JP2009133736A - 燃料スペーサ及び燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】運転時のチャンネル膨張に合わせて、バンドコーナ側に設けられたローブの突出高さを低くすることで、燃料集合体に対して水平方向に生じた地震荷重について、燃料スペーサ側面の各ローブに分散させ、局所的な集中荷重の発生を抑制することで、スペーサの機械強度における健全性裕度を向上させる。
【解決手段】矩形状に形成されたバンド９と、このバンドの内部に格子状に配列され燃料棒又はウォータロッドが挿通される複数のセル12と、前記バンドの各辺に設けられチャンネル方向に突出する複数のローブ14a，14bと、からなる燃料スペーサ７において、バンドコーナ側に位置するローブのチャンネル方向への突出高さがバンド中央側に位置するローブより低いことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体の燃料スペーサに関し、特に、耐震性能に優れた燃料スぺーサに関する。

一般に、沸騰水型原子炉用燃料集合体は図９に示すような構成になっている。すなわち、燃料集合体１は、正方角筒状の燃料チャンネル２内に核燃料を収容した多数本の燃料棒３と核燃料を収容してないウォータロッド４を正方格子状に配列するとともに、それらの上下両端部を上部タイプレート５と下部タイプレート６とによりそれぞれ固定し、その中間部を軸方向に適宜間隔を保持するように設置した複数個の燃料スペーサ７で整列支持している。

この燃料スペーサ７は燃料棒３及びウォータロッド４を格子状に整列支持する。燃料スペーサ７の設計に際して考慮すべきことは、燃料棒３の間隔保持、燃料棒３の熱膨張余裕、燃料集合体組立時の組立容易性、燃料棒３との接触面の最小化、冷却材流動変化を最小にして熱的な限界を最大にすること、及び派生する中性子吸収の最小化、さらには運転時の原子炉条件に耐える十分な機械強度を有すること等である。

このような設計仕様を満足させるために、従来から各種の燃料スペーサが提案され実用化されてきた。その代表的な燃料スぺーサを図７（ａ），（ｂ）に示す（特許文献１）。図７（ａ），（ｂ）において、矩形状に形成されたバンド９内に、バー10及びディバイダ11を縦横に配列して格子を形成し、格子内の複数個の升目をセル（燃料棒挿通路）12として燃料棒３を挿入し、バー10の各交差部に角形スプリング13を配設することで格子型燃料スペーサ７を構成している。

このバンド９の側面にはチャンネル方向に突出した複数のローブ（突起）14が一体的に設けられている。燃料棒３がチャンネル２の内面に接触することを防ぐため、この複数のローブ14によりバンド９とそれを取り囲むチャンネル２の間を適切な間隔を保っている。この複数のロ−ブ14はその突出高さ及び幅が同一の形状を有し、燃料スペーサ７の各４側面に規則的に配置されている。また、燃料集合体１の構造上、チャンネル２は最後に上部タイプレート５側から被せられるように組立てられるため、製造時におけるチャンネル２の内幅は燃料スペーサ８のローブ間幅よりも広くなっており、各ローブ14とチャンネル２内面の間隙はほぼ一定である。

地震時において、燃料集合体の軸方向に複数配置された燃料スペーサは、燃料棒により、（スペーサ間当たりの燃料棒重量）×（地震加速度）に相当する荷重を受ける。そのため、チャンネル内面と接触するバンド側面に形成されたバスタブによって荷重を支えることになり、スペーサの構成部材には種々の応力が発生する。特に、バンド中央部に生じる曲げモーメントに対するスペーサの耐震強度を高めるために、燃料スぺーサの各辺に設けられた複数のローブのうち、中央と両端部のローブの突出高さを他のローブよりも高くする先行技術も知られている（特許文献２）。
実公昭48−027360号公報 特開昭59−116084号公報

沸騰水型原子炉の運転状態では、チャンネルの内側（燃料体側）の圧力が外側より高いため、水平断面におけるチャンネル各側面は外側に湾曲するように膨張しており、バンド中央部付近でチャンネルとの間隙が最大となる。そのため、チャンネル内で燃料体が地震等によって水平方向に移動した場合、チャンネルの内面と燃料スペーサ間隙が最小となる最もバンドコーナ近くに設けられたローブのバンドコーナ側端辺とチャンネル内面が接触することになり、燃料集合体に対して水平方向の地震荷重が生じた場合には、バンドコーナに最も近いローブの一部が局所的にスペーサに荷重を受け持つことになる。

しかしながら、上述した従来の燃料スぺーサでは、ローブの設計に関して、地震時におけるスペーサの機械強度上の健全性裕度を確保するとの観点から、チャンネル各側面の外側への湾曲膨張を考慮に入れた最適化が図られているとは言えない。

本発明は、このような燃料集合体に対する水平方向加速度発生時の燃料スペーサに対する荷重を、燃料スペーサ側面の各ローブに分散させ、最もバンドコーナ近くに設けられたローブ付近での局所的な集中荷重の発生を抑制することで、スペーサの機械強度における健全性裕度を向上させることを目的としている。

上記目的を達成するため本発明に係る燃料スペーサは、矩形状に形成されたバンドと、このバンドの内部に格子状に配列され燃料棒又はウォータロッドが挿通される複数のセルと、前記バンドの各辺に設けられチャンネル方向に突出する複数のローブと、からなる燃料スペーサにおいて、バンドコーナ側に位置するローブのチャンネル方向への突出高さがバンド中央側に位置するローブより低いことを特徴とする。

本発明によれば、運転時のチャンネル膨張に合わせて、バンドコーナ側に設けられたローブの突出高さを低くすることで、燃料集合体に対して水平方向に生じた地震荷重について、燃料スペーサ側面の各ローブに分散させ、局所的な集中荷重の発生を抑制することにより、スペーサの機械強度における健全性裕度を向上させることができる。

本発明に係る燃料スペーサの実施形態について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る燃料スペーサ24の上面図および側面図であり、図７に示した従来の格子型燃料スペーサ７と基本的には同様な全体構造を有しているが、本実施の形態に係る格子型燃料スペーサ24は、ローブ14の形状が改良されている。したがって、本実施の形態では従来例と異なった部分のみを説明し、スペーサの全体的な構造についてはその説明を省略する。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、格子型燃料スペーサ24は、バンド９、縦横に配列されたディバイダ11、燃料棒又はウォータロッドが挿通される複数のセル12、フロータブ21、及びバンド９の各辺に設けられたローブ14から構成される。本第１の実施の形態では、バンド９の各辺に設けられた複数のローブ14のうち、バンドコーナ側に位置するローブ14aのチャンネル方向突出高さがバンド中央側に位置するローブ14bの高さよりも低く設定されている。

前述したように沸騰水型原子炉の運転状態ではバンド中央部付近で燃料スぺーサとチャンネルとの間隙が最大となるが、本第１の実施形態に係る燃料スペーサによれば、ローブ14aを低く、ローブ14bを高く設定したため、チャンネル各側面の中央部が外側に湾曲しても、燃料スぺーサのローブ14a及び14bはチャンネルと均一に接触することができ、その結果、地震の際も、チャンネル内面に対する燃料スペーサの各ローブ接触面を広くすることができるので、局所的な集中荷重の発生を抑制し、スペーサの機械強度における健全性裕度を向上させることができる。

図２（ａ）、（ｂ）に本発明の第２の実施形態に係る燃料スペーサを要部構造図である。
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態に係る格子型燃料スペーサ25は、バンド９の各辺に設けられ複数のローブ14において、各ローブは各辺の中央部に向けて傾斜面を有し、そのうちバンド中央側のローブ14bのチャンネル方向突出高さがバンドコーナ側のローブ14aよりも高い傾斜面を形成している。

図３（ａ）、（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る燃料スペーサの要部構造図である。
図３（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態に係る格子型燃料スペーサ26は、バンド９の各辺に設けられた複数ローブ14において、少なくともバンドコーナ側のローブ14aに傾斜部が設けられるとともに、そのチャンネル方向突出高さがバンド中央側のローブ14bより低く設定されている。

本第２及び第３の実施形態に係る燃料スペーサによれば、運転時にチャンネル各辺の中央部の外側への湾曲に合わせて、少なくともバンドコーナ側のローブ14aに傾斜部が設けたもので、これによりチャンネル各側面の中央部が外側に湾曲しても、燃料スぺーサのローブ14a及び14bはチャンネルと均一に接触することができ、その結果、地震の際も、チャンネル内面に対する燃料スペーサの各ローブ接触面をさらに広くすることができるので、局所的な集中荷重の発生を抑制し、スペーサの機械強度における健全性裕度を向上させることができる。

図４（ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る燃料スペーサ27の要部構造図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、格子型燃料スペーサ27は、バンド９の各辺に設けられた複数のローブ14において、バンド中央側に位置する少なくとも１個のローブがチャンネル方向に湾曲したスプリング状の弾性部材22から構成されるとともに、そのチャンネル方向突出高さがバンドコーナ側のローブ14aよりも高く設定されている。

本第４の実施形態に係る燃料スペーサによれば、チャンネル方向に湾曲したスプリング状の弾性部材22を用いることにより、弾性部材22の弾性度、幅、突出高さを自由に変更できるので、設計自由度が大きい燃料スぺーサを得ることができる。

図５（ａ）、（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係る燃料スペーサ28の要部構造図であって、円筒状のセル18を採用した円筒状セル型燃料スペーサ28に関する。
この円筒状セル型燃料スぺーサについても、上記第１乃至第４の実施形態で説明したローブ構造を適用し、局所的な集中荷重の発生を抑制し、スペーサの機械強度における健全性裕度を向上させることができる。

次に、本発明の第６の実施形態について説明する。
第６の実施形態は、燃料スぺーサを軸方向に複数配列した燃料集合体１において、その燃料スペーサ７のうちの少なくとも一つを上記第１乃至第５実施形態に係る燃料スペーサに用いるものである。

ここで、第６実施形態の具体例を説明する。上述したように沸騰水型原子炉の運転状態では、チャンネル２の内側（燃料体側）の圧力が外側より高いため、水平断面で見ると、燃料集合体１の軸方向各位置での圧力差に応じた弾性変形が生じ、チャンネル各側面は外側に湾曲するように膨張する。さらに、原子炉の運転中における高速中性子の照射等の影響によるクリープ変形に伴う膨張量を考慮すると、燃料集合体下部のチャンネル２の湾曲膨張は燃料集合体上部よりも大きくなる。そこで、燃料集合体１の軸方向に複数配列される燃料スペーサ７において、軸方向のチャンネル膨らみが最大となる燃料集合体下部に、燃料スペーサのローブ14a及び14bのチャンネル方向突出高さを最大とした、上記第１乃至第５実施形態に係る燃料スペーサを配置する。

また、原子炉内装荷時において、燃料集合体は上部格子板及び炉心支持板により上下端を支持されていることから、地震時の水平方向加速度に対して燃料集合体は弓形に変形し、軸方向中央で応答加速度が最大となる。そこで、燃料集合体１の軸方向に複数配列される燃料スペーサ７において、応答加速度が最大となる燃料集合体中央に、燃料スペーサのローブ14a及び14bのチャンネル方向突出高さを最大とした、上記第１乃至第５実施形態に係る燃料スペーサを配置する。

本第６の実施形態によれば、チャンネル２内面に対する燃料スペーサの各ローブ接触面を広くすることで、燃料集合体に対して水平方向の地震荷重が生じた場合、燃料スぺーサに局所的な集中荷重が発生することを抑制できるので、機械強度における健全性裕度が向上した燃料集合体を提供することができる。

（ａ）は本発明に係る第１の実施形態に係る燃料スペーサの要部上面図、（ｂ）は（ａ）の側面図。 （ａ）は本発明に係る第２の実施形態に係る燃料スペーサの要部上面図、（ｂ）は（ａ）の側面図。 （ａ）は本発明に係る第３の実施形態に係る燃料スペーサの要部上面図、（ｂ）は（ａ）の側面図。 （ａ）は本発明に係る第４の実施形態に係る燃料スペーサの要部上面図、（ｂ）は（ａ）の側面図。 （ａ）は本発明に係る第５の実施形態に係る円筒状セル型の燃料スペーサの要部上面図、（ｂ）は（ａ）の側面図。 一般的な燃料集合体を示す縦断面図 （ａ）は従来の燃料スペーサを示す上面図、（ｂ）は（ａ）の一部断面図。

符号の説明

１…燃料集合体、２…チャンネル、３…燃料棒、４…ウォータロッド、５…上部タイプレート、６…下部タイプレート、７，24，25，26，27，28…燃料スペーサ、９…バンド、10…バー、11…ディバイダ、12，18…セル、13…角型スプリング、14，14a，14b，20…ローブ、21…フロータブ、22…弾性部材。

Claims (7)

1. 矩形状に形成されたバンドと、このバンドの内部に格子状に配列され燃料棒又はウォータロッドが挿通される複数のセルと、前記バンドの各辺に設けられチャンネル方向に突出する複数のローブと、からなる燃料スペーサにおいて、バンドコーナ側に位置するローブのチャンネル方向への突出高さがバンド中央側に位置するローブより低いことを特徴とする燃料スペーサ。
2. 前記バンドの各辺に設けられチャンネル方向に突出する複数のローブは、各辺の中央部に向けて傾斜面を有することを特徴とする請求項１記載の燃料スぺーサ。
3. 前記バンドコーナ側のローブが傾斜面を有することを特徴とする請求項１記載の燃料スぺーサ。
4. 前記バンド中央側に位置するローブがスプリング状の弾性部材からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の燃料スペーサ。
5. 前記セルは、バンドと平行する複数のディバイダから構成されることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の燃料スぺーサ。
6. 前記セルは、円筒状のセルから構成されることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の燃料スぺーサ。
7. 燃料スぺーサを軸方向に複数配列した燃料集合体において、請求項１乃至６に記載の燃料スペーサを少なくとも一つ配置したことを特徴とする燃料集合体。

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