JPH02248894A - 核燃料棒支持格子のディンプル構造とばね構造 - 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】 本発明は一般に核燃料集合体に関し、特に、圧力降下を
減するための面取り縁部を有するばね構造及びディンプ
ル構造を備えた核燃料棒支持格子に関するものである。

九１狡盃久五泗 多くの原子炉において、炉心は多数の長い燃料集合体か
ら構成されている。これらの燃料集合体の従来構造は、
複数の支持格子によって組織化された配列に保持された
複数本の燃料棒を具備しており、これらの支持格子は、
燃料集合体に沿って軸方向に隔てられると共に、燃料集
合体における複数本の細長い制御棒案内シンプルに固着
されている。燃料集合体の両端に設けられた上部ノズル
と下部ノズルは、燃料棒の両端から上方及び下方に僅か
に延びる案内シンプルに固着されている。

当該分野において周知の通り、支持格子は、炉心におけ
る燃料棒同士の間隔を正確に維持するため、燃料棒の振
動を防止するため、燃料棒を横方向に支持するため、及
び、縦方向の動きのないように燃料棒を成る程度まで摩
擦により保持するために、用いられる。

米国特許第４，４９２，８４４号明細書に開示されてい
る代表的な従来構造の支持格子は、互いに差し込まれた
多数の内側及び外側のストラップを備えており、これら
のストラップは、燃料棒及び制御棒案内シンプルを個別
に受け入れる多数のセルを形成した卵詰め枠形状となっ
ている。燃料棒を受け入れて軸方向の所定の位置で支持
する各支持格子のセルは、−ｍに、差込み式のストラッ
プの金属部に形成された比較的弾力性のあるばね及び／
又は比較的剛の突部（いわゆる、ディンプル）とを該セ
ルを通って延びるそれぞれの燃料棒と摩擦的に係合し又
は接触する。更に、外側ストラップは、支持格子に強度
と剛性を与えるために、互いに結合され、内側ストラッ
プの周囲を取り囲んでいる。

しかしながら、上述の支持格子の構造には幾つかの問題
点がある。即ち、燃料棒と係合するばねの垂直方向の配
置向き及び形状のために、このばねに所望の大きさの弾
力性を与え適正に機能させるには、ばねを、ひいては支
持格子を高さ方向に相当に長くする必要があった。この
必要性が、燃料集合体に用いられる寄生構造材料の量を
増加し、燃料集合体を通しての圧力降下を増大させる。

また、ばね及びディンプルが支持格子のセル内に突出し
ていること、即ち燃料棒に沿って前記セルを通る冷却材
の流れの上昇流路を横切ってばね及びディンプルが突出
していることによって、燃料集合体を通しての圧力降下
は更に増大される。

最近の米国特許第４，７５６，８７８号明細書では、支
持格子のストラップの上流側（通常、下［）縁部を上側
）縁部にテーパを付けることにより支持格子を横切る冷
却水の圧力降下を減するという手段が提案されている。

特に、支持格子ストラップの上流側縁部は、種々の技術
、例えば面取り加工（圧印加工）及びエツチング、研磨
材の適用、或は電子又はレーザービーム溶断等により半
円筒形や半楕円体形の流線形状に加工される。

しかし、上記手段は、核燃料集合体の核燃料棒支持格子
が原因となる圧力降下を減少させるという課題に対して
最適な解決手段とは言いがたい。

従って、新たな問題を生ずることなく上記課題を解決す
るように支持格子の構造を改良する必要があると考えら
れる。

ｌ」ノロ１ヌ 本発明は、上記必要性を満足するように設計された核燃
料棒の支持格子を提供する。本発明に従った改良型支持
格子は、長手方向縁部に面取り部を有するディンプル構
造とばね構造を備え、これによって、当該支持格子を通
過する冷却材流れの圧力降下を大幅に低減する。一部の
縁部は両側面取り部を有し、他の縁部は片側面取り部を
有する。

従って、本発明は、核燃料棒支持格子における燃料棒と
係合する複数のディンプル構造及びばね構造を意図する
ものである。支持格子は、互いに差し込まれて中空のセ
ルのマトリックスを形成する複数の内側及び外側ストラ
ップを備え、１本の核燃料棒を受け入れるようになって
いる各セルは、前記ストラップにおける対峙する２対の
壁部によって画成され、該壁部は隣合うセルに共有され
ている。また、各セルは、そのセルを通る冷却材流れの
方向となる中心縦軸を有している。

内側ストラップの各壁部に形成される本発明による各デ
ィンプル構造は、互いに離隔され対峙する１対の外側部
分と、その間に配置された中間部分とを備えている。外
側部分は、その外側端部で関連の壁部に一体的に取着さ
れ、それぞれ前記壁部に対して相反する傾斜関係で互い
に向がって整列状態に延びると共に、関連のセルを通る
冷却材流れの方向に対してほぼ横向きに延びている。中
間部分は、前記外側部分間に配置され外側部分の対応の
内側端部に外側端部で一体的に結合されており、関連の
セルを通る冷却材流れの方向に対してほぼ横向きに延び
ている。前記外側部分の各々はその長手方向に沿う１対
の対峙する縁部を有し、その縁部には面取り部が画成さ
れている。また、中間部分もその長手方向に沿う１対の
対峙する縁部を有し、その縁部には面取り部が画成され
ている。より詳細には、各外側部分の各縁部は両側面取
り部を有するのに対し、中間部分の各縁部は片側面取り
部を有する０片側面取り部は両側面取り部よりも長い。

内側ストラップの各壁部には、ディンプル構造の間であ
ってそこから隔てられた位置にばね構造が形成されてお
り、本発明のばね構造は、互いに離隔され対峙する１対
の外側部分と、その間の中間部分とを有している。外側
部分は、その外側端部で関連の壁部に一体的に取着され
、それぞれ前記壁部に対して相反する傾斜関係で互いに
向かって整列状態に延びると共に、関連のセルを通る冷
却材流れの方向に対して傾斜して延びている。中間部分
は、前記外側部分間に配置され外側部分の対応の内側端
部に外側端部で一体的に結合されており、関連のセルを
通る冷却材流れの方向に対して傾斜して延びている。外
側部分の各々はその長手方向に沿う１対の対峙する縁部
を有し、その縁部には面取り部が画成されている。また
、前記中間部分もその長手方向に沿う１対の対峙する縁
部を有し、その縁部には面取り部が画成されている。

より詳細には、このばね構造の外側部分及び中間部分の
各縁部は片側面取り部を有している。

また、支持格子の各内側ストラップは各壁部に１対の切
欠き部分を含んでおり、各切欠き部分はばね構造の外側
及び中間部分の両縁部に沿って窓部を画成している。こ
の切欠き部分はばね構造と共働して窓部を画成する縁部
を有し、かかる縁部には両側面取り部が画成される。

本発明の上記利点や効果及びその他の利点や効果は、本
発明の一実施例を示している図面に沿っての以下の詳細
な説明を読むことによって、当業者にとって明らかとな
るであろう。

ｌの３紺な説明 以下の説明において、同一の参照符号は、全図面を通し
て同−又は相当部分を示している。また、以下の説明に
おいて、「前方」、「後方」、「左方Ｊ、「右方」、「
上方」、「下方」等の語は便宜上の言葉であり、限定的
な語として理解されるべきものではない。

ｉ木剪ｌ五」 図面、特に第１図を参照すると、核燃料集合体が、正面
図で、垂直方向に短縮した形で符号１０により総括的に
示されている。この核燃料集合体１０は、加圧木型原子
炉（ＰＷＲ）で用いられる型式であり、基本的に、原子
炉（図示しない）の炉心領域における下部炉心板（図示
しない）上に当該燃料集合体１０を支持するための下端
構造、即ち下部ノズル１２と、この下部ノズル１２から
上方に向かって突き出して長手方向に延びる複数の案内
管、即ち案内シンプル１４とを備えている。更に、この
燃料集合体１０は、以下に詳説するが、本発明の原理に
従って構成された複数の横向きの核燃料棒支持格子１６
を有している。支持格子１６は、案内シンプル１４によ
って軸線方向に互いに隔てられ支持されている。更にま
た、燃料集合体１０は、支持格子１６によって、組織化
された配列で互いに横方向に隔てられ且つ支持された複
数の細長い核燃料棒１８を備えている。また、燃料集合
体１０は、その中心部に配置されている計装管２０と、
案内シンプル１４の上端に取り付けられる上端構造、即
ち上部ノズル２２とを備えている。燃料集合体１０は、
各部材のこのような配列によって、構成部材を損傷させ
ることなく普通に取り扱うことのできる一体的なユニッ
トを形成している。

上述したように、燃料集合体１０において前記配列の燃
料棒１８は、燃料集合体１０の長手方向に沿って隔てら
れた支持格子１６によって相互に隔てられた関係に保持
されている。各燃料棒１８は核燃料ベレット２４を具備
しており、燃料棒１８の両端は上部端栓２６と下部端栓
２８により閉じられ、燃料棒１８を気密に封止している
。−最に、燃料棒１８内に燃料ベレットＺ４を隙間なく
積み重ねた関係に保持するために、ブレナムばね３０が
上部端栓２６と燃料ベレット２４との間に配置されてい
る。核分裂性物質から構成された燃料ベレット２４は加
圧木型原子炉の反応出力の発生を担っている。炉心に発
生される熱を抜き出して有用な仕事を行わせるために、
水又はホウ素含有水のような液体減速・冷却材が炉心の
燃料集合体を通って上方に圧送される。

核分裂過程を制御するために、多数の制御棒３２が、燃
料集合体１０の所定の位置に配置された案内シンプル１
４内で、往復運動するようになっている。

特に、上部ノズル２２は、そこに組み込まれた棒クラス
タ制御機構３４を備えており、この制御機構３４は、複
数本の放射状に延びるフルーグ、即ちアーム３８を具備
するめねし付き円筒状部材３６を有している。各アーム
３８は制御棒３２に連結されており、制御機構３４は、
案内シンプル１４内で垂直に制御棒３２を動じ、それに
よって全て周知の態様で燃料集合体１０における核分裂
過程を制御するように、°作動可能となっている。

第２図及び第３図を参照する°と、本発明に従つて構成
された横向きの核燃料棒支持格子１６の好適な実施例が
示されている。基本的に、支持格子１６は、スロット４
４を有する複数の内側及び外側のストラップ４０．４２
を備え、これらのストラップ４０．４２は、中空のセル
４６のマトリックス及び複数の開口４８を形成するよう
に、卵詰め枠形状にスロット４４により相互に差し込ま
れている。支持格子１６の中空セル４６は対応の燃料棒
１８を受け入れ、他方、開口４８は、その中に挿入され
内側ストラップ４０に取着されたスリーブ５０を有して
おり、該スリーブ５０により、支持格子１６は案内シン
プル１４に沿って配置され該案内シンプル１４に固着さ
れる。

１本の燃料棒１８を受け入れる各セル４６は、対峙する
２対め壁部とほぼ平行に画成された中心縦軸Ａを有して
いる。壁部５２は内側ストラップ４０を構成し、壁部５
４は外側ストラップ４２を構成するものである。内側ス
トラップ４０の壁部５２は隣接のセル４６と共有されて
いる。外側ストラップ４２の壁部５４はそれぞれ、水平
方向に延び且つ垂直方向に互いに離隔された１対の燃料
棒係合用ディンプル構造（図示しない）を有しており、
これらのディンプル構造は各セル４６に関して該壁部５
４に一体的に形成されている。同様に、内側ストラップ
４０の各壁部５２も、各セル４６に関して該壁部５２に
一体的に形成された水平方向に延び且つ垂直方向に互い
に離隔された１対の燃料棒係合ディンプル構造５６を有
している。内側ストラップ４０における各壁部５２のデ
ィンプル構造５６の一方は、本発明の傾斜方向に延びる
ばね構造５８の上方に配置され、他方のディンプル５６
はばね構造５８の下方に配置されている。

ディンプル構造５６は、ばね構造５８とは反対方向に壁
部５２から離れよう突出し、ばね構造５８のセル４６に
隣接するセル４６内に延びている。支持格子１６の各セ
ル４６には、４つのディンプル構造５６と２つのばね構
造５８が設けられ、従って、各セル４６内の燃料棒１８
はそれぞれ、その外面上の周方向及び軸方向に分布され
た６つの位置で接している。

第４図〜第７図に示すように、燃料棒１８と保合する各
ディンプル構造５６は、内側ストラップ４０を構成する
ステンレス鋼やジルカロイ金属のような弾力性、屈曲性
及び可視性を有する材料から作られている。ディンプル
構造５６の構成要素は、以下で説明するが、通常のプレ
ス加工等により、支持格子１６の各セル４６に関連して
内側ストラップ４０の各壁部５２に一体的に形成されて
いる。

各ディンプル構造５６の構成要素は、互いに間隔をおい
た対峙する１対の脚部、即ち外側部分６０と、その間の
中間部分６２とを含んでいる。ディンプル構造５６の外
側部分６０はその外側端部で、対応の壁部５２に一体的
に取り付けられている。また、外側部分６０はそれぞれ
、壁部５２に対して相反する傾斜関係で該壁部５２から
突出し、互いに向かって整列状態に延びている。ディン
プル構造５６の向きの観点から述べるならば、外側部分
６０は、セル４６を通る冷却材流れの方向に対してほぼ
横方向に延びている。ディンプル構造５６の中間部分６
２は外側部分６０間に配置され、その外側端部が外側部
分６０の内側端部に一体的に連結されている。この中間
部分６２も外側部分６０と同様に、セル４６を通る冷却
材流れの方向に対してほぼ横方向に延びている。

各ディンプル構造５６の外側部分６０と中間部分６２は
それぞれ、その上下各側に長手方向に延びる縁部６０Ａ
　、６２Ａを有しており、同じ側の縁部６０Ａ、６２Ａ
は互いに融合している。本発明によれば、外側部分６０
の各縁部６０Ａには面取り部６４（好適には両側面取り
部）が画成され、中間部分６２の縁部６２Ａにも面取り
部６６（好適には片側面取り部）が画成されている。片
側面取り部６６は両側面取り部６４よりも長く、例えば
約２倍長い。また、外側部分６０及び中間部分６２はほ
ぼ平坦な形状であり、それぞれの面取り部６４．６６の
各側面は、対応の外側及び中間部分６０．６２の面に対
して４５±５度の範囲内の角度となっている。更に、中
間部分６２の各縁部６２Ａにはリム６７が画成されてお
り、このリム６７は片側面取り部６６に沿ってそこから
外方に延びている。

第８図〜第１２図に示すように、燃料棒１８と係合する
各ばね構造５８は、ディンプル構造５６と同様に、内側
ストラップ４０を構成するステンレス鋼やジルカロイ金
属のような弾力性、屈曲性及び可撓性を有する材料から
作られている。ばね構造５８の構成要素は、以下で説明
するが、通常のプレス加工等により、支持格子１６の各
セル４６に関連して内側ストラップ４０の各壁部５２に
一体的に形成されている。また、内側ストラップ４０の
各壁部５２は、ばね構造５８の両側に窓部６８を画成す
る１対の切欠き部分を有している。全体的に述べるなら
ば、ばね構造５８は、それぞれの関連の壁部５２の窓部
６８間を斜めに横切って延びるように形成され、また、
壁部５２の上部部分と下部部分とに、はす向かいの上部
位置と下部位置とで一体的に結合されるように形成され
ている。

基本的に、各改良型傾斜ばね構造５８は、対峙する１対
の上部及び下部の外側部分７０と、その間の内側中間部
分７４とから一体的に構成されている。

各ばね構造５８の互いに離隔された上部及び下部の外側
部分７０とはそれぞれ、その外側端部で壁部５２の上部
部分と下部部分とに一体的に取着されてぃる。上部及び
下部の外側部分７０は、互いに一直線に延びると共に、
関連の格子セル４６の中心縦軸Ａ及びそこを流れる冷却
材の流れ方向に対して傾斜して、好適には４５度で延び
ている。各ばね構造５８の内側中間部分７２は、上部及
び下部の外側部分７０の内側端部間に配置され、その両
側の外側端部で外側部分７０の対応の内側端部に一体的
に結合されている。内側中間部分７２も、関連の格子セ
ル４Ｇを通る冷却材流れの方向に対して傾斜して延びて
いる。

より詳細には、ばね構造５８の外側部分７０と中間部分
７２はそれぞれ、その上下各側に長手方向に延びる縁部
７０Ａ、７２Ａを有しており、同じ側の縁部７０Ａ、７
２Ａは互いに融合している。外側部分７０の各縁部７０
Ａ及び中間部分７２の縁部７２Ａには面取り部７４、好
ましくは片側面取り部が画成されている。

この片側面取り部７４は、ディンプル構造の片側面取り
？Ｊ６６と実質的に同一である。また、外側部分７０及
び中間部分７２はほぼ平坦な形状であり、面取り部７４
の側面は、対応の外側及び中間部分に対して４５±５度
の範囲内の角度となっている。更に、外側部分７０及び
中間部分７２の各縁部７０Ａ、７２Ａにはもリム７Ｇが
画成されており、このリム７Ｂは片側面取り部７４に沿
ってそこから外方に延びている。

ディンプル構造５６の外側部分６０の両縁部に両側面取
り部６４を配置することにより、圧力降下が例えば１０
％という相当な大きさで減することが実験で分かった。

必要とされる表面績が小さいことから、この結果は驚く
べきものであり、予想を遥かに上回るものであった。ま
た、両縁部を面取りすることにより、ディンプル構造を
横切る流れの特性が改善される。はぼ同程度の圧力降下
の低減が、ばね構造５８の両縁部に設けられた面取り部
７４によって得られた。尚、窓部６８の縁部８０にも両
側面取り部７８を設けても良い。

本発明及びこれに付随する多くの利点は、上の説明から
理解されるであろう。また、本発明の精神及び範囲を逸
脱することなく、或はその実質的な利点を犠牲にするこ
となく形態、構成及び配列に関し、種々の変更が可能で
あることは明らかであり、よって、以上に述べられた形
態は単に本発明の好適な実施例に過ぎない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による改良型ばね構造とディンプル構
造を有する核燃料棒支持格子を備えた核燃料集合体を、
明瞭化のために部分的に切り欠き上下方向に短縮して示
す正面図、第２図は、核燃料棒支持格子を核燃料集合体
から取り外して示す拡大平面図、第３図は、第２図の支
持格子の内側ストラップを示す拡大部分側面図、第４図
は、第３図の４−４線に沿っての拡大断面図であり、本
発明に従って支持格子の内側ストラップに設けられたデ
ィンプル構造の上縁部の形状を示す図、第５図は、第３
図の５−５線に沿っての拡大断面図であり、本発明に従
って支持格子の内側ストラップに設けられたディンプル
構造の下縁部の形状を示す図、第６図は、第４図の６−
６線に沿っての拡大断面図であり、本発明に従ったディ
ンプル構造の中間部分の形状を示す図、第７図は、第４
図の７−７線に沿っての拡大断面図であり、本発明に従
ったディンプル構造の外側部分の形状を示す図、第８図
は、最終形態に曲げ加工が行われる前における本発明に
従って支持格子の内側ストラップに設けられたばね構造
の形状を示す、第３図の側面図を更に拡大した部分図、
第９図は、第８図の９−９線に沿っての断面図であり、
最終形態に曲げ加工を行った後における本発明に従った
ばね構造の形状を示す図、第１０図は、第８図の１０−
１０線に沿っての拡大断面図であり、本発明に従ったば
ね構造の形状を示す図、第１１図及び第１２図はそれぞ
れ、第８図の１１−１１線及び１２−１２線に沿っての
拡大断面図であり、ばね構造の上下の窓部に画成された
縁部を示す図である。図中、１０・・・核燃料集合体　
　１６・・・核燃料棒支持格子１８・・・核燃料棒　　
　　４０・・・内側ストラップ４６・・・セル　　　　
　　５２．５４・１．壁部５６・・・ディンプル構造　
５８・・・ばね構造６０・・・外側部分　　　　６２・
・・中間部分６０Ａ　、６２Ａ・・・縁部　　６４，６
６・・・面取り部７０・・・外側部分　　　　７２・・
・中間部分７０Ａ ７２Ａ・・・縁部 ７４・・・面取り部 ＦＩＧ ＦＩＧ、　　３ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ。 ＦＩＧ ア ＦＩＧ、８ ＦＩＧ、９ ＦＩＧ。 ＦＩＧ、　Ｉ＋ コ２ ＦＩＧ、１２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、互いに差し込まれて中空のセルのマトリックスを形
   成する複数の内側及び外側ストラップを備え、１本の核
   燃料棒を受け入れるようになっている各セルが、前記ス
   トラップにおける対峙する２対の壁部によって画成され
   、該壁部が隣合う前記セルに共有されており、且つ、各
   セルが該セルを通る冷却材流れの方向となる中心縦軸を
   有している核燃料棒支持格子において、 前記核燃料棒と係合するように、前記内側ストラップの
   前記各壁部に一体的に形成された弾性変形可能な材料か
   ら作られたディンプル構造であって、 （ａ）外側端部で関連の前記壁部に一体的に取着された
   １対の互いに間隔をおいた外側部分であり、それぞれ前
   記壁部に対して相反する傾斜関係で互いに向かって整列
   状態に延びると共に、関連の前記セルを通る冷却材流れ
   の方向に対してほぼ横向きに延びている前記外側部分と
   、 （ｂ）前記外側部分間に配置され前記外側部分の対応の
   内側端部に外側端部で一体的に結合された中間部分であ
   り、関連の前記セルを通る冷却材流れの方向に対してほ
   ぼ横向きに延びている前記中間部分と、 を備え、 （ｃ）前記外側部分の各々はその長手方向に沿う１対の
   対峙する縁部を有し、該縁部には面取り部が画成されて
   おり、 （ｄ）前記中間部分はその長手方向に沿う１対の対峙す
   る縁部を有し、該縁部には面取り部が画成されている、 核燃料棒支持格子のディンプル構造。 ２、互いに差し込まれて中空のセルのマトリックスを形
   成する複数の内側及び外側ストラップを備え、１本の核
   燃料棒を受け入れるようになっている各セルが、前記ス
   トラップにおける対峙する２対の壁部によって画成され
   、該壁部が、隣合う前記セルに共有されており、且つ、
   各セルが該セルを通る冷却材流れの方向となる中心縦軸
   を有している核燃料棒支持格子において、 前記核燃料棒と係合するように、前記内側ストラップの
   前記各壁部に一体的に形成された弾性変形可能な材料か
   ら作られたばね構造であつて、（ａ）外側端部で関連の
   前記壁部に一体的に取着された１対の互いに間隔をおい
   た外側部分であり、それぞれ前記壁部に対して相反する
   傾斜関係で互いに向かって整列状態に延びると共に、関
   連の前記セルを通る冷却材流れの方向に対して傾斜して
   延びている前記外側部分と、 （ｂ）前記外側部分間に配置され前記外側部分の対応の
   内側端部に外側端部で一体的に結合された中間部分であ
   り、関連の前記セルを通る冷却材流れの方向に対して概
   ね傾斜して延びている前記中間部分と、 を備え、 （ｃ）前記外側部分の各々はその長手方向に沿う１対の
   対峙する縁部を有し、該縁部には面取り部が画成されて
   おり、 （ｄ）前記中間部分はその長手方向に沿う１対の対峙す
   る縁部を有し、該縁部には面取り部が画成されている、 核燃料棒支持格子のばね構造。