JP2006145233A

JP2006145233A - 上部設置型制御棒駆動装置

Info

Publication number: JP2006145233A
Application number: JP2004331921A
Authority: JP
Inventors: Goro Yanase; 悟郎柳瀬
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】制御棒駆動装置を原子炉圧力容器上蓋に設置することで、原子炉圧力容器下部の空間を削減し、原子炉の重心位置を下げて耐震性の向上を図る。
【解決手段】原子炉圧力容器上蓋２２に制御棒駆動装置ハウジング２３を介して取付けられた制御棒駆動装置であって、通常駆動時は、電動機アセンブリ３０を回転駆動させることにより、ボールナット３７が上下動して制御棒４２が上下動し、この制御棒４２の上下動により炉心への引抜きおよび挿入量が調整され、炉出力がコントロールされる。スクラム時はスクラム磁石５０を回転させることにより、ガイドチューブ３９を介してボールナット３７が回転し、制御棒４２とカップリングを介して結合した中空ピストン４０がボールナット３７から分離し、自重によって制御棒４２を炉心に挿入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器の上蓋に設置され、原子炉圧力容器上方から制御棒を吊下して炉心制御を行う上部設置型制御棒駆動装置に関する。

沸騰水型原子炉の制御棒駆動装置は、制御棒と一体となって原子炉の反応度を制御するものであり、プラントの運転および安全上、特に重要な装置である。従来では、制御棒駆動装置が原子炉の下部に設置され、制御棒を炉心下部から上方に向って挿入し、核反応を制御する構成とされている。従来の制御棒駆動装置の構成について、図７を参照して説明する。

従来の制御棒駆動装置においては、図７に示すように、制御棒駆動装置ハウジング１が原子炉圧力容器下鏡２に設置され、制御棒駆動装置ハウジング１内にアウタチューブ３が設置され、これらの制御棒駆動装置ハウジング１およびアウタチューブ３が、スプールピース４にボルト５によって締結されている。

制御棒駆動装置ハウジング１の下端側には、駆動源である電動機アセンブリ６が設けられ、この電動機アセンブリ６の回転が、スプールピース４の隔壁４ａにより隔てられた内側磁気継手要素７と外側磁気継手要素８とから構成される磁気継手、および駆動軸９等を介して、ボールねじ１０に伝達される。

制御棒駆動装置ハウジング１内の上部には、ボールねじ１０、ボールナット１１および中空ピストン４０等が設けられ、ボールねじ１０の下端部には回転軸９を介して内側磁気継手要素７が連結されている。

一方、制御棒駆動装置ハウジング１の下部に設けられた電動機アセンブリ６の垂直な回転軸１３が、外側磁気継手８に結合されている。内側磁気継手要素７および外側磁気継手要素８は互いに磁気的に結合しているため、スプールピース４の隔壁４ａを介して非接触で内側および外側磁気継手要素７、８間で動力を伝達可能である。そして、内側磁気継手要素７に一体回転可能に連結されたボールねじ１０にボールナット１１が螺合し、ボールねじ１０が回転するようになっている。

ボールナット１１の上部には、ボールねじ１０を囲んで上方に伸びる中空ピストン１２が設けられ、この中空ピストン１２の上端に、カップリング１４を介して制御棒１５が連結されている。

このように構成された従来の制御棒駆動装置においては、電動機アセンブリ６を回転駆動させることにより、回転軸１３，外側磁気継手要素８、内側磁気継手要素７および駆動軸９を介してボールねじ１０が回転し、このボールねじ１０の回転によりボールナット１１が上下動する。

ボールナット１１の上下動に連動して、中空ピストン１２および制御棒１５が上下動し、この制御棒１５の上下動により炉心への挿入および引抜き量が調整され、炉出力がコントロールされる。

スクラム時には、制御棒１５とカップリング１４を介して結合した中空ピストン１２とが、水圧制御ユニットから供給される水圧により急速に押し上げられ、ボールナット１１から分離し、急速に制御棒１５を炉心に挿入する。

一方、従来では、原子炉圧力容器内の炉心上部に制御棒駆動装置を設ける構成が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

また、原子炉圧力容器内の上方部に固定台を設け、この固定台に多数の上部制御棒駆動装置を支持する構成も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平５−２２３９７３号公報特開平５−２３２２７２号公報特開平５−３３３１８３号公報

上述した従来の制御棒駆動装置においては、下記の点において技術の確立あるいは改良の余地があった。

すなわち、原子炉圧力容器下部に設置される制御棒駆動装置は、圧力容器下部に、制御棒駆動装置ハウジングの長さと、更に点検のために制御棒駆動装置を制御棒駆動装置ハウジングから引き抜くための余裕が必要であった。このため、原子炉圧力容器下端は床面から１０ｍ程度離れた配置とする必要があり、原子炉の重心位置が建屋に対して高くなることから、耐震評価上不利な構造となっていた。

一方、特許文献１〜３に記載された制御棒駆動装置は炉心上部に配設されているので、原子炉下部に制御棒駆動装置を設ける必要がなく、原子炉圧力容器設置高さを低下することが可能である。しかし、制御棒駆動装置が原子炉圧力容器内に配置されているため動作機構および安全用構成等が複雑となる可能性がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的は、制御棒駆動装置を原子炉圧力容器上蓋に設置することで、原子炉圧力容器下部の空間を削減し、原子炉の重心位置を下げて耐震性の向上が図れ、かつ動作機構および安全用構成等が簡易で実用化に適し、原子炉の信頼性を一層向上させることができる制御棒駆動装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に係る発明では、沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器上蓋に、電動機を駆動源として前記原子炉圧力容器内で昇降される昇降部材を設け、この昇降部材の下端に制御棒を接続して前記昇降部材により前記制御棒を炉心内で上下動させる構成としたことを特徴とする上部設置型制御棒駆動装置を提供する。

請求項２に係る発明では、前記原子炉圧力容器上蓋に垂直筒状の制御棒駆動装置ハウジングを設け、この制御棒駆動装置ハウジングの内周側に固定されたアウタチューブに前記昇降部材として、周壁断面が円形状または多角形状の中空ピストンを収納し、この中空ピストンの下端に制御棒の上端を支持させる一方、前記中空ピストンの上端側をボールナットおよびこれに螺合するボールねじにより前記ハウジング内に吊下し、前記制御棒駆動装置ハウジングの上端に設けた電動機の回転を殻壁を介して磁気継手により前記ボールねじに伝達することにより、前記ボールナットを介して前記中空ピストンを昇降させる構成とした請求項１記載の上部設置型制御棒駆動装置を提供する。

請求項３に係る発明では、周壁断面が円形の前記中空ピストンにあってはその外面に設けた複数本の溝に対して、また周壁断面が多角形の前記中空ピストンにあっては複数の相対する外面に対して、それぞれ周縁が接するガイドローラで支持することにより、前記アウタチューブと前記中空ピストンとの回転方向における相対位置変化を規制する構成とした請求項２記載の上部設置型制御棒駆動装置を提供する。

請求項４に係る発明では、前記アウタチューブの内側に前記中空ピストンをガイドするガイドチューブを回転可能に設け、このガイドチューブをその外部に設置したスクラム磁石の磁力により前記アウタチューブの外部から追従回転可能とし、さらに前記ガイドチューブに前記ボールナットを追従回転可能とし、前記ボールナットの回転により前記中空ピストンとの結合を解除して前記中空ピストンおよび前記制御棒を自重落下によりスクラムする構成とした請求項１記載の上部設置型制御棒駆動装置を提供する。

請求項５に係る発明では、前記ボールナットの下端と前記中空ピストンの上端とを斜面を介して切離可能に結合させ、スクラム磁石の回転を拘束している磁場の消失に伴って自重のみでスクラム動作が可能な構成とした請求項１記載の上部設置型制御棒駆動装置を提供する。

請求項６に係る発明では、前記ボールねじの下端部にスリーブを設けて前記中空ピストンの上端部においてダッシュポット効果を発生させる構成とし、そのダッシュポット効果を発生させるストロークに亘って前記中空ピストンの内径を絞って前記スリーブとの隙間が小さくなる構成とした請求項１記載の上部設置型制御棒駆動装置を提供する。

請求項７に係る発明では、前記中空ピストンと前記ボールねじとの間にラビリンス構造を設けるとともに、前記中空ピストンが全引き抜き状態および全挿入状態となる全ての動作範囲内で、前記中空ピストンの内部流体液面が当該中空ピストンの上端部を超えない構成となるように、前記ボールねじおよび前記中空ピストンの長さを設定した請求項６記載の上部設置型制御棒駆動装置を提供する。

なお、本発明において、望ましい態様は、以下のとおりである。

前記原子炉圧力容器上蓋に溶接された制御棒駆動装置ハウジングの上端フランジと、スプールピースの下端フランジと、ガイドチューブの上端フランジとを３枚締めで取合う構成とする。

前記電動機の回転を制御棒に伝達する構成として、中空ピストンの上端をカップリングを介してボールナットに結合し、前記中空ピストンの下端を異なるカップリングを介して制御棒に結合し、前記中空ピストンの断面形状の外周部を円、四角形または六角形とする。

断面形状の外周部が円形の中空ピストンにあっては数本の溝を外面に設け、アウタチューブの相対する位置に設置されたガイドローラによって、アウタチューブと中空ピストンの回転方向の相対関係が大きく変化しない構成とする。

前記中空ピストンのうち、断面形状の外周部が四角形または六角形の形状のものにあっては、アウタチューブに設置されたガイドローラによって、面の位置を特定することでガイドチューブと中空ピストンの回転方向の相対関係が大きく変化しない構成とする。

前記中空ピストンは、容器状の構造とし、内部に流体を貯留可能とすることでボールねじの表面の潤滑性を向上させる。

前記中空ピストンのうち、ボールナットとの結合部に段のない滑らかな面を設けることで、結合部間の流体の流れを防ぎ、中空ピストンの上下動に伴ってボールねじが出入りすることによる中空ピストン内部の空間容積変化により、蒸気雰囲気を積極的にボールナットとボールねじとの螺合部分を通過させることで潤滑性を向上させる。

前記制御棒駆動装置の据付け時にアウタチューブを回転させることにより、中空ピストンと制御棒、または中空ピストンと制御棒延長軸とを結合させる構成とする。

前記ガイドチューブの上部に設置した磁石を外部から回転させることによりガイドチューブを回転させ、ガイドチューブに設置したガイド部材を介してボールナットを回転させ、中空ピストンとの結合を解除することにより、中空ピストンを自重で落下させてスクラムする構成とする。

前記ガイドチューブ下端に設置されたバッファ機構により、スクラムによる全挿入位置での減速を行う構成とする。

スクラム全挿入位置の近傍で押し下げられる前記ストップピストンと一体で駆動されるリボンを備え、このリボンに設置した全挿入検出磁石の動作によって全挿入を検出する構成とする。

前記ガイドチューブを回転させるための磁石を上下にスライド可能とし、ガイドチューブとアウタチューブとが固定されたスプールピースの間に設置したギヤ等の回転拘束機構を噛合させ、ガイドチューブとアウタチューブの回転方向の相対位置が変化しない構成とする。

前記ボールねじの上部にベアリングを介して結合され、上下方向に一体化して動作する磁石と、磁石を収納する部材とガイドチューブとの間に設けたバネとを有し、当該バネは制御棒と中空ピストンとボールねじの荷重が加わった状態では伸びることはないが、制御棒の荷重が無くなった場合、または、制御棒と中空ピストンの荷重が無くなった場合にボールねじおよびこれと一体化して動作する磁石を上昇させ、磁石の動きで制御棒が落下したことを検出できる構成とする。

前記ストップピストンとガイドチューブとの隙間を０．２ｍｍ以下とし、かつ、ストップピストンの上面と中空ピストンの接触面とを合わせることでシール性を持たせ、これにより制御棒駆動装置内部の密閉性を確保してスクラム動作終端部における減速を行う構成とする。

本発明によれば、制御棒駆動装置を原子炉圧力容器上蓋に設置することにより、原子炉圧力容器下部の空間を削減することができ、原子炉の重心位置を下げることにより耐震性の向上が図れ、しかも原子炉圧力容器下部の構造不連続部を簡素化して、信頼性を一層向上させることができる。

以下、本発明に係る制御棒駆動装置の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。

［第１実施形態］（図１〜図３）
図１は、本発明の第１実施形態による沸騰水型原子炉の制御棒駆動装置の全体構成を示す断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は作用説明図である。

図１に示すように、本実施形態の制御棒駆動装置２１は、原子炉圧力容器上蓋２２に制御棒駆動装置ハウジング２３を介して取付けられている。

制御棒駆動装置ハウジング２３は垂直筒状で、上端部にフランジ２４を有し、原子炉圧力容器上蓋２２に下端側が貫通し、溶接により固定されている。制御棒駆動装置ハウジング２３内には、上端開口、下端閉塞の垂直筒状のアウタチューブ２５が上方から挿入され、このアウタチューブ２５の上端に設けたフランジ２６が、制御棒駆動装置ハウジング２３のフランジ２４に載置されている。

また、アウタチューブ２５の上端のフランジ２４には、下端開口、上端閉塞の垂直筒状のスプールピース２７が載置され、このスプールピース２７の下端に設けたフランジ２８が制御棒駆動装置ハウジング２３およびアウタチューブ２５とともに三者一体的にボルト２９によって締結されている。すなわち、原子炉圧力容器上蓋２２に溶接固定された制御棒駆動装置ハウジング２３と３枚締めのフランジにより取合い、ボルト２９を共用化した構成となっている。

制御棒駆動装置ハウジング２３の上端側には、駆動源である電動機アセンブリ３０が設けられている。電動機アセンブリ３０は、スプールピース２７上に搭載された電動機３１およびその下向きの出力軸３２からなっている。この電動機アセンブリ３０の出力軸３２の回転が、スプールピース２７の隔壁２７ａにより隔てられた内側磁気継手要素３３と外側磁気継手要素３４とから構成される磁気継手３５を介して、ボールねじ３６に伝達されるようになっている。すなわち、電動機３１の回転力を磁気継手３５によって隔壁２７ａを介して伝達することで、電動機３１の回転力を伝達するための原子炉圧力容器バウンダリ貫通部を持たない構成となっている。

このように、非接触で電動機３１のトルクを伝達することができる磁気継手３５を用いることにより、原子炉圧力容器バウンダリを介してトルクの伝達を行い、貫通部を持たない構成となっている。

そして、制御棒駆動装置ハウジング２３内には、ボールねじ３６およびボールナット３７からなるボールねじアセンブリ３８が設けられ、ボールねじ３６の上端部には内側磁気継手要素３３が連結されている。一方、電動機アセンブリ３０の垂直な出力軸３２は、外側磁気継手要素３４に結合されている。

内側磁気継手要素３３および外側磁気継手要素３４は互いに磁気的に結合しているため、スプールピース２７の隔壁２７ａを介して非接触で内側磁気継手要素３３および外側と磁気継手要素８との間で動力伝達が可能とされている。

磁気継手要素３３と一体回転可能に連結されたボールねじ３６にはボールナット３７が螺合し、ボールねじ３６が回転するようになっている。すなわち、制御棒駆動装置ハウジング２３内には、電動機３１によって回転駆動されるボールねじ３６と、このボールねじ３６に螺合するボールナット３７と、ボールナット３７の回転を拘束する下記のガイド部材を設置したガイドチューブ３９とが設けられ、ボールねじ３６の回転がボールナット３７の直線駆動（上下方向）に変換され、下記の制御棒が駆動されるようになっている。

ボールナット３７の下部には、ボールねじ３６と螺合して下方に伸びる昇降部材として、中空ピストン４０が設けられ、この中空ピストン４０の下端に、カップリング４１を介して制御棒４２が連結されている。これにより、電動機３１の回転が制御棒４２に伝達される構成となっている。

中空ピストン４０は円筒形で、外面には全長に亘って軸方向に沿う複数の溝４３が設けられている。例えば、図２に示すように、溝４３は中空ピストン４０の外周面に周方向に等角度間隔で３本形成されている。そして、アウタチューブ２５の下端に設置されたガイドローラ４４が溝４３に噛合することにより、中空ピストン４０とアウタチューブ２５との回転が拘束されるようになっている。すなわち、アウタチューブ２５と中空ピストン４０との回転方向の相対関係が大きく変化しない構成となっている。

また、中空ピストン４０の上端には外面側に向って肉厚が大きくなるカップリング部４５が設けられ、このカップリング部４５を介して、中空ピストン４０がボールナット３６に結合されている。カップリング部４５の下面は、緩やかな角度で下方に向って次第に小径となるように傾斜している。

このように、ボールナット３７との結合部である中空ピストン４０のカップリング部４５の下面に段のない滑らかな面を設けることにより、中空ピストン４０の上下動に伴うガイドチューブ３９内の容積変化が緩和されるようになっている。

さらに、中空ピストン４０は、下端閉塞の容器状の構造となっており、内部に流体を貯留することにより、ボールねじ３６の表面の潤滑性を向上させることができるようになっている。

また、アウタチューブ２５の下端におけるガイドローラ４４設置部付近の内径は、中空ピストン４０の外径と０．５ｍｍ以下の間隔になるように設定されるとともに、ラビリンスシール４６を設けることにより、ダッシュポット効果を得て、中空ピストン４０の落下速度が極端に早くならないように制御される構成となっている。

そして、電動機アセンブリ３０を回転駆動させることにより、出力軸３２、外側磁気継手要素３４、および内側磁気継手要素３３を介して、ボールねじ３６が回転し、このボールねじ３６の回転によりボールナット３７が上下動するようになっている。ボールナット３７の上下動に連動して、中空ピストン４０および制御棒４２が上下動し、この制御棒４２の上下動により炉心への引抜きおよび挿入量が調整され、炉出力がコントロールされる。

中空ピストン４０とボールナット３７の結合部の構成を図３（Ａ）、（Ｂ）によって説明する。図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ボールナット３７と中空ピストン４０との結合面４７，４８は斜面となっており、さらに、ボールナット３７の外側部に設けたローラ４９が中空ピストン４０の結合面４７に転接している。これにより、結合面４７，４８間の摩擦抵抗を小さくし、ボールナット３７の回転により容易に結合が外れる構成となっている。

なお、ボールナット３７と中空ピストン４０との結合部であるカップリング部４５の下面を斜面とすることによって、外部から強制的に磁石を回転させることなく、後述するスクラム磁石の回転を拘束している磁場の消失に伴って、自重のみでもスクラム動作することが可能となっている。

また、ガイドチューブ３９を回転させるスクラム磁石５０が設けられている。このスクラム磁石５０は、ガイドチューブ３９の上方に設けた上下動可能な支持板５１上に配置されており、外部に昇降可能に設けられた上下動および回転可能な駆動磁石５０ａによって移動できるようになっている。駆動磁石５０ａの上下駆動機構については、図示を省略する。

支持板５１上には、さらに上下動可能な支持筒５２が設けられ、この支持筒５２は圧縮コイルばねからなる上向き駆動用のスプリング５３によって上方に付勢されている。さらに、ガイドチューブ３９とアウタチューブ２５に固定されたスプールピース２７との間には、ギヤ状の回転拘束機構となるカップリング５４ａ、５４ｂが設けられ、この部分のギア噛合により、ガイドチューブ３９とアウタチューブ２５との回転方向の相対位置が変化しないようになっている。

そして、ガイドチューブ３９を回転し得るスクラム磁石５０は、駆動磁石５０ａによる外部からの磁力によって上方に移動させることにより、スプールピース２７の内側に設けられたギヤ状の回転拘束機構と結合させ、ガイドチューブ３９およびスプールピースの回転方向の相対位置変化を拘束し、これによりガイドチューブ３９、スプールピース２７、アウタチューブ２５および中空ピストン４０の回転方向の位置関係を固定し、取付けおよび取外し時等において、中空ピストン４０の意図しない落下を防止することができるようになっている。

一方、スクラム磁石５０を外部の駆動磁石５０ａにより回転させると、ガイドチューブ３９を介してボールナット３７が回転し、このボールナットの回転によって制御棒４２およびカップリング１４を介して結合した中空ピストン４０が、ボールナット３７から分離し、制御棒４２が自重によって降下し、炉心に挿入されるスクラム動作が行えるようになっている。

すなわち、ガイドチューブ３９の上端に設置されたスクラム磁石５０に、外部から回転力を加えてガイドチューブ３９を回転させることにより、ガイドチューブ３９と回転方向に拘束されているボールナットを回転させ、ボールナットと中空ピストン４０との結合を解除して、中空ピストン４０と中空ピストン４０と一体化している制御棒を自重で落下させて炉心に緊急挿入（スクラム）することができる構成となっている。

このように、スクラム磁石５０は、ガイドチューブ３９と回転方向に対しては拘束されているが、軸方向（上下方向）にはカップリング５４ａ、５４ｂによりスライド可能とされている。そして、スプールピース２７の外側に設置した駆動磁石５０ａを上方に移動させることにより、磁力によってガイドチューブ３９が上昇し、スプールピースとの間のカップリング２４で回転が拘束されるようになる。なお、カップリング５４ａ、５４ｂには、ギヤカップリング構造のほか、スライドキー構造等を適用することができる。

一方、中空ピストン４０とアウタチューブ２５とは、ガイドローラ４４で回転が拘束されているため、スクラム磁石５０およびスプールピース２７の回転が拘束されると、スプールピース２７とアウタチューブ２５のフランジ２４を介して、中空ピストン４０とボールナット３７の回転が拘束される。これによって、中空ピストン４０とボールナット３７の結合が解除されて中空ピストン４０が落下することは防止されるため、取付けおよび取外し時に一体での取扱が可能になる。

アウタチューブ２５内の下部でガイドチューブ３９の下方には、圧縮コイルばね等からなるバッファ機構５５が設置されている。このバッファ機構５５は、具体的には、中空ピストン４０の下端に当接するストップピストン５６と、このストップピストン５６とアウタチューブ２５の底部間に設けられた圧縮コイルばね５７とにより構成される。

そして、例えばスクラムの終端部で中空ピストン４０がストップピストン５６を押し下げ、アウタチューブ２５とストップピストン５６とによりバッファ機構５５が圧縮されることで、中空ピストン４０の落下速度をストローク終端部で減速し、バッファ機構５５がない場合にアウタチューブ２５と中空ピストン４０の間で発生する衝撃力を緩和する構成となっている。

また、ストップピストン５６には、上下方向に沿うリボン５８を介して全挿入検出磁石５９が結合されている。全挿入検出磁石５９は、スクラム時の全挿入状態や電動機による全挿入状態において、ストップピストン５６の下方への移動に追従して下方に移動する。この全挿入検出磁石５９の移動を、フランジ２４，２６，２８の結合部に設けた上下に長いスクラム検出プローブ６０内の磁気リードスイッチ（図示省略）により検出することで、中空ピストン４０と結合している制御棒４２の全挿入状態を検出することができるようになっている。

ストップピストン５６の上面は、中空ピストン４０と面接触するように合わせ加工がされており、さらにストップピストン５６とアウタチューブ２５との間の隙間を０．２ｍｍ以下にすることで、スクラム動作のストローク終端部における、ストップピストン５６と中空ピストン４０との接触以降は、制御棒駆動装置内部を擬似的な密閉空間とすることができ、スクラム動作の継続によって制御棒駆動装置内部の圧力が減少するようになっている。

すなわち、ストップピストン５６とガイドチューブ３９との隙間を０．２ｍｍ以下とし、かつストップピストン５６の上面と中空ピストン４０との接触面により、シール性を付与している。これにより、制御棒駆動装置内部の密閉性を確保して、スクラム動作終端部における減速が行われる。この３種類に加えて、ボールねじ３６下端部と中空ピストン４０内面との間の隙間を狭くすることで、第４の減速効果を発生させることができる。

なお、スクラム動作の場合には、ボールナット３７と中空ピストン４０の結合が解かれることから、ボールねじ３６に加わっていた中空ピストン４０と制御棒４２の荷重が減少し、スプリング５３の力によってボールねじ３６が上昇するため、分離検出磁石６１もボールねじ３６と一体となって上昇する。この分離検出磁石６１の上昇をスクラム検出プローブ６０内に設置された磁気リードスイッチ（図示省略）により検出することにより、スクラム動作が正しく作動したことを確認することができる。

スクラム全挿入位置近傍で押し下げられるストップピストン５６と一体で駆動されるリボン５８に設置された全挿入検出磁石５９の動作によって、全挿入が検出されるようになっている。すなわち、スクラムの完了が、スクラム全挿入位置近傍で中空ピストン４０によって押し下げられるストップピストン５６と、このストップピストン５６と一体化して動作する分離検出磁石６１と、分離検出磁石６１の動作を検出する磁気リードスイッチとによって検出される。

また、分離検出磁石６１の動作と、全挿入検出磁石５９との動作の時間間隔を測定することで、スクラムに要した時間を測定することができる。

また、支持筒５２には、分離検出磁石６１が設けられている。この分離検出磁石６１は、ボールねじ３６の上部にベアリングを介して結合されており、上下方向に一体化して動作する。分離検出磁石６１を納めている支持筒５２とガイドチューブ３９の間に配置されたスプリング５３は、制御棒４２、中空ピストン４０およびボールね３６じの荷重が加わった状態では伸びることはないが、制御棒４２の荷重が無くなった場合、または制御棒４２および中空ピストン４０の荷重が無くなった場合に、ボールねじ３６と、このボールねじ３６と一体化して動作する分離検出磁石６１とを上昇させ、分離検出磁石６１の動きで制御棒が落下したことを検出することができる。

そして、スプリング５３は、制御棒４２と中空ピストン４０の結合が何らかの理由で解除され、中空ピストン４０に制御棒４２の荷重が加わらなくなった場合にも、ボールねじ３６および分離検出磁石６１を上昇させるようにスプリング力が設定されており、スクラム検出プローブ６０によって、スクラム動作の開始、全挿入の確認、制御棒４２と中空ピストン４０の結合状態の確認が可能である。

以上の本実施形態の構成によれば、安全性、取扱性、取付けおよび取外し時の操作性、運転中の操作性、炉心制御時の出力コントロール、スクラム時の作用、衝撃力緩和作用、全挿入検出等において、種々の効果が奏される。

（安全性）
制御棒駆動装置ハウジング２３の上端側に設けられた駆動源としての電動機アセンブリ３０の回転が、スプールピース２７の隔壁２７ａにより隔てられた内側磁気継手要素３３と外側磁気継手要素３４とから構成される磁気継手３５を介して、ボールねじ３６に伝達される。

したがって、電動機３１の回転力を磁気継手３５によって隔壁２７ａを介して非接触で電動機３１のトルクを伝達することができ、原子炉圧力容器バウンダリを介してトルクの伝達を行い、貫通部を持たない構造とすることができる。

（取扱性）
原子炉圧力容器上蓋２２に溶接構造により取付けられた制御棒駆動装置ハウジング２３と３枚締めのフランジ２４，２６，２８により取合う構成としたことにより、スプールピース２７とアウタチューブ２５とを、原子炉圧力容器上蓋２２に溶接で取付けられた制御棒駆動装置ハウジング２３に、フランジ２４，２６，２８により取付けるボルト２９を共用化することができ、取付けおよび取外し時の取扱性を向上することができる。

（取付け、取外し時の操作性）
制御棒駆動装置２１の据付け時には、アウタチューブ２５を回転させることで中空ピストン４０と制御棒４２、または図示省略の制御棒延長軸とを結合させる。

具体的には、アウタチューブ２５を回転させることで中空ピストン４０と制御棒４２、または中空ピストン４０と制御棒延長軸と結合させ、制御棒駆動装置２１を取付け、取外しする際に、アウタチューブ２５を回転させることにより、アウタチューブ２５と回転方向に拘束されている中空ピストン４０をアウタチューブ２５と一緒に回転させ、中空ピストン４０の下端と制御棒または制御棒延長軸との結合、解除を行うことができる。

すなわち、中空ピストン４０とアウタチューブ２５とは、ガイドローラ４４により回転が拘束されているため、スクラム磁石５０とスプールピース２７との回転が拘束されると、スプールピース２７とアウタチューブ２５のフランジ２６を介して、中空ピストン４０とボールナット３７との回転が拘束される。これにより、中空ピストン４０とボールナット３７との結合が解除され、中空ピストン４０が落下することが防止されるため、取付けおよび取外しの際に一体での取扱が可能になる。

また、スクラム磁石５０を上下にスライドさせることで、ガイドチューブ３９とアウタチューブ２５とスプールピースとの間に設置されたギヤ状の回転拘束機構を噛合させ、ガイドチューブ３９とアウタチューブ２５との回転方向の相対位置が変化しない構成となっている。

すなわち、ガイドチューブ３９を回転させるためのスクラム磁石５０を外部からの磁力により上方に移動させることで、スプールピース２７の内側に設けられたギヤ状の回転拘束機構と結合させ、ガイドチューブ３９とスプールピース２７との回転方向の相対位置変化を拘束し、これによってガイドチューブ３９、スプールピース２７、アウタチューブ２５および中空ピストン４０の回転方向の位置関係を固定し、取付けおよび取外し等の際に中空ピストン４０の意図しない落下を防止することができる。

（運転中の潤滑）
中空ピストン４０は、その下端部を密閉構造とする容器状としたので、内部に流体を貯留することができ、ボールナットまたはボールねじ３６を流体に浸すことで、ボールナット３７とボールねじ３６との螺合部分の潤滑性を向上させることができる。

すなわち、図３に示すように、ボールナット３７と中空ピストン４０との結合面は斜面となっており、ローラ２２により摩擦抵抗を小さくすることによってボールナット３７の回転により容易に結合が外れる。すなわち、中空ピストン４０のうち、ボールナット３７との結合部に段のない滑らかな面を設けることで結合部間の流体の流れを防ぎ、中空ピストン４０の上下に伴ってボールねじ３６が出入りすることによる中空ピストン４０内部の空間容積変化により蒸気雰囲気を積極的にボールナットとボールねじ３６の螺合部分を通過させることで潤滑性を向上させることができる。

中空ピストン４０のボールナットと結合するカップリング部４５の下面を滑らかにし、ボールナットとの結合部を流体が流れることを防ぐことで、中空ピストン４０の上下動に伴って、中空ピストン４０の内部をボールねじ３６が出入りすることで発生する中空ピストン４０内の空間体積の変化により、ボールナットとボールねじ３６の螺合部分に蒸気雰囲気を積極的に流入させ、潤滑性を向上させることもできる。

（炉心制御時の出力コントロール）
電動機アセンブリ３０を回転駆動させることにより、出力軸３２、外側磁気継手要素３４および内側磁気継手要素３３を介してボールねじ３６が回転し、このボールねじ３６の回転によりボールナット３７が上下動する。すなわち、ボールナット３７の上下動に連動して、中空ピストン４０および制御棒４２が上下動する。この制御棒４２を上下動により炉心への引抜き量および挿入量を調整することにより、炉出力をコントロールすることができる。

（スクラム時の作用）
スクラム時には、スクラム磁石５０を回転させることにより、ガイドチューブ３９を介してボールナット３７が回転し、このボールナット３７の回転によって制御棒４２とカップリング１４を介して結合した中空ピストン４０とがボールナット３７から分離され、自重によって制御棒４２が炉心に挿入される。

すなわち、ガイドチューブ３９と一体的に回転するスクラム磁石５０に外部の駆動磁石５０ａから回転力を加えてガイドチューブ３９を回転させることで、ガイドチューブ３９と回転方向に拘束されているボールナット３７を回転させ、ボールナット３７と中空ピストン４０との結合を解除して、中空ピストン４０とこれに一体化された制御棒４２を炉心に緊急挿入（スクラム）する。

また、ボールナット３７の下部には、ボールねじ３６を囲んで下方に伸びる中空ピストン４０が設けられ、この中空ピストン４０の下端に、カップリング１４を介して制御棒４２が連結されている。そこで、ボールナット３７と中空ピストン４０との結合部を斜面で結合させることによって、外部から強制的に磁石を回転させることなく、磁石の回転を拘束している磁場の消失に伴って自重のみでスクラム動作することができる。

（衝撃力緩和）
衝撃力の緩和は、中空ピストン４０の落下速度を適切に制御するための、ラビリンスシール４６と中空ピストン４０の間のダッシュポット効果、バッファ機構５５による減速効果、ストップピストン５６による密閉効果の３種類の作用によって達成される。

（１）ダッシュポット効果
ボールねじ３６下端部と中空ピストン４０の内面の隙間を０．３ｍｍ以下とすることで、ダッシュポット効果により中空ピストン４０の落下速度を抑制することができる。すなわち、ボールねじ３６の下端部と中空ピストン４０の内面の隙間を０．３ｍｍ以下とすることにより、中空ピストン４０の落下に伴ってボールねじ３６が中空ピストン４０内部から抜け出る際に、中空ピストン４０とボールねじ３６の間でダッシュポット効果を発生させて中空ピストン４０の落下速度を抑制することができる。

さらに、減速効果を得るために、中空ピストン４０外面の溝を全長に設けず、上部は溝の無い構造とすることで、スクラム終端部付近でより強いダッシュポット効果を発生させることもできる。

（２）バッファ機構による減速効果
アウタチューブ２５内の下部であってガイドチューブ３９の下には、バッファ機構５５が設置されている。スクラムの終端部で中空ピストン４０がストップピストン５６を押し下げ、アウタチューブ２５とストップピストン５６によりバッファ機構５５が圧縮されることにより、中空ピストン４０の落下速度をストローク終端部で減速させ、バッファ機構５５がない場合にアウタチューブ２５と中空ピストン４０の間で発生する衝撃力を緩和する。すなわち、ガイドチューブ３９下端に設置されたバッファ機構によりスクラムによる全挿入位置での減速を行うことができる。そして、スクラムの終端における減速を、ガイドチューブ３９下端に設置されたバッファ機構と中空ピストン４０の間で行うことができる。

（３）ストップピストンによる密閉効果
ストップピストン５６の上面は、中空ピストン４０と面接触するように合わせ加工がされており、さらにストップピストン５６とアウタチューブ２５の間の隙間を０．２ｍｍ以下にすることで、スクラム動作のストローク終端部におけるストップピストン５６と中空ピストン４０の接触以降は制御棒駆動装置２１の内部を擬似的な密閉空間とすることができる。そして、スクラム動作の継続によって、制御棒駆動装置２１内部の圧力が減少する効果が発生するため、中空ピストン４０の落下を減速することが可能となる。

すなわち、ストップピストン５６とガイドチューブ３９の隙間を０．２ｍｍ以下とし、かつストップピストン５６上面と中空ピストン４０の接触面を合わせることでシール性を持たせることで、制御棒駆動装置２１内部の密閉性を確保し、スクラム動作終端部における減速を行うことができる。

このように、ストップピストンとガイドチューブ３９の隙間を０．２ｍｍ以下とし、かつストップピストン上面と中空ピストン４０の接触面を合わせることにより、シール性を付与して制御棒駆動装置２１内部の密閉性を確保し、中空ピストン４０とストップピストン５６の下降に伴う制御棒駆動装置２１内の空間容積増加に対応して内部の圧力が低下することで、制御棒駆動装置２１外部との差圧を発生させ、中空ピストン４０の落下の抵抗を発生させてスクラム動作終端部における減速を行うことができる。

（全挿入検出）
また、このストップピストン５６には、リボン５８を介して全挿入検出磁石５９が結合されている。全挿入検出磁石５９は、スクラム時の全挿入状態や電動機による全挿入状態において、ストップピストン５６の下方への移動に追従して下方に移動する。この全挿入検出磁石５９の移動を、スクラム検出プローブ６０内に設置された磁気リードスイッチにより検出することで中空ピストン４０と結合している制御棒４２の全挿入状態を検出することができる。

スクラム動作の場合には、ボールナット３７と中空ピストン４０の結合が解かれることから、ボールねじ３６に加わっていた中空ピストン４０と制御棒４２の荷重が減少し、スプリング５３の力によってボールねじ３６が上昇する。このため、分離検出磁石６１もボールねじ３６と一体となって上昇する。

この分離検出磁石６１の上昇をスクラム検出プローブ６０内に設置された磁気リードスイッチにより検出することにより、スクラム動作が正しく作動したことを確認することができる。すなわち、スクラム全挿入位置近傍で押下げられるストップピストン５６と一体で駆動されるリボン５８に設置された全挿入検出磁石の動作により、全挿入を検出することができる。

このように、スクラムの完了を、スクラム全挿入位置近傍で中空ピストン４０によって押し下げられるストップピストン５６と、ストップピストン５６と一体化して動作する分離検出磁石６１と、この分離検出磁石６１の動作を検出する磁気スイッチによって検出することができる。

また、この分離検出磁石６１の動作と全挿入検出磁石５９の動作の時間間隔を測定することで、スクラムに要した時間を測定することができる。

［第２実施形態］（図４）
図４は本発明による制御棒駆動装置２１の第２実施形態を示す断面図である。

図４に示すように、本実施形態の中空ピストン４０の外面形状は多角形、例えば四角形とされている。

この構成において、アウタチューブ２５との間での回転を拘束するために、ガイドローラ４４を各面に設置する。このとき、ガイドローラ４４を各面に１個とすることもできるが、図４に示すように５個の配置とすることで、回転拘束力をガイドローラ４４の端面で確実に受けることが可能となる。

すなわち、ボールナット３７の上下運動を、上端でボールナット３７と結合し下端で制御棒４２または制御棒延長軸と結合する中空ピストン４０を有し、中空ピストン４０の断面の外周側形状は四角形、または六角形としている。このように、中空ピストン４０の上端に設置されたカップリング５４ａによりボールナット３７と結合し、下端に設置されたカップリング４１により制御棒４２と結合する、断面形状の外周部が、四角形または六角形の形状をした中空ピストン４０を介して、電動機３１の回転を制御棒に伝達するようになっている。

この中空ピストン４０において、断面の外周側の形状が四角形または六角形のものにあっては、面と相対するようにアウタチューブ２５に設置されたローラによって、中空ピストン４０とアウタチューブ２５との回転方向の相対位置関係が大きく変化しないようにすることができる。

なお、図示しないが、６個のガイドローラ４４を用意して、ガイドローラ４４が２個配置される面を２つとすることで更に回転拘束力を高めることが可能となる。

しかも、回転拘束力を高めて中空ピストン４０の回転方向のガタツキを抑制することで、中空ピストン４０とアウタチューブ２５との隙間を狭めることが可能となるため、ダッシュポット効果による減速をより効果的に発生させることが可能となる。

［第３実施形態］（図５、図６）
図５は本発明による制御棒駆動装置２１の第３実施形態を示す断面図であり、図６（Ａ）、（Ｂ）は、作用説明図である。なお、第１実施形態と同様の構成については、図５に図１と同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、ボールねじ３６の下端部と中空ピストン４０の上端部においてダッシュポット効果を発生させられるように、ボールねじ３６の下端部にスリーブ６２を設けるとともに、ダッシュポット効果を発生させるストロークに渡って中空ピストン４０の内径を絞ってスリーブ６２との隙間を小さくなっている。スリーブ６２の上下にはガイドローラ６３が設置されており、スリーブ６２と中空ピストン４０の芯がずれて隙間が偏りすぎない構成となっている。

また、ダッシュポット効果をより効果的にするために、スリーブ６２の外面は周方向に筋状の溝６４を形成したラビリンス構造が設けられている。

なお、ダッシュポット効果を効果的に発生させるためには、ラビリンス構造が流体中にあることが必要であるため、中空ピストン４０が全引き抜き状態にあっても、全挿入状態にあっても内部流体液面６５が中空ピストン４０の上端部を超えないように、図６（Ａ）、（Ｂ）のごとく、ボールねじ３６と中空ピストン４０の長さが設定されている。

［他の実施形態］
なお、以上の第１実施形態において、ボールナットを用いたが、本発明では、ボールナットに代えてローラナットを用いてもよい。これにより、接触面圧を低減し、寿命を向上させることができる。

本発明に係る制御棒駆動装置の第１実施形態を示す縦断面図。図１のＡ−Ａ線断面図。（Ａ）、（Ｂ）は、作用を示す拡大斜視図。本発明に係る制御棒駆動装置の第２実施形態を示す縦断面図。本発明に係る制御棒駆動装置の第３実施形態を示す縦断面図。（Ａ）、（Ｂ）は、第３実施形態の作用説明図。従来の制御棒駆動装置を示す縦断面図。

符号の説明

２１制御棒駆動装置
２２原子炉圧力容器上蓋
２３制御棒駆動装置ハウジング
２４フランジ
２５アウタチューブ
２６フランジ
２７スプールピース
２７ａ隔壁
２８フランジ
２９ボルト
３０電動機アセンブリ
３１電動機
３２出力軸
３３内側磁気継手要素
３４外側磁気継手要素
３５磁気継手
３６ボールねじ
３７ボールナット
３８ボールねじアセンブリ
３９ガイドチューブ
４０中空ピストン
４１カップリング
４２制御棒
４３溝
４４ガイドローラ
４５カップリング部
４６ラビリンスシール
４７，４８結合面
４９ローラ
５０スクラム磁石
５０ａ駆動磁石
５１支持板
５２支持筒
５３グスプリン
５４カップリング
５５バッファ機構
５６ストップピストン
５７圧縮コイルばね
５８リボン
５９全挿入検出磁石
６０スクラム検出プローブ
６１分離検出磁石
６２スリーブ
６３ガイドローラ
６４溝
６５内部流体液面

Claims

沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器上蓋に、電動機を駆動源として前記原子炉圧力容器内で昇降される昇降部材を設け、この昇降部材の下端に制御棒を接続して前記昇降部材により前記制御棒を炉心内で上下動させる構成としたことを特徴とする上部設置型制御棒駆動装置。
前記原子炉圧力容器上蓋に垂直筒状の制御棒駆動装置ハウジングを設け、この制御棒駆動装置ハウジングの内周側に固定されたアウタチューブに前記昇降部材として、周壁断面が円形状または多角形状の中空ピストンを収納し、この中空ピストンの下端に制御棒の上端を支持させる一方、前記中空ピストンの上端側をボールナットおよびこれに螺合するボールねじにより前記ハウジング内に吊下し、前記制御棒駆動装置ハウジングの上端に設けた電動機の回転を殻壁を介して磁気継手により前記ボールねじに伝達することにより、前記ボールナットを介して前記中空ピストンを昇降させる構成とした請求項１記載の上部設置型制御棒駆動装置。
周壁断面が円形の前記中空ピストンにあってはその外面に設けた複数本の溝に対して、また周壁断面が多角形の前記中空ピストンにあっては複数の相対する外面に対して、それぞれ周縁が接するガイドローラで支持することにより、前記アウタチューブと前記中空ピストンとの回転方向における相対位置変化を規制する構成とした請求項２記載の上部設置型制御棒駆動装置。
前記アウタチューブの内側に前記中空ピストンをガイドするガイドチューブを回転可能に設け、このガイドチューブをその外部に設置したスクラム磁石の磁力により前記アウタチューブの外部から追従回転可能とし、さらに前記ガイドチューブに前記ボールナットを追従回転可能とし、前記ボールナットの回転により前記中空ピストンとの結合を解除して前記中空ピストンおよび前記制御棒を自重落下によりスクラムする構成とした請求項１記載の上部設置型制御棒駆動装置。
前記ボールナットの下端と前記中空ピストンの上端とを斜面を介して切離可能に結合させ、スクラム磁石の回転を拘束している磁場の消失に伴って自重のみでスクラム動作が可能な構成とした請求項２記載の上部設置型制御棒駆動装置。
前記ボールねじの下端部にスリーブを設けて前記中空ピストンの上端部においてダッシュポット効果を発生させる構成とし、そのダッシュポット効果を発生させるストロークに亘って前記中空ピストンの内径を絞って前記スリーブとの隙間が小さくなる構成とした請求項１記載の上部設置型制御棒駆動装置。
前記中空ピストンと前記ボールねじとの間にラビリンス構造を設けるとともに、前記中空ピストンが全引き抜き状態および全挿入状態となる全ての動作範囲内で、前記中空ピストンの内部流体液面が当該中空ピストンの上端部を超えない構成となるように、前記ボールねじおよび前記中空ピストンの長さを設定した請求項２記載の上部設置型制御棒駆動装置。