JPH0631748B2

JPH0631748B2 - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH0631748B2
Application number: JP61147252A
Authority: JP
Inventors: ジョン・フランシス・ウィルソン; ロバート・ケネス・ジャーツェン; ハリー・マックス・フェラーリ
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1985-06-26
Filing date: 1986-06-25
Publication date: 1994-04-27
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: JPS623691A; EP0206162B1; US4684504A; EP0206162A3; EP0206162A2; ES556461A0; KR870000715A; DE3662474D1; ES8900081A1

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景発明の分野本発明は一般に原子炉の燃料集合体に関し、特に、炉心
の非制御棒位置で用いられる耐湾曲性を有する燃料集合
体構造に関するものである。

先行技術の説明原子炉の炉心は、通常、複数の燃料集合体を備えてい
る。典型的な加圧水形原子炉(PＷR)においては、全ての
燃料集合体は幾何学的形態において類似している。各燃
料集合体は、その長さに沿い離間配設された格子により
組織化された配列で保持された複数の燃料棒を備えてい
る。格子は、複数の制御棒案内シンブルに取り付けられ
ている。燃料集合体の上部及び下部ノズルは、燃料棒の
上端及び下端よりも上方及び下方に延びる制御棒案内シ
ンプルの両端にそれぞれ固定されている。制御棒案内シ
ンブル及びそれに確かりと固定された上部及び下部ノズ
ルは共に、燃料集合体の骨組構造を構成する。

燃料棒内に収容されている核燃料により生ずる核分裂過
程を制御するために、典型的に、多数の制御棒が、燃料
集合体の案内シンブル内に往復動可能なように配置され
ている。しかし、炉心の燃料集合体位置の全てで制御棒
が用いられる訳ではない。制御棒位置にあるのは燃料集
合体のうちの約３分の１に過ぎない。しかし、従来、全
ての燃料集合体は幾何学的形態において類似するように
構成されていたので、このことは、制御棒位置の燃料集
合体が非制御棒位置の燃料集合体と同じであることを意
味する。

全てのPＷR燃料集合体を同様に構成すると言うこの従来
の慣行とは異なった考え方が最近提案された。例えば、
本出願人の特開昭61−256285号公報に記載され図示され
ているように、非制御棒位置で用いるための別の構造に
よる燃料集合体は、下部ノズルと、可燃性毒物を収容し
て縦方向に延びる多数の構造部材と、上部ノズルとを備
えている。また、この燃料集合体は、縦方向の構造部材
に固定されて軸方向に離間配設され、燃料棒の配列を支
持する多数の格子をも備えている。上部及び下部ノズル
は、ねじ結合その他の適当な剛な取付手段により縦方向
の構造部材に固定されている。計装管は、燃料集合体の
中央に配設されて、上部及び下部ノズル及び格子により
支持されている。

制御棒位置の慣用の燃料集合体に対するこの非制御棒位
置の燃料集合体の１つの重要な相違は、上部及び下部ノ
ズルを相互接続して燃料集合体の骨組構造を形成する縦
方向の構造部材の構造に在る。慣用のPＷR燃料集合体で
は、構造部材は、上端部が開き下端部が（冷却材流のた
めの小さい孔を除き）閉じている中空の案内シンブル管
である。これ等の案内シンブル管は制御棒と整列するよ
うに燃料集合体内に配置されている。原子炉の運転中、
制御棒はこれ等の案内シンブル管内で往復動される。他
方、非制御棒炉心位置で用いられるように企図されてい
る非制御棒燃料集合体においては、やはり管の形態にあ
る構造部材は制御棒を収容していない。従って、この管
に関しては異なった機能上及び構造上の使用が可能であ
る。

機能的には、この非制御棒構造部材は可燃性吸収材を収
容している。ホウ素の適当な化合物のような可燃性吸収
材は、最近の原子炉において、特に核燃料の寿命初期の
段階で反応度を制御するための付加的な手段として用い
られている。構造的には、構造部材の細長い管は、その
各端を、該管に溶接されている端栓により閉ざされてい
る。管及び端栓材料はジルカロイ−４とするのが好まし
い。ばねは、可燃性吸収材を管内の所定位置に保持し
て、中性子がホウ素の原子に作用する際に放出されるヘ
リウムガスを蓄積するためのプレナムを造る。非制御棒
構造部材を燃料集合体に組み込むためには、管は空で一
端は開いていなければならない。格子を管に膨出固定し
た後に可燃性吸収材及びばねが管内に装入されて残って
いる一方の端栓が所定位置に溶接される。然る後に、燃
料棒は装入され、上部及び下部ノズルがボルトで取り付
けられる。

非制御棒燃料集合体には８本の吸収材構造部材が存在
し、他方、慣用の制御棒燃料集合体は24本の案内シンブ
ルを有している。従って、各非制御棒燃料集合体にはそ
れぞれ16本余計の燃料棒が存在し、それにより、上述の
特開昭61−256285号公報に記載されているような利点が
得られる。

上に述べたような構造を有するPＷRにおける非制御棒燃
料集合体の使用で、長い間懸案となっていてPＷR燃料集
合体の総合特性に影響を及ぼす重要な問題、即ち燃料集
合体の反りもしくは湾曲という問題を克服するための潜
在的必要性が生じてきた。燃料集合体の湾曲の程度と案
内シンブルにおける圧縮応力との間には明確な関係が存
在するように思われる。残念なことに、制御棒炉心位置
に存在する制御棒燃料集合体の案内シンブルにおける圧
縮応力を相当に軽減する明らかな方法は存在していな
い。しかし、非制御棒炉心位置に設けられて上述のよう
に設計されている燃料集合体に対しては、縦方向構造部
材における圧縮応力を大きく軽減する方法を見つける必
要性が存在するように考えられる。

発明の概要本発明は、上述の必要性を満足するように設計された非
制御棒燃料重合体のための改良された縦方向の構造部材
を提供する。先に引用した特開昭61−256285号公報に詳
しく開示されている上述の非制御棒燃料集合体において
は、上部ノズルの押えばねからの軸方向の力は、上部ノ
ズルのアダプタ板から縦方向構造部材の上部端栓に伝達
され、その被覆管を介して下部端栓に伝達され、そこか
ら下部ノズルのアダプタ板に伝達される。従って被覆管
は、燃料集合体に永久的な反りを生ぜしめ得るような圧
縮状態に置かれる。

本発明は、縦方向構造部材の被覆管に対する圧縮応力の
望ましくない作用を大きく軽減もしくは相殺するように
縦方向構造部材の構造を改良するものである。基本的に
は、その解決策として、構造部材の被覆管は張力状態に
予備荷重される。自由な状態で立っているこの種の構造
部材の被覆管を張力状態に予備荷重することは、該構造
部材の中央部分に圧縮荷重を加えなければならないこと
を意味する。また、圧縮荷重が加えられる材料は、熱又
は照射で生ずるクリープを受けてはならない。さもない
と、構造部材は永久的に反った位置にクリープする。従
って、中央部分はクリープ抵抗を有する材料から形成し
なければならない。高クリープ抵抗を有するセラミック
材料を用いることができる。従って、本発明は、好まし
くは積み重ねられたペレット形態にあるセラミック材料
に圧縮荷重を加え、それにより被覆管を張力状態に予備
荷重するための独特な構成を提供することを企図するも
のである。

従って、本発明は、原子炉炉心の非制御棒位置で用いら
れる燃料集合体に向けられる。この燃料集合体は、上部
及び下部ノズルと、これ等のノズル間に延在し該ノズル
に取り付けられて燃料集合体を一体のユニット構造に形
成する複数の縦方向の構造部材とを有する。該構造部材
のうちの少なくとも或るものは、上部ノズルと下部ノズ
ルとの間に延在する細長い中空の被覆管と、該被覆管の
両端に取り付けられて被覆管を気密に封止すると共に被
覆管を上部及び下部ノズルに取り付ける封止・取付手段
とを備える。本発明の改良によれば、(a) 上記被覆管内
に配置され、照射により生ずるクリープに対し抵抗を有
する或る量の材料と、(b)上記被覆管内に配置されて該ク
リープ抵抗材料に予め定められた圧縮荷重を加え、該荷
重に対する反作用として、典型的に燃料集合体のユニッ
ト構造を介して伝達される軸方向荷重を実質的に相殺す
るのに十分な大きさを有する予備張力状態となるように
上記管に予備荷重を加えることにより、上記構造部材の
上記被覆管における圧縮応力を大きく軽減する予備張力
手段とが設けられる。

特に、クリープ抵抗材料は、ペレットの形態にある酸化
ジルコニウムのようなセラミック材料である。このセラ
ミック製ペレットは、可燃性吸収材で被覆される。ま
た、予備張力手段は２つの実施例のうちの何れかでよ
い。１つの実施例においては、予備張力手段は、クリー
プ抵抗性ペレットの積重体と１つの管端部との間で被覆
管内に配置された細長いベロー型装置である。ベロー型
装置の内部は加圧されて、それにより、該ベロー型装置
の内部には予め定められた軸方向の力が発生され、その
軸方向の力でクリープ抵抗性ペレットは圧縮下に置か
れ、被覆管は予備張力状態下に設定される。更に、被覆
管の残余の部分は加圧することができる。別の実施例に
おいては、予備張力手段は、クリープ抵抗性ペレットの
積重体と被覆管の一端との間で被覆管内に配置された皿
ばねの配列である。この構成によれば、被覆管内には予
め定められた軸方向の力が発生され、この力によりクリ
ープ抵抗材料は圧縮下に置かれ、被覆管は予備張力状態
に設定される。皿ばねはその配列において並列及び直列
に重ねられる。

本発明の上に述べた利点及び他の利点並びに作用効果
は、本発明の実施例を示す図面と関連した以下の詳細な
説明を読むことにより当業者にとって明らかとなろう。

発明の詳細な説明以下の説明において、全図面を通し、同じ参照記号は同
じ又は対応の部分もしくは要素を指すものとする。ま
た、以下の説明において、「前方」、「後方」、「左
方」、「右方」「上方もしくは上向き」、「下方もしく
は下向き」その他類似の術語は、単なる説明の便宜上の
言葉であって、限定する意味に解釈されてはならない。

総括的説明図面、特に第１図を参照するに、この図には、垂直方向
に短縮した形態で示され参照数字10で総括的に表されて
いる原子炉炉心(図示せず)の非制御棒位置で使用される
ように適応された燃料集合体の立面図が示してある。基
本的には、燃料集合体10は、炉心内で下部炉心板(図示
せず)上に燃料集合体を支持するための下端構造、即ち
下部ノズル12と、下端部が下部ノズル12に取り付けられ
て該下部ノズル12から上向きに突出する多数の縦方向に
延びる構造部材14とを備えている。また、燃料集合体10
は、構造部材14に沿い軸方向に離間して設けられた複数
の横格子16と、横方向に離間し格子16により支持されて
いる細長い燃料棒18の組織化された配列を備えている。
更に、燃料集合体10は、その中心に配設された計装管20
と、構造部材14の上端に取り付けられた上端構造、即ち
上部ノズル22とを有している。このような各部の配列
で、燃料集合体10は各部を損傷することなく適宜に取り
扱うことができる一体のユニット構造を形成している。

上に述べたように、燃料集合体10における列状の燃料棒
18は、燃料集合体の長さに沿って軸方向に隔置された格
子16により互いに離隔関係で保持されている。各燃料棒
18は、核燃料ペレット24を有しており、その両端は、上
部端栓26及び下部端栓28により閉鎖されている。核分裂
性物質からなる燃料ペレット24は、原子炉の反応出力を
発生する。水又はホウ素含有水のような液体減速・冷却
材は、有用な仕事を発生するために、燃料集合体10に発
生した熱を抽出する目的で燃料集合体10の燃料棒18に沿
い上向きにポンプ送りされる。

予備張力が加えられる縦方向の構造部材次に第２図及び第３図を参照するに、これ等のの図には
何れも燃料集合体10で使用することができる本発明によ
る縦方向の構造部材14の２つの若干異なった実施例が示
してある。冒頭に述べたように、燃料集合体10は、非制
御棒炉心位置で使用されるように設計されており、従っ
て、この燃料集合体と動作上組み合される制御棒は存在
しない。制御棒炉し位置における燃料集合体の制御棒案
内シンブルは、その上端部を介して下向きに制御棒を往
復運動可能に受け入れ、そして下端部を介し上向きの冷
却材流を受け入れるが、それとは対照的に、非制御棒燃
料集合体10における縦方向の構造部材14はその両端部が
封止されている。

第２図及び第３図に示してある縦方向構造部材14の各実
施例は、管に溶接された上部端栓32及び下部端栓34によ
り閉鎖されている細長い中空の被覆管30を備えている。
被覆管及び端栓の材料は、ジロカロイ−４とするのが好
ましい。上部端栓32及び下部端栓34はそれ等に固定され
て軸方向に延びるねじ切りされたスタッド38及び40をそ
れぞれ有しており、これ等のスタッドは、上部ノズル22
及び下部ノズル12の各アダプタ板42及び44の開口に挿入
される。螺刻されたスタッド38及び40にはナット46及び
48がそれぞれ締付けられて、構造部材14の両端をそれぞ
れ上部ノズル22及び下部ノズル12に堅固に固定する。典
型例として、構造部材14の被覆管30は、制御棒案内シン
ブルの管よりも相当に大きい厚さを有しており、そして
各非制御棒燃料集合体10の構造部材14の数は、各制御棒
燃料集合体における案内シンブルの数よりも相当に少な
い。制御棒燃料集合体において案内シンブルにより占拠
される位置に対応する非制御棒燃料集合体10における残
りの位置は、燃料棒18により占められる。例えば、典型
例として、制御棒燃料集合体には24本の案内シンブルが
存在するのに対し、非制御棒燃料集合体10には、僅か８
本の構造部材14が存在するに過ぎず、従って残りの16の
位置は追加の燃料棒により占められているのである。上
部端栓32、下部端栓34、スタッド38、40、ナット46及び
48は被覆管30の封止・取付手段を構成している。

先に引用した特開昭61−256285号公報に開示されている
ものに優る本発明の構造部材14における改良は、構造部
材14を反りもしくは湾曲に対し抵抗を有するように構成
することにある。

各構造部材14は、その被覆管30に予め予備張力を加える
ことにより反りに対して抵抗を有するようにされる。被
覆管30にこのように予め張力を加えるためには、その中
央部分に圧縮荷重を加えなければならない。圧縮荷重が
加えられた材料は、熱又は照射によるクリープを受けて
はならない。さもないと、永久的な反り状態にクリープ
するであろうからである。従って、構造部材14の被覆管
30は、好ましくはペレットの形態にあって被覆管30内に
積重ねられた、熱もしくは照射によるクリープに対し抵
抗を有する、材料（クリープ抵抗材料）50を収容してい
る。酸化ジルコニウム或いはアルミナのようなセラミッ
ク材料が、クリープに対し非常に大きい抵抗性を有する
材料の典型例である。また、これ等の材料は、炭化ホウ
素のような可燃性吸収材で被覆し、それにより先に引用
した特開昭61−256285号公報に開示されている構造部材
と同じ機能を果たすようにすることもできる。

このセラミック性ペレット50に圧縮加重を加え、それに
より該荷重に応答して被覆管30に予備張力を加えるよう
にするために第２図及び第３図に示した予備張力手段の
２つの実施例のうちの何れかを採用することができる。

第２図において、予備張力手段は参照数字52で総括的に
示したベロー型装置であり、構造部材14の上部プレナム
領域において被覆管30内に配置される。このベロー型装
置52は、溶接等により上部端栓32に接続される。ベロー
型装置52の外径部は、被覆管30により半径方向に支持さ
れ、そしてベロー型装置52の下端部54はペレット50の積
重体に圧接する。上部端栓32側における加圧通路56で、
ベロー型装置52の内部を加圧することができる。加圧
後、通路56を密閉する。然る時には、ベロー型装置52内
に軸方向の力が存在し、この力でペレット50の積重体は
圧縮され被覆管30には予備張力が加えられる。

約600psiのベロー圧力(冷態時)で、温態運転状態中に約
120 ポンドの軸方向の力が発生する。ここで、燃料集合
体の反りを認容し得る程度に抑えるために軸方向応力が
零であることは要求されず、従って、上記の値よりも低
い圧力を使用することが可能である点に注目され度い。
所望ならば、ペレット領域における被覆管30の内部は、
下部端栓34に形成されている通路58を介して加圧するこ
とができる。このように加圧する場合には、ベロー内の
圧力が相殺されるので、ベロー圧力を相応に増加しなけ
ればならない点に注意されたい。

別法として、第３図に示すように、予備張力手段は、皿
ばね60からなる配列の形態である。皿ばね60は、高いば
ね率を達成するために図示のように並行に、且つ、大き
な撓み範囲を得るために図示のように組みをなして重ね
ることができる。

予備張力手段の何れの実施例を採用するかに関係なく、
その機能は、構造部材14内のクリープ抵抗材料50に予め
定められた圧縮荷重を加えて、この荷重の反作用により
被覆管30を予備張力状態に予備荷重することである。こ
の予備張力は、原子炉に設置される燃料集合体10の一体
のユニット構造を介して通常伝達される軸方向荷重を実
質的に相殺し、それにより構造部材14の被覆管30におけ
る圧縮応力を大きく減少するのに十分な大きさとすべき
である。従来用いられているコイルばねも極く小さい程
度ではあるが、可燃性吸収材ペレットの積重体に圧縮荷
重を加える。しかし、被覆管内部に嵌装されるコイルば
ねから得られる力の大きさは、被覆管に顕著な予備張力
を発生するのに要求される力の大きさよりも遥かに小さ
い。従って、コイルばねにより与えられる被覆管の予備
張力は付随的なものであり不十分であった。例えば、17
×17列の燃料集合体は、温態運転の寿命初期に約953 ポ
ンドの押えばね力を有している。８本の構造部材14が存
在するので、各構造部材は約 120ポンドを担うことにな
る。運転中応力が生じない被覆管を実現するためには、
構造部材14毎に 120ポンドの予備引張荷重が要求され
る。これは、被覆管の内部に嵌装されるコイルばねで達
成できる予備引張荷重よりも遥かに高いものである。

本発明によれば、炉心板の圧縮力を燃料集合体10の押え
ばね62に加えた場合に、構造部材14の被覆管30にかかる
軸方向の圧縮応力は大きく減少する。このことは第４図
に示してある。第４図は、本発明の構造部材構造と比較
して先に引用した特開昭61−256285号公報の構造部材構
造の荷重−応力曲線を示すグラフである（全ての被覆及
び直径パラメータは両事例において同じである）。この
グラフから明らかなように、本発明の構造部材の予備張
力が加えられた被覆管は、所定の軸方向荷重に対し、先
に引用した特開昭61−256285号公報の予備張力が加えら
れていない管よりも遥かに低い圧縮応力を有する。

本発明の思想及びそれに伴う多くの利点は、上の説明か
ら理解されるであろう。尚、本発明の範囲から逸脱する
ことなく然もその実質的な利点を犠牲にすることなく、
本発明の実施態様、構造及び配列に関し種々な変更が可
能であることは明らかであり、ここに示した態様は単に
好ましいもしくは例示的な実施例であると理解された
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明により構成された縦方向構造部材を備
える非制御棒燃料集合体を、図示を明瞭にするために一
部を切除して部分的に断面で示す立面図、第２図は第１
図の燃料集合体の拡大部分垂直断面図であって、燃料集
合体の上部及び下部ノズルのアダプタ板に両端が取り付
けられる縦方向構造部材の１つ及び該構造部材に予備張
力を加えるための手段の一実施例を示す図、第３図は、
第２図と同様に第１図の燃料集合体の拡大部分垂直断面
図であって、構造部材に予備張力を加えるための手段の
別の実施例を示す図、第４図は、本発明の縦方向構造部
材と本明細書で引用した特開昭61−256285号公報に開示
されている縦方向構造部材とを比較し、本発明の予備張
力が加えられる構造部材の方が、特開昭61−256285号公
報に開示されている予備張力を加えられない構造部材よ
りも所定の軸方向荷重に対し遥かに低い圧縮応力を有す
ることを例証するための荷重−応力曲線図である。 10……燃料集合体、12……下部ノズル 14……構造部材、22……上部ノズル 30……被覆管 50……クリープ抵抗材料（ペレット）予備張力手段 52……ベロー型装置、60……皿ばね被覆管の封止・取付
手段 32……上部端栓、34……下部端栓 38……スタッド、40……スタッド 46……ナット、48……ナット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上部ノズルと、下部ノズルと、該上部ノズ
ル及び下部ノズル間に延在し且つ該上部ノズル及び下部
ノズルに取り付けられて、燃料集合体を一体のユニット
構造に形成する縦方向の複数の構造部材とを含み、該構
造部材のうちの少なくとも或るものは、前記上部ノズル
及び下部ノズル間に延在する細長い中空の被覆管と、該
被覆管の両端に固定されて、該被覆管を気密に封止する
と共に、該被覆管を前記上部ノズル及び下部ノズルに取
り付ける封止・取付手段とを含んでいる、原子炉炉心の
非制御棒位置で用いられる燃料集合体において、 (a) 前記被覆管内に配置され、照射で生じるクリープに
対し抵抗を有する或る量のクリープ抵抗材料と、 (b) 前記被覆管内に配置されて前記クリープ抵抗材料に
予め定められた圧縮荷重を加え、該圧縮荷重に対する反
作用として、典型的には前記燃料集合体の前記ユニット
構造を介して伝達される軸方向荷重を実質的に相殺する
のに十分な大きさの予備張力状態となるように前記被覆
管に予備荷重を加えることにより、前記構造部材の前記
被覆管における圧縮応力を大きく軽減する予備張力手段
と、を備えるように改良した原子炉炉心の非制御棒位置で用
いられる燃料集合体。