JPS623691A - 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】 本発明は一般に原子炉の燃料集合体に関し、特に、炉心
の非制御棒位置で用いられる耐湾曲性を有する燃料集合
体構造に関するものである。

運ｉ良ＥΔＩ吸 原子炉の炉心は、通常、複数の燃料集合体を備えている
。典型的な加圧水彩原子炉（ＰＷＲ）においては、全て
の燃料集合体は幾何学的形態において類似している。各
燃料集合体は、その長さに沿い離間配設された格子によ
り組織化された配列で保持された複数の燃料棒を備えて
いる。格子は、複数の制御棒案内シンプルに取り付けら
れている。

燃料集合体の上部及び下部ノズルは、燃料棒の上端及び
下端よりも上方及び下方に延びる制御棒案内シンプルの
両端にそれぞれ固定されている。制御棒案内シンプル及
びそれに確かつと固定された上部及び下部ノズルは共に
、燃料集合体の骨組構造を構成する。

燃料棒内に収容されている核燃料により生ずる核分裂過
程を制御するために、典型的に、多数の制御棒が、燃料
集合体の案内シンプル内に往復動可能なように配置され
ている。しかし、炉心の燃料集合体位置の全てで制御棒
が用いられる訳ではない、制御棒位置にあるのは燃料集
合体のうちの約３分の１に過ぎない、しかし、従来、全
ての燃料集合体は幾何学的形態において類似するように
構成されていたので、このことは、制御棒位置の燃料集
合体が非制御棒位置の燃料集合体と同じであることを意
味する。

全てのＰＷＲ燃料集合体を同様に構成すると言うこの従
来の慣行とは異なった考え方が最近提案された０例えば
、本出願人の特願昭６１−１０５０４２号明細書に記載
され図示されているように、非制御棒位置で用いるため
の別の構造による燃料集合体は、下部ノズルと、可燃性
毒物を収容して縦方向に延びる多数の構造部材と、上部
ノズルとを備えている。また、この燃料集合体は、縦方
向の構造部材に固定されて軸方向に離間配設され、燃料
棒の配列を支持する多数の格子をも備えている。上部及
び下部ノズルは、ねじ結合その他の適当な剛な取付手段
により縦方向の構造部材に固定されている。

計装管は、燃料集合体の中央に配設されて、上部及び下
部ノズル及び格子により支持されている。

制御棒位置の慣用の燃料集合体に対するこの非制御棒位
置の燃料集合体の１つの重要な相違は、上部及び下部ノ
ズルを相互接続して燃料集合体の骨組構造を形成する縦
方向の構造部材の構造に在る。慣用のＰＷＲ燃料集合体
では、構造部材は、上端部が開き下端部が（冷却材流の
ための小さい孔を除き）閉じている中空の案内シンプル
管である。

これ等の案内シンプル管は制御棒と整列するように燃ｆ
ｌ集合体内に配置されている。原子炉の運転中、制御棒
はこれ等の案内シンプル管内で往復動される。他方、非
制御棒炉心位置で用いられるように企図されている非制
御棒燃料集合体においては、やはり管の形態にある構造
部材は制御棒を収容していない、従って、この管に関し
ては異なった機能上及び構造上の使用が可能である。

８！能的には、この非制御棒構造部材は可燃性吸収材を
収容している。ホウ素の適当な化合物のような可燃性吸
収材は、最近の原子炉において、特に核燃料の寿命初期
の段階で反応度を制御するための付加的な手段として用
いられている。＄１１造的には、構造部材の細長い管は
、その各端を、該管に溶接されている端栓により閉ざさ
れている。管及び端栓材料はジルカロイ−４とするのが
好ましい、ばねは、可燃性吸収材を管内の所定位置に保
持して、中性子がホウ素の原子に作用する際に放出され
るヘリウムガスを蓄積するためのプレナムを造る。非制
御棒構造部材を燃料集合体に組み込むためには、管は空
で一端は開いていなければならない。格子を管に膨出固
定した後に可燃性吸収材及びばねが管内に装入されて残
っている一方の端栓が所定位置に溶接される。然る後に
、燃料棒は装入され、上部及び下部ノズルがボルトで取
り付けられる。

非制御棒燃料集合体には８本の吸収材構造部材が存在し
、他方、慣用の制御棒燃料集合体は２４本の案内シンプ
ルを有している。従って、各非制御棒燃料集合体にはそ
れぞれ１６本余計の燃料棒が存在し、それにより、上述
の特願昭６１−１０５０４２号明細書に記載されている
ような利点が得られる。

上に述べたような構造を有するＰＷＲにおける非制御棒
燃料集合体の使用で、長い間懸案となっていてＰＷＲ燃
料集合体の総合特性に影響を及ぼす重要な問題、即ち燃
料集合体の反りもしくは湾曲という問題を克服するため
の潜在的必要性が生じてきた。燃料集合体の湾曲の程度
と案内シンプルにおける圧縮応力との間には明確な関係
が存在するように思われる。残念なことに、制御棒炉心
位置に存在する制御棒燃料集合体の案内シンプルにおけ
る圧縮応力を相当に軽減する明らかな方法は存在してい
ない。しかし、非制御棒炉心位置に設けられて上述のよ
うに設計されている燃料集合体に対しては、縦方向構造
部材における圧縮応力を大きく。軽減する方法を見つけ
る必要性が存在するように考えられる。

光泗、ｌＬＬ 本発明は、上述の必要性を満足するように設計された非
制御棒燃料集合体のための改良された縦方向の構造部材
を提供する。先に引用した特願昭６１−１０５０４２号
明細書に詳しく開示されている上述の非制御棒燃料集合
体においては、上部ノズルの押えばねからの軸方向の力
は、上部ノズルのアダプタ板から縦方向構造部材の上部
端栓に伝達され、その被覆管を介して下部端栓に伝達さ
れ、そこから下部ノズルのアダプタ板に伝達される。従
って被覆管は、燃料集合体に永久的な反りを生ぜしぬ得
るような圧縮状態に置かれる。

本発明は、縦方向構造部材の被覆管に対する圧縮応力の
望ましくない作用を大きく軽減もしくは相殺するように
縦方向構造部材の構造を改良するものである。基本的に
は、その解決策として、構造部材の被覆管は張力状態に
予備荷重される。自由な状態で立っているこの種の構造
部材の被覆管を張力状態に予備荷重することは、該構造
部材の中央部分に圧縮荷重を加えなければならないこと
を意味する。また、圧縮荷重が加えられる材料は、熱又
は照射で生ずるクリープを受けてはならない。

さもないと、構造部材は永久的に反った位置にクリープ
する。従って、中央部分はクリープ抵抗を有する材料、
から形成しなければならない、高クリープ抵抗を有する
セラミック材料を用いることができる。従って、本発明
は、好ましくは積み重ねられたベレット形態にあるセラ
ミック材料に圧縮荷重を加え、それにより被覆管を張力
状態に予備荷重するための独特な構成を提供することを
企図するものである。

従って、本発明は、原子炉炉心の非制御棒位置で用いら
れる燃料集合体に向けられる。この燃料集合体は、上部
及び下部ノズルと、これ等のノズル間に延在し該ノズル
に取り付けられて燃料集合体を一体のユニット構造に形
成する複数の縦方向の構造部材とを有する。該構造部材
のうちの少なくとも或るものは、上部ノズルと下部ノズ
ルとの間に延在する細長い中空の被覆管と、該被覆管の
両端に取り付けられて被覆管を気密に封止すると共に被
覆管を上部及び下部ノズルに取り付ける封止・取付手段
とを備える０本発明の改良によれば、（ａ）上記被覆管
内に配置され、照射により生ずるクリープに対し抵抗を
有する或る量の材料と、（ｂ）上記被覆管内に配置され
て該クリープ抵抗材料に予め定められた圧縮荷重を加え
、該荷重に対する反作用として、典型的に燃料集合体の
ユニット構造を介して伝達される軸方向荷重を実質的に
相殺するのに十分な大きさを有する予備張力状態となる
ように上記管に予備荷重を加えることにより、上記構造
部材の上記被覆管における圧縮応力を大きく軽減する予
備張力手段とが設けられる。

特に、クリープ抵抗材料は、ベレットの形態にある酸化
ジルコニウムのようなセラミック材料である。このセラ
ミック製ペレットは、可燃性吸収材で被覆される。また
、予備張力手段は２つの実施例のうちの何れかでよい。

１つの実施例においては、予備張力手段は、クリープ抵
抗性ベレットの積重体と１つの管端部との間で被覆管内
に配置された細長いベロー型装置であ”る。ベロー型装
置の内部は加圧されて、それにより、該ベロー型装置の
内部には予め定められた軸方向の力が発生され、この軸
方向の力でクリープ抵抗性ベレットは圧縮下に置かれ、
被覆管は予備張力手段下に設定される。更に、被覆管の
残余の部分は加圧することができる。別の実施例におい
ては、予備張力手段は、クリープ抵抗性ベレットの積重
体と被覆管の一端との間で被覆管内に配置された皿ばね
の配列である。この構成によれば、被覆管内には予め定
められた軸方向の力が発生され、この力によりクリープ
抵抗材料は圧縮下に置かれ、被覆管は予備張力状態に設
定される０皿ばねはその配列において並列及び直列に重
ねられる。

本発明の上に述べた利点及び他の利点並びに作用効果は
、本発明の実施例を示す図面と関連した以下の詳細な説
明を読むことにより当業者にとって明らかとなろう。

日　の１　　　　ｔ　世　Ｂ 以下の説明において、全図面を通し、同じ参照記号は同
じ又は対応の部分もしくは要素を指すものとする。また
、以下の説明において、「前方」、「後方」、「左方」
、「右方」、「上方もしくは上向き」、「下方もしくは
下向き」その他類似の術語は、単なる説明の便宜上の言
葉であって、限定する意味に解釈されてはならない。

１１江＆１ 図面、特に第１図を参照するに、この図には、垂直方向
に短縮した形態で示され参照数字１０で総括的に表され
ている原子炉炉心（図示せず）の非制御棒位置で使用さ
れるように適応された燃料集合体の立面図が示しである
。基本的には、燃料集合体１０は、炉心内で下部炉心板
（図示せず）上に燃料集合体を支持するための下端構造
、即ち下部ノズル１２と、下端部が下部ノズル１２に取
り付けられて該下部ノズル１２から上向きに突出する多
数の縦方向に延びる構造部材１４とを備えている。また
、燃料集合体１０は、構造部材１４に沿い軸方向に離間
して設けられた複数の横格子１６と、横方向に離間し格
子１６により支持されている細長い燃料棒１８の組織化
された配列を備えている。更に、燃料集合体１０は、そ
の中心に配設された計装管２０と、構造部材１４の上端
に取り付けられた上端構造、即ち上部ノズル２２とを有
している。このような各部の配列で、燃料集合体１０は
各部を損傷することなく適宜に取り扱うことができる一
体のユニット構造を形成している。

上に述べたように、燃料集合体１０における列状の燃料
棒１８は、燃料集合体の長さに沿って軸方向に隔置され
た格子１６により互いに離隔関係で保持されている。各
燃料棒１８は、核燃料ベレット２４を有しており、その
両端は、上部端栓２６及び下部端栓２８により閉鎖され
ている。核分裂性物質からなる燃料ベレット２４は、原
子炉の反応出力を発生する。水又はホウ素含有水のよう
な液体減速・冷却材は、有用な仕事を発生するために、
燃料集合体１０に発生した熱を抽出する目的で燃料集合
体１０の燃料棒１８に沿い上向きにポンプ送りされる。

？　　が口えられる紅　ｎの　゛告 次に第２図及び第３図を参照するに、これ等のの図には
何れも燃料集合体１０で使用することができる本発明に
よる縦方向の構造部材１４の２つの若干異なった実施例
が示しである。冒頭に述べたように、燃料集合体１０は
、非制御棒炉心位置で使用されるように設計されており
、従って、この燃料集合体と動作上組み合される制御棒
は存在しない。

制御棒炉心位置における燃料集合体の制御棒案内シンプ
ルは、その上端部を介して下向きに制御棒を往復運動可
能に受は入れ、そして下端部を介し上向きの冷却材流を
受は入れるが、それとは対照的に、非制御棒燃料集合体
１０における縦方向の構造部材１４はその両端部が封止
されている。

第２図及び第３図に示しである縦方向構造部材１４の各
実施例は、管に溶接された上部端栓３２及び下部端栓３
４により閉鎖されている細長い中空の被覆管３０を備え
ている。被覆管及び端栓の材料は、シロカロイ−４とす
るのが好ましい。上部端栓３２及び下部端栓３４はそれ
等に固定されて軸方向に延びるねじ切りされたスタッド
３８及び４０をそれぞれ有しており、これ等のスタッド
は、上部ノズル２２及び下部ノズル１２の各アダプタ板
４２及び４４の開口に挿入される。螺刻されたスタッド
３８及び４０にはナツト４６及び４８がそれぞれ締付け
られて、構造部材１４の両端をそれぞれ上部ノズル２２
及び下部ノズル１２に堅固に固定する。典型例として、
構造部材１４の被覆管３０は、制御棒案内シンプルの管
よりも相当に大きい厚さを有しており、そして各非制御
棒燃料集合体１０の構造部材１４の数は、各制御棒燃料
集合体における案内シンプルの数よりも相当に少ない、
制御棒燃料集合体において案内シンプルにより占拠され
る位置に対応する非制御棒燃料集合体１０における残り
の位置は、燃料棒１８により占められる０例えば、典型
例として、制御棒燃ｆｌ集合体には２４本の案内シンプ
ルが存在するのに対し、非制御棒燃料集合体１０には・
、僅か８本の構造部材１４が存在するに過ぎず、従って
残りの１６の位置は追加の燃料棒により占められている
のである。上部端栓３２、下部端栓３４、スタッド３８
．４０、ナラ１〜４６及び４８は被覆管３０の封止　取
付手段を構成している。

先に引用した特願昭６１−１０５０４２号明細書に開示
されているものに優る本発明の構造部材１４における改
良は、構造部材１４を反りもしくは湾曲に対し抵抗を有
するように構成することにある。

各構造部材１４は、その被覆管３０に予め予備張力を加
えることにより反りに対して抵抗を有するようにされる
。被覆管３０にこのように予め張力を加えるためには、
その中央部分に圧縮荷重を加えなければならない、圧縮
荷重が加えられた材料は、熱又は照射によるクリープを
受けてはならない。

さもないと、永久的な反り状態にクリープするであろう
からである。従って、構造部材１４の被覆管３０は、好
ましくはペレットの形態にあって被覆管３０内に積重ね
られた、熱もしくは照射によるクリープに対し抵抗を有
する、材料（クリープ抵抗材料）５０を収容している。

酸化ジルコニウム或いはアルミナのようなセラミック材
料が、クリープに対し非常に大きい抵抗性を有する材料
の典型例である。また、これ等の材料は、炭化ホウ素の
ような可燃性吸収材で被覆し、それにより先に引用９し
た特願昭６１−１０５０４２号明細書に開示されている
構造部材と同じ機能を果たすようにすることもできる。

このセラミック性ベレッ１−５０に圧縮加重を加え、そ
れにより該荷重に応答して被覆管３０に予備張力を加え
るようにするために第２図及び第３図に示した予備張力
手段の２つの実施例のうちの何れかを採用することがで
きる。

第２図において、予備張力手段は参照数字５２で総括的
に示したベロー型装置であり、構造部材１４の上部プレ
ナム領域において被覆管３０内に配置される。このベロ
ー型装置５２は、溶接等により上部端栓３２に接続され
る。ベロー型装置５２の外径部は、被覆管３０により半
径方向に支持され、そしてベロー型装置５２の下端部５
４はベレット５０の積重体に圧接する。上部端栓３２側
における加圧通路５６で、ベロー型装置５２の内部を加
圧することができる。加圧後、通路５６を密閉する。然
る時には、ベロー型装置５２内に軸方向の力が存在し、
この力でペレッ１−５０の積重体は圧縮され被覆管３０
には予備張力が加えられる。

約６００ｐｓ　ｉのベロー圧力（冷態時）で、湿態運転
状態中に約１２０ボンドの軸方向の力が発生する。ここ
で、燃料集合体の反りを認容し得る程度に抑えるために
軸方向応力が零であることは要求されず、従って、上記
の値よりも低い圧力を使用することが可能である点に注
目され度い、所望ならば、ベレット領域における被覆管
３０の内部は、下部端栓３４に形成されている通路５８
を介して加圧することができる。このように加圧する場
合には、ベロー内の圧力が相殺されるので、ベロー圧力
を相応に増加しなければならない点に注意されたい。

別法として、第３図に示すように、予備張力手段は、皿
ばね６０からなる配列の形態である。皿ばね６０は、高
いばね率を達成するために図示のように並行に、且つ、
大きな撓み範囲を得るために図示のように組みをなして
重ねることができる。

予備張力手段の何れの実施例を採用するかに関係なく、
その機能は、構造部材１４内のクリープ抵抗材料５０に
予め定められた圧縮荷重を加えて、この荷重の反作用に
より被覆管３０を予備張力状態に予備荷重することであ
る。この予備張力は、原子炉に設置される燃料集合体１
０の一体のユニット構造を介して通常伝達される軸方向
荷重を実質的に相殺し、それにより構造部材１４の被覆
管３０における圧縮応力を大きく減少するのに十分な大
きさとすべきである。従来用いられているコイルばねも
掻く小さい程度ではあるが、可燃性吸収材ベレッ１〜の
積重体に圧縮荷重を加える。しかし、被覆管内部に嵌装
されるコイルばねから得られる力の大きさは、被覆管に
顕著な予備張力を発生するのに要求される力の大きさよ
りも遥かに小さい、従って、コイルばねにより与えられ
る被覆管の予備張力は付随的なものであり不十分であっ
た。例えば、１７Ｘ１７列の燃料集合体は、湿態運転の
寿命初期に約９５３ボンドの押えばね力を有している。

８本の構造部材１４が存在するので、各構造部材は約１
２０ボンドを担うことになる。運転中応力が生じない被
覆管を実現するためには、構造部材１４毎に１２０ボン
ドの予備引張荷重が要求される。これは、被覆管の内部
に嵌装されるコイルばねで達成できる予備引張荷重より
も遥かに高いものである。

本発明によれば、炉心板の圧縮力を燃料集合体１０の押
えばね６２に加えた場合に、構造部材】４の被覆管３０
にかかる軸方向の圧縮応力は大きく減少する。このこと
は第４図に示しである。第４図は、本発明の構造部材構
造と比較して先に引用した特願昭６１−１０５０４２号
明細書の構造部材構造の荷重一応力曲線を示すグラフで
ある　（全ての被覆及び直径パラメータは両事例におい
て同じである）、このグラフから明らかなように、本発
明の構造部材の予備張力が加えられた被覆管は、所定の
軸方向荷重に対し、先に引用した特願昭６１−１０５０
４２号明細書の予備張力が加えられていない管よりも遥
かに低い圧縮応力を有する。

本発明の思想及びそれに伴う多くの利点は、上の説明か
ら理解されるであろう、尚、本発明の範囲から逸脱する
ことなく然もその実質的な利点を犠牲にすることなく、
本発明の実施態様、構造及び配列に関し種々な変更が可
能であることは明らかであり、ここに示した態様は単に
好ましいもしくは例示的な実施例であると理解されたい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明により構成された縦方向構造部材を備
える非制御棒燃料集合体を、図示を明瞭にするために一
部を切除して部分的に吐血で示す立面図、第２図は第１
図の燃料集合体の拡大部分垂直断面図であって、燃料集
合体の上部及び下部ノズルのアダプタ板に両端が取り付
けられる縦方向構造部材の１つ及び該構造部材に予備張
力を加えるための手段の一実施例を示す図、第３図は、
第２図と同様に第１図の燃料集合体の拡大部分垂直断面
図であって、構造部材に予備張力を加えるための手段の
別の実施例を示す図、第４図は、本発明の縦方向構造部
材と本明細書で引用した特願昭６１−１０５０４２号明
細書に開示されている縦方向構造部材とを比較し、本発
明の予備張力が加えられる構造部材の方が、特願昭６１
−１０５０４２号明細書に開示されている予備張力を加
えられない構造部材よりも所定の軸方向荷重に対し遥か
に低い圧縮応力を有することを例証するための荷重一応
力曲線図である。 １０・・・燃料集合体　　　１２・・・下部ノズル１４
・・・構造部材　　　　２２・・・上部ノズル３０・・
・被覆管 ５０・・・クリープ抵抗材料（ベレット）予備張力手段 ５２・・・ベロー型装置　　６０・・・皿ばね被覆管の
封止・取付手段 ３２・・・上部端栓　　　　３４・・・下部端栓３８・
・・スタッド　　　　４０・・・スタッド４６・・・ナ
ツト　　　　　４８・・・ナツト・、二二公ノ　〉・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 上部ノズルと、下部ノズルと、該上部ノズル及び下部ノ
   ズル間に延在し且つ該上部ノズル及び下部ノズルに取り
   付けられて、燃料集合体を一体のユニット構造に形成す
   る縦方向の複数の構造部材とを含み、該構造部材のうち
   の少なくとも或るものは、前記上部ノズル及び下部ノズ
   ル間に延在する細長い中空の被覆管と、該被覆管の両端
   に固定されて、該被覆管を気密に封止すると共に、該被
   覆管を前記上部ノズル及び下部ノズルに取り付ける封止
   ・取付手段とを含んでいる、原子炉炉心の非制御棒位置
   で用いられる燃料集合体において、（ａ）前記被覆管内
   に配置され、照射で生じるクリープに対し抵抗を有する
   或る量のクリープ抵抗材料と、 （ｂ）前記被覆管内に配置されて前記クリープ抵抗材料
   に予め定められた圧縮荷重を加え、該圧縮荷重に対する
   反作用として、典型的には前記燃料集合体の前記ユニッ
   ト構造を介して伝達される軸方向荷重を実質的に相殺す
   るのに十分な大きさの予備張力状態となるように前記被
   覆管に予備荷重を加えることにより、前記構造部材の前
   記被覆管における圧縮応力を大きく軽減する予備張力手
   段と、 を備えるように改良した原子炉炉心の非制御棒位置で用
   いられる燃料集合体。