JPH068879B2 - 制御棒駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は沸騰水型原子力発電プラントの制御棒駆動装置
に係り、特に制御棒を等加速度挿入によりスクラムさせ
るようにした制御棒駆動装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

沸騰水型原子炉の炉出力は、制御棒駆動装置により原子
炉圧力容器内の炉心に制御棒を挿入あるいは引抜動作さ
せることにより制御される。制御棒駆動装置は各制御棒
に対応して設けられた制御棒駆動機構（以下、ＣＲＤと
いう。）を駆動させるようになっている。そして、何ら
かの原因で原子炉保護系が作動し、原子炉を緊急停止さ
せねばならない場合、ＣＲＤを駆動させて全制御棒を炉
心に一斉に急速挿入させる、いわゆるスクラム操作が行
なわれる。

スクラム操作は、制御棒駆動装置のアキュムレータに充
填された高圧水を挿入配管を通してＣＲＤのドライブピ
ストンの下側シリンダ室に供給するとともに、ドライブ
ピストンの上側シリンダ室の水を引抜配管を通してスク
ラム排出容器に逃がすことにろり行なわれる。スクラム
排出容器内は常時大気圧に保たれている。ＣＲＤへの挿
入配管および引抜配管には、スクラム入口弁およびスク
ラム出口弁がそれぞれ収容され、これらのスクラム弁は
原子炉運転中は空気圧により閉弁状態に保持されてい
る。しかして、原子炉保護系によりスクラム信号が発生
したとき全スクラム入口弁および出口弁に作用していた
空気圧を一斉に大気へ逃してスクラム入口弁、出口弁を
急速に開弁させるようになっている。

従来の制御棒駆動装置は第９図に示すように構成されて
おり、原子炉圧力容器１の底部に複数の制御棒駆動機構
（ＣＲＤ）２が取付けられている。このＣＲＤ２には挿
入配管３および引抜配管４が各々接続されている。挿入
配管３はドライブピストン５の下側シリンダ室５ａに、
引抜配管４はドライブピストン５の上側シリンダ室５ｂ
に連通している。

また、挿入配管３の他端はスクラム入口弁６を介して分
岐し、一方はアキュムレータ８に、他端はチェック弁９
を介して図示しないポンプに接続されている。引抜配管
４の他端はスクラム出口弁７を付してスクラム排出容器
１０に接続されている。

一方、符号１２，１３は電磁弁であり、この電磁弁１
２，１３の１次側には空気源（図示せず）からの配管１
５が接続されており、電磁弁１３の２次側は上記スクラ
ム入口弁６、スクラム出口弁７への連通配管１４が接続
され、電磁弁１２，１３はスクラム信号によりＯＮ−Ｏ
ＦＦする電源（図示せず）と配線１６により接続されて
いる。

ところで、スクラム入口弁６およびスクラム出口弁７は
空気作動型のＯＮ−ＯＦＦ弁であり、原子炉運転中は電
磁弁１２，１３の励磁により、空気圧により全閉状態と
なっているが、原子炉保護系からスクラム信号が発生す
ると電磁弁１２，１３は消磁され、スクラム入口弁６、
スクラム出口弁７に供給されていた空気圧が排気され
る。これによりスクラム入口弁６およびスクラム出口弁
７は急速に全開状態となり、原子炉の安全性を確保して
いる。

〔背景技術の問題点〕 しかし、従来の制御棒駆動装置は、緊急時に原子炉保護
系からスクラム信号が発生するとスクラム入口弁６、ス
クラム出口弁７は瞬時に全開となり、アキュムレータ８
に貯えれていた高圧水がＣＲＤ２の下側シリンダ室５ａ
に作用し、ドライブピストン５の上側シリンダ室５ｂは
大気圧となるため、スクラム初期にはＣＲＤのドライブ
ピストン５に大きな上向きの力がかかり、制御棒１１は
急激に大きな加速力で加速される。そして制御棒１１の
加速作用により挿入配管３および引抜配管４の流速が増
加し、配管の圧力損失も急激に増加する。このため、Ｃ
ＲＤ２のドライブピストン５の下面に作用する圧力は低
下し、かつドライブピストン５の上側シリンダ室５ｂの
圧力は上昇するのでＣＲＤのドライブピストン５に作用
する上向き力は減少して制御棒１１を加速する力はなく
なり制御棒１はほゞ等速で挿入される。

制御棒１１のストローク終端ではＣＲＤ２内のバッファ
機構（図示せず）が働いて制御棒１１は減速され、停止
してスクラム動作は完了する。上記スクラム時の制御棒
１１に作用する速度（実線）、加速度（破線）を示した
グラフが第１０図である。第１０図より明らかなよう
に、制御棒１１にはスクラム初期に過大な上向きの加速
度による大きな圧縮荷重が加わる。

第１１図は沸騰水型原子炉に用いられる制御棒１１の構
造図である。制御棒１１内に収容される中性子吸収棒１
８は上記スクラム初期の大きな加速度作用による圧縮荷
重を受ける。この圧縮荷重による座屈に中性子吸収棒単
独では耐えられないため、スピードリミタ１９とハンド
ル２０の間に多数の中性子吸収棒１８が十字形に整列配
置され、更に深いＵ字状シース２１により保護されてい
る。またスピードリミタ１９とハンドル２０の間隔はタ
イロッド２２で保持される補強構造となっているため、
制御棒１１は大きな構造物となっている。

このため、炉心内の燃料間には制御棒１１が通るための
間隔が必要となり、この間隔により燃料の燃焼度が制限
される一方、燃料の燃焼度にバラツキが存在している。
そのため原子力発電所の連続運転期間も制限され、原子
力発電所の稼動率の向上および燃料の有効利用等を図る
上で問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、スク
ラム時制御棒に過大な上向きの加速度を与えることな
く、しかもスクラム時間を満足させることが可能で、制
御棒を安定的にスクラム動作させることができる制御棒
駆動装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上述した目的を達成するために、本発明は原子炉圧力容
器に制御棒の炉心への出し入れを行なう複数の制御棒駆
動機構を設け、上記制御棒駆動機構のシリンダチューブ
内に制御棒を駆動させるドライブピストンを収容し、こ
のドライブピストンの挿入側シリンダ室と高圧駆動水貯
蔵用アキュムレータとをスクラム入口弁を介して接続す
る挿入配管を設けるとともに、前記ドライブピストンの
引抜側シリンダ室をスクラム出口弁を介してスクラム排
出容器に接続する引抜配管を設けた制御棒駆動装置にお
いて、前記ドライブピストンの挿入側シリンダ室および
引抜側シリンダ室に作用する圧力差を常時一定となるよ
うに調節制御する圧力調節装置を設け、この圧力調節装
置は、スクラム時、ドライブピストンに作用する制御棒
の挿入駆動力を常に一定に保持したことを特徴とするも
のである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明に係る制御棒駆動装置の一実施例について
添付図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係る制御棒駆動装置の概略を示す系統
図である。この制御棒駆動装置は複数の制御棒駆動機構
（ＣＲＤ）３０を有し、このＣＲＤ３０は沸騰水型原子
炉の原子炉圧力容器３１の底部に取付けられる。具体的
には原子炉圧力容器３１の底部にはＣＲＤハウジング３
２が一体に固定される。ＣＲＤハウジング３２内にはシ
リンダチューブ３３が収容され、このシリンダチューブ
３３内に制御棒３４の挿入あるいは引抜動作を行なうド
ライブピストン３５が摺動可能に収納される。ドライブ
ピストン３５の下側には挿入側シリンダ室３６ａが、上
側には引抜側シリンダ室３６ｂがそれぞれ画成される。

一方、ＣＲＤ３０には挿入配管３８および引抜配管３９
が接続されている。挿入配管３８はＣＲＤ３０の挿入側
シリンダ室３６ａに、引抜配管３９はドライブピストン
３５の上側シリンダ室３６ｂにそれぞれ連通される。挿
入配管３８の他端はスクラム入口弁４０を介して分岐さ
れ、一方はアキュムレータ４１に、他方にチェック弁４
２を介してポンプ（図示せず）と接続されている。また
引抜配管３９の他端はスクラム出口弁４４を介してスク
ラム排出容器４５に接続されている。

一方、符号４７、４８はスクラム入口弁４０および出口
弁４４を制御する電磁弁であり、この電磁弁４７、４８
の１次側には空気源（図示せず）からの配管４９が接続
されている。電磁弁４８の２次側は分岐され、一方は圧
力調節装置としてのスクラム弁ストローク調整装置５０
を介してスクラム入口弁４０に、他方はスクラム出口弁
４４へ連通配管５１で接続されている。電磁弁４７，４
８は配管で直列に接続され、Ａ系およびＢ系の原子炉保
護系からのスクラム信号によりＯＮ−ＯＦＦする電源
（図示せず）と配線５２により接続される構成となって
いる。

スクラム入口弁４０は圧力調整可能な空気作動弁であ
り、スクラム出口弁４４は空気作動型のＯＮ−ＯＦＦ弁
で両者とも空気圧が供給されているとき、全閉状態に保
持されている。

次に、制御棒駆動装置の作用について説明する。

沸騰水型原子炉の通常運転中は電磁弁４７，４８が励磁
されており、空気圧は電磁弁４７，４８を通してスクラ
ム入口弁４０およびスクラム出口弁４４に供給され、両
者とも全閉に保たれている。そのためアキュムレータ４
１にはポンプ（図示せず）により加圧された高圧水が窒
素ガス（Ｎ_２）を圧縮して貯えられている。スクラム排
出容器４５はＣＲＤ３０と隔離されて大気圧の状態とな
っている。

このとき何らかに原因の原子炉保護系からスクラム信号
が発せられると、電磁弁４７，４８は消磁され、スクラ
ム入口弁４０、スクラム出口弁４４へ供給されていた空
気圧を急速に排気する。そのためスクラム出口弁４４は
瞬時に全開となり、ＣＲＤ３０の引抜側シリンダ室３６
ｂを大気圧のスクラム排出容器４５と連通させる。一方
スクラム入口弁４０は圧力調節装置としてのスクラム弁
ストローク調整装置５０の支持にもとづき弁開度を順次
増して、アキュムレータ４１の圧力をＣＲＤ３０の挿入
側シリンダ室３６ａに供給して、制御棒３４を炉心内に
急速挿入させるスクラム動作が行なわれる。

スクラム初期にはスクラム弁ストローク調整装置５０に
よりスクラム入口弁４０は絞られているため、制御棒３
４に過大な加速度を与えることはない。またスクラム動
作中は制御棒３４の速度増加にともなう挿入および引抜
配管３，３９の圧力損椎増加やアキュムレータ４１の圧
力低下を受けるが、これらの圧力損失増加分や圧力低下
分はスクラム入口弁４０のストローク調整により圧力調
整される。このためＣＲＤ３０のドライブピストン３５
の両側に作用する圧力差をほぼ一定に保ち、ドライブピ
ストン３５の上向き挿入力を一定即ち制御棒３４の加速
度を一定とすることができる。制御棒３４の速度はスク
ラム初期はゆっくり、その後は増速されて規定のスクラ
ム時間内に炉心の制御棒を挿入することができる。

第２図は、スクラム時におけるスクラム入口弁４０の作
動による圧力調整曲線Ａおよびアキュムレータ４１の圧
力低下曲線Ｂ、挿入および引抜配管３８，３９の配管圧
力損失Ｃを示すグラフであり、調節調整曲線Ａはスクラ
ム入口弁４０の圧力損失を示すものでスクラム入口弁４
０の両側における圧力差を示している。また、一点鎖線
Ｄはスクラム入口弁４０の圧力損失（圧力調整曲線Ａ）
と配管圧力損失Ｃの合成圧力損失を示しており、アクチ
ュエータ４１の圧力（圧力低下曲線Ｂ）から一点鎖線Ｄ
の合成圧力損失を引いた圧力がスクラム駆動に有効な圧
力となり、この圧力をスクラム駆動圧力として示してあ
る。

そして、スクラム入口弁ストローク調整装置５０による
スクラム入口弁４０の弁ストローク調整は、アクチュエ
ータ４１の圧力低下分および挿入・引抜配管３８，３９
内の流れによる配管圧力損失の増加を考慮し、ドライブ
ピストン３５両側に作用するシリンダ室３６ａ，３６ｂ
内の圧力を常に一定に保つようにしている。

また、スクラム時第３図に制御棒加速度曲線ＣＲＡで示
すように制御棒３４を数Ｇ（重力加速度）以下、好まし
くは２Ｇ〜３Ｇの等加速度で挿入させるようになってい
る。ドライブピストン３５に等加速度を付与することに
より、制御棒３４はその速度曲線ＣＲＶで示す速度でス
クラム動作される。すなわち、スクラム入口弁４０の弁
ストローク調整により、アキュムレータ４１から高圧駆
動水が挿入側シリンダ室３６ａに供給されるが、その供
給は、制御棒３４の速度が増加しても制御棒３４に常に
一定の上向き力で作用するように、一定の加速度を付与
している。

その際、第３図に示すように、制御棒３４にスクラム動
作中過大な加速度を与えず、しかも小さな等加速度で制
御棒３４をスクラム動作させ、かつスクラム時間を満足
させることができる。したがって制御棒３４には過大な
圧縮荷重は働かず中性子吸収棒の座屈の心配もなくなる
のでその保護の必要もなくなり、中性子吸収棒をそのま
ま炉心に挿入することが可能となり、燃料間隔を狭める
ことができ、燃料の燃焼度を高めることができる。

したがって、使用される制御棒は第１１図に示す従来型
の十字形タイプのものに限定されず、第４図および第５
図に示すようにクラスタタイプの制御棒５５にも適用す
ることができる。この制御棒５５は燃料集合体５６Ａ，
５６Ｂの燃料チャンネル５７Ａ，５７Ｂ内に燃料棒とと
もに複数の制御棒クラスタガイドシンプル５８を収容
し、このクラスタガイドシンプル５８内に制御棒５５の
各中性子吸収棒５９の挿入および引抜きが直接できるよ
うにしたもので、制御棒クラスタ６０はカップリング機
構を介してドライブピストン３５からのピストンチュー
ブ３５ａに連結される。燃料集合体５６Ａ，５６Ｂは第
４図および第６図に示すように格子状の炉心支持板６１
の１つの格子に４体収容させるようにしても、第５図お
よび第７図に示すように１体だけ収容させるようにして
もよい。

なお、第４図および第６図において、符号６２は炉心支
持板６１に支持される燃料支持金具である。また、第４
図乃至第７図において符号６３は制御棒５５を案内する
複数段構成のガイドプレートであり、また、符号６４は
下部クラスタ案内構造物である。

次に、本発明の変形例いついて第８図を参照して説明す
る。

この変形例に示された制御棒駆動装置は圧力調節装置６
６の設置構造が第１図に示す制御棒駆動装置と基本的に
相違し、それ以外の構成は実質的に同一であるので同じ
符号を付し説明を省略する。

すなわち、第８図に示す制御棒駆動装置は、スクラム入
口弁４０の弁ストローク調整による圧力調整ではなく、
挿入配管３８の途中に圧力調節装置６６を直接取付け、
この圧力調節装置６６により、アキュムレータ４１から
の高圧駆動水の圧力調整を行なうようにしたものであ
る。この圧力調整も、スクラム時に第２図に示す圧力調
整曲線Ａに沿って、圧力調節装置６６の調節弁（図示せ
ず）の弁開度をコントロールすることにより行なわれ
る。

この制御棒駆動装置の作用は次の通りである。

原子炉の通常運転中は電磁弁４７，４８が励磁されてお
り、空気圧は電磁弁４７，４８を通してスクラム入口弁
４０およびスクラム出口弁４４に供給され、両弁を全閉
状態に保つ。そのため、アキュムレータ４１にはポンプ
（図示せず）により加圧された高圧水が窒素ガスを圧縮
して貯えられており、スクラム排出容器４５はＣＲＤ３
０と隔離されて大気圧の状態となっている。

しかして何らかに原因で原子炉保護系からスクラム信号
が発せられると、電磁弁４７，４８は消磁され、スクラ
ム入口弁４０、スクラム出口弁４４へ供給されていた空
気圧を急速に排気する。そのためスクラム出口弁４４は
瞬時に全開となり、ＣＲＤドライブピストン３５の引抜
側シリンダ室３６ｂを大気圧のスクラム排出容器４５と
連通させる。一方スクラム入口弁４０も瞬時に全開とな
るが、この倍スクラム入口弁４０の下流側に配置された
圧力調節装置６６が作動してアキュムレータ４１の高圧
水を圧力調整し、この高圧水をＣＲＤドライブピストン
３５の挿入側シリンダ室３６ａに供給して制御棒３４を
炉心内に急速挿入させるスクラム動作が行なわれる。

スクラム初期には圧力調整装置６６がアキュムレータ圧
力を大きく減圧するため、スクラム初期に制御棒３４に
過大な加速度を与えることがない。またスクラム動作中
には、制御棒３４の挿入速度増加にともなう挿入、引抜
配管３８，３９の圧力損失増加分やアキュムレータ４１
の圧力低下分を考慮して圧力調節装置６６により圧力調
整される。このためＣＲＤ３０のドライブピストン３５
に加わる上向きの力を一定即ち制御棒３４の加速度を一
定とすることができる。制御棒３４の速度はスクラム初
期はゆっくり、その後は増速されて規定のスクラム時間
内に炉心に挿入され、図示しないバッファ機構のバッフ
ァ作用により減速され、停止せしめられる。圧力調節装
置６６の圧力調整特性は第２図の圧力調整曲線に示す通
りである。

この制御棒駆動装置によっても、スクラム動作時に制御
棒３４に過大な圧縮荷重は働かないので中性子吸収棒の
座屈の心配がなく、制御棒を安定的かつスムーズに挿入
させることができる。

なお、本発明の一実施例においては、挿入配管側に圧力
調節装置を設けた例について説明したが、この圧力調節
装置は引抜配管側に設けても、あるいは双方に設けるよ
うにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明に係る制御棒駆動装置は、ドラ
イブピストンの挿入側シリンダ室および引抜側シリンダ
室に作用する圧力差が常時一定となるように圧力を調節
制御する圧力調節装置を設け、この圧力調節装置により
ドライブピストンに作用する制御棒の挿入駆動力が、ス
クラム時に常に一定となるようにしたから、スクラム時
にＣＲＤへ供給する圧力を調整し、制御棒には常に一定
の挿入駆動力を与え等加速度でスクラムさせ、特にスク
ラム初期に過大な加速度が作用するのを防止し、しかも
スクラム時間は規定値を満足させることができ、これに
より制御棒には過大な圧縮荷重を与えることなく円滑か
つスムーズなスクラム動作が可能となる。

また、制御棒の圧縮荷重が低減されることにより、核反
応の制御に必要な中性子吸収棒は単独でスクラム動作さ
せても座屈することがなくなるので中性子吸収棒を保護
すＵ字状シースなどの構造材が不要となり、中性子吸収
棒単独の制御棒とすることができる。

さらに、制御棒に上述したスクラム動作を与えることに
より、燃料集合体間に制御棒の通路を特に設ける必要が
なくなる。したがって燃料を密接して取付けることがで
き、燃料ハンドルの中に制御棒を直接分散配置すること
もでき、燃料の燃焼度を高めることができる。燃焼度が
高められることにより、燃料が有効的に利用され、同一
燃料で原子炉を停止させることなく、長期間の連続運転
が可能となり原子力発電所の稼働率向上、燃料費の節
約、燃料交換作業が少なくなるため、作業員の節約等の
経済的な効果のほか作業員の被曝低減をも図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る制御棒駆動装置の一実施例を示す
概略系統図、第２図は上記制御棒駆動装置における各部
の圧力を示すグラフ、第３図は上記制御棒駆動装置にお
ける制御棒の速度、加速度を示すグラフ、第４図および
第５図はクラスタタイプの制御棒を原子炉圧力容器内に
収容した状態を示す図、第６図は第４図のVI−VI線に沿
う平断面図、第７図は第５図のVII−VII線沿う平断面
図、第８図は本発明の変形例を示す概略系統図、第９図
は従来の制御棒駆動装置を示す概略系統図、第１０図は
第９図に示す制御棒駆動装置に組み込まれる制御棒の速
度、加速度を示すグラフ、第１１図は沸騰水型原子炉に
用いられる制御棒の構造図である。 ３０…制御棒駆動機構（ＣＲＤ）、３１…原子炉圧力容
器、３３…シリンダチューブ、３４…制御棒、３５…ド
ライブピストン、３６ａ…挿入側シリンダ室、３６ｂ…
引抜側シリンダ室、３８…挿入配管、３９…引抜配管、
４０…スクラム入口弁、４１…アキュムレータ、４４…
スクラム出口弁、４５…スクラム排出容器、５０…スク
ラム弁ストローク調整装置、５５…制御棒、５６Ａ，５
６Ｂ…燃料集合体、５９…中性子吸収棒、６６…圧力調
節装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子炉圧力容器に制御棒の炉心への出し入
   れを行なう複数の制御棒駆動機構を設け、上記制御棒駆
   動機構のシリンダチューブ内に制御棒を駆動させるドラ
   イブピストンを収容し、このドライブピストンの挿入側
   シリンダ室と高圧駆動水貯蔵用アキュムレータとをスク
   ラム入口弁を介して接続する挿入配管を設けるととも
   に、前記ドライブピストンの引抜側シリンダ室をスクラ
   ム出口弁を介してスクラム排出容器に接続する引抜配管
   を設けた制御棒駆動装置において、前記ドライブピスト
   ンの挿入側シリンダ室および引抜側シリンダ室に作用す
   る圧力差を常時一定となるように調節制御する圧力調節
   装置を設け、この圧力調節装置は、スクラム時、ドライ
   ブピストンに作用する制御棒の挿入駆動力を常に一定に
   保持したことを特徴とする制御棒駆動装置。
2. 【請求項２】圧力調節装置は挿入配管および引抜配管の
   少なくとも一方に設けられ、スクラム時にアキュムレー
   タの圧力低下分と挿入および引抜配管の圧力損失増加分
   との圧力調整を行なうように設定した特許請求の範囲第
   １項に記載の制御棒駆動装置。
3. 【請求項３】圧力調整装置はスクラム入口弁のストロー
   ク調節を行なう弁ストローク調整装置を備えた特許請求
   の範囲第１項に記載の制御棒駆動装置。