JP5330634B2 - 原子炉用燃料バンドルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には原子炉に関し、より具体的には原子炉用の制御棒集合体に関する。

原子炉運転中の継続的な問題は、様々なサイズのデブリが存在することである。このようなデブリの例には、小サイズのファスナ、金属クリップ、溶接スラグ、ワイヤ片などが含まれる。デブリは、炉心の初期建造及びその後の原子炉運転の結果として、及び／または計画的なまたは臨時の保守休止中に行われる補修に起因して発生する可能性がある。

このような原子炉の運転中に、デブリは、冷却水（原子炉冷却材）によって運ばれる場合があり、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）または加圧水型原子炉（ＰＷＲ）内の燃料集合体の燃料棒のような原子炉構成要素の間またはその内部、或いはＰＷＲなどの制御棒集合体内に入り込む恐れがある。混入したデブリと構成要素との間で繰り返される相互作用は、燃料棒に対する損傷のような構成要素に対するフレッティング損傷を生じる可能性がある。

デブリの一部は、燃料棒と他の燃料集合体構成要素との間で捕捉される場合がある。デブリは、運動する冷却材内で振動して燃料棒と相互作用し、場合によっては燃料棒被覆管のフレッティング磨耗として知られる事態を引き起こす恐れがある。このフレッティングは、例えば、ＢＷＲまたはＰＷＲ内の燃料棒故障の有意な原因として認識されている。

従来の解決方法には、原子炉冷却材からデブリを濾過するためのデブリフィルタの使用を採用することが含まれていた。これらのデブリフィルタは、典型的には燃料棒集合体の下部タイプレートまたはノズル内に置かれ、従って、燃料が取り出されるときに交換される。また、デブリフィルタ処理装置は原子炉設備配管システムに導入されてきた。しかしながら、デブリフィルタ及び／または外部フィルタ機構は、原子炉におけるフレッティング問題を完全には解決しない。フレッティングは依然として発生して燃料破損を引き起こし、これが燃料、核分裂生成物、または他の燃料棒内容物を冷却材中に放出させ、燃料棒集合体の供用の早期回収またはコスト高になるサイクル中途での燃料交換につながる可能性がある。
米国特許公開 ２００８−０７６９５７ 米国特許公開 ２００８−０３１８１１ 米国特許公開 ２００７−２９７５５４ 米国特許公開 ２００７−１３３７３１ 米国特許公開 ２００６−１２６７７４ 米国特許公開 ２００６−０６２３４２ 米国特許公開 ２００５−１０５６６６ 米国特許公開 ２００５−１１８０９８ 米国特許公開 ２００４−０９１４２１ 米国特許公開 ２００４−１９６９４２ 米国特許公開 ２００４−１９６９４３ 米国特許公開 ２００４−１０５５２０ 米国特許公開 ２００３−０１２３２５ 米国特許公開 ２００３−０１６７７５ 米国特許公開 ２００３−１０３８９６ 米国特許公開 ２００２−０３４２７５ 米国特許 第６，２３３，２９９号 米国特許 第４，４９３，８１３号 米国特許 第５，８６７，５４６号 米国特許 第４，６６３，１１１号 米国特許 第４，６１７，９８５号 米国特許 第４，４６２，９５６号 米国特許 第４，１９６，０４７号 米国特許 第４，８５９，４３１号 米国特許 第５，６８２，４０９号 米国特許 第５，３５５，３９４号 米国特許 第４，４７５，９４８号 米国特許 第４，５３２，１０２号 米国特許 第５，５９６，６１１号 米国特許 第６，４５６，６８０号 米国特許 第５，５１３，２２６号 米国特許 第６，０５６，９２９号 米国特許 第６，８０４，３１９号 米国特許 第６，７５１，２８０号 米国特許 第６，８９５，０６４号 米国特許 第５，９１０，９７１号 米国特許 第５，７５８，２５４号 米国特許 第５，６３３，９００号 米国特許 第５，１４５，６３６号 米国特許 第５，０５３，１８６号 米国特許 第４，７２９，９０３号 米国特許 第６，８９６，７１６号 米国特許 第６，１６０，８６２号 米国特許 第５，４００，３７５号 米国特許 第４，２８４，４７２号 米国特許 第３，９９８，６９１号 米国特許 第４，５９７，９３６号 米国特許 第７，２３５，２１６号 米国特許 第５，８７１，７０８号 米国特許 第７，１５７，０６１号 米国特許 第４，７８２，２３１号 米国特許第５，２０９，８９９号公報

本発明の例示的な実施形態は、原子炉の燃料バンドル用の燃料棒集合体に関する。燃料棒集合体は、その軸方向長さを形成するために、上端部片、下端部片、及び上端部片と下端部片との間に互いに連結された複数の燃料棒セグメントを含むことができる。燃料棒集合体は、隣接する燃料棒セグメントを連結するためまたは所与の燃料棒セグメントを上端部片及び下端部片のうちの一方に連結するために所与の連結点に設けられたアダプタ部分組立体を含むことができる。燃料棒集合体の軸方向長さに沿った連結点は、その燃料棒集合体が燃料バンドル内のスペーサと接触する位置に配置することができる。１つ（またはそれ以上）の燃料棒集合体を含む燃料バンドルが原子炉の炉心内で照射されるときに所望の同位元素を生成するため、燃料棒セグメントの１つ（またはそれ以上の）は、その中に照射ターゲットを含むことができる。

本発明は、添付図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態を詳述することにより明らかになるであろう。添付図面において、同様の要素が同じ参照符号で表され、これらは、説明のために示されているに過ぎず、従って本発明の例示的な実施形態を限定するものではない。

図１Ａは、ＢＷＲのような原子炉の例示的な燃料バンドルを示す。燃料バンドル１０は、上部タイプレート１４及び下部タイプレート１６を囲む外側チャンネル１２を含むことができる。複数の全長燃料棒１８及び／または部分長燃料棒１９は、燃料バンドル１０内で行列状に配列し、互いに垂直方向で間隔を置いて配置された複数のスペーサ（スペーサグリッドとしても知られる）２０を貫通することができ、該スペーサにより燃料棒１８、１９が所与の行列状に維持される。

少なくとも１対のウォータロッド２２及び２４を備えた燃料棒１８及び１９は、燃料バンドル１０内の燃料棒１８、１９間に原子炉冷却材を流すための通路を形成するために、燃料バンドル１０内の異なる軸方向位置に設けられた複数のスペーサ２０により燃料バンドル１０内で互いに間隔を置いた関係で維持することができる。燃料棒１８、１９を所望の配列で維持するために、燃料バンドル１０の軸方向の長さ全体に沿って間隔を置いて配置された５つから８つのスペーサ２０が通常存在することができる。スペーサ２０は、例えば、フェルールタイプのスペーサ、または米国特許第５，２０９，８９９号に記載され図示されているタイプのスペーサなどの何らかのタイプのスペーサとして具現化することができる。

図１Ａにおいては、行列は１０ｘ１０のアレイであるが、例示的な燃料バンドル１０は、９ｘ９アレイのような燃料棒１８、１９の異なる行列アレイを有することもできる。周知の通り、燃料バンドル１０は、全て全長燃料棒１８を含むことができ、及び／または全長燃料棒１８と部分長燃料棒１９の組合せを含むことができる。ウォータロッド２２及び２４（図には２本示されているが、燃料バンドル１０には２本よりも多いか、または少ないウォータロッドであってもよい）は、下部タイプレート１６と上部タイプレート１４との間で燃料バンドル１０内の燃料棒１８、１９間に分散することができる。ウォータロッド２２、２４は、流体を核燃料バンドル１０の下方領域から上方領域に移送する働きをし、該上方領域において図示のように、水はウォータロッドの頂部に配置された開口を介して分散される。

図１Ｂは、図１Ａの燃料バンドル１０における燃料棒に対するスペーサの位置を示す。特に図１Ｂは、デブリが捕捉され、または取り込まれてフレッティング問題を悪化させる場所を示す所与の燃料棒１８とスペーサ２０との間の例示的なデブリ捕捉区域５０ａ〜５０ｄを示している。

図１Ｃは、デブリが滞留し、または取り込まれて隣接する燃料棒１８、１９とフレッティングを引き起こす可能性がある場所を示す、図１Ａの燃料バンドル１０における燃料棒に対するスペーサの位置と、所与のウォータロッド２２、２４とスペーサ２０との間の例示的なデブリ捕捉区域５０ａ〜５０ｅとを示している。ウォータロッド２２及び２４は、スペーサ２０によって拘束される。スペーサ２０は、これを所望の高さに維持するために、スペーサ２０の両側に置かれた半径方向に向かう１対のフランジまたはタブ３４及び３６によって拘束される。原子炉の発電運転中に、デブリは、原子炉冷却材によって運ばれ、燃料バンドル１０内でウォータロッド２２、２４及びスペーサ２０内及びその周囲に滞留する可能性がある。スペーサ２０において捕捉されたデブリとウォータロッド２２、２４との間の反復的な相互作用は、前述のフレッティング磨耗及び潜在的損傷を隣接する燃料棒１８、１９及び／またはウォータロッド２２、２４にもたらす恐れがある。

図２Ａは、本発明の例示的な実施形態による燃料バンドル１０の燃料棒集合体１００を示す。従来技術で説明されたようなフレッティング磨耗を実質的に回避するよう設計されたフレット無し燃料棒を提供する試みにおいて、複数の部品すなわち燃料棒セグメント１１０を含む燃料棒集合体１００（場合によっては多セグメント燃料棒または多部分燃料棒とも呼ばれる）が記載されている。図２Ａに示すように、燃料棒集合体１００は、上端部片１２０と下端部片１３０との間に複数の燃料棒セグメント１１０（１１０ａ及び１１０ｂで示される隣接する２つの燃料棒セグメント）を含むことができる。上端部片１２０及び下端部片１３０は、周知のように、燃料バンドル１０（図示せず）の下方及び上部タイプレートと螺合するネジ山を含むことができる。隣接する燃料棒セグメント１１０ａ、１１０ｂは、図２Ａの点線の円内に全体的に部分組立体３００として示された少なくとも１つのアダプタ部分組立体を介して相互連結することができる。図２Ａには燃料棒集合体１００が１つだけ示されているが、図２Ａに示す燃料棒集合体１００の１つまたはそれ以上を図１Ａに示す燃料バンドル１０のような燃料バンドル内に挿入することができる点は理解される。

燃料棒セグメント１１０を上方端部片１２０及び下方端部片１３０の間で且つ互いに対して取り付けて、燃料棒集合体１００の軸方向長さ全体を形成することができる。１つの実施例においては、燃料棒セグメント１１０ａ、燃料棒セグメント１１０ｂ、及び上端部片及び下端部片１２０、１３０の各々は、燃料棒集合体１００の軸方向長さに沿った燃料棒集合体がスペーサ２０と接触する連結点において、アダプタ部分組立体３００によって連結することができる。簡潔にするために、図２Ａには３つのスペーサ２０及びアダプタ部分組立体３００だけが示されているが、燃料バンドル１０は、各々があらゆる数のスペーサ２０位置においてアダプタ部分組立体３００により連結された少なくとも１つの燃料棒セグメント１１０ａと少なくとも１つの燃料棒セグメント１１０ｂとを有する、１つまたはそれ以上の燃料棒集合体１００を含むことができる。燃料棒セグメント１１０ａ、１１０ｂは、製造工程を容易にするために、固定長のセグメントとすることができる。同様に、アダプタ部分組立体３００もまた、等しい長さになるように固定された大きさで製造することができる。

この例示的な実施形態においては、燃料棒セグメント及びアダプタ部分組立体は、耐腐食性があり、且つ他の原子炉構成要素と適合性のある材料で構成される。例示的な材料は、例えばジルコニウム合金とすることができる。望ましくは、各スペーサ２０の一部分は、アダプタ部分組立体３００の各々において燃料棒集合体１００と接触し、アダプタ部分組立体３００及び／または燃料棒セグメント１１０間の連結点１１５を実質的に覆うようにし、或いはアダプタ部分組立体３００または所与の燃料棒セグメント１１０と上端部片及び下端部片１２０、１３０の一方とを連結する連結点１１５を実質的に覆うようにする。従って、所与のスペーサ２０内のこれらの点１１５及び／またはアダプタ部分組立体３００における燃料棒集合体１００のフレッティングの影響を排除することができる。それでも尚フレッティングが生じる場合もあるが、燃料棒集合体１００のフレッティング磨耗は、燃料棒セグメント１１０ａ、１１０ｂではなくアダプタ部分組立体３００に生じる。従って、これにより、所与の燃料棒セグメント１１０内から原子炉冷却材へ内容物が漏出する可能性を排除することができる。

図２Ａは、隣接する燃料棒セグメント１１０ａ、１１０ｂ間の例示的なアダプタ部分組立体３００（すなわち仮想線は、燃料棒セグメント１１０及び／またはアダプタ部分組立体３００内の構成部材を示している）を詳細な透過図で説明しており、隣接する燃料棒セグメント１１０ｂとアダプタ部分組立体３００の一部分との間の溶接継手１５５を図示している。図２Ａはまた、以下で詳細に説明する用途における、燃料棒セグメント１１０の１つまたはそれ以上内に設けられる任意選択的な容器組立体６００を（仮想線で）示している。燃料棒セグメントは、その中に容器組立体６００を含む場合があり、または含まない場合もある。更に図２Ａには、アンダーカット部すなわち凹み破断線３６０が示されている。以下に更に詳細に説明するように、凹み破断線３６０は、特定のアダプタ部分組立体３００／燃料棒セグメント１１０を破断させて燃料棒集合体１００から特定の燃料棒セグメント１１０を除去するための代替位置を提供し、これは、例えば輸送などにおいて長さを短くするのに望ましいとすることができる。

図２Ｂは、燃料棒集合体をより詳細に図示する図２Ａの一部の組立分解図である。図２Ｂの一部はまた、燃料棒セグメント１１０ａ、１１０ｂまたは部分組立体３００の内部の構成要素を示すために仮想線（点線）で示されている。アダプタ部分組立体３００は、溶接継手１５５における溶接により燃料棒セグメント１１０ａに取付られるオス側アダプタプラグ３３０を含むことができる。同様に、アダプタ部分組立体３００は、溶接継手１５５における溶接により燃料棒セグメント１１０ｂに一方端部で取り付けることができるメス側アダプタプラグ３５０を含むことができる。オス側及びメス側アダプタプラグ３３０、３５０は共に、これらの外周部に複数のナット型凹部３５７を含むことができる。一般に、凹部３５７は、例えば、保守休止中に適切な工具によって所与の燃料棒セグメント１１０、上端部片１２０、または下端部片１３０の除去／分解を容易にすることができる。

図２Ｂにおいて、原子炉の燃料バンドル１０内への燃料棒集合体１００の挿入または組立中におけるスペーサ２０への損傷を防止するために、凹部３５７は、その両端部に傾斜縁部３８０のような凹み傾斜面を含むことができる。更に、点線で示すように、オス側及びメス側アダプタプラグ３３０、３５０の各々は、プラグ３３０／３５０を溶接継手１５５において燃料棒セグメント１１０に溶接するために、対応するアダプタプラグ３３０、３５０を所与の燃料棒セグメント１１０の端部内に挿入することを容易にする溶接整列部材３５５を含むことができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体用のアダプタ部分組立体の一部を示す斜視図と側面図である。図３Ａ及び３Ｂに示すように、オス側アダプタプラグ３３０は、第１の端部３３２において燃料棒セグメント１１０に取り付けることができる（例えば溶接によって）。オス側アダプタプラグ３３０の第２の端部３３４は、メス側アダプタプラグ３５０の対応するチャンバまたはキャビティ内に挿入することができる。オス側アダプタプラグ３３０は、円筒部分３３３の一部として上述された溶接整列部材３３５を含むことができ、円筒部分３３３は、その円周周りに傾斜縁部３８０を備えた凹部３５７を含む。中間部材３３９は、円筒部分３３３を延長部分３３８に連結する。延長部分３３８は、図３Ａに示すようにネジ山を付けることができる。延長部分３３８は、オス側アダプタプラグの第２の端部３３４においてほぼ円錐形の端部３３６になるよう先細となっている。円錐形端部３３６は、単一のアダプタ部分組立体３００としてメス側アダプタプラグ３５０をオス側アダプタプラグ３３０に連結するための自己整列補助部となる。

オス側アダプタプラグ３３０は、当該技術分野において公知の、耐腐食性があり且つ他の原子炉構成要素と適合性のあるジルコニウム合金のような材料で作ることができる。

図４Ａ及び４Ｂは、本発明の例示的な実施形態によるアダプタ部分組立体の別の部分を示す斜視図と側面図である。図４Ａ及び４Ｂに示すように、メス側アダプタプラグ３５０は、所与の燃料棒セグメント１１０（図示せず）に取付るための第１の端部３５２と、その中にオス側アダプタプラグ３３０の円錐形端部３３６と延長部材３３８とを受け入れるための第２の端部３５４とを有する。メス側アダプタプラグ３５０は、溶接整列部材３５５とほぼ円筒状部分３５３とを含むことができ、この円筒部分３５３は、メス側アダプタプラグ３５０の取り外し、及び／または隣接する燃料棒セグメントの取り外しを容易にするために、第１の端部３５２において円周周りに傾斜縁部３８０を備えた複数のナット型凹部３５７を有する。

メス側アダプタプラグ３５０は、内部キャビティ３５８を含む。キャビティ３５８の表面は、オス側アダプタプラグ３３０の延長部分３３８上の対応するネジ山（図３Ａ参照）を受け入れるために複数の嵌合ネジ山３５６を含むことができる。キャビティ３５８は、円錐形端部３３６を受け入れてオス側アダプタプラグ３３０をメス側アダプタプラグ３５０内に連結する自己整列補助部として構成可能な凹状傾斜部分３５９を一方の端部に有することができる。

図４Ｂに示すように、メス側アダプタプラグ３５０の円筒部分３５３は、第２の端部３５４に凹み破断線３６０を含むことができる。凹み破断線３６０はまた、例えばアンダーカット部分と呼ぶこともできる。アンダーカットは、図２Ｂの連結継手１１５を螺脱することなく該アンダーカット部分を折損及び／または切断することにより、所与の燃料棒セグメント１１０を安全に分解することができるようにアダプタ部分組立体３００の各々に設計することができる。これは、以下に詳細に例証する。

別の態様においては、延長部分３３８のネジ山がメス側アダプタプラグ３５０のキャビティ３５８内の対応する嵌合ネジ山３５６と係合すると、凹み破断線３６０は、オス側アダプタプラグ３３０の中間部材３３９と整列する。中間部材３３９の直径は、円筒部分３３３の直径よりも小さいので、これは当該位置において図２Ｂのアダプタ部分組立体３００の切断、折損、または破断を容易にする「脆弱化区域」を表している。従って、凹み破断線３６０は、図２Ｂの燃料棒セグメント１１０交換、図２Ｂのアダプタ部分組立体３００交換などに際して、図３Ｂのオス側アダプタプラグ３３０をどこで切断すべきかに関して目に見える識別表示を提供することができる。

図５Ａ及び５Ｂは、本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体の例示的な下端部片を示す斜視図と側面図である。図５Ａまたは５Ｂに示すように、図２Ａの上端部片及び下端部片１２０、１３０の一方または両方は、固体の端部片組立体５００として形成することができる。固体端部片組立体は、例えば固体の金属材料で作ることができる。端部片組立体５００は、その一方の端部に末端プラグ部分５０５を含むことができ、他方の端部において、図２Ｂの隣接する燃料棒セグメント１１０内で図４Ｂの対応するメス側アダプタプラグ３５０と螺合する一体的な端部片アダプタ部分組立体５３０を有することができる。

端部片組立体５００は、中実のジルカロイ（Ｚｉｒｃａｌｏｙ）で製作することができ、図１Ａの燃料バンドル１０のような燃料バンドルの頂部及び底部近傍の軸方向線束は、例えば図２Ａの上端部片１２０と下端部片１３０との間よりも一般には実質的に低いので、どのような核燃料（濃縮ウラン）または毒物（ガドリニウム）も必ずしも内部に装荷する必要はない。従って図５Ａ及び５Ｂは、定期保守休止中に図２Ａの燃料棒集合体１００の図２Ｂの隣接する燃料棒セグメント１１０から比較的容易に取り外すことができる再使用可能な末端プラグ（上端部片もしくは下端部片として再使用可能である）を示すことができる。

図６Ａ〜６Ｅは、本発明の例示的な実施形態による図２Ａの燃料棒集合体１００の所与の燃料棒セグメント１１０内に挿入するよう適合された、内容物を備えた例示的な容器組立体を示す図である。本発明の例示的な実施形態においては、燃料棒セグメント１１０の種々のものは、上記で図２Ｂに示されたように、その内部に容器組立体６００を含むことができる。１つの実施例においては、容器組立体６００は、選ばれた内容物を貯蔵または収容することができる。このような内容物の１つの実施例は、燃料棒集合体１００を含む燃料バンドル１０が炉心内で照射されるときに１つまたはそれ以上の所望の同位元素を生成する１つまたはそれ以上の照射ターゲットとすることができる。燃料棒集合体１００の１つまたはそれ以上の燃料棒セグメント１１０は、例えば同じ照射ターゲット、異なる照射ターゲット、または複数の照射ターゲットを含むことができる。

図２Ａ及び２Ｂを参照すると、本発明の例示的な態様において、燃料棒集合体１００の燃料棒セグメント１１０の少なくとも１つは、その内部に１つの容器組立体６００を含み、燃料棒集合体１００の他の燃料棒セグメント１１０のうちのどれも（及び端部片１２０、１３０のいずれも）がどのような核燃料／毒物をも収容しない。別の態様においては、燃料棒集合体１００の燃料棒セグメント１１０のうちの１つまたはそれ以上は、所望の濃縮度のウラニウム及び／または所望の濃度のガドリニアを含むことができる。位置及び濃度は、例えば計画されたエネルギーサイクルの望ましい燃料バンドル１０特性に基づくことができる。照射ターゲットを含む燃料棒セグメント１１０はまた、核燃料を含まない可能性があるが、隣接する燃料棒セグメント１１０は、その内部に核燃料を含むことが可能である。

次に図６Ａ〜６Ｅを参照すると、始めに図２Ａ及び２Ｂで仮想線で示した容器組立体６００は、その内部に照射ターゲット６２０を貯蔵する容器６１０を含むことができる。容器６１０は、一方の端部６１１において閉鎖することができ、他方の端部６１２では開いており、図６Ｄに示すように適切な末端キャップ６３０により該容器を閉鎖するようシール部６１３を含むことができるが、両端部に末端キャップ６３０を設けてもよい。容器６１０は、ほぼ円筒形状を有するように図示されているが、その形状の最大直径が燃料棒セグメント１１０の内径よりも小さい限り、どのような幾何形状にも適応させることができる。容器６１０は、例えば、ジルコニウム合金のような適切な材料で作ることができる。

容器６１０は、１つまたはそれ以上の照射ターゲット６２０を貯蔵することができる。図６Ｂに示す照射ターゲット６２０は、ほぼ円筒型または形状で図示されている。しかしながら、照射ターゲット６２０は、固体、液体、及び／または気体として具現化することができ、その幾何形状の直径が所与の燃料棒セグメント１１０内の容器６１０の内側に嵌合するのに十分小さい限り（容器６１０の内径よりも小さい）、どのような幾何形状をとることもできる。従って容器６１０は、燃料棒セグメント１１０内に挿入された時に、燃料棒セグメント１１０内の照射ターゲット６２０用に二重格納を可能にする。

図６Ｅは、容器組立体６００の透視正面図または側面図であり、内部に照射ターゲット６２０を貯蔵し、且つ位置６１３において末端プラグ６３０によりシールされる容器６１０を示す。任意選択的であるが、容器６１０の内部には、末端プラグ６３０によるシール時に照射ターゲット６２０に対する反力を与えるスプリング６４０を含むことができる。末端プラグ６３０は、適切な取付手段、すなわち溶接、ネジによる係合、摩擦連結などによって容器６１０に取り付けることができる。

別の態様においては、容器６００は、内部に照射ターゲット６２０を貯蔵し、照射後に照射ターゲット６２０を取り除くためのパイロット孔６０３を有する第１の端部６１１がある。第１の端部６１１は、外ネジ６０１と、設備の一部に挿入された時に容器６００をシールするのに使用されるＯリング６０２とを含むことができる。パイロット孔６０３は、容器６００を燃料棒セグメント１１０から取り出すのに役立つ内ネジを有する。

照射ターゲット６２０は、例えば、カドミウム、コバルト、イリジウム、ニッケル、タリウム、ツリウムの同位元素、または原子番号が３より大きい他の何らかの同位元素のうちの１つまたはそれ以上から構成される同位元素の群から選ばれるターゲットとすることができる。望ましくは、所与の燃料棒セグメント１１０及び／または容器組立体６００は、例えば、該燃料棒セグメント１１０及び／または容器組立体６００内にどの照射ターゲット６２０が装荷されているか、及び／または該ターゲットからどの同位元素が生成されるかを示すために、標識または表示を含むことができる。
照射ターゲットを含む燃料棒集合体１００の１つまたはそれ以上が原子炉の燃料バンドル（図１Ａの燃料バンドル１０のような）内で照射されて１つまたはそれ以上の所望の同位元素を発生させる特定の方法が、発明者らによる、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ Ｉｓｏｔｏｐｅｓ ｉｎ Ｐｏｗｅｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒｓ」と題された本発明の譲受人に譲渡された同時係属出願においてより詳細に記載されている（弁理士Ｄｏｃｋｅｔ Ｎｏ．１５８４８６−１）。従って、これらのプロセスの詳細な考察は、簡潔にするために本明細書では省略する。

図７は、本発明の別の例示的な実施形態による燃料バンドルの燃料棒集合体を示す。図７は、本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体１００′を示す。図７には簡潔にする目的で燃料棒集合体１００′の燃料棒セグメント１１０が数個しか示されていないが、燃料棒集合体１００′は、より多くの燃料棒セグメント１１０及びスペーサ２０を含み得ることが理解されるであろう。１つの実施例において燃料バンドル１０は、当技術分野において公知のように、上端部片１２０の上に取り付けられた伸縮スプリング１２５と共に上端部片１２０及び下端部片１３０に取り付けられた様々なサイズ（異なる長さ）の燃料棒セグメント１１０を備えた８つのスペーサ２０を含むことができる。

図２Ａとは異なり、図７においては、２つの隣接する燃料棒セグメント１１０間の連結点がスペーサ位置に（すなわち、スペーサ２０において）存在しないように、様々なサイズのアダプタの「ミニ部分組立体」３００ａを備えることができる。図７はまた、アンダーカット部分１６０（図２Ｂの分割破断線３６０）並びに容器組立体６００′を更に詳細に示している。内部に容器組立体６００′を含む燃料棒セグメント１１０をより容易に取り出すための（容器組立体６００′を取り出して、目的の顧客まで輸送するために）別の位置を有することが望ましいので、燃料棒集合体１００′は、例えば異なる長さの隣接する燃料棒セグメント１１０間で使用するためのミニ部分組立体３００ａ及び延長されたアダプタ部分組立体などの様々な長さのアダプタ部分組立体３００を含むことができる。図７に示す燃料棒集合体１００′の１つまたはそれ以上を図１Ａに示す燃料バンドル１０のような燃料バンドル内に挿入することができる。更に、隣接する燃料棒セグメント１１０を連結し、及び／または（図２Ａに示すように）１つの燃料棒セグメント１１０を上端部片１２０または下端部片１３０の一方、或いは図７に示すように上端部片組立体１０００と下端部片組立体１１００の一方に連結するために、燃料棒集合体１００または１００′は、スペーサ２０の位置にあるアダプタ部分組立体３００並びにスペーサ２０間の１つまたはそれ以上のアダプタミニ部分組立体３００ａを有することができる。

また図７に示すように、所与の燃料棒セグメント１１０は、内部に多数の容器組立体６００′を含むことができる。図７においては、容器組立体６００′は、本発明による照射ターゲットの別の代替形態である「ＢＢ」形で複数の照射ターゲットを含むことができる。従って図７に示すように、燃料棒集合体１００′は、図２Ａにおいて述べた固定サイズのアダプタ部分組立体３００に加えて使用できる様々なサイズのアダプタミニ部分組立体３００ａを含むことができる。これにより、１つより多い用途を有する単一のマルチジョイント燃料棒集合体１００′を作ることができる。この燃料棒集合体１００′は、ターゲット内における同位元素製造の程度を変えるために、原子炉内での中性子束のレベルの変更を利用する。

１つの実施例として、燃料棒集合体１００′は、異なるサイズの燃料棒セグメント１１０内の様々な位置に複数の照射ターゲットを含み、更に図１Ａの燃料バンドル１０内に標準的な全長の燃料棒１８または部分長燃料棒１９と同じ長さを維持し、及び／または例えば図１Ａの燃料バンドル１０内の部分長燃料棒と同じ長さを有する燃料棒集合体１００′を提供することができる。燃料棒集合体１００′の様々な燃料棒セグメント１１０は、燃料棒集合体１００′の軸方向長さに沿った種々の連結点で取り外し、及び／または再連結することができる。所与の燃料棒セグメント１１０及び／またはアダプタミニ部分組立体３００ａは、例えば連結点またはアンダーカット部１６０において、螺脱、切断、及び／または折損または破断することにより取り外すことができる。

更に図７に示すように、照射ターゲット６２０は、原子炉の原位置から受け入れ顧客まで直接輸送することを容易にすることができる事前パッケージ型の容器組立体６００′内に配置することができる。このような事前パッケージ型容器組立体６００′は、ターゲット同位元素が固体、液体、または気体のいずれの形態であっても、燃料棒セグメント１１０内に配置されているかどうかに関係なく、様々な照射ターゲット材料を貯蔵することができる。

図８Ａ及び８Ｂは、本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体のアダプタ部分組立体を示す図であり、図９Ａ及び９Ｂは、アダプタミニ部分組立体３００ａを更に詳細に図示している。図８Ａは、オス側アダプタプラグ３３０′を示し、且つメス側アダプタプラグ３５０′内への挿入方向を示している。図８Ｂは、例示的なアダプタ部分組立体３００′の一部としてのオス側アダプタプラグ３３０′とメス側アダプタプラグ３５０′との間の連結係合を示す。

図８Ａ及び８Ｂは、図３Ａ、３Ｂ及び図４Ａ、６Ｂまたは図９Ａ、９Ｂに示すものよりも長いアダプタ部分組立体３００′を示す。例えば、より長いオス側アダプタセグメント３３０′のより長い延長部分３３８Ａは、必要が生じれば、燃料棒セグメント１１０のより小さな長さの部分の連結をはるかに長い／重い燃料棒セグメント１１０と交換可能であるアダプタ部分組立体３００′を備えることができる。図８Ａにおいて、より長い延長部分３３８Ａの長さは、「Ｙ・Ｎ」で表され、図９Ａのミニ部分組立体３００ａにおけるより短い延長部分３３８Ｂの長さと区別するようになる。同様に、図８Ｂのアダプタ部分組立体３００′の全長は、図９Ｂの対応するミニ部分組立体３００ａの全長よりも整数の倍数Ｎだけ、すなわち図９Ｂのミニ部分組立体３００ａの長さ「Ｘ」に所与の整数Ｎを加算した分だけ長くすることができる。

図９Ａ及び図９Ｂの小さい２つの部片のミニ部分組立体３００ａは、燃料棒セグメント１１０の更に小さな部分集合体を生成するために、スペーサ２０位置の間で使用することができる。図９Ｂのより小さな２部片のアダプタミニ部分組立体３００ａは、例えば図８Ｂに示す、大きな２部片アダプタミニ部分組立体３００′として同じ燃料棒集合体１００′内で使用することができる。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体の上端部片アダプタを示す図である。図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体のための下端部片アダプタを示す図である。

図１０Ａ〜図１１Ｂは、図５Ａ及び図５Ｂに示す端部片組立体５００の代替的な実施形態を示す。図１０Ａ及び図１０Ｂは、上端部片組立体１０００を示す。上端部片組立体１０００は、一方の端部に上端部片アダプタ組立体１３３０を含み、他方の端部にこれに連結された上端部片１３１０を含むことができ、これらはネジ山を含むことができる。図５Ａ及び５Ｂに示す一体的な端部片組立体５００とは異なり、図１０Ａ及び図１０Ｂにおいては、上端部片１３１０は、図４Ａ及び図４Ｂで述べたようなメス側アダプタプラグ３５０と同様のメス側アダプタプラグ１３５０に取り付けられる。メス側アダプタプラグ１３５０は、図３Ａ及び３Ｂで上述したようにオス側アダプタプラグ１３３０と係合することができる。上端部片組立体１０００は、燃料棒集合体１００′の同一軸方向長さ内の異なる連結点に対して異なる長さの燃料棒セグメント１１０を組み合わせて適合させることにより、その上端部片１３１０からその下端部片２３１０までの全長燃料棒を構築することを可能にする。

同様に、図１１Ａ及び図１１Ｂにおいては、下端部片組立体１１００は、下端部片２３１０に連結された下端部片アダプタ部分組立体２３００を含むことができる。具体的には、下端部片２３１０は、例えば隣接する燃料棒セグメント１１０に取り付けられたメス側アダプタプラグ２３５０と係合するオス側アダプタプラグ２３３０に取り付けられる。１つの態様においては、下端部片は、燃料棒セグメント１１０の下方部分の取り外し後に使用することができ、その結果、残りの燃料棒集合体１００′の軸方向長さを着脱可能な下端部片組立体１１００を使用して追加的なサイクルの間、燃料バンドル１０内で維持することができる。

従って、上端部片組立体１０００及び下端部片組立体１１００は、再使用可能且つ取り外し可能な下端部及び上端部片を提供し、これらは、燃料棒集合体１００′内の指定された燃料棒セグメント１１０の迅速な修理または取り外しを促進することができる。

図１２Ａ〜図１２Ｃは、本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体のアダプタ部分組立体を示す図である。一般にアダプタ部分組立体３００ｂは、２つの燃料棒セグメント１１０を連結するために、または燃料棒セグメント１１０を図２Ａの上端部片１２０及び下端部片１３０の一方と連結するために対応するメス側コネクタ３５０″と係合するオス側コネクタ３３０″を有するプッシュスナップロック機構として理解することができる。オス側コネクタ３３０″は、その端部で拡大可能な部材を含むことができ、メス側コネクタ３５０″は、拡大可能部材を受け入れるように適合された受入れ部で終端する内部キャビティを含むことができる。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、オス側コネクタ３３０″及びメス側コネクタ３５０″を示し、更に、これら２つのコネクタ３３０″及び３５０″間の連結係合の方向を示す。図１２Ｂに示すように、オス側コネクタ３３０″は、その対応する燃料棒セグメント１１０の内部でオス側コネクタ３３０″の整列を助けるために、溶接整列部材３５５（図２Ｂに示すような）を含むことができる。オス側コネクタ３３０″の他端部には、内部キャビティ３５８″内で連結係合して、メス側コネクタ３５０″の対応するボールソケット継手取付部１２１０内で完全に係合したときに終端する、差し込み式スプリングプラグ１２０５を含むことができる。

図１２Ａは、図示のように差し込み式スプリングプラグ１２０５を対応するボールソケット継手取付部１２１０内に受け入れるような形状にすることのできる内部キャビティ３５８″を備えたメス側コネクタ３５０″を示す。図１２Ｃは、コネクタ部分組立体３００ｂのメス側コネクタ３５０″とオス側コネクタ３３０″との間の連結係合を示す。従って、拡大可能な差し込み式プラグスプリングコレットが１２０５メス側コネクタ３５０″のボールソケット継手取付部１２１０内に固定されると、燃料棒集合体１００は１本の燃料棒集合体１００／１００′に完全に組み立てることができる。

従って、図１２Ａ、１２Ｂ、及び１２Ｃのアダプタ部分組立体３００ｂは、燃料棒集合体１００／１００′の隣接する燃料棒セグメント１１０を連結するプッシュスナップ機構を示しており、図２Ａ、２Ｂ、及び図７に示すような螺合を用いた場合に起こり得る固着の可能性を低減することができる。このことは、例えば燃料棒セグメント１１０を破断、折損、または切断することを必要とせずに、様々な燃料棒セグメント１１０の組立て及び／または分解を迅速にすることができる。

前述のように、燃料棒セグメント１１０の各々は、該特定の燃料棒セグメント１１０内にある内容物を識別する識別マークまたは標識を有することができる。或いは、識別マークは、例えば所与の燃料棒セグメント１１０内の容器組立体６００／６００′上に貼り付けることもできる。

別の態様においては、所与のオス側アダプタプラグ３３０上の図８Ａ、図８Ｂ及び図９Ａ、図９Ｂの延長部分３３８／３３８Ａ／３３８Ｂのネジ長さは、所与の燃料棒セグメントが原子炉運転中に螺脱することができないように十分な長さにすることができる。１つの実施形態では、延長部分３３８／３３８Ａ／３３８Ｂのネジ長さは、該延長部分が分離できない程十分に長くすることができる。このことは、原子炉運転中に所与の燃料棒セグメントが確実に螺脱しないよう助長することができる。

更に別の態様においては、オス側アダプタプラグ３３０及び３３０′、及び／またはオス側コネクタ３３０″は、所与の燃料棒セグメント１１０の抽出を容易にするために、同一の方向へ向けることができる。例えば、オス側アダプタプラグ３３０及び３３０′、及び／または３３０″を有する燃料棒セグメント１１０は全て、例えば取り外し及び取付けのための適切な工具によって把持することが容易にするために、燃料棒セグメント１１０のオス側アダプタプラグ／コネクタ３３０、３３０′、３３０″が燃料バンドル１０の頂部に向かって垂直方向上方に延びるように所与の燃料棒集合体１００／１００′内に装荷及び／または配置することができる。燃料棒セグメント１１０が落下した場合には、メス側アダプタプラグ３５０、３５０′及び／または３５０″を有する側が下向きに着地し、オス側端部が折損または破断する危険性が低減されるようにする。

従って、これに連結された多数の燃料棒セグメントを備えた例示的な燃料棒集合体は、全長燃料棒または部分長燃料棒を備えることができる。燃料棒集合体１００は、スペーサ２０の位置において隣接する燃料棒セグメント１１０を連結するアダプタ部分組立体３００を含むことができ、従来の燃料棒集合体の全長燃料棒及び部分長燃料棒において現在広く見られるフレッティングの影響を排除するようになる。１つの態様においては、全長燃料棒集合体１００または部分長燃料棒集合体１００′における多数の燃料棒セグメント１１０を使用すると、多数の照射ターゲットを異なる燃料棒セグメント、及び燃料棒集合体１００／１００′の異なる軸方向位置に装荷することが可能になる。このことは、原子炉が専ら同位元素を発生させるように構成されている場合、及び／または同位元素を発生させて発電するように構成されている場合には、多数の同位元素を原子炉の各燃料バンドル内で発生させることが可能となり、更に、所与の燃料バンドル内の燃料棒の軸方向長さに沿った所望の中性子束位置に照射ターゲットを置くことも可能になる。

以上において本発明の例示的な実施形態を説明したが、これらの実施形態を多くの方法で変更できることは明らかであろう。このような変更は、本発明の例示的な実施形態の精神及び範囲から逸脱したものと見なすべきではなく、当業者には明らかであろう全てのこのような変更は、添付の請求項の範囲内に含まれるものとする。

原子炉の例示的な燃料バンドルを示す図。 デブリが図１Ａの燃料バンドル内のどこに滞留または混入されることになるかを示している、燃料バンドル内のスペーサと燃料棒間の接触区域を示す図。 タブ付きウォータロッドのタブ間に拘束されたスペーサと、デブリが図１Ａの燃料バンドル内に滞留または混入されるであろうスペーサ内の接触区域とを示す図。 本発明の例示的な実施形態による燃料バンドル用の燃料棒集合体を示す図。 燃料棒集合体をより詳細に示す図２Ａの一部の組立分解図。 本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体用のオス側アダプタ部分組立体を示す斜視図。 本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体用のオス側アダプタ部分組立体を示す側面図。 本発明の例示的な実施形態によるメス側アダプタ部分組立体を示す斜視図。 本発明の例示的な実施形態によるメス側アダプタ部分組立体を示す側面図。 本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体の例示的な下端部片を示す斜視図。 本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体の例示的な下端部片を示す側面図。 本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体の所与の燃料棒セグメント内に挿入するよう適合された内容物を備えた例示的な容器組立体を示す図。 本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体の所与の燃料棒セグメント内に挿入するよう適合された内容物を備えた例示的な容器組立体を示す図。 本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体の所与の燃料棒セグメント内に挿入するよう適合された内容物を備えた例示的な容器組立体を示す図。 本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体の所与の燃料棒セグメント内に挿入するよう適合された内容物を備えた例示的な容器組立体を示す図。 本発明の例示的な実施形態による燃料棒集合体の所与の燃料棒セグメント内に挿入するよう適合された内容物を備えた例示的な容器組立体を示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料バンドル用の燃料棒集合体を示す。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体用のアダプタ部分組立体を示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体用のアダプタ部分組立体を示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体のミニ部分組立体を示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体のミニ部分組立体を示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体に適合された上端プラグアダプタを示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体に適合された上端プラグアダプタを示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体に適合された下端プラグアダプタを示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体に適合された下端プラグアダプタを示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体用のアダプタ部分組立体を示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体用のアダプタ部分組立体を示す図。 本発明の別の例示的な実施形態による燃料棒集合体用のアダプタ部分組立体を示す図。

符号の説明

１０ 燃料バンドル
１００、１００′ 燃料棒集合体
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 燃料棒セグメント
１２０ 上端部片
１３０ 下端部片
３００、３００′ アダプタ部分組立体
６２０ 照射ターゲット

Claims (12)

1. 原子炉用の燃料バンドルであって、
   少なくとも１つがマルチセグメント棒である複数の棒であって、その各々のマルチセグメント棒が、
   その軸方向に離脱可能に互いに合体する棒セグメント対からなる複数の棒セグメントであって、その棒セグメントは各々が被覆されることにより、前記軸方向に合体されたときに前記軸方向の連続被覆管を形成するような連続マルチセグメント棒を形成するべく構成され、その少なくとも１つの棒セグメントが照射ターゲットを含まないアダプタ部分組立体となるように構成された、複数の棒セグメントと、
   棒セグメント内の少なくとも１つの照射ターゲット、
   とを有するような複数の棒と、
   各スペーサが、他のスペーサから前記軸方向に離間し、且つ、前記マルチセグメント棒の軸長に沿って１つのアダプタ部分組立体にのみ接するように構成されたスペーサを含む複数のスペーサ、
   とを具備し、
   前記少なくとも１つの棒セグメントは、少なくとも１つの容器組立体を内部に収納し、この容器組立体が、
   第１の端部と、
   第２の端部と、
   前記少なくとも１つの照射ターゲットと、
   前記第１と第２の端部の少なくとも１つに装着し、前記容器組立体の内部の照射ターゲットをシールするように構成された端部キャップと、
   を含むこと、
   を特徴とする原子炉用燃料バンドル。
2. 前記少なくとも１つの照射ターゲットは核燃料を含まないことを特徴とする請求項１の原子炉用燃料バンドル。
3. 前記少なくとも１つの照射ターゲットの他の照射ターゲットは核燃料を含むことを特徴とする請求項２の原子炉用燃料バンドル。
4. 前記少なくとも１つの照射ターゲットは原子番号３よりも大きいアイソトープであることを特徴とする請求項１の原子炉用燃料バンドル。
5. 前記少なくとも１つの棒セグメントは複数の照射ターゲットを含むことを特徴とする請求項１の原子炉用燃料バンドル。
6. 前記容器組立体は、その内部にある照射ターゲットを示す外部指標を有することを特徴とする請求項１の原子炉用燃料バンドル。
7. 前記容器組立体とこの前記容器組立体を含むシールされて照射ターゲットのための二重容器を提供することを特徴とする請求項１の原子炉用燃料バンドル。
8. 前記棒セグメントは、アダプタのプラグと受容体と、ネジとねじ切りされた開口と、舌部と受容体ととにより解離可能に合体されていることを特徴とする請求項１の原子炉用燃料バンドル。
9. 前記照射ターゲットは中性子線に照射されるとコバルト６０に変わるコバルト５９であることを特徴とする請求項１の原子炉用燃料バンドル。
10. 燃料バンドルの製造方法であって、
    少なくとも１つの棒がマルチセグメント棒であるような複数の棒を形成する工程であって、この工程が、
    複数の棒セグメントの少なくとも１つのセグメントの中に少なくとも１つの照射ターゲットを載置する工程と、
    各々が被覆された前記複数の棒セグメントを互いに軸方向に合体させて、前記軸方向に合体されたときに前記軸方向の連続被覆管を形成するような連続マルチセグメント棒を形成するべく構成され、その少なくとも１つの棒セグメントが照射ターゲットを含まないアダプタ部分組立体となるように前記複数の棒セグメントを互い合体させる工程、
    とを有する複数の棒を形成する工程と、
    複数のスペーサと前記複数の棒を含む燃料バンドルを、前記複数のバンドルを前記複数のスペーサ内に載置することにより燃料バンドルを形成する工程であって、前記スペーサの各々が前記マルチセグメント棒の軸長に沿って１つのアダプタ部分組立体にのみ接するように、前記燃料バンドルを形成する工程、
    とを具備し、
    前記少なくとも１つの照射ターゲットを載置する工程は、
    前記少なくとも１つの照射ターゲットを、第１の端部と第２の端部と前記少なくとも１つの照射ターゲットとを含む少なくとも１つの容器組立体内に載置する工程と、
    前記少なくとも１つの照射ターゲットを前記容器組立体の内部で、前記第１と第２の端部の少なくとも１つに適合するように構成された末端キャップでシールをする工程と、
    前記少なくとも１つの容器組立体を前記複数の棒セグメントの少なくとも１つの内部に載置する工程、
    とを具備すること
    を特徴とする燃料バンドル製造方法。
11. さらに、
    前記容器組立体上に、前記少なくとも１つの照射ターゲットがその中に含まれていることを示す外部指標を提供することを特徴とする請求項１０の燃料バンドルの製造方法。
12. 前記合体する工程は、アダプタのプラグと受容体との合体、或いはネジとネジを切られた開口と、舌片と受容体とを合体させる工程の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１０の燃料バンドルの製造方法。

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