JP5032475B2 - 加圧水形原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Description

本発明は加圧水形原子炉の燃料集合体に関する。

多くの点検結果から、加圧水形原子炉の燃料集合体がその使用期間の経過中に曲がることが知られている。その原因は、例えば熱膨張における異方性、あるいは放射線照射により誘起される燃料外被管や制御棒案内管の長さの成長にある。その曲がりは、不利な場合には、制御棒案内管の動作性を悪化させ、あるいは燃料集合体の交換に問題を生じさせる。また、炉心における所定位置での系統的曲がりのために、更には多くの場合炉心における認識できない箇所に、個々の燃料集合体の間あるいは炉心の縁に存在する燃料集合体と炉心囲いとの間における拡大された隙間あるいは狭められた隙間が生じ、その隙間は燃料・減速材・比に影響を与える。

実際に観察されたそのような曲がりあるいはたわみは図７の線図に示されている。この図において、例えば照射済みの１８×１８形燃料集合体において生ずるような曲がりｄの大きさが単位ｍｍで記され、下側燃料棒保持板から測定した燃料集合体の高さｈが単位ｍで記されている。この図から、その曲がりが主にＣ形円弧状曲がり（基礎モード）であることが理解でき、そのＣ形円弧状曲がりは、高次モードの曲がりの或る大きさまで、主としてその次の高次モードの曲がりによって重畳されＳ字状曲がりとなっている。かかる曲がりの大きさを減少するために、従来技術では、燃料集合体を機械的により強固に設計し、抑え力を低下することが試みられている。

その代わりに、国際公開第２００５／０５９９２４号パンフレットにおいて、構造的に異なって形成された周辺帯板を利用することにより、燃料集合体に作用する力に的確に影響を与え、このようにして、発生する曲がりにもかかわらず、炉心の最適設計が可能とされることが提案されている。

本発明の課題は、運転中に僅かな曲がりしか生じない燃料集合体を提供することにある。

この課題は特許請求の範囲の請求項１に記載の燃料集合体によって解決される。かかる燃料集合体の場合、長手方向に延びる複数の燃料棒が、互いに軸方向に間隔を隔てられた複数のスペーサで案内され、前記燃料集合体は、互いに区画された２つの領域、即ち、上部領域と下部領域とを含み、この２つの領域が全体として前記燃料集合体にわたって延び、かつ、前記上部領域と下部領域とが、それぞれ、前記複数のスペーサを備えており、上部領域の全てのスペーサが、軸方向に対して直角な横方向において、下部領域の全てのスペーサより小さな流れ抵抗（横流れ抵抗）を有している。

本発明は、燃料集合体の長手方向あるいは軸方向に流れる冷却水に、主に上述した燃料集合体のＣ形円弧状曲がりのために横流れ成分が発生するという観察結果に基づいている。垂線に対して直角に延びるこの横方向の流れ成分は、燃料集合体の下部領域においては、即ち、冷却水の流れ方向に見て、曲がりの大きさ、即ち、理想垂線からの変位距離が増大する領域においては、変位距離の最大値の上側の領域において弱まっている変位のために生ずる横流れ成分とは逆方向に向いている。

本発明の特に単純な有利な実施態様において、横側縁が周辺帯板によって形成されているスペーサにおいて、上部領域のスペーサの周辺帯板が、横方向に見て、下部領域のスペーサの周辺帯板より小さな面積を覆っていることによって、上部領域および下部領域におけるスペーサの異なった横流れ抵抗が引き起こされる。これは、上部領域におけるスペーサの顕著に減少された横流れ抵抗を生じさせる。

これに加えて、本発明の他の有利な実施態様において、互いに交差してかみ合わされた複数の内側帯板で構成されたスペーサにおいて、上部領域のスペーサの内側帯板が、横方向に見て、下部領域のスペーサの内側帯板より小さな面積を覆っている。この処置によって、上部領域のスペーサの「透過性」が、下部領域のスペーサの「透過性」に比べて追加的に高められる。

より小さな面積を覆うことは、基本的に、上部領域のスペーサの周辺帯板ないし内側帯板の高さが、下側領域のスペーサの周辺帯板ないし内側帯板の高さより低いことによって行える。

これに加えて、あるいはこれに代えて、上部領域のスペーサの周辺帯板および場合によっては内側帯板も、下部領域のスペーサの周辺帯板および内側帯板に設けられた開口より大きい開口を有する。しかし基本的には、上部領域の周辺帯板および場合により内側帯板だけが開口を有する実施態様も考えられる。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

図１において、軸方向あるいは長手方向４に延びる複数の燃料棒６が互いに軸方向に間隔を隔てられた複数のスペーサ８−Ｉ、８−ＩＩで案内されている加圧水形原子炉の燃料集合体２は、運転中においてＣ形円弧状曲がりの形に変形し、その曲がりは弾性変形分と使用期間の増大と共に増加する塑性変形分とが合算されたものである。燃料集合体２がボックスで取り囲まれていないため、互いに隣り合う燃料集合体間で燃料集合体２に沿って上向きに流れる冷却水Ｋは、互いに隣り合うスペーサ８−Ｉ、８−ＩＩ間で、燃料集合体２の中に流入し、冷却水の所望の水平方向の横流れ交換を可能とする。

Ｃ字の鏡面対称形に曲げられた燃料集合体２の場合、その曲げられた形状に基づいて、系統的横流れＱが生じ、その下部領域Ｉにおける横流れＱは、上部領域ＩＩで生ずる横流れＱとは逆向きになっている。下部領域Ｉで生ずる横流れは、この下部領域Ｉにおける曲がりの寸法が減少されるように作用する力を燃料集合体２に与えるが、上部領域ＩＩにおいて逆に向いた横流れＱは曲がりの増大を生じさせ、このために実際に、図７を参照して上述したＣ形円弧状曲がりにＳ状曲がりが重畳される。

それに応じて、燃料集合体２の上部領域ＩＩで生ずるこの横流れは、曲がりの大きさ従って横流れにより燃料集合体２に与えられる力が曲がりの増大と共に同様に増大するために、不安定状態を生じさせる。

そして本発明は、上部領域ＩＩに配置されたスペーサ８−ＩＩが、下部領域Ｉに存在するスペーサ８−Ｉより小さな流れ抵抗で、横流れＱに対抗する働きをすることによって、上部領域ＩＩに生ずる力の大きさ、従って不安定傾向および塑性変形の発生傾向が減少される、という考えに基づいている。換言すれば、下側スペーサ８−Ｉでは、そこの横流れにより引き起こされる力が曲がりを減少させるので横流れに対して大きな抵抗を有することが有利であり、上部領域ＩＩでは、スペーサ８−ＩＩに与えられる力が、そこでの曲がりの大きさに対する影響を十分に小さくするために、できるだけ小さくなければならない。

図１には、下部領域Ｉと上部領域ＩＩとの境界が正確には燃料集合体２の中心にない状態が示され、従って、この実施例において９個のスペーサ８−Ｉ、８−ＩＩのうちの下側の５個のスペーサ８−Ｉが下部領域Ｉに割り当てられ、残り４個のスペーサ８−ＩＩが上部領域ＩＩに割り当てられねばならない。下部領域Ｉと上部領域ＩＩとの境界は、燃料集合体形式ごとに設備特有に異なり、曲がり最大値が存在する範囲にほぼ位置する。

図２に応じて、下部領域Ｉのスペーサ８−Ｉは互いに交差してかみ合わされた複数の内側帯板１０で構成されている。スペーサ８−Ｉの縁は周辺帯板１２で形成されている。交差した内側帯板１０および周辺帯板１２によって、燃料棒６が貫通して導かれる正方形の格子目１４が形成されている。なお図には、内側帯板１０と周辺帯板１２にそれぞれ燃料集合体を支持するために配置された突起、ばね要素、並びに場合により存在するデフレクタや旋回羽根、および二重壁構造のスペーサに存在する軸方向に延びる流路は、理解を容易にする理由から示されていない。

その図から、下部領域Ｉのスペーサ８−Ｉの周辺帯板１２および内側帯板１０が閉鎖板から成り、即ち、貫通開口が存在せず、このようにして、各横方向１６、１８に見て大きな面積を覆い、高い流れ抵抗を有することが理解できる。これにより、垂直に流れる冷却水は、燃料集合体が曲がることにより周辺帯板に傾斜が生じた場合、洗流する冷却水に対してその曲がりを補償するための大きな横力を与える。

これに対して図３では、上部領域ＩＩのスペーサ８−ＩＩにおいて、内側帯板１０並びに周辺帯板１２に同じ構造高さに開口２０を設けることが計画されている。その開口２０は、横方向においてスペーサ８−ＩＩ（図２参照）に対する流れ抵抗を減少し、スペーサ８−ＩＩでも冷却水の横流れを可能とする。これにより、冷却水によってスペーサ８−ＩＩに与えられる横力が相応して減少される。

図３に示された実施例の代わりに、図４における上部領域のスペーサ８−ＩＩの減少された覆い率が、内側帯板１０ないし周辺帯板１２の高さｈ−ＩＩが減少されることによっても達成される。この減少された高さｈ−ＩＩは、図において破線で示された下部領域の大きな高さｈ−Ｉのスペーサ８−Ｉと比較して分かりやすく示されている。

図５および図６の実施例において、下部領域のスペーサ８−Ｉ並びに上部領域のスペーサ８−ＩＩは、周辺帯板１２に開口２０−Ｉないし開口２０−ＩＩを有し、この場合、上部領域のスペーサ８−ＩＩの開口２０−ＩＩの面積は、下部領域のスペーサ８−Ｉの開口２０−Ｉの面積より大きい。図５および図６に示された実施例に加えて、内側帯板１０にも開口を設けることができ、この場合も、下部領域のスペーサの内側帯板に設けられた開口が、上部領域のスペーサ８−ＩＩの内側帯板に設けられた開口より小さい。

湾曲した燃料集合体の原理的概略図。 燃料集合体の下部領域における本発明に基づくスペーサの概略部分斜視図。 燃料集合体の上部領域における本発明に基づくスペーサの概略部分斜視図。 燃料集合体の上部領域におけるスペーサの概略図。 燃料集合体の下部領域におけるスペーサの部分概略斜視図。 燃料集合体の上部領域におけるスペーサの部分概略斜視図。 曲がりｄが燃料集合体の高さｈに関して記された線図。

符号の説明

２ 燃料集合体
４ 長手方向あるいは軸方向
６ 燃料棒
８ スペーサ
１０ 内側帯板
１２ 周辺帯板
１６ 横方向
１８ 横方向
２０ 開口

Claims (7)

1. 長手方向（４）に延びる複数の燃料棒（６）が、互いに軸方向に間隔を隔てられた複数のスペーサ（８−Ｉ、８−ＩＩ）で案内されている加圧水形原子炉の燃料集合体（２）において、
   前記燃料集合体（２）は、互いに区画された２つの領域、即ち、上部領域（ＩＩ）と下部領域（Ｉ）とを含み、この２つの領域が全体として前記燃料集合体にわたって延び、かつ、前記上部領域（ＩＩ）と下部領域（Ｉ）とが、それぞれ、前記複数のスペーサを備えており、
   前記上部領域（ＩＩ）の全てのスペーサ（８−ＩＩ）が、長手方向（４）に対して直角の横方向（１６、１８）において、前記下部領域（Ｉ）の全てのスペーサ（８−Ｉ）より小さな流れ抵抗を有していることを特徴とする加圧水形原子炉の燃料集合体。
2. スペーサ（８−Ｉ、８−ＩＩ）の横側縁が周辺帯板（１２）によって形成され、上部領域（ＩＩ）のスペーサ（８−ＩＩ）の周辺帯板（１２）が、横方向（１６、１８）に見て、下部領域（Ｉ）のスペーサ（８−Ｉ）の周辺帯板（１２）より小さな面積を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
3. スペーサ（８−Ｉ、８−ＩＩ）が、互いに交差してかみ合わされた複数の内側帯板（１０）で構成され、上部領域（ＩＩ）のスペーサ（８−ＩＩ）の内側帯板（１０）が、横方向（１６、１８）に見て、下部領域（Ｉ）のスペーサ（８−Ｉ）の内側帯板（１０）より小さな面積を覆っていることを特徴とする請求項２に記載の燃料集合体。
4. 上部領域（ＩＩ）のスペーサ（８−ＩＩ）だけが開口（２０）を備えた周辺帯板（１２）を有していることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料集合体。
5. すべてのスペーサ（８−Ｉ、８−ＩＩ）が開口（２０）を備えた周辺帯板（１２）を有し、上部領域（ＩＩ）のスペーサ（８−ＩＩ）の周辺帯板（１２）の開口（２０）の総面積が、下部領域（Ｉ）のスペーサ（８−Ｉ）の周辺帯板（１２）の開口（２０）の総面積より大きいことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料集合体。
6. 上部領域（ＩＩ）のスペーサ（８−ＩＩ）だけが開口（２０）を備えた内側帯板（１０）を有していることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の燃料集合体。
7. すべてのスペーサ（８−Ｉ、８−ＩＩ）が開口（２０）を備えた内側帯板（１０）を有し、上部領域（ＩＩ）のスペーサ（８−ＩＩ）の内側帯板（１０）の開口（２０）の総面積が、下部領域（Ｉ）のスペーサ（８−Ｉ）の内側帯板（１０）の開口（２０）の総面積より大きいことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つに記載の燃料集合体。

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