JP4294477B2 - 原子炉燃料集合体用の圧力降下が小さく破片をろ過する下部ノズル - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、原子炉に関し、さらに詳細には、原子炉燃料集合体用の圧力降下が小さく破片をろ過する下部ノズルに関する。

従来技術の説明

原子炉冷却材循環系統を構成するコンポーネントの製造時及びその後の設置及び補修時には、種々の運転条件下で冷却材を循環させる原子炉容器及びその関連系統から全ての破片を確実に除去するための仕事が粛々と行われる。破片を確実に除去するための入念な手順が実行されるが、破片除去のためのこのような安全策にもかかわらず、系統内には破片及び金属粒子が多少、依然として隠れた状態にあることは経験の教えるところである。破片の大部分は、蒸気発生器の補修または交換後に一次系統に残る金属の削り屑である。

詳述すると、原子炉の燃料集合体には、最下方のグリッドで捕捉された破片による損傷が認められている。破片は、発電所の運転開始により下方の炉心支持プレートの冷却材流れ開口から燃料集合体の下部ノズルの流孔を通って侵入する。破片は、燃料集合体の支持グリッドにおいて、「卵箱」型セル壁と管状の燃料棒との間の空間に溜まる傾向がある。損傷は、管体の外表面と接触する破片のフレッチングによりできる燃料棒の穿孔部である。流動する冷却材が破片を旋回させて燃料棒の被覆を切除する。

原子炉から破片を除去するための多種多様な方法が幾つか提案されテストされている。１つの方法として、下部ノズルのプレート部材にノズル下流のグリッドの流路の最大寸法より小さいノズル孔を多数形成するものがある。破片をろ過するこのような下部ノズルは、大きい破片を捕捉して下流のグリッドに溜める。破片をろ過する下部ノズルを通過できる小さな破片は、グリッドに溜まったり燃料棒を損傷したりすることなくグリッドの流路を通過する。

下部ノズルの破片ろ過効果は、最下方のグリッドにより増強されている。最下方のグリッドまたは保護グリッドは、燃料集合体の他の構造グリッドと同一設計であり、相互に連結されたストラップが各燃料棒及びシンブル管の周りに正方形のセルを形成する。保護グリッドは、燃料集合体の下部ノズルに非常に近い所に位置する。下部ノズルの流孔は保護グリッドのストラップと整列関係にあるため、流孔の断面中心は、相互連結された一対のストラップの交差部と軸方向に整列するかまたはストラップのセル側壁の中間点と一致する。このようにすると、中心がストラップの交差部と一致する流孔は４分の１に、また、ストラップの中間点と整列する流孔は２分の１に分割される。従って、下部ノズル及び保護グリッドのこの組み合わせを通過できる破片の最大サイズが減少する。

破片をろ過するこのような下部ノズルは意図した目的にとって有効であるが、かかるノズルに問題点がないわけではない。例えば、下部ノズルの流孔を通過する水の圧力降下を減少することが望ましい。このように、下部ノズルの破片ろ過効果を有意に損なうことなく圧力降下を減少させる改良型破片ろ過下部ノズルを提供することが望ましい。

発明の概要

本発明によると、互いに整列する複数の第１のストラップと、互いに整列する複数の第２のストラップとを有し、第１のストラップと第２のストラップが協働して燃料棒を支持する複数のセルを画定するグリッドと、実質的に平らな第１の表面と、その反対側の実質的に平らな第２の表面とを有し、第１と第２の表面間を延びる複数の第１の流孔及び複数の第２の流孔が形成された破片をろ過するプレート部材とより成り、複数の第１の流孔の断面は長軸及び短軸を有する長円形または卵形であり、第１の表面はグリッドに隣接する位置にあり、プレート部材は流孔間に画定された複数の支持結合部を有し、第１の流孔は複数の支持結合部のうちの少なくとも１つが４つの第１の流孔間に画定されるように配置され、これら４つの第１の流孔の長軸は支持結合部の中心点から半径方向外方へ延び、これら４つの第１の流孔は第１または第２のストラップの直下にあり、第２の流孔はその少なくとも１つが第１のストラップのうちの１つと第２のストラップのうちの１つとの交差部の直下にあるようにプレート部材に配置されている原子炉の燃料集合体が提供される。
本発明によると、互いに整列する複数の第１のストラップと、互いに整列する複数の第２のストラップとを有するグリッドと、複数の燃料棒とを備え、第１のストラップと、第２のストラップが協働して燃料棒を支持する複数のセルを画定する原子炉燃料集合体用の破片をろ過する下部ノズルであって、ノズルはグリッドに隣接する実質的に平らな第１の表面と、その反対側の実質的に平らな第２の表面とを有するプレート部材を備え、プレート部材には第１と第２の表面間を延びる複数の第１の流孔及び複数の第２の流孔が形成され、複数の第１の流孔は断面が長軸及び短軸を有する長円形または卵形であり、プレート部材は流孔間に画定された複数の支持結合部を有し、第１の流孔は複数の支持結合部のうちの少なくとも１つが４つの第１の流孔間に画定されるように配置され、これら４つの第１の流孔の長軸は支持結合部の中心点から半径方向外方へ延び、これら４つの第１の流孔は第１または第２のストラップの直下にあり、第２の流孔はその少なくとも１つが第１のストラップのうちの１つと第２のストラップのうちの１つとの交差部の直下にあるようにプレート部材に配置されている下部ノズルをも提供される。

本発明は、１つの局面として、原子炉燃料集合体用の、断面が長円形の複数の第１の流孔を有する下部ノズルを提供する。

本発明は、別の局面において、原子炉の燃料集合体用の圧力降下が小さく破片をろ過する下部ノズルを提供する。

本発明は、別の局面において、複数の流孔が燃料集合体の保護グリッドと協働するため十分大きい破片が該流孔を通過できず、燃料集合体のグリッドの流路に溜まる、原子炉燃料集合体用の破片ろ過下部ノズルを提供する。

本発明は、別の局面において、破片をろ過する下部ノズルの流孔の圧力降下が小さく、大きな破片が該流孔を通過して燃料セル内へ流れ込まないように構成された原子炉用の燃料集合体を提供する。

図１は、略示する原子炉４に装着された燃料集合体１０の概略図である。燃料集合体１０は、図１−５に示す圧力降下が小さく破片をろ過する下部ノズル１２を備えている。以下に詳述するように、下部ノズル１２は所与のサイズより大きい破片が燃料集合体１０に侵入しないようにするだけでなく圧力降下が公知の下部ノズルに比べて小さくなるように構成されている。

下部ノズル１２は、原子炉４の炉心領域下方の炉心支持プレート１４上に燃料集合体１０を支持する。原子炉４は、炉心支持プレート１４上に複数の燃料集合体１０を搭載した加圧水型原子炉である。燃料集合体１０の骨格構造は、下部ノズル１２の他に、上端部の上部ノズル１６、及び下部ノズル１２と下部ノズル１６との間を縦方向に延びて上端部でそれらに連結された多数の細長い案内管またはシンブル管１８を備えている。

燃料集合体１０はさらに、シンブル管１８に沿って軸方向に離隔し該管に装着された複数の横方向グリッド２０と、グリッド２０により横方向離隔関係に支持された細長い燃料棒２２の整列アレイとを有する。燃料集合体１０はまた、その中心に位置して下部ノズル１２と上部ノズル１６との間を延びる計装管２４を有する。燃料集合体１０は、その部品がこのように配置されると、組立て部品を損傷せずに取り扱うことができる便利な一体的ユニットを形成する。

上述したように、燃料集合体１０内にアレイ状に配置される燃料棒２２は、燃料集合体１０の長さ方向に離隔したグリッド２０により互いに離隔関係に保持される。各燃料棒２２は、複数の原子燃料ペレットを有し、上方及び下方の端部プラグ２８、３０により両端部を閉じられている。燃料ペレットは核***物質より成り、原子炉４の反応エネルギー発生の元となる。

水または硼素を含む水のような液状減速／冷却材は、下部炉心プレート１４の複数の流れ開口を介して燃料集合体１０内へ上方に圧送される。燃料集合体１０の下部ノズル１２は、利用可能な仕事を発生させる熱を抽出すべく冷却材がシンブル管１８を介してまた燃料集合体の燃料棒２２に沿って流れるようにする。

核***プロセスを制御するために、多数の制御棒３４が燃料集合体１０の所定の位置にあるシンブル管１８内を往復運動することができる。詳述すると、制御棒３４は上部ノズル１６の上方に位置する燃料棒クラスター制御機構３６により支持される。制御機構３６は内部に螺設部を備えた円柱部材３７を有し、これに複数の半径方向に延びるアーム３８が設けられている。各アーム３８は制御棒３４と相互に連結されているため、制御機構３６は、よく知られた態様で、制御棒３４をシンブル管１８内で垂直方向に移動させることにより燃料集合体１０の核***プロセスを制御することができる。しかしながら、下部ノズル１２は、本発明の思想から逸脱することなく上述のものとは異なる構成の原子炉に使用できることがわかる。

上述したように、グリッド２０の箇所またはその下方で捕捉される破片による燃料集合体１０の損傷を、下部ノズル１２の流孔により破片が捕捉され燃料集合体１０内に侵入しないように構成することにより回避するのが好ましい。以下に詳述するように、下部ノズル１２は、かかる破片が侵入しないようにするだけでなく、公知の下部ノズルと比べて圧力降下が小さい構造の流孔を備えると有利である。

図１からわかるように、下部ノズル１２は、炉心支持プレート１４上の複数の脚部４２により支持されるプレート部材４６を有する。これらの脚部４２は、溶接、ボルト締めまたは他の固着方法によりプレート部材４６に固着するか、または脚部４２とプレート部材４６とを鋳造または鍛造等により一体的な構造物として一体的に形成してもよい。

図２及び３から最もよくわかるように、プレート部材４６には、断面が非円形の複数の第１の流孔５０と、断面が実質的に円形の複数の第２の流孔５４とが形成されている。プレート部材４６はさらに、ほぼ中央に形成した計装案内孔５８と、分散位置に形成した複数のシンブル管装着孔６２とを有する。

図３及び５からわかるように、第１の流孔５０はほぼ長円形、さらに詳しくは、ほぼ卵形であり、これは、断面形状が半円形の端部が真直ぐな側部で連結されていることを意味する。卵形は「並進円」とも呼ぶことも可能であるが、これは円が第１の点とその第１の点からシフトした第２の点との間を並進する際に円が占有する空間を意味する。しかしながら、第１の流孔５０は、本発明の思想から逸脱することなく、楕円形または他の弓形もしくは多角形のような他の細長い断面形状でよいことがわかるであろう。

計装案内孔５８は、公知の態様で計装管２４を下部ノズル１２上に取り付けるために設けられている。同様に、シンブル管装着孔６２は、シンブル管１８を公知の態様で下部ノズル１２に取り付けるために設けられている。計装案内孔５８及びシンブル管装着孔６２についてはさらに説明しない。

図３は、グリッド２０の一部及び多数の燃料棒２２を有するプレート部材４６の拡大部分を示すが、下部プラグ３０がプレート部材４６の上方にある。図４は図３の構成を一般的に立面図で示したものである。燃料集合体１０の最下方のグリッド２０を通常、保護グリッド６６と呼ぶが、本発明によると、保護グリッド６６は第１の流孔５０及び第２の流孔５４と協働して、所与のサイズより大きい破片が燃料集合体１０に侵入しないようにする。図示を簡略にするため、保護グリッド６６は図１に示されていないことに注意されたい。

図３から最もよくわかるように、保護グリッド６６は、複数の第１のストラップ７０と、複数の第２のストラップ７４とより成る。第１のストラップ７０は細長く幅の狭いシート状材料であり、これらは互いに実質的に平行に整列している。同様に、同じ構成の第２のストラップ７４は互いに実質的に平行に整列している。第１のストラップ７０と第２のストラップ７４とは、それらの間に複数のセル７６が画定されるようにグリッドまたは格子パターンに互いに連結されている。燃料棒２２はセル７６内に配置され、公知の態様で第１及び第２のストラップ７０、７４上に形成されたばね８０及びディンプル８４によりその内部に保持される。

プレート部材４６は、互いに反対側にあるほぼ平らな第１の表面７８及び第２の表面８２を有する。図４から最もよくわかるように、第１の表面７８は保護グリッド６６に隣接している。関連分野において公知のように、液状減速／冷却材は図４に関して垂直方向に流れるが、これは冷却材が第２の表面８２から第１及び第２の流孔５０、５４を経て第１の表面７８を通過することを意味する。

図３及び５から最もよくわかるように、第１の流孔５０の断面はそれぞれ長軸８６及び短軸９０を有し、長軸１６は短軸９０よりも長い。下部ノズル１２のこの実施例において、第１の流孔５０の長軸８６及び短軸９０は互いに実質的に垂直であるが、第１の流孔５０をかかる垂直関係が存在しない他の構成にしてよいことがわかるであろう。

添付図面には、第１の流孔５０を全て同一サイズ及び形状であるとして、また、第２の流孔５４を全て同一サイズ及び形状として示すが、特定の用途の特定のニーズに応じて、第１の流孔５０を単一のプレート部材４６上で種々のサイズ及び形状にし、また、第２の流孔５４のサイズ及び形状を同様に変更できることがわかるであろう。

図５からわかるように、第２の流孔５４の断面は直径９４を有する。第１の流孔５０の短軸９０は第２の流孔５４の直径９４に実質的に等しく、通常は約０．４４５−０．５７２ｃｍ（０．１７５−０．２２５インチ）の範囲である。長軸８６は約０．６３５−０．７６２ｃｍ（０．２５０−０．３００インチ）の範囲内のサイズである。しかしながら、特定の用途の特定のニーズに応じて、長軸８６と短軸９０との間及び第１の流孔５０と第２の流孔５４との間の寸法関係を異なるものにしてもよいことがわかるであろう。

図３からわかるように、プレート部材４６上の第１の流孔５０の配置は、短軸９０が全て第１のストラップ７０のうちの１つまたは第２のストラップ７４のうちの１つと重合関係になるようなものである。この文脈において、「重合関係」とは、短軸９０が第１のストラップ７０または第２のストラップ７４と整列するかまたはその直下にある関係をいう。しかしながら、短軸９０でなくて、または短軸と共に、一部または全ての長軸８６が第１のストラップ７０及び／または第２のストラップ７４と重合関係となるように、第１の流孔５０をプレート部材４６上に配置してもよいことがわかるであろう。また、第１の流孔５０が第１及び第２のストラップ７０、７４と他の空間的関係をもつようにしてもよい。

図３からわかるように、第１及び第２のストラップ７０、７４は第１の流孔５０をそれぞれその短軸９０に沿って二分する。上述したように、保護グリッド６６の第１及び第２のストラップ７０、７４は第１及び第２の流孔５０、５４と協働して所与サイズの破片が燃料集合体１０内に侵入しないようにする。かくして、第１の流孔５０を通過して燃料集合体１０に侵入できる破片の最大断面サイズは、第１及び第２のストラップ７０、７４により短軸９０に沿って二分される第１の流孔５０の分割部分を通過できる破片のサイズであることがわかる。

図５からわかるように、第２の流孔５４はそれぞれ断面中心９８を有する。図３に示す下部ノズル１２の実施例では、断面中心９８はそれぞれ１つの第１のストラップ７０と１つの第２のストラップ７４の交差部１００と軸方向整列関係にある。従って、図３から、下部ノズル１２の実施例では、第２の流孔５４はそれぞれ第１のストラップ７０及び第２のストラップ７４により四分されることがわかる。換言すれば、第２の流孔５４の断面中心９８は、交差部１００と重合関係にある。しかしながら、上記からわかるように、プレート部材４６上の第２の流孔５４の配置を、第２の流孔５４が、特定の用途の特定のニーズに応じて、第１及び第２のストラップ７０、７４により単に二分されるか、またはそれと重合関係となるか、もしくは重合関係にならないような種々の態様にすることができる。図３に示す実施例において、保護グリッド６６との協働により第２の流孔５４を通過できる粒子の最大断面直径は、第２の流孔５４の１つの４分の１部分を流れることのできる直径である。大きい破片は二分された第１の流孔５０なら通過できるであろうが、そのように大きな破片でも第１の流孔５０にとっては依然として十分に大きくないため燃料集合体１０内に溜まることがないように第１の流孔５０を構成するのが好ましい。

以上から、第１及び第２の流孔５０、５４は、それらと第１および第２のストラップ７０、７４との間に他の関係が存在するようにプレート部材４６上に配置できることもわかる。例えば、第１の流孔５０の断面中心がそれぞれ交差部の１つと重合関係となるようにしてもよい。同様に、第２の流孔５４を第１及び第２のストラップ７０、７４により二分するようにしてもよい。このように、他の多数の構成がプレート部材４６について可能であることがわかる。

図４から最もよくわかるように、第１の流孔５０にはそれぞれ第２の表面８２に隣接して面取り部１０２が形成されているため、第１の流孔５０を流れる液状減速／冷却材の圧力降下がさらに減少する。特に図示しないが、第２の流孔５４にも同様に第２の表面８２に隣接して面取り部が形成される。本発明の思想から逸脱することなく、特定の用途の特定のニーズに応じて、第１及び第２の流孔５０、５４の１つまたはそれ以上に面取り部を設けない構成にしてもよい。

添付図面からわかるように、プレート部材４６は第１の流孔５０同士の間に複数の支持結合部１０６を有する。詳述すると、各支持結合部１０６は、第１の流孔５０（他の実施例では、及び／または第２の流孔５４）をプレート部材４６に形成した後に残るプレート部材４６の材料部である。図３に示す実施例では、支持結合部１０６はそれぞれ、４つの第１の流孔５０より成る集合の間を延びる。

さらに、各支持結合部１０６はプレート部材４６の第１の表面７８上に画定される中心点１１０を有することがわかる。図３に示すプレート部材４６の実施例では、各支持結合部１０６を取り囲む第１の流孔５０の長軸８６は中心点１１０と整列し、中心点１１０から半径方向外方に延びる。再び、第１及び第２の流孔５０、５４の配置によるが、支持結合部１０６は第１の流孔５０の長軸８６及び短軸９０に関して異なる配置にすることができる。

図３及び４からわかるように、支持結合部１０６はそれぞれ第１の表面７８上に画定される支持表面１１４を提供するが、原子炉４の長期使用後に時として起こるように、燃料棒２２がセル７６内のばね８０及びディンプル８４の緩みによりそれらから離脱すると、その表面上に燃料棒２２の下方端部プラグ３０が載ることがある。この点について、支持結合部１０６の中心点１１０は燃料棒２０及び下方端部プラグ３０と重合関係にあるが、これはそれらが互いに軸方向整列関係にあるかまたはその上にあることを意味する。

この点について、第１の流孔５０の長軸９０の全てが互いに整列関係にあるわけではないことがわかる。しかしながら、第１の群の第１の流孔５０の長軸８６は互いに整列し、第２の群の第１の流孔５０の長軸８６は互いに整列関係にある。詳述すると、第１の群の第１の流孔５０の長軸８６は第２の群の第１の流孔５０の長軸８６と実質的に垂直であるが、本発明の思想から逸脱することなく第１の流孔５０には他の関係の存在が可能であることがわかるであろう。下部ノズル２０の他の実施例では、長軸８６が互いに他の関係を有するようにしてもよい。

第１及び第２の流孔５０、５４と第１及び第２のストラップ７０、７４との協働により、燃料集合体１０を介する液状減速／冷却材の流れ分布が平衡になるという有意な効果も得られる。詳述すると、細長くて丸い第１及び第２の流孔５４の対称的配置により、燃料棒２２を通過する液状減速／冷却材の流れが均等に分布されるという有意な効果が得られる。かかる均等な流れパターンは、望ましくない不等な流れパターンの存在により燃料棒２２とグリッド２０との間に有害な接触摩耗を生ぜしめる燃料棒２２の活動及び振動の可能性を軽減する。

当該技術分野では、流れチャンネルの液圧直径は流れチャンネルの断面積を流れチャンネルの断面周長により割算したものと定義される。流れチャンネルの断面が円形であれば、その流れチャンネルの液圧直径は、定義により、流れチャンネルの公称直径に等しい。このように、第１の流孔５０の液圧直径は第２の流孔５４の液圧直径よりも大きいことがわかる。従って、第１の流孔５０を流れる液状減速／冷却材が受ける圧力降下は第２の流孔５４を流れる時よりも小さい。このように、図３に示すプレート部材４６の圧力降下は直径９４の円形孔を有するプレート部材の圧力降下よりも一般的に小さくなる。このように、プレート部材４６は破片をろ過する構造を有するだけでなく、その圧力降下は円形孔部だけが形成された他の公知の下部ノズルと比べて小さい。

本発明の特定の実施例を説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形、追加、設計変更が可能であることがわかる。

燃料セルを有する本発明の原子炉の概略的短縮前立面図である。 圧力降下が小さく破片をろ過する本発明の下部ノズルの上面図である。 図２の一部拡大図であり、保護グリッドの一部とその上の複数の燃料棒とを示す。 図３の線４−４に沿う断面図である。 第１及び第２の流孔が形成されたノズルの一部を示す拡大上面図である。

Claims (7)

1. 互いに整列する複数の第１のストラップと、互いに整列する複数の第２のストラップとを有し、第１のストラップと第２のストラップが協働して燃料棒を支持する複数のセルを画定するグリッドと、
   実質的に平らな第１の表面と、その反対側の実質的に平らな第２の表面とを有し、第１と第２の表面間を延びる複数の第１の流孔及び複数の第２の流孔が形成された破片をろ過するプレート部材とより成り、
   複数の第１の流孔の断面は長軸及び短軸を有する長円形または卵形であり、
   第１の表面はグリッドに隣接する位置にあり、
   プレート部材は流孔間に画定された複数の支持結合部を有し、
   第１の流孔は複数の支持結合部のうちの少なくとも１つが４つの第１の流孔間に画定されるように配置され、これら４つの第１の流孔の長軸は支持結合部の中心点から半径方向外方へ延び、これら４つの第１の流孔は第１または第２のストラップの直下にあり、
   第２の流孔はその少なくとも１つが第１のストラップのうちの１つと第２のストラップのうちの１つとの交差部の直下にあるようにプレート部材に配置されている原子炉の燃料集合体。
2. 第１の群の第１の流孔の長軸と第２の群の第１の流孔の長軸とは実質的に垂直である請求項１の燃料集合体。
3. 第１の流孔はそれぞれの長軸または短軸が第１または第２のストラップの直下にあるようにプレート部材に配置されている請求項１の燃料集合体。
4. 第１の群の第１の流孔は短軸が第１のストラップの直下にあるように、また第２の群の第１の流孔は短軸が第２のストラップの直下にあるようにプレート部材に配置されている請求項３の燃料集合体。
5. 第１の流孔はそれぞれ一対の弓状端部を有する請求項１の燃料集合体。
6. 複数の第１の流孔及び複数の第２の流孔のうちの少なくとも一部は第２の表面に隣接する面取り部を有する請求項１の燃料集合体。
7. 互いに整列する複数の第１のストラップと、互いに整列する複数の第２のストラップとを有するグリッドと、複数の燃料棒とを備え、第１のストラップと、第２のストラップが協働して燃料棒を支持する複数のセルを画定する原子炉燃料集合体用の破片をろ過する下部ノズルであって、
   ノズルはグリッドに隣接する実質的に平らな第１の表面と、その反対側の実質的に平らな第２の表面とを有するプレート部材を備え、
   プレート部材には第１と第２の表面間を延びる複数の第１の流孔及び複数の第２の流孔が形成され、
   複数の第１の流孔は断面が長軸及び短軸を有する長円形または卵形であり、
   プレート部材は流孔間に画定された複数の支持結合部を有し、
   第１の流孔は複数の支持結合部のうちの少なくとも１つが４つの第１の流孔間に画定されるように配置され、これら４つの第１の流孔の長軸は支持結合部の中心点から半径方向外方へ延び、これら４つの第１の流孔は第１または第２のストラップの直下にあり、
   第２の流孔はその少なくとも１つが第１のストラップのうちの１つと第２のストラップのうちの１つとの交差部の直下にあるようにプレート部材に配置されている下部ノズル。

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