JPH06342092A

JPH06342092A - 短寸燃料棒を備えた燃料バンドルにて最適化された限界出力

Info

Publication number: JPH06342092A
Application number: JP6065365A
Authority: JP
Inventors: Bruce Matzner; ブルース・マッズナー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1994-04-04
Publication date: 1994-12-13
Also published as: EP0619581A1; US5416812A

Abstract

(57)【要約】【目的】短寸燃料棒を備える沸騰水型原子炉の限界出
力を向上させる。【構成】限界出力の制約の原因であった遷移沸騰を回
避するため燃料バンドル内の水と蒸気との配分を適正化
する。特に、短寸棒のプレナム領域(203) が発熱しない
ためそこに集積しがちな水を、周囲の燃料棒の発熱面に
偏向させる。その為に、(a) 短寸棒上端に汽水分離装置
(116,120,125,160,250) を設置し或いは(b) 短寸棒上方
のスペーサに渦生成ベーン(109,130,139,140,D´,150,1
52,162,165,165´,170,172) や円錐体(130) を設置す
る。また短寸棒の挿入により抑えられていた燃料バンド
ル上部二相領域の圧力低下を復元することにより、限界
出力を向上させる。その為に、(a) 短寸棒上方のスペー
サ数を増す(S₈ )、(b) スペーサの垂直高を増す（図２
５）、或いは、(c) スペーサの構築材料の厚みを増す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願は、1992年７月15日提出のJo
hansson らの特許出願第07/914,389号、「短寸燃料棒を
備えた燃料バンドルに於ける限界出力の最適化(Optimiz
ed CriticalPower in a Fuel Bundle Having Part Leng
th Rods) 」の一部継続出願であり、次にこの出願は、1
991年５月17日申請のMatzner らの特許出願第07/701,93
1号、「短寸燃料棒を備えた沸騰水型原子炉のバンドル
に於ける、スペーサに伴う圧力低下の最適化(Optimized
Spacer Associated Pressure Drop in a BWR Bundle H
aving Part Length Rods) 」、及び、1991年５月17日提
出のDix の特許出願第07/702,644号、「短寸棒に付属し
た分離装置(Separation Devices with Part Length Rod
s)」の一部継続出願である。

【０００２】この特定的開示に関して付加される新規の
本論文は、燃料バンドルに於て、短寸燃料棒の上部プレ
ナム領域は、不必要な水が集積し得る部位であるという
発見について述べる。更に重要なことに、これらの短寸
燃料棒のプレナム領域は、該短寸燃料棒の発熱面の終結
部分を成す。そのため、短寸燃料棒のプレナム領域は、
そこから該短寸燃料棒の先端の上方空間へと水が運ばれ
得る部位を優先的に形成する。斯くして、本発明のこの
付加的開示は、短寸棒のプレナム領域の先端に水流偏向
面を取り付けると望ましいことを述べる。これらの水流
偏向面は、短寸棒の先端に集積する液体を偏向させると
同時に、プレナム領域という発熱の停止した表面に於て
短寸棒を冷却する為にはもはや不必要な水を偏向させる
為のものである。この水を偏向させると、水は短寸棒の
先端を通過できず、その短寸棒の上方空間に運ばれるこ
とがなくなる。

【０００３】本開示は、沸騰水型原子炉に用いられる、
短寸棒を備えた核燃料バンドルに関する。更に詳細に
は、短寸棒を導入した為に抑制される燃料集合体の上部
二相領域に於ける圧力低下が、実質的にその抑制分を回
復するスペーサの導入により矯正される、短寸棒を備え
た燃料バンドルの総合的作用が開示される。その結果、
限界出力が向上する。

【０００４】例えば、スペーサ間距離が変更されて、燃
料バンドルの上部二相領域にスペーサが追加される。或
いはその代わりに、いわゆるベーン、特に渦生成ベーン
が追加され得る。その他、スペーサの垂直高を増す、ま
た、スペーサを厚みを増した金属材料で構築するなど、
スペーサにより圧力低下を惹起する諸方法が提出され
る。

【０００５】また本発明は、短寸棒の上方に分離装置を
追加設置する方法をも包含する。

【０００６】

【従来の技術】（1998年４月４日に米国特許出願第07/1
76,975号として提出されるとともに）1992年５月12日発
行のDix らの米国特許第 5,112,570号、「二相圧力低下
を抑えた沸騰水型原子炉集合体設計(Two-Phase Pressur
e Drop Reduction BWR Assembly Design) 」では、複数
本の短寸棒を備えた燃料バンドルが説明された。この参
考文献に述べられた構造とその利点とを要約しておけば
有益であろう。

【０００７】Dix らの燃料バンドルの構造は、全寸より
短い燃料棒を追加した点を除けば習用法と同じである。
Dix らの特許で開示された燃料集合体の習用部分は容易
に理解される。この集合体は、垂直に伸びた壁を持ち燃
料バンドル集合体の空間を囲むチャネルを含む。このチ
ャネルは、水減速材の流入のため底部が開き、水および
蒸気の排出のため頂上部が開く。この燃料バンドルは垂
直に直立する燃料棒（核分裂性物質を納めた密封管）行
列を含む。燃料棒は、燃料バンドルに水減速材を流入さ
せ得る下部タイプレートに支えられている。典型的に
は、燃料棒は、これらを垂直に並行した配置に保つと共
に発生蒸気および残った水を流出させ得る上部タイプレ
ートにまで伸びている。

【０００８】Dix らの開示は、習用の燃料集合体に対
し、全寸より短いいわゆる「短寸（燃料）棒（ＰＬ
Ｒ）」を複数本、間隔を空けて挿入する。これらの燃料
棒は下部タイプレートに支えられ、上部タイプレートに
向かって上方に伸びるが、上部タイプレートに達する前
に終結する。その終結点と上部タイプレートとの間の燃
料バンドルの上部二相領域に、短寸燃料棒は流路空間を
規定する。この流路空間は、出力生成運転中に、燃料バ
ンドルの上部二相領域の液体−蒸気二相混合物のうち蒸
気を優先的に受け入れる。

【０００９】この短寸棒構造により多くの利点が得られ
る。冷態停止余裕が改善されるので、ガドリニウム等の
可燃性吸収材を少量にした燃料設計が可能になる。炉内
の燃料バンドルはその頂上部でウラン 238の共鳴中性子
捕獲によりプルトニウムを生成する傾向があったが、こ
れが抑えられる。また短寸棒の上方空間の蒸気分率が増
すので、結果的にその空間に隣接する全寸棒での液体分
率が増加する。更に、燃料バンドルの上部二相領域に於
ける圧力低下が抑えられる。そのため、この燃料バンド
ルは熱水力学的および核的不安定性を排し、安定性を増
す。

【００１０】燃料バンドルは細長い。更に、その燃料バ
ンドルの中に納められた燃料棒は撓みやすい。これらの
燃料棒は、流動が誘発する振動や燃料棒曲りにより、所
定の相互間隔を外れて撓み得る上、接触し合うことすら
ある。ゆえに、燃料バンドル全体に亙りスペーサが用い
られる。燃料バンドルスペーサは、一定の高さで個々の
燃料棒を所定の相互配置に保持する機能を持つ。通常斯
かるスペーサには個々の燃料棒を納める為のセル行列が
区切られている。これらのセルは、燃料バンドル内の各
々の高さに於て各燃料棒の周囲ちょうどに適合してい
る。燃料バンドルスペーサは燃料棒を所定の相互配置に
保ち、個々の燃料棒の相互接触を阻む。上部タイプレー
トに届かない燃料棒である短寸棒の場合は、スペーサは
短寸棒を所定の直立位置に保持する。

【００１１】短寸棒を備えたものも含め、燃料バンドル
は全て熱的な制限条件の中で運転されるよう設計しなけ
ればならない。特に、限界出力として知られる沸騰水型
原子炉の熱的制限条件は、常に制約となっていた。限界
出力は、「遷移沸騰」として知られる現象に於ける、燃
料棒外表面の冷却材液膜の破裂に由来する。この遷移沸
騰状態に於ては、液膜は燃料棒の外表面をもはや覆うこ
とがない。燃料棒の外表面は冷却材の蒸気にのみ晒さ
れ、核分裂反応を経た燃料棒内部の燃料からの冷却材へ
の熱伝達が低下して、燃料棒被覆が過熱する。勿論、燃
料バンドル内の燃料棒は何れも、また燃料棒全長のどの
位置に於ても斯かる沸騰状態に近づくので、「限界出
力」の制限に抵触しないよう出力が制限される。

【００１２】従来の実験はこの限界出力の制限の問題を
指向していた。燃料バンドルの上部二相領域でスペーサ
間距離を狭めると、限界出力が向上し得ることは知られ
ている。残念ながら追加されたスペーサは更なる圧力損
失を招く。更なる圧力損失が招かれると、原子炉の一定
の出力比に於ける不安定化傾向が増大する。この不安定
性には、局所的および炉心全体に亙る、熱水力学的およ
び核熱水力学的不安定性が含まれる。このため、沸騰水
型原子炉燃料バンドルの上部二相領域のスペーサ間距離
を狭めると、実験的には限界出力の向上が決定された
が、実用にはならなかった。

【００１３】更に、いわゆる「渦生成ベーン」を、沸騰
水型原子炉およびその中のスペーサ両者に組み込む方法
も知られている。これらの装置は簡単に要約され容易に
理解され得る。簡単に述べると、いわゆる渦生成ベーン
は燃料棒の間隙に取り付けられる。ベーン自体は螺旋状
に捻られた金属片を含んで成る。初期の例では、これら
のいわゆる渦生成ベーンは炉内の燃料棒と同じ長さを有
していた。最近の例では、この渦生成ベーンで構成され
たスペーサが構築された。1990年４月３日発行のJohans
son の米国特許第 4,913,895号、「スペーサ格子に一体
化された渦生成ベーン(Swirl Vanes Integral with Spa
cer Grid) 」を参照されたい。

【００１４】この渦生成ベーンは、炉へ追加されると有
利な効果と不利な効果とを有した。有利な効果は、水お
よび蒸気の上昇流から水が分離できることである。簡単
に述べると、捻られた金属片が螺旋形であっても蒸気は
渦生成ベーンを巡って上方に流れて行った。しかし、水
はこの上昇流には伴って行かない。代わりに、比較的重
い水は渦生成ベーンから水平方向の速度成分を受けた。
渦生成ベーンは燃料棒の間隙に設置されているので、重
い水が渦生成ベーンからの運動量により水平方向に弾き
出されて隣接する燃料棒に付着するという有利な効果が
あった。その結果、限界出力の制限値が向上する。

【００１５】上記の渦生成ベーンの不利な効果は、圧力
低下を増大させる点である。渦生成ベーン自体が沸騰水
型原子炉の上部二相領域の圧力低下を招く。圧力低下の
増大は、沸騰水型原子炉の高出力／低流動(high power/
low flow) 条件下では、熱水力学的不安定性および核熱
水力学的不安定性を含めた諸々の不安定化の可能性を増
大させる。そのため、多くの場合、渦生成ベーンは沸騰
水型原子炉に導入されなかった。

【００１６】スペーサに関連する熱水力学的性能を物理
的に解釈するには、冷却材がチャネルを上昇する際に経
る流動様式、及び、流れとスペーサとの相互作用を検討
しなければならない。単相の水は燃料集合体の底部に流
入し、サブクール沸騰が生ずるまで加熱される。燃料棒
の表面には気泡が形成されるが、多量のサブクール流に
接触すると直ちに凝縮する。 100％出力／ 100％流動条
件下では、燃料集合体最下段のスペーサとその次の第二
スペーサとの間の何れかの位置で、バンドル平均のバル
ク沸騰が始まる。この時点で、主流域の気泡は成長し、
小気泡流形から、個々の小気泡が結合し始めて、大きめ
の蒸気スラッグを成すスラッグ或いはフロス(froth) 流
形へと、流動様式が進行する。これらの過程の間、蒸気
は連続した液媒体の中で、気泡あるいはスラッグとして
流動している。

【００１７】条件に応じてバンドル中央部付近の何れか
の位置で、流動様式が変化する。この時、極めて多くの
蒸気があるため、蒸気は連続的な媒体と化し、液体はバ
ンドル内の硬質面全面を流動する薄膜か、或いは、連続
的な蒸気に運ばれる液滴かになる。これが環状流動様式
(annular flow regime) であり、普通、沸騰水型原子炉
中でドライアウトや沸騰遷移がここで発生するので重要
である。

【００１８】文献では、沸騰水型原子炉に於ける極限的
な限界出力状態は、他に、ドライアウト、沸騰危機(boi
ling crisis)、限界熱流束、焼損、及び、本明細書で使
用される沸騰遷移などと呼ばれてきた。沸騰遷移は、燃
料バンドル内の熱伝達の低下の第一条件として定義され
る。これは、環状流動様式に於て、燃料棒全表面を覆う
薄い液膜の厚みがゼロになる結果、生ずる。そして、限
界出力の問題が生ずる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本出願人らは、短寸棒
を備えた燃料バンドルに欠陥が生じ得ることを発見し
た。詳細には、斯かる燃料バンドルは、その上部二相領
域で限界出力を制限する傾向を持つ。この限界出力の制
限は、燃料バンドルの上部二相領域の全寸棒による。こ
のことは、全寸棒の周囲および隣接域での流量が平均を
下回ることがあるという実験から推論された。明らか
に、これが沸騰遷移および限界出力制限を生む傾向を持
つ。

【００２０】更に、短寸棒のプレナム領域が、燃料バン
ドル内で優先的に水を集積する部位であることも発見さ
れた。これは、中央にウォータロッドを置いた10×10本
の燃料棒行列を備える燃料バンドルを考慮すれば了解さ
れ得る。典型的には、斯かる燃料バンドルには合計92本
の燃料棒が存在する。その92本のうち、78本が全寸燃料
棒で、残りの14本が短寸燃料棒である。

【００２１】短寸燃料棒の先端６インチがプレナム領域
を成すことは了解されよう。この領域は、核分裂気体を
蓄積する為の空間であると同時に、燃料棒を密封する為
に不可決の燃料棒端栓、ばね、ゲッタチェンバの為の空
間である。したがって、このプレナム領域は、燃料棒に
於ける蒸気発生が停止する位置となる。斯くして、78本
の全寸燃料棒と14本の短寸燃料棒とを備えた10×10本の
燃料バンドルには、その上部二相領域に、全ての短寸燃
料棒が終結する共通の高さが存在する。そして短寸燃料
棒は全て同じ高さに各々のプレナム領域を並置する。更
に、これらのプレナム領域は全て、この領域が加熱され
ていた場合よりも余計に水を集積する傾向を持つ。

【００２２】非発熱のプレナム領域が同じ高さに配列す
ると、二つの影響が出る。第一に、この高さの全域に存
在する２〜８％の水が、その高さの非発熱プレナム領域
に集積する可能性がある。第二に、燃料バンドルの全体
に亙る蒸気流の中で、水は主として、燃料棒に付着し
た、蒸気と化しつつある水として分布している。加熱さ
れないプレナム領域では、水は蒸気にならない。その結
果、この領域は、燃料バンドルの上部二相領域に於ける
余分な水の重要な源泉となり得る。

【００２３】この水が偏向されないとすると、この水は
短寸燃料棒先端の上方の流動空間に間違いなく運ばれて
行く。すると水流は全寸燃料棒の残りの発熱部分と接触
しないまま燃料バンドルから実際上流出してしまう。こ
の発見が従来にないことは了解されよう。この発見が発
明を構成し得る限り、本出願人らの発明はこの発見を組
み入れる。

【００２４】

【課題を解決するための手段】沸騰水型原子炉の炉心に
使用される燃料バンドルに於て、圧力低下を抑制する傾
向を持つ短寸棒が、限界出力を向上する為に圧力低下を
復元するのに役立つ、スペーサ及びスペーサ付属装置と
併せて使用される。燃料バンドルは、上部および下部タ
イプレートの間をチャネルに囲まれて垂直に直立して配
列した、好適には９×９本の燃料棒行列を含む。タイプ
レートは燃料棒を支持すると同時に、下部タイプレート
からは冷却水が流入でき、上部タイプレートからは水お
よび発生蒸気が流出できる。短寸棒は燃料棒行列の中に
分配され、間の距離を狭めたスペーサと併用される。短
寸棒を挿入すると、圧力低下が抑えられる利点がある。
スペーサが追加使用され（バンドルの上部二相領域のス
ペーサ間距離を狭めるなど）、或いは、スペーサ付属器
具（ベーン及び特にいわゆる渦生成ベーンなど）が追加
使用されて、短寸棒の挿入により取り除かれた圧力低下
が回復する。その結果、燃料集合体の上部二相領域の限
界出力性能が著しく向上する。

【００２５】開示のこの結果を得る一つの方法は、圧力
低下を増大させる為に燃料バンドルの上部二相領域に於
けるスペーサの総数を増す方法である。スペーサは、燃
料バンドルの下部では約20インチの中心距離で配分され
ている。燃料バンドルの上部二相領域のスペーサ数を増
す方法は、そこに少なくとも１枚のスペーサを追加でき
るように20インチ未満の距離でこれらを配置することを
含む。追加のスペーサは、燃料棒曲りや流動が誘発する
振動を防ぐという従来の目的の為に要求されるのではな
い。確かに、追加のスペーサによる燃料バンドルの上部
二相領域での圧力損失は、燃料バンドルが全寸燃料棒の
みの行列を納めていた場合に存在した圧力損失を部分的
に再現する。しかし、スペーサを追加すると、燃料バン
ドルの限界出力が向上する。結果的に、短寸棒を備えた
燃料バンドルは、短寸棒構造固有の利点の全てに加え、
限界出力の向上という更なる利点を有する。

【００２６】あるいは、開示の如くスペーサ間距離を狭
めるほか、ベーンを組み込んだスペーサが使用され得
る。例として、このベーンは、本出願人らの好適な部分
的あるいは全体的渦生成ベーン列であり得る。このベー
ンは、燃料棒の間隙にて、スペーサに組み込まれる。斯
かるスペーサは圧力低下を招きはするが、限界出力の向
上をもたらす。ベーンをスペーサに組み込む場合は、ス
ペーサ間距離を狭める必要はない。

【００２７】圧力低下を実現する為の他のスペーサ改造
法が開示される。スペーサ間距離は同じままで、垂直高
を増したスペーサが利用され得る。更に、厚めの金属構
造体で組み立てられたスペーサが使用され得る。つま
り、本発明を実施するには、短寸棒の使用により抑えら
れた圧力低下を回復する、燃料バンドルの上部二相領域
内の一つの装置（好適にはスペーサ）で充分である。

【００２８】また分離装置も使用され得る。二種類の分
離装置が開示される。第一の装置は、短寸棒の先端に設
置され、短寸棒表面を伝って通過する短寸棒先端付近の
水が、短寸燃料棒の上方空間に流入するのを防ぐことを
主な目的とする。第二の装置は、短寸棒の上方空間に位
置する。この装置は、短寸棒の上方の蒸気流路空間に運
ばれた水を弾き出す為のものである。これらの装置は拡
張および連結され得る。何れの場合も、短寸棒の上方の
流路空間に向かう蒸気濃度を高めると共に、周囲の全寸
燃料棒に存在する液体分率を高める。

【００２９】本願では、短寸棒の上端に優先的に位置付
けられた偏向面が、周囲の全寸燃料棒に向けて水を有効
に偏向させることも開示される。短寸燃料棒の先端は、
燃料バンドルの上部二相領域に於て上昇する汽水混合物
のうち、相対的に高い分率を持つ水の一つの源泉である
ことが発見された。したがって、短寸燃料棒の先端に上
記の偏向器を本開示の如く設置すると、特に有利であ
る。

【００３０】沸騰水型原子炉の燃料設計に於て根本的に
困難な点は、蒸気発生による減速材密度の多様性に起因
する。現在の設計手法は、燃料バンドルの内部に捕獲液
体を導入することによりこれを多少なりとも補ってい
る。その例は、種々のウォータロッド及びウォータクロ
ス設計である。これらの手法は中性子の減速については
効果的だが、これらに伴う冷却材の正常流域の妨害は、
熱水力学的には完全な逆効果である。特にこれは流域妨
害が広範囲に亙るため現実化する。対照的に、蒸気流路
手法(steam-vent approach) は、中性子の減速および熱
水力学の両面で、相乗的に寄与する。

【００３１】大量の蒸気を抵抗の少ない流路に偏向させ
ると、蒸気の平均速度が増し、それにより平均ボイド分
率が低下する。更に重要なことに、燃料棒周囲の局所的
ボイド分率が、その領域から蒸気を取り除くことで更に
低下する。対照的に、捕獲液体領域により流路を妨害す
ると、通常の液体および蒸気が全て同時に燃料棒の周囲
を更に高速で流れざるを得なくなる。これにより、燃料
棒周囲の局所的ボイド分率が増大する。このように、蒸
気流路設計法による中性子減速への寄与は、広範囲の捕
獲液体領域を用いて達成された寄与を容易に上回り得
る。

【００３２】蒸気用の抵抗の少ない流路は、二相領域の
圧力低下を抑える。蒸気流路にあたる通常のスペーサ構
造部を撤去すると、各々のスペーサによる圧力低下が抑
えられて、更なるスペーサを追加できるようになる（限
界出力および燃料棒曲りへの寄与を伴い）。二相領域で
の圧力低下の抑制と、燃料バンドル内部の高速流路を分
離することによる制動効果の双方により、チャネルの安
定性が向上する。

【００３３】本発明の一つの課題は、短寸棒の上方の蒸
気流路空間に水が流入するのを防ぐ為の第一の種類の分
離装置を開示することである。本発明のこの側面による
と、短寸棒の上端に付属部品が取り付けられる。この付
属部品は、朝顔形先端、偏向タブ、或いは、以後渦生成
ベーンと呼ばれる螺旋形に捻られた金属片、の何れでも
良い。短寸棒の外表面を垂直に伝って通過する蒸気およ
び水は、棒の先端付近でこの付属部品に衝突する。そし
て、質量の大きな水は偏向され、質量の小さな蒸気は実
質的に偏向されないで、短寸棒上方の流路空間へと上昇
を続ける。その結果、短寸棒の上方の蒸気流路空間に流
入する水が減少する。

【００３４】本発明のもう一つの課題は、１本以上の短
寸棒の上方の領域に、蒸気分離装置を設置することであ
る。これらの装置は、短寸棒から若干距離を空けて離れ
た位置に設置されても良いし、短寸棒の上方の空き領域
の全体に連続して伸びても良い。斯かる装置を好適に取
り付けまた吊り下げるには、短寸棒先端の上方にあるス
ペーサを始点とするか、或いは、上部タイプレートを始
点とする。吊り下げられた装置は、以後、渦生成ベーン
と呼ばれる捻った金属片、円錐体、或いは、他の蒸気分
離装置を含み得る。蒸気流路空間に流入し或いは運ばれ
て来た残りの水が弾き出される。

【００３５】短寸棒先端の付属部品および短寸棒先端の
上方の分離装置の両者の利点は、全寸棒周囲を高い液体
分率で囲むと同時に、有効な蒸気流路を保ちつつ短寸棒
の配置に融通性を持たせられる点である。その結果、核
反応度が向上し、伝熱性が向上し、安定性が向上し、且
つ、圧力低下が比較的抑えられる。本発明の一つの課題
は、短寸棒の適切な使用による圧力低下抑制と、元来の
圧力低下抑制分を復元するスペーサ付属装置による限界
出力の増大との均衡を開示することである。その結果、
限界出力が向上する。

【００３６】本発明のもう一つの課題は、圧力低下を招
くことを通じて限界出力を向上する為の好適なスペーサ
付属装置（スペーサにまつわる工夫点）について述べる
ことである。例として、スペーサ間距離を狭めること、
或いは、渦生成ベーンの如きベーンの追加が用いられ
る。何れの場合も、短寸棒の存在による限界出力の低下
分は、圧力低下を復元するスペーサによる限界出力の増
大分をかなり下回る。その結果、全体的な限界出力が向
上する。

【００３７】例として、実際の試験も含めつつ、燃料バ
ンドル内に８本の短寸棒を含む９×９本の燃料棒行列を
備えた図２、３のスペーサ間距離を使用すると、燃料バ
ンドルの上部二相領域に於ける圧力低下は８％すなわち
1.2psi 改善される。短寸棒が存在することによる限界
出力の損失は２〜４％の範囲であり得る。同時に、スペ
ーサ間距離を狭める結果、燃料バンドルの上部二相領域
に於ける圧力低下量は0.8psi 増大する。しかし、短寸
棒行列の上方の限界出力の増加量は12％に上ることが実
験的に測定されている。このように、全寸棒のみを有す
る同じ燃料棒バンドルに比べ、圧力低下は実質的に変わ
らず、限界出力の正味の全体的増加は10％に上り得る。

【００３８】スペーサ間距離を狭めると、燃料バンドル
の上部二相領域のスペーサ総数は増やされる。或いはそ
の代わりに、スペーサの垂直高を増しても良い。更にそ
の代わりに、スペーサの構築材料の厚みを増すことがで
きる。何れにせよ、元来抑えられていた圧力低下を回復
することで、限界出力が結果的に向上する。本発明のベ
ーンの実施例に関し、スペーサに組み込まれたベーンが
二つの効果を有することが了解されよう。まずこれらの
ベーンは比較的大きな圧力を損失する装置であり、圧力
低下を招くが、そのゆえに、燃料バンドル内の各々の位
置の「下流側」（上方）の限界出力を向上させる。した
がって、ベーンを取り付けたスペーサが利用される場
合、スペーサ間距離を狭める必要はない。

【００３９】本出願人らが限界出力の向上に寄与する特
定の機構を必ずしも限定しているのではないことを了解
されたい。本出願人らは、圧力低下が増大する場合、燃
料バンドルの上部二相領域に於ける限界出力が同時に増
大する点を確認しているのである。また、燃料棒は、最
上段のスペーサより上部での出力が弱まるように設計さ
れていることも了解されよう。そのため、最上段のスペ
ーサは、そこを通過する流体の流れに対し大きな圧力低
下効果を有する必要のないことが了解されよう。したが
って、最上段の位置では、通過する流体の流れに対し最
小限の限界出力効果を有し、これに呼応して圧力低下を
抑制する、インコネル(Inconel) スペーサが使用され得
る。

【００４０】

【実施例】図１、図２、図３により、本願に関連する限
りに於て、燃料バンドルの従来構造が理解され得る。チ
ャネルＣと、上部タイプレートＵ及び下部タイプレート
Ｌとを備えた燃料バンドルＢが図示されている。複数本
の燃料棒Ｒが下部タイプレートＬに支えられて、上部タ
イプレートＵに達するまで上方に伸びている。ここに示
した実施例では、中央に１本の太径ウォータロッドＷが
用いられている。

【００４１】大型沸騰水型原子炉（不図示）内の炉心の
一部としてのこの燃料バンドルの運転法は理解され得
る。水は、下部タイプレートＬを通って流入し、燃料棒
Ｒの周囲を上昇通過する。通過中に蒸気が生成される。
最終的に、汽水混合物は外部に向かって上昇し、上部タ
イプレートＵを抜ける。蒸気を生成する間、チャネルＣ
は燃料バンドル内部の流空間と炉心バイパス空間とを切
り離す。

【００４２】図１及び図６に示された如く、通常７枚の
スペーサＳ₁〜Ｓ₇が用いられる。これらのスペーサは
各々図２及び３に示されている。図２には、燃料バンド
ルＢの下部位置を占める、９×９本の燃料棒行列用のス
ペーサＳ₁からＳ₅が示されている。これらのスペーサ
は太径ウォータロッドＷを囲み、各々の高さで個々の燃
料棒を所定の配置に保つ。

【００４３】図３には上部のスペーサＳ₆及びＳ₇が示
されている。これらのスペーサは各々、いわゆる「短寸
棒」の終結点の上方で棒行列を直立させている。この記
述の時点で、本発明の好適実施例は、図１、２、３の９
×９本の行列を含む。図４には、燃料バンドルＢと類似
した燃料バンドルの下部位置を占める、10×10本の燃料
棒行列用のスペーサＳ₁からＳ₅が示されている。これ
らのスペーサは太径ウォータロッドＷを囲み、各々の高
さで個々の燃料棒を所定の配置に保つ。

【００４４】図５には上部のスペーサＳ₆及びＳ₇が示
されている。これらのスペーサは各々、いわゆる「短寸
棒」の終結点の上方で棒行列を直立させている。1992年
５月12日発行のDix らの米国特許第 5,112,570号、「二
相圧力低下を抑えた沸騰水型原子炉集合体設計(Two-Pha
se Pressure Drop Reduction BWR Assembly Design) 」
（前述）を参照されたい。この出願で、燃料バンドルの
中に一組の短寸棒Ｐを設置する方法が開示された。

【００４５】簡単に述べると、スペーサＳ₅より高くス
ペーサＳ₆及びＳ₇より低い位置に伸びる短寸棒Ｐが用
いられた。短寸棒は下部タイプレートＬに支えられ、第
五スペーサに向けて上方に伸び、これを貫通してそのや
や上方で終結していた。第五スペーサ上方の短寸棒Ｐの
終結点から、燃料バンドルの上部二相領域内に空間が規
定される。

【００４６】この構造には長所があり、これについては
前に述べた。更に、疑う余地なく了解される如く、本出
願人らは、幾多の試験から、バンドル内に全寸棒だけを
備える場合に比べ、図の燃料バンドルの上部二相領域に
於ける限界出力が予測より低いことを発見した。つま
り、短寸棒の上方から全寸燃料棒Ｒの活性燃料の先端に
到る部分では、燃料棒に於ける限界出力状態がいち早く
訪れ得る。そのため、どの燃料棒Ｒ上のどの位置に於て
も限界出力の制限を上回らせないよう、バンドル全体が
制約を受けなければならない。

【００４７】図６から図１１には、本発明が模式的に図
示されている。図６だけは従来技術を表わす。図には特
に２つの要素だけが示されている。まず、棒グラフ40が
ある。この棒グラフ40は、全て中心距離20インチにある
７枚のスペーサＳ₁〜Ｓ₇を示す。第二に、短寸棒Ｐが
図示されている。短寸棒は長さ約 102インチで、スペー
サＳ₅のすぐ上で終結している様子が示されている。こ
の棒グラフは、図１に述べられた構成を示す。

【００４８】図７は本発明に係る好適実施例である。特
に、これは実際の試験が行なわれた構成を成す。短寸棒
Ｐは長さ 102インチである。スペーサＳ₁からスペーサ
Ｓ₅までの配分は従来と同じであるが、スペーサＳ₆、
Ｓ₇、Ｓ₈は各々中心距離が13.3インチである。図から
わかるように追加スペーサＳ₈が挿入されている。以下
の実施例全てに於て、追加スペーサは、燃料棒曲りを防
ぎ、また、燃料棒を所定の並行した配置に保持するのに
必要なスペーサの枚数より余分であることが了解されよ
う。更に、このスペーサは比較的薄いジルカロイ金属
（厚みは一般に１インチの約1000分の20）を用いたフェ
ルール型スペーサである。結果的に、限界出力が向上す
ることが判明した。

【００４９】図７の構成が了解されれば、他の可能な構
成もおのずと判明しよう。以下にこれらが簡単に述べら
れる。図８では、棒グラフ40は、スペーサＳ₆を含めた
位置にまで伸びてこれを貫いた、長さ約 115インチの短
寸棒を示す。スペーサ間距離は図７と同じである。図９
では、 113インチの短寸棒が用いられている。スペーサ
間距離は、スペーサＳ₄より上方に関してのみ異なる。
スペーサＳ₄からスペーサＳ₈にかけて、スペーサの中
心距離は15インチである。

【００５０】図１０では、スペーサ間距離は図９と同じ
ままであることが了解されよう。しかし、短寸棒の長さ
は97インチであり、スペーサＳ₅で終結している。図１
１の設計は、図７に図示した本出願人らの好適実施例を
凌駕する可能性を秘めているようだ。本特許出願の記述
の時点では、この構成は特に試験されていないため、こ
れを好適実施例として請求することはしないが、この設
計も有利であり得るという事実に留意されたい。

【００５１】簡単に述べると、スペーサＳ₄の上方で
は、スペーサＳ₅、Ｓ₆、Ｓ₇、Ｓ₈の間の距離は次第
に狭まっている。この設計と併用される短寸棒は長さ 1
16インチで、スペーサＳ₆を貫いて伸びている。詳細に
は、スペーサＳ₄〜Ｓ₅間の距離は18インチ、Ｓ₅〜Ｓ
₆間の距離は16インチ、Ｓ₆〜Ｓ₇間の距離は14イン
チ、最後にＳ₇〜Ｓ₈間の距離は12インチである。

【００５２】この設計で、スペーサ間距離は、燃料バン
ドルに於てボイド分率が増大する位置で次第に狭まって
いることが認められよう。スペーサ間距離を狭めるほ
か、短寸棒と共に燃料バンドルの上部二相領域に渦生成
ベーン構造を組み込んだスペーサが、同じく全体的に有
利な効果を持つことが判明した。詳細には、燃料バンド
ルの上部二相領域で改善された圧力低下を、全てではな
いが多少復元する傾向のある渦生成ベーンを備えたスペ
ーサを挿入した場合にも、限界出力は向上する。したが
って、以下の構成は、従来の中心距離のままで、渦生成
ベーンを組み込むことにより限界出力現象を向上させる
スペーサの好例である。

【００５３】図１２は、上部の突起 110及び突起 112を
備えた、捻られる前のＩ字形タブ 109が正面方向から図
示されている。図１３は、捻られた状態でのこの構造を
示す。図１４は各々の上下端でフェルールに接合された
渦生成ベーンを示す。この構成では、タブ 109の本体
が、蒸気を上昇させ続けながら、水をスペーサ内の棒に
向けて偏向させる。更に重要なことに、このスペーサ
は、図６のスペーサＳ₇、Ｓ₆、Ｓ₅、或いは、図７〜
１１のスペーサＳ₈、Ｓ₇、Ｓ₆、Ｓ₅として組み込ま
れると、短寸棒を備えた燃料バンドルが限界出力の向上
を実現することを可能にする。

【００５４】区別を明らかにすることは重要である。図
６は、短寸棒と併用される通常のスペーサを開示する限
り、従来技術に属する。しかし、短寸棒を備えた燃料バ
ンドルに加えて渦生成ベーンを備えたスペーサが挿入さ
れると、本発明の限界出力制限の向上が実現する。渦生
成ベーンはスペーサの全長に伸びる必要はない。詳細に
は、図１５が捻られる前の渦生成末端タブ 132を示して
いる。この渦生成末端タブ 132が捻られてフェルールス
ペーサ構造体に取り付けられた様子が、図１６及び１７
に於て、各々側面図および平面図として示されている。
フェルールＦｅの側面にタブ 132を取り付けると、スペ
ーサＳの上に乱流を生成する突起ができる。

【００５５】その他の構成も利用され得る。図１８に
は、捻られる前の、取り付け腕 142を有するタブ 140が
図示されている。図１９、２０では各々、フェルールＦ
ｅに腕142の全体が固く接合され、タブがフェルールＦ
ｅに取り付けられている。最後に、図２１に、渦生成ベ
ーン 139が捻られない状態で図示されている。図２２で
は各々の渦生成ベーン 139が全て捻られている。次に突
起 140がフェルールスペーサに容易に取り付けられる。

【００５６】図２３、２４により、各フェルールへの取
り付け方が分かる。図２３では重要な詳細部分が分か
る。連結部 142が、スペーサの底部の相互間隔に影響を
及ぼさない点は重要である。斯かる影響は、フェルール
Ｆｅの相互間隔に重大な変化をもたらす可能性がある。
したがって、ベーン 139は、並行したフェルールＦｅよ
りも連結部 142が下側に配置されるような長さを有す
る。

【００５７】前述の如く、圧力低下を増大させる為の、
スペーサに関連した他の手法も利用され得る。例えば図
２５では、垂直高を増したスペーサが利用されている。
更に、厚めの金属シート製の金属構造を有するスペーサ
も利用され得る。要求されるのは、短寸燃料棒の挿入に
より抑制された圧力低下を少なくとも多少復元すること
が全てである。

【００５８】圧力低下の復元量については、実現された
圧力低下の抑制分全てよりも少なめに復元する方が好適
である。したがって、燃料バンドルの上部二相領域は、
全寸棒のみを備えた同じバンドルよりも圧力低下量が少
なくなる。本出願人らが燃料バンドルの上部の二相流に
対し、スペーサ間距離を狭め、或いは、スペーサ付属の
渦生成ベーンを使用する点に留意することは重要であ
る。スペーサを通過した後の流れにスペーサが及ぼす相
互作用的効果は確実である。この「下流側の流れ」は、
二相流がスペーサのうち１つを通過した後スペーサから
上向きに生ずる。この効果は、図７〜１１のスペーサＳ
₇、Ｓ₆、Ｓ₅に関して重要である。

【００５９】最上段のスペーサ、すなわち図６のスペー
サＳ₇及び図７〜１１のスペーサＳ ₈は、この流れの原
則に対する例外である。最上段の、図６のスペーサＳ₇
或いは図７〜１１のスペーサＳ₈は、フェルール型スペ
ーサや渦生成ベーン付きスペーサである必要はない。燃
料装着法の多くに於て、最上段のスペーサより上方の１
フィート当たりのキロワット出力は、逆転した限界出力
比を惹起する遷移沸騰の起こり得る値ではない。したが
って、この位置では、中性子吸収が高く圧力低下の少な
いインコネルスペーサが充分使用され得る。この最上段
スペーサでは、スペーサ間距離を狭める必要も、開示の
渦生成ベーンを組み込む必要もない。

【００６０】本発明が変更を許容することは明らかであ
ろう。更に、短寸棒の終結点の上方のスペーサ間距離を
狭める点が本発明の主要な特徴であることも認められよ
う。図２６には、燃料バンドルＢが図示されている。バ
ンドルＢは、下部タイプレートＬ、上部タイプレート
Ｕ、９×９本の個別の燃料棒Ｆの行列を含む。チャネル
Ｃが、燃料棒を囲んで下部タイプレートＬから上部タイ
プレートＵまで伸びている。下部タイプレートＬは燃料
棒Ｆを並行した行列形に支持し、上部タイプレートＵは
燃料棒を垂直に直立する配置に確実に保持している。

【００６１】燃料棒は約 160インチの長さに伸び、撓み
やすい。そのため、一組のスペーサ（典型的には約７
個）が、燃料棒Ｆを並行した配置に保持する。図２６で
は、スペーサＳ₁、Ｓ₂、及び、Ｓ₅が、燃料バンドル
Ｂの長さ方向に、通常は等距離に配置される７枚のスペ
ーサのうちの３枚を示す。この燃料バンドルの運転法は
要約され得る。典型的には、水減速材が下部タイプレー
トＬを通って燃料棒Ｆ行列の間に規定された間隙に流入
する。水流はチャネルＣにより封入され、上部タイプレ
ートＵを通って外部に流出する。水減速材が燃料バンド
ルの上方へと通過するにつれ、蒸気が次第に高い分率を
占めながら生成されてゆく。最終的に、水および蒸気は
燃料バンドルの頂上部で上部タイプレートＵの上方に抜
けて流出する。

【００６２】燃料バンドルＢは短寸棒Ｐを備える。斯か
る短寸棒Ｐは、1992年５月12日発行のDix らの米国特許
第 5,112,570号、「二相圧力低下を抑えた沸騰水型原子
炉集合体設計(Two-Phase Pressure Drop Reduction BWR
Assembly Design) 」（前述）に開示および請求されて
いる。図で２本の短寸棒Ｐが離れて置かれている点に留
意されたい。更に、短寸棒の上方に、 114と付された、
燃料バンドル内の空隙空間が規定されている。上記の開
示に述べられた如く、二相混合物の蒸気相はこの空隙空
間 114に形成された抵抗の低い流路に向けて自然に流れ
て行く傾向を持ち、設けられた上記の流路がそれを実現
する。斯く設けられた流路は、燃料バンドルの上部二相
領域に於ける、燃料の減速材に対する比を改善する点
と、核的な安定性および熱水力学的な長所を同時に付与
する圧力低下の少ない流路を蒸気の流路として提供する
点とに於て有利であることが判明している。

【００６３】短寸棒Ｐ各々の先端に、分離装置Ｄが図示
してある。概略を述べると、本明細書に述べられた如き
分離装置Ｄの目的は、空間 114の中に流入する水やそこ
に上昇する蒸気に運ばれた水の何れをも、この空間 114
から遠ざけることである。この装置は、短寸棒の位置を
離さないでも蒸気流路法の長所がより良く発揮できるよ
うに、上記の空間に蒸気が自然に流れて行きやすくす
る。

【００６４】ここで、本明細書の他の部分を要約してお
くと有益である。詳細には、図２７、２８、２９は個々
の燃料棒の先端に設けられ得る種々の分離装置を開示す
る。図３０、３１、３２、３３、３４は、スペーサに装
着される諸々の分離装置を開示する。図３５、３６、３
７は、スペーサにも装着され得るが好適にはスペーサを
貫通して上部タイプレートから吊り下げられる分離装置
を開示する。図３０は、短寸燃料棒の先端に装着された
分離装置と、スペーサに付属する分離装置との組み合わ
せを示す。図３５は、短寸棒に接合され、その先端から
その上方のスペーサを貫いて連続して伸びる分離装置を
開示する。斯かる接合装置は燃料集合体の中に２個以上
設置され得ることが了解されよう。図３３、３４、３
６、３７、３８、３９、４０は、上方に分離装置を備え
た短寸燃料棒の隣接列を開示する。斯かる短寸燃料棒列
は燃料集合体内で様々な配列方法で分配され得る。図３
６、３７、３８、３９は、２枚以上のスペーサを貫いて
伸びる分離装置を開示する。これらの伸長装置は上部タ
イプレートまでを貫通し、そこから吊り下げられて、蒸
気流路を最大限にすると共に装置を上方から取り外すこ
とを可能にする。図３９、４０、４１は、蒸気流路空間
の内側あるいは隣接位置にウォータロッドを組み込ん
で、燃料集合体内部の減速材分布を改善する装置を開示
する。

【００６５】図２７、２８、２９により、短寸棒Ｐとし
ては図の棒が最適であることが了解されよう。また図３
０に示された燃料棒行列の中で短寸棒Ｐは１本以上の何
本でも設置され得ることが了解されよう。図２７では、
短寸棒Ｐは外向きに広がる朝顔形の円錐体 116を先端に
備える。この円錐体 116の目的は、上昇して来た水を、
外向きに、短寸棒Ｐの上方の空間114から離れた方向に
逸らすことである。この偏向方向は矢印 118で示されて
いる。しかし、質量の軽い蒸気 120は、短寸棒の上方の
空間 114に流入する向きに流れ得る。

【００６６】図２８では、短寸棒Ｐは渦生成ベーンを先
端に備える。帯状のベーン 120は、短寸棒 121の先端か
らその上方の空間 114に向けて上に伸びるにつれ反時計
回りに 180°捻られている。帯状ベーン 120の機能は容
易に了解される。これは質量の重い水粒子に対し、外向
き遠心方向のベクトルを付与する。質量の軽い蒸気は空
間 114に上昇し続ける。

【００６７】最後に、図２９では、短寸棒Ｐが一組の外
向き偏向タブ 125と共に図示されている。外向き偏向タ
ブ 125は、質量の重い水を外向きに偏向すると共に、蒸
気を障害のない流路に上昇させ続ける機能を持つ。この
時点で、短寸棒先端に於てその他の多数の分離装置が利
用され得ることを了解されたい。要求されるのは、その
装置が重い水の流れを外向きに偏向させ得ると共に、蒸
気を垂直に上昇させ続け得ることが全てである。

【００６８】図３０では、図１と同様の燃料バンドルの
一部に於ける、スペーサＳ₅のすぐ上の短寸棒Ｐの終結
点が図示されている。利用される特定的分離装置Ｄは、
図２６、２８のものと同様である。図３０は本発明のも
う一つの側面を示す。詳細には、スペーサＳ₆は第二の
分離装置Ｄ′を支えている。この装置Ｄ′は下向きの円
錐体 130の形を成す。円錐体 130を見ると、その頂点が
短寸棒Ｐに向けて配置されていることが分かる。円錐体
の底面は、短寸棒のすぐ上のスペーサＳ₆の中に上向き
に据えられている。

【００６９】この円錐体の機能は容易に了解される。重
い液体粒子は隣接した燃料棒Ｆに外向きに方向づけられ
る。蒸気は短寸棒Ｐの上方空間 114に上昇し続ける。図
３１、３２では、スペーサＳ₆の位置にその他の分離装
置Ｄ′が配置されている様子が示される。図３１では、
スペーサＳ₆により規定される行列は渦生成ベーン 140
を保持している。図３０の分離装置と同様に、渦生成ベ
ーン 140は 180°捻られており、短寸棒Ｐの上方空間 1
14から水を遠心方向に分離するのに役立つ。分離装置
Ｄ′は、短寸棒ＰとスペーサＳ₆との間の蒸気流路空間
の中に運ばれる可能性のある水を分離する上で有効であ
ることが了解されよう。

【００７０】図３２の構造も同様であるが、唯一の違い
は、渦生成ベーン 142が、スペーサＳ₆の中で、燃料棒
Ｆの間隙を実質的に全て埋める広幅を有する点である。
図３３も同様の構造を示すが、隣接した一連の短寸棒Ｐ
がスペーサＳの下方で終結している。スペーサＳは、短
寸棒Ｐの先端から離れた上方に一組の渦生成ベーン 150
を支持する。図からわかるように、開示の側面図は３本
の短寸棒とこれに伴う３個の渦生成ベーンのみを示す
が、数を多くすることもできる。例えば、３×３の隣接
した短寸棒行列が使用され得る。

【００７１】図３４も図３３と同様の構造を示す。ここ
では、一連の隣接した短寸棒Ｐの上方に、スペーサに付
属した大径の渦生成ベーン 152が設置されている。短寸
棒Ｐは典型的には３×３の正方形の行列を成す。数を多
くすることもできる。図３５は、短寸棒の先端に接合さ
れた伸長型渦生成ベーン 160を示す。短寸棒Ｐ及び渦生
成ベーン 160は単一構造を成している。この棒Ｐ及び渦
生成ベーン 160は並行した全寸燃料棒Ｆと同じように装
着される。したがって、短寸棒Ｐは、渦生成ベーン 160
を握りとするか、或いは、渦生成ベーン 160に取り付け
られる着脱目的の何らかの付属器具により取り外され得
る。またこの設計の渦生成ベーンは、強度を増すため、
交差した２枚の金属帯（十字形の断面の）で構成される
こともできる。この図では、短寸棒と渦生成ベーンは２
枚のスペーサＳ₁及びＳ ₂の間に伸びている。

【００７２】図３６は、何本かの隣接した短寸棒（例え
ば３×３本の短寸棒Ｐの行列）の上方に置かれた単一の
大型渦生成ベーン 162を示す。この単一大型渦生成ベー
ン 162は、スペーサＳ₁と上部タイプレートＵとの間に
取り付けられている。或いはその代わりに、２枚の隣接
したスペーサの間にこの大型渦生成ベーンを取り付けて
も良い（図３５参照）。上部タイプレートにこの装置を
貫通させる為の開口部を設けると、この設計の蒸気流路
の効果が最大となる。上部タイプレートにこの装置を装
着すると、頂上部からこれを取り外すことができるの
で、その下方の短寸棒を着脱することができる。

【００７３】図３７の構成も同様であるが、但し単一大
型渦生成ベーン装置は一体型の小型の渦生成ベーン行列
に置き換えられている。この図に示された渦生成ベーン
行列は３×３である。この一体型行列は、燃料集合体の
スペーサＳ₁に取り付ける為の周囲帯 168を備える。こ
の装置は好適には上部タイプレートＵを貫通しそこから
吊り下げられる。

【００７４】図３８の構成も同様であるが、但し下方の
短寸棒Ｐの高さが相異なる。したがって、上方の渦生成
ベーンの一体型行列 165及び 165′の長さも相異なる。
蒸気流路空間が大きいと、中性子減速効果が局所的に低
下し得る。ゆえに、燃料集合体の中央部に水を追加する
ことにより減速材分布を改良する必要があるかも知れな
い。図３９、４０、４１は、本発明の渦生成ベーン構造
にウォータロッドが組み入れられた装置が開示される。

【００７５】図３９は、図３６の大型渦生成ベーンの代
替的構造を示す。この図では、中央のウォータロッドＷ
が渦生成ベーン 170に組み込まれて設置されている。下
方の中央の短寸棒は、ウォータロッドが下方に伸びられ
るように取り除かれている。図のウォータロッドＷは、
燃料棒Ｆや短寸棒Ｐと同じ直径を有する。直径が燃料棒
Ｆよりも大きな、他のいわゆる太径ウォータロッドＷも
使用され得る。

【００７６】図４０は、一体型渦生成ベーン行列 172の
中に組み込まれたウォータロッドに関する類似構成を示
す。図４１は、図２７や図２８に示された如き独立型渦
生成ベーン 174の行列 176を使用した燃料集合体の代表
的な構造を示す。ウォータロッドＷは、着脱式の渦生成
ベーン行列 176に隣接して設置されている。燃料集合体
のスペーサＳ₁及びＳ₂（図４０参照）を標準的な高さ
に配置することも考慮して、ウォータロッドをこのよう
に設置する。

【００７７】図４２及び４３（を同時に見ると、全寸燃
料棒 200及び短寸燃料棒 201の典型的な比較寸法が分か
る。詳細には、全寸燃料棒 200は 146インチの活性燃料
と14インチのプレナム空間とを含む。但し２インチの端
栓は含めない。これを、90インチの活性燃料と６インチ
の最上部プレナム空間とを含む短寸燃料棒と対比された
い。但し、２インチの端栓は含まない。また本発明に於
ては重要ではないが、底部にもプレナムがあり得ること
を銘記されたい。

【００７８】図４９には燃料バンドルＢ″の断面遠近図
が示されていることが了解されよう。これは、全寸燃料
棒Ｒ_F及び短寸燃料棒Ｒ_Pを備える。短寸燃料棒Ｒ_Pの
先端をよく見ると、その各々のプレナム領域 203が燃料
棒Ｒ_Fの発熱部分の中に配置されていることが分かる。
この配置により、下記の二つの考慮すべき現象が生ず
る。

【００７９】第一に、短寸燃料棒のプレナム領域 203の
外表面は、液膜が優先的に付着する領域である。これら
の領域は発熱領域ではないので、液膜は隣接の全寸燃料
棒よりも厚くなる。第二に、更に重要なことに、短寸棒
の先端を通過する汽水混合物は加熱を受けない。このよ
うに、プレナム領域の上方に集積する水および加熱され
ない一部の水は双方とも、偏向されなければ、燃料バン
ドルの全体に亙り短寸燃料棒Ｒ_Pの先端を流路としてそ
の上方に優先的に流れて行くであろう。短寸燃料棒のこ
の先端に、偏向面を配置することを開示する。

【００８０】図４４によれば、この問題の重要性が了解
され得る。図４４には、ごく最近の沸騰水型原子炉の燃
料として代表的な10×10の燃料棒の典型的行列が開示さ
れている。この行列は２本のウォータロッドＷ₁及びＷ
₂（各々４本分の行列位置を占める）と、78本の全寸燃
料棒Ｒ_F及び14本の短寸燃料棒Ｒ_Pを含む。本明細書に
開示された特定的設計に於て、短寸燃料棒Ｒ_Pは、燃料
バンドルの頂上部から三番目のスペーサＳ₃を貫通して
から終結していることが了解されよう。そのため、燃料
バンドルの上部二相領域には、水を優先的に集積する長
さ約８インチの部位14か所が全て同じ高さに配列する。
したがって、偏向されなければ短寸燃料棒Ｒ_Pの上方空
間に運ばれて行くであろう水を、隣接の燃料棒の方向に
偏向させる為の偏向器を、短寸燃料棒の先端に設置する
ことを提案する。

【００８１】図４６、４７には、偏向器 250が図示され
ている。これは、中央の帯状接合部品 252と外向きに湾
曲したタブ 254とを含む。図４５には、この偏向器 250
の短寸燃料棒Ｒ_P先端への装着方法が示されている。詳
細には、偏向器は短寸燃料棒Ｒ_Pの端栓 260の下方に帯
252で取り付けられる。このように取り付けると端栓が
上方に露出するので、短寸燃料棒Ｒ_Pをその端栓を握り
として引き抜くことができる。

【００８２】図４８では、上方のスペーサからの平面図
により偏向器 250の向きが了解され得る。詳細には、偏
向器 250のタブ 254が、短寸燃料棒Ｒ_Pの周囲に仕切ら
れたサブチャネル空間の中に突出する。この位置に於
て、これらは短寸燃料棒のプレナム表面に凝縮した水を
偏向させると同時に、短寸燃料棒のプレナム表面により
蒸気発生の為に利用されない水を偏向させるのに役立
つ。

【００８３】図４９に戻ると、偏向器 250の代表的な位
置が示されている。短寸燃料棒Ｒ_Pは通常全て同じ長さ
なので、実質的に全ての偏向器がこの高さに配置される
ことが了解されよう。したがって、燃料バンドルＢ″
は、短寸燃料棒Ｒ_Pの先端の高さに於て、液体を偏向さ
せる為の全ての偏向器 250が作用する、燃料バンドル
Ｂ″を横断する平面を有する。

【００８４】分離装置Ｄ′に関する本記載内容に於て、
短寸棒の上方に置かれるあらゆる型の装置が考慮され、
短寸棒の先端の上方の空隙空間に流入する水あるいは運
ばれる水の何れをもそこから弾き出す為にこの分離装置
が作用する点が了解されよう。本発明を要約すれば、沸
騰水型原子炉の炉心に使用される燃料バンドルに於て、
圧力低下を抑制する傾向を持つ短寸棒が、限界出力を向
上する為に圧力低下を利用する傾向を持つ、スペーサ及
びスペーサ付属装置と併用される。短寸棒の挿入は圧力
低下を抑えるという利点を持つ。付属装置類は実質的に
圧力低下を増大させる。圧力低下を利用する為のスペー
サ関連機構の適例が、ベーン（好適にはスペーサ上の渦
生成ベーン）、燃料バンドルの上部二相領域のスペーサ
総数を増す為のスペーサ間距離の狭隘化、スペーサの垂
直高の増加、スペーサを構築する金属の厚みの増加、を
含めて述べられる。また、短寸燃料棒の先端上方の空間
に配置される２種類の分離装置も開示される。第一の装
置は、短寸棒の先端に設置され、短寸棒表面を伝って通
過する短寸棒先端付近の水が、短寸燃料棒の上方空間に
流入するのを防ぐことを主な目的とする。第二の装置
は、短寸棒の上方空間に位置する。何れの場合にも、限
界出力が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料バンドルの断面遠近図であ
り、短寸棒行列を備えた燃料バンドルを図示し、その燃
料バンドルの上部二相領域に於て、スペーサ間距離が狭
められた様子を示す。

【図２】図１の燃料バンドルの平面方向の断面図で、好
適な９×９行列の中の短寸棒が図示されているが、用い
られた特定的行列はかなり変更され得ることが認められ
よう。

【図３】図１の燃料バンドルの平面方向の断面図で、好
適な９×９行列の中の短寸棒が図示されているが、用い
られた特定的行列はかなり変更され得ることが認められ
よう。

【図４】図１に類似しているが同一ではない燃料バンド
ルの平面方向の断面図で、好適な10×10行列の中の短寸
棒が図示されているが、用いられた特定的行列はかなり
変更され得ることが認められよう。

【図５】図１に類似しているが同一ではない燃料バンド
ルの平面方向の断面図で、好適な10×10行列の中の短寸
棒が図示されているが、用いられた特定的行列はかなり
変更され得ることが認められよう。

【図６】スペーサを平面的要素としてのみ図示した模式
図であり、本発明の８枚のスペーサの、上部および下部
タイプレートに対する、燃料バンドルの軸長に沿った相
対的位置を示す。

【図７】スペーサを平面的要素としてのみ図示した模式
図であり、本発明の８枚のスペーサの、上部および下部
タイプレートに対する、燃料バンドルの軸長に沿った相
対的位置を示す。

【図８】スペーサを平面的要素としてのみ図示した模式
図であり、本発明の８枚のスペーサの、上部および下部
タイプレートに対する、燃料バンドルの軸長に沿った相
対的位置を示す。

【図９】スペーサを平面的要素としてのみ図示した模式
図であり、本発明の８枚のスペーサの、上部および下部
タイプレートに対する、燃料バンドルの軸長に沿った相
対的位置を示す。

【図１０】スペーサを平面的要素としてのみ図示した模
式図であり、本発明の８枚のスペーサの、上部および下
部タイプレートに対する、燃料バンドルの軸長に沿った
相対的位置を示す。

【図１１】スペーサを平面的要素としてのみ図示した模
式図であり、本発明の８枚のスペーサの、上部および下
部タイプレートに対する、燃料バンドルの軸長に沿った
相対的位置を示す。

【図１２】フェルール型のジルカロイ製スペーサに組み
込まれる渦生成ベーンの、捻る前の側面図である。

【図１３】フェルール型のジルカロイ製スペーサに組み
込まれる渦生成ベーンの、捻った後の側面図である。

【図１４】フェルール型のジルカロイ製スペーサに組み
込まれる渦生成ベーンの、設置後の平面図である。

【図１５】フェルール型のジルカロイ製スペーサに組み
込まれる渦生成ベーン小片の、捻る前の側面図である。

【図１６】フェルール型のジルカロイ製スペーサに組み
込まれる渦生成ベーン小片の、捻った後の側面図であ
る。

【図１７】フェルール型のジルカロイ製スペーサに組み
込まれる渦生成ベーン小片の、設置後の平面図である。

【図１８】フェルール型のジルカロイ製スペーサに組み
込まれる渦生成ベーン小片であって、この図の場合はス
ペーサフェルールの側面に平行に伸びる接合タブを備え
た小片の、捻る前の側面図である。

【図１９】フェルール型のジルカロイ製スペーサに組み
込まれる渦生成ベーン小片であって、この図の場合はス
ペーサフェルールの側面に平行に伸びる接合タブを備え
た小片の、捻った後の側面図である。

【図２０】フェルール型のジルカロイ製スペーサに組み
込まれる渦生成ベーン小片であって、この図の場合はス
ペーサフェルールの側面に平行に伸びる接合タブを備え
た小片の、設置後の平面図である。

【図２１】本発明の螺旋構造を与える為に捻る前の渦生
成ベーンの側面図である。

【図２２】本発明の螺旋構造を与える為に捻った後での
渦生成ベーンの側面図である。

【図２３】フェルールスペーサに組み込まれた渦生成ベ
ーンの、側面図である。

【図２４】フェルールスペーサに組み込まれた渦生成ベ
ーンの、平面図である。

【図２５】垂直高を増したスペーサの断面側面図であ
る。

【図２６】チャネルを一部切り取って、先端上方に本発
明の分離装置を備えた内部の短寸燃料棒を露出させた、
燃料バンドルの遠近図である。

【図２７】短寸棒の外表面を伝って通過する水を短寸棒
の上端に於て偏向させるため朝顔形の先端を設けた１本
の短寸棒の斜視図である。

【図２８】短寸棒の上方の空間へと運ばれてきた水に半
径方向の速度を付与する為に渦生成ベーンを設けた１本
の短寸棒斜視図である。

【図２９】棒の上端に偏向タブを設けた１本の短寸棒斜
視図である。

【図３０】上方スペーサに付属した円錐形の分離装置を
備えた、全寸棒の列の中の１本の短寸棒の側面図であ
る。

【図３１】上方のスペーサに付属した渦生成ベーンを備
えた、１本の短寸棒の側面図である。この渦生成ベーン
は、下方の短寸棒の径の範囲内の直径を有する。

【図３２】上方のスペーサに付属した渦生成ベーンを備
えた、１本の短寸棒の側面図である。この渦生成ベーン
は、下方の短寸棒より大きな直径を有する。

【図３３】上方のスペーサに付属した渦生成ベーン行列
を備えた、相互に隣接する一連の短寸棒の側面図であ
る。行列中の渦生成ベーンの個数は下方の短寸棒の本数
以下である。

【図３４】上方のスペーサに付属した大径の渦生成ベー
ンを備えた、相互に隣接する一連の短寸棒の側面図であ
る。この渦生成ベーンはその下方の短寸棒の行列の寸法
と同等の直径を有する。

【図３５】スペーサ間に軸方向に伸びた渦生成ベーンを
上方に備えた短寸燃料棒の側面図である。

【図３６】短寸棒の行列と同等な直径を有し、スペーサ
間に軸方向に伸びた渦生成ベーンを上方に備えた、相互
に隣接する一連の短寸燃料棒の側面図である。

【図３７】スペーサ間に軸方向に伸びた渦生成ベーン行
列を上方に備えた、相互に隣接する一連の短寸燃料棒の
側面図である。行列中の渦生成ベーンの個数は、下方の
短寸棒の本数以下である。

【図３８】スペーサ間に軸方向に伸びた渦生成ベーン行
列を上方に備え、不均等な長さを有する、相互に隣接す
る一連の短寸燃料棒の側面図である。行列中の渦生成ベ
ーンの個数は、下方の短寸棒の本数以下である。

【図３９】図３６と類似の構成の側面図である。但し、
上方の渦生成ベーンが、燃料集合体の入口領域から上方
に伸びたウォータロッドを組み込んで形成されている点
を除く。

【図４０】図３６と類似の構成の側面図である。但し、
上方の渦生成ベーン行列が、燃料集合体の入口領域から
上方に伸びたウォータロッドを組み込んで形成されてい
る点を除く。

【図４１】代表的な燃料集合体構成の平面図である。ウ
ォータロッドは、図２９及び３０に図示された種類の着
脱可能な渦生成ベーンに行列に隣接して設置されてい
る。

【図４２】短寸燃料棒の先端部の横断面を示す図であ
る。発熱する核燃料ペレット終結部、バネ及びゲッタ集
合体を納めた燃料棒プレナム領域、及び、燃料棒先端の
握りが図示されている。

【図４３】全寸燃料棒の先端部の横断面を示す図であ
る。発熱する核燃料ペレット終結部、バネ及びゲッタ集
合体を納めた燃料棒プレナム領域、及び、燃料棒先端の
握りが図示されている。

【図４４】燃料集合体の10×10行列の平面図であり、78
本の全寸燃料棒および14本の短寸燃料棒の配置を示す。
図４４に於て（４，４）位置は標準棒の位置であり、短
寸棒は２か所の（５，５）位置にある。

【図４５】本発明の使用に適する短寸燃料棒の先端の典
型的な拡大断面図である。

【図４６】短寸燃料棒先端の上方のスペーサセルに設置
されるタブの平面図である。

【図４７】短寸燃料棒先端の上方のスペーサセルに設置
されるタブの側面図である。

【図４８】短寸燃料棒の先端の典型的な平面図であり、
短寸燃料棒の先端に於ける、周囲の全寸燃料棒に向けた
水の偏向方法を示す。

【図４９】本発明の偏向器を短寸燃料棒の先端に備えた
燃料バンドルの断面遠近図であり、燃料バンドルの他の
部分に対する偏向器の相対的位置を示す。

【符号の説明】

Ｂ燃料バンドルＢ″ 燃料バンドルＣチャネルＤ分離装置Ｄ′ 第二の分離装置ＦｅフェルールＦ全寸燃料棒Ｌ下部タイプレートＰ短寸燃料棒Ｒ燃料棒Ｒ_F 全寸燃料棒Ｒ_P 短寸燃料棒Ｓ₁〜Ｓ₇ スペーサＳ₈ 追加スペーサＳスペーサＵ上部タイプレートＷウォータロッドＷ₁ ウォータロッドＷ₂ ウォータロッド 40 スペーサ位置を示す棒グラフ 109 Ｉ字形タブ 110 突起（上部） 112 突起（下部） 114 短寸棒の上方の空隙空間 116 朝顔形円錐体 118 水流の偏向方向 120 蒸気［図２７］ 120 渦生成ベーン［図２８］ 121 短寸棒先端 125 外向き偏向タブ 130 （Ｄ′）下向き円錐体 130 渦生成末端タブ 132 接合用タブ 139 一体型渦生成ベーン 140 取りつけ腕付きタブ［図１８］ 140 一体型ベーンの突起［図２１］ 140 （Ｄ′）渦生成ベーン［図３１］ 142 取り付け腕［図１８］ 142 連結部［図２１、２２、２３］ 142 （Ｄ′）渦生成ベーン［図３２］ 150 渦生成ベーン列 152 大径渦生成ベーン 160 伸長型渦生成ベーン 162 単一大型渦生成ベーン 165 一体型渦生成ベーン行列 165 ′ 長さの異なる渦生成ベーン 168 周囲帯 170 ウォータロッドを組み込んだ渦生成ベーン 172 ウォータロッドを組み込んだ一体型渦生成ベーン
行列 174 独立型渦生成ベーン 176 渦生成ベーン行列 200 全寸燃料棒 201 短寸燃料棒 202 全寸燃料棒のプレナム領域 203 短寸燃料棒のプレナム領域 250 偏向器 252 帯状接合部品 254 外向き湾曲帯（偏向タブ） 260 端栓

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 9216−2ＧＧ２１Ｃ 3/34 ＧＤＢＲ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャネルで囲まれた燃料集合体の内部に
封入された独立した燃料棒バンドルを備えた沸騰水型原
子炉であって、上記の燃料バンドルは、上記チャネルの内部に設置される複数本の燃料棒であっ
て、該燃料棒の各々は、充分な減速用の冷却水と減速さ
れた中性子とが存在するとき核反応を生ずる核分裂性物
質を納めた、燃料棒と、上記チャネルの内部の上記燃料棒バンドルを支持する下
部タイプレートであって、該下部タイプレートは、上記
チャネルの底部末端を塞ぐ為に該チャネルの底部に接合
されると共に、該下部タイプレートは、上記チャネルの
中に、上記核反応の間に蒸気を生成する上記燃料棒の間
を通して冷却水を流入させる為に規定される開口部を提
供する、下部タイプレートと、上記下部タイプレートから伸びる上記の複数本の燃料棒
であって、該タイプレートに於て上記バンドル内の上記
の水の単相領域は上記バンドルの上方部分に到るまでの
範囲に規定され、そこに於て上記バンドル内の上記の水
と蒸気との環状流動様式は該燃料バンドルの中の核的蒸
気生成反応の間に規定される、複数本の燃料棒と、上記燃料棒バンドルの上端を支持する上部タイプレート
であって、該上部タイプレートは上記チャネルの頂上部
に接合されると共に、該上部タイプレートは、上記チャ
ネル内の、水および上記核反応の間に生成された蒸気を
流出させる為の開口部を提供する、上部タイプレート
と、上記上部タイプレートと上記下部タイプレートとの中間
の、上記燃料棒に沿った予め選択された高さにあって、
上記燃料集合体の全長に亙り上記燃料棒を間隔を空けた
配置に保持するスペーサであって、上記燃料バンドルの
上記下部領域にある第一組のスペーサと、上記燃料バン
ドルの上記上部環状流動様式の中にある第二組のスペー
サとを含めたスペーサと、上記下部タイプレートから上記上部タイプレートに向け
て伸びる短寸燃料棒である上記の複数本の燃料棒であっ
て、該短寸燃料棒は上記上部タイプレートに達する前に
上記燃料バンドルの上部領域の中でその末端が終結し、
上記の核的蒸気生成反応の間に上記燃料バンドルの上記
環状流動様式に於ける圧力低下を抑制する、複数本の燃
料棒と、各々の短寸棒は、発熱する核燃料を持たないプレナム領
域をその上端に備え、それにより該プレナム領域は、上
記燃料バンドルの上部領域に非発熱領域を規定する、短
寸棒と、を含む、沸騰水型原子炉に於て、上記プレナム領域の近辺を通過する水を周囲の全寸燃料
棒に向けて偏向させる、上記短寸燃料棒の先端に装着さ
れた水流偏向器を含んで成る、上記バンドルに対する改
良。
【請求項２】前記水流偏向器は水流トリッパを含む、
請求項１の発明。
【請求項３】前記水流偏向器は水流タブを含む、請求
項１の発明。
【請求項４】前記水流偏向器は、前記短寸燃料棒に属
する外向きに広がる先端を含む、請求項１の発明。
【請求項５】前記燃料バンドルは、14本の短寸燃料棒
を含めた10×10本の燃料棒行列を含む、請求項１の発
明。
【請求項６】前記短寸燃料棒は前記燃料バンドルの中
の同じ高さにプレナム領域を各々備えた、請求項１の発
明。