JPS6125093A

JPS6125093A - 燃料棒スペ−サ

Info

Publication number: JPS6125093A
Application number: JP14716784A
Authority: JP
Inventors: 吉村　邦広
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-07-16
Filing date: 1984-07-16
Publication date: 1986-02-03

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】〔発明の技術分野〕本発明は燃料集合体を構成する多数の燃料棒を離間支持
する燃料棒スペーサに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に、原子炉用の燃料集合体においては、その長手方
向複数箇所に燃料棒スペーサを設け、燃料棒の湾曲等を
矯正するとともに、冷却材の流動による燃料棒の振動を
低く抑えるようにしである。

すなわち、第１２図はこの燃料集合体の断面を示し、燃
料チャンネル１内には、上下両端部をそれぞれ上部タイ
ブレート２および下部タイプレート３に支持された複数
本の燃料棒４およびウォータロッド５が配列装着されて
おり、更に各燃料棒４を整列支持し燃料棒４の横方向の
振動を一束するとともに冷却材の流路を確保するための
燃料棒スペーサ６が、燃料棒４の軸方向に複数個設けら
れている。

従来のこの種の燃料棒スペーサ６は、第１３図および第
１４図に示すように形成されている。すなわち、燃料棒
スペーサ６は、正方形のバンド７を有し、そのバンド７
内に互いに格子状に配設されたバー８．９およびディバ
イダ１０．１１によって複数個の小仕切り１２が形成さ
れている。また、各バー８．９の各交差部には、各側部
に外側方に突出する板ばね部１３ａを有するランタンス
プリング１３が装着されており、各小仕切り１２内に挿
入された燃料棒４を小仕切り１２の隅角部から前記デイ
バイダ１０．１１に形成されたＳベンド１０ａ、１１ａ
に対して弾性的に圧接するようにしである。

そして、熱中性子の吸収をできる限り少なくするため、
燃料棒スペーサ６の材料として、ランタンスプリング１
３に発条性のあるインコネル材を用い、その他に中性子
吸収の少ないジルカロイ材を用いていた。

一方、今日、原子カプラントの自動制御化や、日間負荷
追従運転の導入等の沸騰水型原子炉の運転融通性を拡大
することが望まれている。

そのため、沸騰水型原子炉の炉心の熱水力特性をより改
善するため、炉心の安定性の改善、熱的余裕の拡大、炉
心圧力損失の低減等の開発が進められている。

ここで、炉心圧力損失に着目すると、その内訳は炉心下
方から上方に向けて、オリフィス圧損、下部タイプレー
ト圧損、スペーサ圧損、位置圧損、上部タイプレート圧
損となり、更に、摩擦圧損および加速圧損が加わる。こ
れらの圧損のうち、燃料棒スペーサ部分で生じる圧損す
なわちスペーサ圧損は全体の約２割に相当する。

従って、スペーサ圧損を低減することは炉心圧力損失を
大幅に低減することとなる。

第１５図は、米国においてエム・アブデルグハニー等が
雑誌ニュークリア・サイエンス・アンド・エンジニアリ
ング：８５，１−１６　（１９８３）により発表したも
のであり、各燃料棒３の間のバー８．９およびディバイ
ダ１０．１１を除いた状態において、冷却材を燃料棒３
の軸方向（同図において紙面垂直方向）に流通させた場
合の、平均流速ｕｂに対する各部の流速Ｗの比を示す等
流速比縮図である。同図で示した流速比は、同図左上の
燃料棒３内に示すように、０．６５〜１．３の９種類で
ある。同図から判るように、冷却材の流速が大きい部分
すなわち流速比が平均流速ｕｂより大きい部分は、各燃
料棒３の外周面から遠く離れた部分であり、特に隣接す
る４個の燃料棒３に囲まれた中央部分において流速が大
きいことに気づく。

ところが、従来の燃料棒スペーサ６は、第１６図に示す
ように、冷却材の流速が大きい部分である隣接４個の燃
料棒３の中央部分に、バー８．９およびディバイダ１０
．１１の交差部分およびランタンスプリング１３が配置
されいる。これらのバー８，９、ディバイダ１０．１１
およびランタンスプリング１３等の構成物は、冷却材流
に対して流動抵抗として作用するので、圧力損失を大き
くしている。

また、炉心を正常に維持して運転を行なうためには、第
１７図に示ずＪ：うに、燃料棒３の近傍にバー８等の構
成物があっても、燃料棒３の外周面一　　４　− には冷却材のｌｌ１１４が常に形成されており、その内
側に蒸気１５が流れるような気液二相流とする必要があ
る。特に、日本原子力学会誌ｖｏ１．２６゜Ｎｏ、５　
（１９８４）において飯塚等により発表された「ボイド
率分布の測定」から明らかなように、ボイド率の高いす
なわち蒸気量が多く冷却材量の少ない燃料棒３の中間部
より高い位置において冷却材の膜１４が乱されないよう
にする必要がある。

これは、各燃料棒３を必ず冷却材の膜１４で覆って、燃
料棒３の過加熱を防止するように保護するとともに、両
者間の熱交換を良好に行なわせて炉心の運転効率を向上
させるためである。

ところが、従来は冷却材の流速が最も大きい部分に燃料
棒スペーサ６の構成物を設けていたから、第１８図に示
すように、冷却材の流速が過大であると、燃料棒スペー
サ６の下方で冷却材および蒸気の二相流が汚れて渦流を
生じてしまい、冷却材の膜１４が剥離してドライアウト
部分１６を形成するおそれがあった。このドライアウト
部分１６では燃料棒３の冷却が行なわれないため、燃利
棒３が過加熱状態になって、炉心の健全性が損なわれる
。そのため、従来は炉心内の冷却材の流速を低く抑えな
ければならなかった。

〔発明の目的〕

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、圧力
損失が小さり、シかも冷却材のドライアウトを防止する
ことのできる燃料棒スペーサを提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

本発明の燃料棒スペーサは、内部に燃料棒を挿通して支
持する多数の略八角筒状のシェルを、その１個おきの側
壁部をもって相互に連接し、他の１個おきの側壁部をも
って筒状の冷却材流通路を形成したことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図から第１１図について説
明する。

第１図は本発明の燃料棒スペーサの一実施例の平面を示
し、第２図はその側面を示している。

本実施例の燃料棒スペーサ２０は、９Ｘ９＝８１本の燃
料棒を正方格子状に配置するように形成されている。す
なわち、内部に燃料棒を挿通して支持する八角筒状の８
１個のシェル２１．２１を９×９の正方格子状に配置し
、各シェル２１をその１個おきの側壁部をもって連接し
、隣接４個のシェル２１の他の１個おきの側壁部をもっ
て四角筒状の冷却材流通路２２をそれぞれ形成している
。

更に説明すると、シェル２１は、４角隅部に配置される
第３図（ａ）〜（ｄ）に示すような４個の隅部シェル２
１ａと、４辺部に配置される第４図（ａ）〜（ｄ）に示
すような２８個の辺部シェル２１ｂと、内部に配置され
る第５図（ａ）〜（ｄ）に示すＪ：うな４９個の内部シ
ェル２１Ｃとにより形成されている。第３図（ｂ）〜（
ｄ）、第４図（ｂ）〜（ｄ）、第５図（ｂ）〜（ｄ）は
それぞれ第３図（ａ）、第４図（ａ）、第５図（ａ）の
矢印３ｂ、３ｃ、３ｄ、４．ｂ、４．ｃ、４ｄ、５ｂ、
　５Ｃ１５ｄからの矢視図である。そして、これらのシ
ェル２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、４辺部にそれぞれ配置
した第６図に示すような４枚の側部材２３の内側に設け
られており、第７図から第９図に示すように、各シェル
２１ａ、２１ｂ、２１ｃの内壁面に固着したスプリング
２４によって燃料棒３を各シェル２１ａ、２１ｂ、２１
Ｃの内側に突設した固定ストッパ２５に弾力的に圧接さ
せて支持する。各シェル２１ａ、２１ｂ。

２１Ｃは、第３図（ａ）、第４図（ａ）、第５図（ａ）
にそれぞれ示Ｊように、１個おきの狭幅の連接用側壁部
２６ａ、２６ｂ、２６ｃと他の１個おきの広幅の流路用
側壁部２７ａ、２７ｂ、２７Ｃとを連結した同一のへ角
形断面をしており、等長に形成されている。

次に、各シェル２１ａ、２１ｂ、２１ｃと側部材２３等
の構成と連接状態を更に詳しく説明する。

隅部シェル２１ａは、第３図に示すように、隣接する流
路用側壁部２７ａ、２７ａの上下端をそれぞれ内側に膨
出させて固定ストッパ２５が形成され、この２個の流路
用側壁部２７ａ、２７ａに挟まれた連接用側壁部２６８
およびこれに隣接する連接用側壁部２６ａの上下部分を
切除して、側部材２３の端部切欠２３ａに係合させて連
接されている。他の隣接する連接用側壁部２６ａ、２６
ａは、辺部シェル２１ｂと連接するために１個は上半部
を他の１個は下半部を切除されている。

辺部シェル２１ｂは、第４図に示すように、隣接する流
路用側壁部２７ｂ、２７ｂの上下端に同様にして固定ス
トッパ２５がそれぞれれ形成され、この２個の流路用側
壁部２７ｂ、２７ｂの一方に隣接する１個の連接用側壁
部２６ｂの上下部分を切除して、側部材２３の位置決め
孔２３ｂに挿入係合させて連接されている。そして、上
下部が切除されたこの連接用側壁部２６ｂと対向する連
接用側壁部２６ｂは、内部シェル２１Ｃと連接するため
に下半部が切除されている。そして、他の対向する連接
用側壁部２６ｂ、２６ｂは上半部が切除されていて、隅
部シェル２１ａの同様に半部を切除された連接用側壁部
２６ａと半部同志を突き合わｌて上下に連続する側壁部
となるように連接し、そして隣接する辺部シェル２１ｂ
同志においては上下を逆にしで配置して□”連接してい
る。

内部シェル２１ｃは、第５図に示すように、隣接する流
路用側壁部２７ｃ、２７ｃの上下端に同様にして固定ス
トッパ２５がそれぞれ形成され、この２個の流路用側壁
部２７ｃ、２７ｃに挟まれた連接用側壁部２６ｃとこれ
に対向する連接用側壁部２６Ｇとはそれぞれ上半部を切
除され、他の対向する２個の連接用側壁部２６０．２６
Ｇは下半部を切除されており、隣接する内部シェル２１
Ｃ同志は上下逆になるようにして、相互間および辺部シ
ェル２１ｂとを上下半部ずつの連接用側壁部を突き合わ
せて上下に連続した側壁部となるようにして連接される
。

ぞして、各シェル２１ａ、２１ｂ、２１ｃは第１図に示
すように、固定ストッパ２５が設けられていない流路用
側壁部２７ａ、２７ｂ、２７ｃに挟まれている連接用側
壁部２６ａ、２６ｂ、２６Ｇ同志が連接するように配置
されており、その連接部においてそれぞれ第９図に示す
ように、内側にスプリング２４を両連接用側壁部２６Ｃ
９２６ｃを跨ぐように配置するとともにスポット溶接２
８．２８により相互に溶着して一体的に形成している。

そして、各シェル２１ａ、２１ｂ。

２１ｃは、外周側にあるシェルの上半部を切除された連
接用側壁部に内周側にあるシェルの下半部を切除された
連接用側壁部を載置するように連接して、上下方向にず
れが生じないように形成されている。

このスプリング２４は、上下に長い板ばね状に形成され
ており、その中央部の内側にピン状のストッパ２８ａが
添着されており、第９図の右側に示すように自由状態で
は連接用側壁部２６ｃから離れており、同図左側に示す
ように燃料棒の支持時には連接用側壁部２６ｃ側へ弾力
的にへこむように形成されている。

そして、辺部シェル２１ｂと側部材２３との接続は、各
辺の最外部にある２個の辺部シェル２１ｂの側部材２３
の位置決め孔２３ｂに係合している連接用側壁部２６ｂ
に、その位置決め孔２３ｂより大きい略台形状のロブ２
９を外側から当てがって相互にスポット溶接等により溶
着して行なわれている。このロブ２９は、燃料集合体の
燃料チャンネルの内壁向に接触して、燃料棒スペーサ２
０と燃料チャンネルとの間に所定間隙を形成する。

次に、本実施例の作用を説明する。

第７図に示すように、各シェル２１ａ、２１ｂ。

２１Ｃは、隣接する４個の燃料棒３，３についての冷部
材流域の低速流域部分に配置され、その高速流域部分に
は各シェルの流路用側壁部によって筒状に形成された障
害物のない冷却材流路２２が配置される。よって、冷却
材は冷却材流路２２内を高速流を汚されることなく自由
に流通することができ、その圧力損失は第１１図Ａ線に
示すように従来の圧力損失の約半分となる。

このように燃料棒スペーサ２０部分における圧力損失が
小さくなることにより、冷却材流について水力学的安定
性が向上し、気液二相流による冷却材の自然循環流量が
増大し、炉心全体の二相流部に圧力損失が低減され、更
に、熱的余裕が増加するので限界出力も面上され、また
、従来はスペーザ部による圧力損失が大きいため必要な
冷却材流量を得るために冷却材循環用のポンプ出力を高
くしなければならなかったが、本実施例によれば低ポン
プ出力によっても充分な冷却材積ＪｊＶｆｆｉを得るこ
とができる。

また、冷却材流路２２が存在することにより高速冷却材
流が汚されず、しかも従来より低速で冷却材を送給する
ことができるので、燃料棒スペーサ２０の手前で冷却材
の渦流が形成されることがなくなり、従来のようなドラ
イアウト現象が発生ずることがなくなり、燃料棒の安全
性が極めて高くなる。

また、第１０図（ａ）〜（ｄ）は２個の長尺物３０．３
１の間を流れる流体３２中に燃料スペーサ２０に相当す
る部材３３を入れた場合の流線の変化を示しており、同
図（ａ）は部材３３を設けない場合、同図（ｂ）は部材
３３と長尺物３０との間隔を１＃とじた場合、同図（Ｃ
）は間隔を２麿とした場合、同図（ｄ）は間隔を３Ｍと
しだ場合をそれぞれ示している。これらの各図から判る
にうに、流線すなわち冷却材は長尺物３０の外周面から
剥離されることはない。そして、その間隔を０．５＃以
下まで小さく覆ることができる。そこで、本実施例にお
いては、固定ストッパ２５のシェル内への突出長をこれ
に応じて決定している。

〔発明の効果〕

このように本発明の燃料棒スペーサは、冷却流に対する
圧力損失を極めて低く抑えることができ、しかも燃料棒
の外周面のドライアウトを確実に防止することができ、
燃料棒の安全性を向上させるることができる等の効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図から第１１図は本発明の燃料棒スペーサの一実施
例を示し、第１図は平面図、第２図は正面図、第３図（
ａ）〜（ｄ）は隅部シェルを示し、同図（ａ）は平面図
、同図（ｂ）〜（ｄ）は同図（ａ）の矢印３ｂ、３ｃ、
３ｄ矢視図、第４図（ａ）〜（ｄ）は辺部シェルを示す
第３図（ａ）〜（ｄ）と同様の図、第５図（ａ）〜（ｄ
）は内部シェルを示す第３図（ａ）〜（ｄ）と同様の図
、第６図は側部材の正面図、第７図は拡大部分平面図、
第８図は第７図の■−■線に沿った断面図、第９図は第
７図のＩＸ　−ＩＸ線に沿った断面図、第１０図（ａ）
〜（ｄ）は長尺物間の流線変化を示す断面図、第１１図
は冷却材流量とスペーサ部圧力１失との関係を示す特性
図、第１２図は燃料集合体の縦断側面図、第１３図は従
来の燃料棒スペーサの平面図、第１４図は第１３図のｘ
ｒｖ−ｘｒｖ線に沿った断面図、第１５図は燃料棒間に
お【ノる冷却材流の等流速比線図、第１６図は従来の燃
料棒スペーサの拡大部分平面図、第１７図は燃料棒とス
ペーサ間の冷却材流線図、第１８図はドライアウト状態
を示す冷部材流線図である。３・・・燃料棒、２０・・・燃料棒スペーサ、２１・・
・シェル、２１ａ・・・隅部シェル、２１ｂ・・・辺部
シェル、２１ｃ・・・内部シェル、２２・・・冷却材流
通路、２４・・・スプリング、２５・・・固定ストッパ
、２６ａ。２６ｂ、２６ｃ・・・連接用側壁部、２７ａ、２７ｂ。２７ｃ・・・流路用側壁部。出願人代理人　　猪　　股　　　　清ビに一ヤＷ用Ｒ専家

Claims

【特許請求の範囲】１、内部に燃料棒を挿通して支持する多数の八角筒状の
シェルを、その１個おきの側壁部をもって相互に連接し
、他の１個おきの側壁部をもって筒状の冷却材流通路を
形成したことを特徴とする燃料棒スペーサ。２、各シェルは、その側壁部を内側に膨出形成した固定
ストッパに対して、その側壁部内面に固着したスプリン
グにより燃料棒を弾力的に圧接させて燃料棒を支持する
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料棒ス
ペーサ。３、各シェルは、相互に連接される狭幅の４個の連接用
側壁部と、冷却材流通路を形成する広幅の４個の流路用
側壁部とを交互に連接して八角筒状に形成されているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の燃料棒スペ
ーサ。