JP2007507700A - 格子補強装置を有する核燃料集合体、および核燃料集合体におけるこのような装置の使用 - Google Patents

Abstract

【課題】格子補強装置を有する核燃料集合体、および核燃料集合体におけるこのような装置の使用を提供する。
【解決手段】核燃料集合体は、核燃料棒と、支持スケルトンとを備えていて、２つのノズルと、これらのノズルを相互に連結するガイド管（１１）と、棒を保持するためのスペーサグリッドとを有しており、これらのグリッドはガイド管に固着されている。この集合体は更に、支持スケルトンを補強するための少なくとも１つの格子補強装置（２１）を備えている。この補強装置（２１）は２つのスペーサグリッド間に設置され、ガイド管（１１）に固着されている。本発明は加圧水原子炉用の燃料集合体に適用可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は核燃料集合体に関する。
例として、本発明は加圧水核原子炉用の燃料集合体に当てはまる。

一般に、核燃料集合体は、核燃料棒と、支持スケルトンとを備えており、この支持スケルトンは、２つのノズルと、これらのノズルを相互に連結するガイド管と、棒を保持するためのスペーサグリッドとを有している。
各スペーサグリッドは、２組の交差プレートと、外側ベルトとを備えており、かくしてセルを構成しており、これらのセルのうちの幾つかはこれらを通るガイド管を有しており、他のセルはこれらを通る棒を有している。プレートには、実質的に一様な配列のノードのところで棒を保持するための手段が設けられており、これらのプレートはガイド管のうちの少なくとも幾つかに固着されている。

また、スペーサグリッドのうちの少なくとも１つは棒を支持するのに役立つ。この目的で、このスペーサグリッドには、プレートに切欠かれるか、或いはプレートに嵌合されるばねが設けられており、これらのばねは、プレートに打抜きされてセルの向い合った面を形成している窪みに棒を押し当てるのに役立つ。
他のグリッドは棒を配列のノードのところに保持するのにだけ役立つ。これをなすために、これらのグリッドは、棒が通っているセルの面の各々に窪みをもたらし、これらの窪みは棒に押し当るのに役立つ。

また、フランス特許第２６６５２９１号は、スペーサグリッド間に介在するための追加のミキサグリッドを開示しており、これらのミキサグリッドは、集合体を通る冷却流体の混合を改良するためのフィンを有している。
このような集合体は、製造されると、「軸方向」であると称される方向に沿って直線状に垂直方向に延びる。これらの集合体は、原子炉における適所にあると、放射に因り変形し、Ｃ字形状、Ｓ字形状またはＷ字形状を呈することができる。
このような変形は多くの問題をもたらす。作動中、これらの変形は、制御および稼動停止クラスターをガイド管に挿入するのをより困難にする。
取り扱い中、これらの変形は、例えば、原子炉の炉心を装填するか或いは取り出す操作中に互いに引っ掛かる恐れを増す。

本発明の目的は、放射下で核燃料集合体の変形を制限することによってこの問題を解決することである。

この目的で、本発明は、核燃料棒と、支持スケルトンとを備えている種類のものであって、２つのノズルと、これらのノズルを相互に連結するガイド管と、棒を保持するためのスペーサグリッドとを有しており、これらのグリッドがガイド管に固着されている核燃料集合体において、支持スケルトンを補強するための少なくとも１つの格子補強装置を更に備えており、この格子補強装置が２つのスペーサグリッド間に配置され、ガイド管に固着されていることを特徴とする核燃料集合体を提供する。

特定の実施形態では、この集合体は更に、単独で或いは任意の技術的に実行可能な組合せでとられる下記の特徴のうちの１つまたはそれ以上を備えてもよい。
・核燃料棒は実質的に一様な配列で配置されており、格子補強装置は周囲棒間に延びていない。
・格子補強装置は棒の周囲層と棒の隣接層との間に延びていない。
・格子補強装置は核燃料集合体を通って流れるべきである冷却流体を混合するための手段を有していない。
・格子補強装置は核燃料棒を保持するための手段を有していない。
・格子補強装置は互いに固着されている２組の交差プレートを備えており、これらのプレートは、これらの間に、ガイド管を受入れるためのセルと、核燃料棒を受入れるためのセルとを構成している。
・核燃料棒を受入れるためのセルは核燃料棒を隙間を残して受入れるように棒の寸法より大きい寸法のものである。

本発明はまた、核燃料棒と、支持スケルトンとを備えていて、
・２つのノズルと、
・これらのノズルを相互に連結するガイド管と、
・棒を保持するためのスペーサグリッドと、を有している
核燃料集合体における、支持スケルトンを補強するための少なくとも１つの格子補強装置の使用であって、この格子補強装置が２つのスペーサグリッド間に配置され、ガイド管に固着されている、格子補強装置の使用を提供する。

特定の実施例では、
・格子補強装置は核燃料集合体を通って流れるべきである冷却流体を混合するための手段を有していない；
・格子補強装置は核燃料棒を保持するための手段を有していない；
・格子補強装置は互いに固着されている２組の交差プレートを備えており、これらのプレートは、これらの間に、ガイド管を受入れるためのセルと、核燃料棒を受入れるためのセルとを構成している；
・核燃料棒を受入れるためのセルは核燃料棒を隙間を残して受入れるように棒の寸法より大きい寸法のものである。

添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は加圧水原子炉のための核燃料集合体１の図である。この集合体１は長さ方向Ａに沿って垂直方向に直線状に延びている。
集合体１は、主に、核燃料棒３と、これらの棒３を支持するための構造体またはスケルトン５を備えている。

従来のように、棒３は、これらが鎖線で示される図３でわかるように、垂直方向にのびていて、実質的に一様な正方形に基づいた配列で配置されている。
図示の例では、集合体１は２６４個の棒３の群を備えており、以上からわかるように、配列は１７個の棒よりなる１辺を有する正方形を形成している。かくして、棒３の群は各々が１７個の棒を有する４つの側面６を有している。

支持スケルトン１１は本質的に
・底側ノズル７および頂側ノズル９と、
・制御または運転停止クラスター（図示せず）の棒を受入れるためのガイド管１１と、
・配列のノードのところで棒３を保持するためのスペーサグリッド１３と、を備えている。
ノズル７、９はガイド管１１の長さ方向端部に固着されている。
スペーサグリッド１３が鎖線で描かれている図３でわかるように、各スペーサグリッド１３は、例えば、２組のプレート１５と、棒３の周囲層１９を取り囲む周囲ベルト１７とを備えている。

グリッド１３はセル２０を構成しており、これらのセルのほとんどが夫々の棒３を受入れている。プレート１５には、ボス（図示せず）が、棒３に押し当ってこれらの棒３を配列のノードのところに保持するように設けられている。他のセル２０の各々はガイド管１１を受入れている。
また、従来のように、スペーサグリッド１３はガイド管１１に固着され、棒３の高さに沿って分布されている。
棒３は、単一のスペーサグリッド１３により、例えば、保持の目的で、プレート１５に切り欠けられるか、或いはプレート１５に嵌合された窪みに棒３を押し当てるためのばねを備えている頂側グリッド１３により軸方向に保持されることができる。

本発明において、集合体１は、スペーサグリッド１３の間に、スケルトン５を補強するための中間装置２１を有している。
以下に説明する理由で、これらの補強装置２１は、集合体１の外側から目に見えなく、従って、図１に鎖線で示されている。
図示の例では、中間補強装置２１が、各対のスペーサグリッド１３の間に設けられている。

中間補強装置２１の構造は同様であるので、図２および図３を参照して１つの装置２１のみを説明する。ガイド管１１のセグメントのみが図２に示されていることは認められるべきである。図３では、ガイド管１１および中間補強装置２１は連続線で描かれている。
装置２１は、例えば、交差点における溶接により互いに固着されている２組の交差プレート２３を備えている。例として、プレート２３は、厚さが約０.４２５ｍｍであり、高さが約１８ｍｍないし約２８ｍｍの範囲にある。これらのプレートは好ましくはジルコニウム合金で製造されている。
プレート２３はそれらの間に、各々が夫々のガイド管１１を受入れるためのセル２５と、棒３を受入れるためのセル２７とを構成している。図３でわかるように、セル２７のうちの幾つかはたった１つの棒３を受入れる個々のセルであり、他のセルは２つまたは４つの棒３を受入れる。

中間補強装置２１のプレート２３はガイド管１１間でのみ延びている格子構造体を構成している。かくして、この格子構造体はオープンワーク構造体を構成している。
かくして、プレート２３の横方向広がり、かくして、補強装置２１の横方向広がりは制限されている。詳細には、プレート２３は棒３の外周層１９の棒３間でも、前記層１９と、図示の例では、１辺あたり１５個の棒を備えている中間に隣接している層２９との間でも延びていない。中間補強装置２１はこの層２９の近傍で止まっている。
プレート２３は棒３を保持するためのいずれの手段をも有しておらず、その結果、セル２７は棒３の寸法より大きい寸法のものであり、それにより、これらの棒３を隙間を残して取り囲んでいる。

更に、中間補強装置２１は燃料集合体１を通って流れる冷却流体を混合する手段を有しておらず、すなわち、フィンを有していない。
中間補強装置２１は、例えばプレート２３のわずかに隆起している帯域における溶接によりガイド管１１に固着されている。このような溶接はプレート２３の頂部および／または底部に施されてもよい。

図４に示す変形例では、プレート２３は、それらから例えば上方に突出している溶接タ３３を介してガイド管１１に溶接されてもよい。
集合体１が中央ガイド管１１の代わりに計装管を有している場合、中間補強装置２１はこの計装管に溶接されることができる。中間補強装置２１の存在のため、支持体５のスケルトンおよび全体集合体１の両方はより剛性である。

これは、放射前の核燃料集合体に対する横方向変形のシミュレーションの結果を示す図５により確認される。この図では、ｍｍ単位の横方向変位が横座標に沿ってプロットされており、この変形を得るのに必要なｄａＮ単位の力が縦座標にプロットされている。
曲線３５は、製造直後、すなわち、放射前の従来技術の集合体に対応している。曲線３７は製造直後の図１の集合体１に対応している。かくして、中間補強装置２１の存在により、集合体１の曲げ剛性または横方向剛性を、在来の集合体と比較して、その寿命の初めの時点で約６０％だけ増大することができる。

図６は放射後に行なわれたアナログシミュレーションに対応する。曲線３９は在来の集合体に対応しており、曲線４１は図１の集合体１に対応している。かくして、集合体１の横方向剛性の増大は放射後も留まり、この増大は約６０％であり続ける。
かくして、集合体１は、その寿命の終わりの時点で、寿命の初めの時点の在来の集合体のものに同等な曲げ剛性を呈する。支持スケルトン５を補強するための中間補強装置２１の使用により、放射の影響を補償することが可能である。

放射後の在来の集合体の剛性の低減がガイド管のクリーピングおよび条件の変化に起因していることが発見され、それにより、棒５は、放射前に集合体の剛性の約６５％を与えるが、放射後、曲げ剛性の約４０％のみを与えるように、スケルトン５により保持されている。
かくして、中間補強装置２１によるスケルトン５の剛性化により、放射後を含めて、その横方向剛性を増大することが可能である。その結果、横方向の広がりの小さい補強装置のオープンワーク構造体により、冷却流体における流体頭損失が制限されたままであることを確保している。

図７に示す変形例では、補強装置２１は、セル２７のすべてが、各々が単一に過ぎない棒３を受入れる個々のセルであるように、より密である格子構造体により構成されてもよい。
この変形例によれば、集合体１の横方向剛性を更に増大することが可能であるが、集合体１を通る冷却流体における流体頭損失をも増大してしまう。

更に他の変形例（図示せず）では、中間補強装置２１は、ガイド管１１を超えて、できるだけ、棒３の周囲層１９まで横方向にのびることができ、また外側ベルトを有してもよい。かくして、装置２１はスペーサグリッド１３に類似した格子構造を形成している。外側ベルトは取扱い中、偶発的な条件下で衝撃に耐える集合体１の能力を改良することができる。前述の例では、装置２１におけるプレートの数は３６個である。
より一般的に、中間補強装置２１は溶接以外の手段により、例えば、管の膨張により、スリービングなどにより、ガイド管に固着されることができる。
同様に、集合体１は各対のスペーサグリッド１３間に中間補強装置２１を有する必要がない。

或る変形例では、中間補強装置２１は、また、棒３を保持するための手段、および／または集合体を通って流れる冷却流体を混合するための手段を有してもよい。
当然、中間補強装置２１は単独で販売されることができる。

本発明の第１実施形態における核燃料集合体の概略立面図である。 図１の集合体の中間補強装置を示す部分概略斜視図である。 核燃料棒の配列および図１の集合体のスペーサグリッドに対して図２の中間補強装置の構造および広がりを比較する概略平面図である。 図２の中間補強装置の変形例におけるガイド管に対する連結を示す部分概略断面図である。 在来の集合体の剛性を放射前の図１の集合体の剛性と比較するグラフである。 放射後の図５に類似した図である。 図２の中間補強装置の変形例を示す図３に類似した図である。

Claims (12)

1. 核燃料棒（３）と、支持スケルトン（５）とを備えている種類のものであって、２つのノズル（７、９）と、これらのノズルを相互に連結するガイド管（１１）と、棒を保持するためのスペーサグリッド（１３）とを有しており、前記グリッドがガイド管に固着されている核燃料集合体において、支持スケルトン（５）を補強するための少なくとも１つの格子補強装置（２１）を更に備えており、この格子補強装置（２１）は２つのスペーサグリッド（１３）間に配置され、ガイド管（１１）に固着されていることを特徴とする核燃料集合体。
2. 核燃料棒（３）は実質的に一様な配列で配置されており、格子補強装置（２１）は周囲棒（３）間に延びていないことを特徴とする請求項１に記載の集合体。
3. 格子補強装置（２１）は棒の周囲層（１９）と棒の隣接層（２９）との間に延びていないことを特徴とする請求項２に記載の集合体。
4. 格子補強装置（２１）は核燃料集合体（１）を通って流れるべきである冷却流体を混合するための手段を有していないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の集合体。
5. 格子補強装置（２１）は核燃料棒（３）を保持するための手段を有していないことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の集合体。
6. 格子補強装置（２１）は互いに固着されている２組の交差プレート（２３）を備えており、これらのプレートは、これらの間に、ガイド管を受入れるためのセル（２５）と、核燃料棒を受入れるためのセル（２７）とを構成していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の集合体。
7. 核燃料棒（３）を受入れるためのセル（２７）は核燃料棒（３）を隙間を残して受入れるように棒（３）の寸法より大きい寸法のものであることを特徴とする請求項５および６に記載の集合体。
8. 核燃料棒（３）と、支持スケルトン（５）とを備えていて、
   ２つのノズル（７、９）と、
   これらのノズルを相互に連結するガイド管（１１）と、
   棒を保持するためのスペーサグリッド（１３）と、を有している
   核燃料集合体における、支持スケルトン（５）を補強するための少なくとも１つの格子補強装置（２１）の使用であって、この格子補強装置（２１）は２つのスペーサグリッド間に配置され、ガイド管（１１）に固着されている、格子補強装置（２１）の使用。
9. 格子補強装置（２１）は核燃料集合体（１）を通って流れるべきである冷却流体を混合するための手段を有していないことを特徴とする請求項８に記載の使用。
10. 格子補強装置（２１）は核燃料棒（３）を保持するための手段を有していないことを特徴とする請求項８または請求項９に記載の使用。
11. 格子補強装置（２１）は互いに固着されている２組の交差プレート（２３）を備えており、これらのプレートは、これらの間に、ガイド管（１１）を受入れるためのセル（２５）と、核燃料棒（３）を受入れるためのセル（２７）とを構成していることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の使用。
12. 核燃料棒（３）を受入れるためのセル（２７）は核燃料棒（３）を隙間を残して受入れるように棒（３）の寸法より大きい寸法のものであることを特徴とする請求項１０および１１に記載の使用。

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