JP3723165B2 - 加圧水形原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は加圧水形原子炉の燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料集合体の燃料棒束を横方向に固定するため、燃料棒の長さにわたり複数のスペーサを分布して配置している。燃料集合体はその下側面に、燃料棒をその上側面に載せて支持する脚部を有する。燃料集合体の上側面には頭部が存在する。燃料集合体が原子炉圧力容器内に組み込まれたとき、燃料集合体は炉心上側支持格子と炉心下側支持格子との間に配置される。各炉心支持格子から、燃料集合体の頭部又は脚部にある孔に係合する固定ピンが突出している。炉心支持格子と燃料集合体の頭部および脚部は、通常、オーステナイト鋼から成っている。スペーサ用には主に２つの材料、即ち同様にオーステナイト鋼およびジルカロイ、即ち主成分としてのジルコニウムの他に錫、鉄、クロム、選択的にニッケルを含む合金が採用される。オーステナイト鋼は非常に高い中性子吸収性を有するので、通常ジルカロイ製のスペーサが利用される。両材料は異なる熱膨張係数を持つ。ジルカロイの熱膨張係数は約５×１０^-6／℃であり、これに対しオーステナイト鋼のそれは約１８×１０^-6／℃である。従って運転中、スペーサは水平方向又は半径方向に炉心支持格子より僅かしか膨張せず、個々の燃料集合体間に存在する隙間空間は、運転温度に加熱された際に拡大する。
【０００３】
特に、例えば一様でない圧力状態によりひき起こされる燃料集合体の横曲がりに対する自由度が増大する欠点がある。その場合、個々の燃料集合体が曲がるだけでなく、全ての燃料集合体がスポーク状につながり、即ち炉心シュラウドの内側壁間に一直線に配置されるので、燃料集合体の中央範囲に、増大した隙間空間の加算により設定位置から１０〜２０ｍｍの偏差が生ずる。そのように燃料集合体が変形した場合、制御棒案内管内への制御棒の挿入が妨げられ、場合により原子炉の緊急停止が遅らされる。更に、元来存在する減速比が変化し、このため望ましくない出力変化が生ずる。
【０００４】
燃料集合体に対する曲げ自由度は、スペーサと炉心支持格子との異なる熱膨張の他に、もう２つの効果により増大する。原子炉に燃料集合体を確実に装入・取出し可能とすべく、燃料集合体間に約１ｍｍの装入隙間が必要となる。即ち、スペーサの辺長からピッチが炉心支持格子のピッチ寸法よりその値だけ小さくされる。中性子照射の下で成長するジルカロイの特性により、その隙間の増大作用が生ずる。その成長は半径方向外側に向いており、スペーサは長時間の中性子照射後に最初の状態におけるより大きなピッチを示す。確かに長期の運転経過後、運転状態において異なる熱膨張係数に基づく隙間空間増大が部分的に補償される。原子炉の冷却された燃料集合体を取出した状態では、半径方向に成長したスペーサは装入隙間を減らし、交換すべき燃料集合体の引き出しを妨害する。これを防止するため、スペーサは初めからその成長に応じてピッチを減少しておくことが考慮されている。即ち新燃料集合体のスペーサのピッチを減少しておくことは、スペーサの顕著な成長がまだ生じていない運転開始過程においても、燃料集合体間に存在する隙間空間の増大を生じさせる。
【０００５】
上述の問題を解決するため、従来は燃料集合体構造物をできるだけ曲げに強く形成する方式が採られていた。特に、制御棒案内管の壁厚を厚くし、制御棒案内管とスペーサとの結合を強化していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、原子炉圧力容器の内部に組み込まれた燃料集合体間に存在する隙間空間の増大を、燃料集合体構造物を強固にする処置を必要とせずに防止できスペーサ付きの燃料集合体を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、請求項１に記載の手段により解決される。それに応じて、好適には燃料集合体の中央範囲に置かれる少なくとも１つのスペーサは、燃料集合体の中心長手軸線に関し半径方向外側に位置する第１部分と、半径方向内側に位置し第１部分で完全に包囲された第２部分とから形成され、該第２部分がジルカロイから成り、第１部分がジルカロイに比べて中性子照射によりひき起こされる半径方向成長が小さく且つ熱膨張係数が大きな金属材料から成る。
【０００８】
本発明に基づく構成の場合、全体がジルカロイからなる通常のスペーサと異なり、外側に位置するスペーサ第１部分は、運転温度に加熱された際に大きく膨張し、この結果スペーサと炉心支持格子との熱膨張差が、通常の構造に比べ減少する。その減少は、第１部分の材料の熱膨張が炉心支持格子材料の熱膨張に近づけば近づく程、はっきり現れる。第１、第２部分間に初めから或る隙間が存在していない場合、そのような隙間は外側部分の大きな熱膨張により生ずる。これにより、内側部分の中性子照射によりひき起こされる半径方向の成長が、外側部分を半径方向に広げることなしにできる。従って内側部分の成長は、スペーサのピッチに影響を及ぼさない。それに応じて新燃料集合体において、燃料集合体間の隙間空間を増大するスペーサの成長を補償するピッチ減少が不要である。従って燃料集合体間の初めの隙間空間は装入隙間に限定できる。炉心支持格子とスペーサの外側部分との異なる熱膨張しか隙間空間増大に作用しない。しかしその外側部分が炉心支持格子と同じ材料、即ち特にオーステナイト鋼から成っていると、加熱に基づく隙間空間の増大はほんの僅かしか生じない。従って燃料集合体間の隙間空間は、運転温度においても、本質的に装入隙間に限定される。
【０００９】
本発明の有利な実施態様において、第１および第２部分は、互いに固く結合されていない別個の部品である。外側部分の、半径方向外側に位置する制御棒案内管への強固な固定を保障するため、第１部分の内側面にその目的のために用意したセルを配置する。その場合、第２部分はより内側に位置する制御棒案内管に固定する。第１、第２の両部分間の結合は不要である。
【００１０】
本発明の有利な実施態様では、第２部分が互いに交差しかつ噛合う帯板から形成され、これら複数の帯板が両者間に全長にわたり中間空間を空けて延びる軸方向に互いに分離された２つの部分帯板から構成される。この空間内に第１部分の材料から成る延長帯板が配置され、該帯板の両端が第１部分の内側面に固定される。この実施態様により、第１部分は第２部分に機械的に結合される。延長帯板は、それと部分帯板との相対運動が可能なよう寸法づけられている。運転温度への加熱時、延長帯板とそれに結合された第１部分は膨張し、この結果、炉心支持格子の熱膨張によりひき起こされる燃料集合体間の隙間の増大が少なくとも部分的に補償される。第１部分にできるだけ僅かな中性子吸収材料、特にオーステナイト鋼を利用すべく、第１部分を周縁帯板で形成された枠とするのが望ましい。該枠は、第２部分の格子に編み込まれた延長帯板を経て第２部分に結合される。しかしスペーサの機械的安定性を一層向上するため、少なくとも一部の帯板および部分帯板の終端部位が、各々の周縁帯板の長手方向に有効な噛合い結合継手により横傾斜を防止して第１部分に支持される。帯板又は部分帯板と枠のかかる結合方式は、帯板長手方向での帯板又は部分帯板と枠の相対運動を可能にする。従って該枠は、運転温度に加熱された際に支障なしに膨張できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。
【００１２】
図１から理解できるように、加圧水形原子炉の燃料集合体１は、原子炉圧力容器２内に配置された炉心シュラウド３の内部で、炉心上側支持格子４と炉心下側支持格子５との間に配置されている。燃料集合体の上側に頭部６、下側に脚部７が存在する。燃料集合体の頭部６と脚部７は、それらの端面の四隅に各々孔８を有する（図２参照）。対角線的に対向して位置する２つの孔８の中に、炉心支持格子４、５から突出した心出しピン（図示せず）が係合する。燃料集合体１、即ち燃料棒束の燃料棒９は、横方向にスペーサ１０により固定されている。燃料集合体は更に複数の制御棒案内管１２を備える。スペーサ並びに燃料集合体の外側全体輪郭は横断面正方形をなし、燃料棒９又は制御棒案内管１２が貫通する多数のセル１３を有し、例えば図２における１８×１８個のセル１３又は図３における９×９個のセル１３を有している。燃料棒を固定するため、セル壁から突起１４およびばね２１が内側に突出している（図９参照）。
【００１３】
図３〜７に示すスペーサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、２つの異なる部分、即ち半径方向外側に位置する第１部分１５ａ、１５ｂ、１５ｃと、これにより包囲され内側に位置する第２部分１６ａ、１６ｂ、１６ｃとを持つ。第１部分は炉心支持格子１４、１５と同じ材料、即ちオーステナイト鋼、第２部分はジルカロイからなる。全スペーサにおいて、セル１３は横断面正方形をなしている。
【００１４】
図３、４のスペーサ１０ａの場合、第１部分１５ａは唯一の正方形のセル列で形成されている。第１部分１５ａは、外側が４つの周縁帯板１７で、内側が４つの内側帯板１８で夫々境界づけられている。セル１３間の隔壁は、互いに平行に配置された周縁帯板１７と、内側帯板１８に対し直角に延びる帯板１９とで形成されている。第１部分１５ａの内側四隅に各々セル１３′が配置されている。第１部分１５ａは、これら四隅のセル１３′において各々制御棒案内管１２（図３、４は１本のみ図示）に固定されている。この目的のため、制御棒案内管１２に半径方向拡大部位２０が存在し、該部位２０は、セル１３′ないし該セル１３′を取り囲み、軸方向に作用するアンダーカットを形成している。スペーサ１０ａの第２部分１６ａは、各々６つの縦帯板２２と横帯板２３とからなる。これら縦帯板２２と横帯板２３は互いに交差して噛合い、それらの長さは７つのセル幅に相当している。それら縦帯板２２と横帯板２３の端縁に、各々周縁帯板２４が当てられている。これら周縁帯板２４は、縦帯板２２と横帯板２３よりも２セル幅分だけ短い。かくして全体として、第１部分１５ａの内部空間を充たす形状物が生ずる。第１、第２の両部分１５ａ、１６ａは互いにぴったり又はほんの僅かな隙間をもってはまり合う。
【００１５】
図５、６に示すスペーサ１０ｂの内側部分１６ｂは、図３、４の実施例の場合と同様、互いに交差して噛合ったジルカロイ製の帯板２５からなる。これら帯板２５は全部が同寸であり、内側部分１６ｂは横断面正方形をなす。各２つの中央帯板と外側帯板は、各々両者間に中間空間２６を空けた２つの部分帯板２５ａで形成されている。その中間空間２６内に各々オーステナイト製の延長帯板２７がはめ込まれ、その端面が第１部分１５ｂにろう付けされている。第１、即ち外側部分１５ｂは周縁帯板３１で形成された枠２８であり、該枠２８は組立状態（図６参照）において内側に位置する第２部分１６ｂを包囲する。延長帯板２７は帯板２５と同じか、それより若干長い。後者の場合、帯板２５の端縁と枠２８の内側面２９の間に僅かな隙間が生ずる。スペーサ１０ｂの安定性を高めるため、延長帯板２７はその終端部位が枠２８の周縁帯板３１の長手方向３０に有効な噛合い結合継手により、横傾斜を防止して第１部分１５ｂに固定される。これは例えば全ての帯板２５、２５ａ又はその一部の端縁に一体形成された１つ又は複数の舌片３２により実現される（図７参照）。それら舌片３２は、枠２８の対応したスリット３３にはまり込む。加熱時に枠２８が支障なく広がるように、舌片３２とスリット３３の縁の間に隙間が存在する。更に、帯板２５に互いに間隔を隔てて２つの舌片３２ａ、又は帯板２５の大きな高さ範囲にわたり延びる舌片３２ｂを設けてもよい。それら舌片３２ａ、３２ｂは、枠２８に対応して形成したスリット３３ａ、３３ｂと共働する。図８は、第２部分１６ｂと枠２８との別の噛合い結合法を示す。その場合、枠２８の内側面２９に、帯板長手方向３０に互いに間隔を隔てて２つの突起３９を設け、これら突起３９間に、単一品の帯板２５の端縁部位を隙間をおいてはめ込む。この隙間で枠２８の支障のない広がりを保障する。図８の実施例では、突起は枠２８の上縁と下縁の範囲に位置し、打抜き加工とそれに続く内側への折曲げ加工で形成できる。
【００１６】
原子炉圧力容器２から炉心シュラウド３に燃料集合体１を装入する際、確実な装入と後での確実な取出しを保障すべく、燃料集合体間に約１ｍｍの所謂装入隙間３４（図１０参照）を設ける。該隙間３４は、通常のジルカロイ製スペーサを用いた場合、その材料が中性子照射で成長するため減少する。該成長は製造上の理由からスペーサの帯板の長手方向に生じ、スペーサを広げる。従って長時間の運転期間経過後に燃料集合体を交換しようとする際、装入隙間３４はスペーサの材料成長に応じた値だけ減少している。その材料成長には、通常初めからスペーサ１０、１０′のピッチ（又は辺長）を相応に減らすことで対処する。従って装入時点で、隣り合う２つの通常のスペーサ１０、１０′間に、必要な装入隙間３４と材料成長を考慮した補償隙間３６とから成る隙間３５が存在する。隙間空間状態を縮尺通りに示さない図１０で、スペーサ１０、１０′の間隔を破線４０で示す。破線４１は、隙間空間が装入隙間３４に限られた状態でのスペーサ１０′の位置を示す。運転中、２５０℃の範囲の温度が加わる。運転温度への加熱時、燃料集合体１を保持する炉心支持格子４、５と炉心シュラウド３は膨張する。炉心支持格子４、５と通常のスペーサとの異なる熱膨張（オーステナイト鋼は約１８×１０^-6／℃、ジルカロイは約５×１０^-6／℃の熱膨張係数を持つ）に基づき、装入時に存在した隙間３５は更に、隙間３７の幅だけ増大する。従って、上述の高温時に存在する運転隙間３８は、装入隙間３４よりかなり大きい。いま全燃料集合体配置から炉心シュラウド３の壁間を直線的に延びる燃料集合体列又は燃料集合体スポークが、例えば非常に高い流速で流れる冷却水の圧力差により片側で荷重されたとき、個々の燃料集合体は、それらの間に存在する非常に幅広い隙間３８のために曲げられ、合計で１０〜２０ｍｍの隙間空間を生ずる。その際相応する範囲で燃料棒を包囲する水量が増え、減速度およびそれに応じて出力が増大する欠点がある。この出力増大は燃料棒の設計時に考慮しておらず、上述の範囲で遷移沸騰出力を超過する危険がある。また大きな曲がりのため、制御棒案内管への制御棒の挿入が妨げられ、その結果原子炉の緊急停止が遅れる欠点がある。本発明のスペーサを備えた燃料集合体では、かかる曲がりはほんの僅かしか生じない。スペーサ１０の半径方向外側に位置する部分を炉心支持格子４、５のオーステナイト鋼で作ることで、スペーサ外側部分は加熱時に炉心支持格子４、５と同じ大きさだけ水平方向に膨張する。従って伸び隙間３７は、全体がジルカロイから成るスペーサを備えた通常の構造に比べ減少する。オーステナイト鋼がジルカロイより大きな中性子吸収性を有し、そのため中性子経済が悪くなる欠点は、問題となるスペーサを燃料集合体の中央範囲にのみ採用することで防げる。なおその範囲に、この形式の唯一のスペーサを設けるだけで足りる。
【００１７】
スペーサの内側に位置する第２部分１６ａ、１６ｂは、依然として材料成長を続ける。しかしこれは各燃料集合体それ自体にしか作用しない。即ち内側部分１６ａ、１６ｂは半径ないし水平方向において、内側部分１６ａ、１６ｂと外側部分１５ａ、１５ｂとの間に少なくとも運転状態において存在する隙間の中に成長する。そのような隙間を元来設けていない場合、これは、オーステナイト鋼から成る外側部分１５ａ、１５ｂが内側部分１６ａ、１６ｂよりも大きく膨張することにより生ずる。従って全体として、運転状態で存在する隙間空間は、ほぼ装入隙間３４に限られる。従って、燃料集合体又は全体燃料集合体列の曲がりは、通常の構造よりもはるかに微小である。
【図面の簡単な説明】
【図１】原子炉圧力容器の概略縦断面図。
【図２】加圧水形原子炉の燃料集合体の斜視図。
【図３】本発明に基づくスペーサの第１実施例の分解斜視図。
【図４】図３におけるスペーサの組み立てられた状態の斜視図。
【図５】本発明に基づくスペーサの第２実施例の分解斜視図。
【図６】図５におけるスペーサの組み立てられた状態の斜視図。
【図７】図６におけるスペーサの変形例の斜視図。
【図８】図６におけるスペーサの変形例の部分斜視図。
【図９】燃料棒および制御棒案内管が配置されたスペーサの一部平面図。
【図１０】通常の燃料集合体間と、本発明に基づく燃料集合体間の隙間空間の対比図。
【符号の説明】
１ 燃料集合体
２ 原子炉圧力容器
３ 炉心シュラウド
４ 炉心上側支持格子
５ 炉心下側支持格子
６ 燃料集合体頭部
７ 燃料集合体脚部
８ 孔
９ 燃料棒
１０ スペーサ
１２ 制御棒案内管
１３ セル
１４ 突起
１５ スペーサ第１部分
１６ スペーサ第２部分
１７ 周縁帯板
１８、１９、２２、２３、２４、２５ 帯板
２０ 半径方向拡大部位
２１ ばね
２５ａ 部分帯板
２６ 中間空間
２７ 延長帯板
２８ 枠
２９ 枠の内側面
３０ 帯板の長手方向
３１ 周縁帯板
３２ 舌片
３３ スリット
３４、３５、３６、３７、３８ 隙間
３９ 突起
４０、４１ スペーサの位置を示す破線

Claims (8)

1. スペーサ（１０）の多数のセル（１３）内で横方向に保持された燃料棒（９）および制御棒案内管（１２）と、頭部（６）と、脚部（７）とを備え、前記頭部（６）と脚部（７）で原子炉圧力容器の内部において炉心上側支持格子（４）および炉心支持格子（５）に固定されている加圧水形原子炉の燃料集合体において、
   少なくとも１つのスペーサ（１０）が、燃料集合体の中心長手軸線に関し半径方向外側に位置する第１部分（１５）と、半径方向内側に位置し第１部分（１５）により完全に包囲された第２部分（１６）とを備え、
   該第２部分（１６）がジルカロイから成り、第１部分（１５）が第２部分（１６）のジルカロイに比べ中性子照射によりひき起こされる半径方向成長が小さく且つ熱膨張係数が大きな金属材料から成り、
   しかも前記第 1 と第２の部分（１５、１６）が、第１の部分（１５）の大きな熱膨張に伴って両部分（１５、１６）間に遊びが生ずるように相互に結合されたことを特徴とする加圧水形原子炉の燃料集合体。
2. 第１部分（１５）が炉心支持格子（４、５）と同じ材料から成ることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
3. 第１部分（１５）がオーステナイト鋼から成ることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料集合体。
4. 少なくとも１つのスペーサ（１０）が燃料集合体の中央範囲に配置されたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の燃料集合体。
5. 第１及び第２部分が別個の部品であり、第１部分（１５ａ）の内側面に、各々半径方向外側に位置する制御棒案内管に軸方向に固定された個々のセル（１３′）が配置されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の燃料集合体。
6. 第２部分（１６）が互いに交差しかつ噛合った複数の帯板（２５）から成り、これら帯板（２５）が両者間に全長にわたり中間空間（２６）を空けて延びる２つの部分帯板（２５ａ）から構成され、その中間空間（２６）内に第１部分（１５ｂ）の材料から成る延長帯板（２７）が配置され、該帯板（２７）の両端が第１部分（１５ｂ）の内側面（２９）に固定されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の燃料集合体。
7. 第１部分（１５ｂ）が周縁帯板で形成された枠（２８）であることを特徴とする請求項６記載の燃料集合体。
8. 少なくとも一部の帯板（２５）と部分帯板（２５ａ）の終端部位が、各々の周縁帯板の長手方向（３０）に有効な噛合い結合継手により横傾斜を防止して第１部分（１５ｃ）に支持されたことを特徴とする請求項７記載の燃料集合体。

Images