JPS6383690A - 燃料集合体用のフローミキシング中間格子 - 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】 一＋Ｘ９．　ｎｎ　Ｉ斗−芯ｌ啼百ヱに石小ｊ坤Ｒ１イ
にムｌ齋Ｉ今１用１　−）４゜に、燃料棒束の相対的限
界熱流束（ＣＨＦ）性能を最適化するために改良された
非支持型のフローミキシング中間格子を、１つ以上の所
定の軸方向位置に有している沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）
の燃料集合体に関するものである。

【欺狡亙辺１泗− 原子炉内の核分裂を通して大景のエネルギが放出され、
このエネルギは、原子炉の細長い燃料要素、即ち燃料棒
内で熱の形で放散されるのが典型的である。有用な仕事
を行うため、この熱を冷却材から取り出すように、燃料
棒に対して熱交換関係で冷却材を流すことによってこの
熱を除去する′　　のが一般的である。

典型的な沸臆水型（ＢＷＲ）燃料集合体においては、燃
料棒の束は中央のウォータ・クロスによって４つの独立
した小束に細分され、各小束は、燃料棒に沿って軸方向
に難問して配置された複数の、例えば６つの格子、即ち
スペーサにより横方向に難問された関係で支持されてい
る。スペーサは燃料小束を所望の形状に保持するために
必要とされる。そして、燃Ｆ！集合体における４つの小
束は全て、実質的に矩形の断面を有する外側管状流れチ
ャンネル（以下、「外側チャンネル」と称する）によっ
て取り囲まれている。外側チャンネルは、燃料集合体の
ほぼ全長に亘り延びており、−り部ノズルを下部ノズル
に相互に結合している。下部ノズルは、炉心支持板に嵌
合し、燃料集合体の外１１１１チャンネル内ｌ＼の冷却
材の入口として働く。冷却材は、下部ノズルを介して流
入し、その後、燃料棒の加熱面からエネルギを取り出し
ながら、燃料棒に沿って流れる。このようなりＷＲ燃料
集合体は、米国特許第４，５６０，５３２号明細書に開
示されている。

ＢＷＲ燃料集合体の限界熱流束（ＣＨＦ　）性能はＢ　
Ｗ　Ｒの安全な運転において最も重要である。

Ｃｔｌ　Ｆ状態が生じると、表面熱伝達係数は大きく低
下し、これによって燃料棒被覆管温度の指数関数的上昇
を引き起こす。これは肢覆管破裂をもたらし、核分裂生
成物を冷却材中に放出することになる。この状態を避け
るために、規制当局のガイドラインはＢＷＲの運転をＣ
ＨＦ状！序を避けるに十分なほど低いレベルに規制して
いる。

前記米国特許第４，５６０，５３２号における燃料集合
体のようなりＷＲ燃料集合体に関して、ＣＨＦ性能は、
コーナーおよび縁部のスペーサ、即ち周辺スペーサの位
置にある燃料棒において最高であり、内側に位置する燃
料棒において最低であることが判明している。これは、
二相流冷却材の内の冷たい液体は周辺の燃料棒位置に沿
うチャンネルに集まるが、二相冷却材の内の温かい蒸気
は内側の燃料棒位置に向かって押し流される傾向がある
ことに主に起因している。この結果として、早過ぎるド
ライアウトおよびＣＨＦ性能の低下が内側の燃ｆＩ棒位
置で発生する。

従って、燃料集合体の全体的なＣＨＦ性能を高めるため
に、内側の燃料棒位置におけるＣ　ＨＦ性能を改善する
必要がある。従来、例えば、米国特許第３，３７９，６
１９号および第３，３７９，６１９号明細書等に開示さ
れているように、冷却材の混合および均一化を達成する
ために、乱流発生混合羽根がＰＷｒ（神Ｊ！１讐［侘今
イ人カスペー→ｔｌご田いへハてきたシバ　ｆＭ夾開示
されたいかなる構成も、ここで求められている改良を可
能にするよう特に適応されているようには思われない。

ル朋−の」重要− 本発明は上記の必要性を満たすために設計されたフロー
ミキシング中間格子を提供することにある。小束内で、
特に軸方向のＣｌ−！　Ｆ制限位置において、液体冷却
材を更に−様な分布にすれば、内側の燃料棒もコーナー
および縁部のスペーサ位置、即ち周辺スペーサ位置にお
ける燃料棒と同様な高ＣＦ（Ｆ性能を示すであろうとい
う知見が、本発明の基礎となっている。詳細に述べるな
らば、改善されたＣ）ＩＦ性能は、特にＣＨＦ制限位置
において二相冷却材流の上流の乱れが増大していること
に起因している。圧力低下が極く僅か大きくなるだけで
乱流混合および均一化を可能とするフローミキシング中
間格子は望ましいものである。また、その圧力低下も下
部タイブレートにおける流れ領域を増加させることによ
り容易に補償することができる。混合羽根は中間格子の
下流１１ｊｌｌ縁部にのみ取り付けられ、その下流側の
羽根の位置、大きさおよび角度は、冷却材流れの高ボイ
ド率中央領域を乱すことなく、最も効果的に流れを混合
するようにされている。低温のチャンネル壁部からの液
体冷却材は、燃料棒束の断面全体に亘り均一化される。

ＢＷＲにおいてはＣＨＦは燃料棒スペーサの」１流にお
いてのみ生じるので、これらの羽根は中間格子の下流側
縁部に設けられる。フローミキシング中間格子の上流側
縁部を流線形にすることにより、これ１５の位置におい
てのＣＩ−（Ｆの発生を防止することができる。

従って、本発明は、細長い燃料棒の配列を有する原子炉
の燃料集合体で使用する非支持型のフローミキシング中
間格子に向けられている。このフローミキシング中間格
子は、（ａ）燃料棒のそれぞれを通して収容するための
複数の内側セル開口を画成するように卵入れ形状に配置
され、且つ、外側終端部を有している複数の相互に差し
込まれた内側ストラップと、（ｂ）他の燃料棒のそれぞ
れを通して収容するための複数の周辺セル開口を画成す
るように前記各外側終端部と連結され、且つ、相対する
上流側縁部および下流側縁部を内側ストラップと共に有
している外側周辺ストラップと、（ｃ）前記下流側縁部
に配置され、前記外側周辺ストラップの部分および該部
分と共働して前記周辺セル開口を画成する前記内側スト
ラップの対応部分に取り付けられ、前記周辺セル開口を
通って流れる冷却材を偏向させるために下流方向に且つ
前記周辺セル開口の内方に延びる第１群の混合羽根と、
（ｄ）　ｍｆ記上下流側縁部配置され、前記内側ストラ
ップの前記対応部分と共働して前記内側セル開口を画成
する前記内側ストラップの他の部分に取り付けられ、前
記内側セル開口を通って流れる冷却材を偏向するために
下流方向に且つ前記内側セル開口の内方に延びる第２群
の混合羽根と、を具備し、（ｅ）前記第２群の混合羽根
の寸法は、前記周辺セル開口を通って流れる冷却材にお
いて生じる乱流よりも前記内側セル開口を通って流れる
冷却材における乱流の方が実質的に小さくなるように、
前記第１群の混合羽根よりも実質的に小さくなっている
。

より詳細には、第１群の混合羽根は実質的に互いに同一
であり、第２群の混合羽根も実質的に互いに同一である
。また、第２群の混合羽根の高さは第１群の混合羽根よ
りも低い、他方、第２群の混合羽根の長さは第１群の混
合羽根の長さとほぼ同じである。しかしながら、第１群
および第２群の両群において、各混合羽根は高さよりも
長さの方が実質的に大きい。

更に、両群の各混合羽根は、帯状の形態を有し、また、
相対する側縁部によって相互に結合された上縁部と下縁
部とを有している。外側および内側ストラップの対応部
分に取り付けられている羽根の下縁部の長さは実質的に
ストラップの対応部分の長さに等しい。側縁部は、対応
の周辺および内部セル開口の内方に且つ上方に、−点に
集中するよう傾いている。また、上縁部は、長さが下縁
部のそれよりも短く、凹形となっている。各側縁部の長
さは実質的に上縁部または下縁部のいずれよりも短い。

更にまた、各周辺および内側セル開口と関連された対向
する混合羽根間の距離は、これらのセル開口内に収容さ
れる燃料棒の直径よりも大きい。

本発明の上記およびその他の利点や効果は、本発明の一
実施例を示している図面に沿っての以下の詳細な説明を
読むことによって、当業者にとって明らかとなるであろ
う。

日の！、ｆ舌口 以下の説明においては、同一の参照符号は、全図面を通
して同一または相当部分を示している。

また、以下の説明において、「前方」や、「後方」、「
左方」、「右方」、「上方」、「下方」等の言葉は便宜
的なものであり、限定的に解釈されるべきものではない
。

全体的な１匪 図面、特に第１〜７図を参照すると、本発明の改良され
た特徴が有利な形で適用され得るＢＷＲ用の核燃Ｔ’）
　；た斤体が、総括的に符号１０で示されている。燃「
１集合体１０は細長い外側チャンネル（外側管状流れチ
ャンネル）１２を具備し、この外側チヤンネル１２は、
燃料集合体１０の全長に亘って延びると共に、上部支持
取付構造、即ち上部ノズル１４を下部基体、即ち下部ノ
ズル１６に相互に結合している。燃料集合体１０の外側
チャンネル１２に冷却材が流れ込む入口として働く下部
ノズル１６は、この下部ノズル１６自体および燃料集合
体１０を、炉心支持板（図示しない）内に、または、例
えば使用済燃料プール中の燃料貯蔵ラック内に案内する
ための複数の脚部１８を具備している。

断面がほぼ矩形の外側チャンネル１２は、互いに連結さ
れた４つの垂直の壁部２０から作られており、各壁部２
０は隣接の壁部２０から約９０度の角度で配置されてい
る。複数の構造リブ２２が、外側ヂャンネル１２の各壁
部２０の内面に、互いに隔てられた関係に形成され、そ
の内面に沿った中央位置で垂直な列をなして延びている
。外側チャンネル１２およびその中に形成された構造リ
ブ２２は、通常ジルカロイと呼ばれるジルコニウム合金
のような金属材料から作られるのが好ましい、構造リブ
２２の上端部の上方において、外側チャンネル１２の壁
部２０に固定された上方に延びる複数の取付スタッド２
４が、上部ノズル１４を外側チャンネル１２に相互に連
結するために使用されている。

中性子の減速と中性子経済を改善するために、総括的に
符号２６で示されている中空のウォータ・クロスが、外
側チャンネル１２を通って軸方向に延びており、このつ
オーク・クロス２６は、燃料集合体１０を通してサブク
ールされた減速材を流すための開放された内側チャンネ
ル２８を形成すると共に、燃料集合体１０３４つの独立
した細長い閘室３０に分割するようになっている。ウォ
ータ・クロス２６は、４つの縄長い一般的にはＬ字形の
金属アングル若しくは鋼板部材３４から成る４つ１ｍの
放射方向パネル３２を複数組方している。鋼板部材３４
は、外側チャンネル１２の全長に沿って延び、江つ、各
パネル３２の鋼板部材３４に形成されその間を延びるデ
ィンプル（くぼみ）３６の形態を収る一連の要素によっ
て、相互連結されると共に互いに離間されている。

ディンプル３６は互いに対向する対として設けられてお
り、各対は、鋼板部材３４の対面部分を適当な離間関係
に維持するように鋼板部材３４の長さ方向に沿って互い
に接触している。接触しているディンプル３６の対は、
中央のつオーク・クロス２６のパネル３２を形成する鋼
板部材３４同士の間消が正確に維持されるように、例え
ば溶接により互いに結合されている。

中空のウォータ・クロス２６は、外側チャンネル１２の
角度的に隔てられた壁部２０に収り付けられている。好
適には、ウォータ・クロス２６のパネル３２の細長い縦
方向の外縁部３８は、燃料集合体１０内の所望の中央位
置にウォータ・クロス２６を確実に保持するために、構
造リブ２２にその長さ方向に沿って溶接等で結合されて
いる。更に、パネル３２の内側の端部はその外側の端部
と共動して、中空のウォータ・クロス２６の軸方向長さ
に亘って延びる中央十字形の内側チャンネル２８を画成
している。また、ウォータ・クロス２６は、下部流入端
部３９と、その反対側の上部流出端部４０とを有し、こ
れらは、それぞれ、サブクールされた流れが内側チャン
ネル２８をｆ７濱て・き乙十うに　技内缶１１手ヤンネ
ル２８と連通している。

外側チャンネル１２内には燃料棒４２の束が配置されて
おり、図示実施例においては、燃料棒４２は６４本あり
、８×８配列を形成している。燃料棒４２の束は、つオ
ーク・クロス２６によって更に４つの小束に分割されて
いる。各小束の燃料棒４２は４×４配列の１６木であり
、上部タイブレート４４と下部タイプレート４６との間
を横方向に離間された関係で延びている。また、これら
のタイブレート４４．４６に互いに連結された各小束の
燃料棒４２は、タイプレート４４．４６と共に、外側チ
ャンネル１２の各口室３０内に別個独立の燃料棒サブア
センブリ４８を構成している。各燃料サブアセンブリ４
８の燃Ｖ］棒４２に沿って軸方向に離間された複数の支
持格子、即ちスペーサ５０は、燃ｒ）棒４２を横方向に
隔てられた関係で保持している。各構造リブ２２の間に
その長さ方向に沿って形成された複数の開口５２は、燃
料集合体１０の別個独立の各隔室３０内における燃料棒
サブアセンブリ４８間に冷却材の流路を形成し、十字流
速通路を構成している。開口５２を通る冷却材の流れは
、４つの独立した隔室３０間の水圧を均等化し、また、
それによって、個々の燃料棒サブアセンブリ４８間に熱
的・水力的不安定が生ずる可能性を最小とするように機
能する。

第４図に示されるように、各スペーサ５０は、複数の中
空セル５８を画成すべく卵入れ形状に配置され互いに結
合されている相互に差し込まれた複数の内側部材５４と
外側部材５６とを具備している。ディンプル６０とばね
６２が、中空セル５８内に突出するように内側部材５４
および外側部材５６に作られている。対向するディンプ
ル６０とばね６２どの間の距離は燃料棒４２の直径より
小さくなっており、中空セル５８内に挿入され収容され
る燃料棒４２が、ディンプル６０とばね６２とにより、
互いに対して所望の間隔が置かれ且つ平行に延びた状態
で支持、即ち保持されるようになっている。

上述のＢＷＲ燃料集合体１０の基本的な構成要素は、前
記米国特許第４．５６０，５３２号明Ｉ！ｌＩ書に記載
されている燃料集合体のような従来技術においても知ら
れており、以下に述べる本発明の特徴を当業者に理解せ
しめるに十分な程度に詳しく説明されている。ＢＷＲ燃
料集合体の構造について更に詳しく知るには、米国特許
第４，５６０，５３２号明細書を参照されたい。

本発明は燃料集合体の軸方向ＣＨＦ制限位置に改善され
た特徴を提供する。第６〜９図を参照すると、これらの
特徴は、１対のスペーサ５０の間で且つそれらから間隔
を置いて、各燃料棒サブアセンブリ４８に沿って配置さ
れた少なくとも１つの非支持型フローミキシング中間格
子（以下、「中間格子」とも称する）６４から成ってい
る。好ましくは、２つのフローミキシング中間格子６４
が設けられ、その一方は、６番目、即ちｉ　−１：、　
（ｕのスペーサ５０と、５番目、即ち最上位の次に低い
スペーサ５０との間に配置され、他方は５番目と４番目
のスペーサ５０間に配置される。６番目と５番目のスペ
ーサ５０の上流側がＢＷＲｍ料集合棒集合体１０るＣＨ
Ｆ制限位置である。

基本的には、非支持型フローミキシング中間格子６４は
上述した支持スペーサの構成要素の配列と同様なストラ
ップの配列を有している。しかしながら、中間格子６４
のストラップには燃料棒４２を支持、即ち係合し保持す
るためのディンプルやばねは全く設けられていない。ま
た、フローミキシング中間格子６４は、複数の内側セル
開口６８を画成するために、卵入れ形状に配置された複
数の相互に差し込まれた内側ストラップ６６を備えてい
る。各燃料棒サブアセンブリ４８の燃料棒４２の内で中
央部に位置する燃料棒４２は内側セル開口６８を通って
延びている。中間格子６４はまた、複数の周辺セル開ロ
ア４を画成するために、内側ストラップ６６の各外側終
端部分７２に取り付けられた外側周辺ストラップ７０を
有している。各サブアセンブリ４８の燃料棒４２の内で
周辺部に位置している燃料棒４２は、対応のチャンネル
壁部２０およびウォータ・クロス２６のパネル３２に隣
接する周辺セル開ロア４を通って延びている。

また、中間格子６４は、その下流側縁部に設けられた第
１群および第２群の混合羽根７６．７８を具備している
。中間格子６４の上流側縁部には混合羽根は設けられて
いない、互いに実質的に同一であることが好ましい第１
群の混合羽根７６は、外側周辺ストラップ７０の成る部
分と、この外側周辺ストラップ７０の部分と共に周辺セ
ル開ロア４を画成する内側スＩ・ラップ６６の対応部分
とに収り付けられている。好ましくは互いに同一である
第２群の混合羽根７８は、内側スｌ〜ラップ６６の他の
部分に収り付けられており、この部分は、周辺セル開ロ
ア４と共通に配置されている内側ストラップ６６の対応
部分と共働して内側セル開口６８を画成している。概ね
下流方向に延びている両群の混合羽根７６．７８の各々
は、対応する周辺および内側セル開ロア４．６８に突出
するように、その上部において折り曲げられており、そ
の混合羽根は対応のセル開口を流れる冷却材を偏向する
ように該セル開口と関連されている。周辺および内側セ
ル開ロア４．６８の各々と関連している混合羽根７６．
７８のうち対向しているらのの間のｒ順は、各セル開口
に収容される燃料棒４２の直径より大きい、このなめ、
混合羽根はセル開口内の燃料棒４２を支持することはな
い。

第８図および第９図に明示されるように、第２群の混合
羽根７８は第１群の混合羽根７６より実質的に小さく、
周辺セル開ロア４を流れる冷却材に発生する乱流よりも
内側セル開口６８を流れる冷却材における乱流の方が実
質的に小さくなるようになっている。このような大きさ
の関係があるために、内側セル開口６８の位置での高ボ
イド率中央領域を殆ど乱すことなく、最も有効な流れの
混合を達成することができる。

さらに詳細には、第２群の混合羽根７白は第１群の混合
羽根７６よりも高さにおいて実質的に低くなっているが
、両群の混合羽根７６．７８の長さは概ね同一である。

また、両群における各混合羽根７６．７８は高さよりも
長さの方が大きくなっている。更に、両群の各混合羽根
７６．７８は帯状の形態を有している。以下の説明は両
群のどの混合羽根７６．７８にも等しく当てはまること
ではあるが、確認のために第７図における１つの混合羽
根７６Ａについてのみ参照すると、混合羽根７６Ａは下
縁部８０、上縁部８２、および、再縁部８０．８２の間
で延びこれらを結合している１対の側縁部８４を有して
いる。下縁部８０において混合羽根７６Ａは外側または
内側ス１〜ラップ７０．６６の対応する部分に固定され
、また、羽根７６Ａの長さは、ストラップの対応部分と
等しく、且つ、周辺および内側セル開ロア４．６８にお
ける対応の開口の一辺と等しい。側辺８４は周辺および
内側セル開ロア４．６８における対応の開口に向かって
内方に且つ上方に一点に集まるよう傾いている。上縁部
８２は長さにおいて下縁部８０よりも短く、凹形をして
いる。各側縁部８４の長さは下縁部８０および上縁部８
２のいずれよりも短い。

各中間格子６４は、柔軟な弾力性のある弓形の細長い仮
ばね８６によって、−の燃料棒サブアセンブリ４８の中
で燃料棒４２に沿って軸方向の所望位置に配置される。

この板ばね８６は、特願昭６２−１８１２８８号明細書
に開示された発明を構成しており、中間格子６４を所望
の軸方向位置にほぼ静ＩＦ状態に維持するために、外側
チャンネル１２の壁部２０或はウォータ・クロス２６の
放射方向パネル３２のいずれかに十分な圧縮性接触力を
与える。板ばね８６は第６〜９図に一例としてのみ示さ
れている。サブアセンブリ４８内に中間格子６４を取り
付けるために、その他の適当な構成も用いられ得る。

本発明およびこれに付随する多くの利点は、上の説明か
ら理解されるであろう、また、本発明の精神および範囲
を逸脱することなく、或はその実質的な利点を犠牲にす
ることなく、形態、構成および配列に関し種々の変更が
可能であることは明らかであり、よって、以上に述べら
れた形態は単に本発明の好適な実施例に過ぎない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従って構成された非支持型フローミ
キシング中間格子を具備しているＩ’３ＷＲ燃料集合体
を、明瞭化のために、一部所面、一部切欠きで表した正
面図、第２図は第１図の２−２線に沿って見たＢＷＲ，
燃料集合体の拡大平面図、第３図は第１図の３−３線に
沿って見たＢＷＲ燃線に沿ってのＢＷＲ燃料集合体の断
面図であり、ウォータ・クロスにより小束に分割された
燃料集合体における燃料棒の束を示す図、第５図は第１
図の５−５線に沿ってのＢＷＲ燃料集合体の断面図、第
６図は第１図の燃料集合体から収り外された非支持型フ
ローミキシング中間格子の拡大平面図、第７図は第６図
の７−７線に沿ってのフローミキシング中間格子の側面
図、第８図は第２図の８−８線に沿ってのフローミキシ
ング中間格子の断面図、第９図は第り図の９−９線に沿
ってのフローミキシング中間格子の断面図である。図中
、１０：燃料集合体　　　４２：燃料棒 ６４：フローミキシング中間格子 ６６：内側ストラップ　６８：内側セル開ロア０：外側
周辺ストラップ ７４：周辺セル開口 ア６：第１群の混合羽根 ７８：第２群の混合羽根 ＦＩＧ、６ ＦＩＧ、　　７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 細長い燃料棒の配列を有する原子炉の燃料集合体に使用
   される非支持型のフローミキシング中間格子であって、 （ａ）前記燃料棒のそれぞれを通して収容するための複
   数の内側セル開口を画成するように卵入れ形状に配置さ
   れ、且つ、外側終端部を有しているる複数の相互に差し
   込まれた内側ストラップと、（ｂ）他の前記燃料棒のそ
   れぞれを通して収容するための複数の周辺セル開口を画
   成するように前記各外側終端部と連結され、且つ、相対
   する上流側縁部および下流側縁部を前記内胴ストラップ
   と共に有している外側周辺ストラップと、 （ｃ）前記下流側縁部に配置され、前記外側周辺ストラ
   ップの部分および該部分と共働して前記周辺セル開口を
   画成する前記内側ストラップの対応部分に取り付けられ
   、前記周辺セル開口を通って流れる冷却材を偏向させる
   ために下流方向に且つ前記周辺セル開口の内方に延びる
   第１群の混合羽根と、 （ｄ）前記下流側縁部に配置され、前記内側ストラップ
   の前記対応部分と共働して前記内側セル開口を画成する
   前記内側ストラップの他の部分に取り付けられ、前記内
   側セル開口を通って流れる冷却材を偏向するために下流
   方向に且つ前記内側セル開口の内方に延びる第２群の混
   合羽根と、を具備し、 （ｅ）前記第２群の混合羽根の寸法は、前記周辺セル開
   口を通って流れる冷却材において生じる乱流よりも前記
   内側セル開口を通って流れる冷却材における、乱流の方
   が実質的に小さくなるように、前記第１群の混合羽根よ
   りも実質的に小さくなっている燃料集合体用のフローミ
   キシング中間格子。