JP5425367B2 - 燃料集合体 - Google Patents
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Description
本発明は、特に、加圧水型原子炉(PWR)の燃料集合体における底部端部片を構成するのに用いられる。
炉心を流れる冷却水は、極めて速い上昇速度にて流れる。
炉心の運転中に見い出されたところによれば、燃料棒、特に燃料棒の下端部が振動を受けて、燃料棒を破損させ易いことである。
これらの摩擦現象は、外側クラッディングを損傷させて、核分裂の生成ガスや生成物質を一次側冷却水の中に放出させることになる。
そのために、本発明は、原子炉の燃料集合体に用いられる終端端部片であって、燃料集合体は燃料棒と燃料棒を支持する骨組みとを備え、燃料棒は、長手方向に延在して、実質的に規則的な網状組織におけるノードに配設され、支持用の骨組みは、2つの終端端部片と、該終端端部片に結合される要素とを備え、燃料棒は、終端端部片間に長手方向に配置されてなる、終端端部片に関する。
端部片は、実質的にすべての燃料棒における隣接する長手方向端部を横方向に維持するための保持手段を備え、該保持手段は、実質的に規則的な網状組織におけるノードに配置されている。
・保持手段は、燃料棒における隣接する長手方向端部を受け入れるためのハウジングから構成されていること。
・保持手段は、燃料棒における隣接する長手方向端部を、終端端部片に対して、長手方向に固定する固定手段を構成していること。
・端部片は2つの構成要素から構成され、両者の間に、燃料棒における隣接する長手方向端部をクランプ保持すること。
・片方の要素は、破片防止フィルタを備えていること。
・長手方向の固定手段は突起部から構成され、この突起部に、燃料棒における隣接する長手方向端部に設けたリングを嵌合させること。
・長手方向の固定手段は、燃料棒における隣接する長手方向端部に係合すべく意図された、ネジから構成されていること。
・長手方向の固定手段は、スナップ嵌合(=スナップフィット)によって固定する手段であること。
・端部片は底部端部片を構成していて、隣接する長手方向端部(19)は燃料棒(3)の下端部であること。
・端部片は、原子炉の炉心に設けた下側板の上に支持されるための足部(25)を備えていること。
・保持手段は、燃料棒における隣接する長手方向端部を、終端端部片に対して、長手方向に固定する固定手段を構成していること。
・保持手段は、燃料棒における隣接する長手方向端部を、終端端部片に対して、長手方向に固定する固定手段を構成していること。
・端部片は2つの構成要素から構成され、両者の間に、燃料棒における隣接する長手方向端部をクランプ保持すること。
・長手方向の固定手段は、端部片に設けられた突起部と、燃料棒における隣接する長手方向端部に設けられて、前記突起部に嵌合するリングとから構成されていること。
リングは、構成要素のうちの片方と当接するためのリリーフ部分(79)を備えていること。
・燃料棒における隣接する長手方向端部は、2つの構成要素の間にクランプ保持される幅広足部を備えていること。
・燃料棒における隣接する長手方向端部は、端部片にロール広げ加工によって取り付けられていること。
・長手方向の固定手段は、端部片に当接し、燃料棒における隣接する長手方向端部に係合する、ネジから構成されていること。
・長手方向の固定手段は、スナップ嵌合によって固定する手段であること。
燃料集合体1は、垂直に延在し、長手方向Aに直線状に延びている。
従来より、燃料集合体1は、主として、核燃料棒3と、燃料棒3を支持するための構造物ないし骨組み5とから構成されている。
支持骨組み5は、慣習的には、以下の要素を備える。すなわち、
・燃料集合体1の長手方向端部に配設される、底部端部片7と上部端部片9。
・原子炉を制御及び停止させるべく、燃料集合体のロッドを受け入れるように意図された案内管11。
・燃料棒3を保持するためのグリッド13。
図1及び図2の例示においては、保持グリッド13は、一側面につき17個のセルをもち、規則的な網状組織は、一側面につき、同じ数のノードをもつ。
別の変形例においては、セルとノードの数が異なっていて、例えば14×14とか、15×15とかになっている。
それぞれの燃料棒3は慣習的には、外側クラッディング17を下側プラグ19と上側プラグ21とで閉じられて、核燃料を収容している。内部には、例えば積み重ねられた燃料ペレットが配置され、ペレットは下側プラグ19によって支持されている。
クラッディングの内部において、上側ペレットと上側プラグ21との間には螺旋保持バネ(図示せず)が配設される。
端部片7は、水平壁23と、足部25とを備え、足部は壁23から下方へ延びて原子炉の炉心における下側板の上に支持される。
壁23は概略平坦な平行六面体の形態であり、足部25は壁23の各角部に配置される。壁23は、下側部材29と、下側部材29を覆う上側板31とを備える。
下側部材29は複数のユニット33から構成され、これらのユニットは燃料棒3や案内管11、及び計器管14と同じ網状組織のノードに配置される。
このようにして、図3から分かるように、部材29は17行×17列の円筒形のユニット33を備えている。
ユニット33は補強リブ37によって互いに結合されており、下側部材29のまわりにグリッド状の正方形を形成している。
ユニット33は燃料棒3の下方に配置され、すなわち、ほとんどのユニット33は燃料棒3の外径に実質的に対応した直径を有し、ノーズ39によって下方へ延びている。ノーズ39は、実質的には、蛋形状の形態であって下方へと集まっている。これらのノーズ39は、それぞれのユニット33と一体的に形成されている。
中央のユニット33の孔41は、計器管14の下方に配置され、計器管14のプローブを挿入できるように空に開放されている。
このように、端部片7における下側部材29は、ノーズ39を網状組織として備え、これは燃料棒3及び案内管11の網状組織と同じになっている。
網状組織は、計器管14の領域においてのみ中断される。いくつかの変形例においては、網状組織は、かかる管14の領域において、もっと著しく、局所的に中断される。
しかしながら、そうした変形例では、燃料棒3の大部分はノーズ39の上方に配置されたままに残される。
図5及び図6に示すように、上側板31は、リング51を備え、これらのリングはユニット33と同じく、実質的に規則的な網状組織におけるノードに配置されている。リング51の内部通路52は、燃料棒3の下方に配置され、該内部通路は、上向きに広がった上側部分53と、実質的に円筒形である下側部分55とを備え、これらの部分は、めくら穴47の広がった部分49と連続をなすように設けられる。これらのリング51の外径は、燃料棒3の外径と実質的に等しい。
案内管11と計器管14との下方に配置されるリング51については、その内部通路52は、例えば円筒形になっている。これらのリング51の外径は、案内管11及び計器管14の外径と実質的に等しくなっている。
リング51同士は、補強リブ57によって互いに結合され、補強リブは、例えば、下側部材29のリブ37と同様な、グリッド状になっている。
板59は、リブ57に比べて目が細かくて、リング51とリブ57との間に延在しており、板31において、冷却水の通路になり冷却水を濾過する孔61を区画している。図示の実施形態においては、板59はグリッド状の形態に配置されている。
このように、上側板31は、破片止めフィルタ(破片防止フィルタ)を形成している。
図5及び図6に詳しく示すように、案内管11を固定するためのネジ43の軸62は、対応する孔41を通って延びており、案内管11に固着された下側プラグ63に螺合している。従って、プラグ63は上側板31に支持されて、ネジ43の頭部45は下側部材29の下側に当接している。
上側板31と下側部材29とは互いに隣接して、端部片7は、支持骨組み5における残余の部分に固着されている。
図7から分かるように、網状組織をなすユニット33は、その一部分だけを示していて、その構造の詳細については示していない。
燃料棒3の下方に配置されるリング51の通路52と、下方に配置されるユニット33のめくら穴47とは、燃料棒3の下側プラグ19を受け入れるためのハウジング67を形成する。
燃料棒3及び案内管11に対し、連続的にノーズ39が配置されて設けられるために、流れの経路は、燃料棒3の下端部に沿って実質的に垂直に向けられて、従って、横方向の水の流速は低下する。
従って、原子炉の運転中に、燃料棒3の下端部に発生する振動が減少する。
燃料棒3の下端部が端部片7それ自体によって保持されていることから、燃料棒3が振動する危険性はさらに減少する。このように、燃料棒3の振動については、下側保持グリッド13に分配可能な程度にまで制限される。
燃料棒3のクラッディング17が擦過して損傷する危険性は限定される。
端部片7は、水流に対して良好な透明度をもっていて、従って、大きな圧力低下をもたらすものではない。
従って、例えば円錐形の形状など、底部へ向けて一点に集まるような特定の形態にしても良い。
さらに、大部分の燃料棒3がノーズ39の上方に配置されている限り、ノーズ39を設ける密度は上述した実施形態に比べて少なくしても良い。
代表的には、底部端部片7は、ステンレス鋼又はジルコニウム合金から構成される。
それは、在来の任意の方法によって構築される。
このように、部材29と板31とを構築するには、金型成形によるか、または、研磨粒子を水に含めた超高圧(数千バール)の研磨水のジェットを用いるかによる。
従って、そうした変形例においては、破片防止フィルタは、部材29と一体的に構成され、すなわち、補強リブ37の間に板59が延在する。
図8の変形例においては、足部25は、板59と同様に、部材29に一体的に形成されていることが分かるだろう。
底部端部片7は、1つの部品として構成される。
網状組織に配列されたノーズ39は、燃料棒3の網状組織と実質的に対応し、燃料棒3の下端部を保持する手段が端部片7に設けられているか否かには関係なく、これを用いることができる。
逆に、底部端部片7による燃料棒3の保持をさらに大規模にして、本発明の第2の実施形態に示した如く、長手方向の固定を含めても良い。
燃料棒3の下側プラグ19は、下方へ延びて実質的に円筒形のリング75になっている。これらのリング75には、割れ目が形成されていて、変形可能な弾性舌部77を形成している。
各リング75は変形していて、屈曲した隆起部によって、丸い拡大部79を構成している。
リング75の内径は、突起部71の外径に比べてわずかに小さくなっている。
燃料棒3を底部端部片7に組み付けるには、図9の左側部分に示すように、押し込むことが必要である。
上側板31を燃料棒3に固定するには、予め、燃料棒3の上端をリング51の通路52に通しておいておく。
次に、図9の左側に矢印81にて示す如く、リング75を突起部71に嵌着させる。
この取付作業中には、舌部77は横方向外側へ、わずかに弾性変形する。
次に、上側板31を降ろして、下側部材29に当接させれば、図9の右側に示した状態になる。
すると、リング51の通路52における下側部分83が拡大部分79に対して当接する。これらの下側部分83は、例えば、底部へ向かって広がった形状のものである。
上述したネジ43を用いて、底部端部片7を案内管11に固定すれば、支持骨組み5の組立体が完成する。
すると、上側板31は下側部材29に対して長手方向に当接した状態に維持され、従って、燃料棒3の下端部は拡大部分79によって、部材29に対して長手方向にクランプされる。
そして、すべての燃料棒3は、底部端部片7に対して長手方向に固定され、これにより、端部片7に対する燃料棒3の横方向の固定を得て、燃料棒3の振動と擦過による損傷とのリスクをさらに低減させる。
この変形例においては、リング75の直径はさらに小さくされ、従って燃料棒3におけるクラッディング17の外径に比べて小さくなっている。リング75は、肩部85によって、下側プラグ19の側面に固定される。リング51の中央通路52は、下側の広がり部分83に加えて、上側の部分87も上方へ向けて広がっている。
突起部71の外径は、第1の変形例に比べてさらに小さくなっている。
燃料棒3を底部端部片7に組み付けるには、図10の左側部分に矢印88にて示す如く、まず最初に、リング75をグリッド31のリング51における通路52に挿入する。この挿入作業中には、舌部77が弾性的に横方向に内方へ向けて変形し、拡大部分79は円錐形部分83の下方に配置され、肩部85は破片防止グリッド31の上面に当接する。そして、燃料棒3の下側プラグ19を組み付けるためには、上側グリッド31を係合させる。
次に、上側グリッド31を、下側ユニット29に当接させて、突起部71をリング75の内側に挿入させる。突起部71は、板77の変形を防ぎ、従って、下側プラグ19は上側板31から係脱することが防がれる。
底部端部片7をネジ43で案内管11に固定したならば、支持骨組み5の構築は完成する。
この第2の変形例においては、燃料棒3の下端部もまた、端部片7に対して長手方向と横方向とに固定される。
燃料棒の上端部をグリッド31のリング51に入れて燃料棒3を取り付けた後には、これらの足部89はリング51に設けられた下側のさら穴91に係合する。足部89と、従って燃料棒3の下端部とは、端部片7の下側部材29と上側板31との間に、案内管11を固定するネジ43によって、長手方向に固定される。
従って、燃料棒3の下端部は、底部端部片7の上側板31に対して長手方向と横方向とに固定され、これ自体はネジ43によって底部端部片7の部材29に固定される。
従って、燃料棒3の下方に配置される各ノーズ39は、ネジ43の頭部45によって形成され、ネジの軸62は対応するユニット33を貫通し、対応する燃料棒3の下側プラグ19に螺合する。
上述した各実施形態及びその変形例においては、端部片7は必ずしも破片防止フィルタを構成しなくても良い。
改めて再認識されるように、端部片7に保持手段が存在すること、また、より好ましくは、横方向及び/又は長手方向にすべての燃料棒3を固定する手段については、燃料棒3に沿って冷却水の流れを振り向けるノーズ39の使用とは別の事と考えられるが、というのは、これらは互いに独立して、燃料棒3が振動するリスクを制約するからである。
いくつかの変形例においては、大部分の燃料棒が保持された状態になっていれば、いくつかの燃料棒は端部片7に保持されていなくても良い。
より一般的には、上述した原理は、加圧水型原子炉用の燃料集合体のみならず、沸騰水型原子炉(BWR)用の燃料集合体にも適用することができる。
Claims (8)
- 原子炉の燃料集合体(1)であって、燃料集合体(1)は燃料棒(3)と燃料棒(3)を支持する支持用骨組み(5)とを備え、上記燃料棒(3)は、長手方向(A)に延在して、実質的に規則的な網状の複数の節点に配設され、上記支持用骨組み(5)は、上部端部片(9)と、底部端部片(7)と、上部端部片(9)及び底部端部片(7)に結合されてなる要素(11)とを備え、上記燃料棒(3)は、上部端部片(9)及び底部端部片(7)間に長手方向に配置され、上記底部端部片(7)は、実質的にすべての燃料棒(3)における長手方向下端部(19)を上記底部端部片(7)に対して横方向位置を保持し且つ長手方向に固定するための保持手段(67;71,83;91;51;43)を備え、この保持手段は、実質的に規則的な網状の複数の節点に配設され、且つ、2つの構成要素(29,31)を備え、上記燃料棒(3)の長手方向下端部(19)は横方向に突出する拡大部(79,89,75)を備え、上記拡大部(79,89,75)がこれらの2つの構成要素(29,31)間に配置され、燃料棒(3)の長手方向下端部(19)が上記拡大部(79,89,75)によりこれらの2つの構成要素(29,31)間に長手方向にクランプ保持されることを特徴とする燃料集合体。
- 上記2つの構成要素のうち片方の構成要素(31)は、破片止めフィルタ(31)を備えていることを特徴とする請求項1に記載の燃料集合体。
- 上記底部端部片(7)は、上記燃料集合体を原子炉の炉心に設けた下側板の上に支持されるための足部(25)を備え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。
- 上記保持手段は、燃料棒(3)の長手方向下端部(19)を受け入れるハウジング(67)を備え、このハウジング(67)は、上記2つの構成要素(29,31)に形成されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料集合体。
- 上記保持手段は、上記2つの構成要素(29,31)のうちの片方に設けられた突起部(71)を備え、リング(75)が、燃料棒(3)における上記長手方向端部(19)に設けられて、前記突起部(71)に嵌合されることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の燃料集合体。
- 上記リング(75)は、上記2つの構成要素(29,31)のうちの片方と当接するための上記拡大部(79)を備えていることを特徴とする請求項5に記載の燃料集合体。
- 上記拡大部は、上記2つの構成要素(29,31)の間にクランプ保持される幅広足部(89)によって形成されていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料集合体。
- 上記保持手段は、燃料棒(3)の長手方向下端部(19)と上記2つの構成要素(29,31)との間におけるスナップ嵌めであることを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の燃料集合体。
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