JPS6333696A - 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】 本発明は、原子炉容器内に配置した燃料集合体入シ炉心
を経て冷却材を上向きに上昇させる原子炉用燃料集合体
に関する。

各燃料集合体は、核燃料ペレットの積層体を含み気密の
キャップにより閉じた金属製管状被覆によりそれぞれ形
成した燃料要素の束を備えた形式のものである。各燃料
要素は、タイロッドとこれ等のタイロッドに沿い互いに
間隔を隔てたスペーサ格子とにより相互に連結した端部
部材を備えた剛性構造内に保持しである。各燃料要素は
、所定の間隔で配置したスペーサ格子により正方形の網
目の節点に配分しである。

本発明は、ジルコニウム基体合金で作られた金属被覆を
持つ燃料要素を備えたＰＷＲと称する加圧水型態ギ炉の
燃料集合体にとくに適している。

前記したような燃料集合体の格子により若干の各別の機
能が果される。核分裂性物質を含む燃料要素を横方向に
支え突張りをかう作用をする。格子は又燃料集合体を取
扱い中、地震を原因とする事故中又は運転事故の間に横
方向衝撃に対し構造的保護作用を確実にする。又これ等
の格子は、炉心を経て上向きに循環する冷却材の流れを
混合させる。冷却材のこのような混合は、核分裂性物質
を含む燃料要素により放出される熱の最適の連続的な規
則正しい抽出ができるように１−１冷却材の局所沸騰を
招く冷却材内の局部的温度上昇金避けるのに重要である
。すなわち適当な混合によって冷却材に対し一般的なエ
ンタルピ増加を得ることができる。この冷却材は、局所
沸騰を避けると共に炉心からの最高の熱出力が得られる
ように炉心内にこの場合混合を伴わないで一層均質に横
方向に分布する。

所定の間隔を互いに隔て前記した機能を生ずるスペーサ
格子を備えた植種の形式の燃料集合体が従来から知られ
ている。ＰＷＲ原子炉の従来の核燃料集合体は、この集
合体の頂部から下部まで規則正しい間隔で配置した格子
を備えている。仏国文書８４　１８　６４５号には、案
内管のような細長い部材により泪互に連結した２個の端
部部材と各案内管に沿い互いに間隔を隔て燃料要素の束
のうちの各燃料要素に対する支持区画を形成する複数個
の格子とを持つ骨祖又く割注構造を備えたこのような燃
料集合体について記載しである。前記の各燃料要素は規
則正しい網目の節点に配分しである。各格子は互いに異
なる形式を持ち、横方向衝撃に耐えるように作られ燃料
集合体に沿う冷却材の流れに乱れを生ずるようにフィン
を設けた中間格子と、各燃料要素の支えを確実にし冷却
材に対し中間格子よυ一層小さい圧力降下を生ずる下部
格子及び上部格子とから成っている。

この解決法は多くの問題を解決する。しかし燃料集合体
のジルコニウム基体合金の被覆の特定の場合に、本出願
人は燃料要素の上部部分ではその下部部分におけるよシ
も一層著しく腐食の現われることを知った。

局部腐食現象は、冷却材の温度と各燃料要素（・てよシ
局部的に散逸する局部熱出力とに依存し、又炉心の頂部
に存在する冷却材の温度は炉心の底部におけるよシも必
然的に高くなることが知られている。これ等の２つの要
因すなわち冷却材の温度と炉心から局部的に放出される
熱出力とは、燃料要素の頂部及び下部の間の差動腐食を
当業界の熟練技術者に語るものであるが、この同じ論拠
によりこの技術者はこの現象の避けられないことを確信
するようになる。

本発明の目的は、原子炉炉心用の新規な燃料集合体を提
供しようとするにある。とくに本発明の目的は、各燃料
要素頂部における腐食全滅らした燃料集合体を提供しよ
うとするにある。

この九めに、頂部の腐食の加速の従来知られている原因
のほかに他の原因の存在することが分ってはめるが、こ
の現象の新うたな解析全行うことが先ず必要になってい
る。この解析では、各燃料要素のさや状体すなわち被覆
に腐食に基づいて生成する酸化物層が燃料要素とこの要
素を囲む加圧水との間の熱交換全悪化させ従って腐食を
増すという仮定全行うようになる。この酸化物層の厚さ
の増加は燃料要素の下部におけるよシも温度の一層高い
頂部に訃いて一層早いということによって、腐食現象が
さらに著しく増幅される。

この解析は、照射された燃料要素の被覆の表面（てこの
被覆に沿う複数の位置で生成する酸化物層の厚さを計測
することにより証明されている。これ等の計測はうず電
流探針により行った。これ等の計測では酸化物の厚さは
下部から上部に進むに伴い著しく増すことを示した。た
とえば解析された燃料被覆のうち４０，０００　ＭＷｊ
／ｌｕを越えるバーンアップを受けた被覆に対しこの厚
さに、この被覆の下端部分で約１８μｍであることが分
り、この被覆の上端部分では５０μｍに達する。本出願
人は又、酸化物厚さは金属及び酸化物間の境界面で燃料
要素が原子炉内にある間に温度上昇に伴って増すことを
知った。従って上端部分における酸化物の増大した厚さ
により金属及び酸化物間の境界面だおける温度が上昇し
従って酸化物の生成を加速する。

被覆の頂部における腐食増大のこの現象を減らすように
本出願者は、各燃料要素と冷却材すなわちこの燃料要素
の頂部におけるＰＷＲ内の加圧水との間に生ずる熱交換
を高めるようにした。このために本発明の目的は、とく
に前記したような燃料集合体を提供しようとするにある
。この燃料集合体ではこの集合体の上部に位置する各上
部格子を集合体の下部に位置する各下部格子よシ一層小
さい間隔に配置し、前記各上部格子により、従来の上部
格子の生ずる混合よシも冷却材の一層強い混合によって
前記上部格子を経て循環する冷却材流れ（加圧水）の混
合を高める。

このようにして、燃料集合体の頂部における燃料要素の
被覆の表面の腐食の出現を遅らせることができる。この
ことは、燃料集合体の頂部における冷却材の混合を一層
良好にすると共に良好な状態の原子炉の運転に適合する
許容できる圧力降下を保持することと、燃料集合体の下
部は侵さないでさや状体の頂部における酸化物の生成を
遅らせることとに基づくものである。

本発明は又、フィンを設けた上部格子とフィンを設けて
ない下部格子とを持つ燃料集合体を提供するものである
。この集合体の上端部の近くに位置させた最後の格子も
又フィンを設けないのがよいＯ 本発明の他の目的は、象とえば仏国文書ＦＲ８６０２５
０１号に記載しである形式の格子のように比較的軽い構
造を持つ上部格子？提供しようとするにある。このよう
な格子は、周辺の帯材と少くとも２狙の互いに平行な板
材とから成っている。一方の組の板材は他方の組の板材
に対し成る角度を挾みこれ等の２組により燃料要素を通
すための区画を仕切るようにしである。互いに平行な板
材はこの燃料集合体の縦方向に沿い互いに間隔を隔てた
少くとも２つの床内に配分しである。

前記各板材には、前記の２つの各床内にそれぞれ互いに
異なる向きを持つ半分のフィンを設げである。

以下本発明核燃料集合体の実施例を添付図面について詳
細に説明する。

第１図の曲線は、公知の形式の燃料集合体の縦方向に沿
う計測場所に従って変化する燃料要素被覆の表面のジル
コニア（酸化物）層の厚さの進展を示す。各格子は従来
の控えに沿って互いに規則正しい間隔を隔てて位置させ
である。

燃料要素の下部の端部と計測の行われる要素部分との間
の距離はＯｘ軸に示す。又酸化物層の計測厚さは０７軸
に示す。燃料要素に沿い縦方向に互いに間隔を隔てた各
格子の位置はＡないしＨで識別した上下方向のバーによ
り第１図に示しである。格子ＡＵ燃料集合体の下端部従
って調査する燃料要素の底部キャップに最も近く位置す
る格子である。

本出願人の実施した計測から得られる第１図の曲線は次
のことを示す。すなわち 酸化物層は、格子Ｅ及びＨ間の方がこの集合体の下部に
位置する各格子間におけるよシも実質的に厚い。

酸化物層の厚さは、各格子自体の前方だけでなく又これ
等の格子のすぐ下流側でも、各格子のすぐ上流側区域の
被覆部分に認められる厚さに比べて一層薄い。

最後に又本出願人の観察によれば格子の位置に従ってこ
の作用は格子の下流側約１０ないし３０儂にわたって認
められる。ジルコニアすなわち酸化物層は、格子間空間
に位置する被覆部分で厚くなりこの間隔の中間部のすぐ
後でピークに達する。

最高のピークは格子Ｆ及びＧの間にある。

第２図は、案内管５のような細長い部材により互いに連
結した下端部３及び上端部４を持つ骨１組を備えた燃料
集合体１を線図的に示す。

この燃料集合体１には下部格子６．　７．　８．　９及
び上部格子１０．ＩＬ　　１２，１３，１４゜１５．１
６を設けである。集合体１の上半部に位置する互いに隣
接する２つの上部格子間の距離は、集合体１の下半部に
位置する互いに隣接する２つの下部格子間に存在する距
離より短かい。図示の特定の例ではこの集合体は７個の
上部格子及び４個の下部格子を備えているがこれ等の個
数は限定するものではない。

７個の上部格子を図示のように位置させると、この集合
体の上部では従来の燃料集合体により得られる混合よシ
も冷却材を一層よく混合することができる。このことは
、原子炉から散逸する同じ熱出力と集合体からの冷却材
の同じ放出温度とに対していえる。この場合被覆の温度
が一層低くなり従ってこの部分における酸化物層の厚さ
の生長を遅くすることができる。第１図の格子Ｅ及びＨ
の間の部分の燃料要素の腐食の進行は従って遅くなる。

本発明の有利な実施例では上部に訃ける格子の個数を倍
にしである。各燃料要素はたとえば、軸線方向に２５Ｃ
Ｉ！Ｌごとに位置させた格子によりつないで支えである
。

第６図は本発明燃料集合体の上部格子１０を線図的に示
す。格子１０は、各燃料要素を保持し間隔を隔てるよう
に板材２３から成る互いに平行な２つの床２１．２２を
備えている。各板材２３’ＩＣは混合フィン２４を設け
て板材２３の支持機能のほかに流体の流れを混合する機
能を果たす。

第４図は２つの床２Ｌ２２を持つような混合格子を示す
。各床２１，２２は棒材又はすみ部棒２５により互いに
接合しである。各床２Ｌ　　２２は互いに異なる２方向
に取付けた板材２６を備えている。第６図及び第４図に
示すように板材から成る各床は、燃料要素２１の受入れ
区画が２つの床に属する板材によって初めて完全に仕切
られるという意味で不完全であることが分る。

各上部格子は仏国文書ＰＲ８６０２５０１号に記載しで
ある形式のものであるが、本発明燃料集合体には他の形
式の格子も又適している。

第５図及び第６図は、単一の床を持つ上部格子の１実施
例を示し、又格子３０を若干の案内管に固定する締付は
ブレード３１を示す。

格子３０は２個所の高さ位置で板材３５の各表面に位置
させた突出部又はボス３３．３４で燃料要素３２を支え
る機能を果たす。格子３０は、たとえば仏国特許！１Ｆ
Ｒ８４１６８０３号明細書（（記載しであるようなフィ
ン３６を持つ集合体を経て上向きに流れる冷却材の流れ
に乱流を導入する。

格子の剛性をさらに増すように、少くとも若干の板材を
縦方向の強め折曲げ部３８を持つ突出部分３７により延
長するのが有利である。

第７図は本発明集合体に使うのを有利とする下部格子を
示す。これ等の格子はみぞ穴４１（第８図）を形成した
２組の板材４０を備えている。相互に組付けると各板材
４０はたとえば電子銃による溶接部４２によって固定す
る。各板材４０・は型打ちして板材の各側部を第７図の
穴すなわち区画４３．４４のような互いに隣接する２つ
の空所内に突出させる突出部を形成する。これ等の突出
部により第７図の燃料要素４５のような核分裂性物質か
ら成る要素を横方向に支える。

第７図、第８図及び第９図に示した格子は、区画の各表
面に単一〇ボスと備えている。区画４３に対応するボス
は第８図及び第９図でボス４６として示しである。２つ
の表面のボスは２つの直交表面に設けたボスとは異なる
高さ位置にある。核分裂性物質から成る各要素４５は従
って、４つのボスとの恒久的な接触により横方向に支え
である。

各ボス４６には、東内管４８（第７図）の占める区画を
仕切る壁の場合を除いて反対方向に向いたボス４７と協
働させである。下部格子にはフィンを設けてない。従っ
て下部格子は流体流れの混合にはわずかじか関与しなく
て極めてわずかな圧力降下を伴うだけである。

本発明は前記した実施例に限定するものではない。本発
明は又とくに、各格子が多角形で非長方形の横断面を持
つ集合体と、下部格子にも混合フィンを設けた集合体と
、上部格子又は下部格子或はこれ等の両方の格子が相互
に異なる集合体とを含むものである。

以上本発明をその実施例について詳細に説明したが本発
明はなおその精神を逸脱しないで植種の変化変型を行う
ことができるのはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知の規則正しい間隔を互いに隔てた格子を持
つ従来の燃料集合体に認められるように照射された燃料
のジルカロイ被覆の酸化物層のこの被覆に沿う厚さの進
展状態の線図である。第２図は本発明により互いに間隔
を隔てた格子を持つ加圧水型原子炉用の燃料集合体の１
実、廁例の側面図、第６図は、本発明集合体に使うフィ
ンを備えた２つの板材の床を持つ上部格子の斜視図、第
４図は第６図の板材から成る２つの床を持つ上部格子の
フィンの配置例を示す斜視図でおる。第５図は本集合体
に設げる上部格子の構成板材の実施例を示す縦断面図、
第６図は第５図の部分平面図である。第７図は本集合体
の区画を仕切る単一の床を持つ格子の板材の交差部の１
例を示す平面図、第８図は本集合体の下部格子の壁の２
つに形成した突出部を示す斜視図、第９図は第８図のＩ
Ｘ−ＩＸ線に沿う断面図である。 １−・燃料集合体、３・・・下端部材、４・・・上端部
材、６、　７．　８．　９・・下部格子、１０，１１，
１２゜１３．１４，１５．１６・・・上部格子、２４・
・・フィン、３２・・燃料要素 ＦＩＧ、１゜ 手続補正書く方式） １．事件の表示　　昭和６２年特許願第１２１４３４＠
２、発明の名称　　核燃料集合体 ３、補正をプる者　　　事件との関係　　特３！［出願
人）　　ラ　　マ　　ト　　−　　ム （ばか１名） （昭和６２年７月２８日発送）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）減速兼冷却用の加圧水を収容する容器と、この容
   器内に設けられ前記の水が上向きに流通するように配置
   した炉心とを持つ原子炉に設けた複数の相互に隣接する
   直立の核燃料集合体において、上端部分及び下端部分を
   持ち核燃料物質を納めるジルコニウム基体管状被覆をそ
   れぞれ持つ複数の燃料要素から成る燃料要素束と、タイ
   ロッドにより相互に連結した上端部材及び下端部材と前
   記各タイロッドに沿い互いに間隔を隔てた複数個の格子
   とを持ち前記の燃料要素の束を平行な関係に保持して支
   える剛性構造とを備え、前記の複数個の格子を、上部格
   子流通水流を混合する第１の流れ混合手段を持ち集合体
   上部に位置し第１の所定の距離だけ相互に規則正しい間
   隔を隔てた各上部格子から成る上部の組の格子と、これ
   等の上部格子の第１の流れ混合手段よりは有効でない水
   流の混合を行うように構成し配置した第２の流れ混合手
   段を持ち集合体下部に位置し前記の第１の所定距離より
   長い第２の所定距離だけ相互に規則正しい間隔を隔てた
   各下部格子から成る下部の組の格子とにより構成して、
   前記の上部格子の構造及び配置により前記ジルコニウム
   基体管状被覆の上端部分における腐食を制限し、前記各
   燃料要素の被覆の上端部分と前記水との間で前記上部格
   子により生ずる増大した熱交換に基づく前記被覆の上端
   部分及び下端部分間の温度勾配を低減するようにした核
   燃料集合体。
2. （２）上部の組の格子の各上部格子に流れ混合フィンを
   設けるが、下部の組の格子の各下部格子にはフィンを設
   けないで、さらに前記上部の組の格子と燃料集合体上端
   部材との間に位置しフィンを設けてない頂部格子を備え
   た特許請求の範囲第（１）項記載の核燃料集合体。
3. （３）各上部格子間の第１の所定の距離を１５ないし３
   ０ｃｍの範囲内の値にした特許請求の範囲第（１）項記
   載の核燃料集合体。
4. （４）上部格子に、周辺帯材と少くとも２組の互いに平
   行な板材とを設け、一方の組の各板材が他方の組の各板
   材に対し或る角度を挾んで、前記の板材の組が燃料要素
   用の通路区画を仕切り、前記の互いに平行な板材を集合
   体縦方向に互いに間隔を隔てた少くとも２つの床に配分
   し、前記の互いに平行な板材に一方の床と他方の床との
   間で互いに異なる向きを持つフィンを設けた特許請求の
   範囲第（１）項記載の核燃料集合体。