JP7159081B2 - 燃料取替機 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電所において水中に設置された燃料集合体や機器の移送を行う燃料取替機に関する。

原子力発電所では、定期点検で行われる燃料取替作業に要する時間の短縮が望まれている。燃料取替作業には、燃料集合体を、原子炉圧力容器内の炉心から原子炉ウェルを経由して燃料プールに置かれた燃料貯蔵ラックへ移送する作業と、燃料貯蔵ラックから炉心へ移送する作業と、炉心内と燃料貯蔵ラック内で移送する作業が含まれる。この作業を行う燃料取替機は、走行台車と、走行台車上を移動する横行台車と、横行台車に取り付けられ伸縮可能な伸縮管を備え、伸縮管の下端で燃料集合体を把持し、走行台車と横行台車の移動（以下、「横走行」と呼ぶ。）と伸縮管の伸縮により燃料集合体を移送する。

燃料取替機を用いた燃料取替作業では、横走行の停止時に、伸縮管と伸縮管に把持された燃料集合体の振れが発生する。この振れが大きいと、燃料取替機が炉心内と燃料貯蔵ラック内の燃料集合体を掴み損なうことや、燃料集合体を炉心と燃料貯蔵ラックの所定の位置に挿入できないことなどの不具合が生じやすくなる。

そこで、燃料取替機では、燃料集合体を把持する前と燃料集合体を所定の位置へ挿入する前に、伸縮管と燃料集合体の振れが収まるまで燃料取替機を停止させて所定の時間待つ「振れ待ち」と呼ばれる動作を行っている。横走行の停止時に発生する伸縮管と燃料集合体の振れを速やかに抑制し、振れ待ちの時間を短縮することができれば、燃料取替作業に要する時間を短縮することができる。

特許文献１には、伸縮管と燃料集合体の振れを速やかに抑制する燃料交換機の例が開示されている。特許文献１に記載の燃料交換機は、横行台車と伸縮管の間にサスペンションと電磁石から構成された制振装置を備え、伸縮管の揺動速度により電磁石に供給する電流を制御して伸縮管の振れを抑制する。

特開２００８－３０４３８２号公報

特許文献１に記載の燃料交換機などの従来の燃料交換機は、伸縮管と燃料集合体の振れを抑制するために制振装置を備えるので、構成が複雑になって部品数が増加し、コストが増加するという課題がある。また、燃料集合体が伸縮管に搖動可能な状態で吊り下げられるため、伸縮管の振れが収まった後に燃料集合体の振れが残留することが懸念される。

本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、制振装置を備えることなく、燃料集合体と伸縮管の振れを抑制することができる燃料取替機を提供することを目的とする。

本発明による燃料取替機は、移動可能な走行台車と、前記走行台車の上を移動可能な横行台車と、前記横行台車に取り付けられ、伸縮可能であり、燃料集合体を吊り下げることができる伸縮管と、前記走行台車と前記横行台車と前記伸縮管を制御する制御装置と、前記伸縮管と前記燃料集合体から構成される振動系の共振周波数を求める共振周波数同定装置と、前記走行台車と前記横行台車に対する指令値から前記共振周波数の成分を除去した補正指令値を求める補正装置とを備える。前記制御装置は、前記補正指令値に従って前記走行台車と前記横行台車を制御する。

本発明によると、制振装置を備えることなく、燃料集合体と伸縮管の振れを抑制することができる燃料取替機を提供できる。

本発明の実施例１による燃料取替機の構成を示す図である。 共振周波数同定装置が共振周波数を求めるための、振動系の簡単なモデルを示す図である。 図２Ａに示した燃料集合体を上方から見た図である。 補正装置が、指令値から振動系の共振周波数成分を除去する処理を説明する図であり、指令値の一例を示すグラフである。 補正装置が、指令値から振動系の共振周波数成分を除去する処理を説明する図であり、補正装置が備えるノッチフィルタのゲインの一例を示すグラフである。 補正装置が、指令値から振動系の共振周波数成分を除去する処理を説明する図であり、補正指令値の一例を示すグラフである。 実施例１において、補正装置の別の構成を示す図である。 本発明の実施例２による燃料取替機の構成を示す図である。 本発明の実施例５による燃料取替機の構成を示す図である。 本発明の実施例５による燃料取替機の別の構成を示す図である。 本発明の実施例３による燃料取替機の構成を示す図である。

本発明による燃料取替機は、走行台車と横行台車の移動（横走行）の指令値を制御することにより、制振装置を備えなくても、伸縮管と伸縮管に把持された燃料集合体との振れを速やかに抑制することができる。

以下、本発明の実施例による燃料取替機を、図面を用いて説明する。本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

以下に述べる実施例では、燃料取替機が水中に設置された燃料集合体を移送する例を説明する。本発明による燃料取替機は、炉心制御棒などの、原子力発電所において水中に設置された機器を移送することもできる。

本発明の実施例１による燃料取替機について説明する。

図１は、本実施例による燃料取替機１の構成を示す図である。燃料取替機１は、走行台車２、横行台車３、伸縮管４、旋回装置（図示せず）、制御装置１００、共振周波数同定装置１０１、及び補正装置１０２を備える。

走行台車２は、原子炉ウェルまたは燃料プール２１を挟んで対向する床２０の上に平行に設置されたレール２２に沿って、原子炉ウェルまたは燃料プール２１の真上を移動可能である。

横行台車３は、走行台車２の移動方向と直交する方向に、走行台車２の上に設置されたレール（図示せず）に沿って、走行台車２の上を移動可能である。

伸縮管４は、ユニバーサルジョイント４ａを介して横行台車３に取り付けられ、横行台車３から下方に向かって延伸し、鉛直方向に伸縮可能である。伸縮管４は、径が互いに異なる複数の同軸の円管４ｂ、４ｃ、４ｄを備え、これらの円管４ｂ、４ｃ、４ｄがテレスコピック式に伸縮可能な構造を持つ。図１に示した例では、円管４ｂ、４ｃ、４ｄは、この順に上から下に位置する。伸縮管４は、下端に掴み具４ｅを備え、掴み具４ｅで燃料集合体５を吊り下げて把持することができる。掴み具４ｅは、伸縮管４の下端に位置する円管４ｄに設けられ、フックを備え、燃料集合体５の上部にあるハンドル５ａをフックで吊り下げたり、ハンドル５ａを離したりできる構造を持つ。なお、図１には伸縮管４が３つの円管４ｂ、４ｃ、４ｄを備える例を示しているが、伸縮管４が備える円管の数は、３つに限定されない。

旋回装置（図示せず）は、横行台車３に設置され、ユニバーサルジョイント４ａを鉛直軸の周りに旋回させて、伸縮管４の全体を鉛直方向の周りに旋回させることができる。

制御装置１００は、走行台車２、横行台車３、伸縮管４、掴み具４ｅ、及び旋回装置に対する指令値２００（実際には、指令値２００が補正された補正指令値２０１）が入力され、入力された指令値２００に従い、走行台車２、横行台車３、伸縮管４、掴み具４ｅ、及び旋回装置を制御する。指令値２００には、例えば、走行台車２の速度、横行台車３の速度、伸縮管４の長さ、掴み具４ｅの動作、及び旋回装置の旋回角に対する指令値が含まれる。

共振周波数同定装置１０１と補正装置１０２については、後述する。

制御装置１００、共振周波数同定装置１０１、及び補正装置１０２は、任意の場所に設置することができる。

燃料集合体５は、走行台車２と横行台車３の移動（横走行）により水平位置が定められ、伸縮管４の伸縮により鉛直位置が定められ、旋回装置の旋回により鉛直軸周りの向きが定められる。燃料集合体５は、水中に設置されているものとする。

なお、燃料取替機１は、燃料集合体５の水平位置、鉛直位置、及び鉛直軸周りの向きを定める構成について、任意の構成を備えることができ、上述の構成を備えなくてもよい。また、指令値２００は、走行台車２、横行台車３、伸縮管４、掴み具４ｅ、及び旋回装置を制御できれば、上記以外の指令値（例えば、位置、加速度、または力などに対する指令値）を含んでもよい。本発明は、指令値２００の種類によって限定されるものではない。

燃料取替機１では、伸縮管４がユニバーサルジョイント４ａにより横行台車３に取り付けられているため、伸縮管４の振れが生じる。また、掴み具４ｅのフックに燃料集合体５が揺動可能に吊り下げられるため、伸縮管４に把持された燃料集合体５の振れも生じる。さらに、伸縮管４を構成する円管４ｂ、４ｃ、４ｄの継目部分に伸縮管４を伸縮可能とするための隙間が設けられ、伸縮管４の下端に位置する円管４ｄと掴み具４ｅの間にも嵌め合いのための隙間が設けられているため、これらの隙間により円管４ｂ、４ｃ、４ｄと掴み具４ｅにも振れが生じる。

これらの振れは、横走行で顕著に現れる。特に、横走行の停止時に生じた振れが大きいと、燃料取替機１が燃料集合体５を掴み損なうことや、燃料集合体５を所定の位置に挿入できないことなどの不具合が生じやすくなる。そこで、特に横走行の停止時に、これらの振れを速やかに抑制することが必要である。

横走行により振れが生じるのは、伸縮管４と燃料集合体５から構成される振動系に対して、この振動系の共振周波数成分を励起させる外力が横走行により加わり、共振が生じるためである。そこで、この振動系に加わる外力から共振周波数成分を除けば、振れを速やかに抑制することができる。すなわち、横走行を行う走行台車２と横行台車３に対する指令値２００から、伸縮管４と燃料集合体５から構成される振動系の共振周波数成分を除去すればよい。

そこで、本実施例による燃料取替機１は、共振周波数同定装置１０１と、補正装置１０２を備える。共振周波数同定装置１０１は、共振周波数を求める装置である。補正装置１０２は、指令値２００を補正して補正指令値２０１を得る装置であり、指令値２００から共振周波数成分を除去した補正指令値２０１を求める。制御装置１００は、指令値２００の代わりに補正指令値２０１に従い、走行台車２、横行台車３、伸縮管４、掴み具４ｅ、及び旋回装置を制御する。

初めに、共振周波数同定装置１０１について説明する。

共振周波数同定装置１０１は、伸縮管４と燃料集合体５から構成される振動系の共振周波数ｆを求める。この振動系は、数値モデル化され、共振周波数同定装置１０１は、この数値モデルを用いて計算することにより共振周波数ｆを求め、求めた共振周波数ｆを補正装置１０２に出力する。なお、振動系の数値モデルには、共振周波数同定装置１０１が振動系を数値モデル化した数値モデルを用いることもでき、共振周波数同定装置１０１以外の装置が振動系を数値モデル化した数値モデルを用いることもできる。

伸縮管４を構成する円管４ｂ、４ｃ、４ｄ、掴み具４ｅ、及び燃料集合体５の振れ角（接続している上部要素に対する相対的な角度）を時間の関数θ１（ｔ）、θ２（ｔ）、θ３（ｔ）、θ４（ｔ）、及びθ５（ｔ）で表し、これらをまとめたベクトルをΘ（ｔ）で表すと、振動系の運動方程式は、次式のように表せる。
Ｍ（ｔ、Θ（ｔ））＊Θ’’（ｔ）＋Ｇ（ｔ、Θ（ｔ））＊Θ（ｔ）＋Ｖ（ｔ、Θ（ｔ）、Θ’（ｔ））＝Ａ（ｔ） ・・・（１）
ここで、「’」は時間に関する１階微分を表し、「’’」は時間に関する２階微分を表す。Ｍは、Θ’’（ｔ）に係る係数をまとめた行列（慣性行列）である。Ｇは、Θ（ｔ）に係る係数をまとめた行列（重力項行列）である。Ｖは、Θ’’（ｔ）とΘ（ｔ）以外の項をまとめた行列である。Ａは、横走行により生じる慣性力のベクトルである。Ｍ、Ｇ、Ｖ、及びＡの値やΘ（ｔ）の要素数は、伸縮管４の伸縮に応じて時間変化する。

この振動系の共振周波数ｆは、ＭとＧを伸縮管４と燃料集合体５が鉛直に垂下した状態近傍で線形近似して得られた式（２）を角周波数ωについて解き、式（３）を用いて得られる。
ｄｅｔ（Ｇｌ－Ｍｌ＊ω＾２）＝０ ・・・（２）
ｆ＝ω／（２π） ・・・（３）
ここで、Ｇｌは、Ｇを線形近似した行列を表し、Ｍｌは、Ｍを線形近似した行列を表し、ｄｅｔは、行列式演算を表す。

以上のように振動系を数値モデル化し、Ｍｌ、Ｇｌを求めれば、式（２）、（３）から共振周波数ｆを計算できる。

図２Ａと図２Ｂは、共振周波数同定装置１０１が共振周波数ｆを求めるための、振動系の簡単なモデルを示す図である。図２Ａに示した振動系のモデルでは、四角柱形状の燃料集合体５がハンドル５ａで掴み具４ｅに揺動可能に吊り下げられており、これらが横走行により矢印に示す方向へ移動し、燃料集合体５のみが振れるとしている。図２Ｂは、図２Ａに示した燃料集合体５を上方から見た図である。

図２Ａと図２Ｂの振動系のモデルにおいて、燃料集合体５の長さをＬ、幅をｗ、密度をρとし、密度ρが燃料集合体５に一様に分布しているとすると、Ｍｌは、次式のように求められる。
Ｍｌ＝１／３＊ρ＊ｗ＾２＊Ｌ＾３＋１／１２＊κ＊π＊ρｆ＊ｗ＾２＊Ｌ＾３
・・・（４）
式（４）において、右辺第１項は、燃料集合体５の回転中心周りの慣性モーメントである。右辺第２項は、燃料集合体５に引きずられて移動する周りの水による付加質量効果を表しており、ρｆは水の密度、κは燃料集合体５の形状と移動方向により変化する付加質量係数である。

Ｇｌは、次式のように求められる。
Ｇｌ＝１／２＊ｇ＊ρ＊ｗ＾２＊Ｌ＾２－１／２＊ｇ＊ρｆ＊ｗ＾２＊Ｌ＾２
・・・（５）
式（５）の右辺第１項は、燃料集合体５に加わる重力の影響を表し、右辺第２項は、燃料集合体５に加わる浮力の影響を表しており、ｇは重力加速度である。

以上説明した数値モデルの共振周波数ｆは、次式を用いて求められる。
ω＝ｓｑｒｔ（Ｇｌ／Ｍｌ） ・・・（６）
ｆ＝ω／（２π） ・・・（７）
上記の数値モデルには、上述したように、伸縮管４と燃料集合体５の水中に存在する部分が水から受ける付加質量効果と浮力を含んでいる。

本実施例では、簡単のために、共振周波数同定装置１０１が、燃料集合体５のみが振れる数値モデルを用いて共振周波数ｆを求める例を説明した。伸縮管４と燃料集合体５から構成される振動系は、燃料集合体５の振れだけでなく、円管４ｂ、４ｃ、４ｄと掴み具４ｅの振れも含めて数値モデル化できる。共振周波数同定装置１０１は、燃料集合体５と円管４ｂ、４ｃ、４ｄと掴み具４ｅの振れを含めた数値モデルを用いても、共振周波数ｆを求めることができる。

共振周波数同定装置１０１は、以上のようにして、伸縮管４と燃料集合体５から構成される振動系の共振周波数ｆを求めることができる。なお、共振周波数同定装置１０１は、数値モデル化した振動系の共振周波数ｆを計算できれば、上記以外の任意の方法（例えば、有限要素法解析など）で共振周波数ｆを求めてもよい。本発明は、上記の方法に限定されるものではない。

横行台車３には、振れ止め装置（図示せず）が取り付けられる。伸縮管４は、振れ止め装置により振れが微小であり、振れ止め装置との衝突や水の抵抗により振れの減衰が大きい。さらに、円管４ｂ、４ｃ、４ｄと掴み具４ｅは、これらの部材の隙間が僅かなため振れが微小であり、これらの部材同士の衝突、水の抵抗、及び隙間部分に対する水の流入と流出により振れの減衰が大きい。このため、伸縮管４の振れを微小として無視でき、伸縮管４の振れが燃料集合体５の振れに与える影響も無視できる。したがって、伸縮管４と燃料集合体５から構成される振動系の数値モデルは、燃料集合体５のみが振動する（単振子運動する）数値モデルとしてもよい。

次に、補正装置１０２について説明する。

補正装置１０２は、走行台車２と横行台車３に対する指令値２００から、伸縮管４と燃料集合体５から構成される振動系の共振周波数ｆの成分を除去する。補正装置１０２は、共振周波数ｆを遮断周波数とするノッチフィルタを備え、このノッチフィルタを用いて指令値２００から振動系の共振周波数成分を除去して、補正指令値２０１を求める（図１を参照）。補正装置１０２は、他の装置または作業員により指令値２００を入力し、共振周波数同定装置１０１から共振周波数ｆの値を入力し、求めた補正指令値２０１を制御装置１００に出力する。

図３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、補正装置１０２が、指令値２００から振動系の共振周波数成分を除去する処理を説明する図である。図３Ａ～３Ｃでは、指令値２００が横行台車３の速度である例を示している。図３Ａは、指令値２００の一例を示すグラフであり、横行台車３の速度の時間変化と、速度振幅の周波数特性を示す。図３Ｂは、補正装置１０２が備えるノッチフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）の絶対値（ゲイン）の一例を示すグラフである。図３Ｃは、振動系の共振周波数成分が除去された指令値２００である補正指令値２０１の一例を示すグラフであり、図３Ａに対応して、横行台車３の速度の時間変化と、速度振幅の周波数特性を示す。

ノッチフィルタは、指令値２００の速度振幅の特定の周波数成分を除去する。ノッチフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）は、次式で表される。
Ｇ（ｓ）＝（ｓ＾２＋２＊ζｎ＊ω＊ｓ＋ω＾２）／（ｓ＾２＋２＊ζｄ＊ω＊ｓ＋ω＾２） ・・・（８）
ここで、ω＝２π＊ｆ（ｆは遮断したい共振周波数）であり、ζｎとζｄは減衰係数である。ζｎは、遮断する周波数帯域の広さと強さから決定される設計パラメータである。ζｄは、Ｇ（ｓ）の分母のゲイン特性が全周波数帯域でフラットになるように０．７１とするのが望ましい。

補正装置１０２は、共振周波数同定装置１０１から共振周波数ｆを入力し、走行台車２と横行台車３の指令値２００が入力されると、Ｇ（ｓ）で示された特性を持つノッチフィルタにより、指令値２００から共振周波数ｆの周波数成分を除去し、補正指令値２０１を求める。

なお、伸縮管４の伸縮により共振周波数ｆが時間変化する場合には、ノッチフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）のパラメータが、共振周波数ｆの時間変化とともに変化するようにしてもよい。

図４は、補正装置１０２の別の構成を示す図である。補正装置１０２は、複数のノッチフィルタ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを備え、指令値２００を入力し、これらのノッチフィルタを用いて補正指令値２０１を求め、補正指令値２０１を制御装置１００に出力する。なお、図４には、一例として補正装置１０２が３つのノッチフィルタ１０２ａ～１０２ｃを備える構成を示しているが、補正装置１０２は、２つまたは４つ以上のノッチフィルタを備えることができる。

燃料集合体５と円管４ｂ、４ｃ、４ｄと掴み具４ｅの振れを含めた振動系では、複数の共振周波数（例えば、ｆ１、ｆ２、ｆ３）が得られる。この場合には、補正装置１０２が、遮断周波数が互いに異なる複数のノッチフィルタ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを備えればよい。ノッチフィルタ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、それぞれ共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を遮断周波数とし、直列に接続される。これにより、補正装置１０２は、指令値２００から共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の周波数成分を除去した補正指令値２０１を得ることができる。

なお、補正装置１０２は、複数の共振周波数のうち振幅が大きい共振周波数成分を遮断するノッチフィルタのみを備えてもよい。また、補正装置１０２では、ノッチフィルタの伝達関数Ｇ（ｓ）の設計パラメータを調整し、遮断する周波数帯域を広くして、１つのノッチフィルタで複数の共振周波数成分を遮断するようにしてもよい。なお、補正装置１０２は、振動系の共振周波数成分を遮断できれば、ローパスフィルタなどの任意のフィルタを備えることができる。本発明は、上記の構成に限定されるものではない。

また、補正装置１０２は、走行台車２と横行台車３のそれぞれに対する指令値２００からそれぞれに対する補正指令値２０１を求めてもよく、走行台車２と横行台車３の指令値を合成した指令値２００から補正指令値２０１を求めてもよい。

制御装置１００は、以上のように、共振周波数同定装置１０１と補正装置１０２により得られた補正指令値２０１に従い、走行台車２と横行台車３を制御する。走行台車２と横行台車３の指令値２００は、予め定めることができ、補正装置１０２は、予め定められた指令値２００から補正指令値２０１を予め求めて記録することができる。制御装置１００は、動作の実行時に、補正装置１０２が予め求めた補正指令値２０１を読み込んで、走行台車２と横行台車３を制御してもよい。

以上のように、本実施例による燃料取替機では、走行台車２と横行台車３を制御する指令値である補正指令値２０１には、伸縮管４と燃料集合体５から構成される振動系の共振周波数成分が含まれていないので、伸縮管４と燃料集合体５の共振が励起されず、伸縮管４と燃料集合体５の振れを抑制できる。本実施例による燃料取替機は、伸縮管４の振れだけではなく、燃料集合体５の振れも抑制できるので、伸縮管４の振れが収まった後に燃料集合体５の振れが残留する懸念はない。したがって、本実施例による燃料取替機では、横走行の指令値２００を補正することにより、制振装置を備えずに、伸縮管４と燃料集合体５の振れを速やかに抑制することができる。

本発明の実施例２による燃料取替機について説明する。上述の実施例による燃料取替機と共通の構成については、説明を省略する場合がある。

図５は、本実施例による燃料取替機１の構成を示す図である。本実施例による燃料取替機１では、共振周波数同定装置１０１が、振れ観測装置１０１ａと共振周波数演算装置１０１ｂを備える。

実際の伸縮管４と燃料集合体５を表すパラメータ（例えば、形状や質量）が設計値と異なる場合や、燃料を使用したことにより燃料集合体５の質量が変化した場合には、設計値に基づいて求めた数値モデルを用いて計算した共振周波数ｆは、実際の振動系の共振周波数ｆと異なる。本実施例による燃料取替機１は、振れ観測装置１０１ａと共振周波数演算装置１０１ｂを備え、実際の振動系の共振周波数ｆを求める。

なお、伸縮管４の振れは、燃料集合体５の振れに含めて観測し抑制できる。

振れ観測装置１０１ａは、燃料集合体５の振れθ（ｔ）を計測する装置であり、例えば、水中から燃料集合体５を撮影できる水中カメラで構成することができる。なお、振れθ（ｔ）は、鉛直方向に対する角度である。振れ観測装置１０１ａは、水中から燃料集合体５を撮影することにより、水面に現れる波の影響を受けることなく、燃料集合体５の振れを計測することができる。振れ観測装置１０１ａは、燃料集合体５の振れを計測できれば、走行台車２、横行台車３、伸縮管４、または掴み具４ｅなど、任意の位置に設けることができ、原子炉圧力容器や燃料プールに取り付けることもできる。

共振周波数演算装置１０１ｂは、振れ観測装置１０１ａが計測した燃料集合体５の振れθ（ｔ）から、共振周波数ｆを計算して求める。共振周波数演算装置１０１ｂは、例えば、θ（ｔ）のＦＦＴ解析を行うことで、またはθ（ｔ）のピーク値間の時間間隔から、共振周波数ｆを計算できる。共振周波数演算装置１０１ｂは、求めた共振周波数ｆを補正装置１０２に出力する。

以上の共振周波数ｆの計算は、燃料取替機１の稼働開始時に実施する。実際の伸縮管４のパラメータが設計値と異なるのは、設計段階でのパラメータの見積もりの精度不足や、加工時の寸法公差が原因である。燃料取替機１の稼働開始時に共振周波数ｆを求めれば、これらの原因により、計算して求めた共振周波数ｆが実際の振動系の共振周波数ｆと異なるのを防止できる。

また、共振周波数ｆの計算は、伸縮管４が燃料集合体５を把持して移送するときに行ってもよい。燃料の使用による燃料集合体５のパラメータ（特に質量）の変化は、燃料集合体５を把持して移送する段階で観察可能となる。したがって、燃料集合体５を把持して移送するときに、燃料集合体５の振れを計測して共振周波数ｆを計算すると、燃料の使用による燃料集合体５のパラメータの変化を考慮した共振周波数ｆを求めることができる。

以上説明したように、本実施例による燃料取替機１では、燃料集合体５の振れを計測することで振動系の共振周波数ｆを求めるので、燃料集合体５の実際のパラメータが設計値と異なっていても、この影響を受けずに正確に共振周波数ｆを求めることができ、より効果的に燃料集合体５の振れを抑制することができる。

なお、振れ観測装置１０１ａと共振周波数演算装置１０１ｂは、燃料集合体５の振れを計測できて共振周波数ｆを求めることができれば、任意の構成を備えることができ、本実施例での態様に限定されるものではない。

本発明の実施例３による燃料取替機について説明する。上述の実施例による燃料取替機と共通の構成については、説明を省略する場合がある。

図８は、本実施例による燃料取替機１の構成を示す図である。本実施例による燃料取替機１は、燃料集合体パラメータ計測装置５０を備える。

燃料集合体５は、燃料を使用したことによりパラメータ（特に質量）が変化する。また、燃料取替機１が複数の種類の燃料集合体５を扱う場合には、燃料集合体５のパラメータは、燃料集合体５により異なる。このような場合にも、設計値に基づいて求めた数値モデルを用いて計算した共振周波数ｆは、実際の振動系の共振周波数ｆと異なる。本実施例による燃料取替機１は、燃料集合体パラメータ計測装置５０と共振周波数同定装置１０１を備え、燃料集合体５の実際のパラメータを計測し、実際の振動系の共振周波数ｆを求める。

燃料集合体パラメータ計測装置５０は、例えば、燃料集合体５の質量を計測する計測器５０ａで構成することができる。燃料集合体５の質量を計測する計測器５０ａには、例えば、荷重計を用いることができる。計測器５０ａは、例えば、伸縮管４または掴み具４ｅに設置することができる。燃料の使用により燃料集合体５の質量が変化した場合には、設計値に基づいて求めた数値モデルを用いて計算した共振周波数ｆは、実際の振動系の共振周波数ｆと異なる。本実施例による燃料取替機１では、燃料集合体パラメータ計測装置５０（計測器５０ａ）が、燃料集合体５の質量を計測し、共振周波数同定装置１０１が、計測した質量を用いた数値モデルを使って共振周波数ｆを計算（再計算）することで、実際の振動系の共振周波数ｆを求める。

燃料集合体パラメータ計測装置５０は、燃料集合体５の質量を計測する計測器５０ａの他に、他の計測器（例えば、水中から燃料集合体５を撮影できる水中カメラ５０ｂ）を備えることもできる。水中カメラ５０ｂは、燃料集合体５の形状パラメータ（例えば、長さ、幅、断面形状など）を計測する。

共振周波数同定装置１０１は、燃料集合体パラメータ計測装置５０が計測したパラメータ（質量と形状パラメータ）を用いた数値モデルを使って、共振周波数ｆを計算して求める。（なお、パラメータの質量は、燃料集合体５の数値モデルにおいて、密度ρに反映される。）共振周波数同定装置１０１は、質量や形状が設計値から変動した燃料集合体５や、質量や形状が互いに異なる複数の燃料集合体５のそれぞれに対して、共振周波数ｆを正確に求めることができる。

燃料集合体パラメータ計測装置５０による燃料集合体５のパラメータの計測と、共振周波数同定装置１０１による計測値を用いた共振周波数ｆの計算は、伸縮管４が燃料集合体５を把持したときに行う。

以上説明したように、本実施例による燃料取替機１では、燃料集合体５のパラメータが変動したときや、燃料集合体５のパラメータが燃料集合体５により異なる場合にも、正確に共振周波数ｆを求めることができ、より効果的に燃料集合体５の振れを抑制することができる。

なお、燃料集合体パラメータ計測装置５０は、少なくとも燃料集合体５の質量を計測でき、望ましくは燃料集合体５の形状パラメータも計測できれば、任意の構成を備えることができ、本実施例での態様に限定されるものではない。また、燃料集合体５の質量を計測する計測器５０ａは、燃料集合体５の荷重を計測した場合でも、計測した荷重から燃料集合体５の質量を求めることができる。

本発明の実施例４による燃料取替機について説明する。上述の実施例による燃料取替機と共通の構成については、説明を省略する場合がある。

燃料取替作業では、大量の燃料集合体５を移送するため、燃料集合体５の取り間違いを防止しなくてはならない。そこで、本実施例による燃料取替機１は、燃料集合体個体識別装置を備え、個々の燃料集合体５を識別する。燃料集合体個体識別装置は、燃料集合体５の個体識別情報（例えば、マーカー）を検出し、検出した個体識別情報で個々の燃料集合体５を識別することができる。個体識別情報は、個々の燃料集合体５に固有の情報であり、個々の燃料集合体５を特定するための情報である。

燃料集合体個体識別装置は、例えば、水中カメラ（例えば、図８の水中カメラ５０ｂ）を備えることができる。水中カメラは、燃料集合体５に付けられた個体識別情報を撮影して検出する。燃料集合体個体識別装置は、燃料集合体５の個体識別情報を検出し、検出した個体識別情報により個々の燃料集合体５を識別して特定する。燃料集合体５の識別は、伸縮管４が燃料集合体５を把持するとき、または燃料集合体５を把持するために横走行を行っている間に実施すればよい。

本実施例による燃料取替機１では、燃料集合体５を表すパラメータが複数の燃料集合体５において互いに異なる場合には、それぞれの燃料集合体５の個体識別情報とパラメータをデータベースに記録しておき、燃料集合体５を把持するときに、把持する燃料集合体５の個体識別情報に対応するパラメータをデータベースから読み込み、このパラメータを用いて共振周波数ｆを計算（再計算）するようにしてもよい。

本実施例による燃料取替機１は、燃料集合体５の振れを抑制できるとともに、燃料集合体５の取り間違いを防止することができる。また、データベースに記録してある燃料集合体５のパラメータを用いて共振周波数ｆを計算する構成を備える場合には、把持する燃料集合体５を識別して正確に特定できるので、把持する燃料集合体５についてのパラメータを正しくデータベースから読み込んで共振周波数ｆを求めることができ、燃料集合体５の振れをさらに効果的に抑制することができる。

なお、燃料集合体個体識別装置は、個々の燃料集合体５を識別できれば、任意の構成を備えることができ、本実施例での態様に限定されるものではない。

本発明の実施例５による燃料取替機について説明する。上述の実施例による燃料取替機と共通の構成については、説明を省略する場合がある。

本実施例による燃料取替機１では、伸縮管４と燃料集合体５に加わる外乱により生じる燃料集合体５の振れも抑制することができる。

図６は、本実施例による燃料取替機１の構成を示す図である。本実施例による燃料取替機１は、振れ観測装置１０１ａと振れフィードバック補正装置１０３を備える。

伸縮管４や燃料集合体５には、炉心または燃料貯蔵ラックに格納されている燃料集合体５の発熱による水の対流などの外乱が加わる場合がある。振れ観測装置１０１ａと振れフィードバック補正装置１０３は、この外乱により生じる燃料集合体５の振れを抑制するために設けられる。

振れ観測装置１０１ａは、実施例２でも説明したように、燃料集合体５の振れθ（ｔ）を計測する装置であり、例えば、水中から燃料集合体５を撮影できる水中カメラで構成することができる。

振れフィードバック補正装置１０３は、振れ観測装置１０１ａが計測した燃料集合体５の振れを抑制するように、走行台車２と横行台車３に対する指令値（補正指令値２０１）を補正する装置である。振れフィードバック補正装置１０３は、振れ観測装置１０１ａが計測した燃料集合体５の振れθ（ｔ）から、補正指令値２０１へのフィードバック補正量２０２を計算して求め、フィードバック補正量２０２を用いて補正指令値２０１を補正する。

振れフィードバック補正装置１０３は、例えば、次式の演算により、フィードバック補正量２０２を計算することができる。
Ｆ＝ｋｐ＊θ（ｔ）＋ｋｄ＊θ’（ｔ）＋ｋｉ＊Σθ（ｔ） ・・・（９）
ここで、Ｆは、フィードバック補正量であり、ｋｐ、ｋｄ、ｋｉは、フィードバック補正ゲインである。フィードバック補正ゲインは、公知技術を用いて定めることができる。

振れフィードバック補正装置１０３は、式（９）に従い、燃料集合体５が鉛直に垂下した状態を目標値としたＰＩＤ制御を行い、適切に設定されたフィードバック補正ゲインを用いて、外乱により生じる燃料集合体５の振れを抑制することができる。

制御装置１００は、補正指令値２０１（指令値２００から伸縮管４と燃料集合体５から構成される振動系の共振周波数ｆの周波数成分が除去された指令値）にフィードバック補正量２０２が加算された指令値２０３、すなわちフィードバック補正量２０２を用いて補正された補正指令値２０１である指令値２０３を用いて、走行台車２と横行台車３を制御する。

以上説明したように、本実施例による燃料取替機１では、燃料集合体５の振れθ（ｔ）を走行台車２と横行台車３に対する指令値にフィードバックすることにより、共振周波数同定装置１０１と補正装置１０２では考慮できなかった水流などによる外乱の影響も含めて、燃料集合体５の振れを抑制することができる。

なお、振れ観測装置１０１ａと振れフィードバック補正装置１０３は、燃料集合体５の振れを計測できてこの振れを抑制するように指令値を補正できれば、任意の構成を備えることができ、本実施例での態様に限定されるものではない。

図７は、本実施例による燃料取替機１の別の構成を示す図である。図７に示す燃料取替機１は、図６に示す燃料取替機１において、共振周波数同定装置１０１と補正装置１０２を備えない構成を備える。振れフィードバック補正装置１０３は、走行台車２と横行台車３に対する指令値２００を、フィードバック補正量２０２を用いて補正する。制御装置１００は、振れフィードバック補正装置１０３が補正した指令値２００である指令値２０４に従って、走行台車２と横行台車３を制御する。

横走行により生じる伸縮管４と燃料集合体５の振れも、振れ観測装置１０１ａと振れフィードバック補正装置１０３を用いて抑制することができる。そこで、図７に示す燃料取替機１は、振れ観測装置１０１ａと振れフィードバック補正装置１０３により得られたフィードバック補正量２０２を指令値２００に加算する。

制御装置１００は、指令値２００にフィードバック補正量２０２が加算された指令値である指令値２０４を用いて、走行台車２と横行台車３を制御する。

図７に示す燃料取替機１は、計測した燃料集合体５の振れを用いて指令値２００を補正するので、水流などによる外乱の影響も含めて、燃料集合体５の振れを抑制することができる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様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る。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、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１…燃料取替機、２…走行台車、３…横行台車、４…伸縮管、４ａ…ユニバーサルジョイント、４ｂ、４ｃ、４ｄ…伸縮管を構成する円管、４ｅ…掴み具、５…燃料集合体、５ａ…ハンドル、２０…床、２１…原子炉ウェルまたは燃料プール、２２…レール、５０…燃料集合体パラメータ計測装置、５０ａ…燃料集合体の質量を計測する計測器、５０ｂ…燃料集合体を撮影する水中カメラ、１００…制御装置、１０１…共振周波数同定装置、１０１ａ…振れ観測装置、１０１ｂ…共振周波数演算装置、１０２…補正装置、１０３…振れフィードバック補正装置、２００…指令値、２０１…補正指令値、２０２…フィードバック補正量、２０３、２０４…フィードバック補正量が加算された指令値。

Claims (9)

1. 移動可能な走行台車と、
   前記走行台車の上を移動可能な横行台車と、
   前記横行台車に取り付けられ、伸縮可能であり、燃料集合体を吊り下げることができる伸縮管と、
   前記走行台車と前記横行台車と前記伸縮管を制御する制御装置と、
   前記伸縮管と前記燃料集合体から構成される振動系の共振周波数を求める共振周波数同定装置と、
   前記走行台車と前記横行台車に対する指令値から前記共振周波数の成分を除去した補正指令値を求める補正装置と、
   を備え、
   前記伸縮管は、径が互いに異なる複数の円管を備え、複数の前記円管によりテレスコピック式に伸縮可能である構造を持つとともに、前記燃料集合体を吊り下げる掴み具を下端に備え、
   前記共振周波数同定装置は、前記振動系の数値モデルを用いて計算することにより、前記共振周波数を求め、
   前記数値モデルは、複数の前記円管、前記掴み具、及び前記燃料集合体の振れ角を時間の関数で表した変数を含む、前記振動系の運動方程式で表され、
   前記制御装置は、前記補正指令値に従って前記走行台車と前記横行台車を制御する、
   ことを特徴とする燃料取替機。
2. 前記指令値は、前記走行台車の速度の指令値と前記横行台車の速度の指令値を含む、
   請求項１に記載の燃料取替機。
3. 前記伸縮管は、水中に設置された前記燃料集合体を吊り下げることができ、
   前記共振周波数同定装置は、前記燃料集合体と前記伸縮管が水から受ける付加質量効果と浮力を含む前記数値モデルを用いて、前記共振周波数を求める、
   請求項１に記載の燃料取替機。
4. 前記共振周波数同定装置は、前記燃料集合体のみが振動する前記数値モデルを用いて、前記共振周波数を求める、
   請求項３に記載の燃料取替機。
5. 前記共振周波数同定装置は、
   前記燃料集合体の振れを計測する振れ観測装置と、
   前記振れ観測装置が計測した前記燃料集合体の振れから、前記共振周波数を計算して求める共振周波数演算装置と、
   を備える、
   請求項１に記載の燃料取替機。
6. 前記補正装置は、前記共振周波数を遮断周波数とするノッチフィルタを少なくとも１つ備える、
   請求項１に記載の燃料取替機。
7. 前記燃料集合体のパラメータとして少なくとも前記燃料集合体の質量を計測する燃料集合体パラメータ計測装置を備え、
   前記共振周波数同定装置は、前記燃料集合体パラメータ計測装置が計測した前記パラメータを用いた、前記振動系の数値モデルを用いて計算することにより、前記共振周波数を求める、
   請求項１に記載の燃料取替機。
8. 前記燃料集合体の個体識別情報を検出する燃料集合体個体識別装置を備える、
   請求項１に記載の燃料取替機。
9. 前記燃料集合体の振れを計測する振れ観測装置と、
   前記振れ観測装置が計測した前記燃料集合体の振れを抑制するように、前記補正指令値を補正する振れフィードバック補正装置を備える、
   請求項１に記載の燃料取替機。

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