JP4451664B2 - 沸騰水形原子炉の燃料要素 - Google Patents

Description

本発明は、縦横に交差して配置した多数の内部帯板と、該帯板を枠状に包囲する外周帯板とで形成した多数のセルを備える沸騰水形原子炉の燃料集合体用スペーサに関する。

沸騰水形原子炉の燃料集合体では、多数の燃料棒をチャネルボックス内に燃料束の形にまとめている。燃料棒を案内するための複数のスペーサを、燃料棒長にわたり分布して配置している。沸騰水形原子炉では、原子炉運転中、一次冷却材として水が、下から燃料集合体内に流入し、燃料集合体を上向きに貫流する。燃料棒で生じた熱がその水を加熱し、この結果水は部分的に蒸発する。従って、燃料集合体の上部範囲に、水と蒸気との二相混合体が存在する。燃料集合体からの流出時、蒸気按分量は通常、約６０％である。

沸騰水形原子炉で典型的な二相混合流に起因して、燃料集合体の形成につき特別な要件が課せられる。それは、適当な中性子減速を考慮する他に、特に燃料棒の十分な冷却、即ち燃料棒表面からの十分な放熱の保証にある。このため、燃料棒の表面を十分な量の水で濡らすようにせねばならない。即ち、局所的な蒸気泡が生ずる所謂「核沸騰」に対する条件であり、該泡は、拡散し、最終的にはじける。熱伝達は、主に気泡の下側の環状領域で起る。しかし、燃料集合体の上部範囲での高い蒸気含有量のため、所謂「膜沸騰」が生ずる恐れがある。「膜沸騰」とは、燃料棒表面に存在する水膜が、気泡を形成することなく平面的に蒸発することを意味する。そのため最終的に、燃料棒がその範囲で、もはや水で濡らされなくなる。これに伴う小さな冷却力のため、燃料棒の温度が飛躍的に上昇し、燃料棒が損傷してしまう。

公知のように、冷却材膜はチャネルボックスの内側壁に沿って流れ、その蒸気含有量は燃料束の上部範囲で増大する。スペーサの範囲で冷却材を半径方向内側に燃料束内へ導くことで、冷却材膜の冷却力を利用することは公知である。この方式による対策は、米国特許第４９９９１５３号明細書に記載されている。チャネルボックスの内側壁に、冷却材の流れ方向に対し直角に延びる溝、所謂「フロートリッパ」を設けている。該溝は、チャネルボックス内側壁上の冷却材流を旋回させる機能を持つ。その溝に、外周帯板の外側面から突出したデフレクタ要素を、流れ方向に後置接続している。該要素は、溝に従い旋回する水膜を、いわばチャネルボックス内側壁から掻き取り、貫流開口を経て燃料束の内部に転向させる。同様な効果は、特開平５−３２３０７３号公報で公知のスペーサの場合、流入開口を開けた外周帯板で達成される。

本発明の課題は、チャネルボックス内側壁に沿って流れる冷却材を、上述と異なった方式で燃料棒の冷却に利用できるようにしたスペーサを提供することにある。

この課題は、請求項１に従い、流れ案内装置を備えたスペーサにより解決される。この装置は、外周帯板に開けられた貫流開口と、冷却材の流れ方向に見て貫流開口の上流に配置され、外周帯板の内側面から張り出し且つ貫流開口と共にベンチュリノズルのように働く流れ案内要素とから成る。ベンチュリノズルでは、流れ通路の狭隘個所で、周囲に接続された吸込み通路が開口している。流れ通路の狭隘個所の大きな流れ抵抗のため、そこで負圧が生じ、該負圧は、吸込み通路を経て外側に伝播する。燃料棒表面と、燃料棒を包囲する内部および外周帯板との間の範囲は、流れ通路を形成する。この流れ通路は、内側に張り出した流れ案内要素により狭まっている。外周帯板の内側面に沿って流れる冷却材は、外側面に沿って流れる冷却材と異なり、内側に張り出した流れ案内要素による横断面狭窄部を経て流れ、このため冷却材は速度又は運動エネルギを増大し、それに応じて圧力が低下する。従って、チャネルボックス内側壁に沿って流れる冷却材は、貫流開口を経ていわば吸い込まれる。各セルにそのような少なくとも１つの流れ案内装置を付属させると、チャネルボックス内側壁流の潜在冷却力を充分に利用できる利点がある。かくして、沸騰熱伝達路に対する距離を増し、膜沸騰の危険を減らせる。

有利な実施態様では、流れ案内要素は外周帯板と一体形成した流れ案内片であり、該片は、外周帯板の平面と流れ方向に開いた鋭角を成す。この案内片は簡単に製造できる。流れ案内片を、略流れ方向に延び貫流開口の下縁で終える両側切込み部で形成するとよい。ここで、および以下において、下から又は上からと述べるとき、これは、スペーサないし燃料集合体の据付け状態に関係している。特に製造技術的に有利な実施態様では、流れ案内片を、貫流開口の下縁に隣接する深絞り加工した外周帯板の壁範囲で形成する。

他の有利な実施態様では、内側に転向する冷却材分量を増大すべく、外周帯板に隣接する各セルに、少なくとも１つの流れ案内装置を付属させる。貫流開口が、流れ案内要素より大きな幅を持つようにするとよい。この実施態様では、流れ案内要素の効果を有効に利用し得る。即ち、多量の冷却材を燃料束に向けて導き得ることを確認している。

本形式のスペーサでは、内部帯板と外周帯板に、燃料棒に作用する保持ばねを設け、このばねを、セルの辺長を定義する外周帯板範囲の中央に配置する。従って、流れ案内装置を保持ばねから次の内部帯板まで延びる外周帯板の範囲に配置することが目的に適う。

貫流開口は流れ方向に対し斜めに配置した長孔として形成するとよい。この実施態様では、貫流開口を貫通する冷却材流に、燃料棒に関し半径方向の流れ成分を強制的に付与する。並べて配置した２つの貫流開口を、流れ方向と逆方向に開いた鋭角を成すよう、互いに逆向きに傾斜させるとよい。特に、両貫流開口を隣接するセルに１つずつ割り当てて付属させる。流れ案内装置の効率は、貫流開口の上縁と、それに流れ方向に続く外周帯板の壁範囲とを、凸状に外側に湾曲させることで増大させ得る。

以下図示の実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

沸騰水形原子炉の燃料集合体用スペーサ１は、縦横に交差しかみ合った多数の内部帯板２と、該帯板２を枠状に包囲する外周帯板３とからなる。内部帯板２と外周帯板３はセル４の周りを境界づけ、組立時、その中の少なくとも一部を各々燃料棒５が貫通する。外周帯板３の内側面６から保持ばね７が突出し、このばね７は燃料棒５に略半径方向に作用する。外周帯板３にはスロット８がある。内部帯板２の横側端縁から突出した固定部分２ａをスロット８内にはめ込み、外周帯板３の外側から外周帯板３に溶接する。外周帯板３の上縁に旋回羽根９、下縁に案内緩衝片１０を配置し、羽根９で燃料集合体を下から上に貫流する冷却材を旋回させ、燃料棒の表面に導く作用をする。案内緩衝片１０は、燃料集合体をチャネルボックス２１に挿入する際の挿入補助手段として働く。

沸騰水形原子炉内の水と蒸気の二相混合流範囲で、燃料棒の表面の一部に水が十分に供給されず、所謂「膜沸騰」を生ずる恐れがある。その際冷却水膜は、局所的に蒸気泡を発生することなく平面的に蒸発する。その結果、燃料棒で発生した熱の放出作用が不十分になる。これを防止すべく外周帯板３に複数の流れ案内装置１１を設ける。該装置１１は、各々貫流開口１２とこれに付属する流れ案内要素１３とから成り、該要素３は外周帯板３の内側面から張り出し、貫流開口１２と共にベンチュリノズルとして働く。外周帯板３の内側面６に配置した流れ案内要素１３は、燃料棒５と内部帯板２と外周帯板３で形成した流れ通路１４の流れ開口断面積を狭めている。この範囲で、外周帯板３の外側、即ちチャネルボックス２１と外周帯板３で境界づけた流れ通路１５を流れる冷却材に対し負圧が生ずる。従って貫流開口１２を経て、冷却材が流れ通路１５から流れ通路１４内に吸い込まれる（図３の矢印２９参照）。その冷却材の冷却力は、燃料棒５の冷却に活用できる。

流れ案内要素１３は、外周帯板３の内側面６に一体形成した流れ案内片であり、該片は外周帯板３の平面と、燃料棒の長手又は流れ方向１６に開いた鋭角αを成す（図３参照）。図１〜７に示す実施例では、流れ案内要素１３は、外周帯板３の貫流開口の下縁１７に隣接する、深絞り加工した壁範囲１８で形成した流れ案内片である。貫流開口１２は長孔状をなし、その下縁１７と上縁１９は互いに略平行に延びている。その側縁２０は略流れ方向１６に延びている。更に貫流開口１２は流れ案内要素１３より幅広く、この結果貫流開口１２は、超過距離２２だけ流れ案内要素１３より横に張り出している。

外周帯板３に隣接する各セル４に、流れ案内装置１１が付属している。該案内装置１１は、各々保持ばね７と内部帯板２との間を延びる外周帯板３の範囲にある。内部帯板２で互いに分離された２つのセル４、４ａの流れ案内装置１１、１１ａを内部帯板２から両側に離れる方向に延びる範囲２３、２３ａに置くとよい。貫流開口１２は、例えば流れ方向１６に対し直角に延ばせる。しかし図示の実施例では、貫流開口１２を傾斜させている。互いに隣接するセル４、４ａに付属する貫流開口１２、１２ａの傾斜は逆向きであり、流れ方向１６と反対方向に開いた鋭角βを成している（図１参照）。その傾斜に伴い、貫流開口１２、１２ａを貫流する冷却材流に、例えば図２に流れ矢印２４で示す旋回が生じ、貫流開口１２、１２ａを経て流入する冷却材は、燃料棒５の周りを円周方向に導かれる。

図４〜７に示す実施例では、貫流開口１２′、１２ａ′の上縁１９とそれに隣接する外周帯板３の壁範囲２５とを、外側に向けて凸状に湾曲させている。その湾曲し、翼又はバケット状をなす壁範囲２５は、外周帯板３とチャネルボックス２１との間を延びる流れ通路１５内に入り込み、冷却材を外周帯板３の内側面６上又は流れ通路１４内に案内する。上述の構成により、前記ベンチュリ効果に起因する冷却材に、更なる冷却材が加わる。貫流開口１２′、１２ａ′の上縁１９と下縁１７が逆向きに湾曲しているので、貫流開口断面積２６（図６）は、上縁１９が外周帯板３の平面内を延びる開口に比べて増大し、従って冷却材の流入が容易になる。

図７は、隣接するセル４、４ａに付属した、一対の流れ案内装置１１′、１１ａ′を示す。それら壁範囲２５、２５ａ間に、窪んで位置する壁部分２７を配置している。該壁部分２７を、流れ方向１６に延びるスロット８ａが貫通し、更に壁部分２７に、斜めに延びる別の壁部分２８が続く。この壁部分２８は両貫流開口１２′、１２ａ′を互いに分離している。この実施例では、内部帯板２の側縁を、それが壁部分２７、２８により形成した湾曲部内に入り込むように構成している。スロット８ａに、既にスロット８に関して述べた如く、内部帯板２の固定部分２ａをはめ込む。壁部分２７を内側にずらせて、又は窪ませて配置することで、固定部分２ａをスロット８ａの範囲で外側から溶接により固定でき、その溶接継手を壁範囲２５から突出させる必要がない。

上述の貫流開口１２、１２′の他に、上縁１９とそれに続く壁範囲２５だけを外側に湾曲させ、その下縁１７は外周帯板３の平面内に延ばし、即ち内側に張り出した流れ案内要素１３を持たない（図４参照）貫流開口１２″を設けてもよい。

図８〜１０に示す実施例では、流れ案内装置１１″が流れ案内要素１３′を備える。該要素１３′は同様に斜め内側に突出した壁範囲１８′である。しかしこの要素１３′は、略流れ方向１６に延び、貫流開口１２′の下縁１７で終える両側切込み部３０により形成している。

スペーサの第１実施例の部分側面図。 図１の矢印ＩＩ方向から見た底面図。 保持ばねと内部帯板を省いた状態の、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う拡大断面図。 スペーサの異なった実施例の図１に相当した図。 図４の矢印Ｖ方向から見た底面図。 図４のＶＩ−ＶＩ線に沿った図３に相当した断面図。 図４のＶＩＩ部分の拡大斜視図。 スペーサのさらに異なった実施例の図１に相当した図。 図８の矢印Ｘ方向から見た底面図。 図８のＸ−Ｘ線に沿った図３に相当した断面図。

符号の説明

１ スペーサ、２ 内部帯板、２ａ 固定部分、３ 外周帯板、４ セル、５ 燃料棒、６ 内側面、７ 保持ばね、８ スロット、９ 旋回羽根、１０ 案内緩衝片、１１ 流れ案内装置、１２ 貫流開口、１３ 流れ案内要素、１４、１５ 流れ通路、１６ 流れ方向、１７ 下縁、１８、２５ 壁範囲、１９ 上縁、２０ 側縁、２１ チャネルボックス、２２ 超過距離、２３ 範囲、２６ 貫流開口断面積、２７、２８ 壁部分、３０ 切込み部

Claims (6)

1. 縦横に交差して配置した多数の内部帯板（２）と、該帯板（２）を枠状に包囲する外周帯板（３）とで形成した多数のセル（４）を備え、該セル（４）の少なくとも一部が燃料棒で貫通されている複数のスペーサを備える沸騰水形原子炉の燃料要素において、
   前記スペーサが少なくとも１つの流れ案内装置を有し、
   該流れ案内装置は外周帯板（３）内に配置されて冷却材流を貫流させる貫流開口（１２）と、冷却材の流れ方向（１６）に見て貫流開口（１２）の上流に配置され、外周帯板（３）の内側面（６）へ張り出し且つ燃料棒（５）とこれを取り囲む内部および外周帯板（２、３）から形成された流れ通路を狭める流れ案内要素（１３）とを含み、
   該流れ案内装置（１１）が、傾斜して内側に突出し、貫流開口と隣接する、外周帯板（３）の壁範囲（１８）により形成された流れ案内要素（１３）を含み、冷却材流を燃料棒（５）に向けて導くことと、
   前記流れ案内装置（１１）が、内方に突出して燃料棒（５）に作用する保持ばね（７）と内部帯板（２）との間に延びる外周帯板（３）の範囲（２３）に配置されたことと、
   前記貫流開口（１２）が、流れ案内要素（１３）より大きな幅を有する長孔として形成されて流れ方向に対して斜めに配置され、貫流開口を貫流する冷却材流に、燃料棒に関し半径方向の流れ成分を強制的に付与することと、
   前記流れ案内装置の貫流開口（１２）の、冷却材の流れ方向（１６）に見て下流側の上縁（１９）と、それに流れ方向に続く外周帯板（３）の壁範囲（２５）が、凸状に外側に湾曲していることにより流れ案内装置の効率が増大されたことと
   を特徴とする燃料要素。
2. 前記流れ案内要素（１３）を形成する流れ案内片が、外周帯板（３）の平面から燃料棒（５）に向かって開いた鋭角（α）を成すことを特徴とする請求項１記載の燃料要素。
3. 前記流れ案内片が、流れ方向（１６）に延び、そして貫流開口（１２）の、流れ方向（１６）に見て上流側の下縁（１７）で開口する２つの切込み部（３０）により形成された外周帯板（３）の壁範囲（１８’）であることを特徴とする請求項２記載の燃料要素。
4. 前記流れ案内片が、貫流開口（１２）の下縁（１７）に隣接する、深絞り加工した外周帯板（３）の壁範囲（１８）により形成されたことを特徴とする請求項２記載の燃料要素。
5. 内部帯板（２）と、該帯板（２）を枠状に包囲する外周帯板（３）とで形成した各セル（４）の前記外周帯板（３）に、少なくとも１つの流れ案内装置（１１）が付属することを特徴とする請求項１から４の１つに記載の燃料要素。
6. 内部帯板を挟んで並べて配置された２つの貫流開口（１２、１２ａ）が、流れ方向（１６）に見て上流方向に向かって開くように互いに逆向きに傾斜し、該両貫流開口（１２、１２ａ）が、それぞれ流れ方向（１６）に対して鋭角（β）を成すことを特徴とする請求項５記載の燃料要素。

Images