JP5661999B2 - 核燃料棒の挿入方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、核燃料アセンブリに関する。詳しくは、本発明は核燃料アセンブリ用の核燃料棒を挿入するための方法と装置とを提供するものである。

核燃料アセンブリの生産には、製造時に特別な注意を必要とする。そのような核燃料アセンブリの製造工程は、多くの注意を要する工程のためにコストがかかり複雑なものとなっている。核燃料棒はいくつかの異なるコンポーネントで作られていて、各コンポーネントは特定の設計目的を有している。各核燃料棒の核分裂成分は、ペレット形状の濃縮ウランセラミック材料（酸化ウラン）である。個々のペレットは燃料コラム（fuel column）を形成するべく端と端とを接続して置かれている。燃料コラムは、ジルコニウム合金のような耐食性金属で作られた細長い棒、いわゆる燃料被覆管の中へ挿入される。燃料コラムは燃料棒被覆管により、機械的、化学的損耗から防護されている。燃料棒被覆管は原子炉運転中及び核燃料アセンブリの取扱い中における燃料柱を防護している。さらなる注意のために、燃料棒被覆管により囲まれた空間内部に、ばね及び／又は他の装置が含まれていて、ウランの燃料要素が燃料棒被覆管内部において所定の範囲で膨脹及び移動することを可能にしている。このことが、燃料ペレットコラムが損傷することなくいくつかの荷重に耐えることを可能にしている。完成した燃料棒は貯蔵される。続いて、完成した燃料棒は、いわゆる燃料アセンブリとして平行に配置され、燃料棒は使用中お互いに接触しないようになっている。

現在使用されている燃料要素を燃料棒被覆管に組み込む方法と装置とは、いくつかの欠点を有していて、従って経済的なものではない。核燃料棒の生産は、製造中において欠陥が発生していないことを保証するために品質保証検査を要求されている。人的エラーを排除するために、自動化装置を利用した多くの技術的試みが行なわれている。自動化装置は、核燃料棒の製造中に機械を故障させ生産を停止させるような部品等のないように注意深く設計されねばならない。このような自動化装置を作ることは著しく複雑であって、そして作られた装置は、核燃料棒の製造中に当面する故障モード及び問題点を正確に予測することの困難性にもとづく誤作動を生じる。

最近の自動化装置において、核燃料ペレットは燃料ペレットエレベータから取り上げられ、そしてトレーにおけるコンベヤによりセグメント成形台に搬送される。核燃料ペレットは、作業員により核燃料ペレットトレーから取り出され、そして台に置かれる。核燃料ペレットは平行に置かれ、そしてウランを含んだセラミック材料の柱を形成するためにプッシャ装置により詰められる。プッシャ装置は、電気出力信号を提供するべく形成された線形可変変位トランスデューサに接続されている。電気出力信号はコンピュータに読み取られ、個々の燃料要素柱の全長が決定される。続いて、コンピュータは核燃料棒の設計仕様を電気出力信号から決定された全長と比較する。予想された燃料要素柱長さの設計値と測定値との差が所定のしきい値に合致すれば、燃料棒被覆管に燃料ペレットコラムが挿入される。核燃料ペレットの全長がしきい値を超過していると、核燃料ペレットはセグメント成形台から取り除かれる。上端部キャップが核燃料棒の開口端部に溶接され、核燃料棒が完成される。

核燃料棒の製造工程において、作業員が核燃料要素の品質保証検査を行なうことのできる方法と装置とを提供する必要がある。

核燃料ペレットを安全に損傷なくかつ経済的に核燃料棒の中に挿入する方法と装置とを提供する必要がある。

円筒状の核燃料ペレットを開いた燃料棒被覆管、すなわち燃料棒被覆管に溶接された下部プラグのない燃料棒被覆管の中に挿入する方法と装置とを提供する必要がある。

従来の方法及び装置に見られるような低速の挿入を排除して円筒状の核燃料ペレットを開かれた燃料棒被覆管に挿入できる方法と装置とを提供する必要がある。

本発明の目的は、核燃料ペレットを核燃料アセンブリ用の核燃料棒に挿入するための方法と装置とを提供することである。

本発明の目的は、核燃料ペレットを安全かつ損傷なくかつ経済的に核燃料棒に挿入するための方法と装置とを提供することである。

本発明の目的は、円筒状の核燃料ペレットを開いた燃料棒被覆管に挿入する方法と装置とを提供することである。

本発明の目的は、従来の方法及び装置に見られるような低速の挿入を排除して、円筒状の核燃料ペレットを端部が開いた燃料棒被覆管に挿入することのできる方法と装置とを提供することである。

本発明の目的は以下の説明により達成されている。
本発明は、
核燃料ペレットを燃料板搬送ユニットに準備する段階と；
ベルトを使用して燃料ペレットコラムへ前記燃料板搬送ユニットから前記核燃料ペレットを搬送する段階と；
前記燃料ペレットコラムにおける前記核燃料ペレットを核燃料ペレット挿入機へ位置決めする段階と；
燃料棒被覆管の中へ前記燃料ペレットコラムを押し込む段階と；
を含んでいる核燃料棒を挿入する方法を提供している。
前記燃料ペレットコラムにおける前記核燃料ペレットを核燃料ペレット挿入機へ位置決めする段階はＶ字型容器のステーションを用いて行なわれる。

処理トレー１０が図１に図示されている。処理トレー１０がハウジングを備えていて、例示の実施形態における核燃料ペレット１２の中の核燃料要素はハウジングにより核燃料棒被覆管の開口端部の中へ組み込むために搬送される。処理トレー１０は、核物質に対して耐性のあるステンレス鋼のような耐食性硬化材料で作られている。

図２において、処理トレー１０が取り出し区域３８に入ってゆき、そこでは核燃料ペレット１２が燃料板搬送ユニット３０の中へ挿入される。油圧式アクチュエータ２２はサポート２０を方向２４に延伸するようになっている。油圧式アクチュエータ２２はコンピュータ２５の指令により駆動され、コンピュータ２５は処理トレー１０の存在を表示するセンサ２７を有している。サポート２０の第一端部において、押し出しブレード１８が処理トレー１０の中で個々の列（４０）に沿っての核燃料ペレット１２に接触する高さに位置決めされている。例示の実施形態において、ブレード１８は平らな底の装置である。本発明における別の実施形態において、ブレード１８は波形の縁を有している。ブレード１８及び接続しているサポート２０は核燃料ペレット１２を処理トレー１０から方向２４に押出すようになっている。核燃料ペレット１２を処理トレー１０から押し出してしまうと、ブレード１８は油圧式アクチュエータ２２により縁が処理トレー１０に接触するように下降される。油圧式アクチュエータ２２は、サポート２０及び接続されたブレード１８を移動するようになっているどのようなユニットであってもよい。油圧式アクチュエータ２２は電気機械式装置、歯車装置等であってもよい。油圧式アクチュエータ２２は、押し出し中に燃料要素に作用する力を制限するためにフェイルセイフな構造になっている。この目的のために、油圧式アクチュエータ２２はトリップ回路を有していて、トリップ回路は、アクチュエータにより測定された力が所定値を超過した場合、油圧式アクチュエータに作用する動力を切りはなすようになっている。続いて、ブレード１８は、トレーの中で遠ざかる方向２６に移動する。トレーに対するブレード１８の衝撃が処理トレー１０をコンベヤベルト２９から取り外ずすようになっている。処理トレー１０は次回の使用のために重ねられる。コンベヤベルト２９は別の処理トレー１０を装荷区域の中へ提供するためにコンピュータ２５により指令される。燃料要素の取り出しプロセスは、所望するだけ繰返される。例示の実施形態において、処理トレー１０は１５秒毎に装荷される。

処理トレー１０は、押出しブレード１８が燃料板搬送ユニット３０からさらなる核燃料ペレットを押し出すために新しい位置にくるように、ローラ装置に沿った位置に移動される。

図３は燃料板搬送ユニット３０つの平面図である。燃料板搬送ユニット３０は、油圧式アクチュエータ２２と押し出しブレード１８とにより押し出された核燃料ペレット１２を受容する。燃料板搬送ユニット３０は、処理トレー１０に置かれた燃料要素に一致する燃料要素の列２８を有している。個々の燃料要素が燃料板搬送ユニットの列２８の中へ挿入されると、個々の燃料要素は燃料板搬送ユニット３０の指令により燃料要素の列２８から移動される。燃料板搬送ユニット３０からの燃料要素の位置決めは位置決め方向３２に沿って行なわれる。位置決めはモータ３６とレール３４とを使用して行なわれる。燃料板搬送ユニット３０の下方に設置されたスロット４１が、個々の燃料要素列を燃料板搬送ユニット３０の側面からスロット４１の中へ落下させるようになっている。核燃料ペレットはベルト４２を利用してスロット４１を下方に搬送される。燃料板搬送ユニット３０と処理トレー１０との列数は、より多数の又はより少数の燃料要素１２が核燃料ペレット装荷装置により処理できるように補強できるようになっている。燃料板搬送ユニット３０はモータ３６によりボールねじ継手を介して方向３２に沿って位置決めされる。ボールねじはコンピュータ３７により制御されたモータにより駆動される。チェーン駆動モータ装置として説明されているが、油圧駆動式燃料板搬送ユニット３０のような作動方法であってもよい。レール３４の長さは、燃料板搬送ユニット３０がすべての核燃料ペレット列を単一のスロット４１に位置決めすることができるような長さである。

図４は燃料板搬送ユニット３０の側面図である。燃料板搬送ユニット３０は、個々の燃料要素４６を燃料板搬送ユニット３０の下側から落下させるように、方向３２に沿って位置決めする。回転ベルト４２が、燃料板搬送ユニットからスロット４１を介して落下してくる核燃料ペレット４６を受容する。核燃料ペレットブロック４８は、個々の燃料要素４６がスロット４１の中へ及び回転ベルト４２に直接落下しないように、スロット４１の他の側を保護している。個々の燃料要素４６は燃料板搬送ユニット３０に設置された開口部３１に受容される。開口部３１は、燃料要素４６が境界面３３に沿って回転するけれども、位置決めの際に個々の核燃料ペレットが他の核燃料ペレットと相互作用しないように、寸法決めされている。開口部３１の表面と境界面３３とは、燃料要素４６の損傷をさけるべく滑らかな表面に形成されている。

スロット４１の幅は、燃料要素４６が位置決め方向３２に沿って移動する量を制限するべく最小化されている。スロット４１の深さは、ベルト表面に搬送される燃料要素が位置決め操作中の燃料板搬送ユニット３０の位置決めを妨げないように選択されている。さらに、回転ベルトの速度は、ベルト表面に搬送される燃料要素４６がはね上り急激な力を受けないような速度に維持されている。スロットは長方形スロットとして説明されているけれども、スロット４１は、燃料要素がベルト４２の表面からはずれ、燃料板搬送ユニット３６へもどってしまわないように、くびれた形状であってもよい。例示の実施形態は、床面上で使用することを意図したものである。燃料挿入装置を床面上以外で使用する場合、燃料要素とベルトとの間の摩擦係数の増加により燃料要素が滑ってもどらないようにベルト４２が備えられていてもよい。この例では、ベルト４２にゴム被膜を設置してある。ベルト４２は、ベルト４２に置かれた材料の重量を評価するべく形成されている。さらにベルト４２は、ベルトの速度センサと、コンベヤ全長にわたって搬送される材料の時間当りの速度を連続的に計算するためのマイクロプロセッサの積分器とを有していてもよい。ベルト４２の表面は、個々のローラ５２の間に所望するスペースを維持するねじ式テークアップ装置５１により所定形状になっている。ベルト４２により処理できる荷重は軽量であるけれども、装荷中のベルトの変形を最小限にするために、インパクトアイドラ（impact idler）がスロット４１の衝撃部分に取り付けられてもよい。さらにベルト表面を維持するために、支持遊動輪５３がローラ５２の間全体にわたって取り付けられてもよい。ベルト４２の上部表面を、温度変化及び湿度変化さらに加速及び減速下で、所定状態に保つべく、テークアップウェイト（take up weight）５５がベルトに沿って設置されている。

図５には、回転ベルト４２が図示されている。回転ベルト４２は、モータ駆動ローラ５２により駆動されるエンドレスループ要素５０である。モータ駆動ローラ５２はコンピュータのようなコントローラにより制御されている。モータ駆動ローラ５２と回転ベルト４２との速度は、プロセスの要求に応じて一定速度であってもよいし、可変であってもよい。エンドレスループ要素５０は、セラミックタイル製の燃料要素を回転ベルト４２全長にわたって損傷なく安全に搬送するべく備えられている。例示の実施形態において、回転ベルトはＰＶＣのマトリックスベルト、ゴムのトラックベルト又は個々の燃料要素に接触するために非粘着質表面を備えた装置であってもよい。

図６，７において、個々の燃料要素は、回転ベルト４２により積み重ねられて完全な燃料棒ペレットを形成し、そして燃料要素搬送装置７０に載せられる。燃料要素搬送装置７０は燃料棒を形成するために、一列に個々の燃料要素を受容する。続いて燃料棒は、燃料要素搬送装置７０から、燃料要素搬送装置７０に設置された燃料棒被覆管７２の開口端部に搬送される。モータ７６により駆動されるブレード７４が燃料棒ペレットを燃料要素搬送装置７０の下方に押し下げ、燃料棒被覆管７２の中へ押し下げる。ブレード７４及びモータ７６は位置センサ７７を有しているコンピュータ８０により制御されていて、その位置センサ７７は燃料要素搬送装置７０内部における燃料要素の量を表示するようになっている。コンピュータ８０の指示により、モータ７６が駆動され、そしてブレード７４が燃料棒ペレットを燃料棒被覆管７２の開口端部の中に搬送する。燃料要素搬送装置７０は、燃料要素を損傷かつ吊り上げることなく燃料棒ペレットが燃料棒被覆管７２の中へ押し込まれるよう作られている。ブレード７４はガイド８２に沿って、従って、ブレード７４が燃料要素搬送装置７０内部に置かれた燃料棒ペレットに直交するように移動する。

本発明の方法と装置とは、従来の方法と装置に比較して、燃料棒ペレットを燃料棒被覆管の中へ挿入するために著しく利点のあるものである。本発明の方法と装置とは、個々の燃料棒に３０秒以内で核燃料を挿入することを可能にしている。従来のペレット挿入装置のサイクルタイムは約４５秒である。

本発明の方法と装置とは、燃料棒ペレットを構成する燃料要素が損傷されないような核燃料棒の挿入を提供している。さらに、本発明は核燃料棒を製作する作業員に対する放射線被爆を低減している。ペレットが挿入される場合開口された棒への挿入であることから圧力蓄積がないので（ガスは漏洩するので）、気中汚染が低減されている。

前述の説明において、特定な例示の実施形態を参考に説明してきた。しかしながら、特許請求の範囲に規定された精神と範囲とを逸脱することなく、種々の修正及び変更が可能であることは明らかである。明細書と図面とは説明するためだけのものである。

図１は、核燃料棒に組み込まれる燃料要素を支持する処理トレーの平面図である。 図２は、核燃料要素を燃料板搬送ユニットに取り出すための押出しブレード装置の上部から見た斜視図である。 図３は、燃料板搬送ユニット及び接続された駆動ユニットの平面図である。 図４は、燃料板搬送ユニット及び接続された駆動ユニットの側面図である。 図５は、燃料板搬送ユニットを取り出すための搬送ベルトの側面から見た斜視図である。 図６は、並置された搬送ベルトと、燃料要素を装荷区域に搬送するために使用する燃料板搬送ユニットとの平面図である。 図７は、燃料装荷装置の平面図である。

Claims (9)

1. 核燃料ペレット（１２，４６）を燃料板搬送ユニット（３０）の下面に設けられた複数の燃料ペレット開口部（３１）の中に挿入する段階であって、前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記複数の燃料ペレット開口部（３１）の下側に配置された境界面（３３）に接するように挿入する段階と；
   前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記燃料板搬送ユニット（３０）から回転ベルト（４２）へ搬送する段階と；
   前記核燃料ペレット（１２，４６）を燃料要素搬送装置（７０）へ位置決めする段階と；
   前記核燃料ペレット（１２，４６）を燃料要素搬送装置（７０）から燃料棒被覆管（７２）の中へ押し込む段階と；を含み、
   前記核燃料ペレット（１２，４６）を受容する前記複数の燃料ペレット開口部（３１）の各々は、前記核燃料ペレット（１２，４６）が前記境界面（３３）に沿って転がるように前記核燃料ペレット（１２，４６）を列単位で受容する寸法を有し、かつ、前記核燃料ペレット（１２，４６）を位置決めしている間に、前記複数の燃料ペレット開口部（３１）にぞれぞれ受容された一方の前記核燃料ペレット（１２，４６）列と他方の前記核燃料ペレット（１２，４６）列とが相互作用しないことを特徴とする、核燃料ペレットを燃料棒被覆管に挿入する方法。
2. 前記核燃料ペレット（１２，４６）を押し込む前記段階が、両端部の開いた燃料棒被覆管（７２）の中へ押し込むことである、請求項１に記載の核燃料ペレットを燃料棒被覆管に挿入する方法。
3. 前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記燃料板搬送ユニット（３０）に挿入する段階は、列（４０）を成している前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記燃料板搬送ユニット（３０）の下面の燃料ペレット開口部（３１）の中へ押し込むことによるものである請求項１に記載の核燃料ペレットを燃料棒被覆管に挿入する方法。
4. 前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記燃料板搬送ユニット（３０）から搬送する段階は、前記核燃料ペレット（１２，４６）が前記燃料板搬送ユニット（３０）の前記下面からスロット（４１）の中を通って前記回転ベルト（４２）の上に落下することを可能にするべく、前記燃料板搬送ユニット（３０）を前記スロット（４１）の上方に位置決めすること、及び前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記スロット（４１）の中で下降させ前記回転ベルト（４２）の上に搬送することによるものである、請求項１に記載の核燃料ペレットを燃料棒被覆管に挿入する方法。
5. 前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記燃料要素搬送装置（７０）へ位置決めする前記段階が、Ｖ字型容器を用いて行なわれる、請求項１に記載の核燃料ペレットを燃料棒被覆管に挿入する方法。
6. さらに、前記核燃料ペレットを前記燃料要素搬送装置（７０）へ位置決めする前記段階の後に、前記核燃料ペレット（１２，４６）の長さを検証する段階を含んでいる、請求項１に記載の核燃料ペレットを燃料棒被覆管に挿入する方法。
7. さらに、前記燃料棒被覆管（７２）の下端部を溶接する段階を含んでいる、請求項１に記載の核燃料ペレットを燃料棒被覆管に挿入する方法。
8. さらに、前記燃料棒被覆管（７２）の上端部を溶接する段階を含んでいる、請求項７に記載の核燃料ペレットを燃料棒被覆管に挿入する方法。
9. 処理トレー（１０）と押し出しブレード（１８）と回転ベルト（４２）と位置決め装置と燃料要素搬送装置（７０）とを備えている、核燃料ペレット（１２，４６）を燃料棒被覆管に挿入するための装置であって、
   前記処理トレー（１０）は核燃料ペレット（１２，４６）を、列（４０）をなして保持するべく形成されており、
   前記押し出しブレードは、列（４０）を成している前記核燃料ペレット（１２，４６）に接触する高さに位置決めされていて、そして前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記処理トレー（１０）から燃料板搬送ユニット（３０）の燃料ペレット開口部（３１）の中へ押すべく形成されており、
   前記核燃料ペレット（１２，４６）を列単位で受容する前記燃料ペレット開口部（３１）は、前記核燃料ペレット（１２，４６）が前記燃料ペレット開口部（３１）の中で前記燃料ペレット開口部（３１）の下側に配置された境界面（３３）に沿って回転できるような寸法になっていて、かつ、前記核燃料ペレット（１２，４６）を位置決めしている間に、前記複数の燃料ペレット開口部（３１）にそれぞれ受容された一方の前記核燃料ペレット（１２，４６）列と他方の前記核燃料ペレット（１２，４６）列とが相互作用しないようになっており、
   前記境界面（３３）にスロット（４１）が形成され、
   前記回転ベルト（４２）は燃料板搬送ユニット（３０）から前記スロット（４１）の中へ落下してくる核燃料ペレット（１２，４６）を受け取り、
   前記位置決め装置は前記燃料板搬送ユニット（３０）に接続されており、そして前記位置決め装置は、前記核燃料ペレット（１２，４６）が前記燃料板搬送ユニット（３０）の下面から前記スロット（４１）の中を通って前記回転ベルト（４２）の上に落下するように、前記燃料板搬送ユニット（３０）が前記スロット（４１）の上方で移動し、
   前記燃料要素搬送装置（７０）は、前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記回転ベルト（４２）から受け取るべく形成されていて、そして燃料コラムを形成し、押し出しブレード（７４）が、前記核燃料ペレット（１２，４６）を前記燃料要素搬送装置（７０）から、両端部が開いた燃料棒被覆管（７２）の中へ押し込むことを特徴とする、核燃料ペレットを燃料棒被覆管に挿入するための装置。

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