JPH02157688A - 燃料棒スペーサ - 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） （産業上の利用分野） 本発明は、原子炉用の燃料棒スペーサに係り、とりわけ
限界出力特性の向上を図ることができる燃料棒スペーサ
に関する。

（従来の技術） 一般に、原子炉の炉心部に多数の燃料集合体が装荷され
ており、この燃料集合体はその長手方向複数箇所に燃料
棒およびウォータロッドの相互間隔を保持する燃料棒ス
ペーサが設けられている。

このような燃料棒スペーサの設計には、燃料棒間隔を保
持すること、燃料棒の湾曲を抑制すること、燃料棒の挿
入性が容易であること、燃料棒との接触面を最小限に抑
えること、冷却材の流動変化および制限を最小にするこ
と、熱的限界を最大にすること、および、運転時等の原
子炉条件に耐えるに充分な機械的強度を保持しているこ
と等が考慮される。

従来からこれらの設計要求を満足するために種々の燃料
棒スペーサが提案され、使用されている。

その代表的にものの１つに実公昭４８−２７３６０号公
報に示されている燃料棒スペーサが知られている。この
燃料棒スペーサは第１０図および第１１図に示すように
構成され、長い間使用されてきた。この燃料棒スペーサ
１は外枠２を有し、この外枠２は４つのサイドバンド３
．４．５．６を順次接続してほぼ矩形状に形成される。

この外枠２内には棒状の横パー７および縦バー８と、幅
方向長さが小幅に形成された長板状の横ディバイダ９お
よび縦ディバイダ１０とが格子状に配設されて複数個の
挿入空間１１を格子状に配列し、これらの挿入空間１１
内に燃料棒１２またはウォータロッド１３が挿入支持さ
れるようになっている。

一方、今日、原子カプラントの自動制御化や、日負荷追
従運転の導入等により沸曝水型原子炉の運転融通性を拡
大することが望まれており、沸原水型原子炉の炉心の熱
水力特性をより改善するため、炉心の安全性の改善、熱
的余裕の拡大、炉心圧力損失の低減等を目的とした開発
が進められている。

炉心圧力損失に着目すると、燃料棒スペーサ部分で生じ
る圧力損失、すなわち、スペーサの圧力損失は炉心圧力
損失全体の約２割に相当する。

したがって、スペーサの圧力損失を低減することは炉心
の圧力損失を大幅に低減することとなる。

これまでの知見から冷却材の流速が大きい部分は、各燃
料棒２の外周面から遠く離れた部分、特に隣接する４本
の燃料棒１２に囲まれた中央部において流速が大きいこ
とが知られている。

しかしながら、従来の燃料棒スペーサ１は、第１０図に
示すように、冷Ｗ材の′？Ａ速が大きい部分である隣接
する４本の燃料棒１２の中央部分に、バー７．８および
ディパイダ９．１０の交差部および角形スプリング１５
が配設されている。このため、これらのバー７．８、デ
ィバイダ９，１０および角形スプリング１５等の構造物
は、冷却材流に対して大きな流動抵抗として作用するの
で、冷却材の圧力損失を大きくしていた。

また、炉心を正常に紺持して運転を行なうためには、燃
料棒１２の過加熱を防止、保護しなければならない。こ
のため、燃料棒１２の外表面に冷却材の液膜が常に形成
され、その外側には、燃料棒１２の表面から発生した蒸
気にＪ：って、気液二相流状態とする必要がある。

ところが、前述したように、従来の燃料棒スペーサ１で
は、冷却材の流速が最も大きい部分に角形スプリング１
５等を設けているから、冷却材の流速が過大であると、
燃料棒スベーナ１の下方で冷却材および蒸気の二相流が
乱れて渦流を生じる場合がある。この渦流の発生により
、冷却材の液膜が剥離してドライアウト部分を形成する
おそれがあり、燃料棒の除熱能力を低下させ、限界出力
を低下させる傾向にあった。

このような問題点を解決するため、最近様々の燃料棒ス
ペーサが提案されている。その代表的なものを第１２図
および第１３図に示す。

第１２図に示す燃料棒スペーサ１Ａは、略矩形状の外枠
２Ａ内に全く同一形状に形成した６４個の略円形筒状の
セル２０を例えば８×８正方格子状に配置し、各セル２
０の側壁部の一部を連結し、隣接する４個のセル２０の
側壁部によって略四角筒状の冷Ｆ！１祠通路２１をそれ
ぞれ形成している。

あるいは、第１４図に示すような、略へ角形筒状のセル
２３を用いた燃料棒スペーサ１Ｂも提案されている。

このように、単一の独立したセル２０．２３構造から成
る燃料棒スベー！Ｊ−ＩＡ、１Ｂは、冷却材の流速が最
も大きい部分に燃料棒スペーサの構造物を設置せず、冷
却材流路の１１１鎖を回避したものである。また、セル
２０．２３の垂直方向の断面形状の変化を制限すること
によって、燃料棒スペーサ１△、１Ｂを通過する際の冷
却材の流れの大きな変化を抑制している。その結果、燃
料棒スペーサＩＡ、１Ｂでの圧力損失の増加を抑制する
と同時に、燃料集合体の限界出力を増加させることがで
きるものとなっている。

しかしながら、第１２図ないし第１４図に示す甲−の独
立したセル２０．２３から構成される燃料棒スペーサに
おいては、隣接するセル２０．２３同士およびセル２０
．２３と外枠２Ａとを相互に密着させて、２枚の板状部
を点溶接することにより一体的に組立てている。したが
って、その溶接部分においては、板が２ｍとなるため冷
却材流路領域における燃料棒スペーサ自身の占める面積
は、第１０図に示す燃料棒スペーサ１と比較して大きく
なる傾向にあった。

そのため、冷却材の流速が高い冷却材流路へ構造物を設
置しない場合（第１２図ないし第１４図）の圧力損失の
低減効果は、燃料棒スペーサ自身の面積の増加によって
打ち消され、結果的に燃料棒スペーサ部における圧力損
失は、従来の燃料棒スペーサと同程度になってしまうこ
ともある。

そこで、これらの問題点を解決すべく提案された発明（
特願昭６２−１７０５７２号〉の燃料棒スペーサ３０を
第１５図に示す。

この燃料棒スペーサ３０は略矩形状の外枠３１を有し、
この外枠３１はサイドバンド３２，３３゜３４．３５を
順次接続して構成される。略矩形状の外枠３１内にサイ
ドバンド３２．３４と平行する縦ディバイダ３６と、サ
イドバンド３３．３５と平行する横ディバイダ３７と、
このディバイダ３６．３７との交点に位置する円筒セル
３８とが設けられている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記のような燃料棒スペーサ３０は冷却
材の流速が大きい冷却材流路へ構造物を設置せず、かつ
板が２重となる部分がないため圧力損失の低減を図るこ
とができるものの、図示しない角筒状の燃料チャンネル
内に流入された冷却材流量の分布状態は、燃料チャンネ
ルの中央部の流ωが周辺部に比べて多くなり、中央部と
周辺部に流通の差が生じてしまう。したがって、冷却材
流量に差があることは、燃料集合体断面の熱的余裕度に
も差が生じ、その余裕度の分布が不均一となる。その結
果、燃料チャンネル内周面周辺部の燃料棒の限界出力特
性が悪化してしまう問題点がある。

また、上記燃料棒スペーサ３０は第１６図に示すように
外枠３１に設けられた・複数個のローブ３１ａにより、
燃料チャンネル４０内面と燃料棒１２との間に一定の間
隔が保持されている。このため、燃料チャンネル４０内
周面に沿って流れる冷却材ａはそのままスムーズに上昇
してしまうことになる。

一方、第１５図に示すように燃料棒スペーサ３０の外枠
３１の上縁には、燃料集合体に燃料チャンネルを取付け
るときの導入部として作用する上方内側に折曲した複数
の台形状の案内突起３１ｂが形成されている。この案内
突起３１ｂは第１７図に示すように燃料棒スペーサ３０
の外枠３１の内周面に沿って流れる冷却材すをその折曲
方向に案内して燃料棒１２の有効な冷却材流通を増加さ
せることができる機能も有しているが、第１８図および
第１９図に示すように燃料棒スペーサ３０の外枠３１と
縦、横ディパイダ３６．３７とが接する位置の近傍にお
いて下方から流れる冷却材は外枠３１および縦、横ディ
バイダ３６．３７の底面に接触した乱れ、縦、横ディバ
イダ３６．３７の下方から上方に向って広がる傾向にあ
る。したがって、前述した案内突起３１ｂによる冷却材
の拡散効果は得られないことになる。

以上の結果、上記燃料棒スペーサ３０では燃料棒１２の
冷却に冷Ｗ材流を有効的にかつｇｉ極的に案内すること
ができず、燃料チャンネル周辺の燃料棒１２の冷却効率
が低下し、燃料集合体の限界出力特性が悪化してしまう
問題点があった。

本発明は上述した事情を考慮してなされもので、冷却材
を燃料棒間に有効的にかつ積極的に案内し、特に燃料チ
ャンネル周辺部に位置する燃料棒の冷却効果を高め、燃
料集合体の限卯出力を確実に向上し得る燃料棒スペーサ
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明に係る燃料′棒スペーサは、略矩形状の外枠の内
部に、外枠の横辺と平行する複数の横ディバイダと、こ
れらの横ディバイダと直交する複数の縦ディバイダと、
前記横ディバイダと縦ディバイダとの交点に位置する円
筒セルとを設け、前記外枠内部に円筒セルの外周と横デ
ィバイダおよび縦ディバイダによって格子状の燃料捧挿
入空間を形成してなる燃料棒スペーサにおいて、前記外
枠の内周面と前記横ディバイダおよび縦ディバイダとの
接点に半円筒セルを設けるとともに、前記外枠の下端部
に冷却材案内部材を設けたことを特徴とする。

（作用） 上記の構成を有する本発明においては、外枠内面に半円
筒セルを設けるとともに、外枠の下端部に冷却材案内部
材を設けたことにより、燃料チャンネル内における周辺
部近傍を流れる冷却材を有効的かつ積極的に燃料集合体
内に案内できる。

したがって、特に燃料集合体の周辺部に位置する燃料棒
の冷却効率を高めることができる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する
。

第１図ないし第９図は本発明による燃料棒スペーサの一
実施例を示す図である。なお、第１５図に示す従来例と
同一の部分には同一の符号を付して説明する。第１図に
おいて燃料棒スペーサ３０は略矩形状の外枠３１を有し
、この外枠３１は４つのサイドバンド３２．３３，３４
．３５を順次接続して略矩形状の外枠３１が形成されて
いる。

外枠３１の内部には、サイドバンド３２．３４と平行す
る縦ディバイダ３６、およびサイドバンド３３．３５と
平行する横ディバイダ３７が複数配設されている。また
、縦ディバイダ３６と横ディバイダ３７とが直交する位
置（ａ、ｂ、ｃ、・・・ｈ線とｉ、ｊ、に、・・・ｐ線
との交点）に円筒セル３８が設けられるとともに、縦デ
ィバイダ３６と横ディバイダ３７とが外枠３１に各々接
する位置に半円筒セール４３ａ、４３ｂ、４３ｃが設け
られている。

このため、外枠３１の内部に、円筒セル３８および半円
筒セル４３ａ、４３ｂ、４３ｃの外周と、縦ディバイダ
３６および横ディバイダ３７とによって燃料棒１２が挿
入される燃料棒挿入空間４４が格子状に形成されている
。また外枠３１内の中央部には、ウォータロッド１３が
挿入されるウォータロッド挿入空間４５が形成される。

また、縦ディバイダ３６、横ディバイダ３７および円筒
セル３８の配２によって、燃料棒挿入空間４４はウォー
タロッド挿入空間４５を囲む８つの小単位毎にまとめら
れている。この８つの小単位は３行３列の燃料棒挿入空
！ｉ！１４４からなり、第９図に示す燃料集合体５０に
対応するものである。

そして、同−小φ位に属する隣合う燃料棒挿入空間の燃
料棒中心間距１ｉｌｉｒ１は、異なる小ψ位に属する隣
合う燃料棒挿入空間の燃料棒中心間距離ｒ２より小さく
設定されている。

続いて、このような燃料棒スペーサ３０を構成する外枠
３１、縦ディバイダ３６、横ディバイダ３７および円筒
セル３８について説明するが、基本的に第１５図に示す
燃料棒スペーサ３０と同一構造を有する縦、横ディバイ
ダおよび外枠の内部に配設される円筒セルについてはそ
の説明を省略する。

外枠３１を形成するサイドバンド３２，３３゜３４．３
５は第３図（Ｂ）に示すように片端部が湾曲形成された
コーナ部４７を有して平面路り字形となっている。この
サイドバンド３２．３３゜３４．３５の側面外方には、
複数個のローブ４８がサイドバンド３２，３３．３４．
３５に一体的に突出形成される。このローブ４８よって
外枠３１を取囲む燃料チャンネルとの間隔が一定に保持
される。

また、サイドパ・ンド３２．３３．３Ａ、３５の上縁に
は、第３図（Ａ）に示すように燃料チャンネルにチャン
ネルボックスを取付けるときの導入部として作用する内
側上方に突出形成された台形状の案内突起４９が複数設
けられている。これらの案内突起４９は外枠３１内面近
傍を昇流する冷却材を突出方向に沿って案内し、これら
の周辺に位置する燃料棒１２の有効な冷却材流漬を増加
させる作用を有している。そして、これらの案内突起４
９の内、異なる小単位に属する隣合う燃料棒挿入空間に
位置する案内突起４９ａは、同一小単位に属する隣合う
燃料棒挿入空間に位置する案内突起４９ｂに比べて大き
く形成されている。

さらに、外枠３１のサイドバンド３２．３３゜３４．３
５の幅方向の上、下部には大径、小径の２種類の半円筒
セル４３ａ、４３ｂおよび４３Ｃを固着するために複数
打法き形成した係合溝５１が長手方向に連続して設けら
れている。

さらにまた、サイドバンド３２．３３，３４゜３５の下
端部には第３図（Ｃ）に示すように燃料チャンネル内周
面に沿って昇流する冷却材を燃料棒スペーサ３０内へ案
内するための冷却材案内部材５３が一体的に設けられて
いる。この冷却材案内部材５３はサイドバンド３２．３
３，３４．３５の長手方向に一様に形成され、その長さ
は燃料集合体内に燃料チャンネルを装着する際、燃料チ
ャンネルの四隅コーナ部（図示せず）と干渉することの
ないように設定されている。サイドバンド３２．３３，
３４．３５の各冷却材案内部材５３は略Ｓ字形に形成さ
れ、その案内部５３ａがサイドバンド３２〜３４の側面
外方に向って湾曲し、さらに下方に傾斜して突出するよ
うに延びている。

また、第３図（Ｂ）に示すようにコーナ部４７上縁およ
び下縁には突起５４が形成され、この突起５４はコーナ
部４７の内面壁から弓形に突設され、かつ燃料棒１２が
燃料棒挿入空間４４に円滑に装着できるように縦方向に
若干突出するように湾曲状に形成されている。

第４図に示す半円筒セル４３ｂは外枠３１を形成するサ
イドバンド３２〜３５に取付けられるもので、同一小単
位に属する隣合う燃料棒挿入空間位置に配設され、半円
筒形状をなしている。半円筒セル４３ｂの側部上下には
サイドバンド３２〜３５に穿設された保合溝５１と係合
する突片５６が形成されている。そして、半円筒セル４
３ｂの略中央上下部には縦、横ディバイダ３６．３７の
端部上下に形成された突片（図示せず）と係合する係合
溝５７が切欠き形成されている。

第５図に示す半円筒セル４３８．４３Ｃは半円筒セル４
３ｂと同様にサイドバンド３２〜３５に取付けられ、半
円筒セル４３ａは半円ｆＭｔ＝ル４３ｂと同一径であっ
て同様の燃料棒挿入空間の別の位置に配設され、半円筒
形状をなしている。そして、半円筒セル４３ｂと同様に
突片５６Ｊ３よび係合溝５７が形成されているが、半円
筒セル４３ａ。

４３ｃは係合溝５７を中心として左右両側の対称の位置
に燃料棒１２を支持するための凸部５９が上下各々設け
られている。

なお、半円筒セル４３Ｃは異なる小単位に属する隣合う
燃料棒挿入空間に配設されること、および半円筒セル４
３ａ、４３ｂより大径の半円筒形状に形成される以外は
前記半円筒セル４３ａと同様の構造を有している。

第６図に示す支持板６０はウォータロッド１３の軸方向
に沿った方向で形状の変化のない１枚の肉簿板からなり
、その左右両端を湾曲さける曲部６１を形成したことで
、平面路コ字形をなしている。この支持板６０は第１図
に示すようにウォータロッド挿入空間４５を形成する縦
、横ディバイダにおいて、互いに接していない斜め方向
での縦、横ディバイダを連結するようにして一体に結合
支持されている。

次に本実施例の作用を説明すると、サイドバンド３２〜
３５の下端部に長手方向に沿って一様に冷却材案内部材
５３を設けたことにより、第７図に示すように燃料チセ
ンネル４０の内周面近傍を上界する冷却材流ａは燃料棒
スベーナ３０のサイドバンド下端部の冷却材案内部材５
３の位置に達すると、その案内部５３ａに沿って案内さ
れて燃料棒スペーサ３ｏの内方に向けられる。その結果
、冷ｌＪｌ材流ａは燃料棒１２間を上界する冷ＩＪ材主
流Ｃと合流し、冷却材主流Ｃの流れωが増加づることに
なる。

また、本実施例では同一小単位に属する隣合う燃料棒挿
入空間および胃なる小単位に属する燃料棒挿入空間の各
々に位置するサイドバンド上縁に設けられた案内突起３
８の下部に軸方向断面形状の変化のない半円筒セル４３
ａ、４３ｂ、４３ｃを配設したので、第８図に示すよう
に燃料チレンネル４０の内周壁面沿いに上昇する冷却材
流ａの一部は半円筒セル４３ａ、４３ｂ、４３ｃ内を円
滑に上昇し、さらに案内突起４９の突出方向である燃料
棒スペーサ内方に向けて拡散され、冷却材流ａは上記と
同様に燃料棒１２間を上昇する冷却社主流Ｃの流１を一
段と増加させることができる。

そして、案内突起４９の内、挿入空間が広く、異なる小
単位に属する隣合う燃料棒挿入空間に位置する案内突起
４９ａと半円筒セル４３Ｇを他方の案内突起４９ｂと半
円筒セル４３ａより大きくしたので、冷却材の拡散効果
が向上し、さらに−段と冷却材主流の流出を増加させる
ことができる。

このように本実施例によれば、燃料棒１２間を上昇する
冷却材流を有効に増加させることで、燃料棒１２の冷却
効率を高めることができ、これにより燃料集合体の限界
出力が向上することになる。

〔発明の効果〕

以上の通り本発明によれば、冷却材を燃料棒間に有効的
にかつ積極的に案内し、特に燃料チャンネル周辺部に位
置する燃料棒の冷却効率を高めることができ、しかも燃
料棒の伝熱面が蒸気泡によって部分的に覆われるのを有
効的に防止し得、その結果、燃料棒のバーンアウト現象
を未然にかつ確実に防ぎ、燃料集合体の限界出力を向上
させることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による燃料棒スペーサを示す
平面図、第２図は第１図に示す外枠の側面図、第３図（
Ａ＞、（Ｂ）および（Ｃ）は第１図に示すサイドバンド
の側面図、平面図および正面図、第４図および第５図は
第１図に示す半円筒セルの斜視図、第６図は第１図に示
す支持板の斜視図、第７図および第８図は燃料集合体に
おいて第１図の燃料棒スペーサを流れる冷却材の流れを
示す断面図、第９図は第１図に示す燃料棒の単位毎にま
とめた燃料集合体の平面図、第１０図は従来の格子型燃
料棒スペーサを示す平面図、第１１図は第１０図の刈−
ｘｉａＩｉ面図、第１２図は従来の円筒セル型燃料棒ス
ペーサを示す平面図、第１３図は第１２図に示す外枠の
側面図、第１４図は従来のへ角形筒状セルを示す平面図
、第１５図は従来の格子点リング型スペーサを示す平面
図、第１６図および第１７図は燃料集合体内で第１５図
の燃料棒スペーサ部を流れる冷却材の流れを示す断面図
、第１８図は第１５図の部分拡大平面図、第１９図は第
１８図のＸ　ＩＸ　−Ｘ　ＩＸ線断面図である。 １２・・・燃料棒、１３・・・ウォータロッド、３０・
・・燃料棒スペーサ、３１・・・外枠、３６・・・縦デ
ィバイダ、３７・・・横ディバイダ、３８・・・円筒セ
ル、４３ａ、４３ｂ、４３ｃ・・・半円筒セル、４４・
・・燃料棒挿入空間、４５・・・ウォータロッド挿入空
間、４９・・・案内突起、５３・・・冷却材案内部材。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第ａ図 第 図 第 図 第 図 第 図 第１１ 図 と 第１４図 ｄ 第１２図 第１３図 第五６図 第１７図 第１８図 第１９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　略矩形状の外枠の内部に、外枠の横辺と平行する複数
   の横ディバイダと、これらの横ディバイダと直交する複
   数の縦ディバイダと、前記横ディバイダと縦ディバイダ
   との交点に位置する円筒セルとを設け、前記外枠内部に
   円筒セルの外周と横ディバイダおよび縦ディバイダによ
   つて格子状の燃料棒挿入空間を形成してなる燃料棒スペ
   ーサにおいて、前記外枠の内周面と前記横ディバイダお
   よび縦ディバイダとの接点に半円筒セルを設けるととも
   に、前記外枠の下端部に冷却材案内部材を設けたことを
   特徴とする燃料棒スペーサ。