JP5882056B2 - 核燃料アセンブリにおいて下端部ノズルにガイド管を連結するための連結装置 - Google Patents

Description

本発明は、核燃料アセンブリにおける下部ノズルにガイド管を連結するための連結装置に関し、この連結装置のタイプは、ねじ、ねじが本体の当接面に当接する状態で、その穴を通じてナットにねじを締め込むための穴を有する本体、および、ねじの緩み防止用の係止装置を備える。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ）用の核燃料アセンブリは、燃料棒の束と構造物を備え、この構造物は、下部ノズル、上部ノズル、および、ノズルとノズル間でガイド管に沿って分配される支持グリッドとを連結する複数のガイド管を備え、燃料棒は、ノズル間でグリッドによって支持されている。

ガイド管は通常、下部ノズルに上述のタイプの連結装置によって連結され、穴はノズル内に設けられ、ねじは、ガイド管の下端部に設けられたナット内にこの穴を通じて勘合される。

ある従来の実施形態では、ねじ頭は直立した環状壁を有し、この環状壁は、ねじがその締め込まれた位置まで回転した時点で穴と伴に連続的に延在する。次いで、ねじ頭上の環状壁の正反対部分は、穴内に設けられた陥没部内に出っ張り、それにより、ねじの自己外しを防止する係止装置を実現する。

特許文献１には、ねじ頭を包囲する環状係止スリーブを備える、上記のタイプの連結装置が記載されている。このスリーブは、本体部に対して回転してスリーブを係止するための本体部の対応する陥没部において嵌合する２つの突起部を有し、このスリーブは、本体部に対して回転してねじを係止するためにねじ頭と摩擦接触している。

例えば、燃料棒の１つの交換などの保全業務中は、下部ノズルを取り外すことが望ましい。従って、底部ノズルを取り外すために連結装置のねじを外すことが必要である。

しかしながら、従来技術の係止装置を有する連結装置は、保全業務中に不便であることが認められている。下部ノズルを取り外すために、ガイド管から下部ノズルの全ての連結装置を完全に取り外す必要がある。係止装置は、ねじを回し外す作業によって、そこに形成されるねじ頭の膨らんだ部分の亀裂や損傷のせいで、一度使用した後に頻繁に廃棄され、交換される必要がある。これは、排出および最終貯蔵の前に所定の原子炉プールで貯蔵されなければならない放射線廃棄物を生み出す結果になる。連結装置の再利用可能な部品は、もしあれば、再利用するまで一時的に貯蔵される。下部ノズルの分解および再組み立て中に連結装置が落下する危険があり、それは落下中の事故、追加的な取り扱い作業、およびその結果、作業者が被爆する放射線増加の危険を起こす場合がある。

米国特許第４，６６８，４６９号明細書

本発明の目的は、保全業務を軽減する連結装置を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、係止装置が、ねじを外した後に、本体の中にねじを保持するように構成されることを特徴とする上述のタイプの連結装置を提案する。別の実施形態では、連結装置は、単独で、または任意の技術的に実施可能な組み合わせにおいて組み入れられる、１つ以上の下記の特徴を備える。
−係止装置は、当接面に向かってねじ軸に沿ってねじを軸方向に押圧するように構成された弾性係止部材を備える；
係止装置は、ねじを締める上で有効になり、当接面に向かってねじ軸に沿ってねじを軸方向に押圧するように構成された弾性係止部材を備える；
−弾性係止部材は、本体またはねじのどちらか一方に設けられた環状取付け溝内に取り付けられる、半径方向に弾性のあるリングである；
−係止装置は、ねじがナットに締め込まれる際に、リングを受容するために本体またはねじのもう一方に設けられた係止溝を備える；
−係止装置は、ねじが外される際に、リングを受容するために本体またはねじのもう一方に設けられた保持溝を備える；
−保持溝は、リングが保持溝を通過するのに十分な軸方向負荷をかけることによってねじを本体から引き出せるように構成される；
−連結装置は、当接面に向かってねじ軸に沿ってねじを恒久的に軸方向に押圧するように構成された弾性係止部材を備える；
−連結装置は、当接面に向かいねじ軸に沿ってねじを軸方向に押圧するようにプリロードされた軸方向に圧縮可能なスプリングの形における弾性係止部材を備える；
−スプリングは、螺旋状であり、ねじの上部シートに当接する上と本体の下部シートに当接する下を有し、上端部は、下端部より小径である；
−本体は、下部ノズルから分離して異なる；
−ナットを備え、ねじは孔を通じてナットに締め込まれるように構成される。

また、本発明は、燃料棒の束と燃料棒を支持する構造体とを備える核燃料アセンブリ、上部ノズル、下部ノズル、および、上部ノズルと下部ノズルとの間に延在するガイド管を備える構造体、および、下部ノズルにガイド管の下端部を連結する少なくとも１つの連結装置に関する。

本発明およびその優位性は、例示目的としてのみ与えられる以下の説明を読み、添付する以下の図を参照することでより良く理解されるだろう。

本発明の係る連結装置を備える核燃料アセンブリの側面図である。 ２つの異なる構成における連結装置の一方の断面図である。 ２つの異なる構成における連結装置の他方の断面図である。 図２および図３の連結装置の係止装置の弾性部材の透視図である。 図２に相当し、連結装置の別の実施形態を示す図である。 図２に相当し、連結装置の別の実施形態を示す図である。

図１に示めす核燃料アセンブリ２は、ＰＷＲ原子炉に適応する。この原子炉は、核燃料棒４の束と、核燃料棒４を支持する構造体６とを備える。

アセンブリ２は、長軸Ｌに沿って延在する。
軸Ｌは、アセンブリ２が原子炉の内側に配置される際に垂直に延在する。以下における用語「上」および「下」は、原子炉内のアセンブリ２の位置を参照する。

各燃料棒３は、管状金属被服材、被服材内に詰め込まれた核燃料のペレット、および、被服材の上下端を塞ぐ蓋を備える。

構造体６は、下部ノズル８、上部ノズル１０、複数のガイド管１２、および、ガイド管１２に沿って分配される支持グリッド１４を備える。

下部ノズル８および上部ノズル１０は、Ｌ軸に沿って互いに離間している。ガイド管１２は、下部ノズル８と上部ノズル１０との間に長手方向に延在し、ノズル９、１０を接続する。ガイド管１２は、ノズル８、１０の間の所定の長手方向空間を維持している。

グリッド１４は、ガイド管１２に沿って分配され、ガイド管１２を連結する。燃料棒４は、グリッド１４を通じてノズル８、１０間で長手方向に延在する。グリッド１４は、縦横方向において燃料棒を支持する。

ノズル８、１０には、アセンブリ２を通してアセンブリ２の下端部から上端部に向かう垂直に水を流せる貫通口が設けられる。

ガイド管１２の上端部は、それ自体既知の方法で上部ノズル１０に強固に連結されている。各ガイド管１２は、ガイド管１２の内側で下向きに制御棒を挿入させるために上向きに開口している。

ガイド管１２の下端部は、同様の方法で下部ノズル８に強固に連結されている。唯一のガイド管１２およびその下部ノズル８への連結は、図２〜図４を参照して、より詳細に説明される。

図２および図３に示すように、アセンブリ２は、ガイド管１２の下端部を下部ノズル８に連結する連結装置１６を備える。

連結装置１６は、ナット１８、ねじ２０、管状本体１６、および装置２４を係止するねじを備える。

ナット１８は、雌ねじを有する。ナット１８は、ねじの長軸がガイド管１２の軸と一致するように、例えば、溶接またはろう付けによってガイド管１２の下端部で固定される。

本体２２は、例えば溶接によって下部ノズル８に固定される。本体２２は、下部ノズル８を通じて軸に沿って延在し、かつ、本体２２を通じてねじ２０を通過させるためにねじ軸Ｓに沿って延在する長手方向貫通孔２６を有する。

孔２６には段差がある。孔２６は、大径の下部分２８、小径の上部分３０、および、下部分２８および上部分３０の近接する端部間で延在し、かつ当止面して機能する放射状環状肩部３２を備える。

ねじ２６は、下部分２８の内側に挿入されるように構成されており、方部３２に軸方向に当接した状態で上部分３０を通じてナット１８にねじ込まれる。ねじ２０は、上側のねじが切られた胴部３４、下側の駆動頭部３６、および、胴部３４と駆動頭部３６との間に位置する中間の止め部分３８を有する。止め部分３８は、胴部３４および駆動頭部３６より大径である。

止め部分３８は、肩部３２に接触するために上に向いた環状座面４０を有する。

ねじ２０は、端から端まで、ねじ２０の中心を通じて延在する縦方向の水ダクト４２を有する。ダクト４２は、ガイド管１２の内側に受容される制御棒を冷却するために、ねじ２０を通じてかつガイド管１２の内側で水を流せるように設けられる。

係止装置２４は、ねじ２０の意図しない緩みを防止するように構成される。係止装置２４は、環状取付け溝４４、取付け溝４４の内側に位置する係止リング４６、および２つの受容溝４８、５０を備える。

取付け溝４４は、ねじ２０の外面上に設けられる。取付け溝４４は止め部分３８の中に位置する。取付け溝４４は、下部分２８の内面に向かって半径方向外側に開く。

リング４６は、取付け溝４４上に取り付けられ、弾性により半径方向に膨張および収縮可能である。

リング４６は、例えば、ニッケルまたは鉄ベースの超合金または構造的に硬化したステンレス鋼などの高弾性限界を有する材料で作られる。

リング４６には、リング４６が下部部分２８の内面に恒久的に接触するように、下部部分２８の内径より大きく自由状態での直径が与えられる。

リング４６および取付け溝４４は、リング４６が取付け溝４４内に格納できるように配置される。

リング４６は、ねじ２０に対してねじの軸Ｓを中心に回転可能である。

図４に示すように、リング４６は、半径方向の弾性を増大して取付け溝４４内にリング４６を取り付けられるように分割される。示される実施形態では、リング４６は、円形の断面を有する。

図２および図３に示すように、受容溝４８、５０は、係止溝４８と、下部分２８の内面に設けられた保持溝５０とを備える。受容溝４８、５０は、ねじ軸Ｓに沿って相互に離間し、平坦な筒状スライド面５２によって分割される。

係止溝４８は肩部３２およびに隣接し、保持溝５０は下部分２８の下部開口端５４に隣接する。

各受容溝４８、５０は、取付け溝４４が受容溝４８、５０に対面する際に、リング４６が弾性膨張でき、それより、リング４６が本体２２に対してねじ２０を軸方向に係止するように構成される。

係止溝４８は上向きの下部横壁５６を有する。下部横壁５６は円錐形であり、上方に向かって広がっている。円錐面は、例えば、ねじ軸Ｓに対して約１５°の角度を成す。

保持溝５０は、下向きの上部横壁５８と上向きの下部横壁５９とを有する（図２）。それぞれの横壁は、略円錐形であり、ねじ軸Ｓに対して所定角度を成す。下部横壁５９とねじ軸Ｓとの間の角度は、例えば約１５°である。上部横壁５８とねじ軸Ｓとの間の角度は、好ましくは、下部横壁５９とねじ軸との間の角度以下である。

ねじ２０は、締め込まれた位置（図２）とねじが外された位置（図３）との間で本体２２に対して軸方向に移動可能である。

締め込まれた位置（図２）では、止め部分３８が肩部３２に当接し、リング４６が下部横壁５６に接触するように取付け溝４４が係止溝４８に対面する。胴部３４は、孔２６から上方向に突出し、ナット１８に嵌合する。

ねじ２０の外された位置（図３）では、止め部分３８は、肩部３２から軸方向に離間し、取付け溝４４は保持溝５０に対面する。胴部３４は、孔２６内に格納される。

締め込まれた位置（図２）では、リング４６がねじ２０を肩部３２に押圧し、ねじ２０の肩部３２から離れる動作を防止することでねじ２０を係止する。

実際には、リング４６は、半径方向に膨張する傾向があり、円錐形の下部横壁５６の傾きのためにねじ２０に軸方向上向きの負荷がかかる。ねじ２０の下方への軸方向動作は、軸方向の前負荷を上回り、取付け溝４４内へリング４６を収縮するのに十分な軸方向の力を必要とする。

従って、ねじ２０がナット１８に嵌合されるとき、ねじ２０を外す回転は、リング４６の半径方向の弾性収縮を強いるのに十分な初期トルクを必要とする。それにより、リング４６は、ねじの自己外しを防止する。

リング４６が、取付け溝４４内に格納されると、ねじ２０のさらなる軸方向の動作が、リング４６がスライド面５２に沿ってスライドすることによって達成される。

保持溝５０は、係止溝４８と同様に機能し、両方向（上下方向）における本体に対して、ねじ２０の意図しない軸方向の動作を防止する。軸方向の動作は、最小限の軸方向力の下でのみ許可される。

取付け溝４４が保持溝５０に対面すると、リング４６は保持溝５０内に半径方向に膨張し、ねじが外された位置（図３）における本体２２に対して軸方向にねじ２０を係止する。これは、本体２２の外へのねじ２０の意図しない完全な脱落に対する安全性をもたらす。

必要であれば、例えば、ねじ２０を交換するために、ねじ２０を本体２２から下方に引き抜くことができる。

ねじ２０を外された位置から締め込まれた位置に移動するために、リング４６が保持溝５０を上方向に通過するだけの軸方向の負荷をかけることが必要である。

連結装置１６は再利用可能である。実際には、リング４６は、ねじ２０を再度締め込む上で、係止溝４８内に再係止する。係止装置２４の係止機能は、ねじ２０を締め込む上で自動的に有効になる。実際には、係止装置２４は、締め込む上で取付け溝４４が係止溝４８に対面すると有効になる。

一度有効化すると、係止装置２４は、ねじ２０を肩部３２に対して軸方向にプリロードし、それにより、本体２２に対するねじ２０の軸方向の動作を防止する。これによって、ねじを外す動作が螺旋形、すなわち、回転と軸方向並進の組み合わせであることからねじ２０が係止される。もちろん、リング４６と係止溝４８との間の回転摩擦もある。

ねじ２０の回転係止の代わりにねじ２０の軸方向係止することは、この係止装置２４はねじ２０の回転動作に反対しないことから、係止装置２４に損傷を与えることなく故意にねじ２０を外すことを可能にする。それにより、連結装置１６を再利用可能に作ることができる。

その上、係止及び掛止解除ことは、弾性係止部材（リング４６）の弾性変形によって得られ、それによって、係止部材は、その初期状態を回復し、このため、係止装置２４は、再利用可能である。

リング４６が受容溝４８、５０を通過するための軸方向への負荷は、ねじ軸Ｓに対する受容溝４８、５０の横壁５６、５８、５９の傾斜による。傾斜が大きいほど、必要な力が大きくなる。

係止溝４８の円錐形の下部横壁５６の傾斜は、十分な軸方向のプリロードと、ガイド管１２から下部ノズル８を取り外す上でねじ２０を外すことに伴う係止効果とが得られるように決められる。

保持溝５０の下部横壁５９の傾斜は、本体２２からねじ２０が引き抜かれている間にねじ２０を確実の保持できるように決められる。溝５０の上部横壁５８の傾斜は、締め込まれた位置に向かってねじ２０を容易に押圧する間に、ねじが外された位置においてねじ２０を保持するためのより小さいものでよい。

そのため、図２の実施形態は、例えば交換のために本体２２からねじ２０を引き抜かせている間でさえ、効率的かつ確実にねじ２０を保持することができる。

代替案では、ねじ２０の動きを防止するように下部横壁５９が傾斜する。下部横壁５９とねじ軸との間の角度は例えば９０度である。

図５の実施形態では、係止装置２４は、弾性係止部材として使用される螺旋ばね６０を備え、肩部３２に向かってねじ２０を軸方向に押圧するように配置される。

ばね６０は、本体２２の下部分２８の中、かつねじ２０の駆動頭部３６の周辺に受容される。ばね６０は、本体２２上に設けられた下部シート６２と、ねじ２０上に設けられた上部シート６４との間で軸方向に圧縮される。

ばね６０は、肩部３２に向かってねじ２０の恒久的な軸方向負荷をかけるようにプリロードされる。そのため、ねじ２０を外すのには、ばね６０の軸方向プリロードを上回る必要がある。それにより、ばね６０は締め込まれた位置でねじ２０を係止する。

ばね６０は、ねじ２０に対して回転可能であり、それにより、ねじ２０を故意に外すことを考慮して、ねじ２０の回転を阻止しない（ばね６０とねじ２０の上部シート６４との間にはもちろん回転摩擦はある）。

ばね６０は、例えば、ニッケルまたは鉄ベースの超合金あるいは構造的に硬化したステンレス鋼などの高弾性限界を有する材料で作られる。この実施形態は非常にシンプルで信頼性が高い。連結装置１６は再利用可能である。

ばね６０は、ねじ２０が本体２２から外れないように、限定されたストローク（ばね６０の完全な圧縮に対応する）上で本体２２に対するねじ２０の軸方向の動作を可能にする。下部分２８内へのばね６０の挿入のために、ばね６０が半径方向に収縮するためのシースを連続的に設け、下部分２８内にシースによって包囲されたばね２０を案内し、ばね６０が半径方向に膨張し、最終構成を導入すること可能である。ばね６０は、孔２６の外に突出しない駆動頭部３６周辺で本体２２の下端部６６内への駆動ツールの挿入を可能にするために、上端部６８より大きい直径の下端部６６を有する。それにより、連結装置１６を、軸方向Ｌにおいて非常に小型に作ることができる。

図５に示すように、ばね６０は円錐形である。図６に示す別の実施形態では、ばね６０は筒状下部分および縮小された直径の上方向に収束する上部分を有する。これは、駆動ツールの挿入も可能なまま、より短い長さの駆動頭部３６を設けることを可能にする。示めされた実施形態では、連結装置１６の本体２２は、下部ノズルから分離される。これは、下部ノズル８から分けて連結装置１６を製造できるようにすることによって下部ノズル８の製造を容易にする。代替案として、下部ノズル８が、孔２６を直接下部ノズル８を通じて設けることによって、連結装置１６の本体２２として使用される。

連結装置１６は、ＰＷＲ燃料アセンブリ２においてガイド管を下部ノズル８に連結するため、より一般的には、任意のタイプの核燃料アセンブリにおいて構造部品をノズル８に連結するために役立つ。

２ 核燃料アセンブリ
４ 燃料棒
６ 構造体
８ 下部ノズル
１０ 上部ノズル
１２ ガイド管
１４ （支持）グリッド
１６ 連結装置
１８ ナット
２０ ねじ
２２ 本体
２４ 係止装置
２６ 孔
２８ 下部分
３０ 上部分
３２ 当接面、肩部
３４ 胴部
３６ 駆動頭部
３８ 止め部分
４０ 環状座面
４２ ダクト
４４ 取付け溝
４６、６０ リング、弾性係止部材
４８ 係止溝
５０ 保持溝
６０ ばね、弾性係止部材

Claims (12)

1. 核燃料アセンブリ（２）においてガイド管（１２）を下部ノズル（８）に連結するための連結装置であって、
   ねじ（２０）と、
   孔（２６）を有する本体（２２）であって、前記ねじ（２０）が前記本体（２２）の当接面（３２）に当接する状態で、前記孔（２６）を通じて前記ねじ（２０）をナット（１８）に締め込むための孔（２６）を有する本体（２２）と、
   前記ねじ（２０）が緩むことを防止するための係止装置（２４）と、
   を備え、
   前記係止装置（２４）が、前記ねじ（２０）を外した後、前記本体（２２）内で前記ねじ（２０）を保持するように構成され、
   前記係止装置（２４）が、当接面（３２）に向かってねじ軸（Ｓ）に沿って前記ねじ（２０）を軸方向に押圧するように構成された弾性係止部材（４６、６０）を備えることを特徴とする連結装置。
2. 前記係止装置（２４）が、前記ねじ（２０）を締め込むと作動するように構成され、前記当接面（３２）に向かってねじ軸（Ｓ）に沿って前記ねじ（２０）を軸方向に押圧する弾性係止部材（４６、６０）を備えることを特徴とする請求項１に記載の連結装置。
3. 前記弾性係止部材が、前記本体（２２）または前記ねじ（２０）の一方内に設けられた環状取付け溝（４４）内に取り付けられた半径方向に弾性なリング（４６）であることを特徴とする請求項２に記載の連結装置。
4. 前記係止装置（２４）が、前記ねじ（２０）が前記ナット（１８）に締め込まれる際に、前記リング（４６）を受容するために前記本体（２２）または前記ねじ（２０）の他方内に設けられた係止溝（４８）を備えることを特徴とする請求項３に記載の連結装置。
5. 係止装置（２４）が、前記ねじ（２０）が外される際に、前記リング（４６）を受容するために前記本体（２２）または前記ねじ（２０）の他方内に設けられる保持溝（５０）を備えることを特徴とする請求項４に記載の連結装置。
6. 前記保持溝（５０）が、前記リング（４６）が前記保持溝（５０）を通過するのに十分な軸方向の負荷をかけることによって、前記本体（２２）から前記ねじ（２０）を抜き出すことを可能にするように構成されることを特徴とする請求項５に記載の連結装置。
7. 前記当接面（３２）に向かってねじ軸（Ｓ）に沿って前記ねじ（２０）を軸方向に恒久的に押圧するように配置された弾性係止部材（６０）を備える請求項１または２に記載の連結装置。
8. 前記当接面（３２）に向かって前記ねじ（２０）を軸方向に押圧するようにプリロードされた、軸方向に圧縮可能なばね（６０）の形の弾性係止部材（６０）を備える請求項７に記載の連結装置。
9. 前記ばね（６０）が、螺旋形であり、前記ねじ（２０）の上部シート（６４）に当接する上端部（６８）と、前記本体（２２）の下部シート（６２）に当接する下端部（６６）と、を有し、前記上端部（６８）が、前記下端部（６６）より小さい直径のものであることを特徴とする請求項７または８に記載の連結装置。
10. 前記本体（２２）は、前記下部ノズル（８）から分離した別個のものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の連結装置。
11. ナット（１８）を備え、前記ねじ（２０）が前記孔（２６）を通じて前記ナット（１８）に締め込まれるように構成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の連結装置。
12. 燃料棒（４）の束と、前記燃料棒（４）を支持する構造体（６）と、を備える核燃料アセンブリ（２）であって、
    前記構造体（６）は、上部ノズル（１０）と、下部ノズル（８）と、前記上部ノズル（１０）と前記下部ノズル（８）との間に延在するガイド管（１２）と、少なくとも１つの、請求項１〜１１のいずれか一項に記載され、前記ガイド管（１２）の下端部を前記下部ノズル（８）に連結する連結装置と、を備えることを特徴とする核燃料アセンブリ（２）。

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