JPS6239956B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉の燃料集合体に関し、特に、一
体のラツチ機構を有する燃料集合体に関するもの
である。

一般的な原子炉においては、反応度の制御は炉
心内の中性子吸収物質（毒物質）の量を変えるこ
とによつて行なう。そのためには中性子吸収制御
棒を使用するのが普通であり、炉心に関する制御
棒の数と場所とを変えて制御を行なう。また、制
御棒のほかに、可燃性毒物や原子炉冷却材に溶解
した毒物を反応度の制御に使用できる。

加圧水形原子炉における従来の構造では、炉心
の寿命が終わるまで反応度の減少があるので、過
剰反応度を用いて炉心の寿命を延長するべく、始
動時における反応度が過剰であるように原子炉の
炉心を設計している。炉心寿命の初期に過剰量の
反応度を原子炉炉心で用いるよう設計されている
ので、過剰反応度を適切に制御するために、可溶
性ホウ素のような中性子吸収物質を炉心寿命の初
期に炉心内に入れなければならない。炉心寿命
中、反応度が消費されるに連れて、中性子吸収物
質を炉心から徐々に取り出して、最初の過剰反応
度を利用する。この方法は長期にわたる炉心寿命
の間原子炉を制御することができるが、炉心寿命
中に使用した中性子吸収物質は中性子を吸収し、
プルトニウム製造におけるようなもつと生産的な
方法に使用できる炉心の反応度を低下させる。

有用な生産物を製造しないこのような反応度の
消費によつて、そのように消費しない場合よりも
ウランの減損効率が低下し、そして燃料コストが
上昇する結果になる。従つて、中性子吸収物質を
使つて過剰反応度を押えずに炉心を延命し、実質
的に低燃料コストで炉心寿命を延長しうることが
有利である。

重水炉の炉心における中性子吸収物質の量を低
減しながら炉心寿命を延長する方法は“スペクト
ル移動制御”（Spectral Shift Control）を使用し
て行なわれる。この場合、過剰反応度の減少（従
つて中性子吸収物質）は重水炉の冷却材の大部分
を通常の水に換えることによつて行なわれる。こ
れによつて、中性子スペクトルが高エネルギ側に
移動して連鎖反応の速度が減じると共に、中性子
吸収物質を減少させたまゝ原子炉を全出力で運転
することができる。また、“硬化”（hardened）
スペクトル即ち高エネルギ側への中性子スペクト
ルの移動によつて、U²³⁸の大部分が最終的に熱の
発生に用いられるプルトニウムに変換される。従
つて、“軟”（soft）スペクトルから“硬”スペク
トルへの移動は、毒物質よりもむしろ有効な方法
で中性子がU²³⁸により消費される結果になる。原
子炉炉心の反応度を適切なレベルに維持するよう
に、反応度が消費されるに従つて、通常の水を
徐々に重水と取り換える。炉心寿命の末期まで
に、炉心反応度を維持しながら実質的に全ての通
常の水が重水と置換されてしまつている。従つ
て、原子炉は中性子吸収物質を使用することなく
且つ始動時に過剰反応度を用いることなく制御可
能となり、ウラン燃料コストが相当に節約され
る。また、付加的なプルトニウムの製造によつて
U²³⁵の濃縮の必要性が減じる。

従つて、本発明の主な目的は、ウラン燃料コス
トの低減及び原子炉の炉心寿命の延長をもたらす
スペクトル移動原子炉に関連して使用する燃料集
合体の施錠機構を提供することである。

この目的から、本発明の燃料集合体は、下部炉
心板上に支持された炉心を有する原子炉の燃料集
合体であつて、頂部ノズルと、底部ノズルと、こ
れ等の両ノズル間に配設された、核燃料の入つた
複数の燃料要素と、両ノズル間に延び且つ両ノズ
ルにそれぞれ取り付けられている多数の案内管と
を備えるものにおいて、前記案内管の一つに関連
して施錠機構が設けられており、この施錠機構が
有する下方部材は、前記一つの案内管の下端に取
り付けられていると共に、原子炉の下部炉心板に
係合して燃料集合体を炉心板に取り付ける係合手
段を有しており、更に、前記係合手段の離脱を防
止するため施錠手段が前記頂部ノズルに取り付け
られていることを特徴としている。

本発明は、添付図面に一例として図示した好適
な実施例に関する下記の記載から一層容易に明ら
かとなろう。

第１図において、原子炉２０は、頂部に脱着可
能の密閉頭部２４が取り付けられた原子炉容器２
２を備える。原子炉容器２２には入口ノズル２６
及び出口ノズル２８が設けられていて、水のよう
な冷却材が原子炉容器２２内を循環しうる。原子
炉容器２２の下方部分には炉心板３０が配設され
ており、この炉心板が燃料集合体３２を支持す
る。燃料集合体３２は原子炉容器２２内に配設さ
れ、炉心３４を構成する。制御棒を燃料集合体３
２に挿入したり或は燃料集合体から引き出したり
するために、複数の制御棒駆動機構３６が密閉頭
部２４に装着されている。また、押出棒４０を燃
料集合体３２に挿入したり或は燃料集合体から引
き出したりするために、複数の押出棒駆動機構３
８も密閉頂部２４に装着されている。押出棒駆動
機構３８は米国特許願第217，055明細書に記載さ
れたものと同様でよい。明瞭にするため、選択し
た幾つかの押出棒４０のみを第１図に示す。押出
棒４０は、米国特許願第217，052号明細書に記載
された型式の細長い、円筒形の、実質的に中空の
棒である。押出棒４０は燃料集合体３２内の案内
管と共通の直線上に整列するように配設されてい
るので、所望の時に押出棒を案内管内に挿入しう
る。燃料集合体３２への押出棒４０の挿入により
水減速材が炉心３４から押し出され、炉心の減速
が弱まる。原子炉容器２２の上方部分には複数の
押出棒案内構造４２がそれぞれ押出棒駆動機構３
８と整列した状態で配設されていて、原子炉容器
２２の上方部分を通る押出棒４０の運動を案内し
ている。燃料集合体３２と押出棒案内構造４２と
の間にはカランドリア４４を配設してもよい。こ
のカランドリア４４は各押出棒及び制御棒と共通
の直線上に整列して配置された多数の中空ステン
レス鋼管からなり、カランドリア領域内における
押出棒及び制御棒の案内を行なうと共に、流れに
よつて生じる押出棒及び制御棒の振動を最小にす
る。

第２図〜第５図において、燃料集合体３２は燃
料要素４８、格子５０、底部ノズル５２、頂部ノ
ズル５４及び案内管５６から構成される。燃料要
素は、核燃料を詰めて両端を端栓で封止した細長
い円筒形金属管でよく、20本×20本の実質的に正
方形の列群になつて配設され、格子５０によつて
所定場所に保持される。本数は25でよい案内管５
６が各燃料集合体３２内に配設され、各案内管５
６が占めるスペースは燃料要素４８の約４本分で
ある。案内管５６は底部ノズル５２から頂部ノズ
ル５４まで延びて、格子５０、頂部ノズル５４及
び底部ノズル５２を相互に接続する手段となつて
いる。案内管５６は、押出棒４０又は制御棒のよ
うな棒を収容可能な例えばジルカロイ
（Zircaloy）製の中空円筒形金属管でよい。案内
管５６は冷却のため原子炉冷却材が通過しうる開
口をその側辺又は底端に有する。押出棒４０及び
制御棒は大体同一寸法に造られているので、各案
内管５６は押出棒又は制御棒のどちらか一方を等
しく収容できる。棒で占められていない時には、
案内管５６は原子炉冷却材で満たされているが、
案内管５６に押出棒が挿入されると、押出棒４０
は案内管内の冷却材を押し出す。

一つの燃料集合体につき例えば12ある格子５０
は、燃料集合体３２の長さに沿つた種々の場所に
位置決めされていて、燃料要素４８及び案内管５
６を互いに関して適当な距離のところに隔置する
作用をしており、原子炉冷却材が燃料要素４８と
熱伝達関係で循環しうるようになつている。頂部
ノズル５４の最も近くに配設された格子５０は頂
部格子５８であり、底部ノズル５２の最も近くに
配設された格子５０は底部格子６０と呼ばれるも
のであり、両ノズル間にある10の格子５０は中間
格子６２である。

24本のステンレス鋼スリーブ６４が各頂部格子
５８及び各底部格子６０にろう付けされており、
24本のジルカロイ製スリーブ６６が各中間格子６
２に溶接されている。中央の案内管６８以外の全
案内管５６は内部から膨出することにより各格子
５０に機械的に取り付けられる。24本の案内管５
６を12の格子５０全てに取り付けることにより、
最も多く存在する燃料集合体よりも実質的に大き
い横方向の剛度を有する燃料集合体が得られる。
また、頂部ノズル５４の一部を形成する各頂部取
付板７２に24本のステンレス鋼製スリーブ７０が
溶接されている。各頂部取付板７２は第５図に示
すように構成してもよいが、好ましいのは、第４
図に示すように形成することである。ステンレス
鋼製スリーブ７０は４つの軸向き溶接部により各
取付板７２に取り付けられる。頂部取付板７２に
類似するものでよい底部取付板７４は底部ノズル
５２の一部を形成する。複数のステンレス鋼製ね
じ７６は底部取付板７４を貫通しており、案内管
５６を底部ノズル５２に取り付けるのに使用され
る。ねじ７６は、原子炉冷却材が冷却のため案内
管に入るように、ねじを貫通する通路を備えてい
てもよい。

第６図において、炉心板３０は、底部ノズル５
２の半円形切欠き８２内に嵌合するように複数の
案内ピン８０を装着している。炉心板３０上にお
ける燃料集合体３２の整列を行なうために、案内
ピン８０は、燃料集合体の隣接する４つの切欠き
８２に嵌合するよう配設されている。同様に、頂
部ノズル５４も、必要に応じて上部炉心板（図示
しない）からのかかる案内ピンを収容するため、
半円形切欠き８２を有していてよい。

第６図〜第１２図において、各燃料集合体を炉
心板３０に脱着可能に取り付け、それによつて先
行技術で使用されていたホールドダウンばねの必
要性を排除するために、燃料集合体の施錠機構８
４が各燃料集合体３２に設けられている。明瞭に
するため、第６図〜第１２図に示された燃料集合
体は簡略化されているが、これ等の燃料集合体は
第２図〜第４図に示されたものと同一であると理
解されたい。従つて、全ての燃料集合体３２が施
錠機構８４を備えていてよい。施錠機構８４は、
底部取付板７４の中央に滑動可能に配置されるス
テンレス鋼製下方部材８６を備える。下方部材８
６は、原子炉冷却材が通過しうる第１の孔８８
と、アンカー機構９２に係合するため下部外周に
設けられた係合手段、即ち外ねじ９０とを有す
る。底部取付板７４の切欠きに設けたばねワツシ
ヤ９４は、第６図に示すように下方部材８６が底
部取付板７４に関して下方へ押される時に、圧縮
される。ばねワツシヤ９４は、外ねじ９０の若干
の解錠回転により軸方向の予荷重がロスするのを
防止する。

アンカー機構９２は、炉心板３０にねじで取り
付けるか又は溶接しうるステンレス鋼製下部アン
カー９６を備える。この下部アンカー９６によつ
て脱着可能のインサート９８が捕捉され且つ保持
される。インサート９８は耐ゴーリング性、耐摩
耗性のオーステナイトステンレス鋼で造ることが
でき、外ねじ９０に係合する内ねじ１００を備え
ていて、下方部材８６を炉心板３０に施錠する。
また、インサート９８は第２の孔１０２を備えて
いてもよく、原子炉冷却材はその孔を通つて下方
部材８６にある第１の孔８８に入る。施錠カラー
１０４はインサート９８の外側にあるねじ（図示
しない）に係合する内ねじ（図示しない）を備え
ることができ、その場合、施錠カラー１０４をイ
ンサート９８に螺着すると、インサート９８と施
錠カラー１０４の双方が下部アンカー９６との密
接な係合状態に引つ張られる。また、インサート
９８を施錠カラー１０４に施錠することによつて
両部材の不注意による解錠を防止するため、施錠
ピン１０６を設けてもよい。

ジルカロイで造りうる中央の案内管６８は膨出
により下方部材８６に取り付けられ、頂部ノズル
５４に延入する。ラチエツト機構１０８は案内管
６８の頂部に取り付けられて、中央の案内管６８
を頂部ノズル５４に施錠する。このラチエツト機
構１０８は、案内管６８の上端に溶接される溝付
き部材１１０を備える。内面に凸部１１４を有す
る滑動部材１１２は、凸部１１４が溝付き部材１
１０の溝１１６に滑動可能に入るように、溝付き
部材１１０の上方に滑動可能に配列されている。
この配列によつて、溝付き部材１１０に対する滑
動部材１１２の回転ではなく、軸方向の運動が可
能になる。また、滑動部材１１２はその外周に第
１組のラチエツト歯１１８を設けており、第２組
のラチエツト歯１２０は第１組のラチエツト歯１
１８に係合するような態様でハウジング１２２に
設けられている。ハウジング１２２は、滑動部材
１１２がハウジング１２２に対して滑動しうるよ
うに、滑動部材１１２の周囲に配設されて頂部取
付板７２に取り付けられている。コイルばねでよ
い付勢機構１２４は、滑動部材１１２を上方へ付
勢して第１組のラチエツト歯１１８を第２組のラ
チエツト歯１２０との係合状態へ移動させるため
に、頂部取付板７２と第１組のラチエツト歯１１
８との間において滑動部材１１２の周囲に設けら
れている。下端に六角形の頭部１２８を有する長
い金属部材でよい回転キー１２６は、外ねじ９０
を内ねじ１００にねじ込むために、中央の案内管
６８内部に挿入できる。また、回転キー１２６
は、その頂端に滑動部材１１２の溝１３２に配設
しうる横断棒１３０を有する。

燃料集合体３２を炉心板３０に施錠したい時に
は、横断棒１３０が溝１３２の中に入り且つ頭部
１２８が下方部材８６の中に入るように、回転キ
ー１２６を中央の案内管６８に挿入する。中央の
案内管６８は、頂部取付板７２にしつかり取り付
けられているわけではないから、頂部取付板７２
に対して回転及び滑動が自在であるが、溝付き部
材１１０及び滑動部材１１２の相互作用のため
に、頂部取付板から外れることはない。そこで、
回転キー１２６を使用して下方部材８６を底部取
付板７４との係合状態へ押すと共に、外ねじ９０
を内ねじ１００に回わし入れて、燃料集合体３２
を炉心板３０に施錠する。第１組のラチエツト歯
１１８は第２組のラチエツト歯１２０に乗るよう
に配設されているので、外ねじ９０及び内ねじ１
００の係合のために滑動部材１１２を押し下げる
必要がない。しかし、下方部材８６をアンカー機
構９２から解錠する時には、滑動部材１１２を押
し下げて、付勢機構１２４を圧縮すると共に、第
１組のラチエツト歯１１８を第２組のラチエツト
歯１２０から離脱させる必要がある。第９図に示
すように、こうして滑動部材１１２が押し下げら
れた時には、下方部材８６をラチエツト機構９２
から解放して燃料集合体を炉心板３０から解錠す
るように、滑動部材１１２をその位置に保持し、
そして回転することができる。頂部ノズル５４
は、頂部取付板７２によりハウジング１２２に接
続され且つ案内管５６により底部取付板７４に接
続されているので、第１組のラチエツト歯１１８
が第２組のラチエツト歯１２０に係合される時
に、燃料集合体３２は炉心板３０上に施錠され、
ラチエツト歯が離脱するまで解錠できない。

【図面の簡単な説明】

第１図は原子炉の立面の縦断面図、第２図は燃
料集合体の上方部分を一部断面で示す立面図、第
３図は燃料集合体の下方部分を一部断面で示す立
面図、第４図は取付板の平面図、第５図は押出棒
及び燃料集合体の斜視図、第６図は燃料集合体を
一部断面で示す立面図、第７図は燃料集合体の下
方部分を一部断面で示す立面図、第８図及び第９
図は燃料集合体の上方部分を一部断面で示す立面
図、第１０図は第８図の―線に沿つて見た
図、第１１図は第８図のXI―XI線断面図、第１２
図は第８図のXII−XII線断面図である。 ３０…下部炉心板、３２…燃料集合体、３４…
炉心、４８…燃料要素、５２…底部ノズル、５４
…頂部ノズル、５６…案内管、６８…案内管、８
４…施錠機構、８６…下方部材、９０…係合手段
（外ねじ）、１１８，１２０…施錠手段（１１８…
第１組のラチエツト歯、１２０…第２組のラチエ
ツト歯）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 下部炉心板上に支持された炉心を有する原子
   炉の燃料集合体であつて、頂部ノズルと、底部ノ
   ズルと、これ等の両ノズル間に配設された、核燃
   料の入つた複数の燃料要素と、両ノズル間に延び
   且つ両ノズルにそれぞれ取り付けられている多数
   の案内管とを備えるものにおいて、前記案内管の
   一つに関連して施錠機構が設けられており、この
   施錠機構が有する下方部材は、前記一つの案内管
   の下端に取り付けられていると共に、原子炉の下
   部炉心板に係合して燃料集合体をこの炉心板に取
   り付ける係合手段を有しており、更に、前記係合
   手段の離脱を防止するため施錠手段が前記頂部ノ
   ズルに取り付けられていることを特徴とする原子
   炉の燃料集合体。