JP2016114438A

JP2016114438A - 燃料集合体

Info

Publication number: JP2016114438A
Application number: JP2014252591A
Authority: JP
Inventors: 藤本　清志; Kiyoshi Fujimoto; 清志藤本; 高橋　志郎; Shiro Takahashi; 志郎高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-23
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: US20170337993A1; US10535435B2; WO2016098610A1; JP6560861B2

Abstract

【課題】燃料集合体の設置時や交換時に、上部格子板無しで燃料集合体を自立させることができ、さらに原子炉運転中の燃料集合体の浮き上がりを防止できる燃料集合体を提供する。【解決手段】燃料支持金具９に挿入する燃料集合体３の一部である下部タイプレート７の下部を延長し、延長部分２０の周囲に安定部材２１を設けることにより、上部格子板無しで燃料集合体を自立させることができる。また、下部タイプレート７の下部を延長し重量を増加することにより原子炉運転中の浮き上がりを防止できる。【選択図】図１

Description

本発明は、稠密配置の燃料集合体を有する沸騰水型原子炉の燃料集合体に関する。

図１８〜図２０に従来の沸騰水型原子炉を示す。図１８より、原子炉圧力容器１の中央に位置する原子炉炉心２は複数の燃料集合体３で構成されている。図１９に燃料集合体３の支持方法を示す。燃料集合体３は燃料棒４、スペーサ５、上部タイプレート６、下部タイプレート７及びチャンネルボックス８等で構成されている。燃料集合体３の下部は、燃料支持金具９に設けた４つの受け口１０に燃料集合体３の一部である下部タイプレート７の下部を挿入し、固定しており、燃料支持金具９は炉心支持板１３に固定されている。燃料支持金具９の中央には十字型制御棒１１を上下に移動できるように開口部１２を設けている。燃料集合体３の上部は、原子炉炉心２上部に設置される上部格子板１４で横方向を支持される。図２０より、４つの燃料集合体３の中心に十字型制御棒１１を配置しており、十字型制御棒１１配置場所の周辺に核計装配管１５を設置している。

原子炉圧力容器１内への燃料集合体３設置時には、燃料集合体３下方の炉心支持板１３や燃料支持金具９は事前に設置されている状態であり、燃料集合体３上方の上部格子板１４も設置されている状態である。そこで、燃料集合体３の下方は燃料支持金具９で、燃料集合体３の上方は上部格子板１４で支持されるため、燃料集合体３を自立させながら原子炉圧力容器１内に設置することが可能である。なお、燃料集合体交換時にも同様である。

図２１〜図２２に稠密配置の燃料集合体を有する沸騰水型原子炉の燃料集合体を示す。図２１に示すように、複数の燃料棒４と六角形状のチャンネルボックス８で構成される燃料集合体３の間にＹ字型制御棒１６を配置しており、Ｙ字型制御棒１６の翼の先端に核計装配管１５を配置している。図２２に燃料集合体３の支持方法を示す。燃料集合体３は燃料棒（図示せず）、スペーサ（図示せず）、上部タイプレート６、下部タイプレート７及びチャンネルボックス８等で構成されている。燃料集合体３の下部は、燃料支持金具９に設けた３つの受け口１０に燃料集合体３の一部である下部タイプレート７の下部を挿入し、固定している。燃料支持金具９の中央にはＹ字型制御棒１６を上下に移動できるように開口部１２を設けており、燃料支持金具９は炉心支持板１３に固定されている。燃料集合体３の上部は、燃料集合体３と上部格子板１４の間に設ける上部支持機構１７を介して、燃料集合体３を上部格子板１４で上から押し付け、横方向を支持している。また、稠密配置の燃料集合体を有する沸騰水型原子炉の燃料集合体では、燃料棒４の外径が図１９に示す従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体で使用される燃料棒４の外径よりも数mm細くなるとともに、燃料棒１本の長さも約1/2の長さとなる。さらに、燃料棒１本当たりの重量も約1/3の重量となるため、燃料集合体３全体の重量も図１９に示す従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体３に比較すると軽くなる。

特開平9−281260で示されている沸騰水型原子炉は、燃料集合体の下部は下部タイプレート、質量付加部材を介して燃料支持金具で支持し、燃料集合体の上部は上部タイプレートを介して上部格子板で支持している。また、燃料集合体の浮き上がり防止のために質量付加部材を下部タイプレートの下部に設けている。

特開平8−220276で示されている沸騰水型原子炉は、燃料集合体と上部格子板の間に設けたタブと板ばねにより燃料集合体の横移動を防止し、燃料集合体のギャップ保持と制御棒の挿入性を確保している。また、燃料集合体と上部格子板の間にはホールドダウンスプリングを設けており、燃料集合体の浮き上がりを防止している。公開されている発明では、燃料集合体を自立させることや燃料集合体の浮き上がりを防止するためには上部格子板は必要な部材である。また、特開2013−145246で示されている沸騰水型原子炉では、燃料棒は上部タイプレート及び下部タイプレートで支持している。

特許第4386207号で示されている沸騰水型原子炉は、図１８と同様に、燃料集合体の上下を上部格子板及び燃料支持金具で支持する方法が記載されている。また、特開2000−147179で示されている加圧水型原子炉においても、燃料集合体は上部を上部炉心板、下部を下部炉心板で支持する構造となっている。

特開平6−308269には高速増殖炉における燃料集合体の支持方法が記載されている。原子炉圧力容器下方に上部炉心支持構造物と下部炉心支持構造物と呼ばれる板を設け、それらの上部と下部の板を複数の連結管で接続し、連結管に燃料集合体の下部を挿入し燃料集合体の下方を支持することにより、燃料集合体の自立性を確保している。

特開平9−281260号公報特開平8−220276号公報特開2013−145246号公報特許第4386207号公報特開2000−147179号公報特開平6−308269号公報

図１８から図２０に示す従来の沸騰水型原子炉では、燃料集合体設置時には上部格子板が設置してあるため、燃料集合体の自立性は確保できている。一方、図２１〜図２２に示す稠密配置の燃料集合体を有する沸騰水型原子炉の燃料集合体では、図２２に示すように、図１９と同様な上部格子板の開口部で燃料集合体の横方向を支持する構造が取れない。燃料集合体の自立性を確保するため、上部格子板と燃料集合体の上部との間に上部支持機構を設けている。したがって、燃料集合体の設置時や交換時には上部格子板を外す必要があり、上部格子板無しでも燃料集合体を自立させることが必要である。背景技術に記載したように図１９の燃料集合体より図２２に示す燃料集合体は軽くなる。そのため、流量が大きくなる条件では燃料集合体の重量より流体力（燃料集合体内の構造物で上昇流れを阻害する部分(例えば、下部タイプレートの燃料棒下部を挿入し支持する部分と流路部分を除いた部分)に流体が衝突し構造物あるいは燃料集合体を浮き上がらせようとする力）が大きくなり、燃料集合体が上方に浮き上がる可能性があるため、それを防止する必要がある。

特開平9−281260で示されている沸騰水型原子炉は、燃料集合体を上部タイプレートと下部タイプレートで支持しているので燃料集合体の自立性は確保できているが、燃料集合体の設置時や交換時には上部格子板を外す必要がある。また、質量付加部材により燃料集合体の浮き上がり対策も出来ているが、稠密配置の燃料集合体を有する沸騰水型原子炉において、原子炉出力を把握することや制御棒引き抜き時に急に中性子束が上昇していないことを把握するために必要な核計装配管の引き回しについて考慮されていない。稠密配置の燃料集合体を有する沸騰水型原子炉を成立させるためには、核計装配管による中性子束測定が必須であり、核計装配管の配置を考慮して質量付加部材などの形状を決める必要がある。

特開平8−220276で示されている沸騰水型原子炉は、燃料集合体と上部格子板の間に設けたタブと板ばねにより燃料集合体の上部を支持しているが、前記公開文献と同様に、燃料集合体の設置時や交換時には上部格子板を外す必要がある。また、燃料集合体の浮き上がり防止には、燃料集合体と上部格子板の間にはホールドダウンスプリングで対応するが、それを設置するには上部格子板は必要な部材となる。また、特開2013−145246で示されている沸騰水型原子炉では、燃料棒は上部タイプレート及び下部タイプレートで支持しているが、それらを組み合わせた燃料集合体自体の支持については記載されていない。

特許第4386207号や特開2000−147179も燃料集合体は上部を上部炉心板、下部を下部炉心板で支持する構造となっており、燃料集合体の設置時や交換時には上部格子板を外す必要がある。

特開平6−308269では燃料集合体以外の構造物を原子炉圧力容器内に設置する必要があるとともに、原子炉のタイプが異なるため、制御棒の上下の移動や核計装配管の引き回しについて上部炉心支持構造物や下部炉心支持構造物には考慮されていない。

本発明は、稠密配置の燃料集合体を有する沸騰水型原子炉の燃料集合体において、燃料集合体の設置時や交換時の燃料集合体の自立性を確保し、運転中の燃料集合体の浮き上がりを防止し、上部格子板を不要とすることを目的とする。

本発明は、前記燃料支持金具の上部の受け口に挿入する前記下部タイプレートの下部を延長し、延長した部分の周囲に安定部材を設けることを特徴とする。

本発明によれば、稠密配置の燃料集合体を有する沸騰水型原子炉の燃料集合体において、燃料集合体の設置時や交換時の燃料集合体の自立性を確保し、運転中の燃料集合体の浮き上がりを防止し、上部格子板を不要とすることが可能である。

本実施例の燃料集合体の側面図（１）である。本実施例の燃料集合体の側面図（１）における水平断面図（A-A）である。本実施例の燃料集合体の側面図（２）である。本実施例の燃料集合体の側面図（１）の鳥瞰図である。本実施例の燃料集合体の側面図（１）における水平断面図（B-B）である。本実施例の燃料集合体の下部タイプレートを示した図である。本実施例の燃料集合体の下方に配置される燃料支持金具を示した図である。本実施例の燃料集合体の下部タイプレートの下部の延長部分と燃料支持金具の上部の受け口の詳細図である。本発明の別の実施例の燃料集合体の側面図（１）の鳥瞰図である。本発明の別の実施例の燃料集合体の下部タイプレートを示した図である。本発明の別の実施例の燃料集合体の側面図（３）の鳥瞰図である。本発明の別の実施例の燃料集合体の下部タイプレートを示した図である。本発明の別の実施例の燃料集合体の側面図（１）の鳥瞰図である。本発明の別の実施例の燃料集合体の下部タイプレートを示した図である。本発明の別の実施例の燃料集合体の下方に配置される燃料支持金具を示した図である。本発明の別の実施例の燃料集合体の側面図（１）の鳥瞰図である。本発明の別の実施例の燃料集合体の下方に配置される燃料支持金具を示した図である。従来の沸騰水型原子炉の図である。従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体の側面図である。従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体の水平面図である。稠密配置する燃料集合体を設置した従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体の水平面図である。稠密配置する燃料集合体を設置した従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体の側面図である。

以下、実施例を説明する。

本発明の実施例を図１から図８に示す。本実施例が適用される沸騰水型原子炉は図２１に示すように、燃料棒４が三角格子状に配列され六角形状のチャンネルボックス８に収納された燃料集合体３、その間に挿入された翼の間隔がそれぞれ120度である３枚の翼を持つＹ字型制御棒１６、Ｙ字型制御棒１６の翼の先端部に配置する核計装配管１５などで構成されている。

本実施例の特徴となる構成要素は、燃料集合体３は燃料棒４(図２参照)、上部タイプレート６(図示せず)、スペーサ５(図示せず)、下部タイプレート７、チャンネルボックス８(図２参照)で構成されており、図１に示すように下部タイプレート７の下部を延長している延長部分２０と、その延長部分２０の周囲に燃料集合体３の自立性を確保するために設けている安定部材２１である。なお、燃料支持金具９の受け口１０から排出される冷却材を燃料集合体３に送り込むことができるように、下部タイプレート７の下部の延長部分２０内は流路となっている。

図１から図５には下部タイプレート７を含む燃料集合体３、燃料支持金具９、炉心支持板１３、Ｙ字型制御棒１６、核計装配管１５を組み合わせた側面図、水平断面図、鳥瞰図を示す。図６には下部タイプレート７、図７には燃料支持金具９を示す。図６に示すように、下部タイプレート７の下部を延長しており、その延長部分２０の周囲数ヶ所に安定部材２１を溶接等で取り付けている。なお、下部タイプレート７の延長部分２０や安定部材２１は一体構造として製作する。下部タイプレート７の上部は燃料棒４やチャンネルボックス８と接続し、固定し、下部タイプレート７の下部は図７に示す燃料支持金具９の上部の受け口１０に挿入し、嵌め合わせて固定する。なお、燃料支持金具９の中央部にはＹ字型制御棒１６が上下に移動できる開口部１２を有している。

図１、図３から図５に示すように、下部タイプレート７の下部の延長部に取り付けた安定部材２１の下端面は炉心支持板１３や燃料支持金具９の上面と接する構造にしている。本実施例では、下部タイプレート７の下部を延長することで、下部タイプレート７の下部の延長部分２０が重りとなり重心が低くなるため、安定性を向上することができる。また、安定部材２１を下部タイプレート７の下部の延長部分２０の周囲４方向に取り付けてあり、安定部材２１の下端面を炉心支持板１３や燃料支持金具９の上面に接触させることで、燃料集合体３の自立性を確保できる。なお、本実施例では安定部材２１を下部タイプレート７の下部の延長部の周囲４方向に取り付けているが、３方向や５方向以上でも問題は無い。

図２の水平断面に示すように、燃料集合体３の一部であるチャンネルボックス８の設置高さの範囲では、核計装配管１５はＹ字型制御棒１６の翼の先端に配置されている。核計装配管１５は、原子炉出力を把握することや制御棒引き抜き時に急に中性子束が上昇していないことを把握するために必要であり、原子炉炉心内の制御棒配置場所の周辺に核計装配管内の検出器で局所的に中性子束を測定及び監視している。核計装配管１５の上部先端は、例えば燃料集合体３の上端付近のチャンネルボックス８に支持、固定され、下部は原子炉圧力容器１の底部から原子炉圧力容器１外に引き出す構造となっている。Ｙ字型制御棒１６の翼の先端に配置された核計装配管１５を下方に真っ直ぐ引き回して配置すると、核計装配管１５と制御棒案内管（図示せず）や制御棒駆動機構ハウジング（図示せず）等が干渉する。そのため、図２に示すようにＹ字型制御棒１６の翼の先端位置から斜め右下の位置に水平面における位置を移動することにより、核計装配管１５が原子炉圧力容器１内の構造物と干渉しないようにしている。なお、本実施例では、下部タイプレート７の下部の延長部分２０の周辺に設ける安定部材２１を核計装配管１５に干渉しない位置に設けることで、燃料集合体３の自立性を確保することが可能となる。また、核計装配管１５の中には中性子束を測定するための検出器を設置しており、核計装配管１５の中を移動させる必要がある。検出器の先端部の外径は数mm、曲げられない長さは数十mmから数百mmあり、それ以降に検出器用のセンサケーブルがついている。検出器で曲げられない部分が存在することから、核計装配管１５の曲率は大きい方が良い。本実施例において、下部タイプレート７の下部を延長させることは、炉心支持板１３から下部タイプレート７の下部の延長部分２０の上方までの長さが長くなり、核計装配管１５の曲率を大きくできるため、核計装配管１５内で検出器を上下に移動させることが可能となる。

さらに、下部タイプレート７の下部を延長することで、下部タイプレート７の延長部分２０が重りとなり、燃料集合体３の浮き上がりを防止できる。なお、本実施例では下部タイプレート７の下部の延長部分２０は円柱形状であるが、Ｙ字型制御棒１６や核計装配管１５と干渉しなければ、矩形でも六角形状でも構わない。

また、図８には、下部タイプレート７の下部の延長部分２０と燃料支持金具９の上部の受け口１０の嵌め合いの例を示す。突起物２５Ａ、２６Ａを下部タイプレート７の下部の延長部分２０に設け、それを燃料支持金具９の上部の受け口１０の内面に設けた嵌め合い部２５Ｂ、２６Ｂに挿入し、固定することで、例えば、地震が生じても下部タイプレート７の下部の延長部分２０が燃料支持金具９の上部の受け口１０から抜けることはない。

図９から図１０に実施例２を示す。本実施例の特徴となる構成要素は、図１０に示すように下部タイプレート７の下部の延長部分２０の全周に均一に荷重が負荷されるようにした安定部材２１である。

図１０に示すように、安定部材２１は下部タイプレート７の下部の延長部分２０と同心円状で延長部分２０の下方を太くしてある。下部タイプレート７の下部の延長部分２０の全周に均一に荷重が負荷されるようにしたことで、燃料集合体３の自立性は確保できる。さらに、図１０に示すように下部タイプレート７の下部の延長部分２０と安定部材２１を円柱状で製作することで、燃料集合体３の自立性を容易に実現できる。また、図１０では安定部材２１はどの高さにおいても同じ外径であるが、安定部材２１の下方に近くなるほど安定部材２１の外径を太くすることで、下部タイプレート７の重心が低くなり、より安定性が向上する。

図１１から図１２に実施例３を示す。本実施例の特徴となる構成要素は、図１２に示すように下部タイプレート７の下部の延長部分２０の全周に均一に荷重が負荷されるようにした安定部材２１の下端面を炉心支持板１３の上面に接していることである。

図１２に示すように、安定部材２１は下部タイプレート７の下部の延長部分２０と同心円状で延長部分２０の下方を太くしている。さらに、安定部材２１の一部の外周部は炉心支持板１３の上面に接するまで延長している。炉心支持板１３へ接する面積を増やすことで安定性を向上でき、燃料集合体３の自立性を確保できる。

図１３から図１５に実施例４を示す。本実施例の特徴となる構成要素は、図１４に示すように下部タイプレート７の下部を延長したことと、図１５に示すように燃料支持金具９の３つの受け口１０を上方に延長したことである。

図１３に示すように、下部タイプレート７の下部を延長した部分は燃料支持金具９の上部の受け口１０に挿入し嵌め合わせるが、その嵌め合わせの部分を長くする。燃料支持金具９自体は炉心支持板１３と固定されているため、燃料支持金具９と下部タイプレート７の延長部分２０の嵌め合わせ部分を長くすることで、燃料集合体３の自立性を確保することができる。なお、燃料支持金具９は鋳造あるいは鍛造で製作後削り出すことで、図１５に示す構造を実現できる。

図１６から図１７に実施例５を示す。本実施例の特徴となる構成要素は、図１４に示した下部タイプレート７の下部を延長したこと、図１５に示した燃料支持金具９の３つの受け口１０を上方に延長したことに加えて、それら３つの受け口１０を繋ぐ接続部分２２も延長したことである。

図１６に示すように、図１３に示す効果に加えて、燃料支持金具９の上部の３つの受け口１０を形成している部材を繋ぎ合せることで、燃料集合体３の自立性が向上する。さらに、図１７に示すように燃料支持金具９の中央にはＹ字型制御棒１６が上下に移動できるように開口部１２が設けてある。Ｙ字型制御棒１６の翼の先端には、狭い空間をスムーズに移動できるようにローラ（図示せず）が付いている。図１６に示すように、燃料集合体３の下部を挿入する３つの受け口１０を形成する部材及びその接続部分２２を上方に延長することで、Ｙ字型制御棒１６の移動空間が確保され、Ｙ字型制御棒１６が上下に移動中に微小な位置ずれが生じた場合でも、ローラが燃料支持金具９の開口部１２に接触することでスムーズにＹ字型制御棒１６を移動させることができる。

１…原子炉圧力容器、２…原子炉炉心、３…燃料集合体、４…燃料棒、５…スペーサ、６…上部タイプレート、７…下部タイプレート、８…チャンネルボックス、９…燃料支持金具、10…受け口、11…十字型制御棒、12…開口部、13…炉心支持板、14…上部格子板、15…核計装配管、16…Ｙ字型制御棒、17…上部支持機構、20…延長部分、21…安定部材、25A,26A…突起物、25B,26B…嵌め合い部

Claims

燃料棒、上部タイプレート、下部タイプレート及びスペーサで構成された燃料集合体、前記燃料集合体の一部である前記下部タイプレートの下部を挿入し前記燃料集合体の下部を支持する燃料支持金具、前記燃料支持金具を固定する炉心支持板、原子炉圧力容器内に前記燃料集合体を複数配置し、一部の前記燃料集合体間の隙間に配置するＹ字型制御棒、前記Ｙ字型制御棒の翼の先端部に配置する核計装配管で構成された燃料集合体において、前記燃料支持金具の上部の受け口に挿入する前記下部タイプレートの下部を延長し、延長した部分の周囲に安定部材を設けることを特徴とする燃料集合体。
請求項１に記載の燃料集合体において、前記下部タイプレートの下部を延長した部分の外周部の全周に前記安定部材を設けることを特徴とする燃料集合体。
請求項１及び請求項２に記載の燃料集合体において、前記下部タイプレートの下部を延長した部分に設ける前記安定部材の下端面の広さは、前記下部タイプレートの下部の延長部の下端面に近い位置で最も広くなっていることを特徴とする燃料集合体。
請求項１から請求項３に記載の燃料集合体において、前記安定部材の下端面は前記炉心支持板の上面に接していることを特徴とする燃料集合体。
請求項１から請求項４に記載の燃料集合体において、前記下部タイプレートの下部を延長した部分に設ける前記安定部材は、前記原子炉圧力容器内の水平面で前記核計装配管の配置場所と干渉しないことを特徴とする燃料集合体。
燃料棒、上部タイプレート、下部タイプレート及びスペーサで構成された燃料集合体、前記燃料集合体の一部である前記下部タイプレートの下部を挿入し前記燃料集合体の下部を支持する燃料支持金具、前記燃料支持金具を固定する炉心支持板、原子炉圧力容器内に前記燃料集合体を複数配置し、一部の前記燃料集合体間の隙間に配置するＹ字型制御棒、前記Ｙ字型制御棒の翼の先端部に配置する核計装配管で構成された燃料集合体において、前記燃料支持金具の上部の受け口に挿入する前記下部タイプレートの下部を延長すると共に、前記下部タイプレートの下部を挿入する前記燃料支持金具の上部を延長することを特徴とする燃料集合体。