JP2009085871A - 沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサ及び該スペーサを備えた燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】減肉による欠損を防止し且つ圧力損失を従来より低減できるスペーサスプリングを備えた沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサと該スペーサを用いた燃料集合体の提供。
【解決手段】沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサのスペーサスプリングが、画壁板体の両側セル内に向けてそれぞれ突出した形状を有する一対の腕部とこの腕部同士が該画壁板体の冷却材流れ下流側で一体に連続する連続部を有するスプリング本体と、一対の腕部の両端からそれぞれ冷却材流れ上流側に延在して互いに面接状態で溶接固定された腕固定部とを備え、各セル毎に燃料棒を囲むスペーサスプリングのうちの少なくとも一つが、該セル内の腕部に断面略くノ字状の突出形状からなる板バネ部を有するものとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサに関し、詳しくはスペーサスプリングに関するものである。

沸騰水型原子炉用燃料集合体１００は、図８に示すように、燃料棒１２０を９行９列や１０行１０列に配列し、中心領域の何本かの燃料棒１２０の代わりに水で満たされたウォーターチャンネル１２１又はウォーターロッドを配置するものであり、これら燃料棒１２０とウォーターチャンネル１２１またはウォーターロッドをスペーサ１３０により正方格子状に束ね、上部タイプレート１０１と下部タイプレート１０２により上部及び下部を支持し、正方筒形状のチャンネルボックス２００内に収めた構造となっている。

チャンネルボックス２００は、チャンネルファスナーと呼ばれる支持具により上部タイプレート１０１の上面に固定され、その下端領域は下部タイプイレート１０２の上方の四側面を囲んでいる。この燃料集合体１００が多数本、原子炉内に装荷されて炉心を形成し、原子炉用燃料として使用される。炉心運転時には、冷却材は下部タイプレート１０２からチャンネルボックス２００内に導入されて上部タイプレート１０１へ向かって流れる。

スペーサ１３０は、正方格子状に区画されたセルを有し、各セル内にそれぞれ燃料棒１２０を収納することによって燃料棒同士をほぼ等しい間隔を持って配列するものであり、燃料棒１２０の長手方向に亘って、複数個用いられる。

沸騰水型原子炉用燃料集合体用のスペーサには、図９に示すような環状に成形された画壁板体からなるリング素子４１を互いに連結することにより正方格子状に円形セル４２が配列されたリング型スペーサ４０と、図１０に示すような長方形状の画壁板体からなる格子板５１を格子状に組み合わせて正方格子状に配列された略四角形セル５２が区画形成された格子型スペーサ５０とがある。

いずれの型のスペーサにおいても、燃料棒１２０のセル内での保持には、各区画セルを形成する画壁板体に取り付けられたスペーサスプリングと呼ばれる部材が用いられている。このスペーサスプリング（４３，５３）は、バネ付勢力によって燃料棒１２０を対向領域にある固定突起に押しつけて挟持するものである。

このようなスペーサスプリングには、従来から簡便な構成のものとして、図１１に示すような断面略くノ字状の突出形状からなる板バネ部Ｓを備えた一対の腕部（６２ａ，６２ｂ）が冷却材流れ上流側の連続部６３で一体に連続して隣り合うセル同士を区画するリング素材や格子型スペーサの格子板を構成する画壁板体１０を囲む断面略菱形状となるスプリング本体を有し、画壁板体１０（図９における４１，図１０における５１）を囲んだ状態の一対の腕部（６２ａ，６２ｂ）同士の端部から延在する部分６６が画壁板体１０の冷却材流れ下流側で互いに面接状態で溶接固定されたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

このスペーサスプリング６１では、装着された画壁板体１０の両側セル内に挿入されている一対の腕部（６２ａ，６２ｂ）がそれぞれ該セル内の燃料棒１２０をそのバネ付勢力により対向領域の固定突起に対して押圧して挟持するものである。固定突起は、通常、画壁板体１０からセル中心方向へ所定の間隔を持って燃料棒１２０に当接するものであり、この固定突起としては、例えば図９に示すようなリング素子４１の内壁に突設された凸部４４のような画壁板体１０に一体的に設けられているものや、画壁板体１０に装着されている別のスペーサスプリングの対向位置にある腕部に屈曲して突出成形された凸状部がある。

また、このようなスペーサスプリングにおいては、直接冷却材流れが衝突する下端から、エロージョン・コロージョンによる減肉現象が生じ、燃料寿命中にこの減肉がスペーサスプリング部材の肉厚を上回るとスペーサスプリングが欠損、分解して燃料棒保持機能を損失する恐れがあることから、図１２（ａ）に示すような冷却材流れが衝突する上流側のスペーサスプリング下端部分に角筒部６５を設けるという対策が施されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照。）。

このような角筒部６５を設けた場合、その筒高さがスペーサスプリングの冷却材流れ上流側の下端厚みとなり、エロージョン・コロージョンによる減肉に対して問題とならない厚みを持たせることで、減肉によるスペーサスプリングの欠損を防ぐことができる。

実開平６−４３５９８号公報 特開平７−２２５２９２号公報 特開平８−１６６４８１号公報

しかしながら、上記のようにスペーサスプリング６１の下端に設ける角筒部６５は、一対の腕部（６２ａ，６２ｂ）と一体に形成されるが、角管部材から角筒部６５と腕部とを切り出した後に腕部を断面略くノ字状の板バネ部Ｓや凸状の固定突起に成形するという方法以外の簡便な製造方法として、腕部から延在する帯状板部材を両腕部の下端に巻き付けるように折り曲げて形成する方法が採用される。

この場合、筒が開かないように重ね合わされた端部同士を溶接固定する必要があるが、この筒の巻きと重ね合わせ及びその溶接固定の技術的な困難さから、図１２（ｂ）に示すように、重ね合わせは角筒部６５のより幅広となっている側面領域で行っている。この角筒部の幅広の側面は、スペーサスプリングを取り付ける位置を考慮すれば、スプリング本体の幅方向に平行で、燃料棒１２０に近接する側でなければならない。

しかし、スペーサスプリングの角筒部６５から燃料棒１２０までの距離は、端部の重ね合わせがある側とない側とで異なり、端部の重ね合わせがある方が角筒部材の厚み分だけ燃料棒１２０に近接することとなる。加えて、角筒部６５には角が生じるが、燃料棒１２０と近接する重なりがある側の角は燃料棒１２０との接触に注意を払う必要もある。

また、スペーサの圧力損失は、スペーサを冷却材流れ上流側であるスペーサ下方側から見た時の面積（投影面積）に応じて大きくなることが知られている。スペーサを下方側から見ると、図１２（ｂ）に示すように、スペーサスプリングの本体を構成する一対の腕部（６２ａ，６２ｂ）はスペーサの画壁板部１０の冷却材流れ上流側下端の装着基部領域からはみ出しており、その分投影面積を大きくしているが、角筒部６５は、構造上、腕部幅であるスプリング本体幅よりも、図１２（ｂ）中に斜線領域Ｚで示す分だけ広くならざるを得ず、さらに余計な投影面積をスペーサに加えていることとなる。

一方、近年は沸騰水型原子炉や燃料集合体の高効率利用から、燃料集合体の燃料棒配列は８×８から９×９、さらに１０×１０へと増加している。このように燃料棒密度が増すと、燃料棒同士の間隔が狭くなり、上述の如く燃料棒により近い角筒部の重なり部分はさらに燃料棒に近接し、場合によっては燃料棒とのフレッティングが懸念される。

さらに燃料棒本数の増加に伴って定性的に燃料集合体の圧力損失が高まる上にスペーサスプリングの数も増加して、スペーサスプリングがスペーサからはみ出す面積も増加するのに加えて上述の角筒部のはみ出し分も含めて増加するため、スペーサ自体の圧力損失が増加し、熱水力共存性を悪化させる可能性があった。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、減肉による欠損を防止しながらもスペーサによる圧力損失を従来より低減できるスペーサスプリングを備えた沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサおよび該スペーサを備えた燃料集合体を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサは、複数本の燃料棒を平方格子状に配列保持するための複数の区画セルを備えた沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、
前記区画セルを形成する画壁板体に装着され、各セル毎にそのセル内に挿入された燃料棒周りの一カ所以上の位置で該燃料棒を挟持するスペーサスプリングを備え、
各スペーサスプリングは、画壁板体の両側セル内でその内側に向けてそれぞれ突出した形状を有する一対の腕部と該画壁板体の冷却材流れ下流側で前記一対の腕部同士が一体に連続する連続部を有して該画壁板体を囲むスプリング本体と、前記スプリング本体の一対の腕部の両端からそれぞれ冷却材流れ上流側に延在して互いに面接状態で溶接固定された腕固定部と、を備え、
各セル毎に燃料棒を囲む位置に装着されたスペーサスプリングのうちの少なくとも一つは、一対の腕部のうちの該セル内に挿入された腕部に断面略くノ字状の突出形状からなる板バネ部を有するものである。

請求項２に記載の発明に係る沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサは、請求項１に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、前記画壁板体のスペーサスプリング装着部の冷却材流れ上流側端に、前記腕固定部が収まる凹状切欠き部を備えているものである。

請求項３に記載の発明に係る沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサは、請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、前記スペーサスプリングの腕固定部の先端が、少なくとも部材厚み方向に沿った平面内の角縁が面取り形状を有するものである。

請求項４に記載の発明に係る沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、前記スプリング本体は、前記一対の腕部の冷却材流れ上流側及び下流側にそれぞれ画壁板体の上下端部分を左右両側から当接して挟み込む狭窄部を備え、前記スペーサスプリングを冷却材流れ上流側から見た際の前記腕固定部の部材投影断面領域と、前記画壁板体の下端部分を挟む上流側狭窄部の腕部の投影断面領域とが重なる領域の部材厚み方向の距離が、前記狭窄部の腕部肉厚の１０％〜６０％の範囲内であることを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明に係る沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサは、請求項１〜４のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、前記一対の腕部の突出形状を形成する各冷却材流れ上流側の立ち上がり傾斜部は、対面する画壁板体に対して４５°の傾斜角度を有することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のスペーサを少なくとも１つ備えたものである。

本発明の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサにおいては、区画セルを形成する画壁板体に装着され、各セル毎に燃料棒周りの一カ所以上の位置でそのバネ付勢力により燃料棒をセル内に挟持するためのスペーサスプリングが、画壁板体の両側セル内でその内側に向けてそれぞれ突出した形状を有する一対の腕部と該画壁板体の冷却材流れ下流側で前記一対の腕部同士が一体に連続する連続部を有して該画壁板体を囲むスプリング本体と、前記一対の腕部の両端からそれぞれ冷却材流れ上流側に延在して互いに面接状態で溶接固定された腕固定部とを備え、各セル毎に燃料棒を囲むスペーサスプリングのうちの少なくとも一つは、一対の腕部のうちの該セル内側に挿入された腕部に断面略くノ字状の突出形状からなる板バネ部を有するものであるため、スペーサスプリングに対して直接冷却材と衝突する面が腕固定部の先端部となり、この腕固定部の冷却材流れ上流側への延在長さをエロージョン・コロージョンによる減肉分を上回るものに設定するだけで、従来のような角筒部を設けることなく燃料棒保持機能を損失せしめるようなスペーサスプリングの減肉による欠損、分解を容易に回避することができる。

これに加えて、まず冷却材が衝突する腕固定部先端の投影面積は、従来の角筒部に比べて小さく抑えられており、またその腕固定部先端の投影面領域が画壁板体を囲んでいるスプリング本体の投影面領域からはみ出る部分をなくし、スペーサスプリング全体でスペーサからはみ出す投影面積を必要最小限に抑えられるため、圧力損失の増加分がなくなり、結果として、上記の如く減肉による欠損を防止しながらも従来よりもスペーサによる圧力損失が改善され、改善された圧力損失分を限界出力特性、熱水力共存性の向上に寄与できるという効果がある。

本発明における沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサは、区画セルを形成する画壁板体に装着されて各セル毎にそのセル内に挿入された燃料棒周りの一カ所以上の位置で該燃料棒を挟持するスペーサスプリングが、画壁板体の両側セル内でその内側に向けてそれぞれ突出した形状を有する一対の腕部と該画壁板体の冷却材流れ下流側で前記一対の腕部同士が一体に連続する連続部を有して該画壁板体を囲むスプリング本体と、前記一対の腕部の両端からそれぞれ冷却材流れ上流側に延在して互いに面接状態で溶接固定された腕固定部と、を備えたものであり、また各セル毎に燃料棒を囲む位置に配置されるもののうちの少なくとも一つのスペーサスプリングが、その一対の腕部のうちの該セル内に挿入された腕部に断面略くノ字状の突出形状からなる板バネ部を有するものである。

従って、本発明のスペーサにおいては、画壁板体に装着されたスペーサスプリングに対して直接冷却材と衝突する面は、腕固定部の先端部であり、この腕固定部の冷却材流れ上流側への延在長さをエロージョン・コロージョンによる減肉分を上回るものに設定するだけで、従来のような角筒部を設けなくても、燃料棒保持機能を損失せしめるようなスペーサスプリングの減肉による欠損、分解を容易に回避することができる。

しかも、冷却材がまず衝突するのは、板部材２枚分のみの腕固定部先端であるため、冷却材の衝突面としての上流側から見た投影面積が厚み方向で最小に抑えられており、またその腕固定部の幅を本体側の腕部と同一以下とすることによって、腕固定部先端の投影面領域が画壁板体を囲んでいるスプリング本体の投影面領域からはみ出る部分がなくなる。これにより、従来の角筒部のような圧力損失の増加分がなくなり、スペーサスプリング全体でスペーサからはみ出す投影面積が燃料棒への押圧や固定のための一対の腕部のセル内への突出分のみという必要最小限に抑えられるため、特に燃料棒高密度化において従来よりも圧力損失が改善され、熱的余裕、即ち限界出力特性、熱水力共存性の向上に寄与することができる。

また、腕固定部は、角筒部に比べて燃料棒との近接も抑えられるため、燃料棒高密度化においても燃料棒とのフレッティングの危険性が大幅に低減する。

さらに、本発明におけるスペーサスプリングは、冷却材流れ下流側で一対の腕部同士を連続させる連続部の形態は、両腕が繋がれたＵ字状の屈曲部とするのが設計上簡便であるが、この冷却材下流側となる連続部に従来の上流側に設けられていた角筒部がきても冷却材衝突による圧力損失やフレッティングの点で問題ない。そこで、スペーサスプリングの製造にあたって、従来の角筒部を有するスペーサスプリング用の部材を流用することができる。ただし、燃料部高密度化に応じて、冷却材流れ上流側においても燃料棒との近接を避けたい場合は角筒部となる部分のない部材を用いてＵ字状屈曲部からなる連続部とする。

角筒部がないスペーサスプリングにおいては、その冷却材流れ方向長さを短くすることができ、スペーサスプリング１個あたりの材料を減らすことができ、スペーサ全体の製造においては大幅な材料減少となる。従来から、スペーサスプリングの材料には、インコネルと呼ばれるニッケル基合金が用いられており、このインコネルは原子炉内の中性子経済性を悪くし、炉水の放射能を高め、原子炉の定期検査時における作業者の被爆量を増加させるものであるが、上記の如く角筒部の廃止によるスペーサスプリングの材料減小により、原子炉内の中性子経済性を高め、原子炉の定期検査時の作業被爆線量を低減するだけでなく、材料費を下げ、スペーサ設計の自由度を高めることもできる。

また、本発明の別の好適な様態として、画壁板体のスペーサスプリング装着部の冷却材流れ上流側端に、前記腕固定部が収まる凹状切欠き部を備えるものとすれば、腕固定部は実質的に画壁板体の平面内に収まり、冷却材流れに対する幾何形状的な凹凸がなくなるため、流れがより滑らかになり、圧力損失の低下に寄与する。また、このような凹状切欠き部に腕固定部が収まることにより、画壁板部下端辺からなるスペーサ底面に突出部がなくなり、スペーサ取り扱い時にスペーサスプリングに損傷を生じせしめるような突出部の直接床面などとの接触がなくなるため、前記凹状切欠き部にはスペーサスプリング保護効果もある。

また、本発明のさらに別の好適な様態として、スペーサスプリングの腕固定部の先端において、少なくとも部材厚み方向に沿った平面内の角縁を面取り形状とする。これによって冷却材と衝突する腕固定部先端の投影面積がより小さくなり、また冷却材流れ下流方向に沿って連続的に断面積が増加する形状となるため、定性的に冷却材との衝突による圧力損失を低減すると共に、エロージョン・コロージョンによる減肉を防止することができる。

なお、面取りは、角縁を直線で切り取っても曲線で切り取ってもよい。直線で切り取った場合、腕固定部先端は楔形状となり、曲線で切り取る丸め面取りの場合には角がＲ形状となる。またこのような面取りを、部材厚み方向と直交する幅方向に沿った平面内の角縁についても行えば、さらに腕固定部先端の投影面積が小さくなり、圧力損失の低減と減肉防止効果を向上させることができる。

また、本発明のさらに別の好適な様態として、前記スプリング本体は、前記一対の腕部の冷却材流れ上流側及び下流側にそれぞれ画壁板体の上下端部分を左右両側から当接して挟み込む狭窄部を備え、前記スペーサスプリングを冷却材流れ上流側から見た際の前記腕固定部の部材投影断面領域と、前記画壁板体の下端部分を挟む上流側狭窄部の腕部の投影断面領域とが重なる領域の部材厚み方向の距離が、前記狭窄部の腕部肉厚の１０％〜６０％の範囲内とする。

本発明におけるスペーサスプリングでは、スプリング本体の冷却材流れ下流側の連続部と上流側の腕固定部との間に画壁板体がその上下端で挟持されることにより、スペーサスプリングの画壁板体への装着状態が得られるが、このスプリング本体の上流側と下流側とで互いに対向する一対の腕部の同士の間を狭めてそれぞれ狭窄部を設け、各狭窄部で画壁板体の上下端部分をそれぞれ左右から当接して挟み込む構成とすれば、スペーサスプリングの画壁板体に対するより安定した装着状態が得られる。

この場合、スプリング本体の冷却材流れ上流側では、一対の腕部の狭窄部の下端から腕固定部が連続して形成されることになり、スペーサスプリングの冷却材流れ方向に直交する断面積は冷却材流れ方向に沿って連続的に変化するが、腕固定部の断面積が部材厚み２枚分に対して前記狭窄部の断面積は腕部の部材厚み２枚分にその間に挟まれた画壁板体の部材厚み分が加わったものとなる。

従って、冷却材流れ上流側から見て、腕固定部から上流側狭窄部の下端に繋がる連通部分は、挟まれた画壁板体の厚み分だけ急激に立ち上がり、この連通部分の腕固定部の投影面領域からはみ出した領域に冷却材が衝突する。ここで、画壁板体の厚みに対して連通部分の部材厚みが十分でないと、冷却材流れに衝突する領域の冷却材流れ方向に沿った連通部分の厚みが部材の肉厚分程度しかない状態となってしまい、エロージョン・コロージョンが発生した場合において減肉により腕固定部とスペーサスプリング本体側との繋がりが切れやすくなるおそれが生じてしまう。

そこで、前記連通部分において、画壁板体の肉厚に対して狭窄部から腕固定部にわたる腕部材の厚みを十分に設定することによって投影断面領域と腕固定部の部材投影断面領域との重なりを大きくすれば、前記連通部分での冷却材衝突による減肉の影響は回避され、スペーサスプリングの欠損、分解の恐れはなく、スペーサスプリングとしての燃料棒保持機能は十分に確保される。

すなわち、これら腕固定部および狭窄部における各部材厚みの設計において、上流側狭窄部の腕部材の投影断面領域と腕固定部の部材投影断面領域とが重なる領域がある程度以上存在する条件下では、冷却材流れに対する前記連通部分の立ち上がりは緩やかとなり、実質的に連通部分において冷却材衝突方向に沿った部材厚みはほぼ狭窄部の長さ方向に相当するため、エロージョン・コロージョンによる減肉の影響が全く問題ないものとなる。

具体的な上記部材厚みの設計条件としては、前記両部材投影断面領域が重なる領域の部材厚み方向の距離が、上流側狭窄部の腕部材肉厚の１０％以上となるのが望ましい。ただし、この腕部材の肉厚を厚くするほど重なり領域が大きくなるが、スペーサスプリング自身の圧力損失も大きくなって燃料集合体の熱水力共存性を低下させる可能生があることから、前記部材厚み方向の距離が上流側狭窄部の腕部材肉厚の６０％以下とするのが望ましい。

また、本発明の他の好適な様態としては、一対の腕部の突出形状を形成する各冷却材流れ上流側の立ち上がり傾斜部は、対面する画壁板体に対して４５°以下の傾斜角度を有するものとする。一対の腕部の各突出形状を形成する上流側の立ち上がり部分は、対面する画壁板体に対する傾斜角度が大きいほどセル内への突出度も大きく、冷却材流れに対する衝突角度が大きく衝撃エネルギーが大きいため、冷却材の衝突によるエロージョン・コロージョンによる減肉の可能性を低減するためには、冷却材流れに対する接触角度を浅くして衝突エネルギーをできるだけ小さく抑えるように、対面する画壁板体に対する一対の腕部の上流側立ち上がり傾斜部の傾斜角度を４５°以下とすることが望ましい。

ただし、一対の腕部のうちの一方あるいは両方に断面略くノ字状の板バネ部が設けられている場合、前記傾斜角度が小さすぎると、バネ板部のバネ付勢力も低減し、スペーサスプリングとしての燃料棒保持機能が低下するため、前記傾斜角度は４°以上とすることが望ましい。

なお、本発明におけるスペーサスプリングは、一対の腕部の突出形状について、両方に、燃料棒をバネ付勢力により押圧するための断面略くノ字状の板バネ部が形成されているもの、また一方に板バネ部が形成されて他方に板バネ部により押圧される燃料棒を画壁板体からセル中心方向に所定間隔持った位置で受けるための固定突起が形成されているもの、また一対の腕部の両方に固定突起が形成されているものの３種が挙げられる。

例えば、図９に示すようなリング素子を連結してなるスペーサの場合でリング素子に一体的に形成された固定突起に対して一つの板バネで燃料棒を押圧挟持する場合には、一対の腕部の両方に板バネ部が形成されたスペーサスプリングを用いれば、隣合う２つのセル内の燃料棒を一つのスペーサスプリングでそれぞれ押圧固定できる。また、図１０に示すような格子型スペーサにおいて、各セル毎に燃料棒を囲む複数個のスペーサスプリングで該燃料棒を押圧挟持する場合には、保持対象の燃料棒を挟んで互いに対向する位置にあるスペーサスプリングのそのセル内にある２つの腕部のうち一方が板バネ部を持ち、他方が固定突起を持つものとして燃料棒を押圧挟持するとすれば、上記３種のスペーサスプリングを適宜組み合わせて用いることができる。

本発明による沸騰水型原子炉用の燃料集合体においては、以上のごとき構成のスペーサスプリングを備えたスペーサを従来のスペーサに代えて少なくとも１つ用いることによって、圧力損失が低減され、熱水力共存性を向上させることができる。

本発明の第１の実施例として、図１に一対の腕部の両方に板バネ部が設けられたスペーサスプリングを示す。図１（ａ）は本実施例によるスペーサスプリングの画壁板体装着、燃料棒保持状態を正面側から見た冷却材流れ方向に沿った概略縦断面図であり、（ｂ）は該スペーサスプリングの概略側面図、（ｃ）は該スペーサスプリングの腕固定部の先端からスプリング本体へ連続する冷却材流れ上流側狭窄部に亘る領域の拡大断面図である。

本実施例によるスペーサスプリング１は、画壁板体１０の両側セル内でその内側に向けてそれぞれ断面略くノ字状の突出部形状からなる板バネ部Ｓが設けられている一対の腕部（２ａ，２ｂ）と、該画壁板体１０の冷却材流れ下流側で前記一対の腕部（２ａ，２ｂ）同士が一体に連続する連続部３を有する断面略菱形状で該画壁板体１０を囲むスプリング本体と、前記スプリング本体の一対の腕部（２ａ，２ｂ）の両端からそれぞれ冷却材流れ上流側に延在し、互いに面接状態で溶接固定された腕固定部６とから主に構成されている。

さらにスプリング本体には、断面略菱形状の上下鋭角部を形成する前記一対の腕部（２ａ，２ｂ）の冷却材流れ上流側及び下流側にそれぞれ画壁板体１０の上下端部分を左右両側から当接して挟み込む狭窄部（４，５）を備えており、これら下流側狭窄部４と上流側狭窄部５とで隔壁板体の上下端部を挟み込むことによって、スペーサスプリング１が画壁板体１０により安定した状態で装着される。

従って、このスペーサスプリング１を隣合う二つのセルを区画する画壁板体１０に両セルを跨ぐように装着すれば、各セルのスペーサスプリング１の対向領域の固定突起に対してスペーサスプリング１の各腕部（２ａ，２ｂ）はそのセル内側に突出した板バネ部Ｓの付勢力によってそれぞれ両セル内で各燃料棒１２０を周囲の各画壁板体１０からほぼ均等な間隔をもった位置に押圧保持することができる。

また、本実施例においては、一対の腕部（２ａ，２ｂ）の断面略くノ字状を形成する立ち上がり傾斜部の対面する画壁板体１０に対する傾斜角度αを４°〜４５°とした。これによって、冷却材流れに対してセル内側へ突出する投影面積を抑えながらも燃料棒２０を保持するのに十分なバネ付勢力を確保することができる。

以上の構成を備えた本実施例によるスペーサスプリング１においては、直接冷却材と衝突するのは、腕固定部６の先端部であり、この腕固定部６の冷却材流れ上流側への延在長さをエロージョン・コロージョンによる減肉分を上回るものに設定しておけば、従来のような角筒部を設けなくても、スペーサスプリングの減肉による欠損、分解を容易に回避することができる。しかも、実質的にスペーサの基部である画壁板体１０の冷却材流れ上流側からみた投影底面部からはみ出す領域が、上記一対の腕部（２ａ，２ｂ）のくノ字状突出部の傾斜面のみとなるため、従来の上流側に角筒部があった場合に比べて冷却材の被衝突面積が小さくなるため、スペーサ全体として大幅に圧力損失が低減する。

なお、本実施例においては、図１（ｃ）に示すように、上流側狭窄部５ではこの部材２枚分厚みに加えてこれらに挟まれる画壁板体１０の厚み分だけ投影断面領域が大きくなり、その分、腕固定部６から上流側狭窄部５の下端へ繋がる連通部分７が、冷却材流れに対して急激に立ち上がるように腕固定部６の先端投影面領域からはみ出すことになる。この場合、画壁板体１０に対して連通部分７の部材の肉厚が薄すぎると、冷却材が衝突する部分の冷却材流れに沿った部材に厚みが前記部材肉厚分のみになり、エロージョン・コロージョンの発生による減肉で連通部分７による腕固定部６と狭窄部５との繋がりが切れやすくなる恐れがある。

そこで、スペーサスプリング１を冷却材流れ上流側から見た際の腕固定部６の部材投影断面領域Ｘと、画壁板体１０の下端部分を挟む上流側狭窄部５の腕部（２ａ，２ｂ）の部材投影断面領域Ｙとが重なる領域がある程度以上存在するように各部材厚みを設計すれば、連通部分７における冷却材流れに沿った部材厚みはほぼ狭窄部５の長さ方向に相当するため、冷却材衝突による減肉の影響を受ける恐れはなくなる。

具体的には、前記重なり領域の部材厚み方向の距離ｄが、狭窄部５の腕部（２ａ，２ｂ）の肉厚の１０％〜６０％の範囲内となるように各部材厚みを設定することによって、連通部分７に冷却材流れ方向に沿って前記重なり領域が十分確保できるとともに、腕固定部６自身による圧力損失を増加させるほどの部材厚みに達することはない。

実際の部材厚みの設計としては、腕固定部６から狭窄部５にわたって腕部が均一な肉厚で、腕固定部６の投影断面領域Ｘと狭窄部５の投影断面領域Ｙとにおいて同じ部材肉厚Ｂとし、画壁板体１０の肉厚Ａとした場合、図１（ｃ）中の距離ｄは、ｄ＝Ｂ−1/2 Ａとなり、また前記条件範囲に従って、ｄ＝０．１Ｂ〜０．６Ｂとすれば、スペーサスプリング１側の部材肉厚Ｂは画壁板体１０の部材肉厚Ａに対して、5/9 Ａ≦Ｂ≦5/4 Ａとなるため、スペーサスプリング１の部材肉厚Ｂは、画壁板体１０の部材肉厚Ａに応じてこの条件範囲を満たすものとすればよい。

本発明の第２の実施例として、スペーサスプリングの腕固定部の先端の角縁を面取り形状とした場合を図２に示す。本実施例は、腕固定部６の先端を面取り形状した以外は上記実施例１と同一構成のものとする。

本実施例におけるスペーサスプリングの腕固定部６においては、先端部の部材厚み方向に沿った平面内の角縁を面取りしたものであり、図２（ａ）に示すような角縁を直線で切り取った場合、腕固定部先端８は略楔形状となり、図２（ｂ）で示すように角縁を曲線で切り取る丸め面取りの場合には腕固定部先端９はＲ形状となる。またこのような面取りを行うことによって、冷却材が衝突する腕固定部先端の投影面積が小さくなり、圧力損失の低減と減肉防止効果を向上させることができる。

本発明の第３の実施例として、画壁板体にスペーサスプリングの腕固定部が収まる凹状切欠き部を形成したスペーサを図３の側面図に示す。なお、スペーサスプリングは上記実施例１、２に示したものと同一構成である。

本実施例におけるスペーサは、画壁板体１０のスペーサスプリング１の装着部の冷却材流れ上流側端に、腕固定部６が収まる凹状切欠き部Ｋを備えるものとすることによって、腕固定部６を実質的に画壁板体１０の平面内に収め、冷却材流れに対する幾何形状的な凹凸をなくしたものである。

これによって冷却材流れがより滑らかになり、圧力損失の低下に寄与する。また、このような凹状切欠き部Ｋに腕固定部６が収まることにより、画壁板部１０の下端辺からなるスペーサ底面に突出部がなくなるため、スペーサ取り扱い時にスペーサ底面から突出した腕固定部６等が直接床面などとの接触してスペーサスプリングを損傷させる恐れもなくなる。すなわち、この画壁板体１０に形成された凹状切欠き部Ｋは、スペーサスプリング１の保護効果も期待できるものである。

本発明の第４の実施例として、スプリング本体の下流側に角筒部を備えたスペーサスプリングを図４に示す。本実施例によるスペーサスプリング１１は、スプリング本体下流側の連続部以外は上記実施例１に示したスペーサスプリング１と共通の構成を備えたものである。

即ち、画壁板体両側セル内でその内側に向けてそれぞれ断面略くノ字状に突出し、冷却材流れ下流側で互いに一体に連続した一対の腕部（１２ａ，１２ｂ）からなり、その上流側と下流側で画壁板体１０の下端部分と上端部分をそれぞれ挟持する上流側狭窄部１５および下流側狭窄部１４とを備えた断面略菱形状で該画壁板体を囲むスペーサスプリング本体と、スペーサスプリング本体の上流側の狭窄部１５からさらに上流側に延在して互いに面接状態で溶接固定された腕固定部１６とから主に構成される点で、上記実施例１に示したスペーサスプリング１と共通の基本構成を備えたものである。

本実施例のスペーサスプリング１１は、一対の腕部（１２ａ，１２ｂ）同士を画壁板体１０の冷却材流れ下流側で一体に連続させる連続部１３を、図１０に示すような従来のスペーサスプリングの上流側に設けられていた角筒部で構成したものである。よって、この本実施例によるスペーサスプリング１１では、腕固定部１６と角筒部１３との位置が上流側と下流側で逆に配置される以外、スペーサスプリング１１を構成する基材構成は従来のものと共通するため、従来のスペーサスプリング用の基材をそのまま利用してスペーサに装着することができる。

なお、本実施例における角筒部１３は、冷却材流れ下流側に位置するため、従来のもののように冷却材が衝突することもなく、圧力損失を増加させるという悪影響もほとんどない。

ただし、図５に示すように、連続部として角筒部１３を備えたスペーサスプリング（ａ）に対して、角筒部１３を設けることなく、実施例１で示すような断面Ｕ字状の連続部３を備えたもの（ｃ）とすれば、図５（ｂ）に示すように、下流側狭窄部４を必要以上に長く設ける必要もないため、その余分な長さｍ分だけ狭窄部４ｘを短くすることによりスペーサスプリング長さＬを短くすることができる。

その結果、スペーサスプリング１個あたりの材料を減らすことができ、スペーサ全体の製造においては大幅な材料減少となる。さらに、スペーサスプリングの材料として従来から用いられているニッケル基合金であるインコネルは、原子炉内の中性子経済性を悪くし、炉水の放射能を高め、原子炉の定期検査時における作業者の被爆量を増加させるものであるが、上記スペーサスプリングの材料減小は、原子炉内の中性子経済性を高めて原子炉の定期検査時の作業被爆線量を低減するだけでなく、材料費を下げ、スペーサ設計の自由度を高める効果も期待できる。

以上の実施例においては、一対の腕部の両方に断面くノ字状の突出形状からなる板バネ部Ｓを備えたスペーサスプリングについて示したが、本発明の第５の実施例として、他方の腕部あるいは両方の腕部に固定突起が設けられたスペーサスプリングを図６および図７に示す。

まず本発明のスペーサスプリングとしては、実施例１に示すような一対の腕部の両方に板バネ部Ｓを備えたスペーサスプリングの他に、例えば図６に示すように、一対の腕部（２２ａ，２２ｂ）のうち、一方の腕部（２２ｂ）に板バネ部Ｓを備え、他方の腕部（２２ａ）が対向する板バネ部Ｓのバネ付勢力によって押圧される燃料棒１２０を受けて固定するための固定突起Ｔを備えたスペーサスプリング２１、また図７に示すように一対の腕部（３２ａ，３２ｂ）の双方が固定突起Ｔを備えたスペーサスプリング３１の場合がある。

このような腕部に設けられる固定突起Ｔとしては、燃料棒１２０を挟んで対向する側からの板バネ部Ｓのバネ付勢力による押圧を受けた状態を長期に亘って良好に維持できる強度を持つものであればよく、図６，７に示すように２個以上の断面略台形の突出形状からなるものが簡便な構成として挙げられる。このような固定突起Ｔは、板バネ部Ｓと同様に、腕部を構成する帯状部材の屈曲成形により容易に形成することができる。

また、これら固定突起Ｔに関しても、断面略くノ字状の突出形状からなる板バネ部Ｓと同様に、各冷却材流れ上流側の立ち上がり傾斜部の傾斜角度βを対面する画壁板体に対して４５°以下として、冷却材流れに対する衝突角度を浅くして衝撃エネルギーを小さく抑えるものとする。

上記のような固定突起Ｔを備えたスペーサスプリング（２１，３１）は、板バネ部Ｓを備えたスペーサスプリングと共に、各セル毎に燃料棒１２０を挟んで板バネ部Ｓと固定突起Ｔとが互いに対向する位置に配置されるように適宜組み合わせて画壁板体１０に装着することによって、スペーサ全体において必要なスペーサスプリング数を最小限に抑えて効率的な燃料棒保持を行うことができる。

本発明の第１実施例による沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサのスペーサスプリングの概略構成図であり、（ａ）は本スペーサスプリングの画壁板体装着、燃料棒保持状態を正面側から見た冷却材流れ方向に沿った縦断面図であり、（ｂ）は該スペーサスプリングの側面図、（ｃ）は該スペーサスプリングの腕固定部の先端からスプリング本体へ連続する冷却材流れ上流側狭窄部に亘る領域の拡大断面図である。 本発明の第２実施例による沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサのスペーサスプリングの腕固定部先端の部分拡大図であり、（ａ）は先端部の角縁を直線で切り取った面取り形状を示す模式図であり、（ｂ）は先端部の角縁を曲線で切り取った丸め面取り形状を示す模式図である。 本発明の第３実施例による沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサのスペーサスプリング装着部の構成を示す概略側面図である。 本発明の第４実施例による沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサのスペーサスプリングの概略構成図である。 実施例３と実施例１のスペーサスプリングの長さの違いを示す概略説明図である。 本発明の第５実施例によるスペーサスプリングの概略構成図であり、腕部の一方に固定突起を備えたものの縦断面図である。 本発明の第５実施例によるスペーサスプリングの概略構成図であり、腕部の両方に固定突起を備えたものの縦断面図である。 一般的な沸騰水型原子炉燃料集合体の概略構成を示す縦断面図である。 一般的な沸騰水型原子炉燃料集合体用のリング型スペーサの構成を示す概略構成図であり、（ａ）は該スペーサを上方（冷却材流れ下流側）から見た平面図、（ｂ）は（ａ）にて実線で囲った円内部分の拡大図である。 一般的な沸騰水型原子炉燃料集合体用の格子型スペーサの構成を示す概略構成図であり、（ａ）は該スペーサを上方（冷却材流れ下流側）から見た平面図、（ｂ）は（ａ）にて実線で囲った円内部分の拡大図である。 従来の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサのスペーサスプリングの一例を示す概略縦断面図である。 従来の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサのスペーサスプリングの他の例を示す概略構成図であり、（ａ）は該スペーサスプリングの縦断面図であり、（ｂ）は該スペーサスプリングを冷却材流れ上流側から見た概略底面図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１，４３，５３，６１：スペーサスプリング
２ａ，２ｂ，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ，１２ａ，１２ｂ，６２ａ，６２ｂ：腕部
３，２３，３３，６３：連続部
１３，６５：連続部（角筒部）
４，１４，２４，３４：下流側狭窄部
５，１５，２５，３５：上流側狭窄部
６，１６，２６，３６，６６：腕固定部
７，１７，２７，３７：連通部分
８，９：腕固定部先端
１０：画壁板体
Ｋ：凹状切欠き部
４０：リング型スペーサ
４１：リング素子
４２：円形セル
４４：凸部（固定突起）
５０：格子型スペーサ
５１：格子板
５２：四角形セル
Ｓ：板バネ部
Ｔ：固定突起
１００：沸騰水型原子炉用燃料集合体
１０１：上部タイプレート
１０２：下部タイプレート
１２０：燃料棒
１２１：ウォーターチャンネル
１３０：スペーサ
２００：チャンネルボックス

Claims (6)

1. 複数本の燃料棒を平方格子状に配列保持するための複数の区画セルを備えた沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、
   前記区画セルを形成する画壁板体に装着され、各セル毎にそのセル内に挿入された燃料棒周りの一カ所以上の位置で該燃料棒を挟持するスペーサスプリングを備え、
   各スペーサスプリングは、画壁板体の両側セル内でその内側に向けてそれぞれ突出した形状を有する一対の腕部と該画壁板体の冷却材流れ下流側で前記一対の腕部同士が一体に連続する連続部を有して該画壁板体を囲むスプリング本体と、前記スプリング本体の一対の腕部の両端からそれぞれ冷却材流れ上流側に延在して互いに面接状態で溶接固定された腕固定部と、を備え、
   各セル毎に燃料棒を囲む位置に装着されたスペーサスプリングのうちの少なくとも一つは、一対の腕部のうちの該セル内に挿入された腕部に断面略くノ字状の突出形状からなる板バネ部を有することを特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサ。
2. 前記画壁板体のスペーサスプリング装着部の冷却材流れ上流側端に、前記腕固定部が収まる凹状切欠き部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサ。
3. 前記スペーサスプリングの腕固定部の先端は、少なくとも部材厚み方向に沿った平面内の角縁が面取り形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサ。
4. 前記スプリング本体は、前記一対の腕部の冷却材流れ上流側及び下流側にそれぞれ画壁板体の上下端部分を左右両側から当接して挟み込む狭窄部を備え、
   前記スペーサスプリングを冷却材流れ上流側から見た際の前記腕固定部の部材投影断面領域と、前記画壁板体の下端部分を挟む上流側狭窄部の腕部の投影断面領域とが重なる領域の部材厚み方向の距離が、前記狭窄部の腕部肉厚の１０％〜６０％の範囲内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサ。
5. 前記一対の腕部の突出形状を形成する各冷却材流れ上流側の立ち上がり傾斜部は、対面する画壁板体に対して４５°以下の傾斜角度を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサ。
6. 前記請求項１〜５のいずれか１項に記載のスペーサを少なくとも１つ備えたことを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。

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