JPH02190798A - 燃料スペーサ - 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、原子炉において使用する燃料集合体用の燃料
スペーサに関するものである。

〔従来の技術〕

原子炉において使用される燃料集合体用の独立セル型燃
料スペーサとしては、例えば特開昭５９−６５２８７号
公報の第２Ａ図と特公昭５５−３８６．３８号公報の第
１図に示すように構造の燃料スペーサなどが提案されて
いる。

第９図は、特開昭５９−６５２８７号公報にて提案され
た燃料スペーサを示すものである。この燃料スペーサ７
は、内部に燃料体８が挿入される多数の円筒部材（独立
セル）９を格子状に配列し、隣接する相互の円筒部材ど
うしを溶接部Ｗｉで溶接して結合して形成した円筒部材
の束の外周を帯状のサイドバンド１０で取囲み、円筒部
材との接点（溶接部Ｗｚ）を溶接にして結合して構成し
たものである。なお、第９図における１及び１１は、各
々燃料体８（第９図及び以下に述べる各回では、燃料枠
内に装填された核反応物質は示していない）を支持する
ためのスプリングと円筒部材の突起である。

これまで述べた独立セル型燃料スペーサは、第１０図に
示すように、スプリング１の中を円筒部材９の突片４Ｂ
が２枚通過する構造となっているので、突片４Ｂとばね
１との間隙やばねの上下の凸部６と燃料体８との間隙が
、例えば本燃料スペーサ７と同様に連続したループ型の
スプリングを有する格子型の燃料スペーサ（特開昭５９
−６３５８９号公報参照。この燃料スペーサでは、ばね
の中を一枚の格子部材が通過する）に比べて少なくとも
突片４Ｂの肉厚分だけ小さい、このため、独立セル型燃
料スペーサにおいては、極く限られたスペースの範囲内
で所定のスプリング力を発揮し、かつ燃料体挿入時（燃
料集合体組立時）や地震時など、スプリング１に極めて
大きな荷重が負荷される場合にもスプリング１が損傷又
は塑性変形によって弾性体としての機能を喪失しないよ
うに設計する必要があり、その一つの手段として特願昭
６０−１７７５０号で提案されている様にセルの形状を
工夫してスプリングの損傷又は塑性変形を防ぐ提案がさ
れている。また、今後の燃料体の展開として高燃焼度化
のための燃料棒配列を９×９にすることが特願昭６１−
５９２０４号で提案されており、この２つのタイプの燃
料体を比較したとき、９×９型燃料体の方が８×８型燃
料体よりも燃料棒間ピッチが狭くなっている。そして、
そのことによりスプリングの変位量が大きくなり、スプ
リングの応力が高くなりすぎる結果となるため、そのス
プリングの応力を下げる対策を施す必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、燃料体配列９Ｘ９型燃料体への装着の
点について配慮がされておらず、９×９型燃料体に装着
するとスプリング応力が高くなりすぎるという問題があ
った。

本発明の目的は、スプリングの最大応力をさげることに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、下記により達成される。

■　スプリングの荷重のかかるルーフトップの近傍の剛
性を上げる。

■　スプリングの全周の長さ（総体長さ）Ｌを板厚りの
１７０〜２００倍にする。

〔作用〕

スプリングの応力を緩和する手段として、スプリングの
全周の長さ（総体長さ）を長くするという方法を使った
が、ここにその作用について説明する。

まず、スペーサスプリングを両端固定はりと仮定した図
を第１図に示す。そして、その時のスプリング長さ２と
スプリング最大応力σａａＸの関係を第３図に示す。第
３図から、最大応力σａａＸはスプリング長さＱｌで最
小の値をとることがわかる。

また、解析の結果、スプリングの長さＱをスプリングの
総体長さしと置き換えても第３図は、成立する。

よって、本発明は第３図において、スプリングの総体長
さＬ２をＬＬに近づけることにより最大応力の低減を行
なうものである。

また、もう一つの最大応力を下げる手段としてスプリン
グのルーフトップ近傍の剛性を上げる方法を使用したが
、ここにその作用についての説明を示す。

スプリングの最大応力を下げるには、スプリングのルー
フトップ部の応力σ２とエンドバルブ部の応力σｌとに
おいて、１σ２１−１σ１１を小さくすればよい。

Ｑ ：エンドバルブ部の曲げモーント）とおいて、ｆとなり
αを増加すれば、ｆの値が下がっていくことがわかる。

よって、本発明は、ルーフトップ近傍の剛性を高め、た
わみ量を小さくシ、そして逆にそのことにより、エンド
バルブ側のたわみ量を大きくすることでＭｌの値を上げ
最大応力の低減を行なうものである。

〔実施例〕

本発明の目的は、燃料棒配列８×８型燃料体に使用され
たスペーサスプリングの燃料棒装着時の応力を同じ値か
それ以下に燃料棒配列９Ｘ９型燃料体の燃料棒装着時の
スプリングに与えることである。

それでは、スペーサスプリングの応力を低下する原理に
ついて述べる。

まずは、長さＱのスペーサスプリングを第１４図に示す
ようなはりと仮定し、その時のスペーサスプリングの長
さ、スプリング板厚及びスプリング全幅とスプリング最
大変位時の応力の関係を下記する。

スプリングの変位量δは、ポイント１での曲げモーメン
トをＭｌとすると ＦＱ また、荷重Ｆ、バネ定数には となる。

ポイント２での曲げモーメントＭ２および最大応力σ２
は ＦＱ Ｍ　ｚ　＝　　　　　　Ｍ　ｔ ・・・（６） 式（３）を式（６）に代入して、 ・・・（７） となる。

ここで、 Ｆｏは初期スプリング押付力（一定）。

Ｑはスプリング長さ、 ｂはスプリング幅、 ｔはスプリング板厚。

Ｅはヤング率（一定）、及び Δδはスプリングの最大変位量と初期変位量−の差であ
る。

Ｉ　　　　　　ＦＱ から α・ＦＱ−Ｃ σ１＝± ■ とポイント１での応力σｌを表わせる。

それでは、ここでスプリングの最大応力σ２を小さくす
る第１の手段を示す。

従来のスプリングの曲げモーメントの分布図を第１４図
の下側に示す。図かられかるように、Ｍ２はＭｌに比べ
てかなり高い値である。

スプリングの最大応力が最小となるのは、図に一点破線
で示したようにＭ　１：　Ｍ　ｘとなった時であり、最
大応力を下げるためには、全体的に従来のスプリングの
曲げモーメントを下方に移さなければならない。また、
以上のことを式にて表わせば、σ２１−１σ１１＝ｆ とし、ｆの値を小さくすることにより、最大応力が下げ
られることとなる。

ｆの値を小さくするためには、下記の式よりＣ２＝　σ
ｌ＝ｆ ・・・（１０） ａａ　　　　ｂｔ２　　　Ｑ”　　　　　　（１−６α
）２となり、αを大きくすればよいといえその具体的の
加わるルーフトップの近傍の剛性を上げ、たわみ量を小
さくし、そして逆にそのことにより、エンドバルブ側の
たわみ量を太き（することでＭｌの値を上げ、最大応力
の低減を行なう。

よって、本発明は、スプリングのルーフトップ近傍の剛
性を上げ、スプリングの最大応力を低減するものである
。尚、本発明によればαの値は、０．１１６〜０．１２
５の範囲内となり、スプリング強度の観点で最適値であ
る０、１２５　　に近い値が得られることが解析の結果
、判明している。

次に、スプリングの最大応力σ２を小さくする第２の手
段を示す。

式（８）において初期スプリング押付力Ｆｏは、スプリ
ングの構造が燃料体を支持し、冷却水の流れにより生じ
る燃料体の振動を防止する機能があるため、スプリング
の照射クリープが生じてもある値以上であることが必要
である。

したがって、Ｆｏ　を小さくすることはできない。

そのことより、今Ｆｏを一定とすると Ｃ５＝−（１−４α）Ｆ。

あることである。

もし、スペーサスプリングの最大応力をスプリング板厚
を厚くすること（（１２）の第１項）で低減しようとし
た場合 と定係数で表わせる。

よって、 と表わせる。

式（１２）より、スペーサスプリングの最大応力を低下
する方法としてスプリング幅を広くするか又はスプリン
グ板厚及びスプリング長さを最適化することより達成で
きる。

但し、ここで１つ考慮しなければならないことがある。

それは、スペーサスプリングが燃料装着時に、燃料体に
与える荷重は必ずＰｏ。〜Ｐｍａｘポンドの範囲内に入
っていなければならないという規定がより、バネ定数ｋ
がしの３乗に比例して増加する結果を招く。

今、目をスペーサスプリングが燃料棒に与えろ荷重に向
けてみる。

第２図は、燃料体のスペーサスプリングの変位量の製造
公差がバネ定数の値によってどのような荷重範囲を取る
かを示したものである。第２図は、バネ定数の値を増加
させると燃料体のスペーサスプリングの製造公差はある
幅をもつ荷重範囲ではおさまりきれず、また逆に言えば
荷重をある一定の範囲におさめようとすれば、スペーサ
スプリングの製造公差の範囲を狭めなければならないこ
とになる。

しかし、製造公差の範囲を狭めることは、スプリング製
造時に不良品を増やす結果となり、コストアップにつな
がり実現性はない。

また、スプリング幅すを広くすることにより応力σ２を
小さくできるが、スプリング幅すはスプリングを組み込
むセルとの組合いによって制限される。

本発明では、スプリング長さＱを最適化し、かつスペー
サの圧損を抑えることができるスプリング構造を提案す
ることにある。

以下にスプリング長さと最大応力の関係を述べる。

今、式（１２）においてスプリング板厚を一定とし、式
を変形した。

Ｃｓ：Ｃａ／　ｔ”　　　　　　　　　　　　　　　・
・・（１５）Ｃ２’＝　Ｃ番／ｌ　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　・・・（１６）よって となる。

式（１７）を図に表わすと第３図のようになる。

に依存し減少傾向にあり、そしてスプリング長さＱｌに
おいてＣ２は最小値をとり、その後Ｑの値が大きくなる
につれて０２はＣ１−Ｑ　に依存し増大し始める。

本発明は、以上に述べたスプリング長さと最大応力との
間の特性を利用して燃料体のスペーサスプリングの長さ
を最適化した。

また、以下に具体的な改良について述べる。

本発明は、燃料体のスプリングにおいてその長さを第３
図に示すＱｌからＱｌに近づけることにより燃料体用ス
プリング長さを最適化した。尚。

Ｑの具体的な値は、解析からρ＝８５ｔ、〜１００　ｔ
という結果を得た。

ところで、スプリング長さを単に長くすると。

第４図に示すようにスペーサ高さがΔＨだけ高くなる。

このことは、スペーサの圧損を増加させることになり望
ましくない。

スプリングの応力解析結果によるとスプリング高さを高
くすることなく、スプリング総体長さを長くするとスプ
リング長さＱを長くするのと同様の効果が得られた。

すなわち、第３図の関係はスプリング長さＱをスプリン
グ総体長さしにおきかえて説明することができる。

そこで１本発明はスペーサスプリングの高さを高くする
ことなしに、スプリングの全周の長さしく以後、スプリ
ング総体長さと称す）を板厚りの１７０〜２００倍に長
くすることにより最大応力を低下することである。

以下に本発明の実施例を示す。

第１の発明の実施例を第１図、第１１図、第１２図、第
１３図に示す。第１図は、第１の実施例であるスプリン
グ１のルーフトップ２の近傍の板厚を第５図の従来のス
プリングよりも厚くすることにより、ルーフトップ２近
傍の剛性を高くシ。

Ｍｚの値を下げ、Ｍｓの値を上げて、スプリング１の最
大応力を下げたスプリングである。

また、スプリングを組み込むセルは第７図に示すような
スプリング１の中を平坦な１枚のしかも上下に分離した
部材が通過するのと同一の状態となり、スプリング１と
突片４Ａとの間隙が増し、また突片端面間の空間５をス
プリング中央部の通過スペースとすることのできるセル
とする。

第１１図は、第２の実施例であるスプリング１のルーフ
トップ２の近傍のスプリング幅を第５図の従来のスプリ
ングよりも広くすることにより、ルーフトップ２近傍の
剛性を高くし、Ｍｚの値を下げ、Ｍｌの値を上げて、ス
プリング１の最大応力を下げたスプリングである。

また、スプリングを組込むセルは、第１の実施例のセル
と同じとする。

第１２図は、第３の実施例である実施例１のスプリング
において、スプリング１のループトップ２の両端に少な
くとも１つ以上のくぼみ３を設けることにより、ルーフ
トップ２近傍の剛性を高くし、Ｍｚの値を下げ、Ｍｚの
値を上げて、スプリング１の最大応力を下げたスプリン
グである。また、スプリングを組込むセルは第１の実施
例のセルと同じである。

第１３図は、第４の実施例である。実施例２のスプリン
グにおいてスプリング１のルーフトップ２の両端に少な
くとも１つ以上のくぼみ３を設けることにより、ルーフ
トップ２近傍の剛性を高くし、Ｍ２の値を下げ、Ｍｌの
値を上げて、スプリング１の最大応力を下げたスプリン
グである。また、スプリングを組込むセルは第１の実施
例のセルと同じである。

第２の発明の実施例を、実施例５として、第６図、第８
図に示す。

第４の実施例は、スプリング１のルーフトップ２の両端
に少なくとも１つ以上のくぼみ３を設け。

スプリングの総体長さしを長くしたスプリングである。

第６図は、ルーフトップ２の両端に２つずつくぼみ３を
設けた例である。この例によれば、くぼみ３の半径をＲ
とすると、くぼみ３を設けたことにより第５図の従来の
スプリングよりも約（π−２）ｘ８Ｒだけスプリング１
の総体長さが長くなった。

第８図は、スプリング１のルーフトップ２を２ケ所から
４ケ所にし、隣り合う２つのルーフトップ２の間にくぼ
み３を設け、くぼみ３の半径をＲとすれば（π−２）Ｘ
４Ｒだけスプリングの総体長さを長くしたスプリングで
ある。また、（ａ）のスプリングに比べ、より荷重を分
散するために２つのルーフトップの間隔を広げたスプリ
ングを（ｂ）に示す。また、スプリングを組込むセルは
。

第１の実施例のセルと同じとする。

本発明の第６の実施例を第１２図に示す。

第６の実施例は第１の実施例と第５の実施例の２つを取
り入れたもので、ルーフトップ２の近傍の板厚を厚くし
てルーフトップ２近傍の剛性を高くするとともにルーフ
１−ツブ２の両側にくぼみを設はスプリングの総体長さ
を長くし、全体としてスプリング１の最大応力を下げた
スプリングである。

本発明の第７の実施例を第１３図に示す。

第７の実施例は第２の実施例と第５の実施例の２つを取
り入れたもので、ルーフトップ２の近傍のスプリング幅
を広くしてルーフトップ２近傍の剛性を高くするととも
にルーフトップ２の両側にくぼみを設はスプリングの総
体長さを長くし、全体としてスプリング１の最大応力を
下げたスプリングである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、スペーサスプリン
グの燃料要素押付は力を変えることなくスプリングの最
大応力を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を示した図、第２図は
、バネ定数の大小によるスペーサスプリングの製造公差
と荷重の関係を示した図、第３図は、スプリング長さＱ
と最大応力σ、＆８の関係を示した図、第４図は、スプ
リングの高さの増加に伴うスプリング高さの増加を示し
た図、第５図は。 従来のスプリングの形状を示した図、第６図は、本発明
の第３の実施例を示した図、第７図は、スペーサスプリ
ングを組み込むセルを示した図、第８図は、本発明の第
３の実施例を示した図、第９図は、本発明及び従来の燃
料スペーサの構造を示す平面図、第１０図は、従来の燃
料スペーサにおける燃料棒支持状態を表す断面図、第１
１図は、本発明の第２の実施例を示した図、第１２図は
、本発明の第３と第６の実施例を示した図、第１３図は
１本発明の第４と第７の実施例を示した図、第１４図は
スペーサスプリングの曲げモーメントを示した図である
。 １・・・スペーサスプリング、２・・・スプリングのル
ーフトップ、３・・・スプリングのくぼみ、４Ａ、４Ｂ
・・・突片、５・・・ばねの通過スペシス又は突辺の収
納スペース、６・・・スプリングのエンドバルブ、７・
・・燃料スペーサ、８・・・燃料棒、９・・・独立セル
（円筒部材）、１０・・・サイドバンド、１１・・・突
起。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の発明として、互いに結合された多数の円筒部
   材（独立セル）と、ばねと前記円筒部材の束の外周を取
   囲む帯状部材からなり、複数の細長い要素を含む原子炉
   の燃料集合体中で前記要素相互間の間隔を保持する燃料
   スペーサにおいて、前記ばねは、連続したループ状のば
   ねであつて、その長手方向中央部と上端及び下端に前記
   燃料要素を支持するための凸部が両側に形成され、しか
   も、前記長手方向中央部近傍の剛性が部分的に高くなつ
   ているばねを有することを特徴とする燃料スペーサ。 ２、前記ばねが、ルーフトップ近傍の板厚を厚くしたば
   ねである請求項２の燃料スペーサ。 ３、前記ばねが、ルーフトップ近傍のばね幅を大きくし
   たばねである請求項１の燃料スペーサ。 ４、前記ばねが、ルーフトップの両端に少なくとも１個
   以上のくぼみ及び突起を形成したばねである請求項１の
   燃料スペーサ。 ５、前記ばねが、ばね長手方向上端および下端の曲げモ
   ーメントＭ、荷重Ｆ及びばねの長さｌとの関係α＝Ｍ／
   Ｆαの値が、０．１１６〜０．１２５の範囲に入つてい
   るばねである請求項１の燃料スペーサ。