JPH07209461A

JPH07209461A - 沸騰水型原子炉および燃料集合体

Info

Publication number: JPH07209461A
Application number: JP6004102A
Authority: JP
Inventors: Sunao Narabayashi; 直奈良林; Souya Yamamoto; 宗也山本; Shigeru Fujimoto; 滋藤本; Kazuyoshi Kataoka; 一芳片岡; Wataru Mizumachi; 渉水町; Susumu Sumita; 侑住田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-01-19
Filing date: 1994-01-19
Publication date: 1995-08-11
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: TW258816B; JP3350199B2

Abstract

(57)【要約】【目的】燃料集合体の相対変位を大幅に減少させ、短時
間の反応度印加を防止するとともに、変位しても反応度
の印加のないＣ格子炉心化を図る。【構成】水平格子状の上部格子板７と、この上部格子板
７の複数の格子内にそれぞれ複数立設されその上部格子
板７により上部を水平方向に支持される、角筒形チャン
ネルボックス１２を有する燃料集合体８と、上部格子板
７の下方より上記複数本の燃料集合体１２の間に挿入さ
れる制御棒９と、燃料集合体８近傍の中性子束を検出す
る手段５１と、上記中性子束が所定値を越えたときに制
御棒９を挿入する手段と、を具備する沸騰水型原子炉に
おいて、地震時に検出手段５１により検出された中性子
束が上記所定値を越えない程度に、上部格子板７の格子
内の複数本の燃料集合体８同士間の相対変位を拘束する
手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉（ＢＷ
Ｒ）および燃料集合体に係り、特に地震などの振動によ
る集合体間隔の変化量を制限するようにした沸騰水型原
子炉および燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１９は沸騰水型原子炉の原子炉圧力容
器内の構造を示す概略図であり、この原子炉圧力容器１
内には炉心２が収容され、この炉心２は制御棒駆動装置
３により制御棒を上下動させて核分裂反応が制御され、
反応冷却材である水を沸騰させている。この沸騰した水
は気水分離器４により蒸気と水に分離され、蒸気はさら
に蒸気ドライヤ５で乾燥されて主蒸気管６を経て図示し
ないタービンへ送られ、このタービンにより発電機を回
転駆動させる。

【０００３】炉心２は、図２０および図２１に示すよう
に井桁状に形成された上部格子板７により上部が支持さ
れた燃料集合体８と、この燃料集合体８が４体に一体の
割合で装荷される十字型の断面構造の制御棒９と、炉心
下部に設置された燃料支持金具１０および炉心支持板１
１とから構成される。上部格子板７の各格子内に燃料集
合体８が４体入り、その中央に制御棒９が挿入される。
そして、炉心２は燃料集合体８の設置間隔が均一なＣ格
子炉心と、図２１に示すように上部格子板７側に間隔の
狭い部分（ナローギャップ）を有し、燃料集合体８の設
置間隔が不均一なＤ格子炉心の２つがある。

【０００４】一般にＢＷＲの場合、燃料集合体８は、図
２２に示すように複数本の燃料棒などを含む断面四角形
状のチャンネルボックス１２と、上部タイプレート１３
と、下部タイプレート１４と、チャンネルファスナ１５
などを有しており、チャンネルボックス１２は、燃料
棒，ウォータロッド，スペーサなどを囲んでいる。チャ
ンネルボックス１２上部には上部タイプレート１３が、
下部には下部タイプレート１４がそれぞれ固定されてい
る。

【０００５】燃料集合体８は、図２０に示すように４体
毎に原子炉内の炉心支持板１１に保持された燃料支持金
具１０の上部四隅の孔に下部タイプレート１４を嵌め込
むように支持されている。燃料集合体８の上端は上部格
子板７により保持されている。また、十字型の制御棒９
は、燃料支持金具１０の中央の十字部を通って燃料集合
体８間を上下する機構となっている。燃料集合体８に沿
って上部格子板７の格子交差部下方には、炉心下部より
中性子束検出器を内包する計装管が挿入されている。な
お、燃料集合体の間隔は核設計と熱水力設計とで決定さ
れる。

【０００６】反応冷却材である水は、図２２に示すよう
に下部タイプレート１４からチャンネルボックス１２内
に流入し、上部タイプレート１３から流出する。チャン
ネルボックス１２上外部には、チャンネルファスナ１５
および燃料パッド（チャンネルスペーサともいう。）１
６がチャンネルボックス１２角部２面に配設されてい
る。

【０００７】燃料パッド１６は、炉心２に装荷された燃
料集合体８が自重で撓んでも隣り合う燃料集合体８と干
渉しないように、また燃料集合体８の間に挿入される制
御棒９とも干渉しないように、さらに燃料集合体８を炉
心２から出し入れする際に、作業の妨げにならないよう
に設計されている。

【０００８】チャンネルファスナ１５は板ばね構造とな
っており、炉心２に装荷された燃料集合体８を隣り合う
燃料集合体と押し付け合うことで、原子炉運転時の冷却
水による流動振動に対しても、燃料集合体８間の間隔を
燃料集合体８の間に挿入される制御棒９と干渉しないよ
うに保持されている。また、燃料集合体８を炉心２から
出し入れする際に、作業の妨げにならないように設計さ
れている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｄ格子
炉心の場合には、図２３に示すように地震の横揺れによ
り炉心２全体に亘り燃料集合体８の設置間隔が均一化す
る方向、すなわち上部格子板７側の間隔が拡大し、制御
棒９側の間隔が縮小する方向に僅か約１．６ｍｍ程度変
位しても、核的な特性によりごく短時間のみ反応度が印
加されて「中性子束高高信号」が発せられ、スクラムと
呼ばれる原子炉緊急停止措置が自動的に作動される。

【００１０】このスクラム自体は、原子力発電所の安全
性を確保するために設けられた機能であるが、原子力発
電所の構造物に全く影響を及ぼさないような極めて軽微
な地震により、原子力発電所がスクラムすることは、電
力系統網に大きな変動を及ぼすため、原子力発電所の安
定運転上の観点から好ましいことではない。

【００１１】このような極めて軽微な地震により燃料集
合体間隔が均一化する原因は、図２４（Ａ），（Ｂ）に
示すように燃料集合体４体を１単位として上部を上部格
子板７により支持されているためである。地震の横揺れ
により水平方向に荷重が作用すると、上部格子板７に押
圧される燃料集合体と、その燃料集合体に対して倒れ掛
かってくる燃料集合体とがある。

【００１２】燃料集合体８の上部には、図２２に示すよ
うに固定金具であるチャンネルファスナ１５に板ばね１
７が取り付けられ、この板ばね１７は燃料集合体８の変
位を拘束しているものの、ばね力が弱いと燃料集合体８
に作用する水平荷重を受けきれず、上部格子板７側の間
隔が拡大することになる。

【００１３】図２５（Ａ），（Ｂ）は上部格子板と地震
の水平変位方向を示す。図２５（Ａ）は変位が上部格子
板７に平行な場合である。この場合、中性子束増加に加
えて中性子束検出器近傍の水増加（燃料集合体の間隔拡
大）による信号の見掛け上の中性子束増加の合計値によ
り発生する「中性子束高高信号」によりスクラムに至る
ためには、燃料集合体８間の上部相対変位２δ^maxとし
て、約３．２ｍｍの相対変位が必要である。

【００１４】一方、図２５（Ｂ）は変位が上部格子板７
に対して４５°の場合である。この場合、同様に「中性
子束高高信号」によりスクラムに至るためには、燃料集
合体８間の上部相対変位２δ^maxとして約１．６ｍｍの
相対変位が必要である。すなわち、炉心の耐震性能を向
上するためには、図２５（Ｂ）を想定して対策を講じな
ければならない。また、上部格子板７の製作公差は±
０．９ｍｍであり、これも考慮した設計にする必要があ
る。この対策を採らないと、見掛けの「中性子束高高信
号」によりプラントが不必要にスクラムし易いことが判
る。

【００１５】また、最近の沸騰水型原子炉において採用
されている燃料集合体の間隔が均一なＣ格子炉心は、図
２３に示したように配置が最も反応度の高い安定状態の
ため、燃料集合体の間隔が多少変位しても、反応度が僅
かに低下するのみでスクラムに至ることはない。

【００１６】そこで、Ｄ格子炉心をＣ格子炉心に変更す
れば課題は解決されるものの、運転中プラントの炉心構
造を変更することや、上部格子板７を交換するような大
改造は、仮に定期検査中の期間を利用してもできるよう
な簡単なものではなく、また長期に亘るプラントの運転
停止は経済的損失が大きく、電力産業上大きな課題とな
る。

【００１７】また、上記のような燃料集合体８において
は、地震計による原子炉の地震スクラム設定点以下の比
較的小さな地震などによる振動時においても、振動の水
平成分などによりチャンネルファスナ１５が押し縮んだ
り、延びたりして集合体間隔が変化する場合がある。

【００１８】その結果、集合体間隔が変化した場所にお
いて、中性子束が変動し、「中性子束高」と呼ばれる原
子炉スクラム設定点に到達し、原子炉が停止して原子炉
の運転性，経済性，および電力の安定供給の面から不利
になる場合がある。

【００１９】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、燃料集合体の相対変位を大幅に減少させ、短時
間の反応度印加を防止するとともに、変位しても反応度
の印加のないＣ格子炉心化を図ることが可能な沸騰水型
原子炉および燃料集合体を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の請求項１の沸騰水型原子炉は、水平格
子状の上部格子板と、この上部格子板の複数の格子内に
それぞれ複数立設されその上部格子板により上部を水平
方向に支持される、角筒形チャンネルボックスを有する
燃料集合体と、上記上部格子板の下方より上記複数本の
燃料集合体の間に挿入される制御棒と、上記燃料集合体
近傍の中性子束を検出する手段と、上記中性子束が所定
値を越えたときに上記制御棒を挿入する手段と、を具備
する沸騰水型原子炉において、地震時に上記検出手段に
より検出された中性子束が上記所定値を越えない程度
に、上記上部格子板の格子内の複数本の燃料集合体同士
間の相対変位を拘束する手段を有することを特徴とす
る。

【００２１】請求項２の沸騰水型原子炉は、請求項１記
載の拘束する手段が、上記チャンネルボックスの外側の
他のチャンネルボックスと対向する位置に取り付けられ
た高剛性の板ばねを有するチャンネルファスナであるこ
とを特徴とする。

【００２２】請求項３の沸騰水型原子炉は、請求項１記
載の拘束する手段が、上記チャンネルボックスの外側の
他のチャンネルボックスと対向する位置に取り付けられ
た燃料パッドであることを特徴とする。

【００２３】請求項４の沸騰水型原子炉は、請求項１記
載の拘束する手段が、上記チャンネルボックスと上記格
子板とを互いに係合するものであることを特徴とする。

【００２４】請求項５の沸騰水型原子炉は、請求項１記
載の拘束する手段が、上記格子板を挟む複数のチャンネ
ルボックスを互いに係合するものであることを特徴とす
る。

【００２５】請求項６の燃料集合体は、断面四角形状の
チャンネルボックス内に複数の燃料棒を格子状に配列
し、上記チャンネルボックスの上部および下部にそれぞ
れ上部タイプレートおよび下部タイプレートを固定して
なる燃料集合体において、上記チャンネルボックスの上
部外面に取り付けられたチャンネルファスナに高剛性板
ばねを固定し、この高剛性板ばねのばね定数の下限値
を、地震スクラム発生時の許容最大変位および水平荷重
から算出されるばね定数に設定したことを特徴とする。

【００２６】請求項７の燃料集合体は、請求項６記載の
高剛性板ばねが、そのばね定数の上限値を、水中におい
て炉心内にその燃料集合体を自重により装荷可能なばね
定数に設定したことを特徴とする。

【００２７】請求項８の燃料集合体は、断面四角形状の
チャンネルボックス内に複数の燃料棒を格子状に配列
し、上記チャンネルボックスの上部および下部にそれぞ
れ上部タイプレートおよび下部タイプレートを固定して
なる燃料集合体において、上記チャンネルボックスの上
部外面に取り付けられる燃料パッド厚さを、地震スクラ
ム発生時の最大変位量から算出される厚さ以上に設定し
たことを特徴とする。

【００２８】請求項９の燃料集合体は、断面四角形状の
チャンネルボックス内に複数の燃料棒を格子状に配列
し、上記チャンネルボックスの上部および下部にそれぞ
れ上部タイプレートおよび下部タイプレートを固定して
なる燃料集合体において、上記チャンネルボックスの上
部外面に固定金具および厚肉燃料パッドを取り付け、こ
れら固定金具および厚肉燃料パッドで上部格子板を挟み
込み、水平方向変位を拘束することを特徴とする。

【００２９】請求項１０の燃料集合体は、断面四角形状
のチャンネルボックス内に複数の燃料棒を格子状に配列
し、上記チャンネルボックスの上部および下部にそれぞ
れ上部タイプレートおよび下部タイプレートを固定して
なる燃料集合体において、上記チャンネルボックスの複
数の上部を互いに固定する横揺れ防止手段を有すること
を特徴とする。

【００３０】請求項１１の燃料集合体は、断面四角形状
のチャンネルボックス内に複数の燃料棒を格子状に配列
し、上記チャンネルボックスの上部および下部にそれぞ
れ上部タイプレートおよび下部タイプレートを固定して
なる燃料集合体において、上記下部タイプレートを偏心
下部タイプレートとするとともに、上記チャンネルボッ
クスの上部外面に燃料パッド金具を取り付けてチャンネ
ルボックスの炉心への装荷間隔を均一とし、且つ装荷方
向を表示する表示部を設けたことを特徴とする。

【００３１】

【作用】上記の構成を有する本発明の請求項１において
は、地震時に上記検出手段により検出された中性子束が
上記所定値を越えない程度に、上記上部格子板の格子内
の複数本の燃料集合体同士間の相対変位を拘束する手段
を有することにより、比較的小さな地震などによる振動
時において集合体間隔が変化する場合でも、その相対変
位を減少させ、短時間の反応度印加を防止することがで
きる。

【００３２】請求項２においては、請求項１の拘束する
手段が、チャンネルボックスの外側の他のチャンネルボ
ックスと対向する位置に取り付けられた高剛性の板ばね
を有するチャンネルファスナであるので、比較的小さな
地震などによる振動時において集合体間隔が変化する場
合でも、その相対変位を高剛性の板ばねにより減少させ
ることができる。

【００３３】請求項３においては、請求項１の拘束する
手段が、チャンネルボックスの外側の他のチャンネルボ
ックスと対向する位置に取り付けられた燃料パッドであ
ることにより、比較的小さな地震などによる振動時にお
いて集合体間隔が変化する場合でも、その相対変位を燃
料パッドにより減少させることができる。

【００３４】請求項４においては、請求項１の拘束する
手段が、チャンネルボックスと上部格子板とを互いに係
合するものであることから、チャンネルボックスを上部
格子板７に強固に固定することができる。

【００３５】請求項５においては、請求項１の拘束する
手段が、上部格子板を挟む複数のチャンネルボックスを
互いに係合するものであることから、請求項４と同様
に、チャンネルボックスを上部格子板７に強固に固定す
ることができる。

【００３６】請求項６においては、チャンネルボックス
の上部外面に取り付けられたチャンネルファスナに高剛
性板ばねを固定し、この高剛性板ばねのばね定数の下限
値を、地震スクラム発生時の許容最大変位および水平荷
重から算出されるばね定数に設定したことにより、請求
項１と同様に、比較的小さな地震などによる振動時にお
いて集合体間隔が変化する場合でも、その相対変位を減
少させ、短時間の反応度印加を防止することができる。

【００３７】請求項７においては、請求項１記載の高剛
性板ばねがそのばね定数の上限値を、水中において炉心
内にその燃料集合体を自重により装荷可能なばね定数に
設定したことにより、燃料集合体の炉心への出し入れに
支障を来たすことがなく、円滑に装荷することができる
とともに、容易に引き抜くことができる。

【００３８】請求項８においては、チャンネルボックス
の上部外面に取り付けられる燃料パッド厚さを、地震ス
クラム発生時の最大変位量から算出される厚さ以上に設
定したことにより、請求項１と同様に、比較的小さな地
震などによる振動時において、集合体間隔が変化する場
合でも、その相対変位を減少させ、短時間の反応度印加
を防止することができる。

【００３９】請求項９においては、チャンネルボックス
の上部外面に固定金具および厚肉燃料パッドを取り付
け、これら固定金具および厚肉燃料パッドで上部格子板
を挟み込み、水平方向変位を拘束することにより、チャ
ンネルボックスの上部を上部格子板７に強固に固定する
ことができる。

【００４０】請求項１０においては、チャンネルボック
スの複数の上部を互いに固定する横揺れ防止手段を有す
ることにより、燃料集合体自体を加工することなく、既
存の燃料集合体を使用することができるとともに、複数
の燃料集合体を一度で固定することができる。

【００４１】請求項１１においては、下部タイプレート
を偏心下部タイプレートとするとともに、チャンネルボ
ックスの上部外面に燃料パッド金具を取り付けてチャン
ネルボックスの炉心への装荷間隔を均一とし、且つ装荷
方向を表示する表示部を設けたことにより、上部格子板
などの炉内構造物の交換なしに、Ｄ格子炉心をＣ格子炉
心に変更することができるとともに、燃料集合体の装荷
方向を誤ることなく、正確な方向に装荷することができ
る。

【００４２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００４３】図１は本発明に係る沸騰水型原子炉の燃料
集合体の第１実施例の要部を示す斜視図である。なお、
従来の構成と同一の部分には同一の符号を用いて説明す
る。また、沸騰水型原子炉の全体構成は図１９〜図２１
と同様であるためその説明を省略するとともに、燃料集
合体８の全体的な構成は従来例と同様に、断面四角形状
のチャンネルボックス１２内に複数の燃料棒が格子状に
配列され、チャンネルボックス１２の上部および下部に
はそれぞれ上部タイプレート１３および下部タイプレー
ト１４が固定されている。

【００４４】図１に示すように、チャンネルボックス１
２の上部外面には、チャンネルファスナ２０が取り付け
られ、このチャンネルファスナ２０に横揺れ防止金具と
しての高剛性板ばね２１が取り付けられている。すなわ
ち、チャンネルファスナ２０および高剛性板ばね２１は
チャンネルボックス１２の上端隅角部に固定された三角
板２２に固定ねじ２３により取り付けられている。チャ
ンネルファスナ２０と厚肉燃料パッド２４はともにチャ
ンネルボックス１２の外表面に取り付けられ、高剛性板
ばね２１および厚肉燃料パッド２４の高さ方向中央部分
が上部タイプレート１３の設置高さと一致している。

【００４５】また、チャンネルファスナ２０には、変位
制限突起２５が一体に形成され、この変位制限突起２５
により高剛性板ばね２１の変形の上限を与えることによ
り、大きな水平外力に対して十分な剛性を有する構造と
なっている。

【００４６】次に、本実施例の作用を説明する。

【００４７】図２は図１に示した燃料集合体８を炉心に
装荷した状態を示す。図２に示すように、横揺れ防止金
具としての高剛性板ばね２１と厚肉燃料パッド２４との
作用により燃料集合体８上部は上部格子板７に強く押し
付けられ、大きな水平外力に対して十分な剛性を有する
装荷構造となっている。

【００４８】チャンネルファスナ２０の変位制限突起２
５を含む最大肉厚ｔを十分大きくすることにより、燃料
集合体８間のギャップｇを以下に説明する所定の値に制
限できる。すなわち、高剛性板ばね２１は２つの燃料集
合体の変位制限突起２５同士が接触することにより、そ
れ以上変形しない。上部格子板７の製作公差は約±０．
９ｍｍであるので、平均ギャップｇを０．９ｍｍ以下に
設定することはできない。これは、炉心への燃料集合体
８の装荷に支障を来たす場合が発生するからである。

【００４９】一方、製作公差が最も広い上部格子板７で
は、後述の数１から最大ギャップ２ｅが１．８ｍｍにな
り、チャンネルファスナ２０の厚さを厚くするだけで
は、許容最大ギャップが１．６ｍｍ以下に制限する肉厚
ｔを決定することが困難である。そこで、以下に示すよ
うに高剛性板ばね２１のばね定数を所定の値以下に設定
する必要がある。燃料集合体８の水を収容した炉心への
装荷を円滑にするためのばね定数の上限値が存在し、実
際のばね定数はこの上限値に設定することが必要であ
る。なお、燃料集合体８のそれぞれにチャンネルファス
ナ２０が取り付けられているため、２つの高剛性板ばね
２１が組み合わされた組み合せばね定数Ｋｃを用いて以
下に説明する。

【００５０】図３は高剛性板ばね２１の組み合せばね定
数Ｋｃと、上部格子板方向の最大上部水平荷重６００Ｎ
（ニュートン：ＳＩ単位）時の燃料集合体上部の水平方
向の燃料集合体間の最大変位２δ^maxとの関係を示す。
図３に示すように、炉心の核的な特性から燃料集合体間
の最大変位２δ^maxは１．６ｍｍ以下に設定する必要が
あるので、燃料集合体２体のスプリングを直列とした組
み合せばね定数Ｋｃは３７５Ｎ／ｍｍ以上になるように
板ばねの材料および肉厚の幅を設定する必要がある。

【００５１】図４は上部格子板方向の最大上部水平荷重
６００Ｎが作用した時の高剛性板ばね２１の最大変位２
δ^maxを示したもので、高剛性板ばね２１の作用により
燃料集合体上部の水平方向の最大変位は、燃料集合体２
体の合計値として２×δ^max＝１．６ｍｍに抑えられ
る。このような組み合せばね定数Ｋｃの計算式は後述の
数２で表される。具体例としては、ばね定数Ｋａ＝１２
００Ｎ／ｍｍ、ばね定数Ｋｂ＝５４０Ｎ／ｍｍとして実
現し得る。これは従来形状の板ばねの肉厚を１．３倍す
ることに相当する。

【００５２】したがって、本実施例の高剛性板ばね２１
は、地震スクラム発生許容最大変位および水平荷重から
計算されるばね定数を下限値とし、水中で燃料集合体８
を自重により装荷可能なばね定数を上限値として設定
し、これら下限値と上限値との間に高剛性板ばね２１の
ばね定数が入るように設定されている。

【００５３】このように本実施例によれば、高剛性板ば
ね２１のばね定数の下限値を地震スクラム発生許容最大
変位および水平荷重から算出されるばね定数に設定した
ことにより、燃料集合体８の相対変位を減少させ、短時
間の反応度印加を防止することができる。

【００５４】また、高剛性板ばね２１のばね定数の上限
値を水中で燃料集合体８を自重により装荷可能なばね定
数に設定したことにより、燃料集合体８の炉心への出し
入れに支障を来たすことがなく、円滑に装荷することが
できるとともに、容易に引き抜くことができる。

【００５５】図５は第２実施例の燃料集合体を炉心に装
荷した状態を示す平面図である。なお、前記第１実施例
と同一の部分には同一の符号を付して説明する。この実
施例では上部格子板７と燃料集合体８上部とを固定する
ため、横揺れ防止金具として図６に示す上部格子板固定
金具２６を有している。

【００５６】図６は第２実施例の燃料集合体の具体的な
構造を示し、上部格子板固定金具２６と厚肉燃料パッド
２４とで上部格子板７を挟み込み、燃料集合体８の水平
方向変位を拘束している。また、反対側のチャンネルボ
ックス１２に固定された上部格子板固定金具２６は、厚
肉燃料パッド２４により生じた上部格子板７との間隙に
挿入される構造となっている。

【００５７】したがって、この第２実施例によれば、上
部格子板固定金具２６および厚肉燃料パッド２４により
燃料集合体８上部を上部格子板７に強固に固定すること
ができる。

【００５８】図７は第３実施例の燃料集合体を炉心に装
荷した状態を示す平面図である。なお、前記第１実施例
と同一の部分には同一の符号を付して説明する。この実
施例では上部格子板側の燃料集合体上部を互いに固定す
る横揺れ防止金具として複数個の横揺れ防止固定金具３
０が燃料集合体８の４体毎の上部にそれぞれ固定されて
いる。

【００５９】横揺れ防止固定金具３０の詳細を図８に示
す。この横揺れ防止固定金具３０には上方が太くなるテ
ーパ形に形成された４本の固定脚３１を有し、チャンネ
ルボックス１２上部を挟み込む構造となっている。した
がって、横揺れ防止固定金具３０の４本の固定脚３１は
根元が太くなるテーパ形に形成されたことにより、燃料
交換機つかみハンドル３２を燃料交換機でつかみ、固定
金具３０を燃料集合体８上部へ配置すると、固定金具３
０は自重で燃料集合体８上部を互いに水平方向に引き寄
せ、上部格子板７へ押し付け、強く拘束することとな
る。なお、固定金具３０は冷却材の流れなどによって浮
き上がることのない重量とする。

【００６０】したがって、この第３実施例によれば、燃
料集合体８自体を加工することなく、既存の燃料集合体
８を使用することができるとともに、４体の燃料集合体
８を一度で固定することができる。また、４本の固定脚
３１を上方が太くなるテーパ形に形成したので、固定金
具３０の位置が若干ずれても上部格子板側の燃料集合体
上部を容易に固定することができる。

【００６１】図９は第４実施例の燃料集合体の外観を示
す斜視図である。なお、前記第１実施例と同一の部分に
は同一の符号を付して説明する。この実施例は偏心下部
タイプレート４１および上部燃料パッド金具４２を用い
てチャンネルボックス１２の間隔を均一にして上部格子
板などの炉内構造物の交換なしに、Ｄ格子炉心をＣ格子
炉心に変更するものである。

【００６２】すなわち、偏心下部タイプレート４１は、
図１０に示すようにその先端をＤ格子炉心用の燃料支持
金具穴に挿入し、チャンネルボックス１２をＣ格子炉心
の配置にするために、長手方向の中心軸を燃料支持金具
穴の中心Ｏ₁からチャンネルボックス１２の中心Ｏ₂に
偏心させてある。燃料装荷方向を誤ることがないよう
に、三角板２２上部に矢印などの燃料集合体８の装荷方
向表示部４３を設け、遠隔テレビカメラおよびコンピュ
ータを用いたパターン認識機能により、燃料装荷方向を
自動的に確認するようにしている。

【００６３】したがって、この第４実施例によれば、燃
料集合体８が変位しても反応度の印加のないＣ格子炉心
化を図ることができ、また、三角板２２上部に装荷方向
明示印を設けたので、燃料集合体８を正確な方向に装荷
することができる。

【００６４】次に、図１１は本発明に係る沸騰水型原子
炉における燃料集合体の第１実施例の炉心への装荷状態
を示す概略図である。図１１において、チャンネルボッ
クス１２の上端部の直交する２面には、チャンネルファ
スナ１５およびチャンネルスペーサ１６が取り付けら
れ、隣り合うチャンネルボックス１２のそれぞれと対向
している。そして、燃料集合体の上端部は４体ごとに上
部格子板７の枡目の中に保持されている。燃料集合体に
沿って上部格子板７の格子交差部下方には、炉心下部よ
り中性子束検出器５１が挿入されている。

【００６５】次に、この第１実施例のチャンネルスペー
サ１６の厚みの決定の仕方の例を述べる。そもそも地震
などにより燃料集合体が水平方向の力を受けたときは、
図１２に示すように燃料集合体が揺れ、燃料集合体の間
隔が変化し、図１３に示すグラフのように燃料集合体の
変位に従って原子炉に反応度が入る。

【００６６】その反応度は燃料集合体や原子炉炉心設計
と、振動の強さおよび周期とで計算可能であるととも
に、燃料集合体や原子炉炉心設計は対象となる原子炉ご
とに与えられる既知量である。振動に関しては、既に得
られている典型的な地震データを用いることで与えられ
る。その際、地震計による地震スクラム設定点以下の振
動時のみを考慮すればよく、振動の規模としては比較的
小さなものである。

【００６７】図１４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はある燃料
集合体において、過去に発生した地震スクラム設定点以
下の地震時における最大反応度を燃料集合体の最大変位
毎に計算したものである。なお、燃料集合体の最大変位
を燃料集合体上端での変位量と定義し、以下この定義を
用いる。さらに、図１４では燃料集合体の撓みも考慮し
た場合の最大反応度も示されている。同図において「¢
（セント）」は、投入される反応度の大きさを表し、１
００¢の反応度が投入されると、核分裂反応で発生する
即発中性子だけで臨界以上となり、中性子束が急増す
る。

【００６８】続いて、図１５〜図１８に図１４で示され
た最大反応度などに基づく中性子束と平均表面熱流束の
変化の計算結果が示され、それぞれ中性子束のピーク値
が示されている。中性子束高スクラム設定点は、一般に
定常時中性子束の１１８％に設定されているので、図１
７および図１８に示したグラフから最大反応度が１５〜
２０¢程度以上の時に、中性子束が中性子束高スクラム
設定点を越える可能性があることが判る。なお、平均表
面熱流束の変化は小さく問題にならない。

【００６９】こうした計算により、ここで示した燃料集
合体の場合は、図１４，図１７および図１８により、振
動による変位量が約１．６ｍｍ以上ならば、例として挙
げた地震の場合には中性子束高スクラムになる可能性が
あることが判る。同様な手法で地震スクラム設定点以下
の地震などの振動により、中性子束高スクラムとなる燃
料集合体の変位量の最小値が求められる。ここで、その
最小値をＬとする。

【００７０】図１１に示された燃料集合体で水平方向に
地震などにより力を受けた場合に、チャンネルファスナ
１５の影響がないとすると、燃料集合体の相対的な最大
変位量Δは対面するチャンネルスペーサ１６の間隔ｗと
考えられる。例えば、図１２に示される矢印の方向に揺
れが加わった場合、燃料集合体８ａ〜８ｄは同方向に揺
れると考えられる。中性子束検出器５１のある場所の燃
料集合体間隔、すなわち燃料集合体８ｂ，８ｃの間隔
は、ほぼ同じ幅を保持しながら揺れ始める。

【００７１】しかし、間隔の相違により燃料集合体８ｂ
が燃料集合体８ａに接触する前に、燃料集合体８ａおよ
び８ｃは上部格子板７に当接するので、当接した後、燃
料集合体８ｂが燃料集合体８ａに当接するまで、中性子
束検出器５１のある場所の燃料集合体間隔が拡がると考
えられる。したがって、燃料集合体の相対的な最大変位
量Δは対向するチャンネルスペーサ１６の間隔ｗとな
る。

【００７２】この対向するチャンネルスペーサ１６の間
隔ｗは、上部格子板７の製作公差を±ｅとするとき、設
計燃料集合体間隔Ｂとチャンネルスペーサ１６の厚さｔ
からｗ＝Ｂ−２ｔ＋２ｅとなる。この間隔ｗが上記中性
子束高スクラムとなる燃料集合体の変位量の最小値Ｌよ
り小さければ、中性子束高スクラムは構造的に発生しな
い。

【００７３】よって、次の関係を満たすようにチャンネ
ルスペーサ１６の厚さｔを決定すればよい。但し、従来
の燃料集合体間隔に関する設計方法で求められるチャン
ネルスペーサの厚さと較べて厚い方の値を採用する。

【００７４】

【数１】Δ＝ｗ＝Ｂ−２ｔ＋２ｅ＜Ｌすなわち、

【数２】ｔ＞（Ｂ−Ｌ）／２−ｅ＞０また、多くの構造解析計算コードで燃料集合体の相対的
な最大変位量Δを求めることができるので、上式の代わ
りに解析結果を利用した方が精度が高い。

【００７５】次に、第１実施例のチャンネルファスナ１
５のばね定数の決定方法を述べる。既に述べたように、
中性子束高によるスクラムにならないためには、燃料集
合体の相対的な最大変位量Δが中性子束高スクラムとな
る燃料集合体の変位量の最小値Ｌより小さければよい。
また、本実施例では、地震スクラム設定点以下の地震な
どの振動時を考慮すればよいので、最大の水平方向に加
わる揺れは、地震スクラム設定点の地震加速度Ｇとする
ことができる。

【００７６】互いに対向するように配設されているチャ
ンネルファスナ１５は、一般にそれぞれ異なるばね定数
を有し、それらをＫ₁，Ｋ₂とする。直列に接続される
ばねなので、換算した組み合せばね定数をＫｃとすれ
ば、次の関係式が成立する。

【００７７】

【数３】Ｋｃ＝（Ｋ₁＋Ｋ₂）／（Ｋ₁・Ｋ₂）このばね定数Ｋを有するばねが変位Ｌでの弾性力、上記
地震加速度Ｇより大きければ、中性子束検出器５１のあ
る燃料集合体間隔が、中性子束高スクラムを引き起こす
ほど広くならない。したがって、次の関係があるように
チャンネルファスナのばね定数を決定すればよい。な
お、燃料集合体を質量ｍの剛体と仮定し、下部タイプレ
ートを軸に燃料集合体が傾くと仮定している。

【００７８】

【数４】ＫＬ＞ｍＧ／２すなわち、

【数５】Ｋ＞ｍＧ／（２Ｌ）また、多くの構造解析計算コードでばね定数を与えたチ
ャンネルファスナ１５の最大変位量を求めることができ
るので、上式の代わりに解析結果を利用し、必要なばね
定数を求めた方が精度が高い。

【００７９】このように本実施例によれば、地震計によ
る原子炉の地震スクラム設定点以下の比較的小さな地震
などによる振動時において、集合体間隔が変化する場合
でもその変化量で中性子束が変動し、中性子束高と呼ば
れる原子炉スクラム設定点に到達することがなくなり、
原子炉を不必要に停止することなく運転できる。

【００８０】なお、上記各実施例においては、地震時の
原子炉の安全確保のため、地震計などの信号により必要
な原子炉スクラムを起こさせることはいうまでもない。

【００８１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
によれば、地震時に上記検出手段により検出された中性
子束が上記所定値を越えない程度に、上記上部格子板の
格子内の複数本の燃料集合体同士間の相対変位を拘束す
る手段を有することにより、比較的小さな地震などによ
る振動時において集合体間隔が変化する場合でも、その
相対変位を減少させ、短時間の反応度印加を防止するこ
とができる。これにより、原子炉を不必要に停止するこ
となく運転することができる。

【００８２】請求項２によれば、請求項１の拘束する手
段が、チャンネルボックスの外側の他のチャンネルボッ
クスと対向する位置に取り付けられた高剛性の板ばねを
有するチャンネルファスナであるので、比較的小さな地
震などによる振動時において集合体間隔が変化する場合
でも、その相対変位を高剛性の板ばねにより減少させる
ことができ、構造の簡略化が図れる。

【００８３】請求項３によれば、請求項１の拘束する手
段が、チャンネルボックスの外側の他のチャンネルボッ
クスと対向する位置に取り付けられた燃料パッドである
ことにより、比較的小さな地震などによる振動時におい
て集合体間隔が変化する場合でも、その相対変位を燃料
パッドにより減少させることができ、構造の簡略化が図
れる。

【００８４】請求項４によれば、請求項１の拘束する手
段が、チャンネルボックスと上部格子板とを互いに係合
するものであることから、チャンネルボックスを上部格
子板７に強固に固定することができ、信頼性が向上す
る。

【００８５】請求項５によれば、請求項１の拘束する手
段が、上部格子板を挟む複数のチャンネルボックスを互
いに係合するものであることから、請求項４と同様に、
チャンネルボックスを上部格子板７に強固に固定するこ
とができ、信頼性が向上する。

【００８６】請求項６によれば、チャンネルボックスの
上部外面に取り付けられたチャンネルファスナに高剛性
板ばねを固定し、この高剛性板ばねのばね定数の下限値
を、地震スクラム発生時の許容最大変位および水平荷重
から算出されるばね定数に設定したことにより、請求項
１と同様に、比較的小さな地震などによる振動時におい
て集合体間隔が変化する場合でも、その相対変位を減少
させ、短時間の反応度印加を防止することができる。こ
れにより、原子炉を不必要に停止することなく運転する
ことができる。

【００８７】請求項７によれば、請求項１記載の高剛性
板ばねがそのばね定数の上限値を水中において自重によ
り装荷可能なばね定数に設定したことにより、燃料集合
体の炉心への出し入れに支障を来たすことがなく、円滑
に装荷することができるとともに、容易に引き抜くこと
ができる。

【００８８】請求項８によれば、チャンネルボックスの
上部外面に取り付けられるチャンネルスペーサ厚さの最
小値を、地震スクラム発生時の最大変位量から算出され
る厚さに設定したことにより、請求項１と同様に、比較
的小さな地震などによる振動時において、集合体間隔が
変化する場合でも、その相対変位を減少させ、短時間の
反応度印加を防止することができる。これにより、原子
炉を不必要に停止することなく運転することができる。

【００８９】請求項９によれば、チャンネルボックスの
上部外面に固定金具および厚肉燃料パッドを取り付け、
これら固定金具および厚肉燃料パッドで上部格子板を挟
み込み、水平方向変位を拘束することにより、チャンネ
ルボックスの上部を上部格子板７に強固に固定すること
ができ、信頼性が向上する。

【００９０】請求項１０によれば、チャンネルボックス
の複数の上部を互いに固定する横揺れ防止手段を有する
ことにより、燃料集合体自体を加工することなく、既存
の燃料集合体を使用することができるとともに、複数の
燃料集合体を一度で固定することができる。その結果、
燃料集合体の構造の簡素化が図れ、水平方向変位を容易
に拘束することができる。

【００９１】請求項１１によれば、下部タイプレートを
偏心下部タイプレートとするとともに、チャンネルボッ
クスの上部外面に燃料パッド金具を取り付けてチャンネ
ルボックスの間隔を均一とし、且つ装荷方向を表示する
表示部を設けたことにより、上部格子板などの炉内構造
物の交換なしに、Ｄ格子炉心をＣ格子炉心に変更するこ
とができるとともに、燃料集合体の装荷方向を誤ること
なく、正確な方向に装荷することができる。したがっ
て、Ｄ格子炉心にも適用可能で、耐震性能を大幅に向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉の燃料集合体の第
１実施例の要部を示す斜視図。

【図２】図１に示した燃料集合体を炉心に装荷した状態
を示す部分断面図。

【図３】高剛性板ばねのばね定数と燃料集合体上部の水
平方向の最大変位との関係を示すグラフ図。

【図４】最大上部水平荷重が作用したときの高剛性板ば
ねの最大変位を示す断面図。

【図５】第２実施例の燃料集合体を炉心に装荷した状態
を示す平面図。

【図６】第２実施例の燃料集合体の具体的な構造を示す
要部斜視図。

【図７】第３実施例の燃料集合体を炉心に装荷した状態
を示す平面図。

【図８】第３実施例の横揺れ防止固定金具の詳細を示す
斜視図。

【図９】第４実施例の燃料集合体の外観を示す斜視図。

【図１０】第４実施例の燃料集合体を示す平面図。

【図１１】本発明に係る燃料集合体の第１実施例の炉心
への装荷状態を示す概略図。

【図１２】第１実施例において燃料集合体の揺れに伴う
変位を示す説明図。

【図１３】第１実施例において燃料集合体の揺れに伴う
変位と、その変位による反応度を示すグラフ図。

【図１４】（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は燃料集合体の最大
反応度と最大変位の関係を示す説明図。

【図１５】最大反応度約５¢の時の中性子束と平均表面
熱流速の変化を示すグラフ図。

【図１６】最大反応度約１０¢の時の中性子束と平均表
面熱流速の変化を示すグラフ図。

【図１７】最大反応度約１５¢の時の中性子束と平均表
面熱流速の変化を示すグラフ図。

【図１８】最大反応度約２０¢の時の中性子束と平均表
面熱流速の変化を示すグラフ図。

【図１９】従来の沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器の構
造を示す概略図。

【図２０】従来の炉心の上部および下部を示す拡大図。

【図２１】従来のＤ格子炉心の配置を示す平面図。

【図２２】従来の燃料集合体の上部および下部を示す斜
視図。

【図２３】従来のＤ格子炉心とＣ格子炉心の燃料集合体
の相対変位と反応度印加の特性を示すグラフ図。

【図２４】（Ａ），（Ｂ）は従来のＤ格子炉心が地震に
よる水平変位を受けた時の燃料集合体の変位を示す概略
側面図，概略平面図。

【図２５】（Ａ），（Ｂ）は上部格子板に対する地震の
水平変位方向を示す説明図。

【符号の説明】

１原子炉圧力容器２炉心７上部格子板８燃料集合体９制御棒１０燃料支持金具１１炉心支持板１２チャンネルボックス１３上部タイプレート１４下部タイプレート１５チャンネルファスナ１６燃料パッド２０チャンネルファスナ２１高剛性板ばね２２三角板２４厚肉燃料パッド２６上部格子板固定金具３０横揺れ防止固定金具（横揺れ防止手段）３１固定脚４１偏心下部タイプレート４２上部燃料パッド金具４３装荷方向表示部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者片岡一芳神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者水町渉神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者住田侑神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水平格子状の上部格子板と、この上部格
子板の複数の格子内にそれぞれ複数立設されその上部格
子板により上部を水平方向に支持される、角筒形チャン
ネルボックスを有する燃料集合体と、上記上部格子板の
下方より上記複数本の燃料集合体の間に挿入される制御
棒と、上記燃料集合体近傍の中性子束を検出する手段
と、上記中性子束が所定値を越えたときに上記制御棒を
挿入する手段と、を具備する沸騰水型原子炉において、
地震時に上記検出手段により検出された中性子束が上記
所定値を越えない程度に、上記上部格子板の格子内の複
数本の燃料集合体同士間の相対変位を拘束する手段を有
することを特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項２】上記拘束する手段は、上記チャンネルボ
ックスの外側の他のチャンネルボックスと対向する位置
に取り付けられた高剛性の板ばねを有するチャンネルフ
ァスナであることを特徴とする請求項１記載の沸騰水型
原子炉。
【請求項３】上記拘束する手段は、上記チャンネルボ
ックスの外側の他のチャンネルボックスと対向する位置
に取り付けられた燃料パッドであることを特徴とする請
求項１記載の沸騰水型原子炉。
【請求項４】上記拘束する手段は、上記チャンネルボ
ックスと上記格子板とを互いに係合するものであること
を特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉。
【請求項５】上記拘束する手段は、上記格子板を挟む
複数のチャンネルボックスを互いに係合するものである
ことを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉。
【請求項６】断面四角形状のチャンネルボックス内に
複数の燃料棒を格子状に配列し、上記チャンネルボック
スの上部および下部にそれぞれ上部タイプレートおよび
下部タイプレートを固定してなる燃料集合体において、
上記チャンネルボックスの上部外面に取り付けられたチ
ャンネルファスナに高剛性板ばねを固定し、この高剛性
板ばねのばね定数の下限値を、地震スクラム発生時の許
容最大変位および水平荷重から算出されるばね定数に設
定したことを特徴とする燃料集合体。
【請求項７】上記高剛性板ばねは、そのばね定数の上
限値を、水中において炉心内にその燃料集合体を自重に
より装荷可能なばね定数に設定したことを特徴とする請
求項６記載の燃料集合体。
【請求項８】断面四角形状のチャンネルボックス内に
複数の燃料棒を格子状に配列し、上記チャンネルボック
スの上部および下部にそれぞれ上部タイプレートおよび
下部タイプレートを固定してなる燃料集合体において、
上記チャンネルボックスの上部外面に取り付けられる燃
料パッド厚さを、地震スクラム発生時の最大変位量から
算出される厚さ以上に設定したことを特徴とする燃料集
合体。
【請求項９】断面四角形状のチャンネルボックス内に
複数の燃料棒を格子状に配列し、上記チャンネルボック
スの上部および下部にそれぞれ上部タイプレートおよび
下部タイプレートを固定してなる燃料集合体において、
上記チャンネルボックスの上部外面に固定金具および厚
肉燃料パッドを取り付け、これら固定金具および厚肉燃
料パッドで上部格子板を挟み込み、水平方向変位を拘束
することを特徴とする燃料集合体。
【請求項１０】断面四角形状のチャンネルボックス内
に複数の燃料棒を格子状に配列し、上記チャンネルボッ
クスの上部および下部にそれぞれ上部タイプレートおよ
び下部タイプレートを固定してなる燃料集合体におい
て、上記チャンネルボックスの複数の上部を互いに固定
する横揺れ防止手段を有することを特徴とする燃料集合
体。
【請求項１１】断面四角形状のチャンネルボックス内
に複数の燃料棒を格子状に配列し、上記チャンネルボッ
クスの上部および下部にそれぞれ上部タイプレートおよ
び下部タイプレートを固定してなる燃料集合体におい
て、上記下部タイプレートを偏心下部タイプレートとす
るとともに、上記チャンネルボックスの上部外面に燃料
パッド金具を取り付けてチャンネルボックスの炉心への
装荷間隔を均一とし、且つ装荷方向を表示する表示部を
設けたことを特徴とする燃料集合体。