JPH02309293A

JPH02309293A - 制御棒集合体

Info

Publication number: JPH02309293A
Application number: JP1128956A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Tsuboi; 靖坪井; Yukio Watabe; 幸夫渡部; Shigeo Kasai; 重夫笠井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1990-12-25
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JP2723295B2

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は高速増殖炉の出力制御を行なう制御棒集合体に
関する。

（従来の技術）一般に、高速増殖炉の炉心は第１０図に示すように多数
の燃料集合体１，１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。

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の冷却材流入ロアを通して流入し、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
。

制御棒集合体２は下部案内管８と、上部案内管９と、制
御棒本体ｌＯと、これを吊下する延長管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に連通ずる冷却材流入口１３と、制御
棒本体ＩＯ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。

また、制御棒本体ＩＯ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１Ｇ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せた延長棒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。この延長管１１を
制御棒駆動機構（図示せず）によって上下動させること
によって制御棒本体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１３、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
って行なわれる。

（発明が解決しようとする課題）通常の運転時には延長管ＩＩ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ｌＯ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なわれる。

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！Ｉ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。

第１図に示すようにスクラム失敗時には炉心内において
はドツ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
伴って軸方向に膨張し、制御棒本体１０を炉心内に挿入
し、同図中線す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。

従来の制御棒集合体においては全反応度Ｃが臨界に近（
、炉出力の減衰量が小さく抑えられている。そのため、
例えばポンプトリップのような冷却材流量減少事故時に
スクラムの失敗を想定しても冷却材流量の減少分だけ制
御棒が伸びず炉の出力が減衰できない課題がある。

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。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）第１の発明は炉心に設置された案内管内に昇降自在に収
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
部と係合して制御棒本体を吊下する延長管とを備えた制
御棒集合体において、前記延長管または前記延長棒の一
部に伸縮部を設けるかあるいは前記延長棒に軸方向に伸
縮する掴み部を設けてなることを特徴とする。

第２の発明は炉心に設置された案内管内に昇降自在に収
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
部と係合して制御棒本体を吊下する延長管とを有する制
御棒集合体において、前記延長管の一部にばねを介在し
、このばねの内側または外側にベローズを設け、このベ
ローズまたは前記ばねの外側を包囲して二重円筒状感温
部材を設け、この感温部材内およびベローズ内に液体金
属を封入してなることを特徴とする。

（作　用）第１の発明においては、制御棒集合体は冷却材流量が成
る量を超えると浮き上り、また成る量以下で沈む。制御
棒の延長棒、または掴み部が伸縮自在となり、その伸縮
量を制限することによって浮き上り量を制限する。つま
り、冷却材流量の減少事故時にスクラム失敗しても冷却
材流量減少によって制御棒が伸び、炉出力の減衰量を大
きくすることができる。

第２の発明においては、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。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張する。原子炉の定格運転膨張時に
はベローズ内に液体金属を満杯になるように封入する。

定格運転時には延長管をばねで支え、異常時はベローズ
の膨張によって制御棒が伸び、定格時の変動が減少する
。

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。

（実施例）第１図から第４図を参照しながら本発明に係る制御棒集
合体の一実施例を説明する。

なお、図中第５図と同一部分には同一符号で示し重複す
る部分の説明を省略する。また、第１図中の記号■の部
分を第２図および第３図に、記号■の部分を第４図およ
び第５図に拡大して示している。さらに、第２図および
第３図、また第４図および第５図はそれぞれ寸法ｌだけ
伸縮する相対変位できる状態を示している。

すなわち、第１図における記号Ｉの部分の延長棒１７は
第２図および第３図に示したように上部延長棒１７１と
下部延長棒１？ｂとからなる。上部延長棒１７！の下端
部には筒状に形成されたシリンダ１９が設けられており
、シリンダ１ｇの下端には抜は止め部材２（１が取着さ
れている。一方、下部延長棒ｔｔｂの上端部には前記シ
リンダ１９に挿入され結合するピストン２１が設けられ
ている。ピストン２１の上半分２１ｓは下半分２１ｂよ
りも大径に形成されている。第３図に示したようにピス
トン２１の上半分２１ａの下端はシリンダ１９の抜は止
め部材２０によって支えられ抜は落ちることはない。ま
た同図に示したように下部延長棒１７ｂが下方へ引張ら
れた場合、シリンダ１９内には長さｌの空間を生じる。

このようにピストン２１とシリンダ１９との結合部は長
さｌの寸法分のみ相対変位できるようになっている。そ
のため、制御棒と一体になっている下部延長棒１７ｂは
長さｌだけ伸縮自在となる。

第４図は第１図における記号■の部分を拡大して示した
もので、第５図は第４図の作動状態を示している。延長
棒１７の上部に設けられた掴み部１８には上端に環状係
止部２２が取着され、下面に凹部２３が形成されている
。掴み部１８内には延長管１１の作動棒２４と、この作
動棒２４を包囲してグリッパ２５が設けられている。

作動棒２４の下部は膨大部２６が形成され、またグリッ
パ２５の下端外側には第５図に示したように環状係止部
２２と接触して延長棒１７を吊り上げるフック部２７が
取着されている。膨大部２６の下端は凹部２３に挿入し
載置される。

掴み部１８内にグリッパ２５が挿入された場合、第４図
に示したように環状係止部２２の下面とグリッパ２５の
フック部２７の上面の長さｌの空間が設けられる。一方
、第５図に示したように作動棒２４の膨大部２６の下面
と凹部２３の下面の長さを１となるようにして１寸法分
だけ伸縮自在で、相対変位できるようになっている。

しかして、上記構成の制御棒集合体においては第１図中
矢印で示したように冷却材は高圧プレナム６から冷却材
流入口１３を通り、連通孔１４から案内管８内に流入す
る。そして、案内管８内に流入した冷却材は制御棒本体
ｌＯおよびその側面を流れ案内管８の上端から流出して
制御棒本体ｌＯを冷却している。

冷却材の圧力損失（△Ｐ）は一般につぎの（１）式で与
えられる。

△Ｐ＝ＫＱ”　　　　　　・・・（１）ここで、Ｋは圧
力損失係数で主に流路の形状に依存する。Ｑは冷却材の
流量で、ｎは指数で圧力損失メカニズムに依存し、乱流
の場合、１，７５〜２゜ＯＯの範囲となる。その特性を
模式化して第６図に示す。

制御棒本体１０を流体力で浮上がらせるためには制御棒
本体１０の重量（Ｗ）と制御棒本体！０断面積（Ａ）と
の関係は　（２）式のようになる。

Ｗ　　く　　ΔＰ　　　　　　　　　　　　　　・・・
（２）ここで、（１）式から流量Ｑとの関係を次の通り
に設定すればよい。

Ｗ　　　＜　　　Ｋ　Ｑ　ｎ　　　　　　　　　　　　
　　・・・（３）一方、制御棒集合体の流量変化は炉心
全体の流量変化に比例するので、炉心流量定格値の１７
２（５０％）となる場合に制御棒本体１０が浮上がるた
めには、次の　（４）式の関係に設定すればよい。

八ここでＱ１００は定格時（１００％流量時）の制御棒集
合体流量を示す。

次に第１の実施例の作用について説明する。

原子炉の起動時は制御棒駆動機構（図示せず）により延
長管１１を引き上げ制御棒本体１０を引き上げる（炉心
から引抜く）。一方、原子炉の冷却は別途ポンプにより
冷却材を循環することで行なうが、定格流量５０％以下
では制御棒本体ＩＯは第１図１部または■部に設けた伸
縮部は伸びた状態（制御棒本体重量が流体圧より大きい
）である。冷却材流量が５０％を超えると制御棒本体１
０は流体圧で浮き上り！寸法浮き上がった状態で静止し
維持される。原子炉はその状態で臨界を保ち、出力運転
が継続される。

ここで、冷却材流量減少事故が生じ、かつ、スクラムに
失敗した場合、冷却材の流量が５０％以下まで低下した
場合に前記制御棒本体１０の流体圧による浮上り力が制
御棒本体１０の重量より小さくなる。そのため制御棒本
体は前記浮上り量１寸法だけ下降し炉心に挿入される。

その結果負の反応度が投入される。

以上の実施例に対して第２図の伸縮部は延長管に設けて
も、また、第２図、第４図の結合方法は必ずしも他の方
法でも本発明の目的が達成できれば本発明の限定する所
でない。

また、流体圧による制御棒の浮上流量および浮上ストロ
ーク（１）も設計により任意に選択することができる。

次に第７図および第８図を参照しながら本発明の第２の
実施例を説明する。なお、第７図および第８図において
第１の実施例と同一部分には同一符号で示し、重複する
部分の説明を省略する。

この実施例は延長管１１の途中にベローズ２８を設け、
ベローズ２８および延長管１１を囲続するような二重円
筒状の感温部材２９を設け、ベローズ２８の内部に延長
管１１をつなぐばね３０を設置したものである。

その他の構成は第１図と同様である。ベローズ２８は支
持板３３に固定されている。

ベローズ２８の近傍の詳細を第８図によって説明する。

二重円筒状の感温部材３０は液体金属３２で満たされ、
上側の延長棒１１に取り付けられている。

ベローズ２８と感温部材２９は連通孔３１により連通さ
れている。

感温部材２９は下側の延長棒１１とは摺動自在になって
いる。ばね３０は通常運転時には制御棒の自重分の伸び
が発生している。

また、ベローズ２８および感温部材２９に封入されて液
体金属３２は定格運転時に膨張して完全にベローズ２８
および感温部材２９を隙間なく満たす量だけ封入される
。

この実施例の作用について説明する。

原子炉スクラム時に冷却材温度が上昇し感温部材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、その中の液体金属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は膨張
し連通孔３１を通ってベローズ２８内に進入する。

これにより、ベローズ２８は伸び、制御棒を炉心内に挿
入する。

また、通常運転時より温度が低下する場合はベローズ２
８および感温部材２９の中にボイドが発生し、ばね３０
のみで支えられるため、制御棒の伸縮は生じない。

一例として、円筒状感温部材２９の軸方向長さを８００
　＋ａｍ　、感温部材の内径を６　（１ｗｌ、外径を８
０ｍｍとし、ベローズ２８の直径を３．８０とすると感
温部材の断面積に対するベローズの断面積は約１．９と
することができる。この場合、感温部材周囲の温度が２
５０℃上昇すると応答遅れ１秒間以内で１２ｃｍ以上の
ストロークが生じる。一方、従来例では８００ｍｍの長
さのベローズを用いても、応答遅れが５秒間程度発生し
６ｃｍ程度のストロークしか生じない。

この実施例により応答速度を早くするとともに制御棒の
挿入量を大きくできるため、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。

第９図は本発明の第３の実施例を示したもので、第８図
と同一部分には同一符号で示し重複する部分の説明を省
略する。

第９図においては延長管１１の途中にベローズ２８を設
け、このベローズ２８の外側を包囲してばね３０を設け
たものである。ベローズ２８は支持板３３に固定されて
いる。この実施例ではベローズ２８を保護すると同時に
ベローズ２８の断面積を減少し伸びを大きくすることが
できる。

［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
棒本体を炉心内への周囲の温度上昇に対する応答が早く
、さらに従来より深く挿入させることができ、これによ
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−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】

第１図は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、第２図および第３図は第１図における記号
■の部分をそれぞれ拡大して示す部分断面図、第４図お
よび第５図は第１図における記号Ｈの部分をそれぞれ拡
大して示す部分断面図、第６図は制御棒集合体の可動部
圧力損失と制御棒流量との関係を示す曲線図、第７図は
本発明に係る制御棒集合体の第２の実施例を示す縦断面
図、第８図は第７図の■部を拡大して示す部分断面図、
第９図は本発明に係る第３の実施例の要部を示す部分断
面図、第１０図は従来の制御棒集合体を示す縦断面図、
第１１図は第１０図における反応とと事故時間との関係
を示す特性図である。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Ｉ４・・・連通孔１５・・・係合部ｌト・・ダッシュポット１７・・・延長棒、１８・・・掴み部１９・・・シリンダ、　　　　　２Ｇ・・・抜は止め部
材２１・・・ピストン２２・・・環状係止部２３・・・凹部、２４・・・作動棒２５・・・グリッパ、２６・・・膨大部２７・・・フッ
ク部、２８・・・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（８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか　
１名）第１図第２図　第３図第５図制迄Ｐ婦蛎４〔０／。］第６図第７図第８図第９図第１０圀

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炉心に設置された案内管内に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げる延長管とを備えた制御
棒集合体において、前記延長管または前記延長棒の一部
に伸縮部を設けるか、または前記延長棒に軸方向に伸縮
する掴み部を設けてなることを特徴とする制御棒集合体
。
（２）炉心に設置された案内管内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
して制御棒本体を吊下する延長管とを有する制御棒集合
体において、前記延長管の一部にばねを介在し、このば
ねの内側または外側にベローズを設け、このベローズま
たは前記ばねの外側を包囲して二重円筒状感温部材を設
け、この感温部材内および前記ベローズ内に液体金属を
封入してなることを特徴とする制御棒集合体。