JP5822375B2 - 原子燃料集合体の抑えばね - Google Patents

Description

本発明は、広義には原子燃料集合体に関し、より具体的には燃料集合体の上部ノズル上の改良された抑えばねに関する。

加圧水で冷却される原子力発電システムの一次側は、二次側から隔離され且つ二次側と熱交換関係にあって有用エネルギーを発生させる閉回路を含む。一次側は、核分裂物質を含む複数の燃料集合体を支持する炉心を囲む原子炉容器、熱交換蒸気発生器内の一次回路、加圧器の内部容積、加圧水を循環させるポンプおよびパイプを含み、これらのパイプは蒸気発生器およびポンプをそれぞれ独立に原子炉容器に接続する。原子炉容器と接続する蒸気発生器、ポンプおよび配管系から成る一次側の各部は一次側ループを形成する。

図１は炉心１４を包む蓋１２（図２にも示す）を備えたほぼ円筒形の原子炉圧力容器１０を有する原子炉一次系を簡略化して示す。例えば、水のような液状原子炉冷却材がポンプ１６によって容器１０内へ圧入され、炉心１４を通過する間に熱エネルギーが吸収され、一般に蒸気発生器と呼称される熱交換器へ放出される。この蒸気発生器では、熱が、例えば、蒸気駆動タービン発電機（図示しない）のような利用回路へ転送される。次いで、原子炉冷却材はポンプ１６へ還流することで一次ループが完成する。典型的には、複数の蒸気ループが原子炉冷却材配管２０を介して単一の原子炉容器１０と接続する。

原子炉の構成の詳細を図２に例示する。複数の、互いに平行で、垂直に延びる燃料集合体２２から成る炉心１４だけでなく、説明の目的で、その他の容器内部構造も下部炉心構造物２４と、上部炉心構造物２６とに区分することができる。従来設計では、下部炉心構造物の機能は炉心コンポーネントおよび計装物を支持し、整合させ、案内するとともに、容器内の流れ方向を制御することにある。上部炉心構造物は燃料集合体２２（簡略化のため２つだけ図示する）を拘束する、または燃料集合体の二次的拘束手段を提供するとともに、計装物および例えば、制御棒２８のようなコンポーネントを支持し案内する。図３に例示する原子炉の場合、冷却材は１つまたは２つ以上の入口ノズル３０から容器１０に流入し、容器と炉心槽３２の間に画定される環状部を流下し、下部プレナム３４において１８０°方向変換し、燃料集合体２２が着座している下部支持板３７および下部炉心板３６を上向きに貫流し、集合体の中および周りを流動する。下部支持板３７および下部炉心板３６の代わりに、３７と同じ位置に単一の構造、即ち、下部炉心支持板を配置する設計もある。炉心およびその周辺域３８を流動する冷却材の流量は大きく、典型的には毎秒約２０フィートの速度で毎分４００，０００ガロン程度である。その結果生じる圧力降下および摩擦力が燃料集合体を浮揚させようとするが、この動きは円形の上部炉心板４０を含む上部炉心構造物によって拘束される。炉心１４を出た冷却材は上部炉心板の下側に沿って流動し、複数の細孔４２を通って上昇する。次いで、冷却材は１つまたは２つ以上の出口ノズル４４に向かって上方および半径方向へ流動する。

上部炉心構造物２６は容器または容器蓋から支持することができ、上部支持集合体４６を含む。荷重は主として複数の支柱４８により上部支持集合体４６と上部炉心板４０の間で伝達される。支柱は特定の燃料集合体２２および上部炉心板４０の細孔４２の上方で一直線に延びている。

駆動シャフト５０及び中性子毒物棒のスパイダ集合体５２を含み、直線的に移動可能な制御棒２８は上部炉心構造物２６を貫通する制御棒案内管５４によって案内され、この制御棒と整列関係にある燃料集合体２２内に進入する。案内管は上部支持集合体４６に固定され上部炉心板４０の頂部に接続されている。

図３は、上下方向に短縮した形で典型的な燃料集合体を立面図で示し、一括して参照番号１０を付してある。燃料集合体２２は加圧水型原子炉に用いられるタイプであり、下端取付け具と称されることもある下部ノズル５８を下端に含む骨格構造を有する。下部ノズル５８は、原子炉の炉心領域において下部炉心支持板６０上に燃料集合体２２を支持する（下部炉心支持板６０は図２では参照番号３６で表されている）。下部ノズル５８に加えて、燃料集合体２２の骨格構造は、上部ノズル６２（上端部取付け具又は上端取付け具とも称される）をその上端に含むとともに、多数の案内管又はシンブル５４（案内シンブル管とも称される）を含む。案内シンブル管は、下部ノズル５８と上部ノズル６２との間で長手方向に延び、両端においてそれらに堅固に取り付けられている。

燃料集合体２２は更に、軸方向に離間し案内シンブル管５４に取付けられた複数の横方向格子６４と、格子６４によって横方向に離間して支持された細長い燃料棒６６の組織化された配列と含む。図３には示されないが、格子６４は従来のように、卵箱パターンを形成するように相互に差し込まれた直交ストラップから成り、４つのストラップの隣接界面がほぼ方形の支持セルを画定する。燃料棒６６は支持セルを貫き、横方向に離間した関係で支持される、多くの従来設計において、支持セルを形成するストラップの対向壁にばね及びディンプルが打抜き加工されている。ばね及びディンプルは支持セルの内側へ半径方向に延びてそれらの間に燃料棒を捕捉し、燃料棒の被覆に圧力をかけて燃料棒を定位置に保持する。更に、集合体２２は、その中心に配置され、下部ノズル５８と上部ノズル６２との間を延びて、これらノズルに取付けられた計測管２０を有する。このような部品の配置により、燃料集合体２２は、集合体の部品を損傷することなく簡便に扱うことができる一体的な装置を形成する。

上述したように、集合体２２中に配列されている燃料棒６６は燃料集合体の全長に沿って離隔された格子６４によって互いに離隔関係に保持されている。それぞれの燃料棒６６は複数の原子燃料ペレット７０を含み、その両端を上下の端栓７２、７４が閉鎖している。上部端栓７２とペレット２４の間にプレナム・スプリング７６が介在し、ペレットを積重ねた状態に維持する。核分裂性物質から成る燃料ペレット７０は原子炉の反応エネルギーを発生するもとである。ペレットを囲む被覆は、核分裂の副生成物が冷却材に入って原子炉系を汚染するのを防ぐバリアとして機能する。

核分裂プロセスを制御するため、多数の制御棒７８は燃料集合体２２の所定位置に配置された案内シンブル管５４内を往復運動することができる。具体的には、上部ノズル６２より上方に位置する棒クラスタ制御機構８０が制御棒７８を支持する。制御機構は内部でねじ切りされた円筒形ハブ部材８２と複数の半径方向に延びる鉤又はアーム５２を有する。各アーム５２は制御棒７８に相互接続されているため、制御棒機構８０は制御棒を案内シンブル管５４内で上下方向に移動させるように動作可能であり、制御棒ハブ８０に結合された制御棒駆動シャフト５０の原動力により燃料集合体２２の核分裂プロセスが制御されるが、これらは全て周知の態様で行われる。

上述したように、燃料集合体が受ける液圧力は燃料棒の重量を超えるため燃料棒及び燃料集合体に有意な力が加わる。これらの力に対抗するのが燃料集合体２２の重量と、原子炉の上部炉心板４０（図２）を押圧する上部ノズル６２上の複数の抑えばね組立体５６とを組み合わせたものである。抑えばね組立体５６は、上向きの冷却材流の力により燃料集合体が押し上げられ、上部炉心板に接触してそれを損傷することがないようにする、一方で、炉心に誘起する熱膨張及び放射線による膨張に起因する燃料集合体長の変化を許容する。運転の経験から、これらの抑えばねに応力腐食割れが生じ、その有効性が減ずる場合のあることがわかっている。

従って、長い燃料サイクルに亘ってその弾力性を維持する新しい抑え構成が望まれている。更に、応力腐食割れに対する耐性を高めた新しい抑え組立体が望まれている。

これら及び他の目的は、上端取付け具と下端取付け具とが、上端取付け具から下端取付け具への軸方向の寸法を有する構造組立体によって接続され、前記上端取付け具の上面より抑えばね組立体が上方に突出する、改良された原子燃料集合体によって達成される。抑えばね組立体は、上端取付け具より上方に延びる一次ばねを有し、この一次ばねは、第１の端部が前記軸方向の寸法に直交する平面に対してゼロ度よりも大きい第１の鋭角をなして上端取付け具のフレームに取付けられた第１の直線状脚部を含む。弧状遷移部が第１の直線状脚部の第２の端部を延び、第２の直線状脚部が弧状遷移部からフレームに向かって第１の直線状脚部と第２の鋭角である挟角をなして延びる。一次ばねは弧状遷移部が上下方向で最も高い位置にあるように上端取付け具の上で配向されており、上端取付け具及び原子燃料集合体が内部で動作するように設計された原子炉の上部板の相対的な互いへ向かう動きが、主に弧状遷移部に荷重をかけ、上端取付け具のフレームへの取付け部の周りに前記第１の直線状脚部をたわませる。抑えばね組立体は、また、第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも１つの二次ばねを有する。第１の端部は一次ばねの第１の直線状脚部の第１の端部に隣接して上端取付け具に取付けられている。第２の端部は弧状遷移部に隣接して終端し、弧状遷移部と相互に作用して、一次ばねが片持ち梁のようにたわむ際の弧状遷移部の下向きの動きに抵抗する手段を含む。

上端取付け具のフレームに取付けられた一次ばねの第１の端部は、好ましくは、前記軸方向の寸法に直交する前記平面に対して第１の鋭角をなして延びるフレームのスロットに支持されている。このばねは、前記軸方向の寸法に直交する前記平面に対して第１の鋭角をなして延びるフレームの表面の第１の部分に留められ、一次ばねの下のフレームの前記表面の第１の部分はその周縁部を介して、前記軸方向の寸法に直交する前記平面に対して平行に延びる一次ばねの下のフレームの前記表面の第２の部分へと遷移し、前記周縁部には１０度と７０度の間の丸みがつけられている。

さらに別の実施態様において、少なくとも１つの二次ばねは、第１の端部から第２の端部の近傍の中間部まで延びる実質的に平坦な脚部を有し、第２の端部において前記平坦な脚部はフレームに向かって丸みがつけられている。丸みをつけた中間部は１０度と７０度の間で湾曲しているのが好ましい。

添付図面と関連付けて以下の好適な実施形態の説明を読むことから、本発明の更なる理解が得られよう。

本発明を適用できる原子炉システムの簡略図である。 本発明を適用できる原子炉容器および炉内構造物コンポーネントを一部断面図で示す立面図である。 燃料集合体を上下方向に短縮した形で、且つ一部を断面図で、さらに明確を期すため一部を破断して示す立面図である。 直径方向に対向する角から支持された４つの片持ち梁リーフばね組立体を示す従来技術の上部燃料集合体ノズルの斜視図である。 本発明の片持ち梁リーフばね組立体の支持部を示すために部分的に切り取った燃料集合体上部ノズルの概略図である。 図５に示した本発明のばね組立体の斜視図であり、上部ノズルの断面で示している。 従来技術のリーフばね設計の歪み分布を示す図である。 本発明のリーフばね設計の歪み分布を示す図である。

先に示したように、図３に示す抑えばね組立体５６は原子燃料集合体にとって重要な構造部材である。必要な抑え力を燃料集合体に与えて、水流による上向きの持ち上げ力を抑えるとともに、通常の発電所運転中の熱膨張及び照射線量の差による燃料集合体の膨張を許容するために、数枚のリーフを組み立ててばねセットを形成する。

図３に示すように、従来の抑えばね５６は、燃料集合体上部ノズル６２に搭載され、上部板２０の直径方向に対向する角に位置するピン６０によって留められている。典型的には、上部ノズル６２は図４に示すように４個のばねセット５６を支持する。各ばねセットは、一次ばね８４及び少なくとも１つの二次ばね８６を有し、図３には２つの二次ばねを、また、図４には３つ二次ばねを示す。従来技術によれば、ばねリーフ８４及び８６は、ピン６０によって上部ノズル６２の上部板２０に対して固定されている、平坦な水平方向の基部８８を有する。次いでリーフは上部ノズル２０から離れるように上向きに湾曲する。一次ばね部材８４は第１の平坦な脚部９０を有し、これは上部板２０に対して０度よりも大きい鋭角で延び、第１の脚部９０の他端で弧状遷移部９２に至る。直線状の第２の脚部９４は、第１の脚部９０と鋭角の挟角をなして、遷移部９２から上部ノズル６２のフレームの方へ延びる。この従来技術の実施形態の二次ばねリーフ８６は、一次ばねの平坦なばね基部８８に対応する短い平坦な部分を有し、次いで一次ばねの下で上向きに湾曲し、一次ばねの下を直線部に亘って延び、第２の端部で遷移部９２に隣接して終端する。二次リーフ８６の第２の端部は一次ばね８４の遷移部９２と相互に作用して、一次ばね８４が片持ち梁のように下向きにたわむ際の遷移部９２の下向きの動きに抵抗する。一次ばねの第２の脚部９４は、二次ばねリーフ８６の開口を通って上部ノズルのフレーム６２まで延び、ここで図示しない停止部と相互に作用する。

燃料集合体２２は、原子炉炉心１４に垂直方向に据え付けられ、下部炉心板６０（３６）上に直立する。図２から分かるように、燃料集合体を定位置にセットした後、上部支持構造２６を据え付ける。次いで上部炉心板４０を、各燃料集合体２２の上部ノズル６２の上の抑えばね５６に接触させて、押え付け、燃料集合体を定位置に保持する。ばねは一般に、ニッケル−クロム−鉄合金７１８から成る。ばねセットを定位置に保持する留めピン６０は、稼働中にゆるむのを防ぐため、上部ノズル内にねじ込むか、又は溶接することができる。

図５に本発明による改良を示す。ばね５６及び上部ノズル６２に対応する構成要素には同様の参照番号を用いるが、以下記載するように、個々の構成要素の設計が、後述するように、図３及び図４に示す従来技術の対応する構成要素から逸脱することは認められよう。本発明によれば、各リーフ、即ち一次ばね部材及び二次ばね部材のばね基部８８は、短い直線状の平坦なビーム部分とそれに続く直線状の平坦なビーム９０から成る。ビーム９０は厚さにテーパーがつけられており、リーフに沿って基部８８から離れる方向に延びる。このようにビーム８８及び９０は１つの連続的で平坦な脚部を形成する。一番上の一次ばね８４とは異なり、直線状の二次ビーム８６の端部にはわずかな曲がり９６がある。ばねセット５６は片持ち梁構造であるので、最大の曲げモーメント及び伸長は支持端部９８において生じる。直線状のビームのたわみ荷重から、内側及び外側の繊維の歪み又は応力の絶対的な大きさは等しい。しかしながら、従来設計のばねの湾曲した基部では、内側及び外側の繊維の歪み又は応力の絶対的な大きさは、湾曲効果のため等しくない。このことは、図７に示す従来設計のリーフばねの歪み分布及び図８に示す本発明の設計によるリーフばねの歪み分布のグラフ表示から認められる。この分析では、動作状態までの弾塑性たわみを想定する。同一荷重での分析に基づいて、端部が直線状の（平坦な）設計のばねの最大絶対歪みは、内側及び外側の繊維で分布が等しい。最大歪みは、従来技術の湾曲した基部の設計及び本発明の直線状基部の設計についてそれぞれ０．０１４２４７及び０．０１０１０４である。これは、基部が直線状の設計では最大歪みがほぼ２９％低減することを意味する。

図６は、別の角度から見た、図５に示した設計のばねの別の図である。図５及び図６に示す部分８８及び９０は、上部ノズルの傾斜スロット１００から延びる直線状の平坦なビームのリーフばねセットを提供する。直線状のビームは、一次ばねリーフの遷移部９２及び二次ばねリーフの第２の端部でのわずかに湾曲した部分９６まで延びる。傾斜スロット１００は、燃料集合体の長手方向の軸と直交する平面に対して０度よりも大きい鋭角をなして延びる。曲がり９６は１０度と７０度の間の丸みをつけている。同様に、スロット１００の下部リップ１０２は１０度と７０度の間の丸みをつけている。他の点については、上部ノズル６２は図４に示したものと同様である。

本発明の特定の実施形態の詳細を説明したが、当業者には明らかなように、開示内容に照らして、上述した実施形態の細部には種々の変更、代案が可能である。従って、開示した特定の実施形態はあくまでも説明を目的とするものであり、本発明の範囲を制限するものではなく、本発明の範囲は付記する請求項のすべておよびその均等物によって定義される。

Claims (5)

1. 上端取付け具（６２）と下端取付け具（５８）とが、上端取付け具から下端取付け具への軸方向の寸法を有する構造組立体によって接続され、前記上端取付け具の上面よりばね組立体（５６）が上方に突出する、原子燃料集合体（２２）であって、前記ばね組立体が、
   前記上端取付け具（６２）より上方に延びる一次ばね（８４）であって、第１の端部（８８）が前記軸方向の寸法に直交する平面に対してゼロ度よりも大きい第１の鋭角をなして前記上端取付け具のフレームに取付けられた第１の直線状脚部（９０）と、前記第１の直線状脚部の第２の端部の弧状遷移部（９２）と、前記弧状遷移部から前記フレームに向かって前記第１の直線状脚部と第２の鋭角である挟角をなして延びる第２の直線状脚部（９４）と、を含む一次ばね（８４）と、
   第１の端部が前記一次ばねの第１の直線状脚部（９０）の前記第１の端部（８８）に隣接して前記上端取付け具（６２）に取付けられ、第２の端部が前記弧状遷移部（９２）に隣接して終端する少なくとも１つの二次ばねとより成り、
   前記一次ばねは前記弧状遷移部が上下方向で最も高い位置にあるように前記上端取付け具の上で配向されており、前記上端取付け具及び前記原子燃料集合体（２２）が内部で動作するように設計された原子炉（１０）の上部板（４０）の相対的な互いへ向かう動きが、主に前記弧状遷移部に荷重をかけ、前記上端取付け具のフレームへの取付け部の周りに前記第１の直線状脚部をたわませ、
   前記少なくとも１つの二次ばねはその前記第２の端部に、前記弧状遷移部と相互に作用して、前記一次ばね（８４）が片持ち梁のようにたわむ際の前記弧状遷移部の下向きの動きに抵抗する手段を有しており、
   前記上端取付け具（６２）の前記フレームに取付けられた前記一次ばね（８４）の前記第１の端部（８８）が、前記軸方向の寸法に直交する前記平面に対して前記第１の鋭角をなして延びる前記フレーム（２０）の表面の第１の部分（１０２）に留められ、前記一次ばねの下の前記フレームの前記表面の前記第１の部分はその周縁部を介して、前記軸方向の寸法に直交する前記平面に対して平行に延びる前記一次ばねの下の前記フレームの前記表面の第２の部分へと遷移し、前記周縁部には１０度と７０度の間の丸みがつけられている、原子燃料集合体。
2. 前記上端取付け具（６２）の前記フレームに取付けられた前記一次ばね（８４）の前記第１の端部（８８）が、前記軸方向の寸法に直交する前記平面に対して前記第１の鋭角をなして延びる前記フレームのスロット（１００）に支持されている、請求項１に記載の原子燃料集合体（２２）。
3. 前記少なくとも１つの二次ばね（８６）が、その前記第１の端部から前記第２の端部（９６）の近傍の中間部まで延びる平坦な脚部を有し、前記第２の端部において前記平坦な脚部は前記フレーム（２０）に向かって丸みがつけられている、請求項１に記載の原子燃料集合体（２２）。
4. 前記丸みをつけた中間部が１０度と７０度の間で湾曲している、請求項３に記載の原子燃料集合体（２２）。
5. 前記一次ばね（８４）の前記第１の直線状脚部（９０）の前記第１の端部（８８）が、留めピン又はねじ（６０）によって前記上端取付け具（６２）の前記フレーム（２０）に取付けられている、請求項１に記載の原子燃料集合体（２２）。

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