(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉用燃料アセンブリ（１０）であって、前記燃料アセンブリは軸を有し、
互いに前記燃料アセンブリ（１０）の軸に対して実質的に平行に延長する複数の燃料ピン（１２）と、
前記燃料ピンと接触して前記燃料ピンを実質的に互いに平行になるように保持し、かつ該燃料ピン間の接触を防ぐ、少なくとも２つの互いに離間された構造要素としてのスペーサグリッド（１８）と、
さらに、前記少なくとも２つのスペーサグリッド（１８）の中間に位置して、使用時に前記燃料アセンブリ内を流通する冷媒の乱流を促進する乱流誘発手段（６１；７０）を有する、少なくとも１つの攪拌グリッド（５０）とを具備し、
前記攪拌グリッドは前記燃料ピンと接触しないように位置決めされて固着され、
前記攪拌グリッドは単一の金属シートから形成され、前記攪拌グリッドが形成される前記金属シートの面は、前記燃料アセンブリの軸を横切る面内にあり、
かつ、前記乱流誘発手段は、前記攪拌グリッドに取り付けられた羽根からなることを特徴とする燃料アセンブリ。
【請求項２】
前記攪拌グリッドの前記金属シートの厚みは、０．５ｍｍから１ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の燃料アセンブリ。
【請求項３】
前記攪拌グリッドは、前記燃料ピンのそれぞれが貫通する開口（５８）が配列されたフレーム構造（５６）を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料アセンブリ。
【請求項４】
前記羽根は、前記攪拌グリッドと一体に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料アセンブリ。
【請求項５】
前記攪拌グリッドの前記フレーム構造（５６）における各開口（５８）を包囲する部材（８０）の少なくとも一部は前記金属シートの面の回りにある角度に捩じられて前記冷媒の乱流を誘発する機能を向上させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料アセンブリ。
【請求項６】
前記攪拌グリッドは、前記燃料ピン（１２）の外周リング（６４）にまで延長せずにそれらと境を接することを特徴とする先行する請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料アセンブリ。
【請求項７】
前記攪拌グリッドは、減速材としての制御棒が貫通する嵌め管（５２）によって、前記燃料アセンブリ内の適切な位置に配置され、かつ保持されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料アセンブリ。
【請求項８】
前記攪拌グリッドは、前記嵌め管に溶接またはカシメによって取り付けられることを特徴とする請求項７に記載の燃料アセンブリ。
【請求項９】
前記攪拌グリッドは、前記嵌め管の上方に嵌合する短管に最初は接合され、次いで前記嵌め管に固定されることを特徴とする請求項７に記載の燃料アセンブリ。
【請求項１０】
前記攪拌グリッドは、前記原子炉の作動中、前記燃料ピンの最も高温の領域に位置し、かつ２つの隣接する前記スペーサグリッド（１８）間に配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料アセンブリ。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の燃料アセンブリに用いられる攪拌グリッド。
【発明の詳細な説明】
本発明は、原子炉用燃料棒アセンブリに関する。
原子炉用燃料棒アセンブル（または燃料棒エレメント）は、その燃料アセンブリの上下のグリッドおよび通常はそれらの中間に配置される１つ以上のグリッドによって互いに平行に所定の距離だけ離間されて保持される複数の平行燃料棒（燃料ピンとも呼ぶ）を具備している。グリッドは、燃料ピンを離間させて保持し、燃料ピンの機械的損傷をもたらす擦過腐食を防ぐ機能を有している。
今日まで用いられてきたグリッドは、通常、シート材料からなる個々の構成要素を燃料ピンが貫通する一連の開口が形成されるように溶接によって組み立てることによって形成される。このようなグリッドにおいては、できるだけ開口の中心に燃料ピンを配置させるために、例えばシート材料からなる「指状ばね材」(spring finger)のような弾性を有する燃料ピン位置決め手段が開口内に配置されている。グリッドはまた、燃料アセンブリ内を燃料アセンブリの軸と略平行に流通するガス冷媒または液体冷媒に乱流を誘発させるためのシート材料から一体的に形成される複数の羽根を有している。冷媒内に乱流を誘発させる目的は、冷媒の攪拌を改善することによって、燃料ピンからの熱抽出を改善し、燃料ピンの加熱を防ぐことにある。
前述したようなグリッドは、通常、シート材料から作製され、そのシート材料の面は燃料アセンブリの軸に対して略平行であり、またシート材料のかなりの部分は金属からなる。しかし、金属は燃料から中性子を吸収して原子炉の出力を減少させるので好ましくない。このような攪拌グリッドの一例が、米国特許第５、１８３、６２８号に記載されている。
例えば、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）において、個々の燃料ピンは約４ｍの長さを有している。燃料ピンは、「ジルカロイ」(Zircaloy)（商品名）のような合金からなる、「クラッド部」と呼ばれる、管状の被覆部を具備している。そのクラッド部内には燃料は充填されている。作動中、燃料ピンが高温に達するので、クラッド部の外面における冷媒と接触する場所が腐食したり酸化したりする。クラッド部の腐食の最大深さまたはクラッド部の酸化腐食生成物の最大厚みは、冷媒が燃料ピンアセンブリ内に入る点からピンの長さの約８０％の領域に渡って生じる。酸化層の最大許容厚みは、燃料ピン、すなわち、燃料アセンブリの潜在的な寿命制限因子である。従って、クラッド部の少なくとも上記の領域の冷却を改善して、クラッド部の腐食の割合を減少させることが望まれる。
腐食の割合を減少させるためにクラッド部の冷却を改善することによって、核沸騰（ＤＮＢ）を中断させる前の安全余裕度を遅延させまたは安全余裕度を拡大させて、燃料アセンブリをその他の方法よりも高い出力レベルで操業させることができるという効果も得られる。核沸騰は、熱抽出を行う最も効果的な形態である。核沸騰（ＤＮＢ）においては、蒸気の膜が燃料ピンの表面に生じてピンから冷媒への熱伝達が著しく減少し、その結果として、非常に短期間にピンの破壊が生じる。
本発明の第１態様による原子炉用の燃料アセンブリは、互いにまた燃料アセンブリの軸に対して実質的に平行に延長する複数の燃料ピンと、前記燃料ピンと接触して前記燃料ピンを実質的に互いに平行になるように保持してそれらの接触を防ぐ、少なくとも２つの互いに離間された構造要素としてのグリッドと、さらに、前記の少なくとも２つの構造要素としてのグリッドの中間に位置する少なくとも１つの攪拌グリッドと、を具備し、前記攪拌グリッドは前記燃料ピンと実質的に接触しないように位置決めされて固着され、前記攪拌グリッドは、使用時に前記燃料アセンブリ内を流通する冷媒の乱流を促進する乱流誘発手段を有し、前記攪拌グリッドは単一の金属シートから形成され、前記攪拌グリッドが形成される前記金属シートの面は、前記燃料アセンブリの軸を横切る面内にあり、かつ、前記乱流誘発手段は、前記攪拌グリッドに取り付けられた羽根からなることを特徴とする。
本発明による燃料アセンブリの攪拌グリッドは、一変更例として、ワイヤから形成されてもよく、ワイヤはそれらが互いに交差する位置において溶接によって接合され、例えば、羽根のような乱流誘発手段がワイヤに取り付けられる、ように構成されてもよい。
しかし、本発明の燃料アセンブリの一つの好適な実施態様においては、攪拌グリッドは、例えば、プレス加工または打ち抜き加工によってシート材料から形成されるのが好ましく、その攪拌グリッドが形成される金属シートの面は、燃料アセンブリの軸を横切る面内に一体的に形成されるとよい。
シート材料の厚みは、例えば、０．５ｍｍから約１ｍｍの範囲にあるとよい。しかし、この厚みは重要ではなく、冷媒流から与えられる力に対して弾性が維持されかつ容易に機械加工によって成形されるように選択されればよい。
攪拌グリッドは、所定の寸法と形状、例えば、正方形、三角形、または六角形の開口が配列されたフレーム構造を有しているとよい。その開口には、燃料ピンが、好ましくは、フレーム構造の開口周辺部に大きく接触することなく、貫通される。
攪拌グリッドが前述したようにプレス加工または打ち抜き加工によってシート材料から形成される場合、例えば羽根からなる乱流誘発手段は、その加工中に、攪拌グリッドと一体的に形成され、シート面から乱流誘発効果を最適化するような所定の角度で屈曲されるとよい。このような乱流誘発手段は、各開口または任意の開口の内端に望ましい乱流を安定して生成するように形成されるとよい。既存の燃料ピンアセンブリの種々に異なる設計に応じて、乱流誘発手段の最適な構成と分布を実験的に決定するとよい。
フレーム構造の開口を包囲する部材の一部または全てが、乱流を誘発する効果が得られるように、シート面を中心に捩じられるとよい。このような捩じれによって、燃料ピンアセンブリ内を通って冷媒を汲み上げるのに必要な圧力上昇を減少させることができる。
攪拌グリッドの全体的な外周の形状は、その攪拌グリッドが組み込まれる特定の燃料ピンアセンブリに対応させて、例えば、正方形または六角形に決定されるとよい。
本発明による燃料ピンアセンブリの攪拌グリッドは、燃料ピンの外周リングにまでは延長せず、外周リングと境を接する、ように構成されるとよい。その理由は、外周リングにおける燃料ピンは内側の燃料ピンよりも冷却されて、通常の操業条件下におけるその腐食の程度が少ないからである。燃料ピンの外側リングにまで攪拌グリッドを延長させないことによるもう一つの利点は、燃料アセンブリを炉心に挿入または炉心から除去するとき、燃料アセンブリの炉心に対する引っ掛かりのおそれをなくすことにある。
本発明による燃料ピンアセンブリの攪拌グリッドは、例えば、原子炉用制御棒が貫通するいわゆる嵌め管によって、燃料アセンブリ内の適切な位置に保持されるとよい。さらに、グリッドの開口は、嵌め管が例えば溶接またはカシメによって取り付けられるような寸法に形成されるとよい。あるいは、本発明の１つの好適な実施形態においては、嵌め管の一部またはすべてに対応する位置において、短管が例えば溶接によって攪拌グリッドに固定されるとよい。短管は、嵌め管の上方に嵌合されて、カシメまたは溶接によって嵌め管に固定される。
燃料ピンアセンブリ内の攪拌グリッドの最適な位置は、燃料ピンアセンブリの設計、冷媒の種類、および／または当該原子炉の種類に応じて、実験的に決定されるよい。好ましくは、最も高温に晒されている燃料ピンの最高温度を、クラッド部の腐食が燃料の寿命を制限しないようなレベルにまで減少させるような位置に配置されるとよい。
公知の燃料ピンアセンブリ内における先行する構造要素としてのグリッドの直前とそれに続く構造要素としてのグリッドの直後間の領域において、乱流を誘発させることによって冷媒の流れの攪拌を改善させるとよい。従って、公知の構造要素としてのグリッドを燃料アセンブリ内の付加的な位置に設けることによって、余分の乱流を促進して、所定の位置における冷却と熱抽出を改善し、燃料ピンの腐食／酸化割合を減少させることができる、と考えられる。しかし、この解決策はいくつかの顕著な欠点を含んでいる。第１に、従来の構造要素としてのグリッドは、構造が複雑であり、製造コストが非常に高い。第２に、この公知の構造要素としてのグリッドは、顕著な付随的損失をもたらす中性子を吸収する金属をかなりの量含んでいる。第３に、構造要素としてのグリッドを付加的に設けることによって、グリッド−燃料棒間の擦過損傷を生じる付加的な位置を必要とする。一方、本発明による燃料ピンアセンブリの攪拌グリッドは単純な構造で、平坦な金属シートから単一の打ち抜きまたはプレス加工によって形成することができるので製造コストが安価である。また、本攪拌グリッドは、比較的少量の金属を含むので、中性子捕獲に付随する損失を最小化させることができる。さらに、好適な実施態様において、燃料ピンを攪拌グリッドに接触させないように構成することができるので、攪拌グリッドによって生じる燃料ピンの擦過損傷をなくすことができる。
本発明の第２の態様によれば、第１の態様による燃料ピンアセンブリの攪拌グリッドが提供される。
本発明がさらに詳細に理解されるように、以下、実施例を添付の図面を参照して説明する。但し、本実施例は単なる例示であり、本発明を限定するものではない。
図１は、ＰＷＲ原子炉に用いられる従来の燃料ピンアセンブリの一部を示す透視図である。
図２は、酸化層の平均厚みと冷媒の入口からの燃料棒に沿った軸方向位置の関係を示すグラフである。
図３は、本発明の第１実施例による燃料ピンアセンブリの一部を示す透視図である。
図４は、図３に示される実施例の平面図である。
図５は、図３に示される実施例の変更例を示す透視図である。
図６は、攪拌グリッドのごく一部を示す平面図である。
図７は、図６の線７−７に沿った断面図である。
図面について説明する。図１は、ＰＷＲ原子炉の炉心（図示せず）に用いられる公知の燃料エレメントとも呼ばれる燃料ピンアセンブリ１０の透視図である。図２は、燃料ピンのクラッド部の酸化層の平均厚みを示すグラフである。アセンブリ１０は、正方形に配列された複数の燃料ピン１２と、アセンブリを炉心に配置させる上ノズル１４および下ノズル１６と、ピン１２を互いにおよびアセンブリの軸に対して平行に整列させる構造要素としてのスペーサ・グリッド１８から構成されている。図１に示されるアセンブリの長さは約４ｍであり、長さ方向において燃料ピン間に介在する部分２０は取り除かれている。スペーサ・グリッド１８は、燃料ピン１２または嵌め管２２（図３、図４および図５を参照）を適切受容する複数の開口を有し、また燃料ピンを把持して相対的な移動とそれによる擦過損傷を防ぐための弾性を有する指状ばね部(spring  fingers)（図示せず）を開口内に有している。操業時に、冷媒水は下ノズル１６からアセンブリ１０内を上方に汲み上げられ、上ノズル１４を介して外部に抜ける。冷媒の攪拌を促進して燃料ピン１２の冷却を改善する乱流誘発羽根（図示されない）がグリッドに設けられている。
図２のグラフは、燃料ピンアセンブリを単に例示したに過ぎない図１の燃料アセンブリ１０に限るものではない。図２において、曲線３０は、クラッド部の酸化層の平均厚みと燃料ピン１２の軸方向位置の関係を示している。曲線３０において、複数の最大値３２と複数の最小値３４（簡単化するために、それぞれ、１つのみが矢印によって示されている）が燃料ピンの長さ方向の複数の位置に現れている。曲線３０に対応する燃料ピンアセンブリは、最大値とその前の最小値の間の位置、例えば、参照番号３６によって示される位置に配置される構造要素としてのスペーサグリッドを有している。酸化層の最も大きい平均厚みは、参照番号３８によって示される位置に現れ、この酸化層の最も大きい平均厚みは燃料ピンの有効寿命限界を示す酸化厚みである。この位置および可能であるならその前の最大値を示す位置４０における酸化厚みを減少させれば、燃料の完全な消費が可能になるか、またはより高い出力レベルで燃料アセンブリを操業させることが可能になるか、またはそれらの長所を組み合わせることが可能になる。
本発明による燃料ピンアセンブリにおいて、図３および図４に示されるような付加的なグリッド５０が設けられる。図３は、燃料ピンアセンブリの短軸部の領域の位置を示す透視図であり、図４はその平面図である。複数の燃料ピン１２が示され、各燃料ピンは燃料材（図示せず）が充填された管状外装部すなわちクラッド部２２を具備している。燃料ピン１２間には、原子炉の出力を制御する制御棒（図示せず）が貫通される嵌め管５２が介在している。グリッド５０はジルカロイ(Zircaloy)（商品名）のようなシート材から、燃料ピン１２および嵌め管５２が貫通する開口が配列された連続的なフレーム構造５６に、打ち抜き加工される。燃料ピン１２はこのフレーム構造５６に接触しないが、嵌め管５２はそれらが開口５８を貫通する位置６０において外側に向かってカシメられ、フレーム構造５６を把持し、それによって、グリッド５０を燃料ピン１２に対して望ましい位置と方向に配置する。打ち抜き加工中に、羽根として構成される乱流誘発手段６１がフレーム構造に一体的に形成される。羽根は、加工によって、元のシート材料の面から、燃料ピンアセンブリ１０内を矢印６２の方向に流通する冷媒水の乱流を最適化するような望ましい形状に屈曲される。グリッド５０は、燃料ピンの外周側リング６４の手前まで延在している。なぜなら、外周側リング６４は温度は低く、酸化層の厚みは薄いからである。グリッド５０は、最大値３８の近傍（および可能であるなら最大値４０の近傍）において、隣接するスペーサ・グリッド１８の中間に配置される。グリッド５０によって乱流が増加して冷媒の攪拌が改善され、グリッド５０の配置された位置における燃料ピンの温度が低下し、その結果酸化厚みが減少する。攪拌グリッド５０の容積または質量は小さいので、中性子捕獲によって付随的に生じる損失が著しく増すことはない。
図５は、異なった形状の乱流誘発羽根７０を有するごく一部を変更したグリッド５０を示している。他の特徴は、図２および図３における特徴と本質的に同様である。
図６および図７は、グリッド５０のフレーム構造５６のごく一部を示している。この変更例においては、フレーム構造を構成する個々の部材８０の一部またはすべてが、グリッドが打ち抜き加工またはプレス加工された元のシートの面からある角度だけ捩じられ、それによって冷媒における乱流を促進するように構成されている。図３、図４および図５を参照して述べたような羽根は、当該燃料アセンブリ１０の特定の幾何学的形状および必要条件に応じて、用いられてもよいしまたは用いられなくてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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