(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子吸収能力を有する制御棒を、水力学的な方法で、１本ごと又は複数本ごとに原子炉の炉心にある燃料集合体中へ完全に挿入し、又は燃料集合体から完全に引き抜くことにより、原子炉の炉心内の中性子吸収量を変化させて原子炉の反応制御を行うとともに、その水力学的条件を変化させて全制御棒を炉心に挿入することにより原子炉を停止させることからなる原子炉の反応度制御方法であって、
（ｉ）制御棒案内管の延長管上端に電磁開閉弁を設け、その弁の上方に閉空間を設け、その閉空間の冷却材をポンプで吸引し、制御棒案内管下端と延長管上端の弁との間に、弁が開いた時に流れの流体力により制御棒を浮上させる差圧を発生させ、
（ｉｉ）特定の制御棒を操作する際には、その延長管上端の開閉弁を開にし、制御棒案内管中の制御棒を浮上させて炉心から完全な引き抜き状態にし、
（ｉｉｉ）制御棒上端を弁体構造にし、延長管に弁座を設け、弁体と弁座が接触したときに制御棒上端での冷却材の流れをわずかに残し、開閉弁を閉じたときに制御棒に吸引差圧が作用しないようにして制御棒を炉心に挿入し、そして
（ｉｖ）吸引ポンプを停止する際には、冷却材流れの流量低下により全ての制御棒を炉心に降下させて完全な挿入状態にする、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は、原子炉の反応度制御に関するものである。特に、本発明は、原子炉における炉心の反応度制御に用いる棒状の中性子吸収体である制御棒を１本、または複数本ごとに水力学的方法（流れが及ぼす流体力を利用する方法）により、燃料集合体中に、その全挿入状態と全引き抜き状態とが実現できる構造とすることができるものであり、また全引き抜き状態の制御棒本数を変化させることにより原子炉炉心の反応度制御を行うものである。さらに、本発明は、前記水力学的作用を喪失させることにより、全制御棒を全挿入状態として原子炉停止を行うものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉の炉心は、図１に示されるように多数の燃料集合体１により構成されている。この燃料集合体は、多数の核燃料棒をまとめ、一体的に取り扱う最小単位である。原子炉の反応度制御を行うため、１体の燃料集合体あたりかなりの量の中性子吸収体が必要である。そこで、原子炉の反応度を制御するために、従来においては、図１Ａのように、これらの吸収体を棒状にした制御棒２を上端で連結して制御棒連結部３を構成し、或いは吸収体を板状などの形状に一体化した制御棒２を構成し、その制御棒全体を制御棒駆動軸４で機械的駆動装置５に結合させ、この機械的駆動装置により図１Ｂのように制御棒全体を上下動させ、燃料集合体１体あたりに挿入されている制御棒の割合を変化させることにより、原子炉の反応度制御を行っていた。また、原子炉停止時には、機械的駆動装置と制御棒駆動軸とを機械的な方法で切り離すことにより、制御棒を重力落下させるなどの方法により制御棒の燃料集合体中への全挿入を行っていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
炉物理的には、制御棒が部分的に引き抜かれると炉心内の軸方向の中性子吸収能力に分布が生じ、その結果、軸方向中性子束分布の歪みが多くなり、原子炉の制御を複雑にするという問題点がある。
【０００４】
また、構造的及び機械的には以下の問題点がある。機械的駆動装置を炉心上方に設置する場合、連結あるいは一体化された制御棒を炉心から引き抜く時に、炉心から流出する冷却材の流れから制御棒を保護するために、引き抜かれた制御棒を格納するための上部プレナム（図８中の６）構造は複雑なものになる。そのため、原子炉の内部構造物の設計、製作には、高度な技術が必要である。
【０００５】
更に、機械的駆動装置を原子炉の圧力容器の外側に置いた場合には、その制御棒駆動軸が圧力容器を貫通するため、駆動軸の案内管を圧力容器に接合させねばならず、圧力容器の製作、検査が複雑になる。そして、一本の駆動軸の動きで大きな中性子吸収量の変化を生じさせるので、駆動軸貫通部の案内管の破断により駆動軸が引き抜かれると大きな反応度挿入が起こりやすいし、制御棒と駆動軸の摺動部分の一部の固着により受ける影響が大きい。
【０００６】
更に又、機械的駆動装置を原子炉の圧力容器の内側に入れた場合には、制御棒駆動装置の収納空間が必要になり、圧力容器が長尺化するとともに、上部プレナム構造は複雑なものになり、そして上部プレナム内の流れが複雑になる。
【０００７】
そのため、沸騰水型原子炉のように炉心上方に気水分離器などの複雑な構造物がある原子炉では、機械的駆動装置を炉心下方に設置せざるを得なかった。そして原子炉停止時には、機械的駆動装置と制御棒駆動軸とを機械的方法で切り離すために、機械的動作と励磁コイルの電流の遮断などの電気的な動作が常に必要であった。
【０００８】
【課題を解決しようとする手段】
本発明は、原子炉における炉心の反応度制御に用いる棒状の中性子吸収体である制御棒を１本、または複数本ごとに水力学的方法により、その全挿入状態と全引き抜き状態とが実現できる構造とし、全引き抜き状態の制御棒本数を変化させることにより原子炉炉心の反応度制御を行うものである。また、本発明は、前記水力学的作用を喪失させることにより原子炉停止をも行うものである。
【０００９】
そのため、本発明は、制御棒を装着したまま制御棒案内管それぞれに延長管を設置し、その上端に開閉弁を付け、それらの弁の上方に延長管全体、またはその一部分に共通の閉空間を設け、さらに、その閉空間中の冷却材をポンプで吸引して、制御棒案内管下端と延長管上端の弁との間に、弁が開いた時に流れの流体力により制御棒を重力に打ち勝って水力学的に浮上させるのに十分な流れを生じさせる差圧を生じさせ、特定の延長管上端の開閉弁を開とする際に、その延長管に接続された制御棒案内管の中の制御棒を、前記上下端間の流れにより、水力学的に上昇させて延長管に挿入させ、炉心から特定の延長管内の制御棒を全引き抜き状態にするものである。また、本発明は、開閉弁を閉にする際に、特定の延長管内の制御棒を前記上下端間の流れの流量低下により重力で降下させ、その制御棒を炉心に全挿入状態にするものである。さらにまた、本発明においては、吸引ポンプを停止することにより、全ての制御棒は、前記上下端の流れを流れの流量低下により炉心に降下してスクラム状態になる。
【００１０】
本発明において使用される冷却材としては、例えば軽水炉、ナトリウム冷却高速炉におけるように主に水、重水、ナトリウム又はリチウム等の液体が用いられるが、吸引ポンプの吸引力を強くするならばガス冷却炉においても適用可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、図１Ｃに示されるように、一本ごとの制御棒を独立に全引き抜き状態にできるような構造にして１燃料集合体あたりの全引き抜き状態にある制御棒の本数を加減することにより、従来の原子炉におけるその炉に連結した、または原子炉と一体化した制御棒全体の１燃料集合体からの部分引き抜き（図１Ｂの場合）と等価な反応度変化を生じさせるものである。
【００１２】
本発明においては、図２Ａに示されるように、燃料集合体内の制御棒２が装着された制御棒案内管６にそれぞれ延長管７を設置し、その延長管上端に開閉弁弁体８および開閉弁弁座９を設ける。それらの弁の上方に延長管全体または、その一部分に共通の閉空間１０を設け、さらに、その閉空間の冷却材を吸引ポンプ１１で吸引するための流動回路を設ける。そのポンプの吸引力は、制御棒案内管下端と延長管上端の弁との間に、弁が開いた時に制御棒を重力に打ち勝って水力学的に浮上させるのに十分な流れを生じさせる差圧を発生させるものである。
【００１３】
図２Ｂに示されるように、制御棒の操作に当たっては、まず、吸引ポンプを起動するとともに、励磁コイル１２を作動させて延長管上端の開閉弁を閉とする。次に、図２Ｃに示されるように、特定の延長管上端の開閉弁を励磁コイルの作動により開とすると、その延長管に接続された制御棒案内管の中の制御棒が、制御棒案内管下端と延長管上端との間の流れの流量増加により、重力に打ち勝って水力学的に上昇して延長管中に入り、炉心１３から全引き抜き状態になる。そこで、開閉弁を励磁コイル１２を作動により閉にすると、その制御棒は、前記流れの流量が低下することにより重力で降下し、炉心に全挿入状態になる。また、図２Ａに示されるように、吸引ポンプを停止すると、前記流れの流量の低下により全ての制御棒は炉心に降下して、制御棒のスクラム状態での全挿入となる。ところで、微細な反応度変化の必要のないスクラム用制御棒等では、必要により、複数の延長管上端の弁を全部同時に開閉しても良い。
【００１４】
開閉弁としては、弁体が少しの差圧で閉じて励磁コイルの通電により開く構造のものを用いると、吸引ポンプの起動時に開閉弁が閉となって、制御棒の引き抜きを防ぐことができる。また、制御棒の構造としては、制御棒が全引き抜き状態ある際に、制御棒上端が弁体の構造を有し、それが延長管に設けられた弁座の構造を有する部分を閉じて冷却材の流れを止めるような構造にすると、制御棒の引き抜き動作時のみ励磁コイルに通電するだけで、制御棒の引き抜きができる。
【００１５】
なお、原子炉停止時以外に引き抜いた制御棒を炉心に挿入する必要がある場合は、上記のように流れを止めるのではなく、制御棒上端での流れをわずかに残し、開閉弁を閉じた時に、制御棒に吸引差圧が作用しないようにする必要がある。
【００１６】
開閉弁の操作に当たっては、開閉弁用の全励磁電流を制限したり、図３に示されるように、一次系循環ポンプによる炉心部分の差圧を制限したり、また吸引ポンプの流量対発生差圧の関係を適当に選んだりして、制御棒を浮上させるための冷却材の最大流量を制限することにより、制御系の誤動作により冷却材の流量が増加しても制御棒が浮上できなくなり、大きな反応度が挿入されるのを防ぐことができる。
【００１７】
なお、図３は、定格電圧で作動している吸引ポンプの流量と揚程に対応した発生差圧との関係を示している。即ち、流量が増加すると、揚程が低下する。そのため、誤って多くの開閉弁が閉状態になっても、流量が増加して発生差圧が低下し、制御棒の自重を支えられなくなり、一度に引き抜くことのできる制御棒の数が制限されることを示している。
【００１８】
また、一次系循環ポンプの吐出圧低下による上記差圧の低下により制御棒のスクラム状態での全挿入にすることができる。さらに、図４に示されるように、制御棒引き抜き状態を安定させるために、制御棒上端に磁性体１５を入れ、延長管７外側に取り付けた永久磁石１６により保持力を増加させて、制御棒引き抜き時の保持力を安定化することもできる。磁性体１５、永久磁石１６の位置関係を逆にしてもよいし、又どちらも永久磁石にしてもよい。前記差圧を発生させる際に、制御棒の自重が十分に小さい場合には、吸引ポンプを省いて、一次系循環ポンプ、または一次系への給水用ポンプの吸い込み圧を利用して前記差圧を発生させることもできるが、その場合には、原子炉停止用に吸引回路を閉じる開閉弁を別途設置する必要がある。原子炉運転時の水温が吸引ポンプのキャビテーションを起こす温度である場合は、吸引ポンプの吸い込み側に冷却器を置き、その動作により水温を低下させてキャビテーションを避けることができる。なお、本発明においては、電磁開閉弁を例に示したが、水圧作動弁など他の形式の開閉弁でもよい。
【００１９】
図５に示されるように、制御棒本数と反応度変化との関係については、制御棒を次々に全引き抜き状態にしていくと、反応度が階段状に増加する。また、制御棒を次々に全挿入状態にしていくと、その本数に応じて、反応度が階段状に減少する。なお、一部の燃料集合体において、それぞれの制御棒の反応度価値を例えば１／８、１／４、１／２、１のように不均一にしておけば、４本でも、１５段階に反応度変化を与えることができる。このような方法で、必要に応じ、より微細な反応度制御を行うことができる。
【００２０】
炉停止用等の微細な反応度変化が必要でない制御棒では、１燃料集合体分の延長管に共通の開閉弁を付けることにより、この開閉弁の動作によって、１燃料集合体の制御棒を一度に上下させることができる。さらに、必ずしも、１燃料集合体にこだわらず、複数の燃料集合体の延長管を同時に開閉しても、燃料集合体の１本または複数の延長管を数体の燃料集合体分共通にしたグループを設け、その開閉弁を同時に開閉してもよい。例えば、炉心の中性子吸収量の軸方向の対称性を確保するため、中心軸に対して９０度ずつ異なる位置の燃料集合体の一部または全部に共通の開閉弁をつけることもできる。
【００２１】
【実施例】
図６に、加圧水型原子炉へ適用した場合の本発明の実施例を示す。図６では、１燃料集合体分の延長管７と開閉弁弁体８及び開閉弁弁座９とを示す。この開閉弁上部の共通閉空間１０としては、原子炉圧力容器の上部ヘッド空間１４が便利であるが、原子炉圧力容器の外側に設置してもかまわない。開閉弁の弁体を少しの差圧により弁座に接触させて弁が閉じるようにすると、吸引ポンプ起動時に、開閉弁は水力学的に自動的に閉となる。制御棒２を全引き抜きにするときのみ励磁コイル１２に電流を流し、弁体を引き下げれば、開閉弁は開となり、制御棒は引き上げられる。
【００２２】
また、制御棒の先端を弁体相当部分１７のような構造にし、それが引き上げられたときに弁座１８と接触して流路をほぼ塞ぎ、冷却材の流量を十分に低くできる構造にすると、開閉弁の励磁は制御棒が上昇する時間のみでよい。この方法では、全励磁電流の制限回路を設けることにより、一度に多数の開閉弁が動作する事象を避けることができる。
【００２３】
制御棒全引き抜き状態を安定化させるため、図４に示されるような、制御棒上端に磁性体１５を入れ、延長管７外側に取り付けた永久磁石１６により保持力を増加させて、制御棒引き抜き時の保持力を安定化する、磁気力による安定化法を併用する。一般に、原子炉停止用または燃焼に伴う反応度補償用の制御棒は、運転に伴い部分的に全挿入状態に戻す必要はないので、制御棒を全引き抜き状態に維持しておくためには、弁体を磁気力により引き下げるだけでよい。ところで、出力制御用の制御棒には、弁体の引き下げ、引き上げ用のそれぞれの励磁コイルが必要である。これに対し、原子炉停止用の制御棒などでは、例えば、１体の燃料集合体ごとの延長管をまとめて１個の開閉弁で制御することも可能である。
【００２４】
炉心から流出して上部プレナム６を流れる冷却材により、延長管が有害な振動が生じないように、上部プレナム構造物６の構造を図７のようにして、タイロッド１９と数カ所で支持スペーサー２０などにより固定する等の対策を行う。この場合、開閉弁の取り替えを考慮して、開閉弁の接続パイプ部分２１を延長管から分離可能にしても良い。さらに、必要により、制御棒の位置検出のためのセンサーを設置する。
【００２５】
図８には制御棒の作動状態が示されており、図８Ａには、制御棒が、流体の流れによりその重量に抗して引き上げられ、又その重量により引き下げられる状態が示されている。又図８Ｂには、制御棒の上端と弁座との作動状態が示されており、制御棒先端が弁座に接触し、流体の流れがほとんど止まると、制御棒にかかる力は弁座上下の圧力差と弁座の開口面積の積となり、流体力は多少低下する。そこで、図８のＡ，Ｂ状態を繰り返して不安定にならないように、永久磁石によりその保持力を増やすこともできる。なお、弁座のところで微小流れイが存在しないと、弁座ロの圧力差が変化せず、制御棒を炉心に挿入することができない。この場合でも吸引ポンプの停止により圧力差がなくなり、制御棒は炉心に挿入される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、棒状の中性子吸収体である制御棒を全部上端で連結したもの、あるいは板状の中性子吸収体である制御棒を全部一体化したものを燃料集合体中に上下させて原子炉の反応度変化をさせる従来の方法と比較して、次の点において顕著な効果を生ずるものである。
【００２７】
（i）制御棒の引き抜きにより軸方向の中性子束分布が生じない。
【００２８】
（ii）制御棒を炉心から引き抜いている時の上部プレナム内の流れの影響を低減させるため、保護用の案内管が必要であるが、本発明の方式では、単純な管状の延長管でよい。そのため、上部プレナム構造は簡単なものになる。そのため、原子炉の内部構造物の設計、製作は容易となる。
【００２９】
（iii）機械的駆動装置を圧力容器の外側に置いた場合に必要な駆動軸の圧力容器貫通用の駆動軸案内管が不要になり、原子炉圧力容器の製作、検査が簡単になるとともに、駆動軸貫通部案内管の破断による大きな反応度の変化が起こりにくい。
【００３０】
（iv）駆動軸が無く制御棒も分散しているので、それらの摺動部分の部分的固着による影響が小さい。
【００３１】
機械的駆動装置を原子炉の圧力容器の内側に入れた場合に必要な駆動装置の収納空間が不要になり、圧力容器を短尺化できる。
【００３２】
（v）上部プレナム構造が簡単なものになり、上部プレナム内の流れが単純になるため、従来機械的駆動装置を炉心下方に設置せざるを得なかった原子炉でも、本方式の反応度制御装置が設置できる。
【００３３】
（vi）原子炉圧力容器上部の構造が簡単になり、原子炉の炉心用炉内計装の上方からの設置が可能になる。また、必要により、前記計装の試験用炉内ループの上方からの設置も可能となる。
【００３４】
（vii）原子炉の一次系圧力低下時には、吸引ポンプがキャビテーションを起こすため、吸引ポンプの吸引力が低下し、吸引ポンプを停止したのと同様に、制御棒の挿入により原子炉をスクラム状態にできる。また、一次系循環ポンプによる炉心部分の差圧および吸引ポンプによる発生差圧の関係を適当に選ぶことにより、一次系循環ポンプの吐出圧低下により原子炉をスクラム状態にすることができるとともに、誤動作により大きな反応度が挿入されるのを防ぐことができる。このように、多くの事象に対して、スクラム信号なしに、受動的にスクラム状態にする事ができる。
【００３５】
なお、本発明は、さらに次の点にもその特徴を有するものである。
【００３６】
（ａ）上部プレナム構造が簡単にできるので、圧力容器内の内部構造物の製作が容易となる。
【００３７】
（ｂ）上部プレナム構造が簡単にできるので、従来、流動抵抗の増加を抑えるために、ブレナム構造を炉心下方に設置せざるを得なかった原子炉でも、炉心上方に設置することが可能となる。
【００３８】
（ｃ）原子炉圧力容器の駆動用の機械的可動部分は弁だけとなる。
【００３９】
（ｄ）原子炉停止のために制御棒の駆動機構の機械的動作が不要である。
【００４０】
（ｅ）原子炉圧力容器の外側に置いた機械的駆動装置のための駆動軸の圧力容器貫通がないので、圧力容器の製作、検査が簡単になる。
【００４１】
（ｆ）圧力容器の内側に入れた制御棒の機械的駆動装置の収納空間が不要となり、圧力容器の短尺化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  制御棒の全挿入状態、全制御棒の部分引き抜き状態および一部制御棒の全引き抜き状態を示す図である。
【図２】  吸引ポンプの起動前、起動時および開閉弁の開時の制御棒の挿入または引き抜き状態を示す図である。
【図３】  吸引ポンプの流量に対する発生差圧と制御棒浮上のために必要な吸引ポンプの最大流量との関係を示す図である。
【図４】  制御棒全引き抜き時の保持力安定化機構を示す図である。
【図５】  全引き抜き制御棒本数と反応度変化との関係を示す図である。
【図６】  本発明の制御棒機構の加圧水型原子炉への使用を示す図である。
【図７】  本発明による制御棒機構の原子炉の上部ブレナム構造物への使用を示す図である。
【図８】  本発明の制御棒と弁座との作動状態を示す図である。
【符号の説明】
１：燃料集合体、２：制御棒、３：制御棒連結部、４：制御棒駆動軸、５：制御棒駆動装置、６：制御棒案内管、７：延長管、８：開閉弁弁体、９：開閉弁弁座、１０：共通閉空間、１１：吸引ポンプ、１２：励磁コイル
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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