(57)【要約】【課題】原子炉用の燃料棒の改良に関し、部材製作コストを高くすることなく、溶接時の歩留まりを向上させ、かつ、使用上安全で信頼性の高い燃料棒を得ること。【解決手段】被覆管２内に複数の燃料ペレット及びその燃料ペレットの上部のプレナム部にコイルスプリング５を装填するとともに、その被覆管２の上端を上部端栓で、下端を下部端栓で密封した燃料棒において、上部端栓１の燃料ペレット側の底面の中央に円柱状の突出部１ｈを設け、該突出部１ｈの基底の直径を上部端栓と燃料ペレット間に装填されるコイルスプリング５先端の内径と同じか少し小さくして、コイルスプリング５上端内側に該突出部１ｈを挿入するようにした。これによって、被覆管２へ上部端栓１を挿入する際に、コイルスプリング５が被覆管２と上部端栓１との間に挟まることを防ぐことができる。【選択図】　図１
2004069366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆管内に複数の燃料ペレット及びその燃料ペレットの上部のプレナム部にコイルスプリングを装填するとともに、その被覆管の上端を上部端栓で、下端を下部端栓で密封した燃料棒において、上部端栓の燃料ペレット側の底面の中央に円柱状の突出部を設け、該突出部の基底の直径を上部端栓と燃料ペレット間に装填されるコイルスプリング先端の内径と同じか少し小さくして、コイルスプリング上端内側に該突出部を挿入するようにしたことを特徴とする燃料棒。
【請求項２】
上部端栓の底面中央部の突出部の燃料ペレット側先端には、燃料ペレット側に先が細くなるテーパ部が設けられていることを特徴とする、請求項１記載の燃料棒。
【請求項３】
上部端栓の底面中央部の突出部が、燃料ペレット側に先が細くなる円錐台状または半円球状であることを特徴とする、請求項１記載の燃料棒。
【請求項４】
上記テーパ部或いは円錐台の傾斜角度は燃料棒の軸線方向に対して４５°前後であることを特徴とする、請求項２または３記載の燃料棒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉用の燃料棒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉用の燃料として用いられる燃料棒は、円筒形の被覆管内に多数の燃料ペレットが挿入され、被覆管の上下両端にそれぞれ上部端栓および下部端栓が溶接により固定されて封止されている。
【０００３】
原子炉運転中には燃料ペレットが核分裂を起こし、核分裂生成物のガス状のものが燃料ペレットから放出されて燃料棒内に蓄積されるようになるが、そのガス状生成物によって燃料棒中の内圧が過度に高くならないように被覆管の内側上方にはプレナム（ガス溜め空間）が設けられている。そして、燃料棒の移送中や取扱い中に燃料ペレットがプレナムに移動しないように、プレナム中に例えばステンレス鋼からなるコイルスプリングを圧縮状態に配設している。
【０００４】
前記のように、燃料棒内でコイルスプリングを圧縮状態にするためには、被覆管に上部端栓を挿入する際に、コイルスプリングが被覆管の端面から突出した状態から、上部端栓の底面をコイルスプリングの端面に当てた状態で、コイルスプリングを縮めながら被覆管に上部端栓を挿入する必要がある。
【０００５】
ところが、被覆管の端面から突出したコイルスプリングが、その自重で垂れたり、或いはコイルスプリング自身の軸芯が曲がったりしていた場合には、上部端栓と被覆管の軸芯に対して、コイルスプリング端部の軸芯のずれに起因して、上部端栓と被覆管の間にコイルスプリングの端部が挟まる事象を生じる可能性がある。
【０００６】
すなわち、コイルスプリング軸芯と上部端栓軸芯がずれる原因には下記がある。
【０００７】
・被覆管が保持されている部分より先の被覆管自身が自重により垂れ下がるためコイルスプリング軸芯が上部端栓軸芯より下に下がること、
・コイルスプリング外径が被覆管外径より小さいためコイルスプリング軸芯が上部端栓軸芯より下に下がること、
・コイルスプリングの被覆管端面から突出している部分が自重で下に垂れ下がるためコイルスプリング軸芯が上部端栓軸芯より下がること、
・コイルスプリングそのものに製作公差範囲の曲がりがあるためコイルスプリング軸芯が上部端栓軸芯より上下左右にずれること
などが考えられる。
【０００８】
したがって、上述のように上部端栓と被覆管の軸芯に対するコイルスプリング端部の軸芯のずれに起因して、上部端栓と被覆管の間にコイルスプリングの端部が挟まる事象を生じる可能性がある。
【０００９】
図５は従来の上部端栓４１の外形を示す側面図である。軸方向略中央部には被覆管の外径と略同一外径を有する大径部４１ａが設けられている。この大径部４１ａの一側には被覆管の内径より小径の外径を有する円柱状の嵌合部４１ｂが一体的に形成され、また、大径部４１ａの他側には燃料棒外方向に突出する柱状の突出部４１ｃが形成されている。
【００１０】
大径部４１ａの嵌合部４１ｂ側には、被覆管と付き合せられる平坦な付き合せ面４１ｄがあり、その付き合せ面４１ｄの中央には、外径が被覆管の内径と略等しく嵌合部４１ｂ側に向かって先細りとなる円錐テーパ部４１ｅが設けられるとともに、その円錐テーパ部４１ｅ先端の嵌合部４１ｂ側には嵌合部４１ｂの外径より小径の溝部４１ｆが設けられており、その溝部４１ｆが前記嵌合部４１ｂと結合している。そして上記嵌合部４１ｂの溝部４１ｆと反対側側面に、コイルスプリングと接触する上部端栓底面４１ｇが形成されている。
【００１１】
図６は被覆管２に上部端栓４１を挿入する前の待機状態を示す図であり、上部端栓４１の被覆管２への挿入の前段階として、上部端栓４１は端栓ホルダ３により保持され、被覆管２は被覆管保持装置４により保持されている。被覆管２には予め下部端栓が溶接され複数の燃料ペレットとコイルスプリング５が装填されている。この時コイルスプリング５は被覆管２の端面２ａから、例えば５ｍｍ〜５０ｍｍ程度突出している。
【００１２】
図７はコイルスプリング端面５ａが上部端栓底面４１ｇに接触した状態を示す図であり、この例では、コイルスプリング端部５ａの軸芯６１が上部端栓４１の軸芯６２より下にあるため、コイルスプリング内径の内部に、上部端栓の嵌合部４１ｂの一部が斜めに入り込んだ状態になる。この時、被覆管２の内径延長線上より、コイルスプリング５の外径がはみ出してしまう。
【００１３】
図７の状態から上部端栓４１が被覆管２に近づくと、図８に示すように、コイルスプリング５が上部端栓４１と被覆管２の間に挟まってしまうことが起こる。その場合、次の動作に移れずに溶接装置が止まってしまったり、強引に押し込んだとしても上部端栓４１あるいは被覆管２を傷つけることで溶接部の不適合を生じる原因となったりする。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このような事象を回避するために、種々の試みがなされている。例えば、実公昭６３−１７０３６号には、コイルスプリング端面に被覆管および上部端栓と同じ材質で作った円筒部材を装着し、上部端栓の底面を球状曲面または円錐面としたことで、被覆管に上部端栓を挿入する時に、円筒部材を上部端栓の底面に圧接することで、コイルスプリングが上部端栓と被覆管の間に挟まる事象を防止する手段が提案されている。しかしこの例ではコイルスプリングの端面装着用に被覆管や上部端栓と同じ材質の円筒部材を作る必要があるためコストがかかるという課題があった。
【００１５】
コイルスプリングの端面に被覆管や上部端栓と同じ材質の円筒部材を装着する理由は、コイルスプリングが上部端栓あるいは被覆管と接触した状態で上部端栓溶接した時に、溶接の熱影響によってコイルスプリングが上部端栓あるいは被覆管と接触した部分で共融合金を生成することを防止することである。特に、ＴＩＧ溶接の場合、熱影響部の範囲が大きいため、この例のような対策を必要としていた。
【００１６】
しかし、例えば特許２９６８４９３号に示されるように嵌合部を持つような上部端栓形状にすることによって、上部端栓溶接時におけるコイルスプリングと上部端栓の接触部の温度上昇を抑制でき、溶接の熱影響による共融合金を生成する可能性がないことが分かっている。よって、コイルスプリングの端面に被覆管や上部端栓と同じ材質の円筒部材を装着する必要性は薄れている。また、ＴＩＧ溶接ではなくレーザ溶接の場合には、熱影響部の範囲が小さくなるため、特許２９６８４９３号に示される嵌合部を持つような上部端栓形状にしなくても、コイルスプリングの端面に被覆管や上部端栓と同じ材質の円筒部材を装填する必要もないことが分かっている。
【００１７】
しかし、特許２９６８４９３号では、前記のコイルスプリングの端部が被覆管と上部端栓の間に挟まる事象に対して特に考慮されておらず、改良が必要となっている。
【００１８】
また、コイルスプリングの端面に被覆管と同じ材質の円筒部材を装着しない状態で、実公昭６３−１７０３６号に示されるような底面を球状曲面または円錐面とする上部端栓を適用する場合、コイルスプリングの押付け力によってコイルスプリングの端面の巻が直径方向に広げられ、被覆管を内側から押圧する可能性があり、燃料棒の信頼性を低下させる可能性がある。
【００１９】
本発明は、このような点に鑑み、被覆管に上部端栓を挿入する際に、コイルスプリングが被覆管と上部端栓との間に挟まり、被覆管の端面や上部端栓の端面を傷つけることがなく、使用上安全で信頼性が高く、かつ、部材製作コストを高くすることのない燃料棒を得ることを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、被覆管内に複数の燃料ペレット及びその燃料ペレットの上部のプレナム部にコイルスプリングを装填するとともに、その被覆管の上端を上部端栓で、下端を下部端栓で密封した燃料棒において、上部端栓の燃料ペレット側の底面の中央に円柱状の突出部を設け、該突出部の基底の直径を上部端栓と燃料ペレット間に装填されるコイルスプリング先端の内径と同じか少し小さくして、コイルスプリング上端内側に該突出部を挿入するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、上部端栓の底面中央部の突出部の燃料ペレット側先端には、燃料ペレット側に先が細くなるテーパ部が設けられていることを特徴とする。
【００２２】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明において、上部端栓の底面中央部の突出部が、燃料ペレット側に先が細くなる円錐台状または半円球状であることを特徴とする。
【００２３】
請求項４に係る発明は、請求項２に係る発明において、上記テーパ部或いは円錐台の傾斜角度は燃料棒の軸線方向に対して４５°前後であることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の燃料棒の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１は本発明の上部端栓１の外形を示す側面図であり、前述の図５の上部端栓４１と比較して、一部を除いて同じ形状をしている。つまり、図１中の大径部１ａ、嵌合部１ｂ、突出部１ｃ、付き合せ面１ｄ、円錐テーパ部１ｅ、溝部１ｆ、底面１ｇは、それぞれ図５中の大径部４１ａ、嵌合部４１ｂ、突出部４１ｃ、付き合せ面４１ｄ、円錐テーパ部４１ｅ、溝部４１ｆ、底面４１ｇと同じである。図１中の図５と異なる形状をしている部分を次に説明する。
【００２６】
図１に示すように、上部端栓底面１ｇは中央部を除いて平坦であり、上部端栓底面１ｇの中央には、コイルスプリング先端５ａの内径と略等しい外径を持つ円柱状の突出部１ｈが形成されており、さらにその円柱状突出部１ｈの端面からは、溝部１ｆと反対側に向かって先細りとなるテーパ部１ｊが設けられている。
【００２７】
しかして、被覆管２に上部端栓１を挿入する場合には、図２のように、上部端栓１の被覆管２への挿入の前段階として、上部端栓１は端栓ホルダ３により保持され、被覆管２は被覆管保持装置４により保持され待機状態にされる。被覆管２は予め下部端栓が溶接され複数の燃料ペレットとコイルスプリング５が装填されている。この時コイルスプリング５は被覆管２の端面２ａから、例えば５ｍｍ〜５０ｍｍ程度突出している。
【００２８】
次に、上部端栓１の被覆管２への挿入の動作が始まると上部端栓１が被覆管２側に近づく。コイルスプリング５の軸芯が上部端栓１の軸芯から全くずれていなければ、上部端栓底面１ｇがコイルスプリング端面５ａに直接接触する。しかしながら、コイルスプリング５の軸芯が上部端栓１の軸芯からずれていた場合には、コイルスプリング端面５ａの内径内面と上部端栓１の突出円錐テーパ部１ｊが接触する。
【００２９】
さらに上部端栓１の被覆管２への挿入動作が進むと、コイルスプリング５は上部端栓１のテーパ部１ｊにガイドされ、軸芯のずれは補整され、コイルスプリング端面５ａが上部端栓底面１ｇに接触する時には、軸芯のずれはなくなる。さらに上部端栓１の被覆管２への挿入動作が進むにつれコイルスプリング５は圧縮されるが、被覆管端面２ａはコイルスプリング５に触れることなく、最終的に上部端栓１の被覆管付き合せ面１ｄに接触して挿入動作は終了する。
【００３０】
上記の挿入動作がスムーズにいくためには、上部端栓、被覆管、コイルスプリングの寸法をそれぞれ関連つけて決めることが好ましい。例えば、上部端栓の円柱状突出部１ｈの外径はコイルスプリング５の内径と同一であり、かつ、上部端栓の円柱状突出部１ｈの軸方向長さはコイルスプリング５の素線径の半分より大きいことが好ましい。これにより、上部端栓１の軸芯とコイルスプリング５の軸芯のずれを無くすことができる。次に、上部端栓底面１ｇの外径はコイルスプリング端面５ａの外径と同一であることが好ましい。これにより、コイルスプリング５の上部端栓１への押し付け力を広い面積で均等に受けることができる。次に、上部端栓のテーパ部１ｊの角度は、燃料棒軸方向に対して、４５°前後であり、かつ、上部端栓の円柱状突出部１ｈと突出円錐テーパ部１ｊの軸方向長さの合計値がコイルスプリングの素線径より少し大きいことが好ましい。これにより、コイルスプリング５の軸芯を上部端栓１の軸芯にガイドする機能がより有効になる。
【００３１】
図３に、挿入動作を終了した状態を示す。この状態で上部端栓溶接を実施した場合、コイルスプリング５が被覆管２と上部端栓１との間に挟まる現象が無いので、その現象を原因とする溶接部の不適合は無く、歩留まりが向上する。また、コイルスプリング端面５ａは平坦な上部端栓底面１ｇに垂直に当たっており、コイルスプリング端面５ａが被覆管２に接触することもないので、コイルスプリング５が被覆管２を内側から押圧することもなく、よって、使用上安全で信頼性の高い燃料棒を得ることができる。
【００３２】
本発明は、通常のコイルスプリングに対しても有効であるが、特に、その体積をできるだけ小さくなるように設計されたコイルスプリングに対しても有効である。ガス状核分裂生成物による燃料棒内圧上昇を小さくするためにはプレナムを大きくすることが有効であり、そのためにコイルスプリングの体積をできるだけ小さくしたいという要求がある。コイルスプリングの体積を小さくするためにコイルスプリングの素線径を細くして対応した場合、コイルスプリングのばね定数が小さくなるので、所定の押付け力を得るためには圧縮代を大きくしなければならない。そうすると、被覆管端面から突出するコイルスプリングの長さが大きくなる。コイルスプリング突出長さが大きくなると上部端栓の軸芯とコイルスプリング端部の軸芯がずれる可能性が大きくなり、上部端栓と被覆管の間にコイルスプリングが挟まる事象が起きる可能性が大きくなり、溶接の歩留まりが悪くなることが予想されるが、本発明はそれを防ぐこともできる。例えば、標準的な素線径を持つコイルスプリングの体積が１であり、体積を出きるだけ小さくするために素線径を細くしたコイルスプリングの体積が０．７であった時に、前者のコイルスプリングの被覆管端面からの突出長さは１であったが、後者のコイルスプリングの被覆管端面からの突出長さは１．５倍となった。しかし、本発明の上部端栓は、被覆管と上部端栓の間にコイルスプリングが挟まるという事象に対して有効である。また、上部端栓１についてはその底面に突出部を設ける形状変更を実施するが、制作コストは殆ど高くならず、しかもコイルスプリングについても基本的な形状は従来技術をそのまま適用できる利点がある。
【００３３】
本発明は、ＴＩＧ溶接だけでなくレーザ溶接の場合にも有効である。
【００３４】
図４は、本発明を適用したレーザ溶接用の上部端栓の外形を示す側面図である。大径部１１ａ、外方向に突出する柱状の突出部１１ｃ、大径部の端部外周面１１ｄ、円錐テーパ部１１ｅ、円錐テーパ部側外周面１１ｇ、円柱状突出部１１ｈ、テーパ部１１ｊに関しては、図１の本発明のＴＩＧ溶接用上部端栓１と同じ構造であるが、嵌合部と溝部が除去されている。すなわち、レーザ溶接はＴＩＧ溶接と比較して熱影響部が小さいので、嵌合部と溝部を不要とすることができる。
【００３５】
なお、上記実施の形態においては、上部端栓の底面中央部の突出部の燃料ペレット側先端には、燃料ペレット側に先が細くなるテーパ部を設けたものを示したが、上部端栓の底面中央部の突出部が、燃料ペレット側に先が細くなる円錐台状または半円球状としてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、コイルスプリングの先端が上部端栓によって支持される構造が得られ、コイルスプリングの先端が被覆管と干渉することが防止され、被覆管を内側から押圧するような事象が発生する可能性が解消される。また、コイルスプリングが被覆管と上部端栓との間に挟まる現象を無くすことができるので、生産性の向上に寄与できるとともに、使用上安全でさらに信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の上部端栓の外形を示す側面図。
【図２】本発明の被覆管に上部端栓を挿入する前の待機状態。
【図３】本発明の被覆管に上部端栓を挿入した後の状態。
【図４】本発明のレーザ溶接用上部端栓の外形を示す側面図。
【図５】従来技術の上部端栓の外形を示す側面図。
【図６】従来技術の被覆管に上部端栓を挿入する前の待機状態。
【図７】従来技術のコイルスプリングの端面に上部端栓の底面が接触した状態。
【図８】従来技術のコイルスプリングが被覆管と上部端栓との間に挟まった状態。
【符号の説明】
１　上部端栓
１ａ　大径部
１ｂ　嵌合部
１ｃ　突出部
１ｄ　突き合わせ部
１ｅ　テーパ部
１ｆ　溝部
１ｇ　底面
１ｈ　円柱状突出部
１ｊ　テーパ部
２　被覆管
５　コイルスプリング
【図１】
2004069366.tif 000003
【図２】
2004069366.tif 000004
【図３】
2004069366.tif 000005
【図４】
2004069366.tif 000006
【図５】
2004069366.tif 000007
【図６】
2004069366.tif 000008
【図７】
2004069366.tif 000009
【図８】
2004069366.tif 000010