JP5746158B2 - 原子炉用の制御棒駆動機構 - Google Patents

Description

本発明は、何れもここでの参照によりその内容を本明細書の一部とする２００９年６月１０日付提出の米国仮特許出願第６１／１８５，８８７号、２００９年６月１０日付提出の米国仮特許出願第６１／１８５，８８７号の優先権を主張するものである。
本発明は原子炉用の制御棒駆動機構に関する。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ）またはその他タイプの原子炉では可動の制御棒を用いて核反応を制御する。制御棒は中性子吸収材料を含み、炉心に挿入するべく配置される。一般に、制御棒を炉心に挿入して行くと中性子吸収量が増加し、核反応率が減少する。挿入量を精密制御し且つ正確測定することが、反応度を正確に制御する上で有益である。当該制御は制御棒駆動機構（以下、ＣＲＤＭとも称する）により提供される。

制御棒は緊急時に核反応を速やかに停止させるべく完全挿入され得る。この“原子炉緊急停止（以下、スクラムとも称する）”時に制御棒を素早く挿入させる代替機構を装備することが有益である。更にまたはあるいは、完全に挿通（従って核反応を“オフ”とする）する、または完全に引き抜（つまり原子炉を運転可能とする）く専用制御棒を装備することが知られている。それらシステムでは“オン／オフ”用制御棒を“制御棒”と称し、連続調節式制御棒を“グレイロッド”と称することがある。

これらの点を考慮し、分離式ローラーナットアセンブリを係合させた主ネジをその構造に採り入れたＣＲＤＭが知られている。通常運転中はローラーナットアセンブリが、偏倚バネに抗して作用する積極的な磁力により主ネジ上にクランプされる。ローラーナットを回すと主ネジが、従って主ネジに装着した制御棒が炉心に関して精密制御自在下に前後移動する。スクラム時には電流が遮断され、従って磁力が遮断されるため偏倚バネが分離式ローラーナットを開き、主ネジを含むグレイロッドが原子炉を救急停止させる。当該構成の一例は、例えば、ここでの参照によりその内容全体を本明細書の一部とする、Domingo Ricardo Giorsetti, “Analysis of the Technological Differences Between Stationary & Maritime Nuclear Power Plants”, M.S.N.E. Thesis, Massachusetts Institute of Technology (MIT) Department of Nuclear Engineering (1977)に記載される。

一体型加圧水炉（一体型ＰＷＲ）の場合、ＣＲＤＭを外側に取り付け、好適なフィードスルーで圧力容器内に制御棒に連結させることが知られている。フィードスルーの長さを抑制するためにＣＲＤＭを圧力容器内に一体化することも提案されてきた。例えば、日本原子力学会による１９９２年１０月発行の、イシザキ他の“Development of a Built-in Type Control Rod Drive Mechanism (CRDM) For Advanced Marine Reactor X (MRX)”, Proceedings of the International Conference on Design and Safety of Advanced Nuclear Power Reactors (ANP '92), October 25-29, 1992 (Tokyo Japan)を参照されたい。

既存のＣＲＤＭデザインには幾つか欠点がある。これらの欠点は、選択されたＣＲＤＭ設計構造が、複雑な電子機械的ＣＲＤＭが圧力容器内で高圧及び高温に晒されるものである場合に増長される。ＣＲＤＭを圧力容器内に配置することによっても構造上の困難な課題が生じる。
分離式ローラーナットは主ネジと共に複雑なリンク機構を構成し、当該リンク機構が通常運転中のグレイロッドの精密挿入に悪影響を及ぼし得る。分離式ローラーナットの再取付けは複雑化され得、再接合確立も即座には判別できず、従ってスクラム状況からの復帰後に位置オフセットが導入される。主ネジをスクラミングさせることも、当該主ネジのネジ山または構造的一体性を再生不能に損壊させる恐れがある。更には、複雑な分離式ローラーナットの場合はその経時損耗が問題となり得る。
他に考慮すべきはその信頼性である。ロッドスクラミングは安全上重要な特徴であって、冷却水喪失事故（ＬＯＣＡ）またはその他の、停電、大規模圧力変化等を含み得る障害モード時に信頼下に動作すべきである。

制御棒位置検出器もまた代表的には複雑な装置である。あるシステムでは圧力容器壁を横断するフィードスルーを要する外部位置検出器が採用される。大型船舶用原子炉（ＭＲＸ）の炉内ＣＲＤＭ用の複雑な位置検出器が設計され、当該検出器では、トランスデューサーが磁気抵抗性導波管に通すねじれ歪みパルスを発生し、棒位置を提示させる磁界相互作用が測定される。一般に、電気抵抗ベースで動作する炉内位置検出器は温度による物体の抵抗性変化によるエラーを生じやすい。

米国仮特許出願第６１／１８５，８８７号明細書

Domingo Ricardo Giorsetti, "Analysis of the Technological Differences Between Stationary & Maritime Nuclear Power Plants", M.S.N.E. Thesis, Massachusetts Institute of Technology (MIT) Department of Nuclear Engineering (1977) 日本原子力学会による１９９２年１０月発行の、イシザキ他の"Development of a Built-in Type Control Rod Drive Mechanism (CRDM) For Advanced Marine Reactor X (MRX)", Proceedings of the International Conference on Design and Safety of Advanced Nuclear Power Reactors (ANP '92), October 25-29, 1992 (Tokyo Japan)

従来の問題を解決する原子炉用の制御棒駆動機構を提供することである。

本発明の１様相によれば、原子炉で使用する制御棒機構であって、炉心に挿入されて中性子を吸収する形態を有する制御棒と、該制御棒に連結した連結棒と、モーター被駆動式のナットと係合する主ネジにして、前記ナットを回転させると直線移送される主ネジと、前記連結棒と作動上連結して前記主ネジと共移動するラッチにして、停電または電力除去に応じて開放して前記連結棒を主ネジから切り離すラッチと、を含む制御棒機構が提供される。
本発明の他の様相によれば、制御棒制御方法であって、主ネジを使用して制御棒を直線移動させ、原子炉緊急停止に応答して主ネジから制御棒を切り離し、かくして制御棒がスクラムするが主ネジはスクラムしない方法が提供される。
本発明の他の様相によれば、原子炉であって、炉心と、圧力容器にして、前記炉心を収納する下方容器セクションと、前記炉心上方で且つ前記下方容器セクション上方に配置した上方容器セクションと、前記炉心上方に位置付けられ且つ前記下方容器セクションと上方容器セクションとの間に配置した中間フランジと、該中間フランジにより炉内に支持した制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）と、を含む原子炉が提供される。

本発明の他の様相によれば、原子炉で使用する制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）であって、少なくとも１つの制御棒に連結した連結棒と、主ネジと、該主ネジを直線移送する形態を有する駆動機構と、電磁コイルアセンブリと、前記電磁コイルアセンブリの賦活に応答して前記連結棒を前記主ネジにラッチ止めし、前記電磁コイルアセンブリの電力除去に応答して前記連結棒を前記主ネジから切り離すラッチアセンブリと、を含む制御棒駆動機構が提供される。

従来の問題を解決する原子炉用の制御棒駆動機構が提供される。

図１は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の原子炉容器のダイヤグラム図である。 図２は、図１の原子炉容器の上部炉内セクションのダイヤグラム図である。 図３は、流体圧リフトを採用する制御棒シャットダウンシステムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図４は、流体圧リフトを採用する制御棒シャットダウンシステムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図５は、流体圧リフトを採用する制御棒シャットダウンシステムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図６は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図７は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図８は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図９は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図１０は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図１１は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図１２は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図１３は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図１４は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。 図１５は、電磁式のグレイロッドの機能と、スクラム機能用の磁気ラッチシステムとを有する制御棒システムの１様相を示すダイヤグラム図である。

図１を参照するに、加圧水型原子炉（以下、ＰＷＲとも称する）の原子炉容器が略ダイヤグラム表示されている。例示される一次容器、即ち圧力容器１０は炉心１２と、炉内螺旋型蒸気発生機１４と、炉内制御棒２０とを収納する。例示した原子炉容器は４つの主コンポーネント、即ち、１）下部容器２２、２）上部炉内構造物２４、３）上部容器２６、４）上部容器ヘッド２８、を含む。下部及び上部の各容器セクション２２及び２６間には中間フランジ２９が配置される。その他容器構成も意図されるものとする。図１はダイヤグラム的なものであり蒸気発生器に関する二次冷却材流入及び流出に関する圧力容器貫通部、電気的コンポーネント用の電気的貫通部及びその他等についての詳細は含まれない。

図１の圧力容器１０の下部容器２２は、実質的に任意の好適な形態を有し得る炉心１２を収納する。好適な形態の１つには、燃料アセンブリを収納し、原子炉に燃料補給するべく交換自在であり且つ下部容器で支持したステンレススチール製の炉心支持枠構造が含まれる。例示した上部容器２６は、本実施例のＰＷＲ用の、炉内蒸気発生器設計形状（しばしば炉内ＰＷＲデザインと称される）を有する蒸気発生器１４を格納する。図１では蒸気発生器１４はダイヤグラム図的に示される。円筒状の内側シェルまたは上部流れシュラウド３０が、螺旋状の蒸気発生器１４をその内部に位置付けるところの環状の下降管領域３４から中央ライザ管領域３２を分離する。例示した蒸気発生器１４は螺旋コイル設計形状を有するがその他設計形状も意図されるものとする。一次冷却材は蒸気発生器１４の管の外側を横断して流れ、二次冷却材は蒸気発生器１４の管の内側を流れる。代表的な再循環パターンでは一次冷却材は炉心１２により加熱され、中央ライザ管領域３２を通して上昇し、上部シュラウド３０の頂部を出た後、下降管領域３４を経て再下降し、蒸気発生器１４を横断する。この一次冷却材流れは自然対流、炉内または炉外の一次冷却材ポンプ（図示せず）、あるいはポンプ支援式自然対流、により駆動され得る。ＰＷＲは一体的設計形状において例示されるが、原子炉容器は炉外蒸気発生器（図示せず）を有するものをも意図し得るものであり、その場合、圧力容器貫通部により、当該炉外蒸気発生器内外に関する一次冷却材の移送が許容される。例示した上部容器ヘッド２８は分離式コンポーネントである。容器ヘッドを上部容器２６と一体化させ得、その場合は蒸気発生器１４及び上部シュラウド３０は容器ヘッドの内側の突起で随意的に支持される。

例示した実施例は炉内蒸気発生器１４を含む一体型ＰＷＲであって、一般にいろいろの幾何学形態、例えば、螺旋、垂直、傾斜あるいはその他等の形態を有し得る。冗長性の目的上、そのパイプまたは管を熱的一様化を容易化するべく、下降管領域３４内で代表的には交互配置させた１つ以上の蒸気発生器を有するのが一般に有益である。例示した蒸気発生器１４はシュラウド３０に接近して配置またはラッピング状態下に配置されるが、一般に蒸気発生器は下降管領域３４の実質容積を充填し得、ある実施例ではシュラウド３０の外面と圧力容器１０の内面との間の環状容積を実質的に充填し得る。炉内蒸気発生器またはその一部に関し、その全体または一部をライザ領域３２内でシュラウド３０の上部または圧力容器１０内のどこかに配置することも意図される。他方、ある実施例ではＰＷＲは一体型ＰＷＲではない、つまりある実施例では例示した一体型の蒸気発生器は１つ以上の炉外蒸気発生器を採用することで省略され得る。

図２を参照するに、上部炉内構造物２４の詳細が示される。例示設計形状では上部炉内構造物２４はドライブまたは駆動機構４０、４２と、制御棒ガイドフレーム４４とを支持すると共に、制御棒駆動電力及び制御機器信号がそこを通過する構造体でもある。従って、上部容器２６及び一体型の蒸気発生器１４はドライブ及び関連構造とは無関係に取り外し得る。しかしながら、更に別の一体デザイン、例えば、ＣＲＤＭ用支持体及び一体型蒸気発生器用支持体双方のための共通セクションを使用するデザインが意図され得る。
特に図２の実施例を参照するに、上部炉内構造物２４が、上部炉内バスケット４６と、ＣＲＤＭ支持構造４８と、制御棒ガイドフレーム４４と、制御棒駆動機構４０、４２とを含んでいる。上部炉内バスケット４６は中間フランジ２９と、制御棒ガイドフレーム４４用の支持体とを含む溶接構造物であることが好ましい。好ましい１実施例では制御棒ガイドフレーム４４は然るべくボルト止めした別個の３０４Ｌステンレススチール製の溶接構造物であり、中間フランジ２９は SA508 Gr 4N Cl 2 炭素鋼鍛造物であり、残余構造は３０４Ｌステンレススチール製である。ＣＲＤＭ支持構造４８はドライブ４０、４２用の支持ラティスと、炉心内機器用のガイド構造とを含む。これら構造の全ては３０４Ｌステンレススチール製であることが好ましい。ＣＲＤＭ支持構造４８は上部炉内バスケット４６にボルト止めされる。各材料及び構造は例示的なものであるに過ぎず、その他構成及びまたは原子炉適合性材料が意図され得るものとする。

図２の実施例では２つのタイプのドライブ４０、４２、即ち、炉心に関して完全引き抜きまたは完全挿入されるシャットダウンロッドを操作する流体駆動タイプのドライブ４２と、炉心寿命を通して種々長さで挿入されて原子炉の通常運転中の核反応率を制御するグレイロッドを操作する電気駆動タイプのドライブ４０とを使用する。グレイロッドは対スクラム構成、即ち、特定の緊急状態中に炉心１２に急速挿入される構成をも有する。何れの実施例でもシャットダウンロッドを完全に省略することが意図され、その場合はグレイロッドがシャットダウン作動をも提供する。

図２を尚参照しつつ図３〜図５を参照するに、制御棒の各様相が例示される。制御棒はスパイダその他上に好適に集合設置され、前記スパイダはその全てがシングルバンクとして作動し且つ単独のドライブ４２により移動される。図３〜図５には単一のドライブ４２のみが示され、スパイダ及び個別のシャットダウンロッドは示されない。当該構成は、シャットダウンロッドが“オン／オフ”の２値モード下に使用され且つその全部が炉心１２に挿入されて原子炉をシャットダウンするか、あるいはその全部が炉心１２から引き抜かれて通常の原子炉運転を許容するかの何れかであるという事実の認識に基づくものである。
特に図３を参照するに、ドライブ４２がシリンダハウジング５０、シリンダキャップ５２、シリンダベースプレート５４、シャットダウンロッドラティス（図示せず）への連結を提供する連結ロッド５６、を含んでいる。図３〜図５に示すドライブ４２は流体駆動式であり、高圧インジェクションポンプからの、約５００°Ｆ（２６０℃）及び１１０３０００００Ｐａ（１６００ｐｓｉ）の残留原子炉冷却材除去用戻り流れを使用してシャットダウンロッドのバンクを炉心１２外に保持する。

特に図４を参照するに、制御棒が引き抜き位置にある場合のピストン領域断面が示される。図４の部分拡大図にはシリンダキャップ５２の通気孔６０が、リフトピストン６２、ピストンリング６４（ある実施例では金属製である）、スクラムバッファピストン６６、バッファコッキングバネ６８、と共に示される。図４に示す引き抜き位置はドライブ４２のシリンダの加圧状態に相当する。
特に図５を参照するに、制御棒が挿入位置にある場合のピストン領域断面が示される。図５の部分拡大図にはリフトピストン６２、ピストンリング６４、スクラムバッファまたはスクラムバッファピストン６６、ロッドガイドブッシュ７０、ロッドシールリング７２（ある実施例では金属製である）、が示される。シリンダベースプレート５４は当該部分拡大図では圧力ポートまたは入口ポート７４を含むものとして示される。図５に示す挿入位置はドライブ４２のシリンダの非加圧状態に相当する。

ある実施例では冷却材はピストン６４及びシャフトシール７２から放出され得、原子炉容器１０に戻る残留物の一部となる。制御棒ドライブ４２は炉心１２の上方に取り付けられる。ドライブ４２を作動させる流体ライン（図示せず）は中間フランジ２９を経由され、機器ラインは気密導管を経て、グレイロッド用のドライブ４０用にやはり随意的に使用する共通コネクタに入る。前記スパイダをシャットダウンロッドラティスに連結する延長ロッドは随意的には、ある制御棒積層クラスタが他の制御棒セットの落下を妨害しないよう、シャットダウンロッドラティスを貫いて摺動するように設計される。また、前記延長ロッドは、上部炉内構造物２４を取り外した後、シャットダウンロッドが炉心内に残るよう、前記スパイダから脱係合する設計とされる。当該脱係合及び再係合は燃料交換中にリモートツールを使用して成される。

原子炉通常運転中はシャットダウンロッドはドライブ４２を加圧することで炉心の完全に外側（つまり、引き抜き位置）に懸架される。例えば、好ましい１実施例では高圧インジェクションポンプからの冷却材残留物除去用戻り流れが、シリンダベースプレート５４の入口ポート７４を介してリフトピストン６２の下方に５００°Ｆ（２６０℃）及び１１０３０００００Ｐａ（１６００ｐｓｉ）の状態下に供給される。当該実施例ではシリンダハウジング５０内でリフトピストン６２の上方の流体はシリンダキャップの通気孔６０を通して原子炉容器１０から供給され、従って、原子炉容器状況における６００°Ｆ（３１５℃）及び１０３４００００Ｐａ（１５００ｐｓｉ）を有し、かくしてリフトピストン６２を横断する正味の差圧は６８９５００Ｐａ（１００ｐｓｉ）となる。ピストンは、発生差圧がシャットダウンロッドの特定負荷及びスパイダ、及びその他関連コンポーネントを支持し且つシャットダウンロッドのバンクをシリンダストロークを介してリフトピストン６２の上部ストッパへとリフトさせるに十分となるサイズを選択する。

容器圧力上昇スクラムの場合、リフトピストン６２の底部側への加圧冷却材供給を止め、供給ラインを大気圧に通気させることでシャットダウンロッドのバンクが急速釈放される。前記各実施例において、リフトピストン６２の上面位置での容器圧力はリフトピストンを横断する１０３４００００Ｐａ（１５００ｐｓｉ）の初期差圧を創出すると予測され、この差圧に重力の影響が加わり、移送アセンブリ（リフトピストン６２、スクラムバッファピストン６６、コッキングバネ６８、連結ロッド５６、シャットダウンロッドラティス（図示せず）を含む）が下方の、図５に例示する完全挿入位置に移送される。移送アセンブリの降下中、バッファピストン６６はコッキングバネ６８の力でリフトピストン６２の穿孔外に保持され、かくして流体を充填したバッファキャビティがリフトピストン６２及びバッファピストン６６間に維持される。バッファピストン６６の底面がシリンダアセンブリの固定プレートであるシリンダベースプレート５４に接触すると、引き続き移動するリフトピストン６２が捕捉流体を制御拘束流れ下に排除し、かくして移送アセンブリの運動エネルギーを消散させる。更には、前記運動エネルギーは移送アセンブリの各コンポーネントの、特に、長く比較的細い連結ロッド５６の弾性偏倚を介して消散される。その他の運動エネルギー消散機構も意図されるものとする。キャビティから流体が排除されるとリフトピストン６２はバッファピストン６６に接触し、かくして移送アセンブリを静止させる。

図１及び図２を尚参照しつつ図６〜図１４を参照するに、グレイロッド及び関連するドライブ４０の１例が示される。図６にはグレイロッド形態（タイプ１及びタイプ２）の異なる２つの実施例が示される。グレイロッド８０はグレイロッドクラスタとして配置され、結局はヨークにより２または４群化され、図６に示す如く連結ロッド８２により支持される。タイプ１形態には、連結ロッド／クラスタよりなる１ユニットに代わるカウンタウエイト８４も含まれる。詳しくは、ヨーク８６が２本の連結ロッド８２を連結し、カウンタウエイト８４がタイプ１形態を構成する。ヨーク８８が３本の連結ロッド８４を連結してタイプ２形態を構成する。グレイロッド用のドライブ４０が炉心１２の上方に取り付けられる。図７にはＣＲＤＭに関する、グレイロッド用のドライブ４０と、シャットダウンロッド用のシリンダ支持構造４８との位置を示す平面図が示される。シリンダハウジング５０は中央に位置付けられる。外側の４つのドライブ４０の各々はタイプ１形態の２本のロッドを移動させ、同時に移動するヨーク８６を含む。内側の２つのドライブ４０の各々はヨーク８８を含むタイプ２形態の４本のロッドを移動させる。これらの異なるドライブ４０セットは随意的には相互にまたは個別に移動する。電力及び信号連結部は気密導管またはコア内機器ガイド９０を好適に経由されて中間フランジ２９（図７には示さず）上のコネクタに入る。

シャットダウンロッドにおける如く、制御棒用スパイダをロッドラティスに連結する延長ロッドは随意的には、ある制御棒積層クラスタが他の制御棒セットの落下を妨害しないよう、シャットダウンロッドラティスを貫いて摺動するように設計される。また、前記延長ロッドは、上部炉内構造物の取り外し時、または上部炉内構造物がその支持スタンド上にある間の取り外し時にグレイロッドが炉心内に残るよう、前記スパイダから脱係合する設計とされる。グレイロッド制御機構用の好適な設計スタイルには、“磁気ジャッキ”タイプ及び“パワーネジ”タイプの２つがある。これらの内、パワーネジタイプのものはグレイロッドクラスタのより精密な位置制御を提供すると期待されることから、例示実施例ではパワーネジタイプ制御機構が採用される。

図８を参照するに、１実施例ではグレイロッド制御機構であるドライブ４０はボールナット式リフトロッド形態を採用する。図８では完全挿入状態（図の左側）及び完全引き抜き状態（図で右側）の両方が示される。図８にはタイプ２形態のヨーク８８が示されるが、タイプ１形態の場合はヨーク８８をヨーク８６に代替させる。図８の実施例では底部ストッパ／バッファアセンブリ１００が原子炉支持体１０１上に、電磁コイルアセンブリ用に随意的に追加される横方向支持体と共に取り付けられる。底部ストッパ１００の上部に取り付けた下方及び上方の各支持チューブ１０２、１０４が主ネジ／トルク受けアセンブリをガイドする。上方支持チューブ１０４の上部にはボールナット／モーターアセンブリ１０６を、またモーター上部には電磁コイルアセンブリ１０８を取り付ける。電磁コイルアセンブリ１０８内にはリフトロッド−主ネジラッチアセンブリ１１０が載置され、当該アセンブリが、そのラッチ状態下にリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２（挿入状態における伸張状態で図の左側に示す）を支持する。

支持チューブ１０２及び１０４の、ボールナット／モーターアセンブリ１０６と底部ストッパ／バッファアセンブリ１００との間にピストンインジケータアセンブリが搭載される。ある実施例では当該位置インジケータはリフトロッド−主ネジラッチアセンブリ１１０の下方に好適に搭載したストリングポテンショメータであるが、その他取付け位置が意図されるものとする。例示したストリングポテンショメータは、支持チューブ１０２上に取り付けた引張スプール１２０と、“ストリング”またはケーブルあるいはその他１２２にして、リフト用／連結ロッドアセンブリ１１２（及び、装着したグレイロッドクラスタ）が炉心１２（図８には示さず）に向けて移動するに際しての引張に抗して引張スプール１２０を抜き出すよう、その端部をリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２に装着したストリングと、を含む。前記動作を逆転すると引張スプール１２０の引張によりストリングまたはケーブル１２２がスプール１２０上にロールバックする。回転センサ１２４が、基準マーカーまたはその他の回転測定基準の通過回数をカウントするエンコーダを用いて引張スプール１２０の回転数を計測する。ストリングポテンショメータは、引張スプール１２０がグレイロッドと共移動せず且つストリングまたはケーブル１２２がグレイロッドと共移動するべく固定される限りにおいて、例示した以外の態様でも取付け得る。回転センサ１２４を引張スプール１２０と共に一体化することも意図され得る。ストリングポテンショメータはグレイロッドと共移動するリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２またはその他コンポーネント位置に一致する出力電気信号を提供し、かくして炉心１２内のグレイロッドの位置情報を提供する。位置を表示する前記出力電気信号は圧力容器１０の外側で、小型で及びまたは別の電気的フィードスルーと一体化し得る電気的フィードスルー（図示せず）を通して送られる。前記位置表示用装置は圧力容器温度及び放射線レベルでの動作用に構成及び較正される。

尚図８を参照しつつ図９〜図１４を参照するに、例示実施例ではグレイロッド用のＣＲＤＭであるドライブ４０が３つの要素、即ち、主ネジ／トルク受けアセンブリと、リフトロッド／連結ロッドアセンブリと、リフトロッドを主ネジと作動上連結するラッチシステムとを含んでいる。図９では主ネジ／トルク受けアセンブリの斜視図（図で左側）と断面図（図で右側）とが示される。モーターアセンブリが、ステータ１３２及びローター１３４を格納するステータハウジング１３０を含む。上部ステータ端部プレート１３６と、調節自在スぺーサ１４０を備える半径方向ベアリング１３８とがモーターアセンブリの上方部分を完成し、下方ハウジング１４２とスラストベアリング１４４とがモーターアセンブリの下方部分を完成する。下方ハウジング１４２内に配置した下方ボールナットアセンブリ１５０がローター１３４に螺装され、上方ボールナットアセンブリ１５２がローター１３４にやはり螺装される。２つのボールナットアセンブリ１５０及び１５２は螺装態様下に主ネジ１６０（図９には示さず）と連結される。図９にはリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の一部及び上方支持チューブ１０４も示される。

図１０を参照するに、ラッチシステムが例示され、リフトロッド−主ネジラッチアセンブリ１１０と、電磁コイルアセンブリ１０８の一部とを含んでいる。図１０にはリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の上端１１１と、リフトロッド−主ネジラッチアセンブリ１１０の位置またはその内部で終端する主ネジ１６０の近位端も示される。ラッチ１７０が、通常運転時はリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の上端１１１を主ネジ１６０に直結し、スクラム（図１１参照）中はリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２を切り離す。リフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の底部は連結ロッド８２の上部に螺装され（随意的には中間のヨーク８６またはヨーク８８により）、かくして連続するリフトロッド／連結ロッドアセンブリを創出する。連結ロッド８２の底部はスパイダに直結され、かくして制御棒を当該機構に装着する。随意的には、磁気ベースの位置インジケータ（図２１参照）用の磁気信号を提供する磁石１１３がリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の上端１１１に接近配置される。図１０にはモーターハウジング１３０、ステータ１３２、図９に完全に示されるローター１３４の各部分を含むモーター部分も示される。

ラッチ１７０がラッチハウジング１７２に格納され、ラッチハウジング１７２がラッチバネ１７４用のバネガイドを含んでいる。例示したラッチシステムの追加コンポーネントには、電磁コイルスタックを形成する電磁石アセンブリ１７７を格納する電磁ハウジングと、ラッチ１７０上の永久磁石１７８とが含まれる。ラッチネジ１６０がラッチハウジング１７２のラッチシステムベース１７９内に螺装される。各ラッチ１７０は、ピボット位置１８０を中心にピボット回転し、かくして下向きロッド負荷によるフェイルセーフスクラムを提供する。
本実施例では主ネジ１６０は、主ネジ位置の、そして結局は制御棒アセンブリの極めて微細な制御を可能とするボールナットモーターアセンブリ（図９に最もよく示される）により連続的に支持される。例示実施例ではモーター（例えばステータ１３２、ローター１３４）はローター１３４を永久磁石とするシンクロモーターである。このデザインはコンパクトさ及び簡素さ等の点で有益であるが、その他のモーター形態も意図されるものとする。

主ネジ１６０はスクラムを生じない。そうではなく、スクラム中、リフトロッド/連結ロッドアセンブリのリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の上端が、磁気動作するラッチシステム（図１１参照）により主ネジ１６０から切り離される。電磁石１７７への電力を止めるとフェイルセーフラッチシステムがリフトロッド/連結ロッドアセンブリ（及びかくして制御棒アセンブリ）を主ネジ１６０から釈放してスクラムを開始させる。スクラムストロークの端部位置で運動エネルギーを消散させ、またロッド底部高さを設定するための、底部ストッパ及びバッファリングシステム（図示されないが好ましくは図４及び図５を参照してここで説明するシャットダウンロッド例の底部ストッパ及びバッファリングシステムに類似の）ベース／バッファアセンブリ内に組み込まれる。モータートルクに反応して主ネジ／制御棒アセンブリを移動させるトルク受け（図示せず）が主ネジ１６０に装着される。

通常状態、即ち、スクラム前の状況が図９及び図１０に示される。図９にはボールナットモーターアセンブリが、図１０には通常運転用に係合されたラッチシステムが夫々示される。図１０に示す如く、ラッチ１７０上の永久磁石１７８が、給電される電磁石１７７方向に引き寄せられ、かくしてラッチ１７０をピボット位置１８０を中心としてピボット廻動させ、ラッチ１７０がリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の合致部分と係合する。かくして、各ラッチ１７０は図１０に示す通常状態においてリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２と共に固定される。また、ラッチシステムベース１７９が主ネジ１６０に螺装されあるいはそうでなければ固定される。従って、図１０に示す通常状態ではリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２はラッチシステムを介して主ネジ１６０に固定されるため、図９に示すボールナットモーターアセンブリが主ネジ１６０を移送するとリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２が主ネジ１６０と共に移送される。

スクラム中のリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２を、従って結局は制御棒アセンブリを示す図１１を参照してスクラムを説明する。スクラムを開始させるために電磁石１７７への給電を止める、つまり遮断する。これによりラッチ１７０上の永久磁石１７８の引力が無くなり、ラッチバネ１７４が伸びてラッチ１７０をピボット位置１８０を中心としてピボット廻動させ、かくしてリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の合致部分から引き離す。これによりラッチ１７０がリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２から切り離され、リフトロッド/連結ロッドアセンブリ（及びかくして制御棒アセンブリ）が炉心１２方向に落下する。図１１では主ネジ１６０は尚、それ以前の引き抜き高さ（つまり、主ネジ１６０がスクラムされない）位置で示されるが、電磁石１７７への給電が止められているため当該電磁コイルからの磁界は除去される。

図１１に更に示されるように、ピボット位置１８０を中心とするラッチ１７０のピボット廻動は位置１８１でラッチハウジング１７２のバネガイドと当接することで停止される。
図１１を尚参照しつつ図１２及び図１３を参照するに、スクラム後の機構を再係合させるために主ネジ１６０がボールナットモーター（図９参照）を介してその完全挿入位置に駆動される。主ネジの着底センサを用いて主ネジの完全挿通を確認する。特に図１２を参照するに、主ネジ１６０が完全挿入位置に接近するに従い、リフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の上端１１１の、底部にスクラムされるところのアングルカム面１８２がラッチ１７０をその完全引き抜き位置付近にカム移動させる。特に図１３を参照するに、電磁石１７７への給電を再開するとラッチ１７０がリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の合致部分と完全に再係合し、かくしてリフトロッド／連結ロッドアセンブリがサイド主ネジ１６０に連結される。これにより図１０に示す通常運転が再開される。繰り返すと、図１２には主ネジ１６０がリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２を再係合させるための完全挿入位置に戻すべく駆動される状況が示される。電磁石１７７への給電は尚停止され、ラッチ１７０は尚切り離されている。リフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の上端１１１上のアングルカム面１８２はラッチ１７０にカム係合し、当該ラッチをリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の上端１１１との部分係合状態に戻す。図１３では主ネジ１６０は尚底部にあるが電磁石１７７への給電は再開されている。再開された磁界によりラッチ１７０がリフト用／連結ロッドアセンブリ１１２の合致部分に再係合する。

図９には、下方及び上方の各ボールナットアセンブリ１５０、１５２を含むボールナット／モーターアセンブリ１０６の好ましい実施例がダイヤグラム図で示される。一般に、実質的に任意形式のモーターを使用可能であり、圧力容器環境において動作する形態を有することが好ましい。
図１４及び図１５を参照するに、下方ボールナットアセンブリ１８５と共にブラシレスＤＣ電子制御（ＢＬＤＣ）モーター１８４を採用する実施例が示される。モーター１８４を含む前記アセンブリ１８５はボールナット／モーターアセンブリ１０６の例示的実施例である。特に図１４を参照するに、例示されるＢＬＤＣモーター１８４が、ステータアウターシェル１８７とステータインナーシェル１８８との間に配置した巻きステータコアアセンブリ１８６にして、ステータ上方ハウジング１８９及びステータ下方ハウジング１９０により固定した巻きステータコアアセンブリを含んでいる。永久磁石ローター１９１が永久磁石１９２を含む。ＢＬＤＣモーター１８４が、ローターの永久磁石１９２の磁束と、ステータコアアセンブリ１８６の電流搬送用ステータコンダクタとの相互作用によるトルクを発生する。下方ボールナットアセンブリ１８５は図９の下方ボールナットアセンブリ１５０と類似するが、図１４の例示アセンブリでは図９の上方ボールナットアセンブリ１５２に相当する上方ボールナットアセンブリは無い。図１４のアセンブリは半径方向ベアリング１９３、スラストベアリングロックナット１９５により固定したスラストベアリング１９４、モーター上部キャップ１９６をも含む。導線グランド１９７により、絶縁され且つ耐環境性の対モーター電気接続部が提供される。例えば、ある好ましい絶縁型導線グランドを米国ニューヨーク州バッファローのConax(商標名）Technologies社から入手可能である。特に図１５を参照するに、ＢＬＤＣモーター１８４及び下方ボールナットアセンブリ１８５が図１０〜図１３の制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）のコンテキストにおいて例示される。図１５に例示するＣＲＤＭもまた、先に説明した電磁石１７７の積層アセンブリ、リフトロッド−主ネジラッチアセンブリ１１０、主ネジ１６０、リフト用／連結ロッドアセンブリ１１２を含む。ボールナットアセンブリ１８５は主ネジ１６０と係合し、モーター１８４が永久磁石ローター１９１及び固定したボールナットアセンブリ１８５を回転するに従い、主ネジ１６０を直線駆動する。

図１及び図２を再度参照するに、例示した原子炉設計形状は、中間セクションが炉内構造物支持フランジまたは“中間フランジ”２９を有する点で有益性がある。当該中間セクションは比較的薄厚に作製し得、炉心内機器用の制御棒駆動機構及びガイドの支持を提供する。当該中間セクションは制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）に関する電気入力部及び流体入力部を提供する。当該中間セクションには随意的には原子炉冷却材ドレンライン差し込み部（図示せず）をも設け得る。ドレンラインを組み込む場合、当該ドレンラインは随意的には原子炉加圧時は常に内部弁により隔絶し、冷却材喪失（ＬＯＣＡ）の恐れを制限または排除する。

ＣＲＤＭを含む例示した上部炉内構造物２４は例示した断熱構造を含まない。しかしながら、少なくとも約６５０°Ｆ（３４３℃）の設計温度に耐え得る断熱システムを用いてこれらコンポーネントを絶縁することが意図される。断熱システムを用いることで、随意的にはやはり使用され得る外部冷却水が不要化される。冷却水は例えば、運転環境上付与される熱負荷の厳しさを低減させるべく電気的装置に供給され得る。断熱システムにより、圧力容器内の電気的ＣＲＤＭの位置付けを容易化し、かくして原子炉容器１０の全高を低減させ、原子炉容器内への針入数（ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）を著しく低下させ、原子炉の完全モジュールを単独ユニットとして輸送可能とする。その他利益には容器構造(図示せず)の全高が低下する点がある。断熱使用が有益と考えられるが、水冷却及びまたは断熱無しで高い運転温度に耐え得る材料の選択を含むその他解決策が意図される。
例示した原子炉実施例は一体型の加圧水型原子炉(ＰＷＲ）形態のものである。しかしながら、開示された技術、装置等はその他タイプの原子炉、例えば、炉内ＣＲＤＭ、有効な制御棒位置センサ等を有益に組み込み得る沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においても好適使用されることが期待される。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。

１０ 原子炉容器
１２ 炉心
１４ 蒸気発生器
２０ 制御棒
２２ 下部容器
２４ 上部炉内構造物
２６ 上部容器
２８ 上部容器ヘッド
２９ 中間フランジ
３０ 上部シュラウド
３２ 中央ライザ管領域
３４ 下降管領域
４０ 制御棒駆動機構
４２ ドライブ
４４ 制御棒ガイドフレーム
４６ 上部炉内バスケット
４８ ＣＲＤＭ支持構造
５０ シリンダハウジング
５２ シリンダキャップ
５４ シリンダベースプレート
５６ 連結ロッド
６０ 通気孔
６２ リフトピストン
６４ ピストンリング
６７ シャフトシール
６６ スクラムバッファピストン
６８ バッファコッキングバネ
７０ ロッドガイドブッシュ
７２ ロッドシールリング
７４ 入口ポート
８０ グレイロッド
８２ 連結ロッド
８４ カウンタウエイト
８６ ヨーク
８８ ヨーク
９０ コア内機器ガイド
１００ 底部ストッパ／バッファアセンブリ
１０２ 支持チューブ
１０４ 上方支持チューブ
１０６ ボールナット／モーターアセンブリ
１０８ 電磁コイルアセンブリ
１１０ リフトロッド−主ネジラッチアセンブリ
１１１ 上端
１１２ リフト用／連結ロッドアセンブリ
１１３ 磁石
１２０ 引張スプール
１２２ ケーブル
１２４ 回転センサ
１３０ ステータハウジング
１３２ ステータ
１３４ ローター
１３６ 上部ステータ端部プレート
１３８ 半径方向ベアリング
１４０ スペーサ
１４４ スラストベアリング
１５０ 下方ボールナットアセンブリ
１５２ 上方ボールナットアセンブリ
１６０ 主ネジ
１７０ ラッチ
１７２ ラッチハウジング
１７４ ラッチバネ
１７７ 電磁石
１７８ 永久磁石
１７９ ラッチシステムベース
１８０ ピボット位置
１８１ 位置
１８２ アングルカム面
１８４ ＢＬＤＣモーター
１８５ ボールナットアセンブリ
１８６ ステータコアアセンブリ
１８７ ステータアウターシェル
１８８ ステータインナーシェル
１８９ ステータ上方ハウジング
１９０ ステータ下方ハウジング
１９１ 永久磁石ローター
１９２ 永久磁石
１９３ 半径方向ベアリング
１９４ スラストベアリング
１９５ スラストベアリングロックナット
１９６ モーター上部キャップ
１９７ 導線グランド

Claims (16)

1. 原子炉内で使用する制御棒機構であって、
   原子炉に挿入されて中性子を吸収する形態を有する制御棒と、
   前記制御棒と連結した連結棒と、
   モーター被駆動式ナットと係合する主ネジを含む駆動機構にして、前記主ネジが、前記ナットの回転により直線移送される駆動機構と、
   前記主ネジにより固定されるラッチにして、前記連結棒を前記主ネジに連結して前記主ネジと共に移動させ、停電または電力除去に応じて開放されて前記主ネジから連結棒を切り離すラッチと、
   を含む制御棒機構。
2. 前記制御棒が、スパイダアセンブリを介して前記連結棒に連結した複数の制御棒を含む請求項１に記載の制御棒機構。
3. 前記ラッチを磁気作用で制御する電磁石を更に含み、該電磁石に対する停電または電力除去時に前記ラッチを開放させて前記主ネジから連結棒を切り離させる請求項１に記載の制御棒機構。
4. 駆動機構により前記ラッチが直線移送され得るところの直線移送ストロークと少なくとも同じ長さを前記電磁石が有する請求項３に記載の制御棒機構。
5. ラッチが、電磁石への給電時に該電磁石に引き寄せられる永久磁石を含む請求項３に記載の制御棒機構。
6. ラッチが機械的偏倚により開放され、電磁石への給電がラッチを磁気作用で閉鎖する請求項３に記載の制御棒機構。
7. ラッチがバネによる機械的偏倚により開放される請求項６に記載の制御棒機構。
8. 前記電磁石は、駆動機構による主ネジの直線移送時は該主ネジと共移動しない請求項３に記載の制御棒機構。
9. 電磁石を格納する電磁石ハウジングを更に含み、該電磁石ハウジング内にラッチも配置される請求項８に記載の制御棒機構。
10. 制御棒制御方法であって、
    主ネジを駆動機構により直線移送させることにより制御棒を直線移動させることを含み、
    前記制御棒が連結棒により前記主ネジと共固定され、前記連結棒が、前記制御棒に連結した下端と、前記主ネジにより固定されるラッチにより固定した上端とを有し、
    スクラムに応じて、前記ラッチを主ネジから脱係合させて前記連結棒の上端を前記主ネジからアンラッチさせることで主ネジから制御棒を切り離すことを更に含み、
    かくして制御棒がスクラムするが主ネジがスクラムしない方法。
11. 前記ラッチを磁気作用で閉鎖する電磁石への通電を止めることで主ネジから前記ラッチが脱係合される請求項１０に記載の方法。
12. 原子炉で使用する制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）であって、
    少なくとも１つの制御棒と連結した連結棒、
    主ネジ、
    該主ネジを直線移送させる形態を有する駆動機構、
    電磁コイルアセンブリの作動に応じて前記連結棒を主ネジに連結させ、前記電磁コイルアセンブリの停止に応じて前記連結棒を主ネジからアンラッチさせるラッチアセンブリ、 を含み、
    前記ラッチアセンブリが、前記主ネジと共固定され且つ該主ネジと共に直線移送される制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）。
13. 電磁コイルアセンブリが主ネジと共移動しない請求項１２に記載の制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）。
14. 駆動機構により前記主ネジが直線移送され得るところの直線移送ストロークと少なくとも同じ長さを電磁コイルアセンブリが有する請求項１３に記載の制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）。
15. 前記ラッチアセンブリが機械的偏倚によりアンラッチされ、該ラッチアセンブリが、電磁コイルアセンブリの賦活に応じて前記機械的偏倚に打ち勝ってラッチアセンブリをラッチさせる力を受ける磁石を含む請求項１２に記載の制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）。
16. 前記ラッチアセンブリが電磁コイルアセンブリ内に配置される請求項１２に記載の制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）。

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