JP2022014619A - 燃料掴み装置の制御システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伸縮管の管状部材を高速で移動させながら、ストッパーへの着座時の衝撃力を緩和させるシステムを提供する。
【解決手段】燃料掴み装置の制御システムは、複数の管状部材１ａ～ｆが互いに伸縮自在に組み合わされた伸縮管と、伸縮管の下端に設けられている原子炉用の燃料集合体を掴む燃料掴み具５と、管状部材に取り付けられた可撓性を有する引張部材６ａ，６ｂと、引張部材を巻き取る駆動装置と、駆動装置を制御する制御装置１０とを備え、制御装置に入力されている管状部材の定常走行速度、減速開始時間、減速加速度及び目標速度に基づいて、管状部材の移動速度を定常走行速度から目標速度まで減速させることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料掴み装置の制御システム及びその制御方法に係り、特に、原子炉内の燃料及びブレードガイドを掴んで原子炉ウェルプールと使用済み燃料貯蔵プールとの間を移動させ、燃料集合体の取替や配置換え作業を行うものに好適な燃料掴み装置の制御システム及びその制御方法に関する。

一般に、原子力発電所では、原子炉ウェルプールと使用済み燃料貯蔵プール間を走行する燃料取替機が原子力プラント設備として装備されている。

上記燃料取替機は、原子炉ウェルプールと使用済み燃料貯蔵プール間を走行する走行台車と、その走行台車上を前述の各プールを横切るように走行する横行台車と、その横行台車に設置された燃料掴み装置とを備えている。

このような燃料取替機は、燃料掴み装置で燃料集合体やブレードガイドを掴んで、各台車の移動によって、燃料集合体やブレードガイドを原子炉ウェルプールと使用済み燃料貯蔵プールとの間を移動させ、燃料集合体の取替や配置換え作業を行う。

また、燃料取替機の燃料掴み装置は、複数の管状部材が伸縮動作自在に組み合わされた伸縮管と、その伸縮管の下端に設けられている原子炉用の燃料集合体を掴む燃料掴み具と、前記管状部材を、ロープの巻き取りと繰り出しで上下方向に伸縮動作させる駆動装置とを備えている。

燃料掴み装置の伸縮管は、径の異なる円筒状の複数の管状部材を互いに伸縮移動自在に組み合わせて構成され、管状部材には隣接し合う管状部材から抜け落ちないように、或いは下段の管状部材が上段の管状部材を引っ掛けることで管状部材全体を上昇させられるように、ストッパーが装備されている。

また、伸縮管は、燃料集合体を掴みに移動する際や掴んだ燃料集合体を降ろす際に、駆動装置で伸縮させる必要がある。この際、伸縮管の伸縮動作が急速であると、ストッパーに衝撃が加わるため、緩慢な速度で伸縮動作がなされる。

原子力発電所に設置した燃料取替機の燃料掴み装置の先行技術文献としては、特許文献１を挙げることができる。

この特許文献１に開示されている燃料掴み装置には、燃料掴み装置の伸縮管の伸縮時間を短縮し、燃料交換作業の高速化を図るために、制御装置で電動機の速度制御を行い、伸縮管の昇降開始及び停止時のＳカーブ速度を与えることで、上下方向へ移送中の燃料集合体へ与える加速度を緩和可能にさせることが記載されている。

特開２００７－１０５３２号公報

通常、伸縮管の管状部材を緩慢に移動させることは、交換作業の時間増大につながり、原子力発電所の稼働率の低下する要因となりうる。これを解決するには、管状部材を従来に比べて高速で移動させながら、ストッパーに加わる衝撃力を低減させる方法が必要となる。

しかしながら、上記した特許文献１には、伸縮管の管状部材を高速で移動させながら、ストッパーに加わる衝撃力を低減させることについては記載されていない。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、伸縮管の管状部材を高速で移動させながら、ストッパーへの着座時の衝撃力を緩和させることができる燃料掴み装置の制御システム及びその制御方法を提供することにある。

本発明の燃料掴み装置の制御システムは、上記目的を達成するために、複数の管状部材が互いに伸縮自在に組み合わされた伸縮管と、前記伸縮管の下端に設けられている原子炉用の燃料集合体を掴む燃料掴み具と、前記管状部材に取り付けられた可撓性を有する引張部材と、前記引張部材を巻き取る駆動装置と、前記駆動装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置に入力されている前記管状部材の定常走行速度、減速開始時間、減速加速度及び目標速度に基づいて、前記管状部材の移動速度を前記定常走行速度から前記目標速度まで減速させることを特徴とする。

また、本発明の燃料掴み装置の制御方法は、上記目的を達成するために、複数の管状部材が互いに伸縮自在に組み合わされた伸縮管と、前記伸縮管の下端に設けられている原子炉用の燃料集合体を掴む燃料掴み具と、前記管状部材に取り付けられた可撓性を有する引張部材と、前記引張部材を巻き取る駆動装置と、前記駆動装置を制御する制御装置とを備えた燃料掴み装置を制御する際に、前記制御装置に入力されている前記管状部材の定常走行速度、減速開始時間、減速加速度及び目標速度に基づいて、前記管状部材の移動速度を前記定常走行速度から前記目標速度まで減速させることを特徴とする。

本発明によれば、伸縮管の管状部材を高速で移動させながら、ストッパーへの着座時の衝撃力を緩和させることができる。

本発明の燃料掴み装置の制御システムの実施例１が採用される原子力発電所内の燃料取替機を示す概略構成図である。 図１の平面図である。 本発明の燃料掴み装置の制御システムの実施例１を示す概略構成図である。 本発明の燃料掴み装置の制御方法の実施例１による管状部材の速度制御履歴を示す概念図である。 本発明の燃料掴み装置の制御方法の実施例２による管状部材の速度制御履歴を示す概念図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の燃料掴み装置の制御システム及びその制御方法を説明する。なお、各図において、同一構成部品には同符号を使用する。

先ず、図１及び図２を用いて、本発明の燃料掴み装置の制御システムが採用される原子力発電所内の燃料取替機の全体説明を行う。

該図に示すように、原子力発電所の原子炉では、原子炉の停止中に行われる定期検査時に、燃料取替機１００を用いて原子炉圧力容器１０５内の燃料集合体１１０の取替を行っている。

この燃料集合体１１０の取替作業は、使用済みの燃料集合体１１０を原子炉圧力容器１０５の外部に取り出し、使用済み燃料貯蔵プール１２０側に移動すると共に、新しい燃料集合体１１０を原子炉圧力容器１０５内に装荷するものである。

また、燃料取替機１００は、使用済み燃料貯蔵プール１２０、原子炉ウェルプール１３０及び原子炉圧力容器１０５上を跨ぐように設置され、オペレーティングフロア１４０上に各プールに沿って敷設された走行レール１５０上を自在に走行可能な走行台車１６０と、この走行台車１６０上に設置された横行レール１７０上を自在に横行可能な横行台車１８０とを有し、原子炉ウェルプール１３０の下方に位置する原子炉圧力容器１０５の炉心部に配置された燃料集合体１１０を、その横行台車１８０から懸垂支持した伸縮管１の下端に設置した燃料掴み具５で掴んで炉心外へ取り出し、使用済み燃料貯蔵プール１２０の使用済み燃料貯蔵ラック（図示せず）内へ入れて、燃料掴み具５から離すように動作する。

一方、伸縮管１の先端の燃料掴み具５は、燃料集合体１１０上端のハンドル部を遠隔操作で着脱自在にクランプするようになっており、径の異なる円筒状の複数の管状部材１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆ（図３参照）を、重なり合って伸び縮みするように設けて伸縮自在に組み合わせた伸縮管１と合わせて燃料取替機１００の横行台車１８０に設置されている。

横行台車１８０には、ホイスト用電動機２と、そのホイスト用電動機２で回転駆動されるロープ巻取りドラムとしての巻き胴３が伸縮管１を上下に伸縮させる駆動装置として設置されている。上記巻き胴３には、ワイヤロープ６が伸縮管１を上下に伸縮させる力を伝える可撓性引張部材として巻き掛けられている。

このような構成において、燃料取替機１００を炉心から取り出し使用済み燃料貯蔵プール１２０内へ移送する場合及び燃料集合体１１０を使用済み燃料貯蔵プール１２０内から炉心部へ移送する場合には、燃料集合体１１０を移送するために、伸縮管１の下端に取り付けられた燃料掴み具５の上下の昇降動作が必要となる。

また、上記のようにして実施される燃料取替作業は、燃料取替機１００の遠隔自動運転により行われるため、燃料取替機１００の各台車構造体は十分な剛性のものであり、走行レール１５０の設置は、十分な精度が必要となる。そして、十分な検出精度を有する座標検出装置により、取り扱い対象の燃料集合体１１０への自動位置決め及び伸縮管１の伸縮による燃料掴み具５の自動把持を可能としている。

次に、伸縮管１の構成及び機能を、図３を使用して以下に説明する。

図３に示すように、伸縮管１は管状部材１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆから構成され、最も外側の管状部材１ａの上端は横行台車１８０に固定されている。また、最も内側の管状部材１ｆは、可撓性のワイヤロープ６ｂによって巻き胴３ｂに接続され、巻き胴３ｂがホイスト用電動機２によって駆動され、ワイヤロープ６ｂの巻き上げ、巻き下げを行い、これによって最も内側の管状部材１ｆの上下駆動を行う。

また、燃料掴み具５も同様に可撓性のワイヤロープ６ａによって巻き胴３ａに接続され、同じくホイスト用電動機２によって巻き胴３ａが駆動され、燃料掴み具５が上下に駆動される。燃料掴み具５は、燃料集合体８をグラップ又はグラップした燃料集合体８を離す機能を持つ。

伸縮管１を構成する各管状部材１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆには、それぞれの管状部材１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅの抜け落ちを防ぐため、ストッパー２１、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２６ａ及び２６ｂが備えられている。

図３は、管状部材１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆが下降した状態を示している。

管状部材１ｂが下降する際は、管状部材１ｂのストッパー２２ｂが、管状部材１ｃのストッパー２３ａによって支持されることで、管状部材１ｂが抜け落ちることを防いでいる。同様に管状部材１ｃは、ストッパー２３ａが管状部材１ｄのストッパー２４ａに支持されることで管状部材１ｄに支えられている。同様に管状部材１ｄは、ストッパー２４ｃが管状部材１ｅのストッパー２５ａで支持されることで管状部材１ｅに支えられている。同様に管状部材１ｅは、ストッパー２５ｃが管状部材１ｆのストッパー２６ａで支持されることで管状部材１ｆに支えられる。管状部材１ｆは、ワイヤロープ６ｂによって上述した如く支持、駆動される。

このような構成でワイヤロープ６ｂによって伸縮管１が下降すると、管状部材１ｂの外面に備えられたストッパー２２ａが、管状部材１ａの内面に備えられたストッパー２１に着座することで、管状部材１ｂは管状部材１ａに支えられる。その他の管状部材１ｃ、１ｄ、１ｅも、下降時はそれぞれの内側に隣接ずる管状部材のストッパーにより支えられる。また、下降状態から上昇する際には、それぞれの外側に隣接する管状部材のストッパー同士を引っ掛けて一体化することで上昇することになる。

次に、上記した燃料掴み装置における制御システム及び制御方法について、以下に説明する。

ここでは、下降する管状部材１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆのうち、管状部材１ｂが下降した際のストッパー２２ａが、管状部材１ａのストッパー２１に着座する工程を例として挙げるが、他の管状部材の組合せとして読み替えても良いし、下降を上昇と読み替えても良い。

図３に示すように、本実施例の燃料掴み装置の制御システムを構成するホイスト用電動機２は、制御装置１０を備えている。この制御装置１０は、減速開始時間と減速加速度及び目標速度がデータとして入力されている。

管状部材１ｂの通常の下降速度を定常走行速度とすると、管状部材１ｂの下降開始から減速開始時間までは、定常走行速度での管状部材１ｂの移動を、制御装置１０と、この制御装置１０によって制御されたホイスト電動機２及び巻き胴３によって行う。

本実施例における減速制御の時間履歴の概念を図４に示す。

本実施例では、図４に示すように、管状部材１ｂの減速開始時間からは、制御装置１０に入力されている減速加速度によって、管状部材１ｂの移動が減速され、目標速度となるまで減速制御する。

このとき、目標速度は、ストッパー２２ａに加わる衝撃力がストッパー２１の強度を保てる程度の弱い衝撃力となるように、十分遅い速度として定めることができる。

目標速度のままストッパー２２ａがストッパー２１に着座することで、衝撃力を緩和した着座が可能となる。また、定常走行速度は、従来技術で採用されていた緩慢な移動速度より十分早い速度とすることで、全体の移動工程時間を短縮することができる。

なお、管状部材１ｂの減速開始時間は、巻き胴３によるワイヤロープ６の巻き上げ長さによって判断しても良いし、その他の方法でも良い。

本実施例における管状部材は、可撓性のあるワイヤロープによって吊るされているため、目標速度に制御しても、自由振動による速度誤差を伴うことになるが、この速度誤差も制御が可能である。

即ち、本実施例を用いて、管状部材の減速加速度を一定値Ａとし、目標速度まで減速した場合、自由振動による速度誤差Ｖｅは、自由振動の固有角振動数ω（ｒａｄ／ｓ）と減速加速度Ａによって、次式で求められる。

Ｖｅ＝減速加速度Ａ／（２×固有角振動数ω）
従って、管状部材の減速加速度Ａを十分低く、つまり、管状部材の減速をゆっくり行えば、目標速度の誤差を十分小さい範囲に制御可能となる。

また、本実施例では、減速開始以降の制御が行われていることを、遠隔操作している操作員に示す制御状態表示器１１を備えている。これにより、操作員は制御が行われていることを監視できる。

このような本実施例によれば、伸縮管を構成する管状部材を、その走行時間の大部分を従来に比べて高速化することができ、更に、管状部材同士の着座時には速度を緩慢にすることで、ストッパーへの衝撃力を抑制することができる。

本発明の実施例２を、図５を用いて説明する。

図５は、実施例２の管状部材の速度と鉛直座標位置の関係を、概念的に示したものである。

本実施例では、伸縮管１、ワイヤロープ６、巻き胴３、ホイスト電動機２の構成は実施例１と同様であり、また、実施例１と同様に制御装置１０と制御状態表示器１１を備えているが、本実施例の制御装置１０には、実施例１で示した減速開始時間と減速加速度及び目標速度の他に、減速終了した管状部材の位置から着座位置までのマージン距離と着座速度がデータとして入力されている。

そして、制御装置１０によって目標速度に制御された後に着座速度となるように制御され、マージン距離を移動した後、管状部材が所定の位置に着座するようにしたものである。即ち、制御装置１０によって目標速度まで減速された管状部材は、その後、着座速度まで再び加速され、マージン距離を移動した後着座するものである。

このとき、管状部材１ｂの着座速度は、ストッパー２２ａに加わる衝撃力が十分小さくなるような低い速度とすることで、管状部材１ａのストッパー２１への衝撃力を抑制することができる。また、マージン距離は、減速開始時間及び目標速度に達した減速終了時間の測定誤差が予測される場合に、減速終了前に着座しないように十分な距離を設定することで、想定外の着座を防止することができる。

このような本実施例であっても、実施例１と同様な効果を得ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…伸縮管、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ…管状部材、２…ホイスト用電動機、３、３ａ、３ｂ…巻き胴、５…燃料掴み具、６、６ａ、６ｂ…ワイヤロープ、８、１１０…燃料集合体、１０…制御装置、１１…制御状態表示器、２１、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ、２６ａ、２６ｂ…ストッパー、１００…燃料取替機、１０５…原子炉圧力容器、１２０…使用済み燃料貯蔵プール、１３０…原子炉ウェルプール、１４０…オペレーティングフロア、１５０…走行レール、１６０…走行台車、１７０…横行レール、１８０…横行台車。

Claims (10)

1. 複数の管状部材が互いに伸縮自在に組み合わされた伸縮管と、前記伸縮管の下端に設けられている原子炉用の燃料集合体を掴む燃料掴み具と、前記管状部材に取り付けられた可撓性を有する引張部材と、前記引張部材を巻き取る駆動装置と、前記駆動装置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置に入力されている前記管状部材の定常走行速度、減速開始時間、減速加速度及び目標速度に基づいて、前記管状部材の移動速度を前記定常走行速度から前記目標速度まで減速させることを特徴とする燃料掴み装置の制御システム。
2. 請求項１に記載の燃料掴み装置の制御システムであって、
   前記管状部材の通常の下降速度を前記定常走行速度とすると、前記管状部材の下降開始から減速開始時間までは、前記定常走行速度での前記管状部材の移動を、前記制御装置によって制御された前記駆動装置によって行い、前記減速開始時間からは、前記制御装置に入力されている前記減速加速度によって前記管状部材の移動が減速され、前記目標速度となるまで減速制御することを特徴とする燃料掴み装置の制御システム。
3. 請求項２に記載の燃料掴み装置の制御システムであって、
   前記制御装置には、減速終了した前記管状部材の位置から着座するまでのマージン距離及び着座速度が更に入力されており、
   前記制御装置によって前記目標速度に制御された後に前記着座速度となるように制御され、前記マージン距離を移動した後、前記管状部材が所定の位置に着座することを特徴とする燃料掴み装置の制御システム。
4. 請求項２又は３に記載の燃料掴み装置の制御システムであって、
   前記駆動装置は、ホイスト用電動機と、該ホイスト用電動機で回転駆動される巻き胴とから成り、前記巻き胴には、前記引張部材が前記伸縮管を上下に伸縮させる力を伝える部材として巻き掛けられており、
   前記管状部材の下降開始から前記減速開始時間までは前記定常走行速度での前記管状部材の移動を、前記制御装置及び前記制御装置によって制御された前記ホイスト用電動機と前記巻き胴によって行うことを特徴とする燃料掴み装置の制御システム。
5. 請求項４に記載の燃料掴み装置の制御システムであって、
   前記伸縮管は複数の前記管状部材が重なり合って伸び縮みするように構成され、その内の最も外側の前記管状部材の上端は燃料取替機の横行台車に固定されると共に、最も内側の前記管状部材は前記引張部材によって前記巻き胴に接続され、前記巻き胴が前記ホイスト用電動機によって駆動されて前記引張部材の巻き上げ、巻き下げを行うことによって最も内側の前記管状部材の上下駆動を行い、
   かつ、前記燃料掴み具が前記引張部材によって前記巻き胴に接続され、前記巻き胴が前記ホイスト用電動機によって駆動されて前記引張部材の巻き上げ、巻き下げを行うことによって前記燃料掴み具が上下に駆動されることを特徴とする燃料掴み装置の制御システム。
6. 請求項５に記載の燃料掴み装置の制御システムであって、
   複数の前記管状部材のそれぞれには、該管状部材の抜け落ちを防ぐためのストッパーが備えられており、複数の前記管状部材のそれぞれは、隣接する前記管状部材に備えられている前記ストッパーによって支持されることを特徴とする燃料掴み装置の制御システム。
7. 請求項６記載の燃料掴み装置の制御システムであって、
   前記燃料集合体を前記燃料掴み具により掴む操作は遠隔操作で行われ、この遠隔操作を行う操作員に、前記管状部材の減速開始以降の制御が行われていることを示す制御状態表示器を備えていることを特徴とする燃料掴み装置の制御システム。
8. 複数の管状部材が互いに伸縮自在に組み合わされた伸縮管と、前記伸縮管の下端に設けられている原子炉用の燃料集合体を掴む燃料掴み具と、前記管状部材に取り付けられた可撓性を有する引張部材と、前記引張部材を巻き取る駆動装置と、前記駆動装置を制御する制御装置とを備えた燃料掴み装置を制御する際に、
   前記制御装置に入力されている前記管状部材の定常走行速度、減速開始時間、減速加速度及び目標速度に基づいて、前記管状部材の移動速度を前記定常走行速度から前記目標速度まで減速させることを特徴とする燃料掴み装置の制御方法。
9. 請求項８に記載の燃料掴み装置の制御方法であって、
   前記管状部材の通常の下降速度を前記定常走行速度とすると、前記管状部材の下降開始から減速開始時間までは、前記定常走行速度での前記管状部材の移動を、前記制御装置によって制御された前記駆動装置によって行い、前記減速開始時間からは、前記制御装置に入力されている前記減速加速度によって前記管状部材の移動が減速され、前記目標速度となるまで減速制御することを特徴とする燃料掴み装置の制御方法。
10. 請求項９に記載の燃料掴み装置の制御方法であって、
    前記制御装置には、減速終了した前記管状部材の位置から着座するまでのマージン距離及び着座速度が更に入力されており、
    前記制御装置によって前記目標速度に制御された後に前記着座速度となるように制御され、前記マージン距離を移動した後、前記管状部材が所定の位置に着座するように制御することを特徴とする燃料掴み装置の制御方法。

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