JPH03181886A - 沸騰水形原子炉の燃料集合体 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、細長い燃料集合体ボックスの内部に互いに平
行に配置されている燃料棒および燃料棒間を長手方向に
延びる内側壁を有する沸騰水形原子炉の燃料集合体に関
する。更に本発明は、かかる燃料集合体を有する沸騰水
形原子炉に関する。

〔従来の技術〕

燃料集合体を設計する際に、中性子の発生および流れを
最適にするため、活性燃料棒における蒸気の発生を増大
するため、十分な機械的強度および耐食性を保証するた
め、および別の影！（例えば腐食あるいは熱的変化）を
除去するために、互いに部分的に矛盾する種々の条件を
考慮しなければならない。

核燃料物質例えば二酸化ウランあるいはウランプルトニ
ウム酸化物を含む燃料棒は、機械的構造物によって保持
されている。この構造物は同時に水流および革気流を案
内する働きも荷なっており、燃料集合体のいわゆる骨組
を形成している。

燃料棒は燃料集合体ボックスの内部に長手方向に互いに
平行に配置されている。燃料集合体ボックスは長手方向
において燃料集合体の脚部と頭部との間を延びており、
水で貫流される。その原水は燃料集合体の脚部の入口開
口を通して流入し、部を蒸発しながら燃料棒に沿って流
れ、高温の燃料棒表面において十分に気化され、水・蒸
気混合物として頭部の出口開口から流出する。

燃料棒においてできるだけ−様な冷却作用で高い沸騰出
力を伴う大きな熱伝達を得るために、燃料集合体ボック
スの長手紬線に沿って圧力差を有する流れを維持しなけ
ればならない、そのために、燃料集合体ボックスの出口
関口から蒸気タービンを介して入口開口に通じる密閉水
回路に、相応した搬送装置が設けられている。燃料集合
体ボックスの外側には、中性子を減速するための非沸騰
水と、中性子バランスを１ＩＪＷＩするための制御可能
な吸収体が存在している。原子炉の活性領域の内部にお
ける中性子の吸収を少なくするために、その骨組部品お
よび特に燃料集合体ボックスに対して、特別な材料一般
にはジルコニウム合金が利用される。しかしこのジルコ
ニウム合金は機械的強度が小さい、従って燃料集合体ボ
ックスの内部と外部との圧力差は燃料集合体ボックスの
変形を容易に生じさせるおそれがある。

中性子の流れを改良するために一般には、燃料集合体ボ
ックスの内部において燃料棒に対して用意された幾つか
の位置がいわゆる「ウォータロッド」、即ち燃料棒の形
をしているが非沸騰水を案内するチャネルに置き換えら
れている。横断面正方形の燃料集合体ボックスの場合に
は、その横断面が正多角形特に正方形をしているウォー
タチャネルを利用することが既に提案されている（ドイ
ツ連邦共和国実用新案登録第８８０２５６５号明細書参
照）、即ちウォータチャネルは、燃料集合体ボックスの
内部において燃料棒に対して平行に延びる内側壁によっ
て横側が燃料棒に対して閉じられている。その場合、ウ
ォータチャネルとボックス壁との間の中間室に流れ案内
面を設けることが有利である。この流れ案内面は、燃料
棒に水が一様に供給されるようにするために、流れを一
様にし、蔽気泡および液滴の旋回作用を生じさせる。

この流れ案内面は特に、燃料棒に対するスペーサとして
使用される格子状構造物に設けられる。

機械的安定性を高めるために、燃料集合体ボックスの内
部に燃料集合体ボックスの相対する両側壁を互いに結合
する内側壁を設けることが、ヨーロッパ特許出願公開第
８９１１９１７６号明細書で提案されている。この場合
、その内側壁がスペーサと燃料棒と燃料集合体の頭部お
よび脚部における燃料棒に対する固定要素と一緒に、燃
料集合体ボックス壁に対して移動でき、燃料集合体を点
検する際に引き出せるような構造部品として作られてい
ると有利である。

燃料集合体について種々の要件を最適化するために、米
国特許′！１４４７４９５４３号公報において、燃料集
合体ボックスの外側面に対して、横断面正方形の燃料集
合体ボックスの角において補強ボックス壁を形威し特に
ボックス下側部分において縦方向ないし横方向に延びる
壁補強体を形成するプロフィル材を設けることが提案さ
れている。この補強により補強体間の範囲において壁厚
を薄くできるので、燃料集合体ボックスに対する中性子
吸収材料は全体として少なくて済む。

ボックス壁の内側面に流れ方向に対して垂直に延びる溝
が追加的に切削加工されている。この溝は流れ断面積を
増大し、従って蒸発の際の容積増加によって増大した圧
力に対抗する。その場合溝の上縁は流れ方向に対して垂
直な狭い面（液膜剥ぎ取り器「フロー　トリッパ」）と
して形威され、これによって壁に沿って違い上がる水膜
はそこで分離され、燃料集合体ボックスの内部に転向さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、沸騰水形原子炉において燃料集合体の
沸騰出力を増大することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によればこの課題は、細長い燃料集合体ボックス
の内部に互いに平行に配置されている燃料棒および長手
方向に延びる内側壁を有する沸騰水形原子炉の燃料集合
体において、燃料棒間を長平方向に延びる内側壁に、そ
の燃料棒側の側面の少なくとも一部に、燃料棒の長手軸
線に対して垂直に延びる溝が設けられていることによっ
て達成される０本発明の有利な実施態様は、特許請求の
範囲の実施態様項に記載されている。

〔作用〕

本発明は、非沸騰水を案内するウォータチャネルを燃料
棒に対し側面で境界づける内側壁によって、特に燃料集
合体の上側範囲においても熱中性子の流れが増大される
ということから出発している。燃料集合体の上側範囲で
は燃料棒は水蒸気によって広く取り囲まれており、この
水蒸気は崩壊の際に生ずる中性子を十分に減速できない
、これに対して燃料棒を含まないウォータチャネル内に
おいて、相応した流れ断面積および適当な流速によって
、ウォータチャネル壁を通して侵入する対流熱は、ウォ
ータチャネル内において蒸気を発生することなしに確実
に放出される。ウォータチャネル内における非沸騰水は
従って熱中性子の分布を改善する。しかしこれは、燃料
集合体の上側部分において燃料棒に十分な水がこれを庫
発するために導かれるときにしか、加熱出力の増大を生
じない。

しかし燃料集合体にその脚部において侵入する水のかな
りの部分はウォータチャネル壁に液膜を形威し、従って
燃料棒に接触しないので、燃料棒に液状水を導くことは
難しい、従って本発明においては、少なくとも燃料集合
体の上側部分において、ウォータチャネルを形成する内
側壁の燃料棒側の面に、燃料棒に対して即ち流れ方向に
対して垂直に延びる溝が設けられている。

しかし中性子流れは、燃料集合体ボックスの肉淳が減少
され、これによって中性子吸収材料の総量も減少される
ことによっても増大される。肉Ｉが薄い場合も燃料集合
体ボックス壁の十分な安定性を保証するために、本発明
の別の変形例においては、相対する両側の燃料集合体ボ
ックス壁を互いに結合する内側壁が設けられている。し
かし補強用に使用するこの内側壁にも液膜が生じ、この
液膜のために、燃料集合体の蒸気を案内する上側部分に
おいて、燃料棒と液の形で接触する水の割合は減少する
。補強壁における相応した溝は、それに沿って這い上が
る液膜を分離させ、これはそばを流れる水・蒸気混合物
と共に旋回させられ、これによって燃料集合体の沸騰出
力が増大される。

〔実施例〕

以下図面に示した実施例を参照して本発明の詳細な説明
する。

第１５図において沸騰水形原子炉は圧力容ＨＰｐを有し
ている。燃料集合体ＢＥが垂直に配置されている炉心は
この圧力容器Ｐｐ内に存在している。蒸気出口配管ＤＡ
は発電１１Ｇを駆動する蒸気タービンＤＴに通じている
。復水器Ｃで凝縮された復水は給水ポンプＰを介して圧
力容器ｐｐの水入口配管ＷＥに導かれる。

燃料集合体ＢＥ内における非蒸発水も水回路ＷＣおよび
冷却材ポンプＷＰを介して循環される。

圧力容器ＰＰ内に存在する燃料集合体ＢＥは垂直に配置
された複数の燃料棒ＳＴ（第１６図参照）を有し、これ
らの燃料棒ＳＴは下端が燃料集合体脚部Ｆｔで保持され
、上端が燃料集合体頭部にで保持され、横側がウォータ
ボックス（燃料集合体ボックス）ＷＫで包囲されている
。燃料集合体ＢＥの頭部Ｋには水・蒸気混合物の出口開
口Ｏが設けられている。この水・蒸気混合物は密閉回路
内の図示していない（例えば蒸気を乾燥するための）構
造部品を介して蒸気タービンＤＴに導かれる。

燃料集合体脚部Ｆ（にある入口開口は図面には示されて
いない。

燃料棒ＳＴはウォータボックスＷＫ内において燃料棒３
７間を横方向に延びるスペーサＡＨによって保持されて
いる。第１６図には１個のスペーサＡＨＬか示されてい
ないが、普遍は約５〜７個のスペーサＡＨがほぼ等間隔
でウォータボックスＷＫ内に配置されている。

ウォータボックスＷＫの長手方向に非沸騰水用のウォー
タチャネルＣＡＮが延びている。このウォータチャネル
ＣＡＮは燃料集合体脚部Ｆｔにおける入口開口および燃
料集合体頭部Ｋにおける出口開口０′を介してポンプＰ
およびポンプＷＰの回路に接続されている。

第３図におけるウォータボックスＷＫの横断面図におい
て、燃料集合体ＢＥは正方形の格子目内に配置されてお
り、燃料棒ＳＴに対して９×９の数の位置が存在してい
る。燃料集合体ＢＨの中央には燃料棒の代わりにウォー
タチャネルが配置されている。このウォータチャネルは
この実施例においてはウォータボックスＷＫ内における
管状の内壁（いわゆるウォータロッドＷＳ）で形成され
ている。

第４図の実施例において、ウォータボックスＷＫは同様
に横断面正方形をしている。しかしこの実施例の場合、
ウォータロッドｗｓ、ｗｓ’を持つ複数の内側壁が設け
られている。ここでは燃料棒ＳＴに対して９Ｘ９−５の
数の位置しか存在していない。

既に第１６図に示した横断面正方形のウォータチャネル
ＣＡＮの構成が特に有利である。第５図における実施例
の場合、燃料棒ＳＴに対して９×９−９の数の位置が存
在する。

第６図における有利な実施例においては、ウォータボッ
クスＷＫの相対する両側壁は内側壁によって互いに結合
されている。この内側壁は、ウォータボックスＷＫが横
断面多角形をしている場合、それぞれウメ・−タボック
ス壁に対して平行に延びている。第６図の実施例におけ
る正方形のウォータボックスの場合、補強内側壁ＶＷは
十字形構造物を形成している。かかる補強内側壁ＶＷは
ウオ−タボックスＷＫの壁が比較的薄いにも拘わらず水
を大きな圧力で搬送することを許し、従ってその増大し
た流速は蒸気発生量を高める。ウォータボックスＷＫの
各区画部における圧力差を補償するために、実際にはウ
ォータボックスＷＫの長手方向全長に亘って延びる補強
内側壁ｖｗに、孔あるいは別の形をした貫通路が設けら
れる。

第７図の実施例の場合も、ウォータボックス内部に内側
壁が設けられているが、この内側壁は一部が（ここでは
比較的大きな）ウォータロッドＷＳ＃を形成し、一部が
補強壁ＶＷ′として形成されている。この補強壁ＶＷ′
はウォータボックスＷＫの両側壁をウォータロッドＷＳ
＃を介して互いに結合している。第３図から第５図の実
施例とは異なって、ウォータロッドｗｓ’によって形成
されたウォータチャネルは、ウォータボックスＷＫの厳
密に中央には位置しておらず、幾分横にずらされている
。

第８図は内側壁の一部によって形成された中央のウォー
タチャネルＣＡＮを示している。このウオークチャネル
ＣＡＮは第７図の実施例に相応して、補強壁ｖＷ′とし
て使用する別の内側壁を介してウォータボックス壁に結
合されている。

第９図には内側壁ＩＷが、即ちウォータチャネル又はウ
ォータロッドの壁ないし補強壁が縦断面図で示されてい
る。矢印Ｓｓは流れ方向を示している。燃料集合体ＢＨ
の下側部分においては水が、上側部分においては水蒸気
・水滴混合物が、内側壁ＩＷの燃料棒側の側面に沿って
矢印Ｓｓの方向に流れる。内側壁ＩＷは燃料集合体ＢＨ
の低温下側部分から燃料集合体ＢＨの蒸気案内上側室の
中に突出し、場合によってはウォータチャネル内を流れ
る非沸騰水によって補助的に冷却される。この内側壁Ｉ
Ｗにおいては蒸発作用は生じない、むしろそこでは水が
膜Ｆの形で違い上がる。

スペーサＡＨの帯板はその縦側面に流れ案内面として形
成された縁部ＡＫを有している。この縁部ＡＫは蒸気流
の中に、その流れの中に含まれる水滴ＴＲがその水平の
流れ方向から転向され燃料棒の方向に加速されるように
突出している。これによって水滴流Ｔｒは矢印ＤＰの方
向に流れる水蒸気から分離され、燃料棒ＳＴに向けて多
量の液状水が導かれる。

この分離作用は、スペーサＡＩないしその案内面として
形成された縁部ＡＫに本発明に基づく溝Ｎ（第１０図番
哩）が流れ方向において前置されているときに増大され
る。この溝Ｎは液膜に対する「液膜剥ぎ取り器（フロー
　トリッパ）」として作用する。これは流れ方向に対し
て垂直に向いた幅狭い面Ｎｋを持つ縁部を有していると
有利である。

従って違い上がる液１１Ｆがその面Ｎｋに突き当たると
、液膜Ｆは剥離し、そばを流れる媒体によって水滴の形
で一緒に運ばれる。これによって媒体内の水滴の按分量
が増大し、多量の水滴ＴＲが燃料棒ＳＴに向けて矢印Ｔ
「の方向に転向される。

本発明に基づく溝Ｎは管状壁に旋盤加工で設けられる。

これに対してウォータチャネルを形成する内側壁が平ら
な面を有している場合には、溝Ｎはフライス加工によっ
てその平らな面に設けられる。これは第１１図にウォー
タチャネルが断面正方形をしており角が面取りされてい
る実施例で示されている。溝Ｎをフライス加工する際に
面取り角の部分には溝Ｎをフライス加工しないとき、そ
の製造は簡単となる。しかしまた第１２図に示されてい
るように、ウォータチャネルの全周に亘って溝Ｎを設け
ることもできる。

ウォータチャネルが補強壁ＶＷでウォータチャネル壁に
結合される場合には、その補強壁ＶＷはウォータチャネ
ル壁にフライス加工された凹所にはめ込まれ、そこに溶
接される（第１１図参照）。

しかし補強壁ＶＷをウォータチャネルの外側面に突き合
わせ、例えば溶接継目Ｓで固定することもできる。第１
２図に示されているように、この実施例の場合、溝Ｎの
範囲においては補強壁■ｗとウォータチャネルとの接触
は中断される。

溝Ｎを有する内側壁として上述のウォータロッドあるい
はウォータチャネルの壁を用いるとき、本発明に基づく
溝Ｎは燃料棒ＳＴ側の側面にしか存在しない、第１３ａ
−ｃ図はウォータチャネルの種々の溝形状を示している
。有利にはその溝Ｎは、ウォータチャネル壁が流れ方向
において上述の幅狭い縁部面Ｎｋが生ずるまで徐々に薄
くなるように形成されている（第１３ａ図参照）、その
縁部面Ｎｋへの移行部はほぼ直角にあるいは面取りされ
ている（第１３ｂ図参照）、溝Ｎの上縁がそのように剥
離縁として形成されているとき、液膜Ｆを剥離した際に
生じた水滴ＴＲは燃料棒ＳＴに向けられた速度成分を有
するので、燃料棒ＳＴには多量の液状水が沸騰するため
に導かれる。

第１３ｃ図に示されているように、溝Ｎの下縁も上縁に
対応して形成できる。かかる溝Ｎは簡単にフライス加工
でき、下縁において既に液膜剥離を生ずる。他方ではあ
らゆる縁部は燃料集合体ＢＥ内において流れ抵抗を増大
することを考慮に入れねばならない。

第１４ａ−ｄ図は、補強壁において両側に有利に相応し
た溝Ｎを設ける方式を示している。両側の溝Ｎがそれぞ
れスペーサＡＨの手前に所定の最適な距離を隔てて設け
られているとき、両方の溝Ｎは実質的に対向して位置す
る。これによってこの個所の肉厚は著しく小さくなる。

第１４ａ図には特に製造上有利な補強壁の実施例が示さ
れている。この場合両側に設けられた溝Ｎは互いにずら
されており、はぼ一定した肉厚を有している。

溝Ｎはウォータチャネル壁および補強壁に、これらの壁
が、第１図に概略的に示されているような「ウォータ構
造物」の形に結合される前に予め設けられる。液膜剥ぎ
取り器は溝Ｎとして補強壁ＶＷの側面およびウォータチ
ャネルの外側面を延びている。

製造技術上において溝を連続的に作らないことは一般に
簡単である。第２図において補強壁の横側範囲は溝なし
に作られている。その場合、溝Ｎの両側は製造技術上円
形にされている。多くの場合、ウォータチャネルの壁に
も溝を設けることは省略することができる。

ウォータボックスの内側面に相応した溝を設けることも
勿論できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば内側壁がウォータボックスを補強するこ
とによってウォータボックスの壁淳を薄くすることがで
き、ないしは非沸騰水用のウォータチャネルを形成する
ことによって中性子流を改善することができる０本発明
に基づく溝によって内側壁における有害な液膜の形成は
防止され、特に発生した蒸気が燃料棒の冷却を妨げる燃
料集合体の上側範囲において、燃料棒への冷却材の導入
を増大できる６本発明に基づく燃料集合体は従って増大
した沸騰出力に設計できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明に基づく燃料集合体の異な
った実施例の部分斜視図、第、３図から第５図はそれぞ
れウォータチャネルを形成する内側壁を持った燃料集合
体の異なった実施例の横断面図、第６図は補強部を形成
する内側壁を持った燃料集合体の横断面図、第７図およ
び第８図は補強壁およびウォータチャネル壁を持った燃
料集合体の横断面図、第９図および第１０［！ｌは溝が
壁における水蒸気および水滴の流れに与える作用を示し
た説明図、第１１図および第１２図は本発明に基づくウ
ォータチャネルの異なった実施例の横断面図、第１３図
はウォータチャネル壁における溝の形状を示した断面図
、第１４図は補強壁における溝の形状を示した断面図、
第１５図は沸騰水形原子炉の原理図、第１６図は燃料集
合体の概略斜視図である。 ＳＴ、、、燃料棒 ＢＥ、、、燃料集合体 ＷＫ、、、燃料集合体ボックス ＣＡＮ、、、ウォータチャネル ＶＷ、、、補強壁 Ｎ１６．溝 （ウォータボックス） ｂ ＩＧ　１３ （ ＩＧ　１４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）細長い燃料集合体ボックス（ＷＫ）の内部に互いに
   平行に配置されている複数の燃料棒（ＳＴ）および長手
   方向に延びる内側壁（ＣＡＮ、ＶＷ）を有する沸騰水形
   原子炉の燃料集合体において、前記内側壁の燃料棒側の
   側面に、燃料棒の長手軸線に対して垂直に延びる溝（Ｎ
   ）が設けられていることを特徴とする沸騰水形原子炉の
   燃料集合体。 ２）前記内側壁が、燃料棒に対して横側が閉じられてい
   る非沸騰水用のウォータチャネルを形成していることを
   特徴とする請求項１記載の燃料集合体。 ３）前記溝がウォータチャネルの周りをその外側面にお
   いて連続的に延びていることを特徴とする請求項２記載
   の燃料集合体。 ４）前記溝がウォータチャネルの平らな外側面に設けら
   れていることを特徴とする請求項２記載の燃料集合体。 ５）燃料集合体ボックスの対向する両側壁を互いに結合
   する複数の内側壁が設けられ、これらの内側壁の両側面
   に溝が設けられていることを特徴とする請求項１記載の
   燃料集合体。 ６）前記溝が、長手軸線に対して平行な内側壁の両側縁
   まで延びていることを特徴とする請求項５記載の燃料集
   合体。 ７）前記溝が、長手軸線に対して平行な内側壁の両側縁
   の手前で円形になっていることを特徴とする請求項５記
   載の燃料集合体。 ８）燃料集合体ボックスが断面多角形特に正方形をして
   おり、燃料集合体ボックスの側壁に対して平行に延び互
   いに相対する両側の燃料集合体ボックス壁を結合する複
   数の内側壁が設けられ、これらの内側壁の燃料棒側のす
   べての側面に溝が設けられていることを特徴とする請求
   項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料集合体。 ９）燃料集合体ボックスの横断面が正多角形特に正方形
   をしており、内側壁の第１の部分が燃料集合体ボックス
   の中央あるいは少なくともほぼ中央を延びて燃料棒に対
   して横側が閉じられている非沸騰水用のウォータチャネ
   ルを形成し、内側壁の第２の部分が燃料集合体ボックス
   壁をウォータチャネルに結合し、少なくとも内側壁の第
   ２の部分が燃料棒側のすべての面に溝を有していること
   を特徴とする請求項１記載の燃料集合体。 １０）前記溝が長手方向に対して垂直な幅狭い面を有し
   ていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１
   つに記載の燃料集合体。 １１）燃料集合体ボックスの下端における沸騰水用入口
   開口を有する脚部、燃料集合体ボックスの上端における
   沸騰水および蒸気用出口開口を有する頭部、長手方向に
   互いに間隔を隔てて配置された複数のスペーサを有し、
   これらのスペーサが燃料棒間を長手方向に対して直角に
   延びる帯板を有し、溝は燃料集合体の上側部分にしか設
   けず、沸騰水の流れ方向においてスペーサの手前に設け
   られていることを特徴とする請求項１ないし１０のいず
   れか１つに記載の燃料集合体。 １２）複数の燃料集合体が互いに平行に配置されている
   沸騰水形原子炉であって、それらの燃料集合体が蒸気タ
   ービンを含む沸騰水回路内にある圧力容器の中に配置さ
   れ、燃料棒が燃料集合体ボックスの内部において沸騰水
   によって長手方向に洗流されることを特徴とする請求項
   １ないし１１のいずれか１つに記載の沸騰水形原子炉。