JP5490507B2

JP5490507B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JP5490507B2
Application number: JP2009279552A
Authority: JP
Inventors: 祥一田代; 隆夫影山; 次郎木村; 潤佐伯
Original assignee: 株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: JP2011122884A

Description

本発明は沸騰水型原子炉用の燃料集合体に関し、特に、燃料集合体の上部タイプレートと結合燃料棒との結合に偏心ダブルナット機構を用いた燃料集合体に関する。

従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体は多数の燃料棒が正方格子状に配列され、そのうちの複数の燃料棒はその上下にネジが付いた結合燃料棒１から構成される。結合燃料棒１は、図７に示すように上部タイプレート４ａおよび下部タイプレート４ｂにねじ結合されている。下部タイプレート４ｂには、ネジ穴加工が施してあり、結合燃料棒１の下部端栓５ｂをネジ穴に差し込むようにして結合する。一方、上部タイプレート４ａと結合燃料棒１の上部端栓５ａとは通常のナット３で固定している。

このような燃料集合体において、燃料寿命中に下部タイプレート４ｂと結合燃料棒１は結合が外れるほど相互に回転することはないので、下部タイプレート４ｂと結合燃料棒１との結合が外れる恐れはまずない。しかし、上部タイプレート４ａと結合燃料棒１の上部端栓５ａとの固定は通常のナット３が用いられているため、燃料寿命中に振動等によってナット３が回転する可能性があり、その結果、ナット３が緩んだり又は外れる恐れがある。そのため、従来の燃料集合体ではナット３の緩み及び脱落を防止する対策がとられている。

その対策の一つとして、回り止め片６ａを有する固定ワッシャ（座金）６を介してナット３を結合燃料棒１の上部にネジ止めし、燃料寿命中にナット３が回転し上部タイプレート４ａから外れたり緩んだりするのを防止する方法が用いられている（特許文献１及び２）。

その具体例を図７を用いて説明する。結合燃料棒１の上部端栓５ａと上部タイプレート４ａをナット３で結合し、ナットの緩みを防ぐために、回り止め片６ａを有する固定ワッシャ６を装着している。この固定ワッシャ６により、燃料寿命中にナット３の緩みや脱落を防止し、上部タイプレート４ａと結合燃料棒１の結合が解けることを防いでいる。

一方、原子力プラント機器等の各種産業機器に用いられるボルトナット機構において、ナットが振動等によって緩んだり又はボルトから脱落するのを防止するために、緩み止め機能を有する上下２つのナットからなる偏心ダブルナット機構を用いることが知られている（特許文献３）。

この偏心ダブルナット機構は、図５に示すように、凹部を有する上ナット９と当該凹部と嵌合する偏心凸部を有する下ナット１０から構成され、基板１２を貫通するボルト１１を上ナット９と下ナット１０で結合する過程で、下ナット１０の偏芯凸部が上ナット９の凹部と接触し、ボルト１１の中心線に対して垂直方向に強い内部応力が発生することで、上ナット９と下ナット１０の間に高い結合力が発生させ、ナットの緩みや脱落を防止している。なお、図５の例では、下ナット１０の凸部を偏心させているが、上ナット９の凹部を偏心させてもよい。

特開昭６０−１５２９８３号公報特開平３−２９１５９９号公報特開平６−３３７０１２号公報

上述した結合燃料棒と上部タイプレートの結合に固定ワッシャを用いる従来技術は、回り止め片を有する固定ワッシャが薄金属板のため、燃料取扱時において燃料取扱器具との接触等により、比較的容易に変形し、回り止めとしての機能が失われたり、燃料集合体の組み立て作業にしばしば支障をきたす恐れがあった。

また、特許文献３に示されたような偏心ダブルナット機構も原子炉に装荷される燃料集合体の上部タイプレートと結合燃料棒に単純に適用することはできなかった。なぜなら、固定ワッシャには、ナットの回転だけではなく、燃料棒自体の回転も防ぐ機能があるが、偏心ダブルナットを用いた結合方法では、燃料棒自体の回転を防ぐことはできず、燃料寿命中に燃料棒が回転し、下部タイプレートとの結合が解けてしまう可能性があった。

これに対して、図６ａに示すように、ナットが回転しないように上部タイプレート４ａの上面に下ナット１０が納まる凹部７を設ければ燃料棒の回転を防ぐことはできるが、凹部７を設けた箇所の肉厚が薄くなり、上部タイプレートの強度が低下するため現実的ではない。仮に、強度を保つことができる凹部７を設けることができたとしても、燃料被覆管は中性子照射により、主に軸方向へ成長する特性があるため、図６ｂに示すように、下ナットが凹部７を超え自由に回転できるようになり、下部タイプレートとの結合が外れる可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされれたもので、回り止め片のような突起形状を有する固定ワッシャを用いずに、部品点数の少ない簡便な機構により、燃料寿命中にわたってに上部タイプレートと燃料棒との結合を確実に維持することができる信頼性の高く組立容易な燃料集合体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料集合体は、複数の結合燃料棒を含む多数の燃料棒を上部タイプレート及び下部タイプレートで支持する燃料集合体において、前記結合燃料棒が挿入される上部タイプレートの挿入孔の周囲であって当該上部タイプレートの上面に凹部を設け、下部に偏心凸部が形成された偏心ナットを前記結合燃料棒の上部端栓に締結することにより、前記結合燃料棒と前記上部タイプレートとを結合することを特徴とする。

本発明によれば、回り止め片のような突起形状を有する固定ワッシャを用いずに、偏心ナットを用いた部品点数の少ない簡便な機構により、燃料寿命中にわたって上部タイプレートと燃料棒との結合を確実に維持することができる低コストで信頼性の高く組立容易な燃料集合体を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る上部タイプレートと結合燃料棒との結合構造模式図。本発明の第１の実施形態に係る上部タイプレートの構成図。（ａ）は従来の上部タイプレートの構成図、（ｂ）は結合燃料棒が結合した状態を示す模式図。（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る上部タイプレートの構成図、（ｂ）は結合燃料棒が結合した状態を示す模式図。従来の偏心ダブルナット機構の模式図。（ａ）及び（ｂ）は従来の偏心ダブルナット機構を上部タイプレートに適用した模式図。従来の上部及び下部タイプレートと結合燃料棒との結合構造模式図。

本発明に係る燃料集合体の実施形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る上部タイプレートと結合燃料棒との結合構造を図面を参照して説明する。
図１は結合燃料棒１の上部端栓５ａと上部タイプレート４ａを偏心ナット２により結合した結合構造の模式図である。

下部に偏心凸部３ａを有する偏心ナット２の中央には結合燃料棒１の上部端栓５ａが挿入される挿入孔２ｃが設けられ、その内周面には上部端栓５ａとネジ結合するために雌ねじ加工がなされている。また、上部タイプレート４ａには結合燃料棒１が挿入される挿入孔４ｃが設けられ、その周囲の上部タイプレート上面には前記偏心凸部３ａと嵌合する凹部７が形成されている。

また、上部タイプレート４ａの内周面の少なくとも一部、すなわち、偏心ナット２の締め付け時に上部端栓５ａと接触する位置に雌ねじ加工がなされている。ここで、Δｔは、偏心凸部３ａの中心軸ｘの、偏心ナットの中心軸ｙからの偏心距離である。

この偏心ナット２による結合燃料棒１と上部タイプレート４ａの結合機能について説明する。
上部に凹部７が形成された上部タイプレート４ａは図６の偏心ダブルナット機構の上ナット９と同等の機能を有する一方、偏心ナット２は下部ナット１０の機能を果たす。上部タイプレート４ａの挿入孔４ｃに、雄ねじ加工が上部タイプレート下端まで届くように形成された上部端栓５ａを通し、偏心ナット２で締結していくと、上部タイプレート４ａの凹部７と偏心ナット２の偏心凸部３ａが接触し、接触部から上部端栓の５ａ軸に対して垂直方向に内部応力が発生する。さらに、締め付けていくと、上部端栓５ａと上部タイプレート４ａの接触部からは反力が発生し、上部タイプレート４ａと偏心ナット２から引っ張られることで、軸方向に平行な引張応力も発生する。これらの応力が働くために、高い結合力による緩み止め効果が発揮される。

上部タイプレート４ａに設けられている挿入孔の内周面４ｃの一部には、結合効果を生むために、上部端栓５ａの雄ねじに対応して雌ねじ加工されている。
上部タイプレートに設けられる挿入孔４ｃの孔径については、挿入孔の孔径を小さくしすぎると、締め付け中の上部端栓の偏心回転に支障を来すので、結合燃料棒と上部タイプレートの結合を行うことはできない。一方、挿入孔４ｃの孔径を大きくすれば、結合燃料棒の装着は行なえるが、上部タイプレートの流路面積が減少し、上部タイプレートでの圧力損失が増加するため、熱水力学的に好ましくない。つまり、孔径は燃料棒上部端栓が通すことができた上で、可能な限り小さいものが望ましい。

そこで、図２に示すように挿入孔４ｃの内周面のうち、少なくとも上部端栓と接触する部位８に限定して雌ねじ加工を施し、非接触側は滑らかにすることで、小さな孔径でも、上部端栓の挿入性は維持し、なおかつ、結合時には高い緩み止め効果を発揮することができる。

以上説明したように、本第１の実施形態によれば、回り止め片のような突起形状を有する固定ワッシャを用いずに、偏心ナットを用いた部品点数の少ない簡便な機構により、燃料寿命中にわたって上部タイプレートと燃料棒との結合を確実に維持することができる低コストで信頼性の高く組立容易な燃料集合体を提供することができる。

（第２の実施形態）
従来の結合燃料棒１が挿入される上部タイプレート４ａの挿入孔４ｃは、格子状の上部タイプレート４ａの各交点の中心に設けられていたが（図３（ａ））、上記第１の実施形態の偏心ナット２を用いると、締め付け後の上部端栓すなわち結合燃料棒は挿入孔４ｃ内の一方向に押しつけられ、その中心は上部タイプレート４ａの各交点の中心からずれることになる（図３（ｂ））。これにより、結合燃料棒１を周囲の燃料棒に対して等間隔に配置することができず、燃料集合体の核熱水力特性に悪影響を及ぼす可能性がある。

そのため、本第２の実施形態では、締め付け後の結合燃料棒の中心が格子状の上部タイプレート４ａの各交点の中心に位置するように、あらかじめ、挿入孔４ｃを上部タイプレート４ａの各交点の中心から所定の方向に偏心させて配設する（図４（ａ））。

これにより、締め付け後の結合燃料棒１は、通常の燃料棒とともに、正方格子状に等間隔に配列することが可能となる（図４（ｂ））。なお、図４は、本第２の実施形態の一例であって、本発明はＮ×Ｎ格子型燃料（Ｎは自然数）すべてに適用が可能である。
本第２の実施形態によれば、結合燃料棒が挿入される上部タイプレートの挿入孔を偏心して設けることにより、結合燃料棒を等間隔に配置することが可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、挿入孔４ｃを円形に限らず楕円形状としてもよく、また、挿入孔４ｃの内周面の雌ねじ加工を全周に渡っておこなってもよい。

１…結合燃料棒、２…偏心ナット、２ｃ…挿入孔、３…ナット、３ａ…偏心凸部、
４ａ…上部タイプレート、４ｂ…下部タイプレート、４ｃ…挿入孔、５ａ…上部端栓、５ｂ…下部端栓、６…固定ワッシャ、６ａ…回り止め片、７…凹部、８…雌ねじ、９…上ナット、１０…下ナット。

Claims

複数の結合燃料棒を含む多数の燃料棒を上部タイプレート及び下部タイプレートで支持する燃料集合体において、
前記結合燃料棒が挿入される上部タイプレートの挿入孔の周囲であって当該上部タイプレートの上面に凹部を設け、下部に偏心凸部が形成された偏心ナットを前記結合燃料棒の上部端栓に締結することにより、前記結合燃料棒と前記上部タイプレートとを結合することを特徴とする燃料集合体。
前記上部タイプレートの挿入孔の内周面の少なくとも一部に雌ねじが形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
前記上部タイプレートは格子状であり、前記上部タイプレートの挿入孔の中心は、格子状の上部タイプレートの各格子の交点の中心から偏心していることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料集合体。