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発明の名称 燃料支持金具
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2005−49160(P2005−49160A)
公開日 平成17年2月24日(2005.2.24)
出願番号 特願2003−204567(P2003−204567)
出願日 平成15年7月31日(2003.7.31)
代理人
発明者 秋葉 美幸 / 師岡 慎一
要約 課題
燃料支持金具の異物フィルタ構造に対して、気液対向流制限特性を劣化させることなく、異物流入を防止する。

解決手段
核燃料集合体の下方を支持し、核燃料集合体に向けて冷却材流入口16から冷却材を導く冷却材流路室を内部に有する燃料支持金具7である。冷却材流入口にはフィルタ50が配置され、フィルタは、互いにほぼ平行な複数の流路を有し、各流路が、入口部では上向きに傾斜しており、その流路内で方向を変え、冷却材流路室に出る部分では下向きに傾斜している。また、フィルタ内の流路の壁面に凹凸が設けられている。
特許請求の範囲
【請求項1】
核燃料集合体の下方を支持し、この核燃料集合体に向けて冷却材流入口から冷却材を導く冷却材流路室を内部に有する燃料支持金具において、
前記冷却材流入口にはフィルタが配置されており、
前記フィルタは、互いにほぼ平行な複数の流路を有し、これらの流路が、入口部では上向きに傾斜しており、その流路内で方向を変え、前記冷却材流路室に出る部分では下向きに傾斜していること、
を特徴とする燃料支持金具。
【請求項2】
核燃料集合体の下方を支持し、この核燃料集合体に向けて冷却材流入口から冷却材を導く冷却材流路室を内部に有する燃料支持金具において、
前記冷却材流入口はほぼ水平方向に冷却材が前記冷却材流路室内へ流入するように配置され、かつその冷却材流入口にはフィルタが配置されており、
前記フィルタは、互いにほぼ平行な複数の流路を有し、これらの流路がその流路内で方向を変えており、かつ各流路の壁面に凹凸が設けられていること、
を特徴とする燃料支持金具。
【請求項3】
核燃料集合体の下方を支持し、この核燃料集合体に向けて冷却材流入口から冷却材を導く冷却材流路室を内部に有する燃料支持金具において、
前記冷却材流入口はほぼ水平方向に冷却材が前記冷却材流路室内へ流入するように配置され、かつその冷却材流入口にはフィルタが配置されており、
前記フィルタは、冷却材が通り抜けるフィルタ機能部とこのフィルタ機能部の周囲を囲んでフィルタ機能部を保持するフィルタ枠とを有し、前記フィルタ機能部が前記フィルタ枠の中央より上方にずれた位置に配置されていること、
を特徴とする燃料支持金具。
【請求項4】
請求項3に記載の燃料支持金具において、前記フィルタ機能部の下方の前記冷却材流路室内に突起状板を設けたこと、を特徴とする燃料支持金具。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は軽水炉の燃料支持金具に関し、特に、冷却材中に含まれる異物(デブリ)を捕捉して核燃料集合体(以下、単に「燃料集合体」とも記す)内への異物流入を防止または抑制するフィルタを備えた燃料支持金具に関する。
【0002】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉(以下、BWRと記す)における燃料支持金具および燃料集合体について図10により説明する。図10はBWRの炉内構造物の要部を部分的に縦断面で示す立面図である。通常のBWRにおいては、図10に示したように原子炉圧力容器1と一体のシュラウド2に炉心支持板3が設けられている。この炉心支持板3の下位に位置する原子炉圧力容器1の底部には制御棒駆動機構ハウジング4が設けられ、このハウジング4内には制御棒駆動機構5が設置されている。
【0003】
ハウジング4の上部に制御棒案内管6が設けられ、この制御棒案内管6は炉心支持板3上に突き出して支持されており、制御棒案内管6の上端開口部には燃料金具7が挿脱自在に設けられている。
【0004】
制御棒案内管6および燃料支持金具7は炉心支持板3上に設けられた位置決めピン8によって固定されている。制御棒案内管6内には水平断面十字状の制御棒9が昇降自在に設けられ、制御棒9の下端は制御棒起動機構5の上端に連結されている。制御棒案内管6の上端から燃料集合体10、10同士の間隔に制御棒9を挿入することができる。
【0005】
燃料支持金具7の上部は、各4体の燃料集合体10の下部タイプレート11を載置して支持している。燃料集合体10の上部タイプレート12はシュラウド2に設けられた上部格子板13により横方向を支持されている。
【0006】
燃料支持金具7の中央部には、軸方向に沿って制御棒9が挿入される横断面十字状の貫通孔が形成されており、上部四隅には各々1体ずつの燃料集合体10の下端を支持するための燃料集合体支持穴が2行2列に4個形成されて、4体の燃料集合体10を支持する。
【0007】
また、燃料支持金具7には、下部側面に冷却材流入口16が形成され、内部に冷却材流入口16から燃料集合体10の下部タイプレート11内に冷却材を導くための冷却材流路室17が形成されている。冷却材流入口16の前面には冷却材の流量を調整する入口オリフィス18が設けられている。
【0008】
BWRの燃料集合体10では、細長い燃料棒が格子状に配列されている。格子状に配置された燃料棒は、下部タイプレート11と上部タイプレート12との間に支持されている。燃料棒の配列の中央にはウォータロッドが設けられている。これらの燃料バンドルに角筒状チャンネルボックス22がかぶせられて燃料集合体10が構成されている。
【0009】
なお、下部タイプレート11の下端には冷却材を流入する入口ノズルが形成されており、入口ノズルは多重案内腕形の燃料集合体挿入ガイドによって包囲されている冷却材入口開口を有している。各燃料集合体10の下部タイプレート11の下端部外面は燃料支持金具7のシート面25に密着して載置され、燃料支持金具7は炉心支持板3によって横方向に支持され、制御棒案内管6によって垂直方向に支持されている。
【0010】
原子炉の冷却材は入口オリフィス18および冷却材流入口16から流入し冷却材流路室17を通過し、燃料集合体10の入口ノズルに入り込んで燃料支持金具7から流出する。燃料集合体10はシート面25に密着しており、これにより燃料集合体10の冷却材入口開口を迂回する流れの発生を防止している。
【0011】
ところで、BWRにおいて想定される冷却水喪失事故が発生すると、発熱状態の炉心から急速に冷却水が失われ、燃料棒が冷却水から露出して熱暴走し、そのまま放置すると温度上昇に伴う内圧上昇のため燃料棒が破裂して、放射性物質が炉心に漏れ出す可能性がある。
【0012】
したがって、冷却水喪失事故発生時には、核反応の進行を抑制する制御棒が炉心に直ちに挿入されるとともに、緊急炉心冷却系が作動して、炉心上部から燃料集合体に向かってスプレイ状に冷却水が強制注入される。スプレイ状冷却水は、燃料集合体の熱交換水路を落下して燃料棒に直接に降り掛かって除熱を行うとともに、チャンネルボックス22内を落下、蓄積する。冷却水は、さらに下部タイプレートを落下するが、入口オリフィス18の下方から減圧沸騰により発生した蒸気が入口オリフィス18を通って上昇することによって入口オリフィス18で気液対向流制限が発生する。それによりチャンネルボックス22内の水位を次第に高めて冷却水から露出した燃料棒を再冠水させる。
【0013】
【特許文献1】
特開昭64−38691号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
燃料サイクルコストの低減を目的として燃料集合体の高燃焼度化が推進されており、近年、燃料集合体が従来に比べて長期使用がなされつつあるが、使用期間の長期化に伴い、燃料集合体の損傷事象が増加する可能性が考えられる。燃料集合体の損傷が発生すると、プラントが停止し、さらに損傷した燃料集合体の取替等により、運転効率が悪化されると考えられている。
【0015】
原子炉の運転に関連した課題の一つに、種々の寸法の異物が炉水に混入する可能性が考えられる。異物は、建設中、運転中および定期点検中に発生するもので、例えば小さなボルト、ナット、割りピン、金属クリック、溶接スラグおよび小さなワイヤ片等がある。原子炉の運転中、原子炉内および一次系に存在する異物は冷却水によって運ばれ、燃料集合体内に混入し、燃料集合体の構成要素である燃料棒や燃料スペーサを損傷させる可能性がある。
【0016】
特にワイヤ片状の異物については、冷却材の流れによって振動し、被覆管を摩耗させ燃料集合体の損傷に至る可能性がある。ワイヤ片状の異物は軽く、表面積が大きいため、冷却水によって容易に燃料集合体へ流入するので特に問題がある。
【0017】
このような異物の燃料集合体への悪影響を防止するために、例えば特許文献1に示されるように、燃料支持金具の冷却材流入口の前面に設けた4個の炉心オリフィスの替わりに、それぞれ、炉心オリフィと同等の圧力損失を有するフィルタを設けた燃料支持金具が提案されている。
【0018】
しかし、この燃料支持金具のフィルタ機能部の構造は、前述の緊急炉心冷却系作動時の気液対向流制限特性への影響が大きく、構造によっては従来の炉心オリフィスより気液対向流制限特性を劣化させる恐れがある。すなわち、フィルタにおいて冷却水が流れ落ち易く、チャンネルボックス内の水位を高められず、燃料棒を再冠水させることが困難となる可能性がある。
【0019】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は従来の燃料支持金具の炉心入口オリフィスに比べて気液対向流制限特性を劣化させることなく、異物流入を防止または抑制できる燃料支持金具を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するものであって、請求項1に記載の発明は、核燃料集合体の下方を支持し、この核燃料集合体に向けて冷却材流入口から冷却材を導く冷却材流路室を内部に有する燃料支持金具において、前記冷却材流入口にはフィルタが配置されており、前記フィルタは、互いにほぼ平行な複数の流路を有し、これらの流路が、入口部では上向きに傾斜しており、その流路内で方向を変え、前記冷却材流路室に出る部分では下向きに傾斜していること、を特徴とする。
【0021】
また、請求項2に記載の発明は、核燃料集合体の下方を支持し、この核燃料集合体に向けて冷却材流入口から冷却材を導く冷却材流路室を内部に有する燃料支持金具において、前記冷却材流入口はほぼ水平方向に冷却材が前記冷却材流路室内へ流入するように配置され、かつその冷却材流入口にはフィルタが配置されており、前記フィルタは、互いにほぼ平行な複数の流路を有し、これらの流路がその流路内で方向を変えており、かつ各流路の壁面に凹凸が設けられていること、を特徴とする。
【0022】
また、請求項3に記載の発明は、核燃料集合体の下方を支持し、この核燃料集合体に向けて冷却材流入口から冷却材を導く冷却材流路室を内部に有する燃料支持金具において、前記冷却材流入口はほぼ水平方向に冷却材が前記冷却材流路室内へ流入するように配置され、かつその冷却材流入口にはフィルタが配置されており、前記フィルタは、冷却材が通り抜けるフィルタ機能部とこのフィルタ機能部の周囲を囲んでフィルタ機能部を保持するフィルタ枠とを有し、前記フィルタ機能部が前記フィルタ枠の中央より上方にずれた位置に配置されていること、を特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に、図1〜9を参照しながら、本発明に係る異物フィルタ付き燃料支持金具の実施の形態について説明する。ここで、従来技術と共通もしくは類似の部分、または相互に共通もしくは類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【0024】
[第1の実施の形態]
図1〜図4により本発明に係る燃料支持金具の第1の実施の形態について説明する。図1は、制御棒案内管6(図10参照)の上端開口部に据え付けられる燃料支持金具7の側面38の冷却材流入口16に、炉心オリフィスの替わりにフィルタ50を取り付けた状態の斜視図を示す。図2は、燃料支持金具7の冷却材流入口前面のフィルタ50を取り付けた状態の縦断面を示す。
【0025】
フィルタ50は、フィルタ機能を有するフィルタ機能部32と、フィルタ機能部32を保持して外枠を形成するフィルタ枠30とからなる。フィルタ機能部32とフィルタ枠30は別個に製造した後に接合してもよいし、初めから一体のものとして製造してもよい。燃料支持金具7の側面38に形成される4個所の冷却材流入口16の前面には、フィルタ枠30と嵌め合う形状としたフィルタ装着用窪み31を形成し、フィルタ装着用窪み31にフィルタ50を装着し締め付け固定される。
【0026】
図3は本発明に係るフィルタ付き燃料支持金具の第1の実施の形態を示したもので、(a)は燃料支持金具冷却材流入口前面に取り付けられるフィルタの正面図であり、(b)は(a)におけるフィルタのB−B線矢視断面である。フィルタ枠30の四隅にはフィルタ取り付け穴33を設けている。
【0027】
図3(a)に示すように、この実施の形態では、フィルタ機能部32の外形はほぼ円形である。変形例として、フィルタ機能部32の外形を横長の楕円形としてもよい(図示せず)。仮にフィルタ機能部32が縦長な形状とすると、フィルタ機能部側部56からの蒸気の流入がなく、冷却材流入口16および冷却材流路室17における落下水へ及ぼす乱れが減少し、水と蒸気が混じり合わずに、比重の小さい蒸気が上へ、比重の大きい冷却水が下へと、分離してスムーズに流れてしまう恐れがある。この場合、気液双方の流れの抵抗が減少し、水がフィルタ機能部を落下し易くなると考えられる。そこでフィルタ機能部32をほぼ円形あるいは横長の楕円形とし、フィルタ機能部側部から蒸気を流入させることで水と蒸気の分離を防ぐことができ、フィルタ機能部32における水の落下を抑制し、気液対向流制限特性を良好にすることができる。
【0028】
図3(b)に示すように、本実施の形態のフィルタ機能部32の流体流路は、互いにほぼ平行な複数の流路からなり、各流路が、逆V字形をなしている。すなわち、フィルタ機能部32の各流路は中央部に方向転換点があってこの方向転換点が最も高い位置にあって入口部および出口部が低い位置にある。原子炉の通常運転時の冷却材の流れで考えると、入口部から中央までは上向きに傾斜して流れ、中央から冷却材流路室17(図2参照)に出る部分では下向きに傾斜して流れる。
【0029】
緊急炉心冷却系作動時には、スプレイ水が下部タイプレート11から燃料支持金具7の冷却材流路室17を経て冷却材流入口16へ流れ落ち、図4の矢印60に示すようにフィルタ機能部32を通って落下しようとする。このとき、フィルタ機能部32を通って逆に上昇しようとする矢印62に示す蒸気の流れの影響で、スプレイ水のフィルタ機能部32を通る流れ60が抑制される。この実施の形態では、フィルタ機能部32の流路が逆V字形流路となっていることから、スプレイ水のフィルタ機能部32を通る流れ60の抑制効果が特に大きく、気液対向流制限特性が良好である。したがって、チャンネルボックス22内に冷却材が溜まり易く、原子炉の安全性が向上する。
【0030】
[第2の実施の形態]
図5は本発明に係る燃料支持金具の第2の実施の形態のフィルタを示したものである。この実施の形態では、フィルタ機能部32をほぼ正方形としている。変形例として、フィルタ機能部32を横長な長方形としてもよい(図示せず)。このような形状とすることにより、フィルタ機能部32の側部56から蒸気を流入させることで水と蒸気の分離を防ぎ、フィルタ機能部32における水の落下を抑制でき、気液対向流制限特性を良好にすることができる。
【0031】
[第3の実施の形態]
図6は本発明に係る燃料支持金具の第3の実施の形態のフィルタを示したものである。図6(a)は、フィルタ50の縦断面図であり、図6(b)は(a)のB部拡大断面図である。この実施の形態では、フィルタ機能部32の各流路は、図3(b)に示した実施の形態と同様に互いにほぼ平行な複数の流路からなるが、図3(b)の実施の形態と異なり、各流路が、V字形流路形状をなしている。すなわち、フィルタ機能部32の各流路の中央部の方向転換点が最も低い位置にあって入口部および出口部が高い位置にある。この実施の形態では、フィルタ機能部32の各流路表面に凹凸64が設けられている。
【0032】
この凹凸64により、下部タイプレート内からフィルタ50を通して流れ出るスプレイ水を流れ難くし、下部タイプレート内に液を溜まり易くすることにより、気液対向流制限特性を良好にすることができる。なお、凹凸64は、例えば、図6(b)に示すようなくさび状突起がよい。
【0033】
また、このような凹凸64をフィルタ機能部32の各流路に設けることは、図4に示した逆V字形流路にも適用できる。さらに、フィルタ機能部32の外形は長方形や円形、楕円形等、いずれでもよい。
【0034】
[第4の実施の形態]
図7および図8は、本発明に係る燃料支持金具の第4の実施の形態を示したものである。図7はフィルタの正面図であり、図8は、このフィルタを燃料支持金具に取り付けた状態の縦断面である。この実施の形態では、図7に示すように、フィルタ機能部32の外形は円形であり、これが、フィルタ枠30の中央よりも上方に偏った位置に配置されている。これにより、フィルタ50の下部に流路を閉塞した部分ができる。このため、緊急炉心冷却系が作動しているとき、フィルタ50の下部内側に冷却水が溜まり易く、これによって、チャンネルボックス22内の冷却水の溜まり方を早めることができる。
なお、図7ではフィルタ機能部32の外形を円形としたが、これを横長の楕円形や横長の長方形または正方形とすることもできる。
【0035】
[第5の実施の形態]
図9は本発明に係る燃料支持金具の第5の実施の形態を示したものである。この実施の形態は、第4の実施の形態の変形例であって、フィルタ機能部32はフィルタ枠30の中央よりも上方に偏った位置に配置されている。この実施の形態ではさらに、フィルタ50のフィルタ機能部32の下方に、冷却材流路室17内に向かって水平方向に突出する突起板66が設けられている。緊急炉心冷却系の作動時に、この突起板66により、突起板66の下部に冷却水が流れ込み、第4の実施の形態の場合より更に下部タイプレート11内に水を溜め易くすることが可能である。
【0036】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料支持金具の冷却材流入口前面に装着するフィルタの気液対向流制限特性を改善し、原子炉の安全性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料支持金具の第1の実施の形態の斜視図であって、一つのフィルタをはずした状態を示す図。
【図2】図1の燃料支持金具の部分縦断面図。
【図3】図1および2のフィルタ部を拡大して示す図であって、(a)はフィルタ部の正面図、(b)は(a)のB−B線矢視立断面図。部分縦断面図。
【図4】緊急炉心冷却系作動時における図3(b)のフィルタ部付近の流体の流れを示す模式的縦断面図。
【図5】本発明に係る燃料支持金具の第2の実施の形態のフィルタ部の正面図。
【図6】本発明に係る燃料支持金具の第3の実施の形態のフィルタを示す図であって、(a)はフィルタの模式的縦断面図、(b)は(a)のB部拡大縦断面図。
【図7】本発明に係る燃料支持金具の第4の実施の形態のフィルタ部の正面図。
【図8】本発明に係る燃料支持金具の第4の実施の形態の部分縦断面図。
【図9】本発明に係る燃料支持金具の第5の実施の形態の部分縦断面図。
【図10】従来の典型的な沸騰水型原子炉の燃料支持金具を中心とする炉心構造物等を示す部分切欠き立断面図。
【符号の説明】
1…原子炉圧力容器、2…シュラウド、3…炉心支持板、4…制御棒駆動機構ハウジング、5…制御棒駆動機構、6…制御棒案内管、7…燃料支持金具、8…位置決めピン、10…燃料集合体、11…下部タイプレート、12…上部タイプレート、13…上部支持板、14…十字状の貫通孔、15…燃料集合体支持穴、16…冷却材流入口、17…冷却材流路室、18…入口オリフィス、22…チャンネルボックス、25…シート面、30…フィルタ枠、31…フィルタ装着用窪み、32…フィルタ機能部、33…フィルタ取り付け穴、34…フイルタプレート取り付けねじ穴、38…燃料支持金具側面、50…フィルタ、54…フィルタ機能部流路、56…フィルタ機能部側部、60…スプレイ水の流れ、62…蒸気の流れ、64…凹凸、66…突起板。




 

 


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