JP2007514170A - 加圧水形原子炉の燃料集合体と加圧水形原子炉の炉心 - Google Patents

Abstract

軸方向に延びる多数の燃料棒（１０）が、互いに間隔を隔てて配置された複数の正方形の格子状スペーサ（１２）によって案内され、該スペーサ（１２）の周縁が各々４つの周縁帯板（１４ａ、ｂ）で形成された加圧水形原子炉の燃料集合体（４）は、少なくとも１つのスペーサ（１２）が、スペーサ（１２）の平面内において流れ冷却水（Ｋ）により燃料集合体（４）に軸方向に対し直角に作用する力（Ｆ）を発生させるべく、互いに構造的に異なる少なくとも２つの周縁帯板（１４ａ、ｂ）を備えた少なくとも１つのスペーサ（１２）を有する。かくして、この燃料集合体（４）で構成した炉心（５）に所定の系統的湾曲が発生する。

Description

本発明は、加圧水形原子炉の燃料集合体と、該集合体で構成された加圧水形原子炉の炉心に関する。

加圧水形原子炉の燃料集合体が、使用期間経過中に炉心内での位置に応じて湾曲し、そのため炉心全体に対し系統的な湾曲パターンを生ずることが、多くの検査結果で知られている。その湾曲の原因は色々あり、例えば熱膨張の異方性や燃料被覆管や制御棒案内管の放射線照射により生ずる長さ成長にある。特に湾曲に対する主な理由として、流れ冷却水と燃料集合体の相互作用と、冷却水が炉心に流入、流出する際の非均質性が考えられる。この系統的な湾曲のため、減速材として用いる冷却水が流れる個々の燃料集合体間の隙間や炉心の縁部に存在する燃料集合体と炉心ジャケットとの間の隙間が、炉心の通常知られていない箇所で増大する。これは不利な場合に設計限界に影響を及ぼす。隙間の増大箇所を認識できれば、そこに存在する大きな減速作用を、当該箇所に小さな出力ないし濃度の目的に適った燃料集合体或いは燃料棒を採用することで補償できる。

本発明の課題は、湾曲が発生しても炉心の最適設計が可能な燃料集合体を提供することにある。更にこの燃料集合体で構成した最適な炉心を提供することをも課題とする。

最初の課題は請求項１に記載の特徴を持つ燃料集合体により解決される。加圧水形原子炉のかかる燃料集合体の場合、軸方向に延びる多数の燃料棒が、互いに間隔を隔てて配置された複数の正方形の格子状スペーサで案内され、該スペーサの周縁が各々４つの周縁帯板で形成された加圧水形原子炉の燃料集合体において、少なくとも１つのスペーサが、該スペーサの平面内で燃料集合体に流れ冷却水により軸方向に対し角に作用する力を発生させるべく、互いに構造的に異なる少なくとも２つの周縁帯板を有する。

燃料集合体の上記の異なる構造のため、各々隣接する燃料集合体間又は外側位置の燃料集合体の周縁帯板と炉心ジャケットの間を流れる冷却材により燃料集合体に加わる力は、周縁帯板の構造に左右され、燃料集合体に非対称的に働く。その結果軸方向に対し直角に作用する力が、周縁帯板の構造設計により認識され、そのため流体と構造物相互作用により生ずる変形も、的確に調整され予知され得る。かくして燃料集合体の目的に適った湾曲、従って該燃料集合体から構成された炉心又は炉心の部分領域の的確な湾曲パターンが得られる。このため水路隙間が大きくなる位置を予め認識し、もってそこに小さな出力の目的に適う燃料集合体を採用できる。かくして、炉心設計量の維持を確実に保証できる。

本発明は、スペーサの平面内で燃料集合体に作用する力が、主にスペーサ間の隙間内と燃料集合体の内部での冷却水の異なる大きな流速に基づき生ずる差圧により生ずると言う知見に基づく。この差圧は周縁帯板での単純な構造的処置により調整され、この結果燃料集合体間における水路隙間に生ずる差圧の調整、従って、燃料集合体に作用する正味の力の的確な調整が簡単に行える。

有利な実施態様では、構造的に相異なる２つの周縁帯板が両側に対向して位置する。このため残りの両側の周縁帯板が構造的に同一なら、燃料集合体の軸方向に対し直角に延び先の両周縁帯板に対し略垂直に延びる正味力が燃料集合体に生ずる。残りの両側の周縁帯板も異なれば、正味力も周縁帯板に対し斜めに延び、その角度は構造により定まる。

本発明の他の有利な実施態様は、構造的に互いに異なる２つの周縁帯板が、互いに異なる数の開口、形状および／又は配置を有する点で異なっている。

その代わりに又はそれに加えて、互いに構造的に異なった２つの周縁帯板が、互いに異なる流れ案内羽根又は流れそらせ羽根を有してもよい。これは隙間と燃料集合体との間に生ずる差圧を非対称性とし、従ってこの場合も、大きさと方向が燃料集合体の湾曲に的確に影響を与える横向き合力が残る。

本発明の有利な実施態様では、かかる少なくとも１つのスペーサを燃料集合体の中央範囲に配置する。この結果、中央範囲で燃料集合体に作用する横向き力が、湾曲の大きさに最大に影響を及ぼすので、湾曲の特に効果的な調整が可能となる。

本発明の第２の課題は、請求項６に記載の特徴を持つ炉心により解決できる。この特徴に基づき、本発明に基づく燃料集合体を、燃料集合体に軸方向に対し直角に作用する力が少なくとも互いに略平行するように炉心内に配置する。この結果、唯一の方向に作用する系統的湾曲が生じ、増大した水路隙間の位置を明白に確定できる利点がある。

炉心の、力が作用するのと反対側の縁部領域に配置された燃料集合体が、前記反対側の縁部領域の燃料集合体より小さい出力を有するとよい。かくして、大きな水路隙間の範囲に生ずる大きな減速作用を補償できる。

以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。

図１において、炉心容器２内に固定された炉心ジャケット３の内部に、横断面正方形の多数の燃料集合体４で構成された炉心５を配置している。図１は、炉心のほぼ中央を概略断面図で示す。この図１から、炉心５全体が中央で右向きに湾曲していることが解る。この湾曲により、左側縁に存在しハッチングを入れた燃料集合体４ａと、炉心ジャケット３の左側縁との間の水路隙間６ａが増大している。その結果、右側縁に存在する燃料集合体４ｂと炉心ジャケット３との間の水路隙間６ｂは狭まっている。従って炉心５は、全体として右側縁に向かう、図１に概略的に示した系統的湾曲を生じている。該湾曲は、少なくとも一部の燃料集合体４に与えられる力Ｆ_i、_jにより生じている。該力Ｆ_i、_jは炉心５内での燃料集合体４の位置ｉ、ｊに応じ値的に互いに異なるが、少なくとも互いに略平行に延びている。図１は、明瞭化のため、座標位置（４、８）、（６、６）、（７、４）、（１３、７）に存在する燃料集合体４に各々作用する力Ｆ_i、_jのみを示している。

隙間６ａ内で増大した減速作用を補償すべく、炉心５の好適な設計では、作用力Ｆ_i、_jとは反対側の縁部領域に配置した燃料集合体４ａが、それとは反対側の縁部領域における燃料集合体４ｂよりも小さな出力を持つようにする。

炉心５に存在する状態は、図２の縦断面図から明らかである。この縦断面図から、燃料集合体４が、個々の燃料集合体４間の隙間６ｃの幅ｂに殆ど影響を与えない同じ向きのＣ状湾曲を示すことが解る。換言すれば、その隙間幅ｂは燃料集合体４の全長にわたりほぼ一定し、曲がっていない新燃料集合体で初期状態に存在する隙間幅にほぼ相当している。燃料集合体４の系統的湾曲は、縁部に存在する燃料集合体４ａと炉心ジャケット３との間の水路隙間６ａを増大させ、炉心ジャケット３と右側縁に存在する燃料集合体４ｂとの間における水路隙間６ｂを狭める。

燃料集合体４に軸方向に延びる多数の燃料棒１０が存在する。これら燃料棒１０は、正方形の格子状スペーサ１２で案内されている。明瞭化のため、スペーサ１２を非常に概略的に示し、燃料棒１０も同様に左側燃料集合体４ａだけにごく概略的に示している。

図３は、燃料集合体４をスペーサの範囲において隣接する燃料集合体４_-1、４₊₁と共に示す。この図で、中央の燃料集合体４は本発明に基づき形成され、対向して位置する両側のスペーサ周縁帯板１４ａ、１４ｂは構造的に異なるスペーサ１２を有している。この実施例では、片側の周縁帯板１４ａは平滑壁面を有する。即ち、開口を備えず、その上下両端面に各々流れ案内羽根１６を有している。これら流れ案内羽根１６は、下から流入する冷却水Ｋを隣接する燃料集合体４、４_-1の周縁帯板１４ｂ_-1、１４ａ間にある隙間６ｃに良好に導入させる。この隙間６ｃで冷却水Ｋの加速が生じ、この結果、一方では隙間６ｃ内に生ずる速度Ｖ_g、_aに基づき、他方ではスペーサ１２ないし１２_-1の内部における速度Ｖ_i、_aないしＶ_i、_b-1に基づき、燃料集合体４に作用する力Ｆ_aないし燃料集合体４_-1に作用する力Ｆ_b-1が発生する（一般化したベルヌーイの定理）。

図３は、互いに対向して位置する周縁帯板１４_a、１４_b-1を構造的に同じに形成した状態を示す。このため力Ｆ_aと力Ｆ_b-1は同じ大きさを有し、その結果スペーサ１２が対称形状を持ち、両側の周縁帯板１４_a、１４_b間における流れ状態が殆ど変化しないと仮定した場合、スペーサ１２の平面内において燃料集合体４に作用する力を相殺できる。

本発明に基づき、スペーサ１２の少なくとも２つの周縁帯板、例えば周縁帯板１４ａとその反対側に位置する周縁帯板１４ｂとを、図の例において破線で示す開口１８並びに流入範囲における流れ案内羽根の欠如で表している如く、構造的に異ならせている。この開口１８の設置と、流れ案内羽根欠如との両処置は択一的に又は併せて採用され、この結果スペーサ１２、１２₊₁間の隙間６ｃ内での速度Ｖ_g、_bと、スペーサ１２の内部での速度Ｖ_i、_bとの間に生ずる差が減り、これに伴い、この側でスペーサ１２に加わる力Ｆ_bは、反対側に加わる逆向きの力Ｆ_aより小さくなる。この結果、このスペーサ１２の範囲で燃料集合体に正味力Ｆ＝Ｆ_a−Ｆ_bが作用し、燃料集合体４の所望の湾曲を生じさせる。

燃料集合体１２₊₁の周縁帯板１４ａ₊₁に力Ｆ_a+1が作用する。該力Ｆ_a+1は、右側隙間６ｃ内での流れ状態の変化に基づき、スペーサ１２に作用する力Ｆ_aと一致しない。スペーサ１２₊₁にも左向きに作用する正味力を発生すべく、図示しない右側周縁帯板にも、同様に周縁帯板１４ｂに関し述べた処置に類似して、隙間とスペーサ１２₊₁の内部との圧力差を低減する処置を講じねばならない。炉心の或る平面内、例えば中央平面内に存在する全スペーサをスペーサ１２と同様に構成した（この場合は、周縁帯板１４_b-1を図３と異なり周縁帯板１４ｂと同様に形成する）場合、全燃料集合体に左向きに作用する力が加わり、図１と図２に示す実施例に対し鏡面対称な炉心の系統的湾曲が生ずる。

炉心への流入状態と流出状態の相違に基づき、場合によっては、燃料集合体の湾曲を炉心内における位置での局所的状態に合わせて系統的に調整すべく、炉心内の燃料集合体の位置に応じて、非対称的スペーサを構造的に異なって形成し或いは燃料集合体における数を変化すること、即ち燃料集合体に複数の非対称的スペーサを設けることが目的に適う。

加圧水形原子炉の本発明に基づく炉心の概略断面図。 炉心の原理的な概略断面図。 本発明に基づいて設計された相互に隣接する燃料集合体の部分概略断面図。

符号の説明

４ 燃料集合体、５ 炉心、１２ スペーサ、１４ 周縁帯板、１８ 開口、Ｋ 冷却水、Ｆ 力

Claims (7)

1. 軸方向に延びる多数の燃料棒（１０）が、互いに間隔を隔てて配置された複数の正方形の格子状スペーサ（１２）で案内され、該スペーサ（１２）の周縁が各々４つの周縁帯板（１４ａ、ｂ）で形成される加圧水形原子炉の燃料集合体において、少なくとも１つのスペーサ（１２）が、該スペーサ（１２）の平面内で、流れ冷却水（Ｋ）により燃料集合体（４）に軸方向に対し直角に作用する力（Ｆ）を発生させるべく、互いに構造的に異なる少なくとも２つの周縁帯板（１４ａ、１４ｂ）を有することを特徴とする燃料集合体。
2. 互いに構造的に異なる２つの周縁帯板（１４ａ、１４ｂ）が対向して位置することを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
3. 構造的に互いに異なる２つの周縁帯板（１４ａ、１４ｂ）が、開口（１８）の数、形状および／又は配置において異なることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料集合体。
4. 互いに構造的に異なる２つの周縁帯板（１４ａ、１４ｂ）が、互いに異なる流れ案内羽根（１６）を有することを特徴とする請求項１から３の１つに記載の燃料集合体。
5. 前記少なくとも１つのスペーサ（１２）が燃料集合体（４）の中央範囲に配置されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の燃料集合体。
6. 請求項１から５の１つに記載の多数の燃料集合体（４）を備えた加圧水形原子炉の炉心（５）において、燃料集合体（４）に軸方向に対し直角に作用する力（Ｆ）が少なくとも互いにほぼ平行するように、燃料集合体（４）が配置されたことを特徴とする炉心。
7. 作用する力とは反対側の炉心（５）の縁部領域に配置された燃料集合体（４ａ）が、該反対側の縁部領域における燃料集合体（４、４ｂ）より小さい出力を有することを特徴とする請求項６記載の炉心。

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