JPH03185394A - 沸騰水形原子炉における液膜剥ぎ取り器付き燃料集合体 - 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、互いに平行に配置されている複数の燃料棒を
有し、これらの燃料棒が細長い燃料集合体ボックスの内
部にその脚部と頭部との間を延びて配置され、燃料集合
体ボックスの脚部に冷却材の燃料集合体ボックス内部室
への入口開口があり、頭部に冷却材の燃料集合体ボック
ス内部室からの出口開口があり、燃料集合体ボックスの
内側面が流れ方向に真っ直ぐな基準線とこれに対して垂
直に延びる液膜剥ぎ取り器（フロー・トリッパ）とを持
つプロフィル材を有しているような沸騰水形原子炉にお
ける液膜剥ぎ取り器付き燃料集合体に関する。

（従来の技術〕 燃料集合体を設計する際に、中性子の発生および流れを
最適にするため、活性燃料棒における蒸気の発生を増大
するため、十分な機械的強度および耐食性を保証するた
め、および別の影ｍｌ（例えば腐食あるいは熱的変化）
を除去するために、互いに部分的に矛盾する種々の条件
を考慮しなければならない。

核燃料物質例えば二酸化ウランあるいはウラン・プルト
ニウム酸化物を含む燃料棒は、機械的構造物によって保
持されている。この構造物は同時に水流および蒸気流を
案内する働きも荷なっており、燃料集合体のいわゆる骨
組を形成している。

燃料棒は燃料集合体ボックスの内部に長手方向に互いに
平行に配置されている。燃料集合体ボックスは長手方向
において燃料集合体の脚部と頭部との間を延びており、
水で貫流される。その除水は燃料集合体の脚部の入口開
口を通して流入し、−部を蒸発しながら燃料棒に沿って
流れ、高温の燃料棒表面において十分に気化され、水・
蒸気混合物として頭部の出口開口から流出する。

燃料棒においてできるだけ−様な冷却作用で高い沸騰出
力を伴う大きな熱伝達を得るために、燃料集合体ボック
スの長手軸線に沿って圧力差を有する流れを維持しなけ
ればならない、そのために、燃料集合体ボックスの出口
開口から蒸気タービンを介して入口開口に通じる密閉水
回路に、相応した搬送装置が設けられている。燃料集合
体ボックスの外側には、中性子を減速するための非沸騰
水と、中性子バランスを制御するための制御可能な吸収
体が存在している。原子炉の活性領域の内部における中
性子の吸収を少なくするために、その骨組部品および特
に燃料集合体ボックスに対して、特別な材料一般にはジ
ルコニウム合金が利用される。しかしこのジルコニウム
合金は機械的強度が小さい、従って燃料集合体ボックス
の内部と外部との圧力差は燃料集合体ボックスの変形を
容易に生じさせるおそれがある。

中性子の流れを改良するために一般には、燃料集合体ボ
ックスの内部において燃料棒に対して用意された幾つか
の位置がいわゆる「ウォータロッド」、即ち燃料棒の形
をしているが非沸騰水を案内するチャネルに置き換えら
れている。横断面正方形の燃料集合体ボンクスの場合に
は、その横断面が正多角形特に正方形をしているウォー
タチャネルを利用することが既に提案されている（ドイ
ツ連邦共和国実用新案登録第８８０２５６５号明細書参
照）、即ちウォータチャネルは、燃料集合体ボックスの
内部において燃料棒に対して平行に延びる内側壁によっ
て横側が燃料棒に対して閉じられている。その場合、ウ
ォータチャネルとボックス壁との間の中間室に流れ案内
面を設けることが有利である。この流れ案内面は、燃料
棒に水が一様に供袷されるようにするために、流れを一
様にし、蒸気泡および液滴の旋回作用を生じさせる。

この流れ案内面は特に、燃料棒に対するスペーサとして
使用される格子状構造物に設けられる。

機械的安定性を高めるために、燃料集合体ボックスの内
部に燃料集合体ボックスの相対する両側壁を互いに結合
する内側壁を設けることが、ヨーロッパ特許出願公開第
８９１１９１７６号明細書で提案されている。この場合
、その内側壁がスペーサと燃料棒と燃料集合体の頭部お
よび脚部における燃料棒に対する固定要素と一緒に、燃
料集合体ボックス壁に対して移動でき、燃料集合体を点
検する際に引き出せるような構造部品として作られてい
ると有利である。

燃料集合体について種々の要件を最適化するために、米
国特許第４７４９５４３号公報において、燃料集合体ボ
ックスの外側面に対して、横断面正方形の燃料集合体ボ
ックスの角において補強ボックス壁を形成し特にボック
ス下側部分において縦方向ないし横方向に延びる壁補強
体を形成するプロフィル材を設けることが提案されてい
る。この補強により補強体間の範囲において壁厚を薄く
できるので、燃料集合体ボックスに対する中性子吸収材
料は全体として少なくて済む。

ボックス壁の内側面に流れ方向に対して垂直に延びる溝
が追加的に切削加工されている。この溝は一方では、液
膜剥ぎ取り器（フロー　トリッパ）として燃料集合体ボ
ックスの内側面を這い上がる液膜を剥ぎ取り、液滴の形
で沸騰水の流れに運び入れる目的を有している。燃料集
合体の上側３分の１の範囲では高温の燃料棒表面におけ
る水の蒸発作用のために、水蒸気および水滴から威る沸
騰水が増大する。従ってこの燃料集合体の上側３分の１
の範囲において、燃料棒に液状水の按分量が高い冷却材
を導かねばならない、前記溝は他方では、流れ横断面積
を増大することによって蒸発の際の容積増大により生ず
る圧力に対抗する働きをする。しかし溝によって薄くさ
れた壁厚の範囲における機械的安定性を保つために、燃
料集合体ボックスの外側面は、肉厚を増大して補強範囲
を生ずる上述のプロフィル材を有している。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、改良された液膜剥ぎ取り器を持つ燃料
集合体を提供することにある。この液膜剥ぎ取り器は、
利用されていない冷却材を搬送する燃料集合体ボックス
壁における液膜を剥ぎ取り、燃料棒の表面に向けて導か
ねばならない、これによって熱伝達を良好にし燃料棒に
おける沸騰出力を増大して良好な冷却作用が得られるよ
うにする。

この場合同時に、冷却材の流れ状態および圧力状態、並
びに中性子流の分布ができるだけ害されないようにしな
ければならない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によればこの課題は、冒頭に述べた形式の燃料集
合体において、液膜剥ぎ取り器が冷却材流の側に突出し
た膨出部として形成され、この膨出部が冷却材上流側の
傾斜面に流れ方向に対して垂直な衝突面を有しているこ
とによって解決される０本発明の有利な実施態様は特許
請求の範囲の実施態様項に記載されている。

〔実施例〕

以下図面に示した実施例を参照して本発明の詳細な説明
する。

第７図に示すように沸騰水形原子炉は圧力容器Ｐｐを有
している。燃料集合体ＢＥが垂直に配置されている炉心
はこの圧力容器Ｐｐ内に存在している。蒸気出口配管Ｄ
Ａは発電機Ｇを駆動する蒸気タービンＤＴに通じている
。ｕｉ水器Ｃで凝縮された復水は給水ポンプＰを介して
圧力容器ｐｐの水入口配管ＷＥに導かれる。

燃料集合体ＢＥ内における非蒸発水も水回路ＷＣおよび
冷却材ポンプＷＰを介して循環される。

圧力容器ｐｐ内に存在する燃料集合体ＢＥは垂直に配置
された複数の燃料棒ＳＴ（第８図参照）を有し、これら
の燃料棒ＳＴは下端が燃料集合体脚部Ｆｔで保持され、
上端が燃料集合体頭部にで保持され、横倒がウォータボ
ックス（燃料集合体ボックス）ＷＫで包囲されている。

燃料集合体ＢＥの頭部Ｋには水・蒸気混合物の出口開口
Ｏが設けられている。この水・蒸気混合物は密閉回路内
の図示していない（例えば蒸気を乾燥するための）構造
部品を介して蒸気タービンＤＴに導かれる。

燃料集合体脚部Ｆｔにある入口開口は図面には示されて
いない。

燃料棒ＳＴはウォータボックスＷＫ内において燃料棒Ｓ
Ｔ間を横方向に延びるスペーサＡＨによって保持されて
いる。第８図には１個のスペーサＡＨＬ、か示されてい
ないが、普通は約５〜７個のスペーサＡＨがほぼ等間隔
でウォータボックスＷＫ内に配置されている。

ウォータボックスＷＫの長手方向に非沸騰水用のウォー
タチャネルＣＡＮが延びている。このウォータチャネル
ＣＡＮは燃料集合体脚部Ｆｔにおける入口開口および燃
料集合体頭部Ｋにおける出口開口０′を介してポンプＰ
およびポンプｗＰの回路に接続されている。

第９図におけるウォータボックスＷＫの横断面図におい
て、燃料集合体ＢＥは正方形の格子目内に配置されてお
り、燃料棒ＳＴに対して９×９の数の位置が存在してい
る。燃料集合体ＢＨの中央には燃料棒の代わりにウォー
タチャネルが配置されている。このウォータチャネルは
この実施例においてはウォータボックスＷＫ内における
管状の内壁（いわゆるウォータロッドＷＳ）で形成され
ている。

第１０図の実施例において、ウォータボックスＷＫは同
様に横断面正方形をしている。しかしこの実施例の場合
、ウォータロッドＷＳ％ＷＳ′を持つ複数の内側壁が設
けられている。ここでは燃料棒ＳＴに対して９Ｘ９−５
の数の位置しか存在していない。

既に第８図に示した横断面正方形のウォータチャネルＣ
ＡＮの構成が特に有利である。第１１図における実施例
の場合、燃料棒ＳＴに対して９×９−９の数の位置が存
在する。

第１２図における有利な実施例においては、ウォータボ
ックスＷＫの相対する両側壁は内側壁によって互いに結
合されている。この内側壁は、ウォータボックスＷＫが
横断面多角形をしている場合、それぞれウォータボック
ス壁に対して平行に延びている。第１２図の実施例にお
ける正方形のウォータボックスの場合、補強内側壁ＶＷ
は十字形構造物を形成している。かかる補強内側壁ＶＷ
はウォータボックスＷＫの壁が比較的薄いにも拘わらず
水を大きな圧力で搬送することを許し、従ってその増大
した流速は蒸気発生量を高める。ウォータボックスＷＫ
の各区画部における圧力差を補償するために、実際にウ
ォータボックスＷＫの長平方向全長に亘って延びる補強
内側壁ＶＷに、孔あるいは別の形をした貫通路が設けら
れる。

第１３図の実施例の場合も、ウオークボックス内部に内
側壁が設けられているが、この内側壁は一部が（ここで
は比較的大きな）ウォータロッドＷＳ＃を形成し、一部
が補強壁ｖＷ′として形成されている。この補強壁ｖＷ
′はウォータボックスＷＫの両側壁をウォータロッドＷ
Ｓ“を介して互いに結合している。第９図から第１１１
！ｌの実施例と異なって、ウォータロッドＷＳ１によっ
て形成されたウォータチャネルは、ウォータボックスＷ
Ｋ０）厳格に中央に位置しておらず、幾分機にずらされ
ている。

第１４図は内側壁の一部によって形成された中央のウォ
ータチャネルＣＡＮを示している。このウォータチャネ
ルＣＡＮは第７図の実施例に相応して、補強壁ｖＷ′と
して使用する別の内側壁を介してウォータボックス壁に
結合されている。

第１５図にはウォータボックスＷＫの壁が縦断面図で示
されている。矢印Ｓｓは流れ方向を示している。燃料集
合体ＢＨの下側部分においては水が、上側部分において
は水蒸気・水滴混合物が、ウォータボックスＷＫの壁の
燃料棒側の側面に沿って矢印Ｓｓの方向に流れる。ウォ
ータボックス壁ＷＫは燃料集合体ＢＨの低温下側部分か
ら燃料集合体ＢＨの蒸気案内上側室の中に突出し、燃料
集合体の外側における非沸騰水によって冷却される。こ
のウォータボックス壁ＷＫにおいては蒸発作用は生じな
い、むしろそこでは水が＠Ｆの形で這い上がる。

スペーサＡＨの帯板はその縦側面に流れ案内面として形
成された縁部ＡＫを有している。この縁部ＡＫは蒸気流
の中に、その流れの中に含まれる水滴ＴＲがその水平の
流れ方向から転向され燃料棒の方向に加速されるように
突出している。これによって水滴流Ｔｒは矢印Ｄｐの方
向に漬れる水蒸気から分離され、燃料棒ＳＴに向けて多
量の液状水が導かれる。

この分離作用は、スペーサＡＩないしその案内面として
形成された縁部ＡＫに液膜剥ぎ取り器が流れ方向におい
て前置されているときに増大される。

流れ方向における液膜剥ぎ取り器の前後において、ウォ
ータボックスの内側面に流れ方向に対して平行な基準線
Ｋｋ−Ｋｋ上をプロフィル材が延びている。従来におけ
る液膜剥ぎ取り器は満Ｎとして形成され（第１６図参照
）、この溝Ｎは流れ方向においてまず燃料集合体ボック
ス壁に切削加工された傾斜・基準面Ｒ「を持つ傾斜面を
有し、流れ横断面積を増大し、流れ方向に対して垂直な
縁部ＮＫで終えている。

液膜を確実に剥ぎ取り、液滴として冷却材流ＳＳによっ
て運び去るために、その基準線Ｒ「の傾斜面は十分な幅
を有していなければならない、他方では液膜剥ぎ取り器
の範囲において冷却材流は実際にその垂直な長手方向か
ら転向されない、不利な場合には溝Ｎはほとんど液体だ
けで充填され、有利な場合には液滴を形成している。し
かしこの液滴も、これが燃料集合体ボックス内部に向う
流速成分即ち燃料棒に向かう流速成分を有していないの
で、すぐに再び液膜として壁に付着してしまうおそれが
ある。

従って冷却容量を意図的に高めるためには、溝Ｎは十分
な幅と十分な深さにしなければならない。

これは流れ横断面積の増大および冷却液に対する圧力降
下の低減に関しては望ましいことであるが、ウォータボ
ックスの機械的安定性に対しては極めて望ましくない。

本発明によれば、液膜剥ぎ取り器の範囲においてウォー
タボックス内面壁土のプロフィルはボックス内部室の中
に膨出されており、これによってウォータボックスの冷
却材流に役立つ内側横断面イル材の上流側面）は、液体
の沫れに対して垂直な衝突［Ｐｆとして形成されている
（第１図参照）、たとえこの長手方向に対して垂直な衝
突面Ｐｆが非常に狭くとも、冷却材流はそこで液ＭＦを
剥ぎ取り、その際に生じた液滴ＴＲは衝突面Ｐｆにおい
て矢印Ｔｒ’の方向に大きな速度成分を有している。

プロフィル材の冷却材流下流側の傾斜面において蒸気は
矢印Ｄｐ’の方向に転向されるが、液滴ＴＲはウォータ
ボックス内部に加速されるので、液膜剥ぎ取り器におい
て蒸気と液滴との有効な分離が行われる。

かかる液膜剥ぎ取り器は特に、蒸気が発生する場所であ
る燃料集合体の上側部分に、即ち燃料棒のほぼ上側３分
の１の範囲に設けられている。

その場合、下流側の傾斜面を第１図に概略的に示したよ
うに平らにする必要はない、第２図は、衝突面Ｐｆとし
て作られた傾斜面がウォータボックスの内側横断面全体
の周りを延びていることを示している。下流側の「後方
の」傾斜面ｐｂにおいて一時的に狭められた流れ横断面
は再び広げられる。この傾斜面ｐｂは膨らまして形成さ
れ、その場合、両方の傾斜面の移行部が僅かしか面取り
されずに鋭い（例えば直角あるいは尖った）縁部Ｐｋを
形成していると有利である。これによって流れの剥離作
用が強化され、液滴の垂直な流れ成分子ｒが高められる
。

液膜剥ぎ取り器は合理的な製造要件に応じて種々に形成
できる。１１１ち内側に向けられた膨出部を持つ第２図
における燃料集合体ボックスは、半製品として作られ、
衝突１ｉＰｋを持つ衝突面Ｐｆが続く機械仕上げ加工に
よって形成される。

即ち例えばまず燃料集合体ボックスが形成される。その
液膜剥ぎ取り器に対して用意された壁部分の厚みはほぼ
一定している。この壁部分を曲げ加工することにより膨
出部が形成される。その場合、第３図に示した冷却材流
上流側の傾斜面Ｂの余分な壁材料を削除することにより
、衝突１ｉｊＰｆが追加加工される０曲げ加工によって
生じた突起（デインプル）ＤＰは、燃料集合体ボックス
が横断面正方形をし且つ角が面取りされている場合、そ
の正方形断面の全周に亘って延びていることが有利であ
るが、製造上においては燃料集合体ボックスの角の範囲
には突起ＤＰを設けないようにすることもできる。

突起ＤＰを有する壁部分は第３図において実際には一定
した厚みｄを有し、この厚みｄは上流側においてだけ衝
突面ＰＩの加工によって減少している。しかしこの減少
した肉厚は機械的安定性を害することはなく、例えば燃
料集合体ボックスの内部と外部上の圧力差により燃料集
合体ボックスが膨らんでしまうことはない、何故ならば
、一方では僅かな材料の切削で液膜を剥離させることが
でき、他方では壁がこの個所において内側に向けられた
曲げ加工によってもともと機械的強度が増加されている
からである。

第４図の実施例においては、厚みｄが一定している壁部
分に追加的に壁材料が設けられている。

これは最も簡単には溶接によって行われ、その場合、追
加的な壁材料は溶接材料から戒っている。

即ちこの場合、燃料集合体ボックスの内側面に横に延び
る肉盛り溶接ＳＮが設けられ、不要な傾斜面Ｂが機械加
工によって除去され、衝突面Ｐｆが形成される。第５図
においては、追加的な壁材料として補強板ＷＢが一定し
た厚みｄの壁部分に溶接されている。その膨出部は補強
板ＷＢの厚肉部によって形成されている。

第６図の実施例に基づいて、追加的な壁材料として、壁
に対して垂直に即ち基準線に対して垂直にウェブＳＧを
溶接することもできる。

その追加的に設けられた壁材料は燃料集合体ボックスを
強化し、従ってその燃料集合体ボックスの壁厚は非常に
薄くできる。このように薄い肉厚にも拘わらず燃料集合
体ボックス全体に十分な剛性を与えるために、第１２図
から第１４図の実施例における補強板ＶＷ％ｖＷ′が設
けられる。更に中性子流を改良するために、第９図から
第１１図に示したウォータロッドおよびウォータチャネ
ルも有利である。その場合、燃料棒間を燃料集合体ボン
クス壁に対して平行に延びる内側壁にも、流れ方向に対
して垂直に延びる衝突面を設けることができる。この内
側壁における追加的な衝突面は、第３図から第５図にお
ける実施例のように形成される。燃料集合体ボンクスの
内部に突出し流れ横断面を縮小する衝突面の設置が、圧
力降下が増加しおよび有用な空間を必要とするために難
しいときには、この内側壁には、第１６図に示したよう
な液膜剥ぎ取り器が設けられる。

いずれの場合も液膜剥ぎ取り器は、それが第１図に示し
たように流れ方向においてスペーサの前に配置されてい
るときに最も有効に作用する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく液膜剥ぎ取り器を持つ燃料集合
体ボックス壁の断面図、第２図は本発明に基づく液膜剥
ぎ取り器を持つ燃料集合体ボックスの部分斜視図、第３
図は液膜剥ぎ取り器の膨出部が一定した厚みの壁部分を
変形加工して形成され衝突面が続く機械切削によって形
成された本発明に基づく燃料集合体ボックス壁の断面図
、第４図は膨出部が溶接材料の設置によって形成され衝
突面が溶接材料の機械切削によって形成された本発明に
基づく燃料集合体ボックス壁の断面図、第５図は液膜剥
ぎ取り器付き補強板を取り付けた燃料集合体ボックス壁
の断面図、第６図は膨出部が直角に設けられたウェブと
して形成された燃料集合体ボックス壁の断面図、第７図
は沸騰水形原子炉の原理図、第８図は沸騰水形原子炉用
燃料集合体の概略斜視図、第９図から第１４図は一部が
非沸騰水用のウォータチャネルを形成し一部が燃料集合
体ボックスの補強壁を形成する内側壁を持った燃料集合
体ボックスの横断面図、第１５図は燃料集合体ボックス
、スペーサ、燃料集合体ボックス壁における液膜および
蒸気と液滴から成る冷却材流を示した断面図、第１６図
は液膜剥ぎ取り器が従来技術に応じて溝として形成され
ている燃料集合体の断面図である。 ＳＴ、、、燃料棒 Ｂ　Ｅ、、、燃料集合体 ＷＫ、、、燃料集合体ボックス ｐｒ、、、衝突面 Ｐｋ、、、衝突縁 ＷＢｏ、、補強板 （ウォータボックス） 八に−１ Ｉ６１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）互いに平行に配置されている複数の燃料棒を有し、
   これらの燃料棒が細長い燃料集合体ボックスの内部にそ
   の脚部と頭部との間を延びて配置され、燃料集合体ボッ
   クスの脚部に冷却材の燃料集合体ボックス内部室への入
   口開口があり、頭部に冷却材の燃料集合体ボックス内部
   室からの出口開口があり、燃料集合体ボックスの内側面
   が流れ方向に真っ直ぐな基準線とこれに対して垂直に延
   びる液膜剥ぎ取り器とを持つプロフィル材を有している
   沸騰水形原子炉における液膜剥ぎ取り器付き燃料集合体
   において、前記液膜剥ぎ取り器が冷却材流の側に突出し
   た膨出部として形成され、この膨出部が冷却材上流側の
   傾斜面に流れ方向に対して垂直な衝突面を有しているこ
   とを特徴とする沸騰水形原子炉における液膜剥ぎ取り器
   付き燃料集合体。 ２）前記膨出部がほぼ一定した厚みの燃料集合体ボック
   ス壁の一部を曲げ加工して形成され、衝突面が膨出部の
   冷却材上流側の傾斜面を材料切削して形成されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。 ３）前記膨出部がほぼ一定した厚みの燃料集合体ボック
   ス壁に追加的な壁材料を設けることによって形成されて
   いることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。 ４）前記追加的な壁材料が溶接によって設けられている
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料集合体。 ５）前記追加的な壁材料が溶接材料から成り、衝突面が
   溶接材料を機械的に削除して形成されていることを特徴
   とする請求項４記載の燃料集合体。 ６）前記追加的な壁材料として補強板がほぼ一定した厚
   みの燃料集合体ボックス壁に溶接され、膨出部および衝
   突面が補強板のプロフィル材によって形成されているこ
   とを特徴とする請求項３記載の燃料集合体。 ７）前記追加的な壁材料として、基準線に対して垂直に
   延びるウェブが燃料集合体ボックスの内側面に設けられ
   ていることを特徴とする請求項３記載の燃料集合体。 ８）前記膨出部が燃料集合体ボックスの上側部分だけに
   設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のい
   ずれか１つに記載の燃料集合体。 ９）前記膨出部がそれぞれ流れ方向において、燃料棒間
   を長手軸線に対して垂直に延びる帯板を持つスペーサの
   前に設けられていることを特徴とする請求項１ないし８
   のいずれか１つに記載の燃料集合体。 １０）燃料集合体ボックスの内部室に、流れ方向に対し
   て垂直な衝突面を持つ内側壁が設けられていることを特
   徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料
   集合体。