JPS61294394A - 燃料集合体 - Google Patents

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】 本兜明は原子炉の燃料集合体に関し、特に、燃料棒束及
びウォータ・クロスへの入口に下部流れ混合室を備えて
いて、この下部流れ混合室により、前記燃料棒束を構成
する別個の小燃料棒束に入る流れの不均一な配分を可及
的に軽減する沸緩水型原子炉（ＢＷＲ）用燃料集金体に
関するものである。

先上Ｊ」し１凰墨− 原子炉内の核分裂によって大量のエネルギが放出され、
このエネルギは、原子ｆの長い燃料要素、即ち燃料棒内
で熱として放散されるのが典型的である。有用な仕事を
行うため、この熱を冷却材から取り出すように、燃料棒
に対して熱交換関係で冷却材を流すことによってこの熱
を除去するのが普通である。

原子炉内では、一般に、複数の燃料棒が一緒に群別され
１つの燃ｆｉ集合体を形成している。？Ｘ数のこれ等の
燃料気合体は、通常、自己持続性の核分裂反応を行うこ
とができる原子炉炉心を形成するように、マトリックス
に配置されている。炉心は、軽水のような流れる液体中
に浸漬されている。

この軽水は、燃料棒から熱を除去する冷却材として、ま
た、中性子減速材として作用する。より詳細には、ＢＷ
Ｒの場合、燃料集合体は、４つ１組のクラスタに通常組
分けされ、４つずつの燃料集合体に１つの＠御棒が組み
合わされている。制御棒は、炉心の反応度を制御するた
め燃料気合体に挿入することができる。１つの制御棒を
囲む４つの燃料集合体の各クラスタは、通常、原子炉炉
心の燃料セルと呼ばれている。

クラスタ中の典型的なりＷＲ燃燃料会合体、Ｎ列ＸＮ列
の長い燃料棒の配列によって通常形成される。燃料棒束
は、横方向に離隔された関係に支持され、一般に矩形断
面の外側管状チャンネルにより囲まれている。このよう
な燃ｆｌｌ集合体の例は、米国特許願Ｓ、Ｎ、３６８，
５５５号、　Ｓ、Ｎ、６０Ｚ、０８９４、Ｓ、１４゜６
４２．８４４号及びＳ、Ｎ、６７２，０４２号明細書の
他に、米国特許第３，６８９，３５８号、米国特許第３
，８０２，９９５号及びカナダ特許第１，１５０，４２
３号明ｍｍに開示されている。

この形式の燃料気合体においては、燃料棒束の中心領域
の燃料棒が減速不足且つ濃縮過剰となる場合があり、燃
料＾合体の該領域を通る減速材の流量を増してかかる状
態を救済するため２種々の構成が提案されてきた。米国
特許第３，８０２，９９５号明細書によれば、１つ以上
の長い空ロッドが燃η気合体の中心領域における燃料棒
の代りに用いられている。前記米国特許願Ｓ、Ｎ、６４
２．８４４号明細書においては、水の管が、燃料気合体
の燃料棒間に十字状のパターンで配列されている。前記
カナダ特許第１，１５０，４２３号においては、垂直の
水通路を有して中心に配置された長い補ｔｉｌ！装置が
、燃料Ａ合体中において使用されている。前記米国特許
願Ｓ、Ｎ、３６８，５５５号、Ｓ、）４．６０２，０８
９号及びＳ、Ｎ、６７２．０４２号明細書によれば、中
心配置の長いウォータ・クロスが燃ｒ４鳳合体に用いら
れている。

中央のウォータ・クロスは、これ等の３つの米国特許願
に開示されているように、協働して十字形の水流れチャ
ンネルを形成する４つの半径方向パネルを有し、該十字
形の水流れチャンネルが。

４つの別々の長い隔室に燃ｆＩＩＡ合体を区画し、燃料
棒束は、それぞれの隔室中に配設された小燃料棒束に区
画される。従って、ウォータ・クロスは、その小燃料棒
束中の隣接した燃料棒の長さに沿って水流れチャンネル
内にサブクールされた減速材が流れるための中心位置の
十字形の流路を形成している　（減速材流はこの隣接し
た燃料棒がら隔てられている）。

各小燃料棒束の燃ＦＩｆＩは、上部タイプレート及び下
部タイルレート問を横方向に層間した関係で延びると共
に、これ等のタイプレートに一緒に結合されて、チャン
ネルの各隔室内に別個の燃ｆ：４棒サブアセンブリを構
成する。各燃料棒サブアセンブリの燃料棒に沿って軸方
向に隔置された複数の格子は、燃料棒を横方向に離間し
た関係に保持する。

最初に述べたように、冷却材は燃料棒から熱を除去する
ため燃ｆｌ棒に沿って流れる。米国の沸騰水型原子炉構
造の場合、サブクールされた水は側方の入口から燃料集
合体の下部ノズルに入る。その後、水は４つの小燃料棒
束及びウォータ・クロスへと上方に配分される。典型的
には、ウォータ・クロスを通る流量は燃料棒束を通る流
ｌの約９〜１０％である。これ等の沸騰水型原子炉にお
ける側方か４の流入という特徴のため、流れの配分が相
当に不均一になることが分かった。即ちｉ大及び最小、
の質量流量を示す燃料棒京間の差は約１５％である。

流れの不均一な配分は幾つかの問題を引き起こし得る。

第１に、燃料棒束の限界出力比（ＣＰｒｔ）マージンの
総合的な劣化が生じる可能性がある。小燃料棒束を流れ
る水は燃料棒の加熱された表面に沿って流れながら燃料
棒を冷却するので、各小燃料棒束に入る水の量が小燃料
棒束のＣＰＲ特性を決定する。しかし、小燃料棒束の全
ＣＰＲマージンは最も制限的な不燃ｆ１欅束のＣＰＲマ
ージン１こよって決定される。既知の関係が示すところ
によると、１つの小燃料棒束における貿量流亘の１５％
の減少は約７％のＣＰＲマージンの劣化になり、これは
非常な間離を秘めている。

第２に、ウォータ・クロスのパネルの外側垂直縁には、
幾つかの軸方向位置で放出孔又は流れ連通開口が設けら
れていたので、小燃料棒束間の流れの１５％の不均一配
分により横方向に圧力勾配が発生して、横方向への水の
噴流を生じさせる。このような勾配次第で、噴流が構造
的な振動を生じさせることが考えられる。かかる状況で
の熱的。

水力的、ｖ１緘的衝撃を評価するための適切な解析コン
ピュータ装置が現在得られないので、小燃料棒束のＣＰ
Ｒマージンの予測が更に不確実なものとなり、その結果
、運転上及び許認可上の問題が生じてくる。

第３に、流れの沸騰は、沸騰水型原子炉の燃料棒束にお
ける加熱された長さの最初の数フィートの後で始まるの
が典型的であるが、上述したような大きさの流れの不均
一配分が存在すると、各小燃料棒束において異なった軸
方向位置で沸騰過程を起こさせる、即ち開始させようと
する。この沸騰位置の相違は各小燃料棒束について発生
されるボイド量に正味の不均衡を生じさせる。これは中
性子の不適切な利用、即ち不適切な減速を示している。

従って、小燃料棒束入口流の不均一な配分を無くすか、
相当に少なくして、上述したような状態を伴う望ましく
ない影響を回避するように、ＢＷＲ燃料集合体を更に改
良する必要性がある。

先ｉへ１１ 本発明は、前記の必要性を満たすように設計された変更
を提案している９本発明の基礎となっているのは、ウォ
ータ・クロス構造のない燃ｆｌｔ合体においては、入口
流の不均一な配分は最初の約６〜１２ｉｎ（約１５〜３
０ｃｍ　）以内で低い値に指数的に弱まるというＬ！識
にある。

この認識のため、不均一な配分問題に対する本発明によ
って提供される解決策は、ウォータ・クロスによる燃料
棒束の物理的な分離を無くすことによって燃料棒束への
入口での自由な混合を許容するという比較的に簡単なも
のになる。ウォータ・クロスは、従来のように下部タイ
プレートで始まる代わりに、下部タイプレートの上方に
、６〜１２１（約１５〜３０ｅｓ）というような短い距
離で離間した位置で始まる。この簡単な変更によって燃
料棒束の入口領域において流れの自由な混合室が形成さ
れ、そのため、流れのいかなる不均一配分も、それに関
連した望ましくない影響も大幅に排除もしくは可及的に
軽減される。熱的、水力的、中性子的、構造的及びＬＯ
Ｃ＾マージンの特性に対する上述した簡単な精造の変更
の相対的効果は実際に非常に明確であることが示された
。

従って、本発明はＢＷＲ燃料燃料体合体ける改良構造を
提供するものである。燃料集合体は、ＩＩｔ問燃料棒の
配列を形成するように並置関係に配設された複数の長い
燃料棒の束と、該燃料棒に沿って冷却・減速材流体の流
れを導くように前記燃料棒を囲む外側管状流れチャンネ
ルと、該外側管状流れチャンネルを複数の別個の隔室に
区画すると共に、前記燃料棒の束を前記別個の隔室内に
それぞれ配置される複数の小燃料棒束に区画するように
、前記外側管状流れチャンネルに相互に接続され且つ前
記外側管状流れチャンネル内を通って延びる中空のウォ
ータ・クロスとを有する。この燃料集合体の改良構造は
、前記ウォータ・クロスの下方において前と小燃料棒束
の下端部間に流れ混合室を画成し、前記小燃料棒束間で
の流れの不均一な配分を可及的に軽減する流れ混合室画
成手段からなっている。混合室は、外側管状流れチャン
ネルの下方部分のほぼ中央に配置されており、はぼ十字
形の横断面形状を有する。

より具体的には、混合室画成手段はウォータ・クロスの
流入端と各小燃料棒束の下端部とであり、ウォータ・ク
ロスの流入端は小燃料棒束の下端部間でそれ等の上方に
離間して配置されている。軸方向に隔置された複数の格
子と使用して、各小燃料棒束の複数の燃料棒を並置関係
に保持している。

下方の流れ混合室は、各小燃料棒束の下端部から各小燃
料棒束の軸方向に隔置された格子のうちの最も下方のも
のまでの軸方向の距離よりも小さい軸方向の高さを有す
る。

本発明のこれ等の利点及びその他の利点は、本発明の実
施例を例示し記載した図面に関する以下の詳細な説明を
読むことにより当業者にとって一層明らかとなろう。

の　　　ｔ−蕗 以下の説明において、同一の符号は、各図を通じ同−又
は同種の部材を表すように用いられている。また、以下
の説明において、「前方ハ「後方」、「左側ハ「右側」
、「上方」又は「下方」等の用語は、説明の都合上用い
られており、本発明を限定するように解釈すべきではな
い。

二１江ｒ１１ 図面、特に第１０〜第３図には、本発明による改良が組
み込まれた沸騰水型原子炉＜ＢＷＲ）用の核燃料集合体
１０が示されている。該燃料集合体１０は、管状の長い
外側チャンネル１２を有し、外側チャンネル１２は、燃
料集合体１０のほぼ全長に亘って延び、上部支持取付精
造、即ち上部ノズル１４を下部基体。

即ち下部ノズル１６に相互に連結している。燃料気合体
１０の外側チャンネル１２内への冷却材の入口となる下
部ノズル１６は、該下部ノズル１６及び燃料気合体１０
を炉心支持板（図示せず）内へ又は例えば使用済み燃料
プール中の燃料貯蔵ラック内へ案内するための複数の脚
部１日を備えている。

はぼ矩形断面の外側チャンネル１２（第４図及び第５図
参照〉は、互いに連結された４つの直立壁部２０から成
っており、各壁部は、次の壁部から約９０”隔たってい
る。複数の構造リブ２２は、外側・チャンネル１２の各
壁部２０の内面に、互いに隔てられた関係に形成され、
該内面に沿った中心位置で垂直列になって延びている。

外側チャンネル１２（従って、このチャンネルに形成さ
れた構造リブ２２）は１例えばジルカロイとして通常知
られるジルコニウム合金のような金属材料から好ましく
は形成される。外側チャンネル１２の壁部２０上に固定
された複数の上方に延びる取付ボルト２４は、上部ノズ
ル１４をチャンネル１２に連結するために精造リプ２２
の上端部の上方で使用されている。

第１図、第２図及び第４図に全体として符号２６によっ
て示した中空ウォータ・クロスは、中性子経済及び減速
を改善するために、燃料気合体１ｏを通るサブクールさ
れた減速材流のための開放された内側チャンネル２８を
遺ると共に、燃料気合体１０を４つの別々の長い隔室３
０に区画するように、外側チャンネル１２を通り軸方向
に延びて１する。ウォータ・クロス２６は、４つの半径
方向中空パネル３２を有し、これ等のパネルは、４つの
金属製の長いほぼＬ字形のアングル材即ち板部材３４に
よって形成され、これ等の板部材は、後述する本発明の
改良精造を除いて、外側チャンネル１２のほぼ全長に亘
り延びている。各パネル３２のこれ等の板部材３４は、
そこに形成され両方の間に延在するディンプル３６の形
態の一連の要素によって、相互に連結され且つ相互から
隔てられている。ディンプル３６は、板部材３４の軸方
向の長さに沿って垂直の柱状（図示せず）に形成され配
設されている。好ましくは、各板部材３４に設けられた
ディンプル３６は、板部材３４の向かい合った部分を週
切な離間関係に保持するために板部材３４の長さに沿っ
て互いに接触する向かい合うディンプル対を形成するよ
うに、隣接した板部材３４の対応したディンプル３６に
対し横方向及び垂直方向に整列されている。互いに接触
したディンプル３６の対は、中心部のウォータ・クロス
２６のパネル３２を形成する板部材３４間の間隔が正確
に保たれるように、例えば溶接により結合されている。

中空のウォータ・クロス２６は、外側チャンネル１２の
角度的に変位された壁部２ｏに取り付けられている。好
ましくは、ウォータ・クロス乏６のパネル３２の長い外
端は、燃料集合体１０中の所望の中心位置にウォータ・
クロス２６を確実に保持するために、精造リプ２２にそ
の全長に沿って例えば溶接により結合されている。更に
、パネル３２の内端は、その外端と共に、中空のウォー
タ・クロス２６の軸方向の全長に延びる十字形の内側チ
ャンネル２Ｂを画定している。また、ウォータ・クロス
２６は下方の流入端３Ｂと１反対側の上方の流出４３９
とを有し、これ等は、サブクールされた流れが内側チャ
ンネル２８を貫流できるように、内側チャンネル２８と
それぞれ連通している。

チャンネル１２内には燃料棒４ｏの束が配置されており
、図示の実施例では６４本の燃帽１ｏがあり、８×８配
列を形成している。燃ｆ１ｓ束はウォータ・クロス２６
ニよって４つの小燃料棒束に分離されている。各小燃料
棒束の燃料棒４０　（１８本あり、４×４配列を有する
）は、上部タイプレート４２と下部タイプレート４４と
の間を横方向に離間した関係で延びている。各小燃料棒
束の燃料棒は、上部及び下部タイプレート４２．４４に
接続され、それ等と一緒になって、チャンネル１２の各
隔室３０内に別個の燃料棒サブアセンブリ４６を構成す
る。各燃料棒サブアセンブリ４Ｂの燃料棒４０に沿って
軸方向に隔てられた複数の格子４８は、燃料棒４０を横
方向に隔てられた関係に保持している。それぞれの燃料
棒サブアセンブリ４６の下部及び上部タイプレート４４
．４２はそれ等を貫通するように画成された開口５ｏを
有しており、減速・冷却流体が燃料棒サブアセンブリに
流入したり該燃料棒サブアセンブリがら流出するのを許
容している。また、冷却材の流路が。

各々の構造す１２２間にその長さに沿って形成された複
数の開口５２によって、燃ｆＩｓ、合体１０の別個の隔
Ｎ３０中における燃料棒サブアセンブリ４６間に流れの
連通を与えている。開口５２を通る冷却材流は、４つの
別々の隔室３０間の水圧を平衡させ、それによって、燃
料棒サブアセンブリ４６間の熱的・水力的不安定の可能
性を最小とする作用をする。

ＢＷＲの燃料集合体１０の前述した基本的な構成要素は
、特に、前述した米国特許ｆｉｓ、Ｎ、６０２，０８９
号明細書によって当該技術分野で既知であり、この米国
特許顧に、本発明の後述する改良を当業者が十分に哩解
しうる程度に、十分に説明されている。

ＢＷＲ燃Ｆ）８合体の構造の一層詳細な説明については
、米国特許１［ｓ、Ｎ、６０２，０８９号及びＳ、８．
３６８，５５５号も参照されたい。

の　　　の　　　−八 第１図及び第５図を参照すると、別個の燃料棒サブアセ
ンブリ４６のそれぞれの小燃料棒束の下端部５４間の流
体の自由な横行流を許容して、小燃料棒束間の流れの不
均一な配分を最小限にする、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）
の燃料集合体１０に組み込まれた改良構造が開示されて
いる。改良構造は総括的に符号５６で示された下方の十
字形流れ混合室の形層であって、該混合室５６は、ウォ
ータ・クロス２６の流入端３８と、小燃料棒束のそれぞ
れの下端部５４と、そこに接続された下部タイプレート
４４とから構成される混合室Ｎ成手段によって画成され
ている。ウォータ・クロスの流入端３８は下部タイプレ
ート４４の上方に離間した関係で配置されるように変更
されている。

更に具体的には、流れ混合室５Ｂは小燃料棒束の下部タ
イプレート４４とウォータ・クロス２６の流入端３８と
の間に配置され、下部タイプレート４４から上方に延び
、流入端３８から下方に延びている。第５図に示すよう
に、ｉれ混合室５６は外側流れチャンネル１２の下方部
分において中央に配置されると共に、はぼ十字形の横断
面形状を有している。また、第１図に示すように、下方
の流れ混合室５６の軸方向の高さは、下部タイプレート
４４から、それぞれの燃料棒サブアセンブリ４６の軸方
向に１ｍ間した格子４８のうち最下方のものまでの軸方
向距離よりも小さい。

本発明及びその付随的利点は前述した説明から理解され
ると思われる。また、本発明の精神及び範囲を逸脱した
り、本発明の重要な利点を犠牲にすることなく、本発明
の形態、構造及び配列に変更を加えることができ、前述
した形態は単なる好適な又は例示的な実施例に過ぎない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明の改良構造を組み込んだＢＷＲ燃料集
合体を、一部は切欠き、一部は断面によって表した側面
図、第２図は、第１図の２−２線に沿って矢印の方向に
見た平面図、第３図は、第１図の３−３１ｉに沿って矢
印の方向に見た底面図、第４図は、第１図の４−４線に
沿い切断して示した断面図であり、燃料集合体の燃料棒
束がウォータ・クロスによって別々の不燃ｉｓ束に分離
されることを示し、１つの小燃料棒束を囲む格子は実線
で示し、他の３つの小燃料棒束を囲む格子は輪郭線で示
した図、第５図は、燃ｆ１ｐｓ束の入口にある不燃Ｆｌ
棒束間の自由な流れ混合室を示すため。 第１図の５−５１１に沿い切断して示した第４図と同様
の断面図である。 １０・・・燃料集合体　　２６・・・ウォータ・クロス
１２・・・外側チャンネル（外側管状流れチャンネル）
３０・・・隔室　　　　　４０・・・燃料棒５６・・・
流れ混合室 混合室画成手段 ３８・・・ウォータ・クロス２６の流入端４４・・・下
部タイプレート ５４・・・小燃料棒束の下端部 出願人　ウェスチングハウス・エレクトリック・ＦＩＧ
、　１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 離間燃料棒の配列を形成するように並置関係に配設され
   た複数の長い燃料棒の束と、該燃料棒に沿って冷却・減
   速材流体の流れを導くように前記燃料棒を囲む外側管状
   流れチャンネルと、該外側管状流れチャンネルを複数の
   別個の隔室に区画すると共に、前記燃料棒の束を前記別
   個の隔室内にそれぞれ配置される複数の小燃料棒束に区
   画するように、前記外側管状流れチャンネルに相互に接
   続され且つ前記外側管状流れチャンネル内を通って延び
   る中空のウォータ・クロスと、を有する燃料集合体であ
   って、 前記ウォータ・クロスの下方において前記小燃料棒束の
   下端部間に流れ混合室を画成し、前記小燃料棒束間の流
   れの不均一な配分を可及的に軽減する流れ混合室画成手
   段を備える、 ように改良した燃料集合体。