(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器と、この原子炉圧力容器の下部に下鏡から支持された炉心と、この炉心を構成する複数体の燃料集合体間に上方から下方に向けて挿入し、かつ下方から上方へ向けて引抜操作を行う複数の制御棒と、
この制御棒を駆動する内蔵型制御棒駆動機構と、
その内蔵型制御棒駆動機構に炉外から電力を伝送する電磁カップリングと、
炉内の冷却水を循環させる複数の大容量インターナルポンプと、
炉心の上端開口を閉塞しかつ前記複数の制御棒の駆動軸が上下動自在に挿通するシュラウドヘッドと、
このシュラウドヘッドの上端にスタンドパイプを介して立設され前記炉心から発生した二相流の気水分離を行う複数の気水分離器と、
前記シュラウドヘッドの下端を前記原子炉圧力容器と連結する上部仕切板と、
前記大容量インターナルポンプの各々に嵌合して立設され、前記上部仕切板より上方の冷却水を前記大容量インターナルポンプに導くよう構成された管状流路と、
前記炉心の上端に設けられ、前記原子炉圧力容器と連結し、前記内蔵型制御棒駆動機構を支持する上部格子板と、
前記炉心の下端に設けられ、前記原子炉圧力容器と連結する炉心支持板と、
前記気水分離器の上方に設けられ、かつ気水分離器で分離された蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器で構成されたことを特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項２】
前記上部仕切板、前記上部格子板、前記炉心支持板は周囲にリム胴構造を有することを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項３】
前記大容量インターナルポンプのモータを収納したケーシング上部にフランジを備え、羽根車とシャフトは上方に引き抜き可能であり、前記モータを収納したケーシングのフランジのボルト、前記羽根車、前記シャフトが取り外された状態で、前記モータケーシングが水平に取り出し可能に構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項４】
前記管状流路を嵌合させた前記大容量インターナルポンプを８台配置して４５°対称炉心を構成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項５】
複数個の、径が異なる円筒状の前記蒸気乾燥器を高さ方向に２段積み上げたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項６】
前記電磁カップリングは、前記原子炉圧力容器内に設置され、円筒状の圧力隔壁と鉄心と耐熱コイルをそれぞれ１次側と２次側に有し、電磁力により１次側から２次側に圧力隔壁を介して電力を伝達する構成により、前記内蔵型制御棒駆動機構へ動力を供することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項７】
前記電磁カップリングは、円筒状の圧力隔壁と鉄心と耐熱コイルをそれぞれ１次側と２次側に有し、電磁力により１次側から２次側に圧力隔壁を介して電力を伝達する構成であり、３組で３相の電力を前記内蔵型制御棒駆動機構へ伝達する動力用電磁カップリング、前記内蔵型制御棒駆動機構の位置信号を伝送する１組の位置検出用電磁カップリング、１組のスクラム用電磁カップリングを有し、前記電磁カップリングは前記原子炉圧力容器内に設置された円筒状の圧力容器に収納され、
炉外から電線管内に収納し、前記動力用電磁カップリング、前記位置検出用電磁カップリング、前記スクラム用電磁カップリングに接続された動力線と信号線により動力および信号を伝達することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項８】
前記電磁カップリングの２次側から電力供給を受け、耐熱コイルの採用により約３００℃の高温高圧二相流中で作動する密閉型モータとそのモータの回転力を減速する減速ギアとその減速ギアの回転力を密閉耐圧容器の外側に取り出す磁気カップリングとこの磁気カップリングで回転する分割型軸受けナットと制御棒を下端に接続して上下に移動するボールネジおよびスクラム機構で構成される前記内蔵型制御棒駆動機構を複数基設置したことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項９】
定期検査時に複数基の前記制御棒駆動機構を取り付けた制御棒駆動機構格子と、
制御棒を中に収めて制御棒の上下動をガイドし、かつ、上昇する二相流から保護するガイドチムニーを備え、前記制御棒駆動機構格子と前記ガイドチムニーが一体として吊り出し可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項１０】
前記制御棒駆動機構の上部に嵌合し、かつ正方格子状に配列された大容量気水分離器によって支持される駆動軸保護管を採用したことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に炉心上部から鉛直下向きに制御棒を挿入する型式の沸騰水型原子炉に関するもので、従来のＡＢＷＲと呼ばれる沸騰水型原子炉と特願平４−０３３４０７で示した発明を踏まえて更に改良を加えたものである。
【従来の技術】
一般に、従来の沸騰水型原子炉のうち、ＡＢＷＲと呼ばれる改良型沸騰水型原子炉を例に、図１９および図２０を参照して従来例について説明する。
従来の沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器１内には炉心２を収容するシュラウド３が設置されており、シュラウド３の下部および上部にそれぞれ配設された炉心支持板４および上部格子板５の間には多数の燃料集合体６が設置されている。
シュラウド３の上部にはシュラウドヘッド７が配設されており、このシュラウドヘッド７の上部にはスタンドパイプ８を介して気水分離器９が設置されている。気水分離器９の上方には蒸気乾燥器１０が設置されている。炉心支持板４の下方には、炉心２内に挿入される制御棒を収納する制御棒案内管１１と、制御棒を駆動するための制御棒駆動機構１２が設置されている。
原子炉圧力容器１の下部には複数の大容量インターナルポンプ１３が周方向に配設されている。
蒸気乾燥器１０の側方の原子炉圧力容器１壁面にはタービンへ炉心２で発生した蒸気を導く主蒸気管１４が接続されている。また、原子炉圧力容器１のスタンドパイプ８側方にはこの原子炉圧力容器１に冷却水を供給する給水配管１５が接続されている。
このように構成された沸騰水型原子炉においては、炉上部の冷却水はシュラウド３と原子炉圧力容器１に囲まれた環状空間から大容量インターナルポンプ１３に吸い込まれ、炉底部を経て炉心２で蒸気となり、スタンドパイプ８・気水分離器９・蒸気乾燥器１０を通過し主蒸気管１４でタービンに向かい、タービンを回した蒸気は冷却され給水となって給水配管１５から炉上部に戻る循環となっている。
また、このように構成された沸騰水型原子炉においては、炭素鋼製の原子炉圧力容器１とステンレス鋼製の炉内機器との間の、据え付け時とプラント運転時との熱膨張差を避けるためにシュラウド３を有する構造となっている。このシュラウド３は原子炉圧力容器１の下部から、熱膨張率が炭素鋼とステンレス鋼の間にあるインコネル材製のシュラウドサポートレグ１６およびポンプデッキプレート１７により立設し、炉心２・シュラウドヘッド７および気水分離器９等の炉内機器はシュラウド３によって支持されている。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、地球温暖化の防止の観点から限られた敷地でより多くの電気出力が得られ、かつ最新鋭の火力発電所よりも経済性の高い原子力発電所の出現が強く望まれている。これを実現するには小型の原子炉圧力容器に多数の燃料集合体を収納し、原子炉圧力容器の下部を簡素化するとともに、原子炉を格納し、原子炉の設計基準事故である冷却材喪失事故時の冷却材の密閉を行う原子炉格納容器とその原子炉格納容器を収める原子炉建屋の電気出力当りの容積を小さくすることが必要である。なぜなら原子炉格納容器の容積は原子炉圧力容器内の冷却材の総容積にほぼ比例するからである。従来の沸騰水型原子炉および特願平４−０３３４０７で示した発明においては、より多数の燃料集合体を原子炉圧力容器内に収納する必要があり、炉心を収納したシュラウドと呼ばれる円筒容器を原子炉圧力容器内に収納する二重構造が、原子炉圧力容器小型化の制約となっていた。また、原子炉圧力容器の下部に懸下された多数の制御棒駆動機構と大容量インターナルポンプ、およびそれらの引き抜きスペースの削減が必要であった。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、炉内機器を原子炉圧力容器内壁で支持してシュラウドを削除するとともに制御棒駆動機構を炉内に収納して、原子炉圧力容器の下部を簡素化できる具体的な炉内支持構造と炉内機器および内蔵した制御棒駆動機構への駆動用動力供給の手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
上記の課題を達成するため、本発明の沸騰水型原子炉においては、内蔵型制御棒駆動機構と、その内蔵型制御棒駆動機構に炉外から電力を伝送する電磁カップリングと、炉内の冷却水を循環させる大容量インターナルポンプと、この大容量インターナルポンプに上方の冷却水を導く管状流路と、炉心の上端開口を閉塞しかつ前記複数の制御棒の駆動軸が上下動自在に挿通するシュラウドヘッドと、このシュラウドヘッドの上端にスタンドパイプを介して立設され前記炉心から発生した二相流の気水分離を行う複数の気水分離器と、この気水分離器の上方に設けられ、かつ気水分離器で分離された蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器で構成し、シュラウドヘッド下端・炉心上端および炉心下端に圧力容器と連結する炉内機器支持板を有することで、シュラウドの無い炉内構造で原子炉圧力容器内に多数の燃料を装荷した炉心と制御棒駆動機構、ガイドチムニー、シュラウドヘッドおよび気水分離器等の炉内機器を支持することを可能とした。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態による沸騰水型原子炉について図面を参照して説明する。
［炉内構造］
まず、本実施の形態による沸騰水型原子炉の炉内構造について図１を参照して説明する。本実施の形態では、原子炉圧力容器１０１と、この原子炉圧力容器１０１内部の下方に配置された炉心１０２と、炉心１０２上端および炉心１０２下端に設けられ、原子炉圧力容器１０１と連結する上部格子板１０５および炉心支持板１０４と、炉心１０２を構成する複数体の燃料集合体１０６間に上方から下方に向けて挿入しかつ下方から上方へ向けて引抜操作を行う複数の制御棒１０３と、この制御棒１０３を駆動する制御棒駆動機構１１２と、炉内の冷却水を循環させる大容量インターナルポンプ１１３と、この大容量インターナルポンプ１１３に炉上部の冷却水を導く管状流路１１８と、炉心１０２の上方を閉塞しかつ前記複数の制御棒の駆動軸が上下動自在に挿通される複数の開口を有するシュラウドヘッド１０７と、このシュラウドヘッド１０７の下端を原子炉圧力容器１０１と連結する上部仕切板１１９と、このシュラウドヘッド１０７の上方にスタンドパイプ１０８を介して立設され、炉心１０２から発生した蒸気の気水分離を行う複数の気水分離器１０９と、複数の気水分離器１０９の上方に設けられかつこれら複数の気水分離器１０９で分離された蒸気を乾燥させる円筒２段蒸気乾燥器１１０とから構成されている。
このように構成された本実施の形態において、炉上部の冷却水は原子炉圧力容器１０１内の周囲に配設されている管状流路１１８から大容量インターナルポンプ１１３に吸い込まれ、炉底部を経て炉心１０２に導かれて蒸気となり、スタンドパイプ１０８・気水分離器１０９・蒸気乾燥器１１０を通過し主蒸気管１１４でタービンに向かい、タービンを回した蒸気は冷却され給水となって給水配管１１５から炉上部に戻る循環となっている。
次に、図２に示した炉内機器支持板径方向断面図を参照して、シュラウドヘッド下端・炉心上端および炉心下端を圧力容器と連結する炉内機器支持板について説明する。炉心１０２・制御棒駆動機構１１２、ガイドチムニー１１６、シュラウドヘッド１０７および大容量気水分離器１０９等の炉内機器を支持する炉心１０２上端の上部格子板１０５、炉心１０２下端の炉心支持板１０４およびシュラウドヘッド１０７下端での上部仕切板１１９はその外周にリム胴１２０を有することで原子炉圧力容器１０１との結合部との間に段差を設けることで、炭素鋼製の原子炉圧力容器１０１とステンレス鋼製のそれぞれの炉内機器支持板との熱膨張差による径方向の熱応力を緩和している。
本実施の形態によれば、炉心支持板１０４、上部格子板１０５、上部仕切板１１９といった炉内機器支持板の板厚およびリム胴１２０の板厚・高さを適切に選定することで、炉内機器の死荷重および据付時とプラント運転時の熱膨張差による応力を許容値以下に抑えることができるので、シュラウドの無い炉内構造で炉心１０２とガイドチムニー１１６と一体となった内蔵型制御棒駆動機構１１２が支持可能となり、その上方のシュラウドヘッド１０７および気水分離器１０９等の炉内機器も原子炉圧力容器１０１の内壁から支持できるようになった。
さらに、大容量インターナルポンプ１１３のモータを収納したモータケーシング１２５の上部にモータ分解点検用フランジ１２６を設け、羽根車およびシャフトを一体として上方に引き抜いた後、モータ分解点検用フランジ１２６のボルトを取り外し、モータケーシング１２５を水平に取り出すことを可能とし、原子炉圧力容器下部の点検引き抜きスペースを大幅に削減した。
次いで図３の炉心水平断面図を用いてシュラウドを削除した場合の炉心配置について説明する。管状流路１１８を嵌合させた大容量インターナルポンプは羽根車の半径を約１２％増加させて８台とした。これにより４５゜対称炉心が可能となる。４５゜対称炉心は核的な特性が優れ、管状流路１１８が炉心１０２外周部から深く内側に入り込むことを可能としている。管状流路１１８と管状流路１１８の間には電磁カップリング１１１と呼ばれる電力伝送手段を複数台配置した。
図４に本発明の円筒２段蒸気乾燥器１１０の鳥瞰図を示す。この具体的構造を図５の断面図を用いて説明する。複数個のドライヤベーン２０１は半径方向に蒸気が通過するように配置して円筒状の蒸気乾燥器を構成し、これを高さ方向に２段積み上げ、フード２０２を用いて蒸気の流れを均一化している。ドライヤベーン２０１で分離した蒸気中の液滴はドライヤベーンの垂直溝に沿って流下しドライヤベーン下端に集まりさらにドレンパイプ２０３によって排水される。なお、図４中符号２００は原子炉圧力容器上鏡である。
［電磁カップリング］
次いで本実施の形態による沸騰水型原子炉の炉内に内蔵する内蔵型制御棒駆動機構に電力を伝送し、制御棒位置検出信号を授受する電磁カップリングについて説明する。
図６は電磁カップリングの構成を示す概略図である。電磁カップリング１１１は、耐圧容器を介して非接触で１次側から２次側に電力を伝送する特殊な変圧器と定義できる。電磁カップリング１１１の１次側は上部格子板１０５の外周部に固定され、２次側は上部仕切板１１９から吊下げられている。電磁カップリング１１１は、内蔵型制御棒駆動機構１１２へ電力を供給する動力用電磁カップリング３０１と制御棒駆動機構１１２の位置信号を伝送する位置検出用電磁カップリング３０２、およびスクラム用電磁カップリング３２２のそれぞれ１次側コイルおよび２次側コイルを高さを合わせて対向させて複数組、１次側耐圧容器３０５、２次側耐圧容器３０６に収納している。
動力用電磁カップリング３０１は、一次側の動力ケーブル管３０３が電磁カップリングノズル１１７を介して原子炉圧力容器１０１の外に取り出すとともに、二次側の動力ケーブル管３０４は、内蔵型制御棒駆動機構１１２へ溶接により接続されている。位置検出用電磁カップリング３０２は、２次側の信号ケーブルを２次側動力ケーブル管３０４内に収納し、制御棒駆動機構１１２の位置検出コイルに接続される。一方、１次側の信号ケーブルは１次側動力ケーブル管３０３内に収納され、内蔵型制御棒駆動機構１１２の位置信号を炉外に伝送する。このような構成とすることにより、原子炉外から原子炉内への動力供給及び信号伝送を電気コネクタを使用せずに耐圧容器壁を介して非接触で伝達可能となり、定期検査時には速やかに着脱することを実現した。
図７および図８は、それぞれ本実施の形態による沸騰水型原子炉におけるスクラム用電磁カップリング３２２の原理を示した断面図および鳥瞰図である。
スクラム用電磁カップリング３２２は単相交流用の電磁カップリングであり、１次側コイル３２０は１次側ボビン３０７に巻かれ１次側鉄心３０８に装着された後、１次側の耐圧容器３０５に収納される。１次側コイル３２０には１次側ケーブル３０９が接続されている。２次側も１次側と同様に、２次側コイル３２１は２次側ボビン３１０に巻かれ、２次側鉄心３１１に装着された後、２次側の耐圧容器３０６に収納されている。１次側および２次側鉄心３０８、３１１の外側と耐圧容器３０５、３０６の間には、熱伝導特性に優れたセラミックスペーサ３１３が充填されており、電磁カップリングを効率よく冷却するようにしている。１次側コイル３２０に電流が供給されると、１次側鉄心３０８内に磁束３１４が発生する。この磁束３１４は、１次側耐圧容器３０５を貫通して２次側鉄心３１１に誘導される。この２次側誘導磁束３１５は、２次側鉄心３１１に巻かれた二次側コイル３２１の両端に電圧を発生する。この誘導電圧により内蔵型制御棒駆動機構１１２を駆動する。
次いで本実施の形態による沸騰水型原子炉における電磁カップリングの一変形例として、３相交流用の動力用電磁カップリングについて図９を参照して説明する。３相電磁カップリング３０１は３組の単相電磁カップリング３１８と５枚の磁気遮蔽板３１９により構成されている。単相電磁カップリング３１８は、前述の図７に示した電磁カップリングと同様に１次側鉄心３０８、１次側ボビン３０７、１次コイル３２０、２次側鉄心３１１、２次側ボビン３１０および２次コイル３２１から構成される。３相電磁カップリング３０１に用いられる３組の単相電磁カップリング３１８の各１次コイルに炉外から３相電圧のＵ相、Ｖ相およびＷ相を供給すると、単相電磁カップリング３１８の各２次コイル３２１でＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応した電圧が発生し、炉内に伝達される。したがって、電磁カップリングを用いて炉外から炉内への３相電力の伝達が可能となる。このとき、各単相電磁カップリング３１８間に磁気遮蔽板３１９を配置することで各単相電磁カップリング３１８で発生した磁界による相互影響および位置検出用電磁カップリングへの漏洩磁束を防ぐことができる。
［内蔵型制御棒駆動機構］
次に、本実施の形態による沸騰水型原子炉における内蔵型制御棒駆動機構について図１０および図１１を参照して説明する。本実施の形態では、内蔵型制御棒駆動機構は、高温仕様のコイル材で形成したステータ４０１およびサマリウムコバルト等の高温耐久性のある永久磁石を適用したロータ４０２で構成され、コンジットに収納された多芯のケーブル４０３を介して電磁カップリングからの３相の電力の供給を受け周囲温度約３００℃の環境下で動作する同期型モータと、そのモータの回転力を減速する遊星型減速ギア４０４と、その減速ギアの回転力を密閉型耐圧容器４０５の外側に取り出すための磁気カップリングの駆動側４０６を密閉型耐圧容器４０５内に内包し、磁気カップリングの駆動側４０６から密閉型耐圧容器４０５の壁を介して磁気カップリングの被駆動側４０７に伝達されるトルクによって回転する分割型軸受けナット４０８と、制御棒４０９を下端に接続して分割型軸受けナット４０８の回転動作によって自在に上下動する駆動軸４１０の構成によって、通常動作としての制御棒４０９の上下動を行う。一方、励磁コイル４１１の励磁または非励磁によってアーマチャーの可動側４１２が固定側４１３に各々吸着または重力落下する上下動作でリンク機構４１４を介し分割型軸受けナット４０８で駆動軸４１０を自在に把持または開放動作するスクラム動作機構も合せて有する。
このように構成された内蔵型制御棒駆動機構において、制御棒４０９を上下動させる通常動作と、重力落下により急速に制御棒４０９を炉心に全挿入するスクラム動作の機能を有する制御棒駆動機構を原子炉圧力容器内の炉心上部に据付けられた制御棒駆動機構格子４２１上に設置することが可能になる。
次に、原子炉の出力制御を行うために各々の制御棒駆動機構に連結されている制御棒の炉心への挿入位置を常時計測・監視するための機構について説明する。
図１０（ｂ）に示すように、制御棒駆動機構の通常動作時またはスクラム動作時において、駆動軸４１０の一部は、制御棒駆動機構の上部に嵌合した駆動軸保護管４１６内を上下動し、制御棒４０９が炉心から全引抜きされている状態では、駆動軸保護管４１６の内部にほぼその全長にわたって駆動軸４１０が存在する。一方、制御棒４０９が炉心に全挿入されている状態では、駆動軸保護管４１６の内部には、図１０（ａ）に示すように駆動軸４１０が存在しない状態となる。そこで、駆動軸４１０を磁性体で形成し、駆動軸保護管４１６の管壁内部に設けられた円筒状の空間または外壁に沿って軸方向ほぼ全長にわたって位置検出用コイル４１７を巻き、電磁カップリングを介して位置検出用コイル４１７に交流を通電すると、制御棒４０９の任意の位置に一意に対応したインダクタンスを測定することが可能になる。
これによって、制御棒４０９の位置に対応した信号を、原子炉内部に設置された制御棒駆動機構に付属した位置検出コイル４１７から電磁カップリングを介して原子炉の外に取出し計測することが可能になる。
次に、内蔵型制御棒駆動機構のスクラム機構について図１２を参照して説明する。制御棒（ＣＲ）４０９を炉心に迅速に全挿入するスクラム機構として、制御棒駆動機構１１２が原子炉に内蔵されていることを利用し、電磁カップリングからの電力供給を停止することのみによって制御棒４０９を重力落下させる機構を採用したものである。
通常動作時は電磁カップリングから供給される交流電源によって励磁コイル４０８が励磁されており、その磁力によって可動側アーマチャー４１２が固定側アーマチャー４１３に吸着されることでリンク機構４１１によって分割型軸受けナット４０８はその中心に集結・合体する力を得て駆動軸４１０を把持する。その状態で分割型軸受けナット４０８が高温仕様の同期モータを駆動源として回転することによって、カップリングを介して制御棒４０９と連結されている駆動軸４１０を上下動させる。
スクラム動作時には、電磁カップリングから励磁コイル４０８への電力の供給を停止し磁力をなくすことで、可動側アーマチャー４１２が自重によって固定側アーマチャー４１３から離れ自由落下する。可動側アーマチャー４１２の重力はリンク機構４１１を介し分割型軸受けナット４０８を半径方向に開く力となり、駆動軸４１０を開放する。その結果、カップリングを介して連結され一体化されている駆動軸４１０および制御棒４０９は、重力によって落下し、制御棒４０９が炉心に全挿入される。
このように電磁カップリングから励磁コイル４０８への供給電力を停止するだけで動作する重力落下方式のスクラム機能を有する原子炉内蔵型制御棒駆動機構を構築することが可能である。
次に、内蔵型制御棒駆動機構の炉外取り外し及び再組み込みについて図１０及び図１３を参照して説明する。本発明の対象である原子炉では、定期検査時に炉心に配列された燃料集合体を交換する必要があるが、その際、大容量気水分離器が固定されているシュラウドヘッド１０７、複数基の制御棒駆動機構１１２、それらを固定する制御棒駆動機構格子４２１、上昇する２相流を制御棒から隔離して流すための流路であるガイドチムニー４２２、燃料集合体の上端を支持する上部格子板１０５など炉心の上部にある機器および構造物を原子炉外に取り出す作業を行い、燃料集合体の交換後には原子炉内に組み込む作業を行う。
本実施の形態においては、これらの作業を簡素化するために、複数基の駆動軸４１０を含む制御棒駆動機構本体４２０と、それらを設置する制御棒駆動機構格子４２１と、複数体のガイドチムニー４２２と、炉内への電力伝送経路の自在脱着機構である複数体の電磁カップリングの２次側４２４、およびそれらから制御棒駆動機構１１２にいたるケーブルコンジット収納の多芯ケーブル４０３を一体で炉外に吊り出し、もしくは炉内に組み込むことが可能な構造である。なお、図１３中符号４２５は電磁カップリングの１次側である。
制御棒駆動機構本体４２０は、本体固定用のスリーブ４２６に差込み、その上部で溶接固定し、本体固定用のスリーブ４２６は制御棒駆動機構格子４２１に固定する。これによって複数基の制御棒駆動機構本体４２０は制御棒駆動機構格子４２１に固定されると同時に、単体の補修が必要な場合は、上部の溶接部およびケーブルコンジット収納の多芯ケーブル４０３を切り離すという上部のみのアクセスによって制御棒駆動機構格子４２１と分離可能な構造となる。
ガイドチムニー４２２上部は、制御棒駆動機構格子４２１に溶接等によって恒久的に固定する。電磁カップリングの２次側４２４は、その２次側からのケーブル全てを収納した幹線部のコンジットを制御棒駆動機構格子４２１に溶接等によって恒久的に固定する。一方、制御棒駆動機構格子４２１の周囲はリム胴構造としているがこの取り付けフランジ部に、複数本のガイドロッド４２３が貫通するようキリ穴を設け、これをガイドに、複数基の制御棒駆動機構本体４２０、複数体のガイドチムニー４２２、複数体の電磁カップリングの２次側４２４、およびケーブルコンジット収納の多芯ケーブル４０３と一体になった制御棒駆動機構格子４２１を吊出し、若しくは組み込む構造としている。
また、図１２に示したように本実施の形態では、制御棒駆動機構４２０のスクラム機能のための、励磁コイルへの電力の供給または停止によるアーマチャー４１２、４１３とリンク機構４１４の動作で駆動軸４１０を把持または開放する分割型軸受けナット４０８の構造として、３方に分裂するローラベアリング機構を収納した分割ナットを採用している。分割軸受けナット４０８はナットを周方向に３分割したもので、３分割されたナットはそれぞれが上部支持点を支点に回転運動可能に取り付けられ、ナット下端のリンク機構とのピン接続部において駆動軸中心方向またはその反対方向に力を受け把持または開放動作する。ローラベアリング機構としては、３分割されたナット毎に鋼球を循環させるボールナット方式や、各ナットに駆動軸のネジ溝に対応した複数段のピンローラを設置する方法が採用可能である。また、分割を４分割等、３分割を超える分割にしても同等な機能を持たせることができる。
また、図１、図１０、及び図１３を参照して説明すると、本実施の形態においては、制御棒４０９は、炉心の出力制御のために炉心１０２に全挿入から全引抜きまで可能であることが要求されるため、制御棒駆動機構４２０のストロークは、炉心高さすなわち燃料集合体１０６の高さ程度の長さが必要である。したがって、駆動軸保護管４１６は制御棒駆動機構１１２の上部にあって、その長さは燃料集合体１０６の高さ程度となる。
本実施の形態では、この長尺となる駆動軸保護管４１６を制御棒駆動機構本体４２０と分離自在とし、シュラウドヘッド１０７を貫通させ、その貫通部においてシュラウドヘッドと溶接接合し、シュラウドヘッド１０７の上部においては、正方格子状に複数基配列された大容量気水分離器１０９に支持される構造とした。これによって長尺の駆動軸保護管４１６は、シュラウドヘッド１０７側に強固に固定される。
一方、駆動軸保護管４１６に設置された制御棒位置検出コイル４１７は制御棒駆動機構本体４２０側から電力供給を受ける必要があるので、駆動軸保護管４１６と制御棒駆動機構本体４２０との嵌合部には、それぞれに位置検出用電磁カップリング２次側４１９と位置検出器電磁カップリング３次側４１８を設け、接合・分離自在な信号伝送経路とする。
以上に説明した内蔵型制御棒駆動機構は図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように上部仕切板１１９を取り付けた制御棒駆動機構格子４２１に固定され、ガイドチムニーによって二相流の流路を上部挿入制御棒１０３のガイド部と分離し、内蔵型制御棒駆動機構１１２の外側の二相流の流路４５３を上昇してシュラウドヘッドからスタンドパイプを経由して大容量気水分離器に流入する。ガイドチムニー下部のシールパイプ４５０は燃料チャンネル４５１上部のハンドリングヘッド４５２と嵌合し、二相流をガイドチムニー内へと導く構造となっている。これにより上部挿入型制御棒１０３が上昇する二相流による流力振動を防止している。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、相対的に小型の原子炉圧力容器に多数の燃料集合体を収納し、原子炉圧力容器の下部を簡素化して経済性を向上することが可能となった。しかし、従来の沸騰水型原子炉に比べて炉内構造が大幅に変更となったため、耐震性、冷却材喪失事故時および圧力過渡時の特性がどのような影響を受けるかを評価した。以下に、本発明の作用効果について述べる。
［耐震性評価］
図１５は本発明の耐震上の作用効果を示す図であり、炉内構造物の振動解析モデルを用いた固有値解析結果の一例として代表的な振動モードを示している。原子炉圧力容器モデル５０１より炉内構造物を支持している炉心支持板モデル５０４、上部格子板モデル５０５、上部仕切板モデル５０６の剛性に関して、熱膨張差による応力を許容値以下に抑えた上で等価ばね定数Ｋ＝１０７ＫＮ／ｍ程度の剛性が確保できる場合、燃料集合体モデル５０２の１次モードが４．８Ｈｚに存在している。他の振動モードとしてはガイドチムニーモデル５０３の１次モードが１５Ｈｚ以上にあるというように、長尺な弾性梁構造の変形モードが主であり、炉心支持構造物（炉心支持板モデル５０４、上部格子板モデル５０５、上部仕切板モデル５０６）自身の変形が卓越する振動モードは２０Ｈｚ以下には存在しない。従って燃料集合体の地震応答を評価する際には、炉心支持構造物との共振による応答増加を懸念する必要が全くないことから、従来型ＢＷＲの炉心支持構造物であるシュラウドの固有振動数が１０Ｈｚ以下にあることと比較しても、耐震上有利な構造であると言える。
［冷却材喪失事故時の評価］
本発明の沸騰水型原子炉は、一例として定格電気出力を１７００ＭＷｅとして従来の沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）の定格電気出力１３５６ＭＷｅに比べて約２５％増加させてその作用効果を定量的に評価した。図１に示したように原子炉圧力容器１０１は従来の沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）と同等の大きさの原子炉圧力容器（ＲＰＶ）を使用しているにもかかわらず、内蔵型制御棒駆動機構やガイドチムニー、シュラウドレス構造などの特徴的な構造を有している。特に、図１９に示す従来の沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）と比較して、炉心１０２が原子炉圧力容器１０１の下部に位置することになる。炉心が下部に移動したことにより炉心の冠水維持の裕度が増加するメリットと、炉心上部の２相流部分が増え、炉心下部の単相部分が減少することにより原子炉圧力容器内の冷却材の総量（インベントリ）が減少するデメリットの２点が考えられる。そこで、この構造的特徴が冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）時に与える影響を原子炉過渡熱水力解析コード（ＴＲＡＣ）を用いて定量的に評価した。図１６に冷却材喪失事故の１つとして仮想された破断モードである給水管破断事故時の挙動を示す。ＬＯＣＡ後約９０秒で高圧炉心冠水系（ＨＰＣＦ）が注入開始し、自動減圧系（ＡＤＳ）による減圧後、約３６０秒で低圧炉心冠水系（ＬＰＦＬ）が注入される。非常用炉心注水系（ＥＣＣＳ）の容量は１３５６ＭＷｅのＡＢＷＲと同等であるが炉心が下に位置する効果により、この時の燃料加熱部上端（ＴＡＦ）部は事故後全ての範囲において冠水維持されていることが確認された。高圧炉心冠水系（ＨＰＣＦ）配管破断など他の破断事象についても同様の結果が得られた。従って、非常用炉心注水系の容量が出力比で２５％削減されたにもかかわらず、炉心が下に位置する効果により、炉心の冠水維持特性は却って向上したことが確認された。
［圧力過渡時の評価］
本発明の沸騰水型原子炉は、一例として定格電気出力を１７００Ｍｗｅとして従来の沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）の定格電気出力１３５６ＭＷｅに比べて約２５％増加させてた。原子炉圧力容器１０１は従来の沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）と同等の大きさの原子炉圧力容器（ＲＰＶ）を使用した場合、水蒸気隔離弁（ＭＳＩＶ）全閉などの圧力過渡が発生した時に、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）内の圧力上昇が厳しくなるのではないかと考えられた。そこで熱水力最適評価コード（ＴＲＡＣ）を用いて、過渡解析を行なった。主蒸気逃がし安全弁（ＳＲ弁）の容量も従来の沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）１３５６ＭＷｅと同容量とした。解析結果を図１７に示す。本発明の沸騰水型原子炉はＡＢＷＲに比べ出力が２５％高くなっているが、ピーク圧力は絶対値で約２％高くなっているのみである。原子炉圧力容器（ＲＰＶ）と主蒸気逃がし安全弁（ＳＲ弁）の容量が従来の沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）と同等であることを考えると、ＡＢＷＲに比べ圧力上昇割合が低く抑えられていると考えられる。これは炉心上部にガイドチムニーなどの二相流部が多く、圧力上昇を緩和していると考えられる。
以上に述べた通り、本発明の沸騰水型原子炉は冷却材喪失事故および圧力過渡に対して相対的に有利なプラントであり、経済性のみならず耐震性、安全性、信頼性が向上したプラントであることが確認された。
また、本発明によれば、従来の沸騰水型原子炉において原子炉圧力容器下鏡部から複数基垂下していた制御棒駆動機構を従来と同等の大きさの原子炉圧力容器内部に設置可能となり、従来の制御棒駆動機構の設置空間を削除可能となる。これによって、原子炉建屋の容積を削減でき、沸騰水型原子炉発電プラントの建設に関わる経済性を向上できる。一方、原子炉内に内蔵することによって、従来の水圧制御ユニットを用い原子炉内圧力に抗して制御棒をスクラム動作させる方式から、重力落下方式を採用することが可能となり、スクラム用の高圧水圧発生装置類を削除できる。これによって同じく沸騰水型原子炉発電プラントの建設に関わる経済性を向上できる。
また、本発明によれば、上記効果がある重力落下方式スクラム動作を、励磁コイルへの電力停止という容易な手段で、実現することができる。
また、本発明は、定検時の炉内構造物取り出し・組み込み時に電力伝送ケーブルの取り外しまたは再接続作業を不要とする電磁カップリングと整合性のある位置検出方法で、本来制御棒駆動機構が有するべき制御棒位置検出機能を提供できる。制御棒駆動機構を原子炉圧力容器内の炉心上部に設置することによって上述した効果があるが、定検時の燃料交換作業時には制御棒駆動機構を原子炉外に取り出す必要がある。
また、本発明によれば、図１８に示すとおり、定期検査時に燃料交換のための制御棒駆動機構、その他炉内構造物の取り出し・再組込み作業が簡素化され、上述した原子炉内蔵型制御棒駆動機構の効果を生かすことができる。
また、本発明によれば、通常動作時は摩擦が小さい駆動軸の動作が可能で、かつ簡素な機構で重力落下方式スクラム動作を行うことができ、信頼性および経済性に優れた制御棒駆動機構を提供できる。
また、本発明によれば、既存の炉内構造物によって長尺の駆動軸保護管を強固に支持できるため、周囲の冷却水の流動に起因する流力振動に対し、経済的に信頼性向上を図ることができる。
以上に述べた通り、本発明により、原子炉圧力容器を電気出力比で小型化でき、原子炉の設計基準事故である冷却材喪失事故時の冷却材の密閉を行う原子炉格納容器とその原子炉格納容器を収める原子炉建屋も相対的に小型化可能となった。特に、シュラウドの無い炉内構造で炉心・制御棒駆動機構・ガイドチムニー・シュラウドヘッドおよび気水分離器等の炉内機器を支持できるので、小さな原子炉圧力容器により多くの燃料集合体を装荷することが可能な出力の大きく経済的な沸騰水型原子炉を提供することができる。さらに、原子炉圧力容器の下部も簡素化し、原子炉の設計基準事故である冷却材喪失事故時の冷却材の密閉を行う原子炉格納容器とその原子炉格納容器を収める原子炉建屋の電気出力当りの容積を小さくすることも可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の沸騰水型原子炉概略断面図。
【図２】本発明の実施の形態の炉内機器支持板径方向断面図。
【図３】本発明の実施の形態の炉心水平断面図。
【図４】本発明の実施の形態の円筒２段蒸気乾燥器鳥瞰図。
【図５】本発明の実施の形態の円筒２段蒸気乾燥器断面図。
【図６】本発明の実施の形態の電磁カップリングの概略構成図。
【図７】本発明の実施の形態の電磁カップリングの原理図。
【図８】本発明の実施の形態の電磁カップリングの鳥瞰図。
【図９】本発明の実施の形態の３相電磁カップリング概略図。
【図１０】本発明の実施の形態の内蔵型制御棒駆動機構の概略図。
【図１１】本発明の実施の形態の内蔵型制御棒駆動機構の駆動部概略図。
【図１２】本発明の実施の形態の内蔵型制御棒駆動機構のスクラム機構概略図。
【図１３】本発明の実施の形態の内蔵型制御棒駆動機構の炉外取り出し・再組込み手順。
【図１４】本発明の実施の形態のガイドチムニー下部及び上部断面図。
【図１５】本発明の耐震上の作用効果を示す図。
【図１６】本発明の冷却材喪失事故時の作用効果を示す図。
【図１７】本発明の圧力過渡時の作用効果を示す図。
【図１８】本発明の炉内構造物の吊り出し手順を示す図。
【図１９】従来の沸騰水型原子炉概略断面図。
【図２０】従来の沸騰水型原子炉の鳥瞰図。
【符号の説明】
１０１  原子炉圧力容器
１０２  炉心
１０４  炉心支持板
１０５  上部格子板
１１１  電磁カップリング
１１２  内蔵型制御棒駆動機構
１１３  大容量インターナルポンプ
１１６  ガイドチムニー
１１８  管状流路
１１９  上部仕切板
１２５  モータケーシング
２００  原子炉圧力容器上鏡
３０１  動力用電磁カップリング
３０２  位置検出用電磁カップリング
３２２  スクラム用電磁カップリング
３１３  セラミックスペーサ
４０１  高温モータ・ステータ
４０２  高温モータ・ロータ
４０４  減速ギヤ
４０５  密閉型耐圧容器
４０６  磁気カップリング駆動側
４０７  磁気カップリング駆動側
４０８  分割型軸受けナット
４０９  制御棒
４１０  駆動軸
４１１  励磁コイル
４１６  駆動軸保護管
４１７  位置検出コイル
４２０  制御棒駆動機構本体
４２１  制御棒駆動機構格子
４２２  ガイドチムニー筒
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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