JP5584529B2 - 耐震試験設備及び耐震試験方法 - Google Patents

Description

本発明は原子力発電設備における原子炉で利用される制御棒や制御棒駆動装置等の耐震試験設備及び耐震試験方法に関する。

地震等による構造物の耐震安全性を評価することは様々な分野において要求されている。例えば、日本における原子力発電設備の振動試験に関する一連の基準等は、原子力発電設備の安全性と信頼性を確保する観点から、その設計・建設・運転などにおいて実現することが適切と考えられる技術及び技術的活動の仕様について定める日本電気協会電気技術指針（Japan Electric Association Guide（JEAG））によって詳細に定められている。そして、原子力機器に関する耐震設計技術については、「発電用原子炉施設に関する耐震設計指針」に適合するものとして「原子力発電所耐震設計技術指針追補版（JEAG4601-1991）」において規定されている。

上記指針（JEAG4601-1991）によれば、制御棒に関する地震時機能評価法が付属書4.4に明記されている。この評価法の基本的考え方は、「制御棒が地震時に要求される動的機能は、地震時に原子炉を確実に停止する為に炉心に挿入されることであり、そのためには地震時における制御棒の挿入性について評価する。」ことである。評価は解析的に行う場合と実験的に行うことが必要であり、実験的に制御棒の実証データを得るには耐震試験設備が必要になる。すなわち、地震時を想定して燃料集合体を加振機により加振して、その間に制御棒を挿入させて挿入に必要な時間を評価することにより、制御棒の挿入機能が維持されることを確認する耐震試験設備が必要となる。

この種の試験設備としては、水平方向及び垂直方向に加振が可能な振動台を備えるものがある（特開２００１−２３５３９２号公報）。ところで、原子力発電設備の反応炉等は、地震が起きても周囲のコンクリート壁等と一体となって揺れるために回転モーメントが発生しない。しかし、上記の試験設備で振動台の上に試験体を載せて加振すると当該試験体に回転モーメントが作用してロッキング運動が発生するため、地震と同様な加振状況を再現することが難しい。特に、原子炉容器のような長尺構造物は、大きな回転モーメントが作用することになるため再現がさらに難しくなる。

このようなロッキング運動の発生抑制を図った試験設備としては、階段状の支持壁面に対して高さ方向の異なる位置に固定された４台の水平加振機を備えたものが開示されている（特開昭５８−２６２４１号公報）。この試験設備は、最も高い位置にある加振機によって試験容器（模擬原子炉容器）を吊り下げ支持しつつ４台全ての加振機を同一に作動させることで、試験容器を水平に加振しようと試みている。

特開２００１−２３５３９２号公報 特開昭５８−２６２４１号公報

ところで、例えば、沸騰水型の原子力発電設備の原子炉容器を模擬した場合には、その試験容器の総重量は１０トンを超える。そのため、上記の特許文献２（特開昭５８−２６２４１号公報）のように試験容器を加振機で吊り下げ支持した状態で加振すると、各加振機は試験容器の荷重に起因した大きな曲げ荷重を受けることになり、加振機としての機能が損なわれて水平方向に試験容器を好適に加振できないおそれがある。

本発明の目的は、実際の地震に近い状態で試験容器を好適に加振できる耐震試験設備及び耐震試験方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、液体で満たされた容器内部に原子炉内の燃料を模擬した模擬燃料及び制御棒が収納され、該制御棒を前記模擬燃料に挿入する制御棒駆動装置が取り付けられた試験容器と、基礎上に設置された免震装置と、該免震装置を介して支持され、該試験容器の周囲に設置された反力壁と、該反力壁に固定され、前記試験容器を一の方向に振動させる加振機と、前記試験容器が前記一の方向に沿って往復動可能に前記試験容器を支持する支持手段とを備えるものとする。

本発明によれば、試験容器を一の方向に加振するときに加振機が負担する試験容器の鉛直荷重が低減するので、実際の地震に近い状態で試験容器を好適に加振することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る耐震試験設備の全体概略図。 図１中のII-II断面における断面図。 図１中における試験容器１０付近の拡大図。 図３中のIV-IV断面における断面図。 図３中のV-V断面における断面図。 図５中のVI方向から荷重支持機構３及びリニアスライド機構１１を見た図。 図６中のVII-VII断面における断面図。 本発明の第１の実施の形態におけるリニアスライド機構１１の斜視図。 図３中のIX-IX断面における断面図。 図１の耐震試験設備における埋め金２２の位置を示す図。 本発明の第１の実施の形態における油圧制御装置６０の概要図。 本発明の第１の実施の形態における試験容器１０の周辺設備を示す図。 本発明の第１の実施の形態における試験容器１０を上部格子板８６の近傍で切断したときの断面図。 本発明の第１の実施の形態における試験容器１０を炉心支持板１４の近傍で切断したときの断面図。 本発明の第１の実施の形態における制御棒駆動装置５２の断面図。 ミスアライメント設定時の内部構造物の芯ズレ状況の概略を試験容器１０の中心軸８７に沿って示した図。 本発明の第２の実施の形態に係る耐震試験設備の概略図。 本発明の第３の実施の形態に係る耐震試験設備の概略図。 本発明の第４の実施の形態に係る耐震試験設備の概略図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る耐震試験設備の全体概略図であり、図２は図１中のII-II断面における断面図である。これらの図に示す耐震試験設備は、試験容器１０と、基礎５１と、免震装置４０と、反力壁２０と、加振機３０，３１と、制御装置６０を備えている。この耐震試験設備は、実物大相当の模擬燃料とその燃焼状態を制御する制御棒を有する試験容器の耐震性能を評価するものであり、沸騰水型の原子炉を主対象としている。

試験容器１０の内部には原子炉内の燃料を模擬した模擬燃料１５（図４参照）と、その模擬燃料１５間に挿入される制御棒（図示せず）が収納されている。模擬燃料１５はそれぞれ図示しないチャンネルボックス（燃料容器）に囲まれており、本実施の形態の試験容器１０には４体（１セル分）の模擬燃料１５が装荷されている。試験容器１０は、チャンネルボックスを介して模擬燃料１５の上部をサポートする上部格子板８６（図１６参照）と、上部格子板８６の下方に間隔を介して設置され模擬燃料１５が載置される炉心支持板１４（図１７参照）を備えている。この上部格子板８６及び炉心支持板１４の位置は、試験容器１０が模擬する原子炉に合わせて設定されている。また、試験容器１０内は実際の原子炉と同じ環境を再現するために水（液体）１６（図４参照）で満たされている。このように試験容器１０内を水１６で充満させると、加振機３０，３１で試験容器１０を加振した場合に模擬燃料１５は間接的に加振されることとなる。模擬燃料１５は試験容器１０内部に固定されず支承されている状態なので、加振の様子はそれ自身が有する固有値で振動し、所謂「慣性加振」状況となる。また、試験容器１０の下部には、当該制御棒を模擬燃料１５間に挿入するための制御棒駆動装置５２が取り付けられている。試験容器１０は、種々の炉型に対応した模擬燃料、制御棒及び制御棒駆動装置を組み込めるように設計されている。さらに、制御棒の全長は炉型に応じて異なっているため、これに応じて試験容器１０の高さ（軸方向の長さ）も変更する必要がある。そこで、本実施の形態の試験容器１０の上部には試験容器１０の高さを調整するための調整用ピース９が取り付けられている。また、試験容器１０には、その内部（模擬燃料、制御棒など）の観測や計測用のセンサ取り付けのための観測窓（図示せず）が複数個設けられている。

基礎５１は、鉄筋コンクリートで形成されており、地盤５６における岩盤面上に設置されている。また、基礎５１はその上端面が地表レベル５５より下に位置するように建設されている。基礎５１内には、試験ピット５０の下部と、油圧源室７１が形成されている。試験ピット５０は、試験容器１０を収納するために鉛直方向に広がった空間であり、基礎５１と反力壁２０によって主に形成されている。基礎５１によって形成された試験ピット５０の下部は、主に制御棒駆動装置５２が収納される。油圧源室７１は、加振装置３０，３１の油圧源である油圧ポンプ７０が収納される空間である。

反力壁２０は加振機３０，３１で試験容器１０を加振したときの反力を受ける壁であり、基礎５１の上方において試験容器１０を周方向から取り囲んでいる。反力壁２０の内周面は試験ピット５０の上部を形成している。反力壁２０は、基礎５１の上面に設置された複数の免震装置４０を介して支持されており、基礎５１と間隔を介して設置されている。すなわち、反力壁２０は、基礎５１に対して浮基礎状態に配置されている。

反力壁２０の重さは、加振機３０，３１を利用して地震時に発生する力を発生できるように、全加振機３０，３１の加振力の総和の数十倍以上に設定されている。例えば、加振機３０，３１の加振力の総和が５００ｋＮの場合に、反力壁２０の重さを当該加振力の総和の２０倍以上に設定するときには、反力壁２０の重さは１０００ｋＮ以上に設定されていることになる。

また、反力壁２０の内壁面の１つには略鉛直方向に延びる１組の支持部材５ａ，５ｂが吊り下げ支持されている。また、この支持部材５ａ，５ｂが吊り下げられた壁面と対向する壁面には、当該支持部材５ａ，５ｂ（後の図５等参照）と対向しかつ略鉛直方向に延びる１組の支持部材６ａ，６ｂ（後の図６等参照）が吊り下げ支持されている。そして、支持部材５ａ及び支持部材６ａの間と、支持部材５ｂ及び支持部材６ｂの間とには、試験容器１０を介して互いに向かい合わせに配置された２組の梁部材である梁部材７ａ，７ｂ（図５等参照）と梁部材８ａ，８ｂ（図６等参照）が架け渡されている。以下においては、これら２組の梁部材のうち上方に位置する１組を第１梁部材７ａ，７ｂと称することがあり、下方に位置する１組を第２梁部材８ａ，８ｂと称することがある。

第１梁部材７ａ，７ｂは、リニアスライド機構１１及び荷重支持機構３（後述）を介して試験容器１０を支持している。第２梁部材８ａ，８ｂは、リニアスライド機構１２及び荷重支持機構４（後述）を介して試験容器１０を支持している。

免震装置４０は、基礎５１上に設定されており、加振機３０，３１で試験容器１０を加振したときの反力（振動）を反力壁２０から基礎５１に伝播させることなく吸収する。免震装置４０としては、ビルや橋梁支承の免震に適用されている一般的なものが利用可能であり、例えば、天然ゴムが主成分の弾性体と鋼板とを交互に複数枚重ね合わせ、その軸直角断面の形状を円形とした免震積層ダンパーを利用すると良い。ところで、本実施の形態における反力壁２０は、試験容器１０を取り囲む４つの面を有しており、その底面における４隅にそれぞれ免震装置４０が設置されている。図１及び図２には４つの免震装置のうちの３つ（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）が示されている。なお、以下では、各免震装置４０ａ，４０ｂ，４０ｃの区別が必要無いときには添字（ａ，ｂ，ｃ）を省略するものとする（他の構成の添字についても同様とする）。

図３は図１中における試験容器１０付近の拡大図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。この図に示すように、加振機３０，３１は、試験容器１０を振動させるためのもので、反力壁２０に固定されている。本実施の形態の加振機３０，３１は、図３に示すように、試験容器１０の軸方向（すなわち鉛直方向）における異なる位置に設置されている。以下においては、２台の加振機３０，３１のうち上方にあるものを上部加振機３０と称することがあり、下方にあるものを下部加振機３１と称することがある。

図４は図３中のIV-IV断面における断面図である。この図に示すように、上部加振機３０は略水平方向に伸縮するピストン３７を有している。ピストン３７は、油圧配管７２を介して油圧源室７１内の油圧ポンプ７０と接続されており、その油圧ポンプ７０から供給される油圧によって一の方向に伸縮される。本実施の形態のピストン３７は試験容器１０の軸方向と直交する略水平方向に伸縮するように固定されている。油圧ポンプ７０からピストン３７に供給される油圧は油圧制御装置６０によって制御されている。ピストン３７の先端にはアーム３６が連結されている。アーム３６は試験容器１０の側面を３方から取り囲むように略Ｕ字型に形成されている。アーム３６と試験容器１０の間には、互いの中心軸が一致する軸（支持ピン）１７ａ，１７ｂが架け渡されており、軸１７ａ，１７ｂは試験容器１０を回動可能に支持している。なお、軸１７を介して試験容器１０を回動可能に支持した目的は、主に、試験容器１０や加振機３０の組立て性の向上を図ることにあり、本実施の形態では試験中に試験容器１０を軸１７周りに積極的に回動させることはしない（後述の軸１８，１９についても同様である）。

図５は図３中のV-V断面における断面図である。この図に示すように、下部加振機３１は略水平方向に伸縮するピストン３８を有している。ピストン３８は、油圧配管７２を介して油圧源室７１内の油圧ポンプ７０と接続されており、その油圧ポンプ７０から供給される油圧によって一の方向に伸縮される。本実施の形態のピストン３８は、ピストン３７と同様に、試験容器１０の軸方向と直交する略水平方向に伸縮するように固定されている。油圧ポンプ７０からピストン３８に供給される油圧は油圧制御装置６０によって制御されており、ピストン３８の先端には荷重支持機構３が連結されている。

荷重支持機構３は、その下方に設置された荷重支持機構４（後述）とともに試験容器１０の鉛直荷重を支持するものであり、アーム３９と、互いの中心軸が一致する軸（支持ピン）１８ａ，１８ｂを備えている。アーム３９は試験容器１０の側面を３方から取り囲むように略Ｕ字型に形成されており、アーム３９にはピストン３８の先端が接続されている。また、アーム３９は、リニアスライド機構１１を介して第１梁部材７ａ，７ｂに支持されている。軸１８ａ，１８ｂは、アーム３９と試験容器１０の間に架け渡されており、試験容器１０を回動可能に支持している。

図６は図５中のVI方向から荷重支持機構３及びリニアスライド機構１１を見た図であり、図７は図６中のVII-VII断面における断面図であり、図８は本発明の第１の実施の形態におけるリニアスライド機構１１の斜視図である。

これらの図に示すように、リニアスライド機構１１は、試験容器１０が加振機３０，３１の加振方向に沿って往復動可能に荷重支持機構３を支持するもので、直線状のレール４２ａ，４２ｂと、スライド部材４４ａ，４４ｂを備えている。レール４２ａ，４２ｂは、それぞれ、第１梁部材７ａ，７ｂの上面に、ピストン３７，３８の伸縮方向（すなわち、加振機３０，３１の加振方向）と略平行に配置されている。スライド部材４４ａ，４４ｂは、図６に示すように、レール４２ａ，４２ｂと嵌合する凹状の断面形状を有しており、アーム３９の下面に取り付けられている。スライド部材４４ａ，４４ｂとレール４２ａ，４２ｂとの間には転がり軸受（図示せず）が設けられており、スライド部材４４ａ，４４ｂは加振機３０，３１からの加振に応じてレール４２ａ，４２ｂ上を滑動する。これにより荷重支持機構３は、加振機３０，３１に加振されると、レール４２ａ，４２ｂ上を円滑に往復動することができる。

図７及び図８に示すように、荷重支持機構３と試験容器１０の間には、リニアスライド機構１１を保護するための破断ピン４８が架け渡されている。本実施の形態では、破断ピン４８は、軸１８ｂのボス部に取り付けられており、軸１８を中心に回動しないように試験容器１０の姿勢を保持している。２台の加振機３０，３１によって試験容器１０が同位相及び同周波数で加振されている場合（すなわち水平方向に振動している場合）に何らかの不都合（例えば、油圧制御装置６０の不具合）によって２台の加振機３０，３１に位相差が生じると、回転モーメントによって試験容器１０が軸１８周りに回動して、破断ピン４８に剪断力が作用する。破断ピン４８は、このような場合にリニアスライド機構１１に過大なモーメント荷重が作用しないように、ピン４８に作用する剪断力（回転モーメント）が設定した値を超えると破断するように設計されている。この結果、加振機３０，３１の異常作動時には、試験容器１０がある一定の傾斜角になると破断ピン４８が剪断破壊するため、リニアスライド機構１１に過大なモーメント荷重が作用することを防止でき、リニアスライド機構１１の健全性を確保することができる。また、上記の場合には、試験容器１０にも異常な反力が作用して損傷するおそれがあるが、上記の破断ピン４８を備えたことにより、試験容器１０の健全性を確保でき、ひいては試験設備全体の健全性を確保することができる。

図９は図３中のIX-IX断面における断面図である。この図に示すように、試験容器１０は、荷重支持機構４及びリニアスライド機構１２を介して第２梁部材８ａ，８ｂに支持されている。

荷重支持機構４は、荷重支持機構３とともに試験容器１０の鉛直荷重を支持するものであり、互いの中心軸が一致する軸（支持ピン）１９ａ，１９ｂと、これら軸１９ａ，１９ｂを支持する軸受４６ａ，４６ｂを備えている。軸受４６ａ，４６ｂは、試験容器１０に取り付けられた軸１９ａ，１９ｂを支持するもので、試験容器１０を回動可能に支持している。軸受４６ａ，４６ｂは、リニアスライド機構１２を介して第２梁部材８ａ，８ｂに支持されている。

リニアスライド機構１２は、試験容器１０が加振機３０，３１の加振方向に沿って往復動可能に荷重支持機構４を支持するもので、直線状のレール４３ａ，４３ｂと、軸受４６ａ，４６ｂの下面にそれぞれ取り付けられたスライド部材（図示せず）を備えている。レール４３ａ，４３ｂは、それぞれ、第２梁部材８ａ，８ｂの上面に、ピストン３７，３８の伸縮方向（すなわち、加振機３０，３１の加振方向）と略平行に配置されている。軸受４６ａ，４６ｂの下面にそれぞれ取り付けられたスライド部材は、図６に示したスライド部材４４ａ，４４ｂと同様に、レール４３ａ，４３ｂと嵌合する凹状の断面形状を有しており、加振機３０，３１からの加振に応じてレール４３ａ，４３ｂ上を滑動する。

ところで、加振機３０，３１は、それぞれ、プレート２４，２５（図３参照）を介して反力壁２０に固定されている。各プレート２４，２５には、加振機３０，３１を固定可能なボルト孔（図示せず）が複数設けられており、加振機３０，３１をボルト止めするボルト孔を変更することで加振機３０，３１の位置が調節可能になっている。また。プレート２４，２５は反力壁２０に埋め込まれた埋め金２２を介して反力壁２０に固定されている。図１０は図１の耐震試験設備における埋め金２２の位置を示す図であり、埋め金２２はこの図に示すように反力壁２０の壁面上の異なる位置に複数設けられている（図中の小さな四角形で示したものが埋め金２２である。）。加振機３０，３１の位置を調節する場合においてプレート２４，２５の位置を変更する必要があるときには、プレート２４，２５を固定する埋め金２２を適宜変更すれば良い。このように本実施の形態におけるプレート２４，２５及び埋め金２２は、加振機３０，３１の位置調節機構として機能する。

ここで、図３に示すように、試験容器１０の鉛直方向における重心位置をＧ１０とし、加振機３０，３１の鉛直方向における加振重心位置をＧ３０とし、反力壁２０の鉛直方向における重心位置をＧ２０とすると、各加振機３０，３１の位置は上記３つの重心位置Ｇ１０，Ｇ３０，Ｇ２０が同一点に近づくように調節することが好ましい。このようにすると、最も小さな力で効率的に試験容器１０を加振することが可能となるため、試験設備全体を小型化することができるからである。なお、２つの加振機３０，３１の加振能力が異なる場合には、各加振機３０，３１から加振重心Ｇ３０までの距離Ｄ３０，Ｄ３１を考慮して各加振機３０，３１の設置位置を調節すれば良い。さらに、図３では各重心位置Ｇ１０，Ｇ３０，Ｇ２０をずらして表記したが、これは各重心位置Ｇ１０，Ｇ３０，Ｇ２０の概ねの位置関係を説明するためのものに過ぎず、本実施の形態では各重心位置Ｇ１０，Ｇ３０，Ｇ２０をほとんど一致させることができる。

さらに、実際の原子炉が地震を受ける状況を可能な限り再現して試験設備の能力を高める観点からは、上部加振機３０は、試験容器１０が模擬する原子炉において上部格子板８６が設置される位置に固定することが好ましく、下部加振機３１は、試験容器１０が模擬する原子炉において炉心支持板１４が設置される位置に固定することが好ましい。これは、実施の原子炉が地震を受けたときには、地震時の外力は炉心支持板１４と上部格子板８６を介して入力されるからである。なお、このように加振機３０，３１の位置は模擬する原子炉に合わせて決定されるので、加振機３０，３１の取り付け時の制約を可能な限り少なくする観点からは、反力壁２０における加振機３０，３１が固定される面は平坦にすることが好ましい。

油圧制御装置６０は、処理装置（例えばＣＰＵ）と記憶装置を備えたコンピュータであり、油圧ポンプ７０から各加振機３０，３１のピストン３７，３８に供給する油圧を制御する。図１１は本発明の第１の実施の形態における油圧制御装置６０の概要図であり、ここでは簡略して加振機３０の駆動について説明する。

加振機３０は高速応答するサーボ弁６８を有している。このサーボ弁６８をサーボ制御装置６７で制御することにより、油圧ポンプ（油圧源）７０から送油される高圧油がピストン３８の左右に振り分けられてピストン３８が往復運動する。すなわち、２つの加振機３０，３１によって同じ位相、同じ周波数及び同じ方向で試験容器１０を同時に加振すれば、軸１７，１８，１９を介して試験容器１０を回動させることなく水平方向に加振することができる（複数点同時平行加振）。ここで、２つの加振機３０，３１を同じ位相、同じ周波数で、同一方向に作動させると言っても、試験容器１０と加振機３０，３１とはアーム３６，３９などを介して連結しており、種々の連結部にはガタがあるため、厳密に同位相、同方向で運動させることは非常に難しい。したがって、ここでは、機械構成部品特有となる隙間部の運動のバラツキは許容するものとする。

また、試験容器１０内部の試験片（例えば模擬燃料１６やこれらを囲むチャンネルボックス）には、変位検出器６２及び加速度検出器６４が取り付けられている。また、加振機３０のピストン３８及びアーム３９には変位検出器６１及び加速度検出器６３が取り付けられている。これら検出器６１〜６４からの信号をフィードバック量として加振制御装置６６に入力することで、所望の条件で加振機３０を加振させることができる。すなわち、加振機３０を変位制御することで正弦波で試験容器１０を加振させたり、加速度制御することでランダム波で加振させたり、実際の地震波の記録データに基づいて発生させた地震波で加振させたりすることができるので、種々の加振時の動的応答挙動を評価することができる。

さらに、本実施の形態の油圧制御装置６０は、加振の手順書となるマスターテーブル作成装置６５を備えており、必要な加振条件を手短に実現できる特徴がある。ここでマスターテーブルとは、試験体の変位量と周波数のセットをあらかじめ制御装置６０内のメモリ領域にマッピングして作成しておくもので、試験時には油圧制御装置６０によって自動的に変位量と周波数の好適な組み合わせが選択されるようになっている。このため、１回の試験を短時間でしかも合理的に実施できる。試験では、試験体を対象として各種加振時の構造強度評価や耐震強度評価は当然ながら、模擬燃料１５、制御棒駆動装置５２そして、制御棒を組込むことによって、加振時おける制御棒の動的な挿入動作も模擬できる。そして、地震時を想定した時に制御棒の動的挙動や制御棒の挿入量と挿入時間の関係なども正確に把握することができる。なお、制御棒の位置検出は、位置検出器を別途設置して検出するようにしても良いが、制御棒駆動装置５２によって明らかになるように設定されているので、特に検出器を設置しなくても問題ない。

図１２は本発明の第１の実施の形態における試験容器１０の周辺設備を示す図である。本実施の形態に係る試験設備は、試験前の種々の準備作業や試験時における監視・観測体制を取れるように十分配慮してある。試験設備は原子力発電設備の実寸大の試験体を対象に考えているためその外寸も大きくなる。階段８０は、試験作業者などが地表５５から試験設備にアクセスするためのものであり、浮き基礎である反力壁２０に固定して設けられている。また、基礎５１及び反力壁２０によって形成される試験ピット５０は、非常に深いので、試験作業者などが設備内や試験容器１０の周りを歩く場合に高所作業となることが多い。そこで、試験ピット５０内のあらゆる所には、設備上の安全性を確保するために手摺り８１が設置されており、試験作業者などが試験容器１０の周りに安全に近づくことが可能になっている。また、試験ピット５０内には、試験作業者などが自由に作業できることに便宜を図って、鉛直方向に間隔を介して設置された複数の作業床８３が設けられており、その複数の作業床８３間には、作業床８３間を移動するための階段８２が架け渡されている。また、これら作業床８３や階段８２は、試験容器１０が加振されたときに隣接設備と接触しないように、当該隣接設備との間に隙間が形成されるように配置することが好ましく、必要に応じて浮き基礎となる反力壁２０に固定しても良い。なお、試験容器１０の大きさに応じて、各作業床８３の高さ等を変更する必要が生じたときは、図１０に示した埋め金２２を利用して作業床８３の設置高さを調節することができる。また、試験ピット内における試験容器１０の周囲には、試験容器１０、模擬燃料１５及び制御棒等の振動状況を観測するための観測設備が適宜設置されている。さらに、本実施の形態では、試験容器１０の一部を地上に位置させ、その他の部分は地下に収納しているので、試験設備の外観をコンパクトにすることができる。

ところで、実際の原子力発電設備における炉心の温度は数百度になる。このため、炉心の容器は半径方向に熱膨張が発生する。一方、実際の容器に収納されるチャンネルボックス（燃料容器）等の内部構造物は、炉心中心に配置されるものからその外周部に配置されるものまで様々存在する。したがって、これらは炉心の外周部に配置されるものほど反応炉（炉心）の熱膨張によって変形する。そのため、運転時の原子炉の状態を試験容器１０で模擬するためには、半径方向に熱膨張量相当分のオフセットを考慮した各内部構造物のミスアライメントを設定することが要求される。そこで、本実施の形態では、試験容器１０の中心軸８７から上部格子板８６の中心８８までの距離（芯ズレ量）と、試験容器１０の中心軸８７から炉心支持板１４の中心９２までの距離と、試験容器１０の中心軸８７から制御棒駆動装置５２のハウジングの中心９８までの距離を変更可能に設けてある。以下、これについて図面を用いて説明する。

図１３は本発明の第１の実施の形態における試験容器１０を上部格子板８６の近傍で切断したときの断面図である。この図に示す上部格子板サポート８４は、上部格子板８６を固定するものであり、上部格子板サポート８４を試験容器１０の内部に固定するときに用いられる複数の取り付け穴８５を備えている。各取り付け穴８５の位置は、模擬対象の原子炉を運転したときの上部格子板の位置で発生する熱膨張量に相当する距離だけ、上部格子板８６の中心８８が試験容器１０の中心軸８７からずれるように設定されている。これにより、取り付け穴８５を介して上部格子板サポート８４を固定すれば、試験容器１０の上部格子板８６について原子炉運転中に発生する熱膨張相当量のミスアライメントを設定することができる。なお、常温時の原子炉内を模擬するために、上部格子板サポート８４は、他の取り付け穴等を介して容器１０内に固定されることで、上部格子板８６の中心８８と中心軸８７が一致するように上部格子板８６を固定することも可能となっている。

図１４は本発明の第１の実施の形態における試験容器１０を炉心支持板１４の近傍で切断したときの断面図である。この図に示す炉心支持板１４は、炉心支持板１４を試験容器１０の内部に固定するときに用いられる複数の取り付け穴９１を備えている。各取り付け穴９１の位置は、上部格子板サポート８４の取り付け穴８５と同様に、模擬対象の原子炉を運転したときの炉心支持板の位置で発生する熱膨張量に相当する距離だけ、炉心支持板１４の中心９２が試験容器１０の中心軸８７からずれるように設定されている。これにより、取り付け穴９１を介して炉心支持板１４を固定すれば、試験容器１０の炉心支持板１４について原子炉運転中に発生する熱膨張相当量のミスアライメントを設定することができる。なお、常温時の原子炉内を模擬するために、炉心支持板１４は、他の取り付け穴等を介して容器１０内に固定されることで、炉心支持板１４の中心９２と中心軸８７が一致するように固定されることも可能となっている。

図１５は本発明の第１の実施の形態における制御棒駆動装置５２の断面図である。この図に示す制御棒駆動装置５２のハウジング９７の周囲には、ガイドパイプ９５が設けられている。ガイドパイプ９５の中心は、試験容器１０の中心軸８７と同軸上に固定されている。ガイドパイプ９５には４つのボルト孔が設けられており、その各ボルト孔にはアジャスタボルト９６が挿入されている。各アジャスタボルト９６の先端は制御棒駆動装置５２のハウジング９７に接触しており、各アジャスタボルト９６のねじ込み量を調節することで、ハウジング９７の中心９８の位置を任意に調節することができる。すなわち、これらは制御棒駆動装置５２のハウジング９７のミスアライメント機構として機能する。

図１５に示した例では、４本のアジャスタボルト９６のうち、相対する一対のアジャスタボルト９６の位置を調整することにより、図１５上の縦方向（Ｙ方向）にハウジング９７を移動させており、ハウジング９７の中心９８を試験容器１０の中心軸８７からずらしている。なお、本実施の形態では、Ｙ方向に設定したオフセット量を長期間維持するために、ロックナットをガイドパイプ９５の表面に固定させている。一方、図１５上の横方向（Ｘ方向）にハウジング９７がずれるのを防止するために、横方向に配置した一対のアジャスタボルト９６については芯ズレを設定することなく固定させている。なお、ハウジング９７の外径は比較的小さいため、図１５の例では、Ｘ方向に配置したアジャスタボルト９６の先端部にはアジャスタボルト９６よりも径の大きい止ピン９９を取り付けることで、有効な固定力がハウジング９７に作用するようにしてある。

本実施の形態では、上記のようなミスアライメント設定手段を設けたことにより、試験容器１０の内部構造物の芯を任意に設定可能としている。図１６はミスアライメント設定時の内部構造物の芯ズレ状況の概略を試験容器１０の軸線に沿って示した図である。この図において、１点鎖線は試験容器１０の中心軸８７を表しており、８６ａは上部格子板８６の位置を表しており、１４ａは炉心支持板１４の位置を表しており、９７ａは制御棒駆動装置５２のハウジング９７の位置を表している。このとき、上部格子板８６の芯ズレ量は符号８８で表され、支持板１４の芯ズレ量は符号９２で表され、ハウジング９７の芯ズレ量は符号９８で表される。そして、試験容器１０内の模擬燃料１５は、この心ズレに従って矯正されて配置されることになるので、この時の模擬燃料１５の芯ズレは１００で示した線状のようになる。

制御棒は９７ａの下部から挿入されるが、制御棒は自立しているため、その芯は試験容器の中心軸８７と同じ位置になる。したがって、制御棒が挿入されるときは、模擬燃料１５との間で接触摩擦力を生じながら上部に進むことになる。この結果、運転時における原子炉を模擬することができるので、実在の原子炉における制御棒の挿入性能をより正確に評価することができる。

ところで、例えば、沸騰水型の原子力発電設備の原子炉容器を模擬した場合には、その試験容器の総重量は１０トンを超える。そのため、上記の特許文献２（特開昭５８−２６２４１号公報）のように試験容器を加振機で吊り下げ支持した状態で加振すると、各加振機は試験容器の荷重に起因した大きな曲げ荷重を受けることになり、加振機としての機能が損なわれて水平方向に試験容器を好適に加振できないおそれがある。

これに対して、本実施の形態に係る試験設備は、上記で説明したように、試験容器１０を一の方向（略水平方向）に振動させる加振機３０，３１と、試験容器１０が当該一の方向に沿って往復動可能に試験容器１０を支持する支持手段（荷重支持機構３，４及びリニアスライド機構１１，１２）を備えている。このように構成された試験設備において、荷重支持機構３，４及びリニアスライド機構１１，１２を介して試験容器１０を支持することで加振機３０，３１によって試験容器１０を同じ方向に振動させると、試験容器１０を加振するときに加振機３０，３１が負担する試験容器１０の鉛直荷重が低減するので、試験容器１０を水平方向に円滑に加振できる。これにより、実際の原子炉で地震が発生したときと同じような環境を再現できるので、より現実に近い耐震試験を実施することができる。さらに、本実施の形態では、試験容器１０内に液体を充満させ、慣性力を利用して模擬燃料１５を間接的に加振する点についても実際の環境の再現に努めており、さらに正確な耐震試験が実施できるようになっている。

また、例えば、上記の特許文献２に開示されている技術において試験容器に所定の加振変位を与える場合には、各加振機も同様の変位で駆動させる必要があり、その加振力の反力は同じ大きさで支持壁に入力される。そのため、上記技術では、加振機が固定された支持壁から周囲の地盤に振動が伝播して、大きな地振動が発生する恐れがある。これにより、例えば、当該試験設備の近隣に建設できる施設が限られてしまい、試験設備周辺の敷地の有効活用ができなくなる場合がある（例えば、精密加工設備を備えた施設を建設することは難しくなる）。

これに対して、本実施の形態に係る試験設備は、加振機３０，３１が固定されている反力壁２０を免震装置４０を介して支持している。このように構成した耐震試験設備において試験容器１０を加振すると、加振機３０，３１の加振動作によって反力壁２０に作用した加振荷重を、基礎５１に伝播させる前に免震装置４０で吸収することができる。これにより、加振機３０，３１の振動が基礎５１に伝播することが抑制できるので、試験時の加振に起因する地震動の発生を抑制することができる。すなわち、試験設備の近隣に地震動が伝播することが抑制できるので、試験設備の近隣に建設できる施設が限られるようなことが避けられるので、試験設備の近隣にある敷地を有効活用することができる。

図１７は本発明の第２の実施の形態に係る耐震試験設備の概略図である。本実施の形態は、試験容器１０が小さい場合に有効なものであり、１台の加振機３０で試験容器１０を加振する点で第１の実施の形態と異なっている。反力壁２０は、第１の実施の形態と同様に免震装置４０を介して基礎５１上に支持されている。また、鉛直方向における加振機３０の位置（すなわち、加振機３０の加振重心位置）は、鉛直方向における試験容器１０の重心位置と反力壁２０の重心位置にほぼ一致するように設定されている。さらに、試験容器１０は第１の実施の形態と同様に荷重支持機構３，４及びリニアスライド機構１１，１２を介して支持されている。

このように耐震試験設備を構成しても、荷重支持機構３，４及びリニアスライド機構１１，１２を利用することで試験容器１０を水平方向に容易に加振することができるので、実際の原子炉で地震が発生したときと同じ環境を再現することができる。また、免震装置４０を介して反力壁２０を支持することで、加振機３０の振動が基礎５１に伝播することが抑制できるので、試験時の加振に起因する地震動の発生を抑制することができる。特に、本実施の形態では、利用する加振機が１台なので、第１の実施の形態よりも油圧ポンプ７０の台数を低減することができる。さらに、油圧ポンプ７０の台数低減にともなって、油圧制御装置６０も簡略化することができる。

図１８は本発明の第３の実施の形態に係る耐震試験設備の概略図である。本実施の形態は、試験容器１０を鉛直方向に吊り下げ支持している点で第１の実施の形態と異なっている。本実施の形態における試験容器１０は、荷重支持機構４Ａ及びリニアスライド機構１２Ａを介して反力壁２０（試験ピット５０）の天井５８に吊り下げ支持されている。荷重支持機構４Ａは、第１の実施の形態における荷重支持機構４の上下を反転させたものに相当し、互いの中心軸が一致する２つの軸（図示せず）を介して試験容器１０を回動可能に支持している。リニアスライド機構１２Ａは、第１の実施の形態におけるリニアスライド機構１２の上下を反転させたものに相当し、荷重支持機構４Ａの上面に取り付けられたスライド部材（図示せず）と、天井５８に固定されたレール（図示せず）を備えている。荷重支持機構４Ａは、スライド部材（図示せず）を介してレールに嵌合されており、試験容器１０が加振機３０，３１の加振方向に沿って往復動可能に荷重支持機構４Ａを支持している。

このように試験設備を構成しても、荷重支持機構４Ａ及びリニアスライド機構１２Ａを利用することで試験容器１０を水平方向に容易に加振することができるので、実際の原子炉で地震が発生したときと同じ環境を再現することができる。また、免震装置４０を介して反力壁２０を支持することで、加振機３０，３１の振動が基礎５１に伝播することが抑制できるので、試験時の加振に起因する地震動の発生を抑制することができる。特に、本実施の形態では、試験容器１０を吊り下げ支持する加圧水型の原子炉の耐震試験を行う場合に好適な設備となる。なお、本実施の形態では、第１の実施の形態のように試験ピット５０の下部に制御棒駆動装置のためのスペースを設ける必要がなくなるので、地下深くまで掘って試験設備を建設する必要もなくなる。

図１９は本発明の第４の実施の形態に係る耐震試験設備の概略図である。本実施の形態は、試験容器１０が揺動可能に支持されている点で第１の実施の形態と異なっている。試験容器１０は、地表レベル５５に設けた支持装置２６を介して支持されている。支持装置２６は、水平面と略平行に固定された軸２７を介して、試験容器１０を揺動可能に支持している。反力壁２０は、その底面の４隅を免震装置４０に支持されており、その免震装置４０によって基礎５１と間隔を介して設置されている。加振機３０Ａは、支持装置２６の軸２７の中心と異なる位置から試験容器１０を加振できるように反力壁２０に固定されている。すなわち、本実施の形態における試験容器１０は、支持装置２６の軸２７を中心とするロッキング状態で加振機３０Ａによって加振される。これにより試験容器１０内部における模擬燃料１５は間接的に慣性加振されるので共振状態で図面上左右に振動する。このように試験設備を構成しても、加振機３０Ａの振動が基礎５１に伝播することが抑制できるので、試験時の加振に起因する地震動の発生を抑制することができる。

なお、上記の各実施の形態では、試験容器１０の軸方向が鉛直方向と平行になるように試験容器１０の姿勢を保持しながら振動させる場合について説明したが、試験容器１０の軸方向が水平方向と平行になるように試験容器１０の姿勢を保持しながら振動させても同様の効果が得られる。また、上記の各実施の形態では加振機の台数が１台又は２台の場合について説明したが、試験容器１０の長さや構造等に応じて加振機の台数を３台以上とすることは、もちろん可能である。さらに、試験容器１０を組み換えること等で沸騰水型原子炉や加圧水型原子炉等のあらゆる炉型について地震時における制御棒の挿入性あるいはその動特性を評価することができるので、ＪＥＡＣやＪＥＡＧに示された耐震設計指針に十分対応することができる。

３，４…荷重支持機構、５ａ，５ｂ…支持部材、７ａ，７ｂ…第１梁部材、８ａ，８ｂ…第２梁部材、１０…試験容器、１１，１２…リニアスライド機構、１４…炉心支持板、１５…模擬燃料、２０…反力壁、２６…支持装置、２７…軸、３０，３１…加振機、３６，３９…アーム、３７，３８…ピストン、４４ａ，４４ｂ…スライド部材、４６ａ，４６ｂ…軸受、５０…試験ピット、５１…基礎、５２…制御棒駆動装置、５６…地盤、５８…天井、６０…油圧制御装置、８２…階段、８３…作業床、８６…上部格子板、８７…試験容器の中心軸、８８…上部格子板の中心、９８…炉心支持板の中心、Ｇ１０…試験容器の重心位置、Ｇ２０…反力壁の重心位置、Ｇ３０…加振機３０，３１の加振重心位置

Claims (14)

1. 液体で満たされた容器内部に原子炉内の燃料を模擬した模擬燃料及び制御棒が収納され、該制御棒を前記模擬燃料に挿入する制御棒駆動装置が取り付けられた試験容器と、
   基礎上に設置された免震装置と、
   該免震装置を介して支持され、該試験容器の周囲に設置された反力壁と、
   該反力壁に固定され、前記試験容器を一の方向に振動させる加振機と、
   前記試験容器が前記一の方向に沿って往復動可能に前記試験容器を支持する支持手段とを備えることを特徴とする耐震試験設備。
2. 請求項１に記載の耐震試験設備において、
   前記加振機は、前記試験容器の軸方向における異なる位置に設置された２つの加振機であり、
   前記反力壁の重さは、前記２つの加振機の加振力の総和の一定倍以上に設定されていることを特徴とする耐震試験設備。
3. 請求項１に記載の耐震試験設備において、
   前記加振機は、前記試験容器を水平方向に加振するものであり、
   前記支持手段は、前記試験容器の鉛直荷重を支持する荷重支持機構、及び、前記試験容器が前記水平方向に沿って往復動可能に前記荷重支持機構を支持するリニアスライド機構を備え、
   前記リニアスライド機構は、前記試験容器が前記水平方向に沿って往復動可能に該試験容器を挟むように平行配置された２本のレールであり、
   該２本のレールをそれぞれ支持し、前記反力壁にそれぞれ架け渡された２本の梁部材をさらに備えることを特徴とする耐震試験設備。
4. 液体で満たされた容器内部に原子炉内の燃料を模擬した模擬燃料及び制御棒が収納され、該制御棒を前記模擬燃料に挿入する制御棒駆動装置が取り付けられた試験容器と、
   該試験容器の周囲に設置された反力壁と、
   該反力壁に固定され、前記試験容器を一の方向に振動させる加振機と、
   前記試験容器が前記一の方向に沿って往復動可能に前記試験容器を支持する支持手段とを備え,
   前記加振機は、前記試験容器の軸方向における異なる位置に複数設置されており、
   前記支持手段は、前記複数の加振機のいずれか１つが前記試験容器を加振したときに前記試験容器が回動するように、軸を介して前記試験容器を支持しており、
   前記支持手段と前記試験容器の間に架け渡され、前記試験容器が前記軸を中心に回動したときに破断するピンをさらに備えることを特徴とする耐震試験設備。
5. 請求項１に記載の耐震試験設備において、
   前記加振機は、前記試験容器の軸方向における異なる位置に設置された２つの加振機であり、
   該２つの加振機は、それぞれの鉛直方向における位置を調節する位置調節機構を介して前記反力壁にそれぞれ固定されていることを特徴とする耐震試験設備。
6. 請求項５に記載の耐震試験設備において、
   前記２つの加振機の位置は、該２つの加振機による前記試験容器への加振重心位置が、前記試験容器の重心位置及び前記反力壁の重心位置に近づくように設定されることを特徴とする耐震試験設備。
7. 請求項１に記載の耐震試験設備において、
   前記加振機は、前記試験容器の軸方向における異なる位置に設置された２つの加振機であり、
   前記２つの加振機によって同じ位相、同じ周波数及び同じ方向で前記試験容器を加振するように、前記２つの加振機の駆動を制御する制御装置をさらに備えることを特徴とする耐震試験設備。
8. 請求項１に記載の耐震試験設備において、
   前記基礎及び前記反力壁によって形成される試験ピット内に設置され、前記試験容器、前記模擬燃料及び前記制御棒の振動状況を観測するための観測設備と、
   前記基礎及び前記反力壁によって形成される試験ピット内に鉛直方向に間隔を介して設置された複数の作業床と、
   該複数の作業床間に架け渡された階段とをさらに備えることを特徴とする耐震試験設備。
9. 請求項１に記載の耐震試験設備において、
   前記試験容器は、前記模擬燃料をサポートする上部格子板と、前記模擬燃料を支持する炉心支持板を備え、
   前記試験容器の中心軸から前記上部格子板の中心までの距離、当該中心軸から前記炉心支持板の中心までの距離、及び当該中心軸から前記制御棒駆動装置のハウジングの中心までの距離は、それぞれ変更可能であることを特徴とする耐震試験設備。
10. 液体で満たされた容器内部に原子炉内の燃料を模擬した模擬燃料及び制御棒が収納され、該制御棒を前記模擬燃料に挿入する制御棒駆動装置が取り付けられた試験容器と、
    基礎上に設置された免震装置と、
    該免震装置を介して支持され、該試験容器の周囲に設置された反力壁と、
    該反力壁における軸方向の異なる位置に固定され、前記試験容器を一の方向に振動させる２つの加振機と、
    前記試験容器が前記一の方向に沿って往復動可能に前記試験容器を支持する支持手段とを備え、
    前記２つの加振機のうち一方の加振機は、前記試験容器が模擬する原子炉において上部格子板が設置される位置に相当する位置に固定されており、
    前記２つの加振機のうち他方の加振機は、前記試験容器が模擬する原子炉において炉心支持板が設置される位置に相当する位置に固定されていることを特徴とする耐震試験設備。
11. 液体で満たされた容器内部に原子炉内の燃料を模擬した模擬燃料及び制御棒が収納され、該制御棒を前記模擬燃料に挿入する制御棒駆動装置が取り付けられた試験容器と、
    地盤上に設置された基礎と、
    該基礎上に設置された免震装置と、
    該免震装置に支持され、前記基礎と間隔を介して設置された反力壁と、
    該反力壁に固定され、前記試験容器を振動させる加振機とを備えることを特徴とする耐震試験設備。
12. 請求項１１に記載の耐震試験設備において、
    軸を介して前記試験容器を揺動可能に支持する支持手段をさらに備え、
    前記加振機は、前記軸の中心と異なる位置から前記試験容器を加振することを特徴とする耐震試験設備。
13. 原子炉内の燃料を模擬した模擬燃料及び制御棒が収納された試験容器内を液体で満たす手順と、
    前記液体で満たされた試験容器の軸方向において上部格子板及び炉心支持板が設置されている位置をそれぞれ同じ位相、同じ周波数及び同じ方向に加振する手順とを備え、
    前記試験容器を加振する手順は、免震装置を介して支持された反力壁に固定された２つの加振機によって行われることを特徴とする耐震試験方法。
14. 請求項１３に記載の耐震試験方法において、
    前記試験容器を加振する手順の前に、前記試験容器の中心軸から当該試験容器における上部格子板の中心までの距離、当該中心軸から前記試験容器における炉心支持板までの距離、及び当該中心軸から前記試験容器に取り付けられた制御棒駆動装置のハウジングまでの距離を調節する手順をさらに備えることを特徴とする耐震試験方法。

Images