(57)【要約】【課題】高温割れ発生の恐れがないレーザー溶接による信頼性の高い磁気継手要素の製造方法を提供する。【解決手段】内側磁気継手要素１３は、永久磁石１９と、この磁石１９を密封収納するための匡体とを備えている。その匡体は、カラー１６、ブッシュ１７およびスリーブ２０で構成されている。カラー１６およぴブッシュ１７における立上げ部１６４、１６４’とスリーブ２０の端部との間は、周方向の接合部（開先）２６で突合せレーザ溶接により接合される。レーザ溶接は、レーザ光を照射するヘッド部に溶加棒を供給しながら実施される。溶加棒の材料としては、ＴＩＧ溶接で一般的に用いられているのと同様に、母材のＳＵＳ３１６Ｌ等よりフェライト含有量の大きいものを使用する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石と、この磁石を密封収納する匡体とを備え、前記匡体が、略円筒形のスリーブと、このスリーブの端部開口を塞ぐ端板部材とを有する磁気継手要素を製造する方法であって、
前記スリーブと前記端板部材との間の周方向の接合部を、溶加棒を用いてレーザ溶接する、ことを特徴とする磁気継手要素の製造方法。
【請求項２】
永久磁石と、この磁石を密封収納する匡体とを備え、前記匡体が、略円筒形のスリーブと、このスリーブの端部開口を塞ぐ端板部材とを有する磁気継手要素を製造する方法であって、
前記スリーブと前記端板部材との間の周方向の接合部に、予めインサートリングを取り付けてから、当該接合部をレーザ溶接する、ことを特徴とする磁気継手要素の製造方法。
【請求項３】
前記スリーブおよび前記端板部材の材料として、炭素含有量０.０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼を用いる、ことを特徴とする請求項１又は２記載の磁気継手要素の製造方法。
【請求項４】
前記溶加棒または前記インサートリングの材料として、前記スリーブおよび前記端板部材の材料よりもフェライト含有量の大きい材料を用いる、ことを特徴とする請求項３記載の磁気継手要素の製造方法。
【請求項５】
前記磁石に予め耐水性の表面処理を施す、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気継手要素の製造方法。
【請求項６】
略円筒形の内側磁気継手要素と、
この内側磁気継手要素を同軸に取り囲む略円筒形の外側磁気継手要素と
を備え、
前記内側磁気継手要素として、請求項１乃至５のいずれかに記載の製造方法で製造された磁気継手要素を用いた、ことを特徴とする磁気継手。
【請求項７】
原子炉の制御棒を駆動するための制御棒駆動装置であって、
請求項６記載の磁気継手と、
この磁気継手の前記内側磁気継手要素に連結され、当該内側磁気継手要素の回転に伴って制御棒を昇降駆動させるためのボールねじと、
前記磁気継手の前記外側磁気継手要素を回転駆動するための回転駆動装置とを備え、
少なくとも前記内側磁気継手要素が、原子炉の炉水と接するように配置されている、ことを特徴とする制御棒駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば原子炉の制御棒駆動装置に用いられる磁気継手要素の製造方法、その方法で製造された磁気継手要素を用いた磁気継手、および、その磁気継手を用いた制御棒駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、沸騰水型原子炉の制御棒駆動装置は、制御棒と一体となって原子炉の反応度を制御するものであり、原子力プラントの運転および安全上、特に重要なものである。
【０００３】
従来、この制御棒駆動装置として、磁気継手を用いた電動型の制御棒駆動装置が知られている。そのような制御棒駆動装置は、回転駆動源である電動機アセンブリと、炉水との接液側である制御棒昇降駆動用のボールねじとを、磁気継手によって間接的に連結する構成を取っている。その磁気継手は、互いに離間して同軸に配置される円筒状の内側および外側磁気継手要素からなる。
【０００４】
図７は、そのような制御棒駆動装置の具体的な構成例を示している。図７に示すように、駆動機構ハウジング８内にアウタチューブ９が設置され、これらのハウジング８およびアウタチューブ９が、ボルト１１によってスプールピース１０に締結されている。スプールピース１０内は原子炉圧力容器に通じており、磁気継手を構成する内側磁気継手要素１３は運転期間を通じて炉水に浸されている。
【０００５】
この制御棒駆動装置の下端側には、回転駆動装置としての電動機アセンブリ１２が設けられている。この電動機アセンブリ１２の回転は、磁気継手１３、１４、およぴ駆動軸２等を介して、ボールねじ３に伝達されるようになっている。磁気継手１３、１４は、スプールピース１０の隔壁１０ａで互いに隔てられた内側磁気継手要素１３と外側磁気継手要素１４との間で、磁力により非接触状態で回転駆動力を伝達するようになっている。
【０００６】
制御棒駆動装置の上部構造内には、ボールねじ３、ボールナット４、中空ピストン５等からなるボールねじ機構が設けられている。そのボールねじ３の下端部には、回転軸２を介して内側磁気継手要素１３が連結されている。ボールねじ３と螺合したボールナット４には、ボールねじ３を囲んで上方に伸ぴる中空ピストン５が接続されている。この中空ピストン５の上端には、カップリング６を介して制御棒７が連結されている。一方、下部構造側に設けられた電動機アセンブリ１２の回転軸１は、外側磁気継手要素１４に結合されている。
【０００７】
このように構成された制御棒駆動機構において、電動機アセンブリ１２を回転駆動させることにより、回転軸１、外側磁気継手要素１４、内側磁気継手要素１３および駆動軸２を介してボールねじ３が同転する。そして、このボールねじ３の回転によりボールナット４が昇降移動し、ボールナット４の昇降に連動して、中空ピストン５および制御棒７も昇降移動する。これにより、炉心への制御棒７の挿入・引抜き量が調整され、原子炉の出力が制御される。
【０００８】
なお、スクラム時には、カップリング６を介して制御棒７と結合した中空ピストン５が、水圧制御ユニットから供給される水圧により急速に押し上げられて、ボールナット４から分離し、急速に制御棒７を炉心に挿入するようになっている。
【０００９】
図１、図２、図５および図６は、上記磁気継手における内側磁気継手要素１３およぴ外側磁気継手要素１４の具体的な構成例を示す図である。
【００１０】
図１およぴ図２に示す内側磁気継手要素１３は、キー１５、カラー１６、ブッシュ１７、ヨーク１８、永久磁石１９、スリーブ２０等によって構成されている。この内側磁気継手要素１３は全体として、カラー１６、ブッシュ１７およびスリーブ２０で構成される略二重円筒状の匡体内に、複数の磁石１９を密封収納した形態を有している。
【００１１】
その匡体を構成するスリーブ２０は、永久磁石１９の外周側を被覆するような円筒形をなしている。また、ブッシュ１７は、カラー１６に略対応した形状のカラー部分１７ａと、スリーブ２０と同軸に配置される内側円筒部分１７ｂとを有している。そして、カラー１６と、ブッシュ１７のカラー部分１７ａとが、永久磁石１９の軸方向端部を被覆する端板部材として、スリーブ２０の端部開口を塞ぐように取り付けられている。これら端板部材としてのカラー１６およびカラー部分１７ａと、スリーブ２０の上下端部との間は、それぞれ周方向の接合部(開先)２６で溶接により接合されている。
【００１２】
また、図５およぴ図６に示す外側磁気継手要素１４は、スリーブ２１、カラー２２、ブッシュ２３、ヨーク２４、永久磁石２５等によって構成されている。そして、外側磁気継手要素１４は、内蔵した永久磁石２５の磁力により、内側磁気継手要素１３との間で非接触のトルク伝達を行うことができるようになっている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来の磁気継手要素には、以下のような問題点がある。
【００１４】
すなわち、内側磁気継手要素１３に使用されている永久磁石１９は、設計上の理由により希土類磁石とされており、直接水に浸かった場合には、経年的な磁力の劣化が加速される傾向にある。したがって、全体として接液側となる内側磁気継手要素１３は、内部の永久磁石１９が直接水に接することがないようにする必要がある。
【００１５】
また、内側磁気継手要素１３は、磁石１９を極力大きくすると共に外側磁気継手要素１４との間の距離を小さくして、伝達可能なトルクを大きくすることが好ましい。そのため、板厚が約０.５ｍｍから１ｍｍのスリーブ２０、カラー１６、ブッシュ１７で構成される匡体で永久磁石１９を被覆する構造となっている。そして、匡体を構成するカラー１６、ブッシュ１７およびスリーブ２０の材料としては、磁気特性上の要求と、原子炉の炉水環境下での耐食性に優れ、かつ原子炉内構造物として使用実績が豊富な点から、ＳＵＳ３１６Ｌのような炭素含有量０.０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼の使用が望ましい。
【００１６】
また、上述したように、内側磁気継手要素１３におけるスリーブ２０とカラー１６およびブッシュ１７との接合部は、周方向の接合部２６で溶接により接合されている。そして、スリーブ２０を回転させながら周方向の溶接を行う場合には、内部の永久磁石１９の極が互い違いに配置されていることから、磁力によって溶接線が波打ち状態となることがないよう、レーザ溶接を適用することが望まれる。ところが、上記ＳＵＳ３１６Ｌのような低炭素含有量の鋼材に対して母材を溶かすレーザ溶接を行うと、溶接部に高温割れが発生しやすいという問題がある。
【００１７】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、その目的は、高温割れ発生の恐れがないレーザー溶接による信頼性の高い磁気継手要素の製造方法を提供することにある。
【００１８】
また、本発明の更なる目的は、そのような方法で製造された磁気継手要素を用いた磁気継手を提供すると共に、当該磁気継手を用いた制御棒駆動機構を提供することで、信頼性の高い磁気継手およぴ制御棒駆動機構を実現することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、永久磁石と、この磁石を密封収納する匡体とを備え、前記匡体が、略円筒形のスリーブと、このスリーブの端部開口を塞ぐ端板部材とを有する磁気継手要素を製造する方法であって、前記スリーブと前記端板部材との間の周方向の接合部を、溶加棒を用いてレーザ溶接する、ことを特徴とする磁気継手要素の製造方法である。
【００２０】
第２の発明は、永久磁石と、この磁石を密封収納する匡体とを備え、前記匡体が、略円筒形のスリーブと、このスリーブの端部開口を塞ぐ端板部材とを有する磁気継手要素を製造する方法であって、前記スリーブと前記端板部材との間の周方向の接合部に、予めインサートリングを取り付けてから、当該接合部をレーザ溶接する、ことを特徴とする磁気継手要素の製造方法である。
【００２１】
これらの第１又は第２の発明によれば、スリーブと端板部材との間の周方向の接合部において、高温割れ発生の恐れのないレーザ溶接を行うことができる。
【００２２】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記スリーブおよび前記端板部材の材料として、炭素含有量０.０２％以下のオーステナイト系ステンレス鋼を用いるものである。
【００２３】
第４の発明は、第３の発明において、前記溶加棒または前記インサートリングの材料として、前記スリーブおよび前記端板部材の材料よりもフェライト含有量の大きい材料を用いるものである。
【００２４】
第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記磁石に予め耐水性の表面処理を施すものである。
【００２５】
第６の発明は、略円筒形の内側磁気継手要素と、この内側磁気継手要素を同軸に取り囲む略円筒形の外側磁気継手要素とを備え、前記内側磁気継手要素として、第１乃至第５の発明のいずれかの製造方法で製造された磁気継手要素を用いた、ことを特徴とする磁気継手である。
【００２６】
第７の発明は、原子炉の制御棒を駆動するための制御棒駆動装置であって、第６の発明の磁気継手と、この磁気継手の前記内側磁気継手要素に連結され、当該内側磁気継手要素の回転に伴って制御棒を昇降駆動させるためのボールねじと、前記磁気継手の前記外側磁気継手要素を回転駆動するための回転駆動装置とを備え、少なくとも前記内側磁気継手要素が、原子炉の炉水と接するように配置されている、ことを特徴とする制御棒駆動装置である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の適用される一般的な磁気継手要素、磁気継手および制御棒駆動機構の構成については図１、図２、図５、図６および図７を参照すると共に、新たに図３および図４も参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
[第１の実施形態]
まず、図１、図２、図３、図５、図６およぴ図７を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００２９】
〈構成〉
本実施形態は、図１およぴ図２に示すような内側磁気継手要素１３を製造するための方法の改良に関する。そして、その方法により製造された内側磁気継手要素１３は、図５およぴ図６に示すような外側磁気継手要素１４と組み合わされて、図７に示すような制御棒駆動装置の磁気継手を構成するために用いることができる。なお、図５および図６に示す外側磁気継手要素およぴ図７に示す制御棒駆動装置の構成については、上述した通りであり、それらの詳細な説明は省略する。
【００３０】
図１および図２に示す内側磁気継手要素１３は、キー１５、カラー１６、ブッシュ１７、ヨーク１８、永久磁石１９、スリーブ２０等によって構成されている。この内側磁気継手要素１３は全体として、カラー１６、ブッシュ１７およぴスリーブ２０で構成される略二重円筒状の匡体内に、複数の磁石１９を密封収納した形態を有している。
【００３１】
その匡体を構成するスリーブ２０は、永久磁石１９の外周側を被覆するような円筒形をなしている。また、ブッシュ１７は、カラー１６に略対応した形状のカラー部分１７ａと、スリーブ２０と同軸に配置される内側円筒部分１７ｂとを有している。そして、カラー１６と、ブッシュ１７のカラー部分１７ａとが、永久磁石１９の軸方向端部を被覆する端板部材として、スリーブ２０の端部開口を塞ぐように取り付けられている。これら端板部材としてのカラー１６およびカラー部分１７ａと、スリーブ２０の上下端部との間は、それぞれ周方向の接合部(開先)２６で溶接により接合されている。
【００３２】
匡体を構成するカラー１６、ブッシュ１７およびスリーブ２０の材料としては、オーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３０４等）が適用されている。また、スリーブ２０の肉厚ｔ（図１）は０.８ｍｍ以上に設定されている。高温炉水環境下では溶接熱影響部に応力腐食割れ（以下、ＳＣＣという）が発生する恐れがあることが知られており、その対策として炭素含有量を０.０２％以下に制限したオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが好ましい。その中でも特に、高い信頼性が要求される制御棒駆動機構における磁器継手の接液部を構成する材料としては、溶接構成の原子炉炉内機器の材料として耐ＳＣＣ性に優れ、最も使用実績があるＳＵＳ３１６Ｌを選定することが好ましい。また、ＳＵＳ３１６Ｌは透磁率も低く磁器継手材としても優れた特性を有する。
【００３３】
図１に示すように、上記カラー１６は、中心孔１６２を有する円盤状の本体１６０と、この本体１６０の外周縁部から軸方向外側に突出する短円筒状の立上げ部１６４とを一体形成した構造を有している。また、上記ブッシュ１７は、軸受部となる上記円筒部分１７ｂの下端部に上記カラー部分１７ａが一体形成されている。そのカラー部分１７ａも、円盤状の本体１６０’と短円筒状の立上げ部１６４’とを一体形成した構造を有している。
【００３４】
そして、カラー１６およびブッシュ１７における立上げ部１６４、１６４’の外周面は、スリーブ２０の内周面と嵌合し得る寸法に形成されている。それら立上げ部１６４、１６４’の軸方向端部（上下端部）には、略スリーブ２０の厚さ分だけ半径方向外側へ突出するフランジ部１６６、１６６’が、それぞれ形成されている。これらのフランジ部１６６、１６６’の厚さｘ、ｘ’は、それぞれ１ｍｍ以上であることが好ましい。また、各立上げ部１６４、１６４’とスリーブ２０とが軸方向に重なり合う長さｙ、ｙ’も、それぞれ１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３５】
カラー１６およびブッシュ１７における立上げ部１６４、１６４’とスリーブ２０の端部との間は、周方向の接合部２６で突合せレーザ溶接により接合される。このレーザ溶接は、正逆方向の２パスにより行われる。なお、レーザ溶接には、例えばＹＡＧ(イットリウムーアルミニウムーガーネット)レーザ、炭酸ガスレーザ等、各種のレーザを適用することができる。この場合、レーザ溶接は、レーザ光を照射するヘッド部に溶加棒を供給しながら実施される。その溶加棒の材料としては、ＴＩＧ(タングステン不活性ガス)溶接で一般的に用いられているのと同様に、母材のＳＵＳ３１６Ｌ等よりフェライト含有量の大きいものを使用する。
【００３６】
そのような、溶加棒を用いたレーザ溶接の実施状況の例を図３に示す。但し、図３は、溶加棒を用いたレーザ溶接を、外側磁気継手要素１４の内周側の接合に適用した場合の例を示している。図３において、符号２０１はレーザ溶接装置を、符号２０２はレーザ照射ヘッド部を、符号２０３はヘッド部２０２に溶加棒を供給する溶加棒フィードチューブを、それぞれ示している。なお、溶加棒を供給しながら溶接を行う方法は、ＴＩＧ溶接で一般に実施されており、本実施形態の方法は、ＴＩＧのトーチ部に代えてレーザヘッド部に溶加棒を供給するものである。
【００３７】
〈作用効果〉
次に、このような構成よりなる本実施形態の作用効果について説明する。
【００３８】
本実施形態によれば、まず、内側磁気継手要素１３における匡体の接合にレーザ溶接を用いたことにより、ＴＩＧ溶接の場合と異なり、永久磁石の磁気的影響を受けずに溶接を行うことが可能となり、溶接線が波打ち状態となるような恐れがなく、溶接信頼性の維持を図ることが可能となる。
【００３９】
ここで、匡体を構成するカラー１６、ブッシュ１７およぴスリーブ２０に用いられるＳＵＳ３１６Ｌ等の材料に含まれるフェライト量が極めて少ないため、ＴＩＧ溶接等に代えて単純にレーザ溶接を行うだけでは、高温割れと呼ばれる溶接欠陥を生じる恐れがある。これに対して、本実施形態によれば、接合部２６に対して溶加棒を用いたレーザ溶接を行うことで、高温割れの発生を防止することができる。このため、溶接接合部２６における波打ち状態と高温割れの発生を回避した、信頼性の高い磁気継手要素１３の製造を行うことができる。
【００４０】
また、スリーブ２０の板厚ｔを０.８ｍｍ以上に設定することにより、上記のような２パス溶接が可能となる。これにより、例えば１パス目（１層目）の溶接止端部と２パス目（２層目）の溶接止端部との位置を周方向で異ならせることで、溶接欠陥の生じ易い溶接止端部の正常化を図ることができる。これにより、溶接欠陥のない、より信頼性の高い溶接施工が可能となる。
【００４１】
そして、そのようにして製造された内側磁気継手要素１３を用いて磁気継手を構成すると共に、当該磁気継手を用いて制御棒駆動機構を構成することで、信頼性の高い磁気継手および制御棒駆動機構を実現することができる。
【００４２】
また、本実施形態によれば、超音波探傷等によって内部欠陥の検出を行う「体積検査」を容易に実施することができる。このため、より信頼性の高い試験を実施することが可能となり、万一の溶接欠陥によって永久磁石１９が接液して磁力の劣化速度が速まるような事態をも効果的に防止することができる。
【００４３】
[第２の実施形態]
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００４４】
本実施形態は、溶加棒を供給しながらレーザ溶接を行う代わりに、図４に示すように、溶加棒と同等のフェライト含有量のインサートリング１０１を予め溶接接合部２６に取付けた状態でレーザ溶接を行う点で、上記第１の実施形態と異なる。そして、その他の構成は図１、図２、図３、図５、図６およぴ図７に示す上記第１の実施形態と同様である。
【００４５】
本実施形態によれば、予め溶接接合部２６に上記インサートリング１０１を取付けておくことで、レーザ溶接時に溶加棒の供給を行わなくても、上記第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】
[その他の実施形態]
上記第１又は第２の実施形態に係る内側磁気継手要素１３において、永久磁石１９の表面に予め耐水性の表面処理を施してから、これを匡体内に組み込んで密封するようにしてもよい。そのような耐水性の表面処理としては、ニッケルメッキが実用的である。実際に炉水を模擬した高温水中での浸漬試験を行った結果、磁石の腐食は見られなかった。
【００４７】
これにより、万一匡体の溶接部から水漏れが発生したとしても、磁石の腐食が防止され、信頼性の高い磁器継手を提供することができる。また、磁気継手の分解点検時における溶接部検査等で異常を発見した場合等においても、事後的に部品交換等の対策で対応することが可能となる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、スリーブと端板部材との間の周方向の接合部において、高温割れ発生の恐れのないレーザ溶接を行うことができる。このため、溶接接合部における波打ち状態と高温割れの発生を回避した、信頼性の高い磁気継手要素の製造を行うことができる。
【００４９】
また、そのようにして製造された磁気継手要素を用いた磁気継手を提供すると共に、当該磁気継手を用いた制御棒駆動機構を提供することで、信頼性の高い磁気継手および制御棒駆動機構を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用される磁気継手の内側磁気継手要素の一例を示す縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る製造方法で使用される「溶加棒を用いたレーザ溶接」の実施状況を、外側磁気継手要素に適用した場合の例で示す斜視図。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る製造方法を説明するための図であって、図１のＣ部分に対応した内側磁気継手要素の要部を拡大して示す縦断面図。
【図５】図１に示す内側磁気継手要素と組み合わされる外側磁気継手要素の一例を示す縦断面図。
【図６】図３のＢ−Ｂ線断面図。
【図７】本発明の適用される原子炉の制御棒駆動機構の一例を示す縦断面図。
【符号の説明】
３  ボールねじ
７  制御棒
８  ハウジング
１２  電動機アッセンブリ(回転駆動装置)
１３  内側磁気継手要素
１４  外側磁気継手要素
１６  カラー(端板部材)
１７  フッシュ
１７ａ  カラー部分(端板部材)
１７ｂ  内側円筒部分
１９  永久磁石
２０  スリーブ
２６  周方向の接合部(開先)
１０１  インサートリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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