KR101844910B1 - 비상 안전 로드의 구동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 핵 기술, 및 특히 원자로를 제어하고 보호하기 위한 시스템에 관한 것이다. 원자로의 비상 안전 로드의 구동기로서, 전기 구동기, 감속 기어, 및 랙-피니언 기어를 포함한다. 전기 구동기는 모터 로터 위치 센서를 갖는 전기 구동기의 하우징 안에 설치되는 전기 모터, 및 구동기의 요구되는 속도 및 파워 성능을 위해 전기 구동기의 회전 속도를 변경하기 위한 감속 기어를 포함한다. 연결되어 있는 시스템 흡수기 제어 및 보호 로드의 왕복 운동을 위해 치형 랙이 랙-피니언 기어의 축선을 따라 설치되어 있다. 비접촉식 전류 공급부를 갖는 치형 전자기 클러치가 랙-피니언 기어의 내부 축에 설치되어, 하프 커플링의 강성적이고 동시적인 기계적 연결이 가능하게 되고, 구동기는 랙 피니언과 연동하는 역운동 커플링, 랙 분리 스프링 및 치형 랙 위치 센서를 포함한다. 본 발명에 의해, 원자로 코어에 네거티브 반동을 추가하는데에 필요한 시간을 줄일 수 있다.

Description

비상 안전 로드의 구동기{DRIVE OF AN EMERGENCY SAFETY ROD}
본 발명은 핵 기술에 관한 것으로, 특히, 비상 네거티브 반동 삽입 조건 하에서의 고속 중성자 원자로의 작동을 위한 시스템, 및 원자로의 제어 및 보호 시스템(CPS)에 관한 것이다.
주 회로에 있는 무거운 액체 금속 냉각제(공정(eutectic) 납-비스무스 합금) 및 이차 회로에 있는 작동 매체(수증기)를 갖는 이중 회로 반응기 플랜트가 설계되어, 핵 에너지를 포화 중기의 열 에너지로 전환시킨다.
비상 보호 구동기는, 반응기 플랜트 코어 안으로의 비상 안전 제어 로드의 신속한 삽입에 의해 반응기 플랜트(RP)의 핵분열 연쇄 반응의 신속한 자동 및 원격 수동 종결의 안전 기능을 수행하도록 설계되어 있는 CPS 장치이다.
현대의 반응기 제어 및 보호 시스템에서, 액츄에이터의 사양, 예컨대 코어 안으로 들어가는 제어 로드의 삽입 속도 및 비상 보호 기능의 신뢰성, 즉 코어 안으로의 제어 로드의 확실한 삽입에 대해 높은 요건이 부과된다.
BN-350 반응기 비상 안전 부재의 액츄에이터(Mitenkov F.M. 등. 나트륨 냉각식 고속 반응기를 위한 제어 및 보호 로드의 액츄에이터, Atomizdat, 1980, pp. 51 - 58)가 알려져 있다. 액츄에이터는 2개의 개별적인 어셈블리, 즉 서보 및 로드와 랙-피니언 기어를 갖는 시일링된 랙으로 이루어진다. 로드를 갖는 랙은 중앙 반응기 칼럼의 구조 관의 플랜지에 장착된다. 랙은 랙 자체, 팁트(tipped) 로드 및 그립으로 이루어진다. 랙의 바닥에 가이드 로드가 있고 또한 정상부에는 댐핑 스프링이 있다. 가이드 바아 및 그립을 제어하는 구동 캠 스플라인에 연결되어 있는 하부 관은 로드를 통과한다.
랙-피니언 기어는 한쌍의 기어, 가이드 롤러, 가속 스프링, 및 유도식 엔드 스위치를 갖는 케이스를 포함한다.
서보는 플레이트 지지부에 설치되는 별도의 어셈블리이다. 서보 감속 기어의 출력축은 치형(toothed) 클러치를 사용하여 랙-피니언 기어의 입력축에 연결되어 있다. 서보는 DC 전기 모터, 2단 웜형 감속 기어, 전자석, 위치 센서, 제어 레버를 갖는 원추 마찰 클러치, 및 스핀들 너트로 이루어진다. 전기 모터 축은 크로스 링크 클러치를 통해 감속 기어 입력 축에 연결된다.
크로스형 클러치, 한쌍의 실린더 및 웜 기어에 의해 회전이 전기 모터로부터 볼형 커넥터를 통해 구동 마찰 하프 커플링에 전달된다. 잔자삭이 온으로 되면, 후자는 운동을 피동 하프 커플링에 전달하고 그리고 두쌍의 실린더 기어를 통해 출력축에 전달한다. 마찰 클러치에 필요한 클러치 토크는 요크, 레버 및 스프링을 갖는 크로스 부재 및 그 안에 설치되는 스러스트 베어링을 통해 전자석을 통해 제공된다. 운동은 서보로부터 치형 클러치를 통해 시일 어셈블리 축에 전달되고 이어서 기어 쌍에 전달되고, 이 기어는 회전 운동을 그립과 반응기 비상 안전 부재를 갖는 로드의 왕복 운동으로 전환시킨다.
그러나, 상기 액츄에이터의 설계는 많은 단점을 갖는다. 기구는 2개의 어셈블리를 포함하고, 복잡한 기어를 포함하는데,. 모터는 비동기이고 조절 가능하지 않기 때문이다. 커플링은 별도의 전자석을 갖는 마찰 클러치를 통해 제공된다. 마찰면의 마모로 인해 과정에서 윤활제, 이물질 등의 유입으로 인해 마찰 클러치 커플링의 신뢰성이 감소될 수 있다. 상기 기구는 만들기 어렵고 큰 치수를 갖는다.
BN-600 반응기 비상 안전 부재의 액츄에이터(Mitenkov F.M. 등. 나트륨 냉각식 고속 반응기를 위한 제어 및 보호 로드의 액츄에이터, Atomizdat, 1980, pp. 62 - 71)가 알려져 있다. 기어 선도 및 제어 로드 액츄에이터 선도는 2개의 구동 트레인, 즉 로드 서보 및 그립 서보로 이루어진다. 로드 서보는 전기 구동기, 상부, 중간 및 하부 감속 기어, 토션 축, 전자기 클러치, 오버런 클러치, 한쌍의 기어, 그립을 갖는 로드, 위치 센서, 가속 스프링 및 댐핑 스프링으로 이루어진다.
그립 서보 기어 선도는 전기 모터, 2-단 원형 감속 기어, 회전 튜브, 펄스 센서, 캠을 갖는 중공 축, 및 가이드 바아로 이루어진다.
BN-600 반응기 비상 안전 부재의 기능적 액츄에이터는 BN-350 반응기 비상 안전 부재의 액츄에이터와 비슷하다. 치수는 감소되어 있다. 그러나, 그의 기어는 더 복잡하다. 기어가 복잡하여, 액츄에이터의 신뢰성이 낮아진다.
더욱이, 비접촉식 전자기 클러치 대신에 자기적 마찰 클러치를 사용하면 전자기장이 발생된다. 피동 로터 저항 모멘트가 증가하면 피동 로러의 치부가 구동 로터 치부에 대해 어떤 각도 만큼 이동하게 된다. 피동 로터 축에 하중이 가해되면, 로터 치부 사이의 이동 각도가 한계를 초과하여, 슬립, 즉 고장이 일어날 것이다. 로터는 동기에서 벗어나고 토크는 더 이상 전달되지 않는다.
추가로, 랙 피니언에 전달되는 회전 부품의 관성 모멘트는 로드 하강 시간을 증가시킨다. 클러치의 단점 중의 하나는 그의 높은 에너지 소비에 있다.
본 발명은 비상 발생시 원자로 안으로의 네거티브 반동 삽입의 시간을 줄이고 비상 안전 로드 구동기 설계의 신뢰성을 개선하고 그래서 반응기 플랜트 전체의 안전와 신뢰성을 개선하고자 하는 과제를 해결한다.
청구된 원자로 비상 안전 로드 구동기 설계의 기술적 결과는 다음과 같다:
- 신뢰적인 구동기 기어 작동;
- 구동 트레인 개방 시간의 단축 및 이에 따른, 비상 도는 정전 발생시 비상 안전 흡수기 로드 삽입 시간의 단축;
- 오버런 클러치를 통한 들어올림 작동을 위한 랙 피니언의 회전을 배제하고, 흡수기 로드가 하강될 때, 랙의 역운동과 CPS 흡수기 로드(점핑)의 신뢰적인 연동;
- 전자석과 치형 클러치 시스템의 복잡한 조절 및 조합 설정의 제거;
- 구동기의 소형화.
이 문제를 해결하기 위해, 전기 구동기, 감속 기어, 및 랙-피니언 기어를 포함하는 원자로 비상 안전 흡수기 로드 구동기의 설계가 제안되었다. 전기 구동기는 브리시레스 전기 모터, 전기 구동기의 하우징 안에 설치되는 모터 스테이터, 구동기 축에 단단히 연결되는 로터를 포함한다. 영구 자석에 기반하는 비접촉식 전기 모터가 브러시레스 전기 모터로서 사용된다. 구동기 축은 회전 베어링에 장착된다.
비접촉식 싱크로 리졸버(synchro resolver)가 전기 구동기 축에 장착된다. 통상시에는 폐쇄되는 전자기 브레이크도 이 축에 장착된다.
회전 운동을 선형 운동으로 변환시키는 랙 피니언에 의해 연결되어 있는 CPS 흡수기 로드의 왕복 운동을 위해 치형 랙이 랙-피니언 기어의 축선을 따라 설치되어 있다.
랙-피니언 기어의 치형 랙은 랙-피니언 기어 하우징 내의 가이드 안에 설치된다. 고 보자력(coercivity) 자석이 치형 랙의 상부에 설치된다. 그의 보호 슬리브는 가이드로서 역할한다. 자석은 CPS 흡수기 로드를 갖는 치형 랙의 단부 위치를 제어하는 유도식 한계 스위치에 신호를 전달하도록 설정되어 있다. 유도식 한계 스위치는 랙-피니언 기어의 하우징 외부에 설치된다.
랙 분리 스프링의 상단부는 랙-피니언 기어 하우징 케이스 덮개에 안착되고, 그의 하단부는 자석 슬리브에 안착된다.
전자기 클러치는 랙-피니언 기어의 내부축에 설치되고, 그의 하우징은 랙-피니언 기어 내부 공동부 안에 고정된다. 기어 하프 커플링은 전자기 클러치의 입력 요소에 장착되고, 오버런 클러치 슬리브에 단단히 연결되고, 오버런 클러치 허브는 축에 장착된다.
전기 구동기의 축선은 치형 랙의 축선에 팽행하다.
CPS 흡수기 로드는 구동 트레인이 개방되어 있을 때 하강된다.
치형 랙 분리 스프링은 복합적일 수 있고, 특수한 부싱으로 서로 연결되어 있는 수개의 부품으로 이루어져 있다. 이리하여, 구동기의 성능을 제어할 수 있고 제조비를 줄일 수 있다.
상기 비상 안전 흡수기 로드 구동기의 내부 공동부는 누설이 방지되어 있다. 주 구동 어셈블리의 연결부는 방사선 내성 재료의 시일을 갖는다.
전기 구동기 하우징 안에 장착되는 모터 스테이터는 회전 및 축방향 변위를 못하게 되어 있다.
비접촉식 토크 모터는 요구되는 속도와 토크 값을 갖는 축에 대한 토크를 견딘다.
비접촉식 싱크로 리졸버는 전기 모터 로터의 비접촉식 위치 센서로서의 역할을 한다.
모터가 비활성화되면, 전자기 브레이크는 축의 회전을 방지하여, CPS 흡수기 로드를 갖는 치형 랙의 운동을 회피한다.
치형 하프 커플링은 전기 구동부로부터 토크를 전자기 클러치에 랙-피니언 기어에 전달하도록 설계되어 있다. 하프 커플링은 전자기 클러치의 입력 부재에 장착되고, 오버런 클러치 슬리브를 나타낸다.
오버런 클러치는, CPS 흡수기 로드가 코어 안에서 하강될 때 점핑하는 것을 방지하고, 전자기 클러치가 비활성화될 때 외부의 동적 하중으로 인한 상기 로드의 들어 올림 작용을 제거한다.
구조적으로, 전기 구동기, 감속 기어 및 랙-피니언 기어를 포함하는 비상 안전 흡수기 로드의 청구된 구동기는 단일체이다.
도 1 은 원자로 비상 안전 로드 구동기의 전체적인 단면도를 나타낸다.
도 2 는 도 1 의 비상 안전 로드 구동기의 기어 선도를 나타낸다.
도 3 은 도 1 의 A - A 단면을 나타낸다.
도 4 는 도 1 의 B 부분에 대한 상세도를 나타낸다.
CPS 비상 안정 로드 구동기는 원자로 하우징에 랙(rack) 장착된다. 이 구동기는 전기 구동기(1)를 포함하고, 이 전기 구동기는 그의 하우징(2) 안에 고정되는 모터 스테이터(3) 및 2개의 회전 베어링(6)에 의해 모터 축(5)에 설치되는 모터 로터(4)를 갖는다. 리졸버 로터(7)가 모터 축에 설치되어 있고, 그의 스테이터(8)는 하우징(2) 안에 고정되어 있다. 비접촉식 리졸버는 모터 로터 각위치 센서로서 역할한다. 전자기 브레이크(9)와 감속 기어(10)가 또한 전기 구동기 축에 설치되어 있다.
랙-피니언 기어는 하우징(11) 및 하우징 축선을 따라 설치되는 치형 랙(toothed rack; 12)을 포함한다. 흡수기 로드(13)가 치형 랙(12)의 단부에 장착되어 있다. 자석(14)이 치형 랙(12)의 정상부에 설치되는데, 이는 치형 랙(12) 가이드로서의 역할도 한다. 자석(14)은 하우징 케이스(11)의 외부에 설치되어 있는 유도식 한계 스위치(15)에 신호를 보내도록 설계되어 있다. 치형 랙(12)의 축선은 전기 구동기의 축선에 팽행하다.
전자기 클러치(12)가 랙-피니언 기어의 축(17)에 설치되어 잇고, 그의 하우징은 회전을 못하게 되어 있다. 추가로, 기어 하프 커플링(18)(오버런 클러치(19) 슬리브)이 전자기 클러치의 입력 요소에 장착되어 있다. 오버런 클러치 허브(20)가 축에 고정되어 있다.
토크가 감속 기어(10)와 클러치 하프 커플링(16)을 통해 랙 피니언(21)에 전달된다.
CPS 흡수기 로드(13)를 갖는 치형 랙(12)의 정상부에 랙 분리 스프링(22)이 설치되어 있다. 스프링(22)의 상단부는 랙-피니언 기어의 덮개에 안착되고, 하단부는 자석 슬리브(14)에 안착된다. 랙 분리 스프링(22)은 특수한 베어링(23)에 의해 나누어져 있는 수개의 스프링으로 이루어져 있다. 충격 흡수기(24)가 랙-피니언 기어 하우징(11) 안에 설치된다.
상기 장치는 다음과 같이 작용한다.
비상 보호 경고 신호가 발생되면, CPS 흡수기 로드(13)가 코어 안으로 삽입되고, 전기 구동기가 하강 작용을 전환된다. 축이 하강 작용을 위해 회전하면, 토크가 감속 기어(10)와 전자기 클러치(16)의 하프 커플링을 통해 랙 피니언(21)에 전달되고, 이 랙 피니언은 회전 운동을 선형 운동으로 변환시킨다. 흡수기 로드(13)가 하부 한계 스위치(15)에 도달하면, 전기 구동기가 차단된다. 브레이크 클러치는 비활성화되고, 모터 구동기는 감속되어, CPS 흡수기 로드(13)를 갖는 치형 랙(12)의 상향 운동을 방지한다.
비상 보호 경보 신호에 따라, 전자기 클러치(16)가 비활성화되고, 전자기 클러치의 가동 부품이 전자기 클러치 하우징 안에 있는 막 스프링에 의해 개방되고, 랙-피니언 기어 축(17)과 전기 구동기 축(5) 사이의 구동 트레인이 개방된다. 상호 연동 개방의 결과, CPS 흡수기 로드(13)를 갖는 치형 랙(12)은 중력 및 분리 스프링(22)에 의해 반응기 코어 안으로 하강된다. 스프링은 흡수기 로드 삽입의 전체 길이를 따라 해제되어 그의 삽입 시간이 최소화되고, 오버런 클러치(19)가 흡수기 로드(13)의 충격 점핑을 방지한다.
구동 기어에 의해 흡수기 로드가 중간 위치로부터 하강될 수 있다.
상부 유도식 한계 스위치(15)에 보내지는, 하부 위치로부터의 들어 올림 작용을 위한 신호에 따라 CPS 흡수기 로드(13)가 로딩될 때(정전 중에 원자로의 긴급한 정지가 일어나는 경우), 처리는 다음과 같다. 전압이 유도식 한계 스위치(15) 및 전자기 클러치(16)에 가해진다. 모터로부터 운동을 감속 기어(10)를 통해 랙 피니언(21)에 전달하는 구동 트레인이 폐쇄된다. 전기 구동기는 들어 올림 작용으로 전환된다. 허브(20)와 슬리브(19)의 회전이 동기화되어 있기 때문에 오버런 클러치는 비작용 상태로 된다. CPS 흡수기 로드(13)를 갖는 치형 랙(12)은 상부 한계 스위치까지 이동한다. 그런 다음, 전기 구동기가 오프로 된다. 추가로, 브레이크 클러치(9)가 또한 비활성화되고, 전기 구동기 축(5)이 감속되고, CPS 흡수기 로드(13)의 슬립핑이 배제된다.
삽입되어 있는 CPS 흡수기 로드(13)가 전력 공급의 중단 없이 들어 올려지면, 전자기 클러치(16)가 작동될 것이다. CPS 흡수기 로드(13)의 운동은 전술한 모드와 유사하다.
CPS 비상 안전 로드 구동기의 청구된 설계에 의해, 설계의 신뢰성이 개선되고, 비상 발생시 네거티브 반동 삽입의 시간이 줄어들며, 그래서 반응기 플랜트 전체의 안전과 신뢰성이 실질적으로 개선된다.

Claims (12)

  1. 원자로의 비상 안전 로드의 구동기로서, 전기 구동기, 감속 기어, 및 랙-피니언 기어를 포함하고, 상기 전기 구동기는 모터 로터 위치 센서를 갖는 전기 구동기의 하우징 안에 설치되며 영구 자석에 기반하여 제작된 비접촉식 전기 모터, 및 구동기의 요구되는 속도 및 파워 성능을 얻기 위해 전기 구동기의 회전 속도를 변경하기 위한 감속 기어를 포함하고, 서로 연결되어 있는 시스템 흡수기 제어 및 보호 로드의 왕복 운동을 위해 치형(toothed) 랙이 랙-피니언 기어의 축선을 따라 설치되어 있고, 비접촉식 전류 공급부를 갖는 치형 전자기 클러치가 랙-피니언 기어의 내부 축에 설치되어, 하프 커플링의 강성적이고 동시적인 기계적 연결이 가능하게 되고, 상기 구동기는 랙 피니언과 연동하는 역운동 커플링, 랙 분리 스프링 및 치형 랙 위치 센서를 포함하는, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터 로터 위치 센서는 비접촉식인, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    비접촉식 싱크로 리졸버(synchro resolver)가 모터 로터 위치 센서로서 사용되는, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    고 보자력(coercivity) 자석이 치형 랙의 상부에 설치되어 있는, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    통상시에는 폐쇄되는 전자기 브레이크가 전기 구동기의 축에 설치되어 있는, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 구동기의 축선은 치형 랙의 축선에 평행한, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 비상 안전 로드의 구동기의 내부 공동부는 누설이 방지되어 있는, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동기의 전기 장비는 가동 전기 접촉자를 포함하지 않는, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    랙 분리 스프링이 치형 랙 위에 설치되어 있는, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 랙 분리 스프링은 복합형일 수 있는, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    유도식(비접촉식) 센서가 치형 랙 위치 센서로서 사용될 수 있는, 원자로의 비상 안전 로드의 구동기.
KR1020167007247A 2013-10-31 2014-04-18 비상 안전 로드의 구동기 KR101844910B1 (ko)

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