JPS5928875B2 - 制御棒組立体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉の燃料集合体の改良に関し、スパイダ
ーと、該スパイダーに取外し可能に取付けられ可燃性毒
物質棒（制御棒）とから成る制御棒組立体に関する。

核反応過程から有用な動力を創生ずるためには、分裂性
ウランまたはその他の適当な物質を、連続的なエネルギ
ー創生連鎖反応が維持されるように十分に密集した配列
形態に組立てることが必要である。

この燃料集合体、即ち炉心の分裂反応によって得られた
熱を作動流体に伝達するのであるが、作動流体としては
一般に水が使用され、加圧水を高速度で炉心を通して通
流させる。

原子炉の炉心内に生じる熱、振動および放射線により有
害な環境が創生されるので、炉心構成要素の構造的保全
を維持することが肝要である。

従って、加圧水型原子炉の炉心は、複数の燃料集合体群
をほぼ真円筒形態に配列することによって構成するのが
普通であ・る。

各燃料集合体は、互いに平行に間隔を置いて配夕１ルた
約２００本の細長い燃料棒の配列体から成る。

各燃料棒は、はぼ円筒状の二配化ウランペレットの積重
体を包含しており、ウランが原子炉の分裂性燃料を提供
する。

これらの燃料集合体は、燃料棒だけに限らず、他の幾つ
かの要素をも支持する。

例えば、炉心内の温度および中性子束状態を観察するた
めの計器管、燃料集合体の各構成要素を安定的に固定す
るための端部取付具および燃料素体保持グリッド、およ
び炉心内における分裂誘発中性子を選択的に吸収するこ
とにより原子炉からの動力出力を調整するための制御棒
および制御棒案内管も燃料集合体の一部を構成している
。

周知のように、中性子の分布は、炉心内の部位によって
異る。

例えば、炉心の周縁近くにおいては炉心の中心部におけ
るよりも中性子発生ウランの密集度が低いので、炉心周
縁部の中性子の数は、炉心の中心部に比べて少い。

しかも、中性子は炉心の周縁からは、炉心の中心部から
より「逃げ」易いので、炉心周縁近くの中性子の密集度
は一層減少する傾向がある。

炉心のどの部分における熱発生量もその部分の中性子の
濃度即ち密集度に依存しているので、炉心の中心部にお
ける方がその周縁部より高温になるはっきりした傾向が
ある。

炉心内の異る領域において局部的な最高温度を発生する
このような傾向は、一般に、幾つかの点で望ましくない
。

第１に、原子炉は、所定の温度以下の炉心作動に適応す
るように設計されているが、炉心内の１個所または数個
所の局部的な部位においてこの最高炉心温度に達すると
、炉心の総潜在発熱量を実現することができない。

なぜなら、最高設計温度に達してしまった特定の部位即
ち「ホット・スポット」がその設計温度を越えないよう
にするためには炉心内の他の部位の温度を低い値に抑制
比なければならないからである。

従って、炉心の中心部の中性子密集度（従って、発熱量
）を抑制し、炉心の周縁環状領域の比較的大きい体積内
の中性子密集度が増大するようにすれば、炉全体として
の出力を増大させることができる。

このようにして炉心内の出力分布を平均化すれば、中性
子の密集度、温度および出力が炉心の中心部またはその
他の部位において最大限に達するがままに放置しておい
た場合に比べて炉心の動力発生量を高めることができる
。

出力分布の１平均化」を達成するために、燃料集合体に
可燃性毒物質棒を挿入することが従来から慣用されてい
る。

通常、可燃性毒物質棒は、非常に高い中性子吸収性を有
する物質を充填した管である。

このための物質としては、例えば、アルミナマトリック
スに°炭化硼素を分散させて焼結させたものが好適であ
る。

毒物質棒内の物質によって吸収された中性子は、実際上
、分裂および動力発生過程から除外される。

従って、炉心の出力分布を１平均化」させるためには、
可燃性毒物質棒を炉心の中心部にある燃料集合体内に集
中させる。

また、いろいろな微妙な要因に鑑みて、設計上または作
動上の特徴により局部的に中性子の濃度が高くなるよう
な炉心の他の部分にも可燃性毒物質棒を集中させること
が望ましい場合もある。

燃料集合体は、炉心内の有害な環境内においているいろ
な構造的部材のすべてを支持しなければならず、しかも
、迅速かつ容易な分解を可能にするという幾分相反する
要求を充足しなければならない。

例えば、燃料集合体は、作動炉心内に露呈されると、放
射性となる。

この放射能は、強力なので、燃料集合体の点検および修
理は、十分な放射能遮蔽体の後側で遠隔操作装置を使用
してでなければ実施することができない。

従って、燃料集合体の分解作業は長い時間を要し、費用
がかかるので、燃料集合体は頑健で、しかも分解し易い
構造体であることが、商業的にみて重要な要素である。

燃料集合体内に装着される可燃性毒物質棒は、その集合
体の構造の一部分である。

一般に、従来技術においては毒物質棒は、燃料棒の長手
方向に平行な方向に移動しうるように取付けられる。

複数本の毒物質棒を燃料集合体の他の部分に対して長手
方向に移動自在に連結するための手段としては、多くの
場合、中央バブと、該バブから放射状に延長した複数の
腕から成る「スパイダー」が使用される。

毒物質棒を長手方向に移動しうるように取付けなければ
ならないのは、炉の出力平均化を計るために原子炉操作
員が毒物質棒を出入れしなければならないからである。

使用ずみの毒物質棒は、スパイダーに取りつけられたま
ま、まとめて抜取り、放射能遮蔽性容器内に詰めて適当
な場所へ廃棄するために搬出しなければならない。

この輸送用容器の容積を有効に活用するためには各毒物
質棒をスパイダーから取外すことが望ましい。

しかし、不都合なことに、スパイダーから毒物質棒を取
外す操作は、複雑で、幾つかの理由により危険性がある
。

原子炉の炉心内で十分に放射線を被曝した毒物質棒には
内部ガス圧が発生している。

また可燃性毒物を被覆している鞘またはチューブは、一
定時間放射線を被曝した結果として相当に脆弱化してい
る。

毒物質棒は、通常、ねじ付線着具によってそれぞれのス
パイダー腕に結合されている。

このような条件下において、毒物質棒をスパイダーから
取外すための最も一般的な技法は、せん断またはのこ引
きによる方法である。

毒物質棒をのこ引きする場合は、棒を静かに取扱うこと
ができる（棒内のガス圧のことを考えた場合静かに取扱
うことは重要な要素である）が、この引きの場合は放射
性ののこ屑が生じる。

一方、せん断による切断方法は、のこ屑の問題は生じな
いが、棒の取扱いが乱暴になる。

従って、可燃性毒物質棒を炉心の環境に耐えうるような
態様でスパイダー腕に結合し、しかも、簡単に、迅速に
、かつ、おだやかに取外すことができるような態様で毒
物質棒をスパイダー腕に結合するための手段が要望され
ている。

本発明によれば、可燃性毒物質棒の一端にピンまたは軸
を固定し、その軸をスパイダー腕の孔内に装着する。

この軸をスパイダー腕に固定するための手段としてはい
ろいろな手段を使用することができるが、例えば軸の端
部を据込み、それによってスパイダー腕の孔の壁に圧接
させる方法が好適である。

本発明に基いてスパイダーに取付けられた毒物質棒は、
該棒およびそれに連結された前記軸の長手軸線と一致す
る方向に力を加えることによってスパイダー腕の前記孔
から該軸を押出すことにより容易にスパイダー腕から抜
取ることができる。

即ち、長手方向の力を加えると、前記軸の据込み部分を
スパイダー腕の孔に押しつけ、最終的に鎖孔から押し出
す。

この場合、軸をスパイダーの孔から押出すのに相当な力
が加えられるが、その力は軸および毒物質棒に対して長
手方向に加えられる。

本発明のこの特徴は、脆弱な、内部ガス圧を有する毒物
質棒をせん断による切断操作の際に生じることのある破
断やその他の損傷から防護するのみならず、毒物質棒を
のこ引きによりスパイダーから切離した場合に生じる放
射性ののこ屑をも回避する。

本発明は、その他にも多くの利点をもたらす。

例えば、本発明の毒物質棒取付装置は、従来のねじ付取
付具に比べて製造コストが安い。

また、本発明による場合、毒物質棒の軸とスパイダー腕
との結合力も、原子炉の炉心内の通常の作動温度条件の
もとにおいてすぐれている。

例えば、通常ステンレス鋼から形成されるスパイダー腕
の熱膨張率は、毒物質棒のジルカロイ製の軸の熱膨張率
より大きいので、それによって生じる軸方向の応力を何
らかの手段によって補償しなければならないが、本発明
によれば、それは、軸とスパイダー腕との間の半径方向
の弛み（ずれ）を起させ、その領域内に望ましくない熱
応力が生じる可能性を少くすることによって達成される
。

このように自動的に達成される応力軽減がなされなけれ
ば、軸がせん断され、毒物質棒がスパイダーから外れて
炉心内に釈放されてしまうおそれがある。

本発明の叙上およびその他の目的、特徴ならびに利点は
、添付図を参照して記述した以下の説明から一層明瞭に
なろう。

第１図を参照して説明すると、ステンレス鋼等で形成し
たスパイダー１０は、長手軸線１２を有する中央円筒状
バブ１１と、該バブから軸線１２に対して垂直な平面内
において放射状に延長させた複数のスパイダー腕（第１
図にはスパイダー腕１３．１４，１５，１６，１７，２
０，２１だけが示されている）とから成る。

一層の可燃性毒物質棒２２，２３，２４，２５゜２６．
２７．３０をそれぞれ対応するスパイダー腕に取付ける
。

これらの毒物質棒は細長いチューブであり、該チューブ
の軸線をバブ１１の軸線１２と平行に配置する。

一部切除した断面図で示されている毒物質棒３０を参照
して説明すると、毒物質棒の外表面は中空チューブ３１
によって構成されており、該チューブの一端は、該開放
端内に溶接または他の手段により取付けた中実プラグ３
２によって密封されている。

チューブ３１内には短い円筒形の可燃性毒物質ペレット
３３の積重体を装填し、プラグ３２上に載置する。

この積重体の個々のペレット３３は、積重体の最上段の
ペレットに衝接させたばね３４によって長手方向に押圧
する。

ばね３４の外端は、チューブ３１の他端内に挿入したプ
ラグ３５によって保持し、該プラグを該他端に固定する
。

第３図にみられるように、プラグ３５にはその円筒状部
分３７のための挿入案内部を構成する面取端３６を形成
する。

チューブ３１の内径は、円筒状部分３７の外径に合致し
、該円筒状部分をぴったり嵌合させる。

図に示されるように、円筒状部分３７の上端は、拡径円
筒部分４１に連接させ、両者の間に半径方向に張出した
肩部４０を形成し、該肩部をチューブ３１の端部に係合
させ溶接する。

図示の実施例では、チューブ３１の端部を越えて突出し
たプラグ３５の露出円筒部分４１とチューブ３１の外表
面とを平坦に連接するために、チューブ３１の外径と円
筒部分４１の外径とを等しくする。

プラグ３５の露出円筒部分４１の上端に横断方向のフラ
ンジ即ち肩部４２を形成し、該肩部の中心から長手方向
に軸またはピン４３を延長させる。

軸４３の大部分は中実金属素材で形成するが、該軸には
その自由端から全長の約半分のところにまで延びる長手
方向の孔４４を形成する。

製造されたままで、スパイダー腕４６に完全に装着する
前の状態にある軸４３の一部分が第２図に示されている
。

従って、軸４３は、はぼ真直ぐな円筒形の外形を有して
おり、軸の自由端から全長の約半分のところにまで延長
している孔４４も、浅い円錐形にされた底部を除いて円
筒形である。

軸４３は、スパイダー腕４６に挿入して取付ける。

この目的のために、スパイダー腕４６には、毒物質棒お
よび軸４３の長手軸線と一致する長手軸線５１を有する
ほぼ円筒形の開口５０を形成する。

本発明によれば、開口５０内に拡径凹部５２を形成する
。

凹部５２は、軸４３の孔４４の全長の一部分と重なり関
係をなすようにする。

凹部５２から切頭円錐形表面５３を経て開口５０の残部
である孔５４に連続させる。

第２図に示されるように孔５４は、開口５０に挿入され
る軸４＝３の外径より僅かに大きい径を有している。

使用に当って、軸４３を開口５０に挿入し、油圧成形ま
たは機械的拡開加工またはその他の適当な手段によって
機機的に変形させて開口５０の切頭円錐形表面５３およ
び拡径凹部５２の輪郭に合致させ、第３図に示されるよ
うに、毒物質棒の取外しを容易にするための企図された
「弱化点」を形成する。

かくして、毒物質棒は、高価な、しかも取扱いにくい溶
接式取付具等を使用する必要なしにスパイダー腕に固定
される。

スパイダー腕の素材と、毒物質棒のチューブの素材とは
異る金属であることが多いが、毒物質棒のプラグ３５の
孔４４の切頭円錐形表面５５（第３図）は、熱膨張係数
の差による作用を軽減するテーパ表面を提供する。

即ち、温度が上昇するにつれて軸方向に膨張するステン
レス鋼製のスパイダ腕の膨張度は、通常ジルカロイ（Ｚ
ｉ ｒｃａ ｌ ｔｏｙ）で形成される毒物質棒の端部
プラグ３５の膨張度より太きい。

従って、通常ならば軸方向の応力が生じるのであるが、
本発明の構成では、両部品、即ちスパイダー腕４６とプ
ラグ３５が半径方向に弛められる（ずらされる）ので、
軸方向の応力が軽減される。

即ち、スパイダー腕は、半径方向にもプラグ３５より大
きく膨張するので、スパイダー腕４６の開口５０の円錐
形表面５３とそれに隣接するプラグの軸４３の変形部分
即ち円錐状表面５５との間の円錐状界面が軸方向下方に
変位する。

従って、これらの両部品は、半径方向にも軸方向にも緊
密に接触したままに保たれるが、軸４３内、の応力は、
通常ならば発生したであろう応力に比べて著しく軽減さ
れる。

かくして、本発明の毒物質棒の構造体は、原子炉の全作
動温度範囲内においてそのスパイダー腕とプラグの軸と
の間の堅い結合を維持し、しかもなお、以下に詳述する
ように毒物質棒の取外しを容易にするための所定の「弱
化点」を提供する。

第４図を参照して説明すると、プラグ３５の軸４３の孔
４４は、先に述べたように、その全長の約半分に亘って
拡張または据込み加工によって押拡げられており、それ
によって軸４３の外周面をスパイダー腕４６の拡径凹部
５２に圧接させである。

孔４４は、切頭円錐状テーパ部分５５を経て連接する小
径孔部分６６を有している。

更に、小径孔部分６６は、円錐部分６７に終端している
。

可燃性毒物質棒をスパイダー腕４６から取外す場合は、
マンドレル７０を軸４３の孔４４内へ矢印７１の方向に
押込む。

マンドレル７０は、好ましくは、細長い円筒形の金属製
軸として構成し、その直径は、軸４３の小径孔部分６６
より催かに小さくする。

マンドレル７０の長手軸線は、毒物質枠３０の軸線５１
とほぼ一致する。

棒３０を、望ましくないせん断またはのこ引き切断法に
よらずに、スパイダー腕４６から取外すためには、単に
、軸４３を小径孔部分５４を通して押出すのに足る力で
マンドレル７０を矢印７１の方向に押込めばよい。

図には示されていないが、一群のマンドレルをそれぞれ
スパイダーに取付けられている各毒物質枠のプラグの軸
の孔に整列するように配列し、それらのマンドレルをま
とめて支持板に固定することができる。

そして、それらのマンドレルを対応するプラグ軸の孔に
対応させて押込むことによりすべての毒物質枠を１度に
取外すことができる。

このように、本発明によれば、各毒物質枠を１本づつせ
ん断またはのこ引きしてスパイダーから切離すという従
来の危険な、しかも、費用と時間のかかる作業を回避す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は典型的なスパイダーと毒物質枠の組合せ体を示
す側面図、第２図は本発明に従って形成した軸の一部分
の断面図、第３図はスパイダーに取付けた軸の一部切除
した断面図、第４図は毒物質枠を取外すための本発明の
方法を示す一部切除した断面図である。 １０・・・・・・スパイダー、３０・・・・・・毒物質
枠、３５・・・・・・プラグ、４３・・・・・・軸、４
４・・・・・・孔、４６・・・・・・スパイダー腕、５
０・・・・・・開口、５２・・・・・・拡径凹部、５３
・・・・・・切頭円錐状表面、５４・・・・・・小径孔
部分、５５・・・・・・切頭円錐状表面、６６・・・・
・・小径孔部分、６７・・・・・・円錐状部分、７０・
・・・・・マンドレル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数のスパイダー腕を有するスパイダー１０と、可
   燃性毒物質棒とから成る制御棒組立体において、 前記複数のスパイダー腕に少くとも１つのスパイダ一孔
   ５４が形成されており、該スパイダ一孔は、拡径凹部５
   ２と、小径孔部分と、該拡径凹部から小径孔部分への遷
   移部を構成する切頭円錐形部分５３を有しており、 前記可燃性毒物質棒は、チューブ３１と、プラグ３５と
   、軸４３とから成り、該プラグは、該チューブ内に密に
   嵌合する円筒状部分３７を有し、該円筒状部分の一端は
   面取端３６として形成され、他端は、該チューブの端面
   に係合し該端面に溶接された、半径方向に張出した肩部
   ４０を有し、該軸は、該肩部の中央から長手方向に突出
   し、その全長のほぼ半分に亘って延長した長手方向の孔
   ４４を有しており、該軸のうち少くともその孔４４を画
   定する部分は、該毒物質棒をスパイダー腕に取外し可能
   に装着するために、軸の該部分を半径方向外方へ変形さ
   せることによって前記スパイダ一孔の切頭円錐形部分、
   拡径凹部および小径孔部分内に固定されており、該軸は
   、該毒物質棒をスパイダ一孔に対して長手方向に移動さ
   せることにより、該毒物質棒の構造的完全性ならびに該
   スパイダーの構造的完全性を破壊することなく、実質的
   に元の形に戻り、毒物質棒をスパイダー腕から抜取るこ
   とを可能にするようになされたことを特徴とする制御棒
   組立体。 ２ ＠記スパイダーは、前記軸の素材より熱膨張率の高
   い素材で形成されている特許請求の範囲第１項記載の制
   御棒組立体。 ３ ＠記スパイダーの素材はステンレス鋼である特許請
   求の範囲第１項記載の制御棒組立体。 ４ ＠詔勅の素材はジルカロイである特許請求の範囲第
   １項記載の制御棒組立体。