JPH0217493A - 半径方向圧縮ばねを用いた燃料柱保持体 - 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】 ［発明の背景］ 本発明は燃料棒に関し、特に、製造と出荷中燃料棒内の
燃料ペレットを圧縮状態に保つばねクランプを開示する
。

［先行技術の要約］ 燃料ペレットを入れた燃料棒は原子炉における基本要素
である。通例、いわゆる「燃料棒」は筒形のウラニウム
またはプルトニウム燃料ペレットを装填したジルカロイ
円筒を含む。筒形燃料ペレットの外周直径は、これらを
入れる筒形中空ジルカロイ棒の内径より小さい。燃料棒
は通例長さが１６５インチ程度であり、設計燃料荷重に
応じ、その全長のうちの１４０ないし１５０インチが燃
料ペレットによって占められる。

燃料棒は通例両端が栓で閉ざされかつ密封される。通常
、まず棒の一端に栓をし、その後、燃料ペレットを装着
する。次に、保持用ばねが挿入されて燃料ペレットを燃
料棒の栓付き端部に押圧する。

また、ジルカロイ合金チップを充填しかつ両端に穴を設
けた筒形缶を装着する。ジルカロイ合金チップは燃料棒
内に存在し得る水素を吸収する。

自由水素が存在する場合、それは燃料棒管体に吸収され
た管体を脆くする。缶とジルカロイ合金チップは「ゲッ
タ」と呼ばれる。

次に、第２栓を取り付けそして燃料棒管体に溶接する。

この第２栓はばねを圧縮するので、溶接作業中それを保
持するために軸方向の力が必要である。

次に、燃料棒内に存在するガスをポンプで小孔を経て吸
出し、その後、燃料棒にヘリウムを満たす。ヘリウム圧
力は通例１〜１０気圧（１４，７〜１４７ボンド毎平方
インチ）である。次いで燃料棒を密封する。

密封された燃料棒は燃料ペレット柱と保持ばねとゲッタ
を内蔵する。残りの空間は最初充填ヘリウムガスによっ
て占有されている。原子炉運転中、不活性ガスであるキ
セノンとクリプトンが核分裂過程の副産物として発生す
る。これらのガスも、充填ヘリウムガスによって最明占
有された空間に入らなければならない。

不活性ガスがたまるにつれ圧力が上がる。通例、寿命末
期の圧力は１０００〜３０００ポンド毎平方インチの範
囲にある。この圧力を最小にするために望ましいことは
、保持ばねによって占められる空間を最少にすることで
ある。

最終的に生ずる圧力を予測して、燃料棒の寸法を定めそ
して両端に栓を設ける。燃料棒には、たまったガスの圧
力で破裂や割れを起こさないような筒形側壁寸法を与え
る。また、ジルカロイ栓を棒の各端で溶接する。両枠は
ガス漏れを防ぐように気密に溶接される。つまり、原子
炉内の寿命末期に近い燃料棒は、高圧高温のガスを入れ
るように形成した圧力容器でもある。

燃料棒は、製造当初、水平に置かれてペレットを装填さ
れる。さらに、ペレット装填棒を動かす時も、同棒は水
平に置かれた状態にある。横倒し状態の燃料棒は、最終
製造に要する諸段階を完了する間、各所に動かされる。

このような水平状態移動中、比較的重いペレットが、（
燃料棒の底部に至る）集積位置から、棒の頂部における
ガス空間を占める非集積位置に移動する危険が常に存在
する。

製造場所から、燃料棒を最終的に燃料束内に設置して利
用する原子炉へ出荷中、燃料棒は通例溝に置かれる。も
し燃料ペレットが拘束されなければ、集積位置からガス
空間へのペレットの移動が起こるおそれがある。

燃料棒は、原子炉内に設置される時、垂直に置かれる。

燃料柱に間隙があると、このような間隙はペレットのく
さび作用と摩擦のため閉ざされない。軸方向間隙の存在
は望ましくない結果をもたらす。

詳述すると、原子炉は１０００ｐｓ１程度の圧力下で働
く。棒内の圧力は最初２００ｐｓｌ程度であることを想
起されたい。もし燃料棒設置時にペレットが所要の積重
ね接種関係になければ、棒はペレット分離域において原
子炉圧力でくびれ、ベレ、　ｊ′す、、ｔＨからずらす
おそれがある。このような現象は、１個のペレットが適
所からずれである角度傾いた場合に生じ得る。この時、
ペレットは棒の内周にくさび状に当接し、隣接ペレット
から離れたままになる。このような場合、燃料棒の内側
の非占有域は原子炉の圧力で最初にくびれる可能性があ
る。

燃料棒内で燃料ペレットがずれると２つの結果が起こる
。

第１に軸方向出力分布が変わり、燃料柱内の軸方向間隙
近くの局所出力が高くなる。この高い局所出力は燃料棒
の局所過熱を引起こす。

第２に、燃料棒の過大応力または割れが起こるおそれが
ある。

これらの困難に対処するため、先行技術ではばねを燃料
集合体内で用いる。このばねは棒の一端の溶接端栓に接
触する。ばねはまたその燃料棒端における隣接燃料ペレ
ットに接触する。

通例、ばねはゲッタを内包するかまたはそれに接触する
ように形成される。いずれの場合も、ばねは、棒の両端
が密封された後、燃料ペレットを燃料棒の一端に押し付
けた状態に保とうとする力を加える。

［発明が解決しようとする課題］ この種のばね組立体は、本改良設計の達成のために倉入
りに分析された結果、少なくとも５つの問題を抱えてい
ることがわかった。

第１に、ばねは最後の燃料ペレットから燃料棒の端栓ま
で延在する。全長１２インチ程度のこの占有は、ばねの
区域を増大させ、そして燃料柱と、燃料ペレット内で核
分裂により生ずるガスとに利用し得る空間を減らす。

第２に、ばねは中性子吸収体である。中性子は、さもな
ければ所望連鎖反応に用いうるちのであるが、ばねの過
剰質口の材料と接触する時に吸収され失われる。

第３に、端栓と燃料ペレットとの間の全空間は長さが変
わる。その結果、様々な長さのペレット装填に用いるば
ねの長さ形状は変化しなければならない。つまり、相異
なる燃料設計は相異なるばねを必要とし、これは燃料棒
の製造を複雑にする因子である。

第４に、ばねの装着は燃料棒製造の最後段階の一つであ
る。それより前の製造段階中、ばねは存在せず、燃料柱
内のペレット間の間隙を広くする可能性がある。

最後に、端栓に隣接するばねの端部は溶接中端栓に接触
し、端栓を保持するために軸方向が必要である。さらに
、ばねのこの部分は溶接によって同度に加熱される区域
にある。溶接熱はばね特性を変えるおそれがある。

一つの問題を認識することによって、発明が構成される
ことは、下記の説明から理解されよう。

［発明の要約］ 製造中と出荷中に燃料棒内で燃料ペレットを保持し、原
子炉内での燃料棒設置前に燃料ペレットがそれらの設計
位置から移動しないようにする保持用ばねを開示する。

原子炉燃料を内蔵する筒形中実核燃料ペレットは燃料棒
内に配置され、燃料棒の内径よりわずかに小さい外径を
存する。ペレット設置後、保持用二部分ばねが燃料棒の
端部に挿入される。保持用コイルばねの第１圧縮ばね部
として、従来のコイルばねが、圧縮状態で作用して燃料
ペレットを所定力で押圧し、通例、燃料棒が水ｆ向きで
ある時、水平位置にあるペレット群を詰込み位置に押圧
する。この従来のコイルばねは燃料棒の内径より小さい
直径をもつ。保持用コイルばねの第２部分である固定用
ばね部は、燃料棒の内径を超える直径をもつコイルばね
である。

この固定用コイルばねは、燃料棒の内径より小さな外径
までらせん状に巻締められ、棒内に挿入され、その後解
放されて棒の内径に達する。固定用コイルばねの一端を
固定用コイルばねの他端に対して巻くことにより、固定
用コイルばねは棒の内径より小さな直径までねじり巻き
される。ばねの装着は、固定用ばねの巻締めと、巻締め
られた固定用ばねの挿入と、装若燃料ペレットを圧縮ば
ねで圧縮することと、巻締められた固定用コイルばねを
解放して緩めることにより固定用ばねを燃料棒の内壁に
固着させることを包含する。開示設計は従来の燃料ゲッ
タを含むもので、圧縮および固定ばね部を１本だけのワ
イヤで作るような好適−体構造を持つものとして示され
る。

発明の他の１＝１的と特徴と利点 本発明の目的は、燃料棒内で燃料ペレットを圧縮状態に
保持するための簡単な二部分ばねクランプを開示するこ
とである。２セツトのらせん形コイルを持つばねを開示
する。第１コイルセツトは燃料ペレットに接する圧縮ば
ねである。第２コイルセツトは燃料棒の内径を超える直
径を持つ固定用ばねである。この固定用コイルばねは燃
料棒の内径より小さな外径までらせん状に巻締められる
。

巻締められた固定用ばねは圧縮ばねが燃料ペレットに接
触するように挿入され、燃料ペレットは圧縮ばねにより
圧縮される。燃料ペレットが所望圧縮状態になった時、
固定用ばねが解放されて棒内壁に固着し、燃料ペレット
を圧縮状態に固定する。

開示した二部分ばねクランプの利点は、それが燃料棒内
で最少の空間を占めることである。もはやばねは最終ペ
レットと端栓との間に延在する必要はない。その代わり
、ばねは２〜４インチ程度の比較的短い距離を占め得る
。

第２に、新しいばねは燃料棒内に入れる金属の量を最少
にする。ばねクランプは端栓に接触するものより廉価で
あるばかりでなく、望ましくない中性子吸収をなす金属
の存在量を少なくする。

第３に、新しいばねは燃料棒内のペレット群の全長の変
化を許容する。一つのばね設計を、長短にかかわらず全
ての燃料ペレット装填形態に用いることができる。

第４に、新しいばねは燃料ペレットの挿入直後に挿入さ
れる。その後、ペレットは後続製造段階中拘束される。

最後に、燃料被覆または棒の側壁に固着するクランプは
もはや端栓に接しない。端栓に力がかからないので、も
はや溶接中に対抗力を加えなくても端栓の密封が可能で
ある。さらに、クランプは溶接箇所から離れた燃料棒の
側壁に固着するので、溶接熱はクランプの金属特性に悪
影響を与えない。

本発明の他の目的はクランプを装着する方法と装置を開
示することである。本発明のこの特徴によれば、燃料棒
の内径を超える直径を持つコイルばねの少なくとも第２
部分を燃料棒へのばね挿入中、比較的小さな直径に巻締
めておく。このコイルばね部は、らせん巻ねじり力をか
ける工具によって燃料棒の内径より少ない外径までらせ
ん状に巻締められる。その後、巻締められたばねとそれ
に続〈従来の圧縮コイルばね部が棒内に挿入される。力
を加えた挿入を続けて設計圧縮力を燃料ペレットにかけ
る。この力は７ポンド程度である。

この力に達したら、巻締められたばねは解放され、筒形
被覆壁の内径に達する。こうしてペレットが固定される
。

開示した方法の一利点は、それが簡単かつ遠隔式であり
、未熟練者でも実行しやすいことである。

この方法の他の利点は、ペレットにかかるばね圧縮力が
ただちにｉ’ｌＦ１定されることである。従って、クラ
ンプが燃料棒の内径に合う時、ペレットをあらかじめ精
確に圧縮しておくことができ、その後枠を密封する。

本方法の他の利点は、装着したばねがペレットを保持す
ることである。この保持は棒の両端密封のかなり前に生
ずる。端栓溶接時にそれを押圧する力が存在しないばか
りでなく、ばねクランプ設置の瞬間からペレットは所望
の圧縮荷重を受ける。

本発明の他の目的と特徴と利点は以下の詳述と添付図面
を参照すればさらに明らかになろう。

第１図は燃料棒Ｆの頂部だけを示す。燃料棒Ｆのド部に
はペレットＰが封じ込められている。端栓Ｅが棒Ｆの端
に溶接部１４で溶接されている。

ばねは２つの作用部分を存する。第１部分は従来の圧縮
コイルばね１６である。圧縮コイルばね１６は長さが２
．５インチ程度である。

ばねクランプの第２部分は同定用コイルばね部１８であ
る。

コイルばね１６はコイルばね１８と異なる。コイルばね
１６は筒形被ＩＦの内径より小さな内径をｑする。従っ
て、コイルばね１６は従来のように圧縮状態で燃料ペレ
ットＰに作用する。固定用ばね１８は元来披ＩＦの内径
を超える直径を有する。

次に、ばねの挿入を要約する。通例、固定用ばね１８で
あるコイルばねはらせん状に巻かれ、その直径を減らす
ように湾曲する方向に巻締められる。この巻締めは、ば
ね１８の外径が燃料棒または［２Ｆの内径より小さくな
るまで続く。

このような巻締め状態でばねを挿入する。その際、まず
圧縮ばね１６を挿入し、次いで、巻締めた固定用ばね１
８を挿入する。ばねの挿入は、圧縮ばね１６が燃料ペレ
ットＰに設置力をかけるまで行われる。例えば、合計７
ポンド程度の力をかけることが望ましいかもしれない。

この合計力が生じたら、固定用ばね１８の巻きが緩めら
れ、この時固定用ばね１８は被覆Ｆの内側に固るする。

第１図に示した特定実施例では、ゲッタＧが棒端に設け
られている。通例、ゲッタはそれが固定用ばね１８の内
径内に収まるような直径を与えられる。

固定用ばね１８を装着したらペレットＰが固定されるこ
とは理解されよう。その後、端栓Ｅを溶接部１４で溶接
し得る。

コイルばね１８の巻締め、挿入および固定方法は理解し
やすい。（第２図参照） ばね装着工具は第１外筒２０と内筒２２を具備する。Ｍ
Ｌ？ｉ２０にはスロット２４が設けられ、コイルばね１
８の端３４を受入れる。下側の内筒２２にはスロット２
６が設けられ、コイルばね１８の端３６と係合する。

図示のように、内筒２２はスロット２６においてばねの
突起３６と接触している。同様に、外筒２０はスロット
２４においてばねの上端３４と接触している。

コイルばね１８はらせん状に巻締められている。

こ巻締めは、ばね１８の直径を減らす方向に生じている
。図示の巻締めばねは燃料棒Ｆ内に挿入されている。

第１図では、外筒２０と内筒２２は解放され、互いに回
転し終わっている。

コイルばね１８は膨張し外径が増している。ばね１８は
膨張状態で燃料棒Ｆの内壁に固着している。ばね１８は
、燃料ペレットにかかったばね力をスケールＳに表示す
るように挿入されている。

簡単に例示した挿入方法では、ばね部１８の巻締め状態
中、燃料ペレットにかかる圧縮力をＭ１定できることを
理解されたい。簡単に述べると、燃料ペレットに対する
圧縮作用は巻かれたばねに反作用を及ぼすので、その反
力のＤＩ定により、作業者は燃料ペレットに精確に予荷
重をかけることができる。

第３図と第４図は別の実施例を示す。この実施例では、
固定用ばね１８と圧縮ばね１６は連続するワイヤコイル
で作られている。第３図では、ゲッタＧは圧縮ばねの内
部にはまり込んでいる。第４図では、ゲッタＧ２は圧縮
ばねと燃料ペレット柱の頂部との間に配置されている。

第５図は、固定用ばねと圧縮ばねが連続ワイヤコイルで
作られる実施例用の装着工具を示す。固定用コイル１８
と圧縮コイル１６をもつ一体の燃料性保持体が装着工具
とともに示されている。

装着工具は外筒６０と内筒６２からなる。内筒６２の上
部は一つの直径をもち、下部６４はそれより小さな直径
を有する。内筒６２の底部に設けた舌状部６４がスロッ
ト５２により座金５０と係合する。この場合、装着工具
の内軸が固定用ばねと圧縮ばねとを貫通し、そして圧縮
ばねの底部に溶接した座金と係合する。

基本的な装着方法は同じである。燃料棒内への挿入前に
、燃料性保持体を装着Ｊ二具に取り付けそして所望の軸
方向荷重に達するまで圧縮する。次に、内筒６２を外筒
６０に対して回し固定用ばね１８を内筒６２の大径部分
に巻締める。舌状部６４はスロット５２と係合して座金
５０の回転と軸方向移動を阻止し、こうして圧縮ばね１
６にかかる圧縮荷重を維持する。工具と保持体の燃料棒
内への挿入は、座金５０が燃料柱の頂部またはゲッタに
接するまで行われる。次いで内筒６２は外筒６０に対す
る回転を許される。これによりばねの固定用部分１８が
部分的に緩んで燃料棒に当接する。保持体の固定用部分
１８はこの時圧縮部分１６を圧縮状態に保持し、工具の
引抜きを可能にする。

以上から理解されるように、本発明は多様な態様で実施
し得るものである。また、二部分コイルばねを設けるこ
とと、その一部分が燃料棒Ｆの内径に合致し得ることが
本発明の作用に重要である。

ばね部１６．１８の一体構造が好適であるが、本装置で
は２つの別々のばねの使用も可能であることを理解され
たい。両分離ばねは任意の便利な方法で互いに結合され
得る。例えば、ゲッタをこのような相互結合に用いても
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料棒の側面図で、下から上に向かって、燃料
ペレットと、ばねの圧縮部分と、ばねの固定用部分と、
内蔵ゲッタと、燃料棒端栓とを示す。第２図は第１図の
ばねクランプの巻締めを示す。第３図は一体の燃料性保
持体における圧縮コイルばね内部のゲッタの配置を示す
。第４図は一体の燃料性保持体における燃料柱頂部と圧
縮ばね間のゲッタの配置を示す。第５図は一体の保持体
をその装着工具とともに示す。 Ｅ：端栓、Ｆ：燃料棒（筒形彼ｍ）％Ｇ、Ｇ２　ニゲツ
タ、Ｐ：ペレット、１６：圧縮コイルばね部、１８：固
定用コイルばね部、２０：外筒、２２：内筒、２４．２
６：スロット、６０：外筒、６２：内筒、５０：座金、
５２ニスロツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内周直径を有する燃料棒と、この燃料棒内に配置し
   た複数の筒形燃料ペレットであって、前記内周直径より
   小さな直径を有しそして前記燃料棒内に該棒の長さより
   短かい距離にわたり端と端を接して積み重ねられた筒形
   燃料ペレットと、前記棒の両端を密封するジルカロイ端
   栓と、前記棒の一端に隣接し前記ペレットを前記棒の他
   端に押圧する圧縮ばねとを含む燃料棒構造において、少
   なくとも第１小径コイルばね部と第２大径コイルばね部
   を有するコイルばねと、前記第１および第２ばね部を連
   結する手段とを設け、前記第１小径コイルばね部は前記
   燃料棒内径より小さな外径を有し、前記第１コイルばね
   部は圧縮されて前記燃料ペレットに接触し、これにより
   前記ペレットは前記ばねから遠い方の棒端に押し付けら
   れ、前記第２コイルばね部は前記燃料棒内径より大きな
   常態外径を有し、前記第２コイルばね部は前記燃料棒内
   径に合わせられるようにした前記圧縮ばねに特徴のある
   燃料棒構造。 ２、両コイルばね部の一方がゲッタを内包している請求
   項１記載の燃料棒構造。 ３、前記第１および第２ばね部を接合した請求項１記載
   の燃料棒構造。 ４、前記第１および第２ばね部を１本のワイヤで形成し
   た請求項３記載の燃料棒構造。 ５、複数の燃料ペレットを燃料棒の内径に対して固定す
   る方法であって、あらかじめ選定された内径を有する筒
   形燃料棒を設ける段階と、前記燃料棒の一端を閉ざす段
   階と、前記燃料棒の内径より小さな外径を有し自由に動
   き得る複数の筒形ペレットを挿入する段階と、前記燃料
   棒の内径より小さな第１直径をもつ一部分と、前記燃料
   棒の内径より大きな外径をもつ第２部分とを有する二部
   分コイルばねを設ける段階と、前記コイルばねの前記第
   ２部分をねじってらせん状に巻くことより前記コイルば
   ねの直径を前記燃料棒内径より小さな直径に減らす段階
   と、前記燃料ペレットを前記圧縮ばねで圧縮することに
   より前記燃料ペレットに適度の圧縮力をかける段階と、
   前記適度の圧縮力が存在する時前記第２ばね部分の前記
   らせん巻を緩めることにより前記第２ばね部分が前記筒
   形棒の内壁に固着して前記燃料ペレットを所定の場所に
   保持するようにする段階とからなる燃料ペレット固定方
   法。 ６、ゲッタを挿入する段階を含む請求項５記載の方法。 ７、前記の二部分コイルばねを設ける段階は両ばね部分
   を互いに接合した二部分コイルばねを設けることからな
   る、請求項５記載の方法。 ８、前記の二部分ばねを設ける段階は前記二部分ばねを
   １本のワイヤで形成する段階を包含する、請求項７記載
   の方法。 ９、一端が開きそして他端が密封された燃料棒内で複数
   の燃料ペレットが圧縮されていて、前記燃料ペレットは
   前記棒内に配置される筒形燃料ペレットを含み、これら
   の筒形燃料ペレットは燃料棒内周直径より小さな直径を
   有しそして前記燃料棒内に該棒の長さより短かい距離に
   わたり端と端を接して積み重ねられていて、前記棒の一
   端を密封する少なくとも１個のジルカロイ端栓と、前記
   ペレットを前記棒端に押圧するために前記棒の他端に隣
   接する圧縮ばねと、前記ばねを挿入する装置とを含む燃
   料ペレット圧縮装置において、前記圧縮ばねと前記挿入
   装置の改良として、第１小径コイルばね部と第２大径コ
   イルばね部を有するコイルばねと、前記第１および第２
   ばね部を連結する手段とを設け、前記第１小径コイルば
   ね部は前記燃料棒内径より小さな外径を有し、前記第１
   コイルばね部は圧縮されて前記燃料ペレットを前記棒の
   前記密封端と前記ばねとの間に圧縮し、前記第２コイル
   ばね部は前記燃料棒内径より大きな常態外径を有し、前
   記第２コイルばね部は前記燃料棒内径に合わせられるも
   のであり、また前記第２ばね部をらせん状に巻締めるた
   めの第１および第２部材を設け、これらの第１および第
   ２部材は前記第２ばね部を前記棒内径より大きな直径か
   ら前記棒内径より小さな直径に巻締めるために前記第２
   ばね部のそれぞれの端を把持するように形成されており
   、両部材が解放された時前記ばねが拡大して前記棒内径
   に合致し得るようにした燃料ペレット圧縮装置。 １０、前記第２ばね部の一端に取り付けた座金を含み、
   また、前記巻締め部材の一方が前記ばねを巻くために前
   記座金と係合する請求項９記載の燃料ペレット圧縮装置
   。