JPH0769448B2 - 沸騰水型原子炉用上部タイプレート - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、沸騰水型原子炉の燃料バンドル（燃料集合
体）に関する。特に、沸騰水型原子炉燃料バンドル用の
改良された上部タイプレートが開示される。

＜発明の背景＞ 従来技術にかかる沸騰水型原子炉用の燃料バンドルは、
標準構造を有する。この構造は、下部タイプレート、上
部タイプレート、およびこれらのタイプレート間に支持
された複数本の密封燃料棒のマトリックスを含む。これ
らの燃料棒は、水蒸気発生のための必要臨界反応を支持
するために密封管内に核燃料ペレットを内蔵している。

下部タイプレートと上部タイプレートとの間の燃料バン
ドル全体は、流れを拘束するチャネルによって包囲され
ている。このチャネルは、通常、その横断面が正方形で
あり、金属（ジルカロイと称する合金であることが好ま
しい）で作られている。減速水は、燃料バンドルの下端
から燃料バンドルの上端へ流れる。水は、下部タイプレ
ートを通ってチャネル内へ流入し、直立した燃料棒間を
移動する。水および発生水蒸気は、燃料棒間においてチ
ャネル内から流出し、上部タイプレートを通って流出す
る。

下部タイプレートおよび上部タイプレートは、いずれも
周知の２つの機能を有する。

第１に、これらのタイプレートは、垂直に延び並列され
た関係で直立する密封燃料棒の支持ポイントである。通
常、上部タイプレートは、複数個の燃料棒支持ポイント
の上部マトリックスを形成する。これらの支持ポイント
のうち約８個の内部へ、対応する雄ねじを備えたタイロ
ッド端部取付具が配置される。タイロッド（上記燃料棒
の残りと類似な燃料を内蔵する）は、下部タイプレート
の対応する個所への取付けのために、その下端にねじ部
に形成されている。

同様に、下部タイプレートは、複数個の燃料棒支持ポイ
ントの下部マトリックスを形成する。これらの下部支持
ポイントは、ほとんどが上部タイプレートの上部支持ポ
イントに対応する。これら下部支持ポイントの約８個に
は、ねじ孔が設けられている。これら８個の支持ポイン
トは、上部タイプレートの孔に対応する。下部タイプレ
ートのこれらのねじ付き支持ポイント内へ、いわゆるタ
イロッドのねじ付き下端部が配置される。このようにし
て、２枚のタイプレートは、タイロッドによって一体に
結合される。

燃料バンドルのチャネルは、両タイプレート間で燃料棒
を包囲する。このチャネルは、必要な減速水の流れを両
タイプレート間に制限された流路に局限する。

上記両タイプレートの第２の機能は、流体が燃料バンド
ルに対して流入し流出するのを許容する複数個の孔を画
成することである。具体的には、下部タイプレートは、
複数個の個別燃料棒支持ポイント間に冷却水の流入を許
容する複数個の孔の第１マトリックスを画成する。この
冷却水は、反応により生成された高速中性子を減速し
て、反応を持続させる低速もしくは熱中性子を生じるよ
うに機能する。同時に、冷却水がチャネル内を燃料バン
ドルに沿って上方へ通過するにつれ、冷却水の一部は水
蒸気に変えられる。この水蒸気（および水蒸気にならず
に液相のままの冷却水）は、上部タイプレートを通過し
て流出しなければならない。結果として、上部タイプレ
ートは、その燃料棒支持ポイントの相互間に複数個の孔
のマトリックスを形成する。この上部タイプレートの孔
は、燃料バンドルからの水蒸気−水二相混合物の流出を
許容する。

燃料バンドルは、定期的にいわゆる原子炉の「運転停
止」中に取り換えられ、および／または点検されなけれ
ばならない。運転停止のとき、原子炉の中央蒸気発生炉
心の上部部品が取り外されて、しゃへい水を通って炉心
に接近できるようになる。このような「運転停止」中
に、原子炉容器の炉心の各部は、取り外され、点検さ
れ、および／または取り換えられる。放射線消滅水浴に
浸漬される炉心の燃料バンドルは、該燃料バンドルのハ
ンドルもしくはベール（bail）を把握することにより取
り外され、点検のため取り換えられる。言うまでもな
く、ベールは、燃料バンドルの上端において、燃料バン
ドルを取り外すときに吊り下げた状態で燃料バンドルの
全重量を支持するための支持ポイントを画成しなければ
ならない。同時に、ベールは、燃料棒の有効長を妨害し
ないように最小限の大きさを占めなければならない。し
たがって、ベールは、燃料バンドル取扱い装置が燃料バ
ンドルのベールを把持できるように保持されている。

燃料バンドルがベールのところで支持されると、燃料バ
ンドルの全重量はベールを介して担持される。この重量
は、燃料棒の重量、上部タイプレートの重量、下部タイ
プレートの重量およびチャネルの重量を含む。

流れを局限するチャネルの支持は、従来、上部タイプレ
ートによって行われていた。通常、持ち上げ用のベール
は、正方形断面の上部タイプレート上の一組の対角線上
の隅部において上部タイプレートに固定されていた。ま
たチャネルは、上部タイプレートの対角線上の隅部にお
いて支持されていた。したがって、燃料バンドルを炉心
から持ち上げる際、チャネルの荷重は、片持ち支持され
た上部タイプレートを介して該チャネルから上部タイプ
レートの隅部へ伝達され、それからハンドルまたはベー
ルを介して上部タイプレートの取付け点へ伝達されてい
た。当然、上記荷重を伝達するのに十分な強度の上部タ
イプレートを作ることが必要であった。

上部タイプレートの構造は、支持された燃料棒の使用期
間中の相異なる膨張に対して備えをしなければならない
という規定によって、さらに制限されていた。具体的に
は、使用期間中の燃料棒は、相異なる量長くなる。この
伸びは、燃料棒の放射線誘発「成長」もしくは膨張を含
む多くの誘因によるものである。

従来技術において、この避けられない燃料棒の相異なる
伸びのために必要な寸法は、上部タイプレートへのチャ
ネルクリップ取津個所の真下に取らなければならなかっ
た。結果として、チャネルクリップ取付個所および使用
期間中の燃料棒の相異なる膨張のために必要な下部寸法
は、互いに干渉していた。この干渉は、従来技術におい
ては、燃料バンドル内に保持された燃料棒の全長を短く
することにより解決されていた。これにより使用期間中
の燃料棒の相異なる膨張のために必要十分なスペースが
与えられるが、燃料バンドルの上端における燃料棒の設
計が、燃料棒の長さを短縮したことによって制約を受け
るようになった。

ここで、この背景部で示す従来技術は後述の本発明に関
連したもののみを示していることを理解されよう。

＜関連技術＞ 米国特許第5,112,570号（特開平２−12087号）明細書に
は、部分長の棒を使用する燃料バンドルが開示されてい
る。後述する本発明の実施例においては、本発明により
改良上部プレートを上記のような部分長の棒と共に使用
するのが好ましい。上記米国特許明細書に開示された燃
料バンドルは、９×９配列の燃料棒の配列体を含む。後
述のことからさらに明らかになるように、複数本の部分
長の棒は、各全長の棒が部分長の棒または中央水管に隣
接するように配列されている。結果として、上記開示に
おいては、部分長の燃料棒の上方にある複数のマトリッ
クス位置の上部タイプレートからの省略が開示された。

＜発明の要約＞ 沸騰水型原子炉用燃料バンドルにおける改良した上部タ
イプレートが開示される。上部タイプレートは燃料バン
ドル内に存在する。燃料バンドルは上部タイプレート、
下部タイプレート、両タイプレートに支持された密封燃
料棒マトリックス、および包囲用のチャネルを含む。下
部タイプレートおよび上部タイプレートは２つの機能を
有する。両タイプレートは該両タイプレート間およびチ
ャネル内に直立状態で燃料棒を支持して、減速冷却材が
チャネルの下端からチャネル内を通過して上端へ移動で
きるようにする。この減速冷却材は、液体として下部タ
イプレートを通過して、直立の燃料棒のマトリックス内
へ流入し、燃料バンドルの上端において水−水蒸気混合
物として上部タイプレートを通過して流出する。本発明
の改良は、上部タイプレートを介しての片持ち支持の代
りに、ベールに荷重を直接伝達するために燃料バンドル
持ち上げ用のベールから直接にチャネルを支持すること
を含む。この直接支持により、燃料バンドルから流出す
る水蒸気／水相の圧力降下を低減するために燃料棒の上
方に存在するマトリックスの一部を除去することが可能
となる。さらに、この整列により、より長い燃料棒のた
めの複数個のタイプレート支持ポイントの位置を上昇さ
せることが可能となる。この結果、燃料バンドルの性能
が改良される。

＜本発明の目的、特徴および利点＞ 本発明の目的は、圧力降下を低減して水−水蒸気混合物
を燃料バンドルの上端から流出させるように減少した面
積を有する上部タイプレートを提供することである。し
たがって、上部タイプレートは、タイロッドおよび直立
の燃料棒のための支持格子を形成する。この支持格子
は、部分長の燃料棒の上方にある部分を省略した状態で
９×９配列に構成されている。上部タイプレートと一体
のボスは、ベールの端部から、燃料バンドルを包囲する
チャネルを直接懸架し支持する。結果として、上部タイ
プレートの質量は、燃料チャネルの片持ち支持に必要な
材料分だけ低減される。これに伴って、上部タイプレー
トの横断面積が低減される。流出する水蒸気および水
は、上部タイプレートを通過する時の圧力降下が小さく
なる。

本発明の他の目的は、より長い燃料棒に対して使用し得
る上部タイプレートおよび露出した燃料バンドル取扱い
用ベールを提供することである。この本発明の目的のた
め、ベールは上部タイプレートへの取付個所のすぐ上
に、チャネルを支持し取付けるための２個の上方に突出
するボスを有する。これらボスの横断方向の位置は、種
々に伸びる燃料棒との干渉を低減または除去し、それに
より同様に上部タイプレートの位置を上昇させ、対応す
る燃料棒を長くすることができる。燃料棒の全長を増大
させることができる燃料バンドルが提供される。

燃料棒の長さを長くする利点は、燃料の設計に融通性が
得られることである。この融通性により、燃料棒に充填
される燃料の量を増大して燃料サイクルのコストを改善
し、放出される核分裂気体を収容するためにガスプレナ
ムの長さを増大し、燃料棒伸びの差に対する許容差を増
大することができる。

本発明の他の目的は、特徴および利点は、以下の説明お
よび添付図面から一層明らかになろう。

＜実施例＞ 第１図には、代表的な燃料バンドルＦが示されている。
第１図に示された燃料バンドルは、炉心から持ち上げら
れた状態で示されている。燃料バンドルは、下部タイプ
レートＬ、従来の上部タイプレートＵを含み、該従来の
上部タイプレートＵにはその離隔した対向隅部において
ベールＢが取付けられている。第１図に示される具体例
によれば、複数本の燃料棒Ｒは、８×８配列で配置され
ている。燃料棒Ｒは下部タイプレートＬから上部タイプ
レートＵに至る全長に亘って延びている。上記燃料棒の
うちの特定の燃料棒は両端においてねじが形成されてお
り、下部タイプレートにあるねじ孔に螺合し、また同様
に、上部タイプレートＵの上の対応したねじ孔付き六角
形ナットと螺合し、それにより直立した燃料棒Ｒを一体
構造として固定する。約８本の、いわゆるタイロッド
は、上部および下部タイプレート間において取付ポイン
トを構成し、燃料棒の残り（50本以上）は、両タイプレ
ート間において、これらの燃料棒を捕捉する寸法に形成
され且つ必要な使用期間中の膨張を許容する孔の中に捕
捉されている。

燃料バンドルは、正方形横断面であることが好ましい。
燃料バンドルは、対応する正方形断面図のチャネルＣに
よって包囲されている。チャネルＣは、上部タイプレー
トＵに適合して取り付けられることが必要である。

この目的のために、２個のクリップＫが設けられてい
る。第１クリップＫは、隅部16においてハンドルと対角
線上で対向する。破断して示された第２クリップは、隅
部16と対向する隅部18上にある。図から理解できるよう
に、ハンドルは、それぞれの隅部12および14において取
付けられている。通常、隅部16にある一方のクリップ
は、ボルト33によって上部タイプレートＵの支柱Ｐに固
定されている。ボルト33の真下に垂下するアニュラス37
が設けられている。このアニュラスは、下の燃料棒40と
ボルト33の最下端部との間に空間を作る。

原子炉技術の当業者には、燃料バンドルの使用期間中
に、棒40のような直立の燃料棒Ｒが燃料バンドルに対し
て長さ方向に膨張する可能性があることが知られてい
る。この膨張は、主として燃料ペレットと被覆との間の
相互作用による。ボルト33におけるバンドル30の取付け
のために、遊動距離を与えることが必要である。この距
離はアニュラス37において得られ、棒40の上端が上部タ
イプレートに取付けたボルト33に対して近づいたり離れ
たり動くことができるようにする。

従来技術にかかる上部タイプレートの構造を要約して述
べたので、今度は、燃料バンドルがベールＢによって持
ち上げられる時に受ける諸力について説明する。

ベクトル50によって示されているように、ベールＢが持
ち上げられたとき、チャネルの支持が生じなければなら
ない。通常、チャネルの重量は、上部タイプレートＵ全
体を介して隅部16および18から伝達される。この伝達
は、ハンドル取付ポイント30,32,41および42から上部タ
イプレートＵへ行われる。

チャネルの全重量は、45.36kg（＝100ポンド）程度であ
る。結果として、必然的に片持ち支持となる上部タイプ
レートを横切る距離が相当存在するので、上部タイプレ
ートＵの断面は、片持ち支持荷重の伝達に十分な強さを
有しなければならない。片持ち支持荷重の伝達は、上部
タイプレートの厚さの増大を必要とする。これに対応し
て、この上部タイプレートの厚さの増大は、燃料バンド
ルから流出する水−水蒸気に対する抵抗となる。この増
大した流体抵抗は、燃料バンドルの設計において特に望
ましくない特徴である、燃料バンドルの上端でのいわゆ
る二相圧力降下を増大させる。

以上、従来技術について述べたので、本発明の好適な実
施例について説明する。

第２図には、本発明の改良上部タイプレートＵ′が示さ
れている。改良上部タイプレートの重要性の全てを理解
するために、まず、燃料バンドル内の或る部分長燃料棒
Ｒ′について説明する。その後、部分長燃料棒Ｒ′に対
応する上部タイプレートＵ′のマトリックスについて説
明する。追加の考案として、大きな中央ウォータロッド
Ｗの構造について説明する。最後に、改良ベールＢ′へ
のチャネルＣの取付けについて説明する。時々、第3A
図、第3B図および第3C図の平面図および側面図を参照す
る。

前掲米国特許第5,112,570号明細書に、部分長燃料棒が
説明されている。部分長燃料棒は、燃料バンドルＦの約
2/3の長さだけ延びている。そのような燃料バンドルＦ
中の燃料棒は、９×９のマトリックスで配列されている
ことが望ましい。

燃料バンドルＦの全長に沿って７個のスペーサが分散し
て配置されている。観る者の便宜のために、第２図にお
いて、燃料バンドルＦの下端から５番目のスペーサであ
るスペーサS₅が図示されている。

このスペーサS₅は、通常、部分長燃料棒Ｒ′の終端点で
ある。

燃料チャネルＣの側部から少なくとも１列内側に部分長
燃料棒Ｒ′を配置することが第２図に示された９×９配
列において望ましいことが判明した。したがって、９×
９配列の周辺にあるものは、全て全長燃料棒である。こ
れらの全長燃料棒は、観る者の便宜のために、第２図の
斜線図において省略されている。これにより、観る者
は、燃料バンドルの中心に向って外から２列目を見るこ
とができる。部分長燃料棒Ｒ′が配置されるのは、この
２列目である。

内側への２列目を調べると、観る者は、３本の部分長燃
料棒Ｒ′が２列目に存在していることが分かる。このよ
うな配置により、各全長燃料棒は、部分長燃料棒と隣り
合わせに配置される。

上記の関連開示に述べられているように、多数の利点が
実現される。これらの利点の中に、以下に説明する上部
タイプレートＵ′の格子構造がある。

上部タイプレートＵ′を参照すると、燃料棒の９×９配
列に対応して設けられることがわかる。特に、フェルー
ル60は、上部タイプレートＵ′の周縁の全周に亘って連
続した９×９配列を成している。

部分長燃料棒の位置はいずれの方向においても２列目に
来ると記述することができる。具体的には、格子位置2,
2（２列目、２行目）:2,5:および2,8において、上部タ
イプレートＵ′は部分長燃料棒Ｒ′の上方に位置するも
のとして理解されよう。この場合、これらの個所にある
格子位置は占拠されないままである。

この非占拠は部分長燃料棒Ｒ′の結果であり、本発明は
これに基づく直接的に生じる。本発明は、この開示から
必然的に生じたものではない。

また、上記のような燃料バンドルは、大きな中央ウォー
タロッドＷを含む。各ウォータロッドの端部を受入れる
フェルール70および72が第２図に示されている。

従来の格子の記述法を使用すると、フェルール位置4,5:
4,6:5,4:5,55,6;6,4:および6,5は、２個のフェルール70
および72により置換されている。

部分長燃料棒を使用した好適な実施例の説明を完全に終
えたので、次に、上部タイプレートの構成について説明
する。

第3A図には、本発明の上部タイプレートＵ′が示されて
いる。

まず、タイプレートは、複数個のロッド支持個所60を含
む。ロッド支持個所60は、本発明で使用された全長燃料
棒ＲおよびウォータロッドＷの各々の上方にそれぞれ位
置する。既に説明したように、部分長燃料棒の上方に位
置するマトリックスの全個所は空であり、ウォータロッ
ドの上方に位置するマトリックスの７個所は、２個のフ
ェルールのみによって占められている。

つぎに、上部タイプレートは、複数個のタイロッド位置
決め個所66を含む。そのようなタイロッド位置決め個所
は、８個存在する。これらのタイロッド位置決め個所
は、格子位置1,3:1,7:3,1:3,9:7,1:7,9:9,3:および9,7
に存在する。下部タイプレートＬおよび上部タイプレー
トＵ′を結合するのは、これらのロッドである。

３番目に、第3B図および第3C図の断面図を参照して、チ
ャネルクリップＫおよび上部タイプレートＵ′へのハン
ドルまたはベールＢの取付けを説明する。

まず、ベールＢは、通常通り、上部タイプレートＵ′と
一体部分として鋳造される。ベールの下部85および86
が、直接、上部タイプレートへ取付けられていることが
理解できる。

ついで、ベールの一方側にあるアーム88と他方側にある
アーム87からチャネル支持ボス89および90が突出してい
る。これらの部材には、ボルト94を受入れるためにねじ
孔92が貫通して形成されている。ボルト94は、チャネル
Ｃの全側部に従来通り固着されたクリップＫを直接固定
する。したがって、チャネルＣの荷重は、直接、クリッ
プＫ、各アーム87および88を介して、ベールＢの２つの
側部85および86に伝達される。これにより、上部タイプ
レートを介する上記荷重の伝達は、もはや生じない。

また、ボルト94の位置は、上側であるが、マトリックス
の隅部の支持個所60′から水平方向においてずれている
ことが理解できる。したがって、番号92で示されたねじ
孔の位置に関して、隅部の支持個所60′内に保持された
燃料棒が伸縮または移動しても、ボルト94に対する干渉
は減少するか、または生じない。

上記のような干渉の防止により、各燃料棒Ｒは、従来技
術の燃料棒よりも与えられた設計において長くすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第1A図は、従来技術の燃料バンドルの上部の斜視図であ
り、従来技術のベールの取付け、上部タイプレートの支
柱から上部タイプレートを介した上部タイプレートの対
向隅部とハンドルとの交差部へのチャネル荷重の伝達、
ならびに燃料棒の膨張および燃料チャネルクリップの上
部タイプレートへの取付けに必要な空間を示す。 第1B図は、チャネルクリップの取付ポイントにおける従
来技術の上部タイプレートの部分図である。 第２図は、燃料バンドルの上部に固定された本発明の上
部タイプレートの斜視図であり、ベールのボスから直接
的なチャネルへの取付け、ベールへのチャネルの荷重の
伝達、および上部タイプレートの下側横断面の縮小を示
す。 第3A図、第3B図および第3C図は、それぞれ、改良した上
部タイプレートおよびベールの平面図、側面図、ならび
にベールの側面図であり、長くできるようにされた燃料
棒および縮小された上部タイプレート断面を示す。 ［主な符号の説明］ B,B′：ベール、 C:チャネル、 R,R′：燃料棒、 U,U′：上部タイプレート、 60:フェルール、 66:タイロッド位置決め個所、 87,88:アーム、 89,90:チャネル支持ボス。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直立する複数本の燃料棒のマトリックスの
   各燃料棒を並列関係に支持するために複数個の燃料棒支
   持ポイントからなる第１のマトリックス画成し、燃料バ
   ンドルを横断する平面内に配置された下部タイプレート
   であって、更に、前記第１のマトリックスと干渉しない
   関係にあって、減速冷却材が当該下部タイプレートを通
   過して上記燃料棒間を上方へ流れるのを許容する複数個
   の冷却流開口からなる第２のマトリックスを画成してい
   る下部タイプレートと、 直立の上記燃料棒のマトリックスの各燃料棒を並列関係
   に支持のために対応する複数個の燃料棒支持ポイントか
   らなる第１のマリックスを画成し、燃料バンドルを横断
   する平面内に配置された上部タイプレートであって、更
   に、該第１のマトリックスと干渉しない関係にあって、
   減速冷却材から生じた水蒸気が上記燃料棒から上記上部
   タイプレートを通過して流れるのを許容する複数個の冷
   却流開口からなる第２のマトリックスを画成する上部タ
   イプレートと、を含み、 上記燃料棒のマトリックスは、上記上部および下部タイ
   プレート間にあって、該両タイプレート間で、上記上部
   および下部タイプレートの支持ポイントの対応する第１
   のマトリックスの個所内に正確に位置合せされていて、
   かつ上記燃料棒のうち複数の燃料棒は、上記上部および
   下部タイプレートを一体に結合するように機能するよう
   にされていて、 更に、燃料バンドルの上部に支持され、上記下部タイプ
   レートから上記燃料棒マトリックスを通って上記上部タ
   イプレートの外へと至る局限された流体通路を画成する
   ように上記下部タイプレートまで吊り下がったチャネル
   と、 上記上部タイプレートに取付けられたベールであって、
   当該ベールを把持することにより上記燃料バンドルを上
   昇および下降させるベールとを含む燃料バンドルにおい
   て、 上記上部タイプレートの平面より上方において上記ベー
   ルに直接取付けられた第１および第２の支持ポイントを
   有し、 これらの支持ポイントは、上記ベールを上記チャネルへ
   直接取付けるために配置され、それにより、上記チャネ
   ルの荷重が、上記上部タイプレートから独立して上記ベ
   ールへ直接伝達されて、上記チャネルによる上記上部タ
   イプレートへの荷重を減少させ、このため上記上部タイ
   プレートの断面を対応して減少させて、上記上部タイプ
   レートを通って上記チャネル上方へ流出する水蒸気−冷
   却水に対する抵抗を減少できるようにした燃料バンド
   ル。
2. 【請求項２】上記チャネル支持ポイントから位置ずれし
   て、上記上部タイプレートの上記マトリックス内に複数
   個のフェルール個所を含み、上記フェルール個所は、上
   記チャネル支持ポイントの下方に位置する支持された燃
   料棒の一端の軸方向移動を可能とする請求項１に記載の
   燃料バンドル。
3. 【請求項３】上記下部タイプレートから上記上部タイプ
   レートの方へ延びるが、上記上部タイプレートに達しな
   い長さを有する複数本の部分長燃料棒を含み、上記上部
   タイレート内の複数個のマトリックス個所が、上記部分
   長燃料棒に対応する個所で空である請求項１記載の燃料
   バンドル。
4. 【請求項４】上記複数個のマトリックス個所と関連して
   いて、上記下部タイプレートから上記上部タイプレート
   の方へ延びて、単一のフェルールと係合して上記上部タ
   イプレートにて終端する少なくとも１本のウォータロッ
   ドを含み、上記上部タイプレートの上記マトリックス個
   所が、上記ウォータロッドと関連するマトリックス個所
   において空であり、上記単一のフェルールにより置換さ
   れている請求項３記載の燃料バンドル。