(57)【要約】加圧水形原子炉の燃料集合体は多数の燃料棒を含み、該燃料棒は軸方向に間隔を隔てた複数のスペーサ（４）で案内され、該各スペーサ（４）は格子帯板（１４1〜17、１６1〜17）で構成され、多数の格子目（６）を備えた正方形の格子を形成し、それら格子目（６）は行（１０）と列（８）を成して配置されている。その幾つかの格子目（６）を通して各々制御棒案内管（１２）が導かれるが、本発明では、スペーサ（４）を構造的に、スペーサ（４）作用する横力が限界を超えた際、変形が専ら制御棒案内管（１２）を含む内部範囲（１８）の外側に存在するスペーサ（４）の範囲で始まるよう設計する。
2007500339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の燃料棒を備え、該燃料棒が軸方向に間隔を隔てた複数のスペーサ（４）で案内され、該各スペーサ（４）が格子帯板（１４1〜17、１６1〜17）で構成され、多数の格子目（６）を備えた正方形の格子を形成し、前記格子目（６）が行（１０）および列（８）を成して配置され、その幾つかの格子目（６）を通して各々制御棒案内管（１２）が導かれる加圧水形原子炉の燃料集合体において、
前記スペーサ（４）が構造的に、該スペーサ（４）に横に作用する限界力の超過時、変形が専ら、制御棒案内管（１２）を含む内部範囲（１８）の外側に存在するスペーサ（４）の範囲で始まるように設計されたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
スペーサ（４）が、内部範囲（１８）の外側において、内部範囲（１８）の内部より機械的に弱く設計されたことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
【請求項３】
スペーサ（４）の格子目（６）が、周縁に配置された格子周縁帯板（１４1、１４17、１６1、１６17）および内側に位置する格子内部帯板（１４2〜16、１６2〜16）によって形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料集合体。
【請求項４】
内部範囲（１８）を貫通する少なくとも１つの格子内部帯板（１４9、１６9）が、内部範囲（１８）の外側における少なくとも１つの格子内部帯板（１４2、１４16、１６2、１６16）より大きな強度を有することを特徴とする請求項３記載の燃料集合体。
【請求項５】
格子帯板（１４1〜17、１６1〜17）が互いに溶接継手（２０）によって結合され、内部範囲（１８）の外側における格子内部帯板（１４2〜16、１６2〜16）の溶接継手（２０）の少なくとも一部が、内部範囲（１８）の内部に存在する溶接継手（２０）に比べて小さな強度を有することを特徴とする請求項３又は４記載の燃料集合体。
【請求項６】
格子内部帯板（１４2〜16、１６2〜16）の少なくとも一部が、内部範囲（１８）の外側に位置する帯板部位に材料弱点部を有することを特徴とする請求項３から５の１つに記載の燃料集合体。
【請求項７】
内部範囲（１８）の外側に配置された格子内部帯板（１４2、１４16、１６2、１６16）が、内部範囲（１８）を貫通する格子内部帯板（１４3〜15、１６3〜15）より薄い壁厚を有することを特徴とする請求項６記載の燃料集合体。
【請求項８】
内部範囲（１８）の外側における少なくとも１つの格子内部帯板（１４2、１６i+2）が、材料を脆弱化するために切欠き（３４）を備えることを特徴とする請求項６又は７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号明細書で知られているような加圧水形原子炉の燃料集合体に関する。
【０００２】
そのような燃料集合体は図５に例示されている。そのような燃料集合体の場合、互いに棒方向（軸方向）に平行に延びる多数の燃料棒２が、軸方向に間隔を隔てられた複数のスペーサ４によって案内されている。それらのスペーサ４は、列８と行１０の形に配置された多数の格子目６を有する二次元格子を形成している。この格子の格子目６を通して、燃料棒の他に、選択された位置に支持管も貫通して導かれている。その支持管は燃料を含まず、制御棒を受けて案内するために利用される（所謂制御棒案内管１２）。また、同様に燃料を含まず強度を高めるためだけに用いられる構造管も存在している（計装管或いは支持管、例示された燃料集合体２の場合、計装管も構造管も設けられていない）。これらの支持管は燃料棒と異なって格子目６においてスペーサ４に溶接され、これによって、燃料集合体２の全使用期間中にわたってその安定作用が保証されている。
【０００３】
運転時、燃料集合体には、燃料集合体に曲げを生じさせる力が作用する。中性子経済を殆ど悪化することなしにそのような曲げを防止すべく、格子支材の一部が鋼から成るスペーサを利用することが、米国特許第４３２５７８６号明細書で知られている。
【０００４】
仮想外部事故時、例えば地震時或いは冷却材喪失事故時（ＬＯＣＡ＝Loss Of Coolant Accident）、スペーサが隣接する燃料集合体によって大きな衝撃荷重を受ける。その際に生ずる永続的変形は、通常、個々の行或いは列の座屈として認識される。その永続的変形は、制御棒がなお制御棒案内管に挿入でき、そのようにして、設備の継続安全運転或いは確実な運転停止を可能にすべく、許容最大値を超過してはならない。限られた範囲内での塑性変形が基本的に許される一方で、燃料集合体内に配置された制御棒案内管の顕著なずれを生じさせる大きな湾曲は防止せねばならない。このため、例えば米国特許第５３０７３９２号明細書で、スペーサの周縁帯板に、横方向の力、即ち横力が内側位置の格子帯板に作用する前に横力を受ける外側に突出した成形部を設けることが公知である。
【０００５】
それに応じてスペーサは、予想される衝撃荷重がスペーサの大きな湾曲や座屈を生じさせないように設計されている。実際に開発目標として、未照射の新スペーサ（ＢＯＬ（＝Begin Of Life）スペーサ）に対して、約２０ｋＮの座屈強度が設定されている。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力）を受け得るＢＯＬスペーサにおいて、長い間にその座屈強度は２０ｋＮより小さくなる。
【０００６】
それにも係らず、特に長期に使用されて耐用期間の終わり（ＥＯＬ＝End Of Life）に達したスペーサの場合、座屈強度が新スペーサに比べてかなり低下しているので、不利な状況では、その時点の座屈強度より大きな力が生ずる。座屈強度の減少は各スペーサに左右され、５０〜６０％より大きくなる。
【０００７】
本発明の課題は、スペーサの座屈強度を超過する横方向の力の作用後でも、即ち、非可逆的塑性変形が生じた後でも、公知のスペーサに比べて制御棒の挿入可能性が維持される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、本発明に基づき請求項１に記載の特徴を備えた燃料集合体により解決される。この特徴に基づき、多数の燃料棒を備え、これら燃料棒が軸方向に間隔を隔てた複数のスペーサで案内され、該各スペーサが格子帯板で構成され多数の格子目を備えた正方形の格子を形成し、それら格子目が行および列を成して配置され、その幾つかの格子目を通して各々支持管（制御棒案内管又は構造管）が導かれる加圧水形原子炉の燃料集合体において、スペーサが構造的に、スペーサに横に作用する限界力の超過時、変形が専ら系統上機械的構造によって、系統的に、常に制御棒案内管を含む内部範囲の外側に存在するスペーサの範囲で始まるように設計される。
【０００９】
この処置に伴い、湾曲限度を超過したときも、内部範囲が全く或いは高々無視できる変形しか生じないようにできる。この結果、専ら内部範囲に存在する制御棒案内管は、スペーサの変形後でも相対位置が変わらず、制御棒の可動性は良好に保たれる。
【００１０】
本発明は、スペーサの変形を目的に合わせて周縁で発生させることで、制御棒の可動性にとって敏感な内部範囲の完全性が、変形の伝播時でも、塑性変形がまずはそれが始まる範囲にしか伝播しないので保証されるという考えに基づいている。
【００１１】
図６と７は、通常のスペーサ４ａ、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。両側縁に、座屈限界或いは湾曲限界Ｆkritより大きな押圧力Ｆが行１０に対し垂直（列８に対し平行）に加わっている。研究所での実験で、スペーサ４には燃料集合体において制御棒案内管が存在する位置Ｐａに、両側がスペーサ４から約１０ｍｍ突出した支持管部分が溶接されている。ＥＯＬ座屈強度を評価可能とすべく、スペーサは熱的にも弛緩されず、支持管が存在しない各格子目６が各スペーサ形式に属する燃料棒被覆管部分でも占められず、そのスペーサ形式に対して通常設けられる被覆管部分の代わりに僅かに小さな外径の管部分がはめ込まれ、この結果スペーサ４の弛緩が模擬される。はめ込まれた被覆管部分は、スペーサ４から突出し、完全に配列された燃料集合体において制御棒案内管で貫通されない格子目に弾力的に支持された燃料棒を模擬する。
【００１２】
図６から、例えば中央の２つの行１０10、１０11で突き押し状湾曲や座屈が生ずることが解る。横力Ｆの増大は、図７に概略的に示す如く、他の行１０1、１０2、１０7、１０8、１０16、１０17の座屈を生じさせる。
【００１３】
図６と７は、スペーサ４に固く溶接した支持管部分を含まない行１０（支持管なしの行）で、まず湾曲が生ずることも示している。
【００１４】
類似の状態を、図８に通常の１６×１６形スペーサ４ｂに関し示す。その場合、同様に湾曲は、支持管なし或いは制御棒案内管なしの中央行１０8、１０9で生ずる。
【００１５】
本発明は、図６〜８から解るように、中央の湾曲が制御棒案内管の相対的ずれを生じさせるので、周縁における湾曲よりも非常に問題であるという認識に基づいている。
【００１６】
本発明はこの認識から、構成的に、スペーサの的確な構造的処置により、特にスペーサの内部範囲の外側に位置する周縁域を的確に弱く設計することで、変形の開始を系統的にその個所に移し得るという考えから出発する。かくして、内部範囲の完全性を変形発生時でも保ち得る。
【００１７】
スペーサの格子目は、周縁に配置した格子周縁帯板と、内側に位置する格子内部帯板とで形成している。以下で用語「格子帯板」は周縁帯板と格子内部帯板を意味する。そのような機械的脆弱化を行った周縁域は、内部範囲の外側に位置し、内部範囲を貫通する格子帯板の内部範囲から突出する格子内部帯板端と、格子周縁帯板とから成っている。
【００１８】
有利な実施態様では、内部範囲を貫通する少なくとも１つの格子内部帯板は、内部範囲の外側に配置された少なくとも１つの格子内部帯板より大きな強度を持つ。
【００１９】
格子帯板を溶接継手で互いに結合し、その際、内部範囲の外側における格子内部帯板の溶接継手の少なくとも一部を、内部範囲の内部に存在する溶接継手に比べて小さな強度で形成するとよい。
【００２０】
本発明の有利な実施態様では、内部範囲の外側に位置する帯板部位の格子内部帯板の少なくとも一部が、内部範囲の内部に配置した帯板部位に比べて弱い材料脆弱部を有する。その際、この材料脆弱部は、特に格子内部帯板の薄い壁厚（帯板幅）或いは目的に合わせて脆弱化するために帯板に設けた切欠きによって形成する。
【００２１】
以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２２】
図１は、図８に示す公知のスペーサにも存在する、支持管を位置Ｐaに配置した１６×１６形スペーサ４を示している。この実施例で、全支持管は制御棒案内管１２である。この実施例には、他の構造管は存在していない。
【００２３】
スペーサ４は格子帯板１４1〜１４17と格子帯板１６1〜１６17で構成され、これら格子帯板は交差個所で互いに溶接されている。格子帯板１４1、１４17、１６1、１６17は格子の周縁を形成し、以下ではこれらを格子周縁帯板と呼ぶ。格子帯板１４2〜１４16、１６2〜１６16は格子の内部に延び、以下ではこれらを格子内部帯板と呼ぶ。
【００２４】
制御棒案内管１２はハッチングを付した内部範囲１８を規定し、該範囲１８を、この実施例の場合、格子内部帯板１４3、１４15、１６3、１６15で境界づけた正方形域により形成している。図において、内部領域８の外側に存在する格子内部帯板１４2、１４16、１６2、１６16と、これらと交差する格子内部帯板１６2〜16ないし１４2〜16との溶接継手２０を他の溶接継手に比べて脆弱化していることを、黒点で示す個所によって表示している。これは、溶接長、溶接点の直径或いは溶接個所数の減少によって行う。
【００２５】
周縁部位におけるスペーサ４の目的に沿った脆弱化は、限界（湾曲限界又は座屈限界Ｆkrit）を超える横力が加わった際、図８の如く行１０8、１０9でではなくて、内部範囲１８の外側に位置する行１０1、１０2、１０15、１０16で座屈が生じるようにさせる。図１と８に示す状態の直接対比は、制御棒案内管（例えば全ての支持管が制御棒案内管である）の配列が、図１の実施例における座屈後も変化せず、従って制御棒の可動性は妨げられず、又は図８に示す状態よりごく僅か妨げられるだけである。
【００２６】
基本的には、それに加えて或いはそれに代えて、格子周縁帯板相互および格子周縁帯板と格子内部帯板との溶接継手も、目的に合わせて脆弱化させられる。しかし、実施例における格子内部帯板にしか施されていない脆弱化が特に有利である。
【００２７】
図２は、図１の実施例に変形試験を実施した後の状況を示す。ここで、図１に示す状態と異なり、両側面間に力Ｆ＞Ｆkritが与えられた場合、片側面における滑りが防止されている。この際、図１での点対称変形と異なり、鏡面対称変形が生ずることが図から理解できる。この場合も、内部範囲１８の完全性が保たれている。
【００２８】
図３は、内部範囲８の外側に配置した格子内部帯板、例えば格子内部帯板１４2を、それと交差する格子内部帯板１６i、１６i+1、１６i+2と共に部分斜視図で示す。スペーサの周縁部での脆弱化を実際に如何様に実現するかに関し、図を参照し、好例であるがこれに限定されない種々の方式で説明する。本実施例で、格子内部帯板１４2、１６i、１６i+1、１６i+2を溶接点２２ａ、２２ｂで互いに結合したスペーサを示す。
【００２９】
目的に沿う脆弱化を起こす方式は、ここでは溶接点２２ａを利用することにある。溶接点２２ａの直径は、内部範囲で利用し、図に破線で示す溶接点２２ｂの直径に比べ、交差個所毎の溶接点数を減少することなしに、低減している（交差個所Ａ）。
【００３０】
異なる実施方式は、交差個所毎の溶接点２２ｂの数を減少することにある。しかし、それらの溶接点２２ｂは内部範囲における溶接点と同一にせねばならない（交差個所Ｂ）。
【００３１】
目的に沿う脆弱化は、格子内部帯板１４2、１６i、１６i+1、１６i+2にその内部範囲１８の外側に位置する帯板部位に切欠き２４を設けることでも行える（交差個所Ｃ）。
【００３２】
基本的にはその代わりに又はそれを補完して、内部範囲１８の外側に配置した格子内部帯板１４2、１４16、１６2、１６16を、残りの格子帯板（格子内部帯板および格子外縁帯板）に比べて薄くした壁厚としてもよい。
【００３３】
上述の処置（溶接点直径の減少、溶接点数の減少、帯板の脆弱化）は、互いに組み合わせることができる。また、格子周縁帯板にも上述の処置を施してもよい。
【００３４】
図４の実施例では、図１〜３に示す周縁部位８1、８2、８15、８16、１０1、１０2、１０15、１０16の目的に沿う又は積極的な脆弱化に代えて、中央に配置した格子内部帯板１４9、１６9が大きな壁厚を有することで、周縁部位の相対的な脆弱化が起こる。即ちこの実施例では、周縁域の積極的で直接的な脆弱化は行わず、内部範囲１８を貫通する格子内部帯板の少なくとも１つが、例えば対称形上の理由から、中央の格子内部帯板１４9、１６9を、内部範囲１８の外側における格子内部帯板１４1、１４16、１６1、１６16より強固に設計することで、周縁域を内部範囲１８に対し相対的に脆弱化する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に基づくスペーサの変形試験実施後における概略平面図。
【図２】本発明に基づくスペーサの変形試験実施後における概略平面図。
【図３】周辺部位を脆弱化すべく本発明に基づく処置を講じたスペーサの部分斜視図。
【図４】本発明に基づくスペーサの異なる実施例の、変形試験実施後の概略平面図。
【図５】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６】公知のスペーサの変形試験実施後における概略平面図。
【図７】公知のスペーサの変形試験実施後における概略平面図。
【図８】公知のスペーサの変形試験実施後における概略平面図。
【符号の説明】
【００３６】
２  燃料棒、４、４ａ、４ｂ  スペーサ、６  格子目、８ｉ  列、１０ｉ  行、１２  制御棒案内管、１４ｉ、１６ｉ  格子帯板、１８  内部範囲、２０  溶接継手、２２ａ、ｂ  溶接点、２４  切欠き、Ｆ  押圧力、Ｐａ  制御棒案内管位置、Ａ、Ｂ、Ｃ  交差個所
【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７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2007500339.tif 000012
2007500339.tif 000013
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