JPS646422B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は原子力発電所に用いられる核燃料集
合体に係り、燃料の炉心における使用期間中に、
冷却材中に異物が混入しても、燃料リークに至る
確率を減少させた核燃料集合体に関するものであ
る。

原子力発電所において、原子炉の運転中その燃
料の健全性を保つことはプラントの安全運転を行
なううえで非常に重要なことである。

周知のように、加圧水型原子炉による発電は、
その燃料である核燃料物質の核分裂による発生熱
を１次冷却材に伝え、更に、この１次冷却材によ
り２次冷却材である水を加熱して蒸気を発生さ
せ、前記発生した蒸気でタービン発電機を駆動し
電力を発生する。このため、原子炉の炉心は、沢
山の核燃料集合体がほとんど隙間なく並列して挿
入され、かつ、燃料棒の周囲には１次冷却材が連
続して供給され、燃料被覆管内の核燃料ペレツト
から発生した熱を被覆管を介して１次冷却材に伝
えるよう構成されている。

しかして、従来の加圧水型原子炉の核燃料集合
体は、第１図に示すように上部ノズル２と下部ノ
ズル３を複数本の制御案内シンブル５で結合し、
制御棒案内シンブル５の軸方向に複数個の燃料棒
支持グリツドを間隔を置いて固着して骨格構造
（スケルトンと呼ばれる）となし、前記複数個の
燃料棒支持グリツドの格子セルには燃料棒１が挿
通される。燃料棒１は、第２図に示すように上部
端栓１５及び下部端栓１６とにより両端が密閉さ
れた燃料被覆管９の内部空間（プレナムと呼ばれ
る）に複数個の核燃料ペレツト１７を積層して挿
入し前記核燃料ペレツトの上端はスプリング１８
にて押えられている。尚、スプリング１８の納め
られている空間をガスプレナムといい、核燃料ペ
レツトを包含する燃料被覆管の前記プレナムには
加圧されたヘリウムガスが充填されている。燃料
棒１は、第４図に示す燃料棒支持グリツドの格子
セル１９内に挿通され、燃料棒支持グリツド軸方
向に間隔を置いて形成された２つのデインプル１
４と前記デインプル間の略中心に形成されたグリ
ツドスプリング１３によつて第３図に示す如き関
係で弾性支持されている。このような燃料集合体
において、燃料棒支持グリツドは、通常７個ない
し８個使用されており、第１図において、核燃料
集合体の最上部に係る１個の燃料棒支持グリツド
６は最上部支持グリツド、最下部に係る１個の燃
料支持グリツド７は最下部支持グリツド、最上部
と最下部を除く中間部に係る複数個の燃料支持グ
リツド８は中間支持グリツドと呼ばれている。前
記、複数個の燃料棒支持グリツドはいずれも制御
棒案内シンブル５に固着位置決めされている。制
御棒案内シンブル５は中空の管であり、上部ノズ
ル２への結合端は開放１０されており図示してい
ないが上部より制御棒が挿入しうる様構成されて
いる。尚、上部ノズル２及び下部ノズル３は第１
図において一部を破断して示してあるが、前記各
ノズルは１次冷却材が流通する多数の穴１２を備
えている。

原子炉の炉心は、図示していないが前記の如き
核燃料集合体の複数体をほとんど隙間なく林立す
る如く並列して配置し、１次冷却材は、図におい
て矢印で示す如く、核燃料集合体の下部より上部
に向つて約秒速５メートルの速さで流通される。

しかるに、このように構成された核燃料集合体
においては、万が一１次冷却材中に切粉等の異物
が混入した場合には、第３図に示すように異物２
０は下部ノズル３を通過し、最下部支持グリツド
７における燃料棒支持部分すなわちグリツドスプ
リング１３もしくはデインプル１４に引つかかる
可能性が最も高く、この場合、従来の核燃料集合
体では燃料棒の被覆管９が最下部支持グリツド７
よりも下に伸びているため、前記異物２０は前記
引つかかつた燃料棒の支持部分において冷却材に
よる水力振動を生じ燃料被覆管９を損傷し、燃料
リークを発生する問題があつた。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたも
のであつて、１次冷却材中に異物の混入があつて
も燃料リークの起りにくい核燃料集合体を提供す
ることを目的とするものである。

この目的に対応して、この発明の核燃料集合体
は上部ノズルと下部ノズル間が複数本の制御棒案
内シンブルで結合されており、前記複数本の制御
棒案内シンブルには軸方向に複数個の燃料棒支持
グリツドが間隔を置いて固着されており、かつ、
前記燃料棒支持グリツドに多数の燃料棒が軸方向
に並列して挿通された核燃料集合体において、 最下部の燃料棒支持グリツドのグリツドスプリ
ング中心Ｐと下側デインプルの燃料棒接触部の下
側終端Ｑ間の距離をＷ、 寿命中に見込まれる燃料棒の照射成長量をα、 面取り部Ｃを除く燃料棒下部端栓の長さをＬ、 としたとき 前記燃料棒の下部端栓はＬ≧Ｗ＋αの条件を満
すと共に、最下部の燃料棒支持グリツドはグリツ
ドスプリングの中心Ｐが核燃料集合体の照射前の
組立状態において前記燃料棒の燃料ペレツト最下
端面から少なくとも前記寿命中に見込まれる照射
成長量αだけ低い位置にて制御棒案内シンブルに
固着したことを特徴としている。

以下、この発明の詳細を実施例を示す図面につ
いて説明する。

第６図は、この発明の核燃料集合体に用いる燃
料棒の要部断面図である。図において２１は下部
端栓であり、下部端栓２１は従来の燃料棒の下部
端栓よりも長さの長いものを用いている。すなわ
ち、加圧水型原子炉用の核燃料集合体には原子炉
の型式により燃料棒支持グリツドにおける燃料棒
の配列が14本×14本、15本×15本、及び、17本×
17本といつた各種のタイプがあるが、第２図に示
される従来の燃料棒が、下部端栓１６の全長Ｓが
約21ミリないし23ミリ（うち面取り部の長さC′が
約４ミリないし５ミリ）であつたのに対し、この
発明の核燃料集合体に用いる燃料棒の下部端栓
は、最下部の燃料棒支持グリツド７のグリツドス
プリング１３の中心Ｐとその直下にある下側デイ
ンプル１４の燃料棒との接触部の下側終端Ｑ間の
距離をＷ、燃料棒の照射成長量（中性子照射に伴
う燃料棒の伸び）をα、面取り部Ｃを除く下部端
栓の長さをＬとしたとき、Ｌ≧Ｗ＋αの条件を満
す下部端栓が用いられる。そして、この発明の核
燃料集合体は、前記下部端栓を備えた燃料棒を用
いると共に、最下部支持グリツド７を前記燃料棒
の燃料ペレツト最下端面、すなわち、被覆管９内
に挿入される下部端栓２１の被覆管挿入部上端面
から少なくとも前記燃料棒の寿命中に見込まれる
照射成長量αだけ低い位置にて制御棒案内シンブ
ルに固着している。尚、前記面取り部Ｃを除く下
部端栓の長さＬは、例えば、25ミリないし40ミリ
の範囲のものが好ましく、これは、現行の17×17
配列の核燃料集合体の燃料棒支持グリツドのグリ
ツドスプリング中心Ｐと下部デインプル下側終端
Ｑの距離が約15ミリであり、かつ、燃料棒の照射
成長量の実績α′が核燃料集合体の寿命末期におい
て10〜25ミリであることに由来している。しか
し、燃料棒支持グリツドの仕様は如何なるタイプ
の核燃料集合体であつても必ずしも同一というも
のではないので、前記下部端栓の長さＬは燃料棒
支持グリツドの仕様（特に、グリツドスプリング
とデインプルとの距離）に応じて決定されなけれ
ばならないことはもちろんである。この場合、燃
料棒の全長は、従来の燃料棒の全長とほぼ同一に
することを考えた場合、下部端栓の長さが長くな
つた分だけ燃料棒のガスプレナム長が短くなる。

第７図は、第６図と同様にこの発明の核燃料集
合体の燃料棒の要部断面を示すもので、第６図の
ものが核燃料集合体製作時（組立時）を示すのに
対し、第７図のものは原子炉において中性子照射
を受け寿命末期の状態を示している。図において
１は燃料棒であり、燃料棒１は炉心において中性
子照射を受け下方に向かつて距離α′だけ照射成長
するが、前述したように最下部支持グリツド７は
図示していない制御棒案内シンブルに固着され位
置決めされているので、燃料被覆管９が前記αの
距離最下部支持グリツド７に深く入り込むように
下方に変位しても尚前記燃料被覆管９は最下部支
持グリツド７のグリツドスプリング１３と接触面
より上部にあるので異物の水力振動によるフレツ
テイングウエアが生じても燃料リークが発生する
ことはない。

尚、現行の燃料棒集合体においても燃料棒１と
上部ノズル及び下部ノズル間に空隙があり、例え
ば、第３図に示すように燃料棒１と下部ノズル３
の上面間の空隙Ｇは約20〜25ミリあり、照射成長
による燃料棒の伸びは、核燃料集合体において下
方に逃げる傾向にあり、燃料棒の下部の空隙Ｇに
おいて吸収されている。従つて、制御棒案内シン
ブル５に燃料棒支持グリツドを固着することなく
燃料棒支持グリツドを軸方向に摺動可能に取り付
ける方法が提案されている現状においては、前記
技術を利用すれば下部端栓の長さＬをＷを包含す
る最も短い長さとし、かつ、最下部の燃料ペレツ
トの下端位置に最下部支持グリツドのグリツドス
プリング中心Ｐが位置するように最下部支持グリ
ツド７を位置決めし、前記最下部支持グリツド７
は制御棒案内シンブルに固着することなく摺動可
能に取り付けることもできる。

このように構成した核燃料棒集合体によれば、
例えば冷却材中に混入した異物が最下部支持グリ
ツドのグリツドスプリングもしくは下側デインプ
ルの燃料棒支持部分に引つかかり水力振動による
フレツテイングウエアが生じても前記支持部分に
は燃料ペレツトが存在していないので燃料リーク
による１次冷却材の汚染を防ぐことができる。
尚、燃料棒を弾性支持するためのグリツドスプリ
ング及びデインプルは、前記最下部支持グリツド
以外の中間支持グリツドもしくは最上部支持グリ
ツドにも沢山あるが、異物が引つかかる確率は、
前記最下部支持グリツドが最も高く（最下部支持
グリツドがフイルターの役目をしてしまうので）、
したがつて、この発明の核燃料集合体によれば燃
料リークの確率を減少しうる。

次に、１次冷却材中に異物が混入した場合であ
つても、異物が燃料棒まで到達しないように施し
た他の実施例について説明する。第５図におい
て、２３はフイルターである。フイルター２３は
例えば、メツシユまたはパンチングシートであ
り、下部ノズル３の下面もしくは上面にスポツト
溶接などの手段により固着される。尚、図示の下
部ノズルはその上面及び下面の両方にフイルター
２３を備えているが、これは、説明の便宜上示し
たもので、いずれか一方でよい。但し、フイルタ
ーを用いた場合、実機とほぼ同条件（流速約５
ｍ／秒）での模擬体を用いた冷却材流動試験の結
果、冷却材流路孔１２の入口及び出口にテーパ２
４及び２５をつけて圧損を増加させないようにし
なければならないことがわかつた。

このフイルター設置方式によれば、現行の核燃
料集合体設計において、大幅な設計変更を行なう
ことなく目的が達成できるので極めて簡便、か
つ、廉価である。このほか、前記と同様、殆んど
設計変更することなく異物の流力振動によるフレ
ツテイングウエアを防ぐ方策として、現行の核燃
料集合体において燃料棒の最下部支持グリツドの
グリツドスプリング中心から少なくとも寿命中に
見込まれる燃料棒の照射成長分だけ上の部分から
燃料被覆管の下端までの範囲、すなわち、第３図
において燃料棒の照射成長により見込まれる下方
向変位分相当距離αとグリツドスプリング中心か
ら燃料被覆管９の下端までの距離Ｒを包含する範
囲についてセラミツクコーテイングを施す方策が
ある。前記セラミツクコーテイングは、例えば、
公知のプラズマ溶射法によつて行なうことがで
き、この場合、コーテイング層（被膜）の厚さは
50〜100ミクロン程度で十分である。

以上説明したように、この発明によれば燃料の
炉心における使用期間中に、冷却材中に異物が混
入しても、前記異物が燃料棒に到達することがな
く、もしくは、到達してもフレツテイングウエア
による燃料リークの確率を極めて小さく抑えうる
核燃料棒集合体を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の核燃料集合体を示す側面図、第
２図は従来の燃料棒を示す縦断面図、第３図は従
来の核燃料集合体における下部ノズル、最下部支
持グリツド、及び、燃料棒の関係の説明図、第４
図は燃料棒が挿通される燃料棒支持格子の一部を
示す斜視図、第５図は下部ノズルにフイルターを
設けた例を示す図、及び第６図、第７図は本発明
に係る核燃料集合体の最下部支持グリツドと燃料
棒の要部断面図で第６図は核燃料棒集合体の製作
時の位置関係を示し第７図は照射後の寿命末期に
おける位置関係を示す図である。 １……燃料棒、２……上部ノズル、３……下部
ノズル、５……制御棒案内シンブル、７……最下
部支持グリツド、９……燃料被覆管、１２……冷
却材流通孔、１３……グリツドスプリング、１４
……デインプル、１６，２１……下部端栓、１７
……燃料ペレツト、２０……異物、２３……フイ
ルター、２４，２５……テーパ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上部ノズルと下部ノズル間が複数本の制御棒
   案内シンブルで結合されており、前記複数本の制
   御棒案内シンブルには軸方向に複数個の燃料棒支
   持グリツドが間隔を置いて固着されており、か
   つ、前記燃料棒支持グリツドに多数の燃料棒が軸
   方向に並列して挿通された核燃料集合体におい
   て、 最下部の燃料棒支持グリツドのグリツドスプリ
   ング中心Ｐと下側デインプルの燃料棒接触部の下
   側終端Ｑ間の距離をＷ、 寿命中に見込まれる燃料棒の照射成長量をα、 面取り部Ｃを除く燃料棒下部端栓の長さをＬ、 としたとき 前記燃料棒の下部端栓はＬ≧Ｗ＋αの条件を満
   すと共に、最下部の燃料棒支持グリツドはグリツ
   ドスプリングの中心Ｐが核燃料集合体の照射前の
   組立状態において前記燃料棒の燃料ペレツト最下
   端面から少なくとも前記寿命中に見込まれる照射
   成長量αだけ低い位置にて制御棒案内シンブルに
   固着したことを特徴とする核燃料集合体。