JP5599799B2 - 原子炉の冷却流体中の小片を捕らえるためのフィルター - Google Patents

Description

本願発明は、原子炉の冷却流体中の小片を分離するためのフィルターに関し、フィルターを通過する冷却流体の循環のためのチャネルを備え、少なくとくとも１つのチャネルはチャネル中央線に沿って延在し且つ上流セクション、下流セクション及び上流セクションと下流セクションの間に延在し且つ上流セクション及び下流セクションに対して広げられている中間セクションを備える種類のものである。

特許文献１は、上述の種類のフィルターであって、チャネルは流れ方向に横方向に細長く且つ分離部材は細長い円形のシリンダーの形態で提供されそれぞれチャネルの１つの中間セクションの流れ方向に横方向に延在してチャンネル内の流れ方向に曲がった少なくとも１つの通路を規定して流れ方向に細長い小片を捉えるものを開示する。

米国特許第６８７６７１３号明細書

しかしながら、流体流れ方向に横方向に延在する細長い小片は、分離手段により捕らえられることなしに流れるかもしれない。

本発明の目的は、フィルターの流体流れ抵抗を制限するとともに小片をより効率的に捕らえることを可能にするフィルターを提供することである。

このために、本発明は、上述した種類のフィルターであって、少なくとも１つのチャネルの内側の中間セクション内で環状通路を規定する少なくとも１つの分離手段を備え、その軸が実質的に中間セクションのチャネルと同軸にあるものを提案する。

他の実施形態において、フィルターは、１又は数個の以下の特徴を備え、それは単独で又は任意の技術上の適した組み合わせが採られる。
−フィルターが、対応する中間セクションの内側表面から間隔を有してその又は各分離部材を保持するためのセンタリング要素を備える。
−フィルターが、楕円断面を有する分離手段を備える。
−フィルターが、２つの円錐形状を有する分離手段を備える。
−フィルターが、同じ中間セクションに配置された少なくとも１つのペアの分離手段を含み、同軸環状通路のペアを規定し、その軸は中間セクション中のチャネル中央線に実質的に同軸であり、第１分離部材が管状であり且つ中間セクションの内側表面を有する外側環状流体流れ通路を規定し、第２分離部材が第１分離部材内に配置され且つそこで内側環状通路を規定する。
−フィルターが、分離部材を通過する少なくとも１つの流体流れホールを有する少なくとも１つの分離部材を備える。
−フィルターが、少なくとも第１セットのチャネルと第２セットのチャネルを備え、第１セットのチャネルの中間セクションは、フィルターを通る冷却流体のフィルター主流れ方向に沿って第２セットのチャネル中間セクションに対してオフセットされている。
−チャネルは、第１セットの各チャネルが第２セットのチャネルによって囲まれるようなパターンで配置される。
−フィルターが、そこを通過して延在するチャネルを有する１ピースのフィルタープレートを備え、各チャネルは、フィルタープレートを通って延在し且つ狭いセクション及び広いセクションを有するダクト並びに広いセクションの内側に挿入された管状インサートにより規定される。
−フィルターが、少なくとも２つの積み重なった部品を備えるフィルタープレートを備え、各チャネルは異なる部品を通して延在し、各分離部材は２つのプレート状の部品の間に配置される。
−フィルタープレートは下部分、上部分並びに上部分及び下部分の間に配置される中間部分を備え、各分離部材は中間部分と上及び下部分の１つの間に配置される。

本発明は、上で規定されているようにフィルターを規定する核燃料アセンブリ下部ノズルに関する。

実施形態において、核燃料アセンブリは、燃料棒の束及び燃料棒を支持するためのアーマチュアを備え、アーマチュアは、下部ノズルと上部ノズルを備え、燃料棒はノズルの間に延在し、下部ノズルは上述したようにフィルターを規定する。

本発明及びその利点は、単に実施例の方法で与えられ添付の図面を参照して以下の記載を読むことでよりよく理解される。

フィルターを形成する下部ノズルを有する核燃料アセンブリの正面図である。 図１の下部ノズルのフィルタープレートの部分断面図であり、フィルタープレートを通じて延在する１つのチャネルを示す。 図１の下部ノズルのフィルタープレートの部分断面図であり、フィルタープレートを通じて延在する１つのチャネルを示す。 図２のそれに類似する図であり、いくつかのチャネルを示す。 図３のそれに類似する図であり、いくつかのチャネルを示す。 図２のそれに類似する図であり代替実施形態を示す。 図２のそれに類似する図であり代替実施形態を示す。 図２のそれに類似する図であり代替実施形態を示す。 図２のそれに類似する図であり代替実施形態を示す。 図３のそれに類似する図であり、図８及び９の実施形態に対応する。 下部ノズルを製造する方法の異なるステップを示す。 下部ノズルを製造する方法の異なるステップを示す。 下部ノズルを製造する方法の異なるステップを示す。 下部ノズルを製造する方法の異なるステップを示す。 下部ノズルを製造する方法の異なるステップを示す。 下部ノズルを製造する別の方法のステップを示す。 下部ノズルを製造する別の方法のステップを示す。

図１の核燃料アセンブリ２は、核燃料棒４の束及び燃料棒４を支持するためのアーマチュア６を備える。

燃料アセンブリ２が原子炉内に配置される場合、燃料アセンブリ２は、垂直に延在する長手方向軸Lに沿って細長い。以下で、「上部」及び「下部」という用語は、原子炉の燃料アセンブリ２の位置を指す。

各燃料棒４は、管状被覆、被覆内に積み重ねられた核燃料のペレット、及び被覆の端部を閉じるキャップを備える。

アーマチュア６は、下部ノズル８、上部ノズル１０、複数の案内管１２及び複数のスペーサグリッド１４を備える。

下部ノズル８及び上部ノズル１０は、軸Lに沿って互いに間隔を有している。案内管１２は、下部ノズル８及び上部ノズル１０と一緒に接続されている。案内管１２は、軸Ｌに平行に延在し、ノズル８，１０の間に予め定められた間隔を維持する。各案内管１２は、案内管１２に制御棒を挿入することを可能にする上部ノズル１０を通じて上方に向けて開放している。

スペーサグリッド１４は、ノズル８，１０の間の案内管１２に沿って配置され、案内管１２に接続されている。

燃料棒４は、ノズル８，１０の間に軸Lに平行にスペーサグリッド１４を通じて延在する。スペーサグリッド１４は、燃料棒４を軸Lに対して横断的に且つ長手方向に支持する。

下部ノズル８は、燃料アセンブリ２に沿って上方向に流れる冷却液体を濾過するためのフィルターを規定する。下部ノズル８はフィルタープレート１６及びフィルタープレート１６から下方に延在する複数の脚部１８を備える。

図１で示されているように、脚部１８は、原子炉のコアサポートプレートに置かれ、フィルタープレート１６は、水が入口２２から及び長手軸Lに実質的に平行で矢Fにより示された主流れ方向にフィルタープレート１６を通して上方向に流れることを可能にするために適合された前記コアサポートプレート２０の少なくとも１つの水入口２２上に、水平に延在する。

フィルタープレート１６は、水がフィルタープレート１６を通して流れることを可能にする複数の類似の流体流れチャネル２４を備え、唯１つのチャネル２４が図２及び図３の部分断面図では見える。図２は側断面図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩに沿った頂上断面図である。

チャネル２４はチャネル中央線Aに沿ってフィルタープレート１６を通じて下方に面する下部フェイス２６から反対側の上方に面する上部フェイス２８まで延在する。

チャネル２４は、そのチャネル中央線Aに沿って、入口上流セクション３０、出口下流セクション３２及び、上流セクション３０と下流セクション３２の間に延在する中間セクション３４を備える。

図２で図示された実施形態において、中央線Aは直線であり、燃料アセンブリ２の長手軸Lに実質的に平行である。

下流セクション３２及び上流セクション３０は実質的に同じ断面である。中間断面３４は、上流セクション３０及び下流セクション３２のそれぞれに対して、チャネル中央線Aに横方向に広い。

上流セクション３０及び下流セクション３２はそれぞれ円形の断面の円柱形状を有し、中間セクション３４は球状であり、中間セクション３４の内側直径は、上流セクション３０及び下流セクション３２のそれぞれの内側直径よりも大きい。

フィルタープレート１６は、その軸が平行であるすなわち中間セクション３４のチャネル中央線Aに同軸である環状通路３８をそこに規定するように、チャネル２４の中間セクション３４の内側に配置された分離手段３６を備える。

環状通路３８は、チャネル中央線A沿いに曲がっている。この目的のため、分離部材３６は、チャネル中央線Aに横方向に、上流セクション３０及び下流セクション３２のそれぞれよりも大きい寸法を有する。

分離部材３６は球状であり、外側直径は、中間セクション３４の内側直径よりも小さいが、上流セクション３０及び下流セクション３２のそれぞれの内側直径よりも大きいものである。

フィルタープレート１６は、分離部材３６及び中間セクション３４の間に配置されたセンタリング要素４０（図３）を備えて、分離部材３６及び中間セクション３４の内側表面の間の間隔を維持し、環状通路３８を規定する。センタリング要素４０は、分離部材３６の外側表面に配置されたボスの形態で備えられる。選択的に又は代替的に、センタリングボスは中間セクション３４の内側表面に配置される。

使用時に冷却流体の流れは、チャネル中央線Aに主に平行なチャネル２４を通じて流れる。

冷却流体は、燃料棒４（図１）を潜在的に損傷することができるデブリを運ぶかもしれない。環状通路３８は、冷却流体の重要な流れを可能にする一方、効率的にデブリを捉える局所的に小さな横寸法を有する。

チャネル中央線Aに沿った環状通路３８の折り曲げは、チャネル中央線Aに平行に延在する細長いデブリを効率的に捉えることを可能にする。

チャネル中央線Aに同軸の環状通路３８は、チャネル中央線A（図３）に垂直な平面で曲線を描き、チャネル中央線Aに対して傾いた任意の方向に延在する細長い小片を捕らえることを可能にすることにより濾過を強化する。

中間セクション３４のチャネル中央線Aに、従って中間セクション３４のチャネル流れの主方向に平行な軸を有する環状通路３８は、チャネル２４を通ずる流れ抵抗を制限することを可能にする。

図４及び５は、図２及び３にそれぞれ対応する拡大断面図である。図５は図４のV-Vに沿った断面図である。

図４及び５で示されているように、フィルタープレート１６は、フィルタープレート１６を通じて互いに並行に延在する複数のチャネル２４を備え、１つの分離部材３６が各チャネル２４の中間セクション３４の内側に配置される。

フィルタープレート１６は、チャネル２４の第１セットＳ１及びチャネル２４の第２セットＳ２を備え、チャネル２４の第１セットは、チャネル２４の第２セットのものに対してフィルタープレート１６の平面に垂直な方向に沿ってオフセットされている中間セクション３４を有している。

各チャネル２４の第１セットＳ１は、主流れ方向F（図５参照）から見て重なった中間セクション３４を備えることにより、チャネル中央線Aの間の距離が減少されてチャネル２４の第２セットＳ２に隣接する。結果として、多くのチャネル２４が限定された領域に備えられ、下部ノズル８の流体の流れ抵抗が減少される。

第１セットＳ１のチャネル２４及び第２セットＳ２のチャネル２４は、一列に交互に配列されて非常に小型の配列を提供する。

中間セクション３４及びそこに配置された分離部材３６は、図６−９で図示された代替実施例の以下の記載から明らかなように、形状が変化することができる。

図６の代替的な実施形態において、分離部材３６は、チャネル中央線A（図６）に平行な平面で楕円断面を有している。中間セクション３４は対応する形状を有している。

結果として、チャネル中央線Aに沿った環状通路３８の曲率半径は、小さくなって、デブリを捉える能力が増大する。

図７の代替的な実施形態において、分離部材３６は、反対方向に尖る円状ベースの２つの同軸円錐部分４２から形成される二重円錐形状を有する。中間セクション３４の内側表面は対応する形状を有し、反対方向に収束する円状ベースの２つの同軸円錐セグメント４４からなる。

結果として、環状通路３８は、角度を有し、それによりデブリを捉えることを増大させることができる。

図８の代替実施形態において、分離部材３６，４６のペアは、中間セクション３４の内側に配置されて２つの同軸環状通路３８，４８を規定する。第１分離部材は管状であり、中間セクション３４の内側表面で外側環状通路３８を規定する。第２分離部材４６は、第１分離部材３６の内側に配置され、そこで内側環状通路４８を規定する。内側環状通路４８は、チャネル中央線Ａに沿って曲げられ、その軸はチャネル中央線Ａと同軸である。

結果として、流体流れ抵抗は減少される一方濾過効率は維持される。

図９の代替実施形態において、第２分離部材４６は、流体流れ抵抗を減少させるための第２分離手段４６を貫通して延在する流体流れホール５０を備える。ホール５０は、中間セクション３４のチャネル中央線Ａに対して傾いている。２つの交差ホール５０が図９で図示される。

図１０は図９にＸ−Ｘに沿った断面図であり、第１分離部材３６と中間セクション３４の内側表面との間で提供されているセンタリング要素４０、及び第１分離部材３６の内側表面と第２分離部材４６の外側表面との間の環状空間を維持するため第２分離部材４６と第１分離部材３６の間で提供されている第２センタリング要素５１を示す。

図２、６−９の実施形態は組み合わされることができる。例えば、図２、６及び７のそれのような分離部材３６を貫通して延在するホール５０を提供することが可能である。

図１１−１５は、図１−５の下部ノズル８のそれとしてフィルタープレート１６を製造するための方法の連続的なステップを図示する。

図１１に示された第１ステップにおいて中実プレート１６が提供される。

図１２に示された第２ステップにおいて、円状の断面の複数のスルーダクト５２が、プレート１６を貫通して機械加工されている。各ダクト５２は、プレート１６の下部フェイス２６及び上部フェイス２８の間に延在する。

図１３に示された第３ステップにおいて、各ダクト５２のセクションが例えばプレート１６を機械加工することにより広げられ、それにより各ダクトは広げられたセクション５４及び狭いセクション５６を実質的に有する。

第１セットＳ１の各ダクト５２の広げられたセクション５４は、フィルタープレート１６の上部フェイス２８から延在し、第２セットＳ２の各ダクト５２の広げられたセクション５４はフィルタープレート１６の下部フェイス２６から延在する。

図１４に示された第４ステップにおいて、分離部材３６は各ダクト５２の広げられたセクション５４に導入される。

図１５に示された第５ステップにおいて、管状インサート５８は各ダクト５２の広げられたセクション５４に導入される。管状インサート５８は、分離部材３６よりも小さな断面の穴６０を有している。

各チャネル２４は、それぞれのダクト５２にこのように規定され、下流セクション３２及び上流セクション３０の１つは、管状インサート５８の穴６０により規定され、及び他方はダクト５２の狭いセクション５６により規定される。チャネル２４の中間セクション３４は、広げられたセクション５４の内側で規定される。各分離部材３６は、管状インサート５８により対応するチャネル２４で保持される。

第１セットＳ１のダクト５２及び第２セットＳ２のダクト５２は、オフセットされた中間セクション３４を有する２つのセットのチャネル２４を得ることを可能にし、図４及び５を参照して説明したように中間セクション３４の内側直径よりも小さく第１セットＳ１のチャネル２４と第２セットＳ２のチャネルの間を横方向に間隔を空けている。

図１６及び１７は、図１−５の下部ノズル８のそれとして別の方法のフィルタープレート１６を製造する方法を図示する。

図１６及び１７で示されているように、フィルタープレート１６は、多層プレート状部品６２，６４，６６を備え、各チャネル２４が異なる部品６２、６４，６６を通じて延在し、且つ各分離部材３６が２つのプレート状部品６２，６４，６６の間に配置される。

プレート状の部品６２，６４，６６は、積まれた部品６２，６４，６６にチャネル２４を規定するためにそこに形成された異なる直径の整列されたホール６８を有する。各チャネル２４の中間セクション３４は、ホール６８の広がったセクションによって、２つの隣接する部品６２，６４，６６の接合部で規定される。

示された実施形態において、フィルタープレート１６は、下部品６２，上部品６４及び中間部品６６を備える。第１セットＳ１のチャネル２４の中間セクション３４（図１７）は、上部品６４及び中間部品６６の間の接合部に形成され、第２セットＳ２のチャネル２４の中間セクション３４は、中間部品６６及び下部品６２の間の接合部に形成される。

多層部品６２，６４，６６の整列したホール６８は、チャネル２４の第１セットＳ１及び中間セクション３４とオフセットしたチャネル２４の第２セットＳ２を形成する。

１つの分離部材３６は、上部品６４及び中間部品６６の間の第１セットＳ１の各チャネル内に配置され、１つの分離部材３６は、中間部品６６及び下部品６２の間の第２セットＳ２の各チャネル２４内に配置される。

この配列は、チャネル中央線Ａの間で中間セクション３４の内側直径よりも小さい横方向間隔のオフセット中間セクション３４を有するチャネル２４の２つのセットＳ１，Ｓ２を得ることを可能にする。

この方法は、フィルタープレート１６を形成する中間セクション３４の数を増加させることによりチャネル２４の２つのセットＳ１，Ｓ２よりも多くを提供することを可能にする。

示された実施形態において、チャネルは、流れ抵抗を制限するために燃料アセンブリ軸Ｌに実質的に平行な直線チャネル中央線Ａ（又はチャネル軸）に沿って延在する。

代替実施形態において、燃料アセンブリ軸Ｌに対して０°から４５°を含む角度で傾いた直線チャネル中央線に沿ってチャネルは延在する。

本発明は、直線チャネル中央線に沿って延在するチャネルに制限されない。チャネルは、また、折れ線又は曲線の中央線に沿って延在することができる。

従って、通常の方法では、中間セクション内に配置される分離部材が配置されて、そこにその軸が実質的に中間セクションのチャネル中央軸に同軸である環状通路を規定する。

環状通路の軸はこのように、チャネルの中間セクションを通じた冷却流体の流れの主方向に実質的に平行であり、それにより中間セクションのチャネル中央線に対して傾いた方向に細長い小片が効率的に捕らえられる。その上、チャネル中央線に沿って曲がった環状通路を提供することは、中間セクション中のチャネル中央線に平行な細長い小片を効率的に捉えることを可能にする。さらに、流体流れ抵抗は、環状通路が中間セクションのチャネル中央線に実質的に同軸であるので、低く保たれる。

本発明は、例えば沸騰水炉（ＢＷＲ）又は加圧水炉（ＰＷＲ）のような、軽水炉（ＬＷＲ）のための燃料アセンブリの下部ノズルに、そしてさらに一般的に任意のフィルターに適用可能である。

４ 燃料棒
６ アーマチュア
８ 下部ノズル
１０ 上部ノズル
１６ フィルタープレート
２４ チャネル
２６ 下部フェイス
２８ 上部フェイス
３０ 上流セクション
３２ 下流セクション
３４ 中間セクション
３６ 第１分離部材
３８ 環状通路
４０ センタリング要素
４６ 第２分離部材
４８ 内側環状通路
５２ ダクト
５４ 広いセクション
５６ 狭いセクション
５８ 管状インサート
６２ 下部品
６４ 上部品
６６ 中間部品
Ａ チャネル中央線
Ｓ１ 第１セット
Ｓ２ 第２セット

Claims (14)

1. 原子炉の冷却流体中の小片を分離するためのフィルターであって、その型のフィルターは、フィルターを通る冷却流体の循環のためのチャネル（２４）を備え、
   少なくとくとも１つのチャネル（２４）はチャネル中央線（Ａ）に沿って延在し且つ入口の上流セクション（３０）、出口の下流セクション（３２）及び上流セクション（３０）と下流セクション（３２）の間に延在し且つ上流セクション（３０）及び下流セクション（３２）に対して広げられている中間セクション（３４）を備え、
   並びに少なくとも１つのチャネル（２４）の中間セクション（３４）の内側で環状通路（３８）を規定する少なくとも１つの分離部材（３６）を備え、
   環状通路（３８）の軸は、中間セクション（３４）のチャネル中央線（Ａ）に実質的に同軸である、フィルター。
2. 対応する中間セクション（３４）の内側表面から間隔を有する１つの又は各分離部材（３６）を保持するためのセンタリング要素（４０）を備えることを特徴とする請求項１に記載のフィルター。
3. 球状分離部材（３６）を備える請求項１又は２に記載のフィルター。
4. 楕円断面を有する分離部材（３６）を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のフィルター。
5. 二重円錐形状を有する分離部材（３６）を備える請求項１〜４のいずれか一項に記載のフィルター。
6. 同じ中間セクション（３４）内に配置された少なくとも１つのペアの分離手段（３６，４６）を含んで、同軸環状通路（３８，４８）のペアを規定し、その軸は中間セクション（３４）中のチャネル中央線（Ａ）に実質的に同軸であり、第１分離部材（３６）が管状であり且つ中間セクション（３４）の内側表面を有する外側環状流体流れ通路（３８）を規定し、第２分離部材（４６）が第１分離部材（３６）内に配置され且つその中で内側環状通路（４８）を規定する請求項１〜５のいずれか一項に記載のフィルター。
7. 分離部材（４６）を貫通する少なくとも１つの流体流れホール（５０）を有する、少なくとも１つの分離部材（４６）を備える請求項１〜６のいずれか一項に記載のフィルター。
8. 少なくとも第１セット（Ｓ１）のチャネル（２４）と第２セット（Ｓ２）のチャネル（２４）を備え、第１セット（Ｓ１）のチャネル（２４）の中間セクション（３４）は、フィルターを通る冷却流体のフィルター主流れ方向に沿って第２セット（Ｓ２）のチャネル（２４）の中間セクション（３４）に対してオフセットされている請求項１〜７のいずれか一項に記載のフィルター。
9. チャネル（２４）は、第１セット（Ｓ１）の各チャネル（２４）が第２セット（Ｓ２）のチャネル（２４）によって囲まれるようなパターンで配置される請求項８に記載のフィルター。
10. フィルタープレート（１６）を通って延在するチャネル（２４）を有する、１ピースのフィルタープレート（１６）を備え、各チャネル（２４）は、フィルタープレート（１６）を通って延在し且つ狭いセクション（５６）及び広いセクション（５４）を有するダクト（５２）、並びに、広いセクション（５４）の内側に挿入された管状インサート（５８）により規定される請求項１〜９のいずれか一項に記載のフィルター。
11. 少なくとも２つの積み重なった部品（６２，６４，６６）を備えるフィルタープレート（１６）を備え、各チャネル（２４）は異なる部品（６２，６４，６６）を通って延在し、各分離部材（３６）は２つのプレート状の部品（６２，６４，６６）の間に配置される請求項１〜９のいずれか一項に記載のフィルター。
12. フィルタープレート（１６）は、下部品（６２）、上部品（６４）並びに上部品（６４）及び下部品（６２）の間に置かれる中間部品（６６）を備え、各分離部材（３６）は中間部品（６６）と上及び下部品（６２，６４）の１つの間に配置される請求項１１に記載のフィルター。
13. 核燃料アセンブリ下部ノズル（８）が、請求項１〜１２のいずれか一項に記載されているようにフィルターを規定する核燃料アセンブリ下部ノズル（８）。
14. 燃料棒（４）の束及び前記燃料棒（４）を支持するためのアーマチュア（６）を備え、前記アーマチュア（６）は、下部ノズル（８）と上部ノズル（１０）を備え、燃料棒（４）はノズル（８、１０）の間に延在し、下部ノズル（８）が請求項１３に記載されているようにフィルターを規定することを特徴とする核燃料アセンブリ（２）。

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