JPS61182592A - 原子炉の核燃料集合体 - 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】 先ｌへＬＬ 本発明は、原子炉に関し、特に燃料集合体に関係を有す
るものである。燃料集合体は、燃料棒を内部に支持し且
つ制御棒等を挿通する骨格構造体を含んでいる。この骨
格＃Ｉ構造体、上部ノズルと、下部ノズルと、これ等の
ノズル間に隔置された複数の卵詰枠状の格子ないしはグ
リッドとを含む。

これ等のグリッドは、相互に差し込まれたストラップか
ら構成されている。これ等のノズル及びストラップは、
ノズル間に延在する複数のシンプル管（その中の幾つか
は制御棒を受は容れる）によっ　　　。

て−緒に保持され、シンプル管にはグリッドが固定され
る。各燃料棒は、前記グリッドの列状に整列されたポケ
ットにおいて、対向位置関係に置かれたばねと四部との
間に保持されているや各ばねは、ポケットを画成するス
トラップの一部に設けられ、燃料棒を該ポケットを画成
する反対側のストラップの一部にある凹部と確実に係合
するように押圧している。燃料集合体は、原子炉の上部
及び下部炉心支持板間に装着されている。グリッド１７
及びシンプル管２０は燃料棒支持手段を構成する。

この明細書においては、本発明は、加圧水型の原子炉（
ＰＷＲ）に独特の形様で実施され組み込まれるものとし
て説明するが、他の型式の原子炉に対する本発明の実施
も本発明の均等範囲内にあると理解すべきである。

加圧水型原子炉の通常の運転中、各燃料集合体を流過す
る毎秒的１５ｍ（５０ｆｔ）の速度にも達することがあ
る冷却材の流れは、もし燃料集合体が拘束されていなけ
れば、燃料集合体を垂直方向に運動させる、即ち持ち上
げることになる相当大きな正味の上向き力を燃料集合体
に対して生じる。先行技術の教示によれば、前記の拘束
は上部ノズルに取り５付けられた複数の大きな板ばねに
よって行なわれる。これ等の板ばねは、上部炉心板によ
って圧縮され、燃料集合体の上向き力よりもある特定量
だけ大きな拘束力を生じる。ばねの反作用の力は、約６
８０乃至９０７＆ｇ（１５００乃至２０００１ｂ）にも
達し得る。ばねによって与えられるこの圧縮荷重は、上
部炉心板及びばねの放射線照射により生じる弛緩に対す
る燃料集合体の熱及び放射線照射による生長差の故に、
燃料集合体の使用期間において変化する。

板ばねは、コストが高く、上部ノズルの構造及び使用状
態を複雑化し、また、全体として燃料集合体の構造及び
使用状態も複雑化する。これ等の板ばねは、燃料集合体
を構成するために組み立てねばならない部品数と、燃料
集合体の使用中の保守とのあまりにも顕著な増加の原因
となる。板ばねは、上部ノズルの隅部に取り付けられる
が、隅部からある距離だけ離れて上部炉心板と係合する
ため、上部ノズルは板ばねにより及ぼされる大きな曲げ
荷重に耐えることができるように相当な厚さを持たなけ
ればならない。これに対応して、先行技術の燃料集合体
が収容できる燃料棒の長さは短くなる。板ばねは、例え
ば、燃料交換をして原子炉容器頭部が再設置された後の
ように、冷却材が流れていない時でさえ、上部炉心板及
び炉内上部構造に対して反作用による上向きの荷重を及
ぼず、この上向き荷重は、燃料交換後もしくは初めて原
子炉圧力容器の本体に対して頭部を固定するボルトの締
め付けを更に困難にする。板ばねの弾性及び寸法は、原
子炉における熱的条件及び中性子の照射によって大いに
影響される。従って、専ら板ばねにより生ずる下部炉心
支持板に対する下向きの荷重は、原子炉内の温度が変化
するに伴って通常の運転中に変化し、また、中性子の照
射の結果、原子炉の寿命中も徐々に変化する。

本発明の目的は、先行技術の上述した短所及び欠点の克
服にあり、また、原子炉の燃料集合体における重量の大
きな押さえばねを無くすことにある。

１哩匹」」 本発明によれば、冷却材が原子炉内を流過している間、
重量の大きな板ばねによって押さえ付けられる代わり＆
；、上部ノズルが原子炉の上部炉心支持板と係合関係と
なるように制御された状態で運動即ち浮動することが許
容される燃料集合体が提供される。熱及び照射の両方か
ら生じる燃料集合体の軸方向の延びを吸収するために必
要な最大間隙は、典型的には、約３．８ｃｍ（１イｉｎ
）である　（米国特許第４．０７８．９６７号明細書の
４欄２０〜２４行は、公差から生じる燃料集合体間の変
動値を含む燃料集合体の寿命初期の低温時及び野命終期
の高温時間の成長は約４３１ｃｍ（１７０ｉｎ）の長さ
の燃料集合体において約４．４ＣＩ（１１％　ｉｎ）と
している）。従って、燃料集合体は、冷却材の作用力下
で生じ得る最大運動量が長さ約３．８ｃｍ（１％　ｉｎ
）　（上記米国特許の事例では約４．４ｃｍ（１％１ｎ
））であるため、上部及び下部炉心板の内側表面間の距
離よりも約８．８ｃｉ（１％　１ｎ）（上記米国特許の
事例では１％ｉｎ）短くなければならない、燃料集合体
の側方への運動は常に整合ビン（Ｍ合手段）によって拘
束されている。このビンは、上部及び下部炉心板から延
びるのが典型的であり、上部ノズル及び下部ノズルに略
々同軸状に設けられている穴（燃料集合体整合手段）に
係合している。この構造は、前記ビンが上部ノズル及び
／又は下部ノズルから延び上部炉心板及び／又は下部炉
心板の穴と係合するように、逆にしてもよい。これ等の
ビン及び協働する穴は、燃料集合体の完全な運動を許容
するような長さのものでなければならない。本発明の一
面によれば、このビン及び穴のユニットは、穴内で摺動
可能であるビンがぴったり嵌合して、流動する冷却材の
作用下における振動を防止することを保証する手段を備
えている。燃料集合体の運動は、ビン及び穴の公差と、
下部ノズルの入口における横向流により生ずる運動との
ために、抑制されなければ生じることになる。このよう
に、上部ノズルにおけるばねは省かれる。荷重受はパッ
ドは、上部炉心板と接面するように、また、制御棒アセ
ンブリ、可燃性中性子吸収体等の如きインサートを受は
容れる隙間を上部ノズルの上方に与えるように、設けら
れている。

本発明の更に別の面によれば、仕様により要求される下
部炉心板に対する下方向の最小荷重が生じる。そのため
に、少なくとも１つのスナッバが下部ノズルと下部炉心
板との間に置かれている。

このスナッバは、下部ノズルに対して結合され、封止リ
ングを有し、ばねを装填した、流体作動ピストンを含ん
でいる。該ピストンは、下部ノズルにかかる作用力の下
でシリンダ内を摺動可能である。ピストンとシリンダと
の間には圧縮ばねがある。このばねは、上部ノズルが上
部炉心板と圧接するように燃料集合体が上方に流れる冷
却材の流力によって上方に動かされる時、設計仕様が要
求する作用力でシリンダを下部炉心板との係合状態に押
圧するのに丁度充分な力を出す。また、このばねは、所
要の最小荷重を下部炉心板に加えるような寸法となって
いる。典型的には、ばねは約２３乃至４５Ａｇ（５０乃
至１００　ｌｂ）の力を出すことができる。

冷却材は、高圧（約１４０Ａｇ／ｃｉ＋２（２０００ｐ
ｓｉ））下にあるため、前記シリンダ内に流入する。ス
ナッバのビス１−ンの運動は、シリンダ内の冷却材によ
って減衰される。

燃料集合体に働く揚力が無くなれば（冷却材の喪失）、
スナッバからの流体の漏れが燃料集合体の落下可能な速
度を制御する。長い落下時間を確保するように漏れを充
分に制限することができるし、或は落下を早めるため吐
出率を正確に制御するように小さな穴を封止リングに穿
孔することができる。制限された最大の垂直方向運動は
、隣接する燃料集合体にある構造的なグリッドが、該グ
リッドの隅部で干渉を生じるかも知れない高さの不整合
状態とならないことを保証する。これは、燃料集自体の
垂直方向の中心近くで最も重要である。整合ピンは、燃
料集合体の上部及び下部付近のこのような干渉を防止す
る０本発明の実施に際しては、燃料集合体は炉心内にあ
りながら運動するため、不測の運動の効果について考え
ておかねばならない、燃料集合体の予期される最初の上
方向の運動は、全ての制御棒を挿入した零出力時におい
て生じる。従って、原子炉の反応度・出力効果について
の問題は関係ない。例えば、幾本かの燃料集合体が予期
される時に上方向に運動せずに出力運転中に後で運動し
た場合でも、燃料集合体が上方に運動して制御棒をもつ
と長く囲むため燃料が上方に係留された制御棒に更に接
近するので、反応度を低下させる効果が出る。冷却材の
流れが減少する時の燃料集合体の反対方向の運動即ち降
下も運転上の問題を生じることはない、燃料集合体全て
の落下による反応度の最大増加量は小さい（２０ｐｅｍ
　、即ち出力の２％より小さい）、スナッバは、このよ
うな最悪の場合でさえ、増加が非常に遅く充分に保護系
の応動能力内にあることを保証する０通常、下方向の運
動は、原子炉が臨界未満になった後ポンプが停止される
時に生じる０本発明の実施に際しては、上部炉心板に対
する上向きの力を実際に減少させることができる。先行
技術の慣例によれば、押さえばねは実際に生じ得る最大
の上向き力よりも大きな下向き力を生じるような寸法と
なっている０本発明によれば、上部炉心板にかかる荷重
は、燃料集合体に加わる流体の揚力士スナッバのばねの
反作用力を越えることができない。下部炉内構造を下方
に押さえるための諸要件は、燃料集合体毎に充分な下向
き荷重を生じるようにスナッバのばね定数を選択するこ
とによって、満たすことができる。

本発明は下記の利点を有する。即ち、 １、上部ノズルの構造は、板ばね及びその装着機構を除
去することにより簡素化される。上部ノズルの厚さは、
典型的には毎秒的１５ｍ（５０ｆｔ）の速度で流れる冷
却材によって生じる板ばねの相当な圧力に耐えるように
上部ノズルを構成する必要がないため、減少する。

２、上部ノズルの厚さが減少するため、燃料棒の長さは
、燃料集合体の長さを増加することなく上述の厚さ減少
に対応して増加することができる。この長さの増加は、
約５　ＣＩ（２ｉｎ）にもすることが可能である。線出
力密度及び出力ビーキング係数はこれと対応して減少す
る。

３、板ばねが省かれるため、燃料交換中のように冷却材
の流れが遮断される時、上部炉内構造に対する上向き荷
重が無くなる。頭部を圧力容器の本体に取着するボルト
の締め付けは更に容易となる。

４、設計仕様により要求される如き予め設定される一定
の下向き荷重が下部炉心板に対しても加えられる。

５、スナッバのばねが板ばねよりも実質的に小さな力を
生じるような寸法となっているため（板ばねの約２２７
７ｇ（５００ｌｂ）に対して約２３乃至４５Ａ９（５０
乃至１００１ｂ）、放射線の影響度はずっと小さなもの
である。

本発明をその構成及び作動態様について、その他の目的
及び利点と共によく理解するために、添付図面に関する
以下の説明を参照されたい。

ゝｔ　　　の； 図面に示された装置は、核燃料集合体１１を含む原子炉
の一部である。この集合体１１は、上部ノズル１３と、
下部ノズル１５と、整列したポケット１９を画成するよ
うに卵詰め枠状に差し込まれたストラップから形成され
る複数の離間されたグリッド１フとから形成される骨格
構造体を含んでいる。上部ノズル１３、下部ノズル１５
及びグリッド１７は、これ等に結合されたシンブル管２
０によって剛な構造体として形成されている。燃料棒２
１は、各ポケットを画成するストラップ（図示せず）の
一部にあるばね（図示せず）と、このポケットを画成す
る反対側の各ストラップの一部にある凹部（図示せず）
とにより、整列したポケットに保持されている　（米国
再発行特許第３００４７号明細書参照）。

燃料集合体１１は、上部炉心支持板２３と下部炉心支持
板２５との間に配置される。これ等の炉心板２３．２５
は、原子炉の炉心バレル（図示せず）に結合される。

上部ノズル１３は、冷却材を流すための穴２９と、スパ
イダ３３から吊り下げられた制御棒３１が貫通する穴（
図示せず）とを有する底部を含む略々矩形状の横断面の
板状のものである。また、上部ノズル１３は、対角位置
に置かれ上方に延びる脚部３５．３７を有する。房部３
５には荷重受はパッド３９が設けられている０脚部（燃
料集合体整合手段）３７には軸方向の穴が設けられてい
る。上部炉心板２３は、穴に対して略々軸方向に延びる
整合ピン（整合手段）４１を有する。このビン４１は、
燃料集合体１１の予期される上方向及び下方向の全運動
を許容するに充分な長さを有する。

上部ノズルを構成する板は薄く、脚部３５．３７は先行
技術のノズルの対応する構成要素と比較して（ばねが無
いため）短い。この理由から、燃料棒を長くすることが
でき、先行技術の燃料集合体における燃料棒よりも長く
なる。

下部ノズル１５（第２図）は、冷却材を送るための穴４
５を有する略々矩形状の断面の頂部４３を有する。

対角方向に反対の位置にある脚部４フと４９は、頂部４
３から下向きに延びている。各脚部４７は、カップ状の
シリンダ５１（第３図及び第４図）を含むスナッバであ
り、倒置したカップ状のピストン５３が該シリンダ５１
内で摺動可能である。封止リング（０−リング）５５は
、ピストン５３の外側の摺動面内に埋設されている。圧
縮コイルばね５７は、シリンダ５１内で下向きの圧力を
出すようにピストン５３及びシリンダ５１と結合されて
いる。各脚部（燃料集合体整合手段）４９は円筒状の穴
５９（第５図）を有し、この穴の中に、下部炉心板２５
から延びる整合ビン（′ｉ１合手段）６１が略々同軸状
に延入している。保持ばね６３は、穴５９の内弄面とビ
ン６１間に挿置されている。この保持ばねは、ビン６１
が前記穴に対して摺動することはできるが、冷却材の横
方向の力により燃料集合体１１（脚部４９が延びている
）が振動するのを抑制するように、ビンが穴と嵌合する
ことを保証する。同様な保持ばね（図示せず）が、上部
炉心板のビン４１と上部ノズル１３の穴２９との間に設
けられている。

核燃料集合体１１を原子炉で使用する際、燃料集合体は
、冷却材循環ポンプ（図示せず）が運転されない原子炉
の停止条件において、第１図に示された状態にある。こ
の状態において、ピストン５３は燃料集合体の重量によ
ってシリンダ５１内に深く入っている。冷却材の圧力が
高いため、封止リング５５があるにも拘わらず冷却材は
ピストン下方のシリンダ内に流入してしまっている。上
部ノズル１３は、原子炉のこのような状態においては上
部炉心板から隔てられているが、ビン４１は穴２９に挿
入され、ビン６１は穴５９に挿入されている。冷却材循
環ポンプが運転されると、冷却材は、下部炉心支持板Ｚ
５、下部ノズル１５、核燃料集合体１１の内部、上部ノ
ズル１３及び上部炉心支持板２３内を上向きに流れる。

核燃料集合体１１は、冷却材の流力によって持ち上げら
れ、荷重受はバッド３９は上部炉心支持板２３の下面に
圧接する。ばね５７の作用力はシリンダ５１を下向きに
運動させ、その結果スナッバ４７が第２図に示される状
態をとる。ばね５７は、シリンダ５１を下部炉心支持板
２５の上面と係合させる。ばね５７は、シリンダにより
下部炉心支持板２５に働く圧力が要求される圧力となる
ような寸法に形成されている。保持ばね６３は燃料集合
体の振動を抑制する。

本発明の好適な実施例について開示したが、本発明の多
くの修正が可能である。本発明は、先行　　゛技術の精
神により必要とされる程度のものを除いて限定されるべ
きものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による原子炉の燃料集合体と、上部及
び下部炉心支持板に対する燃料集合体の関係とを示ず斜
視図、第２図は、下部ノズル及びその関連部分を示す部
分拡大斜視図、第３図は、第２図の線■−■における横
断面図、第４図は、第３図の線ＩＶ−ＩＶにおける縦断
面図、第５図は、第２図の線■−■における縦断面図で
ある。 １１・・・核燃料集合体　　１３・・・上部ノズル１５
・・・下部ノズル　　　２１・・・燃料棒１７・・・グ
リッド（燃料棒支持手段）２０・・・シンプル管（燃料
棒支持手段）２３・・・上部炉心支持板　２５・・・下
部炉心支持板３フ、４９・・・脚部（燃料集合体整合手
段）４１．６１・・・整合ビン（整合手段）４７・・・
スナッバ（脚部）５１・・・シリンダ５３・・・ピスト
ン　　　　５７・・・ばね出願人　ウェスチングハウス
・エレクトリック・コーポレーション 〜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 核燃料集合体に対する整合手段を各々が有する上部炉心
   支持板及び下部炉心支持板を備えた原子炉の核燃料集合
   体であって、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燃料棒を支持するため該上部ノズ
   ル及び下部ノズルに結合された燃料棒支持手段と、前記
   上部ノズル及び下部ノズルにおいて前記整合手段と協働
   して前記燃料集合体を整合させる燃料集合体整合手段と
   、前記下部ノズル及び前記下部炉心支持板の間に置かれ
   た少なくとも１つのスナッバとを備え、該スナッバは、
   シリンダと、該シリンダ内で摺動可能なピストンと、該
   ピストン及びシリンダに結合されて該ピストン及びシリ
   ンダ間に圧力を及ぼすばねとを含み、前記ピストンは前
   記下部ノズルに結合され、前記ばねの寸法は、前記燃料
   集合体に対して上向きの圧力が作用して前記上部ノズル
   を前記上部炉心支持板と係合させる時に、前記シリンダ
   が前記下部炉心支持板を設計仕様要件に従って要求され
   る比較的小さな作用力で前記下部炉心支持板と係合する
   に丁度充分な作用力を前記ばねが前記シリンダに及ぼす
   ように、形成されている原子炉の核燃料集合体。