JPH083542B2 - 核燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉の核燃料集合体に係り、特
に燃料棒の沸騰遷移に対する熱的余裕を増大させるため
のスペーサ構造に関する。

〔発明の背景〕

沸騰水型原子炉の核燃料集合体は、第３図に示す如
く、64本程度の燃料棒２が８×８正方格子状に規則正し
く配列され、その間を下部から上部に冷却材が流れ、冷
却材の沸騰を伴なう伝熱現象により除熱されている。ス
ペーサ１は燃料棒の上下方向軸線を平行に支持ししかも
燃料棒が相互に接触しないようにするためのものであ
り、約3.6mの燃料棒有効発熱部に約0.5m間隔で７個程度
取り付けられている。これら燃料棒２は、スペーサ１に
より所定間隔に保持されながら、チャンネルボックス20
内に収納され、ユニットとして炉内に出し入れできるよ
うになっている。13は集合体下部入口のオリフィスであ
る。核燃料集合体の最大熱出力は前記冷却材の除熱能力
により規定されている。この除熱能力を越えた熱出力を
発生すると、燃料棒表面は蒸気膜で覆われ（沸騰遷
移）、温度が急上昇して焼損し、高い放射能をもつ核分
裂生成物が流出してしまうので、核燃料集合体の出力は
一定値以下に抑えておかなければならない。

第４図に、従来のスペーサを用いた核燃料集合体の一
例を示す。図において、１はスペーサ全体を表わす。２
は８×８正方格子状に規則正しく配列された燃料棒、３
はその中央部の太い水ロッド、４は個々の燃料棒２を収
容するセル、５は燃料棒２の固定保持材、６はバネ状保
持材、７は水ロッド３の固定保持材、８はバネ状保持材
である。スペーサ１の最外周部には、チャンネルボック
ス20の内表面と一定間隔を保つためにエンボス９を形成
してある。また最外周部上端の突起11は、セル４を所定
位置に保つためものである。

これらの従来例においては、スペーサの構造が核燃料
集合体の除熱に影響することに、特には注意がはらわれ
ていなかった。また一般にスペーサにより冷却材の流れ
は抵抗をうけ、スペーサ下部で冷却材が流れにくく除熱
効果が悪くなり、沸騰遷移が起りやすくなっていた。

この欠点を解消するために、例えば、特開昭53−6209
3号で、スペーサ位置にある燃料ペレットのウラン濃縮
度を下げる方法が提案された。しかし、この技術では、
燃料ペレット製造工程やウラン濃縮工程が複雑になる欠
点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、沸騰遷移に対する熱的余裕を増大さ
せることが可能な構造のスペーサを備えた核燃料集合体
を提供することである。

〔発明の概要〕

一般に、圧力70気圧，出力密度50kW/で運転される
現行の沸騰水型原子炉では、冷却材はサブクール度約15
kcal/kgで流し、平均速度2m/sで流れる。下部入口オリ
フィス13からわずかなサブクール度をもって流入した冷
却材は、燃料集合体中を流れるうち、燃料棒から熱を奪
い、沸騰し、気泡流，スラグ流を経て環状流の状態で燃
料集合体から流出する。環状流とは燃料棒表面には液膜
が流れ、その他の部分には蒸気が流れており、その中に
液滴が混っている状態である。燃料棒表面の液膜は、燃
料棒からの除熱により、集合体上部に向うにつれ薄くな
る。この液膜がなくなると、燃料棒からの除熱が十分に
行なわれなくなり、表面温度が急上昇して焼損する。従
って焼損を防止するには、燃料棒表面に液膜を常に存在
させる必要がある。

一方、燃料棒を取り囲んでいるチャンネルボックス壁
面上には冷却材の液膜が存在しているが、チャンネルボ
ックスは発熱していないので、除熱には役立っていな
い。このチャンネルボックス壁面上の冷却材液膜を引き
はがして、燃料棒の方に流れさせることができれば、除
熱効果が上がるはずである。

そこで本発明は、最上段と次段のスペーサでは燃料棒
の冷却材液膜が薄くなり、環状流であることで沸騰遷移
が生じ易いので、最上段の次段のスペーサ最外周部の下
部にチャンネルボックス内表面に対向するが、その内表
面に接触しない複数の外向き突起を形成し、同じスペー
サ最外周部の上部に複数の内向き突起を形成し、チャン
ネルボックス壁面上を上昇する冷却材液膜を引きはが
し、最外周の燃料棒の方に向かわせるようにするスペー
サ構造を提案する。

〔作用〕

沸騰遷移が起こるのは集合体上部の冷却材が環状流状
態で流れる場所であるので、沸騰遷移を抑えるのには集
合体上部の最上団と次段のスペーサ最外周部に突起を設
ければよい。それ以下のスペーサに突起を設けても、そ
れらの場所では環状流状態に到ってないので、あまり効
果がない。むしろ、最上段と次段のスペーサの下にある
各スペーサに突起を形成しないことによって、突起によ
る冷却材の流れが乱されてなる圧損を極力抑えることが
できる。また、外向き突起がチャンネルボックス壁表面
に接触するように形成し、チャンネルボックス壁表面を
上昇する冷却材液膜を更に引きはがすことが考えられる
が、そうすると、突起による冷却材流の乱れを増加し、
それに対する圧力損失を増加させることになる。外向き
突起をチャンネルボックス壁表面に接触しないように形
成することは、突起の取り付けを容易にするため以外
に、冷却材液膜を十分引きはがすことと、それと共に突
起から生じる圧力損失をなるべく抑えることである。

〔発明の実施例〕

次に、第１図と第２図とを参照して、本発明の一実施
例を説明する。第１図（Ａ）は本発明によるスペーサを
備えた核燃料集合体の横断面図であり、第１図（Ｂ）は
スペーサの側面図である。第４図の従来例と同じ機能を
果す部分には同一番号を付して、説明を省略する。

第１図と第４図の比較から明らかなように、本実施例
の特徴は、最上段と次段のスペーサを最外周構造材の下
部にチャンネルボックス壁表面に接触しない複数の外向
き突起10を形成し、上部に複数の内向き突起11を共に形
成したことにある。その構造は、点線の円Ｃで囲んだ断
面部分に、より詳しく示してある。

ここで、集合体上部の最上段と次段のスペーサ付近に
おける燃料棒表面の冷却材流動状況と液膜の厚さとを示
す第２図により、本発明と従来例の差異を説明する。冷
却材が集合体上部に向かうにつれ液膜が薄くなり、最上
段と次段のスペーサ付近では環状流となっており、冷却
材は燃料棒２の表面では液膜状態で流れ、それから離れ
ると蒸気が流れており、その中に液滴が混っている。ま
た、チャンネルボックス20の表面にも、冷却材が液膜状
態で流れている。本発明のスペーサ１を用いた場合、構
造材最外周部の下部につけたチャンネルボックス20の表
面に接しない複数の外向き突起10により、チャンネルボ
ックス20表面にある液膜をはぎとる。その液膜はスペー
サ上部につけた複数の内向き突起11により内側に流さ
れ、燃料棒表面の液膜を厚くする。スペーサ上部につけ
た内側を向いた突起11は蒸気中の液滴を燃料棒表面に付
着させる役割りももつ。すなわち、燃料棒表面の液膜厚
さは、従来型スペーサを用いた場合（点線14）にくらべ
て、実線15で示したように厚くなる。燃料棒表面の液膜
は、燃料棒の除熱に伴い、集合体上部に行くにつれ薄く
なり、液膜がなくなった状態で沸騰遷移を起すが、本発
明の場合、燃料棒表面の液膜が厚くなるので、沸騰遷移
が起こりにくい。また、外向き突起10がチャンネルボッ
クス20の表面に接しないことにより、突起から生じる圧
力損失をなるべく低減できる。

本発明による最上段と次段スペーサの最外周構造材の
上下部にとりつけた突起10,11が燃料棒表面の液膜を厚
くする効果は、それに隣りあった最外周の燃料棒に及ぶ
だけでなく、その内側の燃料棒にも及ぶ。ただし、その
効果は内側へ行くほど小さくなるが、内側の燃料棒はも
ともと液膜が厚く、最外周ほど厳しい状況ではないの
で、沸騰遷移に対する備えは楽である。

表１に、本実施例のスペーサを用いた核燃料集合体の
沸騰遷移を起こすまでの集合体出力の増加量を、従来型
スペーサを用いた核燃料集合体と比較して示す。

（従来型スペーサを用いた核燃料集合体基準）スペー
サ最外周部構造材の上下部にとりつけた突起10,11によ
る燃料棒表面の液膜を厚くする効果の及ぶ範囲の違いに
より、最外周部燃料棒で発熱量が大きくとれるときに
は、沸騰遷移を起こすまでの集合体出力が４％増加す
る。また、最外周から一層内側の燃料棒で発熱量が大き
いときには、２％増加する。

次に本実施例を更に具体的に説明する。

本実施例の核燃料集合体には、第１図に示したスペー
サ１（スペーサ構造材最外周部の下部に外向き突起10と
上部に内向き突起11をもつスペーサ）を燃料棒有効発熱
部の長さ3.6mの上部約1mの間にのみ２個取付けてある。
このスペーサ１のとりつけ位置では、沸騰水型原子炉の
通常の運転条件下で、冷却材が環状流となって流れてい
る。これより下部には、第４図で示した従来型のスペー
サを取付ける。

本実施例の核燃料集合体は次の考察に基づいてなされ
たものである。

（１）沸騰遷移が起こるのは集合体上部の冷却材が環状
流状態で流れる場所である。

（２）スペーサの最外周構造材の上下部に突起10,11を
つけて、チャンネルボックス壁表面上の液膜を燃料棒の
冷却に使って効果があるのは、前記冷却材が環状流であ
る場所につけたスペーサによるものだけであって、それ
より下部につけてあまり効果がない。

（３）集合体下部に本発明のスペーサ１を取付けた場
合、前記突起10,11により冷却材の流れが乱される結
果、集合体内での圧力損失が多少大きくなる。

（４）突起10、11をチャンネルボックス内壁表面に接触
させると、冷却材流の乱れが増加し、集合体内での圧力
損失を大きくする。

すなわち、実施例では、冷却材入口に近い集合体下部
には従来型スペーサをつけて、圧力損失を小さくし、か
つ冷却材出口に近い集合体上部には冷却材の流れを変え
るのに有効なスペーサをつけて沸騰遷移を起こすまでの
集合体出力を増加させている。

本実施例の最上段と次段だけのスペーサ最外周部にチ
ャンネルボックス内壁表面に接触しない複数の突起を形
成したことで、全スペーサ最外周部に同じ突起を設けた
場合に比べ、集合体内の圧力損失を約0.3psi（２％）小
さくできる効果がある。本実施例の核燃料集合体を炉心
に装荷すると、圧力損失が小さいために、核熱水力的に
より安定な状況で運転できるようになり、安定度の目安
となる減幅比は約３％改善される。

次に更に他の実施例を示す。チャンネルボックス表面
の液膜をはぎとり、燃料棒表面の液膜を厚くする効果に
対して、ある一定の温度以上からチャンネルボックス壁
面に向かう突起も望ましい。そこで、第１図のスペーサ
を形状記憶合金で作り、たとえば250℃までは、下部の
突起が外側に向かないようにしておく。実動状態では外
側に向けるのはいうまでもない。こうすることにより、
圧力損失を更に低減できる。

本実施例では、最上段と次段のスペーサ最外周部にチ
ャンネルボックス表面に接触しない複数の突起を形成す
ることによって、燃料集合体の沸騰遷移に対する熱的余
裕を大きくでき、突起による圧損を最小に抑えることが
できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、核燃料集合体の沸騰遷移に対する熱
的余裕を大きくでき、また、突起による圧力損失を低減
できる。そのために原子炉の出力密度をあげることが可
能であり、原子炉の小型化または大容量化に効果があ
る。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明によるスペーサを備えた核燃料集合体の
一実施例を示す横断面図及び側面図、第２図は燃料棒表
面の液膜の厚さを示す図、第３図は核燃料集合体の全体
を示す斜視図、第４図は従来の核燃料集合体の一例を示
す横断面図及び側面図である。 １……スペーサ、２……燃料棒、３……水ロッド、４…
…セル、５……固定保存材、６……バネ状保持材、７…
…固定保持材、８……バネ状保持材、９……エンボス、
10……外向き突起、11……内向き突起、13……下段入口
オリフィス、14……従来の液膜表面、15……第１実施例
液膜表面、20……チャンネルボックス。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数本の燃料棒を配列し、それら燃料棒の
   上下方向軸線を平行に支持して燃料棒の相互接触を防止
   すべく燃料棒有効発熱部の上下方向に沿って複数のスペ
   ーサを配置し、チャンネルボックス内に収納した燃料集
   合体において、チャンネルボックス内表面に沿って上昇
   する冷却材液膜を燃料棒の方に流れさせる複数の外向き
   突起を最上段と次段の前記スペーサの最外周の下部にチ
   ャンネルボックス壁面に接触しないように配置し、複数
   の内向き突起をその同じ前記スペーサの最外周の上部に
   チャンネルボックス壁面に接触しないように配置し、そ
   れより下段のスペーサは前記突起のないことを特徴とす
   る核燃料集合体。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、ある一定
   の温度以下では外側に向かなく、その一定の温度を超え
   ると外側に向く形状記憶合金で作られた突起を前記スペ
   ーサの最外周下部に設けたことを特徴とする核燃料集合
   体。