原子炉燃料集合体

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【発明の名称】	原子炉燃料集合体
【発明者】	【氏名】内藤考文【氏名】清水純太郎
【要約】	【課題】原子炉燃料集合体において、原子炉冷却材流に伴流する異物が、支持グリッドと燃料棒との間に引っかかり、燃料棒被覆管を損傷することを防止する。【解決手段】原子炉燃料集合体は、上下方向に離れた上部ノズル及び下部ノズル１３、該両ノズル間に互いに平行に延び両端がそれぞれ前記ノズルの一方に連結される複数の制御棒案内管、該制御棒案内管に長手方向に間隔をおいて取り付けられた最下グリッド１９を含む複数の支持グリッド、並びに該支持グリッドの格子開口に個別に挿通され、前記両ノズル間に互いに平行に延びる複数の燃料棒２１を有し、更に最下グリッド１９と下部ノズル１３との間に格子構造の異物フィルタ３０が配置され、異物フィルタ３０の格子空間内に燃料棒２１の下部端栓２１ａが位置するようになっている。

【特許請求の範囲】
【請求項１】上下方向に離れた上部ノズル及び下部ノズル、該両ノズル間に互いに平行に延び両端がそれぞれ前記ノズルの一方に連結される複数の制御棒案内管、該制御棒案内管に長手方向に間隔をおいて取り付けられた最下グリッドを含む複数の支持グリッド、並びに該支持グリッドの格子開口に個別に挿通され、前記両ノズル間に互いに平行に延びる複数の燃料棒を有する原子炉燃料集合体において、前記最下グリッドと前記下部ノズルとの間に格子構造の異物フィルタが配置され、該異物フィルタの格子空間内に前記燃料棒の下部端栓が位置するように位置づけられていることを特徴とする原子炉燃料集合体。
【請求項２】前記燃料棒の下部端栓と前記異物フィルタとの隙間を狭める隙間低減構造が更に形成されていることを特徴とする請求項１の原子炉燃料集合体。
【請求項３】前記隙間低減構造が、前記燃料棒の被覆管より太い下部端栓により構成されることを特徴とする請求項２の原子炉燃料集合体。
【請求項４】前記隙間低減構造が、前記燃料棒の下部端栓の外周面に形成された突起により構成されることを特徴とする請求項２の原子炉燃料集合体。
【請求項５】前記隙間低減構造が、前記異物フィルタの内側ストラップを二重構造により構成されることを特徴とする請求項２の原子炉燃料集合体。
【請求項６】前記隙間低減構造が、前記異物フィルタの交差する内側ストラップの一方又は双方に、該内側ストラップの交差部に近接して形成された突起により構成されることを特徴とする請求項２の原子炉燃料集合体。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉用燃料集合体に関し、特に加圧水型原子炉用燃料集合体において、冷却材流に伴流される異物の進入を防止するための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、商業原子力発電用として加圧水型原子炉は広く使用され、これに使用される燃料集合体の構造も比較的良く知られている（日本機械学会編「機械工学便覧」など参照。）。冗長を厭わず説明すれば、代表的な加圧水型原子炉用燃料集合体は、上下方向に離隔されて配置された上部ノズル及び下部ノズルと、これら両ノズルの間に所定の間隔をおいて配置され、ストラップにより形成された格子空間を備えたグリッドと、その格子空間内に所定の間隔をおいて挿通され、且つグリッドの固定部より固定され、更にそれぞれの上下端部が上部ノズル及び下部ノズルに連結された制御棒案内管と、グリッドの支持部より弾性的に支持された多数の燃料棒とから主として構成される。而して、前述の下部ノズルは、燃料集合体が炉心に装荷されているときには原子炉下部炉心板に近接対向しており、炉内下部から流れてきた冷却材が貫流するための流路孔が下部ノズル内に多数形成されている。
【０００３】一方、加圧水型原子炉においては、原子炉容器、蒸気発生器、主冷却材ポンプ及びこれらを繋ぐ配管から冷却材循環ループが形成され、前述の燃料集合体が装荷される原子炉炉心を通る冷却材は、その循環ループを通って循環する。そして、その冷却材の中には、製作から据付、並びに配管及び冷却設備の補修中などにおいて、金属粒子、チップ、削り片のような細片や破片を含む様々な異物が混入する虞がある。これら異物小片は、燃料集合体内部に流入後、グリッドの格子空間の壁と燃料棒との間に引っかかると、燃料棒の破損をもたらすことがある。即ち、燃料棒は内部の燃料ペレットを薄肉の被覆管で覆っているが、引っかかった異物の移動により被覆管に擦傷を生じ、又は係止異物の流体誘起振動による繰り返し接触がフレッティング摩耗などを生じ、薄肉被覆管に貫通損傷を生ずる虞がある。
【０００４】前述のような燃料棒被覆管の貫通損傷は、内容物の漏出を生ずるから好ましくない。このため、前述の下部ノズルの流路孔の径をできるだけ小さくして異物の通過を防止し、燃料集合体内への異物の進入を阻止している。流路孔の小径化は冷却材流の抵抗を増大するので自ずと制約があり、二次的なものとして、最下部グリッドの中に薄肉被覆管が存在しないようにしている。具体的には、燃料棒の被覆管の下端を閉じる下部端栓を相対的に長いものとし、下部端栓の上端部が最下部グリッドの中に位置するようにしている。冷却材流は実質的に最下部グリッドのストラップと燃料棒の間を流れるが、前述の流路孔を通過して燃料集合体内に進入した異物があれば、ここに引っかかるようにする。そして、その異物が振動などをしても、これに接触する下部端栓は被覆管とは異なり中実部材なので、摩耗しても内容物の漏出がない。また、最下部グリッドの中に捕捉されない異物が仮にあっても、同様な物理的寸法条件にある他のグリッドと燃料棒との間は通過し、そこに引っかかる確率は実質的に無視できるから損傷は発生しないとする考え方に立っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の下部端栓長大化策は、必ずしも全ての原子炉で採用できるものではない。例えば、燃料集合体は高燃焼度化の傾向にあるが、この場合核分裂生成物の量が増大するから、できるだけ下部端栓を短くして燃料棒内収容プレナムの容積増大が望まれる。又、燃料棒の照射成長により燃料棒の下端が最下部グリッドの中から出て遠ざかるような動きをする。そして、高燃焼度化はその照射成長量も大きくするから、前述の長い下部端栓を使用できずに短い下部端栓を使用した燃料棒を持つ燃料集合体においては、最下部グリッドと下部端栓とによる異物進入阻止作用は燃料寿命の全期間に亘っては期待できない。従って、本発明の課題は、高燃焼度用に短い下部端栓を持つ燃料棒を有する燃料集合体においても、燃料棒被覆管の損傷危険性がある異物の進入を実質的に阻止する異物フィルタを備えた原子炉燃料集合体を提供することをある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するため、本発明によれば、上下方向に離れた上部ノズル及び下部ノズル、両ノズル間に互いに平行に延び両端がそれぞれ前記ノズルの一方に連結される複数の制御棒案内管、制御棒案内管に長手方向に間隔をおいて取り付けられた最下グリッドを含む複数の支持グリッド、並びに支持グリッドの格子開口に個別に挿通され、前記両ノズル間に互いに平行に延びる複数の燃料棒を有する原子炉燃料集合体は更に、前記最下グリッドと前記下部ノズルとの間に配置された格子構造の異物フィルタを有し、該異物フィルタはその格子空間内に前記燃料棒の下部端栓を受け入れるように構成される。その燃料棒の下部端栓と異物フィルタのストラップとの隙間を狭める隙間低減構造を更に形成するのが好適である。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。尚、全図に亘り、同一部分には同一の符号を付している。先ず図１を参照して、本発明の実施形態に係る燃料集合体の全体構造を説明する。図において、燃料集合体１０の上部ノズル１１と下部ノズル１３とは上下方向に離れて対向しており、互いに平行に延びた複数の制御棒案内管１５によって構造的に連結されている。この制御棒案内管１５には、上下方向に間隔をおいて複数の支持格子乃至グリッド１７、１９が取り付けられている。説明の都合上、最下方に位置するグリッドを最下グリッド１９と称する。これらのグリッド１７、１９は基本的に同じ構造であるが、薄い金属帯板乃至ストラップを碁盤の線状に配置して組み立てたもので、アレイ状に並んだ格子空間を形成する。この格子空間に複数の燃料棒２１が１本ずつ挿通され、支持される。図においては燃料集合体１０の内部構造を明確にするため、中央部の燃料棒２１が切除されて示されている。
【０００８】次に本発明の実施形態の要部を図２及び図３を参照して説明する。図２は、下部ノズル１３、最下グリッド１９、燃料棒２１の下端部、及び異物フィルタ３０の相対的上下位置関係を拡大して示したもので、下部ノズル１３は小径流路孔１３ａを有し、又燃料棒２１は短い下部端栓２１ａを有している。小径流路孔１３ａは１個のみ図示されているが、必要な機械的強度を損なわない範囲で多数穿設されているものと理解すべきである。図３に異物フィルタ３０の構造が部分的に示されている。異物フィルタ３０は基本的には最下グリッド１９と同様な構造をしており、ストラップ３１、３３を直交して組み立てて四角断面のセル空間３７を画成し、外側は周縁ストラップ３５で囲まれる。但し、異物フィルタ３０の最外側寸法は、最下グリッド１９や下部ノズル１３のそれより幾分小さくなっている。燃料棒２１は、異物フィルタ３０のセル空間３７を通るようになっているが、下部端栓２１ａは、セル空間３７内に位置するようになっている。
【０００９】前述した構造の燃料集合体１０において、下部の冷却材の流れを説明すれば、図２に矢印に示すように、小径流路孔１３ａを通って異物フィルタ３０の下方に流入する。その際、小径流路孔１３ａより大きい伴流異物は通過できないから除去される。異物フィルタ３０の下方に流入した冷却材は、異物フィルタ３０のストラップ３１、３３と下部端栓２１ａとの間を流れ、次に最下グリッド１９と燃料棒２１との間を上昇する。前述のように冷却材が異物フィルタ３０のセル空間３７を通る際に、グリッド１７、１９の内部に引っかかる可能性のある伴流異物があれば、同様の寸法関係にある下部端栓２１ａとストラップ３１、３３の間に挟まれて捕捉される。このようにして、グリッド１７、最下グリッド１９と燃料棒２１との間に引っかかる可能性のある異物は実質的に除去される。下部端栓２１ａとストラップ３１、３３の間を通過する異物は、グリッド１７、最下グリッド１９で捕捉されることなく通過する。一方、下部端栓２１ａの周辺で捕捉された異物が、下部端栓２１ａの外面に摩耗損傷を発生させても、下部端栓２１ａは中実部材であるから、その摩耗損傷は被覆管の内部空間には達しないので、燃料棒２１内の放射性物質等が漏出することがない。
【００１０】次に前記実施形態の一部を変更した改変実施形態を図４を参照して説明する。図２と図４の対比から明らかなように、下部ノズル１３、最下グリッド１９及び異物フィルタ３０の形状乃至相互間の相対的位置関係は不変であり、燃料棒４１の下部端栓４１ａの外径のみが大きくなっている。燃料棒の被覆管部分の外径は、同じ儘である。このようにすると、下部端栓４１ａと、異物フィルタ３０のストラップ３１、３３との間隔が前述の実施形態の場合よりも小さくなる。即ち、下部端栓４１ａとストラップ３１、３３との隙間は、燃料棒２１と最下グリッド１９及び他のグリッド１７のストラップとの隙間より小さくなる。このため、下部端栓４１ａとストラップ３１、３３とは、より小さい異物も捕捉でき、それらの隙間を通過した更に小さい異物は、燃料棒２１と最下グリッド１９及び他のグリッド１７との間は余裕を持って通過し、引っかかって損傷を発生するようなことはない。
【００１１】前述の改変実施形態においては、燃料棒の下部端栓の外径を全体的に被覆管部分より大きくしたが、図５及び図６に示すように燃料棒５１の下部端栓５１ａを部分的に、即ち条突起５１ｂを直交軸上に４個形成するようにしても良い。尚、条突起５１ｂの数及び位置は例示であり、適宜数を増減し、位置を変更しても良いことは勿論である。この実施形態における条突起５１ｂも、前述の大径化と同じ原理で異物捕捉効果を増大する。
【００１２】次に、図７及び図８を参照して本発明の別の実施形態を説明する。尚、本実施形態は、図２及び図３に示す実施形態の異物フィルタの構造を以下に説明するように変更したものであるが、下部ノズル１３、最下グリッド１９及び燃料棒２１との相対的位置関係は同じである。図面、特に図８に示すように、本実施形態における異物フィルタ６０において、交差する方向に延びる内側のストラップ６１、６３がそれぞれ狭い間隔をおいて二重に配置されていて、最外側のストラップ６５に囲まれている。ストラップ６５の外側寸法は、ストラップ３５と同様に最下グリッド１９や下部ノズル１３のそれよりも小さくなっているが、近接して２枚のストラップ６１、６３を受け容れる構造となっている。そして、交差する二重配置のストラップ６１、６３の間にセル空間６７が形成されている。燃料棒２１は変わらないから、燃料棒２１の外面と、近接するストラップ６１、６３との隙間は、２枚のストラップ６１、６３間の距離の半分だけ、セル空間３７の場合より小さくなっている。このようにして、燃料棒２１の外面と、近接するストラップ６１、６３との隙間は、グリッド１７、１９における燃料棒２１とストラップとの隙間より小さくなっているから、後者に入り込んで引っかかる異物の通過を阻止する。ここを通過する異物は充分小さいので、グリッド１７、１９と燃料棒２１との間を悠々と通過する。
【００１３】次に、図９及び図１０を参照して本発明の更に別の実施形態を説明する。尚、本実施形態も、図７及び図８の実施形態と同様に図２及び図３に示す実施形態の異物フィルタの構造のみを以下に説明するように変更したものである。図面、特に図１０に示すように、本実施形態における異物フィルタ７０においては、交差する方向に延びる内側のストラップ７１、７３にはそれぞれその交差部に近接して、突出部７１ａ、７１ｂ、７３ａ、７３ｂが形成されている。ストラップ７１、７３を取り囲むストラップ７５の外側寸法と、最下グリッド１９や下部ノズル１３のそれとの関係は同様である。
【００１４】上述したような異物フィルタ７０を採用することにより、ほぼ矩形断面のセル空間７を画成するストラップ７１、７３と、円形断面の燃料棒２１との間の比較的大きい対角部隙間は、突出部７１ａ、７１ｂ、７３ａ、７３ｂによって狭められる。このようにして、燃料棒２１の外面と、ストラップ７１、７３の交差部のとの隙間は、相対的に小さくなり、異物フィルタ７０を通過する異物の大きさを十分に小さくする。このようにして異物フィルタ７０を通過する異物は充分小さいものとなるから、グリッド１７、１９と燃料棒２１との間を余裕を持って悠々と通過し、引っかかることがない。従って、異物の接触や振動などによるグリッド部の燃料棒被覆管損傷を効果的に防止することができる。
【００１５】次に、図１１及び図１２を参照して本発明の更に別の実施形態を説明する。尚、本実施形態も、前述の実施形態と同様に図２及び図３に示す実施形態の異物フィルタの構造のみを以下に説明するように変更したものである。図面、特に図１２に示すように、本実施形態における異物フィルタ８０においては、交差する方向に延びる内側のストラップ８１、８３にはそれぞれその交差部に近接して、一面側に突出する突出部８１ａ、８３ａと他面側に突出する突出部８１ｂ、８３ｂとが背中合わせに形成されている。そして、これらの突出部８１ａ、８１ｂ、８３ａ、８３ｂは、ストラップ８１、８３の全幅（図において上下方向）に亘って延びている。ストラップ８１、８３を取り囲むストラップ８５の外側寸法と、最下グリッド１９や下部ノズル１３のそれとの関係は同様であるが、ストラップ８１、８３との交差結合部に近接して内向きの突出部８５ａが形成されている。この突出部８５ａもその全幅にわたって延びている。このような異物フィルタ８０は、前述の異物フィルタ７０と同等乃至それ以上の異物通過阻止作用を奏する。
【００１６】次に、図１３及び図１４を参照して前述の実施形態（図１１及び図１２）の改変例を説明する。図面、特に図１４に示すように、本改変例における異物フィルタ９０においては、交差する方向に延びる内側の一方のストラップ９１は２枚合わせ構造で、他方のストラップ９３は一枚物の平板構造となっている。そして、ストラップ９１には、ストラップ９３との交差部に向かい合わせの突出部９１ａが形成されている。そして、突出部９１ａは、ストラップ９１の全幅（図において上下方向）に亘って延びている。ストラップ９１、９３を取り囲むストラップ９５の外側寸法と他の部材のそれとの関係は同様である。このような異物フィルタ９０においては、突出部９１ａがセル空間９７の隅部に突出して、燃料棒２１とストラップ９１、９３とが画成する隙間を小さくしているので前述の異物フィルタと同等の異物通過阻止作用を奏する。又尚、前述の異物フィルタ９０は、図１５に示すような異物フィルタ１００としても良い。図１５において、異物フィルタ１００の交差する内側ストラップ１０１、１０３は共に２枚張り合わせ構造となっている。そして、ストラップ１０１には、ストラップ１０３との交差部に突出部１０１ａが形成されている。但し、突出部１０１ａの配置は、千鳥足状となるように一つ置きとなっている。同様に、相手方のストラップ１０３にも突出部１０３ａが形成されていて、一つの交差部に突出部１０１ａ、１０３ａが重複することはない。符号１０５は、外側ストラップである。
【００１７】次に、図１６及び図１７を参照して本発明の更に別の実施形態を説明する。尚、本実施形態も、前述の実施形態と同様に図２及び図３に示す実施形態の異物フィルタの構造のみを以下に説明するように変更したものである。図面、特に図１７に示すように、本実施形態における異物フィルタ１１０においては、交差する方向に延びる内側のストラップ１１１、１１３にはそれぞれその交差部に近接して、一面側に突出する突出部１１１ａ、１１３ａと他面側に突出する突出部１１１ｂ、１１３ｂとが形成されている。そして、特に図１６に示すように、ストラップ１１１の突出部１１１ａ、１１１ｂは、その幅方向（図において上下方向）に互い違いに形成されている。ストラップ１１３の突出部１１３ａ、１１３ｂの相互関係も同様である。ストラップ１１１、１１３を取り囲むストラップ１１５の形状寸法は、前述のストラップ８５と同様のものである。即ち、ストラップ１１１、１１３とのそれぞれの交差結合部に近接して内向きの突出部１１５ａが形成されている。この突出部１１５ａはその全幅にわたって延びている。このような異物フィルタ８０は、前述の異物フィルタ７０と同等乃至それ以上の異物通過阻止作用を奏する。尚、ストラップ１１１、１１３の構成は、２枚張り合わせ、突出部一体成型で無くても、別体部品の組立品から構成しても良い。
【００１８】以上複数の実施形態について、それぞれ構造を説明したが、その説明は相対的に重要度の高いストラップ自体に形成される流路面積制限用突出部に向いていた。そして、異物フィルタの周縁を形成する各外側ストラップとセル空間を画成する各内側ストラップとの連結部の構造については詳しく説明しなかったが、図１８乃至図２３に示す結合構造を内側ストラップの形状との組合せ適合性を考慮して選択できる。共に薄肉の内側ストラップISと、外側ストラップOSとを直角に交差させて結合する各結合構造自体は、複雑なものではなく、当業者には良く理解されうるものなので、詳細な説明は省略する。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、燃料集合体の下部ノズルと最下グリッドとの間に、燃料棒と支持グリッドとの物理的関係を再現する異物フィルタを設け、その格子空間内内に燃料棒の下部端栓を受け入れているので、燃料棒と支持グリッドとの間に引っかかる可能性のある異物を異物フィルタにより除去し、燃料棒被覆管の摩耗損傷を防止することができる。又、本発明によれば、下部端栓の外周面の突起や大径化、異物フィルタのストラップに形成される突起などから燃料棒の下部端栓と前記異物フィルタとの隙間を狭める隙間低減構造が更に形成されることにより、通過異物を更に小さくすることにより、燃料棒被覆管の摩耗損傷防止効果を促進することができる。

【出願人】	【識別番号】０００００６２０８【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
【出願日】	平成１３年３月３０日（２００１．３．３０）
【代理人】	【識別番号】１０００５７８７４【弁理士】【氏名又は名称】曾我道照（外６名）
【公開番号】	特開２００２－２９６３７９（Ｐ２００２－２９６３７９Ａ）
【公開日】	平成１４年１０月９日（２００２．１０．９）
【出願番号】	特願２００１－９９６９６（Ｐ２００１－９９６９６）