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発明の名称 制御棒駆動機構
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−114096(P2007−114096A)
公開日 平成19年5月10日(2007.5.10)
出願番号 特願2005−307046(P2005−307046)
出願日 平成17年10月21日(2005.10.21)
代理人 【識別番号】100078765
【弁理士】
【氏名又は名称】波多野 久
発明者 関口 晃一 / 鈴木 敏暁 / 衣笠 邦彦 / 石里 新一
要約 課題
制御棒駆動機構の駆動、制御に全て水圧を用い、原子炉圧力容器構造の小型化を推進する。

解決手段
水圧モータ用羽根車45の右回転用羽根車、左回転用羽根車に流す駆動水cを駆動水切換えバルブ40で切換え、回転軸23の右回転、左回転を制御し、回転軸23に分割型ボールナットを介して昇降軸14を連結することにより昇降軸14を上下に移動できるようにし、回転軸23の回転、停止切換え、プランジャ操作ピストン70を用いてプランジャロッド68、プランジャリング66、ボールナット着脱リンク67を介し、ボールナット32を開閉させ、昇降軸に連結した制御棒11の昇降、固定、スクラム等を行えるようにした。
特許請求の範囲
【請求項1】
沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器の下鏡内面よりも上方の部位に設けられた縦長筒状の制御棒駆動機構ハウジングと、この制御棒駆動機構ハウジング内に駆動水を導入する駆動水導入装置と、前記制御棒駆動機構ハウジング内に設けられ、導入された前記駆動水の水路および圧力を制御する駆動水制御機構部と、この駆動水制御機構部によって制御された駆動水を受けて前記制御棒駆動機構ハウジング内で回転力を発生する回転力発生機構部と、この回転発生機構部で発生する回転力により前記制御棒駆動機構ハウジング内の軸心周りで正逆いずれかの方向に回転する縦長な回転軸と、前記制御棒駆動機構ハウジング内で前記回転軸に動作変換機構部を介して係合し、前記制御棒駆動機構ハウジングの上下いずれかの方向に突出して昇降動作する昇降軸とを備え、前記昇降軸の先端に連結される制御棒を前記原子炉圧力容器の炉心内に上方から挿入・引抜きする構成としたことを特徴とする制御棒駆動機構。
【請求項2】
前記回転力発生機構部は、羽根ピッチ間の容積が一定とされた容積一定型羽根車を有し、当該羽根車から前記駆動水の供給量に比例する動力を前記回転軸に付与する構成とされている請求項1記載の制御棒駆動機構。
【請求項3】
前記制御棒駆動機構ハウジング内に、前記駆動水を導入して前記回転軸の径方向に沿う圧力を発生する径方向圧力発生機構部と、この径方向圧力発生機構部で発生した圧力により前記回転軸の外周面側に圧接するパッドを有する回転軸回転停止機構部とを設け、この回転軸回転停止機構部により前記回転軸の回転を停止させ、前記昇降軸の昇降動作を停止可能とした請求項1または請求項2記載の制御棒駆動機構。
【請求項4】
前記動作変換機構部は、前記回転軸の回転を前記昇降軸の昇降動作に変換するボールねじ機構部と、このボールねじ機構部の係合を解除できるリンク機構部とを有する構成とし、前記制御棒駆動機構ハウジング内には、前記駆動水を導入して前記回転軸の軸方向に沿う圧力を発生する軸方向圧力発生機構部と、この軸方向圧力発生機構部で発生した圧力により前記リンク機構部を動作させて前記ボールねじ機構部の係合を解除するボールねじ係合解除機構部とを設け、このボールねじ係合解除機構部により前記回転軸と前記昇降軸との係合を解除して前記制御棒を自重によって落下させることにより、制御棒スクラム動作を行う構成とした請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の制御棒駆動機構。
【請求項5】
前記駆動水制御機構部は、前記制御棒駆動機構ハウジング内に供給する前記駆動水の水路および水圧を切換える駆動水切換えバルブであり、この駆動水切換えバルブにより前記回転軸の回転方向制御、回転停止および前記昇降軸の解放動作を制御する構成とした請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の制御棒駆動機構。
【請求項6】
前記制御棒駆動機構ハウジングは、前記原子炉圧力容器内における前記炉心の上方、前記炉心の下方、または前記原子炉圧力容器の上鏡の外側に配設されている請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の制御棒駆動機構。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、沸騰水型原子炉(BWR)の原子炉圧力容器に設けられる制御棒駆動機構に係り、特に制御棒を炉心上方から鉛直下向きに挿入する水圧駆動型の制御棒駆動機構の改良に関するものである。
【背景技術】
【0002】
沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器に設けられる制御棒駆動機構(CRD)は一般的に、原子炉圧力容器の下鏡部の外側から炉内上方に向って貫通する制御棒駆動機構ハウジング(CRDハウジング)を設け、この制御棒駆動機構ハウジングに設けた水圧駆動機構によって制御棒(CRD)を炉内下方から昇降させ、炉心内への挿入および炉心からの引抜きを行う構成となっている。
【0003】
しかし、原子炉圧力容器の下鏡を貫通して設置される制御棒駆動機構では、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る。
【0004】
そこで、近年では、炉心上方に設けられた炉心上部機構に、原子炉制御棒駆動装置を据付け、この原子炉制御棒駆動装置の駆動部に制御棒延長管を着脱可能に保持する電磁石を設け、この電磁石の上方に制御棒の引抜を規制するロッドストップ装置を設けることにより、原子炉圧力容器の下鏡を貫通して設置される制御棒駆動機構に代わる構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
また、制御棒駆動機構の従来技術の一例として、電動駆動の制御棒駆動機構を原子炉圧力容器内に設置している例もある(例えば、非特許文献1参照)。
【特許文献1】特開平7−134192号公報
【非特許文献1】ToshihisaISHIDA他、In−vesse1 Tipe Contro1 Rod Drive Mechanism for Integra1−type Reactors−Deve1opment and Their App1ication−,GENES4/ANP2003,Sep.15−19.2003,Kyoto,JAPAN
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上述したように、従来の一般的な制御棒駆動機構は、原子炉圧力容器の下鏡に設置されている制御棒駆動機構ハウジングに固定されている。そのため、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る。
【0007】
一方、原子炉の設計基準事故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について、その構成を小さくすることが、安全性の面で必要とされる。
【0008】
また、従来提案されている電動駆動の制御棒駆動機構の場合、原子炉内の高温、高圧下に電気ケーブルを敷設し、原子炉圧力容器を電気ケーブルが貫通するため、耐高温、高圧の電気ケーブル、電気ケーブル貫通部を開発する必要がある。また、制御棒駆動機構が原子炉圧力容器の底部から外側へ設置されているため、制御棒駆動機構の取外しのために広いスペースが必要である。
【0009】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、原子炉圧力容器の下部構造が簡略化できるとともに、原子炉圧力容器の高さを低くし、ひいては原子炉格納容器を小さくすることができ、耐震設計上有利になるとともに、製造コストが低減でき、しかも原子炉設計基準事故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でき、安全性の面でも有効であり、さらに全て水圧により制御棒駆動機構が動作するようにして、駆動用電気ケーブル、原子炉圧力容器の電気ケーブル貫通部を不要化することができる制御棒駆動機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記の目的を達成するため、本発明では、沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器の下鏡内面よりも上方の部位に設けられた縦長筒状の制御棒駆動機構ハウジングと、この制御棒駆動機構ハウジング内に駆動水を導入する駆動水導入装置と、前記制御棒駆動機構ハウジング内に設けられ、導入された前記駆動水の水路および圧力を制御する駆動水制御機構部と、この駆動水制御機構部によって制御された駆動水を受けて前記制御棒駆動機構ハウジング内で回転力を発生する回転力発生機構部と、この回転発生機構部で発生する回転力により前記制御棒駆動機構ハウジング内の軸心周りで正逆いずれかの方向に回転する縦長な回転軸と、前記制御棒駆動機構ハウジング内で前記回転軸に動作変換機構部を介して係合し、前記制御棒駆動機構ハウジングの上下いずれかの方向に突出して昇降動作する昇降軸とを備え、前記昇降軸の先端に連結される制御棒を前記原子炉圧力容器の炉心内に上方から挿入・引抜きする構成としたことを特徴とする制御棒駆動機構を提供する。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、原子炉圧力容器の下鏡外方での制御棒駆動機構の突出部がなくなり、原子炉圧力容器の下部構造が簡略化される。したがって、原子炉圧力容器の高さが低くなり、ひいては原子炉格納容器が小さくなり、耐震設計上有利になるとともに、製造コストの低減が図れる。また、原子炉の設計基準事故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が小さくなることにより、安全性の向上も図れる。さらに、全て水圧により制御棒駆動機構が動作するため、電気ケーブル、原子炉圧力容器の電気ケーブル貫通部が不要となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、本発明に係る制御棒駆動機構の実施形態について図面を参照して説明する。
【0013】
[第1実施形態(図1〜図6)]
本発明の第1実施形態では、原子炉圧力容器内の最下端部に炉心が配置され、その上方に制御棒駆動機構が配置された構成について説明する。
【0014】
<全体構成>
図1は原子炉圧力容器の全体構成を示す断面図である。この図1に示すように、原子炉圧力容器1は、上面が開口する縦長な胴部2の下端に下鏡3が一体に設けられた容器本体部1aと、この容器本体部1aの上面を閉塞する上鏡4を有する上部蓋1bとにより構成されている。この原子炉圧力容器1内の最下端位置、すなわち下鏡3の内面よりも上方の部位である炉内底部近傍位置に炉心支持板5が設けられている。この炉心支持板5の上方には上部格子板6が設けられ、さらに上部格子板6の上方には制御棒駆動機構支持板7が設けられている。これら原子炉圧力容器1内の炉心支持板5、上部格子板6および制御棒駆動機構支持板7は、炉心シュラウド8によって囲まれている。
【0015】
炉心支持板5と上部格子板6との間には多数の燃料集合体9が装荷され、これにより炉心10が形成されている。各燃料集合体9は、縦長な四角筒状のチャンネルボックス内に複数本の燃料ピンが配設された構成のものである。
【0016】
上部格子板6と制御棒駆動機構支持板7との間には複数本の制御棒11が配置されている。これらの制御棒11は、炉心10の上方から炉心10内に向って鉛直下方に挿入し、また上方に引抜くことができるようになっている。なお、各制御棒11は十字型のブレードを有する縦長な構成のものであり、各ブレードが4体の燃料集合体9間に挿入される構成となっている。
【0017】
制御棒駆動機構支持板7上には、複数の制御棒駆動機構12が設けられている。これらの制御棒駆動機構12の構成については後に詳述するが、縦長な制御棒駆動機構ハウジング13と、制御棒駆動機構ハウジング13の下端から鉛直下方に延びた昇降軸14とを備えており、昇降軸14は、駆動水導入装置としての駆動水供給配管15を介して炉外から供給される駆動水cの水力のみを駆動源として昇降動作されるようになっている。そして、この昇降軸14の先端(下端)が制御棒11の上端に連結されている。これにより、制御棒11の挿入・引抜き操作およびスクラム操作等の全操作が水力のみによって行える構成となっている。
【0018】
なお、各制御棒駆動機構12の上端側には、それぞれ縦長管状のガイド部材16が設けられており、駆動水供給配管15はこれらのガイド部材16を介して制御棒駆動機構12に導かれている。
【0019】
また、制御棒11は挿入・引抜きの際、炉心10の上方領域では炉心10からの冷却水の流路であるガイドチムニー17の外周部によってガイドされ、また炉心10内の領域では燃料集合体9の外周部によってガイドされる。
【0020】
制御棒駆動機構12およびガイド部材16の上方には、これらを囲む配置でシュラウドヘッド18が搭載され、シュラウドヘッド18上には気水分離器19および蒸気乾燥器20等が設けられている。
【0021】
なお、原子炉圧力容器1の上下方向中間位置には、炉水wを導入するための炉水導入口21が設けられている。炉水の水位hは炉心10の上方所定位置、すなわち上部格子板6と制御棒駆動機構支持板7との間に設定されている。また、原子炉圧力容器1の上端位置には、蒸気Sを外部に供給するための蒸気出口22が設けられている。
【0022】
以上の構成により、本実施形態の沸騰水型原子炉では、炉心で加熱された炉水によりが上記発生が行われるとともに、炉水が自然循環する自然循環炉として構成されている。
【0023】
<詳細構成>
図2〜図6は、上述の制御棒駆動機構12の構成を詳細に示している。図2は、図1に示した制御棒駆動機構12(図1の「イ」部分)を拡大して示す縦断面図である。図3は図2のA−A線断面図であり、図4は図2のB−B線断面図である。図5は図2のC−C線断面図であり、図6は図2のD−D線断面図である。
【0024】
(1)制御棒駆動機構ハウジング、回転軸、昇降軸、動作変換機構部等
図2〜図4に示すように、本実施形態の制御棒駆動機構12は、縦長円筒状の制御棒駆動機構ハウジング13と、この制御棒駆動機構ハウジング13内の軸心周りで正逆回転できる縦長な回転軸23と、この回転軸23に係合して動作変換され上下方向に移動する昇降軸14とを備えている。
【0025】
制御棒駆動機構ハウジング13は、制御棒駆動機構支持板7上に固定される座部24aを有する上端開口の下部筒24と、この下部筒24の上端にフランジ部24b,25aを介して連結された上下端開口の上部筒25とにより構成されている。下部筒24の座部24a中心位置には、昇降軸14を挿通するための上下方向に沿う軸挿通孔26が穿設されている。上部筒25の上端には、図1に示したガイド部材16が搭載されている。なお、下部筒24の座部24aを制御棒駆動機構支持板7上に固定する固定具、およびフランジ部同士を接合する接合具その他の締結具等は図示を省略している。
【0026】
回転軸23は上部筒25と略同一長さの縦長な中空管であり、この回転軸23の下端部にはフランジ27が一体に形成されている。この回転軸23が、上部筒25の下端位置に設けられた下部軸受28および後述するボールナット機構部または図示省略の上部軸受等により、制御棒駆動機構ハウジング13内に回転自在に支持されている。
【0027】
また、昇降軸14は回転軸23の中空孔29内に挿通できる外径を有する縦長な軸であり、回転軸23の回転力を昇降動作に変換する動作変換機構部としてのボールねじ機構部30によって、昇降動作を行う構成となっている。すなわち、昇降軸14には上端部分から制御棒11の昇降ストロークに対応する下方長さ範囲に亘る外周面に螺旋溝31が刻設される一方、回転軸23の下端に形成されたフランジ部25aの内面側にボールナット32が設けられている。これら昇降軸14の螺旋溝31と回転軸23のボールナット32との間に複数のボール33が係合しており、回転軸23が一方向に回転(右回転)した場合、回転軸23と一体に回転するボールナット32の回転動作がボール33を介して昇降軸14の軸方向動作に変換されて上昇動作が行われる。また、回転軸23が他方向に回転(左回転)した場合、上記と逆に昇降軸14の下降動作が行われる。このような回転軸23の正逆方向の各回転により、その回転方向と回転量に対応して、昇降軸14が上昇および下降動作する。そして、昇降軸14の下端部が制御棒11の上端部に連結されており、この昇降軸14の昇降動作により制御棒11の炉心への挿入・引抜きが行われるようになっている。
【0028】
また、回転軸23および昇降軸14を貫通する配置で、昇降軸14の昇降位置を検出する位置検出装置34が設けられている。この位置検出装置34は、昇降軸14の上端部に連結した保持筒35内に設けられた位置検出要素としての磁石36と、回転軸23および昇降軸14の中心孔部分に上下方向に沿って挿通した縦長・小径な検出管37内に設けられた複数の磁気センサ38とにより構成されている。そして、昇降軸14の動作時に昇降軸14と同時に昇降する磁石36の位置が磁気センサ38によって検出され、検出信号が信号線39を介して例えばオペレーションフロア上の制御盤等に送信され、昇降軸14の高さ位置、ひいては制御棒11の挿入位置を検出することができるようになっている。
【0029】
(2)駆動水導入装置、駆動水制御機構部、回転力発生機構部等
図2〜図4に示すように、本実施形態では、制御棒駆動機構ハウジング13内に駆動水を導入する駆動水導入装置としての駆動水供給配管15と、制御棒駆動機構ハウジング13内に設けられ、導入された駆動水の水路および圧力を制御する駆動水制御機構部としての駆動水切換えバルブ40とを備えている。駆動水切換えバルブ40は、制御棒駆動機構ハウジング13内に供給する駆動水の水路および水圧を切換えるものであり、この駆動水切換えバルブ40により回転軸23の回転方向制御、回転停止および昇降軸14の解放動作を制御する構成となっている。
【0030】
すなわち、駆動水供給配管15は炉外から炉内に導入された後、ガイド部材16を介して制御棒駆動機構ハウジング13の上端部に導かれている。制御棒駆動機構ハウジング13の上端部内に設けられた駆動水切換えバルブ40は、駆動水供給配管15を介して導入された駆動水cを制御棒駆動機構ハウジング13内に設けられた水路への通水切換え、および水圧制御等を行う手段として、制御棒駆動機構ハウジング13の上端部に設けられた筒状のバルブケーシング41と、このバルブケーシング41内に設けられた弁体42によって構成されている。弁体42は、駆動水供給配管15を介して駆動水cとともに送られる信号水によって開閉制御され、駆動水cの流路切換え操作および水圧切換え操作等を行う構成となっている。
【0031】
また、本実施形態では、駆動水切換えバルブ40によって制御された駆動水cを受けて制御棒駆動機構ハウジング13内で回転力を発生する回転力発生機構部43を備えている。この回転力発生機構部43は、駆動水切換えバルブ40から供給される駆動水cの噴射および排出を行うための円筒状の流路部材44と、羽根ピッチ間の容積が一定とされた容積一定型の羽根車45を有する水力モータ46とからなり、羽根車45から駆動水cの供給量に比例する動力を回転軸23に付与する構成、すなわち容積式タービンとして構成されている。
【0032】
流路部材44は、制御棒駆動機構ハウジング13の上端部内周面に設けられた円筒状のケーシング44a内に複数段、例えば上下4段の水力モータ用流路47を形成した構成とされている。この水力モータ用流路部材44の上側の2段の水力モータ用流路47aは上方から見て右旋回用の水力モータ用流路とされ、これらの水力モータ用流路47aの先端にはそれぞれ対向する配置で駆動水噴射口48および駆動水排出口49が形成されている。また、水力モータ用流路部材44の下側の2段の水力モータ用流路47aは上方から見て左旋回用の水力モータ用流路とされ、これらの水力モータ用流路47aの先端にはそれぞれ対向する配置で駆動水噴射口50および駆動水排出口51が形成されている。図3には、上方から見て右旋回用の水力モータ46aの構成が示され、図4には、上方から見て左旋回用の水力モータ46bの構成が示されている。
【0033】
このように、水力モータ用各羽根車45は、互いに逆向きの羽根が右回転用羽根車45a、左回転用羽根車45bとして加工されている。そして、駆動水供給配管15からの駆動水cを駆動水切換えバルブ40で切換え、水力モータ用流路47を経由して右回転用羽根車45a、左回転用羽根車45bに流すことにより、水力モータ用羽根車45の右回転、左回転が可能となっている。水力モータ用羽根車45と回転軸23とは、キー52および締付具53により接続されており、水力モータ用羽根車45の回転が回転軸23に伝達されて一体回転するようになっている。
【0034】
また、本実施形態では上述したように、羽根車45の羽根間容積を一定とすることにより、羽根車45による回転軸23の回転用動力部を容積式水圧タービンとして構成し、駆動水cの羽根車45への供給量制御により回転制御を可能としている。そして、制御棒駆動機器ハウジング13内に供給する駆動水cの水路および水圧を切換える駆動水切換えバルブ40により、回転軸23の回転方向制御、停止および固定制御が可能となっている。駆動水切換えバルブ40を経由して水力モータ用羽根車45に入った水は、そのまま炉内に放出される。
【0035】
(3)径方向圧力発生機構部、回転軸回転停止機構部等
図2および図5に示すように、本実施形態では、さらに制御棒駆動機構ハウジング13内に、駆動水cを導入して回転軸23の径方向に沿う圧力を発生する径方向圧力発生機構部54と、この径方向圧力発生機構部54で発生した圧力により回転軸23の外周面側に圧接する回転軸回転停止パッド55を有する回転軸回転停止機構部56とが設けられている。
【0036】
そして、この回転軸回転停止機構部56により、回転軸23の回転を停止させ、昇降軸14の昇降動作を停止可能とすることにより、制御棒11を所定の炉心出力位置に保持できるようになっている。
【0037】
具体的には、回転軸回転停止機構部56に向かい合う配置で、回転軸23に回転軸回転停止用のパッド受体60がキー61を介して取付けられている。また、回転軸回転停止機構部56には、駆動水切換えバルブ40を経由して2本の回転軸回転停止用流路57が接続されており、この回転軸回転停止用流路57を介して供給される駆動水cを駆動水切換えバルブ40で切換え、回転軸回転停止用ピストン58を回転軸回転停止用シリンダ59内で加圧することにより、回転軸回転停止用ピストン58の外部に設けられたパッド55を、回転軸23に設けたパッド受体60に押付け、または引き離しすることができる構成となっている。
【0038】
そして、駆動水切換えバルブ40を信号水cによって切換えてパッド回転軸回転停止用ピストン58へ水圧をかけ、回転軸回転停止用ピストン58およびパッド55を回転軸23側に向って移動させ、パッド55を押圧する琴により、回転軸23の回転を停止し、ひいては制御棒11を固定することができる。
【0039】
逆に、回転軸回転停止用ピストン58への水圧を解除し、回転軸回転停止用ピスト58ンおよびパッド55を回転軸23側から離間する方向に移動させると、回転軸23の回転が行えるようになり、水力モータ用羽根車45の右回転用羽根車45a、左回転用羽根車45bへの駆動水cを駆動水切換えバルブ40で行うことが可能となり、水力モータ用羽根車45が左右に回転する。これにより分割型ボールナット32と回転軸23の外面に加工された螺旋溝31とが噛合い、回転軸23は上昇および下降(制御棒引抜・挿入)することができる。
【0040】
したがって、必要に応じて駆動水切換えバルブ40を制御し、水力モータ用羽根車45への駆動水cと、回転軸回転停止機構部56への駆動水cとを制御することにより、任意の位置へ制御棒11を移動し、固定させることができる。
【0041】
(4)ボールねじ機構部、リンク機構部、軸方向圧力発生機構部、ボールねじ係合解除機構部等
図2および図6に示すように、上述したボールねじ機構部30には、駆動水cの圧力でボールねじ機構部30による昇降軸14の昇降方向の係合を解除させ、制御棒11の自重による下降を許容するスクラム動作を行うことができる構成となっている。
【0042】
すなわち、回転軸23の回転を昇降軸14の昇降動作に変換する上記の機構とともに、昇降軸14とボールナット32との係合を解除できるリンク機構部62と、制御棒駆動機構ハウジング13内に駆動水cを導入して回転軸23の軸方向に沿う圧力を発生する軸方向圧力発生機構部63と、この軸方向圧力発生機構部63で発生した圧力によりリンク機構部62を動作させてボールねじ機構部30の係合を解除するボールねじ係合解除機構部64とが設けられている。このボールねじ係合解除機構部64により回転軸23と昇降軸14との係合を解除して昇降軸14の解放動作を行い、制御制御棒11を自重によって落下させることにより、制御棒スクラム動作を行う構成となっている。
【0043】
具体的には、図2および図6に示すように、ボールナット32は回転軸23のフランジ27内に支点軸65を介して上端が支持された二分割ナットとして構成されている。これらのボールナット32の下端部が昇降軸14の螺旋溝31から離間する方向(矢印d方向)に移動可能な構成となっている。そして、このボールナット32の下端部が昇降軸14の螺旋溝31から離間する方向に移動した場合には、昇降軸14がボールナット32による拘束を解除され、自重によって落下するようになっている。
【0044】
すなわち、各ボールナット32の下端部は、回転軸23の下端部に昇降可能に設けられた下端開口の冠状体(以下、「プランジャリング」という。)66の下端部に、連結用のリンクアーム(以下、「ボールナット着脱リンク」という。)67およびピン67a,67bを介して連結されている。そして、プランジャリング66の上端部が回転軸23の下端面に当接する高さに保持されている場合(図2の実線の位置にある場合)には、ボールナット32の下端部が昇降軸14の螺旋溝31側に移動して昇降軸14がボールナット32によって拘束されているが、プランジャリング66が一定位置まで下降した場合(図2の仮想線参照)には、ボールナット着脱リンクに下方外向きの引張り力が発生し、ボールナット32の下端部が昇降軸14の螺旋溝31から離間する方向に移動して、昇降軸14がボールナット32から開放される構成となっている。
【0045】
プランジャリング66の上端には、上向きの縦ロッド(以下、「プランジャロッド」という。)68が連結ねじ68aを介して連結されており、このプランジャロッド68は回転軸23のフランジ27を上方に貫通して、その上方に設けられたリング状の縦軸型のシリンダ(以下、「プランジャ操作シリンダ」という。)69に挿入され、このプランジャ操作シリンダ69のシリンダ室69a内に設けられた昇降ピストン(以下、「プランジャ操作ピストン」という。)70に一体昇降可能に連結されている。プランジャ操作ピストン70は、回転軸23の外周面に水密接触状態で被嵌されている。プランジャ操作ピストン70は、プランジャ操作シリンダ69の上面側から圧縮ばね71により下向きに加圧されており、この圧縮ばね71によりプランジャロッド68を介してボールナット32が開放する方向に付勢されている。
【0046】
プランジャ操作シリンダ69には、駆動水流路(以下、「プランジャ操作用流路」という。)72を介して上述した駆動水切換えバルブ40が接続されている。常時の制御時においては、この駆動水切換えバルブ40から駆動水制御によりプランジャ操作用流路72を介して駆動水cがプランジャ操作シリンダ69の下面側に供給されており、信号水によりスクラム指令が伝達された場合には、駆動水cの供給が停止される構成となっている。
【0047】
このように、プランジャ操作シリンダ69に駆動水供給配管15からの駆動水cを駆動水切換えバルブ40により入切し、プランジャ操作用流路72に駆動水cを制御することにより、上下方向に駆動する。プランジャ操作ピストン70に水圧がかかっていない時には、プランジャ操作ピストン70が圧縮ばね71によって下方に押し下げられ、プランジャ操作シリンダ69に上向きの水圧がかかると、プランジャ操作ピストン70が押し上げられる。そして、プランジャ操作ピストン70の上下方向の動作は、プランジャロッド68、プランジャリング66およびボールナット着脱リンク67を介して分割型ボールナット32に伝達され、プランジャ操作シリンダ69に水圧が掛ってプランジャ操作ピストン70が上方向に押上げられている時には、ボールナット着脱リンク67が分割型ボールナット32を内側に押し込むように作用し、分割型ボールナット32は閉じており、回転軸23の螺旋溝31と噛合っている。
【0048】
一方、駆動水切換えバルブ40が切換り、プランジャ操作ピストン70への水圧が抜けると、プランジャ操作ピストン70は圧縮ばね71の弾性力により下方に押し下げられ、プランジャロッド68およびプランジャリング66を介してボールナット着脱リンク67が回転し、分割型ボールナット32が開く方向(矢印d方向)に作用する。分割型ボールナット32が開くと、昇降軸14の拘束が解除され、昇降軸14は鉛直下方向に自由落下する。
【0049】
したがって、本実施形態では、制御棒11を緊急挿入(落下)させるためには、駆動水切換えバルブ40を切換えて、プランジャ操作ピストン70への水圧を解除する。これにより、プランジャ操作ピストン70が圧縮ばね71により下方に押し下げられ、プランジャロッド68、プランジャリング66およびボールナット着脱リンク67を介して分割型ボールナット32が開動し、昇降軸14およびこれにれ連結された制御棒11が自由落下を始め、自由落下した制御棒11は、ガイドチムニー14の間を落下して、燃料集合体5に挿入される。
【0050】
(5)作用
以上の構成において、原子炉運転を行う場合には、炉外から原子炉圧力容器内に引き込まれた駆動水供給配管15を介して供給される駆動水cを、駆動水切換えバルブ40により水力モータ用羽根車45の右回転用羽根車45aと左回転用羽根車45bとに切換えて供給し、水力モータ用羽根車45と回転軸回転停止機構部56の切換え作用およびプランジャ操作ピストン70への駆動水cの制御を行う。
【0051】
水力モータ用羽根車45と回転軸23とはキー20により接続され、水力モータ用羽根車45の回転が回転軸23に伝わる。そして、回転軸23が回転することにより昇降軸14が上下方向に移動する。駆動水切換えバルブ40を経由して水力モータ用羽根車45に入った駆動水cは、そのまま炉内に放出される。
【0052】
また、回転軸23と回転軸回転停止用のパッド受体60とはキー21により接続され、回転軸23の回転が回転軸回転停止用のパッド受体60に伝わる。回転軸回転停止機構部56には駆動水切換えバルブ40を経由して2本の回転軸回転停止用流路57が接続されており、この回転軸回転停止用流路57への駆動水cを駆動水切換えバルブ40で切換え、回転軸回転停止用ピストン58により56内の回転軸回転停止用シリンダ59内を加圧することにより、回転軸回転停止用ピストン58のパッド55を回転軸23側に押付けることができる。
【0053】
回転軸回転停止用ピストン58の回転軸回転停止パッド55が回転軸23のパッド受体60に押付けられると、回転軸23の回転が停止する。回転軸回転停止用ピストン58がパッド55側へ押付けられている場合は、駆動水切換えバルブ40により水力モータ用羽根車45には駆動水cは流れないように制御される。このように、駆動水切換えバルブにより水力モータ用羽根車45と回転軸回転停止機構部56への駆動水cを切換えることにより回転軸23の回転、停止の制御を行うことができる。
【0054】
そこで、通常の原子炉運転時において、制御棒11をの反応度調整のために上昇、下降(引抜、挿入)させる場合には、駆動水切換えバルブ40を切換えてプランジャ操作ピストン70へ水圧をかけ、プランジャ操作ピストン70、プランジャロッド68およびプランジャリング66を上昇させ、ボールナット着脱リンク67を回転させ、分割型ボールナット32を回転軸23に押付ける。
【0055】
この押付け状態で、水力モータ用羽根車45の右回転用羽根車45、左回転用羽根車45への駆動水cを駆動水切換えバルブ40で行うことにより、水力モータ用羽根車45ひいては回転軸23が左右に回転する。そして、分割型のボールねじ機構部30により、昇降軸11を上昇または下降(引抜、挿入)させることができる。この操作により、任意の位置に制御棒11を移動、固定させることができる。
【0056】
また、プランジャ操作ピストン70は、駆動水供給配管15からの駆動水cを駆動水切換えバルブ40により入切し、プランジャ操作用流路72への駆動水cを制御することにより上下方向に駆動する。プランジャ操作ピストン70に水圧がかかっていない時には、プランジャ操作ピストン70は圧縮ばね71により下方に押し下げられている。プランジャ操作ピストン70に水圧がかかると、プランジャ操作ピストン70は上方に押し上げられる。プランジャ操作ピストン70の上下方向の動作は、プランジャロッド68、プランジャリング66、ボールナット着脱リンク67を介して分割型ボールナット32に伝達される。
【0057】
プランジャ操作ピストン70に水圧がかかり、プランジャ操作ピストン70が上方向に押し上げられている時には、ボールナット着脱リンク67は分割型ボールナット32を内側に押し込むように作用し、分割型ボールナット32は閉じており回転軸23のねじ部と噛合っている。
【0058】
駆動水切換えバルブ40が切換り、プランジャ操作ピストン70への水圧が抜けると、プランジャ操作ピストン70は圧縮ばね71の力により下方に押し下げられ、プランジャロッド68、プランジャリング66を介してボールナット着脱リンク67が回転し、分割型ボールナット32が開く方向に作用し、分割型ボールナット32は開く。分割型ボールナット32が開くと、昇降軸14の拘束が無くなり、昇降軸14は鉛直下方向に自由落下する。自由落下した制御棒11は、ガイドチムニー14の間を落下して、燃料集合体5に挿入される。これにより、原子炉スクラムが行える。
【0059】
<第1実施形態の効果>
本発明の第1実施形態によれば、原子炉圧力容器の炉心内に制御棒11を挿入または引抜いて当該炉心を制御する制御棒駆動機構において、駆動水cを切換えることにより回転軸23の右回転、左回転、停止、固定、解放することができる。
【0060】
また、本実施形態によれば、制御棒駆動機構内にプランジャ操作シリンダ69、プランジャロッド68を設け、駆動水切換えバルブによりプランジャ操作シリンダ69を駆動させ、ボールナット32を動作することにより、制御棒11の落下、固定を切換えることができる。
【0061】
また、本実施形態によれば、容積式水圧タービンを用いることにより、減速機構を用いる必要がなく、低回転、大トルクを得ることができる。
【0062】
また、本実施形態によれば、制御棒駆動機構12の内部に駆動水切換えバルブ40、水力モータ用羽根車45、回転軸回転停止機構部56、プランジャ操作シリンダ69、分割型ボールナット32等を備え、このような水圧駆動型制御棒駆動機構に炉外から水を供給する構成とすることにより、原子炉圧力容器1内に制御棒駆動機構12を内蔵することが可能となる。
【0063】
以上の結果、原子炉圧力容器1の下鏡3外方での制御棒駆動機構12の突出部がなくなり、原子炉圧力容器1の下部構造が簡略化される。したがって、原子炉圧力容器1の高さが低くなり、ひいては原子炉格納容器1が小さくなり、耐震設計上有利になるとともに、製造コストの低減が図れる。また、原子炉の設計基準事故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1が小さくなることにより、安全性の向上も図れる。さらに、全て水圧により制御棒駆動機構12が動作するため、電気ケーブル、原子炉圧力容器の電気ケーブル貫通部が不要となり、構成の簡略化が図れる。
【0064】
[第2実施形態(図7)]
図7は、本発明の第2実施形態を示している。すなわち、本実施形態では、炉心が原子炉圧力容器の低部よりも高い位置に配置され、制御棒駆動機構が原子炉圧力容器内における炉心の下側に設置されている。そして、施魚棒駆動機構の昇降軸14が原子炉圧力容器内中央高さ付近まで立上り、制御棒11の上端に連結されている。そして、制御棒11を炉心の上側から下側に向かって挿入する構成となっている。なお、他の各構成については第1実施形態と略同様である。
【0065】
このような実施形態においても、原子炉圧力容器の下鏡外方での制御棒駆動機構の突出部がなくなり、原子炉圧力容器の下部構造が簡略化され、原子炉圧力容器の高さ低下、原子炉格納容器が小型等が図れる。
【0066】
[第3実施形態(図8)]
図8は、本発明の第3実施形態を示している。この実施形態では、図8に示すように、制御棒駆動機構が原子炉圧力容器の上鏡の外側(上側)に設置され、制御棒11を炉心の上方から下方に向かって挿入する構成とされている。すなわち、この実施形態では炉心が原子炉圧力容器内の炉底部に配置されており、上鏡の上側に設置された制御棒駆動機構の昇降軸14が原子炉圧力容器の上鏡を貫通し、案内管を介して炉内に垂下し、炉心上方に配置された制御棒11の上端に連結されている。なお、他の各構成については第1実施形態と略同様である。
【0067】
このような実施形態においても、原子炉圧力容器の下鏡外方での制御棒駆動機構の突出部がなくなり、原子炉圧力容器の下部構造が簡略化され、原子炉圧力容器の高さ低下、原子炉格納容器が小型等が図れる。
【0068】
[他の実施形態]
本発明では、上記各実施形態の構成以外に種々の変形が可能である。例えば、制御棒駆動機構ハウジング13は、原子炉圧力容器内における炉心の上方または下方、ないし原子炉圧力容器の上鏡の外面側のいずれか一の部位に配設されていればよい。
【0069】
また、回転軸回転停止用ピストン58に代えてディスクブレーキを用いて回転軸23の停止機構とすることも可能である。さらに、容積式の水力モータ用羽根車45に代えて反動タービン、衝動タービン式の水力モータ用羽根車を適用することも可能である。
【0070】
また、減速機構を取り付け、水力モータ用羽根車45の回転数を制御することも可能である。さらに、回転軸23の固定、解放機構として分割型ボールナット32に代えて、分割型ローラナットや分割型ねじを利用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0071】
【図1】本発明に係る制御棒駆動機構の第1実施形態を説明するための原子炉圧力容器内配置を示す全体構成図。
【図2】発明に係る制御棒駆動機構の第1実施形態を説明するための要部拡大断面図。
【図3】図2のA−A線断面図
【図4】図2のB−B線断面図
【図5】図2のC−C線断面図
【図6】図2のD−D線断面図
【図7】本発明に係る制御棒駆動機構の第2実施例を説明するための炉内配置図。
【図8】本発明に係る制御棒駆動機構の第3実施例を説明するための炉内配置図。
【符号の説明】
【0072】
1 原子炉圧力容器
3 下鏡
5 炉心支持板
10 炉心
11 制御棒
12 制御棒駆動機構
13 制御棒駆動機構ハウジング
14 昇降軸
15 駆動水供給配管
23 回転軸
30 ボールねじ機構部(動作変換機構部)
40 駆動水切換えバルブ(駆動水制御機構部)
43 回転力発生機構部
45 羽根車
54 径方向圧力発生機構部
56 回転軸回転停止機構部
63 軸方向圧力発生機構部
64 ボールねじ係合解除機構部




 

 


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