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発明の名称 加圧水型原子炉用燃料集合体およびその支持グリッド
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−93520(P2007−93520A)
公開日 平成19年4月12日(2007.4.12)
出願番号 特願2005−286257(P2005−286257)
出願日 平成17年9月30日(2005.9.30)
代理人 【識別番号】100078813
【弁理士】
【氏名又は名称】上代 哲司
発明者 柿木 俊平
要約 課題
流路抵抗が少なく、また攪拌効果が大きい偏向用の羽根を設けることが容易な加圧水型原子炉用の燃料集合体の支持グリッドを提供する。

解決手段
円管状または八角管状のフェルール要素をほぼ正方格子状に配列してなることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッド。相互に隣接するフェルール要素4個が形成するサブチャンネル内において冷却水を燃料棒の周りで偏向させるための羽根部材が、前記4個のフェルール要素を跨いで取り付けられていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッド。
特許請求の範囲
【請求項1】
円管状または八角管状のフェルール要素をほぼ正方格子状に配列してなることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッド。
【請求項2】
相互に隣接する前記フェルール要素4個が形成するサブチャンネル内において冷却水を燃料棒の周りで偏向させるための羽根部材が、前記4個のフェルール要素を跨いで取り付けられていることを特徴とする請求項1に記載の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッド。
【請求項3】
前記羽根部材は、基部の上方に羽根本体が2枚形成され、前記基部は4個のフェルール要素を跨いで取り付けられ、前記2枚の羽根本体は相互に逆方向に折り曲げられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッド。
【請求項4】
前記羽根部材は、基部の上方にくびれ部を介して羽根部が形成され、前記基部は4個のフェルール要素を跨いで取り付けられ、前記羽根部は前記くびれ部を捻って羽根が形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッド。
【請求項5】
請求項1から請求項4のいずれかの支持グリッドが設けられていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は加圧水型原子炉用燃料集合体およびその支持グリッドに関し、特に冷却水の流路抵抗が少なく、冷却水を偏向させる効果が大きい偏向用羽根が設けられた加圧水型原子燃料集合体およびその支持グリッドに関する。
【背景技術】
【0002】
加圧水型原子炉(以下、「PWR」と記す)の燃料集合体と支持グリッドについて、図を参照しつつ説明する。図1は、燃料集合体の全体と燃料集合体において支持グリッドと燃料棒が配列され固定されている様子の要部を概念的に示す図である。図1において、90は燃料集合体であり、91は上部ノズルであり、92は下部ノズルであり、93は支持グリッドであり、30は燃料棒であり、35はシンブル管であり、10は水平面内横方向(図上左右方向)に設けられた格子板であり、20は同じく縦方向(実際の配置では水平面内で前記横方向に直交する方向、ただし図ではいわゆる上下方向)に設けられた格子板であり、21は偏向用の羽根部であり、95は外枠用のフレーム材であり、96は溶接ナゲットである。
【0003】
図1の左側の図は、例えば17×17に配列され、上端部はシンブル管35を介して上部ノズル91と一体的となっている支持グリッド93aに固定され、下端部は下部ノズル92に固定された燃料棒30が、途中数箇所にある支持グリッド93にて支持されつつ拘束されている様子を概念的に示す図である。また、図1の右上の図は、各支持グリッド93において、横方向と縦方向に各々例えば外枠用のフレーム材を含めて18枚づつ、格子板10、20を碁盤の縦横の線(あるいは目)のように配列し、さらに横方向と縦方向のフレーム10、20が交差して形成された升目の内部に燃料棒が配列されている様子を概念的に示す図である。図1の右下の図は、その升目の内部を燃料棒が貫通している様子を概念的に示す図である。
【0004】
図2をも参照しつつ、この升目部についてさらに詳しく説明する。図2は、図1の右上の図の一部を拡大し、さらに升目部の構造の要部を概念的に示す図であり、また図1の右下の図を上方から見た様子を概念的に示す図でもある。図2において、31はソフトストップであり、32はハードストップである。
【0005】
図2に示すように、各支持グリッドは、横方向と縦方向に格子板10、20を碁盤の縦横の線(あるいは目)のように配列し、それらが交差する場所(格子点)では予め格子板10、20に形成されてある切欠き(図示せず)を利用して両方向の格子板を嵌合させ、必要に応じて溶接により固定して組立てられている。またこのため、格子点には、溶接ナゲット96が形成されている。そして、各支持グリッドにおいては、各2枚の横方向と縦方向の格子板10、20により形成された正方形の各升目内を、円筒状の燃料棒30が弾性的に作用するソフトストップ31と剛性的に作用するハードストップ32を介して拘束されつつ上下方向に貫通している。
【0006】
また、正方形の各升目に設けられている偏向用の羽根部21は、縦方向の格子板20の格子点の近傍の上部端面に形成されている合計2個の台形状の突き出しを、それぞれ逆方向に折り曲げたものであり、これにより燃料棒の外周を下方から上方に流れる冷却材に偏向を与えて良好な混合、そして冷却効果の増大を行うものである(特許文献1)。
【特許文献1】特開平5−172974号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
近年の発電コストの低下への強い要請の下、冷却水ポンプについてもその負荷を低減することが望まれているが、そのためには支持グリッドによる冷却水の流路抵抗あるいは圧力損失(以下、「流路抵抗」に統一する)を少なくすることが不可欠である。
支持グリッドによる冷却水の流路抵抗は、前記の格子板底面と冷却水との衝突および格子板側面と冷却水との摩擦により生じる。このため、冷却水の流速が大きいほど流路抵抗が大きい。
ところで、上下のノズルと支持グリッド間、あるいは上下の支持グリッド間では、図3に示すように、4本の燃料棒の間にサブチャンネルが形成される。図3に示すサブチャンネルにおいて、斜線で示す38は燃料棒の表面近くであり、39は燃料棒から離れた場所である。また、19と29で示す点線の部分は、支持グリッドにおける横方向と縦方向の格子板10、20が位置する場所である。
【0008】
このサブチャンネル内の流速は、燃料棒の表面近く38では燃料棒との摩擦のため小さくなり、燃料棒から離れた場所39では大きくなる。しかし、図3で明らかなように、燃料棒から離れた場所の中央部の上方、冷却水が流れて行く側には、支持グリッドの格子板10、20が位置することとなる。この結果、冷却水は下流側に位置する支持グリッドの格子板10、20の底面へ大きな速度で衝突することとなり、流路抵抗が増加する。さらにこの際、図1の右下に示すような格子板の結合構造では、冷却水は各段の格子点において、上下2箇所の交差点で衝突することとなり、この面からも流路抵抗が増加する。
また、格子点において両方向の格子板10、20をしっかりと固定するための溶接ナゲット96が形成された場所においては、さらに流路抵抗は増加する。
また、偏向用の羽根部は、形状が大きければ偏向流を発生させる面からは好ましいが、あまり大きすぎるとチャンネル中央部39の流速の大きい場所に位置するだけに、なおさら流路抵抗を増加させることとなる。
【0009】
一方、これらの対策として、冷却材の流速を遅くしたり、偏向用の羽根部を小さくすれば、今度は冷却材の冷却能力が低下し、原子炉の安全性の確保の面からも不都合が生じかねない。
また、図1の右下の図に示すように、格子板の側面に窓を形成して摩擦が発生する面積を少なくし、その分流路抵抗を減少させることもなされてきたが、この場合には窓の上部において冷却水との衝突が生じるため、効果は限定されたものとなる。
このため、流路抵抗が少ない支持グリッドの開発、特に流路抵抗は少ないが攪拌効果は大きい偏向用の羽根を設けることが容易な支持グリッドの開発が望まれていた。
また、そのような支持グリッドを有する燃料集合体の開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、支持グリッドを円管状等のフェルール要素を嵌合してなる構造としたものであり、また偏向用の羽根部材を4個のフェルール要素が形成する空間を跨いで設置するようにしたものである。以下、各請求項の発明を説明する。
【0011】
請求項1に記載の発明は、
円管状または八角管状のフェルール要素をほぼ正方格子状に配列してなることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドである。
【0012】
本請求項の発明においては、円管状または八角管状のフェルール要素(部材。以下「要素」に統一する)をほぼ正方格子状に配列してなる支持グリッドであるため、4本の燃料棒間のサブチャンネル内の中央部、即ち冷却水が高速で流れる場所には支持グリッドの部材が配置されていないか、配置されていても僅かとなるため、冷却水の流路抵抗が少なくなる。
また、各フェルール要素を一体的に製作し、このため強度に余裕が生じるので、その分格子板の板厚さより薄い肉厚かつ流れ方向に短くすることが可能である。その結果、これらの面からも流路抵抗の減少につながる。
【0013】
なお、フェルール要素は、9以上の多角形でなく円管状または八角管状としているのは、製造が容易なことをも考慮したものであり、6角形でないのはサブチャンネルの中央部分に極力要素の一部が位置しないようにするためである。
ここに、「ほぼ正方格子状に配列」とは、多数のフェルール要素を、同一平面上でその開口部を上下方向に向けて配列し、さらに全体の平面形がほぼ正方形となっていることを指す。また、「ほぼ」とは、外周部では多少の凹凸が生じ、さらにシンブル管が位置する場所においては、フェルール要素が配置されず、代わりに固定、連結用の部材が設置されていたりする等のことを指す。
【0014】
請求項2に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドであって、
相互に隣接する前記フェルール要素4個が形成するサブチャンネル内において冷却水を燃料棒の周りで偏向させるための羽根部材が、前記4個のフェルール要素を跨いで取り付けられていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドである。
【0015】
本請求項の発明においては、羽根部材は、4本の燃料棒が形成するサブチャンネル内であって、フェルール要素の上端の少し上部に取付けられている。このため、羽根部材が取付けられ、配置されている位置という面からは、従来の羽根部材の取付け位置と同じ、あるいは大きな変化はない。しかし、従来は、羽根部材の下方(冷却用水の上流側)には、十字型の形状をなし、かつ流れ方向に比較的長い格子板があり、これが整流板の役を果たしていたが、本発明では羽根部材の下方には、かかる物はない。このことは1つの羽根部材について着目した場合、下流側の支持グリッドにも格子板がないことを意味する。このため、上流側の羽根本体により与えられた冷却水の偏向が、その下流側の支持グリッドの格子板により整流され弱められるということが生じることはない。その結果、羽根による冷却水を偏向させる効果が一層効率的となり、流路抵抗も大幅に減少し、また下流側に位置する燃料棒の冷却効果が増大する。
なお、羽根部材の羽根の部分は、フェルール要素の多少下流側に設置されていてもよい。
【0016】
なお、偏向用の羽根の材質としては、耐屈曲性と耐高熱性からはインコネル600、SUS304、SUS316が好ましく、中性子の非吸収性からはジルカロイが好ましい。
【0017】
請求項3に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドであって、
前記羽根部材は、基部の上方に羽根本体が2枚形成され、前記基部は4個のフェルール要素を跨いで取り付けられ、前記2枚の羽根本体は相互に逆方向に折り曲げられていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドである。
【0018】
本請求項の発明においては、2枚(あるいは2箇所)の羽根本体は相互に逆方向に折り曲げられているため、燃料棒の周囲全体に偏向流が発生する。さらに、基部を有しているため、フェルール要素4個が形成するチャンネルの中央部分への取り付けも容易となる。
また、羽根本体の横幅と長さは偏向付与効果と流路抵抗の兼ね合いから、燃料棒のピッチをP、燃料棒の外径をDとしたとき、(21/2P―D)/5mmからその4倍程度、板厚さは強度と流路抵抗の減少の面から0.1mmから1.0mm程度が好ましい。
また、フェルール要素と別に製造する場合には特に、形状が簡単であり、材料の板材を切り欠いて折り曲げるだけであるため、製造工程も容易となる。
また、羽根部材の基部は、冷却水流をただ1回遮るだけであり、この面からも流路抵抗の減少が図られる。
なお、羽根部は各チャンネル用の短いものを各チャンネル毎に装備してもよいし、支持グリッドの縦方向または横方向を通しての一体のもの、従って一枚の薄板の上部に多数の羽根部が形成されているようにしてもよい。
さらに、各支持グリッドにおける羽根による偏向および流路抵抗(偏向に伴う圧損)は、製造等の便宜で同一としてもよいし、炉の内部にあるためどうしても発熱が大きくなる中段の高さ位置では羽根の折り曲げや捻りを大きくして偏向を大きくする、あるいは冷却水の上流側で既に偏向が与えられているので下流側ではその逆にする等多少の変化があるようになされていてもよい。
【0019】
請求項4に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドであって、
前記羽根部材は、基部の上方にくびれ部を介して羽根部が形成され、前記基部は4個のフェルール要素を跨いで取り付けられ、前記羽根部は前記くびれ部を捻って羽根が形成されていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体の支持グリッドである。
【0020】
本請求項の発明においては、羽根は捻って形成されているため、冷却水の偏向効果が良好となる。
また、フェルール要素と別に製造する場合には特に、形状が簡単であり、材料の板材を切り欠いて折り曲げるだけであるため、工程も容易となる。
なお、羽根部の横幅と長さは偏向付与効果と流路抵抗の兼ね合いから、(21/2P―D)/5mmからその4倍程度が好ましい。ここに、PとDの意味は、前記と同じである。
【0021】
請求項5に記載の発明は、前記のいずれかの発明の支持グリッドが設けられていることを特徴とする加圧水型原子炉用燃料集合体である。
【0022】
本請求項の発明においては、前記のいずれかの発明の支持グリッドが設けられているため、流路抵抗が少なく、燃料棒の冷却に充分な余裕がある加圧水型原子炉用燃料集合体となる。
なお、前記いずれかの発明の支持グリッドは、1個でも設けられておれば、本請求項の発明に該当する。
【発明の効果】
【0023】
本発明においては、円管状等のフェルール要素を配列した構造の支持グリッドとしているので、冷却水が特に高速で流れる場所には支持グリッドが位置しなくなり、このため支持グリッドの流路抵抗が減少し、冷却水ポンプの負荷も低減する。
また、薄い偏向用の羽根を流れの速い場所に設けるので、小さな流路抵抗で大きな偏向効果を得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0024】
以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【0025】
(第1の実施の形態)
本実施の形態は、円管状のフェルール要素を用いるものである。以下、図面を参照しつつこの支持グリッドを説明する。図4は、本発明の第1の実施の形態の支持グリッドの要部を概念的に示す図である。図4において、40は円管状のフェルール要素であり、95は外枠用フレーム材である。本実施の形態の支持グリッドは、円管状のフェルール要素40が横方向に各列例えば17個、縦方向に各段同じく17個、合計289個が全体として正方形をなすように配列され、さらにその外周にはフェルール要素全体を束ねる外枠用フレーム材95が設けられている。そして、各フェルール要素40相互、フェルール要素40と外枠用フレーム材95は、嵌合または接点の溶接で固定され、一体の支持グリッドを構成している。
【0026】
燃料棒(図示せず)は、このフェルール要素40内を下方から上方に貫通することとなる。なお、フェルール要素40による燃料棒を拘束しながらの支持は、フェルール要素の側面を打ち出し加工して形成した弾性拘束帯、別途取り付けられたスプリング、ソフトストップ、ハードストップ(いずれも図示せず)等を介してなされる。
なお、説明の便宜上前記においては、全ての位置にフェルール要素が配置されているとして説明したが、シンブル管等他の要素がある場所においては、フェルール要素は取付けられず、その周囲4個のフェルール要素を連結する橋渡し材(図示せず)が装備されたりする等のことがなされる。
この支持グリッドにおいては、4本の燃料棒に囲まれて形成されたサブチャンネルの中央部には、支持グリッドを構成する比較的肉厚の部材が位置しない。このため、流路抵抗が少なくなる。
なお、図面ではフェルール要素40の外周側壁に窓を形成していないが、各PWRの設計条件や運転条件によっては、燃料棒の支持と拘束を受持つスプリング等の装着作業の便宜性、流路抵抗の一層の低下を図る等のために形成されていてもよい。
【0027】
(第2の実施の形態)
本実施の形態は、八角管状のフェルール要素を使用する点が、先の実施の形態と異なる。
図5に、本実施の形態において、各燃料棒30がソフトストップ31及びハードストップ32を介して八角管状のフェルール要素の内壁に支持されつつ拘束されている様子を概念的に示す。図5は、背景技術の説明に使用した図2に相当するものであり、このため燃料棒30の支持、拘束については、説明を省略する。
【0028】
次に、燃料棒よりも直径が大きいシンブル管の支持しつつ拘束する構造について、図5を参照しつつ説明する。図5において、35はシンブル管であり、36は橋渡し材であり、50は八角管状のフェルール要素である。シンブル管35が貫通する位置にはフェルール要素は設けず、シンブル管はそのまま支持グリッドを貫通させるが、このシンブル管の周囲にある4個のフェルール要素50を結合する2個の橋渡し材36のシンブル管35に向く側面部の形状を、丁度相反する方向からシンブル管35を挟み込むようにしている。そしてこれにより、フェルール要素50の固定を兼ねつつシンブル管35の支持をし、拘束がなされることとなる。
なお、周囲4個のフェルール要素50のシンブル管35側にスプリング等を取り付け、そのバネ力によりシンブル管35を支持しつつ拘束するようにしてもよい。
なおまた、橋渡し材36にスプリングを取付けて保持するようにしていてもよい。
【0029】
(第3の実施の形態)
本実施の形態は、偏向用の羽根に関する。従来は、偏向用の羽根は格子板と一体的に形成されていたが、本発明ではフェルール要素40、50とは別体として製造される。以下、図6を参照しながら本実施の形態を説明する。図6において、70は羽根部材であり、71はその基部であり、72と73は、各々その上辺に台形状に突き出して形成された羽根本体である。この羽根部材70は、図6の左上の図に示すように2枚の羽根本体72、73が相互に逆の方向に折り曲げられ、この状態で図6の下の図に示すように、その基部71の両端が各々2個のフェルール要素40間に挟み込まれて固定される。このため、4個のフェルール要素40で形成された空間、即ちサブチャネル部を跨ぐように配置され、これにより周囲4個のフェルール要素間の冷却水に大きな偏向を生じさせる。
【0030】
なお、この羽根部材70は、フェルール要素40とは別に製造される。このため、羽根の形状は最適なものと成し得、またその板厚さと流れ方向(上下方向)の長さは、冷却水の流れにより損傷したり、変形したりせずにその役割を果たす限り、必要最小限の値とすることが出来る(従来は、格子板の一部を使用して形成していたため、形状と板厚さ等は、格子板に起因する制限があった)。このため、一層流路抵抗が少なくなる。
なおまた、図6に示す羽根部材70は、各チャンネル毎に取付けるタイプのものであるが、支持グリッドの一方の外枠フレームから対向する他方の外枠フレームまで跨ぐ細長い1枚の板に、各チャンネルに対応して1組の羽根本体を形成していてもよい。
【0031】
(第4の実施の形態)
本実施の形態は、偏向用の羽根の形状に関する。以下、図7を参照しつつ本実施の形態を説明する。図7において、80は羽根部材であり、81はその基部であり、82はその上辺に半円状に突き出して形成された羽根下部であり、83は羽根下部82の上方に上下が逆の半円状に形成された羽根部であり、84はくびれ部である。この羽根部材80は、図7の左側の図と右側の図に変化を示すように、羽根部83がくびれ部84から捻られ、この状態でその基部81の両端が各々2個のフェルール要素40間に挟み込まれて固定される。
なお、ここに羽根下部82がフェルール要素の上端より上方に位置して形成されているのは、フェルール要素の影響を排除して冷却水の偏向効果を増すためである。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】燃料集合体において、支持グリッドと燃料棒が配列され、固定されている様子を概念的に示す図である。
【図2】従来の支持グリッドにおいて、燃料棒が支持されつつ拘束されている様子を概念的に示す図である。
【図3】従来の支持グリッドにおいて、4本の燃料棒に囲まれたサブチャネル内の中央部に下流側の格子板が位置する様子を概念的に示す図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態の支持グリッドの要部の構成を概念的に示す図である。
【図5】本発明の第2の実施の形態の支持グリッドの要部と、燃料棒等を支持しつつ拘束している様子を概念的に示す図である。
【図6】本発明の第3の実施の形態としての羽根部材を、4個のフェルール要素で囲まれたサブチャンネル内に取り付ける要素を概念的に示す図である。
【図7】本発明の第4の実施の形態としての羽根部材の要部を示す図である。
【符号の説明】
【0033】
10 格子板(横方向)
20 格子板(縦方向)
21 羽根部(従来技術)
30 燃料棒
31 ソフトストップ
32 ハードストップ
35 シンブル管
36 橋渡し材
38 燃料棒近くのサブチャンネル
39 中央部のサブチャンネル
40 円管状のフェルール要素
50 八角管状のフェルール要素
70、80 羽根部材(実施の形態)
71、81 羽根部材の基部
72、73 羽根本体
82 羽根下部
83 羽根部
90 燃料集合体
91 上部ノズル
92 下部ノズル
93 支持グリッド
93a 支持グリッド(上部ノズルと一体)
95 外枠用フレーム材
96 溶接ナゲット




 

 


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