JPH0814635B2 - 加圧水型原子炉の棒クラスタを支持するためのスパイダ集合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は加圧水型原子炉、特に、棒クラスタを取り付
け、調節自在に位置決めするためのスパイダに係る。

周知のように、従来の加圧水型原子炉は互いにほぼ平
行に間隔を保ち、燃料棒集合体と入れ子関係に軸方向並
進移動できるように原子炉容器内に取り付けられた制御
棒を採用している。制御棒は中性子を吸収して炉心内に
中性子束レベルを低下させる毒物と呼ばれる物質を含有
する。連携の燃料棒集合体に対する制御棒の位置を調節
することによって、反応度を、従って、原子炉の出力レ
ベルを制御、調節する。典型的には、制御棒を束ねてク
ラスタを構成するために、各クラスタに属する棒をスパ
イダに取り付け、各スパイダを、連携の棒クラスタを上
下させる機構に連結する。

新しい設計の加圧水型原子炉には、制御棒クラスタ
（RCC）及び水排除棒クラスタ（WDRC）のほかに、いわ
ゆる弱吸収制御棒クラスタをも採用するものがあるが、
この弱吸収制御棒クラスタはその構造がRCCと同じであ
ることから、ここでは一括してRCCと呼称する。このよ
うな原子炉の設計では、合計2,800本以上の制御棒及び
水排除棒が185クラスタに分けられ、各クラスタと連携
するスパイダに各クラスタの棒が個別に取り付けられ
る。

新しい設計の典型的な加圧水型原子炉では、原子炉容
器内に下方から順次上方へそれぞれがほぼ円筒形の下槽
集合体、内槽集合体、及びカランドリア、及び上部を閉
鎖するドームを設ける。下槽集合体はその内部に軸平行
関係に複数の燃料集合体が配設され、それぞれの両端が
下部及び上部炉心板で支持され、上部炉心板は内槽集合
体の底縁に溶接されている。内槽集合体内には、その断
面積のほぼ全域にわたって狭い間隔で多数の棒案内管が
配列されている。棒案内管には第１タイプと第２タイプ
があり、前者は原子炉制御棒クラスタ又は出力制御棒ク
ラスタ（RCC）を、後者は水排除棒クラスタ（WDRC）を
収納している。それぞれに連携の案内管内に入れ子式に
収納されるこれらのクラスタはそれぞれと連携する燃料
棒集合体と整列する。

新設計加圧水型原子炉の主な目的の１つは燃料利用効
率を高めて総燃料コストを軽減することにある。この目
的に沿って、水排除棒クラスタ（WDRC）は機械的減速材
制御手段として作用し、新しい燃料サイクルの開始に際
してすべてのWDRCが完全挿入されて燃料棒集合体、従っ
て炉心内に来る。多くの場合、燃料サイクルは約18カ月
であり、18カ月が経過したら燃料を交換しなければなら
ない。燃料サイクルの進行と過剰反応度レベルが低下す
るに従って、WDRCをグループごとに少しづつ炉心から引
抜き、たとえ燃料棒集合体の反応度レベルが経時的な消
失で低下しつつあっても原子炉が同じ反応度レベルを維
持できるようにする。他方、制御棒クラスタを連携の燃
料棒集合体に対して軸方向並進、即ち、入れ子関係に移
動させることにより、例えば負荷需要に応じて、公知の
原子炉制御操作と同様に原子炉の反応度を、従って出力
レベルを連続的に制御する。

カランドリアはカランドリア底板及びカランドリア上
板を含み、カランドリア底板及び上板に棒案内管の上下
端をそれぞれ固定する。カランドリア内には、その底板
及び上板に形成した整列孔間に、棒案内管とそれぞれ整
列させて複数のカランドリア管を軸平行関係に取り付け
る。カランドリア上板及び底板のカウンドリア管と連携
する孔からずれた位置に複数のフローホールを形成して
あり、炉心排出流が内槽集合体の上向き通路から流出す
る際にこれらのフローホールを通過する。炉心排出流ま
たはその大部分は軸方向から半径方向に向きを変えて、
カランドリアと流体流通関係にある半径方向外向きの出
口ノズルへ流れる。

同じく軸平行整列関係に、カランドリア管はドーム内
の所定の高さにまで延びる対応のフローシュラウドと接
続され、前記フローシュラウドは対応のヘッド延長部と
整列し、かつ近接している。ヘッド延長部はドームの構
造壁を貫通し、ドームの外部、ドームの真上に位置する
それぞれの自由端に、上述した対応の調節機構が装着さ
れている。この調節機構は連携のヘッド延長部、フロー
シュラウド、及びカランドリア管を貫通して、RCC棒ク
ラスタ及びWDRC棒クラスタが取り付けられている連携の
スパイダに連結される対応の駆動棒を含み、内槽集合体
内での前記棒の高さ位置、即ち、棒を内槽集合体へ下降
させて燃料棒集合体と連携させることにより炉心内の反
応度を制御する際に内槽集合体への下降位置を調節する
機能を果たす。

このような原子炉の重要な設計条件のひとつは、原子
炉の炉内構造物を通過する際に炉心排出流によって起こ
されるおそれのある炉内構造物の振動を低減することに
ある。この条件を満たすための重要な要因は内槽集合体
の全長にわたって炉心排出流を軸方向に、即ち棒クラス
タ及び連携の棒案内管と軸平行関係に維持することであ
る。このことは入口及び出口ノズルをカランドリア集合
体の高さにほぼ対応する高さに、即ち、上述のように棒
案内管及び連携の棒クラスタを収納する内槽集合体より
も上方に設置することによって部分的に達成させる。ま
た、内槽集合体内に所期の軸方向流動状態を維持するの
を助けるため、本願の出願人に譲渡された特許出願“MO
DULAR FORMER FOR INNER BARREL ASSEMBLY OF PRESSURI
ZSED WATER REACTOR（加圧水型原子炉における内槽集合
体用のモジュール式成形部材）”に開示されているよう
な成形部材と呼ばれる構造素子を容器内に組み込む。

ところが、従来型構成の棒クラスタ・スパイダでは所
期の軸方向流動状態が維持されていても流れによる振動
が起こり易いことが判明している。振動は特に棒及び関
連の支持構造を含む炉内構造物の構成要素の摩耗を早め
てこれら構成要素の耐用寿命を縮め、原子炉運転におけ
るメンテナンスコストを増大させるから、このような状
況は極めて憂慮すべきものである。

従来の原子炉ではスパイダのベーンが強い流れ場に入
るように原子炉冷却材流路を設計せず、流路によりスパ
イダの高さ、即ち、軸方向の作用位置に流れが達する前
に、この冷却材流れが概ね半径方向に外方へ（即ち、軸
方向流路から）向くようにする。従って、従来の炉内構
造物は構造的に、ここに考察する新設計原子炉で採用さ
れている密に配設された棒案内管及び連携の棒クラスタ
とは異なっており、流路条件も異なるから、上述のよう
なスパイダのベーンの水流による振動に関する設計上の
問題は起こらない。即ち、上記新設計原子炉の条件に従
い、その運転に伴う環境要因を考慮して以上に述べた諸
問題を解決する方策は全く未知である。

既に述べたように、本発明の改良型ベーン形状を有す
る棒クラスタ・スパイダが併用されるような加圧水型原
子炉はいわゆる原子炉制御棒クラスタ（RCC）と配列さ
れた多数の制御棒のほか、同じく水排除棒クラスタ（WD
RC）として配列された多数の水排除棒を使用し、合計28
00本の棒（即ち、原子炉制御棒及び水排除棒の合計）か
ら成る185個のクラスタの配列体が原子炉容器の内槽集
合体に軸平行関係に取付けらている。各クラスタの棒は
その上端が対応のスパイダに取り付けられ、こうしてス
パイダに取り付けられたクラスタは対応の棒案内管に入
れ子式に挿入される。スパイダは駆動棒を介して対応の
調節機構と連結し、この調節機構が棒クラスタを連携の
燃料棒集合体グループに対して選択的に上昇、下降させ
ることにより、原子炉の反応度、従って、出力レベルを
制御する。

このような新しい原子炉設計は特に上部炉内構造物
を、従って、棒案内管及び連携の棒クラスタを通過する
炉心排出流をほぼ軸方向に維持しようとするものであっ
たが、棒を支持する従来型のスパイダベーンには有害な
振動が発生し易いことが判明している。即ち、従来のよ
うにほぼ半径方向に張出したベーンの構造は最適とはい
えず、振動を軽減するという設計条件を満たすことがで
きない。

更に詳しくは、スパイダ集合体は容器の垂直軸線と軸
平行関係の、ほぼ円筒形の中心ハブを含み、この中心ハ
ブにベーン集合体が連結されて半径方向に張出してい
る。ベーン集合体の形状は多様であるが、一般的には、
ほぼ平行な主要平坦面を有する金属板で形成された垂直
ベーンから成り、２本以上の円筒形棒支持マウントを互
いにかつハブと連結する。棒支持マウントもハブと軸平
行である。従って、炉心排出流は軸平行流を維持すると
いう基本的な設計条件通りに平行流動状態でベーンに沿
って通過する。

それぞれのスパイダ及び連携のベーン集合体はかなり
の構造強度を備えねばならない。例えば、制御棒スパイ
ダは典型的には中心ハブを中心に等角度間隔に、半径方
向に張出した４つのベーン集合体に配置された合計８本
の制御棒を支持する。８本の棒から成る制御棒クラスタ
の総重量は約90kg乃至113kgである。典型的な水排除棒
クラスタは最大限24本の水排除棒から成り、２本の水排
除棒から成るグループと４本の水排除棒から成るグルー
プが合計８つのベーン集合体のそれぞれに交互に取り付
けられており、４本の棒を取付けられる集合体のそれぞ
れは半径方向に張出したベーン素子のほかに、１対の横
方向に延びる素子を含み、後者にはその外端に円筒形支
持マウントが装着されている。このように構成された水
排除棒クラスタの総重量は約318kg乃至363kgである。ス
パイダは各棒クラスタの死重だけでなく、スパイダを通
過する比較的高速の炉心排出流及び棒の高さ調節動作に
伴って加わる力をも吸収しなければならない。

従って、スパイダは優れた構造支持を与えると同時
に、水流によって振動が発生する可能性を軽減するよう
に構成しなければならない。本発明では、それぞれのベ
ーンの後縁、即ち、ベーンを通過する冷却材流方向に関
して下流縁にほぼ方形の断面を与える、換言すれば扁平
に形成することによってこの２つの条件が満たされるこ
とが判明した。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説
明する。

第１図に示す加圧水型原子炉10は上部のドームまたは
ヘッド集合体12a,円筒形側壁12b,及び原子炉10の基部を
構成する閉じた底部12cを含む容器12を具備する。側壁1
2bの環状上端面12d付近（第１図にはそれぞれ１つづつ
図示してある）に半径方向の入口ノズル11及び出口ノズ
ル13を形成してある。円筒形側壁12bは溶接などで閉じ
た底部12cと一体的に接合すればよいが、ヘッド集合体1
2aは側壁12bの端面12dに着脱自在に固定する。側壁12b
は後述するような種々の炉内構造物を支持するためのほ
ぼ環状の内側取り付け突縁12eを固定する。閉じた底部1
2cは図面に略示するような底部計装体14を内蔵してい
る。

下槽集合体16はその下端を支持マウント18bに嵌着さ
れている下部炉心板18に固定したほぼ円筒形の側壁17を
含む。円筒形側壁17はその上端に、容器12内に下槽集合
体16を支持する環状取り付け突縁12eに着座させた取り
付けリング17aを具備する。側壁17は入口ノズル11付近
で中実であるが、出口ノズル13と整列し、かつこれに着
脱自在に取り付けたノズルリング17cを含む孔17bを有す
る。円筒形側壁17の内面の、軸高の約1/2に相当する位
置に取り付けた支持マウント17dで上部炉心板19を支持
する。下部炉心板18に装着した底部マウント22と、上部
炉心板19に装着されてこれを貫通するピン状マウント23
により、下槽集合体16内に燃料棒集合体20を支持する。
（図面には２個だけ示してあるが）下部炉心板18及び上
部炉心板19に形成した流通孔またはフローホール18a,19
aにより、原子炉冷却材は下槽集合体16に流入し、燃料
棒集合体20と熱交換関係に下槽集合体内を流動したの
ち、内槽集合体24に流入する。側壁17の内側には、炉心
領域を囲んで中性子反射体及び遮断体21を設けてある。

内槽集合体24はその下端を上部炉心板19に一体的に接
合し、固定した円筒形側壁26を含むと共に、その上方開
口端に、環状保持ばね27に嵌着し、側壁17の取り付けリ
ング17aと共に取り付け突縁12eで支持した取り付けリン
グ26aを含む。側壁26はこのほかに孔17b及び出口ノズル
13と整列する孔26bを含む。内槽集合体24の円筒形側壁2
6内に、複数の棒案内管が狭い間隔で、かつ互いに平行
に配設されているが、図面を簡略化するため、第１図に
は２つの棒案内管だけを、即ち、原子炉制御棒クラスタ
30（RCC）を収容する棒案内管28、及び水排除棒クラス
タ34（WDRC）を収容する棒案内管32だけを図示した。各
RCCクラスタ30及び各WDRCクラスタ34の棒は個別にそれ
ぞれと対応するスパイダ100、120に連結される。棒案内
管28の上下端にそれぞれ取り付け手段36、37を設け、棒
案内管32の上下端にそれぞれ取り付け手段38、39を設
け、各棒案内管28、32を上部炉心板19に連結するのに下
部取り付け手段37、39を利用し、各棒案内管28、32をカ
ランドリラ集合体50のカランドリア底板52に連結するの
に上部取り付け手段36、38を利用する。

カランドリア集合体50はカランドリア底板52のほか
に、カランドリア上板54、及びカランドリア底板及び上
板52、54の孔と軸整列する複数の互いに平行に間隔を保
つカランドリア管56、57を含み、前記カランドリア上板
54に前記カランドリア管56、57を連結する。具体的に
は、カランドリア底板52の対応孔に嵌着し、カランドリ
ア底板に固定したカランドリア延長部58、59にカランド
リア管56、57を固定する。同様の構造カランドリア管5
6、57の上端をカランドリア上板54に連結する。

図示の構成では、カランドリア延長部58だけがカラン
ドリア底板52から下方に突出し、RCC棒案内管28の上端
取り付け手段36に連結されている。WDRC棒案内管32と連
携の上部取り付け手段38は（図示しないが）可撓リンケ
ージを介してRCC棒案内管28の取り付け手段36と連結す
ることができる。これに代わる実施態様として、WDRC棒
案内管32を独自にカランドリア底板52と連結してもよ
く、この場合には、カランドリア延長部59も板52から下
方に突出し、WDRC取り付け手段38と係合してこれを側方
から支持する。

カランドリア管56、57とそれぞれ軸整列し、かつそれ
に連結されるフローシュラウド60、61が容器12のヘッド
集合体12a内に配置され、カランドリア上板54から上方
へ延びている。同数のヘッド延長部62、63をそれぞれの
フローシュラウド60、61と軸整列させ、ヘッド延長部の
下端62a,63aをフレアさせるかまたは鐘形に形成するこ
とによって組立を容易にすると共に、ヘッド集合体12a
を容器側壁12bの端面12dへ下降させる際に（第１図には
図示しない）駆動棒をヘッド延長部62、63内へ案内す
る。第１図から明らかなように、完全に組立てた状態で
フレア端62a,63aにフローシュラウド60、61の対応上端6
0a,61aが挿入される。ヘッド延長部62、63はヘッド集合
体12aの頂壁部分を貫通し、これに対して密封されてい
る。制御棒クラスタ（RCC）駆動機構64及び水排除棒ク
ラスタ（WDRC）駆動機構66を対応のヘッド延長部62、6
3、フローシュラウド60、61及びカランドリア管57、57
と連携させ、カランドリア管を対応の放射線制御棒クラ
スタ30及び水排除棒クラスタ34と連携させる。RCC駆動
機構（CRDM）64としては適当な従来型のものを利用すれ
ばよく、本排除棒クラスタ（WDRC）34の駆動機構（DRD
M）66としては本願と同じ出願人の所有になる米国特許
第4,439,054号に開示されている駆動機構と同様のもの
を利用すればよい。

CRDM64及びDRDM66と連携の各駆動棒は対応の放射線制
御棒クラスタ30及び水排除棒クラスタ34にむかって延
び、それぞれの下端がスパイダ100、120に連結されてい
る。即ち、CRDM64及びDRDM66は対応の駆動棒を介してRC
C30及びWDRC34を、上部炉心板19に形成した（図示しな
い）対応孔を通して連携の燃料棒集合体20内へ下降させ
たり、逆に上昇させたりする。第１図に示すように、下
槽集合体16の内高D1は約4.5m,燃料棒集合体20の有効長D
2は約3.8m,内孔D3は約4.4m、棒クラス30、34の、従っ
て、対応のCRDM及びDRDM駆動棒の移動範囲D4は約3.7mで
ある。

原子炉から所期の出力レベルを得るために、RCC30はW
DRC34よりも頻繁に位置を調節される。各燃料サイクル
の開始に際してWDRC34が下槽集合体16へ完全挿入され、
この燃料サイクル中、過剰反応度の減少に応じて、（図
示しない）連携の駆動棒及びDRDM66によってWDRC32が選
択的に引抜かれる。多くの場合、この操作は４つのWDRC
34から成るグループを同時に完全挿入位置から対応のWD
RC案内管32内への完全上昇位置へ連続的かつ制御下で引
抜きをして行なわれる。具体的には、所与のグループを
構成する４つのWDRC34はこのグループを引抜く際に炉心
内に対称的な出力平衡が維持されるように選択する。多
くの場合、約18カ月の燃料サイクルの約60乃至70％にわ
たってすべてのWDRC34が燃料棒集合体20に完全挿入され
たままである。この期間が過ぎると、過剰反応度の減少
に合わせて選択的にグループを順次完全引抜き位置へ移
動させることにより、可変調節可能なRCC30の制御下
に、所要の出力レベルを維持するのに必要な公称の反応
度レベルを維持する。

原子炉冷却材、即ち、水は入口ノズル、例えばノズル
11から容器12に流入し、容器12の円筒形側壁12bと下槽
集合体16の円筒形側壁17との間の環状チェンバを通って
降下し、次いで反転して下部炉心板18のフローホール18
aを通って下槽集合体16に流入しこの内部を上昇し、上
部炉心板19のフローホール19aを通って下槽集合体16か
ら内槽集合体24に流入し、そのまま軸平行流として内槽
集合体24を通過し、最終的にはカランドリア底板52のフ
ローホール52aから上方に排出される。従って下槽集合
体16でも内槽集合体24でも軸平行流動状態が維持され
る。カランドリア50内で流れはほぼ90゜向きを変えて出
口ノズル、例えばノズル13から半径方向に排出される。
循環水または原子炉冷却材の容器12内での圧力は約153
気圧が普通であり、DRDM駆動棒を完全挿入位置から完全
引抜き位置へ上昇させるためのエネルギーまたは流体圧
をDRDM66に供給する。第１図から明らかなように、スパ
イダ100、120には炉心からの冷却材流が絶えず作用す
る。

第２図は第１図２−２線における内槽集合体24の断面
図であり、内槽集合体24内に密に配列された制御棒クラ
スタ（RCC）30及び水排除棒クラスタ（WDRC）34の配列
態様を略示している。図解の便宜上、内槽集合体24の側
壁26だけを示し、側壁16、12bを省略し、対応のRCC及び
WDRC棒を収容しているRCC及びWDRC棒案内管28、32はそ
の輪郭だけを示してある。第１及び２図からすでに明ら
かなように、RCCクラスタ30及びWDRCクラスタ34は内槽
集合体24の断面積のほぼ全域にわたって互いに交差した
配列を有する。各棒クラスタ及び連携のスパイダをこの
ように密に配列する以上、始終平行流動状態が維持され
るだけでなく、流れにともなう振動及びその悪影響が極
力軽減されるような慎重な設計が要求される。

第1A及び1B図には上下方向に３段のモジュール式成形
部材40、42、44を示したが、第２図には中段42を示して
ある。段40、42、44は高さが異なることを除けば全く同
じであるから、第２図の中段42は段40、44だけでなく、
各段の頂面図でもあり、底面図でもある。具体的には、
このモジュール式成形部材としては２通りの異なる構成
70、80のものが互いに直交する直径D1、D3及びD2、D4を
挟んで対称に、即ち45゜間隔で交互に配置されている。
取り付け素子90が成形部材70、80を側壁26に固定し、成
形部材の外縁70′、80′は側壁26の内周と係合する円弧
から成り、内縁70″、80″は互いに交差するRCC及びWDR
C棒案内管28、32の配列体の周縁と係合するような形状
を備える。

第３及び第４図はRCCスパイダ100の平面図及び立面図
であり、RCCスパイダ100はスパイダ100及びRCC棒案内管
28内の（図示しない）連携の制御棒の垂直方向位置を調
節するRCC調節機構64にまで延びている（図示しない）
駆動棒と連結するための内側螺条付上端部分103を有す
るほぼ円筒形の中心ハブ102を含む。（図示しない駆動
棒とハブ102との接合部を囲み、これにオーバラップす
る（図示しない）保護金属スリーブを、その凹ませた部
分を嵌入して固定するための凹部102aを設ける。ベーン
集合体106はその内縁がハブ102に固定され、ハブから半
径方向に直交方向に延びている。各ベーン集合体106は
１対の円筒形支持マウント108を含み、各支持マウント1
08はスパイダ100から支持される（図示しない）制御棒
の外側螺条付上端部分を螺合させるための内側螺条付部
分110を含む孔109を有する。

第５及び６図はRCCスパイダ100と同様に、対応のWDRC
制御機構66の１つに連結された駆動棒を螺着するための
内側螺条付上端部分123を備えたほぼ円筒形のハブ122を
含むWDRCスパイダ120を示す。ハブ122はハブ102（第３
及び４図）の凹部102aに関連して上述したのと同じ目的
で形成した凹部122aを具備する。２つのタイプのベーン
集合体126、127がハブ122に連結され、ハブから半径方
向に互いに等角度間隔で交互に延びている。ページ集合
体126はハブ122から半径方向に直交関係で延び、それぞ
れが１対の半径方向に位置ずれしたWDRC棒支持マウント
128を含むという点で第３及び４図に示したRCCベーン集
合体106とほとんど同様である。各ベーン集合体127は集
合体127の半径方向に広がる平坦なベーン部分123′、12
4′から互いに反対向きの第１及び第２対125A、125Bと
して延びる一体的な横断方向ベーン125を含み、それぞ
れの横断方向ベーンの外端にはWDRC棒支持マウント128
が装着されている。特に第５図から明らかなように、第
２タイプの４つのベーン集合体127がハブ122から半径方
向に互いに直交する関係に延び、それぞれが隣接する直
交関係のベーン集合体106の中間に上述のような交互の
シーケンスで配置される。それぞれのWDRC棒支持マウン
ト128はその下端に螺条孔129を有し、対応するWDRC棒の
外側螺条付上端部分が前記螺条孔129に螺着される。

第３乃至６図に示したベーン集合体106、126に代わる
例としてベーン集合体130を示す第7a、7b及び7c図に従
ってベーン集合体106、120の構成をさらに詳細に説明す
る。ベーン集合体130は第１及び第２扁平ベーン素子13
2、134を含み、後者は半径方向に内側及び外側棒支持マ
ウント138を連結し、前者は内側棒支持マウント138を連
携スパイダのハブ、例えば、第３及び４図のハブ102及
び第５及び６図のハブ122に連結する。第１扁平ベーン
素子132はその半径方向内側及び半径方向外側の縦方向
縁部にそれぞれ肉厚の薄いフランジ133、133′及び上下
の段状部分135、135′を含むように機械加工されてい
る。なお、ここに使用する「扁平ベーン素子」または
「扁平ベーン素子部分」という表現は典型的には金属を
材料とし、図示のように互いに平行な主要平坦面を有す
る板状構造を意味する。

第7a,7b及び８図から明らかなように、棒支持マウン
ト138はフランジ133を嵌着するための嵌着スロット14
0、及びフランジ132の上下段状部分135、135′を嵌着す
るための上下凹部142を含む。同様に、第２扁平ベーン
素子134もその縦方向縁部に、内側及び外側棒支持マウ
ント138を連結するためのフランジを含む。

第7a及び7b図のベーン集合体130は第３及び４図のRCC
ベーン集合体106及び第５及び６図のWDRCベーン集合体1
26とほとんど同じであり、従って、ベーン集合体106、1
26は対応の第１及び第２扁平ベーン素子112、114及び12
3、124をそれぞれ含み、それぞれが連携のベーン集合体
106、126をRCCスパイダのハブ102及びWDRCスパイダのハ
ブ122にそれぞれ連結するための、第7b図のフランジ133
に相当する長手方向フランジを具備している。この構造
を第４図のRCCスパイダ100についてはハブ102に形成し
た嵌着用スロット111及びこれに嵌着されるフランジ115
によって、第６図のWDRCスパイダ120についてはハブ122
に形成した嵌着用スロット121及び第１扁平ベーン素子1
23と連携し、前記スロット121に嵌着されるフランジ131
によってそれぞれ示した。

第６図から明らかなように、WDRCスパイダ120の第２
タイプベーン集合体127は、一体的に形成されてハブ122
から半径方向に張出した第１、第２扁平ベーン素子部分
123′、124′を含み、第１部分123′がハブ122に形成し
た対応の嵌着用スロット121′に嵌着される長手方向フ
ランジ131′を具備するという点で第１ベーン集合体126
とほぼ同様である。集合体127はまた、第１、第２ベー
ン素子部分123′、124′と一体に形成されて、横断方向
に張出した第３扁平ベーン素子125の第１、第２対125
A、125Bを含み、第１対125Aは部分123′、124′の中間
に形成され、第２対125Bは第２ベーン素子部分124′の
外側縦方向縁部に形成されている。各素子125の外側縁
には棒支持マウント128が装着されている。第３の、即
ち、横断方向の扁平ベーン素子125もその外側縦方向縁
部に、対応の棒支持マウント128を取り付けるための同
様のフランジ構造を含むことができることはいうまでも
ない。

RCC及びWDRCスパイダ102、120の組立てに際しては、
フランジ115、131、131′を連携ハブ102、120の対応の
スロット111、121、121′に挿入して最内側の扁平ベー
ン素子112、123、123′を位置決めしてから、第３及び
６図にそれぞれ溶接ビード116、119で示すように上下端
をスポット溶接して固定し、次いで接合部を全長に沿っ
てろう接するのが好ましい。

第２図に示したようにRCC及びWDRC棒クラスタは間隔
の詰まった配列体として構成されているから、RCCスパ
イダ100の扁平ベーン素子112、113及びWDRCスパイダ120
の扁平ベーン素子またはその一体部分123、124、12
3′、124′、125は全体として平行流動状態の影響を受
けるほぼ直線的な扁平または板状素子を構成することに
なる。炉心排出流は各ベーン素子の後縁、即ち、原子炉
冷却材流動方向に見て下流縁の後方にいわゆる「渦列
（vortex street）」を発生させ易く、この渦によって
起こる振動は摩耗を早め、耐用寿命を縮めるほどの程度
に達するおそれがある。平行流動状態の影響下に扁平素
子後縁の後方に形成される渦列に起因する液浸（immers
ed）２次元振動現象は実験的にも理論的にも研究されて
いる。（1977年Van Nostrand Reinhold Co.刊、R.D.Ble
vins著“FLOW−INDUCED VIBRATION";第18頁;1972年８月
14−16日、Simposium Karlsrule（Germany）刊、1974年
Eduard Naudascher編集、Springer−Verlag刊、R.Breps
on等著“Vibrations Induced by Von Karman Vortex Tr
ail in Guide Vane Bends",FLOW−INDUCED STRUCTURAL
VIBRATIONSを参照されたい。さらに、ASME会報JOUNARL
OF BASIC ENGINEERING,1961年12月号におけるG.H.Tebes
等の論文“Hydroelastic Vibrations of Flat Plates R
elated to TRAILING Edge Geometry"も参照された
い。） 高さ約５インチ、厚さ0.32インチのベーン素子（例え
ばベーン素子112、114または123−125）の場合、ここに
述べるような原子炉の正常な運転時に発生する流動状態
下でベーンの渦離脱又は分断振動数（Vortez shedding
frequency）は下記のように算出することができる。

ただし、f_s＝渦分断振動数〔Hz〕 Ｓ＝ストルーハル数 Ｕ＝ベーンを通過する流速〔インチ／秒〕 Ｄ＝特性長さ、ベーン厚さ〔インチ〕 ストルーハル数はレイノルズ数（Re）の大きさに依存
し、Reは下記のように算出することができる。

ただし、R_e＝レイノルズ数 Ｕ＝ベーン通過流速〔インチ／秒〕 ρ＝流体密度、6.11E−５〔1bf−秒²/インチ^４〕 μ＝流体粘度、1.14E−８〔1bf−秒／インチ^２〕 Ｄ＝特性長さ、ベーン厚さ〔インチ〕 即ち、レイノルズ数は Re＝6.38E5 （３） 適当なストルーハル数はBelvinsによれば Ｓ0.20 （４） 従って、運転時に予想される計算上の渦分断振動数は こうして計算される渦分断振動数（即ち、f_s＝240H
z）は周囲構造要素の最低自己振動数（多くの場合fn＜1
00Hz）に比較して極めて高い。即ち、水流がゼロまたは
低い停止状態から完全な流動が現れる正常運転状態へ原
子炉の運転が移行する際に１次渦分断振動数がこれらの
構造要素の自己振動数を超えることになり、これは渦分
断振動数が構造の最低自己共鳴振動数の0.8倍以下とい
う望ましい正常な状態に反する。運転状態の変動とこれ
に伴う流速レベルの変化で渦分断振動数（Fs）が構造固
有振動数（fn）の１つと一致する可能性があるから、こ
のような強制応答を軽減するため後縁に適当な形状を与
えることによってスパイダにおける渦の離脱の大きさを
弱める必要がある。

上記引例はこのような構造における渦の離脱の大きさ
を弱めるため、平行流動状態中に配置される扁平素子の
後縁に与えるべき種々の形状を提示しているが、従来の
理論的分析は原子炉圧力容器の環境にあってスパイダに
作用する応力条件を考慮していない。即ち、すでに述べ
たように、スパイダは大きい死重に耐えるだけでなく、
特に、原子炉を急停止する際にRCC棒クラスタを確実か
つ迅速に並進移動させる必要から行われる高さ調節操作
に伴う運動力にも、水流によって生ずる力にも耐えねば
ならない。しかもこれらの設計条件を限られた軸方向ス
ペース内で満たさねばならない。

一般的な静水力学な流動条件を考慮に入れた従来のベ
ーン素子設計は平行な平坦面から漸次移行するように後
縁を形成することで流動特性を高めることができるとの
確信に基づいている（例えば、後縁の断面形状を半円形
乃至もっと漸進的なテーパ形状にする）。ところが実際
には、テーパまたは湾曲させた面は流れ剥離が起こる面
積を広げる結果となり、ベーン素子を通過する際に流れ
に発生する渦の作用を受ける面積を広げる結果ともなる
ことが判明した。さらにまた、流れ剥離の問題を軽減す
るため後縁をテーパさせたり縮小したりすると後縁断面
を占める構造材料の量が少なくなり、所与の高さ及び厚
さでのベーン強度を弱めるか、さもなければ充分な強度
を与えるためにベーン素子の長手方向寸法（即ち、軸方
向高さ）を増大せざるを得なくなる。ベーン素子の強度
低下は許容できないことであり、さりとて高さを増大さ
せることはこのように高くしたベーンに対応して内槽集
合体の高さを増大させることにもなり、容器コストの増
大につながるから現実的でない。

公知のベーン素子の標準的な半円形断面を持つ後縁に
反して、本発明では水流中に発生する渦及び渦分断振動
数を、ベーン素子及び連携スパイダに必要な構造強度、
制約されるスペースと共に考慮すれば、棒支持スパイダ
のベーン素子後縁に方形断面形状を与えれば最適条件に
近いことが判明した。重要かつ決定的要因は所与のサイ
ズのベーン素子の最大強度を維持しながら渦分断による
振動効果を弱めて構造の振動応答を低減し、コスト軽減
の点で製造容易な構造でこれらの成果を達成することに
ある。後縁に方形または方形に近い断面形状を与えるこ
とで上記設計及び操作上の条件を満たすことができるこ
とが立証されたが、従来の設計に対して飛躍的な改良で
あると考えられる。後縁に方形の断面形状を与えること
は従来採用されていた半円形及び／またはその他のテー
パ断面後縁に比較してベーン素子の製造を容易にし、製
造コストを軽減する上でも効果的である。

従って、第7a及び7c図に示す集合体130のベーン素
子、132、134は断面が方形の後縁132b,134bを備える一
方で、従来と同様の半円形前縁、即ち、上流縁132a,134
aを備えている。同様に、第５及び６図のベーン素子11
2、112′、114、114′、123、123′、124、123′、125
は半円形断面の前縁112a,112a′、114a,114′、123a,12
3a′、124a,124a′、125a及び方形断面の後縁112b,112
b′、114a,114b′、123b,123b′、124b,124b′、125bを
備える。

【図面の簡単な説明】

第1a図及び第1b図はそれぞれは本発明の棒クラスタ支持
スパイダを使用できる加圧水型原子炉を一部断面で示す
立面図。 第２図は第１図の原子炉容器の内槽集合体内に連携の棒
案内管と共に比較的密に配列されている水排除棒クラス
タ及び制御棒クラスタを略示する第1a図２−２線におけ
る断面図。 第３図はRCCスパイダの平面図。 第４図は第３図のRCCスパイダを第３図４−４線におい
て一部断面で示す立面図。 第５図はWDRCスパイダの平面図。 第６図は第５図のWDRCスパイダを第５図６−６線におい
て一部断面で示す立面図。 第7a及び7b図はそれぞれ半径方向ベーン集合体の頂面図
及び側面図。 第7c図はベーン素子を示す第7b図の7c−7c線における断
面図。 第８図はスパイダの棒支持マウントの１つを示す立面図
である。 100、120、130……スパイダ集合体 102、122……ハブ 106、126、127……ベーン 108、138……棒マウント 114b,123b,123b′,124b′,125b,134b……方形断面の後
縁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 999999999 四国電力株式会社 香川県高松市丸の内２番５号 (71)出願人 999999999 九州電力株式会社 福岡県福岡市中央区渡辺通２丁目１番82号 (71)出願人 999999999 日本原子力発電株式会社 東京都千代田区大手町１丁目６番１号 (72)発明者 ラリー・アンソニー・ショックリング アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ピッ ツバーグ テトン・ドライブ 116 (72)発明者 トレバー・アンドリュー・フランシス アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、ピッ ツバーグ グリーンヘブン・コート 504 (56)参考文献 特開 昭57−125392（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心軸を画定する細長い形状を有し、所定
   の軸方向炉心排出流と軸平行関係に加圧水型原子炉容器
   内に配置されるハブと、ハブに連結される複数のベーン
   集合対とから成り、ベーン集合体のそれぞれがベーン集
   合体のそれぞれに少なくとも１本の棒を取り付けるため
   の手段と、ほぼ平行な主要平坦面を有し、平坦面がハブ
   の軸線と平行な関係となるように内側縦方向縁部に沿っ
   てハブに連結され、棒取り付け手段とハブを互いに連結
   する少なくとも１つのベーン素子とから成る、内部を所
   定の軸方向炉心排出流が流れる加圧水型原子炉容器内に
   おいて棒クラスタを支持するためのスパイダ集合体であ
   って、ベーン素子の後縁がこの後縁における渦の離脱の
   大きさを軽減するようにほぼ方形の断面を有し、それに
   応じて後縁における材料の量を最大限にして所与の縦方
   向高さ及び厚さにつき、ベーン素子の強度が最大限とな
   るようにしたことを特徴とするスパイダ集合体。
2. 【請求項２】ハブがほぼ円筒形を有し、複数のベーン集
   合体がハブから半径方向に延びていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項に記載のスパイダ集合体。
3. 【請求項３】ベーン集合体がハブの周面の等角度間隔位
   置から半径方向にのびていることを特徴とする特許請求
   の範囲第２項に記載のスパイダ集合体。
4. 【請求項４】複数のベーン集合体の少なくとも１つがほ
   ぼ平行な主要平坦面を有し、第１縦方向縁部に沿ってハ
   ブに連結される少なくとも第１のベーン素子と、第１ベ
   ーン素子と一体に形成され、第１ベーン素子と直交して
   互いに反対の方向へ延びる少なくとも１対の横方向ベー
   ン素子とから成り、横方向ベーン素子のそれぞれがほぼ
   平行な主要平坦面を有すると共に第１ベーン素子から遠
   隔の位置にあって棒取り付け手段が設けられている縦方
   向自由縁部を有し、ベーン素子のそれぞれの後縁がほぼ
   方形の断面を有することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載のスパイダ集合体。