JP2005525542A - 沸騰水形原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Abstract

沸騰水形原子炉の燃料集合体は複数の燃料棒（１〜３）を有し、これらの燃料棒（１〜３）は、燃料集合体の軸方向に互いに間隔を隔てて配置された複数のスペーサ（１１〜１８）によって支持され、燃料棒（１〜３）のうちの少なくとも１本（１、２）は短尺である。燃料集合体の少なくとも上部範囲（Ｂ）には、ドライアウト性を改善すべく旋回要素（４８）が配置されている。本発明に基づき、熱液的安定性および運転停止性能を改善するため、燃料集合体の上部範囲（Ｂ）に、旋回要素（４８）によって引き起こされる圧力損失を減少するための手段が講じられる。

Description

本発明は、複数の短尺の燃料棒を有する沸騰水形原子炉の燃料集合体に関する。

米国特許第５１１２５７０号明細書により、沸騰水形原子炉の燃料集合体における幾本かの燃料棒を他の燃料棒より短く形成し、もって燃料集合体の上部範囲に燃料棒格子における空き位置を生じさせることが知られている。その処置は、一方では運転停止性能を改善すべく、他方では熱液的な不安定傾向を低下すべく使用される。短尺燃料棒の採用によって改善された運転停止性能は、燃料集合体の上部範囲における減速材−燃料比の増大に起因し、これは、原子炉を低温状態においても未臨界に維持する働きをする。更に、燃料集合体の上部範囲における空き位置は、流れ抵抗の低下を生じさせる。それによって、二相領域における圧力降下、従って熱液的不安定傾向が低下する。

特開平１１−３１１６８８号公報で、二相領域における圧力降下を減少すべく、同様に短尺燃料棒を有する燃料集合体が知られている。この集合体では、圧力降下を一層減少するために、短尺燃料棒の上側に、次のようなスペーサを配置することを提案している。即ち、そのスペーサは、空き位置にセル（格子目）を持たず、そこではセルの代わりに、単に隣接するセルを相互に結合するための支持要素しか有していない。

国際公開第９９／１７２９９号パンフレットで公知の燃料集合体の場合、短尺燃料棒を利用する代わりに、燃料集合体の上部範囲におけるスペーサの相互間隔より小さな相互間隔で、燃料集合体の下部範囲にスペーサを配置することを提案している。

沸騰水形原子炉用の燃料集合体の設計時におけるもう１つの問題は、燃料集合体が沸騰伝達出力に対してできるだけ大きな間隔を有することにある。その沸騰伝達出力は、燃料棒表面に存在する水膜が蒸発（ドライアウト）する出力であり、その水膜の蒸発により、熱伝達がかなり悪化する。沸騰伝達出力の超過時、燃料集合体の燃料棒の表面に、熱伝達抵抗となる蒸気膜又は蒸気層が生ずる。燃料棒で発生した熱量が一時的に全く排出されないので、燃料棒の温度は、新たな熱勘定が生ずる迄上昇する。これは燃料棒の過熱を生じさせ、従って燃料棒被覆管の熱的過負荷をも生じさせる。そのような過熱は、燃料棒の寿命、従って燃料集合体の寿命を縮めるので、絶対に防止せねばならない。

欧州特許第０７８６７８１号明細書で、短尺燃料棒を備えた燃料集合体が公知である。その際、ドライアウト性の悪化を伴うことなしに、燃料集合体の下部範囲で発生した大きな圧力降下により熱液的安定性を得るべく、短尺燃料棒の領域で燃料集合体の下部範囲に流れ絞り要素を配置している。下部範囲での絞りに係わらず、ドライアウト性の悪化は、絞りを短尺燃料棒の範囲で行うことで防止できる。その絞りのため、乾燥の危険が僅かに存在する。かかる処置では、長尺燃料棒が乾燥する危険を確実に防止し得ない。

米国特許第５２２９０６８号明細書で、ドライアウト性を改善すべく燃料集合体内に旋回要素、例えばスペーサに配置された旋回発生舌片を設けることが知られている。この舌片は蒸気に比べて重い水に水平方向の速度成分を与え、もって二相領域において燃料棒の水による良好な濡れを達成する。この処置によって、沸騰伝達出力が高まる。

燃料集合体の上部範囲にかかる要素を配置すると、その大きな流れ抵抗が、燃料集合体の上部範囲における圧力損失を増大させ、これによって、短尺燃料棒に伴って得られた圧力損失の減少が少なくとも部分的に相殺され、熱液的不安定傾向が増大する。

本発明の課題は、ドライアウト性並びに熱液的特性を改善した沸騰水形原子炉の燃料集合体を提供することにある。

この課題は、本発明に基づいて、請求項１に記載の特徴を有する燃料集合体によって解決される。この特徴に基づき、複数の燃料棒と、燃料集合体の少なくとも上部範囲に配置された旋回要素とを備え、前記燃料棒が、燃料集合体の軸方向に互いに間隔を隔てて配置された複数のスペーサによって支持され、燃料棒のうちの少なくとも１本が短尺である沸騰水形原子炉の燃料集合体において、燃料集合体の上部範囲で旋回要素によって引き起こされる圧力損失を減少するための手段が講じられる。

本発明は、米国特許第５２２９０６８号明細書で求められた上部範囲における圧力降下の回復と違って、熱液的不安定を防止するために、むしろ、その圧力降下をより一層小さくすることが有利であるという認識に基づく。即ち、上部範囲の旋回要素で生ずる流れ抵抗の増大を、適当な流れ技術的処置により減少又は補償する処置を講ずる。

以下で、用語「上部範囲」又は「下部範囲」は、燃料集合体が仮想的にその軸方向広がり方向に関し、互いにつながった２つの部分範囲に分割されていることを意味する。しかし「上部範囲」は二相領域と一致しないようにせねばならず、上部範囲と下部範囲との境界は、必然的に二相限界と一致せず、「上部範囲」は、二相領域より小さいか大きい。

本発明の有利な実施態様では、この圧力損失の減少は、上部範囲に配置されたスペーサの少なくとも１つが、小さな圧力損失を有することで達成される。これは、本発明の有利な実施態様では、燃料集合体の上部範囲、好適には短尺燃料棒の上側範囲に、ニッケル基合金から成るスペーサを配置することで実現できる。その場合、スペーサにおける帯板厚さは、通常採用されているジルコニウム合金から成るスペーサの帯板厚さよりもかなり薄くなる。この構造によれば、更に、良好な減速度の軸方向範囲の中性子経済が、ジルコニウム合金から成るスペーサの採用で悪化することがない。この処置は、ニッケル基合金から成るスペーサの採用が、燃料集合体の上部範囲に不利な腐食特性をもたらすにもかかわらず、その腐食特性を本質的に決定付けるシャドー腐食が主に燃料集合体の下部範囲で生ずるので、危険ではないという考えに基づいている。

本発明の他の有利な実施態様では、この処置に加えて又は代えて、燃料集合体の上部範囲に配置した旋回要素の流れ抵抗も、上に向かって減少させる。これは、一方で旋回要素数の減少により、又は軸方向に対して垂直な平面への投影面積（作用面）の減少により生ずる。その際、基本的には、最上位スペーサは旋回要素なしに形成してもよい。

この処置は、燃料集合体の上部範囲での圧力降下が上に向かって指数的に増加するという考えから出発する。従って、殊に燃料集合体の最上位範囲における圧力降下を減少させる処置が目的に適っている。換言すれば、燃料集合体の内部における流れ抵抗を、上部範囲の最上位領域で上部範囲の下部領域におけるより小さくするのが特に有効である。

本発明の他の有利な実施態様は、従属請求項に記載している。

以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。

図１において、燃料集合体１は複数の燃料棒１〜３（バンドル）を有する。これら燃料棒１〜３は、運転時下部タイプレート４と上部タイプレート６の間を垂直方向に延びる。燃料棒１〜３は互いに平行に配置され、スペーサ１１〜１８内に支持されている。燃料棒１と２は、燃料集合体の全長にわたって延びる燃料棒３に比べて短く、短尺燃料棒として形成されている。なお図から、短尺燃料棒１が短尺燃料棒２より短いことが解る。通常長さの燃料棒３が下部タイプレート４上に立っていないか、緩く立っているだけであるが、短尺燃料棒１、２はそれらの下端が下部タイプレート４に固定して支持されている。

上下端が開いたチャネルボックス２０は、燃料棒１〜３のバンドルを包囲し、下部タイプレート４に流入する液状冷却材に対する密閉通路を形成している。冷却材、好適には水は、チャネルボックス２０を経て流れる間に燃料棒１〜３で加熱され、蒸発し始め、このため燃料集合体の上部範囲に、液状冷却材と蒸気状冷却材との混合体が存在する。

燃料集合体の上部範囲におけるチャネルボックス内部開口断面積は、短尺燃料棒１、２の組込みによって、燃料集合体の下部におけるそれより大きくなり、この結果、二相領域で生ずる大きな流速が抑制される。

スペーサ１１〜１８は、設計技術的に下側グループＡ（１１〜１４）と上側グループＢ（１５〜１８）に分かれている。その際、スペーサの相互間隔は少なくともグループＡにおいて同じ大きさにし、グループＢにおいてスペーサ１５〜１８の相互間隔を小さくすることもできる。該スペーサ１５〜１８の相互間隔の減少に伴う圧力損失の増加は、複数の短尺燃料棒１、２により補償される。下側グループＡと上側グループＢとの境界は、二相境界面又は最短短尺燃料棒１の先端と一致させてはならない。

図２は、グループＡ（１１〜１４）における１つのスペーサ又はグループＢにおける最下位スペーサ１５を拡大して示す。スペーサは、互いに直角に交差し相互にかみ合った帯板４０からなる。該帯板４０は、燃料棒１〜３を収容すべくほぼ正方形のセル（格子目）４２を形成している。燃料棒１〜３はセル４２内で突起４４とばね４６により固定的に支持されている。スペーサの帯板４０に旋回要素４８が配置されている。この要素４８は、図示の実施例では、横に曲げられた旋回発生舌片である。該舌片は帯板の交差個所に、スペーサ内を経て燃料棒間を軸方向（燃料棒に対し平行）に流れる流体冷却材が転向し、軸方向に対し直角に向かう（水平の）速度成分、具体的な実施例では、旋回パルスＤを得るべく配置されている。旋回発生舌片で引き起こされた旋回運動で遠心加速度が生じ、この加速度は、液相冷却材を燃料棒１〜３に向かって浴びせかけ、その冷却作用を強化し、もって冷却膜に亀裂が発生する恐れをなくす。

図３のスペーサも上述と同様に作用する。その際燃料棒１〜３を収容するセルは、円筒状ブッシュ５０で形成される。それらブッシュ５０も、旋回要素４８として横に曲げられた旋回発生舌片を支持し、そのそばを流れる冷却材に旋回パルスを生じさせる。

図４は、図２のスペーサの上側に配置したグループＢのスペーサを示す。図から、帯板の交差個所の一部（図中のハッチング箇所）に旋回要素４８が存在しないことが解る。この実施例は、４つの交差個所を旋回要素なしに形成すると想定している。それに適した交差個所は、特に短尺燃料棒の自由端の上側に位置するセルの角点の交差個所である。

図５は、図４のスペーサの上側に配置したスペーサを示す。その場合、交差個所には各々１つ置きに旋回要素４８が存在していない。

同様にして、最上位スペーサ１８迄旋回要素の数を減少させ、その最上位スペーサ１８には、基本的には、旋回要素を無くすこともできる。

図６と図７に、夫々交差点毎の旋回要素数を減少させた実施例を示す。図６の、旋回要素が欠けている領域をハッチングで明示し、図７では、湾曲した旋回発生舌片を持たない帯板４０ａを利用している。これら実施例でも、特に燃料棒が貫通せず、即ち短尺燃料棒の先端の上側に存在するセルの内部に向けた冷却材の横流れを発生させる旋回発生舌片を省いている。図６の実施例では、セル４３が内部に向いた旋回要素が全く存在しないことが解る。この種旋回要素なしのセル４３は、特に空き位置を形成し、短尺燃料棒１、２の先端の上側で、その燃料棒で占められていないセル位置にある。

図８の実施例では、旋回要素４８の一部、この実施例では帯板４０ｂに一体形成した旋回発生舌片４８ｂを短く形成すること、又は幾分大きく湾曲させることとし、もって、その流れ転向作用、従ってその流れ抵抗も減少させている。この実施例において、上側スペーサにおける全旋回要素４８、４８ｂの総投影面積は、その下側に配置されたスペーサにおける全旋回要素４８、４８ｂの総投影面積より小さくなっている。

図２〜図８を参照して説明した処置に加えて、又はその代わりに、上側グループＢの少なくとも最上位スペーサ又は上側スペーサを、ニッケル基合金、特にインコネル（商標）から成る帯板で構成できる。これは、機械的安定性を同一にした場合、帯板の厚さの減少を許し、従ってスペーサで生ずる圧力損失が減少する。基本的に、上側グループでも、隣接する２つのスペーサを同一構成とするが、圧力降下の増加を防止すべく、最上位スペーサの流れ抵抗が上側スペーサの最下位スペーサの流れ抵抗より常に小さくされる。

本発明に基づく燃料集合体の原理的概略構成図。 燃料集合体の下部で利用されるような燃料棒を収容するための正方形セルを備えたスペーサの部分平面図。 燃料集合体の下部範囲で利用されるような燃料棒を収容するための円形セルを備えたスペーサの部分平面図。 燃料集合体の上部範囲の下側部分におけるスペーサの部分平面図。 図４に示されたスペーサの上側に配置されたスペーサの部分平面図。 燃料集合体の上部範囲におけるスペーサの異なった実施例の部分平面図。 燃料集合体の上部範囲におけるスペーサの異なった実施例の部分平面図。 燃料集合体の上部範囲におけるスペーサの異なった実施例の部分平面図。

符号の説明

１〜３ 燃料棒、４ 下部タイプレート、６ 上部タイプレート、１１〜１８ スペーサ、２０ チャネルボックス、４０ａ、ｂ 帯板、４２ ４３ セル（格子目）、４４ 突起、４６ ばね、４８ 旋回要素（横に曲げられた舌片）、５０ ブッシュ、Ａ 上側グループ、Ｂ 下側グループ、Ｄ 旋回パルス

Claims (6)

1. 複数の燃料棒（１〜３）と、燃料集合体の少なくとも上部範囲（Ｂ）に配置された旋回要素（４８）とを備え、前記燃料棒（１〜３）が、燃料集合体の軸方向に互いに間隔を隔てて配置された複数のスペーサ（１１〜１８）によって支持され、燃料棒（１〜３）のうちの少なくとも１本（１、２）が短尺である沸騰水形原子炉の燃料集合体において、燃料集合体の上部範囲（Ｂ）において旋回要素（４８）により引き起こされる圧力損失を減少するための手段が講じられたことを特徴とする燃料集合体。
2. 燃料集合体の上部範囲（Ｂ）に配置されたスペーサ（（上側スペーサ、１６〜１８）の少なくとも１つが、ニッケル基合金から成ることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
3. 少なくとも上側スペーサ（１６〜１８）が各々複数の旋回要素（４８）を備え、最上位スペーサ（１８）の旋回要素（４８）の数が、最下位スペーサ（１６）の旋回要素の数より少ないことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料集合体。
4. スペーサ（１６〜１８）に配置された旋回要素の数が、上に向かって減少することを特徴とする請求項３記載の燃料集合体。
5. 少なくとも上側スペーサ（１６〜１８）が各々複数の旋回要素（４８）を備え、最上位スペーサの、軸方向に対し垂直な平面での全旋回要素の総投影面積が、最下位スペーサにおける面積より小さいことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の燃料集合体。
6. 上側スペーサ（１６〜１８）に配置された旋回要素（４８）の総投影面積が、上に向かって減少することを特徴とする請求項５記載の燃料集合体。

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