JP2002296379A

JP2002296379A - 原子炉燃料集合体

Info

Publication number: JP2002296379A
Application number: JP2001099696A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Naitou; 考文内藤; Juntaro Shimizu; 純太郎清水
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】原子炉燃料集合体において、原子炉冷却材流
に伴流する異物が、支持グリッドと燃料棒との間に引っ
かかり、燃料棒被覆管を損傷することを防止する。【解決手段】原子炉燃料集合体は、上下方向に離れた
上部ノズル及び下部ノズル１３、該両ノズル間に互いに
平行に延び両端がそれぞれ前記ノズルの一方に連結され
る複数の制御棒案内管、該制御棒案内管に長手方向に間
隔をおいて取り付けられた最下グリッド１９を含む複数
の支持グリッド、並びに該支持グリッドの格子開口に個
別に挿通され、前記両ノズル間に互いに平行に延びる複
数の燃料棒２１を有し、更に最下グリッド１９と下部ノ
ズル１３との間に格子構造の異物フィルタ３０が配置さ
れ、異物フィルタ３０の格子空間内に燃料棒２１の下部
端栓２１ａが位置するようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉用燃料集合
体に関し、特に加圧水型原子炉用燃料集合体において、
冷却材流に伴流される異物の進入を防止するための構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、商業原子力発電用として加圧水型
原子炉は広く使用され、これに使用される燃料集合体の
構造も比較的良く知られている（日本機械学会編「機械
工学便覧」など参照。）。冗長を厭わず説明すれば、代
表的な加圧水型原子炉用燃料集合体は、上下方向に離隔
されて配置された上部ノズル及び下部ノズルと、これら
両ノズルの間に所定の間隔をおいて配置され、ストラッ
プにより形成された格子空間を備えたグリッドと、その
格子空間内に所定の間隔をおいて挿通され、且つグリッ
ドの固定部より固定され、更にそれぞれの上下端部が上
部ノズル及び下部ノズルに連結された制御棒案内管と、
グリッドの支持部より弾性的に支持された多数の燃料棒
とから主として構成される。而して、前述の下部ノズル
は、燃料集合体が炉心に装荷されているときには原子炉
下部炉心板に近接対向しており、炉内下部から流れてき
た冷却材が貫流するための流路孔が下部ノズル内に多数
形成されている。

【０００３】一方、加圧水型原子炉においては、原子炉
容器、蒸気発生器、主冷却材ポンプ及びこれらを繋ぐ配
管から冷却材循環ループが形成され、前述の燃料集合体
が装荷される原子炉炉心を通る冷却材は、その循環ルー
プを通って循環する。そして、その冷却材の中には、製
作から据付、並びに配管及び冷却設備の補修中などにお
いて、金属粒子、チップ、削り片のような細片や破片を
含む様々な異物が混入する虞がある。これら異物小片
は、燃料集合体内部に流入後、グリッドの格子空間の壁
と燃料棒との間に引っかかると、燃料棒の破損をもたら
すことがある。即ち、燃料棒は内部の燃料ペレットを薄
肉の被覆管で覆っているが、引っかかった異物の移動に
より被覆管に擦傷を生じ、又は係止異物の流体誘起振動
による繰り返し接触がフレッティング摩耗などを生じ、
薄肉被覆管に貫通損傷を生ずる虞がある。

【０００４】前述のような燃料棒被覆管の貫通損傷は、
内容物の漏出を生ずるから好ましくない。このため、前
述の下部ノズルの流路孔の径をできるだけ小さくして異
物の通過を防止し、燃料集合体内への異物の進入を阻止
している。流路孔の小径化は冷却材流の抵抗を増大する
ので自ずと制約があり、二次的なものとして、最下部グ
リッドの中に薄肉被覆管が存在しないようにしている。
具体的には、燃料棒の被覆管の下端を閉じる下部端栓を
相対的に長いものとし、下部端栓の上端部が最下部グリ
ッドの中に位置するようにしている。冷却材流は実質的
に最下部グリッドのストラップと燃料棒の間を流れる
が、前述の流路孔を通過して燃料集合体内に進入した異
物があれば、ここに引っかかるようにする。そして、そ
の異物が振動などをしても、これに接触する下部端栓は
被覆管とは異なり中実部材なので、摩耗しても内容物の
漏出がない。また、最下部グリッドの中に捕捉されない
異物が仮にあっても、同様な物理的寸法条件にある他の
グリッドと燃料棒との間は通過し、そこに引っかかる確
率は実質的に無視できるから損傷は発生しないとする考
え方に立っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
下部端栓長大化策は、必ずしも全ての原子炉で採用でき
るものではない。例えば、燃料集合体は高燃焼度化の傾
向にあるが、この場合核分裂生成物の量が増大するか
ら、できるだけ下部端栓を短くして燃料棒内収容プレナ
ムの容積増大が望まれる。又、燃料棒の照射成長により
燃料棒の下端が最下部グリッドの中から出て遠ざかるよ
うな動きをする。そして、高燃焼度化はその照射成長量
も大きくするから、前述の長い下部端栓を使用できずに
短い下部端栓を使用した燃料棒を持つ燃料集合体におい
ては、最下部グリッドと下部端栓とによる異物進入阻止
作用は燃料寿命の全期間に亘っては期待できない。従っ
て、本発明の課題は、高燃焼度用に短い下部端栓を持つ
燃料棒を有する燃料集合体においても、燃料棒被覆管の
損傷危険性がある異物の進入を実質的に阻止する異物フ
ィルタを備えた原子炉燃料集合体を提供することをあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明によれば、上下方向に離れた上部ノズル及び
下部ノズル、両ノズル間に互いに平行に延び両端がそれ
ぞれ前記ノズルの一方に連結される複数の制御棒案内
管、制御棒案内管に長手方向に間隔をおいて取り付けら
れた最下グリッドを含む複数の支持グリッド、並びに支
持グリッドの格子開口に個別に挿通され、前記両ノズル
間に互いに平行に延びる複数の燃料棒を有する原子炉燃
料集合体は更に、前記最下グリッドと前記下部ノズルと
の間に配置された格子構造の異物フィルタを有し、該異
物フィルタはその格子空間内に前記燃料棒の下部端栓を
受け入れるように構成される。その燃料棒の下部端栓と
異物フィルタのストラップとの隙間を狭める隙間低減構
造を更に形成するのが好適である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発
明の実施形態を説明する。尚、全図に亘り、同一部分に
は同一の符号を付している。先ず図１を参照して、本発
明の実施形態に係る燃料集合体の全体構造を説明する。
図において、燃料集合体１０の上部ノズル１１と下部ノ
ズル１３とは上下方向に離れて対向しており、互いに平
行に延びた複数の制御棒案内管１５によって構造的に連
結されている。この制御棒案内管１５には、上下方向に
間隔をおいて複数の支持格子乃至グリッド１７、１９が
取り付けられている。説明の都合上、最下方に位置する
グリッドを最下グリッド１９と称する。これらのグリッ
ド１７、１９は基本的に同じ構造であるが、薄い金属帯
板乃至ストラップを碁盤の線状に配置して組み立てたも
ので、アレイ状に並んだ格子空間を形成する。この格子
空間に複数の燃料棒２１が１本ずつ挿通され、支持され
る。図においては燃料集合体１０の内部構造を明確にす
るため、中央部の燃料棒２１が切除されて示されてい
る。

【０００８】次に本発明の実施形態の要部を図２及び図
３を参照して説明する。図２は、下部ノズル１３、最下
グリッド１９、燃料棒２１の下端部、及び異物フィルタ
３０の相対的上下位置関係を拡大して示したもので、下
部ノズル１３は小径流路孔１３ａを有し、又燃料棒２１
は短い下部端栓２１ａを有している。小径流路孔１３ａ
は１個のみ図示されているが、必要な機械的強度を損な
わない範囲で多数穿設されているものと理解すべきであ
る。図３に異物フィルタ３０の構造が部分的に示されて
いる。異物フィルタ３０は基本的には最下グリッド１９
と同様な構造をしており、ストラップ３１、３３を直交
して組み立てて四角断面のセル空間３７を画成し、外側
は周縁ストラップ３５で囲まれる。但し、異物フィルタ
３０の最外側寸法は、最下グリッド１９や下部ノズル１
３のそれより幾分小さくなっている。燃料棒２１は、異
物フィルタ３０のセル空間３７を通るようになっている
が、下部端栓２１ａは、セル空間３７内に位置するよう
になっている。

【０００９】前述した構造の燃料集合体１０において、
下部の冷却材の流れを説明すれば、図２に矢印に示すよ
うに、小径流路孔１３ａを通って異物フィルタ３０の下
方に流入する。その際、小径流路孔１３ａより大きい伴
流異物は通過できないから除去される。異物フィルタ３
０の下方に流入した冷却材は、異物フィルタ３０のスト
ラップ３１、３３と下部端栓２１ａとの間を流れ、次に
最下グリッド１９と燃料棒２１との間を上昇する。前述
のように冷却材が異物フィルタ３０のセル空間３７を通
る際に、グリッド１７、１９の内部に引っかかる可能性
のある伴流異物があれば、同様の寸法関係にある下部端
栓２１ａとストラップ３１、３３の間に挟まれて捕捉さ
れる。このようにして、グリッド１７、最下グリッド１
９と燃料棒２１との間に引っかかる可能性のある異物は
実質的に除去される。下部端栓２１ａとストラップ３
１、３３の間を通過する異物は、グリッド１７、最下グ
リッド１９で捕捉されることなく通過する。一方、下部
端栓２１ａの周辺で捕捉された異物が、下部端栓２１ａ
の外面に摩耗損傷を発生させても、下部端栓２１ａは中
実部材であるから、その摩耗損傷は被覆管の内部空間に
は達しないので、燃料棒２１内の放射性物質等が漏出す
ることがない。

【００１０】次に前記実施形態の一部を変更した改変実
施形態を図４を参照して説明する。図２と図４の対比か
ら明らかなように、下部ノズル１３、最下グリッド１９
及び異物フィルタ３０の形状乃至相互間の相対的位置関
係は不変であり、燃料棒４１の下部端栓４１ａの外径の
みが大きくなっている。燃料棒の被覆管部分の外径は、
同じ儘である。このようにすると、下部端栓４１ａと、
異物フィルタ３０のストラップ３１、３３との間隔が前
述の実施形態の場合よりも小さくなる。即ち、下部端栓
４１ａとストラップ３１、３３との隙間は、燃料棒２１
と最下グリッド１９及び他のグリッド１７のストラップ
との隙間より小さくなる。このため、下部端栓４１ａと
ストラップ３１、３３とは、より小さい異物も捕捉で
き、それらの隙間を通過した更に小さい異物は、燃料棒
２１と最下グリッド１９及び他のグリッド１７との間は
余裕を持って通過し、引っかかって損傷を発生するよう
なことはない。

【００１１】前述の改変実施形態においては、燃料棒の
下部端栓の外径を全体的に被覆管部分より大きくした
が、図５及び図６に示すように燃料棒５１の下部端栓５
１ａを部分的に、即ち条突起５１ｂを直交軸上に４個形
成するようにしても良い。尚、条突起５１ｂの数及び位
置は例示であり、適宜数を増減し、位置を変更しても良
いことは勿論である。この実施形態における条突起５１
ｂも、前述の大径化と同じ原理で異物捕捉効果を増大す
る。

【００１２】次に、図７及び図８を参照して本発明の別
の実施形態を説明する。尚、本実施形態は、図２及び図
３に示す実施形態の異物フィルタの構造を以下に説明す
るように変更したものであるが、下部ノズル１３、最下
グリッド１９及び燃料棒２１との相対的位置関係は同じ
である。図面、特に図８に示すように、本実施形態にお
ける異物フィルタ６０において、交差する方向に延びる
内側のストラップ６１、６３がそれぞれ狭い間隔をおい
て二重に配置されていて、最外側のストラップ６５に囲
まれている。ストラップ６５の外側寸法は、ストラップ
３５と同様に最下グリッド１９や下部ノズル１３のそれ
よりも小さくなっているが、近接して２枚のストラップ
６１、６３を受け容れる構造となっている。そして、交
差する二重配置のストラップ６１、６３の間にセル空間
６７が形成されている。燃料棒２１は変わらないから、
燃料棒２１の外面と、近接するストラップ６１、６３と
の隙間は、２枚のストラップ６１、６３間の距離の半分
だけ、セル空間３７の場合より小さくなっている。この
ようにして、燃料棒２１の外面と、近接するストラップ
６１、６３との隙間は、グリッド１７、１９における燃
料棒２１とストラップとの隙間より小さくなっているか
ら、後者に入り込んで引っかかる異物の通過を阻止す
る。ここを通過する異物は充分小さいので、グリッド１
７、１９と燃料棒２１との間を悠々と通過する。

【００１３】次に、図９及び図１０を参照して本発明の
更に別の実施形態を説明する。尚、本実施形態も、図７
及び図８の実施形態と同様に図２及び図３に示す実施形
態の異物フィルタの構造のみを以下に説明するように変
更したものである。図面、特に図１０に示すように、本
実施形態における異物フィルタ７０においては、交差す
る方向に延びる内側のストラップ７１、７３にはそれぞ
れその交差部に近接して、突出部７１ａ、７１ｂ、７３
ａ、７３ｂが形成されている。ストラップ７１、７３を
取り囲むストラップ７５の外側寸法と、最下グリッド１
９や下部ノズル１３のそれとの関係は同様である。

【００１４】上述したような異物フィルタ７０を採用す
ることにより、ほぼ矩形断面のセル空間７を画成するス
トラップ７１、７３と、円形断面の燃料棒２１との間の
比較的大きい対角部隙間は、突出部７１ａ、７１ｂ、７
３ａ、７３ｂによって狭められる。このようにして、燃
料棒２１の外面と、ストラップ７１、７３の交差部のと
の隙間は、相対的に小さくなり、異物フィルタ７０を通
過する異物の大きさを十分に小さくする。このようにし
て異物フィルタ７０を通過する異物は充分小さいものと
なるから、グリッド１７、１９と燃料棒２１との間を余
裕を持って悠々と通過し、引っかかることがない。従っ
て、異物の接触や振動などによるグリッド部の燃料棒被
覆管損傷を効果的に防止することができる。

【００１５】次に、図１１及び図１２を参照して本発明
の更に別の実施形態を説明する。尚、本実施形態も、前
述の実施形態と同様に図２及び図３に示す実施形態の異
物フィルタの構造のみを以下に説明するように変更した
ものである。図面、特に図１２に示すように、本実施形
態における異物フィルタ８０においては、交差する方向
に延びる内側のストラップ８１、８３にはそれぞれその
交差部に近接して、一面側に突出する突出部８１ａ、８
３ａと他面側に突出する突出部８１ｂ、８３ｂとが背中
合わせに形成されている。そして、これらの突出部８１
ａ、８１ｂ、８３ａ、８３ｂは、ストラップ８１、８３
の全幅（図において上下方向）に亘って延びている。ス
トラップ８１、８３を取り囲むストラップ８５の外側寸
法と、最下グリッド１９や下部ノズル１３のそれとの関
係は同様であるが、ストラップ８１、８３との交差結合
部に近接して内向きの突出部８５ａが形成されている。
この突出部８５ａもその全幅にわたって延びている。こ
のような異物フィルタ８０は、前述の異物フィルタ７０
と同等乃至それ以上の異物通過阻止作用を奏する。

【００１６】次に、図１３及び図１４を参照して前述の
実施形態（図１１及び図１２）の改変例を説明する。図
面、特に図１４に示すように、本改変例における異物フ
ィルタ９０においては、交差する方向に延びる内側の一
方のストラップ９１は２枚合わせ構造で、他方のストラ
ップ９３は一枚物の平板構造となっている。そして、ス
トラップ９１には、ストラップ９３との交差部に向かい
合わせの突出部９１ａが形成されている。そして、突出
部９１ａは、ストラップ９１の全幅（図において上下方
向）に亘って延びている。ストラップ９１、９３を取り
囲むストラップ９５の外側寸法と他の部材のそれとの関
係は同様である。このような異物フィルタ９０において
は、突出部９１ａがセル空間９７の隅部に突出して、燃
料棒２１とストラップ９１、９３とが画成する隙間を小
さくしているので前述の異物フィルタと同等の異物通過
阻止作用を奏する。又尚、前述の異物フィルタ９０は、
図１５に示すような異物フィルタ１００としても良い。
図１５において、異物フィルタ１００の交差する内側ス
トラップ１０１、１０３は共に２枚張り合わせ構造とな
っている。そして、ストラップ１０１には、ストラップ
１０３との交差部に突出部１０１ａが形成されている。
但し、突出部１０１ａの配置は、千鳥足状となるように
一つ置きとなっている。同様に、相手方のストラップ１
０３にも突出部１０３ａが形成されていて、一つの交差
部に突出部１０１ａ、１０３ａが重複することはない。
符号１０５は、外側ストラップである。

【００１７】次に、図１６及び図１７を参照して本発明
の更に別の実施形態を説明する。尚、本実施形態も、前
述の実施形態と同様に図２及び図３に示す実施形態の異
物フィルタの構造のみを以下に説明するように変更した
ものである。図面、特に図１７に示すように、本実施形
態における異物フィルタ１１０においては、交差する方
向に延びる内側のストラップ１１１、１１３にはそれぞ
れその交差部に近接して、一面側に突出する突出部１１
１ａ、１１３ａと他面側に突出する突出部１１１ｂ、１
１３ｂとが形成されている。そして、特に図１６に示す
ように、ストラップ１１１の突出部１１１ａ、１１１ｂ
は、その幅方向（図において上下方向）に互い違いに形
成されている。ストラップ１１３の突出部１１３ａ、１
１３ｂの相互関係も同様である。ストラップ１１１、１
１３を取り囲むストラップ１１５の形状寸法は、前述の
ストラップ８５と同様のものである。即ち、ストラップ
１１１、１１３とのそれぞれの交差結合部に近接して内
向きの突出部１１５ａが形成されている。この突出部１
１５ａはその全幅にわたって延びている。このような異
物フィルタ８０は、前述の異物フィルタ７０と同等乃至
それ以上の異物通過阻止作用を奏する。尚、ストラップ
１１１、１１３の構成は、２枚張り合わせ、突出部一体
成型で無くても、別体部品の組立品から構成しても良
い。

【００１８】以上複数の実施形態について、それぞれ構
造を説明したが、その説明は相対的に重要度の高いスト
ラップ自体に形成される流路面積制限用突出部に向いて
いた。そして、異物フィルタの周縁を形成する各外側ス
トラップとセル空間を画成する各内側ストラップとの連
結部の構造については詳しく説明しなかったが、図１８
乃至図２３に示す結合構造を内側ストラップの形状との
組合せ適合性を考慮して選択できる。共に薄肉の内側ス
トラップISと、外側ストラップOSとを直角に交差させて
結合する各結合構造自体は、複雑なものではなく、当業
者には良く理解されうるものなので、詳細な説明は省略
する。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料集合体の下部ノズルと最下グリッドとの間に、燃料
棒と支持グリッドとの物理的関係を再現する異物フィル
タを設け、その格子空間内内に燃料棒の下部端栓を受け
入れているので、燃料棒と支持グリッドとの間に引っか
かる可能性のある異物を異物フィルタにより除去し、燃
料棒被覆管の摩耗損傷を防止することができる。又、本
発明によれば、下部端栓の外周面の突起や大径化、異物
フィルタのストラップに形成される突起などから燃料棒
の下部端栓と前記異物フィルタとの隙間を狭める隙間低
減構造が更に形成されることにより、通過異物を更に小
さくすることにより、燃料棒被覆管の摩耗損傷防止効果
を促進することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される燃料集合体の全体構造を示
す一部切り欠き斜視図である。

【図２】本発明の実施形態を示す部分立断面図である。

【図３】図２のIII−III線に沿う部分平断面図である。

【図４】前記実施形態の改変例を示す部分立断面図であ
る。

【図５】前記実施形態の別の改変例を示す部分立断面図
である。

【図６】図５のVI−VI線に沿う部分平断面図である。

【図７】本発明の別の実施形態を示す部分立断面図であ
る。

【図８】図７のVIII−VIII線に沿う部分平断面図であ
る。

【図９】本発明の更に別の実施形態を示す部分立断面図
である。

【図１０】図９のX−X線に沿う部分平断面図である。

【図１１】図９の実施形態の改変例を示す部分立断面図
である。

【図１２】図１１のXII−XII線に沿う部分平断面図であ
る。

【図１３】図９の実施形態の別の改変例を示す部分立断
面図である。

【図１４】図１３のXIV−XIV線に沿う部分平断面図であ
る。

【図１５】図９の実施形態の更に別の改変例を示す部分
平断面図である。

【図１６】図９の実施形態の更に別の改変例を示す部分
立断面図である。

【図１７】図１６のXVII−XVII線に沿う部分平断面図で
ある。

【図１８】前記各実施形態において使用できる内側スト
ラップと外側ストラップとの結合構造の一例を示す三面
図である。

【図１９】前記各実施形態において使用できる内側スト
ラップと外側ストラップとの結合構造の一例を示す三面
図である。

【図２０】前記各実施形態において使用できる内側スト
ラップと外側ストラップとの結合構造の一例を示す三面
図である。

【図２１】前記各実施形態において使用できる内側スト
ラップと外側ストラップとの結合構造の一例を示す三面
図である。

【図２２】前記各実施形態において使用できる内側スト
ラップと外側ストラップとの結合構造の似た三例を示す
平面図である。

【図２３】前記各実施形態において使用できる内側スト
ラップと外側ストラップとの結合構造の一例を示す三面
図である。

【符号の説明】

１０燃料集合体１１上部ノズル１３下部ノズル１３ａ小径流路孔１５制御棒案内管１７支持グリッド１９最下グリッド２１燃料棒２１ａ下部端栓３０異物フィルタ３１、３３ストラップ３５周縁ストラップ３７セル空間４１燃料棒４１ａ下部端栓５１燃料棒５１ａ下部端栓５１ｂ条突起６０異物フィルタ６１、６３ストラップ６５ストラップ６７セル空間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上下方向に離れた上部ノズル及び下部ノ
ズル、該両ノズル間に互いに平行に延び両端がそれぞれ
前記ノズルの一方に連結される複数の制御棒案内管、該
制御棒案内管に長手方向に間隔をおいて取り付けられた
最下グリッドを含む複数の支持グリッド、並びに該支持
グリッドの格子開口に個別に挿通され、前記両ノズル間
に互いに平行に延びる複数の燃料棒を有する原子炉燃料
集合体において、前記最下グリッドと前記下部ノズルと
の間に格子構造の異物フィルタが配置され、該異物フィ
ルタの格子空間内に前記燃料棒の下部端栓が位置するよ
うに位置づけられていることを特徴とする原子炉燃料集
合体。
【請求項２】前記燃料棒の下部端栓と前記異物フィル
タとの隙間を狭める隙間低減構造が更に形成されている
ことを特徴とする請求項１の原子炉燃料集合体。
【請求項３】前記隙間低減構造が、前記燃料棒の被覆
管より太い下部端栓により構成されることを特徴とする
請求項２の原子炉燃料集合体。
【請求項４】前記隙間低減構造が、前記燃料棒の下部
端栓の外周面に形成された突起により構成されることを
特徴とする請求項２の原子炉燃料集合体。
【請求項５】前記隙間低減構造が、前記異物フィルタ
の内側ストラップを二重構造により構成されることを特
徴とする請求項２の原子炉燃料集合体。
【請求項６】前記隙間低減構造が、前記異物フィルタ
の交差する内側ストラップの一方又は双方に、該内側ス
トラップの交差部に近接して形成された突起により構成
されることを特徴とする請求項２の原子炉燃料集合体。