JPH0222353B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉の燃料集合体に関し、特に押
さえ装置を組み込んだ改良型上部ノズルに関する
ものである。

大部分の原子炉においては、炉心部分は、骨格
構造内に集められ支持されて燃料集合体と呼ばれ
る多数の細長い燃料要素、即ち燃料棒から構成さ
れている。一般に細長いこの燃料集合体は、横断
方向に延びる上部及び下部炉心支持板から支持と
整列とを受けている。該上部及び下部炉心支持板
は、炉心全体を囲むと共にその両端間に延びる炉
心槽に直接又は間接に取着されている。最も普通
の構造においては、炉心槽の軸心は垂直に延びて
おり、また、燃料集合体も下部炉心支持板上に立
設して垂直に配設されている。取り扱い及び据え
付けを容易にするため、燃料集合体は下部炉心支
持板に固定しないのが一般的である。

炉心内の温度は、冷態停止状態から通常運転状
態までのように、種々の時間で非常に大きく変動
する。また、材料が異なると熱膨張特性も異なる
という周知の事実がある。従つて、燃料集合体の
垂直に延びる諸部材に使用されている材料は炉心
槽に使用されているものとは異なるのが普通であ
るから、これ等の部材の軸方向、即ち垂直方向に
おける熱膨張は、特に炉心内で見られる高温度で
は諸部材のあるものの軸方向長さが非常に顕著に
なることがある。そのため、燃料集合体は上部炉
心支持板及び下部炉心支持板に固定されないのが
普通であり、むしろある程度の相対運動が可能な
ように両者間に支持されている。炉心槽と燃料集
合体との間の軸方向熱膨張差は、上部炉心支持板
及び下部炉心支持板間の軸方向間隔を燃料集合体
の軸方向長さよりも幾分大きく確保することによ
つて、吸収されていた。このようにするには、燃
料集合体の上流端と上部炉心支持板との間に軸方
向のすき間を設けるのが普通である。長年の間、
炉心領域における温度上昇、燃料集合体の長さ増
大及び構造変更、並びにジルカロイのような別種
の材料使用のため軸方向の隙間を大きくしていか
ねばならなかつた。この軸方向の隙間は、燃料集
合体上の上部炉心支持板の臨界的な設計公差及び
精度良い位置決めを必要とするだけでなく、多く
の設計者が気付いているように、上方に流れる冷
却材にこの上部領域において横方向の流れを生じ
させ、炉心構成要素のあるものが横負荷を受けて
損傷する可能性がある。

一般に、大部分の原子炉においては、水のよう
な流体冷却材は下部炉心支持板にある開口を通つ
て多数の燃料集合体の燃料棒に沿つて上方に流
れ、該燃料棒から熱エネルギーを受け取る。燃料
集合体の物理的構造が上述のようであるため、冷
却材は炉心を通過する際に大きな圧力降下を受け
る。この圧力降下は燃料集合体に働く揚力を必ず
生じさせる。ある場合には、燃料集合体の重量は
どんな運転条件の下でも上向きの揚力に十分打ち
勝つことができる。しかし、特に原子炉始動時の
ように冷却材の密度が高いときや、また冷却材流
量の増加により、しばしばそのように打ち勝てな
い場合がある。特定の燃料集合体に働く上向き方
向の揚力が燃料集合体の重量より大きいと、その
結果燃料集合体に働く正味の力は上向き方向にな
り、燃料集合体を上方に移動して上部炉心支持板
に接触させる。この燃料集合体の上向き運動が制
御されないと、燃料集合体及び燃料棒に、あるい
は上部炉心支持板に損傷を生じさせる結果になる
ので、上向き運動は避けねばならない。燃料集合
体の流体力による持ち上がりを防止するために、
多数の押さえ装置が開発されてきた。

米国特許第3379619号明細書に開示されたよう
な押さえ装置は板ばねを使用している。該板ばね
は、燃料集合体の熱膨張を吸収するために設けら
れていて、燃料集合体の上端と上部炉心支持板と
の間の軸方向の隙間に配設されている。即ち、板
ばねは直立する側壁及び下部アダプタ板を有する
囲い構造の上部フランジに取着されている（アダ
プタ板は制御棒案内筒の上端に取着される）。板
ばねは、軸方向の隙間内で圧縮状態に保持されて
おり、上部炉心支持板と協働して、燃料集合体が
冷却材の持ち上げ力によつて上方に動き損傷を生
じさせるような炉心板との接触状態に至るのを防
止すると同時に、軸方向の隙間内への燃料集合体
の熱膨張を許容している。囲い構造にある一体的
に形成された上部フランジは板ばねを装着するた
めの物理的な場所を与えるだけでなく、上部炉心
支持板から下方に突き出るピンに嵌合する整列穴
のための表面を与える。また、囲い構造は、据え
付け及び取り出し中に燃料集合体を物理的に取り
扱うための便利な手段になり、燃料集合体を横の
負荷から保護し、そして、その主な目的の一つで
あるが、流体冷却材を上方に流して燃料集合体の
上部における横方向の流れを防止する。板ばね式
押さえ装置は多くの利点を有するが、熱膨張を許
容するための軸方向の隙間を必ず必要とし、ま
た、板ばねを装着するための物理的なスペースを
必要とする。ある燃料集合体においては、特に燃
料棒配列及び構造が異なる最近の設計において
は、板ばねを装着するための十分なスペースがな
い。

米国特許第3770583号明細書に開示されたよう
な別種の押さえ装置は、コイルばねを使用してい
る。この押さえ装置は基本的に、制御棒案内筒の
上端に装着される燃料集合体の上部端板に一端で
螺着された直立整列ポストの回りに配設されるコ
イルばねを含む。押さえ板が整列ポストに滑動可
能に装着されており、コイルばねは２枚の板の間
に介挿されている。整列ポストの上端は半径方向
に拡大されていて整列ポスト上の押さえ板を保持
するための肩部を形成する。使用時には、コイル
ばねは押さえ板を炉心整列板に向かつて上方に押
し、炉心支持板に働く下向きの力を出す。燃料集
合体の熱膨張を吸収するには、整列ポストの拡大
肩部の上向きの運動のため整列した逃げ穴を上部
炉心板に設けることが至上命令である。このよう
な逃げ穴の加工は経費が高くつくだけでなく、上
部炉心板の構造を弱めることになる。更に、この
米国特許の装置は、燃料集合体の上部領域におけ
る冷却材の横方向流れを防止する囲い構造がな
い。

従つて、本発明の主な目的は、上述した整列ポ
スト等のように上部ノズルから突出する部材がな
く、そのため、突出する部材を受け入れるための
逃げ穴を上部炉心板に形成する必要がない燃料集
合体を提供することである。

この目的から本発明は、下部ノズルと、該下部
ノズルに取着され該下部ノズルから軸方向に上方
に延びる少なくとも１本の制御棒案内筒と、直立
する燃料棒の列を支持するため該制御棒案内筒に
沿つて軸方向に隔置された複数の横断支持格子
と、前記制御棒案内筒の上端に取着される、押さ
え装置付きの上部ノズルとを有し、該上部ノズル
は、前記制御棒案内筒を受け入れる制御棒案内筒
用の孔を有し、該制御棒案内筒に装着される下部
アダプタ板と、前記制御棒案内筒に沿う該下部ア
ダプタ板の下方への運動を制限すべく前記制御棒
案内筒に装着された環状の第１保持装置と、前記
制御棒案内筒を受け入れる制御棒案内筒用通路を
有し、該制御棒案内筒に沿つて滑動可能に装着さ
れる上部押さえ板と、前記下部アダプタ板及び前
記上部押さえ板の間において前記制御棒案内筒の
回りに螺旋状に配設されたばね装置とを有する原
子炉の燃料集合体において、前記制御棒案内筒用
通路は、その最下端の内側に棚部を有すると共
に、最上端に開口を有しており、前記制御棒案内
筒は、その上端に、同制御棒案内筒に沿う前記上
部押さえ板の上方への運動を制限すべく前記棚部
と協働するように装着された環状の第２保持装置
を有し、前記ばね装置が、前記棚部を該第２保持
装置との当接係合状態に保持するようになつてい
る、ことを特徴とするものである。

本発明に従つて以上のように燃料集合体を構成
すると、上部押さえ板が、その内部に形成された
制御棒案内筒用通路内に制御棒案内筒の上端を収
容するようになり、しかも、同通路の最下端には
棚部が形成されると共に、この棚部が、ばね装置
の作用下に、同通路内にある制御棒案内筒の上端
に設けられた第２保持装置即ちカラーに当接係合
しているために、上部押さえ板の上面から制御棒
案内筒の上端が突出することはなく、さもなけれ
ば上部炉心板に形成しなければならない上端用の
逃げ穴を無くすことができると共に、原子炉運転
上で問題となる同上端の損傷を防止することがで
きる。

また、本発明によれば、制御棒圧縮通路用通路
の最上端は開口となつているので、この開口を介
して制御棒案内筒の上端にある第２保持装置の装
着領域を切断することが可能となり、これにより
上部押さえ板、下部アダプタ板等が取り外し可能
となり、上部ノズルの分解が容易になる。

好適な実施例においては、数本の制御棒案内筒
があり、制御棒案内筒の各上端には別個の延長部
が接続されており、上部ノズルはこの延長部に取
着されている。ばね装置は、下部アダプタ板と上
部押さえ板との間に圧縮状態に保持して予負荷し
ておくのが好ましい。また、下部アダプタ板の周
縁には垂直に延びる側壁を形成して、燃料集合体
の上端領域での上方への冷却材流の通路を作る囲
いを画成しておくのが好ましい。更に、上部押さ
え板の横断面の寸法及び形状は、側壁によつて画
成された囲い内に受け入れられるものであること
が好ましく、また、上部押さえ板が囲い内に受け
入れられるときに上部押さえ板の適正な整列を容
易にすると共に上部ノズルの構造的剛性を増すた
め、上部押さえ板の外縁に沿つて整列タブを設
け、側壁の内側にある対応する数の案内通路に受
け入れられるようにすることが好ましい。

燃料集合体及び上部ノズルが矩形の横断面を有
する本発明の好適な実施例においては、更に、隣
接する囲いの一対の側壁によつて画成された外側
隅部の各々に軸方向に延びる凹部が形成されてい
て、この凹部が、燃料集合体の上方にある上部炉
心支持板から下方に延びる整列ピンの少なくとも
一部を受け入れるようになつている。

本発明は、添付図面に例示したその好適な実施
例に関する以下の説明から一層容易に明らかとな
ろう。

次に、本発明の好適な実施例を、同一又は対応
部分を同一符号で示す添付図面に従つて説明する
が、以下の記載中、“前側”、“後側”、“左側”、
“右側”、“上方”、“下方”等の用語は便宜上のも
のであつて、制限的な用語ではないことを理解さ
れたい。

第１図に示すように、燃料集合体１０は基本的
に、原子炉（図示しない）の炉心領域にある下部
炉心板（図示しない）上にこの燃料集合体を支持
するための下端構造体、即ち下部ノズル１２と、
この下部ノズル１２から軸方向上方に延びる制御
棒案内筒１４の列と、制御棒案内筒１４に沿つて
軸方向に隔置された複数の横断支持格子１６と、
格子１６によつて横方向に関し隔置され軸方向に
関し支持された多数の細長い燃料棒１８（明瞭に
するためその１本のみを図示）とを備える。この
実施例において、細長い燃料棒１８の下端は下部
ノズル１２の下方で軸方向に保持され隔置される
ものとして図示してあるが、該燃料棒下端は下部
ノズル１２の上面に乗り支持されていてもよいこ
とをここで指摘しておく。計装管２０は燃料集合
体１０の中央に配設されている。一体の組立体を
形成するため制御棒案内筒１４の上端には、端部
構造体、即ち内部に押さえ装置が組み込まれてい
る上部ノズル２２が取着されており、この一体の
組立体はその諸構成要素を損傷することなく通常
のように取り扱うことができる。上部ノズル２２
の詳細は後から説明する。

燃料集合体１０を形成するため、横方向の支持
格子１６を長手方向に延びる制御棒案内筒１４に
軸方向に隔置された所定の位置で取着し、燃料棒
１８を下方から格子１６を貫いて挿入し次いで下
部ノズル１２を機械ねじ２４のような手段によつ
て制御棒案内筒の下端に取着し、その後上部ノズ
ル２２を制御棒案内筒１４の上端に取着する。核
分裂過程を制御するため、多数の制御棒（図示し
ない）が燃料集合体１０の制御棒案内筒１４内を
往復動可能である。

上部ノズル２２について詳細に説明する前に、
図示の燃料集合体１０は、燃料棒群内に16本の制
御棒案内筒１４を計画的に配設せしめた正方形列
の燃料棒１８（19×19）を有するものであること
を述べておく。また、下部ノズル１２及び上部ノ
ズル２２は大体正方形の横断面を有する。

好適な実施例において、各制御棒案内筒１４
は、制御棒案内筒に対し通常の延長部を形成する
に際し、その上端に別個の制御棒案内筒延長部２
６を接続せしめている。以後延長部と呼ぶこの制
御棒案内筒延長部２６は制御棒案内筒１４と同軸
且つ同一直径であり、そして、当該技術分野で既
知の膨出嵌合のような適当な機械的結合によつて
制御棒案内筒１４の上端に接続される。押さえ装
置付き上部ノズル２２を説明するに際し、押さえ
装置付き上部ノズルを延長部２６に取着する方法
について言及するであろうが、押さえ装置付き上
部ノズル２２は延長部２６よりもむしろ制御棒案
内筒１４の上端に直接同じ方法で接続してもよ
く、従つて、本発明の概念はこのような配列にも
同様に及ぶものである。

第３図に最も良く示すように、押さえ装置付き
上部ノズル２２（以後、簡単に上部ノズルと言
う）は下部アダプタ板２８及び上部押さえ板３０
を有する。下部アダプタ板２８は、冷却材の流れ
開口（図示しない）を画成すべく複数の棒（図示
しない）を交叉させて組み合わせて形成される通
常の構造のものであり、そして延長部２６の数に
対応する多数の貫通穴（制御棒案内筒用の孔）３
２を備えている。貫通穴３２は、下部アダプタ板
２８を延長部２６に滑動可能に装着できるよう
に、十分な大きさを有し且つ延長部２６の配列に
従つて位置決めされている。延長部２６に沿つて
下部アダプタ板２８下方への滑動を制限するた
め、延長部を取り囲む環状のリング（第１保持装
置）３４のような適当なリテーナが、制御棒案内
筒１４への延長部２６の接続部の上方から軸方向
に隔置した所定の位置で、ろう付け等により各延
長部２６即ち制御棒案内筒に適当に固定されてい
る。上部押さえ板３０は、下部アダプタ板２８の
厚さよりも実質的に厚く、また、延長部２６を受
け入れるための通路（制御棒案内筒用通路）３６
を備えている。通路３６はほぼ一定直径の上方大
径部（最上端に図示のように開口がある）及びほ
ぼ一定直径の下方小径部を有し、下方小径部は最
下端の内側に棚部３８を有すると共に延長部２６
と滑動可能に係合する。上方大径部の長さは通路
３６の下方小径部の長さよりも実質的に長い通路
３６は貫通孔と該貫通孔よりも直径の大きい同軸
端ぐり孔とによつて上部押さえ板３０に形成され
ており、貫通孔と端ぐり孔との間に棚部３８が画
成されている。第２図に最も良く示すように、上
部押さえ板３０は、多数の比較的に大きな冷却材
流路４０と、上部押さえ板の周囲の所定場所に設
けられた比較的に小さい数個の冷却材流路４２と
を備える。

再び第３図において、各延長部２６の上端には
環状のカラー（第２保持装置）４４の形態である
のが好ましいリテーナが設けられている。該カラ
ー４４は延長部２６の端を囲むと共に通路３６の
上方大径部内に配設されている。好適な実施例に
おいては、カラー４４はその上部に環状の内溝４
６を備えており、延長部２６を円周方向に膨出し
てこの内溝４６に入れることによつて、カラー４
４が延長部２６に取着されている。明らかなよう
に、上部押さえ板にある通路３６の棚部３８の上
面とカラー４４の下縁との係合によつて、延長部
２６に沿う上部押さえ板３０の上向き滑動運動が
制限される。

上部ノズル２２は更に、各延長部２６に配設さ
れて上部押さえ板３０の下面と下部アダプタ板２
８の上面との間に間挿されたコイルばね（ばね装
置）４８を含んでいる。燃料集合体１０を予負荷
するため、コイルばね４８は上部押さえ板３０と
下部アダプタ板２８との間に圧縮保持するのが好
適である。コイルばね１８の適切な整列のため及
び該コイルばねが対応の延長部２６に接触するの
を防止するため、各コイルばね４８の下端には、
下部アダプタ板２８の上面にある凹部又は端ぐり
穴内にセツトされたばね受座５０が設けられてい
る。各ばね受座５０は、延長部２６の外壁とコイ
ルばね４８の内面との間を延びる一体の内側直立
フランジを有する。

第２図及び第３図に最も良く示すように、上部
ノズル２２は、下部アダプタ板２８の周縁に形成
された垂直の側壁５２を更に含んでおり、延長部
２６及び関連したコイルばね４８を取り囲む囲い
構造（外被又はキヤンと呼ぶことがある）を画成
する。前述したように、下部ノズル２２は矩形又
は正方形の横断面形状を有し、従つて、側壁５２
によつて画成された囲い構造は正方形の横断面形
状を有する。上部押さえ板３０は、囲い構造内に
受け入れられるように、同様に正方形の形状を有
すると共に囲い構造よりも若干小さい。適正な整
列を可能にすると共に囲い構造内への上部押さえ
板の挿入を容易にするため、外方に突き出る整列
タブ５４（第２図参照）が押さえ板３０の周縁に
設けられていて、側壁５２の内側に形成された軸
方向に延びる多数の案内溝５６と組み合つてい
る、即ち相互に嵌合している。囲い構造の四つの
側壁の各々に一対の案内溝５６を横方向に隔置し
て設け、一つの側壁にある一つの案内溝及び隣接
する側壁にある別の案内溝が囲い構造の４隅の
各々と協働することが好ましい。

原子炉（図示しない）の炉心領域に配置したと
きの燃料集合体１０の横方向の支持を行うため
に、上部ノズル２２の側壁５２によつて画成され
た軸方向に延在する隅部の各々に凹部５８が形成
されている。凹部５８は、燃料集合体１０の上に
ある上部炉心板６２から下方に延びる、第３図に
仮想線で示されているような整列ピン６０の少な
くとも一部を滑動可能に受け入れる形状のもので
あることが好ましい。

第３図に示すように、上部ノズル２２の組立体
は下記のようにして燃料集合体１０を形成するた
め制御棒案内筒１４の上端に取着される。即ち、
最初にリング３４を延長部２６に装着し、囲い構
造を画成する側壁５２が一体に形成された下部ア
ダプタ板２８を降下させて貫通穴３２に延長部２
６を通し、リテーナリング３４の上面に支持させ
る。ばね座５０を延長部上に挿入し、下部アダプ
タ板２８の上面に形成された凹部に入れる。次
に、コイルばね４８をその下端がばね座５０の上
に乗るようにして延長部２６の回りに、ばね座フ
ランジによつて該延長部から半径方向に隔置して
挿入する。その後、上部押さえ板３０を挿入して
その通路３６に、案内溝５６に組み合うタブ５４
の助けを借りて延長部２６を通す。次に、下向き
の圧力を加えてコイルばね（最初、ばね４８は自
由状態である）を、希望のばね圧縮による予負荷
が達成される所定位置まで圧縮する（上部押さえ
板３０の上面及び下部アダプタ板２８の下面の間
のスパンが制御対象である）。しかる後、カラー
４４を通路３６の上方大径部内に及び延長部２６
の端部の回りに挿入してから、延長部の端部をカ
ラー４４の環状溝４６に膨出嵌合させ、圧力を解
放すれば、コイルばねが延びて上部押さえ板３０
を延長部２６に沿つて上方に押し、内側の棚部３
８がカラー４４に当接する軸方向の位置に強制す
る。図示のように、コイルばね４８の上部押さえ
板３０と下部アダプタ板２８との間に圧縮状態で
係止され保持される。

第３図を参照して簡略に述べると、熱膨張及び
水力による持ち上げ力に対する燃料集合体１０の
動作は次の通りである。上部押さえ板が上部炉心
板６２によつて炉心内の所定位置に保持されてい
るとき、温度上昇のため制御棒案内筒１４及び延
長部２６は直線的に膨張し、下部アダプタ板２８
及び延長部２６の上端は、そこに取着されたカラ
ー４４と共に通路３６の上方大径部内を上方に動
き、そして、温度が低下し制御棒案内筒及び延長
部の長さが短くなると、上端及びカラーは、通路
内を下方に移動する（往復運動）。水力による持
ち上がりに関しては、上向きの冷却材流の力が燃
料集合体１０の重量及びコイルばね４８の予負荷
力を越えるようであれば、下部アダプタ板２８が
上方に移動してコイルばね４８を更に上部押さえ
板３０に押し付けるので、燃料集合体１０に対し
ては更なる下向きの力が作用する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理に従つて構成された燃料
集合体を、一部破断し一部断面で示す側面図、第
２図は第１図に示した燃料集合体の平面図、第３
図は第２図の３−３線に沿つて上部ノズルを示す
断面図である。 １０……燃料集合体、１２……下部ノズル、１
４……制御棒案内筒、１６……支持格子、１８…
…燃料棒、２２……上部ノズル、２８……下部ア
ダプタ板、３０……上部押さえ板、３２……制御
棒案内筒用の孔（貫通穴）、３４……第１保持装
置（リング）、３６……制御棒案内筒用通路、３
８……棚部、４４……第２保持装置（カラー）、
４８……ばね装置（コイルばね）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下部ノズルと、該下部ノズルに取着され該下
   部ノズルから軸方向に上方に延びる少なくとも１
   本の制御棒案内筒と、直立する燃料棒の列を支持
   するため該制御棒案内筒に沿つて軸方向に隔置さ
   れた複数の横断支持格子と、前記制御棒案内筒の
   上端に取着される、押さえ装置付きの上部ノズル
   とを有し、該上部ノズルは、前記制御棒案内筒を
   受け入れる制御棒案内筒用の孔を有し、該制御棒
   案内筒に装着される下部アダプタ板と、前記制御
   棒案内筒に沿う該下部アダプタ板の下方への運動
   を制限すべく前記制御棒案内筒に装着された環状
   の第１保持装置と、前記制御棒案内筒を受け入れ
   る制御棒案内筒用通路を有し、該制御棒案内筒に
   沿つて滑動可能に装着される上部押さえ板と、前
   記下部アダプタ板及び前記上部押さえ板の間にお
   いて前記制御棒案内筒の回りに螺旋状に配設され
   たばね装置とを有する原子炉の燃料集合体におい
   て、前記制御棒案内筒用通路は、その最下端の内
   側に棚部を有すると共に、最上端に開口を有して
   おり、前記制御棒案内筒は、その上端に、同制御
   棒案内筒に沿う前記上部押さえ板の上方への運動
   を制限すべく前記棚部と協働するように装着され
   た環状の第２保持装置を有し、前記ばね装置が、
   前記棚部を該第２保持装置との当接係合状態に保
   持するようになつている、ことを特徴とする原子
   炉の燃料集合体。