(57)【要約】【課題】制御棒案内管と制御棒駆動機構ハウジングの系の、冷却材の流れによる振動に対する裕度を向上させる。【解決手段】原子炉圧力容器５と炉心シュラウド７との間に、原子炉圧力容器の周方向に沿って、複数基の1次冷却水循環ポンプ１２を設けている。これらの循環ポンプ１２からの吐出流は、炉心シュラウド７を支持する複数のシュラウドサポートレグ６の間を通って燃料部に送り込まれる。燃料の鉛直荷重は、制御棒案内管１にて支持される。制御棒案内管１は、その下端の位置で制御棒駆動機構ハウジング２により支持されている。  ハウジング２の制御棒案内管支持点Ｓをシュラウドサポートレグの上端より低い位置に設定し、この支持点Ｓから上方に向かう制御棒案内管下部１ｂの水平断面の外形をハウジング２の水平断面外形と同じ或いはほぼ同じサイズにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器と炉心シュラウドとの間に、原子炉圧力容器の周方向に沿って、複数基の1次冷却水循環ポンプを設け、これらの循環ポンプからの吐出流は、前記炉心シュラウドを支持する複数のシュラウドサポートレグの間を通って燃料部に送り込まれ、燃料の鉛直荷重は、制御棒案内管にて支持され、前記制御棒案内管は、その下端の位置で制御棒駆動機構ハウジングにより支持されている１次冷却水循環ポンプ内蔵型原子炉において、
前記制御棒駆動機構ハウジングの制御棒案内管支持点を前記シュラウドサポートレグの上端より低い位置に設定し、この支持点から上方に向かう制御棒案内管下部の水平断面の外形を前記制御棒駆動機構ハウジングの水平断面外形と同じ或いはほぼ同じサイズにしたことを特徴とする１次冷却水循環ポンプ内蔵型原子炉。
【請求項２】
請求項１において、前記制御棒案内管の下部は、水平断面形状が円形或いは十字型である１次冷却水循環ポンプ内蔵型原子炉。
【請求項３】
請求項１において、前記制御棒案内管支持点を、前記シュラウドサポートレグの上端より１０ｍｍ以上低い位置に設定し、この支持点から前記シュラウドサポートレグの上端と同じ高さまで或いはその付近まで前記制御棒案内管の下部外形を前記制御棒駆動機構ハウジングの水平断面外形と同じ或いはほぼ同じサイズにした１次冷却水循環ポンプ内蔵型原子炉。
【請求項４】
請求項１において、前記制御棒駆動機構ハウジングの背丈は、短い方で４００ｍｍ、長い方で１２５０ｍｍである１次冷却水循環ポンプ内蔵型原子炉。
【請求項５】
請求項１において、前記制御棒案内管は、下から順に、前記制御棒駆動機構ハウジングの上端開口に挿入される下端部と、前記下端部より径が大きく且つ前記制御棒駆動機構ハウジングの外径と同程度の径にした下部円筒部と、前記下部円筒部より外径を大きくした管本体部とを有することにより、少なくとも３段の外径をなし、前記下端部と前記下部円筒部部との間が前記制御棒駆動機構ハウジングによって支持される被支持位置となる１次冷却水循環ポンプ内蔵型原子炉。
【請求項６】
請求項５において、前記原子炉圧力容器の内底に前記制御棒駆動機構ハウジングを支持するスタブチューブが溶接結合され、前記スタブチューブの上端から前記制御棒駆動機構ハウジングの上端までが４００〜１２５０ｍｍの範囲で、前記スタブチューブの上端から前記制御棒案内管の前記下部円筒部と管本体部の間の段差面までが５００〜１３５０ｍｍの範囲である１次冷却水循環ポンプ内蔵型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、1次冷却水循環ポンプ内蔵型の沸騰水型原子炉に係り、さらに詳述すれば、原子炉内部で流体の流れを受ける制御棒案内管と制御棒駆動機構の振動を低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
１次冷却水循環ポンプ内蔵型の沸騰水型原子炉は、圧力容器内部に、直接、回転体である循環ポンプを取り付けている。このポンプの吐出流を受ける圧力容器内部の構造物は、流体の流れにより振動が生じる。この振動を低減するために、従来は、圧力容器内の制御棒案内管と制御棒駆動機構ハウジングに次のような構造を採用している。
【０００３】
図４は圧力容器内部の構造を示した縦断面図であり、図中、１は制御棒案内管、２は制御棒駆動機構ハウジング、３は制御棒駆動機構、４はスタブチューブ、５は原子炉圧力容器、６はシュラウドサポートレグ、７は炉心シュラウド、８は炉心支持板、９は燃料支持金具、１０は燃料、１１は冷却水流れ、１２は１次冷却水循環ポンプ、１３は制御棒である。
【０００４】
１次冷却水循環ポンプ１２は、原子炉圧力容器の周方向に沿って複数配置される。１次冷却水循環ポンプ１２からの冷却水の流れは、圧力容器５内部に林立する制御棒案内管１および制御棒駆動機構ハウジング２に対し直交して当たり、振動を励起する。
【０００５】
制御棒駆動機構ハウジング２は、制御棒駆動機構３を内包するもので、スタブチューブ４に溶接接合され、さらにスタブチューブ４は圧力容器５に溶接接合される。
【０００６】
制御棒駆動機構ハウジング２上部は、制御棒案内管１の下端と機械的に結合されることで、制御棒案内管から受ける荷重を支持している。制御棒案内管１の上部は、炉心支持板８の穴に機械的に接触することで、案内管１から受ける水平方向荷重を支持している。制御棒案内管１には、燃料支持金具９を介して、燃料の荷重が加わる。制御棒案内管１は制御棒１３を内包し、制御棒駆動機構によって上下される制御棒１３のガイドをする。
【０００７】
図３は、図４における従来の制御棒駆動機構ハウジング部付近を示す拡大断面図である。
【０００８】
制御棒駆動機構ハウジング２の上端２ａは、テーパー形状をしている。制御棒案内管１の、制御棒駆動機構ハウジング１との接触部は球面であり、制御棒駆動機構のテーパー部２ａとは、断面で見た場合、幾何学的には、点接触することとなる。このような支持構造は、球面とテーパーとの接触は、全体的にみれば周接触であり、気密性に優れている。テーパーの深さは10ｍｍより短い。そのテーパーで支持される制御棒案内管の球面部の接触点は、テーパーの深さ10ｍｍの範囲内で接触しなければ支持できない。
【０００９】
従って、制御棒案内管１の円筒部下端と、制御棒駆動機構ハウジング２の支持点との距離は１０ｍｍより短い距離で設定していた。
【００１０】
以上のような支持状態の場合、制御棒駆動機構ハウジング２の振動は、ハウジング２の上端が水平方向に対する支持をなされていないために、下端を固定とした片持ち梁の振動の様相を呈する。
【００１１】
従来は、このような振動を低減するために、特開昭５５−１４２２７９号公報や特開昭５７−８６７８８号公報のように、制御棒案内管１の円筒部下端をシュラウドサポートレグ６の上端と同じか、上端より高くしている。換言すれば、案内管１より小径の制御棒駆動機構ハウジング２をシュラウドサポートレグ６の上端と同じか上端よりも高くしている。このようにして、ハウジング２の流れを受ける投影面積を減少させることにより、荷重低減や流れの乱れを起こさないようにして、振動低減する構造が考案されている。
【００１２】
この手法では、小径ハウジング２の丈が増長されるため、発電効率向上のため等の目的で、ポンプ１体当たりの冷却水循環流量を増加させるような原子炉を設計する場合には、振動に対する強度余裕が減少する傾向がある。なお、制御棒駆動機構ハウジングおよび制御棒案内管は、一般にステンレス鋼である。
【００１３】
振動低減のためのその他の構造としては、特開平３−４８７９７号公報に記載のように制御棒駆動機構ハウジングより太径で剛性のあるスタブチューブ高さを高くして、振動低減する構造が考案されている。しかし、太径になる範囲が長くなると、その間の流体抵抗が増し、流体はそれよりも上の流体抵抗の小さい箇所に流れ、流れの状態が変わり易い。また、特開昭６３−２１２８９１号公報に記載のように制御棒案内管に振動防止機構を設ける構造が考案されているが、部品点数が増え、構造が複雑になる。ここで、本文献に示すように、制御棒案内管は円筒断面構造のものだけでなく、十字断面形状のものもある。
【００１４】
【特許文献１】特開昭５５−１４２２７９公報
【００１５】
【特許文献２】特開昭５７−８６７８８公報
【特許文献３】特開昭６３−２１２８９１公報
【特許文献４】特開平３−４８７９７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、ポンプからの冷却材の流れによる荷重の増加や流れの状態を変えずに、且つ、部品点数を増加することなく、制御棒案内管と制御棒駆動機構ハウジングの振動を低減する構造を実現することを意図する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の基本的な構成は、上記のような１次冷却水循環ポンプ内蔵型原子炉において、制御棒駆動機構ハウジングの制御棒案内管支持点を、シュラウドサポートレグの上端より低い位置に設定し、この支持点から上方に向かう制御棒案内管下部の水平断面の外形を制御棒駆動機構ハウジングの水平断面外形と同じ或いはほぼ同じサイズにした。ここで、制御棒案内管の下部は、例えば、水平断面形状が円形或いは十字型である。
【発明の効果】
【００１８】
このようにすれば、片持ち梁構造の制御棒駆動機構ハウジングの低背化を図るので、このハウジングの剛性を高める。また、このハウジングの低背化を図っても、その上に位置する制御棒案内管の下部円筒部を上記ハウジングの外径同様に部分的に小径化した（換言すれば、制御棒案内管の本体外径より径を絞る）ので、流体の荷重を受ける投影面積を小さくする。
【００１９】
したがって、ポンプからの冷却材の流れによる荷重の増加や、流れ状態を変えることなく、且つ、部品点数を増加することなく、振動に対する強度裕度を増加できる、制御棒案内管および制御棒駆動機構ハウジング構造を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の一実施例に係る原子炉の要部拡大断面図、図２は、その全体構成図である。
【００２１】
図２における１次冷却水循環ポンプ内蔵型の原子炉の基本的構成は、制御棒駆動機構ハウジング２，制御棒案内管１の構造を除いては、図４と同様であり、同一符号は、共通する要素を示す。
【００２２】
すなわち、原子炉圧力容器５と炉心シュラウド７との間に、原子炉圧力容器の周方向に沿って、複数基の1次冷却水循環ポンプ１２を設けている。これらの循環ポンプ１２からの吐出流は、炉心シュラウド７を支持する複数のシュラウドサポートレグ６の間を通って燃料部に送り込まれる。燃料の鉛直荷重は、制御棒案内管１にて支持される。制御棒案内管１は、その下端の位置で制御棒駆動機構ハウジング２により支持されている。
【００２３】
本発明は、基本的には、図１に示すように、制御棒駆動機構ハウジング２の制御棒案内管支持点Ｓをシュラウドサポートレグ６の上端より低い位置に設定し、この支持点Ｓから上方に向かう制御棒案内管１の下部円筒部１ｂを制御棒駆動機構ハウジング２の外径と同程度に細くした。
【００２４】
より具体的構造を述べると、制御棒案内管１は、下から順に、制御棒駆動機構ハウジング２の上端開口に挿入される下端部１ｃと、下端部１ｃより径が大きく且つ制御棒駆動機構ハウジング２の外径と同程度（すなわち同一か略同一）の径にした下部円筒部１ｂと、下部円筒部１ｂより大きくした管本体部（ここでは、「大径部」と称することもある）１ａとの少なくとも３段の外径をなす。
【００２５】
そして、制御棒案内管１の大径部１ａの下端（段差面）は、シュラウドサポートレグ６開口部と同じ高さにしている。また、制御棒案内管１の下端部１ｃと下部円筒部１ｂとの間（球面）が制御棒駆動機構ハウジング２のテーパー２ａによって支持される被支持位置Ｓとなる。この被支持位置、すなわちハウジング２ａによる制御棒案内管支持点Ｓがシュラウドサポートレグ６の上端より低い位置にある。そして、制御棒案内管１の支持点Ｓから大径部１ａ下端までの下部円筒部１ｂの外径を制御棒駆動機構ハウジング２の外径と同程度としている。
【００２６】
制御棒案内管１の大径部１ａの下につながる下部円筒部１ｂは、大径部１ａと一体で製作しており（溶接接合でもよい）、大径部１ａと下部円筒部１ｂは、振動的に強い結合状態となっている。
【００２７】
また、制御棒案内管１の下部円筒部１ｂの外径は、制御棒駆動機構ハウジング２の水平断面の外径と同じである。したがって、シュラウドサポートレグ６開口部の高さに渡って、制御棒駆動機構ハウジング２と、制御棒案内管１の下部円筒部１ｂに対する、冷却材の流れによる荷重は、水平断面の外形が変わらないため、従来技術と変わらず小さいままであり、流れの状態も変わらないままである。
【００２８】
既述のように、制御棒案内管１の下部円筒部１ｂと下端外径部１ａとの間のハウジング接触面は球面となっている。制御棒駆動機構ハウジング２の上端部はテーパー形状２をしており、断面で見た場合、幾何学的には、上記接触面は点接触することとなる。本支持点は機械的な支持点であり振動的には弱い。テーパーの深さは従来技術と同じく１０ｍｍより短いため、そのテーパーで支持される制御棒案内管の球面部の接触点は、テーパーの深さ１０ｍｍの範囲内でないと支持できない。従って、制御棒案内管１の下部円筒部１ｂの下端と、制御棒駆動機構ハウジング２が支持する球面部支持点Ｓとの距離は１０ｍｍより短い範囲設定される。
【００２９】
本実施例では、制御棒案内管１の大径部１ａ下端から、制御棒駆動機構ハウジング２の支持点Ｓまでの距離を、シュラウドサポートグ６開口上端から１０ｍｍ以上低くする。それによって、制御棒案内管１の下部円筒部１ｂの長さを、１０ｍｍ以上長くすることが可能となり、その分制御棒駆動機構ハウジング２側の長さを短くできる。
【００３０】
制御棒駆動機構ハウジング２はスタブ４へ、スタブ４は原子炉圧力容器５へ溶接にて接続されている。これらの支持点（溶接部Ａ，Ｂ）は、振動的には強い固定点であり、制御棒駆動機構ハウジング３は下端を固定とした片持ち梁の振動状況を呈する。
【００３１】
しかしながら、本実施例では、制御棒駆動機構ハウジング２の長さを短くすることで、振動に対する剛性を得ることができる。図５は、本発明原子炉のハウジング部の振動モードを示したものである。制御棒駆動機構ハウジング２は、前述のように、下端固定の片持ち梁の振動を呈し、制御棒駆動機構ハウジング２の長さを短くすれば、振動に対する剛性を従来よりも増加することができる。また、ハウジング２の低背化を図っても、その上に位置する制御棒案内管１の下部円筒部１ｂをハウジング２の外径同様に部分的に小径化したので、流体の荷重を受ける投影面積を小さくし、ポンプからの冷却材の流れによる荷重の増加や、流れ状態を変えることはない。
【００３２】
図２に示すように、本実施例では、１次冷却水循環ポンプ１２からの冷却水の流れ１１は、制御棒案内管１の大径部１ａと、下部円筒部１ｂと、制御棒駆動機構ハウジング２へ直交して当たり振動を励起するが、この振動は既述したように低減される。原子炉５の底部は中央が最も低い曲面スロープ形状をなしている。本実施例では、そこに配設される多数の制御棒駆動機構ハウジング２の制御棒案内管支持点Ｓは、シュラウドレグ６の上端より１０ｍｍ以上低い位置にあり、それらの支持点Ｓのレベルは同レベルに設定してある。
【００３３】
したがって、制御棒機構ハウジング２の背丈は中央が最も高く、外側（シュラウドレグ寄り側）が最も低い。具体的な好適例をあげれば、ハウジング２は、スタブチューブ上端からハウジング上端までが４００〜１２５０ｍｍの範囲が好ましい。また、スタブチューブの上端から制御棒案内管１の下部円筒部１ｂと管本体部１ａの間の段差面までが５００〜１３５０ｍｍの範囲である。なお、従来は、ハウジング２は、スタブチューブ上端からハウジング上端までが５００〜１３５０ｍｍであり、その上が管本体部となる。
【００３４】
静的な梁の理論によると、ハウジングの長さの比に反比例して発生応力は緩和可能である。上記範囲において、スタブチューブの上端から案内管の下端の径の段部までが最も長い１３５０ｍｍと、スタブチューブの上端からハウジング上端までが最も長い１２５０ｍｍとの関係から、最小でも８パーセント、従来よりも強度裕度の増加が可能である。
【００３５】
また、制御棒駆動機構ハウジング２の各上端レベルを同一とすることで、制御棒案内管１、制御棒駆動機構ハウジング２、制御棒駆動機構３の各々の構造は、原子炉圧力容器５への取付け位置によらず、同一設計とすることができ、経済的に有利である。
【００３６】
また、本実施例によれば、振動防止装置の追設等による部品点数の増大を伴うことなく、各関係部品についての若干の構造変更をするだけで、振動に対する剛性をかせぎ、強度裕度を増加することができるため、冷却水循環ポンプの１体当たりの流量を増加し、発電効率を増加するような原子炉設計をする際に大いに役立つ。尚、制御棒案内管２は、図１では円筒形の場合で示しているが、水平断面形状が十字型の場合等の異なる断面形状の場合にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
1次冷却水循環ポンプ内蔵型の沸騰水型原子炉に対して、効率を増加させるために、発電効率向上のためにポンプ１体当たりの冷却水循環流量を増加させるような原子炉設計用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施例に係る1次冷却水循環ポンプ内蔵型の沸騰水型原子炉の要部断面図。
【図２】上記実施例の原子炉の全体構成を示す図。
【図３】1次冷却水循環ポンプ内蔵型の沸騰水型原子炉の従来の一部の構造を示した図。
【図４】従来の１次冷却水循環ポンプ内蔵型の沸騰水型原子炉の構造を示す図。
【図５】本発明と従来の制御棒駆動機構ハウジングの振動モードを示した説明図。
【符号の説明】
【００３９】
１…制御棒案内管、２…制御棒駆動機構ハウジング、３…制御棒駆動機構、４…スタブチューブ、５…原子炉圧力容器、６…シュラウドサポートレグ、７…炉心シュラウド、１３…制御棒。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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