沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサ
【課題】スペーサ材料の強度を高めることなく、熱水力共存性を維持しつつ外部からの荷重による座屈強度を向上することができる沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサを提供すること。
【解決手段】燃料集合体１０の各燃料棒１０ＦＢを保持する複数のセル２０Ｃを形成するため相互に直交する縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙから成り、これらの格子板２２Ｔ、２２Ｙは、中央に水管１０ＷＰが貫通すべき仕切り空間２０Ｓを形成し、水管１０ＷＰを保持する水管保持手段３０は、水管１０ＷＰに係合してこの水管を保持する縦横格子板成形部３２から成り、この縦横格子板成形部３２は、縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙに外部からの荷重を受けて弾性的に変形して外部からの荷重を吸収するように谷矩形部分を有する波形部から成っている。
【解決手段】燃料集合体１０の各燃料棒１０ＦＢを保持する複数のセル２０Ｃを形成するため相互に直交する縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙから成り、これらの格子板２２Ｔ、２２Ｙは、中央に水管１０ＷＰが貫通すべき仕切り空間２０Ｓを形成し、水管１０ＷＰを保持する水管保持手段３０は、水管１０ＷＰに係合してこの水管を保持する縦横格子板成形部３２から成り、この縦横格子板成形部３２は、縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙに外部からの荷重を受けて弾性的に変形して外部からの荷重を吸収するように谷矩形部分を有する波形部から成っている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサの改良に関し、特に、水管に隣接する格子板に外部からの荷重を吸収することができるように改良された格子板を有する沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の格子型スペーサ２は、図７乃至図９に示すように、相互に直交する縦格子板２Ｔと横格子板２Ｙとこれらの格子板２Ｔ、２Ｙを囲う正方形状の外枠板２Ｆと、中央を貫通して縦横の格子板２Ｔ、２Ｙによって水管１ＷＰを保持すべき仕切り空間２Ｓとから成っている。燃料集合体１を構成する各燃料棒１ＦＢは、縦横の格子板２Ｔ、２Ｙで囲まれる正方形又は四方形のセル２Ｃ内に弾性的に支持されている。
【０００３】
この燃料集合体用格子型スペーサ２は、燃料との熱水力共存性を損なうことなく、地震動の如き外部からの荷重に対して耐えることができるように構成されていることが要求される。
【０００４】
近年地震に関する知見及び知識の蓄積や地盤評価・地震動評価技術が向上し、地震発生時の建築物の強化基準や安全評価方法が改善され、これに伴って原子炉発電所の耐震性の評価に用いられる地震動は、従来よりも大きくなる傾向がある。
【０００５】
一般に、沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサは、地震動等の外部からの荷重を受けた場合に、崩壊熱除去可能な形状を維持しつつ燃料被覆管を損傷することがないことが求められ、従って、この荷重に対して座屈変形しないことが要求される。しかし、上記した従来の格子型スペーサの座屈強度を高めるため、スペーサ材料の強度を増すと、通常、スペーサによる燃料集合体の圧力損失を招くため、熱水力共存性が失われ、またこの熱水力共存性を確保しようとすると、限界出力性能を低下しなければならないので、熱水力共存性と限界出力性能との両方の特性を維持することが難しかった。
【０００６】
格子板２Ｔ、２Ｙは、図７乃至図９に示すように、燃料棒１ＦＢや水管１ＷＰを保持するためにスプリングＳを挟み込んだり（特許文献１及び２参照）、弾性打ち出し部(図示せず)や固定打ち出し部ＳＰを設けたりしている（特許文献３参照）。縦横の格子板２Ｔ、２Ｙは、基本的には、真っ直ぐな板の形態を有するが、水管１ＷＰを適切に保持するために、水管１ＷＰの外面に沿うように屈曲した形態を有することがある（図８及び図９参照）。
【０００７】
一般的な格子型スペーサは、格子板２Ｔ、２Ｙの交点付近にベーン部（羽根）８（特許文献３の図３の符号３１参照）が設けられている。このベーン部８は、セル２Ｃ内の冷却材を撹拌し、冷却材に旋回流を付与し、燃料棒１ＦＢの表面に液滴が付着するのを促進し、燃料集合体の限界出力性能を高める役割を有する。一般的に、このベーン部８は、その面積を大きくするほど、限界出力性能が向上するが、面積が大きくなると、スペーサの圧力損失を増加し、既存燃料との熱水力共存性を悪化させる。
【０００８】
地震が発生した場合、燃料集合体は、チャンネルボックスを介してスペーサに荷重が掛けられる。日本電気協会の「原子力発電所耐震設計技術指針（ＪＥＡＣ／ＪＥＡＧ４６０１）」によれば、地震発生時の燃料集合体に求められる性能が定められており、スペーサは、燃料集合体に求められるこの性能を満足するように強度設計が行われなければならない。ＪＥＡＣ／ＪＥＡＧ４６０１は、原子炉の安全機能を確保するための評価地震動に対して原子炉停止後の崩壊熱除去可能な形状を維持することを求めている。崩壊熱除去可能な形状の維持とは、燃料被覆管の健全性を保つことであり、従って、燃料集合体及びスペーサは、評価地震動に対して燃料被覆管に損傷を与えないように設計されなければならない。
【０００９】
図７乃至図９に示す従来技術による格子型スペーサ２は、格子板２Ｔ、２Ｙの長手方向（図７乃至図９の紙面のＸ−Ｙ方向、即ち紙面上の縦横方向）に沿って過大な荷重が加わると、特に格子板が水管１ＷＰによって分断されていないセル２Ｃの一辺（格子板部分）で座屈が生じ、この格子板の座屈によって燃料被覆管が損傷する虞があった。
【００１０】
１つの従来技術のスペーサは、特許文献１の特開平２−２１６０８８号公報に記載されており、このスペーサは、ウオーターチャンネル（水管）を弾性的に支持するために、このウオーターチャンネルに接触する複数の矩形状の打ち出し片（同文献では符号７で表示されている）を縦横の格子板（同文献では符号２、３で表示されている）に設けているものがある。これらの打ち出し片は、その両端の間の矩形部分が平坦のままであるため、格子板に加わる荷重を吸収することができない欠点があった。従って、荷重を吸収するためには、セルの一辺で座屈が生じないように、座屈荷重を高めて地震発生時の機械的強度を向上しなければならない。
【００１１】
格子型スペーサの座屈荷重は、セル間隔、スペーサ高さ、スペーサ板厚の如きスペーサの幾何学的形状や材質によって決まる。このうち、セル間隔は、燃料集合体の核特性に関係し、燃料集合体の上流側の設計仕様で変更することができない。スペーサ高さ、スペーサ板厚を大きくすると、座屈荷重は増加するが、それと同時にスペーサによる圧力損失も増加するので、熱水力共存性を満足することができない。スペーサの材料を新たな高い強度の材料とすると、熱水力共存性を満足することができるが、この新たな高い強度のスペーサ材料は、原子炉の安全性から原子燃料用材料として認可されていないので、認可を得て実用化するまでに相当の時間を必要とするため、現実的な対応策ではない。
【００１２】
また、スペーサを既存の設計とはかなり異なった構造の新設計とすると、新しい材料の採用と同様に、原子炉の安全性から、これを採用するためには、実証結果を得なければならないが、これに相当の時間がかかり、新たな材料の採用と同様に現段階では実用的ではない。
【００１３】
一方、原子炉は、その安全性、信頼性の観点から常に最新の知見と対策が要求されており、従来の設計を大きく変更することなく、原子炉の安全性や信頼性を確保する対策が施された設計が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平２−２１６０８８号公報
【特許文献２】特開平４−２５９８９２号公報
【特許文献３】特開平２００１−３１８１８２号公報
【特許文献４】特表２００６−５１９９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、スペーサ材料として新たな高い強度の材料を用いることなく、熱水力共存性を維持しつつ外部からの荷重による座屈強度を向上することができる沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の課題解決手段は、燃料集合体の各燃料棒を保持する複数のセルを形成するため相互に直交する縦横の格子板から成り、前記縦横の格子板は、中央に水管が貫通すべき仕切り空間を形成しており、前記縦横の格子板は、前記水管を保持する水管保持手段を備え、前記水管保持手段は、前記水管に係合して前記水管を保持する縦横の格子板の成形部から成っている沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、前記水管保持手段の成形部は、前記縦横の格子板に外部からの荷重を受けて弾性的に変形して前記外部からの荷重を吸収するように成形されていることを特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサを提供することにある。
【００１７】
本発明の課題解決手段において、弾性荷重吸収性の成形部は、前記水管に隣接するセル内の燃料棒を直接又は間接的に保持する矩形部分を含む波形の形態を有して前記波形部の谷部分で前記水管を弾性的に保持するようにすることができる。
【００１８】
なお、上記の弾性荷重吸収性の成形部は、前記水管に隣接するセル内の燃料棒を直接ではなく、間接的に保持する場合には、矩形部分から打ち出し又は固着によって設けられた固定支持部材を使用し、セル隣接燃料棒は、この固定支持部材を介して成形部の矩形部分に保持される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、水管に係合して水管を保持する縦横の格子板の成形部は、縦横の格子板に外部からの荷重を受けて弾性的に変形して外部からの荷重を吸収するように成形されているので、大きな地震等に耐えることができる。
【００２０】
また、本発明によれば、座屈強度を向上することができるので、スペーサ材料の板厚を増大することなく、弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部の構造の採用によって耐震性を向上するため、スペーサ高さを低くしたり、板厚を減少したりして低圧損化を行いつつベーン部を強化することができ、従って燃料集合体の限界出力を向上することができる。
【００２１】
ベーン部の強化を行わない場合には、燃料棒の外径を大きくしたり、部分長燃料棒を長くしたり、その本数を増加したりして、燃料集合体のウラン重量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第1の実施の形態による格子型スペーサを用いた燃料集合体の横断面図である。
【図２】図１のスペーサの要部を拡大して示す横断面図である。
【図３】図２の右端の１つの燃料棒とそれに関連するスペーサ部分を示し、同図（Ａ）は、その正面図、同図（Ｂ）は、その側面図である。
【図４】図３（Ａ）（Ｂ）の一部の拡大断面を示し、同図（Ａ）は、図３（Ａ）（Ｂ）のＡ−Ａ線拡大断面図、同図（Ｂ）は、図３（Ａ）（Ｂ）のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【図５】本発明の格子型スペーサを用いた燃料集合体の変形前後の概略状態を示し、同図（Ａ）は、変形前の横断面概略図、同図（Ｂ）は、１つの変形後の横断面概略図、同図（Ｃ）は、他の変形後の横断面概略図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による格子型スペーサの要部を拡大して示し、同図（Ａ）は、その横断面図、同図（Ｂ）は、その一部の正面図、同図（C）は、同図（B）の側縦断面図である。
【図７】１つの従来技術によるばね挟み込み型平坦スペーサを用いた燃料集合体の横断面図である。
【図８】他の従来技術によるばね挟み込み型屈曲スペーサを用いた燃料集合体の横断面図である。
【図９】図８と同じ従来技術によるばね挟み込み型屈曲スペーサを用いた燃料集合体であるが、燃料棒を１０行１０列とした燃料集合体の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に述べると、図１は、本発明の第１の実施の形態による格子型スペーサ２０を用いた燃料集合体１０を横断面で示し、この燃料集合体１０は、格子型スペーサ２０の複数のセル２０Ｃ内にそれぞれ保持される複数の燃料棒１０ＦＢから成っており、更に、格子型スペーサ２０の中央に形成された仕切り空間２０Ｓを貫通して保持された水管１０ＷＰを備えている。この燃料集合体１０は、横断面が正四角形である外枠板（チャンネルボックス）１２に囲まれており、従って、格子型スペーサ２０も外枠板１２に囲まれた状態となっている。
【００２４】
第１の実施の形態による格子型スペーサ２０は、燃料集合体１０の各燃料棒１０ＦＢを保持する複数のセル２０Ｃを形成するため相互に直交する縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙから成っており、水管貫通用の仕切り空間２０Ｓは、格子型スペーサ２０の中間位置でこれらの縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙで仕切られて形成されている。なお、図１では、図面が複雑になるのを避けるために、図１の上端の中央付近に図示されている１つの燃料棒１０ＦＢのみが記載されているが、実際にはすべてのセル２０Ｃに各燃料棒１０ＦＢが保持されていることを理解すべきである。
【００２５】
水管用の仕切り空間２０Ｓに隣接する燃料棒１０ＦＢＳ(図２（Ａ）参照)の仕切り空間２０Ｓ側の面以外の面（３つの面）とこの燃料棒１０ＦＢＳ以外の燃料棒１０ＦＢの４つの面は、縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙに取り付けられた板ばね２４Ａによって各セル２０Ｃ内に弾性的に保持されている。更に詳細に述べると、図３（Ｂ）に示す如き「く」字形の板ばね２４Ａは、縦横列の格子板２２Ｔ、２２Ｙに取り付けられている（図１参照）。
【００２６】
水管用の仕切り空間２０Ｓに隣接する燃料棒１０ＦＢＳ(図２（Ａ）参照)は、この仕切り空間２０Ｓ側の面では、後に述べる水管保持手段３０によって保持されているが、その詳細は、水管保持手段３０に関連して後述する。
【００２７】
水管保持手段３０は、図２乃至図４に示すように、水管（ウオータチャンネル）１０ＷＰに係合してこの水管１０ＷＰを保持する縦横の格子板成形部３２から成っているが、この縦横の格子板成形部３２は、縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙに外部からの荷重を受けた際に弾性的に変形してこの外部からの荷重を吸収するように成形されている。図２乃至図４の形態では、この弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部３２は、水管１０ＷＰに隣接するセル２０Ｃ内の燃料棒１０ＦＢＳを直接保持する矩形部分３２ＷＲ（特に図３（Ｂ）、図４（Ａ）（Ｂ）参照）を含む波形部３２Ｗの形態を有しており、水管１０ＷＰは、波形部３２Ｗの谷部分３２ＷＣに設けられた打ち出し型のスプリング３２ＷＰ（特に、図３（Ｂ）参照）で弾性的に保持されている。従って、図２乃至図４に示すように、水管１０ＷＰと縦横格子板成形部３２の谷部分３２ＷＣとの間にはスプリング３２ＷＰによって隙間ＧＩ（図５（Ａ）参照）が生ずる。
【００２８】
このように、水管１０ＷＰは、この水管１０ＷＰ用の空間２０Ｓを区画する縦横の格子板部分２２Ｔ、２２Ｙの縦横格子板成形部３２によって保持されるが、この縦横格子板成形部３２は、矩形部分３２ＷＲとその傾斜部３２ＷＩを含む波形部３２Ｗ全体の変形によって弾性的に荷重を吸収することができる特性を有するので、地震発生時のように大きな外部荷重が加わってもこの荷重が水管保持用の縦横格子板成形部３２によって吸収され、格子型スペーサ２０に負荷される外部荷重は低減する。
【００２９】
この構造の格子型スペーサ２０を用いた燃料集合体１０に地震等の発生で外部から荷重を受けると、格子型スペーサ２０は、図５（Ａ）に示す正規の状態から、水管１０ＷＰに隣接するセル２０Ｃを区画する縦横格子板成形部３２の矩形部分３２ＷＲを含む波形部３２Ｗの変形に基づいて弾性変形する。更に詳細に述べると、波形部３２Ｗの変形に応じて波形部３２Ｗの打ち出し型のスプリング３２ＷＰが引っ込められて荷重方向にあるセル２０Ｃとの間の隙間ＧＩが埋められ、格子型スペーサ２０は、図５（Ｂ）又は図５（Ｃ）のようになる。図５（Ａ）は、燃料集合体１０に荷重が付加されていない正規の状態を示し、この状態では、格子型スペーサ２０は、縦横格子板２２Ｔ、２２Ｙが正四角形の形態を維持しつつ、燃料棒１０ＦＢと水管１０ＷＰとを保持している。
【００３０】
図５（Ｂ）（Ｃ）は、荷重が付加された後の変形の状態を理解し易くするために、極端に拡大して示したものである。図５(Ｂ)は、空間２０Ｓの両端（紙面の上下）が各々（紙面の）左右反対方向に移動した変形状態を示し、また、図５（Ｃ）は、空間２０Ｓの両端（紙面の上下）が（紙面の）左右方向に移動することがない変形状態を示す。図５（Ｂ）（Ｃ）のいずれの変形をするかは、荷重の向きや外枠板（チャンネルボックス）１２との位置関係に依存し、一意的には定まらない。
【００３１】
本発明の他の実施の形態による格子型スペーサ２００を用いた燃料集合体１０の要部が図６（Ａ）（Ｂ）に示されている。この第２の実施の形態による格子型スペーサ２００を用いた燃料集合体１０は、以下に述べる水管保持手段３００の縦横格子板成形部３２０を除いて第１の実施の形態による格子型スペーサ２０を用いた燃料集合体１０と同じであり、同じ部分には同じ符号を１０倍した符号が付されている。
【００３２】
この第２の実施の形態による格子型スペーサ２００は、第１の実施の形態によるのと同様に、弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部３２０から成る水管保持手段３００を備えているが、この縦横格子板成形部３２０は、水管１０ＷＰに隣接するセル２０Ｃ内の燃料棒１０ＦＢＳを固定支持部材３４０を介して保持する山矩形部分３２０ＷＲを含む波形部３２０Ｗから成り、この波形部３２０Ｗの谷矩形部分３２０ＷＣから打ち出しで形成された「く」字形の板ばね状スプリング３２０ＷＳを介して水管１０ＷＰを弾性的に保持するようにしている。固定支持部材３４０は、図６（Ｂ）（Ｃ）に示すように、波形部３２０Ｗに溶接等の適宜の手段で固定してもよいが、波形部３２０Ｗの一部を打ち出して形成してもよい。なお、図６（Ａ）に示すように、この形態も、図１乃至図４の実施の形態と同様に、燃料棒１０ＦＢＳは、成形部３２０側の面以外の面ではばね２４Ａによって保持されている。
【００３３】
この第２の実施の形態による格子型スペーサ２００も山矩形部分３２０ＷＲと谷矩形部分３２０ＷＣを含む波形部３２０Ｗが弾性変形して外部からの荷重を吸収することができ、第１の実施の形態による格子型スペーサ２０を用いた燃料集合体１０と同様に地震等の発生により格子型スペーサに負荷される荷重を低減することができる。
【００３４】
本発明の第１及び第２の実施の形態による燃料集合体用の格子型スペーサ２０、２００は、下記の利点を有する。
（１）格子型スペーサの外部からの荷重に対する座屈荷重が高くなり、耐震性が向上する。
（２）従って、スペーサ強度を評価する地震動が同じであれば、スペーサの座屈強度に対する余裕が増大する。
（３）スペーサ材料の板厚を増大することなく、弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部の構造の採用によって耐震性を向上するので、スペーサ高さを低くしたり、板厚を減少したりして低圧損化を行いつつベーン部を強化することができ、従って燃料集合体の限界出力を向上することができる。
（４）ベーン部の強化を行わない場合には、燃料棒の外径を大きくしたり、部分長燃料棒を長くしたり、その本数を増加したりして、燃料集合体のウラン重量を高めることができる。
（５）格子板成形部を打ち出すことによって燃料棒や水管を保持することができない構造のスペーサであっても、格子板成形部の曲げ加工によって、燃料棒や水管を保持することができる。
（６）水管やその周りの燃料棒を保持する別部材のスプリングを不要とするので、 部品数が低減する上に、その取付け工程が不要となって経済的である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、水管に係合して水管を保持する縦横格子板成形部は、縦横の格子板に外部からの荷重を受けて弾性的に変形して外部からの荷重を吸収するように成形されているので、大きな地震等に耐えることができ、高い耐震性を有する燃料集合体用格子型スペーサを提供することができ、産業上の利用性が向上する。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 燃料集合体
１０ＦＢ、１０ＦＢＳ 燃料棒
１０ＷＰ 水管
１２ 外側枠
２０、２００ 格子型スペーサ
２０Ｃ セル
２０Ｓ 水管用空間
２２Ｔ、２２Ｙ 縦横の格子板
２４Ａ 板ばね
３０、３００ 水管保持手段
３２、３２０ 縦横の格子板成形部
３２Ｗ 波形部
３２ＷＩ 傾斜部
３２ＷＰ 打ち出し型スプリング
３２ＷＲ、３２０ＷＲ 山矩形部分
３２ＷＣ、３２０ＷＣ 谷矩形部分
３２０ＷＳ 打ち出しによる「く」字形板ばね状スプリング
３４０ 固定支持部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサの改良に関し、特に、水管に隣接する格子板に外部からの荷重を吸収することができるように改良された格子板を有する沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の格子型スペーサ２は、図７乃至図９に示すように、相互に直交する縦格子板２Ｔと横格子板２Ｙとこれらの格子板２Ｔ、２Ｙを囲う正方形状の外枠板２Ｆと、中央を貫通して縦横の格子板２Ｔ、２Ｙによって水管１ＷＰを保持すべき仕切り空間２Ｓとから成っている。燃料集合体１を構成する各燃料棒１ＦＢは、縦横の格子板２Ｔ、２Ｙで囲まれる正方形又は四方形のセル２Ｃ内に弾性的に支持されている。
【０００３】
この燃料集合体用格子型スペーサ２は、燃料との熱水力共存性を損なうことなく、地震動の如き外部からの荷重に対して耐えることができるように構成されていることが要求される。
【０００４】
近年地震に関する知見及び知識の蓄積や地盤評価・地震動評価技術が向上し、地震発生時の建築物の強化基準や安全評価方法が改善され、これに伴って原子炉発電所の耐震性の評価に用いられる地震動は、従来よりも大きくなる傾向がある。
【０００５】
一般に、沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサは、地震動等の外部からの荷重を受けた場合に、崩壊熱除去可能な形状を維持しつつ燃料被覆管を損傷することがないことが求められ、従って、この荷重に対して座屈変形しないことが要求される。しかし、上記した従来の格子型スペーサの座屈強度を高めるため、スペーサ材料の強度を増すと、通常、スペーサによる燃料集合体の圧力損失を招くため、熱水力共存性が失われ、またこの熱水力共存性を確保しようとすると、限界出力性能を低下しなければならないので、熱水力共存性と限界出力性能との両方の特性を維持することが難しかった。
【０００６】
格子板２Ｔ、２Ｙは、図７乃至図９に示すように、燃料棒１ＦＢや水管１ＷＰを保持するためにスプリングＳを挟み込んだり（特許文献１及び２参照）、弾性打ち出し部(図示せず)や固定打ち出し部ＳＰを設けたりしている（特許文献３参照）。縦横の格子板２Ｔ、２Ｙは、基本的には、真っ直ぐな板の形態を有するが、水管１ＷＰを適切に保持するために、水管１ＷＰの外面に沿うように屈曲した形態を有することがある（図８及び図９参照）。
【０００７】
一般的な格子型スペーサは、格子板２Ｔ、２Ｙの交点付近にベーン部（羽根）８（特許文献３の図３の符号３１参照）が設けられている。このベーン部８は、セル２Ｃ内の冷却材を撹拌し、冷却材に旋回流を付与し、燃料棒１ＦＢの表面に液滴が付着するのを促進し、燃料集合体の限界出力性能を高める役割を有する。一般的に、このベーン部８は、その面積を大きくするほど、限界出力性能が向上するが、面積が大きくなると、スペーサの圧力損失を増加し、既存燃料との熱水力共存性を悪化させる。
【０００８】
地震が発生した場合、燃料集合体は、チャンネルボックスを介してスペーサに荷重が掛けられる。日本電気協会の「原子力発電所耐震設計技術指針（ＪＥＡＣ／ＪＥＡＧ４６０１）」によれば、地震発生時の燃料集合体に求められる性能が定められており、スペーサは、燃料集合体に求められるこの性能を満足するように強度設計が行われなければならない。ＪＥＡＣ／ＪＥＡＧ４６０１は、原子炉の安全機能を確保するための評価地震動に対して原子炉停止後の崩壊熱除去可能な形状を維持することを求めている。崩壊熱除去可能な形状の維持とは、燃料被覆管の健全性を保つことであり、従って、燃料集合体及びスペーサは、評価地震動に対して燃料被覆管に損傷を与えないように設計されなければならない。
【０００９】
図７乃至図９に示す従来技術による格子型スペーサ２は、格子板２Ｔ、２Ｙの長手方向（図７乃至図９の紙面のＸ−Ｙ方向、即ち紙面上の縦横方向）に沿って過大な荷重が加わると、特に格子板が水管１ＷＰによって分断されていないセル２Ｃの一辺（格子板部分）で座屈が生じ、この格子板の座屈によって燃料被覆管が損傷する虞があった。
【００１０】
１つの従来技術のスペーサは、特許文献１の特開平２−２１６０８８号公報に記載されており、このスペーサは、ウオーターチャンネル（水管）を弾性的に支持するために、このウオーターチャンネルに接触する複数の矩形状の打ち出し片（同文献では符号７で表示されている）を縦横の格子板（同文献では符号２、３で表示されている）に設けているものがある。これらの打ち出し片は、その両端の間の矩形部分が平坦のままであるため、格子板に加わる荷重を吸収することができない欠点があった。従って、荷重を吸収するためには、セルの一辺で座屈が生じないように、座屈荷重を高めて地震発生時の機械的強度を向上しなければならない。
【００１１】
格子型スペーサの座屈荷重は、セル間隔、スペーサ高さ、スペーサ板厚の如きスペーサの幾何学的形状や材質によって決まる。このうち、セル間隔は、燃料集合体の核特性に関係し、燃料集合体の上流側の設計仕様で変更することができない。スペーサ高さ、スペーサ板厚を大きくすると、座屈荷重は増加するが、それと同時にスペーサによる圧力損失も増加するので、熱水力共存性を満足することができない。スペーサの材料を新たな高い強度の材料とすると、熱水力共存性を満足することができるが、この新たな高い強度のスペーサ材料は、原子炉の安全性から原子燃料用材料として認可されていないので、認可を得て実用化するまでに相当の時間を必要とするため、現実的な対応策ではない。
【００１２】
また、スペーサを既存の設計とはかなり異なった構造の新設計とすると、新しい材料の採用と同様に、原子炉の安全性から、これを採用するためには、実証結果を得なければならないが、これに相当の時間がかかり、新たな材料の採用と同様に現段階では実用的ではない。
【００１３】
一方、原子炉は、その安全性、信頼性の観点から常に最新の知見と対策が要求されており、従来の設計を大きく変更することなく、原子炉の安全性や信頼性を確保する対策が施された設計が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平２−２１６０８８号公報
【特許文献２】特開平４−２５９８９２号公報
【特許文献３】特開平２００１−３１８１８２号公報
【特許文献４】特表２００６−５１９９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明が解決しようとする課題は、スペーサ材料として新たな高い強度の材料を用いることなく、熱水力共存性を維持しつつ外部からの荷重による座屈強度を向上することができる沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の課題解決手段は、燃料集合体の各燃料棒を保持する複数のセルを形成するため相互に直交する縦横の格子板から成り、前記縦横の格子板は、中央に水管が貫通すべき仕切り空間を形成しており、前記縦横の格子板は、前記水管を保持する水管保持手段を備え、前記水管保持手段は、前記水管に係合して前記水管を保持する縦横の格子板の成形部から成っている沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、前記水管保持手段の成形部は、前記縦横の格子板に外部からの荷重を受けて弾性的に変形して前記外部からの荷重を吸収するように成形されていることを特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体用スペーサを提供することにある。
【００１７】
本発明の課題解決手段において、弾性荷重吸収性の成形部は、前記水管に隣接するセル内の燃料棒を直接又は間接的に保持する矩形部分を含む波形の形態を有して前記波形部の谷部分で前記水管を弾性的に保持するようにすることができる。
【００１８】
なお、上記の弾性荷重吸収性の成形部は、前記水管に隣接するセル内の燃料棒を直接ではなく、間接的に保持する場合には、矩形部分から打ち出し又は固着によって設けられた固定支持部材を使用し、セル隣接燃料棒は、この固定支持部材を介して成形部の矩形部分に保持される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、水管に係合して水管を保持する縦横の格子板の成形部は、縦横の格子板に外部からの荷重を受けて弾性的に変形して外部からの荷重を吸収するように成形されているので、大きな地震等に耐えることができる。
【００２０】
また、本発明によれば、座屈強度を向上することができるので、スペーサ材料の板厚を増大することなく、弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部の構造の採用によって耐震性を向上するため、スペーサ高さを低くしたり、板厚を減少したりして低圧損化を行いつつベーン部を強化することができ、従って燃料集合体の限界出力を向上することができる。
【００２１】
ベーン部の強化を行わない場合には、燃料棒の外径を大きくしたり、部分長燃料棒を長くしたり、その本数を増加したりして、燃料集合体のウラン重量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第1の実施の形態による格子型スペーサを用いた燃料集合体の横断面図である。
【図２】図１のスペーサの要部を拡大して示す横断面図である。
【図３】図２の右端の１つの燃料棒とそれに関連するスペーサ部分を示し、同図（Ａ）は、その正面図、同図（Ｂ）は、その側面図である。
【図４】図３（Ａ）（Ｂ）の一部の拡大断面を示し、同図（Ａ）は、図３（Ａ）（Ｂ）のＡ−Ａ線拡大断面図、同図（Ｂ）は、図３（Ａ）（Ｂ）のＢ−Ｂ線拡大断面図である。
【図５】本発明の格子型スペーサを用いた燃料集合体の変形前後の概略状態を示し、同図（Ａ）は、変形前の横断面概略図、同図（Ｂ）は、１つの変形後の横断面概略図、同図（Ｃ）は、他の変形後の横断面概略図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による格子型スペーサの要部を拡大して示し、同図（Ａ）は、その横断面図、同図（Ｂ）は、その一部の正面図、同図（C）は、同図（B）の側縦断面図である。
【図７】１つの従来技術によるばね挟み込み型平坦スペーサを用いた燃料集合体の横断面図である。
【図８】他の従来技術によるばね挟み込み型屈曲スペーサを用いた燃料集合体の横断面図である。
【図９】図８と同じ従来技術によるばね挟み込み型屈曲スペーサを用いた燃料集合体であるが、燃料棒を１０行１０列とした燃料集合体の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に述べると、図１は、本発明の第１の実施の形態による格子型スペーサ２０を用いた燃料集合体１０を横断面で示し、この燃料集合体１０は、格子型スペーサ２０の複数のセル２０Ｃ内にそれぞれ保持される複数の燃料棒１０ＦＢから成っており、更に、格子型スペーサ２０の中央に形成された仕切り空間２０Ｓを貫通して保持された水管１０ＷＰを備えている。この燃料集合体１０は、横断面が正四角形である外枠板（チャンネルボックス）１２に囲まれており、従って、格子型スペーサ２０も外枠板１２に囲まれた状態となっている。
【００２４】
第１の実施の形態による格子型スペーサ２０は、燃料集合体１０の各燃料棒１０ＦＢを保持する複数のセル２０Ｃを形成するため相互に直交する縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙから成っており、水管貫通用の仕切り空間２０Ｓは、格子型スペーサ２０の中間位置でこれらの縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙで仕切られて形成されている。なお、図１では、図面が複雑になるのを避けるために、図１の上端の中央付近に図示されている１つの燃料棒１０ＦＢのみが記載されているが、実際にはすべてのセル２０Ｃに各燃料棒１０ＦＢが保持されていることを理解すべきである。
【００２５】
水管用の仕切り空間２０Ｓに隣接する燃料棒１０ＦＢＳ(図２（Ａ）参照)の仕切り空間２０Ｓ側の面以外の面（３つの面）とこの燃料棒１０ＦＢＳ以外の燃料棒１０ＦＢの４つの面は、縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙに取り付けられた板ばね２４Ａによって各セル２０Ｃ内に弾性的に保持されている。更に詳細に述べると、図３（Ｂ）に示す如き「く」字形の板ばね２４Ａは、縦横列の格子板２２Ｔ、２２Ｙに取り付けられている（図１参照）。
【００２６】
水管用の仕切り空間２０Ｓに隣接する燃料棒１０ＦＢＳ(図２（Ａ）参照)は、この仕切り空間２０Ｓ側の面では、後に述べる水管保持手段３０によって保持されているが、その詳細は、水管保持手段３０に関連して後述する。
【００２７】
水管保持手段３０は、図２乃至図４に示すように、水管（ウオータチャンネル）１０ＷＰに係合してこの水管１０ＷＰを保持する縦横の格子板成形部３２から成っているが、この縦横の格子板成形部３２は、縦横の格子板２２Ｔ、２２Ｙに外部からの荷重を受けた際に弾性的に変形してこの外部からの荷重を吸収するように成形されている。図２乃至図４の形態では、この弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部３２は、水管１０ＷＰに隣接するセル２０Ｃ内の燃料棒１０ＦＢＳを直接保持する矩形部分３２ＷＲ（特に図３（Ｂ）、図４（Ａ）（Ｂ）参照）を含む波形部３２Ｗの形態を有しており、水管１０ＷＰは、波形部３２Ｗの谷部分３２ＷＣに設けられた打ち出し型のスプリング３２ＷＰ（特に、図３（Ｂ）参照）で弾性的に保持されている。従って、図２乃至図４に示すように、水管１０ＷＰと縦横格子板成形部３２の谷部分３２ＷＣとの間にはスプリング３２ＷＰによって隙間ＧＩ（図５（Ａ）参照）が生ずる。
【００２８】
このように、水管１０ＷＰは、この水管１０ＷＰ用の空間２０Ｓを区画する縦横の格子板部分２２Ｔ、２２Ｙの縦横格子板成形部３２によって保持されるが、この縦横格子板成形部３２は、矩形部分３２ＷＲとその傾斜部３２ＷＩを含む波形部３２Ｗ全体の変形によって弾性的に荷重を吸収することができる特性を有するので、地震発生時のように大きな外部荷重が加わってもこの荷重が水管保持用の縦横格子板成形部３２によって吸収され、格子型スペーサ２０に負荷される外部荷重は低減する。
【００２９】
この構造の格子型スペーサ２０を用いた燃料集合体１０に地震等の発生で外部から荷重を受けると、格子型スペーサ２０は、図５（Ａ）に示す正規の状態から、水管１０ＷＰに隣接するセル２０Ｃを区画する縦横格子板成形部３２の矩形部分３２ＷＲを含む波形部３２Ｗの変形に基づいて弾性変形する。更に詳細に述べると、波形部３２Ｗの変形に応じて波形部３２Ｗの打ち出し型のスプリング３２ＷＰが引っ込められて荷重方向にあるセル２０Ｃとの間の隙間ＧＩが埋められ、格子型スペーサ２０は、図５（Ｂ）又は図５（Ｃ）のようになる。図５（Ａ）は、燃料集合体１０に荷重が付加されていない正規の状態を示し、この状態では、格子型スペーサ２０は、縦横格子板２２Ｔ、２２Ｙが正四角形の形態を維持しつつ、燃料棒１０ＦＢと水管１０ＷＰとを保持している。
【００３０】
図５（Ｂ）（Ｃ）は、荷重が付加された後の変形の状態を理解し易くするために、極端に拡大して示したものである。図５(Ｂ)は、空間２０Ｓの両端（紙面の上下）が各々（紙面の）左右反対方向に移動した変形状態を示し、また、図５（Ｃ）は、空間２０Ｓの両端（紙面の上下）が（紙面の）左右方向に移動することがない変形状態を示す。図５（Ｂ）（Ｃ）のいずれの変形をするかは、荷重の向きや外枠板（チャンネルボックス）１２との位置関係に依存し、一意的には定まらない。
【００３１】
本発明の他の実施の形態による格子型スペーサ２００を用いた燃料集合体１０の要部が図６（Ａ）（Ｂ）に示されている。この第２の実施の形態による格子型スペーサ２００を用いた燃料集合体１０は、以下に述べる水管保持手段３００の縦横格子板成形部３２０を除いて第１の実施の形態による格子型スペーサ２０を用いた燃料集合体１０と同じであり、同じ部分には同じ符号を１０倍した符号が付されている。
【００３２】
この第２の実施の形態による格子型スペーサ２００は、第１の実施の形態によるのと同様に、弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部３２０から成る水管保持手段３００を備えているが、この縦横格子板成形部３２０は、水管１０ＷＰに隣接するセル２０Ｃ内の燃料棒１０ＦＢＳを固定支持部材３４０を介して保持する山矩形部分３２０ＷＲを含む波形部３２０Ｗから成り、この波形部３２０Ｗの谷矩形部分３２０ＷＣから打ち出しで形成された「く」字形の板ばね状スプリング３２０ＷＳを介して水管１０ＷＰを弾性的に保持するようにしている。固定支持部材３４０は、図６（Ｂ）（Ｃ）に示すように、波形部３２０Ｗに溶接等の適宜の手段で固定してもよいが、波形部３２０Ｗの一部を打ち出して形成してもよい。なお、図６（Ａ）に示すように、この形態も、図１乃至図４の実施の形態と同様に、燃料棒１０ＦＢＳは、成形部３２０側の面以外の面ではばね２４Ａによって保持されている。
【００３３】
この第２の実施の形態による格子型スペーサ２００も山矩形部分３２０ＷＲと谷矩形部分３２０ＷＣを含む波形部３２０Ｗが弾性変形して外部からの荷重を吸収することができ、第１の実施の形態による格子型スペーサ２０を用いた燃料集合体１０と同様に地震等の発生により格子型スペーサに負荷される荷重を低減することができる。
【００３４】
本発明の第１及び第２の実施の形態による燃料集合体用の格子型スペーサ２０、２００は、下記の利点を有する。
（１）格子型スペーサの外部からの荷重に対する座屈荷重が高くなり、耐震性が向上する。
（２）従って、スペーサ強度を評価する地震動が同じであれば、スペーサの座屈強度に対する余裕が増大する。
（３）スペーサ材料の板厚を増大することなく、弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部の構造の採用によって耐震性を向上するので、スペーサ高さを低くしたり、板厚を減少したりして低圧損化を行いつつベーン部を強化することができ、従って燃料集合体の限界出力を向上することができる。
（４）ベーン部の強化を行わない場合には、燃料棒の外径を大きくしたり、部分長燃料棒を長くしたり、その本数を増加したりして、燃料集合体のウラン重量を高めることができる。
（５）格子板成形部を打ち出すことによって燃料棒や水管を保持することができない構造のスペーサであっても、格子板成形部の曲げ加工によって、燃料棒や水管を保持することができる。
（６）水管やその周りの燃料棒を保持する別部材のスプリングを不要とするので、 部品数が低減する上に、その取付け工程が不要となって経済的である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、水管に係合して水管を保持する縦横格子板成形部は、縦横の格子板に外部からの荷重を受けて弾性的に変形して外部からの荷重を吸収するように成形されているので、大きな地震等に耐えることができ、高い耐震性を有する燃料集合体用格子型スペーサを提供することができ、産業上の利用性が向上する。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 燃料集合体
１０ＦＢ、１０ＦＢＳ 燃料棒
１０ＷＰ 水管
１２ 外側枠
２０、２００ 格子型スペーサ
２０Ｃ セル
２０Ｓ 水管用空間
２２Ｔ、２２Ｙ 縦横の格子板
２４Ａ 板ばね
３０、３００ 水管保持手段
３２、３２０ 縦横の格子板成形部
３２Ｗ 波形部
３２ＷＩ 傾斜部
３２ＷＰ 打ち出し型スプリング
３２ＷＲ、３２０ＷＲ 山矩形部分
３２ＷＣ、３２０ＷＣ 谷矩形部分
３２０ＷＳ 打ち出しによる「く」字形板ばね状スプリング
３４０ 固定支持部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料集合体の各燃料棒を保持する複数のセルを形成するため相互に直交する縦横の格子板から成り、前記縦横の格子板は、中央に水管が貫通すべき仕切り空間を形成しており、前記縦横の格子板は、前記水管を保持する水管保持手段を備え、前記水管保持手段は、前記水管に係合して前記水管を保持する縦横格子板成形部から成っている沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサにおいて、前記水管保持手段の縦横格子板成形部は、前記縦横の格子板に外部からの荷重を受けて弾性的に変形して前記外部からの荷重を吸収するように成形されていることを特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサ。
【請求項２】
請求項１に記載の沸騰型原子炉燃料集合体用格子型スペーサであって、前記弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部は、前記水管に隣接するセル内の燃料棒を直接又は間接的に保持する矩形部分を含む波形の形態を有して前記波形部の谷部分で前記水管を弾性的に保持するようにしたことを特徴とする沸騰型原子炉燃料集合体用格子型スペーサ。
【請求項１】
燃料集合体の各燃料棒を保持する複数のセルを形成するため相互に直交する縦横の格子板から成り、前記縦横の格子板は、中央に水管が貫通すべき仕切り空間を形成しており、前記縦横の格子板は、前記水管を保持する水管保持手段を備え、前記水管保持手段は、前記水管に係合して前記水管を保持する縦横格子板成形部から成っている沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサにおいて、前記水管保持手段の縦横格子板成形部は、前記縦横の格子板に外部からの荷重を受けて弾性的に変形して前記外部からの荷重を吸収するように成形されていることを特徴とする沸騰水型原子炉燃料集合体用格子型スペーサ。
【請求項２】
請求項１に記載の沸騰型原子炉燃料集合体用格子型スペーサであって、前記弾性荷重吸収性の縦横格子板成形部は、前記水管に隣接するセル内の燃料棒を直接又は間接的に保持する矩形部分を含む波形の形態を有して前記波形部の谷部分で前記水管を弾性的に保持するようにしたことを特徴とする沸騰型原子炉燃料集合体用格子型スペーサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−３６９１７（Ｐ２０１３−３６９１７Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７４７０６（Ｐ２０１１−１７４７０６）
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（０００１６５６９７）原子燃料工業株式会社 (278)
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１０日（２０１１．８．１０）
【出願人】（０００１６５６９７）原子燃料工業株式会社 (278)
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