(57)【要約】【課題】制御棒の停止位置精度を向上した制御棒駆動機構を提供する。【解決手段】自然循環式沸騰水型原子炉１００の原子炉圧力容器１０１の下方に配置される制御棒駆動機構１０４は、制御棒１の下端に連結された中空ピストン７と、中空ピストン７の下方に配置され、中空ピストン７を載置するボールナット８と、ボールナット８に螺合して、その回転運動によりボールナット８を上下運動させるボールねじ９と、ボールねじ９に動力を伝達する磁気継手１１，１２と、磁気継手１１，１２を介してボールねじ９に回転運動をさせるインダクションモータ５と、を備え、ボールナット８およびボールねじ９におけるねじのピッチＰ１は、強制循環式沸騰水型原子炉における当該ねじのピッチＰ２よりも小さく設定されていること、を特徴とする。【選択図】図２
2007232435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料集合体が装荷された炉心と、
前記炉心の上方に配置され、前記炉心での核反応により発生した気液二相流の上昇流路となるチムニと、
前記チムニの上方に配置され、前記炉心での核反応により発生した気液二相流を飽和蒸気と飽和水に分離する気水分離器と、
前記気水分離器の上方に配置され、前記気水分離器から得られた飽和蒸気に含まれる湿分を除去する蒸気乾燥器と、
を備えた自然循環式沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器下方に配置される制御棒駆動機構であって、
制御棒下端に連結された中空ピストンと、
前記中空ピストンの下方に配置され、前記中空ピストンを載置するボールナットと、
前記ボールナットに螺合して、その回転運動により前記ボールナットを上下運動させるボールねじと、
前記ボールねじに動力を伝達する継手と、
前記継手を介して前記ボールねじに回転運動をさせる電動機と、を備え、
前記ボールナットおよび前記ボールねじにおけるねじのピッチは、強制循環式沸騰水型原子炉における当該ねじのピッチよりも小さく設定されていること、
を特徴とする制御棒駆動機構。
【請求項２】
前記継手は、磁気継手であることを特徴とする請求項１に記載の制御棒駆動機構。
【請求項３】
前記電動機は、インダクションモータであることを特徴とする請求項１に記載の制御棒駆動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽水炉としての沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲ（Boiling Water Reactor）ともいう。）に使用される制御棒駆動機構（ＣＲＤ（Control Rod Drive）)に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＢＷＲの原子炉圧力容器には、減速材を兼ねた冷却材（軽水）が収容されるとともに、その中央部分に、多くの燃料集合体が装荷された炉心が配置される。燃料集合体の間には、制御棒が挿入・引抜き自在に設置されている。そして、原子炉の起動・停止、反応度補償、負荷追従などの制御は、炉心に対し制御棒を挿入・引抜きすることにより行われる。この制御棒は、原子炉圧力容器下方に備えられた制御棒駆動機構によって昇降駆動される。
【０００３】
制御棒駆動機構は、原子炉圧力容器下方に接続したハウジング内において、制御棒の下端に連結された中空ピストンを、ボールねじに螺合されたボールナット上に載置するように構成されており、ボールねじを回転させ、ボールナットを上下動させて制御棒を昇降駆動するようになっている。ボールねじは、ハウジングの下端に設置されたインダクションモータなどの電動機によって駆動される。電動機の回転は、磁気継手を介してハウジング内の伝達軸を回転させ、伝達軸に接続されたボールねじに回転が伝達される。ボールねじの回転運動はボールナットの上下運動に変換され、中空ピストンを介して制御棒を上下動させるようになっている（例えば、特許文献１参照）。また、制御棒停止時の位置保持は、電動機に取り付けられた保持ブレーキを作動させることによって行う。
【特許文献１】特開平８−８２６９０号公報（段落００６１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電動機としてインダクションモータを使用した従来の制御棒駆動機構では、制御棒の駆動制御、特に制御棒の駆動停止の際、インダクションモータの出力軸が制御棒停止指令を受けても慣性によってすぐには回転を停止できず、停止するまでの時間、回転を続ける。そのため、磁気継手を介してボールねじが回転してしまい、制御棒停止指令から制御棒停止までに、ボールナットや中空ピストンを介して制御棒が余分に上下動をすることになる。このように、従来の制御棒駆動機構には、制御棒の停止位置精度が低いという問題があった。
【０００５】
近年、開発が進んでいる高経済自然循環式ＢＷＲ（ＥＳ（Economic Simplified）ＢＷＲ）では、炉心の上方にチムニ、気水分離器、蒸気乾燥器などが配置されているので、原子炉圧力容器の高さが高くなり、建設コストの増大を招く要因となっていた。そのため、炉心の燃料集合体の長さ（高さ）を従来の０．８倍程度に短く（低く）することで、原子炉圧力容器全体の高さを抑えて、建設コスト増大の抑制を図っている。
【０００６】
このように燃料集合体が短い（低い）ＥＳＢＷＲでは、インダクションモータの慣性による回転に起因する制御棒の上下動が、原子炉の出力制御に大きな影響を与えることになる。したがって、原子力プラントの安定した運転のために、より高い制御棒の停止位置精度が要求される。
【０００７】
そこで、本発明は、制御棒の停止位置精度を向上した制御棒駆動機構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】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、燃料集合体が装荷された炉心と、炉心の上方に配置され、炉心での核反応により発生した気液二相流の上昇流路となるチムニと、チムニの上方に配置され、炉心での核反応により発生した気液二相流を飽和蒸気と飽和水に分離する気水分離器と、気水分離器の上方に配置され、気水分離器から得られた飽和蒸気に含まれる湿分を除去する蒸気乾燥器と、を備えた自然循環式沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器下方に配置される制御棒駆動機構であって、制御棒下端に連結された中空ピストンと、中空ピストンの下方に配置され、中空ピストンを載置するボールナットと、ボールナットに螺合して、その回転運動によりボールナットを上下運動させるボールねじと、ボールねじに動力を伝達する継手と、継手を介してボールねじに回転運動をさせる電動機と、を備え、ボールナットおよびボールねじにおけるねじのピッチは、強制循環式沸騰水型原子炉における当該ねじのピッチよりも小さく設定されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の制御棒駆動機構によれば、制御棒の停止位置精度を向上した制御棒駆動機構を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係る原子力発電システムについて、適宜図面を参照しながら説明する。
なお、一般に、沸騰水型原子炉内の冷却材（軽水）の駆動方法は２通りあって、一つは再循環ポンプを用いて冷却材を強制循環させる方法であり、もう一つは再循環ポンプを用いないで冷却材を自然循環させる方法である。本実施形態は、後者の自然循環させる方法である。
【００１１】
図１は、原子力発電システムの概略を示す全体構成図である。前記した自然循環による方法では、図１に示すように、原子炉圧力容器１０１の内部において、多数の燃料集合体１０２を配置する炉心１０８で発生するボイド、すなわち、蒸気（気相）と飽和温度の冷却材（液相）の混合した密度の低い冷却材と、給水加熱器１４０から供給される給水と混合された冷却材（液相）との比重差によって、自然循環に必要な駆動力を得ることができる。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態の自然循環式沸騰水型原子炉１００は、円筒状の原子炉圧力容器１０１の内部に、炉心シュラウド１０８ａが、同心の円筒状に設けられている。この炉心シュラウド１０８ａの内部には、多数の燃料集合体１０２が配置された炉心１０８が設けられている。この炉心１０８の下方には制御棒案内管１０３や制御棒駆動機構１０４が、上方にはチムニ１０５、気水分離器１０６、蒸気乾燥器１０７などが配置されている。また、炉心シュラウド１０８ａの外側面と原子炉圧力容器１０１の内側面との間隙に、ダウンカマ１０９と呼ばれる環状空間が形成されている。さらに、原子炉圧力容器１０１の内部には、減速材を兼ねた冷却材が収容されている。
【００１３】
燃料集合体１０２は、炉心１０８に配置されるものであり、自然循環式沸騰水型原子炉１００への燃料（ウランなど）の装荷および取出しに際して、ばらばらにならずに一体として取り扱えるようにした燃料の集合体である。
炉心１０８は、その下部に炉心支持板１０８ｂを、上部に上部格子板１０８ｃを設け、燃料集合体１０２と制御棒の横方向の配置を決めている。
炉心支持板１０８ｂには、所定の間隔で円形の図示しない貫通孔が設けられ、その貫通孔に制御棒案内管１０３が挿入される。この制御棒案内管１０３の下部には、原子炉圧力容器１０１の下鏡部（容器底部）を貫通した制御棒駆動機構１０４が設けられている。
なお、燃料集合体１０２と制御棒駆動機構１０４は、少なく図示しているが、実際には多数存在する。
【００１４】
チムニ１０５は、原子炉圧力容器１０１と同心の円筒状であり、内部を仕切り板で格子状に仕切った格子流路を有している。このチムニ１０５の上端は、シュラウドヘッド１０６ａで閉じられ、このシュラウドヘッド１０６ａには、所定の数の冷却材通過用の孔が設けられている。この孔はスタンドパイプ１０６ｂを介して気水分離器１０６につながっている。
気水分離器１０６は、チムニ１０５から供給される冷却材の気液二相流(気体と液体が共存する流れ)を、気相の飽和蒸気と液相の飽和水に分離する。なお、シュラウドヘッド１０６ａとスタンドパイプ１０６ｂと気水分離器１０６は一体に組み立てられており、燃料交換時には、一体でチムニ１０５の上端から取り外し可能な構成になっている。
蒸気乾燥器１０７は、気水分離器１０６から得られた飽和蒸気に含まれる湿分を除去する装置である。
【００１５】
タービン１１０は、自然循環式沸騰水型原子炉１００から蒸気出口ノズル１０１ａを経由して供給された飽和蒸気によって発電機を駆動して発電を行うものである。
復水器１２０は、海水を循環させることなどによってタービン１１０から供給される蒸気を冷却し（そのための循環ポンプなどは図示せず）、水に液化させるものである。
【００１６】
給水ポンプ１３０は、復水器１２０から供給された水を吸引し、自然循環式沸騰水型原子炉１００に給水加熱器１４０や給水入口ノズル１０１ｂを経由して供給するものである。
給水加熱器１４０は、給水ポンプ１３０から供給された水を、炉内に供給するのに適した温度に加熱する装置である。
【００１７】
続いて、原子力発電システムＳにおける動作の概要を説明する。
まず、自然循環式沸騰水型原子炉１００において、給水加熱器１４０から給水入口ノズル１０１ｂを経由して供給される水と、気水分離器１０６で分離された飽和水とが混合し、その混合水がダウンカマ１０９を下降して炉心１０８に供給される。
【００１８】
炉心１０８に供給された混合水は、炉心１０８での核反応により加熱され、飽和状態の気液二相流となり、チムニ１０５の内部の格子流路を上昇して、気水分離器１０６に供給される。気水分離器１０６に供給された気液二相流は、気相の飽和蒸気と液相の飽和水に分離される。
飽和蒸気は、蒸気乾燥器１０７で湿分が除去され、蒸気出口ノズル１０１ａを経由してタービン１１０に導かれる。一方、飽和水は給水加熱器１４０から給水入口ノズル１０１ｂを経由して供給される水と混合して、ダウンカマ１０９を下降する。
【００１９】
タービン１１０では、供給された飽和蒸気により発電機を駆動して発電を行い、復水器１２０では、タービン１１０から供給された蒸気を冷却することにより液化する。
給水ポンプ１３０は、復水器１２０で液化された水を吸引して自然循環式沸騰水型原子炉１００に給水入口ノズル１０１ｂを経由して供給し、その途中経路に配置された給水加熱器１４０は、その水を炉内に供給するのに適した温度に加熱する。
【００２０】
以上のような原子力発電システムＳにおける各構成のうち、本発明は、制御棒駆動機構１０４に関するものである。以下、図２を参照しながら、本発明の実施形態に係る制御棒駆動機構１０４について詳細に説明する（適宜図１参照）。図２は、本実施形態に係る制御棒駆動機構の構造図である。
【００２１】
制御棒１は、複数の燃料集合体１０２の間に挿入・引抜き自在に設置され、原子炉圧力容器１０１の下鏡部に貫通して設けられた制御棒駆動機構１０４によって昇降駆動されるようになっている。この制御棒１の挿入・引抜きにより、自然循環式沸騰水型原子炉１００における燃料反応度の調整、すなわち、原子炉の出力制御が行われる。
【００２２】
制御棒駆動機構１０４の筺体部分は、原子炉圧力容器１０１の下鏡部に接続されたハウジング２と、そのハウジング２の下部フランジにボルト締結されたアウターチューブ３と、そのアウターチューブ３とボルト締結されたスプールピース４とから構成されている。スプールピース４の下方には、制御棒駆動機構１０４の動力源であるインダクションモータ５が着脱可能に設けられている。また、インダクションモータ５の上方には、制御棒１の位置保持を行う保持ブレーキＢＫが取り付けられる。
【００２３】
ハウジング２およびアウターチューブ３の内側には、制御棒１の下端にカップリング６を介して連結された中空ピストン７と、その中空ピストン７が載置されたボールナット８と、そのボールナット８が螺合され、上端側が中空ピストン７に収容されたボールねじ９とが設けられている。また、中空ピストン７およびボールナット８には、それぞれに、対をなすローラ７ａ，８ａが、ガイドチューブ３ａの内周面に形成された軸方向のガイドレール３ｂを挟持するように取り付けられている。
【００２４】
スプールピース４の内部には、伝達軸１０、軸受部１０ａ、ボールねじ９の下端側に接続されたギアカップリング１９、および、伝達軸１０の上端側に接続されたギアカップリング２０が設けられており、ギアカップリング１９および２０は互いに連結されている。さらに、スプールピース４には、このスプールピース４を挟んで対向配置された一対の磁気継手、すなわち、内側磁気継手１１と外側磁気継手１２とが設けられており、内側磁気継手１１は伝達軸１０に接続され、外側磁気継手１２はインダクションモータ５の出力軸５ａに接続されている。
【００２５】
続いて、制御棒駆動機構１０４における動作の概要について説明する。
インダクションモータ５が駆動すると、出力軸５ａを介して外側磁気継手１２が回転し、外側磁気継手１２と内側磁気継手１１との間で作用する磁力によって回転トルクが伝達されて、内側磁気継手１１が回転する。これにより、内側磁気継手１１に接続された伝達軸１０、伝達軸１０に接続されたギアカップリング２０、および、ボールねじ９に接続されたギアカップリング１９を介してボールねじ９が回転し、ボールナット８および中空ピストン７が上下方向に移動する。この際、中空ピストン７およびボールナット８は、ローラ７ａ，８ａを介してガイドレール３ｂにより回転が規制されている。そして、ボールナット８および中空ピストン７の上下方向の移動により制御棒１が昇降駆動する。
このようにして、制御棒１の炉心１０８への挿入・引抜きの量が調整され、原子炉の出力制御が行われる。また、インダクションモータ５の停止時には、保持ブレーキＢＫを作動させて制御棒１の位置保持を行う。
【００２６】
以上が本実施形態に係る制御棒駆動機構１０４の構造および動作の概要である。
前記した通り、インダクションモータ５の出力軸５ａは、制御棒停止指令を受けても慣性によってすぐには回転を停止できないため、停止するまでの時間、回転を続ける。そのため、ボールねじ９が回転してしまいボールナット８や中空ピストン７を介して制御棒１が上下動することになる。燃料集合体１０２の長さ（高さ）が短い（低い）自然循環式沸騰水型原子炉１００では、以上のような制御棒１の上下動は、わずかではあっても原子炉の出力制御に大きな影響を与えることになる。
【００２７】
そこで、本実施形態に係る制御棒駆動機構１０４では、図３に示した、比較例のボールねじ９ｂよりもピッチが小さく設定されたボールねじ９ａを使用する。図３は、本実施形態に係る制御棒駆動機構で使用されるボールねじ（ａ）と比較例のボールねじ（ｂ）のピッチを比較した模式図である（適宜図１、図２参照）。
なお、ボールナット８は、本実施形態の制御棒駆動機構１０４で使用されるボールねじ９ａに螺合すればよい。
【００２８】
制御棒駆動機構１０４では、ボールねじ９のピッチは、インダクションモータ５が一回転するときのボールナット８の上下動距離（リード）に等しくなる。
比較例のボールねじ９ｂのピッチＰ２は、１２ｍｍであるから、インダクションモータ５が一回転するときの制御棒１の上下動距離（リード）は１２ｍｍとなる。しかし、本実施形態の制御棒駆動機構１０４で使用されるボールねじ９ａのピッチＰ１は、例えば、１０ｍｍであるから、インダクションモータ５が一回転するときの制御棒１の上下動距離（リード）は１０ｍｍとなる。したがって、本実施形態の制御棒駆動機構１０４で使用されるボールねじ９ａは、インダクションモータ５が一回転するときの制御棒１の上下動距離（リード）を短くすることができる。
【００２９】
このように、本実施形態の制御棒駆動機構１０４で使用されるボールねじ９ａは、インダクションモータ５が一回転するときの制御棒１の上下動距離（リード）を短くすることができるので、制御棒停止指令から制御棒停止までのインダクションモータ５の回転回数が同じであれば、停止指令からの制御棒１の上下動距離が短くなり、制御棒１の停止位置精度を向上することができる。
【００３０】
また、制御棒１を上下動させるための軸方向荷重はボールねじ９により回転トルクに変換されるが、その回転トルクはボールねじ９のピッチに比例するため、ピッチが小さく設定されたボールねじ９ａを使用すれば、回転トルクを小さくすることができる。このように、回転トルクを小さくすれば磁気継手１１，１２の伝達トルクおよび保持ブレーキＢＫの保持トルクも小さくてすむため、磁気継手１１，１２および保持ブレーキＢＫを小型化することが可能となる。
【００３１】
磁気継手１１，１２と保持ブレーキＢＫは制御棒駆動機構１０４の長手方向に配置されるため、磁気継手１１，１２と保持ブレーキＢＫを小型化すれば制御棒駆動機構１０４の全長Ｌを短くすることができる。これにより、原子炉圧力容器１０１と制御棒駆動機構１０４を収容した原子炉建屋の高さを低くすることができるので、建設コストの削減を図ることができる。
【００３２】
なお、本実施形態では、ボールねじ９ａのピッチＰ１を１０ｍｍとした例を示したが、これに限らず、必要に応じてピッチＰ１をさらに小さく設定してもよい。
また、本実施形態では、電動機としてインダクションモータ５を使用した例を示したが、これに限らず、例えば、ステッピングモータ等を使用してもよい。
さらに、本実施形態では、本発明を自然循環式沸騰水型原子炉１００に適用した例を示したが、これに限らず、強制循環式沸騰水型原子炉に適用してもよい。
【００３３】
以上で本実施形態の説明を終えるが、本発明の実施形態はこれらに限定されるものではない。具体的な構成について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】原子力発電システムの概略を示す全体構成図である。
【図２】本実施形態に係る制御棒駆動機構の構造図である。
【図３】本実施形態に係る制御棒駆動機構で使用されるボールねじ（ａ）と比較例のボールねじ（ｂ）のピッチを比較した模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１          制御棒
５          インダクションモータ
７          中空ピストン
８          ボールナット
９，９ａ    ボールねじ
１１        内側磁気継手
１２        外側磁気継手
１００      自然循環式沸騰水型原子炉
１０１      原子炉圧力容器
１０２      燃料集合体
１０４      制御棒駆動機構
１０５      チムニ
１０６      気水分離器
１０７      蒸気乾燥器
１０８      炉心
Ｐ１，Ｐ２  ピッチ
【図１】
2007232435.tif 000003
【図２】
2007232435.tif 000004
【図３】
2007232435.tif 000005