JPS63285490A - 燃料集合体における破片フィルタ下部ノズル - 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】 本発明は一般に原子炉に関し、特に、燃料集合体におけ
る破片フィルタ機能を有する下部ノズル（破片フィルタ
下部ノズル）に関する。

先ｊＪＩｂケ脱Ｊ− 原子炉の冷却材循環系統を構成する諸要素の製造、並び
に、その後における設置及び修理中、種々の運転条件下
で冷却材が還流する原子炉容器及びその関連の系統から
全ての破片の完全な除去を図るべく、苦心の努力が払わ
れている。破片の除去を確実にするために手の込んだ処
置が実施されているが、経験上、このような除去を行う
のに採用されている防護策にも拘わらず、幾つかのチッ
プ及び金属粒子が依然として系統内に隠れた状態で留ど
まっていることが分かっている。破片の大部分は金属屑
から成り、これらは、恐らく蒸気発生器の修理又は交換
の後に一次系内に残ったものであろう。

特に、下部格子で捕捉される破片に起因する燃料集合体
の損傷は、近年、幾つかの原子炉で観察されている。破
片は、プラントが始動されると、下部炉心板の冷却材流
路六から燃料集合体の下部ノズルの流路穴を通って入っ
てくる。破片は、燃料集合体の下部格子の領域において
、その卵詰枠状のセル壁と燃料棒被覆管の下端部との間
の空間内に留とまる傾向がある。損傷は、燃料棒被覆管
の外壁と接触する破片のフレッチングにより生ぜしめら
れる燃料棒被覆管の穿孔から成る。また、この破片は下
部ノズルのプレート　（所謂、アダプタ板）の流路穴内
でも引っ掛かり、流れている冷却材により該破片は旋回
され、これによって、燃料棒の被覆管が切断される恐れ
がある。

原子炉から破片を除去するために、幾つかの異なった解
決策が提案され且つ試みられている。これらの試みのう
ちの多くは、米国特許第４，０９６，０３２号明細書に
論述されている。その他は、特願昭６０−２５３９０５
号、特願昭６０−２５５１８５号、特願昭６０−２７３
５８６号、特願昭６１−７６８２１号及び特願昭６１−
１８５３８３号明細書に開示されている。前記明細書の
各々に記載されている全ての手段は合理的に満足に動作
し、一般的に述べて、それらが企画されている範囲の運
転条件下では、それぞれの目的を達成しているが、原子
炉における破片の除去という問題に対する新たな解決策
の必要性が未だ存在している。この新たな解決策は、原
子炉の諸要素の現存の構造並びに動作と両立し、原子炉
の運転サイクル全体に亘って有効であり、そして、少な
くとも原子炉に設けるのに要する費用を上廻る総合的利
益をもたらすものでなければならない。

１１Ａ乱ｉ 本発明は、上記必要性を満足するように設計された燃料
集合体における破片フィルタ下部ノズルを提供すること
にある。本発明による下部ノズルは、従来用いられてい
るものよりも小さな径の流路穴であって、下部格子を貫
通する開放空間よりも小さくされると同時にその数を増
やした前記流路穴を設ける、という概念を適用したプレ
ートを備えている。流路穴の直径は約４．８３＋＋＋ｍ
（０，１９０ｉｎ、）が好適であり、この寸法は、損傷
を引き起こす寸法（以下、「損傷誘発寸法」と称する）
を有する破片をろ過できるように決められたものである
。このような寸法にしない場合、当該破片は、主に下部
ノズルと下部格子との間の領域内で、そして、下部格子
の開放空間内で集積し、燃料棒フレッチング損傷を引き
起こすであろう０本発明の発案段階では予期しなかった
ことだが、この概念は、本発明による破片フィルタ下部
ノズルにおける全流路面積が従来の下部ノズルの全流路
面積よりも小さくなっているにも拘わらず、従来の下部
ノズルに比較して破片フィルタ下部ノズルの圧力降下を
減じている。これは、原子炉の下部炉心板に設けられて
いる冷却材入口流路穴の真上に位置する下部ノズルの各
局部領域においては、従来の下部ノズルにおける大きな
流路穴の配列によって与えられる流路面積よりも、破片
フィルタ下部ノズルにおける小さな流路穴の配列によっ
て与えられる流路面積の方が相当に大きいからである。

従って、本発明は原子炉用の燃料集合体において有効な
破片フィルタ下部ノズルに関するものであり、該燃料集
合体は、複数の核燃料棒と、該核燃料棒を組織イヒされ
た配列で支持し且つ液体冷却材の流通を許容する開放空
間が画成されている少なくとも１つの下部格子とを具備
している。破片フィルタ下部ノズルは、下部格子の下方
に隣接して配置され且つ前記燃料棒の下端の下方に配置
されている。該破片フィルタ下部ノズルは、（ａ）原子
炉の下部炉心板上に載置されるようになっている支持手
段と、（ｂ）前記下部格子に面するよう前記支持手段に
固定されていると共に、前記冷却材の流通を許容する複
数の流路穴が穿設されているプレートであって、前記冷
却材により運ばれる破片が前記流路穴を通過できるほど
小さな場合には、鎖車さな破片は全て前記開放空間を通
過する一方、前記冷却材により運ばれる破片が前記開放
空間を通過できず前記下部格子内で集積するほど大きな
場合には、該大きな破片は全て前記流路穴を通過しない
ように、前記各流路穴の寸法が前記開放空間の最大寸法
よりも小さくなっている前記プレートと、を備えている
。

より詳細には、流路穴は円形の穴の形態をとり、断面寸
法は均一となっている。好適には、流路穴は、約４．８
３ｍｍ（０，１９０ｉｎ、）又はそれ以下の径であり、
２．５４ｃｍ四方（１ｉｎ、四方）に約１６個の密度で
密に設けられている。好適には、流路穴は４，８３±０
．２０１１１＋１（０，１９０±０．００８ｉｎ、）の
径である。プレートの流路穴間に延びている部分、即ち
連結帯は、最大寸法が約２．５４ｍｍ（１／１ｏｉｎ、
）である。更に、各流路穴は、該流路穴の中心軸線に対
して約１２〜１５度の角度で形成された長さが約３．５
８ｍｍ（０，１４０ｉｎ、）の長いテーバ付き人口面取
り部分を有しているや更に、流路穴の大部分は、下部炉
心板の入口流路穴の真上に位置する部分でプレートを貫
通して画成されるのが好ましい。

この発明の上記利点や効果及びその他の利点や効果は、
この発明の一実施例を示している図面に沿っての以下の
詳細な説明を読むことによって、当業者にとって明らか
となるであろう。

ル朋ＬＪｌＬｒ脱泗− 以下の説明において、同一の参照符号は、全図面を通し
て同−又は相当部分を示している。また、以下の説明に
おいて、「前方」、「後方」、「左方」、「右方」、「
上方」、「下方ｊ等の語は便宜上の言葉であり、限定的
な語として理解されるべきものではない。

二痕漕ｊ］１１ 図面、特に第１図を参照すると、この図には、燃料集合
体が、参照符号１０で総括的に表され垂直方向に短縮し
た形態の立面図で示されている。この燃料集合体１０は
、加圧水型原子炉に用いられている型式であり、下端に
本発明の破片フィルタ下部ノズル（以下で詳説する）が
設けられた構造スクルトンを有している。破片フィルタ
下部ノズル１２は、原子炉（図示しない）の炉心領域に
おける下部炉心板１４上に燃料集合体１０を支持する。

また、燃料集合体１０の構造スケルトンは、下部ノズル
１２の他に、上部ノズル１６と、下部ノズル１２及び上
部ノズル１６の間で縦軸方向に延び且つ両端がそれぞれ
の側の前記ノズルに固定されている複数の案内管、即ち
案内シンプル１８とを有している。

更に、この燃料集合体１０は、案内シンプル１８に沿っ
て軸線方向に互いに隔てられ且つ該案内シンプル１８に
取り付けられた複数の横向きの格子２０と、該格子２０
によって互いに横方向に隔てられ且つ支持された細長い
核燃料棒Ｚ２の組織化された配列とを備えている。また
、燃料集合体１０は、その中心に配置され上部と下部の
ノズル１２．１６間で延びこれらに取り付けられている
計装管２４を有していている。燃料集合体１０は、各部
材のこのような配列によって、構成部材を損傷させるこ
となく普通に取り汲うことのできる一体的なユニットを
形成している。

上述したように、燃料集合体１０において前記配列の燃
料棒２２は、燃料集合体１０の長手方向に沿って互いに
離間された格子２０によって相互に隔てられた関係に保
持されている。各燃料棒２２は核燃料ペレット２６を具
備しており、燃料棒２２の両端は上部端栓２８と下部端
栓３０により閉じられている。燃料ペレット２６は、上
部端栓２８とペレット積重体の上部との間に配置された
プレナムばね３２により、積重状態に維持されている。

核***性物質から構成された燃料ペレット２６は、原子
炉の反応出力の発生を担っている。水又はホウ素含有水
のような液体の減速・冷却材は、下部炉心板１４の複数
の流路穴を通して燃料集合体１０へと上方に圧送される
。

燃料集合体１０の下部ノズル１２は冷却材を、案内シン
プル１８を通り且つ燃料集合体１０の燃料棒２２に沿っ
て上向きに流し、炉心に発生される熱を抜き出して有用
な仕事を行わせる。

核***過程を制御するために、多数の制御棒３４が、燃
料集合体１０内に予め定められた位置で配設されている
案内シンプル１８内に往復可能に設けられている、特に
、上部ノズル１６の上方に配置されている制御棒クラス
タ制御機構３６が制御棒３４を支持している。制御機構
３６は、複数の放射方向に延びるフルーク若しくはアー
ム３８を備えためねじ付きの円筒部材３７を有している
。各アーム３８は制御棒３４と相互に連結され、これに
よって、制御機構３６が、案内シンプル１日内で制御棒
３４を垂直に動かし、もって、周知の態様で燃料集合体
１０の核***過程を制御するよう駆動可能となっている
。

゛片フィルタ　　ノズル 前述したように、格子２０のうち最下部の格子（下部格
子）で或はその下で捕捉された破片に起因する燃料集合
体の損傷が問題となることが分がっている。従って、こ
のような損傷の発生を防止するために、破片が下部ノズ
ルの流路穴を通るのを防ぐことが極めて望ましい。

本発明は下部ノズル１２に関し、この下部ノズル１２は
、下部炉心板１４上に燃料集合体１０を支持するばかり
でなく、そこを通って上方に流れる冷却材から、損傷を
与える可能性がある寸法の破片をろ遇するよう鋤く特徴
を有している。この破片フィルタ下部ノズル１２は、下
部炉心板１４に燃料集合体１０を支持するための複数の
隅の脚部４２の形態をとる支持手段を有し、また、溶接
等により該脚部４２に適宜に取り付けられた実質的に矩
形の平らなプレート４６を有している。第２図に示され
るように、従来の下部ノズル゛１２＾のプレート４６＾
は、２種の径寸法（例えば、６．３５ｎ＋ｍ（０，２５
ｉｎ、）及び１２．７ｍｍ　（０，５０ｉｎ、））を有
する比較的に大きな流路穴４８八、４８１１が多数設け
られている。流路穴４８＾、４８Ｂのそれぞれの径は、
冷却材の流れで通常運ばれる損傷誘発寸法の破片を通す
のに十分なほど大きい。

本発明による破片フィルタ下部ノズル１２のプレート４
６においては、従来の大きな流路穴４８＾、４８Ｂが、
より多数の且つより小さな流路穴４８に置き換えられ、
該流路穴４８は、冷却材がプレート４６及び燃料集合体
１０を通過する際に悪影響や圧力降下を生ずることなく
損傷寸法の破片をろ過するよう寸法状めされている。こ
の破片フィルタ下部ノズル１２は、第６図に示されるよ
うに、プレート４６における流路穴４８の数と寸法、及
び、各流路穴４８での入口面取り部分５０の寸法とを除
き、従来の下部ノズル１２＾と同様である。流路穴４８
は、断面寸法が一定で、且つ、プレート４６の全面を実
質的に覆う配列で設けられるのが好ましい。

プレート４６の部分拡大図である第４図に示されるよう
に、流路穴４８の直径は、下部格子２０で通常捕らえら
れる寸法の破片の通過を許容しないものである。破片が
これらの流路穴４８を通るのに十分に小さいならば、そ
の破片は格子２０をも通過するであろう、これは、小さ
い流路穴４８の直径が格子２０のセル５４を貫通する障
害物の全くない空間、即ち開放空間５２の最大寸法”ｄ
”よりも小さいからである（第５図参照）、このような
空間５２は、典型的には、格子２０を構成する交差した
帯板５８により形成されるコーナー５６の隣接部に見ら
れ、コーナー５６と、帯板５８に形成されたディンプル
６０及びスプリング６２と、格子セル５４を通って延び
る燃料棒２２とにより囲まれている。十分に小さな破片
を確実に格子２０の空間５２を通過させることによって
、本発明による破片フィルタ下部ノズル１２は、破片に
ｊる燃料棒の損傷の可能性を相当に減する。

破片による燃料棒損傷を受けている原子炉からの燃料集
合体の燃料監視水中テレビ映像を幅広く分析した結果に
基づき、約４．８３＋ａｍ（０，１９０ｉｎ、）という
流路穴の公称直径が選択された（４．８３±０．２０ｍ
ｍ（０，１９０±０．００８ｉｎ、）が好適である）、
また、流路穴４８の直径は前記寸法よりもやや小さく作
られても良い、従来観察された主要な破片による燃料棒
の損傷の全ては、下部格子で或はその下方で認められ、
幅が約４．８３ｍｍ（０，１９０ｉｎ、）よりもやや大
きな破片により生ぜられているようであった。原子炉冷
却材循環系統に典型的に存するより小さな他の破片は、
性質において比較的に脆弱であると考えられ、燃料棒に
損傷を引き起こさないようであり、また事実、下部格子
２０よりも上方で重大な損傷が観察されたことは全くな
い、このような事実は、従来、損傷誘発寸法の破片が下
部格子により効果的に阻止されたことを示唆している。

プレート４６に約０．１９０ｉｎ、径の流路穴４８が形
成されている破片フィルタ下部ノズル１２は、１次冷却
材の流れにより燃料集合体１０内に運ばれる燃料棒２２
を損傷させる恐れのある金属破片を９０％減するであろ
うと期待されている。この評価は控え目であろう、何故
ならば、幅が０．１９０ｉｎ、よりも相当に大きな破片
は、ひどく燃料棒２２を損傷させるものと考えられるか
らである。

第６〜１０図を参照すると、プレート４６は多数の流路
穴４８の他に、１つの中心部の計装管用穴６０と、多数
の案内シンプル用穴６６とを有していることが示されて
いる。第７図に示されるように、冷却材の流れを最適化
、即ち、小さな流路穴４８に固有の大きな窄擦効果によ
る損失率を最小にするために、長さが約３．５６ｍｍ（
０，１４０ｉｎ、）で、流路穴４８の軸線に対して約１
２〜１５度の角度で形成された長いテーバ付き人口面取
り部分５０が、流路穴４８の各々に設けられている。こ
の長いテーバ付き人口面取り部分５０は、冷却材の流れ
がプレート４６の流路穴４８内で再着するのを防止する
と共に、燃料集合体１０を横切る際の圧力降下の増大を
防止する。破片フィルタ下部ノズル１２を有する燃料集
合体１０を通る際の圧力降下が、従来の下部ノズル１２
＾を有している燃料集合体と比較して大きい場合は、い
かなる場合であっても望ましくなく、恐らく許容できな
いであろう。

下部ノズル１２のプレート４６のもう１つの周知機能は
、燃料棒２２を捕獲することである。即ち、プレート４
６は、燃料棒２２が下部ノズル１２を通って落下するの
を防止することができる。初始動において、燃料棒２２
は、第１図に示されるように、下部ノズル１２の上方で
格子２０により支持されている。

しかしながら、原子炉が一定時間運転された後、格子２
０の燃料棒２２に対する把持力が緩んでしまうのが一般
的であり、燃料棒２２の幾つかが下部ノズル１２のプレ
ート４６上に落下する。第６図に示されるように、燃料
棒２２は、プレート４６における流路穴６８間の部分６
８、即ち連結帯と同列にされている。

流路穴４８は２．５４ｃｍ四方（ｆｉｎ、四方）に約１
６個の密度で密に設けられている。流路穴４８の間で延
びているプレート４６の部分６８は、最大の寸法が約２
．５４ｍｍ（１／ＬＯｉｎ、）である、約１０．２＋ｕ
ａ（０，４００ｉｎ、）という最大直径を有する燃料棒
２２が流路穴４６の上方に配置されているとするならば
、燃料棒２２は、プレート４６の上に落下した場合に、
流路穴２２を塞ぎ、圧力降下を増大させる原因となるで
あろう、プレート４６の部分６８上に載る燃料棒２２の
下部端栓３０は、その先端７０の直径が約３．８１鴫論
（０，１５０ｉｎ、）であり、第１０図に示されるよう
なテーバ付き軸方向断面形状となっており、これは流路
穴４８を塞ぐことはない。

しかしながら、下部端栓３０の先端７０の直径が更に大
きいものであったならば、プレート４６の流路穴４８間
の部分６８は、下部端栓３０が隣接の流路穴４８の一部
を覆わないように、その寸法がより大きくされなければ
ならない、これは流路穴４８を更に小さくし、圧力降下
を増大させることは疑いない。

本発明による破片フィルタ下部ノズル１２を具備した燃
料集合体ｌＯの流れ試験により、該下部ノズル１２の独
特な特性が偶然に確認された。当初、下部ノズル１２は
、そのプレート４６における約４．８３ｍ＋ｓ（０，１
９０ｉｎ、）径の流路穴４８の配列による全流路面積を
、第２図に示される従来の下部ノズル１２＾における相
当に大きな流路穴４８＾、４８Ｂ（それぞれ約０．２５
ｉｎ、径及び０．５０ｉｎ、径）の配列による全流路面
積に等しくするように設計された。少なくとも全流路面
積を同じにし且つ小さな流路穴４８の入口面取り部分５
０を最適なものとすることが、圧力降下を従来の下部ノ
ズル１２＾の圧力降下に近い値に維持すると共に同等の
流れを可能とするために必要であると考えられていた。

最終的な設計においては、本発明の下部ノズル１２の全
流路面積は、従来の下部ノズル１２＾の全流路面積より
も僅かに少なくした。しかしながら、流れ試験において
、破片フィルタ下部ノズル１２の流路面積は従来の下部
ノズル１２＾のものよりも少ないにも拘わらず、破片フ
ィルタ下部ノズル１２は、燃料集合体１０を横切る際の
圧力降下が従来と同じ又は（予期した通り）僅かに高い
というのではなく、実際には、従来の下部ノズル１２＾
を有するものよりも５％低い圧力降下をもたらすことが
分かった。

この予期していなかった低い圧力降下の原因を調べた結
果、４つの局部領域（各燃料集合体と整列された下部炉
心板１４の４つの入口流路穴７２の真上に位置している
領域）における破片フィルタ下部ノズル１２の流路面積
が従来の下部ノズル１２＾よりも１９％大きいことに起
因していることが分かつな（第２．３．６図参照）、こ
の発見は、下部炉心板１４の流路穴７２の真上のプレー
ト４６の部分を通る流路面積を大きくする方が、プレー
ト４６全体に均等に流路穴を設は全流路面積を等しくす
るよりも、圧力降下を減じる場合に有効であることを示
している。

燃料集合体の設計において、圧力降下を低くするこの下
部ノズル１２を使用することにより得られる幾つかの潜
在的利益は理解されるであろう、即ち、下部ノズル１２
における流路穴４８の数は、下部炉心板１４の入口流路
穴７２の真上に高密度の穴配列を集中させることで減じ
られ、それにより、流れに対する設計を最適なものとす
ることができ、製造コストが低減され、下部ノズル１２
上の応力レベルも低減する。ｔた゛、この下部ノズル１
２のｍ填から得られる低圧力降下によって、燃料集合体
１０における他の要素、例えば、流れ混合中間格子やバ
ッフル・ジェツテイング（ｂａｒ　ｆ　ｌｅ−１ｅｔｔ
　ｉＢ）防振格子又はクリップ等の従来では圧力降下を
増大させるので広く使用されていなかったものの使用が
可能となる。また、全揚程を下げる高圧力降下に起因す
るＬＯＣ＾（冷却材喪失事故）及びＤＮＢ（核沸臆限界
）による弊害は減じられ、同様に、燃料集合体１０を横
切る際の高圧力降下による原子炉容器の蓋上べの負荷も
低減することができる。

本発明及びこれに付随する多くの利点は、上の説明から
理解されるであろう、また、本発明の精神及び範囲を逸
脱することなく、或はその実買的な利点を犠牲にするこ
となく形態、構成及び配列に関し、種々の変更が可能で
あることは明らかであり、よって、以上に述べられた形
態は単に本発明の好適な実施例に過ぎない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による破片フィルタ下部ノズルが組み
込まれている燃料集合体を、図示を明瞭とするために、
一部を切除して垂直方向に短縮した形で一部断面で示す
立面図、第２図は従来の下部ノズルの平面図であり、そ
のプレート蚤こおける大きな径の流路穴の配列を示す図
、第３図は第１図の燃料集合体における破片フィルタ下
部ノズルの平面図であり、そのプレートにおける小さな
径の流路穴の配列を示す図、第４図は第３図に示されて
いる破片フィルタ下部ノズルのプレートの拡大部分図、
第５図は第１図の燃料集合体における下部格子の一部を
示す拡大底面図、第６図は第３図に示されている破片フ
ィルタ下部ノズルの左上隅部の拡大平面図、第７図は第
６図の７−７ｔ！に沿っての拡大断面図であり、破片フ
ィルタ下部ノズルの流路穴の１つを示す図、第８図は第
６図の８−８線に沿っての拡大断面図であり、破片フィ
ルタ下部ノズルの計装管用穴を示す図、第９図は第６図
の９−９１１に沿っての拡大断面図であり、破片フィル
タ下部ノズルの案内シンプル用穴の１つを示す図、第１
０図は第１図の燃料集合体における燃料棒の下端部を示
す拡大縦断面部分図である。 図中、 １０・・・燃料集合体 １２・・・破片フィルタ下部ノズル １４・・・下部炉心板　　　２０・・・格子（下部格子
）２２・・・核燃料棒　　　　４２・・・脚部（支持手
段）４６・・・プレート　　　　４８・・・流路穴５０
・・・入口面取り部分　５２・・・開放空間ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、　４ す ＦＩＧ、　　５ ＦＩＧ、６ ＦＩＧ、９　　　　　ＦＩＧ、７　　　　　ＦＩＧ、８
ＦＩＧ、　１０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 複数の核燃料棒と、該核燃料棒を組織化された配列で支
   持し且つ液体冷却材の流通を許容する開放空間が画成さ
   れている少なくとも１つの下部格子とを有する原子炉の
   燃料集合体において、前記下部格子の下方に隣接して配
   置され且つ前記核燃料棒の下端の下方に配置されている
   破片フィルタ下部ノズルであって、 （ａ）原子炉の下部炉心板上に載置されるようになって
   いる支持手段と、 （ｂ）前記下部格子に面するよう前記支持手段に固定さ
   れていると共に、前記冷却材の流通を許容する複数の流
   路穴が穿設されているプレートであって、前記冷却材に
   より運ばれる破片が前記流路穴を通過できるほど小さな
   場合には、該小さな破片は全て前記開放空間を通過する
   一方、前記冷却材により運ばれる破片が前記開放空間を
   通過できず前記下部格子内で集積するほど大きな場合に
   は、該大きな破片は全て前記流路穴を通過しないように
   、前記各流路穴の寸法が前記開放空間の最大寸法よりも
   小さくなっている前記プレートと、 を備える燃料集合体における破片フィルタ下部ノズル。