JP2006017715A - 原子炉構成部品の振動を軽減するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動エネルギーを除去することによって原子炉の構成部品の振動を軽減するための装置を提供する。
【解決手段】 構成部品の振動を低減するために、構成部品に作動的に結合されかつ磁石（３４０）を含む装置は、導電シリンダ（３３０）内部で作動させることができる。この作動により、構成部品から振動エネルギーを除去する減衰関数をもたらす１つ又はそれ以上の渦電流を発生させて、構成部品の振動特性を変えるようにすることができる。スプリング機構（２３２）及び質量が、前記構成部品における振動エネルギーを除去する減衰関数を導入することによって該構成部品の振動特性を調整する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的には、原子炉構成部品のための振動軽減装置に関し、また原子炉構成部品の振動を軽減する方法に関する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）は、電気エネルギーを発生させるための信頼できる形式の原子炉として世に出てきた。しかしながら、一部のＢＷＲは、ＢＷＲの様々な構成部品において割れ発生が生じている。ＢＷＲにおける構成部品の割れ発生の一因となっている１つの要因は、高サイクル疲労に起因している場合がある。一般的に、ＢＷＲは、燃料のただ一回のコア装填で約一年から二年間にわたって作動させることができる。所定の期間（エネルギーサイクル又は燃料サイクルとして知られている）が終了すると、最少反応性になった燃料（最も古い又は最も燃焼した）のおよそ１／４〜１／２は、原子炉から取り出されることになる。実質的に高いサイクル数を構成するものとすることができるサイクル数は、他の要因により例えば設計及び作動条件などのサイクル時間が影響を受けるので、ＢＷＲごとに変えることができる。

高サイクル疲労は、例えば、かなり高い音響周波数、例えば１００ヘルツ以上の周波数及び／又はかなり低い周波数振動、例えば１００ヘルツ以下の周波数によって引き起こされる可能性がある。高音響周波数及び／又は低音響周波数を構成する周波数は、用途に基づいて変化することになることを理解されたい。ＢＷＲの振動の振幅は、高サイクル疲労に直接影響するか又は高サイクル疲労を悪化させることになり、このことが、次にＢＷＲの構成部品の割れ発生を引き起こすことになる。ＢＷＲの構成部品が受ける該ＢＷＲの振動の振幅は、該構成部品における応力に正比例する。ＢＷＲの振動の大きな振幅は、高応力レベルを招くことになり、これによりＢＷＲの構成部品の割れ発生を引き起こすことになる。

図１は、ＢＷＲの従来型の原子炉圧力容器（ＲＰＶ）の上部を示す破断図である。一般的に、また図１を参照すると、ＢＷＲは、直立した原子炉圧力容器１０を含み、この原子炉圧力容器１０には下部原子炉コア構造体が組み込まれ、この下部原子炉コア構造体の下方には制御棒駆動機構（明確には図示せず）が配置される。コア上方には、蒸気分離器組立体２５と蒸気出口３５につながる蒸気ドライヤ組立体３０とが配置される。蒸気分離器組立体３０又は蒸気ドライヤ組立体３０の１つ又はそれ以上の原子炉構成部品には、前述の高サイクル疲労による応力に起因した振動振幅の増大による振動が生じることになる。このことは、原子炉構成部品の割れ発生を加速させることになる。

本発明の例示的な実施形態は、原子炉の構成部品の振動を軽減するための装置に関する。本装置は、スプリング機構と該スプリング機構に取付けられた質量とを含む。スプリング機構及び質量は、構成部品における振動作用を低減するように互いに作動的に連係することができる。

本発明の別の例示的な実施形態は、原子炉内部の構成部品の振動を低減する方法に関する。構成備品に作動的に装着されかつ磁石及び導電シリンダを含む装置を作動させることができる。この作動により、構成部品から振動エネルギーを除去するための減衰関数(Function)をもたらす１つ又はそれ以上の渦電流を発生させることができる。

本発明の例示的な実施形態は、本明細書において以下に述べる詳細な説明とその中では様々な図において同じ参照符号が対応する部品を示している単に例示として示した添付図面とからより完全に理解されるであろう。

図２及び図３は、本発明の例示的な実施形態による振動軽減装置（ＶＭＤ）を示す。図２はＶＭＤ２００の断面図であり、図３はその分解図である。ＶＭＤ２００は、例えば蒸気ドライヤ組立体３０の構成部品のような、ＢＷＲ内部の原子炉構成部品に対して作動的に装着又は結合することができる。図示するように、ＶＭＤ２００は、音響遮蔽体２１０を含むことができる。音響遮蔽体２１０は、ＢＷＲの環境に適したステンレス鋼及び／又は他の任意の材料で構成することができる。音響遮蔽体２１０は、音響空間モードを励起する可能性がある渦を低減するために設けることができる。

例えば、音響遮蔽体２１０は、ＶＭＤ２００を横切る比較的滑らかな蒸気流が得られるように構成することができる。滑らかな蒸気流は、蒸気ドライヤ組立体３０の蒸気プレナムにおける音響空間モード（これは、音響空洞モードと呼ばれることもある）の励起を回避しかつ／又は可能な限り防止するのを助けることができ、蒸気プレナムは、図２に示すように、ＶＭＤ２００が装着される、蒸気ドライヤ組立体３０の構成部品表面３０Ａのような構成部品の近傍に位置することができる。

音響空間モードは、音響定常波パターンである。音響空間モードは、渦が、音響周波数に近い周波数で空洞の口を越えて流れるときに励起されることになる。渦は、構造体と接触状態にある流体の境界層が空洞全体にわたって流れる時に形成されることになる。構造体と接触状態にある流体の部分は、構造体と接触していない流体の部分よりも緩慢に移動することになる。両部分間の速度の差により、循環が発生し、この循環が渦になることになる。渦が空洞の口を越えて流れるときに、音響空間モードが励起されることになる。励起された音響空間モードは、構成部品における振動エネルギーを増大させることになる。従って、音響遮蔽体２１０は、ＶＭＤ２００を横切る比較的滑らかな蒸気流を可能にして、ＶＭＤ２００が取付けられた構成部品内における前述の音響空間モードの励起を回避しかつ／又は可能な限り防止することができる。

ＶＭＤ２００は、上端部キャップ２２０と下端部キャップ２６０とを含むことができる。キャップ２２０及び２６０は、それに対してスプリング機構２３を取付けることができる構造体を形成することができる。ベースプレート２７０は、ＶＭＤのための支持体を構成することができ、例えば構成部品表面３０Ａの位置におけるように、蒸気ドライヤに対して装着又は該ドライヤ上に固定することができる。キャップ２２０、２６０及びベースプレート２７０は、例えばＢＷＲの環境に適したステンレス鋼及び／又は他の任意の材料で構成することができる。

ＶＭＤ２００はさらに、隣接する永久磁石２４０を備えた非導電性シリンダ２３０を含むことができる。永久磁石２４０は、例えばアルニコ、サマリウムコバルト、セラミック及び／又は他の任意の磁気材料で構成することができる。スプリング機構２３２は、コイルスプリングとして実施することができ、及び／又は導電コアに取付けた片持ちビームによって得られたスプリング力を備えることができる。導電コア２５０は、導電特性を有するスチール、銅及び／又は任意の材料で構成することができる。

実施例では、非導電性シリンダ２３０は、ＶＭＤ２００の音響遮蔽体２１０、上端部キャップ２２０、下端部キャップ２６０、隣接する永久磁石２４０及びベースプレート２７０に対して固定状態にすることができる。それに代えて、導電コア２５０は、スプリング機構２３２と共に振動させることができる。スプリング機構２３２は、第１のスプリング２３５が導電コア２５０から上端部キャップ２２０まで結合され、また第２のスプリング２４５が導電コア２５０から下端部キャップ２６０まで結合されるように取付けることができる。

例えば、導電コア２５０は、該導電コア２５０内に渦電流が誘導されるように、隣接する磁石２４０を備えた非導電性シリンダ２３０に対してスプリング機構と共に振動することができる。渦電流は、移動磁場によって発生する。移動磁場は、導電体内に電圧を誘導することができる。誘導電圧は、渦電流である誘導電流に比例する。導電コア２５０の材料抵抗は、渦電流を熱に変換する。熱は、電流が材料抵抗を有する物体を通過したときに発生する。

従って、導電コア２５０内の渦電流は、導電コア２５０の振動運動に対する抵抗として作用する磁場を形成する。従ってこの抵抗は、それに対してＶＭＤ２００が結合された構成部品によって誘起される可能性がある振動作用を低減することができる。

図４は、本発明の別の例示的な実施形態によるＶＭＤを示す。構成部品の幾つかは、性質が図２又は図３と幾らか類似している。例えば、ＶＭＤ３００は、ＢＷＲの環境に適したステンレス鋼及び／又は他の任意の材料製の音響遮蔽体３１０を含むことができる。音響遮蔽体３１０は、上述のように音響空間モードを励起する可能性がある渦を低減するために設けられる。

ＶＭＤ３００は、それに対してスプリング機構３３２を取付けることができる上端部キャップ３２０と下端部キャップ３５０とを含む。ＢＷＲ３６０の環境に適したステンレス鋼及び／又は他の任意の材料製のベースプレートは、ＶＭＤ３００のための支持体を構成することができ、蒸気ドライヤに対して装着又は該ドライヤ上に固定することができる。スプリング機構３３２は、コイルスプリングとして実施することができ、及び／又は磁気コア３４０に取付けた片持ちビームによって得られたスプリング力を備えることができる。磁気コア３４０は、例えばアルニコ、サマリウムコバルト、セラミック及び／又は他の任意の磁気材料で構成することができる。

導電シリンダ３３０は、ＶＭＤ３００の音響遮蔽体３１０、上端部キャップ３２０、下端部キャップ３５０及びベースプレート３６０に対して固定状態にすることができる。導電シリンダ３３０は、導電特性を有するスチール、銅及び／又は他の任意の材料で構成することができる。それに代えて、磁気コア３４０は、スプリング機構３３２と共に振動させることができる。スプリング機構３３２は、第１のスプリング３３５が磁気コア３４０から上端部キャップ３２０まで結合され、また第２のスプリング３４５が磁気コア３４０から下端部キャップ３５０まで結合されるように取付けることができる。

磁気コア３４０は、導電シリンダ３３０内に渦電流が誘導されるように、該導電シリンダ３３０に対してスプリング機構と共に振動することができる。導電シリンダ３３０の材料抵抗は、上述のように渦電流を熱に変換することができる。導電シリンダ３３０内の渦電流は、磁気コア３４０の振動運動に抵抗するように作用することになる磁場を形成し、それにより、それに対してＶＭＤ３００が結合された構成部品によって誘起される可能性がある振動作用を低減することができる。

システム設計者は、所望の結果を得る目的で、ＶＭＤ２００／３００を構成する構成部品の物理的寸法の１つ、幾つか及び／又は全てを修正することができる。例えば、永久磁石２４０（又は磁気コア３４０）の磁束を増加させることにより、減衰率を大きくすることによって周波数応答の振幅を低下させることができ、一方、永久磁石２４０／磁気コア３４０の磁束を減少させることにより、減衰率を小さくすることによって周波数応答の振幅を増大させることができる。別の実施例では、永久磁石２４０と導電コア２５０（又は磁気コア３４０及び導電シリンダ３３０）との間の距離を増加させることにより、減衰率を小さくすることによって周波数応答の振幅を増大させることができる。この距離を減少させることにより、減衰率を大きくすることによって周波数応答の振幅を低下させることができる。

別の実施例では、導電コア２５０（又は導電シリンダ３３０）の質量を増加させることにより、新たな減衰固有周波数間の周波数差を増加させることができ、一方、導電コア２５０／シリンダ３３０の質量を減少させることにより、新たな減衰固有周波数間の周波数差を減少させることができる。別の実施例では、スプリング機構２３２又は３３２の剛性を変化させることにより、新たに生成した減衰固有周波数の振幅を変化させることができる。

例示的な実施形態によると、ＶＭＤ２００／３００によって、元の固有周波数（固有振動数）の代わりに２つの新たな減衰固有周波数（減衰固有振動数）を生じさせることができる。ＶＭＤ２００／３００に取付けられたスプリング機構は、２つの新たな減衰固有周波数を生じさせることができる。新たな減衰固有周波数の一方は、元の固有周波数よりも低い周波数を有することができ、また他方は、元の周波数よりも高い周波数を有することができる。さらに、２つの新たな減衰固有周波数の各々は、元の固有周波数の振幅よりも小さい振幅を有することができる。従って、ＶＭＤ２００／３００は、元の固有周波数の減衰による振幅低下をもたらし、かつ２つの新たな減衰固有周波数は、元の固有周波数の振幅よりも小さい振幅を有するので、周波数応答の最大振幅は、ＶＭＤ２００／３００で構成された構成部品において低下させることができる。

図５は、元の固有周波数と本発明の例示的な実施形態によって導入された減衰固有周波数とを比較するためのグラフである。このグラフは、周波数応答の振幅の関数として無次元周波数を示し、これは、ＶＭＤを備えた状態及び備えない状態での原子炉の振動周波数応答を表している。

図５に示すように、元の固有周波数４００は、ｘ軸上の「１」で表した周波数において目盛付きｙ軸の最高値に達したピークを有する。これと対照的に、原子炉構成部品にＶＭＤ２００／３００を適用することによって導入された２つの減衰固有周波数４１０及び４２０のピークは、元の固有周波数以上及び以下の両方の周波数において発生し、かつさらに元の固有周波数４００の振幅と比較すると小さい振幅とすることができる。従って、元の固有周波数４００の振幅は、減衰によって小さくなっており、また２つの新たな減衰固有周波数４１０及び４２０は、元の固有周波数４００よりも小さい振幅を有しており、従って、ＶＭＤ２００／３００を備えた構成部品の場合、周波数応答の最大振幅が低下した。

以上のように本発明の例示的な実施形態を説明したが、本発明の実施形態は多くの方法で変更することができることは明らかであろう。例えば、ＶＭＤは、蒸気ドライヤ組立体以外の原子炉構成部品、例えばジェットポンプ組立体などに適用することができる。図１に関しては、ジェットポンプ組立体は、昇水管ブレースによりＢＷＲに装着することができる。昇水管ブレースは、蒸気ドライヤ組立体と同様に割れ発生が生じる可能性がある。上述したＶＭＤは、割れ発生を防止する目的で、ジェットポンプ組立体を支持する昇水管ブレースに同様に装着することができる。ＶＭＤ２００／３００はまた、例えばダイナミック質量ダンパ（ＴＭＤ）を利用した任意のシステムにも適用可能とすることができる。このような変更は、本発明の例示的な実施形態の技術思想及び技術的範囲から逸脱したものとみなすべきものではない。また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ＢＷＲの従来型の原子炉圧力容器（ＲＰＶ）の上部を示す破断図。 本発明の例示的な実施形態による振動軽減装置（ＶＭＤ）を示す図。 本発明の例示的な実施形態による振動軽減装置（ＶＭＤ）を示す図。 本発明の別の例示的な実施形態によるＶＭＤを示す図。 元の固有周波数と本発明の例示的な実施形態によって導入された減衰固有周波数とを比較するためのグラフ。

符号の説明

２００ 振動軽減装置
２１０ 音響遮蔽体
２２０ 上端部キャップ
２３０ 非導電性シリンダ
２３２ スプリング機構
２３５ 第１のスプリング
２４０ 永久磁石
２４５ 第２のスプリング
２５０ 導電コア
２６０ 下端部キャップ
２７０ ベースプレート

Claims (10)

1. 原子炉の構成部品に作動的に装着されて該構成部品の振動を軽減するための装置であって、
   スプリング機構（２３２）と、
   前記スプリング機構（２３２）に取付けられた質量と、を含み、
   前記スプリング機構（２３２）及び質量が、前記構成部品における振動作用を低減するように互いに作動的に連係する、
   装置。
2. 前記スプリング機構（２３２）及び質量が、前記構成部品における振動エネルギーを除去する減衰関数を導入することによって該構成部品の振動特性を調整するように、互いに協働する、請求項１記載の装置。
3. 前記質量が導電体を含み、
   前記質量及びスプリング機構（２３２）間の相互作用が、前記導電体内の渦電流と関連する抵抗電力損出として具現化された減衰関数をもたらす、
   請求項１記載の装置。
4. 該装置を横切る比較的一定の蒸気流を可能にするように構成された音響遮蔽体（２１０）をさらに含む、請求項１記載の装置。
5. 前記構成部品が、沸騰水型原子炉蒸気ドライヤ（３０）内の構成部品である、請求項１記載の装置。
6. 前記質量が永久磁石（２４０）である、請求項１記載の装置。
7. 原子炉内部の構成部品の振動を低減する方法であって、
   導電シリンダ（３３０）内部に磁石（３４０）を含みかつ前記構成備品に作動的に装着された装置を、該構成部品から振動エネルギーを除去するための減衰関数をもたらす１つ又はそれ以上の渦電流を発生するように作動させる段階を含む、
   方法。
8. 前記導電シリンダ（３３０）が固定状態にあり、前記磁石（３４０）がスプリング（３３５、３４５）上で振動する、請求項７記載の方法。
9. 原子炉の構成部品に作動的に装着されて該構成部品の振動を軽減するための装置であって、
   スプリング（２３５、２４５）上で振動するようになった導電コア（２５０）と、
   非導電性シリンダ（２３０）に隣接する磁石（２４０）と、を含み、
   前記導電コア（２５０）の振動が、前記構成部品における振動作用を低減するようになった渦電流を発生する、
   装置。
10. 前記渦電流が、前記構成部品の振動特性を調整し、かつ該構成部品の振動エネルギーを除去するための減衰関数を示す、請求項９記載の装置。

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