JPH0498805A - 原子炉停止機構の電磁石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は炉内温度が異常に高（なった時に、外部から特
に制御を行わなくても保持している制御棒を自動的に炉
心に挿入し、原子炉を緊！停止させるキュリー点電磁石
に関するものである。

［従来の技術］ 高速増殖炉等では異常発生時に制御棒を炉心に挿入する
機構を備えている。この炉停止機構として、環境温度に
よって磁力が変化する電磁石を用いて制御棒の保持−切
り離しを行う方式が提案されている。第８図及び第９図
はその概念図である。

電磁石１０は互いに吸着−分離可能な上部鉄芯１２と下
部鉄芯１４、及び上部鉄芯１２に巻装したコイル１６を
具備し、下部鉄芯１４の一部に適当なキュリー点をもつ
温度感知磁性材ｌ８を組み込んだものである。上部鉄芯
１２は制御棒駆動装置２０から吊り下げられ、下部鉄芯
１４に制御棒２２が連結される。電磁石１０の環境温度
が温度感知磁性材１８のキュリー点を超えると、該温度
感知磁性材１８が非磁性になるため磁気回路の磁気抵抗
が大きくなり、コイル１６に給電し続けていても磁力が
低下する。

従って外部から指令を与えなくても制御棒２２は落下し
、炉心２４の中に挿入される。

この方式は自己作動型炉停止機構と呼ばれ、従来のよう
に常に原子炉内の状況を計測し、異常が検知された場合
、それを判断して制御棒挿入の指令を与えるという過程
が不要な点で、信幀性が穫めて高いと考えられている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の炉停止機構の作動原理は単純であり既に特性が確
認されているが、実際の原子炉プラントに通用するには
いくつかの問題がある。第一に１磁石は既設の制御棒案
内管内に設置されるため厳しい寸法制限（例えば百方ｋ
Ｗ級の高速増殖炉では９０ｍ−一）を受け、その寸法制
限下で制御棒重量より十分に大きな磁力を確保する必要
がある。理論的には制御棒重量を超える磁力があればよ
いが、余裕が少ないと定常運転中の小規模地震や流体振
動等より誤作動する危険性が高く、プラント運転上支障
が大きい。

他方、制御棒を切り離すためには、温度感知磁性材のキ
ュリー点以上では磁力が制御棒重量より十分に低下する
必要がある。磁気は電気と異なり空間でもある程度の磁
化率を有するため、温度感知磁性材が非磁性となっても
基本的にはある程度の磁力が残留する。残留磁力を小さ
くするには温度感知磁性材の部分を大きくすればよいが
、温度感知磁性材の最大磁化率は一般に鉄芯材（鉄）の
それより小さいため、温度感知磁性材の部分をあまり大
きくすると磁気回路の磁気抵抗が増大し、定常温度時の
磁力が低下する。特に炉停止機構の電磁石では限られた
空間内で大きな磁力を発生させる必要上、定常運転温度
では鉄の飽和磁束密度に近い状態で使用されるため、温
度感知磁性材の磁気抵抗、特に鉄と温度感知磁性材との
接合面の確保は大きな問題となる。つまり定常運転温度
では磁束は温度感知磁性材中を通るため、磁気抵抗は電
気抵抗と同じく温度感知磁性材の断面積及び長さで決ま
るが、キュリー点以上では温度感知磁性材が非磁性とな
るため、磁束は温度感知磁性材の部分に無関係に空間を
通るので鉄芯全体の磁気抵抗は温度感知磁性材を除いた
鉄芯の形状、配置で決まる。従って優れた磁力特性を発
現させるためには温度感知磁性材の形状及び空間的な配
置を工夫する必要がある。

１！１０図は電磁石の下部鉄芯の一例（設計例■）を示
している。温度感知磁性材１８ａは外周部下隅に設置さ
れており、温度応答性向上のためスリ７）２６ａを設け
である。この構造では鉄芯材２８ａと温度感知磁性材２
８ａの外周側での接合面Ｆ１を内側に広げること（接合
面拡張部ｆ）で接合面積を確保しており、その結果、定
常運転温度では制御棒重量の約３倍の保持力が得られる
。キュリー点以上での残留磁力については、温度感知磁
性材が非磁性になった場合、前記接合面Ｆ１が中央鉄芯
に対して垂直になるため両者が効果的に遮断され、制御
棒重量の１／６程度になり炉停止機構としては十分な磁
力特性が得られる。

しかし、電磁石には磁力特性の他に、環境温度がキュリ
ー点を超えた場合に磁力が迅速に低下して制御棒を速や
かに切り離す温度応答性能が要求される。高速増殖炉等
で最も厳しい条件下では２〜３秒程度の時間遅れで作動
することが求められている。上記の設計例■は温度応答
性があまり良くない、その理由は、鉄芯材と温度感知磁
性材の接合面積を確保するため深いスリットが切れず、
温度感知磁性材に温度応答性の悪い厚肉部分が残ること
による。−船釣にフィンそのものは環境温度の変化に対
して速やかに昇温する（温度応答性が高い）が、厚肉部
の応答性は著しく悪い、磁界解析結果によれば、温度応
答性が高いフィン部のみがキュリー点を超えただけでは
ｔ６１１石の磁力は制御棒重量より低くはならず、厚肉
部のかなりの部分がキュリー点まで昇温する必要がある
ことが分かった。

更に熱伝導解析結果によれば、内部の厚肉部が作動に必
要な温度まで昇温するには、冷却材が理想的にスリット
に流入すると仮定しても６秒以上かかることが判明した
。

温度応答性を高めるには温度感知磁性材全体をフィン構
造にすればよいが薄肉構造になり、磁束の通る面積が減
少し磁力の不足を招く、特に温度感知磁性材は飽和磁化
率が鉄より小さいため影響が顕著に現れる。構造的に最
もネ、りとなるのは鉄芯材と温度感知磁性材の接合面積
の不足である。これを補うため考えられたのが第１１図
に示す設計例■である。温度感知磁性材１８ｂを内外の
長い鉄芯材２８ｂで挾み、接合面Ｆｔの面積を確保して
いる。この構造では温度感知磁性材全体にスリ７）２６
ｂを切っているため温度応答性は良いが、キュリー点以
上で残留する磁力が大きくなる欠点が現れる。第１表に
前記設計例■と比較した保持力試験の結果を示す。

第１表 このように設計例■では保持力に対する残留磁力の比が
設計例■より著しく大きくなる。因に設計例■と同じ保
持力を得るためには更に大きな電流をコイルに供給する
必要があり、これに伴い残留磁力は６０ｋｇ（制御棒重
量と同等）になるため、環境温度がキュリー点を超えて
も切り離しが困難になる。これは対向する鉄芯材の面積
が大きいため、温度感知磁性材がキュリー点以上で非磁
性となっても対向する鉄芯材間を遣って流れる磁束の総
量が多くなることによる０本設計例■の磁力によって制
御棒の保持及び切り離し動作は原理的には可能であるが
、設計例■に比べれば余裕が少なく、定常運転時の誤作
動及び異常温度時の不作動に対する危険性が大きい。設
計例■は温度応答性を改善するために磁力特性が犠牲に
なっている。

なお、定常運転中の振動等による誤作動（落下）を防ぐ
ために特殊な振動９収機構が開発されている。試験室に
おける理想条件下では制御棒重量の２倍の１３０ｋｇ程
度の磁力があればＳ２相当の強地震下でも誤作動しない
ことが確認されているが、実際の原子炉プラント中の状
況や経年変化の影響を考慮すると、初期状態では余裕を
見込んで少なくとも２．５倍（約１６０ｋｇ）の磁力を
有することが望ましい。

他方、温度応答性能については、炉停止機構の導入が強
く求められている大型高速増殖炉では最も厳しい要求と
して次の条件が想定されている。それは、電磁石回りの
冷却材温度が３０℃／秒で昇温した場合に電磁石の作動
遅れ時間が３秒以下であることである。ここで昇温速度
は流量喪失事故と炉停止失敗が重なった場合を想定した
もので、事故事象の中でも最も急激な温度上昇である。

なお、作動遅れ時間とは電磁石回りの冷却材温度が作動
設定温度（冷却材温度が無限にゆっくり昇温した場合の
作動温度）に達してから実際に作動するまでの時間であ
る。

電磁石の温度応答性能はこの作動遅れ時間で評価される
。

以上のように前記設計例■又は■を基本とした場合、保
持力特性と温度応答性のどちらがが犠牲となり、両特性
が同時に大型高速増殖炉で求められる最も厳しい性能を
満足することはできなかった。

本発明の目的は、保持力特性と温度応答特性の両方の性
能要求を同時に満たすことができ、且つ温度感知磁性材
が変わっても所望の性能を発揮できるように容易に設計
できる構造の電磁石を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、軸対称構造をとり互いに吸着−分離可能な上
部鉄芯と下部鉄芯、及び上部鉄芯に巻装したコイルを具
備し、下部鉄芯はフィン構造で且つその一部に鉄芯材よ
り低いキュリー点をもつ温度感知磁性材を有し、環境温
度の上昇時に上部鉄芯と下部鉄芯を分離して該下部鉄芯
に連結されている１１１１ｗ１棒の切り離しを行う原子
炉停止機構の電磁石である。

そして上記の目的を達成するため本発明は上下に二分割
可能な鉄芯のうち、制御棒と連結される下部鉄芯の構造
を改良したものである。即ち第１図Ａ、Ｂに示すように
、温度感知磁性材３２を下部鉄芯３０の外周部下隅に組
み込み、下部鉄芯３０の外周部での温度感知磁性材３２
と外側鉄芯材３４との接合面Ｆが対称軸を中心軸ｃ−ｃ
とする円錐の側面形状とし、その円錐の頂部開き角θを
６０度以上で１２０度以下の範囲内に設定したものであ
る。なお符号３５は内側鉄芯材を表している。また下部
鉄芯３０の外周側、即ち温度感知磁性材３２とそれに接
する外側鉄芯材３４の一部がフィン構造になっている。

このフィン構造は、好ましくはフィンの肉厚の最も厚い
部分が４０以上８１以下、フィン間のスリット３６の幅
が２譜譜以上４ｍｓ以下で、スリット３６は温度感知磁
性材３２の最も奥まで切り込まれ、温度感知磁性材３２
全部をフィン構造にすることである。なお第１図Ａに示
す斜視図では複雑になるためスリットは省いて描いであ
る。

このような構造は以下に示す実験結果などから導き出さ
れた。初めにフィン形状は温度応答性能を確保する観点
から決定される。ここでは応答性能の目標値として現時
点で大型高速増殖炉で想定される最も厳しい値を採用し
た。即ち冷却材流量喪失事故を想定し、冷却材の温度が
３０℃／秒で昇温した場合に２秒以下の時間遅れで作動
する応答性能である。設計はフィン部のみの温度変化に
よって必要な磁力特性が得られることを前提とし、熱伝
導解析によりフィン厚みを決定した０本目標を満足する
にはフィン部の最も厚い部分の板厚は８ｍｓ＋以下にす
ればよいことが簡単な熱伝導理論より導かれる。下限値
については薄いほど応答性は良いが、清くなるとフィン
の枚数が増え、スリットが狭くなりナトリウム流入量の
点で不利となる。具体的な厚みは要求される保持力、温
度感知磁性材の飽和磁化率で決まるが、百方に一級高速
増殖炉を想定した第２表の条件では、次に示す手順で決
まるスリット幅の下限値２■を採るとフィン厚みは約４
端一となる。

第２表 スリット幅の下限値は冷却材がスリット中に十分に流れ
込むという観点から決定される。スリット中の流量はス
リット奥行き、高さ等に加え、冷却材の粘性等によって
変わるため、第２表の条件を基にスリット中に流入した
ナトリウムからフィンへの熱伝導量を評価し２ｍｍ以上
とした（第２図参照）。上限値はフィンの育効断面積を
確保する点から決定される。具体的な値は要求される保
持力と温度感知磁性材の飽和磁化率で異なるが、フィン
の最大厚み８ｍ−の場合で約４−一となる。

次に目標の磁力特性を得るのに必要な鉄芯材／温度感知
磁性材の接合面積を求める。先に決定したフィン形状に
おいて、必要な接合面積を確保できるように接合面形状
を決める円錐の開き角を決定する。を磁石の磁力にとっ
て最も大きな障害となるのは温度感知磁性材部分の磁気
抵抗である。飽和磁化率が鉄芯材より小さくスリ７）が
切られるため、断面積が鉄芯付部分より小さくなるから
である。温度感知磁性材は作動さセたい温度、即ちキュ
リー点で決まるので、飽和磁化率は採用する温度感知磁
性材の磁化率として自動的に定まり、一方、温度応答性
能の要求の観点から温度感知磁性材のフィン形状が決ま
れば、磁気抵抗を決める残された因子は鉄芯材と温度感
知磁性材の接合面の面積である。

本発明では接合面を円錐状にしているから、その頂部開
き角によって調整できる。ここで開き角が大きく１８０
度に近い場合、前記設計例■のように接合面が水平であ
る場合に比べて接合面積の増加は僅かであり、円錐形状
の接合面方式を導入する効果は小さい、比較的明瞭な１
５％以上の接合面積増加が得られる１２０度を開き角の
上限に採用した（第３図参照）。逆に開き角があまり小
さくなると、キュリー点以上で温度感知磁性材が非磁性
になった時の鉄芯材間の対向面積が増大し、前記設計例
■のように残留磁力が増加する。第４図に示すように、
磁界解析によれば６０度以下になると残留磁化が急激に
増大する。そこで開き角の下限を６０度とした。

［作用］ 外周部での温度感知磁性材と鉄芯材との円錐側面形状の
接合面は、その頂部開き角を適当な値に選定することで
接合面積を変え、定常運転時の磁力に対する異常発生時
の残留磁力の比を最適状態に調整される。またこれによ
ってフィン構造を構成するスリットを温度感知磁性材の
奥深くまで形成可能となり、温度応答特性が改善される
。

［実施例］ 第５図及び第６図は４８０℃で作動する原子炉停止機構
の電磁石の例である。電磁石４０は互いに吸着−分離可
能な上部鉄芯４２と下部鉄芯４４との組合せからなる。

上部鉄芯４２は、中央部とそれを取り囲む外周部とが上
部で連続した形状をなし全て鉄芯材からなり、その空間
部分にコイル４６を巻装した構造である。上部鉄芯４２
は制御棒駆動装置（図示せず）から吊り下げられる。下
部鉄芯４４は中央部とそれを取り囲む外周部とが下部で
連続した形状をなし、外周部下隅に適当なキュリー点を
もつ温度感知磁性材４８を組み込み、それ以外は鉄芯材
４５からなる。下部鉄芯４４の外周側部分での温度感知
磁性材４８と鉄芯材４５との接合面Ｆが頂部開き角θの
円錐の側面形状になっている。そして外周部、即ち温度
感知磁性材４８とそれに接する鉄芯材４５には放射状に
多数のスリット５０が形成されたフィン構造になってい
る。下部鉄芯４４からは制御棒（図示せず）が吊り下げ
られる。なお上部鉄芯４２と下部鉄芯４４との対向面に
は自己融着防止金具５４．５５がそれぞれ組み込まれて
いる。

温度感知磁性材４８はＦｅ−５０％Ｎｉ合金からなる。

定常運転温度（４３０℃）における温度感知磁性材の飽
和磁化率は約０．７テスラで、鉄芯材（鉄）のそれの約
１７２である。フィン５２は中心から半径方向に放射状
に厚くなっており最外周部の厚みは６−である、またス
リ、ト幅は３−一であり、温度感知磁性材４８のほぼ全
域にわたって深く切り込まれている。鉄芯材４５と温度
感知磁性材４８の接合面Ｆの円錐の頂部開き角θは、前
記第２表の条件で磁力として制御棒重量の約３倍（１９
５ｋｇ程度）が得られるように、磁界解析により９０度
に設定した。スリット５０は温度感知磁性材４８のほぼ
全域まで深く切り込まれているが、前記円錐状接合面の
ため接合面積（磁路面積）は十分に確保されている。試
験結果によれば磁力は定常運転温度では制御棒重量の約
２．８倍の１８５ｋｇ、５００℃ではｌ／６以下の１０
ｋｇであり、磁力の点では前記設計例■に遜色ないもの
になっている。

次に温度変動に対する応答性を解析によって確認した。

温度の過渡状態の近位として、応答性の優れたフィン部
のみ温度がキュリー点を超えたと仮定した場合、保持力
は約３５ｋｇまで低下するという結果が得られた。これ
は制御棒重量の約１／２であり、フィン部のみの温度応
答で制御棒を切り離せることを示している。実際には残
された僅かな厚肉部の表面部分もある程度昇温するので
、残留磁力は更に低くなる。厚肉部をもう少し減じて全
体の磁力を１５ｋｇ程度下げることにより、フィン部の
温度変化だけで１７０ｋｇ−＝　２０ｋｇとバランスの
良い磁力特性の電磁石が得られる０本実施例の電磁石は
ナトリウム中で実際に温度応答性能が試験され、３０℃
／秒の昇温速度を与えた結果、１．５秒以内の時間遅れ
で作動することが確認された（第７図参照）、なお同図
において曲線Ａは最小２乗法による近似曲線を表してい
る。

以上、保持力特性に関しては前記設計例■に遜色なく、
温度応答性が顕著に改善されることが分かる。

［発明の効果コ 本発明は上記のように鉄芯中に導入する温度感知磁性材
と鉄芯材との接合面を円錐側面状にしたから、水平面に
する方式に比べて同し半径方向の距離でも接合面積を大
きくでき、磁気回路の磁気抵抗が増大することなく温度
感知磁性材にスリットを深く切り込むことができ、厚肉
部を小さくできる。これによって電磁石の磁力を犠牲に
することなく環境の温度変化に対する電磁石の作動応答
性能を改善できることになる。

原子炉停止機構の電磁石では、作動させたい温度に合わ
せて温度感知磁性材を選択する必要があるが、温度感知
磁性材によって飽和磁化率は興なっているので、従来の
方式では飽和磁化率が低い場合は応答性か磁力のどちら
かが犠牲になる。しかし本発明では温度感知磁性材の最
大磁化率が変わっても必要な接合面積の確保には円錐の
開き角を変えるだけでよく、原理的に同し保持力特性と
温度応答性が得られるので設吐が容易となり、適用範囲
が拡大する。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは本発明の原理を示す斜視図、第１ＩｆｆｌＢ
はその断面図、第２図はナトリウムからフィンへの伝熱
量とスリット幅の関係を示すグラフ、第３図は接合面積
増加率と円錐頂部開き角との関係を示すグラフ、第４図
は残留磁力と円錐頂部開き角との関係を示すグラフであ
る。第５図は本発明の一実施例の一部破断斜視図、第６
図はその下部鉄芯の構造説明図、第７図は温度応答性能
の試験結果を示すグラフである。 第８図は原子炉停止機構の概念図、第９図はその部分拡
大図、第１Ｏ図は設計例■の下部鉄芯構造図、第１１図
は設計例■の下部鉄芯構造図である。 ３０・・・下部鉄芯、３２・・・温度感知磁性材、３４
・・・外側鉄芯材、３５・・・内側鉄芯材。 第１ｆ！１１ 特許出願人　動力炉・核燃料開発事業団代　　理　　人 茂　　見 檀 第 図 ア スリット幅（綽） 第 区 第 図 ５゜ 第 図 第 図 頂部１ｌＦＩき角θ（度） 第 国 ナトリウム昇温遣ｅｆｔ　（’ｅ−／秒）第 図 第 図 第１０図 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．軸対称構造をとり互いに吸着−分離可能な上部鉄芯
   と下部鉄芯、及び上部鉄芯に巻装したコイルを具備し、
   下部鉄芯はフィン構造で且つその一部に鉄芯材より低い
   キュリー点をもつ温度感知磁性材を有し、環境温度の上
   昇時に上部鉄芯と下部鉄芯を分離して該下部鉄芯に連結
   されている制御棒の切り離しを行う電磁石において、温
   度感知磁性材は下部鉄芯の外周部下隅に組み込まれ、下
   部鉄芯の外周部での温度感知磁性材と鉄芯材との接合面
   は対称軸を中心とする円錐の側面形状をなし、その円錐
   の頂部開き角が６０度以上１２０度以下の範囲にあるこ
   とを特徴とする原子炉停止機構の電磁石。
2. ２．下部鉄芯の外周部がフィン構造であり、フィンの肉
   厚の最も厚い部分が４ｍｍ以上８ｍｍ以下、フィン間の
   スリット幅が２ｍｍ以上４ｍｍ以下である請求項１記載
   の電磁石。