JPH05150068A - 部分長燃料棒を有するｂｗｒバンドルにおけるスペ―サに関連する圧力降下の最適化 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】沸騰水型原子炉において、圧力降下を低下させ
る傾向をもつ部分長燃料棒と組合せて、圧力降下を回復
して臨界出力を向上させる傾向があるスペ―サおよびス
ペ―サ付属装置及びその使用法を提供する。 【構成】燃料バンドルのスペ―サ上に羽根、好ましくは
旋回羽根を設け、スペ―サピッチを減少して燃料バンド
ルの上部二相領域のスペ―サの総数を増大させ、スペ―
サの垂直の高さを増大させ、スペ―サの構成材料の金属
の厚みを増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、部分長燃料棒を有する
沸騰水型原子炉に係る。特に、本明細書に開示されてい
る部分長燃料棒を有する燃料バンドルの構成では、燃料
集合体の上部二相領域における部分長燃料棒の導入に伴
う圧力降下の低下が、その低下した圧力降下を実質的に
回復するスペ―サを導入することによって矯正される。
その結果臨界出力が改善される。

【０００２】たとえば、スペ―サのピッチを変更して燃
料バンドルの上部二相領域にスペ―サを付加することが
できる。あるいはまた、いわゆる羽根、特に旋回羽根を
付加することができる。また、スペ―サにより圧力降下
を起こさせるその他の手段を導入する。たとえば、スペ
―サの高さを増やしたり、より厚い金属材料からスペ―
サを作ったりする。

【０００３】

【従来の技術】「二相圧力降下低減ＢＷＲ集合体デザイ
ン(Two-Phase Pressure Drop Reduction BWR Assembly
Design）」と題する１９８８年４月４日付けで出願され
た米国特許出願第０７／１７６，９７５号には、複数の
部分長燃料棒を有する燃料バンドルが示されている。こ
の文献に記載されている燃料バンドルの構成と利点を概
観すると有効であると思われる。

【０００４】ディックス(Dix）らの燃料バンドルの構成
は、全長より短い燃料棒が付加えられていることを除け
ば従来と同じである。ディックス(Dix）らの特許に開示
されている燃料集合体の従来と同じ部分は容易に理解で
きる。この集合体は、燃料バンドル集合体の容積の回り
を囲って伸びている垂直に伸びる壁を有するチャネルを
含んでいる。このチャネルは、減速材の水を受入れるた
めに底が開放されていると共に水と蒸気の排出用に頂部
が開放されている。この燃料バンドルは垂直に直立する
燃料棒のマトリックスをもっており、これらの燃料棒は
核分裂性の材料を収容している密封管である。これらの
燃料棒は、減速材の水が燃料バンドルに入れるようにな
っている下部タイプレ―ト上に支えられている。通常燃
料棒は上部タイプレ―トまで伸びており、この上部タイ
プレ―トは燃料棒をその並列した垂直関係に維持すると
共に生成した蒸気と残留する水が排出されるようになっ
ている。

【０００５】ディックス(Dix）らの開示では、従来の燃
料集合体に、完全な全長より短くて間隔をもって離れた
いわゆる「部分長燃料棒（燃料棒）」（ＰＬＲ）が複数
本付加えられている。これらの燃料棒は下部タイプレ―
ト上に支えられており、上方の上部タイプレ―トに向か
って伸びているが上部タイプレ―トの手前で終わってい
る。この部分長燃料棒によって、燃料バンドルの上部二
相領域で部分長燃料棒の終点と上部タイプレ―トとの間
にベントボリュ―ムが定められる。このベントボリュ―
ムは、出力発生運転中燃料バンドルの上部二相領域で液
体と蒸気の二相混合物から優先的に蒸気を受取る。

【０００６】この部分長燃料棒構成によって多くの利点
が得られる。コ―ルド停止マ―ジンが改良されるのでガ
ドリニウムのような可燃性吸収体の量を減らして燃料を
設計することが可能になる。原子炉内の燃料バンドルに
おいて、バンドルの頂部でウラン２３８の共鳴中性子捕
獲の結果プルトニウムが発生する傾向が低下する。部分
長燃料棒の上にある隙間では蒸気分率が高くなり、その
結果この隙間付近の全長ロッドでは液体分率が高くな
る。さらに、燃料バンドルの上部二相領域における圧力
降下が少なくなる。このような情況で、燃料バンドルは
熱水力および核の不安定性からの安定性が増大する。

【０００７】燃料バンドルは細長い。さらに燃料バンド
ル内に収容されている燃料棒は撓み易い。これらの燃料
棒は、流動励起振動やロッドの曲がりのために、その設
計された並列配置から外れて撓むことがあり、時には互
いに接触することもある。したがって、燃料バンドルの
長さに沿ってスペ―サが使用されている。燃料バンドル
のスペ―サは個々の燃料棒を所定の高さでその設計され
た並列配置関係に維持する機能を果たす。このようなス
ペ―サは通常個々の燃料棒を収容するセルのマトリック
スを規定している。これらのセルは燃料バンドル内の特
定の高さで各々のそしてすべての燃料棒の回りに嵌まっ
ている。この燃料バンドルスペ―サは燃料棒をその設計
された並列配置関係に維持すると共に個々の燃料棒間の
不慮の接触を防ぐ。燃料棒が上部タイプレ―トまで伸び
ていない部分長燃料棒の場合、スペ―サは燃料棒をその
設計された直立関係に維持する。

【０００８】燃料バンドルは（部分長燃料棒を有するも
のも含めて）すべて、熱的制限値以内で作動するように
設計しなければならない。特に、沸騰水型原子炉におい
て臨界出力といわれる熱的制限値は常にひとつの制限と
なってきた。臨界出力は、「遷移沸騰」といわれる現象
において燃料棒の外面上で冷却液膜が破壊することによ
って生ずる。

【０００９】この遷移沸騰状態ではもはや液膜が燃料棒
の外面を覆ってはいない。この外面上ではロッドは冷却
材の蒸気のみにさらされる。核分裂反応を起こしている
燃料棒の内部の燃料から冷却材への熱伝達は低下する。
燃料棒クラッドは過熱されるようになる。当然である
が、燃料バンドル内の燃料棒はいずれもその長さに沿っ
たどこでもそのような沸騰状態に近付くことになるの
で、出力はこの「臨界出力」限界を犯さないように限定
される。

【００１０】過去の実験は臨界出力限界に向けられて来
た。燃料バンドルの上部二相領域でスペ―サのピッチを
小さくすることによってこの臨界出力を改善することが
可能であることは公知である。残念ながら、スペ―サを
余分に付加えると圧力損失が大きくなる。そして圧力損
失が大きくなると、原子炉の一定の出力率での不安定さ
が増す傾向が生ずる。これらの不安定さとしては、局部
および炉心の域の熱水力ならびに核熱水力の不安定性が
ある。これらの理由から、臨界出力の実験的に決定され
た改良を、沸騰水型原子炉の燃料バンドルの上部二相領
域でスペ―サピッチを小さくすることによって達成する
ことはできなかった。

【００１１】また、沸騰水型原子炉および沸騰水型原子
炉内のスペ―サの両方にいわゆる「旋回羽根」を組込む
ことも公知である。これらのデバイスは簡単に概論する
ことができ、また容易に理解することができる。要約す
ると、いわゆる旋回羽根は燃料棒の隙間に配置され、螺
旋状パタ―ンに捩れた金属片からなっている。知られて
いる最も初期のケ―スでは、これらのいわゆる旋回羽根
は原子炉内の燃料棒と同じ長さであった。後になってこ
のような旋回羽根から構築されたスペ―サが考案され
た。１９９０年４月３日付けで発行された「スペ―サグ
リッドと一体化された旋回羽根(SWIRL VANES INTEGRAL
WITHSPACER GRID）」と題するヨハンソン(Johansson)
の米国特許第４，９１３，８９５号参照。

【００１２】これらの旋回羽根を原子炉に付加すると有
益な効果と有害な効果が得られた。有益な効果は、上方
に向かって流れる水と蒸気から水を分別できることであ
る。簡単にいうと、捩れた金属ストリップの螺旋パタ―
ンにかかわらず、蒸気は旋回羽根の回りを上方に向かっ
て流れる傾向がある。しかし水がこの上昇流に合体する
傾向はない。代わりに、蒸気より重い水は旋回羽根から
水平速度成分を受ける。旋回羽根は燃料棒の隙間に入れ
られるので、重い方の水が旋回羽根のモ―メントによっ
て水平に投出されて隣接する燃料棒を衝撃するという有
益な効果がある。その結果臨界出力値が上昇する。

【００１３】このような旋回羽根の有害な効果は圧力降
下が大きくなることである。旋回羽根それ自体は沸騰水
型原子炉の上部二相領域における圧力降下を増大させ
る。こうして圧力降下が増大すると、沸騰水型原子炉の
高出力／低流量条件での核熱水力の不安定さおよび熱水
力の不安定さを含めた不安定さの可能性が増大する。こ
のような事情で旋回羽根は沸騰水型原子炉中にさかんに
導入されているわけではない。

【００１４】スペ―サに関連した水力性能の物理的説明
はいずれも、チャネル内を流れて上昇する際に冷却材が
受けるフローレジムに依存し、またその流れがどのよう
にスペ―サと相互作用するかに依存するはずである。単
相の水が燃料集合体の底から入り、サブク―ル沸騰が起
こるまで加熱される。燃料棒の表面で泡が生成するがバ
ルクのサブク―ル流に接すると急速に凝縮する。出力１
００％／流れ１００％の条件において、底部スペ―サと
燃料集合体の底から二番目のスペ―サとの間のどこかで
バンドル平均のバルク沸騰が始まる。そうすると主流の
流れの中の泡が成長し、流れの状態は気泡流から、個々
の小さい泡が集って蒸気の大きいスラグができ始めてい
るスラグ流またはフロス流タイプに進む。これらの過程
の間蒸気は連続した液体媒質中を泡またはスラグとして
流れる。

【００１５】バンドルの中央付近のどこかで条件に応じ
てフローレジムの変換が起こる。そうなると非常に多く
の蒸気が存在するので、それが連続した媒体となり、液
体はバンドルの固体表面全体を流れる薄膜または連続し
た蒸気中に同伴される液滴のいずれかとして見られるこ
とになる。これは環状フローレジムであり、ＢＷＲでド
ライアウトまたは沸騰遷移が普通起こる場合であるので
重要である。

【００１６】ＢＷＲ内における制限的な臨界出力状態は
従来文献中でドライアウト、沸騰クライシス、臨界熱流
束、バ―ンアウト、および沸騰遷移（本明細書中で使用
する）と互換的に称されている。沸騰遷移は、燃料バン
ドル中で悪化した熱伝達の最初の状態として定義され
る。これは、環状フローレジムで、燃料棒表面全体を覆
う液体薄膜の膜厚がゼロになろうとする結果に起こる。
臨界出力の問題が生じる。

【００１７】

【発見】本発明者らは、部分長燃料棒を有する燃料バン
ドルに欠陥が生じ得ることを発見した。特に、そのよう
な燃料バンドルは燃料バンドルの上部二相領域において
臨界出力制限を有する傾向をもつ。この臨界出力制限は
全長ロッドにおいて上部二相領域で起こる。実験によ
り、全長ロッドの回りとその付近の流量が平均より低く
なり得るということが確かめられた。これは明らかに、
遷移沸騰および臨界出力制限を生ずる傾向をもってい
る。

【００１８】この発見は従来技術にないことが分かるで
あろう。この発見が発明を構成することができる限りに
おいて、本発明はこの発見を包含する。

【００１９】

【発明の概要】沸騰水型原子炉の炉心で使用する燃料バ
ンドルにおいて、圧力降下を低下させる傾向を有する部
分長燃料棒と組合せて、圧力降下を回復して臨界出力を
改善する傾向のあるスペ―サおよびスペ―サ付属デバイ
スを使用する。この燃料バンドルは、好ましくは９×９
マトリックスの直立して垂直に配列されている燃料棒を
含んでおり、これらの燃料棒は上部タイプレ―トと下部
タイプレ―トとの間の燃料チャネルに包囲されている。
これらのタイプレ―トは燃料棒を支えると共に、下部タ
イプレ―トでは冷却材の水の流入を可能にし、上部タイ
プレ―トでは水と発生した蒸気の排出を可能にする。燃
料棒マトリックス中に部分長燃料棒が分配されており、
それに伴ってスペ―サのピッチが増大している。この部
分長燃料棒を付加すると圧力降下を下げる効果がある。
スペ―サを追加したり（たとえば、バンドルの上部二相
領域でスペ―サのピッチを増大する）、またはスペ―サ
付属装置（たとえば、羽根、特にいわゆる旋回羽根）を
利用したりして、部分長燃料棒の挿入によって低減した
圧力降下を回復させる。これにより、燃料集合体の上部
二相領域において予期されずに改良された臨界出力性能
が得られる。

【００２０】本発明の結果を達成するためのひとつの方
法は、燃料バンドルの上部二相領域においてスペ―サの
総数を増やして圧力降下を増大させることである。スペ
―サは燃料バンドルの下方部分では約２０インチのセン
タ―間ピッチで配置されている。燃料バンドルの上部二
相領域でスペ―サの数を増大するにはスペ―サを２０″
未満のピッチで配置して、燃料バンドルの上部二相領域
に少なくとも１個のスペ―サを追加できるようにする。
この追加のスペ―サは、ロッドの曲がりや流動励起振動
を防ぐという従来の目的からは必要ないものである。実
際、追加のスペ―サにより、燃料バンドルの上部二相領
域における圧力降下が、全長燃料棒のみを有する配列の
燃料バンドルで示されるはずの圧力降下にまで部分的に
回復される。しかし、この追加のスペ―サによって燃料
バンドルの臨界出力が改善される。部分長燃料棒構造に
固有の利点のすべてと増大した臨界出力という付加され
た利益とを合わせて有する、部分長燃料棒をもつ燃料バ
ンドルが得られる。

【００２１】あるいは、そして上記したスペ―サピッチ
の低下に加えて、羽根を有するスペ―サを使用すること
ができる。例を挙げると、これらの羽根は、本発明で好
ましい部分的または完全な旋回羽根配列とすることがで
きる。この羽根は、スペ―サの燃料棒間の隙間に組込
む。このようなスペ―サでは圧力降下が増長されるが臨
界出力は改善される。スペ―サに羽根を設ける場合スペ
―サのピッチを増す必要はない。

【００２２】圧力降下を実現するためのその他のスペ―
サ改良手段も開示される。ピッチは同じでも垂直方向の
高さが高くなったスペ―サを利用することができる。さ
らに、厚みの厚い金属構成で製造したスペ―サを使用す
ることができる。要するに、燃料バンドルの上部二相領
域で部分長燃料棒の使用により失われた圧力降下を元に
戻す装置（好ましくはスペ―サ）であれば本発明の実施
に充分使用できる。

【００２３】

【その他の目的、特徴および利点】本発明のひとつの目
的は、部分長燃料棒の使用に基因する圧力降下の損失
と、最初に低下した圧力降下を回復するスペ―サ付属デ
バイスに基因する臨界出力の増大との間のバランスを開
示することである。その結果臨界出力が改良される。本
発明の別の目的は、圧力降下を増大させることによって
臨界出力を増大させるために好ましいスペ―サ付属デバ
イスを説明することである。たとえば、スペ―サのピッ
チを増やしたり、または旋回羽根のような羽根を付加し
たりすることができる。どちらの場合も、部分長燃料棒
の存在に基因する臨界出力の低下は、圧力降下を回復さ
せるスペ―サに基因する臨界出力の増大よりかなり小さ
い。その結果全体としての臨界出力が改善される。

【００２４】たとえば、燃料バンドル中に９×９列の燃
料棒と８本の部分長燃料棒が分配されている図２Ａおよ
び２Ｂのスペ―サピッチと現実の試験とを組合せて使用
すると、この燃料バンドルの上部二相領域の圧力降下は
８％すなわち１．２ｐｓｉ改善される。部分長燃料棒が
存在することによる臨界出力の損失は２〜４％の範囲と
なろう。同時に、そしてスペ―サピッチが小さくなった
結果バンドルの上部二相領域で圧力降下が０．８ｐｓｉ
増大する。また同時に、部分長燃料棒配列の場合と比較
した臨界出力の上昇分は実験により１２％という高い値
が測定された。したがって、臨界出力の全体としての正
味の上昇分は１０％にもすることができ、しかも圧力降
下は全長ロッドを有する同じ燃料棒バンドルと比べてほ
とんど変わらなかった。

【００２５】スペ―サのピッチが小さくなることに関連
して燃料バンドルの上部二相領域におけるスペ―サの総
数が増大する。あるいは、スペ―サの垂直高さを増やし
てもよい。さらに、別法として、スペ―サを製造する材
料の厚みを増やすことができる。いずれの場合も、最初
に得られた圧力降下が回復されると臨界出力が改良され
る。

【００２６】本発明の羽根の態様に関して、スペ―サに
組込まれる羽根が２つの効果をもっていることが分かる
であろう。まず最初にこのような羽根は高圧力降下デバ
イスであり、圧力降下を引起こし、したがって燃料バン
ドル内の自身の特定の位置より「下流」（上方）の臨界
出力を改善する。すなわち、羽根付きのスペ―サを使用
する場合スペ―サのピッチを減らす必要がなくなる。

【００２７】本発明で臨界出力が有益に増大することの
特定の作用機構は必ずしも正確に認識する必要がないこ
とを理解されたい。本発明者らの認識によると、圧力降
下が増大すると燃料バンドルの上部二相領域の臨界出力
も同様に増大するのである。燃料棒は最後のスペ―サよ
り上では出力が低くなるように設計されている。このよ
うな状況で最も上または最後のスペ―サは通過する流体
の流れに対してあまり大きな圧力降下をもたらす必要が
ないことが分かる。したがってこの最後の場所には通過
する流体の流れに対して最小の臨界出力効果を有しそれ
に対応して圧力降下の少ないインコル(Inconel）スペ―
サを使用することができる。

【００２８】

【好ましい態様の説明】図１、図２Ａおよび図２Ｂを参
照すると、本発明に関連する限りにおいて従来技術の燃
料バンドルの構造を理解することができる。上部タイプ
レ―トＵおよび下部タイプレ―トＬと共にチャネルＣを
有する燃料バンドルＢが図示されている。複数本の燃料
棒Ｒは下部タイプレ―トＬ上に支えられ、上方に向かっ
て上部タイプレ―トＵまで伸びている。ここに示した態
様では大きな中央ウォ―タロッドＷが使われている。

【００２９】大きな沸騰水型原子炉（図示してない）内
で炉心の一部として燃料バンドルが作動する様子は容易
に理解することができる。水は下部タイプレ―トＬを介
して入る。この水が上方に向かって燃料棒Ｒの回りを流
れる。この通過の間蒸気が発生する。最後に蒸気と水の
混合物が上部タイプレ―トＵを介してその上方に排出さ
れる。蒸気発生中チャネルＣが燃料バンドルの内部の流
れから炉心バイパス容積を隔離する。

【００３０】図１と図３Ａから分かるように、通常は７
個のスペ―サＳ₁ 〜Ｓ₇ が使われている。これらのスペ
―サをそれぞれ図２Ａと図２Ｂに示す。図２Ａを参照す
ると、燃料バンドルＢの下方部分に位置するスペ―サＳ
₅ 〜Ｓ ₁ が９×９の燃料棒マトリックス用として描かれ
ている。これらのスペ―サは大きなウォ―タロッドＷを
取囲んでおり、個々の燃料棒をそれぞれの高さのところ
で適正な配列に維持している。

【００３１】図２Ｂには上方のスペ―サＳ₆ とＳ₇ が描
かれている。これらのスペ―サはいわゆる「部分長燃料
棒」の終了した上の燃料棒マトリックスを支えている。
この場合と同様に、本発明の好ましい態様は図１、図２
Ａおよび図２Ｂの９×９配列に関する。図２Ｃを参照す
ると、燃料バンドルＢに類似の燃料バンドルの下方部分
に位置を占めるスペ―サＳ₅ 〜Ｓ₁ が１０×１０の燃料
棒マトリックスに対して描かれている。これらのスペ―
サは大きなウォ―タロッドＷを取囲んでおり、個々の燃
料棒をそれぞれの高さのところで適正な配列に維持して
いる。

【００３２】図２Ｄには上方のスペ―サＳ₆ とＳ₇ が描
かれている。これらのスペ―サはいわゆる「部分長燃料
棒」の終了した上の燃料棒マトリックスを支えている。
「二相圧力降下低減ＢＷＲ集合体デザイン(Two-Phase P
ressure Drop Reduction BWR Assembly Design）」と題
する１９９１年４月４日付けで出願された米国特許出願
第０７／１７６，９７５号を参照すると、燃料バンドル
内に一群の部分長燃料棒Ｐを配置することが開示されて
いる。

【００３３】簡単に述べると、スペ―サＳ₅ の上方でか
つスペ―サＳ₆ およびＳ₇ より手前で部分長燃料棒Ｐを
使用した。この部分長燃料棒は下部タイプレ―トＬ上に
支えられ、スペ―サＳ₅ を通って伸び、スペ―サＳ₅ の
少し上で終わっていた。部分長燃料棒Ｐは、スペ―サＳ
₅ 上のその終了点から、燃料バンドルの上部二相領域に
ある空間を定めている。

【００３４】この構造から得られる利点は明らかであ
り、前述した。さらに、本発明者らは、広範な試験を実
施した結果、例示した燃料バンドルの上部二相領域にお
いては、バンドル内の燃料棒がすべて全長の燃料棒であ
るバンドルに比較して、臨界出力が予測したより低いこ
とを発見した。すなわち、部分長燃料棒の上方から全長
燃料棒Ｒの活性燃料の端部に至って、燃料棒に臨界出力
状態が早期に遭遇することがあるのである。このような
状況では、いずれの燃料棒Ｒのいかなる点でも臨界出力
限界を越えることのないようにバンドル全体を限定しな
ければならないのである。

【００３５】図３Ａ〜図３Ｆに本発明を概略的に示す。
図３Ａだけは従来技術を示している。特に、２つの要素
のみが示されている。まず棒グラフ４０がある。この棒
グラフ４０はセンタ―間がすべて２０インチの７個のス
ペ―サＳ₁ 〜Ｓ₇ を示している。次に、部分長燃料棒Ｐ
が示されている。部分長燃料棒Ｐは長さが約１０２″で
スペ―サＳ₅ のすぐ上で終わっているものが示されてい
る。この棒グラフは図１の構造を示している。

【００３６】図３Ｂは本発明の好ましい具体例である。
特に、実際の試験を実施した構成のものを示している。
部分長燃料棒Ｐは長さ１０２″である。スペ―サＳ₁ か
らスペ―サＳ₅ までのスペ―サ分布は以前と同じであ
る。スペ―サＳ₆ 、Ｓ₇ およびＳ₈ はそれぞれセンタ―
間が１３．３″である。追加のスペ―サＳ₈ が付加され
ていることが分かる。

【００３７】以下の具体例の全部で、追加のスペ―サ
は、燃料棒をロッド曲がりに対してその設計された並列
関係に維持するのに必要な数より多いスペ―サであるこ
とが分かる。さらに、スペ―サは比較的薄い（通常は約
２０／１０００インチ）ジルカロイ金属を利用したフェ
ル―ルタイプである。改良された臨界出力が得られるこ
とが判明した。

【００３８】図３Ｂの構造が理解できたらその他の可能
な構造も連想される。以下に簡単に述べておく。図３Ｃ
を参照すると、棒グラフ４０は、長さが約１１５″でス
ペ―サＳ₆ まで伸びそれを貫通している部分長燃料棒を
示している。スペ―サの間隔は図３Ｂと同じである。

【００３９】図３Ｄでは１１３″の部分長燃料棒を使用
している。これらのスペ―サの間隔はスペ―サＳ₄ より
上だけが異なっている。スペ―サＳ₄ からスペ―サＳ₈
まではセンタ―間が１５″である。図３Ｅを参照すると
スペ―サの間隔は図３Ｄと同じであることが分かる。し
かし、部分長燃料棒の長さは９７″であり、したがって
スペ―サＳ₅ で支えられている。

【００４０】図３Ｆに示したデザインは、図３Ｂに示し
た本発明の好ましい具体例を越えさえする可能性がある
と思われる。本出願ではこの構造に関して特に試験して
いない。したがって好ましい態様としては特許請求して
いない。しかし、このデザインは有益であり得るという
事実に注意するべきである。簡単に述べると、スペ―サ
Ｓ₄ より上でスペ―サＳ₅ 、Ｓ₆ 、Ｓ₇ 、Ｓ₈ のピッチ
は次第に減少している。このデザインで使用する部分長
燃料棒は長さ１１６″であり、Ｓ₆ を貫通して伸びてい
る。特に、スペ―サＳ₄ とＳ₅ の間は間隔を１８″とし
てある。スペ―サＳ₅ とＳ₆ との間の間隔は１６″を使
用する。スペ―サＳ₆ とＳ₇ は間隔を１４″としてあ
る。最後に、スペ―サＳ₇ とＳ₈ の間は１２″とする。

【００４１】この後者のデザインにおいて、スペ―サの
ピッチを減らすのは、燃料バンドルの中で空間（ボイ
ド）の割合が大きくなる部分であることが分かるであろ
う。スペ―サのピッチを大きくすることに加えて、部分
長燃料棒と共に組合せて、燃料バンドルの上部二相領域
内に旋回羽根構造を有するスペ―サを使用すると、全体
として同じ有益な効果が得られることが判明した。特
に、旋回羽根を有するスペ―サを挿入すると、燃料バン
ドルの上部二相領域における改良された圧力降下のうち
の全部ではなくともいくらかを回復する傾向があるにし
ても、臨界出力は増大する。以下に、一定のピッチのま
まであっても旋回羽根の組込みによって臨界出力を増大
させる現象を生ずるスペ―サの構造の例を挙げる。

【００４２】図４Ａを参照すると、上部にタブ１１０を
有し、下部にタブ１１２を有するＩ字形のタブ１０９が
捩る前の平面モ―ドで示されている。図４Ｂは、この構
造の捩れた状態を示している。図４Ｃは、旋回羽根をそ
のそれぞれの上端と下端でフェル―ルに組込んだところ
を示している。この構成だと、タブ１０９の主要部分が
水をスペ―サの燃料棒の方へ曲げ、一方蒸気はそのまま
上昇し続ける。さらに重要なことには、このスペ―サ
を、図３Ａのスペ―サＳ７、Ｓ６およびＳ５または図３
Ｂ〜３Ｆのスペ―サＳ８、Ｓ７、Ｓ６もしくはＳ５に組
入れると、部分長燃料棒を有する燃料バンドルで、改良
された臨界出力を達成することが可能になる。

【００４３】明確に区別しておくことが重要である。図
３Ａは、部分長燃料棒と組合せた通常のスペ―サを開示
している限りにおいて従来技術である。しかし、旋回羽
根を有するスペ―サを、部分長燃料棒を有する燃料バン
ドルに加えて付加すると、本発明の改良された臨界出力
制限を実現できる。旋回羽根は、スペ―サの長さ全体を
伸ばす必要はない。特に、図５Ａは捩る前の旋回羽根エ
ンドタブ１３２を示している。図５Ｂと図５Ｃには、旋
回羽根エンドタブ１３２の捩った後の側面図とフェル―
ルスペ―サに組込んだ構造の平面図をそれぞれ示す。タ
ブ１３２はフェル―ルＦの側面に取付けて、乱流を付与
する突起がスペ―サＳの上に出るようにする。

【００４４】他の構造を使用することもできる。図６Ａ
を参照すると、従属ア―ム１４２を有するタブ１４０の
捩る前の状態が示されている。図６Ｂと図６Ｃにおい
て、フェル―ルＦにタブを取付けるには、ア―ム１４２
の全長を使用して、このア―ムをフェル―ルＦに確実に
留める。最後に、図７Ａを参照すると、旋回羽根１３９
の捩る前の状態が示されている。図７Ｂではそれぞれの
旋回羽根１３９はすべて捩られている。このときタブ１
４０はフェル―ルスペ―サにすぐに取付けられる状態に
なっている。

【００４５】図８Ａおよび図８Ｂを参照すると、それぞ
れのフェル―ルへの取付け方が分かる。図８Ａに関して
重大な細部に注目することができる。連続したウェブ１
４２はスペ―サの底部における間隔またはピッチに影響
しないことが重要である。そのような影響があるとフェ
ル―ルＦの並列配置関係をひどく変化させてしまうであ
ろう。したがって、タブ１３９は、連続したウェブ１４
２を並列するフェル―ルＦの下に配置するような長さを
もっている。

【００４６】すでに述べたように、スペ―サに関連して
他の手段を使用して圧力降下を増大させることができ
る。たとえば、図９では、垂直方向の高さを高くしたス
ペ―サを使用している。さらに、厚みの厚い金属シ―ト
からなる金属部分を有するスペ―サを利用してもよい。
必要なことは、部分長燃料棒の挿入により生起した圧力
降下の少なくともいくらかを回復することだけである。

【００４７】この圧力降下の回復の程度に関して、実際
に起こる圧力降下のすべてよりは少ない程度の回復が好
ましい。したがって、燃料バンドルの上部二相領域の圧
力降下は、同じバンドルが全長ロッドのみをもっている
場合よりも少なくなる。増大したスペ―サピッチまたは
スペ―サに取付けた旋回羽根は燃料バンドルの頂部にお
ける二相流と組合せて使用することに注意するのは重要
である。本発明者らは、スペ―サを通り抜けた後の流れ
と協同するスペ―サの効果を利用する。この「下流の流
れ」は、二相流がスペ―サのひとつを通り越した後スペ
―サの上方で起こる。この効果は、スペ―サＳ７（図３
Ｂ〜３Ｆ）、スペ―サＳ６およびスペ―サＳ５に関連し
て重要である。

【００４８】最も上部のスペ―サ、すなわち図３Ａのス
ペ―サＳ７や図３Ｂ〜３Ｆのスペ―サＳ８はこの流れの
原則の例外である。図３Ａの最上部スペ―サＳ７または
図３Ｂ〜３Ｆのスペ―サＳ８は、フェル―ルタイプのス
ペ―サである必要もないし、旋回羽根が取付けてある必
要もない。ほとんどの燃料装入において、最上部スペ―
サより上１フィ―ト当たりのキロワット出力は、不利な
臨界出力比に至る遷移沸騰が起こり得るレベルではな
い。したがって、圧力降下が小さく中性子吸収が大きめ
のインコネルスペ―サを、この位置で充分に使用するこ
とができる。この上部スペ―サには、増大したスペ―サ
ピッチまたは本発明の旋回羽根を使用する必要がない。

【００４９】本発明に修正を施してもよいことは明らか
である。また、部分長燃料棒の終点より上の減少したス
ペ―サピッチは本発明の主要な特徴であるものと理解さ
れたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、燃料バンドルの一部を破断した透視図
であり、部分長燃料棒のマトリックスを有する燃料バン
ドルであって上部二相領域には減少したスペ―サピッチ
が示されている。

【図２】図２Ａおよび２Ｂは、図１の燃料バンドルのそ
れぞれの断面図であり、好ましい９×９のマトリックス
中に部分長燃料棒が示されている。使用する特定のマト
リックスはいろいろに変えることができる。図２Ｃおよ
び２Ｄは、図１の燃料バンドルに似ているが同一ではな
い燃料バンドルのそれぞれの断面図であり、好ましい１
０×１０のマトリックス中に部分長燃料棒が示されてい
る。使用する特定のマトリックスはいろいろに変えるこ
とができる。

【図３】図３Ａ〜３Ｆは、スペ―サのみを平面状要素と
して示す概略図であり、本発明の８個のスペ―サの、燃
料バンドルの軸方向に沿って見た上部および下部タイプ
レ―トに対する相対的配置を示している。

【図４】図４Ａ〜４Ｃは、それぞれ、フェル―ルタイプ
のジルカロイ(Zircaloy)スペ―サに組込まれる旋回羽根
の捩り前の側面図、捩り後の側面図、および設置後の平
面図である。

【図５】図５Ａ〜５Ｃは、それぞれ、フェル―ルタイプ
のジルカロイ(Zircaloy)スペ―サに組込まれる旋回羽根
チップの捩り前の側面図、捩り後の側面図、および設置
後の平面図である。

【図６】図６Ａ〜６Ｃは、それぞれ、フェル―ルタイプ
のジルカロイ(Zircaloy)スペ―サに組込まれる旋回羽根
チップの捩り前の側面図、捩り後の側面図、および設置
後の平面図であり、この場合のチップはスペ―サのフェ
ル―ルの側面と平行に伸びる取付け用タブをもってい
る。

【図７】図７Ａおよび７Ｂは、本発明の螺旋構造を付与
するために捩る前後の旋回羽根の側面図である。

【図８】図８Ａおよび８Ｂは、それぞれ、フェル―ルス
ペ―サに組込まれた旋回羽根の側面図および平面図であ
る。

【図９】図９は、垂直の高さが増大したスペ―サの側面
断面図である。

【符号の説明】

Ｂ 燃料バンドル、 Ｃ チャネル、 Ｌ 下部タイプレ―ト、 Ｐ 部分長燃料棒、 Ｒ 燃料棒、 Ｓ スペ―サ、 Ｕ 上部タイプレ―ト、 Ｗ ウォ―タロッド、 １０９ Ｉ字形タブ、 １３２ 旋回羽根エンドタブ、 １３９ 旋回羽根、 １４０ タブ、 １４２ 従属ア―ム、 １４２ ウェブ（図７Ａ，７Ｂ，８Ａ）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチヤード・アーサー・ウオルタース，ジ ユニア アメリカ合衆国、カリフオルニア州、サ ン・ホセ、ペルハム・コート、6440番 (72)発明者 アンソニー・ポール・リーゼ アメリカ合衆国、カリフオルニア州、サ ン・ホセ、ミア・サークル、4625番 (72)発明者 エリツク・バーテイル・ヨハンソン アメリカ合衆国、ノース・カロライナ州、 ライツビレ・ビーチ、ユニツト・3204、ル ミナ・アベニユー・エクステンシヨン、 2400番

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャネルに包囲された燃料集合体内に閉
   込められた燃料棒の個別のバンドルを有する沸騰水型原
   子炉であって、該燃料バンドルが、 各々が、減速用冷却材としての水と減速された中性子が
   充分に存在するとき核反応を起こさせる核分裂性物質を
   それぞれ含有している、該チャネル内に配置された複数
   の燃料棒と、 該チャネルの底に連結して該チャネルの底部端を閉じて
   おり、該核反応の間蒸気を発生させるために該燃料棒間
   で該チャネル中に冷却材としての水を流入させるように
   規定された開口をもっている、該チャネル内で燃料棒の
   該バンドルを支持するための下部タイプレ―トと（ここ
   で、該複数の燃料棒は、該燃料バンドル内で蒸気を発生
   する核反応の間、該バンドル内に該水の単相領域が規定
   される該下部タイプレ―トから該バンドル内に該水と蒸
   気の二相領域が規定される該バンドルの上方部分まで伸
   びている）、 該チャネルの頂部に連結しており、該核反応の間該チャ
   ネル内の水と発生した蒸気を流出させるための開口をも
   っている、燃料棒の該バンドルの上端を支持するための
   上部タイプレ―トと、 該上部タイプレ―トと下部タイプレ―トとの中間で該燃
   料棒に沿ってあらかじめ選定された各高さのところにあ
   り、該燃料集合体の長さに沿って該燃料棒を離れた位置
   に維持するためのスペ―サとを含んでおり、該燃料棒の
   うちの複数は、該下部タイプレ―トから該上部タイプレ
   ―トに向かって伸びて該燃料バンドルの上部領域内で該
   上部タイプレ―トに達する前に終止していて、該蒸気発
   生核反応の間該燃料バンドルの該上部二相領域における
   圧力降下の低減を起こす部分長燃料棒であり、 該バンドルが、該部分長燃料棒によって生じる低減した
   圧力降下の少なくともいくらかを回復するために該スペ
   ―サに付属した手段を含んでおり、それにより改良され
   た臨界出力性能が該部分長燃料棒を有する該燃料バンド
   ルで達成されることを特徴とする、沸騰水型原子炉。
2. 【請求項２】 該スペ―サに付属した該手段が、該部分
   長燃料棒によって生じる該低減した圧力降下の一部を回
   復するが全部は回復しない、請求項１記載の原子炉。
3. 【請求項３】 該スペ―サに付属した該手段が、該燃料
   バンドルの上部二相領域における減少したスペ―サピッ
   チを含んでいる、請求項１記載の原子炉。
4. 【請求項４】 該スペ―サに付属した該手段が、該スペ
   ―サに取付けられた羽根を含んでいる、請求項１記載の
   原子炉。
5. 【請求項５】 該スペ―サは、該バンドルの上部二相領
   域を上方に向かうにつれて次第に減少するピッチを有す
   る、請求項３記載の原子炉。
6. 【請求項６】 該スペ―サに付属した該手段が旋回羽根
   を含んでいる、請求項１記載の原子炉。
7. 【請求項７】 該スペ―サに付属した該手段が、垂直の
   高さが増大したスペ―サを含んでいる、請求項１記載の
   原子炉。
8. 【請求項８】 チャネルに包囲された燃料集合体内に閉
   込められた燃料棒の個別のバンドルを有する沸騰水型原
   子炉であって、該燃料バンドルが、 各々が、減速用冷却材としての水と減速された中性子が
   充分に存在するとき核反応を起こさせる核分裂性物質を
   それぞれ含有している、該チャネル内に配置された複数
   の燃料棒と、 該チャネルの底に連結して該チャネルの底部端を閉じて
   おり、該核反応の間蒸気を発生させるために該燃料棒間
   で該チャネル中に冷却材としての水を流入させるように
   規定された開口をもっている、該チャネル内で燃料棒の
   該バンドルを支持するための下部タイプレ―トと（ここ
   で、該複数の燃料棒は、該燃料バンドル内で蒸気を発生
   する核反応の間、該バンドル内に該水の単相領域が規定
   される該下部タイプレ―トから該バンドル内に該水と蒸
   気の二相領域が規定される該バンドルの上方部分まで伸
   びている）、 該チャネルの頂部に連結しており、該核反応の間該チャ
   ネル内の水と発生した蒸気を流出させるための開口をも
   っている、燃料棒の該バンドルの上端を支持するための
   上部タイプレ―トと、 該上部タイプレ―トと下部タイプレ―トとの中間で該燃
   料棒に沿ってあらかじめ選定された各高さのところにあ
   り、該燃料集合体の長さに沿って該燃料棒を離れた位置
   に維持するためのスペ―サとを含んでおり、該燃料棒の
   うちの複数は、該下部タイプレ―トから該上部タイプレ
   ―トに向かって伸びて該燃料バンドルの上部領域内で該
   上部タイプレ―トに達する前に終止していて、該蒸気発
   生核反応の間該燃料バンドルの該上部二相領域における
   圧力降下の低減を起こす部分長燃料棒であり、 該スペ―サが、該集合体の該下部タイプレ―トから該部
   分長燃料棒の端までの第一の下方部分において第一の垂
   直間隔にある少なくともひとつの第一の垂直分布を有
   し、かつ、該集合体の該第一の部分より上方の第二の部
   分に少なくともひとつのより小さな第二の垂直分布を有
   していて、該燃料バンドルの該上部二相領域における低
   減した圧力降下の少なくともいくらかを回復し、それに
   より、該部分長燃料棒より上方に存在するスペ―サが該
   バンドルの上部二相領域における臨界出力性能を改善す
   るように該バンドルが分布していることを特徴とする、
   沸騰水型原子炉。
9. 【請求項９】 チャネルに包囲された燃料集合体内に閉
   込められた燃料棒の個別のバンドルを有する沸騰水型原
   子炉であって、改良された燃料バンドルが、 各々が、冷却材としての水と減速された中性子が充分に
   存在するとき核反応を起こさせる核分裂性物質をそれぞ
   れ含有している、該チャネル内に配置された複数の燃料
   棒と、 該チャネルの底に連結して該チャネルを閉じており、該
   核反応の間蒸気を発生させるために該燃料棒間で該チャ
   ネル中に水を流入させるように規定された開口をもって
   いる、該チャネル内で燃料棒の該バンドルを支持するた
   めの下部タイプレ―トと（ここで、該複数の燃料棒は、
   該燃料バンドル内で蒸気を発生する核反応の間、該バン
   ドル内に水の単相領域が規定される該下部タイプレ―ト
   から該バンドル内に水と蒸気の二相領域が規定される該
   バンドルの上方部分まで伸びている）、 該チャネルの頂部に連結しており、該核反応の間の蒸気
   の発生により該チャネル内にある水と蒸気を流出させる
   ように規定された開口をもっている、燃料棒の該バンド
   ルの上端を支持するための上部タイプレ―トと（ここ
   で、該燃料棒のうちの複数は、該下部タイプレ―トから
   該上部タイプレ―トに向かって伸びており、該バンドル
   の上部領域内で該上部タイプレ―トに達する前に終止し
   ており、かつ該蒸気発生核反応の間該燃料バンドルの該
   上部二相領域における圧力降下の低減を起こす部分長燃
   料棒である）、 該上部タイプレ―トと下部タイプレ―トとの中間で該燃
   料棒に沿ってあらかじめ選定された各高さのところにあ
   り、該燃料集合体の長さに沿って該燃料棒を離れた位置
   に維持するためのスペ―サとを含んでおり、 該スペ―サが、該下部タイプレ―トから該部分長燃料棒
   の端まで第一の間隔にある少なくともひとつの第一の垂
   直分布を有しており、 該スペ―サが、該部分長燃料棒の端から該上部タイプレ
   ―トまでに少なくともひとつのより小さな第二の垂直分
   布を有しており、それにより、該部分長燃料棒より上方
   に存在するスペ―サが該燃料バンドルの上部二相領域に
   おいて圧力降下を回復すると共に臨界出力を改善する、
   沸騰水型原子炉。
10. 【請求項１０】 チャネルに包囲された燃料集合体内に
    閉込められた燃料棒の個別のバンドルを有する沸騰水型
    原子炉であって、該燃料バンドルが、 燃料集合体の体積の回りに連続したチャネルを形成して
    いる垂直に伸びる壁を有しており、底部端で開放してい
    て下部タイプレ―トに係合すると共に上端で開放してい
    て上部タイプレ―トに係合する燃料チャネルと、 各々が、冷却材としての水が存在するとき核反応を起こ
    させる核分裂性物質をそれぞれ含有している、該チャネ
    ル内に配置された複数の燃料棒と、 該チャネルの底に連結して該チャネルの底部端を閉じて
    おり、該核反応の間蒸気を発生させるために該燃料棒間
    で該チャネル中に水を流入させるように規定された開口
    をもっている、該チャネル内で燃料棒の該バンドルを支
    持するための下部タイプレ―トと（ここで、該複数の燃
    料棒は、該燃料バンドル内で蒸気を発生する核反応の
    間、該バンドル内に該水の単相領域が規定される該下部
    タイプレ―トから該バンドル内に該水と蒸気の二相領域
    が規定される該バンドルの上方部分まで伸びている）、 該チャネルの頂部に連結して該チャネルの頂部端を閉じ
    ており、該核反応の間の蒸気の発生により該チャネル内
    にある水と蒸気を流出させるための開口をもっている、
    燃料棒の該バンドルの上端を支持するための上部タイプ
    レ―トと、 該上部タイプレ―トと下部タイプレ―トとの中間で該燃
    料棒に沿ってあらかじめ選定された各高さのところにあ
    り、該燃料集合体の長さに沿って該燃料棒を離れた位置
    に維持するためのスペ―サとを含んでおり、該燃料棒の
    うちの複数は、該下部タイプレ―トから該上部タイプレ
    ―トに向かって伸びて該燃料バンドルの二相領域内で該
    上部タイプレ―トに達する前に終止していて、該燃料バ
    ンドルの該上部二相領域における圧力降下の低減を起こ
    す部分長燃料棒であり、 該燃料バンドルの該上部二相領域における該スペ―サの
    少なくともひとつが、該スペ―サに取付けられた旋回羽
    根を有していて、該燃料バンドルの上部二相領域におけ
    る低減した圧力降下の少なくともいくらかを回復し、そ
    れにより、該燃料バンドルの臨界出力が改善されるよう
    に該スペ―サが分布していることを特徴とする、沸騰水
    型原子炉。