JP2007218802A - Ｐｗｒ原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】制御棒を押圧固定する冷却材横向き流れを安定して形成することができ、制御棒の振動を抑制し、制御棒外面若しくは制御棒案内管内面への摩耗を抑制することができるＰＷＲ原子炉用燃料集合体を提供する。
【解決手段】上部ノズルの下部構造を形成するアダプタプレート６の流路孔のうち少なくとも前記オーバーハングに冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを、前記流路面の対角線Ｑを対称軸として原則的に線対称に配置するとともに、前記取付開口のうち外周側に存在する取付開口１１ａに対してこれより外側及び内側に位置する流路孔周辺のリガメント２１、２３を、該取付開口の両横側に位置する流路孔周辺のリガメント２２より大きくなるように構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ原子炉）に用いられる燃料集合体に関し、特に、燃料集合体における制御棒集合体側の制御棒外面及び燃料集合体側制御棒案内管内面における摩耗を抑制する構造を備えたＰＷＲ原子炉用燃料集合体に関する。

一般に、加圧水型原子炉で使用される燃料集合体は、多数の燃料棒を束ねた構造の燃料集合体の形を採っている。その概略的な構成は、冷却材用の入口ノズル及び出口ノズルを備えた原子炉容器の中に炉心槽が垂下支持され、その中に多数の燃料棒を束ねた燃料集合体が多数装荷されている。燃料集合体は互いに離れて対向配置される上部ノズル及び下部ノズルを有し、これらは複数の制御棒案内管により連結され、これに複数の支持格子が取り付けられている。該支持格子のセルの一部には前記制御棒案内管が挿通され、他のセルには多数の燃料棒が弾性的に支持されている（特許文献１、２参照）。

燃料集合体の具体的な構成を図１０〜図１３に示す。図１０を参照して、加圧水型原子炉で使用されている制御棒集合体は、図示しない制御棒駆動装置によって駆動されるスパイダ５２に複数本の制御棒５１を吊設した構成である。このような制御棒集合体では、図１１に示すように、前記制御棒駆動装置で制御棒５１を駆動し、原子炉に装荷されている燃料集合体の制御棒案内管５３内で前記制御棒５１を深く挿入したり浅く引き抜くことにより、炉心の反応度を制御している。
しかしながら、制御棒５１は、原子炉運転中において制御棒駆動装置により駆動されながら、燃料集合体内の制御棒案内管５３内に挿入した状態で使用されるため、原子炉運転時の冷却材の流れにより制御棒５１が振動し制御棒案内管５３との接触により制御棒外面摩耗が生じる恐れがある。また、制御棒案内管５３内面も制御棒５１の振動に起因して内面摩耗が生じる可能性がある。

これは冷却材流れに起因して制御棒５１が振動する影響で起こるもので、制御棒集合体を制御棒駆動装置により駆動するためのガイドの役目を果たす制御棒案内管５４（以下Ｇ／Ｔと称す）と上部炉心板５５（以下ＵＣＰと称す）のギャップ及びＵＣＰ５５とその下側に位置する燃料集合体の上部ノズル５６とのギャップ（図１２参照）に冷却材流水（下方より上方へと流れる炉心流）が横方向に流れ、この横方向への流れにより制御棒が振動し、摩耗は徐々に進行していくことが考えられる。
ここで、特にＧ／Ｔ５４の横方向の移動を防ぐ支持ピン５７（左右対称２本）の取付位置側付近に位置する制御棒５１に比べ支持ピン５７のない側に位置する制御棒５１は、冷却材の流れをより大きく受けることが考えられ、支持ピン５７のない側にある制御棒５１に局部的に大きな摩耗が発生することが考えられる。また、このような制御棒５１が挿入されている相手側の燃料集合体側の制御棒案内管５３内面にも大きな摩耗が生じる恐れがある。

図１３に示す通り燃料集合体の上部ノズル５６の下部を構成する部材である、アダプタプレート５８に開口されている流路孔の長手方向が摩耗の大きさに影響することが考えられる。つまり、前記流路孔５８Ａはすべて同じ方向に開口（流路孔５８Ａの長手方向とは図１３では矢印Ｂの方向）されており、燃料集合体の下方向（図１３中紙面を裏面から表面側に貫通する方向）から流れる冷却材流水は上部ノズル５６の流路孔５８Ａを通過した後、流路孔形状に沿って上部ノズル５６内に噴出すると考えられる。支持ピン５７側に位置するＡ側側壁付近と、これに隣接する側壁であるＢ側側壁付近では、流路孔面積はＡ側の方が大きくなるためＡ側からの噴出しが顕著となる。側壁付近の流れは上部ノズル５６の上端に設けられたオーバーハングに衝突した後にアダプタプレート５８中心向きに流れるため、上記したごとくＡ側とＢ側の噴出が異なることにより中心向き流れのアンバランスが発生する惧れがある。
また、前記冷却材の中心方向への流れのアンバランスによる流れの不安定性に伴い、制御棒５１が挿入されている相手側の燃料集合体側の制御棒案内管５３内面にも大きな摩耗が生じる恐れがある。以上のことは、支持ピン５７のない方向と上部ノズル５６の流路孔５８Ａの方向が一致している場合、前記の通り摩耗が大きくなる要因が２つ重複しているという課題がある。

そこで、特許文献３（特開２００３−９８２８５号公報）では、前記上部ノズルの下部構造をなすアダプタプレートを、流路孔の長手方向と制御棒案内管に取り付け、上部炉心板に差し込まれて制御棒案内管を横方向に移動することを防ぐための支持ピンが存在しない辺の方向とが直交するように前記流路孔を配設した構成を提案している。また、前記上部ノズルの下部構造をなすアダプタプレートを、前記支持ピンが存在しない辺の方向に流路孔の長手方向が向いている流路孔の数をその総数に対して少なくした構成、さらに、前記アダプタプレートの流路面に、前記流路面の中心および対角を通る相直交する２本の直線によって仕切られる４つの領域における流路面積が均一になるように流路孔が配設されている構成が開示されている。これにより、冷却材流水の影響による制御棒の振動が均等化され、局部的な摩耗を抑制することができる。

特開昭６２−４６２９２号公報 特開平２−６７８４号公報 特開平２００３−９８２８５号公報

このように、従来の燃料集合体の制御棒は、冷却材の横方向への流れにより制御棒が振動し、制御棒外面及び制御棒案内管内面への摩耗が問題となる可能性があった。
特許文献３によればこの摩耗がある程度は改善されるが、本発明ではより一層制御棒の振動を小さくし、摩耗を最小限に抑える技術を提案する。
従って本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、制御棒を押圧固定する冷却材中心向き流れを安定して形成することができ、制御棒の振動を抑制して制御棒外面若しくは制御棒案内管内面への局部的な摩耗が生じにくいＰＷＲ原子炉用燃料集合体を提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、ＰＷＲ原子炉用の燃料集合体であって、該燃料集合体の上方に配設される上部ノズルが、該上部ノズルの下部構造を形成するアダプタプレートと、該アダプタプレートの周囲部に沿って延設される直立状の側壁と、該側壁の上部にアダプタプレート上方空間に向けて張り出すオーバーハングと、前記アダプタプレートの流路面に複数設けられた制御棒案内管取付開口及び流路孔と、を備えたＰＷＲ原子炉用燃料集合体において、
前記流路孔のうち少なくとも前記オーバーハングに冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔を、前記流路面の中心及び対角を通る相直交する２本の直線を対称軸として原則的に線対称に配置するとともに、前記取付開口のうち外周側に存在する取付開口に対してこれより外側及び内側に位置する流路孔周辺のリガメントを、該取付開口の両横側に位置する流路孔周辺のリガメントより大きくしたことを特徴とする。

本発明によれば、前記流路孔からの冷却材が、前記オーバーハングに衝突後に中心向きに変向した中心向き流れが、アダプタプレート長孔からの噴出しに邪魔されることなく、広いリガメント上を流れやすくなり、さらにオーバハング衝突時の圧力上昇がリガメント上で伝播して、前記取付開口内に設置した制御棒に対して上部ノズル中心側への押圧力が大きくなり、制御棒先端の振動を抑制することが可能となる。従って制御棒の振動を抑制することにより、制御棒案内管内面摩耗と制御棒外面摩耗を抑制することができる。
さらに、前記流路孔の配置を対称軸を中心とした線対称とし、該対称軸で区切られた４つの領域の流路孔を同じ配置としたため、外周部に存在する制御棒の先端部振動を４領域共通に抑制することが可能となる。

また、前記対称軸上に沿って存在する取付開口の近傍に、冷却材流れを整流化する流路孔を配設したことを特徴とする。
このように、前記冷却材流れを整流化する流路孔を配設することにより、制御棒へ向けた横向き流れが形成され、該制御棒が固定化されるため制御棒の振動を抑制して制御棒案内管内面摩耗と制御棒外面摩耗を抑制することが可能となる。
さらに、前記流路面の中心部近傍に、冷却材流れを整流化する長孔状の流路孔を配設したことを特徴とする。
この構成により、流路面中心部の冷却材流れの拡散を防止し、制御棒を押圧する冷却材流れを形成することが可能となる。
さらにまた、前記流路孔のうち前記オーバーハングに冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔を、前記流路面の内側に位置する流路孔より長尺の長孔状に形成したことを特徴とする。
これにより、前記冷却材流れによる制御棒への押圧力が大きくなるため、より一層制御棒の振動を抑制することが可能となる。

また、前記燃料集合体は、原子炉の炉心内に一様に配置されることを特徴とする。
このように、複数の燃料集合体を原子炉の炉心内に一様に配置することによって、炉心内の制御棒の振動をより効果的に抑制することができる。

以上記載のごとく本発明によれば、前記流路孔周囲のリガメントの大きさを異ならせることにより、制御棒に対して中心側への押圧力が作用し、制御棒先端の振動を抑制することが可能となり、延いては制御棒の振動を抑制して制御棒案内管内面摩耗と制御棒外面摩耗を抑制することが可能となる。
さらに、前記流路孔の配置を対称軸を中心とした線対称とし、該対称軸で区切られた４つの領域の流路孔を同じ配置としたため、外周部に存在する制御棒の先端部振動を４領域共通に抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係るＰＷＲ原子炉用燃料集合体の斜視図、図２〜図９は本発明の実施例１乃至実施例８に係る燃料集合体の上部ノズルを説明する図である。

まず、図１を参照して、本発明のＰＷＲ原子炉用燃料集合体の概略を説明する。同図において、ＰＷＲ原子炉に使用される燃料集合体１は、上下に離間されて対向配置された上部ノズル５及び下部ノズル（不図示）を備えており、該上部ノズル５と下部ノズルは、複数の冷却材流路を有し、複数の制御棒案内管３によって連結されている。複数の支持格子（不図示）が燃料集合体１の長手方向に間隔を置いて制御棒案内管３に固定され、この支持格子が多数の燃料棒２を互いに平行になって延びるように支持している。
前記制御棒案内管３は、制御棒４を制御棒駆動装置により駆動するためのガイドとしての機能を有する。前記上部ノズル５は、該ノズルの下部構造を形成する平板状のアダプタプレート６と、該アダプタプレート６の周囲部に沿って延設される直立状の側壁７と、該側壁７の上部にアダプタプレート上方空間に向けて張り出すオーバーハング８とから構成される。

さらに、前記アダプタプレートの流路面には、前記制御棒案内管３を取り付ける制御棒取付開口が複数設けられるとともに、同様に複数の冷却材流路孔が配設されている。該取付開口と冷却材流路孔の構成については、後述する実施例１乃至実施例１０において詳細に説明する。
前記制御棒４を制御棒駆動装置による駆動にて、前記制御棒案内管３内に挿抜されることによって炉心の反応度が制御される。また、前記燃料集合体１の下方から上方に向けて冷却材が流れ、前記燃料棒２を冷却した後に前記アダプタプレート６の流路孔より上方に流れ出るようになっている。

［実施例１］
図２に基づき、本実施例１に係る燃料集合体のアダプタプレート６に穿設された制御棒案内管取付開口及び流路孔１５の配置を説明する。
本実施例では、前記アダプタプレート６の流路面の中心及び対角を通る相直交する２本の直線を対称軸（対角線）Ｑとして原則的に線対称に配置する構成となっているため、図２には前記アダプタプレート６を夫々流路面積が等しい方形状に４分割したうちの１領域のみを示す。同図に示される破線Ｒは、前記オーバーハング８に対応する位置を示す。
前記アダプタプレート６は、流路孔１５（Ａ〜Ｈ、Ｊ、Ｎ〜Ｐ）が前記対称軸Ｑに対して線対称に配置されている。尚、本実施例では、少なくとも前記オーバーハング８に冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄが線対称に配置されていれば、他の流路孔については線対称であることは必須の構成ではない。
また、前記オーバーハング８に冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃは、該オーバーハング８に平行とした長孔形状であることが好ましい。

前記アダプタプレート６には、制御棒案内管取付開口１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２、１３ａ、１３ｂ、１４が穿設されている。
本実施例では、前記取付開口のうち、前記アダプタプレート外周側に位置するとともに該プレート中心を通り該プレートの一辺に平行な線上に配置された取付開口１１ａ、１１ｂにおいて、該取付開口１１ａ、１１ｂの外周側に位置する流路孔周辺のリガメント２１が、前記取付開口１１ａ、１１ｂの両横側に位置する流路孔周辺のリガメント２２より大きくなるようにする。即ち、前記外周側のリガメント２１を広くし、前記両横側のリガメント２２を極力狭くする。

このような構成とすることにより、前記流路孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄからの冷却材の横向き流れが、広いリガメント２１に集まり、狭いリガメント２２側へは流れにくくなる。従って、取付開口１１ａ、１１ｂ内に設置した制御棒に対して上部ノズル中心側への押圧力が大きくなり、制御棒先端の振動を抑制することが可能となる。従って制御棒の振動を抑制することにより制御棒案内管内面摩耗と制御棒外面摩耗を抑制することが可能となる。
この効果は、流路孔配置をＱ軸を対称軸とした線対称としたため、アダプタプレート６のＩ側、II側の両方の制御棒にも適用される。
また、前記取付開口１０ａ、１０ｂの外周側に位置する流路孔周辺のリガメント２１においても、前記取付開口１０ａ、１０ｂの両横側に位置する流路孔周辺のリガメント２２より大きくなるように構成する。これにより制御棒が同様に振動し難くなる。
また、前記オーバーハング８に冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを該オーバーハング８に平行とした長孔形状とすることにより、該流路孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃからの冷却材流れによる押圧力が大きくなるため、より一層制御棒の振動を抑制することが可能となる。
また、本実施例において、複数の燃料集合体を原子炉の炉心内に一様に配置することが好ましく、これにより炉心内の制御棒の振動をより効果的に抑制することができる。

［実施例２］
図３に本実施例２に係る燃料集合体のアダプタプレート６に穿設された制御棒案内管取付開口及び流路孔１５の配置を説明する。尚、図３乃至図９に示した実施例２乃至実施例８において、前記実施例１と同様の構成についてはその詳細な説明を省略する。
図３には、前記実施例１と同様に前記アダプタプレート６を４分割したうちの１領域のみを示す。本実施例２では、前記取付開口のうち、前記アダプタプレート外周側に位置するとともに、図示される領域をさらにＱ軸によって２分割した領域の中で中心近傍に位置する取付開口１０ａにおいて、該取付開口１０ａ、１０ｂの外周側に位置する流路孔周辺のリガメント２１が、前記取付開口１０ａ、１０ｂの両横側に位置する流路孔周辺のリガメント２２より大きくなるようにする。即ち、前記外周側のリガメント２１及び前記内周側のリガメント２３を広くし、前記両横側のリガメント２２を極力狭くする。これにより、本実施例２でも前記実施例１と同様の効果が得られるものである。

［実施例３］
図４は、本実施例３に係る燃料集合体のアダプタプレート６に穿設された制御棒案内管取付開口及び流路孔１５の配置を示す。本実施例３は、前記実施例１と同様に前記アダプタプレート６を４分割したうちの１領域のみを示す。本実施例３では、前記取付開口のうち、前記アダプタプレート外周側に位置するとともに、対称軸Ｑ上に存在する取付開口１２を対象とする。ここに位置する取り付け開口１２の近傍は、プレート角部であるため冷却材流れが複雑化する。従って該取付開口１２の近傍に、冷却材流れを整流化する流路孔１５Ｋを配置し、これにより制御棒の振動を抑制し、安定させることが可能となる。さらに、本実施例では流路孔１５Ｎの配置を実施例１とは異ならせ、前記オーバーハング８に平行になるようにしたため、前記取付開口１２への冷却材流れがさらに安定化し、制御棒の振動をより一層抑制することができる。さらにまた、Ｉ側とII側の流路孔１５Ｃの形状を非対称とすることが好ましい。本実施例では、Ｉ側の流路孔１５ＣをII側の流路孔１５Ｃより長径が大きくなるようにしている。これにより冷却材流れの複雑化を防止する効果が得られる。

［実施例４］
図５は、本実施例４に係る燃料集合体のアダプタプレート６に穿設された制御棒案内管取付開口及び流路孔１５の配置を示す。本実施例４は、前記実施例１と同様に前記アダプタプレート６を４分割したうちの１領域のみを示す。本実施例４では、前記アダプタプレートの流路面の中心部近傍に、冷却材流れを整流化する長孔状の流路孔を配設している。具体的には、前記中心を囲繞するごとく長孔状流路孔１５Ｐ、１５Ｐを設けるとともに、該流路孔１５Ｐ、１５Ｐの間を埋めるごとく小径の円形状流路孔１５Ｌを設けている。この構成により、流路面中心部の冷却材流れの拡散を防止し、制御棒を押圧する冷却材流れを形成することが可能となる。さらに、Ｉ側とII側の流路孔１５Ｃの形状を非対称とすることが好ましい。これにより冷却材流れの複雑化を防止する効果が得られる。

［実施例５〜８］
図６乃至図９には、前記実施例１乃至実施例４に対応した配置の応用例を示す。図６に示す実施例５は前記実施例１に対応した配置図、図７に示す実施例６は前記実施例２に対応した配置図、図８に示す実施例７は前記実施例３に対応した配置図、図９に示す実施例８は前記実施例４に対応した配置図を夫々表し、何れの場合においても、前記オーバーハング８に冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを連結し、前記流路面の内側に位置する流路孔より長尺の長穴流路孔１５Ａ’とした。本実施例では３つの流路孔を連結して１つの流路孔とした例を示したが、これに限定されるものではなく、前記オーバーハング８に冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔が、その内側に位置する流路孔よりも長尺の長孔形状となるようにすれば良い。
これらの実施例によれば、該流路孔１５Ａ’からの冷却材流れによる押圧力が大きくなるため、より一層制御棒の振動を抑制することが可能となる。

本発明の実施形態に係るＰＷＲ原子炉用燃料集合体の斜視図である。 本発明の実施例１に係る上部ノズルの横断面を示す概略図である。 本発明の実施例２に係る上部ノズルの横断面を示す概略図である。 本発明の実施例３に係る上部ノズルの横断面を示す概略図である。 本発明の実施例４に係る上部ノズルの横断面を示す概略図である。 図２に対応する実施例５に係る上部ノズルの概略図である。 図３に対応する実施例６に係る上部ノズルの概略図である。 図４に対応する実施例７に係る上部ノズルの概略図である。 図５に対応する実施例８に係る上部ノズルの概略図である。 一般的に加圧水型原子炉で使用されている制御棒集合体の構成を概略的に示す図である。 従来の燃料集合体及び制御棒集合体の構成を概略的に示す斜視図である。 燃料集合体の上部ノズルとのギャップにおける冷却材流水の通流方向を概念的に示す図である。 従来の上部ノズル及びアダプタプレートの構成を概略的に示す構成図である。

符号の説明

１ ＰＷＲ原子炉用燃料集合体
２ 燃料棒
３ 制御棒案内管
４ 制御棒
５ 上部ノズル
６ アダプタプレート
７ 側壁
８ オーバーハング
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２、１３ａ、１３ｂ、１４ 制御棒案内管取付開口
１５ 流路孔（アダプタプレート）
２０〜２３ リガメント

Claims (5)

1. ＰＷＲ原子炉用の燃料集合体であって、該燃料集合体の上方に配設される上部ノズルが、該上部ノズルの下部構造を形成するアダプタプレートと、該アダプタプレートの周囲部に沿って延設される直立状の側壁と、該側壁の上部にアダプタプレート上方空間に向けて張り出すオーバーハングと、前記アダプタプレートの流路面に複数設けられた制御棒案内管取付開口及び流路孔と、を備えたＰＷＲ原子炉用燃料集合体において、
   前記流路孔のうち少なくとも前記オーバーハングに冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔を、前記流路面の中心及び対角を通る相直交する２本の直線を対称軸として原則的に線対称に配置するとともに、前記取付開口のうち外周側に存在する取付開口に対してこれより外側及び内側に位置する流路孔周辺のリガメントを、該取付開口の両横側に位置する流路孔周辺のリガメントより大きくしたことを特徴とするＰＷＲ原子炉用燃料集合体。
2. 前記対称軸上に沿って存在する取付開口の近傍に、冷却材流れを整流化する流路孔を配設したことを特徴とする請求項１記載のＰＷＲ原子炉用燃料集合体。
3. 前記流路面の中心部近傍に、冷却材流れを整流化する長孔状の流路孔を配設したことを特徴とする請求項１記載のＰＷＲ原子炉用燃料集合体。
4. 前記流路孔のうち前記オーバーハングに冷却材が衝突する位置に設けられた流路孔を、前記流路面の内側に位置する流路孔より長尺の長孔状に形成したことを特徴とする請求項１記載のＰＷＲ原子炉用燃料集合体。
5. 前記燃料集合体は、原子炉の炉心内に一様に配置されることを特徴とする請求項１記載のＰＷＲ原子炉用燃料集合体。
   

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