JP3328364B2 - 核燃料集合体のための低圧力損スペーサ - Google Patents

核燃料集合体のための低圧力損スペーサ

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JP3328364B2 JP09062993A JP9062993A JP3328364B2 JP 3328364 B2 JP3328364 B2 JP 3328364B2 JP 09062993 A JP09062993 A JP 09062993A JP 9062993 A JP9062993 A JP 9062993A JP 3328364 B2 JP3328364 B2 JP 3328364B2
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  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、原子炉燃料集合体に
用いるためのスペーサ格子に関する。特にこの発明は、
スペーサ格子が所定の位置に核燃料棒を位置決めかつ保
持して燃料集合体内での熱伝達に有利な熱・流体工学的
特性を作り、かつ核燃料装荷を増大しまた燃料分布を最
適化することにより燃料サイクルコストを改善するよう
にした軽水炉用スペーサ格子に関する。
【０００２】
【従来の技術】動力発生を目的とする原子炉内では、核
燃料集合体は慣例的に一般に正方形配置で密に間隔を保
った平行なアレーに配置された棒形から成る。通常正方
形の外側チャネルが、燃料集合体を形成するように一般
に正方形配置の燃料棒を囲む。燃料棒の間隔を保つ装置
は通常スペーサ格子の形をとる。スペーサ格子の従来例
はアメリカ合衆国特許第3654077 号明細書に記載されて
いる。
【０００３】典型的な沸騰水型原子炉での共通な問題点
は、燃料集合体の中央領域が減速不足かつ濃縮過大とな
るおそれがあることにある。通常は水である減速材の流
れを増しかつ中性子の減速及び経済を改善するために細
長い中央の水チャネルが設けられ、燃料棒の長さに沿う
がしかし燃料棒から物理的に隔離された減速材／冷却材
の流れのためにこのチャネルは中央に配置された通路を
形成する。中央の水チャネルは、外側チャネル内で中央
にかつ対称的に置かれるか、又は外側チャネル内の中心
軸線から非対称に移されて、任意の断面面積及び／又は
形状を有することができ、かつ集合体の長さを伸ばす中
央チャネルの壁が外側チャネルの壁に平行であるか又は
非平行であるように、中心軸線を囲んで方向づけること
ができる。中央の水チャネルは、燃料集合体の長さに沿
って延びる正方形又は円形の管又はこの種の管のアレー
とすることができる。正方形の中央水チャネルの従来例
はアメリカ合衆国特許第4913876 号明細書に記載されて
いる。冷却材を主として又は完全に液相に保つために、
十分な冷却材が中央のチャネル又は管を通して循環させ
られる。燃料集合体の中央領域において気体の減速材と
比較して液体の存在は、中性子を減速するように一部で
働きそれにより一層多くの核***の可能性を増す水素原
子をより多く供給することにより、集合体の核性能を高
める。従って減速材密度が変化するときに起こる原子炉
反応度の変化である反応度の減速材係数は、集合体の中
央領域において気体減速材と比較して液体を維持するこ
とにより影響を受ける。
【０００４】よく知られているように、沸騰水型原子炉
のための各燃料集合体は一般に燃料集合体に入る冷却材
をこの特定の燃料集合体に制限する正方形の外側チャネ
ルにより囲まれ、そして冷却材は原子炉炉心の頂部でこ
の集合体から出る。燃料集合体を通過する冷却材は液体
の水と蒸気の混合物から成る。燃料集合体の底入口では
冷却材は飽和温度又はこれにほぼ近い温度を有する液体
の水である。冷却材が集合体を通って上方へ流れると
き、動力が燃料棒により冷却材へ伝達され、蒸気が作ら
れ、冷却材中の蒸気の部分が増す。燃料集合体の頂では
燃料棒により加熱された冷却材が主として蒸気となる。
原子炉炉心の上側領域中で蒸気が大きい体積部分を占め
る結果として、核***性のウラン又はプルトニウムの原
子の数に比べて水素原子の存在が過少のために、炉心の
上側領域が減速不足かつ濃縮過大となる。その結果最適
に満たないウラン利用を招く。中性子効率は炉心の上側
領域中の燃料の量の低減により改善することができる。
このことを遂行できる一つの方法は、一つ以上の燃料棒
の炉心上側部分中へ延びる部分の直径減少によるもので
ある。
【０００５】最新の原子炉及び燃料集合体の設計は、燃
料製作中に燃料集合体の頂から燃料棒を装填するように
配慮する。もし従来の設計による燃料集合体を利用する
ならば、かつもし炉心の上側領域で減少された直径を有
する燃料棒を集合体の中へ装填しようとするならば、燃
料棒を底から集合体中へ挿入しなければならない。原子
炉の運転に伴って破損燃料棒を同様に集合体の底から取
り外さなければならない。破損燃料集合体はまず倒立さ
せなければならず、このことは破損していない燃料棒内
への砕けた燃料ペレット破片の移動を引き起こすおそれ
がある。破損していない棒中での砕けた燃料破片のこの
種の移動により、棒は次の燃料被覆破損を被るおそれが
ある。燃料集合体の倒立による正規の方法からの逸脱は
上下のタイプレート及び燃料棒の設計の複雑性を増し、
その後の運転費及び破損燃料棒の取り替えに関連する危
険ばかりでなく燃料集合体の製造費を高める。
【０００６】アメリカ合衆国特許第5084237 号明細書
は、照射済み燃料集合体の迅速な修理を可能にするよう
に設計された側面挿入形スペーサに関する。側面挿入形
スペーサは破損燃料棒を取り外すために燃料集合体の倒
立を必要としない装置の一例である。しかしながら側面
挿入形スペーサは従来のスペーサ及びタイプレートと共
に用いなければならない。
【０００７】よく知られているように、燃料サイクルコ
ストの改善は燃料集合体中の燃料の正味量を増すことに
より達成することができる。燃料棒の直径の増加はこの
種の増加をもたらすが、それは集合体内の冷却材流に対
する抵抗の付随的増加及び圧力損の増加を招く。スペー
サ格子もまた冷却材流に対する抵抗にかなり影響する。
更に燃料集合体の長さに沿って選択された間隔で設けら
れた棒スペーサが数個存在するので、冷却材流に対する
抵抗に及ぼすスペーサ全体の影響は特定の燃料集合体設
計に利用できる核燃料の最大量に変化をもたらす。従っ
てもしスペーサ格子が冷却材流に対する低い抵抗を提供
し、それにより燃料棒直径の増加そして付随的に集合体
内の核燃料の合計量の増加を可能にするならば、それは
従来設計に勝る利点となろう。
【０００８】一たび最大量の核燃料が燃料集合体内に置
かれると、原子炉の運転の一層の改善は燃料集合体内で
安全に作り出すことができる動力量が増加されたときに
達成できる。原子炉の動力レベルは燃料棒の表面で生じ
ている局部熱伝達条件によるばかりでなく集合体を通っ
て流れる冷却材の量によっても制限されるので、スペー
サ格子が冷却材流に対しできるだけ小さい抵抗を提供す
ることが非常に望ましい。もし水の連続的膜が核燃料棒
の表面上で維持されるならば、熱伝達従って動力性能が
高められることがよく知られている。それゆえにもしス
ペーサ格子もまた燃料棒表面上の水膜の維持に役立つか
又は貢献するならば、それは従来の設計に勝る利点であ
る。燃料棒の周りの冷却水の循環に対し配慮し他方では
流れに対し低い抵抗を提供するスペーサ／混合格子の一
例は、アメリカ合衆国特許第4726926 号明細書に記載さ
れている。
【０００９】燃料棒の表面上の水膜の維持に加えて、外
側チャネルの内壁及び内側水チャネルの外壁上に存在す
る液体の水を燃料棒の表面へ移動させることもまた望ま
しい。燃料棒の束を覆う本来の位置に外側チャネルを挿
入するために、かなりのすき間がスペーサ格子の外面と
外側チャネルの内面との間に設けられる。このすき間は
外側チャネルの内壁とスペーサ格子の外周との間でかな
りの冷却材流を許す。この種のバイパス流はチャネル壁
から燃料棒表面への液体膜の移動において、スペーサ格
子を通り抜ける流れほどには有効でないので望ましくな
い。バイパス流はスペーサ格子とチャネル壁とのすき間
の制限によるか、又はスペーサ格子とチャネル壁とのす
き間の封止により低減できる。どちらの方法でも外側チ
ャネルの挿入又は取り外し中に格子スペーサが損傷を受
けやすくなる。アメリカ合衆国特許出願第07/747088 号
明細書には、燃料棒を集合体中へ容易に装填できる燃料
棒スペーサ装置が記載されている。周囲のチャネル上に
凝縮した液の燃料棒表面への移動を助長し、他方ではス
ペーサ格子とチャネルとの間の適当なすき間を維持する
ようにした設計案が、アメリカ合衆国特許第4749543 号
明細書に記載されている。しかしながらこの設計案は、
複雑でありバイパス流を許すので液体のすべてがチャネ
ル壁から取り除かれないという制約を欠点として持つ。
それゆえに一層効率的にバイパス流を低減し、外側チャ
ネルの内壁上に存在するすべての液体をほぼ除去して燃
料棒表面へ向かわせることは、従来の装置に勝る利点で
ある。
【００１０】スペーサ格子はその設計にかかわらず、外
側チャネルの内壁上に及び中央チャネルの外壁上に凝縮
した液体の水の一部を取り去り又ははぎ取り、若干の凝
縮水を燃料棒表面へ移動させ、それにより燃料棒上の水
膜厚さを増す。スペーサ格子もまた、冷却材流中に存在
する小さい液滴を大きい滴となるように合体し、比較的
多量のこの種の大きい液滴を燃料棒表面に向かわせるの
を助け、更に燃料棒上の水膜厚さを増すために更に貢献
するように働く。従って流れ剥離器として働きかつ液体
の冷却材滴を燃料棒の表面へ移動させるために、補助の
スペーサ格子を集合体の長さに沿って選択された個所に
置くことができると思われる。しかしながら補助のスペ
ーサ格子の利用は圧力損の増加を招く。従って圧力損の
低いスペーサ格子を提供し、炉心の上側領域内での格子
の間の距離を低減し、燃料集合体を横切る圧力損を増す
ことなく燃料棒上の水膜の形成を高めるために、少なく
とも一つの補助的なスペーサ格子を設けることは有利で
あろう。
【００１１】燃料集合体及びスペーサ格子の設計技術の
進歩にもかかわらず、一方では圧力損を低くし局部熱伝
達を改善し最大燃料装荷に配慮し、他方では燃料集合体
の長さに沿って個々の燃料棒の直径の変更に便宜を与え
るようなスペーサ格子が要望される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、軽
水炉のための低圧力損スペーサを提供することである。
【００１３】この発明の別の課題は、燃料棒上の局部熱
条件を改善することにより燃料集合体の動力性能を増大
するために、低圧力損スペーサ格子を用いる方法を提供
することである。
【００１４】この発明の別の課題は、燃料集合体中に装
填できる燃料の量を増すことができる低圧力損スペーサ
を提供することである。
【００１５】この発明の更に別の課題は、炉心の上部中
へ延びる燃料棒の直径低減に便宜を与えることにより、
炉心の上部領域での中性子減速の向上を可能にする低圧
力損スペーサを提供することである。
【００１６】この発明の更に別の課題は、バイパス流量
を低減するスペーサ格子を提供することである。
【００１７】この発明の更に別の課題は、原子炉燃料サ
イクルコストの効率を増す低圧力損スペーサを提供する
ことである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】この課題はこの発明に基
づき、複数の平行な細長い燃料棒から形成された核燃料
集合体の燃料棒を位置決めしかつ保持するための低圧力
損スペーサにおいて、燃料棒が貫通して延びる集合体内
の領域を囲む周縁帯板と、この領域を複数の副領域に分
割するために領域内で延びかつ領域内に配置された複数
の格子部材と、第１の端部帯板及びこの第１の端部帯板
に固定された第１のばね帯板の複数の平行な対から成る
第１のばねフォークと、第２の端部帯板及びこの第２の
端部帯板に固定された第２のばね帯板の複数の平行な対
から成る第２のばねフォークとを備え、周縁帯板が上流
縁及び下流縁を有して上流縁の近くに設けられた複数の
第１の開口及び下流縁の近くに設けられた複数の第２の
開口を形成し、格子部材が周縁帯板に固定され、複数の
格子部材は各々格子上流縁及び格子下流縁を有し、格子
部材に、周縁帯板の上流縁の近くに位置する複数の第１
の開口と、周縁帯板の下流縁の近くに位置する複数の第
２の開口とが各々形成され、互いに平行な一対の第１の
ばね帯板は、各々前記領域の中へそして周縁帯板の複数
の第１の開口のうちの相応する一つを貫いて延び、更に
格子部材の複数の第１の開口のうちの相応する一つを貫
いて延び、第１の平面上に設けられた第１のフォークが
第１のばね帯板の複数の対により決定される第１の方向
へ延び、互いに平行な一対の第２のばね帯板は、各々前
記領域中へそして周縁帯板の複数の第２の開口のうちの
相応する一つを貫いて延び、更に格子部材の複数の第２
の開口のうちの相応する一つを貫いて延び、第２のフォ
ークが第１の平面にほぼ平行な第２の平面上に置かれ、
第２の平面が第２のばね帯板の複数の対により決定され
る第２の方向へ延び、それにより燃料棒が貫いて延びる
燃料棒通路を形成するように第２のばねフォークが第１
のばねフォークに重ねられることを特徴とする核燃料集
合体のための低圧力損スペーサにより解決される。
【００１９】
【実施例】次にこの発明に基づく低圧力損スペーサの一
実施例を示す図面により、この発明を詳細に説明する。
【００２０】図１に示すように、沸騰水型原子炉用燃料
集合体は全体を符号１０で示され、核燃料ペレットを内
蔵する細長い燃料棒１２を有する。燃料棒は下側タイプ
レート１４と上側タイプレート１６との間に支えられて
いる。燃料棒１２は複数の低圧力損スペーサ格子１８を
貫通しているが、格子のうちの二つだけがこの要部断面
図に示されているにすぎない。現在の原子炉設計を仮定
すれば９個までの低圧力損スペーサ格子を用いることが
できる。低圧力損スペーサ格子１８は燃料集合体１０の
全長にわたり棒１２の中間の支持を提供して棒の相互間
隔を維持し、他方では棒の横振動を抑制する。中央の方
形のチャネル４４は燃料棒１２のアレーの中心に存在す
る。外側の方形のチャネル１１は燃料棒１２及びスペー
サ１８を囲む。
【００２１】図２は図１に示す集合体１０を斜め上から
見た破断斜視図であり、部分的に除去された外側チャネ
ル１１と共に低圧力損スペーサ格子１８のうちの一つを
示す。燃料棒１２の大部分は図を分かりやすくするため
に図２には示されていないが、集合体１０は９×９の燃
料アレーを収容する。この明細書では９×９燃料棒アレ
ーを対象としているが、この種のアレーは説明のために
選ばれたにすぎない。この発明は８×８、１０×１０及
び１１×１１を含む別のアレーと共に用いることができ
るが、これらに限定されることはない。
【００２２】図２に示すように、低圧力損スペーサ格子
１８は四つの壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを形成
する周縁帯板２０を備える。各壁２０ａ、２０ｂ、２０
ｃ、２０ｄは前縁又は上流縁２１ｂと後縁又は下流縁２
１ａとを有する。集合体を通る冷却材流の方向は図２に
矢印Ｆで示されている。格子部材２２、２４は相互に直
角に配置され、周縁帯板２０内の領域を９個の分離され
た副領域に分割する。格子部材２２、２４は周縁帯板２
０に固定されている。格子部材２２、２４はそれぞれ前
縁又は上流縁（図示されていない）及び後縁又は下流縁
２２ａ、２４ａを有する。壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、
２０ｄ及び格子部材２２、２４の上流縁及び下流縁は共
に、冷却材流に対する抵抗を減らすために凸状の輪郭に
することができる。８個の副領域は燃料棒１２を収容
し、中央の副領域はチャネル壁４６により形成される中
央の水チャネル４４を収容する。大部分の燃料棒は分か
りやすくするために図２には示されていない。正方形の
中央水チャネル４４が図２に示されているが、別の形も
知られておりかつ利用できる。中央のチャネル壁４６は
燃料集合体１０の長さを伸ばし、水が中央の水チャネル
４４を通り燃料集合体１０の底から頂へ流れることを可
能にする。
【００２３】周縁帯板壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０
ｄ及び格子部材２２、２４は図４に示す基本的な卵用枠
箱形構造を作る。ジルコニウムの合金であるジルカロイ
は、その低い中性子吸収特性のゆえに卵用枠箱形構造の
ための有利な材料である。ジルカロイの最もよく知られ
た二つの形式はＡＳＴＭ規格Ｂ３５０−９１（１９９１
年）に記載されているジルカロイ２及びジルカロイ４で
ある。それぞれの合金はＲ６０８０２及びＲ６０８０４
の組成を有する。
【００２４】各低圧力損スペーサ１８は四つのばねフォ
ークを備え、ばねフォークのうちの二つは下側ばねフォ
ーク３６であり、他の二つは上側ばねフォーク３４であ
る。各ばねフォークは図３に示すように、端部支持材３
９に取り付けられた三つの異なる長さの６対のばね帯板
から形成されている。
【００２５】上側ばねフォーク３４は周縁帯板壁２０
ａ、２０ｃ及び格子部材２４の上部に設けられた開口４
０を貫いてスペーサの卵用枠箱形構造中へ延びる。側壁
２０ａの開口４０を貫いて延びるばね帯板対３８ａを備
える上側ばねフォーク３４の一部が図２に示されてい
る。ばね帯板対３８ａは更に格子部材２４の開口４０を
貫き隣接する副領域中へ延びる。ばね帯板３８ａの長さ
はこれらの帯板が隣接する副領域へ入るがこれを完全に
は貫かないような長さである。上側ばねフォーク３４の
ばね帯板３８ｂは側壁２０ａの開口４０を貫き中央の副
領域中へ延びる。分かりやすくするために図２には示さ
れていないが、上側フォーク３４のばね帯板３８ｃは同
様に側壁２０ａの開口４０を貫き、壁２０ａ、２０ｂに
より部分的に形成された隅の副領域へ入りかつこれを貫
き、更に格子部材２４の開口４０を貫き次の隣接する副
領域中へ延びる。
【００２６】第２の上側ばねフォーク３４（分かりやす
くするために図２には示されていない）は同様に周縁帯
板壁２０ｃの開口４０を貫いて卵用枠箱形構造中へ延び
る。両方の上側ばねフォーク３４が図４に示されてい
る。複数対のばね帯板３８ａ、３８ｂ、３８ｃは側壁２
０ｃに隣接する副領域中へ延びる。更に図４に示すよう
に、二つの上側ばねフォーク３４はこれらのばね帯板対
が延びるのと同じ平面上で燃料集合体中に設けられてい
る。
【００２７】上側ばねフォーク３４に加えて、上側ばね
フォークの下方に置かれた下側ばねフォーク３６が設け
られている。下側ばねフォーク３６の複数対のばね帯板
３８ａ、３８ｂ、３８ｃは、周縁壁２０ｂ及び案内部材
２２の下側又は上流側の部分に設けられた開口４２を貫
いて延びる（図２及び図５参照）。側壁２０ａ、２０ｃ
及び格子部材２４中の開口４０は側壁２０ｂ、２０ｄ及
び格子部材２２中の開口４２より高い軸線方向位置に置
かれている。分かりやすくするために図２には示されて
いないが、第２の下側ばねフォーク３６が側壁２０ｄの
開口を貫きかつ格子部材２２の開口４２を貫き卵用枠箱
形構造中へ延びる（図５参照）。両方の上側ばねフォー
ク３４及び両方の下側ばねフォーク３６の各ばね帯板対
が燃料集合体中へ延びる。
【００２８】二つの下側ばねフォーク３６は上側ばねフ
ォークにより占められた平面に平行な平面上に置かれて
いる。図２、図４及び図５に示すように、下側ばねフォ
ークのばね帯板は上側ばねフォークのばね帯板の方向に
対し直角な方向へ延びる。
【００２９】ばねフォーク３４、３６、格子部材２４、
２６及び周縁帯板２０の交差及び重畳は、燃料棒１２が
通って延びる燃料棒通路５５を形成する（図６参照）。
７２本の通路５５が図２に示された９×９燃料集合体の
ために画成されている。完全に装填された燃料集合体で
は一つの燃料棒が各通路５５を占めるが、図６では説明
のために八つの副領域のそれぞれから一つの燃料棒が取
り除かれている。
【００３０】各ばねフォーク３４、３６の各ばね帯板３
８は燃料棒１２に逆らって働くばね部材４１を有する。
図３はばねフォークの平面図であり各ばね帯板のばね部
材４１の位置を示す。各上側ばねフォーク３４及び下側
ばねフォーク３６のうちの少なくとも一つのばね部材４
１は、相互に垂直な少なくとも二つの異なる方向へ反作
用負荷を供給し、横振動に対して通路５５内の燃料棒１
２を拘束する（図６参照）。各燃料棒１２は単にばね部
材４１によるか、又は周縁帯板２０及び格子部材２２、
２４に形成されたくぼみ４３ａ、４３ｂと共にばね部材
４１により、四つの方向へ通路５５中で拘束されている
（図２及び図６参照）。くぼみ４３ｂは周縁帯板２０及
び格子部材２２、２４の下流縁又は後縁の近くに置か
れ、他方ではくぼみ４３ａは周縁帯板２０及び格子部材
２２、２４の上流縁又は前縁の近くに置かれている。く
ぼみ対はくぼみ４３ａ及びくぼみ４３ｂにより形成され
ている。各くぼみ対は燃料集合体の同じ半径方向位置に
置かれている。くぼみ４３ａ、４３ｂは「貫流形」、す
なわち圧力損の低減のために頂及び底で開放されている
のが有利である。
【００３１】図６に示すように、集合体内の各燃料棒１
２は、（ａ）二つのばね部材４１及び二つのくぼみ対、
又は（ｂ）三つのばね部材及び一つのくぼみ対、又は
（ｃ）四つのばね部材の協働作用により通路５５内に拘
束されている。この発明では正方形の９×９燃料集合体
が図示されているが、正方形又は方形のアレー以外の燃
料配置を選択できること、また各燃料棒を通路５５内に
拘束するばね部材及びくぼみの数が変化することは当業
者にとって明らかである。
【００３２】図７ないし図１０は図３に示すばねフォー
クの１対のばね帯板３８ａを示す。ばね帯板対３８ｂ、
３８ｃは分かりやすくするために図７ないし図１０から
省略されているが、これらが一層短くかつ少ないばね部
材４１を有することを除けばばね帯板対３８ａと同じ構
造を有する。
【００３３】図７に示すように、ばね帯板３８ａは逆方
向へ交互に並ぶ湾曲部５８から形成されたばね部材４１
を有する。ばね部材４１及び湾曲部５８は３側面の溝又
は流路を形成するために垂直に延びる。一たび燃料棒を
装填されると、湾曲部５８が燃料棒上に拘束力を加え
る。
【００３４】ばね帯板３８ａの対は図７に示すように、
ふさがれていない流れ空間を形成する逆向きの湾曲部を
備え交互に隣接し対を成す湾曲部５８の間で点溶接６０
により結合されている。湾曲部５８により形成されたふ
さがれていない流れ空間６２は六角形であり、冷却材は
低圧力損スペーサ１８を貫いて妨げられずに流れること
ができる。点溶接されていない対を成す湾曲部５８は、
ばね帯板３８ａの形状及び弾力のためにばね帯板３８ａ
の後縁で間隙６４を形成するように位置決めされてい
る。ばね部材４１の前縁を除いて各ばね帯板３８ａの前
縁又は上流縁６８は隣接する縁７０を形成する（図１０
参照）。有利な実施例では前縁又は底縁６８の隣接する
縁が一体に溶接されている。ばねフォークのための有利
な材料はインコネル、すなわち高い強度を有し照射中に
少ないばね弛緩を示すニッケル合金である。冷却材流に
対する抵抗を最小にしかつ中性子吸収材料の質量及び体
積を低減するために、帯板材料は比較的薄くすなわち８
ないし１２ミル厚とするのが有利である。
【００３５】装填されていない（燃料棒を挿入されてい
ない）状態では、湾曲部５８は列に沿って一直線上にあ
るのではなく、むしろばね帯板３８ａにより供給される
総合的なばね力により変位しかつ傾けられている。燃料
棒１２が通路５５内に置かれるとき、湾曲部５８は燃料
棒１２上に拘束力を加え、間隙６４は図８に示すように
閉じる。
【００３６】各ばね帯板３８の前縁６８及び後縁６９
は、冷却材流に対する抵抗を最小にし圧力損を低減する
ために凸状に輪郭を付けることができる。隣接する縁７
０は更に圧力損を低減するために凸状に輪郭を付けるこ
とができる。中性子吸収材料の体積を低減するために窓
７２をばね帯板３８ａ中に形成することができる。
【００３７】各対のばね帯板は溶接７３により端部支持
材３９へ取り付けられている。端部支持材３９は垂直に
延び、有利な実施例では封止面８２を提供するように成
形されている。端部支持材３９の高さはばね帯板対３８
ａの高さを越えて延び、かつバイパス流を無くせないに
しても減らすために、外側チャネル１１の内壁に対し封
止面８２を当接状態に保つためにばね弾性を提供する。
各低圧力損スペーサ１８のために、上側ばねフォーク３
４及び下側ばねフォーク３６が相互に僅かに異なる高さ
に置かれている。スペーサ１８の周縁壁２０ａ、２０
ｂ、２０ｃ、２０ｄと外側チャネル１１の内壁との間を
通常は通るバイパス流が低減される。
【００３８】しかしながら特に四隅の燃料棒の領域では
バイパス流を許すことが望ましいかもしれない。燃料集
合体の隅の燃料棒は、燃料集合体の隅領域を通る冷却材
流速が通常低いので普通は冷却不足である。このような
低い流速を補償するために、隅の燃料棒の濃縮度はこれ
らの棒の過熱を防止するために通常低減されている。も
しバイパス流が隅の燃料棒に対し選択的に供給されるな
らば、この種の棒に対する線出力密度の正味の増加をも
たらすこの種の棒の濃縮度はさほど低減する必要はな
い。燃料集合体の全幅を伸ばさない封止面を備えるばね
フォークを利用することにより、隅の燃料棒に対する選
択的に制限したバイパス流及び集合体の隅の副領域中の
最適な流れを得ることができる。この種の最適な流れは
集合体内の他の燃料棒ばかりでなく隅の燃料棒からの動
力発生を最大にする。
【００３９】ばねフォーク３４、３６は、卵用枠箱形構
造を提供する周縁壁２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ及
び格子部材２２、２４よりずっと強い材料から作られる
のが有利である。ばねフォーク３４、３６と卵用枠箱形
構造との間で可能な相対運動が制限されているので、チ
ャネル１１の取り付け又は取り外しによる低圧力損スペ
ーサ１８の損傷の可能性が減る。チャネル１１の取り付
け又は取り外しによるスペーサの損傷の可能性は更に、
ばねフォークを卵用枠箱形構造の材料より強くかつ照射
により脆化することが少なくかつ弾性の一層高い材料か
ら作ることにより低減される。外側チャネルの取り付け
又は取り外しによるスペーサの損傷の可能性は、ばねフ
ォークと燃料棒との間ばかりでなく封止装置と外側チャ
ネルとの間の相対運動が許されるのでなお一層低減され
る。
【００４０】上述のように、原子炉炉心の上側領域にお
いて減速の増加ばかりでなくウラン利用の改善を達成で
きる一つの方法は、原子炉炉心の上半部において燃料棒
の直径を減少することである。もし一つ以上の燃料棒が
原子炉の運転中に破損するならば、原子炉からの燃料集
合体全体の出費のかかる時期尚早の取り外しを避けるた
めに、この種の破損棒を交換することがしばしば望まし
い。原子炉からの取り外しの後に、燃料集合体の修理は
燃料集合体の上側タイプレートの取り外し、破損燃料棒
の上方への引き抜き、破損燃料棒の交換及びタイプレー
トの復旧を含む。上端部に減少した直径を有する燃料棒
を収容するスペーサ格子設計を利用する燃料集合体は、
破損燃料棒を交換する従来の方法を用いて修理すること
はできない。なぜならば燃料棒の直径の大きい下側部分
を上側スペーサ格子を通って取り外すことができないか
らである。この種の可変直径を有する燃料棒を利用する
燃料集合体の修理方法は、燃料集合体の倒立及び上側タ
イプレートの代わりに下側タイプレートの取り外しを含
む。燃料集合体の倒立は困難であり費用がかかり、かつ
核燃料集合体の設計変更及びこれに伴う運転上の危険を
招くおそれがある。
【００４１】ばねフォーク３４、３６は低圧力損スペー
サの別の要素に溶接されてもいないしまたボルト止めさ
れてもおらず容易に取り外すことができる。唯一及び／
又は多重の直径を有する燃料棒は共に、まずばねフォー
クを取り外す必要なしにばねフォーク３４、３６の弾性
のゆえに燃料集合体の頂部から取り外すことができる。
もし原子炉の運転の結果として一つ以上の燃料棒が燃料
集合体からの取り外しを妨げる物理的変化又は変形を受
けるならば、この発明により従来の修理方法を燃料棒の
直径を低減した又は低減していない燃料集合体に対して
実施できる。この発明によれば図２に示すように、破損
燃料棒１２を拘束するばねフォーク３４、３６が卵用枠
箱形構造から取り外される。この種の破損燃料棒のため
のばねフォークの取り外しにより、燃料集合体又はスペ
ーサ格子の損傷なしに破損燃料棒を上向きに引き抜くこ
とができる。燃料棒の交換後にばねフォーク３４、３５
が卵用枠箱形構造中へ再び挿入される。
【００４２】低圧力損スペーサ格子１８は任意の従来の
方法により中央の水チャネルに固定される。有利な実施
例では保持帯板８６は、スペーサ格子１８の所望の軸線
方向位置のすぐ下及び上の位置で、点溶接８８により中
央の水チャネル壁４６に固定される。四つの保持帯板８
６（二つが図２に示されている）がスペーサ格子１８の
すぐ上方に置かれ、そして冷却材流中へ延びて中央の水
チャネル壁４６上に凝縮する液体を燃料棒１２の方へ向
かわせるという補助的な役目を果たす流れ案内耳９０を
有する。液体は棒の上の水膜として集まり、それにより
局部的な熱伝達を改善することができる。保持帯板はス
ペーサ格子１８の軸線方向位置のすぐ下にも同様に設け
られて固定される。
【００４３】上述のようにこの発明は幾つかの利点を有
する。低圧力損スペーサは一層大きい燃料棒直径の利用
を可能にし燃料サイクルコストを改善する。燃料集合体
の減速の増加は炉心の上部領域における燃料棒の直径の
減少により達成され、このことは等価燃料重量ｋｇ当た
り約２０ドルだけ燃料サイクルコストを改善する。従来
の燃料棒又は燃料集合体の上側領域に直径の減少した燃
料棒を含む集合体中の燃料棒の交換が、スペーサ又は別
の燃料棒に損傷を与えることなく達成される。燃料集合
体の動力性能は、凝縮する液体の水の外側チャネル及び
中央チャネルから燃料棒表面への移動を改善することに
より増加される。減少した圧力損のゆえに少なくとも一
つの余分なスペーサを燃料集合体内に設けることがで
き、このスペーサは炉心の上側領域のスペーサ格子間の
スパンを減少し、その結果冷却材への熱伝達をなお一層
改善する。
【００４４】上述の説明及び図面はこの発明の有利な実
施例を示すが、この発明の真の趣旨及び範囲から逸脱す
ることなく種々の変更及び修正を行うことができること
は当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に基づく低圧力損スペーサを採用した
典型的な沸騰水型原子炉用燃料集合体の長手方向要部断
面図である。
【図２】図１に示す低圧力損スペーサ格子の一つの範囲
を斜め上から見た破断斜視図である。
【図３】図２に示す低圧力損スペーサ格子の一部を形成
する一つのばねフォークの平面図である。
【図４】図２の低圧力損スペーサ上側格子を含む燃料集
合体の切断線IV−IVによる断面図である。
【図５】図２の低圧力損スペーサ下側格子を含む燃料集
合体の切断線 V−V による断面図である。
【図６】図２に示す低圧力損スペーサ上下格子を含む燃
料集合体の水平断面図である。
【図７】図４に示すばねフォークの燃料棒未装填状態で
の斜め上から見た部分斜視図である。
【図８】図７に示すばねフォークの燃料棒装填状態の斜
め上から見た部分斜視図である。
【図９】図５に示すばねフォークの燃料棒装填状態の斜
め上から見た部分斜視図である。
【図１０】図８に示すばねフォークの斜め下から見た部
分斜視図である。
【符号の説明】
１０ 燃料集合体 １１ 外側チャネル １２ 燃料棒 １４ 下側タイプレート １６ 上側タイプレート １８ スペーサ ２０ 周縁帯板 ２１ａ、２２ａ、２４ａ 下流縁 ２１ｂ 上流縁 ２２、２４ 格子部材 ３４、３６ ばねフォーク ３８ａ、３８ｂ、３８ｃ ばね帯板 ３９ 端部帯板 ４０、４２ 開口 ４１ ばね部材 ４３ａ、４３ｂ くぼみ ４４ 内側チャネル ５５ 燃料棒通路 ５８ 湾曲部 ６０ 点溶接 ６２ 六角形流路 ７２ 切り抜き部 ８２ 成形封止面 ８６ 保持帯板 ９０ 流れ案内耳
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トロンド エイ ブジヨルナルド アメリカ合衆国 99352 ワシントン リツチランド エイプリル ループ 1727 (56)参考文献 特開 平３−179294（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G21C 3/34

Claims (48)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の平行な細長い燃料棒から形成され
    た核燃料集合体の燃料棒を位置決めしかつ保持するため
    の低圧力損スペーサにおいて、燃料棒が貫通して延びる
    集合体内の領域を囲む周縁帯板と、この領域を複数の副
    領域に分割するために領域内で延びかつ領域内に配置さ
    れた複数の格子部材と、第１の端部帯板及びこの第１の
    端部帯板に固定された第１のばね帯板の複数の平行な対
    から成る第１のばねフォークと、第２の端部帯板及びこ
    の第２の端部帯板に固定された第２のばね帯板の複数の
    平行な対から成る第２のばねフォークとを備え、周縁帯
    板が上流縁及び下流縁を有して上流縁の近くに設けられ
    た複数の第１の開口及び下流縁の近くに設けられた複数
    の第２の開口を形成し、格子部材が周縁帯板に固定さ
    れ、複数の格子部材は各々格子上流縁及び格子下流縁を
    有し、格子部材に、周縁帯板の上流縁の近くに位置する
    複数の第１の開口と、周縁帯板の下流縁の近くに位置す
    る複数の第２の開口とが各々形成され、互いに平行な一
    対の第１のばね帯板は、各々前記領域の中へそして周縁
    帯板の複数の第１の開口のうちの相応する一つを貫いて
    延び、更に格子部材の複数の第１の開口のうちの相応す
    る一つを貫いて延び、第１の平面上に設けられた第１の
    フォークが第１のばね帯板の複数の対により決定される
    第１の方向へ延び、互いに平行な一対の第２のばね帯板
    は、各々前記領域中へそして周縁帯板の複数の第２の開
    口のうちの相応する一つを貫いて延び、更に格子部材の
    複数の第２の開口のうちの相応する一つを貫いて延び、
    第２のフォークが第１の平面にほぼ平行な第２の平面上
    に置かれ、第２の平面が第２のばね帯板の複数の対によ
    り決定される第２の方向へ延び、それにより燃料棒が貫
    いて延びる燃料棒通路を形成するように第２のばねフォ
    ークが第１のばねフォークに重ねられることを特徴とす
    る核燃料集合体のための低圧力損スペーサ。
  2. 【請求項２】 第１のばね帯板の平行な対が燃料棒通路
    内の燃料棒に逆らって働く第１のばね部材を備えること
    を特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  3. 【請求項３】 第２のばね帯板の平行な対が燃料棒通路
    内の燃料棒に逆らって働く第２のばね部材を備えること
    を特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  4. 【請求項４】 周縁帯板が第１の周縁くぼみ及び第２の
    周縁くぼみから成る複数の周縁帯板くぼみ対を有し、第
    １の周縁くぼみが周縁帯板の上流縁の近くに置かれ、第
    ２の周縁くぼみが周縁帯板の下流縁の近くに置かれるこ
    とを特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  5. 【請求項５】 格子部材が第１の格子くぼみ及び第２の
    格子くぼみから成る複数の格子部材くぼみ対を有し、第
    １の格子くぼみが格子部材の上流縁の近くに置かれ、第
    ２の格子くぼみが格子部材の下流縁の近くに置かれるこ
    とを特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  6. 【請求項６】 第１の周縁くぼみ、第２の周縁くぼみ、
    第１の格子くぼみ及び第２の格子くぼみのうちの少なく
    とも一つが、冷却材の通過のための孔を形成しているこ
    とを特徴とする請求項４又は５記載のスペーサ。
  7. 【請求項７】 二つの第１のばねフォークを有すること
    を特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  8. 【請求項８】 二つの第２のばねフォークを有すること
    を特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  9. 【請求項９】 二つの第１のばねフォーク及び二つの第
    ２のばねフォークを有することを特徴とする請求項１記
    載のスペーサ。
  10. 【請求項１０】 各第１のばねフォークが６対のばね帯
    板を有することを特徴とする請求項７又は９記載のスペ
    ーサ。
  11. 【請求項１１】 各第２のばねフォークが６対のばね帯
    板を有することを特徴とする請求項８又は９記載のスペ
    ーサ。
  12. 【請求項１２】 各対のばね帯板が直角に端部帯板に取
    り付けられていることを特徴とする請求項１０又は１１
    記載のスペーサ。
  13. 【請求項１３】 第１及び第２のばね帯板の少なくとも
    一方の平行な対が、それぞれ燃料棒通路内の燃料棒に逆
    らって働く、第１のばね帯板の対は第１のばね部材をそ
    して第２のばね帯板の対は第２のばね部材を有し、これ
    らばね部材の少なくとも一つが、隣接する方向及び離れ
    て向かい合う方向へ交互に並び冷却材の流れを妨げない
    ために六角形流路を形成して延びる湾曲部を有すること
    を特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  14. 【請求項１４】 互いに平行な複数の第１のばね帯板
    と、複数の第２のばね帯板とが交互に並んでおり、しか
    も第１のばね帯板と第２のばね帯板とは互いに逆向きの
    湾曲部を有し、各一枚の第１のばね帯板と第２のばね帯
    板とが各々対をなして互いに向かい合い、湾曲部の間で
    相互に結合されて、両ばね帯板間にふさがれていない流
    れ空間を形成することを特徴とする請求項１記載のスペ
    ーサ。
  15. 【請求項１５】 ばね帯板がばね弾性のある材料から作
    られていることを特とする請求項１４記載のスペーサ。
  16. 【請求項１６】 ばね帯板が切り抜き部を有することを
    特徴とする請求項１４又は１５記載のスペーサ。
  17. 【請求項１７】 第１のばねフォークの第１の端部帯板
    は、燃料棒が貫いて延びる領域の外側から領域内へ冷却
    材を向かわせる封止装置を備えることを特徴とする請求
    項１記載のスペーサ。
  18. 【請求項１８】 第２のばねフォークの第２の端部帯板
    は、燃料棒が貫いて延びる領域の外側から領域内へ冷却
    材を向かわせる封止装置を備えることを特徴とする請求
    項１記載のスペーサ。
  19. 【請求項１９】 封止装置が第１の端部帯板から形成さ
    れた成形封止面であることを特徴とする請求項１７記載
    のスペーサ。
  20. 【請求項２０】 封止装置が第２の端部帯板から形成さ
    れた成形封止面であることを特徴とする請求項１８記載
    のスペーサ。
  21. 【請求項２１】 周縁帯板がジルカロイから作られてい
    ることを特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  22. 【請求項２２】 格子部材がジルカロイから作られてい
    ることを特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  23. 【請求項２３】 ばねフォークがインコネルから作られ
    ていることを特徴とする請求項１記載のスペーサ。
  24. 【請求項２４】 集合体の底の近くに置かれた下側タイ
    プレートと集合体の頂の近くに置かれた上側タイプレー
    トとの間に支えられた複数の細長い燃料棒と、集合体の
    底から集合体の頂の方へ燃料棒の周囲で冷却材／減速材
    を導くために複数の燃料棒を囲む外側チャネルと、集合
    体の底から集合体の頂へ内側チャネルを通って冷却材／
    減速材を導くための少なくとも一つの壁を有する内側チ
    ャネルと、燃料棒を位置決めし保持するための少なくと
    も一つの低圧力損スペーサとを有する沸騰水型原子炉用
    核燃料集合体において、スペーサは、燃料棒が貫通して
    延びる集合体内の領域を囲む周縁帯板と、この領域を複
    数の副領域に分割するために領域内で延びかつ領域内に
    配置された複数の格子部材と、第１の端部帯板及びこの
    第１の端部帯板に固定された第１のばね帯板の複数の平
    行な対から成る第１のばねフォークと、第２の端部帯板
    及びこの第２の端部帯板に固定された第２のばね帯板の
    複数の平行な対から成る第２のばねフォークとを備え、
    周縁帯板が上流縁及び下流縁を有して上流縁の近くに設
    けられた複数の第１の開口及び下流縁の近くに設けられ
    た複数の第２の開口を形成し、格子部材が周縁帯板に固
    定され、複数の格子部材の各々が格子上流縁及び格子下
    流縁を有し、格子部材に、周縁帯板の上流縁の近くに位
    置する複数の第１の開口及び周縁帯板の下流縁の近くに
    位置する複数の第２の開口が形成され、互いに平行な一
    対の第１のばね帯板は、各々前記領域の中へそして周縁
    帯板の複数の第１の開口のうちの相応する一つを貫いて
    延び、更に格子部材の複数の第１の開口のうちの相応す
    る一つを貫いて延び、第１の平面上に設けられた第１の
    フォークが第１のばね帯板の複数の対により決定される
    第１の方向へ延び、互いに平行な一対の第２のばね帯板
    は、各々前記領域中へそして周縁帯板の複数の第２の開
    口のうちの相応する一つを貫いて延びるとともに格子部
    材の複数の第２の開口のうちの相応する一つを貫いて延
    び、第２のフォークが第１の平面にほぼ平行な第２の平
    面上に置かれ、第２の平面が第２のばね帯板の複数の対
    により決定される第２の方向へ延び、それにより燃料棒
    が貫いて延びる燃料棒通路を形成するように第２のばね
    フォークが第１のばねフォークに重ねられることを特徴
    とする沸騰水型原子炉用核燃料集合体。
  25. 【請求項２５】 第１のばね帯板の平行な対が燃料棒通
    路内の燃料棒に逆らって働く第１のばね部材を備えるこ
    とを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  26. 【請求項２６】 第２のばね帯板の平行な対が燃料棒通
    路内の燃料棒に逆らって働く第２のばね部材を備えるこ
    とを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  27. 【請求項２７】 周縁帯板が第１の周縁くぼみ及び第２
    の周縁くぼみから成る複数の周縁帯板くぼみ対を有し、
    第１の周縁くぼみが周縁帯板の上流縁の近くに設けら
    れ、第２の周縁くぼみが周縁帯板の下流縁の近くに設け
    られることを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  28. 【請求項２８】 格子部材が第１の格子くぼみ及び第２
    の格子くぼみから成る複数の格子部材くぼみ対を有し、
    第１の格子くぼみが格子部材の上流縁の近くに設けら
    れ、第２の格子くぼみが格子部材の下流縁の近くに設け
    られることを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  29. 【請求項２９】 第１の周縁くぼみ、第２の周縁くぼ
    み、第１の格子くぼみ及び第２の格子くぼみのうちの少
    なくとも一つが、冷却材の通過のための孔を形成してい
    ることを特徴とする請求項２７又は２８記載の燃料集合
    体。
  30. 【請求項３０】 二つの第１のばねフォークを有するこ
    とを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  31. 【請求項３１】 二つの第２のばねフォークを有するこ
    とを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  32. 【請求項３２】 二つの第１のばねフォーク及び二つの
    第２のばねフォークを有することを特徴とする請求項２
    ４記載の燃料集合体。
  33. 【請求項３３】 第１のばねフォークが各々６対のばね
    帯板を有することを特徴とする請求項３０又は３２記載
    の燃料集合体。
  34. 【請求項３４】 第２のばねフォークが各々６対のばね
    帯板を有することを特徴とする請求項３１又は３２記載
    の燃料集合体。
  35. 【請求項３５】 各対のばね帯板が直角に端部帯板に取
    り付けられていることを特徴とする請求項３３又は３４
    記載の燃料集合体。
  36. 【請求項３６】 第１及び第２のばね帯板の少なくとも
    一方の平行な対が、それぞれ燃料棒通路内の燃料棒に逆
    らって働く、第１のばね帯板の対は第１のばね部材をそ
    して第２のばね帯板の対は第２のばね部材を有し、これ
    らばね部材の少なくとも一つが、隣接する方向及び離れ
    て向かい合う方向へ交互に並び冷却材の流れを妨げない
    ために六角形流路を形成して延びる湾曲部を有すること
    を特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  37. 【請求項３７】 互いに平行な複数の第１のばね帯板
    と、複数の第２のばね帯板とが交互に並んでおり、しか
    も第１のばね帯板と第２のばね帯板とは互いに逆向きの
    湾曲部を有し、各一枚の第１のばね帯板と第２のばね帯
    板とが各々対をなして互いに向かい合い、湾曲部の間で
    相互に結合されて、両ばね帯板間にふさがれていない流
    れ空間を形成するスペーサを備えることを特徴とする請
    求項２４記載の燃料集合体。
  38. 【請求項３８】 ばね帯板がばね弾性のある材料から作
    られていることを特徴とする請求項３７記載の燃料集合
    体。
  39. 【請求項３９】 ばね帯板が切り抜き部を有することを
    特徴とする請求項３７又は３８記載の燃料集合体。
  40. 【請求項４０】 第１のばねフォークの第１の端部帯板
    が、外側チャネルと周縁帯板との間に存在する流れ空間
    を封止する第１の封止装置を備えることを特徴とする請
    求項２４記載の燃料集合体。
  41. 【請求項４１】 第２のばねフォークの第２の端部帯板
    が、外側チャネルと周縁帯板との間に存在する流れ空間
    を封止する第２の封止装置を備えることを特徴とする請
    求項２４記載の燃料集合体。
  42. 【請求項４２】 第１の封止装置が第１の端部帯板から
    形成された成形封止面であることを特徴とする請求項４
    ０記載の燃料集合体。
  43. 【請求項４３】 第２の封止装置が第２の端部帯板から
    形成された成形封止面であることを特徴とする請求項４
    １記載の燃料集合体。
  44. 【請求項４４】 周縁帯板がジルカロイから作られてい
    ることを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  45. 【請求項４５】 格子部材がジルカロイから作られてい
    ることを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  46. 【請求項４６】 ばねフォークがインコネルから作られ
    ていることを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  47. 【請求項４７】 内側チャネルに少なくとも一つの低圧
    力損スペーサを固定するための保持帯板装置を備えるこ
    とを特徴とする請求項２４記載の燃料集合体。
  48. 【請求項４８】 保持帯板装置が、内側チャネル壁上に
    凝縮する液体を燃料棒の方へ向かわせるために、領域内
    に延びる内側チャネル壁用流れ案内耳装置を備えること
    を特徴とする請求項４７記載の燃料集合体。
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