JP4282785B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体に係わり、特に、内部に異物が混入するのを防止するための異物捕捉手段を備えた燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉（以下適宜、ＢＷＲと略す）に用いられる燃料集合体は、一般に、内部に多数個の核燃料ペレットを有する複数本の核燃料棒及び内部に中性子減速材が流れる水ロッドの上端を上部タイプレートで保持する一方、これらの下端を下部タイプレートで支持している。これら燃料棒と水ロッドとは、軸方向に並んだ複数個のスペーサにより一定間隔に保持されており、冷却材（軽水）は下部タイプレート下端の開口部（入口ノズル）から流入し燃料集合体内部に供給されるようになっている。
【０００３】
ところで万一原子炉内に金属片などの異物が混入し、原子炉運転中に冷却材とともにプラント内を流れ、燃料集合体の燃料棒周辺に係留されると、燃料棒被覆管を損傷する可能性がある。
【０００４】
上記したように、冷却材は下部タイプレートから燃料集合体へ流入する。このとき下部タイプレートでは、冷却材は下端にある入口ノズルから流入し、下部タイプレート内部を通過した後、上端にある燃料棒支持格子部に形成された冷却材流路から下部タイプレート外に流出する。そこで、燃料集合体の燃料棒周辺への異物の侵入を阻止するために、この下部タイプレートでの冷却材経路に異物捕捉手段（異物フィルタ）を設けた公知技術例として、例えば、特開平６−３４７５７６号公報、特開平４−２３０８９２号公報、特開平７−１５９５６７号公報、及び特開平７−３０６２８４号公報がある。
【０００５】
特開平６−３４７５７６号公報では、下部タイプレートの冷却材流入口である入口ノズル部に、異物を捕捉するための金網形状物を設置する構造が開示されている。
特開平４−２３０８９２号公報では、下部タイプレートの入口ノズル部と燃料棒支持格子部との間の冷却材流路に、湾曲した中間部分を有する板材を細かいピッチで配列し、異物を湾曲部で引っかけて通過を阻止する構造が開示されている。
特開平７−１５９５６７号公報では、下部タイプレートの上端部にある燃料棒支持格子部の冷却材流路をラビリンス形状にし、異物の通過を阻止する構造が開示されている。
特開平７−３０６２８４号公報には、下部タイプレートの燃料棒支持格子部の冷却材流路に複数の小孔を有する格子を設置し、異物を捕獲する構造が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来構造には以下の課題がある。
すなわち、下部タイプレートは鋳造によって製造するのが通常であるが、特開平６−３４７５７６号公報では、異物捕捉手段としての金網形状物は鋳造による製作が容易ではないため、下部タイプレートとの一体製作が困難である。また、別部材とすれば製造工程が増大し、コスト増大を招くことになる。
【０００７】
特開平４−２３０８９２号公報及び特開平７−１５９５６７号公報では、下部タイプレート構造に大幅な変更を伴うため、既存の工程や設備での製作・加工が困難となり大幅な変更が必要になる。その結果、大幅なコスト増大を招くため、事実上実用化は困難である。また、下部タイプレートでの圧力損失が大幅に増加するという課題もある。
【０００８】
特開平７−３０６２８４号公報では、鋳造による一体製作が可能であるため、製造工程の増大等によるコスト増大の問題はない。しかしながら、狭い流路に格子という構造物を設置するため流路面積がかなり小さくなり、下部タイプレートでの圧力損失が大幅に増加する。
【０００９】
以上のように、上記４つの従来技術では、既存の工程・設備でコスト高となることなく容易に製造でき、かつ下部タイプレートでの圧力損失の増加を小さくする構造を実現することはできなかった。特に、圧力損失が大きく増加すると、冷却材流量が減少して炉心の熱出力が低下し、また燃料棒の冷却能力が低下するため健全性を維持するのが困難となり、好ましくない。
【００１０】
ここで、下部タイプレートで生じる圧力損失は主として上端にある燃料棒支持格子部の冷却材流路で発生するため、下部タイプレート全体の圧力損失の増加を小さくするためには、その冷却材流路の流路面積を増加させて開口比を大きくすることにより異物捕捉手段設置による圧力損失増加分をカバーすればよい。
しかしながら、この開口比を大きくすることは、燃料棒支持格子部の強度を低下させることにつながる。例えば、いわゆる高圧力損失型の下部タイプレート（例えば開口比が約１８％のもの）の場合には、もともと開口比があまり大きくないため、異物捕捉手段設置による圧力損失の増加分を開口比増大でカバーしても燃料棒支持格子部の強度を十分確保できるが、いわゆる低圧力損失型の下部タイプレート（例えば開口比が約３４％のもの）の場合は、もともと開口比が比較的大きく、燃料棒支持格子部の強度は燃料棒の荷重を支持可能な最小限界に近くなっているため、開口比を増大できる量は極めて限られている。そのため、低圧力損失型の下部タイプレートの場合は、異物捕捉手段設置による下部タイプレート圧力損失の増加量を極力小さくすることが特に必要となる。
【００１１】
一方、加圧水形原子炉（以下適宜、ＰＷＲと略す）の燃料集合体内への異物侵入を阻止するための公知技術として特開平９−１０１３８５号公報がある。この公報では、格子形状の下部ノズルプレートの冷却材流路上に、角材を用いて上向き（下流側）に突出する多数の略四角錐又は略円錐形状の骨格を構成し、これによって異物を捕捉する構造が開示されている。このとき、骨格の開口面積（各角材間の間隔）を適宜設定することにより、圧力損失の増加を抑制しつつ異物捕捉機能を果たすことが可能となっている。
【００１２】
そこで、この構造をＢＷＲに応用し、下部タイプレートの上端にある燃料棒支持格子部の冷却材流路上に、角材を用いて上向き（下流側）に突出する多数の略四角錐又は略円錐形状の骨格を構成する構造が考えられる。しかしながら、この場合、以下のような課題が残存することとなる。
すなわち、略四角錐又は略円錐形状の骨格を横断面形状が四角形となる角材で構成するため、冷却材流れが角材近傍を流れるとき、冷却材流れ中に角材端面による乱れが発生する。そのため、この乱れによる圧力損失が発生する分、下部タイプレートでの圧力損失増加量の抑制が十分ではなく、さらなる改善の余地がある。
【００１３】
本発明の目的は、下部タイプレートでの圧力損失の増加量を十分に低減でき、かつ容易かつ安価に下部タイプレートと一体製作できる異物捕捉手段を備えた燃料集合体を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これら複数の燃料棒の下端を支持する燃料棒支持格子部を備えた下部タイプレートとを有し、前記燃料棒支持格子部は、前記複数の燃料棒の下端がそれぞれ挿入される複数の挿入部材と、これら複数の挿入部材間をそれぞれ連結する複数の連結部材とを備え、前記複数の挿入部材及び前記複数の連結部材の間の領域に複数の冷却材流路を形成する燃料集合体において、互いに先端部で連結され各冷却材流路を複数の領域に仕切るように前記燃料棒支持格子部の下面に設けられて当該下面から上流側に突出する複数本のアーム部材からなる複数の異物捕捉手段を有し、かつ、これら複数の異物捕捉手段は、前記燃料棒支持格子部と一体に形成されているとともに、前記アーム部材の横断面形状が、略円形、略楕円形、及び一方側が他方側よりもとがった略卵型形状のうちいずれか１つとなっており、前記アーム部材の突出高さは、４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、前記複数の冷却材流路の流路面積は、前記複数の異物補足手段の設置による圧力損失増加分をカバーする大きさに設定されている。
通常、下部タイプレートは鋳造により製作され、複数の燃料棒下端が挿入される複数の挿入部材やそれらを連結する複数の連結部材を備えた燃料棒支持格子部もこのとき併せて一体成形され、これによって、それら複数の挿入部材及び複数の連結部材の間の領域に複数の冷却材流路が形成される。ここで、下部タイプレートから燃料棒周辺への異物侵入を阻止するために設ける異物捕捉手段を、燃料棒支持格子部の下面に設けられて当該下面から上流側に突出するアーム部材で構成することにより、この異物捕捉手段を、例えば上記下部タイプレートの鋳造の際に挿入部材や連結部材とともに下部タイプレートの燃料棒支持格子部と一体に形成することができる。したがって、既存の工程や設備で容易かつ安価に製作・加工を行うことができる。
またこのとき、下部タイプレートで生じる圧力損失のうち大部分は燃料棒支持格子部の冷却材流路で発生するが、冷却材流路を複数領域に仕切るアーム部材を燃料棒支持格子部の冷却材流路に直接設けると、その流路面積を小さくすることになるので圧力損失の増加が大きくなる。そこで本発明においては、アーム部材を燃料棒支持格子部の下面に設けて当該下面から上流側に突出させることにより、燃料棒支持格子部の流路面積を直接小さくすることがないので、圧力損失の増加を抑制しつつ異物捕捉機能を果たすことができる。
さらに、そのアーム部材の横断面形状を、略円形、略楕円形、及び略卵型形状のうちいずれか１つとすることにより、冷却材流れがアーム近傍を流れるときにも流れは滑らかに下流側に導かれる。したがって、角材を用いて異物捕捉手段を構成する従来構造のように乱れが発生することがないので、その分、圧力損失の増加をさらに十分に低減することができる。
また、アーム部材を突出させるとき、その突出高さを高くするほどアーム部材間の開口幅が増加するため、異物捕捉手段設置による圧力損失増大分は小さくなる。逆に突出高さを低くするほどアーム部材間の開口幅が減少し異物捕捉手段設置による圧力損失増大分は大きくなる。ここで、下部タイプレートで生じる圧力損失のうち大部分は、燃料棒支持格子部の冷却材流路で発生するため、その冷却材流路の流路面積を増加させて開口比を大きくし冷却材流路での圧力損失を低減できれば、異物捕捉手段設置による圧力損失増加分をカバーできる。しかし、開口比を大きくすることは燃料棒支持格子部の強度を低下させることにつながるため、開口比を増大できる量にはある限界値が存在する。本発明においては、アーム部材の突出高さを４ｍｍ以上とすることにより、異物捕捉手段設置による圧力損失増加分を、冷却材流路の開口比増大による圧力損失低下分でカバーできる限界値以下とすることができる。これにより、下部タイプレート全体の圧力損失を異物捕捉手段を設けない場合と同等にすることができる。また、アーム部材の突出高さを大きくすると圧力損失は小さくなるが，あまり突出高さを大きくするとアーム部材間の開口幅が大きくなりすぎて異物捕捉機能が失われ、異物捕捉手段を設けない場合における挿入部材・連結部材による捕捉機能と同等になってしまう。本発明においては、突出高さを１０ｍｍ以下とすることにより、少なくとも異物捕捉手段を設けない場合よりは優れた異物捕捉機能を確保することができる。
更に、アーム部材を燃料棒支持格子部の下流側（すなわち上方）に突出させた場合、このアーム部材に異物が捕捉され係留されたとき、その流動振動によって近傍の燃料棒下端部にフレッティング摩耗を起こす可能性がある。そこで、アーム部材を燃料棒支持格子部の上流側（すなわち下方）に突出させることにより、これを未然に防止することができる。
【００１５】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記異物捕捉手段は、前記アーム部材の横断面形状が一方側が他方側よりもとがった略卵型形状である。卵型形状は、一方側が他方側よりもややとがった形状である。そこで、そのとがった形状が冷却材の下流側になるようにアーム部材を配置すれば、冷却材がアーム部材まわりを流れる際、上流側部分に沿って流れた冷却材が下流側部分へ回り込んで流れていくときに、そのとがった形状で流れの剥離が生じにくくなるので、さらに圧力損失を低減することができる。
【００１８】
（３）上記（１）において、また好ましくは、前記複数の異物捕捉手段のそれぞれは、対応する冷却材流路を４つの領域に仕切る４本の前記アーム部材を備えており、かつ、これら４本のアーム部材が互いに連結されている前記先端部は、当該冷却材流路の略中心線上に位置している。これにより、アーム部材間の開口幅を最も効率的に小さくすることができるので、最も異物捕獲性能が良好となる。また開口幅を効率的に小さくできるため、これによっても圧力損失をさらに小さくできる。
【００１９】
（４）上記（１）において、また好ましくは、前記複数の燃料棒は、８行８列の正方格子状に配列されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を参照しつつ説明する。
本実施形態による燃料集合体の全体構造を表す縦断面図を図２に示す。この図２において、本実施形態の燃料集合体１は、８行８列の正方格子状に配列された燃料棒２及び水ロッド３と、これら燃料棒２及び水ロッド３の下端を支持する燃料棒支持格子部４Ａを備えた下部タイプレート４と、燃料棒２及び水ロッド３の上端を保持する上部タイプレート５と、燃料棒２及び水ロッド３を所定間隔に保持するスペーサ６と、以上の構造の外周部を取り囲むチャンネルボックス８とを有している。そして、冷却材（軽水）は、図２中矢印で示すように、下部タイプレート４の下端開口部である入口ノズル部４Ｂから流入し、下部タイプレート４の内部空間を通過した後、上端部の上記燃料棒支持格子部４Ａから燃料棒２周辺領域へと供給されるようになっている。
【００２１】
下部タイプレート４の詳細構造を表す図２の部分拡大縦断面図を図１に、図１中Ａ−Ａ断面による横断面図を図３に示す。
これら図１及び図３において、下部タイプレート４の燃料棒支持格子部４Ａは、各燃料棒２の下端がそれぞれ挿入される挿入口を備えた多数の挿入部材４Ａａと、これら多数の挿入部材４Ａａ間をそれぞれ連結する多数の連結部材４Ａｂとを備え、それら挿入部材４Ａａ及び連結部材４Ａｂの間の領域に多数の冷却材流路９を形成している。なお、本実施形態の下部タイプレート４は、燃料棒支持格子部４Ａにおいてすべての冷却材流路９が占める面積割合が、既存のいわゆる低圧力損失型下部タイプレートの冷却材流路９の面積をさらに約１．２倍に増加させた構造となっている。
【００２２】
本実施形態の最も大きな特徴は、各冷却材流路９の下側（すなわち冷却材の上流側）に、燃料棒支持格子部４Ａと一体に形成された多数の異物フィルター１０がそれぞれ設けられていることである。この異物フィルターの詳細構造を表す上下逆転斜視図を図４に示す。
この図４及び図３並びに図１において、各異物フィルター１０は、互いに先端部１０ｅで連結され各冷却材流路９を４つの領域に仕切るように燃料棒支持格子部４Ａの上流側（すなわち下方）に突出した４本のアーム部材１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄから構成されている。
このとき、各アーム部材１０ａ〜ｄの横断面形状は例えば直径ｄ＝２ｍｍの略円形であり、それらの上流側への突出高さｈ＝４ｍｍ〜１０ｍｍとなっている。また、各アーム部材１０ａ〜ｄが連結された先端部１０ｅは、対応する冷却材流路９の略中心線上に位置している（図３参照）。
【００２３】
次に、以上のように構成した本実施形態の燃料集合体１の作用及び効果を以下に説明する。
【００２４】
（１）アーム部材の突出構造による圧力損失増加の抑制
上記構成の燃料集合体１において、冷却材は、上記したように、下部タイプレート４の入口ノズル部４Ｂから流入し、下部タイプレート４の内部空間を通過した後、燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路９を通過して、燃料棒２周辺領域へと流入する。このとき冷却材とともに流れてきた異物は、下部タイプレート４の入口ノズル部４Ｂから下部タイプレート４の内部空間を介し燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路９に流入しようとするが、その直下にある異物フィルタ１０で捕捉されて流入を阻止され、これによって燃料棒２周辺領域への侵入が防止される。ここで、下部タイプレート４で生じる圧力損失のうち大部分は燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路９で発生するため、もし異物フィルター１０のアーム部材１０ａ〜ｄを燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路９に直接設けた（すなわちアーム部材１０ａ〜ｄを挿入部材４Ａａや連結部材４Ａｂと略同一平面上に設ける）とすると、冷却材流路９の流路面積を小さくすることになり、圧力損失の増加が大きくなる。
そこで、本実施形態においては、アーム部材１０ａ〜ｄを燃料棒支持格子部４Ａから上流側に突出させて設けることにより、燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路９の流路面積を直接小さくすることがないので、圧力損失の増加を抑制しつつ異物捕捉機能を果たすことができる。この原理をさらに図５を用いて具体的に説明する。
【００２５】
図５は、突出構造による圧力損失の増加抑制効果を検討するために、本願発明者等が行った解析結果を示すものである。比較対象として、図２、図３及び図１に示した燃料棒支持格子部４Ａに対し、▲１▼丸棒のアーム部材１００を略十字形状をなすように燃料棒支持格子部４Ａと同一平面上に設けた（非突出構造）場合、及び▲２▼高さ１０ｍｍの四角錐１５０で覆うとともに４つの側面に開口幅Ｘの孔をあけた（突出構造）場合、の２つの場合を想定し、▲１▼の非突出構造ではアーム部材の径Ｄを減少させることにより、▲２▼の突出構造では孔径Ｘを増加させることにより流路開口幅Ｗを種々の値に変化させた。そして横軸にその流路開口幅Ｗをとり、縦軸に下部タイプレート４全体の圧力損失値ΔＰALLをとって表したものである。なお、縦軸の圧力損失値は、燃料棒支持格子部４Ａに異物捕捉手段を何も取り付けない場合（従来構造に相当）における圧力損失値を１．０とした相対値で表している。また横軸の流路開口部Ｗは、上記▲２▼の突出構造ではＷ＝Ｘとなる。
【００２６】
図５において、▲１▼の非突出構造及び▲２▼の突出構造ともに、流路開口幅Ｗが増加するともに冷却材が流れるときの抵抗が小さくなるため圧力損失値ΔＰALLは右下がりカーブで減少していく。但し、▲２▼の突出構造の曲線のほうが▲１▼の非突出構造の曲線より下方にあり、同一の流路開口幅Ｗでは、突出構造のほうがより圧力損失値ΔＰALLが小さくなることが分かる。例えば▲１▼の曲線では、Ｗ＝５．５［ｍｍ］でΔＰALL≒１．７５であるが、▲２▼の曲線では、Ｗ＝５．５［ｍｍ］ではΔＰALL≒１．５となっており、約１４％小さくなっている。すなわち、突出構造のほうが、燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路９の流路面積を直接小さくすることがない分、非突出構造よりも圧力損失の増加を低減できることがわかる。
【００２７】
また、▲１▼の曲線では、Ｗ＞５．５［ｍｍ］の範囲の値をとることができない。これは、Ｗ＝５．５［ｍｍ］とした場合には、丸棒アーム部材１００の径Ｄが強度上の最小限界径２ｍｍに達してしまうからである。したがって、▲１▼の非突出構造では、異物捕捉手段を設けない場合の１．７５倍までしか圧力損失値を低減できないことになる。
これに対して、▲２▼の曲線では、Ｗ＝５．５［ｍｍ］ではΔＰALL≒１．５となった後、Ｗ＝１３［ｍｍ］ではΔＰALL≒１．０９となっている。なお、原理的にはこれより大きいＷの値もまだとることができるが、Ｗ＝１３［ｍｍ］は、燃料棒支持格子部４Ａに異物捕捉手段を何も取り付けない場合の流路開口幅（＝挿入部材４Ａａ及び連結部材４Ａｂの間に形成される流路開口幅）と等しくなり、これ以上大きくしても異物捕捉機能は失われるため、実効がない。したがって、▲２▼の突出構造では、事実上、異物捕捉手段を設けない場合の１．０９倍までは圧力損失値を低減できることになる。
この圧力損失値を低減可能な最小限界は、後の（３）で詳述するように、燃料棒支持格子部４Ａに異物捕捉手段を何も取り付けない場合と同等以下の圧力損失値を維持可能かどうかに密接に関係している。
【００２８】
（２）アーム部材の断面形状によるさらなる圧力損失増加の低減
本実施形態では、上記（１）の突出構造による圧力損失低減効果に加え、アーム部材１０ａ〜ｄの横断面形状を略円形とすることにより、圧力損失の増加をさらに十分に低減することができる。これを図６により説明する。
【００２９】
図６は、本実施形態による横断面形状円形のアーム部材１０ａ〜ｄを用いた場合と、アーム部材１０ａ〜ｄと同一構造で横断面形状のみ四角形に変更した場合（すなわちアーム部材を角材とした場合）とで、それぞれの場合にアーム部材において発生する圧力損失ΔＰARMの値を解析したものである。なお、圧力損失ΔＰARMは、本実施形態の場合（横断面円形）を１とした相対値で表している。
図示のように、横断面形状を四角形とした場合には、ΔＰARM≒１．２となっており、本実施形態では、四角形とした場合よりも圧力損失が約５／６にさらに低減されていることが分かる。これは、横断面形状が四角形の場合には、冷却材流れがアーム部材近傍を流れるときにその端面によって流れに乱れが発生するためであると思われる。
本実施形態では、アーム部材１０ａ〜ｄの横断面形状を略円形とすることにより、冷却材流れを滑らかに下流側に導くことができ、乱れが発生することがない。したがって、異物フィルター１０設置による圧力損失の増加をさらに十分に低減することができる。
【００３０】
なお、この結果から、アーム部材１０ａ〜ｄの断面形状を略楕円型にしたり略卵型にした場合も、同様に、横断面形状が四角形の場合よりは圧力損失の増加を小さくできるのは明らかである。また特に、後者（略卵型）の場合には、以下の理由によりより一層圧力損失の増加を小さくできる。
すなわち、卵型形状は、一方側が他方側よりもややとがった形状である。そこで、そのとがった形状が冷却材の下流側（すなわち上方側）になるようにアーム部材１０ａ〜ｄを配置すれば、冷却材がアーム部材１０ａ〜ｄまわりを流れる際、上流側部分に沿って流れた冷却材が下流側部分へ回り込んで流れていくときに、そのとがった形状で流れの剥離が生じにくくなる。これにより、さらにアーム部材により生じる圧力損失値ΔＰARMを低減することができ、結果として、下部タイプレート全体で生じる圧力損失値を低減できる。
【００３１】
（３）アーム部材の突出高さの範囲設定による圧力損失値増加の防止
本実施形態の燃料集合体１では、アーム部材１０ａ〜ｄの突出高さｈを適宜設定することにより、下部タイプレート４全体で生じる圧力損失値を、燃料棒支持格子部４Ａに異物捕捉手段を何も取り付けない既存の低圧力損失型下部タイプレートと同等の値とすることができる。この原理を図７及び図８により説明する。
【００３２】
図７は、本実施形態と同様の構造の燃料集合体において、アーム部材１０ａ〜ｄの突出高さｈを変化させたときの下部タイプレート４全体で生じる圧力損失値ΔＰALLの変化を解析したものである。なお、横軸のアーム部材突出高さｈ＝５，１０，１５［ｍｍ］の３つの場合について解析を行い、そのときの圧力損失値ΔＰALLを、燃料棒支持格子部４Ａに異物捕捉手段を何も取り付けない場合における圧力損失値ΔＰALLを１．０とした相対値で示している。
図７において、アーム部材１０ａ〜ｄの突出高さを高くするほどアーム部材間の開口幅が増加するため、異物フィルタ１０の設置による圧力損失増大分（図示参照）は小さくなっており、ｈ＝５［ｍｍ］でΔＰALL≒１.２８、ｈ＝１０［ｍｍ］ではΔＰALL≒１.０９、ｈ＝１５［ｍｍ］でΔＰALL≒１.０６となっている。
【００３３】
ここで、既述したように、下部タイプレート４で生じる圧力損失のうち大部分は燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路９で発生するため、その冷却材流路９の流路面積を増加させて開口比を大きくし冷却材流路９での圧力損失を低減できれば、異物フィルター１０設置による圧力損失増加分をカバーできるはずである。
図８は、本実施形態と同様の低圧力損失型タイプレート４を備えた燃料集合体で燃料棒支持格子部４Ａに異物捕捉手段を何も取り付けない場合において、燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路９の流路面積Ｓを変化させたときの下部タイプレート４全体で生じる圧力損失値ΔＰALLの変化を解析したものである。なお、縦軸及び横軸は、低圧力損失型タイプレート４を備えた従来構造の燃料集合体（異物捕捉手段なし）における圧力損失値及び流路面積をそれぞれ基準とした相対値で表している。
図８において、燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路９の流路面積Ｓを大きくするほど冷却材流れの抵抗が小さくなるため、下部タイプレート４で生じる圧力損失値ΔＰALLは小さくなっており、Ｓ＝１でΔＰALL≒１であるのに対し、Ｓ＝１．２ではΔＰALL≒０.７７となっている。しかし、開口比を大きくすることは燃料棒支持格子部４Ａの燃料棒２を支持するための強度を低下させることにつながるため、開口比を増大できる量にはある限界値が存在し、低圧力損失型下部タイプレートでは、図８中のＳ＝１．２がこの限界値で、これ以上Ｓを大きくすることはできない。逆に言うと、Ｓ＝１．２までは開口比を増大できるので、圧力損失ΔＰALLを従来構造の１／０．７７≒１．３倍まで増加させても、この開口比増大でカバーできることになる。
そこで、本実施形態の燃料集合体１においては、アーム部材１０ａ〜ｄの突出高さｈを４ｍｍ以上とする。これにより、図７に基づき異物フィルター１０設置による下部タイプレート圧力損失ΔＰALLの増加を１．３倍以下とすることができるので、図８に基づき燃料棒支持格子部４Ａの冷却材流路面積Ｓの増大による圧力損失低下分でそのΔＰALLの増加をキャンセルし、最終的な下部タイプレート４全体の圧力損失ΔＰALLを、異物フィルター１０を設けない従来の低圧力損失型タイプレートとほぼ同等にすることができる。
【００３４】
なお、図７に戻り、アーム部材１０ａ〜ｄの突出高さｈを大きくするに伴って圧力損失はさらに小さくなるが，あまり突出高さｈを大きくするとアーム部材間の開口幅が大きくなりすぎて異物捕捉機能が失われ、異物フィルター１０を設けない従来構造における挿入部材４Ａａ及び連結部材４Ａｂによる捕捉機能と同等あるいはそれ以下になってしまう。本実施形態の燃料集合体１と同様の構造の場合、アーム部材１０ａ〜ｄの突出高さｈ＝１０ｍｍとなると、アーム部材間の開口幅が１３ｍｍとなり、従来構造における捕捉機能と同等になってしまうことがわかった。
そこで、本実施形態の燃料集合体１においては、アーム部材１０ａ〜ｄの突出高さｈを１０ｍｍ以下に限定とすることにより、少なくとも異物フィルター１０を設けない従来構造よりは優れた異物捕捉機能を確保することができる。
【００３５】
（４）容易かつ安価に製作・加工
本実施形態の燃料集合体１においては、上記したように、異物フィルター１０をアーム部材１０ａ〜ｄで構成することにより、燃料棒支持格子部４Ａと鋳造によって一体に形成することができる。これを図９により説明する。
【００３６】
図９は、アーム部材１０ａ〜ｄ付近の鋳造の様子を表す要部縦断面図である。図示するような形状の上型１１と下型１２とを用意し、鋳造用の溶融金属原料を注湯して固めた後、それら上型１１及び下型１２を取り去ることにより、挿入部材４Ａａ及び連結部材４Ａｂを備えた燃料棒支持格子部４Ａと、アーム部材１０ａ〜ｄを備えた異物フィルター１０との一体構造物を得ることができる。したがって、金網形状物を設けたりタイプレート構造自体に大幅な変更を伴う従来構造と異なり、既存の工程や設備で容易かつ安価に製作及び加工を行うことができる。
【００３７】
（５）その他
▲１▼開口部の有効利用
本実施形態では、各アーム部材１０ａ〜ｄが連結された先端部１０ｅは、対応する冷却材流路９の略中心線上に位置している。これにより、アーム部材間の開口幅を最も効率的に小さくすることができるので、最も異物捕獲性能が良好となる。また開口幅を効率的に小さくできるため、これによっても圧力損失の最小化に寄与している。
【００３８】
▲２▼フレッティング摩耗防止
もし、アーム部材１０ａ〜ｄを燃料棒支持格子部４Ａの下流側（すなわち上方側）に突出させた場合、このアーム部材１０ａ〜ｄに異物が捕捉され係留されたとき、その流動振動によって近傍の燃料棒２の下端部にフレッティング摩耗を起こす可能性がないとはいえない。そこで、本実施形態では、各アーム部材１０ａ〜ｄを燃料棒支持格子部４Ａの上流側（下方側）に突出させることにより、これを確実に防止することができる。
【００３９】
▲３▼アーム部材の連結位置
アーム部材１０ａ〜ｄが燃料棒支持格子部４Ａと連結される位置は、挿入部材４Ａａと連結部材４Ａｂとの両方が考えられるが、挿入部材４Ａａのほうがアーム部材１０ａ〜ｄの長さを短くすることができ、圧力損失の増加をより小さくできるので好ましい。
【００４０】
▲４▼投影面積の減少
本実施形態では、図３において、冷却材の流れ方向から見たときの冷却材流路９の面積（以下、投影面積という）が、既存の低圧力損失型タイプレートの投影面積より小さくなっていることを特徴としており、これにより異物捕捉性能を向上している。前述のように、冷却材流路９を大きくする投影面積増加よりも、アーム部材１０ａ〜ｄを付けた分の投影面積減少の方が大きいため、投影面積を小さくできる。アーム部材を最小径の２ｍｍとした場合でも投影面積を既存の低圧力損失型タイプレートの投影面積より約１５％小さくできる。また、異物は上流から下流へ直線的に流れるため、投影面積を小さくすることで異物捕捉性能を向上することができる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の燃料集合体１の異物フィルター１０は、下部タイプレート４での圧力損失ΔＰALLの増加量を十分に低減でき、異物フィルター１０を設けない従来の低圧力損失型タイプレートとほぼ同等にすることができる。また、容易かつ安価に下部タイプレート４との一体製作が可能である。
【００４２】
なお、上記実施形態においては、各異物フィルター１０には、４本のアーム部材１０ａ〜ｄが設けられ、各冷却材流路９を４つの領域に仕切るように構成されていたが、これに限られず、２本、３本、あるいは５本以上のアーム部材で各冷却材流路９を２つ、３つ、あるいは５つ以上の領域に仕切るように構成してもよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、下部タイプレートでの圧力損失の増加量を十分に低減でき、かつ容易かつ安価に下部タイプレートと一体製作できる異物捕捉手段を備えた燃料集合体を提供することができる。
このとき、例えばいわゆる低圧力損失型下部タイプレートの場合、もともと冷却材流路の横断面積割合（開口比）が比較的大きく、下部タイプレート上端部の強度が燃料棒の荷重を支持可能な最小限界に近くなっている。そのため、それ以上ほとんど開口比を増大できないので、異物捕捉手段設置による圧力損失増大をカバーすることができない。したがって、下部タイプレート全体の圧力損失低減の観点からは、異物捕捉手段設置による圧力損失の増加分自体を低減することが特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による燃料集合体の下部タイプレートの詳細構造を表す部分拡大縦断面図である。
【図２】図１の下部タイプレートが備えられた燃料集合体の全体構造を表す縦断面図である。
【図３】図１中Ａ−Ａ断面による横断面図である。
【図４】異物フィルターの詳細構造を表す上下逆転斜視図である。
【図５】突出構造による圧力損失の増加抑制効果を検討するために、本願発明者等が行った解析結果を示す図である。
【図６】横断面形状円形のアーム部材と、横断面四角形のアーム部材とで、アーム部材において発生する圧力損失値の解析結果を示す図である。
【図７】アーム部材の突出高さを変化させたときの下部タイプレート全体で生じる圧力損失値の変化を示す図である。
【図８】燃料棒支持格子部の冷却材流路の流路面積を変化させたときの下部タイプレート４全体で生じる圧力損失値の変化を示す図である。
【図９】異物フィルターを燃料棒支持格子部と鋳造によって一体に形成する様子を示した図である。
【符号の説明】
１ 燃料集合体
２ 燃料棒
４ 下部タイプレート
４Ａ 燃料棒支持格子部
４Ａａ 挿入部材
４Ａｂ 連結部材
９ 冷却材流路
１０ 異物フィルター（異物捕捉手段）
１０ａ〜ｄ アーム部材
１０ｅ 先端部
ｈ アーム部材の突出高さ

Claims (4)

1. 正方格子状に配列された複数の燃料棒と、これら複数の燃料棒の下端を支持する燃料棒支持格子部を備えた下部タイプレートとを有し、前記燃料棒支持格子部は、前記複数の燃料棒の下端がそれぞれ挿入される複数の挿入部材と、これら複数の挿入部材間をそれぞれ連結する複数の連結部材とを備え、前記複数の挿入部材及び前記複数の連結部材の間の領域に複数の冷却材流路を形成する燃料集合体において、
   互いに先端部で連結され各冷却材流路を複数の領域に仕切るように前記燃料棒支持格子部の下面に設けられて当該下面から上流側に突出する複数本のアーム部材からなる複数の異物捕捉手段を有し、かつ、これら複数の異物捕捉手段は、前記燃料棒支持格子部と一体に形成されているとともに、前記アーム部材の横断面形状が、略円形、略楕円形、及び一方側が他方側よりもとがった略卵型形状のうちいずれか１つとなっており、
   前記アーム部材の突出高さは、４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、
   前記複数の冷却材流路の流路面積は、前記複数の異物補足手段の設置による圧力損失増加分をカバーする大きさに設定されていることを特徴とする燃料集合体。
2. 請求項１記載の燃料集合体において、前記異物捕捉手段は、前記アーム部材の横断面形状が一方側が他方側よりもとがった略卵型形状であることを特徴とする燃料集合体。
3. 請求項１記載の燃料集合体において、前記複数の異物捕捉手段のそれぞれは、対応する冷却材流路を４つの領域に仕切る４本の前記アーム部材を備えており、かつ、これら４本のアーム部材が互いに連結されている前記先端部は、当該冷却材流路の略中心線上に位置していることを特徴とする燃料集合体。
4. 請求項１記載の燃料集合体において、前記複数の燃料棒は、８行８列の正方格子状に配列されていることを特徴とする燃料集合体。

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