JP2007278812A - 制御棒駆動制御装置及び制御棒駆動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数本ある制御棒が駆動した際、各制御棒の停止位置にばらつきが発生した時、制御棒駆動の調整を行い、より高精度かつ信頼性の高い制御を実現する制御棒駆動制御装置を提供すること。
【解決手段】位置検出器１２による誘導電動機１４の回転角度の情報とスクラム位置検出機構によるリードスイッチのオン・オフ情報の制御棒の位置に関する情報を用いて、制御棒６が目標位置に到達せずに停止し、原子力発電所の運転に影響しない範囲で制御棒の位置がばらついた場合には、駆動信号の調整を行い、制御棒６を目標位置に停止させること。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力発電所の原子炉内の制御棒を挿入または引抜操作することにより原子炉出力を制御する制御棒駆動制御装置及び制御棒駆動制御方法に関する。

改良型沸騰水型原子力発電所（ＡＢＷＲ）では、制御棒駆動により、炉出力の制御を行う。制御棒駆動は、制御棒駆動制御装置により実現する。制御棒駆動制御装置は、制御棒駆動装置，位置検出装置，ブレーキ励磁装置，制御棒操作監視盤などで構成される。

制御棒駆動装置は、誘導電動機，誘導電動機の回転トルクを増大させる減速機，軸封部に磁力の力で誘導電動機の回転トルクを伝達するマグネットカップリング，マグネットカップリングと連結されたボールスクリューネジ，ボールスクリューネジと噛み合いを持つボールナット，ボールナットに取り付けられて軸方向に伸びる連結棒、及びボールナット上部に配置された中空ピストンを備え、電動機の正転または反転により、制御棒が炉心に向かう挿入駆動，挿入方向とは反対方向に向かう引抜駆動が可能になる。

また、制御棒操作監視盤は、原子炉の出力時間の短縮と運転員の負担低減を目的に、複数の制御棒に対し同時に挿入または引抜駆動を行うギャング操作モードを有する。操作する制御棒のグループは、ギャング操作による炉の出力分布の変化が急峻しないよう炉全体の対象性を考慮して決定されている。

原子力発電所では、現状の制御棒駆動制御装置を使い、安定した原子炉の炉心運用を実現している。しかし、制御棒駆動装置を構成する機械要素のうち、減速機のバックラッシュ，誘導電動機やマグネットカップリングの摩擦によるすべり等の機械的誤差の影響により、目標とする制御棒の位置に到達せずに停止し、複数本存在する制御棒のそれぞれ位置が原子力発電所の運転に影響しない範囲でばらつく事象が発生する可能性がある。この影響は、ギャング操作のときに顕著に表れ、この影響により原子炉内の出力分布の対称性が崩れ、炉心運用の安定性を損なう要因となりうる。

機械的誤差の影響のうちマグネットカップリングのすべりに対処するため、例えば、特開２０００−２２７４９０号公報に記載の技術では、制御棒の位置を検出する位置検出器と、誘導電動機の回転速度を検出する速度検出器と、この回転速度を用いて誘導電動機からマグネットカップリングに伝達される駆動トルクを算出し、算出した駆動トルクがマグネットカップリングの最大伝達トルクに相当する値になり、マグネットカップリングにすべりが発生する可能性がある場合は誘導電動機を停止している。

特開２０００−２２７４９０号公報

しかしながら、上記の従来技術では、速度検出器を制御棒本数分用意する必要があり、設備が高価になる。

本発明の目的は、新たな検出器を導入せず、例えば機械的誤差の影響によるような、制御棒の位置のばらつきを小さくし、より高精度な制御が可能であり、かつ安定した原子力発電所の炉心運用が可能である制御棒駆動制御装置及び制御棒駆動制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、電動機の回転力を伝達して制御棒を移動させる制御棒駆動機構と、制御棒に対する目標位置を含む操作信号を出力する制御棒操作手段と、制御棒が前記目標位置に近づくように駆動信号を出力する棒駆動信号出力手段と、駆動信号を受けて前記誘導電動機とを駆動する駆動手段と、制御棒の位置を検出する位置検出手段と、前記駆動信号を前記位置検出手段の情報を用いて補正する手段を備えるように構成した。好ましくは、位置検出器による誘導電動機の回転角度の情報とスクラム位置検出機構によるリードスイッチのオン・オフ情報の制御棒の位置に関する情報を用いて、制御棒が目標位置に到達せずに停止し、原子力発電所の運転に影響しない範囲で制御棒の位置がばらついた場合には、駆動信号の調整を行い、制御棒を目標位置に停止させる。

複数本ある制御棒それぞれに本発明の調整法を実施し、機械的誤差による定常的なずれを調整することにより、例えば、機械的誤差による定常的なずれの影響が大きいと考えられるギャング操作においても、制御棒を現状より高精度に挿入または引抜駆動を行うことが可能になる。これにより、原子力発電所の炉心運用の安定性をより向上させることが可能になる。

以下、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。

本発明の１実施例を図１に示す。複数本ある制御棒ごとに存在する電動駆動型の制御棒駆動機構１６は、誘導電動機１４を備えている。誘導電動機１４は、その回転軸に制動ブレーキ１５，減速機１３，位置検出器１２，保持ブレーキ１１を有する。また、制御棒駆動機構１６は、誘導電動機１４の回転トルクを伝達するマグネットカップリング１０を介し、図示していないがボールスクリューネジ，ボールスクリューネジと噛み合うボールナット，ボールナットに取り付けられて軸方向に伸びる連結軸を有し、中空ピストン７と連結する。

原子炉５には、燃料体２５が冷却水２６に浸された状態で設置されている。複数本存在する制御棒６は、燃料体２５の間に挿入または引抜駆動が可能な状態で設置されている。制御棒６は、別々の制御棒駆動機構１６の中空ピストン上部に連結され、各制御棒６は対応する制御棒駆動機構１６の誘導電動機１４の駆動により操作される。

制御棒がスクラム駆動した際にその位置を検出・記録するスクラムタイミングレコーダ盤２，制御棒の駆動と保守・制動ブレーキの動作の制御を行う制御棒駆動補助盤４，制御棒操作監視盤１から目標位置信号１０１の内容と現在の制御棒の状態を比較し、制御棒操作が必要な場合に制御棒駆動補助盤４に駆動信号１０２を出力する制御棒位置伝送補助盤３を有する。制御棒位置伝送補助盤３，制御棒駆動補助盤４は各制御棒駆動機構１６ごとに存在する。

制御棒操作監視盤１は、運転員が実際に操作監視を行う入出力機器（図示せず）、各制御棒６の挿入または引抜手順，予め定められた制御量の制御棒動作手順を記憶する制御棒動作手順記憶装置２７，挿入または引抜駆動の操作信号１０８とその制御棒目標位置を示す目標位置信号１０１を制御棒位置伝送補助盤３へ出力する制御棒操作装置１７で構成される。入出力機器は、制御棒選択ボタン，制御棒駆動モード選択ボタン，制御棒の駆動方向を選択する挿入／引抜ボタンを有し、運転員はこの入出力機器を使い、制御棒６を操作する。

スクラムタイミングレコーダ盤２は、制御棒６をスクラム機能を用い挿入駆動させる時の制御棒の位置を記録する装置である。

制御棒位置伝送補助盤３は、位置判定装置１９，駆動目標位置判定装置２０，駆動目標位置調整装置２１，制御棒駆動制御装置２２，制御棒位置履歴記憶装置２３で構成される。

制御棒位置伝送補助盤３は、制御棒操作監視盤１の目標位置信号１０１と位置検出器
１２の位置信号１０４をもとに、制御棒位置が駆動目標位置に到達していない場合は、制御棒駆動補助盤４に駆動信号１０２を出力する。

制御棒駆動補助盤４は、制御棒位置伝送補助盤３の出力する駆動信号１０２のもと、誘導電動機１４をオン／オフ制御し、制御棒６を挿入または引抜駆動させる半導体スイッチ２４と、駆動信号１０２に含まれる保持ブレーキ解除信号により保持ブレーキを解除する機構（図示せず）を有する。半導体スイッチ２４としては、トランジスタ，サイリスタ等の素子が用いられる。

次に動作について説明する。原子炉５の起動は、全ての制御棒が挿入された状態から始まり、制御棒の引抜操作を行うことで、原子炉５の出力を上昇させる。制御棒の全挿入位置は０ステップであり、全引抜位置は１００ステップである。制御棒は全部で２０５本存在する。制御棒の駆動モードには、ステップモードと連続モードの２種類がある。

制御棒６の通常時の駆動方法を、制御棒６を現在位置０ステップから目標位置６０ステップまで連続モードにて駆動させる例を用いて説明する。

運転員は、操作ガイドに従い、操作する制御棒６を制御棒座標選択スイッチにより選択し、制御棒動作モード（連続モード）を選択する。そして、制御棒６を０ステップから
６０ステップへ駆動させるため、引抜スイッチを押下する。運転員操作を受けて、制御棒操作監視盤１の制御棒操作装置１７は、選択された制御棒の現在の位置を読み込みしたあと、目標位置を６０ステップの目標位置信号１０１と操作信号１０８を制御棒位置伝送補助盤３へ出力する。

制御棒位置伝送補助盤３内では、駆動目標位置判定装置２０が、位置検出器１２の電気信号を位置判定装置１９にて変換した位置信号１０４と目標位置信号１０１を比較し、制御棒６が目標位置に到達していない場合は、駆動目標位置信号１０６を出力する。また、駆動目標位置判定装置２０は、制御棒６が目標位置付近まで駆動し、位置信号１０４と目標位置信号１０１の比較の値が位置判定装置１９内の判定値となった時点で駆動目標位置信号１０６の出力を停止する。駆動目標位置調整装置２１は、通常駆動の場合、駆動目標位置信号１０６をそのまま駆動目標位置調整信号１０７として、制御棒駆動制御装置２２へ出力する。制御棒駆動制御装置２２は、駆動目標位置信号１０６と操作信号１０８の２信号の有無を判断する論理を持ち、前記２信号が存在する場合、制御棒駆動補助盤４へ駆動信号１０２を出力する。前記２信号の内、片方でも存在しない場合は、制御棒駆動補助盤４へ駆動信号１０２の出力を行わない。最後に、制御棒位置履歴記憶装置２３は、位置判定装置１９の位置信号１０４，駆動目標位置判定装置２０からの駆動目標位置信号106、そしてスクラムタイミングレコーダ盤２からのＰＩＰ位置信号１０３を記憶するとともに、調整に必要な値を導出し記憶する。この必要な値の算出方法については、後述する。

制御棒駆動補助盤４は、駆動信号１０２を受け、保持ブレーキ１１を解除し（解除機構は図示せず）、半導体スイッチ２４をオン・オフ制御することで誘導電動機１４へ６０ステップ分引抜駆動させるのに必要な電流を交流電源から流し、制御棒６を目標位置（６０ステップ）付近まで駆動させる。また、制御棒駆動補助盤４は、制御棒が目標位置（６０ステップ）付近まで駆動した場合、制御棒位置伝送補助盤３内での前述の位置判定装置
１９での目標位置判定により、駆動目標位置信号１０６が出力されず、制御棒駆動制御装置２２での駆動信号１０２が生成されないことにより、交流電源からの電流供給が失われ、制御棒駆動を停止する。

さて、一連の駆動動作により、制御棒６は目標位置（６０ステップ）まで駆動するが、機械的誤差、特にマグネットカップリングのずれにより誘導電動機１４の回転トルクが中空ピストン７に伝わらず、制御棒６の位置が位置検出器１２では目標位置の６０ステップ分駆動したと検出されているにも拘らず、ＰＩＰ８では５９ステップ駆動した時点で停止する可能性が考えられる。そこで、この事象に対しても制御棒６を６０ステップまで駆動できるよう調整する方法を説明する。

まず、制御棒駆動の調整の判断は、制御棒位置履歴記憶装置２３の記憶値と記憶値より導出された値を用いて行う。制御棒位置履歴記憶装置２３のフローチャートを図２に示す。はじめに、位置判定装置１９の位置信号１０４，駆動目標位置判定装置２０からの駆動目標位置信号１０６、そしてスクラムタイミングレコーダ盤からのＰＩＰ位置信号１０３の信号読込をＡ１で行い、その信号を位置履歴記憶Ａ２で記憶する。つぎに、位置信号
１０４とＰＩＰ目標位置の差分の絶対値をＡ３で算出し、その値αをＡ４で記憶する。機械的誤差には、制御棒６が駆動を行う度にずれを引き起こす定常的なずれと、例えば、ある駆動操作によりにおいて、半導体スイッチ２４のオン・オフ制御がスムーズに行われないためにずれを引き起こしてしまう一過性のずれの２つの場合が考えられる。本発明による調整法では、２つの場合のうちより調整の必要があると考えられる定常的なずれに対して調整を行う。そこでＡ５で、Ａ４で記憶されている値の平均を挿入または引抜駆動１操作ごとに算出し、一過性のずれによる制御棒６の位置のずれの影響を排除する。最後に、駆動目標位置信号１０６の単位はステップであるので、Ａ５で算出した平均値をＡ６で四捨五入し、その値βをＡ７で記憶し、βの値を制御棒位置記憶信号１０５として出力する。調整の必要の有無はこのＡ７に記憶された値を見て判断する。

つぎに、制御棒位置記憶信号１０５を用い、駆動目標位置信号１０６を実際に調整する方法を説明する。

駆動目標位置信号１０６の調整は、駆動目標位置調整装置２１で行い、そのフローチャートを図３に示す。駆動目標位置調整装置２１は、駆動目標位置信号１０６の信号読込を行った後、Ｂ１で調整の有無を確認する。

駆動目標位置調整装置２１は標準では調整無であるが、保守員等の操作者が、ここで調整を選択すると、制御棒位置履歴記憶装置２３より制御棒位置記憶信号１０５（機械的誤差の定常的ずれの平均値）を読み込み、Ｂ２で駆動目標位置信号１０６に制御棒位置記憶信号１０５を加算する。

Ｂ２で駆動目標位置が変更されたことにより、機械的誤差を加味した駆動目標位置を設定したが、この方法では全引抜位置（１００ステップ）よりも大きな駆動目標位置が設定される可能性がある。そのため、駆動目標位置信号１０６が全制御棒全引抜位置（１００ステップ）よりも大きいかどうかをＢ３により判断し、大きい場合はＢ４で駆動目標位置信号１０６を全引抜位置（１００ステップ）とする。最後に、駆動目標位置調整装置２１で調整を行った駆動目標位置の調整信号，調整の有無の信号，機械的誤差の定常的なずれの平均値である制御棒位置記憶信号１０５の３信号を駆動目標位置調整信号１０７として出力する。

上記調整法による制御棒６の動作の流れを先程述べた具体例（制御棒６の位置が位置検出器１２では目標位置の６０ステップ分駆動したと検出されているにも拘らず、ＰＩＰ８では５９ステップ駆動した時点で停止する）を用いて説明する。この例では機械的誤差による定常的なずれが存在すると仮定する。まず、制御棒位置履歴記憶装置２３にて、調整に用いる機械的誤差による定常的なずれの平均値を導出する。図４は、駆動目標位置信号１０６，ＰＩＰ位置信号１０３のＯＮ／ＯＦＦ値と位置信号１０４の値，位置信号１０４からＰＩＰ位置信号１０３の差分の絶対値，差分の絶対値の平均値、そして平均値を四捨五入した値、すなわち機械的誤差による定常的なずれを示している。図４から、この制御棒６の機械的誤差による定常的なずれの平均値は１ステップであることが分かる。この平均値を制御棒位置記憶信号１０５として、駆動目標位置（指令）調整装置２１に出力する。

駆動目標位置（指令）調整装置２１では、駆動目標位置信号１０６である６０ステップに制御棒位置記憶信号１ステップを加えた６１ステップを駆動目標位置調整信号１０７として出力する。

この駆動目標位置調整信号１０７により、制御棒駆動制御装置２２は誘導電動機１４を６１ステップ引抜駆動を行わせる駆動信号１０２を制御棒駆動補助盤４に出力し、制御棒駆動機構１６を実際に駆動させる。

しかし、この調整法のみでは、実際には誘導電動機１４は６１ステップまで駆動せず、６０ステップ駆動した時点で停止してしまう。その理由を説明する。

上述の調整法により駆動目標位置は６１ステップに調整されたが、制御棒操作装置１７より出力される目標位置信号１０１の目標位置は６０ステップのままである。

駆動目標位置判定装置２０は、制御棒操作監視盤１の目標位置信号１０１と位置検出器１２の位置信号１０４をもとに、制御棒位置が目標位置信号１０１の駆動目標位置に到達していない場合は、駆動目標位置判定装置２０に駆動目標位置信号１０６を出力する。

そのため、誘導電動機１４が６０ステップ駆動し、位置検出器１２による位置信号104が６０ステップ駆動位置を検出した時点で、駆動目標位置判定装置２０は駆動目標位置信号１０６の出力を打ち切り、制御棒位置伝送補助盤３から制御棒駆動補助盤４への駆動信号１０２も打ち切られる。従って、誘導電動機１４はこれ以上駆動することなく、６０ステップ位置で駆動を停止する。

この事象に対応するため、上記の調整法の他に、制御棒の目標位置調整装置２１で用いた平均値を使い、位置判定装置１９の出力信号の調整を行う。調整を行う位置判定装置
１９の入出力信号を明記した概略図を図５に示す。図５において、位置判定装置１９への入力信号は、レゾルバ位置信号１０９と駆動目標位置調整信号１０７であり、位置判定装置１９からの出力信号としては、位置判定装置１９から制御棒操作監視盤１の制御棒操作装置１７，制御棒位置伝送補助盤３の駆動目標位置判定装置２０，制御棒位置履歴記憶装置２３がある。

次に、位置判定装置１９のフローチャートを図６に示す。位置判定装置１９は、位置検出器１２からの信号と駆動目標位置調整信号１０７をＣ１で読み込む。つぎに、駆動目標位置調整信号１０７を用い、Ｃ２にて読み込んだ信号が調整されたものかどうかを判断し、調整が無い場合は、所定の装置に位置信号１０４の値を出力する。Ｃ２の調整判定で、調整信号があった場合は、位置検出器から読み込んだ信号と駆動目標位置調整信号１０７の平均値を用い、Ｃ３にて位置検出値から平均値を減算した値γを導出し出力信号の調整をする。この方法で所定の装置へ信号を出力するが、この方法では、出力する信号が全挿入位置（０ステップ）より小さな値を算出する可能性がある。そこで、Ｃ４で、導出した値γが全挿入位置よりも小さいかどうかを判定し、γが全挿入位置よりも小さい場合は、Ｃ５にてγの値を全挿入位置（０ステップ）に設定する。位置判定装置１９は、出力信号に調整を加えた場合は、制御棒操作装置１７と駆動目標位置判定装置２０には、調整した信号をそのまま出力する。また、制御棒位置履歴記憶装置２３には調整した信号に加え、不具合時の位置履歴の必要性を考慮し、位置検出器１２より得られる調整前の位置信号
１０４も出力する。

このような位置判定装置１９の出力信号の調整を行うことにより、先程の具体例で言えば、位置信号１０４が６０ステップのとき、位置判定装置１９の出力信号は６０ステップより機械的誤差による定常的なずれの平均値１ステップを減算した５９ステップとなり、駆動目標位置判定装置２０は、駆動目標位置信号１０６を出力し、誘導電動機１４は引抜駆動を続行する。

そして、位置信号１０４が１１ステップとなると、駆動目標位置判定装置２０は目標位置信号１０１に含まれる目標位置（６０ステップ）と位置判定装置１９の出力信号（６０ステップ）が一致することにより、駆動目標位置信号１０６を打ち切る。これにより、誘導電動機１４は６１ステップ駆動後に停止し、ＰＩＰ８の値は６０ステップとなり、制御棒６は６０ステップ駆動したことになる。

２０５本ある制御棒６それぞれにこの調整法を実施し、機械的誤差による定常的なずれを調整することで、機械的誤差による定常的なずれの影響が大きいと考えられるギャング操作においても、制御棒６を現状より高精度に挿入または引抜駆動を行うことが可能になり、原子力発電所の原子炉の炉心運用の安定性をより向上させることが可能になる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 本発明の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の動作を説明するためのフローチャートである。 本発明の動作を具体的に説明する際の各信号の変化をまとめた表である。 本発明の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…制御棒操作監視盤、２…スクラムタイミングレコーダ盤、３…制御棒位置伝送補助盤、４…制御棒駆動補助盤、５…原子炉、６…制御棒、７…中空ピストン、８…ＰＩＰ、９…位置検出マグネット、１０…マグネットカップリング、１１…保持ブレーキ、１２…位置検出器、１３…減速機、１４…誘導電動機、１５…制動ブレーキ、１６…制御棒駆動機構、１７…制御棒操作装置、１８…ＰＩＰ位置判定装置、１９…位置判定装置、２０…駆動目標位置判定装置、２１…駆動目標位置調整装置、２２…制御棒駆動制御装置、２３…制御棒位置履歴記憶装置、２４…半導体スイッチ、２５…燃料体、２６…冷却水、２７…制御棒動作手順記憶装置、１０１…目標位置信号（操作信号）、１０２…駆動信号、
１０３…ＰＩＰ位置信号、１０４…位置信号、１０５…制御棒位置記憶信号、１０６…駆動目標位置信号、１０７…駆動目標位置調整信号、１０８…操作信号、１０９…レゾルバ位置信号。

Claims (5)

1. 電動機の回転力を伝達して制御棒を移動させる制御棒駆動機構と、前記制御棒に対する目標位置を含む操作信号を出力する制御棒操作手段と、前記制御棒が前記目標位置に近づくように駆動信号を出力する棒駆動信号出力手段と、前記駆動信号を受けて前記電動機とを駆動する駆動手段と、制御棒の位置を検出する位置検出手段と、前記駆動信号を前記位置検出手段の情報を用いて補正する手段を備えることを特徴とした制御棒駆動制御装置。
2. 請求項１において、前記誘導電動機の回転量を検出する位置測定手段を有し、前記検出された電動機の回転量と前記検出された制御棒の位置を記憶し、前記記憶した両者の値に基づいて、前記駆動信号を補正することを特徴とした制御棒駆動制御装置。
3. 請求項２において、前記記憶した信号に定常的な相違がある場合には、駆動目標位置を調整し、前記補正に係る数値を用いて、前記誘導電動機の回転量を測定する位置信号を調整する調整手段を備えることを特徴とする制御棒駆動制御装置。
4. 請求項２において、前記検出された制御棒の位置の値と前記駆動信号に係る制御棒の位置に相当する位置の値の偏差を計算し、前記計算値にを基づいて前記補正をなすことを特徴とする制御棒駆動装置。
5. 制御棒の目標位置を含んで操作信号を出力し、前記目標位置に近づくように駆動信号を出力し、制御棒の位置を検出し、前記検出した制御棒の位置に基づいて前記駆動信号を補正し、前記補正した信号に基づいて電動機を回転させて制御棒を移動する制御棒駆動制御方法。
   

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