JP7440385B2 - 燃料集合体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料集合体に関する。

燃料集合体は、燃料交換の作業性を損なうことなく、上方向の変位を抑制する機構を備える必要がある。こうした技術分野における背景技術として、特開２００７－１７１０２０号公報（特許文献１）や特開平５－１５００７６号公報（特許文献２）がある。

特許文献１には、地震時の燃料集合体の上下方向の変位を抑制するため、四角筒状のチャンネルボックスに複数の燃料棒を備え、燃料棒の上部に取っ手付きの上部タイプレートを備え、上部を上部格子板によって水平方向に支持する燃料集合体において、上部タイプレートに固定される直動ガイドと、直動ガイドによってガイドされ、水平方向に移動する係止スライダと、係止スライダを上部格子板に設置する係止孔に対して抜き差しするスライダ移動機構と、を備える燃料集合体が記載されている（要約参照）。

また、特許文献２には、地震などによる炉心構成要素の浮き上がりを抑制するため、炉心構成要素のエントランスノズルに押込機構を設置すると共に、その位置に対応する連結管の内壁に、溝を形成する。そして、高温流体により、押込機構のバイメタルを伸縮させ、回転筒を回転させ、スライド軸の先端を溝に押し付ける炉心構成要素が記載されている（要約参照）。

特開２００７－１７１０２０号公報 特開平５－１５００７６号公報

特許文献１には、地震時の燃料集合体の上下方向の変位を抑制するため、上部タイプレートに浮き上がり防止部材を設置する燃料集合体が記載され、また、特許文献２には、地震などによる炉心構成要素（燃料集合体）の浮き上がりを抑制するため、エントランスノズルに押込機構（浮き上がり防止部材）を設置する燃料集合体が記載されている。

しかし、特許文献１や特許文献２には、通常運転時において、例えば、低減速スペクトル沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体の浮き上がりを抑制する、つまり、燃料集合体の上方向の変位を抑制する燃料集合体は記載されていない。

そこで、本発明は、通常運転時において、例えば、低減速スペクトル沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体の浮き上がりを抑制する機構を有する、つまり、燃料集合体の上方向の変位を抑制する機構を有する燃料集合体を提供する。

上記した課題を解決するため、本発明の燃料集合体は、その上部が上部格子板で支持され、四角筒状のチャンネルボックスと、チャンネルボックスに設置される燃料棒と、燃料棒を支持するスペーサと、スペーサを固定するタイロッドと、タイロッドの上部を固定する上部タイプレートと、を有し、チャンネルボックスの内側で、燃料棒よりも上方で、上部タイプレートよりも下方で、タイロッドに固定され、その浮き上がりを抑制する浮き上がり防止部材を有することを特徴とする。

本発明によれば、通常運転時において、例えば、低減速スペクトル沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体の浮き上がりを抑制する機構を有する、つまり、燃料集合体の上方向の変位を抑制する機構を有する燃料集合体を提供することができる。

なお、上記した以外の課題、構成及び効果については、下記する実施例の説明により、明らかにされる。

実施例１に記載する沸騰水型原子炉１００の概略構成を説明する説明図である。 実施例１に記載する燃料集合体１２０の概略構成を説明する説明図（縦断面図）である。 実施例１に記載する燃料集合体１２０の概略構成を説明する説明図（平面図）である。 実施例１に記載する下部タイプレート１２３と燃料支持金具１２６との関係を説明する説明図である。 実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０を説明する説明図である。 実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を説明する説明図（図５のＡ－Ａ矢視図）である。 実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を説明する説明図（図５のＢ－Ｂ矢視図）である。 実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を拡大して説明する説明図（図５のＣ部分の拡大図）である。 実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０を説明する説明図（円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合）である。 実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を説明する説明図（図９のＤ－Ｄ矢視図）（円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合）である。 実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を拡大して説明する説明図（図９のＥ部分の拡大図）（円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合）である。 実施例２に記載する円柱状の伸縮材２の先端部を説明する説明図（鳥瞰図）である。 実施例２に記載する浮き上がり防止部材１を拡大して説明する説明図（円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合）である。 実施例３に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０を説明する説明図である。

以下、本発明の実施例を、図面を使用して説明する。なお、実質的に同一又は類似の構成には、同一の符号を付し、説明が重複する場合には、その説明を省略する場合がある。

先ず、実施例１に記載する沸騰水型原子炉１００の概略構成を説明する。

図１は、実施例１に記載する沸騰水型原子炉１００の概略構成を説明する説明図である。

実施例１において、沸騰水型原子炉には、冷却材として冷却水を使用し、再循環ポンプで冷却水を、原子炉圧力容器外へ流出させ、再び、原子炉圧力容器内へ流入させることによって、冷却水を循環させる沸騰水型原子炉(Boiling Water Reactor:ＢＷＲ)、インターナルポンプを有し、冷却水を原子炉圧力容器の内部で循環させる改良型沸騰水型原子炉(Advanced Boiling Water Reactor:ＡＢＷＲ)、ＡＢＷＲにおけるインターナルポンプを使用しない、高経済性単純化沸騰水型原子炉(Economic Simplified Boiling Water Reactor:ＥＳＢＷＲ)などを含む。

特に、実施例１に記載する沸騰水型原子炉１００は、特に、有効長が長尺燃料の半分である燃料棒が設置される燃料集合体を炉心に装荷する低減速スペクトル沸騰水型原子炉である。であり、
沸騰水型原子炉１００は、炉心に装荷される燃料集合体の燃料棒を、四角筒状（水平断面が正方形状の筒状）のチャンネルボックスに、三角格子状（水平断面が正三角形の格子状）に、稠密に設置し、通常運転中に、四角筒状のチャンネルボックスでボイドを発生させることにより、中性子スペクトルを硬化させ、水対燃料体積比を低減し、核***プルトニウム転換比を向上させる。なお、燃料棒を、四角筒状のチャンネルボックスに、正方形状に稠密に設置する燃料集合体も含む。

沸騰水型原子炉１００は、以下の構成を有する。
・円筒状の原子炉圧力容器１０１、
・原子炉圧力容器１０１の内部に設置される円筒状の炉心シュラウド１０２、
・炉心シュラウド１０２の内部に設置され、複数の燃料集合体を正方格子状に装荷する炉心１０３、
・原子炉圧力容器１０１の内部に設置され、炉心１０３を覆うシュラウドヘッド１０４、
・シュラウドヘッド１０４の上部に設置され、上方へと延伸する気水分離器１０５、
・気水分離器１０５の上方に設置される蒸気乾燥器１０６、
・炉心シュラウド１０２の内部に設置され、シュラウドヘッド１０４の下方で、炉心シュラウド１０２に取り付けられ、炉心１０３の上端部に位置する上部格子板１２９、
・炉心シュラウド１０２の内部に設置され、シュラウドヘッド１０４の下方で、炉心シュラウド１０２に取り付けられ、炉心１０３の下端部に位置する炉心支持板１３１、
・炉心支持板１０８に設置される複数の燃料支持金具１２６、
・原子炉圧力容器１０１の内部に設置され、燃料集合体の核反応を制御するため、炉心１０３に水平断面が十字状の制御棒(十字型制御棒)を挿入可能とする複数の制御棒案内管１１０、
・原子炉圧力容器１０１の底部よりも下方に設置される制御棒駆動機構ハウジング（図示せず）の内部に設置され、制御棒と連結する制御棒駆動機構１１１、
・原子炉圧力容器１０１の底部で、その下方から原子炉圧力容器１０１の内部へ貫通するように設置される複数のインターナルポンプ１１３。

そして、複数のインターナルポンプ１１３は、複数の制御棒案内管１１０の最外周よりも外側で、環状に相互に所定の間隔を形成して、設置され、インターナルポンプ１１３のインペラ１１７は、円筒状の炉心シュラウド１０２の外面と円筒状の原子炉圧力容器１０１の内面との間に形成される環状のダウンカマ１１４に向けられて、設置される。

なお、原子炉圧力容器１０１の内部の冷却水１１８は、インターナルポンプ１１３のインペラ１１７により、原子炉圧力容器１０１の底部側から、炉心１０３の内部に流入する。

炉心１０３の内部に流入する冷却水１１８は、燃料集合体の核反応により加熱され、気液二相流となり、気水分離器１０５に流入する。気水分離器１０５に流入する気液二相流は、湿分を含む蒸気（気相）と水（液相）とに分離される。

水（液相）は、再び、冷却水１１８としてダウンカマ１１４に降下する。一方、蒸気（気相）は、蒸気乾燥器１０６に流入し、湿分が除去され、主蒸気配管１１５を介して、タービン（図示せず）に供給される。タービンに供給される蒸気は、復水器（図示せず）で水に戻され、この水は、給水配管１１６を介して、原子炉圧力容器１０１の内部に流入する。原子炉圧力容器１０１の内部に流入する水は、冷却水１１８としてダウンカマ１１４に
降下する。

このように、インターナルポンプ１１３は、燃料集合体の核反応により発生する熱を、効率良く冷却するため、冷却水１１８を、原子炉圧力容器１０１の底部側から、炉心１０３の内部に強制的に供給し、冷却水１１８を原子炉圧力容器１０１の内部で循環する。

つまり、冷却水１１８は、原子炉圧力容器１０１の底部側から、つまり、燃料集合体の下部から上部に向かって、炉心１０３の内部に、流入する。

次に、実施例１に記載する燃料集合体１２０の概略構成を説明する。

図２は、実施例１に記載する燃料集合体１２０の概略構成を説明する説明図（縦断面図）である。

図３は、実施例１に記載する燃料集合体１２０の概略構成を説明する説明図（平面図）である。

燃料集合体１２０は、炉心１０３に、複数体が装荷され、正方格子状に装荷される。

燃料集合体１２０は、四角筒状のチャンネルボックス１２５、チャンネルボックス１２５に三角格子状に稠密に設置される燃料棒１２１、縦方向に複数個が設置され、燃料棒１２１を支持するスペーサ１２２、スペーサ１２２を固定するタイロッド１３４、タイロッド１３４の上部を固定し、ハンドル１３０が設置される上部タイプレート１２４、燃料棒１２１の下部及びタイロッド１３４の下部を固定する下部タイプレート１２３、を有する。

なお、燃料棒１２１は、スペーサ１２２によって、水平方向に一定間隔で設置される。スペーサ１２２は、燃料集合体１２０の４つの角周辺に設置されるタイロッド１３４に垂直方向に所定の間隔で固定される。

そして、燃料集合体１２０は、その上部が上部格子板１２９で支持され、その下部が燃料支持金具１２６で支持される。

また、上部格子板１２９の１つの格子には、４つの燃料集合体１２０が設置される。４つの燃料集合体１２０のそれぞれの間には、十字型制御棒１３２が上下方向に移動するための移動空間が形成され、この移動空間は、チャンネルボックス１２５に設置されるチャンネルスペーサ１３３によって、形成される。

なお、上部格子板１２９は、燃料集合体１２０を炉心１０３に装荷する際の、案内と位置決めの役割を有すると共に、沸騰水型原子炉１００の通常運転時には、燃料集合体１２０の上部を横方向から支持する。

また、燃料支持金具１２６には、下部タイプレート１２３の下部（燃料集合体１２０の下部）を嵌め込む上部開口部１２７が形成され、４つの上部開口部１２７のそれぞれの間には、十字型制御棒１３２が上下方向に移動するための制御棒移動用開口部１２８が形成される。

次に、実施例１に記載する下部タイプレート１２３と燃料支持金具１２６との関係を説明する。

図４は、実施例１に記載する下部タイプレート１２３と燃料支持金具１２６との関係を説明する説明図である。

下部タイプレート１２３の下部は、燃料支持金具１２６に形成される上部開口部１２７に、嵌め込まれ、下部タイプレート１２３の下部は、燃料支持金具１２６に支持される。この際、下部タイプレート１２３の下部が燃料支持金具１２６に嵌め込まれる長さ（嵌め込み長さ）は「Ｈ」である。

沸騰水型原子炉１００は、燃料集合体１２０に設置される燃料棒１２１の本数を増加させるため、燃料棒１２１が、四角筒状のチャンネルボックス１２５に、三角格子状に、稠密に設置される。

また、沸騰水型原子炉１００は、燃料集合体１２０に設置される燃料棒１２１の本数を増加させるため、燃料棒１２１の径を細くし、燃料棒１２１を稠密に設置してもよい。

また、燃料棒１２１の長さは、図２に示すように、短い（タイロッド１３４の半分、つまり、有効長が長尺燃料の半分である）。このため、燃料集合体１２０の重さ（重量）が軽くなる。

沸騰水型原子炉１００の通常運転時には、燃料集合体１２０には、下部から上部に向かって冷却水１１８が流入する。沸騰水型原子炉１００は、燃料棒１２１が稠密に設置されるため、燃料棒１２１と燃料棒１２１との隙間が小さくなり、圧力損失が大きくなる。

このため、沸騰水型原子炉１００は、冷却水１１８の流れによって発生し、圧力損失に基づく、燃料集合体１２０の流体力が大きくなる恐れがある。つまり、沸騰水型原子炉１００は、流体力、浮力、重さに基づく、燃料集合体１２０の浮き上がり力が大きくなる恐れがある。

そして、この浮き上がり力が大きくなることによって、下部タイプレート１２３の下部が、燃料支持金具１２６から外れる恐れがある。つまり、嵌め込み長さＨよりも、燃料集合体１２０の浮き上がり長さが大きくなる恐れがある。

このため、沸騰水型原子炉１００の通常運転時において、下部タイプレート１２３の下部の燃料支持金具１２６に対する支持状態を保持し、燃料集合体１２０の浮き上がりを抑制する必要がある。

次に、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０を説明する。

図５は、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０を説明する説明図である。

実施例１に記載する燃料集合体１２０は、浮き上がり防止部材１を有する。そして、燃料集合体１２０は、チャンネルボックス１２５、燃料棒１２１、スペーサ１２２、タイロッド１３４、ハンドル１３０、上部タイプレート１２４、を有する。また、燃料集合体１２０は、その上部が上部格子板１２９で支持される。更に、チャンネルボックス１２５には、チャンネルスペーサ１３３が設置される。

また、タイロッド１３４は、上部タイプレート１２４に、ナット１３５によって、固定される。つまり、タイロッド１３４は、浮き上がり防止部材１に形成されるタイロッド挿入用の貫通孔、及び、上部タイプレート１２４に形成されるタイロッド挿入用の貫通孔に、挿入され、上部タイプレート１２４の上面から、ナット１３５によって、固定される。

浮き上がり防止部材１は、チャンネルボックス１２５の内側であって、その長さがタイロッド１３４の半分である燃料棒１２１よりも上方であって、上部タイプレート１２４よりも下方であって、タイロッド１３４に設置される。

そして、浮き上がり防止部材１は、チャンネルボックス１２５の内側に設置され、タイロッド１３４に固定される浮き上がり防止部材本体（以下、防止部材本体）１Ａ、水平方向に伸長（熱伸び）する円柱状（多角柱であってもよい）の伸縮材２、伸縮材２を防止部材本体１Ａに固定する固定部材３（以下、固定治具３と称する）を有する。

なお、燃料棒１２１が長い場合には、浮き上がり防止部材１は、燃料棒１２１と干渉しない位置に設置する。

なお、円柱状の伸縮材２の上部（円柱状の伸縮材２の外周部分であって、最も上方に位置する部分：円柱状の伸縮材２の先端部の最も上方の高さ位置）は、上部格子板１２９の下端部（円柱状の伸縮材２の先端部の上方向への動きを抑制する上部格子板１２９の下面の高さ位置）よりも、下方の位置に伸長するように、設置される。

そして、円柱状の伸縮材２は、チャンネルボックス１２５よりも、冷却水１１８の温度変化（温度上昇）に対して、上部格子板１２９の下端部に接する位置まで、熱伸びする。

また、防止部材本体１Ａは、燃料集合体１２０の上下方向中心軸に対して、垂直に設置され、円柱状の伸縮材２は、燃料集合体１２０の上下方向中心軸に対して、垂直方向に伸長する。

次に、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を説明する。

図６は、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を説明する説明図（図５のＡ－Ａ矢視図）である。

図７は、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を説明する説明図（図５のＢ－Ｂ矢視図）である。

浮き上がり防止部材１は、チャンネルボックス１２５の内側に設置され、防止部材本体１Ａ、円柱状の伸縮材２、固定治具３を有する。

防止部材本体１Ａは、チャンネルボックス１２５の内側面に沿うように、正方形状（四角筒状）に形成され、その４つの角周辺には、タイロッド１３４が貫通する貫通孔が形成される。なお、防止部材本体１Ａは、溶接によってタイロッド１３４に固定される。

なお、実施例１では、タイロッド１３４を燃料集合体１２０の４つの角周辺に設置し、このタイロッド１３４の設置位置に対応する、防止部材本体１Ａの４つの角周辺に、タイロッド１３４が貫通する貫通孔を形成し、タイロッド１３４に防止部材本体１Ａを設置する。

つまり、燃料集合体１２０の４つの角周辺以外であっても、タイロッド１３４の設置位置に対応して、防止部材本体１Ａに、タイロッド１３４が貫通する貫通孔を形成し、タイロッド１３４に防止部材本体１Ａを設置すればよい。なお、タイロッド１３４は、燃料棒１２１の機能を兼ね備えてもよい。

なお、上部格子板１２９は、チャンネルボックス１２５の２面（図６では、下側と右側）に設置される。上部格子板１２９の１つの格子に、４つの燃料集合体１２０が設置されるため、１つの燃料集合体１２０に対応する１つチャンネルボックス１２５は、２面で、上部格子板１２９と接することになる。

また、チャンネルボックス１２５と上部格子板１２９とが接する面において、チャンネルボックス１２５と上部格子板１２９との間には、隙間がなく、チャンネルボックス１２５と上部格子板１２９とは密着して形成される。

これは、十字型制御棒１３２の移動空間を確保するため、チャンネルボックス１２５の上部の１つの角部に設置するスプリング（図示せず）によって、チャンネルボックス１２５を、上部格子板１２９と接する方向（図６では、下側と右側）へ、押し付けて支持するためである。

また、防止部材本体１Ａには、円柱状の伸縮材２が設置される浮き上がり防止部材貫通孔（以下、防止部材貫通孔）４が形成され、チャンネルボックス１２５には、円柱状の伸縮材２が設置されるチャンネルボックス貫通孔５が形成される。

円柱状の伸縮材２は、防止部材本体１Ａに形成される防止部材貫通孔４及びチャンネルボックス１２５に形成されるチャンネルボックス貫通孔５に設置され、伸縮材２の一端は、固定治具３を介して、防止部材本体１Ａに固定され、伸縮材２の他端は、チャンネルボックス１２５の外側に向かって、伸長する。

そして、円柱状の伸縮材２及び固定治具３は、チャンネルボックス１２５と上部格子板１２９とが接する２面の防止部材本体１Ａに設置される。つまり、円柱状の伸縮材２及び固定治具３は、上部格子板１２９に接するチャンネルボックス１２５の面の防止部材本体１Ａに設置される。

また、円柱状の伸縮材２及び固定治具３は、チャンネルボックス１２５と上部格子板１２９とが接する２面の防止部材本体１Ａに設置されるため、図３においては、円柱状の伸縮材２及び固定治具３は、左上の燃料集合体１２０では、上側と左側に、右上の燃料集合体１２０では、上側と右側に、左下の燃料集合体１２０では、下側と左側に、右下の燃料集合体１２０では、下側と右側に、設置される。

つまり、円柱状の伸縮材２及び固定治具３は、上部格子板１２９に接するチャンネルボックス１２５の面の防止部材本体１Ａに設置される。

また、円柱状の伸縮材２及び固定治具３は、チャンネルボックス１２５と上部格子板１２９とが接する１面に、１個又は複数個が設置されることが好ましい。なお、実施例１では、円柱状の伸縮材２及び固定治具３は、１面に６個が設置される。これにより、強度を向上させ、安定して、燃料集合体１２０の浮き上がりを抑制することができる。

なお、実施例１では、１面に複数個の円柱状の伸縮材２及び固定治具３が設置されるが、１面に１個の横長の円柱状の伸縮材２及び固定治具３を設置してもよい。この場合、横長の防止部材貫通孔４やチャンネルボックス貫通孔５を形成する必要がある。

また、実施例１では、複数個の円柱状の伸縮材２及び固定治具３に対応して、同数個の防止部材貫通孔４やチャンネルボックス貫通孔５を形成するが、複数個の円柱状の伸縮材２及び固定治具３に対応する、１個の横長の防止部材貫通孔４やチャンネルボックス貫通孔５を形成してもよい。

また、沸騰水型原子炉１００の通常運転時における冷却水１１８の温度に対して、円柱状の伸縮材２の材質は、チャンネルボックス１２５の材質よりも、熱伸びする。

次に、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を拡大して説明する。

図８は、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を拡大して説明する説明図（図５のＣ部分の拡大図）である。

沸騰水型原子炉１００の通常運転前は、円柱状の伸縮材２の先端は、チャンネルボックス１２５の外面と同じ位置に設置される。円柱状の伸縮材２の先端は、この外面よりも若干内側の位置に設置されてもよい。

また、円柱状の伸縮材２が、チャンネルボックス１２５の外側に向かって、伸長する際に、邪魔にならないように、防止部材貫通孔４の径（断面の大きさ）やチャンネルボックス貫通孔５の径（断面の大きさ）は、円柱状の伸縮材２の径（断面の大きさ）よりも大きくする。

また、チャンネルボックス１２５と上部格子板１２９とが接する面において、チャンネルボックス１２５と上部格子板１２９との間には、隙間がない。

また、円形状（多角形状であってもよい）の固定治具３は、溶接により防止部材本体１Ａに固定される。また、伸縮材２の一端は、溶接により固定治具３に固定され、伸縮材２の他端は、チャンネルボックス１２５の外側に向かって、伸長する。

なお、円柱状の伸縮材２の上部（円柱状の伸縮材２の伸長方向に対して、垂直方向の最上部）は、上部格子板１２９の下端部よりも、下方の位置に伸長するように、設置される。そして、円柱状の伸縮材２の上部と上部格子板１２９の下端部との距離を、嵌め込み長さＨよりも小さくする。

下部タイプレート１２３の下部は、嵌め込み長さＨで、燃料支持金具１２６に嵌め込まれているため、円柱状の伸縮材２の上部と上部格子板１２９の下端部との距離を、嵌め込み長さＨよりも小さくすることにより、下部タイプレート１２３の下部が、燃料支持金具１２６から外れることはなく、下部タイプレート１２３の下部の燃料支持金具１２６に対する支持状態を保持することができる。

また、沸騰水型原子炉１００の通常運転時における冷却水１１８の温度に対して、円柱状の伸縮材２の材質は、チャンネルボックス１２５の材質よりも長く、上部格子板１２９に向かって、熱伸びする。

つまり、円柱状の伸縮材２とチャンネルボックス１２５とは、いずれも上部格子板１２９に向かって、同方向に熱伸びするが、円柱状の伸縮材２は、チャンネルボックス１２５よりも長く、上部格子板１２９に向かって、熱伸びする。

例えば、５０～６０ｍｍの長さであって、その材質が、ステンレス合金鋼（例えば、ＳＵＳ３０４）やマグネシウム合金鋼などの円柱状の伸縮材２を使用し、３ｍｍ程度の厚さであって、その材質が、ジルカロイ－２（ジルコニウム合金、例えば、ジルコニウムと、錫、鉄、ニッケル、クロムなどと、からなる合金）のチャンネルボックス１２５を使用する。

この場合、沸騰水型原子炉１００の通常運転時における冷却水１１８の温度（約２９０℃）に対して、円柱状の伸縮材２は、チャンネルボックス１２５よりも、約２倍、０．２～０．４ｍｍ程度長く、上部格子板１２９に向かって、熱伸びする。

なお、沸騰水型原子炉１００の通常運転時において、円柱状の伸縮材２が伸長する限界長さは、上部格子板１２９の厚さの半分以下とする。例えば、１５ｍｍの厚さの上部格子板１２９を使用する場合には、この限界長さを、６～７ｍｍとする。これにより、上部格子板１２９を介して隣接する燃料集合体１２０間で干渉することがない。

このように、実施例１に記載する燃料集合体１２０は、低減速スペクトル沸騰水型原子炉に装荷され、その上部が上部格子板１２９で支持され、四角筒状のチャンネルボックス１２５と、チャンネルボックス１２５に設置される燃料棒１２１と、燃料棒１２１を支持するスペーサ１２２と、スペーサ１２２を固定するタイロッド１３４と、タイロッド１３４の上部を固定する上部タイプレート１２４と、チャンネルボックス１２５の内側で、燃料棒１２１よりも上方で、上部タイプレート１２４よりも下方で、タイロッド１３４に固定され、燃料集合体１２０の浮き上がりを抑制する浮き上がり防止部材１を有する。

そして、浮き上がり防止部材１は、チャンネルボックス１２５の内側に設置され、タイロッド１３４に固定される防止部材本体１Ａと、上部格子板１２９の下端部に接する位置まで、水平方向に伸長する円柱状の伸縮材２と、伸縮材２を防止部材本体１Ａに固定する固定治具３と、を有する。

なお、円柱状の伸縮材２の上部は、上部格子板１２９の下端部よりも、下方の位置に伸長するように、設置され、円柱状の伸縮材２は、チャンネルボックス１２５よりも、冷却水１１８の温度変化に対して、熱伸びする。また、円柱状の伸縮材２の上部と上部格子板１２９の下端部との距離を、嵌め込み長さＨよりも小さくする。また、円柱状の伸縮材２が伸長する限界長さは、上部格子板１２９の厚さの半分以下とする。

実施例１によれば、燃料集合体１２０の内部に浮き上がり防止部材１を設置し、円柱状の伸縮材２が、冷却水１１８の温度変化に対して、上部格子板１２９の下端部に接する位置まで熱伸びすることにより、伸縮材２と一体である燃料集合体１２０の上方向の変位を抑制することができ、沸騰水型原子炉１００の通常運転時における、燃料集合体１２０の浮き上がりを抑制することができる。これにより、沸騰水型原子炉１００の通常運転時において、下部タイプレート１２３の下部の燃料支持金具１２６に対する支持状態を保持することができ、燃料棒１２１の除熱性能が低下することもない。

また、浮き上がり防止部材１が、チャンネルボックス１２５の内側に設置されるため、燃料交換の作業性を損なうこともない。

また、実施例１に記載の技術は、燃料支持金具１２６の取り外し作業や取り付け作業、上部タイプレート１２４や上部格子板１２９への加工も必要なく、燃料集合体１２０の構造を変更するだけで、燃料集合体１２０の浮き上がりを抑制することができる。このため、既に設置されている沸騰水型原子炉（現行炉）にも、使用することができる。更に、現行炉に対しては、燃料交換に使用される燃料交換機（把持部を含む）を使用して、燃料交換の作業をすることができる。

また、実施例１によれば、浮き上がり防止部材１を、燃料集合体１２０に設置した状態であっても、燃料交換機を使用することができ、燃料交換の作業性を損なうことがない。

次に、円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合の、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０、及び、浮き上がり防止部材１を説明する。

図９は、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０を説明する説明図（円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合）である。

図１０は、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を説明する説明図（図９のＤ－Ｄ矢視図）（円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合）である。

図１１は、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を拡大して説明する説明図（図９のＥ部分の拡大図）（円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合）である。

沸騰水型原子炉１００の通常運転前には、冷却水１１８が循環すると共に、複数の燃料棒１２１によって、出力調整をしながら、冷却水１１８の温度が常温から高温（２９０℃～３００℃）へ上昇する。冷却水１１８の温度が上昇すると、円柱状の伸縮材２も、冷却水１１８の温度変化に対して、上部格子板１２９の下端部に接する位置まで熱伸びする。

燃料集合体１２０の上方（下流）と下方（上流）とでは、常に、上方の冷却水１１８の温度が、下方の冷却水１１８の温度よりも、高くなる。また、常に、上方の冷却水１１８の温度が上昇するタイミングが、下方の冷却水１１８の温度が上昇するタイミングよりも、早くなる。このため、浮き上がり防止部材１を、燃料棒１２１よりも上方に設置する。

つまり、浮き上がり防止部材１を、燃料棒１２１よりも上方に設置することにより、燃料集合体１２０の浮き上がりを早いタイミングで抑制することができる。また、浮き上がり防止部材１を、燃料棒１２１よりも上方に設置することにより、円柱状の伸縮材２の熱伸び量も、大きくすることができる。

なお、冷却水１１８が単相状態で流れる場合（飽和温度で流量最大時）には、その冷却水１１８の流れによって発生する燃料集合体１２０の流体力は、圧力損失が小さいため、小さく、燃料集合体１２０は浮き上がらない。

沸騰水型原子炉１００の通常運転時には、燃料集合体１２０の下方に設置される複数の燃料棒１２１によって、出力調整をしながら、冷却水１１８を沸騰させる。このため、燃料集合体１２０では、冷却水１１８は、蒸気と水との気液二相の上昇流れ（気液二相流状態）となる。

冷却水１１８が気液二相流状態で流れる場合には、その冷却水１１８の流れによって発生する燃料集合体１２０の流体力は、圧力損失が大きくなるため、大きくなり、燃料集合体１２０は浮き上がり、下部タイプレート１２３の下部が、燃料支持金具１２６から外れる恐れがある。

そこで、円柱状の伸縮材２を上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長させることにより、燃料集合体１２０の浮き上がりを抑制することができる。

なお、沸騰水型原子炉１００の通常運転時において、冷却水１１８の温度変化に対して、円柱状の伸縮材２が伸長する限界長さを、上部格子板１２９の厚さの半分以下とする、つまり、上部格子板１２９を介して隣接する燃料集合体１２０と接しない長さとする。これにより、上部格子板１２９を介して隣接する燃料集合体１２０間で干渉することがない。

次に、実施例２に記載する円柱状の伸縮材２の先端部を説明する。

図１２は、実施例２に記載する円柱状の伸縮材２の先端部を説明する説明図（鳥瞰図）である。

実施例２に記載する円柱状の伸縮材２の先端部は、実施例１に記載する円柱状の伸縮材２の先端部と比較して、先端部の形状が相違する。なお、他の部分は、実施例１と同様である。

つまり、実施例２に記載する円柱状の伸縮材２の先端部には、平坦部２Ａを有する。平坦部２Ａは、円柱状の伸縮材２の先端部が上部格子板１２９の下端部に接する側に、鉛直上向きに、形成される。

そして、円柱状の伸縮材２の上部が、平坦部２Ａとなり、平坦部２Ａが、上部格子板１２９の下端部よりも、下方の位置に伸長するように、設置される。

なお、複数個の円柱状の伸縮材２及び固定治具３が設置される場合には、全て同じ形状に形成する。

次に、円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合の、実施例２に記載する浮き上がり防止部材１を拡大して説明する。

図１３は、実施例２に記載する浮き上がり防止部材１を拡大して説明する説明図（円柱状の伸縮材２が上部格子板１２９の下端部に接する位置まで伸長した場合）である。

円柱状の伸縮材２の先端部に平坦部２Ａを形成することにより、円柱状の伸縮材２の先端部と上部格子板１２９の下端部とが接する面積が増加し、安定して、燃料集合体１２０の浮き上がりを抑制することができる。

次に、実施例３に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０を説明する。

図１４は、実施例３に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０を説明する説明図である。

実施例３に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０は、実施例１に記載する浮き上がり防止部材１を有する燃料集合体１２０と比較して、浮き上がり防止部材１の設置位置が相違する。なお、他の部分は、実施例１と同様である。

つまり、実施例３に記載する浮き上がり防止部材１は、上部タイプレート１２４と一体に形成される。実施例３に記載する燃料集合体１２０には、浮き上がり防止部材兼用上部タイプレート１Ｂが設置される。

なお、浮き上がり防止部材兼用上部タイプレート１Ｂの設置場所や浮き上がり防止部材兼用上部タイプレート１Ｂの伸縮材２の動作原理は、実施例１と同様である。

実施例１では、燃料棒１２１を水平方向に一定間隔で設置するスペーサ１２２の設置高さの位置決めをするタイロッド１３４を、上部タイプレート１２４にナット１３５を使用して、固定する。

実施例３でも、実施例１と同様に、浮き上がり防止部材兼用上部タイプレート１Ｂの４つの角周辺に、タイロッド１３４が貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔にタイロッド１３４を挿入し、タイロッド１３４を、浮き上がり防止部材兼用上部タイプレート１Ｂにナット１３５を使用して、固定する。

また、実施例３では、上部タイプレート１２４と浮き上がり防止部材１とを一体化させるため、浮き上がり防止部材兼用上部タイプレート１Ｂの設置位置が、実施例１における上部タイプレート１２４の設置位置よりも、低くなる。このため、浮き上がり防止部材兼用上部タイプレート１Ｂに設置されるハンドル１３０Ａの長さを長くする必要がある。

これにより、ハンドル１３０Ａの上部の高さ位置を、実施例１におけるハンドル１３０の上部の高さ位置と同様にすることができ、現行炉に対しては、燃料交換に使用される燃料交換機を使用して、燃料交換の作業をすることができる。

このように、実施例３によれば、浮き上がり防止部材兼用上部タイプレート１Ｂを使用することにより、物量を増加させることなく、燃料集合体１２０の浮き上がりを抑制することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために、具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を有するものに限定されるものではない。

また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成の一部に置換することもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を追加することもできる。また、各実施例の構成の一部について、それを削除し、他の構成の一部を追加し、他の構成の一部と置換することもできる。

1…浮き上がり防止部材、1A…防止部材本体、1B…浮き上がり防止部材兼用上部タイプレート、2…伸縮材、2A…平坦部、3…固定治具、4…防止部材貫通孔、5…チャンネル、ボックス貫通孔、100…沸騰水型原子炉、101…原子炉圧力容器、102…炉心シュラウド、103…炉心、104…シュラウドヘッド、105…気水分離器、106…蒸気乾燥器、110…制御棒案内管、111…制御棒駆動機構、113…インターナルポンプ、114…ダウンカマ、115…主蒸気配管、116…給水配管、117…インペラ、118…冷却水、120…燃料集合体、121…燃料棒、122…スペーサ、123…下部タイプレート、124…上部タイプレート、125…チャンネルボックス、126…燃料支持金具、127…上部開口部、128…制御棒移動用開口部、129…上部格子板、130、130A…ハンドル、131…炉心支持板、132…十字型制御棒、133…チャンネルスペーサ、134…タイロッド、135…ナット。

Claims (10)

1. その上部が上部格子板で支持され、四角筒状のチャンネルボックスと、前記チャンネルボックスに設置される燃料棒と、前記燃料棒を支持するスペーサと、前記スペーサを固定するタイロッドと、前記タイロッドの上部を固定する上部タイプレートと、を有し、
   前記チャンネルボックスの内側で、前記燃料棒よりも上方で、前記上部タイプレートよりも下方で、前記タイロッドに固定され、その浮き上がりを抑制する浮き上がり防止部材を有することを特徴とする燃料集合体。
2. 請求項１に記載する燃料集合体であって、
   前記燃料集合体は、低減速スペクトル沸騰水型原子炉に装荷されることを特徴とする燃料集合体。
3. 請求項１に記載する燃料集合体であって、
   前記浮き上がり防止部材は、前記チャンネルボックスの内側に設置され、前記タイロッドに固定される防止部材本体と、前記上部格子板の下端部に接する位置まで、水平方向に伸長する伸縮材と、前記伸縮材を防止部材本体に固定する固定部材と、を有することを特徴とする燃料集合体。
4. 請求項３に記載する燃料集合体であって、
   前記伸縮材は、前記チャンネルボックスよりも、冷却水の温度変化に対して、熱伸びすることを特徴とする燃料集合体。
5. 請求項３に記載する燃料集合体であって、
   前記伸縮材の上部は、前記上部格子板の下端部よりも、下方の位置に伸長することを特徴とする燃料集合体。
6. 請求項５に記載する燃料集合体であって、
   前記伸縮材の上部と前記上部格子板の下端部との距離を、嵌め込み長さよりも小さくすることを特徴とする燃料集合体。
7. 請求項６に記載する燃料集合体であって、
   伸縮材が伸長する限界長さは、前記上部格子板の厚さの半分以下とすることを特徴とする燃料集合体。
8. 請求項７に記載する燃料集合体であって、
   前記伸縮材は、前記チャンネルボックスと前記上部格子板とが接する面に、複数個が設置されることを特徴とする燃料集合体。
9. 請求項６に記載する燃料集合体であって、
   前記伸縮材の先端部には、平坦部を有することを特徴とする燃料集合体。
10. その上部が上部格子板で支持され、四角筒状のチャンネルボックスと、前記チャンネルボックスに設置される燃料棒と、前記燃料棒を支持するスペーサと、前記スペーサを固定するタイロッドと、前記タイロッドの上部を固定する上部タイプレートと、を有し、
    前記上部タイプレートが、前記上部タイプレートと一体に、その浮き上がりを抑制し、前記上部格子板の下端部に接する位置まで水平方向に伸長する伸縮材を有する浮き上がり防止部材が形成される浮き上がり防止部材兼用上部タイプレートであることを特徴とする燃料集合体。

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