JP5852675B2 - 原子燃料棒プレナムばね組立体 - Google Patents

Description

本発明は概して原子炉炉内構造物の構造に関し、具体的には、活性成分が被覆の内部にプレナムばねにより定位置に保持される燃料棒のようなコンポーネントに関する。

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取り囲む原子炉容器、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及び配管類を含み、これらの配管は蒸気発生器及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、ポンプ及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を包含し蓋１２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ぶ熱交換器１８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のような利用回路（図示しない）へ転送される。原子炉冷却材はその後、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、複数の上述した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より成る炉心１４だけでなく、その他の容器内部構造は、説明の目的で、下部炉内構造物２４と、上部炉内構造物２６とに区分できる。従来設計では、下部炉内構造物の機能は炉心コンポーネント及び計装物を支持し、整合させ、案内するとともに、容器内の流れの方向を決定することにある。上部炉内構造物は燃料集合体２２（簡略化のため２つだけ図示）を拘束する、又は燃料集合体の二次的拘束手段を提供するとともに、計装物や例えば、制御棒２８のようなコンポーネントを支持し案内する。図２に例示する原子炉の場合、冷却材は１つ又は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、下部支持板３７及び燃料集合体２２が着座している下部炉心板３６を上向きに貫流し、集合体の中及び周りを流動する。下部支持板３７及び下部炉心板３６の代わりに、３７と同じ位置に単一構造、即ち、下部炉心支持板を配置する設計もある。炉心及びその周辺域３８を流動する冷却材の流量は大きく、典型的には、４ループプラントでは毎秒約２０フィートの速度で毎分４００，０００ガロン程度（流量は概ね１ループにつき毎分約１００，０００ガロン）である。その結果生じる圧力降下及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を含む上部炉内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４０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つ又は２つ以上の出口ノズル４４に向かって上方及び半径方向へ流動する。

上部炉内構造物２６は容器又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及び上部炉心板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、上部炉内構造物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、一端では上部支持集合体４６に固定接合され、他端では、上部炉心板４０の頂部に圧力嵌めされる割りピンによって、上部炉心板４０の頂部に接続されている。このピンは、案内管の組み込み及び交換が必要な場合、それらの作業を容易にし、特に地震又は他の高荷重事故状態の下で、案内管５４でなく主として支柱４８が炉心の荷重を担うようにする構造になっている。こうした支柱の構成は、事故状態の下で、制御棒挿入能力に悪影響を及ぼす案内管の変形を遅らせるのに役立つ。

図３は、一括して参照符号２２を付した燃料集合体を上下方向に短縮した形で示す立面図である。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３６上に燃料集合体２２を支持する。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をその上端に含むとともに、多数の案内シンブル５４を含む。案内シンブルは、下部ノズル５８と上部ノズル６２との間を長手方向に延び、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５４（案内管とも称される）に取り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支持された細長い燃料棒６６の組織化された配列とを含む。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、横方向に離隔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内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、これらノズルに取り付けられた計装管６８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中に配列された燃料棒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。各燃料棒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が閉鎖する。ペレット７０は、上部端栓７２と積み重ねたペレットの頂部との間に配設されたプレナムばね７６によって、積み重ねた形で保持される。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止する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５４内を往復移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棒機構８０が制御棒７８を支持する。制御機構は雌ねじを有する円筒形ハブ部材８２と、複数の半径方向に延びる鉤又はアーム５２とを有する。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及ぶ。さらに、炉心内の冷却材には多数の格子のストラップの上面上の混合翼によって惹き起こされる有意な乱流が存在し、これにより燃料棒の被覆から冷却材への熱の伝達が促進される。燃料棒の動きが拘束されないと、実質的な流れの力及び乱流により燃料棒の被覆が激しく振動することがある。

近年、製造時の充填及び封止の後に一部の燃料棒の燃料棒プレナムで発見される小さなペレットチップについて懸念が表明されている。ある研究は、頂部ペレットのチッピング（欠落）を惹き起す１つの機構は燃料ペレットの頂面上の不均等な圧力分布であることを示唆している。プレナムばねの座巻部は頂部ペレットと完全な接触状態にないと結論付けられている。このため、頂部ペレット表面の一部に有意な軸方向荷重がかかり、これによりチッピングが発生することがある。こうした因果関係は加圧試験の際に確認された。座巻部のばねの形状に応じて接触面積が限られるため、プレナムばねの設計では、界接するペレットの頂面上に均等な圧力分布を提供できないことに注目する必要がある。プレナムばね７６は、座巻部８４の形状を明示する図４を参照すると良く分かる。

したがって、燃料ペレットを燃料要素の被覆内にしっかり保持する改良型手段であって、頂部ペレットの上面に均等な圧力をかけるものが望まれている。

また、装着を容易にし、思いもよらない装着ミスが招く結果を限定し、性能の問題が起こる可能性を最小限に抑える、設計の改善が望まれている。

上記及び他の目的は、炉心に使用する燃料要素又は制御棒のような改良型の細長い反応部材により達成される。反応部材は、その細長い全長を実質的に延びる管状被覆であって、上部端栓が管状被覆の中心中空空洞部の上端部を封止し、下部端栓が管状被覆の中心中空空洞部の下端部を封止する管状被覆から形成される。活性要素が中心中空空洞部の下方部分を実質的に占有し、ばねが上部端栓と活性要素の上面との間を実質的に延びて、活性要素を下部端栓の方へ押圧する。スペーサがばねの下端部と活性要素の上面との間に位置して、ばねの力を、ばねが直接印加するよりも、活性要素の上面の大きな部分に亘って印加する。

一実施形態において、ばねは研削捩じりばねであり、好ましくは、機械的にまたは金属学的にスペーサに取り付けられる。スペーサは、好ましくは、ほぼ平坦な頭部が活性要素の上面に対向し、反対側が細長い被覆の軸方向に延び、反対側がばねに取り付けられる。望ましくは、反対側の先端部は頭部よりも狭い幅を有し、頭部の幅と先端部の幅との間には隅肉が形成される。

別の実施形態において、開口部が、活性要素の上面に対向する側から頭部を貫通し、スペーサを介して、反対側の先端部へ延びる。開口部の少なくとも一部は六角形の外形（９２）を持つのが好ましい。

ばねが機械的にスペーサに取り付けられる一実施形態において、螺旋状のねじ山がスペーサの反対端部の半径方向表面に沿って軸方向に延び、ばねの下方部分が螺旋状のねじ山に巻回される。ばねが機械的にスペーサに取り付けられる別の実施形態において、スペーサの反対側の上方部分は、半径方向外方に延び機械的にばねに結合するリップを備えた割れた管状部材である。

一実施形態において、反応部材は原子燃料要素であり、さらに別の実施形態において、反応部材は原子制御棒である。

好ましくは、スペーサはほぼ円形であり、被覆の内壁から離隔されている。

本発明は、以下の好適な実施形態の説明を、添付の図面を参照しながら読むことにより、より良く理解することができる。

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及び炉内構造物コンポーネントの部分断面立面図である。 解り易くするために部品を破断し、上下方向に短縮した形で示す燃料集合体の部分断面立面図である。 座巻部の形状を示すプレナムばねの斜視図である。 本発明の一実施形態のねじ付きスペーサの斜視図である。 図５に示す実施形態の断面図である。 管部が割れてスロットが２つある本発明のスペーサの実施形態を示す斜視図である。 管部が割れてスロットが４つある本発明のスペーサの実施形態を示す斜視図である。 本発明の座金が溶接されたスペーサ・ばね組立体の実施形態を示す側面図である。

前述の目的を達成するため、本発明は、均等な接触分布を創出し、燃料棒プレナムと積み重ねたペレットとの間でチップが移動する可能性を低減するべく、プレナムばねと積み重ねた燃料ペレットの頂部ペレットとの間に中間的な部品を導入する。頂部ペレットとばねの座巻部との間のこの新たな中間的要素は、均等な圧力分布を提供してチップの移動可能性を低減するよう設計されている。望ましくは、この要素は既存のプレナムばねに取り付けられる。図５及び６に示す一実施形態において、中間的要素は、プレナムばねと頂部ペレットの頂面との界面を形成するねじ付きスペーサ８６である。スペーサ８６は、そのほぼ平坦な頭部８８に亘って、頂部ペレットの頂面に均等な接触圧力を付与し、小さなペレットチップの移動可能性を低減するよう設計されている。ねじ付きスペーサには、スペーサをばねに組み込むプロセスを容易にする特徴もある。ねじ付きスペーサ８６は、万一プレナムばね組立体が正しく装着されていない場合でも燃料棒が正しく加圧されるようにして、関連するあらゆる性能の問題が生じるのを防止するために、中心孔９０を有する。燃料棒がヘリウムによって適切に加圧されないと、システム外の高い作動圧力が適切な燃料棒の内圧により補償されないため、燃料棒の直径が縮小し、これによって、燃料集合体格子ばねにより印加される保持力が減少する可能性がある。また、ペレットと被覆との間の熱伝導率が低いため、不適切な加圧により燃料要素の作動温度が上昇する結果、被覆が過度に腐蝕したり燃料が溶融する可能性がある。これら性能の問題はいずれも、結果として核分裂生成物の冷却材中への望ましくない放出を招く燃料棒の破損を惹き起こし得るものである。スペーサ８６の平坦な頭部８８の中心孔９０の開口部は、スペーサ８６の後方管状部をばね７６に結合するのを容易にするために六角形９２になっている。後方管状部には、反対端部９６から頭部８８のすぐ後側近くまで螺旋状のねじ山９４が延びている。六角形の道具を六角形の開口部９２に挿入して、座巻部が頭部８８の裏にぴったり着座するまでスペーサ８６をプレナムばね７６にねじ込むことができる。

望ましくは、ねじ付きスペーサ８６は、燃料要素の軸方向において基本的に２つの機能領域、すなわちペレット／被覆界面領域８８及びばね界面領域９８を備えるように機械加工された１つの部品である。好ましくは、スペーサ８６の全長は、スペーサが被覆の内部で回転しないようにするものでなければならない。スペーサが被覆の構造的健全性を損なわないように、スペーサのペレット／被覆界面８８の最大直径は、いかなる条件の下でも、ペレットの最小外径よりも小さいものである必要がある。好ましくは、ペレット／被覆界面８８の最大長、すなわち燃料要素の軸方向におけるその界面領域の寸法は、事実上可能な限り小さくする必要がある。ペレット／被覆界面領域の長さの最小値は、製造時ばね力及び歪みを均等に分布させる能力による制約を受ける。ペレット／被覆界面領域の長さの最大値は、ばね圧縮力及び棒内圧に付随する問題による制約を受ける。一般的に、プレナムばねは、燃料棒の製造時に、各燃料棒の種類に応じた力の範囲内の所定の力を発生するように圧縮される。この範囲内の力の最大値は、燃料棒の溶接部及びペレットの構造的健全性を保証するために定められる。力がこの範囲により設定される最大値を超えると、端栓を適切に溶接するのが困難になる。プレナムばねの圧縮量は、プレナムの長さにより調節する。燃料要素の被覆内の空の容積部は、原子炉の運転時に放出される核分裂生成ガスを収容しなければならない。したがって、プレナム容積が減少すると運転寿命の全期間に亘って燃料棒の内圧が増加し、これが燃料棒外径の増大という予想しなかった結果につながり、燃料棒外径の増大が被覆とペレットとの間の熱伝導性を減少させることになる。ペレット／被覆界面領域８８は、プレナム長さ及びプレナム容積を減少させ、プレナムばね撓み／力及び棒内圧を増大させる。スペーサのペレット／被覆領域の長さは、ばねの設計に織り込まれている限り許容できることが確認された。ペレットのスペーサ座面に圧力が集中するのを防ぐため、頭部８８の裏面と管状部分１０２との間に隅肉半径方向部１００を設ける必要がある。ねじ山の寸法及びばね界面領域９８の外形は、ばねのワイヤとねじ山との間の適切な嵌合を可能にするようなばねの設計によって決まる。ねじ山がないところはねじ山９４と隅肉１００との間の領域であり、このねじ山がない領域の直径にばね界面の隅肉の半径の２倍を加えた和は、ばねの座巻部とスペーサ８６とを適切に界接させるためには、ばねの最小内径を超えてはならない。組立体が正しく装着されていない場合でも燃料棒の加圧を可能とするために中心孔９０が必要であり、六角形の大きさは組立時に必要なトルクを印加するのに十分なものでなくてはならない。トルクは、出荷及び操作時にスペーサが緩くなるのを防止し、装着時のばねの損傷を和らげるのに十分なものでなくてはならない。

圧力試験によると、スペーサは均等な圧力分布を提供する能力があり、スペーサのこの設計は小さなペレットのチッピング（欠落）の頻度を低減することが確認されている。さらに、本実施形態の燃料棒プレナムばね組立体の設計は、ペレットとスペーサの接触部において均等な圧力分布を提供し、小さなペレットチップが移動する可能性を減少させるという設計目標を満たすことができる。この設計は、スペーサの装着を容易にし、思いもよらない装着ミスが招く結果を限定し、性能の問題が起こる可能性を最小限に抑えるという特徴も含んでいる。

図７，８及び９は、図５及び６に図示したねじ付きスペーサに対する別の実施形態を示す。図７，８及び９に図示する実施形態はそれぞれ、図５及び６に示すねじ付きスペーサに関して先に説明したものと同一の、平坦な頭部８８を有する。図７及び８において、スペーサの後側にはスロット付きの管状部材１０６があり、図７に示す実施形態はスロットの間隔が１８０°、図８に示す実施形態はスロットの間隔が９０°である。これらの２つの実施形態はそれぞれ、スペーサをばねに固定するためにばね７６の段に嵌まるリップ１０８を有する。図９に示す実施形態において、頭部８８が、プレナムばね７６の座巻部に直接溶接されている。

本発明を特定の実施形態につき詳細に説明したが、当業者には、開示内容の全体的な教示に照らして、それらの詳細の種々の変形及び代替案を作成することができることがわかるであろう。例えば、上述の実施形態は原子燃料要素に適用されるものとして説明したが、ここに教示されるばねとスペーサの組立体は制御棒にも適用可能であり、その場合活性要素は核分裂性燃料ペレットではなく中性子吸収材となるであろう。したがって、開示されている特定の実施形態は、例示的であると意図するに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではなく、その範囲は特許請求の範囲ならびにそのあらゆる均等物の全幅を与えられるべきである。

Claims (7)

1. 炉心（１４）に使用する細長い反応部材（６６）であって、
   前記反応部材（６６）の細長い全長を実質的に延びる管状被覆と、
   前記管状被覆の中心中空空洞部の上端部を封止する上部端栓（７２）と、
   前記管状被覆の中心中空空洞部の下端部を封止する下部端栓（７４）と、
   前記中心中空空洞部の下方部分を実質的に占有する活性要素（７０）と、
   前記上部端栓（７２）と前記活性要素（７０）の上面との間を実質的に延びて、前記活性要素を前記下部端栓（７４）の方へ押圧するばね（７６）と、
   前記ばね（７６）の下端部と前記活性要素（７０）の前記上面との間に位置して、前記ばねの力を、前記ばねが直接印加するよりも、前記活性要素の前記上面の大きな部分に亘って印加するスペーサ（８６）と、
   より成り、
   前記スペーサ（８６）は、ほぼ平坦な頭部が前記活性要素（７０）の前記上面に対向し、反対側が細長い前記被覆の軸方向に延び、前記反対側が機械的に前記ばね（７６）に取り付けられ、
   前記スペーサ（８６）の前記反対側（９６）の上方部分は、半径方向に外方に延び前記ばね（７６）に機械的に結合するリップ（１０８）を有する割れた管状部材（１０６）であることを特徴とする、炉心（１４）に使用する細長い反応部材（６６）。
2. 前記ばね（７６）は研削捩じりばねであることを特徴とする、請求項１に記載の反応部材（６６）。
3. 前記ばね（７６）の下端部は前記スペーサ（８６）に溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の反応部材（６６）。
4. 前記反応部材は原子燃料要素であることを特徴とする、請求項１に記載の反応部材（６６）。
5. 前記反応部材は原子制御棒（２８）であることを特徴とする、請求項１に記載の（６６）。
6. 前記スペーサ（８６）はほぼ円形であり、前記被覆の内壁から離隔されていることを特徴とする、請求項１に記載の反応部材（６６）。
7. 複数の原子燃料要素（６６）を有する原子燃料集合体（２２）であって、前記原子燃料要素の少なくとも一部は、
   前記原子燃料要素（６６）の細長い全長を実質的に延びる管状被覆と、
   前記管状被覆の中心中空空洞部の上端部を封止する上部端栓（７２）と、
   前記管状被覆の中心中空空洞部の下端部を封止する下部端栓（７４）と、
   前記中心中空空洞部の下方部分を実質的に占有する一連の原子燃料ペレット（７０）と、
   前記上部端栓（７２）と前記原子燃料ペレット（７０）の上面との間を実質的に延びて、前記原子燃料ペレットを前記下部端栓（７４）の方へ押圧するばね（７６）と、
   前記ばね（７６）の下端部と前記原子燃料ペレット（７０）の前記上面との間に位置して、前記ばねの力を、前記ばねが直接印加するよりも、前記原子燃料ペレットの前記上面の大きな部分に亘って印加するスペーサ（８６）と
   より成り、
   前記スペーサ（８６）は、ほぼ平坦な頭部が前記原子燃料ペレット（７０）の前記上面に対向し、反対側が細長い前記被覆の軸方向に延び、前記反対側が機械的に前記ばね（７６）に取り付けられ、
   前記スペーサ（８６）の前記反対側（９６）の上方部分は、半径方向に外方に延び前記ばね（７６）に機械的に結合するリップ（１０８）を有する割れた管状部材（１０６）であることを特徴とする、原子燃料集合体（２２）。
   
   
   

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