(57)【要約】      （修正有）【課題】デブリ除去のための改良された燃料集合体のデブリフィルタ底部ノズルを提供する。【解決手段】  本発明の核燃料集合体のデブリフィルタ底部ノズルは、支持スカートと頂部プレートを備えている。頂部ノズルプレートは、これを貫通する複数のフローホールを画定している。各フローホールを通る軸方向の空孔は、ベンチュリ型に形作られている。好ましくは、このベンチュリは、二重の面取りの導入口を備えて形成される。【選択図】  図１
2005195577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伸延された軸方向長さを有する複数の細長い核燃料棒と、前記燃料棒を組織的な配列で支持するとともに、最下グリッドの中に画定された、原子炉に燃料集合体が設置された際に、液体冷却材がその中及び前記燃料棒に沿って流通することを可能にするようにされた非閉塞スペースを有する少なくとも１つの前記最下グリッドと、前記グリッドを通して前記燃料棒に沿って延びるとともに、前記グリッドを支持する複数のガイドシンブルと、前記グリッドの下方、前記燃料棒の下端の下方に配置され、前記ガイドシンブルを支持するとともに、燃料集合体への液体冷却材の流通を可能にするようにされたデブリフィルタ底部ノズルとを含む原子炉用の核燃料集合体であって、前記デブリフィルタ底部ノズルは、前記燃料棒の軸に対して実質的に横方向に延び、前記最下グリッドに向く上面を有する実質的に水平のプレートを有し、前記プレートの前記上面は、前記上面を通して、少なくとも２つの異なるタイプのホールを画定しており、第１のタイプは、前記ガイドシンブルの下端を収容する複数のホールであって、前記複数のホールにおいて、前記ガイドシンブルが前記プレートにより支持される、複数のホールであり、第２のタイプは、前記プレートの下面から前記プレートの前記上面への冷却材液体の通過のための、前記プレートを貫通して伸延する複数のフロースルーホールであり、前記冷却材のフロースルーホールのそれぞれは、前記非閉塞スペースと液体流通状態で実質的に前記燃料棒の軸方向に伸延し、この伸延方向において、少なくとも前記冷却材のフロースルーホールの一部は実質的にベンチュリ形状の輪郭を有する核燃料集合体。
【請求項２】
実質的にベンチュリ形状の輪郭を有する前記冷却材のフロースルーホールは、前記プレートの前記下面の導入口端部と前記プレートの上面の排出口端部とを有し、前記ベンチュリ形状は実質的に、前記導入口端部と前記排出口端部の面取りにより形成される請求項１の核燃料集合体。
【請求項３】
前記導入口の面取りは二つの角度を有する面取りである請求項２に記載の核燃料集合体。
【請求項４】
前記二つの角度を有する面取りは、曲面に近い請求項３に記載の核燃料集合体。
【請求項５】
前記面取りは、面取りＡを前記導入口に最も近い面取り、面取りＢを面取りＡに隣接する面取り、面取りＣを前記フロースルーホールの前記排出口のものとして、次の寸法及び前記フロースルーホールの流れ軸に対する角を有する請求項４に記載の核燃料集合体。
【表１】
2005195577.tif 000005
【請求項６】
前記面取りは、相対寸法及び前記フロースルーホールの流れ軸に対する角、すなわち、
【表２】
2005195577.tif 000006
を有し、ここで、面取りＡは前記導入口に最も近い面取り、面取りＢは面取りＡに隣接する面取り、面取りＣは前記フロースルーホールの前記排出口のもの、Ｌ／Ｔは前記プレートの厚みで除された前記面取りの長さである、請求項４に記載の核燃料集合体。
【請求項７】
ガイドシンブルと連結されない実質的に全ての冷却材の前記フロースルーホールは前記伸延方向においてベンチュリ形状の輪郭を有する請求項１に記載の核燃料集合体。
【請求項８】
前記原子炉に設置された際に、前記プレートを支持手段上でその周辺に固定して前記燃料集合体を支持するようにされた前記支持手段を含む請求項１に記載の核燃料集合体。
【請求項９】
前記冷却材のフロースルーホールは、実質的に円形の断面を有する請求項１に記載の核燃料集合体。
【請求項１０】
前記冷却材のフロースルーホールは、その最も狭い断面において０．４８±０．０２ｃｍ（０．１９０±０．００８インチ）以下の直径を有する請求項９に記載の核燃料集合体。
【請求項１１】
前記冷却材のフロースルーホールは、６．４５平方センチメートル（１平方インチ）あたり約１６個の密度で充填されている請求項９に記載の核燃料集合体。
【請求項１２】
伸延された軸方向長さを有する複数の細長い核燃料棒と、前記燃料棒を組織的な配列で支持するとともに、最下グリッドの中に画定された、原子炉に燃料集合体が設置された際に、液体冷却材がその中及び前記燃料棒に沿って流通することを可能にするようにされた非閉塞スペースを有する少なくとも１つの前記最下グリッドと、前記燃料棒に沿って延びるとともに、前記グリッドを支持する複数のガイドシンブルとを有する原子炉の燃料集合体のためのデブリフィルタ底部ノズルであって、前記デブリフィルタ底部ノズルは、前記グリッドの下方、前記燃料棒の下端の下方に配置されて、前記ガイドシンブルを支持し、前記燃料集合体への液体冷却材の流通を可能にするようにされるよう設計され、前記デブリフィルタ底部ノズルは、前記燃料棒の軸に対して実質的に横方向に延び、前記最下グリッドに向けられる上面を有する実質的に水平のプレートを有しており、前記プレートの前記上面は、前記上面を通して、少なくとも２つの異なるタイプのホールを画定しており、第１のタイプは、前記ガイドシンブルの下端を収容する複数のホールであって、前記複数のホールにおいて、前記ガイドシンブルが前記プレートにより支持される、複数のホールであり、第２のタイプは、前記プレートの下面から前記プレートの前記上面への冷却材液体の通過のための、前記プレートを貫通して伸延する複数のフロースルーホールであり、前記冷却材のフロースルーホールのそれぞれは、前記燃料集合体に組み入れられた際に、前記非閉塞スペースと液体流通状態で実質的に前記燃料棒の軸方向に伸延し、この伸延方向において、少なくとも前記冷却材のフロースルーホールの一部は実質的にベンチュリ形状の輪郭を有するデブリフィルタ底部ノズル。
【請求項１３】
伸延された軸方向長さを有する複数の細長い核燃料棒と、前記燃料棒を組織的な配列で支持するとともに、最下グリッドの中に画定された、原子炉に燃料集合体が設置された際に、液体冷却材がその中及び前記燃料棒に沿って流通することを可能にするようにされた非閉塞スペースを有する少なくとも１つの前記最下グリッドと、前記燃料棒に沿って延びるとともに、前記グリッドを支持する複数のガイドシンブルと、前記グリッドの下方、前記燃料棒の下端の下方に配置され、前記ガイドシンブルを支持するとともに、燃料集合体への液体冷却材の流通を可能にするようにされたデブリフィルタ底部ノズルとを含む原子炉用の核燃料集合体であって、前記デブリフィルタ底部ノズルは、前記燃料棒の軸に対して実質的に横方向に延び、前記最下グリッドに向く上面を有する実質的に水平のプレートを有し、前記プレートの前記上面は、前記上面を通して、少なくとも２つの異なるタイプのホールを画定しており、第１のタイプは、前記ガイドシンブルの下端を収容する複数のホールであって、前記複数のホールにおいて、前記ガイドシンブルが前記プレートにより支持される、複数のホールであり、第２のタイプは、前記プレートの下面から前記プレートの前記上面への冷却材液体の通過のための、前記プレートを貫通して伸延する複数のフロースルーホールであり、前記冷却材のフロースルーホールのそれぞれは、前記非閉塞スペースと液体流通状態で実質的に前記燃料棒の軸方向に伸延し、少なくとも前記冷却材のフロースルーホールの一部は二重の導入口の面取りを有する核燃料集合体。
【請求項１４】
前記二つの角度を有する面取りは、曲面に近い請求項１３に記載の核燃料集合体。
【請求項１５】
ガイドシンブルと連結されない前記冷却材のフロースルーホールの全ては、前記二重の角度の導入口の面取りを含む請求項１３に記載の核燃料集合体。
【請求項１６】
前記面取りは、寸法及び前記フロースルーホールの流れ軸に対する角、すなわち、
【表３】
2005195577.tif 000007
を有し、ここで面取りＡは前記フロースルーホールの導入口に最も近い面取り、面取りＢは前記導入口から離間して面取りＡに隣接する面取りである、請求項１３に記載の核燃料集合体。
【請求項１７】
前記面取りは、相対寸法及び前記フロースルーホールの流れ軸に対する角、すなわち、
【表４】
2005195577.tif 000008
を有し、ここで面取りＡは前記導入口に最も近い面取り、面取りＢは面取りＡに隣接する面取り、面取りＣは前記フロースルーホールの前記排出口のもの、Ｌ／Ｔは前記プレートの厚みで除された前記面取りの長さである、請求項４に記載の核燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して原子炉に関し、より詳細には、核燃料集合体のためのデブリフィルタ底部ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の冷却材循環システムを含む要素の製造、それに続く、設置、及び、補修の間に、反応炉容器及びこれに関連する、各種の稼働条件下において一次反応炉冷却材ループ中に冷却材を循環させるシステムからの全てのデブリの除去の確実性を高めるために絶え間ない努力が行われている。デブリろ過の確実性を高めるための入念な手順が実行されるが、このような除去を達成するために使用される安全策にもかかわらず、経験によれば、システム中にいくらかの破片や金属粒子がなお隠されたままとなっている。ほとんどのデブリは、おそらくは、蒸気生成器の補修又は据え替えの後に一次システムに残される金属の削り屑からなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、特に、多くの反応炉において、最下グリッドに捕獲されたデブリによる燃料集合体のダメージが注目されている。デブリは、プラントの稼働開始時に、下部炉心支持プレートの冷却材流通口から燃料集合体の底部ノズルフローホールを通して侵入する。デブリは、燃料集合体の最下支持グリッドにおいて、グリッドの「卵用かご」形のセル壁と燃料棒管の下端部の間のスペース中に留まる傾向がある。ダメージは、燃料棒管の外部に接触するデブリのフレッティングにより生じる管の穴からなる。デブリは、また、ノズルプレートのホールにおいて絡まり、流通する冷却材がデブリを旋回させ、これは、燃料棒の被覆を切断する傾向がある。
【０００４】
原子炉からのデブリの除去を実行するためにいくつもの異なる手法が提案され、試みられてきた。これらの手法の多くは、Mayers他に付与された米国特許第４，０９６，０３２号において論じられる。他の手法は、本譲受人に譲渡された米国特許第４，９００，５０７号において相互参照される各種の特許中に説明、記載される。引用される特許及び相互参照中に記載される全ての手法は、相当程度良好に作用し、これらが設計された動作条件の範囲下で、全体としてその目的を達成しているが、現在開発中のより進歩した燃料設計に要求される底部ノズルでの圧力降下の低減の改善に対処するために、原子炉におけるデブリろ過の問題への更に改良された手法に対する必要性がなお存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記した必要性を満足させるために設計された燃料集合体のデブリフィルタ底部ノズルを提供する。本発明の底部ノズルは、米国特許第４，９００，５０７号に開示されたフローホールの以前に使用されていたよりも直径の小さいフローホールを有するという考え方を採用し、ノズルプレートでの圧力降下の低減がさらに改善されたノズルプレートを含む。フローホールの直径は、その最も狭い狭隘部において、普通ならば主に底部ノズルと最下グリッドの間の区画及び最下グリッドの非閉塞のスペースに集積し、燃料棒のフレッティング事故を生じさせるダメージ誘発サイズのデブリを除去するためのサイズとなる、好ましくは０．４８ｃｍ（約０．１９０インチ）である。米国特許第４，９００，５０７号（以下、‘５０７号特許と称す）に記載するように、この設計での底部ノズルを通る全流路領域は従来技術の底部ノズルを通る全流路領域よりも小さいにもかかわらず、この考え方は、意外にも、従来技術の底部ノズルと比較して、デブリフィルタ底部ノズルの圧力降下を低減させる。原子炉下部炉心プレートにおける冷却材導入口のフローホールの直上のそれぞれのノズルプレートの局所領域において、より小さいフローホールのデブリフィルタ底部ノズルのパターンによって、より大きいフローホールの従来技術の底部ノズルのパターンによるよりも著しく大きい流路領域が提供される。
【０００６】
本発明の一実施形態は、底部ノズルプレートでの圧力降下を更に低減させるため、フローホール(flow hole)にベンチュリ形状を与える。第２の実施形態は、底部ノズルプレートのフロースルーホール(flow through hole)の導入口のみ又は導入口と排出口の双方のいずれかを面取りしてベンチュリ形状を形成することで、この発明の製造性をさらに向上させる。
【０００７】
好ましい実施形態では、フロースルーホールを通る導入口は、二重に面取りが施されており、二重の面取り間の角度が、最小の圧力降下を提供するように最適化されている。二重の面取りは、曲面の機械加工に付随する費用や困難さを伴うことなく、ホールを通る流れを能率的にさせる半径、即ち、湾曲に近い。
【０００８】
このように、本発明は、複数の核燃料棒を有し、少なくとも１つの最下グリッドが燃料棒を組織的な配列に支持し、そこに画定され、液体冷却材のその中での流れることができるようにする非閉塞スペースを有する少なくとも１つの最下グリッドを含む原子炉の燃料集合体に有用なデブリフィルタ底部ノズルに関する。デブリフィルタ底部ノズルは、グリッドの下方に隣接して、燃料棒の下端の下方に配置される。底部ノズルは、最下グリッドに向き、最下グリッドを通る非閉塞スペースの最大寸法よりも大きいサイズのデブリのほとんどが、アパーチャの排出オリフィスの下、中、又は、その近傍で捕獲されるように個々にサイズ決めされた複数のフローアパーチャ(flow aperture)をその中に画定する支持手段上に固定されたノズルプレートを有する。このように、液体冷却材によりノズルプレートを通って運ばれるデブリのほとんどは、非閉塞のグリッドスペースを通過する程度に十分に小さいのに対して、非閉塞のグリッドスペースを通過できず、グリッド中に集積する程度に十分に大きい液体冷却材により運ばれるほとんどのデブリは、フローアパーチャを通過せず、又は、フローアパーチャの排出口近傍で保持される。底部ノズルプレートでの圧力降下の低減は、フロースルーホール中にベンチュリ形状を形成することで達成される。本発明の設計の製造性、検査性の更なる向上は、フロースルーホールの排出口側に面取りを、好ましくは、導入口側に二重の面取りを形成することにより達成される。‘５０７号特許において達成されたよりもいくらかの圧力降下の低減が望ましいが、低減の量は重要ではない場合には、排出口の面取りをなくすことにより更なる製造コストの節約が達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下の好ましい実施形態についての説明を添付の図面とともに読むことで、本発明の更なる理解を得ることができる。
【００１０】
以下の説明において、複数の図面を通して、同様の参照符号は、同様又は対応する部分を示している。また、以下の説明において、「前方」、「後方」、「左」、「右」、「上方」、「下方」などの用語は、便宜上の語句であり、限定的な用語と解釈されるべきではないことを理解されたい。
【００１１】
＜燃料集合体＞
ここで、各図面、特に、図１を参照すると、縦方向に短縮した形態で表現され、全体を参照番号１０により示される燃料集合体の立面図が示されている。燃料集合体１０は、加圧水型炉において使用されるタイプであり、その下端において（詳細が後述される）本発明のデブリフィルタ底部ノズル１２を含む構造骨格を有している。底部ノズル１２は、原子炉（図示せず）の炉心領域における下部炉心支持プレート１４上において燃料集合体１０を支持する。また、燃料集合体１０の構造骨格は、底部ノズル１２に加えて、その上端の頂部ノズル１６と、底部及び頂部ノズル１２、１６の間に縦方向に延び、その両端がこれらにしっかりと固定された複数のガイド管或いはシンブル１８を有する。
【００１２】
燃料集合体１０は、更に、グリッドシンブルチューブ１８に沿って軸方向に離間されて取り付けられた複数の横方向グリッド２０と、横方向に離間され、グリッド２０により支持される細長い燃料棒２２の組織的配列を含む。また、集合体１０は、その中心に位置し、底部及び頂部ノズル１２、１６の間に延び、これらに取り付けられた計装管２４を有する。このような各部の構成（arrangement）により、燃料集合体１０は、集合体の各部にダメージを与えることなく好適に取り扱うことができる一体ユニットを形成する。
【００１３】
上記したように、集合体１０においてアレイの燃料棒２２は、燃料集合体の長さ方向に沿って離間されたグリッド２０により、相互に離間した関係で保持されている。各燃料棒２２は、核燃料ペレット２６を含み、上端プラグ２８及び下端プラグ３０により両端が閉じる。ペレット２６は、上端プラグ２８とペレットの積層の頂部との間に配置されたプレナムばね３２により積層状態に保持される。核分裂物質からなる燃料ペレット２６は、反応炉の無効電力を生成する役割を果たす。水やホウ素含有水などの液体の減速材／冷却材は、下部炉心プレート１４の複数のフロー開口を通して燃料集合体に向けて上方に汲み上げられる。燃料集合体１０の底部ノズル１２は、ガイド管１８を通して、又、集合体の燃料棒２２に沿って、冷却材を上方に通過させ、これにより、有用負荷の生成のためにここで生成される熱を抽出する。
【００１４】
核分裂過程を制御するために、複数の制御棒３４が燃料集合体１０の所定の位置に配置されたガイドシンブル１８中を往復方向に移動可能にされる。特に、頂部ノズル１６上に位置する棒クラスター制御機構３６が制御棒３４を支持する。この制御機構は、半径方向に延びる複数の爪又は腕３８を備える内側にねじ切りされた円筒部材３７を有する。各腕３８は、全て既知の態様で、制御棒機構３６がガイドシンブル１８中において鉛直方向に制御棒を移動させるように動作し、これにより、燃料集合体１０における核分裂過程を制御するように、制御棒３４に相互に接続される。
【００１５】
＜デブリフィルタ底部ノズル＞
上記したように、燃料棒の燃料担持領域を支持するグリッド２０の最下のグリッドにおいて、又は、その下において捕獲されたデブリに起因する燃料集合体のダメージが問題であることが明らかとなっている。したがって、このようなダメージの発生を防ぐため、底部ノズルのフローホール又は底部ノズルのフローホールの排出口と隣接する構造との間の界面を通過するデブリを最小化することが極めて望ましい。
【００１６】
本発明は、下部炉心プレート１４上において燃料集合体１０を支持することに加えて、更に、‘５０７号特許の設計において得られた圧力降下の低減に勝る圧力降下の低減を伴って、底部ノズルを通して上方に通過する冷却材流から潜在的にダメージを与えるサイズのデブリを除去するように作用する特徴を含む底部ノズル１２に関する。底部ノズル１２は、例えば、図２に示すスカート４０のような支持手段を含む。支持手段、この実施形態ではスカート４０は、下部炉心プレート１４上において燃料集合体１０を支持する複数の隅部脚４２を含む。概して矩形の平板状プレート４６が、支持スカート４０の上部表面４４に、溶接などにより、適宜に取り付けられている。本発明のデブリフィルタ底部ノズル１２のノズルプレート４６においては、多数の小ホール４８が、下部炉心支持プレート１４を通るフローホールの領域に集中しており、底部ノズルアダプタープレート４６を通る燃料集合体１０での流れや圧力降下に悪影響を与えることなくダメージを与えるサイズのデブリを除去するようにサイズ決めされる。この点において、本発明のデブリフィルタ底部ノズル１２は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４，９００，５０７号に記載されるものと極めて類似している。‘５０７号特許のデブリフィルタ底部ノズル１２においては、フローホール４８は、各フローホールに導入口の面取りを含んでいた。他の点では、‘５０７号特許のフローホール４８は、好ましくは断面サイズにおいて均一であり、プレート４６の各所をその長さ及び幅に渡って実質的に覆うパターンを規定していた。
【００１７】
フローホール４８の直径は、最下支持グリッド２０において通常捕捉されるサイズのほとんどのデブリを通過させない。フローホール４８の直径は、支持グリッド２０のセルを通る非閉塞スペースの断面よりも大きい断面を有するほとんどのデブリを捕捉するに十分に小さいため、デブリがこれらのプレートフローホール４８を通過するに十分に小さければ、デブリはほとんどの場合グリッド２０をも通過することになる。このような非閉塞スペースは、グリッド２０を形成する交互配置されたストラップにより形成される隣接する隅部に見られ、それぞれの窪み及びばねがグリッドセルを通って延びるグリッドストラップ及び燃料棒２２上に形成されて、隅部により区画される。ほとんどのデブリがグリッドの非閉塞スペースを通過するに十分に小さいことを確実にすることで、本発明のデブリフィルタ底部ノズル１２は、デブリに起因する燃料棒の事故の可能性を顕著に低減させる。本発明による改良は、特に、フロースルーホール４８の排出口が隣接する構造と共働して効果的に動作して流れの経路を更に制限する場合には、ノズルプレート４６のフロースルーホール４８の最も狭い断面が支持グリッド２０のセルを通る非閉塞スペースの最も大きい断面の大きさと同じかそれよりも小さいことを必要とはしないことが理解されるべきである。例えば、ノズルプレート４６の上方０．０６４〜０．３１８ｃｍ（約．０２５〜０．１２５インチ）に通常位置する保護グリッドが採用された場合、グリッドストラップは更に流れを制限し、保護グリッドとノズルプレートの間の領域でデブリを捕獲する。
【００１８】
デブリに起因する燃料棒事故を生じた反応炉からの燃料集合体の燃料監視水中テレビカメラの写真についての総合的な分析に基づいて、フローホール４８について、０．４８±０．０２ｃｍ（０．１９０±０．００８インチ）が好ましいものとして、０．４８ｃｍ（約０．１９０インチ）の公称直径が選択された。ホール４８の直径は幾分より小さくすることが可能である。観測された全ての一次的なデブリに起因する燃料棒事故は、最下グリッドにおいて、又は、その下で発生しており、幅が０．４８ｃｍ（０．１９０インチ）よりも幾分大きいデブリによって生じていると思われる。最下グリッドよりも上方では、ほとんど、又は、全く重大なダメージが観測されないことから、反応炉冷却材システムに通常存在する他のより小さなデブリはその性質が比較的もろく、棒のダメージを引き起こしそうにないものと考えられる。これまでは、証拠が、ダメージを生じるサイズのデブリは最下グリッド２０により効果的に阻止されることを示唆している。底部ノズルプレート４６に画定された０．４８ｃｍ（約０．１９０インチ）の直径にされたフローホール４８を有するデブリフィルタ底部ノズル１２は、一次冷却材流により燃料集合体に運び込まれる潜在的に棒にダメージを与える金属デブリを９０％低減させるものと推測される。実質的に幅が０．４８ｃｍ（０．１９０インチ）より大きいデブリが不釣り合いな程度の燃料棒のダメージを生じさせ得るように考えられることから、このような評価は穏当なものかもしれない。
【００１９】
図３を参照すると、多数のフローホール４８に加えて、プレート４６は、１つの中央計装管孔５０と相当数のガイドシンブル孔５２を有していることが分かる。‘５０７号特許に記載されるフローホール４８は、０．３６ｃｍ（約０．１４０インチ）の長さでホール４８の軸に約１５°±３°の角を成す長いテーパ状の導入口の面取りを有していた。導入口の面取りは、それぞれのフローホール４８において、流れを最適化させるために、即ち、より小さいフローホール４８に固有のより高い摩擦の性状による損失係数の増大を最小化するうために採用された。より長い面取りは、アダプタープレートホール４８中において流れる水流が再付着し、燃料集合体１０での圧力降下の増加を防ぐものと考えられていた。従来の底部ノズルを備える集合体と比べて、デブリフィルタ底部ノズル１２を備える燃料集合体での圧力降下のいかなる増加も望ましくはなく、ほぼ間違いなく受け入れられない。‘５０７号特許のデブリフィルタ底部ノズルはより小さいフローホールを提供したが、従来のオリジナルの底部ノズルの設計よりもフローホールの数が多かった。‘５０７号特許のデブリフィルタ底部ノズルを通る全流路領域は、それが適用される燃料集合体に対しては、顕著には低減されなかった。しかし、‘５０７号特許の設計におけるデブリフィルタ底部ノズルの流路領域及び対応する圧力降下は、より進歩した燃料設計には限られた制限であることが判明した。
【００２０】
本発明によってノズルプレート４６を通る冷却材の流れ経路を最適化することにより、デブリフィルタ底部ノズルは更に改良された。‘５０７号特許のデブリフィルタ底部ノズルのデザインでの（導入口の面取りを有する）直線状の空孔フローホールは、この発明により、その断面が図４に示されるベンチュリ型フローホールに置換された。ベンチュリ５４は、空孔に接しても接しなくてもよい比較的大きい半径の丸まった導入部と導出部から構成された。ベンチュリ型のフローホールは、顕著に圧力降下を低減させてノズル１２の流水効率を改善させた。炉心流れ条件（５００，０００レイノルズ数）に外挿される高圧力降下試験は、ベンチュリ型のフローホールを有する改良されたデブリフィルタ底部ノズルが圧力降下及び対応する損失係数を約５３％低減させることを示した。更に、ベンチュリ型の狭められたのど部の直径は、‘５０７号特許の設計の標準的なデブリフィルタ底部ノズルのフローホール空孔と同等であるため、デブリろ過は弱められなかった。
【００２１】
過去の経験から、異なるサプライヤーによる同一の図面に対して作られたノズルにおける圧力降下の相違が示されてきた。あるケースでは、その相違は、製造工程と異なるデバリング方法が原因であることが突き止められた。導入口の面取りに加えて排出口の面取りと組み合わされた一つの方法は、現在開発中の発展型の燃料設計に要求される圧力降下を達成するノズルを提供できた筈である。しかし、この手作業によるデバリングのプロセスの規格、制御及び検査は極めて困難であることが分かった。デブリフィルタ底部ノズル１２のベンチュリ型フロースルーホールのデザイン５４は製造的観点からノズルフロープレート４６を通る冷却材の流れ経路を最適化することで拡張された。‘５０７号特許に記載された１重の導入口の面取りを有する直線状空孔のフローホールは、ベンチュリ５４を形成するように、図５に示される二重の導入口の面取り５６と１重の排出口の面取り５８に置換された。面取りの角度は、最小の圧力降下を提供するように最適化された。実際、これらは湾曲面に近く、ホール４８を通る流れを能率化させる。湾曲した形状の制御及び検査は困難で高価である。本発明者は、コンピュータ上での流体力学及び実験を通して、わずか２つの直線状の面取りが、適切に設計されれば、より少ないコストで、湾曲した形状と類似の流れを発生させ、類似した圧力降下の低減に導くことができることを見出した。好ましい面取りのデザインは、次表に示されており、面取りＡは導入口に最も近い面取りであり、面取りＢは面取りＡに隣接する面取りであり、面取りＣはフロースルーホールの排出口におけるものである。プレートの厚みもまた示されている。公称値は、設計寸法を示す。最小及び最大値は公差を考慮に入れており、面取りの長さに対して許容できる範囲を示している。
【００２２】
【表１】
2005195577.tif 000003
【００２３】
上記の表で示される特定の寸法は、望ましい圧力降下の低減を提供するものであるが、説明を意図したもので本発明の範囲を制限することを意図したものではないことが理解されるべきである。圧力降下の低減についての他の値を異なる角度及び寸法を用いて達成することができる。好ましくは、寸法は、面取りの長さをプレートの厚みで割った比Ｌ／Ｔとして表現される。
【００２４】
【表２】
2005195577.tif 000004
【００２５】
この新しいフロースルーホールのデザインは、圧力降下を顕著に低減させてノズルの流水効率を改善した。炉心流れ条件（５００，０００レイノルズ数）に外挿される高温圧力降下試験は、これらの改良されたフローホールを有する本発明の低減圧力降下型のデブリフィルタ底部ノズルでは、‘５０７号特許の設計により達成されるのに比較して圧力降下及び対応する損失係数が４７％低減されることを示した。二重の面取りのデザインは、図４に示される滑らかに湾曲したベンチュリ型のデザインに対して圧力降下の僅かな増加をもたらすが、これは、ノズルの製造性での顕著な改善とコストの低減をもたらす。更に、新しいフローホール空孔の最も狭くなった部分の直径は‘５０７号特許のフローホール空孔と同一であるため、デブリろ過は弱められない。製造性、検査性及びコストを考えると、このデザインは堅実で再現性のある圧力降下の低減をもたらすことが明らかとなる。より少ない圧力降下の低減が許容され得る場合は、図６に示すように排出口の面取りを省くことで追加的な製造コストの低減が達成できる。図６に示される実施形態は、‘５０７号特許の設計において生じた圧力降下に対して２０％の圧力降下の低減を達成すると考えられる。
【００２６】
底部ノズルプレート４６の追加的な従来からの機能は燃料棒２２を捕捉すること、即ち、これらが底部ノズル１２を通して落下することを防ぐことである。当初の稼働開始時には、図１に示されるように燃料棒２２はグリッド２０により底部ノズル１２の上部において保持されている。しかし、一定期間反応炉が稼働した後には、一般にグリッド２０はその燃料棒２２に対する把持力を弱め、幾つかは底部ノズルプレート４６の頂部上に落下する。図３に示されるように、燃料棒２２はフローホール４８間のプレート４６の結束部乃至区画６０に合わせて整列されている。フローホール４８は、６．４５平方センチメートル（１平方インチ）あたり約１６個の密度で充填されている。フローホール４８間に延びるプレート４６の区画６０は０．２５ｃｍ（１／１０インチ）の最大寸法を有する。１．０２ｃｍ（約０．４００インチ）の最大直径を有する燃料棒２２がフローホール４８上に位置した場合、プレート４６上に落下した際、これらは、ホールを詰まらせ、圧力降下の増加を生じさせる。プレート４６の区画６０上に載置される燃料棒２２の下端プラグ３０は、０．３８ｃｍ（約０．１５０インチ）の終極端直径を有しており、図１に見られるような、ホール４８を塞ぐことのないテーパ状の軸方向断面形状を有している。しかし、下端プラグ３０の終極端の直径がより大きい場合には、フローホール４８間のプレート４６の区画６０は、プラグ端が隣接するホール４８の部分を覆うことを避けるためにより大きいサイズでなければならない。これは、間違いなく、より少ないホール及び圧力降下の増加に形を変えることになる。
【００２７】
本発明の特定の実施形態を詳細に説明したが、当業者には、開示事項の全体的な教示に照らして、これらの細部に対して種々の変更及び代替を開発することができることが理解されるであろう。したがって、開示された特定の実施形態は本発明に関して、例示的にすぎず、制限的ではないことを意味し、本発明の範囲は、添付特許請求項の全範囲ならびに添付特許請求項の任意の等価物および全ての等価物に与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のデブリトラップの好ましい実施形態を取り入れた燃料集合体であって、明確のために各部を分断して縦方向に短縮した形態で描かれた燃料集合体を一部断面で示す立面図である。
【図２】本発明の底部ノズル支持スカートの側面図である。
【図３】本発明の底部ノズルプレートの平面図である。
【図４】湾曲した導入口及び排出口の機構を有するベンチュリ型のフロースルーホールを示す図３のＡ−Ａ線に沿って取り出した切り欠き断面の側面図である。
【図５】二重の導入口の面取りと１重の排出口の面取りを有するフロースルーホールを示す図３のＡ−Ａ線に沿って取り出した切り欠き断面の側面図である。
【図６】二重の導入口の面取りを有するフロースルーホールを示す図３のＡ−Ａ線に沿って取り出した切り欠き断面の側面図である。
【図１】
2005195577.tif 000009
【図２】
2005195577.tif 000010
【図３】
2005195577.tif 000011
【図４】
2005195577.tif 000012
【図５】
2005195577.tif 000013
【図６】
2005195577.tif 000014