JP4307246B2 - 原子力発電所用燃料棒及び該燃料棒に設けるべく配置されたプレナムばね - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電所用燃料棒及び燃料棒に設けるべく配置したプレナムばねに関する。燃料棒は、第１端部で第１端部栓により及び第２端部で第２端部栓により密封された被覆チューブと、ペレット柱及び燃料棒の空間内に設けたプレナムばねを構成するように被覆チューブの内部で互いの上に積み重ねられた複数の燃料ペレットと、を備え、プレナムばねがペレット柱の最上部に位置する燃料ペレットが端部部分に当接するように配置された第１長さ可変部分と、半径方向外向き圧力によって被覆チューブの内表面に対してプレナムばねの係合を可能にするように配置された第２部分と、を備える。

プレナムばねは、燃料棒が原子炉容器に設けられる前に発生する輸送の間に所定の場所に燃料ペレットを保持する目的のために燃料棒に配置される。輸送中に、燃料棒は少なくとも部分的に水平姿勢を取る。また、プレナムばねの働きは、ペレット柱が完全に又は部分的に被覆チューブ内部に変位することを阻止することである。ペレット柱のそのような変位が生じる場合、１つ又は幾つかの燃料ペレットが被覆チューブ内部で傾けられる、そして、そのような傾いた燃料ペレットが、ペレット柱が正しい作動位置に変位するのを阻止するように、燃料棒は原子炉容器内部で鉛直姿勢に設けられる。最終的に、プレナムばねの働きは、ペレット柱のそのような変位又は分裂が輸送の間に生じることを阻止することである。

原子力発電所の作動中に、核分裂気体は、被覆チューブの燃料ペレットより上の空間に蓄積される。したがって、この空間に配置されるプレナムばねは核分裂気体の空間を制限しないようにできるだけ小さなボリュームを吸収すべきである。小さなプレナムばねを使用する他の利点は、被覆チューブを密封するために端部栓が、通常、溶接される被覆チューブの上側端部から距離を置いて配置し得るということである。このために、ばね材料が融解しかつ形成された溶接継手の被覆チューブの材料と混じり合うことを阻止するための特別の手段が採られる必要はない。これは、コストの低減に加えて核分裂気体用空間を増加させる。

搬送の間に燃料棒の所定位置にペレット柱を保持するためにばねの長さ可変な弾力のある部分が、ペレット柱内の最上部の燃料棒に対して作用することが可能であるように、ペレット柱より上の適切な距離で被覆チューブ内部に対するプレナムばねの係合を可能にするプレナムばねが開発されてきた。従来技術文献はそのようなプレナムばねの実例を示す。原子力発電所の作動中に、燃料ペレットは加熱され、そしてペレット柱が延伸される。プレナムばねの長さ可変部分はこれにより圧縮される。また、プレナムばねと被覆チューブ内部との間の接触面における摩擦がプレナムばねが解放されるように打ち負かされるまで、プレナムばねの被覆チューブ内部に対するプレナムばねの圧力が増加する。圧力が過度に高くなる前に、プレナムばねが被覆チューブ内部に対するその把持を損失しない場合、被覆チューブは変形する危険がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−０２００６１号公報

本発明の目的は、接触表面の圧力が被覆チューブを変形させる危険があるまで上昇する以前に、被覆チューブ内部に対する自身の把持を緩めることを保証する働きを有するのと同時に小さなボリュームと共に比較的単純な構造を有する、プレナムばねを具備する原子力発電所用燃料棒を提供することである。

上記した目的は、原子力発電所の作動中に被覆チューブのプレナムばねの第２部分の係合を解放可能にする第３部分を備えることを特徴とする、当初規定した種類のプレナムばねによって達成される。プレナムばねは作動中に実行する働きを何れも有さないため、被覆チューブに対するプレナムばねの圧力が少なくとも被覆チューブの変形の危険が存在する圧力レベより上に増加しないように阻止することが重要である。被覆チューブ内のプレナムばねの第２部分の係合を解放可能にする、プレナムばねのそのような第３部分は、作動と関連するパラメーターによって適切に付勢される。作動と関連するそのようなパラメーターはペレット柱の長さとし得る。したがって、このペレット柱の長さは増加した温度のために作動中に延伸される。通常、ペレット柱は、較的多くの燃料ペレット（約１ｃｍの高さで約３００−４００の程度の燃料ペレット）を備えるから、ペレット柱の長さの変動は作動中に比較的大きくなり得る。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記第３部分は、プレナムばねの第１長さ可変部分が特定の長さ未満に圧縮される場合のそのような解放を許容する。結果的に、プレナムばねの第１部分は、ペレット柱の上側燃料ペレットに当接する、端部部分を備えるから、第１部分は、作動中のペレット柱が加熱されて延伸されるときに圧縮される。作動中のプレナムばねの第１部分の圧縮は、プレナムばねの第２部分と被覆チューブとの間の接触面に増加した圧力を加える。第１部分が特定の長さ未満である場合、解放が始まるので、プレナムばねが被覆チューブの接触面に対しても働く、圧力が制限される。そのような特定の長さの適切な選択によって、係合表面の圧力が、被覆チューブが変形する危険がある場合の圧力レベルを超過しないことが保証される。プレナムばねの第２部分の係合の解放は、被覆チューブのプレナムが上向きに変位することに帰着する。好ましくは、前記第３部分は、第１部分が前記特定の長さに圧縮される場合に、ペレット柱の最も外側に位置するペレットとの接触を得るために配置された当り部分を備える。前記第１部分が前記特定の長さ未満に圧縮されるように、ペレット柱が延伸されると、ペレット柱は当り部分を上向きに変位させる。したがって、第３部分は、プレナムばねの第２部分の係合を解除させるために使用し得る、変位運動を得る。接触面での摩擦を打ち負かしそしてプレナムばねが被覆チューブ内で上向きに解放かつ変位され得るように、被覆チューブ内部に対する第２部分の圧力はこれにより減少する。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、第２部分は、被覆チューブの内表面に対する前記半径方向外向きに向けられた圧力が加えられるそのような寸法の外径を有する螺旋形状延伸部を具備する電線要素を備える。その結果として、第２部分は、無負荷状態で、被覆チューブの内径を超える外形を具備する。従って、被覆チューブにプレナムばねを取り付けるためには、第２部分の直径は適切な工具によって圧縮しなければならない。あるいは、被覆チューブはこの圧縮を行わなければならないし、そしてプレナムばねは摩擦抵抗に対して取り付けらなければならない。モンタージュ(montage)中のスプリングが内向きに“ねじ込まれる”ように、ばねの上昇方向にばねを回転させることによって、摩擦抵抗は明らかに減少し得る。第２部分は、被覆チューブに適切なレベルで被覆チューブの内表面に対する外向きに向けられた圧力でプレナムばねが固定されるように膨張することを許容される。有利なことに、前記第３部分は、第２部分の螺旋形状の電線要素の延伸部分を構成する、電線要素を備える。第２部分の電線要素そのような延伸部は、単純な態様で、第３部分の当り部分から第２部分の螺旋形状の電線要素までの運動の伝達を許容する、構造体を構成する。有利なことに、第３部分からの変位運動は、第２部分の外径が縮小され、しかもプレナムばねが被覆チューブ内での係合から解放されることを許容することに帰着する軸線方向での螺旋形状第２部分を延伸し得る。好ましくは、第３部分は、終端当り部分に向かう方向に被覆チューブ内部の主要な軸線方向延伸部を備える。したがって、第３部分は、第２部分を解放する変位運動を伝達するために単純ではあるが機能的な構造を得る。有利なことに、第３部分の軸線方向延伸部は被覆チューブの中央に実質的に存在する。したがって、プレナムばねは対称な構造を得る。また、第３部分は第２部分の螺旋形状構造によって画定される、空洞を貫通して延伸し得る。

本発明の別の好ましい実施形態によれば、第１部分は、被覆チューブの内径未満である、外径を有する螺旋形状延伸部を有する電線要素を備える。螺旋ばね形態をしたそのような第１部分は、燃料ペレットの変位が輸送の間に阻止されるように、ペレット柱に対するばね圧を効果的に加える。有利なことに、プレナムばねは、一体部片の電線要素から構成される。したがって、小さなボリュームを有しかつ製造が単純なプレナムばねが得られる。そのようなプレナムばねはステンレス鋼で製造し得る。ステンレス鋼は、比較的単純な態様で一体部片のプレナムばねに構成し得る材料である。ステンレス鋼は、比較的安く、良好な腐食抵抗及び良好な強度並びに弾発特性を有している。プレナムばねが比較的小さなボリュームを吸収するので、中性子吸収性も比較的小さくなる。あるいは、プレナムばねは、ステンレス鋼より低い中性子吸収性を有しているが、弾発特性では劣っている、ジルコニウム基合金のようなより高価な材料で作り得る。

以下に、本発明の好ましい実施形態の実施例を添付図面を参照して記述する。

図１は燃料棒１の上側部分及び下側部分を示す。燃料棒１は、第１上側端部で第１端部栓３によって、及び第２下側端部で第２端部栓４によって密封される被覆チューブ２を備える。上側及び下側は、燃料棒１が原子炉容器に取り付けられる際の部品の位置を意味する。複数の燃料ペレット５は、被覆チューブ２の内部で互いの上に積み重ねられてペレット柱を構成する。プレナムばね６は、下向きにはペレット柱の最上部に位置する燃料ペレット５によって、及び上向きには被覆チューブの第１端部栓３によって拘束される被覆チューブ２内の空間７に配置される。空間７は、核分裂気体を受容するタスクを有する。これらの核分裂気体は原子力発電所の稼動中の燃料を放射する間に創出される。プレナムばね６は、最上部に位置する燃料ペレット５に対してばね圧を働かせ、かつ従って被覆チューブ２の第２端部に対してペレット柱を保持するように配置される。燃料棒が原子炉容器中で取り付けられる場合、燃料棒は鉛直な延伸部分を有している。また、ペレット柱は第２下側端部プラグ４に対して正しい位置に重力によって保持される。燃料棒１が原子炉容器に取り付けられる前に、燃料は搬送されて、水平位置に少なくとも部分的に設置される。プレナムばね６のタスクは、ペレット柱がこの搬送中に燃料棒１内で移動したり又は分離するのを阻止することである。

図２は図１のプレナムばねをより詳細に示す。プレナムばね６は、被覆チューブ２の内径より小さい外径を有する螺旋状延伸部を具備する電線要素を備える。したがって、第１部分８は、被覆チューブ２内で妨げられない態様で長さを変え得る。第１部分８は端部部分９を備える。この端部部分はペレット柱の最上部に位置する燃料ペレット５に当接するように配置される。プレナムばねは、電線要素を有する第２部分１０を備える。この第２部分１０は、第１部分８の電線要素の継続部を構成する。第２部分１０の電線要素は螺旋状延伸部も有しているが、第１部分８より大きな直径を有している。第２部分１０の外径は、取り付けられた状態では圧縮される。その結果、第２部分１０が被覆チューブ２の内表面に対して半径方向外向きに向けられた圧力を働かせる。被覆チューブ２の内表面に対する第２部分１０の圧力によって、プレナムばね６は、空間７内の所望位置に固定されることが可能となる。最後に、プレナムばね６は、電線要素を有する第３部分１１を備える。この第３部分は、第２部分１０の電線要素の継続部を構成する。第３部分１１は、実質的に１８０°の曲げを有する湾曲部分１１ａ並びに直線部分１１ｂを備える。湾曲部分１１ａは、プレナムばねの第２部分１０を直線部分１１ｂに連結し、かつ実装中にプレナムばね６を把持するために適切に形作られる。直線部分１１ｂは、終端当り部分１２に向かう方向に被覆チューブ２内部中央に実質的に軸線方向の延伸部を備える。直線部分１１ｂは、ここではプレナムばね６の螺旋形状第１部分８及び第２部分１０の両方を貫通して延伸する。最終的に、プレナムばね６は１部片の電線要素によって構成される。プレナムばねに終端第３部分１１が設けられている手前で、プレナムばねが第１部分８及び第２部分１０の螺旋経路に沿って延伸するように、上記に言及した種類のプレナムばね６は、曲げられた太線又は細い棒によって構成し得る。好ましくは、電線又は棒は、実質的に円弧状横断面を備え、かつステンレス鋼で製造されるという利点がある。ステンレス鋼は比較的安く、良好な腐食抵抗及び良好な強度特性を有する。プレナムばねは、そのような小さなボリュームを吸収するので、ここでの中性子吸収は比較的小さくなる。あるいは、低中性子吸収性、良好な腐食抵抗及び良好な強度特性を有するジルコニウム基合金のようなより高価な材料を使用し得る。

プレナムばね６は、該プレナムばね６が被覆チューブ２内に下降可能にするように、プレナムばね６の第２部分１０の直径を縮小する能力を有する特殊工具によって燃料棒に取り付け得る。プレナムばね６が、被覆チューブ２の所望位置まで下降された場合、第２部分１０はばね圧によって、被覆チューブ２の内表面に当接するように半径方向に拡張可能にされる。あるいは、被覆チューブはこの圧縮を行なわなければならないため、プレナムばね６は摩擦抵抗に対して取り付けられる。摩擦抵抗は、プレナムばね６が被覆チューブ２内にねじ込まれるように、プレナムばねを回転させることによって摩擦抵抗は明らかに減少する。第２部分１０の半径方向外向きに作用するばね圧は、プレナムばね６が被覆チューブ２に固定されることに帰着する。プレナムばね６の固定位置では、第１部分８の端部部分９は、ペレット柱の最上部に位置する燃料ペレット５に対するばね圧によって配置される。ここでの第３部分１１の当り部分１２は、ペレット柱の最上部に位置する燃料ペレット５から距離を置いて位置する。プレナムばね６が被覆チューブ２に取り付けられた後、上側端部栓３は、被覆チューブ２の上側端部に溶接される。プレナムばね６は上側端部栓３から適切な距離で被覆チューブ２内部に固定されるので、ばね材料が溶けて溶接継手のクラッド材料と混じり合う危険性はない。最終的に取り付けられた燃料棒１の輸送中に、プレナムばね６の第２部分は被覆チューブ２の内表面に対して固定される。また、長さ可片第１部分８は、ばね圧によってペレット柱に当接する。燃料棒１が水平姿勢で提供されるか、あるいはペレット柱の変位運動を始める輸送運動に晒される場合、そのような運動は第１長さ可変ばね部分８まで直ちに減じられる。その後、第１部分８は元の正しい位置までペレット柱を戻して取り除く。

輸送後、燃料棒１は、原子力発電所の原子炉容器に配置される。燃料棒１は原子炉容器５に鉛直な姿勢に配置される。また、燃料ペレット５は、ここで、それ自身の重量によって燃料棒１の内の意図した場所に保持される。ここで、プレナムばね６はもはや実行する何れの働きもしない。原子力発電所の動作中に、燃料ペレット５は加熱される。燃料ペレット５は拡張され、従って複数の燃料ペレット５を含むペレット柱はこうして無視できない延伸部分を得る。ペレット柱が延伸される場合、プレナムばねの第１部分８が圧縮される。プレナムばねの第１部分８からの圧縮圧が増加する時、被覆チューブ２の内表面に対する第２部分の圧力が増加する。圧縮圧が十分に高い値に達する場合、第２部分１０が解放されかつプレナムばね６が上向きに移動されるように、第２部分１０と被覆チューブの内表面との間の摩擦は克服されるべきである。プレナムばねの第３部分１１のタスクは、被覆チューブ２確かに変形される危険がないように、そのような解放を可能にすることである。長さ可変第１部分８が特定長さまで圧縮される場合、第３部分１１の当り部分１２は上側燃料ペレット５との接触を得る。第１部分が前記特定長さ未満に圧縮されるように、ペレット柱は更に延伸されると、ペレット柱は、当り部分１２によって第３部分１１の直線部分１１ｂを上向きに移動させる。したがって、第３部分の湾曲部分１１ａは、第２部分１０に対する上向きに向けられた運動を変える。これにより、第２部分１０は上向きに移動されかつ軸線方向に延伸部を得る。そのような延伸部分は、第２部分の外径が縮小されかつプレナムばねが上向きに解放されて移動され得るように、被覆チューブ２の内表面に対する圧力が減少することに帰着する。最終的に、第１部分が特定長さに圧縮される場合、第３部分の当り部分１２は、最上部の燃料ペレット５との接触を得る。この特定長さの適切な選択によって、被覆チューブの内表面に対する第２部分１０の圧力が、被覆チューブが変形される危険性がある圧力レベルを超過しないことが保証される。

本発明は、図面に記述された実施形態にどのようにも限定されないが特許請求の範囲内で自由に変更し得る。

本発明による燃料棒を示す図である。 本発明によるプレナムばねを示す図である。

符号の説明

１ 燃料部
２ 被覆チューブ
３ 第１終端栓
４ 第２終端栓
５ 燃料ペレット
６ プレナムばね
７ 空間
８ 第１部分
９ 端部部分
１０ 第２部分
１１ 第３部分
１１ａ 湾曲部分
１１ｂ 直線部分
１２ 当り部分

Claims (16)

1. 原子力発電所用核燃料棒であって、
   前記燃料棒（１）が、
   第１端部で第１終端プラグ（３）により及び第２端部で第２終端プラグにより密封された被覆チューブ（２）と、
   ペレット柱を構成するように前記被覆チューブ（２）内部で互いの上に積み重ねられた複数の燃料ペレットと、
   少なくとも搬送の間、前記被覆チューブ（２）の第２端部に向けてばね力によって前記ペレット柱を保持するために前記燃料棒（１）の空間（７）内に配置されたプレナムばね（６）と、を備え、
   前記プレナムばね（６）が、
   前記ペレット柱の最上部に位置する燃料ペレット（５）が端部部分（９）に当接するように配置された第１長さ可変部分（８）と、
   半径方向外向きに向けられた圧力によって前記被覆チューブ（２）の内表面に対する前記プレナムばね（６）の係合を可能にするように配置された第２部分（１０）と、
   を備える燃料棒において、
   前記プレナムばね（６）は、前記原子力発電所の作動中に前記被覆チューブ（２）の該プレナムばね（６）の前記第２部分（１０）の係合を解放可能にする第３部分を備え、
   前記第３部分（１１）は、前記プレナムばね（６）の第１長さ可変部分（８）が特定の長さ未満に圧縮される場合の解放を可能になし、
   前記第３部分（１１）は、前記第１長さ可変部分（８）が前記特定の長さに圧縮される場合に、前記ペレット柱の最も外側に位置する燃料ペレット（５）との接触を得るべく配置された当り部分（１２）を備えることを特徴とする燃料棒。
2. 前記第２部分（１０）は、前記被覆チューブ（２）の内表面への前記半径方向外向きに向けられた圧力が加わるような寸法の外径を有する螺旋形状延伸部を具備する電線要素を備えることを特徴とする、請求項１に記載の燃料棒。
3. 前記第３部分は、前記第２部分（１０）の螺旋形状電線要素の延伸部から成る電線要素（１１）を備えることを特徴とする、請求項２に記載の燃料棒。
4. 前記第３部分は、終端の前記当り部分（１２）に向かう方向に前記被覆チューブの主要軸線方向延伸部（１１ｂ）を備えることを特徴とする、請求項１または請求項３に記載の燃料棒。
5. 前記第３部分（１１ｂ）の軸線方向延伸部が、前記被覆チューブ（２）の中央に実質的に存在することを特徴とする、請求項４に記載の燃料棒。
6. 前記第１長さ可変部分（８）は、前記被覆チューブ（２）の内径未満である外径を有する螺旋形状延伸部を具備する電線要素を備えることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料棒。
7. 前記プレナムばね（６）が一体の電線要素によって構成されることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のプレナムばね。
8. 前記プレナムばね（６）がステンレス鋼から製造されることを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のプレナムばね。
9. 原子力発電所用核燃料棒に設けるべく配置されたプレナムばねであって、
   前記燃料棒（１）が、
   第１端部で第１終端プラグ（３）により及び第２端部で第２終端プラグにより密封された被覆チューブ（２）と、
   ペレット柱を構成するように前記被覆チューブ（２）内部で互いの上に積み重ねられた複数の燃料ペレットと、
   少なくとも搬送の間、前記被覆チューブ（２）の第２端部に向けてばね力によって前記ペレット柱を保持するために前記燃料棒（１）の空間（７）内に配置されたプレナムばね（６）と、を備え、
   前記プレナムばね（６）が、
   前記ペレット柱の最上部に位置する燃料ペレット（５）が端部部分（９）に当接するように配置された第１長さ可変部分（８）と、
   半径方向外向きに向けられた圧力によって前記被覆チューブ（２）の内表面に対して前記プレナムばね（６）の係合を可能にするように配置された第２部分（１０）と、を備えるプレナムばねにおいて、
   前記プレナムばね（６）は、前記原子力発電所の作動中に前記被覆チューブ（２）の該プレナムばね（６）の第２部分（１０）の係合を解放可能にする第３部分を備え、
   前記第３部分（１１）は、前記プレナムばね（６）の第１長さ可変部分（８）が特定の長さ未満に圧縮される場合の解放を可能になし、
   前記第３部分（１１）は、前記第１長さ可変部分（８）が前記特定の長さに圧縮される場合に、前記ペレット柱の最も外側に位置する燃料ペレット（５）との接触を得るべく配置された当り部分（１２）を備えることを特徴とするプレナムばね。
10. 前記第２部分（１０）は、前記被覆チューブ（２）の内表面への前記半径方向外向きに向けられた圧力が加わるような寸法の外径を有する螺旋形状延伸部を具備する電線要素を備えることを特徴とする、請求項９に記載のプレナムばね。
11. 前記第３部分が、前記第２部分（１０）の螺旋形状電線要素の延伸部から成る電線要素（１１）を備えることを特徴とする、請求項１０に記載のプレナムばね。
12. 前記第３部分が、終端の前記当り部分（１２）に向かう方向に前記被覆チューブの主要軸線方向延伸部（１１ｂ）を備えることを特徴とする、請求項９または請求項１１に記載のプレナムばね。
13. 前記第３部分（１１ｂ）の軸線方向延伸部が、前記被覆チューブ（２）の中央に実質的に存在することを特徴とする、請求項１２に記載のプレナムばね。
14. 前記第１部分（８）は、前記被覆チューブ（２）の内径未満である外径を有する螺旋形状延伸部を具備する電線要素を備えることを特徴とする、請求項９から請求項１３までのいずれか１項に記載の燃料棒。
15. 前記プレナムばね（６）が一体の電線要素によって構成されることを特徴とする請求項９から請求項１４までのいずれか１項に記載のプレナムばね。
16. 前記プレナムばね（６）がステンレス鋼から製造されることを特徴とする、請求項９から請求項１５までのいずれか１項に記載のプレナムばね。

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