JPH0580171A - 大径水棒用の流れタブを備えた流れ転向装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】水棒のタブの構造と取付け位置を改良し、燃料
棒配列体と大径水棒間の間隙により生ずる燃料棒の熱性
能の損失を減らす。 【構成】大径の水棒Ｗを有する沸騰水型原子炉用の核燃
料束Ｂにおいて、燃料束Ｂの２相域において大径水棒Ｗ
に沿って流れる液相の水減速材を隣の燃料棒Ｌの方に転
向させるための流れ転向タブを大径水棒Ｗに設ける 【効果】水蒸気とパワーを比較的効率良く発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大径の水棒を具備する
核燃料束に関し、特に、外面に流れ転向用タブを有する
水棒に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉用の核燃料束は良く知ら
れている。このような燃料束は、マトリックス（縦横
列）をなす燃料棒を並立関係に支持しかつ保持するため
の下側結合板を含んでいる。燃料棒は上端において上側
結合板により同じ並立関係に保持される。下側および上
側結合板間でチャネルが燃料束を囲んでいる。このチャ
ネルは水の流れを個々の燃料棒に隣接する区域に囲い込
む。

【０００３】燃料束を通る冷却材流は、水と水蒸気の２
相混合物である。燃料束の底部に流入する冷却材は完全
に水である。冷却材が上方に流れるにつれ、燃料棒から
伝達された熱が蒸気を発生させ、従って汽水混合物にお
ける蒸気の割合が増大する。この増大する蒸気部分は核
反応上の不利益をもたらす。

【０００４】水減速材は、蒸気の発生に加えて、核分裂
反応により発生した高速中性子を低速または熱中性子に
減速して核分裂反応を持続させる。当然、蒸気が減速材
中に大きなボイド部を発生する核燃料束の上部では、高
速中性子の減速化は低減する。これは燃料束の核反応効
率を減らす。

【０００５】先行技術においては、いわゆる大径水棒の
挿入によりこの問題を解決することが知られている。こ
れらの水棒は、燃料束の下端から上方にその上端まで全
長にわたって認めうる程の蒸気分を発生させることなく
水を通す。この大径水棒内の水は、燃料束の上部で減速
材対燃料の比率を増大する。この大径水棒の存在により
有益な核反応効果が生じる。

【０００６】

【問題の概要】大径水棒は、燃料棒の均等離間を乱しそ
して水棒に隣接する大きな流れ面積の局所域を生みだ
す。これらの大きな流れ面積の局所域は燃料束の断面全
体にわたって流れの一様な分布を乱す。冷却材流、特に
蒸気流は、これらの局所域に集中する傾向がある。従っ
て隣接域における流れが減少する。

【０００７】一面において、大径水棒近くの局所域にお
ける流れの増大は、それが燃料束内の圧力降下を減少す
るから有益ではある。しかし、隣接域内の流れの減少は
これらの区域における燃料棒の熱性能を劣化する。流れ
の減少により、これら燃料棒の過熱が比較的低い出力で
発生する。

【０００８】加えて、水膜が水棒の表面に付着する。こ
の水は隣の燃料棒の表面を冷却するのに利用し得ない。

【０００９】従って、燃料束の設計問題は、大径水棒近
くの燃料棒の熱性能の損失を、大きな流れ面積の局所域
から生じる圧力降下の減少を維持したまま排除すること
である。

【００１０】本発明の課題は、こうした問題を解決する
対策を見出すことである。

【００１１】

【発明の概要】大径の水棒を具備する沸騰水型原子炉用
の核燃料束において、燃料束の２相域において大径水棒
表面に流れタブを被着する備えがなされる。大径水棒に
取り付けたこれらの流れタブは、蒸気の一層効率的な発
生のために、大径水棒に沿いそしてそれに隣接する空間
内を流れる２相のすなわち蒸気と液体の水減速材を隣の
燃料棒の方へ転向させる。これらの流れタブは、燃料束
流れ抵抗の増大を最小限としながら水を隣の燃料棒へ効
率的に転向させるように形成されている。

【００１２】燃料束は、密封された燃料棒を規則的なマ
トリックスをなすように離間並立関係に支持するための
下側結合板と、燃料棒を規則的なマトリックス状態に維
持するための上側結合板と、長い燃料束の長さに沿って
燃料棒の設計間隔を維持するため下側および上側結合板
間に配置した複数のスペーサを具備している。チャネル
が、下側結合板を貫通する水入口から上側結合板を貫通
する蒸気と水の出口まで燃料束を取り巻いている。大径
水棒が燃料束の上側２相部分内の減速材対燃料比を改善
するために使用される。この大径水棒はそれがなければ
規則的なままのはずのマトリックス位置を乱して、個々
の燃料棒と大径中央水棒の外面との間に比較的大きなギ
ャップを残す。２相水減速材はこれらの位置においては
効率的な蒸気の発生なしに上方に放出されることが発見
された。従って、一群の外方に曲げた間欠的なタブが大
径水棒の周囲に配置される。タブは、それらの表面にお
いて上方に流れる汽水混合物を転向させ、その際水は概
して燃料棒に向って外方に転向し、他方蒸気はタブ間に
間欠的に存在する間隙内を上昇し得る。この転向は燃料
束の上部２相域内の不当な圧力降下なしに起こる。

【００１３】タブの好適なクラウン（冠）構造では、例
えば、水棒よりわずかに大きい管状部材が耳状の上向き
突起を効果的に画成するように間欠的に切削される。こ
れら耳状の上向き突起は、管本体から外方に曲げられ、
相互間に間隙を有するタブを形成し、スペーサに「クラ
ウン」状の外観を与える。その後「クラウン」構造全体
を水棒の表面に滑りばめしそして（水棒側面への溶接等
により）水棒に固定する。

【００１４】各クラウン組立体は、好ましくは、各スペ
ーサ組立体の直上に存在するように垂直方向において位
置決めされる。こうした位置では、転向した水は、スペ
ーサを貫通する隔置されかつ支持された燃料棒にほとん
ど振動衝撃を与えない。

【００１５】燃料束の組立てを容易にするために、スペ
ーサ用の錠止機構と、スペーサにおける大径水棒用の開
口とに対するタブの正確な回転位置決めが必要とされ
る。従って、回転整合と挿入と錠止整合が系統的に行わ
れ、水棒はスペーサを適所にしっかりと固定する。流れ
転向タブは燃料束の２相域においてスペーサの水棒開口
の直上にそれを覆うように露出されるのが最適である。

【００１６】

【他の目的と特徴と利点】本発明の目的は、高密集度燃
料配列体と、全体的にあるいは部分的に複数の格子位置
を占める挿入された大径水棒との間の間隙により生じる
燃料棒の熱性能の損失を減らすことである。本発明のこ
の特徴によれば、間欠的な流れタブが水棒の周面に沿っ
て配置される。好ましくは、これらの流れタブは、水棒
が貫通するスペーサ上方に位置づけられる。タブは上方
に流れる水および蒸気を偏向する効果を有する。水は概
してタブにより外方に転向して燃料棒に向う。同時に、
蒸気は、タブ間を上方にもっと真直に垂直な非転向経路
をたどる。こうして、燃料束の上部の蒸気の影響を受け
易い２相域において不当な圧力降下をもたらすことなく
上昇流の転向が生じる。

【００１７】本発明の他の目的は、所望の流れ転向をも
たらす水棒におけるタブのための好ましい構造と構成方
法を開示することである。この特徴によれば、水棒の直
径をわずかに超える直径を有する管が用意される。この
管はその上部において切欠きを形成するように切り込ま
れて周沿いの一連の直立耳が形成される。これらの耳は
下方かつ外方に曲げられて流れ転向タブを形成し、全体
構造に多少クラウンに似た外観を付与する。別の作製方
法において、管はまずその上端において拡開される。そ
の結果短い漏斗に似た、短い円筒に円錐を連結したもの
が得られる。その後、切欠きが円錐に設けられ所望の流
れ転向タブが切欠き間に形成される。この「クラウン」
構造物は、その製造後、大径水棒周囲に取付けられそし
て溶接される。

【００１８】本発明の他の目的は、流れ転向タブの好ま
しい取付け位置を開示することである。本発明のこの特
徴によれば、流れ転向タブは、スペーサに隣接して、好
ましくはその直上に配置される。この位置において、タ
ブは流体流の望ましい偏向をもたらし、同時に、スペー
サにおける燃料棒の支えを越えたばかりの安定位置にお
いて液体を燃料棒に衝突させるように転向させる。その
結果、タブによる燃料棒への水の転向に誘発される燃料
棒の振動が抑制される。

【００１９】本発明の他の目的と特徴と利点は添付図面
と関連する以下の説明からさらに明らかとなろう。

【００２０】

【実施例の記載】図１Ａは燃料束の斜視図である。燃料
束Ｂは突端片Ｎと下側結合板４０を含んでいる。下側結
合板４０は、マトリックスをなす直立燃料棒Ｌを支持す
る。燃料棒Ｌは上側結合板４２まで全長にわたって上方
に延びている。

【００２１】チャネル２５が下側結合板４０と上側結合
板４２との間に延在する。このチャネルは、下側結合板
４０を出る水の流れを囲い込みそして上側結合板４２に
おいて水と蒸気の流出を可能にする。

【００２２】ここでは２つのスペーサＳ１、Ｓ２が示さ
れている。これらのスペーサはそれぞれ燃料束の上部２
相域に位置している。図示のように、ここに開示した燃
料束は大径の水棒Ｗを含んでいる。本発明の対象は、こ
の大径の水棒Ｗと、それと隣り合う燃料棒Ｌとの協同作
用が、本発明の主題となる。

【００２３】図１Ｂを参照すると、マトリックス内に、
燃料棒Ｌの遮断された格子位置と水棒Ｗとの間に画成さ
れた大きなギャップＧが存在することが理解されよう。
これらギャップはまた、図３と図４と図５に示す格子断
面にも例示されている。これらのギャップＧが不均一な
流れの場となり得ることがわかった。従って、本発明の
目的はこの不均一流れを転向により解消することであ
る。

【００２４】多量の水が大径水棒Ｗの表面に沿って流れ
ると考えられる。同時に、それぞれのギャップにおい
て、比較的多くの蒸気分が上方に流れる。ギャップＧに
より形成されるボイドの寸法により、２相減速材の上昇
流は不均一となり得る。流れ転向タブＴが使用されるの
はこのためである。

【００２５】運転中、流れ転向タブＴは、大径水棒の表
面に沿って流れる水を燃料棒Ｌの方に向けて外方に転向
させる。こうした経路が１４で例示されている。

【００２６】同様に、水蒸気は、タブの周囲に沿って流
れ、概して上向きのそしてより垂直な経路をたどる。こ
の蒸気は経路１６に沿ってタブ間の間隙内に偏向する。
大径水棒Ｗに配置した転向タブの作用として、例示した
燃料束Ｂの上部２相域において比較的均一な流れが生じ
る。図１Ｃは本発明の重要な細部を示す。詳述すると、
正方形の中央開口４２を有する下側結合板４０が例示さ
れている。正方形の中央開口４２の上方に、水棒Ｗの、
同様に正方形断面を有する挿入用対応下端４４が示され
ている。この正方形断面は大径水棒Ｗを燃料束Ｂの残部
に対して回転しないように固定するために使用される。
図からわかるように、端４４は、下側結合板４０の正方
形開口４２内にはめ込まれそして固定される。水棒Ｗの
回り止めは、流れタブを燃料棒配列に対して適正位置に
維持する。

【００２７】図２Ａ〜図２Ｃは大径水棒Ｗの外面に使用
される代表的な流れ転向装置Ｄの好適構造を例示する。
代表的に管状部材２０が利用される。管２０には個別の
切欠き２２を形成する。

【００２８】切欠き２２の形成後、それぞれの転向タブ
を図２Ｂに示すように下方かつ外方（斜め外方）に曲げ
る。

【００２９】別の構造では、最初管２０をその上部にお
いて外側に拡開して漏斗状の構造を形成する。外側への
拡開後、管の外側拡開部分を部分的に切除し流れ転向タ
ブを残存させる。

【００３０】クラウン状構造が形成されることは明瞭で
ある。代表例では、このクラウン構造は、溶接部２６に
おけるような仮付け溶接により大径水棒Ｗの側面の正確
な垂直位置に固定される。図２Ｂを参照されたい。

【００３１】水棒Ｗに対するリング２０の構造は環状で
あることが好ましい。詳述すると、リングは、上側溶接
部２６に隣接する第１端２８と、下側溶接部２６に隣接
する第２端つまり下端３０とにおいて内側に片寄せられ
る。こうした構造は流れ転向タブの理想的な位置決めに
役立つ。

【００３２】リングの内径は水棒Ｗの外径よりわずかに
大きく、環状のギャップが介在する。このギャップは、
リングと水棒間の少量の流れを許容する。ギャップが小
さいと、隙間腐食が起こりそして酸化物皮膜の堆積が水
棒とリングとの間でくさびとして作用する恐れがある。

【００３３】図３は、１０×１０格子中の大径水棒Ｗに
設けた図２Ａ〜図２Ｃのリングの詳細を示す。図からわ
かるように、それぞれのタブ２４は、大径水棒Ｗと、例
示の１０×１０格子マトリックスの中断部との間に生じ
るギャップ域Ｇ内に外方に突出している。ギャップ域Ｇ
に対するタブ２４の正確な位置付けは、格子の密度と、
大径水棒の寸法と部分的に中断されたマトリックス位置
とに依存することを理解されたい。また、最終的に形成
されるギャップの寸法により流れ転向タブの寸法を変更
し得ることも理解されたい。

【００３４】図４は９×９格子を示す。流れ転向装置Ｄ
の構造は図２Ａ〜図２Ｃに例示したものと類似してい
る。しかし、ここでは、タブ３４が外方に、大きなギャ
ップ域Ｇ１内に突出するように位置決めされている。ま
た、タブ３６がもっと小さなギャップ域Ｇ２内に突出す
るように位置決めされている。大きさの相異なるギャッ
プ域に対する寸法の相異なるタブ３４、３６の組合せの
結果として、燃料束の２相域内に均等上昇流が確保され
る。

【００３５】図５は９×９マトリックスの詳細を示し、
この場合、２本の大径水棒Ｗ１、Ｗ２が中央に配置され
る。両大径水棒はそれぞれ、大きな転向タブ４４と小さ
な転向タブ４６とを有する。先に例示したリング構造が
部分的に除去されていることも理解されよう。その代わ
りに、転向組立体Ｄ１、Ｄ２はそれぞれ２つのＣ字形管
状部材で構成してある。これらの他の詳細は既に例示し
た構造と同等である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の流れ転向装置の配置を示すために燃料
束のチャネルと燃料棒を燃料束の上部２相域において破
除した燃料束の斜視図である。

【図２】大径水棒の表面に沿って流れる水が隣の燃料棒
に向かって転向しそして水蒸気が水棒に取付けたタブ間
を上方に流れる状態を例示する代表的な流れ転向装置の
拡大詳細図である。

【図３】下側結合板と水棒の下端とを示す斜視図であ
る。

【図４】大径水棒の周面に取付けた代表的な流れ転向タ
ブ組立体の平面図である。

【図５】図４の線２Ｂ−２Ｂに沿う部分断面側面図であ
る。

【図６】図４の線２Ｃ−２Ｃに沿う垂直断面図である。

【図７】１０×１０格子の燃料棒と協働する大径水棒タ
ブを示す。

【図８】９×９格子の燃料棒と協働する不規則な形状の
大径水棒タブを示す。

【図９】９×９格子内に配置した２本の大径水棒それぞ
れに設けたタブを示す。

【符号の説明】

Ｂ 燃料束 Ｌ 燃料棒 Ｗ 大径の水棒 Ｇ ギャップ Ｔ 流れ転向タブ Ｄ 流れ転向装置 Ｓ１ スペーサ Ｓ２ スペーサ １４ 水の経路 １６ 水蒸気の経路 ２０ 管（リング） ２２ 切欠き ２４ タブ ２５ チャネル ２６ 溶接部 ３４ 大形タブ ３６ 小形タブ ４４ 大形タブ ４６ 小形タブ ４０ 下側結合板 ４２ 上側結合板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブルース・マツツナー アメリカ合衆国、カリフオルニア州、サ ン・ホセ、クレストモント・ドライブ、 1920番

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料棒を支持しそして支持された前記燃
   料棒間に液体減速材流入開口を画成する下側結合板と、
   前記下側結合板上にマトリックスをなして支持されそし
   てそれぞれが該マトリックスの一つのマトリックス位置
   を占める複数の燃料棒と、前記燃料棒を平行並立関係に
   保持しそして蒸気および液体減速材の流出を許容する上
   側結合板と、前記下側結合板と前記上側結合板と両結合
   板間の前記複数の燃料棒とを囲み、前記下側結合板を通
   る経路に沿う減速材流体流を燃料束内に囲い込んで燃料
   束の２相域内で蒸気減速材を発生させそして前記減速材
   の液体と蒸気を前記上側結合板から流出させるチャネル
   と、前記燃料束の中央に配置された少なくとも１本の大
   径の水棒が、該燃料束内の複数のマトリックス位置を少
   なくとも部分的に占有して、該燃料束内の大径水棒周辺
   の間隙域において上向き流体流のための不規則なギャッ
   プを形成し、該不規則ギャップが該燃料束内の核反応に
   よる水蒸気発生中水と蒸気の上昇流を含む燃料束上部２
   相域内に延びているような大径水棒とを具備する燃料束
   において、前記燃料束の前記上部２相域において前記水
   棒に固定した複数の周方向に相隔たる流れ転向タブが、
   前記大径水棒の側面から前記不規則ギャップ内へ外方に
   突出して間欠的な流れ転向表面を画成し、これにより前
   記大径水棒に隣接して流れる液体減速材を外方に転向さ
   せそして前記大径水棒に隣接する蒸気を前記流れ転向タ
   ブ相互間に流すことを特徴とする燃料束。
2. 【請求項２】 前記燃料束２相域における所定高さの位
   置にスペーサを具備する前記燃料束において、前記複数
   の離間した流れ転向タブを前記スペーサ直上に配置する
   ように前記大径水棒を構成したことを特徴とする請求項
   １記載の燃料束。
3. 【請求項３】 前記周方向離間流れ転向タブは前記大径
   水棒を少なくとも部分的に取り巻く管状ベースを備え、
   この管状ベースに間欠的に切欠きを設けて該管状ベース
   の上部に上向きタブを形成しそして該タブを該管状ベー
   スに対して下方かつ外方に曲げてあり、これにより２相
   減速材を前記大径水棒に対して外方に転向させることを
   特徴とする請求項１記載の燃料束。
4. 【請求項４】 前記周方向離間流れ転向タブは前記大径
   水棒を少なくとも部分的に取り巻く管状ベースを備え、
   この管状ベースの上方を外方に拡開して円錐形部分を形
   成し、この円錐形部分に外方突出タブを残すように切欠
   きを設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料束。
5. 【請求項５】 前記周方向離間流れ転向タブは前記大径
   水棒を少なくとも部分的に取り巻く管状ベースを備え、
   この管状ベースは水棒外径よりわずかに大きい内径を有
   して該管状ベースと該水棒との間に環状空隙を形成して
   おり、該リングのある部分を前記水棒と接触するように
   内方に片寄らせそして該内方片寄り部分を前記水棒に溶
   接した請求項１記載の燃料束。
6. 【請求項６】 燃料棒支持部分を含みそして減速材流入
   開口を形成してある下側結合板と、前記下側結合板上に
   マトリックスをなして支持されそしてそれぞれが該マト
   リックスの一つのマトリックス位置を占める複数の燃料
   棒と、前記燃料棒を平行並立関係に保持しそして２相減
   速材の流出を可能にする開口を形成してある上側結合板
   と、前記下側結合板と前記上側結合板と両結合板間の前
   記複数の燃料棒とを囲み、減速材流体流を燃料束内に囲
   い込んで燃料束の上部２相域内で蒸気減速材を発生させ
   そして２相減速材を前記上側結合板から流出させるチャ
   ネルと、前記燃料束の中央に配置された少なくとも１本
   の大径の水棒であって、該燃料束内の複数のマトリック
   ス位置を少なくとも部分的に占有して、該燃料束内の大
   径水棒周辺に間隙域を形成し、該間隙域が上向き流体流
   に対する不規則な流体ギャップを画成しそして該不規則
   ギャップが燃料束の前記上部２相域内に延びているよう
   な大径の水棒と、前記燃料束の前記上部２相域において
   前記水棒に固定した複数の周方向に相隔たる流れ転向タ
   ブが、前記大径水棒の側面から前記不規則ギャップ内へ
   外方に突出して間欠的な流れ転向表面を画成し、これに
   より前記大径水棒に隣接して流れる液体減速材を外方に
   転向させそして前記大径水棒に隣接する蒸気減速材を前
   記流れ転向タブ相互間に流す流れ転向タブとからなる燃
   料束。
7. 【請求項７】 前記燃料束２相域における所定高さの位
   置にスペーサを具備する前記燃料束において、前記流れ
   転向タブを前記スペーサ直上の前記大径水棒に固定する
   ことを特徴とする請求項６記載の燃料束。
8. 【請求項８】 前記大径水棒の周囲にある流れ転向タブ
   は該大径水棒を少なくとも部分的に囲む管状ベースを備
   え、この管状ベースに間欠的に切欠きを設けて該管状ベ
   ースの上部に上向きタブを形成しそして該タブを該管状
   ベースに対して下方かつ外方に曲げてあり、これにより
   水を前記大径水棒に対して外方に偏向させるとともに水
   蒸気を前記流れ転向タブ相互間に通し得る請求項６記載
   の燃料束。
9. 【請求項９】 複数の燃料棒を支持するための下側結合
   板であってそれを通る減速材の流入を許容する開口を形
   成してある下側結合板と、前記下側結合板にマトリック
   スをなして支持されそしてそれぞれが該マトリックスの
   一つのマトリックス位置を占める複数の燃料棒と、前記
   燃料棒を平行並立関係に保持しそして液体および蒸気減
   速材の流出を許容する開口を有する上側結合板と、前記
   下側結合板と前記上側結合板と両結合板間の前記複数の
   燃料棒とを取り囲み、前記下側結合板を通る経路に沿う
   水減速材の流れを燃料束内に囲い込んで、燃料束の２相
   域内で蒸気減速材を発生させそして該蒸気減速材を前記
   上側結合板から流出させるチャネルと、前記燃料束の中
   央に配置された少なくとも１本の大径の水棒であって、
   前記燃料棒より大径であるために該燃料束内の複数のマ
   トリックス位置を少なくとも部分的に占有していて、上
   向き流体流に対するギャップが燃料束上部２相域内に延
   びているように画成された大径水棒とを具備する燃料束
   において、前記大径水棒に複数の周方向に相隔たる流れ
   転向タブを設ける方法であって、前記大径水棒より大き
   な直径を有する管を用意する段階と、該管をその上部に
   おいて外方に拡開して円錐形部分を形成する段階と、該
   管の上部における前記円錐形部分に外方突出タブを残す
   よう切欠きを設ける段階と、該管を前記大径水棒の外周
   に配置して前記タブを前記大径水棒から外方に突出させ
   る段階とを包含する方法。
10. 【請求項１０】 前記燃料棒を平行並立関係に隔置する
    ために前記燃料束内にスペーサを取付ける段階と、前記
    流れ転向タブが前記スペーサの直上にあるように前記大
    径水棒に前記管状部材を配置する段階とを含み、これに
    より前記スペーサからの水の転向が前記燃料棒に極めて
    少ない振動作用しか及ぼさない請求項９記載の方法。