JPH01142492A - 原子炉燃料集合体 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲと称す）に装荷
される原子炉燃料集合体伸開する。

（従来の技術） 第１１狽こＢＷＲに装荷たれろｆ！Ｉａ、料県令体の縦
断面図を示す。燃料集合体は、四角筒のチャンネルボッ
クス１と、このチャンネルボックス１の内部に収納され
る燃料バンドル２から構成される。

また、燃料バンドル２は、チャンネルボックス１の上下
部に嵌込まれた上部タイプレート３および下部タイプレ
ート４と、チャンネルボックス１内部に軸方向に沿って
間隔を置いて設置された複数個のスペーサ５と、このス
ペーサを貫通し上下部タイブレート３．４に両端を固定
された複数本の燃料棒６とから構成される。なお、スペ
ーサ５は、燃料棒６を正方格子状に整列支持する。また
上下部タイプレート３．４には、冷却水通路用の礼が複
数（１Ｍ設けられている− 通常の出力運転状態では、上記燃料集合体に対してサブ
クール度の小さい冷却水が下部タイプレート４の孔から
燃料棒６間に流入し、燃料棒６間を下部から上方に流れ
るにつれ、燃料棒６により加熱され、沸騰し気液２相流
となって上部タイプレート３から流出していく、燃料集
合体出口におけるボイド率（冷却水中に蒸気が占める体
積率）は７０’Ｘ前後であり、また軸方向平均して４０
Ｘ　ｐ後のボイド率となっている。

上記燃料棒６は、通常運転時はもちろん、予想しうる運
転上の過渡状態、すなわち運転員の単一誤操作または、
機器の単一事故によって生ずる過渡状態においても、燃
料ベレットおよび核分裂生成物を被覆管の内部に完全に
保持するため、熟的限界から一定の余裕を確保して運転
するよう考慮されている。

燃料集合体の熱的限界は、第１６図のグラフに示すドラ
イアウト点Ｃと呼ばれ、沸騰曲線において核沸騰領域Ｂ
−Ｃから遷移沸騰領域Ｃ−Ｄに移行する時の熱流束が限
界熱流束と定義されている。

通常運転時のＢＷＲ高クォリティ（冷却水中の蒸気流量
率）条件下の２相流流動様式は、環状流状態であり、固
体表面に液膜、一方固体間の冷却材流路中央部は液滴お
よび蒸気の２相流が鉛直上向きに流れる。燃料棒壁面の
液膜流れは、被覆管からの加熱による液の蒸発と、流動
による液膜表面からの２相流中への液の飛散と、逆に２
相流中から液膜表面への液滴付着により決定され、燃料
集合体出口に近付くにつれ、次第に薄膜化していく、こ
の流動様式は安定した状態であり、被覆管表面温度は、
冷却水の飽和温度付近で一定に保たれている。一方、被
覆管からの熱流束が過大となり、被覆管表面温度が増大
して、液膜厚さがゼロとなるドライアウト状態に至ると
、被覆管表面温度と冷却水飽和温度との差が著しく増し
て不安定な沸騰状態となる。

このドライアウト点は、被覆管破損に直ちに結びつく限
界点ではないが、高い温度で長時間運転すると被覆材の
劣化により燃料棒６の健全性が低下するなめ、燃料棒６
としてはドライアウト点（こ対し１通常運転時および過
渡変化時のどちら（こおいても十分な余裕を確保して運
転されなければならない。

第１７図に太径ウォータロッドを装荷した従来の燃料集
合体を示す。

この燃料集合体においては、燃料棒６は、９×９の正方
格子状に配列され、中央に円形の太径ウォータロッド８
が配置される。太径ウォータロッド８の内側には、殆ど
加熱されない未飽和水が流れ、燃料集合体中の水素対ウ
ラン２３５の原子数比を適正な範囲に保っている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記説明の従来の原子炉燃料集合体では
、チャンネルボックス１近傍では、冷却水流路面積が小
さいことに加えて冷却水濡れ縁長さが長いため、摩擦圧
損が大きく質量流束が小さくなるので、冷却能力が劣る
傾向がある。また、四方を燃料棒６に囲まれた通常の流
路でも、燃料間隔が密に配置されている場合、冷却能力
が劣る場合がある。

一方、太径ウォータロッド８の外周面では、太径ウォー
タロッド８と燃料棒６との間隔が小さすぎない場合には
、低ボイド率のため、燃料棒６表面と比較して相対的に
厚い液膜流れが形成され、燃料棒６の除熱に寄与しない
冷却水が流れて、太径ウォータロッド８が太径になる程
、燃料集合体の冷却能力を低下させていた。なかでも特
に、太径ウォータロッド８の対角部に位置するギャップ
部１０では、冷却水流路面積が大きいこと、冷却水濡れ
縁長さが小さいことから摩擦圧損が小さくなるので、質
量流束が大きく、加えて加熱量が小さいため低ボイド率
化が進んで、この部分に面した太径ウォータロッド８外
周面では液膜が一層厚くなり、大きな冷却水流量が無駄
に流れるという問題点があった。この結果、燃料集合体
の熱的限界が低下する可能性が考えられている。

また、太径ウォータロッド８は、一般に太径にするのが
核的に有利になるが、熱水力的には、上述したように燃
料棒冷却に用いられる冷却水の実効的な減少を招くこと
に加えて、燃料棒６と太径ウォータロッド８との間隔が
小さくなる程、冷壁効果のため太径ウォータロッド８に
面した燃料棒６を流れる液膜の厚さを減じ、熱的余裕を
低下させるため、望ましい方向ではなく、一定の径級上
には太径にできない難点があった。

本発明は、かかる従来の問題点に対処してなされたもの
で、太径のウォータロッドを用いても、燃料の熱的限界
に対する余裕を小さくせず、十分な熱的健全性を確保す
ることのできる原子炉燃料集合体を提供しようとするも
のである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） すなわち本発明は、複数の燃料棒と、これらの燃料棒よ
りも太径に形成された太径ウォータロッドとを、スペー
サにより整列支持した原子炉燃料集合体において、前記
太径ウォータロッドの外周面に、Ｍ膜剥離板からなる流
＃ｌＩ障書物を、前記外周面に形成される液膜流れ方向
に複数設けたことを特徴とする。

（作　用） 上記構成の本発明の原子炉燃料集合体は、例えば長雉２
種類の辺を交互に持ち、長辺が燃料格子に平行、一方短
辺が上記燃料格子と４５度の角度をなす８角形の断面を
有する多面体から形成された太径ウォータロッドの外周
面に、液膜剥離板からなる流路障害物を、前記外周面に
形成される液膜流れ方向に複数設け、例えばこの液膜剥
離板を、太径ウォータロッドの長辺で薄肉化し、太径ウ
ォータロッドの短辺では厚肉化することにより、燃料集
合体内を流れる冷却水を燃料棒部により多く配分するこ
とにより、太径のウォータロッドを用いても、燃料の熱
的限界に対する余裕を小さくせず、十分な熱的健全性を
確保できるようにしたものである。

（実施例） 以下、本発明の詳細を図面に示す実施例について説明す
る。

第１図は、本発明の一実施例の原子炉燃料集合体のスペ
ーサを含まない部分の水平断面を示すもので、チャンネ
ルボックス１内には、９行９列の格子状に７２本の燃料
＄１！６が配列されており、チャンネルボックス１の中
央に位置して３行３列の格子位置を占める８角形太径ウ
オータｑツド１１が配置されている。

上記太径ウォータロッド１１は、第２図に示すように構
成されており、格子と平行な長辺１１ａには水平方向に
接合された薄肉液膜剥離板１２が、格子と４５度の角度
をなす短辺１１ｂには、厚内液膜剥離板１３が、軸方向
に沿ってそれぞれ適当な間隔を置いて配置されている。

また、上記薄肉液膜剥離板１２は、第３図に示すように
、鉛直方向長さ５１ｍ、厚さ１１１Ｉｌ程度のくさび型
断面をした流Ｖ＠障害物であり、鉛直方向に流れる太径
ウォータロッド１１外周面長辺１１ａ上の液膜流れを妨
げ、液滴を蒸気流れ中に飛散させて、隣接燃料棒６の液
膜厚さを増加させ、冷却効果を高めると同時にドライア
ウトの可能性を減じる。

一方、厚内液膜剥離板１３は、第４図に示すように、逆
■字形状に構成された流路障害物であり、その中央部Ａ
−Ａ断面は、第５図に示すように下面が上方へ向いたく
さび型形状に構成されており、その周辺部Ｂ−Ｂ断面は
、第６図に示すように下面が下方へ向いたくさび型形状
に構成されている。

すなわち、この厚内液膜剥離板１３は、鉛直方向に流れ
る短辺１１ｂ上の液膜流れを妨げ、その大部分を厚内液
膜剥離板１３中央部に誘導して、厚肉液膜剥離板１３中
央部で液滴を燃料集合体対角方向に飛散させて、燃料集
合体コーナ一部に位置する４組の９本の燃料棒６に液滴
を供給し、これらの冷却効果を高めると同時にドライア
ウトの可能性を減じる。

第７図は、本発明の他の実施例の原子炉燃料集合体のス
ペーサを含まない部分の水平断面を示すもので、チャン
ネルボックス１内には、９本の燃料棒６毎に密なグルー
プにまとめ、グループ間の間隔を粗にした、９行９列の
格子状に１２本の燃料棒６が配列されており、チャンネ
ルボックス１内の中央に位置して３行３列の格子位置を
占める８角形太径ウオータロツド１１が配置されている
。

８角形太径ウオータロツド１１は、第８図に示すように
、その外形を前述の実施例と同様に形成されており、格
子と平行な長辺１１ａには薄肉液ＭＷ４離板１４が、格
子と４５度の角度をなす短辺１１ｂには、厚内液膜剥離
板１５が、軸方向に沿ってそれぞれ適当な間隔を置いて
配置されている。

また、薄肉液ＭＭ離板１４は、第１！Ｉに示すように鉛
直方向の長さ５１　程度のＶ字形状に構成された流＃ｌ
陣書物であり、その中央部Ｃ−Ｃ断面は、第１０図に示
すように下面が下方へ向いたくさび型形状で厚さ１１１
程度に構成されており、その周辺部Ｄ−Ｄ断面は、第１
１図に示すように下面が下方へ向いたくさび型形状で厚
さ２１程度に構成されている。

そして、この薄肉液！ｌＩＭＷ板１４は、鉛直方向に流
れる太径ウォータロッド１１外周面長辺１１ａ上の液膜
流れを妨げ、一部を液滴として蒸気流れ中に飛散させて
、隣接する燃料棒６の液膜厚さを増加させ、冷却効果を
高めドライアウトの可能性を減じると同時に、他を液膜
として太径ウォータロッド１１の短辺１１ｂに位置する
厚内液膜剥離板１５に誘導する。

一方、厚内液膜剥離板１５は、第１２図に示すように逆
Ｖ字形状に構成された流路陣書物であり、その中央部Ｅ
−Ｅ断面は、第１３図に示すように下面が上方へ向いた
くさび型形状に構成されており、その周辺部Ｆ−Ｆ断面
は、第１４図に示すように下面が下方へ向いたくさび型
形状に構成されている。また、厚内液膜剥離板１５の両
端は、薄肉液膜剥離板１４に滑らかに接続されている。

そして、この厚内液膜剥離板１５は、短辺１１ｂ上の液
膜流れ、および長辺１１ａに設けた薄肉液ＭＷ１離板１
４から供給される液膜流れの鉛直上方への流れを妨げ、
その大部分を剥離板中央部分に誘導して、剥離板中央部
分で液滴を燃料集合体対角方向に飛散させ、燃料集合体
コーナ一部に位置する４組の９本の燃料棒グループに液
滴を供給し、これらの冷却効果を高めると同時にドライ
アウトの可能性を減じる。

なお、以上の実施例では、液膜剥離板１２〜ｌうを太径
ウォータロッド１１各辺上で途中に切れ目を入れずに連
続的に設けた例について説明したが、チャンネル圧損の
増加を抑制するために、長辺１１ａ上の燃料棒６に近接
する部分のみに１０１１程度の幅の剥離板を各３ケ所ず
つ設けることもできる。

また、以上の実施例では、本発明を９行９列の格子配列
を有する原子炉燃料集合体に適用した例について説明し
たが、８行８列、あるいは１０行１０列等、他の格子配
列を有する原子炉燃料集合体合体に対しても、前者に対
しては太径ウォータロッド１１径を２行２列の格子位置
を占めるように、一方後者に対してもウォータロッド径
を３行３列または４行４列の格子位置を占めるように設
定することで、９行９列の燃料集合体と同様に適用する
ことができる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の原子炉燃料集合体では、集
合体内を流れる冷却水を燃料棒部により多く配分するこ
とにより、太径のウォータロッドを用いても、燃料の熱
的限界に対する余裕を小さくせず、十分な熱的健全性を
確保することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の原子炉燃料集合体を示す横
断面図、第２図は第１図の太径ウォータロッドを示す斜
視図、第３図は第２図の薄肉液膜剥離板を示すｌＩ＆断
面図、第４図は第２図の厚内液膜剥離板を示す側面図、
第５図は第４図のＡ−Ａ断面図、第６図は第４図のＢ−
Ｂ断面図、第７図は他の実施例の原子炉燃料集合体を示
す横断面図、第８図は第７図の太径ウォータロッドを示
す斜視図、第９図は第７図の薄肉液膜剥離板を示す側面
図、第１０図は第９図のＣ−Ｃ断面図、第１１図は第９
°図のＤ−Ｄ断面図、第１２図は第７図の厚内液膜剥離
板を示す側面図、第１３図は第１２図のＥ−Ｅ断面図、
第１４図は第１２図のＦ−Ｆ断面図、第１５図は従来の
原子炉燃料集合体を示す縦断面図、第１６図は表面熱流
速と、被覆管表面温度と冷却材温度の差との関係を示す
グラフ、第１７図は従来の原子炉燃料集合体を示す横断
面図である。 １・・・・・・・・・・・・・・・チャンネルボックス
６・・・・・・・・・・・・・・・燃料棒１１・・・・
・・・・・・・・太径ウォータロッド１１ａ・・・・・
・・・・太径ウォータロッドの長辺１１ｂ・・・・・・
・・・太径ウォータロッドの短辺１２・・・・・・・・
・・・・薄肉液膜剥離板１３・・・・・・・・・・・・
厚肉液膜剥離板出願人　　　　　　日本原子力事業株式
会社出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　− 第１図 第７図 第９図　　　　第１Ｑ図　　第１１図 第１２図　　　　第１３図　　第１４図第１６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の燃料棒と、これらの燃料棒よりも太径に形
   成された太径ウォータロッドとを、スペーサにより整列
   支持した原子炉燃料集合体において、前記太径ウォータ
   ロッドの外周面に、液膜剥離板からなる流路障害物を、
   前記外周面に形成される液膜流れ方向に複数設けたこと
   を特徴とする原子炉燃料集合体。
2. （２）前記太径ウォータロッドは、長短２種類の辺を交
   互に持ち、長辺が燃料格子に平行、短辺が燃料格子とほ
   ぼ４５度の角度をなす８角形の断面を有する多面体から
   形成されたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の原子炉燃料集合体。
3. （３）前記液膜剥離板は、前記太径ウォータロッドの長
   辺で薄肉化し、前記太径ウォータロッドの短辺では厚肉
   化して設置されたことを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の原子炉燃料集合体。