JP2698605B2 - ガス冷却型原子炉用制御棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、例えばヘリウムガスを冷却材とする高温ガ
ス炉等のガス冷却型原子炉に使用されるガス冷却型原子
炉用制御棒に係り、特に制御棒要素の被覆管を構成する
外管部の軸方向および半径方向外側へ熱膨張を許容し
て、外管部側と内管部側との間の熱膨張差に起因して外
管部及び内管部とを連続する部材の接続部における熱応
力の発生それによる塑性ひずみの発生を防止して、制御
棒要素ひいては制御棒の寿命の延長を図ることが可能な
ものに関する。

（従来の技術） 一般に原子炉においては、中性子吸収体を充填した制
御棒を炉心に挿入・引抜することにより、炉心の核分裂
反応度を制御する。

ところで、制御棒としては種々のものがあるが、例え
ばガス冷却型原子炉の高温ガス炉においては、第３図に
示すような構成の制御棒が採用されている。第３図中符
号１は炉心であり、この炉心１には挿入孔２が形成され
ている。この挿入孔２の上方には制御棒案内管３が設置
されている。この制御棒案内管３内には制御棒４が炉心
１内に挿入・引抜可能に配置されている。上記制御棒４
は複数の制御棒要素５を軸方向にスパイン６を介して連
接したもので、最上端に位置する制御棒要素５にはワイ
ヤーロープ７が連結されている。このワイヤーロープ７
を介して図示しない制御棒駆動機構が連結されている。

上記構成の制御棒４は制御棒自身に可撓性が付与され
ていて、ある程度の自由度を備えているので、制御棒案
内管３あるいは挿入孔２の曲りに対しても十分に対応す
ることができる。

次に第４図を参照して上記制御棒要素５の構成につい
て説明する。第４図は制御棒要素５の構成を示す断面図
であり、図中符号11は被覆管である。この被覆管11は図
にも示すように二重円筒状をなしており、外管部12、こ
の外管部12の内周側に配置された内管部13、外管部12及
び内管部13により形成された環状空間部の上端に被嵌さ
れた上部キャップ14、及び外管部12及び内管部13により
形成された環状空間部の下端に被嵌された下部キャップ
15とから構成されている。上記環状空間部内には中空円
筒状の中性子吸収体17が充填されている。上記外管部1
2、内管部13、上記キャップ14、及び下部キャップ15は
相互に溶接されており、図中その溶接部を符号ａ、ｂ、
及びｃで示す。又、既に述べたように、複数の制御棒要
素５はスパイン６を介して連結されており、その際、各
制御棒要素５は内管部13の上部に一体に設けられたスパ
イダ16を介して上記スパイン６に固定されている。上記
スパイダ16の内周端は上記スパイン６に溶接されている
（図中溶接部を符号ｄで示す）。

上記構成によると、例えば原子炉を緊急停止させるべ
く制御棒４を炉心１内に高速で挿入した場合には（いわ
ゆるスクラム動作）、制御棒要素５の被覆管11の外管部
12が挿入孔２の壁面からの輻射熱、冷却材を介した熱伝
達等により加熱されて、内管部13との間に大きな温度差
が発生する。かかる温度差の発生により、外管部12と内
管部13との連結部、例えば上部キャップ14、下部キャッ
プ15、スパイダ16と内管部13の連結部に熱膨張差に起因
する熱応力が発生し、その結果被覆管11に塑性歪みが発
生する恐れがある。これは溶接部ａ、ｂ、ｃ、及びｄで
特に顕著である。すなわち、溶接部及びその近傍では材
料強度が安定しない為に、塑性歪みが集中することが予
想されるからである。そしてスクラム動作は原子炉運転
期間中にあって度々行われることがあり、その都度被覆
管11に塑性歪みが発生すれば、被覆管11はもとより制御
棒要素５、ひいては制御棒４自体の寿命を短縮させるこ
とになってしまう。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の構成にあっては、制御棒要素の被覆
管に塑性歪みが繰返し発生し、それによって制御棒要素
ひいては制御棒の健全性が損われるという問題があり、
本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目
的とするところは、制御棒要素の被覆管における塑性歪
みの発生を抑制して、制御棒要素、ひいは制御棒の健全
性の維持を図ることが可能なガス冷却型原子炉用制御棒
を提供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記目的を達成すべく、本願発明によるガス冷却型原
子炉用制御棒は、外管部、この外管部の内周側に間隔を
もって配置された内管部、これら外管部及び内管部によ
り形成された環状空間部の上端に被嵌された上部キャッ
プ、上記外管部及び内管部より形成された環状空間部の
下端に被嵌された下部キャップとからなる被覆管と、こ
の被覆管の上記環状空間部内に収容された中性子吸収体
とを備えた制御棒要素を夫々スパイダ及びその下方に設
置される振れ止めリングを介してスパインに連接して構
成される制御棒において、上記外管部は上記上部キャッ
プの外周端縁及び下部キャップの外周端縁にその上端及
び下端を夫々係合させた状態で取付けられ、かつ軸方向
及び半径方向外側に所定範囲内で熱膨張吸収可能な状態
で設置され、上記スパイダは前記スパインが貫通する円
筒部とこの円筒部の外周側に設けられた鍔部から構成さ
れ、かつ上記鍔部上に上記内管部の係合部を載置させた
状態で上記円筒部を上記スパインに設けられたキー溝に
キーを係合させて上記スパインに固定され、上記振れ止
めリングは上記スパインに形成されたキー溝にキーを係
合させて固定されることを特徴とするものである。

（作用） つまり、外管部は従来のようにその上端及び下端を上
部キャップの外周端縁及び下部キャップの外周端縁に溶
接されておらず、係合関係により取付けられている。そ
してその係合構造は、外管部の軸方向への熱膨張及び半
径方向外側への熱膨張を許容するような係合構造であ
る。

したがって、原子炉を緊急停止させるべく制御棒を高
速で炉心内に挿入しても、従来のように塑性変形が発生
するようなことはない。すなわち、外管部が加熱されて
内管部側との間に大きな温度差が発生しても、外管部は
軸方向及び半径方向外側に対して自由な構成となってい
るので、その熱膨張は効果的に吸収され、よって熱応力
の発生それによる塑性変形の発生は確実に防止される。

一方、スパイダ109の鍔部上に内管部105の係合部を載
置させた状態で円筒部110はスパイン102に形成されたキ
ー溝113にキー112を係合させて固定され、また振れ止め
リングはスパイン102に形成されたキー溝119にキー118
を係合させて固定されているので、内管部105とスパイ
ダ109との間の熱膨張差は効果的に吸収され、しかも従
来のようにスパイン102に対して夫々溶接にて固定され
たものとは異なり熱応力発生を防止することができると
共に、上下方向の固定力が強固になり、信頼性の高いも
のとなし得る。

よって、制御棒要素ひいては制御棒の寿命は大幅に延
長される。

（実施例） 以下第１図を参照して本発明の一実施例を説明する。
尚、従来と同一部分には同一符号を付して示しその説明
は省略するとともに、制御棒４の基本的構成は第３図を
参照して説明する。

第１図は制御棒要素101の構成を示す断面図であり、
制御棒はこの制御棒要素101をスパイン102を介して複数
連接して構成されている。

上記制御棒要素101の構成から説明する。まず図中符
号103は被覆管であり、この被覆管103は、外管部104、
この外管部104の内周側に間隔をもって配設された内管
部105、上記外管部104及び外管部105により形成された
環状空間部の上部に被嵌された上部キャップ106、上記
外管部104及び外管部105により形成された環状空間部の
下部に被嵌された下部キャップ107とから構成されてい
る。上記環状空間には中空円筒状の中性子吸収体108が
収容されている。

上記被覆嵌103はスパイダ109を介して上記スパイン10
2に固定されている。上記スパイダ109はスパイン102が
貫通する円筒部110と、この円筒部110の外周側に設けら
れた鍔部111とから構成されている。上記円筒部110には
キー112が設けられており、一方スパイン102にはキー溝
113が形成されている。上記スパイダ109は上記キー112
をスパイン102のキー溝113に係合させることによりスパ
イン102に固定されている。又、上記鍔部111には複数の
リブ114が放射状に設けられているとともに複数に冷却
材流路が形成されており、この冷却材流路を介して被覆
管103の内周側にも冷却材を流通させる。

又、上記スパイダ109の下方あって内管部105の内側に
は振れ止めリング115が設置されている。この振れ止め
リング115はスパイン102に固定されている円筒部116
と、この円筒部116の外側に延長された鍔部117とから構
成されている。上記円筒部116にはキー118が形成され、
一方スパイン102側にはキー溝119が形成されている。振
れ止めリング115は上記キー118をキー溝119に係合させ
ることによりスパイン102に固定されている。又、上記
鍔部117には冷却材流路が形成され、冷却材を被覆管103
の内周側に導入する。かかる構成をなす振れ止めリング
115により被覆管103の振れを防止するものである。

次に外管部104、内管部105、上部キャップ106、及び
下部キャップ107の結合構造等について説明する。まず
内部管105の下端部には外側に突出した鍔部120が形成さ
れており、この鍔部120の外周縁には段付係合部121が形
成されている。一方、下部キャップ107の内周端縁には
上記段付係合部121に係合する段付係合部122が形成され
ており、内管部105と下部キャップ107とは上記段付係合
部121と122とを係合させることにより結合されている。
又、上記下部キャップ107の外周端縁には段付係合部123
が形成されている。

上記内管部105の上端は縮径されて段付係合部124が形
成されている。一方上部キャップ106の内周端縁は下方
に延長されて係合部125となっており、この係合部125が
上記段付係合部124に上方から係合している。又、上記
上部キャップ106の外周端縁には段付係合部126が形成さ
れている。そしてこの上部キャップ106の段付係合部126
と前記下部キャップ107の段付係合部123との間に前記外
管部104が配置されている。そして図からも明らかなよ
うに、外管部104は軸方向に自由度を有しているととも
に、半径方向外側に対しても自由度を備えている。これ
によって制御棒４の健全性の維持を図るものである。す
なわち原子炉を緊急停止させるべく、制御棒４を炉心１
内に高速で挿入した場合には、挿通孔２の壁からの輻射
熱等により外管部104が加熱されて内管部105側との間に
大きな温度差、それによる熱膨張差が発生する。従来は
この熱膨張差を吸収することができない構成となってい
たために、溶接部等に大きな熱応力それによる塑性歪み
が発生していた。これに対して本実施例の場合には既に
説明したように、外管部104の軸方向への熱膨張、及び
半径方向外側への熱膨張が許容されているので、従来の
ように大きな熱応力の発生、それによる塑性歪みの発生
は確実に防止される。

上記内管部105は上記段付係合部124の下端面を前記ス
パイダ109の鍔部111に上方から係合させている。又、内
管部105の上記段付係合部124と上部キャップ106の係合
部125にはキー穴127が連続して形成されており、このキ
ー穴127にキー128が挿入されている。

上記外管部104の下部であってその外周面にはガイド
フィン129が周方向等間隔に複数取付けられている。こ
れらガイドフィン129により外管部104が炉心の挿入孔２
に直接接触することを防止するとともに、冷却材流路を
積極的に形成するものである。

以上の構成を基にその作用を説明する。

まず、本実施例による制御棒４を制御棒案内管３内に
配置するとともに、その上端をワイヤーロープ７を介し
て制御棒駆動機構に連結する。そして上記制御棒駆動機
構により制御棒４の炉心１内への挿入・引抜を調製し
て、原子炉の出力制御をなす。

尚、制御棒要素101の組立であるが、まず内管部105の
下部に下部キャップ107を段付係合部121及び122を介し
て組込む。次に外管部104を下部キャップ107に段付係合
部123及び122を介して組込む。その状態で中性子吸収体
108を挿入し、上部キャップ106を被嵌して、キー穴127
にキー128を差込む。次に内管部105の段付係合部124を
スパイダ109の唾部111上に載置して制御棒要素101をス
パイン102に取付ける。

さて、原子炉を緊急に停止させるような場合には、制
御棒を炉心内に高速で挿入する。その際、従来の制御棒
によると、例えば溶接部等に大きな塑性変形が発生し
て、制御棒の健全性が損われる恐れがあった。これに対
して、本実施例の場合には、そのような懸念はなく、制
御棒４の健全性は確実に維持されるものである。以下こ
の点について詳細に説明する。

まず制御棒４を炉心１内に高速で挿入すると、外管部
104が挿通孔の壁からの輻射熱により加熱されるため
に、外管部104側と内管部105側との間に大きな温度差が
発生し、その結果外管部104側と内管部105側との間に大
きな熱膨張差が発生する。この熱膨張差は軸方向及び半
径方向の両方に発生するものであるが、特に軸方向に顕
著に発生するものである。この時本実施例の場合には外
管部104が軸方向及び半径方向外側に対して自由な構成
となっているので、その熱膨張は効果的に許容される。
したがって、大きな熱応力の発生、それによる塑性歪み
の発生は確実に防止され、制御棒要素、ひいては制御棒
の健全性は確実に維持される。

又、本実施例の場合には単に外管部104を軸方向及び
半径方向外側に自由な構成としただけではなく、外管部
104と上部キャップ106及び下部キャップ107との結合は
もとより、内管部105と上部キャップ106及び下部キャッ
プ106との結合、内管部105とスパイダ109との結合を全
て係合構造により実現しており、従来塑性歪みが集中し
ていた溶接部を一切なくした構成となっている。そして
各係合構造部では各部材相互の熱膨張差が効果的に吸収
されているものである。特に、内管部105とスパイダ109
とも従来のように一体ではなく、内管部105の段付係合
部124をスパイダ109の鍔部111上に載置させているだけ
である。したがって内管部105とスパイダ109との間の熱
膨張差は効果的に吸収され、熱応力の発生、それによる
塑性歪みの発生は効果的に防止される。

以上本実施例によると以下のような効果を奏すること
ができる。

まず本実施例によると、各制御棒要素101における塑
性歪みの発生を防止して、その健全性の維持を図ること
ができる。その結果、制御棒要素101はもとより、制御
棒としての寿命を大幅に延長することができる。

これは、まず溶接部を一切なくして全て係合構造によ
り組立てたこと、特に外管部104を軸方向及び半径方向
外側に対して自由な構成としてその熱膨張を吸収し得る
構成としたこと、内管部105とスパイダ109との関係も従
来のように一体化するのではなく相互の熱膨張差を吸収
し得る係合関係により組立たことに起因する。

又、制御棒の健全性が維持されることによりその機能
も確実に維持されるので、原子炉の安全性も向上するも
のである。

さらに、制御棒の寿命が延長されたことにより、制御
棒を交換する頻度が少なくなり、交換作業に要する手間
及び時間が不要になることはもとより、それによってプ
ラントの稼働率の向上を図ることができる。

次に第２図を参照して第２の実施例を説明する。この
第２の実施例は、スパイダ109の上面側にガイド131を設
けたものであり、このガイド131により内管部104をガイ
ドして、スパイダ109に対する位置を確定するものであ
る。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によるガス冷却型原子炉用
制御棒によると、制御棒要素の被覆管における塑性歪み
の発生を抑制して、制御棒要素ひいては制御棒の寿命の
延長を図ることができる等その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す制御棒要素の断面
図、第２図は第２の実施例による制御棒要素の断面図、
第３図及び第４図は従来例の説明に使用した図で、第３
図は制御棒の断面図、第４図は制御棒要素の断面図であ
る。 １……炉心、２……挿入孔、３……制御棒案内管、４…
…制御棒、７……ワイヤーロープ、101……制御棒要
素、102……スパイン、103……被覆管、104……外管
部、105……内管部、106……上部キャップ、107……下
部キャップ、108……中性子吸収体、109……スパイダ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−53591（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−250589（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−94291（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外管部、この外管部の内周側に間隔をもっ
   て配置された内管部、これら外管部及び内管部により形
   成された環状空間部の上端に被嵌された上部キャップ、
   上記外管部及び内管部により形成された環状空間部の下
   端に被嵌された下部キャップとからなる被覆管と、この
   被覆管の上記環状空間部内に収容された中性子吸収体と
   を備えた制御棒要素を夫々スパイダ及びその下方に設置
   される振れ止めリングを介してスパインに連接して構成
   される制御棒において、 上記外管部は上記上部キャップの外周端縁及び下部キャ
   ップの外周端縁にその上端及び下端を夫々係合させた状
   態で取付けられ、かつ軸方向及び半径方向外側に所定範
   囲内で熱膨張吸収可能な状態で設置され、 上記スパイダは前記スパインが貫通する円筒部とこの円
   筒部の外周側に設けられた鍔部から構成され、かつ上記
   鍔部上に上記内管部の係合部を載置させた状態で上記円
   筒部を上記スパインに設けられたキー溝にキーを係合さ
   せて上記スパインに固定され、 上記振れ止めリングは上記スパインに形成されたキー溝
   にキーを係合させて固定されることを特徴とするガス冷
   却型原子炉用制御棒。