JP2001264480A

JP2001264480A - 制御棒駆動機構

Info

Publication number: JP2001264480A
Application number: JP2000077769A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Nakahara; 宏尊中原; Tsukasa Sasaki; 典佐々木; Shinzo Inoue; 信三井上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2001-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気継手の熱減磁及び渦電流発生による伝達ト
ルク低下を抑制し、脱調に対するトルク余裕を増加させ
信頼性を向上させて、検査回数の合理化を可能とする制
御棒駆動機構を提供する。【解決手段】原子炉内の制御棒を昇降駆動することで原
子炉出力を制御する制御棒駆動機構であって、駆動源の
回転軸が磁気継手を介して制御棒の駆動軸に接続すると
ともに、磁気継手には、径方向に着磁した永久磁石を軸
方向に互いに異極となるよう稠密配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉の
圧力容器下部に設置され、原子炉内の制御棒を昇降駆動
することで原子炉出力を制御する制御棒駆動機構に係わ
り、特に磁気継手を用いた電動式の制御棒駆動機構に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、改良型沸騰水型原子炉の電動式の
制御棒駆動機構において、磁気継手の採用による軸封部
の削減によって保守点検の工数削減が進められている。

【０００３】図１１は、制御棒駆動機構の配置図であ
る。原子炉圧力容器１００内には、減速材を兼ねた冷却
材が収容されるとともに、原子炉圧力容器１００の中央
部には多くの燃料集合体が装荷された炉心が配置され
る。燃料集合体の間に制御棒１２が挿入／引抜自在に設
置され、制御棒１２は原子炉圧力容器１００の下部に備
わる制御棒駆動機構の中空ピストン１１に接続されてい
る。制御棒駆動機構は、原子炉圧力容器１００の下方に
あって、下鏡部に貫通して設けられ、制御棒駆動機構ハ
ウジング１７，ボールねじ９，電動機１等で構成されて
いる。

【０００４】図１２は、磁気継手を用いて軸封部を削減
した従来の制御棒駆動機構の縦断面図である。この制御
棒駆動機構は、原子炉圧力容器１００の下鏡部に接続す
る制御棒駆動機構ハウジング１７の下方に駆動源である
電動機１を備える一方、制御棒駆動機構ハウジング１７
の内部には、制御棒１２に連結する中空ピストン１１
と、これを載置するボールナット１０及びボールねじ９
を収納する。

【０００５】また、電動機１の上端の回転軸２は、制御
棒駆動機構ハウジング１７の下端の圧力隔壁１８を挟ん
で対向設置された磁気継手５，６を介してボールねじ９
に連結する伝達軸７に接続している。こうして、電動機
１を回転駆動させることにより、制御棒１２の昇降駆動
を可能とし、この制御棒１２の昇降により、炉心への挿
入引抜量が調整され炉出力が調整される。

【０００６】上述の構成において、回転軸２と伝達軸７
の間に磁気継手５，６の磁力による伝達トルクを超えた
駆動トルク（脱調トルク）が発生すると、磁気継手の外
側磁気継手５と内側磁気継手６ですべり脱調が発生し、
原子炉運転上都合が悪い状態となる。そこで、電動機１
の出力トルク以上の脱調トルクがあるよう磁気継手５，
６を設計する必要があるが、プラントの運転とともに原
子炉の発生する熱によって磁力が劣化し伝達トルクの低
下が生じる可能性がある。また、磁気継手５，６が回転
する際、磁束が貫き回転している圧力隔壁１８に渦電流
が発生し磁気継手５，６内部に逆磁場が発生するので伝
達トルクが低下する。そこで、脱調トルクが所期の値か
ら低下していないか検査を適宜実施することが必要とな
ってくる。

【０００７】しかしながら、磁気継手は制御棒駆動機構
の内部に収納されているため、磁気継手の磁力、あるい
はトルクの検査のためには、制御棒駆動機構を分解して
磁気継手を取り出す必要があり、制御棒駆動機構を圧力
容器下部から一旦取り外す作業が必要となる。特に内側
磁気継手６側は圧力隔壁１８内にあり取り外す作業は容
易ではない。したがって、磁気継手の検査の合理化が課
題である。

【０００８】そこで、内側磁気継手６の回転検出手段３
０を制御棒駆動機構に設けることが考えられる。例えば
図１３(ａ），(ｂ)に示すように、内側磁気継手６と共
に回転する軸に側表面に凸凹を有した回転部材３０ａ
と、回転部材に対向して変位検出器３１を設け、回転部
材の側面と変位計の距離が回転に伴い周期的に変化する
ことを利用して内側磁気継手６の回転を検出する方法
が、特開平10−10264 号公報に開示されている。この方
法では制御棒駆動機構の分解，取外作業が不要である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開平１
０−１０２６４号公報記載の方法では、磁気継手の脱調
検出用のセンサを設置するために耐圧部に新たな貫通部
を設けることは、耐圧部の信頼性の観点から好ましくな
い。さらに、高温高圧あるいは放射線環境におけるセン
サ自身の性能劣化を考慮すると信頼性の観点からも好ま
しくない。

【００１０】本発明の目的は、磁気継手の熱減磁及び渦
電流発生による伝達トルク低下を抑制し、脱調に対する
トルク余裕を増加させ信頼性を向上させて、検査周期の
延長やサンプリング数の縮小等の検査作業の合理化を可
能とする制御棒駆動機構を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、制御棒を原子炉の炉心内に挿入・引抜す
る制御棒駆動機構を、駆動源の回転軸が磁気継手を介し
て制御棒の駆動軸に接続するとともに、磁気継手には、
径方向に着磁した永久磁石を軸方向に互いに異極となる
よう稠密配置して構成する。

【００１２】具体的には、本発明は次に揚げる駆動機構
を提供する。本発明は、原子炉圧力容器の下鏡部を貫通
して取り付けられたハウジング内に設けられ、駆動源の
回転を前期駆動源の回転軸に設けられた外側磁気継手及
び該外側磁気継手に対向し伝達軸に設けられた内側磁気
継手を介してピストン昇降機構に伝えて中空ピストンを
昇降させ、前記中空ピストンと連結する制御棒を原子炉
の炉心内に挿入・引抜する制御棒駆動機構において、前
記駆動源の回転軸が磁気継手を介して前記制御棒の駆動
軸に接続するとともに、前記磁気継手には、径方向に着
磁した永久磁石を軸方向に互いに異極となるよう稠密配
置して構成することを特徴とする制御棒駆動機構を提供
する。

【００１３】好ましくは、前記磁気継手の永久磁石は、
周方向に複数の磁極を有し、周方向に互いに異極となる
よう配置する。

【００１４】好ましくは、前記磁気継手の永久磁石は、
軸方向に互いに接着され、一体でヨークに固定される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例に係る制御
棒駆動機構を、図を用いて説明する。図１は、本発明の
一実施例に係る制御棒駆動機構の構成を示す。本実施例
では、磁気継手には、径方向に着磁した永久磁石を軸方
向に互いに異極となるよう稠密配置している。

【００１６】制御棒駆動機構は、図１に示すように、原
子炉圧力容器１００の下鏡部に接続する制御棒駆動機構
ハウジング１７の下方に駆動源である電動機１を備え、
電動機１の上端の回転軸２は、磁気継手の外側磁気継手
５へ接続する。この外側磁気継手５は、制御棒駆動機構
ハウジング１７の下端の耐圧部である圧力隔壁１８を介
して内側磁気継手６と磁気的に接続している。

【００１７】内側磁気継手６は伝達軸７と接続し、伝達
軸７の上方にはボールねじ９がこれと一体回転できるよ
うに接続する。このボールねじ９上に備わるボールナッ
ト１０は、ねじの回転によって昇降する。ボールナット
１０の上にはボールねじ９を囲んで上方へ伸びる中空ピ
ストン１１が載置され、中空ピストン１１の上端には制
御棒１２が連結する。

【００１８】一方、制御棒駆動機構ハウジング１７と圧
力隔壁１８にはアウタチューブ１９が挟まれ固定され
る。アウタチューブ１９の内側にはガイドチューブ１５
が中空ピストン１１を囲むように載置されている。ボー
ルナット１０は、ガイドチューブ１５の内面にあって、
その回転を拘束され上下に摺動可能に係止される。こう
して電動機１を回転駆動させることにより制御棒１２の
昇降駆動を可能とし、この制御棒１２の昇降により炉心
への挿入・引抜量が調整され炉出力が調整される。

【００１９】電動機１は制御手段２０に接続されており
図示しない駆動電源の開閉によって電動機１の駆動は制
御される。また、電動機１の上には図示しない回転検出
器３が設けられ、回転軸２の回転情報を制御手段２０に
伝達しても良い。この回転検出器３は回転軸２に接続さ
れる回転の検出器として、エンコーダやレゾルバ発信器
あるいはシンクロ発信器などの位置センサや、タコジェ
ネなどの速度センサを用いても良い。

【００２０】さらに、回転検出器３の上に特に図示しな
い保持電磁ブレーキ４を設け、制御棒停止時には保持ブ
レーキ４を作動させ、制御棒１２や中空ピストン１１の
自重等から生じる制御棒引抜方向のトルクに抗し回転軸
２の保持を確実としても良い。

【００２１】さらに、制御棒駆動機構の信頼性を向上さ
せるために、内側磁気継手６が接続する伝達軸７とボー
ルねじ９の間に分離検出器８を設けても良い。分離検出
器８では、伝達軸７に固定した下部ばね受け８ａと、伝
達軸７の先端に上下動自在，回転を拘束されて嵌合する
連結器８ｂとが、ばね８ｃを挟んで配置される。

【００２２】また、連結器８ｂは環状の磁石８ｄを備え
ると共に、制御棒駆動機構の外縁部に磁気検出器８ｅを
内封した管状の分離検出装置１３が配置されている。ボ
ールナット１０の上に制御棒１２と連結した中空ピスト
ン１１が載置されていると制御棒１２及び中空ピストン
１１とボールナット１０及びボールねじ９の自重でばね
８ｃは圧縮され連結器８ｂが下方へ押し込まれる。

【００２３】また、スクラム配管１６から圧力水が供給
され中空ピストン１１がボールナット１０から押上げら
れ離脱すると、ばね荷重が軽くなり連結器８ｂは上方に
復帰する。したがって、連結器８ｂの上下動を磁気検出
器８ｅで検出することにより中空ピストン１１の分離を
検出できるので信頼性が向上出来る。

【００２４】また、制御棒駆動機構の信頼性を向上させ
るために、制御棒駆動機構ハウジング１７の外側に制御
棒の位置検出装置１４を設けている。位置検出装置１４
では、具体的には、制御棒と一体となって昇降する中空
ピストン１１の下端部に磁石１１ａを設ける。また、中
空ピストンが上限位置に挿入される際に、中空ピストン
１１と連動して上下動する磁石１１ｂをガイドチューブ
１５の下端部に設ける。これに対して、位置検出装置１
４は、磁気検出器１４ａ及び１４ｂを制御棒駆動機構の
外縁部のうち磁石１１ａ及び１１ｂに対向する位置に、
配置している。

【００２５】磁気検出器１４ｂは中空ピストン１１が挿
入され、炉心制御上の上限位置にある際に磁石１１ｂの
磁気を検出する位置に配置する。また、磁気検出器１４
ａは中空ピストン１１が引抜きされ、炉心制御上の下限
位置にある際に磁石１１ａの磁気を検出する位置に配置
する。したがって、中空ピストンの上下動を位置検出装
置１４で検出することにより制御棒１２の炉心内におけ
る位置を検出可能となり信頼性が向上出来る。

【００２６】図２は磁気継手の部分詳細図である。外側
磁気継手５には、回転軸２に対して径方向に着磁した永
久磁石５ａ，５ｂを軸方向に互いに異極となるよう稠密
配置している。また、内側磁気継手６には、伝達軸７に
対して径方向に着磁した永久磁石６ａ，６ｂを軸方向に
互いに異極となるよう稠密配置している。

【００２７】磁気継手５，６の伝達トルクを図３に示
す。伝達トルクは、内側及び外側継手の間のねじり位相
差に応じて両者の磁石が結ぶ磁束線もねじられ引伸ばさ
れるのに応じて大きくなる復元力として作用する。しか
しながら、この復元力には磁石が結ぶ磁力あるいは磁束
数による最大値（脱調トルク）が有って、回転軸２及び
伝達軸７に脱調トルクを超えたトルクを荷重すると磁気
継手５，６はすべりを生じる。そこで図４に示すように
脱調防止の方法として電動機の出力トルクを制限するこ
とが必要となる。（図３は電動機として誘導電動機を用
いた例であるが、本実施例の電動機の形式はステップモ
ータや直流モータ等でも構わない。）制御棒駆動機構に
あってこの脱調トルクを増加させる際に磁石のサイズを
軸，径方向いずれに増加させることも寸法上の制約から
望ましくない。そこで十分な磁力を有する磁性材料（例
えば、サマリウムコバルト，アルニコ（登録商標）等）
による磁石を使用する。しかしながら、これら磁石は熱
減磁作用を有しており、消磁の起きるキュリー温度まで
昇温されずとも、図５に示すように制御棒駆動機構の最
大伝達トルクが低下する可能性が有る。

【００２８】磁石の熱減磁特性は、図６に示されるよう
に、パーミアンス係数Ｐｃと呼ばれる磁石の動作点（図
中、直線で示す）に依存している。パーミアンス係数が
小さい磁石は大きい磁石に比べて熱減磁による磁束密度
の低下は大きくなる。

【００２９】一例として、直方体の磁石におけるパーミ
アンス係数Ｐｃを数１に示す。

【００３０】

【数１】

【００３１】数１に示すように、磁化方向長さＬｍが一
定の磁石では、表面積が変わらなければ、磁化方向に直
交する磁石断面の小さい磁石ほどパーミアンス係数Ｐｃ
が大きくなる。

【００３２】図１及び図２に示す磁気継手の磁石は、所
定の容積或いは表面積の制約下で、図７(ｂ)の比較例に
対して、図７(ａ)に示すように磁石を軸方向に分割して
パーミアンス係数Ｐｃを大きくするように配置してい
る。このため、熱減磁を少なくできると共に、伝達トル
クの低下を抑制できるため、好適である。

【００３３】また、磁気継手５及び６が回転する際、磁
束が貫き回転している圧力隔壁１８に渦電流が発生して
磁気継手５及び６の内部に逆磁場が発生するので、図８
及び数２に示す如く伝達トルクが低下する。

【００３４】

【数２】

【００３５】図８及び数２は、渦電流によるトルク低下
（損失）は回転速度ωに比例して進み、静止時トルクＴ
₀が大きな磁石、即ち磁力大の磁石を用いた磁気継手ほ
ど、運転中のトルク低下分の余裕を考慮する必要がある
ことを示している。

【００３６】図１及び図２に示す磁気継手の磁石は、図
９(ａ)の比較例に対して、図９(ｂ)に示すように磁石を
軸方向に分割している。この結果、図９(ａ)の比較例に
発生する渦電流（図９(ｃ)）に比べて、図９(ｂ)に発生
する渦電流（図９(ｄ)）を小さく分割でき、数３のよう
にトータルの渦電流損失を低減できる。

【００３７】

【数３】

【００３８】これにより、伝達トルクの低下を抑制でき
るため好適である。なお、図９では説明を簡単にするた
めに渦電流を矩形状としたが、問題はない。

【００３９】更に、熱減磁や渦電流による磁力劣化抑制
のために、図１０の（ａ）及び(ｂ)に示すように、磁石
の周方向にも複数の磁極を形成し、周方向に互いに異極
となるように配置しても良い。これは図７の奥行き幅を
減少させることに相当し、磁石分割に伴う表面積Ｓの増
分を減少できるので、数１に示した磁石分割によるパー
ミアンス係数の増大を拡大し、熱減磁をさらに低減でき
伝達トルクの低下を抑制でき好適である。また、渦電流
を軸方向ばかりか周方向にも区分して小さく分割できる
ので、図９及び数３のように、トータルの渦電流損失を
低減できるとともに、伝達トルクの低下を抑制でき好適
である。

【００４０】さらに好適には、組立て作業性を考慮し、
図１０の（ａ）及び（ｂ）に示した磁石５ａと５ｂ，磁
石６ａと６ｂを、各々予め軸方向に互いに接着し、一体
の磁石として形成し、一体でヨーク５ｚ，６ｚに固定し
ても良い。これによれば磁石の軸方向の分割による員数
の増加に拘らずヨークへの組立ては１個の磁石の組込み
同様となり簡便で良い。しかも径方向に着磁した磁石を
軸方向に異極に配するので磁石の相互作用としては吸着
となるので一体化に都合が良い。もっと言えば、サマリ
ウムコバルト材の保磁力が大で反外磁性の大きな磁石を
用いることが磁石を接着して用いても伝達トルクの低下
が少ない点で好適となる。

【００４１】なお、図１，図２には磁石を軸方向上下２
段に配置した例を示したが、分割数や分配の仕方はこれ
に限定されるものではない。このような構成によって、
磁気継手の熱減磁及び渦電流発生による伝達トルク低下
を抑制し、脱調に対するトルク余裕を増加させるのに好
適である。こうして、磁気継手健全性確認のために実施
する検査周期の延長やサンプリング数縮小等の検査作業
の合理化を可能とする制御棒駆動機構を提供できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の制御棒駆
動機構によれば、制御棒駆動機構に内蔵する磁気継手の
熱減磁及び渦電流発生による伝達トルク低下を抑制し、
脱調に対するトルク余裕を増加させ信頼性を向上させ
て、検査周期の延長やサンプリング数の縮小などの検査
作業の合理化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す制御棒駆動機の縦断面
図である。

【図２】本発明の一実施例を示す磁気継手の詳細縦断面
図である。

【図３】磁気継手のトルク特性の説明図である。

【図４】電動機出力トルクと脱調トルクの説明図であ
る。

【図５】熱減磁による伝達トルク低下の説明図である。

【図６】磁石の熱減磁特性の説明図である。

【図７】磁石のパーミアンス係数の説明図で、(ａ)は図
１の磁石を、(ｂ)は比較例を、それぞれ示す。

【図８】渦電流による伝達トルク低下の説明図である。

【図９】渦電流による損失の説明図で、(ａ)は比較例の
磁気継手の磁石構造を、(ｂ)は図１の磁気継手の磁石構
造を、(ｃ)は(ａ)の比較例に発生する渦電流を、(ｄ)は
(ｂ) に発生する渦電流を、それぞれ示す。

【図１０】磁石の周方向に複数の磁極を形成した本発明
の一実施例を示す磁気継手の詳細横断面図で、(ａ)は軸
方向のある断面を、(ｂ)は(ａ)と異なる軸方向の断面
を、それぞれ示す。

【図１１】制御棒駆動機構の配置図である。

【図１２】従来の制御棒駆動機構の縦断面図である。

【図１３】従来の他の制御棒駆動機構の説明図で、(ａ)
は縦断面図、(ｂ)は(ａ)のＢ−Ｂ断面図である。

【符号の説明】

１…電動機、２…回転軸、３…回転検出器、４…保持ブ
レーキ、５…外側磁気継手、６…内側磁気継手、７…伝
達軸、８…分離検出器、９…ボールねじ、１０…ボール
ナット、１１…中空ピストン、１２…制御棒、１３…分
離検出装置、１４…位置検出装置、１５…ガイドチュー
ブ、１６…スクラム配管、１７…制御棒駆動機構ハウジ
ング、１８…圧力隔壁、１９…アウタチューブ、２０…
制御手段、１００…原子炉圧力容器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子炉内の制御棒を昇降駆動することで原
子炉出力を制御する制御棒駆動機構であって、駆動源の
回転軸が磁気継手を介して制御棒の駆動軸に接続すると
ともに、前記磁気継手には、径方向に着磁した永久磁石
が軸方向に互いに異極となるように稠密配置されたこと
を特徴とする制御棒駆動機構。
【請求項２】請求項１において、前記磁気継手の永久磁
石は、周方向に複数の磁極を有し、周方向に互いに異極
となるよう配置されたことを特徴とする制御棒駆動機
構。
【請求項３】請求項１又は２において、前記磁気継手の
永久磁石は、軸方向に互いに接着され、一体でヨークに
固定されたことを特徴とする制御棒駆動機構。