JPH02147986A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体に関す
る。

（従来の技術） 原子炉に装荷される燃料集合体の燃料棒間隔を一定にす
るためにスペーサが設けられているが、このスペーサに
は付随的な影響として圧力損失特性と熱的限界出力特性
の２点の熱設計上重要な要素がある。

圧力損失特性について説明する。

スペーサは流路妨害物として流れを乱すため、集合体圧
力損失特性に付加的な局所圧力損失をもたらし、集合体
出入口圧力損失を増加させろ。燃料集合体圧力損失に占
める割合は、二相流条件で３０％に上っている。このよ
うな付加的な圧力損失を考慮して強制循環方式、自然循
環方式共に、−定の冷却材流量が確保できるように設計
することが必要である。

次に、熱的限界出力特性について説明する。

伝熱特性に関して、燃料棒表面の熱伝達が悪化する状態
、つまり沸騰遷移発生点に及ぼす影響がある。スペーサ
なしの構成では発熱部出口端で沸Ｍ！Ｂ′Ｉｆ１移が発
生するが、スペーサを設置すると、スペーサの直上流側
に沸騰遷移発生位置が限られる傾向にあることが知られ
ている。従って、スペーサの構造、設置間隔を変えるこ
とにより、限界出力特性も変化する。

上記した圧力損失特性、熱的限界出力特性の２点につい
て、スペーサ構成と設置間隔の影響を以下に述べる。

スペーサ圧力損失ΔＰ１はスペーサによる投影ｕ 面積比σ＝Ａｐｈ−１とスペーサ形状因子Ｃにの関数で
与えられる。今、Ｃにを一定とすると、ΔＰ。

とσとの関係は第７図のように与えられる。従って、ス
ペーサ投影面積比σが小さいほど、局所損失要宋が低減
する。

また、各スペーサの圧力損失は独立に発生するのでスペ
ーサ数が増すと全スペーサ圧力損失も比例的に増加する
。

しかして、スペーサの及ぼす沸ＢＵＬＢ移発生への影響
は大別して次の２点と考えられる。

■　下流側に及ぼす効果としては、ミキシング（ｍｉｘ
ｉｎｇ）の増加による流路内の二相分布の均一化。

■　上流側に及ぼす効果としては、流れに対する障害物
として上流側の乱れ促進、 ところで、上記■は伝熱状態への良い影響の一つであり
、流路内の熱流動分布を均一化し、除熱効率を促進させ
る効果がある。

軸方向スペーサ間隔Ｌｓと沸騰遷移発生条件（熱的限界
出力）Ｑｃｐとの関係は第８図のように与えられる。す
なわち、スペーサ間隔を小さくし、軸方向のスペーサ設
置の数を増すと熱的限界出力（）ｃｐは増加する。

現行のスペーサは圧力損失特性と熱的限界出力特性の両
面を考慮し、最適な特性を持つように改良・開発されて
きた。ただ、両特性は互いに相反する性質を持つ傾向に
ある。例えば、第８図に示すようにスペーサ間隔を小さ
くしていくと、高い限界出力特性を持つ集合体が得られ
るが、一方、軸方向のスペーサ個数を増すと、圧力損失
が増加してしまう。

次に本発明に至る基本的考え方について説明する。

現在に、原子炉に装荷されている燃料集合体スペーサは
、例えば第９図に示すように、燃料棒１がセル３により
囲まれた構造となっており、その断面内に作用する荷重
として平行及び対角方向の歪み振幅は比較的小さく、強
度の大きな構成となっている。

軸方向のスペーサ設置箇所が増えると、集合体限界出力
は第８図に示す様に増加するが、圧力損失は下記のよう
な設計とすることにより増加量を最小限にすることがで
きる。

すなわち、第９図で示す往来スペーサ９０を構成する単
位セル９１のうち、沸ＮＩＲ遷移に対する熱的余裕の小
さい燃料棒（例えば高出力燃料＃）を囲むセルのみを残
し、他を削除したスペーサを上述の通常のスペーサとス
ペーサの軸方向中間位置に設置すると、以下のような理
由で、圧力損失の増加は非常に小さくなる。

今、スペーサ圧力損失をΔｐｓｐとすると、このΔｐｓ
ｐはスペーサ部の冷却材質量速度ＧＳＰを用いて次の０
０式で表わすことができる。

ここで Ａｓｐ　＝　ＡυＡＰ　：　スペーサ部流路面積へＰニ
スペーサ投影面積 ｅ／！Ｉ、：　スペーサのない管群部流路面積ζ：スイ
ーセｉ・・・着屑４Ｐ＊ｔ＊及スペーサ部では流路が挟
まり質量速度Ｇ５１）が増すため、管群部より圧力損失
が大きくなる。

このように、スペーサ部質量速度はスペーサ部流路面積
に反比例するので、スペーサ圧力損失ΔＰｓＰはスペー
サ投影面積ＡｓＰの減少とともに急減する。従って前記
補助スペーサの圧損は非常に対さくなる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、
圧力損失の増加を最小限にとどめながら限界出力特性の
改善さ九た燃料集合体を提供することにある。

〔発明の構成〕 （課題を解決するための手段） 本発明は、上記目的を達成するためにチャンネルボック
ス内に収容した多数の燃料棒を長手方向に平向でかつ一
定間隔しこ保持する複数のスペーサを備えた渚騰水型原
子炉用燃料集合体において、通常の全燃料棒を一定間隔
に保持する機能を持つ複数のスペーサと、その他に錦騰
遷移に対する熱的余裕の小さい一部の燃料棒の周囲だけ
にスペーサセルを持つ補助スペーサを用いて構成する。

（作　用） 本発明によると、燃料集合体の圧力損失を低く抑えなが
ら、かつ限界出力の高い燃料集合体を実現することがで
きる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例の縦断面図であり。

同図に示すように、燃料集合体は中心部に１本の大径ウ
ォータロッド２を、その外側に多数の燃料棒１を規則正
しく配置し、燃料棒ギャップ間隔が一定となるようにス
ペーサ２０及び補助スペーサ３０にて保持するとともに
その上下端をそれぞれ上部タイプレート３及び下部タイ
プレート４により固定されており、さらにその外側にチ
ャンネルボックス５が設けられている。

第２図は第１図の１−Ｉ断面図であり、すべての燃料棒
１に対してセル２１を配置して燃料棒１の間隔を一定に
保持している。

第３図は第１図の■−■断面図であり、補助スペーサ３
０を図示している。この実施例では、出力が高く、沸騰
遷移までの余裕が小さくなり易いコーナーの燃料棒３２
及びそれに隣接した燃料棒３３に対してスペーサセル３
１を配置することにより、これらの燃料棒３２．３３の
限界出力特性を改善している。しかしこの補助スペーサ
３０の１つあたりの圧力損失は通常のスペーサ２０の１
／３程度しかない。

この実施例では、補助スペーサ３０のスペーサセル３１
をコーナ周辺に配置したが、燃料の濃縮度分布等の設計
によっては、他の燃料棒位置が熱的に厳しくなることも
あり、その位置に応じてスペーサセル３１の配置を変え
てもよい。

ル形状が円型ではなく、四角状（グリッド状と呼ばれる
）のスペーサについての応用例を示している。第５図の
スペーサと第６図の補助スペーサを−Ｉ−記実施例と同
様に組み合わせて限界出力を向上させながら、圧力損失
の増加を小さく抑えている。

尚、この実施例では、沸騰遷移に対する余裕が燃料断面
中央部付近の燃料棒で小さくなる場合に対応して、中央
部付近に補助スペーサ６０のセル６１を配置している。

また、以−ヒの実施例では、通常のスペーサと補助スペ
ーサで同型のセル（円型セル・四角セル）のものを組み
合わせているが、これらを混合して。

組み合わせても同様の効果が得られろ。

〔発明の効果〕 以上説明したように１本発明によれば通常運転時及び異
常な過渡変化時における熱的限界出力を高め、熱的余裕
の大きな燃料集合体を提供することができるので、焦合
体の設計範囲、運転範囲が拡大するというすぐれた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図及び第３
図はそれぞれ順に第１図のＩ−１線及びｎ−ｎ線に沿う
横断面図、第４図は本発明一実施例の縦断面図、第５図
及び第６図はそれぞれ順に第４図の■−■線及びＩＶ−
ＩＶ線に沿う横断面図、第７図はスペーサ局所損失要素
と投影面積比との関係を示す図、第８図は集合体限界出
力とスペーサ軸方向間隔との関係を示す図、第９図は従
来の燃料集合体の横断面図である。 １・・・燃料棒　　　　　　　２・・・太径ウォータロ
ッド３・・・上部タイプレート　　４・・・下部タイブ
レート５・・・チャンネルボックス　６・・・ウォータ
ロッド２０、５０．９０・・・スペーサ　　３０．６０
・・・補助スペーサ２１、３１．５１．６１．　！Ｉｌ
ｌ・・・スペーサセル代理人　弁理士　　則　近　憲　
佑 同　　　　　第子丸　　　健 第 図 第 図 第 図 ママ 第 す 図 第 図 第 第 図 図 ｓ 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. チャンネルボックス内に収容した多数の燃料棒を長手方
   向に平向でかつ一定間隔に保持する複数のスペーサを備
   えた燃料集合体において、全燃料棒を一定間隔に保持す
   る機能を持つ複数のスペーサと、沸騰遷移に対する熱的
   余裕の小さい一部の燃料棒の周囲にスペーサセルを持つ
   スペーサとを用いたことを特徴とする沸騰水型原子炉用
   燃料集合体。