(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持格子によって正方格子状配列に保持された複数本の燃料棒およびウォーターロッドを含む燃料束と、この燃料束の上端部を吊持する上部タイプレートと、前記燃料束の下端部を支持する下部タイプレートと、前記上部タイプレートに吊持されて前記燃料束の周囲を囲むチャンネルボックスと、前記チャンネルボックスの下端部と前記下部タイプレートの外周面とのオーバーラップ部分の間隙からの冷却材のリーク量を制御するように前記下部タイプレートの外周面に設けられたリーク制御具とを備えた沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
集合体取り出し平均燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ以上の沸騰水型原子炉用燃料集合体であり、
前記リーク制御具は、前記下部タイプレートの外周面上の平坦な辺部にほぼ亘る幅寸法で装着されたリーク制御板を有しており、
該リーク制御板は、厚さ０．２ｍｍのＮｉ基合金製であり、前記チャンネルボックス内からの冷却材のリーク流れをその背面側に取り入れるための窓と、これら各窓の間に形成されたスリット部とが前記辺部の幅方向に交互に配設され、前記リーク制御板の全幅寸法に対し、前記複数の窓の合計の開口幅が占める割合が０．３〜０．７の範囲内で、且つ窓枠幅が実質的に２ｍｍ以上であることを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、冷却材のリーク制御機構を備えた沸騰水型原子炉用の燃料集合体にに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に用いられている燃料集合体は、複数本の燃料棒がその軸方向に配置された複数段のスペーサによって正方格子状に束ねられ、吊り下げ用の取っ手を備えた上部タイプレートと炉心下部からの冷却材の流入経路を形成する下部タイプレートとによって保持され、さらに上部タイプレートにチャンネルボックスを固定して燃料集合体全体が覆われた構成となっている。
【０００３】
このような燃料集合体では、原子炉運転中において、チャンネルボックスの内部圧力がその外部圧力より高くなる。このチャンネルボックスの内外に生じる相対的圧力差により、チャンネルボックスは外側に拡大変形し、さらに原子炉の高温長時間運転による熱的効果と中性子照射の効果が加わって、この拡大変形は増加傾向となる。
【０００４】
上記の如きチャンネルボックスの拡大変形は、原子炉運転時の制御棒の挿入に支障を来すだけでなく、冷却材がチャンネルボックスと下部タイプレートの間隙より必要以上にリークするため、燃料棒に対する十分な冷却効果が得られなくなってしまう。
【０００５】
そこで、現在では、チャンネルボックスの内外圧力差に起因する冷却材のチャンネルボックス内からの流出を一定に制御するためのリーク制御具が備えられている。例えば、図４（ａ）に示したようなリーク制御板１３を下部タイプレート１２の四側面にそれぞれ設け、チャンネルボックス１１と下部タイプレート１２との間隔を調節することによってリーク流量のコントロールを行なっている。
【０００６】
これらリーク制御板１３は、冷却材流通用の複数の窓１４と、各窓１４間に設けられた複数のスリット１５とを備えており、図４（ｂ）の断面図に示すように、下部タイプレート１２の下側面に設けられた下ポケット１８ｂ内にその下縁部が挿入された後、上ポケット１８ａ内に上縁部が挿入されている。
【０００７】
さらにこの上縁部は、止め板１６の脚部１６ａが各窓１４に緩く挿入されることによって保持され、止板１６はボルト１７により固定されている。この時、上ポケット１８ａ内の天井部とリーク制御板１３の上端との間の予め定められた間隔（クリアランス）が保たれる。このように取り付けられたリーク制御板１３は、下部タイプレート１２の上下ポケット（１８ａ，１８ｂ）間において上記クリアランスの分だけ自由に動くことができる。
【０００８】
実炉において、チャンネルボックス１１内外に圧力差（内圧＞外圧）が生じてチャンネルボックス１１に図４（ｃ）に示すようなバルジ変形が生じ、図４（ｄ）の燃料体平均燃焼度（横軸：ＧＷｄ／ｔ）に対するチャンネルボックス変形量（縦軸：ｍｍ）の関係で示されるように、燃料燃焼度の進行に伴ってこのバルジ変形量がクリープ変形により増大する。ここで、チャンネルボックス変形量（バジル変形量）とは、チャンネルボックス１１内側面の対向辺間距離Ｈの変形量である。
【０００９】
このようなクリープ変形によりチャンネルボックス１１が膨らんだ場合、そのチャンネルボックス１１と下部タイプレート１２との間隙よりチャンネルボックス１１外へ流出しようとする冷却材リーク流れのうちの主なものが、リーク制御板１３の各窓１４よりその背面側へ取り入れられてリーク制御板１３をチャンネルボックス１１の内面側へ付勢する。
【００１０】
これにより、リーク制御板１３がチャンネルボックス１１の変形に追従してチャンネルボックス１１内面側へ変形し、押しつけられるため、この下部タイプレート１２とチャンネルボックス１１間の間隔が徐々に拡がっても、リーク制御板が介在することにより、チャンネルボックス１１外への冷却材リーク流量は適切な量に抑えられ、一定に制御される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
現在、沸騰水型燃料集合体の高燃焼度化が検討されており、集合体取り出し平均燃焼度を４５ＧＷｄ／ｔからさらに増加させることが検討されている。このような燃料集合体の燃焼度のさらなる増加に伴い、チャンネルボックスの変形量も増加し、下部タイプレートとの間隙もさらに拡がって行く。従って、チャンネルボックスと下部タイプレートとの間隙を調節して冷却材リーク流量を制御するためのリーク制御板の変形追従性の向上も求められる。
【００１２】
従来はこのようなリーク制御板の変形追従性を向上させることのみに主眼がおかれていたため、単にリーク制御板の冷却材を取り入れるための窓のサイズを大きくすることが考えられていた。これは、冷却材が窓を通過し易くすることにより、窓から取り込まれる冷却材リーク流れによるリーク制御板背面側からの付勢を確実にし、チャンネルボックス内面側への押圧力を保持して、チャンネルボックスのクリープ変形に対するリーク制御板の変形追従性を向上させようとするものである。
【００１３】
しかしながら、一方で、リーク制御板を良好に変形追従させるためには、スリット（図４の１５）を設けることが必要である。通常、スリットは各窓間に窓と交互に配設されている。従って、窓を大きくしすぎると、スリットが形成される窓間部分（窓枠部）の板幅が細くなり、この部分の強度が低下してしまうという問題が生じる。
【００１４】
この窓枠部の強度が低下してしまうと、原子炉運転における長時間の使用で塑性変形が生じ、冷却材リーク流量の制御が良好に行なえなくなってしまうだけでなく、リーク制御板がチャンネルボックス内面側へ変形したままであれば、チャンネルボックス内面と接触状態でチャンネルボックスが着脱されることもあり、着脱作業の妨げとなったり、このチャンネルボックスの着脱時にリーク制御板自体が破損してしまう恐れもある。
【００１５】
逆に、スリットが形成される窓枠部の板幅を広くとってこの部分の強度を高めようとすると、窓が小さくなり、冷却材リーク流れを取り込みにくくなり、レーク制御板のチャンネルボックス変形に対する変形追従性が損なわれてしまう。
【００１６】
以上のように、従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体では、高燃焼度化に伴い、長期使用に十分耐え得る強度を持ちながらも良好な冷却材リーク流量のコントロールが可能なリーク制御板を備えたものは未だ得られていない。
【００１７】
本発明は、上記問題に鑑み、長期使用に耐え得る強度を持ちながらも、高燃焼度化に応じて良好な冷却材リーク流量制御が可能なリーク制御具を備えた沸騰水型原子炉用燃料集合体を得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体では、支持格子によって正方格子状配列に保持された複数本の燃料棒およびウォーターロッドを含む燃料束と、この燃料束の上端部を吊持する上部タイプレートと、前記燃料束の下端部を支持する下部タイプレートと、前記上部タイプレートに吊持されて前記燃料束の周囲を囲むチャンネルボックスと、前記チャンネルボックスの下端部と前記下部タイプレートの外周面とのオーバーラップ部分の間隙からの冷却材のリーク量を制御するように前記下部タイプレートの外周面に設けられたリーク制御具とを備えた沸騰水型原子炉用燃料集合体において、集合体取り出し平均燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ以上の沸騰水型原子炉用燃料集合体であり、前記リーク制御具は、前記下部タイプレートの外周面上の平坦な辺部にほぼ亘る幅寸法で装着されたリーク制御板を有しており、該リーク制御板は、厚さ０．２ｍｍのＮｉ基合金製であり、前記チャンネルボックス内からの冷却材のリーク流れをその背面側に取り入れるための窓と、これら各窓の間に形成されたスリット部とが前記辺部の幅方向に交互に配設され、前記リーク制御板の全幅寸法に対し、前記複数の窓の合計の開口幅が占める割合が０．３〜０．７の範囲内で、且つ窓枠幅が実質的に２ｍｍ以上としたものである。
【００１９】
【作用】
本発明においては、沸騰水型原子炉用燃料集合体の冷却材リーク制御具において、下部タイプレートの外周面上の平坦な辺部にほぼ亘る幅寸法で装着され、その幅方向に複数の窓と、該窓間に形成されるスリット部とが交互に配設されるリーク制御板を、リーク制御板の全幅寸法に対し、複数の窓の合計の開口幅が占める割合を特定の範囲内としたものである。
【００２０】
まず、図２に示すように、リーク制御板の全幅寸法に対して複数の窓の合計の開口幅が占める割合と相対冷却材リーク流量との関係を、図４（ｄ）の関係に基づいて集合体取り出し平均燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ以上を想定した高燃焼度条件下で生じるのに相当するチャンネルボックスのバルジ変形の場合、即ち変形量４．５ｍｍ（バルジ変形大）と、通常の燃焼度条件下相当のチャンネルボックスのバルジ変形の場合、ここでは変形量３．０ｍｍ（バルジ変形小）の場合とで解析してみたところ、窓の割合が０．３以下の場合、チャンネルボックスのバルジ変形が大きい状況下においては、チャンネルボックスの変形に対するリーク制御板の変形追従性が悪く、チャンネルボックス内からのリーク流量の増加が大きくなることが明らかとなった。
【００２１】
従って、バルジ変形が大きい燃料の高燃焼度条件下において冷却材リーク流量の良好な制御を行なうには、燃料集合体の下部タイプレートに備えられるリーク制御板は、リーク制御板の全寸法に対して窓の合計開口幅の占める割合が０．３以上とする必要がある。
【００２２】
また、原子炉運転中、チャンネルボックスにバルジ変形が生じ、リーク制御板による冷却材リーク流量の制御が行なわれている際、図３（ａ）に示すように、リーク制御板においては図中矢印で示す方向に曲げ応力が生じるが、バルジ変形大の場合には、この曲げ応力も大きく、特に窓Ｘの下辺付近の窓枠部分に大きな曲げ応力が集中する。そこで、バルジ変形大の場合とバルジ変形小の場合とで一定の圧力でリーク制御板がチャンネルボックスの内面側へ押しつけられている状態を仮定した解析を行なったところ、窓枠幅ｄと応力集中部における塑性変形との関係について図３（ｂ）に示す結果が得られた。
【００２３】
これは、沸騰水型原子炉用燃料集合体に備えられる一般的な板厚保０．２ｍｍのＮｉ基合金製リーク制御板について、実炉における長期使用相当の条件下で腐食により減肉している状態を想定して解析したものである。図３（ｂ）から明らかなように、チャンネルボックスのバルジ変形大の場合では、窓枠幅ｄが２ｍｍ以下のものに応力集中部で塑性変形が生じていた。
【００２４】
従って、チャンネルボックスのバルジ変形大の状況下においてリーク制御板の窓枠部分の強度を確保するには、窓枠幅ｄが２ｍｍ以上であることが必要である。通常、リーク制御板は幅約１１０ｍｍでスリット本数は少なくとも７本、即ち窓は８個であることから、（１１０−２×１６）／１１０の式から、窓枠幅ｄが２ｍｍのとき、リーク制御板の全幅寸法に対する窓の合計の開口幅が占める割合は約０．７である。
【００２５】
即ち、燃料の高燃焼度条件下で使用されるリーク制御板において窓枠部分の強度を確保するには、リーク制御板の全幅寸法に対する窓の合計の開口幅が占める割合を０．７以下とすれば良いことになる。本発明においては、リーク制御板の全幅寸法に対する窓の合計の開口幅が占める割合を０．３〜０．７の範囲内としたことにより、チャンネルボックスのバルジ変形が大きい場合も、リーク制御板の強度を確保すると共にリーク制御板がチャンネルボックスの変形に対して高い変形追従性を有し、冷却材リーク流量の制御が良好に行なえ得る。
【００２６】
リーク制御板に用いられる材質には、上記のＮｉ基合金としてインコネルＸ−７５０、インコネル７１８などが挙げられるが、いずれにしても、これらリーク制御板に用いられるような材質については、ほぼ図２および図３で示したものと同様の結果が得られ、従っていずれの場合もリーク制御板の全幅寸法に対する窓の合計の開口幅が占める割合は、本発明の範囲内で同様に有効である。
【００２７】
また、本発明に用いられるリーク制御板は、図３（ａ）に示したもののように、全ての窓が均一な大きさを持つ構成に限定されるものではなく、例えば個々の窓幅が互いに異なる構成のものでも、リーク制御板の全幅寸法に対する窓の合計の開口幅が占める割合が０．３〜０．７の範囲内であれば良い。
【００２８】
【実施例】
以下に、本発明を実施例を以て詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施例による沸騰水型原子炉用燃料集合体の下部タイプレート部分の概略構成を示す斜視図である。
【００２９】
本実施例の燃料集合体は、従来と同様に、複数本の燃料棒がその軸方向に配置された複数段のスペーサ（不図示）によって正方格子状に束ねられ、吊り下げ用の取っ手を備えた上部タイプレート（不図示）と炉心下部からの冷却材の流入経路を形成する下部タイプレート２とによって保持され、さらに上部タイプレートにチャンネルボックスを１固定して燃料集合体全体が覆われた構成となっている。
【００３０】
下部タイプレート２の平坦な辺部（４側面）には、それぞれチャンネルボックス１内から流出する冷却材のリーク流量を制御するためのリーク制御板３が備えられているが、各リーク制御板３は、図４（ｂ）の断面図に示された従来のものと同様に、下部タイプレート２の下側面に設けられた下ポケット（不図示）にその下縁部が挿入された後、上ポケット（不図示）内に上縁部が挿入され、さらにこの上縁部が、止め板６の脚部が窓４に緩く挿入されることによって保持され、止め板６はボルト７により固定されている。
【００３１】
この時、下部タイプレート２の上ポケットの天井部とリーク制御板３の上端との間の予め定められた間隔（クリアランス）が保たれる。このように取り付けられたリーク制御板３は、下部タイプレート２の上下ポケット間において上記クリアランスの分だけ自由に動くことができる。
【００３２】
リーク制御板３はそれぞれ板厚０．２ｍｍ、全幅寸法１１０ｍｍのＮｉ基合金製であり、図１（ｂ）に示すとおり、幅方向に同一サイズの窓４が９個配置され、各窓４間にスリット５が８本、窓４と交互となるよう配設されたものである。本実施例においては、リーク制御板３全幅寸法に対する全窓（９個）の合計開口幅の占める割合が０．５となるよう設計されたものとした。従って、窓幅Ｌは（１１０×０．５）／９＝６．１ｍｍであり、窓枠幅Ｄは３．０６ｍｍである。
【００３３】
このような下部タイプレート２の外周面上にリーク制御板３を備えた燃料集合体について、チャンネルボックス１のバルジ変形増加に対するリーク制御板３による冷却材リーク流量の制御状態を解析すると、チャンネルボックス１外への冷却材リーク流量の増加傾向は小さく、集合体取り出し平均燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ以上を想定した高燃焼度条件下で生じるのに相当する大きいバルジ変形がチャンネルボックス１に生じる場合でも、リーク制御板３の変形追従性もよく、リーク流量も良好に制御される。
【００３４】
また、この時、リーク制御板３の応力集中部の塑性変形は僅かである。従って、リーク制御板３の長期使用に当って、チャンネルボックス１が着脱される際に、塑性変形によって外側へ変形した部分がチャンネルボックス１の内面に接触してチャンネルボックス１の着脱を困難にしたり、この接触部分で破損が生じたりする恐れはなくなる。
【００３５】
なお、上記実施例においては、均一形状の窓が９個（スリット８本）形成され、全幅寸法に対する窓の合計開口幅の割合が０．５であるリーク制御板を備えた場合について説明したが、本発明はこのような設計に限られるものではなく、全幅寸法に対する窓の合計開口幅の割合が０．３〜０．７の範囲内であれば、例えば個々の窓の開口幅が互いに異なる構成のものであっても良い。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は以上説明したとおり、高燃焼度下に伴う沸騰水型原子炉用燃料集合体の長期使用において、リーク制御板の強度が確保できると共に、チャンネルボックスのバジル変形の増大に応じてリーク制御板の変形追従性を向上させ、良好な冷却材リーク流量の制御が維持でき、燃料の高燃焼度条件下においてもリーク制御板によるリーク流量制御機能の信頼性が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による沸騰水型原子炉用燃料集合体を示す概略構成図であり（ａ）は下部タイプレート部の斜視図、（ｂ）は（ａ）で示したリーク制御板３の拡大平面図である。
【図２】本発明の作用を説明するための、リーク制御板全幅寸法に対する窓の合計開口幅の割合（横軸）と相対リーク流量（縦軸）との関係を示す線図である。
【図３】本発明の作用を説明するための説明図であり、（ａ）はリーク制御板の応力集中の生じる位置を示すための説明図、（ｂ）はリーク制御板の窓枠幅（横軸：ｍｍ）に対する応力集中部の塑性変形（縦軸）の状態を示す線図である。
【図４】従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の一例を示す説明図であり、（ａ）は下部タイプレート部分の概略構成斜視図、（ｂ）は（ａ）で示されているリーク制御板１３の断面図、（ｃ）はチャンネルボックスに生じるバルジ変形を示す模式図、（ｄ）は燃料平均燃焼度（横軸：ＧＷｄ／ｔ）に対するチャンネルボックス変形量（縦軸：ｍｍ）の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１１：チャンネルボックス
２，１２：下部タイプレート
３，１３：リーク制御板
４，１４，Ｘ：窓
５，１５，Ｙ：スリット
６，１６：止め板
７，１７：ボルト
１６ａ：止め板１６の脚部
１８ａ：上ポケット
１８ｂ：下ポケット
ｄ，Ｄ：窓枠幅
Ｌ：窓開口幅
Ｈ：（チャンネルボックス内側面の）対向辺間距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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