JP2020511649A - 異物をろ過する原子燃料集合体下部ノズル - Google Patents

Abstract

原子炉の燃料集合体の下部ノズルに使用する基部（１０４）であって、頂面（１０４ｂ）、底面（１０４ａ）および当該底面と当該頂面の間に延びるほぼ正方形の格子状パターン配列の複数の垂直な壁部分（１０６）を具備し、当該複数の垂直な壁部分（１０６）が当該底面と当該頂面の間で当該基部を貫通する複数の非円形流路（１０９）を画定する基部。【選択図】図４

Description

関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、参照により本願に組み込まれる２０１７年３月１７日出願の米国仮特許出願第６２／４７２，９８３号に基づく優先権を主張する。

本発明は概して原子炉に関し、具体的には、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に使用されるような原子燃料集合体の異物をろ過する下部ノズルに関する。

原子炉冷却材循環系の構成機器の製造時およびその後の設置並びに修理時に、原子炉容器およびさまざまな運転条件下で冷却材を原子炉容器に循環させる関連系統からすべての異物を確実に排除するべく鋭意努力が払われる。異物を確実に除去する目的で念入りな手順が実施されるが、そうした除去を完璧に行うための万全の措置を講じているにもかかわらず、少量の金属片や金属粒子などの異物が依然として系統内に残ることが経験によりわかっている。ほとんどの異物は金属の削りくずであるが、それはおそらく、蒸気発生器の修理もしくは交換後に、または燃料交換時に行われる同様のプラント機器改修後に、一次系内に取り残されたものである。プラント運転時にこの種の異物が燃料領域に入り込まないようにすることが望ましい。

特に問題となる燃料集合体の損傷は、これまでいくつかの原子炉で見つかっている、最下部の支持グリッドで捕捉される異物によるものである。異物は、プラント起動時に、下部炉心支持板の冷却材流れ開口から燃料集合体下部ノズルの流路孔を経て侵入する。異物は、燃料集合体の最下部の支持グリッドの「卵箱」形セルの壁と燃料棒被覆管の下端部との間の空間に捕捉されやすい。損傷の内容は、燃料棒被覆管の外面に異物が接触して起こるフレッチングによる被覆管の貫通孔である。また、下部ノズルの流路孔に引っ掛かった異物が冷却材の流れの中で旋回することにより、燃料棒被覆管に裂け目が生じる傾向がある。

原子炉から異物を除去するためのいくつかの異なる方法が提案され、試みられている。これらの方法の多くは、Ｍａｙｅｒｓらに付与された米国特許第４，０９６，０３２号で論じられている。Ｓｈａｌｌｅｎｂｅｒｇｅｒらに付与された米国特許第４，９００，５０７号には、別の方法が記載されている。上記特許に記載された方法はいずれもそれなりによい結果をもたらし、それぞれ意図された使用条件の範囲内でほぼ目的を達成するが、原子炉内の異物ろ過の問題に対する新たな解決策が今も求められている。新しい方法は、原子炉構成機器の既存の構造および作動に適合し、原子炉の運転サイクルを通して実効性があり、少なくとも原子炉にかかる費用を上回る総合的な便益を提供するものでなければならない。

本願で説明する実施態様は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に使用されるような燃料集合体向けの異物捕捉機能を改良するものであり、この改良による下部ノズルの圧力降下の減少は既存設計の下部ノズルに比べて最小限に抑えられる。本発明の実施態様は、流路を層流が流れるようにして圧力損失係数を小さくする設計が含まれる独特の構成の異物捕捉部分を利用する。この設計は、標準的な商用ＰＷＲが通常の運転条件下にあるときの状態に付随する流量が大きめのときに特に効果的である。本発明の実施態様には、燃料棒の下端部を保持する機能も組み込まれている。既存設計の燃料の多くは、この機能を、燃料棒の端部を保持するだけでなく異物を捕捉させる目的で下部ノズルの直上に戦略的に配置された支持グリッドに担わせている。本発明の実施態様では、下部ノズルに組み込んだ可撓性ばねが燃料棒の端部を拘留するので、支持グリッドを下部ノズルの直上に配置する必要がない。この一体型の方法は、下部ノズル、したがって燃料集合体の全体設計を改良するものである。

一実施態様では、原子炉の燃料集合体の下部ノズルに用いる基部が提供される。当該基部は、頂面と、底面と、ほぼ正方形の格子状パターン配列の複数の垂直な壁部分とより成り、当該ほぼ正方形の格子状パターン配列の複数の垂直な壁部分は当該底面と当該頂面の間で当該基部を貫通する複数の非円形流路を画定する。

当該基部は、各々が垂直な壁部分の交差部に位置する複数の厚壁領域と、各々が対応する厚壁領域に位置する複数の流路孔とをさらに具備してもよい。

当該流路孔の各々は、当該基部の当該底面に位置するテイパー付き流入口と、当該基部の当該頂面に位置するテイパー付き流出口とを具備してもよい。

当該基部は、各々が対応する壁部分の上縁から或る高さだけ上方に延びて、当該燃料集合体の２本の燃料棒に係合する構成の複数のばね部材をさらに具備してもよい。

当該ばね部材の各々は、当該２本の燃料棒のうちの一方と係合する構成の第１のばね状付勢部分と、当該第１のばね状付勢部分に対向して、当該２本の燃料棒のうちのもう一方と係合する構成の第２のばね状付勢部分を含んでもよい。

当該第１のばね状付勢部分および当該第２のばね状付勢部分は、いずれもほぼ弓状でよい。

当該基部は、各々が当該複数の流路のうちの対応する１つの流路をほぼカバーするように当該基部上に配置された複数の異物フィルタをさらに具備してもよい。

当該異物フィルタの各々は、格子構造を有する、中空で角錐状または円錐状の構造体より成り、当該格子構造は貫流する冷却材の流れに対する抵抗が最小となるような大きさおよび構成を有し、当該基部から上方に延びるものでよい。

当該異物フィルタの当該格子構造は、当該基部の真上または真下から見ると正方形の格子状パターン配列の構成でよい。

当該基部と当該複数のばね部材とは、単体として形成してもよい。

当該基部と当該複数の異物フィルタとは、単体として形成してもよい。

当該基部、当該複数の異物フィルタおよび当該複数のばね部材は、単体として形成してもよい。

別の実施態様では、原子炉の燃料集合体に用いる下部ノズル組立体が提供される。当該下部ノズル組立体は、ほぼ矩形のスカート部と、当該ほぼ矩形の基部に結合された前述したような平板状の基部とを具備する。

さらに別の実施態様では、原子炉に用いる燃料集合体が提供される。当該燃料集合体は、前述したような下部ノズル組立体と、上部ノズルと、当該下部ノズルと当該上部ノズルの間を長手方向に延びてそれらに結合された多数の案内管と、当該上部ノズルと当該下部ノズルの間を延びる細長い燃料棒のアレイとを具備する。

本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。

従来型異物フィルタ／下部ノズルを含む従来型燃料集合体を、明示のため部品を破断して垂直方向に短縮した形で示す部分破断立面図である。

図１に示す燃料集合体の従来型異物フィルタ／下部ノズルの等角図である。

下部ノズルの流路板上に配置された例示的な燃料棒（断面を略示）を、当該流路板上の当該燃料棒を取り囲む位置に着座する支持グリッドストラップと共に示す、図２の異物フィルタ／下部ノズルのほぼ中心部の断面図である。

本発明の例示的な実施態様のフローアセンブリの代表的部分を示す部分断面等角図である。

例示的な燃料棒（５本だけ断面を示す）の端部を拘留した状態の、図４のフローアセンブリの一部を示す等角図である。

図５に示すフローアセンブリの断面の正面立面図である。

燃料棒（略示）の拘留態様を例示する、フローアセンブリの図４〜６に示した部分より大きい部分の上面図である。

例示的な燃料棒（略示）の端部を拘留した状態の、図７のフローアセンブリを示す下面図である。

図４〜８のフローアセンブリの垂直ばね部材を示す等角図である。

図９のばね部材の立面図である。

図４〜８のフローアセンブリの異物ろ過部分を示す等角図である。

図１１の異物ろ過部分の立面図である。

図１１、１２の異物ろ過部分を、図１１の線１３−１３に沿って切断した断面図である。

以下の説明において、同一参照記号は、いくつかの図面を通して同一のまたは対応する部品を指すものである。また、以下の説明において、前方、後方、左、右、上方へ、下方へなどの用語は便宜的な語彙であり、限定的な用語として解釈するものでないことを理解されたい。

ここから図面に即して説明すると、図１は、本発明の実施態様を適用できる参照符号１０で総括表示する先行技術の燃料集合体を垂直方向に短縮した形で示す立面図である。燃料集合体１０は加圧水型原子炉に用いるタイプであり、下端部に米国特許第４，９００，５０７号に記載されるような異物フィルタ／下部ノズル１２を備えた構造躯体を有する。下部ノズル１２は、原子炉炉心領域（図示せず）において下部炉心支持板１４上に燃料集合体１０を支持する。燃料集合体１０の構造躯体は、下部ノズル１２に加えて、上端部の上部ノズル１６と、多数の案内管またはシンブル１８とを有する。これらの案内管またはシンブルは、下部ノズル１２と上部ノズル１６の間を長手方向に延び、両端部はそれらのノズルに剛性的に固着されている。

燃料集合体１０はさらに、案内シンブル１８の軸方向離隔位置に取り付けられた複数の横方向グリッド２０と、当該グリッド２０により横方向に離隔して支持された細長い燃料棒２２の整列アレイとを有する。また、燃料集合体１０の中心部には、下部ノズル１２と上部ノズル１６の間を延びてそれらに取り付けられる炉内計装案内管２４がある。このような部品の構成および配置により、燃料集合体１０は、構成部品を損傷することなく容易に取り扱うことができる一体型ユニットを形成する。

上述したように、燃料集合体１０のアレイ状燃料棒２２は、燃料集合体の長さ方向に離隔したグリッド２０により互いに離隔した関係に保持される。各燃料棒２２は原子燃料ペレット２６を有し、その両端部は上部端栓２８および下部端栓３０により閉じられている。ペレット２６は、上部端栓２８と積み重ねたペレットの最上部との間に位置するプレナムばね３２により、積み重ねた形を維持する。核分裂性物質より成る燃料ペレット２６は、原子炉の核反応を発生させる元である。水やホウ素含有水などの液状減速材／冷却材は、下部炉心板１４の複数の流れ開口（参照番号なし）を上向きに貫流して燃料集合体へ圧送される。燃料集合体１０の下部ノズル１２を通った冷却材は、燃料棒２２に沿って流れ、燃料棒中で発生する熱を吸収して有用な仕事を発生させる。

核分裂プロセスを制御するために、多数の制御棒３４が、燃料集合体１０の所定位置にある案内シンブル１８内を往復移動可能である。具体的には、上部ノズル１６の上方に配置された棒クラスタ制御機構３６により制御棒３４が支持される。この制御機構は、内部にねじ溝のある円筒状部材３７から複数の鉤またはアーム３８が放射状に延びる構成である。各アーム３８は制御棒３４に相互接続されているため、制御機構３６を作動させると、すべて公知の態様で、制御棒が案内シンブル１８内で垂直方向に移動し、燃料集合体１０の核分裂プロセスを制御することができる。

前述したように、最下部のグリッド２０の中またはその下方に異物が捕捉されることに起因する燃料集合体の損傷が問題になっている。したがって、そのような損傷の発生を防止するには、かかる異物が下部ノズルの流路孔を通過して燃料棒が束ねられた領域に到達しないようにすることが非常に望ましい。

図２に示す従来型下部ノズル１２は、ほぼ矩形のスカート部４４から複数の隅脚部４２が延びる支持手段を有する。隅脚部４２は、下部炉心板１４上に燃料集合体１０を支持する。下部ノズル１２はさらに、溶接などによってスカート部４４に適当に取り付けられたほぼ矩形の平板４６を含む。図２、３に示すように、従来型下部ノズル１２の平板４６には、複数の離隔した流路孔４８がある。流路孔４８は、損傷をもたらすような大きさの異物を「ふるい分けられる」サイズである。そのような設計は、平板４６および燃料集合体１０を流れる冷却材の流量または圧力降下に有意な影響を及ぼすことなくかかるふるい分けを行うことを意図している。

図３の平板４６の部分断面図に示す流路孔４８の直径は、最下部の支持グリッド２０に通常は捕捉されるサイズの異物の通過を阻止する大きさである。異物が小さくて平板の流路孔４８を通過できれば、その異物はグリッド２０も通過する可能性が高いが、それは、流路孔４８の直径が支持グリッド２０のセルの非占有空間の最大断面寸法より小さいからである。そのような非占有空間は、通常、支持グリッド２０を構成する相互に差し込まれたストラップの隣り合う交差部の隅部の間に存在する。従来型異物フィルタ／下部ノズル１２は、支持グリッドのその非占有空間を通過できないサイズの異物は当該フィルタを決して通過できないようにすることにより、燃料棒が異物による損傷を受ける可能性を有意に低減する。従来型異物フィルタ／下部ノズル１２は、所期の目的をそれなりに達成するが、まだ改善の余地がある。

本発明の実施態様は、図１〜３の従来型異物フィルタ／下部ノズル１２の平板４６および燃料棒位置決めグリッド２０の代わりに、従来型の平板４６よりも圧力降下が小さいだけでなくろ過能力が高い装置を使用する。以上では、本発明の実施態様の改良対象である従来型装置を記述してきたが、以下において、ろ過装置１００およびその一部をさまざまな角度で表す図４〜１３を用いて改良型ろ過装置１００の一実施態様を記述する。

まず図４に、改良型ろ過装置１００の例示的な実施態様の代表的部分を部分断面等角図で示す。図５は、ろ過装置１００の同一部分であるが、ろ過装置１００が使用される図１に関して前述したような燃料集合体において、複数の燃料棒（２本だけ参照番号を付し、装置１００との作用関係を示すため５本だけ断面表示）の端部１０２がろ過装置１００内に拘留された状態を示す。

図４、５に加えて、図６を参照すると、装置１００は、使用時にスカート部４４（図１〜３に関して前述し、図６に略示）のようなスカート部に溶接または他の適当な機構によって結合される構成のほぼ平面状の基部１０４を含む。基部１０４は、底面１０４ａ、頂面１０４ｂ、および底面１０４ａと頂面１０４ｂの間を延びる高さｈ_１の複数の垂直壁部分１０６を含む。図８に示す装置１００の下面図におそらく最もわかりやすく示されているように、壁部分１０６の構成は一般的に、ほぼ正方形の格子状パターン配列であり、この格子状パターン配列の壁部分１０６は底面１０４ａから基部１０４を貫通して頂面１０４ｂへ延びる複数の非円形流路１０９を画定する。格子状パターンの壁部分１０６が交差する領域１０７は、基部１０４を垂直方向に貫通するベンチュリ型流路孔１０８（非限定的な例では直径は約０．０２０〜約０．２００インチの範囲）の形成を可能とするように一般的に壁がわずかに厚くなっている。各流路孔は、対応する燃料棒の端部１０２の下方にあって、中心が燃料棒の中心と一致するよう位置決めされている。本願において「格子状」という用語は、格子模様に類似する要素の配列を意味する。ベンチュリ型流路孔１０８の各々は、貫流する流体の望ましくない乱流および／または圧力降下を最小限に抑えるように、流入口（１０８ａ）および流出口（１０８ｂ）にテイパーが付けられている。基部１０４の全般的な構成は、図８の下面図におそらく最もわかりやすく示されているように、冷却材の流れを妨げる可能性のある領域を最小限に抑えるとともに剛性の基礎を提供するものである。

図４〜６に加えて、図７、９、１０を参照すると、装置１００はさらに、基部１０４の壁部分１０６の上縁から上方に延びる高さｈ_２の複数のばね部材１２０を具備する。本発明の実施態様では、高さｈ_２を約０．３５０〜約１．３５０インチの範囲としているが、本発明の範囲から逸脱せずに高さを変えてもよい。図９、１０に示すように、各ばね部材１２０は、第１のばね状付勢部分１２２と、当該第１の部分１２２に対向する第２のばね状付勢部分１２４とを具備する。第１の部分１２２および第２の部分１２４はいずれもほぼ弓状であり、装置１００の上に配置された対応する燃料棒に係合して軽く掴むような配置および構成を有する。図５〜７に示すように、基部１０４上におけるばね部材１２０の配置は、４つのばね部材１２０が各燃料棒１０２を９０度の間隔で取り囲み、各燃料棒１０２が２組の対向するばね部材１２０によってわずかに押圧されるようにする。このような構成によると、図１、３に関して前述したような燃料棒位置決めグリッド２０（または他の位置決め要素）の使用が不要になる。

図４、７、８および１１〜１３に示すように、装置１００はさらに、壁部分１０６の間の各流路１０９をほぼカバーするように基部１０４上に配置される複数の異物フィルタ１４０を具備する。各異物フィルタ１４０は一般的に、格子構造１４２を有する中空で角錐状または円錐状の構造体であり、当該格子構造は貫流する冷却材の流れに対する抵抗したがって圧力降下を最小にするだけでなく、所定サイズ（非限定的な例として約０．０４０〜０．１００インチの範囲）を超える大きさの異物が格子構造１４２によって画定される複数の孔１４４を通過するのを阻止する大きさおよび構成を有する。本発明の実施態様では、格子構造の幅を約０．００５〜約０．０７５インチの範囲、厚さを約０．０１０〜０．１００インチの範囲としているが、本発明の範囲から逸脱せずに寸法を変えてもよい。

各異物フィルタ１４０の高さはｈ_３で、基部１０４から上方へ延びる。本発明の実施態様では、高さｈ_３が約０．２５０〜約０．１２５インチの範囲の異物フィルタを用いているが、本発明の範囲から逸脱せずに高さを変えてもよい。したがって、図７に示す装置１００の上面図において、各異物フィルタ１４０（４本だけ参照番号を付す）は同図の面から外側へ、すなわち、上方へ延びている。逆に、図８に示す装置１００の下面図では、各異物フィルタ１４０（２本だけ参照番号を付す）は同図の面から奥の下方へ延びる。図７の上面図および図８の下面図からわかるように、異物フィルタ１４０を構成する格子構造１４２は、装置１００を通る冷却材の全般的な流れに平行な方向で見ると、正方形の格子状パターンを形成する。本発明の実施態様における格子の寸法は約０.２５０インチ×０.２５０インチから約１.０００インチ×１.０００インチの範囲であるが、本発明の範囲から逸脱せずに寸法を変えてもよい。そのような格子状パターンは平面状ではなく、単一面内に収まらない３次元的に「歪ませた」ものである。

本発明の例示的な実施態様は、積層造形法によって作製したものである。したがって、基部１０４、ばね部材１２０および異物フィルタ１４０のすべてまたは一部を、単体として形成することができる。実施態様の一例では、直接金属レーザー溶融法がインコネル（Ｒ）材料による本発明の装置の作製に使用されている。しかし、本発明の範囲から逸脱せずに、他の適当な方法および／または材料を使用してもよい。

したがって、本願の発明は、下部ノズルの本体／支持構造の流れ面積を最大にする層流方式を採用すると共に、異物を捕捉する網目の細かい錐状の構造体を下部ノズルの本体／支持構造の「外側」に展開させる新規で画期的な設計である。現行の下部ノズルの設計では、流路孔を小さくしなければならないことが主因で圧力降下に悪影響が出るが、本発明の構成によると、かかる悪影響を生ぜしめることなく、実効性のある異物捕捉機能を実現できる。それに加え、この先進的な下部ノズルの設計は、燃料棒の最下端を保持する機能も組み込んでいる。既存の燃料設計の多くは、この機能を、異物を捕捉させるだけでなく燃料棒の端部を保持させる目的で下部ノズルの直上に戦略的に配置される支持グリッドに担わせている。網目の細かい錐状の構造体により異物をろ過させるという下部ノズルの先進的な設計に、積層造形法を採用すると、既存の従来型製造法では容易に実現できなかった、異物の捕捉、圧力降下の減少および燃料棒の拘留という下部ノズルに望まれる諸機能を１つの先進的な設計の下部ノズルに統合することができる。したがって、網目の細かい錐状の構造体により異物をろ過させるという下部ノズルの先進的な設計は、原子燃料の設計にとって新規で画期的な設計である。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何ら制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物を含むものである。

Claims (14)

1. 原子炉の燃料集合体（１０）の下部ノズル（１２）に使用される基部（１０４）であって、
   頂面（１０４ｂ）と、
   底面（１０４ａ）と、
   当該底面と当該頂面の間を延びるほぼ正方形の格子状パターン配列の複数の垂直な壁部分（１０６）と
   を具備し、
   当該複数の垂直な壁部分（１０６）は当該底面と当該頂面の間で当該基部を貫通する複数の非円形流路（１０９）を画定することを特徴とする基部（１０４）。
2. 請求項１の基部であって、
   各々が前記垂直な壁部分の交差部に位置する複数の厚壁領域（１０７）と、
   各々が対応する厚壁領域に位置する複数の流路孔（１０８）と
   をさらに具備する請求項１の基部。
3. 前記流路孔の各々は、前記基部の前記底面に位置するテイパー付き流入口（１０８ａ）と、前記基部の前記頂面に位置するテイパー付き流出口（１０８ｂ）とを具備することを特徴とする、請求項２の基部。
4. 各々が当該ばね部材の対応する壁部分の上縁から上方に延びる高さ（ｈ_２）の複数のばね部材（１２０）をさらに具備し、各ばね部材は前記燃料集合体の２本の燃料棒（１０２）に係合する構成であることを特徴とする、請求項３の基部。
5. 前記ばね部材の各々は、前記２本の燃料棒のうちの一方と係合する構成の第１のばね状付勢部分（１２２）と、当該第１のばね状付勢部分に対向し、前記２本の燃料棒のうちのもう一方と係合する構成の第２のばね状付勢部分（１２４）とを含むことを特徴とする、請求項４の基部。
6. 前記第１のばね状付勢部分および前記第２のばね状付勢部分はいずれもほぼ弓状である、請求項５の基部。
7. 各々が前記複数の流路のうちの対応する１つの流路をほぼカバーするように前記基部上に配置された複数の異物フィルタ（１４０）をさらに具備する、請求項１または請求項３の基部。
8. 前記異物フィルタの各々は、格子構造（１４２）を有する、中空で角錐状または円錐状の構造体より成り、当該格子構造は貫流する冷却材の流れに対する抵抗が最小となるような大きさおよび構成を有し、前記基部から上方に延びることを特徴とする、請求項７の基部。
9. 前記異物フィルタの各々の前記格子構造は、前記基部の真上または真下から見ると正方形の格子状パターン配列である、請求項８の基部。
10. 前記基部および前記複数のばね部材は単体として形成される、請求項４の基部。
11. 前記基部および前記複数の異物フィルタは単体として形成される、請求項７の基部。
12. 前記基部、前記複数の異物フィルタおよび前記複数のばね部材は単体として形成される、請求項７の基部。
13. 原子炉の燃料集合体に使用する下部ノズル組立体であって、
    ほぼ矩形のスカート部と、
    当該ほぼ矩形の基部に結合された請求項１の平板状の基部と
    を具備する下部ノズル組立体。
14. 原子炉に使用される燃料集合体であって、
    請求項１３の下部ノズル組立体と、
    上部ノズルと、
    当該下部ノズルと当該上部ノズルの間を長手方向に延びてそれらに結合された多数の案内管と、
    当該上部ノズルと当該下部ノズルの間を延びる細長い燃料棒のアレイと
    を具備する燃料集合体。