JP5366559B2 - 加圧水形原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Description

本発明は、例えば独国特許第１０３３４５８０号明細書で知られているような加圧水形原子炉の燃料集合体に関する。

加圧水形原子炉の燃料集合体の原理的構造は図６に例示されている。その燃料集合体の場合、多数の燃料棒２が棒方向（軸方向）に互いに平行に延び、軸方向に互いに間隔を隔てて配置された複数のスペーサ４によって案内されている。それらの各スペーサ４は行８と列１０を成して配列された多数の格子目６を備えた二次元（平面）格子を形成している。この格子の格子目６を通して、燃料棒２のほかに、選択された位置において支持管も貫通して案内されている。その支持管は燃料物質を含まず、制御棒を収容し案内するために用いられる（いわゆる制御棒案内管１２）。また同様に燃料物質を含まず、単に強度を高めるために用いる支持管（計装管あるいは構造管）も存在する（図示された燃料集合体では計装管も構造管も設けられていない）。これらの支持管は格子目６内における燃料棒と異なりスペーサ４に溶接され、これによって、その安定化作用が燃料集合体の全使用期間中にわたり保証される

仮想的な重大事故の場合、例えば地震や重大冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ＝Loss of Coolant Accident）の場合、スペーサがそれに隣接する燃料集合体によってかなりの衝撃負荷を受ける。その際に生ずる個々の列や行の屈折として認識される永続的変形は、制御棒がさらに燃料棒案内管に挿入できることを保証するために、およびそのようにして安全な継続運転あるいは設備の安全停止を可能にするために、その許容最大値を超過してはならない。それに従って、塑性変形が原理的に限られた範囲で許される一方で、燃料集合体に配置された制御棒案内管に顕著なずれを生じさせる大きな曲がりは、防止されねばならない。

それに応じて、スペーサは、予測される衝撃負荷がスペーサの大きな座屈あるいは屈折を生じさせない、ように設計されている。実際に開発目標として、未照射の新スペーサ（ＢＯＬ（＝Begin of Life）スペーサ）に対して、約２０ｋＮの座屈強度が追い求められている。これにより、事故（地震、ＬＯＣＡ）の枠内で生ずる衝撃負荷（平面的に作用する横力）が２０ｋＮより小さい限りにおいて、ＢＯＬスペーサは耐えることができる。

それにもかかわらず、長期間使用されて、その使用期間の満期（ＥＯＬ=End of Life）に達したスペーサの場合、座屈強度が新スペーサに比べてかなり低下してしまっているために、悪い状態において当座の屈曲強度より大きな力が生ずる。その屈曲強度の低下はその都度のスペーサ形式に関係し、５０〜６０％以上になる。

従って、事故時の安全性を改善するために、独国特許第１０３３４５８０号明細書において、スペーサに横に作用する限界力の超過時に、制御棒案内管を含む内部領域の外側に格子目が存在するスペーサの領域でのみ変形が始まるように、スペーサを構造的に設計することが提案されている。その変形特性は、スペーサがその内部領域の外側において機械的により弱く設計されていることによって得られる。

本発明の課題は、高い事故時安全性と良好な熱流体力学的特性とを有する、加圧水形原子炉の燃料集合体を提供することにある。

この課題は特許請求の範囲の請求項１に記載の特徴を有する燃料集合体によって解決される。独国特許第１０３３４５８０号明細書で知られている燃料集合体から出発して、本発明に基づいて、少なくとも１個のスペーサが、第１部分領域において第２部分領域におけるよりも機械的に強く設計され、第２部分領域に、燃料棒間に形成されたサブチャネルに向けて突出し流れ抵抗を高め且つ第２部分領域における機械的弱化設計に伴って現れる流れ抵抗の低下に対抗して作用する少なくとも１個の抵抗体が設けられている。本発明は、例えば周縁領域における帯板の壁厚の減少によって、あるいは帯板が互いに溶接されている溶接結合点の数と広がり寸法の減少によって達成されるスペーサの周縁部位における機械的弱化が、この弱化された外部領域におけるスペーサの流れ抵抗を内部領域における流れ抵抗より小さくさせる、という認識に基づいている。換言すれば、ＥＯＬ（End of Life）特性を向上するために施されたスペーサの機械的非均質性は、流体力学的非均質性を引き起し、即ち、スペーサを通る冷却材の流れから燃料棒の軸方向に生ずる圧力損失の不均一な分布を引き起こす。

機械的に弱く設計された第２部分領域における本発明に基づく流れ抵抗の的確な増大によって、そこで局所的に圧力損失が高められ、これによって、第１部分領域と第２部分領域との異なった機械的設計により生ずる流体力学的非均質性は低下される。換言すれば、本発明に基づく処置によって、スペーサの機械的設計の非均質性にもかかわらず、スペーサにわたって生ずる圧力損失の十分な均質性が得られる。その場合、第２部分領域における機械的に弱い設計に伴って現れる流れ抵抗の低下が完全にとは云わないまでもほぼ相殺されるように、抵抗体を設けることが推奨される。

好適には、抵抗体は帯板の交差箇所に配置され、即ち、隣り合う４本の燃料棒で形成されたサブチャネルの中心に配置されている。特にスペーサの周縁の帯板の部位に実施されたかかる抵抗体の中心配置によって、特に簡単な様式で、サブチャネルの中心の周りを回転対称に延びる局所的流れ分布が発生され、これによって、抵抗体は、冷却材の流れ方向に対して垂直に燃料集合体に向けて作用する力を生じさせる流れパターンを発生しない。

抵抗体は、少なくとも１つの帯板に溶接された別個の部品である。その代わりに、製造技術的に特に簡単に、抵抗体は帯板に設けられた成形部によっても形成することができる。

スペーサの格子目は、好適には、周縁に配置された周縁帯板および内部に位置する内部帯板によって形成され、以下において用語「帯板」とは周縁帯板並びに内部帯板を意味する。かかる機械的弱化が行われている周縁領域ないし第２部分領域は、内部領域の外側に位置する内部帯板、内部領域を通して延びる内部帯板の内部領域から突出する端部および周縁帯板で形成されている。

好適には、縦横に延びる帯板は互いに溶接継手によって結合され、その場合、第１部分領域の外側における内部帯板の溶接継手の少なくとも一部は、第１部分領域の内部における内部帯板の溶接継手より小さな強度で形成されている。

本発明の有利な実施態様において、内部帯板の少なくとも一部が、第１部分領域の外側に位置する帯板部位に、内部領域の内部に配置された帯板部位に比べて材料弱点部を有し、その材料弱点部は特に、この内部帯板の小さな壁厚（帯板幅）によって発生されている。

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において、スペーサ４が縦横に延び互いに直交点で溶接された多数の帯板１４₁〜１４₁₇、１６₁〜１６₁₇で構成されている。これらの帯板のうちの帯板１４₁、１４₁₇、１６₁、１６₁₇は格子の縁を形成し、以下において周縁帯板と呼ぶ。ほかの帯板１４₂〜１４₁₆、１６₂〜１６₁₆は格子の内部を延び、以下において内部帯板と呼ぶ。縦横に延び互いに交差する帯板１４₁〜１４₁₇と帯板１６₁〜１６₁₇は、多数（例えば１６×１６個）の格子目６を備えた正方形格子を形成し、支持管で貫通されていない格子目６を通して燃料棒２が導かれ、その燃料棒２は理解を容易にする理由から幾本かしか示されていない。互いに隣接する４本の燃料棒２はサブチャネル１７を境界づけ、このサブチャネル１７を通して、冷却材が燃料棒２に対して平行に（軸方向に）、従って紙面に対して垂直に流れる。前記サブチャネル１７は、図１において破線の円で示す冷却材の通流領域であって、後述する図２の部番１７で示す領域である。即ち、このサブチャネル１７の自由空間は、前述のように、隣接する４本の燃料棒２の間にあって格子を形成する帯板の各交差箇所に形成されており、この各サブチャネルを通って、燃料集合体を軸方向に貫通する冷却材が複数の燃料棒に沿って流れる。

この実施例において、すべての支持管は制御棒案内管１２である。この実施例では他の構造管は存在していない。

制御棒案内管１２は、ハッチングで表された第１部分領域１８を境界づけ、この第１部分領域１８は、この実施例において、内部帯板１４₃、１４₁₅、１６₃、１６₁₅によって境界づけられた正方形内部領域によって形成されている。この正方形内部領域は内部帯板１４₃、１４₁₅、１６₃、１６₁₅を含んでいる。この第１部分領域１８は第２部分領域１９によって、図の実施例では２つの行８ないし列１０から成る周縁領域によって、取り囲まれている。スペーサ４はいまや独国特許第１０３３４５８０号明細書に応じて、その第１部分領域１８が第２部分領域１９におけるより機械的に強く設計されている。かかる第１部分領域１８の強い設計ないし逆に考えた場合に第２部分領域１９の弱い設計に対して必要な技術的処理（溶接結合点の太さないし数の変更、帯板の壁厚の増大ないし減少、例えば第２部分領域１９の帯板に設けた切欠き開口（後述する図４の３６）などの形態の材料弱点部の設置）は、いまや、スペーサ４の流れ抵抗を第１部分領域１８において第２部分領域１９におけるより大きくさせ、このために、燃料棒２の軸方向に対して平行に、即ち、格子平面に対して垂直に流れる冷却材において、スペーサ４によって発生される圧力損失は非均質となる。これによって、燃料棒の軸方向に対して垂直に延びる格子平面において圧力勾配が発生され、この圧力勾配は望ましくない横流れを生じさせる。

この非均質性を防止するために、本発明に基づいて、第２部分領域１９に、流れ抵抗の低下が十分に補償される処置が講じられている。

これは、図において黒丸で表された箇所によって明らかにされ、即ち、この第１部分領域１８の外側に存在するサブチャネル１７が、そこで交差する内部帯板１６₂〜１６₁₆ないし１４₂〜１４₁₆の部位に、それらの燃料棒間に形成されたサブチャネル１７において流れ抵抗を高める抵抗体２０を備えている。そして後述する図２〜５に示すように、前記抵抗体２０は、形態は異なるものの、サブチャネル１７に向けて突出するように設けられている。その場合、独国特許第１０３３４５８０号明細書に応じて、意図して第２部分領域１９内を延びる内部帯板１４₂〜１４₁₆、１６₂〜１６₁₆に設けられた機械的弱点部を廃止する必要はない。

図２の実施例において、二重壁帯板１４_i、１６_iで構成されたスペーサ４において、第２部分領域１９に存在する交差箇所における流れ抵抗のそのような増大は、帯板１６ｉの交差箇所における各帯板の（燃料集合体が炉心に垂直に挿入された場合における）上縁に、それらの交差箇所に対応されたサブチャネル１７ないしそれぞれ隣接する格子目６の内部に向けて傾斜された湾曲部あるいは成形部２０ａを有していることによって得られる。これらの成形部２０ａはほぼ三角形状を有している。内部帯板１６_iと交差する内部帯板１４₂あるいは内部帯板１４₆は、その部位にほぼＶ状の切欠き２４を有し、その底が内部帯板１６_iに溶接されている。この溶接継手は、独国特許第１０３３４５８０号明細書で提案された処置に応じて、第１部分領域１８に存在する溶接継手より弱く設計されている。これは図において、第１部分領域１８に存在する（図では隣接する交差箇所に誇張して概略的に示された）溶接結合点２７より小さな直径を有する溶接結合点２６によって表示され、このようにして、第２部分領域１９における機械的強度が的確に弱化されている。上縁と反対側の下縁にも、図では唯一の成形部２０ａしか見えない成形部２０ａが内部帯板１４₂あるいは内部帯板１４₁₆に設けられ、内部帯板１６_iはほぼＶ状の切欠き２４を備え、ここでも、Ｖ状切欠き２４の底に、交差する帯板１６₁と帯板１４₂、１４₁₆を相互に溶接する小さな溶接結合点２６が存在する。

矢印３０の方向（軸方向）にサブチャネル１７を通って流れる冷却材Ｋは成形部２０ａで方向転換され、これによって、図において矢印３２で示されているように、格子平面に対して平行に向けられた流れ成分が生ずる。その方向転換は対を成して逆向きに向けられ、これにより、スペーサ従って燃料集合体に向けての流れの方向転換によって発生される横力は消滅する。

図３の実施例において、単壁帯板１４₂₍₁₆₎、１６_iで構成されたスペーサ４の場合、交差箇所の範囲において帯板１４₂₍₁₆₎、１６_iの上縁並びに下縁に、同様に三角形の成形部２０ｂが設けられている。それらの成形部２０ｂは、流れる冷却材に流れ側においてサブチャネル１７の中心軸線を中心とする旋回を与える。内部帯板１４₂₍₁₆₎、１６_iは上縁の範囲において溶接結合点２７によって互いに溶接され、その溶接結合点２７の広がり寸法およびそれに伴う溶接継手の機械的強度は、第１部分領域に利用された溶接結合点に匹敵している。この実施例において、第２部分領域における的確な機械的弱化は、溶接結合点２７の数および従って溶接継手の強度が低減されることによって得られる。これは、下縁における（図に破線で示された）溶接結合点の欠落によって明らかにされている。

図４と図５の実施例において、抵抗体は、内部帯板１４₂₍₁₆₎、１６_iに別個にそれぞれ４個の溶接結合点２６で溶接されたディスク状部品２０ｃ、２０ｄによって形成されている。このディスク状部品２０ｃ、２０ｄは、図４の実施例においてほぼ十字形をし、図５の実施例において円形をしている。内部帯板１４₂₍₁₆₎、１６_iは、この場合、交差箇所に凹所を備え、この凹所にディスク状部品２０ｃ、２０ｄがはめ込まれ、これによって、その接触設置面とは反対の平面が、内部帯板１４₂₍₁₆₎、１６_iの上縁ないし下縁と同じ平面に位置している。

図４の実施例において、第２部分領域の的確な弱化は、切欠き開口３６で引き起こされる材料弱体によって行われ、他方で図５の実施例において、第２部分領域において全体を通して延びる内部帯板１４₂、１４₁₆（および類似して内部帯板１６₂、１６₁₆）は、他の帯板より薄い壁厚を有している。

本発明は、実施例に示された１６×１６形の正方形スペーサを備えた燃料集合体に限定されず、異なったスペーサ幾何学形状の燃料集合体にも適用できる。

本発明に基づくスペーサの概略平面図。 局所的流れ抵抗を高めた本発明に基づくスペーサの交差箇所の斜視図。 異なった実施例の図２に相応した斜視図。 さらに異なった実施例の図２に相応した斜視図。 さらに異なった実施例の図２に相応した斜視図。 従来公知の加圧水形原子炉の燃料集合体の斜視図。

符号の説明

２ 燃料棒
４ スペーサ
６ 格子目
８ 行
１０ 列
１４ 帯板
１６ 帯板
１８ 第１部分領域
１９ 第２部分領域
２０ 抵抗体

Claims (11)

1. 軸方向に互いに間隔を隔てて配置された複数のスペーサ（４）によって案内されている複数の燃料棒（２）を有し、前記スペーサ（４）が、縦横に延びる複数の帯板（１４₁〜１４₁₇、１６₁〜１６₁₇）で構成され行（８）と列（１０）を成して配列された複数の格子目（６）を備えた正方形格子を形成し、複数の格子目のうちの複数の各格子目（６）を通して制御棒案内管（１２）が導かれている、加圧水形原子炉の燃料集合体であって、
   少なくとも１個のスペーサ（４）が、第１部分領域（１８）と第２部分領域（１９）とからなり、前記第１部分領域（１８）は制御棒案内管（１２）を含む内側領域であって前記第２部分領域（１９）によって取り囲まれた領域であり、前記第１部分領域（１８）において第２部分領域（１９）におけるよりも機械的に強く設計され、前記第２部分領域（１９）において、燃料棒（２）間に形成されたサブチャネル（１７）に向けて突出し流れ抵抗を高め且つ第２部分領域（１９）における機械的弱化設計に伴って現れる流れ抵抗の低下に対抗して作用する少なくとも１個の抵抗体（２０）が設けられていることを特徴とする加圧水形原子炉の燃料集合体。
2. 抵抗体（２０）が、第２部分領域（１９）における機械的弱化設計に伴って現れる流れ抵抗の低下を相殺することを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
3. 抵抗体（２０）が、帯板（１４_i、１６_i）の交差箇所に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料集合体。
4. 抵抗体（２０）が、帯板（１４_i、１６_i）の隅部に配置され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. 抵抗体（２０）が、少なくとも１つの帯板（１４_i、１６_i）に溶接された部品（２０ｃ、２０ｄ）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料集合体。
6. 抵抗体（２０）が、帯板（１４_i、１６_i）に設けられた成形部（２０ａ、２０ｂ）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料集合体。
7. 複数の抵抗体（２０）が、これらの抵抗体（２０）から流れ冷却材（Ｋ）によって燃料集合体にそれぞれ冷却材（Ｋ）の流れ方向（３０）に対して直角に与えられる力が少なくともほぼ相殺される、ように設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料集合体。
8. 第１部分領域（１８）が制御棒案内管（１２）を含む内部領域であり、第２部分領域（１９）が第１部分領域（１８）の外側に存在する格子目（１６）で形成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料集合体。
9. スペーサ（４）の格子目（６）が、周縁に配置された周縁帯板（１４₁、１４₁₇、１６₁、１６₁₇）および内部に位置する内部帯板（１４₂〜１４₁₆、１６₂〜１６₁₆）によって形成され、縦横に延びる帯板（１４₁〜１４₁₇、１６₁〜１６₁₇）が互いに溶接継手（２６）によって結合され、内部帯板（１４₂〜１４₁₆、１６₂〜１６₁₆）の第１部分領域（１８）の外側における溶接継手の少なくとも一部が、第１部分領域（１８）の内部に存在する溶接継手に比べて小さな強度を有していることを特徴とする請求項８に記載の燃料集合体。
10. 内部帯板（１４₂〜１４₁₆、１６₂〜１６₁₆）における第１部分領域（１８）の外側に位置する帯板部位の少なくとも一部が、材料弱点部を有していることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料集合体。
11. 第１部分領域（１８）の外側に配置された内部帯板（１４₂、１４₁₆、１６₂、１６₁₆）が、第１部分領域（１８）を通して延びる内部帯板（１４₃〜１４₁₅、１６₁〜１６₁₅）より小さな壁厚を有していることを特徴とする請求項１０に記載の燃料集合体。

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