JP2009128038A

JP2009128038A - デブリ捕捉機能付下部支持構造

Info

Publication number: JP2009128038A
Application number: JP2007300361A
Authority: JP
Inventors: Hisamichi Inoue; 久道井上
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】沸騰水型原子炉(BWR)の燃料集合体内にデブリの流入を防止する方法であって、現在採用されている多数の小穴を設けたデブリフイルタの欠点を解消するか又は軽減すること。
【解決手段】燃料集合体を支持すると共に冷却水の入口部を側面に備えて、冷却水の流路を該入口部から曲げて上方に導く下部支持構造部において、前記下部支持構造部の上部内側と前記燃料集合体の下方のノズル壁の間にデブリ捕捉ポットを設けて、冷却水中のデブリを該ポット内に捕捉すること、そして、前記デブリ捕捉ポットは、流入したデブリの再流出を防ぐ突起を備えたデブリ捕捉溝であること。
【選択図】図６

Description

本発明は、沸騰水型原子炉(BWR)において、燃料集合体内へのデブリ(debris)流入を防止し、フレッティング(fretting)による燃料棒破損を回避するのに好適な下部支持構造部に関する。

まず、本発明の背景となる沸騰水型原子炉(BWR)の圧力容器内の概要について、以下に説明する。

図１は、沸騰水型原子炉(BWR)の圧力容器内の一部を概念的に示す。また、図２は、沸騰水型原子炉の燃料棒を受ける下部支持構造部を示す。

図１に示すように、沸騰水型原子炉の圧力容器1内には、ジェットポンプ2が設置されている。冷却水は、再循環ポンプ3で駆動され、圧力容器に接続された吸込管4から圧力容器壁1とシュラウド壁5で仕切られたダウンカマ6内の冷却水7を、再循環ポンプの吐出管8を経由して、ジェットポンプ2のノズル9に供給される。ノズル9から噴出した冷却水は、ダウンカマ6内の冷却水7を巻き込み（流線ａで示す）、水量を増加させて下部プレナム10に流入（流線ｂで示す）する。下部プレナム10に流入した冷却水は、下部支持構造部11のオリフィス12から入り下部タイプレート13を経由して、燃料集合体14内に流入する。この燃料集合体14内は、スペーサ15で集合された燃料棒16が収納されている。

燃料集合体14内を通過する冷却水は、燃料集合体14内で熱を受けて気液二相流となり上昇し、気水分離器（図示省略）で分離された蒸気は、ドライヤー（図示省略）を経由して、外部の蒸気タービン（図示省略）に導かれる。一方、気水分離器で分離された高温水は、ダウンカマ6の上部に放出される。ここで、下部支持構造11は、図２に示すように、燃料集合体14の４体を支えるもので、下部タイプレート13が挿入される挿入口17とオリフィス12が、各燃料集合体14に対応して設けられている。

上記の沸騰水型原子炉(BWR)において、建設時に使用した工具、特にワイヤーブラシの残骸、さらに切削切子等が、冷却水の流れに乗り、燃料集合体内に流入し、スペーサに引っかかり、冷却水の流動で誘起される振動を生じながら燃料棒と接触することにより、燃料棒を破損するという問題があった。この問題に対処するため、フイルタを設けることが提案されている。

例えば、特許文献１は、沸騰水型原子炉の燃料支持金具および燃料集合体において、燃料集合体の下部タイプレートがセットされる燃料支持金具内に、冷却材中の異物を捕獲するフイルタを設置する技術を開示している。また、特許文献２は、沸騰水型原子炉の燃料支持金具および燃料集合体において、燃料支持金具の冷却材流入口に、ネット状の異物フイルタを設置することを開示している。

図３は、図１と図２に示された沸騰水型原子炉の燃料集合体の下部内に、デブリフイルタを設置した例を示す。図４は、図３の示すデブリフイルタ部の一部を拡大して示す。

図３に示すように、デブリフイルタ19は、燃料棒16の下部端栓18が差し込まれる下部タイプレート13に設けられる。デブリ20は、オリフィス12から流入する流体により運ばれ、下部タイプレート13に設けられたデブリフイルタ19により捕捉される。図４に示すように、デブリフイルタは、燃料棒端栓が差し込まれる穴21の周辺に設けられた小孔22を有する。実機では、この小孔は、約２〜３ｍｍの直径のテーパ小孔となっている。

特開２００３−２３２８７９号公報特開２００５−４９１３２号公報

沸騰水型原子炉(BWR)における燃料集合体内へのデブリ流入を防止するため、上記したようなフイルタを用いる対策には、次の問題点があった。
・フイルタの小孔（図４に示されたデブリフイルタではテーパ小孔22）を物理的に通過できるデブリは、１度フイルタに捕捉されたものでも、流量の変化や流れの有無の変化を繰り返し受けると、最終的には、フイルタを通過し、燃料集合体内に流入してしまう。そうすると、集合体内に引っかかったデブリが冷却材の流れにより振動して燃料棒表面の被覆管を磨耗して損傷する可能性があり、この損傷が進むと、内部の核燃料ペレットからのウランや格分裂生成物等を冷却材中に漏出させるので、プラントを停止して交換作業が必要となるなど、運転効率を悪化させる。
・フイルタの形状と性状によって、フイルタ自体が破損する可能性があり、破損した場合には、フイルタ自体の破損片が燃料集合体内に流入してしまい、上記したデブリの流入と同様の問題を発生させる。
・フイルタを設けることで、フイルタ部での圧力損失が発生する。図５は、実機において流量に対するデブリフイルタによる圧力損失を計測した結果を示すものであり、流量が増大するにつれて圧力損失が大きくなり、定格流量（８０ｍ^３／ｈ）時において、約３kＰaの圧力損失があった。

本発明は、上記した問題点の解決を課題として、この課題を達成する新たなデブリ捕捉方法を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部は、燃料集合体を支持すると共に冷却水の入口部を側面に備えて、冷却水の流路を該入口部から曲げて上方に導く下部支持構造部において、前記下部支持構造部の上部内側と前記燃料集合体の下方のノズル壁の間にデブリ捕捉ポットを設けて、冷却水中のデブリを該ポット内に捕捉することを特徴とする。

また、本発明の沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部は、上記の特徴に加えて、前記デブリ捕捉ポットは、流入したデブリの再流出を防ぐ突起を備えたデブリ捕捉溝であることを特徴とする。

また、本発明の沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部は、上記の特徴に加えて、前記デブリ捕捉溝は、前記下部支持構造部の上部内側の全周にわたり設けられていることを特徴とする。

また、本発明の沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部は、上記の特徴に加えて、前記デブリ捕捉溝は、その溝の深さが、前記下部支持構造部の径方向において前記冷却水入口部と反対位置において最も浅く、該反対位置から周方向に離れるにつれて深くなるように形成されていることを特徴とする。

また、本発明の沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部は、上記の特徴に加えて、前記デブリ捕捉溝は、前記下部支持構造部の径方向において前記冷却水入口部と反対位置の近傍から前記冷却水入口部の位置に向けて両側に形成され、かつ、その溝の深さは、前記冷却水入口部の位置に近づくにつれて深くなるように形成されていることを特徴とする。

また、本発明の沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部は、上記の特徴に加えて、前記下部支持構造部の内壁には、前記径方向における前記冷却水入口部の前記反対位置に、上下にわたってデブリ案内溝が形成されていることを特徴とする。

また、本発明の沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部は、上記の特徴に加えて、前記デブリ捕捉溝は、前記下部支持構造部の内側に一体構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、冷却水中に含まれるデブリをデブリ捕捉ポット内に捕捉して燃料集合体内への浸入を防ぐことができるので、従来の沸騰水型原子炉(BWR)で用いていたデブリフイルタを使用しないことが可能となるので、圧力損失がないだけでなく、コスト上も有利となる。また、デブリフイルタを併用する場合でも、大きく重いデブリをデブリ捕捉ポットで捕捉するので、デブリフイルタの目詰まりの可能性およびフレッテイングによる燃料棒へのダメージを大きく低減することが可能となる。

また、本発明によれば、流動が変化しても一旦捕捉したデブリの再流出を防止することができること、さらに捕捉したデブリをデブリ捕捉ポットへの流入位置から離れた位置に集中するように流すことにより、デブリ捕捉ポット内の収納容量を最大化することができる。

また、本発明によれば、デブリ捕捉ポットは、下部支持構造部と同じ金属で製作し、下部支持構造部内の上部壁側の流れがさほど作用しない部分に設けることにより、破損することはなく、安全性に優れている。

また、本発明によれば、デブリ捕捉ポットは、冷却水の流路上ではなく、下部支持構造部の内上部壁側に設けているので、冷却水の流れの抵抗となることはないのでデブリ捕捉ポットの設置による圧力損失の増加はなく、原子炉の性能向上が期待できる。

本発明に係るデブリ捕捉機能付下部支持構造の実施形態を以下に説明する。

図６は本発明に係る実施例１を示す。実施例１では、デブリ捕捉ポット23が下部支持構造部11内の上部に設けられているものであり、図７に示されているように、下部タイプレート13の燃料棒支持部には、デブリフイルタの設置がなく、大開口穴24が開いている。そのため、デブリフイルタによる圧力損失はない。デブリ捕捉ポット23の形状は、下部支持構造11の上部内側にリング状の溝を設け、その溝の内側には、一度捕捉したデブリ20が逃げないように、円周状の突起25が設けられている。

下部支持構造部11に設けられたオリフィス12から流入する冷却水は、図６において流線で示すように、流入後直ぐに直角に曲げられて上昇し、下部タイプレート13の下方のノズルに流入する。冷却水が直角に曲げられる際に、比重の大きいデブリ20は、遠心力の作用により矢印26が示すように、下部支持構造部の内壁際まで移動し、内壁に沿って上昇する。上昇したデブリ20は、下部タイプレートノズル壁面27と円周状突起25の隙間28を通りデブリ捕捉ポット23内に収納される。一度収納されたデブリ20は、円周状突起25があることで、このデブリ捕捉ポット23から逃げ出すことはできない。

図８は本発明に係る実施例２を示す。実施例２では、下部タイプレート13の燃料棒支持部にデブリフイルタ19が設置されている（図９参照）。また、実施例２では、捕捉ポット23の溝が、実施例１と同様に、全周にわたって設けられているが、その深さは、図８において破線で示すように、オリフィス12が設けられている側の反対側の位置（図８においてａで示す位置）からオリフィスの設けられている側の位置（図８においてｂで示す位置）に向けて、溝の底部を傾斜させより深くなるようにしている。このようにした理由は、流れの影響で、図中ｂで示す部分が図中ａで示す部分より減圧されるので、デブリ捕捉領域高圧部ａからデブリ捕捉領域低圧部ｂに向かい流れが発生し、図中ｂの部分にデブリ20が運ばれ、そこに溜まるようにしたものである。

実施例２では、デブリフイルタ19とデブリ捕捉ポット23を併用することにより、デブリ20の燃料集合体14内への流入を一層確実に阻止することができる。なお、デブリフイルタ19を併用することにより、上記したフイルタの圧力損失の問題を完全に解消することはできないが、デブリ捕捉ポットの併用により、フレッテイングによる燃料棒へのダメージを与える大きく重いデブリのすべてと、小さく軽いデブリでもその多くをデブリ捕捉ポットで捉えるので、フイルタの目詰まりによる圧力損失の問題を大いに軽減することができるのである。

図１０は本発明に係る実施例３を示す。実施例３では、実施例２と同様に、デブリフイルタ19とデブリ捕捉ポット23を併用している（図１１参照）が、捕捉ポット23の形状は、実施例１および２で示したような全周にわたり溝を設けたものではなく、デブリ捕捉ポット23の溝をオリフィス12の側の反対側で切り離した形状（図１２参照）にして、下部支持構造部11の上部内側と下部タイプレートノズル壁面27との隙間28を広くし、デブリがより流入しやすくしたものである。なお、図１２において、矢印29は、流体の流れ方向を示している。

実施例３では、デブリフイルタ19とデブリ捕捉ポット23の併用に加えて、デブリを補足ポットにより容易に流入させて溜めやすくすることにより、デブリの燃料集合体14内への流入をより確実に阻止することができる。なお、デブリフイルタ19を併用することにより、上記したフイルタの圧力損出の問題を完全に解消することはできないが、デブリ捕捉ポットの併用により、実施例２について説明したフイルタの目詰まりによる圧力損失の問題を大いに軽減することができるのである。

図１３は本発明に係る実施例４を示す。図１４は、実施例４の下部タイプレートに設けられたデブリフイルタの一部の詳細を示す。図１５は、実施例４の切り離されたデブリ捕捉ポット23の端部を示す。

実施例４では、実施例３と同様に、デブリフイルタ19とデブリ捕捉ポット23を併用しているが、下部支持構造部11におけるオリフィス12の反対側における切り離されたデブリ捕捉ポット23の二つの端部間の内壁に、上下にわたるデブリ案内溝30を施した点で、実施例３と異なる。このデブリ案内溝30を施したことにより、下部支持構造部11においてオリフィス12から遠い側の内壁に沿って上昇するデブリ20をデブリ捕捉ポット23に導いて一層捕捉しやすくしている。なお、デブリフイルタ19を併用することにより、上記したフイルタの圧力損出の問題を完全に解消することはできないが、デブリ捕捉ポットの併用により、フイルタの使用による上記の問題を大いに軽減できることは、実施例２および３と同様である。

以上、実施例１から４までの４つの例を示したが、いずれの実施例も下部支持構造部内にデブリ捕捉ポットを設けるものであり、燃料集合体の下部タイプレートの構造変更を行う必要はなく、従来のものを利用することができる。したがって、現状の原子炉燃料に用いられている８×８、９×９、１０×１０の燃料集合体をそのまま利用して、これに適用することが可能である。

本発明は、沸騰水型原子炉(BWR)の冷却部の入口部となる下部支持構造部に利用可能であるが、その他の部位においても冷却水中のデブリを捕捉する目的で利用可能である。

沸騰水型原子炉(BWR)の圧力容器内の一部を概念的に示す。沸騰水型原子炉の燃料棒を受ける下部支持構造部を示す。沸騰水型原子炉の燃料集合体の下部内に、デブリフイルタを設置した例を示す。図３に示したデブリフイルタの一部を詳細に示す。実機において流量に対するデブリフイルタによる圧力損失を計測した結果を示す。本発明に係る実施例１を示す。実施例１における下部タイプレートの一部を拡大して示す。本発明に係る実施例２を示す。実施例２における下部タイプレートに設けられたデブリフイルタの一部を拡大して示す。本発明に係る実施例３を示す。実施例３における下部タイプレートに設けられたデブリフイルタの一部を拡大して示す。図１０におけるＡ−Ａ矢視図であり、実施例３の切り離されたデブリ捕捉ポット23の端部を示す。本発明に係る実施例４を示す。実施例４の下部タイプレートに設けられたデブリフイルタの一部を拡大して示す。図１３におけるＡ−Ａ矢視図であり、実施例４の切り離されたデブリ捕捉ポット23の端部を示す。

符号の説明

1…原子炉圧力容器、2…ジェットポンプ、3…再循環ポンプ、4…吸込管、5…シュラウド壁、6…ダウンカマ、7…冷却水、8…吐出管、9…ノズル、10…下部プレナム、11…下部支持構造部、12…オリフィス、13…下部タイプレート、14…燃料集合体、15…スペーサ、16…燃料棒、17…挿入口、18…燃料部下部端栓、19…デブリフイルタ、20…デブリ、21…燃料棒端栓が差し込まれる穴、22…テーパ小孔、23…デブリ捕捉ポット、24…大開口穴、25…円周状突起、26…デブリの流線、27…下部タイプレートノズル壁面、29…隙間、29…デブリ流線、30…デブリ案内溝、a…デブリ捕捉領域高圧部、b…デブリ捕捉領域低圧部

Claims

燃料集合体を支持すると共に冷却水の入口部を側面に備えて、冷却水の流路を該入口部から曲げて上方に導く下部支持構造部において、
前記下部支持構造部の上部内側と前記燃料集合体の下方のノズル壁の間にデブリ捕捉ポットを設けて、冷却水中のデブリを該ポット内に捕捉することを特徴とする沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部。
請求項１に記載された沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部において、
前記デブリ捕捉ポットは、流入したデブリの再流出を防ぐ突起を備えたデブリ捕捉溝であることを特徴とする沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部。
請求項２に記載された沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部において、
前記デブリ捕捉溝は、前記下部支持構造部の上部内側の全周にわたり設けられていることを特徴とする沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部。
請求項２に記載された沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部において、
前記デブリ捕捉溝は、その溝の深さが、前記下部支持構造部の径方向において前記冷却水入口部と反対位置において最も浅く、該反対位置から周方向に離れるにつれて深くなるように形成されていることを特徴とする沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部。
請求項２に記載された沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部において、
前記デブリ捕捉溝は、前記下部支持構造部の径方向において前記冷却水入口部と反対位置の近傍から前記冷却水入口部の位置に向けて両側に形成され、かつ、その溝の深さは、前記冷却水入口部の位置に近づくにつれて深くなるように形成されていることを特徴とする沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部。
請求項５に記載された沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部において、
前記下部支持構造部の内壁には、前記径方向における前記冷却水入口部の前記反対位置に、上下にわたってデブリ案内溝が形成されていることを特徴とする沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部。
請求項２から６のいずれか一項に記載された沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部において、
前記デブリ捕捉溝は、前記下部支持構造部の内側に一体構成されていることを特徴とする沸騰水型原子炉(BWR)の下部支持構造部。