本発明は、沸騰水型原子炉の燃料アセンブリの燃料チャネルを製造する方法に関する。本発明は、そのような燃料チャネルおよび沸騰水型原子炉の燃料アセンブリにも関する。

沸騰水型原子炉(BWR;boiling water reactor)の燃料アセンブリにはいくつかの燃料棒があり、核燃料物質を含んでいる。燃料棒の束は燃料チャネルに取り囲まれ、燃料チャネルは燃料アセンブリの周囲壁を形成する。燃料アセンブリが原子炉内で運転中のときには、通常は水である冷媒が燃料アセンブリを上に向かって流れる。この水は、いくつかの機能を果たす。水は、燃料棒が過熱されないように冷却するための冷媒として機能する。水は、中性子減速材としても働く、すなわち水が中性子をより低速に減速する。これにより、炉の反応性が高められる。

水が燃料アセンブリの中を上向きに流れるので、燃料アセンブリの上方部では水がより大きく加熱されている。その結果、燃料アセンブリの上方部の蒸気の部分のほうが下方部の蒸気の部分よりも大きくなる。

運転中の燃料チャネルの内圧は、燃料チャネルの上方部よりも燃料チャネルの下方部のほうが高い。厚みが変動する燃料チャネルを生産することは公知である。燃料チャネルの薄肉部は、例えばフライス削りなど、材料が燃料チャネル壁から除去される何らかの加工によって得られることが多い。

特許文献1は、燃料チャネルを生産する方法を記載する。本文書の図4および図5は、まず2つのU字型形材が生産され、次にこれらの形材が溶接されて燃料チャネルが形成されることを示す。

特許文献2は、厚みが変動する燃料チャネルを記載する。

特許文献3は、チャネルボックスの内側表面を段階的に削ることによって得られる、厚みが変動する燃料チャネルを記載する(要約書を参照)。

特許文献4、特許文献5および特許文献6も、厚みが変動する燃料チャネルを示す。

米国特許出願公開第2006/0144484A1号明細書

米国特許第4,749,543号明細書

米国特許第4,970,047号明細書

欧州特許出願公開ドイツ語翻訳第697 16 188T2号明細書

特開平2‐216087号公報

特開昭53‐43193号公報

本発明の目的は、沸騰水型原子炉の燃料アセンブリの燃料チャネルを製造するための改良された方法を提供することである。それによる目的は、燃料チャネルの生産を単純化することである。さらなる目的は、燃料チャネルを生産する際により少ない材料を使用することである。さらなる目的は、燃料チャネルの性能を単純なやり方で最適化することを可能にすることである。もう1つの目的は、燃料チャネルを生産するための費用を節約することである。

上記目的は、請求項1に規定された燃料アセンブリによって達成される。

燃料チャネルは、互いに接合される厚みの異なる少なくとも第1のシートおよび第2のシートで製造されるため、燃料チャネルを単純なやり方で製造できる。例えば、燃料チャネルの厚みを変動させるために、フライス削りによって材料を除去する必要はない。さらに、薄肉シートが厚肉シートと接続されるため、燃料チャネルの厚みが一定である場合または例えばフライス削りによって材料が除去される場合と比較して、材料が節約される。燃料チャネルの高方部は薄肉シートで製造されるため、燃料チャネルの性能を最適化することが可能である。例えば、燃料チャネルの上方部において燃料チャネルの内側横断面積がより大きくなるように、第2の薄肉シートを設けることができる。これは、燃料チャネルの上方部における圧力降下の減少に寄与する。さらに、燃料チャネルは厚肉の下方部を有し、これは比較的長いため、運転中に下方部に生じるより高い圧力によく適する。さらに、本発明による燃料チャネルは単純なやり方で生産されるため材料も節約され、燃料チャネルを生産する費用が減少する。

燃料チャネルは、例えばボックスもしくはボックス壁またはチャネル壁とも呼称されうる点に注意されたい。

燃料チャネルは通常、その幅(例えば約1.5dm)と比較して非常に長い(例えば約4m)。したがって燃料チャネルは長さ方向を有し、長さ方向は燃料チャネルの中心縦軸によって定められうる。

原子炉における使用時には、燃料アセンブリおよび燃料チャネルは、主に垂直方向に延びるのが好ましい。したがって、使用時の長さ方向は垂直方向である。「下方」および「高方」の概念および類似の表現は、燃料チャネルを意図した使用位置に配置したときに見られる燃料チャネルの様々な部分を指すために用いられる。

原子炉は、軽水炉であるのが好ましい。

「第1」および「第2」などの概念は、異なる部分を互いに区別するために用いられ、したがって、ある数の部分を指示するものと考えられてはならない。例えば、燃料アセンブリの下方部を一緒に形成するいくつかの「第1のシート」があることも可能である。

Zrベースの材料とは、材料の大部分がZrからなることを意味し、Zr含有量(重量パーセント単位)は、少なくとも94%、好ましくは少なくとも97%でありうる。Zrベースの材料はBWRでの使用のために設計された合金、例えばジルカロイ2もしくはジルカロイ4等の合金、もしくはこのような合金の改変物、またはBWRでの使用に適した他の任意のZrベースの合金とすることができる。

少なくとも1つの第1のシートは厚みが一定であり、少なくとも1つの第2のシートは厚みが一定であり、組み立てられた燃料チャネルは、少なくとも1つの第1のシートが位置する箇所の厚みが一定の第1の厚みであり(例えばシートを曲げる際に変形によって引き起こされる、考えられる小さな局所的誤差を除く)、少なくとも1つの第2のシートが位置する箇所の厚みが一定の第2の厚みである(例えばシートを曲げる際に変形によって引き起こされる、考えられる小さな局所的誤差を除く)のが好ましい。

本発明の方法の一実施形態によれば、前記高方部は、燃料チャネルの長さの20〜75%を構成し、燃料チャネルの長さの30〜50%を構成するのが好ましい。運転中の燃料チャネルの内圧が燃料チャネルの下方部よりも低い箇所にこのような高方部を配置するのが適切であるため、このような高方部の長さが適切であることが分かっている。したがってこのような高方部には、より薄肉のシートを使用すれば十分である。

好ましくは、前記下方部と前記高方部とが合わせて燃料チャネルの長さの少なくとも60%を形成し、少なくとも90%を形成するのが好ましく、燃料チャネルの長さの100%を形成するのが最も好ましい(燃料チャネルは壁であり、使用時に燃料アセンブリの燃料棒(の束(単数または複数))を取り囲む)。燃料チャネルが、前記下方部および前記高方部に加えていくつかのさらなる部分を含むことは、本発明の範囲内である。例えば、前記第2の厚みより小さい第3厚みを有する少なくとも1つの第3シートで製造された第2高方部があり、前記少なくとも1つの第3シートは、前記(第1)高方部より上に位置する燃料チャネルの第2高方部を形成し、前記少なくとも1つの第2のシートが前記少なくとも1つの第3シートと接合されて前記(第1)高方部が前記第2高方部と接合されてもよい。同様に、(第1)下方部より下に位置し、前記第1のシートより厚肉のシートで製造された第2下方部があってもよい。このようなさらなる部分により、燃料チャネルの厚みを燃料アセンブリの様々な部分の要件に適合させることができる。

本発明の方法のさらなる実施形態によれば、前記第2の厚みは、前記第1の厚みの40〜85%であり、前記第1の厚みの55〜80%であるのが好ましい。このような厚みは、十分な強度を提供すると同時に(第2の厚みが第1の厚みと同じである場合と比較して)水または蒸気により多くのスペースを提供するために第2のシートを十分に薄くするため、および使用される材料の量を減少させるために適切であることが分かっている。

本方法のさらなる実施形態によれば、前記第1の厚みは2.00〜3.50mmであり、2.00〜3.00mmであるのが好ましく、2.20〜2.80mmであるのがより好ましい。このような厚みは、不必要に厚いシートを使用することを回避すると同時に、第1のシートが配置される下方部に十分な強度を提供するために適当であることが分かっている。

本方法のさらなる実施形態によれば、前記下方部と前記高方部との間の継手は、溶接またははんだ付けにより形成され、溶接により形成されるのが好ましい。特に溶接を用いることにより、燃料チャネルを単純かつ効率的なやり方で生産でき、このような継手は十分な強度も提供する。

溶接は例えばTIG溶接でもよいが、他の溶接方法が用いられてもよい。溶接継手は、例えば突合せ溶接によって形成されてもよい。

本方法のさらなる実施形態によれば、組み立てステップは、形成された燃料チャネルの高方部の横断面内側面積が下方部の横断面内側面積より大きくなるように行われる。高方部により大きい内側面積を提供することによって、高方部のスペースがより大きくなる。運転中には、燃料アセンブリの高方部は大量の蒸気を含む。高方部により大きい面積を提供することにより、水の圧力降下が減少する。これにより、高方部内の水が燃料アセンブリをより効率的に流れることができる。

このように内側面積は、燃料チャネルの壁の内側によって制限される燃料チャネルの内側の面積であり、燃料チャネルの壁は少なくとも前記少なくとも第1および第2のシートによって形成される。このように横断面は、燃料チャネルが垂直に延びる意図された使用位置で燃料チャネルを見た場合の水平断面である。高方部の横断面内側面積は下方部の横断面内側面積より例えば0.7〜4.0%、好ましくは1.0〜4.0%、より好ましくは1.5〜3.0%大きくてもよい。

燃料チャネルは、横断面形状が長方形であるのが好ましく、横断面形状が正方形であるのがより好ましい。高方部の対向する2つの側部間の内側距離は、下方部の対向する2つの側部間の内側距離より少なくとも0.50mm大きいのが好ましく、少なくとも0.80mm大きいのが好ましく、少なくとも1.30mm大きいのがより好ましい。

本方法のさらなる実施形態によれば、組み立てステップは、形成された燃料チャネルの高方部の外側横断面積が下方部の外側横断面積と同じであるかまたは少なくとも実質的に同じであるように行われる。このようにして、高方部の内部横断面積を大きくすると同時に平滑な外部表面が得られる。

このように外側横断面積は、燃料チャネルの壁の外側によって囲まれた面積であり、燃料チャネルの壁は前記少なくとも第1および第2のシートによって形成される。

ここで「実質的に同じ」とは、高方部の外側横断面積と下方部の外側横断面積との差が0.50%未満であることを意味する。この差は、0.25%未満であるのが好ましく、差が0であるのがより好ましい。

上記のように、燃料チャネルは、長方形の横断面形状を有するのが好ましく、正方形の横断面形状を有するのがより好ましい。この場合、高方部の外側横断面積が下方部の外側横断面積と少なくとも実質的に同じである場合、高方部の対向する2つの外側部間の距離と下方部の対向する2つの外側部間の距離との差は0.5mm未満であるのが好ましく、0.4mm未満であるのがより好ましく、0.0mmであるのが最も好ましい。

代替的な実施形態によれば、組み立てステップは、形成された燃料チャネルの高方部の外側横断面積が下方部の外側横断面積より小さくなるように行われる。高方部の外側横断面積をより小さくすることによって、運転中に燃料アセンブリを取り囲む水が、燃料アセンブリ内に配置された燃料棒により近くなる。これは、燃料棒の減速の改良をもたらす。本実施形態においては、下方部の外側横断面積は上方部の外側横断面積より例えば0.6〜4.0%、好ましくは1.0〜4.0%、より好ましくは1.5〜3.0%大きくてもよい。燃料チャネルの横断面形状が長方形である場合、特に横断面形状が正方形である場合には、下方部の対向する2つの外側部間の距離は上方部の対向する2つの外側部間の距離より少なくとも0.60mm大きいのが好ましく、少なくとも0.80mm大きいのがより好ましく、少なくとも1.30mm大きいのが最も好ましい。本実施形態によれば、高方部の横断面内側面積は、下方部の横断面内側面積と同じ(または少なくとも実質的に同じ)であるか、または下方部の横断面内側面積より大きくてもよい。高方部の横断面内側面積が下方部の横断面内側面積と同じである場合、例えば高方部および下方部に配置されるスペーサ格子に同じ寸法を用いることが可能である。

本方法のさらなる実施形態によれば、前記少なくとも1つの第1のシートは前記少なくとも1つの第2のシートと両シートが平坦なときに接合され、その後、接合されたシートが場合によっては他の要素と一緒に構成されて設けられ、その結果内側スペースを取り囲む燃料チャネルが形成される。両シートが平坦なときにシートを互いに接合することが容易であることが分かっている。したがって本実施形態は、シートを接合する単純なやり方を提供する。

代替的なやり方によれば、少なくとも1つの第1のシートが内側スペースを取り囲む燃料アセンブリの下方部に形成され、少なくとも1つの第2のシートが内側スペースを取り囲む燃料アセンブリの高方部に形成され、その後、このように形成された下方部および高方部が互いに接合される。

本発明は、沸騰水型原子炉の燃料アセンブリの燃料チャネルにも関する。燃料チャネルは、使用時に実質的に垂直方向に対応する長さ方向を定める。燃料チャネルは、 Zrベースの材料の少なくとも1つの第1のシートであって、第1の厚みを有する、少なくとも1つの第1のシートと、 Zrベースの材料の少なくとも1つの第2のシートであって、前記少なくとも1つの第2のシートは、第2の厚みを有し、前記第2の厚みは前記第1の厚みより小さい、少なくとも1つの第2のシートと、 を含み、 前記少なくとも1つの第1のシートおよび前記少なくとも1つの第2のシートは、考えられるさらなる要素と一緒に前記燃料チャネルを形成するように成形されて設けられ、前記少なくとも1つの第1のシートは燃料チャネルの下方部を形成し、前記少なくとも1つの第2のシートは燃料チャネルの高方部を形成し、前記少なくとも1つの第1のシートは前記少なくとも1つの第2のシートと接合されており、その結果、形成された継手が前記少なくとも1つの第1のシートが前記少なくとも1つの第2のシートと接合されている箇所に設けられ、前記継手は、前記下方部と前記高方部との間の継手も形成し、 前記下方部と前記高方部との間の継手は、下方部が燃料チャネルの長さの20〜75%を構成するように位置する。

このような燃料チャネルは、燃料チャネルを製造する方法と関連して前述した特性に対応する有利な特性を有する。

燃料チャネルのさらなる実施形態は、従属クレームに規定され、本発明による方法の実施形態と関連して前述した利点に対応する利点を有する。

本発明は、沸騰水型原子炉の燃料アセンブリにも関する。燃料アセンブリは、 互いに実質的に平行に設けられた複数の燃料棒であって、核燃料物質を含む、燃料棒と、 燃料棒を互いに対して所定の位置に保持するように設けられた複数のスペーサ格子と、 上述の燃料チャネルであって、前記燃料棒と前記スペーサ格子とを取り囲むように設けられた、燃料チャネルと、 を含む。 このような燃料アセンブリは、燃料チャネルおよび燃料チャネルを製造する方法と関連して上に説明したような有利な特性を有する。

本発明の燃料アセンブリの一実施形態に係る概略的側断面図である。

図1の燃料チャネルの第1のシートと第2のシートとが接合される領域の概略的側断面図である。

燃料チャネルの別の実施形態に係る燃料チャネルの図2と類似の概略図である。

接合されて燃料チャネルを形成する2つの形材の概略的横断面図である。

互いに接合された後の形材の図4と同じ概略的横断面図である。

本発明の方法の一実施形態に係る概略的フローチャートである。

ここで本発明の燃料アセンブリの実施形態を、まず図1および図2を参照して説明する。

図1は、沸騰水型原子炉(BWR)の燃料アセンブリ8を概略的に示す。燃料アセンブリ8は、複数の燃料棒18を含む。燃料棒18は互いに実質的に平行に設けられ、実質的に燃料アセンブリ8の長さ方向LDに延びる。燃料棒18は、核燃料物質20を含む(燃料棒18のうちの1つの少数の燃料ペレットとして図示されるにとどまる)。複数のスペーサ格子22が、燃料棒18を互いに対して所定の位置に保持するように設けられる。燃料チャネル10は、燃料棒18とスペーサ格子22とを取り囲むように設けられる。

燃料アセンブリ8は、底板24および上板28も含み、その間に燃料棒18が設けられる。燃料アセンブリ8は、下方トランジションピース26も含み、これが使用時に燃料アセンブリ8を通って流れる冷媒すなわち水の入口を形成する。

燃料アセンブリは1つ以上の水チャネル30も含み、これを通って非沸騰水が流れうる。燃料アセンブリ8の頂部には、燃料アセンブリ8の輸送を容易にするために、ハンドル32が設けられる。

図1は、本発明による燃料アセンブリの1つの可能な実施形態を示すにすぎない点に留意する必要がある。燃料アセンブリの他の設計も可能である。例えば、燃料アセンブリは、図1に示される種類の上板および底板を有する必要はない。例えば、代替的実施形態によれば、燃料アセンブリは、図1に示すような上板28を一切有しない。代わりに、スペーサ格子22によって燃料棒18が適所に保たれ、例えば上方持上デバイスまで延びる(非沸騰水用の)1つ以上の水チャネルによって、または一端が水チャネル(単数または複数)に取り付けられ、他端が上方持上デバイスに取り付けられた支持要素(例えば支持棒)によって燃料アセンブリ全体が一緒に保たれてもよい。

図1に示される燃料チャネル10(この燃料チャネル10は、本発明による燃料チャネルの一実施形態を示す)は、Zrベースの材料の少なくとも1つの第1のシート11を含む。第1のシート11は、第1の厚みTを有する。1つ以上のこのような第1のシート11が、燃料チャネルの下方部LPを形成する。

燃料チャネル10は、Zrベースの材料の少なくとも1つの第2のシート12も含む。第2のシート12は、第2の厚みtを有する。第2の厚みtは、第1の厚みT未満である。1つ以上の前記第2のシート12が、燃料チャネル10の高方部HPを形成する。

1つ以上の第1のシート11および1つ以上の第2のシート12は、溶接継手14が形成されるように溶接によって互いに接合される。溶接継手14は、例えばTIG溶接によって形成されうる。このように溶接継手14は、少なくとも1つの第1のシート11が少なくとも1つの第2のシート12と接合されている箇所に設けられる。したがって溶接継手14は、前述の下方部LPと高方部HPとの間の継手も形成する。

第1のシート(単数または複数)11の厚みTは、例えば2.50mmとすることができる。第2のシート(単数または複数)12の厚みtは、例えば1.60mmとすることができる。

図1に示した実施形態によれば、燃料チャネル10全体が、記載された2つの異なる厚みのシートで製造される。しかし、前述したように、燃料チャネルのさらなるセクションが存在し、燃料チャネルを構成するシートのさらなる厚みが伴うことも本発明の範囲内である。

燃料チャネル10は長さがLであり、これは例えば4.0mでありうる。下方部LPは、第1の厚みTのシート(単数または複数)11で製造され、長さがl₁である。高方部HPは、第2の厚みtのシート(単数または複数)12で製造され、長さがl₂である。l₁は例えば1.6mとすることができ、l₂は例えば2.4mとすることができる。

図1および図2に示した実施形態では、燃料チャネル10の高方部HPの横断面内側面積は、下方部LPの横断面内側面積より大きい。高方部HPの外側横断面積は、下方部LPの外側横断面積と同じである。

燃料チャネル10は、横断面形状が正方形でありうる。図2は、そのような燃料チャネル10の側断面図を概略的に示す。下方部LPの対向する2つの外側部間の距離D_xは、例えば140mmとすることができる。高方部HPの対向する2つの外側部間の距離は、図2のd_xによって示される。このように本実施形態によれば、D_xはd_xに等しい。

本実施形態によれば、下方部LPの対向する2つの側部間の内側距離D_iは、135mmとすることができる。高方部HPの対向する2つの側部間の内側距離d_iは、本実施形態によれば、136.8mmとすることができる。

図3は、本発明の燃料チャネル10の別の実施形態の図2と同じ図を示す。本実施形態によれば、燃料チャネル10は、内側横断面積が一定である。燃料チャネル10は、本実施形態でも横断面形状が正方形である。下方部LPの対向する2つの外側部間の距離D_xは、本実施形態においても例えば140mmとすることができる。下方部LPの対向する2つの側部間の内側距離D_iは、135mmとすることができる。したがって本実施形態によれば、高方部HPの対向する2つの側部間の内側距離d_iも135mmとすることができる。高方部HPの対向する2つの外側部間の距離d_xは、本実施形態によれば138.2mmとすることができる。

さらなる実施形態(図示せず)によれば、燃料チャネル10の設計は、図2および図3に示した実施形態の中間である。本実施形態でも、燃料チャネル10は横断面形状が正方形でありうる。下方部LPの対向する2つの外側部間の距離D_xは、本実施形態においても例えば140mmとすることができる。下方部LPの対向する2つの側部間の内側距離D_iは、135mmとすることができる。本実施形態によれば、高方部HPの対向する2つの側部間の内側距離d_iは、135.9mmとすることができる。高方部HPの対向する2つの外側部間の距離d_xは、本実施形態によれば139.1mmとすることができる。

次に図6のフローチャートならびに図4および図5を参照して、本発明による方法の一実施形態を説明する。

本実施形態によれば、Zrベースの材料の第1のフラットシート11が提供される。第1のシート11は、第1の厚みTを有する。

同じZrベースの材料の第2のフラットシート12が提供される。第2のシート12は、T未満である第2の厚みtを有する。これらのシートは、溶接によって互いに接合される。このようにして第1のフラット結合シート11、12が得られる。

第2のこのような結合シート11、12を形成するために、上記ステップが繰り返される。第1の結合シートは、図4の上部に示すようにU形材に成形される。第2の結合シートも、図4の下部に示すようにU形材に成形される。その後これらの2つのU形材が、図5に示すように溶接により接合される。このようにして2つの溶接継手34が生産され、燃料チャネル10の(および燃料チャネル10が燃料アセンブリ8の一部であるときには燃料アセンブリ8の)長さ方向LDに延びる。燃料チャネル10は、内側スペース16を形成する。

様々な部分の寸法は、例えば燃料チャネル10および燃料アセンブリ8の実施形態において上に示した通りに選択される。したがって形成された燃料チャネル10は、例えば高方部HPの横断面内側面積が下方部LPの横断面内側面積より大きくなりうる。高方部HPの外側横断面積は、例えば下方部LPの外側横断面積と同じであってもよい。

上に示したように、本発明により燃料チャネル10を製造するその他の様式が存在する。したがって、例えば第1の厚みTの第1のシート11の2つのU形材をまず形成し、それからこれらの2つのU形材を接合することが可能である。この後、第2の厚みtの第2のシート12でもう2つのU形材が形成され、これらのU形材が接合される。このようにして、下方部LPを形成すべき1つの燃料チャネルセクションが形成され、高方部HPを形成すべき1つの燃料チャネルセクションが形成される。その後、これらの2つのセクションが溶接によって互いに接合される、すなわち継手14が形成される。

本発明は、本明細書に記載の例に限定されず、以下の特許請求の範囲内で変更および修正されることができる。