JP3993304B2 - 原子炉制御装置及び原子炉制御装置用電磁継手の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速増殖炉や軽水炉などの原子炉の炉内核反応を制御する装置に関し、特に緊急反応停止用部材を備えた原子炉制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉の炉内核反応を制御するために中性子吸収物質を含んだ制御棒が使用される。その制御棒は、原子炉容器の天井部又は底部に配置された制御棒駆動装置により炉心内への挿入度が調整されることにより、中性子の吸収度合いが調整されて反応を制御する。又、このような原子炉制御装置には、緊急時に制御棒を迅速に炉心内に完全挿入することにより炉心反応を急速に停止することが期待されている。これを高速増殖炉用制御装置について図４を参照して説明する。図において、制御棒駆動軸１は図示しない制御棒駆動装置に連絡していて、通常時は制御棒連結軸３を介して制御棒（図示しない。）を上下方向に駆動する。その制御棒駆動軸１の下端には、純鉄又はモリブデン鋼などの強磁性体材料からなる電磁石鉄心５が取り付けられ、その内部に電磁コイル７が設けられ、これは図示しない制御系によって作動が制御される電源に連絡している。即ち電磁石鉄心５と電磁コイル７は電磁継手の一方の部材である電磁石を形成している。一方、制御棒連結軸３の上端には電磁継手の相手方部材が内側鉄心９，外側鉄心１１及びFe−Ni合金又はFe−Ni−Co合金などの温度感知合金部材１３から構成されて取り付けられている。内側鉄心９及び外側鉄心１１の材料は、電磁石鉄心５のそれと同じであり、通常運転時に曝露される冷却材温度より２００℃程度高いキュリー点を持つと共に飽和磁束密度が高い。温度感知合金部材１３は、電磁石鉄心５の構成材料のキュリー点と冷却材の通常時温度の間の設定温度に等しいキュリー点を持ち飽和磁束密度が高い材料から形成されている。
【０００３】
前述の構成において、原子炉の運転時には矢印に示すような冷却材１５が流れている。そして電磁コイル７には所定の電流が流れて磁路１７を形成し、制御棒駆動軸１と制御棒連結軸３は、電磁継手により確りと連結されている。このような状態では、制御棒駆動装置による制御棒駆動軸１の動きが制御棒連結軸３に正しく伝えられて、所定の核反応制御が行われる。而して、原子炉に何らかの異常が発生し、原子炉の停止が必要になれば、電磁コイル７への給電を絶ち、制御棒連結軸３を分離し落下させる。しかしながら、何らかの原因により制御動作による切り離しができない場合が論理的に考えられる。このような場合、冷却材の温度が異常に上昇することが多いが、冷却材温度が温度感知合金部材１３のキュリー点に達し、その飽和磁束密度が低下して磁路１７を流れる磁束が減少する。このようにして、吸着力が急激に減少することにより、自動的に内側鉄心９と外側鉄心１１は電磁石鉄心５の吸着面から分離し、制御棒連結軸３及び制御棒が炉心内に落下挿入されて炉心の連鎖反応を迅速に停止する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の構成の制御装置において、制御棒連結軸の自動切り離し、落下挿入を確実に行うには、温度感知合金部材１３の温度感知作用が重要であり、冷却材温度の変動に迅速に感応することが重要である。従って、温度感知合金部材１３の取り付け構造は、図５に示すようになっている。即ち、図５の（ｂ）に明らかなように、軸方向及び半径方向に延びる細溝乃至スリット１９が円周方向に間隔を置いて多数削成されていて、このスリット内を冷却材１５（図４）が流れる。このようなスリット１９は、図５の（ａ）のように内側鉄心９及び外側鉄心１１と一緒に溝加工により作成され、冷却材との接触面積を大きくし、温度応答性を高くしている。
しかしながら、前述の構成では、温度感知合金部材１３は内径部分で連続しているので、この部分での温度応答性が今一つであった。その上、原子炉の規模が大きくなると、更に早い応答性を必要としており、如上の構造の電磁継手を持つ制御装置は増大する速応性を満足できなかった。
従って、本発明は、原子炉自動停止機能の信頼性が良く且つ増大する速応性を備えた原子炉制御装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
如上の課題を解決するため、本発明によれば、原子炉制御装置は制御棒駆動装置に連結された制御棒駆動軸、原子炉炉心内に挿脱される制御棒、この制御棒の上端に連結された制御棒連結軸、及び制御棒連結軸の上端部と制御棒駆動軸の下端部との間に介装された電磁継手を有して構成され、前記電磁継手は制御棒駆動軸の下端に取り付けられ電磁コイルが内蔵された電磁石鉄心を備えた上部継手部材と、制御棒連結軸の上端部に取り付けられ同軸的に配置された外側鉄心及び内側鉄心を備えた下部継手部材とを有し、内側鉄心の段付き軸状素材と外側鉄心の環状素材との間に温度感知合金部材の環状素材を軸方向に挟んで圧接し、しかる後前記温度感知合金部材の環状素材を円周方向に分割する複数の軸方向細溝を前記内側鉄心の軸状素材と前記外側鉄心の環状素材の外周部に一体削成することにより、その電磁コイルによって形成される磁路内に位置するように、外側鉄心及び内側鉄心の間に円周方向に間隔を置いて複数の温度感知合金部材が配置されている。この温度感知合金部材は、所定のキュリー点を持つ強磁性体材料から形成されおり、そして半径方向及び軸方向に延びる両端面が全域に亙って隣接の冷却材貫流空間に曝露されている。又、本発明によれば、前記電磁継手の下部継手部材は、内側鉄心の段付き軸状素材と外側鉄心の環状素材との間に温度感知合金部材の環状素材を軸方向に挟んで圧接し、しかる後前記温度感知合金部材の環状素材を円周方向に分割する複数の軸方向細溝を前記内側鉄心の軸状素材と前記外側鉄心の環状素材の外周部に一体削成する方法により製造される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。尚、前述の従来技術に関する図面を含め全図に亙り、同一部分には同一の符号を付している。
先ず、図２を参照して本発明による原子炉制御装置３０の全体構造及び原子炉内における配置状況等を説明する。図２は、その関係を概念的に示したものであるが、燃料集合体２１が水平面的にはハニカム状に配置されて炉心２３を形成している。燃料集合体２１はラッパ管の中に炉心燃料２１ａを内蔵し、核反応により熱を発生するが、その核反応熱は内部を上昇して貫流する冷却材２５により奪われて搬出される。燃料集合体２１の外形形状と同じ外形形状を有する制御棒案内管２７が配設され、燃料集合体２１と協働して前述の炉心２３を形成している。その制御棒案内管２７の中には、原子炉制御装置３０の制御棒３１が昇降自在に配置されている。複数の燃料集合体２１及び制御棒案内管２７の上方を被って冷却材導入管２９が配置され、その側壁に冷却材流出用のフローホール２９ａが穿設され、これらはカバーガスに接する冷却材液面２５ａの下方に位置している。制御棒駆動装置３３が原子炉容器の上蓋上に設置され、そこから延びた制御棒駆動軸１が、電磁継手４０を介して制御棒連結軸３７に分離自在に連結されている。そして、前述のように燃料集合体２１を貫流して加熱・昇温された高温冷却材２５は，冷却材導入管２９内に入り、電磁継手４０に接触しつつ流れ、フローホール２９ａから上部プレナム内へ流出し、しかる後適宜な熱消費機器、例えば中間熱交換器等に向かって原子炉容器を出ていく。前述のように、制御棒駆動軸１は、結局制御棒３１に連結されているから、制御棒駆動装置３３を作動することにより、制御棒３１を昇降し、炉心２３内の核反応を適切に制御する。
【０００７】
次に図１を参照して電磁継手４０及び周辺の構造を説明する。制御棒駆動軸１の下端部には、電磁石鉄芯５が固定され、その中に電磁コイル７が配設されて上部継手部材４１を形成している。電磁コイル７は、制御棒駆動軸１の中を延びる導線３５を介して図示しない電源に連絡し、この電源は原子炉のモニター系を含む運転制御装置によって制御される。内側鉄芯４３、外側鉄芯４５及び温度感知合金部材４７から構成される下部継手部材４９が制御棒連結軸３７の上端に連結されている。上部継手部材４１の下端面及び下部継手部材４９の上端面はそれぞれ平滑に削成されて、吸着面４１ａ，４９ａとなっている。そして、電磁コイル７に通電されれば、磁路１７が形成されて上部継手部材４１及び下部継手部材４９は、図示のごとく吸着面４１ａ，４９ａで接触し、大きな電磁力で吸着されている。電磁石鉄芯５、内側鉄芯４３、外側鉄芯４５及び温度感知合金部材４７を構成する材料は、通常運転時の冷却材温度よりも高いキュリー点を有し、高い飽和磁束密度を有しているから、制御棒３１は制御棒駆動軸１に連結し、炉内核反応の制御に供される。
【０００８】
以上のような下部継手部材４９は、図３に示すような手順を経て製作される。図３の（ａ）に示すように、内側鉄芯４３の素材１４３は段付き軸の形状で準備される。外側鉄芯４５の素材１４５は、環状形状或いは穴付き円板の形状で準備される。温度感知合金部材４７の素材１４７も同様である。これらを図示のように配置し、（ｂ）図に示すように組み立てる。しかる後、軸方向に大きな力を作用しつつ拡散溶接法等により互いに圧接する。設備、材料の特性などを考慮して、他の圧接方法が採用できる。このようにして製作された下部継手部材４９の素材１４９の形状が（ｃ）図に示されている。このような素材１４９に軸方向及び半径方向に延びた溝空間即ちスリット５１を回転工具にて削成する。このスリット５１は、（ｄ）図に示すように放射状に多数形成される。図面では、３０個のスリット５１が削成されているが、勿論この数及び幅等の寸法は適宜変更可能である。このようなスリット５１の形成により、素材１４７は、多数の温度感知合金部材４７に円周方向に分割された形となり、その半径方向及び軸方向に延びる両端面は全域に亙ってスリット５１に完全に面している。そして、このように製作された下部継手部材４９を（ｅ）図に示すように制御棒連結軸３７の上端部材３７ａに連結し、スリット５１に連続する冷却材導入溝３７ｂを削成する。
【０００９】
再び、図１を参照するに、原子炉の運転中、冷却材２５は白抜き矢印に示すように上向きに流れ、一部は導入溝３７ｂに案内されてスリット５１を貫流し、その際温度感知合金部材４７の半径方向及び軸方向に延びる両端面の全域に接触する。従って、冷却材単位接触面積当たりの容積が増大しているから、冷却材の温度が異常に上昇すればそれに効率的に感応する。温度感知合金部材４７の熱伝導率を２０Ｗ／（ｍ・℃）とし、冷却材２５からの熱伝達率を５００００Ｗ／（ｈ・ｍ・℃）、冷却材２５の流速を１．５ｍ／ｓ、冷却材２５の温度上昇率を３０℃／ｓとして、温度応答遅れ時間が２０％改善されるという試算結果が得られている。
【００１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば原子炉制御装置の制御棒駆動軸と制御棒連結軸との間の電磁継手において、円周状に配置される温度感知合金部材の円周方向端面が全域にわたって冷却材に触れるようにしたので、温度応答性が向上し、冷却材温度の上昇に迅速に追従して制御棒を切り離して落下せしめ、原子炉を安全に停止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の要部を示す部分断面図である。
【図２】前記実施形態の全体構造及び使用状況を示す概念図である。
【図３】前記実施形態に係る主要部材の製作手順を示す工程説明図である。
【図４】従来構造を示す部分断面図である。
【図５】図４の一部を拡大して示す立断面図及び平断面図である。
【符号の説明】
１ 制御棒駆動軸
５ 電磁石鉄芯
７ 電磁コイル
１７ 磁路
２１ 燃料集合体
２１ａ 炉心燃料
２３ 炉心
２５ 冷却材
２５ａ 冷却材液面
２７ 制御棒案内管
２９ 冷却材導入管
２９ａ フローホール
３０ 原子炉制御装置
３１ 制御棒
３３ 制御棒駆動装置
３７ 制御棒連結軸
３７ａ 上端部材
３７ｂ 冷却材導入溝
４０ 電磁継手
４１ 上部継手部材
４１ａ 吸着面
４３ 内側鉄芯
４５ 外側鉄芯
４７ 温度感知合金部材
４９ 下部継手部材
４９ａ 吸着面
５１ スリット
１４３、１４５、１４７、１４９ 素材

Claims (2)

1. 制御棒駆動装置に連結された制御棒駆動軸、原子炉炉心内に挿脱される制御棒、同制御棒の上端に連結された制御棒連結軸、及び前記制御棒連結軸の上端部と前記制御棒駆動軸の下端部との間に介装された電磁継手を有し、前記電磁継手は、前記制御棒駆動軸の下端に取り付けられ電磁コイルが内蔵された電磁石鉄心を備えた上部継手部材と、前記制御棒連結軸の上端部に取り付けられ同軸的に配置された外側鉄心及び内側鉄心を備えた下部継手部材とを有し、内側鉄心の段付き軸状素材と外側鉄心の環状素材との間に温度感知合金部材の環状素材を軸方向に挟んで圧接し、しかる後前記温度感知合金部材の環状素材を円周方向に分割する複数の軸方向細溝を前記内側鉄心の軸状素材と前記外側鉄心の環状素材の外周部に一体削成することにより、前記電磁コイルによって形成される磁路内に位置するように、前記外側鉄心及び内側鉄心の間に円周状に間隔を置いて複数の温度感知合金部材が配置され、所定のキュリー点を持つ強磁性体材料からなる前記温度感知合金部材の円周方向端面が全域に亙って隣接する冷却材流れ空間に曝露されていることを特徴とする原子炉制御装置。
2. 内側鉄心の段付き軸状素材と外側鉄心の環状素材との間に温度感知合金部材の環状素材を軸方向に挟んで圧接し、しかる後前記温度感知合金部材の環状素材を円周方向に分割する複数の軸方向細溝を前記内側鉄心の軸状素材と前記外側鉄心の環状素材の外周部に一体削成することを特徴とする原子炉制御装置用電磁継手の製造方法。

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