(57)【要約】【課題】シンブル管に隣接する位置にある燃料棒はどうしても出力が大きくなりがちであり、熱的余裕が少ない。このため、その様な燃料棒用に、流路抵抗が少なく、また攪拌効果が大きい旋回羽根を提供する。またかかる旋回羽根が支持グリッドに設置された加圧水型原子炉用の燃料集合体および燃料集合体の支持グリッドを提供する。【解決手段】少なくとも一部の支持グリッドにおいては、シンブル管に隣接する位置の一部または全部の旋回羽根を、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根に比べて大きくしていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体。前記少なくとも一部の支持グリッドにおけるシンブル管に隣接する位置の旋回羽根の面積は、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えないことを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体。かかる燃料集合体の支持グリッド。【選択図】図４
2008064464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部の支持グリッドにおいては、シンブル管に隣接する位置の一部または全部の旋回羽根を、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根に比べて大きくしていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体。
【請求項２】
前記少なくとも一部の支持グリッドにおけるシンブル管に隣接する位置の旋回羽根の面積は、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えないことを特徴とする請求項１に記載の加圧水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
上方から２〜４個の支持グリッドにおいては、シンブル管に隣接する位置の旋回羽根の面積は、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えないことを特徴とする請求項１に記載の加圧水型原子炉用燃料集合体。
【請求項４】
シンブル管を通す格子に隣接する位置の一部または全部の旋回羽根を、シンブル管を通す格子に隣接しない位置の旋回羽根に比べて大きくしていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッド。
【請求項５】
シンブル管を通す格子に隣接する位置の旋回羽根の面積は、シンブル管を通す格子に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を越え２．２５倍を越えないことを特徴とする請求項４に記載の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッド。
【請求項６】
燃料集合体の上方から２〜４個の位置に装着され、シンブル管を通す格子に隣接する位置の旋回羽根の面積は、シンブル管を通す格子に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えないことを特徴とする請求項４に記載の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加圧水型原子炉用燃料集合体に関し、特に支持グリッドに設置される旋回羽根を、シンブル管に隣接する位置では隣接しない位置よりも形状、寸法を大きくした加圧水型原子炉用燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子炉用の燃料集合体の概略の全体構造を図１に示す。図１において、１０は上部ノズルであり、２０は下部ノズルであり、３０は支持グリッドであり、３０ａは最上部支持グリッドであり、３０ｂは最下部支持グリッドであり、４０は燃料棒であり、５０はシンブル管である。
【０００３】
燃料集合体においては、上部ノズル１０と下部ノズル２０がシンブル管５０により固定されている。また、燃料棒４０は、例えば１７×１７に配列され、その上端部は上部ノズル１０と一体的になった最上部支持グリッド３０ａに固定され、下端部は同じく下部ノズル２０と一体的になった最下部支持グリッド３０ｂに固定され、さらに途中幾箇所かを途中段の幾つかの支持グリッド３０にて弾性支持されている。
なお、前記燃料棒の１７×１７配列においては、内部に制御棒、可燃毒物棒、計装装置等が挿入されるシンブル管５０が、一部の燃料棒に換えて配置されているのが普通である。
【０００４】
支持グリッド３０は、例えば燃料棒が１７×１７配列であれば、外枠用のフレーム材を含めて横方向と縦方向に１８枚ずつの格子板を碁盤の縦横の線（あるいは目）のように配列され、それらが交差する場所（以下、「格子点」と記す）では相互に嵌合され、必要に応じて溶接された構造物である。そして、横方向と縦方向の格子板が交差して形成された各升目内を燃料棒あるいはシンブル管が貫通している。
図２を参照しつつ、支持グリッドを燃料棒あるいはシンブル管が貫通している様子を詳しく説明する。図２は、支持グリッドの隣接する各升目内を、各々燃料棒とシンブル管が隣接して貫通している部分を、上から見た状態で概念的に示した図である。
【０００５】
図２において、３１は水平面内横方向（図では左右方向）に設けられた格子板であり、３２は同じく縦方向（実際の配置では水平面内で前記横方向に直交する方向、ただし図ではいわゆる上下方向）に設けられた格子板であり、３５はソフトストップであり、３６はハードストップである。
【０００６】
また、６０は下方から上方に流れている冷却水に水平（横）方向の流れを与えて旋回させるための羽根（以下、原則として「旋回羽根」と記す）である。７０は、冷却水が旋回しつつ全体として下から上に流れるサブチャンネル（冷却水の通路）である。なお図２では、横方向と縦方向の格子板３１、３２が形成する十字型の仕切り板で、サブチャンネル７０は４つの狭い流路に分けられているが、上下の支持グリッド３０間では１つの流路となる。
【０００７】
横方向の格子板３１と縦方向の格子板３２は、格子点で相互に嵌合し、旋回羽根が傾いている方向と逆の位置で溶接されている。
ソフトストップ３５とハードストップ３６は、燃料棒が貫通する各升目内に各２個ずつ設置され、升目の内部を貫通する燃料棒４０を弾性支持している。
【０００８】
また、燃料棒４０が貫通する正方形の各升目の上部に設けられている旋回羽根６０は、格子板３１、３２の格子点の近傍の上部端面に形成されている升目毎に２個の台形状の突き出しを、それぞれ相対向する方向に折り曲げたものである。図３に、この様子を立体的に示す。この折り曲げにより、燃料棒の外周を下方から上方に流れる冷却水に旋回を与えて良好な混合、そして冷却効果の増大を図るものである（特許文献１）。
なお、シンブル管５０は発熱しないため、シンブル管５０が貫通する箇所の旋回羽根６０は、冷却水を少しでもシンブル管５０から引き離して燃料棒４０の方に向かわせる方向に向いて取付けられている。
この旋回羽根の横（水平方向）幅と上下方向の長さは、それぞれ燃料棒のピッチをＰ、直径をＤとしたとき、（１．４Ｐ−Ｄ）／５ｍｍからその４倍程度であり、厚さは０．１ｍｍから１ｍｍ程度である。
【０００９】
この旋回羽根による冷却水の旋回効果が小さいと燃料棒の冷却が不十分となり、最悪の場合には沸騰遷移（核沸騰）が生じ、燃料棒の温度の急上昇、ひいては焼損につながりかねない。このため、燃料棒の外周を下方から上方に流れる冷却材に旋回を与えて良好な混合、そして冷却効果の増大を行う旋回羽根の効果を一層発揮させるために種々の発明がなされている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平５−１７２９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ただし、この旋回用の羽根は、あまり小さいと冷却水の旋回効果が小さくなり、大きすぎると旋回効果は充分であるが流路抵抗が増加し、冷却水循環用ポンプの負荷や消費電力が増加する。このため、これらの長短を踏まえて適度な大きさとされており、現在の加圧水型原子炉では流路方向の長さは１０ｍｍ程度、幅は５ｍｍ程度とされている。
しかしながら、近年の加圧水型原子炉に対する発電コストを低下させる要望はますます厳しくなってきている。
このため、旋回羽根についても、冷却水の旋回効率が一層良好であり、しかも流路抵抗が少ないことという要請が強くなっている。
【００１１】
また、原子力発電に対する安全性の要請も近年ますます厳しくなっているが、前記のごとく旋回羽根の適切な効果の発揮は燃料棒の安全性に密接に関係するため、現在以上に旋回付与効果を、ひいては冷却効果を発揮できる、そして安全性にも寄与することとなる旋回羽根の開発が望まれている。
また、そのような旋回羽根が設置された支持グリッドを有する燃料集合体の開発が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、少なくとも一部の支持グリッドにおいては、燃料集合体の支持グリッドに設置する旋回羽根を、シンブル管に隣接した位置の旋回羽根の形状、寸法を、シンブル管に隣接していない位置の旋回羽根より大きくしたものである。以下、各請求項の発明を説明する。
【００１３】
請求項１に記載の発明は、
少なくとも一部の支持グリッドにおいては、シンブル管に隣接する位置の一部または全部の旋回羽根を、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根に比べて大きくしていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体である。
【００１４】
シンブル管内には冷却水が入り込んでいるが、水による中性子の減速効果は大変大きく、このためシンブル管の近傍の中性子スペクトルは軟らかくなり、ウラン２３５に吸収され易くなる。その結果、シンブル管に隣接する位置にある燃料棒の出力は、シンブル管に隣接していない位置にある燃料棒に比べて増加しがちであり、その結果発熱量が増大しがちとなる。このため、シンブル管に隣接する位置にある燃料棒は、熱的条件が厳しくなりがちである。
【００１５】
また、シンブル管は直径が燃料棒より大きいため、１本のシンブル管と３本の燃料棒で囲まれたサブチャンネルは、４本の燃料棒で囲まれたサブチャンネルに比べて流路の断面積が狭く、この面からもシンブル管に隣接する位置にある燃料棒の熱的条件は厳しくなる。
【００１６】
しかるに、本請求項の発明における燃料集合体においては、少なくとも一部の支持グリッドにおいては、支持グリッドに取付けられている旋回羽根は、シンブル管に隣接する位置のものは、シンブル管に隣接しない位置のものに比べて面積、形状、寸法を大きくしている。この結果、冷却水への旋回付与効果が大きくなり、冷却水はその分強く旋回し、さらには混合、攪拌が増加し、燃料棒の冷却効果が増大する。この結果、シンブル管に隣接する位置にある燃料棒は、シンブル管に隣接していない位置の燃料棒よりも出力が大きくても充分良好に冷却されることとなる。しかも、かかる位置にある旋回羽根の割合は少ないため、旋回羽根を大きくしたことによる流路抵抗への悪影響は僅かである。
【００１７】
なおここに、「シンブル管に隣接する位置の一部または全部の旋回羽根」とは、シンブル管が貫通する升目の４つの頂点（格子点）のシンブル管側および反シンブル管側に位置する旋回羽根、あるいは１本のシンブル管と３本の燃料棒で囲まれたサブチャンネル内の冷却水に旋回を与える旋回羽根の一部または全部という意味である。
【００１８】
また、「少なくとも一部の支持グリッドにおいては、シンブル管に隣接する位置の一部または全部の旋回羽根を」とは、燃料集合体の下方にある支持グリッドでは、通過する冷却水の温度が比較的低いため、たとえシンブル管の近くに位置する燃料棒であっても熱的に充分な余裕がある場合があり得る。また、可燃毒物棒用のシンブル管の近傍では中性子密度が低くなるため、同様に熱的に余裕がある場合があり得る。これらのため、一部の支持グリッドの一部のシンブル管に隣接する位置の旋回羽根のみが大きくされている場合も考えられ得るが、これらの場合も本発明に含まれる趣旨である。
【００１９】
また、燃料棒の弾性支持部に格子板による升目に換えてフェルール構造を採用し、旋回羽根はフェルール間を跨ぐようにして取付けられている構造の支持グリッドも提案されている。この場合でも、シンブル管に隣接する位置の旋回羽根が、隣接しない位置の旋回羽根より大きい限り、本発明に含まれる。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用燃料集合体であって、
前記少なくとも一部の支持グリッドにおけるシンブル管に隣接する位置の旋回羽根の面積は、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えないことを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体である。
【００２１】
本請求項の発明においては、前記少なくとも一部の支持グリッドにおけるシンブル管に隣接する位置の旋回羽根の面積は、当該支持グリッドのシンブル管に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えない範囲であるため、各燃料棒の周囲のチャンネル内の冷却水には、より燃料棒の出力に応じた旋回が与えられることとなり、旋回羽根全体の流路抵抗の増加を抑えつつ適切な冷却効果が得られることとなる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用燃料集合体であって、
上方から２〜４個の支持グリッドにおいては、シンブル管に隣接する位置の旋回羽根の面積は、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えないことを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体である。
【００２３】
本請求項の発明においては、熱的に厳しい上方から２〜４個（２〜４段目、なお２個目が特に厳しい）の支持グリッドのシンブル管に隣接する位置の旋回羽根の面積が、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えないため、熱的に厳しい箇所のみ冷却効果を増加させ、全体としての流路抵抗の増加を最小限とするため、請求項１の発明の効果が一層発揮される。
【００２４】
請求項４に記載の発明は、
シンブル管を通す格子に隣接する位置の一部または全部の旋回羽根を、シンブル管を通す格子に隣接しない位置の旋回羽根に比べて大きくしていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドである。
【００２５】
本請求項の発明は、請求項１の発明を、支持グリッドからとらえたものである。
【００２６】
請求項５に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドであって、
シンブル管を通す格子に隣接する位置の旋回羽根の面積は、シンブル管を通す格子に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えないことを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドである。
【００２７】
本請求項の発明は、請求項２の発明を、支持グリッドからとらえたものである。
【００２８】
請求項６に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドであって、
燃料集合体の上方から２〜４個の位置に装着され、シンブル管を通す格子に隣接する位置の旋回羽根の面積は、シンブル管を通す格子に隣接しない位置の旋回羽根の面積の１．０倍を超え２．２５倍を超えないことを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドである。
【００２９】
本請求項の発明は、請求項３の発明を、支持グリッドからとらえたものである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明においては、シンブル管に隣接する位置にある一部または全部の旋回羽根が、シンブル管に隣接しない位置にある旋回羽根より大きいため、シンブル管に隣接するため出力が大きくなりがちな燃料棒の周囲を流れる冷却水が十分に旋回させられ、かかる位置の燃料棒の冷却が良好になされる。しかも、かかる位置にある旋回羽根の割合は少ないため、旋回羽根を大きくしたことによる流路抵抗への悪影響は僅かである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００３２】
本発明の実施の形態の旋回羽根を、図面を参照しつつ説明する。
図４は、本発明の実施の形態の旋回羽根の特徴を概念的に示す平面図である。図４において、６１はシンブル管に隣接して取付けられている旋回羽根であり、６２はシンブル管に隣接しない位置に取付けられている旋回羽根である。また、７１はシンブル管周りのサブチャンネル（１本のシンブル管および３本の燃料棒で囲まれた領域）であり、７２は４本の燃料棒で囲まれたサブチャンネルである。図４は、図２に示したのと同じ場所であるが、シンブル管に隣接する位置の旋回羽根６１は、シンブル管に隣接しない位置の旋回羽根６２より大きくされている。
【００３３】
具体的には、シンブル管に隣接する位置の旋回羽根６１の長さと幅は各々１２ｍｍと６ｍｍであり、隣接していない位置の旋回羽根６２の長さと幅は各々１０ｍｍと５ｍｍである。このため、シンブル管に隣接する位置の旋回羽根６１は、シンブル管に隣接していない位置の旋回羽根６２に比べて、面積で４０％程度大きくなる。
【００３４】
このため、シンブル管と３本の燃料棒で囲まれるサブチャンネル７１内では、４本の燃料棒に囲まれるサブチャンネル７２内に比べて、旋回羽根の流路方向への投影面積が大きくなり、その分冷却水の旋回ひいては攪拌が大きくなり、冷却効果が増加することなる。
【００３５】
図５に、ある形状、寸法の旋回羽根を基準にして、投影面積比の増減が、限界熱流束比（ＤＮＢ比）に及ぼす影響を示す。図５の横軸は投影面積比であり、縦軸は限界熱流束比である。図５より、投影面積比の増加に応じて限界熱流速比が単調に増加していくのが判る。このため、シンブル管に隣接する旋回羽根を大きくすれば、それだけシンブル管に隣接する位置の燃料棒の熱的余裕が増加することが判る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】燃料集合体において、支持グリッドと燃料棒が配列され、固定されている様子を概念的に示す図である。
【図２】支持グリッドにおいて、燃料棒が格子板に弾性支持されている箇所の様子を概念的に示す平面図である。
【図３】従来の支持グリッドにおいて、旋回羽根が形成されている様子を概念的に示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の旋回羽根の特徴を概念的に示す図である。
【図５】旋回羽根の投影面積比の増加が、燃料棒の限界熱流束比の増加に及ぼす影響を概念的に示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０    上部ノズル
２０    下部ノズル
３０    支持グリッド
３０ａ  最上部支持グリッド
３０ｂ  最下部支持グリッド
３１    格子板（横方向）
３２    格子板（縦方向）
３５    ソフトストップ
３６    ハードストップ
４０    燃料棒
５０    シンブル管
６０    旋回羽根
６１    旋回羽根（シンブル管に隣接）
６２    旋回羽根（シンブル管に隣接しない）
７０    サブチャンネル
７１    シンブル管周りのサブチャンネル
７２    ４本の燃料棒に囲まれたサブチャンネル
【図１】
2008064464.tif 000003
【図２】
2008064464.tif 000004
【図３】
2008064464.tif 000005
【図４】
2008064464.tif 000006
【図５】
2008064464.tif 000007