JPH0634050B2 - 燃料集合体における可撓性インサ−ト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 この発明は一般に原子炉の燃料集合体に関し、特に、燃
料棒に対する拘束や軸方向の負荷を防止するように燃料
集合体の燃料棒の上部端栓延長部を支持するための、沸
騰水型原子炉(BWR)の燃料集合体における上部タイプレ
ートの穴に取り付けられた可撓性インサートに関するも
のである。

先行技術の説明 原子炉内の核分裂を通して大量のエネルギが放出され、
このエネルギは、原子炉の細長い燃料要素、即ち燃料棒
内で熱として放散されるのが典型的である。有用な仕事
を行うため、この熱を冷却材から取り出すように、燃料
棒に対して熱交換関係で冷却材を流すことによってこの
熱を除去するのが一般的である。

原子炉内では、一般に、複数の燃料棒が一緒に群別さ
れ、１つの燃料集合体を形成している。複数のこのよう
な燃料集合体は、通常、自己持続性の核分裂反応を行う
ことができる原子炉を形成するように、マトリックスに
配置されている。炉心は、軽水のような流れる液体中に
浸漬されており、この液体は、燃料棒から熱を除去する
冷却材として、また、中性子減速材として働く。特に、
BWRの場合、燃料集合体は、４つ１組のクラスタに通常
組分けされ、１つの制御棒が４つの燃料集合体毎に組み
合わされている。制御棒は、炉心の反応度を制御するた
め燃料集合体に挿入することができる。１つの制御棒を
囲む４つの燃料集合体の各クラスタは、一般に、炉心の
燃料セルと称されている。

クラスタ内の典型的なBWR燃料集合体は、細長い燃料棒
のＮ×Ｎ配列によって通常形成されている。燃料棒の束
は、横方向に離間された関係で支持され、ほぼ矩形の断
面の外側管状流れチャンネル(外側チャンネル)によって
囲まれている。この外側チャンネルは、燃料集合体のほ
ぼ全長に沿って延び、上部ノズルを下部ノズルに相互に
連結している。燃料集合体を通るサブクールされた減速
材の流れのための開放された内側チャンネルを形成する
ように、且つ、燃料集合体を、燃料棒の同一の小束を各
々具備している４つの別個独立の細長い隔室に分割する
ように、中空のウォータ・クロスが外側チャンネルを通
り軸方向に延びている。下部ノズルは炉心支持板に嵌合
し、燃料集合体の外側チャンネル内への冷却材入口とし
て働く。冷却材は、下部ノズルを介して流入し、その
後、ウォータ・クロスを通って、燃料棒の加熱面からエ
ネルギを除去しながら、燃料棒に沿って流れる。

各小束の燃料棒は、上部タイプレートと下部タイプレー
トとの間を横方向に隔てられた関係で延びると共に、こ
れらのタイプレートと共に連結されて、外側チャンネル
の各隔室内に別個の燃料棒サブアセンブリを構成してい
る。各燃料棒サブアセンブリの燃料棒に沿って軸方向に
間隔が置かれた複数の格子は、燃料棒を、横方向に離間
した関係に保持する。ウォータ・クロスは、燃料棒サブ
アセンブリとほぼ同じ軸長を有しており、上部タイプレ
ートと下部タイプレートとの間で延びている。

BWR燃料集合体の各燃料棒サブアセンブリにおいて、燃
料棒の小束は、標準燃料棒と結合用燃料棒とから構成さ
れている。標準燃料棒と結合用燃料棒のこのような使用
は、米国特許第3,741,868号と米国特許第4,022,661号に
開示されたBWR燃料束において見ることができるよう
に、一般的である。通常、結合用燃料棒は延長部を有し
ており、この延長部の端部には、上記タイプレートの穴
内での動きを制限するナットが取り付けられており、他
方、標準燃料棒は、上記タイプレートの穴内に滑動可能
に収容される上部端栓延長部を有している。上部タイプ
レートは結合用燃料棒によって軸方向に位置決めされ、
結合用燃料棒を含む全燃料棒の上端部が、上部タイプレ
ートに画成された穴のパターンで上部タイプレートによ
って横方向に位置決めされて支持される。

熱および照射による成長率は、特に、燃料棒の被覆が冷
間加工されたジルカロイから作られているような燃料集
合体の構造において、結合用燃料棒と標準燃料棒とで異
なるので、標準燃料棒の端栓延長部は、結合用燃料棒と
標準燃料棒との長さにおける成長の差を許容するため
に、収容される上部タイプレートの穴内で自由に滑動し
なければならない。このようにしなければ、燃料棒が拘
束され軸方向に負荷がかかり、燃料棒が湾曲してしま
う。

従って、燃料棒に軸方向の負荷がかかり結果的に燃料棒
が湾曲するのを防止するために、上部タイプレートの穴
内での上部端栓延長部の拘束を防止する手段を必要とす
る。

発明の概要 この発明は、上記必要性を満足するように設計された仕
方で、タイプレートの穴に端栓延長部を支持する可撓性
インサートを提供する。この発明による可撓性インサー
トは、上部タイプレートにおける(僅かに拡径された)各
穴内の弾性的な可撓性ばね支持部材を、端部延長部と当
該穴の側壁との間に介設することによって、上部タイプ
レートの穴内での拘束の問題を解決する。このばね支持
部材は、端栓延長部に対するタイプレートの傾斜による
ような端栓延長部とタイプレートとの間の相対角度的運
動を許容すると共に、或る端栓延長部が他の端栓延長部
に対して軸方向に動くのを許容する。ばね型式の支持部
材は、米国特許第3,361,639号、米国特許第3,801,452号
および米国特許第4,089,742号に開示されているよう
に、従来、所望の配列で燃料棒を支持すべく燃料棒と係
合する燃料集合体格子、即ちスペーサに組み込まれてい
たが、当該技術においては、燃料棒の端栓延長部と上部
タイプレートとの間に従来から存していた上記の拘束に
よる問題を認識しておらず、或はまた、その解決手段と
して可撓性インサートを用いる可能性を認識していなか
った。

従って、この発明は、複数の燃料棒と、これら燃料棒に
沿って互いに軸方向に離間されると共に並置離間配列に
これら燃料棒を支持する複数の格子構造と、燃料棒の両
端部に配置されたタイプレートとを有する燃料集合体に
関する。タイプレートの少なくとも一方は、このタイプ
レートの両面間を貫通して形成された連続的な側壁によ
って、燃料棒の配列と一致した配列に画成された複数の
穴を有している。各燃料棒は、その両端部を封止する１
対の端栓を有し、前記端栓の少なくとも一方はそこから
軸方向外方に延びる延長部材を有している。この発明
は、一方のタイプレートの各穴に配置されると共に、各
穴の側壁から離間した関係でこの穴に端栓の延長部材を
支持するようにタイプレートおよび延長部材に係合され
る複数のばね部材から成る可撓性インサートに関するも
のである。一実施例においては、ばね部材は互いに分離
され、また、別の実施例では、それらは互いに一体的に
連結されている。

より詳細には、各ばね部材は、タイプレートの各面に沿
いタイプレートの穴に隣接して配置された相対する端部
を有している。一実施例において、この両端部はタブで
あり、軸方向の延びる取外し位置と径方向に延びる固定
位置との間で折曲げ可能となっている。更に、各ばね部
材の両端部をタイプレートのそれぞれの面に固定するた
めの固定手段が設けられている。一実施例において、こ
の固定手段は、タイプレートの各面に形成された凹所で
あり、その中にばね部材の各端部が延びる。他の実施例
において、固定手段は、ばね部材の各端部をタイプレー
トの各面に相互に接合する溶接である。

更にまた、各ばね部材は、タイプレートの穴を通って当
該穴の側壁および延長部材の間で延びる細長い中間部
と、各ばね部材の中間部に画成され穴の側壁から離間し
た関係で延長部材と係合して位置決めする弾性手段とを
有している。一実施例において、弾性手段は、ばね部材
の中間部に形成された１個の内方に突出するディンプル
である。他の実施例において、弾性手段は、ばね部材の
中間部に形成された１対の並設された内方に突出するデ
ィンプルである。

また、この発明は、(a)両端部を封止する一対の端栓を
それぞれ有している複数の燃料棒であって、各燃料棒の
両端部の少なくとも一方の端栓が、そこから軸方向外方
に延び、且つ、燃料棒よりも小さい直径を有する延長部
材を有している前記燃料棒と、(b)燃料棒に沿ってその
両端部の間で互いに軸方向に離間されると共に、燃料棒
を並置離間配列で支持する複数の格子構造と、(c)燃料
棒の両端部に配置された１対のタイプレートであって、
これらのタイプレートの少なくとも一方が、そのタイプ
レートの両面間を貫通して形成された連続的な側壁によ
って、燃料棒の配列と一致する配列に画成された複数の
穴を有している前記１対のタイプレートと、(d)前記一
方のタイプレートの穴の各々に配置されると共に、穴の
側壁から離間された関係で穴内に端栓の延長部材を屈曲
可能に支持するように、タイプレートおよび延長部材に
係合される可撓性インサートと、から成る燃料集合体の
組合せに関する。

この発明の上記利点や効果およびその他の利点や効果
は、この発明の一実施例を示している図面に沿っての以
下の詳細な説明を読むことによって、当業者にとって明
らかとなるであろう。

発明の詳細な説明 以下の説明において、同一の参照符号は、全図面を通し
て同一または相当部分を示している。また、以下の説明
において、「前方」、「後方」、「左方」、「右方」、「上方」、
「下方」等の語は便宜上の言葉であり、限定的な語として
理解されるべきものではない。

全体的な説明 図面、特に第１図および第３図を参照すると、この発明
の改良が組み込まれているBWR用の核燃料集合体が、総
括的に符号10で示されている。燃料集合体10は外側チャ
ンネル12を具備し、この外側チャンネル12は、燃料集合
体10のほぼ全長に沿って延びると共に、上部支持取付構
造、即ち上部ノズル14を下部基体、即ち下部ノズル16に
相互に連結している。燃料集合体10の外側チャンネル12
内への冷却材の流れの入口として働く下部ノズル16は、
下部ノズル16および燃料集合体10を、炉心支持板(図示
しない)内に、または、例えば使用済み燃料プールの中
の燃料貯蔵ラック内に案内するための複数の脚部18を具
備している。

断面がほぼ矩形の外側チャンネル12は、互いに連結され
た４つの垂直壁部20から構成されており、各壁部20は隣
接の壁部20から約90度で配置されている。複数の構造リ
ブ22が、外側チャンネル12の各壁部20の内面に、互いに
隔てられた関係に形成され、この内面に沿った中心位置
で垂直の列で延びている。外側チャンネル12は、従って
このチャンネル12に形成された構造リブ22は、例えばジ
ルカロイとして通常称されているジルコニウム合金のよ
うな金属材料から形成されるのが好ましい。

外側チャンネル12の壁部20に固定された複数の上方に延
びる取付ボルト24は、上部ノズル14を外側チャンネル12
に連結するために、構造リブ22の上端部の上方で使用さ
れている。

中性子経済および減速を改善するために、中空のウォー
タ・クロス26が、外側チャンネル12を通って軸方向に延
びており、燃料集合体10を通るサブクールされた減速材
の流れのための開放された十字形の内側チャンネル28を
形成すると共に、燃料集合体10を４つの別個独立した細
長い隔壁30に区分するようになっている。中空のウォー
タ・クロス26は、外側チャンネル12の角度的に隔てられ
た壁部20に取り付けられている。好適には、ウォータ・
クロス26の外側の細長い側壁部は、燃料集合体10内の所
望の中心位置にウォータ・クロス26を確実に保持するた
めに、構造リブ22にその全長に亘り溶接等によって結合
されている。また、ウォータ・クロス26は下部流入端部
32と、その反対側の上部流出端部34とを有し、これら
は、それぞれ、サブクールされた流れが内側チャンネル
28を貫流できるように、内部チャンネル28と連通してい
る。

外側チャンネル12内には燃料棒36の束が配置されてお
り、図示実施例では燃料棒36は64本あり、８×８配列を
形成している。燃料棒36の束は、ウォータ・クロス26に
よって４つの小束に分けられている。各小束の燃料棒36
は、４×４配列の１６本であり、上部タイプレート38と
下部タイプレート40との間を横方向に離間された関係で
延びている。各小束の燃料棒36は、上部および下部タイ
プレート38、40に連結され、それらと共に、外側チャン
ネル12の各隔室30内に別個の燃料棒サブアセンブリ42を
構成している。各燃料棒サブアセンブリ42の燃料棒36に
沿って軸方向に隔てられた複数の格子、即ちスペーサ
(格子構造)44は、燃料棒36を横方向に隔てられた関係で
保持している。各燃料棒サブアセンブリ42の上部および
下部タイプレート38、40は、それらを貫通するように画
成された開口46を有しており、冷却流体が燃料棒サブア
センブリ42に流入したりそこから流出したりするのを許
容する。また、冷却材の流路が、各構造リブ22同士の間
に、その長さに沿って形成された複数の開口48を介し
て、燃料集合体10の別個独立の隔室30内における燃料棒
サブアセンブリ42間を流通させている。開口48を通る冷
却材の流れは、４つの独立した隔室30間の水圧を等しく
し、それによって、燃料棒サブアセンブリ42間の熱的・
水圧的不安定の可能性を最小とするように機能する。

上部タイプレートの穴内の可撓性インサート ここで、第４図から第９図を参照すると、従来しばしば
燃料棒36を湾曲させていた燃料棒36の上端部に対する拘
束および軸方向の負荷を防止するように燃料棒36の上端
部を支持するための、この発明の特徴を組み込んだ幾つ
かの実施例が示されている。第４図に示されるように、
各燃料棒36は２つの型式、即ち、結合用燃料棒36aまた
は標準燃料棒36bのいずれか一方である。各々は、その
両端部を封止する１対の端栓50a、50b(上部の端栓だけ
が示されている)を有している。燃料棒36a、36bの上部
端栓50a、50bは、それぞれ、そこから軸方向外方に延び
る延長部材52a、52bを有し、また、各燃料棒36a、36bよ
りも小さな直径となっている。

また、第４図に示されるように、燃料棒36a、36bの上端
部に隣接する上部タイプレート38は、上部タイプレート
38の上下の面の間を貫通して形成された連続的な側壁56
によって画成された複数の穴54を有している。穴54は、
燃料棒36の配列と一致する配列で配置されている。結合
用燃料棒36aの延長部材52aは、上部タイプレート38の１
つの穴54の中での動きを制限するために、ナット60によ
り螺合され締結されている。他方、標準燃料棒36bの延
長部材52bは、上部タイプレート38の他の穴54の中に滑
動可能に収容されている。各燃料棒36において、圧縮コ
イルばね61が、延長部材52の回りに配置されると共に、
上部端栓50と上部タイプレート38との間で延びている。
ばね61は、結合用燃料棒36aのナット60に対し、上部タ
イプレート38を上方に押圧する。

上部タイプレート38の各穴54内に、符号62で総括的に表
された可撓性インサートを挿入できるように、穴54の直
径は、燃料棒36a、36bの各端栓50の延長部材52a、52bよ
りも実質的に大きい。ここでは、可撓性インサート62の
３つの実施例が開示されており、それぞれ、他のものか
ら僅かに変更されている。しかしながら、基本的に、全
ての実施例の可撓性インサート62は、上部タイプレート
38と上部端栓50の延長部材52との係合するように機能
し、所定の穴54の側壁56から隔てられた関係で、当該穴
54内で延長部材52を追従可能に支持するようになってい
る。また、各実施例の可撓性インサート62は、複数のば
ね部材64を具備している。

まず、第４図および第５図に示された第１の実施例を参
照すると、可撓性インサート62aを構成するばね部材64a
が互いに分離しており、穴54の回りで約120度の角度で
離間されている。各ばね部材64aは、インコネルのよう
な弾力性があり耐クリープ性も有している可撓性材料の
帯状体から作られている。各ばね部材64aは、相対する
上端部と下端部66a、および、これら両端部66aを相互に
連結する中間部68aを有している。タブの形態の両端部6
6aは、上部タイプレート38の対応する穴54に隣接した位
置で、上部タイプレート38の上下両面58に沿って配置さ
れている。更に、上部タイプレート38の各面58に各ばね
部材64aの各端部66aを固定するための手段が設けられて
いる。第４図の第１の実施例において、このような手段
は、上部タイプレート38にばね部材64aの端部66aを相互
に連結するタック溶接の形態をとる。各ばね部材64aの
細長い中間部68aは、上部タイプレート38の穴54を通っ
て当該穴54の側壁56と対応する延長部材52a、52bとの間
で延びている。弾性手段が、穴54の側壁56から隔てられ
た関係で対応の延長部材52a、52bと係合して位置決めす
るために、各ばね部材64aの中間部68aに画成されてい
る。第４図の第１の実施例において、このような弾性手
段は、各ばね部材64a上に形成された１個の内方に突出
したディンプル72の形態である。

上記の配列から、上部端栓50a、50bの延長部材52a、52b
に対して上部タイプレート38が傾斜すると、可撓性イン
サート62aのばね部材64aが屈曲し、上部端栓50a、50bの
延長部材52a、52bの拘束を防止するであろう。また、延
長部材52a、52bの横方向の振動を除去すると同時に、上
部タイプレート38に対して上部端栓50a、50bの延長部材
52a、52bが自由に滑動できるように、ばね部材64aは延
長部材52a、52bを支持する。

第６図および第７図に示される可撓性インサート62bの
別の実施例は、第４図および第５図の第１の実施例とほ
ぼ同様である。従って、両者の相違点のみを説明する。
別個のばね部材64bの両端部、即ちタブ66bは、上部タイ
プレート38の上下両面58の各々に形成された切欠きまた
は凹所74によって、その面58に固定されており、タブ66
bの折返し端部76が凹所74内に延びている。また、互い
に角度的に離間された溝78が穴54の側壁56に形成されて
おり、この溝78内に、ばね部材64bの中間部68bが、穴54
内にばね部材64bの周方向の位置を維持するために、着
座されている。更に、可撓性インサート62bの弾性手段
は、１つのばね部材64aの中間部68bに形成された１個の
内方に突出するディンプル72と、他のばね部材64bの中
間部68bに形成された１対の並設された内方に突出する
ディンプル80との組み合わせである。複水準のディンプ
ル80の対は、特定の場合において望まれるならば、燃料
棒36の傾斜に対してより高い耐久性を与える。

第８図および第９図に示される可撓性インサート62cの
別の変形例において、ばね部材64cは、互いに間隔が置
かれた上部と下部リング部82によって、互いに一体的に
連結されている。ここで、両端部、即ちタブ66cは、各
リング部に連結され、ばね部材64cの中間部68cから周方
向に互いて隔てられている。タブ66cはまた、第９図に
おいて、点線で示される軸方向に延びる取外し位置と、
実線で示される径方向に延びる固定位置との間で、折り
曲げ可能である。ばね部材64cの一体構造によって、可
撓性インサート62cが、それ自体を、上部タイプレート3
8の穴54に据え付けることができる。

この発明およびこれに付随する多くの利点は、上の説明
から理解されるであろう。また、この発明の精神および
範囲を逸脱することなく、或はその実質的な利点を犠牲
にすることなく形態、構成および配列に関し、種々の変
更が可能であることは明らかであり、よって、以上に述
べられた形態は単にこの発明の好適な実施例に過ぎな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の改良点が適用されるBWR燃料集合体
を、明瞭化のために、一部断面し切欠きして表した正面
図、第２図は第１図の２−２線に沿って見た燃料集合体
の拡大平面図、第３図は第１図の３−３線に沿って見た
燃料集合体の拡大底面図、第４図は第１図の燃料集合体
の一部断面した拡大部分詳細正面図であり、上部タイプ
レートの２つの穴のそれぞれに取り付けられると共に、
これら穴の側壁と、該穴を通って延びる結合用燃料棒お
よび標準燃料棒の上部端栓の延長部材との間に、これら
延長部材を支持するように配置された、この発明の可撓
性インサートの第１の実施例を有する燃料集合体の上部
タイプレートの一部を示した図、第５図は第４図の５−
５線に沿って見た一方の可撓性インサートと上部端栓の
延長部材との平面図、第６図は第７図の６−６線に沿っ
て見た第１図の燃料集合体の一部断面した拡大部分詳細
正面図であり、可撓性インサートの第１の実施例に関し
て第４図に示されたものとほぼ同様に、上部タイプレー
トに適用されたこの発明の可撓性インサートの第２の実
施例を有する燃料集合体の上部タイプレートの一部を示
した図、第７図は第６図の７−７線に沿って見た可撓性
インサートと上部端栓の延長部材との平面図、第８図は
第９図の８−８線に沿って見たこの発明の可撓性インサ
ートの第３の実施例の平面図、第９図は第８図の９−９
線に沿って見た可撓性インサートの第３の実施例の正面
図である。図中、 10：燃料集合体、36：燃料棒 38：上部タイプレート、40：下部タイプレート 50：端栓、52：延長部材 54：穴、58：面 62：可撓性インサート、64：ばね部材 66：端部、68：中間部 72,80：ディンプル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の燃料棒と、該燃料棒に沿って互いに
   軸方向に離間されると共に並置離間配列に前記燃料棒を
   支持する複数の格子構造と、前記燃料棒の両端部に配置
   されたタイプレートと、を有する燃料集合体であって、
   前記タイプレートの少なくとも一方は、該タイプレート
   の両面間を貫通して形成された連続的な側壁によって、
   前記燃料棒の配列と一致した配列に画成された複数の穴
   を有し、前記各燃料棒は前記両端部を封止する１対の端
   栓を有し、前記端栓の少なくとも一方は該端栓から軸方
   向外方に延びる延長部材を有している前記燃料集合体に
   おいて、 前記一方のタイプレートの前記各穴に配置されると共
   に、前記穴の前記側壁から離間した関係で該穴に前記延
   長部材を支持するように前記タイプレートおよび前記延
   長部材に係合される複数のばね部材から成る燃料集合体
   における可撓性インサート。