DE69622808T2

DE69622808T2 - Regelstabsantriebsmechanismus

Info

Publication number: DE69622808T2
Application number: DE69622808T
Authority: DE
Inventors: Yoshifumi Sato; Nobuyuki Tanaka; Yukio Watanabe
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2003-03-27
Anticipated expiration: 2016-09-28
Also published as: DE69622808D1; CN1147868C; EP0908899A3; CN1153388A; US5793826A; CN1494089A; EP0766263B1; EP0908899A2; EP0766263A2; CN1315133C; EP0766263A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Steuerstangen- Antriebsmechanismus (im Folgenden abgekürzt als CRD [control rod drive]), welcher in einem Siedewasserreaktor verwendet wird (im Folgenden abgekürzt als BWR [boiling water reactor]), welcher ein Leichtwasserreaktor ist. US-A-5089211 offenbart einen Steuerstangen-Antriebsmechanismus gemäß dem Oberbegriff des nachfolgenden Anspruchs 1.
Ein Konzeptdiagramm des Aufbaus eines herkömmlichen BWR ist in Fig. 22 dargestellt. In dieser Zeichnung ist ein Kühlmittel 2, welches auch als Moderator wirkt, in einer Reaktordruckkammer (manchmal abgekürzt mit RPV [reactor pressure vessel]) 1 untergebracht, und ein Kern 3 ist in einem mittleren, unteren Bereich der Reaktordruckkammer 1 angeordnet, umgeben von einem Kernmantel 4. Eine große Anzahl von Brennstoffanordnungen (nicht in der Zeichnung dargestellt) sind in dem Kern 3 eingebaut, und eine Steuerstange 5 ist in jeder Gruppe von vier Brennstoffanordnungen frei einfügbar untergebracht.
In diesem BWR fließt das Kühlmittel 2 nach oben innerhalb des Kerns 3, und dabei wird die durch nukleare Kettenreaktionen erzeugte Hitze an das Kühlmittel 2 übertragen. Das Kühlmittel 2 wird dadurch erhitzt, das erhitzte Kühlmittel 2 bewegt sich nach oben in dem Kern 3 in zweiphasiger Form aus Wasser und Dampf, und es wird von dem Kern 3 in einem Dampfabscheider 6 geleitet.
Nachdem der zweiphasige, flüssige/dampfförmige Kühlmittelfluss in dem Dampfabscheider 6 in Wasser und Dampf getrennt worden ist, wird der Dampf von einer Hauptdampfleitung durch einen Dampftrockner (in der Zeichnung nicht dargestellt) an ein Dampfturbinensystem geleitet, um die Dampfturbine anzutreiben. Der Dampf, welcher durch das Dampfturbinensystem hindurchgelaufen ist, wird durch einen Dampfkondensator kondensiert, dann wird das entstehende Kondensat über ein Reaktorkondensat- und Wasserzuführsystem (in der Zeichnung nicht dargestellt) als Wasserversorgung zum Inneren der Reaktordruckkammer 1 zurückgeführt.
Wasser, welches mittels des Dampfabscheiders 6 abgeschieden worden ist, fließt hinunter durch einen Fallrohrbereich 7 und wird in einen unteren Bereich des Kerns 3 geführt, nachdem es mit der Wasserzuführung gemischt worden ist, welche durch das Reaktorkondensat- und Wasserzuführsystem hindurch kommt, so dass es zurück in den Kern 3 geführt wird.
Jede der Steuerstangen 5 wird in den Kern 3 der Reaktordruckkammer 1 hinein- und daraus herausbewegt, mittels eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus 8, um den Reaktor ein- und abzuschalten oder seine Ausgangsleistung einzustellen. Dieser Steuerstangen-Antriebsmechanismus 8 ist eine integrale Struktur, welche innerhalb eines CRD-Gehäuses 9 untergebracht ist, welches sich von einem Basisbereich 1a der Reaktordruckkammer 1 nach oben erstreckt. Sie ist mittels Bolzen an einem unteren Flansch 9a des CRD-Gehäuses 9 befestigt.
Jeder Steuerstangenmechanismus 8 wird elektrisch angetrieben. Ein elektrischer Motor 10 ist an einem unteren Bereich davon angebracht, wie in Fig. 23 dargestellt, und eine Drehwelle 11 dieses elektrischen Motors 10 ist mit einer Antriebswelle 13 des Steuerstangen-Antriebsmechanismus 8 mittels eines Getriebekopplungsmechanismus 12 gekoppelt. Diese Antriebswelle 13 ist integral mit einer Kuppelumlaufwelle 14 gekoppelt, und eine Kugelmutter 15 ist auf diese Kugelumlaufwelle 14 aufgeschraubt.
Ein Paar von Rollen 16 ist an der Kugelmutter 15 so angebracht, dass sie eine Anbringplatte 18 sandwichartig anordnen, welche an einer inneren Umfangsfläche eines Führungsrohrs 17 aufgeformt ist. Ein hohler Kolben 19 ist oberhalb der Kugelmutter 15 angeordnet, und dieser hohle Kolben 19 ist mit der entsprechenden Steuerstange 5 mittels einer Kopplung 20 gekoppelt, die an dem oberen Ende angebracht ist.
Eine elektromagnetische Bremse 21 ist an dem elektrischen Motor 10 so angebracht, dass der elektrische Motor 10 durch die Betätigung der elektromagnetischen Bremse 21 gestoppt werden kann. Ein Synchropositionserfasser 22 ist an einem unteren Ende der elektromagnetischen Bremse 21 vorgesehen, so dass die Position der Steuerstange 5 mittels dieses Synchropositionserfassers 22 erfasst wird.
Eine Motorklammer 23 ist um den Außenumfang des Getriebekopplungsmechanismus 12 oberhalb des elektrischen Motors 10 herum angeordnet, und ein Spulenstück 24 ist an einem oberen Bereich dieser Motorklammer 23 als Trennung für das primäre Kühlwasser befestigt. Die Antriebswelle 13 tritt durch dieses Spulenstück 24 hindurch, wobei eine Stopfbuchsenpackung 25 als Dichtelement für die Antriebswelle 13 verwendet wird. Gummi-O-Ringe 26, 27 werden als zusätzliche statische Dichtbereiche verwendet.
Ein Zylinder 29 ist an einem oberen Bereich des Führungsrohrs 17 mit einem Anschlagkolben 28 dazwischen befestigt, um eine Aufwärtsbewegung über die vorbestimmte Länge des hohlen Kolbens 19 hinaus zu verhindern. Eine Schraubenfeder 30 ist zwischen dem Zylinder 29 und dem Anschlagkolben 28 vorgesehen. Ein Scheibenfedermechanismus 32 ist zwischen dem Zylinder 29 und einer oberen Führung 31 angebracht.
Bei dem so aufgebauten Steuerstangen-Antriebsmechanismus 8 wird die Kugelumlaufwelle 14 gedreht durch den Drehantrieb des elektrischen Motors 10, welcher mittels der Drehwelle 11 und der Antriebswelle 13 übertragen wird, und zwar so, dass die Kugelmutter 15 durch die Drehung der Kugelumlaufwelle 14 vertikal bewegt wird.
Dabei wird die Kugelmutter 15 vertikal bewegt, wobei ihre Drehbewegung gesteuert wird durch die Anbringplatte 18 mittels der Rollen, und diese vertikale Bewegung der Kugelmutter 15 führt dazu, dass die Steuerstange 5 mittels des hohlen Kolbens 19 vertikal bewegt wird. Diese vertikale Bewegung der Steuerstange 5 stellt den Grad ein, zu welchem sie in den Kern 3 eingeführt und daraus entfernt wird, um so die Reaktorausgangsleistung zu steuern.
Die Beschreibung kehrt sich nun einer Nutabschaltung des Reaktors zu, wenn ein Notfall in dem BWR auftritt. Wenn der Reaktor notabgeschaltet wird, wird Betriebswasser mit hohem Druck durch eine Einlassöffnung 34 einer unteren Fläche des hohlen Kolbens 19 zugeführt, und zwar von einer Notabschaltungs-Einspritzleitung 33 her, welche mit dem unteren Flansch 9a des CRD-Gehäuses 9 verbunden ist. Diese Zuführung von Betriebswasser mit hohem Druck führt dazu, dass der Reaktor notabgeschaltet wird, indem der hohle Kolben 19 von seiner Stellung an der Kugelmutter 15 aus nach oben gezwungen wird, und so die Steuerstange 5 schnell in den Kern 3 eingeführt wird. In diesem Fall wird die Notabschaltungsstellung des hohlen Kolbens 19 erfasst durch einen Notabschaltungs-Positionserfasser 36, welcher einen Leseschalter 35 aufweist und welcher die Stellung eines Magneten 150 erfasst, welcher an dem hohlen Kolben 19 angebracht ist.
Bei dem oben beschriebenen Steuerstangen-Antriebsmechanismus 8 aus dem Stand der Technik tritt die Antriebswelle 13 durch das Spulenstück 24 hindurch, welches als Trennung für das primäre Kühlmittel dient, und die Stopfbuchsenpackung 25 wird als Dichtelement für die Antriebswelle 13 verwendet. Es ist nicht möglich, eine komplette Dichtung gegen das primäre Kühlmittel durch Gummidichtungsbereiche auszuformen, welche als weitere statische Dichtungselemente dienen, und so ist ein bestimmter Betrag an Leckage erlaubt. Da die Stopfbuchsenpackung 25 und die Gummi-O-Ringe 26, 27 nicht metallische Elemente sind, verschlechtern sie sich mit der Zeit und müssen von Zeit zu Zeit ersetzt werden. Dies verursacht Probleme insofern, dass die Wartungsfrequenz hoch ist.
Um dieses Problem zu lösen, überträgt ein in JP-A-8,082,690, entsprechend der japanischen Patentanmeldung Nr. 7-32557, die Drehkraft des elektrischen Motors 10 auf kontaktlose Art und Weise an die Kugelumlaufwelle 14 durch die Kraft eines Magneten durch eine Drucksperre hindurch, was die Notwendigkeit für Bereiche eliminiert, welche durch die Drucksperre hindurchtreten.
Die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 7-32557 offenbarte Erfindung wird nun mit Bezug auf die Fig. 24 beschrieben. Ein Steuerstangen-Antriebsmechanismus 50 ist elektrisch angetrieben. Er ist so angeordnet, dass er sich von dem Basisbereich 1a der Reaktordruckkammer 1 nach unten erstreckt, und er ist mittels Bolzen am unteren Flansch 9a des CRD-Gehäuses 9 befestigt.
Ein elektrischer Motor 51, wie beispielsweise ein Schrittmotor, ist an einem unteren Bereich des Steuerstangen- Antriebsmechanismus 50 angebracht, und die Drehantriebskraft dieses elektrischen Motors 51 wird durch eine magnetische Kopplung 52 an eine Antriebswelle 53 übertragen. Die magnetische Kopplung 52 besteht aus einem inneren Magneten 54, welcher als erster Magnet auf einer getriebenen Seite wirkt, welche an einem unteren Bereich der Antriebswelle 53 vorgesehen ist, und aus einem äußeren Magnet 55, welcher als zweiter Magnet auf einer Antriebsseite wirkt, welche an der Welle des elektrischen Motors 51 vorgesehen ist, getrennt durch ein Spulenstück 56, welches als Trennung für primäres Kühlmittel auf einer äußeren Seite des inneren Magneten 54 wirkt. Der innere und der äußere Magnet 54 und 55 bestehen aus einem kreisförmigen zylindrischen Magneten, welcher in Längsrichtung in eine gerade Anzahl von Teilen aufgeteilt ist, um Pole zu bilden, welche in radialer Richtung abwechselnd magnetisiert sind.
Ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 24 ist in Fig. 25 dargestellt und zeigt die Ausgestaltung der magnetischen Kopplung und das Prinzip dahinter auf einfache Art und Weise. Es wird darauf hingewiesen, dass Komponenten, wie beispielsweise Motorklammern, weggelassen worden sind, um zu vermeiden, dass das Diagramm unnötig kompliziert wird.
Diese Fig. 25 zeigt ein Beispiel für die Verwendung einer magnetischen Kopplung mit acht radialen Polen. Jeder Magnet ist ein kreisförmiger Zylinder, welcher in Längsrichtung geteilt ist und magnetisiert ist, wie durch die Pfeile in der Figur dargestellt. Benachbarte magnetische Stücke sind an einem äußeren Joch 60 und einem inneren Joch 61 so angebracht, dass sich Nord- und Südpole abwechseln. Die relative Drehbeziehung zwischen einem inneren Rotor 67 und einem äußeren Rotor 64 in dieser Zeichnung ist eine stabile Fasenposition, wobei die Kräfte der Anziehung und Abstoßung der Pole im Gleichgewicht sind. Es gibt vier stabile Fasenpositionen für eine magnetische Kopplung mit acht Polen.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Drucktrennung 58 an einem unteren Bereich des Spulenstücks 56 zwischen dem äußeren Magneten 55 und dem inneren Magneten 54 vorgesehen ist. Wenn der innere Rotor 67 und der äußere Rotor 64 um einen Winkel bezüglich der stabilen Fasenposition versetzt sind (dieser Winkel wird im Folgenden Versetzungswinkel genannt), wie in Fig. 26 gezeigt, versucht ein durch die Anzieh- und Abstoßungskräfte zwischen dem äußeren Magneten 55 und dem inneren Magneten 54 erzeugtes Drehmoment, diese Versetzung auszugleichen und die Komponenten in die ursprüngliche, stabile Fasenstellung zurückzuführen. Die Beziehung zwischen diesem Drehmoment und dem Versetzungswinkel ist im Allgemeinen wie durch den Graphen in Fig. 27 dargestellt. Das Drehmoment ist maximal, wenn der Versetzungswinkel (360 ÷ 2 ÷ (Anzahl der Pole)) Grad beträgt, was 22,5 Grad für eine magnetische Kopplung mit acht Polen entspricht. Er beginnt, sich von diesen Winkeln aus zu senken, bis er gleich Null ist bei (360 ÷ (Anzahl der Pole)) Grad, was in diesem Fall 45 Grad entspricht. Ein Winkel von (360 ÷ (Anzahl der Pole)) Grad oder weniger wird Schlupferzeugungswinkel genannt. Bei einem Winkel, der größer ist als der Schlupferzeugungswinkel, wirkt das Drehmoment, um eine Versetzung in der gegenüberliegenden Richtung zu fördern, um die Komponenten dazu zu bringen, sich der nächsten stabilen Fasenstellung zu nähern.
Daher kann die magnetische Kopplung nicht mit einem Drehmoment belastet werden, welches größer ist als das maximale statische Drehmoment. Wenn ein größeres Drehmoment aufgebracht wird, so dass der Versetzungswinkel 45 Grad überschreitet, drehen sich der innere Rotor 67 und der äußere Rotor 64 relativ zueinander bis zur nächsten stabilen Fasenstellung. In diesem Fall kann die Konfiguration nicht in die ursprüngliche stabile Fasenposition zurückkehren, sogar, wenn die übermäßige Belastung entfernt wird. Dies wird als Schlupf der magnetischen Kopplung bezeichnet. Wie später beschrieben werden wird, ist es notwendig, das Drehmoment so zu gestalten, dass sichergestellt wird, dass ein ausreichender Schlupf bezüglich dem angenommenen Belastungsdrehmoment besteht, um die Erzeugung eines solchen Schlupfes mit einem Steuerstangen-Antriebsmechanismus zu verhindern, welcher eine magnetische Kopplung verwendet.
Gemäß Fig. 24 ist die Antriebswelle 53 mit der Kugelumlaufwelle 14 gekoppelt, und die Drehantriebskraft der Antriebswelle 53 wird an die Kugelumlaufwelle 14 übertragen. Die entstehende Drehung der Kugelumlaufwelle 14 wird in eine vertikale Bewegung der Kugelmutter 15 umgewandelt, und der Mechanismus zum Anheben und Absenken des hohlen Kolbens mittels der Kugelumlaufwelle 14, der Kugelmutter 15 und Rollen 16 ist gleich dem Beispiel aus dem Stand der Technik aus Fig. 23.
Eine Motorklammer 57 ist um den Außenumfang der magnetischen Kopplung 52 oberhalb des elektrischen Motors 51 herum vorgesehen.
Ein metallener O-Ring 66 ist als Dichtungselement zwischen dem Spulenstück 56 und dem unteren Flansch 9a des CRD- Gehäuses 9 verwendet. Eine Leckage des primären Kühlmittels wird verhindert durch diesen metallenen O-Ring 66, und auch dessen Wartungsfrequenz wird, verglichen mit einem Gummi-O- Ring, gesenkt.
Bei dem so ausgestalteten Steuerstangen-Antriebsmechanismus 50 wird die Antriebswelle 53 durch den Drehantrieb des elektrischen Motors 51 gedreht, und zwar über die magnetische Kopplung 52. In anderen Worten wird der äußere Magnet 55 auf der Antriebsseite durch die Drehantriebskraft des elektrischen Motors 51 gedreht, der innere Magnet 54 auf der angetriebenen Seite wird gemäß dieser Drehung gedreht, und die Antriebswelle 53 wird dadurch gedreht. Wenn sich die Antriebswelle 53 dreht, wird die Kugelumlaufwelle 14 gedreht, was dazu führt, dass die Kugelmutter 15 vertikal angetrieben (angehoben oder abgesenkt) wird. Die Steuerstange 5 wird mittels des hohlen Kolbens 19 gemäß diesem Anheben oder Absenken der Kugelmutter 15 vertikal bewegt, um die Reaktorausgangsleistung einzustellen.
Die Steuerstange 5 wird an der Einfügungsposition gehalten, indem die Drehung der Kugelumlaufwelle 14 durch das inhärente Drehmoment des elektrischen Motors 51 selbst gesteuert wird.
Der Betrieb, wenn der Reaktor notabgeschaltet wird, ist andererseits gleich wie in dem Beispiel aus dem Stand der Technik in Fig. 23.
Im Beispiel aus dem Stand der Technik in Fig. 24 erfordert der Steuerstangen-Antriebsmechanismus 50 keinen Dichtungsbereich für die Antriebswelle 53 aufgrund der Anordnung der magnetischen Kopplung 52, welche aus dem inneren Magneten 54 auf der angetriebenen Seite, angeordnet an einem unteren Bereich der Antriebswelle 53 und dem äußeren Magneten 55 auf der Antriebsseite, vorgesehen an dem elektrischen Motor 51 und getrennt durch das Spulenstück 56 von der äußeren Seite des inneren Magneten 54, besteht. Da keine Komponenten durch das Spulenstück 56 hindurchtreten, besteht keine Notwendigkeit für Wellendichtelemente, wie beispielsweise die Stopfbuchsenpackung, welche zuvor notwendig war.
Eine teilweise Querschnittsansicht durch eine Integritätsdiagnosevorrichtung mit magnetischer Kopplung, welche auf den Steuerstangen-Antriebsmechanismus 50 in Fig. 24 angewandt werden kann, ist in Fig. 28(a) dargestellt, und eine Querschnittsansicht dieser Vorrichtung entlang der Linie D-D in Fig. 28(a) ist in Fig. 28(b) dargestellt.
Es wird darauf hingewiesen, dass, da die einzigen Bereiche in Fig. 28, die sich von der Ausführungsform in Fig. 24 unterscheiden, der untere Bereich des Spulenstücks 56 und dessen Außenumfangsbereich sind, nur diese Bereiche dargestellt sind. Ein hohler zylindrischer Bereich unterhalb des Spulenstücks 56 ist die Drucktrennung 58. Diese Drucktrennung 58 ist in Fig. 28(a) nicht im Schnitt dargestellt. Bei dieser herkömmlichen Technik ist ein linearer oder planarer Leiter zwischen dem inneren Magneten 54 (ersten Magneten) und dem äußeren Magneten 55 (zweiten Magneten) angeordnet. Ein linearer Leiter 59 ist dargestellt angebracht an der äußeren Umfangsfläche der Drucktrennung 58 in Fig. 28(a), in einer Ausgestaltung, welche wiederholt in vertikaler Richtung (axialer Richtung) zick-zack-artig ist. Teile des Magnetfelds zwischen dem inneren und äußeren Magneten 54 und 55 sind auch in Fig. 28(b) dargestellt, wobei ein magnetischer Pfad durch den inneren Magneten 54, den äußeren Magneten 55, das äußere Joch 60, das innere Joch 61 und eine Lücke zwischen dem inneren und äußeren Magneten 54 und 55 ausgeformt ist, um das magnetische Feld zu erzeugen, welches in dieser Figur dargestellt ist. Während der Antrieb aktiv ist, drehen sich der innere und äußere Magnet 54 und 55 synchron, und daher bleibt ihr magnetisches Feld im Wesentlichen gleich verteilt, wie wenn der Aufbau stationär ist.
Das magnetische Drehfeld, welches durch diese Drehung des inneren und äußeren Magneten 54 und 55 erzeugt wird, erzeugt eine Induktionsspannung in axialer Richtung des Leiters 59, und zwar in den Teilen, welche sich in vertikaler Richtung erstrecken. Diese elektromotorische Kraft verursacht eine periodische Spannung mit der in Fig. 29 gezeigten Wellenform zwischen den Enden des Leiters 59, unter der Voraussetzung, dass die Drehgeschwindigkeit der Magneten konstant ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Figur dargestellte Wellenform trapezoid ist, diese Wellenform jedoch leicht abweichen wird, abhängig von der Gestalt der Magnete, und dazu tendieren wird, längere flache Bereiche oben und unten zu haben, wenn breitere Magnete verwendet werden. Die Amplitude dieser Spannung wird bestimmt durch den inneren und äußeren Magneten 54 und 55. Sie ist proportional zu der magnetischen Flussdichte in der Lücke zwischen diesen Magneten. Daher kann die Magnetkraft der Magnete bestimmt werden durch Messen der Amplitude der Spannung, was es ermöglicht zu bestimmen, ob die magnetische Kraft sich verschlechtert hat, während die Anlage betrieben wird, ohne dass der Steuerstangen-Antriebsmechanismus und das Spulenstück auseinandergebaut und inspiziert werden müssten. Siehe auch DE-A-36 05 899.
Details der Konfiguration um den äußeren Magneten 55 herum sind in (a) und (b) der Fig. 30 dargestellt. Die separaten Teile des äußeren Magneten 55 (zweiten Magneten), die mit einem vorbestimmten Abstand entlang der inneren Umfangswand des äußeren Jochs 60 angeordnet sind, sind innerhalb des äußeren Rotors 64 angeordnet, welcher an jedem Ende mittels eines oberen Lagers 62 und eines unteren Lagers 62 gelagert ist. Dieser äußeren Magnete 55 sind durch Stifte 103 mit magnetischen Befestigungselementen 102 dazwischen angebracht.
Im Allgemeinen macht, wenn versucht wird, einen magnetisierten Magneten in radialer Richtung nahe an ein Joch heranzubringen, um ihn anzubringen, die Anziehungskraft zwischen dem Magneten und dem Joch die Montage schwierig, so dass der Magnet durch eine übermäßige Kraft während der Montage beschädigt werden könnte. Um dies zu verhindern, ist das übliche Verfahren, den Magneten an der korrekten Position zu montieren, indem der Magnet in Kontakt mit einer Magnetmontagefläche 110 des Jochs gebracht wird, und es ermöglicht wird, dass der Magnet über diese Fläche hinübergleitet. In der in der japanischen Patentanmeldung Nr. 7-32557 offenbarten Erfindung ist ein oberer Endbereich des äußeren Jochs 60 mit einer inneren Seite ausgestaltet, welche verengt ist, um die Anbringung des oberen Lagers 62 zu ermöglichen. Daher sind der Flansch 65 und das äußere Joch 609 so ausgestaltet, dass sie eine gespaltene Struktur haben, der äußere Magnet 55 wird von oben montiert, und dann wird der Flansch 65 an dem äußeren Joch 65 angebracht.
Der so ausgestaltete Steuerstangen-Antriebsmechanismus aus dem Stand der Technik hat bestimmte Probleme, wie nun beschrieben werden wird.
Wenn der Flansch 65 und das äußere Joch 60 als gespaltene Struktur ausgeformt sind, wie in Fig. 30 gezeigt, wird die Antriebskraft des Motors auf den Flansch 65 aufgebracht, und daher wird eine geschweißte Struktur und eine Struktur, in welcher eine Rotation verhindert wird mittels Schlüsseln und Stiften, bei der Verbindung dieses Elements mit dem äußeren Joch 60 verwendet. Es ist auch notwendig, die Festigkeit dieser Bereiche zu steigern, indem beispielsweise deren Dicke gesteigert wird. Daher ist diese Ausgestaltung komplizierter als ein integraler Aufbau, und die Anzahl der Herstellungsschritte ist größer. Der äußere Rotor 64 ist auch schwerer, was eine größere Motorantriebskraft erforderlich macht. Es gibt ein weiteres Problem, welches dem herkömmlichen Steuerstangen-Antriebsmechanismus in Fig. 24 und einer anderen Erfindung eigen ist, die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 7-32557 offenbart ist. Wenn der Einfügungsvorgang mittels des elektrischen Motors 10 in einem Zustand durchgeführt wird, in welchem die Reibung hoch ist aufgrund eines Kontakts zwischen dem Kern und der Steuerstange, wird die Steuerstange nicht sanft eingeführt, und eine übermäßige Belastung wird auf die Kugelumlaufwelle 14, die Kugelmutter 15 und andere Komponenten aufgebracht, was es wahrscheinlich macht, dass eine Beschädigung auftritt. Es ist möglich, dass sogar der Brennstoff beschädigt wird. Eine Inspektion, um die Größe dieser Reibkraft zu bestimmen, wird während der periodischen Wartungsarbeiten durchgeführt.
JP-A-61.069365 (und Patent Abstracts of Japan, Vol. 010, Nr. 236 (E-428)) offenbart eine magnetische Kopplungsverbindung mit einem zylindrischen inneren und äußeren Joch, an welchen innere und äußere Magnete vorgesehen sind. Die Magnetmontagefläche für die äußeren Magnete liegt innerhalb des äußeren Jochs, was annehmen lässt, dass die äußeren Magnete durch Gleiten platziert werden können.
Ein weiteres Problem, welches die in der japanischen Patentanmeldung Nr. 7-32557 offenbarte Erfindung betrifft, liegt in der Tatsache, dass das Aufbringen von Reibung auf Magnete im Allgemeinen deren Magnetkraft leicht senkt. Obwohl dieser Effekt gering ist, ist es wahrscheinlich, dass Reibbelastungen, die während einer Notabschaltung auftreten, und auch Belastungen durch Erdbeben auf die Magnete aufgebracht werden könnten.
Ein weiteres Problem betrifft die Integritätsdiagnosevorrichtung mit magnetischer Kopplung. Wenn eine Trennung zwischen dem inneren und dem äußeren Magneten besteht, oder wenn ein isolierender Körper (in der Zeichnung nicht dargestellt) um die Magneten herum sich verschlechtert, wird es notwendig, den hohlen Kolben und das Spulenstück aus dem Steuerstangen-Antriebsmechanismus zu entfernen, für eine Reparatur oder einen Austausch.
Wenn ein Schlupf der magnetischen Kopplung in dem herkömmlichen Steuerstangen-Antriebsmechanismus auftritt, wird eine Abweichung auftreten zwischen der Position der Steuerstange, welche mittels des Synchropositionserfassers 22 erfasst wird, und der momentanen Position der Steuerstange, was zu einem Zusammenbruch des Betriebs der Anlage führen könnte. Um dies zu verhindern, wird die magnetische Kopplung so ausgestaltet, dass sie ein Übertragungsdrehmoment hat, welches ausreicht, um das maximal zu erwartende Belastungsdrehmoment zu überwinden. Außerdem würde, wenn ein Schlupf auftreten sollte, das Vorsehen eines Mittels zum Erfassen eines solchen Schlupfes es möglich machen, schnell die notwendigen Maßnahmen zum Anhalten des Reaktors einzuleiten und so die Verlässlichkeit der Anlage zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden mit der Absicht, die oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik zu lösen. Ein Ziel der Erfindung ist es, einen Steuerstangen- Antriebsmechanismus zu schaffen, welcher einen Aufbau mit gesteigerter Festigkeit hat, bei welchem eine verlässlichere Funktion zum Erfassen des Betriebszustands der Steuerstange erwartet werden kann, sogar während die Anlage arbeitet, und welcher gleichzeitig die Reparatur und den Austausch erleichtern kann.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Steuerstangen-Antriebsmechanismus zu schaffen, welcher jeden Schlupf in der magnetischen Kopplung erfassen kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Um die oben genannten Ziele zu erreichen, wird ein Steuerstangen-Antriebsmechanismus gemäß dem Anspruch 1 dieser Beschreibung geschaffen. Die vorliegende Erfindung schafft daher einen Steuerstangen-Antriebsmechanismus zum Übertragen der Drehung eines elektrischen Motors über eine Antriebswelle an eine Hebevorrichtung zum Anheben und Absenken eines hohlen Kolbens, an dessen oberem Ende eine Steuerstange vorgesehen ist, welche die Ausgangsleistung eines Kernreaktors steuert, um diese Steuerstange in einen Reaktorkern einzuführen oder sie daraus zu entfernen, und auch, um die Steuerstange schnell in den Kern während einer Notabschaltung mittels des Einspritzens von Wasser mit hohem Druck einzuführen, um den hohlen Kolben nach oben zu zwingen; wobei der Steuerstangen- Antriebsmechanismus Folgendes aufweist: eine magnetische Kopplung mit einem inneren Magneten, welcher in mehrere Teile aufgeteilt ist und an einem unteren Bereich der Antriebswelle angeordnet ist, um die Drehkraft eines elektrischen Motors an die Antriebswelle zu übertragen, und mit einem äußeren Magneten auf der angetriebenen Seite, welcher in mehrere Teile aufgeteilt ist und an einer Drehwelle des elektrischen Motors in einer Anordnung an einer äußeren Seite des inneren Magneten vorgesehen ist; und ein kreisförmiges, zylindrisches, äußeres Joch, welches auf der Seite einer Innenfläche des äußeren Magneten angebracht ist; wobei eine Position in radialer Richtung auf einer Magnetmontagefläche für den äußeren Magneten an dem äußeren Joch gleich ist wie eine Position in radialer Richtung auf einer inneren Fläche des äußeren Jochs oberhalb der Magnetmontagefläche für den äußeren Magneten oder weiter einwärts. Ein Leiter ist zwischen dem inneren und dem äußeren Magneten so angeordnet, dass eine Induktionsspannung, welche erzeugt wird durch das magnetische Drehfeld, welches seinerseits durch die Drehung der inneren und äußeren Magnete erzeugt wird, in dem Leiter erzeugt wird, und Änderungen in der Wellenform der Induktionsspannung, welche durch Änderungen in dem Drehmomentwinkel zwischen den inneren und äußeren Magneten erzeugt werden, erfasst werden.
Die Erfindung gemäß dieser Beschreibung weist außerdem Mittel zum Messen von Veränderungen der Wellenform oder der Induktionsspannung auf, und zum Bestimmen des Drehmomentwinkels, sowie Mittel zum Ableiten der Größe der Belastung, die auf die Hebevorrichtung des hohlen Kolbens einwirkt, aus dem Drehmomentwinkel.
Die Erfindung gemäß Anspruch 2 basiert auf der Erfindung gemäß Anspruch 1, ist jedoch weiter dadurch gekennzeichnet, dass ein Ring vorgesehen ist zum Anbringen eines Lagers an der inneren Fläche des äußeren Jochs oberhalb der Montagefläche für den äußeren Magneten.
In der Erfindung gemäß Anspruch 3 verwenden die Mittel zum Bestimmen des Drehmomentwinkels die Links-Rechts-Symmetrie einer Zeit-Historie-Wellenform einer halben Periode der Induktionsspannungswellenform.
Die Erfindung gemäß Anspruch 4 dieser Anmeldung basiert auf der Erfindung gemäß Anspruch 3, wobei außerdem die Links- Rechts-Symmetrie der Zeit-Historie-Wellenform einer halben Periode der Induktionsspannungswellenform bewertet wird durch Vergleich von Spannungen in zwei Bereichen, die durch eine Zwischenzeit innerhalb dieser halben Periode getrennt sind.
Die Erfindung gemäß Anspruch 5 basiert auf der Erfindung gemäß Anspruch 1, wobei außerdem eine Beschichtung auf einer Oberfläche von zumindest einem der inneren und äußeren Magnete aufgebracht ist.
Die Erfindung gemäß Anspruch 6 basiert auf der Erfindung gemäß Anspruch 1, wobei ein nachgiebiger Körper an zumindest einer Stelle in einem Raum zwischen zumindest einem der inneren und äußeren Magneten und einem Element vorgesehen ist, welches daran in axialer, radialer oder Umfangsrichtung angrenzt.
Die Erfindung gemäß Anspruch 7 basiert auf der Erfindung gemäß Anspruch 1, wobei ein elastischer Körper in einem Raum zwischen getrennten Teilen des inneren und/oder äußeren Magneten vorgesehen ist, welche in mehrere Teile aufgeteilt sind.
Die Erfindung gemäß Anspruch 8 basiert auf der Erfindung gemäß Anspruch 1, wobei ein nachgiebiger Körper in einem Raum zwischen dem äußeren Joch und dem äußeren Magneten vorgesehen ist.
Mit dem Steuerstangen-Antriebsmechanismus gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung macht es die in Anspruch 1 dieser Beschreibung offenbarte Erfindung möglich, den äußeren Magneten (zweiten Magneten) von oberhalb des äußeren Jochs her zu montieren, während er entlang einer Magnetmontagefläche gleiten kann. Da außerdem der Drehmomentwinkel der inneren und äußeren Magnete von dem Belastungsdrehmoment abhängt und die Entwicklung der Wellenform der induzierten Spannung sich mit Veränderungen des Drehmomentwinkels ändert, ist es möglich, die Größe der Belastung zu messen, die auf den Hohlkolben-Hebemechanismus einwirkt, und die Größe der Belastung zu messen durch Konzentrieren auf die Symmetrie der Wellenform innerhalb der historischen Entwicklung der Wellenform.
Die Erfindung in Anspruch 2 macht es möglich, den äußeren Magneten von oberhalb des äußeren Jochs zu montieren, während er entlang einer Magnetmontagefläche gleiten kann, wobei die relative Lage zwischen der Lagermontagefläche und der Magnetmontagefläche berücksichtigt wird, indem das äußere Joch und die Komponente, welche das Lager oberhalb des äußeren Jochs hält, als getrennte Struktur aufgebaut ist.
Die Erfindung in den Ansprüchen 6 bis 8 hat den Effekt, Stöße abzupuffern mittels nachgiebiger Körper, welche zwischen den strukturellen Elementen vorgesehen sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1(a) ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine erste Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung, und Fig. 1(b) ist ein Schnitt entlang der Linie A-A aus Fig. 1(a);
Fig. 2(a) ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine zweite Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, wobei eine solche Ausführungsform nicht im Bereich der vorliegenden Erfindung liegt, und Fig. 2(b) ist ein Schnitt entlang der Linie B-B aus Fig. 2(a).
Fig. 3 ist ein Graph von Ausgangswellenformen einer Integritätsdiagnosevorrichtung mit magnetischer Kopplung gemäß einer dritten Ausführungsform eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine horizontale Querschnittsansicht, welche die Fasenbeziehung zwischen dem ersten und zweiten Magneten der dritten Ausführungsform dieser Erfindung in unbelastetem Zustand zeigt;
Fig. 5 ist eine horizontale Querschnittsansicht, welche die Fasenbeziehung zwischen dem ersten und zweiten Magneten der dritten Ausführungsform der Erfindung in belastetem Zustand zeigt;
Fig. 6 ist eine strukturelle Ansicht eines Teils einer vierten Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus gemäß dieser Erfindung;
Fig. 7(a) ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine fünfte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung, und Fig. 7(b) ist ein Schnitt entlang der Linie C-C aus Fig. 7(a);
Fig. 8 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine sechste Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, wobei diese Ausführungsform (und die gemäß der folgenden Zeichnungen mit den Fig. 9 bis 12 und 15 bis 21) nicht in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen;
Fig. 9 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine siebte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 10(a) ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine achte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, und Fig. 10(b) ist ein Schnitt entlang der Linie B-B aus Fig. 7(a);
Fig. 11 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine neunte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 12 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine zehnte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 13(a) und 13(b) sind konzeptuelle Diagramme zum Darstellen der physikalischen Phänomene, welche auftreten, wenn ein Schlupf in der magnetischen Kopplung auftritt;
Fig. 14 ist ein weiteres konzeptuelles Diagramm zum Darstellen der physikalischen Phänomene, welche auftreten, wenn ein Schlupf in der magnetischen Kopplung auftritt;
Fig. 15 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine elfte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 16 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine zwölfte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 17 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine dreizehnte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 18 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine vierzehnte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 19 ist eine vertikale Querschnittsansicht durch eine fünfzehnte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 20 ist ein konzeptuelles Diagramm der Montageposition des Beschleunigungssensors der fünfzehnten Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 21(a) ist ein konzeptuelles Diagramm eines Beispiels des linearen Beschleunigungsausgangs des Beschleunigungssensors der fünften Ausführungsform eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus, und Fig. 21(b) ist ein konzeptuelles Diagramm eines Beispiels seines Drehbeschleunigungsausgangs;
Fig. 22 ist eine vertikale Querschnittsansicht einer Reaktordruckkammer, welche den Montagezustand des Steuerstangen-Antriebsmechanismus darstellt;
Fig. 23 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines herkömmlichen Beispiels eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus;
Fig. 24 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines anderen herkömmlichen Beispiels eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus;
Fig. 25 ist eine horizontale Querschnittsansicht zum Darstellen des Antriebsprinzips des magnetischen Steuerstangen-Antriebsmechanismus;
Fig. 26 ist eine andere horizontale Querschnittsansicht zum Darstellen des Antriebsprinzips des magnetischen Steuerstangen-Antriebsmechanismus;
Fig. 27 ist eine konzeptuelle Ansicht der Beziehung zwischen dem Versetzungswinkel und dem Drehmoment in der magnetischen Kopplung;
Fig. 28(a) ist eine vergrößerte vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs der Integritätsvorrichtung mit magnetischer Kopplung in einem herkömmlichen Beispiel eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus, und Fig. 28(b) ist ein Schnitt entlang der Linie D-D des zweiten Detailwerts Fig. 28(a);
Fig. 29 ist ein Graph der Ausgangswellenform der Integritätsvorrichtung mit magnetischer Kopplung in dem herkömmlichen Beispiel eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus; und
Fig. 30(a) ist eine vergrößerte vertikale Querschnittsansicht eines Bereichs der Integritätsvorrichtung mit magnetischer Kopplung in einem herkömmlichen Beispiel eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus, und Fig. 30(b) ist ein Schnitt entlang der Linie D-D des zweiten Detailwerts Fig. 30(a).

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Die folgende Beschreibung betrifft eine erste Ausführungsform eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus gemäß dieser Erfindung, basierend auf Fig. 1. Teile (a) und (b) aus Fig. 1 sind vergrößerte Ansichten von Komponenten, welche dem zweiten Magneten in Fig. 24 entsprechen. Ein äußerer Rotor 107, an jedem Ende gelagert mittels eines oberen Lagers 105 und eines unteren Lagers 106, besteht aus einem äußeren Joch 100, einer äußeren Hülse 104, einem äußeren Magneten 101 und einem Abstandshalter 108. Mehrere Magnetanbringelemente 102 zum Anbringen der Teile des äußeren Magneten 101 (zweiten Magneten) in einem vorbestimmten Abstand entlang der inneren Umfangswand des äußeren Jochs 100 sind daran jeweils mittels eines Stifts 103 angebracht.
Ein unterer Bereich der äußeren Hülse 104 ist an der inneren Umfangsseite eines unteren Bereichs des äußeren Jochs 100 mittels beispielsweise Schweißen angebracht. Nachdem der äußere Magnet 101 von oben in einen Raum eingefügt worden ist, welcher durch das äußere Joch 100, die mehreren Magnetanbringelemente 102 und die äußere Hülse 104 definiert ist, wird der Abstandshalter 108 über den äußeren Magneten 104 eingefügt, dann wird der Abstandshalter 108 durch Schweißen oder mittels Stiften an dem äußeren Joch 100 und an der äußeren Hülse 104 angebracht, um die Montage des äußeren Bereichs 2 zu vollenden. Der äußere Magnet 101 ist mit dem äußeren Joch 100 durch die Magnetmontagefläche 110 verbunden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Abstandshalter 108 auch als integrale Struktur zusammen mit der äußeren Hülse 104 ausgeformt sein könnte.
Im Allgemeinen macht, wenn versucht wird, einen magnetisierten Magneten in radialer Richtung nahe an ein Joch heranzubringen, um ihn zu montieren, die Anziehungskraft zwischen dem Magneten und dem Joch die Montage schwierig, so dass der Magnet durch allzu heftige Behandlung während der Montage beschädigt werden kann. Um dies zu verhindern, ist das normale Verfahren, den Magneten an der korrekten Position zu montieren, während er in Kontakt mit der Magnetmontagefläche des Jochs gebracht wird und über diese Fläche hinübergleiten kann. Verfahren zum Ermöglichen dieser Montage, welche in Betracht gezogen worden sind, beinhalten eines, in welchem der äußere Magnet von oben in einem Zustand eingebaut wird, in dem eine innere Fläche des äußeren Jochs oberhalb der oberen Kante des Magneten weiter auswärts positioniert worden ist als die radiale Richtung der Magnetmontagefläche. In einem anderen Verfahren wird der Magnet von unten in einem Zustand montiert, dass eine innere Fläche des äußeren Jochs unterhalb der unteren Kante des Magneten weiter auswärts positioniert ist als die radiale Richtung an der Magnetmontagefläche. Mit dem letzten Verfahren hat jedoch der untere Bereich des äußeren Jochs 100 einen Flanschbereich für eine Kopplung mit der Motorwelle, und die Notwendigkeit tritt auf, den Flanschbereich und das äußere Joch als geteilten Aufbau auszugestalten, und daher hat dieser Aufbau einen Vorteil bezüglich einer Ausführungsform, welche eine integrale Struktur ermöglicht, und zwar insofern, dass der Flanschbereich, welcher der Energie des Motors unterliegt, fester ausgestaltet werden kann.
Querschnittsansichten durch eine Ausführungsform eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus, der nicht in den Bereich der Erfindung fällt, sind in den Fig. 2(a) und 2(b) dargestellt. Die Ausgestaltung ist so, dass ein Ring 109, in welchem ein Wälzlager montiert ist, in einen oberen Bereich des äußeren Jochs 100 hineinpasst. Die Ausrichtung zwischen dem Ring 109 und dem äußeren Joch 100 wird ermöglicht durch das Vorsehen von passenden Flächen dieser Elemente. In diesem Beispiel wird das obere Lager 105, welches ein Kugellager ist, so verwendet, dass sich der innere Ring dreht, aber der äußere Ring fixiert ist. Wenn das äußere Joch 100 montiert wird, wird der äußere Magnet 100 von oben in einen Raum eingefügt, welcher durch das äußere Joch 100, die mehreren Magnetbefestigungselemente 102 und die äußere Hülse 104 definiert ist, dann wird der Ring 109 an den äußeren Magneten 101 angebracht, und der Ring 109 wird beispielsweise durch Schweißen an dem äußeren Joch 100 und der äußeren Hülse 104 angebracht. In dieser Ausführungsform liegt eine Lagermontagefläche 111 weiter einwärts als die Magnetmontagefläche 110, aber das Montieren des äußeren Magneten 101, bevor der Ring 109 an dem äußeren Joch 100 angebracht wird, macht es möglich, das oben genannte Verfahren zum Montieren des Magneten an der korrekten Position zu verwenden, während er in Kontakt mit der Magnetmontagefläche 110 gebracht wird und dann gleiten kann. Dies bedeutet, dass Abmaße des Lagers flexibel gewählt werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass die Befestigung des Rings 109 an dem äußeren Joch 100 nicht auf Schweißen beschränkt ist; ein Befestigungsverfahren durch Stifte oder Befestigungsfedern kann auch verwendet werden. Wenn magnetisches Material für den Ring 109 verwendet wird, könnte die Befestigung auch durch die Anziehungskraft zwischen dem Ring und dem äußeren Magneten 101 geschehen. Alternativ könnten der Ring 109 und die äußere Hülse 104 integral ausgestaltet sein.
Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl ein Kugellager in der ersten und zweiten Ausführungsform verwendet wird, das Lager nicht darauf beschränkt ist. Es könnte auch ein Gleitlager sein, unter Verwendung eines Materials, wie Weißmetall, eines Materials, welches mit Schmieröl imprägniert ist, oder eines Plastikmaterials. Ein imprägniertes Lager ist im Allgemeinen ein poröses Material mit einem Young's Modul, welcher im Allgemeinen geringer ist als der von Metall. Der Ölfilm eines Gleitlagers ist dicker als der eines Wälzlagers, wobei der Oberflächendruck zwischen dem Drehkörper und dem Kugelring hoch ist und daher der Ölfilm dünn ist. Dies schafft einen vergrößerten Widerstand gegen Schwingungen, und es kann daher erwartet werden, dass der Effekt auftritt, dass die Integrität der Magnete bezüglich Stoßbelastungen aufrechterhalten bleibt, wenn die Steuerstangenantriebsmechanismen notabgeschaltet werden, und bezüglich Schwingungen während eines Erdbebens. Es ermöglicht auch eine größere Flexibilität bezüglich der Dimensionierung als mit Wälzlagern, bei denen die Dimensionen durch Regulierungen bestimmt werden.
Obwohl das äußere Joch 100 und die Magnetanbringelemente 102 in der ersten und zweiten Ausführungsform separate Komponenten sind, welche mit Stiften aneinander befestigt sind, ist die Ausgestaltung nicht darauf begrenzt. Das äußere Joch 100 und die Magnetbefestigungselemente 102 könnten auch als einzelner integraler Aufbau hergestellt sein, beispielsweise durch Schmieden. Dies würde es ermöglichen, die Herstellzeit und auch die Herstellkosten zu reduzieren.
Eine dritte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, welcher in Übereinstimmung mit der Erfindung steht, wird nun mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 beschrieben. Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Ausgangsspannungswellenform, welche auftritt, wenn der erste und der zweite Magnet in Synchronisation in der Integritätsdiagnosevorrichtung mit magnetischer Kopplung in Fig. 28 rotieren. Dieses Beispiel zeigt eine Ausgestaltung mit acht Polen, aber da diese vier Anordnungen aus magnetischen Nord- und Südpolen bilden, treten vier Zyklen der Spannungswellenform während einer Drehung der ersten und zweiten Magneten auf. Einer dieser Zyklen ist in Fig. 3 dargestellt. Die linke Hälfte dieses Graphen zeigt einen halben Zyklus, der ausgebildet wird, wenn der Ausgang positiv ist; die rechte Hälfte ist gleichartig. Eine Achse 112 befindet sich in einem temporären, mittleren Bereich innerhalb dieses halben Zyklus. Die mit A gekennzeichnete Wellenform ist ein Beispiel der Spannungswellenform, welche auftritt, wenn keine Belastung auf die magnetische Kopplung aufgebracht wird. Sie ist im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Achse 112. Diese Symmetrie kollabiert jedoch in einer mit B gekennzeichneten Wellenform, welche einen Zustand darstellt, in welchem ein Belastungsdrehmoment aufgebracht wird.
Eine Querschnittsansicht der Lagebeziehung zwischen den ersten und zweiten Magneten in nicht-belastetem Zustand ist in Fig. 4 dargestellt. Dies ist ein stabiler Zustand, in welchem die Mittelpunkte in Breitenrichtung des äußeren Magneten 101 und eines inneren Magneten 113 im Wesentlichen zusammenpassen durch die Anziehungs- und Abstoßungskräfte dieser Magnete.
Im Gegensatz dazu ist ein in Fig. 5 gezeigter Zustand der stabilste Zustand, welcher auftritt, wenn die ersten und zweiten Magnete belastet sind und sich relativ zueinander aus der Lagebeziehung in Fig. 4 drehen, bis die Belastung und magnetische Kraft einen Gleichgewichtszustand erreichen. Dieser relative Winkel, welcher durch die Belastung bestimmt ist, wird Drehmomentwinkel genannt. Dies verändert die periphere Verteilung des Magnetfelds innerhalb der Lücke zwischen dem äußeren Magneten 101 und dem inneren Magneten 113, abhängig von der Belastung, so dass die verzerrte Wellenform B in Fig. 3 beobachtet wird.
Daher kann das Belastungsdrehmoment, welches auf die magnetische Kopplung aufgebracht wird, d. h. das Belastungsdrehmoment, welches auf die Kugelumlaufwelle der Hebevorrichtung aufgebracht wird, durch Erfassen dieser Verzerrung in der Wellenform bestimmt werden, insbesondere der Verzerrung der Symmetrie dieser Wellenform. Ein Verfahren zur Bewertung dieser Symmetrie, welches in Betracht gezogen worden ist, besteht darin, eine Zeitquadratur bezüglich der Spannungswellenformen auf beiden Seiten der Achse 112 durchzuführen und den Bereich dazwischen und der Null- Spannungsachse zu berechnen und diese zu vergleichen. Während dieser Zeit kann die Genauigkeit, mit welcher das Belastungsdrehmoment erfasst wird, gesteigert werden durch geeignetes Gewichten der Spannungen für die Integration, sogar für geringe Asymmetrien.
Dieses Belastungsdrehmoment ist bezogen auf Reibung in den Komponenten, wie beispielsweise eine Rotationsreibung, welche verursacht wird durch ein Reiben der Kugelumlaufwelle und die Reibung zwischen der Steuerstange und dem Brennstoff. Die Bewertung dieser Reibung macht es möglich, zu diagnostizieren, ob eine Anomalität, wie beispielsweise eine Verformung oder ein Absetzen in der Hebevorrichtung für den Steuerstangen-Antriebsmechanismus besteht, in dem Brennstoff oder in der Steuerstange, ohne den unklaren Reaktor abzuschalten.
Eine vierte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus gemäß dieser Erfindung wird nun mit Bezug auf die Fig. 6 beschrieben. Ein Magnet 114 in Fig. 6 ist entweder ein innerer Magnet oder ein äußerer Magnet. Die Oberfläche des Magneten ist bearbeitet, wobei ein Material, wie Plastik oder eine Plattierung darauf aufgebracht ist. Dies macht es möglich, dem Magneten eine gewisse Stoßfestigkeit zu verleihen. Im Allgemeinen kann, wenn ein Magnet einem Stoß ausgesetzt wird, seine Magnetkraft leicht absinken. Die Magneten gemäß dieser Ausführungsform werden jedoch höchstwahrscheinlich ihre Integrität behalten, sogar bezüglich Stoßbelastungen, welche während einer Notabschaltung oder eines Erdbebens durch den Steuerstangen- Antriebsmechanismus eingebracht werden. Außerdem befinden sich die inneren Magneten normalerweise im Wasser, welches eine korrosive Atmosphäre ist, aber diese Beschichtung isoliert sie von dem Wasser und ermöglicht es, Korrosion zu verhindern.
Eine fünfte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus gemäß dieser Erfindung wird nun mit Bezug auf Fig. 7 beschrieben. Diese Figur zeigt den äußeren Rotor 107. Blattfedern 120, 121, 122 sind zwischen dem äußeren Magneten 101 und dem äußeren Joch 100, der äußeren Hülse 104 und den Magnetanbringelementen 102 angeordnet. Dies macht es möglich, einen Stoßwiderstandseffekt zu erzielen, welcher ähnlich dem Effekt der Beschichtung in der vierten Ausführungsform ist, und daher kann erwartet werden, dass sie Magnete ihre Integrität bezüglich Stoßbelastungen behalten, welche durch den Steuerstangen-Antriebsmechanismus während einer Notabschaltung oder bei Belastungen durch Erdbeben aufgebracht werden. Drei Typen von Blattfedern 120, 121 und 122 sind vorgesehen, um sicher zu stellen, dass Stöße in axialer Richtung, in Umfangsrichtung und in radialer Richtung des äußeren Jochs 100 abgefangen werden. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsform auch auf den ersten Magneten (inneren Magneten) auf gleiche Art und Weise angewandt werden könnte.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass Federn anderer Ausgestaltung, wie beispielsweise Tellerfedern, anstelle der Blattfedern verwendet werden können. Jedes dünne Material mit einer Stoßwiderstandwirkung, wie beispielsweise ein Blech aus Gummi oder Plastik, würde einen ähnlichen Effekt haben.
Die Beschreibung wendet sich nun einer sechsten Ausführungsform eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus zu, der nicht Teil der Erfindung ist, und zwar mit Bezug auf Fig. 8. Diese Figur ist eine Querschnittsansicht eines Bereichs, welcher dem Spulenstück 56 der Fig. 24 entspricht. Ein Magnetsensor 116 ist an einem äußeren Umfangsbereich einer Motorklammer 123 angebracht, und eine Signalleitung 118 dafür ist mit einem Signalprozessor 117 verbunden. Der Magnetsensor 116 könnte ein Überstrom-Verlagerungsmesser oder ein Hall-Effektelement sein, oder es könnte eine einfachere Vorrichtung sein, wie beispielsweise ein Leiterdraht, eine Folie, ein Blech oder eine Spule, welche eine Induktionsspannung erzeugt, welche sich in dem Magnetfeld verändert.
Im Allgemeinen besteht die magnetische Kopplung aus einem geschlossenen magnetischen Kreis aus dem ersten Magneten, dem zweiten Magneten, dem Joch und dem Raum zwischen den Magneten. Daher besteht im Wesentlichen keine Leckage eines magnetischen Flusses nach außen, aber es besteht eine vergleichsweise große Leckage von magnetischem Fluss in der Nähe der Kanten der Magnete. Die Größe dieses Leckageflusses steigt mit der Größe der Magnetkraft der Magnete, in anderen Worten mit der verbleibenden magnetischen Flussdichte. In dieser Ausführungsform ist der Magnetsensor 116 in der Nähe dieser Kanten angeordnet, wo die Leckageflussdichte vergleichsweise groß ist, um die Magnetkraft dieser Magnete zu messen. Diese Messung kann leicht durchgeführt werden, während der Kernreaktor in Betrieb ist, so dass der Grad, zu welchem sich die Magnetkraft verschlechtert, bestimmt werden kann, ohne die magnetische Kopplung zu demontieren und zu inspizieren.
Das Magnetfeld, welches den Leckagefluss erzeugt, verändert sich mit der Zeit, wenn sich die magnetische Kopplung dreht. Wenn Schlupf in einer magnetischen Kopplung auftritt, drehen sich der erste und zweite Magnet im Allgemeinen relativ zueinander in ungeregelter Art und Weise, so dass die Variationen mit der Zeit in ihrem Magnetfeld sich von denen unterscheiden, die auftreten, wenn sie sich synchron drehen. Daher kann, wenn die Ausgangswellenform des Magnetsensors 116 durch eine Signalverarbeitungsvorrichtung analysiert werden könnte, welche Komponenten unterschiedlicher Frequenzen von der Ausgangswellenform trennen kann, die Anwesenheit von Schlupf bestimmt werden.
Die Komponente in Umfangsrichtung des Magnetfelds in der Nähe der Kanten der Magnete verändert sich auch während der synchronen Drehung, weil der Drehmomentwinkel der ersten und zweiten Magnete sich mit der Größe des Belastungsdrehmoments ändert. Daher kann das Belastungsdrehmoment, welches auf die Kugelrollspindel der Hebevorrichtung einwirkt, bestimmt werden durch Erfassen von Veränderungen in der Wellenform des Magnetsensors 116. Verfahren, ähnlich denen der dritten Ausführungsform, können verwendet werden, um diese Wellenformveränderungen zu erfassen. Es wird darauf hingewiesen, dass, da der Magnetsensor 116 an der Außenseite der Motorklammer 123 angebracht ist, eher angebracht und entfernt werden kann, ohne den Motor (in der Figur nicht dargestellt) und die Motorklammer 123 zu beeinflussen. Dies erleichtert einen Austausch des Magnetsensors 116, falls er beschädigt wird oder sich verschlechtert. Eine siebte Ausführungsform des Steuerstangen-Antriebsmechanismus, nicht Teil der Erfindung, wird nun beschrieben mit Bezug auf Fig. 9. In diesem Fall ist der Magnetsensor 116 innerhalb der Motorklammer 123 angebracht. Diese Ausführungsform macht es möglich, an einem Bereich zu messen, welcher nahe der magnetischen Kopplung liegt, was einen Anstieg in der Empfindlichkeit nach sich zieht. Es wird darauf hingewiesen, dass dieser magnetische Sensor 116 mittels eines Verfahrens befestigt ist, welches es ermöglicht, dass der Magnetsensor von außerhalb der Motorklammer 123 eingefügt und entfernt wird, so dass es einfach ist, den Magnetsensor 116 auszutauschen, falls er beschädigt ist oder sich verschlechtert hat.
Eine achte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, nicht Teil der vorliegenden Erfindung, wird nun mit Bezug auf die Fig. 10(a) und 10(b) beschrieben. Fig. 10(b) ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in Fig. 10(a). Bereiche in diesen Figuren, die gleich solchen in Fig. 24 sind, sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und auf eine ausführliche Beschreibung dieser Komponenten wird verzichtet.
In dieser Ausführungsform ist ein flaches, kreisförmiges Drehelement 200 vorgesehen, welches mit dem inneren Rotor 67 verbunden ist, um die Drehung des inneren Magneten 54 zu erfassen, welcher sich zusammen mit dem inneren Rotor 67 dreht. Dieses Drehelement ist innerhalb des Spulenstücks 56 vorgesehen, so dass es innerhalb einer Druckgrenze angeordnet ist, welche eine Drucksperre für das Primärkühlmittel des Reaktors ist. Einkerbungen sind in der Oberfläche des Drehelements 200 ausgeformt. Mit dieser Ausführungsform sind eine große Anzahl von Nuten 225 in einem regelmäßigen Muster auf einer Seitenfläche des Drehelements 200 vorgesehen. Eine Verlagerungsmessvorrichtung 201 ist an einer Seitenfläche des Spulenstücks 56 vorgesehen, um als Dreherfassungsmittel zum Messen und Ausgeben des Abstands zu den Einkerbungen zu dienen, welche ausgeformt sind, um die große Anzahl von Nuten 225 in der Oberfläche des Drehelementes 200 zu schaffen.
Beispiele für die Messvorrichtung, welche als diese Verlagerungsmessvorrichtung 201 verwendet werden könnten, beinhalten einen Überstromverlagerungsmesser, welcher den Abstand zu einem Leiter messen kann, oder einen Laserverlagerungsmesser, welcher einen Laser auf eine Zielfläche leiten kann und die Zeit messen kann, welche dieses Licht benötigt, um zurück zu kehren. Ein Ausgang der Verlagerungsmessvorrichtung 201 wird durch eine Signalleitung an ein Signalverarbeitungssystem 202 übermittelt, welches auch als elektronischer Zähler dient. Der Abstand zwischen der Verlagerungsmessvorrichtung 201 und der Seitenfläche des Drehelements 200 verändert sich periodisch mit der Drehung des inneren Rotors 67, und so wird ein Ausgang von der Verlagerungsmessvorrichtung 201 erhalten, welcher mit dieser Drehung synchronisiert ist. Der Winkel, um welchen sich der innere Rotor 67 gedreht hat, kann bestimmt werden unter Verwendung des Signalverarbeitungssystems 202, um die Periode der Variationen in diesem Ausgang zu zählen. Die Drehgeschwindigkeit kann von Transitionen in dem Drehwinkel mit der Zeit erhalten werden.
Auf gleiche Art und Weise kann die Drehposition des äußeren Rotors 64 gemessen werden mittels eines Drehpositionserfassers 203, welcher ein Mittel zum Erfassen der Drehung der Welle des elektrischen Motors 51 ist. Ein Beispiel des Drehpositionserfassers 203, welches verwendet werden könnte, ist der Synchropositionserfasser für einen Steuerstangen-Antriebsmechanismus gemäß dem Stand der Technik. Ein Ausgang des Drehpositionserfassers 203 wird an das Signalverarbeitungssystem 202 durch eine Signalleitung übermittelt. Dieses Signalverarbeitungssystem 202 ist ein Ausgangsverarbeitungsmittel, welches die Ausgänge des Drehpositionserfassers 203 und der Verlagerungsmessvorrichtung 201 vergleicht, und es kann den Drehwinkel oder die Drehgeschwindigkeit des inneren Rotors 67 und des äußeren Rotors 64 vergleichen.
Wenn kein Schlupf in der magnetischen Kopplung besteht, liegt die Diskrepanz zwischen der Drehposition des inneren Rotors 67 und der Drehposition des äußeren Rotors 64 innerhalb des Bereichs eines Schlupferzeugungsmittels. Daher kann das Auftreten von Schlupf erfasst werden durch Verwenden der Verlagerungsmessvorrichtung 201, des Drehpositionserfassers 203 und des Signalverarbeitungssystems 202.
Eine neunte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, nicht Teil der vorliegenden Erfindung, wird nun mit Bezug auf die Fig. 11 beschrieben.
Diese Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Erfassungsvorrichtung 204 für die Steuerstangenposition versehen ist, welche als Mittel zum Erfassen der vertikalen Position der Steuerstange wirkt, zusammen mit einem Signalverarbeitungssystem 205 zum Vergleichen von Ausgängen von dieser Erfassungsvorrichtung 204 und dem Drehpositionserfasser 203. Das Prinzip der Erfassung der vertikalen Position der Steuerstange ist das gleiche wie das des Notfallpositionserfassers 36 des herkömmlichen Steuerstangen-Antriebsmechanismus. Alternativ könnte ein magnetostriktiver Sensor, welcher kontinuierlich die Position eines Magneten erfassen kann, durch Ausnutzen des Magnetostriktionsphänomens auch verwendet werden, um einen Magneten zu erfassen, welcher in dem hohlen Kolben 19 vorgesehen ist. In dieser Ausführungsform ist die Erfassungsvorrichtung 204 die Steuerstangenposition an der Außenseite des CRD-Gehäuses 9 angeordnet, aber dies muss nicht so sein; sie könnte genauso gut innerhalb des Steuerstangen-Antriebsmechanismus 50 angeordnet sein. Wenn kein Schlupf der magnetischen Kopplung aufgetreten ist, besteht nur eine sehr geringe Diskrepanz, innerhalb des Bereichs des Schlupferzeugungswinkels, zwischen der Steuerstangenposition, die erhalten wird von dem Drehpositionserfasser 203 und der vertikalen Steuerstangenposition, erfasst mittels der Erfassungsvorrichtung 204. Daher kann das Auftreten von Schlupf bestimmt werden durch das Signalverarbeitungssystem 205, welches diese beiden Ausgänge vergleicht.
Eine zehnte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, nicht Teil der vorliegenden Erfindung, wird nun mit Bezug auf die Fig. 12 beschrieben. In dieser Ausführungsform gibt es keine Änderungen des Steuerstangen- Antriebsmechanismus 50 und Spulenstücks 56 aus Fig. 24, so dass nur die zugehörigen elektrischen Bereiche dargestellt sind. Elektrische Energie von einer Energiequelle 207 wird einem elektrischen Motor 206 zugeführt, und die Wellenformen der Spannung und des Stroms dieses Motors werden gemessen mittels eines Wellenformverarbeitungssystems 208. Verschiedene Typen von Wechselstrommotoren könnten als der elektrische Motor 206 in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise der Schrittmotor des herkömmlichen Steuerstangen-Antriebsmechanismus, ein Induktionsmotor oder ein elektrischer Synchronmotor. Solche elektrische Motoren haben jedoch normalerweise ein Problem insofern, als die Größe des Stroms und der Fasenunterschied der Spannungs- und Stromwellenformen sich mit der Größe der Belastungsenergie oder eher des Belastungsdrehmoments verändern. Daher werden dieser Strom und diese Fasendifferenz erfasst durch Vorsehen des Wellenformverarbeitungssystems 208 zwischen dem elektrischen Motor 206 und seiner Energiequelle 207, und das Belastungsdrehmoment wird daraus abgeleitet.
Die Fase kann vergleichsweise einfach erfasst werden mittels eines Verfahrens, wie beispielsweise eines Verfahrens, in welchem die Wellenform von einer analogen in eine digitale Form umgewandelt wird und in einen Computer für die numerische Verarbeitung gebracht wird.
Die physikalischen Phänomene, welche bei der magnetischen Kopplung auftreten, wenn ein Schlupf auftritt, werden nun diskutiert unter Verwendung von horizontalen Querschnitten durch die magnetische Kopplung in Fig. 13. Ein Fall, in welchem der innere Rotor 67 sich nicht drehen kann, während der elektrische Motor 206 in Fig. 12 in Betrieb ist, und zwar aus irgendeinem Grund, wie beispielsweise eine Beschädigung der Kugelumlaufwelle 14, wird als Beispiel für das Auftreten von Schlupf in Betracht gezogen. Wenn das Drehmoment des elektrischen Motors 206 größer ist als das maximale statische Reibdrehmoment der magnetischen Kopplung, wird sich der äußere Rotor 64 weiter drehen, und daher wird ein Schlupf auftreten. Wenn der Verlagerungswinkel geringer ist als der Schlupferzeugungswinkel, unterliegt der äußere Rotor 64 einem Drehmoment aufgrund der Wirkung der Magnetkraft von dem inneren Rotor 67 in der in Fig. 13(a) gezeigten Richtung. Falls dies auftritt, während der Motor in Betrieb ist, wird dieses Drehmoment als Belastungsdrehmoment an den Motor übertragen und wird dann an die elektromagnetische Bremse 21 übertragen, wenn die Steuerstange an ihrer festen Position gehalten wird. Wenn der äußere Rotor 64 sich weiter dreht und der Verlagerungswinkel den Schlupferzeugungswinkel überschreitet, dreht sich die Richtung des Drehmoments, dass er aufnimmt, wie in Fig. 13(b) dargestellt. Wenn der Schlupf weiter auftritt, wird beobachtet, dass sich das Drehmoment in entgegengesetzte Richtung umkehrt. Dies ist schematisch in Fig. 14 dargestellt. Das erzeugte Drehmoment hat einen Maximalwert, der in der gleichen Größenordnung liegt wie das maximale statische Drehmoment, und der Schlupferzeugungswinkel invertiert symmetrisch in positiver und negativer Richtung.
Die Kopplung zwischen dem äußeren Rotor 64 und der Drehwelle 11 des elektrischen Motors 206 in Fig. 12 erleichtert die Demontage und Inspektion des elektrischen Motors 206, so dass sie eine mechanische, magnetische Kopplung schafft, welche leicht verbunden und getrennt werden kann, und zwar zu anderen Komponenten, wie beispielsweise einer Getriebekopplung (in der Zeichnung nicht dargestellt), aber eine Kopplung dieser Art tendiert normalerweise dazu, in Drehrichtung leicht zu schwingen. Diese Schwingung erzeugt große Stoßdrehmomente in den Kopplungskomponenten, falls beispielsweise die Richtung des Drehmoments sich umkehrt, und die Drehmomente werden an den elektrischen Motor 206 übertragen. Daher weist die Belastung des elektrischen Motors 206 hochfrequente Drehmomentkomponenten auf.
Andererseits ist im normalen Betriebszustand, in welchem kein Schlupf auftritt, das Nennbelastungsdrehmoment so ausgestaltet, dass es ausreichend kleiner ist als das maximale statische Drehmoment, so dass keines der großen Drehmomente, welche nach dem Schlupf auftreten, auf den elektrischen Motor 206 einwirken, wie oben beschrieben.
Diese Ausführungsform konzentriert sich auf die großen Drehmomente, welche erzeugt werden, nachdem ein Schlupf auftritt, aller oben beschriebenen physikalischen Phänomene, und außerdem auf die Umkehr der Richtung dieser Drehmomente. Es ist möglich, einen Schlupf in der magnetischen Kopplung zu erfassen, der erzeugt wird, während der Motor in Betrieb ist, und zwar durch Erfassen des Belastungsdrehmoments des elektrischen Motors, welches durch den Fasenunterschied zwischen der Spannung und dem Strom des Motors verursacht wird, oder durch Erfassen von Veränderungen in dem Strom des Motors.
Eine elfte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, nicht Teil der vorliegenden Erfindung, wird nun beschrieben mit Bezug auf Fig. 15. Da in Fig. 15 keine Änderung des Steuerstangen-Antriebsmechanismus 50 und des Spulenstücks 56 bezüglich der zehnten Ausführungsform bestehen, werden nur die Komponenten um den elektrischen Motor 206 hier genau dargestellt. Die elektrische Energie von der Energiequelle 207 wird dem elektrischen Motor 206 zugeführt, aber die Strom- und Spannungswellenformen des Motors unterliegen einer Frequenzanalyse mittels eines Frequenzanalysesystems 209. Auf die gleiche Art und Weise wie in der zehnten Ausführungsform konzentriert sich diese Ausführungsform auf das Merkmal, das, durch alle oben beschriebenen physikalischen Phänomene, hochfrequente Belastungsdrehmomentkomponenten in dem elektrischen Motor 206 erzeugt werden. Diese Belastungsdrehmomente erzeugen hochfrequente Komponenten in den Strom- und Spannungswellenformen, welche im normalen Betrieb nicht sichtbar sind, was es ermöglicht, das Auftreten von Schlupf durch die Frequenzanalyse zu erfassen.
Die Beschreibung wendet sich nun einer zweiten Ausführungsform eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus zu, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, und zwar mit Bezug auf Fig. 16. In dieser Ausführungsform gibt es keine Veränderungen bezüglich des Steuerstangen-Antriebsmechanismus 50 und des Spulenstücks 56 in Fig. 15, so dass nur die Komponenten um den elektrischen Motor herum dargestellt sind. Diese Ausführungsform verwendet einen Induktionsmotor 210 als elektrischen Motor. Die Drehgeschwindigkeit dieses Induktionsmotors 210 kann erfasst werden mittels eines Drehpositionserfassers 211, welcher als Belastungsdrehmomenterfassungsmittel vorgesehen ist, wobei ein Datenverarbeitungssystem 212 damit verbunden ist. Jeder herkömmliche Erfasser für einen Steuerstangen- Antriebsmechanismus kann verwendet werden als Drehpositionserfasser 211, wie beispielsweise der Synchropositionserfasser 22.
Im Allgemeinen hat die Drehgeschwindigkeit eines Induktionsmotors eine feste Beziehung zu der Synchrongeschwindigkeit, wenn die Belastung gleich Null ist, bestimmt durch die Frequenz der Wechselstromenergiequelle, und jeder Motor hat seine eigene spezifische Beziehung, welche als Graph ausgedrückt werden kann mittels einer Kurve, welche Drehmoment-Rotationskennlinie genannt wird. Daher misst der Drehpositionserfasser 211 die Drehgeschwindigkeit des Induktionsmotors, und das Belastungsdrehmoment kann aus der Drehmoment-Rotationskennlinie dieses Motors unter Verwendung des Datenverarbeitungssystems 212 abgeleitet werden.
Daher werden, wie zuvor in dem Abschnitt über die zehnte Ausführungsform beschrieben, Veränderungen in dem Belastungsdrehmoment nach dem Auftreten des Schlupfes erfasst als Veränderungen der Drehgeschwindigkeit des Motors, so dass das Auftreten von Schlupf dadurch erfasst werden kann.
Eine dreizehnte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, nicht Teil dieser Erfindung, wird nun mit Bezug auf die Fig. 17 beschrieben. In dieser Ausführungsform gibt es keine Veränderungen bezüglich des Steuerstangen-Antriebsmechanismus 50 und des Spulenstücks 56 aus Fig. 15, so dass nur die Komponenten um einen elektrischen Motor 213 herum dargestellt sind. Ein Drehmomenterfasser 214 zum Erfassen des Drehmoments des elektrischen Motors 213 ist in einem mittleren Bereich zwischen dem äußeren Rotor 64, welcher mit einer Drehwelle 212 des elektrischen Motors 213 verbunden ist, und einem Rotor 216 des elektrischen Motors 213 vorgesehen. Ein drucksensorartiger Drehmomenterfasser oder ein magnetostriktiver Drehmomenterfasser könnte als der Drehmomenterfasser 214 verwendet werden, und das Drehmoment kann erfasst werden, wenn die Drehwelle 215 statisch ist und wenn sie sich dreht. Wenn die Ausgangswellenform dieses Drehmomenterfassers 214 mittels eines Datenverarbeitungssystems 217 verarbeitet wird, und Details der Größe und Richtung des Drehmoments analysiert werden, kann das Drehmoment, nachdem ein Schlupf aufgetreten ist, auf die gleiche Art und Weise, wie oben mit Bezug auf die zehnte Ausführungsform beschrieben, bestimmt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die elektromagnetische Bremse 21 in einem unteren Bereich des Rotors 216 des elektrischen Motors 213 vorgesehen ist.
Die Beschreibung wendet sich nun an vierzehnte Ausführungsform eines Steuerstangen-Antriebsmechanismus, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, und zwar mit Bezug auf Fig. 18. Auch in dieser Ausführungsform gibt es keine Veränderungen bezüglich des Steuerstangen-Antriebsmechanismus 50 und Spulenstücks 56 in Fig. 15, so dass nur die Komponenten um einen elektrischen Motor 218 herum dargestellt sind. Wie oben in dem Abschnitt über die zehnte Ausführungsform beschrieben, wird, wenn ein Schlupf auftritt, während der elektrische Motor 218 in Betrieb ist, das in der magnetischen Kopplung erzeugte Drehmoment dadurch von dem Rotor 216 an einen Stator 221 übertragen. Dieser Stator 221, ein Motorgehäuse 219, welches ein Element zum Befestigen des Stators 221 innerhalb der Reaktordruckkammer 1 ist, das Spulenstück 56 und auch ein CRD-Gehäuse (in den Zeichnungen nicht dargestellt) unterliegen alle einer Torsion aufgrund dieses Drehmoments.
Wenn die Steuerstange in ihrer festen Position gehalten wird, wird ein Drehmoment von der Drehwelle 215 durch die elektromagnetische Bremse 21 an das Motorgehäuse 219 übertragen, so dass die elektromagnetische Bremse 21, das Motorgehäuse 219, das Spulenstück 56 und das CRD-Gehäuse einer Torsion unterliegen.
Der Mechanismus mit Mitteln zum Erfassen einer Torsionsverformung in den oben genannten Elementen versehen, um eine Torsionsverformung zu erfassen, die durch ein Drehmoment verursacht wird, nachdem ein Schlupf aufgetreten ist. Ein Beispiel für Mittel zum Erfassen der Torsion ist in Fig. 18 dargestellt, wo ein Dehnungserfasser 220 und ein Datenerfassungssystem 223 zum Manipulieren eines Ausgangs dieses Erfassers in dem Motorgehäuse 219 vorgesehen sind. Die Art und Weise des Einbaus des Dehnungserfassers 220 ist bestimmt, um sicher zu stellen, dass die Dehnung erfasst werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass die Montageposition des Dehnungserfassers 220 nicht auf die in Fig. 18 dargestellte beschränkt ist; er kann an jedem Element montiert sein, wo dieses der Torsion unterliegt, die durch das Drehmoment erzeugt wird, das seinerseits durch das Auftreten des Schlupfes erzeugt wird.
Eine fünfzehnte Ausführungsform eines Steuerstangen- Antriebsmechanismus, nicht Teil dieser Erfindung ist in den Fig. 19 und 20 gezeigt. In dieser Ausführungsform gibt es keine Veränderungen bezüglich des Steuerstangen- Antriebsmechanismus 50 und des Spulenstücks 56 in Fig. 15, so dass nur die Komponenten um einen elektrischen Motor 223 herum dargestellt sind. Ein Beschleunigungssensor 224 zum Erfassen einer Beschleunigung in der Umfangsrichtung des elektrischen Motors 223 ist in dem elektrischen Motor 223 montiert. Ein Schlitz entlang der Linie A-A' in Fig. 19 ist in der Fig. 20 dargestellt. Wenn eine Torsionsschwingung in dem elektrischen Motor 223 erzeugt wird, kann die Winkelbeschleunigung dieser Schwingung mittels des Beschleunigungssensors 224 gemessen werden.
Das Drehmoment, welches erzeugt wird, nachdem ein Schlupf aufgetreten ist, verursacht eine Torsion in dem elektrischen Motor 223, aber ein Drehmoment mit hochfrequenten Komponenten, erzeugt durch eine Schwingung der mechanischen Kopplung, insbesondere solche aufgrund der mechanischen Schwingung der in dem Abschnitt über die zehnte Ausführungsform beschriebenen Kopplung, erzeugt Torsionsschwingungen mit einer großen Winkelbeschleunigung.
Ein Schlupf kann erfasst werden durch Erfassen dieser Schwingung mittels des Beschleunigungssensors 224.
Die Winkelbeschleunigung kann genauer erfasst werden durch Montieren von mehreren Beschleunigungssensoren 224. Man nehme für dieses Beispiel an, dass zwei Beschleunigungssensoren 224 symmetrisch bezüglich der Drehwelle 215 des Motors montiert sind, wie in Fig. 20 dargestellt. Wenn die lineare Beschleunigung in einer Richtung y in der Zeichnung (der Richtung parallel zur Beschleunigungserfassungsrichtung) verwendet wird, haben die Ausgänge, die während einer linearen Beschleunigung von den Beschleunigungssensoren 224 erhalten werden, die gleiche positive oder negative Seite, wohingegen die Ausgänge für die Drehbeschleunigung unterschiedliche positive und negative Seiten haben, wie in Fig. 21 dargestellt. Diese unterschiedlichen Kurven können leicht unterschieden werden.
Wie oben beschrieben, macht es die in Anspruch 1 dieser Beschreibung offenbarte Erfindung mit dem Steuerstangen- Antriebsmechanismus gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung möglich, den äußeren Magneten von oberhalb des äußeren Jochs zu montieren, während er entlang einer Magnetmontagefläche gleiten kann. Dies macht es einfach, den Magneten in das Joch hinein zu bauen, und es verkürzt daher die Herstellzeit und reduziert die Herstellkosten. Im Gegensatz zu der Ausgestaltung, in welcher die Montage von unterhalb des äußeren Jochs geschieht, können das äußere Joch und der untere Flansch dieses Jochs integral ausgestaltet sein, was es wiederum möglich macht, die Festigkeit des äußeren Jochs zu steigern und auch die Herstellkosten zu senken aufgrund dieses einfacheren Aufbaus.
Die in Anspruch 2 offenbarte Erfindung hat die gleichen Merkmale wie die in Anspruch 1, kann aber auch eine größere Flexibilität beim Bestimmen der Dimensionen des Lagers schaffen.
Die in den Ansprüchen 1, 3 und 4 offenbarte Erfindung macht es möglich, den Reaktor zu untersuchen, ohne ihn anzuhalten, um zu überprüfen, dass keine Anomalitäten, wie ein Reiben, oder eine Verschlechterung innerhalb des Hebemechanismus oder eine Verformung oder ein Absetzen im Brennstoff oder der Steuerstange vorliegen, und zwar durch Bestimmen der Größe der Belastung, die auf den Hebemechanismus des Steuerstangen- Antriebsmechanismus einwirkt.
Die in den Ansprüchen 5 bis 8 offenbarte Erfindung macht es möglich, dass die Magnete ihre Integrität bezüglich Stoßbelastungen behalten, die durch die Steuerstangenantriebsvorrichtung während eines Notabschaltens oder durch Belastungen bei Erdbeben eingebracht werden.

Claims

1. Steuerstangen-Antriebsmechanismus zum Einführen einer Steuerstange (5) in einen Reaktorkern oder zum Entfernen der Steuerstange aus dem Reaktorkern, mit einer magnetischen Kopplung mit einem inneren Magneten (54), welcher in mehrere Teile aufgeteilt ist und in einem unteren Bereich einer Antriebswelle (53) angeordnet ist, um eine Drehenergie eines elektrischen Motors (51) an diese Antriebswelle (53) zu übermitteln, und mit einem äußeren Magneten (101) auf der angetriebenen Seite, welcher in mehrere Teile aufgeteilt ist und an einer Drehwelle (11) des elektrischen Motors (51) in einer Anordnung vorgesehen ist, die in Richtung des inneren Magneten (54) weist; wobei eine Drucktrennung (58) zwischen dem äußeren Magneten 101 und dem inneren Magneten (54) vorgesehen ist, um den äußeren Magneten 101 außer Kontakt mit einem unter Druck stehenden Fluid in dem Reaktor zu halten;

dadurch gekennzeichnet, dass der innere Magnet (54) an einer äußeren Umfangsfläche eines zylindrischen inneren Jochs (61) angebracht ist, welches an der Antriebswelle (53) vorgesehen ist, und dass der äußere Magnet (101) an einer inneren Umfangsfläche eines zylindrischen äußeren Jochs (100) angebracht ist, welches außerhalb des inneren Jochs (61) vorgesehen ist; und

dass eine Position in radialer Richtung an einer Magnetmontagefläche (110) für den äußeren Magneten (101) an dem äußeren Joch (100) gleich einer Position in radialer Richtung an einer inneren Fläche des äußeren Jochs (100) oberhalb der Magnetmontagefläche (110) für den äußeren Magneten (101) ist oder weiter einwärts liegt; und weiter dadurch gekennzeichnet, dass ein Leiter (59) zwischen dem inneren und dem äußeren Magneten (54, 101) so angeordnet ist, dass eine Induktionsspannung, welche durch ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird, welches seinerseits durch die Drehung der inneren und äußeren Magnete (54, 101) verursacht wird, in dem Leiter (59) erzeugt wird, und Veränderungen in der Wellenform dieser Induktionsspannung, welche verursacht werden durch Veränderungen in dem Drehmomentwinkel zwischen den inneren und äußeren Magneten (54, 101) erfasst werden; und weiter dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Messen von Veränderungen in der Wellenform dieser Induktionsspannung vorgesehen sind und daher zum Bestimmen dieses Drehmomentwinkels; und durch Mittel zum Bestimmen der Größe der auf eine Hebevorrichtung eines hohlen Kolbens (19) aufgebrachten Belastung, an dessen oberem Ende die Steuerstange (5) vorgesehen ist.

2. Steuerstangen-Antriebsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ring vorgesehen ist zum Anbringen eines Lagers an der inneren Fläche des äußeren Jochs oberhalb der Montagefläche (110) für den äußeren Magneten (101)

3. Steuerstangen-Antriebsmechanismus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Bestimmen des Drehmomentwinkels die Links-Rechts-Symmetrie einer Zeit-Historie-Wellenform einer halben Periode der Induktionsspannungswellenform verwenden.

4. Steuerstangen-Antriebsmechanismus nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Links-Rechts-Symmetrie der Zeit-Historie-Wellenform einer halben Periode der Induktionsspannungswellenform bewertet wird durch Vergleich von Spannungen in zwei Bereichen, die durch eine Zwischenzeit innerhalb dieser halben Periode getrennt sind.

5. Steuerstangen-Antriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung auf einer Oberfläche von zumindest einem der inneren und äußeren Magnete (54, 101) aufgebracht ist.

6. Steuerstangen-Antriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nachgiebiger Körper (120, 121) an zumindest einer Stelle in einem Raum zwischen zumindest einem der inneren und äußeren Magneten (54, 101) und einem Element vorgesehen ist, welches daran in axialer, radialer oder Umfangsrichtung angrenzt.

7. Steuerstangen-Antriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastischer Körper (120, 121) in einem Raum zwischen getrennten Teilen des inneren und/oder äußeren Magneten (54, 101) vorgesehen ist, welche in mehrere Teile aufgeteilt sind.

8. Steuerstangen-Antriebsmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein nachgiebiger Körper (120, 121) in einem Raum zwischen dem äußeren Joch (100) und dem äußeren Magneten (101) vorgesehen ist.