JPS62273486A - 原子炉燃料集合体およびその格子 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子炉の燃料集合体およびこれに使用される冷
却材混合用格子に関する。

〔従来の技術〕

発電用原子炉において、燃料要素は一般に棒の形をして
いる。これらの燃料棒は燃料集合体の形にまとめられて
いる。この燃料集合体において多数の燃料棒は互いに狭
い空間を隔てて平行に配置され、一般に矩形、正方形あ
るいは別の多角形に保持されている。水冷形原子炉にお
いて、燃料棒は普通はスペーサ格子によって位置保持さ
れている。スペーサ格子は“製筒“の形に配置された非
常に幅狭くて互いに直角に位置して交叉された薄いプレ
ートで作られている。格子部材の幾つかにあるばねは、
燃料棒をディンプルに押しつける。

その場合ディンプルは普通は剛性を有し、交叉する格子
部材によって形成されたセル内にあるばねに対向して配
置されている。

冷却水の流れは燃料棒に対して平行しており、効果的な
冷却作用を保証するために、流れが撹乱されるか旋回さ
れることが強く望まれる。また種々の燃料棒は異なった
熱量を発生するので、燃料集合体の種々の部材の間、お
よび種々の燃料集合体の間において液体を循環させるこ
とが望まれる。

冷却水に所望の運動を与えるために、一般に燃料・集合
体の内部にデフレクタが設けられている。最も一般的な
デフレクタは例えば米国特許第３，３７９゜６１９号明
細書に示されているように位置決め用格子に直接設けら
れている。特殊なデフレクタは米国特許第４．０３９，
３７９号明細書に示されているように混合作用を有効に
するために工夫されている。

また米国特許第３，３９５，０７７号明細書に示されて
いるように、位置決め用格子の間に置かれた特殊な“混
合用羽根形格子“を設けることも知られている。

上述した形式の格子は、米国特許第３，２８１，３２７
号明細書および同第３，８１３，２８８号明細書に記載
されている。前者の米国特許明細書は傾斜したプレート
で作られ燃料棒が通されたスペーサ格子を示している。

そのプレートの傾斜角度は、冷却液に対するデフレクタ
として作用させるような角度となっている。後者の米国
特許明細書は二重の格子部材で作られた格子を示してお
り、燃料棒を保持するためにそれ自体の可視性によって
“ばね”作用を与えている。ここでは冷却水を燃料棒に
平行なその通路からそらせる処置は講じられていない。

原子炉によって生ずる動力損失の一部に、冷却水を炉心
を通過させるためのエネルギーがある。

従って燃料棒を支持するためおよび冷却水を循環させる
ための格子はできるだけ流れ抵抗が小さいように設計す
ることが望まれる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、燃料集合体内における冷却材の混合を
保証し改善すること、および燃料棒をその所望の位置に
保持する位置決め用格子としても使用することにある。

本発明の別目的は、燃料棒のまわりで冷却水を最適に循
環させ、他方では最小の流れ抵抗を示す格子を提供する
ことにある。更に原子炉運転中において中性子吸収率が
最小の金属で格子全体を作ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

これらの目的は本発明によれば特許請求の範囲第１項、
第１２項および第１３項に記載した燃料集合体およびこ
れに使用される冷却材混合用格子により達成される。

〔作用効果〕

本発明によれば、格子は冷却材に対するチャネルを形成
するために変形される二重の格子部材で作られ、これら
のチャネルは燃料棒の軸心に対して傾斜しており、各燃
料棒のまわりおよび燃料集合体の内部において液体を循
環させるように配置されている。本発明に基づく格子は
、上述したデフレクタによって発生されるよりも相極的
に液体を循環させる。同時にこれは格子の流れ抵抗を減
少し、このようにして炉心内を冷却水を通すために消費
される動力が減少される。

一実施例において、上述した格子は位置決め用格子の間
に置かれ、まず第１に冷却材デフレクタとして作用する
。

別の実施例において、位置決め用格子および流れデフレ
クタとして作用するように構成され、チャネルはその下
側部分が真っ直ぐに、囮ち燃料椿の軸心に対して平行に
延びている。その上αり部分は冷却材を望み通りにそら
すために湾曲されている。その直線部分において、格子
部材の平面に対して外側に僅かに曲げられている。この
外側に曲げられた部分は燃料棒に接触し、位置決めばね
として作用する。部材は必要な可撓性を与えるために直
線部分の隣が切り欠かれている。この形状は特に加圧水
膨原子炉に対して有用である。というのはこの原子炉の
場合、燃料集合体の間に隔壁がなく、例えば地震による
横荷重が特に問題となるからである。

横荷重が問題とならない沸騰水形原子炉に使用される格
子の場合、直線部分は省略できる。２枚のプレートはそ
の交叉個所でその上縁だけで溶接され、下縁は自由にさ
れている。この場合格子部材の曲げは、燃料棒を位置決
めするために必要なばね力を発生する働きをする。

〔実施例〕

第１図は、主に冷却材を転向する目的をもった中間格子
として使用される混合用格子の形状を示している。この
格子は互いに直角を成して延びている外側帯板２．４を
有している。これらの帯板２．４に対して平行に図示さ
れていない別の２枚の外側帯板が延びており、格子の周
辺を囲繞している。格子は外側帯板２に対して平行な内
側帯板６と、外側帯板４に対して平行な内側帯板８から
構成されている。各内側帯板は第１ａ図および第１ｂ図
に示されているように２枚の平らで幅狭いシート材で作
られている。これらのシート材は格子を組み立てる際に
かみ合わされる切欠き１１゜１１’を備えている。帯板
は組立後にその交叉芹における上縁あるいは下縁で、あ
るいはその両方で溶接されるか、あるいは溶接は省略さ
れる。

これらのシート材は第１ａ図および第１ｂ図に明らかに
示されているように、チャネル形状の“ディンプル”１
０．１２．１０’、１２’を形成するために変形されて
いる。これらのディンプルは垂直線に対して角度Ａを成
して傾斜されている（第１ｂ図参照）。ディンプル１０
，１２．１０’１２′は対を成してノズルを形成してお
り、このノズルは同様に第１ｂ図において太い矢印で示
されている冷却材のバルク流の方向に対して傾斜してい
る。第１図に示されているように、これらのノズルは帯
板６．８によって形成された矩形の各空間のまわりに、
それらの空間のまわりおよびその中に置かれた燃料棒の
まわりに旋回流を発生するために分布して配置されてい
る。流れの半径方向成分は、冷却材の一部を外側に他の
燃料棒で形成された流路の中に流させるのに十分である
ので、種々の出力レベルで作動する燃料棒のまわりの冷
却材の温度は一様にされる。

これらの燃料棒（１本しか図示せず）１４はディンプル
１０．１２．１０’、１２’に押しつけられている。デ
ィンプルの変形は、燃料の装填中に降伏点を越えて曲が
ることを防止するために、弾性限界内で行われねばなら
ない。ディンプルに降伏が生ずると、燃料棒とサポート
との間に隙間が生じてしまい、この隙間は原子炉運転中
における腐食の原因となる。上述したように水はノズル
の傾斜によりは燃料棒のまわりを旋回させられる。

旋回方向は隣接する燃料棒間において互い違いに（時計
方向あるいは反時計方向）なっており、燃料クラスタに
トルクが生じないようにされている。

外側支持ディンプル１６は外側帯板２．４に形成されて
おり、装填中における“引掛り”を防ぐために、内側に
傾斜した案内舌片１８，２０が外側帯板２．４の上縁お
よび下縁に形成されている。

上述した格子は一般に、炉心においてＤＮＢ比（限界熱
流東比）が最も危険である炉部において普通のスペーサ
格子位置のほぼ中間に位置している。この格子は、燃料
クラスタ内における冷却材の混合を良好にする作用と、
燃料棒を補助的に支持して照射中における燃料棒の曲が
りを減少する作用とを有している。角度Ａは原子炉の特
性に関連して決定される。この角度Ａの代表的な大きさ
は約１０度である。

帯板６．８によって形成された幾つかの格子空間におい
て、燃料棒は案内管２２によって置き換えられている。

これらの案内管２２は格子に永久的に固定され、炉心に
挿入された制御棒を案内する作用と、格子の位置を保持
する作用とを有している。

第２図は、燃料棒を位置決めする作用と冷却材を転向す
る作用とをもった格子を示している。この図面に示され
た形状は特に加圧水膨原子炉に対して適している。第１
図における格子と同様に、第２図における格子は互いに
百角嵜成して延びている４枚の外側帯板を備えており、
その内の１枚が符号３０で示されている。第１図におけ
る外側帯板と同様に、第２図における外側帯板は支持用
ディンプル３２．３４および案内舌片３６，３８を備え
ている。

この格子は第１図における格子とほぼ同じ構造をしてい
るが、次の点において大きく異なっている。まず第１に
、この格子は、燃料棒を十分に支持するためおよび横方
向荷重（燃料棒の軸心に対して直角の荷重）に十分に耐
えるために、第１図における格子よりも大きな高さを有
している。第２に、ディンプル４０．４０’、４２．４
２’はその長さの中間部が湾゛曲しており（第２ａ図参
照）、その下側部分は垂直に延び、上側部分は第１ｂ図
に示したように角度Ａで傾斜している。これにより高さ
が大きな格子の場合、ディンプル全体が第１図のように
傾斜している場合よりも小さな圧力降下を生ずることが
明らかである。第３に、ディンプルの表面は、符号４４
で示されているようにシート材の直線部分の中間部が形
成しているシート材の面から外側に僅かに曲げられてい
る。燃料棒が挿入される際、この曲げられた部分は符号
４６で示されているように平らにされる。この曲げは材
料の弾性限界内で生じ、これらのディンプルが原子炉運
転中に燃料棒に押しつけられるばねとして作用すること
が重要である。追加的に可撓性を与えるために、ディン
プルあるいはチャネル・４０．４０’、４２．４２’の
直線部分に平行に、細長い切欠きあるいは開口４７が設
けられている。切欠きの幅は、望まれる可視性に応じて
、単なるスリットからディンプル聞の全間隔に及ぶ開口
までの範囲で決められる。第１図に示されている中間の
混合用格子のように、ディンプルによって形成されたノ
ズルは、熱交換および燃料棒間の冷却材の交換を最良に
するために、燃料集合体全体に亘って隣接する燃料棒の
まわりに互い違いに時計方向および反時計方向に各燃料
棒４８のまわりに渦流を発生させる方向に傾斜している
。

また燃料集合体は案内棒４８′を備えており、これは、
スペーサ格子間において外側帯板３０の外側面と同じ平
面あるいはその僅か外側に位置している外側面４９をを
している。案内棒は原子炉内への燃料集合体の挿入を容
易にする。

第３図は沸騰水形原子炉においてサポートおよび混合用
の格子として使用される格子の形状を示している。代表
的な沸騰水形原子炉は米国特許第３．４３１．１７０号
明細書に記載されている。沸騰水形原子炉の燃料集合体
は、この米国特許明細書における部材６２のような独立
した流路の中に閉じ込められているので、サポート用格
子にかかる横荷重は、加圧水膨原子炉の場合よりも小さ
い。従って格子はたいていは第１図に示した中間形式に
類似した構造のものを使用できる。即ち上述した形式の
ように、格子は外側帯板５２．５４を有し、これらの外
側帯板５２．５４は外側支持用のディンプルを形成する
ために変形されており、内側に傾斜した案内舌片５８を
備えている。帯板５２゜５４の下側部分に開口６０があ
り、この開口６０の下の下縁は（置所６２で内側に曲げ
られている。

これは冷却水を周辺の格子空間にそらす働きをする。

ディンプル６４．６４’、６６．６６’は第１図のディ
ンプルとほぼ同じ形をしており、同様に燃料棒６８のま
わりに配置されている。格子の頂部において、格子帯板
を形成するシート材は、第４ａ図に示されているように
すべての交叉点において溶接されている。格子の底部で
は、第４ｂ図に示されているように溶接されていない。

頂部において、相対するサポート面の間隔は燃料棒の直
径とほぼ同じに作られている（第４ａ図参照）。

帯板が互いに溶接されていない底部において、サポート
面は、第４ｂ図に示されているように燃料棒の直径より
も小さな円を描くように形成されている。スペーサ内へ
の燃料棒の挿入は、帯板をその本来の位置から曲げて、
ばねの作用を生じるようにさせる。

このようにして頂部に、正確に位置し剛性の４点のディ
ンプルサポートが得られ、底部に４つのばねが得られる
。燃料棒の位置はばね強さの変化に影響されない。必要
な場合には溶接個所は逆にされ、即ち溶接個所は帯板の
底部に移され、頂部は溶接されない。その選択は、組立
中において燃料棒が燃料集合体に挿入される方向に左右
される。

もし弱いばね作用が望まれる場合には、すべての交叉点
において溶接が行われないようにすることもできる。

第５図は、ばね定数と交叉点の溶接個所からの垂直距離
との関係を示している。また燃料棒が挿入される際の帯
板の曲げと交叉点の溶接個所からの距離との関係を示し
ている。

第６図および第７図は、第３図の格子を実施するために
必要であり、また第１図の格子に対して強く望まれる詳
細構造を示している。第７図において、ディンプルある
いはチャネル６６．６６’（およびほとんど隠れている
ディンプル６４．６４′）の表面は最初からねじって形
成されている。

縁６７．６７’、６９．６９’はら旋状にねじられ、底
部において、帯板６．８の交叉点から遠いチャネルの縁
は、帯板のその部分の平面に対して高い位置にあり、頂
部においては同じ高さにある。

これらの図面に示されているように、燃料棒が上から挿
入される場合、縁６７と縁６９との間の表面は平らな状
態に向かってねじられる。これはチャネルが燃料棒に良
好に適合し、燃料棒の挿入を容易にすることを保証する
。もし燃料棒が逆方向に挿入される場合には、表面６７
．６７’のねじれが図面と逆向きにされる。

沸騰水形原子炉の燃料集合体は、燃料棒に加えて普通は
、第３図に示すように１本ないし複数本の“ウォーター
ロッド″７０を有している。これらのウォーターロッド
は、減速度を高めるために冷却水がその中を流れる開放
管である。これらのウォーターロッドの表面は、蒸気・
水混合物のバルクに比べて非常に冷たい。燃料集合体を
包囲する流路の間を水が流れるので、燃料集合体の周辺
についても同じことが言える（前記米国特許第３゜４３
１、１７０号明細書の第４欄の第５８〜７５行参照）。

従って上述したようにディンプル６４などを燃料集合体
全体に亘って配置する代わりに、外側帯板５２．５４お
よびウォーターロッド７０に隣接するディンプルを、非
常に低温の表面から水および蔑気を遠ざけるように配置
することが望まれる。

このようにして外側帯仮に隣接する通路は、水および蔑
気を燃料集合体の内部に向けて導くように傾斜している
。ウォーターロンドア０に隣接する通路は、ウォーター
ロフト７０から冷却材を遠ざけるように位置している。

第３図においてこの配置構造は符号７２．７４で示され
ている。

第３図に関連して帯板の片側だけで溶接すること、およ
び格子の交叉点において溶接を省略することについて説
明したが、必要に応じて第１図および第２図に関して述
べたような溶接を施すこともできる。

これらの格子の製造に通した材料はジルコニウム合金で
ある。一般にジルカロイ４がスペーサ構造物に対して使
用されるが、ジルコニウム・２．５ニオブ合金も、照射
に誘発されるクリープ速度（緩和率）が非常に小さく、
大きな強さを有し、良好な耐蝕性を有しているので好適
である。

ジルコニウム合金で作られたばね、および照射状態にお
いて弛緩する物体に対する別の金属も知られている。弛
緩の限度は照射線量（フルエンス）および加えられる応
力レベルとの関数である。しかし別の予防処置を講する
ならば、ばねの完全な弛緩は腐食および燃料棒の破損を
生じない。

第５図に示されているスペーサ構□造物のこわさおよび
曲げ特性は応力レベルを最小にし、この構造物において
照射で誘発される弛緩率を小さくする。

以上本発明のいくつかの有利な実施例について述べたが
、これらはいろいろに変更することもでき、例えば互い
に６０°の角度を成した３組の帯板にすることもできる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は中間転向体として用いられる格子の部分斜視図
、第１ａ図および第１ｂ図は第１図における格子の一部
拡大斜視図、第２図は加圧水彩原子炉に用いられるサポ
ートおよび転向用の格子の部分斜視図、第２ａ図は第２
図における格子の一部拡大展開斜視図、第３図は沸騰水
形原子炉に用いられるサポートおよび転向用の格子の部
分斜視図、第３ａ図および第３ｂ図は第３図の格子の第
１ａ図および第１ｂ図に相応した部分拡大斜視図、第４
ａ図および第４ｂ図は第３図の格子の平面図および底面
図、第５図は第３図における構造物のこわさと格子部材
の上縁からの垂直距離との関係を示した線図、第６図お
よび第７図は本発明による格子の詳細斜視図である。 ２．４：外側帯板、６．８：内側帯板、１０゜１０’、
１２．１２’：ディンプル（チャネル）、２２：燃料棒
、３０：外側帯板、４０．４０’。 ４２．４２’：ディンプル（チャネル）、４４：湾曲部
、４７：開口、４８：燃料棒、５２，５４：外側帯板、
６４．６４’、６６．６６’：ディンプル（チャネル）
、６８：燃料棒、７０：ウォーターロッド、１２．７４
：通路。 Ｆｉｑ、４ｂ Ｆｉｇ、５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）水平に延びた複数の帯板から構成され、各帯板が組
   を成し且つ互いに角度を成して組み合わされそれらの間
   に多角形の空間を形成して配置され、前記帯板がほぼ垂
   直に延びる管状の通路を形成し、これらの通路の少なく
   とも上側部分が垂直線に対して傾斜し、前記各空間のま
   わりにその上で水の旋回流を生ずるように配置されてい
   ることを特徴とする原子炉燃料集合体の格子。 ２）各帯板がそれぞれ上縁および下縁をもった２枚の幅
   狭い金属シート材から成り、帯板の少なくとも一方のシ
   ート材が前記上縁に対する垂線に対して傾斜したチャネ
   ルを形成するために変形され、このシート材が前記通路
   を形成するためにそのチャネルで他方のシート材と対を
   成して位置されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の格子。 ３）各シート材が前記チャネルを形成するために変形さ
   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
   格子。 ４）各チャネルが燃料棒に接触するために多角形空間の
   １つに面する表面を有し、この表面が燃料棒を挿入する
   際にそれが平らな形状にねじられるように予めねじられ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の格
   子。 ５）前記シート材のチャネルが、前記通路を形成するた
   めに対を成して配置されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載の格子。 ６）各組の帯板が別の組の帯板と交叉し、各帯板を形成
   するシート材が交叉点の一方の縁だけで互いに溶接され
   、前記帯板にばね作用が与えられていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の格子。 ７）前記各通路が上側部分と下側部分から成り、前記通
   路の下側部分が垂直に延びていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の格子。 ８）前記各チャネルが、前記上縁に対してほぼ垂直に延
   びている下側部分と、前記上縁に対する垂線に対して傾
   斜された上側部分とから成っていることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項記載の格子。 ９）前記垂直な部分が、それを形成するシート材の平面
   に対してその中間部分が外側に湾曲されて、ばねを形成
   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
   格子。 １０）前記帯板が、可撓性を与えるために前記垂直な部
   分の隣りに開口を備えていることを特徴とする特許請求
   の範囲第９項記載の格子。 １１）前記開口が前記垂直な部分に対して平行に細長く
   延びていることを特徴とする特許請求の範囲第１０項記
   載の格子。 １２）狭い空間を隔てて互いに平行に配置された多数の
   燃料棒、これらの燃料棒に対して直角を成して配置され
   た複数のスペーサ格子、および少なくとも幾つかの前記
   スペーサ格子の間に配置され前記燃料棒に対してほぼ垂
   直に位置している冷却材混合用格子から構成され、前記
   各スペーサ格子が互いに角度を成し燃料棒がその中を延
   びる多角形の空間を形成して配置された少なくとも２組
   の幅狭い薄いプレートから形成され、これらのスペーサ
   格子が燃料棒に沿って間隔を隔てて配置され、前記各混
   合用格子が前記燃料棒に対して垂直に延びる複数の帯板
   から構成され、これらの帯板が組を成し且つ互いに角度
   を成し前記燃料棒がその中を延びる多角形の空間を形成
   して配置され、これらの帯板が管状の通路を形成し、こ
   れらの通路の少なくとも上側部分が前記燃料棒の軸心に
   対して鋭角を成して配置され、前記空間の上で水の旋回
   流を発生するように前記空間のまわりに配置されている
   ことを特徴とする原子炉燃料集合体。 １３）狭い空間を隔てて互いに平行に配置された細長い
   多数の燃料棒、およびこれらの燃料棒に対して垂直に位
   置し少なくとも１つの間隔保持および転向用格子から構
   成され、これらの格子が、互いに角度を成し燃料棒がそ
   の中を廷びる多角形の空間を形成して配置された少なく
   とも２組の帯板から構成され、前記各帯板が前記燃料棒
   の軸心に対して鋭角で傾斜した管状の通路を形成し、前
   記多角形の空間の少なくとも主要部分の壁に置かれ、前
   記通路の少なくとも幾つかが前記空間の上側で水の旋回
   流を発生するためにその中を通過している燃料棒のまわ
   りに位置していることを特徴とする沸騰水形原子炉の燃
   料集合体。 １４）前記通路の幾つかが、燃料集合体を通して通過す
   る冷却材をそれより低温の表面からそらせるために位置
   していることを特徴とする特許請求の範囲第１３項記載
   の燃料集合体。 １５）前記低温の表面が前記燃料集合体の周辺を形成し
   、該周辺の次の多角形空間の隣りの通路が冷却材を内部
   に導くように配置されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１４項記載の燃料集合体。 １６）前記低温の表面が原子炉運転中に水が流れる燃料
   棒に平行な管であり、前記通路の幾つかが冷却材をその
   管からそらすように位置していることを特徴とする特許
   請求の範囲第１４項記載の燃料集合体。