JP5254780B2 - 加圧水形原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Description

本発明は加圧水形原子炉の燃料集合体に関する。

かかる燃料集合体は、燃料棒束と、例えば正方形の複数のセルを備えた少なくとも１個のスペーサと、セルをそれぞれ貫通して延び第2材料から成る複数の案内管とを有し、その各セルは第１材料から成る少なくとも１つの帯板部分で境界づけられている。スペーサは案内管に軸方向に固定されている。スペーサと案内管がジルコニウム合金から成っているとき、溶接による結合が可能である。しかし一方の部品がインコネル（インコ社の商品名）あるいは鋼で作られ、他方の部品がジルコニウム合金例えばジルカロイで作られているとき、溶接結合は除外される。また、上述の材料は異なった熱膨張係数従って異なった熱膨張挙動を有するという問題がある。このために、燃料集合体が運転温度に加熱された際、溶接箇所およびろう付け箇所に応力が発生する。かみ合い結合は、燃料集合体が運転温度に加熱された際、もはや常温状態と全く同じ強度にはならなくなる傾向がある。独国特許出願公開第２２５９４９５号明細書と独国特許第２６０５５９４号明細書で公知の燃料集合体の場合、案内管とスペーサとの結合が、相対熱膨張運動が上述の結合の強度を弱めないように形成されている。これは、案内管に第１突起と第２突起が間接的にあるいは直接的に固定され、その第１突起が第１の軸方向位置に、第２突起が第２の軸方向位置にそれぞれ配置され、各突起がそれぞれ、帯板部分に開けられた窓に係合することによって達成されている。

本発明の課題は、異なった熱膨張係数を有する材料から成るスペーサと案内管が別の方式で互いに結合され、詳しくは特に、窓の領域における材料変形が少なくとも低減されるように結合されている、加圧水形原子炉の燃料集合体を提供することにある。

この課題は、請求項１の記載に応じて、異なった熱膨張係数を有する案内管と帯板部分とが熱膨張した際に、両者間に生ずる軸方向の相対運動により前記突起の側部と前記窓の窓枠を形成する縁部とが係合し、前記窓が案内管の長手方向に対して傾斜して延びる少なくとも１個の傾斜縁を有し、前記相対運動により前記突起の側部が前記傾斜縁に対して、あたかも、くさび部材を打ち込むように作用することによって、前記傾斜縁と前記突起の側部とが結合、いわゆる、くさび状結合をしていることによって解決される。
換言すれば、即ち、案内管がより大きく熱膨張した際には互いに離隔される突起の側面が、ないしは、帯板部分がより大きく熱膨張した際には互いに接近される突起の側面が、それぞれ窓のストッパ部（窓枠を形成する縁部）と協働するように案内管とスペーサを結合することによって解決される。これによってまず、スペーサと案内管の相対熱膨張運動時、前記の両部品間の機械的結合が緩まず、つまり、突起が窓の対応したストッパ部により強く押し付けられることによって対向部品においてより強固にされることが保証される。即ち、組立状態において、即ち室温において、運転状態における後での最終強度を得る必要はない。つまり、組立後に突起と窓のストッパ部との間に存在する僅かな隙間は、遅くとも運転温度に到達した際に消滅する。燃料集合体が加熱された際、スペーサと案内管との相対運動によって、窓のストッパ部の変形が生ずる。しかしこの変形は、室温において突起とストッパ部との間に存在する隙間のために小さく保たれる。窓の領域における大きな材料変形は、窓のストッパ部がスペーサあるいは案内管の長手方向に対して傾斜して延びる少なくとも１個の横側傾斜縁を有し、この傾斜縁が突起とくさび状結合を形成していることによって低減され、あるいは完全に防止される。この結合方式は、スペーサと案内管との相対運動が増大するにつれて、くさび作用のために、加熱の増大と共により強固にされる。互いに組み合わされた材料の熱膨張挙動におけるはっきりした相違は、傾斜縁の傾斜状態の程度によって適合することができる。窓縁部における帯板部分の変形は、突起に傾斜縁と協働する傾斜面が形成されていることによっても防止することができる。これによって、相対接触面が増大され、それに応じて、傾斜力に作用する力が分配される。これによって得られたより小さな面圧は、傾斜縁の領域において帯板部分に相応してより僅かな変形しか生じさせない。

他の有利な実施態様において、突起の上述の傾斜面が追加的に半径方向における傾斜位置を有し、窓の傾斜縁が円周方向において少なくとも部分的に引っ掛かり、その場合、帯板部分と案内管との相対移動時、帯板部分が半径方向内側に作用する分力で付勢される。このようにして、スペーサと案内管の相対運動時、帯板部分が上述の力の付勢によって案内管の円周面に押し付けられる。また、帯板部分が、突起と窓との間の軸方向に作用するアンダーカットを破って、半径方向外側に湾曲することが防止される。

原理的に、突起を案内管に直接設けることも考えられ、その突起は例えばマンドレル工具によって円周面から半径方向に押し出すことができる。しかし有利な実施態様において、突起は案内管に直接結合されず、上側ブッシュと下側ブッシュにより支えられるようにされている。これらの上下のブッシュは、案内管上をスライドし、案内管をスペーサの領域において軸方向に固定する。ブッシュの案内管への固定は、好適には、溶接によって行われるが、これは、ブッシュと案内管が互いに溶接できる材料、例えば両部品がステンレス鋼から成っていることを前提とする。突起付きのブッシュによって組立が容易にされる。ブッシュがまず、その突起が帯板部分の窓にきちんとはまり込むまでブッシュが差し込まれることによって、スペーサの上下にそれぞれ固定される。続いて、案内管がスペーサに固定されたブッシュの中を通される。突起が軸方向に作用するアンダーカット付きの窓から突き出なければならないので、必然的に、直径線的に対向して位置する両側突起間の掛かり幅は、例えば正方形のスペーサセルの内のり幅より大きくされる。従って、セルへのブッシュの挿入を可能にするために、帯板部分がまず半径方向外側に広げられねばならない。有利な実施態様において、突起はブッシュの外周面に直接ではなく、ブッシュのスペーサの側の端面から案内管の軸から離れる方向に延びるアームの外側面に配置されるようにされている。組立の際、アームが半径方向内側に押し込まれ、これにより、ブッシュがそのアームを先にしてセルの中に挿入される。突起が窓に到達したとき、アームが半径方向外側に跳ね戻り、突起が窓の背面に引っ掛かる。

他の有利な実施態様において、スペーサが４つの帯板部分で形成された複数の矩形セルを有し、ブッシュに帯板部分の中央にそれぞれ向けられた４個のアームが存在し、帯板部分がその上縁および下縁からそれぞれ案内管の軸から離れる方向に延び半径方向に広げられた収容部を有し、この収容部に、それに対応されたアームが軸方向且つ半径方向に入り込んで延び、その突起で窓に係合している。

他の有利な実施態様において、同様に、四方面の帯板部分で形成された複数の矩形のセルを有するスペーサが存在している。しかしそのブッシュは、その４個のアームがそれぞれセル隅域に向けられるように配置されている。各帯板部分のセル隅域に上側窓および下側窓が設けられ、その場合、アームの突起が、２個の上側窓ないし２個の下側窓に同時に係合している。この形態の利点は例えば、帯板部分がセル隅域において帯板中央域におけるより強固であり、それに応じて、運転状態において突起で与えられた力に、特に大きな変形や反りを生ずることなく耐える、という点にある。また、帯板部分の中央域が空いた状態にあり、この場所が例えば燃料棒を半径方向に支持するために用いるばね要素を配置するために使えるという利点がある。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

図１には、複数のスペーサ２によって横方向に保持された複数の燃料棒１から成る燃料棒束を有する加圧水形原子炉の燃料集合体が示されている。

さらに燃料集合体１は複数の案内管３を有している。案内管３とスペーサ２は、異なった熱膨張係数を有し互いに溶接できない異なった材料から成っている。図２、図４および図８の実施例において、案内管はスペーサより大きな熱膨張係数の材料から成っている。案内管３はステンレス鋼あるいはニッケル合金例えばインコネルから成り、スペーサ２はジルコニウム合金例えばジルカロイから成っている。図２Ａの実施例ではその関係が逆になっている。ここでは、スペーサが大きな熱膨張係数を有し、即ち、例えばインコネルあるいはステンレス鋼から成っている。これに対して案内管３はジルカロイなどで作られている。すべての実施例において、スペーサは互いに交差して配置された帯板４で構成され、その場合、スペーサのセル（格子目）５は四方面の帯板部分６により形成されている。スペーサ２は案内管３に軸方向に固定されている。この目的のために、上側軸方向位置Ｉと下側軸方向位置ＩＩにそれぞれ、４個の第１突起７ないし第２突起８が半径方向に突出している。これらの突起７、８は円周方向に等間隔に分布され、案内管３の管壁の半径方向外側に向けられたエンボス加工部により形成されている。第１突起７および第２突起８は互いに同じ回転方向位置に在り、ほぼ瘤（こぶ）状に形成されている。突起７、８は、セルの内部に位置され、帯板部分６に開けられた窓９を、軸方向に有効なアンダーカットを形成した状態で貫いている。

運転温度に加熱された際、案内管３の材料は、スペーサ２のジルコニウム合金より大きく膨張する。その結果、上側軸方向位置Ｉにおいて第１突起７が帯板部分６に対して上向きないし矢印１０の方向に相対運動し、下側軸方向位置ＩＩにおいて第２突起８が下向きないし矢印１２の方向に相対運動する。その際、突起７、８は、この場合において窓９の傾斜縁１３で形成されているストッパ部に押し付けられる。傾斜縁１３は案内管３の中心長手軸線１４に対して傾斜して延びている。軸方向位置Ｉにおける傾斜縁１３は矢印１２の方向に開いた鋭角を成し、軸方向位置ＩＩにおける傾斜縁１３は矢印１０の方向に開いた鋭角を成している。矢印１０および矢印１２の方向における案内管３の相対運動が増大するにつれて、突起７、８はその矢印１０ないし矢印１２の方向に向いた側面が、窓９の傾斜縁１３に押し付けられる。突起７、８は傾斜縁１３とくさび滑り継手のように協働する。案内管３の相対熱膨張が増大するにつれて、突起７、８が窓９の狭い領域にますます押し込まれる。これにより、スペーサと案内管３との結合が加熱中により強固になる。

図２Ａの実施例は、図２における実施例とは、案内管の材料がスペーサの材料より小さな熱膨張係数を有する点で相違している。案内管３は例えばインコネルあるいはステンレス鋼から成り、これに対して、スペーサはジルコニウム合金例えばジルカロイから成っている。運転温度に加熱された際、熱膨張関係は図２の場合と逆になる。上側軸方向位置Ｉにおける突起７は、スペーサ３に対して下向きないし矢印１５の方向に相対運動し、下側軸方向位置ＩＩにおける突起８は、スペーサ３に対して上向きないし矢印２１の方向に相対運動する。上側窓９の傾斜縁１３ａは、案内管３の中心長手軸線１４と、上向きないし矢印２１の方向に開いた鋭角を成し、下側窓９の側縁１３ａは、下向きないし矢印１５の方向に開いた鋭角を成している。従って、案内管とスペーサ２との異なった熱膨張は、窓９の両側傾斜縁１３ａが突起７、８に押し付けられるようにさせる。

図４および図８の実施例において、第１突起７と第２突起８はそれぞれ間接的に案内管３に結合されている。案内管は、スペーサ２の上下における部位がそれぞれブッシュ１６によって本質的に遊び（ガタ）なしに取り囲まれ、これらのブッシュ１６によって軸方向に固定されている。ブッシュ１６は案内管３に溶接によって固定され、例えば同様にインコネルあるいはステンレス鋼から成り、ないしは、案内管材料に溶接可能な材料から成っている。ブッシュ１６のスペーサ２の側の端面３２にアーム１７が一体形成され、このアーム１７は軸から離れる方向に延びている。アーム１７はブッシュ壁から切削加工され、その自由端にブッシュ外側面から半径方向に突出する突起７、８を有している。アーム１７の内側面はブッシュ１６の内側面に相応して湾曲され、それに応じて、組立状態において案内管３の円周面に接している。

図４の実施例において、ブッシュ１６はスペーサ２のセル５に対して、そのアームが帯板部分１６のほぼ中央に位置されているような回転位置に置かれている。帯板部分６のブッシュ１６の側の上側部位ないし下側部位は、半径方向外側に広げられ、収容部１８を形成し、この収容部１８内をアーム１７が軸方向且つ半径方向に延びる。収容部１８の幅はアーム１７の幅より大きい。収容部１８の下側ないし上側において帯板部分６に窓９が開けられている。この窓９は長方形を有し、その長辺が燃料集合体１の長手方向に対して直角に、ないしは、案内管３の中心長手軸線１４に対して直角に延びている。アーム１７の自由端に一体形成された突起７、８は縦断面くさび状をし、これらの突起７、８は、案内管３の円周面から離れてこの円周面に対して接線方向に延びる傾斜面１９を有している。突起７、８は窓９を貫き、その傾斜面１９が収容部１８の内側縁２０に接している。収容部１８ないし内側縁２０と傾斜面１９は、同様にくさび滑り継手のように協働する。案内管３が熱膨張した場合、突起７、８ないしそれらの傾斜面１９が矢印１０ないし矢印１２の方向に移動する。その場合、傾斜面１９は内側縁２０に押し付けられ、これは、加熱の増大につれて、案内管３とスペーサ２との結合をより強固にする。

組み立てるために、まずスペーサの上下にそれぞれブッシュ１６がはめ込まれる。直径線的に対向して位置する両側突起間の掛かり幅２２（図６参照）が、直径線的に対向して位置する両側収容部１８間の掛かり幅２３より大きいので、ブッシュ１６をスペーサ２にはめ込む前に、アーム１７が半径方向内側に曲げられねばならない。ブッシュ１６のはめ込みを可能にする他の方式は、アーム１７をスペーサ２のセル隅域２４に置く余地があるようにアーム１７の幅を選定することにある。これにより、ブッシュ１６は、はめ込み時に、その設定回転位置に対して４５°回転された位置にされる。ブッシュ１６はその軸方向設定位置にほぼ到達した後、４５°回転され、その際、突起７、８が窓９に入り込む。これを容易にするために、窓９がセル隅域２４にまで延びていることが目的に適っている。スペーサ２へのブッシュ１６のはめ込みを容易にするために、突起７、８の端面２５を挿入案内傾斜面として形成することが考えられ、その挿入案内傾斜面は帯板部分６ないし収容部１８の外側縁と協働し、その結果、アーム１７が半径方向内側に曲げられ、セル５へのブッシュ１６のはめ込みが可能となる。

図８〜図１３において、正方形セル５を備えたスペーサ２の案内管３への固定がブッシュ１６により行われている実施例が示され、そのブッシュ１６のスペーサ２の側の端面３２からアーム１７が軸方向に突出している。ここでもアーム１７はブッシュ壁から切削加工され、その自由端外側に突起７、８を有している。組立状態において、アーム１７はスペーサ２のセル隅域２４の中に延びている。各セル隅域２４において帯板部分６の上側軸方向位置Ｉおよび下側軸方向位置ＩＩにそれぞれ窓９が配置されている。従って、帯板部分６には全部で４個の窓９が開けられている。突起７、８と協働する窓９のストッパ部はその内側縁により形成され、この内側縁は傾斜縁２７として形成されている。その傾斜縁２７は案内管３の中心長手軸線１４と、上向き（矢印１０）あるいは下向き（矢印１２）の方向に開いた鋭角を成している。アーム１７の突起７、８は、セル隅域２４の２個の上側窓ないし２個の下側窓に同時に係合している。

ブッシュ１６および特に突起７、８の詳しい形状は図９〜図１２において良く理解できる。アーム１７の側面２８は半径方向にではなく、ブッシュ１６の円周面に関して接線方向に延びている。特に図１２から理解できるように、側面２８は全体で１個の仮想四角形を形成し、その掛かり幅２９はセル５の内のり幅３０より僅かに小さい。ブッシュ１６はスペーサ２の中に最大で、そのアーム１７を支える端面３２が帯板４ないし帯板部分６の上に載るまではめ込まれる。突起７、８はアーム１７の外側面からブッシュ１６の半径方向に突出する円弧状膨出厚肉部である。突起７、８の外側面３１は、ブッシュ１６の円周面を同軸的に取り囲む円筒面の一部である。突起７、８の側面は傾斜面３３として形成され、この傾斜面３３は、ブッシュ１６の中心長手軸線３４ないし案内管３の中心長手軸線１４と、上向き（矢印１０）あるいは下向き（矢印１２）の方向に開いた鋭角を成している。組立状態において、突起７、８はその両側部３５がそれぞれセル隅域２４に隣接する２個の窓９に係合している。その場合、突起７、８の傾斜面３３は窓９の傾斜縁２７とくさび状結合を形成するように係合する。突起７、８付きのアーム１７がセル隅域２４の中に入り込めるようにするために、突起７、８がブッシュ１６の外周面から極端に突出していてはならない。従って、傾斜面３３の半径方向寸法が比較的小さく、このために、案内管３の熱膨張時、傾斜面３３が傾斜縁２７との係合を外れる危険がある。これを防止するために、傾斜面３３はラジアル平面に見て、案内管３と帯板部分６の矢印１０ないし矢印１２の方向における相対運動の際、突起７、８が半径方向内側に向けられた分力を傾斜縁２７に与えるように方向づけられている。従って、案内管３とスペーサ２との結合強度は、加熱された状態において、軸方向だけでなく、半径方向でも強化される。

組立は例えば上述したように行われる。ブッシュ１６は上側ないし下側がセルの中にはめ込まれ、その場合、アーム１７はセル隅域２４に向けられている。アーム１７の半径方向内側への曲げを容易にするために、その端面は挿入案内傾斜面３６として形成されている。

加圧水形原子炉の燃料集合体の斜視図。 第１実施例の部分斜視図。 図２の実施例の変形例の部分斜視図。 図２における矢印ＩＩＩ方向から見た一部断面側面図。 第２実施例の部分斜視図。 図４における矢印Ｖ方向から見た側面図。 図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図。 図５におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った横断面図。 第３実施例の部分斜視図。 ブッシュの斜視図。 図９におけるブッシュの異なった方向から見た斜視図。 図９におけるブッシュの側面図。 図１１におけるＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿った横断面図。 図１１におけるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った横断面図。 図８におけるＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った横断面図。

符号の説明

１ 燃料棒
２ スペーサ
３ 案内管
５ セル（格子目）
６ 帯板部分
７ 突起
８ 突起
９ 窓
１３ 傾斜縁
１７ アーム
１８ 収容部
１９ 傾斜面
２４ セル隅域
２７ 傾斜縁

Claims (8)

1. 燃料棒束と、複数のセル（５）を備えた少なくとも１個のスペーサ（２）と、セル（５）をそれぞれ貫通して延びそのセル（５）に軸方向に固定された複数の案内管（３）とを備え、前記各セル（５）が第１材料から成る少なくとも１つの帯板部分（６）で境界づけられ、前記案内管（３）が第１材料と異なった熱膨張係数を有する第２材料から成り、案内管（３）とスペーサ（２）とを結合するために、
   案内管（３）に第１突起（７）と第２突起（８）が間接的にあるいは直接的に固定され、前記第１突起（７）が第１軸方向位置（Ｉ）に、第２突起（８）が第２軸方向位置（ＩＩ）にそれぞれ配置され、
   前記各突起（７、８）がそれぞれ、帯板部分（６）に開けられた窓（９）に係合している原子炉の燃料集合体において、
   前記異なった熱膨張係数を有する案内管（３）と帯板部分（６）とが熱膨張した際に、両者間に生ずる軸方向の相対運動により前記突起（７、８）の側部と前記窓（９）の窓枠を形成する縁部とが係合し、前記窓（９）が案内管（３）の長手方向に対して傾斜して延びる少なくとも１個の傾斜縁（１３、２７）を有し、前記相対運動により前記突起の側部が前記傾斜縁に対して、くさび部材を打ち込むように、くさび状に結合することを特徴とする原子炉の燃料集合体。
2. 突起（７、８）が前記傾斜縁（１３、２７）と係合する傾斜面（３３）を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
3. 前記突起（７、８）の傾斜面（３３）は、前記窓（９）の傾斜縁（２７）と前記くさび状の結合を形成するように係合することを特徴とする請求項２に記載の燃料集合体。
4. 案内管（３）が、前記スペーサ部の上下における部位において上側ブッシュ（１６）と下側ブッシュ（１６）で軸方向に固定されて取り囲まれ、その上側ブッシュ（１６）が第１突起（７）を有し、下側ブッシュ（１６）が第２突起（８）を有していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料集合体。
5. ブッシュ（１６）のスペーサ（２）の側の端面（３２）から複数のアーム（１７）が案内管の軸から離れる方向に延び、突起（７、８）がアームの外側面に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料集合体。
6. アーム（１７）の内側面が案内管（３）の円周面に接していることを特徴とする請求項５に記載の燃料集合体。
7. スペーサ（２）が４つの帯板部分（６）で形成された複数の矩形セル（５）を有し、ブッシュ（１６）が前記帯板部分（６）の上下の中央部に設けた窓にそれぞれ向けられた４個のアーム（１７）を有し、さらに前記帯板部分（６）がその上縁および下縁からそれぞれ案内管の軸から離れる方向に延び半径方向に広げられた収容部（１８）を有し、該収容部（１８）に、それに対応されたアーム（１７）が軸方向且つ半径方向に入り込んで延び、その突起（７、８）で窓（９）に係合していることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料集合体。
8. スペーサ（２）が4つの帯板部分（６）で形成された複数の矩形セル（５）を有し、ブッシュ（１６）が、セル隅域（２４）、即ち前記帯板部分（６）の上下の両端部にそれぞれ向けられた４個のアーム（１７）を有し、さらに前記各帯板部分（６）のセル隅域（２４）に上側窓（９）および下側窓（９）が設けられ、アーム（１７）の突起（７、８）が、前記セル隅域（２４）の２個の上側窓（９）ないし２個の下側窓（９）に同時に係合していることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料集合体。

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