JPS6139358Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は原子炉用燃料集合体に介装される燃
料棒スペーサに係り、特に燃料集合体の燃料チヤ
ンネルに燃料棒を位置決めする燃料棒スペーサに
関する。

一般に原子炉の炉心部には多数の燃料集合体が
収容され、各燃料集合体の燃料チヤンネル内に配
置される多数の燃料棒は燃料棒スペーサにより位
置決めされる。各燃料棒は燃料被覆管内に核燃料
を充填することにより構成される。

しかして、核燃料のウランまたはプルトニウム
等の核分裂性物質の核反応により熱エネルギが発
生し、発生した熱エネルギ冷却材（軽水型原子炉
の場合には軽水）に伝達され、高温高圧水（高温
高圧水蒸気）を介して原子炉外に取り出される。

この場合、核燃料で発生した熱は燃料被覆管を
通して冷却材に伝達される。沸騰水型原子炉では
発生した熱が核沸騰熱伝達により冷却材に伝達さ
れるようになつているが、発生熱量がある限界値
を越えると、核沸騰伝熱性能が悪化し、燃料被覆
管の表面温度が過度に上昇する、いわゆるバーン
アウト現象が生じ、燃料被覆管表面が焼損する可
能性がある。このため、沸騰水型原子炉において
は、発生熱量が限界値（限界出力）以下となるよ
うに、燃料棒を有する燃料集合体の出力を設計す
る必要がある。その際、燃料集合体の限界出力を
増加させることが可能であれば、高出力密度の核
燃料の使用、すなわち高出力の炉心部の構成が可
能となり、有利である。

従来、燃料集合体に、介装される燃料棒スペー
サ１は、第１図および第２図に示すように構成さ
れる。燃料棒スペーサ１は全体として矩形をな
し、サイドバンド２ａ〜２ｄのコーナ部３ａ〜３
ｄを隣接するサイドバンドに連結して角筒状の外
枠４を形成している。外枠４内は複数のデバイダ
５とバー６とを交差させることにより格子状に構
成され、多数のほぼ正方形状の燃料棒通路７が形
成され、この通路７内に燃料棒８が収容される。
収容された燃料棒８はＳ字形のスプリング９およ
び角形スプリング１０により弾性的に押圧保持さ
れる。各コーナ部３ａ〜３ｄには一対の球状突起
１１がそれぞれ設けられ、この球状突起１１がＳ
字形スプリング９の代わりをなしている。

このようにして、燃料棒通路７内に収容された
燃料棒８は角形スプリング１０とＳ字形スプリン
グ９（または球状突起１１）により弾力的に支持
され、燃料チヤンネル１２内の適正位置に位置決
めされ、保持される。適正位置に保持された燃料
棒８は燃料チヤンネル１２の下部から供給される
冷却材により冷却される。一方、冷却材は各燃料
棒通路７および燃料チヤンネル１２と外枠４の間
隙１３を上昇する間に燃料棒８の保有する熱エネ
ルギを吸収している。

各燃料棒８にアウトバーン現象が生じるのを防
止し、その限界出力を増大させるためには、燃料
チヤンネル１２内に供給された冷却材を燃料棒８
と有効的に接触させ、冷却効率を高めればよい。
しかしながら、燃料チヤンネル１２内を流れる冷
却材は燃料チヤンネル１２の中央部より内壁面の
近傍に集中する傾向がある。これは、中央部が燃
料棒８の核反応により高温であるのに対し、内周
面部が低温であるため、低温な内壁面の方向へ冷
却材が流れるためである。冷却材が燃料チヤンネ
ルの内壁面沿いに集中することは、冷却効率を高
める上で必ずしも充分ではなかつた。

この考案は上述した点を考慮し、燃料チヤンネ
ル内を上昇する冷却材を各燃料棒に向けて流れ込
ませ、各燃料棒回りの液相部を増加させて冷却効
率を高め、燃料棒集合体の限界出力の増加を図る
ことができるようにした燃料棒スペーサを提供す
ることを目的とする。

以下、この考案の一実施例について添付図面を
参照して説明する。

第３図において、符号２０は原子炉の圧力容器
を示し、この原子炉圧力容器２０の炉心部２１に
は多数の燃料集合体２２が設置される。燃料集合
体２２は第４図に示す構成を有し、その燃料チヤ
ンネル２３内に多数の燃料棒２４と一本のウオー
タロツド２５とが収納される。各燃料棒２４およ
びウオータロツド２５の上部は上部タイプレート
２６で、下部は下部タイプレート２７でそれぞれ
支持され、中間部は上下方向に適宜離間して設置
された燃料棒スペーサ２８により位置決めされ
る。

燃料棒スペーサ２８は矩形の外枠３０を有す
る。この外枠３０は４本のサイドバンド３１ａ〜
３１ｄのコーナ部３２ａ〜３２ｄの端を隣接する
サイドバンドに固定することにより構成される。
外枠３０内は複数のデバイダ３３とパー３４とを
適宜交差させることにより格子状に構成され、多
数のほぼ正方形状の燃料棒通路３５が形成され
る。各燃料棒通路３５内に燃料棒２４が挿入され
る。挿入された燃料棒２４は燃料棒通路３５の一
隈部（バー３４の交差部）に取付けられた角形ス
プリング３６とＳ字形スプリング３７とにより弾
力的に保持する。Ｓ字形スプリング３７は燃料棒
通路３５の隣接する２辺の各中間部（デバイダ３
３）に取付けられる。サイドバンドの各コーナ部
３２ａ〜３２ｄにはＳ字形スプリング３７の代替
用として一対の球状突起３８が形成される。

一方、燃料棒スペーサ２８の各サイドバンド３
１ａ〜３１ｄには長手方向に所定間隔をおいてロ
ーブ（突起）３９が一体的に設けられており、こ
のローブ３９により燃料チヤンネル２３の内周壁
面２３ａと外枠３０との間に間隙４０が形成され
る。

また、各サイドバンド３１ａ〜３１ｄの下部に
は攪拌板４２が一体成形されている。攪拌板４２
は第６図に示すようにコ字状をなし、攪拌板本体
４２ａと一対の支持腕部４２ｂとからなり、この
支持腕部４２ｂの上端がサイドバンド３１ａ〜３
１ｄの両側下部に一体接続される。攪拌板４２の
下端部は燃料チヤンネル２３の内壁面２３ａと線
接触するように下方に向つて拡開するようにテー
パしている。各サイドバンド３１ａ〜３１ｄの下
端から攪拌板４２の下端までの距離ｄは15〜25mm
程度が望ましい（第６図参照）。

さらに、燃料チヤンネル２３の内壁面２３ａと
線接触する攪拌板４２の下端部に丸みをつけ、燃
料棒スペーサ２８の着脱を容易に行ない得るよう
にするのが望ましい。また、攪拌板４２をコ字状
としたのは、燃料棒スペーサ２８での中性子吸収
損失を極力小さく押えるためである。なお、この
考案に係る燃料棒スペーサ２８はバーンアウト現
象が起こり易い部分にのみ使用すればよく、燃料
集合体２２の全ての燃料棒スペーサにこの発明を
適用する必要がない。例えば、燃料集合体の下部
に使用される燃料棒スペーサは従来のタイプのス
ペーサでよい。

次にこの考案の作用について説明する。

燃料集合体２２の燃料チヤンネル２３内の所定
位置に燃料棒スペーサ２８を介装し、各燃料棒ス
ペーサ２８の燃料棒通路３５内に燃料棒２４を挿
入し、挿入された各燃料棒２４の上部および下部
を上部および下部タイプレート２６，２７で固定
する。このようにして構成された燃料集合体２２
を原子炉圧力容器２０内の炉心部２１にセツト
し、原子炉を運転する。

原子炉の運転により、燃料棒２４内に収納され
た核燃料は核反応により熱エネルギを放出する。
燃料棒２４から放出される熱エネルギは燃料集合
体２２内を上昇する冷却材に吸収され、高温高圧
水（あるいは高温高圧水蒸気）となつて原子炉外
に取り出され、燃料棒２４は冷却される。

ところで、第７図Ｂに示すように、一般に燃料
集合体内に燃料スペーサ１を介装すると、燃料棒
８のババーンアウト現象はその発熱面に接する液
膜Ａが薄くなり、局所的に乾燥が生じ易い。原子
炉外における試験結果によれば、沸騰水型原子炉
に使用される燃料集合体の場合、液膜が薄くな
り、バーンアウト現象が生じ易い場所は燃料棒ス
ペーサ１の直上流側すなわち燃料棒スペーサの下
端より約０〜10mmのバーンアウト領域Ｂである。

しかして、この発明においては、各サイドバン
ド３１ａ〜３１ｄの下部に攪拌板４２を設け、こ
の攪拌板４２の下端部を燃料チヤンネル２３の内
壁面２３ａと線接触させるようにし、その接触部
４５を第７図Ａに示すように燃料棒スペーサ２８
の下端から約15〜25mmとし、バーンアウト現象が
生じ易い領域Ｂより下側に位置させたから、燃料
チヤンネル２３内壁面近くに集中している冷却材
の液相を強制的に燃料棒２４近くを流れる主流に
流し込ませることができる。この攪拌板４２によ
る冷却材の液相ガイドにより、各燃料２４間を流
れる主流の液相部が増加し、燃料棒２４に接する
液膜の厚さが増加する。

このため、バーンアウト現象が起り易い領域Ｂ
の冷却材の液相の厚さが増加し、冷却効果を向上
させることができる。また、攪拌板４２を設ける
ことにより、各燃料棒２４近くを流れる主流に乱
れが生じ、気液の混合の均一化が促進される。し
たがつて、燃料棒２４の伝熱面が気相のみで覆わ
れることがなく、冷却が効果的に行なわれる。こ
れによりバーンアウト現象が生ずる燃料集合体２
２の限界出力は増加し、高出力密度の燃料集合体
すなわち原子炉炉心部を構成できる。

第８図はこの発明に係る燃料棒スペーサ２８を
使用した燃料集合体２２（実線で示す）の効果
を、従来の燃料集合体（破線で示す）と比較しつ
つ、限界出力と冷却材の流量との関係で表わした
ものである。第８図から燃料集合体内を流れる冷
却材の流量が同じ場合、この発明の燃料棒スペー
サを使用した燃料集合体の限界出力が△Ｐだけ増
加することがわかる。これは、高出力密度の原子
炉炉心が得られることを意味する。

以上に述べたようにこの考案に係る燃料棒スペ
ーサにおいては、外枠を構成するサイドバンドの
下部に攪拌板を設け、この攪拌板の下端部を燃料
チヤンネルの内壁面に向つて延びるように形成さ
れたから、燃料チヤンネル内を上昇する冷却材を
攪拌板により各燃料棒側に指向させることができ
る。特に、燃料チヤンネルの内壁面沿いに上昇す
る冷却材には液相部が集中しており、この冷却材
の液相部を各燃料棒側に案内することができるの
で、各燃料棒の冷却効率を高め、燃料集合体の限
界出力の増加を確実に図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の燃料棒スペーサを示す平面図、
第２図は第１図の−線に沿う断面図、第３図
は原子炉の圧力容器内の構造を概略的に示す断面
図、第４図はこの考案に係る燃料棒スペーサを用
いた燃料集合体を概略的に示す図、第５図はこの
考案の燃料棒スペーサの実施例を示す平面図、第
６図は第５図の−線に沿う断面図、第７図Ａ
はこの考案の燃料棒スペーサの拡大部分図、第７
図Ｂは従来の燃料棒スペーサの拡大部分図、第８
図は燃料集合体の出力（限界出力）と冷却材の流
量との関係を示すグラフである。 ２０……原子炉圧力容器、２１……炉心部、２
２……燃料集合体、２３……燃料チヤンネル、２
３ａ……内壁面、２４……燃料棒、３０……外
枠、３１ａ〜３１ｄ……サイドバンド、３２ａ〜
３２ｄ……コーナ部、３３……デバイダ、３４…
…バー、３５……燃料棒通路、３６……角形スプ
リング、３７……Ｓ字形スプリング、４０……間
隙、４２……攪拌板、４２ａ……攪拌板本体、４
２ｂ……支持腕部。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. サイドバンドとコーナ部とを順次連結して矩形
   の外枠を構成してなり、燃料チヤンネル内に多数
   の燃料棒を位置決めする燃料棒スペーサにおい
   て、前記サイドバンドの下部に攪拌板を設け、攪
   拌板の下端部を前記燃料チヤンネルの内壁面に向
   つて延びるように形成し、攪拌板の下端を外枠の
   下方に生ずるバーンアウト領域より下側に位置さ
   せ、かつ攪拌板を前記サイドバンドと略同一長さ
   の幅長のコ字状とし攪拌板の一対の支持腕部をサ
   イドバンドの両側下部に一体接続したことを特徴
   とする燃料棒スペーサ。