JP2007507702A - 内部補強装置を有する核燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】内部補強装置を有する核燃料集合体を提供する。
【解決手段】核燃料集合体１は、支持スケルトン（５）と共に実質的に一様な配列で配置された核燃料棒（３）の群を備えており、この集合体は、
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、
ガイド管に固着されていて、棒を保持するためのスペーサグリッド（１３）と、を備えている。
この集合体は、２つの次々のスペーサグリッド（１３）間に配置され、ガイド管（１１）に固着されている少なくとも１つの支持スケルトン補強装置（２１）を有している。補強装置（２１）は、棒（３）の群の内側に配置されていて、核燃料棒（３）の配列の横方向広がりより小さい横方向広がりを呈している。
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１

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、核燃料棒の群と、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、
・ガイド管に固着され、棒を保持するのに役立つスペーサグリッドと、備えており、核燃料棒が、長さ方向に沿って延びていて、実質的に一様な配列で配置されている核燃料集合体において、
２つの次々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少なくとも１つの支持スケルトン補強装置を有しており、補強装置が、棒の群の内側に配置されていて、棒の配列の横方向広がりより小さい横方向広がりを呈し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、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。
・補強装置は棒の周囲層の中へ延びていない。
・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。
・補強装置は、実質的にそのすぐ上のスペーサグリッドまで長さ方向に延びている。
・補強装置はそのすぐ下のスペーサグリッドの上方に少なくとも１つの横方向流通路を構成しており、この通路は集合体を通って流れるための冷却流体を通すのに役立つ。
・補強装置は実質的にそのすぐ下のスペーサグリッドまで長さ方向に延びており、通路は補強装置の底端部を貫通して形成された開口部により形成されている。
・補強装置の底端部は冷却流体用の横方向流通路を構成するように補強装置のすぐ下のスペーサグリッドから間隔を置いて配置されている。
・補強装置は少なくとも２つのガイド管に固着されている。
・補強装置は実質的に平面状のプレートである。
・補強装置は核燃料棒の群の面のうちの１つと実質的に平行である。
・補強装置は少なくとも１つのＬ字形を形成する山形部材である。
・山形部材は核燃料棒の群の角部に配置されている。
・補強装置は集合体を通って流れるべきである冷却流体を混合するミキサ手段を有していない。
・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。

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ブ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の代わりに器具管を有している場合、中間補強装置２１はこの器具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。
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。

図８および図９は、下記の如く前述の実施形態と異なる本発明の第２実施形態を示している。
中間補強装置２１は実質的に平面状のプレートにより構成されている。集合体１は各対のスペーサグリッド１３間に４つのプレート２１を備えている。
各プレート２１は、これが位置決めされる２つの次々のスペーサグリッド１３間に実質的に全高さにわたって延びている。かくして、プレート２１の高さは約４８０ｍｍであってもよい。

各プレート２１の底端部４３には、冷却流体を通すための開口部４５が設けられている。これらの開口部４５は種々の形状を有し得る。
かくして、図８に頂側プレート２１により示されるように、これらの開口部４５は部分的に楕円形である形状を有してもよい。また、これらの開口部４５は、図８に下側プレート２１により示されるように、矩形または正方形である形状を有してもよい。

図９でわかるように、プレート２１は棒３の群内に配置されている。より正確には、プレート２１は棒３の層２９と、棒３の内方に隣接した層４７、例えば、図示の例では、１辺あたり１０個の棒３および３つのガイド管３３を有する層との間に延びている。プレート２１を図８で目に見えるようにするために、この図の正面に位置決めされた棒３の２つの横列を省いた。
各プレート２１は棒３の群の模範面６と実質的に平行に延びていて、実質的に前記面６の中心に配置されている。プレート２１は、例えば溶接により、前記面６に面して設置されている３つのガイド管１１に固着されている。

図示の例では、プレート２１は棒３の配列における７つの段に対応する長さにわたって横方向に延びている。
開口部４５により、冷却流体をスペーサグリッド１３の上方で横方向に流すことができる。
かくして、補強プレート２１は冷却液の混合を効果的に妨げず、例えば、下流側に、すなわち、スペーサグリッド１３の上方に設置されたミキサーフィンにより生じられるような混合を妨げない。

図１０に示す変形例では、各プレート２１の底端部４３は、そのすぐ下の、すなわち、このプレート２１のすぐ下に位置決めされたスペーサグリッド１３から、例えば１５ｃｍだけ間隔を隔てられることができる。
かくして、冷却流体を横方向に流すことができる通路４９が、各プレート２１とそのすぐ下のスペーサグリッド１３との間に構成されている。

この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、集合体１の曲げ剛性を、その寿命の初めの時点およびその寿命の終わりの時点の両方で増大することができる。
これは、図８および図９の集合体に対応する曲線５１と、図１０の変形例に対応する曲線５３とを有する、図６のグラフを再現する図１１により確認される。
また、この第２実施形態によれば、冷却流体の流体頭損失が低いことになる。

各補強プレート２１は１方向にのみ横方向に延びており、また、この方向における補強プレート２１の広がりは小さい。詳細には、プレート２１の横方向広がりは棒３の配列の横方向広がりＥより小さい。この広がりＥは、図９に示されており、２つの向い合ったノード間、すなわち、２つの向い合った棒３の長さ方向軸線間の距離に対応している。
この実施形態では、プレート２１の横方向広がりが広がりＥの半分より小さいことが認められるべきである。

図１２は下記の如く第２実施形態と異なる第３実施形態を示している。
各補強装置２１が、合流して実質的に直角５７を形成する２つの肢部５５を備えているＬ字形の山形部材により構成されている。
これらの山形部材２１は、棒３の群の角部に配置されている各次々の対のスペーサグリッド１３間で数が４つである。それら自身の角部５７は集合体の内側に向けて開放している。
各山形部材２１は３つのガイド管１１に固着されている。これらのガイド管１１のうちの１つは角部５７に位置決めされており、他の２つのガイド管１１は角部５７から遠い肢部５５の端部のところで山形部材２１の外側に位置決めされている。

図１３の変形例では、各山形部材２１は、３つのＬ字形を形成しており、かくして合流して集合体１の内側に向けて開放している３つの角部５７を形成する６つの肢部５５を備えている。
各山形部材２１が固着されるガイド管１１は各々、対応した角部５７に位置決めされている。
この第３実施形態は、また、液圧直径のみの小さい減少を生じる山形部材２１の小さい横方向広がりに因る液頭損失を制限しながら、集合体の剛性を、その寿命の初めの時点およびその寿命の終わりの時点の両方において増大するのに役立つ。
第２実施形態におけるように、開口部４５は山形部材２１の底端部４３に形成されることができ、さもなければ、これらの端部４３は冷却流体を横方向に流す通路４９を去るようにスペーサグリッド１３から間隔を隔てられることができる。

前述の実施形態の各々では、第１に、棒３の群の内側に配置され、群の外側には配置されていなく、第２に、小さい横方向の広がりのものである装置２１は、それら自身の存在に因る液圧頭損失を制限しながら、集合体の剛性を増大するのに役立つ。

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。 中間補強装置を目に見えるようにするように棒の２つの横列を省いた本発明の第２実施形態における核燃料集合体の概略立面図である。 図８の集合体の中間補強装置を示す図３に類似した図である。 本発明の第３実施形態の他の変形例を示す図８に類似した図である。 在来の集合体の剛性を放射後の図８および図９の集合体の剛性と比較するグラフである。 本発明の第３実施形態を示す図３に類似した図である。 本発明の第３実施形態の変形例を示す図１２に類似した図である。

Claims (14)

1. 核燃料棒（３）の群と、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、
   ガイド管に固着され、棒を保持するのに役立つスペーサグリッド（１３）と、を備えており、核燃料棒（３）が、長さ方向に沿って延びていて、実質的に一様な配列で配置されている核燃料集合体（１）において、
   ２つの次々のスペーサグリッド（１３）間に配置され、ガイド管（１１）に固着されている少なくとも１つの支持スケルトン補強装置（２１）を有しており、補強装置（２１）は、棒（３）の群の内側に配置されていて、棒（３）の配列の横方向広がりより小さい横方向広がりを呈していることを特徴とする核燃料集合体（１）。
2. 補強装置（２１）は棒（３）の周囲層（１９）の中へ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. 補強装置（２１）は棒（３）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. 補強装置（２１）は、実質的にそのすぐ上のスペーサグリッドまで長さ方向に延びている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. 補強装置（２１）はそのすぐ下のスペーサグリッドの上方に少なくとも１つの横方向流通路（４５；４９）を構成しており、前記通路は集合体（１）を通って流れるための冷却流体を通すのに役立つ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. 補強装置（２１）は実質的にそのすぐ下のスペーサグリッドまで長さ方向に延びており、通路は補強装置（２１）の底端部（４３）を貫通して形成された開口部（４５）により形成されていることを特徴とする請求項５に記載の集合体。
7. 補強装置（２１）の底端部（４３）は冷却流体用の横方向流通路（４９）を構成するように補強装置（２１）のすぐ下のスペーサグリッドから間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項５に記載の集合体。
8. 補強装置（２１）は少なくとも２つのガイド管（１１）に固着されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の集合体。
9. 補強装置（２１）は実質的に平面状のプレートであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の集合体。
10. 補強装置（２１）は核燃料棒（３）の群の面（６）のうちの１つと実質的に平行であることを特徴とする請求項９に記載の集合体。
11. 補強装置（２１）は少なくとも１つのＬ字形を形成する山形部材である特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の集合体。
12. 山形部材は核燃料棒（３）の群の角部に配置されている請求項１１に記載の集合体。
13. 補強装置（２１）は集合体を通って流れるべきである冷却流体を混合するミキサ手段を有していないことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の集合体。
14. 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１３のいずれか１項に記載の集合体。

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