JP5069002B2 - 加圧水型原子炉の燃料要素用矯正装置 - Google Patents

Description

本発明は、加圧水型原子炉の燃料要素用矯正装置に関する。

核工学施設、特に原子力発電所では、通常、電気エネルギーを発生するために核分裂可能な材料が制御下の核分裂を受ける。その際、核分裂可能な材料は複数の燃料棒内に蓄えられており、燃料棒内で材料は、例えばいわゆるペレットの態様で好適な被覆管によって取り囲まれている。その際、多数のこのような燃料棒がふつう１つの燃料要素にまとめられている。原子力発電所は数多くのこの燃料要素を有し、これらの燃料要素は実質的に縦長な直方体状に、または特に縦長な正方形状にも、成形され、炉心内にある。その際、これらの燃料要素は炉心内にある燃料要素貯蔵ラック内に並置されており、隣接燃料要素は比較的小さな相互距離で位置決めされている。核反応を制御するために複数のこの燃料要素が制御要素、いわゆる制御棒またはコントロールロッドを有し、これらの制御棒は燃料要素内に収容された制御棒案内管を通して燃料要素内に持ち込まれる。制御棒を収容していない燃料要素内では、制御棒案内管がいわゆる絞り体によって閉鎖されている。これらの絞り体は、冷却材の通過を炉心にわたって均一に配分するために必要とされている。

原子炉の運転時間が経過するにつれ、燃料要素内に収容された核燃料が使用済となり、その結果、燃料要素は時々交換されねばならない。このため、使用済燃料要素を炉心から燃料要素貯蔵プール内に運び、未使用の新鮮な燃料要素または単に一部だけ使用済の燃料要素を燃料要素貯蔵プールから炉心内に運ばねばならない。燃料要素の交換は一般に、数ヶ月、特に１２〜１８ヶ月の原子力発電所運転サイクル後に行われる。そのため、原子力発電所を停止して炉心を無圧にしなければならない。圧力容器蓋を取り外し、さまざまな組込物を取り出すことによって、炉心は上部から接近可能になる。これは、露出する炉心用に水遮蔽を得るために原子炉ウェルに注水して行われる。

燃料要素交換中、発生するエネルギーの生産損失を極力僅かなものに抑えるために、極力短い時間内に燃料要素交換を行うように努められる。燃料要素交換のために一般に、クレーン状昇降装置として構成されるいわゆる燃料要素装入機が使用されている。この装入機は、原子炉ウェルの上方に配置される相応するクレーン構造体によって、交換すべき燃料要素のさまざまな位置に接近することができ、相応に構成された把持装置を利用して１つの燃料要素を垂直方向上方への運動で燃料要素貯蔵ラックまたは炉心から引き出すことができる。その際、この把持装置は、その都度１つの燃料要素および１つの制御棒を個々に、また選択的に燃料要素および制御棒を一緒に持ち上げて移動させることが一般に可能であるように構成されている。

しかし核工学施設、特に加圧水型原子炉において燃料要素を交換するとき、燃料棒に作用する放射性放射、温度、圧力および希ガス等の運転上の諸影響が燃料棒の変形をもたらすことがある。この変形は、一方で燃料要素縦方向での曲がりとして、または捩れの態様の縦軸線に対する燃料要素の捩れとしても、現れることがある。

これらの変形は、１つの燃料要素の交換時に隣接燃料要素が互いに衝突し得ることによって、燃料要素の交換を著しく困難にする。これが生じるのは、１つの燃料要素を垂直に引き上げるとき、隣接燃料要素の間に不可欠な間隔が、燃料要素の変形のゆえに幾つかの個所ではもはや存在しないからである。

燃料要素交換時に燃料要素が衝突すると、個々の燃料要素が破損することがある。さらに、特に炉心の１つの空白箇所への１つの燃料要素の装荷が隣接燃料要素の変形のゆえに成功しないことが有り得る。その場合一般に、反復的処理様式によって、装入機を何度も回転させたり、横に走行させることで１つの燃料要素を炉心内に装荷するように努められる。この処理様式は、一般に１つの燃料要素を炉心内に装荷する試みが何度も行われるので、きわめて時間を要し、それに伴って生産停止時間が長くなることから、きわめてコスト高となる。

そこで本発明の課題は、燃料要素を比較的簡単かつ迅速に矯正することのできる上記加圧水型原子炉の燃料要素用矯正装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、矯正装置が縦方向に延びる１つの矯正体を有し、複数の側板で形成される矯正体の複数の側面が休止位置から縦方向に対して垂直に変位可能であり、矯正体の複数の側面の横断面寸法が、休止位置において、標準燃料要素の相応する横断面寸法よりも予め定めた基準値だけ小さく選択されていることによって解決される。

その際、矯正装置による燃料要素の形状修正に基づいて燃料要素の交換および特に炉心空白個所への１つの燃料要素の装荷が可能となるように、変形した燃料要素を相応する矯正装置で矯正しなければならないとの考えから、本発明は出発している。それゆえに、この矯正装置は、隣接燃料要素を矯正して空白個所に１つの新たな燃料要素を装荷するために、燃料要素貯蔵ラックの１つの空白個所に設置可能でなければならない。その際、隣接燃料要素が変形している場合でも簡単にかつ隣接燃料要素に接触することなく、矯正装置を空白位置に運び入れることができるようにするために、矯正装置の横断面は、炉心への挿入時に隣接燃料要素の変形のゆえに矯正装置が隣接燃料要素と衝突することのないように、相応する標準燃料要素の横断面よりも小さくなければならない。休止位置において矯正装置の矯正体の横断面を制限することによって、矯正装置は炉心内の１つの空白個所に設置することができる。そのことから出発して、隣接燃料要素に修正作用が行われるようにするために、矯正装置は複数の可動側板を備えている。これらの側板は、隣接燃料要素の変形を矯正体に向き合うその全面にわたって、相応に修正することができる。このために、２つの対向する側板が休止位置から矯正装置のそれぞれ横方向に変位することによって矯正体の横断面は変化し、特に矯正のため拡大させることができる。その際、矯正装置はそれに隣接する２つの燃料要素の間でそれらとの接触個所によって取り囲まれているとき、それぞれ横方向両側で支えられている。矯正されるべき燃料要素はそれ自体、隣接燃料要素によって、矯正装置とは反対の側で支えられている。

燃料要素の変形が比較的大きい場合でも矯正装置を１つの空白個所に挿入できるようにするために、矯正装置の基準値は有利には１６ｍｍである。

矯正体の１つの側板を矯正装置に対して変位可能に保持するために、１つの側板に有利には複数の連結ガイドが付設されており、これらの連結ガイドを介して１つの側板は対応する変位ピンを介して矯正装置に取り付けられている。これらの連結ガイドは目的に適うべく、変位ピンの縦方向運動を側板の縦方向に対して垂直な運動に変換するように構成されている。

矯正装置の縦軸線に対して正確に垂直な方向への側板の変位を保証するために、かつ１つの側壁を矯正装置に固着するための十分な安定性を確保するために、１つの側板は好ましくは１つの取付部品としての保持板にそれぞれ複数の案内溝を有し、これらの案内溝は側板の縦方向に対して垂直に延び、また案内溝内にそれぞれ１つの付属する保持ピンが係合し、この保持ピンは矯正装置の１つの支持架枠に固着され、前記案内溝の内部で運動しかつ、保持板および側板の変位を案内するように構成されている。

燃料要素の矯正作業時に矯正装置の複数の側板を、特にすべての側板も、一緒に変位可能に保持するために、連結ガイドに対応した複数の変位ピンは好ましくは１つの固着装置を介して互いに結合されており、この固着装置は矯正装置の縦方向で液圧式または機械式に運動することが可能となっている。このような配置では、変位可能な側板の矯正運動が固着装置の運動を介して制御可能である。

燃料要素に対する矯正作業が反復可能であり、矯正装置を炉心の空白個所に挿入しまたはそこから引き出す際に矯正装置の矯正体が休止位置に在るようにすべく、隣接燃料要素との衝突を避けるために、好ましくは、拡開位置を監視するための１つの表示装置が設けられている。

矯正装置の固着装置をアクセス可能に保持しかつ固着装置を特に運動可能にして矯正作業を実行するために、固着装置は好ましくは矯正装置の可動頭部と結合されている。したがって、矯正装置頭部の運動を介して矯正作業は制御もしくは実行することができる。

炉心内での矯正装置の設置用に装入機を使用でき、かつ装入機で矯正作業を実行できるように、矯正装置の頭部は主に標準燃料要素の燃料要素頭部と同一に寸法設計されている。この寸法設計によって、矯正装置は装入機の把持装置について燃料要素と互換性を有している。

本発明で達成される諸利点は、特に、上記矯正装置で加圧水型原子炉の燃料要素を簡単かつ比較的迅速に矯正することができ、ないしは燃料要素の変形を修正することができ、炉心内に燃料要素を装荷する無駄な試みの結果としての時間損失が生じないので、炉心内への燃料要素の装荷が比較的迅速に行うことが可能であるということにある。これにより、原子力発電所の整備サイクル中、交換すべき全燃料要素の交換用の時間とそれに伴う生産停止時間が減少する。

矯正装置の他の利点は、矯正装置によって１つの燃料要素をその全長にわたって矯正可能であるので、矯正すべき燃料要素の変形箇所を同定する必要がないことにある。それに加えて、１つの休止位置において、矯正作業を実行する際には、拡開運動を数回繰り返すことによって、矯正作業は燃料要素が十分に矯正されるまで任意の回数繰り返すことができる。矯正装置は特に、純機械式に、補助エネルギーの供給なしに、その動的コンポーネントを動かすように設計しておくこともできる。

矯正装置の頭部を燃料要素頭部と同一に寸法設計することによって、燃料要素装入機は、輸送用にも矯正作業実行用にも使用することができるので、炉心内もしくは原子炉ウェル内には矯正装置運転用に付加的インフラストラクチャーが必要でなくなる。それ以外にも、矯正装置はその寸法設計のゆえに、燃料要素グリッド内の１つの空白個所を一時的に占有するとき、スペーサの態様のいわゆる燃料要素絶縁体または支持絶縁体として使用するのにも特に適している。それに加えて、矯正装置横断面の好適な寸法設計によって、上昇および下降時の燃料要素と矯正装置との間の摩擦力が特に好適に保たれることになる。

本発明の１実施形態が図面に基づいて詳しく説明される。

すべての図において同じ部品には同じ符号が付けられている。

図１には、燃料要素１を有する加圧水型原子炉の炉心が略平面図で示されており、燃料要素は多数の燃料棒２を収容している。その際、図１から認めることができるように、燃料棒は炉心内で縦方向に立てることによって、比較的僅かな相互距離で配置されている。

燃料要素１を矯正しもしくはその側壁の変形を修正するために、図２には燃料要素１用矯正装置６が示されている。この矯正装置は、燃料要素１を矯正するために、特に隣接燃料要素１が変形している場合でも加圧水型原子炉の炉心の１つの空白個所に設置できるように寸法設計されている。このため、矯正装置６は、休止位置において燃料要素１よりも小さな横断面を有するように、その横断面が寸法設計されている。図２から認めることができるように、矯正装置は、１つの矯正体８と１つの頭部１０と１つの基部１２とで構成されることによって、その外輪郭が燃料要素１と同様に実施されており、炉心内で、または燃料要素貯蔵ラック４内でも、設置することができる。燃料要素１を矯正できるようにするために、矯正装置６の矯正体８は縦方向に延長されており、その複数の側面は、縦方向に対して垂直におよびそれとともに休止位置から横方向に変位可能な複数の側板１４で形成されている。その際、これらの側板１４は、矯正体８の複数の側面の横断面寸法が側板１４の休止位置において、燃料要素１の横断面寸法よりも予め定めた基準値だけ小さく選択されているように寸法設計されている。さらに、側面１４の横方向変位によって、矯正体８の横断面は制御下に拡大可能となっている。

図３による多少詳細化した図示から読み取ることができるように、矯正体８の複数の側板１４を矯正作業用に変位可能に保持するために、これらの側板に複数の連結ガイド１６が付設されており、これらの連結ガイドを介してこれらの側板１４は、対応する変位ピン１８によって矯正装置６に取り付けられ、連結ガイド１６は、変位ピン１８の縦方向運動を縦方向に対して垂直な側板１４の運動に変換するように構成されている。このため、連結ガイド１６は、側
板１４と結合された補強リブ２０に設けられている。

矯正作業時に側板１４の運動が矯正装置６の縦方向に対して垂直な方向で極力直線状に延び、側板１４が十分に安定して矯正装置６に取り付けられるように、変位可能な各側板１４にそれぞれ複数の案内溝１９が付設されており、案内溝は矯正体８の縦方向に対して垂直に延び、また案内溝内にそれぞれ１つの対応する保持ピン１７が係合し、この保持ピンはそれぞれ１つの支持架枠７に取り付けられている。前記支持架枠７は、断面矩形中空状の長尺スリーブとして、図１，２に示されている。

１つの矯正装置６の複数の側板１４を、特にすべての側板１４も、燃料要素１の矯正作業時に一緒に変位可能に保持するために、変位ピン１８用のすべての担持板が１つの連動手段２４を介して互いに結合されており、この連動手段は側板１４に対して休止位置から矯正装置６の縦方向で液圧式または機械式に運動可能である。その際特に、頭部１０の矯正体８の縦方向の選択的運動によって昇降運動または接近運動の様式で所要の出力が加えられることによって、実施可能となっている。

頭部１０での昇降運動（燃料要素把持装置の上昇と下降）を数回繰り返すことによって、支持兼案内スリーブの内部を変位可能な軸を介して１つの昇降機構が操作され、この昇降機構は、中心に配置される昇降シリンダと結合されている。昇降シリンダから結合棒によって連動手段が動かされている。昇降運動の方向を機械式に転換させることのできる操作要素が昇降シリンダの端位置にあり、これにより更なる昇降運動において拡開作業または矯正作業が繰り返される。

燃料要素１を移動させる燃料要素装入機を輸送と矯正装置６の矯正作業の制御とに使用できるようにするために、頭部１０は燃料要素１の頭部と同一寸法に設計されている。

燃料要素１の変形が比較的大きい場合でも矯正体８を、従って矯正装置６も、炉心内の１つの空白個所で設置できるようにするためには、基準値は１６ｍｍである。矯正体８の横断面寸法を一層具体的に示すために、矯正装置６が図４に横断面図で示されている。その際、矯正体８は側板１４の直列位置で示されている。それに対して、破線で作動位置が示されており、この位置のとき、側板１４は矯正作業を実行するために予め定めた基準値だけ外方に張り出しており、矯正用に必要な横断面拡大が生じている。

加圧水型原子炉の炉心の平面図である。 矯正装置の縦断面図である。 図２の部分図である。 図２の矯正装置の横断面図である。

１ 燃料要素
２ 燃料棒
６ 矯正装置
８ 矯正体
１０ 頭部
１２ 基部
１４ 側板
１６ 連結ガイド
１７ 保持ピン
１８ 変位ピン
１９ 案内溝
２０ 補強リブ
２２ 保持板
２４ 連動手段

Claims (7)

1. 複数の燃料棒をまとめることにより、矩形断面形状をする縦長の直方体状に形成した燃料要素（１）を、複数本、炉心内に配設してなる加圧水型原子炉の前記燃料要素（１）用矯正装置（６）であって、前記炉心の１つの空白個所に設置できるような外形寸法で縦方向に延びる１つの矯正体（８）を有し、前記矯正体（８）は、前記燃料要素（１）と同様の矩形断面形状を有するものとし、さらに、この矩形断面の４辺の側面部に配設され、かつ、前記燃料要素の側面に対向配置されて縦方向に一定の長さを有する４つの側板（１４）を備えており、前記矯正体（８）の矩形断面寸法は、矯正体が燃料要素の矯正作業を実行しない休止位置において、前記燃料要素の矩形断面寸法よりも予め定めた基準値だけ小さく選定されており、さらに、前記４つの側板（１４）を、矯正作業時には、それぞれ、前記矯正体（８）の休止位置から縦方向に対して垂直に変位可能に構成することにより前記矯正体（８）の矩形断面寸法を拡大可能とし、これにより、前記縦方向に一定の長さにわたって前記燃料要素を矯正可能とした、矯正装置。
2. 前記基準値が１６ｍｍである請求項１に記載の矯正装置。
3. 前記矯正装置の変位可能な複数の側板（１４）に１つまたは複数の連結ガイド（１６）が付設されており、前記連結ガイドを介して前記側板（１４）は、対応する変位ピン（１８）を介して矯正装置（６）に組み付けられており、前記連結ガイド（１６）は前記変位ピン（１８）の縦方向運動を、縦方向に対して垂直な側板（１４）の運動に変換するように構成されている、請求項１または２に記載の矯正装置。
4. 変位可能な前記各側板（１４）に取り付けた保持板（２２）にそれぞれ複数の案内溝（１９）が配置されており、前記案内溝は前記矯正体（８）の縦方向に対して垂直に延び、また前記案内溝内にそれぞれ１つの対応する保持ピン（１７）が係合し、この保持ピンが１つの支持架枠（７）に固着されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の矯正装置。
5. 前記側板（１４）に設けた連結ガイド（１６）に、対応する変位ピン（１８）が係合されて、変位ピン（１８）の縦方向運動が連結ガイドを介した側板（１４）の横方向運動を生ずるようにしてなり、前記変位ピン（１８）は、前記縦方向運動を行なう連動手段（２４）に設けた固着装置（９）に結合されており、前記連動手段（２４）は、前記支持架枠（７）内に、前記縦方向運動が可能なように間隙を設けて、液圧式または機械式により運動可能であるように配設されている、請求項４に記載の矯正装置。
6. 前記連動手段（２４）が、前記矯正装置の縦方向に運動可能な頭部（１０）と結合されている、請求項５に記載の矯正装置。
7. 前記矯正装置の頭部（１０）は、前記燃料要素の装入機の把持装置との互換性を有するようにするために、前記燃料要素の頭部と同一に寸法設計されている、請求項６に記載の矯正装置。

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