JP3752384B2 - 制御棒駆動機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子炉内の核燃料の核反応度を調整する制御棒駆動機構に係り、特に制御棒駆動機構のオリフィス部の流量変動を最小に抑えるのに好適な制御棒駆動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉内で進行する核反応の制御は炉心内に挿入する制御棒の挿入深さを調節する制御棒駆動機構により行われる。この制御棒駆動機構は沸騰水型原子力プラントにおいては原子炉圧力容器の下方に設けられている。制御棒に直線運動を与えるこの駆動機構には、通常、シリンダおよびピストンの組み合わせからなる水圧式ピストン駆動方式が用いられている。シリンダおよびピストンは原子炉圧力容器の下方にあって、ピストンが連結棒と、この連結棒の上端に設けられたカップリングにより制御棒と着脱自在に連結されるようになっている。
【０００３】
たとえば、ピストンのストロークは約４ｍに及ぶことから、シリンダの長さは極めて長大であって、ピストン、シリンダおよびこれらの摺動面を水密に保つシール部材の変形ならびに劣化等は制御棒駆動機構の動作特性に多大な影響が生じることになる。このため、制御棒駆動機構はシリンダと、このシリンダを収容するハウジングとの間にピストン駆動流体の一部を冷却用流体として流して冷却し、シリンダ等の熱膨張による変形あるいはシール部材の劣化を防ぐようにしている。この冷却用流体はシリンダに向かう制御棒挿入用駆動流体経路からオリフィスに穿った透孔を通して冷却用経路に取り込むようにしている。
【０００４】
図６に制御棒駆動機構の一例を示している。制御棒駆動機構１０は図に示すように、原子炉圧力容器１１の下方に突出して配置される。これは主要な要素として、原子炉圧力容器１１の下方に突出している円筒状のハウジング１２、このハウジング１２内に同心を保って設けられるシリンダ１３、このシリンダ１３内を上下方向に移動するピストン１４、ハウジング１２およびシリンダ１３の下面を密閉しているフランジ１５を備えている。
【０００５】
このシリンダ１３には上方の側面に駆動流体を導く制御棒引き抜き用配管１６が接続されている。さらに、シリンダ１３の下端の開口と通じるように駆動流体を導く制御棒挿入用配管１７が設けられている。この制御棒挿入用配管１７はフランジ１５内の通路１８を介してシリンダ１３の下端開口と連絡している。
【０００６】
また、ピストン１４はその上面において連結棒１９と結ばれている。この連結棒１９はカップリング１０を介して原子炉圧力容器１１内の制御棒２１と着脱自在に連結されている。制御棒２１は燃料集合体２２との間の隙間を上下方向に移動しつつ、核反応を制御する。燃料集合体２２は原子炉圧力容器１１内に固定される炉心板２３によって支持されている。制御棒２１の直線運動は連結棒１９を案内するシリンダ１２内のガイドリング２４によって狂いがないように保たれる。ガイドリング２４およびピストン１４は環状のシールリング２５、２６を備え、流体漏洩を抑制するようになっている。
【０００７】
一方、制御棒駆動機構１０はハウジグ１２内面とシリンダ１３の外面とに囲われる環状の冷却通路２７を有する。図７に示すように、この冷却通路２７はフランジ１５に形成されたねじ孔２８に螺合するオリフィス２９の透孔３０を通して通路１８と結ばれている。なお、図中、符号３１は締め付け工具を掛けるための六角穴を示している。
【０００８】
上記構成において、たとえば制御棒２１の挿入時には制御棒挿入用配管１７から駆動用流体が通路１８を通って下端の開口からシリンダ１３内に流入する。この流体はピストン１４の下部からピストン１４を押して制御棒２１を上方に移動させる。これにより制御棒２１の挿入深さが変わり、核反応を制御することが可能になる。これと逆に、制御棒２１の引き抜き時には制御棒引き抜き用配管１６から駆動用流体がシリンダ１３内に入り、ピストン１４の上部からピストン１４を押し、制御棒２１を下方に移動させる。また、通路１８に駆動用流体があるとき、その一部がオリフィス２９の透孔３０を通って冷却通路２７に流れ、シリンダ１３およびシールリング２５等が低温の冷却用流体によって冷却される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した制御棒駆動機構１０においては制御棒２１の挿入および引き抜き動作の駆動時間にはある変動幅が生じることが避けられない。すなわち、制御棒２１の挿入時には流体の大部分が通路１８からシリンダ１３内に流入するが、このとき一定量の流体はシリンダ１３には流れず、オリフィス２９の透孔３０から冷却通路２７に流れる。オリフィス２９から流入する流体量の変化を調べると、この流量は図８（ａ）に破線で示すように、原子炉圧力が低いときは少なく、原子炉圧力が高いときほど、増加する。このため、ピストン１４の下部に圧力を及ぼす流体量は原子炉圧力が低いときには多いものの、原子炉圧力が高くなるに従い、冷却通路２７側に流れる流体量の増加によりピストン１４の下部に作用する流体量が減少し、結果としてピストン１４の上昇速度が幾分抑えられて駆動時間が長くなる傾向がある。
【００１０】
一方、引き抜き時には流体が制御棒引き抜き配管１６からシリンダ１３内に流入し、ピストン１４が下方に押される。ピストン１４の下部にある流体は通路１８を通って制御棒挿入用配管１７まで流れ、このうちの一部がオリフィス２９の透孔３０から冷却通路２７に流れる。オリフィス２９から流入する流体量の変化をみると、この流体は図８（ｂ）に破線で示すように原子炉圧力が低いときは少なく、原子炉圧力が高いときほど、多量になる。このため、制御棒挿入用配管１７および冷却通路２７に流れる流体量は原子炉圧力が高いほど多くなり、流体が素早く逃がされることから、ピストン１４の降下速度が早くなり、結果として駆動時間が短くなる傾向がある。
【００１１】
挿入および引き抜き動作における駆動時間の変動幅を調べると、大気圧および定格圧力での測定において制御棒全挿入時には５秒程度、制御棒全引き抜き時には９秒程度の変動幅がある。このため、制御棒駆動機構１０の駆動速度を正常な範囲に維持するための駆動流量調整が難しく、調整に手間取ることがある。
【００１２】
そこで、本発明の目的は原子炉の全圧力変化を通じてオリフィスを通る流体量をほぼ一定に保つことで、駆動流量調整を容易に実施できるようにした制御棒駆動機構を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の制御棒駆動機構は、ハウジングの下端にこのハウジング内のシリンダに供給する作動流体の一部を前記シリンタ゛のまわりの冷却通路に冷却用媒体として導くオリフィスを設けてなる制御棒駆動機構において、前記オリフィスの透孔は原子炉圧力の変化に対する流量の変動幅を小さくする流量調節部を備え、この流量調節部は前記オリフィスの中心部を貫いて形成された透孔全長の半分を超える長さにわたって刻まれたねじ孔であることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１において、制御棒駆動機構はフランジ１５のねじ孔２８に螺合させたオリフィス４１を備えている。このオリフィス４１の透孔は軸方向に本体中心部を貫いて形成される、内面に凹凸を刻む、たとえばねじ孔４２からなる。この透孔は原子炉圧力の変化に対する流量の変動幅を小さくする流量調節部として機能し、ねじ孔４２のねじは透孔全長の半分を超える長さにわたって刻まれている。また、オリフィス４１の上端近くには締め付け工具を掛けるための六角穴４３が備えられる。
【００２２】
本実施の形態は上記構成からなり、制御棒２１の挿入時には駆動用流体が制御棒挿入用配管１７から通路１８を通り、下端の開口からシリンダ１３内に流入する。このとき、一定量の流体は冷却用流体としてオリフィス４１のねじを刻んだねじ孔４２を通って冷却通路２７に流入する。この流体が流入するオリフィス４１のねじ孔４２は滑らかな面ではなく、凹凸のあるねじ孔４２で構成されており、流体がそこを通るとき、摩擦によりヘッド損失が大きくなる。
【００２３】
このヘッド損失の増大により流体が流れにくくなり、ねじ孔４２を通って冷却通路２７に流れる流体量が減少する一方、特に、原子炉圧力が低いとき、従来と比べて静圧が高まることによりねじ孔４２を通る流体量が増加する。
【００２４】
上記特性を有するオリフィス４１において原子炉圧力を変化させた場合、流体量の推移は図２（ａ）の実線で示すようになる。図には比較のために従来の流体量の推移（破線）も示している。冷却通路２７の流体量は原子炉の全圧力変化を通じてほぼ一定であり、変動幅がより小さくなることが判る。
【００２５】
これによりピストン１４の下部に常に一定量の駆動用流体を作用させることが可能になり、ピストン１４の上昇速度を原子炉全圧力を通じて一定させることができる。したがって、制御棒２１の挿入時、原子炉圧力が変化するときもピストン動作時間に大きな差は生じないで、駆動時間の変動幅をより小さくすることができる。
【００２６】
一方、制御棒２１の引き抜き時には駆動用流体が引き抜き用配管１６からシリンダ１３内に流入し、ピストン１４が下方に押される。ピストン１４の下部にある流体は通路１８を通って制御棒挿入用配管１７まで流れ、このうちの一部が冷却用流体としてオリフィス４１のねじ孔４２から冷却通路２７に流れる。先に述べた特性を有するオリフィス４１において原子炉圧力を変化させた場合の流体量の推移は図２（ｂ）の実線で示すにようになる。冷却通路２７の流体量は原子炉の全圧力変化を通じてほぼ一定である。すなわち、原子炉圧力が変化しても、制御棒挿入用配管１７および冷却通路２７への流体量はほぼ一定した量に保つことが可能で、変動幅がより小さくなる。
【００２７】
これにより、ピストン１４の下部にある流体が喪失してピストン１４の降下速度が早まるときも、その降下速度を原子炉全圧力を通じてほぼ一定させることができる。したがって、制御棒２１の引き抜き時、原子炉圧力が変化するときも、ピストン動作時間に大きな差は生じないで、駆動時間の変動幅をより小さくすることが可能になる。
【００２８】
通常、定期点検中に行われる駆動流量調整、すなわち制御棒駆動時間の調整は大気圧条件のもとで実施しなければならないが、ある決められた値に対して原子炉定格運転時における望ましい駆動時間となるように補正量を見込んで調整することになる。補正量が適正であれば、再調整は不要であるが、原子炉定格圧力条件で規定値から駆動時間が外れてしまうと、再調整を強いられることになり、無駄な時間を費やす可能性があったが、本実施の形態においては大気圧時のものと、原子炉定格圧力時のものとで駆動時間に大きな差は発生せず、こうした再調整を実施しなければならない状況に陥るのを確実に防ぐことが可能になる。
【００２９】
このように本実施の形態によれば、駆動時間の変動幅を小さくすることが可能で、駆動流量調整に手間取ることがなく、制御棒駆動機構の点検、調整時間を大幅に短縮することができる。
【００３０】
さらに、本発明の望ましい実施の形態を説明する。図３において、制御棒駆動機構はフランジ１５のねじ孔２８に螺合させたオリフィス４４を備えている。このオリフィス４４の透孔は軸方向にそれぞれ本体部を置いて形成される口径の小さい４個の小孔４５からなる。図には４個の小孔４５のうち、２個が示されている。この小孔４５の口径は４個が同一寸法からなる。
【００３１】
本実施の形態は上記構成からなり、制御棒２１の挿入時には駆動用流体の一部がオリフィス４４の各小孔４５を通って冷却通路２７に流入する。オリフィス４４の小孔４５は口径が小さく形成されており、流体がそこを通るとき、ヘッド損失が大きくなる。流体はヘッド損失の増大で流れにくくなり、各小孔４５を通って冷却通路２７に流れる流体量が減少する一方、特に、原子炉圧力が低いとき、従来と比べて静圧が高まることにより小孔４５を通る流体量が増加する。したがって流量の変動幅が小さくなることにより、上記実施の形態と同様に、制御棒２１の挿入時、原子炉圧力が変化するときも、ピストン動作時間に過大な差は発生せず、駆動時間の変動幅をより小さくすることが可能になる。
【００３２】
一方、制御棒２１の引き抜き時にはピストン１４の下部にある駆動用流体が制御棒挿入用配管１７まで流れ、このうちの一部が冷却用流体としてオリフィス４４の各小孔４５を通って冷却通路２７に挿入する。ヘッド損失の大きい特性を有するオリフィス４４により流体は流れにくくなり、各小孔４５を通って冷却通路２７に流れる流体量が減少する。したがって、流量の変動幅が小さくなることで、上記実施の形態と同様に、制御棒２１の引き抜き時、原子炉圧力が変動するときも、ピストン動作時間に過大な差は発生せず、駆動時間の変動幅をより小さくすることが可能になる。
【００３３】
このように本実施の形態によれば、駆動時間の変動幅を小さくすることができ、駆動流量調整に手間取ることがなく、制御棒駆動機構の点検、調整時間を大幅に短縮することが可能になる。
【００３４】
さらに、本発明の望ましい実施の形態を説明する。図４において、制御棒駆動機構はフランジ１５のねじ孔２８に螺合させたオリフィス４６を備えている。このオリフィス４６の透孔は軸方向に本体中心部を貫いて形成される、テーパ孔４７からなる。このテーパ孔４７は出口口径が入口口径よりも小さく形成されている。
【００３５】
本実施の形態は上記構成からなり、上記の各実施の形態と同様に、制御棒２１の挿入時にはテーパ孔４７を通って流れる冷却用流体がヘッド損失の増大により流れにくくなり、テーパ孔４７を通って冷却通路２７に流れる流体量が減少する一方、特に、原子炉圧力が低いとき、従来と比べて静圧が高まることによりテーパ孔４７を通る流体量が増加する。したがって、流量の変動幅が小さくなることにより上記各実施の形態と同様に、制御棒２１の挿入時、原子炉圧力が変化するときも、ピストン動作時間に過大な差は生じないで、駆動時間の変動幅をより小さくすることができる。
【００３６】
一方、制御棒２１の引き抜き時にはヘッド損失の大きい特性を有するオリフィス４６により冷却用流体は流れにくくなり、テーパ孔４７を通って冷却通路２７に流れる流体量が減少する。したがって、流量の変動幅が小さくなることで、上記各実施の形態と同様に、制御棒２１の引き抜き時、原子炉圧力が変化するときも、ピストン動作時間に過大な差は生じないで駆動時間の変動幅をより小さくすることが可能になる。
【００３７】
このように本実施の形態によれば、駆動時間の変動幅を小さくすることが可能で、駆動流量調整に手間取ることがなく、制御棒駆動機構の点検調整時間を大幅に短縮することができる。
【００３８】
さらに、本発明の望ましい実施の形態を説明する。図５において、制御棒駆動機構はフランジ１５のねじ孔２８に螺合させたオリフィス４８を備えている。このオリフィス４８の透孔は軸方向に本体中心部を貫いて穿たれる、入口側小孔４９、中間連絡孔５０および下流側小孔５１からなる。上流側小孔４９は１個からなり、下流側小孔５１は２個からなる。
【００３９】
本実施の形態は上記構成からなり、上記の実施の形態と同様に、制御棒２１の挿入時には小孔４９、中間連絡孔５０および２個の小孔５１を通って流れる冷却用流体がヘッド損失の増大により流れにくくなり、上流側小孔４９および下流側小孔５１を通って冷却通路２７に流れる流体量が減少する一方、特に、原子炉圧力が低いとき、従来と比べて静圧が高まることにより上流側小孔４９および下流側小孔５１を通る流体量が増加する。したがって、流量の変動幅が小さくなることにより上記各実施の形態と同様に、制御棒２１の挿入時、原子炉圧力が変化するときも、ピストン動作時間に過大な差は生じないで、駆動時間の変動幅をより小さくすることが可能になる。
【００４０】
一方、制御棒２１の引き抜き時にはヘッド損失の大きい特性を有するオリフィス４８により冷却用流体は流れにくくなり、上流側小孔４９および下流側小孔５１を通って冷却通路２７に流れる流体量が減少する。したがって、流量の変動幅が小さくなることにより、上記各実施の形態と同様に、制御棒２１の引き抜き時、原子炉圧力が変化するときも、ピストン動作時間に過大な差は生じないで駆動時間の変動幅をより小さくすることができる。
【００４１】
このように本実施の形態によれば、駆動時間の変動幅を小さくすることができ、駆動流量調整に手間取ることがなく、制御棒駆動機構の点検、調整時間を大幅に短縮することが可能になる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明においては透孔の流量調節部で冷却通路に流れる流体量がより制限されるので、流量の変動幅をより小さくすることができ、制御棒挿入時、原子炉圧力が変化するときも、ピストン動作時間に大きな差は生じないで、駆動時間の変動幅をより小さくすることができる。また、制御棒引き抜き時、原子炉圧力が変化するときも、ピストン動作時間に過大な差は生じないで、駆動時間の変動幅をより小さくすることが可能になる。
【００４３】
したがって、本発明によれば、定期検査中、駆動流量調整に手間取ることがなくなり、制御棒駆動機構の点検、調整時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による制御棒駆動機構の要部を示す断面図。
【図２】（ａ）は本発明に係る制御棒挿入時の原子炉圧力と冷却通路流体流量との関係を示すグラフ、（ｂ）は本発明に係る制御棒引き抜き時の原子炉圧力と冷却通路流体流量との関係を示すグラフ。
【図３】本発明の他の実施の形態を示す断面図。
【図４】本発明の他の実施の形態を示す断面図。
【図５】本発明の他の実施の形態を示す断面図。
【図６】従来の制御棒駆動機構の一例を示す断面図。
【図７】図６に示すオリフィスの詳細を示す断面図。
【図８】（ａ）は従来の制御棒挿入時の原子炉圧力と冷却通路流体流量との関係を示すグラフ、（ｂ）は従来の制御棒引き抜き時の原子炉圧力と冷却通路流体流量との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１２ ハウジング
１３ シリンダ
１４ ピストン
１６ 制御棒引き抜き配管
１７ 制御棒挿入配管
２１ 制御棒
４１、４４、４６、４８ オリフィス
４２ ねじ孔
４５ 小孔
４７ テーパ孔
４９ 入口側小孔
５１ 出口側小孔

Claims (1)

1. ハウジングの下端にこのハウジング内のシリンダに供給する作動流体の一部を前記シリンタ゛のまわりの冷却通路に冷却用媒体として導くオリフィスを設けてなる制御棒駆動機構において、前記オリフィスの透孔は原子炉圧力の変化に対する流量の変動幅を小さくする流量調節部を備え、この流量調節部は前記オリフィスの中心部を貫いて形成された透孔全長の半分を超える長さにわたって刻まれたねじ孔であることを特徴とする制御棒駆動機構。

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