JPH0552911B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、高速増殖炉の制御棒装置に係り、特
に原子炉運転時に冷却材の流れにより発生する制
御棒の流力振動の阻止構造を改良した原子炉制御
装置に関するものである。

〔発明の背景〕

この種の原子炉制御棒に関連し、第１公知例の
原子力学会誌vol21、No.27（1979）及び第２公知例
の特開昭56−16895が知られている。本発明の背
景を本発明の実施例の第４図を用いて説明する。
第４図は縦断面図である。高速増殖炉の炉心に
は、複数の燃料集合体（図示せず）と共に、複数
の制御棒集合体が設置されている。制御棒集合
体は通常、制御棒１及び制御棒案内管２より構
成され、制御棒１は炉心の上方から制御棒駆動機
構によつて吊り下げられており、炉心の下方か
ら別個に支持されている制御棒案内管２内に案内
されるように形成されている。制御棒１は、制御
棒駆動機構により制御棒案内管２内で上下に駆
動されることによつて炉心内での核反応を制御す
る機能を持つている。即ち、炉心の該反応の観点
からは、制御棒１の引抜きは反応の進展に、挿入
は反応の抑制にそれぞれ対応している。また、地
震等を含む緊急時には、制御棒１はいずれの挿入
状態からも急速に全挿入位置まで挿入され炉心の
核反応を停止させるようになつている。

制御棒案内管２の内部には、路心内の核反応に
より発生する中性子の照射により発熱する中性子
吸収体１１が配置され、かつ、制御棒１の構成材
の冷却のために液体ナトリウム３が流されてい
る。制御棒１の位置では制御棒１の内部を流れる
ものと、制御棒１と制御棒案内管２との間を流れ
るものとに分れた後、制御棒１の上方で合流し、
制御棒案内管２の頂部から放出されている。この
液体ナトリウム３の流れによつて、制御棒１は上
下方向と同時に水平方向の力を受け、制御棒２の
内部で水平方向に変位、振動することが知られら
れている。（この現象を通常流力振動と呼んでい
る）この制御棒１の流力振動は、炉心の該反応に
ゆらぎ（変動し一定状態でないこと）を発生さ
せ、原子炉の運転にとつて有害であるとともに、
その量が過大なときには原子炉の運転そのものを
困難にする。

第６図は、この流力振動を抑制するための第１
公知例の構造の断面図である。図において、制御
棒１の下部構造部に、鋼球４を鋼球押え５を介在
しボルト（図示せず）により固定設置し、制御棒
案内管２との間のギヤツプを制限する方法を採用
している。この構造においては、制御棒１が、制
御棒案内管２に対して平行状態を保つたまま変位
振動する場合は、鋼球２１と制御棒案内管２との
間のギヤツプ内に流力振動を抑制することが可能
となり著しく有効な手段である。しかし、第７図
に示す如く、制御棒１の上方で大きく振れるモー
ド、すなわち、原子炉の核反応のゆらぎの直接の
原因となる中性子吸収有効部８の部分の変位振動
の抑制に対しては効果が小さい。尚、第７図にお
いて、７は保護管、９は制御棒上部延長管であ
る。通常、高速増殖炉の場合は、制御棒駆動機構
の駆動延長軸１８（第８図参照）は原子炉全体
構造の制約により、比較的長くなることから、上
記の制御棒１の上方の振れが大きくなるモードが
無視できない。また、炉心内に設置される構造物
としては、可能な限り構造を簡素化し、構成部品
を少なくして信頼性の向上を図る必要がある。

第８図も流力振動を抑制するための第２公知例
の構造を示す断面図である。第８図においては、
制御棒１の上部構造物及び下部構造物の双方に、
円周上の等分位置の複数個所に溝６を第９図に示
す如く設け、溝６と制御棒案内管２との間に鋼球
４を設置している。鋼球４は第９図に示す如く制
御棒１の上部及び下部構造物の溝６に保持される
ため、鋼球４を保持、固定しておくための余分な
部材は不要である。また、第６図の構造の場合に
問題となる制御棒１の上方が振れるモードに対し
ても、確実に流力振動を抑制することが可能とな
り、流力振動の問題解決のためには非常に有効な
手段である。

一方、制御棒１は、地震時等を含む緊急時には
制御棒案内管２をガイドとして、急速に炉心内に
挿入されなければならないようになつており、こ
の観点から、第８図の構造の場合、次のような問
題点がある。それは、制御棒駆動機構を支持す
る炉心上部機構（図示せず）と、制御棒案内管２
を支持する炉心支持板（図示せず）とは、地震時
の相対変位、熱変位、据付誤差等により相対的に
変位することにより第１０図に示すように、制御
棒駆動機構上部案内管１９の中心ｂの制御棒案内
管２の中心ａとは寸法ｌだけ相対的に偏心するこ
とである。この場合でも、制御棒１の挿入性が損
なわれないためには、第８図に示す状態にて、制
御棒１の下部の鋼球４あるいは下部肩部（図示せ
ず）と制御棒案内部２の内面の接触部Ｄと、制御
棒１の上部肩20部及び制御棒案内管２の内面の接
触部Ｂと、制御棒駆動機構上部案内管１９の内面
と制御棒上部延長軸９との接触部Ｃが同時に接触
を起こさない（３点接触を起こさない）ことが条
件となる。ところが、第８図の構造の場合は、流
力振動を確実に抑制する目的のために、鋼球４を
制御棒１の上・下に設置する構造としているた
め、第１０図に示す偏心量寸法ｌが制約を受け、
比較的偏心量が大きくなる場合には、制御棒１の
挿入性が損なわれる（３点接触が生じる）問題が
あつた。

〔発明の目的〕

本発明は上記の状況に鑑みなされたものであ
り、原子炉運転時に発生する制御棒の流力振動を
抑制することにより原子炉出力のゆらぎを抑制で
きるとともに、制御棒の引抜、挿入の円滑な操作
性を損うことなく地震時等を含む制御棒緊急挿入
時に要求される偏心量を確保でき、かつ、制御棒
緊急挿入時の摺動性能や取付環境に対する構成部
品の健全性も保持できる原子炉制御棒装置を提供
することを目的としたものである。

〔発明の概要〕

本発明の原子炉制御棒装置は、原子炉の出力を
制御する中性子吸収材が収納された中性子吸収体
と、該中性子吸収体が被覆管に内蔵されて上下部
構造体間に支持される保護管内に収納し形成され
た制御棒と、内部に該制御棒が遊嵌され該制御棒
外周に冷却材が流通されるように形成された制御
棒案内管とを設けてなり、上記制御棒の上記保護
管の軸方向の同一外径部分のほぼ中間部ないしは
中性子吸収有効部のほぼ中間部の１個所の円周上
の複数個所に突起が配設され、該突起が上記制御
棒案内管内周面に対向する側に表面硬化処理を施
こされると共に上記保護管に螺着された後該保護
管を貫通し突出したねじ端部がさらにかしめ固着
されているものである。即ち、液体ナトリウムの
流力振動を抑制するための突起を、保護管の軸方
向の同一外径部分の中間ないし中性子吸収有効部
の中間に固定し制御棒保護管に対する制御棒の傾
きを抑制すると共に、制御棒の緊急挿入時に円滑
に挿入できるようにしたものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明の原子炉制御棒装置を実施例を用い
従来と同部品は同符号で示し同部分の構造の説明
は省略し第１図ないし第４図により説明する。第
１図は第４図の−矢視断面拡大図、第２図は
第１図の−矢視断面図、第３図は第２図の突
起のかしめ前の詳細図である。制御棒１は、制御
棒駆動機構と接続するための制御棒上部延長軸
９、上部構造体１２と下部構造体１３とを連結接
続する保護管７、内部に中性子吸収体１１（通常
中性子吸収材としてボロンカーバイトのペレツト
が使用される）を収納する被覆管１０とにより構
成されている。制御棒１を軸方向に区分してみた
場合、中性子吸収体１１の範囲を特に中性子吸収
有効部８と呼んでいる。

中性子吸収有効部８の範囲の途中（実際に取り
付ける位置は、後述する制御棒１の挿入性上で必
要、かつ、許容できる偏心量ｌ、及び原子炉制御
上要求される流力振動の許容変位との関係から最
適位置を選定する）には、流力振動を抑制するた
めの突起１４が保護管７の円周上に複数ケ所（第
１図の実施例では６ケ所）に分散設置されてい
る。突起１４の表面には、制御棒１を炉心内に急
速挿入する際に、制御棒案内管２の内面との摺動
特性を良好にするため、ニツケルをベースとし他
の元素を加えたステライト（米キヤポツト社商品
名）またはコルモノイ（米コルモノイ社商品名）
を肉盛りまたは溶射処理して表面硬化部１５によ
り硬度を高めてある。突起１４は保護管７に対し
第３図に示すねじ１６をねじ込んだ上表面硬化部
１５が施こされている側に対し反対側に形成され
た溝１７を押し拡げかしめ固着されている。従つ
て、ねじ込みが弛むことがない。

原子炉の通常運転時には、制御棒１は制御棒駆
動機構により上下駆動されるが、中性子吸収有
効部８が燃料集合体（図示せず）に対して上方に
引抜かれることにより、中性子吸収能力が減少し
炉心の核反応が増加し原子炉の出力が上昇する方
向に作用する。逆に、制御棒１が挿入された（中
性子吸収有効部８が燃料集合体に近づく方向に駆
動される）場合は原子炉の出力が低下する方向に
作用する。また、地震時を含む緊張時には、制御
棒１を炉心内に急速に全装入位置（中性子吸収有
効部８が核燃料集合体と一致する状態）まで挿入
し、炉心の核反応を停止させるように形成されて
いる。

一方、制御棒案内管２の内部には、中性子の照
射により発熱した中性子吸収体１１及びその他の
制御棒１の構成材の冷却のため、制御棒案内管２
の下方より冷却材である液体ナトリウム３が流れ
ており、制御棒１の位置では、制御棒１の内部を
流れるものと、制御棒１と制御棒案内管２との間
に流れるものに分れた後、制御棒１の上方で合流
し、制御棒案内管２の頂部から放出されている。
この液体ナトリウム３の流れによつて制御棒１
は、上下方向と同時に水平方向の力を受け、制御
棒案内管２の内部で水平方向に変位、振動させら
れるが、この振動変位は、突起１４と制御棒案内
管２とのギヤツプ以内に制限される。尚、このギ
ヤツプは、原子炉の出力のゆらぎを必要、かつ、
充分な値に抑制できるように選定する。この振動
変位において、第６図の構造の場合に問題となつ
ている制御棒１の上方が大きく振れるモードに対
しては、第５図に示す如く、突起１４の位置を中
性子吸収有効部８の途中に設けることにより、突
起１４と制御棒案内管２とのギヤツプを一定にし
て比較した場合、中性子吸収有効部８を変位量を
小さく抑えることができる。尚、突起１４の取付
位置の決定は、該反応のゆらぎを抑制する観点か
らは中性子吸収有効部８の上下方向の中間部分を
中心に考え、制御棒１の許容傾きを大きくしたい
と云う観点からは保護管１０の同一外径部分の上
下の中間部分を中心に考え最終的には両観点を勘
案して決定する。

一方、制御棒１の挿入性上要求される偏心量ｌ
は突起１４を制御棒１の軸方向の一個所のみに設
置する構造とするため充分確保することが可能で
ある。第４図の図示でも明らかなように突起１４
と制御棒案内管２との間のギヤツプを一定にして
比較した場合、突起１４の位置が、制御棒１の上
部構造体１２、下部構造体１３を含め、保護管７
と同一外径部全長の中央部になつた場合、偏心量
ｌは最大値をとることができる。

上記の理由により、突起１４を中性子吸収有効
部８の途中に設置するには、制御棒１の構造上必
然的に突起１４を保護管７に取り付ける必要があ
る。そして、突起１４を保護管７に設置する方法
として次に示す種々の方法が考えられる。

(1) 保護管７に直接塑性加工により凸加工して突
起１４を設ける。

(2) 保護管７に引抜加工時突起設置位置の肉厚を
厚くし機械加工によつて突起１４を形成する。

(3) 保護管７に、肉盛加工あるいは溶接により突
起１４を形成する。

(4) 保護管７に、別途加工した突起を半田付けあ
るいは接着剤等により取付ける。

(5) 本実施例の如く保護管７に別途加工した突起
をねじ込み、かつ、ねじ込み後かしめる。

一方、突起１４を保護管７に取り付けるに当り
特に考慮しなければならないこととして、突起１
４が取り付けられる場所の使用環境条件は次の如
くであるため、これらの条件を満足した健全性を
有するものであることを要する。

(a) 約400〜500℃の高温の液体ナトリウム中であ
る。

(b) 高中性子照射を受ける場所である。

(c) 制御棒１を炉心で緊急挿入する際には、制御
棒案内管２の内面を高速で摺動する。

そして、上記の突起１４の取付構造案のうち、
(1)〜(4)については、次のような問題があり採用し
難い。まず、(1)及び(2)案により突起を設ける場合
は、制御棒１の急速挿入時の摺動部が同一材質と
なり、摺動特性上好ましくない。また、(1)〜(3)の
案により設けた突起の表面に表面硬化部１５の肉
盛あるいは溶射を施こす場合は、次のような問題
が生じる。通常、制御棒案内管２、保護管７等
は、中性子照射によりスエリング（中性子の照射
により材料の内部に空孔が生成され材料が膨張す
る現象のことであり、オーステナイト系ステンレ
ス鋼の場合、この現象は冷間加工を施すことによ
り抑制することができる）の量を抑えるため、約
20％程度の冷間加工材を使用することにしてい
る。この冷間加工を施した保護管７に肉盛あるい
は溶射を施すために加熱することは、加熱された
部分が溶体化することによりスエリング率が大き
くなり、元々の冷間加工部のスエリング率の小さ
い部分との間で、制御棒１の使用期間中、中性子
照射の蓄積によつて歪み差が生じ、場合によつて
は強度上のリスクが大きくなる。また、(4)案の突
起を設ける方法としては、半田等の低融点合金に
よる接着は、高温のナトリウム中であることから
考慮すれば論外であり、その他の接着剤について
も高温の液体ナトリウム中であることから、信頼
性、健全性の面で問題がある。

しかし、(5)案の本実施例の場合は、突起１４の
構成及び取付上の問題点はすべて解決されてい
る。即ち、摺動特性を良好にするため突起１４の
表面には、表面硬化部１５の肉盛りあるいは溶射
を施こしてある。そして、これを取り付ける方法
としては、ねじ込んだ後かしめるため、突起１４
の取付部が溶体化することがなく、従つてスエリ
ングによる歪み差の問題は生じない。

このように本実施例の原子炉制御棒装置は、制
御棒の保護管の軸方向の同一外径部分のほぼ中間
部等の１個所の円周上の複数個所に突起を配設
し、この突起を制御棒案内管内周面に対向する側
に表面硬化処理を施こし保護管に螺着し螺着後ね
じ端をかしめ固着したので、原子炉運転時に発生
する制御棒の流力振動を抑制することにより原子
炉出力のゆらぎを抑制しながら、制御棒の引抜、
挿入及び地震時等を含む制御棒緊急挿入時に要求
される偏心量も確保できる。即ち、第４図に示す
突起をさらに上方に配置することにより偏心量を
大きくでき、緊急挿入時の摺動性能も確保するこ
とができる。また、突起をねじ込み後かしめ固着
することにより中性子照射を受ける部分において
も強固に健全に固定できる。

〔発明の効果〕

以上記述した如く本発明の原子炉制御棒装置
は、原子炉運転時に発生する制御棒の流力振動を
抑制することにより原子炉出力のゆらぎを抑制で
きると共に、制御棒の引抜、挿入の円滑の操作性
を損うことなく地震時等を含む制御緊急挿入時に
要求される偏心量を確保でき、かつ、制御棒緊急
挿入時の摺動性能や取付環境に対する構成部品の
健全性も保持できる効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原子炉制御棒装置の実施例の
第４図の−矢視断面図、第２図は第１図の
−矢視断面図、第３図は第２図の突起のかしめ
前の詳細図、第４図は第１図の装置の縦断面図、
第５図は第４図の制御棒の変位モード説明図、第
６図、第８図はそれぞれ従来の原子炉制御棒装置
の断面図、第７図は第６図の制御棒の変位モード
説明図、第９図は第８図の−矢視断面の説明
図、第１０図は制御棒挿入時の変形モード説明図
である。 １……制御棒、２……制御棒案内管、３……液
体ナトリウム、７……保護管、８……中性子吸収
有効部、１０……被覆管、１１……中性子吸収
体、１２……上部構造体、１３……下部構造体、
１４……突起、１５……表面硬化部、１６……ね
じ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原子炉の出力を制御する中性子吸収材が収納
   された中性子吸収体と、該中性子吸収体が被覆管
   に内蔵されて上下部構造体間に支持される保護管
   内に収納し形成された制御棒と、内部に該制御棒
   が遊嵌され該制御棒外周に冷却材が流通されるよ
   うに形成された制御棒案内管とを設けたものにお
   いて、上記制御棒の上記保護管の軸方向の同一外
   径部分のほぼ中間部ないしは中性個吸収有効部の
   ほぼ中間部の１個所の円周上の複数個所に突起が
   配設され、該突起が上記制御棒案内管内周面に対
   向する側に表面硬化処理を施こされると共に上記
   保護管に螺着された後該保護管を貫通し突出した
   ねじ端部がさらにかしめ固着されていることを特
   徴とする原子炉制御棒装置。