(57)【要約】【課題】水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造が低コストで高荷重に耐え得る安全性の高い沸騰水型原子炉用燃料集合体を提供することを目的とする。【解決手段】複数本の燃料棒（５）と少なくとも１本の水管（１）とを含む棒状要素を正方格子状に配列して燃料バンドルとし、この燃料バンドルを上下のタイプレート（２．６）で保持して方形断面形状のチャンネルボックス（７）内に収容してなる沸騰水型原子炉用燃料集合体において、水管（１）の下部端栓（３）と下部タイプレート（２）との間の連結構造として、下部端栓の下端面に開口する穴（１０）と、下部タイプレートの上面に突設されて開口から穴（１０）内に挿入されたスタッド（４）とを備え、スタッド（４）が連結構造の強度部材を構成していることを特徴とする。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の燃料棒と少なくとも１本の水管とを含む棒状要素を正方格子状に配列して燃料バンドルとし、この燃料バンドルを上下のタイプレートで保持して方形断面形状のチャンネルボックス内に収容してなる沸騰水型原子炉用燃料集合体において、
前記水管の下部端栓と前記下部タイプレートとの間の連結構造として、前記下部端栓の下端面に開口する穴と、前記下部タイプレートの上面に突設されて前記開口から前記穴内に挿入されたスタッドとを備え、
該スタッドが前記連結構造の強度部材を構成していることを特徴とする沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項２】
前記スタッドが前記下部タイプレートと一体に鋳造されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項３】
前記スタッドが前記下部タイプレートに埋め込み固定されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項４】
前記スタッドが前記下部タイプレートに螺合締結されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項５】
前記スタッドが前記下部タイプレートに溶接されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【請求項６】
前記スタッドが前記下部タイプレートを構成する材料と同等の機械的強度を有する構造用鋼材製であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉用燃料集合体に関するものであり、特に、水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉用燃料集合体は、図６に示す通り、複数本の燃料棒５と少なくとも１本の水管（ウォータチャンネル）１とを含む棒状要素を正方格子状に配列した燃料バンドル（束）を上部タイプレート６と下部タイプレート６２で保持して方形断面形状のチャンネルボックス７内に収容して構成されているのが一般的である。そして、水管１及び下部端栓６３は、その使用環境上、ジルコニウム合金からなるものが一般的である。また、通常、上部タイプレート６、及び、下部タイプレート６２はステンレス合金で製作されている。
【０００３】
この水管１の下部端栓６３と下部タイプレート６２との連結は、図７に示すように、下部タイプレート６２に開けられた取付孔６８へ水管１に直接取付けられた下部端栓６３を挿入することによってなされている。つまり、従来は、水管１の下部端栓６３と下部タイプレート６２との間の連結構造は、下部端栓６３を下部タイプレート６２の取付孔６８へ挿入する形式のものであった。
【０００４】
このように構成された従来の燃料集合体では、地震時のように燃料集合体を撓ませるような大きな力が作用すると、水管１には下部プレート６２との連結部分（即ち、下部端栓６３）、を支点とする曲げモーメントＭが作用する。
【０００５】
一般に、水管１は径の大きな管であり、下部端栓６３は水管に比べて小さい径である。このように径の大きな水管の場合には、水管１自体の剛性が高いため、曲げモーメントＭにより発生する応力は、剛性の小さい下部端栓６３に集中してしまう。しかも、前述したように、下部端栓６３はジルコニウム合金製であり、下部タイプレート６２はステンレス合金製であるから、ジルコニウム合金の方がステンレス合金よりも強度が低い。そのため、曲げモーメントＭによって破損（クラック、破壊など）するのは下部端栓６３の方である。
【０００６】
従って、曲げモーメントＭによって下部端栓６３が破損するのを防止して安全性を確保するためには、下部端栓６３の径を大きくして剛性を上げなければならない。しかしながら、下部端栓６３の材料であるジルコニウム合金は非常に高価であるため、径を大きくすると、その分だけ、コストが高くなってしまうという問題があった。
【０００７】
一方、曲げモーメントによって下部端栓６３が破損することを防止する別の手段として、図８に示すような構造のものが従来から採用されている。即ち、図８に示す構造は、径の大きな水管１と下部端栓６３との間に、水管１より径が小さく剛性の低い接続管９を取付けて構成されたものである。この接続管９を取付けることにより、下部端栓６３を支点とする曲げモーメントＭが作用しても、下部端栓３に応力が集中することを緩和できるようになるのである。つまり、接続管９も水管１に比べて剛性が低いので、曲げモーメントＭにより生じる下部端栓６３への応力集中を接続管９にも分散して応力緩和を図っているのである。
【０００８】
しかしながら、この従来技術では、接続管９の分だけ構成部品が多くなるため、製作工程が増えるうえ、接続管９の分だけコストが高くなってしまうという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、斯かる実情に鑑み、水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造が高荷重に耐え得る安全性の高い沸騰水型原子炉用燃料集合体を提供することを目的とする。さらに、本発明の目的は、安全性の高い水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を低コストで実現できる沸騰水型原子炉用燃料集合体を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明によれば、複数本の燃料棒と少なくとも１本の水管とを含む棒状要素を正方格子状に配列して燃料バンドルとし、この燃料バンドルを上下のタイプレートで保持して方形断面形状のチャンネルボックス内に収容してなる沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記水管の下部端栓と前記下部タイプレートとの間の連結構造として、前記下部端栓の下端面に開口する穴と、前記下部タイプレートの上面に突設されて前記開口から前記穴内に挿入されたスタッドとを備え、該スタッドが前記連結構造の強度部材を構成していることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、水管の下部端栓と下部タイプレートとの間の連結構造として、水管の下部端栓の下端面に開口する穴と、下部タイプレートの上面に突設されて下部端栓の開口から穴内に挿入されたスタッドとを備えたものであるため、このスタッドが水管の下部端栓と下部タイプレートとを連結することとなる。即ち、下部タイプレートの上面に突設されたスタッドに、水管の下部端栓の下端面に開口する穴を挿し込んで、水管と下部タイプレートとを連結する構造となっている。
【００１２】
前述したように、地震などによる大きな力が沸騰水型原子炉用燃料集合体に作用すると曲げモーメントが水管に作用するが、本発明の構成では、曲げモーメントの支点は下部タイプレートの上面に突設するスタッドとなる。つまり、従来技術では前述したように、下部タイプレートに挿入された下部端栓を支点に曲げモーメントが作用し、下部端栓に集中応力が発生する構造であったが、本発明では曲げモーメントによる応力はスタッドに集中する構造となっている。
【００１３】
このような本発明の構造では、スタッドが曲げモーメントに十分耐え得るだけの強度部材であれば、集中応力を受けてもスタッドにクラックが発生したり、破壊に至ったりすることはない。そこで、本発明では、スタッドが連結構造の強度部材を構成するようにしている。
【００１４】
この構成により、地震などの大きな力が掛かって水管に曲げモーメントが作用しても、この強度部材であるスタッドが応力集中に十分耐えることができるから、水管の下部端栓が破損することなく下部タイプレートと安全に連結した状態を確保できる。即ち、本発明の連結構造とすることにより、水管に直接下部端栓が設けられている従来構造のものであっても、地震などの大きな力に十分耐え得る安全性の高い連結構造を得ることができるのである。
【００１５】
しかも、スタッドが支点となって曲げモーメントによる力を支えているので、水管の下部端栓の径を大きくして剛性を高める必要もなく、さらには、水管と下部端栓との間に従来技術のような接続管（図８の符号９）を設ける必要もない。よって、安全性の高い水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を低コストで得ることができるのである。
【００１６】
加えて、スタッドは下部タイプレート上面に突設されるものであって、下部端栓とは別部材として構成されるため、スタッドの材料は下部端栓に要求される材料の制限を受けない。つまり、下部端栓は、沸騰水型原子炉用燃料集合体の要求仕様上、一般にジルコニウム合金で製作されるが、スタッドは下部端栓と別部材であるので、下部端栓と同一材料にする必要がない。よって、スタッドに掛かる曲げモーメントに耐え得るだけの機械的強度を有する材料の中から選定することができるから、コストを低く抑えることができる。
【００１７】
尚、本発明のスタッドは水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造の強度部材を構成するものであるが、ここでいう強度部材とは、沸騰水型原子炉用燃料集合体の設計仕様を満足するだけの強度を有する材料からなる部材であれば、全て含まれるものである。つまり、設計仕様の要求が引張り強度だけであれば、それを満足するだけの引張り強度を有する材料からなる部材であれば何れのものであっても本発明の強度部材となるし、また、靭性も要求する設計仕様のときは、その要求する靭性を満足する材料からなる部材全てが本発明の強度部材に含まれるのである。
【００１８】
また、本発明におけるスタッドと下部端栓の穴の形状は、設計条件に応じて好適なものにすれば良い。また、スタッドと下部端栓の穴との嵌め合い公差も適宜決定することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記スタッドが前記下部タイプレートと一体に鋳造されていることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明のように、スタッドが下部タイプレートと一体に鋳造されるようにすれば、一旦、鋳型を作ってしまえば、量産が可能となりコスト面で大幅な低減効果を得ることができる。
【００２１】
なお、本発明では、スタッドが連結構造の強度部材を構成している関係上、下部タイプレートもスタッドの材料に合わせて一体で鋳造することは言うまでもない。
【００２２】
また、別の発明として、スタッドと下部タイプレートとを別体として製作しておき、種々の方法でスタッドと下部タイプレートとを固定するようにしておくことも有効である。数種類のスタッドと下部タイプレートとを別々に製作しておけば、設計仕様に応じて好適なスタッドと下部タイプレートとを組合せて製作することができるからである。具体的には、次のような構成にしておくのが良い。
【００２３】
即ち、請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記スタッドが前記下部タイプレートに埋め込み固定されていることを特徴とするものである。
【００２４】
また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記スタッドが前記下部タイプレートに螺合締結されていることを特徴とするものである。
【００２５】
また、請求項５に記載の発明によれば、請求項１に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記スタッドが前記下部タイプレートに溶接されていることを特徴とするものである。
【００２６】
このように構成することにより、スタッドと下部タイプレートとが設計仕様に応じた好適な組合せのものとなる。つまり、幅広い設計仕様に対応した連結構造とすることができるのである。
【００２７】
また、スタッドに要求される強度と下部タイプレートに要求される強度とが異なる場合に、前述の鋳造によって一体で製作するものでは、下部タイプレートの材料はスタッドの材料に合わせる必要があるため、下部タイプレートを要求する以上の材料で製作しなければならない場合もあった。しかし、本発明の如く別体で構成されたスタッドと下部タイプレートとを固定するようにしておけば、下部タイプレートを必要以上の材料で製作する必要がないため、さらに低コストなものとなる。
【００２８】
なお、スタッドと下部タイプレートとの固定部、即ち、埋め込み部、螺合締結部、及び溶接部は、スタッドが曲げモーメントを受けても十分耐え得る程度の固定状態にしておくことは言うまでもない。
【００２９】
また、請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜５のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉用燃料集合体において、前記スタッドが前記下部タイプレートを構成する材料と同等の機械的強度を有する構造用鋼材製であることを特徴とするものである。
【００３０】
本発明によれば、スタッドが地震などにより曲げモーメントを受けた際にも、下部タイプレートと同等の機械的強度を有しているから、下部タイプレートにクラックが入ったり、破壊に至ったりするようなことはない。つまり、スタッドが極端に機械的強度が大きければ、曲げモーメントが作用すると、機械的強度の小さい下部タイプレートが破損するおそれがあるが、スタッドと下部タイプレートとが同等の機械的強度を有しているため、地震などの大きな力が掛かっても、下部タイプレートが一方的に破損することを防ぐことができることとなる。
【００３１】
よって、水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造がより一層安全性の高いものとなる。
【００３２】
好ましくは、スタッドと下部タイプレートの材料を共にステンレス合金とするのが良い。ステンレス合金の機械的強度であれば、地震などの大きな力が掛かっても、スタッドが曲げモーメントに耐え得るのに十分であり、しかも、このように共通の材料にすれば、コスト低減できるからである。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。尚、図中、同一符号を付したものは同一物又は相当物を示している。
【００３４】
本発明の第一実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体は、図１に示すように、複数本の燃料棒５と少なくとも１本の水管１とを含む棒状要素を正方格子状に配列した燃料バンドルを上部タイプレート６と下部タイプレート２で保持して方形断面形状のチャンネルボックス７内に収容して構成されており、後述する水管１の下部端栓３と下部タイプレート２との連結構造以外の部分は従来と同様の構成のものである。
【００３５】
水管１の下端には下部端栓３が取り付けられており、この下部端栓３と下部タイプレート２とはスタッド４で連結されている。この連結構造の詳細を示したものが図２である。
【００３６】
図２に示すように、水管１の下部端栓３の下端面には穴１０が開口しており、下部タイプレート２の上面に突設したスタッド４が穴１０の開口から穴１０内に挿入されて下部端栓３と下部タイプレート２とが連結する構造となっている。また、下部タイプレート２とスタッド４とはステンレス合金を鋳造により一体で製作されている。即ち、スタッド４は、下部タイプレート２と同じ機械的強度を有するステンレス合金製の強度部材となっている。
【００３７】
このように構成された本実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体によれば、地震などによる大きな力が掛かって曲げモーメントＭが水管１に作用しても、スタッド４は曲げモーメントＭにより生じる応力に十分耐え得るステンレス合金製の強度部材であるから、スタッド４が破損することはない。よって、下部端栓３の径を大きくすることなく安全性の高い下部端栓３と下部タイプレート２の連結構造を得ることができるのである。即ち、従来の下部端栓を下部タイプレートに挿入する連結構造のものに替えて、本実施形態のようなスタッドによる連結構造を適用するだけで、安全性の高い連結構造となるのである。しかも、スタッドの追加分しかコストがかからないので、下部端栓の径を大きくしたり、接続管を設けたりする従来の技術に比べて遥かに低コストとなる。
【００３８】
図３は、本発明の第二実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を示している。本実施形態の特徴は、スタッドを下部タイプレートに埋め込んだ点にある。
【００３９】
即ち、スタッド３４は、下部タイプレート３２の取付孔３８に埋め込んだ状態で下部タイプレート３２の上面に突設しており、この突設した部分が下部端栓３の穴１０に挿入されて下部端栓３と下部タイプレート３２とを連結する構造となっているのである。
【００４０】
この構成でも、上述の第一実施形態と同じ効果を得ることができる。なお、スタッド３４及び下部タイプレート３２の材料は第一実施形態と同様にステンレス合金製である。
【００４１】
図４は、本発明の第三実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を示している。本実施形態の特徴は、スタッドを下部タイプレートと螺合締結した点にある。
【００４２】
即ち、スタッド４４は、下部タイプレート４２の取付孔４８と螺合締結（Ｔ）した状態で下部タイプレート４２の上面に突設しており、この突設した部分が下部端栓３の穴１０に挿入されて下部端栓３と下部タイプレート３２とを連結する構造となっているのである。
【００４３】
この構成でも、上述の第一実施形態と同じ効果を得ることができる。なお、スタッド４４及び下部タイプレート４２の材料は第一実施形態と同様にステンレス合金製であるが、螺合締結（Ｔ）による焼き付きを防止するために、スタッド４４と下部タイプレート４２の強度に若干の差をつけている。
【００４４】
図５は、本発明の第四実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の水管の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を示している。本実施形態の特徴は、スタッドを下部タイプレートと溶接して固定した点にある。
【００４５】
即ち、スタッド５４は、下部タイプレート５２の取付孔５８に挿入し、下部タイプレート５２の上面に突設した状態で溶接（Ｗ）して固定されており、この突設した部分が下部端栓３の穴１０に挿入されて下部端栓３と下部タイプレート５２とを連結する構造となっているのである。
【００４６】
この構成でも、上述の第一実施形態と同じ効果を得ることができる。なお、スタッド５４及び下部タイプレート５２の材料は第一実施形態と同様にステンレス合金製である。
【００４７】
尚、本発明の沸騰水型原子炉用燃料集合体は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体によれば、水管の下部端栓と下部タイプレートとを強度部材を構成するスタッドによって連結することにより、従来から用いられているような水管に直接下部端栓を取付けた構造であっても、下部端栓の径を大きくすることなく地震などによる大きな力に耐え得ることができる安全性の高い連結構造となる。さらに、従来のような水管と下部端栓との間に接続管を設けることも不要となる。よって、低コストで安全性の高い連結構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の概略縦断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を説明するための部分拡大図である。
【図３】本発明の第二実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を説明するための部分拡大図である。
【図４】本発明の第三実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を説明するための部分拡大図である。
【図５】本発明の第四実施形態に係る沸騰水型原子炉用燃料集合体の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を説明するための部分拡大図である。
【図６】従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の概略縦断面図である。
【図７】従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を説明するための部分拡大図である。
【図８】別の従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体の下部端栓と下部タイプレートとの連結構造を説明するための部分拡大図である。
【符号の説明】
１：水管
２，３２，４２，５２，６２：下部タイプレート
３，６３：下部端栓
４，３４，４４，５４：スタッド
５：燃料棒
６：上部タイプレート
７：チャンネルボックス
９：接続管
１０：穴
３８，４８，５８，６８：取付孔
Ｔ：ねじ部
Ｗ：溶接部
【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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