JP2013543125A - 原子炉の制御棒アセンブリ用の支持構造 - Google Patents

Abstract

中央通路を画定する２つまたは２つ超のカラム状要素の自立積層体を含む制御棒ガイドフレームが提供される。カラム状要素は、自立積層体の隣り合うカラム状要素間の各支台位置で合致する合致用特徴部を含み得る。制御棒ガイドフレームは、少なくとも１つの制御棒に作動上連結した制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）と組み合わせて好適に使用され、ＣＲＤＭは少なくとも１つの制御棒を制御棒ガイドフレームのガイド下に制御棒を原子炉炉心に関して出し入れさせる。別の実施例では制御棒ガイドフレームが、中央通路に沿った位置の関数としての一定断面を有する中央通路を画定する２つまたは２つ超のカラム状要素の積層体を含む。他の実施例では制御棒ガイドフレームが、連続的な制御棒ガイドを提供する、押し出し成形したカラム状要素を含む。

Description

本発明は原子炉、核反応制御装置、制御棒アセンブリ、及び関連の各技術に関する。

原子炉プラントにおける原子炉炉心は、所望の核分裂連鎖反応が持続するように選択されたサイズ及び構成の核分裂性物質を含む。反応減速用に、軽水反応炉では軽水（Ｈ₂Ｏ）、重水反応炉では重水（Ｄ₂Ｏ）等の中性子吸収媒体が提供され得る。中性子吸収物質を含む“制御棒”を炉心内部の整列通路に挿入することで反応を制御または停止させ得る。挿入された制御棒は中性子を吸収して連鎖反応を減速または停止させる。制御棒は複数の制御棒駆動機構（以下、ＣＲＤＭとも称する）により操作する。所謂“グレイ”制御棒は、反応速度を連続調節自在に制御するよう連続調節下に挿入される。所謂“シャットダウン”制御棒は、完全挿入かまたは完全引き抜きの何れかにおいて挿入される。シャットダウン制御棒は、通常運転中は炉心から完全に引き抜かれ、ＳＣＲＡＭ中は連鎖反応を急速に停止させるよう素早く完全挿入される。制御棒は、グレイ及びシャットダウンの両制御棒として機能するようにも設計され得る。代表的には、ＣＲＤＭに連結され且つ複数の制御棒を支持する“スパイダ”あるいはその他連結要素において終端する連結棒を含むアセンブリにより、１つのＣＲＤＭに多数の制御棒が連結される。そのようなアセンブリにおいて、ＣＲＤＭが複数の制御棒をスパイダ及び連結棒と共に単一ユニットとして作働させる。

制御棒は、炉心からその一部または全部が引き抜かれると、炉心内の整列通路との正確な整列が維持されるよう制御棒ガイドフレームにより支持される。代表的なあるガイドフレーム構成では、離間する複数のガイドプレートが１つのフレームで相互固定される。運転時は各制御棒は各ガイドプレートの開口により案内される。この設計のガイドフレームには、重量及び材料コストが小さいこと及び、開放性が十分高いために一次冷却水の流れインピーダンスが限定されることを含む利点がある。ガイドプレートにより制御棒案内面を画定することで、高精度金属加工のために好都合な平面形態も提供される。

原子炉の制御棒アセンブリ用の支持構造を提供することである。

本発明の１様相によれば、制御棒ガイドフレームを含む装置であって、前記制御棒ガイドフレームが、中央通路にして、前記中央通路に沿った位置の関数としての一定断面を有する中央通路を画定する２つまたは２つ超のカラム状要素の積層体を含む装置が提供される。
本発明の他の様相によれば、制御棒ガイドフレームを含む装置であって、前記制御棒ガイドフレームが、中央通路にして、前記中央通路に沿った位置の関数としての一定断面を有する中央通路を画定する２つまたは２つ超のカラム状要素の積層体と、前記制御棒ガイドフレームの中央通路と平行に整列する少なくとも１つの制御棒を含む制御棒アセンブリと、を含み、少なくとも１つの制御棒が制御棒ガイドフレームの中央通路を出入りするように可動であり、前記中央通路内に配置された少なくとも１つの制御棒の任意部分が、前記中央通路内に配置された少なくとも１つの制御棒の前記任意部分の全長さに渡り前記中央通路により案内される装置が提供される。

本発明の他の様相によれば、上述した如き装置であって、制御棒アセンブリと作動上連結された制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）にして、制御棒ガイドフレームの中央通路への少なくとも１つの制御棒の出入り動作を制御する制御棒駆動機構と、炉心と、原子炉圧力容器にして、前記炉心、制御棒ガイドフレーム、少なくとも１つの制御棒、を少なくとも含む原子炉圧力容器と、を含み、前記少なくとも１つの制御棒が、移動して前記制御棒ガイドフレームの中央通路を出るに従い炉心内に移動し、移動して前記制御棒ガイドフレームの中央通路に入るに従い炉心を出る装置が提供される。

本発明の他の様相によれば、制御棒アセンブリを含む装置であって、前記制御棒アセンブリが、複数の制御棒と、少なくとも１つの制御棒をその内部に引き抜き得る中央通路を画定する制御棒ガイドフレームと、を含み、前記中央通路が、複数の制御棒における各制御棒の、前記中央通路内に引き抜かれる全長さ部分に沿った連続的案内を提供する装置が提供される。
本発明の更に他の様相によれば、制御棒ガイドフレームを含む装置であって、前記制御棒ガイドフレームが、中央通路を画定する２つまたは２つ超のカラム状要素の積層体を含む装置が提供される。
本発明の他の様相によれば、制御棒ガイドフレームを含む装置であって、前記制御棒ガイドフレームが、中央通路を画定する２つまたは２つ超のカラム状要素の自立する積層体を含み、前記制御棒ガイドフレームが、前記２つまたは２つ超のカラム状要素の自立する積層体を支持する外骨格を含まない装置が提供される。

本発明の更に他の様相によれば、前述の如き装置であって、前記カラム状要素が、前記積層された隣り合うカラム状要素間の合端位置で合致する合致用特徴部を含む装置が提供される。本発明の他の様相によれば、前述の如き装置であって、制御棒アセンブリに作動上連結した制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）と、炉心とを含み、前記制御棒駆動機構が、前記制御棒ガイドフレームの案内下に少なくとも１つの制御棒を炉心の内外に移動させる装置が提供される。

本発明の他の様相によれば、中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を形成するステップと、前記少なくとも１つのカラム状要素を含む制御棒ガイドフレームを構成するステップとを含む方法が提供される。
本発明の更に他の様相によれば、各々が中央通路を画定する複数のカラム状要素を形成するステップと、前記カラム状要素を端部突き合わせ状態で積層して単一の制御棒ガイドフレームを構成するステップと、を含む方法が提供される。
本発明の他の様相によれば、前述の如き方法であって、カラム状要素を形成するステップが、中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を押し出し形成するステップを含む方法が提供される。本発明の他の様相によれば、前述の如き方法であって、カラム状要素を形成するステップが、中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素をキャスチングするステップを含む方法が提供される。本発明の更に他の様相によれば、前述の如き方法であって、カラム状要素を形成するステップが、中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を放電加工（ＥＤＭ）により形成するステップを含む方法が提供される。

原子炉の制御棒アセンブリ用の支持構造が提供される。

図１は、例示的な連続する制御棒ガイドフレームを含む例示的な原子炉圧力容器の下方部分の略断面斜視図である。 図２は、制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）及び制御棒束を有する、図１の例示的な連続する制御棒ガイドフレームの斜視図である。 図３は、図１及び２の制御棒ガイドフレームの略斜視図である。 図４は、連結棒及び連結要素を断面で表す、図１〜図３の制御棒ガイドフレームの側方からの断面斜視図である。 図５は、図４の連結要素の斜視図である。 図６は、図４の連結要素の側部を断面で示す斜視図である。 図７は、図１〜４の制御棒ガイドフレームを含むカラム状要素の側面図である。 図８は、図７の線Ａ−Ａに沿った断面図である。 図９は、図７の線Ｂ−Ｂに沿った断面図である。 図１０は、図７〜９に示す実施例における積層した３つのカラム状要素の、その内部に格納した連結要素及び２つの代表的な制御棒を仮想線で示す略側面図である。 図１１は、離間した２つの連続的な制御棒ガイドフレームを含む別態様における制御棒ガイド構造の略斜視図である。

離間したガイドプレートを外側フレームで相互固定した開放型の制御棒ガイドフレームには、重量や材料コスト及び一次冷却材の流れ抵抗が小さく、また、製造上好都合であるといった利益がある。しかしながらこのガイドフレーム構成には数多くの欠点がある。制御棒は、挿入時に大きな抵抗を受けると各ガイドプレート間の空間内で反る恐れがある。そのような反りは、制御棒ガイドフレーム内で制御棒アセンブリ（即ち、単一のスパイダあるいはその他連結要素で１本の連結棒に纏めて固定した複数の制御棒）がスタックする原因となり得る。反応性制御を受け入れ可能状態に維持する上でグレイロッドが不可欠である場合、仮にそれらグレイロッドがスタックすれば少なくとも相当の不都合が生じ得、修理のために反応容器を開放させる必要も生じ得る。ハイブリッド及びまたはシャットダウン制御棒の場合、制御棒の反りに起因する挿入障害は誤動作中の原子炉の正常ＳＣＲＡＭを遅延あるいは妨害さえし得る。

シャットダウンスピードや堅牢性は、制御棒の反りに関わる問題の１つである。ＳＣＲＡＭ中のハイブリッド制御棒または制御棒の挿入速度はシャットダウン速度に影響する。各ガイドプレート間の空間で制御棒が反る恐れがあり、大き過ぎると制御棒が曲がることから、炉心方向への制御棒駆動力（従って速度）には上限がある。上限付き駆動力は信頼性にも悪影響を与え得る。炉心内への制御棒挿入が阻止または妨害される恐れがある。制御棒挿入を阻止または妨害する原因となるものには、例えば、高反応時の熱膨張により更に悪化すると思われる、原子炉容器内の堆積物あるいはその他汚染物、あるいはガイドプレートのガイド面及びまたは炉心内の整列通路のバリその他欠陥部あるいはその他が含まれる。制御棒ＳＣＲＡＭ時の駆動力が小さいと制御棒挿入の阻止または妨害の問題が解消される見込みが薄く、かくしてＳＣＲＡＭが失敗する恐れがある。

離間するガイドプレートを使用する場合、スパイダあるいはその他の連結要素が特定の案内プレートと常時整合しないという別の問題がある。スパイダは、離間するガイドプレート間では一次冷却材の水平方向流れ成分等の水平方向力により、あるいは原子炉自体の（例えば地震中の、あるいは洋上原子炉の場合は常時の）動きにより移動し易い。スパイダの水平方向のいかなる動きも、スパイダに装着した制御棒の不整合化と、それによる損傷の恐れを増大させる。

離間するガイドフレームを使用する場合、制御棒に流体関連振動が作用するという更に別の問題がある。例えば、ガイドプレートを振動“静止”点とすると、離間するガイドプレートが支持する固有振動モードは、これら各ガイドプレート間の空間の数倍の波長（または“半波長”）のものであり得る。それらの振動は反応性制御の安定化に悪影響を及ぼし得、材料を疲労させ、結局は制御棒を破損させ得る。

前述の問題は、連続的支持体を提供するガイドフレームにより解消される。その場合、制御棒の反りは完全に阻止または防止される。それにより、ＳＣＲＡＭ中の炉心内への制御棒駆動力をもっと大きくし得、かくして、反応性シャットダウン速度及び信頼性が改善される。スパイダあるいはその他の連結要素はその制御棒の完全引き抜き及び完全挿入の各位置間の全ての地点でガイドフレームにより支持され得るようにもなる。連続的支持体により、振動もまた完全に阻止または排除される。

図１を参照するに、原子炉の圧力容器１０の関連部分が示され、圧力容器１０の底部に近位して位置付けた炉心支持枠１２を有している。炉心支持枠１２は、例えば、濃縮酸化ウラン（即ち、高²³⁵Ｕ／²³⁸Ｕ比化処理済みＵＯ₂）等の放射性物質を格納または含む炉心（図示せず）を含みまたは格納する。制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）ユニット１４が略示される。本実施例のＣＲＤＭユニット１４は圧力容器１０内に配置した内部型ＣＲＤＭであるが、別態様では外部型ＣＲＤＭを用い得る。図１では、単一のＣＲＤＭユニット１４を例示したが、より一般的には異なる複数の制御棒を各々連結した多数のＣＲＤＭユニットが存在する（それら追加的ＣＲＤＭユニットは図１には示されないが、圧力容器１０にはそれらの追加ＣＲＤＭユニット用のスペースが示される）。

ＣＲＤＭユニット１４の下方には、図１の斜視図では連結棒（図１では示さず）を隠している制御棒ガイドフレーム１６が配置される。制御棒ガイドフレーム１６の下方には複数の制御棒１８が配置される。図１では制御棒１８は、炉心支持枠１２に最大限挿入した完全挿入位置で示される。前記完全挿入位置において、スパイダあるいはその他の連結要素（やはり図１には示さない）が制御棒ガイドフレーム１６内の下方位置２０に位置付けられる。図１の例示実施例ではＣＲＤＭユニット１４及び制御棒ガイドフレーム１６はスタンドオフ２２により離間され、前記スタンドオフは、ＣＲＤＭユニット１４及び制御棒ガイドフレーム１６に夫々連結した各端部を有する中空管にして、連結棒（図１では示さず）がそこを貫く中空管を含んでいる。制御棒ガイドフレーム１６の下方端部は炉心支持枠１２の上方部分であり得、あるいは、炉心支持枠１２の上端部の上方に別個に取り付けたプレートであり得る支持プレート２４に連結される。

図１には本実施例の圧力容器１０の下方部分のみが示される。運転中の原子炉では本実施例の開放上端２６には、圧力容器１０の本実施例の下方部分と共に、炉心（本実施例の炉心支持枠１２で示される）、制御棒１８、制御棒ガイドフレーム１６、内部型のＣＲＤＭユニット１４、を格納する包囲された圧力容積を形成するところの１つまたは１つ超の圧力容器部分が連結される。別態様ではＣＲＤＭユニットは外部型のものであり、原子炉の圧力容器上方に位置付けられる。その場合、外部型のＣＲＤＭユニット１４は制御棒／ＣＲＤＭ連結アセンブリにより制御棒に連結され、前記アセンブリの連結用ロッドが圧力容器の上方部分内のポータルを貫いて伸延する。

図２を参照するに、制御アセンブリが示され、ＣＲＤＭユニット１４、制御棒ガイドフレーム１６、介在するスタンドオフ２２を含み、制御棒１８は原子炉圧力容器から分離した状態で例示されている。制御棒／スパイダは図２でも制御棒ガイドフレーム１６及びスタンドオフ２２でやはり隠れて見えない。

図３を参照するに、その他コンポーネント（ＣＲＤＭ、制御棒及びその他）から分離した状態で制御棒ガイドフレーム１６の斜視図が示される。制御棒ガイドフレーム１６は、離間するガイドプレートから構成されるのではなくむしろ連続的なガイドフレームである。図示されるガイドフレームは、一般に、１つまたは１つ超のカラム状要素を含む。本実施例の制御棒ガイドフレーム１６は、本実施例の制御棒ガイドフレーム１６を構成する同一の７つのカラム状要素３０の積層体を含む。しかしながら、カラム状要素数は１〜６、図示した７、８〜１０あるいはそれ以上であり得る。更には、本実施例の７つのカラム状要素３０はすべて相互に同一であるが、そうである必要はない。例えば、異なるカラム状要素は高さが相違し得、あるいは、流路（以下に随意的特徴構成として議論される）あるいはその他を含むもの、または含まないもの等様々であり得る。

カラム状要素３０の隣り合う対は合端３１位置で連結される。（この点は、カラム状要素数が１である限定ケースでは隣り合うカラム状要素が存在しないため該当しない）。本実施例のカラム状要素３０は７個であるため、合端３１の数は７-１＝６となる。より一般的には、Ｎ個のカラム状要素を積層した場合の合端数はＮ−１である。本実施例の制御棒ガイドフレーム１６はカラム状要素３０の自立する積層体（例示では７層）を含む。カラム状要素３０の積層体を支持する外骨格は存在しない。（この点は図３において、外骨格が省略された、つまり、制御棒ガイドフレーム１６には含まれないことを示すべく外骨格Ｅｘを点線で示す）。しかしながら他の実施例では、カラム状要素の積層体をある程度支持する外骨格を含むことが意図される。

各カラム状要素３０はカラム高さｈを有し、かくして、同一の７つのカラム状要素３０を有する本実施例の制御棒ガイドフレーム１６のカラム高さＨ＝７ｈとなる。より一般的には、前記高さは各カラム状要素の高さの合計値である。カラム状要素数が１である限定的なガイドフレームではＨ＝ｈである。本実施例の制御棒ガイドフレーム１６はその上端部に、スタンドオフ２２（図２参照）を介してＣＲＤＭユニット１４に連結し得る上方プレート３２が含まれ、その下端部には、炉心支持枠１２の上方部分または近位する支持プレート２４（図１参照）を含む。図示されないが、制御棒ガイドフレーム１６とＣＲＤＭユニット１４及びまたは支持プレート２４との連結を容易化する取り付け用ブロックあるいはその他の介在コンポーネントを含むことが意図される。前記高さの値は、上部及びまたは下部の各プレート３２、３４あるいは、ブロックまたは介在コンポーネントの高さ寄与分は無視している。

図４を参照するに、連結棒４０及び連結要素４２を内部に配置した制御棒ガイドフレーム１６の断面斜視図が示される。図４では連結棒４０の上端部は制御棒ガイドフレーム１６の上方に単独で伸延している。図４では連結棒４０は、図１及び２と比較すれば明らかな如く、ＣＲＤＭ１４の内部に伸延し且つ連結している。図４では連結棒４０／連結要素４２のアセンブリは、制御棒（図４では示されず）が炉心内に完全に伸延した（図１及び２に示す如き）場合に相当する、その最“下方”位置で示される。

ある実施例では、スパイダを連結要素として複数の制御棒を単一の連結棒に装着する。スパイダは代表的には、連結棒を装着するその中央装着ポイントから全体に半径方向外側に伸延する金属製（代表的にはステンレススチール製）のチューブまたはアームを含み、また随意的には、それら半径方向に伸延する各チューブ間に追加した支持用の交差部材を更に含む。従ってスパイダは、各チューブまたはアーム間の側面に、ＳＣＲＡＭ方向に面する幅広側部の実表面積を低減させる大型開口部を有する、軽量の“クモ状”構造を有する。しかしながら図４の連結要素４２は、ＳＣＲＡＭ方向Ｓに沿って実質的に細長であり、その構造は従来のスパイダにおける如き軽量の“クモ状”ではなくむしろ嵩高なものである。

図５及び６を参照するに、連結要素４２の斜視図及び側方断面斜視図が夫々示される。連結要素４２は、上方及び下方の各ケーシングカバープレート５２及び５４によりシールした、上端部及び下端部を有する、実質的に中空の中空ケーシング５０を含んでいる。図５には４つの上方ケーシングカバープレート５２が示され、図６の側方断面斜視図では上方ケーシングカバープレート５２の２つが示される。図５の斜視図における傾斜のため下方ケーシングカバープレートは隠れて見えないが、図６では２つの下方ケーシングカバープレート５４の“縁部”が見えている。本実施例の連結要素４２は、図５に示す４つの上方ケーシングカバープレート５２と類似配置した４つの下方ケーシングカバープレート５４を含む。連結要素４２は、ＳＣＲＡＭ方向Ｓに平行な軸を有する円筒状を有し、軸横断方向断面は一様である。前記軸横断方向断面は複雑であり、連結棒４０の下端に連結する中央通路５６を画定する。

連結要素４２の重量（または平均密度）を増大させるべく、中空ケーシング５０は中央通路７０を中心に９０°間隔を置く４つの半径方向キャビティを画定する。これらキャビティは稠密材料のフィラー５８（図６では充填済みキャビティは２つのみが示される）。中空ケーシング５０の断面は多数の小通路６０（即ち、中央通路５６と比較して小さい）をも画定し、図５及び６ではその幾つかのみが表示される。これら小通路６０は中空ケーシング５０を貫通すると共に、制御棒１８の上端を装着する取り付けポイントを提供する。

随意的なフィラー５８が、ＳＣＲＡＭの力及び速度を増大させるべく連結要素４２の質量（または平均密度）を増大させる。フィラー５８は、その密度が中空ケーシング５０を構成するステンレススチール（あるいはその他材料）のそれ以上であると言う意味において“重量材”を含む。フィラー５８は、幾つか例示すれば、タングステン、劣化ウラン、モリブデン、あるいはタンタラムを含み得る。あるいは、キャビティを省略し、連結要素４２全体を例えばステンレススチール製とし得る。それらの構成は尚、連結要素４２におけるＳＣＲＡＭ方向Ｓに沿った長さと、より“充填”された構成とに基づき、従来の軽量の“クモ状”スパイダを上回る実質的な重量増大を提供する。

本実施例の“重い”連結要素４２については、ここでの参照により本明細書の一部とする、２０１０年８月２４日付で提出された、“Ｔｅｒｍｉｎａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｄｓ ｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｏｄ ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ ｆｏｒ ａ ｎｕｃｌｅａｒ ｒｅａｃｔｏｒ”と題する米国特許出願第１２／８６２，１２４号に詳しい。本実施例の“重い”連結要素４２には、ＳＣＲＡＭ力が大きくなり、その結果シャットダウンを早める（シャットダウン制御棒またはハイブリッド型制御棒の場合）等の利益がある。しかしながら本発明の制御棒ガイドフレーム１６は好適には、従来のスパイダと共に、または本実施例の連結要素４２等の連結要素と共に、あるいはそれら連結要素を全く用いずに（例えば、単一の制御棒を連結棒の下端に直接連結する構成）使用するのがより一般的である。

図３及び４を再度参照しつつ図７〜９を参照して、本実施例の制御棒ガイドフレーム１６を更に説明する。図７にはカラム状要素３０の側面図が示される。図８及び９には図７の線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂに沿った各断面図が示される。図８及び９に最もよく示されるように、カラム状要素３０はそこを通過する中央通路７０を画定する。中央通路７０は、この中央通路７０に沿った位置の関数としての一定断面（例えば、図８及び９に夫々示す如く、線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂにおける各断面が実質的に同一の）を有する。言い換えれば、カラム状要素３０（または同等の、積層したカラム状要素３０を含む制御棒ガイドフレーム１６）は中心軸７２（図２、４、７、８、９の各々に付記され、図８及び９では各断面図の中心軸７２を成す）を画定し、中央通路７０が中心軸７２に沿って延在し、中心軸を横断する平面の前記中心軸に沿った各位置の断面は一定である。連結棒４０及び制御棒１８は、制御棒ガイドフレーム１６の画定する中心軸７２と平行にアセンブリ化される（あるいは、別態様では制御棒ガイドフレーム１６はその中心軸７２が連結棒４０及び制御棒１８と平行であるようにアセンブリ化される）。例示実施例（図４参照）では連結棒４０及び連結要素４２は中心軸７２にセンタリングされる。このセンタリングには、動作中のアセンブリのバランスを向上させる対称性を提供する利益があるが、連結棒及びまたはスパイダあるいはその他の連結要素を中心軸７２に関し“オフセンター”化させる意図もある。ＳＣＲＡＭ方向Ｓはこの中心軸７２に沿ったもの（または平行）である。

中央通路７０は連結要素４２を、この連結要素４２の外側表面（例示実施例では中空のケーシング５０により画定される）と、中央通路７０の表面との間の許容差が比較的小さい状態下に、本実施例の連結要素４２を受ける（または連結要素としてスパイダを用いる実施例ではスパイダを受ける）寸法形状とされる。中央通路７０は、中心軸７２と平行で且つカラム状要素３０を貫通して伸びる制御棒ガイドチャネル７４（図８に表示）をも含む。各制御棒ガイドチャネル７４は複数の制御棒１８の相当する制御棒を受けるよう寸法付け及び位置決めされる。中央通路７０（制御棒ガイドチャネル７４を含む）は、中央通路に沿った位置の関数としての一定断面を有することから、制御棒の中央通路７２内（特には、制御棒と整列する制御棒ガイドチャネル７４内）に配置した任意部分は、中央通路７０（詳しくは整列した制御棒ガイドチャネル７４の各表面）によって、中央通路内に配置した制御棒の前記部分の全長さに渡り案内される。換言すれば、制御棒ガイドチャネル７４は、制御棒ガイドフレーム１６内に引き抜かれる制御棒全体を連続的に案内する。

“案内”あるいは“案内面”とは、許容範囲内で制御棒をその意図方向において直線状態に維持する限りにおいて、制御棒を案内する表面または構造（例えば、ガイドチャネル７４）を言うものとする。代表的には、ガイドチャネル７４は制御棒と比較して若干直径が大きく、その直径差が被ガイド制御棒の移動許容範囲を画定する。制御棒が、例えば機械的振動力あるいは制御棒の初期反りによりこの許容範囲を超えて移動しようとすると制御棒は制御棒ガイドチャネル７４の案内面にカム接触し、かくして許容移動範囲を超えての制御棒の振動移動あるいは反りが防止される。制御棒ガイドチャネル７４を制御棒の直径より若干大直径にしたことで、制御棒は制御棒ガイドチャネル７４による摩擦抵抗無しに上下移動（即ち、炉心に出し入れ）可能となる。しかしながら、制御棒ガイドチャネル７４を制御棒の直径に正確に合致するよう寸法付けし、かくして、制御棒の出し入れが多少の摩擦抵抗を受ける状態下に許容移動範囲を最小化することも意図される。制御棒ガイドチャネル７４の前記寸法は、ステンレススチールあるいはその他の、カラム状要素３０が含む材料と比較した場合の制御棒の熱膨張差を考慮することによっても好適に選択される。

本実施例の制御棒ガイドチャネル７４は完全に閉じた円筒状通路を構成するのではなくむしろ、中央通路７０の主容積部分に部分的に“連結”される。中央通路７０は制御棒ガイドチャネル７４を含み、かくして、“分離した”通路断面部分のない、単純な連結断面を有する。これにより、連結要素４２及び連結した制御棒１８を含むアセンブリが、中央通路７０の長さを通して妨害されずに移動可能となる。各制御棒ガイドチャネル７４は被ガイド制御棒の円形断面を、制御棒をその許容範囲を超えて任意方向に移動させないために十分な外周範囲において包囲する。更には、本実施例の制御棒ガイドチャネル７４は円形断面を有する制御棒を案内する形状としたが、四角形、六角形、八角形、あるいはその他断面の制御棒に対しても意図され、その場合、相当する制御棒ガイドチャネルの断面形状はやはり、被ガイド制御棒に関する移動許容範囲に対応する、制御棒と比較して代表的には若干大きいものとなる。

引き続き図７〜９を参照し且つ図１０を参照するに、２または２超のカラム状要素３０の積層体が制御棒ガイドフレーム１６を画定する各実施例（例示実施例の如き）において、各カラム状要素３０の中央通路７０が、同一に寸法及び形状付けされると共に、積層状態下に、“積層状態の中央通路”に沿った位置の関数としての一定断面を有する“積層カラム状通路”を画定するよう整列される。換言すれば、制御棒ガイドフレーム１６は、中心軸７２を画定する積層状態のカラム状要素３０と、中心軸７２に沿って延在し且つ中心軸７２を横断する平面における断面が一体の、積層状態の共通の中央通路７０と、を含む。カラム状要素３０の整列には、積層カラム状要素３０全体に渡る制御棒ガイドチャネル７４の整列が含まれる。当該状況は、３つのカラム状要素３０を積層した状態で示す図１０に示される。２本の例示的な制御棒ガイドチャネル７４が点線で示され、中央に積層したカラム状要素３０の位置には連結要素４２が網掛け表示される。本実施例の２本の制御棒１８は連結要素４２から下方に延び、その一部が積層したカラム状要素３０内に引き抜かれている。本実施例の２本の制御棒１８はこの位置では、最下部のカラム状要素３０の整列する制御棒ガイドチャネル７４及び中央に積層したカラム状要素３０の一部の内部に配置される。かくして、２本の制御棒１８のこれら部分は積層体内配置部分の全長さに沿って連続的に案内される。

図３及び７を参照するに、制御棒ガイドフレーム１６を含む積層したカラム状要素３０は随意的には、外骨格Ｅｘを省略して示す自立する積層体である。この目的上、隣り合うカラム状要素３０間の各合端位置で、一方のカラム状要素は合致用特徴部の第１セットを備える突き合わせ端を含み、他方のカラム状要素は合致用特徴部の第２セットを備える突き合わせ端を含む。第１及び第２の各合致用特徴部のセットは合端内で相互に合致する寸法形状を有する。図７に示す例ではカラム状要素３０は、突出スタブ８２を含む合致用特徴部の第１（上方）セットを有する第１突き合わせ端８０と、凹穴８６（図７では点線で示す）を含む合致用特徴部の第２セットを有する第２（下方）突き合わせ端８４とを有する。カラム状要素３０の１つを別のカラム状要素上に積層すると、上方のカラム状要素の第２突き合わせ端８４の凹穴８６に、下方のカラム状要素の第１突き合わせ端８０の突出スタブ８２が受けられる。それらの合致用特徴部が適正整合を支援し、かくして、積層状態のカラム状要素の中央通路７０が、制御棒ガイド全体を貫く、良好に整列した通路を形成する。合致用特徴部の特性（例えば、本実施例では突出スタブ８２の長さや凹穴８６の深さ）に依存して、各合致用特徴部は自立積層に寄与する幾分かの構造的支持をも提供し得る。

ある実施例では、２つまたは２つ超のカラム状要素の積層体は、中央通路７０に沿った位置の関数としての一定の周囲長を有する。これは本実施例のカラム状要素３０積層体についての場合である。この構成によれば、カラム状要素の交換性の向上、原子炉圧力容器内の空間利用設計の簡易化、等の利益が提供される。しかしながら、２つまたは２つ超のカラム状要素の積層体の周囲長が中央通路７０に沿った位置の関数として変化する構成も意図される。

制御棒を連続的に案内する上での利点は、制御棒の反りが抑制され、かくしてＳＣＲＡＭ駆動力を高め得、且つ反応炉シャットダウン時間を早め得ることである。しかしながらこれらの利点は、ＳＣＲＡＭ中に中央通路７０内の流体圧が高まり、制御棒挿入に抵抗が生じた場合は損なわれ得る。中央通路７０内の流体圧増大は、連結要素４２を通過する一次冷却流体流れ用の実質的開口を提供しない“嵩高”な連結要素４２を使用した場合は増長され得る。ＳＣＲＡＭ中の中央通路７０内の流体圧力増大を軽減させる１方法には、一次冷却流体の流れを通過させる実施的開口を有するスパイダあるいはその他連結要素を用いることである。しかしながら、この方策では連結要素が軽くなることによる不利益が生じ得る。

図７及び８を参照するに、ＳＣＲＡＭ中の中央通路７０内の圧力増大を軽減する追加または他の方策は、１つまたは１つ超のカラム状要素に、中央通路７０とカラム状要素の外部との間に流体連通を提供する流体通路を含ませることである。本実施例では各カラム状要素３０が、上方及び下方の各長穴９０及び９２の各セットを含む。上方及び下方の各長穴９０及び９２はカラム状要素３０の胴部内に形成され、その長さはカラム状要素３０の高さと同じではない（かくして、カラム状要素３０を貫く中央通路７０の一部ではない）。この点に関し、図８では線Ａ−Ａ断面は上方の長穴９０を通過しているために各長穴９０が見えている。他方、図９では線Ｂ−Ｂ断面は長穴９０及び９２の間を通過しているために長穴は見えない。本実施例では制御棒ガイドフレーム１６は、各々が長穴９０及び９２を含む７つの同一のカラム状要素３０からなる積層体を含む。しかしながらより一般的には、カラム状要素の幾つかのみが流体通路を含むことが意図される。長穴９０及び９２形状の各流体通路は例示的なものであってその他の形状及びディメンション、例えば、穴（四角、円、あるいはそのた形状）である流体通路も意図される。

図１１を参照するに、一定断面の中央通路を画定する１つまたは１つ超のカラム状要素を含む制御棒ガイドフレームが示され、各前記カラム状要素は、連続的案内及び合計材料量低減の実質的利益が得られるよう離間状態で組み合わされ得る。図１１には、スペーサ９６により上下に離間された連続制御棒ガイドフレーム１６₁及び１６₂を含む制御棒ガイド構造が示される。上下の連続する２つの制御棒ガイドフレーム１６₁及び１６₂は、カラム状要素３０の数が少なく且つ種々の端部を有する点を除き、連続的な制御棒ガイドフレーム１６と類似のものである。詳しくは、上方の連続制御棒ガイドフレーム１６₁は３つのカラム状要素３０を含み、従って、２つの合端３１を含み、下方の連続制御棒ガイドフレーム１６₂は４つのカラム状要素３０を含み、従って、含まれる合端３１は３つである。上方の連続制御棒ガイドフレーム１６₁では、下方でスペーサ９６と連結するために下方プレート３４も省略され、同様に下方の連続制御棒ガイドフレーム１６₂でも上方でスペーサ９６と連結するために上方プレート３２が省略される。図１１の如き構成の利点は恐らく、ＳＣＲＡＭ中における中央通路７０内での流体圧増大を軽減させる広い間隙をスペーサ９６に設け得ることで、スペーサが長穴９０、９２のそれと類似目的下に作用する点である。スペーサ９６の欠点は恐らく、制御棒ガイド上の不連続部が生じる点である。従って、制御棒ガイド構造上の“開放性”（高いスペーサの数を増やすことで促進される）と、ガイドの連続性（低いスペーサの数を減らす、または、各制御棒ガイドフレーム１６にスペーサを全く使用しないことで促進される）との間でトレードオフを成し得る。図１１の制御棒ガイド構造では上下の連続する２つの制御棒ガイドフレーム１６₁及び１６₂の各々がその各長さ（または高さ）に沿った連続的ガイドを提供する。連続的ガイドは制御棒を“直線”状に偏倚させ、かくして、ガイドを受けないスペーサ９６内においてさえ、制御棒の反りが抑制され得る。

カラム状要素３０は好適にはステンレススチール製であるが、その他材料も意図される。カラム状要素３０は種々の技法、例えば、キャスチング、押し出し形成、あるいは放電加工（ＥＤＭ）により製造され得る。凹穴８６は好適には穿孔により形成され、突出スタブ８２は好適には、カラム状要素３０内に穿孔した穴に溶接あるいはそうでなければ固定した別個の製造部品である。次いで、１つまたは１つ超の好適数のカラム状要素３０が、随意的な合致用特徴部８２、８６の合致による支援下に相互に積層され、特定全高を有する制御棒ガイドフレームとなる。あるいは図１１に示すように、２つまたは２つ超の連続的なそれら制御棒ガイドフレームを離間態様下に組み立てることで特定全高を達成し得る。

本発明の連続的な制御棒ガイドフレームの自立する積層体の利益は、随意的には、制御棒ガイドフレームと、制御棒ガイドフレームの取り付けを容易化する随意的な取り付け用ブロック（図示せず）との両方に対する装着位置となる上下の各プレート３２、３４が制御棒ガイドフレームを係止することから、外側フレーム（即ち外骨格）が排除される点である。

本発明の連続的な制御棒ガイドフレームの積層体の他の利益は、製造上の手間が低減され、小型コンポーネントの溶接作業が減少する点である。例示した制御棒ガイドフレーム１６は隣り合うカラム状要素３０間を各合端３１で仮溶接するのみで作製され得る。積層体と上下の各プレート３２、３４との界面位置、及び、制御棒ガイドフレーム取り付けで使用する各取り付け用ブロック間の界面位置位置も数カ所溶接され得る。中央通路７０内で流体圧が増大する恐れを低減させるための、随意的な流体通路である長穴９０、９２が、カラム状要素３０の各側面内に好適に切削される。長穴９０、９２は一次冷却流体の交差流れに対する制御棒ガイドフレームの影響を減少させる利益があり得る。

先に言及した如く、カラム状要素３０は、キャスチング、押し出し形成、あるいは放電加工（ＥＤＭ）により好適に製造され得る。後者、すなわち放電加工の場合、カラム状要素３０はそのジオメトリを表すために材料の中実ブロック（例えば、ステンレススチールの中実ブロック）から切り抜かれる。随意的には、先ず、より粗鋳造品を形成し、次いで前記ＥＤＭにより粗鋳造品をカラム状要素３０の最終形状へとリファインする。好適なＥＤＭ製造技法にはワイヤカットＥＤＭが含まれる。

カラム状要素３０の、一定断面の中央通路７０及び随意的な一定外周長は、カラム状要素３０の他の好適な成形法である押し出し形成により本来形成される。押し出し形成によるカラム状要素３０の製造は、コスト上、及び、カラム状要素３０の最大高さｈに制約が無い点で有益である（対比例として、キャスチングではキャスチングの実現可能な最大型サイズにおける最大高さｈが制限される）。それ故、押し出し形成は、単一のカラム状要素を含む制御棒ガイドフレームの場合に代表的に必要とされる如き、高さｈの高いカラム状要素の形成に特に適したものである。単一のカラム状要素を用いることで、制御棒ガイドフレームの製造上関与する手間や溶接量が減少し、また、積層した複数のカラム状要素を整列させる必要性も排除される。
連続的な、一定断面を有することが好ましいが、ある別態様では断面は、流体圧抵抗の度合いを利用してＳＣＲＡＭ中のコンポーネント速度を追加的に制御可能とするために少なくともカラム状要素の垂直軸に沿って若干幾何学的に傾斜される。他の実施例では断面のジオメトリは各カラム状要素の間及び多数のカラム状要素の間で若干変化され得る。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

１０ 圧力容器
１２ 炉心支持枠
１４ ＣＲＤＭユニット
１６ 制御棒ガイドフレーム
１６₁ 制御棒ガイドフレーム
１８ 制御棒
２０ 下方位置
２２ スタンドオフ
２４ 支持プレート
２６ 開放上端
３０ カラム状要素
３１ 合端
３２ 上方プレート
３４ 下方プレート
４０ 連結棒
４２ 連結要素
５０ 中空のケーシング
５２ 上方ケーシングカバープレート
５４ 下方ケーシングカバープレート
５６ 中央通路
５８ フィラー
６０ 小通路
７０ 中央通路
７２ 中心軸
７４ 制御棒ガイドチャネル
８０ 第１突き合わせ端
８２ 突出スタブ
８６ 凹穴
８４ 第２突き合わせ端
９０ 長穴
９６ スペーサ

Claims (34)

1. 中央通路にして、該中央通路に沿った位置の関数としての一定断面を有する中央通路を画定する２つ又は２つ超のカラム状要素の積層体を含む制御棒ガイドフレームを含む装置。
2. 制御棒駆動機構と連結する構成を有する上方プレートを更に含む請求項１に記載の装置。
3. 炉心支持枠またはその上部に近位する支持プレートに連結する構成を有する下方プレートを更に含む請求項１に記載の装置。
4. ２つ又は２つ超のカラム状要素の積層体が、前記中央通路に沿った位置の関数としての一定の外周長を有する請求項１に記載の装置。
5. 積層体における各カラム状要素間の各合端位置において、一方のカラム状要素が合致用特徴部の第１セットを備える接触端を含み、他方のカラム状要素が、合致用特徴部の第２セットを備える接触端を含み、前記合端において前記合致用特徴部の第１セットが合致用特徴部の第２セットと合致する請求項１に記載の装置。
6. 合致用特徴部の第１セットがスタブ及び孔の一方を含み、合致用特徴部の第２セットがスタブ及び孔の他方を含み、前記合端において前記スタブが孔と合致する請求項５に記載の装置。
7. 少なくとも１つのカラム状要素が、中央通路とカラム状要素の外部とを流体連通する流体流路を含む請求項１に記載の装置。
8. ２つ又は２つ超のカラム状要素の積層体が、中央通路を画定する２つ又は２つ超の接触するカラム状要素からなる自立する積層体を含む請求項１に記載の装置。
9. 制御棒ガイドフレームが、２つ又は２つ超のカラム状要素の積層体を支持する外骨格を含まない請求項１に記載の装置。
10. 制御棒ガイドフレームの中央通路と平行に整列する少なくとも１つの制御棒を含む制御棒アセンブリを更に含み、前記少なくとも１つの制御棒が、制御棒ガイドフレームの中央通路に出入りするよう移動自在であり、前記中央通路内に配置した少なくとも１つの制御棒の任意部分が、中央通路内に配置した少なくとも１つの制御棒部分の全長さに渡り、中央通路によりガイドされる請求項１に記載の装置。
11. 制御棒アセンブリが、スパイダあるいはその他連結要素に連結した複数の制御棒を含み、前記スパイダあるいはその他連結要素が、制御棒ガイドフレームの中央通路内に配置され且つ前記複数の制御棒が中央通路に出入りするに際して前記中央通路に沿って移動する請求項１０に記載の装置。
12. 前記スパイダあるいはその他連結要素が、第１の材料を含み且つキャビティを画定するフレームと、前記キャビティ内に配置され前記第１材料より稠密の第２材料を含むフィラーと、を含む請求項１１に記載の装置。
13. 制御棒アセンブリと作動上連結した制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）にして、制御棒ガイドフレームの中央通路の内外への少なくとも１本の制御棒の移動を制御する制御棒駆動機構と、
    原子炉炉心と、
    前記原子炉炉心、制御棒ガイドフレーム、少なくとも１本の制御棒、を少なくとも格納する原子炉圧力容器と、
    を更に含み、
    少なくとも１本の制御棒は、移動して制御棒ガイドフレームの中央通路を出るに従い原子炉炉心内に移動し、移動して制御棒ガイドフレームの中央通路内に入るに従い原子炉炉心外に移動する請求項１０に記載の装置。
14. 原子炉圧力容器がＣＲＤＭをも格納する請求項１３に記載の装置。
15. 装置であって、
    複数の制御棒を含む制御棒アセンブリ、
    その内部に少なくとも１本の制御棒を引抜き得る中央通路を画定する制御棒ガイドフレームにして、前記中央通路が、該中央通路内に引き抜かれる複数の制御棒の各制御棒部分の全長さに沿って連続的ガイドを提供する装置。
16. 制御棒ガイドフレームの中央通路内に引き抜かれない制御棒部分を挿入する原子炉炉心を更に含む請求項１５に記載の装置。
17. 前記制御棒ガイドフレームが、２つまたは２つ超のカラム状要素の積層体を含む請求項１５に記載の装置。
18. 中央通路を画定する２つ又は２つ超の自立する積層体を含む制御棒ガイドフレームを含む装置。
19. 制御棒ガイドフレームが、２つ又は２つ超のカラム状要素の積層体を支持する外骨格を含まない請求項１８に記載の装置。
20. カラム状要素が、隣り合うカラム状要素間の合端位置で合致する合致用特徴部を含む請求項１８に記載の装置。
21. 制御棒ガイドフレームの中央通路の内外に移動自在の少なくとも１本の制御棒を含む制御棒アセンブリを更に含み、
    前記中央通路内に配置した少なくとも１本の制御棒の任意部分が、前記中央通路内に配置した少なくとも１本の制御棒部分の全長さに渡り中央通路により案内される請求項１８に記載の装置。
22. 前記制御棒アセンブリと作動上連結した制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）と、原子炉炉心とを更に含み、
    前記ＣＲＤＭが、少なくとも１本の制御棒を原子炉炉心の内題に移動させる請求項２１に記載の装置。
23. 中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を形成するステップ、
    少なくとも１つのカラム状要素を含む制御棒ガイドフレームを構成するステップ、
    を含む方法。
24. 中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を形成するステップが、中央通路と、カラム状要素の外部との間を流体連通させる少なくとも１つの流体流路を画定する請求項２３に記載の方法。
25. 原子炉炉心内に制御棒ガイドフレームを組み込むステップ、
    原子炉容器を運転するステップ、を更に含み、
    前記原子炉容器を運転するステップが、制御棒ガイドフレームを使用して、原子炉炉心内の少なくとも１本の制御棒を案内しつつその位置を調節するステップを含む請求項２３に記載の方法。
26. 中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を形成するステップが、複数のカラム状要素を形成するステップを含み、
    少なくとも１つのカラム状要素を含む制御棒ガイドフレームを構成するステップが、カラム状要素を端部突き合わせ状態で積層して制御棒ガイドフレームを構成するステップを含む請求項２３に記載の方法。
27. 少なくとも１つのカラム状要素を含む制御棒ガイドフレームを構成するステップが、各カラム状要素の端部上に合致用特徴部を形成するステップを更に含み、カラム状要素を端部突き合わせ状態に積層して制御棒ガイドフレームを構成するステップが、隣り合うカラム状要素の接触する各端部上で各合致用特徴部を合致させるステップを含む請求項２６に記載の方法。
28. 中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を形成するステップが、中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を押し出し形成するステップを含む請求項２３に記載の方法。
29. 中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を形成するステップが、ステンレススチールを含む少なくとも１つのカラム状要素を押し出し形成するステップを含む請求項２３に記載の方法。
30. 中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を形成するステップが、中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素をキャスチング形成するステップを含む請求項２３に記載の方法。
31. 中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を形成するステップが、中央通路を画定する少なくとも１つのカラム状要素を放電加工（ＥＤＭ）により形成するステップを含む請求項２３に記載の方法。
32. 装置であって、
    中央通路にして、該中央通路に沿った位置の関数としての可変の断面を有する中央通路を画定する２つ又は２つ超のカラム状要素の積層体を含む制御棒ガイドフレームを含む装置。
33. 前記断面がカラム状要素の垂直軸を横断して傾斜する請求項３２に記載の装置。
34. ２つ又は２つ超のカラム状要素における第１及び第２のカラム状要素間の断面が若干変化する請求項３２に記載の装置。

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