JP3955104B2 - 原子炉燃料集合体 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、軽水炉用燃料集合体およびそのための方法に関する。この燃料集合体は、端部部品と、該端部部品間に延び、スペーサによって相対的に位置決めされた細長い部材とからなる構造を有する形式のものである。細長い部材の少なくとも１つは、前記端部部品の一方または両方に接続されている。この形式の燃料集合体は、一般には、軽水によって冷却され、かつ、減速も軽水によって行われる。軽水冷却式原子炉の例としては、沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉とがある。
背景技術
燃料集合体は、一般には、相互に間隔をあけ、下部タイプレートおよび上部タイプレートと呼ばれる一対の端部部品の間に配列された、複数の垂直な燃料棒を具備している。前記下部タイプレートには、核反応中に細長い部材を冷却するために、該下部タイプレートを通して冷却材を細長い部材の間の空間に導くための連続した垂直流路が設けられている。
細長い部材の相互の精確な位置決めのために、スペーサが燃料集合体に沿って、様々な高さに配置されている。
燃料集合体内に配列されている細長い部材の下端部には、一般に、プラグが設けられており、該プラグは、下部タイプレートのプラグ孔と呼ばれる開口内に支持された状態で保持されている。燃料集合体内に配列されている細長い部材の上端部は、自由状態で配列されるか、または、上部タイプレート内で支持されている。
細長い部材の束を一体として取り扱うことを可能とするために、１以上の細長い部材がその束を一緒に保持するように配置されている。これらの細長い支持部材は、例えば、沸騰水型原子炉における通常の燃料棒からなり、したがって支持燃料棒と呼ばれるものであってもよく、または加圧水型原子炉における制御棒案内管からなっていてもよい。これらの支持部材は、一般には、下部タイプレートに固定されている。支持されていない細長い部材は、ある程度はそれらの自重により、またある程度はスペーサ内の摩擦により、加えて、機械的なストッパ手段である上部タイプレートによって、冷却材の流れにより生ずる揚力に抗して下部タイプレートからの持ち上がりが防止されている。
下部タイプレートに固定されている他の細長い部材は、部分長さ棒およびスペーサホルダ棒と呼ばれている。スペーサホルダ棒の役割は、燃料集合体を通して上方に流れる冷却材によるスペーサの軸方向の動きを制限することである。沸騰水型原子炉用燃料集合体において、スペーサホルダ棒は１以上の通常の燃料棒またはウォータロッドからなっていてもよい。加圧水型原子炉用燃料集合体においては、一般に、スペーサを保持する機能を有する制御棒案内管である。
一般には、下部タイプレートは、良好な機械的特性を有するように、ステンレス鋼から構成されている。上部タイプレートは、関連する燃料集合体の機能によって複数の異なる方法で構成され得る。細長い部材の少なくともいくつかには、一般に、該細長い部材を前記下部タイプレートに固定するために、該下部タイプレート内に挿入されて、または該下部タイプレートを貫通してエンドプラグが設けられている。このエンドプラグは、一般に、ジルコニウムを主成分とする合金から構成されている。これらのエンドプラグは、欠陥部品を取り替えるためにそれぞれ据え付けられまたは取り除かれ得るように、下部タイプレートに対して着脱可能に配置されていることが望ましい。
特に、下部タイプレートから上部タイプレートまで到達しない部分的な長さの燃料棒を具備する燃料集合体においては、部分的な長さの燃料棒が、下部タイプレートを通って上向きに流れる冷却材から受ける摩擦力のために、持ち上がって外れたり、下部タイプレート内で支持が外れたりしないように保証することが重要である。下部タイプレートから上部タイプレートに向かって延びて、該上部タイプレートに到達しない、部分的な長さの燃料棒は、上述したスペーサによって、束に沿う異なる高さにおいて下部タイプレートの上方で支持されている。燃料棒が燃料集合体内において上方に移動することによって下部タイプレートにおける支持を喪失した場合は、長い自由端が振動し、隣接配置されている燃料棒に摩耗を生じ、最悪の場合には、１以上の燃料棒に孔があいて、核分裂性物質が冷却材内に混入することになる。
支持棒は、一般には、ネジ付きの継手によって下部タイプレートに固定されている。例えば、支持棒には、一般に、下部タイプレートに設けられた連続したプラグ孔を貫通するネジ付きエンドプラグが設けられており、炉内に配置されるときには、下部タイプレートの下側からナットにより下部タイプレートに固定されている。他の一般的な方法は、下部タイプレートのプラグ孔に、ネジ付きエンドプラグと協働するネジを設けることである。ネジ付き継手に関する問題点は、ネジ付き継手が腐食のために、原子炉の運転後に固着することである。また、剥がれ落ちて冷却材とともに運ばれた粒子が、ネジの表面に沈積して、固着を生ずることにもなる。腐食は、特に、ネジ付きプラグがジルコニウム合金からなり、その固定部材のネジ部、例えば、下部タイプレートまたはナットがステンレス鋼からなっている場合には問題である。
上述した形式の燃料集合体を設計するときには、該燃料集合体内に含まれる部品を可能な限り、該燃料集合体の上端から取り扱うことができるようにすることが望ましい。棒が、ナットによって下部タイプレートの下側に固定されるようなネジ付き継手を用いる場合には、収容された部品を上方から取り扱うことはできない。この種のネジ付き継手における他の問題点は、ナットおよびプラグが、冷却材の流れが非常に乱れている領域に、下部タイプレートの下側から突出することである。乱流状態の冷却材は、振動を生じさせ、それゆえに、エンドプラグの摩耗を生じることになる。このことは、燃料集合体の設計時に、下部タイプレートの下方から突出する部材を回避することが望ましいことを意味している。
下部タイプレートが、棒のネジ付きエンドプラグが締結されるネジ孔を具備する形式のネジ付き継手を使用する場合には、収容された部品を上方から取り扱うことが可能である。棒を反対方向に回転させる取り外し中に１つの問題点が存在する。一方では、４メートルの長さを有する棒を回転することは厄介であり、他方では、ネジ付き継手が動かなくなることもある。取り外し中にネジが動かなくなった場合には、棒にねじり力がかかる危険性があり、最悪の場合には、ねじ切られることになる。さらに、隣接配置された棒よりも短い棒に到達し、据え付けかつ取り外すことは、特に、ネジが動かなくなる場合には困難なので、かなりの取り扱いの問題を含んでいる。
垂直の、すなわち、支持のない燃料棒を下部タイプレートに類似の方法で固定することは不必要であり、不利である。上方に向かって流れる流れから受ける力は、全体を持ち上げるような取り扱い時に束に作用する力よりもずっと小さいので、垂直な燃料棒をこのような方法で取り付ける必要性は全くない。
この発明の目的は、支持および非支持の完全な長さおよび部分的な長さの細長い部材のエンドプラグを、取り外し可能に固定できる下部タイプレートを有する燃料集合体を得ることである。
発明の概要および長所
この発明は、下部タイプレートと、請求項１の特徴部分に示された固定部材によって前記下部タイプレートに取り外し可能に固定された少なくとも１つの細長い部材とを具備する燃料集合体に関する。
さらに正確には、この発明は、集合体内に配列されたときに、下端部にエンドプラグを有する複数の細長い部材を具備する燃料集合体に関する。下部タイプレートは、各々１つのエンドプラグを受け入れるために隣接配置された少なくとも２つのプラグ孔を有する。加圧水型原子炉において、固定孔に近接して配置された棒は、固定プラグを制御棒案内管のエンドプラグに固定するために、下部タイプレート内を下方に延びるように設計されている。さらに、下部タイプレートには、２つの隣接配置されたプラグ孔間に延びる固定孔が設けられている。凹状の形態をした第１の固定部材がエンドプラグに配置されている。該エンドプラグがプラグ孔に挿入されたときには、第１の固定部材がプラグ孔内の固定孔の口の高さと同じ高さにくる。第１の固定部材は、凸状または平坦な形状の固定プラグの形態をした第２の固定部材と協働する。固定プラグは、好ましくはエンドプラグの長手軸に垂直な方向にスライド可能に固定孔内に配置される。該固定プラグは、固定孔の軸方向長さよりも長い軸方向長さを有している。
下部タイプレートへのエンドプラグの固定は、下部タイプレートに固定すべき、第１の固定部材を有するエンドプラグを挿入することによって達成される。その場合、必要な場合には、エンドプラグをプラグ孔に挿入する際に、エンドプラグの挿入を許容するようにエンドプラグによって固定プラグを固定孔内において移動させる。さらに正確には、固定プラグは固定孔の口を通して部分的に変位して、それに隣接配置されたプラグ孔内に出る。この後に、下部タイプレートに固定されないエンドプラグが、それに隣接配置されたプラグ孔内に挿入される。ここで挿入されたエンドプラグは固定プラグを反対方向、すなわち、最初に挿入されたエンドプラグの方向に変位させ、それによって、第１の固定部材、すなわち、その中の凹所と協働し、それ故に、エンドプラグを下部タイプレートに固定する。エンドプラグを取り外すときには、これらのプラグは、反対の順序で引き出される。すなわち、最初に、関連するエンドプラグを有する固定されない棒が引き出され、その後、固定されたものが引き出される。
この発明の利点は、棒の下部タイプレートへの着脱可能な固定が簡単な方法で達成されることである。また、棒の下部タイプレートへの取り付け及び取り外しが上方から行われ得るという利点もある。他の利点としては、下部タイプレートからの取り外しのために細長い部材を全く回転させる必要がなく、単に、細長い部材の軸方向への一定範囲内の力が必要とされるだけであるということである。さらに、固定が下部タイプレート内部で行われ、それによって下部タイプレートの下方から部品が突出することが回避されるという利点もある。
さらに、固定プラグと下部タイプレートを同一または同様の材料から製造することができ、それによって、腐食による固着の危険性が低減されるという他の利点も提供される。
【図面の簡単な説明】
この発明は、添付図面を参照することによって、より容易に理解され得る。
図１ａは、沸騰水用燃料集合体の図１ｂにおける断面Ａ−Ａを示している。
図１ｂは、同じ燃料集合体の図１ａにおける断面Ｂ−Ｂを示している。
図２ａは、加圧水用燃料集合体の側面図である。
図２ｂは、図２ａの断面Ｃ−Ｃにおける下部タイプレートを示している。
図３ａは、第１の固定部材を有するエンドプラグを示す側面図である。
図３ｂは、他の実施形態の第１の固定部材を有する下部エンドプラグを示す側面図である。
図３ｃは、図３ｂの断面Ｄ−Ｄにおける第１の固定部材を示している。
図４は、下部タイプレート内に隣接配置された２つのプラグ孔および該下部タイプレート内の隣接配置されたプラグ孔間に配された固定孔内に配置された第２の固定部材を示す縦断面図である。
図５は、第１の固定部材内に挿入配置された第２の固定部材によって、下部タイプレートに固定されたエンドプラグを有する細長い部材を示している。
図６は、第１の固定部材内に挿入配置された他の実施形態の第２の固定部材によって、下部タイプレートに固定される細長い部材を示している。
図７は、第１の固定部材内に挿入配置された、さらに他の実施形態の第２の固定部材によって、下部タイプレートに固定される細長い部材を示している。
図８は、下部タイプレートに隣接配置された２つのプラグ孔および該下部タイプレートの前記隣接配置されたプラグ孔間に配置された固定孔内に配置された他の実施形態の第２の固定部材を示す縦断面図である。
好ましい実施形態の説明
図１ａは、横断面がほぼ正式形状の、燃料チャネル２と呼ばれる長い管状の容器を具備する沸騰水用の燃料集合体１を示している。前記燃料チャネル２は、原子炉の冷却材が流れる連続した流路を形成するように両端が開口している。燃料集合体１は、束状に平行に配列され、その内部に核燃料のペレットが配置されている多数の長さの等しい燃料棒３を具備している。該燃料棒３は、十字型の支持手段８（図１ｂも参照のこと。）によって４つの直交配置された副束（サブバンドル）の形態で相互に間隔をあけて配列されている。燃料棒３のそれぞれの副束は、上部タイプレート５によって上部、下部タイプレート６によって下部において保持されている。各副束内の燃料棒３は、スペーサ７によって相互に間隔をあけて保持されており、かつ、原子炉の運転中における、曲げまたは振動が防止される。下部タイプレート６は、冷却材の通過のために複数の貫通孔６ａを具備している。さらに、下部タイプレート６は、結合されたエンドプラグ３ｂを有する細長い部材３，３ａを支持するための複数のプラグ孔６ｂを具備している（図４参照）。図１ａにおいて、中心線のもっとも近くに配置された棒は、部分的な長さの棒である。該部分的な長さの棒は、下部タイプレート６から燃料集合体１を貫通して上方に延び、上部タイプレート５に到達していない。
図２ａ，２ｂは、平行に配列された、複数の細長い管状の燃料棒３と制御棒案内管３ａとを具備する加圧水用の燃料集合体１を示している。燃料棒３は核燃料のペレット４を収容している。制御棒案内管３ａは、上部ノズル５によって上部、下部ノズル６によって下部において保持されている。燃料棒３は、スペーサ７によって、相互に間隔をあけて保持されている。図２ｂにおいて、中心線が描かれた孔は、細長い部材を受け入れるためのプラグ孔６ｂである。他の孔６ａは、冷却材の流れが通過するために設けられている。
図３ａは、細長い部材３，３ａに接続されたエンドプラグ３ｂを示す側面図である。エンドプラグ３ｂには、該エンドプラグの周囲に延びる、溝の形態の凹所である第１の固定部材９ａが設けられている。前記エンドプラグ３ｂの下部には、符号３ｃ′により示されているように、下部タイプレート６内のプラグ孔６ｂ内へのエンドプラグを案内を容易にするための面取りされたエッジが設けられていてもよい。
図３ｂは、エンドプラグ３ｂに設けられた他の実施形態の第１の固定部材９ｂを示している。ここで、第１の固定部材は、実質的に球面形状を有する空洞状の凹所である。
図４は、２つの隣接配置されたプラグ孔６ｂとこれらのプラグ孔６ｂの間に延びかつそれらの内部に開口している固定孔６ｃとを具備する下部タイプレート６の一部を示している。さらに、固定孔６ｃ内に配置された第２の固定部材１０が示されている。選択された実施形態において、第２の固定部材（固定プラグ）１０は、固定孔６ｃの軸方向にスライド可能な実質的に円筒状の本体１０ａである。実質的に円筒状の本体１０ａの両端部１０ｂは、丸く、球面形状を有している。
図５は、球面状の端部１０ｂを有する前記固定プラグ１０が、図３ａに従うエンドプラグ３ｂの凹所９ａと協働する様子を示している。据え付け中に、プラグ孔６ｂ″、すなわち、図５の右側に示されているプラグ孔６ｂ″内に固定されるべきエンドプラグ３ｂ″がまず挿入され、それによって、固定プラグ１０が固定孔６ｃを通して、図５の左側に示されているプラグ孔６ｂ′内に部分的に移動させられる。その後、隣接配置されているエンドプラグ３ｂ′がプラグ孔６ｂ′内に挿入される。エンドプラグ３ｂ′は、固定プラグ１０の球面状の端部１０ｂがエンドプラグ３ｂ″の球面状の凹所９ａ内に収まるように、固定孔６ｃに沿って反対方向に固定プラグ１０を押圧する。このようにして、１つのエンドプラグ３ｂ″が下部タイプレート６に固定される一方、他のエンドプラグ３ｂ′は下部タイプレート６内に支持される。
下部タイプレートにおいてそれぞれのエンドプラグ３ｂ′によって支持されるように配置された細長い部材３，３ａを取り外すときには、これらのエンドプラグがプラグ孔６ｂ′から持ち上げられる。それぞれのエンドプラグ３ｂ″を下部タイプレート６に固定された状態で配列された細長い部材を取り外すためには、第１の固定部材９ａを有するエンドプラグ３ｂ″を固定プラグ１０から分離するように、固定孔６ｃ内において横方向に固定プラグ１０を変位させるために、軸方向への一定の持ち上げ力が必要になる。
エンドプラグ３ｂに孔状の第１の固定部材９ｂを設けることにより、該エンドプラグ３ｂを、下部タイプレート６内における回転を防止するように固定することができる。下部タイプレート６内において、回転が防止されることは、特に、それがスペーサホルダロッドの固定の問題である場合に望ましいことである。
細長い部材３，３ａが下部タイプレート６に据え付けられていないときに、固定プラグ１０が固定孔６ｃから離れることを防止するために、固定ピン１１が、下部タイプレートの一平坦面から設けられていてもよく、図４および図５では、上部平坦面から固定プラグ１０に対して一定の角度で示されている。固定ピン１１は、例えば、溶接によって、下部タイプレート６に固定されていてもよく、隣接配置されたプラグ孔６ｂ間における固定プラグ１０の取り得る変位が、前記固定プラグの円筒状本体１０ａの、他の部分よりも小さい直径を有する部分１０ｃの長さに対応する距離に制限されるように、固定孔６ｃの内部に延びて配置されている。
前記固定プラグ１０は、下部タイプレートの内部に保護されて適当に配置され、腐食の観点で良好なステンレス鋼からなっていることが好ましい。これに代えて、固定プラグ１０は、ニッケルを主成分とする合金、例えば、インコネルからなっていてもよい。固定プラグ１０を下部タイプレート６の内部に配置することにより、燃料集合体１を通過して流れる冷却材に対して、装置全体が保護され、それによって、それに関連する振動や摩耗が防止されることになる。
第１、第２の固定部材９ａ，９ｂ，１０は、もちろん、球面を有するに限定する必要はない。その表面は、任意の二重局面形状、平面形状またはベベル形状を有していてもよい。本質的な点は、第１の固定部材９ａ，９ｂの凹形状が、エンドプラグ３ｂ″を下部タイプレート６に固定するために、第２の固定部材１０の形状と協働することである。このように、固定プラグ１０には、第１の固定部材９ａ，９ｂと協働するのに適した表面が各端部に設けられており、エンドプラグ３ｂを下部タイプレート６に固定し、かつ、下部タイプレートからの取り外しを容易にしている。
図６は、符号１０ｄで示される面取りされたエッジが両端に設けられた固定プラグ１０を示している。固定されるべきエンドプラグ３ｂ″には、前記固定プラグ１０と協働するように、対応する面取りされたエッジを有するくびれが設けられている。
図７は、符号１０ｅで示される平坦な端部が両端に設けられた固定プラグ１０を示している。固定されるべきエンドプラグ３ｂ″には、固定プラグ１０と協働するように、対応する平坦面を有するくびれが設けられている。細長い部材３，３ａの据え付けおよび取り外しを容易にするために、エンドプラグ３ｂ″には、さらに面取りされたエッジ３ｄが、設けられている。
図５，６，７は、細長い部材３，３ａの下部タイプレート６内への据え付け時に下部タイプレートに形成された面取りされたエッジ６ｄと協働する、符号３ｅで示された面取りされたエッジを有するエンドプラグ３ｂ″を示している。
図８は、その直径寸法が、固定孔６ｃの直径に実質的に一致する固定プラグ１０を示している。さらに、下部タイプレートへの固定プラグ１０の挿入用の孔が塞がれていることが示されている（符号１２を参照のこと。）。その孔は、例えば、固定プラグ１０が固定孔６ｃ内に挿入された後に溶接により埋められてもよい。このようにして、冷却材中の粒子が、固定孔６ｃ内に入ること、したがって、固定プラグ１０と固定孔６ｃとの間の起こり得る固着が防止される。また、孔の閉塞により、固定プラグ１０が下部タイプレート６から脱落しないことも保証される。

Claims (10)

1. 第１および第２の固定部材（９ａ，９ｂ，１０）と、下端部にエンドプラグ（３ｂ）が各々設けられた複数の細長い部材（３，３ａ）とを具備し、前記エンドプラグ（３ｂ）が、該エンドプラグ（３ｂ）を各々受け入れるための少なくとも２つの隣接配置されたプラグ孔（６ｂ）を具備するエンドプレート（６）内において支持またはロックされた軽水冷却原子炉の燃料集合体（１）であって、
   前記第１の固定部材（９ａ，９ｂ）は、前記エンドプラグ（３ｂ）に形成された凹所であり、前記第２の固定部材（１０）は、前記２つの隣接配置されたプラグ孔（６ｂ）の間に延び、該プラグ孔内に開口する固定孔（６ｃ）内に変位可能に配置され、前記第２の固定部材（１０）が、前記固定孔（６ｃ）より長く、かつ、前記第１の固定部材（９ａ，９ｂ）と協働するように形成された端部表面を有することを特徴とする燃料集合体。
2. 前記第１の固定部材（９ａ，９ｂ）が、前記エンドプラグ（３ｂ）の周囲に延びるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体（１）。
3. 前記第１の固定部材（９ａ，９ｂ）が実質的に凹面形状を有していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料集合体（１）。
4. 前記第１の固定部材（９ａ，９ｂ）が、ほぼ球面形状を有していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料集合体（１）。
5. 前記第２の固定部材（１０）が、各々凸形状をした２つの端部（１０ｂ）を有するほぼ円筒状の本体（１０ａ）であることを特徴とする請求項３記載の燃料集合体（１）。
6. 前記第２の固定部材（１０）の少なくとも一方の端部（１０ｂ）が、ほぼ球面形状を有することを特徴とする請求項５記載の燃料集合体（１）。
7. 前記第２の固定部材（１０）が、少なくとも一端（１０ｅ）が平坦な形状をした２つの端部を有するほぼ円筒状の本体（１０ａ）を有することを特徴とする請求項１記載の燃料集合体（１）。
8. 前記第２の固定部材（１０）が、少なくとも一端（１０ｄ）が面取りされた形状をした２つの端部を有するほぼ円筒状の本体（１０ａ）を有することを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
9. 前記第２の固定部材（１０）には、該第２の固定部材（１０）の前記固定孔（６ｃ）内における移動を制限するための固定ピン（１１）と協働するように、円筒状の本体（１０ａ）に小径部分（１０ｃ）が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体（１）。
10. 軽水冷却型原子炉用燃料集合体（１）内のエンドプレート（６）内に、結合されたエンドプラグ（３ｂ）を有する細長い部材（３，３ａ）を固定するための方法であって、
    その固定は、第１および第２の固定部材（９ａ，９ｂ，１０）間の協働により達成され、前記エンドプレートには、それぞれ、前記エンドプラグ（３ｂ）を受け入れるための少なくとも２つの隣接配置されたプラグ孔（６ｂ）が設けられ、
    − 前記２つの隣接配置されたプラグ孔（６ｂ）間に延びかつそれらの内部に開口する固定孔（６ｃ）を設けるステップと、
    − 前記固定孔（６ｃ）内に第２の固定部材（１０）を配置するステップと、
    − 第１の固定部材（９ａ，９ｂ）を具備するエンドプラグ（３ｂ″）をプラグ孔（６ｂ″）内に挿入するステップと、
    − 必要により、前記固定孔（６ｃ）の長さを越える長さを有する前記第２の固定部材（１０）を、前記エンドプラグ（３ｂ″）の挿入を許容するように、該エンドプラグ（３ｂ″）によって、前記固定孔（６ｃ）の方向に変位させるステップと、
    − エンドプラグ（３ｂ′）を隣接配置されたプラグ孔（６ｂ′）内に挿入し、それによって、第２の固定部材（１０）が、前記第１の固定部材（９ａ，９ｂ）と協働するようになるような方向に変位させられるステップと
    を具備することを特徴とする方法。

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