(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角筒状をなすチャンネルボックスと、このチャンネルボックス内に複数本配置された燃料棒と、これらの燃料棒より短い部分長燃料棒と、前記部分長燃料棒の少なくとも一部の上端部に設置された冷却材流制御器とを具備する原子炉燃料集合体において、前記冷却材流制御器は、複数箇所に切欠部を有し、上端が外側へ開いた花弁型偏向翼を有する円管であって、さらに前記花弁型偏向翼の上端の両端が上端の中央部よりも当該部分長燃料棒の中心から離れる方向へ湾曲し上端全体が、前記部分長燃料棒に隣接する燃料棒の方向へ湾曲していることを特徴とする原子炉燃料集合体。
【請求項２】
角筒状をなすチャンネルボックスと、このチャンネルボックスに複数本配置された燃料棒と、これらの燃料棒より短い部分長燃料棒と、前記部分長燃料棒の少なくとも一部の上端部に設置された冷却材流制御器とを具備する原子炉燃料集合体において、前記冷却材流制御器は螺旋状に成形され、かつこの螺旋状に成形された翼が前記部分長燃料棒に隣接する燃料棒の方向に突起部分を有し、さらにこの突起部分の先端がばね形状をなすことを特徴とする原子炉燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉の原子炉燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉の炉心では、燃料棒の発熱を炉心下方から上方へ流れる冷却材によって除熱している。このとき冷却材中の液相が沸騰を始めるので、冷却材の流れに沿って冷却材中に気泡（ボイド）が発生する。従って、冷却材中に発生する気泡の容積に占める割合、すなわちボイド率は炉心上部ほど高くなる。そのため、特に炉心上部において冷却材の圧力損失が大きくなる傾向がある。
【０００３】
また、原子炉停止時には炉心上部のボイド率がゼロに近くなり、運転時と比べて炉心上部の減速材密度が非常に大きくなる。そのため中性子の減速が進みすぎて、制御棒によって炉心を未臨界に保つための余裕（炉停止余裕と呼ばれる。）が小さくなり、原子炉の運転を安定的に停止する際の１つの課題となっていた。
【０００４】
このような課題を解決するために、図７に示すような原子炉燃料集合体１が従来より設計されている。図７は一般的な原子炉燃料集合体の軸方向断面図である。
【０００５】
原子炉燃料集合体１は、角筒状のチャンネルボックス２で覆われており、このチャンネルボックス２内には多数本の燃料棒３が配置されている。原子炉燃料集合体１の軸方向の上端及び下端は、上部タイプレート４及び下部タイプレート５で支持され、原子炉燃料集合体１の軸方向の数箇所には燃料棒３の間隔を保持するスペーサ６が配置され、燃料棒３の軸方向への摺動を抑制している。原子炉燃料集合体１の断面中央部にはウォータロッド７が配置され、このウォータロッド７の内部では冷却材が上方へ流れている。
【０００６】
さらに燃料棒のうち一部は、他の燃料棒３より短く形成された部分長燃料棒８となっている。こうして燃料棒の一部を部分長燃料棒８とすることにより、炉心上部の冷却材の流路面積を広げて圧力損失を低減し、同時に炉心上部に存在する燃料の量を減らして炉停止余裕を確保している。
【０００７】
図８は一般的な部分長燃料棒８の上端部付近における冷却材の流動状態を模式的に示した拡大断面図である。燃料棒の除熱にあたっては、冷却材のうち液相は主に燃料棒表面付近を流れ、気相は燃料棒間の間隙を流れるような場合が最も理想的であり、除熱効果が高い。しかし実際には、図８に示すように、燃料棒３付近は環状流と呼ばれる流動状態になっている。すなわち、燃料棒３の表面を液膜と呼ばれる液相１９が覆って上方に流れ、この液膜１９の沸騰によって燃料棒３の除熱が行われ、また燃料棒３間の間隙はボイド２０が占めている。一方部分長燃料棒８の上端部では、部分長燃料棒８の表面を下方から流れてきた液膜１９が燃料棒３間の間隙に放出され、液滴２１となって、周りの燃料棒３の除熱に寄与していないという問題点がある。
【０００８】
このため従来より、例えば特開平３−５１７９６公報、特開平５−１５００６６公報に開示されているように、部分長燃料棒８の上端に冷却材流制御器を設け、部分長燃料棒８の表面を流れてくる液膜９を他の燃料棒３の表面へ飛散させ、燃料棒の除熱効果を向上させる工夫がなされてきた。
【０００９】
図９及び図１０は、かかる工夫がなされた燃料集合体の、部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の一例の斜視図である。
図９には、部分長燃料棒８の上端に円管の上端を外側に切り開いた、切欠部２２を有する構造が示されている。この切欠部２２間の偏向翼１２によって、部分長燃料棒８の表面を流れてくる冷却材の流れを強制的に周囲へ偏向させ、部分長燃料棒８の周囲の燃料棒３の液膜量を増大させることにより、周囲の燃料棒３の除熱を促進している。
【００１０】
また図１０には、部分長燃料棒８の上端に螺旋翼２３を設けた構造が示されている。これにより、部分長燃料棒８の表面を流れてくる冷却材を旋回させ、液相と気相にかかる遠心力の差を利用して、液相のみを効率よく周囲に飛散させることにより周囲の燃料棒３の除熱を促進している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の部分長燃料棒８の上端部に設けられる冷却材流制御器は、部分長燃料棒８の表面を流れてくる冷却材の流れを変えて、周囲の燃料棒の除熱を促進させる働きを有する。
【００１２】
しかしながら、図９に示す冷却材流制御器は、冷却材の流れを周囲に偏向させるのみであり、部分長燃料棒８の周囲の燃料棒３の液膜量を十分に増大させることができなかった。
【００１３】
また図１０に示す冷却材流制御器では、螺旋翼２３は下端が部分長燃料棒８の上端にて固定されているのみである。一方、原子炉運転中には、高圧下での冷却材流によって螺旋翼２３は連続的に振動するから、螺旋翼２３はこの振動によって破損する可能性がある。螺旋翼２３が破損した場合、その破片が周囲の燃料棒に接触すると、あるいは螺旋翼の振幅が大きくなって螺旋翼の一部分が周囲の燃料棒に強く接触すると、燃料棒表面に傷がついたり、また燃料棒が破損することも考えられる。
【００１４】
本発明は上記課題を鑑みてなされたもので、図９に示すような偏向翼１２における構造や配置を工夫し新たな構造の偏向翼とすることによって、部分長燃料棒８表面を流れてくる冷却材を偏向する能力をさらに高めた冷却材流制御器を具備する原子炉燃料集合体を提供することを目的とする。
【００１５】
また本発明は、図１０に示すような螺旋翼２３における構造や配置を工夫し新たな構造とすることによって、振動による破損や周囲の燃料棒との干渉が生じないような、より強固な支持構造からなる冷却材流制御器を具備する原子炉燃料集合体を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明においては、部分長燃料棒上端部に設けられる冷却材流制御器は、複数箇所に切欠部を有し、上端が外側へ開いた花弁型偏向翼を有する円管であって、さらに前記花弁型偏向翼の上端の両端が上端の中央部よりも当該部分長燃料棒の中心から離れる方向へ湾曲し上端全体が、前記部分長燃料棒に隣接する燃料棒の方向へ湾曲していることを特徴とする原子炉燃料集合体を提供する。
【００１９】
また請求項２記載の発明においては、部分長燃料棒上端部に設けられる冷却材流制御器は、螺旋状に成形され、かつこの螺旋状に成形された翼が前記部分長燃料棒に隣接する燃料棒の方向に突起部分を有し、さらにこの突起部分の先端がばね形状をなすことを特徴とする原子炉燃料集合体を提供する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。なお、上記従来の技術と同じ構成部分については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図１（ａ）は本発明を理解するための参考例１である原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）における冷却材の流れを模式的に示した斜視図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の上面図である。なお説明のため、図１（ｃ）では、部分長燃料棒に隣接する燃料棒８本を併せて示した。
【００２３】
図１（ａ）において、燃料集合体の部分長燃料棒８上端に設置された冷却材流制御器の偏向翼９は、図９に示した偏向翼１２を変形したものである。すなわち、円管の複数箇所に切欠部２２を設け、この円管の上端を外側へ開き、かつ切欠部２２間にできる花弁型の偏向翼の上端をねじるように成形したものである。また、図１（ｂ）及び（ｃ）では、偏向翼９を部分長燃料棒８の隣接する燃料棒３の方向に４個設置しているが、偏向翼９の数はこれに限定されるものではない。例えば隣接する燃料棒３の数に応じて偏向翼９を８個有するものも考えられる。
【００２４】
このように偏向翼にねじりを入れることで、部分長燃料棒８の表面を下方から流れてきた冷却材に、外側への偏向作用と同時に旋回の作用が加えられる。旋回によって与えられる遠心力は気相よりも液相の方が大きいために、特に液相を効率よく周囲に飛散させることができる。また図１（ｃ）に示すように、冷却材の流れの偏向方向は、部分長燃料棒８に隣接する燃料棒３へと集中している。したがって、図９に示す場合と比べて、隣接する燃料棒３の液膜量を増大させることにより除熱効果を高め、冷却効率を上げることができる。
【００２５】
図２（ａ）は本発明の第１の実施形態における原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図、図２（ｂ）は図２（ａ）における冷却材の流れを模式的に示した斜視図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の上面図である。なお説明のため、図２（ｃ）では、部分長燃料棒に隣接する燃料棒８本を併せて示した。
【００２６】
図２（ａ）において、燃料集合体の部分長燃料棒８上端に設置された冷却材流制御器の偏向翼１０は、図９に示した偏向翼１２を変形したものである。すなわち、短円管の複数箇所に切欠部２２を設け、この円管の上端を外側へ開き、かつ切欠部２２間にできる花弁型の偏向翼の上端の両端が上端の中央部よりも当該部分長燃料棒の中心から離れる方向へ湾曲し、上端全体を部分長燃料棒８の隣接する燃料棒３の方向へ湾曲させるように成形したものである。また、図２（ｂ）及び（ｃ）では、偏向翼１０を部分長燃料棒８の隣接する燃料棒３の方向に４個設置しているが、偏向翼１０の数はこれに限定されるものではない。例えば隣接する燃料棒３の数に応じて偏向翼９を８個有するものも考えられる。
【００２７】
このように偏向翼を湾曲させることで、部分長燃料棒８の表面を下方から流れてきた冷却材の偏向方向の範囲を限定することができる。すなわち、図２（ｃ）に示すように、部分長燃料棒８に隣接する燃料棒３の方向へ集中的に冷却材を与えることができる。したがって、図９に示す場合と比べて、隣接する燃料棒３の液膜量を増大させることにより除熱効果を高め、冷却効率を上げることができる。
【００２８】
図３は本発明を理解するための参考例２である原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。図３において、燃料集合体の部分長燃料棒８上端に設置された冷却材流制御器は、部分長燃料棒８と同程度の口径である円管１１の複数箇所に、外側に切り開いた形状の偏向翼１２を設けるように成形したものである。この偏向翼１２は、円管１１の鉛直方向に複数段にわたって設けられている。
【００２９】
こうして円管１１の鉛直方向複数段にわたり偏向翼１２を設けることで、部分長燃料棒８の表面を下方から流れてきた冷却材のうち、下方の偏向翼１２によって十分外側へ偏向されなかったものを、この偏向翼１２より上方にある偏向翼１２によって偏向させることができる。また、部分長燃料棒８の上方を飛散している液滴の一部を外側に偏向させることができる。したがって、図９に示すような鉛直方向１段の偏向翼と比べて、部分長燃料棒３に隣接する燃料棒３の表面の液膜量を増大させる効果が大きいから、除熱効果を高め、冷却効率を上げることができる。
【００３０】
また、円管１１に設ける偏向翼１２の代わりに、第１の実施形態として図１で示したねじりの入った偏向翼９や、あるいは第２の実施形態として図２で示した湾曲した偏向翼１０を用いてもよい。この場合は上述の効果に加えて第１あるいは第２の実施形態において述べた効果も有すると考えられる。
【００３１】
図４は本発明の第２の実施形態における原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。ここでは説明のため、この部分長燃料棒８に隣接する燃料棒３を２本だけ併せて示した。
【００３２】
図４において、燃料集合体の部分長燃料棒８上端に設置された冷却材流制御器の螺旋翼１３は、図１０に示した螺旋翼２３を変形したものである。すなわちこの螺旋翼１３は、図１０の螺旋翼２３の上方で、部分長燃料棒８に隣接する燃料棒３に近い部分数箇所に突起部分１４を設け、この突起部分１４の先端をばね形状１５に成形したものである。
【００３３】
この構成によって、部分長燃料棒８の表面を流れてくる冷却材の流れを旋回させ、液相と気相にかかる遠心力の差を利用して液相のみを効率よく周囲に飛散させることにより、周囲の燃料棒３の除熱を促進することができる。
【００３４】
さらに、螺旋翼１３が冷却材流によって振動して、隣接する燃料棒３に接近するような場合でも、螺旋翼１３が直接燃料棒３と接することがなく、螺旋翼１３に付属する突起部分１４が燃料棒３とばね形状１５を介して接するから、このばね形状１５が緩衝部材の役割を果たし、周辺の燃料棒３の接触する箇所に過大な応力が与えられることを防止できるから、冷却材流制御器の過度の振動が抑制される。よってこの螺旋翼１３は、図１０に示した螺旋翼２３と比べて、隣接する燃料棒３との干渉が生じにくい構造となっている。
【００３５】
図５は本発明を理解するための参考例３である原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。図５において、燃料集合体の部分長燃料棒８上端に設置された冷却材流制御器は、図１０に示した螺旋翼２３を円管１６で収納したものである。この円管１６は部分長燃料棒８と同程度の口径で、管側面に開口部が設けられ、冷却材の一部が円管１６内に出入りするような構造になっている。図５では円管１６側面の開口部は、鉛直方向複数箇所に円形に設けられているが、例えば冷却材の流れ方などによって開口部の形状及び設置箇所を変更することも考えられる。
【００３６】
この構成によって、部分長燃料棒８の表面を流れてくる冷却材の一部が円管１６の開口部から円管１６内部に流入し、円管１６内面に接する螺旋翼２３によって旋回作用を受け、開口部から円管１６の外側に流出する。螺旋翼２３の作用により、外部に流出した冷却材のうち液相のみを効率よく周囲に飛散させることができるから、周辺の燃料棒３の除熱を促進することができる。
【００３７】
さらに、この構造によれば、螺旋翼２３が円管１６によって支持されているから、大きな振幅の振動発生を抑制することができる。よってこの冷却材流制御器は、図１０に示す螺旋翼２３のみからなる場合と比べて、隣接する燃料棒３との干渉が生じにくい構造となっている。
【００３８】
図６は本発明を理解するための参考例４である原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。図６において、燃料集合体の部分長燃料棒８上端に設置された冷却材流制御器は、円柱１７に螺旋状の溝１８を設け、ドリル状に成形したものである。
【００３９】
この構成によって、部分長燃料棒８の表面を流れてくる冷却材には、螺旋翼１３の場合と同様に、偏向作用と同時に旋回作用が加わるから、冷却材のうち液相のみを効率よく周囲に飛散させることができる。したがって、隣接する燃料棒３の除熱効果を高めることができる。
【００４０】
さらに、この構成によれば、冷却材流制御器自体が円柱形状であるため、隣接する燃料棒３に接するような大きな振幅の振動発生は抑制される。よってこの冷却材流制御器は、図１０に示す螺旋翼２３のみからなる場合と比べて、隣接する燃料棒３との干渉が生じにくい構造となっている。
【００４２】
【発明の効果】
上述した請求項１記載の原子炉燃料集合体の冷却材流制御器は、従来の偏向翼を有する冷却材流制御器をさらに改良したものであり、この改良によって偏向翼による冷却材の偏向作用を高め、冷却材流を周囲の燃料棒の方向へと集中させることにより、従来の冷却材流制御器と比べて、部分長燃料棒表面を流れる冷却材流を周辺の燃料棒の除熱により有効に利用できる。
【００４３】
また上述した請求項２記載の原子炉燃料集合体の冷却材流制御器は、従来の螺旋翼を有する冷却材流制御器をさらに改良したものであり、この改良によって螺旋翼により冷却材の液相を効率よく周囲に飛散させることで高い冷却効率を有すると同時に、冷却材流による大きな振幅の振動を抑制し、周辺の燃料棒との干渉を防止することができる。またこれらの冷却材流制御器は、部分長燃料棒によって堅く支持されているから、必要ならばこの冷却材流制御器の長さを若干長めに設定するなど、冷却材流制御器の長さを最適化することで、冷却材の偏向能力をさらに高めることも可能である。ゆえに、本発明の冷却材流制御器によって、冷却材による燃料棒の冷却効率を向上させ、燃料集合体の健全性をより一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明を理解するための参考例１である原子炉燃料集合体の部分長燃料棒上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図、（ｂ）は（ａ）における冷却材の流れを模式的に示した斜視図、（ｃ）は（ｂ）の上面図である。
【図２】  （ａ）は本発明の第１の実施形態における原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図、（ｂ）は（ａ）における冷却材の流れを模式的に示した斜視図、（ｃ）は（ｂ）の上面図である。
【図３】  本発明を理解するための参考例２である原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。
【図４】  本発明の第２の実施形態における原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。
【図５】  本発明を理解するための参考例３である原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。
【図６】  本発明を理解するための参考例４である原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。
【図７】  一般的な原子炉燃料集合体の軸方向断面図である。
【図８】  一般的な原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の上端部付近における冷却材の流動状態を模式的に示した拡大断面図である。
【図９】  従来の原子炉燃料集合体の部分長燃料棒上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。
【図１０】  従来の原子炉燃料集合体の部分長燃料棒上端部に設けられる冷却材流制御器の斜視図である。
【符号の説明】
３  燃料棒
８  部分長燃料棒
９、１０、１２  偏向翼
１１、１６  円管
１３、２３  螺旋翼
１５  ばね形状
１７  円柱
１８  溝
２２  切欠部
【図１】
0003761232.tif 000002
【図２】
0003761232.tif 000003
【図３】
0003761232.tif 000004
【図４】
0003761232.tif 000005
【図５】
0003761232.tif 000006
【図６】
0003761232.tif 000007
【図７】
0003761232.tif 000008
【図８】
0003761232.tif 000009
【図９】
0003761232.tif 000010
【図１０】
0003761232.tif 000011