JPS628091A - 核燃料集合体のフロ−チヤネル対ノズル取付け装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 背景 動力用原子炉は周知であり、例えば、１９６２年にマグ
ロ−ヒル・ブック（ＭｃＧｒａｗ−１１１１１Ｂｏｏｋ
）社によって発行されたエルワキル（Ｍ、Ｍ、１ＥＩ−
Ｗａｋｌｌ）著「ニュークリア・パワー・エンジニアリ
ング（Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ
ｉｎｇ　）　Ｊに説明されている。

例えば、イリノイ州シカゴ近くのドレスデン原子力発電
所（Ｔｈｅ　Ｄｒｅｓｄｅｎ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｏｗ
ｅｒ　５ｔａｔ１゜ｎ）で使用されているような公知の
型の動力用原子炉では、炉心が不均質型である。このよ
うな原°子炉の核燃料は長棒形で、このような燃料棒は
、例えば、米国特許第３３６５３７１号に示されている
ように核燃料として酸化ウランおよび（または）酸化プ
ルトニウムを内蔵する、ジルコニウム合金のような適当
な材料製の密閉された肢覆管からなる。幾本かのこのよ
うな燃料棒が１群として開端管状フローチャネル内に納
められ、別個に取外しうる燃料集合体または燃料束を形
成する。十分な数の燃料集合体をほぼ直円柱状のマトリ
ックスをなすように配列し、自己持続式核***が可能な
炉心を形成する。この炉心は冷却材兼中性子減速材とし
て働く流体、例えば、軽水に浸される。

周知の広く用いられている型の燃料集合体がメツオード
（Ｃ，Ｒ，Ｍｃｒｆ’ｏｒｄ　）等によって米国特許第
３６９７３７６号に示されている。このような燃料集合
体は、上側と下側の結合板の間に支持された離隔燃料棒
の配列によって形成され、これらの燃料棒は長さが数フ
ィートで、直径が２分の１インチ程度であり、数分の１
インチ相隔たっている。

米国特許第３６９７３７６号に示されるように、下側結
合板は、原子炉の炉心支持構造体の燃料集合体支持ソケ
ットと係合するテーパ付き先端片またはノズルと一体に
形成されてい゛る。先端片には複数の開口が形成され、
これらにより圧縮流体冷却材が受入れられそして上方に
向けられて燃料棒を通り過ぎる。

冷却材の流れを収容するため、燃料集合体は開端冷却材
フローチャネルによって囲まれる。フローチャネルの下
側開端は下側結合板とノズルの合体物に無拘束的に滑り
ばめするものであり、その結果、米国特許第３６９７３
７６号に述べられている冷却材漏れの制御の問題が生ず
る。

他の公知の燃料集合体の構成は、例えば、スパント（Ｓ
ｕｖａｎｔｏ　）等によって米国特許第３６９７３７５
号に示されており、この例では、下側結合板とノズルは
別々の物として形成されそしてフローチャネルの下端は
ノズルに永久に取付けられる。

この構成は、冷却材漏れの問題を解決し、また米国特許
第３６９７３７５号に述べられているような他の利点を
もたらす。

フローチャネルは通例（中性子吸収を最少にするため）
ジルコニウム合金で形成され、他方ノズルは通例ステン
レス鋼で形成される。従って、取付は方法としてフロー
チャネルをノズルに溶接することは実際的でない。、 従って、フローチャネルをノズルに取付けることは、従
来、米国特許第３６９７３７５号に図示されかつ説明さ
れているリベットまたはねじの使用によって達成された
。しかし、リベットまたはねじによるこのような取付け
はまったく十分とは言えなかった。なぜなら、部品の熱
膨張差が過大応力を生ずることになり、ひいてはリベッ
トまたはねじの破損（または少なくとも緩み）に至るか
らである。

さらに、フローチャネルを（ねじ、リベット等で）ノズ
ルに固管すると、温度変化に伴うステンレス鋼ノズルの
膨縮はジルコニウム合金フローチャネルに比べて大きい
ので、フローチャネルの下端に曲げと応力が生じうる。

従って、本発明の目的は、熱膨張差をもつ部品の応力発
生を実質的に回避するチャネル対ノズル取付は装置を提
供することである。

要約 本発明の上記および他の目的は、フローチャネルの下側
内面に固定されたテーパ付き取付はバーまたはブロック
（チャネルの材料と同様な材料、例えばジルコニウム合
金で形成されている）の形態をなすチャネル対ノズル取
付は装置によって達成される。これらの取付はバーは、
チャネルの下端が囲むノズルの外面の係合テーパ溝には
め込まれ、ノズルは異なる（例えば比較的高い）熱膨張
率をもつ材料（例えばステンレスｆＷ４）で形成される
。

取付はバーとノズルの溝との間の係合テーパの角度は、
バーと溝間のほめ合いが、室温から原子炉内の運転温度
までの温度変化に対して、チャネルの下端の曲げまたは
応力の発生なしに保たれるように選定される。

チャネルと取付はバーとノズルが温度上昇と共に膨張す
るにつれ、ノズルの比較的大きな膨張は取付はブロック
が溝内にさらに進入することによって簡単に許容され、
このような進入を許容するために取付はブロックの面と
溝の底面との間に初期間隙が設けられる。

次ぎに、本発明を添付図面によってさらに詳細に説明す
る。

説明 第１図の縦断面図に示すように、燃料集合体１１が下側
結合板１３と上側結合板１４との間に支持された複数の
細長い燃料棒１２を備える。図示してないが、通常複数
の燃料棒スペーサが下側結合板と上側結合板との間に配
置されて燃料棒１２の横方向支持に役立つ。

各燃料棒１２は核***性燃料を内蔵する細長い管からな
り、この燃料は通常ペレットの形態を□なし、下端プラ
グ１６と上端プラグ１７とによって管内に密封されてい
る。下端プラグ１６は下側結合板１３に形成された支持
空洞１８内の整合と支持のためのテーパを有するように
形成されている。

上端プラグ１７は、上側結合板１４における支持空洞２
１と整合するシャンク１９を備える。

下側結合板１３における支持空洞１８の幾つかは（例え
ば、空洞１８′のような、端縁または周辺空洞）には、
下端プラグ１６′のようなねじ付き下端プラグをもつ燃
料棒を受止めるためにねじが形成されている。このよう
な燃料棒の上端プラグのシャンク１９′は、上側結合板
１４におけるそれぞれの空洞２１を貫通するように長く
なっており、ねじ付き止めナツト２２を受けるねじが形
成されている。シャンク１９に装着されたばね２３が上
側結合板１４を燃料棒１２に対して上方に押圧する。こ
のように、下側および上側結合板と燃料棒は一体の構造
体または燃料束に形成され、上側結合板１４には燃料集
合体を取扱うための上方に突出するハンドルまたはペイ
ル２０が形成されている。

燃料集合体１１は、上端が開いた実質的に正方形断面の
薄壁管状フローチャネル２４によって囲まれている。燃
料集合体１１はフローチャネル２４に滑りばめされるの
で挿入と除去が容易である。

チャネル２４の上端には取扱い用の穴２５等を形成しう
る。

フローチャネル２４の底端は、後に詳述するように、下
側炉心支持構造体（図示せず）のソケットにはまり込む
テーパ付き先端部２６に固定されている。先端部２６の
下部（図示せず）には加圧された冷却材を受入れる開口
が形成され、この冷却材は先端部２６とフローチャネル
２４によって上方に向けられ燃料棒１２を通り過ぎる（
米国特許第３６９７３７６号参照）。

先端部２６には肩１２７が形成され、その上に下側結合
板１３がｇｔｔされて燃料集合体１１の支持に役立つ。

直立リム２８が下側結合板１３を囲みその横方向位置を
決める。

通例、フローチャネル２４はジルコニウム合金のような
低い中性子吸収断面積を有する材料で形成され、他方、
先端部２６はステンレス鋼のような耐食性鉄合金で形成
される。実際上、このような相異なる材料の溶接は不可
能である。

従来のチャネル対ノズル取付は装置には、米国特許第３
６９７３７・５号に示されているようにチャネルをねじ
またはリベットでノズルに直接取付けるものがある。こ
の構成は簡単であるが、その欠点は、フローチャネルと
ノズルの材料の相異による熱膨張差の故にねじまたはリ
ベットに緩みまたは過大応力が生じてそれらが破損する
おそれがあることである。

従来装置の欠点は本発明のチャネル対ノズル取付は装置
によって回避される。装置には、第１−３図に示すよう
に、テーパ付き取付はバー２９が含まれ、これはチャネ
ル２４の内側下縁部に固定され、そしてノズル２６の外
面に形成された同様なテーパ付きの溝３１内にはめ込ま
れている。

取付はバー２９の材料は、チャネル２４の材料と同じか
または非常に近似した熱膨張率をもつように選定される
。

通例、チャネル２４と取付はバー２９は約３゜２ｘｌＯ
’インチ／インチ／１：の熱膨張率をもつジルコニウム
合金で形成され、他方ノズル２６のステンレス鋼の熱膨
張率はそれより実質的に高く、約９．４５ｘｌＯ’イン
チ／インチ／下である。

これらの部品がさらされる温度の範囲は室温から炉心内
の６００″Ｆ以上の運転温度にわたる。

温度が上昇するにつれ、チャネル２４が膨張することは
明らかである。すなわち、中心線ＣＬｖからチャネル２
４の内面までの距離Ｄｃが増加する。また、取付はバー
２９の幅Ｗが増大する。同時に、ノズル２６がより多く
外方に膨張しそしてテーパ溝３１の幅がより一層拡がる
。

もしチャネル２４がノズル２６に固着されているとする
と、従来の構造におけるように、ノズル２６の比較的多
い膨張によりチャネル２４の下端が外方に曲げられるの
で、この下端と取付けねじまたはリベットとに応力が生
ずることになろう。

しかし、本発明の図示の取付は装置の場合、テーパ付き
取付はバー２９は簡単に、より急速に膨張するテーパ溝
３１内にさらに進入し、この進入を許容するために間隙
Ｃが設けられている。

テーパ角度Ａを適切に選定すると、バー２９は熱膨張差
が生ずるにつれて溝３１内に多かれ少なかれ深く移動し
得、その際チャネル２４の下端に曲げが起こらずそして
バー２９は溝３１内に緊密にはまり込んだままとなる。

テーパの最適角度を第１図に図解式に示す。熱膨張中の
部品（ノズル２６）は中心点３４から放射する線（例え
ば線３２．３３）に沿って変形する。すなわち、溝３１
は線３２，３３に沿って寸法を変え、従って、３２．３
３は最適なテーパ角度Ａ、すなわち、溝３１の相対する
テーパ表面間の角度を定める。

換言すれば、テーパ角度Ａは、片側の溝３１のテーパ上
面がノズル２６の反対側の溝３１のテーパ下面と同一面
にあるように選定される。

通常の場合、ノズル２６はチャネル２４と取付はバー２
９より熱膨張率が高いが、本発明はそれだけに限定され
ず、相異なる材料の任意の組合わせに用いうるちのであ
る。

数学的に、最適テーパ角度Ａは第３図と関連して次のよ
うに決定されうる。

温度変化による部品寸法の変化ｄＤは次の関係式によっ
て与えられる。

（１）ｄＤ　　−ａ　　ｄＴ　　Ｄ ただし、ａは熱膨張率、ｄＴは温度範囲、Ｄは部品の長
さである。

バー２９と溝３１との間の界面線上の任意の点Ｐについ
て、 Ｙ’−Ｙ （２）ｔａｎ　　Ａ／２−− ｘ’　−ｘ ただし、Ｘはバー２９の半径方向（ＣＬｖがら横方向）
の熱膨張、Ｙはバー２９の軸方向（ＣＬ。

から垂直方向）の熱膨張、Ｘ′はノズル２６の半径方向
の熱膨張、Ｙ′は溝３１の軸方向の熱膨張である。

関係式（１）から、 Ｘ　　−ａエ　ｄＴ　　Ｄ。

Ｘ’　−ａＢ　　ｄＴ　　、Ｄｎ Ｙ　　−ａエ　ｄＴ　　Ｗ Ｙ’　−ａＢ　　ｄＴ　　Ｗ ただし、ａ２はチャネル２４とバー２９の材料の熱膨張
率、ａｇはノズル２６の材料の熱膨張率、ＤＣは垂直中
心線ＣＬｖからチャネル２４の内面までの距離、Ｄｏは
中心線ＣＬｖからノズル２６の外面までの距離、Ｗは半
径方向中心線ＣＬ、から点Ｐまでの距離である。

関係式（２）に代入すると、 ａｇ　ｄＴ　Ｗ　−Ａｘ　ｄＴ　Ｗ （３）　ｔａｎ　Ａ／２−□ ａｇ　ｄＴ　Ｏｏ−ａｘ　ｄＴ　Ｄｃ Ｄｎとり。に有意な差がないと仮定すると、Ｄｏ：Ｄｏ
ｍ［） 従って、簡単にすると、 ｄＴ　Ｗ（ａｓ　−ａｘ　）　　　Ｗ （４）　ｔａｎ　Ａ／２　＝　　　　　　　　　　＝−
ｄＴ　Ｄ（ａｇ　−ａｘ　）　　　Ｄ 代表的なりＷＲ（沸騰水型原子炉）に使用される本発明
の実施例では、Ｗ−０，３インチ（７゜６２ｍｍ）　、
Ｄ−２，６３インチ（８６，８＋ｕ）である。

従って、 ０．３ ｔａｎ　Ａ／２−□よって　Ａ／２−６．５’２．６３ 第１図と第２図に示すように、取付はバー２９は平ねじ
３６によってフローチャネル２４の下端に固定されうる
。代替的に、リベットまたは溶接をこの口約のために用
いうる。

第２図に示すように、溝３１の端は丸くなっている。な
ぜなら、この形状は溝３１の形成に通常使用されるテー
パ付き回転バイトによって得られるからである。図示し
てないが、取付はバー２９の端部も同様に丸くしうる。

しかし、いずれにせよ、バー２９の長さＬは満３１の長
さよりわずかに少ないように（製造交差次第で）選定さ
れる。

これはバー２９が満３１内で自然なそして横方向に拘束
されない位置をとりうるようにするためである。

第２図について述べると、チャネル２４をノズル２６に
組付けるには、取付はバー２９を溝３１内に置き、チャ
ネル２４の下端をバー２９上に滑らせてねじ穴を合わせ
、次いでねじを挿入しそして締付ける。

以上に述べたものは、温度変化に伴って部品に応力を生
ずることなく緊密なはめ合い状態に保たれるフローチャ
ネル対ノズル取付は装置である。

この装置の別の利点は、（米国特許第３６９７３７６号
に述べられている）バイパス漏流のすぐれた制御である
。唯一の開いた区域または漏流域はノズルとチャネルの
間で四隅の所であり、この区域によれば設計力命中不変
のままとするのに役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の取付は装置を備える燃料集合体の垂直
断面図、第２図はフローチャネルとノズルの分解部分斜
視図、第３図は本発明の取付は装置の詳細な断面図であ
る。 １１：燃料集合体、１２：燃料棒、１３：下側結合板、
１４：上側結合板、２４：フローチャネル、２６：ノズ
ル、２９：取付はバー、３１：溝、３６：ねじ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）下側結合板上に離隔配列状に支持された複数の燃
   料棒と、冷却材の流れを受入れるために前記下側結合板
   に隣接するノズルと、前記冷却材を前記燃料棒列を通る
   ように導くために前記燃料棒列を囲む管状フローチャネ
   ルとを含み、前記フローチャネルの下端が前記ノズルの
   側部を囲み、前記ノズルは前記フローチャネルの材料よ
   り大きな熱膨張率をもつ材料で形成されている核燃料集
   合体において、前記フローチャネルの前記下端を前記ノ
   ズルの前記側部に固定する取付け装置であって、前記ノ
   ズルの前記側部に形成されたテーパ側面を有する複数の
   溝と；これと同数の取付けバーであって、前記フローチ
   ャネルの熱膨張率と同様な熱膨張率を有する材料で形成
   され、それぞれが前記ノズルの前記溝の一つにはめ込ま
   れそしてそれぞれの溝のテーパ側面と係合するテーパ側
   部をもつように形成されている取付けバーと；前記取付
   けバーを前記フローチャネル下端の内面に固定する手段
   とからなり、前記取付けバーと前記溝とのはめ合いが温
   度変化に対して前記フローチャネル下端の実質的な応力
   を伴わずに保たれるように前記取付けバーと前記溝との
   間の係合テーパの角度を選定するようにしたフローチャ
   ネル対ノズル取付け装置。
2. （２）前記バーが温度上昇につれて前記溝にさらに進入
   しうるように所定温度で前記バーの面と前記溝の底との
   間に間隙を有する特許請求の範囲第（１）項記載のフロ
   ーチャネル対ノズル取付け装置。
3. （３）前記係合テーパの前記角度Ａは、Ｗを前記溝の幅
   の半分としそしてＤを前記ノズルの幅の半分とすると、
   関係式 ｔａｎＡ／２＝Ｗ／Ｄ によって定められる、特許請求の範囲第（１）項記載の
   フローチャネル対ノズル取付け装置。
4. （４）前記ノズルは相対する側部を有し、そして片側の
   前記溝の上側テーパ表面が反対側の前記溝の下側テーパ
   表面と同じ面内にある、特許請求の範囲第（１）項記載
   のフローチャネル対ノズル取付け装置。
5. （５）前記ノズルをステンレス鋼で形成し、そして前記
   フローチャネルと前記取付けバーをジルコニウム合金で
   形成する特許請求の範囲第（１）項記載のフローチャネ
   ル対ノズル取付け装置。