JPH09511337A - 核燃料棒用の高さの低いスペーサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 スペーサが、複数のフェルールを含んでおり、これらのフェルールは、互いに溶接されて構造的健全性を有しているマトリクスを形成し、燃料棒を燃料バンドル内に位置決めしている。各々のフェルールは、フェルールの一方の側に沿った一対のストップと、フェルールの相対向する側に沿った中央開口とを有している。中央の架橋部品を挟んでいる開口を有している細長い平坦なばねが、ばね開口がフェルールの開口の上下にあるフェルールのバンド部を受け入れるような状態で、フェルールの外側エッジに沿って配設されている。中間の架橋部品は、隣接したフェルールを押圧しており、これにより、ばねの両末端部が、１つのフェルール内の燃料棒を押圧すると共に、相対向するストップに対して燃料棒を偏圧する。このようにして、フェルール／ばね構造によって、フェルールの材料の量が減少し、これにより、構造的健全性を犠牲にすることなく性能が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】 核燃料棒用の高さの低いスペーサ 技術分野 本発明は、核燃料棒用のスペーサに関し、具体的には、最小限のスペーサ材料 を有する結果として燃料バンドルの性能に対して最小限の影響しか与えない高さ の低いスペーサに関する。 背 景 原子炉、例えば沸騰水型原子炉においては、開放端を有する管状の流路チャン ネル内に核燃料棒が一群にまとめられており、これを典型的には燃料集合体又は 燃料バンドルと呼ぶ。炉心には複数の燃料集合体がマトリクス状に配置されてお り、冷却材又は減速材が蒸気を発生するために燃料棒の周囲を上方に流れる。燃 料棒は、平行に並んだ配列を成して上部タイプレートと下部タイプレートとの間 に支持されている。原子炉運転中の燃料棒の屈曲又は振動を抑制するために、燃 料バンドルに沿った所定の高さの所にスペーサが用いられている。 典型的なスペーサはしばしば、複数のフェルールを含んでおり、これらのフェ ルールは、並んだ関係に配設されていると共に、例えば互いに溶接することによ り固定されて、核燃料棒用のスペーサ内支持マトリクスを形成している。一般に 、各々のフェルールは、円周状に隔設された突起 （protuberance）と、この突起に対してフェルールの相対向する側に沿ったばね アセンブリとを含んでおり、ばねアセンブリは、各々の燃料棒を中心合わせする と共に突起に対して偏圧し、これによりスペーサを横切る方向について燃料棒を 互いに固定された関係に保持している。一般に、燃料バンドル内でのスペーサの 役割は、最高の性能を得るように燃料棒を位置決めすること、並びに運用及びシ ッピングのような装荷関連事象中に燃料棒集合体を保護することにある。しかし ながら、スペーサ自体は、スペーサの断面が水又は減速材のバンドルを貫通する 流動を妨げるという意味で、バンドル性能に対する妨害物となる。理想的なスペ ーサは、バンドル性能（熱水力学、限界出力の面での）に対して最小限の影響し か与えず、他方ではそれでも尚、燃料棒を所期の位置に拘束すると共に保護する ものである。従って、最適なスペーサは、可能な限り小さな断面を有し、最小量 の材料を用いたものであると同時に、燃料棒を位置決め及び保護するための構造 上の要件を満たすものでなければならない。 発明の開示 本発明によれば、フェルールを用いて、核燃料棒を燃料バンドル内で所期の配 列を成すようにして捕獲すると共に保持するスペーサが提供される。フェルール を用いる理由は、フェルールが、他の考えられる断面形状と比較して優れた構造 的健全性を有しているからである。本発明に従ってフェルールの高さを低くする ことにより、フェルールの 構造的健全性を保持したまま、他方では同時に、スペーサに用いられる材料の量 が大幅に減少する。やはり材料の量の減少した単独ばねが、各々のフェルールに ついて、且つフェルールの内側表面に沿って形成されている一対のストップに相 対向するフェルールの側に沿って配設されている。ばねは、板ばねを構成してお り、この板ばねは、フェルールの相対向するエッジの上下に伸びており、又、燃 料棒に係合すると共に燃料棒をストップに対して偏圧する上部接触点及び下部接 触点を有している。ばねの中央部は、フェルールの中央開口内に伸びていると共 に、隣接したフェルールに向かって相対向する方向に突出している。このように 、１つのフェルールに溶接されている隣接したフェルールが、ばねに反作用力を 提供しているので、ばねは、この１つのフェルール内でそのストップに対して燃 料棒を偏圧する。即ち、ばねは、１つのフェルールの相対向するエッジの上下の 位置で燃料棒に係合すると共にばねに反作用力を提供するように隣接したフェル ールに係合することにより燃料棒を１つのフェルール内に予め装荷している。こ のようにして、本フェルール構造は、最小限の材料と、最小限の断面と、必要な 構造上の要件とを具備するというスペーサの要件を満たす。 本発明による好適な実施例では、核燃料バンドル内でスペーサを貫通している 複数の核燃料棒のマトリクスを間隔を空けた関係に保持するのに有用なスペーサ のためのサブアセンブリが提供されている。このサブアセンブリは、互 いに隣接して位置しており、それぞれの核燃料棒を受け入れる第１のフェルール 及び第２のフェルールを備えている。各々のフェルールは、フェルールの一方の 側に沿った一対の燃料棒接触点であって、フェルール内で燃料棒を当接させる一 対の燃料棒接触点と、この一方の側に相対向しているフェルールの側に沿った開 口とを有している。サブアセンブリは又、ばねを備えており、このばねは、平面 内に位置しているばね本体であって、平面の一方の側に突出している相対向する 両末端部を有しているばね本体と、両末端部の間にある中央部であって、平面の 相対向する側に突出している中央部と、中央部の相対向する両側にある開口であ って、中央部と両末端部との間にある開口とを含んでいる。ばねは、中央部が第 １のフェルールの中央開口内にあると共に第２のフェルールを接触点の間で押圧 し、第１のフェルールのうち開口の相対向する両側にある第１のフェルールの部 分がばねのそれぞれの開口内に伸び、両末端部が第１のフェルールの相対向して いる上部エッジ及び下部エッジを超えて伸びて、第１のフェルールを貫通する燃 料棒を直接押圧すると共に第１のフェルールの前記一方の側に沿った接触点に対 して燃料棒を偏圧する状態で、各フェルールの間に配設されている。 本発明によるもう１つの好適な実施例では、上部タイプレートと下部タイプレ ートとの間で核燃料棒のマトリクスを間隔を空けた関係に保持するスペーサが提 供されている。このスペーサのアセンブリは、スペーサ内に燃料棒を受け 入れる隣接したフェルールのマトリクスを備えている。各々のフェルールは、フ ェルールの一方の側に沿った一対の燃料棒接触点であって、フェルール内に燃料 棒を当接させる一対の燃料棒接触点と、前記一方の側に相対向しているフェルー ルの側に沿った開口とを有している。このスペーサ・アセンブリは又、複数のば ねを備えている。各々のばねは、平面内に位置しているばね本体であって、平面 の一方の側に突出している相対向する両末端部を有しているばね本体と、両末端 部の間にある中央部であって、平面の相対向する側に突出している中央部と、中 央部の相対向する両側にある開口であって、中央部と両末端部との間にある開口 とを含んでいる。各々のばねは、中央部が隣接したフェルールのうちの１つのフ ェルールの中央開口内にあると共にこの１つのフェルールの開口の相対向する両 側にある１つのフェルールの部分がばねのそれぞれの開口内に伸びている状態で 、フェルールの隣接した対の間に配設されている。 従って、本発明の主要な目的は、核燃料バンドルの核燃料棒用の新規で改良さ れたスペーサであって、スペーサの高さを低くすると共にその断面を最小限にす る、従って、スペーサ材料を減少させながら、他方では同時に燃料棒を所定位置 に保持するのに必要な構造的健全性を提供することにより、性能を向上させるこ とのできるスペーサを提供することにある。 図面の簡単な説明 図１は核燃料バンドルを側面から見た立面図であって、説明を容易にするため に一部を除去して断面を示す図である。 図２は本発明のフェルール及びばねアセンブリを示すスペーサの平面図であっ て、説明を容易にするために一部を除去した図である。 図３は図２のスペーサを側面から見た立面図である。 図４は一対の隣接したスペーサ・フェルールの拡大断面図である。 図５は図４に示すフェルールを側面から見た立面図である。 図６は各々のフェルールと共に用いるためのばねの拡大遠近図である。 図７はばねを末端から見た立面図である。 図８はばねを前方から見た立面図である。 図９はばねを側面から見た立面図である。 図１０は個々のスペーサ・フェルールの拡大遠近図である。 図１１は個々のスペーサ・フェルールを側面から見た立面図である。 図１２はフェルールの断面図である。 本発明の実施に最良の態様 ここで図１を参照すると、同図には、上部タイプレート１４と下部タイプレー ト１６との間に支持された複数の燃料要素又は燃料棒１２を含んでいる核燃料集 合体が、まと めて参照番号１０を付して図示されている。燃料棒１２は、燃料バンドルに沿っ て垂直に間隔を空けた位置にある複数の燃料棒スペーサ１８を貫通している。ス ペーサ１８は、細長い燃料棒１２を互いに対して間隔を空けた関係に保持すると 共に燃料棒を横方向の振動について拘束するための中間支持部を形成している。 図１及び図２に関しては、１０×１０配列の燃料棒が開示されている。しかしな がら、本発明は、異なる数の配列、例えば８×８配列の燃料棒にも適用され得る ことが認められよう。 各々の燃料棒１８は、細長い管状の被覆材料で形成されており、管内には核燃 料及びその他の物質が端栓によって封入されている。下部端栓は、下部タイプレ ート１６内に形成された中孔に整合しており、他方、上部端栓は、上部タイプレ ート１４内の空所内に配設されている。加えて、燃料棒集合体はチャンネル２０ を含んでおり、チャンネル２０は、チャンネル、各タイプレート、燃料棒及びス ペーサを含めた核燃料バンドルを取り外すことができるように、上部タイプレー ト、下部タイプレート及びスペーサに被せて滑り嵌めを形成するような寸法の実 質的に正方形の断面を有している。 ここで図２に移ると、同図には、本発明に従って構成されているスペーサ１８ であって、複数の個々のフェルール２２とばね２４とを有しているスペーサ１８ が図示されており、各々のフェルールは、付設されたばねを有している。フェル ール２２は、正方形のマトリクスを成して配設され ており、このマトリクス内において、各々のフェルールは、燃料棒を受け入れて いると共に燃料棒を隣接した燃料棒に対して間隔を空けて拘束された状態に保持 している。ばねに相対向しているストップ２６に対して燃料棒を横方向に偏圧す る目的で、各々のフェルールにばねアセンブリ２４が配設されており、これによ り、燃料棒は互いに対して所定の位置でスペーサ１８内に保持されている。各々 のスペーサ１８は又、内向きの上部流動タブ３０を備えた周縁バンド２８を含ん でいる。 ここで図４及び図５を参照すると、各々のスペーサ・フェルール２２は、全体 的に円筒状の構成を有している。各々の円筒状フェルールの壁には、円周状に間 隔を空けた位置に、フェルールの一方の側に沿って窪みが設けられており、内向 きのストップ２６を形成している。ストップは、フェルールの高さに沿って軸方 向に間隔を空けた位置に設けられることもできるが、このストップ２６は、フェ ルールの全長に伸びていることが認められよう。図１０〜図１２に最もよく示さ れているように、各々のフェルール２２は、ストップ２６に相対向している中央 開口３０を含んでいる。開口３０は、開口の上下のバンド部３２によって挟まれ ている。前述のように、フェルールは、各々のスペーサの側面部３４が、隣接し たスペーサのバンド部３２に係合している状態でスペーサ１８内に対称に配設さ れている。又、フェルールの相対向する両側面（側面部３４及びバンド部３２と ９０°を成しているフェルールの両側面）は、 互いに係合している。好適には、フェルールは、スペーサ１８内でフェルールの 係合区域において互いに溶接されている。 ここで図６〜図９を参照すると、フェルール２２の各々と共に用いられるばね ４０が図示されている。ばね４０は、平面を画定していると共に平面内に位置し ている両脇部４２を有している平坦な板ばね本体４１を含んでいる。相対向して いるばね両末端部４４は、ばねを横切って伸びており、相対向している両脇部４ ２の間を結合していると共にばね４０の相対向している両末端で平面の一方の側 に突出している。両末端部４４の各々において、関連したフェルール２２内で燃 料棒に係合させるために、外向きに突出した凸ディンプル（小突起）４６が設け られている。ばね４０の全長の実質的に中間に、ばね４０を包含している平面の 相対向する側に突出した中間架橋部品又は中央部４８が設けられている。架橋部 品４８は、平面に向かって突出した凸形状のディンプル５０を有している。架橋 部品４８に隣接した相対向する両側に、一対の突出部又は突起５２が設けられて おり、これらの突起５２は、両末端部品４４と同じ平面の側にあって、平面から 突出している。図８を詳しく検討すると、架橋部品４８及び両末端部品４４は、 架橋部品４８の相対向する両側にある一対の開口５４であって、架橋部品４８、 両末端部品４４及び両脇部４２によって境界付けられている一対の開口５４を画 定するように、互いに隔設されていることが認められよう。架橋部品４８ は、この架橋部品４８がフェルールの開口３０内に受け入れられることを可能に するような高さ寸法を有している。加えて、突起５２は、図４に示すように、こ れらの突起が開口３０の相対向する両サイドのエッジに隣接してフェルール２２ の外側表面に係合するように、互いに間隔を空けてばねの相対向する両側に沿っ て位置している。ばね４０内の開口５４は又、フェルール開口３０の上下でフェ ルール・バンド部３２を受け入れるような寸法を有していることが認められよう 。 スペーサ内では、前述のように、フェルール２２は互いに溶接されてスペーサ 内で構造的健全性を提供している。隣接したフェルールは、ばねを所定位置に置 いた状態で互いに固定されている。即ち、ばねは、組み立てに先立って、両脇部 ４２が開口３０を挟んでいると共に架橋部品４８が開口３０内に配設された状態 で配置されている。両脇部４２は、両方のフェルールに対して外側に位置してい ると共に、突起５２は、開口３０の相対向する両サイドに隣接して１つのフェル ールの外側表面に係合している。この構成では、図５に示すように、両末端部４ ４は、フェルール２２の上部エッジ及び下部エッジの上下にそれぞれ位置してい ることが認められよう。このように、突起４６は、フェルールの上下で燃料棒に 係合していると共に、燃料棒を相対向しているストップ２６に対して偏圧してい る。ばねの架橋部品４８は、隣接したフェルール２２のストップ２６の間の部分 ３４を押圧しており、このようにして、１つの フェルール２２の燃料棒を押圧しているばね４０に反作用力を提供している。 結果的に、個々のフェルールは、高さを低くすると共にフェルール材料の量を 最小限にしながら、しかも燃料棒を取り巻いて位置決めする構造的健全性を保持 していることが認められよう。典型的なスペーサでは、フェルールの高さ対直径 比は．８〜．４の範囲内であり、好適には、高さ対直径比は約．６である。高さ Ｈ及び直径Ｄの寸法は、図１１に示してある。 現時点で最も実用的で且つ好適な実施例であると考えられる事柄と関連させて 本発明を記載してきたが、本発明は、ここに開示した実施例に限定されるもので はなく、逆に、請求の範囲の要旨に包含される種々の改変及び均等構成を網羅し ているものと理解されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョハンソン，エリック・バーティル アメリカ合衆国、86301、アリゾナ州、プ レスコット、シエリー・ピークス・ドライ ブ、1391番 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 核燃料バンドル内で当該スペーサを貫通している複数の核燃料棒のマト リクスを間隔を空けた関係に保持するのに有用なスペーサのためのサブアセンブ リであって、 互いに隣接して位置しており、それぞれの核燃料棒を受け入れる第１のフェル ール及び第２のフェルールであって、各々のフェルールは、該フェルールの一方 の側に沿った一対の燃料棒接触点であって、該フェルール内で燃料棒を当接させ る一対の燃料棒接触点と、前記一方の側に相対向している該フェルールの側に沿 った開口とを有している第１のフェルール及び第２のフェルールと、 平面内に位置しているばね本体であって、該平面の一方の側に突出している相 対向した両末端部を有しているばね本体と、該両末端部の間にある中央部であっ て、前記平面の相対向する側に突出している中央部と、該中央部の相対向する両 側にある開口であって、前記中央部と前記両末端部との間にある開口とを含んで いるばねとを備えており、 前記ばねは、前記中央部が前記第１のフェルールの前記中央開口内にあると共 に前記第２のフェルールを前記接触点の間で押圧し、前記第１のフェルールのう ち前記開口の相対向する両側にある該第１のフェルールの部分が前記ばねのそれ ぞれの開口内に伸び、前記両末端部が前記第１のフェルールの相対向している上 部エッジ及び下部エッジを超えて伸びて、前記第１のフェルールを貫通している 燃料棒を直接押圧すると共に前記第１のフェルールの前記一方 の側に沿った前記接触点に対して該燃料棒を偏圧する状態で、前記フェルールの 間に配設されているスペーサのためのサブアセンブリ。 ２． 前記ばねは、位置決め用の一対の突起を含んでおり、該一対の突起は、 前記第１のフェルールの外側の壁に沿って係合して前記ばねを前記第１のフェル ールと前記第２のフェルールとの間の所定位置に保持している請求項１に記載の サブアセンブリ。 ３． 前記第１及び第２のフェルールの相対向した前記エッジは、前記ばねの 前記両末端部の間の寸法よりも小さい軸方向の寸法を画定している請求項１に記 載のサブアセンブリ。 ４． 前記第１のフェルールは、０．８〜０．４の範囲内のＨ／Ｄの比を有し ており、ここで、Ｈは、該フェルールの前記上部エッジと前記下部エッジとの間 の該フェルールの高さであり、Ｄは、前記第１のフェルールの直径である請求項 １に記載のサブアセンブリ。 ５． 前記Ｈ／Ｄの比は、約０．６である請求項４に記載のサブアセンブリ。 ６． 前記第１及び第２のフェルールは、０．８〜０．４の範囲内のＨ／Ｄの 比を有しており、ここで、Ｈは、該フェルールの上部エッジと下部エッジとの間 の該フェルールの高さであり、Ｄは、該フェルールの直径である請求項１に記載 のサブアセンブリ。 ７． 前記第１及び第２のフェルールの各々のＨ／Ｄの 比は、約０．６である請求項６に記載のサブアセンブリ。 ８． 前記接触点は、前記フェルールの側面に沿っている窪みであって、相対 向した前記エッジの間で前記フェルールの軸方向の全長に伸びている窪みを含ん でいる請求項１に記載のサブアセンブリ。 ９． 上部タイプレートと下部タイプレートとの間で核燃料棒のマトリクスを 間隔を空けた関係に保持するスペーサであって、該スペーサのアセンブリは、 該スペーサ内に前記燃料棒を受け入れる隣接したフェルールのマトリクスであ って、各々のフェルールは、該フェルールの一方の側に沿った一対の燃料棒接触 点であって、該フェルール内に燃料棒を当接させる一対の燃料棒接触点と、前記 一方の側に相対向している該フェルールの側に沿った開口とを有している隣接し たフェルールのマトリクスと、 複数のばねであって、各々のばねは、平面内に位置しているばね本体であって 、該平面の一方の側に突出している相対向した両末端部を有しているばね本体と 、該両末端部の間にある中央部であって、前記平面の相対向する側に突出してい る中央部と、該中央部の相対向する両側にある開口であって、前記中央部と前記 両末端部との間にある開口とを含んでいる、複数のばねとを備えており、 該ばねの各々は、前記中央部が前記隣接したフェルールのうちの１つのフェル ールの前記中央開口内にあると共に該１つのフェルールの前記開口の相対向する 両側にある該 １つのフェルールの部分が前記ばねのそれぞれの前記開口内に伸びている状態で 、前記フェルールの隣接した対の間に設けられているスペーサ。 １０． 各々の前記ばねの前記両末端部は、前記フェルールの上部エッジ及び 下部エッジを超えて伸びており、前記フェルールのそれぞれ上下の位置で前記燃 料棒に係合している請求項９に記載のスペーサ。 １１． 各々のフェルールは、０．８〜０．４の範囲内のＨ／Ｄの比を有して おり、ここで、Ｈは、該フェルールの上部エッジと下部エッジとの間の該フェル ールの高さであり、Ｄは、該フェルールの直径である請求項９に記載のスペーサ 。 １２． 前記Ｈ／Ｄの比は、約．６である請求項１１に記載のスペーサ。 １３． 各々の前記ばね本体は、横方向に隔設された一対の両脇部を含んでお り、該ばね本体の該両脇部は、前記両末端部が該両脇部を相互連結していると共 に前記フェルール内に伸びている状態で該フェルールの外部に設けられている請 求項９に記載のスペーサ。 １４． 前記ばねの前記両脇部は、該ばねを前記フェルールの間の所定位置に 保持するように該フェルールの外側側面に沿って係合する突起を含んでいる請求 項１３に記載のスペーサ。 １５． 前記フェルールの相対向した前記エッジは、前記ばねの前記両末端部 の間の前記寸法よりも小さい軸方向 の寸法を画定している請求項９に記載のスペーサ。