JP5214118B2

JP5214118B2 - 制御棒駆動機構

Info

Publication number: JP5214118B2
Application number: JP2006194340A
Authority: JP
Inventors: 志貴司保; 村研藤; 山大樹丸; 口晃一関; 瀬悟郎柳; 丸幹英中
Original assignee: Toshiba Corp; Japan Atomic Power Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Japan Atomic Power Co Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: JP2008020405A

Description

本発明は、原子炉における制御棒の駆動機構に係り、特に炉心上部から鉛直下方に制御棒が挿入される型式の制御棒駆動機構に関する。

沸騰水型原子炉は、一般に図５に示すように構成されている。すなわち、図中符号１は原子炉圧力容器であって、この原子炉圧力容器１内にはシュラウド２が設けられており、このシュラウド２内に炉心３が配置されている。この炉心３は多数の燃料集合体を格子状に配列して構成され、これらの燃料集合体の間の間隙内に下方から断面十字形の制御棒４が挿入され、炉心３の出力を調整するように構成されている。すなわち、原子炉圧力容器１の底部１ａにはハウジング５が垂直に貫通垂設されており、そのハウジング５内に制御棒駆動機構が設けられており、上記制御棒４が連結されている作動ピストンを駆動することにより上記制御棒４の挿入・引き抜きを行うように構成されている。

このように、従来の制御棒駆動機構は、原子炉圧力容器１を貫通して下方に延びるハウジング内に設けられているために、原子炉圧力容器の据付け高さが高くなり、ひいては原子炉格納容器が大きくなり、製造コストが増加する等の問題があり、さらに制御棒駆動機構の取り外しのため原子炉圧力容器の下方に広いスペースが必要である等の問題がある。また、原子炉の設計基準である冷却材喪失事故時の冷却材を収める原子炉格納容器を小さくすることが安全面でも必要である。

そこで、制御棒駆動機構を炉内に収納して、原子炉圧力容器の下部を簡素化できるようにした装置も提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−５５１８９号公報

ところが、上記特許文献１記載の制御棒駆動機構は原子炉圧力容器内に収納されており、その制御棒駆動機構を作動させるための電気器具がバウンダリ内に設けられたいるため、上記制御棒駆動機構を作動させるための電力を炉外から伝送させる必要があり、電線を原子炉圧力容器を貫通して配設しなければならず、その機構が複雑となるとともに、制御棒駆動機構のメンテナンス性および信頼性が低下する可能性がある等の問題がある。

本発明は、このような点に鑑み、制御棒駆動機構を原子炉圧力容器上部鏡板の上方に設置し、原子炉圧力容器の下部を簡素化するとともに、そのメンテナンス性および信頼性を向上し得るようにした制御棒駆動機構を提供することを目的とする。

本発明は、原子炉圧力容器内の炉心に制御棒を上から下方に向けて挿入し、かつ下方から上方に向けて引抜操作を行うようにした制御棒駆動機構において、圧力バウンダリである原子炉圧力容器上部鏡板の上方に設置されたモータと、原子炉圧力容器上部鏡板を貫通するように配設されたハウジング内に回転可能に設けられ、前記モータによって回転される外胴と、前記外胴内に設けられ、前記外胴によって回転されるとともに前記外胴内で前記外胴に対して上下方向に移動可能な内胴と、前記内胴に装着されているローラナットと、下端に制御棒が連結され、前記ローラナットと螺合するよう外周にねじ加工された駆動軸と、を具備し、前記外胴の上部に外胴側マグネットを設けるとともに、前記内胴の上部に内胴側マグネットを設け、通常動作時には、前記外胴の外周に配設されたコイルに通電することにより前記内胴側マグネットを前記外胴側マグネットに吸着させ、これにより前記内胴の前記外胴に対する上下動を拘束する結合がなされ、前記モータによって前記外胴および内胴を介して前記ローラナットを回転させることにより、前記駆動軸を介して制御棒の上下動を行うことができ、スクラム動作時には、前記コイルへの通電を切ることにより前記内胴側マグネットの前記外胴側マグネットへの吸着力がなくなり、これにより前記内胴の前記外胴に対する上下動を拘束する結合が断たれて前記内胴、前記ローラナット、前記駆動軸および前記制御棒が一体的に落下するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、制御棒駆動機構のメンテナンス性および信頼性を向上させることができる。

図１は、本発明の制御棒駆動機構の適用対象となる原子炉炉内構造の一例を示す図であり、原子炉圧力容器１０内には、バンドルインバスケット１１内に設置された燃料集合体１２で構成された炉心１３が配設されている。上記炉心１３は原子炉圧力容器１０内に設けられている炉心支持板１４により支持されており、その炉心１３の外周にはシュラウド１５が設けられている。バンドルインバスケット１２の上部はシュラウド１５に支持された上部格子板１６により支持されている。また、シュラウド１５の上部に、シュラウドヘッド１７が配置されており、上記シュラウドヘッド１７からは制御棒案内管１８が上方に延びている。上記制御棒案内管１８は原子炉圧力容器上部鏡板１９の上方に設置された制御棒駆動機構２０の下部に結合されている。

図２に示すように、制御棒駆動機構２０により駆動される後述する駆動軸２１は、グリッパ２２により延長軸２３と、また延長軸２３はグリッパ２４により制御棒２５に結合されており、上記制御棒駆動機構２０により駆動軸２１を上下させることにより制御棒２５の炉心１３への挿入・引き抜きが行われる。制御棒２５の上下動は、制御棒案内管１８が延長軸２３、駆動軸２１をガイドすることにより滑らかに行われ、制御棒２５は炉心においてはバンドルインバスケット１１の外周部によってガイドされる。上記駆動軸２１、延長軸２３、制御棒２５の分解・結合は、原子炉圧力容器上部鏡板１９の上部から制御棒駆動機構２０内の駆動軸２１および延長軸２３内に治具を挿入することで行うことができる。

図３は前記制御棒駆動機構２０の縦断面図、図４は図３のＡ−Ａ断面図であり、制御棒駆動機構２０のハウジング２６が原子炉圧力容器上部鏡板１９を貫通装着されており、上記原子炉圧力容器上部鏡板１９を貫通しているハウジング２６の上部にはハウジング上蓋２７が装着されている。上記ハウジング上蓋２７が装着されているハウジング２６内には、上記ハウジング２６と同心状に外胴２８がベアリング２９、３０により軸線周りに回動可能に設けられている。

前記ハウジング上蓋２７の上方にはモータ３１が設置されており、そのモータ３１の回転軸（図示せず）には前記ハウジング上蓋２７の上部の外周に沿って回動するモータ側マグネットカップリング３２が設けられている。一方、前記外胴２８の頂端部外周には、前記ハウジング上蓋２７を挟んで上記モータ側マグネットカップリング３２と対向するように外胴側マグネットカップリング３３が装着されている。しかして、上記モータ３１の作動によりモータ側マグネットカップリング３２が回転されると、モータ側マグネットカップリング３２により外胴側マグネットカップリング３３が回転駆動され、上記外胴側マグネットカップリング３３を介して外胴２８が軸線周りに回転される。

ところで、上記外胴２８内には内胴３４が外胴２８と同心状に配設されている。上記外胴２８の内面には軸線方向に延びるキー２８ａが設けられており、そのキー２８ａが内胴３４の外面のキー溝に係合され、前記外胴２８の回転により内胴３４が回転されるとともに、内胴３４が外胴２８に対して上下動可能としてある。上記内胴３４にはローラナット３５が或る程度上下動のみ可能に配設されており、上記ローラナット３５はローラナット３５と内胴３４との間に設けられたバネ３６により下方に付勢されている。上記ローラナット３５には上下方向にのみ移動可能な前記駆動軸２１が螺合されており、外胴２８を介して内胴３４が回転したとき、その内胴３４の回転によりローラナット３５を介して上記駆動軸２１が上下動するようにしてある。しかして、モータ３１の回転方向を変えることにより、外胴２８、内胴３４、ローラナット３５の回転方向も変わり、駆動軸２１の上下動作方向を変えることができる。

外胴２８の上部には外胴側マグネット３７が設けられるとともに、内胴３４の上部には内胴側マグネット３８が設けられ、さらにハウジング上蓋２７の外周にはコイル３９が装着されている。しかして、上記コイル３９に通電することにより外胴側マグネット３７に対して内胴側マグネット３８が吸着され、またコイル３９の通電を切ることにより外胴側マグネット３７に対する内胴側マグネット３８の吸着がなくなり、内胴３４が駆動軸２１や制御棒２５とともに落下し、スクラム動作を行うことができるようにしてある。

ところで、駆動軸２１には当て板４０が設けられており、上記スクラム動作時には、上記当て板４０がハウジング２６の下部に設けられているダンパー４１に衝突することにより、スクラム時の荷重を吸収することができる。さらに、スクラム時には前記内胴３４とローラナット３５の間に設けられているバネ３６によりローラナット３５にかかる荷重が吸収される。
なお、図３中符号４２は、駆動軸２１、延長軸２３内に挿通され制御棒２５の位置を検出する位置検出器である。

そこで、制御棒２５を通常運転時の反応度調整のために上昇、下降（引き抜き、挿入）させるためには、外胴側マグネット３７と内胴側マグネット３８が接触した状態でコイル３９へ通電し、外胴側マグネット３７に対して内胴側マグネット３８を吸着させた状態で、モータ３１を回転させる。このモータ３１の回転はモータ側マグネットカップリング３２と外胴側マグネットカップリング３３によりハウジング上蓋２７を介して外胴２８に伝わり、外胴２８の回転はキー２８ａを介して内胴３４に伝えられ、内胴３４は外胴２８と同位相で回転する。この内胴３４の回転によりローラナット３５も回転し、このローラナット３５に螺合している駆動軸２１が上昇或いは下降され、制御棒２５の引き抜き・挿入が行われる。

制御棒２５をスクラム動作させる場合には、コイル３９への通電を切れば、外胴側マグネット３７と内胴側マグネット３８間の吸着がなくなり、内胴３４が外胴２８のキー２８ａに沿って落下する。内胴３４に設けられたローラナット３５は駆動軸２１とネジ部を介して噛み合っているため、内胴３４、駆動軸２１、延長軸２３、制御棒２５は一体となって鉛直下方向へ自由落下する。自由落下した制御棒２５は、バンドルインバスケット１１の間を落下してスクラムが完了する。

上記スクラム時には、前記駆動軸２１に取り付けられた当て板４０がダンパー４１に衝突することにより衝撃が吸収され、その落下時の衝撃荷重はハウジング２６を介して原子炉圧力容器上部鏡板１９により支持される。

制御棒２５のスクラム後、駆動軸２１、延長軸２３および制御棒２５が下方に移動する方向にモータ３１を回転させる。このとき駆動軸２１、延長軸２３および制御棒２５はスクラム後、炉心支持板１４上に支持されている状態であり、鉛直下方への移動が拘束されているため、駆動軸２１、延長軸２３および制御棒２５に対して相対的に内胴３４がキー２８ａに沿って上昇する。このようにして内胴３４に装着されている内胴側マグネット３８が外胴側マグネット３７に接触するまで内胴３４を上昇させた後、コイル３９へ通電することにより、外胴側マグネット３７に内胴側マグネット３８が吸着して内胴３４が外胴２８に対して保持される。その後、モータ３１を駆動軸２１、延長軸２３および制御棒２５が上昇する向きに回転させることで、制御棒２５、延長軸２３、駆動軸２１が上昇し、制御棒２５が炉心１３に対して引き抜かれ、通常運転が可能となる。

制御棒２５の位置検出は、駆動軸２１内に設置された位置検出器４２により行う。すなわち、制御棒２５の動きは延長軸２３を介して駆動軸２１に伝えられるので、駆動軸２１の位置を位置検出器４２により検出することにより、制御棒２５の位置を確認することができる。

また、制御棒駆動機構２０を取り外す場合には、以下の手順で行う。すなわち、駆動軸２１の中心に設置された位置検出器４２を取り外した後、駆動軸２１の中心孔に治具を挿入し、駆動軸２１と延長軸２３間のグリッパ２２を切り離す。そこで治具を引っ張り上げ、駆動軸２１と内胴３４を最上部まで引き上げて治具を固定する。その後ハウジング上蓋２７を取り外し、外胴２８、内胴３４ごとハウジング２６を原子炉圧力容器１０外に取り出す。

ところで、上記実施の形態においてはハウジング２６にダンパー４１を設置したものを示したが、炉心支持板１４にダンパーを設置してスクラム時の荷重を吸収することもできる。また、外胴２８の内面に加工されたキー２８ａを螺旋状にすることにより、スクラム時の制御棒２５の落下速度を調整することもできる。

本発明の制御棒駆動機構の適用対象となる原子炉炉内構造の一例を示す図。本発明の制御棒駆動機構を説明するための全体図。制御棒駆動機構の縦断面図。図３のＡ−Ａ断面図。従来の沸騰水型原子炉の概略構成図。

符号の説明

１０原子炉圧力容器
１１バンドルインバスケット
１２燃料集合体
１３炉心
１４炉心支持板
１５シュラウド
１６上部格子板
１７シュラウドヘッド
１８制御棒案内管
１９原子炉圧力容器上部鏡板
２０制御棒駆動機構
２１駆動軸
２２、２４グリッパ
２３延長軸
２５制御棒
２６ハウジング
２７ハウジング上蓋
２８外胴
２９、３０ベアリング
３１モータ
３２モータ側マグネットカップリング
３３外胴側マグネットカップリング
３４内胴
３５ローラナット
３６バネ
３７外胴側マグネット
３８内胴側マグネット
３９コイル
４０当て板
４１ダンパー
４２位置検出器

Claims

原子炉圧力容器内の炉心に制御棒を上から下方に向けて挿入し、かつ下方から上方に向けて引抜操作を行うようにした制御棒駆動機構において、
圧力バウンダリである原子炉圧力容器上部鏡板の上方に設置されたモータと、
原子炉圧力容器上部鏡板を貫通するように配設されたハウジング内に回転可能に設けられ、前記モータによって回転される外胴と、
前記外胴内に設けられ、前記外胴によって回転されるとともに前記外胴内で前記外胴に対して上下方向に移動可能な内胴と、
前記内胴に装着されているローラナットと、
下端に制御棒が連結され、前記ローラナットと螺合するよう外周にねじ加工された駆動軸と、
を具備し、
前記外胴の上部に外胴側マグネットを設けるとともに、前記内胴の上部に内胴側マグネットを設け、
通常動作時には、前記外胴の外周に配設されたコイルに通電することにより前記内胴側マグネットを前記外胴側マグネットに吸着させ、これにより前記内胴の前記外胴に対する上下動を拘束する結合がなされ、前記モータによって前記外胴および内胴を介して前記ローラナットを回転させることにより、前記駆動軸を介して制御棒の上下動を行うことができ、
スクラム動作時には、前記コイルへの通電を切ることにより前記内胴側マグネットの前記外胴側マグネットへの吸着力がなくなり、これにより前記内胴の前記外胴に対する上下動を拘束する結合が断たれて前記内胴、前記ローラナット、前記駆動軸および前記制御棒が一体的に落下するようにしたことを特徴とする制御棒駆動機構。
前記外胴の上部外周を被覆するハウジング上蓋の外周に前記コイルが卷装されていることを特徴とする、請求項１記載の制御棒駆動機構。
前記モータ側に設けられたモータ側マグネットカップリングと、
前記モータ側マグネットカップリングと同心状に配設され前記ローラナットに回転力を伝動する外胴側マグネットカップリングと、
を更に具備し、
前記モータにより、前記モータ側マグネットカップリングおよび前記外胴側マグネットカップリングを介して前記ローラナットを回転させ、前記駆動軸を介して制御棒の上下動を行わせるようにしたことを特徴とする、請求項１または２記載の制御棒駆動機構。
前記ハウジング内の下端部にダンパーを設置するとともに、前記駆動軸に当て板を取付け、スクラム動作時に前記当て板が前記ダンパーに衝突し、その衝撃が吸収されるようにしたことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の制御棒駆動機構。
前記駆動軸にはグリッパを介して延長軸が連結され、さらにその延長軸にグリッパを介して制御棒が連結されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の制御棒駆動機構。
前記ローラナットと前記内胴との間には、前記ローラナットを下方に付勢しスクラム時に前記ローラナットにかかる荷重を吸収するバネが介装されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の制御棒駆動機構。