(57)【要約】【課題】沸騰水型原子炉燃料集合体で、蒸気を局所的に排出する効果を高め、また、燃料バンドル軸方向の蒸気発生に応じて、蒸気を捕集し導出できるようにする。【解決手段】複数の燃料棒３と、燃料棒３の上端部および下端部それぞれを保持する上部タイプレート２および下部タイプレート１と、上下方向に複数個配置され、燃料棒３の相互の間隔を保持する燃料スペーサ４と、を有する沸騰水型原子炉燃料集合体である。複数の燃料棒３に囲まれた間隙部で燃料スペーサ４付近に配置されて旋回流を発生させる旋回流発生部材５と、旋回流発生部材５の上方に配置され、旋回流発生部材５の上方に隣接する燃料スペーサ４まで上方に延び、上下端が開口した中空の蒸気排出管６と、をさらに有する。【選択図】  図１
2005043130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に延びる複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上端部および下端部それぞれを保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記上部タイプレートと下部タイプレートとの間に上下方向に複数個配置され、前記複数の燃料棒の相互の間隔を保持するように構成された燃料スペーサと、を有する沸騰水型原子炉燃料集合体において、
前記複数の燃料棒に囲まれた間隙部で前記燃料スペーサ付近に配置されて旋回流を発生させる旋回流発生部材と、
前記旋回流発生部材の上方に配置され、前記旋回流発生部材の上方に隣接する燃料スペーサまで上方に延び、上下端が開口した中空の蒸気排出管と、
をさらに有することを特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【請求項２】
請求項１に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体において、
前記複数の燃料棒の一部の燃料棒が他の燃料棒より短くてその上端が前記上部タイプレートの下方に位置する部分長燃料棒であって、
前記旋回流発生部材および蒸気排出管は、前記部分長燃料棒の上端部の上方に配置されていること、
を特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【請求項３】
上下方向に延びる複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上端部および下端部それぞれを保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記上部タイプレートと下部タイプレートとの間に上下方向に複数個配置され、前記複数の燃料棒の相互の間隔を保持するように構成された燃料スペーサと、を有する沸騰水型原子炉燃料集合体において、
前記複数の燃料棒に囲まれた間隙部に、上下方向に延びて上下端が開口した中空の蒸気排出管が配置され、この蒸気排出管の側面の少なくとも１箇所に連通部が設けられ、前記連通部またはその連通部の上流側の前記蒸気排出管の内側に旋回流を発生させる旋回流発生部材が配置されていること、
を特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【請求項４】
請求項３に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記蒸気排出管の下端が、前記燃料棒表面の沸騰開始位置よりも上方であること、を特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【請求項５】
請求項３に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体において、
前記複数の燃料棒の一部の燃料棒が他の燃料棒より短くてその上端が前記上部タイプレートの下方に位置する部分長燃料棒であって、
前記蒸気排出管は、前記部分長燃料棒の上端部の上方に配置されていること、
を特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【請求項６】
請求項３に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記連通部は上下方向に離れた複数箇所に配置され、これらの連通部に上下方向にはさまれる位置に前記燃料スペーサが配置されていること、を特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【請求項７】
請求項３に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記連通部は前記蒸気排出管の側面に設けられた貫通孔から構成されていること、を特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【請求項８】
請求項７に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記貫通孔は、前記蒸気排出管の内側下方から外側上方に向かって傾斜していること、を特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【請求項９】
請求項３に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記旋回流発生部材はネジリ板であること、を特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【請求項１０】
請求項１または３に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記蒸気排出管の内壁にらせん状の凹凸を設けたことを特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は沸騰水型原子炉用燃料集合体（燃料バンドル）に関し、特に、内部でできた蒸気を効果的に排出することによって核特性・熱特性を向上させた沸騰水型原子炉用燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉用燃料バンドルにおいて、燃料棒内に装填させた核燃料の核反応による発熱により燃料バンドル内部を通る冷却材は加熱され蒸気が発生する。この蒸気を局部的に高速で排出させることが可能であれば、断面平均の水密度は増加する。通常の沸騰水型原子炉では、ボイド率（気液二相流における蒸気の体積存在割合）の増加に対して核反応度が減少する、つまり、ボイド反応度係数が負となるように設計されているため、水密度が増加することはつまり、核反応度が増加することになり、例えば核分裂物質の濃縮度を低下できる、あるいは、同じ核分裂物質の量であれば、燃焼期間を増加できるなどのメリットがある。
このようなメリットを得るために、蒸気を局所的に高速で排出させる構造の従来例として、特許文献１および特許文献２がある。
【０００３】
しかし、単に蒸気排出ロッドに横穴を設ける特許文献１に示されている代表例では、蒸気排出ロッドへの蒸気流入量が少なく、蒸気を局所的に高速で排出させることは困難である。また、特許文献２の図６あるいは図７にあるように燃料スペーサ部で旋回流を与える構造の場合には、蒸気を局所的に高速で排出する効果は期待できるが、蒸気と液相が接しているため蒸気を局所的に高速で排出させる効果は小さい。なお、特許文献２において、燃料バンドルの部分長燃料棒の下流部分のすべてにわたり、ねじり板を配置する構造も提案されているが、このようにねじり板を加工精度良く製造することは困難であり、また、二相流中に長尺のねじり板を設けることは流力振動を発生することが考えられ、現実的な構造とは言いがたい。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２５１１６１３号公報
【特許文献２】
特許第２６０９０２９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の燃料バンドルに使用される蒸気導出管、あるいはそれに類する構造では、蒸気を局所的に排出する効果は小さくまた、蒸気を導出する断面も一断面と限定されていた。そこで本発明では、蒸気を局所的に排出する効果を高め、また、燃料バンドル軸方向の蒸気発生に応じて、蒸気を捕集し局所的に導出できるようにすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、上下方向に延びる複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上端部および下端部それぞれを保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記上部タイプレートと下部タイプレートとの間に上下方向に複数個配置され、前記複数の燃料棒の相互の間隔を保持するように構成された燃料スペーサと、を有する沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記複数の燃料棒に囲まれた間隙部で前記燃料スペーサ付近に配置されて旋回流を発生させる旋回流発生部材と、前記旋回流発生部材の上方に配置され、前記旋回流発生部材の上方に隣接する燃料スペーサまで上方に延び、上下端が開口した中空の蒸気排出管と、をさらに有することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項３に記載の発明は、上下方向に延びる複数の燃料棒と、これらの燃料棒の上端部および下端部それぞれを保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、前記上部タイプレートと下部タイプレートとの間に上下方向に複数個配置され、前記複数の燃料棒の相互の間隔を保持するように構成された燃料スペーサと、を有する沸騰水型原子炉燃料集合体において、前記複数の燃料棒に囲まれた間隙部に、上下方向に延びて上下端が開口した中空の蒸気排出管が配置され、この蒸気排出管の側面の少なくとも１箇所に連通部が設けられ、前記連通部またはその連通部の上流側の前記蒸気排出管の内側に旋回流を発生させる旋回流発生部材が配置されていること、を特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る燃料集合体の実施の形態を詳細に説明する。ここで、互いに共通または類似の部分には同じ符号を付して、重複説明は省略する。
【０００９】
［第１の実施の形態］
図１および図２は本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態を示したものである。複数の燃料棒３の上下が下部タイプレート１と上部タイプレート２によって束ねられ、前記上下のタイプレートの間に設けられた複数の燃料スペーサ４によって燃料棒間隔を保持されている。なお、通常７〜８個程度燃料スペーサ４が設けられているが図においては、簡略化して燃料スペーサ４を３個としてある。
【００１０】
このような沸騰水型原子炉において、燃料配列に疎密を設けるか、あるいは燃料棒３を例えば２×２配列の４本を抜き出すことによって流路間隙を設け、燃料スペーサ４の燃料棒間隙部に旋回流発生部材である旋回羽根５を設け、かつ、旋回流発生部材の下流から一段下流側（上方）の燃料スペーサ４まで燃料棒３と平行して、燃料流路と流れ方向に貫通し、断面方向には分割された流路となる蒸気排出ロッド（蒸気排出管）６を設けている。蒸気排出ロッド６は上下端が開放した中空管である。
【００１１】
図２は、図１の燃料スペーサ４部を上部より見た図である。燃料棒３が正方格子状に配列され、燃料スペーサ４が燃料棒３の間隔を保持している。なお、実際には燃料スペーサ４にはスプリング、ディンプルなどが設けられていて、燃料棒３を保持しているが、簡略化して示されている。この例では、中央の４本の燃料棒が削除され、その断面位置に蒸気排出ロッド６と旋回羽根５が設けられている。蒸気排出ロッド６の出口端に旋回羽根５が設けられている。
【００１２】
この実施の形態によれば、燃料スペーサ４に設けた旋回流発生部材５により旋回流を発生させ、気液を分離し、密度の小さい旋回流中央付近に集中する蒸気を下流に設けた燃料流路と流れ方向に貫通し、断面方向には分割された流路に選択的に流入させることが可能となり、蒸気を局所的に高速に排出することができる。また、各燃料スペーサ４の上流側（下方）位置で新たに蒸気を分割流路内に取り込むことができるため、燃料棒３の軸方向すべての位置において蒸気を断面方向には分割された流路に選択的に流入させることができ、水密度を増加させる効果が増大する。
【００１３】
なお、図１に示すように、旋回羽根５および蒸気排出ロッド６は、下部タイプレート１のすぐ上の部分には配置していなくてもよい。これは、下部タイプレート１近くでは沸騰が開始しておらず、蒸気がほとんど存在していないため、蒸気を局所的に高速に排出する構造が必要ないからである。沸騰が開始された軸方向位置から上方に旋回羽根５および蒸気排出ロッド６を設けることによって、この発明の効果を発揮することができる。
【００１４】
図３は、図１の変形例であり、旋回羽根５の変わりにねじり板７が設けられた構造の例である。旋回流が発生できる構造であれば、なんでも構わない。
図４は図１の他の変形例であり、蒸気排出ロッド６の上流端（下端）の開口面積が広く、下流側の流路を狭めた例である。蒸気流速を高めるほど断面平均のボイド率は低減できる。この実施の形態では、流路を狭めることにより、蒸気流速を旋回流により分離され蒸気排出ロッド６を流れる蒸気の流速を増加させたものである。
【００１５】
図５は本発明に係る燃料集合体の実施の形態である。燃料の下部には蒸気が存在しないため、蒸気排出構造を設ける必要はない。そこで、部分長燃料棒３ａを蒸気排出構造の上流側（下方）に設けた例である。
【００１６】
［第２の実施の形態］
図６および図７は、本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態を示す。前述の第１の実施の形態（図１〜図５）における蒸気排出ロッド６は、軸方向に複数に分割されている。この場合、設置に困難が生ずることも考えられるため、本実施の形態の蒸気排出ロッド６ｃではこれを軸方向に連続して一体としたものである。蒸気排出ロッド６に蒸気を捕集し、液相を排除するため、本実施の形態では連通部８ａと旋回流発生部８ｂを設けている。図７に旋回流発生部８ｂの詳細を示す。
この実施の形態の構造は、中空の管を一体として製作可能なため、構造が比較的シンプルでありながら、第１の実施の形態と同様の効果が得られる構造である。
【００１７】
また、図６に示すように、蒸気排出ロッド６ｃの軸方向の隣り合う２箇所の連通部８ａの位置の間に燃料スペーサ４が配置されている。これにより、蒸気が主に流れる蒸気排出ロッド６ｃ内の流路の二つの連通位置間の圧力損失を大きくでき、それにより、蒸気排出ロッド６ｃ内の蒸気が主に流れる流体を加速でき、蒸気を局所的に高速で排出する効果が高まる。
【００１８】
また、連通部８ａについては、例えば図８、図９に示すように多孔形状とすることにより、蒸気排出ロッド６ｃ、６ｄの強度をそれほど落とさずに連通部８ａを設けられる。また、図１０に示すように、蒸気排出ロッド６ｃ、６ｄの内面２０に付着して流れる液膜を排出しやすくする構造として、連通部８ａを斜めに設ける方法もある。すなわち、連通部８ａを、蒸気排出ロッド６ｃ、６ｄの内面２０から外側に向かって上側に広がるように傾斜した貫通孔とする。
【００１９】
旋回流発生部８ｂの構造は図７に示す構造に限定されるものではなく、例えば図８に示すようなねじり板７を連通部上流に設けてもよい。また、図９に示すように上記排出ロッド６ｄ内部にらせん状の溝９を設けてもよい。
【００２０】
図１１は本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態の変形例を示す。燃料集合体の下部には蒸気が存在しないため、蒸気排出構造を設ける必要はない。そこで、部分長燃料棒３ａを蒸気排出ロッド６ｃの上流側（下方）に設けた例である。
【００２１】
以上説明した本発明の各実施の形態によれば、燃料流路内に発生する蒸気を捕集し局所的に高速で排出することができる。この効果を示す例として、数値解析例を示す。図１２が解析モデルを示した図で、円管流路中に蒸気排出管６があり、上流側（下方）より二相流が流入する。このような解析から、入口と出口の断面平均ボイド率を評価した。入口断面でボイド率を一様に与え、さらに旋回流を与える。図１３および図１４に解析結果の例を示す。
【００２２】
図１３はボイド率分布を示すもので、各実線２０は等ボイド率線であって、点線矢印２２の方向にボイド率が高い。この図からわかるように、液相は外周部へ集中し、蒸気は中央へ集中する。その結果、蒸気排出管６内の中央部付近では外周部（壁面近く）よりボイド率が高くなっている。
【００２３】
次に図１４は、各部の流速ベクトルを他数の小矢印で示す。この図を見ると、蒸気導出管６内の中央部付近の流速が外周流路よりも速いことがわかる。すなわち、蒸気排出管６内にボイドが集中し高速で排出されていることを示しているのである。
【００２４】
この結果、図１５に示すように本発明の実施の形態では、図１２に示す体系の場合、断面平均ボイド率を大幅に低減できている。なお、単純な円管流路の場合には、断面平均ボイド率は一定であり、また、蒸気排出ロッドを設けず、旋回流のみを与えた場合には、若干断面平均ボイド率が低下するものの、本発明ほどではない。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、蒸気を局所的に排出する効果を高め、また、燃料バンドル軸方向の蒸気発生に応じて、蒸気を捕集し局所的に導出できる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態の模式的立断面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図。
【図３】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態の変形例の模式的立断面図。
【図４】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態の他の変形例の模式的立断面図。
【図５】本発明に係る燃料集合体の第１の実施の形態のさらに他の変形例の模式的立断面図。
【図６】本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態の模式的立断面図。
【図７】図６の蒸気排出ロッドの要部拡大図であって、（ａ）は立面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視横断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線で切り欠いた場合の斜視図。
【図８】図６の蒸気排出ロッドの変形例の模式的立断面図。
【図９】図６の蒸気排出ロッドの他の変形例の模式的立断面図。
【図１０】図８または図９の蒸気排出ロッドの連通孔部の拡大立断面図。
【図１１】本発明に係る燃料集合体の第２の実施の形態の変形例の模式的立断面図。
【図１２】本発明に係る燃料集合体の蒸気排出ロッド付近の解析モデルを示す図。
【図１３】図１２の解析モデルによって解析した結果のボイド立分布を示す図。
【図１４】図１２の解析モデルによって解析した結果の速度ベクトル分布を示す図。
【図１５】図１２の解析モデルによって解析した結果として得られる断面平均ボイド率を表すグラフ。
【符号の説明】
１…下部タイプレート、２…上部タイプレート、３…燃料棒、３ａ…部分長燃料棒、４…燃料スペーサ、５…旋回羽根（旋回流発生部材）、６，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｅ…蒸気排出ロッド（蒸気排出管）、７…ねじり板、８ａ…連通部、８ｂ…連通部（旋回流発生部）、９…内面溝（らせん溝）、１０…液膜。
【図１】
2005043130.tif 000003
【図２】
2005043130.tif 000004
【図３】
2005043130.tif 000005
【図４】
2005043130.tif 000006
【図５】
2005043130.tif 000007
【図６】
2005043130.tif 000008
【図７】
2005043130.tif 000009
【図８】
2005043130.tif 000010
【図９】
2005043130.tif 000011
【図１０】
2005043130.tif 000012
【図１１】
2005043130.tif 000013
【図１２】
2005043130.tif 000014
【図１３】
2005043130.tif 000015
【図１４】
2005043130.tif 000016
【図１５】
2005043130.tif 000017