JPH01132990A - スペーサグリッドと一体の旋回羽根 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の炉心に利用される
正方形断面の燃料チャネル内の燃料棒用スペーサに関し
、特に、チャネルに入れた燃料棒用の離間装置で、最適
蒸気発生のための汽水分離の目的に適合するものを開示
する。

先行技術の要約 ＢＷＲ燃料束は、通例正方形断面のチャネルに囲まれた
複数の配列燃料棒からなり、スペーサが燃料束内の幾つ
かの軸方向位置（通例６箇所か７箇所）に配置されてい
る。スペーサの軸方向長さは通例１〜２インチであり、
燃料チャネルの軸方向長さは通例１６０インチである。

スペーサの主要機能は、個々の燃料棒を棒列内のそれぞ
れの適正位置に配置し、燃料棒の振動を防ぎ、さらに、
燃料束が取扱い荷重と地震荷重を受けた時に燃料棒を支
持することである。

燃料束の底部にサブクール水が入り、燃料棒によって加
熱される。燃料束に沿って上昇の途中、水は沸騰点に達
し、蒸気が発生し始める。沸騰域が始まる所では、燃料
棒に厚い水膜が付着し、燃料棒間の区域に汽水混合物が
存在する。燃料束に沿って上昇するにつれ、水膜は厚さ
が減る。ＢＷＲ燃料束の設計要件の一つは、燃料棒の全
長にわたって水膜を保つことである。この要件は、燃料
束で生じうるパワーを制限するので、最近の高出力原子
炉では満たし難い。

スペーサは冷却材流（汽水混合物）に対する不可避の妨
害物であるから、その設計上の一目的はスペーサによる
圧力降下を最少にすることである。

スペーサは水膜に有利な効果をもたらす。各スペーサは
汽水流を乱し、幾らかの水滴を燃料棒に付着させる。

圧力降下を最少にするという目的は流れに対する妨害が
最少のスペーサを必要とし、他方、水の付着を最大にす
るという目的は比較的かさばった構造物を必要とする。

現今のスペーサ設計は両目的間の妥協の産物である。

原子炉内の燃料束においてチャネルの全長にわたって延
在する燃料棒にチャネルの全長にわたって延在するらせ
ん要素を付設することは公知である。１９７１年７月に
デンマーク原子力委員会研究施設リソ（Ｄａｎｉｓｈ　
Ａｔｏｏ＋ｌｃ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｍｍ１ｓｓｌｏｎ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　Ｒ１
５ｏ　）の図書館によって出版されたヨーゲン（Ｊｏｒ
ｇδｎ）とマーストライド（Ｍａｒｓｔｒａｉｄ　）に
よる「沸騰水型原子炉用の汽水分離用デフレクタ付き燃
料集合体について」と題する論文を参照されたい。この
原子炉は、燃料チャネルの全長にわたって延在するらせ
ん要素を棒要素の代わりに効果的に用いたものであるが
、らせん要素が長いので、上昇中の汽水混合物に異常背
圧が存在した。また、このような要素の製造に要する材
料は、原子炉性能を低下させる中性子吸収材を構成する
ものであった。

卵仕切箱形スペーサを利用することは公知である。この
ようなスペーサは、燃料棒を支える卵仕切箱頂部に短い
羽根を有しうる。これは通過中の流体に乱流を与える。

原子炉内で蒸気を水から分離しその水を燃料棒に向ける
ことは開示も示唆もされていない。

発明の要約 沸騰水型原子炉の燃料チャネル内を通過中の汽水混合物
に旋回を与えるスペーサ組立体を開示する。このスペー
サ組立体は正方形断面の燃料チャネルに内側に沿って規
則的間隔で配置されて燃料収容棒を相隔てかつ燃料チャ
ネル側面から離隔するようになっている。各段のスペー
サは、蒸気を汽水混合物中の水から分離しそして水を燃
料棒表面に付着さ、せるという妙案に適するようらせん
状にねじられた板金製離隔要素で構成される。各らせん
要素はねじれ平坦金属部材であり、通例２インチの長さ
にわたって４５０度程度合属表面を回転させたものであ
る。各らせん要素の頂部と底部から９０度の回転間隔毎
に、対をなす格子コネクタを設けて隣合うらせん要素に
取付ける。格子コネクタ相互間に、相隔たる燃料棒に向
かい合うように、複数の燃料棒止め部が配設され燃料棒
と直接当接しうる。複数の間欠位置にある格子コネクタ
は、また、４個の隣接らせん要素によって画成された各
セルに１個のばねを露呈するためのばね支持体を形成す
る。支持されたばねは燃料棒をセルの片側に押圧する。

代替的に、縦方向に延在する中央スロット付きのらせん
要素を形成することによって一体の作り付けのばねを形
成しうる。これらのらせん要素は時計方向と反時計方向
のものが隣合うよう交互に配設される。このようなスペ
ーサを燃料チャネル内の相隔たる垂直方向位置に設置す
ると（例えば、７個の２インチスペーサを長さが１６０
インチ程度の燃料チャネルに沿って均等に配設すると）
、各らせん要素の内側に向かって蒸気が分離するととも
に、各らせん要素の外側に向かって水が分離しかつ蒸気
発生棒の表面に付着する。従って、このようなスペーサ
は、水を燃料棒の表面に保つことと、汽水流の水から蒸
気を分離することと、原子炉内の中性子吸収金属質量を
従来のスペーサと比べて軽減することによって蒸気発生
の熱力学特性を高める。

他の目的と特徴と利点 本発明は現存スペーサの改良であり、より多くの水を燃
料棒に付着させそして圧力降下を少なくする。水の付着
は、冷却流に旋回成分を与える旋回羽根によって達成さ
れる。旋回羽根はスペーサ構造体の主要部分をなし、旋
回羽根の冷却流に対する抵抗はわずかである。旋回羽根
の作用を次に説明する。

各サブチャネル（チャネル区画部分）に旋回羽根が配置
されて各サブチャネルに旋回流すなわち渦を生ずる。旋
回羽根は突出アーム付きねじれ帯板からなる。これらの
突出アームは隣接旋回羽根の突出アームに溶接され、こ
れにより連続構造体を形成する。

旋回流はサブチャネルの中心から半径方向外向きに作用
する遠心力を生ずる。重い水滴は遠心力によって燃料棒
に向かって移動する。この物理的原理は汽水分離器と遠
心分離器で用いられるが、幾何学的配置が異なる。旋回
流は各スペーサの後で幾らかの距離にわたって存続する
ので、燃料棒への水の付着はスペーサ相互間で継続する
。

旋回羽根はジルコニウムまたはインコネルのねじれ帯板
からなる。サブチャネル内の汽水混合物がスペーサを通
流するにつれ、その流れはねじれ帯板によってらせん流
路をたどり、流れの回転成分が生ずる。

開示の旋回羽根スペーサに用いる材料の量は従来のスペ
ーサのそれより少ない。旋回羽根スペーサの断面積も従
来スペーサのそれより少なく、スペーサを通る冷却流に
対する妨害が比較的少ない。

旋回流はスペーサ相互間の流れ分布に影響を与え、各サ
ブチャネルの中央域に蒸気を集める。この流れ分布はス
ペーサ間の圧力降下を従来のスペーサの場合より少なく
する。旋回流の発生に伴って幾らかの圧力降下が生ずる
が、正味効果は燃料束全体を通じて圧力降下を比較的少
なくすることである。

本発明の他の目的と特徴と利点は以下の詳述と添付図面
を参照すればさらに明らかとなろう。

第１図を参照すると本発明の新規な特徴を理解しやすい
。破線で示す燃料棒Ｒがらせんスペーサ要素Ｅｌ、Ｅ２
．Ｅ３．Ｅ４によって囲まれている。これら４個のらせ
んスペーサ要素Ｅ１〜Ｅ４は棒Ｒを収容するセルを形成
する。

同時に、スペーサ要素は燃料チャネルを上方に循環中の
汽水流に旋回を与える。

らせん要素Ｅｌ、Ｅ３は時計方向にねじってあり、その
結果その後の汽水流に時計方向らせん流路を与える。

同様に、らせん要素Ｅ２．Ｅ４は反時計方向にねじって
あり、その結果通過中の汽水流に反時計方向らせん流路
を与える。

この渦は汽水混合物に分離効果をもたらす。詳述すると
、水はらせん構造の外側に投げ出されて棒Ｒ（または図
示してない隣の棒）に付着する。

蒸気はもっと軽いので要素Ｅ１〜Ｅ４の比較的中央部に
閉じ込められる。従って蒸気は棒間の空隙域を占める。

棒Ｒは蒸気発生に関する熱伝達問題を起こしうる。詳述
すると、もし蒸気が棒の表面の所々に広い面積にわたっ
て付着すると、水から通過蒸気への正常な熱伝達が生じ
ない。棒は局所高温点群を発達させるおそれがある。こ
れはチャネルの頂部に向かって特にそうである。

また、この説明は略述であることを理解されたい。事実
上、このようなポケット群には原子炉効率に重大な悪影
響を及ぼすフィードバック特性があることが確認されて
いる。簡単に述べると、本発明のスペーサ要素の間欠配
置により、これらの難点は減少する。

第２図は代表的なスペーサの配置を示す。図示のチャネ
ルＣ内には複数の棒Ｒが収納されている。

チャネルＣの側壁はスペーサＳの所で破断しである。ス
ペーサＳには多数の要素Ｅが含まれマトリックス状に接
合されている。

燃料チャネルは長さが１６０インチ程度であることを理
解されたい。各スペーサ要素の長さは２インチ程度であ
る。通例、７個のこのようなスペーサが任意の単一燃料
チャネルの全長に沿って配設される。従って、スペーサ
は２つの機能を有する。

第１に、スペーサが重なる棒の面部については、スペー
サは既述のらせん流を与える。

第２に、チャネル内においてスペーサ間で棒の周囲に存
する水量に関しては、開示の汽水分離を伴う旋回流が全
体的に与えられる。

第３図は要素Ｅの構造の概略を示す。第１に、要素Ｅは
長方形の平らな金属帯板１２を含む。金属要素１２はそ
の縦方向の側縁から突出する２種のタブを持つ。第１種
のタブは格子コネクタ１４゜１５である。格子コネクタ
１４は１８０度の回転毎の同一平面内に存在するように
配設されており、それぞれのスペーサ要素の相互連結部
を形成する。

格子コネクタ１５はコネクタ１４に対して９０度の角度
をなすように配設されている。それぞれの格子コネクタ
１５は隣接要素と連結部を形成する。

図示のように、格子コネクタ１４．１５はＬ形である。

Ｌの基部は長方形帯板１２の側縁に付いており、Ｌの突
起部は帯板１２の側縁と直交しそこから離れる方向に延
びている。

第２種の突出部は止め部１６．１７を含む。これらの止
め部はそれぞれ隣接燃料棒の表面に当接する。２対の止
め部１６．１７がスペーサ要素の１８０度回転頂部に見
られる。同様に、２対の止め部１６．１７がスペーサ要
素の１８０度回転底部に見られる。この開示した止め部
装置は８個の止め部を各燃料棒の外周に設けるためのも
のである。

個々の要素Ｅの製造は理解しやすい。代表的な場合、材
料は板金からスタンピングによつて作られる。その後、
４５０度の角度だけ材料をねじりうる。そうするには、
上下両縁間に張力をかけそして物理的にねじるか、また
は要素Ｅに数段のスタンピングを施してねじれを与えれ
ばよい。

第４Ａ図と第４Ｃ図について説明すると、ばねを要素Ｅ
のマトリックス内に設けうろことがわかった。第４Ａ図
は要素Ｅｌ、Ｅ２．Ｅ３．Ｅ４を示す。これらの要素は
一つのセルを形成する。マトリックスコネクタ１４．１
５が同様に図示されている。これらのマトリックスコネ
クタ１４は相互に溶接されている。

第４Ｃ図はばねを示す。このばねは、代表的な場合、金
属の無限ループ２０からなる。このループは頂部に凹み
２２そして底部に凹み２４をもつように曲げられている
。これらの凹みはそれぞれの接合マトリックスコネクタ
１４とはまり合う。

ばねは２個の突起２６を有する。突起２６はばねの片側
と他の側でそれぞれ１本の棒と接触しうる。

従って、第４Ｃ図による１個の設置ばねが２つのセル内
の棒を押圧する。つまり、本スペーサ要素を用いると、
各セルに１個のばねを露呈すればよいことがわかる。従
って、１個のばねが通常２つの隣合うセルの役に立つ。

第４Ｄ図はばね２０の代替実施例を開示する。

詳述すると、ばねの２つの平行部分の点溶接により無限
ループが形成される。好ましくは、隣合うらせん要素間
に延在するタブ１４または１５を覆うようにばね端部が
点溶接によって閉ざされる。

第４Ｅ図はばね２０の第２代替実施例を開示する。この
場合、ばねの無限ループは、個々のらせん要素がマトリ
ックス状に接合される際、タブ１４．１５間に置かれる
。図示の例から明らかなように、ここに例示した構造に
よれば、ばね２０の多様な改変が可能である。

第４Ａ図を参照すれば気が付くように、ばね２０が存在
すると、止め部１６．１７の幾つかは使われない。考え
られることは、金属帯板１２をねじって開示のらせん形
にする前に、これらの止め部を除去してもよかったとい
うことである。しかし、これは好ましくない。なぜなら
、第３Ａ図に示した軸対称性はそれによる帯板のねじれ
を均等にするからである。

時計方向のねじれに利用される止め部は、帯板を反時計
方向にねじった時に利用されない止め部であることもわ
かる。ただし、これは棒に対するばね２０の同一配置を
仮定した場合に言えることである。同様に、反時計方向
のねじれの場合に利用されない止め部は、ねじれが時計
方向である時に利用される。すなわち、実際上、対称性
を維持することにより、スタンピングによって作った１
種の部品をすべてのセル位置において均等に用いうる。

第５Ａ図は概略図であり、２本の棒Ｒと、止め部１６．
１７と、中間のばねＳを示す。ばねＳは各セル内の棒を
隣接止め部に押圧する。

第５Ａ図で注意すべきことは、要素Ｅ５の一部が切断さ
れていることである。この切断は側縁で生じている。

第６Ｂ図はらせん要素Ｅの外観を示す。

もちろん、らせん要素Ｅに元来備わったばね機構を設け
ることができる。このようなばね機構を第７Ａ、７Ｂ、
７Ｃ図に示す。

第７Ａ図は縦スリット３４を形成した長方形板金３２を
示す。マトリックスコネクタ３４が底部と、頂部から９
０度回転した所とに配設され、マトリックスコネクタ３
５が頂部と、底部から９０度回転した所とに配設されて
いる。それらの間に適当な止め部３６．３７．３８が形
成されている。

第７Ｂ図において、格子コネクタ３４が一平面に沿って
格子に対する連結部を形成する。第７Ｃ図において、格
子コネクタ３５が直交平面に沿って連結部を形成する。

図かられかるように、らせん要素Ｅ′の中央部は弾性で
ある。

第８Ａ図には要素Ｅｌ’　、Ｅ２’　、Ｅ３’　。

Ｅ４’を棒Ｒの周りに示しである。らせん要素Ｅ１′〜
Ｅ４’はそれらの止め部で棒Ｒを押圧する。

この構造を第８Ｂ図に示す。

第９図はマトリックス状要素群を製造するための治具の
分解図である。詳述すると、要素Ｅはそれぞれのマトリ
ックスコネクタ１４．１５の所で捕らえられる。これは
、マトリックスコネクタが並ぶように行われる。このよ
うな捕捉は、連結要素１４が切欠き付きバー４４に押さ
え込まれそして連結要素１５が切欠き付きバー４５に押
さえ込まれるようになされる。このような押さえ込みは
、バー４５の上にあるバー４７間とバー４４の下にある
バー４８間で生ずる。

ばねをマトリックスコネクタの周囲にループ状に配置す
ることが望ましいかもしれないことを理解されたい。こ
のような配置では、マトリックスコネクタの周囲におい
て、複数のばねをまず治具内に配置する。その後、所要
の点溶接を行う間に、ばねを片側または他の側に動かす
。

コーナ要素Ｋをマトリックスに配設することが望ましい
かもしれない。このようなコーナ要素には点溶接され得
、そして（第２図に破線５０で示すように）その内側縁
に止め部を有しうる。

この新規なスペーサを構成する個々の要素の長さと幅は
様々に変えうろことを理解されたい。例えば、スペーサ
要素をここに記載した好適な長さと幅に限定する必要は
ない。スペーサ要素の長さと幅は燃料束設計要件によっ
て調整可能である。

スペーサにおける圧力降下を少なくしたい場合は、要素
の幅を減らすとともにその長さを増すことにより流れの
旋回成分を弱める。汽水分離を最大にしたい場合は、幅
を最大にしかつ長さを減らす。

以上の説明かられかるように、ここに開示した装置は巧
妙な燃料棒スペーサ装置で、所要捧間隔を維持し、高出
力原子炉燃料棒からの熱伝達を高め、スペーサにおける
圧力損失を減らすものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は仮想線で示した燃料棒の周りにセル配列状に接
合された４個のらせん要素の斜視図で、矢印は上昇中の
汽水混合物の流れに与えられたらせん状乱流を示す。第
２図は燃料チャネルの破断斜視図で、正方形断面の燃料
チャネル内に設けられた本発明による１個のスペーサを
示す。第３Ａ図は本発明の１個のらせん要素を製造する
ために切削された平らな板金の平面図、第３Ｂ図は４５
０度のらせん回転角度で反時計方向にねじった第３Ａ図
の金属要素を示す図、第３Ｃ図は格子コネクタの交互配
置を完全に理解しつるように第３Ｂ図の要素を９０度回
した図である。第４Ａ図は燃料棒を収容したスペーサセ
ルを見下ろした概略図で、らせん要素に形成された止め
部に燃料棒をばねで押圧する状態を示す。第４Ｂ図はば
ねの配置を示す第４Ａ図に対応する側面図、第４Ｃ図は
ばねの図、第４Ｄ図はばねの第１代替実施例の図、第４
Ｅ図はばねの第２代替実施例の図、第５Ａ図はばね止め
部とサブチャネル組立体の配置を示す第２図に示したも
のによるスペーサの概略平面図、第５Ｂ図はサブチャネ
ル組立体の平面図、第６Ａ図はスペーサの外縁の平面図
、第６Ｂ図はスペーサの外端の側面図、第７Ａ図は（第
３Ａ図に類似の）スリット付きらせん要素の側面図で、
このスリットはらせん要素にばね力を導入するために設
けられている。第７Ｂ図は第３Ｂ図に類似のねじれ要素
の側面図、第７Ｃ図は第３Ｃ図に類似の回転した要素の
側面図、第８Ａ図はセル配列状に組立てた第７図のスペ
ーサ要素の平面図、第８Ｂ図は第８Ａ図のスペーサ要素
の側面図、第９図はスペーサ要素を点溶接またはレーザ
溶接によって第２図に示した組立体にしうるようにスペ
ーサ要素を列状に保持しうる治具の分解図である。 Ｅ、Ｅｌ〜Ｅ４．Ｅ５．Ｅ’　、Ｅｌ’〜Ｅ４′　ニス
ペーサ要素（らせん要素）、１２．３２：帯板、１４．
１５，３４，３５：格子コネクタ（マトリックスコネク
タ）、１６，１７．３６〜３８：止め部、２０．Ｓ：ば
ね、３４ニスリツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、縦方向に延在する複数の燃料棒を有する細長い多角
   形断面燃料チャネル内を通過中の汽水混合物に旋回を与
   えるスペーサ組立体において、マトリックスをなす多数
   のらせん状にねじられた板金スペーサ要素を複数個ずつ
   各燃料棒の周囲に配置し、各らせん状ねじれ板金スペー
   サ要素は複数の突出した格子コネクタを備え、これらの
   コネクタは前記らせんスペーサ要素相互間に延在してそ
   れぞれのスペーサ要素間に連結点を形成し、かくして前
   記らせんスペーサ要素が接合されて各燃料棒の周囲に前
   記らせん要素のマトリックスを構成し得、また、前記格
   子コネクタを相互に連結する手段を設け、これにより前
   記らせん要素が前記燃料棒を相隔てるとともに前記燃料
   棒を前記燃料チャネルから離隔しそして通過中の流体流
   にらせん流と乱流を与えるようにしたスペーサ組立体。 ２、各燃料棒を４個のらせん要素によって囲まれたセル
   内に収容した請求項１記載のスペーサ組立体。 ３、前記スペーサのらせん要素の少なくとも１個を時計
   方向に形成しそして前記スペーサのらせん要素の少なく
   とも１個を反時計方向に形成した請求項１記載のスペー
   サ組立体。 ４、前記セル内の燃料棒を押圧するために前記スペーサ
   要素に連結されたばねを含む請求項１記載のスペーサ組
   立体。 ５、前記らせん要素は中央にスリットを有しこのスリッ
   トの所でばね押圧作用をなすように前記燃料棒と接触す
   る、請求項１記載のスペーサ組立体。 ６、多角形中空内部を画成する細長いチャネル部材と、
   前記チャネル部材の中空内部に延在する複数の燃料棒と
   、前記チャネルの中空内部に沿って垂直方向にあらかじ
   め選定された間隔で配置され、前記燃料棒を囲み、前記
   燃料棒を相隔てかつ前記燃料棒を前記チャネル内側面か
   ら隔てる複数のスペーサであって、前記燃料棒間の空隙
   に配置したらせん要素を含み、各スペーサが前記チャネ
   ルの長さの１０分の１より短い長さをもつようなスペー
   サと、ねじれ帯板からなる前記らせん要素を前記燃料棒
   の周りにマトリックス状に相互に接合する手段との組合
   わせからなり、これにより前記燃料棒が相隔てられかつ
   前記チャネル側壁から離隔されそして前記スペーサ要素
   のねじれ形状が前記チャネルを上方に通流する水にらせ
   ん流路を与えるようになっている燃料チャネル。 ７、前記らせん要素の少なくとも１個がらせん水流を上
   方かつ時計方向に生成しそして前記らせん要素の他の１
   個がらせん水流を上方かつ反時計方向に生成する請求項
   ６記載の燃料チャネル。 ８、原子炉用スペーサを製造する方法であって、複数の
   長方形金属帯板を備える段階と、前記金属帯板にほぼ同
   等のらせん状ねじれを与える段階と、前記らせん状ねじ
   れ帯板をマトリックス状に接合して個別セルを形成する
   段階と、燃料棒を前記セルに配置する段階と、前記燃料
   棒とスペーサを補完断面のチャネル内に配置する段階と
   からなり、これにより前記ねじれ帯板要素が前記燃料棒
   を相隔てかつ前記燃料棒を一緒にチャネル側壁から離隔
   しそして前記チャネル内の燃料棒間の空隙を上方に通流
   する水にらせん状旋回流を与えるようにするスペーサ製
   造方法。