JP5452797B2 - 原子炉燃料集合体 - Google Patents

Description

関連出願との相互参照

本願は本発明の譲受人を譲受人とする２００７年６月１６日付け米国特許出願第１１／７６４、５４０号の関連出願である。

発明の背景

本発明は広義には原子燃料集合体に係わり、より具体的には燃料集合体グリッドと制御棒ガイドシンブルとの結合に係わる。

典型的な原子炉の場合、炉心には、それぞれがエンド・フィッティングとも呼称される上部及び下部ノズルと、ガイドシンブルに沿って且つその軸方向に間隔を保つ複数の横断方向支持グリッドとを含む多数の燃料集合体が収容されている。また、それぞれの燃料集合体は互いに且つガイドシンブルから横断方向に間隔を保ち、上部及び下部ノズル間を横断方向グリッドによって支持される複数の細長い燃料要素または燃料棒を含む。燃料棒はそれぞれ核分裂性物質を内蔵し、高い核分裂率を可能にすることで多量の熱エネルギー放出を可能にするのに充分な中性子束を提供するように構成された配列でグループ分けされる。炉心において発生する熱の一部を抽出して、有用な仕事に変換するため、液状冷却材を下方から上方に向かって炉心内へ送り込む。炉心での熱発生率は核分裂率に比例し、核分裂率は炉心内の中性子束によって決定されるから、原子炉の始動時、運転中、および停止時における熱発生の制御は中性子束を変化させることによって達成される。ガイドシンブルは燃料集合体の構造要素であるだけでなく、炉心内に中性子吸収制御棒を挿入する際チャンネルとしても機能する。中性子束のレベル、従って、炉心の熱出力はガイドシンブルへの、およびガイドシンブルからの制御棒の挿入および抜き出しによって調整されるのが普通である。

ガイドシンブルはその両端が上部及び下部ノズルにそれぞれ固定され、グリッドはガイドシンブルが貫通するグリッド・セルの位置においてガイドシンブルに固定される。このようにして上部ノズル、下部ノズル、ガイドシンブルおよびグリッドが燃料集合体の構造要素、いわゆる燃料集合体スケルトンを形成する。

グリッドは炉心における燃料棒間の間隔を正確に維持し、燃料棒の振動を防止し、燃料棒を側方から支持する目的で使用される。グリッドは照射中に起こるその変形、中性子捕獲および構造的一体性の低下を最小限に抑制するため、ステンレススチール、インコネル、およびジルコニウム合金、例えば、ジルカロイのような中性子吸断面積の小さい物質で形成される。従来型の原子燃料集合体用グリッドは燃料棒およびガイドシンブルを受容するセルを画定する卵梱包枠箱の形態に噛み合わせた複数のグリッド・ストラップを含む。内側グリッド・ストラップのそれぞれの両端を外側グリッド・ストラップと結合することによってグリッドの周辺セルを形成している。燃料棒が貫通するそれぞれのセルが種々の形態の比較的弾力性に富んだばねを利用することによって１本の燃料棒を所与の軸方向位置において支持する。燃料棒の横方向位置ずれを抑制し、集合体の燃料特性を向上させるため、燃料集合体の全長に沿って多数のグリッドが使用される。加圧水型原子炉の場合、それぞれのグリッドを制御棒ガイドシンブルに固定することによってそれぞれのグリッドを燃料集合体に沿って固定することが多い。

卵梱包枠箱パターンに形成されたグリッドの内側ストラップは交差位置で溶接またはロ
ウ付けによって位置固定するのが一般的な態様である。グリッドを構成するストラップの端部も、これらを囲む周縁ストラップに溶接またはロウ付けによって固定する。ストラップがジルカロイまたはステンレススチール製である場合、溶接を採用するのが普通である。インコネルまたはニッケル・メッキされたインコネルを採用する場合には、ロウ付けが必要となる。ガイドシンブル・チューブに対するスペーサ・グリッド集合体の位置決めおよび固定には種々の取り付け手段が使用されている。これらの取り付けには、グリッドのチューブへの溶接、グリッドに取り付けられているスリーブへのチューブのろう付け、バルジ加工、図１に示すように、グリッド・ストラップ４２の真上および真下でのガイドシンブル１８へのスプリット・リング４０の溶接が含まれる。グリッド・ストラップとガイドシンブルにそれぞれ異なる材料が使用されている場合、例えば、グリッドの材料としてインコネル、ガイドシンブルの材料としてジルカロイが使用されている場合にはグリッド・ストラップへのガイドシンブルの結合に、あとの２つの機械的方法が必要になる。グリッド・ストラップ４２の両側に個別のスプリット・リング４０を設ける場合、リング４０とグリッド・ストラップ４２の間のギャップのサイズに起因する問題が発生し、結果として両リングの荷重に差が生じ、両リング４０の共平面性が欠如し、リングとグリッドの間のギャップをチェックすることが困難になる恐れがある。

設計者たちは常にグリッドおよび燃料集合体スケルトンの製造手段の改良に努力している。着目されている領域として、製造に必要な労力を軽減し、グリッドの寸法パラメータに関する厳しい制約または許容誤差を満たすメカニズムが挙げられる。さらにまた、燃料集合体スケルトンの構造上の剛性を確保することも考慮しなければならない。特に、グリッド・ストラップとガイドシンブルにそれぞれ異なる材料を使用する場合に適合するようにグリッド・ストラップとガイドシンブルとの結合方法を改良する必要に迫られている。ジルカロイはインコネルよりも小さい中性子捕獲断面積を有するが、インコネルはジルカロイよりも高い剛度とジルカロイよりも低い緩和率を有するから、グリッド・ストラップの材料として使用するにはジルカロイよりも好ましい。本発明の譲受人に譲渡された２００７年６月１８日付け米国特許出願第１１／７６４、５４０号は、グリッド・ストラップの上方からグリッド・ストラップの下方にまで延びるグリッド貫通スプリット・スリーブを設けることによって上記問題と取組んでいる。スリーブの非圧縮時の直径はガイドシンブルが貫通されるセルの直径に等しいか、またはそれよりも大きい。好ましくは、スリーブはガイドシンブルの材料と同じか、またはガイドシンブルの材料との溶接に好適な材料から成る。スリーブを圧縮し、圧縮された状態で、スリーブをその一部がグリップ・ストラップの上下から突出するようにグリッドの対応セルに挿入する。次いで、スリーブを非圧縮状態まで拡張させることによってスリーブをガイドシンブルのセル内に固定する。次いで、溶接またはその他の方法でスリーブをグリッド・ストラップに固定すればよい。スリーブをセル内に固定する時、ガイドシンブルを挿入し、溶接またはその他の手段でスリーブの一端または両端に溶接またはその他の手段で固定することができる。この構成はグリッド・ストラップとガイドシンブルを確実に結合するが、互いに異なる材料を使用する場合には結合の堅牢性を高めるにはさらなる手段が必要となる。

本発明は、ガイドシンブルとグリッド・ストラップの材料として異種の材料を使用する場合、ガイドシンブルが挿入されるセルを囲むグリッド・ストラップとガイドシンブルとの結合態様を改良することによって原子燃料集合体の製法を改良する。本発明による改良の要点は、ガイドシンブルが挿入されるセルを形成するグリッド・ストラップの上下両端を越えて突出するようにセルに挿入されたグリッド貫通スリーブにある。グリッド貫通スリーブはガイドシンブル・セルの軸方向と直交する横断方向の幅よりも大きいか、またはほぼ等しい直径を有し、機械的に、または溶接などによってセルの少なくとも１つの壁に固定される。セルの一端から突出するスリーブ第１部分の壁に第１開口を有し、セルの第２端から突出するスリーブ第２部分の壁に第２開口を有するスリーブ内をガイドシンブルが貫通する。第１溶接リングの少なくとも一部がスリーブの第１部分の周面に当接してこれを囲み、第１開口を介してガイドシンブルに直接溶接される。第２溶接リングの少なくとも一部がスリーブの第２部分の周面に当接してこれを囲み、第２開口を介してガイドシンブルに直接溶接される。

好ましい実施形態として、第１および第２溶接リングには、グリッド貫通スリーブに被せてスリーブ周面と密着させる作業を容易にする軸方向スリットを設ける。溶接リングの開口と整合するように半径方向内方へ突出する突起を溶接リングに形成して、ガイドシンブルとしっかり嵌合させる実施態様も考えられる。結合組立ての過程で溶接リングもスリーブも共にその位置を維持できるように、グリッド貫通スリーブもガイドシンブルと確実に嵌合することが望ましい。

さらに他の実施形態として、グリッド貫通スリーブの軸方向中間部分に１つまたは２つ以上の窓を設け、窓の張り出し上縁と張り出し下縁が、スリーブを囲むグリッド・ストラップの張り出し上縁および張り出し下縁と整合するように構成する。好ましくはスリーブをグリッド・ストラップに固定し、溶接リングをガイドシンブルに溶接することによってガイドシンブルとグリッドの間に強固なジョイントを形成する。

本発明の詳細を添付図面に示す好ましい実施形態に基づいて以下に説明する。

図１はガイドシンブルを燃料グリッド・セルに結合する公知のスプリット・リング結合を示す斜視図である。 図２は上下方向に短縮して示す燃料集合体と、従って、一部隠れ線で示す制御集合体との立面図である。 図３は周縁ストラップに囲まれたグリッド・パターンを示す本発明のグリッド支持集合体の平面図である。 図４は本発明のグリッド貫通スリーブの斜視図である。 図５は図４に示す実施形態の代案スリーブの斜視図である。 図６は本発明の溶接リングの斜視図である。 図７は本発明の組立て結合を示す斜視図である。

便宜上、加圧水型原子炉を例にとって本発明を説明するが、本発明は支持セル構造内に類似のガイドチューブを採用する他の型の原子炉、または溶接による結合を必要とする異種類の環状スリーブを結合しなければならないその他の用途にも適用することができる。従って、加圧水型原子炉を例にとって説明するが、本発明の範囲がこれに限定されるわけではない。

本明細書中に使用する方向に関する文言、例えば、上方、下方、上部、下部、左、右、およびこれらの派生語は図面に示されているそれぞれの要素の向きに関する表現であって、特記しない限り、請求の範囲を制限するものではない。本明細書中に使用する２つ以上の構成部品が「結合される」という表現は直接または１つまたは２つ以上の仲介部品を介して結合されることを意味する。さらにまた、「個数」という表現は1つおよび１つ以上即ち複数を意味する。
燃料集合体

図面、特に図２には、上下方向に短縮した形で、原子炉燃料集合体を示し、一括して参照符号１０を付してある。燃料集合体１０は加圧水型原子炉に使用されるタイプであり、下端に（図示しない）原子炉の炉心部における下部炉心支持プレート上に燃料集合体１０
を支持するための下部ノズル１２、上端に上部ノズル１６を含み、縦方向に延びて両端部において下部ノズル１２および上部ノズル１６に固定結合されている多数のガイドチューブまたはガイドシンブル１８を含む。

燃料集合体１０はさらにガイドシンブル１８に沿って軸方向に間隔を置いてガイドシンブル１８に取り付けられた複数の横断方向グリッド２０、および横断方向に間隔を置いてグリッド２０によって支持され、整然と配列された細長い燃料棒２２をも含む。集合体１０はその中心に位置して下部ノズル１２と上部ノズル１６の間に延設され、これら両ノズル１、１６に固定された計測チューブ２４をも含む。各部品をこのように構成したから、燃料集合体１０は各部品の集合体を損傷することなく扱うことができる一体的ユニットを形成する。

既に述べたように、燃料集合体１０における燃料棒２２の配列は燃料集合体の全長に沿って間隔を置いて設けられたグリッド２０によって互いに間隔を置いた関係に保持される。それぞれの燃料棒２２は原子燃料ペレット２６を含み、その両端が上下端栓２８、３０によって閉鎖されている。ペレット２６は上部端栓２８とペレット積層頂部との間に介在するプレナムスプリング３２によって積層状態に維持される。核分裂性物質から成るペレット２６は原子炉の反応出力を発生させる。例えば水またはホウ素を含有する水のような液状減速材/冷却材が下部炉心プレート１４に形成された複数の流入口を通って燃料集合体に向かって上方へポンプアップされる。燃料集合体１０の下部ノズル１２は集合体の燃料棒２２に沿ってガイドチューブ１８へ冷却材を流動させることによって発生した熱を抽出して、これを有用な仕事の創出に向ける。核分裂プロセスを制御するため、燃料集合体１０の所定位置に配置されているガイドチューブ１８内へ複数の制御棒３４を上下動させる。上部ノズル１６の上方に位置するスパイダ集合体３９が中心ハブ３６から放射状に延びるフルーク３８から下方へ延びている制御棒３４を支持している。

図３は１７×１７セル配列を示す。但し、本発明の原理の用途が燃料集合体１０における燃料棒２２の本数によって影響を受けることはない。図３に示す直交部材４４，４６を形成するグリッド・ストラップはそのデザインが実質的に同一である。但し、シンブル・チューブ１８を収容するシンブル・セル４８の位置を示す図３から明らかなように、ガイドシンブル１８の収容位置に応じて、グリッド・ストラップ４４の幾つかのデザインは残余のグリッド・ストラップ４４のデザインと異なり、ストラップ４６の幾つかのデザインが残余のストラップ４６のデザインと異なる。

上述のように、原子炉燃料集合体１０用グリッド２０の従来タイプの内側グリッド構造では、多数の内側ストラップ４４、４６が互いに咬み合ってセルを画定する卵梱包枠箱構造を形成し、それぞれのセルに燃料棒２２が収容された。このような咬み合い構造を形成するには、内側ストラップ４４、４６の互いに交差する位置に垂直方向に対向するスロットを切り込み、咬み合わせて公知の卵梱包枠箱構造とすればよい。それぞれの内側グリッド・ストラップ４４、４６の端部を外側グリッド・ストラップ５０に結合することによってグリッド２０の周縁セルを形成する。グリッド２０の個々のセルの多くは比較的弾力性に富んだスプリング５２と種々の形態の凹部５４の組み合わせを介して所与の軸方向位置において１本の燃料棒を支持する。外側グリッド・ストラップ５０は内側グリップ・ストラップ４４、４６を囲んでグリッド２０に強度と剛度を付与する。ガイドシンブルが貫通されているセル４８を、図３では凹部またはスプリングの無いセルとして識別することができる。

既に述べたように、制御棒ガイドシンブルをグリッド２０および上下ノズルまたはエンド・フィッティング１６、１２に固定することによって高剛度の燃料集合体スケルトンを形成することが好ましい。従来はガイドシンブルとグリッド２０との結合手段として、グ
リッド２０をガイドシンブル１８に直接溶接し、グリッド２０に取り付けられているスリーブ内へガイドシンブル１８をバルジ加工し、図１に示すようにグリッド・ストラップの真上および真下でガイドシンブル１８にスプリット・スリーブを溶接するステップを含む。この最終のステップはインコネルを材料とするグリッドとジルコニウムを材料とするガイドチューブを連携させる種々の設計でされている。異種材料の溶接には問題が多いからである。しかし、グリッドの上下のスプリット・スリーブはガイドシンブルとグリッドとの間に強固な結合が得られない。これに加えて、グリッドの上下のスプリット・リングには、スリーブとグリッド・ストラップの間のギャップがスリーブの荷重を不均一にし、スリーブの共平面性を欠如させ、スリーブとグリッドとの間のギャップのチェックを困難にする、という欠点がある。さらにまた、グリッドの取り付けられているスリーブ内へのガイドチューブは強固な、且つ溶接ジョイントとして望ましい継ぎ手を形成しない。

本発明では、制御棒ガイドシンブルを、グリッド貫通スリーブ５６およびスポット溶接リング・ジョイントを使用してセル４８を囲むグリッド・ストラップ４４、４６に取り付ける。形成されたジョイントを図７に示し、ジョイントを形成する構成部品の詳細を図４、５および６に示す。

スポット溶接リング・ジョイント６６の好ましい実施形態では、ステンレススチール製のスリーブ５６（図４)を使用し、好ましくはグリッド・ストラップ４４、４６の幅に相当する長さだけスリーブ５６の軸方向中間部の上下に長手方向に延びる多数の窓５８を利用して、ステンレススチール製スリーブ５６をインコネル製グリッドに原則としてロウ付けする。この実施形態では、図４に示すように、窓５８をスリーブ５６の周面に円周方向等間隔に４つ、セル４８のそれぞれの壁に１つ設ける。スリーブはほかにも窓５８の上下に複数の窓６０を有する。図４に示す実施形態では、窓５８の上下に４つずつ合計８つの矩形窓６０が形成されている。窓６０は図６に示すスポット溶接リング６４と整合するように利用される。スポット溶接リング６４は好ましくはジルコニウム合金から成り、図６に示す好ましい実施形態の場合、半径方向に内方へ突出する部分６８（例えば、スタンピング加工で形成）がスリーブ５６の窓６０の内側に嵌合し、スリーブ５６の外側がスポット溶接リング６４の内側を密着するように形成されている。リング６４はステンレススチール製スリーブ５６に組み合わせる際にリングを拡張させることができる或る程度の可撓性を確保するためのスロット７０を有する。燃料集合体の製造を容易にするため、リングをゆるめに嵌合させた後、溶接に先立って機械的にクランプするのではなく、半径方向に内方へ突出している部分６８をガイドチューブに抵抗溶接する前にスリーブ５６に嵌着するようにリング６４を製造する。同様に、スリーブ５６には図５に示すような長手方向のスロット６２を設け、セル４８に挿入する際にその直径をやや収縮させ、挿入後、再び拡張させ、セル内ににおい手窓５８の上下出っ張りと嵌合できるようにする。リング６４を取り付けた後、８つの窓の位置においてリングをシンブル・チューブ１８に直接抵抗溶接する。図７に示す完成したジョイントはインコネル製スペーサ・グリッドを横断方向にも軸方向にも支持する。

設計上の観点からすると、ジョイント６６の方が図１に示す個別スプリット・スリーブ方式よりも強固な結合を可能にする。このことは本発明の設計を最上部グリッド以外の箇所に配置されるグリッドに採用する場合には特に重要である。即ち、グリッドとシンブル・チューブとの結合の強固さはスケルトンの横方向剛度に影響するからである。スケルトン集合体の横方向剛度は耐震/ＬＯＣＡ（冷却材喪失事故）の点でも制御棒挿入の際の集合体の直線性維持の点でも極めて重要である。また、個別スプリット・スリーブの場合にはスリーブの１つだけがグリッドの軸方向移動に抵抗する機能を果たすのに対して，上下スポット溶接リングはいずれもグリッドの軸方向移動に抵抗するから、個別スプリット・スリーブよりもジョイントの方が軸方向支持機能において優れている。窓の長さおよびスポット溶接リングの高さは部品間のギャップができる限り小さくなるように設定すればよ
い。製造上の観点からすると、スリーブはグリッドに固定されているから、集合体におけるジョイント６６は自動的に位置決めされる。従来のスプリット・スリーブ方式では、それぞれのスリーブを個別に位置決めしなければならない。製造経験から明らかなように、個別スプリット・スリーブ方式の場合にはグリッドとスリーブの間に適正なギャップを維持するのは困難である。生産者の安心感という点で、本発明の方式ではスリーブとスポット溶接リングとの間のギャップは部品の設計によって決定され、製造工程に起因するバラつきの恐れがないから、チェックの対象は少なくなる。

以上に本発明の具体的な実施例の詳細を説明したが、開示内容全体を参考に、当業者ならば実施例の細部に種々の変更や代案を試みることができるであろう。従って、開示の実施例は飽くまでも説明のためのものであって、本発明の範囲を制限するものではなく、本発明の範囲は後記する請求項に記載の事項およびその等価物によって規定される。

Claims (17)

1. 上部エンド・フィッティング；
   下部エンド・フィッティング；
   上部エンド・フィッティングと下部エンド・フィッティングの間に軸方向に延設され、両端が上部エンド・フィッティングと下部エンド・フィッティングにそれぞれ連結されている複数の細長いガイドシンブル；および
   上部エンド・フィッティングと下部エンド・フィッティングの間に上下方向に間隔を置いて配列された複数の横断方向グリッドを有し、
   前記グリッドの少なくとも幾つかが複数の直交するストラップから形成され、それぞれ４本の隣接するストラップの交差でセルを画定し、ガイドシンブルが前記セルの少なくとも幾つかをそれぞれ貫通し且つこれに固定されている原子炉用燃料集合体において、
   前記ガイドシンブルの少なくとも幾つかとガイドシンブルが貫通する対応セルの少なくとも幾つかとの間の結合部が
   対応のガイドシンブルが貫通するセルを形成するグリッド・ストラップの軸方向幅よりも長い軸方向長さと、対応のガイドシンブルが貫通するセルの軸方向と直交する方向の幅よりも大きいかまたはほぼ等しい直径を有し、対応のガイドシンブルが貫通されるセルを貫通してセルを越えて上下に突出し、対応のガイドシンブルを貫通させ、セルの一端から突出する第１部分においてその壁に第１開口を有する細長い管状スリーブと；
   少なくとも部分的にスリーブの第１部分の周面を囲み、第１開口を介してガイドシンブルに溶接された第１溶接リングとから成る前記原子炉用燃料集合体。
2. 管状スリーブがセルの第２端から突出する第２部分においてその壁に第２開口を有し、
   少なくとも部分的にスリーブの第２部分の周面に密着してこれを囲み、第２開口を介してガイドシンブルに溶接された第２溶接リングをさらに含む請求項１に記載の燃料集合体。
3. スリーブの軸方向中間部に窓が形成され、窓が張り出し上縁および張り出し下縁を有し、上下張り出し縁の間隔が、セルに挿入されたスリーブを囲むグリッド・ストラップの軸方向幅とほぼ等しい請求項１に記載の燃料集合体。
4. 張り出し上縁の少なくとも一部がスリーブを囲むグリッド・ストラップの上縁に当接する請求項３に記載の燃料集合体。
5. 張り出し下縁の少なくとも一部がスリーブを囲むグリッド・ストラップの下縁に当接する請求項４に記載の燃料集合体。
6. スリーブの壁に窓を打ち抜いた請求項３に記載の燃料集合体。
7. スリーブがその全長に亘って形成された軸方向スリットを有する請求項１に記載の燃料集合体。
8. スリーブを弾性材料で形成した請求項７に記載の燃料集合体。
9. スリーブをグリッド・ストラップに溶接またはろう付けした請求項１に記載の燃料集合体。
10. ガイドシンブルおよび第１溶接リングをジルコニウムまたはジルコニウム合金で形成し、スリーブをステンレススチールで形成した請求項１に記載の燃料集合体。
11. グリッド・ストラップをインコネルで形成した請求項１０に記載の燃料集合体。
12. 第１溶接リングが軸方向スリットを有する請求項１に記載の燃料集合体。
13. 第１溶接リングが半径方向に内方へ突出してスリーブの第１開口に嵌入する突出部を有する請求項１に記載の燃料集合体。
14. 第１溶接リングの突出部をガイドシンブルに溶接した請求項１３に記載の燃料集合体。
15. 第１溶接リングの突出部を第１開口に嵌入させた請求項１４に記載の燃料集合体。
16. 第１開口がスリーブの第１部分に沿って周方向に間隔を置いて形成された複数の第１開口から成り、第１溶接リングの突出部が第１開口と対応するように第１溶接リングに沿って周方向に間隔を置いて形成された複数の突出部から成る請求項１３に記載の燃料集合体。
17. 第１溶接リングがスリーブの第１部分に嵌合する請求項１に記載の燃料集合体。

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