燃料アセンブリ用デブリ排除及び保持装置
【課題】原子炉の運転に悪影響を与えず、製造コストの低い、燃料アセンブリ用デブリ排除及び保持装置を提供する。
【解決手段】デブリ排除及び保持装置６３は、下部タイプレート５８内の既存の流路を用いて、クーラント流の方向を変えることなく、燃料アセンブリの下部タイプレート５８内の異物を捕捉及び保持する。保持装置は、下部タイプレート５８内の既存の流れのパターンに影響を与えることなく、これらの低流量域内のデブリを捕捉及び保持する。そのため、保持装置６３は、下部タイプレート５８の圧力降下に殆ど又は全く影響を与えない。
【解決手段】デブリ排除及び保持装置６３は、下部タイプレート５８内の既存の流路を用いて、クーラント流の方向を変えることなく、燃料アセンブリの下部タイプレート５８内の異物を捕捉及び保持する。保持装置は、下部タイプレート５８内の既存の流れのパターンに影響を与えることなく、これらの低流量域内のデブリを捕捉及び保持する。そのため、保持装置６３は、下部タイプレート５８の圧力降下に殆ど又は全く影響を与えない。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して原子炉に関し、特に原子炉の燃料アセンブリ用デブリ排除及び保持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）等の原子炉は、燃料棒を囲繞する燃料アセンブリを内蔵した炉心を有する。原子炉は閉鎖循環システムであるため、デブリがシステム内に蓄積し易い。この場合のデブリは、流体流に伴う何らかの固形物質を指す。デブリには、原子炉建設時の残余物質、腐食副産物、故障時及び修理作業中に混入又は遊離した破片が含まれる。
【０００３】
燃料アセンブリ内にデブリが蓄積すると、燃料棒が損傷することがある。例えばデブリ粒子が燃料棒に付着すると、燃料バンドルを通って移動するクーラントから乱流が発生し、この乱流によって、捕捉されたデブリ粒子が急激に振動して燃料棒のクラッディングに当たり、その結果、燃料棒のクラッディングに穿孔又は破損が生じる。クラッディングが損傷した燃料棒を、「リーカー（ｌｅａｋｅｒ）」とよぶことがある。十分な個数のリーカーがある場合は、発電所は規則に従って運転停止又は最適効率未満での運転、並びに安全上の問題への対処を余儀なくされることがある。いずれにしても、燃料アセンブリ内への外部からのデブリの侵入を最小限に抑えることが極めて望ましい。
【０００４】
デブリが燃料アセンブリ内に侵入しないように、通常は、燃料アセンブリを流れるクーラントを、燃料アセンブリの下部タイプレートで濾過する。このようにして、選択されたフィルタの有効性に応じて、燃料アセンブリ内へのデブリの侵入を防ぐことができる。燃料アセンブリを通る順方向のクーラント流が十分に存在しさえすれば、抑止されたデブリが、下部タイプレート内に蓄積するだけである。原子炉運転中に下部タイプレートのキャビティ内に蓄積したデブリは、クーラント流が逆流又は停滞状態になることによって、或いは、内部又は外部振動源に反応して遊離する。例えば、原子炉の運転停止及び燃料交換時に通常的に行われるように燃料アセンブリを炉心より上方に移動させると、離脱が起こる可能性が非常に高い。燃料アセンブリを持ち上げると、その上昇速度によってクーラントが燃料アセンブリを通って逆戻りし、その結果、フィルタに蓄積されたデブリが遊離する（即ち、逆流する）。デブリが一旦遊離すると、移送される燃料アセンブリの下部タイプレートから下部プレナム内へ、或いは、最悪の場合、炉心内の下方に位置する燃料アセンブリの脆弱な上端部へと落下する。
【０００５】
原子炉運転中に濾過されて下部タイプレートのキャビティ内に蓄積されたデブリは、例えば低出力又は無出力時に炉内流が減少する等、大幅に流量が低下した際に、下部タイプレートから逆流することもある。その後の原子炉運転時に、このデブリが下部タイプレートに再び引き込まれることで、デブリがその後、燃料アセンブリ内に侵入する可能性が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７１４９２７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、非常に効果的なフィルタが開発されたものの、フィルタで抑止したデブリを保持するという問題が残っている。デブリを保持する問題に対処しようとするこれまでの試みでは、様々なフィルタ構造設計を用いることで、下部タイプレートからデブリを遊離させないようにしている。しかし、そのために、従来設計の場合、下部タイプレートを通るクーラントの通常の流れパターンの方向と運動量とを実質的に変化させているが、このことによって、原子炉の運転に悪影響を与える望ましくない圧力降下が燃料アセンブリ内で生じる。また、従来式の下部タイプレートの構造を設計し直すこれまでの試みでは、結果的に、装置の製造コストがかかり、装置の製造が煩雑になっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の各種実施形態は、燃料アセンブリの下部タイプレート内のそのままの流路を有利に利用することで、濾過後のデブリを下部タイプレート内に捕捉しておく保持装置を提供する。この保持装置は、独立型又は一体型のデブリフィルタ等の排除装置で抑止したデブリを捕捉するので、デブリ保持の問題が解決する。排除装置と保持装置は共働し、下部タイプレートの内部キャビティを継続的にフラッシングすることで、望ましくないレベルの流れ抵抗を緩和する。この「逆流」フラッシングにより、下部タイプレートの割れ目及び隙間に捕捉された、又は嵌まり込んだデブリを除去するが、その間はずっと、通常炉心運転中に燃料アセンブリ内に存在するクーラント流を使用する。加えて、そのままのクーラント流パターンを用いることにより、保持装置は、炉心の圧力降下に対して最大でも微々たる影響しか与えない。
【０００９】
具体的には、一態様によると、下部タイプレートの入口ノズルの中央開口部を通るクーラント流が、下部タイプレートの内壁に沿って自然に形成される低流量域内のクーラント流よりも高い流速を有することで、結果的に、下部タイプレートの内壁及び角に沿ってデブリの方向転換と蓄積が生じるように、例示的な保持装置が構成される。一部の実施形態では、下部タイプレートの内部キャビティを拡張することによって、この流体力学的特性を得る。
【００１０】
一実施形態は、燃料アセンブリ用デブリ保持アセンブリであって、クーラントがこの保持アセンブリに沿って燃料アセンブリ内へと移動する流路を横切って配置されるデブリフィルタを含む、デブリ保持アセンブリである。デブリフィルタは、クーラント流によって推進されるデブリの流れを抑止することで、デブリが燃料アセンブリ内に引き込まれないように構成される。デブリ保持アセンブリは更にデブリ保持装置を含み、デブリ保持装置は、クーラント流の方向に対してデブリフィルタよりも上流に位置し、且つ流路を横切って配置される。デブリ保持装置は、デブリがデブリ保持アセンブリから離脱しないように、デブリフィルタで抑止したデブリを捕捉するように構成される。また、デブリ保持装置は、クーラント流の方向を変えることなく、デブリを捕捉する。寧ろ、デブリ保持装置は、ＢＷＲ下部タイプレート内に自然に存在する渦を利用して逆流を阻止し、渦が運ぶ遊離したデブリを、このデブリ保持装置の周縁部に保持する。そのために、デブリ保持装置は、順方向流路の平面に対して垂直の流れを通し且つ接線方向の流れに抗する筒状セル配列体等を備えた、逆流下のデブリ離脱を抑止する順方向導管を含む。１つ又は一連のストレーナプレートが順方向導管を囲繞しており、これによって、デブリを搬送する戻り水及び渦がデブリをストレーナプレート上に沈積させる。各ストレーナプレートは多孔性であり、不透過性のデッドゾーンがストレーナプレートどうしの間に配置されるか、又はストレーナプレートの多孔性区画に差し込まれる。
【００１１】
別の実施形態は、デブリ保持アセンブリを内蔵する燃料アセンブリ用下部タイプレートである。この下部タイプレートは、流路に沿って燃料アセンブリ内へと至るクーラントを受け取る入口ノズルと、入口ノズルに対して外方に張り出して下部タイプレートキャビティを形成するハウジングと、ハウジング内に永久的に又は取外し可能に封入されるデブリ保持アセンブリとを含む。この場合も、デブリ保持アセンブリは、デブリフィルタと、このデブリフィルタよりも上流に位置するデブリ保持装置とを含む。
【００１２】
これらの実施形態の一態様によると、デブリ保持キャビティがデブリ保持装置とデブリフィルタとの間に形成されており、このデブリ保持キャビティは、流体力学的に下部タイプレートの形状によって自然に形成される低流量域内へと延在する。デブリを捕捉するために、デブリ保持装置は順方向導管を含み、この順方向導管は、クーラント流を妨げることなくクーラントの逆流を抑止し、周縁の低流量域によって囲繞される高流量域内に配置される。一部の実施形態において、順方向導管は、低流量又は逆流条件下において、デブリフィルタから解放されたデブリ又は低流量域内に流入することによりデブリフィルタを回避するデブリの方向を、低流量域内の少なくとも１つのストレーナプレート内へと導くことにより変えるように構成される。
【００１３】
一部の実施形態では、例示的な保持装置を、既存の燃料アセンブリ設計に後付けすることができ、独立的に既存のデブリフィルタと共働させること、又はこれら両方の要素を含むアセンブリの一部分とすることができる。
【００１４】
以上、様々な実施形態の態様及び機構の幾つかを概説したが、これらは可能性のある様々な用途を説明したにすぎないと、解釈されるべきである。本開示の情報を異なる様式で適用することによっても、本開示の実施形態の様々な態様を組み合わせることによっても、その他有益な結果を得ることができる。請求項により定義される特許請求の範囲に加えて添付図面に関連して、これらの実施例の詳細な説明を参照することにより、その他の態様及び更に包括的な理解が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の例示的な環境に従った原子炉圧力容器の構造を示す概略断面図である。
【図２】図１の原子炉の炉心内の燃料アセンブリと燃料支持部材とを示す部分断面図である。
【図３】図２の燃料アセンブリの部分分解斜視図である。
【図４】図３の燃料アセンブリ内で使用可能なフィルタアセンブリを有する下部タイプレートの従来技術の例を示す分解斜視図である。
【図５】入口ノズルから到来してデブリフィルタに衝突する流れが創出する渦のパターンを示す、下部タイプレート内の図４のデブリフィルタの概略断面図である。
【図６】一実施形態に従ったデブリ保持アセンブリを有する下部タイプレートの斜視図である。
【図７】図６のデブリ保持アセンブリを有する下部タイプレートの断面分解図である。
【図８】図５との比較のためのクーラント流のパターンを示す、デブリ保持アセンブリを有する下部タイプレートの断面図である。
【図９】逆流抑止シリンダとデブリを捕捉する周縁バンドとを示す、デブリ保持アセンブリの一実施形態の部分断面斜視図である。
【図１０】例示的なデブリ保持アセンブリを、その内部に設けられる例示的なデブリフィルタの視点から示す上面図である。
【図１１】図９及び１０のデブリ保持アセンブリの断面側面図である。
【図１２】例示的なデブリ保持アセンブリを、その内部に設けられる例示的なデブリ保持装置の視点から示す底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
必要に応じて、本明細書では詳細な実施形態を開示する。開示の実施形態はあくまでも例示的なもので、様々な形態及び代替形態、並びに組み合わせにおいても実施可能である。本明細書において、実例、見本、、モデル、又はパターンとしての実施形態について言及するために、「例示的」という語を幅広く使用している。図面は必ずしも縮尺通りではなく、機構によっては、或る特定の部品の細部を示すために実際よりも大きくなっていたり小さくなっていたりする。その他の例では、本開示が曖昧にならないように、当業者に周知のよく知られた部品、システム、材料、又は方法を詳細には説明していない。したがって、本明細書に開示の特定の構造及び機能の詳細を、限定的なものとしてではなく、あくまでも請求項の根拠及び当業者に教示するための典型的な根拠であると解釈されるべきである。
例示的な環境
本発明の各種実施形態の説明における例示的な環境は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）である。図１を参照すると、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１０の一般的な構造を示している。ＲＰＶ１０は、原子炉圧力容器上蓋２０と蒸気乾燥器２２と気水分離器２４と上部ガイド２６と炉心シュラウド２８と炉心支持板３０と燃料アセンブリ３２と制御棒３４と燃料支持部材３６と制御棒ガイド管３８と下部プレナム４０と補強梁４２と再循環ポンプ４４と主蒸気管４６とを含む。クーラント流Ｆは、ＲＰＶ１０の部品を冷却する。
【００１７】
再循環ポンプ４４により下部プレナム４０内に圧力が生じることで、クーラント（例えば水）が下部プレナム４０から燃料アセンブリ３２へと流れる。燃料アセンブリ３２においてクーラントが加熱され、蒸気成分と液体成分とを含む二相流を形成する。蒸気成分及び液体成分は、気水分離器２４と蒸気乾燥器２２とを含む原子炉システムによりクーラント流から分離される。例えば、蒸気は、気水分離器２４によりクーラント流から分離された後、蒸気乾燥器２２内に導かれ、残留の可能性がある余分な水分が除去される。こうして、加圧蒸気が生成され、そして、主蒸気管４６によって原子炉のタービン建屋（図示せず）内へと導かれる。生成された加圧蒸気は、その後、タービン内に導かれる。気水分離器２４と蒸気乾燥器２２とによりクーラント流から分離された水は、方向を変えて再循環ポンプ４４内に戻される。
燃料アセンブリ及び燃料支持体
図１を参照すると、燃料アセンブリ３２の上端部が上部ガイド２６により支持され、燃料アセンブリ３２の下端部が燃料支持部材３６により支持される。概して、燃料支持部材３６は、格子状配列の４つの燃料アセンブリ３２を支持し、且つ、クーラント流を下部プレナム４０から上方に導いて４つの核燃料アセンブリ３２の各々に個別に導入するように構成される。燃料支持部材３６は、制御棒ガイド管３８の上端部に挿入され、制御棒ガイド管３８の上端部に配置される。
【００１８】
図２及び３を参照すると、燃料アセンブリ３２は、中空金属導管５０と、伸縮スプリング５１と、全長燃料棒５２と、部分長燃料棒５３と、燃料スペーサ５４と、ウォータロッド５５と、ハンドル５７を有する上部タイプレート５６と、下部タイプレート５８とを含む。中空金属導管５０は、矩形の断面を有し且つ上部タイプレート５６及び下部タイプレート５８を受け入れる上側及び下側開口端部を有する、細長形状を有する。全長燃料棒５２及び部分長燃料棒５３は、平行に配置され、核分裂可能物質を含む。一旦燃料アセンブリが中空金属チャネル５０内に配置されると、燃料スペーサ５４は、燃料アセンブリの全長に沿って、全長燃料棒５２と部分長燃料棒５３との両方と、ウォータロッド５５とを数箇所で支持する。上部及び下部タイプレート５６、５８は、全長燃料棒５２の上端部と下端部とを固定する一方で、部分長燃料棒５３の下端部は、下部タイプレート５８のみに固定される。このように組み立てることにより、クーラントを確実に燃料棒５２及び５３の各々とその周りに行き渡らせることができる。図２及び３では、燃料アセンブリ３２が、少なくとも１つのウォータロッド５５を含み得る。
【００１９】
運転時、中空金属導管５０は原子炉の炉心内で直立しており、上部タイプレート５６は、各燃料アセンブリ３２の部品を内蔵する中空金属導管５０の上側開口部に配置される。下部タイプレート５８は、中空金属導管５０の下側開口部に配置され、燃料スペーサ５４は、中空金属導管５０の長手方向内面に沿った様々な位置に配置される。燃料スペーサ５４及びタイプレート５６、５８は、クーラントを燃料アセンブリ３２に通すように構成される。通常運転時、クーラントは、流れ方向Ｆに下部タイプレート５８を通って燃料棒５２及び５３を越え、中空金属導管５０の長手方向内面に沿って流れた後に、上部タイプレート５６の上部を通って流出する。原子炉１０の各システムからのデブリは、通常運転時、クーラント流に乗って燃料アセンブリ３２へと引き込まれる。
下部タイプレート
図２〜４を参照すると、下部タイプレート５８は、下部タイプレート格子板６４の下にフィルタカートリッジ６３が配置された下部タイプレートキャビティ６２へと繋がる入口ノズル６０を含む。下部タイプレート格子板６４は、下部タイプレートキャビティ６２の上端部に配置され、燃料棒５２及び５３の下端部プラグを支持する。下部タイプレート格子板６４は、クーラント流を、燃料アセンブリ３２内と、全ての燃料棒５２及び５３の間とウォータロッド５５の間へと導く。
【００２０】
下部タイプレート５８は更に、外方に且つ入口ノズル６０を横切って延在するベイル５９を含む。概して、ベイル５９は、燃料アセンブリ３２の下部タイプレート５８の下端部を、燃料支持部材３６で受け易くなるように方向付けするように構成される。
燃料支持部材
図２を参照すると、燃料支持部材３６は、流れＦを下部プレナム４０から上方に支持チャンバ８０を通って燃料アセンブリ３２内へと導くように構成される下部側方入口オリフィス８２を含む。支持チャンバ８０は、正流Ｆが下から流入する下部側方入口オリフィス８２から繋がる。
【００２１】
下部タイプレート５８が支持チャンバ８０内に受け入れられると、ベイル５９が、受入オリフィス８４を介して支持チャンバ８０の円錐部内へと延在する。受入オリフィス８４のリップ部には、下部タイプレート５８の外側傾斜面が当接して、メカニカルシールを形成する。こうして、支持チャンバ８０と下部タイプレート５８と中空金属導管５０は、下部プレナム４０から支持チャンバ８０を介して、各燃料支持部３６上に載置された燃料アセンブリ３２を通して、クーラント流を上方へと導く実質的に連続した流路を提供する。
フィルタカートリッジ
図６〜１２を参照して、下部タイプレート５８に使用するデブリ保持アセンブリ６３の各種実施例を更に説明する。限定ではなく比較を目的として、例示的な従来技術のデブリフィルタカートリッジ６７（図４及び５に示す）は、クーラント流Ｆが下部タイプレートの入口ノズル６０に流入し、ハウジング６２を通って下部タイプレート格子板６４から流出するときの、このクーラント流Ｆを横切って配置される単段濾過システムである。上述したように、デブリフィルタ６７は、定常流条件下においては良好に機能し、デブリの燃料アセンブリ内への移動を抑止するが、流れが停止又は逆流すると、デブリが離脱して再び移動する可能性がある。また、流れ抵抗により、戻り水の一部が下方へと方向転換し、入口ノズル６０を通過して、デブリが濾過されないことがある。
【００２２】
本発明の各種態様は、一体型デブリ保持アセンブリ６３を用いてデブリ離脱の問題を解消する利点を有する。一体型デブリ保持アセンブリ６３は、流れの濾過とデブリの捕捉の両方を行うことによって、下部タイプレートを通るデブリの流れを抑止してデブリの離脱を防ぐ。従来技術の装置とは対照的に、例示的なデブリ保持アセンブリ６３は、デブリフィルタ６５とデブリ保持装置６６とを含む、少なくとも二段の捕捉システムである。図７は、核燃料アセンブリ３２用の完全組立済みデブリ保持アセンブリ６３を有する、下部タイプレート５８の分解断面図である。デブリ保持装置６６は、部分的に周縁バンド９３とデッドゾーン７０により中断される１つ以上のストレーナプレート９２（図１２参照）とにより形成される、デブリトレイ６８を内蔵する。周縁バンド９３と一体的であり得るストレーナプレート９２は、以下に説明するように、一部の実施形態では孔部７８を有する。デブリ保持装置６６はまた、順方向導管９０により形成され、この順方向導管９０は、デブリ保持アセンブリ６３の構造部となり、順方向流条件において性能に悪影響を及ぼすことなく、デブリの逆流を抑止し、更なる濾過能力を提供する。周縁バンド９３は、デブリ保持アセンブリ６３の壁部を形成するようにして、これら全ての部品を囲繞する。周縁バンド９３は、隆起状移動止め部７２等の機構を備えて形成可能な外面を有し、この隆起状移動止め部７２等の機構が、下部タイプレート５８内での位置決め、安定性、及び保持を助ける。
【００２３】
図６、７、及び８に最もわかりやすく示すように、図示のデブリ保持アセンブリ６３は、スロット７４に挿通され、下部タイプレートキャビティ６２内で入口ノズル６０と下部タイプレート格子板６４との間に配置されるように構成される。このように、既存の燃料アセンブリにデブリ保持アセンブリ６３を後付け可能にし、保守作業時におけるデブリ保持アセンブリ６３の取り外しと洗浄又は交換を可能にすることを企図している。機械加工後の金属蓋板６９を用いて、フィルタカートリッジが最初に挿入されるスロット７４を密封すると共に、デブリ保持アセンブリ６３を下部タイプレート５８内に維持する。図６及び１２を参照すると、下部タイプレート５８の内部鋳造部の窪み（図示せず）は、デブリ保持アセンブリ６３の周縁部に沿って１つ以上の縁部Ｐから突出する移動止め部７２に対応している。移動止め部７２は、この窪み内に受け入れられ、デブリ保持アセンブリ６３を正位置に位置決め及び固定するように構成される。
【００２４】
一部の実施形態では、下部タイプレート５８内にデブリ保持アセンブリ６３を収容するハウジング６２の内壁は、所望の流体力学的特性を達成するにあたり、従来設計のものの多くに比べて、大きく鋳造される。具体的には、入口ノズル６０を通る高速の流れが、拡張されたハウジング６２内で相対的に急な面積拡大に直面することにより、衝突噴流パターンが創出され、この衝突噴流パターンによって、デブリが下部タイプレートキャビティ６２の内側周縁部の周りの低流量域Ｚの方へと導かれる。デブリ保持アセンブリ６３内の低流量域Ｚの範囲は、デブリ保持アセンブリ６３が無い場合、下部タイプレート５８内部に存在する低流量域Ｚよりも小さくなる。図５は、一部の実施形態のこのような態様に従って拡張された、従来技術のデブリフィルタカートリッジ６７を下部タイプレート５８内に設けたハウジング６２の断面図であり、フィルタカートリッジ６７へのクーラント流Ｆの噴流衝突によって創出される渦のパターンを示している。低流量域Ｚは、クーラント流Ｆが、拡張されたハウジング６２を通る際に創出される。デブリ粒子は、低流量域Ｚ内の表面６１上に蓄積する。図７は、例示的なデブリ保持アセンブリ６３を有する同じハウジング６２の分解図であり、図８は、ハウジング６２内で機能するデブリ保持アセンブリを示している。
【００２５】
中央の順方向導管９０によって、クーラント流Ｆが、比較的線形の流路を通って抑止されることなくデブリ保持アセンブリ６３に流入するので、クーラント流Ｆの方向又は運動量は、実質的に変化しない。順方向導管９０内のあらゆる開口の寸法を、デブリフィルタ６５内の開口の寸法に比べて、意図的に遙かに大きくすることができる。その結果、順方向のクーラント流Ｆは十分に強力になものとなって、順方向導管９０を通じてデブリＤを推進させ、デブリＤはその後、デブリフィルタ６５にぶつかって、このフィルタ６５によって抑止される。しかし、停滞流又は逆流Ｒ／Ｆ条件下においては概して、順方向導管９０を通じてデブリを戻すだけの力が生じないので、順方向導管９０は、デブリ保持アセンブリ６３からのデブリの離脱を抑止する。このように、順方向導管９０は、下部タイプレートキャビティ６２内の通常の流れの動態に実質的に影響を与えることなく、逆流と、デブリ保持アセンブリ６３のデブリ保持キャビティ７６からのデブリＤの離脱を抑止する。一部の実施形態では、この逆流抑制機能を、例えば図９に示すように達成可能である。図９において、順方向導管９０はマトリックス配列の筒状セル９４を含み、このマトリックス配列の筒状セル９４は、逆流を防止すると共に、デブリＤの方向をキャビティ７６の周縁部へと変えることによって、デブリＤをストレーナプレート９２で捕捉させる。図１２に示すように、各セル９４が六角形の断面形状を有することもあるが、その他の形状が適切なこともある。いずれの場合も、セル９４の高さ、寸法、及び厚さは、直線流（即ち、順方向導管９０の平面に対して垂直な流れ）を抑止することなく通過させ得るように、選択される。一部のその他の実施形態では、順方向導管９０の筒状セルの代わりに、孔部（図示せず）を用いてもよく、この孔部の直径は、低速のデブリＤを抑止できる程度に小さく、いかなる条件下でもクーラント流に、無視できる程度の影響しか与えない大きさである。
【００２６】
図８及び９を参照すると、クーラント流Ｆが順方向導管９０を通ると、クーラント流Ｆは、順方向導管９０表面から流出後、ハウジング６２内で渦パターンを創出する。概して、低流量域Ｚは、拡張キャビティ６２内の低速の逆流Ｒ／Ｆの領域であって、少なくとも部分的には、下部タイプレート５８内に自然に存在する渦によって創出される。この低流量域は、デブリフィルタ６５により堰き止められたデブリＤが、デブリ保持装置６６のストレーナプレート９２内に収集され得る容積部分である。
【００２７】
図７〜９及び１１を参照すると、デブリ保持装置６６は、クーラント流Ｆを実質的に阻止することなくデブリ保持装置６６内へと流入させる順方向導管９０と、少なくとも部分的には低流量域Ｚを横切って延在するように配置されるストレーナプレート９２とを含む。流れが衝突することにより、流れによって推進されるデブリＤ（図１１）が低流量域Ｚへと導かれるので、低流量域Ｚは、デブリ保持アセンブリ６３にとって最適な位置となる。順方向導管９０の形状（図９及び１２）によって、局所流が阻止されると共に、デブリの捕捉が可能になり、これによって、停滞流、順方向流、及び逆流条件下におけるデブリの離脱が防止される。更に、微細孔部７８を有する区画が、デブリを放出させることなくあらゆる戻り水をキャビティ７６外に循環させるので、デッドゾーン７０にデブリが誘引される。デブリ保持キャビティ７６内の孔部７８の方向付けを、低流量域Ｚ内において下部タイプレート５８のキャビティ６２内に蓄積するデブリを表面６１から落とす、フラッシング特性が高まるように行うことができる（図８参照）。
作用
図３、７、及び８を参照すると、通常運転時、クーラントは、入口ノズル６０から方向Ｆへと流れ、拡張ハウジング６２内へと流入し、デブリ保持アセンブリ６３を通過し、下部タイプレート格子板６４を通過した後、燃料アセンブリ３２に流入する。デブリは、燃料アセンブリ３２に流入する前に、デブリ保持装置６６の順方向導管９０を通ってデブリ保持アセンブリ６３内へと流入し、デブリフィルタ６５により堰き止められるので、燃料棒５２及び５３を損傷することはない。
【００２８】
デブリフィルタ６５表面における流れの衝突により、デブリは、デブリ保持アセンブリ６３内部の低流量域Ｚへと押しやられる。デブリは、低流量域Ｚに到達すると、低流量域Ｚ内に配置されるデブリ保持装置６６のストレーナプレート９２内へと落下する。デブリフィルタ６５の中心付近で抑止された、流れＦが保持するデブリは、燃料アセンブリ３２の移動時等に、「バックウオッシュ」としても知られる停滞流又は逆流時に、デブリ保持装置６６へと落下する。順方向導管９０は、逆流下でのデブリの放出を防ぐ。
【００２９】
一体型のカートリッジ式デブリ保持アセンブリ６３に関して説明したが、代替的に、デブリフィルタ６５及びデブリ保持装置６６を、下部タイプレートハウジング内に直列に設けられた別個の装置としてもよい。このような実施形態では、個々の部品をそれぞれ交換又は置換することができる。
【００３０】
本明細書では、最適な態様を含め、例を用いて本発明を開示しているが、これによってまた、任意の装置又はシステムの作製及び使用、並びに任意の付随する方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようになる。本発明の特許請求の範囲は請求項により定義されているが、当業者に想到可能なその他の例も包含し得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、本発明の特許請求の範囲に含まれることとする。
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して原子炉に関し、特に原子炉の燃料アセンブリ用デブリ排除及び保持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）等の原子炉は、燃料棒を囲繞する燃料アセンブリを内蔵した炉心を有する。原子炉は閉鎖循環システムであるため、デブリがシステム内に蓄積し易い。この場合のデブリは、流体流に伴う何らかの固形物質を指す。デブリには、原子炉建設時の残余物質、腐食副産物、故障時及び修理作業中に混入又は遊離した破片が含まれる。
【０００３】
燃料アセンブリ内にデブリが蓄積すると、燃料棒が損傷することがある。例えばデブリ粒子が燃料棒に付着すると、燃料バンドルを通って移動するクーラントから乱流が発生し、この乱流によって、捕捉されたデブリ粒子が急激に振動して燃料棒のクラッディングに当たり、その結果、燃料棒のクラッディングに穿孔又は破損が生じる。クラッディングが損傷した燃料棒を、「リーカー（ｌｅａｋｅｒ）」とよぶことがある。十分な個数のリーカーがある場合は、発電所は規則に従って運転停止又は最適効率未満での運転、並びに安全上の問題への対処を余儀なくされることがある。いずれにしても、燃料アセンブリ内への外部からのデブリの侵入を最小限に抑えることが極めて望ましい。
【０００４】
デブリが燃料アセンブリ内に侵入しないように、通常は、燃料アセンブリを流れるクーラントを、燃料アセンブリの下部タイプレートで濾過する。このようにして、選択されたフィルタの有効性に応じて、燃料アセンブリ内へのデブリの侵入を防ぐことができる。燃料アセンブリを通る順方向のクーラント流が十分に存在しさえすれば、抑止されたデブリが、下部タイプレート内に蓄積するだけである。原子炉運転中に下部タイプレートのキャビティ内に蓄積したデブリは、クーラント流が逆流又は停滞状態になることによって、或いは、内部又は外部振動源に反応して遊離する。例えば、原子炉の運転停止及び燃料交換時に通常的に行われるように燃料アセンブリを炉心より上方に移動させると、離脱が起こる可能性が非常に高い。燃料アセンブリを持ち上げると、その上昇速度によってクーラントが燃料アセンブリを通って逆戻りし、その結果、フィルタに蓄積されたデブリが遊離する（即ち、逆流する）。デブリが一旦遊離すると、移送される燃料アセンブリの下部タイプレートから下部プレナム内へ、或いは、最悪の場合、炉心内の下方に位置する燃料アセンブリの脆弱な上端部へと落下する。
【０００５】
原子炉運転中に濾過されて下部タイプレートのキャビティ内に蓄積されたデブリは、例えば低出力又は無出力時に炉内流が減少する等、大幅に流量が低下した際に、下部タイプレートから逆流することもある。その後の原子炉運転時に、このデブリが下部タイプレートに再び引き込まれることで、デブリがその後、燃料アセンブリ内に侵入する可能性が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７１４９２７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、非常に効果的なフィルタが開発されたものの、フィルタで抑止したデブリを保持するという問題が残っている。デブリを保持する問題に対処しようとするこれまでの試みでは、様々なフィルタ構造設計を用いることで、下部タイプレートからデブリを遊離させないようにしている。しかし、そのために、従来設計の場合、下部タイプレートを通るクーラントの通常の流れパターンの方向と運動量とを実質的に変化させているが、このことによって、原子炉の運転に悪影響を与える望ましくない圧力降下が燃料アセンブリ内で生じる。また、従来式の下部タイプレートの構造を設計し直すこれまでの試みでは、結果的に、装置の製造コストがかかり、装置の製造が煩雑になっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の各種実施形態は、燃料アセンブリの下部タイプレート内のそのままの流路を有利に利用することで、濾過後のデブリを下部タイプレート内に捕捉しておく保持装置を提供する。この保持装置は、独立型又は一体型のデブリフィルタ等の排除装置で抑止したデブリを捕捉するので、デブリ保持の問題が解決する。排除装置と保持装置は共働し、下部タイプレートの内部キャビティを継続的にフラッシングすることで、望ましくないレベルの流れ抵抗を緩和する。この「逆流」フラッシングにより、下部タイプレートの割れ目及び隙間に捕捉された、又は嵌まり込んだデブリを除去するが、その間はずっと、通常炉心運転中に燃料アセンブリ内に存在するクーラント流を使用する。加えて、そのままのクーラント流パターンを用いることにより、保持装置は、炉心の圧力降下に対して最大でも微々たる影響しか与えない。
【０００９】
具体的には、一態様によると、下部タイプレートの入口ノズルの中央開口部を通るクーラント流が、下部タイプレートの内壁に沿って自然に形成される低流量域内のクーラント流よりも高い流速を有することで、結果的に、下部タイプレートの内壁及び角に沿ってデブリの方向転換と蓄積が生じるように、例示的な保持装置が構成される。一部の実施形態では、下部タイプレートの内部キャビティを拡張することによって、この流体力学的特性を得る。
【００１０】
一実施形態は、燃料アセンブリ用デブリ保持アセンブリであって、クーラントがこの保持アセンブリに沿って燃料アセンブリ内へと移動する流路を横切って配置されるデブリフィルタを含む、デブリ保持アセンブリである。デブリフィルタは、クーラント流によって推進されるデブリの流れを抑止することで、デブリが燃料アセンブリ内に引き込まれないように構成される。デブリ保持アセンブリは更にデブリ保持装置を含み、デブリ保持装置は、クーラント流の方向に対してデブリフィルタよりも上流に位置し、且つ流路を横切って配置される。デブリ保持装置は、デブリがデブリ保持アセンブリから離脱しないように、デブリフィルタで抑止したデブリを捕捉するように構成される。また、デブリ保持装置は、クーラント流の方向を変えることなく、デブリを捕捉する。寧ろ、デブリ保持装置は、ＢＷＲ下部タイプレート内に自然に存在する渦を利用して逆流を阻止し、渦が運ぶ遊離したデブリを、このデブリ保持装置の周縁部に保持する。そのために、デブリ保持装置は、順方向流路の平面に対して垂直の流れを通し且つ接線方向の流れに抗する筒状セル配列体等を備えた、逆流下のデブリ離脱を抑止する順方向導管を含む。１つ又は一連のストレーナプレートが順方向導管を囲繞しており、これによって、デブリを搬送する戻り水及び渦がデブリをストレーナプレート上に沈積させる。各ストレーナプレートは多孔性であり、不透過性のデッドゾーンがストレーナプレートどうしの間に配置されるか、又はストレーナプレートの多孔性区画に差し込まれる。
【００１１】
別の実施形態は、デブリ保持アセンブリを内蔵する燃料アセンブリ用下部タイプレートである。この下部タイプレートは、流路に沿って燃料アセンブリ内へと至るクーラントを受け取る入口ノズルと、入口ノズルに対して外方に張り出して下部タイプレートキャビティを形成するハウジングと、ハウジング内に永久的に又は取外し可能に封入されるデブリ保持アセンブリとを含む。この場合も、デブリ保持アセンブリは、デブリフィルタと、このデブリフィルタよりも上流に位置するデブリ保持装置とを含む。
【００１２】
これらの実施形態の一態様によると、デブリ保持キャビティがデブリ保持装置とデブリフィルタとの間に形成されており、このデブリ保持キャビティは、流体力学的に下部タイプレートの形状によって自然に形成される低流量域内へと延在する。デブリを捕捉するために、デブリ保持装置は順方向導管を含み、この順方向導管は、クーラント流を妨げることなくクーラントの逆流を抑止し、周縁の低流量域によって囲繞される高流量域内に配置される。一部の実施形態において、順方向導管は、低流量又は逆流条件下において、デブリフィルタから解放されたデブリ又は低流量域内に流入することによりデブリフィルタを回避するデブリの方向を、低流量域内の少なくとも１つのストレーナプレート内へと導くことにより変えるように構成される。
【００１３】
一部の実施形態では、例示的な保持装置を、既存の燃料アセンブリ設計に後付けすることができ、独立的に既存のデブリフィルタと共働させること、又はこれら両方の要素を含むアセンブリの一部分とすることができる。
【００１４】
以上、様々な実施形態の態様及び機構の幾つかを概説したが、これらは可能性のある様々な用途を説明したにすぎないと、解釈されるべきである。本開示の情報を異なる様式で適用することによっても、本開示の実施形態の様々な態様を組み合わせることによっても、その他有益な結果を得ることができる。請求項により定義される特許請求の範囲に加えて添付図面に関連して、これらの実施例の詳細な説明を参照することにより、その他の態様及び更に包括的な理解が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の例示的な環境に従った原子炉圧力容器の構造を示す概略断面図である。
【図２】図１の原子炉の炉心内の燃料アセンブリと燃料支持部材とを示す部分断面図である。
【図３】図２の燃料アセンブリの部分分解斜視図である。
【図４】図３の燃料アセンブリ内で使用可能なフィルタアセンブリを有する下部タイプレートの従来技術の例を示す分解斜視図である。
【図５】入口ノズルから到来してデブリフィルタに衝突する流れが創出する渦のパターンを示す、下部タイプレート内の図４のデブリフィルタの概略断面図である。
【図６】一実施形態に従ったデブリ保持アセンブリを有する下部タイプレートの斜視図である。
【図７】図６のデブリ保持アセンブリを有する下部タイプレートの断面分解図である。
【図８】図５との比較のためのクーラント流のパターンを示す、デブリ保持アセンブリを有する下部タイプレートの断面図である。
【図９】逆流抑止シリンダとデブリを捕捉する周縁バンドとを示す、デブリ保持アセンブリの一実施形態の部分断面斜視図である。
【図１０】例示的なデブリ保持アセンブリを、その内部に設けられる例示的なデブリフィルタの視点から示す上面図である。
【図１１】図９及び１０のデブリ保持アセンブリの断面側面図である。
【図１２】例示的なデブリ保持アセンブリを、その内部に設けられる例示的なデブリ保持装置の視点から示す底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
必要に応じて、本明細書では詳細な実施形態を開示する。開示の実施形態はあくまでも例示的なもので、様々な形態及び代替形態、並びに組み合わせにおいても実施可能である。本明細書において、実例、見本、、モデル、又はパターンとしての実施形態について言及するために、「例示的」という語を幅広く使用している。図面は必ずしも縮尺通りではなく、機構によっては、或る特定の部品の細部を示すために実際よりも大きくなっていたり小さくなっていたりする。その他の例では、本開示が曖昧にならないように、当業者に周知のよく知られた部品、システム、材料、又は方法を詳細には説明していない。したがって、本明細書に開示の特定の構造及び機能の詳細を、限定的なものとしてではなく、あくまでも請求項の根拠及び当業者に教示するための典型的な根拠であると解釈されるべきである。
例示的な環境
本発明の各種実施形態の説明における例示的な環境は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）である。図１を参照すると、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１０の一般的な構造を示している。ＲＰＶ１０は、原子炉圧力容器上蓋２０と蒸気乾燥器２２と気水分離器２４と上部ガイド２６と炉心シュラウド２８と炉心支持板３０と燃料アセンブリ３２と制御棒３４と燃料支持部材３６と制御棒ガイド管３８と下部プレナム４０と補強梁４２と再循環ポンプ４４と主蒸気管４６とを含む。クーラント流Ｆは、ＲＰＶ１０の部品を冷却する。
【００１７】
再循環ポンプ４４により下部プレナム４０内に圧力が生じることで、クーラント（例えば水）が下部プレナム４０から燃料アセンブリ３２へと流れる。燃料アセンブリ３２においてクーラントが加熱され、蒸気成分と液体成分とを含む二相流を形成する。蒸気成分及び液体成分は、気水分離器２４と蒸気乾燥器２２とを含む原子炉システムによりクーラント流から分離される。例えば、蒸気は、気水分離器２４によりクーラント流から分離された後、蒸気乾燥器２２内に導かれ、残留の可能性がある余分な水分が除去される。こうして、加圧蒸気が生成され、そして、主蒸気管４６によって原子炉のタービン建屋（図示せず）内へと導かれる。生成された加圧蒸気は、その後、タービン内に導かれる。気水分離器２４と蒸気乾燥器２２とによりクーラント流から分離された水は、方向を変えて再循環ポンプ４４内に戻される。
燃料アセンブリ及び燃料支持体
図１を参照すると、燃料アセンブリ３２の上端部が上部ガイド２６により支持され、燃料アセンブリ３２の下端部が燃料支持部材３６により支持される。概して、燃料支持部材３６は、格子状配列の４つの燃料アセンブリ３２を支持し、且つ、クーラント流を下部プレナム４０から上方に導いて４つの核燃料アセンブリ３２の各々に個別に導入するように構成される。燃料支持部材３６は、制御棒ガイド管３８の上端部に挿入され、制御棒ガイド管３８の上端部に配置される。
【００１８】
図２及び３を参照すると、燃料アセンブリ３２は、中空金属導管５０と、伸縮スプリング５１と、全長燃料棒５２と、部分長燃料棒５３と、燃料スペーサ５４と、ウォータロッド５５と、ハンドル５７を有する上部タイプレート５６と、下部タイプレート５８とを含む。中空金属導管５０は、矩形の断面を有し且つ上部タイプレート５６及び下部タイプレート５８を受け入れる上側及び下側開口端部を有する、細長形状を有する。全長燃料棒５２及び部分長燃料棒５３は、平行に配置され、核分裂可能物質を含む。一旦燃料アセンブリが中空金属チャネル５０内に配置されると、燃料スペーサ５４は、燃料アセンブリの全長に沿って、全長燃料棒５２と部分長燃料棒５３との両方と、ウォータロッド５５とを数箇所で支持する。上部及び下部タイプレート５６、５８は、全長燃料棒５２の上端部と下端部とを固定する一方で、部分長燃料棒５３の下端部は、下部タイプレート５８のみに固定される。このように組み立てることにより、クーラントを確実に燃料棒５２及び５３の各々とその周りに行き渡らせることができる。図２及び３では、燃料アセンブリ３２が、少なくとも１つのウォータロッド５５を含み得る。
【００１９】
運転時、中空金属導管５０は原子炉の炉心内で直立しており、上部タイプレート５６は、各燃料アセンブリ３２の部品を内蔵する中空金属導管５０の上側開口部に配置される。下部タイプレート５８は、中空金属導管５０の下側開口部に配置され、燃料スペーサ５４は、中空金属導管５０の長手方向内面に沿った様々な位置に配置される。燃料スペーサ５４及びタイプレート５６、５８は、クーラントを燃料アセンブリ３２に通すように構成される。通常運転時、クーラントは、流れ方向Ｆに下部タイプレート５８を通って燃料棒５２及び５３を越え、中空金属導管５０の長手方向内面に沿って流れた後に、上部タイプレート５６の上部を通って流出する。原子炉１０の各システムからのデブリは、通常運転時、クーラント流に乗って燃料アセンブリ３２へと引き込まれる。
下部タイプレート
図２〜４を参照すると、下部タイプレート５８は、下部タイプレート格子板６４の下にフィルタカートリッジ６３が配置された下部タイプレートキャビティ６２へと繋がる入口ノズル６０を含む。下部タイプレート格子板６４は、下部タイプレートキャビティ６２の上端部に配置され、燃料棒５２及び５３の下端部プラグを支持する。下部タイプレート格子板６４は、クーラント流を、燃料アセンブリ３２内と、全ての燃料棒５２及び５３の間とウォータロッド５５の間へと導く。
【００２０】
下部タイプレート５８は更に、外方に且つ入口ノズル６０を横切って延在するベイル５９を含む。概して、ベイル５９は、燃料アセンブリ３２の下部タイプレート５８の下端部を、燃料支持部材３６で受け易くなるように方向付けするように構成される。
燃料支持部材
図２を参照すると、燃料支持部材３６は、流れＦを下部プレナム４０から上方に支持チャンバ８０を通って燃料アセンブリ３２内へと導くように構成される下部側方入口オリフィス８２を含む。支持チャンバ８０は、正流Ｆが下から流入する下部側方入口オリフィス８２から繋がる。
【００２１】
下部タイプレート５８が支持チャンバ８０内に受け入れられると、ベイル５９が、受入オリフィス８４を介して支持チャンバ８０の円錐部内へと延在する。受入オリフィス８４のリップ部には、下部タイプレート５８の外側傾斜面が当接して、メカニカルシールを形成する。こうして、支持チャンバ８０と下部タイプレート５８と中空金属導管５０は、下部プレナム４０から支持チャンバ８０を介して、各燃料支持部３６上に載置された燃料アセンブリ３２を通して、クーラント流を上方へと導く実質的に連続した流路を提供する。
フィルタカートリッジ
図６〜１２を参照して、下部タイプレート５８に使用するデブリ保持アセンブリ６３の各種実施例を更に説明する。限定ではなく比較を目的として、例示的な従来技術のデブリフィルタカートリッジ６７（図４及び５に示す）は、クーラント流Ｆが下部タイプレートの入口ノズル６０に流入し、ハウジング６２を通って下部タイプレート格子板６４から流出するときの、このクーラント流Ｆを横切って配置される単段濾過システムである。上述したように、デブリフィルタ６７は、定常流条件下においては良好に機能し、デブリの燃料アセンブリ内への移動を抑止するが、流れが停止又は逆流すると、デブリが離脱して再び移動する可能性がある。また、流れ抵抗により、戻り水の一部が下方へと方向転換し、入口ノズル６０を通過して、デブリが濾過されないことがある。
【００２２】
本発明の各種態様は、一体型デブリ保持アセンブリ６３を用いてデブリ離脱の問題を解消する利点を有する。一体型デブリ保持アセンブリ６３は、流れの濾過とデブリの捕捉の両方を行うことによって、下部タイプレートを通るデブリの流れを抑止してデブリの離脱を防ぐ。従来技術の装置とは対照的に、例示的なデブリ保持アセンブリ６３は、デブリフィルタ６５とデブリ保持装置６６とを含む、少なくとも二段の捕捉システムである。図７は、核燃料アセンブリ３２用の完全組立済みデブリ保持アセンブリ６３を有する、下部タイプレート５８の分解断面図である。デブリ保持装置６６は、部分的に周縁バンド９３とデッドゾーン７０により中断される１つ以上のストレーナプレート９２（図１２参照）とにより形成される、デブリトレイ６８を内蔵する。周縁バンド９３と一体的であり得るストレーナプレート９２は、以下に説明するように、一部の実施形態では孔部７８を有する。デブリ保持装置６６はまた、順方向導管９０により形成され、この順方向導管９０は、デブリ保持アセンブリ６３の構造部となり、順方向流条件において性能に悪影響を及ぼすことなく、デブリの逆流を抑止し、更なる濾過能力を提供する。周縁バンド９３は、デブリ保持アセンブリ６３の壁部を形成するようにして、これら全ての部品を囲繞する。周縁バンド９３は、隆起状移動止め部７２等の機構を備えて形成可能な外面を有し、この隆起状移動止め部７２等の機構が、下部タイプレート５８内での位置決め、安定性、及び保持を助ける。
【００２３】
図６、７、及び８に最もわかりやすく示すように、図示のデブリ保持アセンブリ６３は、スロット７４に挿通され、下部タイプレートキャビティ６２内で入口ノズル６０と下部タイプレート格子板６４との間に配置されるように構成される。このように、既存の燃料アセンブリにデブリ保持アセンブリ６３を後付け可能にし、保守作業時におけるデブリ保持アセンブリ６３の取り外しと洗浄又は交換を可能にすることを企図している。機械加工後の金属蓋板６９を用いて、フィルタカートリッジが最初に挿入されるスロット７４を密封すると共に、デブリ保持アセンブリ６３を下部タイプレート５８内に維持する。図６及び１２を参照すると、下部タイプレート５８の内部鋳造部の窪み（図示せず）は、デブリ保持アセンブリ６３の周縁部に沿って１つ以上の縁部Ｐから突出する移動止め部７２に対応している。移動止め部７２は、この窪み内に受け入れられ、デブリ保持アセンブリ６３を正位置に位置決め及び固定するように構成される。
【００２４】
一部の実施形態では、下部タイプレート５８内にデブリ保持アセンブリ６３を収容するハウジング６２の内壁は、所望の流体力学的特性を達成するにあたり、従来設計のものの多くに比べて、大きく鋳造される。具体的には、入口ノズル６０を通る高速の流れが、拡張されたハウジング６２内で相対的に急な面積拡大に直面することにより、衝突噴流パターンが創出され、この衝突噴流パターンによって、デブリが下部タイプレートキャビティ６２の内側周縁部の周りの低流量域Ｚの方へと導かれる。デブリ保持アセンブリ６３内の低流量域Ｚの範囲は、デブリ保持アセンブリ６３が無い場合、下部タイプレート５８内部に存在する低流量域Ｚよりも小さくなる。図５は、一部の実施形態のこのような態様に従って拡張された、従来技術のデブリフィルタカートリッジ６７を下部タイプレート５８内に設けたハウジング６２の断面図であり、フィルタカートリッジ６７へのクーラント流Ｆの噴流衝突によって創出される渦のパターンを示している。低流量域Ｚは、クーラント流Ｆが、拡張されたハウジング６２を通る際に創出される。デブリ粒子は、低流量域Ｚ内の表面６１上に蓄積する。図７は、例示的なデブリ保持アセンブリ６３を有する同じハウジング６２の分解図であり、図８は、ハウジング６２内で機能するデブリ保持アセンブリを示している。
【００２５】
中央の順方向導管９０によって、クーラント流Ｆが、比較的線形の流路を通って抑止されることなくデブリ保持アセンブリ６３に流入するので、クーラント流Ｆの方向又は運動量は、実質的に変化しない。順方向導管９０内のあらゆる開口の寸法を、デブリフィルタ６５内の開口の寸法に比べて、意図的に遙かに大きくすることができる。その結果、順方向のクーラント流Ｆは十分に強力になものとなって、順方向導管９０を通じてデブリＤを推進させ、デブリＤはその後、デブリフィルタ６５にぶつかって、このフィルタ６５によって抑止される。しかし、停滞流又は逆流Ｒ／Ｆ条件下においては概して、順方向導管９０を通じてデブリを戻すだけの力が生じないので、順方向導管９０は、デブリ保持アセンブリ６３からのデブリの離脱を抑止する。このように、順方向導管９０は、下部タイプレートキャビティ６２内の通常の流れの動態に実質的に影響を与えることなく、逆流と、デブリ保持アセンブリ６３のデブリ保持キャビティ７６からのデブリＤの離脱を抑止する。一部の実施形態では、この逆流抑制機能を、例えば図９に示すように達成可能である。図９において、順方向導管９０はマトリックス配列の筒状セル９４を含み、このマトリックス配列の筒状セル９４は、逆流を防止すると共に、デブリＤの方向をキャビティ７６の周縁部へと変えることによって、デブリＤをストレーナプレート９２で捕捉させる。図１２に示すように、各セル９４が六角形の断面形状を有することもあるが、その他の形状が適切なこともある。いずれの場合も、セル９４の高さ、寸法、及び厚さは、直線流（即ち、順方向導管９０の平面に対して垂直な流れ）を抑止することなく通過させ得るように、選択される。一部のその他の実施形態では、順方向導管９０の筒状セルの代わりに、孔部（図示せず）を用いてもよく、この孔部の直径は、低速のデブリＤを抑止できる程度に小さく、いかなる条件下でもクーラント流に、無視できる程度の影響しか与えない大きさである。
【００２６】
図８及び９を参照すると、クーラント流Ｆが順方向導管９０を通ると、クーラント流Ｆは、順方向導管９０表面から流出後、ハウジング６２内で渦パターンを創出する。概して、低流量域Ｚは、拡張キャビティ６２内の低速の逆流Ｒ／Ｆの領域であって、少なくとも部分的には、下部タイプレート５８内に自然に存在する渦によって創出される。この低流量域は、デブリフィルタ６５により堰き止められたデブリＤが、デブリ保持装置６６のストレーナプレート９２内に収集され得る容積部分である。
【００２７】
図７〜９及び１１を参照すると、デブリ保持装置６６は、クーラント流Ｆを実質的に阻止することなくデブリ保持装置６６内へと流入させる順方向導管９０と、少なくとも部分的には低流量域Ｚを横切って延在するように配置されるストレーナプレート９２とを含む。流れが衝突することにより、流れによって推進されるデブリＤ（図１１）が低流量域Ｚへと導かれるので、低流量域Ｚは、デブリ保持アセンブリ６３にとって最適な位置となる。順方向導管９０の形状（図９及び１２）によって、局所流が阻止されると共に、デブリの捕捉が可能になり、これによって、停滞流、順方向流、及び逆流条件下におけるデブリの離脱が防止される。更に、微細孔部７８を有する区画が、デブリを放出させることなくあらゆる戻り水をキャビティ７６外に循環させるので、デッドゾーン７０にデブリが誘引される。デブリ保持キャビティ７６内の孔部７８の方向付けを、低流量域Ｚ内において下部タイプレート５８のキャビティ６２内に蓄積するデブリを表面６１から落とす、フラッシング特性が高まるように行うことができる（図８参照）。
作用
図３、７、及び８を参照すると、通常運転時、クーラントは、入口ノズル６０から方向Ｆへと流れ、拡張ハウジング６２内へと流入し、デブリ保持アセンブリ６３を通過し、下部タイプレート格子板６４を通過した後、燃料アセンブリ３２に流入する。デブリは、燃料アセンブリ３２に流入する前に、デブリ保持装置６６の順方向導管９０を通ってデブリ保持アセンブリ６３内へと流入し、デブリフィルタ６５により堰き止められるので、燃料棒５２及び５３を損傷することはない。
【００２８】
デブリフィルタ６５表面における流れの衝突により、デブリは、デブリ保持アセンブリ６３内部の低流量域Ｚへと押しやられる。デブリは、低流量域Ｚに到達すると、低流量域Ｚ内に配置されるデブリ保持装置６６のストレーナプレート９２内へと落下する。デブリフィルタ６５の中心付近で抑止された、流れＦが保持するデブリは、燃料アセンブリ３２の移動時等に、「バックウオッシュ」としても知られる停滞流又は逆流時に、デブリ保持装置６６へと落下する。順方向導管９０は、逆流下でのデブリの放出を防ぐ。
【００２９】
一体型のカートリッジ式デブリ保持アセンブリ６３に関して説明したが、代替的に、デブリフィルタ６５及びデブリ保持装置６６を、下部タイプレートハウジング内に直列に設けられた別個の装置としてもよい。このような実施形態では、個々の部品をそれぞれ交換又は置換することができる。
【００３０】
本明細書では、最適な態様を含め、例を用いて本発明を開示しているが、これによってまた、任意の装置又はシステムの作製及び使用、並びに任意の付随する方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようになる。本発明の特許請求の範囲は請求項により定義されているが、当業者に想到可能なその他の例も包含し得る。こうしたその他の例は、請求項の文言と相違ない構成要素を有する場合、又は請求項の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、本発明の特許請求の範囲に含まれることとする。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料アセンブリ用デブリ保持アセンブリであって、
前記燃料アセンブリ内へと至るクーラント流路を横切って設けられるデブリフィルタであって、前記燃料アセンブリ内へのデブリの流入を抑止するように構成されるデブリフィルタと、
流れ方向に対して前記デブリフィルタよりも上流に配置され、前記流路を横切って設けられるデブリ保持装置と、を含み、
クーラント流の方向を変えることなく、前記デブリ保持アセンブリからデブリが離脱しないように、前記デブリフィルタにより抑止されたデブリを、前記デブリ保持装置が保持するように構成された、デブリ保持アセンブリ。
【請求項２】
前記デブリ保持装置が、
クーラントの逆流を防ぐ順方向導管と、
デブリを保持するように構成される少なくとも１つのストレーナプレートと、
を含む、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項３】
前記少なくとも１つのストレーナプレートが、前記ストレーナプレートどうしの間に形成された少なくとも１つのデッドゾーンを有する複数のストレーナプレートから成る、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項４】
各ストレーナプレートが多孔性であり、各デッドゾーンが前記クーラント流に対して実質的に不透過性となるように構成される、請求項３に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項５】
前記順方向導管が、前記順方向導管の平面に対して実質的に垂直方向に流れるクーラントを前記順方向導管を介して搬送し、且つ、前記順方向導管の前記平面に対して実質的に接線方向のクーラント流を抑止するように構成される、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項６】
前記少なくとも１つのストレーナプレートが、前記デブリ保持装置と前記デブリフィルタとの間に形成される内部キャビティの周縁部付近に延在する周縁バンドと一体的になっている、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項７】
前記少なくとも１つのストレーナプレートが、前記デブリ保持装置と前記デブリフィルタとの間に形成される内部キャビティの周縁部付近に延在する周縁バンドと一体的になっており、
前記周縁バンドが、前記流路の中央に設けられる前記順方向導管の周りに延在し、
前記順方向導管が、停滞条件及び逆流条件下でデブリを保持するように構成される、
請求項５に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項８】
前記順方向導管がマトリックス配列のシリンダを含む、請求項７に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項９】
前記シリンダの各々の形状が六角形である、請求項８に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項１０】
前記デブリフィルタと前記デブリ保持装置とが相互接続され、両者間にデブリ保持キャビティを形成する、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項１１】
前記デブリフィルタと前記デブリ保持装置とを相互接続し、更に前記デブリ保持キャビティの壁部を形成する外囲体を更に含む、請求項１０に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項１２】
燃料アセンブリ用下部タイプレートであって、
流路に沿って前記燃料アセンブリ内へと至るクーラントを受け取る入口ノズルと、
前記入口ノズルに対して外方に張り出し、下部タイプレートキャビティを形成するハウジングと、
前記ハウジング内のデブリ保持アセンブリであって、
クーラントが前記ハウジングを介して前記燃料アセンブリ内に流入する流路を横切って配置されるデブリフィルタと、
流れ方向に対して前記デブリフィルタよりも上流に配置され、前記流路を横切って設けられるデブリ保持装置と、
を有するデブリ保持アセンブリと、を含み、
クーラント流の方向を変えることなく、デブリがデブリ保持アセンブリから離脱しないように、前記デブリフィルタにより抑止されたデブリを捕捉するように前記デブリ保持装置が構成される、
下部タイプレート。
【請求項１３】
前記デブリフィルタと前記デブリ保持装置との間に形成されるデブリ保持キャビティを更に含み、前記デブリ保持キャビティが、前記流路に隣接する低流量域を含む、請求項１２に記載の下部タイプレート。
【請求項１４】
前記デブリ保持装置が、前記デブリ保持キャビティの周りにおいて前記低流量域を少なくとも部分的に横切って延在する周縁バンドを含む、請求項１３に記載の下部タイプレート。
【請求項１５】
クーラントを前記デブリフィルタから離れる方向に流し、且つ、デブリが前記デブリフィルタから離れる方向に流れないように構成されるストレーナプレートを、前記周縁バンドが含む、請求項１４に記載の下部タイプレート。
【請求項１６】
クーラント流に対して実質的に不透過性であり、且つ、前記ストレーナプレートにより抑止された前記デブリを捕捉するように構成されるデッドゾーンを前記周縁バンドが更に含む、請求項１５に記載の下部タイプレート。
【請求項１７】
前記周縁バンドと前記低流量域とに囲繞される順方向導管を更に含み、クーラントが前記デブリフィルタから離れる方向に逆流しないように前記順方向導管が構成される、請求項１５に記載の下部タイプレート。
【請求項１８】
前記順方向導管が、前記順方向導管の平面に対して実質的に垂直方向に流れるクーラントを、前記順方向導管を介して搬送し、且つ、前記順方向導管の前記平面に対して実質的に接線方向のクーラント流を抑止するように構成される、請求項１７に記載の下部タイプレート。
【請求項１９】
前記順方向導管が、停滞条件及び逆流条件下でデブリを保持するように構成される、請求項１８に記載の下部タイプレート。
【請求項２０】
前記順方向導管がマトリックス配列の六角形状シリンダを含む、請求項１９に記載の下部タイプレート。
【請求項１】
燃料アセンブリ用デブリ保持アセンブリであって、
前記燃料アセンブリ内へと至るクーラント流路を横切って設けられるデブリフィルタであって、前記燃料アセンブリ内へのデブリの流入を抑止するように構成されるデブリフィルタと、
流れ方向に対して前記デブリフィルタよりも上流に配置され、前記流路を横切って設けられるデブリ保持装置と、を含み、
クーラント流の方向を変えることなく、前記デブリ保持アセンブリからデブリが離脱しないように、前記デブリフィルタにより抑止されたデブリを、前記デブリ保持装置が保持するように構成された、デブリ保持アセンブリ。
【請求項２】
前記デブリ保持装置が、
クーラントの逆流を防ぐ順方向導管と、
デブリを保持するように構成される少なくとも１つのストレーナプレートと、
を含む、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項３】
前記少なくとも１つのストレーナプレートが、前記ストレーナプレートどうしの間に形成された少なくとも１つのデッドゾーンを有する複数のストレーナプレートから成る、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項４】
各ストレーナプレートが多孔性であり、各デッドゾーンが前記クーラント流に対して実質的に不透過性となるように構成される、請求項３に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項５】
前記順方向導管が、前記順方向導管の平面に対して実質的に垂直方向に流れるクーラントを前記順方向導管を介して搬送し、且つ、前記順方向導管の前記平面に対して実質的に接線方向のクーラント流を抑止するように構成される、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項６】
前記少なくとも１つのストレーナプレートが、前記デブリ保持装置と前記デブリフィルタとの間に形成される内部キャビティの周縁部付近に延在する周縁バンドと一体的になっている、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項７】
前記少なくとも１つのストレーナプレートが、前記デブリ保持装置と前記デブリフィルタとの間に形成される内部キャビティの周縁部付近に延在する周縁バンドと一体的になっており、
前記周縁バンドが、前記流路の中央に設けられる前記順方向導管の周りに延在し、
前記順方向導管が、停滞条件及び逆流条件下でデブリを保持するように構成される、
請求項５に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項８】
前記順方向導管がマトリックス配列のシリンダを含む、請求項７に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項９】
前記シリンダの各々の形状が六角形である、請求項８に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項１０】
前記デブリフィルタと前記デブリ保持装置とが相互接続され、両者間にデブリ保持キャビティを形成する、請求項１に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項１１】
前記デブリフィルタと前記デブリ保持装置とを相互接続し、更に前記デブリ保持キャビティの壁部を形成する外囲体を更に含む、請求項１０に記載のデブリ保持アセンブリ。
【請求項１２】
燃料アセンブリ用下部タイプレートであって、
流路に沿って前記燃料アセンブリ内へと至るクーラントを受け取る入口ノズルと、
前記入口ノズルに対して外方に張り出し、下部タイプレートキャビティを形成するハウジングと、
前記ハウジング内のデブリ保持アセンブリであって、
クーラントが前記ハウジングを介して前記燃料アセンブリ内に流入する流路を横切って配置されるデブリフィルタと、
流れ方向に対して前記デブリフィルタよりも上流に配置され、前記流路を横切って設けられるデブリ保持装置と、
を有するデブリ保持アセンブリと、を含み、
クーラント流の方向を変えることなく、デブリがデブリ保持アセンブリから離脱しないように、前記デブリフィルタにより抑止されたデブリを捕捉するように前記デブリ保持装置が構成される、
下部タイプレート。
【請求項１３】
前記デブリフィルタと前記デブリ保持装置との間に形成されるデブリ保持キャビティを更に含み、前記デブリ保持キャビティが、前記流路に隣接する低流量域を含む、請求項１２に記載の下部タイプレート。
【請求項１４】
前記デブリ保持装置が、前記デブリ保持キャビティの周りにおいて前記低流量域を少なくとも部分的に横切って延在する周縁バンドを含む、請求項１３に記載の下部タイプレート。
【請求項１５】
クーラントを前記デブリフィルタから離れる方向に流し、且つ、デブリが前記デブリフィルタから離れる方向に流れないように構成されるストレーナプレートを、前記周縁バンドが含む、請求項１４に記載の下部タイプレート。
【請求項１６】
クーラント流に対して実質的に不透過性であり、且つ、前記ストレーナプレートにより抑止された前記デブリを捕捉するように構成されるデッドゾーンを前記周縁バンドが更に含む、請求項１５に記載の下部タイプレート。
【請求項１７】
前記周縁バンドと前記低流量域とに囲繞される順方向導管を更に含み、クーラントが前記デブリフィルタから離れる方向に逆流しないように前記順方向導管が構成される、請求項１５に記載の下部タイプレート。
【請求項１８】
前記順方向導管が、前記順方向導管の平面に対して実質的に垂直方向に流れるクーラントを、前記順方向導管を介して搬送し、且つ、前記順方向導管の前記平面に対して実質的に接線方向のクーラント流を抑止するように構成される、請求項１７に記載の下部タイプレート。
【請求項１９】
前記順方向導管が、停滞条件及び逆流条件下でデブリを保持するように構成される、請求項１８に記載の下部タイプレート。
【請求項２０】
前記順方向導管がマトリックス配列の六角形状シリンダを含む、請求項１９に記載の下部タイプレート。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１７７６９２（Ｐ２０１２−１７７６９２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２４６０３（Ｐ２０１２−２４６０３）
【出願日】平成２４年２月８日（２０１２．２．８）
【出願人】（３０１０６８３１０）グローバル・ニュークリア・フュエル・アメリカズ・エルエルシー (56)
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２４６０３（Ｐ２０１２−２４６０３）
【出願日】平成２４年２月８日（２０１２．２．８）
【出願人】（３０１０６８３１０）グローバル・ニュークリア・フュエル・アメリカズ・エルエルシー (56)
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