JP2723295B2

JP2723295B2 - 制御棒集合体

Info

Publication number: JP2723295B2
Application number: JP1128956A
Authority: JP
Inventors: 靖坪井; 幸夫渡部; 重夫笠井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1998-03-09
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JPH02309293A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は高速増殖炉の出力制御を行なう制御棒集合体
に関する。

（従来の技術）一般に、高速増殖炉の炉心は第10図に示すように多数
の燃料集合体1,1と、燃料集合体１の間に挿入される複
数の制御棒集合体２と、燃料集合体１の最外部を包囲す
るようにして設けられる多数の遮蔽体（図示せず）によ
って形成されている。

燃料集合体１は内部に多数の燃料ピン３を内装してあ
り、下端に設けたエントランスノズル４を炉心支持板５
の開孔部に挿入することにより定位置に設置される。そ
して、炉心支持板５内の高圧プレナム６から冷却材がエ
ントランスノズル４の冷却材流入口７を通して流入し、
続いて燃料ピン３の間を上昇し、燃料集合体１を除熱す
る。

制御棒集合体２は下部案内管８と、上部案内管９と、
制御棒本体10と、これを吊下する延長管11とにより形成
されている。下部案内管８は下端に形成されているエン
トランスノズル12を炉心支持板５の開孔部に挿入して定
位置に設置される。このエントランスノズル12には高圧
プレナム６に連通する冷却材流入口13と、制御棒本体10
の内在する内側に連通する練数孔14とが設けられてい
る。また、制御棒本体10は内部に中性子吸収体を内蔵
し、再挿入時には下端の係合部15を下部案内管８のダッ
シュポット16内に挿入して定位される。制御棒本体10は
上端から上方へ延出させた延長棒17の上端部に形成した
掴み部18により延長管11の下端部を掴むことによってそ
の延長管11に吊下される。この延長管11を制御棒駆動機
構（図示せず）によって上下動させることによって制御
棒本体10を炉心内に挿入したり、引抜いたりする。この
制御棒本体10の除熱は高圧プレナム６からエントランス
ノズル12の冷却材流入口13、連通孔14とを通って下部案
内管８内を上昇する冷却材によって行なわれる。

（発明が解決しようとする課題）通常の運転時には延長管11の上下動作により制御棒本
体10の炉心内への挿入度を調整して炉出力を調整する。

また、炉出力が異常に上昇したり、冷却材が減少する
等の異常が生じると、制御棒本体10を炉心内に緊急挿入
させて炉を停止させるスクラム動作が行なわれる。

一方、高速増殖炉においては緊急時に何らかの原因で
延長管11が下降できなくなって制御棒本体10を炉心内に
挿入できないというスクラム失敗の場合を想定し、この
スクラム失敗時にも炉心の反応度を臨界よりも低く抑え
る必要がある。これはスクラム失敗が起きると、原子炉
出力が過剰に増大して冷却材温度が上昇し、ひいては炉
心損傷事故が生じる可能性があるからである。

第11図に示すようにスクラム失敗時には炉心内におい
てはドップラ効果および冷却材密度効果によって制御棒
反応度が０の臨界よりも高い同図中線ａの正の反応度が
発生する。しかし、従来の制御棒集合体においては、延
長管11および延長棒17が事故による冷却材温度上昇に伴
って軸方向に膨張し、制御棒本体10を炉心内に挿入し、
同図中線ｂの負の反応度が発生する。そして、従来はこ
れらの正、負の反応度を重ね合わせた全反応度を同図中
線ｃのように臨界より低い負の反応度領域に保持して、
原子炉の安全性を確保している。

従来の制御棒集合体においては全反応度ｃが臨界に近
く、炉出力の減衰量が小さく抑えられている。そのた
め、例えばポンプトリップのような冷却材流量減少事故
時にスクラムの失敗を想定しても冷却材流量の減少分だ
け制御棒が伸びず炉の出力が減衰できない課題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、
冷却材の温度上昇に対する応答性がすぐれ、通常運転時
の温度変化に対する炉心挿入量の変化を抑えることがで
きる制御棒集合体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）第１の発明は炉心に設置された案内管内に昇降自在に
収納される制御棒本体と、この制御棒本体の上端から上
方へ延出された延長棒と、この延長棒の上部に設けた掴
み部と係合して制御棒本体を吊下する延長管とを備えた
制御棒集合体において、前記延長棒は上部延長棒と下部
延長棒とからなり、前記上部延長棒には下端部に抜け止
め部材を有して筒状シリンダが形成され、前記下部延長
棒には前記シリンダ内に挿入されるピストンが前記抜け
止め部材に下端を当接可能に設けられ、このピストンは
前記案内管を流れる冷却材の流体圧によって前記シリン
ダ内を前記抜け止め部材を下端として移動自在に構成さ
れているか、または、前記掴み部は前記延長棒の上端部
に環状係止部を有して筒状シリンダが形成され、前記延
長管の下端部には前記掴み部のシリンダに挿入されるグ
リッパが下端部に環状のフック部を有してこのフック部
の上端面が前記環状係止部の下端面に当接可能に設けら
れ、このグリッパの内部には前記延長管内部に設けられ
た作動棒が備えられ、前記案内管を流れる冷却材の液体
圧によって前記掴み部は前記フック部に当接する位置を
下端として移動自在に構成されていることを特徴とす
る。

第２の発明は炉心に設置された案内管内に昇降自在に
収納される制御棒本体と、この制御棒本体の上端から上
方へ延出された延長棒と、この延長棒の上部に設けた掴
み部と係合して制御棒本体を吊下する延長管とを有する
制御棒集合体において、前記延長管の一部にばねを介在
し、このばねの内側または外側にベローズを設け、この
ベローズまたは前記ばねの外側を包囲して二重円筒状感
温部材を設け、この感温部材内およびベローズ内に液体
金属を封入してなることを特徴とする。

（作用）第１の発明においては、制御棒集合体は冷却材流量が
或る量を超えると浮き上り、また或る量以下で沈む。制
御棒の延長棒、または掴み部が伸縮自在となり、その伸
縮量を制限することによって浮き上り量を制限する。つ
まり、冷却材流量の減少事故時にスクラム失敗しても冷
却材流量減少によって制御棒が伸び、炉出力の減衰量を
大きくすることができる。

第２の発明においては、ベローズおよびその周囲に液
体金属を封入した二重円筒状感温部材を設けている。感
温部材をベローズに比較して薄い材料で形成すれば液体
金属の温度に早く応答し、連結孔を通じてベローズ内に
液体金属が流入し膨張する。原子炉の定格運転膨張時に
はベローズ内に液体金属を満杯になるように封入する。
定格運転時には延長管をばねで支え、異常時はベローズ
の膨張によって制御棒が伸び、定格時の変動が減少す
る。

したがって、液体金属冷却材の温度上昇に対する応答
性の向上と、通常運転時の温度変化に対する炉心挿入量
の変化を抑えることができる。

（実施例）第１図から第４図を参照しながら本発明に係る制御棒
集合体の第一の実施例を説明する。

なお、図中第５図と同一部分には同一符号で示し重複
する部分の説明を省略する。また、第１図中の記号Ｉの
部分を第２図および第３図に、記号IIの部分を第４図お
よび第５図に拡大して示している。さらに、第２図およ
び第３図、また第４図および第５図はそれぞれ寸法１だ
け伸縮する相対変位できる状態を示している。

すなわち、第１図における記号Ｉの部分の延長棒17は
第２図および第３図に示したように上部延長棒17aと下
部延長棒17bとからなる。上部延長棒17aの下端部には筒
状に形成されたシリンダ19が設けられており、シリンダ
19の下端には抜け止め部材20が取着されている。一方、
下部延長棒17bの上端部には前記シリンダ19に挿入され
結合するピストン21が設けられている。ピストン21の上
半分21aは下半分21bよりも大径に形成されている。第３
図に示したようにピストン21の上半分21aの下端はシリ
ンダ19の抜け止め部材20によって支えられ抜け落ちるこ
とはない。また同図に示したように下部延長棒17bが下
方へ引張られた場合、シリンダ19内には長さ１の空間を
生じる。

このようにピストン21とシリンダ19との結合部は長さ
１の寸法分のみ相対変位できるようになっている。その
ため、制御棒と一体になっている下部延長棒17bは長さ
１だけ伸縮自在となる。

第４図は第１図における記号IIの部分を拡大して示し
たもので、第５図は第４図の作動状態を示している。延
長棒17の上部に設けられた掴み部18には上端に環状係止
部22が取着され、下面に凹部23が形成されている。掴み
部18内には延長管11の作動棒24と、この作動棒24を包囲
してグリッパ25が設けられている。

作動棒24の下部は膨大部26が形成され、またグリッパ
25の下端外側には第５図に示したように環状係止部22と
接触して延長棒17を吊り上げるフック部27が取着されて
いる。膨大部26の下端は凹部23に挿入し載置される。

掴み部18内にグリッパ25が挿入された場合、第４図に
示したように環状係止部22の下面とグリッパ25のフック
部27の上面の長さ１の空間が設けられる。一方、第５図
に示したように作動棒24の膨大部26の下面と凹部23の下
面の長さを１となるようにして１寸法分だけ伸縮自在
で、相対変位できるようになっている。

しかして、上記構成の制御集合体においては第１図中
矢印で示したように冷却材は高圧プレナム６から冷却材
流入口13を通り、連通孔14から案内管８内に流入する。
そして、案内管８内に流入した冷却材は制御棒本体10お
よびその側面を流れ案内管８の上端から流出して制御棒
本体10を冷却している。

冷却材の圧力損失（△Ｐ）は一般につぎの（１）式で
与えられる。

△Ｐ＝KQⁿ …（１）ここで、Ｋは圧力損失係数で主に流路の形状に依存す
る。Ｑは冷却材の流量で、ｎは指数で圧力損失メカニズ
ムに依存し、乱流の場合、1.75〜2.00の範囲となる。そ
の特性を模式化して第６図に示す。

制御棒本体10を流体力で浮上がらせるためには制御棒
本体10の重量（Ｗ）と制御棒本体10断面積（Ａ）との関
係は（２）式のようになる。

ここで、（１）式から流量Ｑとの関係を次の通りに設
定すればよい。

一方、制御棒集合体の流量変化は炉心全体の流量変化
に比例するので、炉心流量定格値の1/2（50％）となる
場合に制御棒本体10が浮上がるためには、次の（４）式
の関係に設定すればよい。

ここでQ₁₀₀は定格時（100％流量時）の制御棒集合体
流量を示す。

次に第１の実施例の作用について説明する。

原子炉の起動時は制御棒駆動機構（図示せず）により
延長管11を引き上げ制御棒本体10を引き上げる（炉心か
ら引抜く）。一方、原子炉の冷却は別途ポンプにより冷
却材を循環することで行なうが、定格流量50％以下では
制御棒本体10は第１図Ｉ部またはII部に設けた伸縮部は
伸びた状態（制御棒本体重量が流体圧より大きい）であ
る。冷却材流量が50％を超えると制御棒本体10は流体圧
で浮き上り１寸法浮き上がった状態で静止し維持され
る。原子炉はその状態で臨界を保ち、出力運転が継続さ
れる。

ここで、冷却材流量減少事故が生じ、かつ、スクラム
に失敗した場合、冷却材の流量が50％以下まで低下した
場合に前記制御棒本体10の流体圧による浮上り力が制御
棒本体10の重量より小さくなる。そのため制御棒本体は
前記浮上り量１寸法だけ下降し炉心に挿入される。その
結果負の反応度が投入される。

以上の実施例に対して第２図の伸縮部は延長管に設け
ても、また、第２図，第４図の結合方法は必ずしも他の
方法でも本発明の目的が達成できれば本発明の限定する
所でない。

また、流体圧による制御棒の浮上流量および浮上スト
ローク（１）も設計により任意に選択することができ
る。

次に第７図および第８図を参照しながら本発明の第２
の実施例を説明する。なお、第７図および第８図におい
て第１の実施例と同一部分には同一符号で示し、重複す
る部分の説明を省略する。

この実施例は延長管11の途中にベローズ28を設け、ベ
ローズ28および延長管11を囲続するような二重円筒状の
感温部材29を設け、ベローズ28の内部に延長感11をつな
ぐばね30を設置したものである。なお、第７図中符号34
はスカート状のフードで，このフード34は燃料集合体１
から上昇する高温冷却材を集めて上部案内管９内へその
流入口9aを通して導入させるものである。

その他の構成は第１図と同様である。ベローズ28は支
持板33に固定されている。

ベローズ28の近傍の詳細を第８図によって説明する。
二重円筒状の感温部材29内は液体金属32で満たされ、上
側の延長棒11に取り付けられている。ベローズ28と感温
部材29は連通孔31により連通されている。

感温部材29は下側の延長棒11とは摺動自在になってい
る。ばね30は通常運転時には制御棒の自重分の伸びが発
生している。

また、ベローズ28および感温部材29に封入されて液体
金属32は定格運転時に膨張して完全にベローズ28および
感温部材29を隙間なく満たす量だけ封入される。

この実施例の作用について説明する。

原子炉スクラム時に冷却材温度が上昇し感温部材29の
まわりの温度も上昇する。感温部材29は、薄い円筒体で
あるため、その中の液体金属の温度もほとんど時間遅れ
なく上昇する。感温部材29内の液体金属32は膨張し連通
孔31を通ってベローズ28内に進入する。

これにより、ベローズ28は伸び、制御棒を炉心内に挿
入する。

また、通常運転時より温度が低下する場合はベローズ
28および感温部材29の中にボイドが発生し、ばね30のみ
で支えられるため、制御棒の伸縮は生じない。

一例として、円筒状感温部材29の軸方向長さを800m
m、感温部材の内径を60mm、外径を80mmとし、ベローズ2
8の直径を3.8cmとすると感温部材の断面積に対するベロ
ーズの断面積は約1.9とすることができる。この場合、
感温部材周囲の温度が250℃上昇すると応答遅れ１秒間
以内で12cm以上のストロークが生じる。一方、従来例で
は800mmの長さのベローズを用いても、応答遅れが５秒
間程度発生し6cm程度のストロークしか生じない。

この実施例により応答速度を早くするとともに制御棒
の挿入量を大きくできるため、原子炉の安全性を高める
ことができる。

また、通常運転時の操作に悪影響を及ぼすことはな
い。

第９図は本発明の第３の実施例を示したもので、第８
図と同一部分には同一符号で示し重複する部分の説明を
省略する。

第９図においては延長管11の途中にベローズ28を設
け、このベローズ28の外側を包囲してばね30を設けたも
のである。ベローズ28は支持板33に固定されている。こ
の実施例ではベローズ28を保護すると同時にベローズ28
の断面積を減少し伸びを大きくすることができる。

［発明の効果］本発明によれば事故時の冷却材温度上昇を利用して制
御棒本体を炉心内への周囲の温度上昇に対する応答が早
く、さらに従来より深く挿入させることができ、これに
より大きな負の制御棒反応度を炉心に与えることができ
る。よってスクラム失敗事故が万一生じても炉出力を自
動的に減衰させ、かつ、長時間に亘って未臨界状態を確
保することができ、原子炉の固有の安全性を高くするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る制御棒集合体の第１の実施例を示
す縦断面図、第２図および第３図は第１図における記号
Ｉの部分をそれぞれ拡大して示す部分断面図、第４図お
よび第５図は第１図における記号IIの部分をそれぞれ拡
大して示す部分断面図、第６図は制御棒集合体の可動部
圧力損失と制御棒流量との関係を示す曲線図、第７図は
本発明に係る制御棒集合体の第２の実施例を示す縦断面
図、第８図は第７図のIII部を拡大して示す部分断面
図、第９図は本発明に係る第３の実施例の要部を示す部
分断面図、第10図は従来の制御棒集合体を示す縦断面
図、第11図は第10図における反応と事故時間との関係を
示す特性図である。１……燃料集合体２……制御棒集合体３……燃料ピン４……エントランスノズル５……炉心支持板６……高圧プレナム７……冷却材流入口８……下部案内管９……上部案内管 10……制御棒本体 11……延長管 12……エントランスノズル 13……冷却材流入口 14……連通孔 15……係合部 16……ダッシュポット 17……延長棒,18……掴み部 19……シリンダ,20……抜け止め部材 21……ピストン 22……環状係止部 23……凹部,24……作動棒 25……グリッパ,26……膨大部 27……フック部,28……ベローズ 29……感温部材,30……ばね 31……連通孔,32……液体金属 33……支持板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−2094（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−56895（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−46884（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】炉心に設置された案内管内に昇降自在に収
納される制御棒本体と、この制御本体の上端から上方へ
延出された延長棒と、この延長棒の上部に設けた掴み部
と係合して前記制御棒本体を吊り下げる延長管とを備え
た制御棒集合体において、前記延長棒は上部延長棒と下
部延長棒とからなり、前記上部延長棒には下端部に抜け
止め部材を有して筒状シリンダが形成され、前記下部延
長棒には前記シリンダ内に挿入されるピストンが前記抜
け止め部材に下端を当接可能に設けられ、このピストン
は前記案内管を流れる冷却材の流体圧によって前記シリ
ンダ内を前記抜け止め部材を下端として移動自在に構成
されているか、または、前記掴み部は前記延長棒の上端
部に環状係止部を有して筒状シリンダが形成され、前記
延長管の下端部には前記掴み部のシリンダに挿入される
グリッパが下端部に環状のフック部を有してこのフック
部の上端面が前記環状係止部の下端面に当接可能に設け
られ、このグリッパの内部には前記延長管内部に設けら
れた作動棒が備えられ、前記案内管を流れる冷却材の流
体圧によって前記掴み部は前記フック部に当接する位置
を下端として移動自在に構成されていることを特徴とす
る制御棒集合体。
【請求項２】炉心に設置された案内管内昇降自在に収納
される制御棒本体と、この制御棒本体の上端から上方へ
延出された延長棒と、この延長棒の上部に設けた掴み部
と係合して制御棒本体を吊下する延長管とを有する制御
棒集合体において、前記延長管の一部にばねを介在し、
このばねの内側または外側にベローズを設け、このベロ
ーズまたは前記ばねの外側を包囲して二重円筒状感温部
材を設け、この感温部材内および前記ベローズ内に液体
金属を封入してなることを特徴とする制御棒集合体。