(57)【要約】【課題】  圧力損失の増加がなく、かつ熱的余裕の向上した沸騰水型原子炉用燃料集合体を得る。【解決手段】  上部タイプレートと下部タイプレートとの間に平行配列された燃料棒を含む複数の棒状要素を、これら棒状要素を相互に間隔を開けて保持する複数のスペーサによって、バンドル状に装荷した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、最下位及び最上位のスペーサにミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備せず、その他のスペーサにミキシングベーン及びフロータブを具備したもの。更には、最下位から２番目のスペーサについてもミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備しないもの。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部タイプレートと下部タイプレートとの間に平行配列された燃料棒を含む複数の棒状要素を、これら棒状要素を相互に間隔を開けて保持する複数のスペーサによって、バンドル状に装荷した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
最下位及び最上位のスペーサにミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備せず、その他のスペーサにミキシングベーン及びフロータブを具備したことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項２】
最下位から２番目のスペーサについてもミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備しないことを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
前記ミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備しないスペーサに、１面あたり２個程度のガイドインタブを具備したことを特徴とする請求項１又は２に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミキシングベーン及びフロータブ付きスペーサを複数装着した沸騰水型原子炉用燃料集合体に関し、特に、圧力損失の増大を伴わずに熱的余裕（限界出力特性）の改善を可能にするために、最下位のスペーサもしくは最下位及び下端から２番目のスペーサ、並びに最上位のスペーサのミキシングベーン実質全部を削除し、かつ前記スペーサのフロータブの実質全部を削除したことを特徴とするスペーサを具備した燃料集合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと略す）に装荷される燃料集合体は、図１２に示すように燃料棒Ａ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）２、３に装着され、中間高さ位置の複数箇所にはスペーサ５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１は、炉心Ｒにおいては各燃料棒Ａ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４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４内及びウォータチャンネルＷ内に冷却水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、制御棒Ｃで制御すると共に燃料棒の反応熱で冷却水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。
【０００４】
ＢＷＲは炉内で水蒸気を発生させる直接サイクル方式であるため、炉心内で沸騰を許容している。したがって、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水の流動様式は、図１３に示すように膜状の液相（液膜）ａ１がチャンネルボックス４の内壁面と燃料棒Ａ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と燃料棒との間及び燃料棒同士の間には液滴ａ２を伴う蒸気相ｂが流れるいわゆる環状流が形成され、燃料棒の外周面の前記液膜ａ１が燃料棒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、いわゆる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１４に示すように燃料棒Ａの外周面の液膜ａ１が消失して除熱効果が急激に悪化するため、燃料棒Ａの液膜消失領域における温度が急激に上昇し、つい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】
限界出力を向上する方策として種々のスペーサが提案されており、その代表として混合羽根、すなわちミキシングベーン付きスペーサが特許文献１に、フロータブ付きスペーサが特許文献２に開示されている。図１５にミキシングベーン付きスペーサを示す。図１６にフロータブ付きスペーサを示す。
【０００７】
図１５に示すミキシングベーン５１は、燃料棒Ａを抑圧、支持するスプリング５２を具備した外側板及び格子板５３と、燃料棒Ａで囲まれたサブチャンネル流路のおよそ中心位置に相当するこの格子板５３の交点を中心として突設された羽根５４とで構成される。ミキシングベーン５１はスペーサ５の上面、すなわち冷却材流れ方向の下流側に取り付けられる。これらのミキシングベーン５１はサブチャンネル内で冷却材に遠心力を付加して旋回流を引き起こし、重量の重い液滴を選択的に燃料棒に付着させ、軽い蒸気はサブチャンネル中央付近に偏流させる効果がある。このことによってスペーサ下流側の燃料棒Ａの液膜が厚くなり、液膜の消失に至るまでの熱負荷が大きくなるため、限界出力は増大する。
【０００８】
一方、図１６に示すフロータブ６１は、スペーサ５の外側板６２もしくは格子板６３の上面部から内装された燃料棒Ａ側へ向け傾倒曲成され、かつ当該燃料棒間配置で所定距離だけ離間突設される。これらのフロータブ６１は最外周燃料棒Ａとチャンネルボックス４、もしくは最内層燃料棒ＡとウォータチャンネルＷの間隙を上向きに流送される蒸気重量率（クォリティ）の低い冷却材を内側隣接燃料棒に変向流導させる効果がある。このことによってスペーサ下流側の特に最外周燃料棒Ａ、もしくは最内層燃料棒Ａの液膜が厚くなり、限界出力は増大する。
【０００９】
ところで、ミキシングベーン５１及びフロータブ６１は上向きに流送される冷却材を強制的に偏流させるため、限界出力向上の効果を有する反面、冷却材の流動抵抗及びエネルギ損失の拡大に伴い圧力損失を増大させる性質を持つ。すなわち、一般的にミキシングベーン及びフロータブは、これら冷却材と接触面積が大きいほど、冷却材の偏流効果が大きいため除熱性能が向上し限界出力は向上するが、逆に局所的な圧力損失（スペーサ圧損）は増大する傾向にある。
【００１０】
このようにミキシングベーン及びフロータブ付きスペーサを具備した燃料集合体では、燃料集合体の熱的余裕は向上するが、同時に圧力損失も増大してしまう課題があった。この問題点を解決する手段として、後述するように熱的余裕に与える影響の少ない最下位及び最上位のスペーサにミキシングベーンを設けず、圧力損失の低減を図った燃料集合体が特許文献３に開示されている。
【００１１】
一方、圧力損失の低減を図りながら、限界出力の向上に寄与するスペーサとして図１７に示された管状フェルール７０を備えたスペーサ及び図１８に示された管状フェルールの間隙の下流部（上端）に旋回ベーンとしてねじり翼８０を備えたスペーサが提案されている（例えば、特許文献４及び特許文献５参照）。
【００１２】
【特許文献１】特許公報３２６７９６７
【特許文献２】特開２００１−１８３４８５
【特許文献３】特開２００１−３１８１８２
【特許文献４】特許３０３８２６６
【特許文献５】特許３１９５１０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、発明者の知見によれば、スペーサ圧損に占めるミキシングベーン及びフロータブのスペーサ圧損全体に占める影響の割合は標準的な例ではそれぞれ約０．１５、約０．２であり、前記特許文献３のようなミキシングベーンの除去だけでは圧力損失低減の観点から十分な対策とは云えなかった。また、前記特許文献３ではミキシングベーンのみ削除するため、フロータブの突設される燃料集合体周辺部に比べて中央部の流動抵抗が少なくなり、当該スペーサにおいて冷却材が相対的に燃料集合体中央に多く集まるような流量再配分が生じ、冷却材流れ方向下流側での燃料集合体内の流量不均一分布の発生を招く可能性があった。
【００１４】
本発明は、以上の燃料集合体内の冷却材熱流動特性を考慮した上で、熱的余裕に与える影響の少ない区間にあるスペーサのミキシングベーンの実質全部及び前記スペーサのフロータブの実質全部を除去することにより圧力損失低減を徹底し、この圧力損失低減を補償すべく上記以外の区間にあるスペーサのミキシングベーン及びフロータブの大きさをそれらが軸方向で一様とした場合に比べて大きくし、このことにより圧力損失の増加がなく、かつ熱的余裕の向上した燃料集合体を得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ＢＷＲ用燃料集合体は、上部タイプレートと下部タイプレートとの間に平行配列された燃料棒を含む複数の棒状要素を、これら棒状要素を相互に間隔を開けて保持する複数のスペーサによって、バンドル状に装荷した沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
最下位及び最上位のスペーサにミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備せず、その他のスペーサにミキシングベーン及びフロータブを具備し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ＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１に記載の最下位から２番目のスペーサについてもミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備しない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ＢＷＲ用燃料集合体は、請求項１又は２に記載のミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備しないスペーサに、１面あたり２個程度のガイドインタブを具備したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は以上説明した通り、圧力損失の増加がなく、かつ熱的余裕の向上した燃料集合体を得ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は一般的な燃料棒表面の液膜厚さの軸方向変化を示す線図である。図に示す通り、ボイド率の低い軸方向下部では液膜は厚く、上側（下流）側に行くに従ってボイド率が大きくなるため、液膜厚さは小さくなる。スペーサの直上ではミキシングベーン及びフロータブによる冷却材の偏流効果のため液膜厚さが回復するが、通常最上部もしくはそれより一段下側のスペーサの直下でドライアウトが発生する。最上部のスペーサの上側（下流）側は、ボイド率が高いにもかかわらず熱流束が低いため、熱的余裕は大きくなる。
【００２０】
図２は燃料集合体の一般的な圧力損失の軸方向分布を示す線図である。図に示す通り、圧力損失はスペーサ圧力損失を含む局所圧力損失、摩擦圧力損失、加速圧力損失、静水頭からなるが、局所圧力損失及び摩擦圧力損失はボイド率が大きくなると二相圧損倍率が急増するため、軸方向の長さに対して下に凸の曲線になる。スペーサ位置ではスペーサの局所圧力損失のため圧力損失が大きくなり、その増分はボイド率が大きくなる、すなわち上側（下流）側に行くに従って拡大する。標準的な設計では全スペーサ圧損の集合体圧力損失に占める割合は約０．３である。
【００２１】
従って、本発明では、沸騰水型原子炉用燃料集合体において、最下位及び最上位のスペーサにミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備せず、その他のスペーサにミキシングベーン及びフロータブを具備したものであるため、圧力損失の増加がなく、かつ熱的余裕の向上した燃料集合体を得ることができる。具体的には、最下位及び下端から２番目のスペーサ並びに最上位のスペーサ以外のスペーサのミキシングベーン及びフロータブの大きさを前記標準ケースのスペーサのミキシングベーン及びフロータブより大きくすることにより、燃料集合体の全圧力損失を標準ケースの圧力損失と同等にすることができる。
【００２２】
尚、本発明において、最下位及び最上位のスペーサにミキシングベーンとフロータブとを実質的に具備しないこととは、具体的には、上向きに流送される冷却材を強制的に偏流させるミキシングベーンとフロータブとを具備しないことであり、冷却材を強制的に偏流させる目的でない限り、ミキシングベーン様部材及びフロータブ様部材を設けても良い。例えば、燃料集合体にチャンネルボックスを装着する際にチャンネルボックスとスペーサが衝突しないようにガイドの役割を担わせるタブ部材は本発明における具備しないものとは相違する。
【実施例】
【００２３】
図３は本発明のＢＷＲ型燃料集合体の一実施例の構成を示す説明図である。本発明では、ボイド率が低く熱的裕度の大きな区間にある最下位のスペーサもしくは最下位及び下端から２番目のスペーサ、並びにボイド率が高いにもかかわらず熱流束が低いため熱定余裕に与える影響の少ない区間にある最上部のスペーサのミキシングベーンの全部及び前記区間にあるスペーサのフロータブの実質全部を削除することによってスペーサ圧損を低減し、低減した圧力損失を補償するため、前記区間以外にあるスペーサのミキシングベーン及びフロータブの大きさを、燃料集合体に装備される全スペーサのミキシングベーン及びフロータブが一律にそれぞれ同じ大きさとした標準ケースに比べて大きくすることによって、燃料集合体の圧力損失の増大を伴わずに熱的余裕を向上させることができる。
【００２４】
なお、フロータブについては圧力損失低減の観点から全数削除が好ましいが、燃料集合体１にチャンネルボックス４を装着する際にチャンネルボックスとスペーサが衝突しないようにガイドの役割を担わせることが重要である。図４は本発明の圧力損失低減用スペーサでのフロータブの装着状態の一実施例を示す説明図である。図４に示すようにスペーサ１面あたり２個程度のフロータブ４１をガイドインタブとして残すことが現実的である。これによりチャンネルボックス４の燃料集合体１への装着時に想定されるスペーサ破損トラブルを回避することができる。ガイドインタブの大きさは前記標準ケースのスペーサのフロータブより大きくても小さくても構わない。
【００２５】
図５は本発明の一実施例として７枚のスペーサを具備した燃料集合体の構成を示す説明図である。また、図６は本発明の別の実施例として８枚のスペーサを具備した燃料集合体の構成を示す説明図である。図５，図６での添え字は下端からの番号を示す。
ａ）ＥＧ１，ＭＦ２，ＭＦ３，ＭＦ４，ＦＭ５，ＭＦ６，ＥＧ７          図５ａ
ｂ）ＥＧ１，ＥＧ２，ＭＦ３，ＭＦ４，ＦＭ５，ＭＦ６，ＥＧ７          図５ｂ
ｃ）ＥＧ１，ＭＦ２，ＭＦ３，ＭＦ４，ＦＭ５，ＭＦ６，ＭＦ７，ＥＧ８  図６ａ
ｄ）ＥＧ１，ＥＧ２，ＭＦ３，ＭＦ４，ＦＭ５，ＭＦ６，ＭＦ７，ＥＧ８  図６ｂ
ＥＧ：ミキシングベーン全数削除、フロータブ実質全数削除したスペーサ
ＭＦ：ミキシングベーン及びフロータブを備えたスペーサ
【００２６】
図７は本発明の燃料集合体と従来の燃料集合体との圧力損失の軸方向分布を比較した線図である。即ち、燃料集合体に装備した複数のスペーサのうち、最下位及び下端から２番目のスペーサ並びに最上位のスペーサのミキシングベーンの全部及び前記スペーサのフロータブの１面あたり２個を残して削除し、前記以外のスペーサには後記標準ケースのスペーサを備えた燃料集合体の圧力損失の軸方向変化を、燃料集合体に装備される全スペーサのミキシングベーン及びフロータブが一律にそれぞれ同じ大きさとした標準ケースのスペーサを備えた燃料集合体の圧力損失の軸方向変化と比較した。
【００２７】
図８は本発明の燃料集合体と従来の燃料集合体との液膜厚さの軸方向変化を比較した線図である。即ち、本発明による前記２種類のスペーサを備えた燃料集合体と標準ケースの燃料集合体とについて熱的余裕に直接関連する液膜厚さの軸方向変化を比較した。図に示す通り、本発明では最下位及び下端から２番目のスペーサ並びに最上位のスペーサに低圧損型スペーサを備えているため、標準ケースに比べて圧力損失低減が実現される。一方、本発明では最上端付近の液膜厚さは若干小さくなるものの、熱的余裕に影響のない区間のスペーサのミキシングベーン及びフロータブが削除されているため、標準ケ一スと比べて熱的余裕の減少はない。
【００２８】
図９は本発明によるスペーサと他のスペーサとの冷却材の流量分布を比較したものであり、ａ図は計測する場所を示し、ｂ図は比較した線図である。即ち、燃料集合体の最下位位置における本発明によるスペーサ、特許文献３（特開２００１−３１８１８２）で開示されているスペーサ及び標準ケースのスペーサでの冷却材の流量分布を比較した。ｂ図に示す通り、本発明によるスペーサでの流量分布はミキシングベーンの全部及び前記スペーサのフロータブの１面あたり２個を残して削除することによって燃料集合体内の流動抵抗の分布が均一化するため、むしろ標準ケースのスペーサでの流量分布よりも一様となり、特許文献３で開示されているスペーサに対して不均一度、特に最外周燃料棒近傍の流量の偏りが改善されることが判った。
【００２９】
本発明において、最下位及び下端から２番目のスペーサ並びに最上位のスペーサの以外のスペーサのミキシングベーン及びフロータブの大きさを前記標準ケースのスペーサのミキシングベーン及びフロータブより大きくすることにより、燃料集合体の全圧力損失を標準ケースの圧力損失と同等にすることができる。図１０はこの場合の燃料集合体と従来の燃料集合体との圧力損失の軸方向分布を比較した線図である。即ち、上記ケースの圧力損失の軸方向変化を標準ケースと比較して示す。最下位及び下端から２番目のスペーサ並びに最上位のスペーサの以外のスペーサのミキシングベーン及びフロータブの大きさを大きくすることにより、圧力損失低下分が補償されていることがわかる。図１１は図１０と同様の場合の液膜厚さの軸方向変化を標準ケースと比較した線図である。最下位及び下端から２番目のスペーサ並びに最上位のスペーサの以外のスペーサのミキシングベーン及びフロータブの大きさを大きくすることにより、標準ケースに比べ、熱的余裕が改善されることがわかる。
【００３０】
以上、本発明で云うミキシングベーンは図１５の特許文献１（特許公報３２６７９６７）の開示例、すなわち格子板の交点に設けた複数の羽根を意味するが、図１７の特許文献４（特許公報３０３８２６６）の開示例、すなわち燃料棒挿通路が形成されるよう互いに点溶接された円筒状の丸セルの上端に設けられた突起物、及び図１８の特許文献５（特許公報３１９５１０１）の開示例、すなわち前記点溶接された複数個の丸セルの間隙部上端に設けられた羽根もしくは突起物は前記ミキシングベーンと同じ熱水力的特性を有しており、本発明の範疇の中にあることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一般的な燃料棒表面の液膜厚さの軸方向変化を示す線図である。
【図２】燃料集合体の一般的な圧力損失の軸方向分布を示す線図である。
【図３】本発明のＢＷＲ型燃料集合体の一実施例の構成を示す説明図である。
【図４】本発明の圧力損失低減用スペーサでのフロータブの装着状態の一実施例を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施例として７枚のスペーサを具備した燃料集合体の構成を示す説明図である。
【図６】本発明の別の実施例として８枚のスペーサを具備した燃料集合体の構成を示す説明図である。
【図７】本発明の燃料集合体と従来の燃料集合体との圧力損失の軸方向分布を比較した線図である。
【図８】本発明の燃料集合体と従来の燃料集合体との液膜厚さの軸方向変化を比較した線図である。
【図９】本発明によるスペーサと他のスペーサとの冷却材の流量分布を比較したものであり、ａ図は計測する場所を示し、ｂ図は比較した線図である。
【図１０】別の発明の燃料集合体と従来の燃料集合体との圧力損失の軸方向分布を比較した線図である。
【図１１】図１０と同様の場合の液膜厚さの軸方向変化を標準ケースと比較した線図である。
【図１２】ＢＷＲ及びＢＷＲ用燃料集合体の構成を示す説明図である。
【図１３】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１４】燃料棒表面の冷却水流れの様子と温度分布を示す説明図である。
【図１５】従来のミキシングベーン付きスペーサの構成を示す説明図である。
【図１６】従来のフロータブ付きスペーサの構成を示す説明図である。
【図１７】従来の限界出力の向上に寄与するスペーサに備わった管状フェルールの構成を示す説明図である。
【図１８】従来の限界出力の向上に寄与するスペーサに備わったねじり翼の構成を示す説明図である。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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