JPS637353B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉に用いられる燃料集合体に関す
る。

原子力動力炉はよく知られており、例えばM.
Mエル―ワキル著「原子力発電工学」（M.MEl―
wakil，“Nuclear Power Engineering”
McGraw―Hill Book Company Inc.，1976）に
記載されている。

既知のタイプの原子力動力炉では、例えば米国
イリノイ州シカゴ近効のドレスデン原子力発電所
のドレスデン１号原子炉で用いられているよう
に、炉心が非均質型である。かゝる原子炉の核燃
料は、例えば米国特許第3365371号に示されてい
るように、ジルコニウム合金などの適当な材料の
被覆管中に、核燃料として酸化ウランおよび／ま
たは酸化プルトニウムを入れて密封した細長い燃
料棒よりなる。このような燃料棒の所定数を１群
にし、端部開口した管状流れチヤネルに挿入し
て、別々に取出し可能な燃料集合体または束を形
成する。十分な数の燃料集合体をマトリツクスに
配列してほぼ真円の円筒状とし、自己持続型核分
裂反応を行い得る炉心を形成する。この炉心を流
体、例えば軽水中に沈める。軽水は冷却材および
中性子減速材双方として働く。

代表的な燃料集合体は、互いに離間した燃料棒
を上部および下部タイプレート間に支持した配列
体から形成され、燃料棒は長さ数フイート、直径
0.5インチ程度で、互いに数分の１インチ離れて
いる。燃料棒に沿つて冷却材を適切に流すため
に、燃料棒を離間位置に維持し、燃料棒が原子炉
運転中に反つたり振動したりするのを防止するの
が重要である。この目的のために、複数の燃料棒
スペーサを燃料集合体の長さに沿つて適当な間隔
で設ける。このようなスペーサが、例えば米国特
許第3654077号に示されている。

原子炉の炉心に配置されたとき、燃料集合体は
互いに離間され、平板状の水減速材で囲まれる。
従つて外周部の燃料棒は、燃料集合体の内方の、
従つて減速の弱い領域の燃料棒より高い熱中性子
束にさらされる。

燃料集合体の内方部分における中性子減速を増
すことにより燃料集合体を横切る熱中性子束を一
層平坦にでき、その結果燃料利用率を高めるとと
もに局部的出力ピーキングを減らすことができ
る。内方部分の減速を増加するには、１本以上の
内方燃料棒を冷却水用通路の設けられた水管に取
替え、これにより比較的低温の水を燃料集合体の
内方部分を通つて上方へ導びく。このような水管
の構造が米国特許第3802995号に記載されている。

燃料集合体の内方部分を通しての減速は水管の
数を増すことにより増大できる。しかし、これに
は実際上限界がある。１本の水管が１本の燃料棒
に取替わるので、燃料集合体の燃料収容容量が減
少し望ましくないからである。

本発明によれば、燃料集合体の内方部分におけ
る中性子減速を増大するために、水管の数を増す
ことなく、直径が燃料棒より大きい水管を１本以
上設ける。この大径の水管を収容するために、燃
料棒スペーサに実質的設計変更を加えずに、水管
が占有するスペーサセルにＷ形ばね部材を設ける
ことによつて燃料棒スペーサを一部変形する。Ｗ
形ばね部材はこれが取替わつた元のＶ形ばね部材
と較べて、小さい空間ですみ、ほゞ同等の弾性力
を発揮する。

次に本発明を図面を参照しながら詳述する。

第１図は燃料集合体２０の縦断面図である。こ
の燃料集合体２０は、多数の燃料要素、即ち燃料
棒２１を上部骨組タイプレート２２と下部骨組タ
イプレート２３との間に支えて構成される。燃料
棒２１は複数の燃料棒スペーサ２４を貫通する。
スペーサ２４は、中間支持を行つて、細長い燃料
棒を離間関係に保持するとともに燃料棒の横振動
を防止する。

各燃料棒２１は、細長い管内に核分裂性燃料お
よび他の物質、例えば燃料親物質、可燃性毒物、
不活性物質などを上端プラグ２６および下端ププ
ラグ２７で密封して構成される。下端プラグ２７
には延長部が形成され、これが、下部タイプレー
ト２３に設けられた支持穴２９にはまつて、位置
決めおよび支持される。上端プラグ２６には延長
部２８が形成され、これが、上部タイプレート２
２に設けられた支持穴３１にはまる。

下部タイプレート２３の支持穴の幾つか（例え
ば外周穴のうちの選択された穴）はねじ切りさ
れ、ここに燃料棒下端プラグのねじ切り延長部２
７′が螺合される。ねじ切り延長部を有するのと
同じ燃料棒の上端プラグ２６′の延長部２８′は他
より長く、上部タイプレート２２の支持穴３１を
貫通し、ねじ切部が形成されて、ここに止めナツ
ト３２が螺合される。このようにして上部タイプ
レート、下部タイプレートおよび燃料棒を一体構
造に形成する。

燃料集合体２０はほかに薄壁管状流れチヤネル
３３を具え、この流れチヤネル３３はほゞ正方形
断面を有し、上部タイプレート２２、下部タイプ
レート２３およびスペーサ２４に滑合するような
寸法とされ、従つてチヤネル３３を容易に装着し
たり引抜いたりできる。流れチヤネル３３の頂端
にはタブ３４が固定され、これとボルト３７によ
りチヤネル３３を上部タイプレート２２の支柱３
６に緊定する。

下部タイプレート２３には、燃料集合体２０を
原子炉圧力容器の炉心支持プレートのソケツト
（図示せず）に支持するよう構成されたノーズピ
ース３８が形成されている。このノーズピース３
８の端部には開口３９が形成され加圧冷却材を受
入れ、従つて冷却材が上向きに燃料棒間を流れ
る。

第１図に示すように、内方位置の燃料棒２１の
１本（または複数本）を水管４１に代える。水管
４１は燃料棒と同様の構造を有するが、水管は燃
料を含まず、管壁に孔４２および４３および／ま
たは上端および下端プラグに通路４４および４６
が設けられて水減速材が水管中を流れるようにな
つている。

本発明によれば、燃料集合体の内方部分におけ
る水減速材の量を増すために、水管４１の外径を
燃料棒２１の外径より大きくする。例えば、水管
４１を外径約15mmとし、燃料棒２１を外径約12mm
とする。

スペーサ２４は米国特許第3654077号の第５〜
１０図に示されたものと同様の構造を有するスペ
ーサとすることができる。細部構造についてはこ
の米国特許明細書を参照されたい。

本発明によれば、大きな設計変更なしで、この
スペーサ２４を若干変形して大径の水管４１を収
容できるようにする。変形スペーサ２４を第２図
に示す。

スペーサ２４は、外周バンド５０により多数の
交差した分割部材、即ち分割部材５１、ばね支持
分割部材５２および変形分割部材５３を支持して
構成され、これらの分割部材を間隔をあけて配置
して多数の通路またはセル４９を形成する。第２
図においては、代表例として燃料棒２１がセル４
９を貫通し、水管４１がセル４９′を貫通するも
のとして図示してある。分割部材５２の交差部に
支持された四面箱形ばね組立体５４は、外向きＶ
形ばね部材で形成され、これらばね部材の１つが
各セル４９の内部に向つて延在し、燃料棒２１を
対向する分割部材の位置に形成された比較的剛固
な突出部、例えばストツパ７２に接触状態に押し
付ける。

第３図に示すように、箱形ばね組立体５４は、
４個の外向きＶ形ばね部材５６を上部箱端部５７
と下部箱端部５８との間に支持して構成される。
箱端部の４面それぞれには半球状突起５９が形成
され、隣接燃料棒との接触面積を限定するととも
にその横移動を限定する。

大径の水管に適合するようにスペーサ２４を変
形するために、最初は、水管に隣接するばね組立
体を変形しようとした。即ち、箱端部５７および
５８の水管に隣接する側面を短縮し、これら側面
から突起５９を除き、また水管用セル４９′内の
剛固なストツパ７２の突出高さを減らした。水管
に係合するばね部材５６は同じまゝとした。

しかし、実験的に燃料束を組立てたところ、寸
法の大きい水管を挿入するには、燃料棒を挿入す
るのに通常要する力よりはるかに大きい余分な力
を要し、従つて所望の燃料棒予荷重との均衡がく
ずれることを見出した。大きな挿入力はばね部材
５６を撓ませる必要があるから必要となるもの
で、この撓みによりばね部材５６が隣接スペーサ
分割部材に接触し、これにより有効ばね長さが減
少し、この結果ばね剛性が増す。その上、ばね部
材が分割部材に接触すると、箱形ばね組立体全体
が対角線方向に隣接するセル内の燃料棒から遠去
かる方向に移動され、この結果当該燃料棒に加わ
るばね力が望ましくないレベルまで低下する。接
触問題は、水管用セル４９′内のばね部材５６の
幅を狭くすることで解決できるかもしれない。し
かし、幅を狭くするとばね定数が低下し、水管に
望ましい予荷重のばね力を加えることができなく
なる。

従つて、本発明は、第４図に示すように、改良
型の箱形ばね組立体５４′を発明した。これは、
スペーサ構造と適合し、水管および隣接燃料棒に
適切なほゞ等しいばね力荷重をかけることができ
る。

第４図の箱形ばね組立体５４′は、第３図の箱
形ばね組立体５４と較べて下記の点で変形されて
いる。箱端部５７′および５８′を水管用セル４
９′に隣接する側面で短縮し、この側面から突起
５９を除き、この側面でＶ形ばね部材５６の代り
にＷ形ばね部材５６′を用いる。

Ｗ形ばね部材５６′の幅と形状は、Ｖ形ばね部
材５６が燃料棒に与えるのとほゞ同じばね力を水
管に加えるように選択し、かくしてＶ形およびＷ
形のばね部材双方ともに同等の応力レベルを達成
し、原子炉の運転中のばね緩和率の差からばね力
が不均等になるのを防止する。水管に対応するば
ね部材５６′のＷ形は、ばね部材をスペーサ分割
部材から遠去かる方向に突出させ、従つて分割部
材との接触を防止するようになつている。

水管に対応するばね部材５６′のＷ形により水
管との接触が２点となり、また水管用セル４９′
内で剛性ストツパの突出高さが減少して水管とス
ペーサ分割部材との間の隙間が小さくなる。しか
し、このことは、スペーサとの接触面積を最小に
して冷却材流れへの干渉や「ホツトスポツト」を
回避するのが望ましい発熱燃料棒と比較した場
合、燃料なしの水管にとつては不都合ではない。

箱形ばね集合体５４および５４′は炉内使用に
適当なばね材料、例えばInconelまたはAlloyX―
750で形成し、スペーサ２４などの部品は中性子
捕獲断面積の小さい材料、例えばジルコニウム合
金で形成するのが好ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は水管を含む燃料集合体の縦断面図、第
２図は燃料棒スペーサの平面図、第３図は箱形ば
ね組立体の立面図、および第４図は変形した箱形
ばね組立体の立面図である。 ２０…燃料集合体、２１…燃料棒、２２，２３
…タイプレート、２４…スペーサ、４１…水管、
４２，４３…孔、４４，４６…通路、５４…箱形
ばね組立体、５６…Ｖ形ばね部材、５６′…Ｗ形
ばね部材、５７，５７′，５８，５８′…箱端部、
５９…半球状突起、７２…ストツパ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子炉の炉心に複数の燃料集合体及び中性子
   減速材と共に用いられ、所定外径の細長い複数の
   燃料棒が間隔をあけて配列されて含まれている燃
   料集合体において、１つ以上のスペーサが前記燃
   料棒の両端間に配置されて前記燃料棒が貫通する
   複数のスペーサセルを交差した分割部材により形
   成し； 前記燃料棒の外径より大きい外径を有する、減
   速材の導入および排出手段を具えた少くとも１本
   の中空管が前記燃料集合体の内方部分に配置さ
   れ、かつ、前記スペーサセルを貫通し； 前記分割部材の交差部に支持された四面箱形ば
   ね組立体は、離間した箱端部を各側面それぞれ別
   個のばね部材で連結して構成され； 前記ばね部材は、それぞれ１本の前記燃料棒又
   は１本の前記中空管が占有する前記スペーサセル
   それぞれに対角線方向に延在して前記燃料棒又は
   前記中空管に接触してこれらの横方向支持を行な
   い； 前記中空管の横方向支持を行なう前記ばね部材
   が前記中空管に２ケ所で接触するようにＷ形を有
   することを特徴とする核燃料集合体。 ２ 前記燃料棒が占有するセル中に延在するばね
   部材がＶ形で燃料棒と１ケ所で接触する特許請求
   の範囲第１項記載の核燃料集合体。 ３ 前記Ｗ形ばね部材が、前記Ｖ形ばね部材が燃
   料棒に加えるのとほゞ同じ力を中空管に加える特
   許請求の範囲第２項記載の核燃料集合体。 ４ 前記中空管が占有するスペーサセルに隣接す
   る前記四面箱形ばね組立体の側面が短縮されてい
   る特許請求の範囲第１〜３項のいずれか１項に記
   載の核燃料集合体。 ５ 前記箱形ばね組立体の箱端部には、燃料棒が
   占有するスペーサセルに延在するばね部材の側面
   に半球状突起が形成された特許請求の範囲第４項
   記載の核燃料集合体。