JPS61120081A - 水排除棒 - 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】 この発明は一般的には原子炉に関し、特に、原子炉のた
めの改良された水排除棒に関するものである。

加圧水型原子炉における炉心の有効寿命を延ばすために
、従来知られた手段では、始動時に余剰反応度が炉心内
にあるように設計されている。勿論、この余剰反応度は
適切に制御されなければならず、その制御技術の一つと
して、中性子スペクトルの熱（高反応度）領域を犠牲に
して中性子スペクトルの熱外（低反応度）領域を増加さ
せる効果を有している初期スペクトルシフトを引き起こ
し、これによって熱中性子および核分裂を減少させ、次
いで、原子炉の延長運転中に核分裂が減少した際に、中
性子スペクトルの熱外領域を犠牲にして熱領域に反転シ
フトバックを行う、という技術が知られている。

この制御技術は、本来、減速材排除棒（水排除棒）の使
用を通して達成される。水排除棒は炉心内に配置され、
その名が示すように、炉心内の減速材である水のいくら
かをまず最初に排除し、それによって反応度を減少させ
るようになっている。

炉心サイクル中の成る時点であって、反応度が消費され
た場合に、これら水排除棒に係る減速水の排除が炉心か
ら解除され、減速量および炉心内の反応度のレベルが増
加されるようになっている。

水排除棒のいくつかの構成が米国特許第４，４３２゜９
３４号に開示されており、その水排除棒の一つは、例え
ばステンレス鋼から成る上部の第１の管と、例えばジル
カロイ−４から成る下部の第２の管とを具備しており、
これら第１および第２の管は中実のジルカロイ−４製の
棒の形をとる中間延長部材により互いに連結されている
。上部の管は、スパイダと螺合可能に取り付けられるエ
ンド・プラグによってその上端が密閉され、他方、下部
の管はその下端が弾丸状に形作られたエンド・プラグに
より密閉され、原子炉の燃料気合体における１本の案内
シンプル内に水排除棒を容易に挿入するようになってい
る。この水排除棒の一構成においては、下部の管は肉厚
が薄く、底端のエンド・プラグから棒状の中間延長部材
まで延びる環状のペレットの積重体を含んでいる。この
積重体は、原子炉の運転圧力下で管の陥没を防止するた
めに、管の構造上の支持をなしている。また、ペレット
は中空構造の代わりに中実にすることもできる。

別の構成として、原子炉の圧力下で陥没を防止するため
に、下部の管は肉厚が厚くされ且つ不活性ガスで圧力が
かけられるようにすることもできる。

更に別の構成では、水排除棒はペレットの積重体の代わ
りにばねを有している。いずれの場合にも、水排除棒は
、燃料鶏舎俸の中に挿入された際に原子炉の冷却減速材
を排出することができる低中性子吸収棒として構成され
ている。

以上のような従来の水排除棒の全ては、その設計対象で
ある特定の運転状態の範囲下では良好に作動するが、構
造上の状態が色々と僅かに変形された際にも燃料集合体
において普通に用いられ得る場合を増すように、水排除
棒の設計において改良を行う必要がある。

この発明の主目的は上記必要性を満足するように設計さ
れた改良された水排除棒を提供することにある。従って
、この発明は、細長い中空の密閉された管状部材と、こ
の管状部材内で端部と端部とが接するように積み重ねら
れた複数個のペレットから成り、前記ペレットの少なく
とも過半数の各々が、内部の空所を構成する中空の実質
的に円筒形の本体を有し、各ペレットの内部の空所が封
鎖されると共に積み重ねられた状態における隣合うペレ
ットの内部の空所と分離されている水排除棒にある。

この発明の改良された水排除棒を導き出す設計活動は、
いくつかの重要な課題を明らかにした。

第１に、水排除棒は、ねじりや曲げのように軸線方向に
やや変形されるようになっている構造を有している燃料
気合体におけるものであっても、水排除棒の軸線方向の
動きを許容するのに十分な柔軟性を備えるべきである。

第２に、水排除棒から熱を除去するのに必要とされる中
性子を減速させるための冷却材の流量を最小限に維持す
べきである。第３に、炉心内の核ピーキング係数を更に
正確に算出するために、水排除棒のいずれにも冷却材が
入っていないと仮定できなければならない。

上記３つめ課題の各々は、この発明の水排除棒の基礎と
なり、この発明の水排除棒によって十分に処理される。

以下に説明されるように、水排除棒の十分な柔軟性と陥
没に対する耐久性を与えること、水排除棒の過熱を避け
るために冷却材の流れを増加させる必要性を小さくする
こと、および、隣合う燃料棒における核ピーキングを小
さくすること、という課題が全て満足いく態様にて処理
される。

第１に、水排除棒の柔軟性は、水排除棒の慣性モーメン
トを減らすことによって、増すことができる。水排除棒
の慣性を小さくするための最も実際的な方法は、水排除
棒において薄い被覆部材や管を用いることである。そし
て、肉厚の薄い管を使用した場合には、外圧によって管
が押し潰されないように、その中に何等かの部材を設け
ておく必要がある。管内のペレットの積重体を用いた場
合、管の強度を増大させるが、その柔軟性に悪影響を与
えることはない、これに対し、内側に別の薄い管を使用
した場合には、外側の管の陥没に対する耐久性を向上さ
せるが、その柔軟性は減少する。

第２に、水排除棒から熱を除去しガンマ線過熱作用によ
る表面沸騰を防ぐのに必要とされる冷却材の流量を小さ
くするために、第１の課ＸＩ（柔軟性と陥没に対する耐
久性）を満足すべく選ばれたペレットの質量が最小にさ
れなければならない。

中空または環状のペレットの使用が、管の柔軟性と陥没
に対する耐久性に悪影響を与えることなく、ペレットの
質量を最小にする実際的な方法である。

第３に、何等かの付加的な処置が取られないならば、肉
厚の薄い管の使用は、被覆破損の可能性を増大させ、従
って当然に水排除棒内への冷却材の侵入の可能性を増大
させ、更に、中空の環状ぺレッドの使用は、それらが水
排除棒内の空所に冷却材を流通させ、これによって実質
的にピーキング係数を増加させるという問題点を形成す
る。

各ペレットの中央部または内部の空所を個々に密閉する
ようにしたこの発明は、水排除棒における肉厚の薄い管
が破損した場合でさえも、管内の全ての空所に実質的に
冷却材を侵入させない、更に、内部の空所を有するペレ
ットにおいてその空所を密閉するために設けられたエン
ド・ウェブが、水排除棒に沿って軸線方向に間隔を置い
て並べられた位置にて、径方向の支持を与える。これに
よって、柔軟性に悪影響を与えることなく、また、その
全質量をひどく増加させることなく、水排除棒の陥没に
対する耐久性を高める。

この発明の好適な実施例が、添付図面を９照にして、単
に例示として以下に述べられるであろう。

以下の説明において、同−書照符号は図面において同一
または相当部分を示し、「前方」、ｒ後方」、「右側」
、「左側」、「上方」、「下方ｊ等の語は便宜上用いら
れており、限定的な語として解されるべきではない。

ここで図面、特に第１図において、いくつかの燃料気合
体１０．１０Ａ、１０Ｂが、上部炉心支持板１２および
スパイダ組立体１４と共に示されており、上部炉心支持
板１２は燃料集合体の上に配置されると共に横方向に延
びており、スパイダ組立体１４は上部炉心支持板１２の
上に配置されている。

燃料集合体１０Ａ、ＩＯＢを含む炉心の全燃料気合体の
代表として、燃料気合体１０について簡単に述べるなら
ば、燃料気合体１０は、下部炉心支持板（図示しない）
上に燃料気合体１０を支持する下端構造、即ち下部ノズ
ル１６と、この下部ノズル１６から上方に向かって縦に
突き出している複数の案内シンプル１８と、案内シンプ
ル１８に沿って軸線方向に互いに間隔が置かれている複
数の横向きのグリッド２０と、互いに横方向に間隔が置
かれ且つグリッド２０によって支持されている系統たて
て配列された細長い燃料棒２２と、燃料気合体１０の中
央部に配置されている計測管２４と、案内シンプル１８
の上端に取り付けられる上端構造、即ち上部ノズル２６
とから、基本的に構成されている。燃料鶏舎体１０は、
構成部材に損傷を与えることなく好適に取り扱われ得る
一体構造を、前記配列で形成している。

各燃料棒２２は核燃料ペレット（図示しない）を具備し
、その両端は端栓（図示しない）により閉じられている
。核燃料ペレットは核分裂性物質から作られ、原子炉に
おいて生み出される反応出力の源に相当する。水や、ホ
ウ素を含む水のような液状の減速材（冷却材）が、有益
な働きを生む目的で炉心の燃料集合体１０から熱を収り
出すために、燃料集合体１０を介して上方に汲み上げら
れる。

炉心内における全燃料気合体の上を横切って延びている
上部炉心支持板１２は、そこを貫通して延びる冷却材の
流れのための複数の孔２８を有している。これら孔２８
の少なくともいくつかは、案内シンプル１８と同軸に配
置されており、水排除棒３０（第１図に１本だけ示され
ている）を孔２８に通し、孔２８と同軸に配置された案
内シンプル１８の中に挿入できるようになっている。こ
の水排除棒３０はスパイダ組立体１４に連結されており
、スパイダ組立体１４は、上部炉心支持板１２における
孔２８を介してそれぞれの案内シンプル１８内に水排除
棒３０を降ろしていき、水排除棒３０が案内シンプル１
８から冷却材を排除するように、原子炉の運転中におけ
る所定時に作動する。

上述したように、まず最初に水排除棒３０は減速材（冷
却材）を排除するために炉心に挿入され、それによって
炉心の反応度を減じる１次いで、炉心サイクルにおける
やや後半の時点にて、反応度が消費された場合に、減速
量を増大させて炉心の反応度のレベルを大きくするため
に、水排除棒３０が炉心から取り出される。

水排除棒３０が所期の目的に十分に適合できるようにす
るために、炉心内で生じる非常に高い圧力（例えば１５
０気圧に達するかもしれない）に好適に耐える高い可能
性を有するように水排除棒３０を設計することを第１の
目標とすべきである。

しかしながら、高い外圧に耐えるように特別に設計され
た水排除棒が破損する場合があると仮定するならば、水
排除棒が破断した場合に、減速材（冷却材）である水が
殆ど或は全く水排除棒に入り込まないようにすることを
、第２の目標とすべきである。この発明による改良され
た水排除棒３０は、上記２つの設計目標を満足する。

第２図を特に参照にすると、この発明による水排除棒３
０は、基本的に、細長い中空の密閉された管状部材３２
と、内部に装填されたペレット３４の積重体とを具備し
ている。管状部材３２は肉厚の薄い金属性の被覆部材ま
たは管３６によって形成され、管３６の両端はエンド・
プラグ３８．４０により密閉されている。上部のエンド
・プラグ３８は、上方に延びる柄部材４２が一体的に形
成されており、柄部材４２は、スパイダ組立体１４に水
排除棒３０を連結するために外面にねじが切られた端部
４４を具備している。下部のエンド・プラグ４０は円錐
状である。ペレット３４、管３６およびエンド・プラグ
３８．４０はジルカロイ材から全て作られることが望ま
しい。

各水排除棒３０におけるペレット３４の少なくとも過半
数は第２図から第５図に示される構成を有しており、各
ペレット３４は円筒形の本体４６を有し、本体４６は管
３６内に同心に装填されると共に中央の空所（内部空所
）４８を構成するように中空となっている。この中空の
ペレット３４の使用によって、ペレット３４の付加によ
り水排除棒３０の重さに加わえられる質量は最小にされ
る。

ペレット３４の本体４６の両端をそれぞれ横切っている
一対のエンド・ウェブ５０．５２が空所４８を密閉して
いる。このように構成されているペレット３４は、管３
６内に積み重ねられた場合に、２つの機能を果たす、即
ち、ペレット３４は管３６の陥没に対する耐久性を増大
させ、管３６に裂は目が生じた場合に、中性子を減速さ
せる原子炉冷却材で管３６内が満たされるようになるこ
とを防止する。これは、管３６が破断したとしても、原
子炉冷却材が入り込む管３６の隙間が殆ど或は全くない
ように中空のペレット３４が管３６の容積を占め、ペレ
ット３４の内側の空所４８が密閉されているからである
。このように、この発明による水排除棒３０は、要する
に、水排除棒３０内への減速材（冷却材）の侵入に対し
て２重の防壁を備えている。

ジルカロイ製のペレット３４における本体４６と一方の
エンド・ウェブ５０は、所望の外径を有する研摩された
棒状片に、空所４８を形成する中央の穴を穿設すること
によって、形成される。そして、他方のキャップ状また
は円盤状のエンド・ウェブ５２は、ジルカロイ製の薄板
材から打ち抜かれ、溶接突起５４５：形成するように作
られる（第６図）、そして、本体４６とキャップ状のエ
ンド・ウェブ５２は、ペレット３４の両端に力と電流を
与えるように用いられる溶接ヘッド５６による等の従来
の方法を用いることによって、互いに抵抗溶接される。

また、他の手段でらウェブ５２を本体４６に取り付ける
ために用いられることは可能である。

エンド・ウェブ５０．５２を使用することによって、ペ
レット３４は、ペレット３４の各端部にエンド・ウェブ
５０．５２によって与えられるような径方向の支持を与
える中実の端部を具備していない完全な環状または管状
のペレットよりも、肉厚を薄くすることができ、外圧に
対する耐久力も大きくすることができる。ＰＪ単に述べ
るならば、内部の空所４８を有し、且つ、この空所４８
を密閉するエンド・ウェブ５０．５２を有している環状
のペレットの本体４６は、水排除棒３０の質量を最小に
し、陥没に対して管３６を強化し、管３６が破断した場
合に水排除棒３０が絶対に浸水しないようにしている。

第７図から第１１図はペレット３４の変形例を示してい
る。第７図において、ペレット５８は２個の同一の半体
から構成されており、各半休は、思い本体部材６０と、
その一端に一体的に形成されたエンド・ウェブ６２とを
具備している。この２個の本体部材６０はそれぞれの開
口端部６３にて互いに溶着されており、溶着されたペレ
ットの半体によって構成された空所６４を密閉している
。

第８図に示されているペレット６６は、第４図のペレッ
ト３４とほぼ同一であるが、後に溶接７０によって密閉
される通路６８を介して導入された不活性ガスで空所６
７が予め加圧されている、という特徴を有している。予
め加圧することによって、ペレット６６は更に肉厚を薄
くすることができ、ペレット３４の場合と同じ大きさの
外圧に耐えることができる。

第９図に示されているペレット７２におけるエンド・ウ
ェブの各々は、ペレット３４のキャップ状のエンド・ウ
ェブ５２と同じキャップ７４または円盤である。キャッ
プ状のエンド・ウェブ５２の場合と同様に、電気溶接等
によって、各キャップ７４は中空の本体７６の各端部に
取り付けられる。

第１０図は、第７図のペレット５８と同じ形式であるが
ペレット５８よりも長いペレット７８を示しでいる。こ
のペレット７８は、一端に一体的に形成されたエンド・
ウェブ８２を有する中空の管状の本体８０からそれぞれ
成る２個の同一の部材から作られており、２個の部材は
密閉された空所８３を構成するようにそれぞれの開口端
部にて互いに溶着されている。

最後に、径方向の支持を与える一体的なエンド・ウェブ
８８を備えているがキャップ状のエンド・ウェブ５２を
有していないペレット３４とほぼ同一のペレット８４が
第１１図に示されている。

個々のペレット８４の内部の空所８６は一端にて開いて
いるが、複数個のペレット８４を水排除棒３０内にて端
部と端部とを接触させるようにし且つ全てのペレット８
４を同じ方向に向けて積み重ねると、各ペレット８４の
エンド・ウェブ８８が積み重ねた状態における隣接のペ
レット８４の開口端部に接触し、このようにして実質的
に内部空所８６を密閉している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、垂直方向に短縮された形で示された燃料気合
体の一部と、上部炉心支持板と、上部炉心支持板の上の
スパイダ組立体とを示す炉心の部分正面図、第２図はこ
の発明の一実施例の水排除棒の垂直方向に短縮した部分
断面拡大図、第３図は第２図の３−３線に沿っての水排
除棒の断面図、第４図は第２区の水排除棒における肉厚
の薄い管に装填されたペレットの一つの縦断面図、第５
図は第４図の５−５線に沿っての断面図、第６図はペレ
ットの本体にエンド・ウェブを取り付ける前のペレット
を示す第４区と同様な図、第７図から第１１図は、それ
ぞれ、この発明に従った水排除棒に用いるために適して
いるペレットの別の実施例を示している０図中、 １０＋燃料気合体、３０：水排除棒、 ３２：管状部材、　３４．５８，６６．７２．７８．８
４：ペレット、３６：管、　　　　３８．４０：エンド
・ウェブ、４６．６０．７６．８０　：本体、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、線長い中空の密閉された管状部材と、該管状部材内
   で端部と端部が接するように積み重ねられた複数個のペ
   レットとから成る、核燃料集合体の水排除棒において、 前記ペレットの少なくとも過半数の各々（３４；５８；
   ６６；７２；７８；８４）が、内部空所（４８；６４；
   ６７；８３；８６）を構成する中空の実質的に円筒形の
   本体（４６；６０；７６；８０）を有し、前記各ペレッ
   トの内部空所が封鎖されると共に積み重ねられた状態に
   おける隣接のペレットの内部空所から分離されているこ
   とを特徴とする水排除棒。 ２、内部空所を有しているペレットが、積み重ねられた
   状態における隣接のペレットの内部空所を互いの側から
   密閉するエンド・ウェブ（５０；５２；６２；７４；８
   ２；８８）を有していることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の水排除棒。 ３、内部空所を有するペレットの少なくとも数個（３４
   ；５８；６６；７２；７８）が、それぞれ、前記ペレッ
   トにおける中空の円筒形の本体の各端部を密閉する２つ
   のエンド・ウェブ（５０；５２；６２；７４；８２）を
   有していることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   の水排除棒。 ４、内部空所を有するペレットの少なくとも数個（３４
   ；６６）が、それぞれ、前記ペレットにおける中空の円
   筒形の本体（４６）と一体的に形成されたエンド・ウェ
   ブ（５０）を一端に有し、他端に前記ペレットにおける
   中空の円筒形の本体に密着されるキャップとして形成さ
   れたエンド・ウェブ（５２）を有していることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項または第３項記載の水排除棒
   。 ５、一端に一体のエンド・ウェブ（５０）を有する中空
   の円筒形の本体（４６）は、他端側から内部に形成され
   ると共にペレット（３４；６６）の内部空所（４８；６
   ７）を構成する軸線上の穴を有している１本の棒状部材
   であることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の水
   排除棒。 ６、内部空所を有するペレットの少なくとも数個（７２
   ）が、両端にて、前記ペレットにおける中空の円筒形の
   本体（７６）に密着されるキャップとして形成されたエ
   ンド・ウェブ（７４）を有していることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項または第３項記載の水排除棒。 ７、両端にキャップを有する各ペレット（７２）におけ
   る中空の円筒形の本体（７６）が１本の管であることを
   特徴とする特許請求の範囲第６項記載の水排除棒。 ８、内部空所を有するペレットの少なくとも数個（５８
   ；８０）が、それぞれ、前記ペレットにおける中空の円
   筒形の本体（６０；８０）と一体的に形成されたエンド
   ・ウェブ（６２；８２）を両端に有していることを特徴
   とする特許請求の範囲第２項または第３項記載の水排除
   棒。 ９、両端に一体のエンド・ウェブ（６２；８２）を有す
   る各ペレット（５８；８０）が２本の棒状部材から形成
   され、前記各棒状部材は、一端側のみから形成された軸
   線上の穴を有すると共に、前記両棒状部材の軸線上の前
   記穴が互いにペレットの内部空所（６４；８３）を形成
   するように他方の棒状部材の対応する端部に密着される
   前記一端を有していることを特徴とする特許請求の範囲
   第８項記載の水排除棒。 １０、内部空所（８６）を有するペレットの少なくとも
   数個（８４）が、それぞれ、前記ペレットにおける中空
   の円筒形の本体と一体的に形成されたエンド・ウェブ（
   ８８）を一端に有すると共に、開口している他端（９０
   ）を有し、開口端部を有する各ペレットは、前記開口端
   部が積み重ねられた状態における隣接のペレットのエン
   ド・ウェブと接して閉じられるように向けられて積み重
   ねられていることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載の水排除棒。 １１、開口端部を有する各ペレット（８４）は、前記ペ
   レットの他端側のみから形成された軸線上の穴を有する
   １本の棒状部材から作られていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１０項記載の水排除棒。 １２、内部空所を有するペレットの少なくとも数個（６
   ６）が予め加圧された前記内部空所を有していることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項から第１１項いずれか
   １項記載の水排除棒。