JPH0797144B2 - 制御棒駆動装置 - Google Patents

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。

（従来の技術） 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電動式制御棒駆動機構（以下、CR
D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
トンの下側に供給することにより行なわれる。CRDへの
挿入配管には、スクラム入口弁がそれぞれ備えられ、こ
れらのスクラム入口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
ときスクラム入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べ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５図に示すように構成されて
おり、原子炉圧力容器１の底部に複数の電動式制御棒駆
動機構（CRD）２が取付けられている。このCRD2には挿
入配管３が接続され、この挿入配管３はドライブピスト
ンとしての中空ピストン４の下側に連通している。

また、挿入配管３の他端はスクラム入口弁６を介して分
岐され、一方はアキュムレータ８に、他端はチェック弁
９を介してポンプ10に接続されている。

一方、符号12,13は三方電磁弁であり、この三方電磁弁1
2,13の１次側には空気源（図示せず）からの配管15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への連通配管14が接続され、三方電磁弁12,13はスク
ラム信号ＳによりON−OFF切換えされるようになってい
る。

ところで、スクラム入口弁６は空気作動型のON−OFF切
換弁であり、原子炉運転中には三方電磁弁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三方電磁弁12,13
は消磁されて切り換えられ、スクラム入口弁６に供給さ
れていた空気圧が大気中に排気される。これによりスク
ラム入口弁６は急速に全開状態となってスクラム作動
し、原子炉の安全性を確保している。

（発明が解決しようとする問題点） 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は瞬
時に全開となり、アキュムレータ８に貯えられていた高
圧駆動水がCRD2のドライブピストン下面に作用し、スク
ラム初期にはドライブピストン４に大きな上向きの力が
かかり、制御棒11（第11図参照）は急激に大きな加速力
で加速され、炉心に挿入される。そして制御棒11の加速
作用により挿入配管３の流速が増加すると、挿入配管３
の圧力損失も急激に増加する。このため、CRD2のドライ
ブピストン４の下面に作用する駆動水圧力は低下し、か
つドライブピストン４の上側には炉圧が作用しているの
でCRDのドライブピストン４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はほヾ等
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17
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６図であ
る。第６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７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18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。

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。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る制御棒駆動装置は、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下面に
高圧を加えるために、上記制御棒駆動機構を高圧駆動水
貯蔵用アキュムレータにスクラム入口弁を備えた挿入配
管で接続した制御棒駆動装置において、前記ドライブピ
ストンの下面圧力と炉圧との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、制御棒に加わる加速度をほぼ一定に
保持するように調整したものである。

（作用） 本発明に係る制御棒駆動装置は、何らかの原因でスクラ
ムが発生したとき、ドライブピストンの下面に作用する
高圧駆動水による下面圧力と炉圧（炉内圧力）との圧力
差が常時一定となるように圧力調節装置により調節し、
この圧力調節装置によりスクラム時に制御棒に加わる加
速度をほぼ一定に常時保持するように調整したので、制
御棒に大きな衝撃荷重が加わることなく常に一定の挿入
駆動力を与えて等加速度でスクラムさせることができ
る。特に、スクラム初期に制御棒に過大な加速度が作用
するのを防止して制御棒に加わる圧縮荷重を大幅に低減
させることができ、制御棒を円滑かつスムーズにスクラ
ム動作させるものである。

（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電動式制御棒駆
動機構（CRD）30を有し、このCDR30には沸騰水型原子炉
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32が一体に
固定される。CRDハウジング32内にはアウタチューブ33
およびガイドチューブ34が同心円状に収容され、このガ
イドチューブ34内に制御棒35の挿入あるいは引抜動作を
行なうドライブピストンとしての中空ピストン36が摺動
可能に収納される。中空ピストン36のピストンヘッド36
aはボールねじ軸37に軸装されたボールナット38上に載
置される。ボールねじ軸37はカップリング機構39を介し
て電動機40の出力側に連結され、電動機40の駆動により
回転駆動される。この回転駆動によりボールナット37が
昇降し、この昇降により中空ピストン36も昇降せしめら
れる。

一方、CRD30には中空ピストン36の下側に連通するよう
に挿入配管43が接続されている。挿入配管43の他端はス
クラム入口弁44を介して分岐され、一方はアキュムレー
タ45に、他方はチェック弁46を介してポンプ47と接続さ
れている。

一方、スクラム入口弁44は三方電磁弁48,49の切り換え
により開閉制御され、この電磁弁48,49の１次側には空
気源（図示せず）からの配管50が接続されている。三方
電磁弁49の２次側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51を介してスクラム入口弁44に連通配
管52で接続される。三方電磁弁48,49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ＳによりON−OFFする電源（図示せず）と配線53に
より接続される構成となっている。

スクラム入口弁44は圧力調整可能な空気作動弁であり、
三方電磁弁48を経て空気圧が供給されていることで、全
閉状態に保持される。

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三方電磁弁48,49が励磁
されており、空気圧は三方電磁弁48,49を通してスクラ
ム入口弁44に供給され、全閉に保たれている。アキュム
レータ45にはポンプ（図示せず）により加圧された高圧
駆動水が窒素ガス（N₂）を圧縮して貯えられている。通
常運転時における制御棒35の炉心への挿入、引抜きはCR
D30の電動機40の駆動により行なわれる。

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、三方電磁弁48,49は消磁され、スクラ
ム入口弁44へ供給されていた空気圧を急速に排気する。
このとき、スクラム入口弁44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51の指示にもとづき弁開度
を順次増して、アキュムレータ15の圧力をCRD30の挿入
側に供給して、制御棒35を炉心内に急速挿入させるスク
ラム動作が行なわれる。このとき、ドライブピストンと
しての中空ピストン36はボールナット37から切り離され
てスクラム動作される。

スクラム初期にはスクラム弁ストローク調整装置51によ
りスクラム入口弁44は絞られているため、制御棒35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35の速度増加にともなう挿入配管43の圧力損失増
加やアキュムレータ45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44のスト
ローク調整により圧力調整される。このためCDR30のド
ライブピストンとしての中空ピストン36の両側に作用す
る圧力差（高圧駆動水と炉圧との差）をほぼ一定に保
ち、ドライブピストン36の上向き挿入力を一定即ち制御
棒35の加速度を一定とすることができる。制御棒35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44の作動
による圧力調整曲線Ａおよびアキュムレータ45の圧力低
下曲線Ｂ、挿入配管43の配管圧力損失Ｃを示すグラフで
あり、圧力調整曲線Ａに示される圧力はスクラム入口弁
44の両側における圧力差を示している。そして、スクラ
ム弁ストローク調整装置51によるスクラム入口弁44の弁
ストローク調整は、アキュムレータ45の圧力低下分およ
び挿入配管43内の流れによる配管圧力損失の増加分を考
慮し、ドライブピストン36両側に作用する高圧駆動水と
炉圧との圧力差を常に一定に保つようにしたものであ
る。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35を数Ｇ（重量加速度）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36に等加速度を付与することにより、制御棒
35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44の弁ストローク調整に
より、アキュムレータ45から高圧駆動水が中空ピストン
36の下面側に供給されるが、その供給は、制御棒35の速
度が増加しても制御棒35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35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35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35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。

次に、本発明の変形例について第４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66
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４図に示す制御棒駆動装置は、スクラム入
口弁44の弁ストローク調整による圧力調整ではなく、挿
入配管43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45から送られる高
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三方電磁弁48,49が励磁されてお
り、空気圧は三方電磁弁48,49を通してスクラム入口弁4
4に供給され、スクラム入口両弁44を全閉状態に保つ。
そのため、アキュムレータ45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
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、三方電磁弁48,49は消磁されて切り換
えられ、スクラム入口弁44へ供給されていた空気圧を大
気中に急速に排気する。そのためスクラム入口弁44も瞬
時に全閉となるが、このときスクラム入口弁44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
45から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36の下面側に供給して制御棒35を炉心内に急
速挿入させるスクラム動作が行われる。

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35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35の挿入速度増加にともなう挿入、引抜配管
43の圧力損失増加分やアキュムレータ45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36に加わる上向きの力を一
定即ち制御棒35の加速度を一定とすることができる。制
御棒35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35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。

〔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
イブピストンの下面に作用する高圧駆動水と炉圧との圧
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制御棒に加わる
加速度がスクラム時にほぼ一定に保持されるから、スク
ラム時に制御棒には常に一定の挿入駆動力を与えて等加
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
する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動率向上、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図は本発
明の変形例を示す概略系統図、第５図は従来の制御棒駆
動装置を示す概略系統図、第６図は第５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７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、32……CRDハウジング、33……アウタチューブ、34
……ガイドチューブ、35……制御棒、36……ドライブピ
ストン（中空ピストン）、43……挿入配管、44……スク
ラム入口弁、45……アキュムレータ、48,49……三方電
磁弁、51……スクラム弁ストローク調整装置、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下面に高圧を加えるため
   に、上記制御棒駆動機構を高圧駆動水貯蔵用アキュムレ
   ータにスクラム入口弁を備えた挿入配管で接続した制御
   棒駆動装置において、前記ドライブピストンの下面圧力
   と炉圧との圧力差が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、制御棒に加わる加速度をほぼ一定に保持するように
   調整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】圧力調節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。