JP2504668B2

JP2504668B2 - 噛合い式ストリップから形成された水素化物抵抗性スペ―サ

Info

Publication number: JP2504668B2
Application number: JP4211195A
Authority: JP
Inventors: エリック・バーティル・ジョハンソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-08-15
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2011-06-05
Also published as: ES2086660T3; DE69210138D1; JPH05223971A; EP0528621B1; US5130083A; EP0528621A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉の燃料
バンドルに使用するスペーサに係る。詳細には、噛合い
式のジルカロイ(Zircaloy)ストリップの格子を製造し、
正方形の燃料棒スペーサバンド内で反対の対角線に沿っ
て噛合わせて改良型スペーサ格子を得るというスペーサ
の構築を開示する。本発明のスペーサ格子は、フェルー
ルタイプのスペーサ構造の利点を有していながら、燃料
バンドル内でフェルールが隣接する燃料棒を包囲してい
る場合に使用される二重の厚さの金属が不要になる。

【０００２】

【従来の技術】本発明を充分に理解できるように、まず
最初に、沸騰水型原子炉用核燃料バンドルの構造を詳細
に説明する。その後、燃料バンドルの作動時の動力学を
一部開示する。特に、原子炉の典型的な炉心の中に位置
する核燃料バンドルの内部を上に向かって流れる冷却材
中におけるスペーサの機能的相関について述べる。

【０００３】沸騰水型原子炉の燃料バンドルは、垂直な
燃料棒のマトリックス、その垂直燃料棒のマトリックス
を支持するための下部タイプレート、および下部タイプ
レートの上方で燃料棒のマトリックスを垂直関係に維持
する上部タイプレートを含んでいる。上部タイプレート
と下部タイプレートとの間で燃料棒の回りに燃料チャネ
ルがあり、燃料バンドルの垂直方向の長さに沿って燃料
バンドルを貫通する垂直の流路を規定している。下部タ
イプレートは燃料バンドルの底部で水の流入を可能にす
る機能を果たし、上部タイプレートは水と生成した蒸気
とを燃料バンドルの頂部で流出させる役割を果たす。

【０００４】燃料バンドルは細長く、通常、２０．３×
２０．３ｃｍ（８×８インチ）の正方形の断面をもち、
長さは約４０６ｃｍ１６０インチである。燃料バンドル
内に収容される燃料棒は少なくとも７本×７本程度のマ
トリックスになっており、最近の燃料バンドルのデザイ
ンでは１０本×１０本を越える密度になっている。その
結果、燃料棒を拘束する装置がないと、燃料棒は燃料バ
ンドルの運転寿命の間互いに消耗および摩耗性の接触を
する傾向がある。このような消耗および摩耗性の接触
は、クリープの影響および燃料棒付近の流体流の動力学
に応答して起こる。クリープは、燃料バンドルの加圧放
射線環境中で起こる燃料棒クラッディングの金属の差動
成長であり、その結果燃料棒は年と共に燃料バンドル内
で曲がる。また、燃料棒の回りの流体流の動力学によ
り、これら燃料棒は原子炉の運転中互いに近づいたり離
れたりして振動する。

【０００５】燃料棒をその設計通り並べた関係に維持す
るためにはいわゆる燃料棒スペーサを使用する。これら
の燃料棒スペーサは燃料バンドルの長さに沿って選択さ
れた垂直間隔で各燃料棒をそれぞれ取囲んでいる。一般
に、燃料バンドルの長さに沿って垂直に５〜７個のスペ
ーサを分配する。各スペーサはそれぞれ各燃料棒を包囲
し、その燃料棒をスペーサの高さのところでマトリック
ス内の設計された位置に限定する。要するに、分布配置
されたスペーサは燃料棒間の摩耗性の接触を防ぎ、燃料
棒の間隔を均一に維持する。

【０００６】これらのスペーサは、燃料バンドル内部で
下部タイプレートと上部タイプレートとの間を上方に流
れる流体流中に存在しなければならない。したがってス
ペーサはこの上方に向かう所要の流体流に対して抵抗を
付加するという欠点がある。この流体流に対する抵抗
は、もし制御しないと望ましくない結果をもたらすこと
になる。これらの望ましくない結果としては、燃料バン
ドルの出力が制限されること、ならびに燃料バンドルの
上部二相領域における熱流体および核熱流体の不安定性
を始めとする局部的または炉心全体の不安定性が生じる
ことがある。

【０００７】この圧力降下の現象を低減するために従来
はスペーサの材料をできるだけ薄くする傾向があった。
スペーサは２種の材料で作成される。ひとつの材料はイ
ンコネル(Inconel) という名称で販売されているばね鋼
である。これらのスペーサは極めて薄くすることができ
るが、残念なことにばね材は非常に薄くしても中性子の
吸収率がかなり高い。

【０００８】より望ましいスペーサの作成には、ジルカ
ロイ(Zircaloy)という低中性子吸収率の合金を使用す
る。この金属はインコネル(Inconel) ほど強くはないが
その中性子吸収断面積はずっと好ましい。ジルカロイ(Z
ircaloy)スペーサの最もうまくいったデザインのひとつ
は各々の燃料棒の位置にいわゆるフェルールを使用する
ことである。フェルールは、燃料棒を包囲しているが、
ストップと燃料棒をこれらのフェルールストップに押付
けるスプリングとによって燃料棒からある距離だけ離れ
ている丸い円筒である。燃料棒が個々のフェルールの内
部でストップに押付けられているとき、正確な空間関係
は燃料棒の外面とフェルールの内面との間で維持され
る。このデザインは、燃料棒のフェルールによって包囲
されている位置のところとそれより上方で燃料棒の表面
に沿って流れる熱交換用の流体流にとって非常に好まし
いことがすでに判明している。

【０００９】冷却材流の圧力降下を最小にすると共に中
性子の吸収を最小にするためにフェルールの壁の厚みは
できるだけ薄くするべきである。残念なことに、原子炉
の冷却水中を搬送される水素の溶解のため、０．０５ｃ
ｍ（０．０２０インチ）より薄いジルカロイ(Zircaloy)
シートは使用できない。より薄いジルカロイ(Zircaloy)
シートを利用してスペーサを構築すると、原子炉内部の
水素に富む環境にさらされた後このジルカロイ(Zircalo
y)は脆性になる。あいにく、水素のこの脆性状態は原子
炉が冷たいときに特に悪化する。スペーサに比較的大き
な応力がかかるのは、原子炉が冷えていて個々の燃料棒
を検査や交換のために燃料バンドルから出し入れすると
きである。簡単にいうと、ジルカロイ(Zircaloy)を使用
するときは常に少なくとも０．０５ｃｍ（０．０２０イ
ンチ）の厚さにするということである。

【００１０】正方形に並べたフェルールの場合各フェル
ールは隣接する４個のフェルールによって包囲され、か
つ接触している。これら接触点の各々でジルカロイ(Zir
caloy)の厚みは二重になる。もしこの二重の厚さをなく
すことができれば、スペーサの圧力降下と中性子吸収を
低減することができるであろう。スペーサを製造する際
に「卵のかご」形または格子（グリッド）の設計を利用
することによって、ジルカロイ(Zircaloy)のこのような
二重の厚さの問題を回避しようとすることはすでに知ら
れている。そのような設計では、金属のストリップが隣
接する燃料棒の間でそれぞれ直角の仕切りを形成してい
る。各燃料棒の間に配置されるのは一枚分の厚みのジル
カロイ(Zircaloy)だけである。

【００１１】残念ながら、このタイプの「格子」設計に
は固有の欠点がある。燃料バンドルの上部では液体冷却
材が上昇するが、発生した蒸気の割合も増大する。一般
に、比較的ゆっくり上方に向かって移動する水は燃料棒
の付近に集中し、より速い速度で上方に向かって流動す
る蒸気は燃料棒間の空間に集中する。上方に向かって速
い速度で流動する蒸気に対して妨害のない面積が最大に
なる空間は、規則的な間隔で縦横に並んだ燃料棒の間の
対角線上の空間に沿って存在する。残念なことに、「卵
のかご」形または格子タイプのスペーサの場合、スペー
サを形成しているシート金属のストリップ同士の交点
は、上記の障害のない面積が最大である空間内にある。
したがって余分な圧力降下が生ずる。このため、フェル
ール構造のスペーサは格子タイプの構造より中性子吸収
が大きいにもかかわらずフェルールタイプのスペーサの
方が好ましいとされている。

【００１２】

【発明の概要】格子タイプの構造によって従来のフェル
ールスペーサに近付いた燃料バンドル用スペーサを開示
する。正方形断面のスペーサを横切る２つの対角線に沿
って伸びている第一および第二の組の斜めに伸びるジル
カロイ(Zircaloy)のストリップを使用する。ひとつの組
のストリップは第一の対角線に沿って平行に配列され、
この組の各ストリップは、もうひとつの第二の対角線に
沿って、同じ組の他のストリップから燃料棒一本の太さ
の分の間隔で離れている。もうひとつの組のストリップ
は第二の対角線に沿って平行に配列され、この組の各ス
トリップは、第一の対角線に沿って、同じ組の他のスト
リップから燃料棒一本の太さの分の間隔で離れている。
両方の配列のストリップは各燃料バンドルを横切って斜
めに伸びるにつれてジグザグ形状に曲がっていて、各ス
トリップ内で曲部と曲部の間に規定される連続した脚部
は、斜めの脚部、水平の脚部、斜めの脚部（同じ対角線
方向）、および垂直の脚部を含んでおり、これが所要の
対角線の長さだけ連続して繰返されている。この斜めの
部分には、反対方向に突出たタブが備わっており、これ
らのタブが個々の燃料棒の回りで斜め方向に噛合ってい
るセルの境界部を規定している。ストリップは互いに嵌
込まれており、対向する突出タブが互いに差込まれ、斜
めに伸びるストリップを互いに連結して相互に噛合う格
子タイプの構造となっている。その結果、各燃料棒の回
りに八面のセルが形成され、第一の対角線に沿うストリ
ップのタブが第一の対向する斜めのセル境界部を形成
し、第二の対角線に沿うストリップのタブが第二の対向
する斜めのセル境界部を形成し、水平および垂直の脚部
がセルのこれらの対角線間で八面のセルを閉鎖してい
る。斜めのセル境界部は、燃料棒間の空間において、燃
料棒間に斜めに並んだ正方形断面の小さい開口を規定し
ている。これらの正方形断面の開口は、それぞれ燃料棒
を収容・限定しているセルより小さく、上方に向かって
比較的速く流れていく蒸気がスペーサを貫通できるよう
に配置されており、その際スペーサの材料による干渉は
最小であり、スペーサによる圧力降下が低減する。斜め
のストリップは各々が一定の長さになっており、通常は
回りを取囲んでいる正方形断面のバンド内に限定されて
一体のスペーサ集合体を形成している。八面のフェルー
ル内の中心位置に燃料棒を偏らせるためのストップとス
プリングの装置が開示されている。水平および垂直の脚
部はセルの間で共有されていて、各セルの八面全てに対
して中性子吸収性金属ストリップの厚みは一枚分となっ
ている。したがって、フェルールスペーサに近い格子タ
イプのスペーサが提供され、その八面の内の４つの面で
壁を共有するため中性子吸収が低減するという利点があ
る。

【００１３】

【他の目的、特徴および利点】本発明のひとつの目的
は、格子タイプのスペーサ配列において、隣接するフェ
ルールが連結されるところで起こる二重の壁厚を排除し
ながらフェルールスペーサ構造の利益をもたらすような
スペーサ構造を開示することである。本発明の別の目的
は、水素の吸収に起因する脆化に抵抗性の許容可能な厚
みを有するジルカロイ(Zircaloy)から構築することが可
能なスペーサを提供することである。

【００１４】本発明のさらに別の目的は、格子材料が、
高速の蒸気流が生じる領域を回避するような格子タイプ
のスペーサ配列を開示することである。本発明のその他
の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明と添付図
面を参照するとより明瞭になるであろう。

【００１５】

【好ましい態様の説明】図１を参照すると、沸騰水型原
子炉用の燃料バンドルＢが示されている。この燃料バン
ドルは、燃料棒Ｒの正方形断面のマトリックスを閉込め
ている下部タイプレートＬと上部タイプレートＵを含ん
でいる。下部タイプレートＬは燃料棒を支持すると共に
液体冷却材の流入を可能にする役目を果たす。上部タイ
プレートＵは燃料棒Ｒのマトリックスを垂直の直立位置
に保持する。何本かの燃料棒は下部タイプレートＬのと
ころでネジが切られており、上部タイプレートＵまで伸
び、これら２つのタイプレートをつないで一体となった
集合体を形成している。

【００１６】下部タイプレートＬと上部タイプレートＵ
との間では正方形断面のチャネルＣが燃料バンドルを包
囲している。この正方形断面のチャネルＣの役割は流体
の流れを燃料バンドル内に限定することである。燃料バ
ンドルは細長くて、長さが４０６ｃｍ（６０インチ）程
度、寸法が約３２ｃｍ ²（５平方インチ）である。な
お、図１は必要上やむをえず途中を省略してあって燃料
バンドルＢの全長を見ることはできないが、構造上の詳
細のいくつかは見られるようになっていることを理解さ
れたい。

【００１７】燃料バンドルの一部はチャネルＣのところ
で切欠いてある。その切欠き部では本発明の対象である
スペーサＳを見ることができる。図６を参照すると、各
々が一本の燃料棒Ｒを限定する本発明の分離したセル１
４が開示されている。セル１４の対角線上には斜めに並
んだ正方形の開口１６が配置されている。この開口１６
は蒸気／水混合物の最適な流れを可能にする。スペーサ
Ｓの全体はその正方形に区切られた側面でバンド２０に
よって包囲されている。図では正方形の区画が８×８本
の燃料棒マトリックスを限定していることが分かるが、
９×９本または１０×１０本のような他のマトリックス
も考えられる。

【００１８】また、図６には大きな中央のウォータロッ
ドが示されていないことが分かるであろう。当業者には
理解されるように、開示したスペーサはそのような通常
の付属品を含むように修正することができる。燃料バン
ドルの全体構造と一般的な配置におけるスペーサの位置
についてはすでに示したので、その組立て・集合体につ
いて以下に説明する。

【００１９】スペーサの内部格子は噛合い式の曲がった
ストリップからなる。ストリップの一部を図３Ａと３Ｂ
に示す。図３Ａは側面図、図３Ｂは平面図である。図３
Ａで、ストリップの左側面３０は連続しており、この連
続したストリップ３０からタブＤ₁とＤ₂が突出てい
る。ストリップは破線のところで４５°に曲げられてい
て領域３１、３２、３３、３４に分割されている。領域
３１と３３はタブをもっており、互いに平行であるがず
らされている。

【００２０】内部格子は、スペーサバンドの内側に斜め
に配向させたいろいろな長さのストリップを使用して構
築する。ストリップの半分はタブを上向きにして一方の
対角線と平行に配向し、残りの半分はもう一方の対角線
と平行にしてタブを下向きに配向させる。図４を参照し
て、斜めのストリップ５１〜５７を二組使用する。スト
リップ５１は最も短い斜めのストリップである。ストリ
ップ５７は最も長い斜めのストリップである。ストリッ
プ５６に対して各部分の表示記号の例を示してある。セ
クション３１は斜めのセル境界である。セクション３２
はここではスペーサの正方形区画に対して垂直に配向さ
れている。セクション３３は再び斜めに配列されてい
る。最後に、セクション３４はスペーサに対して水平に
配列されているように見える。斜めのセクション間のこ
の水平と垂直のジグザグはこの方眼紙を横切って伸びる
のに必要な長さだけ各対角線に沿って伸びている。

【００２１】図５は同様の図であるが、図４の対角線に
対して対角線が９０°回転しており、タブは下向きに伸
びている。特に、ストリップ６１〜６７によって対角線
の配列が完成する。前記と同様に、これらのストリップ
はタブＤ₁とＤ₂およびセクションを含み、斜めのセル
境界４１、水平部材４２、斜めのセル境界４３および垂
直部材４４が示されている。図６を参照すると、完成し
たスペーサの平面図が示されている。第二の組のストリ
ップ６１〜６７は第一の組のストリップ５１〜５７に互
いに差込まれていることが分かる。これらのストリップ
は一緒になって個々のセル１４と正方形のセル１６とを
定めてスペーサＳを規定する。

【００２２】図７Ａと７Ｂを参照するとこれらの部材を
組立てた後の配置が理解できる。図７Ａを参照すると、
左上から右下に向かうストリップ３０と右上から左下に
向かうストリップ４０が示されている。ストリップ４０
はタブＤ₁とＤ₂のところでセル１４の回りに斜めのセ
ル境界を形成している。同様に、ストリップ３０はそれ
ぞれのタブＤ₁とＤ₂のところで斜めのセル境界を形成
している。

【００２３】セルの各々が燃料棒Ｒを個別に取巻いてい
る八角形のセルからなっていることが分かる。常法に従
って各セル内でスプリングアセンブリＰに対向してスト
ップＳ１とＳ２が配置されている。スプリングアセンブ
リＰは燃料棒ＲをそれぞれのストップＳ１とＳ２に押し
付けてマトリックス内部の配置を確保する。八角形状の
セル１４と正方形に区画された蒸気通過用開口１６を含
む構造のスペーサＳでは、境界部３２、３４、４２、４
４のところで燃料棒間に存在するジルカロイ(Zircaloy)
の厚さは一枚分であることに注意されたい。したがっ
て、以上説明したスペーサ構造はフェルールタイプの構
造と格子構造との組み合わせとなっていることが分か
る。蒸気ベントセル１６が提供されると同時にジルカロ
イ(Zircaloy)の量が減少する。本発明には修正を施し得
ることが分かるであろう。たとえばより密度の高いマト
リックスに修正することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、燃料バンドルの部品と典型的なスペー
サの位置とを示している燃料バンドルの透視図である。

【図２】図２は、ジルカロイ(Zircaloy)金属バンドの平
面図であり、本発明の実施に必要な形状を有する２つの
連続したストリップに切断するために描いたパターンが
バンド上に示されている。

【図３】図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、図２のよう
に切断され、本発明のスペーサの部品を形成するのに適
した形状に曲げてあるストリップの側面図および平面図
である。

【図４】図４は、正方形断面のスペーサの右上から左下
に向かって斜めに配置された噛合い式のストリップの第
一の組の平面図である。

【図５】図５は、正方形断面のスペーサの左上から右下
に向かって斜めに配置された噛合い式のストリップの第
二の組の平面図である。

【図６】図６は、図４および図５に示した第一組および
第二組のスペーサストリップを互いに組み合わせて本発
明の噛合い式の格子タイプスペーサを形成しているスペ
ーサの平面図であり、得られたスペーサは八面のフェル
ールタイプセルのセルを形成していると共に、正方形断
面の蒸気通過用開口が隣接する燃料棒の対角線上にあ
る。

【図７】図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ、組立てた状
態の本発明のスペーサの平面図および側面図である。

【符号の説明】

Ｂ燃料バンドル、Ｃチャネル、Ｄタブ、Ｌ下部タイプレート、Ｒ燃料棒、Ｓスペーサ、Ｕ上部タイプレート、１４セル、１６開口、２０バンド、５１〜５７、６１〜６７ストリップ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】核燃料バンドル内で個々の燃料棒の回り
にフェルールスペーサ様のセルを提供する燃料バンドル
用の改良された格子タイプのスペーサであり、該核燃料
バンドルが、垂直な燃料棒のマトリックスと、該垂直燃
料棒マトリックスを支持すると共に該燃料バンドルへの
冷却材の流入を可能にする下部タイプレートと、該垂直
燃料棒マトリックスを垂直に維持すると共に冷却材の水
および生成した蒸気の流出を可能にする上部タイプレー
トと、該タイプレート間で該燃料棒を包囲して該タイプ
レート間に該燃料バンドルへの隔離した流路を規定して
いる燃料バンドルチャネルと、該チャネル内で該燃料棒
の各々の回りに、該燃料棒の横方向の動きを制限するた
めの個々のセルを規定している複数のスペーサとを有し
ている、改良スペーサであって、第一組および第二組の斜めに伸びるストリップが、交差
する対角線に沿って伸びており、該第一組のストリップは第一の対角線に沿って平行に並
んで配列され、この組の各ストリップは第二の残りの対
角線に沿った燃料棒の幅の分だけ離れた間隔でこの組の
他のストリップから離れており、該第二組のストリップは第二の対角線に沿って平行に並
んで配列され、この組の各ストリップは第一の対角線に
沿った燃料棒の幅の分だけ離れた間隔でこの組の他のス
トリップから離れており、第一組および第二組の該ストリップはジグザグ形状に曲
がっており、このストリップ内の曲部と曲部の間に規定
される連続した脚部は、斜めのセル面を形成する斜めの
脚部と、水平のセル面を形成する水平の脚部と、斜めの
セル面を形成する斜めの脚部と、垂直のセル面を形成す
る垂直の脚部とを含んでおり、該ストリップの各々の該斜めの要素は各々反対に突出た
タブを備えており、該タブが個々の燃料棒の回りを斜め
に囲んで噛合っているセルの境界部を規定しており、該ストリップは互いに噛合っていて、該対向して突出た
タブが互いに差込まれ、斜めに伸びるストリップが互い
に連結されて、相互に噛合った格子タイプの構造になっ
ており、その結果、各燃料棒の回りに八面のセルが形成
され、第一の対角線に沿うストリップのタブが第一の対
向する斜めのセル境界部を形成し、第二の対角線に沿う
ストリップのタブが第二の対向する斜めのセル境界部を
形成し、かつ水平および垂直の脚部がセルの該対角線間
で八面のセルを閉じている、スペーサ。
【請求項２】該斜めのセル境界部が、燃料棒間の空間
において、燃料棒間に斜めに並んだ正方形断面の開口を
規定していて、上方に向かって比較的速く流出する蒸気
がスペーサをスペーサの材料による干渉がないように通
り抜けられるようになっており、その結果スペーサによ
る圧力降下が減少された、請求項１記載のスペーサ。
【請求項３】該正方形断面の開口が各々、燃料棒を収
容・限定しているセルより小さい、請求項２記載のスペ
ーサ。
【請求項４】該斜めに伸びるストリップが各々、回り
を取囲んでいる正方形断面のバンドの対角線に沿って、
かつそのバンド内部に限定された一定の長さをもってい
て、一体のスペーサ集合体を形成している、請求項１記
載のスペーサ。
【請求項５】燃料棒を八面のセル内の中心位置に偏ら
せるために該セル内に配置されたストップおよびスプリ
ング装置を含む、請求項１記載のスペーサ。
【請求項６】一方の対角線に沿って並んだ該斜めに伸
びるストリップの該水平および垂直の脚部が、他の対角
線に沿って並んだストリップの該水平および垂直の脚部
の上にあって、隣接する燃料棒間でセル面が単一のスト
リップの厚さになっている、請求項１記載のスペーサ。