JP3986096B2 - 燃料保持用斜行ばねを有する核燃料集合体グリッド - Google Patents

Description

発明の背景
関連出願の説明
本願は同日に出願された米国特許出願第０８／８８７、０１７号（事件番号：ＡＲＦ９６−００３）と関連がある。
発明の分野
本発明は一般的に原子炉の燃料要素支持グリッドに関し、さらに詳細には、保持用斜行ばねを有する支持グリッドに関する。
背景情報
原子炉の燃料集合体は、一般的に、細長い燃料要素または燃料棒が、縦方向に離隔した複数の支持グリッド、下方端部取付け具及び上方端部取付け具を含む骨格支持構造により、横方向に離隔して保持された燃料要素のアレーまたは配列体である。この燃料集合体の骨格構造には、燃料要素の間に対称的に散在しそれらと同延的に延びる細長い管状部材である案内管及び計装シンブルも含まれる。これらの案内管及び計装シンブルは、支持グリッドに固定されて他の骨格構造部材間を構造的に結合する。各支持グリッドは燃料棒支持コンパートメントまたはセルのアレーを画定し、その周囲部は原子炉の炉心設計により決まる多数の幾何学的形状のうちの１つを呈する。正方形の燃料集合体を用いる商業用加圧水型原子炉の核燃料グリッドは通常、各側面に１４個から１７個のセルを備えている。１９９４年４月１２日に発行された米国特許第５，３０３，２７６号に示されたような六角形アレーのような他の多角形アレーの設計もある。
典型的な設計の燃料要素支持グリッドは、内部の格子状アレーを囲む一般的に多角形の周囲部を有する。その周囲部内の複数の燃料要素コンパートメントまたはセルは、等間隔に配置されたスロット付きの多数の格子形成部材またはストラップにより画定されており、これらストラップはスロット位置に沿ってそれらの交差線の端部で小さなナゲット溶接によりその周囲部に溶接されると共に互いに連結されている。
内部の各格子形成部材には、アレーの他の格子形成部材との交差線に沿ってその幅の一半分に亘って延びるスロットが設けられている。これらの部材は、１つの部材のスロットがそれと交差する部材の対向スロットにはめ込まれて「卵箱」の形状となるように、それらの交差線で相互連結されている。この卵箱構造は高い強度／重量比を与え、しかも運転状態の原子炉のグリッドを通過する冷却材の流れを著しく妨げることがない。格子形成部材は、グリッドの一部のセル内で燃料要素と係合し支持する突出ばね及びディンプルを備えるのが普通である。これらのばねは、原子炉運転中冷却材の流れの力の作用下において、また地震による振動時において、もしくは外部から衝撃が加わった場合において、燃料棒が運動しないように燃料棒を軸方向、横方向及び回転方向で拘束するものである。これらのスペーサーグリッドはまた、燃料集合体を原子炉に挿入したり原子炉から引き抜いたりするときの横方向の案内部材としても働く。
現在の原子炉における運転上の制約の１つに、燃料要素の表面上における膜沸騰現象の発生によるものがある。この現象は通常、核沸騰からの離脱（ＤＮＢ）と呼ばれ、燃料要素の間隔、システム圧力、熱束、冷却材エントロピー及び冷却材速度による影響を受ける。ＤＮＢが発生すると、燃料要素の表面の一部に気体の膜が形成され、熱伝達が減少して燃料要素の温度が急激に上昇するため、この状態が継続すると燃料要素が破損しかねない。従って、安全のために、原子炉をＤＮＢが発生するよりも幾分低い熱束レベルで運転する必要がある。このマージンを通常、「熱マージン」と呼ぶ。
原子炉の炉心内には通常、他の領域より中性子束及びエネルギー密度が高い領域が存在する。この中性子束及びエネルギー密度のばらつきは多くの要因により惹き起こされるが、その１つは炉心内における制御棒チャンネルの存在に起因する。制御棒を引き抜くと、これらのチャンネルは冷却材である減速材で満たされるため、局部的に減速能力が増加して隣接する燃料から発生するエネルギーが増加する。「ホットチャンネル」として知られるこれらの高エネルギー密度領域では、他のチャンネルと比較してエントロピー上昇率が高い。臨界熱マージンに最初に到達するのはこれらのチャンネルであるため、これらのホットチャンネルは原子炉の最大運転条件を規定し、発生可能なエネルギー量を制限する。
従来技術では、燃料支持グリッドの一体的部分として冷却材の流れ偏向翼板を設けることにより炉心の横方向におけるエネルギー密度のばらつきを減少してＤＮＢ性能を向上させる試みがなされている。これらの偏向翼板は、偏向翼板の下流において燃料棒と冷却材との間の熱伝達を増加させることにより性能を向上させる。偏向翼板は、制御棒案内管の設置場所に隣接する燃料要素位置であるホットチャンネルに隣接する領域に用いると特に効果的である。
この偏向翼板の利点を完全に享受するには、残りのグリッド構成要素、即ちばね、ディンプル及び溶接部を含む格子ストラップを流線形にして偏向翼板の上流で発生する乱流を減少させることが望ましい。燃料グリッドの設計を最適化する他の目的には、グリッドの圧力降下を最小限に抑えることと、グリッドの荷重支持強度を最大限にすることも含まれる。燃料棒を定位置に保持する力を与えるばねは通常、燃料棒支持コンパートメント内に突出する格子形成部材の切欠き部分により形成される。印加されるばね力は、燃料要素を定位置に保持するのに必要な軸方向、横方向及び回転方向の拘束を行うに要する力と、燃料集合体の製造時燃料要素を挿入する際その表面に損傷を与えるか破損させる力との間のバランスで設計する。燃料要素の損傷を回避すると共に最大の拘束力を得るためには、ばねが燃料棒と接触する接触面積と共にばねのたわみを最大限にするのが望ましい。接触面積を最大にするための好ましい方法は、図２の従来技術による設計に示されるように、燃料支持コンパートメントの１つの壁の下方部分からそれと対角線方向に対向する同じ壁の上方部分へ延びる斜行ばねを設けることである。図２は、かかる斜行ばね１１２を備えたグリッド格子ストラップ１１０の単一の壁部分を示す。切欠き部分１１４は隣接する燃料要素支持コンパートメント内へ突出し、隣接する燃料棒を点接触支持するディンプルを形成するが、この燃料棒は隣接する燃料支持コンパートメントの反対側の壁から内側に延びる同様なばねによってそのディンプルに押し付けられる。通常、燃料棒支持コンパートメントには少なくとも２つの壁にばねが、また対向する壁にはディンプルが設けられ、燃料棒をその中心位置に保持すると共に燃料棒の表面の周りにおいて冷却材の流れが最大になるようにする。従来技術の設計では、図２に示すような切抜き部分１１６がばねの周りの壁材料の質量を減少させると共にそのたわみ性を増加させる。
米国特許出願第０８／８８７，０１７号（事件番号：ＡＲＦ９６−００３）に示されるように、燃料要素を支持するグリッドコンパートメントの上方に混合翼板１２０を設けて熱伝達を向上させることが望ましい。しかしながら、これらの翼板は燃料支持コンパートメントの圧力降下を増加させることが判明している。このため制御棒案内管及び計装シンブルの位置に隣接する燃料棒支持コンパートメントと、混合翼板を備えていない制御棒案内管及びシンブルの位置との間に圧力差が生じる。その結果、運転時において案内管及びシンブルの位置に隣接するグリッドコンパートメントを流れる冷却材が抵抗の最も少ない経路を辿り、斜行ばね１１２の両側の窓１１６から流出して上方のシンブル及び案内管の位置へ流れる傾向がある。このため、熱伝達を最も必要とする領域の熱伝達が減少し、これらの翼板が効率よく利用されないことになる。
従って、ＤＮＢ性能を向上させる改良型グリッド構造が望ましい。本発明の目的は、グリッドのばねの周りの漏洩経路を最小限に抑えると共にばねのたわみ性を維持することにより、かかる作用効果を得ることである。本発明のさらに別の目的は、斜行ばねのたわみ性の改良を破砕強度を減少させることなしに行うことである。
発明の概要
本発明の構造は、グリッドのばねのたわみ性を維持しながら、燃料支持セルの横方向の流れを許容する領域を減少させることにより、従来設計のグリッドばねの欠点の一部を克服する。本発明によると、複数の細長い燃料要素を平行離隔関係にアレー状に保持する支持グリッドであって、前記グリッドは各々が燃料要素を支持する複数のセルを画定する格子構造を有し、各セルはコーナー部で交差して対応の燃料要素を支持位置で囲む複数の壁を有し、燃料要素を支持するセルの少なくとも１つの壁には該壁の一方のコーナー部に隣接するグリッドの下方部分に近い個所から該壁のもう一方のコーナー部に隣接するグリッドの上方部分に近い個所へかけてセル内に延びる斜行ばねが形成されており、前記斜行ばねは該ばねに沿って壁に形成した狭い実質的に平行なスリットによりセルの壁の切抜き部分が壁から離隔されて形成されたものであり、前記斜行ばねを形成するように壁を斜めに延びるスリットは、両端部から隣接する壁に実質的に平行にばねから遠ざかる方向に延びてスリットになることを特徴とする核燃料集合体が提供される。このようにすると、横方向の流れを許容する開いた壁領域が減少すると共に斜行ばねのたわみ性が増加する。
本発明の上記及び他の目的並びに利点は、本発明の実施例を図示する添付図面を参照して下記の説明を読めば、当業者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
明細書の終りに本発明の主題を詳細且つ的確に請求する請求の範囲があるが、本発明は添付図面を参照して以下の説明を読めば容易に理解できるであろう。
図１は、本発明の特徴を具体化したグリッド支持組立体の頂部立面図である。
図２は、従来型核燃料集合体のグリッド格子ストラップの壁部分を、交差する格子部材から取り外した状態で示す部分側立面図である。
図３は、本発明の特徴を具体化した核燃料グリッド格子ストラップの壁部分を、交差する格子部材から取り外した状態で示す部分側立面図である。
好ましい実施例の説明
典型的な原子炉では、核分裂により原子炉容器の炉心で熱が発生する。この熱を利用して蒸気を発生させ、この蒸気がタービン発電機を駆動して発電を行う。加圧水型原子炉では、炉心の熱がホウ酸水と呼ばれる冷却材・減速材へ伝達され、加圧状態で蒸気発生器へ送られて、そこで冷却材から熱伝達関係にある二次流体へ熱が伝達される。この二次流体は蒸気に変えられてタービン発電機の駆動に利用される。
炉心内の核燃料は通常、燃料要素と呼ばれる円筒形の細長い棒に包まれている。これらの燃料要素は多角形アレーの形に保持され、１つの好ましい実施例の縦方向長さは約１４フィートである。このアレーは通常、燃料集合体と呼ばれ、頂部ノズル及び下部ノズルを有し、集合体の縦方向長さに沿う離隔位置で固定された燃料要素支持グリッドにより適当な間隔の定位置に保持される。
集合体内の燃料要素の間には制御棒案内管及び計装シンブルが散在するが、これらは燃料要素の代わりに対称的に配置されて制御棒を案内しまた炉心内計装用導管として用いられるものである。制御棒は核燃料と反応する炉心内の中性子を吸収することによって核分裂プロセスを制御する。制御棒は反応度レベルを制御するため案内管に挿入され、またそれから引き抜かれる。
炉心内の冷却材は、燃料の下方の領域から上方に向かって核燃料集合体を通過し、そのノズルから流出する。冷却材は中性子の速度を遅くして核分裂プロセスの効率を増加させる減速材である。制御棒が炉心から引き抜かれると、それに対応するシンブル管が冷却材・減速材により満たされるため、それらの案内管の周りのセル内の燃料の核分裂反応が増加する。加圧水型原子炉の運転についてのさらに詳しい説明は、１９９４年４月１２日発行の米国特許第５，３０３，２７６号（発明の名称：FUEL ASSEMBLY INCLUDING DEFLECTIVE VANES FOR DEFLECTING A COMPONENT OF THE FLUID STREAM FLOWING PAST SUCH A FUEL ASSEMBLY）を参照されたい。
図１は、本発明の特徴を具体化した、正方形の周囲部１２を有する燃料集合体支持グリッド１０の頂面図である。しかしながら、本発明の思想は上述した米国特許第５，３０３，２７６号に示す六角形の燃料集合体のような異なる形状の周囲部をもつ燃料要素支持グリッドにも利用可能であることを理解されたい。図１に示すグリッド組立体は、平行で等間隔の格子グリッドストラップのアレー１４が同様な平行で等間隔の格子グリッドストラップのアレーと直角に交差したものである。格子アレーは、グリッドの周囲部を形成する周囲部ストラップ２０に溶接されている。ストラップの壁は直交するストラップとの交差部間にセルを画定し、このセル内を燃料集合体、案内管及び計装シンブルが延びる。
図１は１７×１７個のセルを有するアレーを示すが、本発明の原理は集合体内の燃料要素の数には限定されない。図１に示す直交部材１４，１６を形成する格子ストラップは実質的に同一設計である。格子ストラップ１４，１６は実質的に同一であるが、一部の格子ストラップ１６の設計は他の格子ストラップ１６とは異なり、また一部のストラップ１４も他のストラップ１４と異なる場合があり、これにより案内管及び計装シンブルの設置場所が提供される。図１の参照番号４２は燃料要素を支持するセルを示し、参照番号３４は案内管及び計装シンブルが固定されたセルを示す。図３に示すように、燃料要素を収容するセルのほとんどの壁には打ち抜き加工により形成した多数の突出部分があり、それらは当業界でよく知られ使用されているように適当な型により加工形成される。上方及び下方の打ち抜き部分２６は１つの方向に膨出し、対向するセルの壁から突出する並置関係の斜行ばねに対して燃料要素を押圧支持するディンプルを形成する。上述したディンプルと同じ壁の中央にある残りの打ち抜き部分２８は隣接するセル内に反対方向に膨出し、対向する壁から隣接するセル内へ突出するディンプル２６対して燃料要素を押圧支持する斜行ばねを形成する。
図３は単一セルの壁を形成する格子ストラップの一部を示すが、このストラップはそれが固着される対応の隣接直交格子ストラップと交差する位置に亘って延びる。本発明によると、斜行ばね２８は、図３に示すように、実質的に壁の幅に亘って対角線方向に延びるようにセル壁を切り抜いた２つの平行な切抜き部分により形成される。斜行ばね２８を形成する平行なスリットはセルの壁の交差線に対して４５°の角度を有する。ばねを形成する狭いスリットはその両端部において終端し、隣接するスリットの端部を結ぶ仮想線２７がセル壁の交差線に平行に延びる。このようにすると、ばねに沿う任意の点において冷却材の流れを妨げる唯一の障害物はばね材料の厚みだけになる。このように構成した斜行ばねは、燃料要素との接触面積を最大にすると共に冷却材の流れに対する抵抗を最小限に抑える。ばねは燃料要素と接触する端縁部２９において面とりされているため、燃料棒がグリッドに挿入される際その表面が損傷を受ける可能性が低い。ばねのたわみを増加させてその衝撃を柔らかくするために、ばねを形成するスリットがその両端部から、参照番号３１で示すように、隣接する壁との交差線に平行に、ばねから離れる方向に延びるようにする。
混合翼板３２は、燃料集合体が通過するセル４２の壁部分において格子ストラップの上方端縁部から延びている。本発明によると、これらの混合翼板は、同時に出願した米国特許第０８／８８７，０１７号（事件番号ＡＲＦ９６−００３）を参照すればより良く理解できる所定のパターンに配置されている。
図１に示すように、セル３４は制御棒及び炉心内計装管が通過する案内管及び計装シンブルを支持する。これらのセル３４は、支持部材２６または２８がいずれもそれらの内部に突出せず、混合翼板３２がそれらの壁から延びている点で燃料要素を支持するセル４２と相違する。混合翼板により、燃料要素を支持するセルの両端間に圧力降下が生じ、このため案内管または計装シンブルを支持する隣接セル間に圧力差が発生する。セル間の開口を小さくすることにより、本発明はその圧力差による影響を最小限に抑える。
本発明は、セルの壁の開口を小さくすることにより、ばねを支持する壁材料の重量を図１に示す従来技術の構成と比較して増加させるが、これにより壁の剛性が増加すると共にグリッドの総合強度も向上する。重量が増加すると、ばねの剛性も増加する。従って、ばねのたわみをさらに増加させて燃料要素が組立て中に損傷を受ける可能性を減少させることが望ましい。図２に示すような従来型燃料集合体格子グリッド構造では、直交するストラップとの交差部分に、ストラップの底部からその高さの半分の長さだけ延びるスリット１１８が設けられている。交差するストラップには、その頂面から下方にストラップの半分だけ延びる同様なスリット１１８が設けられている。これらのストラップを、一方のスリットが各交差部分において他方のスリットと嵌合するようにスリットのところで嵌合すると、交差部分で互いにロックされ、セルを画定する卵箱形のパターンが形成される。本発明によると、図３に示すように、スリット４４はストラップの半分以上も延びているため、ストラップをそれらの交差線で溶接するとばねのたわみが増加する。
従って、本発明は、ＤＮＢ性能を向上させ、圧力降下を減少させ、またグリッドの耐破砕強度を向上させるように、運転時の原子炉冷却材の流れを最適化させる設計の支持グリッドばねを組み込んだ改良型燃料集合体を提供する。

Claims (8)

1. 複数の細長い燃料要素を平行離隔関係にアレー状に保持する支持グリッド（１０）であって、
   前記グリッドは各々が燃料要素を支持する複数のセル（４２）を画定する格子構造を有し、
   各セルはコーナー部で交差して対応の燃料要素を支持位置で囲む複数の壁（１４，１６）を有し、
   燃料要素を支持するセルの少なくとも１つの壁には該壁の一方のコーナー部に隣接するグリッドの下方部分に近い個所から該壁のもう一方のコーナー部に隣接するグリッドの上方部分に近い個所へかけてセル内に延びる斜行ばね（２８）が形成されており、
   前記斜行ばねは該ばねに沿って壁に形成した狭い実質的に平行なスリットによりセルの壁の切抜き部分が壁から離隔されて形成されたものであり、
   前記斜行ばねを形成するように壁を斜めに延びるスリットは、両端部から隣接する壁に実質的に平行にばねから遠ざかる方向に延びてスリット（３１）になることを特徴とする支持グリッド。
2. 前記複数の壁（１４，１６）は冷却材混合翼板（３２）を備えていることを特徴とする請求項１の支持グリッド。
3. セルの壁は一方がその上方端部から交差線に沿って延びるスリット（４４）を有し、もう一方がその下方端部から交差線に沿って延びるスリット（４４）を有する格子ストラップ（１４，１６）を交差させることにより形成されており、該スリットは卵箱構造を形成するように互いに交差するように嵌合されており、各スリットは対応の格子ストラップの高さの半分以上延びるように形成されているため燃料要素に対するばねの力が柔らかく作用することを特徴とする請求項１の支持グリッド。
4. ストラップは、対応の隣接する端縁部が実質的に整列するように交差線で互いに溶接されていることを特徴とする請求項３の支持グリッド。
5. 交差するストラップの当接するスリットの端部は互いに離隔していることを特徴とする請求項３または４の支持グリッド。
6. 前記斜行ばねはセルの壁の交差線に平行な垂直な線（２７）に沿ってセルの壁に固着され、該ばねに沿う任意の点における冷却材の流れを妨げるものはばね材料の厚みだけであることを特徴とする請求項１、２、３、４または５の支持グリッド。
7. 前記斜行ばねは１つの端縁部の少なくとも一部に沿って面取り（２９）されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６の支持グリッド。
8. 前記斜行ばねを形成する平行なスリットはセルの壁の交差線に対して４５°の角度を有することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７の支持グリッド。

Images