JPH05164870A

JPH05164870A - 燃料スペーサ

Info

Publication number: JPH05164870A
Application number: JP3333709A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kanamori; 健児金森; Junjiro Nakajima; 潤二郎中島; Hajime Umehara; 肇梅原; Makoto Iribe; 真入部; Yasuhiro Aizawa; 泰博相澤; Shozo Nakamura; 昭三中村; Tadashi Mizuno; 正水野; Satoshi Sugano; 智菅野
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1991-12-17
Publication date: 1993-06-29

Abstract

(57)【要約】【目的】構造部材肉厚すなわち構造強度を損なうことな
く燃料棒セルギャップを確保し同時に圧力損失を低減し
たスペーサを実現する。【構成】燃料スペーサ５を構成する円管構造部材（セ
ル）６の支持突起７により形成される凹部９に他の構造
部材の外周部１０を接合する。または突合せ部を平面部
２４にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉燃料集合体の燃料
スペーサに係わり、特に、軽水炉用の燃料集合体を構成
する複数本の燃料棒の間隔を保持する燃料スペーサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、原子炉燃料集合体は金属被覆管の
内部に核分裂性物質を装填した複数本の燃料棒と、内部
に中性子減速材を流すウォータロッドとで構成され、こ
れらの両端は上部タイプレートと下部タイプレートとに
より支持されている。燃料棒およびウォータロッドは複
数個の燃料スペーサを通り抜ける。これらスペーサは中
間支持体となって燃料棒とウォータロッドを一定の間隔
に保持し、それらが水平方向に振動しないように拘束す
る。この燃料スペーサは側壁を互いに突合わせて配置し
た多数の管形状の構造部材（以下セルと呼ぶ）を外枠で
囲んで構成されており、燃料棒は各セルに９０°隔てて
上下４箇所に形成された支持突起と、セルに組み込まれ
たスプリングとにより支持される。

【０００３】上記のように構成されている燃料集合体の
スペーサを設計する際には、セル・スプリング・燃料棒
・ウォータロッド各部材間の炉水内異物目づまりによる
冷却不全や腐食などが起きぬよう、各々の燃料棒・ウォ
ータロッドとセルとの間隔を適正化することが要請され
る。

【０００４】また、圧力損失を小さくし炉心安定性を良
くするためには、スペーサの投影面積を小さくすること
が要求される。投影面積を小さくする方法として特開昭
５９−２８１５０１号公報がある。この従来技術ではそ
の第３図に示されるように、高さ方向に２つの円管を支
持片で連結したセル構造となっている。

【０００５】一方、組立を考えた場合、スペーサは溶接
治具にセルおよび外枠を構成するバンド等を設置し、Ｎ
Ｃ制御で自動溶接組立てする。組立て効率向上のために
は溶接治具へのセル等の構造部材設置を自動化する必要
がある。従来のスペーサでは特開昭５９−６５２８７号
公報の図４〜７に示されるように隣接した２つのセルに
１つのばね部材を設け、２つのセルの突片との係合によ
り前記ばね部材を支持し、各セルにスプリングを提供す
る構造となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように燃料集合
体のスペーサを設計する際には、各々の燃料棒・ウォー
タロッドとセルとの間隔を適正化することが要請され
る。一方、燃料棒を太くして集合体あたりの核燃料物質
（ウラン）装荷量を多くする方が燃料を有効に利用する
ことができる。この２つの要求は相反するため、調和を
図ることが重要な課題である。燃料棒とセルとの間隔を
大きくとる方法としてセルの肉厚を小さくすることも考
えられるが、それによりスペーサの構造強度が小さくな
り、また水素吸収や腐食の影響も大きくなる。

【０００７】また、圧力損失を小さくし炉心安定性を良
くするため、スペーサの投影面積を小さくすることを目
的として、特開昭５９−２８１５０１号公報に記載のセ
ル構造では、高さ方向に２つの円管を支持片で連結して
いるが、この場合、高さ方向の２つの円管それぞれで圧
力損失が発生し、スペーサ当たりの圧力損失がかえって
増加するおそれがあり、また高さ方向の荷重に対する機
械強度が小さいという問題がある。

【０００８】更に、各セルにスプリングリングを設置す
るため、特開昭５９−６５２８７号公報の図４〜７に示
されるような従来のスペーサでは、隣接した２つのセル
の突片との係合により１つのばね部材を支持する構造と
なっているが、この場合、２つのセルにばね部材を所定
の位置関係に配置する必要があり、構造部材（セル）の
設置自動化が困難である。

【０００９】本発明の第１の目的は、構造強度を損なう
ことなく燃料棒セルギャップを確保した原子炉燃料集合
体の燃料スペーサおよびその原子炉燃料集合体を提供す
ることである。

【００１０】本発明の第２の目的は、構造強度を損なう
ことなく燃料棒セルギャップを確保し、同時に圧力損失
を低減した原子炉燃料集合体の燃料スペーサおよびその
原子炉燃料集合体を提供することである。

【００１１】本発明の第３の目的は、構造強度を損なう
ことなく燃料棒セルギャップを確保し、同時に自動組立
性も向上する原子炉燃料集合体の燃料スペーサおよびそ
の原子炉燃料集合体を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記第１および第２の目
的を達成するために、本発明は、隣接するセル同士で外
周部を突き合わせて配置した多数のセルを有し、これら
セルに燃料棒を挿入して燃料棒の間隔を保持する原子炉
燃料集合体の燃料スペーサにおいて、前記セルのうち少
なくとも一部のセルは、各々、セル内に挿入される燃料
棒を支持するための突起により形成された軸方向の凹部
を外周部に有し、この凹部に、隣接するセルの外周部を
嵌め込んで、隣接するセル同士で外周部を突き合わせる
構成としたものである。

【００１３】また、上記第３の目的を達成するため、本
発明は、上記燃料スペーサにおいて、前記セルのうち少
なくとも一部のセルは、各々、セル内に挿入される燃料
棒を支持するスプリングを１セル当り１個づつ独立して
有する構成としたものである。

【００１４】更に、上記第１の目的を達成するため、本
発明は、隣接するセル同士で外周部を突き合わせて配置
した多数のセルを有し、これらセルに燃料棒を挿入して
燃料棒の間隔を保持する原子炉燃料集合体の燃料スペー
サにおいて、前記セルのうち少なくとも一部のセルは、
各々、軸方向の平面部を外周部に有し、この平面部に、
隣接するセルの外周部の平面部を接触させて、隣接する
セル同士で外周部を突き合わせる構成としたものであ
る。

【００１５】また、上記第１〜第３の目的を達成するた
め、本発明は、原子炉燃料集合体において、金属被覆管
の内部に核分裂性物質を装填した複数の燃料棒と、これ
ら燃料棒が挿入され、それらの間隔を保持する上記の燃
料スペーサと、前記燃料棒の上下端を支持する上・下部
タイプレートとを有する構成としたものである。

【００１６】

【作用】燃料棒を支持するための突起により形成された
軸方向の凹部に隣接するセルの外周部を嵌め込んで、隣
接するセル同士で外周部を突き合わせることにより、燃
料棒径、燃料棒間隔およびセル肉厚を同じとすれば、円
筒面を接触させて隣接するセル同士で外周部を突き合わ
せる従来技術に比べてセルの径が大きくなって、燃料棒
とセルのギャップは大きくなる。また、燃料棒を支持す
るための突起により軸方向の凹部を形成するので、当該
突起が位置する部分には円筒部のまま残る部分がなくな
り、それが残る従来技術に比べてセルの投影面積が減少
し、これによりスペーサ部での圧力損失が低減する。

【００１７】燃料棒を支持するスプリングを１セル当り
１個づつ独立して設けることにより、従来技術の２つの
セルの係合でスプリングを支持する構造に比べて、溶接
治具への自動設置が容易となる。

【００１８】セル外周部の軸方向の平面部に隣接するセ
ルの外周部の平面部を接触させて、隣接するセル同士で
外周部を突き合わせることにより、上記と同様に、燃料
棒径、燃料棒間隔およびセル肉厚を同じとすれば、円筒
面を接触させて隣接するセル同士で外周部を突き合わせ
る従来技術に比べてセルの径が大きくなって、燃料棒と
セルのギャップは大きくなる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。まず、本発明の第１の実施例を図１〜図に基づき
説明する。図１において、本実施例の燃料スペーサ５
は、多数の円筒形状をしたセル６を矩形の外枠３０内に
格子状に整列配置し、隣接するセル同士で外周部を突き
合わせ接合して構成されている。燃料スペーサ５の部分
拡大図を図２に示す。燃料集合体に組み込まれた状態に
おいて、セル６には燃料棒２が挿入され、燃料棒２は各
セル内で支持突起７およびスプリング８で支持されてい
る。支持突起７は、軸方向端面から見て、セル６の軸を
中心に９０°角度的に隔てて２個配置され、スプリング
８は１セル当たり独立して１個配置されている。また、
セル６の外周部には支持突起７により軸方向の凹部９が
形成され、この凹部９に、隣接するセル６の外周部１０
を嵌め込んで、隣接するセル同士の突き合わせ部を構成
している。

【００２０】燃料集合体において、燃料棒２は通常、正
方格子状に配列されている。このため、セル６に上記の
ように９０°隔てて２箇所に支持突起７を形成し、この
支持突起７で凹部９を形成してセル６を突き合わせ配置
することにより、セル６を正方格子状にきれいに並べる
ことができる。

【００２１】図３は上記スペーサ５のセル突合せ部の拡
大図である。破線で従来の突合せ構造のセルを示す。燃
料棒径１１、燃料棒間隔２３およびセル肉厚１３を同じ
とすれば、セルの径は本実施例のセル６の方が従来セル
よりも大きくなり、これに対応して燃料棒２とセルのギ
ャップは本実施例のセル６のギャップ１４Ａの方が従来
セルのギャップ１４より大きくなる。このため、本実施
例のセルでは炉水内異物目づまりに対する余裕度が大き
くなる。また、本実施例では、支持突起７で突き合わせ
部としての凹部９を形成するので、支持突起７が位置す
る部分にはセルの円筒部が残らず、図４に示す支持突起
間に円筒部１２が残る従来セルに比べて、セル投影面積
が円筒部１２の分だけ減少し、スペーサ全体の投影面積
が減少する。その結果、圧力損失が小さくなり、燃料棒
径を大きくすることができ、ウラン装荷量は従来構造よ
り約３％増加となる。

【００２２】上記実施例のスペーサ用セル６の支持突起
７の構成例を図５に示す。従来セルは、図６に示すよう
にセルの軸方向２箇所に支持突起７が設けられ、軸方向
上下２箇所の支持突起７に挟まれた部分１２は、上記の
ように元の円管面のままである。これに対し、本実施例
のセル６は、図５に示すように支持突起７により形成さ
れる凹部９に他のセルの外周部を嵌め合わせるので、軸
方向上下２箇所の支持突起に挟まれた部分も支持突起と
同様な形状にしてある。別の支持突起構成例を図７に示
す。これは軸方向上下２箇所の支持突起７に挟まれた部
分を中抜いて開口１２Ａを形成したものである。これら
本実施例の構造では、セル軸方向でセル断面積がほとん
ど変わらず、圧力損失が２度発生するおそれはない。ま
た、図５に示す支持突起構成例では燃料棒と支持突起７
がセル軸方向の全長で線接触するが、図７に示す支持突
起構成例では上下２箇所での接触となり、燃料棒と支持
突起７との隙間腐食を防止している。

【００２３】本実施例のスペーサ５は、セル１個当たり
燃料棒支持用のスプリング８を独立して１個設置する構
造である。そのスプリング構成例を図８〜図１０に示
す。図９は図８のＡ方向矢視図で、図１０は図９のＢ−
Ｂ断面図である。この構造は、従来スプリングに利用し
ているインコネル材をセルにも利用したもので、セル６
の一部でスプリング８を形成している。この場合、イン
コネルは中性子吸収が大きいので、支持突起７としては
図７の構成を採用し、開口１２Ａを形成してインコネル
量を少なくしている。この構成例では、セルの一部でス
プリング８を形成しているので、従来の２つのセルの係
合でスプリングを支持する構造に比べ、溶接治具への自
動設置が容易となる。

【００２４】別のスプリング構成例を図１１〜図１３に
示す。従来はインコネル材のスプリングを２つのジルカ
ロイ材のセルの突片を突き合わせた部分に嵌め込む構造
となっているが、このスプリング構成例はセル１つでス
プリングを支持できるようにしたものである。セル側面
にはセル部分図である図１１のＣ方向視図である図１２
に示すような切欠き孔部３２を設け、セル６に広幅板部
３３ａと幅狭板部３３ｂとからなる突片３３を形成して
いる。図１３（Ａ）に示すような自由形状のバネ高さ２
０のスプリング８Ａを図１３（Ｂ）に示すように高さ２
０ａが突片３３の広幅板部３３ａの高さ１６より大きく
なるよう変形させ、切欠き孔部３２の長さ１５の部分よ
り突片３３の広幅板部３３の部分を通して幅狭板部３３
ｂの高さ１７の部分に嵌め込む。スプリング８Ａの自由
形状ではバネ高さ２０は高さ１６より短いのでスプリン
グ８Ａは抜けることはない。スペーサ組立て後は、隣接
するセル６の側面が図１１および図１２の２１の１点鎖
線の部分を塞ぐので、燃料棒挿入後スプリング８Ａが変
形して高さ２０ａが長さ１６より大きくなっても、スプ
リング８Ａは抜けることはない。また、この構造でも、
スプリング８Ａがセル毎に独立しているので、従来の２
つのセルの係合でスプリングを支持する構造に比べ、溶
接治具への自動設置が容易となる。

【００２５】図１に戻り、本実施例のセル６の配列に関
する特徴を説明する。図１において、外枠３０の４箇所
のコーナ部に位置するセル６は、スプリング８による燃
料棒２の押付け力が外枠３０の中心からその外枠コーナ
部に向かうように配列されている。また、外枠３０のセ
ル領域を外枠３０のコーナ部と外枠３０の中心を対角線
とする矩形領域で４等分したとき、同じ矩形領域に属す
るセル６は、前記コーナ部に位置するセル６と同じ方向
を向いて配列されている。一般に燃料集合体は、核特性
上、また機械特性上、集合体断面の対角線に対し対称な
形状が望ましいが、本実施例のセルの配列はこれらを満
足している。また、本実施例では、スペーサ中央の十字
型の領域の燃料棒間隔２３ａが他の領域の燃料棒間隔２
３より大きくなるが、この領域は燃料集合体中央の十字
形領域に比較的大きな冷却材流路面積を与え、この大き
な冷却材流路面積でウランを有効に燃やすことができる
という効果がある。

【００２６】上記実施例による燃料スペーサ５を組込ん
だ燃料集合体を図１４示す。図１４において、燃料集合
体１は複数本の燃料棒２で構成され、これらは上部タイ
プレート３と下部タイプレート４との間に支持されてい
る。また、燃料棒２は複数個の燃料スペーサ５を通り抜
ける。この燃料スペーサ５は中間支持体となって細長い
燃料棒２を相隔てた状態に保持し、それらが横方向に振
動しないように拘束する。本実施例の燃料スペーサ５を
組込んだ燃料集合体１は、前述したように、従来技術に
よる集合体に比べ燃料棒径が大きく、燃料棒１体当たり
の燃料材（ウランなど）装荷重量が増加しているので、
燃料の経済性が向上している。また、燃料集合体中央の
十字形領域に比較的大きな冷却材流路面積を確保してい
るので、ウランを有効に燃やすことができ、この点でも
燃料の経済性を向上している。

【００２７】本発明の他の実施例を図１５および図１６
により説明する。図１５において、燃料スペーサ５Ａ
は、図１に示す実施例と同じセル６で構成されている。
但し、本実施例では全てのセル６が同じ方向に並んでい
る。このため、最外周のセル６を通る燃料棒２とスペー
サ外枠３０との間隔は、図１６（Ａ）および（Ｂ）に拡
大して示すように、相対する一方の側と他方の側とでは
異なっている。即ち、セル６の円筒面が外枠３０に接す
る側の燃料棒２と外枠３０との間隔２２は、セル６の凹
部９が外枠３０に接する側の燃料棒２と外枠３０との間
隔２２ａより大きくなる。本実施例の構造は、燃料集合
体の向い合う面でチャンネルギャップの異なるいわゆる
Ｄ格子型炉心の燃料に適している。

【００２８】本発明の更に他の実施例を図１７〜図１９
により説明する。図１７および図１８において、本実施
例の燃料スペーサ５Ｂは、円管状セル６Ｂの突合せ部に
平面部２４を形成し、隣接するセル同士でそれぞれの平
面部２４を接触させている。また、スプリング８Ｂは隣
接するセルの係合で支持されている。突合せ部の拡大図
を図１９に示す。図１９で実線１８は突合せ部のみを平
面部にした場合、破線１９は従来突合せ部とした場合の
セル板部である。突合せ部のみを平面部にすることでセ
ル径が大きくなり、燃料棒とセルのギャップを１４Ａま
で大きくすることができる。スペーサ組立時セル突合せ
部は溶接接合される。この時の溶接ナゲットの大きさは
長破線２５となり、平面部の長さ２６を溶接ナゲットの
長さの範囲にすれば溶接ナゲットを含む突合せ部の投影
面積は変わらない。この時の燃料棒とセルのギャップの
拡大だけ燃料棒径を大きくすると、ウラン装荷量は３％
程度増加する。さらに、溶接部が点から線になるので溶
接部強度が格段に大きくなる。

【００２９】なお、本実施例では、燃料棒の支持突起部
分に、軸方向上下の支持突起７間に円筒部の残る従来構
造を採用している。しかし、図２０に示すように、図５
および図７に示す実施例と同様、上下支持突起間の円筒
部を除去し、円管状セルの突合せ部のみを平面部にした
セル構造を採用しても良く、この場合は前述の実施例と
同様にセル投影面積が減少し、圧力損失を小さくでき
る。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、構造強度を確保しつ
つ、燃料棒とセルとのギャップを確保したスペーサを実
現できる。また、確保された燃料棒とセルとのギャップ
と低減した圧力損失に相当する割合で燃料棒の外径を大
きくすることができ、これに対応して燃料体１体当たり
の燃料材（ウランなど）装荷重量を増加することが可能
となり、燃料の経済性が向上する。更に、スペーサの自
動組立が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【第１図】本発明の一実施例による燃料スペーサの平面
図である。

【第２図】図１に示す燃料スペーサの部分拡大図であ
る。

【第３図】図２に示すスペーサのセルの突合せ部の拡大
図である。

【第４図】従来のセル構造を示す図である。

【第５図】上記実施例のセルの支持突起構造の一例を示
す斜視図である。

【第６図】従来セルの支持突起構造を示す斜視図であ
る。

【第７図】上記実施例のセルの支持突起構造の他の例を
示す斜視図である。

【第８図】上記実施例のセルのスプリング構造の一例を
示す斜視図である。

【第９図】図８のＡ方向矢視図である。

【図１０】図９のＢ−Ｂ線断面図である。

【第１１図】上記実施例のセルのスプリング構造の他の
例を示す図である。

【第１２図】図１１のＣ方向矢視図である。

【第１３図】図１１のスプリング構造に用いるスプリン
グを示す図である。

【第１４図】図１に示す燃料スペーサを用いて構成した
燃料集合体の縦断面図である。

【第１５図】本発明の他の実施例による燃料スペーサの
平面図である。

【第１６図】図１５に示す燃料スペーサの部分拡大図で
ある。

【第１７図】本発明の更に他の実施例による燃料スペー
サの平面図である。

【第１８図】図１７に示す燃料スペーサの部分拡大図で
ある。

【第１９図】図１８に示すセル突合せ部の拡大図であ
る。

【第２０図】本発明の更に他の実施例による燃料スペー
サの部分拡大図である。

【符号の説明】

１燃料集合体２燃料棒３上部タイプレート４下部タイプレート５スペーサ６セル（構造部材）７支持突起８スプリング９凹部１０セル外周部１１燃料棒径１２支持突起間部１３セル肉厚１４燃料棒−セルギャップ１８突合せ部のみ平面部にした場合のセル形状１９従来セル形状２０バネ高さ２１接触部分２２，２２ａ最外周セルと外枠との距離２３，３４ａ燃料棒間隔２４平面部２５溶接ナゲット２６突合せ平面部長さ３２切欠き孔部３３ａ広幅板部３３ｂ狭幅板部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者梅原肇茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者入部真茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者相澤泰博茨城県日立市幸町３丁目２番１号日立エンジニアリング株式会社内 (72)発明者中村昭三茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者水野正茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者菅野智茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】隣接するセル同士で外周部を突き合わせ
て配置した多数のセルを有し、これらセルに燃料棒を挿
入して燃料棒の間隔を保持する原子炉燃料集合体の燃料
スペーサにおいて、前記セルのうち少なくとも一部のセルは、各々、セル内
に挿入される燃料棒を支持するための突起により形成さ
れた軸方向の凹部を外周部に有し、この凹部に、隣接す
るセルの外周部を嵌め込んで、隣接するセル同士で外周
部を突き合わせることを特徴とする燃料スペーサ。
【請求項２】請求項１記載の燃料スペーサにおいて、
前記セルのうち少なくとも一部のセルは、各々、セル内
に挿入される燃料棒を支持するスプリングを１セル当り
１個づつ独立して有していることを特徴とする燃料スペ
ーサ。
【請求項３】請求項２記載の燃料スペーサにおいて、
前記多数のセルは矩形の外枠内に正方格子状に整列配置
され、前記セルのうち少なくとも前記外枠の４箇所のコ
ーナ部に位置するセルは、前記スプリングによる燃料棒
の押付け力が前記外枠の中心からそれぞれのコーナ部に
向かうように配列されていることを特徴とする燃料スペ
ーサ。
【請求項４】請求項２記載の燃料スペーサにおいて、
前記多数のセルは矩形の外枠内に正方格子状に整列配置
され、前記外枠の４箇所のコーナ部に位置するセルは、
前記スプリングによる燃料棒の押付け力が外枠の中心か
らそれぞれの外枠コーナ部に向かうように配列され、か
つ前記外枠のセル領域を外枠のコーナ部と外枠の中心を
対角線とする矩形領域で４等分したとき、同じ矩形領域
に属するセルは、前記コーナ部に位置するセルと同じ方
向を向いて配列されていることを特徴とする燃料スペー
サ。
【請求項５】隣接するセル同士で外周部を突き合わせ
て配置した多数のセルを有し、これらセルに燃料棒を挿
入して燃料棒の間隔を保持する原子炉燃料集合体の燃料
スペーサにおいて、前記セルのうち少なくとも一部のセルは、各々、軸方向
の平面部を外周部に有し、この平面部に、隣接するセル
の外周部の平面部を接触させて、隣接するセル同士で外
周部を突き合わせることを特徴とする燃料スペーサ。
【請求項６】金属被覆管の内部に核分裂性物質を装填
した複数の燃料棒と、これら燃料棒が挿入され、それら
の間隔を保持する請求項１〜５のいずれか１項記載の燃
料スペーサと、前記燃料棒の上下端を支持する上・下部
タイプレートとを有することを特徴とする原子炉燃料集
合体。