(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料交換ブリッジと、
第１および第２端を有する第１関節アームと、
前記燃料交換ブリッジに装着されそして前記第１関節アームの前記第１端に連結された第１支持構造体と、
前記第１関節アームの前記第２端から垂下された第１入れ子式マストと、
この第１入れ子式マストの底端に装着された垂下体と、
この垂下体に結合されたエンドエフェクターと
を備え、
前記第１関節アームは第１および第２リンクからなり、
前記第１関節アームの前記第１リンクは前記第１支持構造体との第１継手において枢動自在であり、
前記第１関節アームの前記第２リンクは前記第１関節アームの前記第１リンクとの第２継手において枢動自在であり、
前記第１入れ子式マストは前記第１関節アームの前記第２リンクから垂下されており、
前記第１および第２継手はそれぞれ垂直回転軸線を有し、前記第１関節アームは水平面内だけで前記燃料交換ブリッジに対して可動であるようになっている
原子炉燃料交換用の燃料交換機。
【請求項２】
第１および第２端を有する第２関節アームと、前記燃料交換ブリッジに装着されそして前記第２関節アームの前記第１端に連結された第２支持構造体と、前記第２関節アームの前記第２端から垂下された第２入れ子式マストとをさらに含む請求項１記載の燃料交換機。
【請求項３】
前記第１入れ子式マストは水平軸線を中心として前記第１関節アームの前記第２リンクに対して枢動自在である請求項１記載の燃料交換機。
【請求項４】
前記エンドエフェクターは空気作動把持装置からなる請求項１記載の燃料交換機。
【請求項５】
前記入れ子式マストは縦軸線を中心として前記第１関節アームの前記第２リンクに対して回転自在である請求項１記載の燃料交換機。
【請求項６】
前記垂下体は縦軸線を中心として前記入れ子式マストに対して回転自在である請求項１記載の燃料交換機。
【請求項７】
前記垂下体に装着された超音波変換器をさらに含む請求項１記載の燃料交換機。
【請求項８】
前記垂下体に装着されたカメラと、このカメラからの映像を予め記憶されたイメージと比較する対象物認識手段とをさらに含む請求項１の燃料交換機。
【請求項９】
前記垂下体に装着された水噴射スラスタと、この水噴射スラスタへの高圧水の供給を制御する弁制御手段とをさらに含み、前記入れ子式マストは前記水噴射スラスタによって加えられる推力に応じて横方向にたわむように設計される、請求項１記載の燃料交換機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般的には原子炉の燃料交換用装置に関し、特に、燃料交換ブリッジから垂下された入れ子式マストと、このマストの端に装着され原子炉燃料または原子炉の一構成部を把持しかつそれを使用済み燃料プールまたは他の適当な場所に移送するためのエンドエフェクター（末端効果器）とを有する燃料交換ブリッジに関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的な燃料交換プラットホームは、原子炉ウエルと使用済み燃料貯蔵プールとの間をＸ方向にレール上を移動する剛固なブリッジクレーン形構造体からなる。やはり剛性構造体であるトロリが、ブリッジクレーンの水平箱形材ビーム上のレールに載置されＹ方向に動き得る。トロリ上に配置されているのは、（１）入れ子式マストと関連設備、（２）制御手段付き補助ホイスト、および（３）表示装置付き制御ステーションである。ヨーロッパと日本における燃料交換プラットホーム構造体は十分な剛性のものであり、レールの設置は十分な精度でなされ、そして十分な緊密度の駆動トレインが座標検知器による燃料の自動把持を可能にする。しかし、自動把持に要する剛性によりプラットホーム構造体は極めて重くなるので、その移動速度は低減する。米国におけるプラットホーム構造体はそれほど剛性が高くないので、座標検知器による燃料の自動把持は不可能である。
【０００３】
前述の型の燃料交換装置では、入れ子式マストはジンバルでトロリに取付けられる。マストは、上端が燃料交換機に取付けられた厚肉精密加工外管と、その中に入れ子式にはめ込まれた４本の厚肉精密加工管とからなる。マストは剛固に配置されたフランジ付きアダプタを有し、このアダプタは様々なエンドエフェクターに対応するように設計される。マストは燃料交換床の下方に約１７ｍの距離にわたって望遠鏡と同様に伸びる。
【０００４】
燃料集合体は原子炉停止中のみ可動かつ交換可能である。燃料交換に要する時間を減らすことにより原子炉停止の費用を減らし得る。燃料移動は繰返し頻度が高いので自動化の最適目標である。自動化用制御装置は容易に利用できるが、入れ子式マストと把持装置とを備えた燃料交換機は、自動化に要する位置繰返し精度と信頼性を可能にするのに十分なほど空動きがないものではない。あるいは、もしそれほど十分に空動きを起こさないものであれば、燃料交換機は極めて剛固であり、従って低速を要する重い構造体である。
【０００５】
全ての現用燃料交換機は、水平（Ｘ−Ｙ）面に設定した所定の繰返し可能なデカルト座標を得るのに絶対位置づけを利用する。この考えは幾つかの望ましくない特性と制限を有する。これは主として、燃料の所与深さに必要な位置精度を達成する費用に関係する。
絶対位置づけにおいて、炉心内の燃料の位置は、ブリッジのレールまたはトロリのレール上の対応位置に対して固定位置であると仮定される。また、把持装置とその目標最終位置までの一定不変距離が仮定される。この理由で、設計はたわみを最少にし、マストにおける緩みを最少にし、そして駆動トレインにおける空動きをなくすようにしなければならない。絶対位置づけ能力を有する代表的な燃料交換機では、把持用ＸおよびＹ座標は、プラットホームとトロリのレール近くに配置した位置指示器（通例光学的ディジタルエンコーダ）から得られる。ブリッジとトロリは所望位置に動かされ、そしてマストはその把持装置とともに炉心内の燃料のレベルに降ろされる。この考えでは、たわみと間隙を最小にする必要がある。その結果、ブリッジおよびトロリ構造体は高い剛性をもつように設計されるので質量の大きな構造体になる。この大質量の故に、駆動トレインにおける少量の空動きまたは保存エネルギーが１つの位置誤差源となり、この誤差源を完全に除去することは困難である。大質量の正確な位置づけは元来困難である。加えて、相異なる位置間の移動速度が被制御非線形急激加減速の見地から問題になる。
【０００６】
別の問題は入れ子式マストと把持装置の設計である。従来の入れ子式マストは、望遠鏡のように、互いに滑りあうことによって伸びる一連の入れ子式はめ合わせ管である。マストは剛性が高くかつ精密に機械加工されなければ管相互間の間隙を最小にし得ない。その結果、従来のマストは非常に重い。重さが１０７０ｋｇのマストの場合、推定ケーブル荷重（燃料付き）は約９５０ｋｇである。この重さの場合、各ケーブルは直径が約９ｍｍ、そしてドラム直径が少なくとも４０５ｍｍ（すなわちケーブル直径の４５倍）でなければならない。
【０００７】
マストに関する設計目標は、管相互間の間隙を最小にすると同時にマスト延伸時に円滑運動を保証することである。もし軸受間隙が狭過ぎるように設定されれば、その結果、以下に述べるような付着滑り（スティックースリップ）が発生する。マストが伸ばされるにつれ、構成管の１つが軸受の摩擦により支持され、適所で動かなくなる。その後、マストが下降を続けるにつれ、その管は離脱し、そして次の比較的大きなマスト構成管の止め部まで落下する。この状態は従来運転中のプラントにおいて生じているので、一マスト構成管が落下し得る距離は荷重検知器により制限され、この検知器は、もしマスト延伸中に各マスト構成管の全荷重が移動されなければ、マストの下降を停止するものである。従って、目標は、決してこう着を起こさず間隙がゼロである軸受設計を提供することである。なぜなら、軸受間隙は繰返し不可能な位置誤差を導入するからである。
【０００８】
燃料交換機の設計においては、考慮しなければならない多くの位置誤差が存在し、そして絶対位置づけの考えでは修正できない少なくとも１つの誤差は、エンコーダによって与えられるＸ−Ｙ位置指示に対する炉心内の燃料の可変実際位置である。燃料交換床の約１７ｍ下方の深さにおける原子炉内の炉心レベルで±１５〜２０ｍｍの範囲内の所要位置繰返し精度を得ることが設計目標であり、これは費用がかかる。
【０００９】
ヨーロッパ式設計に対し、米国の燃料交換機は比較的軽いが、位置誤差がかなり大きい。これは幾つかの要因、例えば、（１）構造体のたわみ性が高いこと、（２）駆動トレインが過多のバックラッシをもつこと、（３）入れ子式マストがその管部相互間に大きな間隙をもつことの結果である。これらの問題の幾つかは少数のプラントでは改造により修正されてきたが、米国の燃料交換プラットホームは自動化には使用できない。なぜなら、装置の位置づけを十分な精度で繰返すことができないからである。
【００１０】
絶対位置づけ方法を燃料交換機の移動毎に２つの燃料集合体の運動に適用することは困難である。なぜなら、第２のマストと把持装置の重量が増しかつそれに応じて構造たわみが増大するからである。また、もし両マストをＸおよびＹ方向において独立的に制御できなければ、双燃料運動の可能性は十分実現されない。従来の燃料交換機の場合、ＸおよびＹ方向において２つの把持装置の独立位置制御をなすと、機械の重量と設計の複雑さが、実行可能な選択と考えられない点まで増大してしまう。
【００１１】
【発明の概要】
燃料移動は繰返し頻度が高いので自動化の最適目標である。しかし、従来の燃料交換機は自動化されるように設計されなかった。新しい制御手段を加えることだけにより機械を自動化しようとしても、性能と安全性と信頼性は高まらない。１つの重要な理由は、現在のヨーロッパ式設計において使用されている絶対位置づけ方式の結果として非常に質量の多い構造体と非常に重い入れ子式マストが用いられていることであり、これらは両方とも正確に位置づけられなければならない。新しい設計の目的はまさしく逆方向のこと、すなわち、位置制御を受ける構成部の質量を最少にすることでなければならない。
【００１２】
本発明の燃料交換機の概念は、たわみの最少化と機械加工精度とを重視せずに自動位置づけを達成するものであり、たわみを最少にしそして加工精度を高めようとすれば、いずれの場合も重い高価な装置を用いることになる。この新しい燃料交換概念を適用すると、燃料交換に要する時間を減らし、作業者の技能への依存度を減らし、作業者の放射線被曝を減らし、そして燃料交換中の安全性と信頼性を高めることができる。
【００１３】
新しい設計の目的は、対象物および文字認識技術を適用して絶対位置制御ではなく相対位置制御を可能にすることにより達成される。この変化は全構成部の重量の低減を容易にし、従って位置信頼度を高める。燃料交換マストの重量の大幅な低減の重要な結果として、２つの全自動ロボットアームを用いて２つの燃料集合体を同時にそれぞれ高い位置信頼度で動かすことができ、これにより燃料の移動速度を高め得る。加えて、本発明の主目的は、燃料交換床レベルにおける位置指示器から間接的にではなく、炉心レベルにおいて位置制御のために機械的視覚を適用することである。
【００１４】
従って、本発明の好適実施例によれば、燃料交換機は、移動プラットホーム上の２つのロボットアームと、たわみマストと、光学的対象物認識手段付き垂下体と、互換性の相対位置づけ制御装置とからなる。これらの構成部はコンパクトかつ軽量であり、これは既存燃料交換ブリッジの改造を容易にする。
新しい相対位置づけ垂下体の概念は、計算機による制御装置と組み合わせた対象物および文字認識技術の最近の開発を利用する。この制御装置は炉心内の燃料レベルにおける把持装置の位置繰返し精度を達成し、この制御装置により作業者は燃料移送の手動、半自動または全自動方式を選択できる。この概念はまた１つの燃料集合体の移動または２つ以上の燃料集合体の同時移動に容易に適用できる。
【００１５】
垂下体は、エンドエフェクター（例えば燃料把持装置）を担持するもので、新設計の主要部である。２つのテレビジョンカメラが垂下体の両側において垂下体上またはその内側に装着される。両カメラは固定位置にあるが可変焦点距離を有する。本制御装置は符号化形状を認識しそしてこの形状をカメラにより生じた映像と比較することができる。Ｘ−Ｙ平面における位置の相違は制御装置により決定され、そして垂下体ケーブルを取付けた位置づけロボットが所定位置に動かされる。
【００１６】
通常、ケーブルの端につるされた荷重の移動に関する１つの問題は、荷重が位置づけロボットの停止後揺動する傾向をもつことである。この傾向は、本発明の好適実施例によれば、機敏な位置制御装置により除かれる。プログラムされた加減速に基づいて、揺動の除去に要する超過制御の正確な量が制御装置により計算されそして運動制御シーケンスの一部分となる。
【００１７】
アルミニウムまたはポリエチレン製の非常に軽量のマストが設けられ、垂下体ケーブルが単一平面内に留まることを確実にしそして回り止めに役立つ。この種のマストの重量は従来の入れ子式マストの重量の約１０分の１と推定され、そして位置繰返し精度を必要としない。本発明による入れ子式マストは予知し得るばね定数だけを必要とする。好ましくは、入れ子式マストの最上セグメントの上端は、マストの縦軸線を中心とする回転を可能にするように装着される。
【００１８】
【実施例の記載】
相対的位置づけ燃料交換機に可動燃料交換ブリッジが含まれ、図１に示した構造体を支持する。この構造体は、支持構造体２と、一端が支持構造体２に支持された片持ばり３と、一端が片持ばり３に連結された関節ロボットアーム４と、ロボットアーム４の他端に装着した入れ子式マスト６と、マスト６の底端に装着した垂下体８とからなる。図７に示すように、ロボットアーム４は関節ブームの形をなし、このブームは、一端が一対の同軸継手７２ａ、７２ｂを介して片持ばり３の端に枢着された第１リンク４ａと、一端が一対の同軸継手７４ａ、７４ｂを介してリンク４ａの他端に枢着された第２リンク４ｂとからなる。入れ子式マスト６はリンク４ｂの他端から垂下されている。継手７２ａ、７２ｂを通る第１枢軸線は垂直であり、かつ継手７４ａ、７４ｂを通る第２枢軸線と平行である。従って、各ロボットアーム４の両リンクはヨー方向にだけ回転し得る。両リンクのヨーイングは、燃料交換ブリッジ７０（図８参照）の直動と組み合って、持上げるべき原子炉構成部に対するエンドエフェクターの大まかな位置づけをもたらす。
【００１９】
片持ばり３に対するリンク４ａの枢動はサーボ制御器４６（図１１参照）により制御され、このサーボ制御器は、継手７２ａに組込んだ機械的伝動装置に連結された交流サーボ電動機５２と、継手７２ｂに組込んだ機械的伝動装置に連結された同等駆動装置とを駆動する。これらの駆動装置は、それぞれのサーボ電動機が同期作動をなすように連結されなければならない。同様に、リンク４ａに対するリンク４ｂの枢動はサーボ制御器４８により制御され、サーボ制御器４８は、継手７４ａに組込んだ機械的伝動装置に連結された交流サーボ電動機５４と、継手７４ｂに組込んだ機械的伝動装置に連結された同等駆動装置とを駆動する。継手７４ａ、７４ｂと関連する駆動装置は、それぞれのサーボ電動機が同期作動をなすように連結されなければならない。サーボ制御器４６、４８は中央処理装置５０から制御信号とデータ信号を受け取る。
【００２０】
本発明の考えによる入れ子式マストは非常に軽くそして比較的たわみ性の高い１組のはめ合わせ管であり、固定管６ａと可動管６ｂ〜６ｇ（図１参照）を含んでいる。管６ｂ〜６ｇは固定マストセグメント６ａに対しかつ相互に対して滑ることができる。滑動自在マストセグメントの数は特定用途の設計要件に基づいて３から１０まで可変である。特に、この種の任意の設計では、必要な管の数は短縮長さと、管相互の重なり合いと、延伸長さとに依存する。管伸縮時のたわみ性と位置繰返し精度の程度は、管の真直度と、管相互間の間隙と、重なり合いと、スペーサ設計とに依存する。管数の増加は、一般に、個々の管と、重なり合いの長さと、所与位置精度に対するスペーサ設計の製造公差に関してそれだけ不利になることを意味する。この弱点は、全体的な位置精度が入れ子式マストの精度に直接依存する従来の設計（ほとんどの現用原子炉で使用されている装置）に関して特に重要であった。この依存性の結果、非常に高価で、非常に重く、精密に機械加工された１組のはめ合わせステンレス鋼管が必要であった。
【００２１】
最上マストセグメント６ａはジンバル取付け具（図示せず）によりリンク４ｂの末端に取付けられている。ジンバル取付け具によりマストセグメント６ａはそれ自体の縦軸線の周りを回転し得る。マストの回転はサーボ制御器４７（図１１参照）により制御され、このサーボ制御器は機械的伝動装置に連結された交流サーボ電動機５３を駆動する。マストセグメント６ａは、アームリンク４ｂに対して平行に直動できないという意味で固定されている。
【００２２】
図２について説明すると、垂下体８はエンドエフェクター例えば燃料把持装置１０または制御棒把持装置（図示せず）を取付けるためのフランジ２４を有するシリンダ２２を有する。シリンダ２２は垂下体ハウジング内に延在し、角位置制御で約３６０度回転するように任意に設計され、この場合、入れ子式マストセグメント６ａはその縦軸線を中心として回転し得る必要はない。フランジ付きシリンダ２２はまた垂直軸線においてばね荷重をかけられ、燃料把持装置１０が燃料束集合体のベイル２６に衝突した時に発生する全力のマストへの伝達を防止する。マスト６はさらに、垂下体８に取付けた取り外し自在付属物６ｈ（図２参照）と、ロボットアームリンク４ｂに取付けた取り外し自在付属物（図示せず）とを含んでいる。
【００２３】
垂下体とその荷重は、最も内側のマストセグメントに取付けた２本のワイヤロープまたはホイストケーブル２０ａ、２０ｂ（図４参照）によって支持される。垂下体８は、ホイストケーブル巻取りドラム（図示せず）の使用によるホイストケーブルの巻取りと繰出しそれぞれにより昇降する。各ホイストケーブルは装置の全荷重を支えるように設計される。垂下体の重量は軽量の入れ子式マスト６に垂直位置に垂下させるのに十分である。マスト６は、図４に示すように、ホイストケーブル２０ａ、２０ｂと、燃料把持装置１０操作用の空気供給ホース２０ｃと、超音波変換器からの信号ケーブル２０ｄと、超音波変換器への動力および制御ケーブル２０ｅ用のシュラウドとして作用する。
【００２４】
本発明は対象物および文字認識を適用するもので、この認識は通常、機械的視覚（machine vision）と呼ばれる。機械的視覚を組入れた制御装置用のソフトウェアとハードウェアは市販されている。本発明は、放射線の場における垂下体の水中操作と関連して機械的視覚を適用する。
性能を高めかつ費用を低減するために、垂下体は、位置確認と衝突回避用のライトと超音波変換器４２を備えたコンパクトな水中カメラ１２を有する。超音波変換器４２は従来のように交互に送信モードと受信モードで作用し得る。超音波変換器によって受取られる戻りまたは反響信号の到着時間は、変換器と反響物体との間の距離を示す。このデータは超音波処理器４４で使用され、把持すべき目標燃料ベイル２６（図２参照）に対する把持装置１０（または他のエンドエフェクター）の大まかな位置を示す信号を発する。この大まかな位置の情報は中央処理装置５０に伝えられ、この中央処理装置はサーボ電動機５２、５４を制御して把持装置１０と燃料ベイル２６との間の距離を減らす。
【００２５】
カメラ１２は、図２に示すように、保持体１６を用いて垂下体８の筒形本体１４の外部に装着され得る。代替的に、図３に示すように、垂下体８´は筒形本体１４´の内側に配置された２つのカメラ（図示せず）を有する。両カメラからの映像は対象物認識処理装置３８（図１１参照）により数値化され、そして記憶装置４０に予め記憶されたイメージと比較され、燃料ベイル２６に対する把持装置１０（または他のエンドエフェクター）の精密な位置と角位置を決定する。
【００２６】
精密位置情報フィードバックに応じて、中央処理装置５０はロボットアーム４を、把持装置がベイルの上方に来るまで、関節運動させる。次いで、対象物認識処理装置からの角位置情報に基づいて、計算機５０は、サーボ制御器４７と交流サーボ電動機５３（図１１参照）とによりマスト６を回転させ、これを把持装置とベイルが整合するまで行う。次いで、計算機５０によりサーボ制御器５６が交流サーボ電動機５８を働かせ、この電動機はホイストケーブル巻取りドラム（図示せず）を繰り出し方向に回転させ、その結果把持装置はベイル上に降ろされる。最後に、計算機５０は把持装置操作弁６０を開いて圧縮空気を圧縮空気供給源６２から空気作動把持装置１０へ供給し、これにより把持装置をベイルに連結する。次いで、把持されたベイルに取付けられている燃料束集合体は、計算機５０の制御のもとで、ホイストケーブル巻取りドラムを巻取り方向に回転させることにより、上昇し得る。
【００２７】
代替的な好適実施例によれば、目標に対するエンドエフェクターの精密位置は水噴射スラスタを用いて調整可能である。これが可能であるのは、マストがその延伸状態で横方向にたわむように設計されるからである。４つの水噴射スラスタ１８ａ〜１８ｄ（図１１参照）が垂下体８´（図３参照）の本体１４´の外周に９０度の間隔で隔設され、Ｘ−Ｙ面における微細な運動位置制御をなす。水噴射スラスタは、中央処理装置５０の制御を受ける水制御ステーション６４内の弁の動作により高圧水源６６に選択的に接続される。スラスタは位置制御計画に次のように利用される。
【００２８】
ロボットアーム４（図７参照）の関節作用と、燃料交換ブリッジ７０（図８参照）の直動は、中央処理装置５０（図１１参照）により、アームリンクサーボ電動機５２、５４と燃料交換機駆動モータ７１それぞれを介して制御される。これは、燃料の把持と移動のために垂下体８´（図３参照）の大まかな所要高速位置づけをもたらす。この大まかな位置づけは、計算機常駐の位置テーブルを利用して±１００ｍｍ以内の精度で行われることが期待される。大まかな相対位置に達した後、超音波検出により決定されたように、燃料交換ブリッジ７０は、それに支持された支持体２とともに、一時的に適所に固定される。次いで、垂下体が降ろされるにつれ、カメラ１２は、ソフトウェアが燃料（または他の炉心構成部）の把持に要する位置に対する垂下体の位置を定めるのに必要な撮像をなす。この段階で、位置制御は制御装置の機械的視覚構成部に移される。この中間位置づけ工程は、把持すべき燃料ベイル２６（図２参照）のレベルの４０００ｍｍないし１０００ｍｍ上方の距離で約±１０ｍｍ以内の精度で行われることが期待される。垂下体８´の下降速度は漸減され、そしてスラスタ１８ａ〜１８ｄ（図３と図１１参照）は燃料ベイルの１０００ｍｍないし１００ｍｍ上方の距離における真の把持用位置の約±２ｍｍ以内に垂下体８´を位置づける。入れ子式マスト６は最初の２０ｍｍの運動を可能にする十分なたわみ性を有する。しかし、垂下体８´が緩やかに最後の１０００ｍｍ降ろされるにつれ、ロボットアーム４はマストの頂部のレベルで垂下体の上方の正確なＸ−Ｙ位置に動かされ、その間垂下体の位置はスラスタにより維持される。
【００２９】
角位置は入れ子式マスト６の頂部で容易に得られ、そしてスラスタが、上述のように、微細な運動位置制御を確保するために使用される。スラスタの使用により、非常に軽いたわみプラスチック製入れ子式マストの設計が可能になり、このマストは支持ケーブルと垂下体のアンビリカル・コード用のガイドとしてのみ使用される。
【００３０】
マストは、把持されそして上方からロボットアームにより位置づけられるべき燃料の上方に正確な垂下体位置を定める垂下体の能力を妨げるべきではない。これは、マストが剛固である必要はないが比較的一定のばね定数をもつべきであることを示唆する。すなわち、マストの伸縮時の空動きは極めてわずかとなるべきである。幾らかの空動きは容認されるが、過度の緩みはハンチングを引起こすおそれがあり、そうなると燃料の把持に望ましくない時間遅れが生じる。スラスタを垂下体に付加するので、入れ子管の剛性要件は重要でなくなる。しかし、入れ子式マストの管数は少ない方が望ましい。なぜなら、その組立体は比較的少ない部品を有し、比較的軽くそして比較的廉価になるからである。各マストセグメントの重量低減はマストセグメントの落下に関する配慮を不要にする。
【００３１】
本装置の好適実施例によるスペーサを有する最低の２本のはめ合わせマストセグメント６ｆ、６ｇの合着部の垂直断面を図５に示す。各対のはめ合わせマストセグメントの合着部には同様のスペーサ配置を施すことを理解されたい。各マストセグメントは、丸いコーナを有する長方形に類似した断面形を有する管である。他の形状例えば長円形を用いてもよい。スペーサ組立体２８、３０は管要素６ｆ、６ｇ間にそれらの合着部において配置されている。上側スペーサ組立体２８は管要素６ｇの頂部に取付けられそして管要素６ｆ、６ｇ間に下方に延在し、下側スペーサ組立体３０は管６ｆの底部に取付けられそして両管要素間に上方に延在する。スペーサ組立体２８、３０は共に管ガイドとして、また、管要素６ｇが動けなくなった後落下した場合ダンパとして、さらに管要素６ｆに対する管要素６ｇの下方変位に対する止め部として作用する。両スペーサ組立体の位置を図５に示すが、両スペーサ組立体の構造は詳細に示してない。スペーサ組立体２８、３０は好ましくは成形されたプラスチック例えばポリエチレンで製造される。上側および下側スペーサ組立体は、内側管セグメント６ｇと外側管セグメント６ｆとが縦方向に相対的に変位する間、両管セグメント間に所定間隙を維持する。
【００３２】
下側スペーサ組立体３０（図６参照）は、下側スペーサリング３０ａと、一端が下側スペーサリング３０ａに連結されそして上方に延在する複数のたわみ部材３０ｂ〜３０ｅとからなる。同様に、上側スペーサ組立体は、上側スペーサリングと、一端が上側スペーサリングに連結されそして下方に延在する複数のたわみ部材とからなる。下側スペーサリング３０ａは下側スペーサ組立体３０を外側入れ子管、例えば図５の管セグメント６ｆの下端に取付けるために用いられる。同様に、上側スペーサリングは上側スペーサ組立体２８を内側入れ子管例えば管セグメント６ｇの上端に取付けるために用いられる。順次大きくなっている管相互間に上側スペーサ組立体と下側スペーサ組立体が存在する。従って、図１に示した６セグメントマストの場合、全部で１２個のスペーサ組立体が存在する。
【００３３】
たわみ部材（例えば３０ｂ〜３０ｅ）はそれぞれ図６に詳細に示すように多数の波形部を有する。各波形たわみ部材は多数の概して平行な細長いスペーサブロック３２を含み、これらのブロックは多数のたわみビーム３４により順次連結されている。各ブロック３２はスペーサリング３０ａの幅に等しい幅をもつ長方形断面を有し、この幅は隣合うはめ合わせ管セグメント間の所望間隙に等しい。図５について述べると、上側スペーサ組立体２８のたわみ部材の末端は、例えば、管セグメント６ｇが管セグメント６ｆに対して延伸位置にある時、接触面Ｃにおいて下側スペーサ組立体３０の対応するたわみ部材３０ｂ〜３０ｅの対応末端と接触する。スペーサ組立体の圧縮中のたわみビーム３４の曲げは、１つの管セグメントがそれをはめ込んだ次の比較的大きな管セグメントに対して落下する時の衝撃により発生する力の減衰をもたらす。この衝撃は、上記の１つの管セグメントが動けなくなってから次の比較的大きな管セグメントに対して滑った後発生し得る。波形部材の縦方向の圧縮に従うビーム３４の曲げを容易にするために、ビーム３４は長方形ブロック３２に対して幾分斜めの角度でブロック３２に連結されている。各ブロックの片側は外側入れ子管の内壁面と接触しそして他の側は内側入れ子管の外壁面と接触する。ビーム厚さとブロック間の距離を選定することにより、入れ子管セグメント間の最適力が発生し得る。
【００３４】
ヨーロッパと日本における現用装置はたわみを制限するように設計されているので、剛性が高く、その結果固有振動数が高い。これに対し、本発明の燃料交換機は、寸法と重量と費用を減らしそして制御装置の応答性を高める手段としてたわみを許容するように設計されている。期待すべき結果は、現用設計よりずっと低い固有振動数である。
【００３５】
燃料交換機の好適実施例によれば、２つの固定ペデスタル（各ペデスタルは図１に示した支持構造体２に類似）が、転動輪により１対の軌道上を線形に移動する燃料交換ブリッジに装着される。図７に示したように構成されたロボットアームが１つずつ各ペデスタルに取付けられる。この方式は、移動構造体の寸法と重量を減らしてその費用を減らすとともに燃料運送時間の短縮を容易にし得るという利点を有する。
【００３６】
以上に概説した位置制御設計を利用すると、構造体のたわみ性を高めることができる。なぜなら、燃料上方の把持装置の位置づけは構造体の剛性と非常に緩く関係しているからである。すなわち、構造体の位置誤差は±１００ｍｍ程の大きさをもち得る。加えて、従来のマストとトロリと関連設備の全重量は、２つのロボットアームと２つのマストと燃料付きホイストの全重量より幾分大きいことが期待される。この結果が可能であるのは、マストの重量が非常に大幅に減少するからであり、また、制御装置全体が燃料交換機上ではなく特別に設計した制御室内に配置されるからである。
【００３７】
本発明の好適実施例によれば、燃料交換ブリッジは、図８と図９に見られるように、低輪郭ロボットアーム支持体を有するように設計される。このブリッジは、トロリを含まない典型的な従来の燃料交換プラットホーム構造体の重量の３０％以下であることが期待される。この低輪郭構造体は、入れ子式マストの頂部の燃料交換床の上方の取付け高さだけが異なる２例において適用された。図８に示した低輪郭燃料交換機設計は１０セグメントマストを必要とする。完全に短縮したマスト６が、アームリンク４ｂの末端に取付けたピボット７８を中心として枢動し得る。ピボット７８はほぼ水平に配置され、短縮したマストの垂直位置から水平位置への枢動を可能にする。マストを水平位置に回すには補助ホイストが必要である。水平位置では、整備員がエンドエフェクター交換のためにマストの下端に接近し得る。図９に示した低輪郭燃料交換機設計は１１セグメントマストを必要とするが、エンドエフェクターは、マストを回すことなく交換できる。原子炉建物内に十分な高さがある場合、図１０に示すような高輪郭型の燃料交換ブリッジを利用でき、この場合、１対の固定ペデスタル８０ａ、８０ｂが高輪郭ロボットアーム支持体８０の横部材８０ｃを支持する。
【００３８】
本発明による制御装置は、燃料移動のために３方式の作用、すなわち、全自動式と、半自動式すなわち作業者確認のための中断を伴う自動式と、手動式の作用が可能である。
全自動式では、制御装置は、作業者の介在なしに、連続する多数の位置命令、例えば、炉心全体の燃料取出しまたは再装荷を自動的に実行し得る。例えば、作業者が装置を始動すると、燃料集合体が自動的に把持されそして炉心内の特定位置から経路に沿って使用済み燃料貯蔵プールに移される。装置は自動的に燃料を使用済み燃料貯蔵プール位置に挿入し、燃料を離し、炉心に戻り、そして次の特定燃料集合体を把持する。この工程は所定シーケンスが完了するまで続行される。所定シーケンスは教示モードで設定または変更され得る。教示モードにより、作業者は手動でシーケンスに沿って進むことができ、その後機械がその正確なシーケンスを繰返す。これは、手動でシーケンスに従って把持装置をプラットホームから動かすことにより物理的に達成され、あるいはグラフィックシミュレーションにより達成され得る。
【００３９】
半自動式では、シーケンスは、自動工程が所定段階で停止しそして制御が作業者の行動に委ねられるという点を除けば、前述と同様である。例えば、装置は、マストを把持すべき燃料の上方に止めて作業者が燃料集合体の位置と番号を確認し得るようにセットされ得る。作業者が満足した時、作業者は制御を自動に戻しそして機械は次の段階を行う。制御装置は作業者が特定の中断を選択し得るように設計される。
【００４０】
手動式では、作業者は特定位置を選択しそしてプラットホームとマストがその位置に動くようにする。任意の座標または座標の組合せを入力し得る。作業者は燃料交換機またはそのマストの位置を直接制御するのではなく、位置命令または位置命令シーケンスが制御装置に与えられ、その時制御装置がプラットホームの運動を制御する。
【００４１】
全ての作用方式において、制御装置は干渉を防止する禁じられた位置とシーケンスを包含する。信頼性確保のために、この特徴は２つの独立方法により達成される。第１に、制御装置内の参照用テーブル（またはメモリ常駐方法）が、マストが取り得るＸＹＺ位置をもたらす。第２に、垂下体上の直接近接測定装置、例えば超音波変換器が、障害物までの距離を、例えば、超音波パルスの送信と障害物からのその反響の受信との間の時間間隔を測定することにより確認する。
【００４２】
上述の好適実施例は例示の目的で開示したもので、様々な改変が可能であることは、機械的視覚技術とロボット工学に関係する当業者には明らかであろう。例えば、関節ブームのリンクのヨーイング駆動用の任意の適当な装置を用いることができる。さらに、プロペラにより駆動されるスラスタを水噴射スラスタの代わりに使用できることも当業者には明らかであろう。このような改変は全て特許請求の範囲に包含されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一好適実施例によりロボットアームに取付けられた６要素マストの斜視図である。
【図２】本発明の入れ子式マストの下端に取付け得る燃料束集合体把持用垂下体の側面図である。
【図３】本発明の代替好適実施例による垂下体の斜視図である。
【図４】図１に示した６要素入れ子式マストの水平断面図である。
【図５】本発明による入れ子式マストの最低の２本のはめ合わせ管の合着部の垂直断面図で、スペーサの位置を示す。
【図６】本発明の一好適実施例によるスペーサ組立体の正面図である。
【図７】本発明の一好適実施例によるロボットアームの斜視図である。
【図８】本発明の好適実施例による低輪郭構造体と隆起したロボットアーム支持体とを有する燃料交換機の斜視図である。
【図９】本発明の好適実施例による２つのロボットアームを有する燃料交換機の斜視図で、各アームは入れ子式マストを持上げる上向きリンクを有する。
【図１０】本発明の好適実施例による高輪郭燃料交換ブリッジの斜視図である。
【図１１】本発明による、燃料束集合体に対するエンドエフェクターの位置づけを制御する装置のブロック線図である。
【符号の説明】
２  支持構造体
３  片持ばり
４  ロボットアーム
４ａ  第１リンク
４ｂ  第２リンク
６  入れ子式マスト
８、８´  垂下体
１０  燃料把持装置
１２  カメラ
１８ａ〜１８ｄ  水噴射スラスタ
３８  対象物認識処理装置
４２  超音波変換器
７０  燃料交換ブリッジ
７２ａ、７２ｂ  継手
７４ａ、７４ｂ  継手
７８  ピボット
８０  ロボットアーム支持体
【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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