JPH05196765A - チャンネルボックスおよび燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 沸騰水型原子炉用の燃料集合体に用いる角筒
状としたチャンネルボックス本体につき、その辺面所定
箇所に熱影響を与えて硬化させ、照射による辺面の変形
を活用して冷却材による燃料棒の除熱効率を向上し、そ
の出力を高める。 【構成】 複数の辺面を有し、角筒状に形成されたチャ
ンネルボックス本体１０にあって、所望辺面には燃料集
合体に組込まれた際、そのスぺーサ５の上流側近傍に、
電子ビームなどにより巾方向への仮溶接箇所１１、すな
わち溶接熱影響部ないし部分溶融部による硬化箇所を設
ける。 【効果】 変形し難い仮溶接箇所１１の下側が外側へ変
形して生じる膨らみ１０ｆにより、冷却材を矢印Ｇへ変
向してスぺーサ５における燃料棒３に流当させること
で、液相が剥離し易い当該燃料棒箇所の除熱効率を上げ
て出力を増大させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料バンドルを囲成する
チャンネルボックスと、これを用いて構成される燃料集
合体に係り、特にチャンネルボックスの変形を活用して
燃料集合体の限界出力を向上させようとするものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】既知の如く沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）用
の燃料集合体は、図３に示した通り上部タイプレート
１、下部タイプレート２、複数本の燃料棒３、水ロッド
４、複数個のスぺーサ５、ロッドスプリング６およびチ
ャンネルボックス本体７等を具備している。そして、上
記の上部タイプレート１と下部タイプレート２との間に
多数本の燃料棒３と、水ロッド４が縦装連結され、これ
らの燃料棒３と水ロッド４とが、縦方向に所定間隔だけ
離して配設された前記複数個のスぺーサ５により均一間
隔をもって弾支されることで燃料バンドル８が形成され
ており、さらに、この燃料バンドル８を囲むチャンネル
ボックス本体７が、前記の上部タイプレート１と下部タ
イプレート２に被嵌固定されるようになっている。

【０００３】ところで、上記のチャンネルボックス本体
７はジルカロイ−４製であり、図示例の如く複数（４
個）の辺面７ａをもって角筒状に形成されたもので、こ
れを組み込んだ燃料集合体は、ＢＷＲ内において複数本
が隣り合わせで正方行列状に装荷されることとなり、こ
れらの燃料集合体における下部側から上部側へ向けて冷
却材が流れ、この際、沸騰を伴う伝熱現象により、燃料
棒３等の除熱が行われる。

【０００４】ここで、既知の通り上記除熱作用がなされ
ることで、当該冷却材における気相と液相との空間的な
分離状態は、図４の如くチャンネルボックス本体７にお
ける下部Ａと中間部Ｂと上部Ｃとにあって、夫々気泡流
Ｄ、スラブ流Ｅ、環状流Ｆが形成される。ここで、気泡
流Ｄとは、燃料棒３等の表面である伝熱面から盛んに、
小さな蒸気泡（ボイド）９ａが発生し、これが液相の冷
却材中に混じたものである。

【０００５】次に、中間部Ｂにおけるスラブ流Ｅとは、
上記の小さなボイドが集結することで、ボイドよりも大
きな蒸気小塊９ｂが、冷却材中に生じている状態を示
し、さらに、燃料集合体の上部Ｃにおける前記の環状流
Ｆにあっては、上記の蒸気小塊９ｂが集結して、一層大
きな蒸気塊９ｃが形成されるのであり、これまた知られ
ているように、上記燃料棒３の表面には、液相である冷
却材が膜状となって存在しているのである。

【０００６】上記冷却材が膜状に存在している燃料集合
体の最大熱出力は、冷却材の前記除熱能力によって規定
されることとなり、この除熱能力を超えた熱出力が発生
したとき、上記の膜状となって存在していた冷却材が燃
料棒３等の表面から剥離される。この結果、燃料棒３等
の表面が直接蒸気膜で覆われてしまうこと（沸騰遷移）
になり、当該温度が急上昇して燃料棒３が焼損（バーン
アウト）し、これにより高い放射能をもつ核分裂性生成
物が流出してしまうことになるから、燃料集合体の出力
は、一定の出力（限界出力）以下に抑制しておかねばな
らないのである。

【０００７】発熱体としての燃料棒３における表面で
は、冷却材の気液分布が上記のようになるが、これに対
し非発熱体であるチャンネルボックス本体７の辺面７ａ
における内面や水ロッド４の外面には、上記燃料棒３の
表面における液膜よりも厚い冷却材の液膜が存在してい
る。

【０００８】一方、燃料集合体は前記のように炉内装荷
期間中にあって、燃料集合体内を流れる冷却材の圧力損
失に基因して、チャンネルボックス本体７の内側圧が外
側圧よりも大きくなることから、辺面７ａは外側へ向け
て膨らむことも知られており、このような変形が生ずる
と、原子炉の反応度を調節する既知の制御棒を、各燃料
集合体のチャンネルボックス本体７相互の間隙に挿入し
難くなったり、挿入不能となってしまう危険性もある。

【０００９】このような問題は、現在ＢＷＲにあって、
その燃料コストを削減するため、燃料の高燃焼度化が進
められていることを考えたとき、チャンネルボックス本
体７の外側への膨れによる変形が、これまでよりも一段
と大きくなることが予想されることから、その対応策が
より重視されるに至っている。

【００１０】そこで、既に上記の如き不本意な変形の防
止策が提案されているが、特公平１−１３０７５号、特
開昭６３−２５３２９０号、特開平１−２２７９９１
号、特開平１−２６９０８５号等にあっては、何れもチ
ャンネルボックス本体の四隅部分とか中央部分における
肉厚に差異をもたせて凹凸を設定するなど、その形状自
体に特殊性をもたせたもので、夫々、それなりの効果を
有するものの製作加工が面倒となり、また冷却材の流れ
に対する影響もあり満足すべきものとなっていない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本願は上記従来例の有
する難点に鑑み、このチャンネルボックスにあっては、
角筒状に形成されたチャンネルボックス本体の辺面に、
電子ビームなどによって適所に熱影響を与えておくこと
で、辺面の膨らみによる変形が生じ難いようにし、これ
により、従来と同じチャンネルボックス本体に、熱的な
処理を適所だけに施すだけの簡易な手段で、信頼性の高
いチャンネルボックスを安価に提供しようとするのが、
その第１の目的である。

【００１２】しかし、本願に係る請求項１の発明では、
さらに、上記の変形を抑制するだけでなく、当該変形を
有効に利用することによって、冷却材の流れ方向を、チ
ャンネルボックス本体の辺面内側から燃料棒におけるス
ぺーサ弾支箇所近傍へ指向させ、これにより、スぺーサ
による冷却材流の乱れで、液膜が剥れてしまっている燃
料棒の当該部分に対する冷却効果を向上し、これによっ
て燃料棒の出力を高めたり、冷却材の流量を減らしての
運転を可能にしようとしている。

【００１３】次に請求項２にあっては、辺面における特
に上部側の位置にあって、前記の熱影響を与えておくこ
とで、燃料棒の表面に付着している前記の環状流におけ
る蒸気塊等を前記冷却材の変向による流当で排除し、燃
料棒に対する冷却作用を効果的に向上させようとしてい
る。

【００１４】さらに、請求項３の燃料集合体にあって
は、請求項１におけるチャンネルボックスを組み込むこ
とで、高燃焼度化されて行くＢＷＲにあっても、充分な
除熱効果を発揮し得るようにして、冷却性能によって高
燃焼度化が阻害されないようにすることを、その目的と
している。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため、請求項１にあっては、複数の辺面を有
し、角筒状に形成されたチャンネルボックス本体にあっ
て、上記辺面には燃料集合体に組み込まれた際、そのス
ぺーサの上流側近傍となる位置に、巾方向への仮溶接箇
所が形成されていることを特徴とするチャンネルボック
スを有提供しようとしている。

【００１６】さらに請求項２では請求項１のチャンネル
ボックスにおいて、その辺面に形成された仮溶接箇所
が、燃料集合体に組み込まれた際、その上部側となる位
置にあってスぺーサの上流側近傍に配設されているの
が、その内容である。

【００１７】また、請求項３では請求項１のチャンネル
ボックスを用いたもので、上部タイプレートと下部タイ
プレートとの間に、多数本の燃料棒と水ロッドが引揃え
状態にて縦装連結され、これらの燃料棒と水ロッドと
が、縦方向に所定間隔だけ離して配設された複数個のス
ぺーサにより、均一間隔をもって弾支されることで燃料
バンドルが形成され、この燃料バンドルを囲むチャンネ
ルボックス本体を、前記の上部タイプレートと下部タイ
プレートに被装固定し、上記チャンネルボックス本体の
角筒状に形成された複数の辺面にあって、燃料集合体に
組み込まれた際、そのスぺーサ上流側近傍となる位置
に、巾方向への仮溶接箇所が形成されていることを特徴
とする原子燃料集合体を提供しようとするものである。

【００１８】

【作用】請求項１のチャンネルボックスでは、チャンネ
ルボックス本体の所望辺面における箇所に仮溶接箇所が
形成されており、この仮溶接とは溶接手段で対象物に接
着させてしまうのではなく、単に溶接熱影響部とかライ
ン状の部分溶融部を、電子ビームなどを用いて形成する
ことである。

【００１９】従って、当該仮溶接箇所のジルカロイは、
β領域あるいはα＋β領域まで加熱され、冷却されるこ
とで局所的にβ焼入れあるいはα＋β焼入れされること
となり、これにより硬度が高くなるから変形に強くなっ
て、冷却材の圧力損失に基づく外側への膨らみを抑制す
ることになる。ここで、本発明では前記の仮溶接箇所
が、スぺーサの上流側近傍位置にあって、巾方向となる
ように形成されているから、当該仮溶接箇所が膨らま
ず、その上下側が外側へ膨らむこととなるため、チャン
ネルボックス本体の冷却材は、この仮溶接箇所からスぺ
ーサに弾支されている燃料棒部分へ向けて変向して流れ
ることとなる。

【００２０】ここで、上記のスぺーサ箇所では、冷却材
の流れに乱れが生じ、当該乱流によって燃料棒の表面に
あって形成されている冷却材の液膜が剥離されやすく、
従って、この剥離された部分には、熱伝達率の低い前掲
蒸気泡９ａ、蒸気小塊９ｂ、蒸気塊９ｃが存在すること
となるが、これらが変向された冷却材によって排除され
て、当該冷却材が直接燃料棒と触れることとなり、燃料
棒における当該部分の除熱作用が向上する。

【００２１】請求項２のチャンネルボックスによるとき
は、仮溶接箇所が辺面にあって、蒸気小塊９ｂとか蒸気
塊９ｃが存在する上部側に形成されていることから、除
熱作用が効率的に発揮されることとなり、燃料集合体の
出力向上を、より一層高めることができる。

【００２２】請求項３の燃料集合体によるときは、チャ
ンネルボックス本体が上記の如き作用を営むことによっ
て、信頼性の高い高出力の原子炉の運転が保証される。

【００２３】

【実施例】請求項１に係る、チャンネルボックスにつき
図１と図２によってこれを詳記すれば、図１の（Ａ）
は、チャンネルボックス本体１０を組み込んだ燃料集合
体の一部を切欠した正面図で、同図の（Ｂ）は当該燃料
集合体におけるスぺーサ５の近傍を示した部分縦断拡大
正面図であって、図２は上記チャンネルボックス本体１
０の上端側を示した斜視図を示している。

【００２４】本発明にあっても従来例と同じく四辺など
複数の辺面１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを有し、こ
れにより角筒状となるようチャンネルボックス本体１０
が形成されているが、さらに、当該辺面の一以上には、
これが燃料集合体に組み込まれた際、そのスぺーサ５に
おける冷却材の上流側近傍にあって、当該辺面の巾方向
へ仮溶接箇所１１が、電子ビームなどによって形成され
ている。

【００２５】ここで、仮溶接箇所１１とは溶接熱影響部
ないしライン状の部分溶融部が形成された箇所を示して
おり、これを形成するには、真空雰囲気（１０^-4 Ｔｏ
ｒｒ以下）にあって、電子ビーム加速電圧１００〜５０
０ＫＶ、電子ビーム電流１０〜５０ｍＡといった条件下
で電子ビーム照射を施せばよい。もちろんチャンネルボ
ックス本体１０の肉厚にも各種のものがあるから、これ
に対応させた処理をしなければならず仮溶接箇所１１は
他の部分よりも熱影響を受けて、その硬度が大となる
が、当該仮溶接箇所１１の溶け込み深さを変えれば、当
該硬度も変化するので、上記の条件はチャンネルボック
ス本体自体や、その使用条件により変更しなければなら
ない。

【００２６】ここで、図２に示したチャンネルボックス
本体１０にあっては、これをジルカロイ−４により形成
する際、四辺形に曲折された両側端縁を突き合せて溶接
することにより、四辺の角筒に形成したもので、同上図
にて点線で示されているのが辺面１０ｄにおける溶接ラ
イン１２である。このような溶接ライン１２が形成され
ると、辺面１０ｄのみが硬度を増すことにより照射によ
る伸びが小さくなるのに対し、その対辺である辺面１０
ｂの方が伸び易くなり、この結果、当該チャンネルボッ
クス本体１０は曲がり易くなってしまうので、当該チャ
ンネルボックス本体１０は、辺面１０ｂにも点線で示す
ように既設仮溶接箇所１２′が形成されている。

【００２７】そして、図示の実施例では巾方向へ形成さ
れた仮溶接箇所１１が、何れも直線状となっているけれ
ども、もちろん、曲線状とが鋸歯状に形成することもで
き、このようにして形成された、仮溶接箇所１１は、作
用の項にて説示の如く電子ビームによりジルカロイがβ
領域、α＋β領域へ加熱後、急冷されることで夫々β焼
入れ、α＋β焼入れされ、これにて硬度が大となり、変
形にも強くなる。この結果、図１の（Ｂ）に明示の如く
辺面１０ｂにおける仮溶接箇所１１の上側および下側
に、チャンネルボックス本体１０における冷却材の圧力
損失による内外圧差によって、外側へ向けての膨らみ１
０ｅ、１０ｆを生ずることとなり、変形しにくい仮溶接
箇所１１と膨らみ１０ｆとによって、直上へ向けて流れ
て来た冷却材が、矢印Ｇのように、その流れが燃料棒３
側へ向けて変向されることとなる。

【００２８】このように仮溶接箇所１１の形成で、辺面
の不本意な変形が抑制されるだけでなく、冷却材の流れ
も矢印Ｇのようになることから、当該冷却材はスぺーサ
５によって弾支されている燃料棒３の部分へ向けて流当
して行くこととなり、この際、当該部分はスぺーサ５の
存在による冷却材の乱れにより、燃料棒３の表面におけ
る液膜が剥れ易いにも拘らず、変向された冷却材が直接
流されることとなり、この結果、最も熱交換の悪い部分
の冷却作用が改善される。

【００２９】ここで、図１、図２に示した実施例では、
全辺面に仮溶接箇所１１を形成したが、一辺面だけで
も、それだけの効果を上げることができ、また、全長に
わたって全スぺーサ５に対応して仮溶接箇所１１を臨設
するようにしたが、これについても所望のスぺーサ５に
だけ臨設することもでき、この際には請求項２に示した
通り、上部側にあって仮溶接箇所１１を設けるようにし
た方が、効率のよい冷却作用の向上を実現させることが
できる。何故ならば、前記の通り燃料集合体に組み込ん
だ場合、チャンネルボックス本体１０の下流側へ向けて
ボイドが多くなり、かつ当該ボイドが大きく成長して行
くこととなるから、チャンネルボックス本体１０の上部
側ほど、燃料棒は冷却材により冷却されにくくなってお
り、これらのボイドが変向された冷却材によって燃料棒
の表面から排除されることになるからである。

【００３０】請求項３に係る燃料集合体は、前記の図３
によって詳記した従来の燃料集合体にあって、そのチャ
ンネルボックス本体７にかえて、上記請求項１のチャン
ネルボックス本体１０を組み込むことにより得られるも
のである。

【００３１】

【発明の効果】本発明は以上のようにして構成されてい
るから、請求項１によるときは、チャンネルボックス本
体に適度の凹凸を生じさせて、チャンネルボックス本体
の内面に添って流れる冷却水が、燃料棒のスぺーサによ
る弾支箇所へ向けて流れるよう、その方向を変更させる
ことができ、これにより効率的に冷却材による除熱作用
を向上させ得ることとなり、当該燃料棒の出力を高めた
運転または冷却材流量を減らした運転が可能となる。

【００３２】さらに、請求項２によるときは、チャンネ
ルボックス本体の上部側に仮溶接箇所を臨設すること
で、上記請求項１による効果を、より効率よく発揮する
ことができる。そして、請求項３の燃料集合体によると
きは、上記のチャンネルボックス本体を具備させてある
から、特に燃焼高度化に際しても、変形が抑制されて高
い信頼性を確保できると共に、除熱効果の向上により、
燃焼高度化の要請を満足させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明に係るチャンネルボックス本体
を付した燃料集合体を示す一部切欠の正面図で、（Ｂ）
はその要部を示した部分縦断拡大正面図である。

【図２】同上チャンネルボックス本体の上端側を示した
斜視図である。

【図３】従来の沸騰水型原子炉用である燃料集合体を示
すチャンネルボックスを切欠した正面図である。

【図４】従来のチャンネルボックス本体内における冷却
材の気相と液相との空間的な分離状態を示す縦断分布説
明図である。

【符号の説明】 １ 上部タイプレート ２ 下部タイプレート ３ 燃料棒 ４ 水ロッド ５ スぺーサ ８ 燃料バンドル １０ チャンネルボックス本体 １０ａ 辺面 １０ｂ 辺面 １０ｃ 辺面 １０ｄ 辺面 １１ 仮溶接箇所

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の辺面を有し、角筒状に形成された
   チャンネルボックス本体にあって、上記辺面には燃料集
   合体に組み込まれた際、そのスぺーサの上流側近傍とな
   る位置に、巾方向への仮溶接箇所が形成されていること
   を特徴とするチャンネルボックス。
2. 【請求項２】 辺面に形成された仮溶接箇所が、燃料集
   合体に組み込まれた際、その上部側となる位置にあって
   スぺーサの上流側近傍に配設されている請求項１記載の
   チャンネルボックス。
3. 【請求項３】 上部タイプレートと下部タイプレートと
   の間に、多数本の燃料棒と水ロッドが引揃え状態にて縦
   装連結され、これらの燃料棒と水ロッドとが、縦方向に
   所定間隔だけ離して配設された複数個のスぺーサによ
   り、均一間隔をもって弾支されることで燃料バンドルが
   形成され、この燃料バンドルを囲むチャンネルボックス
   本体を、前記の上部タイプレートと下部タイプレートに
   被装固定し、上記チャンネルボックス本体の角筒状に形
   成された複数の辺面にあって、燃料集合体に組み込まれ
   た際、そのスぺーサ上流側近傍となる位置に、巾方向へ
   の仮溶接箇所が形成されていることを特徴とする原子燃
   料集合体。