JP4366242B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料集合体及び燃料支持金具に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な燃料集合体及び燃料支持金具に関する。

運転中の原子炉（例えば、沸騰水型原子炉及び加圧水型原子炉）においては、定期検査及び点検，補修作業等で原子炉圧力容器内に取り残された微小な切削片，針金及び金属片等の破片が、原子炉圧力容器内を循環する冷却材と共に流動し、多数の燃料集合体が装荷された炉心内に流入する可能性がある。燃料集合体は、チャンネンルボックス内にスペーサで保持された複数の燃料棒を有する。冷却材と共に流動するその破片が、燃料棒とスペーサ間に入り込んで抜けなくなり、流動振動を起こして燃料棒にフレティング損傷を与える可能性がある。

このため、特許文献１に記載されたように、燃料集合体の軸方向に屈折された複数のプレート部材を並行に配置して構成された破片フィルタを、燃料集合体に設置し、この破片フィルタで破片を除去することによって破片が燃料棒間に流入することを防止することが提案されている。破片フィルタは、隣り合うプレート部材間に燃料集合体の軸方向に屈折した流路が形成され、破片を含む冷却材がその流路を通過する際に破片を流路の屈折部で除去するものである。

特開平４−２３０８９２号公報

特許文献１に記載された破片フィルタは、針金等の長尺破片の補足には効果的である。しかしながら、この破片フィルタは、短尺で幅が広い破片及び長尺で変形した破片の捕捉効率が低い。また、この破片フィルタは、原子炉の運転を停止して炉心への冷却材の供給を停止すると、捕捉した破片の大部分が落下してしまう。このため、燃料集合体を原子炉圧力容器外に搬出する際、燃料集合体と共に原子炉圧力容器外に取り出される破片が少なくなる。

本発明の目的は、圧力損失を低減でき、破片の捕捉性能を向上できる燃料集合体及び燃料支持金具を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、破片フィルタが一方向に延びる複数の溝を形成した複数の多孔部材を有していることにある。破片フィルタが一方向に延びる複数の溝を形成した複数の多孔部材を有しているため、多孔部材に形成された複数の貫通孔及び複数の溝によって、迷路のような冷却材通路が破片フィルタ内に形成される。このため、冷却材に含まれた破片の捕捉性能が向上する。また、貫通穴を有する複数の溝が形成されるため、破片フィルタの圧力損失を低減できる。

好ましくは、複数の多孔部材は冷却材の流れ方向に重ねて配置することが望ましい。冷却材の流れ方向に配置した複数の多孔部材間で破片を捕捉することができ、破片の保持率を向上させることができる。

本発明によれば、破片フィルタの圧力損失を低減でき、破片フィルタによる破片の捕捉性能を向上させることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
本発明の好適な一実施例である燃料集合体を、図１及び図２を用いて説明する。沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体１は、複数の燃料棒２，水ロッド３，スペーサ６，上部タイプレート４及び下部タイプレート５を備える。燃料棒２の上端部及び下端部が上部タイプレート４及び下部タイプレート５に保持される。水ロッド３の上端部及び下端部も上部タイプレート４及び下部タイプレート５に保持される。燃料集合体１の軸方向に複数配置されたスペーサ６が、燃料棒２の相互の間隔を設定幅に維持するように、燃料棒２を保持している。各スペーサ６は水ロッド３に保持される。水ロッド３は、燃料集合体１の横断面の中央部に配置され、燃料棒２間に配置される。上部タイプレート４に保持されたチャンネルボックス８が、スペーサ６によって束ねられた燃料棒２の束、すなわち、燃料バンドル７（水ロッド３，上部タイプレート４及び下部タイプレート５も含む）の周囲を取り囲んでいる。下部タイプレート５は、各燃料棒２の下部端栓１２を支持する複数のボス（図示せず）、及びこれらのボスを連結する複数のウェブ（図示せず）によって構成された正方形状の格子部１３を、上端部に形成している。下部タイプレート５は、内部に冷却材が通る空間部１４を形成している。空間部１４は、下端が下部タイプレート５に形成される入口ノズル１１に連絡され、上端が格子部１３に形成される多数の貫通孔に連通している。

破片フィルタ９が、空間部１４内に配置されて下部タイプレート５に取り付けられる。破片フィルタ９は、複数のプレート部材２０を備えている（図２参照）。これらのプレート部材２０は、図３に示す多数の貫通孔２２を有する厚みが０.３mm の多孔板２５を、プレス加工により、図４に示すように折り曲げて成型される。矩形溝２６，２７はプレス加工により簡単に成型できる。直径２mmの多数の貫通孔２２は、図３に示すように、多孔板２５の辺に対して４５度傾斜した状態で格子状に配置されている。多孔板２５におけるＸ方向の貫通孔２２のピッチＰ１は１.５mm であり、Ｙ方向の貫通孔２２のピッチＰ２は
２.５mm である。各プレート部材２０は、多孔板２５を折り曲げることによって一方向に延びる複数の溝、具体的には、図２（ｂ），図４（ｂ）に示すように断面が矩形である複数の矩形溝２６及び複数の矩形溝２７を形成している。一例として、矩形溝２６，２７は、幅が５mmで深さが２mmである。矩形溝２６は冷却材１０の流れ方向で下流側に開放されており、矩形溝２７は冷却材１０の流れ方向で上流側に開放されている。矩形溝２７は矩形溝２６と隣り合っている。破片フィルタ９は、これらのプレート部材２０を正方形の筒状をした外枠２３内に配置し、外枠２３の上端部に取り付けられた補強部材２８と外枠の下端部に取り付けられた補強部材２９の間に配置される。本実施例では、破片フィルタ９は、冷却材１０の流れ方向（燃料集合体１の軸方向）に、３つのプレート部材２０、すなわちプレート部材２０Ａ，２０Ｂ及び２０Ｃを重ねて配置している。プレート部材２０は、必要に応じて重ねる枚数を変えても良い。プレート部材２０Ａの各矩形溝２６はプレート部材２０Ｂで覆われ、プレート部材２０Ｂの各矩形溝２６はプレート部材２０Ｃで覆われている。プレート部材２０Ａ及び２０Ｃの各矩形溝２６はＹ方向に延びており、プレート部材２０Ｂの各矩形溝２６はＹ方向と交差する方向、具体的には直交する方向であるＸ方向に延びている。すなわち、プレート部材２０Ａ及び２０Ｃの各矩形溝２６とプレート部材２０Ｂの各矩形溝２６は、冷却材１０の流れ方向の上流側から見ると、直交するように配置される。各矩形溝２６は、底面部のみならず対向する側壁部にも貫通孔２２が形成されている。

貫通孔２２の直径、貫通孔２２のピッチＰ１，Ｐ２、矩形溝の幅及び深さを変えることによって、破片フィルタ９の圧力損失を任意に設定することができる。

矩形溝２６，２７が形成され、多数の貫通孔２２を有するプレート部材２０を、冷却材１０の流れ方向（燃料集合体１の軸方向）に三段重ねて構成される破片フィルタ９は、冷却材入口と冷却材出口を結ぶ迷路となる冷却材通路を、その内部に形成している。

複数の燃料集合体１は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器（図示せず）内の炉心部に配置される。すなわち、燃料集合体１は，炉心部の下端部を構成する炉心支持板(図示せず)に設置された燃料支持金具（図示せず）に設けられた冷却材流路内に下部タイプレート５を挿入することによって保持され、炉心部内に配置される。

沸騰水型原子炉の運転中は、図示されない再循環ポンプ（またはインターナルポンプ）の駆動によって冷却材が炉心部内に供給される。すなわち、燃料支持金具の冷却材流路に流入した冷却材１０が、図１に示すように、入口ノズル１１より下部タイプレート５内の空間部１４内に供給される。この冷却材１０は、破片フィルタ９及び格子部１３を通過してチャンネルボックス８内の燃料棒２間に形成される冷却材通路内に導かれる。この冷却材通路を上昇する冷却材１０は、燃料棒２を冷却しながら加熱され、一部が蒸気となる。この蒸気は、原子炉圧力容器から排出されてタービンに導かれ、発電機に連結されたタービンを回転させる。

破片フィルタ９内における冷却材１０の流動状態を図５を用いて説明する。空間部１４内を上昇した冷却材１０は、プレート部材２０Ａの矩形溝２７内に流入し、側面の貫通孔２２を通過してプレート部材２０Ａの矩形溝２６内に流入する。また、冷却材１０は、矩形溝２７に流入せず貫通孔２２を通して矩形溝２６内に流入する。プレート部材２０Ａの矩形溝２６内の冷却材１０は、プレート部材２０Ｂの矩形溝２７、及びプレート部材20Ｂに形成された貫通孔２２を通してプレート部材２０Ｂの矩形溝２６内に流入する。プレート部材２０Ａの矩形溝２７内の冷却材１０は、矩形溝２７の上面に形成された貫通孔２２及びプレート部材２０Ｂの矩形溝２６の底面に形成された貫通孔２２をそれぞれ通過してプレート部材２０Ｂの矩形溝２６内に流入する。また、プレート部材２０Ａの矩形溝２７内の冷却材１０は、この矩形溝２７の上面に形成された貫通孔２２を通過してプレート部材２０Ｂの矩形溝２７内に流入する。プレート部材２０Ｂの矩形溝２７内の冷却材１０はこの矩形溝２７の側面の貫通孔２２を通してプレート部材２０Ｂの矩形溝２６内に流入する。場所によっては、プレート部材２０Ｂの矩形溝２６内の冷却材１０はこの矩形溝２６の側面の貫通孔２２を通してプレート部材２０Ｂの矩形溝２７内に流入する。プレート部材２０Ｂの矩形溝２６，２７内の冷却材１０は、プレート部材２０Ｃに形成された貫通孔２２を通ってプレート部材２０Ｃの矩形溝２６，２７内に流入する。プレート部材２０Ｃの矩形溝２６内の冷却材１０は、破片フィルタ９よりも下流側の空間部１４に流出する。プレート部材２０Ｃの矩形溝２７内の冷却材１０の一部は、この矩形溝２７の上面に形成された貫通孔２２を通過して破片フィルタ９よりも下流側の空間部１４に流出する。プレート部材２０Ｃの矩形溝２７内の残りの冷却材１０は、矩形溝２７の側面に形成された貫通孔２２を通過してプレート部材２０Ｃの矩形溝２６内に流出する。破片フィルタ９内での冷却材１０の流動は、以上に述べたように複雑なものとなる。

冷却材１０に同伴して貫通孔２２よりプレート部材２０Ａの矩形溝２６内に流入した針金等の破片は、プレート部材２０Ｂに引っかかり除去される。プレート部材２０Ｂの貫通孔２２を通過した破片は、プレート部材２０Ｂの下流側に位置するプレート部材２０Ｃに引っかかって除去される。このため、本実施例における冷却材に含まれた破片の捕捉性能が向上する。燃料棒２のフレティング損傷の発生が著しく低減される。

本実施例に用いられた破片フィルタ９の抵抗係数（流動損失）について、言及したい。多孔板の抵抗係数は多孔板の開口比の影響を受け、開口比が大きくなるほど抵抗係数が低下する。多孔板の抵抗係数は、図６に示すように、開口比に対して急傾斜の曲線となっている（出典：管路・ダクトの流体抵抗；日本機械学会）。破片フィルタ９を構成するプレート部材２０に用いられる多孔板２５（図３）、及びプレート部材２０の抵抗係数を求めた。空間部１４の横断面積と同じ大きさの多孔板２５の開口比は約０.４１ であり、多孔板２５の抵抗係数は約７（Ｒｅ＝７０００）となる。空間部１４の横断面積と同じ大きさのプレート部材２０は、開口比が矩形溝の対向する両側面に形成された貫通孔を加えると約０.６２ となり、抵抗係数が約２となる。矩形溝を有するプレート部材２０の抵抗係数は、平板である多孔板２５の約１／３以下に低減される。矩形溝の形成が、抵抗係数の低減、すなわちプレート部材の低圧損化を図ることができる。このため、破片フィルタ９の圧力損失が低減される。

破片フィルタ９は、冷却材の流れ方向に配置される３つのプレート部材２０を矩形溝が交差するように重ねているため、３つのプレート部材２０をそれぞれの矩形溝が並列になるように重ねられる場合に比べて、圧力損失が低下する（図７参照）。これは、３つのプレート部材２０を矩形溝が交差するように重ねた場合には、貫通孔２２の封鎖される割合が減少するからである。

本実施例に用いられる破片フィルタ９における破片の捕捉性能を、図８を用いて具体的に説明する。図８は、線状破片の種類を変えた場合における、捕捉性能を示す捕捉効率を示している。捕捉効率は次式で表される。用いた破片は、４種類である。すなわち、直径
捕捉効率＝１００×（破片投入数−破片のフィルタ通過数）／破片投入数
０.２５mm で長さ１０mmの線状破片、直径０.２５mmで長さ７mmの線状破片、直径０.１５mmで長さ１０mmの線状破片、及び直径０.１５mm で長さ７mmの線状破片である。破片フィルタ９は、冷却材に含まれる細径で短い線状破片でも約８０％の捕捉効率を得ることができる。

破片フィルタ９の破片の保持率について説明する。冷却材に投入した破片は、図８の場合と同じ４種類である。破片保持率は、冷却材の流れを停止した後で破片フィルタが保持している破片の割合を示しており、次式で表される。破片フィルタ９の破片保持率は、細
破片保持率＝１００×（冷却材停止後にフィルタが保持する破片数）／破片投入数
径で短い線状破片に対しても約３０％となる。すなわち、燃料集合体１を原子炉圧力容器外に搬出した場合には、細径で短い線状破片でも約３０％を炉外に取り出すことができる。破片フィルタ９は、従来に比べて破片の保持率が向上する。これは、破片フィルタ９が下流側にもプレート部材２０を配置しているからである。

本実施例では、矩形溝を形成した複数のプレート部材２０を用いて破片フィルタを構成したが、矩形溝ではなく断面が三角形の三角形溝を形成した複数のプレート部材を重ねて配置した破片フィルタを用いても良い。この三角形溝を形成した複数のプレート部材を重ねて配置した破片フィルタによっても、破片フィルタの圧力損失を低減でき、破片フィルタによる破片の捕捉性能を向上させることができる。また、断面が扇形をした溝を形成した波型の複数のプレート部材を重ねて配置した破片フィルタを用いても良い。しかしながら、三角形溝を形成したプレート部材、及び断面が扇形をした溝を形成した波型のプレート部材に比べて、矩形溝を形成したプレート部材は、表面積が大きくなるので、圧力損失が小さくなる。したがって、矩形溝を形成した複数のプレート部材２０を用いて破片フィルタ９は、圧力損失がより小さくなる。

（実施例２）
本実施例の燃料集合体１Ａは、図１０に示すように、破片フィルタ９を下部タイプレート５の下流側で下部端栓付近に配置したものである。破片フィルタ９で冷却材に含まれる破片が除去される。燃料集合体１Ａも、実施例１の燃料集合体１で生じる効果を得ることができる。

（実施例３）
本発明の他の実施例である燃料支持金具を、図１１及び図１２を用いて説明する。本実施例は、実施例１で述べた燃料支持金具に関するものである。本実施例の燃料支持金具
３０は、横断面の中央部に制御棒が挿入される十字形の空間部３１が配置され、空間部
３１の周囲に４つの冷却材流路３２が配置されている。３２は、空間部３１と冷却材流路３２を画定する側壁である。破片フィルタ９は、それぞれの冷却材流路３２において冷却材入口のオリフィス部３４に設置される。破片フィルタ９のプレート部材２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃは、冷却材流路３２の上流から下流に向かって重ねて配置されている。破片フィルタ９はオリフィス部３４よりも下流で冷却材流路３２内に設置しても良い。

燃料支持金具３０は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器（図示せず）内に設置される。炉心下部支持板３５が原子炉圧力容器内の炉心部の下端部に設置されており、制御棒案内管３６の上端部が炉心下部支持板３５を貫通している。燃料支持金具３０は、制御棒案内管３６内に挿入されて炉心下部支持板３５に取り付けられる。燃料集合体３７の下部タイプレート５がそれぞれの冷却材流路３２内に挿入される。燃料支持金具３０は燃料集合体３７を支持する。破片フィルタ９は燃料集合体３７には設置されていない。

原子炉の運転中、破片を含む冷却材１０が、破片フィルタ９を通過して燃料支持金具
３０の冷却材流路３２内に流入し、下部タイプレート５を通って燃料集合体の燃料棒領域内に供給される。破片フィルタ９は、前述の各実施例と同様に、冷却材１０に含まれた破片を捕捉する。本実施例も、実施例１で生じる効果を得ることができる。

実施例１及び２では、破片フィルタ９を沸騰水型原子炉で用いられる燃料集合体に適用した例を述べたが、加圧水型原子炉に用いられる燃料集合体にも破片フィルタ９を適用することができる。加圧水型原子炉用の燃料集合体においても、破片フィルタ９は、実施例１または実施例２で述べた位置に設置する。

本発明の好適な一実施例である燃料集合体の縦断面図である。 図１に示す破片フィルタの構成を示し、（ａ）は破片フィルタの平面図、 （ｂ）は（ａ）のII−II断面図である。 図２に示す破片フィルタのプレート部材を構成する多孔板の平面図である。 図３に示す多孔板を折り曲げて構成された、破片フィルタのプレート部材の構成を示し、（ａ）はプレート部材の平面図、（ｂ）は（ａ）のIV−IV断面図、(ｃ)はプレート部材の側面図である。 破片フィルタ内での冷却材の流動状態を示す説明図である。 多孔板の抵抗係数に及ぼす開口比の影響を示す説明図である。 重ね合わされた複数のプレート部材の矩形溝の方向と破片フィルタの流動圧力損失との関係を示す説明図である。 図２に示す破片フィルタの破片の捕捉性能を示す説明図である。 図２に示す破片フィルタの破片の保持率を示す説明図である。 本発明の他の実施例である燃料集合体の下部断面図である。 本発明の他の実施例である燃料支持金具の斜視図である。 図１１に示す燃料支持金具の、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器内で炉心下部支持板に設置した状態での縦断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，３７…燃料集合体、２…燃料棒、４…上部タイプレート、５…下部タイプレート、９…破片フィルタ、１２…下部端栓、１４，３１…空間部、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ…プレート部材、２２…貫通孔、２３…外枠、２６，２７…矩形溝、３０…燃料支持金具、３２…冷却材流路、３４…オリフィス部、３５…炉心下部支持板、３６…制御棒案内管。

Claims (4)

1. 複数の燃料棒と、これらの燃料棒の下端部を保持し、前記燃料棒間に冷却材を供給する空間部を内部に形成する下部タイプレートと、前記空間部に配置された破片フィルタとを備え、
   前記破片フィルタは、冷却材の流れ方向に重ねて配置された複数の多孔部材を備え、
   前記多孔部材は一方向に延びる複数の溝が形成され、前記溝が異なる方向を向くように前記複数の多孔部材が重ねられていることを特徴とする燃料集合体。
2. 前記複数の多孔部材は、冷却材の流れ方向の一方から見ると、交互に前記溝が直交するように重ねられている請求項１記載の燃料集合体。
3. 前記多孔部材は、複数の貫通孔を有するプレート部材を折り曲げて構成されている請求項１記載の燃料集合体。
4. 前記溝が矩形溝である請求項１記載の燃料集合体。

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