JPS6228689A - 太径ウオ−タロツド - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉に用いる核燃料集合体の中心
部に配置される太径ウォータロッドに関する。

（発明の技術的背景とその問題点〕 従来、沸騰水型原子炉において用いられている核燃料集
合体は、被覆管内に二酸化ウラン（ＵＯ３）ペレットを
充填し、その下端には直接下部端栓を設け、その上部は
プレナムスプリング栓を設けた後、それぞれを溶接密封
した燃料棒を多数本用いて構成している。そして、この
ように構成された核燃料集合体の内部を冷却水が下方か
ら上方へ流通するように構成している。このとき冷却水
は核燃料の反応熱によって加熱されて核燃料集合体の上
部より排出される。この加熱によって発生した蒸気は、
配管を通して圧力容器の外部へ送出されて、タービン等
の駆動に供される。

ところで、上記核燃料集合体内の水平方向の出力分布は
一様でなく、冷却水による中性子減速効果の大なる周辺
部では、熱中性子束が大であるところから出力が高く、
中央部では中性子減速効果が小さく熱中性子束が小であ
るところから出力が低くなる傾向がある。

そこで、従来では中央部分の燃料棒を１〜２本欠如して
、その代りに燃料棒とほぼ同一外形のウォータロッドを
装荷し、このウォータロッド内を冷却水が流通するよう
に構成して冷却水による中性子減速効果を高めるととも
に、周辺部の燃料棒については核燃料の濃縮度を低くし
、さらに中央部の燃料棒については核燃料の濃縮度を高
くして水平方向の出力分布の均一化を図るようにしてい
る。

しかしながら、従来のウォータロッドは細径であったの
で、出力分布の均一化が十分に図れず、核燃料の濃縮度
にも周辺部と中央部との間で差を設定しなければならな
いという煩雑さがあった。

そこで、第６図および第７図に示すように外径が燃料棒
の約２倍であり、その収容空間が燃料棒のほぼ４本分に
相当するような太径ウォータロッドを用いて、出力分布
の均一化および中性子減速効果を一層向りさせることが
提案されている。

同図に示すように、核燃料集合体１は、角筒状のチャン
ネルボックス２内に多数の燃料棒３を、例えば８行８列
の正方格子状に配列し、その上部および下部にそれぞれ
上部端栓４および下部端栓５を配設するとともに、さら
にその上部には上部タイブレート６、その下部には下部
タイプレート７を取付けて構成されている。また、前記
燃料棒３群の中央部には、燃料棒３の４本分の収容空間
を占有する外径の太い太径ウォータロッド８が配置され
ている。そしてこれらの多数の燃料棒３および太径ウォ
ータロッド８は、軸方向に複数個配設されたスペーサ９
により整列支持されている。

符号１０はエキスパンションスプリングである。

そして、核燃料集合体１の下部は、その下部に取付けら
れている下部タイブレート７の上部四側面に装着された
板ばね１３を介してチャンネルボックス２と圧接支持さ
れている。また、核燃料集合体１の上部は、上部タイブ
レート６の上面四隅に突設された４本のボスト１４のな
かの１本と、前記チャンネルボックス２の上端の三角形
状の止め部材１５をチャンネルファスナ１６を介して緊
締することによりチャンネルボックス２に固定されてい
る。

第７図は太径ウォータロッド８を示し、側壁部には冷却
材流入口１１と、冷却材流出口１２が穿設されている。

上述の従来の太径ウォータロッド８を採用した核燃料集
合体１は、非常に優れた核特性を有しているが、地震時
の機械的性能と冷却材の圧力損失の点で問題がある。

すなわち、前述したように、チャンネルボックス２の装
着時においては、下部タイプレート７は、強いばね力を
有する板ばね１３を介してチャンネルボックス２と強固
に圧接支持されている。

ところが、前記板ばね１３は、照射効果によりばね力が
減少する。また、核燃料集合体１および燃料棒３の照射
成長による軸方向の伸びがチャンネルボックス２の照射
成長による軸方向の伸びより大きいため、チャンネルボ
ックス２は上方へ引き上げられ、これによりチャンネル
ボックス２の装着時における下部タイプレート７とチャ
ンネルボックス２との嵌合量が減少してしまう。

また、チャンネルボックス２は、その装着時に板ばね１
３により外側に広げられるとともに、この状態を保ちつ
つ炉内温度の上界および照射を受けるので、クリープ速
度が増加し、装着時よりも更に外側に変形し、下部タイ
ブレート７との間隙が増加してしまう。

このように下部タイブレート７とチャンネルボックス２
との間に間隙が形成されている状況下にある核燃料集合
体１において、例えば、地震時を想定して水平方向にあ
る加速度が作用すると、下部タイプレート７はチャンネ
ルボックス２内で水平軸回りに揺動する。

一方、従来の太径ウォータロッド８は、燃料棒３と同様
に、上部および下部は上部端栓４および下部端栓５を介
して、上部タイブレート６および下部タイブレート７に
嵌合支持されているとともに、ウォータロッド８の回転
によりスペーサ９が離脱しないように、下端の角柱状部
を嵌入することにより回り止めが施されている。

この様な、太径ウォータロッド８の構造において、前述
した下部タイブレート７のチャンネルボックス２内での
傾きを考直して、地震時による応力解析を有限要素法を
用いて行なった結果、太径ウォータロッド８は、燃料棒
３の外径の約２倍の太さであるので、燃料棒３に比べて
非常に剛性が強く、外力を受けた場合の変位１も燃料棒
３に比べて非常に小さいものであった。

そのために、太径ウォータロッド８に支持されるスペー
サ９（特に最下部にある第１スペーサ）に、非常に大き
な荷重（反力）が付加され、また、太径ウォータロッド
８の下部端栓５にも、下部タイブレート７の傾きにより
非常に大きな曲げ応力が生じるという不都合があった。

また、前述したように、太径ウォータロッド８の外径が
燃料棒３の約２倍もあることから、核燃料集合体１の下
部から流入した冷却材の流れは、太径ウォータロッド８
の下部で大きな擾乱作用を受け、核燃料集合体１内の冷
却材の流れを乱すとともに、大きな圧力損失の原因とも
なっていた。

〔発明の目的〕

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、
地震時に発生するｇ５重および応力を低減させ、太径ウ
ォータロッドの下部における冷却材の擾乱を減少させ、
更に上部の圧力損失を軽減させ、核燃料集合体の燃焼効
率をも向上させることのできる太径ウォータロッドを提
供することを目的とする。

（発明の概要） 本発明の太径ウォータロッドは、核燃料集合体の中心部
に配置される太径ウォータロッドにおいて、その軸方向
の上部および下部を中央部より細く形成し、この太径の
中央部と細径の下部とを上方に行くに従って外径および
内径が次第に大きくなる環状の下部コネクタプラグによ
って結合し、前記太径の中央部と細径の上部とを外径が
不連続に変化する上部コネクタプラグによって結合した
ことを特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図から第５図を参照して説
明する。

第１図から第３図は本発明の太径ウォータロッドの一実
施例を示し、第４図は本発明の太径ウォータロッドの概
要を示し、第５図は第４図の太径ウォータロッドを装填
した核燃料集合体を示している。

先ず、第４図および第５図を参照して本発明の太径ウォ
ータロッドの概要を説明する。

本発明の太径ウォータロッド１８は、軸方向の中央部１
８ａを太径に形成し、上部１８ｂと下部１８ｃとをそれ
ぞれ燃料棒３と同径の細径に形成している。これらの細
径な上部１８ｂおよび下部１８Ｃと上下のタイブレート
６．７との結合方法は、従来と同様であり、上部１８ｂ
は丸棒シャンク状の上部端栓４により、下部１８ｃは角
棒シャンク状の下部端栓５によりそれぞれのタイプレー
ト６．７と嵌合させている。また、冷却材は太径ウォー
タロッド１８内を次のようにして流通させられる。すな
わち、冷却材は下部１８Ｇの下端部に穿設された流入孔
１９より下部１８Ｃ内へ流入し、その下部１８ｃ内を上
昇し、続いて中央部１８ａ内を上昇し、その中央部１８
ａの上端部に穿設された２個の流出孔２０．２０より外
部へ流出する。また、上部１８ｂにおいては、冷却材は
その下端部の流入孔２１より内部へ流入し、その上部１
８ｂ内を上昇し、その上端部の流出孔２２より外部へ流
出する。

一方、この太径ウォータロッド１８の太径な中央部１８
ａの位置および長さは、燃料棒３の寿命を通じて燃料有
効部をカバーする部分であるという条件で決められる。

しかし、細径の下部１８ｃから太径の中央部１８ａへの
開始点はもともと冷却材が沸騰していない部分であり、
核的には重要でないので、この位置においては機械的性
能の観点から決められる。

すなわち、地震時の下部タイブレート７の傾きを過大な
応力／歪が生じないので吸収できる長さとしている。換
言すれば、細径の下部１８ｃの剛性を太径の中央部１８
ａの剛性より小さく形成し、撓みやすく形成している。

しかしながら、この下部１８ｃの長さが長ければ長いほ
ど応力／歪が小さくなるが、沸騰開始点より上では太径
となっている必要がある。

また、上部１８ｂと中央部１８ａとの境界位置は、寿命
を通じて常に燃料有効部より上方とする必要があるとい
う条件で決められる。ただし、圧損低下の観点から径が
細いほど圧損が小さいのでできるだけ太径部を短かくす
る方がよい。

このような要望点を考慮して具体化したものが、第１図
から第３図に示す本発明の実施例である。

本実施例の特徴は、中央部１８ａと上部１８ｂとを第２
図に示す上部コネクタプラグ２３を用いて結合し、中央
部１８ａと下部１８ｃとを第３図に示す下部コネクタプ
ラグ２４を用いて結合した点にある。

一方の上部コネクタプラグ２３は、太径の中央部１８ａ
から細径の上部１８ｂに移る場合に冷却材の圧力損失を
小さくするために、太径部から直ちに細径部に移るよう
に不連続に連結形成されている。すなわち、上部コネク
タプラグ２３の最下部には太径の中央部１８ａの端部と
結合されるテーパ状の中央部ベース２３ａが形成され、
この上に中央部フランジ２３ｂが形成され、この上に外
径が中央部フランジ２３ｂの外径の約１／２の上部フラ
ンジ２３ｃが形成され、この上に外径が中央部ベース２
３ａの外径の約１／２で細径の上部１８ｂの端部と結合
されるテーパ状の上部ベース２３ｄが形成されている。

他方の下部コネクタプラグ２４は、細径の下部１８ｃか
ら太径の中央部１８ａに移る場合に冷却材の流れの撹乱
を防止するために、細径部から太径部に向って次第に径
が大きくなるように形成されている。すなわら、下部コ
ネクタプラグ２４の最下部には細径の下部１８ｃの端部
と結合されるテーパ状の下部ベース２４ａが形成され、
この上に下部フランジ２４ｂが形成され、この上に外径
が下部フランジ２４ｂの外径の約２倍にまで次第に大き
くなる拡径部２４ｃ（本実施例ではテーパ状）が形成さ
れ、この上に上部コネクタプラグ２３の中央部フランジ
２３ｂと同径の中央部フランジ２４ｄが形成され、この
上に上部コネクタプラグ２３の中央部ベース２３ａと同
径の中央部ベース２４ｅが形成されている。また、この
下部コネクタプラグ２４は中心部に冷却材を流通させる
貫通孔２５を穿設して環状に形成されている。この貫通
孔２５は拡径部２４ｃの下端部から中央ベース２４ｅの
上端部にかけて内径が次第に拡径（本実施例では逆円錐
状）されている。

次に、本実施例の作用を説明する。

太径の中央部１８ａと細径の上部１８ｂおよび下部１８
ｃとを、前記上部コネクタプラグ２３および下部コネク
タプラグ２４をもってそれぞれ結合し、例えば、燃料有
効長さが３７０８ｍの場合に、細径の下部１８Ｇの長さ
を約３８１＃Ｉｌｌとし、太径の中央部１８ａの長さを
約３３７８ｓ＋とじて形成した太径ウォータロッド１８
を装荷した核燃料集合体１ａについて説明する。

本実施例による核燃料集合体１ａは、太径ウォータロッ
ド１８を燃料有効部に相当する位置を太径な中央部１８
ａとすることにより核的性能を向上させることができる
。すなわち、燃料有効部の照射中の変化を考慮しても、
寿命を通じて、太径の中央部１８ａが燃料有効部をカバ
ーすることができる。

また、下部１８ｃおよび上部１８ｂを細径としたことに
より、地震時の下部タイブレート７の傾きによる歪を剛
性の小さい下部１８Ｃおよび上部１８ａが容易に撓んで
吸収し、太径ウォータロッド１８からスペーサ９へ伝達
される荷重を大幅に減らすことができる。すなわち灘械
的健全性を大幅に向上させることができる。特に、上部
コネクタブラグ２３において、太径の中央部１８ａから
細径の上部１８ｂに直ちに変化させているので、上部１
８ｂの軸方向長を長く形成することができ、地震時の外
力吸収効果を向上させることができる。

また、上部１８ｂを細径としたことにより、上部１８ｂ
において従来の太径ウォータロッドに比べて多量に蒸気
を流通させることができるので圧損ち低減させることが
でき、炉心安定性を向上させることができる。

更に、太径ウォータロッド１８の下部１８Ｃと中央部１
８ａとを外径が次第に大きくなる拡径部２４ｃを有する
下部コネクタプラグ２４を介して連結しているので、こ
の部分における冷却材の撹乱の発生が減少される。また
、下部コネクタプラグ２４が貫通孔２５をもって中空状
に形成されているので、流入孔１９を通って下部１８ｃ
内へ一旦流入した冷却材を外部へ流出させることなく中
央部１８ａ内へ連続して流入させることができ、冷却材
の撹乱を一層減少させることができる。また、下部コネ
クタプラグ２４の貫通孔２５を、下流側に向けて次第に
拡径するように形成したので、中央部１８ａ内の冷却材
流は整流状態になり、太径ウォータロッド１８自身が内
部の冷却材流によって振動することをも防止される。こ
のように冷却材の撹乱が低減されるので、冷却材送給用
のポンプの駆動力をも低減することができる。

また、上部コネクタプラグ２３は下部コネクタプラグ２
４に比べて拡径部２４ｃを有しないので、形状が単純で
あり、中央部１８ａ、−Ｆ部１８ｂとの結合部の形状が
上部端栓４とほぼ同様であり、製造が容易でコストが低
順となる。

〔発明の目的〕

このように本発明の太径ウォータロッドは、地震時に発
生する荷重および応力を低減させ、下部における冷却材
流の撹乱を減少させるとともに上部における圧力損失を
軽減させ、炉心の水力学的安定性、熱的余裕を向上させ
ることができ、核燃料集合体の燃焼効率をも向上させる
ことができ、また冷却材供給用のポンプの駆動力の低減
および製造コストの低減をも図ることができる等の効果
を秦する。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明の太径ウォータロッドの一実
施例を示し、第１図は半断側面図、第２図は上部コネク
タプラグの拡大側面図、第３図は下部コネクタプラグの
拡大半断側面図、第４図は本発明の概要を示す側面図、
第５図は第４図の太径ウォータロッドを装荷した核燃料
集合体の縦断側面図、第６図は従来の太径ウオークロッ
ドを装荷した核燃料集合体の縦断側面図、第７図は従来
の太径ウォータロッドを示す側面図である。 １ａ・・・核燃料集合体、１８・・・太径ウォータロッ
ド、１８ａ・・・中央部、１８ｂ・・・上部、１８ｃ・
・・下部、２３・・・上部コネクタプラグ、２３ｂ・・
・中央部７ランジ、２３ｃ・・・上部フランジ、２４・
・・下部コネクタプラグ、２４ｃ・・・拡径部、２５・
・・貫通孔。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雌 用　１　図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核燃料集合体の中心部に配置される太径ウォータロ
   ッドにおいて、その軸方向の上部および下部を中央部よ
   り細く形成し、この太径の中央部と細径の下部とを上方
   に行くに従つて外径および内径が次第に大きくなる環状
   の下部コネクタプラグによって結合し、前記太径の中央
   部と細径の上部とを外径が不連続に変化する上部コネク
   タプラグによつて結合したことを特徴とする太径ウォー
   タロッド。 ２、下部コネクタプラグは、細径部から太径部に向うテ
   ーパ状の外周面からなる拡径部と、内周面の少なくとも
   一部分が逆円錐状に形成されている貫通孔とを有するこ
   とを特徴する特許請求の範囲第１項記載の太径ウォータ
   ロッド。 ３、上部コネクタプラグは、中央部と連結される中央部
   フランジと、上部と連結される上部フランジとを外径が
   直ちに変化するように階段状に連結して形成されている
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の太径ウォ
   ータロッド。