JPH0812266B2 - 原子炉の制御棒支持装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 加圧水型原子炉のような従来型原子炉の制御棒は、運
転停止や出力レベル制御用として種々の吸収能力の中性
子吸収材を含有するが、最初はプルトニウムを増殖さ
せ、後でそれを燃料要素として燃焼させる中性子を吸収
しない材料を含有するものもある。

［従来の技術］ 一般的に、こうした制御棒は、その上端をスパイダー
という組立体に装着してある。このスパイダーは、複数
本の制御棒を炉心の反応領域に対して同時に挿入／引抜
きできるように支持している。制御棒は、炉心領域では
燃料集合体シンブルに入る。

スパイダーと複数本の制御棒の集合体は、制御棒の機
能により、制御棒クラスタあるいは水排除棒クラスタと
呼ぶ。

原子炉の運転中、制御棒を炉心の反応領域から引抜く
には、その集合体を原子炉圧力容器の上部炉内構造物内
へ引き上げる。集合体の移動は、制御棒と複数の領域で
接触する複数の案内部材、またはカードを備えた案内管
により案内される。各制御棒に対して設ける案内部材の
数は、この数を最少にして抗力を減少させたい要望と、
流れが誘起する振動力の振幅を抑制するために案内部材
間の距離を減少させる必要性との間の妥協の産物として
選ばれる。

抗力は、水圧バランスによって抑制し、抗力摩擦を減
少させる設計的なアプローチで抑制できる。

［発明が解決しようとする問題点］ このように、抗力は案内部材に沿って滑動する各棒の
表面に生じる摩耗の原因となる。更に、各棒は、案内管
内の上昇位置に保持してあると、流れが誘起する振動に
より案内部材に関して移動し、この移動が更に摩耗の原
因と考えられる。

こうした摩耗は制御棒の寿命に影響を及ぼす可能性が
ある。

この摩耗の速度は、制御棒と案内部材を形成する材料
によってある程度決まる。後者の案内部材はステンレス
スチールで作るのが普通であるが、このステンレススチ
ールで中性子吸収材である制御棒を被覆し、水排除棒は
ジルコニウム合金のような中性子を吸収しない材料で被
覆するのが一般的である。

このようにすると、中性子吸収性の制御棒の摩耗は、
挿入と引抜き時に主として起こる。水排除棒の場合、こ
の移動は限られたものであるが、その材料の硬度が低い
ので、上昇位置にある間、流れが誘起する振動による摩
耗を硬度が低い分受け易い。

制御棒の外壁が一個所でもある深さまで摩耗すると、
新しいものと交換する必要がある。したがって、こうし
た摩耗を遅らすことができれば、スパイダーと制御棒集
合体の寿命を延ばすことができる。

本発明の主目的は、態摩耗性を実質的に増加しそれに
よって駆動軸の寿命を延ばす駆動軸装置を備えた原子炉
制御棒駆動装置を提供することである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の要旨は、複数本の制御棒が炉心内へ完全に挿
入された第１の端位置と炉心から引抜かれた第２の端位
置との間で長さ方向に移動できるように配設されてお
り、これらの制御棒が第２の端位置の近傍にあるときは
少なくとも各制御棒の外面の離散領域と滑り接触して制
御棒を摩耗させる案内部材が設けられている原子炉の制
御棒支持装置において、ハウジングとハウジングキャッ
プとにより画定された円筒形チェンバと、該チャンバ内
を軸方向に運動可能に貫通し、制御棒に連結された延長
部材にねじ込まれ、ばね受けが固定されている支持棒
と、ばね受けと前記チャンバの底壁の間に間挿された圧
縮ばねを有し、前記支持棒が前記チェンバ内に押し下げ
られると、案内部材との制御棒の外面上の接触位置が変
化するように、前記支持棒が前記ハウジングに対して周
期的に回転するように構成したことを特徴とする制御棒
支持装置にある。

また、本発明の要旨は、複数本の制御棒が炉心内へ完
全に挿入された第１の端位置と炉心から引抜かれた第２
の端位置との間で長さ方向に移動できるように配設され
ており、これらの制御棒が第２の端位置の近傍にあると
きは少なくとも各制御棒の外面の離散領域と滑り接触し
て制御棒を摩耗させる案内部材が設けられている原子炉
の制御棒支持装置において、ハウジングとハウジングキ
ャップとにより画定された円筒形チェンバと、円筒形チ
ェンバの底壁を貫通し、下端が制御棒を支持した状態で
該チャンバ内を軸方向に運動でき、上端にばね受けが固
定された支持棒と、一端がチェンバ底壁に係合すると共
に他端が支持棒のばね受けの下端に形成された鋸歯構造
に係合する圧縮ばねと、前記チャンバ内を下向きに延
び、下端に回転発生部材を備えた駆動棒とを有し、回転
発生部材には、ハウジングの内壁に形成されたらせん溝
に係合する雄ねじ部が形成され、回転発生部材の下端に
は鋸歯構造が形成され、該鋸歯構造は支持棒のばね受け
の上端に形成された鋸歯構造と係合し、前記駆動棒が前
記チェンバ内に押し下げられると、案内部材との制御棒
の外面上の接触位置が変化するように、前記支持棒が前
記ハウジングに対して周期的に回転するように構成した
ことを特徴とする制御棒支持装置にある。

［実施例］ 第１図に図示する制御棒・スパイダー集合体のスパイ
ダー２は、原子炉を制御するための数本の制御棒４を必
要に応じて垂直に移動させるように支持する。各制御棒
はスパイダー２にそれぞれの支持装置６を介して支持さ
れている。このユニット６の一つの実施例を第２図に示
す。

支持装置６は、ハウジング８とハウジングキャップ10
とから成り、これらの構成要素が共に円筒形チェンバ12
を画定する。各制御棒４は延長部材16に連結されてい
る。この延長部材16には、支持棒20がねじ込まれてい
る。この支持棒20は、支持装置６とそのチェンバ12を貫
通し、支持装置６に関して軸方向に移動できる。

支持棒20にはばね受け又はリング22が固定され、この
リング22とチェンバ12の底壁の間に圧縮ばね24が間挿さ
れている。かくして、支持棒20はばね24を介して支持装
置６に支持されることになる。

第１図に戻ると、スパイダー２と制御棒４の集合体が
原子炉の炉心反応領域から制御棒４を引抜くために原子
炉容器の上部炉心構造物内に引き上げられる際、各制御
棒４は、案内部材たとえば複数枚のカード30によって案
内される。これらのカード30は、関連する制御棒４の周
りに互いに隔置されている。制御棒４が上下するとき、
関連の案内部材のカード30と接触して抗力が発生する。
この抗力により、もちろん制御棒４の外面に或る量の摩
耗が生じる。

制御棒４とスパイダー２とから成る集合体がその上端
位置に達すると、各支持棒20の上端は、案内管に設置し
た止め部材34に衝き当たる。この止め部材34の位置は、
制御棒・スパイダー集合体がその上端位置に来ると、各
リング22が、第２図に図示した位置からチェンバ12内を
押し下げられ、ばね24をほぼ完全に圧縮するように決め
られている。

本発明によれば、支持棒20、延長部材16及び関連の制
御棒４並びにリング22の上述のような下方移動により、
これらがハウジング８に関して回転することになる。こ
の回転運動によって、関連の案内部材またはカードに対
する各制御棒４の接触位置が変わる。

こうした所望の回転を生ぜしめる適当な機構の一つを
第３図に展開図で示す。この機構は、支持棒20の外面に
設けたボス36と、チェンバ12の壁にその円周方向に延び
るように設けた１組の上ボス38、40、42‥‥及び１組の
下ボス44、46‥‥とから成る。ボス36はカム面50を有
し、このカム面はそれぞれ下ボス44、46に形成した案内
面52、54と作動的に関連する。これに加えて、ボス36は
上部カム面58を有し、このカム面は、それぞれ上ボス4
0、42に形成した案内面60、62と作動的に関連する。

支持棒20は延長部材16及び関連の制御棒４と共に、制
御棒・スパイダー集合体が駐留位置に引き上げられそれ
から再び下降して炉心に入る際、いつも回転する。集合
体がその上端位置に達すると、各支持棒20の上端は関連
の止め部材34に衝き当たる。次いでスパイダー２とハウ
ジング８は支持棒20に対して短い距離だけ上昇する。そ
の結果、ボス36のカム面50が案内面52に沿って滑動し、
支持棒20をある量回転させる。かくして、ボス36は下ボ
ス44、46間の間隙に並ぶ。

次に、スパイダー２を再び下降させると、各支持棒20
は始めは関連の止め部材34との接触状態を保つ。その結
果、ばね24の伸張につれて各ハウジング８が関連の支持
棒20に関して下降する。この間、カム面58は上ボス40の
案内面60に沿って上方に滑動するので、支持棒20はさら
にある量だけ回転すると共に、ボス36は上ボス40、42間
の間隙に並ぶ位置にくる。

本発明の一実施例によれば、案内面52、60に沿う滑動
により支持棒20に与えられる全回転運動量は45゜程度に
なる。この場合、集合体が下降して炉心に入ると、各制
御棒４は、前回の位置から45゜ずれた位置をとることに
なる。その結果、各案内部材、またはカード30は、前回
接触した表面領域から或る角度だけずれた位置で、関連
の制御棒４の新しい表面領域と接触することになる。

第４図は、別の制御棒支持装置64を図示している。こ
の支持装置64は、スパイダー２に固定された支持棒20の
軸方向通路を有する上端栓66を備えている。この端栓66
の底にはハウジング68がねじ込まれている。このハウジ
ング68は錠止ピン69を用いてそこに固定されている。こ
の実施例によれば、ハウジング内部に大きい空間を形成
できるので、大きいばね24を配設できると共に、ハウジ
ング68の内壁に第３図の38、40等で示したようなボスを
容易に形成できる。

第５図は、本発明に従って各棒を回転させる機構の第
２の実施例を示す。この実施例は、第４図に図示したも
のと同じ形状のハウジング68を備えている。しかしなが
ら、第５図に示す構造の利点は、ボス38等をハウジング
68の内部に形成する必要がないことである。即ち、この
実施例では、出力制御棒あるいは水排除棒が支持棒70に
より支持され、この支持棒70は圧縮ばね24によりハウジ
ング68の中に支持されている。ハウジング68を下向きに
延びる駆動棒72は、ハウジング68に連結した上端栓を貫
通して上方にも延びている。この上端栓は、第４図には
図示されているが第５図には図示していない。駆動棒72
の上端は、第１図に図示した止め部材34と係合するよう
に配設されている。駆動棒72の下端は回転発生部材74を
担持する。この回転発生部材74には、ハウジング68の内
壁に形成したらせん溝76と係合する２本の独立した互い
に角度のずれた雄ねじ75が形成されている。回転発生部
材74の下端は、緩斜面と鉛直面が交互に形成された環状
の鋸歯構造を有する。

支持棒70の上端には、ディスク78が固定されている。
このディスク78の上端には、部材74の下端の鋸歯構造と
噛み合う鋸歯構造が設けられている。ディスク78の下端
にも斜面と鉛直面が交互に形成された環状の鋸歯構造が
同様に設けられているが、この斜面は、ディスク78の上
端の緩斜面とは反対の方向に傾斜している。

スパイダー２がその引抜き位置から離れた通常の運転
状態では、ばね24は伸張状態にあってばね受けとして働
くディスク78を部材74に押し付けている。その結果、こ
の部材74と駆動棒72は等しくばね24によって支持され
る。スパイダー２が上昇してその引抜き位置に来ると、
駆動棒72の上端が止め部材34に衝き当たる。スパイダー
２と共にハウジング68が更に上方に移動すると、雄ねじ
75がらせん溝76に案内されて、部材74が回転する。その
結果、部材74はハウジング68に関して下向きに駆動され
る。

部材74の下端とディスク78の上端にある鋸歯構造が噛
み合うので、ディスク78、支持棒70及びそれに支持され
る制御棒も等しく回転しつつハウジング68に対して下向
きに移動する。この回転運動は、ばね24によっては妨げ
られない。何故なら、第５図から明白なように、このば
ねの上端24は、ディスク78の下端の斜面に沿って滑動す
るからである。ばね24の下端は、ハウジング68が画定す
るチェンバの底に形成した孔の中に着座している。その
結果、ばね24自体は回転しない。しかしながら、ばね24
は、ディスク78がハウジング68に関して下向きに移動す
る結果軸方向に押圧される。

本発明の例示的な一実施例によれば、駆動棒72、雄ね
じ75及びらせん溝76の寸法は、スパイダーがその完全引
抜き位置へ移動すると支持棒を回転させる機構が90゜な
いし180゜回転するように定めてある。

次に、スパイダーが引抜き位置から下方へ移動する
と、ばね24はハウジング68に対してディスク78を押し上
げる。その結果、部材74に上向きの力が加わるので、こ
の部材74はハウジング68に関して上方へ移動し、他方雄
ねじ75はらせん溝76に沿って移動して部材74を回転させ
る。しかしながら、この移動時、ばね24の上端は、ディ
スク78の下端にある鋸歯構造の鉛直面の一つと当接する
ようになる。このとき、ディスク78とその支持棒70はそ
れ以上回転しなくなり、部材74の下端にある鋸歯構造の
斜面はディスク78の上端にある鋸歯構造に沿って強制的
に滑動させられる。この戻り運動の終りには、部材74と
ディスク78は第５図に示した位置を再びとるが、ディス
ク78、支持棒70及びそれに支持される制御棒は、その間
正味90゜回転したことになる。第５図はそれぞれ４枚の
歯を形成した鋸歯構造を図示しているが、所望ならば異
なる歯数を与えることもできるし、雄ねじ75やらせん溝
76の傾斜はスパイダーの各引抜き移動中異なった回転量
を与えるために変化させることも可能である。

スパイダー集合体がその引抜き位置から離れた第５図
の通常動作位置では、部材74の底部にある鋸歯構造の各
鉛直面がディスク78の頂部にある鋸歯構造の関連する鉛
直面から円周方向に離隔していることに注目されたい。
この離隔関係によって、部材74は、ばね24の作用によっ
てハウジング68に関し押上げられる際、或る位置まで来
てそこで静止する。即ち、この位置では、部材74の関連
する鋸歯構造の鉛直面がディスク78の頂部にある鋸歯構
造の鉛直面に対して適切に位置決めされて、ディスク78
とそれに固定した構成要素に次の90゜の回転を与える。

こうした構造の重要な利点は、ハウジング68の内部を
機械加工する必要がほとんどないことである。実際、必
要な機械加工は、ハウジング68が画定しているチェンバ
の底に小径の孔を穿設すること、及びハウジング68の開
口頂部近くにらせん溝76を機械加工により形成すること
だけである。こうした位置にそうした溝を機械加工によ
り形成することは比較的簡単なことである。

第６図と第７図は、主として原子炉の圧力容器の上部
炉心構造物内を制御棒が移動する際案内手段として用い
ることができる２つの型の案内部材の一部を示す詳細な
平面図である。こうした案内部材は、制御棒４が案内部
材を鉛直方向に移動通過するように圧力容器に固定され
ている。

第６図は、制御棒クラスタの各棒を案内するのに使用
できる１枚の案内カード30の一部を示す。完全なカード
30は、十字形で、その腕１本が図示されている。このカ
ード30は、スパイダー２の腕を通す中心スロット84と精
密な開口86を穿設した板部材82より成る単純な構成であ
る。各開口86がそれぞれ制御棒を案内するので、カード
30の開口86の総数は第１図のスパイダー２が担持する制
御棒の数に等しい。板部材82は、適当な金属で作られて
おり、適当な肉厚たとえば、3.7cmの厚さにしてある。

開口86は、それが案内する各棒４よりも直径が少し大
きくなっているので、一般的に言えば、各棒４は関連の
開口86の円周部の特定部位に支承され、そこで摩耗が起
こる。各棒４が回転すると、開口86の上述した特定部位
に当たる棒の表面部分が変化する。

代表例では、多数枚、たとえば５枚のカードすなわち
板部材82が設けられ、これらのカード、圧力容器内部の
上部に沿って鉛直方向に隔置してある。

第７図は、水排除棒集合体の各棒を案内する適当な案
内部材の類似の部分を図示している。この場合、案内領
域は、スロット90を形成した上下の端板88により画定さ
れる。これらの端板88の間には、複数本のＣ型管92及び
複数の半管集合体94が鉛直方向に延びている。各管92と
集合体94は各水排除棒を案内する。図示のように、各集
合体94は、各々が関連の棒の直径の半分より小さい広が
りの２本のチューブセクションにより成る。

この場合も、管92及び集合体94の内径は棒４の直径よ
りも少し小さくしてあるので、各棒は、それが関連する
管または半管集合体の特定部分に支承される。

［発明の効果］ 水排除棒の場合、前述した回転によって、案内部材あ
るいはカードが棒の表面を支承する位置が更新されるの
で、摩耗が起こる位置が変わる。各棒20の新しい接触面
は、既に予め酸化されて、摩耗を抑制するように作用す
る硬質のジルコニウム層が形成されている。

たとえば45゜のような各回転ステップの角度を選ん
で、棒が炉心にある間に高速中性子によりジルコニウム
合金が縦方向に伸びることを利用できる。その結果、棒
が360゜回転した後でも、新しい摩耗位置は360゜の全回
転前の位置とは一致しない。さらに、その結果発生する
らせん形の摩耗部分は、制御棒の縦方向強度にそれ程重
大でない影響しか及ぼさない。

制御棒クラスタの場合、回転ステップの角度を選ん
で、接触面を更新するだけでなく、摩耗ラインを対称的
に位置させることができる。その結果、制御棒の反りに
対するラインの影響が減少することになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例による制御棒変位手段を組
み込んだ制御棒・スパイダー集合体を一部断面で示す立
面図である。 第２図は、第１図の実施例の要部を示す詳細断面図であ
る。 第３図は、第２図の実施例に用いるカム構造の詳細展開
図である。 第４図は、本発明の第２の実施例を示す第２図と同様な
図である。 第５図は、本発明の第３の実施例を示す詳細断面図であ
る。 第６図は、本発明による装置と共に用いることができる
案内部材の一例を示す詳細平面図である。 第７図は、案内部材の他の例を示す第６図と同様な図で
ある。 ２……スパイダー ４……制御棒 ６……支持装置 30……案内部材 36……ボス 38、42……上ボス 44、46……下ボス 50、58……カム面 52、54、60、62……案内面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 999999999 四国電力株式会社 香川県高松市丸の内２番５号 (71)出願人 999999999 九州電力株式会社 福岡県福岡市中央区渡辺通２丁目１番82号 (71)出願人 999999999 日本原子力発電株式会社 東京都千代田区大手町１丁目６番１号 (72)発明者 中里 進 東京都港区六本木ホマット・インペリアル 22

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数本の制御棒が炉心内へ完全に挿入され
   た第１の端位置と炉心から引抜かれた第２の端位置との
   間で長さ方向に移動できるように配設されており、これ
   らの制御棒が第２の端位置の近傍にあるときは少なくと
   も各制御棒の外面の離散領域と滑り接触して制御棒を摩
   耗させる案内部材が設けられている原子炉の制御棒支持
   装置において、ハウジングとハウジングキャップとによ
   り画定された円筒形チェンバと、該チャンバ内を軸方向
   に運動可能に貫通し、制御棒に連結された延長部材にね
   じ込まれ、ばね受けが固定されている支持棒と、ばね受
   けと前記チャンバの底壁の間に間挿された圧縮ばねを有
   し、前記支持棒が前記チェンバ内に押し下げられると、
   案内部材との制御棒の外面上の接触位置が変化するよう
   に、前記支持棒が前記ハウジングに対して周期的に回転
   するように構成したことを特徴とする制御棒支持装置。
2. 【請求項２】支持棒の外面には、上部カム面及び下部カ
   ム面を備えるボスが設けられ、チェンバ内壁には、円周
   方向に延びる一組の互いに間隔を置いた上ボスと下ボス
   が設けられ、前記支持棒が前記チェンバ内に押し下げら
   れると、支持棒の前記ボスの前記下部カム面は、前記下
   ボスに形成されている案内面上を下方に滑動して支持棒
   が回転すると共に前記ボスが前記下ボス間に位置し、支
   持棒が圧縮ばねによって押し上げられると、前記上部カ
   ム面は、前記上ボスに形成されている案内面上を上方に
   滑動して前記支持棒が回転すると共に前記ボスが前記上
   ボス間に位置するようになっていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の制御棒支持装置。
3. 【請求項３】複数本の制御棒が炉心内へ完全に挿入され
   た第１の端位置と炉心から引抜かれた第２の端位置との
   間で長さ方向に移動できるように配設されており、これ
   らの制御棒が第２の端位置の近傍にあるときは少なくと
   も各制御棒の外面の離散領域と滑り接触して制御棒を摩
   耗させる案内部材が設けられている原子炉の制御棒支持
   装置において、ハウジングとハウジングキャップとによ
   り画定された円筒形チェンバと、円筒形チェンバの底壁
   を貫通し、下端が制御棒を支持した状態で該チャンバ内
   を軸方向に運動でき、上端にばね受けが固定された支持
   棒と、一端がチェンバ底壁に係合すると共に他端が支持
   棒のばね受けの下端に形成された鋸歯構造に係合する圧
   縮ばねと、前記チャンバ内を下向きに延び、下端に回転
   発生部材を備えた駆動棒とを有し、回転発生部材には、
   ハウジングの内壁に形成されたらせん溝に係合する雄ね
   じ部が形成され、回転発生部材の下端には鋸歯構造が形
   成され、該鋸歯構造は支持棒のばね受けの上端に形成さ
   れた鋸歯構造と係合し、前記駆動棒が前記チェンバ内に
   押し下げられると、案内部材との制御棒の外面上の接触
   位置が変化するように、前記支持棒が前記ハウジングに
   対して周期的に回転するように構成したことを特徴とす
   る制御棒支持装置。