JP2553333B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野： この発明は原子炉用の燃料集合体に関するもので、軽
水冷却及び減速原子炉に於ける使用に特に適している。

（ロ）背景技術： 大部分の現在使用されている原子核燃料集合体は、燃
料棒（この語は、核分裂性物質を装荷した燃料棒だけに
とどまらず、親物質を装荷した燃料棒をも指称する。）
の束と、燃料棒を規則的に配列された格子（以下レギュ
ラ格子と呼ぶ）（regular lattice）のノードに於て保
持するためのグリッド（grid）を持つ制御棒案内管によ
つて相互に連結した上方の端部材及び下方の端部材又は
ノズルを持つ燃料棒保持用構造物と、燃料集合体を炉心
支持板に強く当てて上方の端部材に力を伝達すると共に
抑え付け機能を持つ弾性装置とを備えている。

原子炉の炉心は、典型的に炉心支持板に載せた６角形
又は正方形の横断面を持つ上記のような集合体から成っ
ている。前記構造の構成諸要素は相互に強固に固定され
ている。端部材は冷却材用の通路を備え、又炉心支持板
は集合体に至る冷却材流れ用の開口を備えている。この
炉心支持板は、下方の端部材内に支持板を割出すための
係合用心出しスタッドを備えている。

燃料集合体の上方の上部炉心板は、炉心を限定し、冷
却材が炉心で加熱された後この冷却材を放出する開口を
備えている。この上部炉心板は、制御棒クラスタ案内用
の構成要素と共に、原子炉の上部内部装置を構成してい
る。

正常及び／又は一時的運転操作状態下にある燃料集合
体にかかる圧力のある冷却材の水圧推力のために、燃料
集合体にはこれと炉心支持板との接触を維持させるため
の抑え付装置を設けなければならない。このような抑え
付装置としては通常弾性装置を使用する。最も広く使用
されるアプローチは、燃料集合体の上方の端部材に固定
したばねを使用することにあり、このばねに上部炉心板
を当てて、冷却材の水圧推力に抗して炉心支持板に燃料
集合体にかかる力を働かせるようにする。これらのばね
は、例えばフランス国特許明細書第1,536,257号、第2,3
26,010号、第2,412,142号及び第2,409,576号に記載され
ているような、極めて異なる形状とすることができ、こ
こではこれらを参照とする。

これらのばね装置は実質的に満足に働いている。しか
し問題もある。製造が複雑である。効率は照射中累進的
に減少する。ばね装置に必要なスペースは上端ピースに
於ける冷却材流れ面積を減少させ、又水頭損失を増大さ
せる。ばねは燃料集合体を扱うための工具を上端部材内
に差し入れるのを妨げる。これらの問題点、或いは少く
ともそのうちの幾つかは、長い集合体について重大さを
増す。主要な問題は、使われている材料が異なるため
（ジルコニウムベース合金及びステンレス鋼）、炉心及
び燃料集合体の異種成分間に生ずる。照射及び高温のも
とに於ける増大差又は生長差によつて起る。数メートル
の長さを持つ現在の燃料集合体に於ては、一方は新しく
他方は既に照射を受けているというような隣接集合体間
の長さの差は数センチメータにも達する。長さの差のた
めに、炉心支持板に抗してあらゆる状況のもとで恒久的
に燃料集合体に働くことのできるばねを設けることは、
このことが燃料棒の衝撃及び過度の振動を避けるために
必要であるにも拘らず、困難になつてくる。これに加え
て、原子炉の動力の不断の増大は、ばねに作用する水圧
力の増加を招き、この力は燃料集合体の重量よりも大き
くなり、益々大きなばねの使用を必要とし、これを上方
の端部材内に組み込むことを益々困難ならしめる。

（ハ）発明の概要： この発明の目的は、上に述べたような型式の核燃料集
合体を提供することにあり、この場合燃料集合体にかか
る水圧推力は、従来に於けるよりも更に良好な状態、特
に弾性装置によつて伝達される力が減少するという状態
のもとに置かれる。

このために、この発明は燃料集合体に加えられた水圧
推力の分布の解析結果を利用している。この解析は推力
が主として棒のハンドル、案内管及び保持グリッドに加
わることを示している。これらの構成部材にかかる推力
は、従来の燃料集合体のばねに加わる水圧力の80ないし
85％であり、残りの水圧力は端部ピースにほぼ均等に作
用する。

上述の目的を考慮に入れ、本発明は、燃料棒の束と、
この燃料棒の束を保持するための構造物とを備え、 この構造物が、上下方向に相互に移動可能な２つの副
構造物から成り、 第１の前記副構造物が、上部炉心板のような固定部材
に直接接触連結するように配置された上方の端部材と、
若干の案内管と、前記案内管に沿って配分されたグリッ
ドとを備え、 第２の前記副構造物が、下方の端部材と、すべての他
の案内管とを備え、 前記副構造物のうちのいずれか１つが、他方の前記副
構造物の前記端部材に対して滑動可能であり、この他方
の副構造物に近接して配置された滑動部材を備え、 前記燃料集合体の前記両端部材を広げ引離して前記下
方の端部材を炉心支持板上に付勢するのに役立つ作用力
を加えるように、前記燃料集合体にさらに、前記滑動部
材と、前記他方の副構造物の前記端部材との間に配置さ
れた弾性装置を設けて成る燃料集合体を提供するもので
ある。

従って、この弾性装置は、従来のPWR燃料集合体の弾
性装置と比較して、より小さい寸法のばねとすることが
できる。実際上、下部炉心板に接触する構造は、全水圧
推力の僅か約10％を受け取るように設けることができ、
これによつて実質的に弾性装置を形成する抑え付ばねの
数及び／又は寸法を減らすことができる。

第１の副構造物には、上方の端部材及び若干の案内管
に加えて、燃料棒支持グリッド及び燃料棒から成るユニ
ットを備える。次に第２の副構造物は、他の案内管及び
下方の端部材を備え、これらを恒久的に固着した状態で
形成する。

この配置を以てすれば、弾性装置は、第２の副構造物
を炉心支持板と接触状態に抑え付けるのに必要な力を発
揮しさえすればよい。

上方の端部材の上部炉心板との直接接触は、燃料集合
体の頂部に於て振動を増幅させないという点に於て、弾
性接触よりも極めて有利であるという追加的利点を持っ
ている。炉心支持板に対して弾性装置により直接接触状
態に保たれる他方の副構造物を以てすれば、燃料集合体
の下方部分に於ける振動の危険度もまた減少させること
ができる。

（ニ）実施例： 以下この発明をその実施例に基づき、添付図面を用い
て詳細に説明する。

第１図に示すように、燃料集合体（10）には支持構造
を持たせ、又この構造には正方格子による燃料棒（14）
を保持するグリッド（12）、２個の上方の端部材（16）
及び下方の端部材（18）、及び支持構造物のその他の構
成材を正規位置に保持する案内管を持たせる。ここには
燃料棒はその頂部部分だけを示しておく。

案内管は、引張棒を形成しながら、２つの群に配分す
る。第１の群の案内管（20）は、図に於てクロス印
（×）で示すように、グリッド（12）に恒久的に固定す
る。第１群の案内管は、又冷却材の出口が形成され上端
部材（16）の底部を形成する板材（22）に恒久的に連結
する。この恒久的連結は、任意適宜の型式のものでよ
く、組立てられる部材を形成する材料の性質によつて選
択する。溶接、ねじによる連結、又は薄い壁材の変形に
よる連結など、周知の方法を利用すればよい。

第１群の案内管（20）は、下方の端部材（18）内に受
け入れられ、その中で上下の向きに滑動できるようにす
る。第２群の案内管（24）は、下方端部材（18）に強固
に固定される。これらの案内管は、グリッド（12）内の
セルを通って突き出し、その中に滑動可能に受け入れ
る。案内管（24）は、上方の端部材（16）の底壁（22）
を貫通させ、上方の端部材（16）の内方に突き出す。案
内管（24）の上端は、恒久連結部（26）によつて、上方
の端部材（16）に属するフレーム内に底壁（22）の上方
に取付けた穴あき板材すなわち滑動部材（28）に固定す
る。

第１図に示すように、滑動部材（28）と上方の端部材
（16）のフレームの上方部に於けるフランジ（32）との
間に、４個のばね（30）を置く。ばね（30）には予め圧
縮を加えて、滑動部材（28）を底壁（22）と接触するよ
うに付勢する力を滑動部材（28）に及ぼすようにする。
この滑動部材（28）には、ばね（30）を正規位置に保ち
且つできれば圧縮量を接触フランジ（32）によつて制限
するためのスタッド（34）を持たせれば有利である。

第１群の案内管（20）、グリッド（12）、及び上方の
端部材（16）で形成した第１の副構造物は、燃料棒を載
せてあり、燃料集合体が受ける水圧推力の約90％を受け
る。下方の端部材（18）及び案内管（24）を含む第２の
含構造物は約10％の水圧推力を受ける。従ってばね（3
0）は、燃料集合体に及ぼす冷却材の全推力の僅か10％
を取上げるように寸法を定めればよい。

燃料集合体を原子炉に装荷する場合、各燃料集合体の
下方の端部材は、炉心支持板（36）上に載る。ばね（3
0）は、第１の副構造物及びこれに支えた棒の重量より
も小さい力で上方の端部材（16）を上方へ付勢する。従
って第１の副構造物は第２の副構造物上に接触した状態
にとどまる。次に上部炉心板（38）を置く。燃料集合体
の全重量は、第２の副構造物に対し直接に炉心支持板
（36）に、第１の副構造物に関する限り第２の副構造物
を通して、かかる。

原子炉の始動及び運転操作中上方に向う推力が冷却材
によつて加えられる。この力は、第１の副構造物を上方
の端部材（16）が上部炉心板（38）と接触するまで持上
げる。そうすると、推力の約90％は、弾性装置によつて
というよりもむしろ直接接触連結によつて上部炉心板
（38）に加えられる。この直接接触と従来の燃料集合体
に見られ且つ固有の共振振動数を持つばねの省略とによ
り、上部の内部装置の振動（従来の集合体の弾性装置が
燃料棒の束（14）に生じさせる。）の増幅を避けること
ができる。燃料棒の振動の減衰は、燃料棒の燃料被覆の
寿命及び燃料棒を正規位置に保つ力を燃料棒に加えるた
めにグリッド内に設けたばねの寿命及び効率の改善に重
要な因子である。

第２の副構造物に加わる冷却材の推力の一部分は、下
方の端部材（18）を持上げこれを炉心支持板（36）から
揚げ離す傾向を持つ。しかし、第２の副構造物に及ぼす
全推力の一部分は小さいので、典型としては100ないし2
00daN間にある低い予圧縮をしたばね（30）は、下方の
端部材（18）を炉心支持板（36）と接触状態に保つのに
は充分である。この直接接触は又燃料棒の束の振動を減
衰させる。

第2A、第2B、第３図に、端部材を備えた案内管（20）
（24）を示す。案内管（20）は、その上端部で、へこみ
を付けた底壁（22）の通路内に向けて拡大させ、又下部
は下方の端部材（18）内に滑動できるようにして受け入
れられる。これに対して、案内管（24）は、上端におい
て底壁（22）にクリンプされ、底壁（22）内で滑動可能
に受け入れられ、下端で例えばねじを使って下方の端部
材（18）に固定される。

このねじは、その回転を防止するために下方の端部材
（18）のへこみ部内で変形させるための薄いスカートを
持たせてもよい。案内管の端部材内へのすべりばめは、
２つの副構造物の相互案内を確実なものとし、集合体の
機械的強度にあずかる。

第４図に示す変型実施例は、ばね（30）が２個の板材
間に配置されるように計画した上方の端部材を持つ。こ
のために、上方の端部材（16）は、冷却材の流れ用通路
（図示してない）を備え、接触フランジ（32）を持つフ
レームにより上方に延ばし、又つかみフランジ（42）を
持つスカート（40）により下方に延ばした底壁（22）で
構成する。各案内管（24）の上部部分は、底壁（22）内
で滑動するが、各案内管（20）の上端は、底壁（22）に
固定的に連結される。

冷却材の流れ用穴を備えた板すなわち滑動部材（28）
は、スカート（40）に滑動自在に取付けられる。案内管
（24）は板（28）に固定するが、底板（22）内で滑動す
る案内管（24）の外面は、連結領域（26）を越える。案
内管（20）は、滑動部材（28）内ですべりばめにされ
る。ばね（30）は、案内管（24）の端部と同心状に配置
し、図示のように２つの副構造物を接触位置に付勢す
る。上方に向って流れる冷却材が副構造物に上方に向く
力を及ぼすとき、この力の大部分は上方の端部材（16）
の上部炉心板（38）との接触により第１図のように吸収
されるが、ばね（30）は下方の端部材（18）を炉心支持
板（36）と接触状態に保つのに充分な力を滑動部材（2
8）に及ぼす。

第５図に示す変型実施例では、端部材を相互に広げよ
うとする傾向を持つばね（30）は、燃料集合体の下方部
分に配置してある。第１の副構造物は、グリッド（1
2）、上方の端部材（16）の底壁（22）に固定した案内
管（20）、及び案内管（24）に滑動可能に取付けた穴あ
き板材すなわち滑動部材（44）を含んでいる。第２の副
構造物は、下方の端部材（18）に固定され、上方の端部
材（16）内で滑動可能にした案内管（24）を含んでい
る。

ばね（30）の働きのもとに、及び／又は上方の端部材
（16）によつてつるした燃料集合体の取扱い中に、両端
部材（16）（18）の相互に離れようとする運動の範囲を
制限するための停止装置を設けることができる。第５図
に示すように、この停止装置は、案内管（24）に恒久的
に固定し且つ穴あき板すなわち滑動部材（44）と接触す
るように配置した拡大ソケット（46′）によつて形成す
ることができる。

ばね（30）は、滑動部材（44）と下方の端部材（18）
との間に位置する案内管（24）の一部の回りに配置す
る。

この実施例は、上方の端部材（16）にはばねが無いと
いう利点があり、このことは炉心の反応度を制御するの
に用いる制御棒クラスタの運動を容易ならしめると共に
燃料集合体の取扱いを容易にする。

次に、第６図に線図的に示す燃料集合体は、フローテ
ィング・グリッド型式（floating grid type）のもの
で、グリッドのうち若干のものは第１の副構造物の案内
管には連結されていない。

第６図に示すように、燃料集合体は第１図に示すもの
とほぼ等しい構造を備えている。しかしグリッドのうち
の若干のグリッドすなわちフローティング・グリッド
（12a）は案内管（20）（24）に滑動可能に取付けられ
る。例えば参照数字（46）で示すような燃料棒の或るも
のには、ばね（30）に付加して弾性装置を設けて、上方
及び下方の端部材（16）（18）を互いに離すように付勢
する力を増大させる。このような燃料棒（46）の数は発
揮させるべき追加力によつて定める。

各燃料棒（46）は、下方の端部材（18）に受けた下部
端せん（48）を持つ。又燃料棒にはその上端に弾性装置
を載せてあるが、これについて以下に述べる（この配置
は必要ならば逆にすることもできる）。

第８図は第７図に鎖線で示した燃料棒の一部を拡大し
て示すものであるが、このような弾性装置は、円筒形の
押圧棒（50）を備え、その円錐台形の端部は上方の端部
材（16）の底壁の穴内に係合している。押圧棒（50）
は、燃料棒（46）の上部端せん（56）により支えられた
ボルト（54）に滑動可能に受け入れられる。押圧棒（5
0）の端部と、押圧棒の内方肩部によって保持したスペ
ーサ（60）との間の押圧棒（50）内にコイルばね（58）
を配置する。スペーサ（60）は、押圧棒（50）をボルト
（54）上に取付ける以前にコイルばね（58）の損失を防
止する。各コイルばね（58）は、１つの端部材からの他
の端部材に、抑え付け作用を持つと共に（30）の働きを
完全ならしめる力を伝える。各ばね（58）は例えば1daN
の予圧縮力を及ぼす。燃料棒が正方格子の17×17ノード
に配分した典型的燃料集合体の各燃料棒にこのような弾
性装置を設けたとすれば、全体の力は約250daN,即ち従
来の抑え付け装置によって及ぼされる力の約25％に達す
る。このような分担は、燃料棒の束によるのみならずフ
ローテイング・グリッド（12a）による水圧力の一部の
伝達を可能にする。

上に述べたような装置はフローテイング・グリッド集
合体に対してのみならず、すべてのグリッドが案内管に
固定されたような集合体に対しても適用することができ
る。

以上この発明を実施例に基づき詳細に説明したが、こ
れらの実施例はこの発明の精神を逸脱することなく、種
々の変化変型をなし得ることは云うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例による燃料集合体の構
造を示す線図的立面図、第2A、第2B図は第１図に示す種
類の構造を持つ燃料集合体の頂部及び底部を示す立面
図、第３図は第2A図の頂面図であつて上方の端部材の一
部及び燃料集合体構造の案内管との連結を示す図、第４
ないし第６図は他の変型実施例の第１図と類似の立面
図、第７、第８図は特殊の構造を持つ第６図に示す燃料
集合体に於ける燃料棒の取付けを示す詳細図である。 10……燃料集合体、12……グリッド、14……燃料棒、16
……上方の端部材、18……下方の端部材、20……案内管
（第１群）、22……底壁、24……案内管（第２群）、26
……恒久連結部、28……穴あき板材すなわち滑動部材、
30……ばね、32……接触フランジ、34……スタッド、36
……炉心支持板、38……上部炉心板、40……スカート、
42……つかみフランジ、44……穴あき板材すなわち滑動
部材、46′……ソケツト、46……燃料棒、48……下部端
せん、50……押圧棒、52……穴、54……ボルト、56……
上部端せん、58……コイルばね、60……スペーサ。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料棒の束と、この燃料棒の束を保持する
   ための構造物とを備え、 この構造物が、上下方向に相互に移動可能な２つの副構
   造物から成り、 第１の前記副構造物が、上部炉心板のような固定部材に
   直接接触連結するように配置された上方の端部材と、若
   干の案内管と、前記案内管に沿って配分されたグリッド
   とを備え、 第２の前記副構造物が、下方の端部材と、すべての他の
   案内管とを備え、 前記副構造物のうちのいずれか１つが、他方の前記副構
   造物の前記端部材に対して滑動可能であり、この他方の
   副構造物に近接して配置された滑動部材を備え、 前記燃料集合体の前記両端部材を広げ引離して前記下方
   の端部材を炉心支持板上に付勢するのに役立つ作用力を
   加えるように、前記燃料集合体にさらに、前記滑動部材
   と、前記他方の副構造物の前記端部材との間に配置され
   た弾性装置を設けて成る燃料集合体。
2. 【請求項２】前記第１の副構造物が、前記グリッド及び
   前記燃料棒の少くとも若干を持ち、又前記第２の副構造
   物が、相互に強固に連結された前記他方の案内管と前記
   下方の端部材とから成る特許請求の範囲第（１）項記載
   の燃料集合体。
3. 【請求項３】前記弾性装置を、圧縮状態において、
   （ｉ）前記上方の端部材の上部フランジと、（ii）前記
   上方の端部材内に位置する板材から成る前記滑動部材と
   の間に保持し、前記上方の端部材の底壁を抜けて突出す
   る前記第２の副構造物の前記案内管によつて前記滑動部
   材を前記下方の端部材に機械的に連結した、特許請求の
   範囲第（１）項記載の燃料集合体。
4. 【請求項４】前記弾性装置を、圧縮状態において、前記
   上方の端部材の底壁と、板材から成り、前記上方の端部
   材の下方に位置する前記滑動部材との間に保持し、かつ
   前記弾性装置が、前記第２の副構造物の前記案内管のう
   ちの１つの案内管の延長部のまわりにそれぞれ位置する
   複数のばねから成り、前記上方の端部材と前記滑動部材
   との広げ引離し移動の量を制限する接触装置を設けた、
   特許請求の範囲第（１）項記載の燃料集合体。
5. 【請求項５】前記燃料棒のうちの少なくとも若干の燃料
   棒に、前記上方の端部材及び下方の端部材のうちの一方
   の端部材に対して接触状態にある第１の端部部分をそれ
   ぞれ設けるが、第２の端部部分により他方の前記端部材
   に対して追加弾性装置によつて付勢される押圧棒を滑動
   可能に受け入れるようにした、特許請求の範囲第（１）
   項記載の燃料集合体。
6. 【請求項６】前記弾性装置に100ないし200daNの予圧縮
   力を持たせた、特許請求の範囲第（１）項記載の燃料集
   合体。