(57)【要約】【課題】異物フィルタによる圧力損失をできるだけ小さくすることができる多段式異物フィルタを提供する。【解決手段】所定の傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレート８８を積層してなる第１のフィルタ８１と、前記第１のフィルタ８１の下流側に配置され当該第１のフィルタ８１とは異なる傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレート８８を積層してなる第２のフィルタ８２を備えた多段式の異物フィルタ８において、前記第１のフィルタ８１の波型プレートに複数の流路孔を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
2012117921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレートを積層してなる第１のフィルタと、前記第１のフィルタの下流側に配置され当該第１のフィルタとは異なる傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレートを積層してなる第２のフィルタを備えた多段式異物フィルタにおいて、
前記第１のフィルタの波型プレートに複数の流路孔を設けたことを特徴とする多段式異物フィルタ。
【請求項２】
前記流路孔を前記第１のフィルタの波型プレートの流れ方向に少なくとも１つ設けたことを特徴とする請求項１記載の多段式異物フィルタ。
【請求項３】
前記流路孔の大きさを中央部から周辺部に向けて徐々に又は段階的に小さくしたことを特徴とする請求項１又は２記載の多段式異物フィルタ。
【請求項４】
前記第１のフィルタの流路を中央部の両側でそれぞれ下流側に外周部に向けて傾斜させるとともに、前記第２のフィルタの流路を中央部の両側でそれぞれ下流側に中央部に向けて傾斜させることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の多段式異物フィルタ。
【請求項５】
前記第１のフィルタの波型プレートと前記第２のフィルタの波型プレートを前記異物フィルタの対角線の１つに平行に配置したことを特徴とする請求項４記載の多段式異物フィルタ。
【請求項６】
前記第１のフィルタの波型プレートの上流側端部に複数の切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の多段式異物フィルタ。
【請求項７】
所定の傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレートを積層してなる第１のフィルタと、前記第１のフィルタの下流側に配置され当該第１のフィルタとは異なる傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレートを積層してなる第２のフィルタを備えた多段式異物フィルタにおいて、
前記第１のフィルタの波型プレートと前記第２のフィルタの波型プレートにそれぞれ互い違いに複数の流路孔を設けることを特徴とする多段式異物フィルタ。
【請求項８】
前記第１のフィルタの波型プレートの上流側端部と前記第２のフィルタの波型プレートの下流側端部に複数の切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項７記載の多段式異物フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉用燃料集合体の下部タイプレートに装着され、炉心に流入する異物（デブリ）を捕捉する多段式異物フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においては、液体の冷却材が炉心底部から流入し、炉心に装荷された燃料集合体を経て、集合体頂部から水／蒸気混合物として流出する。燃料集合体は、制御棒案内管上に垂直方向に支持された燃料支持金具の上に載置されている。
【０００３】
沸騰水型原子炉で用いられる通常の燃料集合体の構成を図８により説明する。図８（ａ）は９×９型の燃料集合体１の縦断面図であり、上部タイプレート５および下部タイプレート６、これらのタイプレートに両端が保持される複数の燃料棒３およびウォータロッド４、燃料棒間の間隙を維持する複数の燃料スペーサ７からなる燃料バンドルに、角筒状のチャンネルボックス２を被せた構造を持つ。下部タイプレート６は一般に、冷却材が流入する入口ノズル６１と、燃料棒下端部が挿入支持される上部グリッド６２からなり、これらを一体鋳造したものが用いられている。
【０００４】
燃料集合体１を支持する燃料支持金具（図示せず）の上縁部にはシート面が設けられており、このシート面に下部タイプレート６の外周面が密接する。制御棒案内管の外側を上昇してきた冷却材は、燃料支持金具下部の入口オリフィスから支持金具内に流入し、支持金具内部の流路を経て、上縁部に密接している下部タイプレート６の入口ノズル６１から下部タイプレート６内に流入する。下部タイプレート６内部で鉛直上方に向かって流路面積が拡大するディフューザ部６３を通り、上部グリッド６２の流路孔（図示せず）を通過して各々の燃料棒の周囲を流れる。
【０００５】
ところで、原子炉内には時間の経過と共に、剥離した金属酸化物や定期検査作業中に混入した金属片などの異物が蓄積される。このような異物は原子炉プラントの使用年数が長くなるにつれて、原子炉の冷却材循環システムに閉塞を来たし、健全な運転状態を阻害する恐れがある。特に、冷却材の流れとともに燃料集合体内に侵入した異物が燃料スペーサにトラップされ、燃料棒被覆管のフレッティング損傷を引き起こすことが知られており、炉心燃料への異物流入を防止するため、様々な形式の異物フィルタが用いられている。
【０００６】
異物フィルタの基本機能は、網目状または細径化した流路孔により異物を濾過捕捉するものである。しかし、そのようなフィルタでは、網目より大きな異物は捕捉出来るものの、フレッティング損傷の主な原因となる細長い針金状の異物（ワイヤーブラシのワイヤ、螺旋状切子など）に対して濾過効果を期待できない。針金状異物を捕捉出来るほどフィルタをきめ細かくすると、冷却材の流動抵抗が極端に増加したり、鋳物として製造できる最小寸法の限界を超えてしまうという問題が生じる。
【０００７】
近年、フレッティングによる燃料破損をできる限り無くそうとする動きが国内外で顕著となり、種々の手段が提案されている。その一つとして、針金状異物まで捕捉できるように、異物フィルタ内部の流路を湾曲させることによって、異物フィルタ入口から出口までの流路が一直線にならないようにすることにより、細長い線状の異物を流路の湾曲部で捕捉する手段が知られている（特許文献１）。
【０００８】
また、流路が冷却材流れ方向に対して異なる方向に傾斜する上流側平板集合体と下流側平板集合体からなる多段式の異物フィルタによって、線状異物を捕捉する方法も提案されている（特許文献２、３）。
【０００９】
特に、特許文献３に開示の多段式異物フィルタ８は、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、交互に成型された峰と谷を有する波型プレート８８を複数、互いに峰と谷を合わせて配置して並べることにより、鉛直上向きの冷却材流れ方向に対してある角度を有する真っ直ぐな流路を形成している。このようなフィルタ（第１のフィルタ）８１に対して、流路の傾斜方向が異なる第２のフィルタ８２を下流側に設置することにより線状異物を捕捉する。この多段式異物フィルタ８は、下部タイプレート内部で流路面積が拡大しきったディフューザ部の終端に設置されることにより圧力損失を必要以上に増加させず、波型プレート８８を積層した構造により線形異物に対する捕捉性能と製造性を同時に満足するものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許３０６５１１９号公報
【特許文献２】特開２００１−１４１８６６号公報
【特許文献３】特開２００６−１８９４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
既存炉心の取替用の燃料集合体を設計する場合、炉心全体の流量及び混在する燃料との流量配分を維持するため、圧力損失特性を既存の燃料集合体と同等にする必要がある。そのため現行の燃料集合体は、異物フィルタが付いている燃料集合体でも、異物フィルタが付いていない燃料集合体と圧力損失が同等または許容される範囲内に収まるように設計する必要がある。
【００１２】
しかしながら、圧力損失特性の良い多段式異物フィルタであっても圧力損失はゼロではないため、取替用の燃料集合体にそれを採用する場合、異物フィルタによる圧損増加分を何らかの方法で削減して、燃料集合体全体の圧力損失をほぼ一定に維持しなければならない。したがって、燃料設計の観点からは、異物フィルタ自身の圧力損失を極力小さくしておくことが重要である。  
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、異物フィルタによる圧力損失をできるだけ小さくすることができる多段式異物フィルタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明に係る多段式異物フィルタは、所定の傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレートを積層してなる第１のフィルタと、前記第１のフィルタの下流側に配置され当該第１のフィルタとは異なる傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレートを積層してなる第２のフィルタを備えた多段式異物フィルタにおいて、前記第１のフィルタの波型プレートに複数の流路孔を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る多段式異物フィルタは、所定の傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレートを積層してなる第１のフィルタと、前記第１のフィルタの下流側に配置され当該第１のフィルタとは異なる傾斜角度を有する流路を形成するように複数の波型プレートを積層してなる第２のフィルタを備えた多段式異物フィルタにおいて、前記第１のフィルタの波型プレートと前記第２のフィルタの波型プレートにそれぞれ互い違いに複数の流路孔を設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、異物の捕捉性能を損なうことなく、フィルタを通過する冷却材の流速分布を平坦化し、フィルタの圧力損失を軽減することができる。また、多段式異物フィルタを取替燃料にバックフィットする際の、圧力損失特性に関する設計変更が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係る多段式異物フィルタの構成図、（ｂ）は第１のフィルタの構成図、（ｃ）は下部タイプレートの全体構成図。
【図２】第１の実施形態の変形例に係る多段式異物フィルタの構成図。
【図３】第２の実施形態の変形例に係る多段式異物フィルタの構成図。
【図４】第３の実施形態の変形例に係る多段式異物フィルタの構成図。
【図５】第４の実施形態の変形例に係る多段式異物フィルタの構成図。
【図６】（ａ）は本発明の多段式異物フィルタの平面図、（ｂ）は側面図。
【図７】（ａ）は第５の実施形態に係る多段式異物フィルタの平面図、（ｂ）は側面図。
【図８】（ａ）は従来の燃料集合体の縦断面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図。
【図９】（ａ）は従来の多段式フィルタを装着した下部タイプレートの構成図、（ｂ）は多段式フィルタの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る異物フィルタの実施形態を、図面を参照して説明する。  
ここで、相互に共通もしくは類似の部分、または、従来技術と共通もしくは類似の部分には、共通の符号を付し重複説明を省略する。
【００１８】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る多段式異物フィルタを図１及び図２により説明する。  
（構成）
本第１の実施形態の多段式異物フィルタ８は、複数の波型プレートで構成された上流側の第１のフィルタ８１と下流側の第２のフィルタ８２からなり、下部タイプレート６内のグリッド部６２の上流位置に装着されている。また、第１のフィルタと第２のフィルタの中間ゾーンに冷却材が自由に連通可能なギャップ領域８５が設けられている。
【００１９】
第１及び第２のフィルタは、交互に峰部と谷部を有するように成型された複数の波型プレート８８を、互いに峰と谷を合わせた積層体からなり、第１及び第２のフィルタに形成される流路は、鉛直上向きの冷却材流れ方向に対してそれぞれ異なる所定の傾斜角度を有する真っ直ぐな流路を形成している。
【００２０】
また、第１のフィルタ８１の各波型プレートには、図１（ｂ）に示すように、複数の長円形状の流路孔８３が設けられている。図１（ｂ）の例では、流路孔８３は波形プレート８８の各峰部の両側に流れ方向に対して２つ設けられている。また、第１のフィルタ８１の各波型プレート８８の上流側端部には概略台形状の複数の切り欠き部８４が設けられている。
【００２１】
なお、流路孔８８の形状、設置個所、大きさ及び個数は、フィルタの製造性及び機械強度に支障が無ければ任意に設定することができる。例えば、図２に示すように、流路孔８３の形状を平行四辺形からなる大型の四角形状としてもよい。これにより、フィルタの製造工程の簡素化を図ることができる。
【００２２】
また、切り欠き部８４の形状は台形状に限定されず、他の形状、例えば、半円状、楕円状、角形状、等の任意の形状を採用することができる。また、切り欠き部８４の設置箇所は波型プレートの峰と谷の頂部等、任意の箇所に設けることができる。
【００２３】
（作用）
下部タイプレート６の入口ノズル６１から流入する冷却材の流速分布は、その上流に位置する燃料支持金具の入口オリフィスと支持金具内流路形状の影響で偏った分布となるが、図１（ｃ）の流速分布イメージのように、ほぼ流路中央部に流速のピークを持ち、ディフューザ部６３で広がり多段式異物フィルタ８へ流入する。このように、異物フィルタ８に流入する冷却材流速は一様ではないため、異物フィルタの圧力損失は流速の速い領域の圧力降下に支配される。
【００２４】
本第１の実施形態の多段式異物フィルタ８では、第１のフィルタ８１の波型プレート８８に複数の流路孔８３を設けたため、図１（ｂ）の９で示すように、第１のフィルタ内に流入した高速領域の冷却材が、隣接する流路に流出することが可能である。これにより、第１のフィルタ内部で冷却材の流速分布が平坦化される方向に作用するため、高流速領域の圧力損失が軽減される。
【００２５】
また、多段式異物フィルタ８は、第１のフィルタ８１と第２のフィルタ８２の中間ゾーンに冷却材が自由に連通可能なギャップ領域８５を有するため、これより下流側の第２のフィルタ８２に流路孔８３を設けても流速分布の平坦化効果を期待できない。また、第２のフィルタにも流路孔を設けると、第１のフィルタの流路孔から直線で見通せる位置に配置される恐れがあり、その場合、線状異物を通過させてしまう可能性が生じる。以上の理由から、本第１の実施形態では、第２のフィルタには流路孔を設けていない。
【００２６】
また、第１のフィルタ内の流路面積は、フィルタ直前の流路面積に比べてフィルタ構造材の断面積分だけ減少する。この第１のフィルタの入口面における階段的な流路面積の急激な減少により、流れ方向圧力も急激に降下し、それにより第１のフィルタの入口面に衝撃をもたらす。そこで、第１のフィルタの波型プレートの上流側に切り欠き部８４を設けることによって、第１のフィルタ入口面においてフィルタ構造材の断面積が急激に階段状に増加するのを避けることにより、流路面積の急激な減少による衝撃を緩和する。
【００２７】
（効果）
本第１の実施形態によれば、多段式異物フィルタの上流側のフィルタに複数の流路孔を設けたことにより、異物を確実に除去するとともに、多段式異物フィルタを流れる冷却材の流速分布を平坦化することができる。また、上流側のフィルタに切り欠き部を設けたことにより流路面積の急激な減少による衝撃を緩和することができる。
【００２８】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る多段式異物フィルタを図３により説明する。  
本第２の実施形態は、図３に示すように、第１のフィルタ８１の波型プレート８８の流路孔８３の大きさを、プレート中央部で大きくし、周辺部に向けて段階的に又は徐々に小さくしたことを特徴としている。
【００２９】
図１（ｃ）の流速分布に示すように、フィルタ中央付近の冷却材流速が最も速くなっているが、本第２の実施形態では、上記の構成としたことにより、この中央部での横方向流れの抵抗を小さくすることが可能となり、流速分布の平坦化効果をさらに高めることができる。
【００３０】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る異物フィルタを図４により説明する。  
本第３の実施形態は、図４に示すように、第１のフィルタ８１の波型プレート８８では流路孔８３ａを峰部に対してひとつおきに設け、また、第２のフィルタ８２の波型プレート８８にも同様に、第１のフィルタの流路孔８３ａと互い違いになるように流路孔８３ｂをひとつおきに設けている。さらに、第２のフィルタの下流側端部にも切り欠き８４ｂを設けている。
【００３１】
これらの構成により、異物の捕捉性能に影響を及ぼすことなく冷却材の流速分布をさらに平坦化することができる。また、多段式異物フィルタ８を上下反転させて、第１のフィルタと第２のフィルタを交替しても使用可能となり、下部タイプレートへの装着性が増すとともに、耐用年数の長期化が期待できる。
【００３２】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る異物フィルタを図５により説明する。  
本第４の実施形態は、図５に示すように、波型プレート８８によって形成される第１のフィルタの流路を中央部の両側で、下流方向に向けてそれぞれが外周部に向けて所定の角度で傾斜させたことを特徴としている。また、同様に第２のフィルタの流路も、中央部の両側で下流方向に向けてそれぞれが中央部に向かうような傾斜角度としている。
【００３３】
上述したように、下部タイプレート内の冷却材流れはディフューザ部で広がる流れとなるが、本第４の実施形態では、第１のフィルタ内の冷却材通路の方向を、下部タイプレート中央部から外周部に向かう方向にすることにより、冷却材の流れ方向を妨げる度合いが少なくなるため、冷却材の流入方向変化による圧力損失を軽減できる。
【００３４】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る多段式異物フィルタを図６及び図７により説明する。  
図６（ａ）、（ｂ）に示す多段式異物フィルタ８は波型プレートの長手方向がフィルタの相対する一組の辺に平行に積層されている。したがって、多段式異物フィルタ８への流入面及び流出面全体にわたって、第１のフィルタ８１への流入方向と第２のフィルタ８２からの流出方向は一定である。
【００３５】
一方、燃料支持金具内の流路形状の対称性から、冷却材の流速分布は入口オリフィス（図示せず）の流入方向を含む対角線に対してほぼ左右対称な分布となる。また、入口ノズル６１から下部タイプレート６内に流入した冷却材流れは、ディフューザ部で広がる流れになる。
【００３６】
本第５の実施形態では、このような冷却材の流速分布を考慮して、図７（ａ）、（ｂ）に示すように波型プレートを対角線方向に平行となるように積層してフィルタを構成する。さらに、第１のフィルタ８１の流路の傾斜角度と第２のフィルタ８２の流路の傾斜角度は、図５に示した構成とする。
【００３７】
これにより、多段式異物フィルタ８に流入する冷却材の流れ方向を極力転換させないでスムーズに多段式異物フィルタ８に導入することができ、流れ方向の転換にともなう流動損失を軽減できる。  
なお、本第５の実施形態では、第１のフィルタ８１に流通孔を設けていない多段式異物フィルタに対しても同様な効果を奏する。
【００３８】
以上、本発明の多段式異物フィルタについて、沸騰水型原子炉用燃料集合体への適用例を述べてきたが、加圧水型原子炉用燃料集合体に適用した場合にも、同様の効果を期待できることを付記しておく。
【００３９】
また、上記の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１…燃料集合体、２…チャンネルボックス、３…燃料棒、４…ウォータロッド、５…上部タイプレート、６…下部タイプレート、６１…入口ノズル、６２…上部グリッド部、６３…ディフューザ部、７…燃料スペーサ、８…多段式異物フィルタ、８１…第１のフィルタ、８２…第２のフィルタ、８３…流路孔、８４…切り欠き部、８５…ギャップ領域、８８…波型プレート。
【図１】
2012117921.tif 000003
【図２】
2012117921.tif 000004
【図３】
2012117921.tif 000005
【図４】
2012117921.tif 000006
【図５】
2012117921.tif 000007
【図６】
2012117921.tif 000008
【図７】
2012117921.tif 000009
【図８】
2012117921.tif 000010
【図９】
2012117921.tif 000011