WO2015037484A1 - 燃料集合体 - Google Patents

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WO2015037484A1
WO2015037484A1 PCT/JP2014/073140 JP2014073140W WO2015037484A1 WO 2015037484 A1 WO2015037484 A1 WO 2015037484A1 JP 2014073140 W JP2014073140 W JP 2014073140W WO 2015037484 A1 WO2015037484 A1 WO 2015037484A1
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fuel rod
diameter
nozzle
lower nozzle
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清水　純太郎
山田　昌彦
英典 原田
紀裕 北芝
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三菱原子燃料株式会社
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a fuel assembly for a nuclear reactor, and in particular, a fuel assembly in which fretting wear of a fuel rod due to an excitation force of a cooling material acting on a lower end portion of each fuel rod of the fuel assembly is reduced. About.
  • a fuel assembly used in a pressurized water reactor has a plurality of support grids arranged at predetermined intervals between an upper nozzle and a lower nozzle to hold a plurality of fuel rods, and further includes an instrumentation tube and a plurality of control rod guide tubes Are fixed to each support grid and the upper and lower nozzles, respectively.
  • Various foreign substances including metal particles, chips, scraps and other debris are mixed in the coolant flowing through the fuel assembly during operation of the reactor during production, installation, repair of piping and cooling equipment, etc. There is a risk. If cooling water containing these foreign substances flows into the fuel assembly from the lower nozzle and is caught between the lattice space of the support grid and the fuel rod, the fuel rod may be damaged.
  • each fuel rod has a fuel rod cladding tube containing fuel pellets such as uranium dioxide, and if the foreign matter caught between the support grid and the fuel rod is moved by the cooling water flow, the cladding tube may be rubbed. there were. Further, the locked foreign matter may vibrate due to the cooling water flow and repeatedly come into contact with the cladding tube to cause fretting wear. Further, fretting wear is caused between the fuel rod cladding tube that vibrates with the cooling water flow in the lowermost support grid, and may cause damage to the fuel rod cladding tube.
  • fuel pellets such as uranium dioxide
  • a fuel assembly described in Patent Document 1 has been proposed. That is, in the fuel assembly described in Patent Document 1, a lattice-like foreign matter filter is provided between the lowermost support lattice and the lower nozzle, and the lower end plug of the fuel rod is placed in a strap that intersects the foreign matter filter. The tip is inserted to trap foreign matter between the strap and the lower end plug. Or the protrusion which protrudes in a lattice space is provided in either one of the strap of a foreign material filter, or a lower end plug, and makes it easier to catch a foreign material.
  • the fuel rods held in the lattice space of the lowermost support lattice by the cooling water passing through the flow hole of the lower nozzle have a minute amplitude due to the flow vibration of the cooling water flow.
  • fretting wear causes intensive wear between the fuel rod and the support grid. Therefore, the fuel rod cladding tube may be damaged by fretting wear, resulting in fuel leakage.
  • This fretting wear is caused by an increase in fluid vibration at the lower end of the fuel rod due to an increase in the fluid force of the cooling water acting on the lower end of the fuel rod (hereinafter referred to as excitation force). Therefore, in order to eliminate the fuel leak due to fretting wear, it has been required to reduce the excitation force acting on the lower end of the fuel rod.
  • This invention is made
  • a plurality of fuel rods are supported by a plurality of support grids arranged in the length direction, an upper nozzle is disposed on the upper side of the fuel rod, and a lower nozzle is disposed on the lower side.
  • a plurality of flow holes for circulating cooling water are arranged at predetermined intervals in the lower nozzle, and the inner diameter of the flow hole is 0.42D to 0.53D, where D is the diameter of the fuel rod. It is characterized by being set in the range of.
  • the inner diameters of the plurality of flow holes arranged at predetermined intervals of the lower nozzle are set in the range of 0.42D to 0.53D, the inner diameter of the flow hole is smaller than that of the conventional fuel assembly.
  • the pressure loss of the cooling water at the core entrance can be increased, and the flow holes are arranged at predetermined intervals, whereby the flow of the cooling water passing through the lower nozzle can be rectified to reduce the excitation force.
  • the flow holes are arranged in the vertical and horizontal directions at predetermined intervals, and the fuel rods are arranged so that four flow holes overlap around the fuel rods with the outside diameter projected onto the lower nozzle vertically. It is characterized by. Cooling water that flows to the fuel rod through the flow hole of the lower nozzle flows around the lower end plug of the fuel rod, and thus rectification flows to reduce the excitation force.
  • a plurality of fuel rods are supported by a plurality of support grids arranged in the length direction, an upper nozzle is disposed on the upper side of the fuel rod, and a lower nozzle is disposed on the lower side.
  • the length of the fuel rod protruding from the lowermost support grid to the lower nozzle side is set in the range of 0.84D to 2.42D, where D is the fuel rod diameter. It is characterized by.
  • the length of the fuel rod protruding from the lowermost support grid to the lower nozzle side is set in the range of 0.84D to 2.42D. Therefore, the exciting force of the cooling water acting on the projecting portion is reduced, and the fretting wear caused by the contact with the support grid due to the vibration of the fuel rod can be reduced.
  • the length of the fuel rod protruding from the lowermost support grid to the lower nozzle side is set in a range of 1.37D to 2.21D. If the length of the protruding fuel rod is set in the range of 1.37D to 2.21D, the vibration and fretting wear of the fuel rod can be further reduced.
  • a plurality of fuel rods are supported by a plurality of support grids arranged in the length direction, an upper nozzle is disposed on the upper side of the fuel rod, and a lower nozzle is disposed on the lower side.
  • the flat portion at the tip of the tapered portion of the lower end plug has a diameter of 0.42 D or less, where D is the diameter of the fuel rod.
  • the outer diameter of the base end side (welding side) of the lower end plug is usually equal to the outer diameter of the fuel rod, and the flat portion diameter is set to 0.42 D or less with respect to the outer diameter D of the fuel rod.
  • the taper is longer than conventional fuel rods, and the flow of cooling water at the bottom of the fuel rods is smooth along the taper to facilitate rectification, reducing the excitation of cooling water and vibration at the bottom of the fuel rods. it can.
  • the flat portion at the tip of the tapered portion of the lower end plug has a diameter in the range of 0.26D to 0.37D. If the flat part at the tip of the taper part of the lower end plug has a diameter of 0.26D to 0.37D, the cooling water flowing from the flow hole can flow along the taper part to maintain the rectified state. Force and vibration at the lower end of the fuel rod can be reduced.
  • a plurality of fuel rods are supported by a plurality of support grids arranged in the length direction, an upper nozzle is disposed on the upper side of the fuel rod, and a lower nozzle is disposed on the lower side.
  • a plurality of flow holes for circulating cooling water are arranged at predetermined intervals in the lower nozzle, and the inner diameter of the flow hole is 0.42D to 0.53D, where D is the diameter of the fuel rod.
  • the length of the fuel rod protruding to the lower nozzle side from the lowermost support grid is set in the range of 0.84D to 2.42D.
  • the flow hole of the lower nozzle is reduced in diameter, and the protruding length of the fuel rod from the lowermost support grid is in the range of 0.84D to 2.42D. Since the fuel rod protrusion length is as short as 0.84D to 2.42D, both the excitation force of the cooling water and the vibration of the fuel rod can be reduced.
  • the flat portion at the tip of the tapered portion of the lower end plug may have a diameter of 0.42D or less. Since the taper at the bottom of the fuel rod is longer than the conventional fuel rod and the flow of the cooling water is smooth along the taper and can facilitate rectification, the excitation force of the cooling water and the vibration at the lower end of the fuel rod can be reduced. .
  • a plurality of fuel rods are supported by a plurality of support grids arranged in the length direction, an upper nozzle is disposed on the upper side of the fuel rod, and a lower nozzle is disposed on the lower side.
  • the length of the fuel rod protruding from the lowermost support grid to the lower nozzle side is set in the range of 0.84D to 2.42D, where D is the diameter of the fuel rod.
  • the flat part at the tip of the tapered part of the stopper has a diameter of 0.42D or less.
  • a plurality of fuel rods are supported by a plurality of support grids arranged in the length direction, an upper nozzle is disposed on the upper side of the fuel rod, and a lower nozzle is disposed on the lower side.
  • a plurality of flow holes for circulating cooling water are arranged at predetermined intervals in the lower nozzle, and the inner diameter of the flow hole is 0.42D to 0.53D, where D is the diameter of the fuel rod.
  • the flat portion at the tip of the tapered portion of the lower end plug has a diameter of 0.42D or less.
  • one or two of the three configurations of the inner diameter of the flow hole of the lower nozzle, the protruding length of the fuel rod from the lowermost support grid, and the diameter of the flat portion of the lower end plug If it has more than a kind of configuration, it will further rectify the cooling water through the flow hole, reduce the excitation force of the cooling water, reduce the vibration at the lower end of the fuel rod, and cool down the tapered part of the lower end plug Promotion of water rectification can be selectively achieved.
  • the cooling water flowing through the flow hole is reduced by reducing the flow hole of the lower nozzle.
  • the protruding length of the fuel rod from the lowermost support lattice is shortened to 0.84D to 2.42D, so that the vibration of the fuel rod is reduced and the excitation force of the cooling water is increased. The range of action can be reduced.
  • the tapered portion of the lower portion of the fuel rod is longer than the conventional fuel rod, and the flow of the cooling water
  • the smoothing and rectification can be promoted along the tapered portion, so that the exciting force of the cooling water and the vibration of the lower part of the fuel rod can be reduced.
  • FIG. 1 is a front view of a fuel assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a flow hole in an enlarged cross-section by partially breaking the lower nozzle shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion A showing a partially broken fuel rod between a lowermost support lattice and a lower nozzle of the fuel assembly shown in FIG. 1.
  • (A) is a principal part front view of the fuel assembly by embodiment
  • (b) is a principal part front view of the conventional fuel assembly. It is a side view of the lower end plug of a fuel rod. It is the schematic diagram which projected the outer diameter of the fuel rod and the flat part of the lower end plug on the plan view of the flow hole on the lower nozzle surface.
  • a fuel assembly according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
  • a plurality of fuel rods 2 are arranged in FIGS. 1 to 3, and a plurality of support grids 3 are arranged at predetermined intervals along the longitudinal direction of the fuel rods 2.
  • Each support lattice 3 stores and holds a plurality of fuel rods 2 one by one in a lattice space formed by alloy straps arranged in a lattice pattern.
  • An upper nozzle 4 and a lower nozzle 5 are disposed at the upper and lower portions of the fuel rod 2, and the upper nozzle 4 and the lower nozzle 5 are constituted by an instrumentation tube 7 and a plurality of control rod guide tubes 8 held by each support grid 3.
  • the lowermost side of the support grids 3 arranged along the longitudinal direction of the fuel rods 2, that is, the lowermost nozzle 5 side is referred to as the lowest support grid 3A.
  • the lower nozzle 5 has a plurality of small-diameter passage holes penetrating the upper and lower surfaces of the nozzle plate 5a as flow holes 10 arranged at predetermined intervals in the vertical and horizontal directions along each side of the upper surface.
  • the cooling water of the nuclear reactor flows from the lower side to the upper side and flows between the plurality of fuel rods 2.
  • the lower nozzle 5 is a porous nozzle in which the size and arrangement interval of the flow holes 10 are uniform.
  • the inner diameter of the flow hole 10 is set to a small diameter in the range of 0.42D to 0.53D. If it is in this range, the cooling water flowing through the flow hole 10 of the lower nozzle 5 is rectified, and it is possible to reduce the occurrence of vibration by applying an exciting force to the fuel rod 2. On the other hand, if the inner diameter is smaller than 0.42D, the cooling water is difficult to pass through the flow hole 10 and the pressure loss is too large, and if it exceeds 0.53D, the rectification of the cooling water cannot be promoted and the fuel rod 2 is excited. Easy to increase power.
  • the flow hole 10 of the lower nozzle 5 is made smaller in diameter than the conventional one to reduce the flow path cross-sectional area, thereby increasing the core inlet pressure loss and cooling into the fuel assembly 1.
  • the material flow rate can be reduced.
  • the flow holes 10 are evenly arranged at substantially equal intervals in the vertical and horizontal directions with respect to the fuel rod 2, so that the flow of the cooling water passing through the lower nozzle 5 can be made uniform and rectified.
  • the lowermost support grid 3 ⁇ / b> A closest to the lower nozzle 5 is a fuel projecting to the lower nozzle side from the lowermost support grid in the conventional fuel assembly. It installed in the lower nozzle 5 side so that it might become length L shorter than length La of a stick
  • the protruding length L of the fuel rod 2 protruding from the lowermost support grid 3A toward the lower nozzle 5 is 0.84D ⁇
  • the range was set to 2.42D. Within this range, the range in which the excitation force of the cooling water acts on the protruding portion of the fuel rod 2 decreases, so the excitation force can be reduced.
  • the protruding length L of the fuel rod 2 is smaller than 0.84D, the length of the tapered portion 16b of the lower end plug 16 of the fuel rod 2 is too short, and cooling water collides with the flat portion 16c on the tip side.
  • the protruding length L of the fuel rod 2 is set in the range of 1.37D to 2.21D.
  • each fuel rod 2 in the fuel assembly 1 of the present embodiment has a fuel pellet 15 such as a uranium dioxide pellet or the like in the fuel rod cladding tube 14 as shown in the partially broken view of the fuel rod 2 in FIG.
  • the lower end plug 16 is fixed to the lower end portion of the fuel rod cladding tube 14 by welding and integrated.
  • An upper end plug is welded and fixed to the fuel rod cladding tube 14 on the upper side of the fuel rod cladding tube 14 via a plenum spring (not shown).
  • the lower end plug 16 of the fuel rod 2 includes a cylindrical portion 16a welded to the fuel rod cladding tube 14 and a tapered portion (cone-shaped portion) having a truncated cone shape on the lower end side thereof. ) 16b.
  • the tapered portion 16b is formed longer in the central axis direction of the fuel rod 2 than the lower end plug of the conventional fuel rod, and a flat flat portion 16c is formed at the tip.
  • the diameter S of the flat portion 16 c at the tip of the tapered portion 16 b of the lower end plug 16 is set to 0.42 D or less with respect to the diameter D of the fuel rod 2.
  • the length in the central axis direction of the tapered portion 16b (hereinafter simply referred to as the length) can be increased.
  • the flow of the cooling water fuel rod 2 in the axial direction can be smoothed and rectified.
  • the flow of the fuel rods of the cooling water can be made smoother, which contributes to the reduction of the excitation force.
  • the diameter S of the flat portion 16c is larger than 0.42D, the flat portion 16c has a large diameter, so that the cooling water collides and the flow becomes difficult.
  • FIG. 6 shows the outer diameter of the fuel rod 2 and the flat portion 16c of the lower end plug 16 projected onto the flow hole 10 arranged in the vertical and horizontal directions at predetermined intervals on the upper surface of the lower nozzle 5 in the fuel assembly 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 6 shows the four flow holes 10 overlap with each other at an approximately 90 ° interval on the outer peripheral surface side of the fuel rod 2 in a plan view, and the flat portion 16 c is located at the center of the four flow holes 10. It will be. Therefore, since the cooling water flowing through each flow hole 10 flows upward at 90 degree intervals along the tapered portion 16b of the lower end plug 16 of the fuel rod 2, the flow of the cooling water in the axial direction of the fuel rod 2 is reduced. Smooth, promotes rectification of the cooling water flow, and can be effective in reducing the excitation force.
  • Example 1 a flowing water test was performed on the fuel assembly 1 according to the embodiment of the present invention to measure the excitation force of the cooling water acting on the lower end portion of the fuel rod to determine how much the excitation force is reduced.
  • This running water test will be described.
  • Each of the fuel assemblies of the conventional example, Example 1, Example 2, and Example 3 is used as the test body, and the outer diameter of the fuel rod is 9.5 mm and the length is 4 m.
  • a fuel assembly 101 as shown in FIG. 4B is used, and a shape having a tapered portion and a flat portion on the tip side of the cylindrical portion of the lower end plug of the fuel rod 103 is formed.
  • the length La of the fuel rod 103 protruding from the lowermost support grid 102 toward the lower nozzle 104 is 40 mm, the length of the tapered portion of the lower end plug is 1.5 mm, and the diameter of the flat portion is ⁇ 8.5 mm.
  • the flow hole diameter of the lower nozzle 104 was set to ⁇ 6.6 mm to ⁇ 10.6 mm.
  • Example 1 the inner diameter of the flow hole 10 of the lower nozzle 5 was ⁇ 4.3 mm, and the remaining configuration was the same as that of the conventional example.
  • Example 2 in addition to the configuration of Example 1, the length L of the fuel rod 2 protruding downward from the lowermost support grid 3A was set to 18 mm, and the remaining configuration was made the same as the conventional example.
  • Example 3 in addition to the configuration of Example 2, the axial length of the tapered portion 16b of the lower end plug 16 was 9.4 mm, the taper angle ⁇ was 19 °, and the outer diameter of the flat portion was 3 mm.
  • the partial model of the above-described conventional fuel assembly 101 is accommodated in the test apparatus 20, and cooling water is circulated from the lower nozzle 104 into the fuel assembly 101.
  • the excitation force of the fuel rod 103 in the vicinity of the lower nozzle 104 was measured and used as a reference (the excitation force at this time was set to 1).
  • the fuel rod to be measured is a corner portion “2-3” in the cross section perpendicular to the axial direction of the fuel rods 2 and 103 in the support lattices 3A and 102 at the lowermost ends of the fuel assemblies 1 and 101 shown in FIG. ”,“ 3-3 ”, the center“ 5-5 ”, and the inner“ 8-8 ”, the fuel rods 2 and 103 at the respective positions. Standard.
  • the partial model of each fuel assembly 1 of the conventional example, Example 1, Example 2, and Example 3 and the other fuel assembly simulated partial model are stored in the test apparatus 20.
  • Each of the tests was carried out by arranging them at adjacent positions.
  • This test condition is that the fuel assemblies of other companies and other companies are mixed and operated when the actual reactor is in operation, so the other company's fuel assembly simulation partial model is used to create a usage situation close to actual operation.
  • This is installed in the test apparatus 20 together with Examples 1, 2, and 3.
  • the excitation force of the fuel rods 2 and 103 at the positions of the corners “2-3”, “3-3”, the center “5-5”, and the inner “8-8” in the support grids 3A and 102 is measured.
  • the ratio with the excitation force of the fuel rod 103 of the conventional example which becomes the reference for the above comparison, was calculated.
  • the flow area of the flow hole 10 can be reduced as compared with the prior art, and The flow rate of the cooling water flowing into the fuel assembly 1 can be reduced by increasing the pressure loss.
  • the flow of the cooling water passing through the lower nozzle 5 can be rectified by uniformly arranging the four flow holes 10 of the lower nozzle 5 so as to face each fuel rod 2.
  • the flow of the cooling water after passing through the flow hole 10 of the lower nozzle 5 is rectified, thereby reducing the non-uniformity and turbulence of the flow, which causes an increase in the excitation force, and reducing the excitation force. Can be demonstrated.
  • the axial length in which the excitation force acts can be reduced, and the range in which the excitation force acts is reduced.
  • the excitation force acting on the two protruding portions can be reduced.
  • the tapered portion 16b of the lower end plug 16 into a long cone shape, the axial flow of the cooling water at the lower end of the fuel rod 2 becomes smooth along the tapered portion 16b, and the cooling water flow is rectified. Thus, the excitation force can be reduced.
  • the present invention is not limited to the fuel assembly 1 according to the above-described embodiment, and can be appropriately changed or replaced without departing from the gist of the present invention, all of which are included in the present invention. It is.
  • (1) the inner diameter of each flow hole 10 of the lower nozzle 5 is set to a small diameter in the range of 0.42D to 0.53D
  • (2) the lower nozzle 5 The length L to the lower end of the fuel rod 2 protruding to the side is set in the range of 0.84D to 2.42D
  • the diameter S of the flat portion 16c at the tip of the tapered portion 16b of the lower end plug 16 is set to 0.42D.
  • the present invention is not limited to such a configuration, and has at least one of the above configurations (1), (2), and (3). Good.

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Abstract

燃料集合体（１）は、複数の燃料棒（２）をその長さ方向に配設した複数の支持格子（３）で支持すると共に燃料棒（２）の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズル（５）を配置した。下部ノズル（５）には冷却水を流通させる複数のフローホールを所定間隔で縦横方向に配列した。各フローホールの内径は燃料棒（２）の直径をＤとして０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に設定した。最下端の支持格子（３Ａ）より下部ノズル（５）側に突出する燃料棒（２）の長さは、０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定した。下部端栓（１６）のテーパ部（１６ｂ）の先端のフラット部（１６ｃ）は０．４２Ｄ以下とした。これらの条件を満たすことで、下部ノズル（５）を通過する冷却水の流れを整流化でき、励振力を低減できる。燃料棒下端に作用する励振力を低減させてフレッティング摩耗を低減させる。

Description

燃料集合体
　本発明は、原子炉用燃料集合体に関するものであり、特に燃料集合体の各燃料棒の下端部に働く冷却材料の励振力による燃料棒のフレッティング摩耗等を低減させるようにした燃料集合体に関する。
加圧水型原子炉に用いる燃料集合体は、上部ノズルと下部ノズルの間に複数の支持格子が所定間隔で配設されて複数の燃料棒を保持し、更に計装用管及び複数の制御棒案内管が各支持格子と上部ノズル及び下部ノズルにそれぞれ固定されている。原子炉稼働時に燃料集合体内を流れる冷却材の中には、製作、据え付け、そして配管や冷却設備の補修中等において、金属粒子、チップ、削り片等の細片や破片を含む種々の異物が混入するおそれがある。これらの異物を含む冷却水が下部ノズルから燃料集合体内に流入し、支持格子の格子空間と燃料棒との間に引っ掛かると燃料棒の損傷を引き起こすおそれがある。
即ち、各燃料棒は二酸化ウラン等の燃料ペレットを収納した燃料棒被覆管を有しており、支持格子と燃料棒との間に引っ掛かった異物が冷却水流によって移動すると被覆管を擦過することがあった。また、係止した異物が冷却水流によって振動することで被覆管に繰り返し接触し、フレッティング摩耗を引き起こすおそれがあった。更に、フレッティング摩耗は最下端の支持格子において冷却水流で振動する燃料棒被覆管との間で引き起こされ、燃料棒被覆管の損傷を引き起こすおそれがある。
このような問題に対する改善案として例えば特許文献１に記載された燃料集合体が提案されている。即ち、特許文献１に記載された燃料集合体では、最下端の支持格子と下部ノズルとの間に格子状の異物フィルタを設けて、異物フィルタの互いに交差するストラップ内に燃料棒の下部端栓の先端を挿入して、ストラップと下部端栓との間で異物を捕捉している。或いは、異物フィルタのストラップと下部端栓とのいずれか一方に格子空間内に突出する突起を設けて異物を一層捕捉し易くしている。
特開２００２－２９６３７９号公報
　しかしながら、このような異物除去手段を備えたとしても、下部ノズルのフローホールを通過する冷却水により、最下端の支持格子の格子空間に保持される燃料棒が冷却水流の流動振動によって微少振幅のすべり振動を引き起こすために、燃料棒と支持格子との間で集中的に摩耗を生じるフレッティング摩耗を発生するおそれがあった。
そのため、フレッティング摩耗によって燃料棒被覆管が破損して燃料リークを生じる可能性があった。このフレッティング摩耗は、燃料棒下端に作用する冷却水の流体の力（以下、励振力という）が大きくなって燃料棒下端部での流動振動が増大することにより生じる。よって、フレッティング摩耗による燃料リークを解消するためには燃料棒下端に作用する励振力を低減させることが求められていた。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、燃料棒下端に作用する冷却水の励振力を低減させることでフレッティング摩耗を低減させることを目的とする。
本発明に係る燃料集合体は、複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって、下部ノズルには冷却水を流通させる複数のフローホールが所定間隔で配列されていて、フローホールの内径は燃料棒の直径をＤとして０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に設定されていることを特徴とする。
本発明によれば、下部ノズルの所定間隔で配列した複数のフローホールの内径を０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に設定したから、従来の燃料集合体と比較してフローホールの内径を小径化させて炉心入り口の冷却水の圧力損失を増大させることができ、しかもフローホールを所定間隔に配列したことで下部ノズルを通過する冷却水の流れを整流化させて励振力を低減できる。
また、フローホールは所定の間隔で縦横方向に配列されており、燃料棒の外径を下部ノズルに垂直に投影した状態で、燃料棒はその周囲に４個のフローホールが重なるようにしたことを特徴とする。
下部ノズルのフローホールを通って燃料棒に流れる冷却水は燃料棒の下部端栓の周囲を流れることで整流が流れて励振力を低減させる。
本発明に係る燃料集合体は、複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって、最下端の支持格子より下部ノズル側に突出する燃料棒の長さは、燃料棒の直径をＤとして０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定されていることを特徴とする。
　本発明によれば、最下端の支持格子より下部ノズル側に突出する燃料棒の長さを０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定したから、最下端の支持格子から突出する燃料棒の長さが短いので突出部分に作用する冷却水の励振力が低減し、燃料棒の振動による支持格子との接触に起因するフレッティング摩耗を低減できる。
また、最下端の支持格子より下部ノズル側に突出する燃料棒の長さは１．３７Ｄ～２．２１Ｄの範囲に設定されていることがより好ましい。
突出する燃料棒の長さを１．３７Ｄ～２．２１Ｄの範囲に設定すれば、一層燃料棒の振動とフレッティング摩耗を低減できる。
　本発明に係る燃料集合体は、複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって、下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は直径が燃料棒の直径をＤとして０．４２Ｄ以下とされていることを特徴とする。
　本発明によれば、通常下部端栓の基部側（溶接側）の外径は燃料棒の外径と等しく、フラット部の直径を燃料棒の外径Ｄに対して０．４２Ｄ以下に設定すればテーパ部が従来の燃料棒より長くなり、燃料棒下部での冷却水の流れがテーパ部に沿ってスムーズで整流化を促進できるから、冷却水の励振力と燃料棒下端部の振動を低減できる。
また、下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は直径を０．２６Ｄ～０．３７Ｄの範囲とすることがより好ましい。
下部端栓のテーパ部先端のフラット部が０．２６Ｄ～０．３７Ｄの直径であれば、フローホールから流れる冷却水をテーパ部に沿って流動させて整流状態を維持でき、一層冷却水の励振力と燃料棒下端部の振動を低減できる。
本発明に係る燃料集合体は、複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって、下部ノズルには冷却水を流通させる複数のフローホールが所定間隔で配列されていて、フローホールの内径は燃料棒の直径をＤとして０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に設定され、最下端の支持格子より下部ノズル側に突出する燃料棒の長さは０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定されていることを特徴とする。
本発明によっては、下部ノズルのフローホールが細径化されて、最下端の支持格子からの燃料棒の突出長さが０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲であるから、フローホールからの冷却水を整流化すると共に燃料棒の突出長さが０．８４Ｄ～２．４２Ｄと短いから冷却水の励振力と燃料棒の振動を共に低減できる。
また、下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は直径が０．４２Ｄ以下とされていてもよい。
燃料棒下部でのテーパ部が従来の燃料棒より長くなり、冷却水の流れがテーパ部に沿ってスムーズで整流化を促進できるから、冷却水の励振力と燃料棒下端部の振動を低減できる。
本発明に係る燃料集合体は、複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって、最下端の支持格子より下部ノズル側に突出する燃料棒の長さは、燃料棒の直径をＤとして０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定され、下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は直径が０．４２Ｄ以下とされていることを特徴とする。
本発明に係る燃料集合体は、複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって、下部ノズルには冷却水を流通させる複数のフローホールが所定間隔で配列されていて、フローホールの内径は燃料棒の直径をＤとして０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に設定され、下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は直径が０．４２Ｄ以下とされていることを特徴とする。
本発明によれば、下部ノズルのフローホールの内径と、最下端の支持格子からの燃料棒の突出長さと、下部端栓のフラット部の直径との３種の構成のうちの１種または２種以上の構成を備えていれば、一層フローホールを通る冷却水の整流化と、冷却水の励振力の低減と、燃料棒下端部の振動の低減と、下部端栓のテーパ部を流れる冷却水の整流化の促進とを選択的に達成できる。
本発明による燃料集合体は、下部ノズルに配列したフローホールの内径を０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に設定したから、下部ノズルのフローホールが細径化されてフローホールを流れる冷却水を整流化して冷却水の励振力を低減できて燃料棒の振動を抑制できる。
また、本発明による燃料集合体は、最下端の支持格子からの燃料棒の突出長さを０．８４Ｄ～２．４２Ｄと短くしたから、燃料棒の振動を低減させて冷却水の励振力が作用する範囲を低減できる。
また、本発明による燃料集合体は、下部端栓のテーパ部先端のフラット部の直径を０．４２Ｄ以下としたから、燃料棒下部のテーパ部が従来の燃料棒より長くなり、冷却水の流れがテーパ部に沿ってスムーズで整流化を促進できるから、冷却水の励振力と燃料棒下部の振動を低減できる。
本発明の実施形態による燃料集合体の正面図である。 図１に示す下部ノズルにおいて一部を破断してフローホールを拡大断面で示す斜視図である。 図１に示す燃料集合体の最下端の支持格子と下部ノズルとの間の燃料棒を一部破断して示すＡ部拡大図である。 （ａ）は実施形態による燃料集合体の要部正面図、（ｂ）は従来の燃料集合体の要部正面図である。 燃料棒の下部端栓の側面図である。 下部ノズル表面のフローホールの平面図に燃料棒の外径と下部端栓のフラット部とを投影した模式図である。 本発明の実施例による燃料集合体の試験状態を示す図であり、（ａ）は燃料棒の励振力の基準となる従来例による燃料集合体を試験装置内に収納して励振力を測定する説明図、（ｂ）は他社製燃料集合体の模擬体と各試験例とを試験装置内に収納して励振力をそれぞれ測定する説明図である。 燃料集合体の最下端の支持格子の水平断面図であって、支持格子に収納した試験体としての燃料棒の測定位置である角部、センター、インナーの位置を示す説明図である。 支持格子の水平断面において、試験体となる燃料棒の位置と測定した励振力の比との関係を示す図である。
　以下、本発明の実施形態による燃料集合体について、添付図面を参照して説明する。
　本実施形態による燃料集合体１は、図１から図３において、複数の燃料棒２が配列され、燃料棒２の長手方向に沿って所定間隔で複数の支持格子３が配設されている。各支持格子３は格子状に配列された合金製のストラップで形成する格子空間内に複数の燃料棒２を１本ずつ収納して保持している。
そして、燃料棒２の上下部には上部ノズル４と下部ノズル５が配設され、各支持格子３に保持された計装用管７と複数の制御棒案内管８によって上部ノズル４と下部ノズル５を連結させて一体化している。ここで、燃料棒２の長手方向に沿って配列された各支持格子３の最も下側、即ち最も下部ノズル５側のものを最下端の支持格子３Ａという。
　図２において、下部ノズル５はそのノズルプレート５ａの上下面を貫通する小径の流路孔がフローホール１０として上面の各辺に沿って縦横方向に所定間隔で複数配列されている。フローホール１０は原子炉の冷却水が下方から上方に流通して複数の燃料棒２間を流れるようになっている。下部ノズル５はフローホール１０の大きさと配列間隔が均一な多孔型のノズルである。
本実施形態では、燃料棒２の直径をＤとするとフローホール１０の内径は０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲の小径に設定した。この範囲内であれば、下部ノズル５のフローホール１０を流通する冷却水は整流化されて、燃料棒２に励振力を与えて振動を引き起こすことを低減できる。一方、内径が０．４２Ｄより小さいと冷却水がフローホール１０を通過しがたく圧力損失が大きすぎ、０．５３Ｄを超えると冷却水の整流化を進めることができず、燃料棒２の励振力を増大させ易い。
そして、各フローホール１０を２分割する溝１１が形成され、これらの溝１１に薄板１２が嵌合して各フローホール１０を２分割することで冷却水中の異物を捕獲する性能を確保している。
そのため、本実施形態では、下部ノズル５のフローホール１０を従来のものよりも小径化して流路断面積を低減させたことで、炉心入口圧力損失を増加させ、燃料集合体１に流入する冷却材流量を低減することができる。しかも、燃料棒２に対してフローホール１０を縦横方向にほぼ等間隔で均等に配列させたことで、下部ノズル５を通過する冷却水の流れを均一にして整流化することができる。
次に、図１のＡ部拡大図である図３において、下部ノズル５に最も近接した最下端の支持格子３Ａは、従来の燃料集合体における最下端の支持格子より下部ノズル側に突出する燃料棒の長さＬａより短い長さＬになるように下部ノズル５側に設置した。即ち、図４（ｂ）に示す燃料集合体１０１を従来のものとして、最下端の支持格子１０２から突出する燃料棒１０３の下端までの長さＬａは燃料棒２の直径をＤとして４．２１Ｄ程度であった。
これに対し、本実施形態による燃料集合体１では、図４（ａ）に示すように、最下端の支持格子３Ａから下部ノズル５側に突き出す燃料棒２の突出長さＬは０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定した。
この範囲内であれば、燃料棒２の突き出し部に冷却水の励振力が作用する範囲が減少するため、励振力を低減することができる。一方、燃料棒２の突き出し長さＬが０．８４Ｄより小さいと燃料棒２の下部端栓１６のテーパ部１６ｂの長さが短すぎてその先端側のフラット部１６ｃに冷却水が衝突して乱流を起こし易く整流化しにくくなり、２．４２Ｄを超えると冷却水によって燃料棒２の振動が増大してフレッティング摩耗を起こし易くなる。なお、好ましくは燃料棒２の突出長さＬは１．３７Ｄ～２．２１Ｄの範囲に設定するとよい。
換言すれば、本実施形態による燃料集合体１における各支持格子３の位置を従来のものよりも下部ノズル５側にずらして設置したといえる。
　次に、本実施形態の燃料集合体１における各燃料棒２は、図３における燃料棒２の一部破断図で示すように、燃料棒被覆管１４内に二酸化ウランペレット等の燃料ペレット１５を積層し、燃料棒被覆管１４の下端部には下部端栓１６が溶接によって固定されて一体化している。燃料棒被覆管１４内の上部側には図示しないプレナムスプリングを介して上部端栓を燃料棒被覆管１４に溶接して固定している。
　そして、図３及び図５に示すように、この燃料棒２の下部端栓１６は燃料棒被覆管１４に溶接された円柱部分１６ａとその下端側の円錐台形状をなすテーパ部（コーン型部）１６ｂとを有している。特に、テーパ部１６ｂは従来の燃料棒の下部端栓よりも燃料棒２の中心軸線方向に長く形成され、先端には平面状のフラット部１６ｃが形成されている。本実施形態では下部端栓１６のテーパ部１６ｂの先端のフラット部１６ｃの直径Ｓは燃料棒２の直径Ｄに対して０．４２Ｄ以下に設定した。
　燃料棒２の直径Ｄとテーパ部１６ｂ先端のフラット部１６ｃとの関係が０．４２Ｄ以下であれば、テーパ部１６ｂの中心軸線方向長さ（以下、単に長さという）を大きくすることができ、冷却水の燃料棒２の軸線方向の流れをスムーズにして整流化できる。特に０．２６Ｄ～０．３７Ｄに設定すれば、冷却水の燃料棒の流れを一層スムーズにすることができ、励振力の低減に寄与する。
しかしながら、フラット部１６ｃの直径Ｓが０．４２Ｄより大きいと大径のフラット部１６ｃになるため冷却水が衝突して流れはスムーズになり難くなる。
　図６は、本実施形態による燃料集合体１において、下部ノズル５の上面に所定間隔で縦横方向に配列されたフローホール１０に燃料棒２の外径と下部端栓１６のフラット部１６ｃを投影した模式図である。図６で示すように、平面視で燃料棒２の外周面側に４個のフローホール１０が略９０°間隔で重なり、４個のフローホール１０の中央にフラット部１６ｃが位置する構成を呈することになる。
そのため、各フローホール１０を流れる冷却水は燃料棒２の下部端栓１６のテーパ部１６ｂに沿って９０度間隔で対向して上方に流れるため、冷却水の燃料棒２の軸線方向の流れがスムーズであり、冷却水流の整流化を促進し、励振力の低減に効果を発揮できる。
次に本発明の実施形態による燃料集合体１について、励振力の低減にどの程度の効果を有するかについて燃料棒の下端部に作用する冷却水の励振力を測定する流水試験を行った。
この流水試験について説明する。
試験体は従来例、実施例１、実施例２、実施例３の各燃料集合体を用い、燃料棒の外径を９．５ｍｍ、長さ４ｍとする。従来例として、図４（ｂ）に示すような燃料集合体１０１を用い、燃料棒１０３の下部端栓の円柱部先端側にテーパ部とフラット部を有する形状とした。最下端の支持格子１０２から下部ノズル１０４側に突出する燃料棒１０３の長さＬａを４０ｍｍ、下部端栓のテーパ部の長さ１．５ｍｍ、フラット部の直径φ８．５ｍｍとした。下部ノズル１０４のフローホール径φ６．６ｍｍ～φ１０．６ｍｍとした。
実施例１として、下部ノズル５のフローホール１０の内径をφ４．３ｍｍとし、その余の構成を従来例と同一にした。実施例２として、実施例１の構成に加えて最下端の支持格子３Ａから下方に突出する燃料棒２の長さＬを１８ｍｍとし、その余の構成を従来例と同一にした。実施例３として、実施例２の構成に加えて下部端栓１６のテーパ部１６ｂの軸線方向長さを９．４ｍｍ、テーパ角θは１９°、フラット部の外径はφ３ｍｍとした。
試験条件として、図７（ａ）に示すように、上述した従来例の燃料集合体１０１単体の部分モデルを試験装置２０内に収納して冷却水を下部ノズル１０４から燃料集合体１０１内に流通させ、下部ノズル１０４近傍の燃料棒１０３の励振力を測定し、これを基準とした（この時の励振力を１とした）。各例において、測定対象となる燃料棒は図８に示す燃料集合体１、１０１の最下端の支持格子３Ａ、１０２における燃料棒２，１０３の軸線方向に直交する断面において角部「２-３」,「３-３」、センター「５-５」、インナー「８-８」の各位置の燃料棒２，１０３であり、各位置の燃料棒２，１０３の励振力を測定して対比の基準とした。
そして、図７（ｂ）に示すように試験装置２０内に従来例、実施例１、実施例２、実施例３の各燃料集合体１の部分モデルと，他社燃料集合体模擬部分モデルとを隣接する位置に配設してそれぞれ試験を行った。この試験条件は、実際の原子炉の稼働時に自社と他社の各燃料集合体を混在させて可動するため、実際の稼働時に近い使用状況をつくりだすために他社燃料集合体模擬部分モデルを従来例や実施例１，２，３と共に試験装置２０内に設置したものである。
そして、支持格子３Ａ、１０２における角部「２-３」,「３-３」、センター「５-５」、インナー「８-８」の各位置の燃料棒２，１０３の励振力を測定して、上述した対比の基準となる従来例の燃料棒１０３の励振力との比を演算した。
図９に示す試験結果から、実施例１，２，３は最下端の支持格子３Ａ、１０２における角部「２-３」,「３-３」、センター「５-５」、インナー「８-８」のいずれの位置においても従来例よりも燃料棒２，１０３の励振力の比は低かった。特に実施例１から実施例２，実施例３と次第に励振力を低減できることを確認できた。
上述したように本実施形態による燃料集合体１によれば、下部ノズル５のフローホール１０の内径を細径化することで、フローホール１０の流路面積を従来技術より減少させて炉心入口の圧力損失を増加させて燃料集合体１に流入してくる冷却水の流量を低減させることができる。しかも、各燃料棒２に対して下部ノズル５の４つのフローホール１０を対向させて均等に配列することで、下部ノズル５を通過する冷却水の流れを整流化できる。これにより、下部ノズル５のフローホール１０を通過した後の冷却水の流れを整流化させることにより、励振力の増加の要因となる流れの不均一や乱れが減少し、励振力の低減に効果を発揮できる。
また、最下端の支持格子３Ａから下方に突き出す燃料棒２の突出し長さを短くすることで励振力が作用する軸線方向長さを低減できて、励振力の作用する範囲が減少し、燃料棒２の突き出し部に作用する励振力を低減できる。
更に、下部端栓１６のテーパ部１６ｂを長いコーン型にしたことにより、燃料棒２の下端での冷却水の軸線方向の流れがテーパ部１６ｂに沿ってスムーズになり、冷却水流を整流化させて励振力を低減させることができる。
なお、本発明は上述の実施形態による燃料集合体１に限定されることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。
本発明の本実施形態では、（１）下部ノズル５の各フローホール１０の内径を０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に小径に設定し、（２）最下端の支持格子３Ａから下部ノズル５側に突き出す燃料棒２の下端までの長さＬを０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定し、（３）下部端栓１６のテーパ部１６ｂ先端のフラット部１６ｃの直径Ｓを０．４２Ｄ以下に設定する構成を採用したが、本発明はこのような構成に限定されるものではなく、上記（１）、（２）、（３）の各構成の少なくとも１つを有していればよい。
１　燃料集合体
２　燃料棒
３　支持格子
３Ａ　最下端の支持格子
４　上部ノズル
５　下部ノズル
１０　フローホール
１４　被覆管
１５　燃料ペレット
１６　下部端栓
１６ａ　円柱部
１６ｂ　テーパ部
１６ｃ　フラット部

Claims (10)

  1. 複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって、
    前記下部ノズルには冷却水を流通させる複数のフローホールが所定間隔で配列されていて、前記フローホールの内径は燃料棒の直径をＤとして０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に設定されていることを特徴とする燃料集合体。
  2. 前記フローホールは所定の間隔で縦横方向に配列されており、前記燃料棒の外径を下部ノズルに垂直に投影した状態で、前記燃料棒はその周囲に４個のフローホールが重なるようにした請求項１に記載された燃料集合体。
  3. 　複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって
    最下端の前記支持格子より前記下部ノズル側に突出する燃料棒の長さは、燃料棒の直径をＤとして０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定されていることを特徴とする燃料集合体。
  4. 前記最下端の支持格子より下部ノズル側に突出する燃料棒の長さは１．３７Ｄ～２．２１Ｄの範囲に設定されている請求項３に記載された燃料集合体。
  5. 　複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって
    前記下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は燃料棒の直径をＤとして直径が０．４２Ｄ以下とされていることを特徴とする燃料集合体。
  6. 前記下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は直径が０．２６Ｄ～０．３７Ｄの範囲とされていることを特徴とする請求項５に記載された燃料集合体。
  7. 複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって
    前記下部ノズルには冷却水を流通させる複数のフローホールが所定間隔で配列されていて、前記フローホールの内径は燃料棒の直径をＤとして０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に設定され
    　最下端の前記支持格子より前記下部ノズル側に突出する燃料棒の長さは、０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定されていることを特徴とする燃料集合体。
  8. 前記下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は直径が０．４２Ｄ以下とされている請求項７に記載された燃料集合体。
  9. 複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって、
    最下端の前記支持格子より前記下部ノズル側に突出する燃料棒の長さは、燃料棒の直径をＤとして０．８４Ｄ～２．４２Ｄの範囲に設定され、
    前記下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は直径が０．４２Ｄ以下とされていることを特徴とする燃料集合体。
  10. 複数の燃料棒をその長さ方向に配設した複数の支持格子で支持すると共に燃料棒の上部側に上部ノズルを配置し、下部側に下部ノズルを配置してなる燃料集合体であって、
    前記下部ノズルには冷却水を流通させる複数のフローホールが所定間隔で配列されていて、前記フローホールの内径は燃料棒の直径をＤとして０．４２Ｄ～０．５３Ｄの範囲に設定され
    前記下部端栓のテーパ部の先端のフラット部は直径が０．４２Ｄ以下とされていることを特徴とする燃料集合体。
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