JPH0342637B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は沸騰水型原子炉の冷却材喪失事故
（LOCA）時に炉心を冷却する非常時炉心冷却系
（ECCS）に係り、特に燃料集合体下部の支持構
造物内に流入した水をより確実に、かつ効率的に
炉心冷却に利用するに好適な燃料集合体に係る。

〔発明の背景〕

第１図は現在の沸騰水型原子炉のECCS注入装
置及び燃料支持構造を示したものである。

原子炉圧力容器１内にシユラウド２があり、こ
の内側に燃料棒３を囲む燃料集合体ボツクス４が
設けてある。燃料集合ボツクス４の下部には下部
タイ・プレート５がさし込まれており、この下部
タイ・プレート５は下部炉心支持板７にはめ込ま
れた燃料支持金具６によつて支持されている。下
部タイ・プレート５の側面には燃料集合体ボツク
ス４の外側領域であるバイパス部８と下部タイ・
プレート５内とを結ぶ冷却孔９が設けてある。さ
らに、燃料支持金具６の下方横には圧力容器下部
プレナス１５と連通する開孔部１０があり、ここ
に横方向に開口したオリフイス１１が設けてあ
る。

ここで、オリフイス１１が設置されている開口
部１０が横向きなのは燃料支持金具６の下方に制
御棒案内管が接続されているからである。

通常運転中はジエツトポンプ１２によつて下部
プレナム１５に挿し込まれた冷却水が開孔部１０
のオリフイス１１を通つて下部タイ・プレート５
内を上昇し、燃料棒３間を通つて燃料棒３からの
発生熱を吸収してゆく。一方、下部タイ・プレー
ト５内に流入した冷却水の一部は、冷却孔９から
バイパス部８に流出する。このバイパス部８の水
流はこの領域でボイドが発生しない程度（炉心部
の約10％程度）必要であり、この部分の水は中性
子の減速材となる。（第２図Ａ参照） LOCA時に原子炉圧力容器１内の冷却水が流出
し、燃料棒３が露出し、崩壊熱のため燃料棒３が
高温になり破損する事態に至る事を防止するため
ECCSが設けてある。１３がECCSの一つである
注水系の注水ノズルであり、１４が炉心スプレイ
系のスプレイ・ヘツダである。注水系ノズル１３
からの注入水は燃料集合体ボツクス４間の領域で
あるバイパス部８に流入し、このバイパス部８の
底部から冠水してゆく。

このバイパス部８にたまつた水は冷却孔９から
下部タイ・プレート５内に逆流し、開孔部１０の
オリフイス１１を通つて下部プレナム１５に落下
する。また、炉心スプレイ・ヘツダ１４から各燃
料集合体ボツクス４上部に均一にスプレイされた
水は一部は燃料集合体ボツクス４内を通り燃料棒
を冷却しながら落下しこの一部は蒸気となつて上
方にぬけてゆく。また、他のスプレイ水は燃料集
合体ボツクス４外側のバイパス部８に落下するの
で、前記注水系の水と同一の働きをする。（第２
図Ｂ参照） 下部プレナム１５に落下した水により下部プレ
ナム１５の水位が上昇し、これが下部炉心支持板
７を越えて燃料領域に達する事により最終的な炉
心冷却（炉心再冠水）が達成される。

しかしながら、上記の炉心冷却に関し以下の問
題がある。

(1) 注水系による冷却では下部プレナム１５の満
水後でないと炉心冷却効果が期待できないの
で、炉心冷却までに時間を要し、燃料棒３のヒ
ートアツプが低く抑えられない。

(2) 炉心スプレイ系による冷却において、原子炉
圧力容器１の圧力変動による炉心スプレイ系流
量の変動に対しても常に全炉心に均一に散水す
るためのスプレイノズル形状と配置の技術は複
雑で難かしい。このためスプレイ流量を多くす
る必要があり、系統容量が大型となる。

第３図に特開昭52−100092号に示されている従
来例を示す。

現在の沸騰水型原子炉の燃料支持金具の下部開
口部に設置しているオリフイスは第１図に示すよ
うに開口の方向（流れの方向）が横方向であるた
めに、LOCA時のECCS注入水がこのオリフイス
の下部を流れ、下部プレナムからの吹き上げ蒸気
がオリフイスの上部を流れるという気液相分離現
象が起こりやすい構造となつている。

一方、第３図のＡに示すように、オリフイスが
縦方向に開口していれば上記の様な気液相分離現
象は起りずらくなり、上からオリフイスに落下し
て来る冷却水が下部プレナムからの吹き上げ蒸気
によつてオリフイスの下方に流れずらくなる冷却
水落下抑制現象（CCFL現象）が起りやすくな
る。

しかしながら、第３図のＡに示すようなオリフ
イス構造においては、オリフイス部で吹き上げ蒸
気流が大きく乱れてしまい、この吹き上げ蒸気流
の乱れからCCFL現象のバランスが壊れやすいこ
とと、オリフイス構造では流量制御には適してい
ても、オリフイス部での蒸気流速を早めるのには
適していない。

第３図のＢにおいては上からの落下流に対して
は抵抗が小さく流れやすいが、下からの上昇水流
（通常時）に対しては抵抗が大きく、さらに上昇
蒸気流速が早まる事もないので、この場合、ここ
でCCFL現象は発生しない。

以上のように、第３図のＡ，Ｂともに着脱自在
の構造ではあるが、CCFL現象が起こりずらい構
造であり、通常運転時の水流抵抗が大きくなつて
しまい、結局、最も重要な通常運転時の原子炉全
体の効率低下につながる。

第４図に特開昭58−7594号に示されている従来
例を示す。

第４図のＡは燃料集合体下部タイプレートに復
数個の孔をあけたオリフイスを設置したもので横
断面を示している。ＢはＡを下から見た図であ
り、オリフイスに孔が３個あるのが良く解かる。

第４図で特徴的な事はオリフイスを下部タイプ
レートに設置した事で、第３図に比べてより燃料
に近づいてはいるが、やはり通常時の水流抵抗が
大きくなつてしまう（第３図より大きくなる）の
で、通常運転時の原子炉全体の効率低下につなが
る。

また、多孔式オリフイスを採用しているために
一つの孔から水が落下し、他の孔から蒸気が吹き
上げるという分離流が発生しやすくなつている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、通常運転時の原子炉効率に何
ら影響を与えずに、LOCA時に燃料バイパス部を
経由して燃料集合体下部に流入したECCS注入水
が、下部プレナムからの蒸気流によつて燃料集合
体下部でより効果的にCCFL現象（冷却水落下抑
制現象）を発生させ、下方からの炉心燃料冷却を
大幅に改善する事を目的とした燃料集合体提供す
る事にある。

〔発明の概要〕

本発明は、下部プレナムからの下部タイプレー
ト内への冷却水の流量を所望の流量に制限し、か
つ上方に向かうにつれて縮径となり、その上端部
が前記下部タイプレート内に突出しているスロー
トが前記下部タイプレートに設けられ、前記下部
タイプレートの側周でかつ前記スロートの上端部
よりも下方に小孔が穿設されていることを特徴と
するものである。なお、前記小孔は、前記下部タ
イプレートの側周に、ほぼ等間隔で複数穿設され
ていることが好ましい。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第５図から第８図に
より説明する。

第５図に示すように燃料集合体ボツクス４の下
部には下部タイ・プレート５がさし込まれてお
り、この下部タイ・プレート５の下方流路に上方
が狭くなる様なスロート１６を設置した。なお、
この下部タイ・プレート５の側面には燃料集合体
ボツクス４の外側領域であるバイパス部８と下部
タイ・プレート５内とを結ぶ冷却孔９が複数個設
けてあるが、これは従来のように１個しかない場
合だと、バイパス部８から冷却孔９を通つて流入
してくる水が、スロート１６上部で局所的に一ケ
所に集中し、蒸気の吹き上げる部分と水が落下す
る部分の２相に分かれてしまいCCFL現象がブレ
ークしてしまう可能性がある。このため、本実施
例では下部タイプレート５側壁のスロート１６上
部開口位置より下方に冷却孔９を４個均一に配置
した。なお、この冷却孔９の全流路面積は従来の
冷却孔９と同じである。

また、燃料支持金具６の下方横には圧力容器下
部プレナム１５と連通する開孔部１０があるが、
上記スロート１６以外の流路面積は広くした方が
流路抵抗が小さくなり、吹き上げ蒸気流量確保の
観点から望ましいので、スロート１６下方の出つ
ばり（従来の入口オリフイス１１設置のためのも
の）は削除し、開孔部１０の流路面積を大きくし
ている。

第６図ａに示すように、通常運転中はジエツ
ト・ポンプ１２によつて下部プレナム１５に挿し
込まれた冷却水が、開孔部１０を通つて燃料支持
金具６中を上昇し、下部タイ・プレート５に設置
されたスロート１６を通つて燃料棒３間を上昇し
てゆく。また、この下部タイ・プレート５内に流
入した冷却水の一部は、冷却孔９からバイパス部
８に流出する。このバイパス部８への水流はこの
領域でのボイド発生を抑える意味からも従来のも
のと同程度のものが必要である。

この様に、通常運転中に於いては炉心部への十
分な冷却水供給のために、燃料下部での流路抵抗
は小さい方が良く、なおかつ炉心部全体の各燃料
集合体へのバランスの取れた流量配分確保のため
に各燃料集合体下部の流路を規格化する必要があ
る。従来は第１図に示すオリフイス１１でこの流
量配分をやつていたが、本発明の実施例のような
スロート１６形状でも同様な流量配分は容易に得
られ、さらにスロート１６形状の方が上昇水流に
対し抵抗が小さく、落下水流（逆流）に対し抵抗
大なので原子炉の自然循環能力も向上し有利であ
る。ここで、落下水流に対して抵抗が大きくなる
のは、スロート１６の上端部が冷却孔９よりも上
に位置しているためである。つまり、冷却孔９か
ら流入してきた水は、直ちに下方に流れることは
なく、スロート１６の上端部が抵抗となり、一旦
上方に向い、落下水流の流速が抑制されるためで
ある。

各燃料集合体への流量配分については炉心中央
部と周辺部との２領域に分けて違わせているのが
一般的であるが、燃料交換時の燃料シヤツクリン
グ（燃料装荷位置を変える事）において、炉心中
央部領域の燃料は常に炉心中央部領域で交換し、
周辺部領域の燃料は常に炉心周辺部領域内で交換
するので、燃料交換時においてスロート１６サイ
ズの問題が生ずる事はないし、万一この様な事態
が生じたとしても、次に示すようにスロート１６
のみ脱着可能にしておけば容易に解決できる。

第５図では、このスロート１６と下部タイ・プ
レート５は一体構造になつているが、製作コスト
その他の面で問題があれば、スロート１６部分の
みを別に造り、下部タイ・プレート５にはめ込
み、あるいはねじ込み式にする事により解決でき
る。この場合、スロート１６のサイズは変つて
も、はめ込み、あるいはねじ込み部のサイズは同
じにしておく事が必要である。第８図にねじ込み
式の例を示す。

第６図ｂに示すように、万一、再循環配管大破
断が発生し、炉心内冷却水が著しく低下した場
合、ECCS注入水は燃料集合体ボツクス４間のバ
イパス部８に流入し、このバイパス部８の底部か
ら冠水してゆく。このバイパス部８にたまつた水
は冷却孔９から下部タイ・プレート５内に逆流す
る。この下部タイ・プレート５内に流入してきた
水は、下部プレナム１５から吹き上がつて来る減
圧沸騰などによる発生蒸気によつて、スロート１
６上部で下に落下するのが阻害されるので、この
スロート１６上部に溜る。さらにこのスロート１
６上部に溜つた水はスロート１６からの吹き上げ
蒸気によつて水粒となつて誘搬され、燃料棒３下
方からの冷却に大きく寄与する。

この第６図ｂに示すように、本発明ではスロー
ト１６部でのCCFL現象を促進させるためにスロ
ート１６開口が垂直方向となつている事が重要で
ある。

第４図に示す複数個の孔を持つオリフイスでは
オリフイス部で吹き上げ蒸気流が大きく乱れてし
まい、吹き上げ蒸気流の乱れからCCFL現象のバ
ランスが壊れやすいことと、オリフイス構造では
流量制御には適していてもオリフイス部での蒸気
流速を早めるのには適していない。この事から
も、本発明のスロート構造とする事が、CCFL現
象を安定して、より効果的に発生させるための必
須条件であることがわかる。

第７図に本発明による効果を示す。第７図上図
がLOCA後の原子炉内水位の変化で、下図がこの
水位変化に対する燃料棒表面温度である。燃料棒
表面温度は炉心中心部が最も高いので、この中心
部温度で代表させている。

再循環配管などの大破断を想定すると、事故後
原子炉内冷却材のブローダウンによつて原子炉内
水位は低下し、従来の例（第７図中の破線）だと
そのまま炉心露出し、原子炉水位は下部プレナム
１５にまで達つする。さらにECCSによる原子炉
内への注水により水位は除々に回復し、炉心底部
に達すると、炉心ヒート・アツプ部からの急激な
水への入熱によるフラツシング、及び下部プレナ
ムより炉心部の方が構造材以外の水の入るスペー
スが小さい事により水位上昇が早まり、炉心再冠
水される。燃料棒表面温度は炉心が露出すると上
昇し始め、再冠水によつて冷却される。

本発明（第７図中の実線）によれば、〔Ａ〕原
子炉内減圧沸騰による炉心部及び下部プレナム部
からの吹き上げ蒸気の増大によつて、スロート１
６部での炉水位落下が大きく抑制され、炉心部水
位低下が遅れるので、燃料棒ヒート・アツプ開始
も遅れる。なお、炉水水位落下の抑制には、前述
したように、流路面積が上方に向かうにつれて
次第に小さくなるスロート１６を用いていること
により、下部プレナム１５から吹き上がる蒸気に
対する抵抗が小さいことと、スロート１６の上
端部が冷却孔９よりも上に位置しているため、直
接的に落下水流の流速が抑制されていることと、
スロート１６の貫通方向が鉛直方向で、かつ冷
却孔９が複数穿設されているために、気液分離現
象が起こりづらいこととが、大きく起因してい
る。〔Ｂ〕その後、減圧沸騰及び構造材からの熱
によつて下部プレナムからの吹き上げ蒸気は続く
が、それに伴つて下部プレナム水位は低下する。
しかし、この吹き上げ蒸気によつて燃料集合体下
部のスロート１６部では引き続き水落下が抑制さ
れるので、バイパス部８から下部タイ・プレート
５内に流入するECCSによる炉内注入水の下部プ
レナムへの落下は少なく、炉心部（バイパス領域
と燃料領域）にたまるので炉心部水位は早く上昇
する。この時、この燃料集合体下部に流入した水
はスロート１６からの吹き上げ蒸気によつて水粒
となつて誘搬され、燃料棒３下方からの冷却によ
つて燃料棒ヒート・アツプが抑制される。〔Ｃ〕
さらに、上記の様に炉心部水位上昇が早まるの
で、炉心部再冠水時間が大きく短縮され、燃料棒
ヒート・アツプは大きく抑制される。

以上の様に、本実施例によれば通常運転中にお
いては原子炉の自然循環能力を向上するものの、
他の性能を阻害する要因はなく、LOCA時におい
ては燃料棒のヒート・アツプを大きく抑制でき
る。

〔発明の効果〕

本発明の実施によつて下記の効果がある。

(a) 通常運転中においては原子炉の自然循環能力
を向上させ、LOCA時においては燃料棒のヒー
ト・アツプを大きく抑制できる。（運転性能、
安全性の向上）

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例の縦断面図、第２図は従来例の
説明図、第３図、第４図はその他の従来例の縦断
面図、第５図は本発明の実施例の縦断面図、第６
図は本発明の実施例の説明図、第７図は本発明の
実施例の現象説明図、第８図は本発明の変形例の
縦断面図である。 １…原子炉圧力容器、２…シユラウド、３…燃
料棒、４……燃料集合体ボツクス、５……下部タ
イ・プレート、６…燃料支持金具、７…下部炉心
支持板、８…バイパス部、９…冷却孔、１０……
開孔部、１１…オリフイス、１２…ジエツトポン
プ、１３……注水系ノズル、１４…炉心スプレ
イ・ヘツダ、１５…下部プレナム、１６…スロー
ト、１７…ネジ部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下部プレナムからの下部タイプレート内への
   冷却水の流量を所望の流量に制限し、かつ貫通方
   向が鉛直方向で上方に向かうにつれて縮径とな
   り、その上端部が前記下部タイプレート内に突出
   しているスロートが設けられ、 前記下部タイプレートの側周で、かつ前記スロ
   ートの上端部よりも下方に小孔が複数穿設されて
   いることを特徴とする燃料集合体。 ２ 複数の前記小孔は、下部タイプレートの側周
   にほぼ等間隔で穿設されていることを特徴とする
   請求項１記載の燃料集合体。