(57)【要約】【課題】  冷却材混合羽根を有した格子型スペーサについて、機械的強度を保ちながら冷却材混合羽根による冷却材撹拌効果を増大させることを目的とする。【解決手段】燃料棒を始めとする棒状要素を相互に間隔を開けて正方格子状に配列して保持する仕切板により長手方向に間隔を開けた複数箇所で支持した燃料バンドルを構成する燃料集合体において、仕切板は、格子状交点を形成する２枚の仕切板の各々の交叉部分の上縁部に設けられた冷却材の流れを乱す羽根と、各々の交叉部分の上縁部及び下縁部の両方又は何れか一方に設けられた切欠きとを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料棒を始めとする棒状要素を相互に間隔を開けて正方格子状に配列して保持する仕切板により長手方向に間隔を開けた複数箇所で支持した燃料バンドルを構成する燃料集合体において、
前記仕切板は、格子状交点を形成する２枚の仕切板の各々の交叉部分の上縁部に設けられた冷却材の流れを乱す羽根と、前記各々の交叉部分の上縁部及び下縁部の両方又は何れか一方に設けられた切欠きとを備えたことを特徴とする原子炉用燃料集合体。
【請求項２】
前記仕切板がインコネル製であることを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
【請求項３】
前記仕切板の下端縁に曲面状の面取り加工を施したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば沸騰水型（以下、ＢＷＲと記す）原子炉用燃料集合体のスペーサ又は加圧水型（以下、ＰＷＲと記す）原子炉用燃料集合体の支持格子の工夫に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７はＢＷＲ炉心及びこれに装荷される燃料集合体の概要を示す説明図である。図８はＢＷＲにおける冷却水の二相流の様子を示す拡大断面図である。図９は燃料棒表面の冷却材流れの様子と温度分布を示す説明図である。図７に示すように、ＢＷＲに装荷される燃料集合体は、燃料棒８６で代表される棒状燃料要素を正方配列し、それらの上下端は端栓を介して上下の支持板（タイプレート）８２，８３に装着し、中間高さ位置の複数箇所にはスペーサ８５を所定間隔に保持したものが一般的である。
【０００３】
このような燃料集合体８１は、炉心８０においては各燃料棒８６を除熱する冷却水確保のため、ジルカロイ製の角筒状のチャンネルボックス８４内に収められて炉心構造部の受座に所要数装荷され、原子炉運転中は受座の入口オリフィスからチャンネルボックス内に冷却材を送り込んで各燃料集合体の燃料棒の間を上向きに流れるようにし、燃料棒の反応熱で冷却材を沸騰させて熱を外部に取り出すと共に燃料集合体の除熱を行うようにしている。ＢＷＲは炉内で水蒸気を発生させる直接サイクル方式であり、炉心内では二相流状態にある。
【０００４】
従って、燃料の冷却は、液相・蒸気（ボイド）の二相流の条件下で行われ、ボイド率の高い燃料集合体上部の冷却材の流動様式は、図８に示すように膜状の液相（液膜）８７がチャンネルボックス８４の内壁面と燃料棒８６の外周面でそれぞれ連続した環状流れが、また、チャンネルボックス８４と燃料棒８６の間及び燃料棒同士の間には液滴８８を伴う蒸気相８９が流れる、所謂「環状流」が形成され、燃料棒８６の外周面の前記液膜８７が燃料棒８６の冷却に重要な役割を果たす。
【０００５】
しかしながら、例えば過出力状態等の何らかの原因で燃料集合体が熱的に厳しい状態におかれ、所謂「核沸騰状態」から「膜沸騰状態」への遷移（沸騰遷移）が生じると、図９に示すように燃料棒８６の外周面の液膜８７が消失して除熱効果が急激に悪化するため、燃料棒８６の液膜消失領域における温度が急激に上昇し、終にはその部分でバーンアウトを生ずることとなる。ＢＷＲに特徴的な液膜の消失に伴うバーンアウトを特にドライアウトと呼び、ドライアウトの生ずる燃料集合体全体の熱負荷を限界出力と呼んでいる。
【０００６】
ところで、燃料の高燃焼度化に伴い濃縮度の増加や混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）の装荷等により炉心の減速材ボイド係数が大きくなることが予想される。かかる燃料を原子炉に装荷した状況において、原子炉の運転期間中に異常な過渡変化が生じた場合、燃料の熱的余裕の低下量が大きくなるため、これを補償するために最小限界出力比（ＭＣＰＲ）運転制限値を大きくする必要がある。
【０００７】
さらに、将来的に原子炉の出力アップレートが運用された場合、通常運転状態での炉心のＭＣＰＲは厳しくなることが予想され、炉心のＭＣＰＲとＭＣＰＲ運転制限値の差分である運転余裕が低下する可能性がある。このような、背景を鑑みた場合、燃料集合体の限界出力向上が必要である。
【０００８】
図１０は従来の燃料集合体のスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。図に示すように、燃料集合体の限界出力を向上させる有効な手段として冷却材混合羽根１０１の利用が提案されている（特許文献１参照）。これは、２枚のスペーサ仕切板１０２の交点周辺の仕切板上縁部に冷却材混合羽根１０１を設けることにより、スペーサ下部側からスペーサ１０５内に流入する冷却材の流れを燃料棒１０６側に偏向させることを目的とする。
【０００９】
これにより、燃料棒１０６表面での液滴付着が促進され、燃料棒１０６の除熱特性の改善、すなわち限界出力の向上が達成できる。一般に、ＢＷＲ用燃料集合体スペーサ１０５には、円筒セルを用いたリング型スペーサと仕切板を格子状に配列した格子型スペーサがあるが、冷却材混合羽根をスペーサに取り付けるための構造上の制約から、冷却材混合羽根１０１は主として格子型スペーサで利用される。
【００１０】
しかしながら、格子型スペーサは、複数の燃料棒１０６に囲まれたスペーサ仕切板の交点があるため、冷却材の流れが仕切板の交叉部分によって乱されることによる横流れの発生、及びスペーサ仕切板１０２と冷却材の摩擦により、スペーサ内に流入した冷却材の一部はスペーサ上端に位置する冷却材混合羽根１０１に到達できず、冷却材混合羽根１０１による燃料棒１０６への液滴付着に寄与していないことになる。また、冷却材混合羽根１０１は図に示すように、燃料棒１０６側に折れ曲がっていることから、スペーサ１０５の投影面積が増加し、圧力損失を大きくすることとなる。
【００１１】
また、スペーサ仕切板の交点部分の構造に特徴を有する格子型スペーサにおいては、スペーサ仕切板交点下端を他のスペーサ底面より高く形成したものが提案されている。（特許文献２参照）。これにより、スペーサ仕切板交点での冷却材流れの乱れが低減すると考えられる。従って、スペーサ仕切板交点下端での冷却材の横流れが減少するため、同一高さにおける燃料棒の表面に形成される液膜の剥離が抑えられ、限界出力が向上することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第３２６７９６７号公報
【特許文献２】実開平３−６１５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、スペーサ仕切板の交点下端を他のスペーサ底面より高く形成した格子型スペーサでは、スペーサ内に流入した冷却材がほぼ垂直上向きに流れるためスペーサ仕切板近傍の冷却材は燃料棒より離れていることとなる。従って、これらの冷却材は燃料棒の除熱に寄与することなく、冷却材の有効活用に難点がある。更に、前記格子型スペーサの提案では、スペーサ仕切板に切欠きを入れることによるスペーサの機械的強度の低下を防止する手段には何ら触れられていない。
【００１４】
本発明は、冷却材混合羽根を有した格子型スペーサについて、機械的強度を保ちながら冷却材混合羽根による冷却材撹拌効果を増大させることにより、大きな限界出力向上を達成し、かつ、スペーサによる圧力損失を低下させ、ドライアウト性能の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載された発明に係る原子炉用燃料集合体は、燃料棒を始めとする棒状要素を相互に間隔を開けて正方格子状に配列して保持する仕切板により長手方向に間隔を開けた複数箇所で支持した燃料バンドルを構成する燃料集合体において、
前記仕切板は、格子状交点を形成する２枚の仕切板の各々の交叉部分の上縁部に設けられた冷却材の流れを乱す羽根と、前記各々の交叉部分の上縁部及び下縁部の両方又は何れか一方に設けられた切欠きとを備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項２に記載された発明に係る原子炉用燃料集合体は、請求項１に記載の仕切板がインコネル製であることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３に記載された発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体は、請求項１又は２に記載の仕切板の格子状交点を形成する２枚の仕切板の各々の交叉部分の下縁部に断面が円形状の小さな切欠きを更に設けたことを特徴とするものである。
【００１８】
請求項４に記載された発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体は、請求項１〜３の何れか１項に記載の仕切板の下端縁に曲面状の面取り加工を施したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は以上説明した通り、冷却材混合羽根を有した格子型スペーサ又は支持格子について、機械的強度を保ちながら冷却材混合羽根による冷却材撹拌効果を増大させることにより、大きな限界出力向上を達成し、かつ、スペーサによる圧力損失を低下させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例の構成を示すスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。
【図２】スペーサ周辺の流線を示す説明図であり、ａ図は従来例、ｂ図は図１の実施例を示す。
【図３】本発明の別の実施例の構成を示すスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。
【図４】本発明の更に別の実施例の構成を示すスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。
【図５】本発明の更に別の実施例の構成を示すスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。
【図６】本発明の更に別の実施例の構成を示すスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。
【図７】沸騰水型原子炉炉心及びこれに装荷される燃料集合体の概要を示す説明図である。
【図８】沸騰水型原子炉における冷却水の二相流の様子を示す拡大説明図である。
【図９】燃料棒表面の冷却材流れの様子と温度分布を示す説明図である。
【図１０】従来の燃料集合体のスペーサ仕切板交点部分の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明においては、燃料棒を始めとする棒状要素を相互に間隔を開けて正方格子状に配列して保持する仕切板により長手方向に間隔を開けた複数箇所で支持した燃料バンドルを構成する燃料集合体において、前記仕切板は、格子状交点を形成する２枚の仕切板の各々の交叉部分の上縁部に設けられた冷却材の流れを乱す羽根と、前記各々の交叉部分の上縁部及び下縁部の両方又は何れか一方に設けられた切欠きとを備えている。これにより、機械的強度を保ちながら冷却材混合羽根による冷却材撹拌効果を増大させることができ、大きな限界出力向上を達成し、かつ、スペーサによる圧力損失を低下させることができる。
【００２２】
即ち、仕切板は、格子状交点を形成する２枚の仕切板の各々の交叉部分の上縁部に設けられた冷却材の流れを乱す羽根と、前記各々の交叉部分の上縁部及び下縁部の両方又は何れか一方に設けられた切欠きとを備えたため、冷却材の流れが冷却材混合羽根に集中し、冷却材混合羽根による冷却材撹拌効果を増大させることができ、燃料棒への液滴付着が促進されることとなり、限界出力の大きな向上が達成できる。
【００２３】
本発明の仕切板については、燃料棒を始めとする棒状要素を相互に間隔を開けて正方格子状に配列して保持するものであり、具体的には、ＢＷＲでの格子型スペーサを指し、更には、ＰＷＲでの支持格子も含まれる。
【００２４】
本発明の羽根としては、格子状交点を形成する２枚の仕切板の各々の交叉部分の上縁部に設けられて、冷却材の流れを乱し、冷却材温度の不均一性を解消するものであればよい。例えば、ＢＷＲでは冷却材が羽根によって流れを乱され、冷却材の乱流混合によって、蒸気中の液滴が周囲の燃料棒表面に付着し、燃料棒表面の液膜流が増えることにより、限界出力性能が改善されるものであればよい。
【００２５】
本発明の切欠としては、格子状交点を形成する２枚の仕切板の各々の交叉部分の上縁部及び下縁部の両方又は何れか一方に設けられ、冷却材の流れが下流側の冷却材混合羽根に集中し、冷却材混合羽根による燃料棒への液滴付着が促進されるものであればよい。具体的な大きさとしては、下流側の羽根の大きさや形状等によって変化するが、冷却材の仕切板への衝突を緩和し、この仕切板での大きな流れの乱れを生じさせずに、下流側の羽根に流れ込むようにすればよい。例えば、交叉部分を中心とした楕円弧状の切欠き、矩形状の切欠き、三角形状の切欠き等が挙げられる。
【００２６】
また、本発明では、スペーサの材質をインコネル製とすることや、２枚の仕切板の各々の交叉部分の下縁部に断面が円形状の小さな切欠きを更に設けることにより機械的強度を増加することが可能である。
【００２７】
更に、本発明では、仕切板の下端縁に曲面状の面取り加工を施すことにより、仕切板自身による圧力損失を低下させることも可能である。
【００２８】
なお、本発明では、ＢＷＲを例に、二相流中に存在する液滴の有効活用による限界出力向上を示したが、液相単相流である加圧水型原子炉（ＰＷＲ）においても冷却材撹拌による冷却材温度の不均一性が解消できることから、ＰＷＲ等他の燃料に対しても効果的である。
【実施例】
【００２９】
図１は本発明の一実施例の構成を示すスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。４本の燃料棒１６の中心に配された格子型スペーサ１５のスペーサ仕切板１２の交点を挟むように４枚の冷却材混合羽根１１が取り付けられており、スペーサ仕切板交点の上側及び下側に三角形状の切欠き１３が設けられている。
【００３０】
図２はスペーサ周辺の流線を示す説明図であり、ａ図は従来例、ｂ図は図１の実施例を示す。スペーサ上流側（図の下方から）から流れ込む冷却材は、仕切板１２の交点に向かうものの、切欠き１３があるため、冷却材のスペーサ部材への衝突は緩和され、大きな流れの乱れを生じずに、冷却材混合羽根１１に流れ込むこととなる。さらに、スペーサ下流側にも同様な切欠きが設けられているため摩擦圧損が低下し、冷却材の流れはより一層冷却材混合羽根１１に向かうことになる。これらの効果により、冷却材混合羽根に流れ込む冷却材量が増加し、冷却材混合羽根１１による燃料棒への液滴付着が促進され、限界出力が向上することとなる。
【００３１】
図３は本発明の別の実施例の構成を示すスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。図に示す実施例は、４本の燃料棒３６の中心に配された格子型スペーサ３５のスペーサ仕切板３２交点の切欠き３３をスペーサ３５上側のみとしたものである。スペーサ仕切板３２の交点に切欠き３３を入れた場合、スペーサの機械的強度が低下することが考えられるが、本実施例に示す方法を選択すれば、機械的強度の低下は小さく、限界出力の向上を確保できる。
【００３２】
また、上述した実施例については、スペーサ材質を従来スペーサ設計で用いられているジルカロイより機械的強度が大きいインコネルとしても良く、これによりスペーサの機械的強度がさらに増加する。インコネルを用いた場合、インコネルスペーサは強度上のメリットはあるものの、ジルカロイに比べて中性子吸収量が多く、経済性が悪くなるが、本発明の切欠きを採用することにより、中性子経済性の悪化を抑制することが可能となる。
【００３３】
図４．図５は本発明の別の実施例の構成を示すスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。図４は図１と同様にスペーサ仕切板４２に冷却材混合羽根４１と、スペーサ仕切板交点の上側に三角形状の切欠き４３とが設けられているが、スペーサ仕切板４２の交点下端の切欠き４３’形状を四角形としたものである。図５は図１と同様にスペーサ仕切板５２に冷却材混合羽根５１と、スペーサ仕切板交点の上側に三角形状の切欠き５３とが設けられているが、スペーサ仕切板５２の交点下端の切欠き５３’形状を流線型とした場合である。
【００３４】
スペーサ仕切板交点に切欠きを設けることにより、スペーサ部材量の低減、すなわちスペーサ仕切板表面積の減少に伴う摩擦圧力損失の低下が期待できるが、さらに図５に示す方法を選択した場合、冷却材の流れの乱れが小さくなるため、圧力損失低減の効果は大きい。
【００３５】
更に、図６は本発明の更に別の実施例の構成を示すスペーサ仕切板の交点部分の概略図である。図６は図１と同様にスペーサ仕切板６２に冷却材混合羽根６１と、スペーサ仕切板交点の上側及び下側に三角形状の切欠き６３とが設けられているが、スペーサ下端面６４を曲面加工している。これによりスペーサ下端面での衝突で生じる横流れは、曲面加工されていない場合に比べて緩和される。このことはすなわち、仕切板下端での衝突横流れによる燃料棒表面での液膜剥離を緩和し限界出力が向上するとともに、横流れ発生による流れの乱れを緩和し、圧損の低減に寄与することとなる。
【符号の説明】
【００３６】
１１，３１，４１，５１，６１…冷却材混合羽根、
１２，３２，４２，５２，６２…スペーサ仕切板、
１３，３３，４３，５３，６３…切欠き、
４３’，５３’  …切欠き、
６４…曲面加工された下端面、
１５，３５                  …格子型スペーサ、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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