JPH05323081A - 制御棒集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】制御棒本体の応答が速く、かつ従来より確実に
挿入でき、大きな負の制御棒反応度を炉心に与える。 【構成】制御棒本体10の上端から上方へ延びる延長棒17
を接続し、この延長棒17の上部に設けた掴み部18と係合
して制御棒本体を吊下する延長管11を備えている。延長
管11または延長棒17の一部にばね30を介在し、このばね
30の動きを吸収する制御棒伸長ベローズ28と、このばね
30とは連動しない吸収ベローズ34を設ける。制御棒伸長
ベローズ28は二重円筒状感温部材29で包囲され、感温部
材29内には液体金属32が充填されている。吸収ベローズ
34内には一定量変位すると収縮が止まるストッパ35が設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高速増殖炉の出力制御を
行う制御棒集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、高速増殖炉の炉心は図４に示す
ように多数の燃料集合体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。

【０００３】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。

【０００４】制御棒集合体２は下部案内管８と、この下
部案内管８の上部に設置された上部案内管９と、下部案
内管８内に挿入された制御棒本体10と、この制御棒本体
10の延長棒17を掴み部18を介して吊下する延長管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連通孔14とが設けら
れている。

【０００５】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れた延長棒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。

【０００６】この延長管11を制御棒駆動機構（図示せ
ず）により上下動させて制御棒本体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1
3、連通孔14とを通って下部案内管８内を上昇する冷却
材によって行われる。

【０００７】

【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
ラム動作が行われる。

【０００８】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。

【０００９】図５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脹し、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。

【００１０】従来の制御棒集合体においては原子炉の起
動、停止時に軸方向に膨脹，収縮し、さらに事故時も考
慮すると、全膨脹量は膨大となる。その膨脹量はばねの
復元力を生じせしめ、その復元力はベローズ内圧とバラ
ンスする。このような圧力はベローズの健全性を確保す
る上で非常な困難を招く。その結果、通常の起動停止で
ベローズが損傷してしまい、事故時に作動しないという
課題がある。

【００１１】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。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は炉心に設置され
た案内管内を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前記制御棒本体
を吊下する延長管と、前記延長棒の一部にばねを介在
し、このばねの伸縮と連動する制御棒伸長ベローズと、
前記ばねと連動しない吸収ベローズと、前記吸収ベロー
ズの変位を一定にするストッパと、前記制御棒伸長ベロ
ーズまたは前記ばねの外側を包囲した二重円筒状感温部
材と、この感温部材内および前記制御棒伸長ベローズ内
に封入された液体金属と前記制御棒伸長ベローズ内と前
記感温部材内を連通している伸長部空間とを有すること
を特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明においては、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。
この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脹する。原子炉の通常起動時
には、低温停止温度から定格運転時温度までの温度上昇
に伴い感温部材内およびベローズ内液体金属は膨脹した
分は前記吸収ベローズをストッパまで伸ばし、ベローズ
はばね力が強いため伸びない。

【００１４】通常運転温度から異常時には、例えば 250
℃／分というような急激な温度変化が感温部材外の液体
金属に生じると、感温部材内液体金属が温度上昇しなが
ら熱膨脹し、また、前記吸収ベローズはストッパにより
変位しないため、感温部材内および制御棒伸長ベローズ
内で膨脹し、制御棒伸長ベローズの膨脹によって制御棒
が伸びる。

【００１５】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、通常起動、停止運転時の温度変
化に対する炉心挿入量の変化を抑えることができる。

【００１６】

【実施例】図１および図２を参照しながら本発明に係る
制御棒集合体の第１の実施例を説明する。図１に示すよ
うに多数の燃料集合体１と、これらの燃料集合体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、高速増殖炉の炉心は形成されて
いる。

【００１７】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。

【００１８】制御棒集合体２は下部案内管８と、この下
部案内管８の上部に設置された上部案内管９と、下部案
内管８内に挿入された制御棒本体10と、この制御棒本体
10の延長棒17を掴み部18を介して吊下する延長管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に連通する冷却流入口13と、制御棒
本体10の内在する内側に連通する連通孔14とが設けられ
ている。

【００１９】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れた延長棒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。

【００２０】この延長管11を制御棒駆動機構（図示せ
ず）により上下動させて制御棒本体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1
3、連通孔14とを通って下部案内管８内を上昇する冷却
材によって行われる。

【００２１】また、制御棒本体10を吊り下げる延長棒17
の一部にばね30を介在し、このばね30の外側に制御棒伸
長ベローズ28を設け、この制御棒伸長ベローズ28または
前記ばね30の外側を包囲して二重円筒状感温部材29を設
け、この感温部材29内および制御棒伸長ベローズ28内に
液体金属32を封入している。制御棒伸長ベローズ28の両
端は図２に示したように支持板33によって固定されてい
る。

【００２２】次に制御棒伸長ベローズ28の近傍の詳細を
図２によって説明する。感温部材29の両端は環状端栓42
で閉塞され、内部は液体金属32で満たされ、上側の延長
棒17に取り付けられている。制御棒伸長ベローズ28と感
温部材29はＴ字状連通孔31により連通されている。

【００２３】感温部材29は下側の延長棒17とは隙間を有
して遊嵌され摺動自在になっている。ばね30は通常運転
時には制御棒本体10の自重分の伸びが発生している。ま
た、感温部材29に結合されている延長棒17に設けた連通
孔31に導通するよう吸収空間41を設け、この吸収空間41
内に吸収ベローズ34を設けこの吸収ベローズ34を介し
て、原子炉一次冷却材と連通する連通空間43、ベント孔
36を設け、連通空間43内にはストッパ35を設けている。
この実施例は全長約 1.5ｍ、外形約80mmであり、材質は
SUS316で構成するが、ばね30、制御棒伸長ベローズ28は
高温強度の高いALLOY718を用いている。

【００２４】次にこの実施例の作用について説明する。
原子炉異常時に冷却材温度が上昇した場合、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、その内部の液体金属32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は温度
が上昇しながら膨脹し連通孔31を通って吸収ベローズ34
を変位させようとするが、定格運転時までの温度上昇に
よる膨脹で、ストッパ35に衝突し、それ以外の変位は制
限されるようになっているため、その分制御棒伸長ベロ
ーズ28がばね30に拡して変位し、これにより制御棒を炉
心に挿入する。

【００２５】また、通常起動時や通常停止時は定格運転
以下ではストッパ35が作用しないため、吸収ベローズ34
は感温部材内の液体金属の膨脹収縮を吸収するように変
位し、その体積を吸収空間41の一次冷却材がベント孔36
を介して放出、吸引することで、制御棒伸長ベローズ28
は変位することなく、制御棒は伸縮しない。

【００２６】一例として、感温部材29の軸方向長さを10
00mm、感温部材29の内径を60mm、外径を80mmとし、制御
棒伸長ベローズ28の平均直径を 3.5cmとすると感温部材
29の断面積に対するベローズの断面積は約 1.7とするこ
とができる。この場合、感温部材29の温度が 250℃上昇
すると、２〜10秒間遅れて12cm以上のストロークが生じ
る。

【００２７】これにより制御棒本体10は従来よりさらに
深く炉心内に自動的に挿入され、図５ｄに示すような負
の制御棒反応度が得られる。本実施例における事故後の
制御棒全反応度は図５ｅの示す負の反応度となり、従来
の臨界よりわずかに低く抑えられた図５ｃに示す反応度
と比較すると大きな未臨界を確保することができる。

【００２８】この実施例により反応速度を損なわず、制
御棒を挿入できるため、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。

【００２９】次に、図３により本発明の第２の実施例を
説明する。第２の実施例における図３中、図２と同一部
分には同一符号を付して重複する部分の説明は省略す
る。

【００３０】この第２の実施例が第１の実施例と異なる
点は下部延長管17ａ内に吸収空間41を設け、この吸収空
間41内に吸収ベローズ34を設けたこと、および上部延長
管17ｂの下部に連通孔31を形成したことにある。なお、
吸収空間41の上端を貫通し制御棒伸長空間40内に連通す
る連通孔31が下部延長管17ａの上端部に形成されてい
る。また、連通空間43と連通するベント孔36が下部延長
管17ａに設けられ、さらに、下部延長管17ａと上部延長
管17ｂとの間にはばね30が介在されている。

【００３１】特に、第２の実施例としては図３に吸収空
間41、吸収ベローズ34、ストッパ35を制御棒伸長空間40
を介して二重円筒状感温部材29と連通するように設置し
ている。このように吸収空間41の位置に関係なく、通常
起動停止を含む運転中の温度変化を吸収すればよいの
で、本実施例は第１の実施例とほぼ同様の効果が期待で
きる。

【００３２】

【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の炉心内への周囲の温度上昇に
対する応答が速く、かつ従来より確実に挿入させること
ができ、これら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】

【図１】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。

【図２】図１における記号IIの部分を拡大して示す部分
断面図。

【図３】本発明に係る制御棒集合体の第２の実施例の要
部を示す縦断面図。

【図４】従来の制御棒集合体を示す縦断面図。

【図５】図４における反応と事故時間との関係を示す特
性図。

【符号の説明】

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、28…制御棒伸長ベローズ、
29…感温部材、30…ばね、31…連通孔、32…液体金属、
33…支持板、34…吸収ベローズ、35…ストッパ、36…ベ
ント孔、40…制御棒伸長空間、41…吸収空間、42…環状
端栓、43…連通空間。

フロントページの続き (72)発明者 二宮 進 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炉心に設置された案内管内を昇降自在に
   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
   み部と係合して前記制御棒本体を吊下する延長管と、前
   記延長棒の一部にばねを介在し、このばねの伸縮と連動
   する制御棒伸長ベローズと、前記ばねと連動しない吸収
   ベローズと、前記吸収ベローズの変位を一定にするスト
   ッパと、前記制御棒伸長ベローズまたは前記ばねの外側
   を包囲した二重円筒状感温部材と、この感温部材内およ
   び前記制御棒伸長ベローズ内に封入された液体金属と前
   記制御棒伸長ベローズ内と前記感温部材内を連通してい
   る伸長部空間とを有することを特徴とする制御棒集合
   体。