JPH01147396A - 制御棒支持体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、制ｆＩＩＩ棒の摩耗深度を軽減すると共にそ
の耐用寿命を延ばすため、制御棒クラスタの棒案内管内
に平坦な摩耗面を有する加圧木型原子炉用制御棒支持体
に係わる。

原子炉は細長い円筒形の制ｍ棒を束ねたクラスタを複数
組使用し、これらの制御棒クラスタは軸平行関係で炉心
へ入れ子式に挿入するかあるいは炉心から引抜けるよう
に配設されて、出力需要に応じた減速及び反応度レベル
の制御が行なわれる。各クラスタを構成する複数の棒は
所謂スパイダを介して上端で互いに連結され、このスパ
イダは中心ハブ及びこのハブに棒支持マウントを連結す
るため放射状に延びるベーンまたはアームを有し、各制
御棒の上端は対応の棒支持マウント内に固定される。多
くの場合、各制御棒クラスタはこのクラスタを構成する
制御棒アレイの断面形状に対応する断面形状の棒案内管
内に挿入される。棒案内管は薄い金属で形成され、その
内部に所定間隔、例えば３０インチ間隔で複数の制御棒
支持体が配置されているのが普通である。各制御棒支持
体はその外周が棒案内管側壁の内面に固定される。制御
棒支持体は対応の制御棒及びスパイダベーンと整列する
通孔及び溝またはスロットを有し、この通孔及び溝の寸
法は連携の制御棒を入れ子式に相対移動できるように制
御棒及びスパイダベーンの断面積よりもやや大きく設定
されている。

運転中、上北理由で制御棒を周期的に移動させるが、そ
の際に棒と支持体との間に横方向荷重が発生する。この
移動と荷重との複合効果で、制御棒が支持体に接触する
面に沿って摩耗し、また支持体自体も摩耗することが知
られている。構造上、特徴的な楔形断面を呈する摩耗痕
跡が棒に現われ、痕跡断面積の割に深くなるおそれがあ
る。制御棒の耐用寿命にとって重要な設計パラメータは
最小限維持しなければならない棒の壁厚である。

ところで、初期壁厚は必要な幾何形状や剛性などのよう
な要因によっても決定されるから、摩耗痕跡の断面形状
及び摩耗深度は制御棒の耐用寿命に関して決定的な要因
となる。

このように制御棒に現れる耐用寿命を縮める摩耗痕跡の
問題を分析するに当って、発明者は支持体と制御棒の摩
耗接触面の性質を検討した。多くの場合、支持体の通孔
はほぼ円筒形、即ち、はぼ円形断面を有し、その大きさ
は挿入される円筒形制御棒の円形断面よりもやや大きい
、棒案内管内でクラスタを一体的に移動させるべく制御
棒をスパイダに連結するスパイダベーンが通過できるよ
う支持体に形成した溝は、制御棒の通孔を画定する内側
壁と１対の交点で交わるほぼ平行な内側壁によって画定
される。従って、上記一対の交点は凸面を有し、上述し
た横方向荷重が作用すると制ｇＢ５のほぼ円筒形側壁の
凸面セグメントが交点の凸面に当接する。その結果、制
御棒と支持体通孔の側壁との間に凸状−凸状の摩耗接触
面が存在し、このことは後で詳述する理由から極めて不
都合な摩耗接触面であり、好ましくない深い摩耗痕跡を
生・する原因となる。凸状−凸状摩耗接触面はヘルツの
法則により発生する接触応力の大きさから見ても好まし
くない、接触応力が高ければ摩耗状態を通常の状態から
半かじり状態にまで悪化させる可能性がある。

そこで、発明者は支持体と制御棒との摩耗接触面を、制
御棒の耐用寿命を延ばすように改良することの重要性を
痛感した。

本発明の制御棒支持体を採用できるような圧力容器の構
造、及びその内部での状態の理解を容易にするため、第
１図に本発明の棒支持体を採用できる加圧木型原子炉を
縦断面図で示した。また、第２図にはクラスタ集合体と
して制御棒アレイを支持するスパイダを平面図で、第３
図にはスパイダを部分断面立面図で示した。第４図には
第２及び３図に示した制御クラスタを案内する棒案内管
の一部を切り欠き斜視図で示し、典型的な従来型棒案内
管の支持体を破線で示した。第５図には内部に断面で示
す制御棒を有する支持体を断面図で示した。

第１図において、加圧木型原子炉１０は上部ドーム１２
８１円筒形側壁１２ｂ及び閉じた底１ｔ２Ｃを有するほ
ぼ在来型構成の容器１２を含む。

閉じた底部１２ｃ内には略伝するようにいわゆる底部計
装体１４が設置されている。下槽集合体１６はその上下
端をそれぞれ上部及び下部炉心板１９．１８に固定した
ほぼ円筒形の側壁１７を含む、下ａｌ集合体１６内には
ほぼ垂直にかつ軸平行関係に燃料棒集合体２０を配置し
である１円筒形側壁１フの内側には公知の態様で放射線
反射遮蔽体２１を取り付ける。

内槽集合体２４は間隔を詰めてかつ軸平行関係に複数の
線案内管を内部に収納する円筒形側壁２６を含む、ただ
し、図を簡略化するため、第１図には線案内管を２つだ
け示しである。即ち、出力制御棒クラスタ３０を収容す
る線案内管２８と減速材調整制御棒クラスタ３４を収容
する線案内管３２である。線案内管２８の上下端にそれ
ぞれ取り付は手段３６．３７を設け、線案内管３２の上
下端にそれぞれ取り付は手段３８．３９を設け、下端取
り付は手段３フ、３９でそれぞれ線案内管２８．３２を
上部炉心板１９に取り付け、上部取り付は手段３６．３
８でそれぞれ線案内管２８゜３２をカランドリア集合体
５０に取り付ける。

カランドリア集合体５０はカランドリア底板５０、カラ
ンドリア上板５４、及びカランドリア上板、底板５４．
５２の対応孔と整列する複数の軸平行カランドリア管５
６より成り、対応孔にカランドリア管５６の両端が取り
付けられる。

カランドリア上板５４よりも上方へ、即ち、容器１２の
ドーム１２ａ内へ、カランドリア管５６とそれぞれ整列
して複数のフローシュラウド６０が延び、対応する複数
の延長ヘッド６２が前記複数のフローシュラウド６０と
整列し、両者の隣接端はほぼオーバラップする関係にあ
る。出力制御棒クラスタ駆ｉＩＪ機構６４及び減速材調
整制御棒クラスタｗｗＪｔｎ構６６をそれぞれの延長へ
ラド６２、フローシェラウド６０及びカランドリア管５
６と連携させ、該カランドリア管５６を出力制ａＯ棒３
ｏ及び減速材調整制御棒３４のそれぞれのクラスタと連
携させる。具体的には、出力制御棒クラスタ駆！ｔ１機
構６４及び減速材調整制御棒クラスタ駆動機構６６は対
応の駆動ラインを介して対応の出力制御棒クラスタ３０
及び減速材調整制御棒クラスタ３４と連結することによ
り、それぞれの垂直位置を制御する、即ち、上部炉心板
１９に設けた（図示しない）対応の孔中な選択的に下降
させて連携の燃料棒集合体２０を包囲させる。具体的な
制御機能は本発明と無関係であるが、炉心内での反応の
制御が棒クラスタ３０．３４の選択的な位置によって影
響を受ける以上、当業者なら容易に理解できるように、
反応の減速、即ち制御が炉心への制御棒クラスタの挿入
の程度及び減速材調整制御棒３４の選択的位置ぎめによ
る実効排水量の調節に従って実現される。

第１図においてノズル内の矢印によって示すように、冷
却材は容器１０に流入し、容器側壁１２ｂと内槽集合体
２４の側壁２６との間の環状チェンバを流下して閉じた
底部１２ｃによって画定される領域に流入する０次いで
下槽集合体１６及び内槽果合体２４内を上昇した後、カ
ランドリア集合体５０内で９０°向きを変え、容器１０
から巴る。上部炉内構造物を主として軸方向に流動する
冷却材中に渦や乱流が現われ、これが上部炉内構造物の
構成要素、特に制御棒３０．３４に作用する横方向荷重
を発生させる０本発明はクラスタ３０．３４を構成する
出力制御棒及び減速材調整制御棒のいずれにも利用でき
るが、上言己減速機能を遂行するため広い範囲に亘って
しかもひんばんに軸方向８１Ｉｌｌさせられる出力制御
棒に関連して説明する１、′ 第２及び３図は中心ハブ７２及び放射状のベーン７４か
ら成るスパイダ７０を備えた典型的な制御棒クラスタ３
０をそれぞれ平面図及び立面図で示し、第３図は一部が
断面図となフている。それぞれのベーン７２は中間支持
マウントフロ及び外端支持マウント７８を含み、支持マ
ウントの下端は対応の制御棒を嵌入できるように、例え
ばねじ孔７６ａ、７８ａなどが適宜設けられている。ハ
ブフ２は第１図に示すように、対応の棒案内管２８内で
スパイダ及びこれと連携の制御棒クラスタを上下させる
（図示しない）駆動ライン連結用のねじ付き孔部フ３を
含む。

第４図は破線で示すような従来の支持体９０を内蔵する
制御棒案内管２８の一部を示す斜視図である。それぞれ
の棒案内管２８内には複数の支持体９０が線案内管２８
の全長に亘って約３０インチの軸方向間隔で固定されて
いる。支持体９ｏの外周９１は案内管２８の側壁の内側
断面形状とほぼ一致し、適当な手段、例えば溶接によっ
て案内管側壁に固定される。

第５図は第４図図示のものと対応する支持体９０の部分
を示す平面図であり、第４図に示さなかった制御棒３０
ａを断面図で示している。支持体９０の内壁面９２はほ
ぼ円筒形である。即ち、変則的な円筒形であり、棒３０
ａを挿通するための軸方向通孔を画定する。ただし、こ
の円筒面９２は溝またはスロット９３によって中断され
ており、第２及び３図から明らかなように、溝９３は制
御棒３０ａの外端支持マウント７８と連結するベーン７
４の通過を可能にする。なお、支持体９０は共通のベー
ン７４（第３図）の中間に配置された制御棒挿入用通孔
を含むように構成され、この通孔に直径方向に互いに対
向する２つの溝またはスロット９３を形成することによ
り、連携の支持マウント７６の両側から張り出したベー
ンフ４の部分が通過できるようにする。

既に述べた通り、支持体９０の変則的な円筒形内壁面９
２はその直径、したがって、断面積を制御棒３０ａの外
径、したがって断面積よりもやや大きく設定することに
より、制御棒が軸方向に移動できるようにする。循環す
る冷却材の圧力により生ずる横力の作用下に、制００ｍ
はほぼ円筒形内壁面９２によって画定される通孔の軸心
からずれた位置でほぼ静止状態となり、特に、溝または
スロット９３に当接する。溝９３を画定する離隔した内
壁面９３　ａ、　９３　ｂがこれに隣接する円筒形内壁
面９２の部分と交点９５ａ、９５ｂで交わり、これらの
交点が画定する凸状面に制御棒３０ａの円筒面セグメン
トが横荷重の作用により当接する。即ち、制御棒３０ａ
のほぼ円筒形の外面も交点９５ａ、９５ｂと同様凸状で
あるため棒３０ａと支持体９０との接触面は凸状−凸状
の摩耗接触面ということになる。支持体９０は制御棒３
０ａよりもはるかに硬い材料で形成されているから、交
点９５ａ、９５ｂにおける支持体９０の凸状摩耗面にお
いて、第５図に３１ａ、３１ｂで示すような、いずれも
特徴的な楔形断面形状の摩耗痕跡が現われる。

制御棒３０ａに現われる摩耗痕跡はその断面が固有の楔
形を有するため、断面積に比較して（棒３０ａの半径方
向に）極めて深い、これも既に述べたが、凸状−凸状摩
耗接触面はこの構成により発生するヘルツ接触応力の大
きさから見て好ましくない、この高い応力は摩耗状態を
悪化させ、正常な摩耗状態から半かじり状態へ変化させ
る。

上述したように、棒クラスタのための棒案内管内に配置
された従来型支持体における凸状−凸状摩耗面によって
生ずる過剰摩耗状態及びこれに関連する応力の問題に対
してはなんらの解決法も示されていない、具体的には、
摩耗の問題は認識されているものの、これまでに提案さ
れた解決法は本願の発明者が分析した叙上のような問題
に向けられたものではない。

米国特許第４．３１３．７９６号は通孔が切れ目のない
多角形断面の制御棒支持体を開示している。即ち、支持
体はその側壁を貫通して通孔と連通ずる溝またはスロッ
トを具えていない、従って、この支持体は本発明が取り
上げている棒案内管に必要とされるクラスタと、側方に
ベーンが延びる支持スパイダに適応できない、溝が存在
しないから、本発明が解決しようとする溝と通孔との交
点における摩耗接触面の問題も存在しない。

このように、本発明が解決しようとする凸状−凸状摩耗
接触面から生じる摩耗の問題に対する解決法はこれまで
提案されていない、制御棒の摩耗及びこれに伴なう制御
棒交換コスト、特に、原子炉の運転休止期間は原子力発
電所を運営する側にとって莫大な出費を強いることとな
る。つまり、発電が出来なくなるため、この休止期間中
に保守を行なうための出費が必要となるだけでなく余剰
電力を他の電力会社から買わねばならなくなることが多
い、従って、本発明の目的は制御棒の摩耗条件を改善す
ることによりその耐用寿命を延ばし、保守作業及び原子
炉の運転休止が必要となる間隔を延ばすことにある。

本発明は、第４及び５図に示すような典型的な構成の棒
支持体に存在する有害な摩耗接触面及び深い楔形摩耗痕
跡の問題に対する独自の解決法を提案する。即ち、本発
明は摩耗体積は接触面の形状とほとんど無関係であると
いう古典的なＡｒｃｈａｒｄの摩耗理論から得られた考
え方を利用すると共に、高いヘルツ接触応力は摩耗現象
に悪い影響を及ぼし、結果的には摩耗体積にも悪影響を
及ぼすおそれがあるという事実を考慮に入れている。

本発明では、制御棒表面との接触面における支持体の摩
耗面を凸状から平坦な形状に変える。具体的には、本発
明の支持体では、それぞれ対応する制御棒を挿通するた
めの通孔を設け、連携の支持スパイダベーンの通過を可
能にするため通孔から延びてその側壁を貫通する溝また
はスロットを設ける。溝の内壁面と通孔内壁面との交点
に、これに隣接する制御棒の凸状摩耗面に−様な、従っ
て、楔形でない摩耗痕跡を発生させるのに充分な長さに
亘って交点から横方向に広がる平坦な摩耗面を形成する
。具体的には、支持体の各平坦摩耗面の横方向法がりは
通孔軸線を通る線と直交する平面として幾何的に画定さ
れ、前記線は凸状摩耗面を画定する制御棒の円筒面セグ
メントとの接触点において前記平面と交差する。このよ
うにして制御棒とこれと連携の支持体との平坦−凸状摩
耗接触面が形成される。

従って、本発明は制御棒上に摩耗面を広く分布させてそ
の耐用寿命及び保守インターバルを延ばすという利点を
有する。

本発明の内容は添付図面に示す好ましい実施例に間する
以下の説明からさらに明らかになるであろう。

第６図から明らかなように、本発明の支持体１００はほ
ぼ円筒形の内壁面１０２によってそれぞれの棒に対応し
て画定された通孔を含み、前記円筒形内壁面１０２は支
持体１００の離隔した内壁面１０３ａ、１０３ｂにより
画定された溝またはスロット１０３のところで途切れて
いる０本発明では、溝１０３の内壁面１０３ａ、１０３
ｂと通孔との交点から側方へ同じ角度で広がる平坦摩耗
面１０５ａ、１０５ｂが形成されるが、その広さはこれ
とそれぞれ当接する制ａｔ棒３０ａの凸状摩耗面に−様
な、従って、楔形でない摩耗痕跡１３１ａ、１３１ｂを
形成させるに充分な広さに設定する。平坦面１０５ａ、
１０５ｂの横、方向大がりは、制御棒３０ａの直径及び
これよりも大きいほぼ円筒形内壁面１０２の直径に応じ
て異なる。

次のような幾何的関係が成立する場合に最適の関係が得
られるように思われる。即ち、摩耗面１０５ａ（または
１０５ｂ）の平面がほぼ円筒形内壁面１０２の中心軸を
起点とする線と直交し、前記線が前記同じ中心軸を起点
として溝１０３を２等分する線と角度φ＝４０°を成す
場合である。

換言すると、摩耗面１０５ａ、１０５ｂはそれぞれ支持
体１００のほぼ円筒形の内壁面１０２の軸線と平行な平
面であり、この平面は前記軸線を起点として前記平面と
制御棒３０ａの（ｆｉ初の）円筒状表面との接触点にお
いて交差する線と直交し、前記線は前記軸線と起点とし
て溝１０３を２等分する第２の線と角度φ＝４０°を成
す。

公知の制御棒支持体１００の凸状−凸状摩耗接触面を無
くすることにより、本発明はヘルツ接触応力を著しく軽
減して各制御棒３０ａの耐用寿命を延ばす、ヘルツ接触
応力は２つの保合面に作用する垂直方向の力に応じて異
なるが、点接触の場合に最大レベルとなる。第４及び５
図の公知構成に見られるような凸状−凸状係合面は点と
点の接触面に特有の種々の特徴を示し、許容限度を超え
た高い応力要因及び摩耗特性が現われる０本発明の平坦
な面１０５ａ、１０５ｂを、従って、平坦−凸状摩耗接
触面を採用すれば、摩耗面積（即ち、各平坦面１０５ａ
、１０５ｂの面積）が広いからヘルツ接触応力が著しく
軽減され、その結果、垂直力がこの広い面積に配分され
る。ヘルツ接触応力の軽減は作用特性の著しい改善、制
御棒３０ａの耐用寿命の延長につながる。従って、制御
棒３０ａは保守インターバルを延長して、保守に要する
不経済な休止期間を短縮することができる。

第７図は第６図に示したような平坦摩耗面を採用した他
の実施例を示す、即ち、支持体１１０は図面ではほぼ８
角形として示した多角形断面を有する内壁面１１２を有
する。平坦摩耗面１１５ａ、１１５ｂは第６図の面１０
５ａ、１０５ｂとほぼ同じように画定され、その特性も
ほぼ同じである。内壁面１１２の断面を多角形としたこ
とによって得られる利点は断面積が広くなること、従っ
て、支持体１１０の内部において制御棒３０ａの表面を
循３］冷却材が通過し易くなることである。

このことはまたヘルツ接触応力を軽減して摩耗速度を低
下させる上でも効果的である。

第１乃至４図を参照して既に述べたように、スパイダベ
ーンは中間に位置する制御棒に対応する中間支持マウン
トを備えている。従フて、支持体は対応のベーン部分の
通過を可能にする溝またはスロットを具備しなければな
らない、第８図は第６及び７図と同様にこのような中間
位置の制御棒３０ａの通過を可能にする支持体１００’
の部分を示す平面図である。第８図では、それぞれが第
６図に示した構造の溝１０３に対応する１対の溝１０３
’　、１０３”が形成されている。また、第６図におけ
る摩耗面１０５ａ、１０５ｂと同じ特性を有する２対の
平坦摩耗面１０５ａ’　、１０５ｂ′及び１０５ａ’、
１０５ｂ″が形成されテいる。制御棒３０ａが正常な荷
重の作用下に先ず溝１０３″の近傍で支持体１００′に
当接しても、状態が変わる可能性があるから別に１対の
平坦摩耗面１０５ａ’、１０５ｂ″を設けるのが妥当で
ある。これまで用いた構成として１対の溝、例えば１０
３′及び１０３″を直径を挟んで整列させたものを図示
しであるが、これと異なる構成でもよく、また、溝を２
個以上設けてもよい。

本発明の制御棒支持体は以上の説明から明らかなように
、制御棒の耐用寿命を延ばして制御棒交換に必要なコス
トと不経済な運転休止期間を少なくすることで原子力発
電所の運営上で多大の経済的利益をもたらす、当業者に
は明らかなように、本発明の実施態様には種々の変更を
加えることができ、従って頭書した請求の範囲はこれら
のすべての変更をも本発明の思想及び範囲に該当するも
のとして包含する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の制御棒支持体を採用可能な加圧木型
原子炉容器を一部断面で示す立面図である。 第２及び３図は、制御棒クラスタを支持するための従来
型スパイダをそれぞれ示す平面図及び−部所両立面図で
ある。 第４図は、破線で描いた従来型制御棒支持体の一部と共
に棒案内管の一部を示す斜視図である。 第５図は、第４図に示した制御棒支持体の一部をこれに
挿入された制御棒の断面と共に示し、かつ棒と従来型棒
支持体との凸状−凸状摩耗接触面に起因する制御棒の楔
形摩耗痕跡を示す平面図である。 ｉｓ図は、第５図に示した支持体に類似しているが本発
明の平坦摩耗面を有する支持体の一部を示す平面図であ
る。 第７図は、通孔の断面形状が多角形である点を除いて第
６図と同様な本発明の支持体を示す平面図である。 第８図は、通孔から２つの溝またはスロットが延び、２
組の平坦摩耗面を設けたことを除いて通孔が第６図とほ
ぼ同様の断面形状を有する本発明の支持体の一部を示す
平面図である。 ２８．３２・・・・棒案内管、　３１）・・・・出力制
御棒クラスタ；３４・・・・減速材ａ整制御棒クラスタ
；７０・・・・スパイダ；７４・・・・ベーン、　７Ｂ
、７Ｂ・ψ・・支持マウント：９０・・・・制御棒支持
体；９２・・・・通孔内壁面＝９３・・・・溝またはス
ロット；　９５ａ、９５ｂ・・・・交点：１００．１１
０・・・・支持体＝１０２，１１２・・・・内壁面；１
０３．１１３・・・・溝またはスロット；１０５．１１
５・・・・平坦摩耗面 出願人：　　ウエスチンクへウス・エレクトリック・コ
ーポレーシ短ン代　理　人：加　ｍ　　紘　一部（ほか
１名）ｂ２ ．ぐ−ン ｊ燭ヌＪ訓スで・ゾト

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の外側断面形状を有する側壁と、それぞれが
   所定の断面形状の内壁面によって画定される軸平行な貫
   通孔より成る複数の制御棒支持用通孔と、通孔から延び
   てその側壁を貫通しそれぞれが通孔内壁面と１対の交点
   で交わる１対の離隔した内壁面によって画定される溝と
   を備えた制御棒支持体であって、通孔の内壁面が１対の
   平坦な摩耗面を含み、各平坦摩耗面が通孔軸線と平行な
   広がりを有する一方、それぞれの交点から側方に、制御
   棒を前記交点に隣接位置ぎめした状態で対応の制御棒と
   の間で平坦−凸状摩耗接触面を画定するのに充分な距離
   だけ延びていることを特徴とする制御棒支持体。
2. （２）各制御棒の少なくとも前記交点に隣接した外面セ
   グメントはほぼ円筒状であり、各平坦摩耗面が、通孔軸
   線を通り、同じく通孔軸線を通って溝を２等分する第２
   の線と約４０゜の角度を形成する第１の線と直交する平
   面によって画定されることを特徴とする請求項第（１）
   項に記載の制御棒支持体。
3. （３）各平坦摩耗面の平面とこれに垂直な前記第１の線
   との交点を、溝の対応交点に隣接位置ぎめした制御棒の
   対応円筒面セグメントとの正接点に設定したことを特徴
   とする請求項第（２）項に記載の制御棒支持体。
4. （４）各通孔の平坦摩耗面に続く残り部分が多角形断面
   を有することを特徴とする請求項第（１）項に記載の制
   御棒支持体。
5. （５）通孔の軸線を中心に互いに角度をなして交わる少
   なくとも２本の溝が制御棒支持体の各通孔からその側壁
   を貫通して延びることを特徴とする請求項第（１）項に
   記載の制御棒支持体。