(57)【要約】【課題】燃料集合体の浮き上がり及び振動に対する抵抗力を改善すると同時に、燃料集合体に掛かる有害な圧縮力を減少させるようにした炉内燃料拘束アセンブリを提供する。【解決手段】本発明に係る炉内拘束アセンブリ１００は、上部炉心板４２、下部炉心板４４、及び上部炉心板及び下部炉心板間に長手方向に延在する複数の燃料集合体２を有する原子炉炉心３０用である。各燃料集合体は、上部ノズル（４）、下部ノズル（６）、及び上部ノズル及び下部ノズル間に延在する複数の細長い燃料棒（１２）を有する。炉内拘束アセンブリは、上部炉心板に結合され、且つ燃料集合体の上部ノズルに相当な軸方向圧縮力を与える、ばねパックなどの第１拘束要素１０２を有する。任意選択の第２拘束要素１０４は、下部ノズル付近で燃料集合体に係合し、且つさらに燃料集合体を拘束するために、下部炉心板に結合されるように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部炉心板、下部炉心板、及び該上部炉心板及び該下部炉心板間に長手方向に延在する複数の燃料集合体を有し、該燃料集合体の各々は、上部ノズル、下部ノズル、及び該上部ノズル及び該下部ノズル間に延在する複数の細長い燃料棒を有する原子炉炉心用の炉内拘束アセンブリであって、
前記上部炉心板の一体部材であり、且つ前記燃料集合体の前記上部ノズルの対角線位置の隅部に相当な軸方向圧縮力を与えるように構成されている１対のばねパックを備える炉内拘束アセンブリ。
【請求項２】
上部炉心板、下部炉心板、及び該上部炉心板及び該下部炉心板間に長手方向に延在する複数の燃料集合体を有し、該燃料集合体の各々は、上部ノズル、下部ノズル、及び該上部ノズル及び該下部ノズル間に延在する複数の細長い燃料棒を有する原子炉炉心用の炉内拘束アセンブリであって、
前記上部炉心板に結合され、且つ前記燃料集合体の前記上部ノズルに相当な軸方向圧縮力を与えるように構成されている第１拘束要素と、
前記下部炉心板に結合され、それにより、前記燃料集合体に確実に軸方向に係合し、且つさらにそれを拘束するように構成されている第２拘束要素と、
を備える炉内拘束アセンブリ。
【請求項３】
前記第２拘束要素は、ピン部材及びソケットを有し、前記ピン部材は、前記燃料集合体の前記下部ノズルから延出するように構成され、前記ソケットは、前記下部炉心板に結合されるように構成され、且つ前記ピン部材を収容するようになっている、請求項２に記載の炉内拘束アセンブリ。
【請求項４】
前記第１拘束要素は、前記燃料集合体の対角線位置の隅部に前記相当な軸方向圧縮力を与えるように構成されている、請求項２に記載の炉内拘束アセンブリ。
【請求項５】
前記上部炉心板は、上面を有し、且つ座ぐり穴を設けており、
前記第１拘束要素は、
弾性部材を包囲し、上端部及び下端部を有するハウジングと、
プッシュロッドと、を有するばねパックであり、
前記弾性部材及び前記プッシュロッドは、前記上部炉心板の前記座ぐり穴内に収容されるように構成され、且つ前記ハウジングの前記下端部は、前記上部炉心板の前記上面に結合されるように構成されている、請求項２に記載の炉内拘束アセンブリ。
【請求項６】
前記ばねパックは、前記弾性部材に隣接した位置で前記ハウジングの前記上端部内に固定され、それにより、前記ばねパックの構成要素を一体状に保持するように構成されているリテーナ要素及びキャップをさらに有する、請求項５に記載の炉内拘束アセンブリ。
【請求項７】
前記弾性部材は、コイルばねである、請求項５に記載の炉内拘束アセンブリ。
【請求項８】
前記燃料集合体の各々は、前記ばねパックを２つ有する、請求項５に記載の炉内拘束アセンブリ。
【請求項９】
前記ピン部材は、前記燃料集合体の前記下部ノズル内に配置されるように構成されている第１端部、及び前記下部ノズルの下方に突出するように構成されている第２端部を有する割りピンであり、
該割りピンの前記第２端部は、１対のリーフ部分を画定する細長いスロットを有し、
該リーフ部分は、横方向に圧縮可能であり、それにより、前記ソケット内に挿入されるときに摩擦抵抗力を与えることができる、請求項３に記載の炉内拘束アセンブリ。
【請求項１０】
前記ソケットは、直径を有する穿孔を有する機械加工部材から成り、前記直径は、前記割りピンの前記対のリーフ部分の外径より小さく、また、前記割りピンは、前記機械加工部材の前記穿孔内に圧力ばめされるように構成されている、請求項９に記載の炉内拘束アセンブリ。
【請求項１１】
前記ソケットは、それぞれ留め具を挿通させ、それにより、前記ソケットを前記下部炉心板に固定することができるように構成されている複数の穴を有する半径方向フランジを備える、請求項３に記載の炉内拘束アセンブリ。
【請求項１２】
原子炉炉心であって、
上部炉心板と、
下部炉心板と、
前記上部炉心板及び前記下部炉心板間に長手方向に延在する複数の燃料集合体であって、該燃料集合体の各々は、上部ノズル、下部ノズル、及び該上部ノズル及び該下部ノズルの間に延在する複数の細長い燃料棒を有する、複数の燃料集合体と、
該燃料集合体を前記上部炉心板及び前記下部炉心板間に固定するための炉内拘束アセンブリであって、
前記上部炉心板に結合され、且つ前記燃料集合体の前記上部ノズルに相当な軸方向圧縮力を与えるように構成されている第１拘束要素、及び、
前記下部炉心板に結合され、それにより、前記燃料集合体に確実に軸方向に係合し、且つ前記燃料集合体を拘束するように構成されている第２拘束要素、を有する炉内拘束アセンブリと、
を備える原子炉炉心。
【請求項１３】
前記第２拘束要素は、ピン部材及びソケットを有し、前記ピン部材は、前記燃料集合体の前記下部ノズルから延出し、前記ソケットは、前記下部炉心板に結合され、それにより、前記ピン部材を収容するようになっている、請求項１２に記載の原子炉炉心。
【請求項１４】
前記第１拘束要素は、前記燃料集合体の対角線位置の隅部に前記相当な軸方向圧縮力を与えるように構成されている、請求項１２に記載の原子炉炉心。
【請求項１５】
前記上部炉心板は、上面を有し、且つ座ぐり穴を設けており、
前記第１拘束要素は、
弾性部材を包囲し、上端部及び下端部を有するハウジングと、
プッシュロッドと、を有するばねパックであり、
前記弾性部材及び前記プッシュロッドは、前記上部炉心板の前記座ぐり穴内に収容され、且つ前記ハウジングの前記下端部は、前記上部炉心板の前記上面に結合される、請求項１２に記載の原子炉炉心。
【請求項１６】
前記ばねパックは、前記弾性部材に隣接した位置で前記ハウジングの前記上端部内に固定され、それにより、前記ばねパックの構成要素を一体状に保持するように構成されているリテーナ要素及びキャップをさらに有する、請求項１５に記載の原子炉炉心。
【請求項１７】
前記弾性部材は、コイルばねである、請求項１５に記載の原子炉炉心。
【請求項１８】
前記燃料集合体の各々は、前記ばねパックを２つ有する、請求項１５に記載の原子炉炉心。
【請求項１９】
前記ピン部材は、前記燃料集合体の前記下部ノズル内に配置されるように構成されている第１端部、及び前記下部ノズルの下方に突出するように構成されている第２端部を有する割りピンであり、
該割りピンの前記第２端部は、１対のリーフ部分を画定する細長いスロットを有し、
該リーフ部分は、横方向に圧縮可能であり、それにより、前記ソケット内に挿入されるときに摩擦抵抗力を与えることができる、請求項１３に記載の原子炉炉心。
【請求項２０】
前記ソケットは、直径を有する穿孔を有する機械加工部材から成り、前記直径は、前記割りピンの前記対のリーフ部分の外径より小さく、また、前記割りピンは、前記機械加工部材の前記穿孔内に圧力ばめされるように構成されている、請求項１９に記載の原子炉炉心。
【請求項２１】
前記ソケットは、それぞれ留め具を挿通させ、それにより、前記ソケットを前記下部炉心板に固定することができるように構成されている複数の穴を有する半径方向フランジを備える、請求項１３に記載の原子炉炉心。
【請求項２２】
前記上部炉心板は、厚さが約５．７１５センチメートルであり、前記下部炉心板は、厚さが約２６．２０センチメートルである、請求項１２に記載の原子炉炉心。
【請求項２３】
前記上部ノズルは、４つの隅部を有し、且つほぼ正方形であり、前記隅部の少なくとも１つは、半径が約１．２７センチメートルである、請求項１２に記載の原子炉炉心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、原子炉炉心用の燃料集合体に関し、特に、燃料集合体を上部炉心板及び下部炉心板間に固定するための炉内拘束アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的な商業用原子力発電用原子炉は、円筒形容器内に配置された多数の細長い燃料集合体によって形成される。
【０００３】
図１に示されているように、各燃料集合体２は、全体的に、上部ノズル４及び下部ノズル６を備え、横方向に間隔をおいた複数の制御棒クラスタ案内管８が上部ノズル４及び下部ノズル６間で長手方向に延在しており、さらに、制御棒クラスタ案内管８に沿って軸方向に間隔をおいて且つ制御棒クラスタ案内管に取り付けられている多数の横方向支持格子１０と、支持格子１０によって横方向に間隔をおいて支持されている細長い燃料棒１２の組織的配列と、中央位置の計測管１４とを備える。上部ノズル４及び下部ノズル６は、冷却液（制限的ではないが、例えば、水）が長手方向上方へ流れ易くするための流れ開口（図示せず）を設けたエンドプレート（図示せず）を有する。冷却液は、燃料棒１２の外面全体を上方へ流れ、それにより、燃料棒から熱エネルギーを受け取るようになっている。冷却液を燃料棒１２間で分散させるために、混合ベーン格子構造体（１つの混合ベーンが図１の簡略断面図に参照符号１６で包括的に表されている）が、１対の支持格子１０の間に配置されて、制御棒クラスタ案内管８に取り付けられている。上部ノズル４のほぼ中央に位置する制御棒クラスタアセンブリ（rod cluster control assembly）１８は、制御棒を制御棒クラスタ案内管８内で垂直方向に移動させるために、制御棒の上端部に結合されて半径方向に延在する錨爪（flukes）２０を有する。燃料集合体２については、例えば、特許文献１に、さらに詳細に記載されている。
【０００４】
一般的に、燃料集合体２は、上部ノズル４と一体化しているコイルばね（図示せず）などの複数の圧縮ばね、及び／又は片持ちばね２２（例えば、板ばね）によって、上部炉心板及び下部炉心板（図１に示さず）間で円筒形容器（図１に示さず）内に固定されている。図１は、板ばねの種類の１つの圧縮ばね、即ち、片持ちばね２２を示す。片持ちばね２２は、上部ノズル４に取り付けられて、上部ノズルから半径方向に延出している。しかしながら、片持ちばねを上部炉心板（図示せず）またはカランドリヤ（calandria）（図示せず）に結合してもよい。一般的に、カランドリヤは、上部炉心板の上方の領域であって、例えば、燃料集合体用のガイド機構を含む領域である。このように、燃料集合体２を所定位置に締め付け、且つ冷却液の流動力による液圧浮き上がりおよび振動を抑制すると共に、炉心誘発熱膨張などの現象による燃料集合体長さの変化を考慮するために、軸方向圧縮負荷が燃料集合体２に加えられる。従来より、各燃料集合体２は、４つの片持ち形ばね２２（１つの片持ちばね２２が図１の側面図に示されている）で固定されている。
【０００５】
有効であるためには、片持ちばねまたはコイルばねのいずれの種類であっても、上述した圧縮ばねによって与えられる締め付け力が相当に大きくなければならず、従って、結果的に燃料集合体２の要素に損傷を与える可能性がある。ばね力の軸方向圧縮性は、しばしば燃料要素（例えば、燃料棒１２及び制御棒クラスタ案内管８）のカラム曲がり（column bowing）の量を望ましくないほど大きくする。カラム曲がりは、結果的に、例えば、部分的な制御棒挿入や、スクラム時間の低速化などの不利点を生じる可能性がある。スクラムは、原子力技術において原子炉の緊急停止を指すときに一般的に使用されるように発展した用語である。
【０００６】
燃料要素の損傷の回避、及び最大の拘束力の提供の両方を試みて、様々な炉内拘束装置が設計且つ使用されてきたが、その各々が独特の不利益を有する。
【０００７】
例えば、特許文献２は、核燃料集合体チャネルばね及びストップアセンブリを開示している。隣接した燃料集合体間の間隔を維持し、且つ個々の燃料棒を燃料集合体内に固定するために用いられるばね組み合わせ体が開示されている。具体的に言うと、複数の細長い圧縮ばねが、燃料棒上部端栓の垂直方向延長部分の上方に配置され、それにより、上部締結板（upper tie plate）の下面に対して反作用して、燃料棒を下部締結板（lower tie plate）内に着座した状態に維持するようにしている。加えて、隣接した燃料集合体間の間隔を維持し、且つ１つの燃料集合体から別のものへ負荷を伝達するために、両方向板ばねが、締結板の位置で燃料集合体の縁部に取り付けられている。しかしながら、開示されたばね組み合わせ体は、上部炉心板及び下部炉心板間で燃料要素の望ましくない曲がりを生じることなく垂直方向の拘束を行うための燃料集合体全体の軸方向圧縮に対処していない。
【０００８】
特許文献３は、加圧水型原子炉の片持ち式に取り付けられた制御棒クラスタ案内管用の撓み上端部支持体を開示している。板ばねが下部カランドリヤ板の下面に取り付けられ、それにより、原子炉制御棒クラスタ（ＲＣＣ）の上部板の上面に弾性的に負荷を掛けると同時に、制御棒クラスタ案内管に掛けられる変動定常負荷によって一般的に発生する滑りに抵抗するのに十分な横摩擦力を発生するようにしている。合計４つのばねに対して、２つの平行な板ばね対が存在する。各対のばねは、原子炉制御棒クラスタ（ＲＣＣ）のカランドリヤ管のほぼ円形の断面周りで１８０度だけ互いから変位している。しかしながら、望ましくない燃料要素のカラム曲がりの主因（leading culprit）である大きい圧縮力を発生することに加えて、板ばねは、嵩張り、炉心内の貴重な空間を取る。
【０００９】
さらに最近では、燃料要素に必要な圧縮力を減少させ、それにより、燃料要素の破損を回避するために、接触面積を、従って、燃料要素に対する摩擦拘束力を最大にするという意図により、複雑なばね部品が作製されてきた。例えば、特許文献４は、燃料集合体の支持格子用の対角線位置の燃料保持ばねを開示している。ばねは、原子炉の運転中に燃料棒が移動しないように軸方向、横方向および回転方向を拘束するためのスリットおよびディンプルの組み合わせを備える。燃料要素間の分離状態を維持することを主目的としたほぼエッグクレート型（egg crate-type）の格子構造を形成するために、そのようなばねが支持格子内に大量に使用されている。そのような構造は、軸方向移動を幾らか抑制することができるが、ばねは、例えば、燃料集合体の液圧浮き上がりを防止するために必要な軸方向圧縮負荷を発生することができない。
【００１０】
最も知られる炉内拘束機構に伴うさらなる不利益は、燃料集合体を押さえ付けるために用いられる拘束要素（例えば、ばね）が、一般的に、使用済み燃料集合体と一緒に廃棄されることである。一般的な燃料集合体の寿命は、３回の運転サイクル、すなわち約５４ヶ月であると予想することができる。従って、取り替え毎に新しいばねを設けることは、経常的コストであり、これは高価になる可能性がある。それはまた、廃棄または貯蔵されるべき追加放射性物質を生じる。燃料集合体の有効長さも増加し、このことは、使用済み燃料ピット及び燃料移送装置の輸送容器及び貯蔵セルが長くなるといった望ましくない結果を生じる。
【００１１】
【特許文献１】米国特許明細書第４，０６１，５３６号
【特許文献２】米国特許明細書第４，６２４，８２９号（ジャクソン特許)
【特許文献３】米国特許明細書第４，７９３，９６５号（アルトマン等特許）
【特許文献４】米国特許明細書第６，１４４，７１６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、原子炉炉心部品を固定するための炉内拘束アセンブリには、改良の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述したニーズ及び他のニーズは、従来型圧縮コイル及び片持ち式ばね拘束装置の代わりに、燃料集合体の優れた拘束を行う拘束要素組み合わせ体を用いて、浮き上がり及び振動に対する抵抗力を改善すると同時に、燃料集合体に掛かる有害な圧縮力を減少させるようにした炉内燃料拘束アセンブリを対象とする本発明によって満たされる。加えて、他の改良の中でも、本発明の炉内拘束アセンブリのコンパクト且つ効率的な構造は、また、燃料集合体の全長を減少させ、それにより、燃料集合体の取り扱い及び廃棄を改善する。
【００１４】
本発明の一態様として、炉内拘束アセンブリは、上部炉心板、下部炉心板、及び上部炉心板及び下部炉心板間に長手方向に延在する複数の燃料集合体を有する原子炉炉心用である。燃料集合体の各々は、上部ノズル、下部ノズル、及び上部ノズル及び下部ノズル間に延在する複数の細長い燃料棒を有する。炉内拘束アセンブリは、上部炉心板に結合され、且つ燃料集合体の上部ノズルに相当な軸方向圧縮力を与えるように構成されている第１拘束要素と、下部炉心板に結合され、それにより、下部ノズルに近接した燃料集合体に係合し、且つさらに燃料集合体を拘束するように構成されている第２拘束要素と、を備える。第２拘束要素は、ピン部材及びソケットを有し、ピン部材は、燃料集合体の下部ノズルから延出するように構成され、ソケットは、下部炉心板に結合されるように構成され、且つピン部材を収容するようになっている。
【００１５】
第１拘束要素は、弾性部材を包囲し且つ上端部及び下端部を有するハウジングと、プッシュロッドとを有するばねパックにすることができ、弾性部材及びプッシュロッドは、上部炉心板の座ぐり穴内に収容されるように構成され、且つハウジングの下端部は、上部炉心板の上面に結合されるように構成されている。燃料集合体の各々は、ばねパックを２つ備えることができる。
【００１６】
ピン部材は、燃料集合体の下部ノズル内に配置されるように構成されている第１端部、及び下部ノズルの下方に突出するように構成されている第２端部を有する割りピンにすることができ、割りピンの第２端部は、１対のリーフ部分（leaves）を画成する細長いスロットを有し、リーフ部分は、横方向に圧縮可能であり、それにより、ソケット内に挿入される時に摩擦抵抗力を与えることができる。ソケットは、直径を有する穿孔を有する機械加工部材から構成することができ、直径は、割りピンの１対のリーフ部分の外径より小さく、割りピンは、機械加工部材の穿孔内に圧力嵌めされるように構成されている。ソケットは、それぞれ留め具を挿通させ、それにより、ソケットを下部炉心板に固定することができるように構成されている複数の穴を有する半径方向フランジを備えることができる。
【００１７】
本発明の別の態様として、原子炉炉心は、上部炉心板と、下部炉心板と、上部炉心板及び下部炉心板間に長手方向に延在する複数の燃料集合体であって、燃料集合体の各々は、上部ノズル、下部ノズル、及び上部ノズル及び下部ノズル間に延在する複数の細長い燃料棒を有する、複数の燃料集合体と、燃料集合体を上部炉心板及び下部炉心板間に固定するための炉内拘束アセンブリであって、上部炉心板に結合され、且つ燃料集合体の上部ノズルに相当な軸方向圧縮力を与えるように構成されている第１拘束要素、及び、下部炉心板に結合され、それにより、下部ノズルに近接した燃料集合体に係合し、且つさらに燃料集合体を拘束するように構成されている第２拘束要素、を有する炉内拘束アセンブリと、を備える。第２拘束要素は、ピン部材及びソケットを備えることができ、ピン部材は、燃料集合体の下部ノズルから延出し、ソケットは、下部炉心板に結合され、それにより、且つピン部材を収容するようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
好適な実施形態の以下の説明を添付の図面と組み合わせて読めば、本発明を完全に理解することができる。
【００１９】
本発明の炉内拘束アセンブリは、制限的ではないが、例えば、冷却液流動力が掛かっている原子炉運転中、地震擾乱（seismic disturbances）中、または外的衝撃の際に、燃料集合体が望ましくない移動を行わないように軸方向、横方向及び回転方向の拘束を行うものと述べられるであろう。しかしながら、他の炉心部品（制限的ではないが、例えば、個別の燃料棒、制御棒）を個別に拘束し、それにより、任意の形の移動発生事象によって起きるいずれの形の望ましくない移動にも抵抗するために、本発明の炉内拘束アセンブリを用いることもできることは、明らかになるであろう。
【００２０】
本明細書に使用されている方向に関する語句、例えば、左、右、上、下、上方、下方およびそれらの派生語は、図面に示されている要素の向きに関係し、特許請求の範囲に明記しない限り、特許請求の範囲を制限していない。
【００２１】
本明細書で用いるとき、「留め具」という用語は、制限的ではないが、ねじ、ボルト、ボルト及びナット（制限的ではないが、例えば、ロックナット）の組み合わせ、ボルト、ワッシャ及びナットの組み合わせを特に含む任意の適当な連結または締め付け機構を意味する。
【００２２】
本明細書で用いるとき、２つ以上の部品が互いに「結合」されるという記述は、それらの部品が直接的に接合されるか、１つまたは複数の中間部品を介して接合されるかのいずれかであることを意味するものとする。
【００２３】
図２は、商業用の原子力発電用原子炉の原子炉炉心３０を示す。炉心３０の部品及び機能詳細は概ね旧式であり、当該技術分野では周知である。例えば、炉心３０の詳細な記載は、ヴァン・ノストランド社の科学百科事典（１９９５年第８版）の２２０８〜２２０９頁（The Scientific Encyclopedia, Van Nostrand, pp.2208-2209, 8th ed., 1995）に見ることができる。一般的に、炉心３０は、図１に関連して前述した燃料集合体２及び制御棒クラスタアセンブリ（control element assemblies）１８、並びに炉心３０を支持するために必要な様々な追加の内部構造物を収容するように設計された原子炉容器３２内に収納されている。一般的に、原子炉容器３２は、鍛造リングまたは容器フランジ（図示せず）によって接合される２つの半球形半割体、すなわち上部半割体（図示せず）および下部半割体３３を備える円筒から構成されたインコネルクラッド肉厚炭素鋼圧力容器である。原子炉容器３２は、容器フランジの下方で半径方向に位置する入口ノズル３４及び出口ノズル３６を有する。（図２に、包括的に参照符号２で示されている）燃料集合体は、炉心シュラウド４０あるいは炉心バッフル／支持枠構造体によって画成された下部炉心槽３８内に配置される。炉心シュラウド及び炉心バッフル／支持枠構造体の両者は、下部炉心槽に対して同心状の外側円筒形状を有し、これらの両者の概念は、燃料集合体の配列を取り囲む外周部を形成する階段式の幾何学的形態（a staircase-type geometry）を与える。上部炉心板４２は、上方内部構造物アセンブリ（upper internal assembly）（図示せず）の一体部品であり、下部炉心板４４は、全周溶接によって下部炉心槽３８に取り付けられている。（制限的ではないが、例えば、冷却液反応力が発生するか、燃料集合体２が長くなって（例えば、追加燃料長さ）、より大きい軸方向差圧が発生し、下側の燃料集合体２がカラム曲がりをより受け易くなる時、）過大な、従って有害な圧縮力を燃料集合体２に加える既知の拘束機構（例えば、図１に関連して前述した片持ちばね２２）と異なり、本発明は、カラム曲がりの問題を軽減するために、燃料集合体２の上部に掛かる軸方向力を減少させる炉内燃料拘束アセンブリ１００を用いることにより、これらの不利益を克服する。本発明の炉内燃料拘束アセンブリ１００は、一定の従来型拘束機構によって燃料集合体２に加えられることが知られている有害な横方向圧縮力も減少させる。
【００２４】
例示的な炉内拘束アセンブリ１００は、それぞれ上部炉心板４２および下部炉心板４４に位置する（図２に参照符号１０２及び１０４で概略的に表される）拘束要素の組み合わせ体を有する。しかしながら、本発明の他の実施形態では、拘束要素の一方（例えば、１０２）だけが必要であることが理解されるであろう。以下でより詳細に述べるように、例示的な拘束要素は、特殊構造のばねパック（第１拘束要素）１０２と、新規な割りピンアセンブリ（第２拘束要素）１０４とである。割りピンアセンブリ１０４は、燃料集合体２の下端部に配置されている割りピンを収容するように構成された（図５に関連して本明細書により詳細に述べる）ソケットまたは受け部１５０を有する。割りピンアセンブリ１０４は、上部ノズル４の位置の例示的なばねパック１０２の減少した軸方向圧縮力と組み合わせることで、カラム曲がりや他の有害な圧縮関連効果を相当に受け難くしながら、燃料集合体２を十分に拘束する圧縮及び摩擦の最適バランスをとるように構成されている。
【００２５】
図３は、本発明の例示的な炉内拘束アセンブリ１００用のばねパック１０２を示す。各ばねパック１０２は、図示のコイルばね（弾性部材）１０８などの弾性部材とプッシュロッド１１０とを包囲するハウジング１０６を有する。例示的なコイルばね１０８およびプッシュロッド１１０は、上部炉心板４２の座ぐり穴４６内に収容される。ハウジング１０６の底部は、上部炉心板４２の上面４８に結合される。図３の実施形態では、この連結は、ハウジング１０６の下端部１０５の雄ねじ１０７を座ぐり穴４６の、上部炉心板４２の上面４８に近接した部分の対応の雌ねじ５０によって座ぐり穴４６内に螺合させることによって行われる。ハウジング１０６は、貫通孔１１２内に例示的なコイルばね１０８を収容する。アセンブリを一体状に保持するために、ディスクなどのリテーナ要素１１４及びキャップ１１６が、ハウジング１０６の、ばね１０８に隣接した上端部１０９内に固定される（螺着される）。
【００２６】
作用を説明すると、上方内部構造部品を下部炉心槽３８（図３に示さず）に挿入し、且つ装填済みの炉心３０（図２）上に組み付けると、各プッシュロッド１１０が、図３に示されているように、燃料集合体の上部ノズル４の隅部６０を押し付けるようになる。降下が完了すると、プッシュロッド１１０は、上部炉心板４２を通って上方に後退して、コイルばね１０８を圧縮する。例えば、各燃料集合体２の寿命段階（例えば、燃焼度）に基づいて、様々な圧縮長さが結果的に生じる。例えば、低温状態において、燃料集合体２の高さは、新しい燃料集合体２（例えば、寿命開始時（ＢＯＬ）の集合体）とその寿命の終了時（ＥＯＬ）にある集合体との間で、約４．１９センチメートル（１．６５インチ）変化し得る。従って、ばねパック１０２の締め付け力も同様に、そのような要因（制限的ではないが、例えば、温度、燃料の寿命段階）に伴って変化する。後述する図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄは、さらに、これらの変化状態において燃料集合体２が受ける負荷を示す。本明細書に述べる例示的な実施形態では、燃料集合体２の対角線位置の隅部６０（図８の対向位置の隅部５６も参照されたい）に圧縮負荷を加えるために、炉心３０（図２）内の各燃料集合体２の位置に対して、２つのばねパック１０２が上部炉心板４２に取り付けられる。しかしながら、図面を簡単にするために、図３では、燃料集合体の上部ノズル４の隅部６０に係合する１つのばねパック１０２だけが示されている。しかしながら、本明細書に示し、且つ説明したもの以外の任意の適当な数及び形状のばねパック２を用いることができることが理解されるであろう。
【００２７】
以上を鑑み、本発明のばねパック１０２は、（図面に仮想線で示されている）従来技術の片持ちばね２２の代わりになり、それに伴う上記不利益をほぼ解決する。また、本発明の例示的なばねパック１０２は、上部炉心板４２の上部に取り付けられ、そのため、上部炉心板４２及びプッシュロッド１１０が与えるシールドの便益を有し、上部炉心板４２の下方で燃料集合体１０２の上部に配置される他の拘束装置が、一般的に被る照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）を受け難くなることにも留意されたい。それにもかかわらず、本発明のばねパック１０２には、例えば、燃料交換停止中に、容易に接近することができる。
【００２８】
ばねパック１０２の構造は、燃料交換エピソードでまったく遅れを伴わないで、（例えば、破壊試験のために）取り外し、且つ交換することができるようになっている。実際に、必要があれば、ばねパック１０２全体を容易に取り外し、且つ交換することができる。
【００２９】
あらゆる状態において、プラントの運転中に燃料棒（燃料要素）１２がそれらのベース（例えば、下部炉心板４４）から浮いて離れることが決してないように、十分な燃料集合体の拘束が行われなければならない。増加した拘束要件に対応するために燃料集合体２に増大圧縮または締め付け力を加えることにより、燃料要素１２に損傷を与える、または、燃料要素のカラム曲がりを生じる危険を伴う他の既知の拘束機構構造（例えば、片持ちばね２２）と異なり、本発明のばねパック１０２は、（本明細書でさらに後述する）例示的な割りピンアセンブリ１０４（図５）との組み合わせにより、軸方向負荷を上部ノズル４全体に分散させ、且つ、摩擦と、割りピンアセンブリ１０４（図５）によって下部炉心板４４に与えられる無害な量の圧縮とでその拘束を補うことによって、破壊的な局部圧縮力をほぼなくす。
【実施例】
【００３０】
本明細書全体で説明の目的で使用され、且つ本発明の範囲を制限していない代表的な一例として、ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシー（Westinghouse Electrical Company LLC）は、ＡＰ−１０００という名称で市販されている既知の炉心構造を有する。ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーは、米国ペンシルバニア州モンロービルに企業所在地を有する。ＡＰ−１０００構造は、１５７個の燃料集合体２を備える。従って、本発明の上記炉内拘束アセンブリ１００によれば、炉心３０内の各燃料集合体２の位置に２つのばねパック１０２が用いられ、合計で３１４個のばねパック１０２になるであろう。
【００３１】
前述したように、各ばねパック１０２のプッシュロッド１１０は、燃料集合体の上部ノズル４の隅部（例えば、図３の燃料集合体の上部ノズル４の隅部６０を参照）に係合し、且つ圧縮力を与える。さらに具体的に言うと、図３に示されているように、ＡＰ−１０００の例では、ばねパック１０２のプッシュロッド１１０は、上部ノズル４の隅部６０に係合する。
【００３２】
図４に示されているように、ばねパック１０２のハウジング１０６を収容するために、案内管４５（例えば、制御棒格納器（control rod enclosures））のフランジ４７（図２も参照）内の部分弓形切り欠き４３が必要である。十分に確立されている工業剛性（industry stiffness）及び応力レベルの基準（stress level standards）が維持されるため、切り欠きを設けるような改良は、フランジ４７の一体性を許容できないほどに低下させることはない。切り欠き４３が問題を提起することがある場合、弓形切り欠き４３のために除去された材料を補償するために、フランジ４７をより厚く形成することができることも理解されるであろう。
【００３３】
図４を参照し続けると、２つの燃料集合体整合ピン５２の位置が示されている。従来技術の既知の整合ピン位置は、ラベル「ＥＸＩＳＴＩＮＧ」で表され、本発明の拘束アセンブリ１００による新しい位置は、ラベル「ＮＥＷ」で表されている。具体的に言うと、各燃料集合体２の上部ノズル４は、４つの隅部５４、５６、５８、６０を有する（図８に最も分かり易く示されている）。図８に最も分かり易く示されているように、２つの対向する隅部５４、５８は、（図３に最も分かり易く示されている）整合ピン５２を収容する穿孔６２、６４を有する。整合ピン５２は、上部炉心板４２（図３）を貫通してその下方に突出する。残りの２つの隅部５６、６０は、実質的にパッドであって、前述したように、コイルばね１０８が圧縮されたとき（図３）、ばねパック１０２のプッシュロッド１１０（図３）が押し付けて下向きの力を加える場所にある。図４は、４つの隣接した燃料集合体の各々のための上部ノズル４の一部をほぼ示す。４つの隣接した上部ノズル４の各々について、それぞれ１つの隅部５４、５６、５８、６０が示されている。垂直及び水平の平行破線は、上部ノズル４の隣接縁部を概略的に表す。
【００３４】
従って、上記実施例によって確認されるように、本発明の炉内拘束アセンブリ１００は、既知の、各燃料集合体当たり少なくとも４つの片持ちばね２２（図１及び図３（仮想線））を設ける構造をなくし、その代わりに、カラム曲がりを起こすことなく燃料集合体２に掛かる十分な量の圧縮負荷を均一に分散させる改良型の２つのばねパック式拘束アセンブリを用いる。ばねパック構造の付加的な利点は、後述する図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄのフリーボディーダイアグラム（free body diagrams）を参照することによって、さらに理解されるであろう。以上は、本発明の炉内拘束アセンブリ１００、特に、炉内拘束アセンブリ用のばねパック１０２の１つの適用例にすぎないことが理解されるであろう。例えば、任意の適当な代替数のばねパック１０２（例えば、３つ以上のばねパック）（図示せず）及びばねパック１０２の形態（図示せず）を用いることができることが理解されるであろう。
【００３５】
図５に示されているように、上記ばねパック１０２を補助するために、本発明の炉内拘束アセンブリ１００は、各燃料集合体２の下部分、特に、下部ノズル６を拘束するための割りピンアセンブリ１０４をさらに備える。例示的な割りピンアセンブリ１０４は、燃料集合体の下部ノズル６の軸方向中心線１３０上に配置され、且つ下部ノズルに固定された洗濯ばさみ様の割りピン（ピン部材）１２８を備える。割りピン１２８は、下部ノズル６内に配置され、且つ計測管１４（図５には部分的に示されているだけであり、図１及び図２も参照）に係合するように構成されている第１端部１３２と、下部ノズル６の下方に突出する第２端部１３４とを有する。第２端部１３４は、例示的な割りピン１２８に洗濯ばさみに似た構造を与える１対のリーフ部分１３８及び１４０を画定する細長いスロット１３６を有する。洗濯物を洗濯用ロープに固定するために洗濯ばさみのスロットのリーフ部分が横方向圧縮力を与えるのとほぼ同様に、リーフ部分１３８及び１４０は、横方向内向きに互いに向かって圧縮可能である。例示的な割りピン１２８のリーフ部分１３８及び１４０は、下部炉心板４４に結合されたソケット１５０内に挿入されるとき、大きい摩擦力を与える（割りピン１２８は、図５の仮想線でソケット１５０内の係合位置に示されている）。
【００３６】
具体的に言うと、割りピン１２８は、ほぼ円筒形であって、そのリーフ部分（例えば、第２端部１３４）に外径１４２を有する。この外径１４２は、リーフ部分を挿入するソケット１５０の穿孔１５４の直径１５２より僅かに大きい。このように、割りピン１２８のリーフ部分１３８及び１４０の圧縮性の結果として、ソケット１５０の穿孔１５４の壁１５３に横方向外向き（例えば、法線）力が作用する。この法線力は、ソケット１５０内に挿入されるときにリーフ部分１３８及び１４０が圧縮されることと、リーフ部分が圧縮されない自然な位置に戻ろうとする時にリーフ部分が発生する対応の半径方向外向きの力との結果である。この外向きに圧縮する法線力は、割りピン１２８とソケット１５０との間に相当な摩擦を与え、それにより、燃料集合体２（図５に図示せず）の望ましくない軸方向移動（例えば、リフトオフ（lift off：離脱）に抵抗する。従って、例示的な割りピンアセンブリ１０４は、燃料集合体２の炉内拘束を行うために上記ばねパック１０２を非常に有効に補助する。
【００３７】
従って、例示的な炉内拘束アセンブリ１００のばねパック１０２及び割りピンアセンブリ１０４の独特な組み合わせは、既知の拘束機構（制限的ではないが、例えば、図１の片持ちばね２２）の多くの不利益を相当に克服する。例えば、本発明の炉内拘束アセンブリ１００は、コイルまたは片持ちばねの軸方向圧縮力が最小である短い燃料集合体の場合、及び、例えば、燃料集合体２（図１）に沿って作用する上向きの冷却液流動力が増加するときの異常な過渡または冷却液ポンプ超過速度の場合に起こる可能性があるリフトオフ（例えば、炉心板からの燃料要素の分離）を防止するのに十分な燃料集合体２（図１）の拘束を行う。例示的なばねパック１０２及び割りピンアセンブリ１０４の組み合わせの、多重圧縮及び摩擦に基づく拘束力は、そのような力及びそれによって起こり得る望ましくない結果を有効に抑制する。
【００３８】
図５を参照し続けると、例示的なソケット１５０の詳細を理解することができる。具体的には、例示的なソケット１５０は、好ましくは、原子炉での使用環境に適した性質を示す金属材料から形成された機械加工部品から成る。制限的ではないが、そのような材料の１例は、インコネル合金である。しかしながら、ソケット１５０を作製するために任意の既知または適当な代替材料を使用することができると共に、ソケット１５０を機械加工以外の任意の適当な代替処理で作製してもよいことは理解されるであろう。
【００３９】
ソケット１５０は、割りピンアセンブリ１０４のリーフ部分、即ち第２端部１３４の外径１４２より僅かに小さい直径１５２の上記穿孔１５４を有する。制限されない代表例として、ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーのＡＰ−１０００炉心構造の上記実施例では、ソケット１５０の内径１５２は、約１．８６〜１．８７センチメートル（０．７３２〜０．７３５インチ）である。割りピン１２８のリーフ部分、即ち第２端部１３４の外径は、僅かに大きく、約１．９０〜１．９１センチメートル（０．７４８〜０．７５２インチ）である。その寸法差は、割りピン１２８をソケット１５０の穿孔１５４内に圧力ばめし、それによって所望の摩擦拘束力を発生するために必要である。具体的には、この同じ実施例で、割りピン１２８のリーフ部分１３８及び１４０によって発生する上記法線力は、約４３０．９１〜５２１．６３キログラム（９５０〜１，１５０ポンド）力の範囲の長手方向摩擦力にほぼ相当する。例えば、高温浮力重量が７１７．１３キログラム（１，５８１ポンド）である燃料集合体は、炉心内への装填時に、この長手方向摩擦力に容易に打ち勝ち、そのため、適当な着座を行うためのハングアップ（hang-up）がないことに注目することが重要である。一方、燃料集合体を取り外す（例えば、摩擦力に打ち勝つ）ために必要な引っ張り力は、燃料集合体を一体状に保持する構造的溶接または留め具のいずれにも超過ストレスを掛けない。
【００４０】
例示的なソケット１５０は、図５に示されているように、ソケット１５０を下部炉心板４４に固定するために留め具１６０を挿通させるための多数の穴１５８を有する半径方向フランジ１５６をさらに備える。図５では、１つの穴１５８が、フランジ１５６を下部炉心板４４にねじ付け固定する対応の１つの留め具（ねじ）１６０と共に示されている。しかしながら、任意数の留め具（例えば、ねじ１６０）を使用することができることは理解されるであろう。例示的なボルト留めまたはねじ付けされたフランジ１５６以外に、ソケット１５０を下部炉心板４４に固定するための任意の適当な代替方法を代わりに用いることができることも、理解されるであろう。例えば、下部炉心板４４は、別体のソケット１５０とは異なって、一体形ソケットを提供するように適応させることができるであろう。
【００４１】
図６は、燃料集合体の下部ノズル６の流れ穴形態に対する上記割りピンアセンブリ１０４の影響を概略的に示す。図６の例に示されている下部ノズル６は、当該技術において１７×１７アセンブリと一般的に呼ばれる燃料集合体２用のものである。下部ノズル６の（図６の第１象限、第２象限、第３象限３及び第４象限で表される）４象限すべてが示されている。第３及び第４象限は、既存の流れ穴パターンであって、それぞれ直径が約１．２３センチメートル（０．４８３インチ）、約０．７１センチメートル（０．２８０インチ）及び約０．９６センチメートル（０．３７６インチ）である流れ穴Ｉ、Ｎ及びＧを設けたパターンを示す。これらの穴（例えば、穴Ｉ、Ｎ、Ｇ）に割り当てられる寸法は、４象限すべてで変わらない。文字記号（例えば、Ｉ、Ｎ、Ｇ）は、図面を簡単にするために割り当てられている。第１及び第２象限は、例示的な割りピンアセンブリ１０４を収容するための２つの代表的な代替流れ穴パターンを示すように修正されている。
【００４２】
第１象限の第１代替例の穴パターンでは、約０．２０６センチメートル（０．０８１インチ）の管隙間、すなわち材料幅を直径Ｔに与えるために、穴Ｎを再位置決めするように、流れ穴パターンが修正されている。直径Ｔは、割りピン１２８の外径である。加えて、第１象限では、２つの隣接した穴Ｇの直径が小さくなって、直径が約０．７９センチメートル（０．３１２インチ）である穴Ｖになっている。
【００４３】
第２象限の第２代替例の修正流れ穴では、穴Ｎの代わりに長円形の穴Ｐ／Ｈが用いられ、これは、図示のように、約０．６３５センチメートル（０．２５０インチ）の大きい方の直径Ｐから約０．４７５センチメートル（０．１８７インチ）の小さい方の直径Ｈまで先細りしている。直径Ｐ及び直径Ｔ間の管隙間もやはり約０．２０６センチメートル（０．０８１インチ）である。比較として、標準的な穴Ｎの面積は、約０．７９４平方センチメートル（０．１２３平方インチ）である。第２象限の修正流れ穴パターンの穴Ｐ／Ｈは、約０．９８７平方センチメートル（０．１５３平方インチ）に増加した面積を有する。この増加面積は、第２象限のその他の修正流れ穴と組み合わされて、付加的な冷却液流れを与え、これにより、他の利点の中でも、より均一な冷却液流れ分布、及び下部ノズル６を横切る方向の差圧の僅かな減少が達成される。最後に、第２象限の例では、２つの隣接した穴Ｇの直径が小さくなって、穴Ｖになっている。図６の第１及び第２象限は、炉心３０（図２）を通る十分な冷却流を与え続けながら、例示的な炉内拘束アセンブリ１００の割りピンアセンブリ１０４の追加に対処することができる２つの可能な流れ穴パターンを提示するだけであることは理解されるであろう。任意の既知または適当な代替下部ノズル６の流れ穴パターン（図示せず）も用いることができるであろう。例えば、楕円形の流れ穴（図示せず）を用いることができるであろう。
【００４４】
本明細書に図示して説明する例では、割りピン１２８は、最も好都合な位置である、燃料集合体２の軸方向中心線上に配置されているものとして開示されている。しかしながら、例えば、原子力プラントが底部取り付け形炉内計測器（例えば、フラックス検出器（fluxdetectors）、サーモカップル）（図示せず）を有する場合、中央位置を使用することができず、従って、例示的な単一の中央に配置された割りピンアセンブリ１０４の代わりに、２つのより小さい割りピン（図示せず）を燃料集合体１０２の２つの対角線位置の足に組み付けることができることは理解されるであろう。
【００４５】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄは、既知の圧縮ばね拘束機構（例えば、図１及び図３に関連して前述した片持ちばね２２を参照）と、本発明の改良型炉内拘束アセンブリ１００との比較を示す。これらの図面は、個々の燃料集合体２が受ける力を説明する概略的フリーボディーダイアグラムである。具体的に言うと、図７Ａ及び図７Ｂは、それぞれ、高温及び低温での寿命開始（ＢＯＬ）及び寿命終了（ＥＯＬ）炉心状態下で従来型片持ちばね（例えば、図１の片持ちばね２２）が燃料集合体２に加える力を示す。比較のために、図７Ｃ及び図７Ｄは、同一の炉心状態下で例示的な炉内拘束アセンブリ１００によって加えられる力を示すフリーボディーダイアグラムを示す。図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄの例は、本発明によって与えられる利益を説明し、且つさらに明確にするために提供されているにすぎず、本発明の範囲を制限するものではない。
【００４６】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ及び図７Ｄに示されているフリーボディーダイアグラムは、１５７個の燃料集合体２を有する上記ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーのＡＰ−１０００構造例を表す。図示の力は、１４％入口流不均衡配分（inlet flow maldistribution）と仮定する。燃料集合体２の浮力重量は、図７Ａ〜図７Ｄの総てのフリーボディーダイアグラムにおいて、高温では７１７．１３キログラム（１，５８１ポンド）、低温では６８９．９１キログラム（１，５２１ポンド）で一定のままである。図７Ｃ及び図７Ｄと図７Ａ及び図７Ｂとを比較すれば分かるように、本発明のばねパック１０２を割りピンアセンブリ１０４と組み合わせて採用すれば、上部ノズル４における力を減少させることができ、それにより、燃料要素のカラム曲がりの問題を受け難くなる。具体的に言うと、高温での寿命開始（ＢＯＬ）炉心状態下では、従来技術は、約４８６．７０キログラム（１，０７３ポンド）の軸方向圧縮力を燃料集合体２の上部に押付けていた（図７Ａ）。本発明の炉内拘束アセンブリ１００（例えば、ばねパック１０２および割りピンアセンブリ１０４）は、同じ条件下でこの力を約２７６．６９キログラム（６１０ポンド）に、大幅に減少させる（図７Ｃ）。図７Ａ及び図７Ｃの比較を続けると、高温での寿命終了（ＥＯＬ）炉心状態下では、既知の片持ちばね２２（図１）が燃料集合体２にかける軸方向力は７４８．４３キログラム（１，６５０ポンド）に増加する。同じ条件下で、本発明の例示的なばねパック１０２は、ほぼ同一の７５２．９６キログラム（１，６６０ポンド）の力を加える。
【００４７】
それぞれ低温でのＢＯＬ及びＥＯＬ状態下で旧型（図７Ｂ）及び新型（図７Ｄ）の拘束設計が燃料集合体２に掛ける力を比較する図７Ｂ及び図７Ｄを参照すれば、望ましくない軸方向圧縮力がより大幅に減少することが理解される。例えば、低温のＢＯＬ状態下では、１，２１５．１７キログラム（２，６７９ポンド）である以前の力が５８６．９５キログラム（１，２９４ポンド）まで減少し、低温のＥＯＬ状態下では、１，４７５．９９キログラム（３，２５４ポンド）である従来の力（図７Ｂ）が、１，０６２．７７キログラム（２，３４３ポンド）まで大幅に減少する。
【００４８】
図７Ａ〜図７Ｄを参照しながら、最悪のケースシナリオの低温ＢＯＬでは、ばねパック１０２が単独で燃料集合体を４．５４キログラム（１０ポンド）の正味力で押し下げることに注目することも重要である。従って、下部炉心板４４に対する反作用力がゼロになるまで、割りピンアセンブリ１０４は、決して働かない。加えて、１，２７２．３３キログラム（２，８０５ポンド）の揚力は、安全側に高く（conservatively high）、これはさらに、割りピンアセンブリ１０４が、事実上は「予備」の拘束機構であり、図７Ａ〜図７Ｄのフリーボディーダイアグラムの総てが表すように、理論的には必要ないことを示す。
【００４９】
従って、上記の例は、望ましくない有害な圧縮力を許容可能なレベルまで減少させ、それにより、制限的ではないが、燃料集合体要素（例えば、図１の燃料棒１２及び制御棒クラスタ案内管８）のカラム曲がりなどの望ましくない関連効果を回避すると同時に、浮き上がりなどの他の望ましくない移動を行わないように、燃料集合体２を十分に拘束状態に維持することに対する炉内拘束アセンブリ１００の有効度を裏付ける。締め付け力を減少させるという上記利益や、広範囲の温度及び流れ状態下で燃料集合体２を収容する能力に加えて、本発明の炉内拘束アセンブリ１００は、幾つかの追加利点ももたらす。
【００５０】
例えば、燃料集合体２（図１）に掛かる軸方向圧縮力が減少することにより、上部炉心板４２及び下部炉心板４４（図２）の厚さを減少させることができ、これは、上部炉心板４２及び下部炉心板４４に掛かる同一且つ逆方向の力に相当する。例えば、本明細書で十分に説明した上記例（例えば、ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーのＡＰ−１０００）の場合、上部炉心板４２を約７．６２センチメートル（３．００インチ）の厚さから約５．７１５センチメートル（２．２５インチ）まで約１．９１センチメートル（０．７５インチ）だけ減少させることができ、また下部炉心板４４を約３８．１０センチメートル（１５．００インチ）から約２６．２０センチメートル（１４．２５インチ）まで約１．９１センチメートル（０．７５インチ）だけ減少させることができる。その結果として、材料及び製造コストが節約される。また、それにより、上部炉心板４２及び下部炉心板４４の各々から約１．９１センチメートル（０．７５インチ）を得ることができるため、上部炉心板４２及び下部炉心板４４間の距離が約３．８１センチメートル（１．５インチ）だけ大きくなる。また、片持ちばね（図１）を取り除くことで、燃料集合体の上部ノズル４を約１．２７センチメートル（０．５インチ）だけ短くすることができ、合計が５．０８センチメートル（２．０インチ）になる。これにより、様々な付加的な任意選択の利益が可能になる。
【００５１】
例えば、得られた５．０８センチメートル（２．０インチ）の長さを原子炉容器（圧力容器）３２（図２）の長さまたは高さから差し引くことができ、その結果、原子炉格納容器の寸法が減少するという利益が生じるであろう。そのような修正は、原子炉容器３２内に存在する冷却液または水の体積の削減につながり、冷却液損失事故の際の廃液として放出される量が減少することを意味する。加えて、原子炉容器３２は、小さくなる程、軽くなるであろう。上記例では、おおよその重量削減は、約１．３９１キログラム（３．０６６ポンド）であろう。
【００５２】
代替として、第２選択肢は、有効燃料長（active fuel）を５．０８センチメートル（２．０インチ）追加することである。ＡＰ−１０００の例では、これは、燃料を約４２６．７２センチメートル（１６８インチ）から約４３１．８０センチメートル（１７０インチ）に延ばすことを意味し、これは、約１．２％のパワー（例えば、１３メガワットの電力）の増加に相当する。別の代替として、追加燃料長として５．０８センチメートル（２．００インチ）を追加する代わりに、追加の５．０８センチメートル（２．００インチ）を上部炉心板４２及び下部炉心板４４間に利用し、それにより、特定の燃料棒の開放容積（例えば、燃料スタックの上部と上部燃料棒蓋体シールとの間の領域）を増加させ、且つ燃料からのいかなる余剰ガス放出にも対応することができるようにすることができる。
【００５３】
さらなる代替は、原子炉容器３２の座ぐり穴の長さ（例えば、深さ）を約３．８１センチメートル（１．５インチ）だけ増加させることであろう。原子炉容器の座ぐり穴は、下部原子炉フランジ５５（図２）が着座する容器はめ合わせ位置（vessel mating location）である。この追加深さは、例えば浮き上がり及び振動が生じないように下部原子炉内部構造物の優れた拘束を行うために、原子炉内部構造物押し下げばね（図示せず）の厚さを増加させるのに使用されることができる。
【００５４】
１つの別の可能性は、圧力容器の長さは同じままにして、下部炉心板４４を５．０８センチメートル（２．００インチ）上方に移動させるものである。これは、下部容器プレナム３９の高さを５．０８センチメートル（２．００インチ）だけ増加させ、且つ炉心入口流配分を改善する（例えば、それをより均一にする）であろう。上部炉心板を１．９１センチメートル（０．７５インチ）だけ薄くすることは、炉心放射による内部加熱によって発生する熱応力を減少させる二次利益ももたらし、その結果、安全率が向上する。
【００５５】
例示的な炉内拘束アセンブリ１００の利益は、以上のものに制限されないことは理解されるであろう。また、上記の好都合な設計変化のいずれを選択することもできる、または代替としてそのような設計変化の組み合わせを導き出すことができることも理解されるであろう。
【００５６】
さらに、（図１に）図示されると共に本明細書で説明されている燃料集合体２は、ほぼ正方形配列の燃料棒１２を有し、制御棒クラスタ案内管８が燃料棒の配列内に最大限の効果が得られるように配置されており、上部ノズル４、下部ノズル６及び支持格子１０の断面がほぼ正方形である形式であるが、上部ノズル４、下部ノズル６または支持格子１０の形状も、燃料棒１２及び制御棒クラスタ案内管８の数及び形態も本発明を制限しないものとすることは理解されるであろう。本発明は、図示されると共に本明細書で説明されているものと異なった形状、形態及び配置を有する原子炉炉心部品にも等しく適用可能である。
【００５７】
従って、本発明の炉内拘束アセンブリ１００は、ばねパック１０２及び新規な割りピンアセンブリ１０４の独特な組み合わせを提供し、これは様々な原子炉状態の総てにおいて燃料集合体２を拘束すると同時に、既知の拘束機構の不利益を克服する。
【００５８】
例示的な炉内拘束アセンブリ１００は、また、多くの原子炉の改良点及び利点を提供する。中でも、例示的なばねパック１０２は、炉心取り替えサイクル毎に廃棄されない、ということがある。従って、経常的コストがなく、且つ新しい炉内拘束アセンブリ１００、及び上部炉心板４２上にばねパック１０２を収容するために必要な任意の追加的な関連の機械加工の初期コストは、直ぐに取り戻される。割りピンアセンブリ１０４は、使用済み燃料集合体２と一緒に廃棄されるが、例示的な炉内拘束アセンブリ１００の製造コストの節減は、既知の拘束設計に比べて大きく、廃棄または貯蔵すべき放射性物質が少ない。また、割りピンアセンブリ１０４の炉心寿命は、約３サイクル、すなわち約５４ヶ月に過ぎないので、割ピンアセンブリが比較的高い中性子流動区域内に位置していても、それら割ピンアセンブリの時間依存・照射誘起応力腐食割れ・誘発故障（time-dependent IASCC induced failure）は、問題にならない。加えて、比較的大きい従来技術の片持ちばね（例えば、図１及び図３の片持ちばね２２を参照）を無くすことにより、燃料集合体２の全長も約５．０８センチメートル（２．０インチ）だけ短くなる。その結果、とりわけ使用済み燃料ピットの燃料貯蔵セルの高さが減少し、使用済み燃料を現場で貯蔵するために使用する必要がある容器、燃料集合体輸送容器、および現場燃料移送設備の寸法が小さくなるという追加の利益が生じる。嵩張る片持ちばね（例えば、片持ちばね２２）を無くすことは、また、燃料集合体２が損傷する傾向を大幅に減少させることにより、概ね、現場での燃料の取り扱いを簡単にする。取り扱い及び移送におけるこの効率の改善の結果、燃料取り替え停止は、ほどほどに短縮されるであろう。
【００５９】
さらに、前述したように、例示的なばねパック１０２を収容するために上部ノズル４に加えられる変化は、冷却液の流れ及び分散を改善し、それをさらに均一にし、且つ上部ノズル４を横切る方向の差圧を好都合に減少させる。これに関連して、図６に示されたような上記流れ穴パターンの修正に加えて、約４．４５センチメートル（１．７５インチ）である従来の大きい上部ノズルの隅部半径（図８に最も分かり易く示されている）が、約１．２７センチメートル（０．５インチ）に減少する。図８の隅部６０付近の斜線を付した隅部領域は、例示的な上部ノズル４から取り除かれる（例えば、フライス削りされる）材料の追加区域を表す。これはさらに、上記冷却液の流れの改善を容易にする。
【００６０】
本発明の特定の実施形態を詳細に説明してきたが、本開示の教示全体に照らしてそれらの詳細の様々な修正及び代替を発展させることができることは、当業者には理解されるであろう。従って、開示されている特定の配置は、例示のためだけであって、添付の特許請求項およびその同等物の任意のものまたはすべての全幅を与えられることができる本発明の範囲を制限しないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来技術の片持ち式ばね拘束機構を有する核燃料集合体の一部断面で示す正面図である。
【図２】原子炉容器及び炉心の下３分の２を示し、図面を簡単にするために一定の内部構造物を取り除き、本発明による炉内燃料拘束アセンブリを簡単な図で示す断面図である。
【図３】燃料集合体の上部ノズルに軸方向圧縮力を与えるために上部炉心板に用いられた状態で示された図２の炉内拘束アセンブリ用のばねパック要素の拡大断面図である。
【図４】４つの異なる燃料集合体の上部ノズルの４つの隣接隅部の、図３のばねパックがそれらの隅部の１つに係合するように用いられるところを示す概略平面図である。
【図５】図２の炉内拘束アセンブリ用の割りピン及び受け部アセンブリの分解断面図である。
【図６】本発明の炉内拘束アセンブリを収容するように修正された燃料集合体の下部ノズルの流れ穴パターンの平面図である。
【図７Ａ】図１の従来技術の片持ち式ばね拘束アセンブリを使用する燃料集合体に、高温状態且つ寿命開始及び寿命終了時の燃料集合体状態下で掛けられる力を示す燃料集合体フリーボディーダイアグラムである。
【図７Ｂ】図１の従来技術の片持ち式ばね拘束アセンブリを使用する燃料集合体に、低温状態且つ寿命開始及び寿命終了時の燃料集合体状態下で掛けられる力を示す燃料集合体フリーボディーダイアグラムである。
【図７Ｃ】図２の炉内拘束アセンブリによって高温状態且つ寿命開始及び寿命終了時の燃料集合体状態下で掛けられる力を示す燃料集合体フリーボディーダイアグラムである。
【図７Ｄ】図２の炉内拘束アセンブリによって低温状態且つ寿命開始及び寿命終了時の燃料集合体状態下で掛けられる力を示す燃料集合体フリーボディーダイアグラムである。
【図８】本発明の炉内拘束アセンブリを収容するように修正された燃料集合体用の上部ノズルの平面図である。
【符号の説明】
【００６２】
２    燃料集合体
４    上部ノズル
６    下部ノズル
１２    燃料棒
３０    炉心
４２    上部炉心板
４６    座ぐり穴
４８    上面
５６    隅部
６０    隅部
４４    下部炉心板
１００    炉内拘束アセンブリ
１０２    ばねパック（第１拘束要素）
１０４    割りピンアセンブリ（第２拘束要素）
１０５    下端部
１０６    ハウジング
１０８    コイルばね（弾性部材）
１０９    上端部
１１０    プッシュロッド
１１４    リテーナ要素
１１６    キャップ
１２８    割りピン（ピン部材）
１３２    第１端部
１３４    第２端部
１３６    スロット
１３８，１４０    リーフ部分
１４２    外径
１５０    ソケット
１５２    直径
１５４    穿孔
１５６    半径方向フランジ
１５８    穴
１６０    留め具（ねじ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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