JPS5916676B2 - 原子炉保護装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）ひ保護装置に関する
。

原子力発電所において、出力制御を行なうには制御棒を
原子炉下部から炉内に挿入し、これを下方に引抜くこと
により出力を上昇させ、上方に挿入することにより出力
を低下させて出力を制御するようにしている。

しかし、この制御棒は中性子の吸収部分と駆動部分が一
体ではなく、継手によって結合されているため、この結
合部分の機械的誤動作により上部の中性子吸収体と下部
の駆動部分とが離れることが考えられる。

このような場合、制御棒の位置検出器は下部の駆動部分
に取付けられているため、中性子吸収体が離れたか否か
は分らない。

このような状態で制御棒を引抜くと、中性子吸収体のみ
は炉内にとどまり、駆動装置は引抜かれた状況になる。

したがって、このとき何らかの衝撃等により中性子吸収
体が落下すると、原子炉の急激な出力上昇等の原因にな
りかねない。

ここで、沸騰水型原子炉の概略構成につき第１図乃至第
４図を参照しながら説明する。

すなわち、第１図において、１は原子炉圧力容器、２は
この原子炉圧力容器１内に設けられた原子炉炉心である
。

この原子炉炉心２の上部および下部には格子板３および
４が設けられ、また炉心内には燃料集合体５が装荷され
ている。

また６は炉心２の下部より炉心内に挿入される制御棒で
、この制御棒６は原子炉圧力容器１の底部を貫通する制
御棒駆動装置７の駆動ロッドにより制御棒案内管８を通
して引抜き、挿入がなされたものである。

さらに９は原子炉圧力容器１内に給水を行なうための原
子炉給水パイプ、１０は原子炉圧力容器１内の水を循環
させるジェットポンプで、このジェットポンプ１０には
ジェットポンプ駆動水１１が供給され先端のジェットポ
ンプノズル１２より駆動水が噴出するようになっている
。

一方、１３は原子炉圧力容器１内の水面部に設けられた
蒸気分離器、１４はこの蒸気分離器１３の上方に設けら
れた蒸気乾燥器で、この蒸気乾燥器１４で乾燥された蒸
気は主蒸気送出管１５を通して送気するようにしである
。

従って、かかるＢＷＲにおいては原子炉炉心２に装荷さ
れた燃料集合体５の核分裂反応によるエネルギを炉心内
を原子炉下部から上部に流れる冷却水１６により吸収し
冷却水を沸騰せしめ、その結果として主蒸気を取り出し
てタービン等に供給する。

この原子炉の出力を制御するには、炉心２を流れる冷却
水（兼減速材）の流量の増減と炉心内に挿入されている
制御棒６の挿入、引抜きによって行なわれる。

この制御棒６は核分裂によって発生した中性子を吸収す
る機能を有する十字状ブレードであり、制御棒６が炉心
内に深く挿入されれば、核分裂により発生した中性子の
吸収量が太くなり、連鎖反応に用いられる中性子数が減
って炉出力が抑制され、また制御棒６が引抜かれると、
出力が増大する。

第２図は制御棒６の外形を示すもので、十字状ブレード
６１を形成するステンレススチールの被覆の中に、中性
子吸収体である炭化硼素が充填されており、また上部に
はハンドル６２が、下部には継手ソケット６３がそれぞ
れ設けられている。

このような制御棒６を炉内に設置する場合には原子炉上
部から設置される。

一方、第２図に示す制御棒６を駆動する装置７は水圧に
より駆動されるが、これは原子炉下部から挿入され、両
者は継手により結合される。

第３図は制御棒６と駆動装置７を結合する継手機構の詳
細を示すものである。

すなわち、第３図において、６４は制御棒案内管８に案
内されて炉心内に挿入、引抜きされる制御棒６の継手ソ
ケット６３内に設けられている軸端部に取付けられたロ
ックナツト、６５は軸周囲に設けられ且つロックナツト
６４により抑制されたロックスプリングである。

また７１は継手ソケット６３の外周部に取付けられた駆
動装置７のハウジング、７２はこのハウジング７１内に
設けられた駆動体で、この駆動体７２はその中心にスリ
ーブ７３を有し、また先端部には継手ソケット６３の中
空部に挿入されて結合する継手スパッド７４を有してい
る。

第４図ａ、ｂはかかる制御棒継手機構を拡大して示すも
ので、ａは結合後の状態を、ｂは結合前の状態をそれぞ
れ示すものである。

第４図すに示す如き結合前の状態においてはロック解除
ハンドル６６を引き上げてロックナツト６４を図示の状
態まで引き上げたものである。

駆動装置７の駆動体７２に有する継手スパッド７４は６
個に分割されており、半径方向に収縮するものである。

従って、継手スパッド７４が継手ソケット６３の奥まで
完全に挿入された後、ロック解除ハンドル６６を離すと
、継手ソケット６３、継手スパッド７４は第４図ａに示
す状態となり、両者は結合されてロックされる。

さらに制御棒６を炉内に設置した後は上記のロック解除
ハンドル６６を引き上げることができないので、第３図
に示すスリーブ７３を押し上げて、ロックナツト６４を
押し上げ、ロックを外して結合部を外すのである。

これは制御棒６も駆動装置７などの交換の場合に必要と
なる。

しかし、このような継手構造では、結合部が外れた場合
に第３図に示す駆動装置７のみが引抜かれて制御棒６は
炉内にとどま２という故障が考えられる。

そして何らかの振動等により制御棒６が下方に落下する
ことが考えられる。

このように結合部の外れる原因としては（１）組立て時
にスパッド７４のまがり等で確実に入っていなかった、
（２）ロック解除ハンドル６６が引き上げられたままに
なった、（３）スリーブ７３が曲ってロックナツト６４
を押し上げてしまった、等が考えられる。

従って、このような場合に制御棒６と駆動装置７が外れ
たまま制御棒引抜操作をし、その結果制御棒６が落下す
ると、出力が急激に上昇するという故障が発生し、原子
炉を安全に運転できなくなる。

ところで、前述した原子炉炉心内には多数の燃料集合体
、制御棒および中性子束検出器が配置されている。

第５図は原子炉炉心を横断面してこのような状態を模式
的に表現したものである。

第５図において、５は燃料集合体、６は制御棒、１７ａ
は出力系中性子検出器、１７ｂは中間出力系中性子検出
器、１７Ｃは起動出力系中性子検出器を示す。

このように中性子束検出器は起動系、中間出力系、出力
系等に分けられている。

次にこれらの炉心高さ方向の位置関係について第６図に
示す原子炉炉心縦断面図を示す。

この図の例では起動系中性子束検出器１７Ｇは高さ方向
において１個の検出器を有し、高さ方向に変動可能であ
る。

また中間出力系中性子束検出器１７ｂは高さ方向につい
て１個の検出器を有し、高さ方向に移動可能である。

起動系、中間出力系中性子束検出器は高さ方向に４個配
置されている。

本発明は上記のような事情に鑑みなされたもので、その
目的は制御棒の中性子吸収体が炉内から引抜かれたか否
かを炉内の中性子束検出器の読みから判断し、中性子吸
収体と駆動部分の結合が離れた状態となった場合、これ
を警報或はランプ秀の表示により運転員に知らせ更に制
御棒の引抜きを阻止することにより、事故の発生を未然
に防止することができる原子炉保護装置を提供しようと
するものである。

このため、本発明では、上記各種中性子束検出器の読み
と制御棒の位置の相関関係に注目し、中性子束を監視し
、所定の制御棒の駆動操作に対して中性子束の変化が予
測される値だけ変化するか否かを検出し、予測値だけ変
化しなければ、制御棒ブレード部分がスティックし、継
手が離れた状態になったと判断し、表示を与え、更に制
御棒を引抜き阻止又は挿入するように制御するものであ
る〇 一般に引抜き制御棒に対する中性子束の変化は引抜き制
御棒から中性子束検出器までの距離の関数として与えら
れ、第７図に示すような関係にある。

今、引抜き制御棒からの距離Ｒにある中性子束検出器Ｓ
において、制御棒引抜き後の中性子束上昇率を△φとす
ると、△φ−ｆ＠で表わされる。

制御棒からの距離Ｒ１，Ｒ２，・・・Ｒｎの位置にある
中性子束検出器Ｓ１．Ｓ２．・・・Ｓｎにおける中性子
束上昇率を△φ１．△φ２．・・・△φｎとすると、△
φｎ＝ｆｎ（Ｒｎ） ・・・・・・・・・ （１）で
ある。

ここで関数ｆｎは、さらに炉心内に挿入、されている他
の制御棒の位置関係（制御棒パターン）により定まる関
数であり、 ｆｎ−Ｆ（Ｐｌ、Ｒ２，Ｒ３，・・・Ｐｎ） ・・・・
・・ （２）として表わされる。

ここで、Ｐｌ、Ｒ２，Ｒ３，・・・Ｐｍは当該引抜き制
御棒に隣接する制御棒の位置である。

第７図には実例として引抜制御棒からＲ１，Ｒ２゜Ｒ３
ｔ Ｒ４の距離にある４個は中性子束検出器Ｓ１゜Ｓ２
．Ｓ３．Ｓ４についての場合を示しである。

中性子束検出装置Ｓ１．Ｓ２．Ｓ３．Ｓ４における中性
子束上昇率は各々△φ１＝ ｆ １ （Ｒ１） 、△φ
２−ｆ ２ （Ｒ２） 、△φ３＝ｆ３（Ｒ３）、△φ
４−ｆ４（Ｒ４）として求められ、これらを通る曲線を
、△φ＝ｇ（６）とする。

このとき、実際の中性子束上昇率△φａが△φａ＋さく
△φｎ ・・・・・・・・・ （３）の場合には実際の
中性子束上昇率が予測上昇率に対する偏差内に入らない
から、制御棒が所定位置まで抜けていないと判断する。

以下本発明の一実施例を第８図を参照しながら説明する
。

なお、原子炉部分については第１図乃至第６図と同一部
品には同一記号を付しここではその説明を省略する。

すなわち、第８図において、２０は制御棒駆動装置７よ
り制御棒位置信号を発生せしめる制御棒位置処理装置、
２１は中性子束検出装置１７からの信号を増幅する増幅
器、２２は制御棒位置処理装置２０、増幅器２１からの
プロセス量を入力とする電子計算機で、この電子計算機
２２はプロセス入力装置２３、演算制御装置２４、記憶
装置２５、プロセス出力装置２６からなる。

また２７は電子計算機２２のプロセス出力装置２６から
の出力信号を受は且つ運転員が制御棒６を操作するため
の指令を出す操作スイッチ２８を備えた制御卓、２９は
制御卓２７からの操作指令、電子計算機２２のプロセス
出力装置２６おらの出力信号および制御棒位置処理装置
２０からの出力信号をそれぞれ受けて動作する制御棒制
御装置で、この制御装置２９からの制御指令により制御
棒駆動装置Ｔを駆動制御するものである。

次にその作用について述べる。

制御棒６の操作信号は制御卓２７において、運転員が操
作スイッチ２８を操作することにより、制御棒制御装置
２９に伝達され、この制御棒制御装置２９により所定の
駆動信号を発生する。

駆動信号は制御棒駆動装置２９に伝達され、これにより
制御棒６が引抜き駆動される。

この際、制御棒位置処理装置２０により制御棒位置信号
が発生せしめられ、これを電子計算機２２のプロセス入
力装置２３を介して演算制御装置２４に読み込む。

この位置信号即ち、前記（２）式におけるＰｌ、Ｒ２，
・・・Ｐｍから（２）式に従って関数ｆｎを演算制御装
置２４により演算処理して求め、さらに各中性子束検出
器Ｓ１．Ｓ２．・・・Ｓｎにおける予測中性子束上昇率
△φｎを（１）式にしたがって演算処理して求め電子計
算器２２の記憶装置２５に記憶する。

ところで原子炉の炉心２においては、上記制御棒６の引
抜きによって、炉内中性子束が上昇するが、この炉内中
性子束信号を増幅器２１により増幅し、前述の電子計算
機２２のプロセス入力装置２３に介して演算制御装置２
４に読み込み、さらに記憶装置２５に記憶する。

ここで、中性子束データを制御棒引抜き前後に読み込み
、中性子束上昇率△φａを次式にしたがって演算処理し
て求める。

Δφａ 引抜き後の中性子束−引抜き前の中性子束引抜き前の中
性子束 ・・・・・・・・・ （４） 上記予測中性子束上昇率△φｎと実中性子束上昇率△φ
ａとについて、（３）式により演算処理する。

１（３）式が成立する場合には、演算処理装置２４から
：制御棒引抜阻止信号や制御棒挿入信号をプロセス出力
装置２６を介して制御棒駆動装置１を駆動制御して制御
棒６を引抜き阻止したり、全挿入状態にしたりする。

或は駆動装置を制御棒の位置まで駆動し、制御棒の落下
を防止してもよく、所定の位置まで挿入して停止させる
ようにしてもよい。

また、同時にプロセス出力装置２６から警報表示信号を
出力し、制御卓２７に警報表示するなどして運転員に異
状を知らせることも可能である。

このように本実施例では、各種中性子束検出器の読みと
制御棒の駆動量との相関関係に注目し、中性子束を監視
し、所定の制御棒駆動操作に対して中性子束の変化が予
測される値だけ変化するか否かを検出し、予測値だけ変
化しなければ制御棒ブレード部分がステックし、継手が
離れた状態になったと判断し、表示を与え制御棒を引抜
き阻止又は挿入するようにしたので、事故の発生を未然
に防止でき、安全な運転を行なうことができる。

なお、上記実施例では沸騰水型原子炉についてであり、
制御棒を原子炉下部から引抜く場合について述べたが、
本発明は制御棒の挿入方向にはこだわらず、中性子吸収
体と駆動装置とが分離される形式の制御棒を利用する型
の原子炉についても適用できることはいうまでもない。

この他本発明はその要旨を変更しない範囲内で種々変形
して実施できるものである。

以上述べたように本発明によれば、中性子吸収体が炉内
から引抜かれたか否かを炉内の中性子束検出器の読みか
ら判断し、制御棒とその駆動部分とが離れた状態になっ
た場合、表示を与え、或いはそれ以降の制御棒の駆動制
御を適宜に行なうようにしたので、安全な運転を行なわ
せることができる原子炉保護装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水形原子炉の概略構成を示す断面図、第２
図は制御棒の外形を示す斜視図、第３図は制御棒継手機
構を詳細に示す断面図、第、４図ａ。 ｂは第３図の要部を拡大して示すもので、ａは制御棒と
駆動部分の結合状態、ｂは結合前の状態をそれぞれ示す
図、第５図は原子炉炉心の横断面を模式的に表現した図
、第６図は中性子束上昇率と距離との関係を示す曲線図
、第７図は第５図をＡ−Ａ線に沿う矢視断面図、第８図
は本発明の一実施例を示す原子炉保護装置の構成説明図
である。 １・・・・・・原子炉圧力容器、２・・・・・・炉心、
５・・・・・・燃料集合体、６・・・・・・制御棒、７
・・・・・・駆動装置、８・・・・・・案内管、１７・
・・・・・中性子束検出装置、２０・・・・・・制御棒
位置処理装置、２１・・・・・・増幅器、２２・・・・
・・電子計算機、２３・・・・・・プロセス入力装置、
２４・・・・・・演算制御装置、２５・・・・・・記憶
装置、２６・・・・・・プロセス出力装置、２７・・・
・・・制御卓、２８・・・・・・制御棒制御装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 制御棒の中性子吸収体と制御棒駆動装置とが継手機
   構により結合、分離するように構成され、前記駆動装置
   により前記制御棒を炉内に挿入、引抜きして原子炉を制
   御するようにした原子炉において、前記制御棒から距離
   Ｒ１〜Ｒｎを存してそれぞれ配置されている各中性子束
   検出器８１〜Ｓｎにおける制御棒引抜き後の予測中性子
   束上昇率△φｎを距離に対する関数、△φｎ＝ｆｎ（Ｒ
   ｎ）から求める第１の手段と、前記駆動装置により駆動
   される制御棒引抜き前後における実中性子束上昇率△φ
   ａを求める第２の手段と、前記第１の手段により求めら
   れた予測中性子束上昇率△φｎと前記第２の手段により
   求められた実中性子束上昇率△φａとの関係が、△φａ
   ＋さくΔφｎ（但し、ε：許容偏差）にあるか否かを判
   別する第３の手段と、この第３の手段により△φａ＋さ
   く△φｎであることが判別されると前記制御棒が所定位
   置まで抜けていないものと判別して前記駆動装置に対し
   て制御棒引抜き阻止信号又は制御棒挿入信号を出力する
   とともに警報表示部に対しては警報表示信号を出力する
   第４の手段とを備えたことを特徴とする原子炉保護装置
   。