TWI497530B - 核反應器之控制棒驅動機構 - Google Patents

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Description

核反應器之控制棒驅動機構
於壓水式反應器(Pressurized Water Reactor,PWR)或其他型式之核反應器中，可移動控制棒被用於控制該核反應。該等控制棒包括中子吸收材料，且被配置成將插入該反應器核心。一般言之，該控制棒越被插入該核心，則越多中子被吸收且越多核反應率被慢下來。該插入量之精密控制、及該插入量之精確計量係有用的，以便精確地控制該反應度。該等控制棒驅動機構(Control Rod Drive Mechanism,CRDM)提供此控制。
在緊急情況下，該等控制棒能被完全插入，以便迅速地淬熄該核反應。於此一“急停(scram)”中，具有用於插入該等控制棒的另一選擇之快速機構係有用的。額外地或另一選擇地，其係已知具有完全地插入(如此關閉該核反應)或完全地縮回(如此造成該反應器操作)之任一種的專用控制棒。於此等系統中，該等“開啟/關閉”控制棒有時候被稱為“停機棒(shutdown rod)”，而該等可連續地調整之控制棒有時候被稱為“灰棒(gray rod)”。
基於這些考量，吾人已知建構一採用導螺桿之控制棒驅動機構，該導螺桿被可分開之滾子-螺帽總成所嚙合。於正常操作期間，該滾子-螺帽總成藉由作用頂抗偏向彈簧之確定的磁力被夾至該導螺桿上。藉由轉動該滾子螺帽，該導螺桿且因此該等附接之控制棒係以可精確地控制之方式被移動朝向或遠離該反應器核心。於急停中，該電流被切斷，如此切斷該磁力，該等偏向彈簧打開該能分開的滾子螺帽，且該灰棒包括該導螺桿急停。此一組構的範例係譬如揭示於MIT(麻州理工學院)核子工程系(1977年)之的Domingo Ricardo Giorsetti之M.S.N.E論文”Analysis of the Technological Difference Between Stationary & Maritime Nuclear Power Plants”，其全部以引用的方式併入本文中。
用於一體化壓水式反應器(一體化PWR)，吾人已知在外側安裝該控制棒驅動機構及藉由合適之饋線與該高壓容器內側的控制棒耦接。為減少饋線之範圍，其亦已被提出將該控制棒驅動機構整合在該高壓容器內。譬如，見藉由日本原子能協會於1992年10月所發表之1992年10月25-29日(日本東京)、先進核能反應器(ANP’92)的設計及安全性之國際會議的會議記錄之石阪等人，“用於先進的船用反應器X(MRX)之內建型控制棒驅動機構(CRDM)的發展”，其全部以引用的方式併入本文中。
現存控制棒驅動機構設計具有某些缺點。當內部控制棒驅動機構設計被選擇時，這些缺點被放大，其中該複雜的機電CDRM係在該高壓容器內的高壓及高溫環境內部。該控制棒驅動機構之內部地配置在該高壓容器內亦強加困難的結構性挑戰。
該等能分開的滾子-螺帽與該導螺桿建立複雜的連桿組，這可於正常操作期間不利地影響灰棒插入精確性。該滾子-螺帽之重附接至該導螺桿可為複雜的，且當接觸被重建時其可能未馬上變得明顯，如此在由該急停事件恢復之後導入一位置偏置。使該導螺桿急停亦具有對該導螺桿之穿過或結構完整性造成不能挽回的損壞之可能性。又再者，對於該複雜的可分開之導螺桿，隨著時間之消逝的磨損可為一問題。
另一考量係可靠性。因為控制棒急停係一安全關鍵特色，其必需可靠地操作，甚至在冷卻劑意外之損失(Loss of Coolant Accident，LOCA)或另一可包括電力之中斷、大壓力變化等等的故障模式中。
該控制棒位置偵測器典型亦為複雜的裝置。於一些系統中，外部位置偵測器被採用，其需要橫越該高壓容器壁面之饋線。用於該MRX反應器之內部控制棒驅動機構，複雜的位置偵測器被設計，其中轉換器產生一通過磁阻波導器之扭轉應變脈衝，及磁場相互作用被測量，以引出該控制棒位置。大致上，由於材料電阻率中之溫度感應式變化，基於電阻操作之內部位置偵測器係易於有誤差。
於該揭示內容的一態樣中，用於核反應器中之控制棒機構包括：至少一控制棒，被組構用來插入反應器核心以吸收中子；中空導螺桿；馬達，與該中空導螺桿操作上耦接，以線性地驅動該中空導螺桿朝向或遠離該反應器核心；連接桿，與該前述之至少一控制棒連接，且局部地設置在該中空導螺桿內側；閂鎖器總成，具有閂鎖器，當關閉時，操作上連接該連接桿及該導螺桿，以致當該等閂鎖器被關閉時，該連接桿及該前述之至少一控制棒在該導螺桿被該馬達所驅動時隨著該導螺桿移動；及釋放機構，被組構來造成該閂鎖器總成之閂鎖器對急停條件作出回應而打開，以將該連接桿自該導螺桿分離，使得該連接桿及該前述之至少一控制棒急停，但該導螺桿保持與該馬達操作上耦接，且不會急停。
於該揭示內容之另一態樣中，控制棒驅動機構包括：導螺桿；馬達，與該導螺桿用螺紋耦接，以於插入方向或相反之縮回方向中線性地驅動該導螺桿；閂鎖器總成，與該導螺桿鎖固及被組構來(i)閂鎖至連接桿及(ii)由該連接桿解開，該連接桿為自由的，以當被解開時在該插入方向中移動；及釋放機構，被組構來由該連接桿選擇性地解開該閂鎖器總成。
於該揭示內容之另一態樣中，控制棒驅動機構包括：複數控制棒驅動機構單元，其每一者包括導螺桿及被組構來驅動該導螺桿之馬達；及支座，在核反應器容器中安裝該複數控制棒驅動機構單元，使鄰接控制棒驅動機構單元之馬達相對該核反應器容器之反應器核心分別配置在不同高度。每一控制棒驅動機構單元係與一或多個控制棒連接，使得驅動該導螺桿之馬達移動該被連接的一或多個控制棒朝向、遠離該反應器核、或在該反應器核心內移動。
於該揭示內容之另一態樣中，控制棒驅動機構包括：導螺桿；驅動器總成，被組構來在插入或相反之縮回方向中線性地驅動該導螺桿，該驅動器總成包括馬達及與該導螺桿耦接之至少一不可分開的球狀螺帽；及閂鎖器總成，與該導螺桿連接，且具有(i)被閂鎖狀態，其中該閂鎖器總成被閂鎖至連接桿，及(ii)解開狀態，其中該閂鎖器總成未被閂鎖至該連接桿。
於該揭示內容之另一態樣中，用於核反應器中之控制棒機構包括：至少一控制棒；連接桿，在該連接桿之下端與該前述之至少一控制棒連接；及控制棒驅動機構包括：閂鎖器總成，具有(i)被閂鎖狀態，其中該閂鎖器總成被閂鎖至該連接桿之上端，及(ii)解開狀態，其中該閂鎖器總成未被閂鎖至該連接桿之該上端；及線性驅動器機構，被組構來線性地驅動該閂鎖器總成朝向或遠離核反應器核心。
於該揭示內容之另一態樣中，於如緊接在先前段落中所提出之控制棒機構中，該控制棒驅動機構被組構，以允許該連接桿藉由將該閂鎖器總成放置於該解開狀態中及拉動該連接桿經過該CRDM遠離該核反應器核心而被移去。
參考圖1，該壓水式反應器(PWR)型式之說明性核反應器容器被圖解地描述。說明性主要容器10包含反應器核心12、內部螺旋管式蒸汽發生器14、及內部控制棒20。該說明性反應器容器包括四個主要組件，亦即：1)下容器22、2)上內部24、3)上容器26、及4)上容器頭部28。中間凸緣29被設置在該下與上容器區段22、26之間。其它容器組構係亦意圖的。注意圖1係圖解地，且未包括諸如用於二次冷卻劑之流入與流出該等蒸汽發生器之壓力容器貫穿部、用於電組件之電貫穿部等等的細節。
圖1的說明性反應器容器10之下容器22包含該反應器核心12，其可具有大體上任何合適之組構。一合適之組構包括不銹鋼核心形成線路結構，其包含該燃料總成且係可替換的，以便對該反應器再加燃料，及其被該下容器所支撐。該說明性上容器26容置用於此說明性PWR之蒸汽發生器14，其具有一內部蒸汽發生器設計(有時候被稱為一體化PWR設計)。於圖1中，該蒸汽發生器14被圖解地顯示。圓柱形內部殼體或上導流套30分開中心升流管區域32與環狀降流管區域34，該螺旋管式蒸汽發生器14係位於該等區域中。該說明性蒸汽發生器14為螺狀盤管設計，雖然其他設計被仔細考慮。主要反應器冷卻劑流動橫越該蒸汽發生器14之管件外側，且二次冷卻劑流動在該蒸汽發生器14之管件內側。於典型之循環樣式中，該一次冷卻劑被該反應器核心12所加熱，且上升經過該中心升流管區域32，以離開該圍板30之頂部，隨後該一次冷卻劑往下倒流通過該降流管區域34及橫越該等蒸汽發生器14。此一次冷卻劑流動可藉由自然之對流、藉由內部或外部一次冷卻劑泵(未說明)、或藉由泵輔助式自然對流之組合所驅動。雖然一體化PWR設計被說明，其亦被意圖用於該反應器容器，以具有外部蒸汽發生器(未說明)，在該案例中，高壓容器貫穿部允許用於一次冷卻劑之傳送至該外部蒸汽發生器及由該外部蒸汽發生器傳送。該說明性上容器頭部28為分開的組件。其亦被意圖用於將與該上容器26一體化之容器頭部，在該案例中，該蒸汽發生器14及上圍板30係選擇性地藉由該容器頭部的內側上之凸耳所支撐。
該說明性具體實施例係一體化PWR，其中該PWR包括該等內部蒸汽發生器14，其大致上可具有各種幾何組構，諸如螺旋狀、直立的、傾斜的、等等。為著餘備之目的，其大致上為有利的是具有超過一個蒸汽發生器，其管子或管件典型被交插在該降流管區域34內，以促進熱均勻性；然而，其係意圖包括僅只單一個蒸汽發生器。雖然該等說明性蒸汽發生器14被顯示為緊接至該圍板30所設置或包覆，大致上該等蒸汽發生器可充填該降流管區域34的相當大之容積，且於一些具體實施例中，該等蒸汽發生器可相當多地充填該圍板30的外表面與該壓力容器10的內側表面間之環狀容積。其係亦意圖用於將該等內部蒸汽發生器或其各部份整個或局部地設置在該升流管區域32中、該圍板30上方、或該壓力容器10內之別處。在另一方面，於一些具體實施例中，該PWR可能不是一體化PWR，亦即，於一些具體實施例中，所說明之內部蒸汽發生器可被省略，而有利於一或多個外部蒸汽發生器。又再者，該說明性PWR為一範例，且於其他具體實施例中，沸水式反應器(Boiling Water Reactor，BWR)或另一反應器設計可被採用，而具有內部或外部蒸汽發生器的其中之一。
參考圖2，該上內部區段24被較大詳細地說明。於該說明性設計中，該上內部區段24對於控制棒驅動器或驅動器機構40、42及控制棒導引機架44提供支撐，且係亦為控制棒驅動動力及控制儀錶應用信號所通過之結構。這允許該上容器26及一體化蒸汽發生器14將與該等控制棒驅動器及相關結構無關地被移除。然而，更整合性之設計亦被仔細考慮，諸如使用該CRDM支座及該一體化蒸汽發生器支座兩者用之共用區段。
特別參考圖2之說明性具體實施例，該上內部結構24包括上內部籃籠46、控制棒驅動機構支撐結構48、控制棒導引機架44、及該等控制棒驅動機構40、42本身。該上內部籃籠46適當地為一被焊接結構，其包括該中間凸緣29及用於該等控制棒導引機架44之支撐結構。於一合適之具體實施例中，該等控制棒導引機架44為被用螺栓固定在適當位置之分開的304L不銹鋼焊接結構，該中間凸緣29為SA508 Gr 4N Cl 2碳鋼鍛件，且該結構之平衡機構為304L不銹鋼。該控制棒驅動機構支撐結構48包括該等控制棒驅動器40、42用之支撐架格及該等堆芯測量儀錶用之導引結構。所有這些適當地係304L不銹鋼。該控制棒驅動機構支撐結構48係用螺栓固定至該上內部籃籠46。這些僅只係說明性材料及構造，且其他組構及/或反應器相容材料亦被仔細考慮。
圖2之說明性範例採用二種控制棒驅動器40、42：操作該停堆棒之液壓控制棒驅動型式42，該等停堆棒被完全地縮回或完全地插入該核心；及操作該等灰棒之電控制棒驅動型式40，該等灰棒遍及該核心之壽命被插入各種數量，以於正通的反應器操作期間控制該核反應率。該等灰棒亦被組構來急停、亦即將於某些緊急條件期間被迅速地插入該反應器核心12。於其他具體實施例中，其係意圖完全地省略該等停堆棒，在該案例中，該等灰棒亦提供停堆操作。
持續參考圖2及進一步參考圖3-5，該等停堆棒之態樣被說明。該等停堆棒係適當地配置於安裝在多腳架等上之叢集中，其全部在單一列組中操作及全部藉由單一停堆棒驅動器42來移動。圖3-5顯示僅只該單一停堆棒驅動器42，但無該等多腳架及個別之停堆棒。此組構係由該等停機棒被以二進位“開啟/關閉”之方式來使用的事實所認識，且係整個完全地插入該反應器核心12以便關掉該反應、或整個完全地由該反應器核心12縮回以便允許正常之反應器操作的任一種。
特別參考圖3，該停機棒驅動器42包括圓柱體外殼50、圓柱體帽蓋52、圓柱體底板54、及提供連接至該停機棒架格(未示出)之連接桿56。圖3-5之說明性停機棒驅動器42係在大約華氏500度(攝氏260度)及1600psi下，使用來自高壓噴射泵之反應器冷卻劑存量清除回流液的液壓作動式驅動器，以保持該停機棒列組離開該反應器核心12。
特別參考圖4，具有在該縮回位置中之活塞桿的活塞區域之剖視圖被顯示。於圖4之放大部份中，該圓柱體帽蓋52之排氣孔60被顯示，隨著有舉升活塞62、活塞環64(其在一些具體實施例中為金屬製)、急停緩衝器66、及緩衝器旋塞彈簧68。圖4所示之縮回位置對應於待加壓的停機控制驅動器圓柱體42。
特別參考圖5，具有在該插入位置中之活塞桿的活塞區域之剖視圖被顯示。於圖5之放大部份中顯示該舉升活塞62、該活塞環64、該急停緩衝器或急停緩衝器活塞66、活塞桿導引軸襯70、及活塞桿密封環72(其在一些具體實施例中為金屬製)。該圓柱體底板54係在該放大部份中被看見，以包括壓力通口或入口通口74。圖5所示之插入位置對應於待減壓之停機控制驅動器圓柱體42。
於一些具體實施例中，該冷卻劑被允許抽吸通過該活塞及軸封64、72，且變成返回至該反應器容器10之存量的一部份。該停機棒驅動圓柱體42被安裝在該反應器核心12上方。作動該圓柱體42之液壓管線係敷設經過該凸緣29，且儀器管係敷設經過耐壓密封導管至共用的連接器，該等連接器係亦選擇性地用於該等灰棒驅動器40。將該等控制棒多腳架連接至該停機棒架格之延伸桿被選擇性地設計，以致它們將滑動經過該架格，以致單一附著棒束將不會阻礙其他組控制棒落下。另外，該等延伸桿被設計成由該控制棒多腳架脫離，以致當該等上內部24被移除時，該等停機棒停留於該核心中。脫離及再嚙合係於再加燃料操作期間使用遠端工具做成。
於正常之反應器操作期間，該等停機棒藉由該停機棒液壓圓柱體42之加壓被完全地懸吊離開該反應器核心(亦即，於該縮回位置中)。譬如，於一合適之具體實施例中，來自該高壓噴射泵之冷卻劑存量清除回流液係在華氏500度(攝氏260度)及1600psi下經由該圓柱體底板54之入口通孔供給至該舉升氣缸活塞62之底側。於此範例中，在該活塞62上方存在於該圓柱體50中之流體係由該反應器容器10經過該圓柱體帽蓋排氣孔60所供給，且係因此在在華氏600度(攝氏315度)及1500psi的反應器容器條件下，導致橫越該活塞62之100psi淨壓差。活塞大小分級被選擇，使得該已發展之壓差係足以支撐該等停機棒之指定負載及支撐多腳架與其他相關組件，並經過該氣缸衝程將該停機棒列組舉升至該活塞62之上死點。
如果容器加壓式急停，藉由停止將被加壓冷卻劑供給至該舉升活塞62之底部側面及使該供給管線通氣至大氣壓力，該停機棒列組突然地被釋放。於該前述之範例中，在該舉升活塞62之頂部表面的容器壓力被預期橫越該舉升活塞建立一最初之1500psig壓差，其隨著重力之影響作用來推進該平移總成(包括該舉升活塞62、急停緩衝器活塞66、旋塞彈簧68、連接桿56、及停機棒架格(未示出))往下朝向圖5中所說明之完全插入位置。於該平移總成之下降期間，該緩衝器旋塞彈簧68之力量保持該緩衝器活塞66離開該舉升活塞62之孔口，於該二活塞62、66之間保留一充填流體的緩衝器孔腔。當該緩衝器活塞66之底部表面撞擊該圓柱體總成之固定式底板54時，該舉升活塞62之持續行程經過控制下之節流器排除所截留之流體，藉此散逸該平移總成之動能。另外，動能係經過特別是該長的、相當細窄的連接桿56之平移總成組件的彈性變形散逸。其他動能散逸機構亦被仔細考慮。當該流體係由該孔腔排除時，該舉升活塞62撞擊該緩衝器活塞66，造成該平移總成停靠。
持續參考圖1及2與進一步參考圖6-14，該等灰棒及相關驅動器機構40之說明性具體實施例被敘述。如在圖6中看出，於該說明性具體實施例中，有二種不同的灰棒組構(型式1與型式2)。該等灰棒80被配置為灰棒棒束，其依序以二個一組或四個一組地軛連在一起，且藉由如圖6所示之連接桿82所支撐。該組構型式1亦包括代替一連接桿/棒束單元之平衡配重84。更特別地是，軛鐵86連接二連接桿82及該平衡配重84，以形成型式1之組構。軛鐵88連接三連接桿84，以形成型式2之組構。該等灰棒驅動40被安裝在該反應器核心12上方。圖7顯示該等灰棒驅動器40與該停機棒舉升圓柱體50分別對於該CRDM支撐結構48之位置的平面圖。該停機棒舉升圓柱體50被中心地定位。四個外側的灰棒驅動器40同時地移動，其每一者移動包括軛鐵86的二個型式1之灰棒組構。二個內側的驅動器40同時地移動，其每一者移動包括軛鐵88的四個型式2之灰棒組構。這些不同組的驅動器40選擇性地一起移動或獨立地移動。動力及信號連接件係適當地敷設經過耐壓密封導管或堆芯測量儀錶導引件90至該中間凸緣29上之連接器(在圖7中未示出)。
關於該等停機棒，連接該等控制棒多腳架至該控制棒架格之延伸桿被選擇性地設計，以致它們將滑動經過該架格，以致單一附著棒束將不會阻礙其他組控制棒落下。另外，該等延伸桿被選擇性地設計，以將由該控制棒多腳架脫離，以致當該等上內部被移除時，該等灰棒能停留於該核心中、或被移除，而該等上內部係位在其支撐架上。用於該等灰棒控制機構之二種合適的設計樣式包括該“磁鎖棒”型式及該“動力螺桿”型式。關於這些，該動力螺桿型式被預期為該等灰棒棒束提供更精密之位置控制，且據此所說明之具體實施例採用該動力螺桿型式控制機構。
參考圖8，於一說明性具體實施例中，該灰棒控制機構40採用一球狀螺帽舉升桿組構。圖8顯示該完全插入狀態(左側圖面)及完全縮回狀態(右側圖面)兩者。圖8之圖面顯示該型式2組構之軛鐵88；用於該型式1配置，該軛鐵88被該軛鐵86所替換。於圖8所示具體實施例中，底部止動件/緩衝器總成100被安裝在反應器支座101上，選擇性地設有被提供用於該電磁鐵線圈總成之額外的橫側支座。被安裝至該底部止動件件100之頂部的下及上支撐管102、104為該導螺桿/扭矩接受器(torque taker)總成提供該導引作用。球狀螺帽/馬達總成106安裝在該上支撐管104之頂部，且電磁鐵線圈總成108安裝至該馬達之頂部。在該電磁鐵線圈總成108內存在一舉升桿-導螺桿閂鎖總成110，其(當閂鎖時)支撐一舉升/連接桿總成112(看在該插入狀態中被延伸，亦即左側圖面)。
位置指示器總成被安裝至該球狀螺帽/馬達總成106與該底部止動件件總成100間之支撐管102、104。於一些具體實施例中，該位置指示器係一適當地安裝在該閂鎖總成110下方之弦線電位計，雖然其他安裝位置被仔細考慮。所說明之弦線電位計包括安裝在該支撐管102上之繃緊線軸120及“弦線”或纜線122等，該弦線的一端部附接至舉升/連接桿總成112，使得當該舉升/連接桿總成112(及因此所附接之灰棒棒束)移向該反應器核心12(於圖8中未顯示)時，該弦線或纜線122頂抗該張力被抽離該線軸120。當該動作被顛倒時，該繃緊線軸120中之張力造成該弦線或纜線122捲回至該線軸120上。旋轉感測器124使用編碼器或另一旋轉式度規測量該繃緊線軸120，該編碼器計數標誌點之通過。該弦線電位計之安裝可為以別的方式異於所說明者，只要該繃緊線軸120被安裝在不會隨著該等灰棒移動之位置，且該弦線或纜線122被鎖固至隨著該等灰棒移動。其係亦意圖整合該旋轉感測器124與該繃緊線軸120。該弦線電位計提供與該連接桿或隨著該灰色控制棒移動的另一組件112之位置一致的電輸出信號，如此提供用於該反應器核心12內之灰色控制棒的位置資訊。該電位置指示信號係經過電饋線(未示出)運送離開該反應器容器10，該電饋線被製成小的及/或與其他電饋線整合。該位置指示器裝置被組構及校準供在反應器容器溫度及輻射級位操作。
持續參考圖8及進一步參考圖9-14，於所說明之具體實施例中，該灰棒控制棒驅動機構40之平移總成包括三個元件：導螺桿/扭矩接受器總成；舉升桿/連接桿總成；及操作上連接該舉升桿與該導螺桿之閂鎖系統。圖9以立體圖(左側)及剖視圖(右側)顯示該導螺桿/扭矩接受器總成。馬達總成包括容置定子132之定子外殼130及轉子134。上定子端板136及具有可調整之間隔物140的徑向軸承138完成該馬達總成之上部，而下外殼142及止推軸承144完成該馬達總成之下部。設置在該下外殼142內之下球狀螺帽總成150係用螺紋鎖至該轉子134，且上球狀螺帽總成152係亦用螺紋鎖至該轉子134。球狀螺帽總成150、152兩者係以螺紋方式與導螺桿160耦接(在圖9中局部地顯示)。圖9進一步顯示該舉升桿112及該上支撐管104之各部份。
參考圖10，該閂鎖系統被說明，包括該舉升桿-導螺桿閂鎖總成110及該電磁鐵線圈總成108的一部份。亦在圖10中所示者為該舉升桿112的一端部111及終止在該閂鎖總成110或終止於該閂鎖總成110中之導螺桿160的近端。用於正常之操作，閂鎖器170直接地連接該舉升桿112之頂端111至該導螺桿160，且於急停期間斷開該舉升桿112(見圖11)。該舉升桿112之底部係用螺紋鎖至該連接桿82之頂部(選擇性地藉由中間的軛鐵86或中間的軛鐵88)，藉此建立一連續之舉升桿/連接桿總成。該連接桿82之底部直接地耦接至該等控制棒多腳架，藉此將該等控制棒附接至該機構。選擇性地，磁鐵113被設置緊接至該舉升桿112之頂部111，以提供磁性信號用於以磁性為基礎之位置指示器(見圖21)。圖10亦顯示該馬達的一部份，包括該馬達外殼130、定子132、及轉子134之各部份，其被整個顯示於圖9中。
該等閂鎖器170被安置在閂鎖器外殼172中，該閂鎖器外殼包括用於閂鎖器彈簧174之彈簧導引件。所說明之閂鎖系統具體實施例的額外組件包括容置形成電磁鐵線圈組之電磁鐵177的電磁鐵外殼176、及該等閂鎖器170上之永久磁鐵178。該導螺桿160係用螺紋鎖入該閂鎖器外殼172之閂鎖系統基底179。該等閂鎖器170被配置成繞著樞軸位置180樞轉，以由於往下的棒荷重而提供一失效仍安全(failsafe)之急停。
於此具體實施例中，該導螺桿160係藉由球狀螺帽馬達總成所持續地支撐(圖9最清楚地顯示)，其允許用於導螺桿位置之很細微的控制，且因此允許該控制棒總成的位置之很細微的控制。於所說明具體實施例中，該馬達(例如定子132、轉子134)為同步馬達，其中該轉子134為永久磁鐵。此設計具有諸如小巧及簡單之優點；然而，其他馬達組構亦被仔細考慮。
該導螺桿160不會急停。反之，於急停期間，該舉升桿/連接桿總成之舉升桿112的頂端係藉由該磁性地作動閂鎖系統從該導螺桿160斷開(見圖11)。當至該等電磁鐵177之動力被切斷時，該失效仍安全之閂鎖系統由該導螺桿160釋放該舉升/連接桿總成，藉此開始急停。底部止動件件及緩衝器系統(未說明，但適當地類似於在此中參考圖4及5所敘述之說明性停機棒的底部止動件件及緩衝器系統)被併入該基底/緩衝器總成，以在該急停衝程之末端散逸該動能及設定該停機棒底部高度。扭矩接受器(未示出)係附接至該導螺桿160，以與該馬達扭矩反應，藉此提供導螺桿/控制棒總成之平移。
該正常狀態、亦即於急停之前的狀態被顯示在圖9及10中。圖9說明該球狀螺帽馬達總成，且圖10顯示負責正常操作之閂鎖系統。如在圖10中看出，該等閂鎖器170上之永久磁鐵178被磁性地吸引朝向該已供電之電磁鐵177，如此繞著該等樞軸位置180樞轉該等閂鎖器170，並嚙合該等閂鎖器170與該舉升桿112之咬合區域。如此，該等閂鎖器170係以該舉升桿112鎖固於圖10所示之正常狀態中。再者，該閂鎖系統基底179係用螺紋鎖至該導螺桿160或以別的方式與該導螺桿160鎖固。據此，於圖10之正常狀態中，該舉升桿112係經由該閂鎖系統與該導螺桿160鎖固，及便於圖9所示之球狀螺帽馬達總成平移該導螺桿160，該舉升桿112係以該導螺桿160平移。
急停係參考圖11敘述，其於急停期間顯示該舉升桿112、及因此顯示該控制棒總成。為開始急停，至該等電磁鐵177之動力被切斷、亦即關掉。這移除該等閂鎖器170上之永久磁鐵178上的吸力，且該閂鎖器彈簧174延伸至繞著該等樞軸位置180樞轉該等閂鎖器170與遠離該舉升桿112之咬合區域。這使該等閂鎖器170由該舉升桿112脫離，且該舉升/連接桿總成(與如此該控制棒總成)落下朝向該反應器12。該導螺桿160係仍然在該先前之縮回高度於圖11中被看出(亦即，該導螺桿160未被急停)，但至該電磁鐵線圈177之動力已被切斷，以致來自該等線圈之磁場被移除。
如在圖11中進一步顯示，該等閂鎖器170繞著該樞軸位置180之樞轉係藉由在位置181以該閂鎖器外殼172之彈簧導引件的撞擊所止動。
持續參考圖11及進一步參考圖12與13，以在急停之後重新嚙合該機件，該導螺桿160係經由該球狀螺帽馬達被驅動至該完全插入位置(再次見圖9)。導螺桿在底部之感測器被使用於確認導螺桿之完全插入。特別參考圖12，當該導螺桿160靠近該完全插入位置時，被急停至該底部之舉升桿112的頂部111上之有角度的凸輪帶動表面182將用凸輪帶動該等閂鎖器170至其靠近全放位置。特別參考圖13，當動力係接通至該等電磁鐵177時，該等閂鎖器170將與該舉升桿112之咬合區域完全地重新嚙合，以致該舉升/連接桿總成再一次被連接至該導螺桿160。正常操作可接著根據圖10再開始。為重申，於製備供該舉升桿112之重新嚙合中，圖12顯示該導螺桿160被往下驅動回至該完全插入位置。至該等電磁鐵線圈177之動力仍然被切斷，且該等閂鎖器160仍然被脫離。該舉升桿112的頂部111上之有角度的凸輪帶動表面182係將該等閂鎖器170凸輪帶動退入與該舉升桿112的頂部111局部嚙合。圖13顯示仍然在底部上之導螺桿160，但具有接通至該電磁鐵線圈177之動力。該回復之磁場現在已重新嚙合該等閂鎖器170與該舉升桿112之咬合區域。
圖9圖解地顯示包括下及上球狀螺帽總成150、152的球狀螺帽/馬達總成106之合適的具體實施例。大致上，任何型式之馬達大體上可被使用，被適當地組構用於該高壓容器環境中之操作。
參考圖14及15，說明性具體實施例被顯示，其採用具有下球狀螺帽總成185之無刷式DC電控制(Brushless DC electrically controlled，BLDC)馬達184。該總成184、185係該球狀螺帽/馬達總成106之說明性具體實施例。特別參考圖14，該說明性BLDC馬達184包括一設置於定子外殼體187與定子內殼體188之間及藉由定子上外殼189及定子下外殼190鎖固之繞製的定子核心總成186。永久磁鐵轉子191包括永久磁鐵192。該BLDC馬達184由該等轉子磁鐵192之磁通量及該定子核心總成186之載流定子導體的相互作用產生扭矩。該下球狀螺帽總成185係類似於圖9之下球狀螺帽總成150；然而，於圖14之說明性總成中，無對應於圖9的上球狀螺帽總成152之上球狀螺帽總成。圖14之總成亦包括徑向軸承193、藉由止推軸承鎖定螺帽195所鎖固之止推軸承194、及馬達頂部帽蓋196。至該馬達之隔離及環境耐用的電連接係藉由引線壓蓋197所提供。譬如，一些合適之隔離引線壓蓋係可用來自ConaxTechnologies(美國紐約州水牛市)。特別參考圖15，該BLDC馬達184及下球狀螺帽總成185被說明於圖10-13之控制棒驅動機構的情況中。圖15之說明性控制棒驅動機構亦包括該先前所述之電磁鐵線圈組總成177、舉升桿-導螺桿閂鎖總成110、導螺桿160、及舉升桿112。該球狀螺帽總成185嚙合該導螺桿160，以致當該馬達184旋轉該永久磁鐵轉子191及該被鎖固的球狀螺帽總成185時，該導螺桿160被線性地驅動。
返回參考圖1及2，所揭示之反應器設計的優點係該中間區段包括該等內部零件支撐凸緣或“中間凸緣”29。此區段可被製成相當薄，且對於該控制棒驅動機構提供支撐及導引用於該堆芯測量儀錶。此區段對於該等控制棒驅動機構提供電及液壓輸入。反應器冷卻劑排出貫穿部(未說明)係亦選擇性地併入此區段。如果被併入，該排出管線係藉由內部閥門選擇性地隔離，不論該反應器何時被加壓至限制或消除其當作冷卻劑意外之損失地點的潛在性。
包括該控制棒驅動機構的所說明之上內部24不包括熱隔離體。然而，其係意圖使用一能夠耐得住至少大約華氏650度(攝氏343度)之設計溫度的隔離系統來隔離這些組件。藉由使用該隔離系統，外部冷卻水將不需要，雖然亦可選擇性地被使用。置如，冷卻水能被供給至該等電裝置，以減少藉由該操作環境所強加之熱負荷的嚴重性。該隔離系統促進在該高壓容器內定位該電控制棒驅動機構，其減少該反應器容器10之整個高度，而顯著地減少進入該反應器容器10的貫穿部之數目能夠使一整個反應器模組當作單一單元被裝運。另一優點係減少圍阻結構(未示出)之整個高度，雖然隔離物之使用被相信為有利的，其他被仔細考慮之解決方法包括水冷卻之使用及/或選擇能夠耐得住該高操作溫度而沒有隔離的材料。
該說明性反應器具體實施例係一體化壓水式反應器組構。然而，所揭示之技術、設備、等等的一或多個亦被預期為適當地使用於其他型式之核反應器容器、諸如沸水式反應器，其可有利地併入內部控制棒驅動機構總成、有效率之控制棒位置感測器等。
圖2-15之CDRM組構提供二分開的急停機構：一藉由參考圖3-5所敘述之停機棒所提供的液壓急停機構；及一參考圖6-15所敘述之磁性閂鎖器急停機構，其具有特別參考圖10-15所敘述之磁性閂鎖器系統。這有利地提供多餘之液壓及磁性急停機構，如此如果冷卻劑意外之損失或另一安全相關事件，減少完全急停故障之可能性。
參考圖16-20，於所敘述之另一控制棒系統具體實施例中，其提供電磁之灰棒功能性及一提供急停功能性之液壓閂鎖器系統。像圖6-15之控制棒系統，圖16-20的控制棒系統允許用於該控制棒棒束之失效仍安全的急停，而不會使該導螺桿急停。
特別參考圖16，圖15之馬達/球狀螺帽總成15被採用，使得導螺桿200係與永久地嚙合至該球狀螺帽總成185，該球狀螺帽總成藉由驅動該馬達184提供用於該導螺桿200之軸向平移。控制棒棒束(在圖16中未示出)係經由連接桿或連接桿總成204及閂鎖器總成206連接至該導螺桿200。該導螺桿200大體上係中空的，且該連接桿總成204係同軸向地裝在該導螺桿200之內徑內側，且係自由地在該導螺桿200內垂直地平移。具有二彈簧加載式閂鎖器之閂鎖器總成206係永久地附接至該導螺桿200之頂部。當該等閂鎖器係與該連接桿204嚙合時，它們耦接該連接桿204至該導螺桿200，且當該等閂鎖器被脫離時，它們由該導螺桿釋放該連接桿204。於所說明之具體實施例中，閂鎖器嚙合及脫離係藉由使用四桿式連桿組凸輪系統所達成，該系統包括至少二凸輪桿208及每凸輪桿208至少二(且於所說明之具體實施例中為四)凸輪桿連桿209。該等額外之凸輪桿連桿為該凸輪桿增加支撐。當該等凸輪桿208向上移動時，該四桿式連桿組之凸輪桿連桿209亦用凸輪朝內帶動該等凸輪桿208，以便造成該等閂鎖器旋轉進入與該連接桿204嚙合。於所說明之具體實施例中，液壓舉升總成210被使用於升高該凸輪桿總成208。於另一選擇具體實施例中(未說明)，電螺線管舉升系統被使用於升高該等凸輪桿總成。當舉升力量係施加至該凸輪系統時，該等凸輪桿208之向上及用凸輪朝內帶動的動作將該等閂鎖器旋轉進入嚙合，藉此將該連接桿204耦接至該導螺桿200。這造成該控制棒棒束順著導螺桿動作。當該舉升力量被移除時，該等凸輪桿208往下旋轉及藉由該四桿式連桿組之凸輪桿連桿209用凸輪往外帶動，並允許該等閂鎖器旋轉離開而不會與該連接桿204嚙合。這由該導螺桿200退耦合該連接桿204，並造成該控制棒棒束急停。於急停期間，該導螺桿200維持在其當前固持位置。在該急停事件之後，該導螺桿200經由該電動馬達202被驅動至其衝程之底部。當該舉升力量係經由該液壓舉升總成210再施加至該凸輪系統時，該等閂鎖器係再嚙合，且該連接桿係再耦合至該導螺桿200，及正常之操作能重新回復。仍再者，其他閂鎖器驅動模態被仔細考慮，諸如氣壓閂鎖器驅動器，其中於所說明的舉升總成210中用氣壓壓力替換液壓壓力。
持續參考圖16，該導螺桿200係為說明目的於一局部地縮回位置中任意地描述。其可在圖16中看出該閂鎖總成206係附接至該導螺桿200之頂部。於圖16中，該等閂鎖器被嚙合該連接桿204，該連接桿係耦接至該導螺桿，且係亦在與該導螺桿200相同之局部縮回位置。該球狀螺帽185及馬達184係在該控制棒驅動機構之底部，該等閂鎖器凸輪桿208延伸用於機構衝程之全長，且該液壓舉升系統210係位在該機構之頂部。於一些具體實施例中，圖16-20之CDRM係一體化CDRM，其中包括該電動馬達184及球狀螺帽185之整個機構、該閂鎖系統206、及一位置指示器(在圖16中未示出)係在整個操作溫度及壓力條件下位於該反應器高壓容器10內。
參考圖17及18，包括該閂鎖總成206之控制棒驅動機構的下端係以額外細節說明。該閂鎖總成206包括閂鎖器外殼212及閂鎖器214。該閂鎖器外殼212提供一用於樞軸位置216(例如樞軸栓銷或桿)之機架或支座，該等閂鎖器214可繞著該等樞軸位置樞轉。於圖16中，該連接桿204被縮回，亦即，該閂鎖總成206之閂鎖器214在該連接桿204之上端215被朝內樞轉進入與咬合區域嚙合。於該說明性具體實施例中，該連接桿204之頂部包括該選擇性磁鐵113，以提供一用於以磁性為基礎之位置指示器的磁性信號(見圖21)。圖17顯示已急停之連接桿204，亦即，閂鎖器214被往外樞轉，以便在該連接桿204的上端215由該咬合區域脫離，以致該連接桿204係由該導螺桿200機械式地退耦合，且係自由地在該導螺桿200的內徑內移動。如此如圖17中所示之退耦合，該連接桿204(與因此被鎖固至該連接桿204之控制棒棒束或諸棒束)在重力的影響之下落下朝向該反應器核心12。於圖16及17兩者中，該導螺桿200被顯示再次稍微縮回至一任意位置-如圖17中所看出，且該導螺桿200不會急停。
特別參考圖17，該二凸輪桿208在其最大朝內(亦即，嚙合)位置被顯示為升高的。該等凸輪桿208藉由該凸輪桿連桿209所造成之朝內移動在該連接桿204之上端215朝內旋轉或樞轉該等閂鎖器214進入與該咬合區域完全嚙合。當被朝內移動至完全嚙合時，該等凸輪桿208沿著其全長藉由凸輪桿外殼蓋222被支撐，其提供用於該等凸輪桿208之朝內移動的正止動件。該凸輪桿外殼蓋222係在其中心往下開狹槽，用於該完整之機構衝程長度，以允許該等閂鎖器214之閂鎖器指狀部224或其他往外延伸部通過該凸輪桿外殼蓋222，並在該導螺桿200之任何縮回位置接觸該等凸輪桿208。
於該說明性具體實施例中，有二閂鎖器214及二凸輪桿208，每一閂鎖器有一凸輪桿。然而，其他數目之閂鎖器及凸輪桿被仔細考慮-當作另一範例，在此可有環繞著該導螺桿200/連接桿204之中心軸在90度間隔隔開的四個閂鎖器及四個對應的凸輪桿。所說明之二凸輪桿208以分別對於該導螺桿200/連接桿204之中心軸呈雙重旋轉式對稱配置地驅動對應的二閂鎖器214。再者，更大致上，其係意圖使凸輪桿/閂鎖器之數目將為大於二個，並選擇及配置凸輪桿/閂鎖器之數目，以對於該連接桿204提供平衡的閂鎖支撐。
圖17及18之下部亦顯示該馬達184之上部，其細節在此中係參考圖14敘述。再者，該說明性馬達184僅只為一說明性範例，且各種型式之馬達能被採用，諸如具有繞製的定子核心及永久磁鐵轉子之說明性無刷式DC電控制馬達184，該永久磁鐵轉子由磁通量及該載流定子導體的相互作用來產生扭矩，或具有繞製的定子核心及薄板鋼轉子之可變磁阻步進馬達(Variable Reluctance Stepper motor，VRS)，該轉子產生來自如轉子位置之函數的磁阻中之變動的扭矩，或併合步進馬達(Hybrid Stepper motor，HBS)，其為該BLDC及VRS型式的一組合，且利用該轉子21中之永久磁鐵及磁阻組件，以產生扭矩等等。於一些具體實施例中，其係意圖省略該等分開的球狀螺帽總成，且代替或額外地藉由在該轉子之內徑表面上形成螺紋嚙合而經由該轉子直接地提供與該導螺桿嚙合。另外，扭矩接受器(未示出)被提供，以對該馬達184之操作作出回應而防止該導螺桿200之旋轉。於一些合適的具體實施例中，該凸輪桿外殼蓋222包括導引部件(未示出)，其與該閂鎖器外殼212嚙合，以防止該閂鎖器外殼212轉動，且如此具有扭矩接受器之作用，以對該球狀螺帽馬達202之操作作出回應而防止該導螺桿200之旋轉。於此配置中，該導螺桿200係隨著該閂鎖器外殼212之底部226適當地鎖固，以致防止該閂鎖器外殼212之旋轉亦防止該導螺桿200之旋轉。
再次特別參考圖17，當朝內旋轉時，該等凸輪桿208提供一正的整個衝程軌跡，以當該平移總成(包括該導螺桿200、閂鎖器外殼212與閂鎖器214、及被閂鎖的連接桿204)被縮回(亦即向上移動)或插入(亦即往下移動)時，經由該等閂鎖器指狀部224之用凸輪帶動頂抗該等凸輪桿220來導引該等被嚙合之閂鎖器214。該等凸輪桿208之液壓舉升經由凸輪桿連桿209鼓動四桿式連桿組作用，該等凸輪桿連桿209連接該等凸輪桿208與凸輪桿支撐外殼232。每一凸輪桿連桿209係經由樞軸位置234繞著樞軸旋轉地刺入至該凸輪桿支撐外殼232及藉由樞軸位置235至該凸輪桿208。這樣一來，二凸輪桿連桿209隨著該凸輪桿支撐外殼232在該等凸輪桿連桿的樞軸位置234間之部份、及該凸輪桿208在該等凸輪桿連桿的樞軸位置235間之部份一起界定四桿式連桿組。選擇性地，每個凸輪桿208超過二個的凸輪桿連桿209能被提供在該說明性範例中，每個凸輪桿208四個凸輪桿連桿209被提供(見圖16)。該等凸輪桿208之液壓舉升造成該等凸輪桿連桿209繞著該等樞軸位置234向上樞轉，且如此經由該等樞軸位置235強迫等該舉升凸輪桿208朝內。於一些意圖之具體實施例中，當該等凸輪桿208被移至其完全朝內位置時，該等凸輪桿連桿209係最接近、但低於水平面，例如在離該水平面20度之最小角度，其減少該四桿式連桿組可在一水平之零位中擁塞的可能性。
特別參考圖18，該等凸輪桿208被顯示為在其最大往外位置處降低的。再者，該等凸輪桿208之短暫、液壓式降低(或該等凸輪桿208對該液壓舉升力量之移除作出回應的重力式、彈簧偏向式、及/或另一降低)造成該等凸輪桿連桿209繞著該等樞軸位置234往下樞轉，且如此藉由四桿式連桿組作用強迫該等舉升凸輪209往外。該等凸輪桿208之往外移動允許該等閂鎖器214繞著該等樞軸位置216自由地旋轉或往外樞轉，並由該連接桿204脫離，以開始該連接桿204之急停，且因此開始與該連接桿204連接的控制棒之急停。該急停作用係失效仍安全的，其中以閂鎖器彈簧240之輔助，該連接桿204之重量脫離該等閂鎖器214。更特別地是，該等閂鎖器彈簧240被壓縮地固持於該閂鎖器外殼212及該等閂鎖器214的較高部份之間(在該等樞軸位置216上方)，以致它們使該等閂鎖器214之上部朝內偏向，且因此使該等閂鎖器214之下部往外偏向(在該等樞軸位置216下方，亦即包括該等閂鎖器指狀部224)。
當往外移動至完全脫離時，該等凸輪桿208係沿著其全長藉由該凸輪桿支撐外殼232所支撐，該支撐外殼為其往外移動提供一可靠的止動。於一些具體實施例中，當該等凸輪桿208被往外移至其完全往外位置時，該等凸輪桿連桿209係最接近、但非正好垂直面，例如在離該垂直面20度之最小角度，其減少該四桿式連桿組可在一垂直之零位中擁塞的可能性。
參考圖19及20，包括該液壓舉升系統210之控制棒驅動機構的上端被以額外之細節所說明。該液壓舉升系統210包括液壓氣缸250及液壓活塞252。凸輪桿吊架254係與該活塞252之頂部耦接，且連接連桿256由該等凸輪桿吊架254往下延伸至該等凸輪桿208之上部。於正常操作期間(圖19)，該液壓氣缸250被加壓，以便升高該活塞252，且如此經由該等連桿組254、256升高該等凸輪桿208。這造成該等閂鎖器214與該連接桿204之上端215嚙合，如在此中參考圖17所敘述。在急停期間(圖20)，該液壓氣缸250被減壓，以致該活塞252、連桿組254、256、與凸輪桿208在重力之下落下。這造成該等閂鎖器214由該連接桿204脫離，如在此中參考圖18所敘述。在圖19及20中所說明之液壓舉升系統中，藉由包含急停輔助彈簧260，該急停被造成為失效仍安全的，藉由在該活塞252與液壓總成蓋262之間壓縮該急停輔助彈簧260，該急停輔助彈簧用彈簧使該活塞252往下偏向。
於圖19及20中，為說明之目的，該導螺桿200被顯示為完全縮回，以致該閂鎖器系統係亦可於圖19及20之視圖中看見。然而，如參考圖19及20所敘述，該液壓舉升系統210之操作係可適用於該導螺桿200之任何位置。
特別參考圖19，如先前參考圖17所敘述，於該正常(被閂鎖)狀態中，該等凸輪桿208被升高，且由於該等凸輪桿連桿209之作用，係在其最大朝內位置。該等凸輪桿208之朝內移動旋轉或樞轉該等閂鎖器214進入與該連接桿204之頂端215完全嚙合。亦當朝內移動至完全嚙合時，該等凸輪桿208係沿著其全長藉由該凸輪桿外殼蓋222被支撐，該凸輪桿外殼蓋為其朝內移動提供一確實的止動。
持續參考圖19，於該被嚙合條件中，該液壓活塞252係由於該液壓氣缸250之加壓而在該完全升高位置中。當該活塞被升高時，該凸輪桿吊架254被該活塞252所舉升，且在該對連接連桿256上向上拉，這依序舉升該等凸輪桿208。該活塞252亦舉升頂抗藉由該急停輔助彈簧260所產生之往下力量。於一些意圖之具體實施例中，該液壓活塞舉升總成在僅只5.5psi之差壓操作，雖然用於較高差壓操作之設計亦被仔細考慮。
特別參考圖20，如先前參考圖18所敘述，於該急停(未閂鎖)狀態中，該等凸輪桿208被降低，且由於該等凸輪桿連桿209之四桿式連桿組作用，係在其最大往外位置。該等凸輪桿208之往外移動允許該等閂鎖器214自由地樞轉或旋轉及由該連接桿204脫離。於說明性圖20中，該連接桿204已急停至該完全插入位置而在此視野內消失掉，且因此該連接桿204係在圖20中未顯示。當往外移動至完全脫離時，該等凸輪桿208係沿著其全長藉由該凸輪桿支撐外殼232被支撐，該凸輪桿支撐外殼為其往外移動提供一確實的止動。
持續參考圖20，為了急停，該液壓氣缸250中在該活塞252之底部側的壓力被抽空，以允許該活塞252降低。以合適之方式，該減壓係藉由雙向閥(未示出)所完成，其同時地削減至該活塞252之供給壓力，而將該活塞孔腔抽空至該反應器環境。如果該閥門故障，其於打開狀態中未能至急停可靠性用之傾卸側。大流動面積閥門被選擇性地採用，以提供該活塞孔腔(典型小容積)之快速抽空。一旦該壓力被傾卸，該等凸輪桿208、該等連桿組254、256、及該活塞252之組合重量重力地驅動該等凸輪桿208之降低與該等閂鎖器214之作為結果的脫離。選擇性地，如於所說明之具體實施例中，該急停輔助彈簧260被提供於該液壓舉升總成中或設有該液壓舉升總成，以輔助降低該活塞252及凸輪桿208。該急停作用較佳地係亦失效仍安全的，其中以該等閂鎖器彈簧之輔助，該連接桿重量使該等閂鎖器脫離。藉由該等凸輪桿連桿209而用凸輪帶動之作用亦往外推該等凸輪桿208朝向脫離。
用於圖6-15之具體實施例，在急停之後，該閂鎖器總成206與該連接桿204之再嚙合可類似於特別參考圖12及13所敘述之再嚙合製程被施行。該電動馬達184被驅動至往下移動該閂鎖總成206及導螺桿200(其再次被鎖固在一起)朝向該被急停連接桿204之頂部215。該液壓氣缸250維持被減壓，且該等閂鎖器214由於該等閂鎖器彈簧240之偏向而停留於該已脫離位置中，如圖18所示。如此，該等閂鎖器214可藉由該馬達184被往下驅動，以在該連接桿204之上端215與該咬合區域對齊。於所說明之具體實施例中，設置在該連接桿204的頂部215或靠近該連接桿204的頂部215之磁鐵113係藉由該閂鎖總成206中之位置指示器(未示出)所磁性地感測，以便當該等閂鎖器214係在該連接桿204之上端215與該咬合區域對齊時偵測。一旦該等閂鎖器214係在該連接桿204之上端215與該咬合區域對齊，該液壓氣缸250係重新加壓至舉升該液壓活塞252，且如此升高該等凸輪桿208及重新嚙合該等閂鎖器214。此後，該電動馬達184可被操作，以驅動該導螺桿200及向上重新閂鎖連接桿204至想要之操作上的位置。
於另一選擇具體實施例中，說明性地參考至圖19及20所敘述之液壓舉升系統210能被電螺線管舉升總成所替換，譬如適當地位在該控制棒驅動機構之頂部而代替該說明性之液壓舉升總成210。此一電螺線管舉升總成可為與該說明性之四桿式連桿組閂鎖器凸輪系統適當地連接，且該閂鎖器總成206如在此中所敘述地起作用。於此另一選擇具體實施例中，代替施加壓力至該液壓活塞252以提供用於嚙合該等凸輪桿總成之舉升力量，該舉升力量係藉由施加電力至該螺線管所提供。當電力量被切斷時，該舉升力量係馬上喪失，該等凸輪桿脫離該等閂鎖器，且該控制棒棒束如在此所敘述地急停。
回頭參考圖17及進一步參考圖21，圖17所指示之區段S被顯示於圖21中。該區段S通過每一凸輪桿208及其耦接凸輪桿連桿209之一間之耦接件，並經過每一閂鎖器214之指狀部224，且經過該位置感測器磁鐵113。圖21所示剖視圖S包括該凸輪桿支撐外殼232與支撐凸輪外殼總成232a、及該閂鎖器外殼212、與該連接桿204之頂部215，而剖切經過該位置感測器磁鐵113。該剖視圖S另包括剖切經過該二凸輪桿208及其閂鎖器指狀部224，並顯示與該凸輪桿支撐外殼232連接之凸輪桿連桿209及其樞軸位置234，且剖切經過其與該閂鎖器外殼212連接之樞軸位置235。如在圖21中看出，該等樞軸位置234、235係藉由栓銷所適當地具體化。圖21之剖視圖S亦顯示一說明性磁性位置指示器總成270，其於該連接桿204之頂端215中基於該指示器總成270與該磁鐵113間之磁性耦合來感測該磁鐵113。
如已經論及者，該連接桿204係在其下端與控制棒棒束連接。選擇性地，此連接係經由一或多個中介連桿組、譬如圖6所示之說明性軛鐵86、88。
參考圖22及23，該核反應器典型包括藉由對應的控制棒驅動機構所操作之一陣列或其他複數控制棒棒束，該控制棒驅動機構係藉由合適之支撐機架274所支撐(例如，如在圖2中較大詳細地顯示者)。於一些具體實施例中，該電動馬達184係該CDRM之最龐大的組件。於圖22及23所示之說明性陣列中，該笨重的馬達184藉由直立地交錯配置該等馬達184之位置而被容納於小巧之陣列中，以致任何二鄰接之CRDM的馬達184不在該相同之直立位準或高度。如與傳統配置比較，這能夠有一更小巧之陣列，其中所有該等馬達係在該相同之直立位準或高度。
參考圖6-21所敘述之控制棒驅動機構具體實施例有利地提供“灰棒”增量式控制能力，及亦提供一有效率之急停能力，且因此能施行通常分配至專用停機棒之工作(例如，如在此中參考圖3-5所敘述者)。據此，其係意圖省略專用之停機棒，且代替之將完全依靠諸如圖6-21之那些具體實施例的控制棒，譬如配置為如在圖22及23所示者。於一變型具體實施例中，為於LOCA或另一緊急事件中提供另一冗餘性，其係意圖採用一組構，包括(i)：沒有專用之停機棒；(ii)第一組控制棒，其具有在此中參考圖16-21所敘述之液壓舉升，以致在一緊急事件中，該等控制棒經由液壓機構施行該停機功能；及(iii)第二組控制棒，其被組構來經由電磁機構施行該停機功能。該第二組控制棒(iii)能譬如藉由遵守在此中參考圖6-15所敘述之具體實施例的控制棒、或另一選擇地藉由遵守在此中參考圖16-21所敘述之具體實施例的控制棒而被具體化，但以螺線管形舉升系統取代該液壓舉升系統210。此一配置有利地使用(或可使用)所有用於反應度控制之可用的控制棒，同時亦提供雙層式冗餘(液壓及電磁)安全系統。
回頭參考圖6-20之控制棒驅動機構具體實施例，採用閂鎖器以由該導螺桿200退耦合該連接桿204(且因此，由該控制棒驅動機構退耦合該連接桿204)之優點，係該控制棒驅動機構可被組構來用於經過該控制棒驅動機構移除該連接桿204，而不需首先移除該控制棒驅動機構。為提供此能力，該控制棒驅動機構被製成具有中空的中心區域，而提供一通道，且該連接桿204一旦由該導螺桿200解開時可通過該通道。經過該閂鎖器總成之圓柱形開口280(見圖18及20)被製成為足夠大，用於當該等閂鎖器214為打開時讓該連接桿204通過該處。在圖6-15之具體實施例中，此一開口能藉由以側面定位的偏向機構替換該中心定位的閂鎖器彈簧174被提供，該側面定位的偏向機構類似於圖16-21之具體實施例的閂鎖器彈簧240。用於圖16-21之具體實施例，圓柱形開口282亦被提供經過該液壓舉升系統210(見圖19及20)。兩開口280、282被製成為足夠大，用於當該等閂鎖器214為打開時讓該連接桿204通過該處。關於該後一開口282，該急停輔助彈簧260適當地為一提供用於該開口282之環狀彈簧，且該活塞252適當地亦被製成為中空的，而具有該需要之內徑。於諸如螺線管形舉升機構的另一選擇舉升機構之案例中，該螺線管適當地為中空的。
參考圖24及25，用於可經過該CRDM移除之連接桿204，其應為以下列方式與該多腳架或另一機械式控制棒結構可分離地連接(i)其可由該控制棒驅動機構上面從該多腳架分離，及(ii)致使該連接桿204在該可分開的連接處之外徑係不會如此大，以便不會阻礙該連接桿204之下端經過該等開口280、282的縮回。圖24及25顯示一合適之可分開的連接部，其中低輪廓“J字形溝槽'”耦接該連接桿204與該控制棒棒束。於此說明性之可分開的連接部中，一或多個倒轉“J”形溝槽300係形成在該連接桿204之下端中。既然這些溝槽係凹入該連接桿204，該等“J”形溝槽300不會在該下端增加該連接桿204之外徑。偏向彈簧302係藉由彈簧導引/捕獲元件304終止在緊接至該連接桿204之端部，且該等元件302、304被設置在大致上圓柱形棒束之設有螺紋的帽蓋306內側，該帽蓋鎖固至棒束310之頂部。該棒束帽蓋306包括咬合凸耳312，設計該凸耳312之尺寸及將其定位至滑入該連接桿204之倒J字形溝槽300。為建立該耦接，該等倒J字形溝槽300之長直立部份係與該棒束帽蓋306之咬合凸耳312對齊，且該連接桿204係接著被下推頂抗該彈簧302之壓縮力量，使得該等凸耳312進入該等溝槽300之長直立部份。當該連接桿204被下推遠至足以使該等咬合凸耳312抵達該等倒J字形溝槽300之水平部份時，該連接桿被一旋轉314(其在圖24及25中為順時針方向)所旋轉，直至該等凸耳312與該等倒J字形溝槽300之短的直立部份對齊。在該點，該往下力量之移除允許藉由該彈簧302所產生之向上彈簧力量將該連接桿204向上推，以便將該等凸耳312鎖入該等倒J字形溝槽300之短的直立部份。該過程被顛倒，以由該棒束310退耦合該連接桿204。在移除之後，該彈簧302及導引/捕獲元件304藉由該棒束帽蓋306被保留在該棒束310。
如此，該連接桿204與該棒束310之耦合/退耦合可有利地以脫離之閂鎖器214被施行，以致該連接桿204能被以在適當位置中之CDRM安裝或移除。這被造成為可能的，因為該導螺桿200及該連接桿204不會直接地連接在一起，但反之被該閂鎖器總成206所耦接。當該等閂鎖器214係脫離時，該連接桿204可在該大體上中空的導螺桿200內側自由地移動，且如果該液壓活塞252(或於電磁舉升機構之案例中的中空螺線管)係亦被製成為大體上中空的，及該液壓氣缸250為具有充分大之內徑的環狀，則該連接桿204亦可通過該液壓舉升總成210。如此，該連接桿204之安裝相當於將該連接桿204插入該CDRM之開口並將其下推，直至其壓頂抗該彈簧302(見圖24及25)，且接著根據所說明之旋轉314轉動該連接桿204與釋放該連接桿204，以致該彈簧302之力量完成該耦接之鎖定。為移除該連接桿204，該過程被顛倒。
該等較佳具體實施例已被說明及敘述。顯然地，當閱讀及了解該前述之詳細敘述時，改良及變更將呈現給其他人。在該等改良及變更落在所附申請專利範圍或其均等物之範疇內，本發明係意欲被解釋為包括所有此等改良及變更。
10．．．主要容器
12．．．反應器核心
14．．．螺旋管式蒸汽發生器
20．．．控制棒
22．．．下容器
24．．．上內部
26．．．上容器
28．．．上容器頭部
29．．．中間凸緣
30．．．圍板
32．．．中心升流管區域
34．．．降流管區域
40．．．驅動器機構
42．．．驅動器機構
44．．．機架
46．．．籃籠
48．．．支撐結構
50．．．圓柱體外殼
52．．．圓柱體帽蓋
54．．．圓柱體底板
56．．．連接桿
60．．．排氣孔
62．．．舉升活塞
64．．．活塞環
66．．．急停緩衝器
68．．．緩衝器旋塞彈簧
70．．．活塞桿導引軸襯
72．．．活塞桿密封環
74．．．壓力通口
80．．．灰棒
82．．．連接桿
84．．．平衡配重
86．．．軛鐵
88．．．軛鐵
90．．．導引件
100．．．底部止動件/緩衝器總成
101．．．反應器支座
102．．．支撐管
104．．．支撐管
106．．．球狀螺帽/馬達總成
108．．．電磁鐵線圈總成
110．．．閂鎖總成
111．．．頂端
112．．．舉升/連接桿總成
113．．．磁鐵
120．．．線軸
122．．．弦線
124．．．旋轉感測器
130．．．定子外殼
132．．．定子
134．．．轉子
136．．．端板
138．．．軸承
140．．．間隔物
142．．．下外殼
144．．．止推軸承
150．．．下球狀螺帽總成
152．．．上球狀螺帽總成
160．．．導螺桿
170．．．閂鎖器
172．．．閂鎖器外殼
174．．．閂鎖器彈簧
176．．．電磁鐵外殼
177．．．電磁鐵
178．．．永久磁鐵
179．．．閂鎖系統基底
180．．．樞軸位置
181．．．位置
182．．．凸輪帶動表面
184．．．馬達
185．．．下球狀螺帽總成
186．．．定子核心總成
187．．．定子外殼體
188．．．定子內殼體
189．．．定子上外殼
190．．．定子下外殼
191．．．轉子
192．．．永久磁鐵
193．．．軸承
194．．．止推軸承
195．．．軸承鎖定螺帽
196．．．頂部帽蓋
197．．．引線壓蓋
200．．．導螺桿
202．．．馬達
204．．．連接桿總成
206．．．閂鎖器總成
208．．．凸輪桿
209．．．凸輪桿連桿
210．．．舉升總成
212．．．閂鎖器外殼
214．．．閂鎖器
215．．．上端
216．．．樞軸位置
222．．．外殼蓋
224．．．指狀部
226．．．底部
232．．．支撐外殼
232a．．．凸輪外殼總成
234．．．樞軸位置
235．．．樞軸位置
240．．．閂鎖器彈簧
250．．．液壓氣缸
252．．．液壓活塞
254．．．吊架
256．．．連桿組
260．．．急停輔助彈簧
262．．．液壓總成蓋
270．．．位置指示器總成
274．．．支撐機架
280．．．開口
282．．．開口
300．．．溝槽
302．．．偏向彈簧
304．．．捕獲元件
306．．．帽蓋
310．．．棒束
312．．．凸耳
314．．．旋轉
本發明可採取各種組件及組件之配置的形式、與各種製程操作及製程操作之配置的形式。該等圖面係僅只用於說明較佳具體實施例之目的，且不被解釋為限制本發明。
圖1圖解地顯示該壓水式反應器(PWR)型式之說明性核反應器容器。
圖2圖解地顯示圖1之說明性核反應器容器的上內部區段。
圖3-5圖解地顯示採用液壓舉升的停機控制棒系統之態樣。
圖6-15圖解地顯示具有電磁灰棒功能性之控制棒系統與急停功能性用之磁性閂鎖器系統的態樣。
圖16-21圖解地顯示具有電磁灰棒功能性之控制棒系統與急停功能性用之藉由液壓舉升所驅動的閂鎖器系統的態樣。
圖22及23分別顯示合適之CDRM陣列的立體圖及局部立體剖視圖，並採用交錯式直立之馬達配置。
圖24及25分別顯示連接桿的下端與棒束總成間之“J字形”溝槽耦接的立體圖及分解立體視圖。
222．．．外殼蓋
208．．．凸輪桿
235．．．樞軸位置
209．．．凸輪桿連桿
234．．．樞軸位置
113．．．磁鐵
214．．．閂鎖器
212．．．閂鎖器外殼
232．．．支撐外殼
216．．．樞軸位置
240．．．閂鎖器彈簧
280．．．開口
226．．．底部
208．．．凸輪桿
215．．．上端
224．．．指狀部
200．．．導螺桿
204．．．連接桿總成
184．．．馬達

Claims (19)

  1. 一種用於核反應器中之控制棒機構，該控制棒機構包括：至少一控制棒，包括中子吸收物質並被建構成插入反應器核心；中空導螺桿；馬達，包含轉子，該馬達藉由螺紋連接件與該中空導螺桿操作上耦接，該馬達被建構成經由該螺紋連接件而旋轉該轉子以線性地驅動該中空導螺桿朝向或遠離該反應器核心；舉升桿，被建構成支撐該至少一控制棒的重量，該舉升桿局部地設置在該中空導螺桿內側；及閂鎖器總成，安裝在該中空導螺桿上並具有閂鎖器，該閂鎖器被建構成被施加的動力關閉以將該舉升桿閂鎖於該中空導螺桿，該閂鎖器總成之該閂鎖器進一步被建構成回應於該施加的動力之移除以從該中空導螺桿解開該舉升桿而開啟；其中已解開的該舉升桿和該至少一控制棒被建構成朝向該反應器核心傾倒；且其中該中空導螺桿被建構成藉由該螺紋連接件與該馬達維持操作上耦接，並在閂鎖器總成開啟時不會朝向該反應器核心傾倒。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於核反應器中之控制棒機構，其中該至少一控制棒包括複數控制棒，而該舉升桿 被建構成經由多腳架及軛鐵之至少一者支撐該複數控制棒的重量。
  3. 如申請專利範圍第1項之用於核反應器中之控制棒機構，其中該施加的動力為施加的液壓動力。
  4. 如申請專利範圍第1項之用於核反應器中之控制棒機構，其中該閂鎖器總成包括：舉升總成，被建構成接受該施加的動力；凸輪桿，被配置成與該中空導螺桿平行並與該舉升總成連接，該舉升總成被建構成在該施加的動力之下操作以舉升該凸輪桿；及四桿式機械連桿組，被建構成在朝內移動該凸輪桿時保持凸輪桿與該中空導螺桿平行配置，以回應被該舉升總成舉升的該凸輪桿以抵住該閂鎖器而轉動該凸輪桿以關閉該閂鎖器。
  5. 如申請專利範圍第4項之用於核反應器中之控制棒機構，其中對於利用馬達驅動該中空導螺桿所能獲得的該中空導螺桿之任何位置，在平行於該中空導螺桿的方向上凸輪桿的長度足以上使凸輪桿抵住該閂鎖器總成的該閂鎖器而轉動。
  6. 一種控制棒驅動機構，包括：中空導螺桿，具有內徑；舉升桿，被建構成支撐控制棒的重量，該控制棒包括中子吸收物質並被建構成插入反應器核心，該舉升桿的一部分設置在該中空導螺桿內側； 馬達，與該中空導螺桿形成螺紋耦接，並被建構成在插入方向或相反之縮回方向上線性地驅動該中空導螺桿；閂鎖器總成，安裝在該中空導螺桿上並被建構成(i)將該舉升桿閂鎖至該中空導螺桿以回應於施加的動力，及(ii)在從該中空導螺桿解開該舉升桿時，該閂鎖器總成維持安裝在該中空導螺桿上以回應於該施加的動力之移除，該舉升桿被建構成當解開時在插入方向上可自由地傾倒；其中該馬達被建構成與該導螺桿維持螺紋耦接，以在該閂鎖器總成閂鎖或解開時防止該導螺桿傾倒。
  7. 如申請專利範圍第6項之控制棒驅動機構，其中該導螺桿係中空的，並被建構成通過該控制棒驅動機構且通過該中空閂鎖器總成在該縮回方向上縮回該舉升桿而在該閂鎖器總成被解開下允許該舉升桿從該控制棒驅動機構移去。
  8. 如申請專利範圍第6項之控制棒驅動機構，其中該被施加的動力為液壓動力，且閂鎖器總成包含液壓舉升總成，其當被加壓時閂鎖該閂鎖器總成。
  9. 如申請專利範圍第6項之控制棒驅動機構，其中該閂鎖器總成包括：閂鎖器，被建構成閂鎖該舉升桿；修長構件，被配置成與該中空導螺桿平行；及舉升機構，被建構成當被施予施加的動力時舉升該修長構件；及 四桿式連桿組，被建構成在藉由朝向該閂鎖器移動該修長構件而回應於該修長構件的舉升時保持該修長構件與該中空導螺桿平行配置以抵住該閂鎖器而轉動該修長構件以閂鎖該閂鎖器總成。
  10. 如申請專利範圍第9項之控制棒驅動機構，其中該舉升機構被選自由(i)液壓活塞及(ii)電螺線管所組成之群組。
  11. 如申請專利範圍第6項之控制棒驅動機構，另包括：至少一球狀螺帽總成，其該馬達及該導螺桿之間提供螺紋耦接。
  12. 一種控制棒驅動機構，包括：中空導螺桿；驅動器總成，包含不可分開的球狀螺帽，耦接於該中空導螺桿的外側，該驅動器總成被建構成藉由旋轉耦接於該中空導螺桿的外側之該不可分開的球狀螺帽在插入或相反之縮回方向上線性地驅動該導螺桿，該不可分開的球狀螺帽被建構成不會在插入或相反之縮回方向上移動；舉升桿，被建構成支撐該至少一控制棒的重量，該舉升桿局部地設置在該中空導螺桿內側；及閂鎖器總成，安裝在該中空導螺桿上並具有(i)閂鎖狀態，其中該閂鎖器總成被閂鎖至該舉升桿，及(ii)解開狀態，其中該閂鎖器總成未被閂鎖至該舉升桿閂鎖器關閉機構，被建構成將該閂鎖器總成閂鎖於該舉升桿，並 將該閂鎖器總成從該舉升桿解開以回應於該施加的動力對該閂鎖器關閉機構之移除。
  13. 如申請專利範圍第12項之控制棒驅動機構，其中該閂鎖器關閉機構包括(i)液壓活塞及(ii)電螺線管的其中之一。
  14. 如申請專利範圍第12項之控制棒驅動機構，其中該閂鎖器關閉機構包括四桿式機械連桿組，其具有與該導螺桿平行的長度，且該長度係至少與該驅動器總成之衝程一樣長。
  15. 一種裝置，其包括：至少一控制棒；舉升桿，被建構成在該舉升桿之下端支撐至少一控制棒的重量；及控制棒驅動機構(Control Rod Drive Mechanism,CRDM)，包括：閂鎖器總成，具有(i)閂鎖狀態，其中該閂鎖器總成被閂鎖至該舉升桿之上端，及(ii)解開狀態，其中該閂鎖器總成未被閂鎖至該舉升桿之該上端；及線性驅動器機構，被建構成線性地驅動該閂鎖器總成朝向或遠離核反應器核心。
  16. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該CRDM被建構成允許該連接桿將藉由通過該控制棒驅動機構拉動該舉升桿遠離該核反應器核心而使該舉升桿在該解開狀態中藉著該閂鎖器總成被移去。
  17. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中：該CRDM的線性驅動器機構包含中空導螺桿，該舉升桿通過該中空導螺桿自由地移動，和馬達，與該中空導螺桿形成螺紋耦接，以線性地驅動該中空導螺桿朝向或遠離該反應器核心；且該閂鎖器總成包含閂鎖器，安裝在該中空導螺桿的上端上，該閂鎖器被建構成在閂鎖狀態中閂鎖該舉升桿的該上端。
  18. 如申請專利範圍第17項之裝置，其中：在該閂鎖器總成的解開狀態中，該CRDM之該線性驅動器機構的該馬達與該中空導螺桿維持螺紋耦接。
  19. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中：解開的該舉升桿，被建構成朝向該核反應器核心傾倒，且沒有CRDM的任何一部分被建構成在該閂鎖器總成的該閂鎖狀態或該解開狀態中朝向該核反應器核心傾倒。
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