JP2004509322A - 加圧水型原子炉の燃料アセンブリ用スペーサ・グリッド - Google Patents

Abstract

ＰＷＲアセンブリ用スペーサ・グリッドは、隣接している燃料棒とスペーサの対向サイドプレートに接続しているまっすぐで実質的に平らなストリップとの間における湾曲したフローチャンネルを特徴としている。後者のストリップは、燃料アセンブリの製作中と原子炉内での運転中とにおけるサイドプレートの曲りを防止している。さらにスペーサ・グリッドは、正確にピッチが規定された正方形格子における燃料棒の位置決めを可能にし、さらにスペーサセルにおける燃料棒の支持は、燃料棒の曲りを最小にしている。フローチャンネルにおけるノズルの方向は、アセンブリを通しての冷却剤の直交流を促進するべく選択されている。

Description

【０００１】
発明の技術分野
本発明は、加圧水型原子炉の原子炉燃料アセンブリに関するものであって、より詳しくは、横方向の振れ止め及び間隔を提供するために、かつ原子炉燃料棒を所定位置に保持するために、原子炉燃料アセンブリの高さ方向に沿って所定距離に配置されている原子炉燃料棒用スペーサすなわちグリッドに関するものである。
【０００２】
本発明の背景
原子炉において、炉心は、通常燃料アセンブリにグループ化された燃料棒の形状をしている原子炉燃料を含んでいる。燃料アセンブリのグループは、制御された該分裂反応が可能な炉心を形成するためにマトリックスに配置されている。
【０００３】
各燃料棒は通常約１０．２ｍｍ（約０．４ｉｎ）の直径で約２．４４〜約４．５７ｍ（約８〜約１５ｆｔ）の長さの長い部材であって、その部材は、一般に管状被覆材に囲まれた燃料ペレットを積載した形状の燃料を含んでいる。アセンブリを構成する燃料棒は、二枚の平行プレート、上部タイプレートと下部タイプレートとにより支持されている複数の長手方向に延伸している部材を構成するべく、グループ化されている。これらのプレートは、通常ガイドチューブ又はタイロッド又は他の構造体要素によりお互いに接続されている。
【０００４】
各燃料アセンブリあるいはバンドルは、燃料でない部材も含んでいる。例えば、核分裂の度合を制御するようになっている制御棒用通路を形成するガイドチューブ、炉心計装用計装管、スペーサロッド及びアセンブリ内における中性子減速用水管である。隣接する燃料棒間のスペースは冷却材及び／又は減速材が循環可能なフローチャンネルを形成している。軽水路において、冷却材及び減速材は水である。燃料アセンブリにおける燃料棒の横方向の振れ止めと間隔とはスペーサ又はスペーサ・グリッドにより提供される。加圧水型原子炉の典型的な燃料アセンブリは、米国特許第５７８７１４２号明細書に開示されていて、参考としてここに包含するものです。
【０００５】
加圧水型原子炉であれ沸騰水型原子炉であれ高温ガス冷却型原子炉であれいずれの型式の原子炉であれ、燃料アセンブリ又はバンドルは、通常運転状態あるいは他の運転状態において、燃料棒を所定位置に保持し、振動をなくし、曲りあるいは他の横方向変位を拘束するものである。
【０００６】
横方向の振れ止めを提供する、スペーサ又はスペーサ・グリッドは、通常燃料棒間の異なる軸方向膨張を可能とする構造となっている。あるスペーサ・グリッドに組み込まれたばねは、スペーサ・グリッドに対する燃料棒の摺動を可能にするべくよく使用されている。ある構造において、スペーサ・グリッドは照射中の燃料棒の軸方向長さにおけるわずかな変化を吸収するために、多少軸方向に移動できるようになっている。
【０００７】
もしスペーサが、燃料アセンブリの構造部材と同様に燃料棒に固定的に接続されていると、隣接している燃料棒の、増長及び熱膨張が燃料棒の局所的なそり及び曲りをもたらす。
【０００８】
スペーサは、規則正しい間隔で配置することにより、燃料アセンブリの軸方向長さに沿った、燃料棒同士の間隔を維持することができる。スペーサは、通常ジルコニウムベース合金のシート材料又はインコネル若しくはステンレス鋼で作られていて、かつ複雑な形状のストリップ比較的多数の部材から組立られている。
【０００９】
本発明の概要
本発明におけるこれら及び他の目的は原子炉燃料アセンブリの原子炉燃料棒用スペーサを提供することにより達成されている。
原子炉燃料アセンブリの原子炉燃料棒用スペーサが：
二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの複数セットを具備していて；
二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの一方が実質的に平らであって、かつ二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップのもう一方がグリッド・ストリップの長手方向に沿って実質的に垂直に延在している波状部を有しており、冷却材の旋回運動を発生するために該二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの間に管状流路が形成されていて；
該二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの複数セットが多角形状セルの格子を形成するべくお互い交差して配列されており、該格子を通して該原子炉燃料棒が延在し、格子が該セル内に非対称的に位置決めされた原子炉燃料棒を支持している。
【００１０】
本発明における他の実施例は以下のとおりである。
加圧水型原子炉用の原子炉燃料アセンブリであって、該原子炉燃料アセンブリの底部に対して位置決めされた下部タイプレートと、原子炉燃料アセンブリの上部に対して位置決めされた上部プレートとの間で支持された複数の細長い原子炉燃料棒、及び原子炉燃料棒を位置決めしかつ保持している少なくとも一つのスペーサを有している原子炉燃料アセンブリにおいて：
該スペーサが、二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの複数セットを具備していて；二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの一方が実質的に平らであって、かつ二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップのもう一方がグリッド・ストリップの長手方向に沿って実質的に垂直に延在している波状部を有しており、冷却材の旋回運動を発生するために該二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの間に管状流路が形成されていて；該二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの複数セットが多角形セルの格子を形成するべくお互い交差して配列されており、該格子を通して該原子炉燃料棒が延在し、格子が該セル内に非対称的に位置決めされた原子炉燃料棒を支持している。
【００１１】
実施例の説明
あるスペーサ構造の照射後における包絡面の測定値は、スペーサのサイドプレートが炉心装荷中に、スペーサ構造包絡面限界を越える点にまで外向きに曲っていることを示している。その影響は高燃焼度下において最も顕著である。
【００１２】
もしその影響がきびしいものでかつ多くのアセンブリに生じていると、アセンブリが動かなくなる及び／又は引き抜きあるいは挿入が困難になるという点において、炉心に装荷あるいは除荷の際の困難さを招くものとなる。スペーサの“増長”は、隣接するアセンブリ間とのギャップ閉塞により、炉心内におけるアセンブリの地震挙動にもインパクトがある。
【００１３】
スペーサにおける、“増長”あるいは曲りが予想より上廻る理由は、あるスペーサ構造においてセルを構成する内部ダブレットストリップの、増長あるいは伸びが予想より上廻ることに関係している。
【００１４】
腐蝕反応からの水素侵入が、スペーサの通常少なくとも一部を構成するべく使用されているジルカロイ材料の体積増加をもたらしている。ジルカロイ・ストリップ材料に形成される酸化物は基礎をなす金属に引張応力を生じ、従って引張応力によりもたらされるクリープでスペーサ・ストリップを引き延ばすようにしている。これらの原因によるスペーサ・ストリップの、増長あるいは伸びは、腐蝕挙動を改善したジルコニウム合金の使用により緩和することができる。
【００１５】
測定値及び計算は、原因に関係する腐食の影響の合計が、照射中に観察されたスペーサ用サイドプレートの膨れを完全に定量化できていない。
【００１６】
最近の、アセンブリ製作時の計測値は、アセンブリ（あるいはスペーサ）への燃料装荷中においてサイドプレートの一定量の膨れが生じていることを示している。この理由は以下のとおりであって、ダブレットスペーサストリップ（ｄｏｕｂｌｅｔ ｓｐａｃｅｒ ｓｔｒｉｐｓ ）を使用している構造において燃料をセルに押し込む際に生じる、ばねにストリップを割り込ませる場合、スペーサストリップにおける波形がわずかに平坦化されるために、ストリップの長さが増加するからである。
【００１７】
各スペーサセルの影響はわずかなものであるけれど、約１４〜１８の燃料棒セルの累積効果は、スペーサ用サイドプレートの計測可能な外側向きの膨らみをもたらす。本発明による改善は、スペーサにおける対向側に取りつける、平坦化のないまっすぐな少なくとも多少のストリップを備えることである。まっすぐなストリップはスペーサのサイドプレートが離れ離れに移動することを防止している。同時に、特殊なスペーサ構造の最も所望される形状、すなわち、ダブレットに形成された、隣接する燃料棒から分離している湾曲したフロー・チャンネルが保持される。
【００１８】
ダブレットにより形成され、かつ燃料棒を囲んでいる四つのチャンネルを備えた典型的な従来技術における構造は各スペーサセルに四個のばねを備えている。各セルにおける四個のばねの接触点は、単一平面において燃料棒に接触している。このことは、燃料棒がわずかではあるといえ各セル内で回動することを可能にしている。わずかな、初期曲り、燃料コラム内における一定でない熱流束あるいは一定でない核分裂、座屈力等のようないずれかの原因により燃料棒が斜めに曲がり、そのような曲りは、燃料棒がスペーサセル内で回動できるという事実により悪化される。燃料棒の長手方向に沿って離間しているディンプルにより、又は燃料棒をある長さに沿って支持することにより、単一平面内における燃料棒の回動を防止する、スペーサの又はセルの構造は燃料棒の曲りを阻止するのに役立つ。
【００１９】
本発明においてＰＷＲのスペーサ５０が開示されていて、多くのダブレット（ｄｏｕｂｌｅｔ ）４０は、一つの実質的に平らでまっすぐなストリップ４２と、一つの実質的にまっすぐで波状部（ｕｎｄｕｌａｔｉｏｎ）を有するストリップ４６とから構成されている。各波状部４７は、隣接する燃料棒間に配置されたフローチャンネル４８を形成していて、多数の燃料棒が四つのそのようなチャンネルにより囲まれている。スペーサ５２内における燃料棒２０の配置を図１に示す。燃料棒は、二側面における平らでまっすぐなスペーサストリップ４２と、二つの波状部に形成されたフローチャンネルばねとにより所定位置に保持されていて、そのフローチャンネルばねの機能は米国特許第４７２６９２６号明細書に開示されたスペーサにおけるばねと同様なものであって、ここに参考として包含するものです。図２において燃料棒は、むしろセルの中心に配置されているというよりは、セル内に非対象的に配置されていて、加圧水型原子炉の１７×１７燃料アセンブリ用スペーサの、ガイドチューブと燃料棒とスペーサストリップとの配置を図２に示す。スペーサ内における対称性は、スペーサの四分区画各々における、外側のばねストリップ面と内側の平らなストリップ面とにより保たれている。ダブレットばねストリップは燃料棒の１７×１７アレイ用のスペーサの中心附近に備えられている。本発明は事実上いずれの他の燃料棒のアレイにも使用することができる。
【００２０】
本発明は従来技術を上廻るいくつかの利点を有している。ほぼすべての燃料棒間のまっすぐで実質的に平らなストリップは、対向側のスペーサに接続していて、その対向側のスペーサが、製作時におけるサイドプレートの膨らみを防止し、さらに照射中の曲りを軽減している。このことは燃料棒の位置を、まっすぐなストリップにより決定できるので、より正確なピッチとしている。このことは、従来技術の構造を上廻る改善である。なお従来技術の構造においては、燃料棒がスペーサセルの各側面に一つづつあるばね四つの間に保持されていて、さらに、セル内のすべてのばねが同一量で圧縮されないことから燃料棒同士のピッチは変わるかもしれない。しかしながら、従来技術の構造に比較して、本発明における燃料棒は、セルの二つの側面においてほぼスペーサの全長にわたって支持されていて、スペーサのまっすぐなスペーサストリップに接触している。従ってこのことが、燃料棒の回動を回避し、かつ照射中の燃料棒の曲りを軽減している。従来の構造を上廻るさらなる改善は、スペーサストリップにより形成されたフローチャンネル４８において特定の所定の方向を有する湾曲したノズル４９を備えることにより達成されていて、以下に詳述する。
【００２１】
本発明におけるノズル方向が図２及び３に示されていて、スペーサは“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、“Ｄ”で示す側面を有している。個々のダブレットのノズルすべては同一方向である。図３に示すように、スペーサ断面を左から右へ、矢印で示すような側面Ａの方向を向いたノズルを有する四つのダブレットがあり、側面Ｂの方向を向いたノズルを有する四つのダブレットと、側面Ａの方向を向いたノズルを有する四つのダブレットと、側面Ｃの方向を向いたノズルを有する四つのダブレットとが続いている。これと同一のパターンに、図におけるスペーサの側面Ｂと側面Ａとを接続するダブレットもなっている。ノズルをこれらの方向に向けることにより、燃料棒間の冷却材流れは、燃料棒のアレイ内において図４に示すような斜行的な方向となる。従来技術の構造において、冷却材流れは図５に示すように各制御棒の周囲を矢印で示す方向に循環する。図６Ａに示す従来技術と図６Ｂに示す本発明との間には大きな違いがある。両構造において、矢印で示すように二つの冷却材流れが、正方形配列となっている隣接する四本の燃料棒の間に形成されたフローチャンネル３０へ流入し、そして二つの冷却材流れは各フローチャンネル３０から流出する。従来技術の構造において、フローチャンネル内に、激しい乱れをもたらす対向流がある。図６Ｂに示す本発明において、フローチャンネル３０内におけるすべての冷却材は、同一方向に流れていて、燃料棒表面において乱れのないより効果的なストライピングの水膜をもたらしている。
【００２２】
アセンブリ内において、冷却材流れは図７に示すような矢印により表わされる方向となっている。冷却材はアセンブリの部分において対角方向に循環していて、全体的にほぼ円形のフローパターンとなっており、フローパターンの一例を図７における太実線の矢印で示す。図８はアセンブリ内におけるこれらの円形のフローパターンを示している。図示するように、多少の冷却材がアセンブリから流出し、従って隣接するアセンブリに流入しており、かつ同時に多少の冷却材が隣接するアセンブリから流入しているにちがいない。原子炉燃料アセンブリは、すべてが同一方向に対面するか、又は１８０°回転されるかのどちらかで炉心に配列されている。このようにして、隣接アセンブリ間の流れが確立される。しかしながら、隣接するアセンブリに対して９０°又は２７０°回転されたアセンブリは、冷却材の隣接するアセンブリに対する流出及び流入を妨げている。
【００２３】
燃料棒を横切る冷却材流れは横向きの力をもたらし、この力はバランスがとれていないとアセンブリにトルクとねじりを引きおこし、さらにフレッティング及びアセンブリの曲りをもたらしている。対角方向の冷却材流れによりもたらされた力ベクトルの調査は、本発明が正しくバランスのとれた力をもたらしていて、冷却材流れにより引き起されるトルクはないことを示している。このことが図９に示されている。
【００２４】
本発明は核沸騰限界における改善ももたらしている。従って本発明において、まっすぐなスペーサストリップを組み込んだスペーサは、フローノズルの方向にかかわらず、以下の利点的特徴を有していて：サイドプレートの過度な曲りなしにスペーサの包絡面を維持し、燃料棒の回動を防止し、従って燃料棒の真直度を維持し、燃料棒同士の正確なピッチを提供している。好適な実施例において、スペーサは耐蝕性のあるジルコニウム合金で作られている。
【００２５】
本発明を好適な実施例を参照して特定的に図示及び説明してきたけれど、本発明における精神及び範囲を逸脱することなく構造及び詳細における種々の変更が行なわれてもよいことは当業者において理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明における、スペーサのスペーサセル内での燃料棒を示す。
【図１Ａ】
図１Ａは、図１におけるスペーサセルの断面図−１を示す。
【図１Ｂ】
図１Ｂは、図１におけるスペーサセルの断面図−２を示す。
【図２】
図２は、本発明におけるＰＷＲの１７×１７アレイの燃料棒用スペーサの平面図を示していて、燃料棒位置とガイドチューブ用のより大きな開口部を示している。
【図３】
図３はノズル方向を示す。
【図４】
図４は、燃料棒間の冷却剤の方向を示していて、図３に示すノズル方向にほぼ対角線方向となっている。
【図５】
図５は、ガイドチューブと、燃料棒周囲の冷却材の流れとを示す。なお説明を明瞭にするために燃料棒は略した。
【図６】
図６Ａは、従来構造における燃料棒間の冷却材流れを示す。
図６Ｂは、本発明におけるスペーサセグメントの冷却材流れを示す。
【図７】
図７は、燃料アセンブリのスペーサ内における冷却材流れ方向を示す。
【図８】
図８は、燃料アセンブリ内における流れのセルを示す。
【図９】
図９は、流れの力ベクトルの実際の力のダイアグラムを示す。

Claims (3)

1. 原子炉燃料アセンブリの原子炉燃料棒用スペーサが：
   二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの複数セットを具備していて；
   二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの一方が実質的に平らであって、かつ二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップのもう一方がグリッド・ストリップの長手方向に沿って実質的に垂直に延在している波状部を有しており、冷却剤の旋回運動を発生するために該二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの間に管状流路が形成されていて；
   該二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの複数セットが多角形状セルの格子を形成するべくお互い交差して配列されており、該格子を通して該原子炉燃料棒が延在し、格子が該セル内に非対称的に位置決めされた原子炉燃料棒を支持している；ところの原子炉燃料棒用スペーサ。
2. 該実質的に垂直に延在している波状部の上部が、垂直に対して傾斜しているところの、請求項１に記載の原子炉燃料棒用スペーサ。
3. 加圧水型原子炉用の原子炉燃料アセンブリであって、該原子炉燃料アセンブリの底部に対して位置決めされた下部タイプレートと、原子炉燃料アセンブリの上部に対して位置決めされた上部プレートとの間に支持された複数の細長い原子炉燃料棒、及び原子炉燃料棒を位置決めしかつ保持している少なくとも一つのスペーサを有している原子炉燃料アセンブリにおいて：
   該スペーサが、二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの複数セットを具備していて；二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの一方が実質的に平らであって、かつ二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップのもう一方がグリッド・ストリップの長手方向に沿って実質的に垂直に延在している波状部を有しており、冷却剤の旋回運動を発生するために該二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの間に管状流路が形成されていて；該二つの水平に延在している実質的にまっすぐで平行なグリッド・ストリップの複数セットが多角形状セルの格子を形成するべくお互い交差して配列されており、該格子を通して該原子炉燃料棒が延在し、格子が該セル内に非対称的に位置決めされた原子炉燃料棒を支持している；
   ところの原子炉燃料アセンブリ。

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