JP2010133986A - 核燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】液体金属を冷却材とする原子炉の炉心に装荷される核燃料集合体において、低圧損のグリッドスペーサを提供する。
【解決手段】液体金属を冷却材とする原子炉の炉心に装荷される核燃料集合体であって、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する複数の波形素子と、２本の溝を有し、前記溝にそれぞれ前記波形素子を噛合させて前記波形素子を接続する接続板と、前記波形素子と前記接続板とをグリッド枠に固定したグリッドと、エントランスノズルと、ハンドリングヘッドとを備え、前記グリッドは、周辺の前記波形素子と前記グリッド枠との間に周辺閉塞物を設けた。
【選択図】 図３９

Description

本発明は、液体金属等の冷却材を用いた小型原子炉の核燃料集合体に係り、特に三角ピッチ配列の燃料ピンバンドルにおけるＰ／Ｄ（Ｐ：燃料ピンピッチ、Ｄ：燃料ピン外径）が１．１より小さい場合の圧損低減を図るために波形グリッドを復数段構成した核燃料集合体に関する。

一般に、液体金属等の冷却材を用いた小型原子炉内においては、核燃料集合体が支持部材に装着された状態で炉心に支持されている。このような核燃料集合体については、複数の燃料ピンの径方向間隔保持がグリッドにより行われ、軸方向グリッド間の保持はタイロッド等で保持される。グリッドについては、特に燃料ピンバンドルのＰ／Ｄ（Ｐ：燃料ピンピッチ、Ｄ：燃料ピン外径）が概ね１．２より大きい場合の低圧損グリッドとしてロンバスグリッドが適用されている。

図９７〜図９９は、従来の核燃料集合体の構成を示している。図９７は核燃料集合体の全体構成を示す縦断面図であり、図９８は図９７のＸ−Ｘ線断面図である。これらの図に示すように、複数の燃料ピン１０１はグリッド１０２によりピン間隔を保持されて縦方向に配置され、ラッパ管１０３内に収納されている。

燃料ピン１０１の下部は下部ピン支持板１０５に固定され、上部は上部ピン支持板１０６に固定されている。液体金属等の冷却材はラッパ管１０３の下部に設けられたエントランスノズル１０４の冷却材流入口１０８から流入し、燃料ピン１０１間を上昇してラッパ管１０３の上部に設けられたハンドリングヘッド１０７の冷却材流出口１０９から流出する。

このように構成された核燃料集合体においては、図９９に示すように、低圧損のグリッドとしてグリッド枠１１２および複数のロンバス素子１１１からなるロンバスグリッド１１０等が用いられていた。なお、従来では液体金属等の冷却材を用いた原子炉について、反応度制御能力を高める技術等が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−５１０８２号公報

上述の従来の核燃料集合体においては、Ｐ／Ｄが概ね１．２以上の場合、図９９に示すようなロンバスグリッド１１０が成立したが、小型原子炉では燃焼効率を上げるために稠密型の燃料ピン１０１配列が要求されている。特にＰ／Ｄ＝１．０８程度のピン径Ｄ＝１４ｍｍが目標である。この場合には、ロンバスグリッド１１０の成立限界Ｐ／Ｄ＞１．１５４より小さい為ロンバスグリッド１１０は成立しない。また、従来のハニカムやリングタイプのグリッドでは圧損が大きいことが課題である。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、低圧損かつ稠密ナ燃料集合体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する波形素子と接続板をグリッド枠に固定したグリッドにおいて、周辺の波形素子とグリッド枠の間に周辺閉塞物を設け冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上できる。また、グリッドの強度向上とともに圧損低減が図れる。

請求項２記載の発明では、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するグリッドと、周辺に山形をした周辺閉塞棒と周辺枠からなる周辺閉塞構造を交互に複数段組み込み、冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上できる。また、グリッドの軸方向位置を周辺閉塞構造で位置決めができ、強度向上が図れる。

請求項３記載の発明では、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するグリッドで構成される燃料ピンバンドルにおいて、周辺の燃料ピンとラッパ管の間に周辺流れ効果を防止すべく三角燃料ピンを周辺閉塞物を兼ねて設け、冷却材の周辺流れ効果を防止することに加え、周辺に三角燃料ピンを配置することによってさらに熱効率を向上できる。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、低圧損のグリッドスペーサを得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の核燃料集合体においては、周辺閉塞物構造により周辺閉塞物構造流れ効果を防止でき、熱効率を向上させること、ならびに健全性を向上させる効果がある。

本発明に係る核燃料集合体の第１実施形態を示す横断面図。 （ａ）は図１の要部拡大図、（ｂ）は（ａ）の接続板を示す拡大図。 第１実施形態の他の構成例を示す平面図。 図３の要部拡大図。 図４の側面図。 図４の他の側断面図。 第１実施形態の他の構成例を示す側面図。 図７の平断面図。 図７の側断面図。 第１実施形態の他の構成例を示す側面図。 図１０の平断面図。 図１０の側断面図。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の第２実施形態を示す説明図。 （ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は第２実施形態の他の構成例を示す説明図。 本発明に係る核燃料集合体の第３実施形態を示す横断面図。 図１５に示した核燃料集合体の一つのグリッド部を示す拡大横断面図。 図１６に示したグリッド部に対し上下に隣接する他のグリッド部を示す拡大横断面図。 本発明に係る核燃料集合体の第４実施形態を示す横断面図。 図１８の部分拡大図。 第４実施形態の変形例を示す図。 第４実施形態の他の構成例を示す概略平面図。 第４実施形態のさらに他の構成例を示す概略平面図。 図２２の要部拡大図。 本発明に係る核燃料集合体の第５実施形態の他の構成例を示す概略平面図。 第５実施形態の説明図。 本発明に係る核燃料集合体の第６実施形態を示す拡大平面図。 第６実施形態の他の構成例を示す拡大平面図。 本発明に係る核燃料集合体の第７実施形態を示す概略平面図。 図２８の波形素子を示す平面図。 図２９の側面図。 第７実施形態の他の構成例を示す説明図。 本発明に係る核燃料集合体の第８実施形態を示す概略平面図。 図３２の側面図。 図３２の異なる方向からの側断面図。 第８実施形態の他の構成例を示す側面図。 図３５の異なる方向からの側断面図。 第８実施形態の他の構成例を示す側面図。 図３７の異なる方向からの側断面図。 本発明に係る核燃料集合体の第９実施形態を示す横断面図。 図３９のＢ−Ｂ線断面図。 第９実施形態の他の構成例を示す横断面図。 図４１のＢ１−Ｂ１線断面図。 第９実施形態の他の構成例を示す横断面図。 図４３のＢ２−Ｂ２線断面図。 第９実施形態の他の構成例を示す横断面図。 図４５のＢ３−Ｂ３線断面図。 本発明に係る核燃料集合体の第１０実施形態を示す全体断面図。 図４７の横断面拡大図。 図４８のＣ−Ｃ線断面図。 １０実施形態の他の構成例を示す断面図。 １０実施形態の他の構成例を示す断面図。 １０実施形態の他の構成例を示す断面図。 １０実施形態の他の構成例を示す断面図。 図５３の側面図。 １０実施形態の他の構成例を示す断面図。 図５５の側面図。 本発明に係る核燃料集合体の第１１実施形態を示す横断面図。 図５７のＤ１−Ｄ１線断面図。 第１１実施形態の他の構成例を示す断面図。 図５９のＤ２−Ｄ２線断面図。 第１１実施形態の他の構成例を示す断面図。 図６１のＤ３−Ｄ３線断面図。 本発明に係る核燃料集合体の第１２実施形態を示す横断面図。 図６３の核燃料集合体の上下端側周辺の閉塞物構成を示す拡大横断面図。 図６３の核燃料集合体の上下中間領域の閉塞物構成を示す拡大横断面図。 表１を示す図。 本発明に係る核燃料集合体の第１３実施形態を示す横断面図。 図６７における燃料ピンを拡大して示す説明図。 （ａ），（ｂ）は第１３実施形態の他の構成例を示す説明図。 本発明に係る核燃料集合体の第１４実施形態を示す横断面図。 第１４実施形態の他の構成例を示す概略図。 第１４実施形態の他の構成例を示す概略図。 第１４実施形態の他の構成例を示す概略図。 第１４実施形態の他の構成例を示す概略図。 第１４実施形態の他の構成例を示す概略図。 第１４実施形態の他の構成例を示す概略図。 第１４実施形態の他の構成例を示す概略図。 第１４実施形態の他の構成例を示す概略図。 第１４実施形態の他の構成例を示す概略図。 本発明に係る核燃料集合体の第１５実施形態を示す横断面図。 図８０の拡大横断面図。 図８１の要部拡大図。 図８２の平面図。 第１５実施形態の他の構成例を示す概略図。 第１５実施形態の他の構成例を示す概略図。 本発明に係る核燃料集合体の第１６実施形態を示す横断面図。 図８６のＡ−Ａ線拡大横断面図。 図８７の側断面図。 第１６実施形態の他の構成例を示す概略図。 図８９の側面図。 第１６実施形態の他の構成例を示す概略図。 本発明に係る核燃料集合体の第１７実施形態を示す横断面図で、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は（ａ）の接続板を示す拡大図。 第１７実施形態におけるエッジ形状を例示する拡大断面図。 第１７実施形態における他のエッジ形状を例示する拡大断面図。 第１７実施形態における他のエッジ形状を例示する拡大断面図。 第１７実施形態における他のエッジ形状を例示する拡大断面図。 従来の核燃料集合体を示す概縦断面図。 従来の核燃料集合体を示す概縦平面図。 従来の核燃料集合体のグリッドを示す拡大平面図。

以下、本発明に係る核燃料集合体の実施形態を図１〜９６を参照して説明する。なお、全体の構成については図９７〜９９に示したものと概略同様であるから同図も以下の実施形態の説明に使用する。

［第１実施形態（図１〜図１２）］
図１は、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管内に等間隔で収納保持する波形グリッド１を示す。波形グリッド１は波形素子２と接続板４とをグリッド枠１１２に溶接固定した構造とし、Ｐ／Ｄ＝１．０８でＤ＝１４ｍｍ（Ｐ：燃料ピンピッチ、Ｄ：燃料ピン外径）、素子肉厚ｔ０．２ｍｍでは燃料ピン部の裸バンドル部流路面積を１として、波形グリッド１の閉塞率ε＝０．１０を達成するようにしている。

圧損低減には、この閉塞率を小さくすることが有効な手段である。因みに同様のＰ／Ｄ，Ｄ、ｔでハニカムグリッドでは、閉塞率ε＝０．１７、リンググリッドでは閉塞率ε＝０．２３となる。このため、グリッドの圧損低減が図れる。図１では波形グリッド１の軸方向保持としてタイロッド５を適用した保持構成を示してあるが、他の保持構成を適用することもできる。

また、図１では３７本の燃料ピン１０１を示してあるが、この燃料ピン１０１の本数については、特に限定されるものではない。

図２（ａ）は波形グリッド１を拡大して示している。この図２に示すように、本実施形態の波形グリッド１においては、各波形素子２と各燃料ピン１０１とは、それぞれ線接触とされている。図２（ｂ）は波形グリッド１を接続する接続板４の構成を示している。接続板４は短冊状のものであり、この接続板４に形成した２本の溝を、波形素子２の溝に噛合させて接続する構成となっている。

図３〜図６は、波形素子２による燃料ピン１０１の他の支持構成を示している。この構成例は、波形素子２と燃料ピン１０１とが点接触になるように、波形素子２にディンプル６を設けたものである。この例では、ディンプル６が所定半径Ｒの半球面状に構成されている。なお、この形状に限定するものではなく、曲面の突部で形成されるディンプルであれば種々の変形が可能である。

図７〜図９は、さらに構成が異なる他の構成例を示している。この例では、波形素子２と燃料ピン１０１とは接触面が少ない線接触になるように、ディンプルが、アーチ型ディンプル７として構成されている。アーチ型ディンプル７は、半径Ｒの半円柱状で記載されているが、この形状に限定するものではなく、曲面の突部で形成されるディンプルが含まれるものとする。

図１０〜図１２はさらに構成の異なる他の構成例を示している。この例では、波形素子２と燃料ピン１０１は接触面の少ない線接触になるように、切欠き型ディンプル８として構成されている。切欠き型ディンプル８は、鋼製材料のバネ性を利用して、燃料ピン１０１を押さえつけるようにしたものである。なお、図１１では、切欠き型ディンプル８が半径Ｒの半円柱状として示されているが、この形状に限定するものではなく曲面の突部で形成される種々の形状のディンプルとして実施することができる。

［第２実施形態（図１３）］
図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第２実施形態の構成を示す説明図である。これらの図に示すように、本実施形態では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する波形素子２と、接続板４をグリッド枠１１２に固定したグリッドを波形素子２の方向を６０°回転させて２個を重ねることにより、一段のグリッドとして構成されている。このような構成によると、波形素子２が上下方向で重合せず、均一な流れが得られるため、グリッドの圧損低減を図ることができるとともに、構造強度を向上することができる。したがって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。なお、３段以上でもよい。

図１４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、本実施形態の他の構成例を示す説明図である。これらの図に示すように、この構成例では、上下１対の波形素子２を、図１４（ｃ）に示すように、平面上で互いに６０°角度を変えて積み重ね、切欠き部の組み合わせ部１３が重なるようにして、溶接接合された構成となっている。このような構成によっても、上部波形素子１１と下部波形素子１２との組み合わせにより、グリッドの圧損低減を図るとともに、構造強度を向上することができる。

［第３実施形態（図１５〜図１７）］
図１５は核燃料集合体の第３実施形態を示す横断面図であり、図１６は図１５に示した核燃料集合体の一つのグリッド部を示す拡大横断面図である。図１７は、図１６に示したグリッド部に対して上下に隣接する他のグリッド部を示す拡大横断面図である。

本実施形態では、図１６に示すように、波形素子２が図示水平上方向に配置するものと、図１７に示すように、波形素子２が図１６のものに対して６０°回転する方向に配置するものとを、燃料集合体の上下方向にて交互に設置する。すなわち、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する波形素子２と接続板４とをグリッド枠１１２に固定してなるグリッドを構成し、軸方向に間隔を保ち複数段のグリッドからなるピンバンドルの隣り合うグリッド波形素子２の方向を異なる方向（６０°回転等）に回転させた構成とする。これにより、核燃料集合体で圧損低減を図るとともに、構造強度を向上することができる。なお、図示の例では６０°ずつ回転してあるが、例えば６０°‥，１２０°‥とをそれぞれ代えて、また途中で代えて隣り合わせるグリッドの方向を変えて構成してもよい。

［第４実施形態（図１８〜図２３）］
図１８は本発明に係る核燃料集合体の第４実施形態を示す横断面図であり、図１９は図１８の部分拡大図である。これらの図に示すように、本実施形態では、複数本の燃料ピン１０が、ラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するリング素子１４をグリッド枠１１２に固定したグリッドを基本として構成される。この構成において、リング素子１４はグリッド枠１１２から数列のみ配列した部分グリッドとして構成されている。このような構成によると、外周近辺の燃料ピン１０１のみをグリッドによって支持するので、燃料ピン１０１の湾曲が大きい外周近辺の燃料ピン１０１の間隔を確実に保持することができる一方、中心側配置の燃料ピン１０１では冷却材の流量抵抗が減少するため、低圧損の核燃料集合体とすることができる。核燃料集合体の軸方向の特に燃料ピン１０１湾曲の大きい炉心部近傍では、このようなグリッドを採用し、軸方向の下部ならびに上部では中心部にリング素子１４のあるグリッドを使用することで下部から上部にわたる各断面で燃料ピン１０１の間隔を保持することができる。

図２０は、本実施形態の変形例を示している。この構成例では、グリッド枠１１２から数列のみハニカム素子１５を配列した部分グリッドで構成されている。このような構成によると、特に燃料ピン１０１湾曲の大きい外周近辺の燃料ピン１０１間隔を確実に保持し、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

図２１は、本実施形態のさらに他の構成例を示している。この構成例では、グリッド枠１１２から数列のみが、波形素子２を配列した部分グリッドで構成されている。このような構成によると、特に燃料ピン１０１湾曲の大きい外周近辺の燃料ピン１０１間隔を確実に保持し、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

図２２は、本実施形態の別の構成例を示している。図２３は図２２の要部拡大図である。これらの図に示すように、この構成例では、グリッド枠１１２の下部から数列のみリング素子１４を配列した部分グリッドで構成されている。特に燃料ピン１０１湾曲の大きい外周近辺の燃料ピン１０１間隔を確実に保持し、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。図示の例では、リング素子１４の構成例を示しているが、ハニカム素子１５、あるいは波形素子２により構成することも可能である。このような構成とした場合においても、上記同様の効果が奏される。

［第５実施形態（図２４、図２５）］
図２４は、本発明の第５実施形態を示す概略平面図である。

この図２４に示すように、本実施形態では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するリング素子１４をグリッド枠１１２に固定したグリッドにおいて、そのリング素子１４はグリッド枠１１２から数列のみ配列し、その内側には波形素子２でなるグリッドで構成され、特に燃料ピン１０１湾曲の大きい外周近辺の燃料ピン１０１間隔を保持し、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

図２５は他の構成例を示している。この例では、グリッドをグリッド１領域Ｇ１とグリッド２領域Ｇ２とに分け、グリッド１領域Ｇ１とグリッド２領域Ｇ２を異なった素子で構成している。グリッド１領域Ｇ１は素子強度の高いリング素子１４、ハニカム素子１５等で構成し、中心部のグリッド２領域Ｇ２では、波形素子２、ロンバス素子等で構成する。このような構成によっても、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

［第６実施形態（図２６、図２７）］
図２６は、本発明の第６実施形態を示している。

本実施形態では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する山形素子１５と接続板４でグリッドを構成しグリッドの圧損低減が図れる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

図２７は他の構成例を示している。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するディンプル６を加工した山形素子１５と接続板４でグリッドを構成しグリッドの圧損低減を図れることができる。したがって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

［第７実施形態（図２８〜３１）］
図２８〜３０は本発明の第７実施形態を示している。

これらの図に示すように、本実施形態では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する板の一部を四角く切り欠いた切欠き波形素子１６と接続板４をグリッド枠に固定したグリッドを構成しグリッドの圧損低減が図れる。また切欠き部１７があるために物量削減が図れる。なお切欠形状はどのようなものであってもよい。

図３１は他の構成例を示している。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する板の一部を円形多孔状に切り欠いた多孔波形素子１８と接続板４をグリッド枠に固定したグリッドを構成した構造でとしている。これにより、グリッドの圧損低減を図ることができる。また、切欠き部１７があるため、物量削減を図ることができる。

［第８実施形態（図３２〜図３８）］
図３２〜３４は、本発明の第８実施形態を示している。

これらの図に示すように、本実施形態では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する板の一部に長さ方向に連続突部２１を設けた突部形成波形素子２０と接続板４をグリッド枠に固定したグリッドを構成しグリッドの強度向上とともに圧損低減が図れる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

図３５および図３６は、加工方法の異なる他の構成例を示している。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する板の一部に長さ方向に連続突部２１を２本設けた突部形成波形素子２０と接続板４をグリッド枠に固定したグリッドを構成しグリッドの強度向上とともに圧損低減が図れる。したがって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

図３７および図３８は、加工方法の異なる他の構成例を示している。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する板の一部に長さ方向に連続突部２１を２本と逆方向に１本設けた突部形成波形素子２０と接続板４をグリッド枠に固定したグリッドを構成しグリッドの強度向上とともに圧損低減が図ることができる。したがって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

［第９実施形態（図３９〜図４６）］
図３９および図４０は、本発明の第９実施形態を示している。

これらの図に示すように、本実施形態では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する波形素子２と接続板４をグリッド枠に固定したグリッドにおいて、周辺の波形素子とグリッド枠１１２の間に周辺閉塞物２２を設け冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上することができる。また、グリッドの強度向上とともに圧損低減を図ることができる。

図４１および図４２は、加工方法の異なる他の構成例を示している。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する波形素子２と接続板４をグリッド枠１１２に固定したグリッドにおいて、周辺の波形素子２とグリッド枠１１２の間に長尺周辺閉塞物２３を設け冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上することができる。また、グリッドの強度向上とともに圧損低減を図ることができる。

図４３および図４４は、加工方法の異なる他の構成例を示し手いる。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する波形素子２と接続板４をグリッド枠１１２に固定したグリッドにおいて、周辺のグリッド枠１１２の上下端を燃料ピン１０１側に曲げた閉塞邪魔板２４を加工し、冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上できる。また、グリッドの強度向上とともに圧損低減を図ることができる。

図４５および図４６は、加工方法の異なる他の構成例を示している。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する波形素子２と接続板４をグリッド枠１１２に固定したグリッドにおいて、外周の波形素子２の上下端をグリッド枠１１２側に曲げた閉塞邪魔板２５を加工し、冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上することができる。また、グリッドの強度向上とともに圧損低減を図ることができる。

［第１０実施形態（図４７〜５６）］
図４７〜４９は、本発明の第１０実施形態を示している。

これらの図に示すように、本実施形態では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッドと、周辺に断面が山形、例えば三角形状をした複数本の周辺閉塞棒２６と、これらの周辺棒を支持する正六角形状の周辺枠２７とからなる周辺閉塞構造２８を交互に複数段組み込み、冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上することができる。

また、グリッドの軸方向位置を周辺閉塞構造２８で位置決めすることができ、燃料でないタイロッド５を集合体内に置く効率低下を防止することができる。さらに、ラッパ管１０３内にグリッド、周辺閉塞物構造２８の組み立てが容易であるうえ、強度向上が図れる。

図５０および図５１は、周辺閉塞物構造の構成の異なる他の構成例を示している。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッドと、周辺に半円断面をした半円形閉塞棒２９と周辺枠２７からなる周辺閉塞構造２８を交互に複数段組み込み、冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上することができる。また、グリッドの軸方向位置を周辺閉塞構造２８で位置決めすることができ、燃料でないタイロッド５を集合体内に置く効率低下を防止することができる。さらに、ラッパ管１０３内にグリッド、周辺閉塞物構造２８の組み立てが容易であるうえ、強度向上を図ることができる。

図５１は円形周辺閉塞棒３０を周辺閉塞物構造２７として構成した他の構成例である。

図５２は、周辺閉塞物構造の構成の異なる他の構成例である。複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッドと、周辺に中空閉塞棒３２と周辺枠２７からなる周辺閉塞構造２８を集合体内に交互に複数段組み込み、冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上することができる。

また、グリッドの軸方向位置を周辺閉塞構造２８で位置決めすることができ、燃料でないタイロッド５を集合体内に置く効率低下を防止できる。さらにラッパ管１０３内にグリッド、周辺閉塞物構造２８の組み立てが容易であるうえ、強度向上が図れる。

図５３および図５４はラビリンス閉塞棒３３を周辺閉塞物構造２８として構成した他の構成例を示している。

これらの図に示すように、ラビリンス３４の流動抵抗によってさらに冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上できる。また、図５５および図５６はらせん閉塞棒３５を周辺閉塞物構造２８として構成した他の構成例である。らせん羽根３６の流動抵抗によってさらに冷却材の周辺流れ効果を防止し、熱効率を向上することができる。

［第１１実施形態（図５７〜図６２）］
図５７および図５８は、本発明の第１１実施形態を示している。

これらの図に示すように、本実施形態では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する中空セル３７と接続板３８をグリッド枠１１２に固定したグリッドで構成され、グリッドの強度向上とともに圧損低減を図ることができる。

図５９および図６０は、他の構成例を示している。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する三角中空セル３９と接続板３８をグリッド枠１１２に固定したグリッドで構成され、グリッドの強度向上とともに、圧損低減を図ることができる。

図６１および図６２は、さらに他の構成例を示し手いる。この例では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する三角棒４０と接続板３８をグリッド枠１１２に固定したグリッドで構成され、グリッドの強度向上とともに、圧損低減を図ることができる。

［第１２実施形態（図６３〜図６６）］
図６３は、本発明の第１２実施形態を示す横断面図であり、図６４は図６３に示した核燃料集合体の上下端側周辺の閉塞物構成を示す拡大横断面図である。図６５は図６３の核燃料集合体の上下中間領域の閉塞物構成を示す拡大横断面図である。図６６は、表１を示す図である。

図６３〜図６５に示すように、本実施形態では、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する波形素子２と接続板４をグリッド枠１１２に固定した波形グリッド１をピンバンドル部の上段と下段に複数段ずつ配置し、燃料ピン１０１の湾曲変形の大きい軸方向中間部（炉心部）には強度の高いハニカムグリッド４１を複数段設けた構造である。燃料ピン１０１の湾曲変形の大きい軸方向中間部の燃料ピン１０１間隔を確実に保持し冷却材流路を確保できるため、核燃料集合体の健全性を向上できる。図６３はグリッド領域ＧＡ１、ＧＡ２、ＧＡ３それぞれに適したグリッドを組み込む構成例を示している。

表１は、グリッド領域ＧＡ１、ＧＡ２、ＧＡ３それぞれに適したグリッドの配置例である。基本的には、燃料ピン１０１の湾曲変形の大きい軸方向中間部（炉心部）には強度の高いグリッドを配置した構成例である。構成例２，３，４のようにピンバンドル部の上段と下段に複数段ずつ配置し、燃料ピン１０１の湾曲変形の大きい軸方向中間部（炉心部）には強度の高いグリッドを複数段設けた構造である。このような構成とすることにより、燃料ピン１０１の湾曲変形の大きい軸方向中間部の燃料ピン１０１間隔を確実に保持し、冷却材流路を確保することができるため、核燃料集合体の健全性を向上することができる。

［第１３実施形態（図６７〜図６９）］
図６７は、本発明の第１３実施形態を示す横断面図であり、図６８は図６７における燃料ピンを拡大して示す説明図である。これらの図に示すように，本実施形態では複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッドが、ピンバンドル部の上段と下段に複数段ずつ配置されている。そして、燃料ピン１０１の熱湾曲変形の大きい軸方向中間部には中間下部端栓４５から中間上部端栓４６まで、らせん状に巻かれたワイヤ４４で構成される部分ワイヤピンが設けられている。このような構成によると、ピンの湾曲変形の大きい軸方向中間部の燃料ピン間隔を確実に保持し、冷却材流路を確保することができるため、核燃料集合体の健全性を向上することができる。

図６９（ａ），（ｂ）は、部分ワイヤを構成した他の構成例を示している。複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッドをピンバンドル部の上段あるいは下段に複数段ずつ配置し、燃料ピン１０１の熱湾曲変形の大きい軸方向中間部含む下部あるいは上部には、中間端栓４９から片端栓までらせん状に巻かれたワイヤ４４で構成される部分ワイヤピンを設け、ピンの湾曲変形の大きい軸方向中間部の燃料ピン間隔を確実に保持し冷却材流路を確保できるようになっている。このような構成とすることにより、核燃料集合体の健全性を向上することができる。

［第１４実施形態（図７０〜図７９）］
図７０は、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するハニカムグリッド４１において、そのハニカムグリッド４１をブロックからワイヤカットで切り落とす加工を施して製作した構成を示している。具体的には、例えば図７１に示すように、ハニカム素子４３を溶接して構成することができる。この場合には肉厚ｔの２倍２ｔの板厚になる。

これに対し、図７２に示すように、ワイヤカットによる加工を施すことにより、肉厚ｔを残すことが可能である。この構成においては、閉塞率εが小さくなり、圧損を小さくすることができる。したがって、本実施形態においても低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

図７３〜図７６は、ワイヤカットで加工構成した他の構成例を示している。複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するハニカムグリッド４１においては、そのハニカムグリッド４１をブロックからワイヤカットで切り落として加工し、製作することが行われる。本実施形態では、長ディンプル５２あるいはディンプル５３を残したことを特徴とする。ディンプル５３は長ディンプル５２を加工後エンドミル等で上部、下部をカットして加工できる。ディンプルのために燃料ピン１０１の保持が確実にできる。また、閉塞率εは小さくなり圧損を小さくできる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

図７７は、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するリンググリッドにおいて、そのリンググリッドをブロックからワイヤカットで切り落とし加工で製作したことを特徴とする。ディンプル５３もワイヤーカットで残して加工している。図７８において、リング素子１４を溶接して構成する場合には肉厚ｔの２倍２ｔの板厚になるが、図７９におけるワイヤカットでは、肉厚ｔを残すことが可能である。このため閉塞率εは小さくなり、圧損を小さくすることができる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

［第１５実施形態（図８０〜図８５）］
図８０〜図８３は、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッド１０２で構成される燃料ピンバンドルにおいて、周辺の燃料ピン１０１とラッパ管１０３の間に周辺流れ効果を防止すべく、三角燃料ピン５４を周辺閉塞物を兼ねて設け、冷却材の周辺流れ効果を防止することに加え、周辺に三角燃料ピンを配置する構成となっている。このような構成とすれば、さらに熱効率を向上することができる。

図８４は本実施形態の他の構成例を示している。複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッド１０２で構成される燃料ピンバンドルにおいて、周辺の燃料ピン１０１とラッパ管１０３の間に周辺流れ効果を防止すべく、山形燃料ピン５６を周辺閉塞物を兼ねて設け、冷却材の周辺流れ効果を防止する。これに加え、周辺に山形燃料ピン５６を配置することによって、さらに熱効率を向上することができる。

図８５はさらに他の構成例を示している。この構成例においても、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッド１０２で構成される燃料ピンバンドルを基本としている。そして、周辺の燃料ピン１０１とラッパ管１０３の間に周辺流れ効果を防止すべく、小径燃料ピン５７を周辺閉塞物を兼ねて設け、冷却材の周辺流れ効果を防止するようにしている。これに加え、周辺に山形燃料ピン５７を配置することによってさらに熱効率を向上できるようにしている。

［第１６実施形態（図８６〜９１）］
図８６〜図８８は、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッド１０２で構成される燃料ピンバンドルにおいて、前記グリッド枠１１２をラッパ管１０３に溶接固定することを特徴とし、図８８において燃料ピン１０１を組み込む前にグリッド枠１１２の内側とラッパ管１０３の外側に溶接電極を設置して溶接固定する。グリッドの軸方向の位置を確実に固定でき核燃料集合体の健全性を向上できる。

図８９および図９０は、他の構成例である。複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッド１０２で構成される燃料ピンバンドルにおいて、前記グリッド枠１１２をラッパ管１０３に溶接固定することを特徴とし、図８９において燃料ピン１０１を組み込む前にグリッド枠１１２の内側とラッパ管１０３の外側に溶接電極を設置して溶接固定する。溶接の容易性を考慮して溶接用耳５９を設けた構成例ある。グリッドの軸方向の位置を確実に固定でき核燃料集合体の健全性を向上できる。

図９１は、他の構成例である。複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持するグリッド１０２で構成される燃料ピンバンドルにおいて、前記グリッド枠１１２をラッパ管１０３に溶接固定することを特徴とし、図９１において燃料ピン１０１を組み込む前にグリッド枠１１２とラッパ管１０３固定用の固定ビス６０を固定しさらに、固定ビス６０の頭をラッパ管の外側から密閉溶接で固定する。グリッドの軸方向の位置を確実に固定でき核燃料集合体の健全性を向上できる。

［第１７実施形態（図９２〜図９６）］
図９２は、本発明の第１７実施形態を示す横断面図であり、（ａ）は要部拡大図、（ｂ）は（ａ）の接続板を示す拡大図である。図９３は、エッジ形状を例示する拡大断面図である。本実施形態では、図９２（ａ）、（ｂ）に示すように、複数本の燃料ピン１０１をラッパ管１０３内に等間隔で収納保持する波形素子２と接続板４とをグリッド枠１１２に固定して構成されるグリッドを基本として構成されている。

このような構成において、図９３に示すように、波形素子２の上下端縁部に三角エッジ６１がそれぞれ形成されている。同様に、接続板４の上下端縁部にも、三角エッジ６１が形成されている。このような構成によると、三角エッジ６１の形成によって波形素子２および接続板４に対する冷却材の流動抵抗が低減される。したがって、グリッドの圧損低減が図れ、よって低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

図９４、図９５および図９６は、それぞれ本実施形態における他のエッジ形状を例示する拡大断面図である。図９４は、エッジ先端を除去した台形エッジ６２として形成した構成例を示している。また、図９５は、エッジを曲面として流線形エッジ６３を加工した構成例を示している。さらに、図９６は、片側エッジ６４を加工した構成例を示している。

このような各形状のエッジ構成とすることによっても、前記同様にグリッドの圧損低減が図れ、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

なお、本発明の第１実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する波形素子と接続板とをグリッド枠に固定した複数のグリッドとエントランスノズルとハンドリングヘッドとを備えたことを特徴とする核燃料集合体を提供する。

このように、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するグリッドとして波形素子と接続板とをグリッド枠に固定した構造とし、Ｐ／Ｄ＝１．０８でＤ＝１４ｍｍ（Ｐ：燃料ピンピッチ、Ｄ：燃料ピン外径）、素子肉厚ｔ０．２ｍｍでは燃料ピン部の裸バンドル部流路面積を１として波形グリッドの閉塞率ε＝０．１０を達成できる。圧損低減にはこの閉塞率を小さくすることが有効な手段である。因みに同様のＰ／Ｄ，Ｄ、ｔでハニカムグリッドでは閉塞率ε＝０．１７、リンググリッドでは閉塞率ε＝０．２３となる。このため、グリッドの圧損低減が図れる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

本発明の第２実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する波形素子と接続板をグリッド枠に固定したグリッドを波形素子の方向を６０°回転させた２個を重ね一段のグリッドとして構成したもので、グリッドの圧損低減を図るとともに構造強度を向上することができる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

本発明の第３実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する波形素子と接続板をグリッド枠に固定したグリッドを軸方向に間隔を保ち複数段のグリッドからなるピンバンドルの隣り合うグリッド波形素子の方向を異なる方向（６０°回転）に回転させて構成した核燃料集合体で圧損低減を図るとともに構造強度を向上することができる。

本発明の第４実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するリング素子をグリッド枠に固定したグリッドにおいてそのリング素子はグリッド枠から数列のみ配列し、その内側には波形素子でなるグリッドで構成され燃料ピン湾曲の大きい外周近辺の燃料ピン間隔を保持し、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

本発明の第５実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するハニカム素子をグリッド枠に固定したグリッドにおいて、そのハニカム素子はグリッド枠から数列のみ配列した部分グリッドで構成され、燃料ピン湾曲の大きい外周近辺の燃料ピン間隔を保持し、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

本発明の第６実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する山形素子と接続板でグリッドを構成しグリッドの圧損低減が図れる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

本発明の第７実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する板の一部を切り欠いた波形素子と接続板をグリッド枠に固定したグリッドを構成しグリッドの圧損低減が図れる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

本発明の第８実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する板の一部に長さ方向に連続突部を設けた波形素子と接続板をグリッド枠に固定したグリッドを構成しグリッドの強度向上とともに圧損低減が図れる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

本発明の第１１実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する中空セルと接続板をグリッド枠に固定したグリッドで構成され、グリッドの強度向上とともに圧損低減が図れる。

本発明の第１２実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する波形素子と接続板をグリッド枠に固定したグリッドをピンバンドル部の上段と下段に複数段ずつ配置し、ピンの湾曲変形の大きい軸方向中間部にはハニカムグリッドを複数段設け、ピンの湾曲変形の大きい軸方向中間部の燃料ピン間隔を確実に保持し冷却材流路を確保できるため、核燃料集合体の健全性を向上できる。

本発明の第１３実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するグリッドをピンバンドル部の上段と下段に複数段ずつ配置し、ピンの湾曲変形の大きい軸方向中間部には中間下部端栓から中間上部端栓までらせん状に巻かれたワイヤで構成される部分ワイヤ領域ピンを設け、ピンの湾曲変形の大きい軸方向中間部の燃料ピン間隔を確実に保持し冷却材流路を確保できるため、核燃料集合体の健全性を向上できる。

本発明の第１４実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するハニカムグリッドにおいて、そのハニカムグリッドをブロックからワイヤカットで切り落とし加工で製作したことを特徴とし、ハニカム素子を溶接して構成する場合は肉厚ｔの２倍２ｔの板厚になるが、ワイヤカットでは肉厚ｔを残すことが可能である。このため閉塞率εは小さくなり圧損を小さくできる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

本発明の第１６実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するグリッドで構成される燃料ピンバンドルにおいて、前記グリッド枠をラッパ管に溶接固定することを特徴とし、グリッドの軸方向の位置を確実に固定でき核燃料集合体の健全性を向上できる。

本発明の第１７実施形態は、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する波形素子と接続板をグリッド枠に固定したグリッドにおいて、波形素子の上下端に三角エッジを加工し、かつ接続板の上下端に三角エッジを加工し、グリッドの圧損低減が図れる。よって、低圧損の核燃料集合体を提供することができる。

１…波形グリッド、２…波形素子、４…接続板、５…タイロッド、６…ディンプル、７…アーチ型ディンプル、８…切欠き型ディンプル、９…上部グリッド枠、１０…下部グリッド枠、１１…上部波形素子、１２…下部波形素子、１３…切欠き組み合わせ部、１４…リング素子、１５…ハニカム素子、１６…切欠き部波形素子、１７…切欠き部、１８…多孔波形素子、１９…多孔、２０…突部形成波形素子、２１…連続突部、２２…周辺閉塞物、２３…長尺周辺閉塞物、２４…閉塞邪魔板、２５…閉塞邪魔板、２６…周辺閉塞棒、２７…周辺枠、２８…周辺閉塞構造、２９…半円形周辺閉塞棒、３０…円形周辺閉塞棒、３１…波形周辺閉塞棒、３２…中空閉塞棒、３３…ラビリンス閉塞棒、３４…ラビリンス、３…らせん閉塞棒、３６…らせん羽根、３７…中空セル、３８…接続板、３９…三角中空セ、４０…三角棒、４１…ハニカムグリッド、４２…周辺閉塞物、４３…ハニカム素子、４…ワイヤ、４５…中間下部端栓、４６…中間上部端栓、４７…下部端栓、４８…上部端栓、４９…中間端栓、５０…溶接部、５１…切り落とし部、５２…長ディンプル、５３…ディンプル、５４…三角燃料ピン、５５…燃料ペレット、５６…山形燃料ピン、５７…小径燃料ピン、５８…枠固定溶接、５９…溶接用耳、６０…固定ビス、６１…三角エッジ、６２…台形エッジ、６３…流線形エッジ、６４…片側エッジ、１０１…燃料ピン、１０２…グリッド、１０３…ラッパ管、１０４…エントランスノズル、１０５…下部ピン支持板、１０６…上部ピン支持板、１０７…ハンドリングヘッド、１０８…冷却材入口、１０９…冷却材出口、１１０…ロンバスグリッド、１１１…ロンバス素子、１１２…グリッド枠。

Claims (3)

1. 液体金属を冷却材とする原子炉の炉心に装荷される核燃料集合体であって、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持する複数の波形素子と、
   ２本の溝を有し、前記溝にそれぞれ前記波形素子を噛合させて前記波形素子を接続する接続板と、
   前記波形素子と前記接続板とをグリッド枠に固定したグリッドと、
   エントランスノズルと、
   ハンドリングヘッドとを備え、
   前記グリッドは、周辺の前記波形素子と前記グリッド枠との間に周辺閉塞物を設けたことを特徴とする核燃料集合体。
2. 液体金属を冷却材とする原子炉の炉心に装荷される核燃料集合体であって、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するグリッドと、周辺に山形をした周辺閉塞棒と周辺枠からなる周辺閉塞構造を交互に複数段組み込んだ構造部と、エントランスノズルと、ハンドリングヘッドとを備えたことを特徴とする核燃料集合体。
3. 液体金属を冷却材とする原子炉の炉心に装荷される核燃料集合体であって、複数本の燃料ピンをラッパ管内に等間隔で収納保持するグリッドで構成される燃料ピンバンドルにおいて周辺の燃料ピンとラッパ管の間に周辺流れ効果を防止すべく三角燃料ピンを周辺閉塞物を兼ねて設けたこう造部と、エントランスノズルと、ハンドリングヘッドとを備えたことを特徴とする核燃料集合体。

Images