JPH06201874A - 核燃料スペーサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】チャンネルボックスと最外周燃料棒との間隙変
化を少なくして、冷却材の流路面積を一定に保つ。 【構成】スペーサバンド14の隣接する２面にそれぞれ熱
膨脹の異なった葉状突起15，16を設ける。一方の葉状突
起15は熱膨脹が小さいジルカロイ製で、他方の葉状突起
16は熱膨脹が大きいインコネル製である。原子炉運転時
に、熱膨脹差によってスペーサとチャンネルボックス間
の隙間をなくし、所定の冷却材流路を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉用燃料集合体に組
み込まれ燃料棒を等間に維持するための核燃料スペーサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉の燃料集合体のうち、沸騰水型原
子炉（ＢＷＲ）に使用されている燃料集合体について図
７に、核燃料スペーサについて図８（ａ）および図８
（ｂ）を参照しながら説明する。

【０００３】ＢＷＲ燃料集合体１は燃料棒２を８行８列
に配列し、上部タイプレート３、下部タイプレート４お
よび核燃料スペーサ５をもって組立てられている。燃料
棒２は低濃縮ウランをペレット状に焼き固め、燃料被覆
管に挿入したものであり、燃料集合体１にはジルコニウ
ムライナ被覆管が用いられている。

【０００４】核燃料スペーサ５は複数本の燃料棒２の間
隔を規定幅に保つためのものであり、上部タイプレート
３および下部タイプレート４は燃料棒２の上下部を支持
し、チャンネルボックス６内に挿入される。複数本の燃
料棒２のうち１本ないし２本はウォータロッド７で置き
換えられている。

【０００５】核燃料スペーサ５は図８（ａ）および図８
（ｂ）に示したように正方形状スペーサバンド８と、こ
のスペーサバンド８内に縦横に組合せた格子板９からな
っている。格子板９には正方形状区画空間10内に挿入す
る燃料棒２を保持するための固定支持部11と、燃料棒２
を固定支持部11に押し付ける弾性支持部材12が格子板９
の交点に取り付けられている。

【０００６】スペーサバンド８にはチャンネルボックス
６と、最外周の燃料棒２の間隔を確保するために、チャ
ンネルボックス６側に外方に突出した葉状突起13が複数
個設けられている。この葉状突起13は一般にスペーサバ
ンド８を塑性変形して形成した高さが一定の固定部とな
っている。

【０００７】一方、燃料集合体１の組み立て時には最後
にチャンネルボックス６を挿入して組み立てる関係か
ら、チャンネルボックス６の内幅は葉状突起13の外幅よ
りも広くなっており、組み立て後の燃料集合体１内で燃
料棒２に若干（〜約 0.5mm）の間隙がある。

【０００８】したがって、原子炉運転時に燃料集合体の
最外周の燃料棒２とチャンネルボックス６との設計上の
間隙（約４mm）、すなわち、最外周の冷却材流路面積は
製作誤差も含めると冷却材流量を変化し得る。冷却材流
路面積が狭くなると、冷却材が流れ難くなり、その流路
に面した燃料棒２を除熱するための冷却材量が減少し、
熱的に厳しくなる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来から燃料集合体の
限界出力を決定する熱水力的現象に沸騰遷移という現象
がある。沸騰遷移現象が生じると発生部分の燃料棒２の
表面温度が急上昇し、燃料棒焼損のきっかけとなる。こ
の沸騰遷移は燃料集合体の外周燃料棒や、高出力の燃料
棒で生じやすい。

【００１０】近年、原子炉燃料の高燃焼度化等に伴い燃
料集合体の燃焼初期の径方向の出力分布はチャンネルボ
ックス周囲に高出力の燃料棒を配置した外周ピークの設
計例が多く見られる。すなわち冷却材流路面積が変化
し、冷却状態が不安定な最外周燃料棒にさらに高出力と
いう条件が加わり、沸騰遷移が生じやすい条件にある。

【００１１】このような条件下で燃料集合体が片側に偏
ったり、またはチャンネルボックスが何らかの原因で曲
り、結果として燃料集合体が片側に偏った状態となると
燃料の限界出力が燃料集合体がチャンネルボックス内で
流率の位置にある場合よりも低下する課題がある。

【００１２】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、チャンネルボックスと最外周燃料棒との間隙
変化を少なくなるようにして燃料の限界出力が低下する
ことを回避して燃料棒の安定した冷却性能が確保できる
核燃料スペーサを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は正方形状スペー
サバンド内に複数の格子板で格子状に組合せて小面積の
正方形状区画空間を形成し、前記格子板に固定支持部を
設けるとともに前記格子板の組合せ交点に弾性支持部材
を設け、前記スペーサバンドに外方に延びる複数の葉状
突起を設け、前記区画空間内に燃料棒を挿入する核燃料
スペーサにおいて、前記スペーサバンドに設けた葉状突
起は前記スペーサバンドの隣接する２面に設ける葉状突
起が他の隣接する２面の葉状突起よりも熱膨脹率が大き
い材料でかつ高さが低く形成されていることを特徴とす
る。

【００１４】

【作用】本発明に係る核燃料スペーサは、チャンネルボ
ックス挿入時の常温状態では隣接する２面の葉状突起が
他の２面の葉状突起より熱膨脹率が大きくかつ高さが低
くなっているので、スペーサバンドの外径とチャンネル
ボックス内径との間にチャンネルボックスの挿入に必要
な隙間が確保される。

【００１５】一方、燃料集合体を原子炉内に装荷後、定
格運転の高温高圧水中では熱膨脹差により、熱膨脹の大
きい葉状突起がチャンネルボックス側へ向けて隆起し、
チャンネルボックスと葉状突起との間のギャップを埋
め、熱膨脹の小さい葉状突起側へ燃料集合体を押し付け
ることにより所定の最外周流路面積を確保することがで
きる。

【００１６】

【実施例】図１および図２を参照しながら本発明に係る
核燃料スペーサの第１の実施例を説明する。なお、図
中、図８と同一機能を有する部分には同一符号を付して
重複する部分の説明は省略する。

【００１７】また、本発明は核燃料スペーサのスペーサ
バンドにおける従来の葉状突起13を改良したことにある
ので、図７および図８で説明した格子板９、区画空間1
0、固定支持部11および弾性支持部材12についても従来
例と同様であり、その説明は重複を避ける意味から省略
する。以降で説明する第２から第５の実施例についても
同様に説明を省略し、その要部の説明のみにとどめる。

【００１８】図１および図２に示したように第１の実施
例のスペーサバンド14には隣接する２面に低膨脹葉状突
起15と、隣接する他の２面に高膨脹葉状突起16とが設け
られている。高膨脹葉状突起16は図２（ａ）に部分的に
示したようにスペーサバンド14を貫通して把持するよう
にしてスペーサバンド14に取り付けられている。

【００１９】低膨脹葉状突起15はジルカロイ製であり、
高膨脹葉状突起16はインコネル製である。スペーサバン
ド14およびチャンネルボックス６はジルカロイ製であ
る。高膨脹葉状突起16の燃料棒２側はインコネルの伸び
を吸収するように複数箇所で折り曲げ、一方、チャンネ
ルボックス６側は図１（ｂ），図２（ｂ）に示したよう
にインコネルとジルカロイとの熱膨脹差によりチャンネ
ルボックス６側へ隆起する。

【００２０】図２（ｃ）はジルカロイとインコネルの熱
膨脹差によるインコネル材の隆起高さを説明するもの
で、ともに長さ40mmのインコネルとジルカロイの両端を
常温で接合し原子炉運転温度まで上昇した場合、原子炉
運転時の燃料集合体の冷却材温度ｔを 287℃、 ジルカロイ線膨脹率α_Z ＝ 5.7×10^-6 １／Ｋ、 インコネルＸ線膨脹率α_I ＝12.6×10^-6 １／Ｋ、 熱膨脹差Δｌ＝40×（12.6− 5.7）×10^-6×（ 287℃−
20℃）＝ 0.074mm、 θ＝ｃｏｓ^-1（ｌ／（ｌ＋Δｌ））＝3.48° ｈ＝（（ｌ＋Δｌ）／２）×ｓｉｎθ≒ 1.2mm

【００２１】上記式から明らかなように長さ40mmのイン
コネルとジルカロイの場合、隆起高さは約 1.2mm得られ
る。この値は従来のチャンネルボックスとスペーサとの
ギャップよりも大きく、葉状突起の隆起高さとしては十
分その効力を発揮する。

【００２２】以上説明したように、第１の実施例によれ
ば、温度上昇によりインコネル帯製葉状突起16は膨脹
し、ジルカロイ製スペーサバンド14との熱膨脹差に応じ
て変形するが、燃料棒２側は熱膨脹を吸収するように折
り曲げているため、突起高さは殆ど変化しない。

【００２３】その結果、核燃料スペーサとチャンネルボ
ックス６間のギャップを埋め、かつ低膨脹葉状突起15側
に核燃料スペーサを押し付ける。したがって、所定のチ
ャンネルボックスと燃料棒間の間隙を保つことができ、
流路面積が確保できる。

【００２４】次に図３により本発明の第２の実施例を説
明する。図３は第２の実施例のスペーサバンド17にジル
カロイ製帯形葉状突起18の両端を接合し、この葉状突起
18内にくの字のインコネル部材19を設けたものである。
インコネルとジルカロイとの熱膨脹差によりチャンネル
ボックス６側へ隆起することを特徴としている。

【００２５】このスペーサバンド17の見取り図を図３
（ａ）に、部分的縦断面を図３（ｂ）に示す。インコネ
ルとジルカロイとは接合が難しいため、スペーサバンド
17に両端を接合したジルカロイ製帯形葉状突起18内にく
の字のインコネル部材19を設けることによって、温度上
昇時はジルカロイ接合部Ｓを支点にして図３（ｃ）の矢
印Ｐ方向へ変形しチャンネルボックス６側に隆起する。
ジルカロイ製帯形葉状突起18は変形しやすいように加工
されているので、インコネル部材19の隆起とともにジル
カロイ製帯形葉状突起18も隆起する。

【００２６】結果として核燃料スペーサとチャンネルボ
ックス６間のギャップを埋め、かつ、ジルカロイ製帯形
葉状突起18側に核燃料スペーサを押し付ける。したがっ
て、所定のチャンネルボックス６と燃料棒２間の間隙が
保て、流路面積が確保できる。

【００２７】次に図４により本発明の第３の実施例を説
明する。図４において、第３の実施例のスペーサバンド
20と、このスペーサバンド20の外周にジルカロイ製ダイ
アフラム形葉状突起21を接合する。この葉状突起21内に
ジンバル状インコネル部材（図示せず）を設ける。

【００２８】この第３の実施例によれば第２の実施例と
同様にインコネルとジルカロイとの熱膨脹差によりジル
カロイ製ダイアフラム形葉状突起21がチャンネルボック
ス６側へ隆起することを特徴としている。

【００２９】この第３の実施例によれば実施例２と断面
形状、構成、作用、効果は同じであるが、インコネルを
円形にし、隆起力をより強めた構造としたものである。
温度上昇時はジルカロイ接合部を支点にしてチャンネル
ボックス側に隆起する。ジルカロイ製帯は変形しやすい
ように加工されているのでインコネルの隆起とともにジ
ルカロイ製帯も隆起する。

【００３０】結果としてスペーサとチャンネルボックス
間のギャップを埋め、かつ、固定式ギャップスペーサ側
にスペーサをより強力に押し付ける。所定のチャンネル
ボックスと燃料棒間の間隙が保て、流路面積が確保でき
る。

【００３１】次に図５により本発明の第４の実施例を説
明する。図５において、第４の実施例のスペーサバンド
22には渦巻状変形部23が塑性加工されており、この渦巻
状変形部23の表面を覆うようにしてジルカロイ製ダイア
フラム型葉状突起24が取り付けられている。渦巻状変形
部23と葉状突起24間には渦巻状切り込み25が形成されて
いるインコネル製円盤26が挿入されている。

【００３２】円盤26が回転しないように回り止め27がス
ペーサバンド22に打ち出されている。円盤26の渦巻部の
熱膨脹により葉状突起24が図５（ｃ）に示したように隆
起するように構成されている。

【００３３】第４の実施例によれば図５（ｂ）および
（ｃ）に示したように、温度上昇時はインコネル渦巻部
の長さに応じた熱膨脹が生じ、スペーサバンド22に設け
た渦巻状変形部23に沿って中心部に熱膨脹が集積しダイ
アフラム状葉状突起24を押圧する。

【００３４】その結果、スペーサとチャンネルボックス
６間のギャップを埋め、低膨脹葉状突起15側にスペーサ
をより強力に押し付け、所定のチャンネルボックス６と
燃料棒２との間隙を保ことができ、流路面積を確保でき
る。

【００３５】次に図６により本発明の第５の実施例を説
明する。図６において、第５の実施例のスペーサバンド
28の隣接する２面側にはインコネル製帯で形成した長方
形状葉状突起29が２本並列に取り付けられている。この
葉状突起29の中央には外向きの突出部30が形成されてい
る。図６（ａ）は斜視図で、（ｂ）は（ａ）の上面図で
低温時の状態を示し、（ｃ）は（ｂ）の状態から高温時
の状態を示している。

【００３６】第５の実施例によればインコネル製帯をス
ペーサバンド28の枠に沿って取り付けたので、インコネ
ルの膨脹長さが長くとれるので隆起量が大きくとれる。
チャンネルボックス挿入時にインコネル製葉状突起29が
チャンネルボックス６に食い込まないように断面にくの
字の突出部30を加工している。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば原子炉燃料の高燃焼度化
等に伴いチャンネルボックス周囲に高出力の燃料棒を配
置した外周ピークの出力分布の燃料に対しても、チャン
ネルボックスと最外周燃料の間隙、すなわち冷却材流路
面積が一定に保たれるので、燃料の限界出力が予想外に
低下する事態を回避でき燃料棒の安定した冷却性能が確
保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る核燃料スペーサの第１の
実施例におけるスペーサバンド部位を示す斜視図、
（ｂ）は（ａ）における低温時の状態を示す横断面図、
（ｃ）は同じく高温時を示す断面図。

【図２】（ａ）は図１（ｂ）における低温時の立面図、
（ｂ）は図１（ｃ）における高温時の立面図、（ｃ）は
図１（ａ）で使用するジルカロイとインコネルの熱膨脹
差によるインコネル材の隆起高さを示す模式図。

【図３】（ａ）は本発明の第２の実施例におけるスペー
サバンド部位を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）における低
温時の状態を示す縦断面図、（ｃ）は同じく高温時を示
す縦断面図。

【図４】本発明の第３の実施例におけるスペーサバンド
部位を示す斜視図。

【図５】（ａ）は本発明の第４の実施例におけるスペー
サバンド部位の要部を示す正面図、（ｂ）は低温時の状
態を示す縦断面図、（ｃ）は同じく高温時を示す縦断面
図。

【図６】（ａ）は本発明の第５の実施例におけるスペー
サバンド部位を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）における低
温時の状態を示す上面図、（ｃ）は同じく高温時を示す
上面図。

【図７】燃料集合体を一部切欠して示す立面図。

【図８】（ａ）は図７における従来の核燃料スペーサを
示す上面図、（ｂ）は（ａ）において一部切欠して示す
側面図。

【符号の説明】

１…燃料集合体、２…燃料棒、３…上部タイプレート、
４…下部タイプレート、５…核燃料スペーサ、６…チャ
ンネルボックス、７…ウォータロッド、８…スペーサバ
ンド（従来例）、９…格子板、10…区画空間、11…固定
支持部、12…弾性支持部材、13…葉状突起、14…第１の
実施例のスペーサバンド、15…低膨脹葉状突起、16…高
膨脹葉状突起、17…第２の実施例のスペーサバンド、18
…ジルカロイ製帯形葉状突起、19…インコネル部材、20
…第３の実施例のスペーサバンド、21…ダイアフラム形
葉状突起、22…第４の実施例のスペーサバンド、23…渦
巻状変形部、24…葉状突起、25…渦巻状切り込み、26…
円盤、27…回り止め、28…第５の実施例のスペーサバン
ド、29…長方形状葉状突起、30…突出部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正方形状スペーサバンド内に複数の格子
   板で格子状に組合せて小面積の正方形状区画空間を形成
   し、前記格子板に固定支持部を設けるとともに前記格子
   板の組合せ交点に弾性支持部材を設け、前記スペーサバ
   ンドに外方に延びる複数の葉状突起を設け、前記区画空
   間内に燃料棒を挿入する核燃料スペーサにおいて、前記
   スペーサバンドに設けた葉状突起は前記スペーサバンド
   の隣接する２面に設ける葉状突起が他の隣接する２面の
   葉状突起よりも熱膨脹率が大きい材料でかつ高さが低く
   形成されていることを特徴とする核燃料スペーサ。