JPH1039088A - 原子炉燃料交換機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】軽量、安価、高信頼度の原子炉燃料交換機を提
供する。 【解決手段】燃料交換機が、燃料交換ブリッジに装着し
た１対の関節アームを含み、各アームは入れ子式マスト
を支持する。各入れ子式マストは、その端に加える横方
向推力に応じて横方向にたわむように設計される。マス
トの端に装着した垂下体が空気作動把持装置とテレビジ
ョンカメラと超音波変換器と水噴射スラスタを担持す
る。超音波変換器は炉心内の燃料集合体のベイルに対す
る把持装置の大まかな位置の検出に使用される。テレビ
ジョンカメラはベイルの映像を形成し、この映像は計算
機記憶装置に予め記憶されたイメージと比較される。垂
下体は、テレビジョン映像と予記憶イメージとが所定公
差以内で合致するまで回転可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般的には原子炉の燃料
交換用装置に関し、特に、燃料交換ブリッジから垂下さ
れた入れ子式マストと、このマストの端に装着され原子
炉燃料または原子炉の一構成部を把持しかつそれを使用
済み燃料プールまたは他の適当な場所に移送するための
エンドエフェクター（末端効果器）とを有する燃料交換
ブリッジに関する。

【０００２】

【従来の技術】典型的な燃料交換プラットホームは、原
子炉ウエルと使用済み燃料貯蔵プールとの間をＸ方向に
レール上を移動する剛固なブリッジクレーン形構造体か
らなる。やはり剛性構造体であるトロリが、ブリッジク
レーンの水平箱形材ビーム上のレールに載置されＹ方向
に動き得る。トロリ上に配置されているのは、（１）入
れ子式マストと関連設備、（２）制御手段付き補助ホイ
スト、および（３）表示装置付き制御ステーションであ
る。ヨーロッパと日本における燃料交換プラットホーム
構造体は十分な剛性のものであり、レールの設置は十分
な精度でなされ、そして十分な緊密度の駆動トレインが
座標検知器による燃料の自動把持を可能にする。しか
し、自動把持に要する剛性によりプラットホーム構造体
は極めて重くなるので、その移動速度は低減する。米国
におけるプラットホーム構造体はそれほど剛性が高くな
いので、座標検知器による燃料の自動把持は不可能であ
る。

【０００３】前述の型の燃料交換装置では、入れ子式マ
ストはジンバルでトロリに取付けられる。マストは、上
端が燃料交換機に取付けられた厚肉精密加工外管と、そ
の中に入れ子式にはめ込まれた４本の厚肉精密加工管と
からなる。マストは剛固に配置されたフランジ付きアダ
プタを有し、このアダプタは様々なエンドエフェクター
に対応するように設計される。マストは燃料交換床の下
方に約１７ｍの距離にわたって望遠鏡と同様に伸びる。

【０００４】燃料集合体は原子炉停止中のみ可動かつ交
換可能である。燃料交換に要する時間を減らすことによ
り原子炉停止の費用を減らし得る。燃料移動は繰返し頻
度が高いので自動化の最適目標である。自動化用制御装
置は容易に利用できるが、入れ子式マストと把持装置と
を備えた燃料交換機は、自動化に要する位置繰返し精度
と信頼性を可能にするのに十分なほど空動きがないもの
ではない。あるいは、もしそれほど十分に空動きを起こ
さないものであれば、燃料交換機は極めて剛固であり、
従って低速を要する重い構造体である。

【０００５】全ての現用燃料交換機は、水平（Ｘ−Ｙ）
面に設定した所定の繰返し可能なデカルト座標を得るの
に絶対位置づけを利用する。この考えは幾つかの望まし
くない特性と制限を有する。これは主として、燃料の所
与深さに必要な位置精度を達成する費用に関係する。絶
対位置づけにおいて、炉心内の燃料の位置は、ブリッジ
のレールまたはトロリのレール上の対応位置に対して固
定位置であると仮定される。また、把持装置とその目標
最終位置までの一定不変距離が仮定される。この理由
で、設計はたわみを最少にし、マストにおける緩みを最
少にし、そして駆動トレインにおける空動きをなくすよ
うにしなければならない。絶対位置づけ能力を有する代
表的な燃料交換機では、把持用ＸおよびＹ座標は、プラ
ットホームとトロリのレール近くに配置した位置指示器
（通例光学的ディジタルエンコーダ）から得られる。ブ
リッジとトロリは所望位置に動かされ、そしてマストは
その把持装置とともに炉心内の燃料のレベルに降ろされ
る。この考えでは、たわみと間隙を最小にする必要があ
る。その結果、ブリッジおよびトロリ構造体は高い剛性
をもつように設計されるので質量の大きな構造体にな
る。この大質量の故に、駆動トレインにおける少量の空
動きまたは保存エネルギーが１つの位置誤差源となり、
この誤差源を完全に除去することは困難である。大質量
の正確な位置づけは元来困難である。加えて、相異なる
位置間の移動速度が被制御非線形急激加減速の見地から
問題になる。

【０００６】別の問題は入れ子式マストと把持装置の設
計である。従来の入れ子式マストは、望遠鏡のように、
互いに滑りあうことによって伸びる一連の入れ子式はめ
合わせ管である。マストは剛性が高くかつ精密に機械加
工されなければ管相互間の間隙を最小にし得ない。その
結果、従来のマストは非常に重い。重さが１０７０ｋｇ
のマストの場合、推定ケーブル荷重（燃料付き）は約９
５０ｋｇである。この重さの場合、各ケーブルは直径が
約９ｍｍ、そしてドラム直径が少なくとも４０５ｍｍ
（すなわちケーブル直径の４５倍）でなければならな
い。

【０００７】マストに関する設計目標は、管相互間の間
隙を最小にすると同時にマスト延伸時に円滑運動を保証
することである。もし軸受間隙が狭過ぎるように設定さ
れれば、その結果、以下に述べるような付着滑り（ステ
ィックースリップ）が発生する。マストが伸ばされるに
つれ、構成管の１つが軸受の摩擦により支持され、適所
で動かなくなる。その後、マストが下降を続けるにつ
れ、その管は離脱し、そして次の比較的大きなマスト構
成管の止め部まで落下する。この状態は従来運転中のプ
ラントにおいて生じているので、一マスト構成管が落下
し得る距離は荷重検知器により制限され、この検知器
は、もしマスト延伸中に各マスト構成管の全荷重が移動
されなければ、マストの下降を停止するものである。従
って、目標は、決してこう着を起こさず間隙がゼロであ
る軸受設計を提供することである。なぜなら、軸受間隙
は繰返し不可能な位置誤差を導入するからである。

【０００８】燃料交換機の設計においては、考慮しなけ
ればならない多くの位置誤差が存在し、そして絶対位置
づけの考えでは修正できない少なくとも１つの誤差は、
エンコーダによって与えられるＸ−Ｙ位置指示に対する
炉心内の燃料の可変実際位置である。燃料交換床の約１
７ｍ下方の深さにおける原子炉内の炉心レベルで±１５
〜２０ｍｍの範囲内の所要位置繰返し精度を得ることが
設計目標であり、これは費用がかかる。

【０００９】ヨーロッパ式設計に対し、米国の燃料交換
機は比較的軽いが、位置誤差がかなり大きい。これは幾
つかの要因、例えば、（１）構造体のたわみ性が高いこ
と、（２）駆動トレインが過多のバックラッシをもつこ
と、（３）入れ子式マストがその管部相互間に大きな間
隙をもつことの結果である。これらの問題の幾つかは少
数のプラントでは改造により修正されてきたが、米国の
燃料交換プラットホームは自動化には使用できない。な
ぜなら、装置の位置づけを十分な精度で繰返すことがで
きないからである。

【００１０】絶対位置づけ方法を燃料交換機の移動毎に
２つの燃料集合体の運動に適用することは困難である。
なぜなら、第２のマストと把持装置の重量が増しかつそ
れに応じて構造たわみが増大するからである。また、も
し両マストをＸおよびＹ方向において独立的に制御でき
なければ、双燃料運動の可能性は十分実現されない。従
来の燃料交換機の場合、ＸおよびＹ方向において２つの
把持装置の独立位置制御をなすと、機械の重量と設計の
複雑さが、実行可能な選択と考えられない点まで増大し
てしまう。

【００１１】

【発明の概要】燃料移動は繰返し頻度が高いので自動化
の最適目標である。しかし、従来の燃料交換機は自動化
されるように設計されなかった。新しい制御手段を加え
ることだけにより機械を自動化しようとしても、性能と
安全性と信頼性は高まらない。１つの重要な理由は、現
在のヨーロッパ式設計において使用されている絶対位置
づけ方式の結果として非常に質量の多い構造体と非常に
重い入れ子式マストが用いられていることであり、これ
らは両方とも正確に位置づけられなければならない。新
しい設計の目的はまさしく逆方向のこと、すなわち、位
置制御を受ける構成部の質量を最少にすることでなけれ
ばならない。

【００１２】本発明の燃料交換機の概念は、たわみの最
少化と機械加工精度とを重視せずに自動位置づけを達成
するものであり、たわみを最少にしそして加工精度を高
めようとすれば、いずれの場合も重い高価な装置を用い
ることになる。この新しい燃料交換概念を適用すると、
燃料交換に要する時間を減らし、作業者の技能への依存
度を減らし、作業者の放射線被曝を減らし、そして燃料
交換中の安全性と信頼性を高めることができる。

【００１３】新しい設計の目的は、対象物および文字認
識技術を適用して絶対位置制御ではなく相対位置制御を
可能にすることにより達成される。この変化は全構成部
の重量の低減を容易にし、従って位置信頼度を高める。
燃料交換マストの重量の大幅な低減の重要な結果とし
て、２つの全自動ロボットアームを用いて２つの燃料集
合体を同時にそれぞれ高い位置信頼度で動かすことがで
き、これにより燃料の移動速度を高め得る。加えて、本
発明の主目的は、燃料交換床レベルにおける位置指示器
から間接的にではなく、炉心レベルにおいて位置制御の
ために機械的視覚を適用することである。

【００１４】従って、本発明の好適実施例によれば、燃
料交換機は、移動プラットホーム上の２つのロボットア
ームと、たわみマストと、光学的対象物認識手段付き垂
下体と、互換性の相対位置づけ制御装置とからなる。こ
れらの構成部はコンパクトかつ軽量であり、これは既存
燃料交換ブリッジの改造を容易にする。新しい相対位置
づけ垂下体の概念は、計算機による制御装置と組み合わ
せた対象物および文字認識技術の最近の開発を利用す
る。この制御装置は炉心内の燃料レベルにおける把持装
置の位置繰返し精度を達成し、この制御装置により作業
者は燃料移送の手動、半自動または全自動方式を選択で
きる。この概念はまた１つの燃料集合体の移動または２
つ以上の燃料集合体の同時移動に容易に適用できる。

【００１５】垂下体は、エンドエフェクター（例えば燃
料把持装置）を担持するもので、新設計の主要部であ
る。２つのテレビジョンカメラが垂下体の両側において
垂下体上またはその内側に装着される。両カメラは固定
位置にあるが可変焦点距離を有する。本制御装置は符号
化形状を認識しそしてこの形状をカメラにより生じた映
像と比較することができる。Ｘ−Ｙ平面における位置の
相違は制御装置により決定され、そして垂下体ケーブル
を取付けた位置づけロボットが所定位置に動かされる。

【００１６】通常、ケーブルの端につるされた荷重の移
動に関する１つの問題は、荷重が位置づけロボットの停
止後揺動する傾向をもつことである。この傾向は、本発
明の好適実施例によれば、機敏な位置制御装置により除
かれる。プログラムされた加減速に基づいて、揺動の除
去に要する超過制御の正確な量が制御装置により計算さ
れそして運動制御シーケンスの一部分となる。

【００１７】アルミニウムまたはポリエチレン製の非常
に軽量のマストが設けられ、垂下体ケーブルが単一平面
内に留まることを確実にしそして回り止めに役立つ。こ
の種のマストの重量は従来の入れ子式マストの重量の約
１０分の１と推定され、そして位置繰返し精度を必要と
しない。本発明による入れ子式マストは予知し得るばね
定数だけを必要とする。好ましくは、入れ子式マストの
最上セグメントの上端は、マストの縦軸線を中心とする
回転を可能にするように装着される。

【００１８】

【実施例の記載】相対的位置づけ燃料交換機に可動燃料
交換ブリッジが含まれ、図１に示した構造体を支持す
る。この構造体は、支持構造体２と、一端が支持構造体
２に支持された片持ばり３と、一端が片持ばり３に連結
された関節ロボットアーム４と、ロボットアーム４の他
端に装着した入れ子式マスト６と、マスト６の底端に装
着した垂下体８とからなる。図７に示すように、ロボッ
トアーム４は関節ブームの形をなし、このブームは、一
端が一対の同軸継手７２ａ、７２ｂを介して片持ばり３
の端に枢着された第１リンク４ａと、一端が一対の同軸
継手７４ａ、７４ｂを介してリンク４ａの他端に枢着さ
れた第２リンク４ｂとからなる。入れ子式マスト６はリ
ンク４ｂの他端から垂下されている。継手７２ａ、７２
ｂを通る第１枢軸線は垂直であり、かつ継手７４ａ、７
４ｂを通る第２枢軸線と平行である。従って、各ロボッ
トアーム４の両リンクはヨー方向にだけ回転し得る。両
リンクのヨーイングは、燃料交換ブリッジ７０（図８参
照）の直動と組み合って、持上げるべき原子炉構成部に
対するエンドエフェクターの大まかな位置づけをもたら
す。

【００１９】片持ばり３に対するリンク４ａの枢動はサ
ーボ制御器４６（図１１参照）により制御され、このサ
ーボ制御器は、継手７２ａに組込んだ機械的伝動装置に
連結された交流サーボ電動機５２と、継手７２ｂに組込
んだ機械的伝動装置に連結された同等駆動装置とを駆動
する。これらの駆動装置は、それぞれのサーボ電動機が
同期作動をなすように連結されなければならない。同様
に、リンク４ａに対するリンク４ｂの枢動はサーボ制御
器４８により制御され、サーボ制御器４８は、継手７４
ａに組込んだ機械的伝動装置に連結された交流サーボ電
動機５４と、継手７４ｂに組込んだ機械的伝動装置に連
結された同等駆動装置とを駆動する。継手７４ａ、７４
ｂと関連する駆動装置は、それぞれのサーボ電動機が同
期作動をなすように連結されなければならない。サーボ
制御器４６、４８は中央処理装置５０から制御信号とデ
ータ信号を受け取る。

【００２０】本発明の考えによる入れ子式マストは非常
に軽くそして比較的たわみ性の高い１組のはめ合わせ管
であり、固定管６ａと可動管６ｂ〜６ｇ（図１参照）を
含んでいる。管６ｂ〜６ｇは固定マストセグメント６ａ
に対しかつ相互に対して滑ることができる。滑動自在マ
ストセグメントの数は特定用途の設計要件に基づいて３
から１０まで可変である。特に、この種の任意の設計で
は、必要な管の数は短縮長さと、管相互の重なり合い
と、延伸長さとに依存する。管伸縮時のたわみ性と位置
繰返し精度の程度は、管の真直度と、管相互間の間隙
と、重なり合いと、スペーサ設計とに依存する。管数の
増加は、一般に、個々の管と、重なり合いの長さと、所
与位置精度に対するスペーサ設計の製造公差に関してそ
れだけ不利になることを意味する。この弱点は、全体的
な位置精度が入れ子式マストの精度に直接依存する従来
の設計（ほとんどの現用原子炉で使用されている装置）
に関して特に重要であった。この依存性の結果、非常に
高価で、非常に重く、精密に機械加工された１組のはめ
合わせステンレス鋼管が必要であった。

【００２１】最上マストセグメント６ａはジンバル取付
け具（図示せず）によりリンク４ｂの末端に取付けられ
ている。ジンバル取付け具によりマストセグメント６ａ
はそれ自体の縦軸線の周りを回転し得る。マストの回転
はサーボ制御器４７（図１１参照）により制御され、こ
のサーボ制御器は機械的伝動装置に連結された交流サー
ボ電動機５３を駆動する。マストセグメント６ａは、ア
ームリンク４ｂに対して平行に直動できないという意味
で固定されている。

【００２２】図２について説明すると、垂下体８はエン
ドエフェクター例えば燃料把持装置１０または制御棒把
持装置（図示せず）を取付けるためのフランジ２４を有
するシリンダ２２を有する。シリンダ２２は垂下体ハウ
ジング内に延在し、角位置制御で約３６０度回転するよ
うに任意に設計され、この場合、入れ子式マストセグメ
ント６ａはその縦軸線を中心として回転し得る必要はな
い。フランジ付きシリンダ２２はまた垂直軸線において
ばね荷重をかけられ、燃料把持装置１０が燃料束集合体
のベイル２６に衝突した時に発生する全力のマストへの
伝達を防止する。マスト６はさらに、垂下体８に取付け
た取り外し自在付属物６ｈ（図２参照）と、ロボットア
ームリンク４ｂに取付けた取り外し自在付属物（図示せ
ず）とを含んでいる。

【００２３】垂下体とその荷重は、最も内側のマストセ
グメントに取付けた２本のワイヤロープまたはホイスト
ケーブル２０ａ、２０ｂ（図４参照）によって支持され
る。垂下体８は、ホイストケーブル巻取りドラム（図示
せず）の使用によるホイストケーブルの巻取りと繰出し
それぞれにより昇降する。各ホイストケーブルは装置の
全荷重を支えるように設計される。垂下体の重量は軽量
の入れ子式マスト６に垂直位置に垂下させるのに十分で
ある。マスト６は、図４に示すように、ホイストケーブ
ル２０ａ、２０ｂと、燃料把持装置１０操作用の空気供
給ホース２０ｃと、超音波変換器からの信号ケーブル２
０ｄと、超音波変換器への動力および制御ケーブル２０
ｅ用のシュラウドとして作用する。

【００２４】本発明は対象物および文字認識を適用する
もので、この認識は通常、機械的視覚（machine visio
n）と呼ばれる。機械的視覚を組入れた制御装置用のソ
フトウェアとハードウェアは市販されている。本発明
は、放射線の場における垂下体の水中操作と関連して機
械的視覚を適用する。性能を高めかつ費用を低減するた
めに、垂下体は、位置確認と衝突回避用のライトと超音
波変換器４２を備えたコンパクトな水中カメラ１２を有
する。超音波変換器４２は従来のように交互に送信モー
ドと受信モードで作用し得る。超音波変換器によって受
取られる戻りまたは反響信号の到着時間は、変換器と反
響物体との間の距離を示す。このデータは超音波処理器
４４で使用され、把持すべき目標燃料ベイル２６（図２
参照）に対する把持装置１０（または他のエンドエフェ
クター）の大まかな位置を示す信号を発する。この大ま
かな位置の情報は中央処理装置５０に伝えられ、この中
央処理装置はサーボ電動機５２、５４を制御して把持装
置１０と燃料ベイル２６との間の距離を減らす。

【００２５】カメラ１２は、図２に示すように、保持体
１６を用いて垂下体８の筒形本体１４の外部に装着され
得る。代替的に、図３に示すように、垂下体８´は筒形
本体１４´の内側に配置された２つのカメラ（図示せ
ず）を有する。両カメラからの映像は対象物認識処理装
置３８（図１１参照）により数値化され、そして記憶装
置４０に予め記憶されたイメージと比較され、燃料ベイ
ル２６に対する把持装置１０（または他のエンドエフェ
クター）の精密な位置と角位置を決定する。

【００２６】精密位置情報フィードバックに応じて、中
央処理装置５０はロボットアーム４を、把持装置がベイ
ルの上方に来るまで、関節運動させる。次いで、対象物
認識処理装置からの角位置情報に基づいて、計算機５０
は、サーボ制御器４７と交流サーボ電動機５３（図１１
参照）とによりマスト６を回転させ、これを把持装置と
ベイルが整合するまで行う。次いで、計算機５０により
サーボ制御器５６が交流サーボ電動機５８を働かせ、こ
の電動機はホイストケーブル巻取りドラム（図示せず）
を繰り出し方向に回転させ、その結果把持装置はベイル
上に降ろされる。最後に、計算機５０は把持装置操作弁
６０を開いて圧縮空気を圧縮空気供給源６２から空気作
動把持装置１０へ供給し、これにより把持装置をベイル
に連結する。次いで、把持されたベイルに取付けられて
いる燃料束集合体は、計算機５０の制御のもとで、ホイ
ストケーブル巻取りドラムを巻取り方向に回転させるこ
とにより、上昇し得る。

【００２７】代替的な好適実施例によれば、目標に対す
るエンドエフェクターの精密位置は水噴射スラスタを用
いて調整可能である。これが可能であるのは、マストが
その延伸状態で横方向にたわむように設計されるからで
ある。４つの水噴射スラスタ１８ａ〜１８ｄ（図１１参
照）が垂下体８´（図３参照）の本体１４´の外周に９
０度の間隔で隔設され、Ｘ−Ｙ面における微細な運動位
置制御をなす。水噴射スラスタは、中央処理装置５０の
制御を受ける水制御ステーション６４内の弁の動作によ
り高圧水源６６に選択的に接続される。スラスタは位置
制御計画に次のように利用される。

【００２８】ロボットアーム４（図７参照）の関節作用
と、燃料交換ブリッジ７０（図８参照）の直動は、中央
処理装置５０（図１１参照）により、アームリンクサー
ボ電動機５２、５４と燃料交換機駆動モータ７１それぞ
れを介して制御される。これは、燃料の把持と移動のた
めに垂下体８´（図３参照）の大まかな所要高速位置づ
けをもたらす。この大まかな位置づけは、計算機常駐の
位置テーブルを利用して±１００ｍｍ以内の精度で行わ
れることが期待される。大まかな相対位置に達した後、
超音波検出により決定されたように、燃料交換ブリッジ
７０は、それに支持された支持体２とともに、一時的に
適所に固定される。次いで、垂下体が降ろされるにつ
れ、カメラ１２は、ソフトウェアが燃料（または他の炉
心構成部）の把持に要する位置に対する垂下体の位置を
定めるのに必要な撮像をなす。この段階で、位置制御は
制御装置の機械的視覚構成部に移される。この中間位置
づけ工程は、把持すべき燃料ベイル２６（図２参照）の
レベルの４０００ｍｍないし１０００ｍｍ上方の距離で
約±１０ｍｍ以内の精度で行われることが期待される。
垂下体８´の下降速度は漸減され、そしてスラスタ１８
ａ〜１８ｄ（図３と図１１参照）は燃料ベイルの１００
０ｍｍないし１００ｍｍ上方の距離における真の把持用
位置の約±２ｍｍ以内に垂下体８´を位置づける。入れ
子式マスト６は最初の２０ｍｍの運動を可能にする十分
なたわみ性を有する。しかし、垂下体８´が緩やかに最
後の１０００ｍｍ降ろされるにつれ、ロボットアーム４
はマストの頂部のレベルで垂下体の上方の正確なＸ−Ｙ
位置に動かされ、その間垂下体の位置はスラスタにより
維持される。

【００２９】角位置は入れ子式マスト６の頂部で容易に
得られ、そしてスラスタが、上述のように、微細な運動
位置制御を確保するために使用される。スラスタの使用
により、非常に軽いたわみプラスチック製入れ子式マス
トの設計が可能になり、このマストは支持ケーブルと垂
下体のアンビリカル・コード用のガイドとしてのみ使用
される。

【００３０】マストは、把持されそして上方からロボッ
トアームにより位置づけられるべき燃料の上方に正確な
垂下体位置を定める垂下体の能力を妨げるべきではな
い。これは、マストが剛固である必要はないが比較的一
定のばね定数をもつべきであることを示唆する。すなわ
ち、マストの伸縮時の空動きは極めてわずかとなるべき
である。幾らかの空動きは容認されるが、過度の緩みは
ハンチングを引起こすおそれがあり、そうなると燃料の
把持に望ましくない時間遅れが生じる。スラスタを垂下
体に付加するので、入れ子管の剛性要件は重要でなくな
る。しかし、入れ子式マストの管数は少ない方が望まし
い。なぜなら、その組立体は比較的少ない部品を有し、
比較的軽くそして比較的廉価になるからである。各マス
トセグメントの重量低減はマストセグメントの落下に関
する配慮を不要にする。

【００３１】本装置の好適実施例によるスペーサを有す
る最低の２本のはめ合わせマストセグメント６ｆ、６ｇ
の合着部の垂直断面を図５に示す。各対のはめ合わせマ
ストセグメントの合着部には同様のスペーサ配置を施す
ことを理解されたい。各マストセグメントは、丸いコー
ナを有する長方形に類似した断面形を有する管である。
他の形状例えば長円形を用いてもよい。スペーサ組立体
２８、３０は管要素６ｆ、６ｇ間にそれらの合着部にお
いて配置されている。上側スペーサ組立体２８は管要素
６ｇの頂部に取付けられそして管要素６ｆ、６ｇ間に下
方に延在し、下側スペーサ組立体３０は管６ｆの底部に
取付けられそして両管要素間に上方に延在する。スペー
サ組立体２８、３０は共に管ガイドとして、また、管要
素６ｇが動けなくなった後落下した場合ダンパとして、
さらに管要素６ｆに対する管要素６ｇの下方変位に対す
る止め部として作用する。両スペーサ組立体の位置を図
５に示すが、両スペーサ組立体の構造は詳細に示してな
い。スペーサ組立体２８、３０は好ましくは成形された
プラスチック例えばポリエチレンで製造される。上側お
よび下側スペーサ組立体は、内側管セグメント６ｇと外
側管セグメント６ｆとが縦方向に相対的に変位する間、
両管セグメント間に所定間隙を維持する。

【００３２】下側スペーサ組立体３０（図６参照）は、
下側スペーサリング３０ａと、一端が下側スペーサリン
グ３０ａに連結されそして上方に延在する複数のたわみ
部材３０ｂ〜３０ｅとからなる。同様に、上側スペーサ
組立体は、上側スペーサリングと、一端が上側スペーサ
リングに連結されそして下方に延在する複数のたわみ部
材とからなる。下側スペーサリング３０ａは下側スペー
サ組立体３０を外側入れ子管、例えば図５の管セグメン
ト６ｆの下端に取付けるために用いられる。同様に、上
側スペーサリングは上側スペーサ組立体２８を内側入れ
子管例えば管セグメント６ｇの上端に取付けるために用
いられる。順次大きくなっている管相互間に上側スペー
サ組立体と下側スペーサ組立体が存在する。従って、図
１に示した６セグメントマストの場合、全部で１２個の
スペーサ組立体が存在する。

【００３３】たわみ部材（例えば３０ｂ〜３０ｅ）はそ
れぞれ図６に詳細に示すように多数の波形部を有する。
各波形たわみ部材は多数の概して平行な細長いスペーサ
ブロック３２を含み、これらのブロックは多数のたわみ
ビーム３４により順次連結されている。各ブロック３２
はスペーサリング３０ａの幅に等しい幅をもつ長方形断
面を有し、この幅は隣合うはめ合わせ管セグメント間の
所望間隙に等しい。図５について述べると、上側スペー
サ組立体２８のたわみ部材の末端は、例えば、管セグメ
ント６ｇが管セグメント６ｆに対して延伸位置にある
時、接触面Ｃにおいて下側スペーサ組立体３０の対応す
るたわみ部材３０ｂ〜３０ｅの対応末端と接触する。ス
ペーサ組立体の圧縮中のたわみビーム３４の曲げは、１
つの管セグメントがそれをはめ込んだ次の比較的大きな
管セグメントに対して落下する時の衝撃により発生する
力の減衰をもたらす。この衝撃は、上記の１つの管セグ
メントが動けなくなってから次の比較的大きな管セグメ
ントに対して滑った後発生し得る。波形部材の縦方向の
圧縮に従うビーム３４の曲げを容易にするために、ビー
ム３４は長方形ブロック３２に対して幾分斜めの角度で
ブロック３２に連結されている。各ブロックの片側は外
側入れ子管の内壁面と接触しそして他の側は内側入れ子
管の外壁面と接触する。ビーム厚さとブロック間の距離
を選定することにより、入れ子管セグメント間の最適力
が発生し得る。

【００３４】ヨーロッパと日本における現用装置はたわ
みを制限するように設計されているので、剛性が高く、
その結果固有振動数が高い。これに対し、本発明の燃料
交換機は、寸法と重量と費用を減らしそして制御装置の
応答性を高める手段としてたわみを許容するように設計
されている。期待すべき結果は、現用設計よりずっと低
い固有振動数である。

【００３５】燃料交換機の好適実施例によれば、２つの
固定ペデスタル（各ペデスタルは図１に示した支持構造
体２に類似）が、転動輪により１対の軌道上を線形に移
動する燃料交換ブリッジに装着される。図７に示したよ
うに構成されたロボットアームが１つずつ各ペデスタル
に取付けられる。この方式は、移動構造体の寸法と重量
を減らしてその費用を減らすとともに燃料運送時間の短
縮を容易にし得るという利点を有する。

【００３６】以上に概説した位置制御設計を利用する
と、構造体のたわみ性を高めることができる。なぜな
ら、燃料上方の把持装置の位置づけは構造体の剛性と非
常に緩く関係しているからである。すなわち、構造体の
位置誤差は±１００ｍｍ程の大きさをもち得る。加え
て、従来のマストとトロリと関連設備の全重量は、２つ
のロボットアームと２つのマストと燃料付きホイストの
全重量より幾分大きいことが期待される。この結果が可
能であるのは、マストの重量が非常に大幅に減少するか
らであり、また、制御装置全体が燃料交換機上ではなく
特別に設計した制御室内に配置されるからである。

【００３７】本発明の好適実施例によれば、燃料交換ブ
リッジは、図８と図９に見られるように、低輪郭ロボッ
トアーム支持体を有するように設計される。このブリッ
ジは、トロリを含まない典型的な従来の燃料交換プラッ
トホーム構造体の重量の３０％以下であることが期待さ
れる。この低輪郭構造体は、入れ子式マストの頂部の燃
料交換床の上方の取付け高さだけが異なる２例において
適用された。図８に示した低輪郭燃料交換機設計は１０
セグメントマストを必要とする。完全に短縮したマスト
６が、アームリンク４ｂの末端に取付けたピボット７８
を中心として枢動し得る。ピボット７８はほぼ水平に配
置され、短縮したマストの垂直位置から水平位置への枢
動を可能にする。マストを水平位置に回すには補助ホイ
ストが必要である。水平位置では、整備員がエンドエフ
ェクター交換のためにマストの下端に接近し得る。図９
に示した低輪郭燃料交換機設計は１１セグメントマスト
を必要とするが、エンドエフェクターは、マストを回す
ことなく交換できる。原子炉建物内に十分な高さがある
場合、図１０に示すような高輪郭型の燃料交換ブリッジ
を利用でき、この場合、１対の固定ペデスタル８０ａ、
８０ｂが高輪郭ロボットアーム支持体８０の横部材８０
ｃを支持する。

【００３８】本発明による制御装置は、燃料移動のため
に３方式の作用、すなわち、全自動式と、半自動式すな
わち作業者確認のための中断を伴う自動式と、手動式の
作用が可能である。全自動式では、制御装置は、作業者
の介在なしに、連続する多数の位置命令、例えば、炉心
全体の燃料取出しまたは再装荷を自動的に実行し得る。
例えば、作業者が装置を始動すると、燃料集合体が自動
的に把持されそして炉心内の特定位置から経路に沿って
使用済み燃料貯蔵プールに移される。装置は自動的に燃
料を使用済み燃料貯蔵プール位置に挿入し、燃料を離
し、炉心に戻り、そして次の特定燃料集合体を把持す
る。この工程は所定シーケンスが完了するまで続行され
る。所定シーケンスは教示モードで設定または変更され
得る。教示モードにより、作業者は手動でシーケンスに
沿って進むことができ、その後機械がその正確なシーケ
ンスを繰返す。これは、手動でシーケンスに従って把持
装置をプラットホームから動かすことにより物理的に達
成され、あるいはグラフィックシミュレーションにより
達成され得る。

【００３９】半自動式では、シーケンスは、自動工程が
所定段階で停止しそして制御が作業者の行動に委ねられ
るという点を除けば、前述と同様である。例えば、装置
は、マストを把持すべき燃料の上方に止めて作業者が燃
料集合体の位置と番号を確認し得るようにセットされ得
る。作業者が満足した時、作業者は制御を自動に戻しそ
して機械は次の段階を行う。制御装置は作業者が特定の
中断を選択し得るように設計される。

【００４０】手動式では、作業者は特定位置を選択しそ
してプラットホームとマストがその位置に動くようにす
る。任意の座標または座標の組合せを入力し得る。作業
者は燃料交換機またはそのマストの位置を直接制御する
のではなく、位置命令または位置命令シーケンスが制御
装置に与えられ、その時制御装置がプラットホームの運
動を制御する。

【００４１】全ての作用方式において、制御装置は干渉
を防止する禁じられた位置とシーケンスを包含する。信
頼性確保のために、この特徴は２つの独立方法により達
成される。第１に、制御装置内の参照用テーブル（また
はメモリ常駐方法）が、マストが取り得るＸＹＺ位置を
もたらす。第２に、垂下体上の直接近接測定装置、例え
ば超音波変換器が、障害物までの距離を、例えば、超音
波パルスの送信と障害物からのその反響の受信との間の
時間間隔を測定することにより確認する。

【００４２】上述の好適実施例は例示の目的で開示した
もので、様々な改変が可能であることは、機械的視覚技
術とロボット工学に関係する当業者には明らかであろ
う。例えば、関節ブームのリンクのヨーイング駆動用の
任意の適当な装置を用いることができる。さらに、プロ
ペラにより駆動されるスラスタを水噴射スラスタの代わ
りに使用できることも当業者には明らかであろう。この
ような改変は全て特許請求の範囲に包含されるべきもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一好適実施例によりロボットアームに
取付けられた６要素マストの斜視図である。

【図２】本発明の入れ子式マストの下端に取付け得る燃
料束集合体把持用垂下体の側面図である。

【図３】本発明の代替好適実施例による垂下体の斜視図
である。

【図４】図１に示した６要素入れ子式マストの水平断面
図である。

【図５】本発明による入れ子式マストの最低の２本のは
め合わせ管の合着部の垂直断面図で、スペーサの位置を
示す。

【図６】本発明の一好適実施例によるスペーサ組立体の
正面図である。

【図７】本発明の一好適実施例によるロボットアームの
斜視図である。

【図８】本発明の好適実施例による低輪郭構造体と隆起
したロボットアーム支持体とを有する燃料交換機の斜視
図である。

【図９】本発明の好適実施例による２つのロボットアー
ムを有する燃料交換機の斜視図で、各アームは入れ子式
マストを持上げる上向きリンクを有する。

【図１０】本発明の好適実施例による高輪郭燃料交換ブ
リッジの斜視図である。

【図１１】本発明による、燃料束集合体に対するエンド
エフェクターの位置づけを制御する装置のブロック線図
である。

【符号の説明】

２ 支持構造体 ３ 片持ばり ４ ロボットアーム ４ａ 第１リンク ４ｂ 第２リンク ６ 入れ子式マスト ８、８´ 垂下体 １０ 燃料把持装置 １２ カメラ １８ａ〜１８ｄ 水噴射スラスタ ３８ 対象物認識処理装置 ４２ 超音波変換器 ７０ 燃料交換ブリッジ ７２ａ、７２ｂ 継手 ７４ａ、７４ｂ 継手 ７８ ピボット ８０ ロボットアーム支持体

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料交換ブリッジと、第１および第２端
   を有する第１関節アームと、前記燃料交換ブリッジに装
   着されそして前記第１関節アームの前記第１端に連結さ
   れた第１支持構造体と、前記第１関節アームの前記第２
   端から垂下された第１入れ子式マストと、この第１入れ
   子式マストの底端に装着された垂下体と、この垂下体に
   結合されたエンドエフェクターとからなり、前記関節ア
   ームは水平面内だけで前記燃料交換ブリッジに対して可
   動であるようになっている原子炉燃料交換用の燃料交換
   機。
2. 【請求項２】 前記第１関節アームは第１および第２リ
   ンクからなり、前記第１関節アームの前記第１リンクは
   前記第１支持構造体との第１継手において枢動自在であ
   り、前記第１関節アームの前記第２リンクは前記第１関
   節アームの前記第１リンクとの第２継手において枢動自
   在であり、前記第１入れ子式マストは前記第１関節アー
   ムの前記第２リンクから垂下されており、前記第１およ
   び第２継手はそれぞれ垂直回転軸線を有する請求項１記
   載の燃料交換機。
3. 【請求項３】 第１および第２端を有する第２関節アー
   ムと、前記燃料交換ブリッジに装着されそして前記第２
   関節アームの前記第１端に連結された第２支持構造体
   と、前記第２関節アームの前記第２端から垂下された第
   ２入れ子式マストとをさらに含む請求項１記載の燃料交
   換機。
4. 【請求項４】 前記第１入れ子式マストは水平軸線を中
   心として前記第１関節アームの前記第２リンクに対して
   枢動自在である請求項２記載の燃料交換機。
5. 【請求項５】 前記エンドエフェクターは空気作動把持
   装置からなる請求項１記載の燃料交換機。
6. 【請求項６】 前記入れ子式マストは縦軸線を中心とし
   て前記第１関節アームの前記第２リンクに対して回転自
   在である請求項１記載の燃料交換機。
7. 【請求項７】 前記垂下体は縦軸線を中心として前記入
   れ子式マストに対して回転自在である請求項１記載の燃
   料交換機。
8. 【請求項８】 前記垂下体に装着された超音波変換器を
   さらに含む請求項１記載の燃料交換機。
9. 【請求項９】 前記垂下体に装着されたカメラと、この
   カメラからの映像を予め記憶されたイメージと比較する
   対象物認識手段とをさらに含む請求項１記載の燃料交換
   機。
10. 【請求項１０】 前記垂下体に装着された水噴射スラス
    タと、この水噴射スラスタへの高圧水の供給を制御する
    弁制御手段とをさらに含み、前記入れ子式マストは前記
    水噴射スラスタによって加えられる推力に応じて横方向
    にたわむように設計される、請求項１記載の燃料交換
    機。
11. 【請求項１１】 燃料交換ブリッジと、第１および第２
    端を有する第１ビームと、前記燃料交換ブリッジに装着
    され、そして前記第１ビームの前記第１端を支持構造体
    に結合する第１継手を有する支持構造体と、前記第１ビ
    ームの前記第２端から垂下された入れ子式マストと、こ
    の入れ子式マストの底端に装着された垂下体と、この垂
    下体に結合されたエンドエフェクターとからなり、前記
    第１ビームは前記第１継手の回転軸線を中心として回転
    自在でありそして前記第１継手に対して他の自由度を有
    しない、原子炉燃料交換用の燃料交換機。
12. 【請求項１２】 前記支持構造体は、第１および第２端
    を有しそして該第１端が前記燃料交換ブリッジに装着さ
    れている片持ばりと、第２継手により前記片持ばりの前
    記第２端に結合された第１端と前記第１継手により前記
    第１ビームの前記第１端に結合された第２端とを有する
    第２ビームとからなり、前記第２ビームは前記第２継手
    の回転軸線を中心として回転自在でありそして前記第２
    継手に対して他の自由度を有しない、請求項１１記載の
    燃料交換機。
13. 【請求項１３】 前記入れ子式マストは水平軸線を中心
    として前記第１ビームの前記第２端に対して枢動自在で
    ある請求項１１記載の燃料交換機。
14. 【請求項１４】 前記入れ子式マストは縦軸線を中心と
    して前記第１ビームの前記第２端に対して回転自在であ
    る請求項１１記載の燃料交換機。
15. 【請求項１５】 前記垂下体は縦軸線を中心として前記
    入れ子式マストに対して回転自在である請求項１１記載
    の燃料交換機。
16. 【請求項１６】 前記垂下体に装着された超音波変換器
    をさらに含む請求項１１記載の燃料交換機。
17. 【請求項１７】 前記垂下体に装着されたカメラと、こ
    のカメラからの映像を予め記憶されたイメージと比較す
    る対象物認識手段とをさらに含む請求項１１記載の燃料
    交換機。
18. 【請求項１８】 前記垂下体に装着された水噴射スラス
    タと、この水噴射スラスタへの高圧水の供給を制御する
    弁制御手段とをさらに含み、前記入れ子式マストは前記
    水噴射スラスタによって加えられる推力に応じて横方向
    にたわむように設計される、請求項１１記載の燃料交換
    機。
19. 【請求項１９】 入れ子式マストに装着された把持装置
    を原子炉内の燃料集合体のベイルに遠隔結合する方法で
    あって、前記入れ子式マストの一端にテレビジョンカメ
    ラを取付ける段階と、前記把持装置が前記ベイルのほぼ
    上の位置に存在するようになるまで前記入れ子式マスト
    を水平面内で移動する段階と、前記入れ子式マストを水
    平面内で移動することなく前記入れ子式マストを伸ばし
    て前記把持装置を降ろす段階と、前記テレビジョンカメ
    ラを働かせて前記把持装置の下にある前記ベイルの映像
    を形成する段階と、前記ベイルの前記テレビジョン映像
    を計算機記憶装置に予め記憶されたベイルのイメージと
    比較する段階と、前記テレビジョン映像が所定公差以内
    で前記予記憶イメージと合致するまで前記把持装置を前
    記入れ子式マストの軸線を中心として回す段階とを包含
    する方法。
20. 【請求項２０】 前記テレビジョン映像と前記予記憶イ
    メージとの合致の程度に基づいて推力を前記入れ子式マ
    ストの底端に加えることにより前記入れ子式マストを横
    方向にたわませる段階をさらに包含する請求項１９記載
    の方法。