JPH0352596B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、たとえば液体金属冷却型高速増殖炉
の事故時にその原子炉を確実に停止し得る原子炉
停止装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

一般に原子炉、特にナトリウムなどの液体金属
を冷却材とする高速中性子増殖炉における出力制
御および原子炉停止はホウ素またはタンタルなど
の中性子吸収物質を含む制御棒を炉心支持板に植
設された複数本の燃料集合体の間に挿入すること
によつて行なわれている。すなわち、燃料集合体
の長手方向と平行に炉心支持板に固定させた案内
管内で制御棒を上下動させることによつて原子炉
の反応度を制御するものである。この制御では、
制御棒を駆動する装置は動作が安定でしかも信頼
性が高いことが要求される。従来の制御棒駆動装
置は燃料集合体を収納している炉容器の頂部に設
けられ、炉容器内雰囲気を隔離するしやへいプラ
グの一部に設けられた回転プラグ上に固定された
駆動部と、この駆動部と制御棒を結合するため回
転プラグを貫通して炉心領域上方に迄達して制御
棒と結合するように設けられた延長管を有する制
御棒駆動機構と、中央制御室に設けられかつ自動
または人為的操作によつて前記駆動部を駆動する
ための電気的信号を発生する制御盤とからなつて
いる。そして通常駆動部の出力制御および炉停止
のための動作は電気−機械的手段によつて行なわ
れている。

第１図は従来の制御棒駆動装置の一例を示すも
のである。すなわち、駆動部ハウジング１は回転
プラグ２に固定され、かつこの回転プラグ２を貫
通した上部案内管３と結合されている。駆動部ハ
ウジング１の頂部にはモータ４が設けられ、モー
タ４はケーブル５によつて制御盤６と電気的に結
合されている。モータ４の回転軸にはスクリユー
７が同心的に結合され、スクリユー７にはボール
ナツト８が螺合している。ボールナツト８は板９
を介して１対のロードセラ１０と結合され、ロー
ドセル１０は中空円板状の板１１と結合されてい
る。板１１の下面には電磁石１２と筒１２ａが結
合されている。筒１２ａの下部は一対のロードセ
ル１３と結合させ、ロードセル１３の下部は外側
延長管１４と結合されている。外側延長管１４は
回転プラグ２内を貫通して炉心１５中に設けられ
た下部案内管１６の上方まで延在している。外側
延長管１４の先端は内側延長管１７の下端のフイ
ンガーロツド１８と共にラツチメカニズムを構成
すべく、板バネ状の複数本のラツチフインガー１
９となつている。

一方、電気的に制御盤６と結合されている電磁
石１２の下側には磁気的に着脱自在にアーマチユ
ア２０が設けられ、外側延長管１４の内側にあつ
て適当なすき間を持つて設けられた内側延長管１
７の頂部に固定されている。内側延長管１７は外
側延長管１４とともに二重管状をなして、回転プ
ラグ２の相当位置を貫通してその先端はラツチフ
インガー１９と係合するフインガーロツド１８と
なつている。上部案内管３と外側延長管１４のす
き間部には回転プラグ２の相当位置に生体遮へい
２１が上部案内管３頂部に固定されている。生体
遮へい２１の下端とベローズ２２の上端は気密に
結合され、ベローズ２２の下端は外側延長管１４
の適切な位置に気密に結合されている。又、内側
延長管１７と外側延長管１４のそれぞれ適切な箇
所にその両端を気密に接合されたベローズ２３が
設けられている。外側延長管１４の段付部２４に
は加速スプリング２５が結合され加速スプリング
２５は外側延長管１４の外側コイルバネ状をなし
て下方へ延長され、加速管２６の頭部にその下端
を接触している。加速管２６は外側延長管１４の
外側に設けられ、その下端は制御棒２７のハンド
リングヘツド２８に接触しており、又その上端の
下面はダンピングスプリング２９によつて支持さ
れる。ダンピングスプリング２９の下端は上部案
内管３の下端近くに固定されたストツパ３０によ
つて支持される。

制御棒２７は中性子吸収材を収納した複数本の
吸収ピンを束ね、保護管内に納めた構造となつて
いる。制御棒２７と下部案内管１６との間には適
切なすきまを設けてある。

次に上記従来の制御棒駆動装置の動作例を説明
する。通常運転時には第１図に示したようにラツ
チフインガー１９の肩部に制御棒２７のハンドリ
ングヘツド２８が係合しており、外側延長管１４
と制御棒２７は連結されている。ラツチフインガ
ー１９の内面はフインガーロツド１８によつて拘
束されている。この時、アーマチユア２０は磁力
によつて電磁石１２に吸引されて接触している。
また、加速スプリング２５は上端を外側延長管１
４の段付部２４に、下端を制御棒２７のハンドリ
ングヘツド２８に拘束された加速管頭部に拘束さ
れて圧縮された状態にある。この状態で炉心の出
力を調整するには制御盤６を人為的に操作し、ま
たは管内の自動運転回路により、モータ４に正転
又は逆転の信号を伝送してモータ４を回転させ
る。スクリユー７とボールナツト８によつてこの
回転運動が上下運動に変換されることにより、制
御棒２７の引抜又は挿入が行なわれて、出力調整
が達成される。

さて、何らかの原因によりプラントに異常状
態、例えば冷却材流量低下、冷却材温度上昇ある
いは炉心中性子束増大などの故障が起きた場合は
原子炉内に設置したセンサー３１により故障を検
出しその信号が制御盤６に伝送される。制御盤６
は予めセツトされた論理回路によつてスクラム指
令信号を自動的に又は逆運転の操作に従つて発生
し、電磁石１２への通電を停止する。電磁石１２
が消勢されるとアーマチユアは切離されて筒１２
ａの下端の板状部３２とのすきま分だけ落下す
る。これに伴つて内側延長管１７が全体的に落下
するのでフインガーロツド１８が落下してラツチ
フインガー１９の拘束を解除する。するとラツチ
フインガー１９は板バネの復元力によつて内側に
狭まつて制御棒２７のハンドリングヘツド２８と
の係合を解く。制御棒２７は重力と加速管２６に
伝達される加速スプリング２５のバネ力を受けて
急速に下部案内管１６の中を落下する。

以上により制御棒のスクラム動作が達成され
る。ベローズ２２およびベローズ２３は外側延長
管１４と内側延長管１７の軸方向の移動を可能に
し、かつ炉容器内雰囲気を隔離する目的で使用さ
れる。又、ロードセル１３は、制御棒駆動機構の
健全な動作を確認する目的で使用される。

以上説明した如き制御棒駆動装置に代表される
電気−機械的駆動機構とセンサー及び電気的論理
回路を備えた制御盤とから構成される制御駆動装
置は一般的には十分な信頼性を備え、確実な動作
が期待できるもので原子炉の安全性を確保する上
で十分有効なものと言える。しかし原子炉の大形
化および高出力化に伴なつて非常に高度の安全性
が要求される場合には従来装置の他に全く別の手
段で動作する原子炉停止装置を導入することが有
利であると考えられている。その理由は原子炉保
護系が故障して有効に原子炉停止を行なえなくな
るような仮想的な事態が発生する確率は、従来装
置を多重化して安全上の裕度を増す形式によるも
のよりも、別形式の原子炉停止装置を併用した場
合の方がより有効に低減させる事ができるからで
ある。このためには従来装置との共通原因故障を
可能な限り排除したような原子炉停止装置が望ま
れるのは当然のことである。

この様な目的のために電磁石によつて制御棒を
直接に保持するシステムが近時研究されている。
これは例えば第２図に示すようなものである。制
御要素３３は炉心に植設された核燃料集合体と平
行に設けられて内部に冷却材が通流する案内管３
４内に昇降自在に収納されており、その頂部に延
長棒３５を介してアーマチユア３６が結合されて
いる。制御要素３３の保持は炉心を収納した原子
容器の上蓋となつているしやへいプラグ３９から
垂下された延長管３７の下端に設けられた電磁石
３８によつてアーマチユア３６を吸着する事によ
つて行なわれる。延長管３７の上部は回転プラグ
３９に固定された上下動駆動装置４０に連結され
ていて、制御要素３３の引抜動作や、切離後のリ
セツトのための下降動作が行なえるようになつて
いる。このようなシステムを用いる事は次のよう
な利点がある。従来用いられるラツチ機構と異な
り制御要素のスクラム時の切離動作において延長
管又はそれに相当する長尺物体が機械的動作を必
要とせず、同時にラツチ機構のような比較的複雑
な機構がなく、電磁石を消勢するだけで良いので
構成が非常に単純である。従つて従来形式との共
通原因故障の可能性を著しく低減し得る。又、電
磁石は冷却材中に浸漬されるため冷却材の異常な
温度上昇によつて磁性材の温度がそのキユリー点
近傍に達すれば、自動的に著しい磁力の低下が実
現し、自動的なスクラムが達成される。このよう
にスクラム動作原理の大きく異なる原子炉停止装
置を従来形式のシステムと併用してスクラム動作
のみで原子炉停止が達成されるようにする事によ
り原子炉の安全性を著しく向上させる事が可能と
なる。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら、このような従来装置にもいくつ
かの欠点がある。すなわち、その一つは電磁石と
アーマチユアの結合面に異物がはさみ込まれた
り、何らかの理由で結合面の一方又は両方に面粗
れが生じると、電磁石とアーマチユア間の間隙値
が変化する事になる。そこで磁気回路に甚しい悪
影響を与え、コイルの起磁力が一定とすれば磁束
が大きく低下して保持力が不足し、振動力また
は、摩擦などにより誤スクラムを生じ易くなり、
極端な場合には制御要素を吊り上げる事ができな
くなつて原子炉の運転が不可能となる。このよう
な間隙値の変化の問題は、特に周囲の冷却材中に
鉄などの磁性材の微粒子が浮遊していると運転中
における電磁石の強い磁力ないしは休止期間中に
も存在する残留磁気によりこれが吸着されること
により発生する可能性が大きいと考えられる。電
磁石による保持力は少くとも制御要素に加わる重
力などの力に匹敵する力が必要であり、上下動時
の摩擦力や、流体力その他に起因する振動による
力を考慮して保持力に裕度を持たせるようにする
必要がある。更に前述した間隙値の変化による保
持力低下を考慮すると、設計上の保持力に更に裕
度を増す必要が生じ、これが不充分な場合には運
転中の誤スクラム等の好ましくない故障を発生す
るおそれがある。

しかし保持力の裕度を増す事には一定の困難が
付随する。すなわち制御要素、案内管、および延
長管はいずれも周囲燃料が炉心上部機構との関連
によりその大きさが限定されている。従つて、電
磁石の電気回路、磁気回路及び電磁石とアーマチ
ユアの係合面の形状も強い制限を受ける事になる
からである。特に、電磁石側の係合面とアーマチ
ユア側のそれとの相対的芯ずれを制限するために
これらの結合動作を案内管内で行わせようとする
場合は形状の制限が強い。よつて、保持力に裕度
を持たせる事は困難であり、保持力を優先した設
計を行うと特にコイル部に過大な電流を与えて、
信頼性や寿命を低下させる事になりかねない欠点
がある。また、冷却材として用いられる高温ナト
リウムなどの環境化では、接触面の自己融着とい
う現象があり、接触面を構成する材料を適切に選
択しないとアーマチユア切離の信頼性を損うおそ
れもあつた。

〔発明の目的〕

本発明は以上のような技術的問題点を解決する
ためになされたもので、その目的は信頼性の高い
電磁石による直接的な制御要素の保持を行なう原
子炉停止装置を提供する事にある。

〔発明の概要〕

本発明において上記目的を達成するために用い
る手段は炉心に植設された燃料集合体と平行に設
けられた案内管と、この案内管内に昇降自在に設
けられた制御要素と、この制御要素の上部に固着
されたアーマチユアと、このアーマチユアと吸着
可能に設けられ前記炉心を収容する容器の蓋から
垂下された電磁石を備えた原子炉停止装置におい
て、前記電磁石とアーマチユアの少なくとも一方
の結合面でかつ電磁石の内側磁極と外側磁極の隙
間部分にスペーサが固定されかつ電磁石とアーマ
チユアの結合時にスペーサの接触する部分の投影
面積が電磁石の磁極面積よりも小さくしかも電磁
石の磁極面がアーマチユアと接触しないことを特
徴とする原子炉停止装置である。

本発明をかいつまんで説明すれば電磁石とアー
マチユアの吸着面に非磁性材のスペーサを設け
て、電磁石の磁極面とアーマチユアが直接的に接
触しないようにし、また電磁石がアーマチユアを
吸着した場合のスペーサ表面での接触する面積を
磁極面積に比べて著しく小さくする事である。

〔発明の実施例〕

以下、第３図および第４図を参照して本発明の
一実施例を説明する。

第３図は本発明に係る原子炉停止装置の要部に
おける電磁石及びアーマチユアの部分を示す縦断
面図である。電磁石およびアーマチユア以外の全
体構成は第２図に示すものと同一であるため、重
複した部分の説明を省略する。すなわち、第３図
におけるアーマチユア、案内管および電磁石の相
対位置は、制御要素が電磁石から切離されてお
り、その下端が案内管ダツシユポツトに着地した
状態である。また、電磁石はアーマチユアとの結
合のためにアーマチユア直上まで上下動駆動機構
によつて挿入された状態を示す。吊上型の電磁石
３８は延長管３７の下端に固定されている。電磁
石３８の中心軸は中空３８ａになつており、位置
検出センサー４１が固定されている。アーマチユ
ア３６の上面の中心部にはリフレクター４２が形
成されており、位置検出センサー４１から発信さ
れる超音波を反射し、この信号を位置検出センサ
ー４１で検出することにより制御要素の位置を検
出できるようになつている。案内管３４の上部は
ハンドリングヘツド４３が設けてあり、これは、
案内管３４および制御要素の交換のため図示され
ない交換装置と係合できるようになつている。ま
たハンドリングヘツド４３の内面な電磁石３８と
アーマチユア３６をガイドして結合時にそれぞれ
の中心軸が過大な相対ずれを起さないような適切
な寸法状になつている。スペーサ４４は内側磁極
４５と外側磁極４６との間のリング状の部分に埋
め込まれるように固定されており、磁極表面４７
よりスペーサ表面４８が適切な寸法だけ突出する
ようになつている。スペーサ４９はアーマチユア
３６を結合する際にスペーサ４４と接触するよう
な位置関係を持つてアーマチユア３６に埋め込ま
れるように固定されており、その上面はアーマチ
ユア上面５０よりも適切な寸法だけ突出するよう
な複数個の球状の突出部５１が形成されている。

第４図は第３図の理解を容易にするための平面
図で、第４図イは電磁石の平面図を第３図のＡ−
Ａ方向から見たものをまた、第４図ロは同じくア
ーマチユアを第３図Ｂ−Ｂ方向から見たものであ
る。

この実施例では電磁石３８とアーマチユア３６
が結合された時、スペーサ４４とスペーサ５１の
突出部が接触し、磁極表面４７とアーマチユア上
面５０との間には適切なすきまが保たれる。この
ため磁極表面４７とアーマチユア上面５０のいず
れかまたは両方に異物を吸着たり、不純物が析出
してもすきまが広がる事を防止できる。またこれ
らの面が直接接触しないので互いの表面が面粗れ
を起す事がなくすきまの実効値の変化が防止でき
る。更に、本発明においては、スペーサ４４は内
側磁極４５と外側磁極４６との間に埋め込まれて
いるため、スペーサを設けない場合と磁極面積に
変化がなく、従つて吸着力の減少はすきまを設け
ることによる影響だけにできるので、悪影響を最
小限にすることができる。スペーサ４４とスペー
サ４９は使用温度において透磁性の低い金属で形
成され、各スペーサ４４，４９の突出部表面は高
温ナトリウム中で自己融着を生じ難く、かつ接触
による面粗れの生じにくい金属で形成される。こ
れらの条件に適合する金属としてはコルモノイま
たはステライトなどの硬質合金が知られている。

上記実施例において、スペーサ４４を内側磁極
４５と外側磁極４６の隙間に設けることにより、
磁極表面積を変える事なくスペーサを導入できる
ため磁気回路に対する悪影響は僅少にする事がで
き、コイル５２を固定支持する効果があると共
に、接触部を小さくした事によつて生ずる過大な
応力の発生を防止することができる。すなわち、
磁極面全体で接触する場合と比べて、スペーサに
は接触面積に反比例した大きな応力が発生する。
応力上昇の問題は、スペーサ自身と共にスペーサ
を支持する部材にも当てはまる。例えば特開昭55
−37959公報はアーマチユア磁極面に突起を設け
る例が記載されているが、この場合、吸着力が大
きいと突起自身が変形することになり、突起を硬
質合金としてもアーマチユア磁極面の突起取付部
が変形することになる。一般に磁極の材料は磁気
特性の観点から限られたものしか使用できず、機
械強度は小さく、またスペーサないし突起によつ
て形成される隙間はたかだか１mm以下の寸法なの
でこの問題は重要である。本実施例では、スペー
サをリング状の支持面で受けており支持面積が広
く、かつスペーサの厚みを大きくとれるので、大
きな吸着力に対しても変形を生じない。また、ス
ペーサ４４は使用温度において透磁性が低いの
で、この部分の漏れ磁束も非常に小さくなり、磁
力の低下を防止できる。またスペーサ４４，４９
の表面の磁力は磁極面４７およびアーマチユア表
面５０に比較して非常に小さいので冷却材中の磁
性微粒子を吸着する事がなく、これらの表面は硬
質合金で形成されるため面粗れによる悪影響を防
止できる。さらに、これらの表面上の接触面は磁
極面４７に比較して僅少なので異物をはさみ込む
蓋然性も著しく低下する。吸着時にこれらの接触
面の面圧は磁極面４７での接触に比較すると高く
なるが、接触面が自己融着を起しにくい金属で形
成されているためスクラム切離の信頼性はむしろ
高くする事も可能となる。この事は、電磁石の鉄
心とアーマチユアの材質を考慮する場合に自己融
着や面粗れなどの点に対する配慮の必要性を低下
させ、磁気特性がその他の必要な性質のより優れ
た材料を選定し得るようにする効果がある。

第５図および、第６図は本発明の他の実施例を
説明するもので第５図は本発明の要における電磁
石の部分だけの縦断面図、第６図イは第５図にお
ける電磁石の平面図、第６図ロは第５図における
アーマチユアの平面図である。

第５図において磁極面４７とアーマチユア上面
５０は錘面状の形状をなしており、アーマチユア
３６を結合するさいに自動的に調心され、結合面
の相対ずれを防止するようになつている。内側磁
極４５と外側磁極４６のすきま部にはリング５３
が埋め込まれている。スペーサ５４はリング５３
と内側磁極４５の表面に放射状に複数本設けられ
ており、これは溶射などの方法で形成されてい
る。また、スペーサ４９はアーマチユア３６の錘
面に溶射などの方法で形成せられている。この実
施例では電磁石３８とアーマチユア３６の結合時
の調心はスペーサ５４とスペーサ４９が接触して
滑ることにより行われ、従つて磁極表面４７や、
アーマチユア上面５０の面粗れやかじりなどを防
止できる。材質およびその他の効果については、
第３図および第４図の実施例と同様なので省略す
る。

〔発明の効果〕

本発明による効果は以下の通りである。電磁石
により直接制御要素を吊り上げる方式の原子炉停
止装置において電磁石による保持が確実となり、
スクラム誤動作によつてプラントの利用率を損な
う可能性が著るしく低減される。また、電磁石の
設計保持力の裕度には電磁石とアーマチユアの結
合状態での間隙値および偏心に対する考慮が必要
であるが、本発明の実施により裕度を小さくとる
事が可能となる。この事は結合面に異物の介在し
ない状態で結合された場合の保持力の余剰分を小
さくできる事であり、スクラム時において残留保
持力を小さくできるのでより確実なスクラムが可
能となる。さらに本発明においてはアーマチユア
と電磁石の結合時における接触面がスペーサ表面
になり磁極とアーマチユアの磁性材部分が接触し
なくなる。そのためスペーサの材質の選定によ
り、自己融着およびかじり、摩耗に対して十分な
防止、結合及び切離しの信頼性の向上ならびにス
ペーサの導入による磁気回路への悪影響を小さく
するなどの効果がある。

また、本発明例による原子炉停止装置は従来例
に対し共通原因故障の発生する確率が低減されて
いるため、従来例と本発明例を併用した原子炉に
おいてはその一方の動作のみで原子炉を停止でき
るように設計することにより原子炉の安全性は著
しく向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の制御棒駆動装置を概略的に示す
縦断面図、第２図は従来の電磁石保持方式の原子
炉停止装置を概略的に示す縦断面図、第３図は本
発明に係る原子炉の停止装置の一実施例における
電磁石の部分を拡大して示す縦断面図、第４図イ
およびロは第３図の電磁石およびアーマチユアを
示す平面図、第５図は本発明の他の実施例におけ
る電磁石の部分を拡大して示す縦断面図、第６図
は第５図の電磁石およびアーマチユアを示す平面
図である。 １……駆動部ハウジング、２……回転プラグ、
３……上部案内管、４……モータ、５……ケーブ
ル、６……制御盤、７……スクリユー、８……ボ
ールナツト、９，１１……板、１０，１３……ロ
ードセル、１２，３８……電磁石、１２ａ……
筒、１４……外側延長管、１５……炉心、１６…
…下部案内管、１７…内側延長管、１８……フイ
ンガーロツド、１９……ラツチフインガー、２
０，３６……アーマチユア、２１……生体遮へ
い、２２，２３……ベローズ、２４……段付部、
２５……加速スプリング、２６……加速管、２７
……制御棒、２８，４３……ハンドリングヘツ
ド、２９……ダンピングスプリング、３０……ス
トツパー、３１……センサー、３２……板状部、
３３……制御棒要素、３４……案内管、３５……
延長棒、３７……延長管、３９……回転プラグ、
４０……上下動駆動装置、４１……位置検出セン
サー、４２……リフレクター、４４，４９，５４
……スペーサ、４５……内側磁極、４６……外側
磁極、４７……磁極表面、４８……スペーサ表
面、５０……アーマチユア上面、５１……突出
部、５２……コイル、５３……リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炉心に植設された燃料集合体と平行に設けら
   れた案内管と、この案内管内に昇降自在に設けら
   れた制御要素と、この制御要素の上部に固着され
   たアーマチユアと、このアーマチユアと吸着可能
   に設けられ前記炉心を収納する容器の蓋から垂下
   された電磁石を備えた原子炉停止装置において、
   前記電磁石とアーマチユアの少くとも一方の結合
   面でかつ電磁石の内側磁極と外側磁極の隙間部分
   にスペーサが固定され、電磁石とアーマチユアの
   結合時に、スペーサの接触する部分の投影面積が
   電磁石の磁極面積よりも小さく、しかも電磁石の
   磁極面がアーマチユアと接触していないことを特
   徴とする原子炉停止装置。 ２ 前記電磁石の磁極面は錘面状をなし、電磁石
   とアーマチユアの少くとも一方のスペーサが放射
   状に複数本設けられている事を特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の原子炉停止装置。 ３ スペーサは耐自己融着性にすぐれ、かつ非磁
   性材であるかまたは電磁石の鉄心材料に比較して
   透磁性が低いか、あるいは飽和磁束密度の低い硬
   質合金からなる事を特徴とする特許請求の範囲第
   １項と第２項のいずれか１項記載の原子炉停止装
   置。