JP3766698B2 - 水冷却型原子炉用燃料集合体の底部ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、軽水冷却型原子炉、特に加圧水型原子炉の燃料集合体の濾過用底部ノズルに関する。
【０００２】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】
加圧水型原子炉は、鉛直位置に並べて配置された角形の集合体からなる。集合体は、フレーム構造からなり、長手方向の案内管とスペーサグリッドを有し、燃料棒が配置されるノズルによって閉鎖される。
底部ノズルと呼ばれる集合体のノズルの１つは、原子炉の冷却水の流路が鉛直方向上方に炉心を通るのを可能にするために、各々の集合体のレベルで穴を開けられた下部コアプレートに載る。
【０００３】
このようなノズルは、下部コアプレートに載るサポートレグと管束の燃料棒の方向に対して横方向に位置決めされた、サポートレグと一体の要素とからなる。この横方向の要素は、互いに平行な上面及び下面を有するアダプタープレートからなり、そこに集合体の案内管の底部端が固定され、アダプタープレートを貫通する開口を有し、流路を可能にして、鉛直方向に循環する原子炉の冷却水の分配を確実にして、底部ノズルを通過した後、集合体の棒の外面に接触する。
【０００４】
底部ノズルのアダプタープレートは、集合体のフレーム構造の強度に寄与し、底部ノズルに及ばされる力が、吸収されて、燃料棒が保持されるのを確保し、集合体の冷却水の流路及び分配を可能にしなくてはならない。
材料の異物が、原子炉の主循環路に存在することがあり、循環の加圧水によって同伴されがちである。もし異物の大きさが、小さければ（例えば、１０ｍｍ以下）、この異物は、底部ノズルの水の流路の穴が略１０ｍｍ以上の直径を有するので、底部ノズルのアダプタープレートを通過することができる。この異物は、燃料棒と第１グリッド、即ち集合体の最下点に配置された一様なパターンに棒を保持するスペーサグリッドの高さで棒を保持する要素との間に押し入ることができる。この帯域で軸線方向に横方向の相当な水圧を受けるこの異物は、燃料棒の燃料被覆を磨滅させることがある。原子炉の主系統のアクティビティレベルを増加させるとともに、この燃料被覆の水密性を失わせる結果を引き起こす危険がある。
【０００５】
この異物の集合体内での捕獲を避けるために、集合体の第１グリッド内に押し入りやすい異物を止めるのに十分小さい直径の、このアダプタープレートを貫通する穴を設けることによって、底部ノズルのアダプタープレートのレベルで冷却流体を濾過することが提案されてきた。
円形断面を有する小径の穴は、アダプタープレートの全断面に正方形のメッシュパターンに配置される。小径の穴のこのようなパターンは、アダプタープレートを通過する冷却水の循環の際に相当な圧力降下を生じる。
【０００６】
上昇力が冷却流体の循環によって、集合体に生じる。上部コアプレートに適用される離昇防止バネは、燃料集合体の離昇を防止するために、下部コアプレートの方向に正の合応力を維持する役目を有する。
この目的を達成して、離昇防止バネが受ける応力を減らすためには、燃料集合体に働く水圧力を減らすのが望ましい。その手段は、冷却流体用集合体の底部の流路を増加させることにある。
【０００７】
さらに、アダプタープレートは、上述した機械的抵抗の機能を果たすのに十分な強度を有しなくてはならない。かくして、アダプタープレートの厚さが増加しなければ、ある制限を越えてアダプタープレートを貫通する穴の密度を増加させるのは不可能であり、これは、再び圧力降下の増加及び燃料棒のクリアランスのために確保された間隔の減少を引き起こす。
【０００８】
かくして、本発明の目的は、横方向に配置されたアダプタープレートを有し、該アダプタープレートは、互いに平行で、集合体の冷却水の流路及び冷却水によって同伴された異物を止めることを可能にするように穴を開けられた上面及び下面からなる水冷却型原子炉用燃料集合体の圧力降下を減ずる底部ノズルを提案することであり、この底部ノズルによって、ノズルを通過する冷却流体の循環における圧力降下、かくして離昇防止バネに働く力を非常に低レベルまで制限でき、一方で相当な強度を有する。
【０００９】
この目的のために、アダプタープレートは、その面に実質的に垂直な機械的強度を有し、その下面から突出し、セル自身とアダプタープレートの下面の帯域との間を区切り、パターンに配置された実質的に正方形断面の貫通口の群が各々に現れるリブを有する。
【００１０】
【実施例】
本発明をより明確にするために、添付図面を参照して、加圧水型原子炉の燃料集合体の濾過用ノズルの非限定的な例として、今説明する。
図１は、全体的に参照番号１で示す、長手方向の案内管４からなるフレーム構造で保持された平行な燃料棒２の束と、横方向のスペーサ３と端部ノズル５及び６からなる燃料集合体を示す。スペーサ３は、グリッドからなり、グリッドの各セルは、燃料棒を受け入れる。グリッドのパターンのある位置は、燃料棒２の長さより長い案内管４で占められる。案内管４の各々は、集合体の長さについて均等に間隔を隔てたスペーサグリッドの群に固定される。
【００１１】
さらに、案内管は、一端が集合体の頂部ノズルを形成するノズル５に結合され、他端が底部ノズルを形成する第２ノズル６に結合される。
修理位置では、図１に示すように底部ノズルが、レグ７によって原子炉の低部コアプレート８の上面に載った状態で、集合体は鉛直に置かれる。
プレート８には、原子炉の炉心を形成する燃料集合体の各々の高さで、対応する底部ノズル６の下に現れる４つの冷却水流路の穴が開けられる。
【００１２】
サポートレグ７は、その上部で案内管４の下端が固定された横方向のサポート要素９と一体である。
ノズル６の下に現れる開口を介して底部コアプレート８を通る原子炉の冷却水は、厚さ全体を貫通する開口のパターンが開けられた横方向の要素９を通る。
このように、冷却水は鉛直方向上方に循環させられて、燃料棒２に接触して冷却し、熱交換を形成する。
【００１３】
先行技術による配置では、横方向の要素９は、冷却水の流路を確保する開口のパターンによって厚さ全体に穴を開けられた単一平面のアダプター平面からなり、同時に問題の開口によって決定されるある制限より大きい寸法の異物を濾過して、止める。
本発明による底部ノズルは、リブ付のアダプタープレートからなり、該アダプタープレートの水路及び異物濾過用孔は、図２、図４及び図６を参照して説明するように、特別の配列に置かれる。
【００１４】
本発明による底部ノズル１０のアダプタープレート１１は、平らで互いに平行で、アダプタープレート１１の平面部分を限定する上面１１ａ及び下面１１ｂと、アダプタープレート１１の面１１ａ及び１１ｂに垂直で、アダプタープレートの下面１１ｂに対して突出するように配置された補強リブ１２の群とからなる。
面１１ａ及び１１ｂ及びリブ１２によって限定された平面部分からなるアダプタープレート１１全体は、例えばステンレス鋼の一片を成形し、機械加工することによって単一片の状態で生産される。
【００１５】
鉄鋼或いは合金は、以下の組成（％）のうちの一つを有するのが望ましい。
−Ａ２８６鋼（ＡＦＮＯＲ規格によればＺ₃ＣＮＤＴＶ２５−１５）：Ｃ＜０．０８、Ｎｉ ２４から２７、Ｃｒ １３．５から１６、Ｍｏ １．００から１．５０、Ｔｉ １．９０から２．３５、Ａ１＜０．３５、Ｕ ０．１０から０．５、Ｍｎ＜２．００、Ｓｉ＜１．００、残りは鉄からなる。
−Ａ１５１−３０４鋼（ＡＦＮＯＲ規格によればＺ₂ＣＮ１８−１０）：Ｃ＜０．０３、Ｓｉ＜１．２０、Ｍｏ＜１．５０、Ｃｒ １７から２０、Ｎｉ ８から１２
−インコネル ７１８（ＡＦＮＯＲ規格によればＮＣ１９ＦｅＮｂ）
特定の実施例に関連する図５を参照して以下に説明するように、アダプタープレートは又、２片を溶接して生産することもできる。
【００１６】
リブ１２は、大部分のメッシュは、正方形或いは長方形形状で、リブ１２自身の間に、しかもノズルの側壁１４、底の方に、即ち燃料集合体に流入する冷却水の流れの方向に通じたセル１３とともに範囲を区切ったパターンに配置される。
リブ１２は又、アダプタープレート１１の平面部分の帯域１５の範囲を限定して、略正方形或いは長方形の形状で、アダプタープレートの表面の大部分を占める。帯域１５では、アダプタープレートの平面部分には、リブ１２の間でアダプタープレートの下面１１ｂに現れて、リブ１２の間に含まれた帯域１５の全表面を占める開口１６のパターンが開けられる。
【００１７】
開口１６は、面１１ａと面１１ｂの間のプレート１１の平面部分に穴を開けることによって作られる。開口１６は全て実質的に同じで、実質的に正方形形状で、粒子が燃料棒と第１スペーサグリッドを保持するための要素との間の空間に押し込まれるのを防止するように、正方形の対角線が、冷却流体によって同伴された粒子の最小の大きさと実質的に等しいか或いは僅かに小さい寸法を有する。
【００１８】
この異物の最小寸法、かくして開口１６の大きさは、燃料棒と第１スペーサグリッドの案内要素との間に残る空間の大きさによって定められる。
アダプタープレートの開口１６は又、棒の寄れ或いは照射成長の際にアダプタープレートが燃料棒を保持することができるようなものである。次いで、冷却流体が棒を冷却するために、なお循環できるように棒はノズルのアダプタープレートに載る。
【００１９】
図３からわかるように、好ましい仕方では、案内管１８ａの近くでは、開口１６の幾つかは、案内管の近くのセル１３の形に順応させて、集合体の冷却流体の循環で圧力降下を最小にするために横断面が種々の形状を有してもよい。。これらの開口は特に、正方形形状１６ａ、長方形形状１６ｂ、三角形形状１６ｃ或いは台形形状１６ｄであってもよい。かくして、冷却水が流れるアダプタープレートの「流路」は増加する。
【００２０】
セルの内部で、開口１６は、全体的に正方形形状を有し、アダプタープレートを貫通する開口１６の大部分は、正方形のメッシュパターンに配置された正方形の開口からなる。
従来のタイプの加圧水型原子炉用の燃料集合体の場合には、本発明による底部ノズルは、数ｍｍ、例えば、０．５ｍｍ程度の厚さを有する平面部分からなる。リブ１２も、数ｍｍ程度、例えば、５ｍｍの幅、数ｃｍの長さ及びアダプタープレートの平面に垂直な方向に１５ｍｍと３０ｍｍの間の高さを有する。
【００２１】
アダプタープレートの平面部分を貫通する開口１６は、大部分正方形断面を有し、開口の側部の大きさは、数ｍｍである。案内管１８（図２Ａ参照）の近くに、セル１３の縁に沿って配置された開口は、セルの形により一致するように正方形形状以外の形状を有することができる。
図２でわかるように、開口１６は、アダプタープレートの帯域１５を占める群の形態を有するブロックに区分けされ、正方形或いは長方形形状或いはこれらの単純な形状から僅かに異なった形状である。
【００２２】
アダプタープレートの材料で機械加工された開口１６は、薄壁によって分離される。
開口１６は、非常に高圧（数千バール）で研磨性の水の噴流を使用するプレートの穴開けによって全体的に作られる。このような穴開け方法及びそれを実行するための装置は、よく知られている。デジタル制御の穴開け機械を使用すると、図２に示すようなパターンのプレートに数千からなる穴を開けることができる。このような自動穴開け作業は、数時間で行うことができる。
【００２３】
異なった形状のパターンを、同じ方法によって生じさせることができ、しかも他の周知な穴開け方法、例えばレーザビームも、本発明の範囲から逸脱することなく使用することができることは、まったく明らかである。
リブ１２は、ノードの位置が集合体の案内管１８の位置に対応するパターン内に配置され、リブ１２のパターンのノード１７で即ち金属が比較的厚いこれらのリブの交点の帯域内で、アダプタープレートに機械加工された穴の内部に固定される。アダプタープレートの強度及び抵抗は、案内管を固定するのに必要な孔開けにもかかわらず完全に満足すべきレベルに維持される。
【００２４】
リブ１２の主要な役割は、このアダプタープレートの平面部分が、比較的薄く、その表面のほとんど大部分に渡って穴を開けられているにもかかわらず、アダプタープレートに十分な強さを与えることである。
リブは又、流体が濾過される帯域１５に向かって集合体の冷却用流体を案内する。
【００２５】
ノズルのサポートレグは、集合体が下部のコアプレートに載ることによって、先行技術によるノズルの場合と同様に、アダプタープレートの隅に配置される。これらのサポートレグは、図２及び図４に示さない。
開口１６の正方形形状、パターン内のそれらの配置及び領域１５の表面を占める群の形成によって、アダプタープレートの流路、即ち開口１６の全表面積とアダプタープレートの全表面積との割合を増大させることができる。
【００２６】
セル１３の縁の近くに設置された開口に適合された形状は、流路をさらに増大させることができる。
図２に示すような配置では、５０％程度の流路、かくして先行技術の圧力降下係数より十分に小さい圧力降下係数を得ることができる。
かくして、本発明によるノズルは、先行技術による単一のパターンに配置された円形の開口を開けたノズルより相当な利点を有することが極めて明らかである。
【００２７】
かくして、本発明によるノズルは、非常な強度、非常に高いレベルの加工抵抗及び冷却流体用の大きな流路を同時に有する。底部ノズルの大きな流路は、冷却流体の循環の改良によって燃料棒のレベルにおける熱交換を改善して、その結果原子炉のより大きな効率を得ることを可能にする。
図５及び図７でわかるように、本発明によるノズルは、成形された片或いは機械加工された厚板（図２及び図４参照）を機械加工することによって単一のブロックに成形するか、或いは平らなアダプタープレート２１をセル２３のパターンを限定する壁２２からなる構造物２０に取り付けることによって、さらに平らなアダプタープレート２１を、溶接線２４に沿って溶接（例えば、レーザを使用）して固定させることによって製造することができる。
【００２８】
平らなアダプタープレート２１及びリブ付の構造物２０は、望まれる特質に依存した異なる材料からなるのもよい。
この場合、取り付けられたプレート２１の穴開けが容易に行われ、セル２５の各々に作られた実質的に正方形断面の開口２６は、図４及び図６に示す真っ直ぐな開口の大きさを達成するために、プレートの下部にアダプタープレートの上面に近づくにつれて小さくなる、拡大された断面を有するように、機械加工するのもよい。
【００２９】
アダプタープレートの下面に拡大された断面を有するこれらの開口は、ノズルを通る流量を増大させて、ノズルの強度及び抵抗を減じることなく熱交換を改善し、一方で寄れの際に、燃料棒を効率的に確実に保持するのを可能にする。
本発明は、説明してきた実施例に限定されない。
かくして、アダプタープレートに図２に示す帯域の形状以外の形状の正方形の開口のパターンを開ける領域１５を計画するのが可能である。これらの帯域の形状は、特に集合体の案内管の配置に依存する。図２に示す配置は、２４本の案内管と１本の計装管とからなる加圧水型原子炉用の燃料集合体に対応する。
【００３０】
補強リブは、指示したのと異なる形状及び大きさを有していてもよい。
最後に、本発明は加圧水型原子炉用の燃料集合体だけでなく、他の軽水冷却型原子炉用の集合体にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加圧水型原子炉の燃料集合体の立面図である。
【図２】本発明の濾過用底部ノズルの平面図である。
【図３】好ましい実施例における案内管の近くのアダプタープレートを貫通する開口の形状を示す、ノズルの部分平面図である。
【図４】図２の線３−３における横断面図である。
【図５】図４に示すプレートの拡大詳細図である。
【図６】ノズルの変形実施例におけるアダプタープレートの開口の縦断面を示す図４より大きな縮尺の断面図である。
【図７】図６に示すプレートの拡大詳細図である。
【符号の説明】
１ 燃料集合体
２ 燃料棒
３ スペーサ
４ 案内管
５ 端部ノズル
６ 底部ノズル
８ コアプレート

Claims (8)

1. 水冷型原子炉用燃料集合体の圧力降下を減じる底部ノズルであって、横方向に配置された構造部品を有し、この構造部品は、相互に平行な上面（１１ａ，２２ａ）及び下面（１１ｂ，２２ｂ）を備えた平らなアダプタープレート（１１，２２）と、この平らなアダプタープレート（１１，２２）の両面に略垂直で、前記下面（１１ｂ，２２ｂ）から突出し、前記構造部品の機械的強度を付与する複数のリブ（１２，２２）とからなり、これらのリブは、相互に連結されて、パターン状に配置され、これらのリブは、リブの間で前記下面（１１ｂ，２２ｂ）に複数の帯域（１５、２５）を構成し、燃料集合体の冷却水の通過及び前記アダプタープレート（１１，２２）の前記下面（１１ｂ，２２ｂ）の下において、冷却水によって捕捉された異物の食い止めを可能にするように、各帯域（１５、２５）の中に、前記アダプタープレート（１１，２２）を貫通する一群の貫通穴（１６，２６）が設けられ、これらの貫通穴（１６，２６）は、略正方形断面であり、且つパターンに配置され、前記複数の帯域（１５、２５）は、前記下面（１１ｂ，２２ｂ）の５０％以上を占有する、ことを特徴とする底部ノズル。
2. 前記リブ（１２，２２）は、前記複数の帯域（１５、２５）の各々が、正方形或いは長方形形状を有するように正方形或いは長方形のメッシュパターンに配置される請求項１に記載の底部ノズル。
3. 前記リブ（１２，２２）のパターンは、燃料集合体の案内管（１８）を固定するために設けられたノード（１７）の位置に対応するように形成される請求項２に記載の底部ノズル。
4. 前記アダプタープレート（１１，２２）を貫通する前記貫通穴（１６，２６）は、前記帯域（１５、２５）の縁を形成するリブ（１２，２２）の近くに少なくとも長方形、三角形、台形のうちの一つの幾何学的形状を有する請求項１から請求項３のいずれかに記載の底部ノズル。
5. ステンレス鋼或いはニッケル合金から成形された片を機械加工して、単一のブロックに成形することにより製造されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の底部ノズル。
6. Ａ２８６鋼（Ｚ３ＣＮＤＴＶ２５−１５）、Ａ１５１−３０４鋼（Ｚ２ＣＮ１８−１０）、ニッケル合金（ＮＣ１９ＦｅＮｂ）のうちの１つの材料から製造されることを特徴とする請求項５に記載の底部ノズル。
7. 前記アダプタープレート（１１，２２）に対して前記リブ（１２，２２）を溶接によって固定することにより製造されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の底部ノズル。
8. 前記貫通穴（１６、２６）は、前記アダプタープレート（１１、２１）の下面（１１ｂ、２１ｂ）から前記上面（１１ａ、２１ａ）に近づくにつれて小さくなる断面を有することを特徴とする請求項７に記載の底部ノズル。

Images