JPS592878B2 - 原子炉の中性子束を制御する装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的に原子炉の制御棒組立体に関するもので
、特に、制御棒と制御棒駆動機構の間の作動連結に関す
るものである。

原子力発電所において生じ得る最も重大な事故の１つは
、冷却材の流れがなくなり、これに続いて制御系統が原
子炉の迅速な運転停止を行わなくなることである。

冷却材の流れがなくなることは、パイピングの破壊或い
は冷却材循環ポンプの１つまたはそれ以上の停止のいず
れかによって生じ得る。

この型式の事故は、原子炉内で発生された熱を運び出せ
ないために、特に重大な事故である。

炉が熱を発生し続けると、冷却系統内に著しく大きい圧
力がたまる。

さらに、この熱の発生が、急停止（スクラム）によって
終了されないと、これにより炉心の大部分を溶かしてし
まう可能性がある。

一次冷却材として液体ナトリウムを使用する原子炉にお
いては、炉の急停止が直ちに行なわれない場合にナトリ
ウム流が部分的または全面的になくなることによって特
殊な問題が生ずる。

液体金属高速増殖炉の現在の設計においては、ナトリウ
ム流が遮断した時に、正のナトリウムボイド係数（ｐｏ
ｓｉｔｉｖｅ ｓｏｄｉｕｍ ｖｏｉｄ ｃｏｅｆｆ
ｉｃｉｅｎｔ）と称する反応度における利得が生ずる。

ナトリウム温度はその沸騰点まで上昇し、その後、ナト
リウム蒸気の「ボイド」が形成されて、反応度の増大、
パワーの増大、沸騰の増加を生じて種々の重大な結果を
生ずる可能性がある。

この反応度における利得は、ナトリウムの中性子吸収効
果は小さいけれども零ではないために生ずる。

炉心からナトリウムが失われることは、中性子吸収スペ
クトルにシフトを生じ、中性子の数を増大する。

この中性子吸収スペクトルにおけるシフトは、燃料中の
分裂性原子における中性子捕獲の確率を増加する。

多くの協会、政府機関、会社は、流れがなくなる事故の
確率を少くするという問題を研究してきた。

この事故を避げることのできる最大の保証を、社会およ
び種々の原子炉許可機関に与えるために、多年にわたっ
て、多（の努力が払われてきた。

従来提案された、最も信頼性があって最も簡単なシステ
ムは、一次冷却材の流れによって炉心の上方のコラム内
に多数のタンタルの吸収材のボールを水力学的に支持す
ることを企図している。

冷却材の流れが減少すると、大きな中性子吸収係数をも
つボールが炉心の高中性子束領域中に落下し炉を迅速に
運転停止する。

水力学的に支持された吸収材ボールの使用は自己作動型
の確実な原子炉運転停止システムを与えるけれどもこの
システムには多くの特有の限界が存在している。

例えば、吸収材ボールは炉心の高中性子束領域の相当上
方の位置で一次冷却材の流れによって水力学的に支持さ
れている。

この位置において、ボールは正常運転中に中性子の量を
調整するために操作することはできない。

第２に、吸収材ボールはコラムを通る一次冷却材の流れ
によって制御されるだけである。

それ故、ボールは主冷却材ポンプが始動され一次冷却材
の流れが開始されるといつでも、システムの反応度を増
加する。

さらに、水力学的に支持された吸収材ボールは一次冷却
材の流れが減少する時に炉を運転停止するだけである。

ボールは炉の操作者或いは他の炉安全システムの１つの
いずれかによって炉の急停止をするように支配すること
はできない。

最後に、実際の炉の流れおよび摩耗の状態においてタン
タルのボールの正確なレスポンスを示すためには極めて
大きなテストが必要である。

本発明の目的は、先行技術における種々の制限および欠
点を排除する新規な方法および装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、如何なる非常事態中においてもシ
ステムが実際に動作するような最大の保証を社会および
種々の原子炉許可機関に与えることのできる原子炉運転
停止システムを開発することである。

本発明の他の目的は、冷却材流がな（なることによって
直接的に始動される原子炉急停止システム、および電気
回路、センサー或いは制御棒駆動機構なしに操作する自
己作動型のシステムを提供することである。

本発明の付加的な目的は、従来型の制御棒駆動機構を通
して急停止（スクラム）を開始するように支配すること
もできる自己作動型の、流れがなくなると急停止するシ
ステムを開発することである。

本発明の他の目的は、正常出力運転中、特に、正常な原
子炉運転開始および運転停止の際、中性子束のレベルを
制御するのに使用できる自己作動型の、流れがな（なる
と急停止するシステムを提供することである。

本発明の他の目的は、烈しい地震の際に炉を確実に急停
止するシステムを提供することである。

前記の目的その他の目的は、一次冷却材が通るオリフィ
スを有し、これを横切って差圧を生ずることができる隔
離板を含む制御棒組立体によって達成される。

オリフィスの周りに、制御棒と係合できる密封表面があ
る。

制御棒は炉心に対して独立に動かすことができ、隔離板
のところにもってきてこれに係合させることができる。

隔離板および制御棒のシールを横切って存在する差圧は
、制御棒と隔離板の密封面を一緒に保持する。

運転の際、炉を通る正常の流れは、炉の高中性子束領域
の上方で制御棒を隔離板に対して保持するに充分なだけ
の差圧を、この隔離板および制御棒シールを横切って生
ずる。

一次冷却材の流れが減少され或いは隔離板を横切る差圧
が充分に減少すると、制御棒は重力によって落下し炉は
急停止される。

また、炉は密封表面を分離させる棒１駆動機構の下降運
動によって指令で急停止することもできる。

烈しい地震の時には、隔離板と制御棒の慣性差によって
生ずる隔離板に対する制御棒の横方向運動が密封表面を
分離させるので、炉は急停止される。

本発明の他の目的および特徴は、次に図面を参照して説
明する本発明の好ましい実施態様の説明から明らかとな
るであろう。

第１図は従来型の液体金属高速増殖炉における各部の配
置を示す。

炉２は容器４を有し、この容器４は熱遮蔽６、複数の燃
料を支持する副組立体１０、および炉を通って流れる一
次冷却材を含む。

炉は部分的に濃縮されたウラン（Ｕ−２３５）またはプ
ルトニウム（Ｐｕ−２３９）を燃料として使用し、一次
冷却材は曲型的には大気圧のナトリウムである。

燃料は符号８で示す炉心内に位置し、その区域を通過す
る副組立体１０によって支持される。

減損ウランのブランケットが炉心を取囲んでいる。

液体ナトリウムは入口ノズル１２、１２’を通して容器
４（第１図）に圧送される。

入口ノズル１２を通って入るす） ＩＪウムは下方のプ
レナム室１３に入り、炉心区域８に侵入している副組立
体１０を通って流れる。

入口ノズル１２′を通って入るナトリウムは放射状のブ
ラケットの副組立体１０′を通る。

副組立体１０、１０’の全部はナトリウムを上方のプレ
ナム室１４に放出し、ここでナトリウムは出口ノズル１
５を通って炉の外に出る。

液体ナトリウムは炉容器の上方部内に位置した不活性ガ
スのブラケット１６によって炉内で本質的に大気圧に維
持される。

典型的には、液体金属高速増殖炉内の副組立体の１０％
は制御棒を収容し、他の副組立体は燃料或いは放射状ブ
ラケット素子を収容する。

第２図は制御−２２を収容する副組立体の１つを示す。

この副組立体は、六角形のカン２０、および炉心８に対
して制御棒２２を昇降する制御棒駆動シャフト２４を含
む。

カン２０は典型的には不銹鋼のシート材でつ（られ、ナ
トリウムが流れる導管を形成する。

副組立体は整列用スタッド２６で終っていて、これは水
平支持板（図示せず）に対する副組立体の横方向関係位
置を維持する。

第２図−第４図において、制御棒２２は大体六角形の断
面を有し、カン２０内で自由に動き得る。

制御棒は複数の細長い円形の毒を含む棒２８より成る。

各部２８は炭化硼素（Ｂ４Ｃ）でつ（られ、上下の支持
部材３０．３２０間にピン２９によってしっかりととり
つけられる。

支持部材は毒の棒２８によってとっかこまれた垂直の支
持管３４によって相互に固定的にとりつげられる。

上部の支持部材３０（第４図）は上方に突出するリング
を有し、これは後記のように制御棒のために密封面４８
を形成する。

第４図において、副組立体のカン２０は隔離板４０を含
み、これは副組立体の頂部を形相する。

隔離板はオリフィス４１を有し、これを通して制御棒駆
動シャフト２４が送入する。

制御棒２２とカン２０の内面との間に整列状態を維持す
るために、駆動シャフト２４は複数の心定め翼板４２を
有し、これは隔離板４０に対して制御棒２２を着座させ
る助けをする。

隔離板４０は、さらに、密封面４６を形成する下方に突
出するリングをもつ。

この密封面は、上方の支持部材３０上にある対応する密
封面４８に係合する。

２つの密封面４６゜４８が第４図に示すように接触せし
められると、流体密のシールがつくられる。

相補的な密封表面は、通常の振動によって隔離板に対し
て制御棒が横方向に変位するのを防ぐために僅かに丸く
されている。

このような横方向移動が生ずると、シールを破壊し後述
のように制御棒を落下させる可能性がある。

制御棒２２（第４図）は複数の横方向に配列された持上
ボス３８によってカン２０内で昇降される。

ボスは円形の断面を有し、垂直の支持管３４の側壁の内
面に位置したカムに係合する。

第５図はこのカムを図解するもので、支持管の内側の円
筒面の投影である。

カムに沿う持上ボスの運動は後に詳述する。

動作 第１図の炉を通してナトリウムが圧送されている時、ナ
トリウムは入口ノズル１２、１２’の１つを通して容器
４に入る。

ノズル１２を通って入るナトリウムは下方のプレナム室
１３に入り、燃料を収容する副組立体１０を通って流れ
る。

ノズル１２′を通って入るナトリウムは放射状ブランケ
ット材を含む副組立体１０′を通って流れる。

副組立体１０、１０’の全部は上方のプレナム室１４に
排出し、このプレナム室からナトリウムは出口ノズル１
５を通って炉を出る。

副組立体を通るナトリウムの流れは圧力降下を生じ、第
１図において、下方のプレナム室１３内の圧力Ｐ１は上
方のプレナム室１４内の圧力Ｐ２ より相当に高い。

従来型の液体金属高速増殖炉において、差圧Ｐ １／Ｐ
２は典型的には約１００ＰＳＩである。

制御棒２２（第２図）を含む副組立体１０を通って流れ
るナトリウムは整列用スタンド２６の周りでカン２０に
入る。

流れは制御棒の周りでカンを上方に向けられ、オリフィ
ス４１を通して出る（第４図）。

オリフィス４１は直接に上方のプレナム室１４に通じて
いる。

制御棒が隔離板４０に対して位置していると、密封面４
６，４８の間に流体密のシールがつくられ、副組立体を
横切る差圧Ｐ１／Ｐ２は制御棒をその位置に保持するに
充分である。

第６−１２図は好ましい実施態様の動作を図解する概略
図である。

各図は炉心区域８（第１図）を通っている３個の隣接す
る副組立体を示すものである。

外側の２個の副組立体は燃料素子８を含み、内側の副組
立体は制御棒２２を収容する。

外側の副組立体の各々において、ブランケット区域は第
１図の炉心８の上下に位置する区域である。

すべての３個の副組立体において、一次冷却材は下方の
プレナム室１３（第１図）からそれぞれの副組立体の底
に入り、その頂部から流れ出して上方のプレナム室１４
に入る。

この流れの存在は図中に矢印で示しである。

特に、第６図は運転停止状態の炉を示す。

制御棒２２は燃料に対向して位置し、中性子の最大数を
吸収する位置にある。

制御棒は制御棒駆動シャフト２４および持上ボス３８に
よって支持される。

制御棒組立体を通る一次冷却材の流れが存在し、これは
底から入りオリフィス４１から出る。

制御棒は枠駆動機構（図示せず）によって位置を保持さ
れ、この駆動機構は制御棒駆動シャフト２４のそれ以上
の下降運動を停止する。

第７図は出力を調整し炉内の中性子束を調整する際の制
御棒２２の動作を示す。

制御棒は枠駆動シャフト２４を昇降することによって燃
料に対して相対的に動かすことができる。

燃料に対する制御棒の位置は中性子束を制御し、従って
、出力レベルを制御する。

制御棒は第６図と同様に支持され、冷却材は副組立体１
０を通って流れオリフィス４１から出る。

第８図には、隔離板４０に対して制御棒２２をロックす
る手段が示されている。

制御棒駆動シャフト２４および持上ボス３８は、密封面
４６゜４８が接触するようになるまで制御棒を上げる。

これらの密封面は流体密の境界を形成し、オリフィス４
１から出る冷却材の流れはない。

炉を通る一次冷却材の流れによって隔離板を横切って生
ずる差圧ｐ １／Ｐ ２は制御棒を第８図に示す位置に
ロックする。

制御棒２２が隔離板４０に対してロックされた後に、制
御棒駆動シャフト２４は第９図に示す位置に下降できる
。

第９図は好ましい実施態様の正常動作モードを示す。

制御棒副組立体のカン２０はシールされ、オリフィス４
１を通る一次冷却材の流れは阻止される。

炉を横切る差圧ｐ １／Ｐ ２は密封面４６，４８を連
結保持する。

か（て、制御棒２２は上方に保持され、炉心から外れて
いる。

第１０−１２図は、好ましい実施態様によって急停止を
開始できる３つの方法を示す。

第１０図においては、炉を通る一次冷却材の流れがなく
なることによって急停止を開始する。

流れがなくなる前には、制御棒２２と制御棒駆動シャフ
ト２４は第９図に示すように位置していた。

すなわち、持上ボス３８は制御棒の下降運動を制御しな
いように位置していた。

流れがなくなると、炉を横切る差圧Ｐ１／Ｐ２力哨動的
に減少する。

制御棒を上方に保持しているのは、隔離板を横切る圧力
降下だけであるので、制御棒２２は第１０図に示すよう
に重力で降下する。

枠駆動シャフトの運動は必要でない。

制御棒は、持上ボス３８が制御棒２２の上部支持部材３
０（第４図）に係合するまで、或いは、制御棒が従来型
の支持体上に載るようになるまで、降下する。

持上ボスの位置および制御棒の寸法は、制御棒２２が第
６図に示すように燃料に対向して休止するようなものと
なっている。

この自己作動運動によって炉は運転停止される。

第１１図においては、炉の安全回路の１つ或いは炉の操
作者が、枠駆動機構（図示せず）に炉を急停止すること
を命令する時に、急停止が開始される。

この命令を受けると、枠駆動機構に枠駆動シャフト２４
を解放して、重力により落下させ、或いはスプリングの
力によって降下させる。

これは従来の急停止開始モードである。

制御棒駆動シャフト２４が落下され或いは下方に向けて
駆動されると、持上ボス３８が制御棒の下方の支持部材
３２に係合し、密封面４６，４８は分離される。

この状態は第１１図に示されている。

密封面が離されると、隔離板４０を横切る差圧は除去さ
れ、副組立体を通る冷却材の流れが回復される。

そこで、制御棒２２は重力で降下し、第６図に示すよう
に燃料に対向して休止するようになる。

この型式の急停止は、枠駆動機構により枠駆動シャフト
を下方に駆動させこれによって密封面を分離させること
によって開始できる。

第１２図は、地震の際に経験されるような激しい横方向
加速度或いは衝撃を受けた時に、炉がどのようにして急
停止できるかを示す。

典型的には、激しい横方向加速度は制御棒を揺らせ或い
は横に動かして、密封面４６，４８を僅かに分離するよ
うに強制する。

そこで、オリフィス４１からの一次冷却材の流出が再び
生じ、差圧が除去される。

垂直支持管３４の内径および枠駆動シャフトは、この型
式の運動を許す寸法となっている。

この好ましい実施態様は、激しい地震の際に、炉上部構
造が炉心に対して移動する時に炉を急停止するという問
題を解決するものであることに注意しなげればならない
。

このような移動は、制御棒駆動シャフトが落下するのを
阻止したり、枠駆動機構が従来型の制御棒を外してこれ
を落下させるのを阻止する可能性がある。

図示の好ましい実施態様は、急停止開始のために制御棒
駆動シャフト２４の運動が必要とされないので、上記の
問題を解消する。

急停止は地震自体の作用によって直接的に確実に開始さ
れる。

かくて、制御棒のレスポンスは事故自体に対する固有的
な反作用である。

第５図において、ナトリウムの流れを減少することなし
にシールを破壊する手段を与えることによって動作のフ
レキシビリティを増大するためにカム５０を使用するこ
とができる。

第５図は垂直支持管３４の内面の投影で、持上ボス３８
の１つがカムの種々の面に従う時におけるカムの隆起し
た面を図解する。

特に、制御棒駆動シャフト３４が第６図に示すように制
御棒２２を支持し、或いは第７図に示すように制御棒を
持ち上げる時、持上ボス３８は点５２においてカムに係
合する。

制御棒が隔離板に対して密封され駆動シャフト２４が第
９図に示す位置まで下降すると、持上ボスは点５２から
点５４に移動する。

持上ボスが点５４に位置する時、これは制御棒との垂直
係合から外れる。

隔離板４０を横切る差圧Ｐｉ／Ｐ２は制御棒を隔離板４
０に対して押しつげていて、２つの密封面４６，４８（
第４図）を結合維持している。

流れがなくなる事故が生すると、差圧Ｐ１／Ｐ２は実際
上零まで減少し、制御棒は重力によって落下する（第１
０図）。

第５図で持上ボスは１つの高さに留まり、カムはボスが
点５６でカムに係合するまで下方に動く。

点５４，５６０間の垂直間隔は、制御棒が第６図に示す
ように燃料に対向して休止するようになっている。

炉により或いは炉の安全システムの１つによって急停止
の命令が出された場合には、枠駆動シャフト２４の下降
運動によって隔離板４０と制御棒２２の間のシールが破
られる。

第５図で、持上ボスは点５４の位置から点５８の位置ま
で下降して、こ又でカムに係合する。

隔離板４０と制御棒２２の間のシールは、流れの中断な
しに且つ制御棒を落下させることなしに、破ることがで
きる。

すなわち、第９図に示す炉の制御モードは第７図に示す
モードにシフトできる。

この変化を行うために、制御棒駆動シャフト２４は点５
４から点５６に上昇し次に点６０に下降することができ
る。

ボスの運動は第５図に矢印で示す。

持上ボスが点６０でカム面に係合すると、制御棒駆動シ
ャフトがさらに下方に動くことによってシールを破るこ
とができる。

そこで、制御棒は落下し、点６２でボスに係合し、こ匁
で枠駆動シャフトによって懸垂された状態となる。

点６０゜６２０間の水平間隔は小さく、制御棒の運動は
実質的に出力レベルに影響しない。

好ましい実施態様において、僅かに丸くされた密封面４
６，４８（第４図）を使用する外に、本発明は他の設計
上の基準を満足させるように密封面の形態を変えること
を企図している。

凸形および凹形の断面をもつ形態、三角形断面、ナイフ
ェツジが使用できる。

さらに、この外形を排除して、密封のために平らな表面
も使用できる。

好ましい実施態様において、密封面４６，４８は気密の
シールを形成しているが、本発明はこのシールを流体密
とすることを必要とするわけではないことに注意しなげ
ればならない。

例えば、毒の棒２８（第２図）は自己発生熱を除去する
ために成る程度の冷却材の流れを必要とするかもしれな
い。

かくて、制御棒が隔離板に対して密封された時に（第９
図）、冷却材が毒の棒に到達するのを許すために、制御
棒組立体２２に小さい透孔が必要であるかもしれない。

この小さい透孔は冷却材の流れが隔離板を横切って有効
に流れるのを許すが、この透孔は差圧Ｐ１／Ｐ２が実質
的に減少されないように充分に小さい寸法とされる。

また本発明は制御棒の引出によって生ずる炉内のボイド
を充填するために、制御棒２２（第２図の下にとりつげ
たフォロワーを設けることを企図している。

このフォロワーは制御棒と同じ形状を有し、制御棒が沢
心から引出された時に炉心区域８（第１図）中に上昇す
る。

フォロワーはブランケットと同じ材料でつくられ、これ
により、増殖利得を増大して制御棒の「価値」または有
効さを増大する。

隔離板を横切る差圧Ｐ １／ Ｐ２はフォロワーと制御
棒を隔離板に対して保持するに充分なものであるので、
フォロワーを付加することは表面４６，４８の間の密封
に影響しない。

こ瓦に、液体金属高速増殖炉に関して本発明の好ましい
実施態様を説明したが、本発明はこれと比し得る任意の
原子炉に使用できるものである。

本発明を実施するために企図された最良のモードについ
て図示し説明したが、本発明の要旨を逸脱することなし
に種々の変化、変型をなし得ることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来型の液体金属高速増殖炉の概略断面図であ
る。 第２図は第１図の炉のための本発明による制御棒組立体
の一部欠切斜視図である。 第３図は第２図の制御棒の上部の分解斜視図である。 第４図は第２図の制御棒組立体の一部欠切断面図である
。 第５図は第４図の制御棒組立体の側壁内面に位置するカ
ムの表面の投影図である。 第６図−第１２図は本発明の特徴および動作を図解する
概略図である。 ２・・・・・・炉、４・・・・・・容器、６・・・・・
・熱遮蔽、８・・・・・・炉心、１０，１０’・・・・
・副組立体、１２，１２’・・・・・入口ノズル、１３
，１４・・・・・・プレナム室、１５・・・・・・出口
ノズル、１６・・・・・・不活性ガスのブランケット、
２０・・・・・・カン、２２・・・・・・制御棒、２４
・・・・・・制御棒駆動シャフト、２６・・・・・・整
列用スタッド、２８・・・・・・棒、２９・・・・・・
ピン、３０，３２・・・・・・支持部材、３４・・・・
・・支持管、３８・・・・・・ボス、４０・・・・・・
隔離板、４１・・・・・・オリフィス、４２・・・・・
・心定め翼板、４６，４８・・・・・・密封面、５０・
・・・・・カム、５２゜５４．５６，５８．６０．６２
・・・・・・ボスの移動位置を示す点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 冷却材の流れに依って冷却され、炉心の燃料素子に
   対して動かす様に取付けられた制御棒を有する形式の原
   子炉に於いて、 （ａ） 上記制御棒は炉心の制御棒カン内にあり、密
   封面を有し外部の作動とは無関係に原子炉の高中性子束
   領域中に挿入可能であり、 （ｂ） 制御棒駆動シャフトが上記制御棒を上記燃料
   素子に対し動かす様に上記制御棒に連結せられ、（ｃ）
   固定の隔離板が上記制御棒カンの頂面を形成し、原子炉
   内の燃料素子を通って流れる冷却材の圧力に直接曝され
   、又該隔離板はオリフィスを有し原子炉を通流する冷却
   材の流れに依って上記オリフィスを横切って差圧が発生
   され、又該隔離板も該オリフィスの周りに密封面を有し
   、この密封面は上記制御棒の密封面と相補的なもので、
   該制御棒と隔離板との密封面は上記冷却材の流れにより
   発生された差圧に依り共に維持され、上記隔離板は、燃
   料素子を通流する冷却材の流れの減少に直接感じて該隔
   離板を横切る対応する差圧の減少を生じて、上記制御棒
   と隔離板との密封面を解放し、制御棒が冷却材の流れの
   減少と実質的同時に原子炉の高中性子束領域内に入る様
   に炉内に配置されており、更に、上記制御棒は、上記密
   封面が離され、差圧が減少され、制御棒が原子炉の高中
   性子束領域内に入る様に上記隔離板及カンに関して横方
   向に変位出来る様にした事を特徴とする原子炉。