JP2004522965A - 原子力発電所の原子炉用の燃料集合体 - Google Patents

Abstract

複数のスペーサ（１８）を貫通して導かれた多数の燃料棒（１６）を有する原子炉に採用するための燃料集合体は、通常、そのスペーサ（１８）に冷却材流に旋回衝撃を生じさせる手段（２６）を備えている。しかしその手段（２６）は、冷却材に対しできるだけ小さな流れ抵抗としなければならない。これは本発明に基づいて、その手段として冷却材流内に達する舌片（２６）が、スプーン又は水かき状の形状を有することで達成される。この形状の場合、舌片（２６）の実際上全断面が、薄い鋼板から成る舌片が既に十分な剛性を有する程に大きな断面二次モーメントを有している。本発明に基づいて形成された燃料集合体は、特に沸騰水形原子炉に採用するために適用される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のスペーサを貫通して導かれる多数の燃料棒を備え、これら燃料棒自体がその間に冷却材流に対する通路を形成し、少なくとも１つのスペーサが、冷却材流に旋回衝撃を生じさせる舌片を支持する、原子力発電所の原子炉用の燃料集合体に関する。
【０００２】
原子力発電所の原子炉では、核燃料物質を通常密閉した燃料棒内に配置している。該燃料棒は長さが数ｍ、直径が約１１ｍｍそして壁厚が約１ｍｍの被覆管を有する。各被覆管には、ほぼ全長にわたり、ペレット状に圧縮成形した核燃料物質が充填されている。原子炉の形式に応じ、通常約８０〜３００本の燃料棒が１つの燃料集合体に纏められる。
【０００３】
沸騰水形原子炉に採用すべく設計された燃料集合体は、所謂燃料集合体チャネルを備える。該チャネルは上下の方向に開き、燃料集合体構造物全体の横側を取り囲んでいる。燃料棒は燃料集合体チャネル内で、スペーサにより横側を接触支持されている。スペーサ自体は燃料集合体チャネルの壁の内側に接している。通常、燃料棒を置き得る位置の幾つかに、燃料棒に代わって冷却材管が装備されている。燃料棒自体が燃料集合体の全長にわたって延びる多数の冷却通路を形成している。スペーサがその冷却通路内に特別な流れ抵抗として存在することは避けられない。
【０００４】
かかる配置構造は欧州特許第０５１７７５０号明細書で公知である。この構造の場合、スペーサが舌片を支持している。舌片は、燃料棒で形成された冷却通路内に向けて、各冷却通路を貫流する冷却材流内に旋回を生ずるよう曲げられている。その旋回で強いられた冷却材流の垂直軸を中心とした回転運動は、一方で、特に燃料集合体の上部範囲で燃料棒を液状冷却材で良好に濡らし、他方で、隣接する冷却材流間で冷却材を交換させる働きをする。燃料集合体の上部範囲における十分な量の液状冷却材を保証するため、燃料集合体の上部範囲に導入される冷却材の一部は、冷却材管を経て直接その範囲に導かれる。この処置により、特に沸騰水形原子炉の場合、冷却材の大部分が既に蒸発している燃料集合体の上部範囲においても、燃料棒自体の表面をなお液状冷却材で濡らすことを保証できる。
【０００５】
燃料棒を案内し支持するスペーサは、これに支持された舌片と共に、通常、互いに約０．５ｍの間隔を隔てて設けられ、冷却材流に対し抵抗となる。この抵抗は、冷却材を搬送する循環ポンプのポンプ動力の少なからぬ部分を消費する。そのポンプ動力は、公知の原子炉の場合、数ＭＷの範囲にある。
【０００６】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の燃料集合体のための、僅かな流れ抵抗しか示さずそれでも冷却材流に十分強い旋回を発生させるスペーサを提供することにある。
【０００７】
この課題は、請求項１に記載の特徴事項により解決される。そのため、スペーサで支持された舌片は、長手及び横方向において湾曲され、スプーン又は水かき状の形状を持つ。
【０００８】
本発明は、複数のスペーサを貫通して導かれる多数の燃料棒を有する原子炉で採用するための燃料集合体において、スペーサに設けられた冷却材流に旋回衝撃を与えるための手段が、その形状に伴い実際上全横断面において、薄鋼板から成る単純な舌片であっても既に十分な剛性を有する程の大きな断面二次モーメントが与えられているとき、冷却材に対し非常に小さな流れ抵抗しか示さないという考えから出発している。
【０００９】
驚くべきことに、その舌片の正にスプーン又は水かき状の形状が、２つの観点から、スペーサの流れ抵抗の減少を可能にしている。即ちこの形状は、一方では舌片の大きな剛性に基づき、スペーサ全体に薄い母材を採用することを可能にし、他方でこの形状が、冷却材流中のタービン翼におけるように、舌片自体の最良の効率を可能にしている。
【００１０】
特に目的に適った最良の処置は、舌片の形状が、スペーサ内に位置する舌片脚部迄続いていることにある。その場合、舌片の断面二次モーメントは、舌片のスペーサからの出発範囲において最大となっている。
【００１１】
本発明の有利な実施態様では、舌片のスプーン又は水かき状形状の断面二次モーメントを設定すべく、舌片の製造時に利用する材料が、複数の方向に延伸および／又は圧縮される。そのため、一方では舌片の幅が、その自由端で、好適には舌片脚部の幅の半分にされる。他方では舌片の自由長が、舌片脚部の幅の略２倍にされる。舌片とこれを支持するスペーサの帯板は、一体部品にするとよい。その場合、舌片の形状はその自由長の０．１〜１．０倍だけスペーサ内に続く。また目的に沿って、舌片の長手軸線の方向においてその脚部の下側に開口が設けられる。この開口を経て、舌片を支持する帯板により分離されたスペーサの格子目が互いに連通する。
【００１２】
舌片は、これを支持する帯板の平面から４５°迄、冷却材流の通路内に曲げ込まれ、その結果、冷却材流は舌片の凹面側に衝突する。その際舌片の長手軸線は、他方の帯板との隣接する交点の側で、帯板の長手縁と鋭角を成する。
【００１３】
交差する２つの帯板は、各々交点の両側で各１つの舌片を支持する。その際、同一交点に隣接する全ての舌片は冷却材流に同様に作用し、互いに隣接する交点の舌片は互いに逆向きの旋回衝撃を発生する。舌片は、好適には、スペーサの帯板によってその冷却材が流出する側に支持される。その帯板は、各１つの燃料棒を包囲し、その長手側で相互に結合したスリーブにより形成される。
【００１４】
本発明に伴う利点は、特に舌片の大きな固有剛性に伴い、舌片に対し従来通常の約０．４ｍｍ厚の鋼板に代わって、例えば０．２ｍｍの薄い鋼板を利用でき、この薄鋼板の利用と舌片の最適な形状とを組み合わせて、循環ポンプの必要な駆動動力を数％減少し、それに応じて原子炉の効率を高められることにある。
【００１５】
以下、図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１６】
各図において、同一部分には同一符号が付してある。
【００１７】
燃料集合体２と制御棒３を備えた沸騰水形原子炉は、圧力容器１内に配置されている。制御棒３は、燃料集合体２間の中間室内に下から出し入れでき、炉心内の中性子束を制御する。燃料集合体２と制御棒３は、炉心を下から上に貫流する冷却材Ｋとしての水で冷却される。この水は中性子束の減速材としても使われる。中性子は、これに伴い核燃料物質の原子で捕獲される速度範囲に減速される。
【００１８】
冷却材Ｋは、その流れの途中で燃料集合体２で加熱され、部分的に蒸発する。その際に発生した生蒸気は、生蒸気管４を経て蒸気タービン５に導入される。蒸気タービン５は発電機６を駆動する。蒸気タービン５から流出する仕事済み蒸気は、復水器７で凝縮して復水となり、該復水は給水ポンプ８により給水管９を経て、圧力容器１の上部に戻される。
【００１９】
燃料集合体２に沿って流れる間に未蒸発の冷却材Ｋは、炉心を包囲する環状通路（図示せず）を経て下向きに流れ、冷却材ポンプ１０で炉心の下側空間に搬送される。ポンプ１０は、近年の原子炉では、圧力容器１の内部の環状通路内に直接配置されている。
【００２０】
図２は、燃料集合体２を詳しく示す。燃料集合体脚部１１は燃料集合体２をはめ合い具１２で下部炉心支持板（図示せず）上に位置づけ、冷却材Ｋの入口開口１３、１４を有している。燃料集合体チャネル１５は、燃料棒１６から成る燃料束をその全長にわたり包囲し、下端を燃料集合体脚部１１上に接触支持し、上端で燃料集合体頭部を支えている。燃料集合体チャネル１５からハンドル１７だけが上に突出している。長さが約４．５ｍ、太さが約１１ｍｍの燃料棒１６は、ペレット状の核燃料物質で充填されている。燃料棒１６から成る燃料棒束を安定して案内するため、スペーサ１８を備える。該スペーサ１８自体は、燃料集合体チャネル１５に内側で横から接触支持されている。一般に等間隔に配置された例えば１０個のスペーサで、燃料棒１６がまとめられている。燃料棒を置き得る位置の幾つかに、燃料棒１６に代えて保持棒１９が装備され、該棒１９は、燃料集合体２において燃料集合体脚部１１と燃料集合体頭部との間に生ずる引張り力を受ける。
【００２１】
図２に示すスペーサ１８の外被は、図３および図４に一部を示す帯板２１、２２から成る格子を含む。これら帯板２１、２２は、一方の帯板２１には下向きに開いた組立スリット２２、他方の帯板２１には上向きに開いた組立スリット２３が設けられた点だけで異なっている。図示の実施例の場合、互いに平行に延びる９枚の第１帯板２０が、同様に互いに平行に延び、第１帯板２０に対し直角に配置された９枚の第２帯板２１の組立スリット２３内に上から、第１帯板２０自体がその組立スリット２２で帯板２１の下側半部に接するよう、櫛状にかみ合っている。かくして得られた格子は断面正方形の格子目を形成し、各格子目は、燃料棒１６又は保持棒１９を収容し、図示しない方式で、剛性支持手段と弾性支持手段により中心に置かれる。帯板２０、２１から成る格子で案内される燃料棒１６と保持棒１９で、断面十字形の冷却通路が形成されている。帯板２０、２１の交点は、そのような断面十字形冷却通路の中心に位置している。
【００２２】
両帯板２０、２１は、それらの上縁２４、２５で舌片２６を支持している。該舌片２６はその幅の約２倍の長さを有し、紙面から４５°迄曲げ起こされ又は曲げ込まれている。舌片２６の長手軸線は、舌片２６を支持する帯板上縁２４、２５における帯板２０、２１の交点に隣接する部分と鋭角を成す。舌片２６はその自由端が小さな幅を有し、好適にはその脚部２６ａの半分の幅しかない（図５参照）。この場合、同一の帯板２０又は２１において、両帯板の各々同一交点内で作用する両舌片２６は互いに逆向きに曲げられ、そして格子内の各々同じ格子目で作用する両舌片２６は互いに同一方向に曲げられている。かくして、帯板２０、２１で形成された格子を平面的に見て、各交点に全部で４つの舌片が時計ないし反時計方向に曲げられて存在することになる。その際、各々互いに隣接する交点で逆向きの曲げ方向が生じる。この結果互いに隣接する交点の舌片は、そこを通過する冷却材流に互いに逆向きの旋回衝撃を発生させる。
【００２３】
各帯板２０、２１は、少なくとも各舌片２６の下側に開口２７を有する。これら開口２７は、各々帯板２０、２１で形成された格子の互いに隣接する格子目を相互に連通する。これら開口２７は、燃料棒２６に対しほぼ平行に向いた冷却材流に横流れ成分が生じることを可能にし、これに伴い、舌片２６の残留流れ抵抗作用を減らす。
【００２４】
図５〜８に示す如く、舌片２６は、帯板２０、２１の平面からの変位距離と無関係に、縦及び横方向に湾曲している。従って舌片２６は、スプーンや水かきの形をし、その成形時、複数の方向に延伸および／又は圧縮される。この形状に伴い、舌片２６の長手軸線に対し平行な断面並びに舌片２６の長手軸線に対し直角な断面の断面二次モーメントは、定格運転中に生ずる力が舌片２６を変形できず、全体としてどんな方向にも顕著に変形できない程の大きさにされている。この結果、舌片２６の凹面側に冷却材流により与えられる力で、帯板２０、２１が舌片２６と同じく厚さが僅か０．２ｍｍの鋼板から一体部品として形成されている際にも、舌片２６を顕著な振幅で振動させることはない。この利点は、スプーン又は水かきの形状を舌片２６の長さの０．５倍又は１．０倍だけ帯板２０、２１内に延長することで、一層増長される。その際舌片２６の断面二次モーメントは、舌片２６を帯板２０、２１に取り付けた帯板上縁２４、２５の高さの範囲で最大となる。
【００２５】
スペーサ１８で利用する格子は、互いに直角に交差する帯板２０、２１から構成する代わりに、断面円形のスリーブから構成してもよい。その際、各格子目は各々１つのスリーブを必要とし、上述した格子の代わりに、各スリーブが４つの舌片２６を支持する。
【００２６】
本発明は加圧水形原子炉にも、燃料集合体チャネルを持たない燃料集合体に対し利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】蒸気タービンと発電機と復水器とを備えた沸騰水形原子炉の概略系統図。
【図２】燃料集合体の一部断面側面図。
【図３】燃料集合体におけるスペーサの一方の帯板の一部実寸側面図。
【図４】燃料集合体におけるスペーサの他方の帯板の一部実寸側面図。
【図５】舌片付き帯板の一部拡大斜視図。
【図６】図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図。
【図７】図５におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面図。
【図８】図５におけるＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った断面図。
【符号の説明】
【００２８】
２ 燃料集合体、１６ 燃料棒、１８ スペーサ、２０、２１ 帯板、２６ 舌片、
２７ 開口、Ｋ 冷却材流

Claims (16)

1. 複数のスペーサ（１８）を貫通して導かれた多数の燃料棒（１６）を備え、これら燃料棒（１６）自体がその間に冷却材流（Ｋ）に対する通路を形成し、少なくとも１つのスペーサ（１８）が、冷却材流（Ｋ）に旋回衝撃を生じさせる舌片（２６）を支持する原子力発電所の原子炉用の燃料集合体において、舌片（２６）が、長手及び横方向に湾曲され、スプーン又は水かき状の形状を有することを特徴とする集合体。
2. 前記舌片（２６）の湾曲形状が、スペーサ（１８）内に位置する舌片脚部（２６ａ）迄続くことを特徴とする請求項１記載の集合体。
3. 舌片（２６）の断面二次モーメントが、舌片（２６）のスペーサ（１８）からの出発範囲で最大であることを特徴とする請求項１又は２記載の集合体。
4. 舌片（２６）のスプーン又は水かき状形状の断面二次モーメントを設定するため、羽根（２６）の製造時に利用される材料が、複数の方向に延伸および／又は圧縮されることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の集合体。
5. 舌片（２６）の幅がその自由端において小さく、好適には舌片脚部（２６ａ）の幅の半分であることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の集合体。
6. 舌片（２６）の自由長が、舌片脚部（２６ａ）の幅のほぼ２倍であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の集合体。
7. 舌片（２６）と該舌片（２６）を支持するスペーサ（１８）の帯板（２０、２１）が一体部品であることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の集合体。
8. 舌片（２６）の形状が、その自由長の０．１〜１．０倍だけスペーサ（１８）の中に続くことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の集合体。
9. 舌片（２６）の長手軸線の方向において、その脚部（２６ａ）の下側に開口（２７）が設けられ、この開口（２７）を経て、舌片（２６）を支持する帯板（２０、２１）によって分離されたスペーサ（１８）における格子目が互いに連通することを特徴とする請求項１から８の１つに記載の集合体。
10. 舌片（２６）がこれを支持する帯板（２０、２１）の平面から４５°迄、冷却材流（Ｋ）の通路の中に曲げ入れられ、冷却材流（Ｋ）が舌片（２６）の凹面側に衝突することを特徴とする請求項１から９の１つに記載の集合体。
11. 舌片（２６）の長手軸線が、他方の帯板（２０、２１）との隣接する交点の側で、帯板（２０、２１）の長手縁（２４、２５）と鋭角を成すことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の集合体。
12. 交差する２つの帯板（２０、２１）が、各々その交点の両側に各１つの舌片（２６）を支持することを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の集合体。
13. 同一交点に隣接する全ての舌片（２６）が、冷却材流に同じように作用することを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の集合体。
14. 互いに隣接する交点の舌片（２６）が、互いに逆向きの旋回衝撃を発生することを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の集合体。
15. 舌片（２６）が、スペーサ（１８）の帯板（２０、２１）によって、冷却材（Ｋ）が流出する側に支持されたことを特徴とする請求項１から１４の１つに記載の集合体。
16. 帯板（２０、２１）が、各々１つの燃料棒（１６）を包囲し、その長手側で相互に結合されたスリーブで形成されたことを特徴とする請求項１から１５の１つに記載の集合体。