(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気と液体との二相流体混合物により囲まれる冷却材導管であって、
軸方向に貫通する中空の流路を規定し、かつ流体の流入を許す少なくとも１つの入口孔と、軸方向に前記入口孔の上方に設けられた少なくとも１つの出口孔とを備えた壁部材と、前記出口孔から出る流体の液体含有量を減少させるための、前記出口孔の上流に設けられ、壁部材に取り付けられた手段とを備え、
該手段は前記壁部材の軸方向下方に取り付けられた移行接続部分を備え、前記移行接続部分は中空の管部分と、前記移行接続部分に沿って上方に通過する流体に遠心力を付与する少なくとも１つのフィンを備え、該フィンは前記中空の管部分の外周に前記流体の流れに曝されるように螺旋状に巻回されていて該流体の流れに旋回運動を生じさせ、さらに前記フィンは複数の孔を備えていて、これを通して前記中空の管部分と連通しており、前記中空の管部分は前記壁部材の少なくとも１つの入口孔と流体的に結合している
ことを特徴とする軽水炉用冷却材導管。
【請求項２】
（ａ）短縮形燃料棒と、
（ｂ）少なくとも１つの壁部材を備えた管であり、前記壁部材を貫通する流路な らびに出口孔を備え、しかも前記短縮形燃料棒の上部に設けられた前記の管と、
（ｃ）前記短縮形燃料棒と前記管の間に設けられた移行接続片とを備え、
前記移行接続片は前記管の下端に該管の軸方向に延びるように結合されており、前記移行接続片は前記短縮形燃料棒の外周と実質的に同一の第１の外周を持ちそして軸方向に前記短縮形燃料棒に結合されており、
前記移行接続片は一線上に並ぶ少なくとも２つの入口孔を備える外壁を有し、
その結果前記二相流体が少なくとも２つの前記入口孔に入りそして前記移行接続片を通過し、前記管内の中空の流路に入り、
前記移行接続片はさらに少なくとも２つのＶ形表面部材を備え、該Ｖ形表面部材は前記移行接続片の外壁から延びて、前記入口孔からの前記二相流体中に含まれる液体部分の少なくとも一部を分離し、
さらに少なくとも２つの前記Ｖ形表面部材のうちの第１のＶ形表面部材が、その一部が第１の入口孔の下に位置しそして第２のＶ形表面部材が、その一部が第２の前記入口孔の下に位置するように配置されたことを特徴とする軽水炉用原子炉の冷却材導管。
【請求項３】
（ａ）短縮形燃料棒と、
（ｂ）少なくとも１つの壁部材を備え、該壁部材により貫通する流路を規定しかつ出口孔（４８）を規定し、しかも前記短縮形燃料棒の上部に設けられた管と、
（ｃ）前記短縮形燃料棒と前記管の間に設けられた移行接続片とを備え、
前記移行接続片は前記管の下端に該管の軸方向に延びるように結合されており、前記移行接続片は前記短縮形燃料棒の直径と実質的に同一の第１の直径を持ちそして軸方向に前記短縮形燃料棒の外周に結合されており、
前記移行接続片は、前記管内の囲い込まれた前記流路に二相流体を流入させるための入口孔を有し、
前記移行接続片は、その全長にわたり二相流体をその内部を流すべく形成されると共に、前記入口孔からの前記二相流体内に含まれた少なくとも一部の液体を分離するための手段を備え、
該分離するための手段が、前記短縮形燃料棒から上方に向かって細くなる部分と続いて上方に向かい外向きに張り出す部分からなり、この分離するための手段が、前記移行接続片に沿って半径方向内向きに次いで外向きに流体を進ませる滑らかな流路を作りだす
ことを特徴とする軽水炉用原子炉の冷却材導管。
【請求項４】
前記分離するための手段における、前記短縮形燃料棒から上方に向かって細くなる部分と続いて上方に向かい外向きに張り出す部分が、二相流体内に含まれる液体と蒸気を両者に加わる遠心力の差により分離するに足りる流れ方向の変化を生じさせる鋭利な変化個所で終えることを特徴とする請求項３記載の導管。
【請求項５】
前記分離するための手段がさらに、上方に向かって細くなる部分の表面上に設けた鋭い方向変化個所を持ち、前記二相流体の流れに曝される隆起（９５２）を含むことを特徴とする請求項４記載の導管。
【請求項６】
前記移行接続片が、中空の管部分の外周に前記流体の流れに曝されるように螺旋状に巻回されていて流体の流れに旋回運動を生じさせる螺旋形のフィンを有することを特徴とする請求項３記載の導管。
【請求項７】
前記分離するための手段がさらに中空の管部分の外周に前記流体の流れに曝されるように螺旋状に巻回されていて流体の流れに旋回運動を生じさせる少なくとも１つの螺旋状フィンを有することを特徴とする請求項３記載の導管。
【請求項８】
前記移行接続片の入口孔が前記螺旋状フィン上に設けられたことを特徴とする請求項７記載の導管。
【請求項９】
（ａ）短縮形燃料棒と、
（ｂ）少なくとも１つの壁部材を備え、該壁部材により貫通する流路を規定しかつ出口孔を規定し、しかも前記短縮形燃料棒の上部に設けられた管と、
（ｃ）前記短縮形燃料棒と前記管の間に設けられた移行接続片とを備え、
前記移行接続片は、前記管の下端に該管の軸方向に延びるように結合されていると共に、前記短縮形燃料棒の直径と実質的に同一の第１の直径を持ちそして軸方向に前記短縮形燃料棒の外周に結合されており、
前記管は、該管内の囲い込まれた前記流路に二相流体を流入させるための入口孔を有し、
前記移行接続片は、前記二相流体内に含まれた少なくとも一部の液体を分離するための手段を備え、
該手段は、前記短縮形燃料棒から上方に向かって細くなる部分と、続いて上方に向かい外向きに張り出す部分と、前記上方に向かって細くなる部分の表面上に設けられた隆起とを含み、
該隆起は二相流体内に含まれる液体と蒸気を両者に加わる遠心力の差により分離するに足りる方向変化箇所を持っていて前記二相流体の流れに曝され、
前記上方に向かい外向きに張り出す部分は、二相流体内に含まれる液体と蒸気を両者に加わる遠心力の差により分離するに足りる流れ方向の変化を生じさせる鋭利な変化個所で終えることを特徴とする軽水用原子炉の冷却材導管。
【請求項１０】
前記入口孔が円筒形の突出枠を備えることを特徴とする請求項３又は９記載の導管。
【請求項１１】
前記突出枠が、二相流体の流れの上流側が流体内に突出するように先端を二相流体の流れの方向に対し斜めに切られたものであることを特徴とする請求項１０記載の導管。
【請求項１２】
複数個の入口孔が設けられ、該複数の孔の少なくとも１つが円筒状の突出枠を持ち、該枠の少なくとも１つの先端が、二相流体の流れの上流側が流体内に突出するように、二相流体の流れの方向に対し斜めに切られたことを特徴とする請求項１０記載の導管。
【請求項１３】
（ａ）短縮形燃料棒と、
（ｂ）少なくとも１つの壁部材を備え、該壁部材により貫通する流路を規定しか つ出口孔を規定し、しかも前記短縮形燃料棒の上部に設けられた管と、
（ｃ）前記短縮形燃料棒と前記管の間に設けられた移行接続片とを備え、
前記移行接続片は前記管の下端に該管の軸方向に延びるように結合されており、
前記移行接続片は前記短縮形燃料棒の直径と実質的に同一の第１の直径を持ちそして軸方向に前記燃料棒に結合されており、
前記管と前記移行接続片の一方は、前記管内の囲い込まれた流路に二相流体を流入させるための入口孔を有し、
前記移行接続片は、さらに前記二相流体内に含まれた少なくとも一部の液体を入口孔から分離するための手段を備え、
該分離するための手段は前記流体の流れに沿って先ず第１の直径を示し、続いて上向きに次第に細くなって小さな直径を示し、続いて下流に向かって第２の直径を持つ第１の張り出した部分に広がり、前記次第に細くなる部分及び張り出した部分が、半径方向内向きに、次いで外向きに移行部分に沿って流体を進ませる滑らかな流路を作りだし、続いて前記第１の張り出した部分から小さな直径に向かって上方に傾斜しさらに第３の直径を持つ第２の張り出したリング状の部分に向かって張り出すことを特徴とする軽水炉用原子炉の冷却材導管。
【請求項１４】
前記分離するための手段により作り出された前記滑らかな流路が、二相流体内に含まれる液体と蒸気を、両者に加わる遠心力の差により分離するに足りる流れ方向の変化を生じさせる鋭利な変化個所で終えることを特徴とする請求項１３記載の導管。
【請求項１５】
前記入口孔が前記管に設けられたことを特徴とする請求項１４記載の導管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、一般に原子炉で用いるための核燃料集合体の構造に関する。特にこの発明は、軽水炉とりわけ沸騰水型原子炉又は加圧水型原子炉で用いるための燃料棒又は冷却材導管に関する。冷却材導管は短縮形燃料棒又は水棒又は水／燃料棒と共に又は単に単独で利用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉中での核分裂により大量の熱及びエネルギーが発生することが知られている。エネルギーは細長い核燃料棒中で熱として発散する。一般に核燃料集合体は核燃料集合体を形成するように群にまとめられた複数の核燃料棒を備える。この種の燃料集合体は上側タイプレートと下側タイプレートとの間に支えられた複数の細長い棒を備える。
【０００３】
沸騰水型原子炉用燃料の設計では燃料集合体内に短縮形燃料棒を含むことが知られている。即ち束の中の燃料棒の幾つかは炉心中の或る中間高さで上部を切断されている。これによりこの高さの上方には充填されていない冷却材チャネルが残る。上部を切断された燃料棒を設けることにより幾つかの重要な利益が得られる。例えば炉心の頂部に比べて炉心の底部で燃料の量が増すことにより中性子経済上の利点が得られる。それにより燃料サイクルコストの改善、運転停止余裕の増加、圧力損の低減（基本的には流れ面積の増加のゆえであるが、しかし濡れ面の減少も圧力損を低減する）及び炉心安定性の増加と共に、水対燃料比の軸線方向の一層の均一性が達成される。なぜならば圧力損の低下は二相流体の圧力損が最も重要である束の頂部で起こるからである。
【０００４】
短縮形燃料棒の単純な短寸化の利益は小さい。単なる短寸化は、束内の他のサブチャネルより少ない出力を示すに過ぎない、大きく開放されたサブチャネルを生じる結果となる。短縮形燃料棒の範囲での一層小さなエネルギは、サブチャネル内における内部エネルギの著しい不均一性を引き起こす。この結果、全燃料アセンブリの限界熱流束ＣＨＦは、短縮化されていないサブチャネルの内部エネルギが大きく低下するのと引き換えに僅かに改善されるに過ぎない。
【０００５】
ほかの正規のサブチャネル中の流れが、短縮形燃料棒の上端部の上方で起こる束流れ面積の増加だけから期待されるものよりもより大きい要因により低減されると効果的である。圧力損の増加を或る程度犠牲にしてこの問題を補償すべく、混合装置及び流れ剥離器が利用されてきた。
【０００６】
多数の短縮形燃料棒構造が以下に述べる従来技術において実現されている。
【０００７】
アメリカ合衆国特許第４６６４８８２  号明細書には、沸騰水型原子炉のための区分された燃料兼減速材棒及び燃料集合体が記載されている。区分された棒は下側の燃料領域と、沸騰水型原子炉炉心の通常減速不足となる上側部分を貫いて冷却材を通すための上側の減速材領域とを有する。区分された棒は燃料束中の一つ以上の通常の燃料棒と入れ代わる。
【０００８】
アメリカ合衆国特許第２９９８３６７  号明細書には、軽水中に浸漬された短い燃料棒、中間長さの棒及び炉心の全高さに延びる棒を備える炉心が記載されている。
【０００９】
アメリカ合衆国特許第４７８９５２０  号明細書には、燃料集合体内の圧力損を低減するために、別の燃料棒に比べて短い燃料有効長部分をそれぞれ有する６本の燃料棒を含む燃料集合体が一実施例として記載されている。
【００１０】
アメリカ合衆国特許第４９５７６９８  号明細書には、燃料集合体の上側領域中へボイドの比較的少ない冷却水を優先的に振り向ける燃料設計が記載されている。これにより比較的多くの燃料を燃料集合体の下部に置くことができる。この装置は集合体の上部で中性子の減速を許すが、他方では下部に比較的多量の燃料を保持するように設計されている。下部で用いることができる比較的多数の燃料棒は集合体中の線出力（出力ピーキング）を低減する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の課題は、短縮形燃料棒の上方に有利に設けることができ、この種の装置を用いることにより得られる利益例えば改良された燃料利用、安定性及び運転停止余裕の著しい低下なしに、典型的な短縮形燃料棒に関する限界熱流束性能を改善する冷却材導管構造を提供することにある。この発明は、これらの棒に隣接するサブチャネルのために束の頂部におけるサブチャネル出力に対して、サブチャネルの流体抵抗の一層良好な適合を提供することにより、限界熱流束性能を改善することを課題とする。束の頂部における活動流路エンタルピーすなわちボイド率の減少は、この発明に基づく構造により達成されなければならない。この発明に基づく冷却材導管は短縮形燃料棒の上方で用いることに制限されず、また冷却材導管は水棒又は水／燃料棒の上方に又は単独で用いることができるようにしなければならない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この課題の解決のためにこの発明は、沸騰水型原子炉燃料集合体の短縮形燃料棒の上方に設けられ機械的にこれと結合された中空管を備える導管構造を提供する。導管構造は囲い込まれた流路を画成する少なくとも一つの壁部材を有する延長管を備えることができ、延長管は短縮形燃料棒の軸線方向上方に置かれるように短縮形燃料棒の一部に結合され、棒を囲み当初は蒸気及び液体の二相流体混合物から成る流体の一部が囲い込まれた流路に入るのを許す少なくとも一つの入口孔と、この入口孔の上方に設けられた少なくとも一つの出口孔とを備える。延長管は更に流体中に存在する蒸気の少なくとも一部を流体中に存在する液体から分離する装置を備えることができる。この構造は蒸気が燃料集合体の上側活動部分を迂回することを許す。
【００１３】
この分離の遂行のために、装置は蒸気が入るのを許しながら液体の水を入口孔からそらせるか、又は蒸気流が導管内部で上へ向かって流れ続けるのを許しながら水が導管の外へ向かうように強制することができる。
【００１４】
一実施態様では、導管は移行部分と上側部分とを備え、上側部分は下方の燃料棒の外周より大きい外周を有する。入口孔は上側部分又は移行部分又は両者に設けることができる。上側部分は断面が円形である必要はないが、望ましくは円形であり下方の燃料棒より直径が大きい。
【００１５】
一つの実施形態では、導管はドリル加工された入口孔及び出口孔を有する円管である。移行接続片は、短縮形燃料棒の上部と上側の延長管とを機械的に結合する。この形態は液体から蒸気を分離する性能を有する。流れつつある流体内において、液滴は、蒸気と比べて大きな慣性のために、円管に設けられた孔内に容易には入り込めないからである。しかしながら、この形状の欠点は少量の流体のみが延長管中へ取り込まれるときに生ずる。棒の表面上に存在する液膜が比較的容易に孔の中へ引きずり込まれ、分離性能が低下してしまうことである。
【００１６】
一実施態様では、蒸気から液体を分離する装置が入口孔に並べて囲い込み領域の外側の壁の外側部分に設けられる。分離装置は液体を入口孔からそらせ、入口孔へ入る流体が比較的大きいパーセンテージの蒸気から成るようにする。例えば装置は孔の上流でこれに隣接して外壁から延びるＶ字形の部材から成ることができる。
【００１７】
この発明による装置の燃料束中への組み込みは、Ｖ字形部材又は液膜及び滴を入口孔からそらせるための別の装置の半径方向の大きさに寸法制限を課する。例えば束の組み立ては一般に下側タイプレート、タイロッド及びすべてのスペーサから成る骨格から始まる。そしてこの発明に基づく構造を含む残りの棒がスペーサの孔を貫いて挿入される。この発明に基づく装置を入れるこれらのセルのための孔の幅は上側管の外径より僅かに大きいにすぎない。従って孔から液体をそらせる装置の半径方向の大きさは、上側スペーサ中の孔の正方形の包絡面以内に入るように制限される。一たびスペーサを貫いて挿入されると、この発明による装置は取り囲むサブチャネルに対して入口孔の最適な整列のために回転を要求されるかもしれない。
【００１８】
一実施態様では、中空な移行片（その底を除いて中空である）中へ入口孔を設けることにより、突出する部材の半径方向の大きさについての一層の融通性を得ることができ、移行片は（突出する部材を含めないで）上側の管の直径より小さい局部的な直径を有する。
【００１９】
典型的な一実施態様は十分な分離性能を達成する、異なる装置を示す。液体偏向構造が入口孔の群の上流（すなわち下方）に設けられ、この群のすべての孔から液体をそらせるように用いる。簡単にするには入口孔を導管に設けた移行接続片を偏向構造として働く。この液体偏向装置は移行接続片の最小部分からの一つ以上の突出部を備える。一般に移行接続片が上側管の直径まで広がるので、頂部に少なくとも一つの突出部が存在する。有効であるために突出部はその表面に鋭い方向変化個所を有しなければならず、それにより突出部の面に沿って半径方向外向きに流れる液膜が表面を離れ移行接続片から半径方向に離れるように移動し続ける。
【００２０】
液体及び蒸気の分離を促進する複数の形状的特徴を備える二重突出移行接続片を利用することができる。その形状的特徴は下記のとおりである。
【００２１】
（１）下端部から移行接続片に沿って軸線方向上向きに移動する直径の滑らかかつ緩やかな減少。移行接続片の直径が移行接続片に沿って軸方向に向かって減少しそして移行接続片は中央の突出部と第２の突出部とを有し、片の直径は第２の突出部が移行接続片からの全体的な流れの比較的大きい偏向を与えるように低減されている。直径減少の結果、液膜は中央の突出部より上流の表面に付着したままである。
【００２２】
（２）液体の流れ方向が大きい半径方向成分を有するように変化するとき、液膜が滑らかな湾曲した円弧形通路に追従するように第１の突出部が形作られている。
【００２３】
（３）第１の突出部は直径の第２の減少に導く鋭い変化を示す。直径の第２の減少は分離した水膜の後方に渦流を発生させ、接線方向に分離水膜と合流して再循環流を供給することにより半径方向分離を促進するように働く。膜は液滴及び蒸気の主な軸線方向流れと衝突する液体の連続的な層として分離される。この衝突は一般に下流の入口孔から半径方向にそれて液体を移動させるように、軸線方向へ流れていた液滴へ外向きの半径方向運動量を与える。
【００２４】
（４）第２の突出部は、移行接続片と冷却材循環ダクトの結合部に位置し、かつ冷却材循環ダクトの直径迄外方に広がっている。
【００２５】
この実施態様では、第１の突出部が移行接続片の小さい直径部分の周囲に設けられたリング形の円板の形をとる。別の解決法は、あらゆる位置で完全な３６０°の広がりを有することなく軸線方向にずらした部分的な又は分割されたリングを用いることである。この解決法は、層が滴に分裂し始めるときに蒸気が層を貫通しなければならないのとは対照的に、液膜層の端を回る流れにより蒸気が入口孔へ向かって一層容易に通過するのを許すことができる。
【００２６】
入口孔に先立って蒸気から液体を分離する別の解決法は、軸方向成分に加えて流れに周方向の又は循環する成分を与えるために巻き付いた翼を用いることである。液体は遠心力に応じて外向きに移動する傾向が蒸気より強いので、流れに渦を巻く又はねじれる成分を加えることは蒸気から液体を分離するための通常の方法である。
【００２７】
別の実施態様では、分離装置が導管の囲い込まれた領域内に設けられる。例えば分離装置は二相流体混合物へ遠心力を与える装置から成ることができる。所望ならば液体からの蒸気の一層完全な分離を達成するために、一方は導管の囲い込まれた領域内に設けられ他方は導管の外壁部分上に設けられた少なくとも二つの分離装置を用いることができる。
【００２８】
【実施例】
次にこの発明に基づく冷却材導管付き燃料棒又はその接続部の複数の実施例を示す図面により、この発明を詳細に説明する。
【００２９】
この発明は、束の中に単独で、又は下側水棒と共に、又は水及び燃料要素の複合棒と共に、又は短縮形燃料棒と共に用いられる冷却材導管構造を提供する。
【００３０】
最後の場合には、この装置は短縮形燃料棒の利点を維持しながら限界熱流束性能を改善するために特に有利である。従って冷却材導管は短縮形燃料棒の上方に設けられる。導管は、その底部に一つ以上の入口孔とその頂部に一つ以上の出口孔とを有する中空管延長部を備えることができる。従って二相流体混合物である原子炉冷却材の一部が中空管延長部の内側を通る。冷却材導管付き燃料棒の構造のゆえに、管を囲む二相流体冷却材の蒸気と液体の少なくとも部分的な分離が中空管延長部により達成される。これにより蒸気含有量が比較的高い冷却材を、燃料集合体の上側の活動部分を迂回させることができる。
【００３１】
この発明に基づく構造は、冷却材導管の外側にかつこれに隣接して、導管の無い短縮形燃料棒の場合におけるよりもずっと小さい活動的な流れサブチャネルを形成することにより、エンタルピー上昇不均衡分布問題を軽減する。冷却材導管は導管の内部に絶縁された無活動の流路を形成する。
【００３２】
冷却材導管は蒸気抽出装置として働くことができる。特に冷却材導管の入口領域の形状を水からの蒸気の重要な分離を達成するように形成することができる。それにより蒸気含有量が増加した冷却材が中空導管内を流れ、他方では水含有量が増加した冷却材が活動する流れチャネルを上昇し続ける。液体の水含有量が増加した冷却材は核燃料棒の一層良好な冷却を可能にし、従って限界熱流束性能の改善を可能にする。
【００３３】
短縮形棒単独で又はこの発明に基づく冷却材導管付きで、完全長形燃料棒を用いるのに比べて圧力損の改善がこの種の棒の数及び棒の燃料部分の長さにより制御可能である。数又は長さのいずれを調節すべきかについての取捨選択は有利な中性子的性能を生み出すように行われる。この発明に基づく冷却材導管は、冷却材導管に流入する流量を調節するために冷却材導管内に孔又は開口を設けることにより圧力損の微調整を考慮する。
【００３４】
図１及び図２には、この発明に基づく冷却材導管及び短縮形燃料棒の組み合わせ体１０の一実施例が示されている。図示のように棒の被覆１６の内部に燃料部分１４を設けた短縮形燃料棒１２が設けられている。短縮形燃料棒１２の上端部は絶縁体円板１８を備えており、この円板はＡｌ２Ｏ３から作ると有利である。
【００３５】
また短縮形燃料棒１２は、この棒の上端面近傍の端部２２に収容されそこから延びる接続部材２０を備える。接続部材２０により壁部材２４を有する冷却材導管２３を短縮形燃料棒１２に結合し、燃料棒に対し軸線方向に置くことができる。図示の有利な実施例では、水平なピン２５が妥当な回転方向整列のために設けられている。
【００３６】
冷却材導管２３は図１に示された上側スペーサ２２の付近まで、又は上側スペーサの上方の或る点まで（図８参照）垂直に延びる。導管は上側タイプレート（図示されていない）までの全道程を延びることができ、この場合には上側端部キャップ４１及び位置決めピン４２のような上側端部を固定する装置が設けられる（図８参照）。接続部材２０は小部品の集合体とすることができる。機能についてはとりわけ接続部材２０は下方の短縮形燃料棒１２のための上側端部キャップとして働き、また短縮形燃料棒１２と冷却材導管２３との間の機械的接続部として働く。
【００３７】
壁部材２４は冷却材流路を形成する中空の流路２６を備える。冷却材導管２３は一体に成形されるか又は一体に結合された移行部分２８及び管３０を備える。管３０は短縮形燃料棒１２の外周より大きい外周、即ち外径を有する。管３０及び壁部材２４の外径は短縮形燃料棒１２の外径より大きいので、活動する流れチャネルの間で比較的均一な半径方向エンタルピー分布が達成される。
【００３８】
移行接続片２８はほぼ一定の外周を有する下側部分３２を備え、またその上方のテーパ部分３４を備える。テーパ部分３４及び下側部分３２は一体に形成されるか又は一体に取り付けられている。下側部分３２は短縮形燃料棒１２の外径にほぼ等しい外径を有する。移行接続片２８の外径はテーパ部分３４中で管３０が始まる個所まで増加する。移行接続片２８の端部に鋭い方向変化個所３６を設け、冷却材導管付きでかつ短縮形の燃料棒１０の外側表面からの、液体膜の剥離を助長するのが有利である。
【００３９】
図２に示すように、冷却材導管２３は移行部分２８中に複数の入口孔３８を備えることができる。入口孔３８は流体が壁部材２４の流路２６へ入るのを許す。有利な実施例では四つの入口孔３８が設けられている。各一つの入口孔３８が冷却材導管付き燃料棒１０を囲む四つのサブチャネルのそれぞれと整列している。
【００４０】
壁部材２４の上側部分には出口孔４０（図１参照）が設けられている。これらの出口孔は図８に示すように管周囲を囲む孔の群とすることができる。出口孔４０を経て流体は壁部材２４により画成された流路２６から出る。
【００４１】
壁部材２４の基本部分は円形又は正方形又は開放された内部を形成する別の形とすることができる。延長管表面は、スペーサ２２との機械的な連結及び管３０又はもし存在すれば上側端部キャップ４１との係合を容易にするために、或る高さに局部的な凹み４５を有することができる（図２参照）。
【００４２】
この発明に基づく装置は、冷却材導管２３の内部で原子炉冷却材の上向きの流れを可能にするために、壁部材２４又は移行接続片２８に入口孔３８を有しかつ出口孔４０を有する。導管の流路２６へ流れを導入するか又はそこから流れを排出するために、冷却材導管２３の長さにわたり補助孔を設けることができる。孔は単に図１に示された壁部材２４の頂部４８におけるような冷却材導管の開放端とすることもできる。
【００４３】
下側の短縮形燃料棒１２と壁部材２４との機械的接続はこの発明の望ましい構成であるがしかし必須の構成ではない。結合部が存在しないときは、壁部材２４が短縮形燃料棒１２の上方に置かれ、底で壁部材の内部の領域中へ流れを導入しまた頂で流れを排出するための装置を有する。この発明に基づく装置が短縮形燃料棒に接続されるときも、されないときも、スペーサは横方向の拘束を確実にする。下方で短縮形燃料棒に接続されていないときは、この発明に基づく装置の垂直方向の拘束はスペーサ又は上側タイプレートにより提供される。例えば固定耳を管の外面上に付け加えるか、又はもし管が４５°回転させられるとしかるべき位置に固定され再び回転しなければ垂直に移動できないように、管を一つ以上のスペーサ高さにおいて局部的に凹ますことができる。簡単な形では中空管は短縮形燃料棒の軸線方向上方に置かれ、さもなければ大きい開放されたサブチャネルとなる領域中に流体抵抗を加えるために働く。流体抵抗の追加はサブチャネルの流れを減らし、それにより従来技術（すなわち短縮形燃料棒を含む燃料束）のエンタルピー上昇不均衡分布問題を修正する装置を提供する。この発明に基づく簡単な中空管形式によれば、管の上端部又は下端部（又は両端部）は管に流入する液体の水及び蒸気の流量についての制御を行うような方法で変形できる。移行片及び管の側面の孔は有っても無くてもよい。
【００４４】
図２に示された実施例では液体偏向構造５０が設けられている。図２では液体偏向構造５０が入口孔３８に並置されて移行部分２８から外向きに延びる。図示の実施例では液体偏向構造５０はＶ字形の囲いを形成する。もちろん別の形及び構造を液体偏向を引き起こすために用いることができる。
【００４５】
液体偏向構造５０は図示のように、表面に近い二相流体混合物中の滴のような液体５２並びに表面上の液膜が入口孔３８からそらされ、他方では蒸気５４が入口孔３８に入るのを許すように構成及び配置されている。液体偏向構造５０は短縮形燃料棒１２の表面を上方に流れる液膜を入口孔３８の下方で迂回させかつ孔から離れるようにそらせる。液体偏向構造５０はまた、冷却材導管付きでかつ短縮形の燃料棒１０の表面近くで入口孔へ向かって進む蒸気及び液滴の流れのための障害物を提供する。この障害物は滴よりも蒸気の方が一層容易に乗り越えられる。このことは壁部材２４の流路２６へ流れ込む流体の蒸気質量率を最大にする。蒸気を延長管２４へ流入させそれゆえ壁部材２４の出口孔４０又は４８で流出させることにより、所望の減速及び束圧力損を達成するために壁部材２４の内部に十分な流れを維持しながら、放射性燃料棒の冷却に利用できる液体を最大にすることができる。
【００４６】
液体偏向構造５０は延長管２４の入口孔３８で液体からの少なくとも或る程度の蒸気分離を提供する。これにより短縮形燃料棒１２の燃料部分の直後で二つの相の分離を達成することができる。
【００４７】
移行部分２８に関連した、壁部材２４の管３０の直径、即ち寸法の増加もまた、束中への燃料装填の容易さを犠牲にすることなく、入口孔３８の直近に液体偏向構造５０又は別の突出部を置くことにより、流れを分離する入口の設計を容易にする。例えば図２に示すように液体偏向構造５０は壁部材２４の外周を越えて突出しない。従って冷却材導管の装填は困難にならない。
【００４８】
前記のようにこの発明によれば、棒の外面上の液膜の剥離を助けるために、移行部分２８の直径が上向きに移動するにつれて増加し、鋭い方向変化個所３６により終わるのが有利である。補助的な膜剥離装置は、表面上の液流を最小にするために壁部材２４の長さにわたり備えることができる。壁部材２４は一番上のスペーサの上部で切断するか、又は冷却材導管１０を離れる流れの流体抵抗を最小にするために、最後のスペーサの上方の多数の出口孔付き上側タイプレートまで続けることができる（図８参照）。
【００４９】
図３には、この発明に基づく冷却材導管付き燃料棒１１０の別の実施例が示されている。この実施例では入口孔１３８がこの発明に基づく装置の移行部分１２８に設けられている。この実施例では孔１３８が移行部分１２８のテーパ部分１３４の下方の下側部分１３２に設けられている。図示のようにこの実施例では複数の入口孔１３８が相前後して設けられている。各孔１３８は孔に並べて設けられたＶ形偏向構造１５０を備える。ここでも構造１５０は孔１３８に入る液体を制限する。その他は、冷却材導管１１０は図１及び図２に示された実施例に類似している。
【００５０】
もし必要な減速及び束圧力損を達成すべく冷却材導管付き燃料棒内の十分な流れを達成するために必要であれば、相前後して複数の入口孔１３８を設けることによりこれらの孔は大きい合計入口流孔面積を提供する。
【００５１】
図４及び図５には、この発明に基づく冷却材導管２１０の別の実施例が示されている。この実施例では延長管２２４により画成され囲い込まれた内部２２６中に、構造２２７が二相流体混合物中の蒸気から水滴を分離するために設けられている。
この構造２２７は、冷却材が曲がりくねった通路を通るように囲い込まれた内部２２６を通って流れることを強要する。この曲がりくねった通路は、液体の水滴を囲い込まれた内部２２６の内面に衝突させ、冷却材の流れから分離させる。一度分離されると、分離された水の少なくとも一部は、隣接する燃料棒の表面に運搬される。冷却材流からの水の運搬は、臨界熱流束（ＣＨＦ）の容量を増大する。この端部に、分離された水の隣接する燃料棒への移動を促進すべく孔２４０が延長管２２４の長さに沿って設けられている。
【００５２】
蒸気から水を分離するための構造２２７は、図５に示すように二相流体混合物へ遠心力を与えるための装置とすることができる。図５に示す実施例では装置は延長管の壁に形成された案内羽根構造２２７を備え、該構造は管２２４の内面に液体の水滴の接触を引き起こす。
【００５３】
図６及び図７は、冷却材導管付き燃料棒３１０の別の実施例を示す。この実施例では、液体から蒸気を分離するための構造は、延長管３２４により画成された内部３２６に設けた、ねじられた帯板３２７である。図４と同様に、分離された水は、延長管上の一つ以上の孔（図示せず）を通って隣接する燃料棒の表面に移動する。水滴は、冷却材が管３２４を通って流れる際、リボン３２７により形成された、曲がりくねった通路により延長管３２４の内面に衝突する。
【００５４】
図４ないし図７に示す遠心力を与えるための内部装置に加えて、水滴の塊状化を引き起こす別の装置及び表面を用いることができる。例えばスペーサを用いることができる。方向の急激な変化を引き起こす表面も使用可能である。重力、表面張力及びその他の自然力を利用する他の形態も使用可能である。
【００５５】
図８及び図９には、冷却材導管の別の実施例が示されている。この実施例では第１の外向きに張り出したリング部分４１５を有する接続具／移行片４１４が設けられている。短縮形燃料棒４１２は軸線方向にその上に冷却材導管４１６を支持する。入口孔４２７が延長管４１６の下端部に設けられている。接続具／移行片４１４は液体の水と蒸気の分離を行う。液膜４６２は短縮形燃料棒４１２の表面を上向きに移動し、接続具／移行片４１４の表面上に至る。一たび移行接続片４１４上に来ると、この膜は移行接続片の直径部分４６４ａの減少により半径方向に内向きの方向４６４へもたらされ、そこで半径方向外向きの方向４６５へ急激に方向転換させられる。表面輪郭の鋭い方向変化個所４６６は膜を分離させ、液体の水４６８として半径方向外向きの方向へ流れ続けさせる。水の液体層４６８とこれに接近する液滴４７０は互いに衝突し、半径方向外向きの運動量が液滴４７０へ与えられ、それにより分離装置の下流で液体４８１が半径方向外向きに移動し、他方では蒸気４８２は入口孔４２７の方向へ内向きに移動する。移行片４１４の第１の張り出したリング状部分４１５の上方の部分４７４では直径が再び減少するので、液体の水４６８の後ろに自然に生じる渦流４７６が、膜分離点すなわち鋭い方向変化個所４６６で比較的垂直な方向ではなくむしろ比較的平行な方向で液体の水４６８と交差する。移行片４１４の第２の外向きに張り出したリング状の部分４７８はすべての残りの液体に対し処理を繰り返す。もし最初のリング状の部分４１５が存在しないならば、第２の外向きに張り出したリング状の部分４７８が液体を外向きに入口孔４２７からそらせる主な装置となる。
【００５６】
移行片４１４の底での最初の直径減少部分は滑らかにされているので、液膜が意図した分離個所すなわち鋭い方向変化個所４６６に到達するまで、液膜は表面に付着したままである。張り出し部分に先立って直径が減少するので、張り出し部分は主な流れに対して比較的大きい正面面積を与え、それゆえに流れと比較的大きい相互作用を有する。鋭利な変化個所４６６の上流で鋭い凹状の隅の中に捕らえることにより流れる膜を妨げないように、外向きに張り出した表面はまっすぐではなくむしろ丸められた又は湾曲した円錐面又はテーパ面とされる。図９に示すように移行接続片４１４は導管の下方の垂直軸線を中心とする回転面である。これは製造が容易であるが、丸い部分以外の部分、例えば方形の部分もおそらく満足な方法で働くであろう。また張り出し部分を相互に軸線方向に移動した複数の断片に分割することもできる。
【００５７】
実際上の問題として図１ないし図３、図８及び図９に示された実施例に関して、冷却材導管入口孔での水からの蒸気の分離は１００％未満である。すなわち１００％の蒸気が冷却材導管の内部へ流れ込むことはない。それゆえにもし望ましいならば、図１ないし図３、図８、図９に示した構成と図４ないし図７に示した構成とを結合することができる。従って液体偏向装置は延長管の外壁上に置かれているが、図４ないし図７に示した実施例で述べたように、補助的な流れ分離装置を冷却材導管内に設けることもできる。
【００５８】
移行接続片の別の実施例が図１０ないし図１５に示されている。これらの実施例は冷却材導管の下部に取り付けるために単独で用いるか、又は短縮形燃料棒１２へ冷却材導管４１６を取り付けるために図８に示したように用いることができる。すべてのこれらの実施例は水棒又は水／燃料棒などへ冷却材導管４１６を取り付けるために用いることができる。
【００５９】
図１０は、ほぼ中実の接続移行部分５０６の軸線方向上方に取り付けられた中空の管部分５０４を有する移行接続片５００を示す。中空管部分５０４は冷却材導管４１６内にはめ込まれた頂のソケット部分５１０を備えることができる。ソケット部分５１０は頂開放端部５１２を有する。接続部分５０６はその下方の棒に対する機械的な挿入及び接続のための底のソケット部分５１６を有する。接続部分５０６は上向き方向へのテーパ５２０を有し、細長い首部分５２２は中空管部分５０４との交差部に鋭い方向変化個所５２６を備えた鋭い拡張部５２４で終わる。接続部分５０６は図９に示された移行接続片４１４の下半部と同様に働く。
【００６０】
図１０は内部に通じる複数の孔５３０を有する中空管部分５０４を示す。孔５３０は単に円筒管壁の周囲を囲む孔とすることができる。孔５３０は円筒形の突出枠５３４又は斜めに切られた突出枠５３６を有することができる。これらの突出枠５３４、５３６又はこれらの枠の変形例を所望であれば他の実施例に適用することができる。
【００６１】
図１１に示された移行接続片６００は、螺旋形のフィン６０２が接続部分６０４の周囲に取り付けて巻かれていることを除いて、図１０に示された移行接続片５００とほぼ同じである。接続部分６０４は第１のテーパ６０８、首部分６１０、及び接続部分６０４とその上方の中空の多孔付き管部分６２０との間の交差部で、鋭い方向変化個所６１４となって終わる鋭い拡張部６１２を備える。螺旋状のフィン６０２は、移行接続片６００の軸に沿って配置されている。移行接続片６００は図１０のソケット５１０に似た開放頂部ソケット６２２を備える。底のソケット部分６２６は下方の棒に接続するために設けることができる。
【００６２】
移行接続片の別の実施例が図１２に移行接続片７００として示されている。この実施例は図１０及び図１１と似ており、その上端部に開放された頂部ソケット７０４をまたその下端部に機械的な接続ソケット７０６を備える。移行接続片７００は中空である。螺旋形のフィン７０８は移行接続片７００の細長い首部７１０の周りに形成されるか又は巻き付けられている。孔７１２が螺旋形のフィン７０８に沿って配置されている。細長い首部分７１０は上側端部では鋭い拡張部７２０となって終わり、下側端部ではテーパ７２２となって終わる。孔７１２は細長い首部７１０の中へ連通し、そこで蒸気は、細長い首部分７１０を経て上方へそして開放された頂部ソケット７０４から出てその上に配置された冷却材導管４１６（図示されていない）の中へ運び込むことができる。
【００６３】
移行接続片８００の別の実施例が図１３に示されている。この実施例では中空の首部分８０２は、その上方の冷却材導管４１６（図示されていない）中へはめ込むための開放された頂部ソケット部分８０４を有する。底のソケット８０６は下方の棒との機械的な相互接続のために設けられている。鋭い拡張部８０８及び中空の首部分８０２への鋭い方向変化個所８１０がソケット８０６に隣接している。この実施例では正方形として示された複数の孔８１６が設けられている。各孔８１６の上方には、細長い首部分８０２の表面へ向かって上向きの方向へ細くなる錐形の凹所８２０が存在する。
【００６４】
移行接続片９００の別の実施例が図１４に示されている。この実施例では、上方に開放頂部９０４を備える頂部ソケットを有する多孔付き中空管部分９０２が、テーパ付き首部分９１０から突出して配置された複数の螺旋形翼９０８を有する接続部分９０６の軸線方向上方に取り付けられている。テーパ付き首部分９１０はその底から中央領域へ次第に細くなり、そしてその後中空管部分９０２まで次第に太くなる。取り付けソケット９１４が首部分９１０の下方に設けられている。中空管部分９０２は、その内側で上向きにそして開放頂部９０４から出てその上に取り付けられた冷却材導管４１６（図示されていない）の中へ進むために、蒸気の流入用孔９２０を備える。
【００６５】
接続部分９５０の別の実施例が図１５に示されている。この実施例では図９に示す接続具４１４が引き伸ばされ、上向きに流れる液表面膜を分離する装置が隆起９５２である。
【００６６】
図１０ないし図１５に示された移行接続片のための実施例は、図４ないし図７の実施例と組み合わせて用いることもでき、従って移行接続片又は冷却材導管の外面及び内面上に液体偏向装置を備えることもできる。
【００６７】
この発明に基づく冷却材導管は短縮形燃料棒と関連づけられる必要はない。この発明は水棒又は水と燃料要素の各種の組み合わせと共に用いることができる。一つ以上の冷却材導管を備える束は水棒、水チャネルなどと共にこれらの導管を用いることができる。冷却材導管の入口高さは、液体冷却材から分離しようとする利用可能な蒸気の存在するような束の活動する長さに沿って任意の高さに置くことができる。冷却材導管束は設計をすべて同一とする必要がない複数の個別の冷却材導管を含むことができる。例えば束の中の個々の冷却材導管は異なる入口高さを有してもよい。入口及び出口孔の形は変更することができる。入口は例えば丸い孔、方形の孔又は別の規則的又は不規則な形の孔である。導管の表面は、液体からの蒸気の分離を高めるか又は圧力損を減らすために、入口の付近で凹ますことができる。
【００６８】
上記の実施例に対する種々の変更及び修正の可能性は当業者にとって明らかである。この種の変形及び修正はこの発明の趣旨及び範囲から逸脱することなくかつ付随する利点を減少させることなく行うことができる。それゆえにこの種の変更及び修正は請求の範囲に含まれると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に基づく冷却材導管及び短縮形燃料棒の一実施例の立面図である。
【図２】図１に示す冷却材導管の一実施例の部分破断要部拡大図である。
【図３】この発明に基づく冷却材導管の別の実施例の部分破断要部拡大図である。
【図４】この発明に基づく冷却材導管の別の実施例の部分破断要部拡大図である。
【図５】図４に示す冷却材導管の切断線Ｖ−Ｖによる断面図である。
【図６】この発明に基づく冷却材導管の別の実施例の要部拡大縦断面図である。
【図７】図６に示す冷却材導管の切断線ＶＩＩ  −ＶＩＩ  による断面図である。
【図８】この発明に基づく冷却材導管及び短縮形燃料棒の別の実施例の立面図である。
【図９】図８に示す冷却材導管の入口領域の拡大立面図である。
【図１０】この発明に基づく移行／接続片の一実施例の立面図である。
【図１１】この発明に基づく移行／接続片の異なる実施例の立面図である。
【図１２】この発明に基づく移行／接続片の異なる実施例の立面図である。
【図１３】この発明に基づく移行／接続片の異なる実施例の立面図である。
【図１４】この発明に基づく移行／接続片の異なる実施例の立面図である。
【図１５】この発明に基づく移行／接続片の異なる実施例の立面図である。
【符号の説明】
１２  短縮形燃料棒
２３、１１０、４１６  冷却材導管
２４、２２４、３２４  延長管
３８、１３８、４２７、５３０、７１２、８１６、９２０  入口孔
４０、４８  出口孔
５０、１５０、２２７、３２７、４１４、５００、６００、７００、８００、９００、９５２  分離装置
４６６、５２６、６１４  方向変化個所
９０８  螺旋形翼
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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