JP2007232422A - 制御棒駆動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンスの頻度を下げることができる制御棒駆動機構を提供すること。
【解決手段】制御棒駆動機構１０４ａは、原子炉圧力容器１０１の下鏡部に貫通固定されたハウジング２と、そのハウジングの内側に固定されるアウターチューブ部、および、そのアウターチューブ部の下方に設けられるスプールピース部が一体成形された一体型アウターチューブ３ａとを備えている。
【選択図】図３

Description

本発明は、軽水炉としての沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲ（Boiling Water Reactor）ともいう。）に使用される制御棒駆動機構（以下、ＣＲＤ（Control Rod Drive Mechanism）ともいう。)に関する。

一般に、ＢＷＲの原子炉圧力容器（以下、「圧力容器」ともいう。）には、減速材を兼ねた冷却材（軽水）が収容されるとともに、その中央部分に、多くの燃料集合体が装荷された炉心が配置される。燃料集合体の間には、制御棒（ＣＲ：Control Rod）が挿入および引抜き自在に設置されている。そして、原子炉の起動・停止や反応度の調整などの制御は、炉心に対し制御棒を挿入または引抜きすることにより、行われる。この制御棒は、圧力容器の下部に備えられたＣＲＤによって昇降駆動される。

また、ＣＲＤは、主に、原子炉圧力容器の下鏡部に貫通固定されるハウジング、そのハウジングの内側に固定されるアウターチューブ、そのアウターチューブの下側に固定されるスプールピースなどから構成される（たとえば、特許文献１参照）。
そして、ハウジング内において、制御棒の下端に連結された中空ピストンを、ボールねじに螺合されたボールナット上に載置するように構成されている。そのボールねじをモータなどで回転させ、ボールナットを上下動させることで、制御棒を昇降駆動するようになっている。
また、アウターチューブとスプールピースの間には、漏水（炉水の漏洩）防止のために、ゴム製などのＯリングが設けられる。
特開平８−８２６９０号公報

しかしながら、アウターチューブとスプールピースの間にＯリングを設けると、Ｏリングの素材の寿命などの観点から、所定の頻度（たとえば１０年に一度）で、スプールピースをアウターチューブから取り外し、Ｏリングのメンテナンスをしなければならない、という問題があった。
さらに、近年は、モータの動力伝達にマグネットカップリングを用いることが多く、マグネットカップリングはメンテナンスをあまり必要としないため、Ｏリングのメンテナンスのためだけにスプールピースをアウターチューブから取り外さなくてはならず、作業効率や費用の点で問題があった。

そこで、本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、メンテナンスの頻度を下げることができる制御棒駆動機構を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る制御棒駆動機構は、沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器の下部に設けられ、駆動軸を介し電動機の回転を中空ピストン昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、制御棒を炉心内に挿入および引抜きする一方、スクラム時には高圧水を注入して中空ピストンを押し上げて制御棒を炉心内に急速に挿入することで、炉心内の反応度を制御する制御棒駆動機構である。その制御棒駆動機構において、原子炉圧力容器の下鏡部に貫通固定されたハウジングと、そのハウジングの内側に固定されるアウターチューブ部、および、そのアウターチューブ部の下方に設けられるスプールピース部が一体成形された一体型アウターチューブとを備えている。

本発明の制御棒駆動機構によれば、メンテナンスの頻度を下げることができる。

本発明の実施形態に係る原子力発電システムについて、適宜図面を参照しながら説明する。
なお、一般に、沸騰水型原子炉内の冷却材（軽水）の駆動方法は２通りあって、１つは再循環ポンプを用いて強制循環させる方法であり、もう１つは再循環ポンプを用いないで自然循環させる方法である。本実施形態は、後者の自然循環させる方法である。

図１は、原子力発電システムの概略を示す全体構成図である。前記した自然循環による方法では、図１に示すように、原子炉圧力容器（以下、「圧力容器」という。）１０１内において、炉心１０８で発生するボイド（気相と液相が混在した密度の低い冷却材）と、チムニ１０５の外側を下降する液相の冷却材との比重差によって、自然循環に必要な駆動力を得ることができる。

図１に示すように、本実施形態の自然循環式沸騰水型原子炉（以下、「原子炉」という。）１００は、円筒状の圧力容器１０１内に、燃料集合体１０２、制御棒案内管１０３、制御棒駆動機構１０４、チムニ１０５、気水分離器１０６、蒸気乾燥器１０７、炉心１０８、給水入口ノズル１０９、蒸気出口ノズル１１１などを備えて構成される。また、圧力容器１０１の内部には、減速材を兼ねた冷却材が収容されている。

燃料集合体１０２は、炉心１０８に収納されるものであり、原子炉１００への燃料（ウランなど）の装荷及び取出しに際し、ばらばらにならずに一体として取り扱えるようにした燃料の集合体である。
制御棒案内管１０３は、制御棒駆動機構１０４によって駆動される制御棒をガイドする管である。
なお、燃料集合体１０２と制御棒駆動機構１０４は、少なく図示しているが、実際には多数存在する。

チムニ１０５は、圧力容器１０１と同心の円筒状であり、内部を仕切り板で格子状に仕切った格子流路を有している。
気水分離器１０６は、チムニ１０５から供給される冷却材の気液二相流(気体と液体が共存する流れ)を、気相の飽和蒸気と液相の飽和水に分離する装置である。
蒸気乾燥器１０７は、気水分離器１０６から得られた飽和蒸気に含まれる湿分を除去する装置である。

タービン１１０は、原子炉１００の蒸気出口ノズル１１１から供給される飽和蒸気によって発電を行うものである。
復水器１２０は、タービン１１０から供給される飽和蒸気を、海水を循環させることなどによって冷却し（そのための循環ポンプなどは不図示）、水に液化させるものである。

給水ポンプ１３０は、復水器１２０から供給された水を吸引し、その水を給水加熱器１４０を経由して原子炉１００の給水入口ノズル１０９に送るものである。
給水加熱器１４０は、給水ポンプ１３０から供給された水を加熱する装置である。

続いて、原子力発電システムＳにおける動作の概要を説明する。まず、原子炉１００において、給水入口ノズル１０９から供給される水と、気水分離器１０６で分離された飽和水とが混合し、その混合水が圧力容器１０１内におけるチムニ１０５の外側を下降し、炉心１０８に供給される。

炉心１０８に供給された混合水は、加熱され、飽和状態の気液二相流となり、チムニ１０５の内部を経由して、気水分離器１０６に供給される。気水分離器１０６に供給された気液二相流は、気相の飽和蒸気と、液相の飽和水に分離される。
飽和蒸気は、蒸気乾燥器１０７を経て、蒸気出口ノズル１１１からタービン１１０に導かれる。一方、飽和水は、再び給水入口ノズル１０９から供給される水と混合され、圧力容器１０１内におけるチムニ１０５の外側を下降する。

タービン１１０では、供給された蒸気により発電を行い、復水器１２０では、タービン１１０から供給された蒸気を冷却することにより液化する。
給水ポンプ１３０は、復水器１２０で液化された水を吸引して原子炉１００に供給し、その途中経路に配置された給水加熱器１４０はその水を加熱する。

このような原子力発電システムＳにおける各構成のうち、本発明は、制御棒駆動機構１０４に関するものであり、以下、図２〜図４を用いて、詳細に説明する。まず、図２を参照しながら、従来例にかかる制御棒駆動機構について説明する（適宜図１参照）。図２は、その従来例の制御棒駆動機構の構造図である。

制御棒駆動機構１０４によって駆動される制御棒１は、複数の燃料集合体１０２の間に挿入および引抜き自在に設置され、圧力容器１０１の下鏡部(底の部分)に貫通して設けられた制御棒駆動機構１０４によって昇降駆動されるようになっている。この制御棒１の昇降により、原子炉１００における燃料の反応度が調整される。

制御棒駆動機構１０４の外縁部分は、圧力容器１０１の下鏡部に接続されたハウジング２と、アウターチューブ３と、スプールピース４とから構成され、それらがボルト２２によって締結されている。スプールピース４の下部には、制御棒駆動機構１０４の動力源であるモータ５（電動機）が着脱可能に設けられている。

ハウジング２およびアウターチューブ３の内側には、制御棒１の下端にカップリング６を介して連結された中空ピストン７と、その中空ピストン７が載置されたボールナット８（中空ピストン昇降機構）と、そのボールナット８が螺合され、上端側が中空ピストン７に収容されたボールねじ９（中空ピストン昇降機構）とが設けられている。

スプールピース４内には、ボールねじ９の下端側に連結された伝達軸１０（駆動軸）が設けられている。また、スプールピース４を挟んで対向配置された一対の磁気継手（マグネットカップリング）、すなわち、内側磁気継手１１と外側磁気継手１２が設けられており、内側磁気継手１１は伝達軸１０に接続され、外側磁気継手１２はモータ５の出力軸５１と接続されている。

ハウジングフランジ２１とアウターチューブフランジ３１の接触面において、漏水防止のために、給水管１３の周囲には環状のメタルＯリング１４が設けられ、ボールねじ９を中心とするアウターチューブフランジ３１の全体には環状のメタルＯリング１５が設けられている。
また、スプールピース４の内周部とアウターチューブ３の接触面には、漏水防止のために、環状のゴムＯリング１６が２つ設けられている。

コイルばね１７と皿ばね１８は、スクラム（緊急停止）時に高速で上方移動する中空ピストン７のクッションの役割を果たす部材である。
ギアカップリング２０は、ギアカップリング１９と嵌合することで、伝達軸１０の回転力をボールねじ９に伝達する。ギアカップリング２０は、コイルばね２１の上に載置されている。

続いて、制御棒駆動機構１０４の動作について説明する。制御棒１に対する通常制御時は、モータ５が駆動すると、出力軸５１を介して外側磁気継手１２が回転し、外側磁気継手１２と内側磁気継手１１との間で作用する磁力によって回転トルクが伝達されて、内側磁気継手１１が回転する。これにより、内側磁気継手１１に接続された伝達軸１０、ギアカップリング２０およびギアカップリング１９を介してボールねじ９が回転し、ボールナット８および中空ピストン７が上下方向に移動し、それにともなって制御棒１が昇降駆動する。
このようにして、制御棒１の炉心１０８への挿入および引抜きの量が調整され、原子炉１００による蒸気エネルギーの出力量が調整される。

また、スクラム時は、アキュムレータ（不図示）などにより給水管１３から中空ピストン７の下方部分に高圧水が注入される。その高圧水の圧力により、ボールナット８は不動のまま、中空ピストン７が上方に高速で移動し、スクラムを実現する。

このような構成の従来例の制御棒駆動機構１０４では、スプールピース４の内周部とアウターチューブ３の接触面に設けられたゴムＯリング１６を、その素材の寿命などの観点から、所定の頻度（たとえば１０年に一度）で、メンテナンスする必要がある。そして、このゴムＯリング１６のメンテナンスのためには、スプールピース４をアウターチューブ３から取り外さなければならず、手間がかかるという問題があった。

また、モータ５の動力伝達に、メンテナンスをあまり必要としない磁気継手（内側磁気継手１１と外側磁気継手１２）を使用しているため、ゴムＯリング１６のメンテナンスのためだけにスプールピース４をアウターチューブ３から取り外さなくてはならず、作業効率や費用の点で問題があった。

そこで、図３を参照しながら、本実施形態にかかる制御棒駆動機構について説明する（適宜図１、図２参照）。図３は、本実施形態にかかる制御棒駆動機構の構造図である。なお、図２と同様の構成については同様の符号を付し、重複説明を適宜省略する。

図３の制御棒駆動機構１０４ａが図２の制御棒駆動機構１０４と異なっているのは、図２のアウターチューブ３とスプールピース４を一体成形（一体構造となるように作ること）してアウターチューブ３ａ（一体型アウターチューブ）としたこと、それにより図２のゴムＯリング１６を削除したこと、および、図２のギアカップリング１９，２０が一体型の分離検出機構２２になったことである。なお、分離検出機構２２は、コイルばね２１の縮み具合いによって制御棒１が宙吊りになってるか否かを検出するための機構で、図２のギアカップリング１９，２０の場合と同様の技術であり、また、周知の技術であるので詳細な説明を省略する。

続いて、図４を参照しながら、本実施形態の制御棒駆動機構の特徴について説明する（適宜図２、図３参照）。図４は、（ａ）が、従来例の制御棒駆動機構１０４におけるアウターチューブ３とスプールピース４の構成図、（ｂ）が、本実施形態にかかる制御棒駆動機構１０４ａにおけるアウターチューブ３ａの構成図である。

図４（ａ）に示すように、従来例の制御棒駆動機構１０４では、アウターチューブ３とスプールピース４が別体となっており、ボルト２２を用いてそれらを締結するようになっている。
一方、図４（ｂ）に示すように、本実施形態にかかる制御棒駆動機構１０４ａでは、従来のアウターチューブとスプールピースを一体化（一体成形）したアウターチューブ３ａが設けられている。

図２〜図４に示すように、制御棒駆動機構１０４ａでは、一体成形したアウターチューブ３ａを用いることで、図２におけるゴムＯリング１６が不要となる。それにより、ゴムＯリング１６のメンテナンスの必要がなくなり、制御棒駆動機構１０４ａ自身のメンテナンス頻度を下げることができ、ランニングコストの低減が可能となる。

また、制御棒駆動機構１０４ａは、従来例の制御棒駆動機構１０４と比べてＯリングの個数が少ないので、炉水のリークポテンシャル（漏洩の可能性）を低減し、信頼性を向上させることができる。
さらに、一体成形したアウターチューブ３ａを用いることで、制御棒駆動機構１０４ａの圧力容器１０１などに対する取り付けや取り外しなどの作業を簡素化することができる。

また、一体成形したアウターチューブ３ａを用いることで、ボールねじ９と伝達軸１０の中心軸の調整が不要となり、それらの中心軸がずれるという可能性を回避することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限定されるものではない。具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

原子力発電システムの概略を示す全体構成図である。 従来例にかかる制御棒駆動機構の構造図である。 本実施形態にかかる制御棒駆動機構の構造図である。 （ａ）は、従来例の制御棒駆動機構におけるアウターチューブとスプールピースの構成図、（ｂ）は、本実施形態にかかる制御棒駆動機構におけるアウターチューブの構成図である。

符号の説明

１ 制御棒
２ ハウジング
３，３ａ アウターチューブ
４ スプールピース
５ モータ
７ 中空ピストン
８ ボールナット
９ ボールねじ
１０ 伝達軸
１００ 自然循環式沸騰水型原子炉
１０１ 原子炉圧力容器
１０４，1０４ａ 制御棒駆動機構
１０８ 炉心

Claims (2)

1. 沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器の下部に設けられ、駆動軸を介し電動機の回転を中空ピストン昇降機構に伝達して中空ピストンを昇降させ、制御棒を炉心内に挿入および引抜きする一方、スクラム時には高圧水を注入して前記中空ピストンを押し上げて前記制御棒を前記炉心内に急速に挿入することで、前記炉心内の反応度を制御する制御棒駆動機構において、
   前記原子炉圧力容器の下鏡部に貫通固定されたハウジングと、
   そのハウジングの内側に固定されるアウターチューブ部、および、そのアウターチューブ部の下方に設けられるスプールピース部が一体成形された一体型アウターチューブと、
   を備えたことを特徴とする制御棒駆動機構。
2. 一対の磁気継手を備え、前記電動機の回転をその一対の磁気継手を介して前記駆動軸に伝達することを特徴とする請求項１に記載の制御棒駆動機構。

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