(57)【要約】  原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）であって、燃料集合体（２０）は直径を有し概ね円筒形の燃料棒（２８）を備え、支持グリッド（２６）は複数の外側ストラップ（４４）及び複数の管状部材（５０）及び／又はらせん状フレーム部材（７０）を有するフレーム組立体（４０）を含む。管状部材（５０）及び／又はらせん状フレーム部材（７０）は、隣接するらせん状フレーム部材と接触するように構成された接触部分（５４、５５）と、小さな直径を有する少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）とを具備する。らせん状フレーム部材（７０）に配置された燃料棒がらせん状燃料棒接触部分（５２）で内側らせん状フレーム部材（７０）と係合するように、小さい直径は概ね燃料棒（２８）の直径と等しい。らせん状燃料棒接触部分（５２）は可変ピッチを有することができる。【選択図】  図４
2013536935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）において細長い概ね円筒形の燃料棒（２８）を支持するように構成された燃料棒支持体（５１）であって、前記原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）はフレーム組立体（４０）及び複数の他の燃料棒支持体を有し、前記燃料棒支持体（５１）が、
接触部分（５４、５５）、遷移部分（５６）及び少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）を有する管状部材（５０）を備え、
前記接触部分（５４、５６）及び前記燃料棒接触部分（６２）が前記遷移部分（５６）によって接合され、
前記接触部分（５４、５５）は隣接する燃料棒支持体（５１）の１つ又は前記フレーム組立体（４０）に接触するように構成された大きな直径を有し、
前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）は小さな直径を有し、前記小さな直径は、燃料棒（２８）が前記管状部材（５０）内に配置された場合、前記らせん状燃料棒接触部分（５２）が前記燃料棒（２８）と係合するように、前記燃料棒（２８）の直径と概ね等しい
ことを特徴とする、燃料棒支持体（５１）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が可変ピッチを有する、請求項１に記載の燃料棒支持体（５１）。
【請求項３】
前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５４、５５）が一定ピッチを有する、請求項１に記載の燃料棒支持体（５１）。
【請求項４】
前記管状部材（５０）が、円筒軸（１１０）と少なくとも第１の軸方向部分（１０６）及び第２の軸方向部分（１０８）とを有し、
前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が前記第１の軸方向部分（１０６）及び前記第２の軸方向部分（１０８）の両方にわたって延在し、
前記第１の軸方向部分（１０６）上の前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が第１のピッチを有し、前記第２の軸方向部分（１０８）上の前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が第２のピッチを有する、
請求項１に記載の燃料棒支持体（５１）。
【請求項５】
前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が複数のらせん状燃料棒接触部分（５３）であり、
前記複数のらせん状燃料棒接触部分（５３）のうちの前記らせん状燃料棒接触部分（５２）の各々が、前記管状部材（５０）の周囲に等角度で位置する、
請求項１に記載の燃料棒支持体（５１）。
【請求項６】
前記複数のらせん状燃料棒接触部分（５３）の数及び間隔が、１８０度離隔した２つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、１２０度離隔した３つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、９０度離隔した４つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、７２度離隔した５つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、６０度離隔した６つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、及び、４５度離隔した８つのらせん状燃料棒接触部分（５２）からなる群から選択される、請求項１に記載の燃料棒支持体（５１）。
【請求項７】
前記フレーム組立体（４０）が高さを有し概ね平坦な複数の部材（８０）を含み、前記管状部材（５０）が前記フレーム組立体の部材（８０）とは異なる高さを有する、請求項１に記載の燃料棒支持体（５１）。
【請求項８】
前記管状部材（５０）の高さが前記フレーム組立体の部材（８０）の高さよりも低い、請求項７に記載の燃料棒支持体（５１）。
【請求項９】
原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）であって、前記燃料集合体（２０）は直径を有する概ね円筒形の燃料棒（２８）を支持するように構成され、前記支持グリッド（２６）が、
フレーム組立体（４０）及び複数の管状部材（５０）を備え、
前記管状部材（５０）の各々が、接触部分（５４、５５）、遷移部分（５６）及び少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）を有し、前記接触部分（５４、５６）及び前記燃料棒接触部分（５２）が前記遷移部分（５６）によって接合され、前記接触部分（５４、５５）が隣接する管状部材（５０）の１つ又は前記フレーム組立体（４０）に接触するように構成された大きな直径を有し、前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が小さな直径を有し、前記小さな直径は、燃料棒（２８）が前記管状部材（５０）内に配置された場合、前記らせん状燃料棒接触部分（５２）が前記燃料棒（２８）と係合するように前記燃料棒（２８）の直径と概ね等しく、
前記複数の管状部材（５０）は前記フレーム組立体（４０）の周縁に配置される、
原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１０】
前記複数の管状部材（５０）が、マトリックス・パターンの複数のらせん状フレーム部材（８０）を含み、
前記フレーム組立体（４０）が複数の外側ストラップ（８２）を含み、
前記外側ストラップ（８２）が前記らせん状フレーム部材（８０）の周縁に延在し、
前記らせん状フレーム部材の接触部分（５４、５５）の各々が、隣接するらせん状フレーム部材（８０）の１つ又は少なくとも１つの前記外側ストラップ（８２）と接触するように構成されている、
請求項９に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１１】
前記らせん状フレーム部材（８０）の少なくとも１つが可変ピッチを有する少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）を備えた、請求項１０に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１２】
前記らせん状フレーム部材（８０）の少なくとも１つが、一定ピッチを有する少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）を備えた、請求項１０に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１３】
前記複数のらせん状フレーム部材（８０）の少なくとも１つが、円筒軸（１１０）と少なくとも第１の軸方向部分（１０６）及び第２の軸方向部分（１０８）とを有し、
少なくとも１つのらせん状フレーム部材（８０）が少なくとも第１の軸方向部分（１０６）及び少なくとも１つの第２の軸方向部分（１０８）を有し、前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が前記第１の軸方向部分（１０６）及び前記第２の軸方向部分（１０８）の両方にわたって延在し、
前記第１の軸方向部分（１０６）上の前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が第１のピッチを有し、前記第２の軸方向部分（１０８）上の前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が第２のピッチを有する、
請求項１０に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１４】
前記らせん状フレーム部材（８０）の少なくとも１つが複数のらせん状燃料棒接触部分（５２）を有し、
前記複数のらせん状燃料棒接触部分（５３）のうちの前記らせん状燃料棒接触部分（５２）の各々が、前記少なくとも１つの前記らせん状フレーム部材（８０）の周囲に等角度で位置する、
請求項１０に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１５】
前記フレーム組立体（４０）が高さを有し概ね平坦な複数のストラップ部材（４４）を含み、
前記らせん状フレーム部材（８０）の少なくとも１つが前記フレーム組立体部材（４４）の高さとは異なる高さを有する、
請求項１０に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１６】
前記フレーム組立体（４０）が頂部側面（４７）を有し、
前記フレーム組立体の部材（８０）とは異なる高さを有する前記少なくとも１つのらせん状フレーム部材（８０）が前記フレーム組立体の部材（８０）より低い高さを有し、
前記ストラップ部材（４４）とは異なる高さを有する前記少なくとも１つのらせん状フレーム部材（８０）が上縁部（１０２）を更に有し、
前記ストラップ部材の上縁部（１０２）とは異なる高さを有する前記少なくとも１つのらせん状フレーム部材（８０）が前記フレーム組立体の頂部側面（４７）と概ね平行である、
請求項１５に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１７】
前記らせん状フレーム部材（８０）の各々が時計回りのねじれ又は反時計回りのねじれを有することが可能であり、
少なくとも１つのらせん状フレーム部材（８０）が時計回りのねじれを有し、
少なくとも１つのらせん状フレーム部材（８０）が反時計回りのねじれを有する、
請求項１０に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１８】
前記フレーム組立体（４０）が、２つの相互連結セット、即ち垂直セット及び水平セットの形に配置された複数の実質的に平坦な細長いストラップ部材（４４）を含み、前記ストラップ部材（４４）の垂直及び水平セットは概ね互いに直交しており、各セットの前記ストラップ部材（４４）は、前記ストラップ部材（４４）が概ね正方形のセル（４２Ａ）を形成するように概ね等間隔であり、
各管状部材接触部分（５５）がセル接触部分（５４）であり、
前記各管状部材（５０）がフレーム組立体のセル（４２）内に配置され、
前記管状部材のうちの少なくとも１つが可変ピッチを有する少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）を備えた、
請求項９に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項１９】
前記管状部材（５０）の少なくとも１つが、円筒軸（１１０）と少なくとも第１の軸方向部分（１０６）及び第２の軸方向部分（１０８）とを有し、
少なくとも１つの前記管状部材（５０）が少なくとも第１の軸方向部分（１０６）及び第２の軸方向部分（１０８）を有し、前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が前記第１の軸方向部分（１０６）及び前記第２の軸方向部分（１０８）の両方にわたって延在し、
前記第１の軸方向部分（１０６）上の前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が第１のピッチを有し、前記第２の軸方向部分（１０８）上の前記少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分（５２）が第２のピッチを有する、
請求項１８に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項２０】
前記管状部材（５０）の少なくとも１つが複数のらせん状燃料棒接触部分（５３）を有し、
前記複数のらせん状燃料棒接触部分（５３）のうち前記らせん状燃料棒接触部分（５２）の各々が前記管状部材（５０）の周囲に等角度で位置する、
請求項１８に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項２１】
前記複数のらせん状燃料棒接触部分（５３）の数及び間隔が、１８０度離隔した２つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、１２０度離隔した３つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、９０度離隔した４つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、７２度離隔した５つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、６０度離隔した６つのらせん状燃料棒接触部分（５２）、及び、４５度離隔した８つのらせん状燃料棒接触部分（５２）からなる群から選択される、請求項２０に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項２２】
前記フレーム組立体（４０）が高さを有し概ね平坦である複数のストラップ部材（４４）を含み、
前記管状部材（５０）の少なくとも１つが前記フレーム組立体部材（４４）とは異なる高さを有する、
請求項１８に記載の原子燃料集合体（２０）のための支持グリッド（２６）。
【請求項２３】
前記フレーム組立体（４０）が頂部側面（４７）を有し、
前記フレーム組立体の部材（４４）とは異なる高さを有する前記管状部材（５０）の少なくとも１つが前記フレーム組立体の部材（４４）より低い高さを有し、
前記ストラップ部材（４４）とは異なる高さを有する前記管状部材（５０）の少なくとも１つが上縁部（１０２）を更に有し、
前記ストラップ部材の上縁部（１０２）とは異なる高さを有する前記管状部材（５０）の少なくとも１つが前記フレーム組立体の頂部側面（４７）と概ね平行である、
請求項１８に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【請求項２４】
前記管状部材（５０）の各々が時計回りのねじれ又は反時計回りのねじれを有することが可能であり、
少なくとも１つの管状部材（５０）が時計回りのねじれを有し、
少なくとも１つの管状部材（５０）が反時計回りのねじれを有する、
請求項１８に記載の原子燃料集合体（２０）の支持グリッド（２６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件は、２００５年１月１１日付出願の「HELICALLYFLUTED TUBULAR FUEL ROD SUPPORT」と題する米国特許出願第１１／０３３，４３４号の一部継続出願であり、米国特許法第１１９条（ｅ）の下でこの出願に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本発明は原子炉燃料集合体に関し、より具体的には、燃料棒を支持するためのアレイに関し、このアレイ又は支持アセンブリは、格子状のフレーム組立体を形成する実質的に平坦な部材のマトリックス、及び複数のらせん溝付き管状部材からなり、らせん部分は可変ピッチを有してもよい。
【背景技術】
【０００３】
典型的な加圧水型原子炉（ＰＷＲ）では、炉心は、多数の概ね垂直方向に細長い燃料集合体からなる。燃料集合体は、複数の燃料棒を支持するように構成された支持グリッドを含む。燃料集合体は、上部ノズル、下部ノズル、複数の支持グリッド及び中間フロー攪拌グリッド、並びに複数のシンブル管（thimble tube）を含む。支持グリッドは、上部ノズルと下部ノズルとの間に垂直に延在する複数の細長いシンブル管に取り付けられる。シンブル管は、典型的には、制御棒、施栓（plugging）デバイス、又は計装装置をその中に受け入れる。燃料棒は、典型的には円筒形の金属管で覆われた原子燃料を含む。概ね、水は下部ノズルを通って燃料集合体内に入り、燃料集合体を垂直に上方へと通過する。水は燃料棒を通過する際に加熱され、その後、非常に高い温度で上部ノズルを出る。
【０００４】
支持グリッドは、炉心内で燃料棒を位置決めし、燃料棒の振動を抑制し、燃料棒に横方向の支持を与え、燃料棒の長手方向の動きをある程度制止する。従来型支持グリッドの１つのタイプは、複数のほぼ正方形のセルがそれぞれ内部に燃料棒を受け入れる卵箱構造を形成するように相互に差し込まれた複数のストラップより成る。シンブル管は、その構成に応じて、燃料棒を受け入れるセルと同一サイズのセル内か、又は、相互に差し込まれたストラップにより画定される相対的に大きなシンブル・セル内に、受け入れ可能である。
【０００５】
ストラップは概ね平坦で細長い部材であり、平坦な部材のいずれかの側面から直角に延びる、複数の比較的可撓性のバネ及び比較的剛性のディンプルを有する。ストラップのスロットは隣接するストラップとの連結係合に使用され、「垂直」及び「水平」ストラップのグリッドが概ね正方形のセルを形成する。バネ及びディンプルの位置は、各セルが通常２つの隣接する側面のそれぞれにバネを有するように構成される。バネと向き合うセルのそれぞれの側面上には、通常２つのディンプルが存在する。バネは、燃料棒がバネによってディンプルに対して偏倚されるように、ディンプルと向き合うように配置されなければならない。各セルのバネ及びディンプルは、セルを貫通する燃料棒と係合することにより、該燃料棒を各セル内において６つの点（２つのバネ及び４つのディンプル）で支持する。各バネ及び／又はディンプルは、概ね燃料棒と同じ半径を有するアーチ状の凹型プラットフォームを含む。この凹型プラットフォームは、燃料棒の側面上に半径方向荷重を分散させるのに役立つ。周縁ストラップは、一方の側面から延在するバネ又はディンプルのいずれかを有し、グリッドの内側ストラップを取り囲んでグリッドに強度及び剛性を与える。組み立て時、ストラップは、各セルが適当な位置にバネ及びディンプルを確実に有する特定の構成に組み立てなければならない。したがって、従来のフレーム組立体の組み立ては時間のかかるプロセスである。支持組立体は構築が容易な方が有利であろう。
【０００６】
ストラップは、その上に形成された１つ又は複数の攪拌翼を含んでよく、この攪拌翼は、燃料棒と水との間の対流熱交換を促進するために原子炉内の水の攪拌を容易にする。この水の運動は、炉心内の高い温度、圧力及び他の流体速度と相俟って、グリッドと燃料棒との間に振動を発生させる傾向がある。ストラップの適当な位置決めと同様に、攪拌翼が適当な位置に確実に配置されるように注意を払わなければならない。更に、攪拌翼に衝突する水流の作用により圧力容器内に圧力降下が、また、フレーム組立体にトルクが発生するが、これらはどちらも望ましくない。
【０００７】
グリッドは燃料セル内で燃料棒を支持するため、それらの間のこうした振動が燃料棒のフレッチング（fretting）を生じさせる可能性がある。こうしたフレッチングが酷くなると、燃料棒の被覆が破損し、その結果、原子炉内の水が汚染される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第４，０６１，５３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
炉心を通る水流を攪拌状態に維持しながら、グリッドと燃料棒との間のフレッチング摩耗を最小限に抑えるように設計された、改良型グリッドを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記及び他のニーズは、燃料棒が概ねある直径を有する円筒形の棒であり、各々が少なくとも１つの側壁及び幅を有する複数の概ね均一なセルを備えたフレーム組立体と、少なくとも１つの概ね円筒形の管状部材又はらせん状フレーム部材とを含む、原子燃料集合体の支持グリッドを提供する本発明によって充足される。管状部材／らせん状フレーム部材は、大きな直径のセル接触部分と、溝付きで小さな直径の少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分とを有する。本明細書で使用される用語「燃料棒接触部分」は、典型的には、燃料棒である円筒体の周囲に少なくとも部分的に延在するアーチ状線部分であるが、これに限定されるものではない。セル接触部分及び燃料棒接触部分は、遷移部分によって接合される。大きな直径は概ねセル幅と等しく、小さな直径は概ね燃料棒直径と等しい。この構成では、管状部材内に配置された燃料棒が内径と係合することになる。セル接触部分が少なくとも１つのセル側壁と係合するように、管状部材は複数の概ね正方形のセルの１つに配置される。このようにして、燃料棒はらせん状燃料棒接触部分によって保持され、管状部材はフレーム組立体によって保持される。
【００１１】
好ましい実施形態では、らせん状燃料棒接触部分が燃料棒に隣接する側面及びセル壁に隣接する側面の両方にらせん形状の通路を画定するように、管状部材は均一厚さの壁を有する。これらのらせん形状通路が水を攪拌する機能を有するため、攪拌翼は不要である。らせん形状通路を使用することには少なくとも２つの利点がある。第１に、形成された通路に水流が衝突しないため、攪拌構造体によって生じる圧力降下が最小限に抑えられる。第２に、選択されたセルにおいてらせん状通路の向きを逆にすることによって、フレーム組立体に作用するトルク量を制御できる。
【００１２】
らせん状燃料棒接触部分は、様々な形状にすることが可能である。例えば、３６０度の角変位を有する、即ち管状部材の周囲３６０度に延在する、単一（又は多数の）らせん状燃料棒接触部分が考えられる。しかしながら、典型的なセルの高さが比較的低いことを考えると、らせん状燃料棒接触部分のピッチ（半径方向距離／高さ）は大きすぎて通路のらせん状部分を通る水流が制限される可能性がある。別の態様として、それぞれが管状部材の周囲１８０度に延在する、少なくとも２つのらせん状燃料棒接触部分が考えられる。しかしながら、好ましい実施形態は、４つのらせん状燃料棒接触部分がそれぞれ管状部材の周囲９０度に延在する。これらの例では、らせん状燃料棒接触部分の数（Ｎ）と角変位（Ａ）の積が３６０度に等しくなる（N*A=360）ようにしたが、これは必須ではない。即ち、事実上、任意数のらせん状燃料棒接触部分が任意の角変位で使用可能である。更に、らせん状燃料棒接触部分が対称であることが好ましいが、らせん状接触部分は非対称のらせん状であってよく、即ちピッチが管状部材に沿って可変であってよいことにも留意されたい。例えば、管状部材又はらせん状フレーム部材が第１の軸方向部分及び第２の軸方向部分を有するようにしてもよい。らせん状接触部分は両方の軸方向部分にわたって延在する。らせん状接触部分は、第１の軸方向部分では第１のピッチを、また、第２の軸方向部分では第２のピッチを有することができる。
【００１３】
管状部材は、セル接触部分とらせん状燃料棒接触部分との間に滑らかな遷移部分を有するのが好ましい。らせん状燃料棒接触部分が４つある場合、管状部材の形状は４枚の花弁を有する花の外周に類似する。別の態様として、管状部材は、フレーム組立体の壁及び／又は燃料棒のいずれかに係合する構造の延長プラットフォーム部分を含むことができる。プラットフォームが存在する場合、遷移部分は典型的には急カーブとなる。他の実施形態では、遷移部分の長辺部は概ね平坦であり、端部は鋭角である。
【００１４】
フレーム組立体は、典型的には原子燃料棒を格納する構造の複数のセルを含む。前述のように、シンブル棒又は他のデバイスを取り囲むセルもある。しかしながら、非燃料棒セルは本発明との関連性がなく、触れはするものの以下では論じない。好ましい実施形態では、フレーム組立体は、「垂直」セット及び「水平」セットという２つのセットが相互に噛み合う形に配設された、実質的に平坦で細長い複数のストラップ部材で構成される。ストラップ部材の垂直セットは、水平ストラップ部材に概ね直交するように配設される。また、各セットのストラップ部材は概ね等間隔に配置される。この構成では、セルは概ね正方形である。代替実施形態では、フレーム組立体は、好ましくは９０度の間隔で溶接されたらせん状フレーム部材からなる。
【００１５】
添付図面に関連させて以下の好ましい実施形態の説明を読むことで、本発明を更に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の原子燃料集合体の正面図である。
【図２】「垂直」及び「水平」ストラップを示すフレーム組立体の上面図である。
【図３】フレーム組立体の等角図である。
【図４】支持グリッドの詳細図である。
【図５】４つの燃料棒接触部分を有する管状要素の等角図である。
【図６】燃料棒を有するセル内に配置された４つの燃料棒接触部分を有する管状要素の等角図である。
【図７】セルに隣接する単一の接触部分を有する管状要素の等角図である。
【図８】２つの燃料棒接触部分を有する管状要素の等角図である。
【図９】２つの燃料棒接触部分を有する管状要素の代替等角図である。
【図１０】管状フレーム部材から形成されるフレーム組立体の一部を示す上面図である。
【図１１】整列した管状フレーム部材から形成されるフレーム組立体の一部を示す上面図である。
【図１２】管状フレーム部材内の管状部材の詳細な上面図である。
【図１３】らせん状フレーム部材から形成されるフレーム組立体の詳細な上面図である。
【図１４】セル接触部分にプラットフォームを有する管状部材の詳細な上面図である。
【図１５】燃料棒接触部分にプラットフォームを有する管状部材の詳細な上面図である。
【図１６】セル接触部分及び燃料棒接触部分にプラットフォームを有し、平坦な遷移部分を備える、管状部材の詳細な上面図である。
【図１７】らせん状接触部分が可変ピッチを有する管状部材の概略側面図である。
【図１８】管状部材がフレーム組立体よりも短い支持グリッドの断面図である。
【図１９Ａ】らせん状接触部分のねじれが時計回りである管状部材の等角図である。
【図１９Ｂ】らせん状接触部分のねじれが反時計回りである管状部材の等角図である。
【図２０】フレーム組立体がストラップ部材及び管状フレーム部材を含む代替実施形態の上面図である。
【図２１】等しい角度で配置されたらせん状接触部分を有する管状部材の等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書で使用される「上」及び「下」等の方向についての用語（これらに限定されない）は、図面に示された構成要素を言及するものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。
【００１８】
図１に示されるように、原子炉の燃料集合体２０がある。燃料集合体２０は、下部に入口、上部に出口を有する水容器（図示せず）内に配置される。燃料集合体２０は、従来通り、原子炉の炉心領域（図示せず）内の下部炉心板（図示せず）上に燃料集合体２０を支持するための下方端部構造又は下部ノズル２２と、下部ノズル２２から上方に縦方向に延びる多数の制御棒案内管又はシンブル管２４と、案内管２４に沿って軸方向に離隔した複数の横方向支持グリッド２６と、横方向に離隔した関係でグリッド２６により支持された細長い燃料棒２８の整列アレイと、集合体の中心に位置する計装管３０と、案内管２４の上端に取り付けられた上方端部構造又は上部ノズル３２とより成り、集合体構成要素を損傷させることなく従来通りに取り扱うことが可能な一体的集合体を形成する。下部ノズル２２及び上部ノズル３２は、水等の流体冷却材を通過させ、冷却材が様々な燃料棒２８に沿って上方且つ縦方向に流れ、燃料棒から熱エネルギーを受け取るようにするための流れ開口（図示せず）を備えた端板（図示せず）を有する。燃料棒２８間で冷却材の攪拌を促進するために、総括的に数字３４で示す攪拌翼グリッド構造が１対の支持グリッド２６間に配置され、案内管２４上に取り付けられる。
【００１９】
上部ノズル３２は、直立側壁が周縁部に固定されて筐体又はハウジングを画定する横方向に延びるアダプタ板（図示せず）を含む。環状フランジ（図示せず）が側壁上部に固定される。このフランジには板バネ３６（１個のみ図１に示す）が適当に締着されるが、この板バネは従来の態様で上部炉心板（図示せず）と協働して、上向きの冷却材流の液圧による燃料集合体の上昇を防止すると共に、炉心により惹き起こされる熱膨張等による燃料集合体の長さ変化を許容する。上部ノズル３２の側壁により画定される開口内には、アームが半径方向に延びる従来型棒クラスタ制御組立体３８が配置される。この組立体は周知の態様で制御棒案内管２４内で制御棒を垂直方向に動かすために、制御棒の上端に接続される。燃料集合体２０を形成するために、支持グリッド２６及び攪拌翼グリッド構造３４が、縦方向に延びる案内管２４に軸方向に離隔する所定の位置で取り付けられる。下部ノズル２２は案内管２４の下端部に適当に取り付けられ、上部ノズル３２は案内管２４の上端部に取り付けられる。その後、燃料棒２８がグリッド２６及びグリッド構造３４を通じて挿入される。燃料棒２８は一般的に、ある直径を有する細長い円筒体である。燃料集合体２０のより詳細な説明については、米国特許第４，０６１，５３６号を参照されたい。
【００２０】
図示の燃料集合体２０は、制御棒案内管２４が燃料棒アレイ内に戦略的に配置された燃料棒２８の正方形アレイを有するタイプである。更に、下部ノズル２２、上部ノズル３２、及び同様に支持グリッド２６も、概ね断面が正方形である。図示の特定の燃料集合体２０は例示のためのものであるから、ノズル又はグリッドの形状も、燃料棒２８及び案内管２４の数及び構成も限定の意図を含むものではなく、本発明が図示の具体例とは異なる形状、構成、及び配置に等しく適用可能であることを理解されたい。
【００２１】
例えば、図２及び図４に示されるように、支持グリッド２６はフレーム組立体４０及び概ね円筒形の管状部材５０である少なくとも１つの燃料棒支持体５１を含む。フレーム組立体４０は、セル壁４３によって画定された複数のセル４２を含む。各セル４２は文字「ｗ」で示される幅を有する。一実施形態では、セル４２及びセル壁４３は、２つの相互連結セット、即ち垂直セット４６及び水平セット４８の形に配設された、複数のほぼ平坦で細長いストラップ部材４４から形成される。ストラップ部材４４の垂直及び水平セット４８を形成するストラップ部材４４は、概ね互いに直交している。加えて、各セットのストラップ部材４４は概ね等間隔である。この構成では、ストラップ部材４４は概ね正方形のセル４２Ａを形成する。したがって、各セル４２Ａは、互いに直交し、セル４２Ａの角を貫通する２つの斜交軸「ｄ１」及び「ｄ２」、並びに、互いに直交し、セル４２Ａの中心を貫通し、セル壁４３と直角に交わる、２つの鉛直軸「ｎ１」及び「ｎ２」を有する。２つの鉛直軸が貫通するセル壁４３上の点は、セル壁４３とセル４２の中心との間の最接近点「ｃｐ」である。図３に示されるように、フレーム組立体４０は文字「ｈ」によって示される高さを有し、この高さは、フレーム組立体４０の幅又は長さよりも実質的に短い。更に、フレーム組立体４０は頂部側面４７及び底部側面４９を有する。本発明のストラップ部材４０は、従来技術のストラップ部材のように、バネ及びディンプル等の突起を含まないことに留意されたい。さらに別の支持構造がないことで、フレーム組立体４０の構築が非常に容易となる。
【００２２】
支持グリッド２６の管状部材５０が図４及び図５に示されている。管状部材５０は少なくとも１つのらせん溝付き部分又は燃料棒接触部分５２、セル接触部分５４及びそれらの間に位置する遷移部分５６を含む。図４〜図６に示されるように、管状部材５０には４つの燃料棒接触部分５２があるが、これが好ましい実施形態である。他の構成について以下で論じる。セル接触部分５４は、セル幅と概ね等しいより大きな直径を有し、セル４２とぴったり係合するように構成されている。燃料棒接触部分５２は、当該燃料棒２８の直径と概ね等しい小さな直径を有する。したがって、管状部材５０はセル４２内に配置することができ、燃料棒２８は管状部材５０内に配置可能である。好ましい実施形態では、管状部材５０は均一の厚さを有する材料から作られる。したがって、らせん状燃料棒接触部分５２は、管状部材５０の外側面とセル壁４３との間に外側通路６０を画定する。加えて、セル接触部分５４は燃料棒２８から離隔しており、内部通路６２を画定する。外部通路６０又は内部通路６２のいずれかを通って流れる水は、らせん状燃料棒接触部分５２の形状による影響を受けて、攪拌される。
【００２３】
管状部材５０は、ピッチの度合いを任意に設定できる任意数のらせん状燃料棒接触部分５２を有するように構成可能である。例えば図７に示されるように、管状部材５０は、管状部材５０の周囲３６０度に延在する単一のらせん状燃料棒接触部分５２を有する。図８に示されるように、管状部材５０は、それぞれが管状部材５０の周囲１８０度に延在する２つのらせん状燃料棒接触部分５２を有する。図９に示されるように、管状部材５０は、それぞれが管状部材５０の周囲３６０度に延在する２つのらせん状燃料棒接触部分５２を有する。前述のように、図５は、それぞれが管状部材５０の周囲９０度に延在する４つのらせん状燃料棒接触部分５２を有する管状部材５０を示す。好ましくは、らせん状燃料棒接触部分５２は管状部材５０の周囲に等間隔に配設されるが、必須条件ではない。好ましくは、ピッチは０．００１から２０．０の間である。
【００２４】
上記の例は、（Ｎ）個のらせん状燃料棒接触部分５２及び３６０度又は３６０度の倍数に等しい角変位（Ａ）を使用している。この構成は特に正方形のセル４２Ａに使用するためのものである。即ち、セル接触部分５４は、セル壁４３上の最接近点でのみセル壁４３に接触することになる。他の点、例えばセル４２Ａの角では、セル接触部分５４であるより大きな直径の管状部材５０はセル壁４３に接触しない。したがって、４つの等間隔のらせん状燃料棒接触部分５２がそれぞれ管状部材５０の周囲９０度に延在する、図６に最もよく示されるように、対応する４つのセル接触部分５４はそれぞれらせん状燃料棒接触部分５２の間に位置する。管状部材５０とセル壁４３との間の接触表面積を最大にするために、管状部材５０は、各らせん状燃料棒接触部分５２がセルの頂部側面４７で斜交軸と概ね一直線になり、セルの底部側面４９で異なる斜交軸と一直線になるように、配置される。この配向では、セル接触部分５４は、頂部側面４７及び底部側面４９でセル壁４３の最接近点と一直線になる。同様の構成を、任意の形状のセル４２で実現することができる。即ち、らせん状燃料棒接触部分５２の数（Ｎ）をセル４２に対する側面の数（Ｓ）に等しくし、角変位（Ａ）を３６０度／Ｓにするのが好ましい。したがって、管状部材は、各らせん状燃料棒接触部分５２がセルの頂部側面４７でセル４２の角を通る軸と概ね一直線になり、セルの底部側面４９でセル４２の角を通る異なる軸と一直線になるように、配置可能である。したがって、セル接触部分５４は、頂部側面４７及び底部側面４９でセル壁４３の最接近点と一直線になる。
【００２５】
他の実施形態では、フレーム組立体４０は、複数の連結された管状フレーム部材７０によって画定される複数の円筒状セル４２Ｂを含む。図１０に示されるように、フレーム組立体４０の複数の管状フレーム部材７０は高密度に充填されているが、図１１に示されるように、管状フレーム部材７０を整列したパターンにする方が好ましい。即ち、管状フレーム部材７０は、各管状フレーム部材７０の周囲に９０度の間隔で結合される。管状部材５０は、円筒形セル４２Ｂ内に配置される。図１２に示される、管状部材５０及び円筒形セル４２Ｂの組み合わせでは、燃料棒２８と管状部材５０との間に内部通路６２が、また、管状部材５０と管状フレーム部材７０との間に外部通路６０が生まれる。管状フレーム部材７０の円筒形セル４２Ｂは、セル接触部分５４全体がセル壁４３に当接するという別の利点を有する。即ち、円筒形セル４２Ｂの直径はセルの幅と同じであり、これは最接近点とも同じであるため、セル接触部分５４はセル壁４３の高さ全体に沿ってセル壁４３と係合することになる。これは、セル接触部分５４が角ではセル壁４３に接触しない正方形セル４２Ａとは異なる。
【００２６】
図１３に示される他の実施形態では、管状部材５０及び管状フレーム部材７０の機能がらせん状フレーム部材８０に結合されている。即ち、フレーム組立体４０はマトリックス・パターンに形に配置された複数のらせん状フレーム部材８１を含む。らせん状フレーム部材８０は、管状部材５０と同様に、少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分５２を含む。しかしながら、セル接触部分５４の代わりに、らせん状フレーム部材８０の外側面が、隣接するらせん状フレーム部材８０の接触部分５５に直接結合されるように構成された接触部分５５である。フレーム組立体４０の管状フレーム部材７０の実施形態と同様に、らせん状フレーム部材８０はそれぞれの周縁で９０度の間隔で結合される。加えて、この実施形態では、フレーム組立体４０は好ましくは、複数のらせん状フレーム部材８１の周囲に延在するように構成された複数の外側ストラップ８２を含む。外側ストラップ８２は、複数のらせん状フレーム部材８１の外側縁部に位置するらせん状フレーム部材８０の接触部分５５に結合される。燃料棒２８は、少なくとも１つのらせん状フレーム部材８０を貫通するように配置される。
【００２７】
図１２に最もよく示されるように、断面で見ると、管状部材５０の各部、即ち、らせん状燃料棒接触部分５２、セル接触部分５４、及び遷移部分５６は好ましくは滑らかな曲線状である。この構成は、管状部材５０に圧縮性のバネに似た性質を与える。しかしながら、図１４に示されるように、セル接触部分５４を平坦で長い辺又はプラットフォーム９０にすることができる。プラットフォーム９０は、セル壁４３と係合する大きな表面積を提供するように構成される。プラットフォーム９０を長くすると、遷移部分５６を急に曲げる必要がある。同様に、図１５に示されるように、らせん状燃料棒接触部分５２は、燃料棒２８の周囲に放射状に延在する凹型プラットフォーム９２を含むことができる。前述のように、凹型プラットフォーム９２を長くすると、遷移部分５６を急に曲げる必要がある。管状部材５０は、セル接触部分５４のところにプラットフォーム９０を、また、らせん状燃料棒接触部分５２のところに凹型プラットフォーム９２を含むこともできる。最後に、管状部材５０は、概ね平坦な遷移部分５６が角度を付けた端部９４を備えるように構成することも可能である。図１６に示されるように、この実施形態では、水平断面図で見ると遷移部分５６は概ね平坦である。燃料棒接触部分５２がらせん状であるため、遷移部分５６はフレーム組立体４０の高さ方向では平坦でないことが分かる。
【００２８】
前述のように、らせん状接触部分５２のピッチは管状部材５０に沿って可変であってよい。例えば、らせん状接触部分５２は管状部材５０及び／又は管状フレーム部材７０の下縁部１００（以下で考察）で第１のピッチを有することができ、同じらせん状接触部分５２は管状部材５０及び／又は管状フレーム部材７０の上縁部１０２（以下で考察）で異なるピッチを有することができる。
【００２９】
わかりやすいようにらせん状接触部分５２を概略的に線で示した図である図１７から、各管状部材５０及び／又は各管状フレーム部材７０は水流に対して先端である下縁部１００を有する。同様に、各管状部材５０及び／又は各管状フレーム部材７０は水流に対して終端である上縁部１０２を有する。管状部材５０及び／又は管状フレーム部材７０がフレーム組立体２０内に配置されると、管状部材の下縁部１００はフレーム組立体の頂部側面４７よりも底部側面４９近くに位置する。逆に、管状部材の上縁部１０２は、フレーム組立体の底部側面４９よりも頂部側面４７近くに位置する。更に、各管状部材５０及び／又は各管状フレーム部材７０は高さを有することにも留意されたい。
【００３０】
したがって、少なくとも１つのらせん状接触部分５２は管状部材の下縁部１００で第１のピッチを有し、管状部材の上縁部１０２で第２のピッチに変化する。一実施形態（図示せず）では、この変化は漸進的である。この構成では、少なくとも１つのらせん状接触部分５２は、本質的に管状部材５０の高さ全体にわたって各高度で異なるピッチを有する。
【００３１】
しかしながら、好ましい実施形態では、管状部材５０及び／又は管状フレーム部材７０は２つ又はそれ以上の部分１０６、１０８を有し、それぞれの部分は軸方向の部分であって、らせん状接触部分５２は異なるピッチを有する。即ち、管状部材５０は円筒軸１１０を有し、これは管状部材が原子炉内の燃料集合体２０内にあると、概ね垂直に延びる。図に示されるように、第１の軸方向部分１０６は、管状部材５０の下位、即ち上流部分である。以下、第１及び第２の軸方向部分１０６、１０８と呼ぶ、２つ又はそれ以上の軸方向部分は、管状部材の円筒軸１１０に概ね直交して延在する、想像上の平面又は線１１２のいずれかの側に位置する。少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分５２は、第１の軸方向部分１０６及び第２の軸方向部分１０８の両方にわたって延びる。第１の軸方向部分１０６上の少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分５２は第１のピッチを有し、第２の軸方向部分１０８上の少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分５２は第２のピッチを有する。好ましくは、第１の軸方向部分１０６上の少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分５２のピッチは滑らかである（即ち概ね垂直である水の流路に対して）。即ち、らせん勾配が低いと言うことができる。逆に、第２の軸方向部分１０８上の少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分５２のピッチは急なピッチ、即ち、らせん勾配が高い。図１７には、少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分５２のピッチがわかりやすいように誇張されて示されている。前述のように、らせん状燃料棒接触部分５２を管状部材５０の周囲に等間隔で配置可能であるが、これは必須ではない。即ち、少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分５２が複数のらせん状燃料棒接触部分５３である場合、らせん状燃料棒接触部分５２が管状部材の下縁部１００及び管状部材の上縁部１０２でそれぞれ開始及び終了する点は、管状部材５０の周囲に等間隔に位置する。これは、複数のらせん状燃料棒接触部分５３のそれぞれのらせん状燃料棒接触部分５２が、管状部材５０の周囲に「等しい角度位置にある」と言うことができる。例えば、２つのらせん状燃料棒接触部分５２は１８０度離隔させ、３つのらせん状燃料棒接触部分５２は１２０度離隔させ、４つのらせん状燃料棒接触部分５２は９０度離隔させ、５つのらせん状燃料棒接触部分５２は７２度離隔させ、６つのらせん状燃料棒接触部分５２は６０度離隔させ、８つのらせん状燃料棒接触部分５２は図２１に示されるように４５度離隔させることができる、という具合である。ここでも、らせん状燃料棒接触部分５２を等間隔にすることが好ましいが、必須ではないことに留意されたい。例えば、管状部材５０の２つのらせん状燃料棒接触部分５２を９０度離隔させ、それぞれが管状部材５０の軸長、即ち高さにわたって１８０度延在させることが可能である。この構成では、管状部材の４分の１（周囲約９０度にわたって延在する弧）は管状部材の下縁部１００から管状部材の上縁部１０２まで概ね滑らかである。
【００３２】
前述のように、フレーム組立体４０は高さを有する。言い換えれば、各ストラップ部材４４は高さを有する。典型的には、各ストラップ部材４４の高さは同じである。しかしながら、外側ストラップ８２は内側ストラップ部材４４に対して増分した高さを有することができる。管状部材５０（及び／又は管状フレーム部材７０）は、フレーム組立体４０、ストラップ部材４４及び／又は外側ストラップ８２と実質的に同様の、軸長又は高さを有することができる。他の実施形態では、図１８に示されるように、管状部材５０（及び／又は管状フレーム部材７０）はフレーム組立体４０とは異なる高さを有する。例えば、管状部材５０はフレーム組立体４０よりも高くてよく、管状部材５０の一部はフレーム組立体４０よりも上方及び／又は下方に延在する（図示せず）。好ましい実施形態では、管状部材５０は、図１８に示すように、フレーム組立体４０の高さよりも低い高さを有する。この構成では、管状部材の上縁部１０２は好ましくはフレーム組立体の頂部側面４７とほぼ平行である。
【００３３】
前述のように、選択されたセル４２内のらせん状通路６０、６２の向きを逆にすることによって、フレーム組立体４０に掛かるトルク量を制御することができる。即ち、軸方向に見ると、管状部材（及び／又は管状フレーム部材７０）はねじれを有する。このねじれは、図１９に示されるように時計回り又は反時計回りである。異なるねじれを伴う管状部材（及び／又は管状フレーム部材７０）がフレーム組立体４０内に配置されると、フレーム組立体４０に掛かるトルク量を制御することができる。
【００３４】
以上、管状部材５０及びフレーム組立体４０のいくつかの変形例について述べた。一実施形態では、フレーム組立体４０のすべての管状部材（及び／又は管状フレーム部材７０）は実質的に同様の管状部材５０（及び／又は管状フレーム部材７０）である。即ち、すべての管状部材５０（及び／又は管状フレーム部材７０）は実質的に同じ特徴を有する。他の実施形態では、単一のフレーム組立体４０又は支持グリッド２６の選択された管状部材５０（及び／又は管状フレーム部材７０）は異なる特徴を有する。前述のように、ねじれが異なる管状部材５０（及び／又は管状フレーム部材７０）を単一のフレーム組立体４０に配置することができる。更に、１例にすぎないが、１つの支持グリッドにおいて、選択された数の管状部材５０が４つのらせん状燃料棒接触部分５２を持つように、また、残りの管状部材５０が８つのらせん状燃料棒接触部分５２を持つようにすることが望ましい場合がある。或いは別の例にすぎないが、１つの支持グリッドにおいて、選択された数の管状部材５０が可変ピッチを有するうららせん状燃料棒接触部分５２を備えるが、残りの管状部材５０が一定ピッチのらせん状燃料棒接触部分５２を持つようにすることが望ましい場合がある。更に別の例として、支持グリッド２６がフレーム組立体４０の組み合わせを有するようにしてもよい。即ち、図２０に示されるように、フレーム組立体４０が、外側ストラップ８２と、限定数のストラップ部材４４、即ち、完全で均一のグリッドを形成するに十分なストラップ部材４４よりも少ない数の内側ストラップ部材４４とを含むようにしてもよい。フレーム組立体４０が限定数のストラップ部材４４を有する場合、セル４２は限定数だけ形成可能である。こうした構成では、ストラップ部材４４は等間隔でなく、好ましくは外側ストラップ８２に比較的隣接して配置される。この構成では、フレーム組立体４０の中間部分は空である。前述の管状フレーム部材７０はこうしたオープンな中間部分を形成するように配設できる。したがって、支持グリッド２６は、セル４２内に位置する管状部材５０並びにセル４２よりも大きなオープン領域１２０内に位置する管状フレーム部材７０の両方を、ストラップ部材４４の間に含むことが可能である。
【００３５】
前述の変形例の任意の組み合わせが可能であることを理解されよう。したがって、種々の特徴（例えば、接触部分５２の数、高さ、接触部分５２の可変ピッチ等）を備えた要素を有する支持グリッド２６を記述するために、「少なくとも１つの管状部材５０」又は「少なくとも１つのらせん状フレーム部材７０」が特定の特徴を有するものであると言うことができる。こうした記述は、他の管状部材５０及び／又は管状フレーム部材７０が同じ特徴を有する場合、または、有さない場合もあることを意味する。例えば、支持グリッド２６は、「円筒軸１１０と少なくとも第１の軸方向部分１０６及び第２の軸方向部分１０８を有する複数のらせん状フレーム部材の少なくとも１つ」として記述することができる。これは、他の管状部材５０及び／又は管状フレーム部材７０が「第１の軸方向部分１０６及び第２の軸方向部分１０８」を有する場合、または、有さない場合もあることを意味する。更に他の例として、支持グリッド２６は、ねじれが時計回りの少なくとも１つの管状部材５０及びねじれが反時計回りの少なくとも１つの管状部材５０を有するものとして記述することができる。したがって、１００個の管状部材５０の支持グリッド２６では、（１）ねじれが時計回りである５０個の管状部材５０とねじれが反時計回りである５０個の管状部材５０、又は、（２）ねじれが時計回りである１つの管状部材５０とねじれが反時計回りである９９個の管状部材５０、或いは他の任意の組み合わせとすることが可能である。
【００３６】
本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、当業者であれば、本開示の教示全体に鑑みてそうした細部に対する様々な修正及び代替が開発可能であることを理解されよう。したがって、開示された特定の配置構成は単なる例示であり、添付の特許請求の範囲並びにその任意及びすべての均等物の全幅が与えられる本発明の範囲に関して制限的ではないことを意味する。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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