JP7682115B2 - 駆動機構、制御棒駆動装置および原子炉 - Google Patents

Description

本開示は、駆動機構、制御棒駆動装置および原子炉に関する。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）は、炉心内で生成される中性子を制御棒により吸収することで、その中性子数を調整し、原子炉出力を制御している。制御棒は、制御棒駆動装置（ＣＲＤＭ：control rod drive mechanism）により炉心に対して出し入れされる。

加圧水型原子炉用の制御棒駆動装置として、例えば、特許文献１に示された磁気式ジャッキの駆動機構が一般に適用される。磁気式ジャッキは、制御棒駆動軸（以降、単に駆動軸という）を間欠的に把持するラッチを、電磁力を利用して動かして駆動軸を軸方向に駆動するもので、円筒状の制御棒駆動装置ハウジング内に収納されている。制御棒駆動装置ハウジングは、駆動軸を内装する駆動軸ハウジング、および外部に電磁コイルを支持し内部にラッチを内装するラッチハウジングで構成されている。この駆動機構は、原子炉容器の外部に配置され、ラッチハウジングの下端が原子炉容器蓋の内外に貫通して溶接された管台に連結されている。

また、例えば、特許文献２には、炉心、上部炉内構造物、蒸気発生器、加圧器、一次ループ循環ポンプの注入口および排出口が、同じ原子炉容器内に格納されるモジュール式の原子炉が示されている。この原子炉では、制御棒駆動装置全体が、原子炉容器の内部で冷却材に浸かって配置されている。

特開平１０－１２３２７６号公報 特許第６４２２１８９号公報

ところで、原子炉容器の外部に配置される駆動機構においては、蓋に貫通する管台に連結されているため、管台の溶接部で一次冷却材の圧力バウンダリを形成している。従って、溶接部の健全性を常に確保しなければならない。万一、溶接部が破断した場合、一次冷却材が漏えいするおそれや、原子炉容器内外の圧力差を推力として制御棒と駆動軸が原子炉容器の外部に飛び出すおそれがある。従って、これらの事故を想定した設計をしなければならない。これに対し、制御棒駆動装置全体を原子炉容器の内部に配置する場合、駆動機構の小型化が要求されるが強度の面で必要十分な駆動性能を確保することが難しい。しかも、制御棒駆動装置全体を原子炉容器の内部に配置する場合、冷却材に浸かって配置されることから、駆動機構において冷却材への潤滑油の漏えいを防ぐ観点から潤滑油を使用できず、ここでも必要十分な駆動性能を確保することが難しい。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、駆動性能を確保することのできる駆動機構、制御棒駆動装置および原子炉を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る駆動機構は、移動可能に設けられる単一のラックギヤと、前記ラックギヤに噛み合い駆動力を伝達する第一ピニオンギヤと、前記ラックギヤに噛み合い駆動力を伝達する第二ピニオンギヤと、を含む。

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る制御棒駆動装置は、上記の駆動機構と、前記駆動機構によって昇降移動が可能に設けられ炉心に出し入れ可能な制御棒が連結される駆動軸と、を含む。

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る原子炉は、上記の制御棒駆動装置と、前記制御棒駆動装置により制御される炉心と、前記制御棒駆動装置および前記炉心を内部に配置する原子炉容器と、を含む。

本開示によれば、駆動性能を確保できる。

図１は、実施形態の原子炉を示す概略図である。 図２は、実施形態の制御棒駆動装置を示す概略側面図である。 図３は、実施形態の制御棒駆動装置を示す一部拡大断面図である。 図４は、実施形態の制御棒駆動装置における電磁コイルのケーブルを示す概略斜視図である。 図５は、実施形態の駆動機構を示す概略断面図である。 図６は、実施形態の駆動機構を示す概略平断面図である。 図７は、実施形態の駆動機構の一部を示す概略側断面図である。 図８は、実施形態の駆動機構の一部を示す概略側断面図である。 図９は、実施形態の駆動機構を示す模式図である。

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、実施形態の原子炉を示す概略図である。

図１に示す原子炉１００は、加圧水型の原子力発電プラントに用いられる加圧水型原子炉である。加圧水型の原子力発電プラントは、原子炉１００において、一次冷却材である軽水を加熱した後、高温となった一次冷却材を図示しない蒸気発生器に送る。そして、原子力発電プラントは、蒸気発生器において、高温となった一次冷却材を、二次冷却材と熱交換させることにより二次冷却材を蒸発させ、蒸発した二次冷却材の蒸気をタービンに送って発電機を駆動させることにより、発電を行っている。また、蒸気発生器に流入した高温の一次冷却材は、二次冷却材と熱交換を行うことにより冷却され、原子炉１００に戻され再び高温に加熱される。一方、タービンで発電に用いられた二次冷却材の蒸気は、復水器で冷却されて液体に戻され復給水管を介して蒸気発生器に戻され一次冷却材との熱交換により再び蒸気となる。

原子炉１００は、圧力容器である原子炉容器１０１を有する。原子炉容器１０１は、原子炉容器本体１０１Ａに原子炉容器蓋１０１Ｂが複数のスタッドボルトおよびナットにより固定されている。原子炉容器本体１０１Ａは、一次冷却材を蒸気発生器に送る出口管台１０１Ａａと、蒸気発生器で二次冷却材と熱交換して冷却された一次冷却材が戻される入口管台１０１Ａｂとが設けられている。この原子炉容器１０１の内部に、制御棒駆動装置１、および燃料集合体１０２が収容される。制御棒駆動装置１の詳細は後述するが、原子炉容器１０１の内部の上側に配置される。燃料集合体１０２は、核燃料物質であり、原子炉容器１０１の内部の下側に設けられた炉心１０３に配置される。燃料集合体１０２は、図示しないが、多数の燃料棒が支持格子により格子状に束ねられて上下に長尺に構成されている。この燃料集合体１０２は、炉心１０３に対し、上端部を上側に向け、下端部を下側に向けて立てられた状態で多数配置される。また、炉心１０３は、内部に制御棒１０４が配置される。制御棒１０４は、多数の燃料集合体１０２の内部に上側から挿入され抜き挿し可能となっている。制御棒１０４は、中性子を吸収する制御材で形成され、燃料集合体１０２の内部に挿入されることで、燃料集合体１０２の核燃料物質の核分裂反応に伴う中性子を吸収して臨界状態にならないように制御することができる。一方、制御棒１０４は、燃料集合体１０２の内部から抜かれることで、原子炉１００内の中性子数を増加させ、臨界から定格出力になるまで反応を上げることができる。また、原子炉容器１０１の内部であって、炉心１０３と制御棒駆動装置１との間には、制御棒１０４の昇降を案内する制御棒案内管１０５が多数配置されている。

図２は、実施形態の制御棒駆動装置を示す概略側面図である。図３は、実施形態の制御棒駆動装置を示す一部拡大断面図である。図４は、実施形態の制御棒駆動装置における電磁コイルのケーブルを示す概略斜視図である。図５は、実施形態の駆動機構を示す概略断面図である。図６は、実施形態の駆動機構を示す概略平断面図である。図７は、実施形態の駆動機構の一部を示す概略側断面図である。図８は、実施形態の駆動機構の一部を示す概略側断面図である。図９は、実施形態の駆動機構を示す模式図である。

制御棒駆動装置１は、上述したように原子炉容器１０１の内部に収容されている。制御棒駆動装置１は、制御棒１０４を上下方向に移動させることで、制御棒１０４を燃料集合体１０２の内部に抜き挿しする制御を行う。制御棒駆動装置１は、駆動モータ（駆動部）２と、電磁クラッチ３と、減速機構４と、駆動機構５と、駆動軸６と、付勢手段７と、を有する。

駆動モータ２は、図２に示すように、制御棒駆動装置１において上側に配置されている。駆動モータ２は、図３に示すように、ロータ（回転子）２Ａと、ステータ（固定子）２Ｂと、を有する。

ロータ２Ａは、上下方向に延びる中心軸ＣＬ上で上下方向に延びて設けられている。中心軸ＣＬが延びる上下方向を軸方向ともいう。ロータ２Ａは、駆動モータ２と、電磁クラッチ３と、減速機構４と、駆動機構５とを収容するケース１１に対して中心軸ＣＬの周りに回転可能に設けられている。ロータ２Ａは、磁性材で形成されている。ロータ２Ａは、突極２Ａａを有する。突極２Ａａは、ロータ２Ａにおいて中心軸ＣＬから離れる径方向内側に延びた突起であり、中心軸ＣＬの周りの周方向に間隔をおいて複数設けられている。また、ロータ２Ａは、中心軸ＣＬ上で軸方向に貫通する貫通孔からなる中空部２Ａｂが形成されている。

ステータ２Ｂは、ロータ２Ａの周りを囲むように中心軸ＣＬを中心とした筒状に形成されている。ステータ２Ｂは、磁性材で形成されている。ステータ２Ｂは、中心軸ＣＬに向く径方向内側に延びてロータ２Ａに向き、中心軸ＣＬの周りの周方向に間隔をおいて複数設けられた芯部２Ｂａを有している。ステータ２Ｂは、各芯部２Ｂａに電磁コイル２Ｃが絶縁材（図示せず）を介して巻き付けられている。また、ステータ２Ｂは、電磁コイル２Ｃが、図４に示す無機絶縁ケーブル８で構成されている。

無機絶縁ケーブル８は、心線８ａの周りを金属シース８ｂで囲み、心線８ａと金属シース８ｂとの間に例えば酸化マグネシウムなどの無機絶縁物８ｃを充填したもので、ＭＩケーブル（Mineral Insulated Cable）ともいう。本実施形態において、無機絶縁ケーブル８は、金属シース８ｂが耐熱性・耐蝕性に優れる耐熱・耐蝕合金である、例えばインコネル６９０（登録商標）で形成されている。

この駆動モータ２は、ステータ２Ｂの電磁コイル２Ｃへ電流を流すことにより発生する磁界の吸引力によりロータ２Ａの突極２Ａａが当該電磁コイル２Ｃの巻かれた芯部２Ｂａに引き付けられロータ２Ａが中心軸ＣＬの周りに回転する。即ち、駆動モータ２は、永久磁石を用いず、磁性材からなるロータ２Ａを、ステータ２Ｂの電磁コイル２Ｃに生じる磁界の吸引力により回転させるリラクタンスモータを構成する。

電磁クラッチ３は、図３に示すように、第一磁極３Ａと、第二磁極３Ｂと、電磁コイル３Ｃと、を有する。

第一磁極３Ａは、磁性材からなり、駆動モータ２のロータ２Ａに固定されている。従って、第一磁極３Ａは、駆動モータ２のロータ２Ａの回転に伴って回転する。第一磁極３Ａは、軸方向の下端に径方向外側に突出し下端面が平坦な吸着部３Ａａが形成されている。

第二磁極３Ｂは、磁性材からなり、第一磁極３Ａに磁着することが可能であり、ケース１１に対して軸方向に移動可能に設けられている。また、第二磁極３Ｂは、ケース１１に対して中心軸ＣＬの周りに回転可能に設けられている。第二磁極３Ｂは、軸方向の上端に径方向外側に突出し上端面が平坦な吸着部３Ｂａが形成されている。吸着部３Ｂａは、その上端面が第一磁極３Ａの吸着部３Ａａの下端面に対向して設けられている。第二磁極３Ｂは、その下端が減速機構４に接続されている。

第一磁極３Ａおよび第二磁極３Ｂは、中心軸ＣＬ上で軸方向に貫通する貫通孔からなる中空部３Ｄが形成されている。中空部３Ｄは、駆動モータ２のロータ２Ａに形成された中空部２Ａｂと同等の内径に形成され中空部２Ａｂに連通する。

電磁コイル３Ｃは、ケース１１に固定され、第一磁極３Ａと第二磁極３Ｂとに軸方向に磁界を発生するように設けられている。電磁コイル３Ｃは、図４に示す無機絶縁ケーブル８で構成されている。

この電磁クラッチ３は、電磁コイル３Ｃに電流を流すことで、軸方向に磁界が発生し、第一磁極３Ａの吸着部３Ａａおよび第二磁極３Ｂの吸着部３Ｂａに作用する。磁界が吸着部３Ａａおよび吸着部３Ｂａに作用すると、これらが相互に吸着する吸着力が発生し、第一磁極３Ａに第二磁極３Ｂが引き付けられ吸着する。第一磁極３Ａに第二磁極３Ｂが吸着すると、第一磁極３Ａおよび第二磁極３Ｂを介して駆動モータ２の回転が減速機構４および駆動機構５に伝達される。一方、電磁クラッチ３は、電磁コイル３Ｃに電流を流さないと、第一磁極３Ａの吸着部３Ａａおよび第二磁極３Ｂの吸着部３Ｂａへの磁界の作用がなく、第一磁極３Ａと第二磁極３Ｂとの吸着が解除される。第一磁極３Ａと第二磁極３Ｂとの吸着が解除されると、駆動モータ２の回転が減速機構４および駆動機構５に伝達されなくなり、減速機構４および駆動機構５が回転自由な状態になる。

減速機構４は、電磁クラッチ３と駆動機構５との間に配置される。減速機構４は、電磁クラッチ３を介して駆動モータ２の回転が伝達され、この回転を減速しつつ駆動機構５に伝達する。減速機構４は、図５に示すように、例えば、遊星歯車機構からなる第一減速部４Ａ、第二減速部４Ｂおよび第三減速部４Ｃが軸方向に積層して配置される。減速機構４は、この構成により、中央に軸方向に貫通する中空部４Ｄを有する。中空部４Ｄは、中心軸ＣＬ上で軸方向に貫通する貫通孔からなり、電磁クラッチ３に形成された中空部３Ｄと同等の内径に形成され中空部３Ｄに連通する。

駆動機構５は、電磁クラッチ３が吸着した状態において、駆動モータ２により駆動され、駆動軸６を昇降させる。駆動機構５は、図５から図９に示すように、ケース１１の内部に設けられ、ラックギヤ５Ａと、第一ピニオンギヤ５Ｂと、第二ピニオンギヤ５Ｃと、差動機構（ディファレンシャルギヤ）５Ｄと、第一出力軸５Ｅと、第二出力軸５Ｆと、第一伝達歯車群５Ｇと、第二伝達歯車群５Ｈと、を有する。

ラックギヤ５Ａは、単一で構成され、上述した中空部２Ａｂ，３Ｄ，４Ｄに挿通されるように上下方向（軸方向）に沿って連続して直線状に延びて形成される。ラックギヤ５Ａは、長板状に形成された板面に、延在方向に沿って多数の噛合歯５Ａａが形成される。実施形態のラックギヤ５Ａは、一方の板面に噛合歯５Ａａが形成される。ラックギヤ５Ａは、上下方向に移動可能にケース１１の内部で支持される。ラックギヤ５Ａは、その下端が駆動軸６に連結される。

第一ピニオンギヤ５Ｂは、円柱形状の周面に噛合歯５Ｂａが形成される。第一ピニオンギヤ５Ｂは、噛合歯５Ｂａがラックギヤ５Ａの噛合歯５Ａａに噛み合う。第一ピニオンギヤ５Ｂは、上下方向（軸方向）に沿う中心軸ＣＬに直交する水平方向に沿って延びる軸５Ｂｂに固定される。第一ピニオンギヤ５Ｂは、軸５Ｂｂが軸受５Ｂｃによってケース１１の内部に回転可能に支持されることで回転可能に設けられる。

第二ピニオンギヤ５Ｃは、円柱形状の周面に噛合歯５Ｃａが形成される。第二ピニオンギヤ５Ｃは、噛合歯５Ｃａがラックギヤ５Ａの噛合歯５Ａａに噛み合う。第二ピニオンギヤ５Ｃの噛合歯５Ｃａは、第一ピニオンギヤ５Ｂの噛合歯５Ｂａと同じピッチ・モジュールである。第二ピニオンギヤ５Ｃは、上下方向（軸方向）に沿う中心軸ＣＬに直交する水平方向に沿って延びる軸５Ｃｂに固定される。第二ピニオンギヤ５Ｃは、軸５Ｃｂが軸受５Ｃｃによってケース１１の内部に回転可能に支持されることで回転可能に設けられる。

差動機構５Ｄは、ギヤケース５Ｄａと、小ギヤ５Ｄｂと、第一出力ギヤ５Ｄｃと、第二出力ギヤ５Ｄｄと、を有する。

ギヤケース５Ｄａは、軸受５Ｄｅによってケース１１の内部に回転可能に支持されることで中心軸ＣＬの周りに回転可能に設けられる。ギヤケース５Ｄａは、減速機構４に接続され、駆動モータ２の回転が伝達されることで回転する。

小ギヤ５Ｄｂは、ギヤケース５Ｄａの内部に配置される。小ギヤ５Ｄｂは、傘歯車からなり、外周に噛合歯５Ｄｂａが形成される。小ギヤ５Ｄｂは、水平方向に延びる軸５Ｄｆに固定される。小ギヤ５Ｄｂは、軸５Ｄｆが軸受５Ｄｇによってギヤケース５Ｄａに回転可能に支持されることで回転可能に設けられる。この小ギヤ５Ｄｂは、ギヤケース５Ｄａの内部に同一のものが複数（実施形態では２つ）配置されていてもよい。複数の小ギヤ５Ｄｂは、軸５Ｄｆの回転軸が中心軸ＣＬで交わるように配置される。

第一出力ギヤ５Ｄｃは、ギヤケース５Ｄａの内部に配置される。第一出力ギヤ５Ｄｃは、中央に孔が設けられた中空の傘歯車からなり、外周に噛合歯５Ｄｃａが形成される。第一出力ギヤ５Ｄｃは、軸受５Ｄｈによってギヤケース５Ｄａの内部に回転可能に支持されることで中心軸ＣＬの周りに回転可能に設けられる。第一出力ギヤ５Ｄｃは、噛合歯５Ｄｃａが小ギヤ５Ｄｂの噛合歯５Ｄｂａに噛み合う。

第二出力ギヤ５Ｄｄは、ギヤケース５Ｄａの内部に配置される。第二出力ギヤ５Ｄｄは、中央に孔が設けられた中空の傘歯車からなり、外周に噛合歯５Ｄｄａが形成される。第二出力ギヤ５Ｄｄの噛合歯５Ｄｄａは、第一出力ギヤ５Ｄｃの噛合歯５Ｄｃａと同じピッチ・モジュールである。第二出力ギヤ５Ｄｄは、軸受５Ｄｉによってギヤケース５Ｄａの内部に回転可能に支持されることで中心軸ＣＬの周りに回転可能に設けられる。第二出力ギヤ５Ｄｄは、上下方向で第一出力ギヤ５Ｄｃと対向し、噛合歯５Ｄｄａが小ギヤ５Ｄｂの噛合歯５Ｄｂａに噛み合う。

第一出力軸５Ｅは、上下方向に延びる円筒形状に形成される。第一出力軸５Ｅは、軸受５Ｅａによってケース１１の内部に回転可能に支持されることで中心軸ＣＬの周りに回転可能に設けられる。第一出力軸５Ｅは、上端が差動機構５Ｄの第一出力ギヤ５Ｄｃに連結される。

第二出力軸５Ｆは、上下方向に延びる円筒形状に形成される。第二出力軸５Ｆは、第一出力軸５Ｅの筒内に挿通され、軸受５Ｆａによって第一出力軸５Ｅの内部に回転可能に支持されることで中心軸ＣＬの周りに回転可能に設けられる。即ち、第二出力軸５Ｆは、第一出力軸５Ｅに同一軸心上で貫通して構成され、相互が相対的に回転可能に設けられる。また、第二出力軸５Ｆは、円筒形状によって中央に軸方向に貫通する中空部５Ｆｂを有する。中空部５Ｆｂは、減速機構４に形成された中空部４Ｄと同等の内径に形成され中空部４Ｄに連通する。従って、中空部５Ｆｂは、駆動機構５のラックギヤ５Ａが挿通される。また、第二出力軸５Ｆは、上端が差動機構５Ｄの第二出力ギヤ５Ｄｄに連結される。

第一出力軸５Ｅおよび第二出力軸５Ｆは、上記のとおり同一軸心上で貫通して構成されていることから、双方が軸方向に沿って差動機構５Ｄの下方に延びて形成される。

第一伝達歯車群５Ｇは、出力ギヤ５Ｇａと、傘歯伝達ギヤ５Ｇｂと、平歯伝達ギヤ５Ｇｃを有する。

出力ギヤ５Ｇａは、第一出力軸５Ｅの下端に連結される。出力ギヤ５Ｇａは、中央に孔が設けられた中空の傘歯車からなり、外周に噛合歯５Ｇａａが形成される。

傘歯伝達ギヤ５Ｇｂは、傘歯車からなり、外周に噛合歯５Ｇｂａが形成される。傘歯伝達ギヤ５Ｇｂは、噛合歯５Ｇｂａが出力ギヤ５Ｇａの噛合歯５Ｇａａに噛み合う。傘歯伝達ギヤ５Ｇｂは、水平方向に沿って延びる軸５Ｇｄに固定される。傘歯伝達ギヤ５Ｇｂは、軸５Ｇｄが軸受５Ｇｅによってケース１１の内部に回転可能に支持されることで回転可能に設けられる。

平歯伝達ギヤ５Ｇｃは、円板状の外周に噛合歯５Ｇｃａが形成される。平歯伝達ギヤ５Ｇｃは、複数設けられ、互いの噛合歯５Ｇｃａが噛み合って連続して設けられる。実施形態の駆動機構５では、平歯伝達ギヤ５Ｇｃは、３つ設けられる。第一の平歯伝達ギヤ５Ｇｃは、傘歯伝達ギヤ５Ｇｂと共に軸５Ｇｄに固定され、軸受５Ｇｅによって回転可能に設けられる。第二の平歯伝達ギヤ５Ｇｃは、水平方向に延びる軸５Ｇｆに固定される。第二の平歯伝達ギヤ５Ｇｃは、軸５Ｇｆが軸受５Ｇｇによってケース１１の内部に回転可能に支持されることで回転可能に設けられる。第三の平歯伝達ギヤ５Ｇｃは、第一ピニオンギヤ５Ｂと共に軸５Ｂｂに固定され、軸受５Ｂｃによって回転可能に設けられる。

即ち、第一伝達歯車群５Ｇは、第一出力軸５Ｅと共に出力ギヤ５Ｇａが回転し、この回転を各平歯伝達ギヤ５Ｇｃを介して第一ピニオンギヤ５Ｂに伝達する。このように、第一出力軸５Ｅは、第一伝達歯車群５Ｇを介して第一ピニオンギヤ５Ｂに係合する。

第二伝達歯車群５Ｈは、出力ギヤ５Ｈａと、傘歯伝達ギヤ５Ｈｂと、平歯伝達ギヤ５Ｈｃを有する。

出力ギヤ５Ｈａは、第二出力軸５Ｆの下端に連結される。出力ギヤ５Ｈａは、中央に孔が設けられた中空の傘歯車からなり、外周に噛合歯５Ｈａａが形成される。出力ギヤ５Ｈａの噛合歯５Ｈａａは、実施形態の構成例では出力ギヤ５Ｇａの噛合歯５Ｇａａと同じピッチ・モジュールである。

傘歯伝達ギヤ５Ｈｂは、傘歯車からなり、外周に噛合歯５Ｈｂａが形成される。傘歯伝達ギヤ５Ｈｂは、噛合歯５Ｈｂａが出力ギヤ５Ｈａの噛合歯５Ｈａａに噛み合う。傘歯伝達ギヤ５Ｈｂの噛合歯５Ｈｂａは、実施形態の構成例では傘歯伝達ギヤ５Ｇｂの噛合歯５Ｇｂａと同じピッチ・モジュールである。傘歯伝達ギヤ５Ｈｂは、水平方向に沿って延びる軸５Ｈｄに固定される。傘歯伝達ギヤ５Ｈｂは、軸５Ｈｄが軸受５Ｈｅによってケース１１の内部に回転可能に支持されることで回転可能に設けられる。

平歯伝達ギヤ５Ｈｃは、円板状の外周に噛合歯５Ｈｃａが形成される。平歯伝達ギヤ５Ｈｃは、複数設けられ、互いの噛合歯５Ｈｃａが噛み合って連続して設けられる。平歯伝達ギヤ５Ｈｃの噛合歯５Ｈｃａは、実施形態の構成例では平歯伝達ギヤ５Ｇｃの噛合歯５Ｇｃａと同じピッチ・モジュールである。実施形態の駆動機構５では、平歯伝達ギヤ５Ｈｃは、３つ設けられる。第一の平歯伝達ギヤ５Ｈｃは、傘歯伝達ギヤ５Ｈｂと共に軸５Ｈｄに固定され、軸受５Ｈｅによって回転可能に設けられる。第二の平歯伝達ギヤ５Ｈｃは、水平方向に延びる軸５Ｈｆに固定される。第二の平歯伝達ギヤ５Ｈｃは、軸５Ｈｆが軸受５Ｈｇによってケース１１の内部に回転可能に支持されることで回転可能に設けられる。第三の平歯伝達ギヤ５Ｈｃは、第二ピニオンギヤ５Ｃと共に軸５Ｃｂに固定され、軸受５Ｃｃによって回転可能に設けられる。

即ち、第二伝達歯車群５Ｈは、第二出力軸５Ｆと共に出力ギヤ５Ｈａが回転し、この回転を各平歯伝達ギヤ５Ｈｃを介して第二ピニオンギヤ５Ｃに伝達する。このように、第二出力軸５Ｆは、第二伝達歯車群５Ｈを介して第二ピニオンギヤ５Ｃに係合する。

上記駆動機構５の動作を説明する。図９に示すように、駆動機構５は、電磁クラッチ３が吸着した状態において、駆動モータ２の回転が差動機構５Ｄのギヤケース５Ｄａに伝達される。ここでは、ギヤケース５Ｄａは、Ｒ１方向に回転することとする。すると、ギヤケース５Ｄａの回転に伴い、小ギヤ５Ｄｂと第一出力ギヤ５Ｄｃとの噛み合いによって第一出力軸５ＥがＲ１方向に回転する。同時に、ギヤケース５Ｄａの回転に伴い、小ギヤ５Ｄｂと第二出力ギヤ５Ｄｄとの噛み合いによって第二出力軸５ＦがＲ１方向に回転する。

第一出力軸５ＥがＲ１方向に回転すると、第一伝達歯車群５Ｇは、第一出力軸５Ｅに連結された出力ギヤ５Ｇａを介し、傘歯伝達ギヤ５Ｇｂおよび第一の平歯伝達ギヤ５ＧｃがＲ２方向に回転し、続けて第二の平歯伝達ギヤ５ＧｃがＲ３方向に回転し、第三の平歯伝達ギヤ５ＧｃがＲ４方向に回転する。これに伴い、第一ピニオンギヤ５ＢがＲ４方向に回転し、ラックギヤ５ＡがＳ１方向である上方に移動する。

一方、第二出力軸５ＦがＲ１方向に回転すると、第二伝達歯車群５Ｈは、第二出力軸５Ｆに連結された出力ギヤ５Ｈａを介し、傘歯伝達ギヤ５Ｈｂおよび第一の平歯伝達ギヤ５ＨｃがＲ５方向に回転し、続けて第二の平歯伝達ギヤ５ＨｃがＲ６方向に回転し、第三の平歯伝達ギヤ５ＨｃがＲ７方向に回転する。これに伴い、第二ピニオンギヤ５ＣがＲ７方向に回転し、ラックギヤ５ＡがＳ１方向である上方に移動する。

また、駆動機構５は、駆動モータ２の回転が差動機構５Ｄのギヤケース５ＤａにＲ１方向とは逆方向に伝達されると、第一ピニオンギヤ５ＢがＲ４方向とは逆方向に回転すると共に、第二ピニオンギヤ５ＣがＲ７方向とは逆方向に回転して、ラックギヤ５ＡがＳ１方向とは逆方向である下方に移動する。

このように、駆動機構５は、第一ピニオンギヤ５Ｂおよび第二ピニオンギヤ５Ｃが協働してラックギヤ５Ａを上下方向に移動させる。

ここで、第一ピニオンギヤ５Ｂと第二ピニオンギヤ５Ｃの一方（例えば、第一ピニオンギヤ５Ｂ）がラックギヤ５Ａに適切に噛み合い、他方（例えば、第二ピニオンギヤ５Ｃ）がラックギヤ５Ａに対してバックラッシなどで噛み合いが十分でない場合がある。このような場合、差動機構を有さない駆動機構では、ラックギヤ５Ａに噛み合いが十分でない第二ピニオンギヤ５Ｃはラックギヤ５Ａに駆動力を伝達できない。したがって、ラックギヤ５Ａに伝達される駆動力は、第一ピニオンギヤ５Ｂのみとなる。この場合、第二ピニオンギヤ５Ｃが負荷を分担していない状態となり、第一ピニオンギヤ５Ｂのみの強度では過負荷となり、ギヤ破損の問題がある。

この点、実施形態の駆動機構５は、差動機構５Ｄを備えている場合、第二ピニオンギヤ５Ｃがバックラッシュで適切にかみ合っていない状態で駆動モータ２が駆動されると、差動機構５Ｄの働きで、適切にかみ合っている第一ピニオンギヤ５Ｂがラックギヤ５Ａに力を加える前に、第二ピニオンギヤ５Ｃはバックラッシュがなくなるまで回転しラックギヤ５Ａに適切にかみ合うようになる。第二ピニオンギヤ５Ｃが適切にかみ合った後、両ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃが均等に（＝１／２ずつ）力を分担してラックギヤ５Ａを駆動する。差動機構５Ｄは、第一ピニオンギヤ５Ｂ、第二ピニオンギヤ５Ｃの区別無く、このような働きを絶えず行っているため、常に両ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃが適切にラックギヤ５Ａにかみ合い、力を均等に分担することができる。このように、実施形態の駆動機構５は、差動機構５Ｄによって、第一ピニオンギヤ５Ｂおよび第二ピニオンギヤ５Ｃが円滑かつ確実にラックギヤ５Ａに噛み合った状態で、双方ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃの駆動力をラックギヤ５Ａに伝達する。即ち、実施形態の制御棒駆動装置１は、駆動機構５によって高出力のアクチュエータを実現できる。

駆動軸６は、駆動機構５のラックギヤ５Ａの下端に連結され、図２に示すように、制御棒案内管１０５に挿通される。駆動軸６は、ラックギヤ５Ａとして構成されていてもよい。従って、駆動軸６は、ケース１１に対して中心軸ＣＬ上に軸方向に昇降移動が可能に設けられる。駆動軸６は、昇降移動において、駆動機構５に形成された中空部５Ｆｂ、電磁クラッチ３の第一磁極３Ａおよび第二磁極３Ｂに形成された中空部３Ｄ、ロータ２Ａに形成された中空部２Ａｂに挿通される。そして、ラックギヤ５Ａと連結、またはラックギヤ５Ａとして構成される駆動軸６は、駆動機構５および制御棒駆動装置１によって上下方向に昇降移動する。駆動軸６は、その下端に制御棒１０４が連結される。

従って、駆動機構５および制御棒駆動装置１は、電磁クラッチ３が吸着し駆動モータ２からの駆動力の伝達を接続されるこことで、駆動モータ２により一方向の回転が伝達され、駆動軸６（制御棒１０４）を上昇させる。また、駆動機構５および制御棒駆動装置１は、電磁クラッチ３が吸着し駆動モータ２からの駆動力の伝達を接続されることで、駆動モータ２により他方向の回転が伝達され、駆動軸６（制御棒１０４）を下降させる。また、駆動機構５および制御棒駆動装置１は、電磁クラッチ３が吸着して駆動機構５と駆動モータ２とが接続されることで、駆動モータ２が駆動されていない状態において、駆動軸６（制御棒１０４）を上昇または下降した所定の位置にて保持する。また、駆動機構５および制御棒駆動装置１は、電磁クラッチ３が吸着解除した状態で駆動モータ２からの駆動力の伝達を切断されることで、駆動機構５の各部の回転が自由となり、駆動軸６の自由な下降を許容し、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を許容する。従って、電磁クラッチ３を切断状態とすることで、制御棒１０４が自由落下するスクラム動作を補償し、燃料集合体１０２の内部に挿入され燃料集合体１０２の核燃料物質の核分裂反応を抑制し臨界状態にならないように制御する。

付勢手段７は、図２に示すように、本実施形態では、制御棒案内管１０５に設けられている。付勢手段７は、制御棒案内管１０５の内部に設けられ、この制御棒案内管１０５に挿通される駆動軸６を常に下方の炉心１０３側に付勢する圧縮バネを構成する。圧縮バネである付勢手段７は、上端が制御棒案内管１０５の内部の上端の係合部１０５ａに引っ掛かり、下端が制御棒案内管１０５の内部において駆動軸６の係合部６ａに引っ掛かって設けられる。従って、付勢手段７は、電磁クラッチ３が吸着解除した状態で駆動モータ２からの駆動力の伝達を切断されることで、駆動軸６の自由な下降を助勢し、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を助勢する。電磁クラッチ３が吸着解除した状態では、減速機構４および駆動機構５の噛み合いの負荷が生じるが、付勢手段７は、この負荷に抗して駆動軸６の自由な下降を助勢し、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を助勢する。かかる付勢手段７の作用は、舶用炉向け原子炉を想定した場合に、原子炉（船体）の傾斜・揺動・転覆の事象においても制御棒１０４を燃料集合体１０２の内部に確実に挿入する機能を担う。

このように、実施形態の駆動機構５は、移動可能に設けられる単一のラックギヤ５Ａと、ラックギヤ５Ａに噛み合い駆動力を伝達する第一ピニオンギヤ５Ｂと、ラックギヤ５Ａに噛み合い駆動力を伝達する第二ピニオンギヤ５Ｃと、を含む。

この駆動機構５によれば、単一のラックギヤ５Ａに第一ピニオンギヤ５Ｂおよび第二ピニオンギヤ５Ｃによる駆動力を足し合わせて伝達するため、小型化を図りつつ駆動伝達強度を維持でき、駆動性能を確保できる。しかも、この駆動機構５によれば、単一のラックギヤ５Ａに対し、第一ピニオンギヤ５Ｂと第二ピニオンギヤ５Ｃとに荷重を分けて駆動力を伝達するため、１つのギヤに加わる負荷を軽減させられることから、潤滑油が使えない状況下においてもギヤの焼き付きが発生しない低い負荷伝達領域での駆動伝達が可能であり、駆動性能を確保できる。

また、実施形態の駆動機構５は、駆動モータ（駆動部）２の駆動力を各ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃに伝達する差動機構５Ｄを含む。

この駆動機構５によれば、差動機構５Ｄを含むことで、各ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃをラックギヤ５Ａに円滑かつ確実に噛み合わせることができ、双方ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃに係る荷重を均等に分配でき、強度を確保できる。小型の原子炉１００を実現させるために制御棒駆動装置１を原子炉容器１０１の内部に配置することが望まれる。その場合、潤滑油が使えない制約があり、ギヤの強度余裕を大きくとってギヤに加わる力を分散し、無潤滑でも成立するような設計が理想である。強度余裕を大きくすることは、大きなギヤを使うことを意味するが、制御棒駆動装置１は小型の原子炉容器１０１の内部に配置する必要があるため、大きなギヤを使えない。よって、小さなギヤを複数（実施形態では２個）私用して力を分散させるが、２つのギヤに確実に均等に力を分散（分担）させる必要がある。駆動機構５によれば、差動機構５Ｄを含むことで２つのギヤに確実に均等に力を分散（分担）させることができる。

ここで、実施形態の駆動機構５は、ケース１１とは別体でケース１１に取り付けられ、ケース１１から抜き出すことのできる筒状のフレーム（図示せず）を設け、このフレームに対してラックギヤ５Ａを除く、第一ピニオンギヤ５Ｂと、第二ピニオンギヤ５Ｃと、差動機構５Ｄと、第一出力軸５Ｅと、第二出力軸５Ｆと、第一伝達歯車群５Ｇと、第二伝達歯車群５Ｈと、が支持される。このように構成することで、駆動機構５は、メンテナンス時はラックギヤ５Ａをケース１１に残し、他の構成をケース１１から抜き取ることができ、メンテナンス性を向上できる。そして、このメンテナンス時において、第一ピニオンギヤ５Ｂと、第二ピニオンギヤ５Ｃと、差動機構５Ｄと、第一出力軸５Ｅと、第二出力軸５Ｆと、第一伝達歯車群５Ｇと、第二伝達歯車群５Ｈと、をケース１１に戻して組み立てた場合、各ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃのラックギヤ５Ａに対する噛み合いが十分でない事象が生じるが、実施形態の駆動機構５は、差動機構５Ｄによってこの不具合を解消できる。

また、実施形態の駆動機構５は、第一ピニオンギヤ５Ｂに係合する第一出力軸５Ｅと、第二ピニオンギヤ５Ｃに係合する第二出力軸５Ｆと、を含み、第一出力軸５Ｅと第二出力軸５Ｆの一方が他方に同一軸心上で貫通して構成される。

この駆動機構５によれば、第一出力軸５Ｅと第二出力軸５Ｆの一方が他方に同一軸心上で貫通して構成されることで、第一出力軸５Ｅおよび第二出力軸５Ｆを同一方向に延びて配置できる。このため、実施形態の駆動機構５は、各ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃを共に近い位置でラックギヤ５Ａに噛み合わせて配置でき、小型化に寄与できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１は、上記の駆動機構５によって昇降移動が可能に設けられ炉心に出し入れ可能な制御棒１０４が連結される駆動軸６を含む。

この制御棒駆動装置１によれば、上記の駆動機構５において単一のラックギヤ５Ａに第一ピニオンギヤ５Ｂおよび第二ピニオンギヤ５Ｃによって駆動力を伝達するため、駆動軸６（制御棒１０４）の駆動性能を確保できる。また、この制御棒駆動装置１によれば、差動機構５Ｄを含むことで、各ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃをラックギヤ５Ａに円滑かつ確実に噛み合わせ、双方ピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃの回転力によって駆動軸６（制御棒１０４）を駆動できる。また、この制御棒駆動装置１によれば、第一出力軸５Ｅと第二出力軸５Ｆの一方が他方に同一軸心上で貫通して構成されることで、小型化に寄与できる。

また、制御棒駆動装置１は、駆動モータ２と、駆動モータ２により駆動される駆動機構５と、駆動機構５によって昇降移動が可能に設けられ炉心１０３に出し入れ可能な制御棒１０４が連結される駆動軸６と、駆動モータ２から駆動軸６への駆動力の伝達を接続または切断する電磁クラッチ３と、を備え、全ての前記構成（駆動モータ２、電磁クラッチ３、減速機構４、駆動機構５、駆動軸６、電磁クラッチ３、炉心１０３、制御棒１０４）が原子炉容器１０１の内部に配置されている。

この制御棒駆動装置１によれば、駆動モータ２と、電磁クラッチ３と、減速機構４と、駆動機構５と、駆動軸６と、原子炉容器１０１の内部に配置されているため、原子炉容器１０１の外部に制御棒１０４を駆動する構成を有さない。即ち、実施形態の制御棒駆動装置１は、原子炉容器１０１の内部から外部に貫通する管台を不要とし、このため、実施形態の制御棒駆動装置１を適用することで、管台の溶接部の破断事故を想定した設計をする必要がない。この結果、本実施形態の制御棒駆動装置１によれば、原子炉容器１０１の安全性を向上できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１において、駆動機構５は、ラックギヤ５Ａへのピニオンギヤ５Ｂ，５Ｃの噛み合いによる。実施形態の制御棒駆動装置１は、このようなラックピニオンの簡素な噛み合いにより、駆動軸６の昇降を駆動している。この結果、実施形態の制御棒駆動装置１によれば、高温および水中の環境において、故障の少ない簡素な構成において制御棒１０４の駆動を確実に行うことができる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１において、電磁クラッチ３は、駆動モータ２から駆動軸６への駆動力の伝達を接続または切断するもので、駆動モータ２から駆動軸６への駆動力の伝達を切断することで、駆動軸６の自由な下降を許容でき、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を許容する。従って、実施形態の制御棒駆動装置１によれば、電磁クラッチ３を切断状態とすることで、制御棒１０４が自由落下し、燃料集合体１０２の内部に挿入されるため、燃料集合体１０２の核燃料物質の核分裂反応を抑制し臨界状態にならないように制御できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、駆動モータ２は、磁性材からなるロータ２Ａを、ステータ２Ｂの電磁コイル２Ｃに生じる磁界の吸引力により回転させる。

この制御棒駆動装置１によれば、駆動モータ２は、永久磁石を用いないリラクタンスモータを構成できる。永久磁石は、耐熱性が低く、３５０℃以上の高温となる原子炉容器１０１の内部において使用が難しい。この結果、本実施形態の制御棒駆動装置１によれば、高温の原子炉容器１０１の内部への配置を実現できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、駆動モータ２および電磁クラッチ３は、電磁コイル２Ｃ，３Ｃのケーブルが無機絶縁ケーブル８からなる。

この制御棒駆動装置１によれば、無機絶縁ケーブル８を用いることで、ステータ２Ｂの内部への浸水時において電磁コイル２Ｃ，３Ｃの機能を維持できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、無機絶縁ケーブル８は、金属シース８ｂが耐熱・耐蝕合金からなる。

この制御棒駆動装置１によれば、無機絶縁ケーブル８の金属シース８ｂに耐熱・耐蝕合金を用いることで、耐熱性を向上し、高温での環境において電磁コイル２Ｃ，３Ｃの機能を維持できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、駆動モータ２のロータ２Ａの中心軸ＣＬ上で軸方向に貫通する中空部２Ａｂ，３Ｄ，５Ｆｂが形成され、中空部２Ａｂ，３Ｄ，５Ｆｂに駆動軸６が挿通される。

この制御棒駆動装置１によれば、中空部２Ａｂ，３Ｄ，５Ｆｂに駆動軸６が挿通されるため、駆動モータ２のロータ２Ａの中心軸ＣＬ上に駆動軸６を配置でき、装置の小型化を図れる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、駆動軸６を常に炉心１０３側に付勢する付勢手段７を有する。

この制御棒駆動装置１によれば、電磁クラッチ３が吸着解除した状態では、減速機構４や駆動機構５により自由な落下を妨げる負荷が生じるが、付勢手段７は、この負荷に抗して駆動軸６の自由な下降を助勢し、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を助勢できる。この結果、実施形態の制御棒駆動装置１によれば、燃料集合体１０２の核燃料物質の核分裂反応を確実に抑制し臨界状態にならないように安全に制御できる。かかる付勢手段７の作用は、舶用炉向け原子炉を想定した場合に、原子炉（船体）の傾斜・揺動・転覆の事象においても制御棒１０４を燃料集合体１０２の内部に確実に挿入する機能を担う。

また、本実施形態の原子炉１００は、上記の制御棒駆動装置１と、制御棒駆動装置１により制御される炉心１０３と、制御棒駆動装置１および炉心１０３を内部に配置する原子炉容器１０１と、を含む。

この原子炉容器１０１によれば、制御棒駆動装置１の駆動性能を確保し、原子炉容器１０１の安全性を向上でき、原子炉容器１０１の小型化を図れ、高温および水中の環境において制御棒１０４の駆動を確実に行うことができ、安全な制御ができる。

１ 制御棒駆動装置
２ 駆動モータ（駆動部）
５ 駆動機構
５Ａ ラックギヤ
５Ｂ 第一ピニオンギヤ
５Ｃ 第二ピニオンギヤ
５Ｄ 差動機構
５Ｅ 第一出力軸
５Ｆ 第二出力軸
６ 駆動軸
１００ 原子炉
１０１ 原子炉容器
１０３ 炉心
１０４ 制御棒

Claims (3)

1. 移動可能に設けられる単一のラックギヤと、
   前記ラックギヤに噛み合い駆動力を伝達する第一ピニオンギヤと、
   前記ラックギヤに噛み合い駆動力を伝達する第二ピニオンギヤと、
   駆動部の駆動力を各前記ピニオンギヤに伝達する差動機構と、
   前記第一ピニオンギヤに係合する第一出力軸と、
   前記第二ピニオンギヤに係合する第二出力軸と、
   を含み、
   前記差動機構は、前記駆動部の回転が伝達されることで中心軸の周りに回転するギヤケースと、前記ギヤケースの内部で回転可能に支持され前記ギヤケースの回転に伴い回転する複数の小ギヤと、前記ギヤケースの内部で各前記小ギヤに噛み合い前記中心軸の周り回転可能に設けられる第一出力ギヤと、前記ギヤケースの内部で各前記小ギヤに噛み合い前記中心軸の周り回転可能に設けられる第二出力ギヤと、を有し、
   前記第一出力軸と前記第二出力軸の一方が他方に同一軸心上で貫通し、前記第一出力軸が前記第一出力ギヤに連結し、前記第二出力軸が前記第二出力ギヤに連結して構成される、駆動機構。
2. 請求項１に記載の駆動機構と、
   前記駆動機構によって昇降移動が可能に設けられ炉心に出し入れ可能な制御棒が連結される駆動軸と、
   を含む、制御棒駆動装置。
3. 請求項２に記載の制御棒駆動装置と、
   前記制御棒駆動装置により制御される炉心と、
   前記制御棒駆動装置および前記炉心を内部に配置する原子炉容器と、
   を含む、原子炉。

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