JP2009058506A - 核燃料集合体用のデブリシールド上部タイプレートおよび集合体をデブリからシールドするための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】核燃料集合体用のデブリシールド上部タイプレートおよび集合体をデブリからシールドするための方法を提供すること。
【解決手段】上部タイプレート（１３、５２）に装着されると共にチャンネル（２０）の壁の中に収容される燃料棒（１１、１２）およびウォータロッド（２３、２３０、５６、５７）のアレイを含む燃料バンドルと、チャンネルの中におよび上部タイプレートの上方または下方に少なくとも部分的に装着されるデブリシールド（２６、３６、５０）であって、チャンネルの壁までまたはチャンネルの壁を越えて延在するデブリシールド（２６、３６、５０）とを含み、上記シールドが多孔性である、原子炉燃料集合体（１０）。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料バンドルを含む核燃料集合体、および燃料集合体を支持するタイプレートに関し、具体的には、燃料バンドル集合体の上部タイプレート（ＵＴＰ）に取り付けられるデブリシールドに関する。

燃料集合体では、液体冷却材／減速材は、底部を通って集合体に流入し、水／水蒸気の混合物として頂部から退出する。炉心は、垂直な並列関係で配列される複数の燃料バンドルを含み、各燃料バンドルは、複数の燃料棒を含む。燃料バンドルは、中空の金属チャンネルによって形成されるハウジングを含む。燃料バンドルは、バンドル中の燃料棒を支持する１つまたは複数のタイプレートも含む。一般に、バンドルは、燃料集合体の頂部の近くに上部タイプレートを含み、燃料集合体の底部に下部タイプレートを含む。

デブリは、従来の上部タイプレートを通って落ち、燃料集合体内に詰まる可能性があり、そこでデブリは、通常の運転状態中に燃料棒のフレッティングを引き起こす可能性がある。フレッティングは、燃料棒に潜在的に損傷を与えるものであり、典型的には「漏洩」として知られているものをもたらす。

燃料集合体の中に落下するデブリに対処するための従来の取り組みは、典型的には、冷却材自体および冷却材流路の中のデブリを防ぐことに重点を置いている。典型的には、従来の取り組みは、デブリが通路または燃料集合体に入らないように冷却材流路の扱い方および燃料集合体の取扱いに関しての管理統制を含む。これらの統制は、デブリが燃料集合体の中に落下しないようにデブリの源を減少させることを目的とするものである。それにもかかわらず、特に、冷却材の流れが停止し炉心が開いている間に、デブリが、燃料集合体の中に落下する危険がある。デブリが、特に、冷却材の流れが停止されている間、燃料補給作業中、および逆行する冷却材の流れパターンにおいて、燃料集合体の中に落下しないことを確実にするための措置および装置が長年切実に求められている。

上部タイプレートの中に装着されると共にチャンネルの中に収容される燃料棒のアレイを含む燃料バンドルと、チャンネルの中におよび上部タイプレートの上方または下方に少なくとも部分的に装着されるデブリシールドであって、チャンネルまでまたはチャンネルを越えて延在するデブリシールドとを含み、このシールドが多孔性である、原子炉燃料バンドル集合体が開示されている。

上部タイプレートの中に装着されると共にチャンネルの中に収容される燃料棒のアレイを含む燃料バンドルと、チャンネルの中におよび上部タイプレートの上方または下方に少なくとも部分的に装着されるデブリシールドのマトリックスとを備え、このマトリックスが、燃料バンドルの開いた上部の領域と少なくとも同じ広がりのある面を有する、原子炉燃料バンドル集合体が開示されている。

上部タイプレートの中に装着されると共にチャンネル内に収容される燃料棒のアレイを含む原子炉燃料集合体の中にデブリが落ちることを防ぐための方法が開示されており、この方法は、チャンネルの上部の開いた領域を覆うデブリシールドを挿入するステップであって、このシールドの挿入によりシールドを上部タイプレートの上または下に設置するステップと、燃料バンドルが、原子炉炉心内で運転モード中である間にシールドを上部タイプレートの上または下に保持するステップと、炉心の運転中に冷却材をバンドルおよびデブリシールドを通じて流すステップと、デブリシールドを用いて上方から燃料集合体の中に落下するデブリを捕捉するステップとを含む。

図１は、概して、方形の断面を有する垂直柱のように成形される燃料集合体１０を断面で示す側面図である。典型的には、この集合体は、たとえば、平行に配列される全長燃料棒１１および部分長燃料棒１２のアレイを含む。燃料棒は、燃料棒の長さに沿った位置で配置される上部タイプレート１３、下部タイプレート１４および１つまたは複数のスペーサ１５によって支持される。膨張スプリング１６は、全長燃料棒１１の上部端栓から上部タイプレート１３の下面まで延在する。六角ナット１７は、タイロッド２４を固着し、タイロッド２４は、上部タイプレートを通って延在し、一方、各タイロッドの反対側は、燃料集合体の下部タイプレートの中に固着される。タイプレート、特に下部タイプレートは、燃料棒１１、１２のバンドル、ウォータロッド２３、２３０、タイプレート１３、１４、タイロッド２４およびスペーサ１５のための中空のハウジングを設けるチャンネル２０を係合する下部タイプレートの外側壁の上にフィンガスプリング１８を含む。

典型的には、チャンネル２０は、細長い中空管であり、断面が方形であり、および燃料集合体中の燃料棒の長さを包む長さを有するものである。概して、Ｕ形持ち上げ用把手２２は、上部タイプレート１３に取り付けられ、または上部タイプレート１３の一部である。把手２２は、燃料バンドル集合体１０を炉心２１から引き上げ、および燃料バンドル集合体１０を炉心２１の中に降ろすために、またはさもなければこの集合体を移動させるために使用できる。

デブリは、燃料補給、新しい燃料の受入れ、炉心への搬送、冷却材の流れが炉心を通って上向きに流れるのを止めるとき、および流れが停滞または逆転され得るときなどの非運転状態中または運転状態中に燃料バンドル１０の頂部に入る可能性がある。燃料バンドルの頂部の中に落ちるデブリは、タイプレート、スペーサブラケット、上記棒と上記棒の間、またはチャンネルの壁と棒の間で詰まる可能性がある。燃料バンドル中の隙間は、バンドル中のデブリをトラップし得る。デブリは、上部タイプレート１３の下方に落ち、バンドル中の区域で詰まる可能性があり、そこでデブリが運転状態中に燃料棒１１、１２のフレッティングを引き起こし得る。

図２は、動力用原子炉の炉心内に設置される燃料バンドル１０中の上部タイプレートを覆うデブリシールド２６を示す。デブリシールド２６は、チャンネルの壁２０の内面に当接する縁部２８を有する平らなメッシュの板などの概して平坦な多孔性の材料であってよい。デブリシールドは、上部タイプレート、チャンネル、ウォータロッド、または燃料集合体１０の頂部を形成する他の耐力構成要素に取り付けられてよくまたは取り付けられなくてよく、あるいは上部タイプレート、チャンネル、ウォータロッド、または燃料集合体１０の頂部を形成する他の耐力構成要素と一体化してよくまたは一体化してなくてよい。

平坦なデブリシールド２６は、ワイヤまたはメッシュ生地、スポンジ、格子、交差する棒または細長い薄板のアレイ、あるいは他のマトリックスであってよい。デブリシールドは、バンドルの中におよび持ち上げ用把手２２を通り過ぎてデブリシールドの挿入を容易にするために可撓性であってよい。この挿入は、シールドが持ち上げ用把手２２を避けて通り、上部タイプレートの上にシールドを着座させることを必要とし得る。スリット３０は、シールドが持ち上げ用把手２２を覆っておよび上記持ち上げ用把手２２の合間で嵌合することを可能にするようにデブリシールド２６の中に含まれてよい。このシールドは、上部タイプレートを通って上向きに延在する全長燃料棒、ウォータロッドおよびタイロッドの露出した先端部および小隆起部を覆って嵌合する開口３２、３３を有してよい。より大きい開口３３は、ウォータロッドの上部端栓１９に整合されてよく、クリップ、六角ナットまたは他のシールド固着装置は、開口３３を通っておよび端栓１９の中に嵌合できる。開口３２は、デブリが開口を通っておよび燃料集合体の中に落下するのを防ぐために、先端部および小隆起部を覆ってぴったり嵌合する。さらに、シールドは、タイロッド２４を上部タイプレートの頂部に固着する六角ナット１７によって所定位置に保たれることができ、一方、固定タブ３４は、六角ナットを、燃料バンドル内の各タイロッドからゆるまないように固着する。

デブリシールド２６は、原子炉炉心の運転中に燃料集合体の中に留まってよい。好ましくは、デブリシールド２６は、冷却材、特に非常用冷却材が、実質的に流動抵抗がない状態でシールドを通って流れることを可能にする多孔性構造、目の粗いメッシュ構造またはマトリックス構造を有する。デブリシールドの多孔性構造、メッシュ構造またはマトリックス構造は、デブリの通過を阻止する。デブリシールドは、冷却流体などの流体の通過を可能にし、微粒子の通過を阻止するフィルタとして働く。好ましくは、デブリシールドは、冷却材の最適な流れを保持しながらデブリの大きさを最小にする細孔径を有し、デブリ物質の小片の通過を阻止すべきである。

図３は、燃料集合体１０の頂部の中に挿入された円錐形のデブリシールド３６を備える燃料バンドル集合体１０の斜視図である。円錐形のデブリシールド３６は、概して上下逆さの円錐形、ピラミッド形またはカップ状の形状を有するメッシュ構造、マトリックス構造または他の多孔性構造で形成されてよい。デブリシールド３６は、バンドルのチャンネルの壁２０の上縁３９の垂直上方に延在する上部リム３８を含み、チャンネルの壁を越えて水平に延在してよくまたは延在しなくてよい。リム３８を有するシールド３６は、上方から燃料バンドルの頂部の中に落下するデブリを捕捉するための網として効率的に機能する。好ましくは、リム３８は、少なくともチャンネルの壁２０の上縁３９まで、およびチャンネルの壁２０の上縁３９を越えて延在するので、デブリは、シールドによって捕捉され、または逸らされ、燃料バンドル集合体の頂部の中に落ちない。デブリは、シールド３６の上面の上へ落ち、傾いた内側壁４０の１つに沿ってシールドの底部４２まで滑りまたは転がり、そこでデブリは、運転中、重力または流れの淀んだ領域によって留められ得ることになる。

デブリシールド３６の底部４２は、メッシュ、多孔性、または固体材料製であってよい。冷却材は、メッシュまたは多孔性のシールドの底部を通って流れる。固体の底部４２は、流れの淀んだ領域を形成し、その領域中にデブリを捕捉できる。デブリは、燃料バンドル１０が炉心から取り除かれるまで、またはバンドルについて整備が行われるまで、シールド３６の底部４２で留められ得る。シールド３６は、可撓性のウエブ状材料で形成されてよい。整備中は、シールドは、デブリを留めるために折り畳まれ、その後、燃料バンドル集合体から取り除かれ、後に、シールドの底部に留められているデブリを排出するために広げられてよい。

シールド３６は、燃料バンドルの頂部の中に嵌合するように適合するように成形される可撓性のウエブ、多孔性のシートまたはマトリックスで形成されてよい。シールドを形成する材料は、原子炉炉心の中での使用に耐えるべきである。シールド中のスリット４４は、シールドがＵ形持ち上げ用把手２２を通って嵌合され、燃料バンドル集合体１０の中に挿入されることを可能にする。代替として、シールド３６を分割し、燃料集合体の頂部に設置した後に共に縫い合わせてもよい。ウォータロッドの上部端栓１９上のねじ付き端栓は、複数の部品が隣接し、デブリを捕らえるための単一のシールド装置を形成するようにシールド３６の複数の部品を固着してよい。好ましくは、シールドは、バンドルの中に据付けるために可撓性であるが、燃料集合体の上部タイプレート中に据付けられるとシールドの形状を保つために十分な剛性を有する。

上部傘４６は、円錐形のデブリシールド３６のリム３８を覆って嵌合し、燃料集合体の内側から離れるようにデブリを逸らすことができる。この傘は、デブリシールド３６のリム３８に取り付けられるたとえば方形リングなどのリングを形成してよい。傘４６は、デブリを燃料集合体１０から離れるように逸らすためにリングの内縁から外縁まで下向きに傾けられてよい。傘４６は、燃料集合体を通り過ぎる冷却材の流れを阻害するのを避けるためにワイヤメッシュまたはさもなければ多孔性であってよい。燃料集合体の頂部上の固体の傘は、それが冷却材の流れを悪く阻害しない場合に許容可能であってもよい。

図４は、上部タイプレート５２の底部に取り付けられるデブリシールド板５０を示す燃料集合体１０の頂部の上面図である。デブリシールド板５０は、ドリルカットされるまたは板の中に打ち抜かれる小口径の開口を有する金属板である。デブリシールド板５０は、溶接、クリップ、ねじ、または他の取付け具５５によって上部タイプレートの底部に取り付けられる。デブリシールド板は、上部タイプレート５２上の開口５４と同じパターンで配列される大きい開口と小さい開口を共に有してよい。この小さい開口は、燃料バンドル中の全長燃料棒１１およびタイロッド２４それぞれの上の上部端栓を受容することになる。デブリシールド板は、燃料棒膨張スプリング１６によって所定位置に保たれ、上部タイプレート１３の下面に対して上向きに押圧されてよい。燃料棒は、デブリシールド板および上部タイプレートを通って延在し、そこでタイロッドは、六角ナット１７および固定タブ３４によって固着される。

異物が燃料集合体の頂部の中に入ることを抑制するデブリシールドが、本明細書に開示される。デブリシールドは、装置が、燃料集合体の頂部の中に潜在的に取り込まれる異物を逸らし、捕らえまたは取り除くように複数の孔またはミサイルシールドからなってよい。

図２、図３および図４中に示されるデブリシールド２６、３６および５０は、典型的なシールドである。図２中に示されるデブリシールド２６は、上部タイプレート１３を覆って装着される有孔板として構成される。図３中のデブリシールド３６は、下向きに流れるデブリを阻止し、非常冷却用の流れに対して比較的小さい抵抗面積（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ａｒｅａ）を有し、非常用炉心冷却システムの使用中にシールドを通っておよびシールドの周りを回ってバンドルの頂部へ流れる流体の再循環を可能にする形状を有する。図４に示される平らな有孔板のデブリシールド５０は、上部タイプレートの底部に取り付けられ、比較的目立たない。燃料バンドル集合体の頂部の他の形状、構成および配置を有するデブリシールドは、上部タイプレートを通り過ぎて落下するデブリに起因するバンドルの中に取り込まれるデブリが実質的にないという結果を実現するために、冷却材を通過させながらバンドルの中に下向きに落ちるデブリの通過を阻止するのと実質的に同じように、デブリがバンドルの中に落ちるのを防ぐ役割を果たすように作製されてよい。

異物が燃料バンドル集合体の中に入ることを防ぐことによって、燃料棒のフレッティング破損の可能性は、実質的に低減される。デブリシールドキャッチャにより、燃料集合体の信頼性が改善されるはずである。

本明細書に開示されるようなデブリシールドを使用することにより、デブリが燃料バンドルの中に落ちることを防ぎ、それによってデブリに起因する燃料棒破損を低減させるはずである。同様に、デブリが燃料バンドルの中に落ちることを防ぐことにより、燃料棒破損の危険および炉心からの早過ぎる排出を低減することで燃料集合体の稼働寿命を確実なものにすることが期待される。

本発明を最も実用的な好ましい実施形態であると現在みなされるものと共に説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されることはなく、しかし一方、添付した特許請求の範囲の精神および範囲の中に含まれるさまざまな修正形態および均等な構成を包含するように意図されることが理解されよう。

チャンネル、燃料棒、タイプレートおよびウォータロッドの一部を切開した、従来の燃料集合体の側面や断面の図である。 デブリが燃料集合体の中に落ちるのを防ぐための、第１の実施形態の有孔板を有する燃料集合体の上部の上面および側面の斜視図である。 デブリが燃料集合体の中に落ちるのを防ぐための、円錐形のデブリシールドを有する燃料集合体の上部の上面および側面の斜視図である。 上部タイプレートの底部側に取り付けられる有孔板のデブリシールドを示す燃料集合体の頂部の上面図である。

符号の説明

１０ 燃料バンドル集合体
１１ 全長燃料棒
１２ 部分長燃料棒
１３ 上部タイプレート
１４ 下部タイプレート
１５ スペーサ
１６ 燃料棒膨張スプリング
１７ 六角ナット
１８ フィンガスプリング
１９ ウォータロッドの上部端栓
２０ チャンネル
２２ 持ち上げ用把手
２３、２３０ ウォータロッド
２４ タイロッド
２６ デブリシールド
２８ デブリシールドの縁部
３０ スリット
３２、３３ 開口
３４ 固定タブ
３６ 円錐形のデブリシールド
３８ 円錐形のデブリシールドのリム
３９ 上縁
４０ 傾いた内側壁
４２ シールドの底部
４４ シールド中のスリット
４６ 上部傘
４９ チャンネルクリップ
５０ デブリシールド板
５２ 上部タイプレート
５４ 開口
５５ 取付け具

Claims (10)

1. 上部タイプレート（１３、５２）に装着されると共にチャンネル（２０）の壁の中に収容される燃料棒（１１、１２）およびウォータロッド（２３、２３０、５６、５７）のアレイを含む燃料バンドルと、
   前記チャンネルの中におよび前記上部タイプレートの上方または下方に少なくとも部分的に装着されるデブリシールド（２６、３６、５０）であって、前記チャンネルの前記壁までまたは前記チャンネルの前記壁を越えて延在するデブリシールド（２６、３６、５０）とを備え、
   前記シールドが多孔性であることを特徴とする原子炉燃料集合体（１０）。
2. 前記デブリシールドが、前記チャンネルの中に着座している平板（５０）であることを特徴とする請求項１記載の原子炉燃料集合体。
3. 前記平板（５０）が、前記上部タイプレートに装着されることを特徴とする請求項２記載の原子炉燃料集合体。
4. 前記平板（５０）が、実質的に各壁の幅全体に沿って前記チャンネルの壁に当接することを特徴とする請求項２記載の原子炉燃料集合体。
5. 前記平板（５０）が、前記上部タイプレートを通って上向きに延在する前記集合体の構成要素を覆ってぴったり嵌合する少なくとも１つの開口を含むことを特徴とする請求項２記載の原子炉燃料集合体。
6. 前記デブリシールド（３６）が、前記チャンネル内で、および前記上部タイプレートまたは前記チャンネルに固着される、前記チャンネルの壁の上方でおよび前記チャンネルの壁を越えて水平に延在する上部リム（３８）と、傾いた側面（４０）と、底部（４２）とを含むことを特徴とする請求項１記載の原子炉燃料バンドル。
7. 上部タイプレート（１３、５２）に装着されると共にチャンネル（２０）内で収容される燃料棒（１１、１２）およびウォータロッド（２３、２３０、５６、５７）のアレイを含む燃料バンドルと、
   前記チャンネルの中におよび前記上部タイプレートの上方または下方に少なくとも部分的に装着されるデブリシールドのマトリックス（２６、３６、５０）と
   を備え、前記マトリックスが、前記燃料バンドルの開いた領域と少なくとも同じ広がりのある面を有する、原子炉燃料集合体（１０）。
8. 前記デブリシールドのマトリックス（２３、３６）が、前記マトリックスを前記集合体から取り除くと折り畳み可能である可撓性の障壁であることを特徴とする請求項７記載の原子炉燃料集合体。
9. 前記デブリシールドのマトリックス（３６）が、前記チャンネルの壁の内周部に適合するように成形される外周部を有する円錐形のメッシュであることを特徴とする請求項７記載の原子炉燃料集合体。
10. 前記デブリシールドが、前記チャンネルの中に着座している平板（５０）であることを特徴とする請求項７記載の原子炉燃料集合体。

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