JP2503026B2 - 燃料集合体用のフロ―ミキシング中間格子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は一般に原子炉の燃料集合体に関し、特に、燃
料棒束の相対的限界熱流束（CHF）性能を最適化するた
めに改良された非支持型のフローミキシング中間格子
を、１つ以上の所定の軸方向位置に有している沸騰水型
原子炉（BWR）の燃料集合体に関するものである。

従来技術の説明 原子炉内の核分裂を通して大量のエネルギが放出さ
れ、このエネルギは、原子炉の細長い燃料要素、即ち燃
料棒内で熱の形で放散されるのが典型的である。有用な
仕事を行うため、この熱を冷却材から取り出すように、
燃料棒に対して熱交換関係で冷却材を流すことによって
この熱を除去するのが一般的である。

典型的な沸騰水型（BWR）燃料集合体においては、燃
料棒の束は中央のウォータ・クロスによって４つの独立
した小束に細分され、各小束は、燃料棒に沿って軸方向
に離間して配置された複数の、例えば６つの格子、即ち
スペーサにより横方向に離間された関係で支持されてい
る。スペーサは燃料小束を所望の形状に保持するために
必要とされる。そして、燃料集合体における４つの小束
は全て、実質的に矩形の断面を有する外側管状流れチャ
ンネル（以下、「外側チャンネル」と称する）によって
取り囲まれている。外側チャンネルは、燃料集合体のほ
ぼ全長に亘り延びており、上部ノズルを下部ノズルに相
互に結合している。下部ノズルは、炉心支持板に嵌合
し、燃料集合体の外側チャンネル内への冷却材の入口と
して働く。冷却材は、下部ノズルを介して流入し、その
後、燃料棒の加熱面からエネルギを取り出しながら、燃
料棒に沿って流れる。このようなBWR燃料集合体は、米
国特許第4,560,532号明細書に開示されている。

BWR燃料集合体の限界熱流束（CHF）性能はBWRの安全
な運転において最も重要である。CHF状態が生じると、
表面熱伝達係数は大きく低下し、これによって燃料棒被
覆管温度の指数関数的上昇を引き起こす。これは被覆管
破裂をもたらし、核分裂生成物を冷却材中に放出するこ
とになる。この状態を避けるために、規制当局のガイド
ラインはBWRの運転をCHF状態を避けるに十分なほど低い
レベルに規制している。

前記米国特許第4,560,532号における燃料集合体のよ
うなBWR燃料集合体に関して、CHF性能は、コーナーおよ
び縁部のスペーサ、即ち周辺スペーサの位置にある燃料
棒において最高であり、内側に位置する燃料棒において
最低であることが判明している。これは、二相流冷却材
の内の冷たい液体は周辺の燃料棒位置に沿うチャンネル
に集まるが、二相冷却材の内の温かい蒸気は内側の燃料
棒位置に向かって押し流される傾向があることに主に起
因している。この結果として、早過ぎるドライアウトお
よびCHF性能の低下が内側の燃料棒位置で発生する。

従って、燃料集合体の全体的なCHF性能を高めるため
に、内側の燃料棒位置におけるCHF性能を改善する必要
がある。従来、例えば、米国特許第3,379,619号および
第3,379,619号明細書等に開示されているように、冷却
材の混合および均一化を達成するために、乱流発生混合
羽根がPWR燃料集合体のスペーサに用いられてきたが、
従来開示されたいかなる構成も、ここで求められている
改良を可能にするよう特に適応されているようには思わ
れない。

発明の概要 本発明は上記の必要性を満たすために設計されたフロ
ーミキシング中間格子を提供することにある。小束内
で、特に軸方向のCHF制限位置において、液体冷却材を
更に一様な分布にすれば、内側の燃料棒もコーナーおよ
び縁部のスペーサ位置、即ち周辺スペーサ位置における
燃料棒と同様な高CHF性能を示すであろうという知見
が、本発明の基礎となっている。詳細に述べるならば、
改善されたCHF性能は、特にCHF制限位置において二相冷
却材流に上流の乱れが増大していることに起因してい
る。圧力低下が極く僅か大きくなるだけで乱流混合およ
び均一化を可能とするフローミキシング中間格子は望ま
しいものである。また、その圧力低下も下部タイプレー
トにおける流れ領域を増加させることにより容易に補償
することができる。混合羽根は中間格子の下流側縁部に
のみ取り付けられ、その下流側の羽根の位置、大きさお
よび角度は、冷却材流れの高ボイド率中央領域を乱すこ
となく、最も効果的に流れを混合するようにされてい
る。低温のチャンネル壁部からの液体冷却材は、燃料棒
束の断面全体に亘り均一化される。BWRにおいてはCHFは
燃料棒スペーサの上流においてのみ生じるので、これら
の羽根は中間格子の下流側縁部に設けられる。フローミ
キシング中間格子の上流側縁部を流線形にすることによ
り、これらの位置においてのCHFの発生を防止すること
ができる。

従って、本発明は、細長い燃料棒の配列を有する原子
炉の燃料集合体で使用する非支持型のフローミキシング
中間格子に向けられている。このフローミキシング中間
格子は、（ａ）燃料棒のそれぞれを通して収容するため
の複数の内側セル開口を画成するように卵入れ形状に配
置され、且つ、外側終端部を有している複数の相互に差
し込まれた内側ストラップと、（ｂ）他の燃料棒のそれ
ぞれを通して収容するための複数の周辺セル開口を画成
するように前記各外側終端部と連結され、且つ、相対す
る上流側縁部および下流側縁部を内側ストラップと共に
有している外側周辺ストラップと、（ｃ）前記下流側縁
部に配置され、前記外側周辺ストラップの部分および該
部分と共働して前記周辺セル開口を画成する前記内側ス
トラップの対応部分に取り付けられ、前記周辺セル開口
を通って流れる冷却材を偏向させるために下流方向に且
つ前記周辺セル開口の内方に延びる第１群の混合羽根
と、（ｄ）前記下流側縁部に配置され、前記内側ストラ
ップの前記対応部分と共働して前記内側セル開口を画成
する前記内側ストラップの他の部分に取り付けられ、前
記内側セル開口を通って流れる冷却材を偏向するために
下流方向に且つ前記内側セル開口の内方に延びる第２群
の混合羽根と、を具備し、（ｅ）前記第２群の混合羽根
の寸法は、前記周辺セル開口を通って流れる冷却材にお
いて生じる乱流よりも前記内側セル開口を通って流れる
冷却材における乱流の方が実質的に小さくなるように、
前記第１群の混合羽根よりも実質的に小さくなってい
る。

より詳細には、第１群の混合羽根は実質的に互いに同
一であり、第２群の混合羽根も実質的に互いに同一であ
る。また、第２群の混合羽根の高さは第１群の混合羽根
よりも低い。他方、第２群の混合羽根の長さは第１群の
混合羽根の長さとほぼ同じである。しかしながら、第１
群および第２群の両群において、各混合羽根は高さより
も長さの方が実質的に大きい。

更に、両群の各混合羽根は、帯状の形態を有し、ま
た、相対する側縁部によって相互に結合された上縁部と
下縁部とを有している。外側および内側ストラップの対
応部分に取り付けられている羽根の下縁部の長さは実質
的にストラップの対応部分の長さに等しい。側縁部は、
対応の周辺および内部セル開口の内方に且つ上方に、一
点に集中するよう傾いている。また、上縁部は、長さが
下縁部のそれよりも短く、凹形となっている。各側縁部
の長さは実質的に上縁部または下縁部のいずれよりも短
い。

更にまた、各周辺および内側セル開口と関連された対
向する混合羽根間の距離は、これらのセル開口内に収容
される燃料棒の直径よりも大きい。

本発明の上記およびその他の利点や効果は、本発明の
一実施例を示している図面に沿っての以下の詳細な説明
を読むことによって、当業者にとって明らかとなるであ
ろう。

発明の詳細な説明 以下の説明においては、同一の参照符号は、全図面を
通して同一または相当部分を示している。また、以下の
説明において、「前方」や、「後方」、「左方」、「右
方」、「上方」、「下方」等の言葉は便宜的なものであ
り、限定的に解釈されるべきものではない。

全体的な説明 図面、特に第１〜７図を参照すると、本発明の改良さ
れた特徴が有利な形で適用され得るBWR用の核燃料集合
体が、総括的に符号10で示されている。燃料集合体10は
細長い外側チャンネル（外側管状流れチャンネル）12を
具備し、この外側チャンネル12は、燃料集合体10の全長
に亘って延びると共に、上部支持取付構造、即ち上部ノ
ズル14を下部基体、即ち下部ノズル16に相互に結合して
いる。燃料集合体10の外側チャンネル12に冷却材が流れ
込む入口として働く下部ノズル16は、この下部ノズル16
自体および燃料集合体10を、炉心支持板（図示しない）
内に、または、例えば使用済燃料プール中の燃料貯蔵ラ
ック内に案内するための複数の脚部18を具備している。

断面がほぼ矩形の外側チャンネル12は、互いに連結さ
れた４つの垂直の壁部20から作られており、各壁部20は
隣接の壁部20から約90度の角度で配置されている。複数
の構造リブ22が、外側チャンネル12の各壁部20の内面
に、互いに隔てられた関係に形成され、その内面に沿っ
た中央位置で垂直な列をなして延びている。外側チャン
ネル12およびその中に形成された構造リブ22は、通常ジ
ルカロイと呼ばれるジルコニウム合金のような金属材料
から作られるのが好ましい。構造リブ22の上端部の上方
において、外側チャンネル12の壁部20に固定された上方
に延びる複数の取付スタッド24が、上部ノズル14を外側
チャンネル12に相互に連結するために使用されている。

中性子の減速と中性子経済を改善するために、総括的
に符号26で示されている中空のウォータ・クロスが、外
側チャンネル12を通って軸方向に延びており、このウォ
ータ・クロス26は、燃料集合体10を通してサブクールさ
れた減速材を流すための開放された内側チャンネル28を
形成すると共に、燃料集合体10を４つの独立した細長い
隔室30に分割するようになっている。ウォータ・クロス
26は、４つの細長い一般的にはＬ字形の金属アングル若
しくは鋼板部材34から成る４つ１組の放射方向パネル32
を複数組有している。鋼板部材34は、外側チャンネル12
の全長に沿って延び、且つ、各パネル32の鋼板部材34に
形成されその間を延びるディンプル（くぼみ）36の形態
を取る一連の要素によって、相互連結されると共に互い
に離間されている。ディンプル36は互いに対向する対と
して設けられており、各対は、鋼板部材34の対面部分を
適当な離間関係に維持するように鋼板部材34の長さ方向
に沿って互いに接触している。接触しているディンプル
36の対は、中央のウォータ・クロス26のパネル32を形成
する鋼板部材34同士の間隔が正確に維持されるように、
例えば溶接により互いに結合されている。

中空のウォータ・クロス26は、外側チャンネル12の角
度的に隔てられた壁部20に取り付けられている。好適に
は、ウォータ・クロス26のパネル32の細長い縦方向の外
縁部38は、燃料集合体10内の所望の中央位置にウォータ
・クロス26を確実に保持するために、構造リブ22にその
長さ方向に沿って溶接等で結合されている。更に、パネ
ル32の内側の端部はその外側の端部と共働して、中空の
ウォータ・クロス26の軸方向長さに亘って延びる中央十
字形の内側チャンネル28を画成している。また、ウォー
タ・クロス26は、下部流入端部39と、その反対側の上部
流出端部40とを有し、これらは、それぞれ、サブクール
された流れが内側チャンネル28を貫流できるように、該
内側チャンネル28と連通している。

外側チャンネル12内には燃料棒42の束が配置されてお
り、図示実施例においては、燃料棒42は64本あり、８×
８配列を形成している。燃料棒42の束は、ウォータ・ク
ロス26によって更に４つの小束に分割されている。各小
束の燃料棒42は４×４配列の16本であり、上部タイプレ
ート44と下部タイプレート46との間を横方向に離間され
た関係で延びている。また、これらのタイプレート44、
46に互いに連結された各小束の燃料棒42は、タイプレー
ト44、46と共に、外側チャンネル12の各隔室30内に別個
独立の燃料棒サブアセンブリ48を構成している。各燃料
サブアセンブリ48の燃料棒42に沿って軸方向に離間され
た複数の支持格子、即ちスペーサ50は、燃料棒42を横方
向に隔てられた関係で保持している。各構造リブ22の間
にその長さ方向に沿って形成された複数の開口52は、燃
料集合体10の別個独立の各隔室30内における燃料棒サブ
アセンブリ48間に冷却材の流路を形成し、十字流連通路
を構成している。開口52を通る冷却材の流れは、４つの
独立した隔室30間の水圧を均等化し、また、それによっ
て、個々の燃料棒サブアセンブリ48間に熱的・水力的不
安定が生ずる可能性を最小とするように機能する。

第４図に示されるように、各スペーサ50は、複数の中
空セル58を画成すべく卵入れ形状に配置され互いに結合
されている相互に差し込まれた複数の内側部材54と外側
部材56とを具備している。ディンプル60とばね62が、中
空セル58内に突出するように内側部材54および外側部材
56に作られている。対向するディンプル60とばね62との
間の距離は燃料棒42の直径より小さくなっており、中空
セル58内に挿入され収容される燃料棒42が、ディンプル
60とばね62とにより、互いに対して所望の間隔が置かれ
且つ平行に延びた状態で支持、即ち保持されるようにな
っている。

上述のBWR燃料集合体10の基本的な構成要素は、前記
米国特許第4,560,532号明細書に記載されている燃料集
合体のような従来技術においても知られており、以下に
述べる本発明の特徴を当業者に理解せしめるに十分な程
度に詳しく説明されている。BWR燃料集合体の構造につ
いて更に詳しく知るには、米国特許第4,560,532号明細
書を参照されたい。

CHF性能を改善するための フローミキシング中間格子 本発明は燃料集合体の軸方向CHF制限位置に改善され
た特徴を提供する。第６〜９図を参照すると、これらの
特徴は、１対のスペーサ50の間で且つそれらから間隔を
置いて、各燃料棒サブアセンブリ48に沿って配置された
少なくとも１つの非支持型フローミキシング中間格子
（以下、「中間格子」とも称する）64から成っている。
好ましくは、２つのフローミキシング中間格子64が設け
られ、その一方は、６番目、即ち最上位のスペーサ50
と、５番目、即ち最上位の次に低いスペーサ50との間に
配置され、他方は５番目と４番目のスペーサ50間に配置
される。６番目と５番目のスペーサ50の上流側がBWR燃
料集合体10におけるCHF制限位置である。

基本的には、非支持型フローミキシング中間格子64は
上述した支持スペーサの構成要素の配列と同様なストラ
ップの配列を有している。しかしながら、中間格子64の
ストラップには燃料棒42を支持、即ち係合し保持するた
めのディンプルやばねは全く設けられていない。また、
フローミキシング中間格子64は、複数の内側セル開口68
を画成するために、卵入れ形状に配置された複数の相互
に差し込まれた内側ストラップ66を備えている。各燃料
棒サブアセンブリ48の燃料棒42の内で中央部に位置する
燃料棒42は内側セル開口68を通って延びている。中間格
子64はまた、複数の周辺セル開口74を画成するために、
内側ストラップ66の各外側終端部分72に取り付けられた
外側周辺ストラップ70を有している。各サブアセンブリ
48の燃料棒42の内で周辺部に位置している燃料棒42は、
対応のチャンネル壁部20およびウォータ・クロス26のパ
ネル32に隣接する周辺セル開口74を通って延びている。

また、中間格子64は、その下流側縁部に設けられた第
１群および第２群の混合羽根76、78を具備している。中
間格子64の上流側縁部には混合羽根は設けられていな
い。互いに実質的に同一であることが好ましい第１群の
混合羽根76は、外側周辺ストラップ70の或る部分と、こ
の外側周辺ストラップ70の部分と共に周辺セル開口74を
画成する内側ストラップ66の対応部分とに取り付けられ
ている。好ましくは互いに同一である第２群の混合羽根
78は、内側ストラップ66の他の部分に取り付けられてお
り、この部分は、周辺セル開口74と共通に配置されてい
る内側ストラップ66の対応部分と共働して内側セル開口
68を画成している。概ね下流方向に延びている両群の混
合羽根76、78の各々は、対応する周辺および内側セル開
口74、68に突出するように、その上部において折り曲げ
られており、その混合羽根は対応のセル開口を流れる冷
却材を偏向するように該セル開口と関連されている。周
辺および内側セル開口74、68の各々と関連している混合
羽根76、78のうち対向しているものの間の距離は、各セ
ル開口に収容される燃料棒42の直径より大きい。このた
め、混合羽根はセル開口内の燃料棒42を支持することは
ない。

第８図および第９図に明示されるように、第２群の混
合羽根78は第１群の混合羽根76より実質的に小さく、周
辺セル開口74を流れる冷却材に発生する乱流よりも内側
セル開口68を流れる冷却材における乱流の方が実質的に
小さくなるようになっている。このような大きさの関係
があるために、内側セル開口68の位置での高ボイド率中
央領域を殆ど乱すことなく、最も有効な流れの混合を達
成することができる。

さらに詳細には、第２群の混合羽根78は第１群の混合
羽根76よりも高さにおいて実質的に低くなっているが、
両群の混合羽根76、78の長さは概ね同一である。また、
両群における各混合羽根76、78は高さよりも長さの方が
大きくなっている。更に、両群の各混合羽根76、78は帯
状の形態を有している。以下の説明は両群のどの混合羽
根76、78にも等しく当てはまることではあるが、確認の
ために第７図における１つの混合羽根76Aについてのみ
参照すると、混合羽根76Aは下縁部80、上縁部82、およ
び、両縁部80、82の間で延びこれらを結合している１対
の側縁部84を有している。下縁部80において混合羽根76
Aは外側または内側ストラップ70、66の対応する部分に
固定され、また、羽根76Aの長さは、ストラップの対応
部分と等しく、且つ、周辺および内側セル開口74、68に
おける対応の開口の一辺と等しい。側辺84は周辺および
内側セル開口74、68における対応の開口に向かって内方
に且つ上方に一点に集まるよう傾いている。上縁部82は
長さにおいて下縁部80よりも短く、凹形をしている。各
側縁部84の長さは下縁部80および上縁部82のいずれより
も短い。

各中間格子64は、柔軟な弾力性のある弓形の細長い板
ばね86によって、一の燃料棒サブアセンブリ48の中で燃
料棒42に沿って軸方向の所望位置に配置される。この板
ばね86は、特願昭62-181288号明細書に開示された発明
を構成しており、中間格子64を所望の軸方向位置にほぼ
静止状態に維持するために、外側チャンネル12の壁部20
或はウォータ・クロス26の放射方向パネル32のいずれか
に十分な圧縮性接触力を与える。板ばね86は第６〜９図
に一例としてのみ示されている。サブアセンブリ48内に
中間格子64を取り付けるために、その他の適当な構成も
用いられ得る。

本発明およびこれに付随する多くの利点は、上の説明
から理解されるであろう。また、本発明の精神および範
囲を逸脱することなく、或はその実質的な利点を犠牲に
することなく、形態、構成および配列に関し種々の変更
が可能であることは明らかであり、よって、以上に述べ
られた形態は単に本発明の好適な実施例に過ぎない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従って構成された非支持型フローミ
キシング中間格子を具備しているBWR燃料集合体を、明
瞭化のために、一部断面、一部切欠きで表した正面図、
第２図は第１図の２−２線に沿って見たBWR燃料集合体
の拡大平面図、第３図は第１図の３−３線に沿って見た
BWR燃料集合体の拡大底面図、第４図は第１図の４−４
線に沿ってのBWR燃料集合体の断面図であり、ウォータ
・クロスにより小束に分割された燃料集合体における燃
料棒の束を示す図、第５図は第１図の５−５線に沿って
のBWR燃料集合体の断面図、第６図は第１図の燃料集合
体から取り外された非支持型フローミキシング中間格子
の拡大平面図、第７図は第６図の７−７線に沿ってのフ
ローミキシング中間格子の側面図、第８図は第６図の８
−８線に沿ってのフローミキシング中間格子の断面図、
第９図は第６図の９−９線に沿ってのフローミキシング
中間格子の断面図である。図中、 10:燃料集合体、42:燃料棒 64:フローミキシング中間格子 66:内側ストラップ、68:内側セル開口 70:外側周辺ストラップ 74:周辺セル開口 76:第１群の混合羽根 78:第２群の混合羽根

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】細長い燃料棒の配列を有する原子炉の燃料
   集合体に使用される非支持型のフローミキシング中間格
   子であって、 （ａ）前記燃料棒のそれぞれを通して収容するための複
   数の内側セル開口を画成するように卵入れ形状に配置さ
   れ、且つ、外側終端部を有しているる複数の相互に差し
   込まれた内側ストラップと、 （ｂ）他の前記燃料棒のそれぞれを通して収容するため
   の複数の周辺セル開口を画成するように前記各外側終端
   部と連結され、且つ、相対する上流側縁部および下流側
   縁部を前記内側ストラップと共に有している外側周辺ス
   トラップと、 （ｃ）前記下流側縁部に配置され、前記外側周辺ストラ
   ップの部分および該部分と共働して前記周辺セル開口を
   画成する前記内側ストラップの対応部分に取り付けら
   れ、前記周辺セル開口を通って流れる冷却材を偏向させ
   るために下流方向に且つ前記周辺セル開口の内方に延び
   る第１群の混合羽根と、 （ｄ）前記下流側縁部に配置され、前記内側ストラップ
   の前記対応部分と共働して前記内側セル開口を画成する
   前記内側ストラップの他の部分に取り付けられ、前記内
   側セル開口を通って流れる冷却材を偏向するために下流
   方向に且つ前記内側セル開口の内方に延びる第２群の混
   合羽根と、 を具備し、 （ｅ）前記第２群の混合羽根の寸法は、前記周辺セル開
   口を通って流れる冷却材において生じる乱流よりも前記
   内側セル開口を通って流れる冷却材における乱流の方が
   実質的に小さくなるように、前記第１群の混合羽根より
   も実質的に小さくなっている燃料集合体用のフローミキ
   シング中間格子。