JP2006292755A - ４点接触構造のスペーサ・グリッド - Google Patents

Abstract

【課題】４点接触グリッドを提供する。
【解決手段】４点接触グリッドは第１ストラップ群及び第２ストラップ群を含む複数の細長い、ほぼ扁平なストラップを含み、それぞれのストラップは複数のセル部分６０を有する。ストラップは第１群と第２群に分けられる。第１ストラップ群と第２ストラップ群は互いに平行に間隔を保って配置される。第１ストラップ群と第２ストラップ群が互いに連結されて複数のほぼ正方形のセルを形成する。それぞれのストラップ・セル部分６０は少なくとも１つの突出部７０、７２を有する。それぞれのストラップ・セル部分６０はそれぞれのセル内へ突出する単一の突出部７０、７２を有する。それぞれの突出部７０、７２は細長いばね７８または細長いディンプル７９である。即ち、燃料棒はそれぞれのセルにおいて４つの突出部７０、７２とだけ接触する。
【選択図】図４

Description

本発明は原子炉用燃料集合体に係わり、特に、それぞれが燃料棒と係合するように構成された４つの点を有するセルを画定する格子状パターンに配置された複数のストラップから成る燃料棒支持アレイに係わる。

公知技術の説明

典型的な加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉心はほぼ垂直に延びる多数の細長い燃料集合体から成る。燃料集合体は複数の燃料棒を支持するように構成されたフレーム集合体を含む。燃料集合体は上部ノズル、下部ノズル、複数のスペーサ・グリッド、中間冷却材混合グリッド、及び複数のシンブル管を含む。グリッドは上部及び下部ノズル間に垂直に延設された複数の細長いシンブル管に取付けられている。多くの場合、シンブル管には制御棒、栓装置、または計装手段が収容される。燃料棒は典型的には円筒状金属管で被覆された原子燃料を含む。一般的に、水は下部ノズルから流入して燃料集合体中を垂直上方へ流動する。燃料棒に沿って流動すると水が加熱され、極めて高い温度で上部ノズルから排出される。

グリッドは燃料棒を炉心内に位置決めし、燃料棒が振動しないように、横方向に支持し、垂直方向についてもある程度、燃料棒の移動を抑制するのに利用される。スペーサ・グリッドは通常、軸方向にほぼ２０インチの間隔で順次配置されて燃料棒を機械的に支持する。ＰＷＲに共通の問題点は冷却材の流動に伴う燃料棒/支持システムの振動である。この現象はグリッドと燃料棒との間のフレッチング腐食となって顕在化するが、最終的に燃料棒の被覆の損傷及び原子燃料物質の冷却材中への漏洩を惹き起こす可能性がある。公知のグリッドの１例として、複数のストラップを噛合わせることによって複数のほぼ正方形のセルを有する卵梱包箱のような構造を形成し、それぞれのセルに燃料棒が挿通されるようにしたグリッドがある。シンブル管はその形状に応じて、燃料棒が挿通されるのと同じサイズのセルに挿通するか、または噛合わせたストラップに画定される比較的大きいシンブル・セルに挿通すればよい。

ストラップはほぼ扁平な、細長い部材であり、比較的可撓性の複数のばねと、比較的剛性の複数のディンプルとがこの扁平部材の両面から垂直方向に突出している。スロットを利用して隣接するストラップ同士を噛合わせることによって、ほぼ正方形のセルを形成する“垂直”及び“水平”ストラップから成るグリッドを形成する。典型的には、２つの隣接する辺のそれぞれにばねが存在するようにばねとディンプルとを配置し、セルの、ばねとは反対の側のそれぞれに２つのディンプルが存在するようにする。燃料棒がばねによってディンプルに対して偏倚させられるように、ばねをアーチと対向させねばならない。それぞれのセルのばね及びディンプルが、セルを貫通する各燃料棒と係合することによって燃料棒をそれぞれのセルの６つの点（２つのばねと４つのディンプル）で支持する。それぞれのばね及び/またはディンプルは燃料棒とほぼ同じ半径を有するアーチ形の凹曲プラットホームを含むことが好ましい。この凹曲プラットホームは燃料棒の両側面に半径方向荷重が配分されるのを助ける。周りのストラップの一方の側からばねまたはディンプルが突出してグリッドの内側ストラップを囲むことによってグリッドに強度と剛度を付与する。スペーサ・グリッドの他の役割はグリッドを通過する冷却材を乱流混合することにある。混合はグリッドに設けた、例えば、混合羽根のような装置によって行われる。混合装置によって行われる混合が燃料棒からの熱伝達を促進する。

“混合”グリッドは上方領域における支持専用のスペーサ・グリッドの間に介在する。混合専用のグリッドは必ずしも燃料棒と接触しなくてもよい。中間冷却材混合グリッドと呼称されるこれらのグリッドは支持専用グリッド間の自由空間を２０インチから約１０インチに狭めることによって燃料棒からの冷却材の混合効果（即ち、熱伝達）を増大させる。中間冷却材混合グリッドは多くの場合、ディンプルと同様の４つの非共面支持アーチを有し、これらのアーチは、燃料棒が新しい時点で燃料棒との間に所定の間隙を保つように寸法設定されている。即ち、一方の平面に２つのアーチ、他方の平面に２つのアーチが存在することになる。

公知の支持専用グリッド及び中間冷却材混合グリッドの構成には幾つかの欠点がある。例えば、支持専用グリッドと中間冷却材混合用グリッドはそれぞれ設計が異なるから、それぞれのタイプ毎に個々の部品を製造しなければならない。両タイプのグリッドが共通の部品を利用できなければコスト軽減は不可能である。また、支持専用グリッドでは６つの突出部、即ち、６つの燃料棒接触エレメントが冷却材の流路内へ突出している。これらの突出部は望ましくない圧力損失の原因となる。さらにまた、中間冷却材混合グリッドにおける２つの
共面アーチは両方向への移動を妨げるように作用するだけである。

したがって、本発明の目的は、冷却材流路へ突出する突出部の数が少ない支持専用グリッド及び中間冷却材混合専用グリッドを提供することにある。

本発明の他の目的は、同じタイプのストラップから形成される支持専用グリッド及び中間冷却材混合専用グリッドを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、細長い燃料棒接触面を有することによって接触圧を軽減できる支持専用グリッド及び中間冷却材混合専用グリッドを提供することにある。

発明の概要

上記及びその他の目的は、支持専用グリッドまたは中間冷却材混合専用グリッドに使用することができ、細長い燃料棒接触面を有する４点接触構造のストラップを提供する本発明によって達成される。ストラップはほぼ正方形のセルを形成するように構成されている。セル内では、２つの細長いばねと２つの細長いディンプルは非共面関係にある。即ち、それぞれのセルにおいて、燃料棒は４つの点と接触する。それぞれのセル内へ突出する突出部は公知技術において見られたような６つではなく４つだけであるから、圧力損失が軽減される。このことは支持専用グリッドの高さを縮小することをも可能にし、ひいては、冷却材が短い距離に亘って支持専用グリッドと接触するから圧力損失を軽減することになる。また、接触点が４つだけであるから、腐食による磨耗が軽減される。さらに、ばね及びディンプルが細長いから、燃料棒に加わる接触圧が軽減され、公知の支持専用グリッドの場合とほぼ同じ力で燃料棒と接触するにもかかわらず、腐食を軽減することができる。このようなストラップで組立てられたグリッドは支持専用グリッドとしても中間冷却材混合専用グリッドとしても使用することができる。

公知技術の場合と同様に、ストラップは上縁または下縁から延びる一連の噛合わせ溝を有するほぼ扁平な、細長い部材である。公知のように、噛合わせ溝はストラップを噛合わせてほぼ正方形のセルの形成を可能にする。ストラップの、２本の噛合わせ溝の間に位置する部分をここでは“ストラップ・セル部分”と呼称する。即ち、ストラップはそれぞれの側縁において連結された複数のストラップ・セル部分を含む。それぞれのストラップ・セル部分は第１面、第１面とは反対の側に位置する第２面、上方部分及び下方部分を含む。それぞれの上方部分及び下方部分から突出部が突出している。突出部は細長いばねか、または細長いディンプルである。ストラップ・セル部分の上方部分及び下方部分の突出部はそれぞれ互いに反対の面から突出する。即ち、例えば、もし上方部分突出部が第１面から突出しているなら、下方部分突出部は第２面から突出している。それぞれのセル部分にそれぞれのタイプの突出部が１つずつ、即ち、１つの細長いばねと１つの細長いディンプルが存在することが好ましい。

図１に示すように、原子炉用の燃料集合体２０は底部に入口を、頂部に出口を有する（図示しない）水槽内に配置される。燃料集合体２０は（図示しない）原子炉炉心に設けた（図示しない)下方炉心板上に燃料集合体２０を支持するための下端構造または下部ノズル２２と；下部ノズル２２から上方へ突出する多数の縦方向に延びる制御棒案内管または案内シンブル２４と；案内シンブル２４に沿って軸方向に順次間隔を保って配置された複数の横方向に広がる支持専用グリッド２６と；横方向に間隔を保ち、グリッド２６によって支持される規則的に配列された細長い燃料棒３０と；公知の態様で案内シンブル２４の上端に取付けられた上端構造または上部ノズル３２から成って、集合体構成成分を損傷することなく従来通りに扱うことができる一体的な集合体を形成する。下部ノズル２２及び上部ノズル３２はそれぞれ（図示しない）端板を有し、端板には、冷却材、例えば、冷却水を縦方向に燃料棒２８に沿って上方へ流動させ、燃料棒２８から熱エネルギーを吸収させるための(図示しない）開口が形成されている。燃料棒２８を通過中の冷却材の混合を促進するため、１対の支持専用グリッド２６の間に少なくとも１つの混合羽根グリッド構造または中間冷却材混合専用グリッド３４を介在させ、案内シンブル２４に取付ける。

上部ノズル３２は（図示しない）横方向に広がるアダプタプレートを含み、アダプタプレートの周縁に直立側壁を固定することによってエンクロージャーまたはハウジングを画定している。側壁の頂部に（図示しない）環状フランジを固定し、このフランジに（図１に１つだけ示す）板ばね３６を適当にクランプし、公知の態様で（図示しない）上方炉心板と協働させることによって燃料集合体が冷却材の上向きの流動に伴って持上げられるのを防止する一方、炉心の熱膨張などで燃料集合体の長さに変化が起こるのを許容する。上部ノズル３２の側壁によって画定される開口内に、公知の態様で制御棒が制御棒案内シンブル２４内を上下動できるように公知の棒クラスタ制御集合体３８を設けてある。燃料集合体２０を形成するため、支持専用グリッド２６及び中間冷却材混合グリッド３４を、軸方向に所定の間隔を置いて案内シンブル２４に取付ける。下部ノズル２２を案内シンブル２４の下端に適当に取付け、次いで、上部ノズル３２を案内シンブル２４の上端に取付ける。燃料棒２８は一定の直径を有する細長い円筒体である。燃料集合体２０の詳細については、米国特許第４，０６１，５３６号明細書を参照されたい。

図示の燃料集合体２０は燃料棒２８を正方形に配列し、燃料棒配列内に制御棒案内シンブル２４を効率的に配置したタイプのものである。下部ノズル２２、上部ノズル３２、及び支持専用グリッド２６もほぼ正方形の断面形状を呈する。図示した特定の燃料集合体２０は飽くまでも説明の便宜上選んだものであり、ノズルまたはグリッドの形状も、燃料棒２８及び案内シンブル２４の数及び構成も本発明を制限するものではなく、本発明は図示例とは異なる形状、構成、配列にも適用できる。

図２及び３に示すように、支持専用グリッド２６及び中間冷却材混合専用グリッド３４は、ほぼ正方形の４点接触グリッド５０とほぼ同じように構成することができる。４点接触グリッド５０は、例えば、図３に示すような複数（５１）のほぼ扁平な、細長いストラップ５２から形成される。ストラップ５２は上縁または下縁を起点として延びる複数の連結溝５４を含む。公知のように、下縁を起点として延びる溝５４を有するストラップ５２が互いに平行な関係で間隔を保って配置されている（図２）。上縁を起点として延びる溝５４を有する第１群５８のストラップ５２は互いに平行な関係で間隔を保って配置され、下縁を起点として延びる溝５４を有する第２群５９のストラップ５２に対してほぼ直交関係にある。この構成において、第１及び第２群５８、５９のストラップ５２における溝５２は互いに係合することによってほぼ正方形のセル５６を有する４点接触グリッド５０を形成するように構成されている。ストラップ５２の、２つの溝５４の間の、または溝５４とストラップ５２の端部との間の領域をストラップ・セル部分６０として定義することができる。

それぞれのストラップ・セル部分６０はほぼ同じであり、単一のストラップ・セル部分６０を図４−６に示す。この単一ストラップ・セル部分６０の説明はすべてのストラップ・セル部分６０にほぼ適用できる。しかし、詳しくは後述するように、図４−６に示すストラップ・セル部分６０は上方部分６６に細長いばね７８を、下方部分６８に細長いディンプル７９を有することに留意されたい。細長いばね７８及び細長いディンプル７９の位置は図４−６の場合と逆であってもよい。ストラップ・セル部分６０は第１面６２、第１面６２とは反対側の第２面６４、上方部分、及び下方部分６８を有する本体６１を含む。ストラップ・セル部分６０の側縁には溝５４が形成されている。図４−６に示すように、溝５４はストラップ・セル部分６０の下縁を起点とし、上方部分６６に向かって延びる。上述したように、溝５４はストラップ・セル部分６０の上縁を起点として下方部分６８に向かって伸びていてもよい。上方部分６６には、第１面６２から突出する第１突出部７０が、下方部分６８には、第２面６４から突出する第２突出部７２が存在する。４点接触グリッド５０の周縁に使用されるストラップ５２は外側に突出部７０、７２を持たないが、内方へ突出する少なくとも１つの突出部７１を有する。突出部７０、７２は本体６１から打抜くことによって上方部分６６に上方開口７４を、下方部分６８に下方開口７６をそれぞれ形成することが好ましい。突出部７０、７２は、詳しくは後述するように、細長いばね７８でもよいし、細長いディンプル７９でもよい。図示のように、第１突出部７０はストラップ・セル部分６０の上方部分６６に位置し、第２突出部７２はストラップ・セル部分６０の下方部分６８に位置する。例えば、羽根８２のような混合装置８０をストラップ・セル部分６０の上縁に配置することができる。

細長いばね７８は頂部に凹曲溝９２を有するほぼアーチ形の部材９０である。アーチ形部材９０は垂直方向に細長く、約０．２乃至０．５インチ、より好ましくは約０．３インチの高さを有する。ばねの溝９２はアーチ形部材９０の全長に沿って延びている。ばねの溝９２は約０．０２乃至０．０８インチ、より好ましくは約０．０４インチの幅を有する。ばねの溝９２は燃料棒２８とほぼ同じ曲率を有し、燃料棒２８と係合するように構成されている。細長いばね７８が配置される上方開口７４は細長いばね７８の両側の一部に沿って延びる垂直方向の切り欠き９４を含む。即ち、アーチ形部材９０は側縁全長に沿って本体６１に連結されているのではない。切り欠き９４はアーチ形部材９０が本体６１に対して撓んでばねのように作用する。即ち、ほそながいばね７８は約０．０乃至２．５psi、より好ましくは約０．８psiの圧力を加えるように構成されている。

細長いディンプル７９は頂部に凹曲溝１０２を有するほぼアーチ形の部材１００である。ディンプルのアーチ形部材１００は垂直方向にほそながく、約０．２乃至０．５インチ、より好ましくは約０．３インチの高さを有する。ディンプルの溝１０２はディンプルのアーチ本体９０の全高に沿って延びる。ディンプルの溝１０２は約０．０２乃至０．０８インチ、より好ましくは約０．０４インチの幅を有する。ディンプルの溝１０２は燃料棒２８とほぼ同じ曲率を有し、燃料棒２８と係合するように構成されている。実質的に、ディンプルのアーチ形部材１００の側縁は全長に亘って本体６１に連結されている。従って、ディンプルのアーチ形部材１００は殆ど非可撓性である。

ストラップ５２を噛合わせてほぼ正方形のセル５６を有する４点接触グリッドを組立てると、それぞれの細長いばね７８または細長いディンプル７９が個々のセル内へ突出する。個々のセル部分における細長いばね７８及び細長いディンプル７９は隣接セル内へ突出する。ほぼ正方形のセル５６を形成する個々のストラップ・セル部分６０から突出する突出部７０、７２は１つだけであるから、個々のセル５６には４つだけの接触点が存在する。また、上述したように、セル５６におけるすべての突出部７０，７２は共面関係にある。即ち、個々のセル５６におけるすべての突出部７０、７２が上方部分６６に位置するか、または下方部分６８に存在する。突出部７０、７２は細長いばね７８が細長い７９と対向するように構成する。

本発明の特定の実施態様を以上に詳述したが、開示内容に照らして当業者なら細部に種々の変更を試みることができるであろう。従って、ここに開示する具体例は飽くまでも説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するためのものではなく、本発明の範囲は後記の請求項全体及びその等価物によって定義される。

従来の原子燃料集合体の立面図である。 支持専用グリッドの俯瞰図である。 ストラップの斜視図である。 ストラップ・セル部分の斜視図である。 ストラップ・セル部分の正面図である。 ストラップ・セル部分の側面図である。

符号の説明

２０ 燃料集合体
２２ 下部ノズル
２４ 案内シンブル
２６ 複数の横方向に広がる支持専用グリッド
２８ 燃料棒
３０ 計測管
３２ 上部ノズル
３４ 中間冷却材混合専用グリッド
３６ 板ばね
３８ 棒クラスタ制御集合体
５０ ４点接触グリッド
５１ 複数の扁平な、細長いストラップ
５２ ストラップ
５４ 連結溝
５６ 正方形セル
５８ 第１ストラップ群
５９ 第２ストラップ群
６０ ストラップ・セル部分
６１ ストラップ・セル部分本体
６２ 本体第１面
６４ 本体第２面
６６ 本体上方部分
６８ 本体下方部分
７０ 上方部分の第１突出部
７１ 突出部
７２ 下方部分第２突出部
７４ 上方開口
７６ 下方開口
７８ 細長いばね
７９ 細長いディンプル
８０ 混合装置
８２ 羽根
９０ アーチ形部材
９２ アーチ形部材の凹曲溝
９４ 垂直方向の切り欠き
１００ アーチ形部材
１０２ 凹曲溝

Claims (20)

1. １つの直径を有する少なくとも１つのほぼ円筒状の燃料棒を備えた原子燃料集合体のための４点接触グリッドにおいて、前記４点接触グリッドが
   それぞれが複数のセル部分を有する第１ストラップ群及び第２ストラップ群を含む複数の細長い、ほぼ扁平なストラップを含み；
   前記第１ストラップ群が互いに平行に間隔を保って配置され；
   前記第２ストラップ群が前記第１ストラップ群とほぼ直交する方向に互いに間隔を保って配置され、前記第１ストラップ群に連結されて複数の正方形セルを形成し；
   それぞれのストラップ・セル部分が少なくとも１つの突出部を有し；
   それぞれの前記ストラップ・セル部分がそれぞれのセル内へ突出する単一の突出部を有し；
   それぞれの前記突出部が細長いばねまたは細長いディンプルであり；
   それぞれの前記燃料棒がそれぞれのセルにおいて４つの突出部とのみ接触することを特徴とする前記４点接触グリッド。
2. それぞれの細長いばねが前記セルの、細長いディンプルとは反対の側に位置することを特徴とする請求項１に記載の４点接触グリッド。
3. それぞれの燃料棒に対して約０．０psi乃至２．５psiの圧力を加えるようにそれぞれの細長いばねを構成したことを特徴とする請求項２に記載の４点接触グリッド。
4. それぞれの細長いばねが約０．２乃至０．５インチの長さを有することを特徴とする請求項３に記載の４点接触グリッド。
5. それぞれの細長いばねが約０．３インチの長さを有することを特徴とする請求項４に記載の４点接触グリッド。
6. それぞれの細長いばねがその頂部に凹曲溝を有するほぼアーチ形の部材を含み；
   前記溝が前記アーチ形部材の高さに対応する長さを有し、前記燃料棒と交合するような形状を有することを特徴とする請求項４に記載の４点接触グリッド。
7. それぞれの細長いディンプルが約０．２乃至０．５インチの長さを有することを特徴とする請求項３に記載の４点接触グリッド。
8. それぞれの細長いディンプルが約０．３インチの長さを有することを特徴とする請求項７に記載の４点接触グリッド。
9. それぞれの細長いディンプルがその頂部に凹曲溝を有するほぼアーチ形の部材を含み；
   前記溝が前記アーチ形部材の高さに対応する長さを有し、前記燃料棒と係合するような形状を有することを特徴とする請求項７に記載の４点接触グリッド。
10. １つの直径を有する少なくとも１本の燃料棒を囲むように形成された原子炉用燃料集合体において、前記燃料集合体が
    下部ノズルと；
    前記下部ノズルから上方へ突出する複数の細長い案内シンブルと；
    案内シンブルに沿って軸方向に順次間隔を保つて配置された複数の４点接触グリッドから成り、前記４点接触グリッドが支持グリッド及び中間冷却材混合グリッドとして作用することを特徴とする前記原子炉用燃料集合体。
11. 前記４点接触グリッドが
    それぞれが複数のセル部分を有する第１ストラップ群及び第２ストラップ群を含む複数の細長い、ほぼ扁平なストラップを含み；
    前記第１ストラップ群が互いに平行に間隔を保って配置され；
    前記第２ストラップ群が前記第１ストラップ群とほぼ直交する方向に互いに間隔を保って配置され、前記第１ストラップ群に連結されて複数の正方形セルを形成し；
    それぞれのストラップ・セル部分が少なくとも１つの突出部を有し；
    それぞれの前記ストラップ・セル部分がそれぞれのセル内へ突出する単一の突出部を有し；
    それぞれの前記突出部が細長いばねまたは細長いディンプルであり；
    それぞれの前記燃料棒がそれぞれのセルにおいて４つの突出部とのみ接触することを特徴とする請求項１０に記載の原子炉用燃料集合体。
12. それぞれの細長いばねが前記セルの、細長いディンプルとは反対の側に位置することを特徴とする請求項１１に記載の原子炉用燃料集合体。
13. それぞれの燃料棒に対して約０．０psi乃至２．５psiの圧力を加えるようにそれぞれの細長いばねを構成したことを特徴とする請求項１２に記載の原子炉用燃料集合体。
14. それぞれの細長いばねが約０．２乃至０．５インチの長さを有することを特徴とする請求項１３に記載の原子炉用燃料集合体。
15. それぞれの細長いばねが約０．３インチの長さを有することを特徴とする請求項１４に記載の原子炉用燃料集合体。
16. それぞれの細長いばねがその頂部に凹曲溝を有するほぼアーチ形の部材を含み；
    前記溝が前記アーチ形部材の高さに対応する長さを有し、前記燃料棒と交合するような形状を有することを特徴とする請求項１４に記載の原子炉用燃料集合体。
17. それぞれの細長いディンプルが約０．２乃至０．５インチの長さを有することを特徴とする請求項１３に記載の原子炉用燃料集合体。
18. それぞれの細長いディンプルが約０．３インチの長さを有することを特徴とする請求項１７に記載の原子炉用燃料集合体。
19. それぞれの細長いディンプルがその頂部に凹曲溝を有するほぼアーチ形の部材を含み；
    前記溝が前記アーチ形部材の高さに対応する長さを有し、前記燃料棒と係合するような形状を有するを特徴とする請求項１７に記載の原子炉用燃料集合体。
20. それぞれのストラップ・セル部分が混合装置を含むことを特徴とする請求項１１に記載の原子炉用燃料集合体。

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