(57)【要約】      （修正有）【課題】同一の燃料束の中で複数種類の燃料スペーサを使用する燃料束構造を提供する。【解決手段】核燃料束１００は、チャンネルの中に軸方向に配設された複数の燃料棒１８，１９と、第１の軸方向位置で前記チャンネルに横方向に架け渡され、前記燃料棒１８，１９の少なくとも一部が貫通しており且つ前記燃料棒１８，１９の少なくとも一部を整列する格子形スペーサ１２０ａと、前記第１の軸方向位置より核燃料束１００の冷却材入口１０１から遠い第２の軸方向位置で前記チャンネルに横方向に架け渡され、前記燃料棒１８，１９の少なくとも一部が貫通しており且つ前記燃料棒１８，１９の少なくとも一部を整列するフェルール形スペーサ１２０ｂとを具備する。【選択図】図４
2011080988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンネルの中に軸方向に配設された複数の燃料棒（１８／１９）と；
第１の軸方向位置で前記チャンネルに横方向に架け渡され、前記燃料棒（１８／１９）の少なくとも一部が貫通しており且つ前記燃料棒（１８／１９）の少なくとも一部を整列する格子形スペーサ（１２０ａ）と；
前記第１の軸方向位置より核燃料束（１００）の冷却材入口（１０１）から遠い第２の軸方向位置で前記チャンネルに横方向に架け渡され、前記燃料棒（１８／１９）の少なくとも一部が貫通しており且つ前記燃料棒（１８１９）の少なくとも一部を整列するフェルール形スペーサ（１２０ｂ）とを具備する核燃料束（１００）。
【請求項２】
前記第２の軸方向位置と前記第１の軸方向位置との間の第３の軸方向位置で前記チャンネルに横方向に架け渡された第３のスペーサを更に具備し、前記第３のスペーサはフェルール形（２５）及び格子形（２１）のうち一方の形であり、前記燃料棒（１８／１９）の少なくとも一部は前記第３のスペーサを貫通し且つ前記第３のスペーサにより整列される請求項１記載の燃料束（１００）。
【請求項３】
前記第３のスペーサは、前記燃料束（１００）の冷却材特性に基づいて選択される形である請求項２記載の燃料束（１００）。
【請求項４】
前記第３のスペーサは格子形スペーサ（２１）である請求項２記載の燃料束（１００）。
【請求項５】
前記第３のスペーサはフェルール形スペーサ（２５）である請求項２記載の燃料束（１００）。
【請求項６】
核燃料束（１００）を設計する方法において、
動作期間及び過渡期間のうち少なくとも一方の期間中の前記燃料束（１００）の所望の動作パラメータを判定することと；
前記動作期間中又は前記過渡期間中に第１の軸方向位置及び第２の軸方向位置で前記燃料束（１００）を通って流れる冷却材の冷却材特性を判定することと；
前記所望の動作パラメータ、前記第１の軸方向位置に対応する冷却材特性及び第１のスペーサの形の冷却材特性に基づいて、格子形（２１）又はフェルール形（２５）のいずれかの形である第１のスペーサの形を前記第１の軸方向位置に割り当てることと；
前記所望の動作パラメータ、前記第２の軸方向位置に対応する冷却材特性及び第２のスペーサの形の冷却材特性に基づいて、格子形（２１）又はフェルール形（２５）のいずれかの形である第２のスペーサの形を前記第２の軸方向位置に割り当てることとから成る方法。
【請求項７】
前記冷却材特性は、炉心流量、入口冷却材温度及び空隙率、燃料束温度、燃料束発熱量及び燃料束‐冷却材間熱伝達係数のうち少なくとも１つを含む請求項６記載の方法。
【請求項８】
チャンネルの中に複数の燃料棒（１８／１９）を軸方向に配置し且つ前記第１の軸方向位置及び前記第２の軸方向位置に割り当てられた形のスペーサ（１２０ａ／１２０ｂ）を配置することにより燃料束（１００）を製造することを更に含み、前記スペーサは、前記第１の軸方向位置及び前記第２の軸方向位置で横方向に前記チャンネルに架け渡され、前記燃料棒（１８／１９）の少なくとも一部は前記スペーサを貫通し且つ前記スペーサにより整列される請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に原子力発電装置で使用される燃料構造及び燃料構造を使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力発電装置は、核分裂により電力を発生するために内部に燃料が配置された炉心を含む。米国の原子力発電装置の一般的な構造は、燃料集合体又は燃料束として一体に結束された燃料を含む複数の被覆燃料棒を炉心の内部に配置する。燃料棒の振動を減衰し且つ燃料棒の分離及び相対的な位置ずれを最小限に抑えるために、それらの燃料束は、束全体にわたり軸方向に配置されたいくつかのスペーサ要素を通常含む。更に、スペーサは、燃料束及びスペーサを通って軸方向に流れる冷却材を混合する。
【０００３】
図１に示されるように、ＢＷＲなどの原子炉の従来の燃料束１０は、上部タイプレート１４及び下部タイプレート１６を取り囲む外側チャンネル１２を含んでもよい。複数の全長燃料棒１８及び／又は部分長燃料棒１９は、燃料束１０の中にマトリクスの形で配置され、燃料棒１８及び１９は、複数のスペーサ２０を貫通してもよい。スペーサ２０は、互いに軸方向に離間して配置され、燃料棒１８、１９を所定のマトリクスに維持する。一般に、燃料棒１８及び１９は、根元部分から先端まで連続しており、全長燃料棒１８の場合、下部タイプレート１６から上部タイプレート１４まで続いている。従来の燃料束１０で使用されるスペーサ２０は、すべて同一の液圧特性又は動作特性を有するので、すべてのスペーサ２０は同一の種類のスペーサの形とみなされてもよい。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、同一の燃料束の中で複数種類の燃料スペーサを使用する燃料束構造に関する。スペーサの配置場所ごとのスペーサの形は、スペーサの軸方向位置、スペーサの特性、特定の燃料束の冷却材特性、特定の燃料束の位置などに基づいて判定されてもよい。実施例の燃料束に対して最良の動作条件及び最良の動作裕度を得るためにどの場所にどの形のスペーサを配置すべきかを判定するために、履歴性能データ、予測モデリング及び／又は工学的解析が使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
単に例示を目的として示され、従って、実施形態を限定しない添付の図面を詳細に説明することにより、実施形態は更に明らかになるだろう。図面中、同じ要素は同一の図中符号により示される。
【図１】図１は格子形スペーサが固着されている従来の燃料集合体を示した図である。
【図２】図２は実施例の燃料集合体において使用可能な格子形燃料スペーサの一実施形態を示した図である。
【図３】図３は実施例の燃料集合体において使用可能なフェルール形燃料スペーサの一実施形態を示した図である。
【図４】図４は複数種類の燃料スペーサを有する燃料集合体の一実施形態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の実施形態のうち例示的な実施形態を詳細に説明する。しかし、以下に開示される特定の構造及び機能の詳細は、実施形態を説明するために示される代表的な構造及び機能であるにすぎない。しかし、実施形態は多くの代替形態で実施されてもよく、以下に説明される実施形態にのみ限定されると解釈されるべきではない。
【０００７】
本明細書において、種々の要素を説明するために「第１の」、「第２の」などの用語が使用されてもよいが、それらの要素はそれらの用語により限定されてはならないことが理解されるだろう。それらの用語は、単に１つの要素を別の要素と区別するために使用されるだけである。例えば、実施形態の範囲から逸脱せずに第１の要素を第２の要素と呼び、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことは可能だろう。本明細書において使用される場合の用語「及び／又は」は、関連して挙げられている項目のうち１つ以上の項目のあらゆる組み合わせを含む。
【０００８】
１つの要素が別の要素「に接続される」、「に結合される」、「と嵌合する」、「に装着される」又は「に固定される」と説明される場合、その要素は他方の要素に直接接続又は結合されてもよいが、それら２つの要素の間に介在する要素が存在してもよいことが理解されるだろう。これに対し、１つの要素が別の要素「に直接接続される」又は「に直接結合される」と説明される場合、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉も同様に解釈されるべきである（例えば、「の間に」と「の間に直接」、「に隣接する」と「に直接隣接する」など）。
【０００９】
本発明において使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけに便宜上使用され、実施形態を限定することを意図しない。本明細書において使用される単数形は、特に明示して指示のない限り複数形も含むことを意図する。更に、本明細書において使用される場合の用語「具備する」及び／又は「含む」は、そこに挙げられている特徴、数字、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらの集合の存在又は追加を除外しないことが理解されるだろう。
【００１０】
図２は、格子形スペーサ２１の一実施形態を示した図である。本明細書において特定の「形」のスペーサという場合、スペーサの形状、大きさ、棒マトリクスの数などに他のわずかな変更があっても、ほぼ同様の液圧特性及び動作特性を有するすべてのスペーサは、一般にそのスペーサの形に含まれる。図２に示されるように、格子形スペーサ２１は、燃料棒１８／１９が貫通してもよいいくつかの「ボックス」２７に分割された溶接金属格子である。スペーサ２０を貫通する各燃料棒に当接するストッパ及び／又はばねとして知られる抵抗接触セグメント２２を使用することにより、格子形スペーサは燃料棒に摩擦作用で把持してもよい。スペーサ２１及びスペーサ２１を貫通する燃料棒を通って流れる冷却材／減速材を更に適切に混合するために、スペーサ２１から混合タブ及び／又は旋回羽根２３が延出してもよい。実施形態の格子形スペーサ２１はいくつかの態様で変形されてもよく、そのように変形されたスペーサも格子形スペーサであると考えられてよい。例えば、スペーサ内のウォーターロッドに対応する間隙は、大きさを変更されるか、別の形状に形成されるか又は省略されてもよい。あるいは、燃料集合体の寸法及び特性に応じて、ボックス２７の数及び位置が変更されてもよい。それらの変更が実施形態の格子形スペーサの総液圧特性に及ぼす影響は無視してもよいほどわずかであるので、そのようなスペーサも格子形スペーサとして分類されて差し支えない。
【００１１】
図３は、格子状に配列されたいくつかのフェルール２６を含むフェルール形スペーサ２５の一実施形態を示した図である。燃料棒１８／１９とスペーサ２５との接触を少なくし且つ／又は燃料棒１８／１９とスペーサ２５との間の間隙を通って流れる液膜に対する流路の制限を軽減するように、各フェルール２６は燃料棒１８／１９の周囲に弾性的に嵌合してもよい。燃料束１０を通って軸方向に冷却材が高速で流れる間、実施形態のスペーサ２１及び２５は、燃料束内の一定の軸方向位置に固定保持されてもよく、燃料束１８／１９を燃料束の中で静止した向きに維持してもよい。実施形態のフェルール形スペーサ２５はいくつかの態様で変形されてもよいが、そのように変形されたスペーサもフェルール形スペーサであると考えられてよい。例えば、スペーサ内のウォーターロッドに対応する間隙は、大きさを変更されるか、別の形状に形成されるか又は省略されてもよい。あるいは、燃料集合体の寸法及び特性に応じて、フェルール２６の数及び位置が変更されてもよい。それらの変更が実施形態のフェルール形スペーサの総液圧特性に及ぼす影響は無視してもよいほどわずかであるので、そのようなスペーサもフェルール形スペーサとして分類されて差し支えない。
【００１２】
混合タブ又は混合羽根を有する図２に示されるような格子形燃料スペーサは、スペーサ及びスペーサを収容する燃料束を通って流れる冷却材／減速材の流れの混合を増進することを本発明者は認識した。燃料混合が増加すると、混合羽根を有する格子形スペーサを採用するいくつかの燃料束において性能が向上し且つ臨界出力比が改善される。
【００１３】
しかし、格子形スペーサは、炉心を通過する冷却材流れの急激な喪失を含む事故状況、又は過渡状態に対する燃料の応答を悪化させることを本発明者は認識した。格子形スペーサの格子と円筒形の燃料棒との間の構造は、燃料棒の周囲と各格子の角部との間に、図２の詳細図Ａに示されるような「ウェッジ」２４を形成することを本発明者は認識した。このウェッジは、燃料棒の周囲から液膜を剥ぎ取り、燃料棒の表面にドライアウトパッチを堆積させる場合がある。燃料棒の表面と液体冷却剤との接触が失われると、冷却材への熱伝達が大幅に減少するので、燃料棒の過熱が起こり、燃料棒が損傷する危険がある。
【００１４】
図３に示されるようなフェルール形燃料スペーサは、格子形スペーサほど燃料棒表面から液膜を剥ぎ取らないことを本発明者は更に認識した。図３に示されるように、液膜からの液体の同伴を促進することにより、液体冷却材と燃料棒表面との接触の喪失を加速し且つ／又は冷却材への熱伝達の劣化を加速する結果を招く格子形スペーサ格子の「ウェッジ」２４をフェルール形スペーサ格子は含んでいない。改良型沸騰水型軽水炉（ＡＢＷＲ）における冷却材炉心流れの急激な喪失をシミュレートする実寸燃料束試験によれば、格子形スペーサと比較して、フェルール形スペーサの過渡流れ状態に対する感度は低いことが実証された。これは、１つには、フェルール形スペーサが液膜流れと燃料棒表面との接触を延長できる機能を有しているためである。試験において、ドライアウトの初期裕度と過渡状態の間に記録された最小裕度との比として測定されるそのような流れ過渡事象に対するフェルール形スペーサの応答は、格子形スペーサと比較して約１０分の１のレベルであった。
【００１５】
出口位置、すなわち燃料束を通って流れる冷却材の出口に近接する燃料束の場所にあるスペーサは、他の場所のスペーサより液膜流れと燃料棒表面との接触の喪失を引き起こしやすく、その後、過渡流れ状態の間にドライアウトパッチを形成しやすいことを本発明者は認識した。特に、過渡流れ状態の間、燃料束の出口付近で、フェルール形スペーサは格子形スペーサと比較して液膜と燃料棒表面との接触を延長できる。例えば、液体の形の冷却材の濃度が燃料束の出口付近で非常に低い割合に達し、燃料棒表面から液膜を引き剥がそうとする「ウェッジ」の副作用が特に大きな害を及ぼす場合を含む特定の状況において、フェルール形スペーサにより実現されるこの接触の延長は、混合羽根を有する格子形スペーサにより実現される混合の改善により得られる利点に優る。
【００１６】
従って、先に認識された実施形態の格子形スペーサ及びフェルール形スペーサの効果を最も適切に利用でき且つ正常動作状態及び過渡動作状態の間に熱伝達を改善できる場所で、実施形態の燃料束は格子形スペーサ及びフェルール形スペーサの双方を使用する。
【００１７】
図４は、燃料束１００の一実施形態を示した図である。図４に示されるように、燃料束１００は、図１に示されるような従来の燃料束１０に類似するいくつかの特徴を含んでもよいので、それらの特徴については重複する説明を省略する。実施形態の燃料束１００は、特定のスペーサ１２０の軸方向位置に基づいて、異なる形のいくつかのスペーサ１２０を含んでもよい。実施形態の燃料束１００は２つのスペーサ１２０ａ及び１２０ｂを含むものとして示されるが、実施形態の燃料束において任意の数のスペーサが使用されてよいことは理解される。
【００１８】
冷却材が完全な液体である確率が最も高い場所である燃料束１００の入口１０１の付近に配置されるスペーサ１２０ａは、図２に示されるような混合羽根又は流れ羽根を有する実施形態の格子形スペーサ２１であってもよい。冷却材が多くの空隙を含み且つ気体状になっている確率が最も高い燃料束１００の出口１０２に近いスペーサ１２０ｂは、図３に示されるような実施形態のフェルール形スペーサ２５であってもよい。このように、実施形態の格子形スペーサ１２０ａによる液体混合の増加と、液体の形の冷却材が燃料棒の表面に沿った液膜として存在する場合が通常最も多い燃料束出口により近接するスペーサ位置で液膜の剥がれを減少するための構造の改善の双方から得られる利点を実施形態の燃料束１００は有してもよい。それら２つのスペーサの間にある中間スペーサ及び／又は図示されない他の任意のスペーサは、燃料束１００を冷却する冷却材の特性に応じて格子形又はフェルール形のいずれであってもよい。
【００１９】
以上説明した格子形燃料スペーサ及びフェルール形燃料スペーサの特性並びに特定のスペーサ場所及び特性の認識に基づいて、当業者は、実施形態の燃料束１００のスペーサ１２０ａ、１２０ｂなどとして最良のスペーサの形を判定してもよい。例えば、炉心全体の燃料束に関して予測される炉心流量、入口冷却材温度及び空隙率、燃料束温度及び発熱量、熱伝達係数などを含む冷却材条件をシミュレートし且つ燃料束１００の臨界出力比、核沸騰からの偏差などの最良の動作パラメータを得るために特定の場所でフェルール形スペーサ及び格子形スペーサをどのように混合して使用すべきかを判定するために、工学的試験が実施されてもよい。
【００２０】
あるいは、燃料束１００の最良の動作パラメータを得るために特定の場所でフェルール形スペーサ及び格子形スペーサをどのように混合して使用すべきかを判定するために、正常動作シナリオ又は過渡動作シナリオをシミュレートするための周知のモデリングプログラムが使用されてもよい。
【００２１】
更に、特定の燃料束場所及び燃料束中の特定の軸方向位置で将来現れると考えられる炉心流量、入口冷却材温度及び空隙率、燃料束温度及び発熱量、熱伝達係数などを含む将来の冷却材条件を予測するために、技術者は自身の経験及び工学的解析を使用してもよい。それらの冷却材特性に基づいて、燃料束１００の臨界出力比、核沸騰からの偏差などの最良の動作パラメータを得るために特定の場所でフェルール形スペーサ及び格子形スペーサをどのように混合して使用すべきかを技術者は判定してもよい。
【００２２】
要するに、実施形態の燃料束を設計し且つ製造する場合、技術者は、正常動作及び過渡動作を含めて動作中のターゲット燃料束の応答を判定してもよく、スペーサの形により影響を受ける冷却材特性を含めて、正常動作中及び過渡動作中に現れる冷却材特性を判定してもよく且つ／又は所望の動作パラメータ、冷却材特性及び先に説明したスペーサ特性に基づいて、軸方向スペーサ位置ごとにスペーサの形を割り当ててもよい。判定されたスペーサの形及び位置に基づき、政府の規制、確立されている設計手順及び周知の製造技術に従って、実施形態の燃料束が設計されてもよい。
【００２３】
実施形態及び方法を説明したが、日常的な実験作業を通して、更なる発明的活動を必要とせずに実施形態が変形されてもよいことは当業者には理解されるだろう。変形は実施形態の精神及び範囲からの逸脱とみなされてはならず、当業者には自明であると考えられるそのような変形のすべては、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれるべきである。
【符号の説明】
【００２４】
１０    燃料集合体
１２    外側チャンネル
１４    上部タイプレート
１６    下部タイプレート
２０    スペーサ
１８    全長燃料棒
１９    部分長燃料棒
１００    燃料束
１２０ａ    格子形スペーサ
１２０ｂ    フェルール形スペーサ
２５    フェルール形スペーサ
２１    格子形スペーサ
【図１】
2011080988.tif 000003
【図２】
2011080988.tif 000004
【図３】
2011080988.tif 000005
【図４】
2011080988.tif 000006