JPH02285286A - 燃料集合体および燃料スペーサ - Google Patents

燃料集合体および燃料スペーサ

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JPH02285286A
JPH02285286A JP1106589A JP10658989A JPH02285286A JP H02285286 A JPH02285286 A JP H02285286A JP 1106589 A JP1106589 A JP 1106589A JP 10658989 A JP10658989 A JP 10658989A JP H02285286 A JPH02285286 A JP H02285286A
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修 横溝
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Koji Nishida
浩二 西田
Shigeto Murata
重人 村田
Shinichi Kashiwai
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Kotaro Inoue
孝太郎 井上
Yuichiro Yoshimoto
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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、燃料集合体および燃料スペーサに係り、特に
、熱源としての燃料棒から冷却材への熱伝達を促進し、
燃料集合体の熱的余裕を向上させるとともに、ボイド率
を低下させて反応度を増加させる燃料集合体および燃料
スペーサの構造に関するものである。
〔従来の技術〕
加圧木型原子炉用燃料集合体の熱伝達効率の向上を目的
としたスペーサの構造を示す例としては。
例えば特願昭４２−３２３７２号がある。この例は、燃
料棒を取り囲む四辺の中央に格子型スペーサと羽になる
障害物とをそれぞれ１個ずつ設けた構造になっている。
冷却材は、この羽の形状と取り付は位置とにより、燃料
棒を覆うようにその周りに沿って流れる。
このように冷却材を混合させると、熱伝達が促進され、
炉心の熱的余裕が増大する。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところが、上記技術は、加圧水型原子炉ＰＷＲに関する
ものであり、これを沸騰水型原子炉ＢＷＲで用いた場合
は、上記目的の達成が困難である。
ＢＷＲの炉心は、ボイドが発生し、発生位置よりも下流
では、二相流となる。
従来の燃料棒間の二相流領域における冷却材の流動状態
を第１１図および第１２図に示す。二相流領域において
、液相は、燃料棒１の表面に液膜として付着し、または
、蒸気中に液滴として存在する流れとなる。一方、蒸気
は、液滴を含み、燃料棒１に挾まれた燃料棒間空間を流
れる。この二相流領域で、上記従来の燃料スペーサを用
いると、冷却材は、燃料棒１の周囲に沿うような流れと
なる。これでは、遠心力により、燃料棒１に付着してい
る液膜を剥ぎ取るような流れとなり、燃料棒１に付着す
る液膜量が少なくなる。その結果、燃料棒１が裸になっ
てしまい、ドライアウトを起こしやすい。このため、沸
騰遷移する出力、すなわち、限界出力が下がる欠点があ
った。
また、障害物を設けたことにより、単相流および二相流
のいずれにおいても、圧力損失が増大する。したがって
、炉心の熱的余裕も減少することになる。
このようなりＷＲ炉心におけるボイドの発生により冷却
材が二相流となる領域において、燃料棒に付着して流れ
る液膜流量を増加させることができれば、熱伝達が促進
され、炉心の熱的余裕が増大すると考えられる。
この考え方に沿った解決策の一例が、例えば特開昭６１
−９００８５号として提案されている。
本例は、燃料棒を挿し通すセルを多数集めて形成した燃
料スペーサにおいて、ＩＩＳ接したセルに囲まれて冷却
材を流動させる空間を形成するセル側面に、冷却材の流
れを燃料棒の方向に案内する案内部を設けた燃料スペー
サを示している。
しかし、この従来例においても、各セルの下端から上端
まで案内部としてのガイド溝を形成してあり、圧損がま
だ多かった。また、この斜めのガイド溝を形成すること
が困難であり、燃料棒を所定位置に保持するための上下
のスプリング部分と一工程で形成することは不可能であ
った。その結果、コストアップは避けられなかった。さ
らに問題となる点は、筒を局部的に急角度に屈曲させガ
イド溝を形成した部分の強度が十分でないことである。
本発明の目的は、燃料棒を正しい位置に保持するという
燃料スペーサ本来の機能を果たすのに十分な強度を確保
しながら、熱源としての燃料棒から冷却材への熱伝達を
促進し、燃料集合体の熱的余裕を向上させるとともに、
ボイド率を低下させて反応度を増加させる燃料スペーサ
とこの燃料スペーサを備えた燃料集合体とを提供するこ
とである。
〔課題を解決するための手段〕 本発明は、上記目的を達成するために、規則的に配列さ
れた複数のセルからなり各セル内に挿し通される燃料棒
を正しい間隔に保つ燃料スペーサを前記燃料棒の長手方
向に複数段配置した燃料集合体において、燃料スペーサ
の各セルがこのセルの側壁の一部に形成した切り込みか
ら曲げられて燃料棒間空間に斜めに突出し、前記空間を
二相流状態で流れる冷却材に燃料棒へ向かう旋回流を生
じさせるベーンを備えた燃料スペーサを提案するもので
ある。
前記ベーンは、燃料スペーサのセル側壁の上下の中間に
形成しても、セル側壁の上端から形成してもよい。
本発明は、また、燃料棒の長手方向に沿って燃料棒間空
間のセルに固定され、内部に斜めに突出させたベーンを
有し、前記空間を二相流状態で流れる冷却材に燃料棒へ
向かう旋回流を生じさせる筒を備えた燃料スペーサを提
案するものである。
本発明は、さらに、燃料棒間空間のセルに固定され、前
記空間を二相流状態で流れる冷却材に燃料棒へ向かう旋
回流を生じさせるらせん状ベーンを備えた燃料スペーサ
を提案するものである。
本発明は、併せて、上記いずれかの燃料スペーサを燃料
棒長手方向の少なくとの最上段に備えた燃料集合体を提
案するが、いずれの場合も、前記ベーンを各燃料スペー
サ断面内で外周から２列目までの前記燃料棒間空間にの
み備えることができる。
また、前記ベーンを含まない通常の燃料スペーサを燃料
棒の下段に配置し、ベーンを備えた燃料スペーサを燃料
棒の上段に配置することも、ベーンを含まない通常の燃
料スペーサを燃料棒の下段に配置し、セル側壁にベーン
を備えた燃料スペーサを燃料棒の中段に配置し、セルに
ベーンを外付けした燃料スペーサを燃料棒の上段に配置
することも可能である。
【作用〕
ＢＷＲ用燃料集合体での二相流領域においては、従来例
のように冷却材の流れを単に燃料棒の方向に案内するよ
りも、燃料棒間に旋回流を生じさせ、乱流の状態にした
方が、燃料棒から冷却材への熱伝達率が上がると考えら
れる。
第１３ａ！ｌに示すように、複数の燃料棒１に挾まれた
空間に旋回流を生じさせると、蒸気中に含まれている液
滴が、その旋回流による遠心力のために、燃料棒１に沿
って流れる液膜に付着する。したがって、従来の燃料棒
上の液膜よりも流量が増加し、燃料棒の熱的余裕度が増
え、限界出力が上がる。
また、旋回流の遠心力で蒸気中の液滴が燃料棒の表面に
運ばれるので、蒸気中の液滴量が減り、流動状態として
みると、液相が燃料棒に沿って流れ蒸気が流路中心を流
れる分離流に近付く。
このように、分離流になると、蒸気は液滴を伴って流れ
る必要がなくなるから、液滴を下流に移動させるのに必
要な運動量が不要となり、蒸気はその分だけ速度が増加
し、結果的に蒸気と液相との速度差が大きくなる。
蒸気の液相との速度差が大きくなったときの流路断面を
占める気相の面積割合（ボイド率）がどのように変化す
るかを第１４図に示す。
ここで横軸のスリップ比は、蒸気と液相との速度比（蒸
気速度／液相速度）で定義され、スリップ比が大きいと
いうことは、蒸気と液相との速度差が大きいことを意味
する。
第１４図から、スリップ比が大きくなるに従い、ボイド
率が小さくなることがわかる。すなわち、流路断面での
蒸気の割合が小さくなり、断面内での減速材密度が大き
くなる。
したがって、本発明においては、減速材の密度が大きく
なり、高い反応度が得られ、燃料の経済性が向上する。
併せて、限界出力も上がる。
〔実施例〕
次に第１図〜第１０図を参照して、本発明の詳細な説明
する。
ＢＷＲ用燃料集合体は、第９図および第１０図に示すよ
うに、燃料被覆管１１内に燃料ペレット１２を充填し上
下端にエンドプラグ１３を溶接して形成された燃料棒１
を、チャンネルボックス７内に例えば８行８列に配列し
、上下端をタイブレート８，９で固定し、上部にハンド
ル１０を取り付けたものである。細くて長い燃料棒１を
正しい間隔に保つために、上下数個所に燃料スペーサ２
を配置しである０本発明はこの燃料スペーサに関するも
のである。
本発明による燃料スペーサの一実施例を第１図および第
２図に示す０本実施例においては、燃料棒１を支持する
丸セル型スペーサ２にベーン３を設ける。旋回流を生じ
させるためのベーン３は、丸セル２の側壁に切り込みを
入れ、この部分がら側壁の一部を外側に斜めに折り曲げ
て形成する。
これらベーン３は、第７図に示すように、丸セル２に囲
まれん菱形の燃料棒間空間５に向けて配置する。ベーン
３は、内側の列の丸セル１個に対して最大の４個を設け
、コーナ一部の丸セル１個に対して最小の１個を設ける
。
このような構造の本実施例においては、ベーン３が燃料
棒間空間に旋回流を生じさせるので、燃料棒１への液滴
の付着量が増加し、燃料棒１表面上の液膜が厚くなる。
その結果、燃料棒１から冷却材液膜への熱伝達が促進さ
れ、限界出力が上がり、熱的余裕が増大する。
ベーン３を形成するための切り込みは、燃料棒を保持す
るエンボス加工のスプリング部分と同時に簡単に形成で
きる。したがって、セルの下から上まで通った従来例の
斜めのガイド溝のように、形成が困難で工程数が増加す
るという欠点はない。
また、セルの筒を下から上まで局部的に急角度に屈曲さ
せてガイド溝を形成する代りに、セル側壁のごく一部に
切り込みを入れてベーン３を形成しであるので、側壁の
強度は十分である。さらに。
燃料棒間空間５における圧損が少なり、シかも、セルと
燃料棒との間の液膜すなわちセル内側の液膜の流れに乱
れを生じさせない利点もある。
なお、ベーン３は、先端が燃料棒間空間５に斜めに突出
していればよいから、本実施例の逆り字形の切り込みに
限らず、例えばコ字形の切り込みにより形成することも
可能である。
本発明による燃料スペーサの他の実施例を第３図および
第４図に示す０本実施例においては、燃料棒１を支持す
る丸セル型スペーサ２の上端から縦に切り込みを入れ、
丸セル２の側壁の一部を外側に折り曲げベーン３を形成
する。
このような構造を採用すると、第１図および第２図に示
した実施例と同様に、燃料棒１から液膜への熱伝達が促
進され、燃料棒の熱的余裕が増大する。また、ベーン３
を形成する工程が、第１図および第２図の実施例と比較
して、より単純である。
さて、上記のベーン３を備えた燃料スペーサ２を設置す
ると、燃料棒間空間５においては、燃料棒１の上端に近
付くほど、空間５を蒸気に乗って流れる液滴が実質的に
少なくなり、ベーン３を設けたことによる圧損の増加量
が急激に減少する。
このように、燃料棒１の上端付近では、圧損の増加は殆
ど問題にならなくなるので、更に強力な旋回流を生じさ
せて液膜を十分に確保することが。
より重要になる。
この要求に答える他の実施例を第５図および第６図に示
す０本実施例においては１個々の丸セル型スペーサ２に
は直接加工を施さず、内部にベーン３を設けた薄肉の円
管４を丸セル型スペーサ２に固定し、燃料棒間空間５に
配置しである。
本実施例によれば、前記実施例と同様に１円管４内で旋
回流が生じるために、燃料棒１から液膜への熱伝達が促
進され、燃料棒１の熱的余裕が増大する。さらに、円管
４内にベーン３を設けたので、上記実施例の丸セルの側
壁の一部をベーン３とした場合と比較して、ベーン３の
長さや形状を自由に設計でき、より強力な旋回流を確実
に発生させることができる。なお、管４の断面は円であ
る必要はなく、できるだけ圧損が少なく丸型セル２の側
壁に十分固定できれば、角張った断面でもよい。
燃料棒１の上端付近において、さらに強力な旋回流を生
じさせるには、第８図に示すようならせん状ベーン３を
採用することも考えられる。
ベーン３により発生する旋回流のメリットとベーン３を
設けることによる圧損の増加とを考慮すると２本発明の
ベーン３は、燃料棒１の長手方向の全領域に互って、一
つの型のものを設ける必要はない。
すなわち、圧損が考慮すべきより重要なファクタとなる
燃料棒の下段には、ベーンを含まない通常の燃料スペー
サを配置し、旋回流の発生がより重要なファクタとなる
燃料棒の上段には、ベーンを備えた燃料スペーサを配置
することが望ましい。
また、ベーンを含まない通常の燃料スペーサを燃料棒の
下段に配置し、第１図、第２図または第３図、第４図に
示した燃料スペーサを燃料棒の中段に配置し、第５図、
第６図または第８図に示したベーンを備えた燃料スペー
サを燃料棒の上段に配置することも考えられる。
なお、第７図の断蘭上、熱的には、外周の２列の燃料棒
がより厳しい状況に置かれるので、これら２列の燃料棒
間の空間にのみベーンを配置してもよい。
〔発明の効果〕
本発明によれば、燃料棒間空間に配置したベーンにより
旋回流が生じるので、熱源としての燃料棒から冷却材へ
の熱伝達が促進され、燃料集合体の熱的余裕が上るとと
もに、ボイド率が低下し、反応度が増加する。
その際に、ベーンは、スペーサセルの下から上まで斜め
に形成した従来例のガイド溝とは異なり。
燃料スペーサの側壁の一部を曲げただけであるから、燃
料棒を正しい位置に保持するという燃料スペーサ本来の
機能を果たすのに十分な強度を確保できる。
また、スペーサのエンボス加工と同時に側壁の一部に切
り込みを入れ、そこから側壁を曲げてベーンを形成する
ので、製造が簡単である。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図は本発明によるセル側壁の中間にベ
ーンを形成した燃料スペーサの実施例を示す図、第３図
および第４図は本発明によるセル側壁の上端からベーン
を形成した燃料スペーサの実施例を示す図、第５図およ
び第６図は本発明による内部にベーンを形成した円管を
燃料棒間空間に配置した実施例を示す図、第７図は燃料
棒および燃料スペーサの配置の一例を示す図、第８図は
本発明によるらせん状ベーンを示す図、第９図は燃料集
合体の全体構造を示す図、第１０図は燃料棒を示す図、
第１１図および第１２図は従来の二相流領域における燃
料棒間の冷却材の流動状態を示す図、第１３図は燃料棒
間に旋回流を生じさせたときの冷却材の流動状態を示す
図、第１４図はスリップ比とボイド率との関係を示す図
である。 １・・・燃料棒、２・・・丸セル型スペーサ、３・・・
ベーン、４・・・円管、５・・・燃料棒間空間、６・・
・らせん状ベーン、７・・・チャンネルボックス、８・
・・上部タイプレート、９・・・下部タイプレート、１
０・・・ハンドル、１１・・・燃料被覆管、１２・・・
燃料ペレット、１３・・・エンドプラグ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、規則的に配列された複数のセルからなり各セル内に
    挿し通される燃料棒を正しい間隔に保つ燃料スペーサを
    前記燃料棒の長手方向に複数段配置した燃料集合体にお
    いて、 少なくとも最上段の前記燃料スペーサのセルが、当該セ
    ルの側壁の一部に形成した切り込みから曲げられて前記
    燃料棒間空間に斜めに突出し、当該空間を二相流状態で
    流れる冷却材に前記燃料棒へ向かう旋回流を生じさせる
    ベーンを備えたことを特徴とする燃料集合体。 ２、請求項１に記載の燃料集合体において、前記ベーン
    を前記燃料スペーサのセル側壁の上下の中間に形成した
    ことを特徴とする燃料集合体。 ３、請求項１に記載の燃料集合体において、前記ベーン
    を前記燃料スペーサのセル側壁の上端から形成したこと
    を特徴とする燃料集合体。 ４、規則的に配列された複数のセルからなり各セル内に
    挿し通される燃料棒を正しい間隔に保つ燃料スペーサを
    前記燃料棒の長手方向に複数段配置した燃料集合体にお
    いて、 前記燃料棒の長手方向に沿って前記燃料棒間空間の少な
    くとも最上段の前記セルに固定され、内部に斜めに突出
    させたベーンを有し、前記空間を二相流状態で流れる冷
    却材に前記燃料棒へ向かう旋回流を生じさせる筒を備え
    たことを特徴とする燃料集合体。 ５、規則的に配列された複数のセルからなり各セル内に
    挿し通される燃料棒を正しい間隔に保つ燃料スペーサを
    前記燃料棒の長手方向に複数段配置した燃料集合体にお
    いて、 前記燃料棒間空間の少なくとも最上段の前記セルに固定
    され、前記空間を二相流状態で流れる冷却材に前記燃料
    棒へ向かう旋回流を生じさせるらせん状ベーンを備えた
    ことを特徴とする燃料集合体。 ６、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料集合体に
    おいて、 前記ベーンを各燃料スペーサ断面内で外周から２列目ま
    での前記燃料棒間空間にのみ備えたことを特徴とする燃
    料集合体。 ７、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料集合体に
    おいて、 前記ベーンを含まない通常の燃料スペーサを前記燃料棒
    の下段に配置し、前記ベーンを備えた燃料スペーサを前
    記燃料棒の上段に配置したことを特徴とする燃料集合体
    。 ８、規則的に配列された複数のセルからなり各セル内に
    挿し通される燃料棒を正しい間隔に保つ燃料スペーサを
    前記燃料棒の長手方向に複数段配置した燃料集合体にお
    いて、 ベーンを含まない通常の燃料スペーサを前記燃料棒の下
    段に配置し、請求項１〜３のいずれか一項に記載の前記
    ベーンを備えた燃料スペーサを前記燃料棒の中段に配置
    し、請求項４または５に記載のベーンを備えた燃料スペ
    ーサを前記燃料棒の上段に配置したことを特徴とする燃
    料集合体。 ９、規則的に配列された複数のセルからなり各セル内に
    挿し通される燃料棒を正しい間隔に保つ燃料スペーサに
    おいて、 前記燃料スペーサの各セルが、当該セルの側壁の一部に
    形成した切り込みから曲げられて前記燃料棒間空間に斜
    めに突出し、当該空間を二相流状態で流れる冷却材に前
    記燃料棒へ向かう旋回流を生じさせるベーンを備えたこ
    とを特徴とする燃料スペーサ。 １０、請求項９に記載の燃料スペーサにおいて、前記ベ
    ーンを前記燃料スペーサのセル側壁の上下の中間に形成
    したことを特徴とする燃料スペーサ。 １１、請求項９に記載の燃料スペーサにおいて、前記ベ
    ーンを前記燃料スペーサのセル側壁の上端から形成した
    ことを特徴とする燃料スペーサ。 １２、規則的に配列された複数のセルからなり各セル内
    に挿し通される燃料棒を正しい間隔に保つ燃料スペーサ
    において、 前記燃料棒の長手方向に沿って前記燃料棒間空間の前記
    セルに固定され、内部に斜めに突出させたベーンを有し
    、前記空間を二相流状態で流れる冷却材に前記燃料棒へ
    向かう旋回流を生じさせる筒を備えたことを特徴とする
    燃料スペーサ。 １３、規則的に配列された複数のセルからなり各セル内
    に挿し通される燃料棒を正しい間隔に保つ燃料スペーサ
    を前記燃料棒の長手方向に複数段配置した燃料スペーサ
    において、 前記燃料棒間空間の前記セルに固定され、前記空間を二
    相流状態で流れる冷却材に前記燃料棒へ向かう旋回流を
    生じさせるらせん状ベーンを備えたことを特徴とする燃
    料スペーサ。
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