JPH08160174A - 燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料集合体の冷却材流路内を流れる冷却材、特
に蒸気流れに伴って流れる液滴を、効率良く燃料棒に沿
って上昇する液膜に付着させ、液膜を厚くし、限界出力
特性を向上させる燃料集合体を提供する。 【構成】燃料集合体の燃料スペーサ４は、格子空間４４
を形成する格子枠４１と、格子枠４１に設けられ格子空
間４４内で燃料棒３を弾性支持する支持部と、格子枠４
１と一体形成され格子空間４４内で燃料棒３表面の周囲
を囲むように燃料棒３軸方向に伸びる突起部４５で構成
される。 【効果】燃料集合体の限界出力特性を、効率よく、しか
も確実に向上させることにより、原子炉の熱的余裕が増
大し、高出力での運転と燃料の高燃焼度化が可能とな
り、燃料サイクル費の低減が図れ経済性が大幅に向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉用の燃
料集合体に係り、特に複数の燃料棒を所定の位置に保持
する燃料スペーサを有する燃料集合体に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉用の燃料集合体の
構造は、図１０に示すように、上下両端部に上部タイプ
レート１及び下部タイプレート２が配置され燃料棒３は
上下のタイプレートにより両端を支持されている。燃料
棒３は、燃料棒軸方向（長手方向）に複数個所に設けら
れた燃料スペーサ４により所定の位置に保持され、集合
体内の冷却材流路を確保している。

【０００３】一般に、沸騰水型原子炉用の燃料集合体で
は、燃料集合体の燃料棒軸方向（長手方向）にほぼ等間
隔に複数箇所燃料スペーサを配置しており、燃料棒の湾
曲、冷却材の流動による燃料棒の振動を抑制している。

【０００４】図２１、図２２は、従来の格子型燃料スペ
ーサおよび丸セル型スペーサの構造を示しており、両者
共に燃料棒３を所定の位置に保持するため、ストッパ４
２とインコネル材を用いたスプリング４３により燃料棒
３を弾性的に押圧支持する構造となっている。一般にイ
ンコネル材は熱中性子の吸収が大きいために通常はスプ
リングのみとし、他の構成部品には熱中性子の吸収が小
さいジルカロイ材を使用している。

【０００５】沸騰水型原子炉の通常運転では、冷却材
は、沸騰開始点より下部では蒸気−水の二相流状態で燃
料集合体内を流れる。燃料集合体上部では、図１９、図
２０に示すように、冷却材の水は、燃料棒３の周りを液
膜５として、蒸気中では液滴６として存在する流動様式
となる。燃料集合体の出力を増大していくと、この液膜
５が燃料棒３表面を覆わなくなり、燃料棒３が蒸気にさ
らされるドライアウトという状態になる。この現象を沸
騰遷移といい、この現象が発生した時の燃料集合体での
出力が限界出力となる。

【０００６】近年、原子力発電の経済性向上のニーズに
対応して、燃料サイクル費の低減を目的とした高燃焼度
燃料の開発が進んでいる。燃料の高燃焼度化には熱水力
特性の向上、特に限界出力特性を向上させ、炉心の熱的
余裕を増大させることが重要となっている。

【０００７】限界出力を増大させるには、冷却材が蒸気
−水の二相流流れとなる領域での燃料棒３表面に沿って
流れる液膜５を厚くし、発熱源である燃料棒３をより除
熱し、除熱性能を向上させ、沸騰遷移を抑えることによ
り達成できる。液膜５は、冷却材の流れを適度に乱し
て、蒸気中に流れる液滴６を液膜５に付着させることに
より厚くすることができる。

【０００８】液膜の厚さは、燃料スペーサの形状に左右
される。格子型燃料スペーサと丸セル型燃料スペーサを
使用した時の、燃料集合体上部での燃料棒周辺の冷却材
流れの解析結果を図１７、図１８に示す。矢印は、冷却
材流れの主流方向、すなわち燃料集合体の燃料棒軸方向
（長手方向）に下から上に燃料棒に沿うように流れる方
向、と垂直方向成分である蒸気流れをベクトルで示した
ものである。つまり、燃料棒３の表面に向かっている矢
印が液滴を液膜に付着させる流れとなる。よって、この
矢印が多いほど液滴の付着量が多く液膜が厚くなる。両
者を比較すると、図１８の丸セル型燃料スペーサの方が
燃料棒へ向かう流れが多いのがわかる。すなわち、液膜
の厚さは燃料棒３表面の周囲を囲む部材４９に影響さ
れ、丸セル型燃料スペーサの方が液膜を厚くでき、限界
出力を増大することができる。

【０００９】しかし、この丸セル型燃料スペーサは、限
界出力は増大するが、逆に、格子型燃料スペーサに比
べ、燃料棒３表面の周囲を囲む部材４９の投影面積が増
加するため圧力損失が増大し、また、部材の複雑な加工
部分があるためにコストが高いものとなっている。

【００１０】そこで、特開平３−９４１９５号公報に記
載されたように、限界出力が劣るものの圧力損失が小さ
く、コストが安いというメリットを活かし、格子型燃料
スペーサにミキシングベーンを取付け、冷却材流れを乱
し、限界出力を増大させたものが提案されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ミ
キシングベーンは、ベーンを取り付ける位置によって
は、冷却材の主流方向の流れに対して障害物となり、冷
却材の流線が大幅に乱される。つまり、液滴が燃料棒を
流れる液膜に付着するより液膜をはぎ取る割合が多くな
るような流れとなり、逆に液膜が従来より薄くなり、し
いては限界出力の低下につながる恐れがあった。このよ
うに、ただ冷却材流れを乱すために障害物となる構造物
を設けるだけでは、効率よく、しかも確実に限界出力特
性の向上を図ることが困難であった。

【００１２】本発明の目的は、燃料集合体の冷却材流路
内を流れる冷却材、特に蒸気流れに伴って流れる液滴
を、効率良く燃料棒に沿って上昇する液膜に付着させ、
液膜を厚くし、限界出力特性を向上させる燃料集合体を
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、燃料棒軸方向に等間隔で複数個所に設け
られ、前記燃料棒を支持する燃料スペーサを有する燃料
集合体において、前記燃料スペーサは、格子空間を形成
する格子枠と、該格子枠に設けられ前記格子空間内で前
記燃料棒を弾性支持する支持部と、前記格子枠と一体形
成され前記格子空間内で前記燃料棒表面の周囲を囲むよ
うに前記燃料棒軸方向に伸びる突起部を有することを特
徴とする。

【００１４】また、本発明は、燃料棒軸方向に等間隔で
複数個所に設けられ、前記燃料棒を支持する燃料スペー
サを有する燃料集合体において、前記燃料スペーサは、
格子空間を形成する格子枠と、該格子枠に設けられ前記
格子空間内で前記燃料棒表面の周囲を囲むように前記燃
料棒軸方向に伸びる突起部と、該突起部に設けられ前記
格子空間内で前記燃料棒を弾性支持する支持部を有する
ことを特徴とする。

【００１５】

【作用】本発明によれば、格子枠が形成する格子空間内
に支持された燃料棒表面の一部を略同心円状に囲むよう
に主流方向に伸びた突起部が、冷却材流路内に存在する
ことにより、燃料棒表面に向かう流れを促進し、冷却材
流路内を流れる冷却材、特に蒸気流れに伴って流れる液
滴を、効率良く燃料棒に沿って上昇する液膜に付着さ
せ、液膜を厚くし、燃料集合体の限界出力を増大させ
る。したがって、原子炉の熱的余裕が増大し、従来より
高出力での運転が可能となり、燃料の高燃焼度化が可能
となり、燃料サイクル費の低減が図れ経済性が大幅に向
上する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る燃料集合体を
図面を用いて説明する。

【００１７】図１は、本発明の一実施例に係る燃料スペ
ーサの平面を示す。格子枠４１に燃料棒３が挿入される
格子空間４４を形成しているが、この格子枠４１には燃
料棒３の周囲を囲むように格子枠４１に突起部４５を設
けている。この突起部４５は、図３、図４に示すよう
に、格子枠４１に切り込み４６を設けることにより切り
起され、互いに逆向きに燃料棒に向かって曲げられて形
成される。格子枠４１は、また、突起部４５を形成する
ための切り込み４６とは別に格子枠４１同志を格子状に
組み合わせるための切り込み４７を設けてある。また、
図５、図６に示す格子枠４１を用いても前記と同様に突
起部４５が形成される。

【００１８】燃料棒３は、格子枠４１に設けられ、スト
ッパ４２とスプリング４３とからなる支持部で弾性支持
される。突起部４５が燃料棒表面の周囲を囲むように燃
料棒軸方向に伸びた部材として冷却材流路内に存在する
ため、燃料棒表面に向かう蒸気流れを促進し、冷却材流
路内を流れる冷却材、特に蒸気流れに伴って流れる液滴
が効率良く燃料棒に沿って上昇する液膜に付着するた
め、液膜厚さが増大し、集合体の限界出力が向上する。

【００１９】図２に、本発明の他の実施例に係る燃料ス
ペーサの平面を示す。格子枠４１の材料をジルカロイ材
ではなくインコネル材を使用しているため、格子枠４１
自体に突起部４５のほかスプリング４３も一体形成する
ことができる。この実施例も図１と同様の効果が得ら
れ、さらに、図１のスプリング４３が存在する部分にも
突起部４５を形成することが可能となり、より多く突起
部４５が冷却材流路内に存在するため、限界出力が増大
するというメリットがある。

【００２０】図７、図８、図９は、図２の突起部４５を
格子枠４１の一部としない独立した部材の形状を示す。
図７、図９の突起部４５には、燃料棒３を支持するため
のスプリング４３が独立して設けられ、図８の突起部４
５には、ストッパ４２が一体形成されて燃料棒３を弾性
支持する構造となっている。図７、図９の突起部４５の
形状は湾曲しており、図８の突起部４５の形状は、折曲
がっている。

【００２１】図７、図８、図９の部材を用いた実施例
も、図２の実施例と同様の効果が得られ、さらに突起部
４５を独立した部材として構成しているため、格子枠４
１の一部から突起部４５を形成するよりも長い突起部４
５を、格子空間４４に設けることができ、冷却材流路内
に存在させることができるので、さらに限界出力が増大
するというメリットがある。

【００２２】図１１は、図２の突起部４５を、図１２に
示す四角形状の筒に置き換えた他の実施例を示す。図２
の実施例と同様の効果が得られ、さらに突起部４５を四
角形状の筒としたことにより、製作が容易となりコスト
が低減できるというメリットがある。

【００２３】図１３は、図１１の格子枠４１の材料にイ
ンコネル材を用いて格子枠４１自体にスプリング４３を
設けた他の実施例を示す。図１１の実施例と同様の効果
が得られ、さらにスプリング４３が存在する部分にも突
起部４５を形成することが可能となり、より多く突起部
４５が冷却材流路内に存在するため、限界出力が増大す
るというメリットがある。

【００２４】図１４は、図１１の四角形状の筒の突起部
４５を、図１５に示すように、円筒の一部をそれぞれ溶
接にて組合わせた略四角形状の筒に置き換えた他の実施
例を示す。図１１の実施例と同様の効果が得られ、さら
に突起部４５を略四角形状の筒としたことにより、より
長い突起部４５が冷却材流路内に存在するため、さらに
限界出力が増大するというメリットがある。

【００２５】図１６は、図１４の格子枠４１の材料にイ
ンコネル材を用いて格子枠４１自体にスプリング４３を
設けた他の実施例を示す。図１１の実施例と同様の効果
が得られ、さらにスプリング４３が存在する部分にも突
起部４５を形成することが可能となり、より多く突起部
４５が冷却材流路内に存在するため、限界出力が増大す
るというメリットがある。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、燃料集合体の限界出力
特性を、効率よく、しかも確実に向上させることによ
り、原子炉の熱的余裕が増大し、高出力での運転と燃料
の高燃焼度化が可能となり、燃料サイクル費の低減が図
れ経済性が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る燃料スペーサの平面図
である。

【図２】本発明の他の実施例に係る燃料スペーサの平面
図である。

【図３】図１および図２の燃料スペーサを構成する格子
枠の構造図である。

【図４】図１および図２の燃料スペーサを構成する格子
枠の他の構造図である。

【図５】図１および図２の燃料スペーサを構成する格子
枠の他の構造図である。

【図６】図１および図２の燃料スペーサを構成する格子
枠の他の構造図である。

【図７】図２の突起部４５を、格子枠４１の一部としな
い独立した部材にし、形状を湾曲にした実施例を示す図
である。

【図８】図２の突起部４５を、格子枠４１の一部としな
い独立した部材にし、ストッパ４２を一体形成した実施
例を示す図である。

【図９】図２の突起部４５を、格子枠４１の一部としな
い独立した部材にし、形状を折り曲げにした実施例を示
す図である。

【図１０】従来の沸騰水型原子炉用の燃料集合体の斜視
図である。

【図１１】図２の突起部を、四角形状の筒に置き換えた
燃料スペーサの平面図である。

【図１２】図１１の四角形状の筒の形状を表す図であ
る。

【図１３】図１１の格子枠自体にスプリングを設けた燃
料スペーサの平面図である。

【図１４】図１１の四角形状の筒の突起部を、略四角形
状の筒に置き換えた燃料スペーサの平面図である。

【図１５】図１４の略四角形状の筒の形状を表す図であ
る。

【図１６】図１４の格子枠自体にスプリングを設けた燃
料スペーサの平面図である。

【図１７】格子型燃料スペーサの燃料棒周辺の蒸気の流
れを示す図である。

【図１８】丸セル型燃料スペーサの燃料棒周辺の蒸気の
流れを示す図である。

【図１９】燃料集合体内横断面での二相流冷却材流れを
示す図である。

【図２０】燃料集合体内縦断面での二相流冷却材流れを
示す図である。

【図２１】従来の格子型燃料スペーサの平面図である。

【図２２】従来の丸セル型燃料スペーサの平面図であ
る。

【符号の説明】

１…上部タイプレート、２…下部タイプレート、３…燃
料棒、４…燃料スペーサ、５…液膜、６…液滴、４１…
格子枠、４２…ストッパ、４３…スプリング、４４…格
子空間、４５…突起部、４６，４７…切り込み、４９…
部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金沢 徹 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 柏井 進一 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 永吉 拓至 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者 茶木 雅夫 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料棒軸方向に等間隔で複数個所に設けら
   れ、前記燃料棒を支持する燃料スペーサを有する燃料集
   合体において、 前記燃料スペーサは、格子空間を形成する格子枠と、該
   格子枠に設けられ前記格子空間内で前記燃料棒を弾性支
   持する支持部と、前記格子枠と一体形成され前記格子空
   間内で前記燃料棒表面の周囲を囲むように前記燃料棒軸
   方向に伸びる突起部を有することを特徴とする燃料集合
   体。
2. 【請求項２】請求項１において、前記格子枠に、前記突
   起部を切り起すための切り込みと、前記格子枠同志を格
   子状に組み合わせるための切り込みを設けることを特徴
   とする燃料集合体。
3. 【請求項３】請求項１において、前記支持部を、前記格
   子枠の一部と一体形成することを特徴とする燃料集合
   体。
4. 【請求項４】燃料棒軸方向に等間隔で複数個所に設けら
   れ、前記燃料棒を支持する燃料スペーサを有する燃料集
   合体において、 前記燃料スペーサは、格子空間を形成する格子枠と、該
   格子枠に設けられ前記格子空間内で前記燃料棒表面の周
   囲を囲むように前記燃料棒軸方向に伸びる突起部と、該
   突起部に設けられ前記格子空間内で前記燃料棒を弾性支
   持する支持部を有することを特徴とする燃料集合体。
5. 【請求項５】請求項１または請求項４において、前記突
   起部を、四角形状の筒で構成することを特徴とする燃料
   集合体。
6. 【請求項６】請求項１または請求項４ににおいて、前記
   突起部を、略四角形状の筒で構成することを特徴とする
   燃料集合体。
7. 【請求項７】請求項４において、前記支持部のストッパ
   を、前記突起部と一体形成することを特徴とする燃料集
   合体。