JPH0231190A - 核燃料棒 - 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】 １哩ム１遣 本発明は一般に核燃料棒に関し、より詳細には、管の損
傷の可能性を最小にすると共に上部端栓の構成の単純化
を考慮した端栓と管との間の改良型周溶接に関するもの
である。

典型的な原子炉では、炉心は多数の燃料集合体を有して
いる。従来構成の燃料集合体は、上部及び下部ノズルと
、互いに横方向に間隔を置いた複数の細長い案内シンプ
ルと、これらの案内シンプルに沿って軸方向に互いに間
隔を置いた複数の横向きの支持格子とを備えている。案
内シンプルは、両ノズル間で縦方向に延びており、その
両端がそれぞれ対応のノズルに連結されている。また、
各燃料集合体は多数の細長い燃料棒を有しており、これ
らの燃料棒は相互に及び案内シンプルがら横方向に離隔
され、また、上部と下部のノズル間で支持格子により支
持されている。燃料棒のそれぞれは、ペレットの形態を
とる核分裂性物質を内包し、高核分裂率を維持し、もっ
て熱の形で多量のエネルギの放出を維持するのに充分な
中性子束を炉心内に生じさせるように組織化された配列
で群別化されている。炉心内で発生された熱を取り出し
有用な仕事を行わせるために、冷却材が炉心を通って上
方に圧送される。

燃料棒を製造する場合、一端に下部端栓を挿入し周溶接
を行うことによりその端部を閉じ、多数の核燃料ペレッ
トを装填し、完成された燃料集合体の移送中に前記ベレ
ットが動かないようにばね要素を挿入し、燃料棒の他端
を上部端栓で閉じるという順で各燃料棒を作るのが一般
的である。通常、燃料棒は、炉心内で寿命初期に燃料棒
がコラプスを生ずるのを防ぐため、窒素のような不活性
ガスで種々の方法により加圧される。この方法は、通常
、空気抜きを行い、次に不活性ガスで燃料棒を加圧し、
Ｍ後に燃料棒をシールすることから成る。この燃料棒シ
ール過程とは、（１）加圧後の燃料棒に端栓を差し込む
場合には、端栓を周溶接することをいい、（２）加圧前
に端栓が差し込まれて周溶接されているならば、端栓を
貫いて延びる軸方向或は放射状の孔のような小さな導管
をシール溶接することをいう。

従来技術の上部端栓（この端栓は上下二段となっている
ので、以下、「二段形端栓」という）は一般的に円柱形
であり、燃料棒内に圧入するために外径が燃料棒の内径
より偏かに大きくなっている第１の本体部分と、外径が
燃料棒の外径に実質上等しい第２の本体部分と、燃料棒
と溶接できるよう突合せ継手の状態で燃料棒の端部と適
合する第１及び第２の本体部分間における肩部から成る
境界部分とを有している。周知のように、燃料棒を端栓
に結合する燃料棒外周の周溶接部の形成には、燃料棒と
溶接用電極とが互いに対して一回転する間、燃料棒の端
部が電極に対して精密な許容誤差で保持される必要があ
る。即ち、このような溶接過程は燃料棒についての支持
具及び端栓についての支持具を用いて行われるのが最良
である。

この二段形端栓の支持具は、通常、溶接溶融部分え金具
に設けられたキャビティの形を採っているが、この端部
押え金具は端栓の外側部分の形状に一致し、溶接中、端
部押え金具は端栓の外側部分を取り囲むようにして摩擦
接触する。この端部押え金具は、溶接中において、端栓
及び燃料棒の横方向の動きを防ぎ、これによって燃料棒
及び端栓と、電極との間の適正な距離を維持する。

端部押え金具は、溶接部との干渉や端部押え金具に対す
る損傷の可能性を除去するために、溶接用電極から光分
離れていなければならない、この理由から、二段形端栓
は、通常、燃料棒の端部から軸方向に延びる外側本体部
分を持ち、周溶接が、燃料棒の端部と端栓の外側本体部
分の肩部との接合部で行われる。この溶接によって、通
常、燃料棒の端部と端栓との間の接合部は滑らかなもの
となるが、これは炉心を通過する冷却流体の圧力効果を
最小にするのに望ましく、燃料棒と端栓との間の境界部
における接合不良面（この接合不良面は侵食や腐食を生
ずる恐れがある〉が生ずるのを防ぐ。この型式の周溶接
における問題点は、電極が燃料棒の端部の掻く近くに偏
倚した場合、熱が燃料棒を通って放散せず、燃料棒の端
部を溶接部から剥離させる恐れがあり、それにより燃料
棒の再加工又は廃棄を必要とする燃料棒の不認可の原因
となる可能性がある点にある。突合せ継手周溶接におけ
る問題点は、米国特許第３，７２５，６３５号明細書に
述べられている。

周知の他の溶接としては、燃料棒の内周面と端栓の外周
面との間の周方向の継ぎ目の溶接を行うことにより、管
の端部と同一平面にある端栓上で行われるものがある。

しかしながら、この溶接もまた、燃料棒の肉厚の薄さと
溶接溶融部分の位置のために、！ＩＪ　Ｍを生じやすい
という問題がある。

上記ｉ説されたような通常の溶接における問題点に加え
て、二段形端栓には、端栓が単純な構造であれば解決さ
れ得る独特な問題点がある。尚、この単純な端栓の構成
は本発明による改良型溶接によって容易に得られるもの
である。二段形端栓は、端栓の材料の体積が大きいため
、そしてその製造方法（材料を無駄にする棒状材料から
端栓を機械加工する方法や、端栓を成型した後、所望許
容度にそれを機械加工する方法）のために、製造にかな
りの費用がかかる６更に、二段形端栓を燃料棒に挿入す
る際にも問題があり、これは、端栓を燃料棒に挿入する
ためには５適正な側である小径の端部を燃料棒に対向さ
せた状態で端栓の向きを定め維持しなければならない点
にある。端栓を反対向きにしようとした場合、端栓自体
や燃料棒、そして恐らくは挿入機構に重大な損傷をもた
らすであろう。また、燃料棒に挿入されている小径側本
体部分のために、二段形端栓は湾曲や反りを生じる傾向
があり、これにより第２の本体部分に擦り傷を付けたり
、不完全な溶接や燃料棒内への端栓の取付けが不適当に
なる原因となる。また、歪んだ端栓が燃料棒内に押し込
まれた際に、端栓の一部が欠け、端栓や燃料棒を損傷し
、異物を燃料棒内に混入させる原因となる恐れがある。

かかる問題点を解決する装置は米国特許第４，６７９，
３７７号明細書に開示されており、その装置においては
、端栓の横断面の寸法が端栓よりも小さな案内チャンネ
ルを有し、該案内チャンネルは、可動の端栓により接触
された場合に、端栓の外面に一致するように弾性的に拡
張し、それによって、端栓が案内チャンネルを通して燃
料棒に動かされた場合に、端栓との案内接触を保つよう
になっている。

従って、燃料棒と端栓との溶接を改良することが要求さ
れている。即ち、容易且つ廉価に製造でき、燃料棒に挿
入する際に変形せず、且つ挿入過程においてその向きに
注意を要さない単純な構成端栓の使用を可能とする改良
型溶接を必要としている。

光」１Ω」１望 従って、本発明は、端部を有する管と、前記端部内に配
置された端栓と、前記管に前記端栓を結合する周溶接部
とを備え、前記周溶接部が前記管の管壁を貫通して前記
端栓まで円弧状に延びる溶融部分を有し、該溶融部分及
び前記端部が所定の間隔で隔てられている核燃料棒に向
けられている。

周溶接部の形成中に端部が！！ｌｌ１ｌＩｉシないよう
に、前記所定の間隔は溶融部分から充分に放熱できるも
のであることが好ましい。

更に、本発明は、前記の周溶接部により溶着された端栓
に向けられており、かかる端栓は、相当に剛な円柱部材
から成る上部端栓であり、この円柱部材は、管内に配置
される第１の端部と、第２の端部と、周溶接部の形成中
に円柱部材を牽擦係台型の溶接用押え金具に軸方向に整
列させるための第２の端部に向かって延びる中空のキャ
ビティとを有している。

本発明は、添付図面に例示としてのみ示した好適な実施
例の以下の説明から、より明らかになるであろう。

ｔ　　　の＝日 次に、添付図面に示した本発明の好適な実施例について
詳細に説明するが、図中、同一参照符号は全図を通して
同−又は相当部分を示すものとする。まず第１図を参照
すると、典型的な加圧水型原子炉（ＰＷＲ）用の燃料集
合体１０は、上部ノズル１２と下部ノズル１４とから成
る内蔵ユニットであり、両ノズル１２．１４間には複数
の核燃料集合体支持格子１６が配置されており、この支
持格子１６は複数のシンプル管１７に固着され、またシ
ンプル管１７はその各端部が対応のノズル１２．１４に
結合されている。

ノズル１２．１４、シンプル管１７及び支持格子１６は
、縦横に配列された核燃料棒１８のマトリックスを適切
な形状で支持するためのスケルトン枠組を構成している
。燃料集合体１０は原子炉（図示しない）内の所定の位
置に装荷され、これにより、燃料棒１８相互の向きが厳
密に定められる。

次に第２図を参照すると、１本の核燃料棒１日が示され
ている。この燃料棒１８は細長い管２０を有しており、
この管２０は一般にジルコニウム合金から作られるが、
鋼やアルミニウムから製造されても良い、典型的なＰＷ
Ｒ用の燃料管２０は、外径が約０．９５ｅ翔（０，３７
４ｉｎ、　）で、約２．６６ｎ＋　（１２ｆ　ｔ、　）
の長さである。管２０の第１の端部２２には底部端栓２
３が挿入されて公知の突合せ継手周溶接部２４により結
合されており、管２０の第１の端部２２を封止している
。

通常、下部端栓２３は、燃料集合体１０の製造中に核燃
料棒１８を把持すると共に支持格子１６を通して引っ張
るための手段２５を有しており、また、燃料棒１８全体
に冷却流体を行き渡らせるために、滑らかなテーパ付き
前縁部Ｚ６を有しているのが一般的である。多数の核燃
料ペレット２８が管２０の長さに沿って配置されている
が、このペレット２８は通常、熱中性子核分裂同位体た
るウラン２３５が約１〜４％で濃縮されている二酸化ウ
ランの焼結ペレットである。更に、燃料集合体１０の移
送中のペレットＺ８の動きを防止するために、管２０の
少なくとも一方の端部内にばね３０が挿入されている。

更にまた、燃料棒１８は、管２０の第２の端部３４に挿
入される相当に堅い円筒形の上部端栓３２を有しており
、この上部端栓３２は一般的には管２０と同じ材料で製
造される。燃料棒１８の製造においては、管２０はまず
空気が抜かれ、次いでヘリウムのような不活性ガスで２
．７６８Ｐａ　（４００ｐｓｉｇ）まで加圧される。こ
の後、上部端栓３２が管２０の第２の端部３４を封止す
るために挿入される０通常の燃料棒管２０は内径が約０
．８４ａｍ　（０，３２９ｉｎ、　）であり、上部端栓
３２の外径は管２０の内径よりも約０．０００２５〜０
．０１ｃｍ　（０，０００１〜０．００４ｉｎ）程度大
きいのが好ましく、かかる場合、管２０内に端栓３２を
圧入若しくは締まりばめする必要がある。従って、端栓
３２と管２０間の結合力は４．４５ｋＮ（１０００１ｂ
、）を超えるので、燃料棒１８内のヘリウムの圧力では
、端栓３２の挿入時に該端栓３２を放出することができ
ない、この後、上部端栓３２は管壁を貫く周溶接部３５
によって管２０に溶着される。

第３図を見ると、周溶接する位置における上部端栓３２
と管２０の第２の端部３４が示されている。管２０は溶
接部Ｗ（図示しない）内に運ばれ、上部端栓３２が溶接
用押え金具３６に摩擦係合される０周知の如く、周溶接
部３５を形成中に、溶接用押え金具３６に対する燃料棒
２０の圧力を支持し保つために種々の装置（図示しない
）を用いることができ、従って、これらの装置について
の説明はここでは必要ないであろう。管壁を貫通する周
溶接部３５は、管２０の外面から約０．０５ｃｍ　（０
，０Ｚｉｎ、）の間隙４０を置いて保持される電極３８
に電圧を加えることによって形成される。周溶接部３５
の溶融部分４２は、上部端栓３２を管２０に完全に密着
させるため、上部端栓３２と全周に亘り相交わっていな
ければならない。

従って、間隙４０においては、好ましくは±１０％以下
の極めて小さな許容誤差が維持されなければならない、
この密着を確実に実施するには、溶融部分４２の深さＤ
は管壁の肉厚の約１．２５倍より大きく、且つ燃料棒１
８の外面上での幅Ｗが管２０の肉厚の約２倍であること
が望ましい。尚、管２０の肉厚は通常、０．０５６〜０
．０５８ｃ論（０，０２２〜０．０２３ｉｎ　、　）で
ある。

本発明による周溶接部３５は、その形成中に端部３４が
剥離するのを防止するため、管２０の端部３４から所定
の距離りのところに位置されている。この距ｆ４Ｌは、
少すくとも溶融部分４２からの放熱を可能とするに十分
なものであるべきで、それＧこよって、剥離が防止され
、望ましくは溶接用押え金具３６への損傷が防止される
。実験にお１）ては、この距離しは約０．１ｃｍ　（０
，０５ｉｎ、　）より大きく、好適番こｉ、を約０．２
５ｃ…（０，１ｉｎ、）以上とすべきであること力（示
された。

このような管壁を貫通した周溶接部３５には、溶接用電
力の極めて厳密な制御が必要である。周溶接部３５は、
電極３８ｆ！：流れる１８〜３６Ａ、好ましくは約２２
Ａの電流で形成されるのが一般的である。要求される約
±１アンペアの正確な許容誤差は、テネシー州、ナツシ
ュビルのメリック・エンジニアリング　インコーボレー
テイツド（Ｍｅｒｒｉｅｋ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｉＢ、　
Ｉｎｃ、）により入手可能な電−源「＾ＭＰＴＲＡＫＭ
ｉｃｒｏ　１−ＢＪのような公知の制御装置よって得ら
れる。

周溶接部３５の形成中、管２０の端部３４を軸方向に整
列した状態で保持するために、上部端栓３２は相当に堅
い円柱部材４３から成り、この円柱部材４３は、好まし
くは２つの中空キャビティ４４を有し、一方のキャビテ
ィ４４は円柱部材４３の第１の端部４６に向かって延び
、他方のキャビティ４４は円柱部材４３の第２の端部４
８に向かって延びている。両端部４６．４８は、製造・
取付けを容易にするため、同一とするのが好適であり、
これにより、上部端栓３２のいずれの側の端部４６．４
８からでもその向きを考慮せずに管２０に挿入すること
ができ、よって管２０内に上部端栓３２を挿入するため
に用いられる工具や設備を簡略化できる。設計の見地か
らすると、燃料棒１８内の自由空間を最大にする一方、
管２０及び端栓３２の長さを最小にすることが望まれる
が、これは、溶接部３５の溶融部分４２が端栓３２の縦
方向中央部分に配置され、端栓３２の第２の端部４８が
管２０の端部と実質上同一平面とされたならば、達成さ
れる。

各キャビティ４４は、溶接用押え金具３６の表面５２と
接合するために、テーパ付き縁部５０を有するのが好ま
しい。即ち、管２０が溶接用押え金具３６に摩擦係合す
る上部端栓３２により適正な位置で保持された場合、円
柱部材４３、従って管２０は半径方向若しくは横方向に
動くこ、とがなくなり、それによって電極３８との間隙
４０が極小の許容誤差で維持される。

第４図及び第５図には、端栓の別の実施例が示されてい
る。この実施例においても、上部端栓３２は円柱部材４
３から成り、こり円柱部材４３は、管ＺＯの第２の端部
３４に挿入された場合に管２０の端部３４と実質上同一
平面となる第２の端部４８を有して１）る。円柱部材４
３は、その第２の端部４８に向かって延びる環状の中空
キャビティ５４を有している。このキャビティ５４は、
溶接用押え金具３６と充分に支持係合ができる程の深さ
、例えば約０．１２５ｃｎ＋　（０，０５ｎ、）よりも
深くしなくてはならないが、溶融部分４２′５：溶接用
押え金具３６から充分な距離しに保つために非常に長い
端栓３２を要するほど深くする必要はなく、従って約０
．２５ｃｍ　（０，１ｉｎ、　）より浅くするのが望ま
しい。好適な端栓の長さは約１．０ｃｍ　（０，４ｉｎ
、　）以下、好ましくは約０．８９ｃｍ　（０，３５ｉ
ｎ、　）であり、このようにしないと、端栓３２の燃料
棒１８への挿入に要する力が非常に大きくなり、管２０
を損傷する危険性が著しく増大する。

第４図に示されるように、溶接用押え金具３６は上部端
栓３２のキャビティ５４内に整列される環状の突出面５
６を有している。この実施例は、更に、周溶接部３５の
形成後に管２０を加圧するための円柱部材４３を貫通し
て延びる軸方向の封止孔５８を有する。

直径が約０．１ｃｍ　（０，０４ｉｎ、　）である小径
の封止孔５８を穿孔する負担を軽減するために、直径が
約０，６４ａｍ（０，２５ｉｎ、　）である大径の軸方
向の孔６０が円柱部材４３を部分的に貫いて設けられて
いる。封止孔５８を通して燃料棒１８を加圧した後、シ
ール溶接が封止孔５８の一端に施され、これにより、環
状のキャビティ５４と封止孔５８と間に延びるリム部６
２が封止孔５８を閏じるために溶融される。

以上から、次に示すような他の実施例が可能であること
は、当業者にとり明らかであろう。即ち、例えば、溶接
用押え金具３６とキャビティ４４がねじ切り加工されて
も良く、或は、溶接用押え金具３６から延びる複数のス
タッド（図示しない）と整列するよう、端栓３２の外側
端部４８に延びる同配列の複数のキャビティ４４を設け
ても良く、或はまた、溶接用押え金具３６と端栓３２が
同様な何等かの手段で相互連結されるようにすることも
できる。

心なし研削された材料からの製造の容易性、単純な８１
械加工過程の実施、及び必要とされる材料の少量化によ
り、相当に経費が節減される、という本発明の利点は当
業者にとり明らかであろう。

また、上記の教示から更に多くの改良や変更が可能であ
ることは明らかであろう。従って、特許請求の範囲に記
載した範囲内で、本発明が上記実施例以外の形で実施さ
れる得ることは、理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は核燃料棒集合体を部分的に切り欠いて示す正面
図、第２図は、本発明の一実施例であり、上部端栓が溶
着された核燃料棒を短縮して示す断面図、第３図は、周
溶接の位置における上部端栓と溶接部とを示す核燃料棒
の拡大断面図、第４図は、上部端栓の別の実施例を示す
核燃料棒の拡大断面図、第５図は、第４図の■−Ｖ線に
沿って見た核燃料棒の端面図である。図中、 １０・・・燃料集合体　　　１８・・・核燃料棒ｚＯ・
・・管　　　　　　　２８・・・核燃料ペレット３２・
・・端栓（上部端栓）３４・・・端部（第２の端部）３
５・・・周溶接部　　　　３６・・・溶接用押え金具４
４・・・キャビティ　　　４２・・・溶融部分ＦＩＧ、
１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ、端部を有する管と、 ｂ、前記端部内に配置された端栓と、 ｃ、前記管に前記端栓を結合する周溶接部と、を備え、
   前記周溶接部が前記管の管壁を貫通して前記端栓まで円
   弧状に延びる溶融部分を有し、該溶融部分及び前記端部
   とが所定の間隔で隔てられている核燃料棒。