JP2014506326A - 原子力設備における制御棒のための安全装置 - Google Patents

Abstract

制御棒駆動機構（５）と、この制御棒駆動機構（５）を取り囲み原子炉圧力壁（３）を貫通するように形成された駆動ハウジング（４）とを備えた原子力設備（１６）における制御棒（１４）のための安全装置（１）が提示される。この安全装置（１）の課題は各制御棒（１４）のコントロール不能の脱落を確実に回避することにある。さらに安全装置（１）はできるだけコスト的に有利で、据付作業に対する障害をできるだけわずかにすることにある。この目的のため本発明によれば、駆動ハウジング（４）がこの駆動ハウジング（４）と原子炉圧力壁（３）とを摩擦結合および／または嵌め合い結合するための少なくとも１つの連結部材（９）を有することが提案される。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力設備における制御棒のための安全装置に関する。

原子力設備、たとえば原子力発電所においては、粒子線−特に中性子線―が放出される原子炉における核分裂プロセスの連鎖反応を線の吸収によりコントロールするために、直線的に移動可能な制御棒が使用される。通常は群毎に束ねられるこの種の制御棒が核燃料要素の間に深く挿入されればされるほど、連鎖反応を引き続き促進する粒子線成分がより多く吸収されるので、連鎖反応はそれに応じてより緩慢に進行し、制御棒の完全な挿入位置では停止状態にもたらされる。連鎖反応の状態および進行は従って直線的に移動可能な制御棒のそのときの位置に関係し、これによって規定される。所望の位置における制御棒の機械的安全性はそれゆえ運転状態の確実な調整にとって重要である。特に原子炉の停止にとって必要な制御棒の最終位置における位置保全は安全技術的観点から保証されなければならない。

沸騰水型原子炉では原子炉の循環路に高い温度と圧力が発生するので、機械的・液圧的に操作される制御棒駆動機構の圧力導入による取り囲みに万一故障が生じた場合でも制御棒のコントロール不能による脱落（「放出」）を防がなければならない。制御棒のコントロール不能の脱落は原子炉の許容できない出力増加の危険を招き、すべての安全システムが同時に故障するような最悪事故発生時には炉心溶融に至るおそれがある。制御棒のコントロール不能の脱落を防ぐため沸騰水型原子炉では一般に安全装置が設置されており、この装置では制御棒駆動機構の駆動ハウジングがたとえばアンカープレートにより原子炉圧力容器を若干の間隔を置いて取り囲む外部の遮蔽板に保持されている。

より詳細に言えば、ここで使用される安全装置は保護すべき建造ユニットとして制御棒駆動機構と、この制御棒駆動機構を取り囲む円筒状の駆動ハウジングとを有し、この駆動ハウジングは原子炉から炉圧力壁を通って引き出されている。さらに安全装置は、局所的に原子炉圧力壁と平行に原子炉の外側に配置された遮蔽板を有し、この遮蔽板を通って駆動ハウジングが案内され、並びに迫台を有し、この迫台は円筒状のフランジにより駆動ハウジングに接続され、多数のアンカープレートにより遮蔽板に固定されている。

この種の安全装置に必要とされる建造部品、特にアンカープレートと迫台はコストが掛かり、据付時のアクセスが困難である。これに加えて、制御棒駆動機構を含む原子炉圧力容器とこの圧力容器の支持部材との間に一定の温度差があると、建造部材の著しく異なる熱膨張により生じる大きな力が遮蔽板に加わることがある。駆動機構の破損時には遮蔽板はアンカープレートを介して導入される質量力および遅延力を吸収しなければならない。後者の問題には一般に、アンカープレートと遮蔽板を特に大きな機械的および熱的負荷に耐えるように形成および補強するとともに、機械的負荷の緩衝用には付加的な変形可能部材を設置することにより対処している。

代替的な安全装置では駆動ハウジング管が原子炉圧力容器の組込み物と直接結合され、これらにより安定に固定保持される。しかしこの種の装置では駆動ハウジングのすべての起こりうる破損状態がカバーされるわけではない。

本発明の課題は、各制御棒のコントロール不能の脱落をできるだけ確実に防止し、同時にできるだけコスト的に有利で、特に据付作業に対しできるだけ障害とならない装置を提供することにある。

上記の課題は本発明によれば請求項１の特徴により解決される。これによれば制御棒駆動機構と、この制御棒駆動機構を取り囲み原子炉圧力壁を貫通するように形成された駆動ハウジングとを備えた原子力設備における制御棒／制御棒駆動機構のための安全装置において、駆動ハウジングがこの駆動ハウジングと原子炉圧力壁とを‐好適には着脱自在に‐摩擦結合および／または嵌め合い結合するための少なくとも１つの連結部材を有することが提案される。

本発明は、駆動ハウジングを‐公知の解決法のように‐単に原子炉圧力壁を通して原子炉の内部から引き出して独立した遮蔽板に機械的な建造部材、特に迫台やアンカープレートで保持する代わりに、制御棒駆動機構の駆動ハウジングを直接原子炉圧力壁に保持するという考察から出発している。駆動ハウジングはいずれの場合にも原子炉圧力壁を通って案内されなければならず、そのため圧力壁には切り欠きが必要であるので、切り欠きの範囲における貫通案内と保持機能とを組み合わせることが有利である。多数の機械的連結部材を切り欠き範囲において原子炉圧力壁に互いに嵌め合い結合のためそれぞれ相応して形成することにより、もしくは切り欠き範囲において原子炉圧力壁の対応する範囲に摩擦結合および／または嵌め合い結合を形成するために形成することにより、大きな機械的負荷が生じても安定した保持機能を達成することができる。さらにこの種の連結部材はほぼ同一構造に実現可能なので、これらの部材は熱膨張に関しても一定で計算可能であり、その結果連結部材の材料および形状を適当に選べば熱負荷の影響ファクタは限定的なものに留まる。

このような装置により、特に熱的・機械的負荷のために形成しなければならないような、また特に据付時に駆動ハウジングと制御棒駆動機構へのアクセスを困難にするような機械的結合部材と遮蔽板とを有する独立した外部の機械的安全装置は不要となる。

駆動ハウジングはほぼ円筒状の形を有し、一定の高さ位置においてそれぞれバヨネット結合もしくはバヨネットロック機構を形成するようにされると有利である。バヨネット結合は、その長手軸特有の形状が２つの同心的中空円筒の幾何学的形状にほぼ相当する２つの部材の安定した同心的結合に対して特に好適であり、バヨネット結合がないときは外側の中空円筒の最小内径が内側中空円筒の最大外径よりも大きい。バヨネット結合により内側中空円筒の外径と外側中空円筒の内径が局所的に拡大されるので、ロック状態においては両中空円筒は互いに噛み合い結合され、もはや長手軸に関して互いにずれることがなくなる。バヨネットロック機構においては構造上通常であるように、円筒状部材同士の結合は回転‐差し込み運動を介して行われる。

１つまたは各連結部材をバヨネット結合の形に形成する際には、切り欠きを有する原子炉圧力壁が外側の中空円筒に相当し、その際内側の円筒面は原子炉圧力壁の切り欠きを規定する周縁面により与えられる。駆動ハウジングは内側の中空円筒に相当する。

本発明による安全装置のほかの合目的な実施形態は制御棒駆動機構と駆動ハウジングとの結合に関する。制御棒の完全な安全性のためには、原子炉圧力壁に関する駆動ハウジングの保持のほかに駆動ハウジングに関する制御棒駆動機構の保持も重要である。なぜならコントロール不能の脱落は、駆動ハウジング自体は安全にされているが駆動ハウジングに対する制御棒駆動機構の保持機能が故障して制御棒が制御棒駆動機構とともに駆動ハウジングから離れるときにも起こりうるからである。

駆動ハウジングにおける制御棒駆動機構の保持のためには、制御棒駆動機構は、制御棒駆動機構と駆動ハウジングとの摩擦および／または噛み合い結合を形成するためにすくなくとも１つの内側連結部材を有すると有利である。この連結部材も着脱自在なバヨネット結合を形成するように形成されると有利である。

このような配置により駆動ハウジングに対する制御棒駆動機構の安全性は駆動ハウジングと原子炉圧力壁との間の各連結部材による安全性に相当する。互いに相応する安全機能により強力な緩衝効果が達成される。すなわち原子炉からの制御棒の脱落に際して生じる機械的衝撃は差し当たり直接制御棒から制御棒駆動機構に伝達され、そこから１つまたは各内側連結部材を介して駆動ハウジングに伝達される。衝撃の非弾性的成分により惹起されるエネルギーの一部はこの場合吸収される。同様に駆動ハウジングの機械的衝撃は１つまたは各連結部材により原子炉圧力壁に伝達され、衝撃の残りのエネルギーはさらに減ぜられる。連結部材の適当な形状および材料選択により、たとえば連結部材上に塑性変形可能な部材を適当な配置で形成することにより、非弾性的衝撃成分は弾性的衝撃成分に比して高められる。この場合このような連結部材により仲介される衝撃伝達に際して衝撃エネルギーは部材の変形のために益々吸収される。このような緩衝作用により達成される衝撃エネルギーの段階的減少は、全体として単純な衝撃およびエネルギー伝達方式のシステムに比して安全装置の信頼性を高めるが、この場合の前提は各連結部材が衝撃伝達に際して保持機能を果たすのに十分に安定であることである。従って安全装置の冗長性の向上は連結部材の全体数を多くすることにより達成される。

安全装置のさらに好適な実施態様においては、制御棒駆動機構は中空円筒状に形成された部材を有し、内側の連結部材または多数の連結部材はバヨネット結合の形に形成される。

安全装置の特に好適な実施形態では、制御棒駆動機構は多数の内側連結部材を有し、その際少なくとも各１つの内側連結部材が制御棒駆動機構の長手方向の各端部側範囲に形成される。内側連結部材がこのように分布されて配置されることにより制御棒駆動機構と駆動ハウジングとの間の力伝達が適当に分散され、従って全体として改良される。内側連結部材がより多く形成されれば、それだけ結合により達成可能な安定性が高められる。

この場合内側連結部材は、共通の運動経過（いわゆる連結工程）により同時に解離および結合されるように形成および配置されると有利である。安全装置の最後に述べた実施形態は、内側の連結部材が制御棒駆動機構と駆動ハウジングとの摩擦および／または噛み合い結合を形成するため機械的に連結されるように改良される。このようにすれば内側連結部材は制御棒駆動機構と駆動ハウジングとの結合の解離および形成のため一緒に制御することができる。これは特に迅速な据付けと保守点検の実施にあたって有利である。

安全装置の別の有利な実施形態では制御棒駆動機構は独立部材を有し、この独立部材と駆動ハウジングとの摩擦および／または噛み合い結合を形成するための締め付け部材が設けられる。

本発明によって得られる利点は特に、原子炉圧力容器壁に直接内側から連結することによる制御棒駆動ハウジングの安全装置により、従来の欠点であった種々の熱膨張作用が回避され、従来の費用が嵩む部材が省略され、据付作業が自由空間が大きくなったため容易になり、駆動ハウジングの故障時に必要な保持機能が確実に満たされることにある。

以下に本発明による安全装置の一実施例を図面について詳述する。

図１は原子力設備における制御棒用安全装置の概略図である。 図２は原子力設備の炉内における図１に示す安全装置の概略図である。

図１および図２において対応する部材は同一符号を付されている。

図１は原子力設備の制御棒用の安全装置１を概略縦断面図で示す。安全装置１は、原子炉圧力容器の原子炉圧力壁３の切り欠き２を介して案内される制御棒駆動機構５の駆動ハウジング４を有し、このハウジングは結合継目６を介して原子炉圧力壁３に結合されている。駆動ハウジング４は中空円筒状の形をしている。さらに制御棒駆動機構５は、駆動ハウジング４により同心的に囲まれる中空円筒状の部材７と、制御棒駆動機構５の下側範囲にある独立部材８とを有する。駆動ハウジング４はバヨネット結合の形に形成され結合継目６の下側に配置された連結部材９により原子炉圧力壁２に嵌め合い結合されている。同様に制御棒駆動機構５の中空円筒状部材７は、上側内側の連結部材１０と下側内側の連結部材１１により駆動ハウジング４に嵌め合い結合されている。上側内側の連結部材１０は据付状態において結合継目６の下側におよび外側連結部材９の上側に配置される。下側内側の連結部材１１は外側連結部材９の下側で中空円筒状部材７の下側範囲に配置される。上側内側連結部材１０および下側内側連結部材１１は有利には共通の連結工程により解離もしくは結合される。

独立部材７は締め付けジョーとも呼ばれる締め付け部材１２により駆動ハウジング４の下側で駆動ハウジング４に嵌め合い結合される。さらに制御棒駆動機構５の駆動軸１３が示されている。

図２は原子力設備１６の原子炉１５内に制御棒１４を有する図１の安全装置の概略図である。原子炉１５は原子炉圧力壁３により囲まれている。

１ 安全装置
２ 切り欠き
３ 原子炉圧力容器
４ 駆動ハウジング
５ 制御棒駆動機構
６ 接続継目
７ 中空円筒状部材
８ 独立部材
９ 連結部材
１０ 上側内側連結部材
１１ 下側内側連結部材
１２ 締め付け部材
１３ 駆動軸
１４ 制御棒
１５ 原子炉
１６ 原子力設備

Claims (7)

1. 制御棒駆動機構（５）と、この制御棒駆動機構（５）を取り囲み原子炉圧力壁（３）を貫通するように形成された駆動ハウジング（４）とを備えた原子力設備（１６）における制御棒（１４）のための安全装置（１）において、
   駆動ハウジング（４）がこの駆動ハウジング（４）と原子炉圧力壁（３）とを摩擦結合および／または嵌め合い結合するための少なくとも１つの連結部材（９）を有することを特徴とする安全装置。
2. 駆動ハウンジング（４）がほぼ中空円筒状であり、１つまたは各連結部材（９）がバヨネット結合の形に形成されていることを特徴とする請求項１記載の安全装置。
3. 制御棒駆動機構（５）がこの駆動機構（５）と駆動ハウジング（４）とを摩擦結合および／または嵌め合い結合するための少なくとも１つの内側連結部材（１０、１１）を有することを特徴とする請求項１または２記載の安全装置。
4. 制御棒駆動機構（５）が中空円筒状部材（７）を有し、１つの内側連結部材（１０、１１）または多数の内側連結部材（１０、１１）がバヨネット結合の形に形成されていることを特徴とする請求項３記載の安全装置。
5. 制御棒駆動機構（５）が多数の内側連結部材（１０、１１）を有し、少なくとも各１つの内側連結部材（１０、１１）が制御棒駆動機構（５）の長手方向に関してそれぞれ端部側範囲に形成されていることを特徴とする請求項３または４記載の安全装置。
6. 内側連結部材（１０、１１）が制御棒駆動機構（５）と駆動ハウジング（４）との摩擦結合および／または嵌め合い結合を形成するために機械的に連結されることを特徴とする請求項５記載の安全装置。
7. 制御棒駆動機構（５）が独立部材（８）を有し、この独立部材（８）と駆動ハウジング（４）との摩擦および嵌め合い結合を形成するための締め付け部材（１２）が設けられることを特徴とする請求項１から６の１つに記載の安全装置。

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