(57)【要約】【課題】  中間流れ混合格子を有する加圧水型原子炉の燃料集合体を提供する。【解決手段】  燃料集合体は下部ノズル、下部ノズルから上方に延びる複数の案内シンブル、燃料棒アレイ、案内シンブルに沿って軸方向に離隔した種々の支持構造及び少なくとも２つの中間流れ混合格子を有する。これらの流れ混合格子は、隣接するが間隔が異なる支持格子対の間の所定の場所に位置して異なる構成の混合装置を備える。【選択図】        図２
2007232726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧水型原子炉の燃料集合体であって、
下部ノズルと、
下部ノズルから上方に延びる複数の案内シンブルと、
案内シンブルに沿って軸方向に離隔した複数の支持格子と、
隣接する２つの支持格子の間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子とより成る燃料集合体。
【請求項２】
１対の隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、１対の隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別対の隣接する支持格子間に位置する単一の中間流れ混合格子とを含む請求項１の燃料集合体。
【請求項３】
１対の隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、１対の隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別対の隣接する支持格子間に位置する別の２つの中間流れ混合格子とを含む請求項１の燃料集合体。
【請求項４】
２つの隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、２つの隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別の２つの隣接する支持格子間に位置する別の２つの中間流れ混合格子と、さらに別の隣接する支持格子間に位置する単一の中間流れ混合格子とを含む請求項１の燃料集合体。
【請求項５】
前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第５と第６の支持格子間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１の燃料集合体。
【請求項６】
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、第６と第７支持格子の間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項５の燃料集合体。
【請求項７】
前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第４支持格子、第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第５と第６の支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、第６と第７の支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子とを含み、
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子はさらに、第４と第５支持格子の間に位置する単一の中間流れ混合格子を含む請求項１の燃料集合体。
【請求項８】
前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第６と第７の支持格子間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１の燃料集合体。
【請求項９】
各中間流れ混合格子は１つの構成の混合装置を含み、
少なくとも２つの中間流れ混合格子は異なる構成の混合装置を含む請求項１の燃料集合体。
【請求項１０】
少なくとも１つの支持格子は１つの構成の混合装置を含み、
少なくとも１つの中間流れ混合格子は１つの構成の混合装置を含み、
中間流れ混合格子上の混合装置の構成と支持格子上の混合装置の構成とは異なる請求項１の燃料集合体。
【請求項１１】
前記中間流れ混合格子は１対の隣接する上方支持格子間において不均等な間隔を有する請求項１の燃料集合体。
【請求項１２】
１対の隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、１対の隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別対の隣接する支持格子間に位置する単一の中間流れ混合格子とを含む請求項１１の燃料集合体。
【請求項１３】
１対の隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、１対の隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別対の隣接する支持格子間に位置する別の２つの中間流れ混合格子とを含む請求項１１の燃料集合体。
【請求項１４】
２つの隣接する支持格子間に位置する前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、２つの隣接する支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、別の２つの隣接する支持格子間に位置する別の２つの中間流れ混合格子と、さらに別の隣接する支持格子間に位置する単一の中間流れ混合格子とを含む請求項１１の燃料集合体。
【請求項１５】
前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第５と第６の支持格子間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１１の燃料集合体。
【請求項１６】
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は、第６と第７支持格子の間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１５の燃料集合体。
【請求項１７】
前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第４支持格子、第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第５と第６の支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子と、第６と第７の支持格子間に位置する２つの中間流れ混合格子とを含み、
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子はさらに、第４と第５支持格子の間に位置する単一の中間流れ混合格子を含む請求項１１の燃料集合体。
【請求項１８】
前記複数の支持格子は互いに離隔関係にある第５支持格子、第６支持格子及び第７支持格子を含み、
前記少なくとも２つの中間流れ混合格子は第６と第７の支持格子間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子を含む請求項１１の燃料集合体。
【請求項１９】
各中間流れ混合格子は１つの構成の混合装置を含み、
少なくとも２つの中間流れ混合格子は異なる構成の混合装置を含む請求項１１の燃料集合体。
【請求項２０】
少なくとも１つの支持格子は１つの構成の混合装置を含み、
少なくとも１つの中間流れ混合格子は１つの構成の混合装置を含み、
中間流れ混合格子上の混合装置の構成と支持格子上の混合装置の構成とは異なる請求項１１の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
【発明分野】
【０００２】
本発明は原子燃料集合体に係り、さらに詳細には、原子燃料集合体に組み込まれる混合格子に係る。
【従来技術の説明】
【０００３】
典型的な加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉心は多数のほぼ垂直な細長い燃料集合体により構成されている。燃料集合体は複数の燃料棒を支持する構造のフレーム組立体を有する。燃料集合体は上部ノズル、下部ノズル、複数の構造支持格子及び中間流れ混合格子並びに複数のシンブル管を有する。格子は上部ノズルと下部ノズルの間を垂直方向に延びる複数の細長いシンブル管に固着されている。シンブル管は通常、制御棒、閉栓装置または計装装置を収容する。燃料棒は原子燃料が通常は円筒形の金属管により被覆されたものである。一般的に、水が下部ノズルを介して燃料集合体内に流入した後、燃料集合体を垂直上方に流れる。水が燃料棒の上を通過するとき加熱されるため、上部ノズルから出るときは高温になる。
【０００４】
支持格子は原子炉内における燃料棒の位置決め、燃料棒の振動抑制、燃料棒の横方向支持、そしてある程度、縦方向運動を抑制する燃料棒の垂直方向における拘束に使用される。支持格子は軸方向にほぼ２０インチ離して配置するのが普通であり、これにより燃料棒が機械的に支持される。加圧水型原子炉の燃料業界にとって共通の問題は、冷却材の流れに対する自然の応答として燃料棒／支持系統が振動することである。この現象は格と燃料棒の間のフレッチングとして顕在化するが、燃料棒の被覆の破壊及び冷却材への原子燃料物質の漏洩に至ることがある。
【０００５】
支持格子のもう１つの役割は格子を通過する冷却材を乱流により混合することである。この混合は格子上の装置、例えば混合翼により誘起されるが、それに限定されない。混合装置により付与される混合作用により燃料棒からの熱伝達が促進される。燃料棒からの熱伝達の増加による利点は、以下に述べるように、燃料の動作温度が低くなるため燃料被覆の腐蝕（被覆の破壊／破損に至ることがある）に対する抵抗力が大きくなること、燃料集合体の限界熱流束（ＣＨＦ）能力が増加すること、燃料棒表面上で冷却材が沸騰する（即ち、サブクール核沸騰）の傾向が減少するため燃料棒上のクラッド形成リスクが減ることなどがある。クラッドが存在すると、発電所の運転出力レベルに高価で不利な影響が出る現象である、クラッド誘起出力シフト（ＣＩＰＳ）が発生することがある。これらの利点は発電所運転マージンの増加、燃料信頼性の増加となって表れ、そして／または発電所定格出力の増加を可能にする。
【０００６】
燃料集合体の支持格子に対する設計を考えると、従来の業界の仕方は上方スパンの構造支持格子の間に「混合」格子を付加するものであった。混合格子は必ずしも燃料棒に接触しない。普通は「中間流れ混合格子（ＩＦＭ）」と呼ばれるこれらの格子は、格子間の自由空間を２０インチからほぼ１０インチに事実上縮めることにより冷却材の混合、従って燃料棒からの熱伝達を増加させる。ＩＦＭの別の利点として、燃料棒の振動が減少するため格子と燃料棒の間のフレッチングが減少することがある。典型的な１２フィートの燃料集合体は（上部から下部への）６個の構造支持格子と共に（上方スパンの）３個のＩＦＭを有する。
【０００７】
原子力発電所が定格出力の増加または装荷パターン効率のいずれかによりＰＷＲの燃料をより高い温度で動作させるようになって、ＰＷＲ燃料に対する要求がますます厳しくなっている。燃料棒から排除される熱量を大きくすることは、ＣＩＰＳまたは燃料棒腐蝕のリスクの増加を回避し、ＣＨＦのマージンを増加（またはただ維持）する上で非常に重要である。さらに、「漏洩のない」、即ち、格子と燃料棒の間のフレッチングのリスクが本質的に０である燃料を提供する必要性が増加している。これらの課題への挑戦にあたり、加圧水型原子炉の燃料業界は主として支持格子（及び／またはＩＦＭ）の設計に注目している。設計変更による格子の熱的性能の向上にある程度成功しているが、所与の間隔の燃料集合体の格子については混合格子の設計の効率性それ自体に実際上限界があるらしい。
【０００８】
従って、システムのそれ以外の基本的コンポーネントを変更せずに冷却材の混合をさらに増加させる必要性が存在する。さらに、加圧水型原子炉業界において信頼性が証明されているコンポーネントを利用する必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００９】
上記及び他の必要性は、燃料集合体の上方端部の隣接する構造支持格子間に多数のＩＦＭを設ける本発明により充足される。隣接する構造支持格子間にＩＦＭを使用すると、燃料集合体の熱伝達が増加し、ＣＩＰＳ及び／または燃料棒腐蝕のリスクが減少し、ＣＨＦ性能が向上し、格子と燃料棒の間のフレッチングリスクが減少する。一般的に、本発明は、隣接する構造支持格子間のＩＦＭの数を１個から２個に増加させるものである。支持格子間にＩＦＭを付加すると、冷却材が再び摂動状態になる前に通過しなければならない距離が減少する。このように混合長さが短くなると燃料棒の平均熱伝達係数が増加し、その結果として燃料棒の温度が低下し燃料棒の腐蝕に対する抵抗力が増加する。混合長さが短くなることによる別の利点としてＣＨＦ性能の向上がある。
【００１０】
付加するＩＦＭは、クラッドが形成される可能性が高い燃料集合体の上方スパンに配置するのが好ましい。データによると、クラッドの形成はスパン５及び６、即ち、冷却材温度が飽和状態に近い燃料集合体の上方スパンにおいて優勢であることがわかっている。このスパンの平均熱伝達係数の向上に助けられて冷却材の蒸気発生率（質量蒸発）が減少するため燃料棒におけるクラッド形成リスク、従ってＣＩＰＳリスクが減少する。さらに、ＩＦＭの付加により、ＩＦＭと格子の間の間隔を熱伝達の増加に関し最適化できる。（格子の間隔は一様である必要はない）。即ち、軸方向の出力変化は一様でないため、冷却材の冷却材加熱速度及び燃料棒の軸方向の温度分布も一様でない。ＩＦＭが多数あるスパンでは、ＩＦＭでは、本発明において、ＩＦＭ間の格子間隔及びＩＦＭと構造混合格子の間の格子間隔は熱伝達係数を最大にする（燃料棒温度を最小限に抑える）ために調整される。
【００１１】
本発明はさらに、種々の混合手段を種々の高さで用いることにより燃料集合体全体の熱伝達係数の分布を最適化する。上方スパンに位置するＩＦＭ及び／または支持格子上の混合装置の設計は、それらの高さにおける冷却材の混合条件（例えば、低密度）を満足するように、燃料集合体の低い部分の対応する格子に対して最適化される。この最適化は、性能の向上が不要である集合体の下方格子上には混合手段（即ち、翼）を設けないことを含む。上方スパンにＩＦＭを付加するか現存の格子上の翼を拡大することにより圧力降下を適用することができる。
【好ましい実施例の説明】
【００１２】
本明細書で使用する用語「混合装置」は、冷却材のほぼ上向きの流れに乱流を発生させる、あるいはその方向を変化させる翼または他の構造を意味する。
【００１３】
本明細書で使用する用語「不均等な間隔」は、３個またはそれ以上の格子支持及び／または中間流れ混合格子より成る一連の格子において、少なくとも１つの格子がその中の１つの格子に、それ以外の格子よりも近いことを意味する。
【００１４】
図１は原子炉の従来型燃料集合体２０を示す。この燃料集合体２０は底部に入口を、頂部に出口を有する水の容器（図示せず）内に配置される。燃料集合体２０は、原子炉（図示せず）の炉心領域内で燃料集合体２０を下部炉心板（図示せず）上に支持する下端部構造または下部ノズル２２と、下部ノズルから縦方向上方に延びる多数の制御棒案内管またはシンブル２４と、案内シンブル２４に沿って軸方向に離隔する複数の横方向支持格子２６と、格子２６により横方向離隔関係に支持される細長い燃料棒の秩序ある配列体２８と、集合体の中央に位置する計装管３０と、案内シンブル２４の上端部に固着された上端部構造または上部ノズル３２とが、従来の態様で、集合体コンポーネントに損傷を与えることなく普通通りに取り扱えるようにした一体的な集合体を形成するものである。下部ノズル２２及び上部ノズル３２は流れ開口（図示せず）を備えた端板（図示せず）を有し、水のような流体冷却材が種々の燃料棒２８に沿って縦方向上方に流れて燃料棒から熱エネルギーを受けることができるようにする。図１に示すように、支持格子２６Ａ−２６Ｈとして示す８個の支持格子２６があるが、支持格子２６は下部ノズル２２に最も近い支持格子２６Ａから上方にアルファベット順で、上部ノズル３２に最も近い支持格子が２６Ｈである。下部ノズル２２のすぐ上には燃料棒２８の下部領域を破片から保護するための保護構造がある。さらに支持格子２６Ａ−２６Ｈは間隔が約２０インチであることに注意されたい。
【００１５】
燃料棒２８の間の冷却材の混合を促進するために、１つの混合翼格子構造または１つの中間流れ混合格子（ＩＦＭ）３４が１対の支持格子２６の間に位置し、案内シンブル２４に取り付けられる。図示のように、３つの中間流れ混合格子３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃがあるが、それらはそれぞれ隣接する支持格子２６からほぼ等距離の位置にある。図示のように、下方の中間流れ混合格子３４Ａは第４支持格子２６Ｄと第５支持格子２６Ｅの間にある。中間にある中間流れ混合格子３４Ｂは第５支持格子２６Ｅと第６支持格子２６Ｆの間にある。上方の中間流れ混合格子３４Ｃは第６支持格子２６Ｆと第７支持格子２６Ｇの間にある。中間流れ混合格子３４は、燃料棒２８に隣接する１またはそれ以上の混合装置３５を含んでいる。さらに、混合を促進するために支持格子２６を混合装置３５を備えるような構造にすることができる。従来技術では、中間流れ混合格子３４は全ての中間流れ混合格子３４上に同一サイズで同一形式の混合装置３５を含んでいた。即ち、従来技術では、１つの中間流れ混合格子３４が混合装置３５として翼を使用しておれば、全ての中間流れ混合格子３４が混合装置３５として同様な大きさの翼を使用していた。
【００１６】
上部ノズル３２は、直立する側壁が周端部に固定されて包囲体またはハウジングを画定する横方向に延びるアダプタプレート（図示せず）を有する。その側壁の頂部には環状フランジ（図示せず）が固定されるが、このフランジには板ばね３６が適当にクランプされ、これらの板ばねは従来の態様で上部炉心板（図示せず）と協働して上方に流れる冷却材により燃料集合体が持ち上げられないようにすると共に炉心に誘起される熱膨張による燃料集合体の長さの変化を吸収する。上部ノズル３２の側壁により画定される開口内には、制御棒をよく知られた態様で制御棒案内シンブル２４内で垂直方向に移動させるための従来型燃料棒クラスタ制御組立体３８がある。燃料集合体２０を形成するために、支持格子２６と複数の中間流れ混合格子３４とは縦方向に延びる案内シンブル２４に軸方向に離隔した所定の場所で固着されている。下部ノズル２４は案内シンブル２４の下端部に適宜固着され、上部ノズル３２は案内シンブル２４の上端部に固着される。その後、燃料棒２８が支持格子２６とＩＦＭ３４とに挿入される。燃料棒２８は一般的に細長い円筒体である。燃料集合体２０の詳細な説明については米国特許第４，０６１，５３６号を参照されたい。
【００１７】
図示の燃料集合体２０は、燃料棒２８が正方形アレイ状に配列され、制御棒案内シンブル２４が燃料棒アレイ内において戦略的に配置されたタイプである。さらに、下部ノズル２２、上部ノズル３２だけでなく支持格子２６の断面形状もほぼ正方形である。図示した特定の燃料集合体２０は例示目的であるため、ノズルまたは格子の形状もしくは燃料棒２８及び案内シンブル２４の数及び形状の何れも限定的なものではなく、本発明は図示した特定構成とは異なる形状及び構成のものに等しく適用可能であることを理解されたい。
【００１８】
図２に示すように、燃料集合体５０は多数の、そして間隔が異なる中間流れ混合格子１３４を有する。即ち、燃料集合体５０は、中間流れ混合格子１３４が多数存在し、間隔が異なる点を除き上述したものと同じコンポーネントを有する。従って、本発明の燃料集合体５０は、原子炉の炉心領域（図示せず）内の下部炉心板（図示せず）上において燃料集合体５０を支持するための下端部構造または下部ノズル２２と、下部ノズル２２から縦方向上方に延びる多数の制御棒案内管またはシンブル２４と、案内シンブル２４に沿って軸方向に離隔した複数の横方向支持格子２６と、格子２６により横方向離隔関係に支持される細長い燃料棒の秩序ある配列体２８と、集合体の中央に位置する計装管３０と、案内シンブル２４の上端部に固着された上端部構造または上部ノズル３２とが、従来の態様で、集合体コンポーネントを損傷することなく普通通りに取り扱うことができるようにした一体的な集合体を構成したものである。下部ノズル２２及び上部ノズル３２は流れ開口（図示せず）を備えた端板（図示せず）を有するが、これにより水のような流体冷却材は種々の燃料棒２８に沿って縦方向上方に流れて燃料棒から熱エネルギーを受ける。再び、支持格子２０Ａ−２６Ｈとして示す８個の支持格子があるが、支持格子２６は下部ノズル２２に最も近い支持格子２６Ａから上方にアルファベット順で、上部ノズル３２に最も近い支持格子が２６Ｈである。支持格子２６Ａ−２６Ｈの間隔は従来技術の燃料集合体２０の間隔と実質的に同様なものでよい。
【００１９】
しかしながら、従来技術とは異なり、２つの隣接する支持格子２６の間には少なくとも２つの、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４がある。図示の実施例において、隣接する上方の支持格子２６Ｅと２６Ｆの間、または２６Ｆと２６Ｇの間には少なくとも２つの中間流れ混合格子１３４が存在する。即ち、図示のように、最も下方の中間流れ支持格子１３４Ａは依然として第４格子２６Ｄと第５格子２６Ｅの間にあるが、上方の支持格子２６Ｅと２６Ｆとの間には２つの中間流れ混合格子１３４Ｂ、１３４Ｃがある。さらに、上方の支持格子２６Ｆと２６Ｇの間には、２つの中間流れ混合格子１３４Ｄ、１３４Ｅがある。かくして、１対の隣接する支持格子２６の間に位置する少なくとも２つの中間流れ混合格子１３４は、１対の隣接する支持格子２６の間に位置する２つの中間流れ混合格子１３４と、別対の隣接する支持格子２６の間に位置する単一の中間流れ混合格子１３４を含むということができる。異なる対の隣接する支持格子２６は共通の支持格子２６を共用する。同様に、１対の隣接する支持格子２６の間の少なくとも２つの中間流れ混合格子１３４は、１対の隣接する支持格子２６間の２つの中間流れ混合格子１３４と、別対の隣接する支持格子２６間の２つの他の中間流れ混合格子１３４とを含むということができる。
【００２０】
それらの少なくとも２つの、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４は、隣接する支持格子２６の間における間隔が均等でない。即ち、従来技術の中間流れ混合格子３４が隣接する支持格子２６の間でほぼ均等の間隔で配置されていたのとは異なり、それらの少なくとも２つの、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４は隣接する支持格子２６の一方または他方に近いようにそれぞれ独自に、または一緒に配置されている。
【００２１】
本発明は、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子を含むだけでなく、それ以外の、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４とはサイズ、形状及びパターンが異なる混合装置１３５を備えた多種多様な、間隔が異なる流れ混合格子１３４を提供する。即ち、以前のように、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４は翼のような混合装置１３５を有する。しかしながら、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４は、それ以外の、多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４とはサイズ、形状及びパターンが異なる混合装置１３５を備えてもよい。同様に、支持格子２６に混合装置１３５を設けてもよい。支持格子２６上の混合装置１３５は、それ以外の支持格子２６または多数の、間隔が異なる中間流れ混合格子１３４の何れかの上の混合装置とは形状、サイズまたはパターンが異なるものでよい。以下、混合装置３５の形状、サイズまたはパターンを混合装置の構成１３７（略示する）と呼ぶ。さらに、種々の混合装置の構成を異なる文字、例えば１３７Ａまたは１３７Ｂで識別する。かくして、一例として、第４の中間流れ混合格子１３４Ｄは第１の構成１３７Ａの翼を有し、第５の中間流れ混合格子１３４Ｅは第２の異なる構成１３７Ｂの翼を有する。このようにして、多数の、間隔の異なる中間流れ混合格子１３４を燃料集合体５０の特定の高度位置に設けて混合を最適化するように構成することができる。
【００２２】
本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、これらの種々の変形例及び設計変更を本願の教示全体から想到できることが当業者にわかるであろう。例えば、燃料棒集合体２０は図示の燃料棒集合体２０よりも長いか短い長さのものでよい。かくして、別の燃料棒集合体５０は図示の燃料棒２０より多いか少ない支持格子２６と中間流れ混合格子１３４を備えるようにしてもよい。従って、図示説明した特定の構成は例示目的に限られ、本願発明の範囲を限定するのではなく、その範囲は頭書の特許請求範囲の全幅及び任意そして全ての均等物の範囲を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術の原子燃料集合体の概略的な側面図である。
【図２】本発明による原子燃料集合体の概略的な側面図である。
【図１】
2007232726.tif 000003
【図２】
2007232726.tif 000004
【外国語明細書】
MULTIPLE AND VARIABLY-SPACED INTERMEDIATE FLOW MIXING VANE GRIDS FOR FUEL ASSEMBLY                             
BACKGROUND OF THE INVENTION
Field of the Invention
The present invention relates to nuclear fuel assemblies and, more specifically, to a mixing grid incorporated into a nuclear fuel assembly.
Description of the Prior Art
In a typical pressurized water reactor (PWR), the reactor core is comprised of a large number of generally vertical, elongated fuel assemblies. The fuel assemblies include a frame assembly structured to support a plurality of fuel rods.  The fuel assembly includes a top nozzle, a bottom nozzle, a plurality of structural support grids and intermediate flow mixing grids, and a plurality of thimble tubes.  The grids are attached to the plurality of elongated thimble tubes which extend vertically between the top and bottom nozzles. The thimble tubes typically receive control rods, plugging devices, or instrumentation therein. A fuel rod includes nuclear fuel, typically, clad in a cylindrical metal tube.  Generally, water enters the fuel assembly through the bottom nozzle and passes vertically upward through the fuel assembly.  As the water passes over the fuel rods, the water is heated until the water exits the top nozzle at an elevated temperature.
The support grids are used to position the fuel rods in the reactor core, resist fuel rod vibration, provide lateral support for the fuel rods and, to some extent, vertically restrain the fuel rods against longitudinal movement. The support grids are commonly positioned approximately 20 inches apart in the axial direction to provide mechanical support to the rods.  A common problem in the PWR fuel industry is vibration of the fuel rod/support system as a natural response to coolant flow.  This phenomenon is manifested as grid-to-rod fretting, which can ultimately lead to a breach in the fuel rod cladding and leakage of nuclear fuel material into the coolant.
Another role of support grids is to produce turbulent mixing of the coolant passing through them.  Mixing is induced by devices on the grids, for example, but not limited to, mixing vanes.  The mixing imparted by the mixing devices enhances heat transfer from the fuel rods.  The benefits of increased heat transfer from the rods include the following:  lower fuel operating temperature, thus greater resistance to fuel cladding corrosion (which can lead to breach/failure of the cladding); increased fuel assembly Critical Heat Flux (CHF) capability; a reduced tendency for the coolant to boil on the rod surface (i.e., subcooled nucleate boiling), which reduces the risk of crud formation on the rods.  The existence of crud can lead to Crud Induce Power Shift (CIPS), a phenomenon which can result in a costly penalty to plant operating power levels.  These benefits translate into increased plant operating margins, higher fuel reliability, and/or can enable plant upratings.
Considering the application of support grids in fuel assembly design, previous industry practice has been to add a “mixing” grid between the structural support grids in the upper spans.  The mixing grids do not necessarily contact the fuel rods.  Commonly called Intermediate Flow Mixing grids (IFMs), these grids effectively reduce the free space between grids from 20 in. to approximately 10 in., thereby increasing the coolant mixing (hence, heat transfer) from the rods.  Another benefit of IFMs is reduced fuel rod vibration, thus reducing grid-to-rod fretting.  A typical 12 ft. fuel assembly has six structural support grids (from top to bottom) and three IFMs (in the upper spans). 
As nuclear plants continue to push PWR fuel to run hotter (either via plant uprates or by loading pattern efficiencies), the demand on PWR fuel are becoming more stringent.  Greater heat rejection from the fuel rods is vital to avoid increasing risk of CIPS or fuel rod corrosion and to increase (or just maintain) margin from CHF.  In addition, there is a greater need to provide fuel that is “leaker free,” i.e., with essentially zero risk of grid-to-rod fretting.  In addressing these challenges, the PWR fuel industry has mainly been focused on the design of the support grid (and/or IFM).  Though design changes have been somewhat successful in increasing the grid’s thermal performance, there may be a practical limit to the effectiveness of the mixing grid design per se, for a given grid-to-grid spacing in the fuel assembly.  
There is, therefore, a need for additional mixing of the coolant without altering the other basic components of the system.  There is a further need to utilize components that have been proven to be reliable in the PWR industry.
SUMMARY OF THE INVENTION
These needs, and others, are met by the present invention which provides multiple IFMs between adjacent structural support grids at the upper end of the fuel assembly.  The use of an IFM between adjacent structural support grids increases fuel assembly heat transfer, reduces the risk of CIPS and/or fuel rod corrosion, increases CHF performance, and reduces the risk of grid-to-rod fretting.  Generally, the invention provides for an increase in the number of IFMs between adjacent structural support grids from one to at least two.  The addition of IFM’s between support grids decreases the distance the coolant must travel before becoming perturbed again.  This shorter “mixing length” increases the rod average heat transfer coefficient, resulting in reduced rod temperature and increased resistance to fuel rod corrosion.  An additional benefit of a shorter “mixing length” is increased CHF performance.  
Preferably, the additional IFMs are disposed in the upper spans of the fuel assembly in which crud is more likely to form.  Data indicates that crud formation is more prevalent in spans 5 and 6, i.e., in the upper spans of the fuel assembly where coolant temperature is closer to saturation.  The improved span average heat transfer coefficient helps to reduce the coolant steaming rate (mass evaporation), thus reducing the risk of crud formation on the fuel rods (thus reduced risk of CIPS).  The use of additional IFMs further optimizes the spacing between the IFM’s and grids with respect to improved heat transfer.  (The spacing between the grids need not be uniform.)  That is, as the axial power profile is non-uniform, the coolant heatup rate and rod axial temperature distribution is also non-uniform.  In the span with multiple IFMs, the grid spacings between the IFMs and the IFM-to-Structural Mixing grid in the present invention are adjusted to maximize the heat transfer coefficient (minimize rod temperature).
The present invention further optimizes the distribution of the heat transfer coefficient throughout the fuel assembly by prescribing different mixing features for different elevations.  The design of the mixing devices on the IFMs and/or support grids located in the upper spans are optimized for the coolant mixing conditions at those elevations (e.g., lower density) versus corresponding grids in the lower elevations of the fuel assembly.  This optimization may include no mixing features (i.e., vanes) on grids low in the assembly where the performance enhancement is not needed.  The available pressure drop can then be applied by adding IFMs in the upper spans or enlarging vanes on current grids.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
A further understanding of the invention can be gained from the following description of the preferred embodiments when read in conjunction with the accompanying drawings in which:
Figure 1 is a schematic side view of a nuclear fuel assembly of the prior art.
Figure 2 is a schematic side view of a nuclear fuel assembly according to the present invention.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
As used herein, a “mixing device” is a vane, or other structure that creates turbulence in, or effects the direction of, the generally upward flow of the coolant.  
As used herein “spaced unevenly” indicates that in a series of three or more grids, support and/or Intermediate Flow Mixing, at least one grid in the series is closer to one grid in the series than to another grid in the series. 
A prior art fuel assembly 20 for a nuclear reactor is shown in Figure 1.  The fuel assembly 20 is disposed in a water vessel (not shown) having an inlet at the bottom and an outlet at the top.  The fuel assembly 20 comprises a lower end structure or bottom nozzle 22 for supporting the fuel assembly 20 on the lower core plate (not shown) in the core region of a reactor (not shown); a number of longitudinally extending control rod guide tubes, or thimbles 24, projecting upwardly from the bottom nozzle 22; a plurality of transverse support grids 26 axially spaced along the guide thimbles 24; an organized array of elongated fuel rods 28 transversely spaced and supported by the grids 26; an instrumentation tube 30 located in the center of the assembly; and an upper end structure or top nozzle 32 attached to the upper ends of the guide thimbles 24, in a conventional manner, to form an integral assembly capable of being conventionally handled without damaging the assembly components. The bottom nozzle 22 and the top nozzle 32 have end plates (not shown) with flow openings (not shown) for the upward longitudinal flow of a fluid coolant, such as water, to pass up and along the various fuel rods 28 to receive the thermal energy therefrom. As shown in Figure 1, there are eight support grids 26 identified as support grids 26A-26H, with support grid 26A being closest to the bottom nozzle 22 and the support grids 26 being lettered sequentially upwards so that support grid 26H is closest to the top nozzle 32.  Just above the bottom nozzle 22 is a protective structure 27 to protect the bottom region of the fuel rods 28 from debris.  It is further noted that the support grids 26A- 26H are spaced about twenty inches apart.
To promote mixing of the coolant among the fuel rods 28, one mixing vane grid structure or one Intermediate Flow Mixing grid (IFM) 34 is disposed between a pair of support grids 26 and mounted on the guide thimbles 24.  As shown, there are three Intermediate Flow Mixing grids 34A, 34B, 34C each of which are disposed generally an equal distance from the adjacent support grids 26.  As shown, the lower Intermediate Flow Mixing grid 34A is disposed between the fourth support grid 26D and the fifth support grid 26E.  The middle Intermediate Flow Mixing grid 34B is disposed between the fifth support grid 26E and the sixth support grid 26F.  The upper Intermediate Flow Mixing grid 34C is disposed between the sixth support grid 26F and the seventh support grid 26G.  The Intermediate Flow Mixing grids 34 include one or more mixing devices 35 located adjacent the fuel rods 28. Additionally, the support grids 26 may be structured with mixing devices 35 to promote mixing.  In the prior art, the Intermediate Flow Mixing grids 34 included the same size and type of mixing device 35 on all Intermediate Flow Mixing grids 34.  That is, in the prior art, if one Intermediate Flow Mixing grid 34 used vanes as a mixing device 35, all Intermediate Flow Mixing grids 34 used similar sized vanes as a mixing device 35.
The top nozzle 32 includes a transversely extending adapter plate (not shown) having upstanding sidewalls secured to the peripheral edges thereof in defining an enclosure or housing. An annular flange (not shown) is secured to the top of the sidewalls and suitably clamped to this flange are leaf springs 36 which cooperate with the upper core plate (not shown) in a conventional manner to prevent hydraulic lifting of the fuel assembly caused by upward coolant flow while allowing for changes in fuel assembly length due to core induced thermal expansion and the like. Disposed within the opening defined by the sidewalls of the top nozzle 32 is a conventional rod cluster control assembly 38 for vertically moving the control rods in the control rod guide thimbles 24 in a well known manner.  To form the fuel assembly 20, support grids 26 and a plurality of Intermediate Flow Mixing grids 34 are attached to the longitudinally extending guide thimbles 24 at predetermined axially spaced locations.  The bottom nozzle 22 is suitably attached to the lower ends of the guide thimbles 24 and then the top nozzle 32 is attached to the upper ends of guide thimbles 24. Fuel rods 28 are then inserted through the support grids 26 and IFMs 34.  The fuel rods 28 are generally elongated cylinders.  For a more detailed description of the fuel assembly 20, reference should be made to U.S. Patent No. 4,061,536. 
The fuel assembly 20 depicted in the drawings is of the type having a square array of fuel rods 28 with the control rod guide thimbles 24 being strategically arranged within the fuel rod array. Further, the bottom nozzle 22, the top nozzle 32, and likewise the support grids 26 are generally square in cross section. In that the specific fuel assembly 20 represented in the drawings is for illustrational purposes only, it is to be understood that neither the shape of the nozzles or the grids, or the number and configuration of the fuel rods 28 and guide thimbles 24 are to be limiting, and the invention is equally applicable to different shapes, configurations, and arrangements than the ones specifically shown. 
As shown in Figure 2, a fuel assembly 50 includes multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134.  That is, the fuel assembly 50 includes the same components as identified above except there are multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134.  Accordingly, the  fuel assembly 50 of the present invention includes a lower end structure or bottom nozzle 22 for supporting the fuel assembly 50 on the lower core plate (not shown) in the core region of a reactor (not shown); a number of longitudinally extending control rod guide tubes, or thimbles 24, projecting upwardly from the bottom nozzle 22; a plurality of transverse support grids 26 axially spaced along the guide thimbles 24; an organized array of elongated fuel rods 28 transversely spaced and supported by the grids 26; an instrumentation tube 30 located in the center of the assembly; and an upper end structure or top nozzle 32 attached to the upper ends of the guide thimbles 24, in a conventional manner, to form an integral assembly capable of being conventionally handled without damaging the assembly components. The bottom nozzle 22 and the top nozzle 32 have end plates (not shown) with flow openings (not shown) for the upward longitudinal flow of a fluid coolant, such as water, to pass up and along the various fuel rods 28 to receive the thermal energy therefrom. Again, there are eight support grids identified as support grids 26A-26H, with support grid 26A being nearest to the bottom nozzle 22 and the support grids being lettered sequentially upwards so that support grid 26H is nearest the top nozzle 32.  The spacing of the support grids 26A-26H may be substantially similar to the spacing of the prior art fuel assembly 20.  
Unlike the prior art, however, there are at least two multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134 disposed between two adjacent support grids 26.  In the embodiment shown, between the adjacent upper support grids 26E and 26F or 26F and 26G there are at least two Intermediate Flow Mixing grids 134.  That is, as shown, the lowest Intermediate Flow Mixing grid 134A is still between the fourth and fifth support grids, 26D, 26E but, between upper support grids 26E and 26F, there are two Intermediate Flow Mixing grids 134B, 134C.  Additionally, between upper support grids 26F and 26G there are two Intermediate Flow Mixing grids 134D, 134E.  Thus, the at least two Intermediate Flow Mixing grids 134 disposed between a pair of adjacent support grids 26 may be said to include two Intermediate Flow Mixing grids 134  disposed between a pair of adjacent support grids 26 and a single Intermediate Flow Mixing 134 grid disposed between another pair of adjacent support grids 26.  The different pairs of adjacent support grids 26 may share a common support grid 26.  Similarly, the at least two Intermediate Flow Mixing grids 134 disposed between a pair of adjacent support grids 26 may be said to include two Intermediate Flow Mixing grids 134 disposed between a pair of adjacent support grids 26 and two other Intermediate Flow Mixing grids 134 disposed between another pair of adjacent support grids 26.
The at least two multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134 may be spaced unevenly between the adjacent support grids 26.  That is, unlike the prior art Intermediate Flow Mixing grids 34 which was spaced generally evenly between adjacent support grids 26, the at least two multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134 may be disposed, individually or together, closer to one or the other of the adjacent support grids 26.
In addition to having multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134, the present invention further provides for having different multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134, having mixing devices 135 with different sizes, shapes and patterns than the other multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134.  That is, as before, the multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134 have mixing devices 135, such as vanes.  However, each of the multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134 may have different mixing devices 135 with different sizes, shapes and patterns than the other multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134. Similarly, the support grids 26 may also include mixing devices 135.  The mixing devices 135 on the support grids 26 may also have a different shape, size, or pattern than the mixing devices on either the other support grids 26 or the multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134.  Hereinafter, the shape, size, or pattern of mixing devices 135 shall be referred to as a mixing device formation 137 (shown schematically).  Additionally, different mixing device formations shall be identified with a different letter, e.g. 137A or 137B.  Thus, as an example, the fourth Intermediate Flow Mixing grid 134D includes a first formation 137A of vanes and the fifth Intermediate Flow Mixing grid 134E includes a second, different formation 137B of vanes. In this manner the multiple and variably-spaced Intermediate Flow Mixing grids 134 may be structured to optimize the mixing at particular elevation in the fuel assembly 50.
While specific embodiments of the invention have been described in detail, it will be appreciated by those skilled in the art that various modifications and alternatives to those details could be developed in light of the overall teachings of the disclosure.  For example, the fuel rod assembly 20 may have a greater or lesser length than the fuel rod assembly 20 shown in the figures.  Thus, an alternate fuel rod assembly 50 may accommodate more, or fewer, support grids 26 and Intermediate Flow Mixing grids 134 than the fuel rod assembly 20 shown in the figures.  Accordingly, the particular arrangements disclosed are meant to be illustrative only and not limiting as to the scope of invention which is to be given the full breadth of the claims appended and any and all equivalents thereof. 
1.    A fuel assembly for a pressurized water reactor comprising:
a bottom nozzle;
a plurality of elongated guide thimbles projecting upwardly from said the bottom nozzle;
a plurality of support grids  axially spaced along the guide thimbles; and 
at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between two adjacent support grids.
2.    The fuel assembly of claim 1 wherein said at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between a pair of adjacent support grids includes two Intermediate Flow Mixing grids disposed between a pair of adjacent support grids and a single Intermediate Flow Mixing grid disposed between another pair of adjacent support grids.
3.    The fuel assembly of claim 1 wherein said at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between a pair of adjacent support grids includes two Intermediate Flow Mixing grids disposed between a pair of adjacent support grids and two other Intermediate Flow Mixing grids disposed between another pair of adjacent support grids.
4.    The fuel assembly of claim 1 wherein said at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between two adjacent support grids includes two Intermediate Flow Mixing grids disposed between two adjacent support grids, two other Intermediate Flow Mixing grids disposed between two other adjacent support grids, and a single Intermediate Flow Mixing grid disposed between yet two other adjacent support grids.
5.    The fuel assembly of claim 1 wherein:
said plurality of support grids include a fifth support grid, a sixth support grid and a seventh support grid, said fifth, sixth and seventh supports grids being spaced from each other; and 
said at least two Intermediate Flow Mixing grids include at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said fifth and sixth support grids.
6.    The fuel assembly of claim 5 wherein said at least two Intermediate Flow Mixing grids include at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said sixth and seventh support grids.
7.    The fuel assembly of claim 1 wherein:
said plurality of support grids include a fourth support grid, a fifth support grid, a sixth support grid and a seventh support grid, said fourth, fifth, sixth and seventh supports grids being spaced from each other;
said at least two Intermediate Flow Mixing grids includes two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said fifth and sixth support grids and  two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said sixth and seventh support grids; and
said at least two Intermediate Flow Mixing grids further includes a single Intermediate Flow Mixing grid disposed between said fourth and fifth support grids.  
8.    The fuel assembly of claim 1 wherein:
said plurality of support grids include a fifth support grid, a sixth support grid and a seventh support grid, said fifth, sixth and seventh supports grids being spaced from each other; and 
said at least two Intermediate Flow Mixing grids include at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said sixth and seventh support grids.
9.    The fuel assembly of claim 1 wherein
each Intermediate Flow Mixing grid includes mixing devices disposed in a formation; and
at least two said Intermediate Flow Mixing grids having a different mixing device formations.
10.   The fuel assembly of claim 1 wherein:
at least one said support grid includes mixing device disposed in a formation; 
at least one Intermediate Flow Mixing grid includes mixing device disposed in a formation; and
said mixing device formation on said Intermediate Flow Mixing grid having a different formation than said mixing device formation on said support grid.
11.   The fuel assembly of claim 1 wherein said Intermediate Flow Mixing grids are spaced unevenly between a pair of adjacent upper support grids.
12.   The fuel assembly of claim 11 wherein said at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between a pair of adjacent support grids includes two Intermediate Flow Mixing grids disposed between a pair of adjacent support grids and a single Intermediate Flow Mixing grid disposed between another pair of adjacent support grids.
13.   The fuel assembly of claim 11 wherein said at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between a pair of adjacent support grids includes two Intermediate Flow Mixing grids disposed between a pair of adjacent support grids and two other Intermediate Flow Mixing grids disposed between another pair of adjacent support grids.
14.   The fuel assembly of claim 11 wherein said at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between two adjacent support grids includes two Intermediate Flow Mixing grids disposed between two adjacent support grids, two other Intermediate Flow Mixing grids disposed between two other adjacent support grids, and a single Intermediate Flow Mixing grid disposed between yet two other adjacent support grids.
15.   The fuel assembly of claim 11 wherein:
said plurality of support grids include a fifth support grid, a sixth support grid and a seventh support grid, said fifth, sixth and seventh supports grids being spaced from each other; and 
said at least two Intermediate Flow Mixing grids include at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said fifth and sixth support grids.
16.   The fuel assembly of claim 15 wherein said at least two Intermediate Flow Mixing grids include at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said sixth and seventh support grids.
17.   The fuel assembly of claim 11 wherein:
said plurality of support grids include a fourth support grid, a fifth support grid, a sixth support grid and a seventh support grid, said fourth, fifth, sixth and seventh supports grids being spaced from each other;
said at least two Intermediate Flow Mixing grids includes two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said fifth and sixth support grids and  two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said sixth and seventh support grids; and
said at least two Intermediate Flow Mixing grids further includes a single Intermediate Flow Mixing grid disposed between said fourth and fifth support grids.  
18.   The fuel assembly of claim 11 wherein:
said plurality of support grids include a fifth support grid, a sixth support grid and a seventh support grid, said fifth, sixth and seventh supports grids being spaced from each other; and 
said at least two Intermediate Flow Mixing grids include at least two Intermediate Flow Mixing grids disposed between said sixth and seventh support grids.
19.   The fuel assembly of claim 11 wherein
each Intermediate Flow Mixing grid includes mixing devices disposed in a formation; and
at least two said Intermediate Flow Mixing grids having a different mixing device formations.
20.   The fuel assembly of claim 11 wherein:
at least one said support grid includes mixing device disposed in a formation; 
at least one Intermediate Flow Mixing grid includes mixing device disposed in a formation; and
said mixing device formation on said Intermediate Flow Mixing grid having a different formation than said mixing device formation on said support grid.
1. ABSTRACT
A fuel assembly for a pressurized water reactor that includes a bottom nozzle, a plurality of elongated guide thimbles projecting upwardly from the bottom nozzle, an array of fuel rods, a plurality of support grids axially spaced along the guide thimbles, and at least two Intermediate Flow Mixing grids, which may have different configurations of mixing device formations, disposed between  pairs of non-uniformly spaced, adjacent support grids at selected locations.
2. Representative Drawing
Fig. 2
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