JPS62892A - 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】 ［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に係り
、特に、地震時に作用する荷重及び応力を低減した核燃
料集合体に関する。

［発明の技術的背景とその問題点１ 従来の沸騰水型原子炉に用いる核燃料集合体は、被覆管
内に二酸化ウラン（ＵＯ２）ペレットを充填し、その下
部には直接下部端栓を設け、その上部はプレナムスプリ
ングを介して上部端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上部より排出されるように構成
されている。このとき、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
等を駆動する。

ところで、上記核燃料集合体内の水平方向の出力分布は
一様でないことが知られている。これは、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
るので出力が高く、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ので出力が低くなる傾向があるか
らである。

そこで、従来は核燃料集合体内の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
うにしていた。

しかしながら、上記したような小口径のウォータロッド
のみを採用した核燃料集合体では、出力分布の均一化は
十分とは言えないので、核燃料の濃縮度にも差を設定し
なければならないという煩雑さがあった。

そこで、ウォータロッドの外径を燃料棒の約２倍にして
その収容空間がほぼ燃料棒４本分に相当するような太径
ウォータロッドからなる核燃料集合体を用いると、出力
分布の均−化及び中性子経済が一層向上することが知ら
れている。

次に、上記したような太径ウォータロッドを使用した従
来の核燃料集合体の一゛例を第３図について説明する。

同図に示すように、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
ように正方格子状に配列した状態で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プレート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。

１０はエキスパンションスプリングである。

燃料集合体１の下部は、その下部に取付けられている下
部タイプレート７の上部四側面に装着された板バネ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、燃料集合体１の上部は、上部タイプレート６の上
面四隅に突設された４本のボスト１４のそれぞれと前記
チャンネルボックス２上端の三角形状の止め部材１５を
チャンネルファスナ１６を介して固定することによりチ
ャンネルボックス２が上部タイプレート６に固定されて
いる。

第４図は第３図の太径ウォータロッド８の拡大側面図で
あり、同図に示すように下部端栓５には角柱状部１７が
設けられ、下部タイプレートの中央に設けられた同形状
の角孔に嵌合させることにより、ウオータロン下自身の
回転を阻止し、回転によるスペーサの離脱を防止するよ
うに構成されている。・なお、１・１は冷却材流入孔、
１２は冷却材流出孔である。

上述したように、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、地震時の機械的健全性と冷却材の圧力損失の点で下
記のような不具合があることが分った。

次に、このことについて説明する。既に述べたように、
チャンネルボックス２の挿着時においては、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
減少したり、あるいは、燃料集合体１の照射成長による
軸方向の伸びとチャンネルボックス２の照射成長による
軸方向の伸び差、即ち、燃料集合体（つまり燃料棒３）
の伸びがチャンネルボックス２の伸びより大きいために
生じる伸びの差によりチャンネルボックス２は上方へ引
き上げられると、チャンネルボックス２の挿着時におけ
る下部タイプレート７とチャンネルボックス２の嵌合量
は減少することになる。

さらに、チャンネルボックス２は、チャンネルボックス
挿着時に板バネ１３により外側に広げられ、この状態を
保ちつつ炉内温度の上昇及び照射によりクリープ速度が
増加することになるので、チャンネルボックス２の挿着
時よりも更に外側に変形する。したがって、チャンネル
ボックス２と下部タイプレート７との間隙は増加するこ
とになる。このような状況下にある燃料集合体１におい
て、例えば地震時を想定して水平方向に加速度が作用す
ると、下部タイプレート７は第５図に示すようにチャン
ネルボックス２内で点線で示すようにθ傾くことが考え
られる。

一方、従来の太径ウォータロッド８は、燃料棒３と同様
にその上部及び下部はそれぞれ上部端栓４及び下部端栓
５を介して上部タイプレート６及び下部タイプレート７
に嵌合し、ざらに太径ウォータロッド８の回転によりス
ペーサ９が離脱しないように回り止めが施されているの
で、燃料棒下部は回転が拘束されている。このような構
造の太径、ウォータロッド８をもつ燃料棒集合体１にお
いて、前述した下部タイプレート７のチャンネルボック
ス２内での傾きを考慮して、地震時による応力解析を有
限要素法を用いて解析したところ、太径ウォータロッド
８は燃料棒３の外形の約２倍もあり、かつ燃料棒３に比
べて非常に剛性が強いため燃料棒３に比べて非常に変位
が小さいことが分った。このため、太径ウォータロッド
８に支持されるスペーサ９（特に第１スペーサ）に非常
に大きな荷重（反力）が付加されることになる（第６図
参照）。また、太径ウォータロッド８の下部端栓には、
下部タイプレート７の傾きにより非常に大きな応力が生
じることになる（第７図参照）。

しかも、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、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、燃料集合体１内の冷却
材の流れを乱すと共に大きな圧力損失を生ずるという不
具合が想定される。

［発明の目的１ 本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的は、
地震時に発生する荷重及び応力の低減並びに太径ウォー
タロッドの下部における冷却材の擾乱を減少し、圧力損
失を軽減した太径ウォータロッドを有する核燃料集合体
を提供することにある。

［発明の概要］ 本発明は、上記目的を達成するために、筒状の燃料チャ
ンネルボックスと、この燃料チャンネルボックスの上部
及び下部にそれぞれ嵌着される上部及び下部タイプレー
トと、前記燃料チャンネル内部で軸方向に沿って間隔を
置いて設置される複数個のスペーサと、このスペーサを
貫通し前記上部及び下部タイプレートにより両端を支持
され正大格子状に配列される燃料棒と、このように配列
された燃料棒群のほぼ中央に配置されて４本以上の燃料
棒の配列空間を占有する太径ウォータロッドとから成る
核燃料集合体において、前記太径ウォータロッドの上端
部が前記上部タイプレートに支持されかつ太径ウォータ
ロッドの下端部が下部タイプレートに直接支持されない
ように構成されたものである。そして、上記太径ウォー
タロッドは、下端部に行くにしたがって漸次縮小されて
先細状に構成されている。

［発明の実施例］ 本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一実施例の側面図を示すものでり、同
図に示す本実施例の核燃料集合体が既に説明した第３図
の従来の核燃料集合体と相違する点は、太径ウォータロ
ッドの下部に取り付けられていた下部端栓を取り除き太
径ウォータロッドを下部タイプレートと分離した点にあ
り、その他の構成は同一であるので、従来と同一構成個
所には同一符号を付してその詳細な説明は省略するもの
とする。

第１図に示すように、太径ウォータロッド２０には、従
来のように下部端栓が取り付けられていないため、この
ウォータロッド自身の回転阻止及び回転によるスペーサ
９の離脱を防止するには、第２図に示すように太径ウォ
ータロッド２０の上部に取り付けられている上部端栓２
４のシャンク部に従来の核燃料棒上部に取り付けられて
いる上部端栓のシャンク部と同様にネジ部２３を設け、
このネジ部２３を上部タイプレート６の中央部に設けら
れた太径ウータロツド用ボスに嵌合し、このボス上面か
ら抜は出た上部端栓シャンク部に固定ワッシャ２５を挿
入し、前記シャンク部にナツト２６を所定の嵌合部まで
回し込んで太径ウォータロッド２０を固定し、また、太
径ウォータロッド２０の回転を阻止するためにナツト２
６を前記固定ワッシャ２０の爪で包み込むように構成し
ている。

また、太径ウォータロッド２０の下端部の外径及び内径
は、第２図に示すように下端部へ行くに従って漸次縮小
せしめて先細状に形成されている。

さらに、この太径ウォータロッド２０の上部の外径は燃
料棒３の外径の２倍以上有し、その下端の外径は燃料棒
３の外径とほぼ同程度になるように形成されている。

さらにまた、太径ウォータロッド２０の先細状下端部は
流線形に形成されているので、この下端部へ流入される
冷却材の流れの擾乱を小さくなるように抑制するととも
に冷却材の流れを整えて圧力損失の低減を図っている。

また、太径ウオー□タロツド２０内の冷却材には、中性
子の減速効果を高めるという観点からボイドが発生して
は好ましくないため、太径ウォータロッド２０の下端部
に設けられている冷却材入口孔２１は燃料有効長の１ノ
一ド分（燃料有効長／２４）より下方にあった方が望ま
しい。なお、太径ウォータロッド２０の上端部に設けら
れている冷却材出口孔２２は従来と略同様の位置に設け
られている。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、太径ウォータロ
ッドと下部タイプレートとが切り離されているので、地
震時に下部タイプレートが水平方向加速度の作用を受け
て傾いても、従来のように太径ウォータロッド下部に生
じていた最大曲げ応力は生じない。また、スペーサに作
用する荷重（反力）および太径ウォータロッドの自重に
よる荷重も非常に小さいものとなった。

したがって、地震時に水平方向加速度が燃料集合体に作
用しても、燃料集合体の機械的強度は従来の燃料集合体
く小口径ウォータロッド使用）以上の機械的強度を有す
る。また、太径ウォータロッドの下端部を先細状かつ流
線形に形成しているので、この太径ウォータロッドの下
端から上端へ向けて昇流する冷却材の流れは従来のよう
に擾乱することなく、また譬え擾乱してもそれ自体は小
さく抑制される。このことにより、冷却材の圧力損失が
低減し、原子炉の炉心の水力学的安定性、熱的余裕が改
善されるので、冷却水を原子炉内に循環せしめるポンプ
９ポンプ動力の低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の側面図、第２図は第１図の
太径ウォータロッドの縦断面図、第３図は従来の燃料・
集合体の縦断面図、第４図は第３図の太径ウォータロッ
ドの側面図、第５図は下部タイプレートの傾き角θを示
す模擬図、第６図は下部タイプレートの傾き角θによる
第１スペーサに作用する荷重の増加量を示す図、第７図
は下部タイプレートの傾き角θによるウォータロッド下
端部に作用する応力の増加量を示す図である。 １・・・燃料集合体 ２・・・チャンネルボックス ３・・・燃料棒 ６・・・上部タイプレート ７・・・下部タイプレート ９・・・スペーサ ２０・・・太径ウォータロッド ２１・・・冷却材入口孔 ２２・・・冷却材出口孔 ２３・・・上部端栓ネジ部 ２４・・・上部端栓 （８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか１
名） 第　　１　　図 第　　３　図 第　　５　　図 第　　６　　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）筒状の燃料チャンネルボックスと、この燃料チャ
   ンネルボックスの上部及び下部にそれぞれ嵌着される上
   部及び下部タイプレートと、前記燃料チャンネル内部で
   軸方向に沿って間隔を置いて設置される複数個のスペー
   サと、このスペーサを貫通し前記上部及び下部タイプレ
   ートにより両端を支持され正方格子状に配列される燃料
   棒と、このように配列された燃料棒群のほぼ中央に配置
   されて４本以上の燃料棒の配列空間を占有する太径ウォ
   ータロッドとから成る核燃料集合体において、前記太径
   ウォータロッドの上端部が前記上部タイプレートに支持
   されかつ太径ウォータロッドの下端部が下部タイプレー
   トに直接支持されないように構成されたことを特徴とす
   る核燃料集合体。
2. （２）太径ウォータロッドは下端部に行くにしたがって
   漸次縮小されて先細状に形成されている特許請求の範囲
   第１項記載の核燃料集合体。