JP2007232726A - 燃料集合体の多数で間隔が異なる中間流れ混合翼格子 - Google Patents

Abstract

【課題】 中間流れ混合格子を有する加圧水型原子炉の燃料集合体を提供する。
【解決手段】 燃料集合体は下部ノズル、下部ノズルから上方に延びる複数の案内シンブル、燃料棒アレイ、案内シンブルに沿って軸方向に離隔した種々の支持構造及び少なくとも２つの中間流れ混合格子を有する。これらの流れ混合格子は、隣接するが間隔が異なる支持格子対の間の所定の場所に位置して異なる構成の混合装置を備える。
【選択図】 図２

Description

発明の背景

発明分野

本発明は原子燃料集合体に係り、さらに詳細には、原子燃料集合体に組み込まれる混合格子に係る。

従来技術の説明

典型的な加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉心は多数のほぼ垂直な細長い燃料集合体により構成されている。燃料集合体は複数の燃料棒を支持する構造のフレーム組立体を有する。燃料集合体は上部ノズル、下部ノズル、複数の構造支持格子及び中間流れ混合格子並びに複数のシンブル管を有する。格子は上部ノズルと下部ノズルの間を垂直方向に延びる複数の細長いシンブル管に固着されている。シンブル管は通常、制御棒、閉栓装置または計装装置を収容する。燃料棒は原子燃料が通常は円筒形の金属管により被覆されたものである。一般的に、水が下部ノズルを介して燃料集合体内に流入した後、燃料集合体を垂直上方に流れる。水が燃料棒の上を通過するとき加熱されるため、上部ノズルから出るときは高温になる。

支持格子は原子炉内における燃料棒の位置決め、燃料棒の振動抑制、燃料棒の横方向支持、そしてある程度、縦方向運動を抑制する燃料棒の垂直方向における拘束に使用される。支持格子は軸方向にほぼ２０インチ離して配置するのが普通であり、これにより燃料棒が機械的に支持される。加圧水型原子炉の燃料業界にとって共通の問題は、冷却材の流れに対する自然の応答として燃料棒／支持系統が振動することである。この現象は格と燃料棒の間のフレッチングとして顕在化するが、燃料棒の被覆の破壊及び冷却材への原子燃料物質の漏洩に至ることがある。

支持格子のもう１つの役割は格子を通過する冷却材を乱流により混合することである。この混合は格子上の装置、例えば混合翼により誘起されるが、それに限定されない。混合装置により付与される混合作用により燃料棒からの熱伝達が促進される。燃料棒からの熱伝達の増加による利点は、以下に述べるように、燃料の動作温度が低くなるため燃料被覆の腐蝕（被覆の破壊／破損に至ることがある）に対する抵抗力が大きくなること、燃料集合体の限界熱流束（ＣＨＦ）能力が増加すること、燃料棒表面上で冷却材が沸騰する（即ち、サブクール核沸騰）の傾向が減少するため燃料棒上のクラッド形成リスクが減ることなどがある。クラッドが存在すると、発電所の運転出力レベルに高価で不利な影響が出る現象である、クラッド誘起出力シフト（ＣＩＰＳ）が発生することがある。これらの利点は発電所運転マージンの増加、燃料信頼性の増加となって表れ、そして／または発電所定格出力の増加を可能にする。

燃料集合体の支持格子に対する設計を考えると、従来の業界の仕方は上方スパンの構造支持格子の間に「混合」格子を付加するものであった。混合格子は必ずしも燃料棒に接触しない。普通は「中間流れ混合格子（ＩＦＭ）」と呼ばれるこれらの格子は、格子間の自由空間を２０インチからほぼ１０インチに事実上縮めることにより冷却材の混合、従って燃料棒からの熱伝達を増加させる。ＩＦＭの別の利点として、燃料棒の振動が減少するため格子と燃料棒の間のフレッチングが減少することがある。典型的な１２フィートの燃料集合体は（上部から下部への）６個の構造支持格子と共に（上方スパンの）３個のＩＦＭを有する。

原子力発電所が定格出力の増加または装荷パターン効率のいずれかによりＰＷＲの燃料をより高い温度で動作させるようになって、ＰＷＲ燃料に対する要求がますます厳しくなっている。燃料棒から排除される熱量を大きくすることは、ＣＩＰＳまたは燃料棒腐蝕のリスクの増加を回避し、ＣＨＦのマージンを増加（またはただ維持）する上で非常に重要である。さらに、「漏洩のない」、即ち、格子と燃料棒の間のフレッチングのリスクが本質的に０である燃料を提供する必要性が増加している。これらの課題への挑戦にあたり、加圧水型原子炉の燃料業界は主として支持格子（及び／またはＩＦＭ）の設計に注目している。設計変更による格子の熱的性能の向上にある程度成功しているが、所与の間隔の燃料集合体の格子については混合格子の設計の効率性それ自体に実際上限界があるらしい。

従って、システムのそれ以外の基本的コンポーネントを変更せずに冷却材の混合をさらに増加させる必要性が存在する。さらに、加圧水型原子炉業界において信頼性が証明されているコンポーネントを利用する必要性が存在する。

発明の概要

上記及び他の必要性は、燃料集合体の上方端部の隣接する構造支持格子間に多数のＩＦＭを設ける本発明により充足される。隣接する構造支持格子間にＩＦＭを使用すると、燃料集合体の熱伝達が増加し、ＣＩＰＳ及び／または燃料棒腐蝕のリスクが減少し、ＣＨＦ性能が向上し、格子と燃料棒の間のフレッチングリスクが減少する。一般的に、本発明は、隣接する構造支持格子間のＩＦＭの数を１個から２個に増加させるものである。支持格子間にＩＦＭを付加すると、冷却材が再び摂動状態になる前に通過しなければならない距離が減少する。このように混合長さが短くなると燃料棒の平均熱伝達係数が増加し、その結果として燃料棒の温度が低下し燃料棒の腐蝕に対する抵抗力が増加する。混合長さが短くなることによる別の利点としてＣＨＦ性能の向上がある。

付加するＩＦＭは、クラッドが形成される可能性が高い燃料集合体の上方スパンに配置するのが好ましい。データによると、クラッドの形成はスパン５及び６、即ち、冷却材温度が飽和状態に近い燃料集合体の上方スパンにおいて優勢であることがわかっている。このスパンの平均熱伝達係数の向上に助けられて冷却材の蒸気発生率（質量蒸発）が減少するため燃料棒におけるクラッド形成リスク、従ってＣＩＰＳリスクが減少する。さらに、ＩＦＭの付加により、ＩＦＭと格子の間の間隔を熱伝達の増加に関し最適化できる。（格子の間隔は一様である必要はない）。即ち、軸方向の出力変化は一様でないため、冷却材の冷却材加熱速度及び燃料棒の軸方向の温度分布も一様でない。ＩＦＭが多数あるスパンでは、ＩＦＭでは、本発明において、ＩＦＭ間の格子間隔及びＩＦＭと構造混合格子の間の格子間隔は熱伝達係数を最大にする（燃料棒温度を最小限に抑える）ために調整される。

本発明はさらに、種々の混合手段を種々の高さで用いることにより燃料集合体全体の熱伝達係数の分布を最適化する。上方スパンに位置するＩＦＭ及び／または支持格子上の混合装置の設計は、それらの高さにおける冷却材の混合条件（例えば、低密度）を満足するように、燃料集合体の低い部分の対応する格子に対して最適化される。この最適化は、性能の向上が不要である集合体の下方格子上には混合手段（即ち、翼）を設けないことを含む。上方スパンにＩＦＭを付加するか現存の格子上の翼を拡大することにより圧力降下を適用することができる。

好ましい実施例の説明

本明細書で使用する用語「混合装置」は、冷却材のほぼ上向きの流れに乱流を発生させる、あるいはその方向を変化させる翼または他の構造を意味する。

本明細書で使用する用語「不均等な間隔」は、３個またはそれ以上の格子支持及び／または中間流れ混合格子より成る一連の格子において、少なくとも１つの格子がその中の１つの格子に、それ以外の格子よりも近いことを意味する。

図１は原子炉の従来型燃料集合体２０を示す。この燃料集合体２０は底部に入口を、頂部に出口を有する水の容器（図示せず）内に配置される。燃料集合体２０は、原子炉（図示せず）の炉心領域内で燃料集合体２０を下部炉心板（図示せず）上に支持する下端部構造または下部ノズル２２と、下部ノズルから縦方向上方に延びる多数の制御棒案内管またはシンブル２４と、案内シンブル２４に沿って軸方向に離隔する複数の横方向支持格子２６と、格子２６により横方向離隔関係に支持される細長い燃料棒の秩序ある配列体２８と、集合体の中央に位置する計装管３０と、案内シンブル２４の上端部に固着された上端部構造または上部ノズル３２とが、従来の態様で、集合体コンポーネントに損傷を与えることなく普通通りに取り扱えるようにした一体的な集合体を形成するものである。下部ノズル２２及び上部ノズル３２は流れ開口（図示せず）を備えた端板（図示せず）を有し、水のような流体冷却材が種々の燃料棒２８に沿って縦方向上方に流れて燃料棒から熱エネルギーを受けることができるようにする。図１に示すように、支持格子２６Ａ−２６Ｈとして示す８個の支持格子２６があるが、支持格子２６は下部ノズル２２に最も近い支持格子２６Ａから上方にアルファベット順で、上部ノズル３２に最も近い支持格子が２６Ｈである。下部ノズル２２のすぐ上には燃料棒２８の下部領域を破片から保護するための保護構造がある。さらに支持格子２６Ａ−２６Ｈは間隔が約２０インチであることに注意されたい。

燃料棒２８の間の冷却材の混合を促進するために、１つの混合翼格子構造または１つの中間流れ混合格子（ＩＦＭ）３４が１対の支持格子２６の間に位置し、案内シンブル２４に取り付けられる。図示のように、３つの中間流れ混合格子３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃがあるが、それらはそれぞれ隣接する支持格子２６からほぼ等距離の位置にある。図示のように、下方の中間流れ混合格子３４Ａは第４支持格子２６Ｄと第５支持格子２６Ｅの間にある。中間にある中間流れ混合格子３４Ｂは第５支持格子２６Ｅと第６支持格子２６Ｆの間にある。上方の中間流れ混合格子３４Ｃは第６支持格子２６Ｆと第７支持格子２６Ｇの間にある。中間流れ混合格子３４は、燃料棒２８に隣接する１またはそれ以上の混合装置３５を含んでいる。さらに、混合を促進するために支持格子２６を混合装置３５を備えるような構造にすることができる。従来技術では、中間流れ混合格子３４は全ての中間流れ混合格子３４上に同一サイズで同一形式の混合装置３５を含んでいた。即ち、従来技術では、１つの中間流れ混合格子３４が混合装置３５として翼を使用しておれば、全ての中間流れ混合格子３４が混合装置３５として同様な大きさの翼を使用していた。

上部ノズル３２は、直立する側壁が周端部に固定されて包囲体またはハウジングを画定する横方向に延びるアダプタプレート（図示せず）を有する。その側壁の頂部には環状フランジ（図示せず）が固定されるが、このフランジには板ばね３６が適当にクランプされ、これらの板ばねは従来の態様で上部炉心板（図示せず）と協働して上方に流れる冷却材により燃料集合体が持ち上げられないようにすると共に炉心に誘起される熱膨張による燃料集合体の長さの変化を吸収する。上部ノズル３２の側壁により画定される開口内には、制御棒をよく知られた態様で制御棒案内シンブル２４内で垂直方向に移動させるための従来型燃料棒クラスタ制御組立体３８がある。燃料集合体２０を形成するために、支持格子２６と複数の中間流れ混合格子３４とは縦方向に延びる案内シンブル２４に軸方向に離隔した所定の場所で固着されている。下部ノズル２４は案内シンブル２４の下端部に適宜固着され、上部ノズル３２は案内シンブル２４の上端部に固着される。その後、燃料棒２８が支持格子２６とＩＦＭ３４とに挿入される。燃料棒２８は一般的に細長い円筒体である。燃料集合体２０の詳細な説明については米国特許第４，０６１，５３６号を参照されたい。

図示の燃料集合体２０は、燃料棒２８が正方形アレイ状に配列され、制御棒案内シンブル２４が燃料棒アレイ内において戦略的に配置されたタイプである。さらに、下部ノズル２２、上部ノズル３２だけでなく支持格子２６の断面形状もほぼ正方形である。図示した特定の燃料集合体２０は例示目的であるため、ノズルまたは格子の形状もしくは燃料棒２８及び案内シンブル２４の数及び形状の何れも限定的なものではなく、本発明は図示した特定構成とは異なる形状及び構成のものに等しく適用可能であることを理解されたい。

図２に示すように、燃料集合体５０は多数の、そして間隔が異なる中間流れ混合格子１３４を有する。即ち、燃料集合体５０は、中間流れ混合格子１３４が多数存在し、間隔が異なる点を除き上述したものと同じコンポーネントを有する。従って、本発明の燃料集合体５０は、原子炉の炉心領域（図示せず）内の下部炉心板（図示せず）上において燃料集合体５０を支持するための下端部構造または下部ノズル２２と、下部ノズル２２から縦方向上方に延びる多数の制御棒案内管またはシンブル２４と、案内シンブル２４に沿って軸方向に離隔した複数の横方向支持格子２６と、格子２６により横方向離隔関係に支持される細長い燃料棒の秩序ある配列体２８と、集合体の中央に位置する計装管３０と、案内シンブル２４の上端部に固着された上端部構造または上部ノズル３２とが、従来の態様で、集合体コンポーネントを損傷することなく普通通りに取り扱うことができるようにした一体的な集合体を構成したものである。下部ノズル２２及び上部ノズル３２は流れ開口（図示せず）を備えた端板（図示せず）を有するが、これにより水のような流体冷却材は種々の燃料棒２８に沿って縦方向上方に流れて燃料棒から熱エネルギーを受ける。再び、支持格子２０Ａ−２６Ｈとして示す８個の支持格子があるが、支持格子２６は下部ノズル２２に最も近い支持格子２６Ａから上方にアルファベット順で、上部ノズル３２に最も近い支持格子が２６Ｈである。支持格子２６Ａ−２６Ｈの間隔は従来技術の燃料集合体２０の間隔と実質的に同様なものでよい。

しかしながら、従来技術とは異なり、２つの隣接する支持格子２６の間には少なくとも２つの、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４がある。図示の実施例において、隣接する上方の支持格子２６Ｅと２６Ｆの間、または２６Ｆと２６Ｇの間には少なくとも２つの中間流れ混合格子１３４が存在する。即ち、図示のように、最も下方の中間流れ支持格子１３４Ａは依然として第４格子２６Ｄと第５格子２６Ｅの間にあるが、上方の支持格子２６Ｅと２６Ｆとの間には２つの中間流れ混合格子１３４Ｂ、１３４Ｃがある。さらに、上方の支持格子２６Ｆと２６Ｇの間には、２つの中間流れ混合格子１３４Ｄ、１３４Ｅがある。かくして、１対の隣接する支持格子２６の間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子１３４は、１対の隣接する支持格子２６の間に位置する２つの中間流れ混合格子１３４と、別対の隣接する支持格子２６の間に位置する単一の中間流れ混合格子１３４を含むということができる。異なる対の隣接する支持格子２６は共通の支持格子２６を共用する。同様に、１対の隣接する支持格子２６の間の少なくとも２つの中間流れ混合格子１３４は、１対の隣接する支持格子２６間の２つの中間流れ混合格子１３４と、別対の隣接する支持格子２６間の２つの他の中間流れ混合格子１３４とを含むということができる。

それらの少なくとも２つの、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４は、隣接する支持格子２６の間における間隔が均等でない。即ち、従来技術の中間流れ混合格子３４が隣接する支持格子２６の間でほぼ均等の間隔で配置されていたのとは異なり、それらの少なくとも２つの、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４は隣接する支持格子２６の一方または他方に近いようにそれぞれ独自に、または一緒に配置されている。

本発明は、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子を含むだけでなく、それ以外の、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４とはサイズ、形状及びパターンが異なる混合装置１３５を備えた多種多様な、間隔が異なる流れ混合格子１３４を提供する。即ち、以前のように、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４は翼のような混合装置１３５を有する。しかしながら、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４は、それ以外の、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４とはサイズ、形状及びパターンが異なる混合装置１３５を備えてもよい。同様に、支持格子２６に混合装置１３５を設けてもよい。支持格子２６上の混合装置１３５は、それ以外の支持格子２６または多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４の何れかの上の混合装置とは形状、サイズまたはパターンが異なるものでよい。以下、混合装置３５の形状、サイズまたはパターンを混合装置の構成１３７（略示する）と呼ぶ。さらに、種々の混合装置の構成を異なる文字、例えば１３７Ａまたは１３７Ｂで識別する。かくして、一例として、第４の中間流れ混合格子１３４Ｄは第１の構成１３７Ａの翼を有し、第５の中間流れ混合格子１３４Ｅは第２の異なる構成１３７Ｂの翼を有する。このようにして、多数の、間隔の異なる中間流れ混合格子１３４を燃料集合体５０の特定の高度位置に設けて混合を最適化するように構成することができる。

本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、これらの種々の変形例及び設計変更を本願の教示全体から想到できることが当業者にわかるであろう。例えば、燃料棒集合体２０は図示の燃料棒集合体２０よりも長いか短い長さのものでよい。かくして、別の燃料棒集合体５０は図示の燃料棒２０より多いか少ない支持格子２６と中間流れ混合格子１３４を備えるようにしてもよい。従って、図示説明した特定の構成は例示目的に限られ、本願発明の範囲を限定するのではなく、その範囲は頭書の特許請求範囲の全幅及び任意そして全ての均等物の範囲を与えられるべきである。

従来技術の原子燃料集合体の概略的な側面図である。 本発明による原子燃料集合体の概略的な側面図である。

Claims (20)

1. 加圧水型原子炉の燃料集合体であって、
   下部ノズルと、
   下部ノズルから上方に延びる複数の案内シンブルと、
   案内シンブルに沿って軸方向に離隔した複数の支持格子と、
   隣接する２つの支持格子の間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子とより成る燃料集合体。
2. １対の隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、１対の隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別対の隣接する支持格子間に位置する単一の中間流れ混合格子とを含む請求項１の燃料集合体。
3. １対の隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、１対の隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別対の隣接する支持格子間に位置する別の２つの中間流れ混合格子とを含む請求項１の燃料集合体。
4. ２つの隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、２つの隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別の２つの隣接する支持格子間に位置する別の２つの中間流れ混合格子と、さらに別の隣接する支持格子間に位置する単一の中間流れ混合格子とを含む請求項１の燃料集合体。
5. 前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
   前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第５と第６の支持格子間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１の燃料集合体。
6. 前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、第６と第７支持格子の間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項５の燃料集合体。
7. 前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第４支持格子、第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
   前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第５と第６の支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、第６と第７の支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子とを含み、
   前記少なくとも２つの中間流れ混合格子はさらに、第４と第５支持格子の間に位置する単一の中間流れ混合格子を含む請求項１の燃料集合体。
8. 前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
   前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第６と第７の支持格子間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１の燃料集合体。
9. 各中間流れ混合格子は１つの構成の混合装置を含み、
   少なくとも２つの中間流れ混合格子は異なる構成の混合装置を含む請求項１の燃料集合体。
10. 少なくとも１つの支持格子は１つの構成の混合装置を含み、
    少なくとも１つの中間流れ混合格子は１つの構成の混合装置を含み、
    中間流れ混合格子上の混合装置の構成と支持格子上の混合装置の構成とは異なる請求項１の燃料集合体。
11. 前記中間流れ混合格子は１対の隣接する上方支持格子間において不均等な間隔を有する請求項１の燃料集合体。
12. １対の隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、１対の隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別対の隣接する支持格子間に位置する単一の中間流れ混合格子とを含む請求項１１の燃料集合体。
13. １対の隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、１対の隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別対の隣接する支持格子間に位置する別の２つの中間流れ混合格子とを含む請求項１１の燃料集合体。
14. ２つの隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、２つの隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別の２つの隣接する支持格子間に位置する別の２つの中間流れ混合格子と、さらに別の隣接する支持格子間に位置する単一の中間流れ混合格子とを含む請求項１１の燃料集合体。
15. 前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
    前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第５と第６の支持格子間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１１の燃料集合体。
16. 前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、第６と第７支持格子の間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１５の燃料集合体。
17. 前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第４支持格子、第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
    前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第５と第６の支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、第６と第７の支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子とを含み、
    前記少なくとも２つの中間流れ混合格子はさらに、第４と第５支持格子の間に位置する単一の中間流れ混合格子を含む請求項１１の燃料集合体。
18. 前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
    前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第６と第７の支持格子間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１１の燃料集合体。
19. 各中間流れ混合格子は１つの構成の混合装置を含み、
    少なくとも２つの中間流れ混合格子は異なる構成の混合装置を含む請求項１１の燃料集合体。
20. 少なくとも１つの支持格子は１つの構成の混合装置を含み、
    少なくとも１つの中間流れ混合格子は１つの構成の混合装置を含み、
    中間流れ混合格子上の混合装置の構成と支持格子上の混合装置の構成とは異なる請求項１１の燃料集合体。

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