JP4210108B2 - 原子炉の制御棒駆動装置と原子炉炉心への制御棒の挿入方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉、特に沸騰水形原子炉の制御棒駆動装置と、特に原子炉を緊急停止するために原子炉炉心に制御棒を挿入する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉、特に軽水炉において、核分裂連鎖反応の調整は、特に個々の燃料集合体内又は燃料集合体間に挿入されて中性子を吸収する所謂制御棒により行う。制御棒は、例えば原子炉の始動時および通常運転中に、原子炉の出力を調整するため並びに事故発生時に原子炉を緊急停止するために利用される。
【０００３】
沸騰水形原子炉の場合、制御棒は通常、原子炉圧力容器の内部に配置された炉心内に下から挿入される。原子炉圧力容器の外側に制御棒駆動装置が配置され、該駆動装置によって、制御棒の挿入と引抜きが行われる。原子炉を緊急停止する場合、制御棒は炉心の中に液圧式に極めて短時間で挿入される。そのために制御棒駆動装置は、所謂スクラム配管である圧力管に接続されている。
【０００４】
原子炉の緊急停止装置および方法が特許文献１に記載されている。その停止装置の場合、個々の制御棒を互いに無関係に制御するグループに分けている。
【０００５】
次に制御棒駆動装置の原理的構造について図４を参照して説明する。図４は、原子炉圧力容器４に据え付けた状態にある制御棒駆動装置２を、一部断面側面で示す。原子炉圧力容器４は一部しか示していない。
【０００６】
制御棒駆動装置２はその駆動装置ハウジング８が、原子炉圧力容器４の内室７内に達するノズル６に取り付けられている。原子炉圧力容器４の外側において、駆動装置ハウジング８に駆動ユニット９が設けられている。該ユニット９は電動機１０を有し、この電動機１０は伝動装置１２を経て駆動軸１４を駆動する。この駆動軸１４に形成され、ナット２０により案内されるスピンドル１８で、スピンドル駆動装置１６を構成している。前記ナット２０は案内管２２の内部を導かれ、中空ピストン２４を支持している。このピストン２４はそのフランジ２５の形に形成された下端が、ナット２０上にゆるく置かれている。ナット２０並びに中空ピストン２４は案内ローラ２６を介して、駆動装置ハウジング８に対し同心的に配置された案内管２２内を案内される。中空ピストン２４はその上側閉鎖端２７に継手２８を備える。この継手２８に、挿入すべき制御棒２９が取り付けられている。その制御棒２９は概略的にその一部のみを示す。即ち、継手２８は原子炉圧力容器４の内部に達している。駆動装置ハウジング８の上側部に、詳しくはノズル６の範囲に、所謂絞りブッシュ３０が配置されている。この絞りブッシュ３０は公差遊びを空けた状態で中空ピストン２４を包囲している。
【０００７】
通常運転中、制御棒の挿入・引抜きはスピンドル駆動装置１６により行う。緊急停止時、圧力管接続口３２を経て例えば１５０バールの非常に高圧の圧力流体が流入する。この圧力流体はナット２０の位置に無関係に中空ピストン２４を上向きに一気に押しやる。絞りブッシュ３０と中空シリンダ２４との間に流れ経路を形成する公差遊び（漏れ隙間）しか存在しないので、圧力流体で用意された圧力が完全にかかり、中空ピストン２４を加速させる。中空ピストン２４のフランジ２５が対向ストッパとして作用する絞りブッシュ３０に到達すると、中空ピストン２４がほぼ瞬間的に制動される。その際に生ずる力は適当な支持装置、特に適当に寸法を定めたばね要素３４により受けられるが、その機械的荷重は非常に大きい。また圧力管接続口３２に接続された圧力管が開いた際、圧力衝撃が生じ、該衝撃が超過速度および大きな荷重を生じさせるという問題がある。
【０００８】
【特許文献１】
独国特許第４４４１７５１号明細書
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、原子炉の緊急停止時に制御棒を大事に良好に挿入できるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明に基づき、請求項１記載の特徴を有する制御棒駆動装置により解決される。本発明に基づく制御棒駆動装置の場合、絞りブッシュを通り抜けて通じる流れ経路の流れ開口断面を、制御棒支持要素の実際位置に関係して変化するようにしている。その流れ経路は特に、絞りブッシュと特に中空ピストンとして形成された制御棒支持要素との間の隙間によって形成される。
【００１１】
本発明は、絞りブッシュでの圧力降下を適当に制御し、中空ピストン（制御棒支持要素）に作用する圧力を変化させることで、挿入時の中空ピストンの速度を変えられるという考えから出発する。即ちこれに伴い、中空ピストンの挿入長さにわたり、危険な荷重集中を防止する適切な速度分布が生ずる。これは、特に中空ピストンが絞りブッシュに衝突する際の衝撃力を小さくすべく、中空ピストンが挿入終端位置に到達する前に、速度が極めて小さくなることを意味する。即ち、絞りブッシュと中空ピストンとの間の流れ状態を、中空ピストンの位置に関係して適当に選定することで、従来の制御棒駆動装置に比べて明らかに小さな機械的荷重で済むような挿入が可能となる。
【００１２】
その小さな荷重に基づき、例えばばね要素等の補助的な制動装置を、単純に特に短くできる。その結果、全体として制御棒駆動装置の長さを短縮できる。
【００１３】
本発明の目的に適う実施態様では、流れ開口断面が基本位置から挿入終端位置に向かって増大する。ここで基本位置とは、制御棒が原子炉炉心から完全に引き抜かれた位置を意味する。この処置により、中空ピストンが挿入終端位置に接近した際、中空ピストンに作用する圧力、従って中空ピストンの速度が減少する。即ち、絞りブッシュと中空ピストンとの間における圧力流体の流れ抵抗が減少するので、圧力流体は小さな抵抗で原子炉圧力容器の内室に送られる。
【００１４】
この変化する流れ状態を単純な構造で実現すべく、本発明の有利な実施態様では、制御棒支持要素の外径を変化させる。即ち、制御棒支持要素が絞りブッシュを通過する際、それらの間の隙間を、変化する外径により自動的に変える。その際、挿入終端位置に到達したときに中空ピストンの所望の制動性能を得るべく、制御棒支持要素が駆動ユニット側の下側部に縮小外径を有するとよい。
【００１５】
適切な流れ案内に関し、流れ抵抗が連続的に変化するように、制御棒支持要素をテーパ部において、縮小外径迄連続して先細りにするとよい。その場合、特に制御棒支持要素は断面円錐状に延びる部分を有している。
【００１６】
各制御棒を十分高速に押し込み且つ適切に制動することに関し、制御棒支持要素は、その所定の長さにわたり一定縮小外径を持つ。
【００１７】
制御棒支持要素の位置に応じて変化する流れ抵抗に対し、制御棒支持要素の外径減少の代わりに又はそれと組み合わせて、中空ピストンとして形成した制御棒支持要素に、特にバイパス開口を設ける。従って、絞りブッシュを通り抜けて通じる圧力流体の流れ経路が、バイパス開口を経ても生ずる。しかしこの経路は、挿入時にバイパス開口が絞りブッシュの範囲にある際、特にバイパス開口が絞りブッシュを通過した際、即ち原子炉圧力容器の内部に存在する際しか有効とならない。流れ抵抗は、主にバイパス開口の大きさに応じて変化する。複数のバイパス開口を中空ピストンの種々の長さ位置に分布して設けてもよい。
【００１８】
縮小外径とバイパス開口とを組み合わせる場合、バイパス開口は、制御棒支持要素のテーパ部の範囲又はその手前の範囲に配置する。これにより、縮小外径が有効となる前に、流れ状態を変化できる利点がある。バイパス開口および縮小外径の両者の互いに無関係な配置により、所望の速度分布が簡単に得られる。
【００１９】
制御棒支持要素が縮小外径の範囲、制御棒支持要素が挿入終端位置に位置する場合、絞りブッシュの内部に位置する外側リブを有すると有利である。この処置は、中空ピストンが挿入位置に到達した際、流速を増大させる。その結果、汚れ粒子の侵入を防止できる。外側リブを環状突条部として形成し、その外径を絞りブッシュの内径にほぼ一致させるとよい。即ち、その環状突条部は、縮小外径と絞りブッシュとの間に存在する隙間を、公差遊びを含めて十分に密封する。
【００２０】
制御棒支持要素をそのために設けた案内管内で確実に案内すべく、縮小外径の範囲に縦リブを配置するとよい。これら縦リブはいわば縮小外径を中断し、半径方向に標準外径迄、即ち減少していない本来の外径迄延びる。その縦リブを、制御棒支持要素の挿入時に縦リブを、案内管内に配置した案内要素、特に案内ローラにより案内するように配置する。
【００２１】
また原子炉炉心への制御棒の挿入方法に関する課題は、本発明に基づき、請求項１１記載の手段により解決される。それに応じて、挿入時に、絞りブッシュに沿って生ずる圧力流体に対する流れ抵抗が変化する。
【００２２】
制御棒駆動装置に関し述べた利点と実施態様は、本発明の方法にも該当する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下図を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２４】
各図、特に図１と２において、図４の上述した従来の制御棒駆動装置と同一部分には、それと同一符号を付してある。
【００２５】
図１と２において、中空ピストンとして形成された制御棒支持要素４０は絞りブッシュ３０で案内される。絞りブッシュ３０と制御棒支持要素４０は、ここでは概略的に示す駆動装置ハウジング８の内部に配置されている。絞りブッシュ３０はノズル６（図４参照）の範囲にしか配置されておらず、即ち、制御棒支持要素４０の非常に短い長さにわたってしか延びていない。駆動装置ハウジング８の横に圧力管接続口３２が開口している。
【００２６】
図１において制御棒支持要素４０は、下側基本位置と図２に示す上側挿入終端位置との間の中間位置にある。その基本位置で、制御棒支持要素４０の上側閉鎖端２７は、絞りブッシュ３０の上端とほぼ一致している。
【００２７】
制御棒支持要素４０は下側開放部にあるフランジ２５から、上側閉鎖端２７迄延びている。制御棒支持要素４０で封じ込まれた中空室４６は一定の内径を有するが、制御棒支持要素４０の外径はその長さにわたり変化している。このため絞りブッシュ３０と制御棒支持要素４０との間に存在する隙間の幅は、絞りブッシュ３０と制御棒支持要素４０との相対位置が変化するに伴い変化する。駆動装置ハウジング８の内部から原子炉圧力容器４の内室７に向けて流れ経路４２が形成されている。従ってその流れ開口断面積は、制御棒支持要素４０の位置に応じて変化する。制御棒支持要素４０はその上端２７の部分で最大外径を有し、この最大外径は制御棒支持要素４０の一部にわたり維持されている。制御棒支持要素４０はテーパ部４８にわたり連続して小さな外径（縮小外径）迄先細くされている。制御棒支持要素４０はその縮小外径をフランジ２５迄維持している。その外径の減少は制御棒支持要素４０の壁を薄くすることで達成されている。
【００２８】
この実施例では、制御棒支持要素４０はバイパス開口５２を備える。該開口５２はテーパ部の上側の範囲に配置されている。このため、制御棒支持要素４０を適当な位置に置いた際、制御棒支持要素４０の壁を通り中空室４６を経て原子炉圧力容器４の内室７に通じる圧力流体のもう１つの流れ経路が生ずる。尚、バイパス開口は必ずしも必要ではない。
【００２９】
テーパ部４８とフランジ２５の間の中央に環状突条部５０が配置されている。本実施例では、環状突条部５０の外径は、制御棒支持要素４０の上側部における最大外径に略相当する。環状突条部５０は、制御棒支持要素４０が上側挿入終端位置に位置する際、図２から明らかなように、絞りブッシュ３０の上端に位置するように配置している。その際、フランジ２５は対向ストッパとして働き、制御棒支持要素４０を挿入した際、フランジ２５で絞りブッシュ３０に当る。
【００３０】
制御棒支持要素４０が、特にこのように外径を変化させ、バイパス開口５２を備えて形成されたことにより、絞りブッシュ３０を通り抜けて原子炉圧力容器４の内室７に向かって流れる圧力流体に対する流れ抵抗が、制御棒支持要素４０が実際にとっている各位置に応じて変化する。
【００３１】
緊急停止時、圧力管接続口３２を経て圧力流体が流入する。該流体は流れ経路４２の大きな流れ抵抗のためそこから一部しか逃げ出せない。従って制御棒支持要素４０は大きな圧力形成に基づき強く加速され、高速で上向きに移動する。制御棒支持要素４０が図１に示す中間位置に達すると、流れ抵抗が徐々に減少し、即ち制御棒支持要素４０に作用する圧力が減少する。これに伴い、制御棒支持要素４０が全体として幾分か制動される。その流れ抵抗の減少は、まずバイパス開口５２を経て行われる。この開口５２は、中空室４６から流れ経路４２への圧力流体の溢流と、その流れ経路４２から原子炉圧力容器４の内室への溢流を可能にしている。制御棒支持要素４０が一層上向きに移動した際、バイパス開口５２は中空室４６から内室７への直接的な溢流を可能にする。
【００３２】
続いて、テーパ部４８の外径の減少により、追加的な流れ抵抗が生ずる。定常的に連続するテーパにより、制御棒支持要素４０の同様に定常的で一様な速度減少が起る。外径の連続的な変化とこれに伴う流れ抵抗の連続的な変化により、挿入を極めて一様に、かつ衝撃なしに、従って材料に対し優しく行える。テーパ部４８が絞りブッシュ３０を通過すると、制御棒支持要素４０がほぼ一定した小さな速度で、最後の行程にわたり上側挿入位置（図２参照）迄移動する。
【００３３】
環状突条部５０が流れ経路４２に入り込むや否や、流れ抵抗が再び増大し、従って流出速度が増大し、このため、汚れ排除流が生ずる。バイパス開口５２を介しての流れ経路が再び開く。
【００３４】
挿入時における制御棒支持要素４０の確実な案内を保障すべく、図３から判るように、縮小外径の範囲に縦リブ５４を配置している。この実施例の場合、両側に縦リブ５４を設けている。これら縦リブ５４は、特にテーパ部４８の前における制御棒支持要素４０の標準外径に相当する外径を規定する。これら縦リブ５４により、制御棒支持要素４０は、図４に示す案内管２２の内部で、絞りブッシュ３０の範囲に設けた案内ローラ２６で確実に案内される。縦リブ５４は、必要ならばレールとしても形成できる。
【００３５】
本発明に基づく装置では、単純な処置で、制御棒支持要素４０の各位置に関連して、挿入速度を設定できる。このため、制御棒支持要素４０は挿入終端位置に到達する前に適切に制動される。またこれに伴い、システム上の超過速度を、圧力流体の流入過程中にひき起こされるピーク圧力により減少できる。この処置に基づき、制御棒駆動装置の部品、特に制動用に設けた、例えばばね要素３４（図４参照）のような部品は、従来の構成に比べほんの僅かしか負荷されない。これは全体として、例えばばね要素３４で受ける力が小さくなり、従ってばね要素３４を短縮し、制動過程に必要な部品の単純な設計を可能にし、従来の装置に比べて、これら部品の構造長さを短縮できる。
【００３６】
図１および図２に示した原理は、例えば図４に示すような沸騰水形原子炉の制御棒駆動装置２にも好適に採用できる。即ち、図４に示す制御棒駆動装置２は、図１から３に概略的に示す制御棒支持要素４０を、図４に示す中空ピストン２４の代わりに、同じ外径で利用すべく変更できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中間位置にある状態の、制御棒駆動装置の絞りブッシュ範囲の概略断面図。
【図２】上側挿入終端位置における図１に相当した概略断面図。
【図３】制御棒支持要素の縮小外径部の横断面図。
【図４】従来における制御棒駆動装置の概略構成図。
【符号の説明】
２ 制御棒駆動装置
４ 原子炉圧力容器
６ ノズル
７ 原子炉圧力容器の内室
８ 駆動装置ハウジング
９ 駆動ユニット
１０ 電動機
１２ 伝動装置
１４ 駆動軸
１６ スピンドル駆動装置
１８ スピンドル
２０ ナット
２２ 案内管
２４ 中空ピストン
２５ フランジ
２６ 案内ローラ
２７ 制御棒支持要素の上端
２８ 継手
２９ 制御棒
３０ 絞りブッシュ
３２ 圧力管接続口
３４ ばね要素
４０ 接続棒支持要素
４２ 流れ経路
４６ 中空室
４８ テーパ部
５０ 環状突条部
５２ バイパス開口
５４ 縦リブ

Claims (11)

1. 駆動装置ハウジング（８）を備え、該ハウジング（８）内で制御棒支持要素（４０）が基本位置と挿入終端位置の間を移動し、制御棒支持要素（４０）が部分範囲において絞りブッシュ（３０）で案内され、制御棒支持要素（４０）の下端（２５）が駆動ユニット（９）と共働する原子炉、特に沸騰水形原子炉の制御棒駆動装置（２）において、前記絞りブッシュ（３０）を通り抜けて通じる圧力流体の流れ経路（４２）の流れ開口断面が、制御棒支持要素（４０）の実際位置に関係して変化し、前記基本位置から挿入終端位置に向かって増大することを特徴とする装置。
2. 制御棒支持要素（４０）の外径が変化することを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 制御棒支持要素（４０）が、その駆動ユニット（９）側の下側部において縮小された外径部分（以下、縮小外径という。）を有することを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 制御棒支持要素（４０）が、テーパ部（４８）において縮小外径迄連続的に先細くされたことを特徴とする請求項３記載の装置。
5. 制御棒支持要素（４０）が、その長さの一部だけにわたり一定した縮小外径を有することを特徴とする請求項３又は４記載の装置。
6. 制御棒支持要素（４０）が中空ピストンとして形成され、その壁に少なくとも１つのバイパス開口（５２）を有することを特徴とする請求項３から５の１つに記載の装置。
7. バイパス開口（５２）が、制御棒支持要素（４０）のテーパ部（４８）の範囲或いはその手前の範囲に配置されたことを特徴とする請求項３又は６記載の制御棒駆動装置。
8. 制御棒支持要素（４０）が縮小外径の範囲、制御棒支持要素（４０）が挿入終端位置に位置する際、絞りブッシュ（３０）の内部に位置する外側リブ（５０）を有することを特徴とする請求項３、４、５、７の１つに記載の装置。
9. 外側リブが環状突条部（５０）として形成され、その外径が絞りブッシュ（３０）の内径に相当することを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 縮小外径の範囲に縦リブ（５４）が配置されたことを特徴とする請求項３から９の１つに記載の装置。
11. 原子炉炉心内に挿入される制御棒（２９）を支持し部分範囲において絞りブッシュ（３０）で案内される制御棒支持要素（４０）を、その基本位置と挿入終端位置との間を圧力流体を介して液圧式に移動させる、特に原子炉を緊急停止すべく原子炉炉心に制御棒（２９）を挿入する方法において、前記絞りブッシュ（３０）を通り抜けて通じる圧力流体の流れ経路（４２）の流れ開口断面を、制御棒支持要素（４０）の実際位置に関係して変化させ、前記基本位置から挿入終端位置に向かって増大させることにより、前記絞りブッシュ（３０）を通り抜けて通じる圧力流体の流れ抵抗を減少させることを特徴とする方法。

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