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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2007−232435(P2007−232435A)
公開日 平成19年9月13日(2007.9.13)
出願番号 特願2006−51810(P2006−51810)
出願日 平成18年2月28日(2006.2.28)
代理人 【識別番号】100064414
【弁理士】
【氏名又は名称】磯野 道造
発明者 土屋 孝浩 / 赤塚 宏一
要約 課題
制御棒の停止位置精度を向上した制御棒駆動機構を提供する。

解決手段
自然循環式沸騰水型原子炉100の原子炉圧力容器101の下方に配置される制御棒駆動機構104は、制御棒1の下端に連結された中空ピストン7と、中空ピストン7の下方に配置され、中空ピストン7を載置するボールナット8と、ボールナット8に螺合して、その回転運動によりボールナット8を上下運動させるボールねじ9と、ボールねじ9に動力を伝達する磁気継手11,12と、磁気継手11,12を介してボールねじ9に回転運動をさせるインダクションモータ5と、を備え、ボールナット8およびボールねじ9におけるねじのピッチP1は、強制循環式沸騰水型原子炉における当該ねじのピッチP2よりも小さく設定されていること、を特徴とする。
特許請求の範囲
【請求項1】
燃料集合体が装荷された炉心と、
前記炉心の上方に配置され、前記炉心での核反応により発生した気液二相流の上昇流路となるチムニと、
前記チムニの上方に配置され、前記炉心での核反応により発生した気液二相流を飽和蒸気と飽和水に分離する気水分離器と、
前記気水分離器の上方に配置され、前記気水分離器から得られた飽和蒸気に含まれる湿分を除去する蒸気乾燥器と、
を備えた自然循環式沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器下方に配置される制御棒駆動機構であって、
制御棒下端に連結された中空ピストンと、
前記中空ピストンの下方に配置され、前記中空ピストンを載置するボールナットと、
前記ボールナットに螺合して、その回転運動により前記ボールナットを上下運動させるボールねじと、
前記ボールねじに動力を伝達する継手と、
前記継手を介して前記ボールねじに回転運動をさせる電動機と、を備え、
前記ボールナットおよび前記ボールねじにおけるねじのピッチは、強制循環式沸騰水型原子炉における当該ねじのピッチよりも小さく設定されていること、
を特徴とする制御棒駆動機構。
【請求項2】
前記継手は、磁気継手であることを特徴とする請求項1に記載の制御棒駆動機構。
【請求項3】
前記電動機は、インダクションモータであることを特徴とする請求項1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、軽水炉としての沸騰水型原子炉(以下、BWR(Boiling Water Reactor)ともいう。)に使用される制御棒駆動機構(CRD(Control Rod Drive))に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、BWRの原子炉圧力容器には、減速材を兼ねた冷却材(軽水)が収容されるとともに、その中央部分に、多くの燃料集合体が装荷された炉心が配置される。燃料集合体の間には、制御棒が挿入・引抜き自在に設置されている。そして、原子炉の起動・停止、反応度補償、負荷追従などの制御は、炉心に対し制御棒を挿入・引抜きすることにより行われる。この制御棒は、原子炉圧力容器下方に備えられた制御棒駆動機構によって昇降駆動される。
【0003】
制御棒駆動機構は、原子炉圧力容器下方に接続したハウジング内において、制御棒の下端に連結された中空ピストンを、ボールねじに螺合されたボールナット上に載置するように構成されており、ボールねじを回転させ、ボールナットを上下動させて制御棒を昇降駆動するようになっている。ボールねじは、ハウジングの下端に設置されたインダクションモータなどの電動機によって駆動される。電動機の回転は、磁気継手を介してハウジング内の伝達軸を回転させ、伝達軸に接続されたボールねじに回転が伝達される。ボールねじの回転運動はボールナットの上下運動に変換され、中空ピストンを介して制御棒を上下動させるようになっている(例えば、特許文献1参照)。また、制御棒停止時の位置保持は、電動機に取り付けられた保持ブレーキを作動させることによって行う。
【特許文献1】特開平8−82690号公報(段落0061、図1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、電動機としてインダクションモータを使用した従来の制御棒駆動機構では、制御棒の駆動制御、特に制御棒の駆動停止の際、インダクションモータの出力軸が制御棒停止指令を受けても慣性によってすぐには回転を停止できず、停止するまでの時間、回転を続ける。そのため、磁気継手を介してボールねじが回転してしまい、制御棒停止指令から制御棒停止までに、ボールナットや中空ピストンを介して制御棒が余分に上下動をすることになる。このように、従来の制御棒駆動機構には、制御棒の停止位置精度が低いという問題があった。
【0005】
近年、開発が進んでいる高経済自然循環式BWR(ES(Economic Simplified)BWR)では、炉心の上方にチムニ、気水分離器、蒸気乾燥器などが配置されているので、原子炉圧力容器の高さが高くなり、建設コストの増大を招く要因となっていた。そのため、炉心の燃料集合体の長さ(高さ)を従来の0.8倍程度に短く(低く)することで、原子炉圧力容器全体の高さを抑えて、建設コスト増大の抑制を図っている。
【0006】
このように燃料集合体が短い(低い)ESBWRでは、インダクションモータの慣性による回転に起因する制御棒の上下動が、原子炉の出力制御に大きな影響を与えることになる。したがって、原子力プラントの安定した運転のために、より高い制御棒の停止位置精度が要求される。
【0007】
そこで、本発明は、制御棒の停止位置精度を向上した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】
【0008】
前記課題を解決するために、本発明は、燃料集合体が装荷された炉心と、炉心の上方に配置され、炉心での核反応により発生した気液二相流の上昇流路となるチムニと、チムニの上方に配置され、炉心での核反応により発生した気液二相流を飽和蒸気と飽和水に分離する気水分離器と、気水分離器の上方に配置され、気水分離器から得られた飽和蒸気に含まれる湿分を除去する蒸気乾燥器と、を備えた自然循環式沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器下方に配置される制御棒駆動機構であって、制御棒下端に連結された中空ピストンと、中空ピストンの下方に配置され、中空ピストンを載置するボールナットと、ボールナットに螺合して、その回転運動によりボールナットを上下運動させるボールねじと、ボールねじに動力を伝達する継手と、継手を介してボールねじに回転運動をさせる電動機と、を備え、ボールナットおよびボールねじにおけるねじのピッチは、強制循環式沸騰水型原子炉における当該ねじのピッチよりも小さく設定されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明の制御棒駆動機構によれば、制御棒の停止位置精度を向上した制御棒駆動機構を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
本発明の実施形態に係る原子力発電システムについて、適宜図面を参照しながら説明する。
なお、一般に、沸騰水型原子炉内の冷却材(軽水)の駆動方法は2通りあって、一つは再循環ポンプを用いて冷却材を強制循環させる方法であり、もう一つは再循環ポンプを用いないで冷却材を自然循環させる方法である。本実施形態は、後者の自然循環させる方法である。
【0011】
図1は、原子力発電システムの概略を示す全体構成図である。前記した自然循環による方法では、図1に示すように、原子炉圧力容器101の内部において、多数の燃料集合体102を配置する炉心108で発生するボイド、すなわち、蒸気(気相)と飽和温度の冷却材(液相)の混合した密度の低い冷却材と、給水加熱器140から供給される給水と混合された冷却材(液相)との比重差によって、自然循環に必要な駆動力を得ることができる。
【0012】
図1に示すように、本実施形態の自然循環式沸騰水型原子炉100は、円筒状の原子炉圧力容器101の内部に、炉心シュラウド108aが、同心の円筒状に設けられている。この炉心シュラウド108aの内部には、多数の燃料集合体102が配置された炉心108が設けられている。この炉心108の下方には制御棒案内管103や制御棒駆動機構104が、上方にはチムニ105、気水分離器106、蒸気乾燥器107などが配置されている。また、炉心シュラウド108aの外側面と原子炉圧力容器101の内側面との間隙に、ダウンカマ109と呼ばれる環状空間が形成されている。さらに、原子炉圧力容器101の内部には、減速材を兼ねた冷却材が収容されている。
【0013】
燃料集合体102は、炉心108に配置されるものであり、自然循環式沸騰水型原子炉100への燃料(ウランなど)の装荷および取出しに際して、ばらばらにならずに一体として取り扱えるようにした燃料の集合体である。
炉心108は、その下部に炉心支持板108bを、上部に上部格子板108cを設け、燃料集合体102と制御棒の横方向の配置を決めている。
炉心支持板108bには、所定の間隔で円形の図示しない貫通孔が設けられ、その貫通孔に制御棒案内管103が挿入される。この制御棒案内管103の下部には、原子炉圧力容器101の下鏡部(容器底部)を貫通した制御棒駆動機構104が設けられている。
なお、燃料集合体102と制御棒駆動機構104は、少なく図示しているが、実際には多数存在する。
【0014】
チムニ105は、原子炉圧力容器101と同心の円筒状であり、内部を仕切り板で格子状に仕切った格子流路を有している。このチムニ105の上端は、シュラウドヘッド106aで閉じられ、このシュラウドヘッド106aには、所定の数の冷却材通過用の孔が設けられている。この孔はスタンドパイプ106bを介して気水分離器106につながっている。
気水分離器106は、チムニ105から供給される冷却材の気液二相流(気体と液体が共存する流れ)を、気相の飽和蒸気と液相の飽和水に分離する。なお、シュラウドヘッド106aとスタンドパイプ106bと気水分離器106は一体に組み立てられており、燃料交換時には、一体でチムニ105の上端から取り外し可能な構成になっている。
蒸気乾燥器107は、気水分離器106から得られた飽和蒸気に含まれる湿分を除去する装置である。
【0015】
タービン110は、自然循環式沸騰水型原子炉100から蒸気出口ノズル101aを経由して供給された飽和蒸気によって発電機を駆動して発電を行うものである。
復水器120は、海水を循環させることなどによってタービン110から供給される蒸気を冷却し(そのための循環ポンプなどは図示せず)、水に液化させるものである。
【0016】
給水ポンプ130は、復水器120から供給された水を吸引し、自然循環式沸騰水型原子炉100に給水加熱器140や給水入口ノズル101bを経由して供給するものである。
給水加熱器140は、給水ポンプ130から供給された水を、炉内に供給するのに適した温度に加熱する装置である。
【0017】
続いて、原子力発電システムSにおける動作の概要を説明する。
まず、自然循環式沸騰水型原子炉100において、給水加熱器140から給水入口ノズル101bを経由して供給される水と、気水分離器106で分離された飽和水とが混合し、その混合水がダウンカマ109を下降して炉心108に供給される。
【0018】
炉心108に供給された混合水は、炉心108での核反応により加熱され、飽和状態の気液二相流となり、チムニ105の内部の格子流路を上昇して、気水分離器106に供給される。気水分離器106に供給された気液二相流は、気相の飽和蒸気と液相の飽和水に分離される。
飽和蒸気は、蒸気乾燥器107で湿分が除去され、蒸気出口ノズル101aを経由してタービン110に導かれる。一方、飽和水は給水加熱器140から給水入口ノズル101bを経由して供給される水と混合して、ダウンカマ109を下降する。
【0019】
タービン110では、供給された飽和蒸気により発電機を駆動して発電を行い、復水器120では、タービン110から供給された蒸気を冷却することにより液化する。
給水ポンプ130は、復水器120で液化された水を吸引して自然循環式沸騰水型原子炉100に給水入口ノズル101bを経由して供給し、その途中経路に配置された給水加熱器140は、その水を炉内に供給するのに適した温度に加熱する。
【0020】
以上のような原子力発電システムSにおける各構成のうち、本発明は、制御棒駆動機構104に関するものである。以下、図2を参照しながら、本発明の実施形態に係る制御棒駆動機構104について詳細に説明する(適宜図1参照)。図2は、本実施形態に係る制御棒駆動機構の構造図である。
【0021】
制御棒1は、複数の燃料集合体102の間に挿入・引抜き自在に設置され、原子炉圧力容器101の下鏡部に貫通して設けられた制御棒駆動機構104によって昇降駆動されるようになっている。この制御棒1の挿入・引抜きにより、自然循環式沸騰水型原子炉100における燃料反応度の調整、すなわち、原子炉の出力制御が行われる。
【0022】
制御棒駆動機構104の筺体部分は、原子炉圧力容器101の下鏡部に接続されたハウジング2と、そのハウジング2の下部フランジにボルト締結されたアウターチューブ3と、そのアウターチューブ3とボルト締結されたスプールピース4とから構成されている。スプールピース4の下方には、制御棒駆動機構104の動力源であるインダクションモータ5が着脱可能に設けられている。また、インダクションモータ5の上方には、制御棒1の位置保持を行う保持ブレーキBKが取り付けられる。
【0023】
ハウジング2およびアウターチューブ3の内側には、制御棒1の下端にカップリング6を介して連結された中空ピストン7と、その中空ピストン7が載置されたボールナット8と、そのボールナット8が螺合され、上端側が中空ピストン7に収容されたボールねじ9とが設けられている。また、中空ピストン7およびボールナット8には、それぞれに、対をなすローラ7a,8aが、ガイドチューブ3aの内周面に形成された軸方向のガイドレール3bを挟持するように取り付けられている。
【0024】
スプールピース4の内部には、伝達軸10、軸受部10a、ボールねじ9の下端側に接続されたギアカップリング19、および、伝達軸10の上端側に接続されたギアカップリング20が設けられており、ギアカップリング19および20は互いに連結されている。さらに、スプールピース4には、このスプールピース4を挟んで対向配置された一対の磁気継手、すなわち、内側磁気継手11と外側磁気継手12とが設けられており、内側磁気継手11は伝達軸10に接続され、外側磁気継手12はインダクションモータ5の出力軸5aに接続されている。
【0025】
続いて、制御棒駆動機構104における動作の概要について説明する。
インダクションモータ5が駆動すると、出力軸5aを介して外側磁気継手12が回転し、外側磁気継手12と内側磁気継手11との間で作用する磁力によって回転トルクが伝達されて、内側磁気継手11が回転する。これにより、内側磁気継手11に接続された伝達軸10、伝達軸10に接続されたギアカップリング20、および、ボールねじ9に接続されたギアカップリング19を介してボールねじ9が回転し、ボールナット8および中空ピストン7が上下方向に移動する。この際、中空ピストン7およびボールナット8は、ローラ7a,8aを介してガイドレール3bにより回転が規制されている。そして、ボールナット8および中空ピストン7の上下方向の移動により制御棒1が昇降駆動する。
このようにして、制御棒1の炉心108への挿入・引抜きの量が調整され、原子炉の出力制御が行われる。また、インダクションモータ5の停止時には、保持ブレーキBKを作動させて制御棒1の位置保持を行う。
【0026】
以上が本実施形態に係る制御棒駆動機構104の構造および動作の概要である。
前記した通り、インダクションモータ5の出力軸5aは、制御棒停止指令を受けても慣性によってすぐには回転を停止できないため、停止するまでの時間、回転を続ける。そのため、ボールねじ9が回転してしまいボールナット8や中空ピストン7を介して制御棒1が上下動することになる。燃料集合体102の長さ(高さ)が短い(低い)自然循環式沸騰水型原子炉100では、以上のような制御棒1の上下動は、わずかではあっても原子炉の出力制御に大きな影響を与えることになる。
【0027】
そこで、本実施形態に係る制御棒駆動機構104では、図3に示した、比較例のボールねじ9bよりもピッチが小さく設定されたボールねじ9aを使用する。図3は、本実施形態に係る制御棒駆動機構で使用されるボールねじ(a)と比較例のボールねじ(b)のピッチを比較した模式図である(適宜図1、図2参照)。
なお、ボールナット8は、本実施形態の制御棒駆動機構104で使用されるボールねじ9aに螺合すればよい。
【0028】
制御棒駆動機構104では、ボールねじ9のピッチは、インダクションモータ5が一回転するときのボールナット8の上下動距離(リード)に等しくなる。
比較例のボールねじ9bのピッチP2は、12mmであるから、インダクションモータ5が一回転するときの制御棒1の上下動距離(リード)は12mmとなる。しかし、本実施形態の制御棒駆動機構104で使用されるボールねじ9aのピッチP1は、例えば、10mmであるから、インダクションモータ5が一回転するときの制御棒1の上下動距離(リード)は10mmとなる。したがって、本実施形態の制御棒駆動機構104で使用されるボールねじ9aは、インダクションモータ5が一回転するときの制御棒1の上下動距離(リード)を短くすることができる。
【0029】
このように、本実施形態の制御棒駆動機構104で使用されるボールねじ9aは、インダクションモータ5が一回転するときの制御棒1の上下動距離(リード)を短くすることができるので、制御棒停止指令から制御棒停止までのインダクションモータ5の回転回数が同じであれば、停止指令からの制御棒1の上下動距離が短くなり、制御棒1の停止位置精度を向上することができる。
【0030】
また、制御棒1を上下動させるための軸方向荷重はボールねじ9により回転トルクに変換されるが、その回転トルクはボールねじ9のピッチに比例するため、ピッチが小さく設定されたボールねじ9aを使用すれば、回転トルクを小さくすることができる。このように、回転トルクを小さくすれば磁気継手11,12の伝達トルクおよび保持ブレーキBKの保持トルクも小さくてすむため、磁気継手11,12および保持ブレーキBKを小型化することが可能となる。
【0031】
磁気継手11,12と保持ブレーキBKは制御棒駆動機構104の長手方向に配置されるため、磁気継手11,12と保持ブレーキBKを小型化すれば制御棒駆動機構104の全長Lを短くすることができる。これにより、原子炉圧力容器101と制御棒駆動機構104を収容した原子炉建屋の高さを低くすることができるので、建設コストの削減を図ることができる。
【0032】
なお、本実施形態では、ボールねじ9aのピッチP1を10mmとした例を示したが、これに限らず、必要に応じてピッチP1をさらに小さく設定してもよい。
また、本実施形態では、電動機としてインダクションモータ5を使用した例を示したが、これに限らず、例えば、ステッピングモータ等を使用してもよい。
さらに、本実施形態では、本発明を自然循環式沸騰水型原子炉100に適用した例を示したが、これに限らず、強制循環式沸騰水型原子炉に適用してもよい。
【0033】
以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】原子力発電システムの概略を示す全体構成図である。
【図2】本実施形態に係る制御棒駆動機構の構造図である。
【図3】本実施形態に係る制御棒駆動機構で使用されるボールねじ(a)と比較例のボールねじ(b)のピッチを比較した模式図である。
【符号の説明】
【0035】
1 制御棒
5 インダクションモータ
7 中空ピストン
8 ボールナット
9,9a ボールねじ
11 内側磁気継手
12 外側磁気継手
100 自然循環式沸騰水型原子炉
101 原子炉圧力容器
102 燃料集合体
104 制御棒駆動機構
105 チムニ
106 気水分離器
107 蒸気乾燥器
108 炉心
P1,P2 ピッチ




 

 


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