JPH10213691A

JPH10213691A - 核燃料集合体

Info

Publication number: JPH10213691A
Application number: JP9013684A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Mizuno; 正水野; Junjiro Nakajima; 潤二郎中島; Yasuhiro Aizawa; 泰博相澤; Hideki Kurosaki; 英樹黒崎
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd Ibaraki; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
Priority date: 1997-01-28
Filing date: 1997-01-28
Publication date: 1998-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却材に混入した異物の衝突やフレッティング
による核燃料棒の損傷を未然に防ぐと同時に所定の核燃
料集合体を通過する冷却材流量を確保できる異物の流入
阻止構造を提供すること。【解決手段】下部タイプートの核燃料棒支持格子部で冷
却材が通過する冷却材流路に、冷却材の流れ方向と直角
方向に冷却材流路の流入孔を有するフィルタ構造体を設
置する。これにより核燃料集合体の健全性を確保する。
核燃料集合体に流入しようとする異物を阻止することに
よって、核燃料棒やスペーサなどの損傷やフレッティン
グ摩耗を防止することができる。また、これにより核燃
料集合体の信頼性が向上すると同時に原子炉運転の安全
性が確保できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は核燃料集合体、特
に、冷却材に混入する異物の核燃料棒領域への侵入を阻
止するのに好適な核燃料集合体の構造に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電プラントにおいては、運転の
信頼性向上とプラントの安全性確保のために、日常点検
や定期検査が義務づけられている。これらの点検及び検
査で不具合個所が発見された場合は、プラントまたは機
器を開放して補修作業が行われる。

【０００３】このような検査作業や補修作業は、プラン
トの経年使用にともなって増えており、作業後にプラン
ト内に取り残される金属の切削片、電線の切り屑、溶接
破片、ごみ等の微小な異物量も増えていると思われる。
したがって、炉内に取り残されたこれらの異物は炉内を
循環する冷却材の流れに混入して炉内機器に侵入する恐
れがある。

【０００４】特に、重要な炉内機器である核燃料集合体
では、異物が核燃料棒領域に侵入すると、核燃料棒やス
ペーサと衝突して核燃料棒被覆やスペーサに損傷を与え
る恐れと、核燃料棒間やスペーサに係留されて異物の流
動振動によるフレッティング摩耗により核燃料リークを
引き起こす恐れがある。

【０００５】このために、核燃料集合体における核燃料
棒領域への異物の侵入を阻止することが必要であり種々
の装置が提案されている。図３は従来の下部タイプレー
ト９の構造を示すものである。下部タイプレート９は、
核燃料棒２の下端を支持すると同時に核燃料集合体１を
通過する冷却材１０の流入口でもある。冷却材１０は入
口ノズル１１から流入して核燃料棒２を支持する核燃料
棒支持格子１２の冷却材流路１３を通過して、核燃料棒
領域１４へ流出する。

【０００６】図４は従来の下部タイプレート９の平面図
で核燃料棒支持格子１２と冷却材流路１３との配置関係
を示したものである。核燃料棒２の下端が挿入される核
燃料棒挿入孔１５は核燃料棒支持格子１２の交点に配置
されており、核燃料棒支持格子１２に囲まれた空間が冷
却材流路１３になる。

【０００７】図５は図４に比較して核燃料棒本数が多
く、核燃料棒２の配列ピッチが密な場合である。核燃料
棒２の配列ピッチが密になると、冷却材流路１３は核燃
料棒支持強度及び製作性の観点から、孔形状１６にな
り、流路面積も小さくなる。

【０００８】核燃料棒領域への異物の侵入を阻止する技
術は、例えば、特開平6ー347576、特開平4ー230892、特開
平7ー159567に記載されている。特開平6ー347576は、これ
らの核燃料集合体の下部タイプートにおいて、冷却材の
流入口である入口ノズル部に異物を捕捉する穿孔板でド
ーム構造の異物捕捉器を取り付けたものである。

【０００９】この公知例では、冷却材に混入する異物の
大きさと個数及び穿孔板の孔径の大きさにもよるが、異
物が蓄積されると穿孔が塞がれる流路閉鎖が起こり、初
期に計画された冷却材流量を確保できない恐れがある。
また、このために穿孔板の孔径を大きくすると穿孔方向
が冷却材の流線と同一方向になっているために、微小異
物や長尺の細線などは捕捉されない可能性がある。

【００１０】特開平4ー230892は、下部タイプートの入口
ノズルと核燃料棒支持格子の間に湾曲した中間部分を有
する板材を細かいピッチで配列して、異物が湾曲部で留
まるようにして通過を阻止するものである。特に、長尺
異物の侵入を阻止するのに有効である。

【００１１】また、特開平7ー159567は、下部タイプート
の核燃料棒支持格子で冷却材が通過する冷却材流路をラ
ビリンス形状にして異物の通過を阻止するものである。
しかしながら、特開平4ー230892、特開平7ー159567は、下
部タイプレートの製作方法及び加工方法に大幅な変更が
伴うため、実用化には種々の問題がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、冷
却材に混入した異物の捕捉または侵入阻止のために、冷
却材の流路を狭くまたは細かくしているが、冷却材流路
が小さくなると、異物がより多く蓄積することになり流
路閉鎖が起こりやすく、核燃料集合体を通過する冷却材
流量が減少する恐れがある。冷却材流量の減少は炉心の
熱出力の低下や核燃料棒の冷却能力を低下させると同時
に核燃料集合体の健全性を損う恐れがある。

【００１３】本発明の目的は、冷却材に混入した異物を
核燃料棒領域への侵入を阻止すると同時に初期の核燃料
集合体を通過する冷却材流量を確保できる異物の侵入阻
止構造を提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、核燃料集合体の下部タイプートの核燃料棒支持格子
で冷却材が通過する冷却材流路に、冷却材の流れ方向と
直角方向に冷却材流路の流入孔、または流出孔を有する
フィルタ構造体を設置する。

【００１５】一般に、流れの中に混入した物体は流れと
等速度で運動している。この時の物体の運動状態は運動
量（運動量＝質量×速度）で表される。この運動量は物
体の慣性力でもある。慣性力は物体が外からの力を受け
ない限り、現在の運動状態を持続しようとする性質であ
る。すなわち、慣性力の違いは、流れの変化に対する追
従性の差として敏感に表れる。

【００１６】そこで、異物が混入した冷却材で冷却材と
異物（ SUS材とする）の運動量すなわち慣性力を考え
る。冷却材と異物は等速度であるから、慣性力の違いは
密度差によるもので約１０倍異なることが分かる。すな
わち、異物の慣性力が冷却材の慣性力よりも約１０倍大
きいことになる。

【００１７】異物が混入した冷却材が流れ方向を変化す
る場合、冷却材の流線と異物の流線は異なり、異物の流
線は冷却材の流線に比較して変化割合が緩やかになる。
本発明の作用は、冷却材と異物の密度差による慣性力の
違いを応用して、異物の核燃料棒領域への侵入を阻止す
るものである。

【００１８】核燃料集合体の下部タイプートにおいて、
異物が混入した冷却材は入口ノズルから核燃料棒支持格
子の冷却材流路に向かって上昇する。核燃料棒支持格子
の冷却材流路には、円筒型で側壁面に冷却材の流入孔、
または流出孔を設けたフィルタ構造体が入口ノズル方向
に突き出した状態、または前記とは逆に燃料棒領域方向
に突出した状態で設置されている。

【００１９】ここでは入口ノズル方向に突出した状態の
場合で説明する。上昇してきた冷却材は、フィルタ構造
体の側壁面の流入孔、または流出孔へ流入するために、
流れ方向を上昇方向からほぼ直角の水平方向に曲がって
流入する。この時、異物は冷却材の流線と異なる流線を
通過するので、流入孔、または流出孔へは侵入できずに
下部タイプレート内に留まる。すなわち、冷却材に混入
した異物は核燃料棒領域への侵入を阻止される。また、
フィルタ構造体では冷却材が円筒内に四方から流入する
ので、異物は流入孔、または流出孔に蓄積しにくい構造
になっている。したがって、異物が流入孔を閉鎖する流
路閉鎖は発生しないことが分かる。また、燃料棒領域方
向に突出した状態では、流入孔は流出孔となり、通常の
フィルタ機能と同様に異物の流出を阻止する効果を有す
ることが分かる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の一実施例を示す
沸騰水型核燃料集合体の構成図である。核燃料集合体１
は、核燃料バンドル７と、この核燃料バンドル７を収納
し、かつ冷却材流路を形成するチャンネルボックス８で
構成されている。核燃料ハンドル７は、チャンネルボッ
クス８内に収められた複数本の核燃料棒２、水ロッド
３、これらの上端と下端とをそれぞれ拘束支持する上部
タイプート４と下部タイプート５、核燃料棒２や、水ロ
ッド３を必要な間隔で整列支持するスペーサ６などの部
材で組み立てられている。

【００２１】下部タイプレート５は、図１に縦断面図で
示したように、核燃料棒支持格子１２により冷却材１０
が通過する冷却材流路１３に、冷却材１０の流れ方向
（矢印で示す）と直角方向に冷却材流路１３への流入
孔、または流出孔１７を有するフィルタ構造体１８を入
口ノズル１１の方向に突き出した状態で設置されてい
る。

【００２２】図６に代表的なフィルタ構造体18を示す。
このフィルタ構造体18は、側壁面に複数のだ円形状の流
入孔17を設けた円筒型で、かつ下方からの冷却材10の流
れによる流動抵抗の軽減と流動振動の発生を抑制するた
めに、先端を半球型にしたものである。

【００２３】次に、図１での下部タイプレート5内の冷
却材10の流動について述べる。異物19が混入した冷却材
10は下部タイプート5の入口ノズル11から流入して、核
燃料棒支持格子12のフィルタ構造体18に向かって上昇す
る。上昇してきた冷却材10は、フィルタ構造体18の側壁
面に設けた流入孔17に流入する。

【００２４】この時、冷却材10は流れ方向が上昇方向か
ら水平方向にほぼ直角に変化する。しかしながら、冷却
材10に混入してきた異物19は冷却材10に比較して約10倍
の慣性力を有しているので、上昇から水平方向への変化
は緩やかになり、流入孔17へは侵入せずに下部タイプレ
ート5内に留まる。

【００２５】流入孔17から流入した冷却材10は、冷却材
流路13を経て、核燃料棒領域14へ流出する。また、フィ
ルタ構造体18では冷却材10が円筒内に四方から流入する
ので、異物19は流入孔17に蓄積しにくい。したがって、
異物19による流路閉鎖は発生しないので、燃焼末期まで
核燃料集合体1を通過する冷却材流量は変化しない。

【００２６】本発明の下部タイプレート5が組み込まれ
た核燃料集合体1を炉心に装荷するには、従来の下部タ
イプレート9と同一の冷却材流量を確保しなければなら
ない。

【００２７】そのためには、本発明の下部タイプレート
5の圧力損失は従来の下部タイプレート9の圧力損失と同
等でなければならない。本発明の下部タイプレート5の
圧力損失の発生要因は、主にフィルタ構造体18の流入孔
17での入口損失とその直後の合流損失である。これらの
圧力損失は流入孔17の流路面積を大きくして流入速度を
小さくすることと、流入孔に丸みを設けることで減少さ
せることができる。

【００２８】図７は本発明の下部タイプレート5の圧力
損失特性を示したものである。横軸は従来の下部タイプ
レート９の流路面積と本発明のフィルタ構造体18の流入
孔17の総流路面積との流路面積比を示し、縦軸には従来
の下部タイプレート9の圧力損失と本発明の下部タイプ
レート5の圧力損失との圧力損失比をとって示したもの
である。

【００２９】圧力損失は流路面積比が小さくなると急激
に増加することが分かる。圧力損失比1.0が従来の下部
タイプレート9と本発明の下部タイプレート5の圧力損失
が同等であることを示すものである。この図より、本発
明の下部タイプレート5はフィルタ構造体18の流入孔17
の総流路面積を従来の下部タイプレート9の流路面積の
約３倍にすると、従来の下部タイプレート9の圧力損失
と同等になることが分かる。

【００３０】しかしながら、本発明の下部タイプレート
5は将来型の下部タイプレートへの適用も考慮している
ので、フィルタ構造体18の流入孔17の流路面積は従来の
下部タイプレート9の総流路面積の約２倍からとする必
要がある。また、本発明の下部タイプレート5では、個
々のフィルタ構造体18の流入孔17の流路面積を制御する
ことにより、炉心全体の冷却材流量の適正配分にも寄与
できる。

【００３１】図８ないし図１３はフィルタ構造体18の詳
細と変形例を示したものである。図８はフィルタ構造体
18の側壁面の流入孔17を複数の小孔で構成した穿孔体20
を用いた場合で、微小な異物19を捕捉するのに適してい
るものである。

【００３２】図９と図１０はフィルタ構造体18の側壁面
の流入孔17を長だ円形状21及びスリット形状22にした場
合で、流入孔の個数を減らして濡れ縁長さを短くして圧
力損失を小さく抑えるのに有効である。また、これら形
状の溝幅を狭くすると球状異物19の侵入阻止に有効であ
る。

【００３３】図１１はフィルタ構造体18の側壁面を金網
等の網状体23でカバーした場合である。これは金網等の
メッシュを変えることにより、捕獲する異物19の大きさ
を制御することができる。

【００３４】図１２はフィルタ構造体18の側壁面の流入
孔17を外側へ傾けた場合を示したもので、フィルタ構造
体18は逆円錐型となる。この場合は、冷却材10の流入孔
17への流入角度が直角よりも小さくなるので、冷却材10
の流線と異物19の流線の差が小さくなり、異物19の流入
孔17への侵入が容易になる。

【００３５】図１３はフィルタ構造体18の側壁面の流入
孔17を内側へ傾けた場合で、フィルタ構造体18はフラス
コ型となる。この場合は、冷却材10の流入孔17への流入
角度が直角以上になるので、冷却材10の流線と異物19の
流線の差が大きくなり、異物19の流入孔17への侵入はさ
らに困難になる。

【００３６】図１４〜図１６はフィルタ構造体18の加工
方法を示したもので、図１４はフィルタ構造体18を下部
タイプレート5と一体化した精密鋳造品24で加工する場
合で、図１５及び図１６はフィルタ構造体18を単品加工
して単品または部分体を核燃料棒支持格子12の上部から
挿入して、ねじ構造25または溶接構造26で固定する場合
である。この場合は、部品数は多いが、下部タイプレー
ト5の加工方法に大幅な変更なしで作業が行える。

【００３７】また、フィルタ構造体１８を前記と逆方向
に上向きで、ねじ構造２５または溶接構造で取り付ける
と、燃料棒領域へ突出した構造となる。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、炉内に取り残された異物が冷
却材の流れに沿って核燃料集合体に流入しようとする場
合に、その異物の侵入を阻止して、核燃料棒やスペーサ
などの損傷やフレッティング摩耗を未然に防止すること
ができる。また、異物がフィルタ構造体の流入孔に蓄積
して、下部タイプートを通過する冷却材流量を減少させ
ることもない。これにより核燃料集合体の健全性を確保
すると同時に原子炉運転の安全性も確保することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である下部タイプート内の断
面構造を示し、その機能を説明する図である。

【図２】本発明の核燃料集合体の構成図を示す断面図で
ある。

【図３】従来の下部タイプートを示して下部タイプレー
トの構造と冷却材の流れを説明する図である。

【図４】従来の下部タイプートを示して核燃料棒支持格
子と冷却材流路の形状を説明する図である。

【図５】従来の下部タイプートを示して冷却材流路が孔
形状になることを説明した図である。

【図６】本発明のフィルタ構造体を示して構造と機能を
説明する図である。

【図７】本発明の下部タイプレートの圧力損失特性を従
来の下部タイプレートと比較して圧力損失比と流路面積
比との関係で示した図である。

【図８】本発明のフィルタ構造体で側壁面の流入孔の変
形例である長だ円形状を示した図である。

【図９】本発明のフィルタ構造体で側壁面の流入孔の変
形例であるスリット形状を示した図である。

【図１０】本発明のフィルタ構造体で側壁面の流入孔の
変形例である金網等の網状を示した図である。

【図１１】本発明のフィルタ構造体で側壁面を金網等の
網状体でカバーしたものを示す図である。

【図１２】本発明のフィルタ構造体で側壁面の流入孔の
傾きを外側にした場合の構造を示した図である。

【図１３】本発明のフィルタ構造体で側壁面の流入孔の
傾きを内側にした場合の構造を示した図である。

【図１４】本発明のフィルタ構造体の取り付け方法で精
密鋳造で加工した状況を示した図である。

【図１５】本発明のフィルタ構造体の取り付け方法でね
じ構造で加工した状況を示した図である。

【図１６】本発明のフィルタ構造体の取り付け方法で溶
接構造で加工した状況を示した図である。

【符号の説明】

１…核燃料集合体、２…核燃料棒、３…水ロッド、４…
上部タイプート、５…本発明の下部タイプート、６…ス
ペーサ、７…核燃料バンドル、８…チャンネルボック
ス、９…従来の下部タイプレート、１０…冷却材、１１
…入口ノズル、１２…核燃料棒支持格子、１３…冷却材
流路、１４…核燃料棒領域、１５…核燃料棒挿入孔、１
６…冷却材流路の孔形状、１７…フィルタ構造体の側壁
面の流入孔、１８…フィルタ構造体、１９…異物、２０
…穿孔体、２１…流入孔のだ円形状、２２…流入孔のス
リット形状、２３…流入孔の金網等の網形状、２４…精
密鋳造品、２５…ねじ構造、２６…溶接構造。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者相澤泰博茨城県日立市幸町三丁目２番１号日立エンジニアリング株式会社内 (72)発明者黒崎英樹茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数本の核燃料棒、これらの上端と下端
をそれぞれ支持する上部タイプレートおよび下部タイプ
ート、前記核燃料棒を整列支持するスペーサを有する核
燃料バンドルと、この核燃料バンドルを収納し、冷却材
流路を形成するチャンネルボックスとから構成された核
燃料集合体において、前記下部タイプートの核燃料棒支
持格子の冷却材が通過する冷却材流路に、前記冷却材の
流れ方向と直角方向に冷却材の流入孔、または流出孔を
備えたフィルタ構造体を設置したことを特徴とする核燃
料集合体。
【請求項２】請求項１に記載した核燃料集合体におい
て、前記フィルタ構造体は、側壁面に複数の流入孔、ま
たは流出孔を設けた円筒型で、かつ、先端が半球型であ
る核燃料集合体。
【請求項３】請求項１に記載した核燃料集合体におい
て、前記フィルタ構造体の側壁面の流入孔、または流出
孔、または流出口は、複数の小孔で構成された穿孔体、
だ円形状、スリット形状、金網等の網状である核燃料集
合体。
【請求項４】前記請求項１に記載した核燃料集合体に
おいて、前記フィルタ構造体は、下部タイプレートと一
体化した精密鋳造品またはフィルタ構造体の単品または
集合体を核燃料棒支持格子の上部から挿入して、ねじ構
造または溶接構造で固定する核燃料集合体。