特開 2023-103114 原子炉燃料集合体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023103114

(43)【公開日】2023-07-26

(54)【発明の名称】原子炉燃料集合体

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/30 20060101AFI20230719BHJP

   G21C 3/322 20060101ALI20230719BHJP

【ＦＩ】

G21C3/30 100

G21C3/322

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022003986

(22)【出願日】2022-01-13

(71)【出願人】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001829

【氏名又は名称】弁理士法人開知

(72)【発明者】

【氏名】古市 肇

(72)【発明者】

【氏名】石田 直行

(57)【要約】

【課題】限界出力を向上することが可能な原子炉燃料集合体を提供する。
【解決手段】燃料集合体１は、燃料棒１１と、燃料棒１１よりも燃料有効長が短い部分長燃料棒１０と、を備えており、部分長燃料棒１０は、鉛直方向の上端部に、その側面に、螺旋状凹形状あるいは螺旋状凸形状が形成された飛散部材１０５を有している。飛散部材１０５に形成される螺旋状凹形状は好適には溝１０６であり、螺旋状凸形状は好適には突起部材１３０である。
【選択図】 図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１燃料棒と、
前記第１燃料棒よりも燃料有効長が短い第２燃料棒と、を備えた燃料集合体であって、
前記第２燃料棒は、鉛直方向の上端部に、その側面に、螺旋状凹形状あるいは螺旋状凸形状が形成された円錐台型部材を有している
ことを特徴とする原子炉燃料集合体。

【請求項2】

請求項１に記載の原子炉燃料集合体において、
前記螺旋状凹形状は、溝である
ことを特徴とする原子炉燃料集合体。

【請求項3】

請求項１に記載の原子炉燃料集合体において、
前記螺旋状凸形状は、突起部材である
ことを特徴とする原子炉燃料集合体。

【請求項4】

請求項１に記載の原子炉燃料集合体において、
前記螺旋状凹形状あるいは前記螺旋状凸形状が複数形成されている
ことを特徴とする原子炉燃料集合体。

【請求項5】

請求項４に記載の原子炉燃料集合体において、
前記円錐台型部材は、その上面円周において複数の前記螺旋状凹形状あるいは前記螺旋状凸形状が接触しない高さとする
ことを特徴とする原子炉燃料集合体。

【請求項6】

請求項２に記載の原子炉燃料集合体において、
前記溝の幅または深さを３００μｍ以下とする
ことを特徴とする原子炉燃料集合体。

【請求項7】

請求項３に記載の原子炉燃料集合体において、
前記突起部材の高さを３００μｍ以下とする
ことを特徴とする原子炉燃料集合体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は原子力発電プラントに用いられる原子炉燃料集合体に関する。

【背景技術】

【0002】

短縮形燃料棒の上方に設けることができ、燃料棒に関する限界熱流束性能を改善する冷却材導管の一例として、特許文献１には、燃料集合体が短縮形燃料棒とこの棒の軸線方向上方に配置された冷却材導管とを備え、この導管は、燃料棒を囲み気体および液体の二相混合物から成る流体が囲い込まれた流路へ入るのを許す少なくとも一つの入口孔と、この孔の上方に設けられた少なくとも一つの出口孔とを有し、また流体中に存在する気体の少なくとも一部を流体中に存在する液体から分離するために出口孔の上流で燃料棒および導管のうちの一つに取り付けられた分離装置を有する、ことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－７５５７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

沸騰水型原子炉では、図１に示すような燃料棒１１（図２参照）を正方配置した燃料集合体１において、核反応によって燃料棒１１間を流れる冷却材（液体）を沸騰させ、発生した蒸気を発電に利用する。

【0005】

燃料棒１１の反応熱が直接冷却材に伝わることで効率的な蒸気生成および燃料棒の冷却が実現される。

【0006】

冷却材は、沸騰により気相と液相とが混在する気液二相流を形成する。発生した蒸気は冷却材と共に上昇するため、燃料集合体１の高さ方向に沿って蒸気体積が大きくなり、燃料集合体１の上部では冷却材が環状流の流動様式を形成する。環状流では、冷却材が燃料棒１１の表面で薄い膜状（液膜）となり、燃料棒１１の間の中央では、蒸気とその蒸気に同伴される液滴とが流れる。

【0007】

液膜は燃料棒１１の上部に流れるにつれ、蒸発または沸騰により徐々に薄くなる。ある高さで冷却材が沸騰遷移を起こし、液膜が消失（液膜ドライアウト）すると、燃料棒１１の表面が直接蒸気に露出し、冷却材による冷却性能を失うことによって燃料棒１１の健全性を維持できなくなる可能性がある。

【0008】

冷却材が沸騰遷移を起こす燃料集合体１の熱出力を限界出力と呼び、通常の原子炉では、熱的マージンを確保することによって燃料集合体１の全体が限界出力に至らない運転を維持している。したがって、原子炉の安全性の向上には、限界出力を向上することによって液膜を燃料棒１１の表面に効果的に保持することが重要である。

【0009】

燃料集合体１では、燃料棒１１の直径を小さくし、燃料集合体１に装荷する燃料棒１１の本数を増加させることで、冷却水との伝熱面積を拡大し、燃料の経済性を向上させている。一方、伝熱面積の拡大により、４本の燃料棒１１に囲まれる冷却水が流れるための流路（サブチャンネル）の水平断面積はそれぞれ小さくなり、冷却水の圧力損失が増加する。

【0010】

圧力損失を低減させる対策として、部分的に短尺な燃料棒（部分長燃料棒１０、図２参照）を燃料集合体内に装荷している。部分長燃料棒１０は、通常の燃料棒１１と比較して上端部の高さが低いため、燃料集合体１の上部である下流域での水平断面積を拡大して冷却材を流れ易くする、との効果がある。

【0011】

原子炉の限界出力を向上するには、燃料棒１１の表面の液膜を厚くして、液膜ドライアウトに至るまでの熱出力を増加させることが有効である。しかしながら、燃料集合体１の上部では環状流を形成するため、部分長燃料棒１０の表面を流れる液膜の大部分は、上端部において蒸気中に飛散し液滴となって流れる。それにより、蒸気中を同伴する液滴は燃料棒の冷却に直接的に寄与しない。

【0012】

液滴により限界出力を向上させるには、部分長燃料棒１０の下流域において、周囲の通常の長さの燃料棒１１の表面に液滴を付着させることが必要である。さらに、液滴の付着には、冷却材の流れ方向に垂直な力（例えば遠心力）を強制的に与えることが有効であるが、液滴は蒸気流のせん断力によって微細化するため、液滴が小さくなるほど、質量が小さくなり、周囲に付着させるための垂直な力を与えることができなくなる、との懸念がある。

【0013】

本発明は、限界出力を向上することが可能な原子炉燃料集合体を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、第１燃料棒と、前記第１燃料棒よりも燃料有効長が短い第２燃料棒と、を備えた燃料集合体であって、前記第２燃料棒は、鉛直方向の上端部に、その側面に、螺旋状凹形状あるいは螺旋状凸形状が形成された円錐台型部材を有していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、限界出力を向上することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】沸騰水型原子炉の炉内構造概略図である。

【図2】燃料集合体の側面の概要図である。

【図3】燃料集合体の水平断面の概要図である。

【図4】実施例１に係る原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の概要図である。

【図5】実施例１に係る液滴に働く遠心力の概要図である。

【図6】実施例２に係る原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の概要図である。

【図7】実施例３に係る原子炉燃料集合体の部分長燃料棒の概要図である。

【図8】図７のＡ－Ａ’矢視図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に本発明の原子炉燃料集合体の実施例を、図面を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

【0018】

＜実施例１＞
本発明の原子炉燃料集合体の実施例１について説明する。

【0019】

最初に、燃料集合体の全体構成について図２乃至図５を用いて説明する。

【0020】

図３は燃料集合体の水平断面の概要図を示す図である。燃料集合体１に正方配置された燃料棒１１において、４本の燃料棒１１に囲まれた流路をサブチャンネル１２と呼び、サブチャンネル１２内を冷却材が鉛直に上昇する。

【0021】

冷却材の流動様式が環状流の場合、各々の燃料棒１１の表面には液膜が形成され、サブチャンネル１２の中央には蒸気、およびこの蒸気に同伴される液滴が流れる。

【0022】

図２に示すように、燃料棒１１は、高さ方向に複数設置された燃料スペーサ１３によって保持される。燃料棒１１のうち、１箇所または複数箇所に、燃料棒１１よりも燃料有効長（核反応による発熱に有効な範囲）が短い部分長燃料棒１０が配置される。

【0023】

部分長燃料棒１０が複数存在する場合、複数の部分長燃料棒１０のうち、最低でも１本、出来れば全ての部分長燃料棒１０を本発明で示す構造とすることが望まれる。

【0024】

図４は、実施例１における部分長燃料棒の上端部の概要図である。部分長燃料棒１０は、他の燃料棒１１と同様に、燃料被覆管とその内部の燃料ペレットから構成される。このうち、部分長燃料棒１０の鉛直方向の上端部に、その側面に、螺旋状凹形状が形成された円錐台形状の飛散部材１０５を有している。部分長燃料棒１０の下端側は燃料棒１１や従来の部分長燃料棒と同じ構造であり、詳細は省略する。

【0025】

飛散部材１０５は、被覆管と同じ材質で構成される。また、飛散部材１０５の円錐台側面１０２には、螺旋状凹形状として複数の溝１０６が加工される。溝１０６は飛散部材１０５の先端まで螺旋状に形成される。

【0026】

なお、溝１０６は複数である必要は無く、少なくとも１本以上形成されていればよい。

【0027】

部分長燃料棒１０では、その有効長の範囲の表面を液膜１０７が燃料棒軸方向に流れ、飛散部材１０５の円錐台側面１０２に到達する。その後、液膜１０７は円錐台側面１０２の表面に形成された溝１０６に沿って流れ、飛散部材１０５の先端の円錐台上面１０９まで到達する。そして、先端部の円錐台上面１０９において、液膜が溝１０６から蒸気中に放出され、液滴１０３として飛散する。溝１０６が螺旋状のため、溝に沿った方向１０８に液滴１０３が放出される。円錐台上面の円周と溝の交点における接線の角度１０４に対し、液滴１０３に働く遠心力Ｆ_ｃ［Ｎ］は次のような式（１）で表される。

【0028】

【数1】

【0029】

ここで、ρ_Ｌは水の密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｒ_ｄは液滴半径［ｍ］、ｖは接線方向の速度［ｍ／ｓ］、Ｒは円錐台上面の半径［ｍ］である。

【0030】

上述の式（１）から、同じ運転条件（密度、速度一定）では、液滴半径ｒ_ｄが大きいほど、円錐台上面１０９の半径Ｒが小さいほど、あるいは角度θが大きいほど、液滴１０３に遠心力が強く働くことが判る（図５参照）。本実施例では、この遠心力を利用して、周囲の燃料棒１１に衝突させるものである。

【0031】

一方、円錐台上面１０９の半径は、小さくするには飛散部材１０５を円錐形（Ｒ＝０ｍ）とすることが最も効果的であるが、螺旋状の溝１０６が円錐の頂点で接触すると、溝１０６を流れる液膜１０７が合体して飛散する液滴１０３の径が大きくなってしまい、燃料棒１１の表面に付着する可能性が低くなることが懸念される。

【0032】

従って、本実施例の飛散部材１０５は円錐台形として、溝１０６同士が円錐台上面１０９の円周上において接触しない範囲の円錐台高さとすることが、先端から液滴１０３を放出するための条件となる。

【0033】

なお、溝１０６が１本の場合は、飛散部材１０５は限りなく円錐形に近い形状とすることができる。

【0034】

次に、本実施例の効果について説明する。

【0035】

上述した本発明の実施例１の燃料集合体１は、燃料棒１１と、燃料棒１１よりも燃料有効長が短い部分長燃料棒１０と、を備えており、部分長燃料棒１０は、鉛直方向の上端部に、その側面に、溝１０６が形成された飛散部材１０５を有している。

【0036】

これによって、部分長燃料棒１０の表面の液膜１０７が部分長燃料棒１０の上端部で飛散する際に、蒸気中を同伴する液滴１０３となるが、その液滴１０３に旋回力を与えることができる。このため周囲に設置される通常の燃料棒１１に液滴１０３を積極的に付着させることができ、従来に比べて燃料棒１１の上端部側の表面に液膜を形成できる、あるいは残存している液膜の厚さを厚くすることができる。従って、燃料棒１１の上端側の限界出力の向上を図ることができ、トータルとしての限界出力の向上も図ることができる。

【0037】

また、溝１０６が複数形成されているため、液膜１０７をより効果的に液滴１０３に変化させることができる。

【0038】

更に、飛散部材１０５は、その上面円周において複数の螺旋状凹形状あるいは螺旋状凸形状が接触しない高さとすることで、飛散する液滴１０３の径を小さく保つことができ、燃料棒１１の上端側での液膜の形成をより促すことができる。

【0039】

＜実施例２＞
本発明の実施例２の原子炉燃料集合体について図６を用いて説明する。

【0040】

図６は実施例２に係る燃料集合体のうち、部分長燃料棒の上面図である。

【0041】

本実施例では、より効果的に液滴に遠心力を働かせるため、飛散部材１０５Ａの円錐台上面１０９Ａから飛散する液滴の直径を制御することが狙いである。

【0042】

気相の流れ２１に同伴する液滴１０３は、気相のせん断力によって分裂し、霧化する。霧化すると、液滴１０３の径が例えば数μｍと小さくなる。このため、上述の式（１）で示した遠心力が小さくなる。

【0043】

そこで、部分長燃料棒１０Ａの先端から飛散する液滴１０３の直径を、気相流れによって霧化しない最小液滴径に制御することで、飛散した液滴が霧化しないような設計をする。

【0044】

気相流れによって霧化しない最小液滴径を臨界液滴径Ｄ_ｃとしたときに、下記のような式（２）、および式（３）により算出される。

【0045】

【数2】

【0046】

【数3】

【0047】

ここで、Ｗ_ｅｃは臨界ウェーバ数［－］、ρ_ｇは蒸気の密度［ｋｇ／ｍ^３］、σは表面張力［Ｎ／ｍ］、ｖ_０は蒸気速度［ｍ／ｓ］である。臨界液滴径Ｄ_ｃは臨界ウェーバ数Ｗｅｃ［－］で決定される。Ｗ_ｅｃ＜１２では周囲の気相流れによって液滴がそれ以上分裂しない特性を示す。

【0048】

部分長燃料棒１０Ａの先端部から放出される液滴１０３は、溝１０６Ａを流れる液膜１０７Ａがせん断されて飛散する。したがって、おおよその液滴１０３の径が溝１０６Ａの大きさによって決まるとすれば、溝１０６Ａの大きさを臨界液滴径Ｄ_ｃとすれば、それ以上小さくならない液滴１０３が飛散し、遠心力２０の低下を回避することができる。

【0049】

溝１０６Ａの大きさは、溝１０６Ａの深さ１２２、または溝１０６Ａの幅１２１で決定される。

【0050】

ＢＷＲの運転条件（圧力７ＭＰａ）から、式（３）の臨界液滴径を見積もると、Ｄ_ｃ≒３００μｍとなる、したがって、溝１０６Ａの深さ１２２または溝１０６Ａの幅１２３の上限を３００μｍとすることで、液滴１０３を霧化させることなく遠心力を与えることができる。

【0051】

その他の構成・動作は前述した実施例１の原子炉燃料集合体と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

【0052】

本発明の実施例２の原子炉燃料集合体においても、前述した実施例１の原子炉燃料集合体とほぼ同様な効果が得られる。

【0053】

＜実施例３＞
本発明の実施例３の原子炉燃料集合体について図７および図８を用いて説明する。

【0054】

図７および図８は、実施例３に係る燃料集合体のうち、部分長燃料棒の概要図である。

【0055】

本実施例の部分長燃料棒１０Ｂは、実施例１の部分長燃料棒１０のような螺旋状凹形状（溝１０６，１０６Ａ）とは異なり、鉛直方向の上端部の側面に、螺旋状凸形状として突起部材１３０が形成された飛散部材１０５Ｂを有している。

【0056】

突起部材１３０は、円錐台形状の飛散部材１０５の側面に対し垂直に設置され、液膜を受け止めるため、より強制的に液膜の流れ方向を螺旋状に変えることができる。したがって、先端から放出される液滴により強い遠心力を働かせることができる。

【0057】

なお、飛散する液滴径は突起部材１３０の高さ１３２で決まるため、実施例２で示した臨界液滴径による液滴径を制御するための設計手法については本実施例にも適用可能であり、突起部材１３０の高さを３００μｍ以下とすることが望ましい。

【0058】

また、突起部材１３０の本数は特に限定されず、１本でも、２本以上でもよい。

【0059】

その他の構成・動作は前述した実施例１の原子炉燃料集合体と略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

【0060】

本発明の実施例３の原子炉燃料集合体においても、前述した実施例１の原子炉燃料集合体とほぼ同様な効果が得られる。

【0061】

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

【0062】

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

【符号の説明】

【0063】

１…燃料集合体
１０，１０Ａ，１０Ｂ…部分長燃料棒（第２燃料棒）
１１…燃料棒（第１燃料棒）
１２…サブチャンネル
１３…燃料スペーサ
２０…遠心力
１０２…円錐台側面
１０３…液滴
１０４…角度
１０５，１０５Ａ，１０５Ｂ…飛散部材（円錐台型部材）
１０６，１０６Ａ…溝
１０７，１０７Ａ…液膜
１０８…流れ方向
１０９，１０９Ａ…円錐台上面
１２１…溝の幅
１２２…溝の高さ
１３０…突起部材
１３２…突起部材の高さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】