JP4573330B2 - 沸騰水型原子炉用燃料集合体スペーサ及び燃料集合体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料の高燃焼度化に対応した沸騰水型原子炉用燃料集合体において熱的余裕（限界出力特性）の改善を可能にする冷却材ミキシング用の羽根を備えたスペーサ及び燃料集合体に関するものである。

沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと略す）に装荷される燃料集合体５１は、図５に示すように燃料棒Ａで代表される棒状燃料要素を正方配列し、それらの上下端は端栓を介して上下の支持板（タイプレート）５２、５３に装着し、中間高さ位置の複数箇所にはスぺーサ５５を所定間隔に保持したものが一般的である。スペーサ５５は単数若しくは複数の水ロッドＷ（角形ウォータチャンネル、またはウォータロッド）で位置決めされる。

このような燃料集合体５１は、炉心Ｒにおいては各燃料棒Ａを除熱する冷却水の確保のため、ジルカロイ製の角筒状のチャンネルボックス５４内に収められて炉心構造部の受座に所要数装荷される。原子炉運転中は受座の入口オリフィスからチャンネルボックス内にサブクール状態の冷却水を送り込んで各燃料集合体５１の燃料棒の間を上向きに流れるようにし、制御棒Ｃによって制御された燃料棒の反応熱で冷却水を沸騰させて熱を外部に取り出すと共に燃料集合体５１の除熱を行うようにしている。なお、水ロッドＷにはサブクール状態の冷却材が下方向から上方向に流れ、ウランの核分裂によって発生した高速中性子を効率よく減速し、中性子経済の向上、即ち、燃料経済性向上に大いに貢献している。

ＢＷＲは炉内で水蒸気を発生させる直接サイクル方式であるため、炉心Ｒ内で沸騰を許容している。したがって、燃料の冷却は、液相・蒸気（ボイド）の二相流の条件下で行われ、ボイド率の高い燃料集合体上部の冷却水の流動様式は、図６に示すように膜状の液相（液膜）ａ１がチャンネルボックス５４の内壁面と燃料棒Ａの外周面でそれぞれ連続した環状流れが、また、チャンネルボックス５４と燃料棒Ａの間及び燃料棒Ａ同士の間には液滴ａ２を伴う蒸気相ｂが流れる、所謂「環状流」が形成され、燃料棒Ａの外周面の前記液膜ａ１が燃料棒の冷却に重要な役割を果たす。

しかしながら、例えば、過出力状態等の何らかの原因で燃料集合体が熱的に厳しい状態におかれ、所謂、核沸騰状態から膜沸騰状態への遷移（沸騰遷移）が生じると、図７に示すように燃料棒Ａの外周面の液膜ａ１が消失して除熱効果が急激に悪化するため、燃料棒Ａの液膜消失領域における温度が急激に上昇し、ついにはその部分でバーンアウトを生ずることとなる。

ＢＷＲに特徴的な液膜の消失に伴うバーンアウトを特に「ドライアウト」と呼び、ドライアウトの生ずる燃料集合体全体の熱負荷を限界出力と呼んでいる。この限界出力を向上する方策として種々のスペーサが提案されており、その代表として混合羽根、すなわちミキシングベーン付きスペーサが提案されている（例えば、特許文献１の図２及び図３参照。）図８は従来のミキシングべーン付きスペーサ８０の説明図である。

このスペーサ８０のミキシングベーン８１は、サブチャンネル流路（たとえば、４本の燃料棒Ａで囲まれた領域）のおよそ中心位置に相当する格子板８２の交点に設けた複数の羽根８３で構成される。これらのミキシングベーン８１はサブチャンネル内で冷却材に遠心力を付加して旋回流を引き起こし、重量の重い液滴を選択的にサブチャンネル周辺部へ、軽い蒸気はサブチャンネル中央付近に偏流させる効果がある。このことによって液滴が燃料棒の表面に付着し、燃料棒表面の液膜が厚くなり、液膜の消失に至るまでの熱負荷が大きくなるため、限界出力は増大する。

また、図８に示すスペーサ８０は、最外周部格子板８４及び水ロッドを囲む格子板８５にフロータブ８６を具備している。

ここでフロータブ８６及びミキシングベーン８１の位置を説明するために、燃料棒Ａと水ロッドＷの関係を定義する。隣接する燃料棒Ａと水ロッドＷとが格子の対角方向で向き合う場合を対角隣接、ＸＹ方向で向き合う場合を面隣接と表現することとする。単に隣接と記した場合は、その両方を指す。

図８に示されるように、面隣接位置でのフロータブ８６ａに比ベ対角隣接位置のフロータブ８６ｂはその設置空間が狭いため比較的小型となっている。

フロータブ８６は燃料棒Ａの冷却に寄与しない水ロッドＷ表面を流れる液滴を燃料棒Ａ表面に振り向ける効果により限界出力の向上に寄与するが、その効果はフロータブ８６の大きさに依存するところが大きい。また、同じ方向に配置されたフロータブ８６ａは、交差して配置されたミキシングベーン８１のように冷却材に旋回流を引き起こす効果を強くは持たないため、フロータブ８６ａの大きさがミキシングベーン８１を構成する羽根８３と同程度である場合はミキシングべーン８１と比較して限界出力を向上する効果は小さい。
特開２００１−３１８１８２号公報

ところで、ＢＷＲ用燃料の設計では、燃料集合体内に部分長燃料棒、即ち、炉心内のある中間高さより下流側を省いた燃料棒を含むことが知られている。部分長燃料の下流側には空間領域が出来る。部分長燃料を用いることにより、圧損の低下、運転停止余裕の増加、燃料サイクルコスト低減といった様々な利得を得ることができる。

燃料棒Ａと水ロッドＷとが面隣接する位置に設置されたフロータブ８６ａに比べ、燃料棒Ａと水ロッドＷとが対角隣接する格子板の交点に設置されたフロータブ８６ｂは、その設置空間が狭いため、他のフロータブ８６と比べ小型とならざるを得ない。このため、隣接する燃料棒のドライアウト特性を改善する余地があることが分かった。

本発明は、ＢＷＲ用燃料集合体全体の熱的余裕、即ち、限界出力特性を向上させることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体スペーサは、上部タイプレートと下部タイプレートとの間に互いに平行配列された燃料棒と燃料棒よりも太い水ロッドとを含む複数の棒状要素を、互いに交叉させた格子板でバンドル状に相互に間隔を開けて束ねる沸騰水型原子炉用燃料集合体の格子型スペーサにおいて、
前記水ロッドと隣接した２本の燃料棒とが互いに向き合うＴ字交点部分の格子板の上端縁に設置されて水ロッド表面を流れる冷却材を燃料棒表面に振り向けるフロータブと、
前記水ロッドと燃料棒とが十字に向き合う十字交点部分の格子板の上端縁に設置されてサブチャンネル内で冷却材に旋回流を引き起こす２枚羽根又は３枚羽根の第１のミキシングベーンと、
前記フロータブ及び第１のミキシングベーンが設置された格子板の交点部分を除く全部又は一部に、隣接する燃料棒同士が十字に向き合う十字交点部分の格子板の上端縁に設置されてサブチャンネル内で冷却材に旋回流を引き起こす２枚羽根、３枚羽根、４枚羽根の何れかの枚数の第２のミキシングベーンとを備えたことを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体はスペーサ、請求項１に記載の水ロッドに隣接して部分長燃料棒が装荷された燃料集合体の前記部分長燃料棒の上端より下流側位置に配されたスペーサであって、
前記部分長燃料棒下流側に形成された空間領域を囲む４つの交点のうち、前記Ｔ字交点部分を形成する交点を除く他の交点部分に２枚羽根又は３枚羽根の第１のミキシングベーンを備えたことを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明に係るＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１又は２に記載のスペーサを備えたものである。

本発明は以上説明した通り、ＢＷＲ用燃料集合体全体の熱的余裕、即ち、限界出力特性を向上させることができるという効果がある。

本発明においては、上部タイプレートと下部タイプレートとの間に互いに平行配列された燃料棒と燃料棒よりも太い水ロッドとを含む複数の棒状要素を、互いに交叉させた格子板でバンドル状に相互に間隔を開けて束ねる沸騰水型原子炉用燃料集合体の格子型スペーサにおいて、前記水ロッドと隣接した２本の燃料棒とがＸ方向又はＹ方向で互いに向き合うＴ字交点部分の格子板の上端縁に設置されて水ロッド表面を流れる冷却材を燃料棒方向に振り向けるフロータブと、前記水ロッドと燃料棒とが十字に向き合う十字交点部分の格子板の上端縁に設置されてサブチャンネル内で冷却材に旋回流を引き起こす２枚羽根又は３枚羽根の第１のミキシングベーンと、前記フロータブ及び第１のミキシングベーンが設置された格子板の交点部分を除く全部又は一部に、隣接する燃料棒同士が十字に向き合う十字交点部分の格子板の上端縁に設置されてサブチャンネル内で冷却材に旋回流を引き起こす２枚羽根以上の第２のミキシングベーンとを備える。これにより、ＢＷＲ用燃料集合体全体の熱的余裕、即ち、限界出力特性を向上させることができる。

即ち、ミキシングベーンは上向きに流送される冷却材を強制的に偏流させるため、限界出力向上の効果を有する反面、冷却材の流動抵抗及びエネルギ損失の拡大に伴い圧力損失を増大させる性質を持つ。つまり、一般的にミキシングべーンは、これら冷却材と接触面積が大きいほど、或いはミキシングベーンを構成する羽根の枚数が多いほど、冷却材の偏流効果が大きいため除熱性能が向上し限界出力は向上するが、逆に局所的な圧力損失（スペーサ圧損）は増大する傾向にある。

そして、これらのミキシングベーンはサブチャンネル内（例えば、４本の燃料棒で囲まれた領域）で冷却材に遠心力を付加して旋回流を引き起こし、重量の重い液滴を選択的にサブチャンネル周辺部へ、軽い蒸気はサブチャンネル中央付近に偏流させることによって、サブチャンネル周辺部に位置する燃料棒の液膜が厚くなる効果により限界出力を増大させるものである。従って、液膜を厚くすべき燃料棒が存在しない位置に向かう流れを発生させるミキシングベーンを構成する羽根を除外しても、除外しない場合と比べて限界出力はさほど低下せず、逆に、冷却材の流動抵抗及びエネルギ損失が拡大せずに圧力損失を増大させない。

そこで、本発明では、水ロッドと隣接した２本の燃料棒とがＸ方向又はＹ方向で互いに向き合うＴ字交点部分の格子板の上端縁に設置されて水ロッド表面を流れる冷却材を燃料棒方向に振り向けるフロータブと、水ロッドと燃料棒とが十字に向き合う十字交点部分の格子板の上端縁に設置されてサブチャンネル内で冷却材に旋回流を引き起こす２枚羽根又は３枚羽根の第１のミキシングベーンと、フロータブ及び第１のミキシングベーンが設置された格子板の交点部分を除く全部又は一部に、隣接する燃料棒同士が十字に向き合う十字交点部分の格子板の上端縁に設置されてサブチャンネル内で冷却材に旋回流を引き起こす２枚羽根以上の第２のミキシングベーンとを備えることにより、限界出力を殆ど低下せずに、冷却材の流動抵抗及びエネルギ損失が拡大せずに圧力損失を増大させない。このために、燃料集合体全体の熱的余裕、即ち、限界出力特性を向上させることができる。

本発明におけるフロータブとしては、燃料集合体の下方から上方に流れる冷却材の流れの方向を変更するものであればよく、具体的には、水ロッドと隣接した２本の燃料棒とがＸ方向又はＹ方向で互いに向き合うＴ字交点部分の格子板の上端縁に設置されて水ロッド表面を流れる冷却材を燃料棒方向に振り向ける。

本発明におけるミキシングベーンとしては、水ロッドと燃料棒とが十字に向き合う十字交点部分に設置されている第１のミキシングベーンと、隣接する燃料棒同士が十字に向き合う十字交点部分に設置されている第２のミキシングベーンとがあり、第１のミキシングベーンについては、２枚羽根又は３枚羽根とした。

尚、好ましくは、第２のミキシングベーンについては、燃料集合体の特性に基づいて、２枚羽根以上、即ち、２枚羽根、３枚羽根、４枚羽根の何れかを更に含んでいる。

また、本発明では、好ましい別の態様として、部分長燃料棒を備えた燃料集合体のスペーサにおいては、水ロッドに隣接して配置された場合は図４に示すように、前記部分長燃料棒の上端より下流側位置に配されたスペーサにおいて、前記部分長燃料棒下流側に形成された空間領域に最も近い４つの格子点のうち、Ｔ字交点を除く他の交点部分に２枚羽根又は３枚羽根の第１のミキシングベーンを備える。

これらにより、部分長燃料導入の有無にかかわらず、水ロッドに隣接する燃料棒を含むすべての燃料棒のドライアウト特性が向上し、限界出力の増大を実現しつつも、局所的な圧損即ちスペーサ圧損の増加を低減でき、燃料棒の限界出力が向上する。

図１は本発明のスペーサの一実施例の構成を示す説明図である。図１に示す通り、本実施例のスペーサ１０は、従来技術の図５の燃料集合体のスペーサと同様に、上部タイプレートと下部タイプレートとの間に互いに平行配列された燃料棒Ａと、燃料棒Ａの３×３の領域に相当する角形水ロッドＷとを含む複数の棒状要素を、バンドル状に相互に間隔を開けて束ねる格子型スペーサである。尚、図には示していないが、周縁部の燃料棒Ａの外には、スペーサの外周壁とチャンネルボックスとがある。

本実施例のスペーサ１０の上面には、水ロッドＷと隣接して設けられたフロータブ１６と、燃料棒Ａ同士の交点部分に設けられたミキシングベーン１１とが形成されている。

フロータブ１６は、水ロッドＷ表面を流れる冷却材を燃料棒Ａ表面方向に振り向けるために設置される。本実施例では、具体的なフロータブ１６としては、水ロッドＷと二本の燃料棒ＡとがＸ方向又はＹ方向で互いに向き合うＴ字交点部分Ｔ１に設置されている。

一方、ミキシングベーン１１は、サブチャンネル内で冷却材に旋回流を引き起こすために設置される。本実施例では、具体的なミキシングベーン１１としては、２種類存在し、水ロッドＷと燃料棒Ａとが十字に向き合う十字交点部分Ｓ２、即ち、角形水ロッドＷの四隅部に設置されている第１のミキシングベーン１１ａと、隣接する燃料棒Ａ同士が十字に向き合う十字交点部分Ｓ１に設置されている第２のミキシングベーン１１ｂとがある。尚、第２のミキシングベーン１１ｂは従来技術で示されたミキシングベーンとその作用・構成が同じである。

第１のミキシングベーン１１ａは、本実施例では３本の燃料棒Ａ側に各々３枚の撹拌羽根を設けたが、設計に応じて２枚に減じてもよい。また、第２のミキシングベーン１１ｂは、従来技術と同様に、設計に応じて、設置の有無、又は、その枚数についても２枚以上の枚数を選択することができる。

このようなフロータブ１６及び第１のミキシングベーン１１ｂを設置することにより、液膜を厚くすべき燃料棒Ａが存在しない水ロッドＷに向かう流れを発生させるミキシング用羽根を除外するため、限界出力はさほど低下せず、逆に、冷却材の流動抵抗及びエネルギ損失が拡大せずに圧力損失を増大させない利点を奏する。

図２は本発明のスペーサの別の実施例の構成を示す説明図である。図２に示す通り、本実施例のスペーサ２０は、図１の燃料集合体のスペーサと同様に、上部タイプレートと下部タイプレートとの間に互いに平行配列された燃料棒Ａと、燃料集合体の略中央部の７本分の燃料棒領域に相当する２本の太径水ロッドＷとを含む複数の棒状要素を、バンドル状に相互に間隔を開けて束ねる格子型スペーサである。尚、図１と同様に、周縁部の燃料棒Ａの外には、スペーサの外周壁とチャンネルボックスとがある。

本実施例のスペーサ２０の上面には、水ロッドＷと隣接して設けられたフロータブ２６と、燃料棒Ａ同士との交点部分に設けられたミキシングベーン２１とが形成されている。

本実施例のフロータブ２６としては、水ロッドＷと二本の燃料棒ＡとがＸ方向又はＹ方向で互いに接する合計４カ所のＴ字交点部分Ｔ１に設置されている。一方、本実施例のミキシングベーン２１としては、２種類存在し、水ロッドＷと燃料棒Ａとが十字に向き合う十字交点部分、即ち、水ロッドＷの６カ所の出隅部Ｓ２と２カ所の入隅部Ｓ３とに設置されている第１のミキシングベーン２１ａと、隣接する燃料棒Ａ同士が十字に向き合う十字交点部分Ｓ１に設置されている第２のミキシングベーン２１ｂとがある。尚、第２のミキシングベーン２１ｂは図１と同様に従来技術で示されたミキシングベーンとその作用・構成が同じである。

第１のミキシングベーン２１ａは、本実施例では３枚の撹拌羽根を設けたが、設計に応じて２枚に減じてもよい。また、第２のミキシングベーン２１ｂは、従来技術と同様に、設計に応じて、設置の有無、又は、その枚数についても２枚以上の枚数を選択することができる。

このようなフロータブ２６及び第１のミキシングベーン２１ｂを設置することにより、液膜を厚くすべき燃料棒Ａが存在しない水ロッドＷに向かう流れを発生させるミキシング用羽根を除外するため、限界出力はさほど低下せず、逆に、冷却材の流動抵抗及びエネルギ損失が拡大せずに圧力損失を増大させない利点を奏する。

図３は本発明のスペーサの更に別の実施例の構成を示す説明図である。図３は本発明のスペーサの更に別の実施例の構成を示す説明図である。図３のスペーサ３０は図２に示したスペーサ２０の構成の内、水ロッドＷの２カ所の入隅部Ｓ３とに設置されている第１のミキシングベーン３１ａの設置枚数を減じたものであり、他の構成については図２に示したスペーサと同様の構成である。

即ち、本実施例のスペーサ３０の上面には、水ロッドＷと隣接したＴ字交点部分Ｔ１に設けられたフロータブ３６、及び、水ロッドＷの６カ所の出隅部Ｓ２と２カ所の入隅部Ｓ３とに設置されている第１のミキシングベーン３１ａと隣接する燃料棒Ａ同士が十字に向き合う十字交点部分Ｓ１に設置されている第２のミキシングベーン３１ｂとからなるミキシングベーン３１とが形成されている。

このようなフロータブ３６及び第１のミキシングベーン３１ｂを設置することにより、液膜を厚くすべき燃料棒Ａが存在しない水ロッドＷに向かう流れを発生させるミキシング用羽根を除外するため、限界出力はさほど低下せず、逆に、冷却材の流動抵抗及びエネルギ損失が拡大せずに圧力損失を増大させない利点を奏する。

図４は本発明のスペーサの更に別の実施例の構成を示す説明図である。図４に示した実施例は、本実施例のスペーサ４０が一部に部分長燃料棒を備え、その部分長燃料棒下流側に形成された空間領域Ｐを含む状態を示している。即ち、部分長燃料棒下流側に形成された空間領域Ｐを囲む４つの交点のうち、Ｔ字交点を除く他の交点部分Ｓ４に２枚羽根又は３枚羽根の第１のミキシングベーン４１ａを備える。

これにより、液膜を厚くすべき燃料棒Ａが存在しない部分長燃料棒下流側に形成された空間領域Ｐに向かう流れを発生させるミキシング用羽根を除外するため、限界出力はさほど低下せず、逆に、冷却材の流動抵抗及びエネルギ損失が拡大せずに圧力損失を増大させない利点を奏する。

本発明は、以上説明したとおり、熱的余裕の増加を可能とするミキシングベーンを具備したスペーサを有する原子炉燃料集合体を得るという効果があり、熱的余裕の増加は運転余裕の増大、ひいては燃料経済性の増大を実現する。

本発明のスペーサの一実施例の構成を示す説明図である。 本発明のスペーサの別の実施例の構成を示す説明図である。 本発明のスペーサの更に別の実施例の構成を示す説明図である。 本発明のスペーサの更に別の実施例の構成を示す説明図である。 ＢＷＲ及びＢＷＲ用燃料集合体の構成を示す説明図である。 ＢＷＲにおける冷却水の二相流の様子を示す拡大断面図である。 燃料棒表面の冷却材流れの様子と温度分布を示す説明図である。 従来のＢＷＲ型燃料集合体の構成を示す説明図である。

符号の説明

１０ 、２０ 、３０ 、４０ …スペーサ、
１１ 、２１ 、３１ 、 …ミキシングベーン、
１１ａ、２１ａ，３１ａ、４１ａ…第１のミキシングベーン、
１１ｂ、２１ｂ、３１ｂ …第２のミキシングベーン、
１６ 、２６ 、３６ …フロータブ、
Ａ …燃料棒、
Ｗ …水ロッド、
Ｐ …部分長燃料棒下流側に形成された空間領域、
Ｔ１ …Ｔ字交点部分、
Ｓ１ …隣接する燃料棒Ａ同士が十字に向き合う十字交点部分、
Ｓ２ …水ロッドＷと燃料棒Ａとが十字に向き合う十字交点部分（出隅部）、
Ｓ３ …水ロッドＷと燃料棒Ａとが十字に向き合う十字交点部分（入隅部）、
Ｓ４ …空間領域Ｐを囲む４つの交点のうちＴ字交点を除く他の交点部分、

Claims (3)

1. 上部タイプレートと下部タイプレートとの間に互いに平行配列された燃料棒と燃料棒よりも太い水ロッドとを含む複数の棒状要素を、互いに交叉させた格子板でバンドル状に相互に間隔を開けて束ねる沸騰水型原子炉用燃料集合体の格子型スペーサにおいて、
   前記水ロッドと隣接した２本の燃料棒とが互いに向き合うＴ字交点部分の格子板の上端縁に設置されて水ロッド表面を流れる冷却材を燃料棒方向に振り向けるフロータブと、
   前記水ロッドと燃料棒とが十字に向き合う十字交点部分の格子板の上端縁に設置されてサブチャンネル内で冷却材に旋回流を引き起こす２枚羽根又は３枚羽根の第１のミキシングベーンと、
   前記フロータブ及び第１のミキシングベーンが設置された格子板の交点部分を除く全部又は一部に、隣接する燃料棒同士が十字に向き合う十字交点部分の格子板の上端縁に設置されてサブチャンネル内で冷却材に旋回流を引き起こす２枚羽根、３枚羽根、４枚羽根の何れかの枚数の第２のミキシングベーンとを備えたことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体スペーサ。
2. 前記水ロッドに隣接して部分長燃料棒が装荷された燃料集合体の前記部分長燃料棒の上端より下流側位置に配されたスペーサであって、
   前記部分長燃料棒下流側に形成された空間領域を囲む４つの交点のうち、前記Ｔ字交点部分を形成する交点を除く他の交点部分に２枚羽根又は３枚羽根の第１のミキシングベーンを備えたことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体スペーサ。
3. 請求項１又は２に記載のスペーサを備えた沸騰水型原子炉用燃料集合体。

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