JP4131594B2

JP4131594B2 - 原子炉燃料集合体

Info

Publication number: JP4131594B2
Application number: JP01195199A
Authority: JP
Inventors: 純太郎清水
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: JP2000214284A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子炉燃料集合体に関し、特にその上部に設けられる押さえばねの構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉において、燃料は、細長い燃料棒が束状に組み立てられた組立体所謂燃料集合体として燃焼に供されるのが一般である。而して、燃料集合体は燃焼が進むにつれて照射成長により長さが伸びたり、或いは他の炉心構造物との間に熱膨張差が生ずるから燃料集合体と他の炉心構造物との間に機械的な隙間を設ける必要性がある。更に、原子炉冷却材が上向きに流れて、燃料集合体を浮き上がらせる傾向を有する。従って、燃料集合体の浮き上がりや振動を防止し、前記の伸びや熱膨張差を吸収するため、加圧水型原子炉では図１０及び図１１に例示するような押さえばねが使用されている。図を参照してこの構造を説明すると、押さえばね１０は１枚の曲げられた板ばねからなる上部スプリング１１と重ね板ばね構造の下部スプリング１３からできている。そして、燃料集合体の一部を成す上部ノズル１の上面１ａに上部スプリング１１及び下部スプリング１３の基端が、共通の取り付けボルト３により固定されている。上部ノズル１は、図示されていないが概して箱型の構造をしており、その上面の４辺に沿って４個の押さえばね１０が取り付けられている。
【０００３】
図１１に上部スプリング１１と下部スプリング１３の組み合わせ部の詳細構造が示されている。上部スプリング１１は先端部において折り曲げられていて、幅狭の垂直部１５を有し、その上端部に隣接して段１７が形成されている。一方、下部スプリング１３の先端部には、矩形断面の貫通穴１９が形成されていて、上部スプリング１１の垂直部１５がこの貫通穴１９を通って延びるようになっている。上部スプリング１１の段１７は、下部スプリング１３の上面に接触し、上部スプリング１１と下部スプリング１３は一体的に変形し、先端が上下方向に変位即ち撓む。
【０００４】
図１２は、前述の押さえばね１０の塑性ばね特性を示したグラフである。点Ａは、燃料寿命乃至サイクルの初期冷態時（運転開始前）のばね荷重を示し、押さえばね１０は取り付け乃至初期荷重を受ける。点Ｂは、燃料寿命初期の温態時（運転開始直後）のばね荷重を示す。この時点では、運転開始により冷却材の温度が上昇し、熱膨張差が生じてばね変位即ち撓みが減少している。燃焼の進行によって燃料集合体の長さが増大するから、ばね変位は増大し、従ってばね荷重が増大する。点Ｃは燃料寿命末期の冷態時のばね荷重を示し、点Ｄは燃料寿命末期の温態時のばね荷重を示している。押さえばね１０を形成する上部スプリング１１と下部スプリング１３は、所定の強度及びばね特性を確保するために一般には析出硬化型ニッケル基合金から製作される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の押さえばね１０は使用時に周囲の高温冷却材に触れるので、通常のばね応力としては小さいものの応力腐食割れが発生する虞れがある。応力腐食割れの発生要因としては、材料の特性、使用環境乃至雰囲気及び発生応力値が考えられるが、前二者は種々の要因から決定されるので変更し難く、本発明者は発生応力値を低減すべく鋭意検討した。押さえばね１０における最大応力発生箇所は、ボルト締め付け部に近い付け根部１２（図１０）であることが、経験的乃至検査の結果判明しているので、その原因について図１０に示すように押さえばね１０をモデル化し、材料力学的に解析した。即ち、図１３（ａ）において、点Ｐが燃料集合体を炉心内に装荷したときの上部炉心板に接する部分であり、荷重作用点である。そして、前述のように上部スプリング１１の段１７が下部スプリング１３に荷重伝達点Ｓで接し、ここで下部スプリング１３の剛性反力を受ける。この上部スプリング１１を一種の梁としてモデル化すると（ｂ）図のごとくなる。このように荷重作用点Ｐと荷重伝達点Ｓが長さ方向に離れ、荷重伝達点Ｓが剛性Ｋで支持されると、付け根部１２にモーメントの集中という現象が生ずる。これが、撓みが略同じにもかかわらず、上部スプリング１１の付け根部１２に下部スプリング１３より大きい応力が生ずる理由であることが判明した。
【０００６】
図１４に析出硬化型ニッケル基合金（例えば商品名インコネル７１８）から形成された梁の特定断面におけるモーメントと歪みの関係を示している。この材料は加工硬化を生ずるため、材料が降伏した後モーメントに対して歪みの増加が著しく大きくなる。
又、押さえばね１０について、撓みと上部スプリング１１の付け根部１２の発生歪みとの関係を調べた。その結果を図１５のグラフにおいて曲線Ｉで示す。これに対比する意味で、上部スプリング１１のみについて、撓みと上部スプリング１１の付け根部１２の発生歪みとの関係を曲線IIで示した。この図から分かるように、曲線Ｉは撓みが大きい範囲において、曲線IIに対し歪みが大きくなっており、この原因は荷重作用点Ｐと荷重伝達点Ｓが大きく離れている点が原因であると理解される。
従って、本発明は、上部スプリングの荷重作用点と荷重伝達点との距離をできるだけ小さくすることにより、所要のばね特性を確保しつつ、最大発生応力を更に低減して応力腐食割れの発生を回避できるようにした原子炉燃料集合体用押さえばね及びこれを有する原子炉燃料集合体を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
如上の目的を達成するため、本発明によれば、上部ノズル、下部ノズル、前記両ノズルを連絡する複数の制御棒案内管、該制御棒案内管に固定された支持格子及び該支持格子に支持された複数の燃料棒とを有する原子炉燃料集合体において、前記上部ノズルに取り付けられる上部押さえばねが、重ね合わされた板ばね構造の上部スプリングと下部スプリングから構成され、前記上部スプリングの上面最先端が上部炉心板に接する荷重作用点となり、前記上部スプリングの下面最先端が、前記下部スプリングに接して荷重伝達点となり、前記上部スプリングの付け根部に発生するモーメントが、前記荷重作用点から前記付け根部までの距離と前記荷重伝達点から前記付け根部までの距離とが同じときに前記付け根部に発生するモーメントの１．１倍以下になるように、前記荷重作用点と前記荷重伝達点との距離が保持され、前記上部スプリングと下部スプリングの基端が共通の取り付けボルトにより固定されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。先ず、図１を参照して燃料集合体２０の構造を説明する。図において、全体として箱型の外形をなし、複数の冷却材貫流孔（図示しない）を備えた上部ノズル２１と、四隅部に脚を持ち更に図示しない冷却材貫流孔を持つ下部ノズル２３は、互いに平行な複数の制御棒案内管２５の両端部に連結されている。碁盤目状配列の格子セルを有する支持格子２７は、その格子セルに制御棒案内管２５を受け入れて固定され、更に制御棒案内管２５の長手方向に間隔を置いて配設されている。制御棒案内管２５を受け入れていないセルには、複数の燃料棒２９が１本づつ挿入されて、弾性的に支持されている。更に、上部ノズル２１の上面には、上部炉心板に直接接する上部押えばね３０が取り付けられている。この上部押えばね３０は、図２の半平面図に示すように、上部ノズル２１の四辺の各辺に沿って１個合計４個が設けられている。尚、図２において、符号２１ａは、冷却材が流れ且つ図示しない制御棒クラスタが挿入されるスペースである。
【０００９】
図３に前述の上部押えばね３０の構造が示されている。図３に示すように、上部押えばね３０は上部スプリング３１と下部スプリング３３とが重ね合わされて構成され、それらの基端が共通の取付けボルト３５により締め付けられて固定されている。上部スプリング３１と下部スプリング３３は、それぞれニッケル基合金材料から平面形状が短冊形の板ばねとして形成されている。これは、図２の平面図からも容易に理解されるであろう。図４に上部押えばね３０の先端部が拡大して示されている。上部スプリング３１の上面最先端３１ａが上部炉心板に接するから荷重作用点となる。又、上部スプリング３１の下面最先端３１ｂは、下部スプリング３３に接して荷重伝達点となる。
【００１０】
以上のような構成の上部押えばね３０の作用を説明する。これは、図１に示す燃料集合体２０に組み込まれて、原子炉炉心に装荷されるが、その際上部スプリング３１の上面最先端３１ａが上部炉心板に接し、初期変形が与えられこの点即ち荷重作用点Ｐに力が作用する。更に、照射成長により燃料集合体２０の全高が増せば荷重作用点Ｐへの力が増し、又これは下面最先端３１ｂの荷重伝達点Ｓを介して下部スプリング３３に伝えられる。これを模式化して示すと、図５（ａ）となる。この状態において、荷重作用点Ｐと荷重伝達点Ｓの距離を一定とし、更に上部スプリング３１の撓み量を一定としたとき、付け根部の発生モーメントＭと剛性Ｋの関係が図５（ｂ）に示されている。図において、剛性Ｋが零のときの発生モーメントＭを１としており、剛性Ｍが増大すると比例的に発生モーメントＭも増大することが示されている。
【００１１】
更に、荷重作用点Ｐと荷重伝達点Ｓの距離と上部スプリング３１の付け根部に発生するモーメントＭとの関係を図６に示す。図６（ａ）は、図５（ａ）と同様な模式図で、荷重作用点Ｐから付け根部までの距離が符号αで示されている。但し、荷重伝達点Ｓから付け根部までの距離即ち上部スプリング３１の有効ばね長を１．０とした比率で示される。従って、荷重作用点Ｐと荷重伝達点Ｓの距離は、（１．０-α）で表される。図６（ｂ）に距離αを横軸とし、発生モーメントＭを縦軸としたグラフが示されている。尚、このグラフでは、距離αが１のとき、発生モーメントＭを１．０としている。
以上のグラフから判るように、前述の実施形態においては、荷重作用点Ｐと荷重伝達点Ｓの距離は極めて小さく、発生モーメントＭも１．１以下に保持される。従って、上部スプリング１３の発生応力が塑性範囲にあっても、従来のもので問題になった歪みの極端な増大（図１４及び図１５参照）が生ぜず、応力腐食割れの発生が防止される。
【００１２】
次に、別の実施形態を図７及び図８を参照して説明する。図７において、上部押えばね４０は上部スプリング４１と下部スプリング４３とからなり、板ばね構造の上部スプリング４１と下部スプリング４３は重なり合っていて、基端
において共通の取付けボルト４５により上部ノズル２１に固定されている。そして、下部スプリング４３は略同形状の２枚の板ばね４３ａ、４３ｂ（図８参照）から構成されている。尚、上方から見た上部押えばね４０の形状は前述の上部押えばね３０と同じであるから、図示が省略されている。そして、上部押えばね４０の先端部は図８に示されているが、前述の上部スプリング３１と同様に、上部スプリング４１の上面最先端４１ａが荷重作用点となり、その下面最先端４１ｂが荷重伝達点となる。そして、取付けボルト４５に近い折り曲げ点がばね変形の基点となる付け根部となる。このような上部押えばね４０の構造では、前述と同様な作用効果が得られることが理解できよう。
【００１３】
更に別の実施形態を図９を参照して説明する。図９において、上部押えばね５０は上部スプリング５１のみから構成される。そして上部スプリング５１の最上点５１ａは荷重作用点Ｐとなるが、下部スプリングが無いから荷重伝達点が無い。この場合、剛性Ｋは零（０）ということであるから、前述の図５のグラフにおいてモーメントＭは１．０であり、その増大は生じない。従って、歪みの増大もなく、前述の上部押えばね３０，４０と同様な作用効果が得られることは、当業者にとって容易に理解されるであろう。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料集合体の上部ノズルに取り付けられる上部押えばねを板ばね構造の上部スプリングと下部スプリングから構成し、上部スプリングの荷重作用点と荷重伝達点との距離を最小にしたので、モーメントの集中もなく、歪みが小さくて応力腐食割れの発生が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料集合体の全体立面図である。
【図２】前記実施形態の要部を示す部分上面図である。
【図３】前記実施形態の要部を示す部分立断面図である。
【図４】図３の部分拡大図である。
【図５】前記実施形態の作用を説明する説明図である。
【図６】前記実施形態の作用を説明する説明図である。
【図７】別の実施形態の要部を示す部分立断面図である。
【図８】図７の部分拡大図である。
【図９】更に別の実施形態の要部を示す部分立断面図である。
【図１０】従来装置の全体構造を示す部分立断面図である。
【図１１】従来装置の部分構造を示す部分斜視図である。
【図１２】従来装置の作用を説明する部分構造を示すグラフである。
【図１３】従来装置の主要部の概念図及び模式図である。
【図１４】従来装置の問題点を説明するためのグラフである。
【図１５】従来装置の問題点を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
２０燃料集合体
２１上部ノズル
２３下部ノズル
２５制御棒案内管
２７支持格子
２９燃料棒
３０上部押えばね
３１上部スプリング
３１ａ上面最先端
３１ｂ下面最先端
３３下部スプリング
３５取付けボルト
４０上部押えばね
４１上部スプリング
４１ａ上面最先端
４１ｂ下面最先端
４３下部スプリング
４５取付けボルト
５０上部押えばね
５１上部スプリング
５１ａ上面最先端
Ｐ荷重作用点
Ｓ荷重伝達点

Claims

上部ノズル、下部ノズル、前記両ノズルを連絡する複数の制御棒案内管、該制御棒案内管に固定された支持格子及び該支持格子に支持された複数の燃料棒とを有する原子炉燃料集合体において、前記上部ノズルに取り付けられる上部押さえばねが、重ね合わされた板ばね構造の上部スプリングと下部スプリングから構成され、前記上部スプリングの上面最先端が上部炉心板に接する荷重作用点となり、前記上部スプリングの下面最先端が、前記下部スプリングに接して荷重伝達点となり、前記上部スプリングの付け根部に発生するモーメントが、前記荷重作用点から前記付け根部までの距離と前記荷重伝達点から前記付け根部までの距離とが同じときに前記付け根部に発生するモーメントの１．１倍以下になるように、前記荷重作用点と前記荷重伝達点との距離が保持され、前記上部スプリングと下部スプリングの基端が共通の取り付けボルトにより固定されていることを特徴とする原子炉燃料集合体。