JP2011033493A - 沸騰水型原子炉用燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】沸騰水型原子炉用燃料集合体の燃料棒の熱伝導低下による悪影響をできるだけ低減しつつ、輸送中の振動によるフレッチングを有効に抑制すること。
【解決手段】 沸騰水型原子炉用燃料集合体１０は、複数本の燃料棒２０と少なくとも１つの水管３０とを含む棒状要素４０を正方格子状に配列して形成された燃料バンドル４２等から成り、燃料バンドル４２は、長手方向に間隔をあけて設けられた複数のスペーサ８０を貫通して保持され、且つこれらのスペーサ８０に対応して隣り合う燃料棒２０の間を保持するスプリングが設けられ、燃料バンドル４２のスペーサ８０に対応するスプリングに接触するすべての燃料棒表面部分に形成された酸化被膜８８を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉用燃料集合体に関し、特に燃料棒とスペーサのスプリングとの接触部の間で発生するフレッチング摩耗を抑制することができる沸騰水型原子炉用燃料集合体の改良に関するものである。

沸騰水型原子炉用燃料集合体１０は、一般に、図３（Ａ）乃至図３（Ｃ）に示すように、複数本の燃料棒２０と少なくとも１つの水管３０とを含む棒状要素４０を正方格子状に配列して形成された燃料バンドル４２と、この燃料バンドル４２の上下を保持する上下のタイプレート５２、５４と、燃料バンドル４２を収容する方形断面形状のチャンネルボックス６０とから成っている。

また、この燃料集合体１０は、燃料バンドル４２を保持するために、燃料棒２０及び水管３０が貫通する長手方向に間隔をあけて設けられた複数のスペーサ８０を有し（図３（Ｃ）参照）、これらのスペーサ８０は、格子状に配列された複数のスペーサ短管８２と隣り合う燃料棒２０の間隔を保持するように隣り合うスペーサ短管８２に跨って設けられたスプリング８６とを含み、このスプリング８６は、隣り合う燃料棒２０が断面内で一定の間隙を保持するように機能している（図４（Ｂ）参照）。

このスプリング８６と燃料棒２０との関係の一例の詳細が図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示されており、各燃料棒２０は、相互に外接するジルコニウム合金製のスペーサ短管８２内を貫通し、このスペーサ短管８２は、相応する燃料棒２０と同心となるように燃料棒２０を保持する複数（図示の例では２つ）のディンプル（膨らみ）８４を有し、スプリング８６は、ディンプル８４に相対して燃料棒２０を同心状に弾性的に保持するように隣り合うスペーサ短管８２に貫通して保持されている。このスプリング８６は、優れた耐熱性を有するニッケル合金から作られている。

スペーサ８０のスプリング８６は、燃料棒２０の間隙を一定に維持する目的だけであるなら、強い反力を有することが望ましい。しかし、燃料集合体の使用中には、燃料棒は、熱膨張したり高速中性子に晒されたりして伸びが生じるので、スプリング８６は、この伸びを阻害しないように、且つ反力があまり強くならないように設定しなければならない。

また、近年、燃料集合体の高性能化によって燃料棒の出力が高くなる傾向があるため、燃料棒の表面には一層高い除熱性能を有することが求められている。この観点からすると、スペーサ８０の断面内でのスプリング８６の投影断面積は、冷却材の流路を確保するために、小さいことが必要となり、従ってスプリング８６の反力を大きくすることが難しくなる。

このような理由から、現在の沸騰水型原子炉用燃料集合体のスペーサ用スプリング８６の反力は、設計上の差異があるものの、概ね１ｋｇｆ前後のものが主流となっている。

一方、燃料集合体は、通常、成型加工工場で製造され、発電所に陸上輸送手段（トラック）又は海上輸送手段（船）で輸送されるが、この輸送に際して、燃料集合体は、図５に示すように、輸送容器１００内に横置きで梱包されて輸送手段に固縛されるが、燃料集合体の輸送中に輸送手段が発生する振動が輸送容器１００を通して常に燃料集合体に付与される。

沸騰水型原子炉用燃料集合体は、燃料棒の間隔を保持するスペーサが集合体の全長に対して７又は８ケ所設けられるように設計されているのが通常であり、その間隔は、設計によって若干異なるが、概ね５０ｃｍ前後である。

燃料棒２０の単位長さ、重量と輸送手段（トラックや船）の運行に伴って発生する振動加速度との関係から、スペーサ用スプリング８６の約１ｋｇｆの反力は、輸送中に燃料棒の間隔を維持するには充分な値である。しかし、輸送手段から燃料棒に伝達される振動は、燃料棒の微細な振動を励振し、これによって、スペーサ用スプリング８６と燃料棒２０表面との間で図６に示すような滑りが繰り返し発生する。この滑りの変位は、ミクロンオーダーであるが、その繰り返しの回数が非常に多いため、燃料棒２０の表面に深さ数ミクロンの摩耗が生じることがある。機械工学では、この現象をフレッチング摩耗と呼んでいる。

燃料棒の被覆管は、その肉厚が１ｍｍにも満たない薄肉管でありながら、内包するウランやその他の核分裂性物質が使用中に発生する放射性の稀ガスを閉じ込める機能を有していなければならないので、使用開始前の摩耗を可及的に低減することが必要である。

このため、従来技術では、燃料棒集合体の成型加工工場において、スペーサ８０の長手方向の前後に、図７に示すような櫛刃状のパッキングセパレータ１１０を隣り合う燃料棒２０の間隙に挿入した状態で輸送容器１００に梱包していた。このようにすると、燃料棒はスペーサ８０以外の位置でも燃料棒２０の間隙を維持することができ、その結果、燃料棒２０の振動が抑制され、スペーサ用スプリング８６と燃料棒２０表面とのフレッチング摩耗も抑制することができる。

しかし、この方法では、加工工場において、放射線を発生する燃料集合体に手作業でパッキングセパレータを挿入しなければならないし、使用先の発電所で、燃料集合体から同様に手作業でパッキングセパレータを取り外さなければならないので、被ばくを低減するために、できるだけその挿入箇所を減らす工夫が望まれている。また、パッキングセパレータは、燃料棒よりも柔軟な材料でなければ、その挿入、取り外しの際に、燃料棒２０の表面に傷が発生するおそれがある。このため、一般的には、パッキングセパレータは、ポリエチレン等の合成樹脂から成型して製作されているが、樹脂成型構造物は、長期間使用する間にしなやかさが失われ、挿入、取り外しの繰り返しによって破損することがある。従って、成型加工工場では、燃料集合体の最大出荷体数に更に若干の余裕を見込んだ数量の在庫数でパッキングセパレータを製作し、これを維持しておかなければならなかった。

フレッチング摩耗に関連した長年の研究において、フレッチングは金属同士が接触していることに起因して発生し、これを抑制するためには、金属同士が接触する界面に金属以外の材料を挟むことが有効であることが解っている。

燃料集合体を構成する燃料棒の表面のフレッチング摩耗を防止する従来技術による第１の解決手段は、燃料棒がスペーサ用スプリングに接触する部分に潤滑剤を塗布することにある。しかし、燃料棒の表面に潤滑剤を塗布すると、燃料使用中の冷却材水質に悪影響を及ぼす虞があるので、望ましくない。

従来技術による第２の解決手段は、燃料棒のスプリング接触部に硬質酸化被膜を形成することである（特許文献１及び２参照）。硬質酸化被膜は、接触部の潤滑に寄与するので、摩耗の抑制が可能となる。また、酸化被膜は、潤滑剤のように燃料棒の表面に付着しているのではなく、燃料棒の被覆管の母材金属から連続的に形成される層であるので、容易には剥離しないし、また、たとえ剥離したとしても、剥離した酸化被膜に含まれる元素は、元来被覆管に含まれる元素と酸素のみであり、原子炉の冷却材水質に悪影響を及ぼすことはない。

特許文献１及び２におけるこの従来技術での第２の解決手段の目的は、原子炉内で燃料の使用中に冷却材に混入した異物が冷却材の流れとともに燃料集合体内に浸入してスペーサに補足され、スペーサよりも下側で異物が被覆管と繰り返し接触をすることによって発生するフレッチングを防止することにあり、特に、加圧水型原子炉用燃料集合体では、燃料集合体に対する冷却材の流路の関係で異物によるフレッチングが発生する可能性のある箇所は出力の低い燃料集合体の最下端部に限定され、従って燃料棒の被覆管に形成される酸化被膜は、下方のスペーサに限定して施されていた。

しかし、輸送中の振動では、どの位置でのスペーサ用スプリングに対しても、繰り返し摩擦に起因するフレッチングが発生する可能性があるため、上記の従来技術のように、燃料集合体の下端にだけ限定して酸化被膜を施したのでは、輸送中の振動によるフレッチングを有効に防止することができない。

一方、酸化被膜は、被覆管の母材金属と比較すると熱伝導性が低く、これに対して、近年の高性能な燃料集合体は、燃料棒出力が高いため、被覆管表面の熱伝導性は一層高めることが望まれるが、熱伝導性の低い酸化被膜を厚くすると、燃料棒被覆管や燃料棒に内包される燃料ペレットの温度上昇を引き起こし、その結果、燃料集合体が設計上保有している安全余裕を削減することになる。

特開平０６−２８９１７１号公報 特開平０６−２３０１６０号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃料棒の熱伝導低下による悪影響をできるだけ低減しつつ、輸送中の振動によるフレッチングを有効に抑制することができる燃料棒集合体を提供することにある。

本発明の課題解決手段は、複数本の燃料棒と少なくとも１つの水管とを含む棒状要素を正方格子状に配列して形成された燃料バンドルとこの燃料バンドルの上下を保持する上下のタイプレートと燃料バンドルを収容する方形断面形状のチャンネルボックスとから成り、燃料バンドルは、長手方向に間隔をあけて設けられた複数のスペーサを貫通して保持され、且つこれらのスペーサに対応して隣り合う燃料棒の間を保持するスプリングが設けられている沸騰水型原子炉用燃料集合体において、燃料バンドルのスペーサに対応するスプリングに接触するすべての燃料棒表面部分に形成された酸化被膜を有することを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体を提供することにある。

本発明の課題解決手段において、酸化皮膜は、スペーサによって覆われる長手方向の範囲を有するのが好ましく、またこの酸化被膜は、１０μｍ以上の厚みを有するのが好ましい。

本発明による燃料棒集合体は、その輸送中に受ける振動によってスペーサ用スプリングと燃料棒被覆管との接触部に発生するフレッチングを防止することができ、またこのフレッチング抑制用酸化被膜は、この接触部に限定して形成されているので、燃料棒の熱伝導の低下を可及的に抑制することができる。

本発明の１つの実施の形態による燃料集合体を示し、同図（Ａ）は、その縦断面図、同図（Ｂ）は、１本の燃料棒の側面図である。 本発明の他の実施の形態による１本の燃料棒のスペーサに対応する部分を示し、同図（Ａ）は、その上面図、同図（Ｂ）は、その側面図である。 一般的な燃料集合体を示し、同図（Ａ）は、その縦断面図、同図（Ｂ）は、スペーサを有しない部分の横断面図、同図（Ｃ）はスペーサの横断面図である。 スペーサを拡大して示し、同図（Ａ）は、その上面図、同図（Ｂ）は、同図（Ａ）の丸で囲まれた部分の拡大上面図である。 燃料集合体を輸送する際に使用される梱包容器の分解斜視図である。 燃料集合体の輸送時の隣り合う燃料棒とスペーサ短管との動きを説明する拡大横断面図である。 燃料集合体を輸送する際に従来使用されていたパッキングセパレータの使用状態の説明図である。

本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に述べると、図１は、本発明に係わる燃料棒集合体１０を示し、この燃料棒集合体１０は、図３に関連して既に述べたのと同様に、複数本の燃料棒２０と少なくとも１つの水管（ウオータチャンネル）３０とを含む棒状要素４０を正方格子状に配列して形成された燃料バンドル４２と、この燃料バンドル４２の上下を保持する上下のタイプレート５２、５４と、燃料バンドル４２を収容する方形断面形状のチャンネルボックス６０とから成っている。１つの燃料集合体１０は、例えば、燃料棒２０を９行９列に並べて構成され、水管３０は、断面正方形の角型とすることができる。

この燃料集合体１０は、燃料バンドル４２を保持するために、燃料棒２０及び水管３０が貫通する長手方向に間隔をあけて設けられた複数のスペーサ８０を有し、このスペーサ８０は、複数の短管を格子状に配列して形成された格子状短管型の形態のものである。これらのスペーサ８０は、図４を参照して従来技術に関連して述べたのと同様に、ジルコニウム合金製の各スペーサ短管８２のディンプル８４と協働して隣り合う燃料棒２０の間を保持するように隣り合うスペーサ短管８２に跨って設けられたニッケル合金製のスプリング８６を含んでいる。

本発明の燃料棒集合体１０は、燃料バンドル４２のスペーサ８０に対応するスプリング８６に接触するすべての燃料棒表面部分に形成された酸化被膜８８を有し、この酸化皮膜８８は、図１（Ｂ）に示すように、スペーサ８０によって覆われる長手方向の範囲Ｌを有する。この範囲Ｌは、実質的にスぺーサ８０によって覆われる範囲であるが、スぺーサ８０によって覆われる範囲であってもよいし、この範囲を少しはみ出していてもよい。

図１の形態では、この酸化被膜８８は、燃料棒２０の被覆管表面部分の全周に形成されているが、図２に示すように、燃料棒２０の被覆管表面部分のディンプル８４及びスプリング８６に接触する部分（周方向に間隔をあけた部分）にのみ形成されているのが一層好ましいが、その理由は、酸化被膜８８が余剰部分を有しないと、燃料棒２０の熱伝導の低下を抑制することができるからである。図２において、符号８８Ａは、２つのディンプル８４に接触する部分に形成された酸化被膜部分を示し、また符号８８Ｂは、スプリング８６に接触する部分に形成された酸化被膜部分を示す。また、酸化被膜８８は、１０μｍ以上の厚みを有するのが望ましいが、その理由は後述する。酸化被膜８８は、典型的には、オートクレーブによる水蒸気を用いる被膜形成方法があるが、それ以外に、陽極酸化による被膜形成方法を用いてもよい。

ところで、酸化被膜８８がフレッチングを抑制することができるのは、酸化被膜８８が金属同士の接触を完全に遮断している場合であり、酸化被膜が何らかの原因で破壊されると、フレッチング抑制の効果は失われる。燃料棒を燃料集合体に組み立てる工程においては、燃料棒は、一般的に、燃料集合体の上部側から下部側に向かってスペーサ８０の「セル」とよばれる空間（スペーサ短管８２の内部空間）に挿入される。同一の燃料棒において、最も多くのスペーサ８０を通過するのは燃料棒の下端部分であるが、この下端部分は、燃料集合体１０に含まれるスペーサ８０の数だけスプリング８６と接触することになる。この接触によって、燃料棒２０の被覆管には最大で６〜７μｍ程度の深さの"挿入痕"と称される摩耗が生じる。これを考慮すると、フレッチング抑制を目的とした酸化被膜８８は、組み立て工程における摩耗に耐えられるよう、少なくとも１０μｍ程度の厚さが必要であり、これが先に述べた酸化被膜の厚みが１０μｍ以上であることが好ましい理由である。

このように、燃料棒２０の被覆管表面の多くてもスペーサに対応する長さＬの長さ範囲に限定して、好ましくは、ディンプル８４やスプリング８６に接触する部分にのみ限定し、且つ最低限の厚さを保証して酸化被膜８８を形成すると、輸送中の振動による燃料棒２０とスペーサ用スプリング８６との接触によるフレッチング摩耗が抑制され、また不要な酸化被膜を回避して燃料棒の安全余裕の低下を抑制することができる。

本発明によれば、燃料バンドルのスペーサに対応してそのスプリングに接触するすべての燃料棒表面部分に酸化被膜を形成するので、輸送時の振動によるフレッチング摩耗を有効に防止することができ、また酸化被膜は、必要最小限の位置に限定して形成されるので、燃料棒の熱伝導の低下の影響を抑制することができ、産業上の利用可能性が向上する。

１０ 燃料集合体
２０ 燃料棒
３０ 水管
４０ 棒状要素
４２ 燃料バンドル
５２、５４ 上下のタイプレート
６０ チャンネルボックス
８０ スペーサ
８２ スペーサ短管
８４ ディンプル
８６ スプリング
８８ 酸化被膜
８８Ａ、８８Ｂ 酸化被膜部分
１００ 輸送容器

Claims (3)

1. 複数本の燃料棒と少なくとも１つの水管とを含む棒状要素を正方格子状に配列して形成された燃料バンドルと前記燃料バンドルの上下を保持する上下のタイプレートと前記燃料バンドルを収容する方形断面形状のチャンネルボックスとから成り、前記燃料バンドルは、長手方向に間隔をあけて設けられたスペーサを貫通して保持され、且つ前記スペーサに対応して隣り合う燃料棒の間を保持するスプリングが設けられている沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記燃料バンドルのスペーサに対応するスプリングに接触するすべての燃料棒表面部分に形成された酸化被膜を有することを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
2. 請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体であって、前記酸化被膜は、前記スペーサによって覆われる長手方向の範囲を有することを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
3. 請求項1又は２に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体であって、前記酸化被膜は、１０μｍ以上の厚みを有する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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