JP2692762B2 - 核燃料棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は一般に核燃料棒に関し、より詳細には、管の
損傷の可能性を最小にすると共に上部端栓の構成の単純
化を考慮した端栓と管との間の改良型周溶接に関するも
のである。

典型的な原子炉では、炉心は多数の燃料集合体を有し
ている。従来構成の燃料集合体は、上部及び下部ノズル
と、互いに横方向に間隔を置いた複数の細長い案内シン
ブルと、これらの案内シンブルに沿って軸方向に互いに
間隔を置いた複数の横向きの支持格子とを備えている。
案内シンブルは、両ノズル間で縦方向に延びており、そ
の両端がそれぞれ対応のノズルに連結されている。ま
た、各燃料集合体は多数の細長い燃料棒を有しており、
これらの燃料棒は相互に及び案内シンブルから横方向に
離隔され、また、上部と下部のノズル間で支持格子によ
り支持されている。燃料棒のそれぞれは、ペレットの形
態をとる隔分裂性物質を内包し、高核分裂率を維持し、
もって熱の形で多量のエネルギの放出を維持するのに充
分な中性子束を炉心内に生じさせるように組織化された
配列で群別化されている。炉心内で発生された熱を取り
出し有用な仕事を行わせるために、冷却材をが炉心を通
って上方に圧送される。

燃料棒を製造する場合、一端に下部端栓を挿入し周溶
接を行うことによりその端部を閉じ、多数の核燃料ペレ
ットを装填し、完成された燃料集合体の移送中に前記ペ
レットが動かないようにばね要素を挿入し、燃料棒の他
端を上部端栓で閉じるという順で各燃料棒を作るのが一
般的である。通常、燃料棒は、炉心内で寿命初期に燃料
棒がコラプスを生ずるのを防ぐため、窒素のような不活
性ガスで種々の方法により加圧される。この方法は、通
常、空気抜きを行い、次に不活性ガスで燃料棒を加圧
し、最後に燃料棒をシールすることから成る。この燃料
棒シール過程とは、（１）加圧後の燃料棒に端栓を差し
込む場合には、端栓を周溶接することをいい、（２）加
圧前に端栓が差し込まれて周溶接されているならば、端
栓を貫いて延びる軸方向或は放射状の孔のような小さな
導管をシール溶接することをいう。

従来技術の上部端栓（この端栓は上下二段となってい
るので、以下、「二段形端栓」という）は一般的に円柱
形であり、燃料棒内に圧入するために外径が燃料棒の内
径より僅かに大きくなっている第１の本体部分と、外径
が燃料棒の外径に実質上等しい第２の本体部分と、燃料
棒と溶接できるよう突合せ継手の状態で燃料棒の端部と
適合する第１及び第２の本体部分間における肩部から成
る境界部分とを有している。周知のように、燃料棒を端
栓に結合する燃料棒外周の周溶接部の形成には、燃料棒
と溶接用電極とが互いに対して一回転する間、燃料棒の
端部が電極に対して精密な許容誤差で保持される必要が
ある。即ち、このような溶接過程は燃料棒についての支
持具及び端栓についての支持具を用いて行われるのが最
良である。この二段形端栓の支持具は、通常、溶接用端
部押え金具に設けられたキャビティの形を採っている
が、この端部押え金具は端栓の外側部分の形状に一致
し、溶接中、端部押え金具は端栓の外側部分を取り囲む
ようにして摩擦接触する。この端部押え金具は、溶接中
において、端栓及び燃料棒の横方向の動きを防ぎ、これ
によって燃料棒及び端栓と、電極との間の適正な距離を
維持する。

端部押え金具は、溶接部との干渉や端部押え金具に対
する損傷の可能性を除去するために、溶接用電極から充
分離れていなければならない。この理由から、二段形端
栓は、通常、燃料棒の端部から軸方向に延びる外側本体
部分を持ち、周溶接が、燃料棒の端部と端栓の外側本体
部分の肩部との接合部で行われる。この溶接によって、
通常、燃料棒の端部と端栓との間の接合部は滑らかなも
のとなるが、これは炉心を通過する冷却流体の圧力効果
を最小にするのに望ましく、燃料棒と端栓との間の境界
部における接合不良面（この接合不良面は侵食や腐食を
生ずる恐れがある）をが生ずるのを防ぐ。この型式の周
溶接における問題点は、電極が燃料棒の端部の極く近く
に偏倚した場合、熱が燃料棒を通って放散せず、燃料棒
の端部を溶接部から剥離させる恐れがあり、それにより
燃料棒の再加工又は廃棄を必要とする燃料棒の不認可の
原因となる可能性がある点にある。突合せ継手周溶接に
おける問題点は、米国特許第3,725,635号明細書に述べ
られている。

周知の他の溶接としては、燃料棒の内周面と端栓の外
周面との間の周方向の継ぎ目の溶接を行うことにより、
管の端部と同一平面上にある端栓上で行われるものがあ
る。しかしながら、この溶接もまた、燃料棒の肉厚の薄
さと溶接溶融部分の位置のために、剥離を生じやすいと
いう問題がある。

上記概説されたような通常の溶接における問題点に加
えて、二段形端栓には、端栓が単純な構造であれば解決
され得る独特な問題点がある。尚、この単純な端栓の構
成は本発明による改良型溶接によって容易に得られるも
のである。二段形端栓は、端栓の材料の体積が大きいた
め、そしてその製造方法（材料を無駄にする棒状材料か
ら端栓を機械加工する方法や、端栓を成型した後、所望
許容度にそれを機械加工する方法）のために、製造にか
なりの費用がかかる。更に、二段形端栓を燃料棒に挿入
する際にも問題があり、これは、端栓を燃料棒に挿入す
るためには、適正な側である小径の端部を燃料棒に対向
させた状態で端栓の向きを定め維持しなければならない
点にある。端栓を反対向きにしようとした場合、端栓自
体や燃料棒、そして恐らくは挿入機構に重大な損傷をも
たらすであろう。また、燃料棒に挿入されている小径側
本体部分のために、二段径端栓は湾曲や反りを生じる傾
向があり、これにより第２の本体部分に擦り傷を付けた
り、不完全な溶接や燃料棒内への端栓の取付けが不適当
になる原因となる。また、歪んだ端栓が燃料棒内に押し
込まれた際に、端栓の一部が欠け、端栓や燃料棒を損傷
し、異物を燃料棒内に混入させる原因となる恐れがあ
る。かかる問題点を解決する装置は米国特許第4,679,37
7号明細書に開示されており、その装置においては、端
栓の横断面の寸法が端栓よりも小さな案内チャンネルを
有し、該案内チャンネルは、可動の端栓により接触され
た場合に、端栓の外面に一致するように弾性的に拡張
し、それによって、端栓が案内チャンネルを通して燃料
棒に動かされた場合に、端栓との案内接触を保つように
なっている。

従って、燃料棒と端栓との溶接を改良することが要求
されている。即ち、容易且つ廉価に製造でき、燃料棒に
挿入する際に変形せず、且つ挿入過程においてその向き
に注意を要さない単純な構成端栓の使用を可能とする改
良型溶接を必要としている。

発明の概要 従って、本発明は、端部を有する管と、前記端部内に
配置された端栓と、前記管に前記端栓を結合する周溶接
部とを備え、前記周溶接部が前記管の管壁を貫通して前
記端栓まで円弧状に延びる溶融部分を有し、該溶融部分
及び前記端部が所定の間隔で隔てられている核燃料棒に
向けられている。周溶接部の形成中に端部が剥離しない
ように、前記所定の間隔は溶融部分から充分に放熱でき
るものであることが好ましい。

更に、本発明は、前記の周溶接部により溶着された端
栓に向けられており、かかる端栓は、相当に剛な円柱部
材から成る上部端栓であり、この円柱部材は、管内に配
置される第１の端部と、第２の端部と、周溶接部の形成
中に円柱部材を摩擦係合型の溶接用押え金具に軸方向に
整列させるための第２の端部に向かって延びる中空のキ
ャビティとを有している。

本発明は、添付図面に例示としてのみ示した好適な実
施例の以下の説明から、より明らかになるであろう。

好適な実施例の説明 次に、添付図面に示した本発明の好適な実施例につい
て詳細に説明するが、図中、同一参照符号は全図を通し
て同一又は相当部分を示すものとする。まず第１図を参
照すると、典型的な加圧水型原子炉（PWR）用の燃料集
合体10は、上部ノズル12と下部ノズル14とから成る内蔵
ユニットであり、両ノズル12、14間には複数の核燃料集
合体支持格子16が配置されており、この支持格子16は複
数のシンブル管17に固着され、またシンブル管17はその
各端部が対応のノズル12、14に結合されている。ノズル
12、14、シンブル管17及び支持格子16は、縦横に配列さ
れた核燃料棒18のマトリックスを適切な形状で支持する
ためのスケルトン枠組を構成している。燃料集合体10は
原子炉（図示しない）内の所定の位置に装荷され、これ
により、燃料棒18相互の向きが厳密に定められる。

次に第２図を参照すると、１本の核燃料棒18が示され
ている。この燃料棒18は細長い管20を有しており、この
管20は一般にジルコニウム合金から作られるが、鋼やア
ルミニウムから製造されても良い。典型的なPWR用の燃
料管20は、外径が約0.95cm（0.374in.）で、約2.66m（1
2ft.）の長さである。管20の第１の端部22には底部端栓
23が挿入されて公知の突合せ継手周溶接部24により結合
されており、管20の第１の端部22を封止している。通
常、下部端栓23は、燃料集合体10の製造中に核燃料棒18
を把持すると共に支持格子16を通して引っ張るための手
段25を有しており、また、燃料棒18全体に冷却流体を行
き渡らせるために、滑らかなテーパ付き前縁部26を有し
ているのが一般的である。多数の核燃料ペレット28が管
20の長さに沿って配置されているが、このペレット28は
通常、熱中性子核分裂同位体たるウラン235が約１〜４
％で濃縮されている二酸化ウランの焼結ペレットであ
る。更に、燃料集合体10の移送中のペレット28の動きを
防止するために、管20の少なくとも一方の端部内にばね
30が挿入されている。更にまた、燃料棒18は、管20の第
２の端部34に挿入される相当に堅い円筒形の上部端栓32
を有しており、この上部端栓32は一般的には管20と同じ
材料で製造される。燃料棒18の製造においては、管20は
まず空気が抜かれ、次いでヘリウムのような不活性ガス
で2.76MPa（400psig）まで加圧される。この後、上部端
栓32が管20の第２の端部34を封止するために挿入されて
いる。通常の燃料棒管20は内径が約0.84cm（0.329in.）
であり、上部端栓32の外径は管20の内径よりも約0.0002
5〜0.01cm（0.0001〜0.004in.）程度大きいのが好まし
く、かかる場合、管20内に端栓32を圧入若しくは締まり
ばめする必要がある。従って、端栓32と管20間の結合力
は4.45kN（1000lb.）を超えるので、燃料棒18内のヘリ
ウムの圧力では、端栓32の挿入時に該端栓32放出するこ
とができない。この後、上部端栓32は管壁を貫く周溶接
部35によって管20に溶着される。

第３図を見ると、周溶接する位置における上部端栓32
と管20の第２の端部34が示されている。管20は溶接装置
（図示しない）内に運ばれ、上部端栓32が溶接用押え金
具36に摩擦係合される。周知の如く、周溶接部35を形成
中に、溶接用押え金具36に対する燃料棒20の圧力を支持
し保つために種々の装置（図示しない）を用いることが
でき、従って、これらの装置についての説明はここでは
必要ないであろう。管壁を貫通する周溶接部35は、管20
の外面から約0.05cm（0.02in.）の間隙40を置いて保持
される電極38に電圧を加えることによって形成される。
周溶接部35の溶融部分42は、上部端栓32を管20に完全に
密着させるため、上部端栓32と全周に亘り相交わってい
なければならない。従って、間隙40においては、好まし
くは、±10％以下の極めて小さな許容誤差が維持されな
ければならない。この密着を確実に実施するためには、
溶融部分42の深さＤは管壁の肉厚の約1.25倍より大き
く、且つ燃料棒18の外面上での幅Ｗが管20の肉厚の約２
倍であることが望ましい。尚、管20の肉厚は通常、0.05
6〜0.058cm（0.022〜0.023in.）である。本発明による
周溶接部35は、その形成中に端部34が剥離するのを防止
するため、管20の端部34から所定の距離Ｌのところに位
置されている。この距離Ｌは、少なくとも溶融部分42か
らの放熱を可能とするに十分なものであるべきで、それ
によって、剥離が防止され、望ましくは溶接用押え金具
36への損傷が防止される。実験においては、この距離Ｌ
は約0.1cm（0.05in.）より大きく、好適には約0.25cm
（0.1in.）以上とすべきであることが示された。

このような管壁を貫通した周溶接部35には、溶接用電
力の極めて厳密な制御が必要である。周溶接部35は、電
極38を流れる18〜36A、好ましくは約22Aの電流で形成さ
れるのが一般的である。要求される約±１アンペアの正
確な許容誤差は、テネシー州、ナッシュビルのメリック
・エンジニアリング・インコーポレーティッド（Merric
k Engineering,Inc.）により入手可能な電源「AMPTRAKM
icro 1−Ｂ」のような公知の制御装置によって得られ
る。

周溶接部35の形成中、管20の端部34を軸方向に整列し
た状態で保持するために、上部端栓32は相当に堅い円柱
部材43から成り、この円柱部材43は、好ましくは２つの
中空キャビティ44を有し、一方のキャビティ44は円柱部
材43の第１の端部46に向かって延び、他方のキャビティ
44は円柱部材43の第２の端部48に向かって延びている。
両端部46、48は、製造・取付けを容易にするため、同一
とするのが好適であり、これにより、上部端栓32のいず
れの側の端部46、48からでもその向きを考慮せずに管20
に挿入することができ、よって管20内に上部端栓32を挿
入するために用いられる工具や設備を簡略化できる。設
計の見地からすると、燃料棒18内の自由空間を最大にす
る一方、管20及び端栓32の長さを最小にすることが望ま
れるが、これは、溶接部35の溶融部分42が端栓32の縦方
向中央部分に配置され、端栓32の第２の端部48が管20の
端部と実質上同一平面とされたならば、達成される。

各キャビティ44は、溶接用押え金具36の表面52と接合
するために、テーパ付き縁部50を有するのが好ましい。
即ち、管20が溶接用押え金具36に摩擦係合する上部端栓
32により適正な位置で保持された場合、円柱部材43、従
って管20は半径方向若しくは横方向に動くことがなくな
り、それによって電極38との間隙40が極小の許容誤差で
維持される。

第４図及び第５図には、端栓の別の実施例が示されて
いる。この実施例においても、上部端栓32は円柱部材43
から成り、こり円柱部材43は、管20の第２の端部34に挿
入された場合に管20の端部34と実質上同一平面となる第
２の端部48を有している。円柱部材43は、その第２の端
部48に向かって延びる環状の中空キャビティ54を有して
いる。このキャビティ54は、溶接用押え金具36と充分に
支持係合ができる程の深さ、例えば約0.125cm（0.05i
n.）よりも深くしなくてはならないが、溶融部分42を溶
接用押え金具36から充分な距離Ｌに保つために非常に長
い端栓32を要するほど深くする必要はなく、従って約0.
25cm（0.1in.）より浅くするのが望ましい。好適な端栓
の長さは約1.0cm（0.4in.）以下、好ましくは約0.89cm
（0.3in.）であり、このようにしないと、端栓32の燃料
棒18への挿入に要する力が非常に大きくなり、管20を損
傷する危険性が著しく増大する。

第４図に示されるように、溶接要押え金具36は上部端
栓32のキャビティ54内に整列される環状の突出面５を有
している。この実施例は、更に、周溶接部35の形成後に
管20を加圧するための円柱部材43を貫通して延びる軸方
向の封止孔58を有する。直径が約0.1cm（0.04in.）であ
る小径の封止孔58を穿孔する負担を軽減するために、直
径が約0.64cm（0.25in.）である大径の軸方向の孔60が
円柱部材43を部分的に貫いて設けられている。封止孔58
を通して燃料棒18を加圧した後、シール溶接が封止孔58
の一端に施され、これにより、環状のキャビティ54と封
止孔58と間に延びるリム部62が封止孔58を閉じるために
溶融される。

以上から、次に示すような他の実施例が可能であるこ
とは、当業者にとり明らかであろう。即ち、例えば、溶
接用押え金具36とキャビティ44がねじ切り加工されても
良く、或は、溶接用押え金具36から延びる複数のスタッ
ド（図示しない）と整列するよう、端栓32の外側端部48
に延びる同配列の複数のキャビティ44を設けても良く、
或はまた、溶接用押え金具36と端栓32が同様な何等かの
手段で相互連結されるようにすることもできる。

心なし研削された材料からの製造の容易性、単純な機
械加工過程の実施、及び必要とされる材料の少量化によ
り、相当に経費が節減される、という本発明の利点は当
業者にとり明らかであろう。

また、上記の教示から更に多くの改良や変更が可能で
あることは明らかであろう。従って、特許請求の範囲に
記載した範囲内で、本発明が上記実施例以外の形で実施
される得ることは、理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は核燃料棒集合体を部分的に切り欠いて示す正面
図、第２図は、本発明の一実施例であり、上部端栓が溶
着された核燃料棒を短縮して示す断面図、第３図は、周
溶接の位置における上部端栓と溶接部とを示す核燃料棒
の拡大断面図、第４図は、上部端栓の別の実施例を示す
核燃料棒の拡大断面図、第５図は、第４図のＶ−Ｖ線に
沿って見た核燃料棒の端面図である。図中、 10……燃料集合体、18……核燃料棒 20……管、28……核燃料ペレット 32……端栓（上部端栓）、34……端部（第２の端部） 35……周溶接部、36……溶接用押え金具 44……キャビティ、42……溶融部分

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】a.端部を有する管と、 b.前記端部内に配置された端栓と、 c.前記管に前記端栓を結合する周溶接部と、 を備え、前記周溶接部が前記管の管壁を貫通して前記端
   栓まで円弧状に延びる溶融部分を有し、該溶融部分及び
   前記端部とが所定の間隔で隔てられている核燃料棒。