JP6175393B2

JP6175393B2 - 原子炉炉底部の保護装置

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Publication number: JP6175393B2
Application number: JP2014060690A
Authority: JP
Inventors: 真弓小林; 晴彦畠; 油　晶紀; 晶紀油; 忠浩三橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-03-24
Also published as: JP2015184134A

Description

本発明の実施形態は、事故時に原子炉炉底部を保護する原子炉炉底部の保護装置に関する。

図７に改良型沸騰水型原子炉の縦断面図を示す。沸騰水型原子炉は、冷却材１１である軽水が炉心３１を構成する燃料集合体３２間を通過していく間に加熱されて沸騰し二相流となり、原子炉圧力容器１内に配置された気水分離器２で気液が分離され蒸気乾燥器３で湿分が除去された後、飽和蒸気の状態で図示しないタービンへ導かれて発電機を回転させて発電を行う。

燃料集合体３２は、炉心３１の下部に配置された燃料支持金具４、制御棒案内管５、制御棒駆動機構ハウジング６を介して原子炉圧力容器１の下鏡部１ａで鉛直方向に支持されている。またこの燃料集合体３２の水平方向は、炉心３１の上部に配置された上部格子板７、炉心支持板８、炉心シュラウド９を介して原子炉圧力容器１の下鏡部１ａに支持されている。

冷却材１１の流路は、炉心シュラウド９およびシュラウドヘッド１０と、原子炉圧力容器１の内側面間のダウンカマー部１ｂと炉心３１が配置される炉心部に形成される。

図示しない給水配管からの注入された給水と気水分離器２から流入されるドレン水が混合しサブクールされた冷却材１１は、ダウンカマー部１ｂでインターナルポンプ１２もしくは、沸騰水型原子炉の場合は原子炉圧力容器１と炉心シュラウド９の間に位置するジェットポンプ（図示せず）により加圧され下部プレナム部に流入し、制御棒案内管５、燃料支持金具４を介して炉心部へ導かれる。

炉心部へ流入した冷却材１１は燃料集合体３２の燃料チャンネル内を上昇し燃料集合体３２により加熱（燃料を冷却）され沸騰し水と蒸気の二相流となりシュラウドヘッド１０内へ至る。二相流は、気水分離器２へ流入し蒸気と水に分離され、蒸気は気水分離器２から蒸気乾燥器３へ向かい、分離された水はドレン水としてダウンカマー１ｂへ戻される。

蒸気乾燥器３へ向かった蒸気は、蒸気乾燥器３でさらに湿分を分離しほぼ水分が除去された状態で主蒸気出口ノズル１３を通ってタービンへ向かう。タービンを駆動した蒸気は、図示しない給水加熱器で一定温度まで加熱されたのち給水として給水ノズル１４を通り再び原子炉圧力容器１内へ導かれる。

原子炉は何らかの要因により緊急停止する場合は、制御棒３３を全数炉心３１に挿入するスクラムにより停止することができる。

ここで図８に原子炉圧力容器１の下鏡部１ａを構成する炉底部と制御棒駆動機構ハウジング６の取合いを示した拡大図を示す。燃料を支持している炉内構造物の１つである制御棒駆動機構ハウジング６は、原子炉圧力容器１の炉底部を貫通して原子炉鉛直方向に位置している。そのため、原子炉圧力容器１の炉底部に接続されているスタブチューブ１５内に制御棒駆動機構ハウジング６を挿入し、スタブチューブ１５と制御棒駆動機構ハウジング６が接する部分を溶接することで、制御棒駆動機構ハウジング６を原子炉圧力容器１に固定している。この溶接部はＪ溶接部１６と呼ばれている。

特開２０１３−１５６０８１号公報特開２０１１−２３２０４８号公報

原子炉が停止もしくは何らかの要因によりスクラムし、原子炉停止状態となっても、全電源喪失などにより原子炉注水機能、原子炉冷却機能が喪失した場合には、炉心に収容された燃料の崩壊熱により冷却材の温度が上昇する。この状態が続くと冷却材の温度上昇にともなって原子炉圧力が上昇する。過度に圧力が上昇するのを防止するために逃し安全弁が設置されており、一定圧力以上に原子炉圧力が上昇した場合には、原子炉内の蒸気を放出し原子炉圧力を低下させることができるが、給水機能が喪失していると冷却材の放出によって原子炉水位を低下させることとなる。

外部の仮設ポンプ等を用いて原子炉に注水し、原子炉の冷却および水位を回復するためには原子炉圧力が高いため原子炉を減圧する必要がある。

原子炉を急激に減圧すると減圧沸騰により原子炉の水位が低下し燃料集合体が露出する可能性がある。

冷却水の注入が不足し燃料集合体が露出した状態が続くと燃料自体が溶融する可能性がある。このような事故時に溶融燃料が原子炉圧力容器外に流出しないようにするためその構造が検討されている。

本発明の目的は、事故時に溶融燃料が原子炉圧力容器外に流出しないようにする構造をより容易に取り付けることのできる原子炉炉底部の保護装置を提供することにある。

上記実施形態に係る原子炉炉底部の保護装置は、原子力圧力容器内に設けられた制御棒駆動機構ハウジングとこの原子力圧力容器に設けられたスタブチューブを固定する溶接部を覆う耐熱材から成る断熱材と、この断熱材の外面を覆う保護カバーと、この保護カバーを上部から固定する保護カバー固定装置から構成され、この保護カバー固定装置は、固定フレームと、固定フレーム内に設置され上下方向に移動する上部クサビと、この上部クサビの上下方向の移動に伴って前記制御棒駆動機構ハウジングの径方向に移動する下部クサビと、前記上部クサビと接続されこの上部クサビを上下方向に移動させる押しボルトと、前記固定フレームに取り付けられ前記押しボルトの上からこの押しボルトを廻す座付きボルトと、この座付きボルトと前記押しボルトの間に位置する溝が切られた座金と、この座金の周りに設けられ運転時に前記座付きボルトが回転しないように前記座金の溝に沿って廻り止めを行うスリーブとから構成されたことを特徴とする。

本発明の実施形態は、事故時に溶融燃料が原子炉圧力容器外に流出しないようにする構造物をより容易に取り付けることのでき、かつ運転時にも緩まずに固定しつづける原子炉炉底部の保護装置を得ることが出来る。

本発明の実施形態に係る原子炉炉底部の保護装置を示す要部拡大断面図。（Ａ）および（Ｂ）は各々本発明の実施形態の実施例１における固定していない状態と固定した状態を示す原子炉炉底部の保護装置の要部拡大断面図。図２に示した原子炉炉底部の保護装置の上面図。（Ａ）および（Ｂ）は各々本発明の実施例２における固定していない状態と固定した状態を示す原子炉炉底部の保護装置の要部拡大断面図。本発明の実施例３の原子炉炉底部の保護装置の上面図。本発明の実施例４の原子炉炉底部の保護装置を示す要部拡大断面図。改良型沸騰水型原子炉の縦断面図。制御棒駆動機構ハウジングとスタブチューブとその溶接部を示す要部拡大図。

以下、本発明の実施形態についてその実施例１を図１から図３を参照して説明する。なお、以下の実施例において図７、図８と同一部分には同一符号を付してその構成の説明は省略する。

（実施例１）
図１に実施例１の原子炉炉底部の保護装置の全体図を、図２（Ａ）に実施例１の固定機構を緩めた時の拡大図を、（Ｂ）に実施例１の固定機構を固定した状態の拡大図を、図３に制御棒駆動機構ハウジングと保護カバー固定装置を鉛直上方向から見た上面図を示す。

図１において、原子炉炉底部の保護装置４０は、原子炉圧力容器１の下鏡部１ａに接続されているスタブチューブ１５内に制御棒駆動機構ハウジング６を挿入し、スタブチューブ１５と制御棒駆動機構ハウジング６が接する部分を溶接してＪ溶接部１６を形成した部分に約２５００℃の溶融炉心の熱で溶解しない耐熱材、たとえばタングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、レニウム、ハフニウム、ジルコニウム及びチタンから成る金属材料またはアルミナやジルコニアから成るセラミック材で形成された断熱材１７が配置され、この断熱材１７は保護カバー外筒１８で覆われ、この保護カバー外筒１８の上に保護カバー固定装置４１を配置して構成されている。なお、保護カバー外筒１８、保護カバー固定装置４１の外面についても上記約２５００℃の溶融炉心の熱で溶解しない耐熱材で形成するのが好ましい。

この保護カバー固定装置４１を構成する固定フレーム１９内には、鉛直方向に移動する上部クサビ２０と制御棒駆動機構ハウジング径方向に移動し、制御棒駆動機構ハウジング６と取合う下部クサビ２１が内包されている。

上部クサビ２０には、原子炉炉底部の保護装置４０外から上部クサビ２０を鉛直方向に移動することを可能にするための押しボルト２２と螺合するネジが形成されている。この押しボルト２２の上には座金２４、座付きボルト２５が取り付けられており、座付きボルト２５は、遠隔装置が廻すことのできるボルトである。

この座付きボルト２５を廻すと押しボルト２２が間接的に廻り上部クサビ２０を鉛直方向に移動させる構造となっている。固定フレーム１９内に押しボルト２２の頭部と取合う引掛け板２３を設け、座付きボルト２５を廻して押しボルト２２の頭部と引掛け板２３が取合えば下部クサビ２１と制御棒駆動機構ハウジング６が固定される仕組みとする。

このようにすれば遠隔操作でも固定されたことが分かる。座付きボルト２５と押しボルト２２の間に位置する座金２４には溝が切られている。座金２４の周りには薄肉のスリーブ２６が設けられており、運転時に座付きボルト２５が回転して緩まないように座金２４の溝に沿ってスリーブ２６の廻り止めを行う。取り外しの際は、適度なトルクをかけて座付きボルト２５を廻せば取り外すことが可能である。

固定手順は、図２（Ａ）に示すように原子炉炉底部の保護装置を所定の位置に配置後、座付きボルト２５を廻し、上部クサビ２０を押し下げる。上部クサビ２０の斜面に沿って下部クサビ２１が制御棒駆動機構ハウジング径方向に移動し、図２（Ｂ）に示すように制御棒駆動機構ハウジング６に保護カバー固定装置が固定される。

また、下部クサビ２１には鉛直下向きにも力が作用するため、炉底部に保護カバー外筒１８および断熱材１７がより強固に固定される。さらに、図３に示されるように固定機構は３つで構成されているが、固定機構数についてはこれに限らずクサビの形状によって２つ以上であれば固定することができる。

よって、本実施例１によれば事故時に溶融燃料が原子炉圧力容器外に流出しないようにする断熱材、保護カバー外筒等の構造物をより容易に取り付けることのできる原子炉炉底部の保護装置を得ることが出来る。

（実施例２）
図４に実施例２の原子炉炉底部の保護装置の要部拡大断面図を示し、図４（Ａ）に実施例２の固定機構を緩めた時の拡大図を、図４（Ｂ）に実施例２の固定機構を固定した状態の拡大図を示す。なお、図４において図２と同一部分には同一符号を付してその構成の説明は省略する。

図４において、制御棒駆動機構ハウジング６には保護カバー固定装置４２を構成する下部クサビ２１に形成された突起部２８が挿入される溝２７を加工する。深さは、制御棒駆動機構ハウジング６の板厚から制御棒駆動機構ハウジング６に作用する差圧および燃料等による荷重を考慮して必要板厚を差し引いた厚さに設定される。

この実施例２の構成において、図４（Ａ）の状態から座付きボルト２５を、下部クサビ２１の突起部２８が制御棒駆動機構ハウジングの溝２７にはまるまで廻しながら図４（Ｂ）の状態になるように鉛直下方向に動かす。

このように下部クサビの突起部２８と制御棒駆動機構ハウジング６に対しそれに合う溝２７を設け、取合せることで、通常運転時における炉内の流体振動にも確実に緩まずに原子炉炉底部の保護装置４０を固定しつづけることができる。

（実施例３）
図５に実施例３の原子炉炉底部の保護装置を鉛直上方向から見た上面図を示し、実施例３を説明する。なお、図５において図３と同一部分には同一符号を付してその構成の説明は省略する。

図５に示すように実施例１では、保護カバー固定装置４１を分割して配置していたが、本実施例３では制御棒駆動機構ハウジング６全周に対してクサビ機構を設けた保護カバー固定装置４３で固定する。座付きボルト２５を数箇所設けて同時に廻すもしくはそれぞれに対して順番に同じトルクをかけて廻しながら固定する。全周取合せることで均等に、より強固に固定することが可能となる。

（実施例４）
図６に実施例４の原子炉炉底部の保護装置の要部拡大断面図を示す。なお、図６において図１と同一部分には同一符号を付してその構成の説明は省略する。

図６において、原子炉炉底部の保護装置４４を構成する保護カバー外筒１８にガイドピン２９を取り付け、断熱材１７に、断熱材１７と保護カバー外筒１８の熱膨張差分上下方向に移動可能な長溝３０を設ける。熱膨張率が断熱材１７より保護カバー外筒１８の方が大きいので、原子炉圧力容器１内の温度が高い場合、保護カバー外筒１８と断熱材１７が外れて、固定機構から外れた断熱材１７が炉内に浮く可能性がある。ガイドピン２９を設けて断熱材１７と保護カバー外筒１８を接続しておけば熱膨張時でも断熱材１７が原子炉炉底部の保護装置４４から外れることがない。また、保護カバー外筒１８が熱膨張により、より原子炉圧力容器１内に強固に固定することができる。

（実施例５）
実施例５においては、上記実施例１から４における制御棒駆動機構ハウジング６と取合う下部クサビ２１の面の表面粗さを制御棒駆動機構ハウジング６の表面より粗く構成している。よって、例えばヤスリのような表面や鋸状の歯の形状とすることで滑りが少なくなりより強固に固定することができる。

１：原子炉圧力容器、１ａ：下鏡部、１ｂ：ダウンカマー部、２：気水分離器、３：蒸気乾燥器、４：燃料支持金具、５：制御棒案内管、６：制御棒駆動機構ハウジング、７：上部格子板、８：炉心支持板、９：炉心シュラウド、１０：シュラウドヘッド、１１：冷却材、１２：インターナルポンプ、１３：主蒸気出口ノズル、１４：給水ノズル、１５：スタブチューブ、１６：Ｊ溶接部、１７：断熱材、１８：保護カバー外筒、１９：固定フレーム、２０：上部クサビ、２１：下部クサビ、２２：押しボルト、２３：引っ掛け板、２４：座金、２５：座付きボルト、２６：スリーブ、２７：溝、２８：突起部、２９：ガイドピン、３０：長溝、３１：炉心、３２：燃料集合体、３３：制御棒、４０：原子炉炉底部の保護装置、４１，４２，４３：保護カバー固定装置、４４：原子炉炉底部の保護装置。

Claims

原子力圧力容器内に設けられた制御棒駆動機構ハウジングとこの原子力圧力容器に設けられたスタブチューブを固定する溶接部を覆う耐熱材から成る断熱材と、この断熱材の外面を覆う保護カバーと、この保護カバーを上部から固定する保護カバー固定装置から構成され、この保護カバー固定装置は、固定フレームと、固定フレーム内に設置され上下方向に移動する上部クサビと、この上部クサビの上下方向の移動に伴って前記制御棒駆動機構ハウジングの径方向に移動する下部クサビと、前記上部クサビと接続されこの上部クサビを上下方向に移動させる押しボルトと、前記固定フレームに取り付けられ前記押しボルトの上からこの押しボルトを廻す座付きボルトと、この座付きボルトと前記押しボルトの間に位置する溝が切られた座金と、この座金の周りに設けられ運転時に前記座付きボルトが回転しないように前記座金の溝に沿って廻り止めを行うスリーブとから構成された、ことを特徴とする原子炉炉底部の保護装置。
前記下部クサビには、前記制御棒駆動機構ハウジングに形成された溝に勘合する突起部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の原子炉炉底部の保護装置。
前記固定フレームは制御棒駆動機構ハウジング外周を覆って配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の原子炉炉底部の保護装置。
前記保護カバーの内側には前記断熱材と取合うためのガイドピンが設けられ、このガイドピンが前記保護カバーと前記断熱材の熱膨張差分を移動することができる溝を前記断熱材に形成したことを特徴とする請求項1から請求項３のいずれか１項に記載の原子炉炉底部の保護装置。
前記下部クサビの前記制御棒駆動機構ハウジングと取合う面の表面粗さをこの制御棒駆動機構ハウジングの表面より粗く形成することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の原子炉炉底部の保護装置。