JPH0463354B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は一般に原子炉の燃料集合体に関し、特
に、燃料集合体の燃料棒を保持する支持格子の照
射により該支持格子に生ずる応力緩和の影響を相
殺するように照射に対応する所定の結晶粒配向を
持つジルコニウム合金金属材料から形成された燃
料集合体の支持格子に関するものである。

先行技術の説明 多くの原子炉において、その炉心は、多数の長
い燃料集合体から構成されている。従来の構造に
よるこれ等の燃料集合体は、複数の支持格子によ
つて１つの組織化された配列に保持された複数の
燃料棒を含み、これ等の格子は燃料集合体の長さ
に沿つて軸方向に隔てられ、燃料集合体の複数の
長い制御棒案内シンブルに取着されている。燃料
集合体の両端の上部ノズル及び下部ノズルは、燃
料棒の両端の少し上方及び下方に延びる案内シン
ブルに取着されている。

これ等の支持格子は、当該技術で周知のよう
に、原子炉の炉心内において燃料棒間の間隔を正
確に保持し、燃料棒の振動を防止し、燃料棒の側
方からの支持を行い、そして或る程度まで、長手
方向に運動しないよう燃料棒を摩擦的に保持する
ために用いられる。従来の構造による支持格子
は、燃料棒及び制御棒案内シンブルを個別に受け
入れるセルを形成するように卵詰め枠状に相互に
差し込まれる多数の交差ストラツプを備えてい
る。燃料棒を受け入れその軸方向の所定位置で支
持する各支持格子のセルには、典型的には、交差
ストラツプの金属材料に形成された比較的剛な突
起、即ちデインプルと比較的弾性のあるばねとが
形成されている。各セルのばね及びデインプル
は、該セルを通つて延びるそれぞれの燃料棒に摩
擦的に係合又は接触する。また、外側ストラツプ
は、一緒に結合され、支持格子のストラツプの外
周を取り囲み、支持格子に強度及び剛性を付与す
る。

原子炉炉心の運転には、燃料棒の照射が伴な
い、支持格子は、それにより支持された燃料棒と
共に照射を受けるので、当然、支持格子は経時的
に幾分劣化する。特に、米国特許第4474730号明
細書に記載された格子構造の改良にも拘らず、支
持格子を形成する交差ストラツプの金属材料、従
つて、そこに形成されたばね及びデインプルは、
燃料集合体の使用寿命に亘つて、照射による応力
緩和を受ける。この影響は、ジルコニウム合金金
属材料から形成されている支持格子の場合、特に
顕著となる。支持格子のばね、デインプル及び交
差ストラツプにおける応力緩和の発生によつて、
燃料棒に対する支持格子の保持が徐々に緩み、燃
料棒と支持格子との間に間隙が発生し、燃料棒に
対して支持格子により加えられる支持力が減少す
る。この保持の緩みによつて、時間の経過に伴
い、燃料棒に過大なフレツチングを生じたり、燃
料棒が長手方向に変形即ち湾曲したりする。

そのため、特にジルコニウム合金金属材料から
形成されている支持格子の金属材料の照射により
生ずる応力緩和に対して補償する技術の必要性が
存在する。この技術は、支持格子によつて支持さ
れた燃料棒に対する応力緩和の有害な影響を減少
又は除去するものでなければならない。

発明の概要 本発明は、前記の必要性を満たすように構成さ
れた所定の結晶粒配向を有するジルコニウム合金
金属材料から製作された燃料集合体の支持格子を
提供する。本発明の基本的概念は、ジルコニウム
合金がその組織（結晶粒配向）に依存し種々の方
向に異なつた成長をするという事実の利用によ
り、ジルコニウム合金の支持格子の構造を最適化
しうるという認識にある。従つて本発明の目的
は、支持格子のセルの大きさが照射中に実際に少
し減少し、１つのセル中の互いに向かい合つたば
ね及びデインプルが経時的に互いに近寄るように
移動して、通常発生するばねの応力緩和と燃料棒
被覆管のクリープとを相殺するような、適切な組
織（結晶粒配向）と、ばね・デインプル構造及び
配向とを持つ、ジルコニウム合金を基本とする支
持格子を設計し作成することにある。このように
して、燃料集合体の全使用寿命を通じて燃料棒に
対する適切に大きな値の正のばね力が保持され
る。十分に大きなばね力を保持することによつ
て、フレツチングや燃料棒湾曲の問題を生じうる
ような低ばね力及び間隙が支持格子と燃料棒との
間に発生することが防止される。

従つて、本発明は、照射された時にその組織に
依存した種々の異なつた方向に異なつた成長をす
る材料から形成されると共に、多数のセルを画成
する交差ストラツプを含む、燃料集合体の支持格
子の改良に向けられている。各セルは、ほぼセル
軸線に沿つた方向に燃料棒を受け入れ、該燃料棒
を所定位置に保持するに足る所定のばね力を燃料
棒に対して前記セルの断面に沿つた方向に加える
ようになつている。本発明の改良点は、ストラツ
プの材料が、セルの断面に沿つた方向では0.33よ
りも大きくセルの軸線に沿つた方向では0.33より
も小さいｆフアクター値を有することにより、支
持格子が照射された時にその応力緩和が、各セル
の断面に沿つた方向におけるストラツプ材料の収
縮によつて相殺され、それによつて各燃料棒に対
する所定のばね力が保持されることに存する。

より詳細には、セルの断面に沿つた方向の金属
材料のｆフアクター値は、0.4〜0.5の範囲に含ま
れるのが好ましく、セル軸線に沿つた金属材料の
ｆフアクター値は、0.2〜03の範囲に含まれるの
が好ましい。

本発明の前述した利点及びその他の利点は、本
発明の好適な実施例を示した図面に関する以下の
詳細な説明を読むことにより当業者には一層明ら
かとなろう。

発明の詳細な説明 以下の説明において、同一の符号は、各図にお
ける同一又は対応の部分を表わしている。また、
以下の説明において、「前方」、「後方」、「左方」、
「右方」、「上方」、「下方」その他の用語は、説明
の便宜上用いられており、本発明を制限する用語
として解釈されるべきではない。

一般的な説明 図面、特に第１図には、符号１０により総括的
に指示された燃料集合体が垂直方向の長さを短縮
して側面図で示されている。燃料集合体１０は、
基本的には、原子炉（図示せず）の炉心領域にお
いて下部炉心板（図示せず）上に燃料集合体１０
を支持するための下端構造、即ち下部ノズル１２
と、下部ノズル１２から上方に長手方向に延びる
多数の案内管、即ち案内シンブル１４とを備えて
いる。燃料集合体１０は、以下に説明するように
本発明の原理に従つて形成され案内シンブル１４
に沿つて軸方向に隔置された複数の横向きの格子
（支持格子）１６と、横方向に離間した格子１６
によつて支持された長い燃料棒１８の組織化され
た配列とを更に備えている。また、燃料集合体１
０は、その中心部に配設された計装管２０と、案
内シンブル１４の上端に取着された上端構造、即
ち上部ノズル２２とを備えている。このような各
部を配列して、燃料集合体１０は、その各部を破
損することなく容易に取り扱うことのできる一体
的なユニツトを形成する。

上述したように、燃料集合体１０における列状
の燃料棒１８は、燃料集合体１０の長さに沿つて
隔てられた格子１６によつて、相互に離間した関
係に保持されている。各燃料棒１８は、燃料ペレ
ツト２４を有し、燃料棒１８の両端は、燃料棒１
８を気密に封止するように、上端端栓２６及び下
部端栓２８により閉鎖されている。通常、上部端
栓２６と燃料ペレツト２４との間には、プレナム
ばね３０が、燃料ペレツト２４を燃料棒１８内で
密に積み重ねられた関係に保つために配設されて
いる。核物質からなる燃料ペレツト２４は、原子
炉の反応出力の発生源となる。水又はホウ酸含有
水のような液体減速・冷却材は、炉心中に発生し
た熱を有用な仕事を行うべく取り出すために、炉
心の燃料集合体１０を通つて上方に圧送される。

核分裂過程を制御するため、多数の制御棒３２
は、燃料集合体１０内の所定位置に配設された案
内シンブル１４中において、往復運動可能であ
る。より詳細には、上部ノズル２２は、半径方向
に延びる複数のフレークもしくは腕３８の付い
た、内部に雌ねじが切られた円筒状部材３６を有
する棒クラスタ制御機構３４を備えている。各腕
３８は制御棒３２に連結されており、棒クラスタ
制御機構３４は、案内シンブル１４中において制
御棒３２を垂直に移動させることにより、燃料集
合体１０における核分裂過程を全て周知の方法で
制御する。

燃料棒支持格子 炉心内の燃料棒１８間の間隔を正確に保持する
と共に、燃料棒１８の横方向及び長手方向の運動
を防止するために、格子１６は、個々の燃料棒１
８の外周の回りから該燃料棒１８の長手方向軸線
に向かう半径方向内方へのばね力を燃料棒１８に
加えるように、通常設計されている。第２図〜第
４図を参照すると、各格子１６は、多数のセル４
２を形成するように卵詰め枠に設計された多数の
内側交差ストラツプ４０を含み、これ等のセル４
２の大部分は、１本の燃料棒１８をそれぞれ受け
入れるように、また、残りのものは、１本の案内
シンブル１４を受け入れるようになつている（第
２図においては、簡単にするため、１つのセル４
２のみに燃料棒１８が挿通して図示されている）。

燃料棒１８を受け入れてそれに沿つた所定の軸
方向位置で燃料棒１８を支持する各格子１６のセ
ル４２は、燃料棒１８をセル内に保持するのに必
要なばね力を発生させるために、内側交差ストラ
ツプ４０の金属材料に形成され比較的剛な突起、
即ちデインプル４６と、比較的弾性のあるばね４
４とを使用するのが典型的である。また、内側ス
トラツプ４０は、格子１６のセル４２に通して燃
料棒１８を入れた時に多少撓むように、一般に可
撓性である。図示した実施例では、１本の燃料棒
１８を収納した各セル４２の２つの隣接した側辺
に、２つのばね４４があり、また、各ばね４４に
対向するセル４２の２つの隣接した側辺の各々に
は２つのデインプル４６がある。各格子１６のセ
ル４２のばね４４及びデインプル４６は、セル４
２を貫いて延びる燃料棒１８と摩擦的に係合又は
接触する。また、外側ストラツプ４８は、一緒に
結合され、格子１６の内側交差ストラツプ４０の
外周を取り囲み、格子１６に強度を付与する。従
つて、或る燃料棒１８に加わる実際のばね力は、
燃料棒１８を受け入れるセル４２を構成する可撓
性の内側交差ストラツプ４０、剛なデインプル４
６、及び弾性ばね４４の間の相互作用に由来す
る。

ジルコニウム合金製格子構造の所定組織 本発明の原理によれば、燃料棒１８を支持する
格子１６の前記の既知構造（ジルコニウム合金金
属材料から通常形成される）は、ジルコニウム合
金が金属材料の組織（即ち、結晶粒配向）に依存
して種々の方向に異なつた成長をする、という事
実を利用することによつて、改善され最適化され
る。従来は、格子１６の諸構成部分の製作に際し
て金属材料の組織には注意は払われなかつた。本
発明によれば、適切な所定組織を得るために、適
切な中間及び最終の熱処理を伴なう圧延のような
適当な既知の製造工程による加工を行なつた後の
ジルコニウム合金のストリツプ材料を使用するこ
とにより、また、ばね４４及びデインプル４６を
以下に説明するように設計することにより、燃料
集合体１０の使用寿命を通じて比較的高いばね力
が保たれるように支持格子１６を改善しうる。こ
とが認識された。

ジルコニウムの結晶構造及び材料組織 格子材料の組織に留意して、支持格子１６の各
部の構造がどのようにして格子１６の特性を改善
するかの説明に入る前に、本発明を理解するため
の背景を与える、一般的には金属、特定的にはジ
ルコニウムの結晶構造に関連した従前の認識を簡
単に要約することが有用と思われる。最初に、ジ
ー・イー・ジエテル、ジユニア（G.E.Dieter，
Jr.）著の「金属治金学（Mechanical
Metallurgy）」（1961）、82頁には、『金属結晶中
の原子が規則的に繰り返される３次元パターンに
配列されていることは、Ｘ線回折の解析が示して
いる。金属の原子配列は、幾何学的な配列中の特
別の位置に置かれた格子点もしくはハードボール
（hard ball）として原子が視覚化されるような結
晶格子によつて最も簡単に描写される。』と述べ
られている。通常の金属の多くは、体心立方又は
面心立方の結晶格子構造を有する。体心立方の結
晶構造は、各コーナーに１個の原子を、また、立
方体の中心に別の１個の原子をそれぞれ備えてい
る。この結晶構造を持つた典型的な金属は、鉄、
クロム及びモリブデンである。面心立方結晶構造
は、体心立方結晶構造と同一である他に、立方体
の各面の中心に１個の原子を持つている。アルミ
ニウム、銅、金、鉛、銀及びニツケルは、普通の
面心立方の金属である。

第３のどちらかと言えば少ない金属構造は、第
５図に示すように、稠密六方結晶構造である。ジ
ルコニウム、チタン及びマグネシウムは室温でこ
の結晶構造を有している。ジルコニウム等の金属
材料の稠密六方結晶構造は、体心立方及び面心立
方の結晶構造のように対称ではない。これは、板
又は管の製造のような通常の金属加工工程の間に
金属材料が変形する際に、種々の方向において原
子密度が異なるため、原子スケールにおいて或る
限られた数の方向にのみ変形過程が起こりうるこ
とを意味している。その正味の結果として、変形
された金属材料が異方性を示し、種々の方向にお
いて種々の組織（結晶粒配向）及び種々の機械的
性質を持つようになる。従つて、ジルコニウム及
びその合金のように種々の方向において種々の組
織（結晶粒配向）及び種々の性質を有する金属材
料は、異方性材料として知られている。

冷間加工及び熱処理による好ましい配向（組
織）の性質は、製作工程を変えることによつて変
更しうる。重要な変量は、圧延方向、１パス毎の
断面減少量、パス間の熱処理温度、最終熱処理、
熱処理温度からの冷却速度、クロスローリング
（crossrolling）等である。製造工程及び組織の関
係についての議論は、「原子力エネルギー概要
（Atomic Energy Review）」（1963年）、第１巻
第４号、128〜133頁におけるD.L.ダグラス（D.L.
Douglas）の論説「ジルコニウムの物理治金学
（The Physical Metallurgy of Zirconium）に
含まれている。

ジルコニウム合金材料の組織を特徴付ける重要
な因子は、ｆフアクターと呼ばれている。ｆフア
クターは、金属材料が単結晶であると想定して、
与えられた方向に指向する基本極（第５図参照）
を持つた結晶の近似的な分数値もしくはフラクシ
ヨンを与える。即ち、或る金属材料において、
ｘ，ｙ及びｚ方向のｆ値の和は１となる。通常、
ジルコニウム材料を照射した場合、0.33に等しい
値を持つた方向は、寸法変化を示さないが、０に
近い値を持つた方向は最大の成長を示し、１に近
い値を持つた方向は最大の収縮を示す。

支持格子への組織の適用 第３図及び第４図を参照すると、本発明の改良
点は、ほぼ直交する長手方向Ｌ（第２図）におい
て0.33よりも大きく、ストラツプの高さ方向Ｈ
（第３図及び第４図）において0.33よりも小さい
ｆフアクター値を有するジルコニウム合金又はジ
ルカロイ製の内側ストラツプ４０を格子１６に設
けたことに存する。格子１６の内側ストラツプ４
０のほぼ直交する長手方向Ｌは、格子１６のセル
４２を通る断面に沿つて延びており、ストラツプ
４０の高さ方向Ｈは、セル４２の軸線（燃料棒１
８はこの軸線に沿つてセル４２に挿入される）に
沿つて延びている。本発明の目的を勘案して、２
つの長手方向Ｌにおけるｆフアクターは非常に重
要であり、高さ方向Ｈにおけるｆフアクターはそ
れに続いて重要であり、ストラツプ４０の厚さ方
向のｆフアクターは比較的重要ではない。ｆフア
クターの値は、好ましくは、長手方向Ｌにおいて
相当に大きく（0.4〜0.5）し、高さ方向Ｈには、
ストラツプ４０の製作上の困難に即応して、比較
的低く（0.2〜0.3）する。尚、製品が高度に組織
化（高結晶粒配向）されているとそれだけ製造が
困難になるので、適切な調節が必要となる。

長手方向Ｌのｆ値が0.4であると、格子１６の
セル４２の大きさは、典型的なPWR（加圧水型原
子炉）の場合に0.01mm（0.4ミル）となる照射収
縮のため、約0.06％減少すると期待してよい。ｆ
フアクターが0.5に等しいとセル４２の大きさは
約0.12％即ち0.02mm（0.8ミル）減少する。これは
高さ方向Ｈにおける組織又はばね４４、デインプ
ル４６の構造を考慮することなく、多くの場合に
適切である。

しかし、ばね４４及びデインプル４６間の距離
（各セル４２を横断する方向の距離）を更に減少
させるためにばね４４とデインプル４６を更に照
射成長させることが望まれる場合には、高さ方向
Ｈのｆフアクターの低い値をばね４４及びデイン
プル４６の適正な軸向き配向と組み合せることが
必要となる。より詳しくは、ばね４４及びデイン
プル４６は、第３図及び第４図でみてストラツプ
４０の高さ方向Ｈに軸向きに配向されている場合
に、ばね４４及びデインプル４６が両端に固着さ
れた内側ストラツプ４０の開口の高さよりも、大
きな突出長さを有するであろう。そのため、ばね
４４及びデインプル４６の材料の長さは、ストラ
ツプ４０の残り部分の高さがストラツプ４０の高
さ方向に成長するよりも多く、ストラツプ４０の
高さ方向に成長する。ばね４４及びデインプル４
６は、内側ストラツプ４０に固着される両端で保
持されるので、また、ばね４４及びデインプル４
６は照射下でより多く成長するので、格子１６の
セル４２内に更に移動（突出）し、セル４２を貫
いて延びる燃料棒１８に半径方向に当たるに違い
なく、そのため燃料棒１８と格子１６との間のば
ね力が増大する。

高さ方向Ｈにおけるｆフアクターの値を0.16に
等しいと想定すると、ばね４４及び突起４６の長
さの照射成長は、内側ストラツプ４０の高さ方向
の照射成長１％に対して1.25％と計算され、その
正味の結果として、ばね４４及びデインプル４６
は、約0.02mm（約１ミル）燃料棒１８に向かつて
更に突出するであろう。

本発明をその特定の実施例について以上に説明
したが、本発明は、前述した実施例以外にも種々
変更して実施できるので、前述した特定の構成
は、単なる例示に過ぎず、本発明を限定するもの
ではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理に従つて製作された燃
料棒支持格子を使用する燃料集合体の一部断面側
面図、第２図は、１本の燃料棒をセル内に挿入し
た状態で支持格子のセルに配設されたばね及びデ
インプルを示す、第１図の燃料集合体の燃料棒支
持格子の１つの部分的な拡大平面図、第３図は第
２図の３−３線に沿つた部分的な拡大断面図、第
４図は、第２図の３−３線に対し90°変位した４
−４線に沿う第３図と同様の部分的な拡大断面
図、第５図は、ジルコニウムのような稠密六方金
属材料の結晶構造をその基本極と共に示す説明図
である。 １０……燃料集合体、１６……格子（支持格
子）、１８……燃料棒、４２……セル、４０……
内側ストラツプ（ストラツプ）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 多数のセルを画成するように相互に差し込ま
   れた複数のストラツプを含んでおり、該ストラツ
   プを形成する材料は、照射された時に該材料の組
   織に依存した種々の方向に異なつた成長を示し、
   前記セルの各々は、実質的に該セルの軸線に沿つ
   た方向に燃料棒が該セルを貫通するように該燃料
   棒を受け入れると共に、該燃料棒を所定位置に保
   持するに足る所定のばね力を前記セルの断面に沿
   つた方向に前記燃料棒に対して加えるようになつ
   ている、燃料集合体の支持格子であつて、 前記ストラツプの前記材料は、前記セルの断面
   に沿つた前記方向では0.33よりも大きく前記セル
   の軸線に沿つた前記方向では0.33よりも小さいｆ
   フアクター値を有し、前記支持格子が照射された
   時に該支持格子の応力緩和が、前記セルの各々の
   断面に沿つた前記方向における前記ストラツプの
   前記材料の収縮により相殺され、前記燃料棒の
   各々に対し加わる前記所定のばね力を保持する、 ように改良された燃料集合体の支持格子。