JPH01193690A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子炉燃料集合体の改良に係り、特に高燃焼
度下において、燃料の信頼性確保に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の原子炉燃料集合体の基本構造を第７図に示す。

燃料集合体は、規則的に配列された複数本の燃料要素５
と、スペーサ６と、燃料要素５を、それぞれ上下端にお
いて支持する上部タイプレート３及び下部タイプレート
７と、上部、下部タイプレート間に支持されて燃料要素
５の周囲を取囲むチャンネルボックス５とから構成され
ている。そして、冷却材は燃料集合体の下部から上部に
向ってチャンネルボックス４内を流れ、燃料要素５を冷
却する。

ところで、上記の燃料集合体を装荷した原子炉を運転す
ると、チャンネルボックス４の内部圧力は、その外部圧
力よりも高くなるため、チャンネルボックス４の内外に
圧力差を生じる。この圧力差は、燃料集合体内で特に圧
力損失の少ないチャンネルボックス４の下部付近におい
て大きくなる。

そして、上記相対圧力差による機械的な力により、チャ
ンネルボックス４は外方に拡大変形され、かつまた原子
炉の高温長時間運転による熱的効果と中性子照射効果と
が加わってチャンネルボックス４の拡大変形はさらに助
長される。その結果、チャンネルボックス４の下端部と
下部タイプレート７との間隙から冷却材の漏洩をきたし
、燃料要素５に対する冷却効果の減少をまねくことにな
る。

そこで、従来の燃料要素５を支持する下部タイプレート
７と、この下部タイプレート７の周囲の一部を覆うチャ
ンネルボックス４との間に冷却材漏洩防止用板ばね８を
介装し、チャンネルボックス４の下端部が拡大変形して
も冷却材が漏洩しないようにしている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術による冷却材漏洩防止用板ばね８の構成を
第８図ないし第９図、第１０図に示し、その装着状態を
第１１図に示す０図からも明らかなように、板ばね８の
中央部には、チャンネルボックス４の内壁面に圧接する
平面部９が形成されており、先端部には、下部タイブレ
ート周面ポケット２０に圧接する屈曲部１０が形成され
ており、さらに板ばね８全体の幅方向には、スリット１
１を介して複数のリーフ１２〜１９が形成されている。

そして、この板ばね８は、第１１図に詳細に示すように
、下部タイプレート７の上端面に一端を固定されるもの
であって、そのばね力Ｆは、板ばね８に加わるチャンネ
ルボックス４内外の圧力差（ＰＩ　Ｐｏ）に打ち勝ち、
しかも板ばね８とチャンネルボックス４との間から冷却
材が漏洩しない値にあらかじめ設定されている。

上記に示した冷却材漏洩防止用板ばね８を実際に燃料集
合体に組込んで使用しているが、チャンネルボックス４
は板ばね８の反作用としてのこのばね力Ｆに見合う力を
受けることになり、第１２図、第１３図、第１４図に示
すようにコーナ部を支点として弓形に変形する。このチ
ャンネルボックス４の弓形変形に起因する冷却材の漏洩
を防止するのが板ばね８に形成された複数のリーフ１２
〜１９であって各リーフはチャンネルボックス４は弓形
変形にそれぞれ追従変形して冷却材の漏洩防止化をはか
るものである。すなわち、板ばね８の各リーフは使用前
の組立時において、たわまされた状態にあり、原子炉運
転時の熱的効果と中性子照射効果とによって助長される
チャンネルボックス４の拡大変形に追従するものである
。

しかし、上記した従来の構成においては、チャンネルボ
ックス４の変形量の最も大きな部分、すなわちチャンル
ボツクス４の中央部で拡大変形に十分追従できる状態に
冷却材漏洩防止用板はねのリーフたわみ量を調整すると
、コーナ部では、チャンネルボックス４の拡大変形量が
小さいため、これに近いリーフが過度のひずみを受け、
損傷するおそれがある。さらに、現在、燃料経済性向上
を目的として燃料の高燃焼度化が要求されており、この
設計条件下においては、前述したチャンネルボックスの
弓形変形が著しく加速され、冷却材漏洩防止用板ばねが
、その変形に追従できない可能性もある。

そこで、現状の冷却材漏洩防止機構を見直し。

高燃焼度における燃料使用時にても、燃料健全性を確保
できる機構を開発する必要があった。

本発明の目的は、高燃焼度においても下部からの冷却材
の漏洩を抑制できる燃料集合体を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、下部タイプレートの側面であってチャンネ
ルボックスに対向する部分に、軸方向に４列以上の溝部
を設けることによって達成できる。

〔作用〕

チャンネルボックスに対向して下部タイプレートの側面
に配置された４列以上の溝部によって冷却材の圧力が減
圧されるので、チャンネルボックスと下部タイプレート
の間からの冷却材の漏洩量が著しく減少する。

〔実施例〕

本発明の実施例は、前述したようにチャンネルボックス
内外の冷却水圧力差に起因するチャンネルボックスと下
部タイプレートと間の漏洩流を抑制することを目的とし
ている。

従来例においてチャンネルボックス下端部にて弓形変形
を起こす主因は、冷却材防止板８がチャンネルボックス
４内側に加えている力である。

しかも、この力は、冷却材を押し出す力に負けない大き
さに設定されている。ここで重要なのは、漏洩流を防止
できるということであり、冷却材防止板８がチャンネル
ボックス２に圧接して内側から力を及ぼすことはその一
方法にすぎないということである。例えば何らかの方法
で、チャンネルボックス４と冷却材防止板同士が接合で
きれば、この圧接によってチャンネルボックス内側に負
荷される力は不要となる。

さらに、冷却材防止板を取付けるという概念は、物によ
って漏洩路を遮断するものであるが、この考えを捨て去
り最初から漏洩路は存在するものとして考え、この流路
抵抗を極度に大きくて漏洩量を小さくし実質的な冷却材
の漏洩防止とする事もできる。

流路抵抗を増す方法には、流体の種類に応じて幾種類の
構造が考えられるが、原子力機器の性格上構造が簡単で
、信頼性の高いものが要求される。

ここでは、その−例をとり、以下に漏洩防止の原理を説
明することとする。

流体が、構造物内にできた流路を流れる際、抵抗となる
のは主に構造物との表面摩擦と流路断面形状の変化、す
なわち断面積変化に伴う断熱圧縮抵抗に起因するもので
ある。

前者の表面荒さによる抵抗は、表相流の流線を乱し、構
造物表面から流路抵抗の小さな流れである定常層流を遠
くに押しやり、任意の流路断面をとってきた時に、抵抗
の大きな乱流層の割合が高くなって流れにくくなるもの
である。

また、後者の断熱圧縮変化に伴う抵抗とは、流体側から
みて、十分流速があって、流体の受ける体積変化がきわ
めで短時間に繰返しておきる場合には、外部からの流体
への熱流入又は放射はほとんど無視でき、この場合、流
体は流路断面積の変化を受ける度に、エントロピー変化
を要することとなる。このことはすなわち、移動にエネ
ルギーが必要であり、他の状態変化（等圧変化又は等温
変化）に比べて一番エネルギーを要する。

従って、流路形状によって流体に対する抵抗を局方大き
くするためには、ざらついた構造物表面に、流線方向に
そった流路断面積が短いピッチで大きく変化することが
考えられる。

この原理に基づいて実効的な漏洩流防止の構造を発明す
るに至った。

本発明の実施例の構造と等価な構造を用いて、従来のフ
ィンガスプリングによるシール効果の比較を燃焼度にそ
って比較したものを第４図に示す。

ここで、燃焼度初期には１両者ともほぼ同じか若干フィ
ンガスプリングによるものの方が優れているが、燃焼が
進むにつれ、チャンネルボックスを内側から押し広げ、
すきまが大きくなるため、高燃焼度域では、フィンガス
プリングによるものは役立たなくなっていくことがわか
る。

この結果より、方針が間違っていないことが裏づけられ
、さらに具体化する動機へとつながった。

先に述べた原理をさらに具体化すると、表面荒さの効果
は、衆知で容易に類推できることから、これについては
、あたりまえの採用として詳細な説明はせず、流路断面
積変化の効果について、説明する。

次の所で図面を用いて説明を行うが、下部タイプレート
とチャンネルボックスとの嵌合部では。

下部タイプレートに横のみぞがつけられておりこの溝を
横切ろうとする流体は、進むにつれ、流路断面積の変化
を受けることになる。

この溝は、必要なだけ深くつけられており、流体に対す
る抵抗を大きくしている。

また、この溝の段数を増やすことにより、いくらでも抵
抗を大きくできるという利点がある。

本発明の好適な一実施例である燃料集合体を第１図に示
す０本実施例の燃料集合体は、下部タイプレート１とチ
ャンネルボックス４とは、燃料棒５の照射伸によっては
ずれないだけの嵌合代をもっている。従来の燃料集合体
と同一の構成は、同一の符号を付している。実施例は、
下部ダイプレート１のチャンネルポック４と嵌合する側
面に軸方向に４列の溝２を有している６本実施例の燃料
集合体を構成する下部タイプレート１は第１図。

第２図に示すように、従来の燃料集合体へのバックフィ
ツトを考えて従来の燃料集合体と同様に燃料要素５の下
端部を支持している。チャンネルボツクス４の下端部は
、下部タイプレート１の外側面に嵌合し、その上端部は
上部タイプレート３に取付けられている。チャンネルボ
ックス４と下部タイプレート１との間の流路抵抗の変化
を溝２の段数をパラメタにして検討した結果を第３図に
示す。また、本実施例は、第４図に示すように従来例の
構造に比べて低燃焼度ではほぼ同等であるが、高燃焼度
になるにつれすぐれた性能を示す。

第３図に示す検討結果によると、溝２の段数は少なくと
も４段以上必要となる。この設計限界ギリギリの実施例
を第１図に示した。また、このような溝加工による漏洩
法防止の効果は、段数（流路断面数の変化回路）及び溝
深さによるものが溝幅の効果に比べて大きいことを考慮
すると、第２図に示すような、溝幅を低減し、段数を増
して、シール効果を確保することも可能となる。

ここで、必要な事は、先にも述べた通り、溝が漏洩流の
流線に対して流路断面積変化の一番大きくなるような取
付は方になっていることであり、その最も一般的で加工
しやすい方法は、流線に対し垂直で同一形状な溝を等間
隔に設けることであろう。第２図に示す本実施例はこの
アイデアに基づく構造である。

本発明の他の実施例を第５図に示す。これは、第１図の
実施例でつけた溝を流速に合わせて最適化したもので、
特に、流速の大きい所には溝２Ａが深く幅の広いものを
、また流速の小さくなった所には溝２Ａは浅くて間隔の
狭いものを取付けである。流速が遅くなれば（同じ時間
に到達する）溝までの距離は短かくてよく、また溝内部
での速度も小さくなるため、浅く小さな溝２Ａでも、同
等な抵抗をもつことになる。

本発明の他の実施例を第６図に示す。

この例では、加工の容易さを度外視し、最も流路抵抗を
大きくできるようにした例である。溝は、第６図に示す
如くクサビ形となっており、溝からはい出ようとする流
体にとってなかなか出口のないすなわち高流路抵抗のも
のになっている。

加工技術の進んできた昨今、あながち、このような溝加
工も不可能ではないと考えられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来のような内圧液を生ずる漏洩防止
機構ではなくなったため、チャンネルボックスの下部変
形がほとんどなく、従来構造では問題のあった高燃焼度
下での使用に対して十分対応可能である。

また、漏洩流を閉じ込める部材を追加するという従来の
発想とは異なり、流体自体の動きで自らを封じているた
め、部材数も減りまた炉水に対してＣＯ持込み量も減る
ため低放射化を推進できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例である燃料集合体正面
図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）の下部タイプレートの
鳥取図、第２図は第１図（ｂ）の下部タイプレートの縦
断面図、第３図は下部タイプレートの側面に設けられた
溝数と流路抵抗との関係を示す特性図、第４図は燃焼度
と冷却材漏洩量との関係を示す特性図、第５図及び第６
図は本発明の他の実施例における下部タイプレートの局
部縦断面図、第７図は従来の燃料集合体の縦断面図、第
８図は第７図のフィンガスプリングの平面図、第９図は
第７図のフィンガスプリングの正面図、第１０図は第７
図のフィンガスプリングの側面図、第１１図はフィンガ
スプリングの取付状態を示す下部タイプレートの局部縦
断面図、第１２図〜第１４図はフィンガスプリングを取
付けた状態を示す説明図である。 １・・・下部タイプレート、２・・・溝、３・・・上部
タイプレート、４・・・チャンネルボックス、５・・・
燃料棒。 第１　区 第３　ｌ ｌ　　　ＺＪＱ　　　Ｉｂ’１ 溝柱 め　４０ Ｉｊ％ 戸−炊魔 令５　区 姫ら口 ！ 糖′Ｖ図 ＄　ｇ　口 夢１０Σ 晒１１　　圀 第１３国　　　　　　墳五菌

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数個の燃料要素と、複数の前記燃料要素を束ねる
   燃料スペーサと、前記燃料要素の上下端部を保持する上
   部タイプレート及び下部タイプレートと、束ねられた前
   記燃料要素の周囲を取囲むチャンネルボックスとから成
   る燃料集合体において、前記チャンネルボックスに対向
   する４列以上の溝部を前記下部タイプレートの側面に軸
   方向に配置したことを特徴とする燃料集合体。