JPH024874B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉燃料集合体、特に燃料集合体
の横方向強度を大きい状態で維持すると共に、冷
却材流動中の燃料棒の振動を抑制し、構造上の健
全性を確保した原子炉燃料集合体に関する。

原子炉炉心中では、燃料棒は軸方向の一次冷却
水の乱流流動による振動や、冷却水の横方向流
れ、特に最近、加圧水型原子炉の幾つかで問題と
なつている炉心バツフル板つなぎ目間隙から吹き
込むいわゆるバツフル流による振動を誘起され、
この振動の大きさがある限界値を超えると、燃料
棒のフレツテイング破損等の損傷の原因となる。
そこで、これを防ぐ１つの有効な方法として燃料
棒を支持格子で強固に固定し、燃料棒の固有振動
数を上げ、上記振動の限界値に至らないようにす
ることが考えられるが、一方、このように燃料棒
を支持格子で強固に支持した場合には、燃料棒の
曲がりを誘発し易い欠点がある。即ち、支持格子
は従来、上下端板及び下部端板にそれぞれ固定さ
れ、内部に核燃料を含まない制御棒案内管や炉内
計装用案内管など構造部材に固定されていたが、
燃料棒と構造部材との熱膨張による伸びや、中性
子照射による成長に起因した伸びに差があり、高
温運転中、燃料棒が支持格子に対して相対的に軸
方向に滑動する必要がある。そのため、上述の如
く燃料棒を支持格子で横方向に強固に支持するこ
とは、摩擦力を増大し、燃料棒に過大な軸方向圧
縮力を付加させることから燃料棒の曲がりを発生
させる一要因となる。

このように支持格子を核分裂性物質を含まない
構造部材に固定した構造では、燃料棒を剛に支持
しようとしても燃料棒曲がりの問題から自ら限界
があつた。

そこで、これらに対処し、燃料棒の伸びと共に
支持格子が構造部材を滑動し得る燃料集合体構造
や、複数の支持格子のうち、中央の支持格子のみ
を構造部材に固定し、燃料棒の伸びを上下均等に
吸収する構造などがさきに提案された。

しかしながら、これらの構造に関しても、なお
次のような欠点が認められた。即ち、 (1) 支持格子と構造部材の接触が支持格子帯板の
ばねによつているため、支持格子横方向の荷重
が作用したときの構造部材による支持が弱い。
この結果、集合体全体の横方向荷重に対する構
造強度が小さくなる。勿論、これは、構造部材
に係合するばねの荷重を大きくすることにより
回避されるが、このようにすることは支持格子
の自由な摺動を阻害し、目的に反し好ましくな
い。

(2) 支持格子による燃料棒及び構造部材の保持は
本質的に同一であり、支持格子が燃料棒の伸び
と共に構造部材に対して相対的に摺動するのは
両者の本数の違いに由来する合計摩擦力の差の
みによる。従つて、依然小さくなつたとは云
え、燃料棒に対する軸方向圧縮荷重が作用し、
燃料棒曲がりに対する悪影響は完全に防止でき
る訳ではない。

(3) 原子炉内で燃料を使用する場合、高温かつ中
性子照射を受ける環境の下で支持格子ばねは応
力緩和現象を起し、ばね力は減少する。燃料棒
及び構造部材に接触するばねを比較すると、発
熱体である燃料棒に近いばねの方が僅かに温度
が高く、また応力緩和現象に効果を及ぼす高速
中性子の照射量の大きい燃料近傍のばねの方が
応力緩和量は大きくなる。

一方、普通の燃料棒設計では高圧の一次冷却
材に対して燃料棒内圧は寿命末期まで小さくな
るように設計される。従つて、燃料棒被覆管
は、この内外圧の差及び上記の高温、中性子照
射条件下で少くとも通常の核燃料体である
UO₂、PuO₂、ThO₂あるいはこれらの混合物の
ペレツトのスウエリングにより内面から支持さ
れるようになる燃料寿命中期までの間は外径が
小さくなるようなクリープ変形をする。そして
燃料棒の外径の減少は支持格子帯板のばねの変
位量を小さくし、その結果、燃料棒に対する支
持格子の保持力は減少する。従つて、これらの
効果が複合され、燃料使用中には、前記(2)で述
べた欠点は増幅され、必らずしも初期の目的通
りの効果が得られないという事態を呈してい
た。

なお、云う迄もないが、ばね力の減少は、当
初の設計段階で充分に考慮され、ばね力減少後
でも所定のばね力が維持されるよう、燃料製造
時には予め、大き目の値に設定されるものであ
るから減少した結果、燃料棒曲がりに関連する
軸方向摩擦抵抗圧縮力が低減され、燃料棒挙動
の上で好ましい変化であるとは云えない。

(4) 原子炉の事故を評価する場合、例えば一次冷
却水の出口部配管破断のような事故状態を考慮
する必要があり、燃料集合体に通常の冷却材流
動による上向きの力よりも遥かに大きな流水力
学的な上向き荷重が作用しても、構造上の大破
損につながらないような配慮が必要である。と
ころが、前記燃料棒の伸びと共に支持格子が構
造部材を滑動し得る集合体構造の場合には、実
質的に燃料棒及び支持格子で構成される燃料棒
バンドルの上方への浮き上り及び過渡的な冷却
材の激しい流出が終了した後の落下は防止でき
ず大破損につながる可能性がある。

また、後者の中央の支持格子のみを構造部材
に固定した例では、上記(2)、(3)で示された理由
により構造部材に固定された支持格子のばね力
は小さくなり、通常、ひとつの支持格子の薄肉
帯板で形成されるばねでは、到底、過渡的な大
きな上方への荷重は支え切れない。固定支持格
子が実質的に中性子照射量、即ち出力が最大と
なるような軸方向中心部に配置されることを考
えれば、なお更、この欠点は明らかとなる。

本発明は叙上の如き実状と、従来における上記
欠点に着目し、それら欠点を解消して燃料棒を支
持格子によつて強く保持し得て燃料棒の振動を抑
制することができ、しかも集合体の横方向強度を
も大ならしめ、かつ燃料寿命中の全期間にわたつ
て冷却材喪失事故などの場合に燃料棒バンドルに
加わる上向き荷重に対して燃料棒を軸方向所定位
置に充分保持することができる構造上の健全性を
もつ燃料集合体を提供することを目的とするもの
である。

即ち、本発明の特徴とするところは、燃料集合
体の支持格子において特に制御棒案内管や炉内計
装用案内管等の構造部材が挿通されるセルを構成
する４つの壁面となる支持格子帯板部分に前記構
造部材に対する剛な受け座を形成し、該受け座を
支持格子セル内で構造部材を間欠的に受け止める
円周状輪郭となし、その内径を前記構造部材の外
径と略同一又は僅かに大きくなるように設定する
と共に、燃料棒及び構造部材を長さ方向に支持す
る複数個の支持格子のうち、燃料有効長の軸方向
外方に位置する支持格子の少なくとも１個を前記
構造部材に直接、機械的または冶金的手段で結合
し、あるいは前記支持格子に独立に取り付けた他
の結合部材を介することにより燃料集合体の上下
端に取り付けられて前記燃料集合体の上下の境界
となる上部又は下部端板に対し固定せしめた点に
ある。

以下、これを詳述すると、制御棒案内管や炉内
計装用案内管等の核分裂性物質を含まない構造部
材を挿通する支持格子セルを構成する帯状部分の
前記受け座は、構造強度の大なる、所謂、「剛な」
受け座であり、セルの４つの壁面に配置された各
受け座によつてその内面に構造部材を間欠的に保
持する仮想円形状の輪郭を形成しており、この輪
郭の内径は構造部材の外径と略等しいか僅かに大
きく設定されなければならない。

そして、この受け座はこれによつて構造部材
と、支持格子の軸方向の自由な摺動を保障すると
共に横方向の相対移動を剛な関係で抑制する。

かくして、燃料棒を強い保持力で支持する支持
格子は構造部材に対して自由に摺動することが可
能となり、燃料棒と構造部材との伸びの差に起因
する燃料棒軸方向圧縮荷重を完全に排除できると
共に、集合体の横方向荷重に対する構造強度を大
ならしめる。

なお、上記の場合、構造部材と支持部材の材質
を加味し、支持格子の方が構造部材に比し、熱膨
張率大となるよう選定することによつてより一
層、軸方向に自由な摺動を保持する機能が達成さ
れる。

そのため、制御棒案内管や炉内計装管等の構造
部材の材質にジルコニウム基合金、通称ジルカロ
イ−２やジルカロイ−４等を用い、また、支持格
子の材質にステンレス鋼又は商品名：インコネル
と呼ばれるニツケル基合金を用いることは極めて
好適である。

しかも、本発明では、更に前記の通り燃料有効
長の軸方向外方に位置する支持格子のうち、少く
とも１個は、これを制御棒案内管等の構造部材に
直接結合し、又は独立に他の任意結合部材を介し
て燃料集合体の上下端に取り付けられて、その上
下の境界となる上部端板又は下部端板に対して固
定することが要求される。

これは、冷却材喪失事故等の場合の燃料棒ある
には燃料棒バンドルに作用する過渡的な大きな軸
方向上向き荷重に対して安全に燃料棒を所定位置
に保持し構造上の健全性を確保する役割を有す
る。

ここで燃料有効長部外方の支持格子を選んで固
定させたのは、支持格子の前記ばねの応力緩和現
象の殆んどの部分が、高速中性子の照射による事
実に鑑みて高速中性子束が急激に減少する燃料有
効長外方部分が好適であるとの理由による。

なかでも、特に冷却材喪失事故等の場合の構造
上の健全性をより大きな余裕をもつて達成する目
的からは、燃料有効長外方に位置する最上部及び
最下部の支持格子の何れか一方に限らず、その両
者を共に固定するのが望ましい。しかし、その他
の事由を考慮すれば、それら両者の何れか一方の
みでも充分である。

最上部、最下部の両支持格子を共に固定すると
きは、両支持格子を燃料棒が摺動する必要が生
じ、その結果、燃料棒に軸方向圧縮荷重が付勢さ
れるけれども、例えば従来の加圧水型原子炉燃料
集合体では７〜９個の支持格子の各々から同様の
圧縮荷重を加えられた点を考慮すれば荷重の大き
さは数分の一に減じ、充分、本発明における目的
は達成される。

なお、支持格子と、上部又は下部端板との固定
は、直接結合部材を介して機械的手段で固定し、
又は熔接などの冶金的手段で固着することも可能
であるが、スリーブを利用し、構造部材に関連
し、例えば制御棒案内管の外側に該スリーブを機
械的手段で固着し、このスリーブに対して上部又
は下部端板を冶金的手段で固着するなど、種々の
手段が使用される。

又、上記固定される支持格子を除いた他の固定
されていない支持格子の構造部材に対する相対的
変位を所定の範囲に制限することも望ましく、そ
のため特に必須ではないが、停止部材が設けられ
る。

停止部材は、例えば短尺のスリーブで構成さ
れ、構造部材の外周に配置して構造部材に対して
冶金的又は機械的に結合するか、又は支柱状の管
で構成し、構造部材の外周部で少なくとも一定の
部分上を滑動し、かつ支持格子の当接して支持格
子間に一定の間隔を維持するように作られる。

以下、更に添付図面を参照し、本発明の実施例
につき説明する。

第１図は加圧水型原子炉燃料集合体の全体構造
を示す概観図、第２図は燃料棒の一部省略断面
図、第３図乃至第５図は本発明要部を示す平面図
ならびに受け座正面図、平面図である。

又、第６図は支持格子と端板との固定態様の１
例を示し、第７図は停止部材の１例を示す。

第１図において１，２は上部端板、下部端板で
あり、これら両端板に燃料集合体の上端及び下端
が区画されてその間に複数の燃料棒３及び複数の
制御棒案内管等の構造部材４が正方格子状に配列
され、軸方向に所定の間隔をおいて配置された複
数個の支持格子５Ａ〜５Ｇによつて夫々前記燃料
棒３、構造部材４を横方向所定の配置になるよう
保持し、燃料集合体を構成している。

そして、上記支持格子５Ａ〜５Ｇのうち、配列
された燃料の有効長、即ち第２図に図示している
が、燃料被覆管６内に収納され、両端スプリング
８によつて保持されたペレツト７の占める長さａ
の軸方向外方に位置する支持格子、第１図では最
上段及び最下段の支持格子５Ａ，５Ｇは夫々上部
端板１、下部端板２に対して、相対的に固定され
ており、固定手段としては、板状の結合部材９を
用い、向かい合う支持格子と端板それぞれに溶接
することによつたが、溶接にこだわる必要はな
く、通常用いられる他の手段、例えばネジ等によ
る機械的固定でも良い。

この場合、両者の固定は結合部材９によつてい
るが、例えば第６図にその１例を示す如く、スリ
ーブ９′を用いて、構造部材４をなす制御棒案内
管の外側に該スリーブ９′を機械的手段でかしめ
付けて固着し、スリーブ９′に対して端板１又は
２を溶接等の冶金的手段で固着した構造とするこ
ともできる。

一方、支持格子５Ａ〜５Ｇは夫々、第３図に図
示するように互いに直交する縦横２群の金属薄板
よりなる帯板１０によつて格子状に組立て構成さ
れていて、その縦横両群の帯板１０によつて燃料
棒及び構造部材を挿通するセル１１，１３を区画
形成している。そして、このうち、燃料棒３を挿
通するセルを区画する４つの帯板壁面には互いに
燃料棒を弾支するばね部材１２が内面に突出して
おり、挿通される燃料棒３をそのばね力によつて
保持し得るようになつている。

これに対し、構造部材４を挿通するセル１３に
は、その４つの壁面を構成する帯板内面に構造部
材４を受け止め保持する受け座１４が設けられて
いる。

この受け座１４は前述の如く本発明における要
部をなし、帯板各面において、上下方向中間部で
他面側へばね部材１２を切出し形成している帯板
１０の上下端近傍部でそれぞれ内面側へ向かつて
設けられ、前記構造部材４を上下各４個所で間欠
的に保持すると共に、その保持面を通る構造部材
４包囲面は構造部材外径と略等しいか、僅かに大
きい内径の円周状輪郭を形成し、構造部材を円周
状輪郭に沿つて包囲保持する凹弧形状面となつて
いる。

従つて、構造部材４を該挿通セル１３内に挿通
するとき、構造部材４をその受け座１４の凹弧形
状面によつて円周状輪郭をもつて保持することに
なる。

なお、第４図中、１５は交叉する帯板挿入スリ
ツトである。又、第７図は特に固定された支持格
子に対し、固定されていない支持格子が構造部材
に対し相対的変位をする場合の、該相対的変位を
所定の範囲内に制限するための停止部材の１例と
して構造部材４の外周に構造部材に対して冶金的
又は機械的に結合された短尺のスリーブ１６を示
している。この外、停止部材は支柱状の管とし、
構造部材の外周部で少くとも一定の部分上を滑動
し、かつ支持格子に当接して支持格子間に一定の
間隔を維持するようにしてもよい。特に構造部材
４には制御棒案内管４Ａと炉内計装用案内管４Ｂ
があるが、後者にこの構成が多く適用される。

以上、添付図面にもとづいて本発明の実施例を
説明したが、本発明は更に、その目的を逸脱しな
い範囲において変形又は改変が可能であることは
勿論である。

かくして、本発明は叙上の構成により従来の欠
点を解消し、本発明の目的を達成することができ
る。

以上の如く本発明燃料集合体は、特に構造部材
を挿通するセルを形成する支持格子帯板面に間欠
的な円周状輪郭をもつ剛な受け座を設置すると共
に、燃料有効長外方に位置する支持格子の少なく
とも１個を上部又は下部端板に対し固定せしめた
構成からなつており、以下に述べる如き諸効果を
有している。

(1) 燃料棒と共に支持格子が制御棒案内管等の構
造部材に対して自由に滑動するために燃料棒曲
がりの要因となるような軸方向圧縮荷重を燃料
棒に付加することなく、燃料棒を支持格子によ
つて強く保持することができ、冷却材の軸方
向、横方向流れに対する燃料棒の振動を抑制す
ることができる。

(2) 支持格子と構造部材との横方向の当接が剛な
受け座を介して行なわれるため、支持格子に横
方向荷重が作用するような場合の燃料集合体の
横方向強度を大きく維持することができる。

(3) 燃料集合体の軸方向外方に位置する支持格子
の少なくとも１個を端板に対して固定するた
め、燃料寿命中の全期間にわたつて冷却材喪失
事故等の場合に燃料棒ハンドルに加わる上向き
荷重に対して燃料棒を軸方向所定位置に保持す
ることができ、充分に構造上の健全性を維持す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る加圧水型原子炉燃料集合
体の全体構造を示す概観図、第２図は燃料棒の一
部省略断面図、第３図乃至第５図は本発明の要部
をなす受け座を示す図で、第３図は該受け座を設
けた支持格子の部分平面図、第４図は受け座正面
図、第５図は同平面図である。又、第６図は支持
格子に連なる構造部材と端板との固定態様を示す
説明図、第７図は停止部材の１例を示す説明図で
ある。 １……上部端板、２……下部端板、３……燃料
棒、４……構造部材、５……支持格子、６……燃
料被覆管、７……ペレツト、８……スプリング、
９……結合部材、９′……固定スリーブ、１０…
…帯板、１１……燃料棒挿通セル、１２……ばね
部材、１３……構造部材挿通セル、１４……受け
座、１６……停止部材（短尺スリーブ）、ａ……
燃料有効長。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数の燃料棒と、複数の制御棒案内管等の構
   造部材とを、軸方向所定の間隔をおいて配置され
   た複数個の支持格子によつて横方向所定の配置に
   なるよう構成せしめた原子炉燃料集合体におい
   て、前記支持格子は互いに直交する２群の金属薄
   板よりなる帯板によつて格子状に構成され、前記
   燃料棒及び前記構造部材の各々が挿通されるセル
   を有し、前記構造部材が挿通されるセルを構成す
   る４つの壁面となる前記支持格子帯板部分には前
   記構造部材に対する剛な受け座が設けられ、該受
   け座は前記構造部材が挿通される前記セル内に該
   構造部材を間欠的に保持する円周状輪郭を形成し
   て、その円周状輪郭の内径は、そこに挿通される
   構造部材の外径と略等しいか、又は僅かに大きく
   設定されていると共に、前記複数個の支持格子の
   うち、燃料有効長の軸方向外方に位置する支持格
   子の少くとも１個を前記構造部材に直接機械的又
   は冶金的手段で結合し、あるいは前記支持部材に
   独立に取り付けた他の結合部材を介することによ
   り燃料集合体上下端部に取り付けられて該燃料集
   合体の上下の境界となる上部端板又は下部端板に
   対して固定したことを特徴とする原子炉燃料集合
   体。 ２ 支持格子を構成する材料が構造部材を構成す
   る材料より熱膨張率大である特許請求の範囲第１
   項記載の原子燃料集合体。 ３ 支持格子がステンレス鋼又はニツケル基合金
   であり、構造部材がジルコニウム合金である特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載の原子炉燃料集
   合体。