JP5757731B2 - 原子燃料集合体の破片フィルタ付き下部ノズル - Google Patents

Description

本発明は一般的に原子炉に係り、さらに詳細には、加圧水型原子炉の燃料集合体の破片フィルタ付き下部ノズルに係る。

原子炉の冷却材循環系を構成するコンポーネントの製造、その後の据付け並びに補修時に、種々の運転条件の下で原子炉一次冷却ループを介して冷却材を循環させる原子炉容器及びその関連システムから全ての破片を確実に除去するのを支援するため、不断の努力が成されている。破片の確実な除去を支援するために入念な手順が実行されるが、これまでの経験では、かかる除去のための安全策にもかかわらず、系統内に幾分かの破片または金属粒子が隠れた状態で依然として残留することがわかっている。破片の大部分は、恐らく蒸気発生器の補修または交換後に一次系に残された金属の削りくずより成る。

近年、特に、最下方のグリッドに捕捉された破片による燃料集合体の損傷が幾つかの原子炉で注目されている。破片は、発電所の運転が開始されると冷却材を通す下部炉心支持板の穴から燃料集合体下部ノズルの穴を通って流入する。破片は、燃料集合体の最下方の支持グリッドの卵箱型セルの壁と燃料棒被覆管の下端部との間の空間に捕捉される傾向がある。損傷は、燃料棒被覆管の外面と接触する破片の擦過により引き起こされる燃料棒被覆管の穿孔である。破片はノズルプレートの穴にも捕捉されるが、破片が冷却材の流れにより旋回すると燃料棒被覆管を切り貫く傾向がある。

原子炉から破片を除去するための幾つかの異なるアプローチが提案され試行されている。これらのアプローチの多くはMayers et al.への米国特許第４，０９６，０３２号に記載されている。他のアプローチとして、本願の譲受人に譲渡された米国特許第４，９００，５０７号及び米国特許出願公開ＵＳ２００５／０１５７８３６号において相互参照された種々の特許に記載されたものがある。引用特許、公開出願及び相互参照書類に記載されたアプローチは全てかなり良好な結果をもたらし、設計された運転条件の範囲内でそれらの目的をほぼ達成するものであるが、原子炉の破片ろ過の問題に対するさらに改善されたアプローチであって、下部ノズルの流路穴を通過する破片をさらに減少させるものが依然として求められている。

本発明は、上記需要を充足するように設計された原子燃料集合体の破片フィルタ付き下部ノズルを提供する。本発明の下部ノズルは、燃料棒の軸方向に対してほぼ横方向に延びて、原子燃料集合体の最下方のグリッドの方へ向いた上面を有する実質的に水平なアダプタプレートを有する。アダプタプレートの上面には下面から上面へ冷却材を通過させるための複数の流路穴が形成されている。これらの流路穴は米国特許出願公開第２００５／０１５７８３６号に記載されたものと同様なもので良い。冷却材が流れる流路穴はそれぞれ実質的に燃料棒の軸方向に延び、燃料集合体の最下方のグリッドの非占有空間と流体連通関係にある。アダプタプレートの下面をスカート部が取り囲み、波形スクリーンがスカート部の下方部分に拡がってその底部を実質的に覆い、アダプタプレートの下面とスクリーンの間にプレナムを形成する。波形スクリーンの傾斜部とスカート部とには、冷却材がプレナムに流入できるようにする流路穴が設けられており、冷却材はアダプタプレートの流路穴を通過する時方向転換する。

一実施例において、スクリーンの波形部は所定の弾性値を有し、波形部の端が当接するスカート部の対向壁部に力を及ぼすように圧縮される。好ましくは、スクリーンをスカー
ト部とほぼ同じ熱膨張係数を有する材料で形成し、波形スクリーンをスカート部の対向壁部間を延びるピンにより支持させる。一般的に、ピンがスカート部の壁の外側表面と同一面になるようにし、波形スクリーンの開口を貫通させる。好ましくは、スクリーンの波形部の頂部及び底部には流れが通過する穴は存在せず、丸みを付け、望ましくは、スクリーンの流路穴をスクリーンが捕捉しようとする破片の長さより小さいかそれに等しく、幅が破片の直径より小さいかそれに等しいスロットの形に形成する。スロットは水平方向に位置させるのが望ましい。

図１は、破片を捕捉する本発明の好ましい実施例による下部ノズルを組み込んだ燃料集合体を垂直方向に短縮し一部を破断した形で示す部分断面立面図である。 図２は、本発明の破片フィルタ付き下部ノズルの中心を断面で示す断面斜視図である。 図３は、本発明の破片フィルタ付き下部ノズルの四分の一斜視図であり、波形スクリーンを明示する。 図４は、本発明の破片フィルタ付き下部ノズルの四分の一概略的側面図である。 図５は、本発明の破片フィルタ付き下部ノズルの全体的斜視図であり、スカート部の２つの側部に設けた流路穴及びピン貫通孔を示す。 図６は、図５に示すスカート部の概略図である。 図７は、本発明の破片フィルタ付き下部ノズルが使用する波形スクリーンの頂部斜視図である。 図８は、本発明の波形スクリーンの側部斜視図であり、本発明の破片を捕捉するスロットを示す。 図９は、図７及び８に示す波形スクリーンの概略的側面図である。

以下の説明において、同一参照符号は図面の幾つかの図を通して同一または対応部分を指す。また、以下の説明において、前方、後方、左、右、上方へ、下方へのような用語は便宜的なものであり、限定的な用語として解釈すべきでない。

燃料集合体
図面、特に図１を参照して、該図は垂直方向に短縮した形の、総括的に参照番号１０で示す燃料集合体の立面図である。燃料集合体１０は加圧水型原子炉に用いるタイプであり、その骨格構造は下端部に本発明の破片フィルタ付き下部ノズル１２（以下に詳述する）を有する。下部ノズル１２は原子炉の炉心領域（図示せず）において下部炉心支持板１４上に燃料集合体１０を支持する。燃料集合体１０の骨格構造は、下部ノズル１２に加えて、上端部の上部ノズル１６と、上部ノズル１６と下部ノズル１２の間を縦方向に延びてそれらに両端部を剛性的に固着された多数の案内管またはシンブル１８とを含む。

燃料集合体１０はさらに、案内シンブル管１８に沿って軸方向に離隔され該管に固着された複数の横方向グリッド２０と、グリッド２０により横方向離隔関係に支持された細長い燃料棒２２の整列アレイとを含む。燃料集合体１０はまた、下部ノズル１２と上部ノズル１６の間を延びてそれらに固着され、中心部に位置する計測管２４も有する。燃料集合体１０は、部品のかかる構成により、部品の集合体を損傷することなく便利に取り扱うことのできる一体的なユニットを形成する。

上述したように、燃料集合体１０のアレイ状燃料棒２２は燃料集合体の長さ方向に離隔されたグリッド２２により互いに離隔した関係に保持される。各燃料棒２２は原子燃料ペレット２６を含み、上方の端部プラグ２８と下方の端部プラグ３０とにより両端部を閉じ
られている。ペレット２６は上方の端部プラグ２８と、積み重ねたペレットの頂部との間にあるプレナムばね３２により積み重ねた形で保持される。核分裂性物質より成る燃料ペレット２６は原子炉の反応エネルギーを発生させる元となる。水またはホウ素を含む水のような液体減速材／冷却材は下部炉心板１４の複数の流路穴を通って上方の燃料集合体へ圧送される。燃料集合体１０の下部ノズル１２を通過した冷却材は燃料集合体の案内管１８を通り、燃料棒２２に沿って上方に流れることにより、燃料棒の内部で発生する熱を抽出して利用可能な仕事を発生させる。

核分裂プロセスを制御するために、多数の制御棒３４が燃料集合体１０の所定位置にある案内シンブル内を往復移動可能である。詳述すると、上部ノズル１６の上方に位置する燃料棒クラスタ制御機構３６が制御棒３４を支持する。制御機構は内部にネジ山を設けた円筒形部材３７を有し、複数のアーム３８が半径方向に延びるものである。各アーム３８は制御棒３４と相互連結されているため、制御棒機構３６は、全て公知の態様で、制御棒を案内シンブル１８内において垂直方向に移動させることにより燃料集合体１０内の核分裂プロセスを制御する。

破片フィルタ付き下部ノズル
上述したように、燃料棒の燃料保持領域を支持する最下方のグリッド２０のところ、またはその下方で捕捉される破片による燃料棒の損傷が問題になっている。破片による燃料棒の漏洩は、２０１０年までに燃料故障率０を達成するために考慮しなければならない４つの漏洩機構のうちの１つとしてThe Institute of Nuclear Power Operationsにより特定されている。Westinghouse Electric Company, LLC, Pittsburgh, Pennsylvaniaのような原子炉製造業者は現在、かかる破片による悪い影響を最小限に抑える多数の装置、即ち、破片フィルタ付き下部ノズル、保護機能つき最下方グリッド、燃料棒の拡張型端部プラグ、燃料棒被覆等を提案している。現存の破片フィルタ付き下部ノズル（米国特許出願公開第２００５／０１５７８３６号に記載されたような）だけでは燃料棒の漏洩を引き起こす可能性のある破片の炉心内への移動を阻止するには不十分である。現在の破片フィルタ付き下部ノズルは、燃料被覆を破損させる可能性のある金属粒子の重量比で約７０％がノズルの流路を通過できないようにブロックする。現在の破片フィルタ付き下部ノズルの流路穴は直径が約０．１９インチ（０．４８ｃｍ）であるが、流路穴が流れ方向に真っ直ぐであるため長いワイヤー片が下部ノズルのアダプタプレートの流路を通過するのを阻止できない。従って、燃料被覆の損傷を阻止するには、下部ノズルの流路穴または下部ノズル流路穴の出口とそれに隣接する構造物との間の界面を通過する破片を最小限に抑えるのが望ましい。

本発明は、下部炉心支持板１４上に燃料集合体１０を支持するだけでなく、下部ノズルを上方に通過する冷却材から損傷を与えかねないサイズの破片をろ過する機能を備えた改良型下部ノズル１２を提供するものである。下部ノズル１２は例えば図５及び６に示すスカート部４０のような支持手段を有する。この実施例におけるスカート部４０のような支持手段は、下部炉心板１４上に燃料集合体１０を支持する複数のコーナー脚部４２を有する。図示しないが、下部炉心支持板１４は炉心内に垂直方向に延びる多数の整列ピンを有し、これらのピンはスカート部の対角線方向において対向するコーナーの少なくとも２つの炉心ピン・リセプタクル４４内に、コーナー脚部４２の内部延長部として受容される。図５から分かるほぼ矩形で平坦なアダプタプレート４６は、支持用スカート部４０の上側表面に溶接などにより適宜固着されたものである。アダプタプレート４６の夥しい数の小さな流路穴４８は下部炉心支持板１４の流路穴５０の領域に集中しており、これらの流路穴の大きさは下部ノズルのアダプタプレート４６を通過し燃料集合体１０を流れる冷却材の流れまたは圧力降下に悪影響を与えずに、損傷を与えかねないサイズの破片をろ過し除去するよう決められている。この点については、本発明の破片フィルタ付き下部ノズル１２は本願の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００５／０１５７８３６号に記載さ
れたものと非常によく似ている。アダプタプレートの流路穴４８は図２及び３に示す横断面図の方が分かりやすいであろう。アダプタプレート４６は冷却材流路穴４８だけでなく２つの別タイプの穴５２及び５４を有する。穴５２は案内シンブル１８をアダプタプレート４６に固着するために案内シンブルの下方の端部プラグが螺入される締付け具を受容する。中央の穴５４は燃料集合体１０の計測管２４と整列し、本発明によると、アダプタプレート４６の下側からスカート部４０の下方部分に拡がる破片保護スクリーン５８を貫通する延長管５６に連結される。

スクリーンは波形に曲げた金属板であって、厚さは０．０２６インチ（０．０６６ｃｍ）か０．０６０インチ（０．１５２ｃｍ）に等しいかそれらの間の値であり、さらに永久変形（またはへたり）させることなくスクリーンを取付けられるようにし、取付け後はスカートの対向壁部に力を印加するに十分な、折り曲げた波形スクリーンのピッチのほぼ半分に少なくとも等しい、柔軟性及び弾性を持つものでなければならない。スクリーンの中央開口は延長管５６を収容するものであり、延長管は下端部を押し拡げてスクリーン５８との界面で破片がバイパスしないようにする。スクリーン５８と、スカート部４０の内壁と、アダプタプレート４６の下側との間の領域はプレナム６２を画定する。図８からよくわかるように、スカート部４０の流路穴６４とスクリーン５８のスロット６６とは、冷却材がプレナム６２及びアダプタプレート４６の流路穴４８へアクセスできるようにする。スクリーンの形状は図７が最も分かりやすいであろう。中央開口６８は計測管延長部とインターフェイスし、対角線方向に位置する切欠き７４は炉心ピンレセプタクル４４とインターフェイスする。破片のバイパスを回避するために炉心ピンレセプタクル４４にスクリーンを挿入してもよい。スクリーン５８は、スカート部４０の対向壁部の開口７６間を延びてスクリーン５８の傾斜した側部の対応開口を貫通するピン７０によって支持される。ピン７０は開口７６の内部で終端し、スカート部４６の外側表面から外に延びない。スクリーン５８の端部をスカート部４０の内側に溶接してもよい。スクリーン５８の傾斜した側壁には、ピン開口７２だけでなくスロット６６が設けられているが、これらのスロットはスカート部４０の流路穴６４と共に冷却材にプレナム６２へのアクセスを与える。図４に示すように、スクリーン５８は開口６４と整列しているため冷却材がプレナム６２へ差し向けられる。

折り曲げたスクリーン５８の長さをスカート部４０の内側空間を超える大きさに設定して、取付け時にスクリーン５８の復元を制限するために変形させる。開口及び曲げの特性は所定サイズの金属粒子がスクリーンを確実に通過できないように選択する。この目的のために、対象となる金属粒子は外径（ＯＤ）と長さ（Ｌ）により特徴付けることができる円筒状粒子であると想定される。スロットの形状はそれらの寸法と一貫性あるものにする必要がある。即ち、スロットの長さ（Ｌｓ）はＬより小さいかそれに等しく、スロットの幅（Ｄｓ）はＯＤより小さいかそれに等しくしなければならない。しかしながら、スロットの形状は一様でなく、スロットの数は圧力降下条件を満たすに十分なものでなければならないことを理解されたい。図９に示すように、スクリーンの曲げパラメータは、冷却材中の長い金属粒子が図９で示すようにスクリーン５８の上方で回転できないようにするためにスロット６６の長さに対応させる必要がある。好ましくは、曲げの直径（Ｄｂ）がスロットの長さ（Ｌｓ）にほぼ等しくしなければならない。下方の曲げ領域７８は破片の収集ポイントを形成する。

スクリーン５８をスカート部４０の内側に固定するためのピン７０は、ピンとスカート部の開口７６の皿穴部分のピンナット（図示せず）との間の螺合接続部を用いて開口７６内に固定することができる。ピンナットは、（現用の案内シンブルのネジを変形によりカップとロックさせるのと同様に）ナット頭部を機械的に変形させて固定することができる。

前述したように、運転時にスクリーンの復元を制限するためにスクリーンをピンによる取付け時にわずかに変形させるのが望ましい。好ましくは、下部ノズル１２を取付けて固定する時点までは燃料集合体を現在のプロセスに従って製造する。その時点において、スクリーン５８をその柔軟性を利用してスカート部４０内に挿入し、ピンをスカート部の開口７６に取付けた後、スクリーン５８の開口７２に螺着してピンナットで固定する。燃料集合体１０を組立てるプロセスの残りの部分は現在のものと同じである。

従って、下部炉心支持板１４の流路穴５０を通って流れる冷却材は波形スクリーン５８の傾斜側部のスロット６６及びスカート部４０の流路穴６４を介して下部ノズルに流入し、上向きに方向転換して、流路穴４８から最下方のグリッド２０に流入する。このようにすると、燃料被覆を損傷しかねない破片は冷却材がノズル１２を出る前にスクリーン５８の波形部分の隙間７８に入りそこに滞留する。

本発明を特定の実施例につき詳細に説明したが、当業者にとっては本願の開示全体から種々の変形例及び設計変更を想到できるであろうことがわかるであろう。従って、図示説明した特定の実施例は例示であって本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲及び任意且つ全ての均等物の幅を与えられるべきである。

Claims (16)

1. 加圧水型原子炉の燃料集合体であって、
   軸方向長さを有する複数の細長い原子燃料棒と、
   燃料棒を整列したアレイの形で支持し、燃料集合体を原子炉に装荷した時流入する冷却材の流れが燃料棒を通過するように占有されない空間を内部に画定した少なくとも最下方のグリッドと、
   燃料棒に沿ってグリッドを貫通し、該グリッドを支持する複数の案内シンブルと、
   グリッド及び燃料棒の下端部の下方にあって、案内シンブルを支持し、冷却材の流れを燃料集合体に流入させるようにした破片フィルタ付き下部ノズルとより成り、
   破片フィルタ付き下部ノズルは、
   燃料棒の軸方向に対して実質的に横方向に延び、下面から最下方のグリッドに向いた上面へ冷却材が通過できるように各々が実質的に燃料棒の軸方向に延びて前記占有されない空間と連通する複数の流路穴を有する実質的に水平のアダプタプレートと、
   アダプタプレートの下面を取り囲むスカート部と、
   スカート部の下方部分に拡がってスカート部の下端部を実質的に覆うスクリーンであって、該スクリーンの上方にあるスカート部の実質的にすべての壁部と、アダプタプレートの下面と、該スクリ−ンとの間に延在するプレナムを形成する波形スクリーンとより成り、
   スカート部は壁部の少なくとも一部に、前記波形スクリーンの底部の上方にあって、実質的に前記プレナムと整列し、冷却材を燃料集合体の外部から前記プレナムに横方向に流入させるようにした流路穴を有する燃料集合体。
2. スクリーンの波形部分は所定の大きさの正の弾性値を有し、波形部分の端部が当接するスカート部の対向壁部に力を印加するように圧縮されている請求項１の燃料集合体。
3. スクリーンはスカート部と熱膨張係数が実質的に同一の材料で構成されている請求項１の燃料集合体。
4. 破片フィルタ付き下部ノズルは４つの辺を備えた実質的に正方形であり、流路穴はスカート部の４つの辺全てに設けられている請求項１の燃料集合体。
5. 波形スクリーンはスカート部の壁部の対向壁部間を延びるピンにより支持される請求項１の燃料集合体。
6. ピンは前記壁部の外側表面と同一面である請求項５の燃料集合体。
7. ピンは波形スクリーンの開口を貫通する請求項５の燃料集合体。
8. 波形スクリーンの波はそれぞれ頂部または底部と側部を有し、側部には複数の流路穴があり、底部には流路穴が存在しない請求項１の燃料集合体。
9. スクリーンの頂部には流路穴が存在しない請求項８の燃料集合体。
10. スクリーンの頂部と底部は丸くなっている請求項８の燃料集合体。
11. 側部は傾斜している請求項８の燃料集合体。
12. 流路穴はスロットである請求項８の燃料集合体。
13. スロットの長さはスクリーンが捕捉しようとする破片の長さより小さいかそれと同じであり、スロットの幅はスクリーンが捕捉しようとする破片の直径より小さいかそれと同じ
    である請求項１２の燃料集合体。
14. スクリーンの頂部及び底部は丸くなっており、スロットの長さは丸くなった頂部及び底部の直径と実質的に等しい請求項１２の燃料集合体。
15. スロットは水平に配置される請求項１２の燃料集合体。
16. 加圧水型原子炉の燃料集合体の破片フィルタ付き下部ノズルであって、
    燃料集合体は、軸方向長さを有する複数の細長い原子燃料棒、燃料棒を整列したアレイの形で支持し、燃料集合体を原子炉に装荷した時流入する冷却材の流れが燃料棒を通過するように占有されない空間を内部に画定した少なくとも最下方のグリッド、燃料棒に沿ってグリッドを貫通し、該グリッドを支持する複数の案内シンブル及びグリッド及び燃料棒の下端部の下方にあって、案内シンブルを支持し、冷却材の流れを燃料集合体に流入させるようにした前記破片フィルタ付き下部ノズルとより成り、
    前記破片フィルタ付き下部ノズルは、
    燃料棒の軸方向に対して実質的に横方向に延び、下面から最下方のグリッドに向いた上面へ冷却材が通過できるように各々が実質的に燃料棒の軸方向に延びて前記占有されない空間と連通する複数の流路穴を有する実質的に水平のアダプタプレートと、
    アダプタプレートの下面を取り囲むスカート部と、
    スカート部の下方部分に拡がってスカート部の下端部を実質的に覆うスクリーンであって、該スクリーンの上方にあるスカート部の実質的にすべての壁部と、アダプタプレートの下面と、該スクリ−ンとの間に延在するプレナムを形成する波形スクリーンとより成り、
    スカート部は壁部の少なくとも一部に、前記波形スクリーンの底部の上方にあって、実質的に前記プレナムと整列し、冷却材を燃料集合体の外部から前記プレナムに横方向に流入させるようにした流路穴を有する破片フィルタ付き下部ノズル。