚羽根から構成された混合羽根をスペー
サに備え、最外周燃料棒と第２層燃料棒間の格子交点に
配された混合羽根の一部もしくは全部を、他の格子交点
を中心に配された混合羽根よりも大きくしたものであ
る。このため、燃料棒ピッチを小さくし、チャンネルボ
ックスと最外周燃料棒との間隔を大きくしても、最外周
燃料棒の熱的余裕、即ち、限界出力を改善することので
きる混合羽根付きスペーサ及びそれを具備した燃料集合
体を得ることができる。

【００１８】即ち、最外周燃料棒の内側サブチャンネル
に面した側面の熱的余裕を増加させるためには、何らか
の方策よって、従来以上に燃料棒表面に液滴を付着さ
せ、液膜を厚くしなければならない。

【００１９】このための方策としては、最外周燃料棒と
第２層燃料棒間のスペーサ格子板の交点に設けた混合羽
根を他の混合羽根、例えば第２層燃料棒と第３層燃料棒
問の混合羽根より大きくすることが挙げられる。

【００２０】最外周燃料棒と第２層燃料棒間のスペーサ
格子板の交点に設けた混合羽根を他よりも大きくして強
化することによって当該サブチャンネルの蒸気中の液滴
をより効果的に最外周燃料棒の内側サブチャンネル側面
に付着することができ、流量の減少に伴う液膜の減少を
十分に補償することができる。

【００２１】全ての混合羽根を強化することができれば
申し分ないが、このようにするとスペーサの圧力損失が
増大するので好ましくなく、実際の設計ではスペーサの
圧力損失の増加を抑制するため、混合羽根の強化は一部
の混合羽根に限定することが適切である。

【００２２】このように、最外周燃料棒と第２層燃料棒
間のスペーサ格子板の交点に設けた混合羽根を他の混合
羽根より大きくすることによって、スペーサの圧力損失
を増加させることなく燃料棒ピッチの減少に伴って低下
する最外周燃料棒の内側サブチャンネル側の熱的余裕を
改善することができる。

【００２３】

【実施例】図１は本発明の一実施例の混合羽根付きスペ
ーサの構成を示す説明図である。図に示す通り、燃料棒
を９行９列に正方配列し、中央の３行３列に非沸騰領域
を確保するためのウォータチャンネルを記した燃料集合
体に装着されるスペーサ１０である。このスペーサ１０
の各格子交点には、冷却材の流れ方向に対し同じ方向に
傾斜させて設けた４枚羽根１１から構成された混合羽根
１２，１３が各々配されている。

【００２４】この混合羽根１２，１３には、最外周燃料
棒と第２層燃料棒間のスペーサ１０の格子交点に設けた
第１の混合羽根１２と、第２層燃料棒と第３層燃料棒間
のスペーサ１０の格子交点に設けた第２の混合羽根１３
との２種類があり、第１の混合羽根１２の羽根２１の方
が第２の混合羽根１３の羽根２１よりも大きく、従っ
て、冷却材の流れをミキシングするミキシング効果は第
１の混合羽根の方が大きい。これにより、スペーサの圧
力損失を増加させることなく燃料棒ピッチの減少に伴っ
て低下する最外周燃料棒の内側サブチャンネル側の熱的
余裕を改善することができる。

【００２５】尚、第１の混合羽根１２の全てのミキシン
グ効果を向上させる必要はなく、一部の混合羽根１２で
あっても最外周燃料棒の内側サブチャンネル側の熱的余
裕を改善することができることは言うまでもない。ま
た、ミキシング効果の向上は、羽根の大きさを大きくす
るだけでなく、混合羽根を構成する羽根を複葉とした
り、その羽根に突片や突起を形成させる等してミキシン
グ効果の向上を図ってもよい。

【００２６】図２は本発明の別の実施例の混合羽根付き
スペーサの構成を示す説明図である。図に示す通り、燃
料棒を９行９列に正方配列し、偏心した中央の３行３列
に非沸騰領域を確保するためのウォータチャンネルを記
した燃料集合体に装着されるスペーサ２０である。この
スペーサ２０の各格子交点には、冷却材の流れ方向に対
し同じ方向に傾斜させて設けた４枚羽根２１から構成さ
れた混合羽根２２，２３が各々配されている。

【００２７】この混合羽根２２，２３には、最外周燃料
棒と第２層燃料棒間のスペーサ２０の格子交点に設けた
第１の混合羽根２２と、第２層燃料棒と第３層燃料棒間
及び第２層燃料棒と第４層燃料棒間のスペーサ２０の格
子交点に設けた第２の混合羽根２３との２種類があり、
第１の混合羽根２２の羽根２１の方が第２の混合羽根２
３の羽根２１よりも大きく、従って、冷却材の流れをミ
キシングするミキシング効果は第１の混合羽根の方が大
きい。これにより、スペーサの圧力損失を増加させるこ
となく燃料棒ピッチの減少に伴って低下する最外周燃料
棒の内側サブチャンネル側の熱的余裕を改善することが
できる。

【００２８】尚、第１の混合羽根２２の全てのミキシン
グ効果を向上させる必要はなく、一部の混合羽根２２で
あっても最外周燃料棒の内側サブチャンネル側の熱的余
裕を改善することができることは言うまでもない。ま
た、ミキシング効果の向上は、羽根の大きさを大きくす
るだけでなく、混合羽根を構成する羽根を複葉とした
り、その羽根に突片や突起を形成させる等してミキシン
グ効果の向上を図ってもよい。

【００２９】次に、燃料棒を９行９列に正方配列し、中
央の３行３列に非沸騰領域を確保するためのウォータチ
ャンネルを記した燃料集合体を例にとって、本実施例に
よる燃料集合体の熱的余裕向上の効果を説明する。

【００３０】図３は本発明の一実施例のスペーサ（図１
参照）と従来の混合羽根付きスペーサ（図７参照）を装
着した場合について各サブチャンネル毎の熱的余裕を比
較したものである。図３に示す通り、本スペーサによれ
ば、最外周燃料棒と第２層燃料棒間のスペーサの格子交
点に設けた混合羽根によるミキシング効果の向上によっ
て、当該サブチャンネルの蒸気中の液滴をより効果的に
最外周燃料棒の内側サブチャンネル側面に付着すること
ができ、従来の混合羽根付きスペーサに比べて熱的余裕
が向上していることがわかる。

【００３１】尚、水管（ウォークチャンネルまたはウォ
ータロッド）が偏心した設計についても、最外周燃料棒
と第２層燃料棒間のスペーサの格子交点に設けた混合羽
根によるミキシング効果の向上によって熱的余裕が向上
することが確かめられている。また、本発明は１０行１
０列に燃料棒を配列した設計に適用であることは明らか
である。なお、本発明における最外周燃料棒と第２層燃
料棒間のスペーサの格子交点に設けた混合羽根によるミ
キシング効果の向上は、全数ではなく一部であっても差
し支えない。

【００３２】

【発明の効果】本発明は以上説明した通り、燃料棒ピッ
チを小さくし、チャンネルボックスと最外周燃料棒との
間隔を大きくしても、最外周燃料棒の熱的余裕、即ち、
限界出力を改善することのできる混合羽根付きスペーサ
及びそれを具備した燃料集合体を得ることができるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の混合羽根付きスペーサの構
成を示す説明図である。

【図２】本発明の別の実施例の混合羽根付きスペーサの
構成を示す説明図である。

【図３】本発明のスペーサ（図１参照）と従来の混合羽
根付きスペーサ（図７参照）を装着した場合について各
サブチャンネル毎の熱的余裕を比較した説明図である。

【図４】沸騰水型原子炉炉心及びこれに装荷される燃料
集合体の概要を示す説明図である。

【図５】ＢＷＲにおける冷却水の二相流の様子を示す拡
大断面図である。

【図６】燃料棒表面の冷却材流れの様子と温度分布を示
す説明図である。

【図７】従来の羽根付きスペーサの構成を示す説明図で
ある。

【図８】従来のスペーサと燃料棒ピッチを小さくしたス
ペーサとのチャンネルボックス及び燃料棒と燃料棒間の
サブチャンネルを流れる冷却水の流量を比較した説明図
である。

【符号の説明】 １０、２０…スペーサ、 １１、２１…４枚羽根、 １２、２２…第１の混合羽根、 １３、２３…第２の混合羽根、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数本の燃料棒と該燃料棒よりも太径の
   水管とを含む棒状要素を相互に間隔を開けて正方格子状
   に配列して保持する複数のスペーサにより長手方向に間
   隔を開けた複数箇所で支持した燃料バンドルを上下のタ
   イプレートで保持して方形断面形状のチャンネルボック
   ス内に収容した沸騰水型原子炉用燃料集合体のスペーサ
   において、 前記スペーサは、格子交点を中心に各格子毎に冷却材の
   流れ方向に対し同じ方向に傾斜させて設けた４枚羽根か
   ら構成された混合羽根を備え、 最外周燃料棒と第２層燃料棒間の格子交点に配された混
   合羽根の一部もしくは全部を、他の格子交点を中心に配
   された混合羽根よりも大きくしたことを特徴とする沸騰
   水型原子炉用羽根付きスペーサ。
2. 【請求項２】 前記混合羽根をスペーサ上面に設けたこ
   とを特徴とする請求項１の記載の沸騰水型原子炉用羽根
   付きスペーサ。
3. 【請求項３】 上部タイプレートと下部タイプレートと
   の間に配される複数のスペーサのうち、請求項１又は２
   に記載されたスペーサを少なくとも一個以上装着したこ
   とを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。