JPH01233394A - 原子燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は原子燃料集合体、特に伸びが小さく、燃料の高
燃焼度までの使用時にも優れた寸法安定性を有する加圧
水型原子炉用燃料集合体に関するものである。

（従来の技術） 加圧水型原子炉用の燃料集合体は一般に第７回。

第８図に示す如（燃料棒（１）、制御棒案内管（２）、
支持格子（３）、上下部ノズル（４）（５）からなり、
通常、約２００本２代表的な１７ＸｌＶ型燃料の場合に
は２６４本の燃料棒（１）を正方格子状に配列し、軸方
向７〜９個、前記代表的な場合には９個の支持格子（３
）で保持し押えばね（６）で浮き上がりを抑止すること
によって構成している。そして、第９図に示すように支
持格子（３）の燃料棒挿通セル（１）′内の所定数の選
択されたセル位置は制御棒案内管挿通セル（２）′とし
て燃料棒に替えて前記制御棒案内管（２）が挿通され、
また中央部付近には炉内計装用の案内管（図示せず）が
挿通されている。

この場合、制御棒案内管（２）は通常、１７Ｘ１７型燃
料の例では２４本が配設されるが、上方からの制御棒（
図示せず）挿入時の案内通路を形成し、自由な制御棒の
挿入を保証すると共に上下端で夫々上部ノズル（４）及
び下部ノズル（５）に連結され、燃料集合体の骨格を形
成する。

また、上記上部ノズル（４）および下部ノズル（５）は
燃料集合体の上下端の区画をなし、炉心内構造物との接
触、嵌合時の境界や燃料取扱工具との嵌合部を与えると
共に、それぞれに設けられたプレート部に穿設された流
水孔によって炉心下方から上方へ流れる原子炉冷却水の
出入口通路をなし、更には上部プレート部は流水孔以外
の個所で前述の如く制御棒案内管（２）との結合部とな
り、また燃料棒（１）の上方および下方への飛び出し防
止部材となっている。

ところで、叙上の如き燃料集合体において、支持格子（
３）と燃料棒（１）との保合は通常、支持格子のセル内
に対向するように設けられた弾性支持部材と固定支持部
材とで燃料棒を挟持するよう構成され、このような両支
持部材の対は１つのセル内で通常、直交する方向に２つ
設けられている。

従って、燃料棒は支持格子セル内の所定位置で横方向に
保持されると同時に軸方向についても、弾性部材による
押圧力にもとづく弾性挟持摩擦力の範囲内で移動が阻止
され、摩擦力を越える軸力が作用した場合のみ、燃料棒
と支持格子との間の相対摺動が行われる。

また、加圧水型原子炉の燃料集合体においては燃料被覆
管および制御棒案内管には５ｎ−Ｆｅ−Ｃｒ系ジルコニ
ウム合金管、通称ジルカロイ−４管が用いられる。これ
はジルコニウムの中性子吸収断面積が小さく、原子燃料
構成材料として優れた核的特性を示すことに由来するも
のであるが、他方では稠密六方晶の異方性金相組織から
不可避的に原子炉内での高速中性子の照射により軸方向
への照射成長を生じる特性をもつ。

そして、この照射成長量はジルカロイ−４管加工後の最
終熱処理条件によって大きな影客を受けることが知られ
ている。

燃料棒被覆管の場合には、通常、強度を高くする目的で
、比較的低めの温度で熱処理され、いわゆる応力除去焼
鈍の状態で用いられるのに対し、制御棒案内管は延性を
重視する点と照射成長を小さく押さえる目的からより高
い温度で熱処理され、いわゆる完全焼鈍状態で使用され
る。−船釣には応力除去焼鈍状態のジルカロイ−４管の
高速中性子による照射成長量は完全焼鈍材のそれの約２
．５倍程度である。

更に燃料棒の場合には内部に装荷された二酸化ウラン等
、核燃料物質ベレットの燃焼中の寸法変化の影響を受け
る。

即ち、燃料製造時には燃料ベレット外径と被覆管内径と
の間には僅かの隙間があるように設計されているが、燃
焼が進むにつれて燃料ベレットは内部に核分裂生成物が
蓄積されることによってスウェリングと呼ばれる現象で
体積増加が起こり、直径が増大すると共に長さもふえて
ゆく。従って燃料寿命中の中期には燃料ベレットと被覆
管は剛に密着し、それ以後はベレットのスウェリングに
よる長さ増加の分だけ被覆管を引き伸ばそうとする力を
加えるようになる。このような現象を通常、ベレット・
被覆管機械的相互作用（ＰＣＭＩ）と呼ぶが、被覆管に
負荷された軸方向引張応力は原子炉内での高温条件およ
び中性子照射条件下で、被覆管が熱クリープおよび照射
クリープ現象によって伸びることを促す。この結果、燃
料棒の燃焼中の伸びは制御棒案内管の伸びに比べて益々
大きなものとなる。加えて、燃料棒は内部に発熱体であ
る燃料ベレットを包含することから原子炉内での使用条
件では燃料棒被覆管温度が制御棒案内管温度よりも高く
なり、熱膨張による伸びを考慮しても燃料棒の伸びが制
御棒案内管伸びより大きい。

以上のように原子炉内における燃料棒の伸びは制御棒案
内管の伸びと比べて、可逆過程である熱膨張による伸び
、非可逆過程である照射成長による伸び及びＰＣＭＩに
よる引張応力にもとづくクリープ伸びの何れも大きくな
る。従って、燃料集合体の設計においては、両者の伸び
の差を吸収できるような機構を設けることが極めて肝要
である。

かくして、上述の如き実状をふまえ、第７図。

第８図に示す従来の燃料集合体をみるに、第７図に示す
現在、普通に用いられている加圧水型原子炉用燃料集合
体では軸方向に所定の間隔で配設された複数の支持格子
はすべて制御棒案内管と固定されている。この固定は支
持格子の制御棒案内管の挿通セルに溶接やロー付等によ
って冶金結合されたステンレス網製短尺中空管であるス
リーブの中に制御棒案内管を嵌挿させ、両者型なった部
分の一部を専用治具を用いて同時に外方に膨らませ、塑
性変形させることによって軸方向に固定する、いわゆる
バルジ法が適用されるのが普通であるが、支持格子材質
としてジルカロイ−４が用いられた時には支持格子と制
御棒案内管または支持格子に冶金結合されたジルカロイ
−４製短尺中空管のスリーブと制御棒案内管が直接、溶
接等の冶金結合が施されることもある。

しかし、このような構造では制御棒案内管に固定された
支持格子同志の間隔は制御棒案内管の伸びに応じて製造
時よりも増大するが、燃料棒の伸びの方が大きいために
支持格子による燃料棒挾持部で相対的に燃料棒が滑り、
伸びの差を逃がすことが必要となる。もし、この逃げが
不充分であれは燃料棒の曲がりが太き（なり易くなる。

そこで、摺動するためには前述の如く支持格子による弾
性挟持にもとづいて生じる摩擦拘束力に打克つことが必
要で、燃料棒に軸方向抵抗力が作用する。上記第７図の
場合、燃料棒の伸びは最終的に燃料棒上下端と上部ノズ
ルおよび下部ノズルとの間に設けられた空隙部に吸収さ
れるため、燃料棒は集合体軸方向中央から夫々、上方お
よび下方に伸びることになり、抵抗力として軸方向圧縮
力が作用する。逆に制御棒案内管にはこれに対向して軸
方向引張力が働くことになる。この力の作用は好ましい
ものではなく、燃料棒圧縮力は燃料棒曲がりを誘発する
と共に、制御棒案内管への引張力は前記の被覆管のクリ
ープ現象と同様に今度は制御棒案内管の原子炉内、熱ク
リープおよび照射クリープによる伸びを発生させ、制御
棒案内管の長さが燃料集合体の全長を決めることから最
終的に制御棒案内管の照射成長のみから予測される燃料
集合体伸びよりもかなり大きな集合体伸びを生じさせる
こととなる。

もとより、第７図に示す燃料集合体にあっては燃料棒の
重量を支持格子で分散して支え、最終的にはすべての支
持格子が固定されている制御棒案内管でもっているため
、特に制御棒案内管の下方部では燃料棒重量による圧縮
力も作用することになり、燃料集合体の、制御棒案内管
クリープ伸びに由来する伸びを多少とも軽減することが
できるが、上述のような燃料棒曲がりや燃料集合体伸び
等の悪い効果を低減させるためには支持格子による燃料
棒保持拘束力を減少させることが有効である。

ところが、支持格子の保持力の減少は燃料棒の異常振動
を誘発し、支持格子と燃料棒との接触部でフレッティン
グ摩耗による貫通孔が被覆管に生じ、燃料破損に至るこ
とから自ら限界があり、充分な対策とは云えない。

そこで、第８図に示す如き燃料集合体が上述の改良設計
として試みられるに至った。

この集合体は支持格子が最上部および最下部の支持格子
を除いては制御棒案内管に対して固定されておらず、燃
料棒、伸びに追随して支持格子自体が制御棒案内管に対
して摺動する、いわゆるフローティング構造となってい
る。しかし無制限な支持格子の移動を許容するわけでは
なく、制御棒案内管の支持格子対応位置上下に所定間隔
をおいて第１０図に示すフェルール（８）などのストッ
パー部材を設けるなどの手段で燃料棒と制御棒案内管の
伸びの差から予測される距離以上に異常に支持格子の移
動が発生するのを防いでいる。

（発明が解決しようとする課題） このような第８図に示す燃料集合体では中間部のフロー
ティング支持格子は燃料棒の伸びに応じて制御棒案内管
を自由に滑るため、燃料棒にも制御棒案内管にも軸方向
の力を負荷することがなく、上述の如き不都合を生じる
原因とはならないが、しかし燃料集合体設計において考
慮すべき他の因子として燃料取扱時や原子炉運転中の冷
却材喪失事故（ＬＯＣＡ）における急激な冷却材流速の
増加や逆流発生時においても燃料棒が軸方向に太き（移
動しないことを維持する必要があり、そのために最上部
および最下部支持格子は制御棒案内管に対して軸方向に
固定されたものとなっている。

特に、最上部と最下部が選ばれたのは原子炉軸方向中央
部に比較して高速中性子照射量が少なく、その結果、支
持格子の弾性保持部材の応力緩和、即ち、へたりが小さ
いこととなり、燃料の寿命中、全期にわたって燃料棒の
横方向位置を保つという上記目的に対して有利なことに
よる。

ところが、このような有利さをもつ反面、一方では支持
格子の保持力緩和が小さいことが最上部。

最下部支持格子間における燃料棒と制御棒案内管の伸び
の差を逃がす目的には不利に作用して燃料棒には軸方向
圧縮力、制御棒案内管には引張力が働き、しかもその力
の大きさは燃料寿命末期までそれ程大きくは変化しない
結果となる。しかも又、本設計による燃料では燃料棒の
重量を支える支持格子が少ないことから、通常、第８図
に示す如く燃料棒下端は下部ノズル（５）に載置されて
おり、伸びの量の差は専ら上部ノズル（４）と燃料棒（
１）上端との間の空隙部で吸収されるよう構成されるが
、その結果として第７図の例のように燃料棒自重による
制御棒案内管への圧縮力付与効果も失われる。

殊に近時、原子力発電の経済性向上を目指して燃料の改
良研究が種々実施されており、その中で燃料の高燃焼度
までの利用は有効な方策として採り上げられ、近い将来
、燃焼度４８０００Ｍｗｄ／　ｔまで、次のステップと
しては５５０００Ｍｗｄ／　ｔまで燃焼可能な燃料を開
発することが具体的な開発目標として一般に認識されて
来た。

なかでも、燃料を高燃焼度まで使用する場合の改良特性
の１つとして燃焼中の燃料の寸法安定性に関心が寄せら
れて来た。これは燃料棒被覆管や制御棒案内管が前述の
如く燃料の燃焼中に軸方向に伸びることによるもので、
その１つの結果として燃料集合体の過大な伸びが挙げら
れる。もし燃料集合体全長が原子炉炉心内寸を超えれば
燃料や押えばねの機械的破損の原因となるので燃料集合
体の伸び量が燃料の使用可能な燃焼度の上限を決める因
子となり、上記の目標燃焼度達成に対して障害となるこ
とは避けられない。

しかも前述のように燃料棒被覆管と制御棒案内管の燃焼
中の伸び量は燃料棒の方が大きい。そして、この伸びの
差に起因してさきに詳述した如く燃料棒曲がりが生じる
が、これが過大になると、隣接燃料棒とのギャップが狭
くなり、極端な場合には隣接の燃料棒と接触することか
ら冷却材の流動を阻害する。また、燃料の冷却不足が生
じると原子炉運転における出力を制限しなければならな
い原因となり、逆に原子炉定格出力での運転を継続させ
るためには燃料の曲がりが余り大きくならないように取
替の必要に迫られ、全期の高燃焼度までの燃料利用の目
標に対してマイナスの効果をもたらす。

かくて、本発明は上述の如き燃料集合体の従来の問題な
らびに現在に開発が望まれる高燃焼度化対策に対処して
それらに適合する燃料集合体の提供を課題とし、特に燃
料棒、制御棒案内管と、上部ノズル、支持格子との間の
相互構造を探究することにより燃料集合体伸びの小さな
集合体設計を与え、また燃料棒と制御棒案内管との伸び
の差による燃料棒曲がりへの影響をなくし、燃焼中の燃
料の寸法安定性を高め、高燃焼度化利用の要求に応する
ことを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） しかして、上記目的を達成するための本発明の特徴とす
るところは、前記複数の長尺燃料棒を互いに並列し正方
格子状に配列して軸方向に所定の間隔で配置させた複数
の支持格子で上記複数燃料棒の横方向移動を拘束し、上
記燃料棒の正方格子状の少なくとも一部の個所には燃料
棒に替えて長尺中空の制御棒案内管を置換、嵌挿させ、
上記制御棒案内管の上下端には夫々燃料棒の上下端を区
画する上部ノズル及び下部ノズルを取り付けてなる燃料
集合体において、実質的にその燃料棒全数を上記上部ノ
ズルに結合させること、そして、実質的に上記支持格子
全数を上記制御棒案内管に対し軸方向位置に関して固定
することなく、上記支持格子と、上記制御棒案内管を所
定の範囲内で互いに軸方向に摺動可能となしたことにあ
る。

ここで、実質的に燃料棒全数を上部ノズルに固定し、ま
た実質的に支持格子全数を制御棒案内管に対し摺動可能
としたとは、一部少数に本発明の所期の目的、効果を維
持しつつ、設計的改変を実施することが容易に可能であ
り、それらについても本発明に含まれることを意味する
。

（作用） 上記の如き特徴を有する本発明燃料集合体によれば、そ
の構成により燃料棒が制御棒案内管よりも大きな伸びを
示しても燃料集合体下方へ向かって伸び、このとき、支
持格子も一緒に伸び量の差の分だけ制御棒案内管を自由
に滑り、このため制御棒案内管に対して引張力を負荷す
ることもなければその反力として燃料棒に圧縮力を及ぼ
すこともない。

そのため、燃料捧曲がりの原因とならないと同時に燃料
集合体の伸びについても制御棒案内管の照射成長による
ものだけに限定でき、制御棒案内管の軸方向クリープ伸
びを無くした分だけ顕著に伸び量を減少させることとな
る。

また、上部ノズル部に燃料棒上端を固定し、すべての支
持格子をフローティングとしたことにより燃料棒の全重
量は上部ノズルを介して制御棒案内管によって支えられ
ており、この制御棒案内管への圧縮荷車は制御棒案内管
全長に加わっていることから、制御棒案内管のクリープ
圧縮変形によって長さが減少する向きの効果が期待され
、制御棒案内管が自由に照射成長する場合よりも燃料集
合体の伸びを小さく抑えることが可能となる。

（実施例） 以下、更に添付図面を参照し、本発明の具体的な実施例
を説明する。

第１図は本発明に係る燃料集合体の１例を示し燃料棒（
１）を横方向に保持する支持格子（３）を全数について
制御棒案内管（２）と軸方向に相対的に移動可能なフロ
ーティング支持格子となし、更に燃料棒（１）をその上
下端を区画する上下部ノズル（４）　（５）のうち上部
ノズル（４）に対して、例えば機械的な手段によって剛
に結合固定せしめている。そして、燃料棒（１）が制御
棒案内管（２）よりも大きな伸びを示すことから燃料棒
（１）下端と下部ノズル（５）上面との間には伸び量の
差を吸収する目的で所定長さの空隙部を設けである。

また、上記の構成とは云え、支持格子（３）の制御棒案
内管（２）に対する移動量を無制限に許す訳ではなく、
第８図に示す従来例で説明したのと同様、燃料棒（１）
と制御棒案内管（２）の差予測値にもとづく支持格子移
動設計限界値を維持するためのストッパー機構（図示せ
ず）を制御棒案内管外面に取り付けている。なお、（Ｇ
）は押えばねである。

第２図及び第３図は上記の如き構成をもつ燃料集合体の
燃料棒（１）上端と上部ノズル（４）との結合部の１態
様を示しており、上部ノズル（４）底部のプレー　ト（
４ａ）には冷却材の上方への流出を維持するための流水
孔（４ｂ）が、燃料棒（１）が上方に抜は出さないよう
に燃料棒位置に該当しない個所に設けられている。

そして、燃料棒（１）を上部ノズル（４）に固定するに
あたっては、上記プレート部（４ａ）に燃料棒（１）直
径よりも小さく、燃料棒上部端栓の上部に設けられた小
径延長部（１ａ）よりも稍大きな貫通孔を穿設し、一方
、上記燃料棒の上部端栓小径延長部（１ａ）は上部ノズ
ルプレート厚よりも長（形成すると共に外周に雄ねじを
設け、上部ノズルプレート貫通孔に下方より嵌挿した上
部端栓小径延長部（１ａ）に上部ノズルプレート上方か
ら燃料棒固定用ナラ！−（Ｎ）を螺合させることによっ
て燃料棒（１）を上部ノズル（４）に機械的に固定して
いる。

なお、この場合、上記燃料棒固定ナラｌ−（Ｎ）は所定
トルクで締付後、スポット溶接などにより廻り止めを施
すのが望ましい。

また、第４図〜第６図は燃料棒上端と上部ノズルとの結
合に関し、上記第２図、第３図とは別の実施例を示す。

この実施例は上述の実施例同様、上部ノズルブレー）　
（４ａ）の貫通孔に燃料棒（１）の上部端栓小径延長部
（ｌａ）を嵌挿させているが、該上部端栓小径延長部（
ｌａ）に雄ねじを設けることなく、替りに燃料棒固定用
ピン（Ｐ）をビン挿通孔に挿通させることによって固定
している。

二の場合、燃料棒固定用ピン（Ｐ）挿通後、その両端を
スボッＨｇ接などの手段で上部ノズルプレート（４ａ）
に固定する。

また、この実施例では第５図に示すように燃料棒の周方
向の向きを揃えることによって１本の燃料棒固定用ビン
で複数の燃料棒の固定が可能である。

かくして、上記の制御棒案内管と支持格子間の摺動可能
な構成と、燃料棒上端の上部ノズルへの固定構成により
前述の本発明燃料集合体の作用で説明した如く、制御棒
案内管に対して引張力を負荷することもなければ、その
反力として燃料棒に圧縮力を及ぼすこともない。従って
、制御棒案内管の伸びを減少させることができる。更に
、燃料集合体の伸びを制御棒案内管が自由に照射成長す
る場合よりも小さく抑えることができるなどの各作用を
達成する。

（発明の効果） 本発明は以上のように、全数の燃料棒を上部ノズルに結
合させ、かつ実質的に全数の支持格子を所定の軸方向範
囲内で夫々に制御棒案内管に対して摺動可能に設けたも
のであり、これにより、制御棒案内管に対して燃料棒と
制御棒案内管との伸び量の差に起因する軸方向引張力を
負荷することなく、逆に燃料棒の重量による圧縮力を加
えることから制御棒案内管の熱クリープ及び照射クリー
プによる伸びを抑制でき、むしろ、両クリープによる縮
みを促すことから燃料集合体の伸び量を制御棒案内管の
照射成長分と同等ないしはそれよりも小さくすることが
できると共に、燃料棒に対して燃料棒と制御棒案内管と
の伸び量の差に起因する軸方向引張力を負荷することな
く、燃料棒曲がりの発生を抑制することが可能となる顕
著な効果を有し、この結果、燃料の高燃焼度までの使用
時にも容易に優れた寸法安定性を保つことが可能となり
、機械的健全性を保障し、原子力発電の経済性の向上に
今後の利用が期待されるところである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料集合体の１例を示す正面概要
図、第２図は本発明燃料集合体の要部に係る上部ノズル
プレートと燃料棒上端との結合態様を示す部分平面図、
第３図は同第２図に対応する部分断面図、第４図は本発
明燃料集合体における別の実施例としての上部ノズルプ
レートと燃料棒上端との結合を示す部分平面図、第５図
及び第６図は上記第４図におけるＡ−Ａ及びＢ−Ｂ断面
図、第７図及び第８図は従来の燃料集合体の各側を示す
正面概要図、第９図は燃料棒、制御棒案内管等の配置を
示す支持格子断面概要説明図、第１０図は支持格子の移
動を所要程度に抑止するストッパー構成（例えばフェル
ール）を示す概要図である。 （１）・・・燃料棒、（２）・・・制御棒案内管。 （３）・・・支持格子、（４）・・・上部ノズル。 （５）・・・下部ノズル。 特許出願人　　原子燃料工業株式会社　、〜代理人　弁
理士　　宮　　本　　泰　　−（第１図 第２図　　　　　　第４図 第３図　　　　　　第５図 第６図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数の長尺燃料棒を互いに平行に正方格子状に配列
   して軸方向に所定の間隔で配置させた複数個の支持格子
   で横方向移動を拘束し、上記燃料棒の正方格子状配列の
   少なくとも一部の個所には燃料棒に替えて長尺中空の制
   御棒案内管を置換、嵌挿させ、かつ上記制御棒案内管の
   上下端には夫々燃料棒の上下端を区画する上部ノズル、
   下部ノズルを取り付けてなる原子燃料集合体において、
   実質的に上記燃料棒全数を上記上部ノズルに結合させる
   と共に、実質的に上記支持格子全数を上記制御棒案内管
   に対し軸方向位置に関して固定せず、上記支持格子と上
   記制御棒案内管を所定の範囲内で互いに軸方向摺動可能
   となしたことを特徴とする原子燃料集合体。