(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子燃料を充填された複数個の長尺要素（３）と、該長尺要素（３）を保持するための少なくとも１つの保持構成部分（５，６，７）を具備し、該保持構成部分（５，６，７）が前記複数個の長尺要素（３）を互いに離隔して保持するように設計されている燃料集合体（１）において、該保持構成部分（５，６，７）が二酸化ジルコニウムをベースにしているセラミック材料でできたスペーサ（７）、あるいは底部タイプレート（６）、あるいは頂部タイプレート（５）であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】
請求項１に記載された燃料集合体において、前記セラミック材料が部分的に安定化された二酸化ジルコニウム（ＰＳＺ）からなっている燃料集合体。
【請求項３】
請求項２に記載された燃料集合体において、部分的に安定化された二酸化ジルコニウムが、酸化マグネシウムを添加されている燃料集合体。
【請求項４】
請求項１に記載された燃料集合体において、前記スペーサ（７）がセラミック材料で成型された内部ばね（１０ｃ）を有している燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、軽水炉の燃料集合体における長尺要素を保持するための、セラミック材料の構成部分を設計することに関するものである。
背景技術
沸騰水型原子炉における燃料集合体は、長尺の管状容器を有している。該容器はしばしば長方形あるいは正方形断面になっており、燃料集合体の中を冷却材を連続的に流すことができるように、両端が開放されている。前記燃料集合体はある種の有限的な、通常は対称的なパターンになって平行に配置された、多数の均等に長尺な管状の燃料棒からなっている。該燃料棒は、頂部においては頂部タイプレートによって、底部においては底部タイプレートによって保持されている。冷却材が燃料棒に沿って望み通りに流れることができるようにするためには、これらの燃料棒が互いにある距離をおいて保持され、またそれらが原子炉の運転中に曲がったりあるいは振動したりすることを防ぐことが重要である。もし、燃料棒の周囲における冷却材の流れが妨害されると、いわゆるドライアウト現象が燃料棒の表面上で発生し、燃料棒に損傷を与える結果となる。燃料棒に沿った冷却材の流れを確保するために、複数個のスペーサが用いられ、燃料集合体の長手方向に沿って配分されているが、各々の新しいスペーサは燃料集合体にかかる圧力降下の発生の原因にもなる。ドライアウトの危険性を最少化するために、燃料集合体には、適用条件の下でドライアウトが発生する冷却材流量を越える固定的なマージン、即ちドライアウトマージンを有した冷却材流量が形成される。
加圧水型原子炉における燃料集合体は、原理的には、沸騰水型原子炉における燃料集合体と同一構造を有しているが、燃料棒が管状容器よって囲まれておらず、従って燃料棒の数がより多くなるという点が異なっている。
通常は、燃料集合体は長尺要素の保持構成部分、例えばスペーサ、頂部タイプレート、および底部タイプレートからなっている。これらの構成部分は通常は金属材料、好ましくはジルコニウム合金あるいはいわゆるニッケルベースの超合金で作られている。原子炉運転中における、該保持構成部分が燃料棒にかける弾性的な締付力は、運転中の燃料集合体における支配的な条件の下で、金属材料が劣化し疲労する結果として、減少し、緩む。さらに、原子炉の運転中の燃料集合体を支配する条件の下では、コロージョン、エロージョン、および摩耗損傷が発生する。該摩耗、エロージョン、コロージョンによる損傷のみならず、保持構成部分の劣化も予測される。これらの構成部分の寸法を決定する場合に、この劣化現象を考慮にいれて、構成部分の材料の厚さを増寸法させておく。この構成部分の材料の厚さを増寸法させておくことの結果として、燃料集合体にかかる圧力降下が増大する。
従って、本発明の目的は、軽水炉の燃料集合体における燃料棒のような長尺要素を保持するための装置を提供することにある。該装置は、該装置に含まれる構成部分が２つの改良された機械的特性、好ましくは長尺要素にかかる締付力の緩みの減少と、コロージョン、エロージョン、及び／又は摩耗による損傷に対する抵抗力の改良とを示すことによって、運転マージン、即ち冷却材の過少の結果としてのドライアウトに対するマージンを増加させることができる。
発明の概要、利点
本発明の１つの観点によると、燃料棒のような長尺要素を保持するための装置を有した燃料集合体は、請求項１に記載された特性的な特徴によって達成される。
本発明による燃料集合体は、二酸化ジルコニウムのようなセラミック材料で完全に、あるいは部分的に製作された構成部分からなっている。好ましくは、二相になった二酸化ジルコニウムが用いられ、これは二酸化ジルコニウムの高温下での形状が、酸化マグネシウム、カルシウム、イットリウム、あるいはこれら酸化物の二つあるいはそれ以上の混合物のような安定化添加物を添加することで安定化された材料、いわゆる部分的に安定化された二酸化ジルコニウムをベースにしている。
これらの構成部分は好ましくは、構成部分のセラミック部品が機械的自立構造物を構成するようにして形成される。
本発明による装置の中に含まれる構成部分のセラミック部品の、良好な機械的特性と、エロージョン、コロージョン、および摩耗に対する良好な抵抗力とは、セラミック粉末から始まる加圧、燒結によって、孔の数の少ない、また欠陥が殆どないかまたは調節することのできるセラミック体を製作することによって確保される。特に有利なことは、前記部分的に安定化された二酸化ジルコニウムのセラミック体に存在する内部応力状態である。
前記装置に含まれる構成部分のコロージョン、エロージョン、あるいは摩耗に対する抵抗力が増すことの１つの利点は、放射性の腐食生成物による原子炉水の汚染が防がれるという点にある。従って、放射性の腐食生成物が炉水の循環系流の中に沈着したり、そこから放射線を放出したりすることが防がれるが、人間はこの循環系流内での労働に関連して自分自身を保護しなければならないのである。
本発明によって、前記構成部分の少なくとも１つの機械的な支持部品、例えばスペーサ、底部タイプレート、頂部タイプレートのような長尺要素を保持するために燃料集合体の中に含まれる部品を、セラミック材料の中に配置することによって、この構成部分の材料の厚さがかなり減少する。さらに、クリープ疲労の結果として、及び／又はエロージョン、コロージョン、及び／又は摩耗の結果として、構成部分の機械的特性が劣化することの危険性が最少化される。また材料の厚さが減少することによって、燃料集合体におけるスペーサをより多く配置させることになる燃料集合体にかかる圧力降下を減少させる結果になる。このことにより、燃料集合体の安定性と、燃料集合体を通過する冷却材の流量が増加され、このことによってドライアウトのマージンを増加させるという本発明の目的が達成される。該ドライアウトのマージンを増加させることにより、燃料サイクルの全コストは減少する。
【図面の簡単な説明】
図１ａは沸騰水型原子炉の燃料集合体の、図１ｂにおけるＡ−Ａ断面図である。図１ｂは同じ燃料集合体の図１ａにおけるＢ−Ｂ断面図である。
図２は本発明によるスペーサを設けた、加圧水型原子炉の燃料集合体の図である。
図３ａ、図３ｂは本発明による燃料集合体に用いるためのセラミックスペーサの実施例を示す。図３ｂは図３ａにおけるＣ−Ｃ断面図である。図３ｃ、図３ｄはそのようなスペーサのためのスリーブの他の実施例を示す。
図４ａ〜図４ｄは本発明による燃料集合体に用いるためのセラミックスペーサの実施例を示す。図４ｂは図４ａにおけるＤ−Ｄ断面図である。図４ｄは図４ｃにおけるＥ−Ｅ断面図である。図４ｅは図４ｃにおけるＩ−Ｉ断面図である。
図５ａ、図５ｂは本発明による燃料集合体に用いるための、セラミック製の底部タイプレートの実施例を示す。図５ａは図５ｂにおけるＦ−Ｆ断面図である。
図６ａ、図６ｂは本発明による燃料集合体に用いるための、セラミック製の頂部タイプレートの実施例を示す。図６ｂは図６ａにおけるＧ−Ｇ断面図である。
好的実施例の説明
図１ａは沸騰水型原子炉の燃料集合体１を示し、これは燃料チャンネル２として呼ぶ長方形断面の長尺の管状容器を有している。該燃料チャンネル２は両端において開放しており、従って原子炉冷却材の流れる連続的な流路を形成することができる。前記燃料集合体１はバンドル状になって平行に配置された多数の均等に長尺な管状燃料棒３を有し、該燃料棒の中には原子燃料のペレット４が配置されている。該燃料棒３は十字形の支持装置８によって４つの直交的なサブバンドルに分離して配置されている（図１ｂも参照のこと）。燃料棒３のそれぞれのサブバンドルは、頂部において頂部タイプレート５と、底部において底部タイプレート６によって保持されている。それぞれのサブバンドルにおける燃料棒３は、スペーサ７によって互いに離隔して保持されており、原子炉運転中の曲がりあるいは振動を防いでいる。本発明によるスペーサ７は、十字形支持装置８を有してはいないが、代わりに、例えば、一つあるいはそれ以上の水チューブを有している沸騰水型原子炉にも、もちろん使用することができる。
図２は加圧水型原子炉の燃料集合体１を示し、これは、平行に配置された多数の長尺管状燃料棒３と、制御棒案内管３ａとからなっている。該燃料棒３の中には原子燃料のペレット４が配置されている。該制御棒案内管３ａは、頂部において頂部ノズル５によって、底部において底部ノズル６によって保持されている。該燃料棒３はスペーサ７によって互いに離隔して配置されている。
図３ａ、図３ｂはセラミックの保持構成部分、もっと詳しくいうとスペーサ７の実施例を示している。該スペーサ７は、スリーブ形成セル９を備えた格子構造物として形成されている。少なくとも幾つかのセル９は、本発明による燃料集合体における長尺要素を取り囲んで位置決めするように配置されている。該長尺要素は、例えば、燃料棒３あるいは制御棒案内管３ａであってもよい。
長尺要素３を取り囲むようになったセル９には、セル９の外周において、またセル９の全長に沿って、均等に配分されたダンパ面１０ａ及び／又は１０ｂが設けられている。有利な実施例においては、該ダンパ面１０ａ，１０ｂの数は４つであり、それらは９０度のピッチ角をおいて配置されている。４つのダンパ面１０ａを有したそのようなスリーブセル９は図３ｃに示されている。該ダンパ面１０ａは細長い溝として形成され、そのスリーブ９の中心に向かって内側へ面した表面は、長尺要素３の外面と密着するようになっている。
図３ｄはスリーブセル９の他の実施例を示している。該スリーブセルには３つのダンパ面１０ｂが設けられ、これはスリーブ９の外周に沿って均等に配分されている。該ダンパ面１０ｂはスリーブの全長に沿って延在したリッジとして形成されている。該リッジにはスリーブ９の中心に向かって内側に面した表面が形成され、該表面は長尺要素３の外部凸面に対して密着する目的から凹面状になっている。
ダンパ面１０ａ，１０ｂは、セル９中を延在する長尺要素３，３ａに非常に近く位置するように配列されているが、それらとは接触していない。冷却材が燃料集合体１を通って上方に流れるとき，薄い液膜が長尺要素３，３ａと、ダンパ面１０ａ，１０ｂとの間に形成される。このようにして、燃料集合体１中の各長尺要素３，３ａの動きの液圧ダンピングを備えたスペーサ７が達成される。
セラミックスペーサ７の上述の実施例は、ダンパ面１０ａ，１０ｂを有したセラミックチューブを、適当な長さのチューブ状スリーブ９に切断することによって製作される。次に、該チューブスリーブ９は、スペーサ格子の中へ、チューブスリーブ９の材料と同じ構成になる粉末を燒結することによって結合される。
原子炉燃料集合体内に長尺要素のバンドルを保持するためのセラミック部品を製作するための他の方法は、粉末状のセラミック材料から開始して、成型し、高い圧力で加圧してこれを固化し、高い温度において燒結して結合することからなっている。好ましくは、セラミック粉末は適当な方法を用いて未燒結体に予成型され、これが固化され、本質的に密なセラミック体に燒結される。該密なセラミック体は、高温において平衡的に加圧すること、即ち、いわゆる高温アイソスタティック成型、ＨＩＰによって、内部欠陥は殆ど有していない。上述した部品の例が図４から図６に示されており、以下もっと詳細に説明する。
以下、本発明による燃料集合体１における保持構成部分の少なくとも一部分を構成するセラミック体を製作するための好ましい方法についてより詳細に説明する。
セラミック粉末、好ましくは部分的に安定化された二酸化ジルコニウム（ＰＳＺ）の粉末が、ワックスあるいはその他のポリマーのような有機結合剤と混合される。この結合剤を加えたセラミック粉末材料が、流し込み成型、プレス加工、押し出し加工、射出成型、などによって適当な方法で多孔体、いわゆる未燒結体に予成型される。前記結合剤と、セラミック粉末との混合物はまた、スプレー乾燥によって本体に予成型され、これはプレス加工、押し出し加工、あるいは適当な型の中へ充填することによって成型される。
前記多孔質の未燒結体はその後で、一時的な有機結合剤を蒸発させるためのプラントにおいて処理される。結合剤の蒸発は加熱、真空処理、あるいは加熱と真空処理との併用によって行われる。加熱によって未燒結体は直線的に約１５％収縮し、このようにして構成部分の形状が維持される。多孔体を固化することを可能にするために、これは連続的な密なケーシングの中に閉じ込め、脱ガスされなければならず、該ケーシングはアイソスタティック成型の際に用いられる圧力媒体の中へは不可入的になっている。
普通は、多孔体にはガラスケーシングが用いられ、該多孔体はガラスの粉末あるいはガラス形成材料と一緒になって型の中へ入れられる。アイソスタティック成型の前に前記多孔体とガラス粉末とが加熱され、それによって粉末状のガラスあるいはガラス形成材料が多孔体の周囲において密な密着ケーシングを形成する。その後で、射出成型体が高圧炉の中で高温アイソスタティック成型によって燒結、固化され、この場合、該構造物は高温、高圧を受ける。次に封入物は適当な方法、浸出法、ブラスティング法、等を用いて取り出される。ある種の場合には、従来法、例えば、最終形状の成品にするための研磨法のような連続処理が必要となる。このことは特に回転対称になっていない溝や凹所に適用され、与えられた公差要求に合致するように研磨される。
他の実施例においては、前記構造物は冷態状態において加圧され、この場合にはプラスチックあるいはゴム材料のような使用圧力媒体の中へ入り込むことのない、他の封じ込め材料が用いられ、これは加圧時の温度が自由になっている。前記冷態アイソスタティック成型体は次に従来の加熱炉の中で燒結される。
セラミック体をアイソスタティック成型によって成型することの利点は、普通の直線状加圧によって製作された対応的な本体と比べて、材料の中の孔の数や他の内部欠陥がかなり減少される点にある。
他の利点は、アイソスタティック成型の場合には、機械的な連続処理が少ないので、より複雑な形状の本体を製作することができる点にある。連続処理は普通は、成型しようとしているものが非回転対称的な物にだけ、またある種の公差要求を満足させるためにだけ必要とされる。公差近くにまで処理することの方が、収縮、成型充填、等を正確に点検して、加圧された本体が与えられた公差を満足しようとすることにより安価にできる。
図４ａから図４ｄは上述した方法によって得られるセラミックスペーサ７の他の実施例を示している。図４ａにおけるスペーサ７は、図３ａ、図３ｂに示した物と同じ方法で成型される。しかしながら、図４ａ、図４ｂにおける格子構造は、より開放した構造になっている。支持表面１０は図３ｃ、図３ｄに示したもの（参照番号１０ａ，１０ｂをそれぞれ参照のこと）と同じ方法で成型してもよい。
図４ｃ、図４ｄおよび図４ｅは、上述した方法によって製作されたスペーサ７の他の実施例を示している。該スペーサ７は図４ｂに示したスペーサ７と同じ開放構造を有している。図４ｄによるスペーサ７は上述したように設計された細長い支持面１０とばね１０ｃとを有している。該ばね１０ｃはスペーサ構造から突出した、参照番号１０ｄで示された部品、および細長い部品１０ｅとして設計されている。該ばね１０ｃは構造物に合致した第１端部と、第２の自由端部とを有している。図においては、それぞれの自由端部は、燃料集合体内を上方へ流れる冷却材と比較して、上流側に面している。それらは、もちろん、またそれらの自由端部を下流側に向けて配置してもよい。前記ばね１０ｃは、それらのそれぞれの自由端部が、構造物に合致した第１端部よりも、セル９の中心部の方へより近くなって配置されるようにして成型されている。さらに、それぞれの自由端部はセル９内を延在する長尺要素３，３ａと接触するようになっている。細長い固定支持体１０からなる２つの支持面と、２つの弾性支持体１０ｃとは、セル９の外周の周りで均等に配分されている。
セラミック材料における前記ばね１０ｅは、該材料の降伏点にまで有効なばねとして利用される。この弾性容量は、長尺要素３をスペーサ７の中に位置決めするのに十分である。
図５ａ、図５ｂ他のセラミックの保持構成部分、もっと詳細にいうと、図１における底部タイプレート６の実施例を示している。該底部タイプレート６は上述した方法によって一体物として製作されている。該底部タイプレート６には、長尺要素３を受け留めるため（図１参照）と、燃料集合体１の中を冷却材が流れるための複数個のほぼ円形状の開口１１が形成されている。図５ｂは前記底部タイプレート６に対角線上の開口１２が設けられていることを示している。該対角線上開口１２は射出成型中に成型される。他の実施例においては、該対角線上の開口１２は、上述した方法によって本体の残り全てが完成した後に、機械処理によって形成される。
図６ａ、図６ｂはさらに他のセラミック支持構造物、もっと詳細にいうと図１における頂部タイプレート５の実施例を示している。該頂部タイプレート５には長尺要素３を受け留めるための複数個のほぼ円形状の開口１３と、燃料集合体１の中を冷却材が上方へ流れるための該開口間の開放構造とが形成されている。前記頂部タイプレート５は上述した方法によって製作される。
図５、図６にそれぞれ示された底部タイプレートと頂部タイプレートは、沸騰水型原子炉のためのものである。加圧水型原子炉の場合には、前記底部タイプレートと頂部タイプレートのそれぞれには、同じ方法で形成された開口及び／又はミル加工された溝が形成される。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
0003966559.tif 000003
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
0003966559.tif 000006
【図３ｃ】
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【図３ｄ】
0003966559.tif 000008
【図４ａ】
0003966559.tif 000009
【図４ｂ】
0003966559.tif 000010
【図４ｃ】
0003966559.tif 000011
【図４ｄ】
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【図４ｅ】
0003966559.tif 000013
【図５ａ】
0003966559.tif 000014
【図５ｂ】
0003966559.tif 000015
【図６ａ】
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【図６ｂ】
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