JPS6138835B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉用燃料集合体に関し、より詳
しくは、原子炉の作動中に生じることのある燃料
集合体の横方向の変形又は湾曲の程度を減少する
ために、燃料集合体に設けられた構体に関する。

現在の加圧水型原子炉（PWR）におけるほぼ
200個ほどの燃料集合体の各々は、例えば、外形
が20×20×410cm（８×８×160インチ）程度の寸
法である燃料棒の矩形の列からなつている。中性
子経済を向上するため、燃料集合体のすべての構
成要素はジルカイロで形成することが最も好まし
い。しかし、それに反して、燃料集合体を支持す
る原子炉容器の内部構体は、例えば304型ステン
レススチールにより形成される。

原子炉の作動中、燃料集合体に作用する力は、
燃料集合体の構体に若干の横方向の歪みを起こす
傾向がある。このような歪みの総量に許容される
唯一の上限は、燃料集合体間の横方向の間隙の総
和に相当する。すべてがジルカロイ製の構体を有
する燃料集合体は、ステンレススチール製又はイ
ンコネル製の構体を有するものより、このような
歪みを生じ易い。なぜなら、ジルカロイは、弾性
係数が低く、照射状態で、ステンレススチールや
インコネルよりも大きな割合で曲がる傾向がある
からであり、これによつて、ある一定の原子炉燃
料サイクルより短い期間内に、若干湾曲形を呈す
ることになる。このような歪みは、燃料交換を煩
雑にすることになるので好ましくなく、かつこの
ような歪みは、燃料集合体間における不均一な冷
却水間隙によつて、局部出力密度に若干の変化を
もたらすことになる。

隣接する燃料集合体間の正常な横方向の間隙寸
法は、燃料集合体のスペーサグリツドの外径によ
つて決定される。ステンレススチール又はインコ
ネル製のグリツドと比較した場合、ジルカロイ製
のグリツトは、燃料集合体の湾曲に関し、２つの
顕著な相違点を有している。まず第１に、ジルカ
ロイ製グリツドの初期の間隙は、照射によつて引
き起こされる横方向のふくらみの許容分を含ませ
ておかなければならないことである。そうしなけ
れば、照射された燃料集合体間の間隙は、燃料交
換時に個々の燃料集合体の抜き取りおよび挿入が
困難になるほど小さくなつてしまう。第２に、ス
テンレススチール製容器の内部構体とジルカロイ
製グリツドとの間の熱膨張の差により、間隙が作
動温度でかなり（約50％まで）増大し、これによ
つて、作動時により大きく湾曲できる空間を形成
することになる。

燃料集合体の中央の面の近傍に１個又はそれ以
上のステンレススチールはインコネル製のグリツ
ドを使用することにより、湾曲を減少させること
が提案されてきている。このようなグリツドは湾
曲を制限するであろうが、２つの理由により、こ
れは決して望ましい解決策とはいえない、第１の
理由は、たとえ１個のジルカロイ製グリツドを１
個のステンレススチール製のものと取り替えたと
しても、寄生的中性子吸収が増大するからであ
る。第２の理由は、ジルカロイに対してステンレ
ススチールの方が横方向の硬度が大きく、このこ
とが、ステンレス製グリツドの横方向の間隙が小
さいことと関連して、地震による振動又は冷却材
欠損のような事故状態に付随する衝撃負荷をステ
ンレス製グリツドに集中し、そのために、非常に
強度の強いグリツドとしなければならないという
必要性が生じるからである。

本発明は、ジルカロイ製の構造を有する燃料集
合体において生じ得る集合体の湾曲量を極めて減
少させるものであり、これは、非常に小さな量の
ステンレススチール製の横方向支持構体を、各燃
料集合体内に、バイメタル製スペーサグリツドの
形で、炉心の中央面近傍に位置するように導入す
ることによつて達成される。本発明の要点は、ス
テンレススチール部分の物質的性質および構造上
の性質が、平常作動時の外力等により湾曲するこ
とを防止するのには十分であるが、中性子経済
上、又は地震解析上のいずれにおいても重大な逆
効果とはならないようにしたことにある。

スペーサグリツドは、燃料棒の列を緊密に取り
囲む互いに向き合つた薄肉金属板からなる周囲片
を有している。剛質のステンレススチール製の横
材は、互いに向き合つた周囲片の内面間に延在し
ている。実施例においては、周囲片は、周囲片の
本体の上方および下方に伸じる片持ち梁部を有し
ている。横材は、原子炉作動時に燃料集合体が加
熱された際に、周囲片の膨出部を周囲片に対して
外側に向けて付勢することにより、その膨出部と
相互作用する。各燃料集合体の外側に突出した接
触面は、隣接する燃料集合体の接触面と機械的に
相互作用して、燃料集合体の湾曲を制限する機械
的な拘束力を与える。したがつて、湾曲を制限す
る上でのスペーサグリツドの効果は、湾曲を起こ
すメカニズムを制御することによるものではな
い。

燃料交換時のように、原子炉が冷却状態にある
ときには、スペーサグリツドの外部寸法は、個々
の燃料集合体を挿入したり取り出したりするのに
適当な間隙を呈する他のジルカロイ製グリツドの
外郭寸法と同一である。

ステンレススチール製の横材は、すべてをステ
ンレス製としたグリツドより少ない構成部材しか
有していないので、本発明のスペーサグリツドの
ステンレススチール部分は、グリツドのジルカロ
イ部分が接触する前には、大きな衝撃負荷を吸収
するに十分な横方向の堅さを有していない。した
がつて、ジルカロイグリツドの性質の方が地震に
対してはむしろすぐれている。さらに、本発明の
実施例により構成されたスペーサグリツドは、ス
テンレススチールのグリツドが吸収する中性子の
約30％の中性子しか吸収しないという利点があ
る。

本発明の上述のようなおよびその他の目的、利
点は、以下の詳細な説明および図面により、より
明確となるであろう。

第１図は原子炉１０の一部を示す。原子炉１０
は、互いに近接した間隔で配置された該燃料集合
体（以下単に集合体という）１２によつて形成さ
れた炉心を備えている。集合体１２は、燃料棒１
３の列を有しており、燃料棒１３は、例えば軸線
方向に離隔した多数のスペーサグリツド１４によ
り支持されている。集合体１２は、下部支持構体
２０と係合して集合体１２間の間隔を維持する手
段（図示略）を備えている。炉心は、激しい地震
やその他の障害が生じた際に炉心を保持するコア
シユラウド２４によつて覆われている。原子炉作
動時には、温度が約299℃（565〓）で、圧力が約
158.2Kg/cm²（2250psi）の冷却水が、入口ノズル
１６を通つて原子炉１０内に入り、入口空間１８
内を流下して、下部支持構体２０を通つて上方に
向かい、次いで燃料棒１３のまわりを通る際に炉
心により生じる熱により冷却水温度が約33℃（60
〓）ほど上昇され、その後出口ノズル２２を通つ
て冷却水は原子炉から排出される。

下部支持構体２０、コアシユラウド２４、およ
び空間を形成したり炉心を支持したりするその他
の容器内構体（図示略）は、例えば304型ステン
レススチールにより形成される。しかし、集合体
１２は、できる限り、ジルカロイのような低中性
子吸収材料により形成される。上述したように、
ステンレススチールとジルカロイとの熱膨張係数
は非常に異なつており、原子炉が停止状態にある
とき（ほぼ66℃（150〓））と作動状態にあるとき
（ほぼ316℃（600〓））との違いにより、集合体１
２間の間隙に影響を与えることがある。

炉心の入口と出口との間で冷却材が再区分され
ることに関連する横方向の流れの力により、集合
体１２は、原子炉を数ケ月間作動し続けた後、わ
ずかに湾曲する傾向がある。この湾曲は、集合体
１２の中央部分が初期の集合体の中心線に対して
側方に偏位するような集合体の湾曲として考える
ことができる。湾曲が進むと、コアシユラウド２
４に最も近接した集合体１２の中央部分はコアシ
ユラウド２４に当接し、かつ第２番目の列の集合
体は第１番目の列に当接し、同様にして、炉心全
体が湾曲して、集合体１２間の間隙が正常時の均
一な断面積から非常に異なつてしまうということ
にもなり得る。さらに、この湾曲は、永久的なも
のになりがちで、そのため、たとえ原子炉を冷却
した後においても、燃料交換のために個々の集合
体を取り出すのが困難になるという潜在的な危険
性がある。

第２ａ図は、図示を明瞭にするため、燃料棒を
取り除いた状態の従来の代表的な燃料集合体用ス
ペーサグリツド１４の平面形を示す。スペーサグ
リツド１４は、互いに対向する４つの周縁板３２
を備える矩形の周囲片３０を有している。周囲片
３０内には、直交する格子状の条片３４があり、
この条片３４により、燃料棒がグリツド１４と直
交状態で貫通する開口３５が形成されている。ば
ね３６は開口３５内に伸び、個々の燃料棒間の間
隔を保つとともに、それらを支持している。図示
の実施例においては、各集合体は複数の案内管３
８を有しており、各案内管３８にはスペーサグリ
ツド１４が取付けられるとともに、各案内管は、
その中に摺動自在に嵌合された制御棒（図示略）
のための通路を形成している。

第２ｂ図は、周囲片３０をも形成する周縁板３
２を示すスペーサグリツド１４の正面図である。
各周縁板３２は、それ自体が内方に突出して燃料
棒を支持するばね３６を有している。周囲片３０
は燃料棒の列に外接し、集合体１２の横方向の外
郭をなしている。

再び第１図に戻つて説明すると、本発明は、各
集合体１２の中央の面に近接する位置に設けられ
た１個又はそれ以上のスペーサグリツド２６を改
良することを目的とするものである。第３図は、
その改良したバイメタル製の湾曲しないスペーサ
グリツドの平面形を示す。周囲片１３０は従来の
周囲片３０に、かつ周縁板１３２は周縁板３２に
それぞれ対応する（第２ａ図参照）。第３図にお
いて、条片３４は図示を明瞭にするため省略し、
かつ改良したスペーサグリツド２６と燃料棒との
関係を図示する目的で、幾つかの燃料棒１３を示
してある。スペーサグリツド２６は、原子炉内に
おいて、周縁板１３２′，１３２″を有する同様な
スペーサグリツドに近傍して、かつ隣接する集合
体間に空隙（又は水隙）４６を形成するように位
置させたものとして示してある。

本発明においては、互いに直交するステンレス
スチール製の横材４０ａ，４０ｂが、互いに対向
するジルカロイ製の周縁板１３２間に延在してい
る。横材４０は剛質であり、互いに対向する周縁
板１３２の熱膨張より大きな横材の熱膨張によ
り、横材が接触している周縁板の部分は外側に突
出する。これは、例えば想像線で示す如くであ
り、炉心の作動時に横材４０ａが膨張した際、相
互作用面４２ａは外側に向かつて空隙４６内に突
出する。同様に、隣接する集合体の相互作用面４
２′，４２″も外側に向かつて突出する。これらの
相互作用面の位置が、ジルカロイによつてではな
く、ステンレススチールによつて制御されるとい
うことは、照射によつて引き起こされるジルカロ
イの横方向の膨張を考慮することなく、組付けを
行なう際の初期の相互間隙を小さくすることがで
き、かつ作動時に、異なつた熱膨張により、集合
体間の平均の相互間隙が増大することはないとい
うことを確保することができるのである。これら
の効果は、協同して集合体間に小さな空隙を維持
し、これによつて大きな湾曲が生じるための室を
許さない。

第３図に示す横材４０ａ，４０ｂは、中央の案
内管３８によつて位置決めされ、かつ周縁板１３
２の相互作用面４２ａ，４２ｂにおいて機械的な
連結具（例えばリベツトのような）によつて支持
される。各横材４０は、ステンレススチール材料
によりできるだけ最小の体積となるようにすべき
であるが、一方相互作用面（又は接触面）けて付
勢させて湾曲に抵抗させるに十分な剛性を付与し
なければならない。しかし、地震災害時における
地震の負荷の大部分が横材にかかるほど強度を大
きくする必要はない。図示の実施例においては、
横材ははしご状とし、これによつて、そのはしご
形の空間内に、燃料棒が横材４０を横切るように
嵌合し得るようにしてある。

第４図は、実施例の正面図であり、この図か
ら、横材４０ａ，４０ｂが、条片を備えるスペー
サグリツド２６の部分の直上および直下に設けら
れていることがわかる。さらに、周縁板３２の中
央部は片持ち梁状に延出して、相互作用面４２
ａ，４２ｂを形成している。この相互作用面４２
ａ，４２ｂは横材４０ａ，４０ｂにより、それぞ
れ外側に向けて付勢され得る。かくして、各スペ
ーサグリツド２６は、２段の横材４０を有してい
る。

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、
ステンレススチール製の横材の詳細、例えば横材
が燃料棒の支持のための構成を含むか否か等は、
必要とする横方向の強度、流れによつて誘発され
る振動に対する抵抗、および燃料集合体に作用す
る予測された横方向の力の大きさ等を考慮に入れ
て、特定の燃料集合体のデザインに基いて定めら
れる。したがつて、特許請求の範囲に記載した本
発明は、本発明の精神を逸脱しない範囲で、すべ
ての実施例、変形例を含むものとして解釈すべき
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のスペーサグリツドを備える
原子炉の一部を切欠して示す斜視図、第２ａ図
は、従来の燃料集合体の一例を示す平面図、第２
ｂ図は、第２ａ図に示す従来の燃料集合体の正面
図、第３図は、本発明の一実施例を示す平面図、
第４図は、第３図に示す実施例の正面図である。 １０……原子炉、１２……核燃料集合体、１３
……燃料棒、１４……グリツド、１６……入口ノ
ズル、１８……入口空間、２０……下部支持構
体、２２……出口ノズル、２４……コアシユラウ
ド、２６……スペーサグリツド、３０，１３０…
…周囲片、３２，１３２，１３２′，１３２″……
周縁板、３４……条片、３５……開口、３６……
ばね、３８……案内管、４０ａ，４０ｂ……横
材、４２，４２′，４２″，４２ａ，４２ｂ……相
互作用面、４６……空隙。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 矩形の燃料棒の列を有する燃料集合体におけ
   るスペーサグリツドであつて、 前記燃料棒の列を緊密に取り巻くとともに、横
   断面形がほぼ矩形をなし、かつ第１の材料により
   形成された互いに対向する薄肉の周縁板を有する
   周囲片と、 互いに対向する周縁板間に延在し、かつ燃料棒
   を受け入れるための開口を形成された互いに交錯
   する複数の条片と、 互いに対向する周縁板の内面間に延設されると
   ともに、前記周囲片および条片より大きな熱膨張
   係数を有する材料により形成され、これによつて
   前記周縁板の横断面における実際の膨張係数が、
   第１の材料の膨張係数より大きくなるようにした
   剛質の横材と、 を備えることを特徴とする原子炉の燃料集合体に
   おけるスペーサグリツド。 ２ 横材が、条片と平行をなし、かつ条片から軸
   線方向に離隔していることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載のスペーサグリツド。 ３ 各周縁板の中央部が軸線方向に膨出し、それ
   によつて、横材と相互作用する接触面を形成した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の
   スペーサグリツド。 ４ 各スペーサグリツドが、条片の上方に離れて
   設けられた第１の互いに直交する１対の横材と、
   条片の下方に離れて設けられた第２の互いに直交
   する１対の横材を有していることを特徴とする特
   許請求の範囲第３項に記載のスペーサグリツド。 ５ 適宜の間隔をもつて互いに平行をなす複数の
   燃料棒と、前記燃料棒に沿つて軸線方向に離隔し
   た金属製のスペーサグリツドと、 を備え、前記各スペーサグリツドは、前記燃料棒
   のすべてを密接状態で取り巻く周囲片を有してお
   り、前記周囲片は、互いに対向する複数の周縁板
   間に延在し、かつ前記燃料棒が貫通する開口を形
   成する、互いに交錯した複数の条片とを有してい
   る原子炉の燃料集合体において、 前記スペーサグリツドのうちの少なくとも一つ
   が燃料集合体の中央部に配設されており、かつ該
   スペーサグリツドは、さらに、前記金属より大き
   な熱膨張係数を有する第２の材料により形成され
   た横材を有しており、該横材は、燃料集合体が熱
   膨張した際に、該スペーサグリツドが燃料集合体
   における他のスペーサグリツドより横断面がより
   大となるように、互いに対向する周縁板間に介設
   されたことを特徴とする原子炉の燃料集合体にお
   けるスペーサグリツド。 ６ 各々が縦方向に伸びる燃料棒を備える互いに
   近接して平行に配設された複数の燃料集合体と、 前記燃料棒を取り巻くべく各燃料集合体に軸線
   方向に離隔して設けられ、かつ各々が前記燃料棒
   の列を取り巻く周囲片を有する複数のスペーサグ
   リツドと、 とを備え、少くとも前記グリツドのうちの幾つか
   は、各燃料集合体ごとに同一高さに設けられ、該
   スペーサグリツドは、前記周囲片の互いに対向す
   る部分間に設けられた少なくとも１つの剛質の横
   材を有しており、該横材の熱膨張係数は該スペー
   サグリツドの熱膨張係数より大としてあり、 これによつて、冷却状態においては、該スペー
   サグリツドの最大横断面は他のスペーサグリツド
   の最大横断面と同一であるが、原子炉作動時にお
   いては、該スペーサグリツドの横断面は、燃料集
   合体における他のスペーサグリツドの横断面より
   大となり、隣接する該スペーサグリツド間の間隙
   を少なくすることが、さもなければ生じる燃料集
   合体の湾曲の程度を減少せしめるようにしたこと
   を特徴とする原子炉の炉心。 ７ 炉心がステンレススチール製の構体により支
   持されていることを特徴とする特許請求の範囲第
   ６項に記載の炉心。 ８ 周囲片がジルカロイ製であり、かつ横材が鋼
   製であることを特徴とする特許請求の範囲第７項
   記載の炉心。