【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、適当な駆動機構と組み合わせ、制御棒駆動ストロークが約１５００ｍｍ又はそれ以下の軽水型原子炉の後備炉停止装置として用られる受動的原子炉停止機構に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】現行の発電用原子炉において、配管破断事故等により原子炉水位が下がる事象については、圧力変化とか水位変化をセンサーで検出し、電気回路を介して制御棒駆動機構に原子炉停止の信号を送り、制御棒駆動装置の電磁石と機構から成る駆動軸切離し機構を作動し、制御棒を炉心に落下挿入するとか、前記信号により弁を開け、蓄圧水を制御棒駆動装置の水圧シリンダーに送り込み、水圧により制御棒を挿入する方法が取られ、
センサー及び電気回路に多重性、多様性を持たせる事で安全性が確保されている。 【０００３】しかし、今後、需要地近接設置等の小型炉の実用化においては、従来の方法で出来るものに加え、
簡素で、受動的に作動する炉停止機構が必要である。 更に制御棒の飛び出し事故を無くする為、制御棒駆動機構を原子炉に内装することも安全性上効果的である。 【０００４】図７に、特開平１１−３０６８３号公報で公開された小型炉用の制御棒駆動装置で原子炉内装型の実施例を示す。 ５１は下部導磁軸、５２は上部導磁軸で駆動ねじが加工されている。 ５１の下部には制御棒が取りつけられ、５２の上部はボールナット５５にかみ合い、５５はローター５６に直結している。 ５６の外側にはステーター５７が取り付けられ、５６と併せて電気モーター５８を形成する。 【０００５】５１、５２の外側には筒状のコイル５３と磁束案内部材５４で構成する電磁石６０が取り付けられる。 ６０は制御棒の駆動ストロークＳより長尺で、５１
と５２の切離し面５９をＳ全域に渡り、６０の磁界内に収容している。 従って、６０に給電すると５１と５２は吸着され、５８を正回転すると５１を吸着したまま５２
は引き上げられるので、制御棒は引き抜かれ、５８を逆回転すると制御棒は挿入される。 そしてＳ任意の位置で６０の給電を停止すると、５２から５１は切離され、制御棒は自由落下にて挿入され、原子炉は緊急停止する。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】このように、この型式の制御棒駆動装置は、現行発電用原子炉の制御棒駆動装置に比べ、制御棒切離し部に機構とか弁を伴はない為、
簡素で信頼性が高い制御棒駆動装置であるが、現行発電用原子炉の制御棒駆動装置と同様、電気回路からの信号を受けて作動する方式で、受動的に作動する機能は持っていない。 【０００７】又、配管破断事故等で、水位が低下すると最悪の場合炉心冷却機能が喪失し、炉心溶融事故になる。 従って水位低下は早急に検出し、即座に原子炉を停止する事が絶対条件であり、例え電気回路に故障が生じても受動的に作動する設備が要望される。 【０００８】特に小型炉では、安全性確保とコスト削減の要望から、自然循環型で、原子炉に接続する配管を最小にする事から充填系を削除する事も有るので、運転時変動幅が大きい水位計だけで対応せざるを得ない状況であるから、安全性を保障する多様性の面からも受動的炉停止装置は不可欠となる。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明は、制御棒ストロークが約1500mm又はそれ以下の軽水型原子炉の受動的炉停止機構に関する。 即ち、本発明は、制御棒の全ストロークが磁気回路内に収まる筒状の電磁石と、その中を貫通し、吸着部に温度感知合金を挟んだ上下の2本の導磁軸から成る炉停止機構を、自然循環冷却が出来る様、原子炉運転水位下に没して配置し、電磁石部分が水面上に露出するような異常事象が発生すると、電磁石コイルの熱で温度感知合金の温度を上昇せしめて吸着力を低下させ、制御棒を吊り下げた下部導磁軸を切離すことからなる原子炉の制御棒駆動機構である。 【００１０】より詳しくは、本発明は、吸着接合した上部及び下部2本の導磁軸から成る制御棒切離し機構を具備し、前記上部の軸が駆動機構の駆動軸に、下部の軸が原子炉制御棒に結合された原子炉の制御棒駆動機構に関するものであり、その特徴は、前記駆動軸の吸着面に、
高温になると磁気飽和値が低下する温度感知合金を挟み込み、これにより温度が異常上昇すると受動的に吸着面を切離す機能を具備した機構を設け、コイル下端部から上端部に抜ける流路を設けて原子炉冷却水を通す事によりコイル部の発熱を自然循環で冷却すると共に、この機構の冷却水出口を原子炉の安全水位直下に配置し、原子炉の水位が安全水位以下に低下した時、前記冷却流出口が水面上に露出する事により、コイルの自然循環冷却機能を喪失せしめて前記温度感知合金の温度を上昇させて下部の軸を切離し、原子炉水位低で受動的に上下部の導磁軸を切離し、制御棒を炉心に挿入し、原子炉を受動的に停止せしめる機構である。 【００１１】 【発明の実施の形態】（停止機構の構造）図１に、本発明の受動的原子炉停止機構を組込んだ後備原子炉停止装置の実施例を示す。 １は下部導磁軸、２は上部導磁軸である。 １の下部には案内管３を介し制御棒に結合し、２
の上部には駆動ねじ軸４と結合し、４はボールナット５
にかみ合い、５はローター６に直結している。 ６の外側にはステーター７が取り付けられ、６と併せて電気モーター８を形成する。 【００１２】１と２の外側には筒状のコイル９と磁束案内部材１０で構成する電磁石１１が取り付けられる。 １
１は制御棒の駆動ストロークＳより長尺で、１と２の切離し面１２をＳ全域に渡り、１１の磁界内に収容している。 従って、１１に給電すると１と２は吸着され、この状態で８を正回転すると１を吸着したまま２は引き上げられ、制御棒は引き抜かれ、８を逆回転すると制御棒は挿入される。 そしてＳ任意の位置で１１の給電を停止すると、２から１は切離され、制御棒は自由落下にて炉心に挿入され、原子炉は緊急停止する。 ここまでの作動原理は引用した特開平１１−３０６８３号公報の実施例と同様である。 【００１３】上部電気モーター８の廻りを駆動機構１
３、下部の電磁石１１の廻りを受動的原子炉停止機構14
とすると、本発明は１４に係わるもので、１４を構成する下部導磁軸１の上端又は上部導磁軸２の下端に温度感知合金１５を組み込むと共に、コイル９を冷却するパスとして磁束案内部材１０の下部に複数の下部冷却水孔１
６−１、及び上部に複数の上部冷却水孔１６−２を設け、これら原子炉停止機構14を、下部に前記冷却パスの出口となる複数の冷却水出口孔１６−３を加工した適正な長さの案内管１７を介して駆動機構13と連結したものである。 【００１４】図２は原子炉停止機構１４の部分の詳細を示したものである。 ９は、例えばインコネルとかオーステナイト系ステンレス鋼の様な非磁性材で成るコイルボビン９−１と、無機絶縁ケーブルを巻いたコイル９−２
及びケーブルを引き出すリード線保護管９−３及び９−
１を密封するキャン９−４で構成する。 また１、２、及び１０、は、例えばマルテンサイト系ステンレス鋼の様な磁性材で構成する。 【００１５】１５は、原子炉通常運転温度を超える温度で磁気飽和値が急落する、ニッケルとかニッケルー鉄合金を用いる。 例えば通常運転温度230℃の熱供給炉の場合、図３に示す様に300℃を超えた当たりで磁気飽和値が急落するニッケルを用いる。 【００１６】尚、９−２のコイル導線は、一般的には銅を用いるが、温度感知合金１５の温度応答性を高める目的で、銅―ニッケル合金など電気抵抗の大きい材料を使う事も出来る。 これにより、水位低から原子炉停止までの時間を短縮する事が出来るので、比較的口径の大きい配管破断事故を想定する場合に適用する。 【００１７】図４及び図５は、本発明の受動的原子炉停止機構を組込んだ制御棒駆動機構を小型炉に組込んだ例を示す。 この炉は、出力１００Ｍｗｔの一体型自然循環炉で、循環ループ、充填系等一切無く、原子炉容器の貫通配管を最小限にしたものである。 【００１８】図４で左半分（ａ）が原子炉停止状態を示し、右半分（ｂ）が原子炉運転状態を示す。 また、図５
は例えば安全弁系の配管が破損する等して漏れが発生し、原子炉水位が異常に低下した時、受動的原子炉停止機構が作動し、原子炉が停止した状態を示す。 【００１９】図４及び図５で、２１は原子炉容器、２２
は原子炉容器上蓋で、２１の中に原子燃料から成る炉心２３、２３を支持する炉内構造物２４、炉心燃料の浮き上がりを防止したり制御棒を案内規制する炉心上部機構２５、及び蒸気発生器２６が組込まれる。 【００２０】（停止機構の操作）原子炉の制御は、制御棒２７を炉心２３に挿入又は引き抜く事により行うが、
安全性確保の要求から27は駆動原理の異なる２種の駆動装置で駆動される。 一つは原子炉の出力を制御する主制御棒駆動装置、もう一つは本発明に係わる後備炉停止装置で、夫々複数体設置されるが、図４及び図５には後者を示している。 【００２１】図４中、１３が駆動機構、１４が炉停止機構、１２が切離し部である。 また、２８は運転前水位、
２９は運転中水位である。 前述のように、この炉には冷却水の充填系が無いため、運転温度により、水位が大きく変化する。 しかながら炉停止機構１４は原子炉が正常な運転状態では常に水中に没する様、水位２８の直下に配置されているので、原子炉起動に際し、後備炉停止系の制御棒は総て上限まで引き抜かれ原子炉運転中上限で保持されるが、１４は常に水中にあり、冷却が保証されている。 【００２２】原子炉運転中、万一安全弁などの小口径配管破断事故等により、水位が低下した場合は、水位計等の手段で異常水位を検出し、原子炉停止機構１４の電源を切り制御棒２７を炉心に挿入、原子炉を停止するが、
検出器又は制御系の電気回路が故障した場合を想定すると、水位は更に低下し、最悪の場合炉心が破損する事故に至る。 しかし、水位が図５に示す様に、１４の冷却パス出口が水面上に露出する異常水位３０まで下がると、
１４の自然循環冷却が断たれ、内部温度が上昇し、温度感知合金１５の温度も上昇するので、下部導磁軸１と上部導磁軸２を吸着する磁束密度が低下し、１は切離され、原子炉は停止する。 【００２３】 【発明の効果】このように本発明による受動的原子炉停止機構は、異常検出の手段に頼る事なく、危険水位になる前に受動的に原子炉を停止する事が出来る。 図６に原子炉出力１００Ｍｗｔ、出口温度２３０℃、温度感知合金１５にニッケルを用いた時の解析例を示す。 配管破断事故が生じると水位が下がり、異常水位から感知合金の温度が急上昇し、これに伴い制御棒を吊り下げている導磁軸の吸着力が急低下するので、受動的に軸を切離す。
これにより危険水位に達する十分前に原子炉を停止する事が示された。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明に係わる受動的原子炉停止機構を組込んだ後備炉停止装置の縦断面図である。 【図２】 本発明に係わる受動的原子炉停止機構の詳細を示す縦断面図である。 【図３】 ニッケルの飽和磁束密度と温度との関係を示す図である。 【図４】 本発明の受動的原子炉停止機構を配置した原子炉縦断面図である。 【図５】 図４における冷却水出口孔が水面上に露出した場合を示す図である。 【図６】 本発明の受動的原子炉停止機構の効果を示す解析例を示す図である。 【図７】 従来の炉停止機構を具備した原子炉制御棒駆動装置を示す図である。 【符号の説明】 １： 下部導磁軸２： 上部導磁軸３： 案内管４： 駆動ネジ軸５： ボールナット６： ローター７： ステーター９： コイル１０： 磁束案内部材１２： 切離し面１５： 温度感知合金１６： 冷却水孔１７： 案内管２３： 炉心２６： 蒸気発生器２７： 制御棒２８： 運転前水位２９： 運転中水位３０： 異常水位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 頼経 勉 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所東海研究所内(72)発明者 今吉 祥 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所東海研究所内(72)発明者 西原 實 東京都港区西新橋２丁目21番２号 辰星技 研株式会社内(72)発明者 坂巻 凡浩 東京都港区西新橋２丁目21番２号 辰星技 研株式会社内