(57)【要約】加圧水形原子炉の燃料集合体は、軸方向に互いに間隔を隔てる複数のスペーサ（４）で案内された多数の燃料棒を有し、各スペーサ（４）は行（１０）と列（８）の形に配列された多数の格子目（６）を持つ正方形の格子を形成している。所定数の格子目を経て、燃料物質を含まない支持管が導かれ、その格子目内でスペーサ（４）に物質結合的に接続されている。本発明によれば、支持管が格子内の位置（Ｐa、Ｐb、Ｐc）に、所定数の支持管が格子内に、格子平面に対して垂直なスペーサ（４）の中心軸線を中心とした９０°の回転に対し回転対称配置で分布して、支持管無しの行（１０f）および支持管無しの列（８f）の数が最少であり、更に場合によって存在する内部位置の支持管無し行（１０f）および支持管無し列（８f）がそれぞれ並べて配置されないように分布される。
2005532572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に互いに間隔を隔てた複数のスペーサ（４）で案内された多数の燃料棒を備え、各スペーサ（４）が行（１０）と列（８）の形に配列された多数の格子目（６）を備える正方形の格子を形成し、燃料物質を含まない支持管が、或る数の格子目を通して導かれ、該格子目内でスペーサ（４）に物質結合的に接続されている加圧水形原子炉の燃料集合体において、
支持管が格子内における位置（Ｐa、Ｐb、Ｐc）に、所定数の支持管が格子内に、格子平面に対して垂直なスペーサ（４）の中心軸線を中心とした９０°の回転に対して回転対称配置で分布して、支持管無し行（１０f）および支持管無し列（８f）の数が最少であり、場合によって存在する内部位置の支持管無し行（１０f）および支持管無し列（８f）がそれぞれ並べて配置されていないように分布することを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
支持管が格子内に、所定数の支持管および格子目（６）で、支持管無し行（１０f）および支持管無し列（８f）が専ら周縁に存在するように分布することを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
【請求項３】
少なくとも１つの支持構造管を備えた少なくとも１つの支持管無し行（１０f）と、支持管無し列（８f）とを備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば独国特許第１９６３５９２７号明細書で公知の加圧水形原子炉の燃料集合体に関する。
【０００２】
かかる燃料集合体を図７に示す。該燃料集合体では、多数の燃料棒２を、互いに軸方向に間隔を隔てて配置した複数のスペーサ４により平行に並べて棒方向（軸方向）に導いている。前記スペーサ４は、列８と行１０の形で配置した多数の格子目６を備える二次元格子を形成している。この格子の目６を通して、燃料棒の他に、所定の位置で支持管も導いている。支持管は燃料物質を含まず、制御棒を収容し案内すべく利用される（所謂制御棒案内管）。更に、同様に燃料物質を含まず、単に強度を高めるための支持管（図示しない計装管又は支持構造管）も存在する。該支持管は、燃料棒と異なり、格子目６内でスペーサ４に溶接され、スペーサ４の強化作用を燃料集合体２の全使用期間中にわたり保証する。
【０００３】
仮想外部事故時、例えば地震や大きな冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ＝Loss Of Coolant Accident）の際、スペーサは隣接する燃料集合体による大きな衝撃荷重を受ける。設備の連続運転や確実な停止を可能にする、即ち制御棒を制御棒案内管内に更に挿入することを保証すべく、その際に生ずる永久変形は許容最大値を超えてはならない。原理的には、或る限度内での塑性変形は許されるが、燃料集合体内に配置した制御棒案内管の大きなずれを生じさせる大きな座屈（湾曲）は回避せねばならない。
【０００４】
即ち、予測される衝撃荷重でスペーサが大きな座屈或いは屈曲を生じないように設計せねばならない。実際開発目的として、未照射の新スペーサ（ＢＯＬ＝(Begin Of Life)スペーサ）に対し、約２０ｋＮの座屈強度が求められる。従って事故（地震、ＬＯＣＡ）の枠内で生ずる衝撃荷重（平面的に作用する横向き力）を担い得るＢＯＬスペーサは、該荷重が２０ｋＮ以下である限り担持可能である。
【０００５】
長期間にわたって利用され、その寿命（ＥＯＬ＝End Of Life）に達したスペーサは、新スペーサに比べ、座屈強度或いは座屈限界が著しく低下していることが解っている。その座屈強度の低下は、各スペーサ型式に左右され、５０〜６０％以上になる。
【０００６】
独国特許出願公開第４４２２０３２号明細書により、原子炉運転中の燃料棒の曲がりを減少すべく、スペーサの隅部の縁に支持管を設けた、１８×１８形スペーサが知られている。しかし、この公知のスペーサの場合、使用期間の終わりにおける座屈強度は確かに改善されているが、まだ最良ではない。
【０００７】
本発明の課題は、スペーサがその使用期間の終期でも、強い事故荷重が加わったときに十分な座屈強度を示す加圧水形原子炉の燃料集合体を提供することにある。
【０００８】
この課題は、本発明に基づいて請求項１に記載の特徴を備えた燃料集合体によって解決される。この燃料集合体は、軸方向に互いに間隔を隔てた複数のスペーサで案内される多数の燃料棒を有し、各スペーサは行と列の形に配列された多数の格子目を備えた正方形の格子を形成する。燃料物質を含まない支持管が、所定数の格子目を経て導かれ、その格子目内でスペーサに物質結合的に接続される。本発明に基づき、これら支持管は格子内に、所定数の支持管が格子平面に対し垂直なスペーサの中心軸線を中心とした９０°の回転に対し回転対称配置で分布して、支持管無し列および支持管無し行の数が最少であるように分布される。更に、所定数の支持管および格子目において、支持管が格子内に、場合により存在する内部位置の支持管無しの行および支持管無しの列がそれぞれ並ばないような分布で配置される。換言すれば、場合によって生ずる支持管無しの多重行ないし二重行や多重列ないし二重列は、専ら燃料集合体の周縁にのみ存在する。
【０００９】
この処置は、ＥＯＬ座屈強度を著しく改善し、その場合、支持管無しの行や支持管無しの列の存在にも係わらず、ＥＯＬ座屈強度の最適化が保証される。
【００１０】
本発明は、ＥＯＬ座屈強度の低下原因が、スペーサの格子目内に燃料棒を弾性支持すべく存在するばね要素の弛緩にあるという認識に基づく。運転の経過に伴う棒支持部の弛緩により、スペーサ構造物への燃料棒の支持作用が失われるので、スペーサの格子目内に溶接された制御棒案内管、支持構造管或いは計装管（以下、本件出願では普遍化して「支持管」と呼ぶ）だけしか支持作用をしない。
【００１１】
図８と図９は、通常のスペーサ４、例えば１７×１７個の格子目６を備えたスペーサを概略平面図で示す。該スペーサの両側辺に、行１０に対し垂直に、屈曲限界Ｆkrit或いはそれ以上の大きな圧縮力Ｆが加わっている。その研究実験のため、燃料集合体の制御棒案内管１２が存在する位置Ｐaで、スペーサ４から両側に約１０ｍｍ突出する支持管部片をスペーサ４内に溶接した。ＥＯＬ座屈強度を評価可能とすべく、スペーサ４を熱的に弛緩させ、各支持管無し格子目６を各スペーサ形式に属する燃料被覆管部片が挿入されているか、或いはこのスペーサ形式に対して通常利用される燃料被覆管部片の代わりに、スペーサの弛緩を模擬するために、幾分小さな外径を持つ管部片をはめ込んだ。この被覆管部片もスペーサ４から突出し、完成した燃料集合体において、制御棒案内管が貫通していない格子目内に弾力的に支持された燃料棒を模擬する。
【００１２】
図８で、例えば座屈限界Ｆkritに到達した際、中央の２つの行１０11、１０12のせん断的な座屈或いは屈曲が生ずることが解る。横向き力Ｆは、図１０に示す如く、他の行１０1、１０2、１０8、１０9、１０16、１０17の屈曲を生じさせる。
【００１３】
また、図８および図９は、座屈がまずスペーサ４に溶接された支持管部片を含まない行（支持管無し行）１０で生ずることを示す。
【００１４】
そして、この認識に基づいて建設的に、本発明は、スペーサに溶接された支持管の配置がそのＥＯＬ座屈強度に大きな影響を及ぼすという認識から出発する。所定のスペーサ形式を持つ所定の各燃料集合体に対し、支持管の配置の変更により、対称要件および支持管数を維持した状態で、改善されたＥＯＬ座屈特性を有する配列を見出せる。
【００１５】
支持管が格子内に、支持管付き行間および支持管付き列間に、支持管無しの行或いは列が存在しないように分布させた配置が、特に有利である。換言すれば、場合によって存在する支持管無しの列および行は、専ら周縁に存在させる。この実施態様により、スペーサの屈曲時でも、制御棒の挿入性は改善される。
【００１６】
異なる解決方式では、内部位置の支持管無し二重行および支持管無し二重列を回避すべく、制御棒案内管の配置は変えずに、少なくとも１つの補助的な支持構造管を、スペーサの格子目内でスペーサに物質結合的に接続する。この補助的な支持構造管は、本来安定性のため、スペーサの使用開始時には不要であるが、そのＥＯＬ座屈強度を、補助的な支持構造管を備えていない同一形式のスペーサのＢＯＬ座屈強度に相当する値に達するように高める。換言すれば、公知の燃料集合体形式では、支持構造管（少なくとも４つの支持構造管を対称配置すべく偏心位置に配置）が、少なくとも使用開始時に強度上の理由からは不要と思われ、本来、それに伴う燃料集合体の出力低下のために回避されるものの、補助的に設けている。
【００１７】
以下図示の実施例を参照し、本発明を詳細に説明する。
【００１８】
図１において、スペーサ４の位置Ｐa、Ｐbに位置する複数の格子目６を、制御棒案内管が貫通している。それら位置Ｐa、Ｐbは、スペーサ４又は燃料集合体の、紙面に対し垂直に延びる中心軸線に対して対称に、それらを９０°回転させた際にそれ自体重なり合って一致するような分布で配置している。但し図１には、制御棒案内管の位置Ｐa、Ｐbしか示していない。分かり易くするため、制御棒案内管も省略している。
【００１９】
図１は１７×１７形燃料集合体のスペーサ４を示す。これは、中心位置Ｐm、即ち中心に存在し、ハッチングを入れた格子目６で、同様に図示しない計装管を支持する。黒く塗りつぶした位置Ｐaは、公知の燃料集合体で実現される制御棒案内管の位置である（制御棒“従前”位置）。円で示す位置Ｐbは、本発明に基づきＥＯＬ座屈強度を改善する観点の下で生ずる制御棒案内管の位置である（制御棒“新規”位置）。制御棒案内管の円で取り囲んだ位置Ｐa＝Ｐbは、改善された形態でも、そこに依然として制御棒案内管が存在することを意味する。他の残り全ての制御棒案内管は、その位置が変更されている。
【００２０】
図１から、制御棒案内管の本数を維持した状態で、その分布が、一方で支持管無し行１０f（例えば１０1、１０8、１０10、１０17）および列８f（例えば８1、８8、８10、８17）の数が、９０°の回転に対し回転対称配置（９０°回転した場合の配置が同一）の副次的条件下で最少になり、他方でこれら支持管無しの行１０f又は列８fが夫々並べて配置されないように配慮していることが理解できる。
【００２１】
制御棒案内管の新たな分布後も、少なくとも１つの支持管（制御棒案内管又は計装管）が配置された行１０s間および列８s間に、支持管無しの行１０f又は支持管無しの列８fが存在する。これは、本実施例で、支持管付きの行１０7と行１０9の間又は行１０9と１０11の間に存在する行１０8又は１０10である。（これは列に対しても当てはまる）。
【００２２】
図２の実施例は、内部位置の計装管なしの１７×１７形燃料集合体における制御棒案内管の最適配置を示す。ここでも同様に、８つの位置Ｐa＝Ｐbを除いて、残りの全ての位置を再分布させており、この結果周縁の２つの行１０1、１０2、１０16、１０17と列８1、８2、８16、８17だけが支持管無しである。内部位置の行ないし列を優先的に支持すべく中央計装管が存在しないので、４本の燃料棒案内管が行１０8、１０10ないし列８8、８10に再分布され、この実施例では、周縁に支持管無しの二重の行と列が存在している。
【００２３】
図３の異なる実施例では、分かり易くすべく、改善した制御棒案内管配置だけを黒く塗りつぶした格子目Ｐbで示す。計装管（ハッチング付き格子目Ｐm）が内部に位置するこの実施例の１７×１７形燃料集合体では、同様に周縁に存在する２つの行１０1、１０2、１０16、１０17と２つ列８1、８2、８16、８17に、制御棒案内管を配置していない。
【００２４】
図４は、内部位置計装管なしの異なる実施例を示す。この実施例の場合も、周縁に存在する２つの行１０1、１０2、１０16、１０17および２つ列８1、８2、８16、８17だけを、制御棒案内管を配置しておらず、従って支持管付き行１０s間ないし支持管付き列８s間に、支持管無しの行１０fないし支持管無しの列８fは存在しない。
【００２５】
図４に示す制御棒案内管の配列では、周縁に存在する行１０1、１０17と列８1、８17に直接隣接する行１０2、１０16と列８2、８16で、主対角線上に存在し、×印で示す位置Ｐcに補助的な支持構造管を設置することで、ＥＯＬ座屈限界の一層顕著な改善が達成できる。
【００２６】
本発明に基づいて改善した支持管配置での基本的な設計基準は、上述の全実施例において、支持管無しの行と支持管無しの列の数が、９０°回転同一配置を維持した状態で、２つより多くの支持管を含む行又は列が存在せず、対称配置上の理由から可能である場所に唯一の支持管しか含まないことで最少化するという原理にある。行と列が奇数なら、中央の行或いは中央の列上の支持管位置に属し、それらに対し垂直に延びる行ないし列は、それぞれ唯一の支持管（制御棒案内管、支持構造管、計装管）しか含まない。
【００２７】
図５の実施例では、計装管なしの従来公知の１７×１７形燃料集合体において、×印で示す４つの位置Ｐcに、補助的に支持構造管を挿入している。その際制御棒案内管の位置Ｐa＝Ｐbは変化していない。この結果、実験で特に弱点個所と認識した内部位置の支持管無し二重行１０7、１０8と１０10、１０11および二重列８7、８8、８10、８11を無くし、ＥＯＬ座屈強度を大きく向上できる。このように改善した燃料集合体は、この集合体形式の既存の加圧水形原子炉にも、制御棒案内管の位置を変更しないままなので、支障なしに採用できる。この実施例でも、内部位置の行又は列を優先的に安定化させる。
【００２８】
更に、図４と図５におけるスペーサの座屈特性の対比は、横向き力が座屈限界より大きく、スペーサの座屈或いは屈曲を生じさせるとき、図４に示す構成が図５のスペーサに比べて有利であることを示している。この場合、図４に示す制御棒案内管の配置は、屈曲時に制御棒案内管の相対位置の大きな変化を生じることなく全体的にずれる、構造が安定した基礎構造物を形成する。そのような場合、屈曲時でもほんの数ｍｍの大きさの一様なずれが、力学上、全体的に一様に曲げられた燃料集合体に相当するので、制御棒の挿入性を保証できる。換言すれば、スペーサに全支持管が、支持管付き行間又は支持管付き列間に支持管無しの行や支持管無しの列が生じないよう分布させた配置が特に有利である。かかる場合に、支持管で固定した構造物は、強固な下部炉心支持格子のように作用する。
【００２９】
図６の線図は、支持管が同じように分布しているが、剛性が異なる２つのスペーサの座屈挙動を示す。その異なった剛性は、材料上並びに構造上、格子目（壁厚、単一帯板又は二重帯板）とそれに支持され又は一体化されたばね要素の形成、並びに格子目の交差個所での溶接継手の厚さと形状（線溶接、点溶接）から生ずる。曲線ａとｂは、各々「剛」スペーサ又は「軟」スペーサに対する横向き力に伴う変形距離Ｓを表している。実線は夫々新スペーサ（ＢＯＬスペーサ）で生ずる曲線である。同一構造を持つスペーサの使用期間の終わり（ＥＯＬ）に生ずる曲線を破線で示している。
【００３０】
本発明に基づき最適化したスペーサの曲線をａ′、ｂ′で示す。なお曲線ａ″、ｂ″は支持管配置を最適化していないスペーサで生ずる。ここから、「軟」スペーサのＥＯＬ座屈限界が、非最適化支持管配置の場合でも、「剛」スペーサの場合の如くひどく悪化しないことが明らかである。更にこの図から、大きな剛性を持つスペーサ（曲線ａ）で、小さな剛性を持つスペーサ（曲線ｂ）の場合よりも小さな変形距離で既に座屈限界Ｆkritに達することが解る。それは、大きな変形距離時に改めて生ずる燃料棒の安定化作用にある。これは、ＢＯＬスペーサに対し約２０ｋＮに設定された座屈限界に達する前の変形距離Ｓが少なくとも２ｍｍ、好適には３〜４ｍｍであるときに保証される。これは、スペーサの１０ｋＮ／ｍｍないし７〜５ｋＮ／ｍｍの剛性に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】１７×１７形燃料集合体のスペーサの原理的な平面図。
【図２】１７×１７形燃料集合体における改善された配置図。
【図３】１７×１７形燃料集合体における改善された制御棒案内管配置図。
【図４】１７×１７形燃料集合体における改善された制御棒案内管配置図。
【図５】１７×１７形燃料集合体における改善されたスペーサの平面図。
【図６】横向き力に対するスペーサの変形距離を表した線図。
【図７】従来公知のような加圧水形原子炉の燃料集合体の斜視図。
【図８】変形実験の実施後における公知のスペーサの概略平面図。
【図９】変形実験の実施後における公知のスペーサの概略平面図。
【符号の説明】
【００３２】
２  燃料棒、４  スペーサ、６  格子目、８ｉ  列、８ｆ、８ｓ  支持管無し列、支持管付き列、１０ｉ  行、１０ｆ、１０ｓ  支持管無し行、支持管付き行、１２  制御棒案内管、Ｐm  中心位置、Ｐa  制御棒「従前」位置、Ｐb  制御棒「新規」位置、Ｐc 支持構造棒位置、ａ、ｂ  曲線、ＢＯＬ  使用期間（寿命）の開始、ＥＯＬ  使用期間（寿命）の終わり、Ｆ  力、Ｓ  変形距離
【図１】
2005532572.tif 000003
【図２】
2005532572.tif 000004
【図３】
2005532572.tif 000005
【図４】
2005532572.tif 000006
【図５】
2005532572.tif 000007
【図６】
2005532572.tif 000008
【図７】
2005532572.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005532572.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月17日(2005.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005532572.tif 000012
【国際調査報告】
2005532572.tif 000013
2005532572.tif 000014
2005532572.tif 000015
2005532572.tif 000016
2005532572.tif 000017
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