JP3095311B2

JP3095311B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JP3095311B2
Application number: JP05122333A
Authority: JP
Inventors: 潤二郎中島; 浩二西田; 智菅野; 正水野; 泰典別所; 正寿稲垣; 泰博相沢
Original assignee: Toshiba Corp; Hitachi Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Hitachi Ltd
Priority date: 1993-05-25
Filing date: 1993-05-25
Publication date: 2000-10-03
Anticipated expiration: 2015-10-03
Also published as: JPH06331772A; US5490192A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料料集合体に係り、
特に、沸騰水型原子炉に用いるのに好適であり丸セル型
の燃料スペーサを有する燃料集合体に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料集合体は、複数本の燃料棒及
び水ロッドを有し、燃料棒及び水ロッドの両端部を保持
する上部タイプレート及び下部タイプレートを備える。
燃料棒は、燃料スペーサによって互いに間隔を保つよう
に支持され、チャンネルボックス内に収納されている。

【０００３】燃料棒の相互の間隔を保持する燃料スペー
サの構造の一例が、特開昭59−65287号公報及び特公平3
−76879 号公報に記載されている。これらの燃料スペー
サは、燃料棒を円筒部材内に挿入した状態で支持する丸
セル型の燃料スペーサである。

【０００４】丸セル型燃料スペーサは、燃料棒が挿入さ
れる複数の円筒部材（丸セル）を互いに接触させて格子
状に配置し、隣接した丸セル相互を溶接にて接合して構
成される。丸セル内に挿入された燃料棒は、丸セルの一
部を内側に突出させて形成される２つの突起部、及びル
ープ状ばねによって半径方向を支持されている。ループ
状ばねは、２つの丸セルが接触する位置で丸セルに設け
られ、両方の丸セル内に突出している。また、ループ状
ばねは、特公平3−76879号公報の図２６に示すように、
そのループ状ばねの対向する２つの側壁を形成する２つ
のばね部、及びこれらのばね部を上端部及び下端部で連
結する弓型の連結部を有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図８は、特公平3−768
79号公報の図２６と同様に、丸セル型燃料スペーサのル
ープ状ばね７で、丸セル６内に挿入された燃料棒２を支
持している状態を示す。ループ状ばね７は、上記したよ
うに対向する２つの側壁を形成する２つのばね部９及び
これらのばね部９を連結する弓型の連結部１１Ａ及び１
１Ｂを有する。ばね部９は、燃料棒２を半径方向に押圧
するために燃料棒２と接触する凸部１０Ａを有する。ル
ープ状ばね７は、上端部及び下端部において、凸部１０
Ｂを有する。これらの凸部１０Ｂの高さ（丸セル６の内
面からの距離）は凸部１０Ａのそれよりも低く、凸部１
０Ｂは、通常、燃料棒２と接触しない。しかし、例えば
地震時等において、燃料棒がその軸に垂直な方向に過大
な加速度を受けてループ状ばね７の方向に移動する。凸
部１０Ｂは、この燃料棒２の過大な移動に起因する凸部
１０Ａの押し潰されるような塑性変形を防止し、ループ
状ばね７の機能消失を防止する役割を持つ。このような
凸部１０Ｂの機能はその剛性が大きいほど向上する。凸
部１０Ｂの剛性を大きくするために、連結部１１Ａ及び
１１Ｂは、図８に示すように直線部が形成される。

【０００６】発明者等は、このような構成を有する丸セ
ル型燃料スペーサの丸セル内における冷却材の流れにつ
いて詳細に検討したところ、ループ状ばね７の上下端部
での冷却材流の乱れが圧力損失の増加をもたらすことに
気付いた。この検討結果を、以下に説明する。

【０００７】燃料棒２間を上昇する冷却材の流れ１２の
一部は、丸セル６内に流入しループ状ばね７の連結部１
１Ａ、特に丸セル６の軸に垂直になっている連結部１１
Ａの直線部に当って急激に曲げられ燃料棒２側に向かう
流れになる。特に、丸セル６の内面に沿って上昇した流
れ１２の一部は、連結部１１Ａの直線部の下面に当り燃
料棒２側に向う横方向の流れとなる。このような冷却材
の流れによって、丸セル６とこの丸セル６内に挿入され
た燃料棒２との間に形成される狭い領域内において、渦
を伴う横方向の乱れた冷却材流が発生する。また、ルー
プ状ばね７の上端部においても、ループ状ばね７と丸セ
ル６によって囲まれた空間１３内に流入した冷却材は、
上昇して連結部１１Ｂの直線部の下面に当って横方向に
向かう流れとなる。この流れによっても、丸セル６と燃
料棒２との間に形成される狭い領域内において、渦を伴
う横方向の乱れた冷却材流が発生する。

【０００８】上記のような渦を伴う冷却材流の発生は、
丸セル６内の冷却材流路の圧力損失、すなわち丸セル型
燃料スペーサの圧力損失を増大させる。特に、燃料集合
体の上部の気液二層流部分に位置する丸セル型燃料スペ
ーサでは、上記のようなループ状ばね７の連結部１１Ａ
及び１１Ｂの直線部に起因して生じる渦を伴う冷却材流
（蒸気及び冷却液の混合流）により、圧力損失がより大
きくなる。

【０００９】以上の知見により、発明者等は、燃料集合
体において圧力損失を低減するという技術課題の存在に
気がついた。

【００１０】本発明の第１の目的は、燃料スペーサの圧
力損失を低減でき、ループ状ばねを安定に保持できる燃
料集合体を提供することにある。

【００１１】

【００１２】

【００１３】本発明の第２の目的は、燃料スペーサの圧
力損失を低減でき、ループ状ばねの上下端部に位置する
筒状体のたわみ量を低減できる燃料集合体を提供するこ
とにある。

【００１４】

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の第１の目的を達成
するための第１の発明は、ループ状ばねが、隣接した一
対の円筒部材内に位置する各燃料棒を半径方向にそれぞ
れ押圧する一対の弾性部と、前記円筒部材の軸方向に冷
却材を導く冷却材通路を内部に形成しかつ前記円筒部材
内に配置される上下端部にそれぞれ位置して前記一対の
弾性部をつなぐ複数の連結部とを有し、前記ループ状ば
ねの連結部の前記円筒部材の中心軸に垂直な平面への投
影面積が、当該ループ状ばねによって押圧される一対の
前記燃料棒の軸心を結ぶ直線に対して非対称になってい
る。

【００１６】

【００１７】

【００１８】第２の目的を達成するための第２の発明
は、ループ状ばねが、隣接した一対の円筒部材内に位置
する各燃料棒を半径方向にそれぞれ押圧する一対の弾性
部と、前記円筒部材の軸方向に冷却材を導く冷却材通路
を内部に形成しかつ前記円筒部材内に配置される上下端
部にそれぞれ位置して前記一対の弾性部をつなぐ複数の
連結部とを有し、前記連結部は筒状体であり、該筒状体
は、前記燃料棒と対向する部分に前記燃料棒側に向かっ
て突出している突出部を有している。

【００１９】

【００２０】

【作用】第１の発明によれば、隣接した一対の円筒部材
内に位置する一対の弾性部と、軸方向に冷却材を導く冷
却材通路を内部に形成しかつ円筒部材内に配置される上
下端部にそれぞれ位置して一対の弾性部をつなぐ複数の
連結部とをループ状ばねが有するので、円筒部材内の狭
い冷却材通路内のループ状ばねの上下端部での渦を伴う
横方向の乱れた冷却材流の発生が抑制され、狭い円筒部
材内での圧力損失を著しく低減できる。さらに、ループ
状ばねの連結部の円筒部材の中心軸に垂直な平面への投
影面積が、当該ループ状ばねによって押圧される一対の
燃料棒の軸心を結ぶ直線に対して非対称になっているの
で、燃料集合体内を通過する冷却材は特定の方向へ移動
あるいは回転する外力をループ状ばねに与えることにな
り、ループ状ばねが円筒部材に接触し安定な状態を保つ
ことができる。

【００２１】

【００２２】

【００２３】第２の発明によれば、第１の発明と同様
に、燃料スペーサの圧力損失を低減できる。さらに、連
結部は筒状体であり、該筒状体は燃料棒と対向する部分
に燃料棒側に向かって突出している突出部を有している
ので、筒状体の剛性が増加し筒状体のたわみ量を低減で
きる。

【００２４】

【００２５】

【実施例】本発明の好適な位置実施例である燃料集合体
を図２〜図４に基づいて説明する。燃料集合体１は、複
数の燃料棒２、燃料棒２の上端部及び下端部を保持する
上部タイプレート３及び下部タイプレート４，燃料棒２
間に配置された水ロッド５，燃料スペーサ８を備える。
水ロッド５も、上端部及び下端部が上部タイプレート３
及び下部タイプレート４に保持される。燃料スペーサ８
は、燃料棒２の相互の間隔を所定幅に保持する。上部タ
イプレート３に取り付けられたチャンネルボックス１８
が、燃料スペーサ８によって束ねられた燃料棒束の周囲
を取り囲む。燃料スペーサ８は、燃料集合体の軸方向に
７個設けられる。

【００２６】燃料スペーサ８は、図４に詳細に示すよう
に、複数の丸セル６を格子状に配置し、最外周に位置す
る丸セル６の外側をバンド１４にて取り囲んで構成され
る。隣接している丸セル６は、溶接にて接合されてい
る。バンド１４も、丸セル６に溶接にて取り付けられ
る。各丸セル６は、この側壁の一部を内側に突出させた
突起部１６を有する。ループ状ばね１７は、２個の丸セ
ル６が隣接する位置に設けられる。丸セル６内に挿入さ
れた燃料棒２は、２つの突起部１６及び１つのループ状
ばね１７によって支持される。燃料スペーサ８の横断面
中央部には、水ロッド５を挿入するために、ちょうど４
個の丸セル６を取り除いた状態の空間が形成される。こ
の空間に面する丸セル６は、２個ずつ、板状の架橋部材
１５によって結合される。架橋部材１５は、４個ある。

【００２７】ループ状ばね１７は、図２に示す形状を有
する。すなわちループ状ばね１７は、２つの対向する側
壁を形成する一対のばね部１９、これらのばね部１９の
両端部をそれぞれ連結する２つの連結部２０を備える。
ばね部１９は、中央に凸部１０Ａを有する。連結部２０
は、横断面が矩形で丸セル６の軸方向に伸びる筒であ
る。このため、連結部２０内には、その軸方向に伸びる
開口２１が形成される。このようなループ状ばね１７
は、ニッケル基合金（例えば、０.０８ｗｔ％以下の
Ｃ，０.３０〜１.００ｗｔ％のＭｎ，０.０５ｗｔ％以
下のＳｉ，１４.００〜１６.００ｗｔ％のＣｒ，０.７
０〜１.２０ｗｔ％のＮｂ，２.２５〜２.７５ｗｔ％の
Ｔｉ，０.４０〜１.００ｗｔ％のＡｌ，５.００〜９.０
０ｗｔ％のＦｅ、及び残部がＮｉであるニッケル基合
金)の冷間引き抜きの角筒材（厚さ約０.３mm）を加工す
ることによって作られる。ループ状ばね１７は、丸セル
６の側壁を貫通するように丸セル６に設置される。すな
わち、ループ状ばね１７は、丸セル６に形成された突片
（例えば、特開昭59−65287 号公報の図５に示された突
片６９及び特公平3−76879号公報の図１０に示された突
片８Ｃ）がループ状ばね１７内に挿入されることによっ
てその突片で支持される。図５は、隣接した２つの丸セ
ル６にループ状ばね１７を取り付けた状態を、上方より
見た構造を示している。開口２１が、上方に向かって開
いている。

【００２８】前述の架橋部材１５のうち２つの架橋部材
１５Ａは、その側壁の一部を水ロッド５側に突出させた
突起部を有する。残りの２つの架橋部材１５Ｂには、ル
ープ状ばね２２が取り付けられる。図６は、架橋部材１
５Ｂの付近を拡大して示している。ループ状ばね２２
は、図７に示すように、ループ状ばね１７と実質的に同
じ形状を有する。すなわち、ループ状ばね２２は、対抗
する一対のばね部２４、これらのばね部２４を上下端部
でそれぞれ連結する横断面が矩形の筒である連結部２３
を有する。ただ、ばね部２４が内側に突出する凸部２５
を有しているところがループ状ばね１７と異なってい
る。ループ状ばね２２も、連結部２３内に開口２７を形
成する。ループ状ばね２２は、ループ状ばね１７と同様
にニッケル基合金で作られている。

【００２９】なお、丸セル型燃料スペーサ８は、ループ
状ばね１７及び２２以外の部分がジルコニウム合金（例
えば、ジルカロイ−２）で作られる。連結部２０及び２
３の横断面の形状を、円及び楕円等にしてもよい。

【００３０】燃料スペーサ８内に挿入された水ロッド５
は、２つの架橋部材１５Ａに設けられえた各突起部、及
び２つの架橋部材１５Ｂに設けられた各ループ状ばね２
２によって、半径方向が支持される。燃料棒２の配列ピ
ッチよりも大きな外形を有する水ロッド５の燃料スペー
サ８内への挿入は、U.S.P.4,686,079 のコラム４，２２
〜３７行及び図３に示されている。燃料スペーサ８は、
水ロッド５に設けられた支持部２６によって、軸方向で
支持される。

【００３１】上記の構成を有する本実施例は、燃料スペ
ーサ８の丸セル６に設けられるループ状ばね１７が上下
端部に連結部２０を有するので、従来例でループ状ばね
の上下端部の形状に基づいて丸セル内の狭い冷却材通路
内での渦を伴う横方向の乱れた冷却材流の発生が抑制さ
れる。これを、図１により詳細に説明する。燃料棒２の
相互間を上昇する冷却材流１２は、燃料スペーサ８の丸
セル６内に流入する。丸セル６の内面に沿って上昇した
冷却材流１２は、下端部の連結部２０によってさえぎら
れることがなくその開口２１を通って上昇し、上端部の
連結部２０の開口２１を通ってループ状ばね１７よりも
上方に達する。このように、上下端部の各連結部２０に
よって生じる冷却材流の乱れが、著しく少なくなる。こ
のため、狭い丸セル６内の冷却材通路の圧力損失は、著
しく減少する。これは、燃料スペーサ８の圧力損失、ひ
いては燃料集合体１の圧力損失を著しく減少させること
になる。２８は、ループ状ばね１７を支持する突片であ
り、丸セル６に形成される。

【００３２】横断面が矩形の連結部２１を設けることに
よってループ状ばね１７の上下端部での剛性が特公平3
−76879号公報の図２６に示すループ状ばねのそれより
も大きくなり、ばね部１９による燃料棒２への押し付け
力が増大する。このため、燃料棒２の振動が減少する。
凸部１０Ａが燃料棒２と点接触をしているので、燃料棒
２が冷却材と接触する面積が増大し、燃料棒２の冷却効
率が大きくなる。また、ループ状ばね８のばね部１９は
両端部が連結部２１で連結さればね部１９の中央部が外
側に向かって張り出しているので、燃料集合体１の組立
て時において丸セル６内に燃料棒２を挿入する操作が簡
単に行える。更に、地震時において燃料棒が過度に移動
しようとしても、その移動は剛性の大きい連結部２１に
よって阻止されるので、ばね部１９の塑性変形を防止で
きる。

【００３３】特公昭55−38638 号公報も、丸セル型燃料
スペーサを用いた燃料集合体を示している。特にその図
８及び図１１は、中央部に矩形の横断面を有した１つの
連結部を有し、この連結部の対向する一対の側壁から上
方に向かって末広がり状に伸びる一対のばね部を設け、
更に連結部の上記一対の側壁から下方に向かって末広が
り状に伸びる一対のばね部を設けたばね部材を開示して
いる。このばね部材は、２つの丸セルの隣接部に設けら
れる。このような丸セル型燃料スペーサを用いた燃料集
合体の組立て時に、丸セル内に燃料棒を挿入するとばね
部が押し曲げられ、燃料棒の丸セル内への挿入ができな
くなる可能性がある。また、ばね部が開放された自由端
を有する片持ち梁の状態にあるので、ループ状ばね１７
と同様な燃料棒２への押しつけ力を得るためには特公昭
55−38638 号公報の図８及び図１１に示すばね部材のば
ね部の肉厚を本実施例のばね部１９の肉厚(約０.３mm)
の約１.５倍以上にする必要がある。このため、その従
来のばね部材の連結部の肉厚も、本実施例に用いられる
ループ状ばね１７の連結部２１の肉厚（約０.３mm）の
約１.５倍以上となる。従って、本実施例に用いられる
ループ状ばね１７の連結部２１の投影面積が特公昭55−
38638 号公報の図８及び図１１に示すばね部材の上記連
結部のそれよりも小さく、逆に、ループ状ばね１７の連
結部２１内の開口２１の面積が特公昭55−38638 号公報
の図８及び図１１に示すばね部材の上記連結部内の開口
の面積よりも大きいので、本実施例における圧力損失が
特公昭55−38638 号公報の図８及び図１１に例示される
構造よりも小さい。更に、肉厚の増加は、特公昭55−38
638 号公報の図８及び図１１に示すばね部材の製造性
を、本実施例のループ状ばね１７の製造性よりも悪くな
る。前者は、後者よりも加工に手間がかかる。特に、図
１０に示すループ状ばね１７Ａのように、ニッケル基合
金の板材を曲げてばね部材を製作する場合は、肉厚の増
加は、その製造をより面倒にする。

【００３４】なお、前述のように、ループ状ばね１７の
上下端部での剛性が特公平3−76879号公報の図２６に示
すループ状ばね（肉厚（約０.３mm)）のそれよりも大き
くなりバネ部１９のばね定数が増加するので、上記図２
６のループ状ばねにおける燃料棒の押しつけ力と同程度
の押し付け力を得る場合には、ループ状ばね１７の肉厚
を約０.３mm から更に薄くできる。これは、丸セル型燃
料スペーサの圧力損失を更に低下させることにつなが
る。

【００３５】ループ状ばね２２も肉厚が０.３mm である
ので連結部２３の投影面積は小さく、かつ開口２７を有
するので、ループ状ばね２２も燃料スペーサ８の圧力損
失を低減させる。ループ状ばね２２の連結部２３は、図
７に示すように、一部が重なるように溶接にて接合され
ている。連結部２３をこのように一部重ねることによ
り、万一、溶接部にはがれを生じた場合でも本来の形状
を維持できる効果がある。連結部２３の溶接部（一部が
重なっている面）を水ロッド５と対向しない側に位置さ
せることにより、水ロッド５を燃料スペーサ８内に挿入
するときに、その溶接部との接触により水ロッド５の表
面に疵がつくことを防止できる。

【００３６】本発明の他の実施例である燃料集合体を以
下に説明する。本実施例の燃料集合体は、前述の燃料集
合体１の燃料スペーサ８を図９に示す燃料スペーサ８Ａ
に替えたものである。燃料スペーサ８Ａは、燃料スペー
サ８のループ状ばね１７をループ状ばね１７Ａに替えた
以外は燃料スペーサ８と同じ構成を有する。ループ状ば
ね１７Ａは、ループ状ばね１７と同様にニッケル基合金
で作られている。

【００３７】ループ状ばね１７Ａの構成を図１０により
説明する。ループ状ばね１７Ａは、一対のばね部１９
Ａ、及びこれらのばね部１９Ａの上下端部をそれぞれ連
結する連結部２０Ａを備える。連結部２０Ａは丸セル６
の軸方向に開口した角筒構造である。連結部２０Ａの内
部には、丸セル６の軸方向に伸びる開口２１Ａが形成さ
れる。連結部２０Ａは、材料であるニッケル基合金材を
一部で重ね合わせ、この重ね合わせた部分を溶接するこ
とにより形作られる。ニッケル基合金材の重ね合わせ部
分は、１つのばね部１９Ａにつながる連結部２０Ａの側
壁に対して直角に位置する他の側壁の部分にある。すな
わち、３０及び３１が、重ね合わせ部分（二重側壁部）
である。

【００３８】ループ状ばね１７Ａには、上記ニッケル基
合金製の厚さ約０.３mm の冷間圧延仕上げの薄板材を素
材として用いる。ループ状ばね１７Ａは、その薄板材に
複数回のプレス成形加工を施し、その後、連結部２０Ａ
を溶接にて接合して製作される。ループ状ばね１７Ａの
製作は、ループ状ばね１７に比べて面倒である。ループ
状ばね１７Ａの自由長さは約２０mm、２つのばね部１９
Ａに形成される燃料棒接触点（凸部１０Ａの燃料との接
触部）間の自由高さは約５mmである。ループ状ばね１７
Ａは、約３０mmの高さの丸セル６に組み込むのに好適で
ある。使用している素材が板材であり、また、後述する
ようにループ状ばね１７Ａは極力小型化されているの
で、ループ状ばね１７Ａを経済的に製造するのにも適し
ている。

【００３９】ループ状ばね１７Ａは、ばね部１９Ａに発
生する応力を低減する工夫が施されている。すなわち、
ループ状ばね１７のようにばね部がその長手方向におい
て均一な幅を有する場合は、丸セル６内に燃料棒２が挿
入されてループ状ばねが変形状態になったとき、ばね部
１９の凸部１０及び連結部２０につながる部分で高い応
力が発生し、これらの高応力部に挾まれたばね部１９の
中間部で応力が最も低くなる。このため、ループ状ばね
１７Ａは、高応力の発生が予想される領域（ばね部１９
の連結部２１につながる部分及び凸部１０）でのばね部
１９Ａの幅を広くし、他の領域（ばね部１９の中間部）
を狭くすることによりばね部１９Ａの剛性を低下させ高
応力の発生を防止し、ばね自体の大きさを極力小さくし
ている。ループ状ばね１７は、特公平3−76879号公報の
図２６に示された従来のループ状ばねに比べて連結部の
剛性が大きいため、その分、ばね部１９が固くなる。ル
ープ状ばね１７Ａはばね部１９Ａの幅を上記のように変
化させているので、ループ状ばね１７Ａのばね部１９Ａ
の固さ、すなわち剛性を、ループ状ばね１７のばね部１
９の剛性よりも低減できる。連結部１９Ａの剛性は、ル
ープ状ばね１７の連結部１９のそれと同じである。この
ため、ループ状ばね１７Ａは、ループ状ばね１７Ａより
も小さいが、特公平3−76879号公報の図２６に示された
従来のループ状ばね以上の燃料棒２への押しつけ力を発
生できる。なお、本実施例に用いるループ状ばね１７Ａ
では、燃料棒２と接触する凸部１０Ａ付近の幅をばね部
１９Ａの中間部の約１.５倍、ばね部１９Ａの連結部２
０Ａへのつけ根での幅をその中間部の約１.４倍とし、
ばね部１９Ａの幅の変化する領域は滑らかにつながれて
いる。このため、ばね部１９Ａに発生する応力は極力均
一化されている。なお、角筒形状の連結部２０Ａの幅
（曲突部２９が形成されている面で）は、ばね部１９Ａ
の中間部の幅の約２.５倍、連結部２０Ａの高さはばね
部１９Ａの中間部の幅の約０.７倍である。連結部２０
Ａは、当該連結部を形成する側壁のうち、ばね部１９Ａ
がつながる側壁の幅が、ばね部１９Ａがつながらない他
の側壁の幅に比べて広くなっている。このため、ばね部
１９Ａの圧縮時にそのつけ根において発生することが予
想される応力を低減できる。

【００４０】このような連結部２０Ａを角筒形状にした
ループ状ばね１７Ａを有する本実施例は、図１に示すよ
うな丸セル６内での冷却材の流れを生じ図８に示すよう
な渦を伴う横方向の流れがループ状ばねの上下端部で生
じるという問題が解消される。従って、本実施例は、丸
セル６内の狭い冷却材通路における圧力損失を十分に減
少できる。また、上記連結部２０Ａの幅を広くすること
により、ばね部１９Ａの剛性を更に低減することも可能
である。

【００４１】ループ状ばね１７は、特公平3−76879号公
報の図２６に示された従来のループ状ばねに比べて、前
述したように連結部の剛性が大きいため、その分、ばね
部が固くなるので、そのばね特性をその従来のループ状
ばねと同等にしようとする場合には、ばね部１９の長さ
を長くする必要がある。これは、ループ状ばねの全長を
長くすることにほかならない。ループ状ばねを組み込む
丸セルのスロットを長くして対応する場合には、丸セル
自体の構造強度の低下が懸念される。また、丸セルの高
さを高くしてそのループ状ばね全長の増加に対応する場
合には、圧力損失を増加させるの方向であるので、前述
した圧力損失低減の効果がいくらか損なわれる。ループ
状ばね１７Ａを有する本実施例は、ばね部１９Ａの幅を
その長手方向に前述のように変化させているので、ルー
プ状ばね１７を用いた場合に懸念される上記問題が生じ
ない。

【００４２】ループ状ばね１７Ａの連結部２０Ａの投影
面積は、図９に示すように、ばね部１９Ａにより支持さ
れる一対の燃料棒２の軸心３２を通る直線Ｌに対して、
非対称に配分されている。燃料集合体内を冷却材が通過
するときは、ループ状ばねは極力安定な状態で燃料棒２
を支持していることが望ましい。しかし、ループ状ばね
自体は一対の燃料棒２に挾まれているので、図１１に示
すように燃料棒２との２つの接触点３３を結ぶ直線を回
転の軸として、丸セル２に設けられたスロット３４内で
ある程度自由に回転もしくは移動することが、ループ状
ばね１７では可能であった。本実施例のループ状ばね１
７Ａは上記のように投影面積が非対称に配分されている
ので、燃料集合体内を通過する冷却材は、特定の方向へ
移動あるいは回転する外力をループ状ばね１７Ａ自体に
与えることになる。すなわち、燃料棒２との接触点３３
を回転軸としてループ状ばね１７Ａの回転方向３５が定
まるので、ループ状ばね１７Ａは丸セル２に接触した状
態すなわち安定な状態を保つことが可能である。

【００４３】二重側壁部３０及び３１は、ループ状ばね
１７Ａが燃料棒２により変位させられた場合に、その反
力を確実に受け止め伝達する機能を有している。また、
ループ状ばね１７Ａに高度な寸法精度が要求された場合
は、他方の二重側壁部３０を溶接により強固に接続すれ
ばよい。また、二重側壁部３１は、二重側壁部３０の溶
接部に過度の剪断力が生じないためのストッパとなるば
かりでなく、仮に溶接部が外れてもループ状ばね１７Ａ
の機能，健全性を確保する機能を備えている。上述した
ように、二重側壁部３１が多種の機能を有していること
は明らかである。連結部２０Ａの二重側壁部３０を溶接
により接合したものと二重側壁部３０に溶接を施さない
ものとの２種類を製作して検討を行なったが、いずれの
ループ状ばねもばねとしての機能を十分に発揮した。二
重側壁部３０に溶接を施さないループ状ばねにおいて
は、二重側壁部３１が上記機能を発揮したことに他なら
ない。

【００４４】前述のように、連結部２０Ａの側壁のうち
ばね部１９Ａがつながる側壁の幅が、ばね部１９Ａがつ
ながらない他の側壁の幅に比べて広くなっているので、
ばね部１９Ａの長手方向に対して垂直な向きに細長い頂
部を有する曲突部２９、あるいは後述する十分な強度を
有するリードインタブ４０（図１６参照）を形成するこ
とが可能となる。

【００４５】曲突部２９は、連結部２０Ａにおけるばね
部１９Ａにつながる側壁の一部を燃料棒２側に突出させ
たものである。曲突部２９は、ばね部１９Ａの長手方向
に曲面を形成している突起部である。曲突部２９は、ル
ープ状ばね１７Ａが燃料棒２の半径方向の移動により過
度の圧縮力を受けた場合に、燃料棒２の過度の移動を制
限する、すなわちばね部１９Ａの必要以上のたわみを抑
制するばね部変位停止部として機能する。図９及び１１
に示したように、曲突部２９の頂部をばね部１９Ａの長
手方向に対して垂直方向に細長くすることにより、ルー
プ状ばね17Ａと丸セル６の間の遊び代に起因するループ
状ばね１７Ａの左右方向への偏心を考慮しても、曲突部
２９の頂部を常に燃料棒２と対向させておくことが可能
となる。これは、曲突部２９のばね部変位停止部として
の機能を確実に確保できる。

【００４６】なお、図２に示すループ状ばね１７の場合
は、ばね部１９のたわみに応じて連結部２０の燃料棒２
との対向面も若干ながらたわむ。このたわみにより連結
部２０と燃料棒２との間の間隔が若干増加するので、燃
料棒２が連結部２０の側面に接触するまでのばね部２０
のたわみ量が増加する。ばね部のたわみに基づく連結部
のたわみは連結部によるばね部変位停止機能を発揮させ
る上で好ましくないので、このたわみによる影響を可能
な限り少なくすることが望ましい。本実施例で用いるル
ープ状ばね１７Ａは、前述のように細長い曲突部２９を
連結部２０Ａの燃料棒２と対向する側壁に形成している
ので、連結部２０Ａのたわみのたわみを少なくすること
ができる。例えば、特公平3−76879号公報の図２６に示
されているループ状ばねでは、ばね部変位停止部である
凸部４Ｂとばね部のたわみ比は約０.０４である。一
方、ループ状ばね１７Ａでのそのたわみ比はこれの約１
／１０である。更に、（最大たわみの相対比）＝(１−０.０４)／(１−０.０４／１０)≒０.９６より、ループ状ばね１７Ａは最大たわみを数％程度低減
する効果がある。更に、曲突部２９は、燃料棒２を丸セ
ル６内に挿入する際のガイドとして作用するため、集合
体組立時に燃料棒２の表面に不要な傷が発生するのを防
止することができるという効果をも兼ね備えている。

【００４７】丸セル型燃料スぺーサ８に用いるループ状
ばねの他の実施例について説明する。例えば、ループ状
ばね１７及び１７Ａに、下記の(1)〜(3)のいずれかの構
成を付加することが考えられる。すなわち、(1) 一対の
ばね部の延長線上にある連結部の側壁に対して垂直な方
向にある他の側壁とに連続一体化しており、屈曲して外
方に突出したタブを有する構造、(2) (1) 項のタブをル
ープ状ばねの中央側に突出させて、コの字状のセル切欠
き部のスプリング貫通部の一端と対向させて係合できる
構造、(3) 一対のばね部の延長線上にある連結部の側壁
にループ状ばねの長手方向中央から離れる側に向かって
突出し、その先端が連結部の内側に向かって若干屈曲し
たタブ（リードインタブ）を有する構造、である。

【００４８】(1)及び(2)の構造では、連結部の外幅すな
わち突出した一対のタブにより形成される外幅を高精度
に仕上げることが可能であり、セルスロット３４とタブ
の間の遊び代を小さくすることができる。これにより、
タブがループ状ばねのスロット内での横方向変位を制限
するように作用するので、燃料棒とループ状ばねの相対
的な位置決めを正確に行うことができ、燃料棒を押し付
け支持する状態を安定に保つことができる。(3）の構造
では、燃料集合体の組立て時において、曲突部２９に加
えてリードインタブが、燃料棒２を丸セル６内に挿入す
る際のガイドとして作用するため、燃料棒２の丸セル６
内への挿入が容易となり、燃料棒２に不要な庇が発生す
る可能性はさらに低減される。

【００４９】図１２に示すループ状ばねの他の実施例で
あるループ状ばね１７Ｂは、上下端部に、丸セル６の軸
方向に伸びる開口２１Ａを内部に有する連結部２０Ａを
含む。更に、ループ状ばね１７Ｂは、ばね部１９Ａと直
接つながる連結部２０Ａの側壁に対して直角に曲げられ
ている他の側壁３７Ａ及び３７Ｂと適度の間隔をもって
ほぼそれと平行に配置されかつ一端が屈曲して側壁３７
Ａ及び３７Ｂと連続一体化されているタブ３６を、有す
る。図１１の例に示すように連結部２０Ａと丸セル６の
セルスロット３４との間には遊び代があり、この遊び代
の範囲内でループ状ばね１７Ｂと燃料棒２との相対位置
は変動する。この変動に伴い、燃料棒２を押しつけ支持
するループ状ばね１７Ａの状態が変化するので、極力遊
び代を小さくするのが望ましい。連結部２０Ａの外幅寸
法を精度良く仕上げることにより上記遊び代を小さくす
ることが可能であるが、ループ状ばね１７Ｂは、より高
い精度を得るために一対のタブ３６を１つの連結部２０
Ａに形成したものである。すなわち、ループ状ばね１７
Ｂは、一対のタブ３６の外幅を、連結部２０Ａ成形後に
プレスで高精度に調整することにより遊び代を小さくす
ることができる。ループ状ばね１７Ｂは、上記（1) に
対応する構成である。

【００５０】図１２に示すループ状ばね１７Ｂと同様の
効果のあるループ状ばねの他の実施例を図１３及び１４
に示す。図１３は上記（1)に対応する構成であり、図１
４は上記（2)に対応する構成である。図１３に示すルー
プ状ばね１７Ｃは、前述のタブ３６に対応するタブ３８
を側壁３７Ａ及び３７Ｂの下端から各側壁に対して直角
になる（水平方向）ように折り曲げたものである。タブ
３８の端面を連結部２０Ａを成形後に研磨加工で仕上げ
て高度な寸法精度を達成することことができる。これに
よって、前述の遊び代を小さくすることができる。図１
４に示すループ状ばね１７Ｄは、タブ３６に対応するタ
ブ３９を側壁３７Ａ及び３７Ｂの下端から下方に向かっ
て伸ばしたものである。これらのタブ３９は、図１５に
示すように丸セル６に形成されたのコの字状のセルスロ
ット３４のループ状ばね挿入部の一端と対向しうる位置
に突出させて係合することにより、ループ状ばね１７Ｄ
の横方向の変動が制限される。このような構造のタブ３
９も、図１２に示すタブ３６と同様に、遊び代の低減に
効果的である。

【００５１】図１６に示すループ状ばねの他の実施例で
あるループ状ばね１７Ｅは、上記(3) に対応する構成で
ある。ループ状ばね１７Ｅは、リードインタブ４０を、
ばね部１９Ａと直接つながる連結部２０Ａの側壁にばね
部１９Ａの長手方向の延長線上に設けたものである。リ
ードインタブ４０は、連結部２０Ａより上方に向かって
伸びており、その先端が連結部２０Ａの内側に向かって
若干折り曲げられている。リードインタブ４０は、燃料
集合体１の組立て時において、燃料棒２を丸セル６内へ
挿入する際のガイド機能を果たす。このため、燃料棒２
の丸セル６内への挿入が容易となり、燃料棒２表面への
不要な庇の発生を防止できる。なお、図１６に示す実施
例は、リードインタブ４０をループ状ばね１７Ｅの両端
に設けた例であるが、燃料棒２を挿入する側の片端のみ
に設けても同様の効果が得られることはいうまでもな
い。

【００５２】

【発明の効果】第１の発明によれば、円筒部材内の狭い
冷却材通路内のループ状ばねの上下端部での渦を伴う横
方向の乱れた冷却材流の発生が抑制され、狭い円筒部材
内での圧力損失を著しく低減できる。さらに、燃料集合
体内を通過する冷却材は特定の方向へ移動あるいは回転
する外力をループ状ばねに与えることになり、ループ状
ばねが円筒部材に接触し安定な状態を保つことができ
る。

【００５３】

【００５４】

【００５５】第２の発明によれば、第１の発明と同様
に、燃料スペーサの圧力損失を低減できる。さらに、筒
状体の剛性が増加し筒状体のたわみ量を低減できる。

【００５６】

【図面の簡単な説明】

【図１】図２のループ状ばねを設けた丸セル内における
冷却材の流動状態を示す説明図である。

【図２】図４の燃料スペーサに用いられるループ状ばね
の斜視図である。

【図３】本発明の好適な一実施例である燃料集合体の縦
断面図である。

【図４】図３のIV−IV断面図である。

【図５】図４の燃料スペーサの隣接する丸セル付近の拡
大平面図である。

【図６】図４の燃料スペーサの水ロッド付近の拡大平面
図である。

【図７】図６に示すループ状ばねの斜視図である。

【図８】従来の燃料集合体におけるループ状ばねを設け
た丸セル内での冷却材の流動状態を示す説明図である。

【図９】本発明の他の実施例である燃料集合体に用いら
れる燃料スペーサの局部拡大平面図である。

【図１０】図９に示すループ状ばねの斜視図である。

【図１１】図９のXI−XI断面図である。

【図１２】ループ状ばねの他の実施例の斜視図である。

【図１３】ループ状ばねの他の実施例の斜視図である。

【図１４】ループ状ばねの他の実施例の斜視図である。

【図１５】図１４のループ状ばねを隣接する一対の丸セ
ルに取り付けた状態の水平断面図である。

【図１６】ループ状ばねの他の実施例の斜視図である。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…燃料棒、３…上部タイプレート、
４…下部タイプレート、５…水ロッド、６…丸セル、８
…燃料スペーサ、１０Ａ…凸部、１５Ａ、15Ｂ…架橋部
材、１６…突起部、１７，１７Ａ〜１７Ｅ、２２…ルー
プ状ばね、１８…チャンネルボックス、１９，１９Ａ，
２４…ばね部、２０，２０Ａ，２３…連結部、２１，２
１Ａ，２７…開口、２９…曲突部、３４…セルスロッ
ト、３６，３８，３９…タブ、４０…リードインタブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西田浩二茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (72)発明者菅野智茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者水野正茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者別所泰典茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者稲垣正寿茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者相沢泰博茨城県日立市幸町三丁目２番１号日立エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献特開平４−294293（ＪＰ，Ａ) 特開平５−150072（ＪＰ，Ａ) 特開平６−43277（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/344

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の燃料棒及び該複数の燃料棒の相互の
間隔を保持する燃料スペーサを備え、前記燃料スペーサ
が、内部に前記燃料棒がそれぞれ挿入される複数の円筒
部材と、前記円筒部材により保持され隣接した一対の前
記円筒部材内に位置する各燃料棒を半径方向にそれぞれ
押圧するループ状ばねとを有する燃料集合体において、前記ループ状ばねが、隣接した一対の前記円筒部材内に
位置する各燃料棒を半径方向にそれぞれ押圧する一対の
弾性部と、前記円筒部材の軸方向に冷却材を導く冷却材
通路を内部に形成しかつ前記円筒部材内に配置される上
下端部にそれぞれ位置して前記一対の弾性部をつなぐ複
数の連結部とを有し、前記ループ状ばねの連結部の前記円筒部材の中心軸に垂
直な平面への投影面積が、当該ループ状ばねによって押
圧される一対の前記燃料棒の軸心を結ぶ直線に対して非
対称になっていることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】複数の燃料棒及び該複数の燃料棒の相互の
間隔を保持する燃料スペーサを備え、前記燃料スペーサ
が、内部に前記燃料棒がそれぞれ挿入される複数の円筒
部材と、前記円筒部材により保持され隣接した一対の前
記円筒部材内に位置する各燃料棒を半径方向にそれぞれ
押圧するループ状ばねとを有する燃料集合体において、前記ループ状ばねが、隣接した一対の前記円筒部材内に
位置する各燃料棒を半径方向にそれぞれ押圧する一対の
弾性部と、前記円筒部材の軸方向に冷却材を導く冷却材
通路を内部に形成しかつ前記円筒部材内に配置される上
下端部にそれぞれ位置して前記一対の弾性部をつなぐ複
数の連結部とを有し、前記連結部は筒状体であり、該筒状体は、前記燃料棒と
対向する部分に前記燃料棒側に向かって突出している突
出部を有していることを特徴とする燃料集合体。
【請求項３】複数の燃料棒と、該複数の燃料棒の相互の
間隔を保持する燃料スペーサと、前記燃料棒間に配置さ
れて前記燃料棒の配列ピッチよりも大きな外径を有する
減速材棒とを備え、前記燃料スペーサが、内部に前記燃
料棒がそれぞれ挿入される複数の円筒部材と、前記円筒
部材により保持され隣接した一対の前記円筒部材内に位
置する各燃料棒を半径方向にそれぞれ押圧する第１ルー
プ状ばねとを有する燃料集合体において、前記第１ループ状ばねが、隣接した一対の前記円筒部材
内に位置する各燃料棒を半径方向にそれぞれ押圧する一
対の第１弾性部と、前記円筒部材の軸方向に冷却材を導
く冷却材通路を内部に形成しかつ前記円筒部材内に配置
される上下端部にそれぞれ位置して前記一対の第１弾性
部をつなぐ複数の第１連結部とを有し、前記燃料スペーサが、前記減速材棒に面する複数の前記
円筒部材に取り付けられた連結部材と、該連結部材に保
持される第２ループ状ばねとを有し、該第２ループ状ばねが、前記減速材棒を押圧する一対の
第２弾性部と、前記軸方向に冷却材を導く冷却材通路を
内部に形成しかつ前記一対の第２弾性部をつなぐ複数の
第２連結部とを有することを特徴とする燃料集合体。