JP2001518180A - 核燃料アセンブリ用冷媒攪拌グリッド - Google Patents

核燃料アセンブリ用冷媒攪拌グリッド

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Abstract

(57)【要約】 互いにまた燃料アセンブリの軸に対して実質的に平行に延長する複数の燃料ピン(12)と、燃料ピン(12)と接触して燃料ピン(12)を実質的に互いに平行になるように保持してそれらの接触を防ぐ、少なくとも2つの互いに離間された構造要素としてのグリッドと、さらに、少なくとも2つの構造要素としてのグリッドの中間に位置する少なくとも1つの攪拌グリッド(50)と、を具備する原子炉用の燃料アセンブリにおいて、攪拌グリッド(50)は燃料ピン(12)と実質的に接触しないように位置決めされて固着され、攪拌グリッド(12)は使用時に前記燃料アセンブリ内を流通する冷媒の乱流を促進する乱流誘発手段(61)を有し、攪拌グリッド(50)は金属シートから形成され、攪拌グリッドが形成される金属シートの面は、燃料アセンブリの軸を横切る面内にあることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 核燃料アセンブリ用冷媒攪拌グリッド 本発明は、原子炉用燃料棒アセンブリに関する。 原子炉用燃料棒アセンブル(または燃料棒エレメント)は、その燃料アセンブ ルの上下のグリッドおよび通常はそれらの中間に配置される1つ以上のグリッド によって互いに平行に所定の距離だけ離間されて保持される複数の平行燃料棒( 燃料ピンとも呼ぶ)を具備している。グリッドは、燃料ピンを離間させて保持し 、燃料ピンの機械的損傷をもたらす擦過腐食を防ぐ機能を有している。 今日まで用いられてきたグリッドは、通常、シート材料からなる個々の構成要 素を燃料ピンが貫通する一連の開口が形成されるように溶接によって組み立てる ことによって形成される。このようなグリッドにおいては、できるだけ開口の中 心に燃料ピンを配置させるために、例えばシート材料からなる「指状ばね材」(s pring finger)のような弾性を有する燃料ピン位置決め手段が開口内に配置され ている。グリッドはまた、燃料アセンブリ内を燃料アセンブリの軸と略平行に流 通するガス冷媒または液体冷媒に乱流を誘発させるためのシート材料から一体的 に形成される複数の羽根を有している。冷媒内に乱流を誘発させる目的は、冷媒 の攪拌を改善することによって、燃料ピンからの熱抽出を改善し、燃料ピンの加 熱を防ぐことにある。 前述したようなグリッドは、通常、シート材料から作製され、そのシート材料 の面は燃料アセンブリの軸に対して略平行であり、またシート材料のかなりの部 分は金属からなる。しかし、金属は燃料から中性子を吸収して原子炉の出力を減 少させるので好ましくない。このような攪拌グリッドの一例が、米国特許第5、 183、628号に記載されている。 例えば、加圧水型原子炉(PWR)において、個々の燃料ピンは約4mの長さ を有している。燃料ピンは、「ジルカロイ」(Zircaloy)(商品名)のような合金 からなる、「クラッド部」と呼ばれる、管状の被覆部を具備している。そのクラ ッド部内には燃料は充填されている。作動中、燃料ピンが高温に達するので、ク ラッド部の外面における冷媒と接触する場所が腐食したり酸化したりする。クラ ッド部の腐食の最大深さまたはクラッド部の酸化腐食生成物の最大厚みは、冷媒 が燃料ピンアセンブリ内に入る点からピンの長さの約80%の領域に渡って生じ る。酸化層の最大許容厚みは、燃料ピン、すなわち、燃料アセンブリの潜在的な 寿命制限因子である。従って、クラッド部の少なくとも上記の領域の冷却を改善 して、クラッド部の腐食の割合を減少させることが望まれる。 腐食の割合を減少させるためにクラッド部の冷却を改善することによって、核 沸騰(DNB)を中断させる前の安全余裕度を遅延させまたは安全余裕度を拡大 させて、燃料アセンブリをその他の方法よりも高い出力レベルで操業させること ができるという効果も得られる。核沸騰は、熱抽出を行う最も効果的な形態であ る。核沸騰(DNB)においては、蒸気の膜が燃料ピンの表面に生じてピンから 冷媒への熱伝達が著しく減少し、その結果として、非常に短期間にピンの破壊が 生じる。 本発明の第1態様による原子炉用の燃料アセンブリは、互いにまた燃料アセン ブリの軸に対して実質的に平行に延長する複数の燃料ピンと、前記燃料ピンと接 触して前記燃料ピンを実質的に互いに平行になるように保持してそれらの接触を 防ぐ、少なくとも2つの互いに離間された構造要素としてのグリッドと、さらに 、前記の少なくとも2つの構造要素としてのグリッドの中間に位置する少なくと も1つの攪拌グリッドと、を具備し、前記攪拌グリッドは前記燃料ピンと実質的 に接触しないように位置決めされて固着され、前記攪拌グリッドは、使用時に前 記燃料アセンブリ内を流通する冷媒の乱流を促進する乱流誘発手段を有し、前記 攪 拌グリッドは金属シートから形成され、前記攪拌グリッドが形成される前記金属 シートの面は、前記燃料アセンブリの軸を横切る面内にある、ことを特徴とする 。 本発明による燃料アセンブリの攪拌グリッドは、一変更例として、ワイヤから 形成されてもよく、ワイヤはそれらが互いに交差する位置において溶接によって 接合され、例えば、羽根のような乱流誘発手段がワイヤに取り付けられる、よう に構成されてもよい。 しかし、本発明の燃料アセンブリの一つの好適な実施態様においては、攪拌グ リッドは、例えば、プレス加工または打ち抜き加工によってシート材料から形成 されるのが好ましく、その攪拌グリッドが形成される金属シートの面は、燃料ア センブリの軸を横切る面内に一体的に形成されるとよい。 シート材料の厚みは、例えば、0.5mmから約1mmの範囲にあるとよい。 しかし、この厚みは重要ではなく、冷媒流から与えられる力に対して弾性が維持 されかつ容易に機械加工によって成形されるように選択されればよい。 攪拌グリッドは、所定の寸法と形状、例えば、正方形、三角形、または六角形 の開口が配列されたフレーム構造を有しているとよい。その開口には、燃料ピン が、好ましくは、フレーム構造の開口周辺部に大きく接触することなく、貫通さ れる。 攪拌グリッドが前述したようにプレス加工または打ち抜き加工によってシート 材料から形成される場合、例えば羽根からなる乱流誘発手段は、その加工中に、 攪拌グリッドと一体的に形成され、シート面から乱流誘発効果を最適化するよう な所定の角度で屈曲されるとよい。このような乱流誘発手段は、各開口または任 意の開口の内端に望ましい乱流を安定して生成するように形成されるとよい。既 存の燃料ピンアセンブリの種々に異なる設計に応じて、乱流誘発手段の最適な構 成と分布を実験的に決定するとよい。 フレーム構造の開口を包囲する部材の一部または全てが、乱流を誘発する効果 が得られるように、シート面を中心に捩じられるとよい。このような捩じれによ って、燃料ピンアセンブリ内を通って冷媒を汲み上げるのに必要な圧力上昇を減 少させることができる。 攪拌グリッドの全体的な外周の形状は、その攪拌グリッドが組み込まれる特定 の燃料ピンアセンブリに対応させて、例えば、正方形または六角形に決定される とよい。 本発明による燃料ピンアセンブリの攪拌グリッドは、燃料ピンの外周リングに までは延長せず、外周リングと境を接する、ように構成されるとよい。その理由 は、外周リングにおける燃料ピンは内側の燃料ピンよりも冷却されて、通常の操 業条件下におけるその腐食の程度が少ないからである。燃料ピンの外側リングに まで攪拌グリッドを延長させないことによるもう一つの利点は、燃料アセンブリ を炉心に挿入または炉心から除去するとき、燃料アセンブリの炉心に対する引っ 掛かりのおそれをなくすことにある。 本発明による燃料ピンアセンブリの攪拌グリッドは、例えば、原子炉用制御棒 が貫通するいわゆる嵌め管によって、燃料アセンブリ内の適切な位置に保持され るとよい。さらに、グリッドの開口は、嵌め管が例えば溶接またはカシメによっ て取り付けられるような寸法に形成されるとよい。あるいは、本発明の1つの好 適な実施形態においては、嵌め管の一部またはすべてに対応する位置において、 短管が例えば溶接によって攪拌グリッドに固定されるとよい。短管は、嵌め管の 上方に嵌合されて、カシメまたは溶接によって嵌め管に固定される。 燃料ピンアセンブリ内の攪拌グリッドの最適な位置は、燃料ピンアセンブリの 設計、冷媒の種類、および/または当該原子炉の種類に応じて、実験的に決定さ れるよい。好ましくは、最も高温に晒されている燃料ピンの最高温度を、クラッ ド部の腐食が燃料の寿命を制限しないようなレベルにまで減少させるような位置 に配置されるとよい。 公知の燃料ピンアセンブリ内における先行する構造要素としてのグリッドの直 前とそれに続く構造要素としてのグリッドの直後間の領域において、乱流を誘発 させることによって冷媒の流れの攪拌を改善させるとよい。従って、公知の構造 要素としてのグリッドを燃料アセンブリ内の付加的な位置に設けることによって 、余分の乱流を促進して、所定の位置における冷却と熱抽出を改善し、燃料ピン の腐食/酸化割合を減少させることができる、と考えられる。しかし、この解決 策はいくつかの顕著な欠点を含んでいる。第1に、従来の構造要素としてのグリ ッドは、構造が複雑であり、製造コストが非常に高い。第2に、この公知の構造 要素としてのグリッドは、顕著な付随的損失をもたらす中性子を吸収する金属を かなりの量含んでいる。第3に、構造要素としてのグリッドを付加的に設けるこ とによって、グリッド−燃料棒間の擦過損傷を生じる付加的な位置を必要とする 。一方、本発明による燃料ピンアセンブリの攪拌グリッドは単純な構造で、平坦 な金属シートから単一の打ち抜きまたはプレス加工によって形成することができ るので製造コストが安価である。また、本攪拌グリッドは、比較的少量の金属を 含むので、中性子捕獲に付随する損失を最小化させることができる。さらに、好 適な実施態様において、燃料ピンを攪拌グリッドに接触させないように構成する ことができるので、攪拌グリッドによって生じる燃料ピンの擦過損傷をなくすこ とができる。 本発明の第2の態様によれば、第1の態様による燃料ピンアセンブリの攪拌グ リッドが提供される。 本発明がさらに詳細に理解されるように、以下、実施例を添付の図面を参照し て説明する。但し、本実施例は単なる例示であり、本発明を限定するものではな い。 図1は、PWR原子炉に用いられる従来の燃料ピンアセンブリの一部を示す透 視図である。 図2は、酸化層の平均厚みと冷媒の入口からの燃料棒に沿った軸方向位置の関 係を示すグラフである。 図3は、本発明の第1実施例による燃料ピンアセンブリの一部を示す透視図で ある。 図4は、図3に示される実施例の平面図である。 図5は、図3に示される実施例の変更例を示す透視図である。 図6は、攪拌グリッドのごく一部を示す平面図である。 図7は、図6の線7−7に沿った断面図である。 図面について説明する。図1は、PWR原子炉の炉心(図示せず)に用いられ る公知の燃料エレメントとも呼ばれる燃料ピンアセンブリ10の透視図である。 図2は、燃料ピンのクラッド部の酸化層の平均厚みを示すグラフである。アセン ブリ10は、正方形に配列された複数の燃料ピン12と、アセンブリを炉心に配 置させる上ノズル14および下ノズル16と、ピン12を互いにおよびアセンブ リの軸に対して平行に整列させる構造要素としてのスペーサ・グリッド18から 構成されている。図1に示されるアセンブリの長さは約4mであり、長さ方向に おいて燃料ピン間に介在する部分20は取り除かれている。スペーサ・グリッド 18は、燃料ピン12または嵌め管22(図3、図4および図5を参照)を適切 受容する複数の開口を有し、また燃料ピンを把持して相対的な移動とそれによる 擦過損傷を防ぐための弾性を有する指状ばね部(spring fingers)(図示せず)を 開口内に有している。操業時に、冷媒水は下ノズル16からアセンブリ10内を 上方に汲み上げられ、上ノズル14を介して外部に抜ける。冷媒の攪拌を促進し て燃料ピン12の冷却を改善する乱流誘発羽根(図示されない)がグリッドに設 けられている。 図2のグラフは、燃料ピンアセンブリを単に例示したに過ぎない図1の燃料ア センブリ10に限るものではない。図2において、曲線30は、クラッド部の酸 化層の平均厚みと燃料ピン12の軸方向位置の関係を示している。曲線30にお いて、複数の最大値32と複数の最小値34(簡単化するために、それぞれ、1 つのみが矢印によって示されている)が燃料ピンの長さ方向の複数の位置に現れ ている。曲線30に対応する燃料ピンアセンブリは、最大値とその前の最小値の 間の位置、例えば、参照番号36によって示される位置に配置される構造要素と してのスペーサグリッドを有している。酸化層の最も大きい平均厚みは、参照番 号38によって示される位置に現れ、この酸化層の最も大きい平均厚みは燃料ピ ンの有効寿命限界を示す酸化厚みである。この位置および可能であるならその前 の最大値を示す位置40における酸化厚みを減少させれば、燃料の完全な消費が 可能になるか、またはより高い出力レベルで燃料アセンブリを操業させることが 可能になるか、またはそれらの長所を組み合わせることが可能になる。 本発明による燃料ピンアセンブリにおいて、図3および図4に示されるような 付加的なグリッド50が設けられる。図3は、燃料ピンアセンブリの短軸部の領 域の位置を示す透視図であり、図4はその平面図である。複数の燃料ピン12が 示され、各燃料ピンは燃料材(図示せず)が充填された管状外装部すなわちクラ ッド部22を具備している。燃料ピン12間には、原子炉の出力を制御する制御 棒(図示せず)が貫通される嵌め管52が介在している。グリッド50はジルカ ロイ(Zircaloy)(商品名)のようなシート材から、燃料ピン12および嵌め管5 2が貫通する開口が配列された連続的なフレーム構造56に、打ち抜き加工され る。燃料ピン12はこのフレーム構造56に接触しないが、嵌め管52はそれら が開口58を貫通する位置60において外側に向かってカシメられ、フレーム構 造56を把持し、それによって、グリッド50を燃料ピン12に対して望ましい 位置と方向に配置する。打ち抜き加工中に、羽根として構成される乱流誘発手段 61がフレーム構造に一体的に形成される。羽根は、加工によって、元のシート 材料の面から、燃料ピンアセンブリ10内を矢印62の方向に流通する冷媒水の 乱流を最適化するような望ましい形状に屈曲される。グリッド50は、燃料ピン の外周側リング64の手前まで延在している。なぜなら、外周側リング64は温 度は低く、酸化層の厚みは薄いからである。グリッド50は、最大値38の近傍 (および可能であるなら最大値40の近傍)において、隣接するスペーサ・グリ ッド18の中間に配置される。グリッド50によって乱流が増加して冷媒の攪拌 が改善され、グリッド50の配置された位置における燃料ピンの温度が低下し、 その結果酸化厚みが減少する。攪拌グリッド50の容積または質量は小さいので 、中性子捕獲によって付随的に生じる損失が著しく増すことはない。 図5は、異なった形状の乱流誘発羽根70を有するごく一部を変更したグリッ ド50を示している。他の特徴は、図2および図3における特徴と本質的に同様 である。 図6および図7は、グリッド50のフレーム構造56のごく一部を示している 。この変更例においては、フレーム構造を構成する個々の部材80の一部または すべてが、グリッドが打ち抜き加工またはプレス加工された元のシートの面から ある角度だけ捩じられ、それによって冷媒における乱流を促進するように構成さ れている。図3、図4および図5を参照して述べたような羽根は、当該燃料アセ ンブリ10の特定の幾何学的形状および必要条件に応じて、用いられてもよいし または用いられなくてもよい。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】平成11年5月17日(1999.5.17) 【補正内容】 請求の範囲(補正) 1.原子炉用燃料アセンブリ(10)であって、前記燃料アセンブリは軸を有 し、 互いにまた燃料アセンブリ(10)の軸に対して実質的に平行に延長する複数 の燃料ピン(12)と、 前記燃料ピンと接触して前記燃料ピンを実質的に互いに平行になるように保持 してそれらの接触を防ぐ、少なくとも2つの互いに離間された構造要素としての グリッド(18)と、 さらに、前記の少なくとも2つの構造要素としてのグリッド(18)の中間に 位置して、使用時に前記燃料アセンブリ内を流通する冷媒の乱流を促進する乱流 誘発手段(61;70)を有する、少なくとも1つの攪拌グリッドとを具備し、 前記攪拌グリッドは前記燃料ピンと接触しないように位置決めされて固着され 、 前記攪拌グリッドは単一の金属シートから形成され、前記攪拌グリッドが形成 される前記金属シートの面は、前記燃料アセンブリの軸を横切る面内にあること を特徴とする燃料アセンブリ。 2.前記材料シートの厚みは、0.5mmから約1mmの範囲内にあることを 特徴とする請求項1に記載の燃料アセンブリ。 3.前記攪拌グリッドは、所定の寸法と形状の開口(58)が配列されたフレ ーム構造(56)を有していることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料 アセンブリ。 4.前記乱流誘発手段は、前記攪拌グリッドに取り付けられた羽根からなるこ とを特徴とする先行する請求項のいずれか1つに記載の燃料アセンブリ。 5.前記羽根は、前記攪拌グリッドと一体に形成されていることを特徴とする 請求項ないし3のいずれか1に記載の燃料アセンブリ。 6.前記フレーム構造(56)における各開口(58)を包囲する部材(80 )の少なくとも一部は前記シートの面の回りに捩じれて乱流を誘発する機能を向 上させる、ことを特徴とする請求項3ないし5のいずれか1つに記載の燃料アセ ンブリ。 7.前記攪拌グリッド(50)は、前記燃料ピン(12)の外周リング(64 )にまで延長せずにそれらと境を接する、ことを特徴とする先行する請求項のい ずれか1つに記載の燃料アセンブリ。 8.前記攪拌グリッドは、減速材としての制御棒が貫通する嵌め管(52)に よって、前記燃料アセンブリ内の適切な位置に配置されてかつ保持されることを 特徴とする先行する請求項のいずれか1つに記載の燃料アセンブリ。 9.前記攪拌グリッド(50)は、前記嵌め管(52)に溶接またはカシメに よって取り付けられることを特徴とする請求項8に記載の燃料アセンブリ。 10.前記攪拌グリッドは、前記嵌め管の上方に嵌合する短管に最初は接合され て、次いで前記嵌め管に固定されることを特徴とする請求項8に記載の燃料アセ ンブリ。 11.前記攪拌グリッド(50)は、原子炉の作動中前記燃料ピンの最も高温の 領域が位置する、2つの隣接する前記構造要素としてのグリッド(18)間に配 置されることを特徴とする先行する請求項のいずれか1つに記載の燃料アセンブ リ。 12.請求項1ないし13のいずれか1つに記載の燃料アセンブリに用いられる 攪拌グリッド。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR, NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,KE,L S,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL ,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR, BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,E E,ES,FI,GB,GE,GH,GM,GW,HU ,ID,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR, KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,M D,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL ,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK, SL,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,U Z,VN,YU,ZW (72)発明者 ギレスピー,ジョン・ウッドサイド イギリス国、ピーアール4 0エックスジ ェイ ランカシャー、プレストン、ソルウ ィック、スプリングフィールズ・ワーク ス、ブリティッシュ・ニュークリア・フュ ーエルズ・パブリック・リミテッド・カン パニー

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.原子炉用の燃料アセンブリにおいて、 互いにまた燃料アセンブリの軸に対して実質的に平行に延長する複数の燃料ピ ンと、 前記燃料ピンと接触して前記燃料ピンを実質的に互いに平行になるように保持 してそれらの接触を防ぐ、少なくとも2つの互いに離間された構造要素としての グリッドと、 さらに、前記の少なくとも2つの構造要素としてのグリッドの中間に位置する 少なくとも1つの攪拌グリッドとを具備し、 前記攪拌グリッドは、前記燃料ピンと実質的に接触しないように位置決めされ て固着され、 前記攪拌グリッドは、使用時に前記燃料アセンブリ内を流通する冷媒の乱流を 促進する乱流誘発手段を有し、 前記攪拌グリッドは金属シートから形成され、前記攪拌グリッドが形成される 前記金属シートの面は、前記燃料アセンブリの軸を横切る面内にあることを特徴 とする燃料アセンブリ。 2.前記攪拌グリッドは、単一の材料シートから形成されることを特徴とする 請求項1に記載の燃料アセンブリ。 3.前記材料シートの厚みは、0.5mmから約1mmの範囲内にあることを 特徴とする請求項1または2に記載の燃料アセンブリ。 4.前記攪拌グリッドは、所定の寸法と形状の開口が配列されたフレーム構造 を有していることを特徴とする先行する請求項のいずれか1つに記載の燃料アセ ンブリ。 5.前記乱流誘発手段は、前記攪拌グリッドに取り付けられた羽根からなるこ とを特徴とする先行する請求項のいずれか1つに記載の燃料アセンブリ。 6.前記羽根は、前記攪拌グリッドと一体に形成されていることを特徴とする 請求項5に記載の燃料アセンブリ。 7.前記フレーム構造における各開口を包囲する部材の少なくとも一部は前記 シートの面の回りに捩じれて乱流を誘発する機能を向上させることを特徴とする 請求項4ないし6のいずれか1つに記載の燃料アセンブリ。 8.前記攪拌グリッドは、前記燃料ピンの外周リングにまで延長せずにそれら を包囲することを特徴とする先行する請求項のいずれか1つに記載の燃料アセン ブリ。 9.前記攪拌グリッドは、減速材としての制御棒が貫通する嵌め管によって、 前記燃料アセンブリ内の適切な位置に配置されてかつ保持されることを特徴とす る先行する請求項のいずれか1つに記載の燃料アセンブリ。 10.前記攪拌グリッドは、前記嵌め管に溶接またはカシメによって取り付けら れることを特徴とする請求項9に記載の燃料アセンブリ。 11.前記攪拌グリッドは、前記嵌め管の上方に嵌合する短管に最初は接合され 、次いで前記嵌め管に固定されることを特徴とする請求項9に記載の燃料アセン ブリ。 12.前記攪拌グリッドは、原子炉の作動中前記燃料ピンの最も高温の領域が位 置する、2つの隣接する前記構造要素としてのグリッド間に配置されることを特 徴とする先行する請求項のいずれか1つに記載の燃料アセンブリ。 13.前記攪拌グリッドはワイヤから形成され、前記ワイヤはそれらが互いに交 差する位置において溶接によって接合され、前記乱流誘発手段が前記ワイヤに取 り付けられることを特徴とする請求項1に記載の燃料アセンブリ。 14.請求項1ないし13のいずれか1つに記載の燃料アセンブリに用いられる 攪拌グリッド。 15.明細書および図面の図2および図3、または図5、または図6および図7 に実質的に記載された原子炉用燃料アセンブリ。
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