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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-24
(54)【発明の名称】ヒートパイプ冷却を備える制御棒駆動機構
(51)【国際特許分類】
G21C 7/14 20060101AFI20220117BHJP
F28D 15/02 20060101ALI20220117BHJP
【ＦＩ】
G21C7/14 800
G21C7/14 110
F28D15/02 D
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021513384
(86)(22)【出願日】2018-12-21
(85)【翻訳文提出日】2021-03-24
(86)【国際出願番号】 US2018067128
(87)【国際公開番号】W WO2020068146
(87)【国際公開日】2020-04-02
(31)【優先権主張番号】62/736,250
(32)【優先日】2018-09-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】511117093
【氏名又は名称】ニュースケール パワー エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100111235
【弁理士】
【氏名又は名称】原 裕子
(74)【代理人】
【識別番号】100195257
【弁理士】
【氏名又は名称】大渕 一志
(72)【発明者】
【氏名】ロブシャイド、 クリスチャン
(72)【発明者】
【氏名】ノエル、 デレク
(57)【要約】
原子炉制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）のための冷却システムが、ＣＲＤＭの中に又はＣＲＤＭの隣に配置される蒸発セクションと、当該蒸発セクションに流体的に結合される凝縮セクションとを含む。冷却システムは、ＣＲＤＭにおける駆動コイルから上に延びる一セットのヒートフィンと、当該駆動コイル及びヒートフィンを通るように延びるヒートパイプとを含んでよい。流体が、ヒートパイプの蒸発セクションにある間に、ＣＲＤＭにより生じた熱により蒸発して当該蒸発セクションから外に移動し、ヒートフィンにおいて凝縮セクションの中に入る。流体は、凝縮セクションにある間に冷却されて凝縮して再循環し、蒸発セクションの中に戻る。この受動自然循環冷却システムにより、ＣＲＤＭを冷却するべく典型的に使用される水ホース、配管及び水ポンプ機器の数又は空冷のための要件が減り又はゼロになるので、原子炉の信頼性が高まり、原子炉の動作及び保守が単純化される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
原子炉制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）のための冷却システムであって、前記ＣＲＤＭの中に又は前記ＣＲＤＭの隣に配置される蒸発セクションと、
前記蒸発セクションに流体的に結合される凝縮セクションと、
流体と
を含み、
前記流体は、
前記蒸発セクションにある間に前記ＣＲＤＭにより生じた熱により蒸発して前記蒸発セクションから外に流れ出し、前記凝縮セクションの中に入ることと、
前記ＣＲＤＭから離れるように動いた後に前記凝縮セクションにある間に凝縮して再循環し、前記蒸発セクションの中に戻ることと
を行うべく構成される、冷却システム。
【請求項2】
前記ＣＲＤＭにおいて駆動コイルから上に延びる一セットのヒートフィンを含み、前記蒸発セクションは前記駆動コイル及びヒートフィンの内側部分を通るように延び、
前記凝縮セクションは前記駆動コイル及びヒートフィンの外側部分を通るように延びる、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項3】
前記ヒートフィンは、前記ＣＲＤＭにおける接続解除磁石を電磁気的に保持するべく構成される接続解除コイルのまわりに延びる、請求項２に記載の冷却システム。
【請求項4】
前記駆動コイル及び前記ヒートフィンが環状駆動シャフトハウジングまわりの細長い環状形状を形成する、請求項２に記載の冷却システム。
【請求項5】
前記駆動コイル及び前記ヒートフィンを通るようにループに延びるヒートパイプを含む、請求項２に記載の冷却システム。
【請求項6】
前記ヒートフィンに配置される前記ヒートパイプの内側部分のまわりに形成される絶縁体を含む、請求項５の冷却システム。
【請求項7】
前記ヒートフィンに配置される前記ヒートパイプの外側まわりに形成される凝縮チャネルを含む、請求項６の冷却システム。
【請求項8】
前記ヒートパイプは前記ＣＲＤＭから、前記原子炉を収容する容器の内表面まで延び、又は前記ヒートパイプは、前記原子炉を収容する容器の外側の環境まで熱を伝達する構造物まで延びる、請求項５の冷却システム。
【請求項9】
前記ＣＲＤＭは、駆動シャフトハウジングの外側表面まわりに配置される複数の駆動コイルと、
前記駆動シャフトハウジングの内側表面まわりに配置される複数の駆動磁石と、
上端が前記駆動磁石に接続されて下端が核制御棒集合体に接続される一の駆動シャフトと
を含み、
前記駆動コイルを作動させることにより前記駆動磁石が持ち上げられて前記駆動シャフト及び核制御棒集合体が上昇し、
前記冷却システムは、前記駆動シャフト及び前記核制御棒集合体が持ち上げられている間に前記駆動コイルにより発生する熱を除去する、請求項１の冷却システム。
【請求項10】
原子炉制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）のための冷却システムであって、原子炉圧力容器の上端から上に延びる一の駆動シャフトハウジングと、
上端が前記駆動シャフトハウジングの中に延びて下端が前記原子炉圧力容器の下端に配置される制御棒集合体に結合される一の駆動シャフトと、
前記駆動シャフトを直線的に変位させて前記制御棒集合体を上昇及び下降させるべく構成される前記駆動シャフトハウジングに結合される一の駆動機構と、
前記駆動機構の中に又は前記駆動機構の隣に配置される複数のヒートパイプと、
前記駆動機構からの熱を除去するべく蒸発及び凝縮を介して前記ヒートパイプを通って循環するべく構成される前記ヒートパイプの中に配置される流体と
を含む、冷却システム。
【請求項11】
前記駆動機構から上に延びる複数のヒートフィンを含み、前記ヒートパイプは前記駆動機構及び前記ヒートフィンを通るように延びる、請求項１０の冷却システム。
【請求項12】
前記ヒートフィンを通るように延びるヒートパイプの内側部分を少なくとも部分的に取り囲む絶縁体を含む、請求項１１の冷却システム。
【請求項13】
前記ヒートフィンを通るように延びるヒートパイプの外側を少なくとも部分的に取り囲む複数の凝縮チャネルを含む、請求項１２の冷却システム。
【請求項14】
前記ヒートパイプは上に延びて前記駆動機構及び前記ヒートフィンを通り、下へと戻るように延びて前記ヒートフィン及び駆動機構を通ってループを形成する、請求項１１の冷却システム。
【請求項15】
前記ヒートフィンは前記駆動機構から鉛直上方に延びて前記駆動シャフトハウジングから径方向外方に延びる、請求項１１の冷却システム。
【請求項16】
前記原子炉圧力容器を少なくとも部分的に封止する格納容器を含み、前記ヒートパイプは前記駆動機構から外に出て前記格納容器の内側表面まで延びる、請求項１０の冷却システム。
【請求項17】
原子炉において制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）を冷却するシステムであって、流体を包含する複数の管を含み、
前記管は、
前記ＣＲＤＭの中に又は前記ＣＲＤＭの隣に配置される蒸発セクションと、
前記蒸発セクションに流体的に接続される凝縮セクションと
を含み、
前記蒸発セクションにおける流体は前記ＣＲＤＭにより発生する熱により蒸発するように構成され、
前記凝縮セクションは、前記蒸発がされた流体を凝縮し、前記凝縮がされた流体を重力又は毛管作用を介して前記蒸発セクションまで戻すように循環させる、システム。
【請求項18】
前記ＣＲＤＭにおける複数の駆動コイルから外へと延びる複数のヒートフィンをさらに含み、前記管は前記駆動コイル及び前記ヒートフィンを通るように延びるループを形成する、請求項１７のシステム。
【請求項19】
前記管の前記蒸発セクションは、前記駆動コイルの内側部分と前記ヒートフィンの内側部分とに沿って延び、前記管の前記凝縮セクションは、前記駆動コイルの外側部分と前記ヒートフィンの外側部分とに沿って延びる、請求項１８のシステム。
【請求項20】
前記ヒートフィンの内側部分に沿って延びる管の少なくとも一部分を取り囲む絶縁体と、前記ヒートフィンの外側部分に沿って延びる管の少なくとも一部分を取り囲む複数の凝縮チャネルと
を含む、請求項１９のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、２０１８年９月２５日に出願された「ヒートパイプ冷却を備える制御棒駆動機構」との名称の米国仮特許出願第６２／７３６，２５０号の優先権を主張し、その内容は全体がここに参照により組み入れられる。
【0002】
本願はまた、米国仮出願第６２／４４１，０１５号の優先権を主張する２０１７年１２月２９日に出願された「遠隔接続解除機構を備える制御棒駆動機構（ＣＤＲＭ）」との名称の米国特許出願第１５／８５８，７２７号の一部継続出願でもあり、その内容は全体がここに参照により組み入れられる。
【0003】
政府の利益
本発明は、エネルギー省から受注した契約第ＤＥ－ＮＥ００００６３３号に基づく政府の支援によりなされている。政府は、本発明に所定の権利を有する。
本発明は、エネルギー省から受注した契約第ＤＥ－ＮＥ００００６３３号に基づく政府の支援によりなされている。政府は、本発明に所定の権利を有する。
【0004】
本開示は一般に、原子炉制御棒駆動機構のための冷却システムに関する。
【背景技術】
【0005】
原子炉圧力容器（ＲＰＶ）の頂部にある制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）は、急速制御棒挿入（ＳＣＲＡＭ）中に重力によって駆動シャフトを操作又は解放することができる。ＣＲＤＭは、ＲＰＶを格納する上部格納容器（ＣＮＶ）内に配置され、駆動シャフトの動きを制御するべく電気モータを使用し得る。電気モータは、圧力容器バウンダリを横切る電磁力によって遠隔的に駆動され得る。
【0006】
ＣＲＤＭ電気モータは典型的に、炉コンポーネント冷却水システム（ＲＣＣＷＳ）又は強制空気冷却によって冷却される。水冷システムには、電気モータコイルから熱を除去する水を循環させるべく水ホースの複雑な配列が組み入れられる。燃料交換のためにＲＰＶをＣＮＶから取り外すとき、これらのホースは取り外すのが困難である。冷却システムにおける漏洩又は閉塞により引き起こされるＣＲＤＭ故障が、格納排気システム（ＣＥＳ）に原子炉をシャットダウンさせるトリガーとなり得る。代替的な空冷システムは、いくつかの原子炉にとって十分とはいえない。例えば、排気されたＣＮＶは、ＲＰＶの外側まわりに真空環境をもたらすので、冷却オプションとしての対流熱伝達が排除される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】実全昭５８－１２７３８５号公報
【特許文献2】特開昭６３－０８３６９３号公報
【発明の概要】
【0008】
簡略化された冷却システムが、排気された格納容器（ＣＮＶ）において動作する間に、制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）の電気モータを冷却するべくヒートパイプを使用する。この冷却システムは、炉コンポーネント冷却水システム（ＲＣＣＷＳ）による動的水冷に依存することがないので、ＣＲＤＭ、ＣＮＶ及びＲＣＣＷＳの設計を大幅に簡略化し、潜在的な格納排気システム（ＣＥＳ）トリガー、及び意図しない冷却漏洩又は閉塞によるＣＲＤＭ故障を回避する。
【0009】
冷却システムは、有効な対流熱伝達を妨げる真空環境で動作するＣＲＤＭにとっての冷却制約を克服する。ヒートパイプは、ＣＲＤＭ電気コイルからの熱を、当該ＣＲＤＭ電気コイルの上に配置されたフィン付き熱交換器へ伝達することができるので、周囲のＣＮＶ容器壁への真空を介した放射による熱伝達能力が増大される。冷却システムは、電気コイルと同じ又はこれよりも大きな直径エンベロープを包括することができるので、外部電力又は外部流体移送を必要としない。代替オプションにおいて、ＣＲＤＭの上にあるヒートパイプの低温端をＣＮＶ容器壁に直接取り付けることができるので、伝導性熱伝達をさらに促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
含まれる図面は例示目的であり、開示される発明のシステム、装置、方法及びコンピュータ可読記憶媒体のための可能な構造及び動作の例を提供するべく与えられる。これらの図面は、開示される実装例の要旨及び範囲から逸脱することなく、当業者によってなされ得る形態及び詳細の任意の変更を何ら制限しない。
【0011】
【図1】一例の原子炉モジュールの模式図を示す。
【図2】格納容器内部の制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）を備える炉圧力容器の上部ヘッドの斜視側断面図である。
【図3】核燃料集合体に部分的に挿入された制御棒集合体の斜視図である。
【図5】単ヒンジタイプ制御棒駆動機構の側面図である。
【図6】単ヒンジタイプ制御棒駆動機構の平面図である。
【図8】制御棒駆動機構内の単ヒンジラッチアセンブリのさらなる拡大詳細側断面図である。
【図9】駆動アセンブリの断面平面図である。
【図12】二重ヒンジタイプ制御棒駆動機構の側面図である。
【図16A-16C】図１６Ａ～図１６Ｇは、異なる制御棒駆動機構（図５又は図１２）動作状態を示す模式図であって、図１６Ａ～図１６Ｂは、駆動シャフトに係合して直線的に動かす駆動機構を使用する一例のプロセスを示す。図１６Ｃ～１６Ｇは、駆動シャフトを制御棒集合体から結合解除するべく遠隔接続解除システムを使用する一例のプロセスを示す。
【図17】ＣＲＤＭ冷却システムを使用する上部格納容器内にある炉圧力容器の上部ヘッドの斜視側断面図である。
【図18】ＣＲＤＭ冷却システムの分離斜視図である。
【図19】ＣＲＤＭ冷却システムの下部断面の断面平面図である。
【図20】ＣＲＤＭ冷却システムの上部セクションの断面平面図である。
【図21】ＣＲＤＭ冷却システムの上部セクションの拡大断面平面図である。
【図22】ＣＲＤＭ冷却システムの等角側断面図である。
【図23】ＣＲＤＭ冷却システムの拡大等角側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図１は、炉圧力容器５２を含む一例の一体型炉モジュール５を示す。炉心６が、炉圧力容器５２の下部ヘッド５５の近くに配置されるように示される。炉心６は、炉心６の側部まわりを取り囲むシュラウド２２に配置してよい。ライザーセクション２４が、蒸気発生器３０が取り囲む炉心６まわりに配置される。
【0013】
一次冷却材２８が炉心６により核分裂事象の結果として加熱されると、一次冷却材２８は、シュラウド２２から上に向けられ、炉心６の上に配置されたアニュラス２３の中に入り、ライザー２４から外に出る。これは、付加的な一次冷却材２８がシュラウド２２の中に引き込まれ、ひいては炉心６により加熱されることをもたらし、さらに多くの一次冷却材２８がシュラウド２２の中へと引き込まれる。ライザー２４から出てくる一次冷却材２８は、蒸気発生器３０により冷却され、炉圧力容器５２の外側へと向けられ、その後、自然循環を介して炉圧力容器５２の底まで戻される。
【0014】
一次冷却材２８は、炉心６を通過するように循環して高温冷却材ＴＨとなり、その後、ライザーセクション２４を通って上昇し続ける。ここで、一次冷却材２８はアニュラスを降りて戻るように向けられ、蒸気発生器３０により冷却されて低温冷却材ＴＣになる。一以上の制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）１０が、炉心６の上に配置される複数の制御棒集合体８０とのインタフェイスをなすように構成され得る一定数の駆動シャフト２０に動作可能に結合される。
【0015】
炉圧力容器バッフルプレート４５が、一次冷却材２８を炉圧力容器５２の下端５５へと向けるように構成され得る。炉圧力容器バッフルプレート４５の表面が、ライザーセクション２４から出る一次冷却材２８と直接接触して偏向させ得る。いくつかの例において、炉圧力容器バッフルプレート４５は、ステンレス鋼又は他の材料から作られてよい。
【0016】
炉圧力容器５２の下端５５は、楕円形、ドーム形、凹形又は半球形の部分５５Ａを含み得る。この楕円形部分５５Ａは、一次冷却材２８を炉心６へと向ける。楕円形部分５５Ａは、流量を増加させ、炉心６を通る一次冷却材の自然循環を促進し得る。冷却材流２８のさらなる最適化が、バウンダリ層分離領域及びよどみ領域をなくし／最小限にするべく原子炉圧力容器バッフルプレート４５の曲率半径を修正することによって得られる。
【0017】
炉圧力容器バッフルプレート４５は、ライザーセクション２４の頂部と加圧器領域４０との間に配置されるように示される。加圧器領域４０は、炉圧力容器５２の上端５６又はヘッドの中の、圧力を制御し又は蒸気ドームを維持するように構成された一以上の加熱器及び一のスプレイノズルを含むように示される。炉圧力容器バッフルプレート４５の上に配置される一次冷却材２８が相対的にサブクールの冷却材ＴＳＵＢを含む一方、炉圧力容器５２の上端５６における加圧器領域４０内の一次冷却材２８は、実質的に飽和の冷却材ＴＳＡＴを含み得る。
【0018】
一次冷却材２８の流体レベルが、炉圧力容器バッフルプレート４５の上にかつ加圧器領域４０内に、存在するように示され、炉圧力容器バッフルプレート４５と炉圧力容器５２の下端５５との間の全容積が、炉モジュール５の通常動作中に一次冷却材２８で一杯になり得る。
【0019】
シュラウド２２が、炉心６に挿入され又は炉心６から除去される制御棒アセンブリ８０を案内する働きをする一以上の制御棒案内管９４を支持し得る。いくつかの例において、駆動シャフト２０は、炉心６に対する制御棒集合体８０の位置を制御するべく炉圧力容器バッフルプレート４５及びライザーセクション２４を貫通することができる。
【0020】
炉圧力容器５２はフランジを含み得る。これにより、上部ヘッド５５を、炉圧力容器５２の上部炉容器本体６０に取り外し可能に取り付けることができる。いくつかの例において、下部ヘッド５５が、例えば燃料交換動作中、上部炉容器本体６０から分離されるとき、ライザーセクション２４、バッフルプレート４５及び他の内部構造物が上部炉容器本体６０の中に保持される一方、炉心６は下部ヘッド５５の中に保持される。
【0021】
付加的に、上部炉容器本体６０は、格納容器７０の中に収容され得る。格納容器７０と原子炉圧力容器７４との間に配置される格納領域５２に存在する任意の空気又は他のガスを、原子炉起動前又は起動中に除去し又は排出し得る。格納領域７４から排出又は排気されるガスは、非凝縮性ガス及び／又は凝縮性ガスを含み得る。緊急動作中に、蒸気及び／又は水蒸気を原子炉圧力容器５２から格納領域７４に排出してよく、又は無視できる量の（水素のような）非凝縮性ガスのみを格納領域７４の中へと排出又は解放してよい。
【0022】
図２は、炉モジュール５、及び一例の制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）アセンブリ１０の上部断面図を示す。炉モジュール５は、ＣＲＤＭ１０の少なくとも一部分を収容する上部格納容器７６を含み得る。複数の駆動シャフトハウジング７７が、上部格納容器７６内に配置される。ＣＲＤＭ１０に関連付けられた複数の駆動シャフト２０が、主要格納容器７０に収容される炉圧力容器５２の中に配置される。駆動シャフトハウジング７７は、炉モジュール５の動作中に駆動シャフト２０の少なくとも一部分を収容するように構成される。いくつかの例において、ＣＲＤＭ１０の実質的にすべてが、主要格納容器７０の中に収容される。
【0023】
上部格納容器７６が、主要格納容器７０に取り外し可能に取り付けられる。上部格納容器７６を取り外すことにより、ピーク格納圧力及び／又は水位に影響を及ぼし得る炉モジュール５の全体的なサイズ及び／又は容積を低減することができる。炉モジュール５の全体的な高さの低減に加え、上部格納容器７６を主要格納容器７０から取り外すことによりさらに、炉モジュール５の重量及び輸送高さを低減することができる。いくつかの例の炉モジュールにおいて、炉モジュール５の全体的高さが１フィート（３０．４８センチメートル）低減されるごとに数トンの重量を取り除くことができる。
【0024】
炉圧力容器５２及び／又は主要格納容器７０は、一以上の鋼容器を含み得る。付加的に、主要格納容器７０は一以上のフランジを含み得る、これにより、主要格納容器７０の頂部ヘッド又は底部ヘッドを、例えば燃料交換動作中に、格納容器本体から取り外すことができる。
【0025】
燃料交換時、炉モジュール５は、オペレーティングベイから燃料交換ベイへと再配置され得る。炉モジュール５において一連の分解ステップを行うことができる。オペレーティングベイは、炉モジュール５が水中で輸送されるように水を介して燃料交換ベイに接続される。主要格納容器７０を分解することができる。例えば、頂部ヘッド又は底部ヘッドを、ＣＲＤＭ１０及び／又は炉圧力容器５２へのアクセスを得るべく格納容器本体から分離することができる。燃料交換のこの段階では、炉圧力容器５２は、燃料交換ベイにおける周囲の水に完全に浸漬されたままとなり得る。いくつかの例において、複数の駆動シャフトハウジング７７のようなＣＲＤＭ１０の上部を、ドライ環境におけるＣＲＤＭ１０へのアクセスを容易にするべく水の上方に配置することができる。他例において、ＣＲＤＭ１０全体が、燃料交換ベイにおける水プールに浸漬されてよい。
【0026】
ＣＲＤＭ１０は、ノズル７８によって炉圧力容器５２の上部ヘッドに取り付けられる。ノズル７８は、燃料交換動作中に主要格納容器７０が部分的に又は完全に分解されるとき、ＣＲＤＭ１０を支持するべく構成される。加えて、ＣＲＤＭ１０は、炉圧力容器５２の中で駆動シャフト２０の位置を支持及び／又は制御するように構成される。
【0027】
炉圧力容器５２は、実質的にカプセル形状の容器を含み得る。いくつかの例において、炉圧力容器５２は、高さが近似的に２０メートルとなり得る。駆動シャフト２０は、ＣＲＤＭ１０から延び、炉圧力容器５２の上部ヘッドに配置され、炉圧力容器５２の下部ヘッドの中に入る。これにより、駆動シャフト２０を、炉心６の中に挿入される制御棒集合体８０に接続することができる（図１）。したがって、炉圧力容器５２の上部ヘッドから炉心６までの距離は、炉圧力容器５２の全体高さ未満ではあるが、駆動シャフト２０の長さとなり得る。駆動シャフト２０もまた、近似的に２０メートルの長さであり、又は、いくつかの例において、炉圧力容器５２の高さよりも若干短くなる。
【0028】
図３は、炉心６において核燃料集合体９０の部分的に上方に保持され、かつ、核燃料集合体９０の中に部分的に挿入された、制御棒集合体８０の斜視図である。上述したように、多数の駆動シャフト２０が、制御棒駆動機構１０から延びて炉心６の頂部まで降りる。制御棒集合体８０は、駆動シャフト２０の下端に取り付けられる円筒ハブ８２を含み得る。アーム８４が円筒ハブ８２から径方向外側へと延び、アーム８４の遠位端が制御棒８６の上端に取り付けられる。
【0029】
制御棒８６は核燃料集合体９０の中へと延びる。核燃料集合体９０は代替的に、炉心６の一部を形成する燃料バンドルとも称される。核燃料集合体９０は、多数の案内管９４を支持する頂部ノズル９２を含み得る。案内管９４は、ノズル９２から降りるようにかつ核燃料棒（図示せず）の間に延びる。制御棒８６は、核燃料棒内のウラン及びプルトニウムの核分裂率を制御する。
【0030】
制御棒８６は典型的に、核燃料集合体９０の上方で駆動シャフト２０によって保持され、又は核燃料集合体９０の中にわずかに挿入されて保持される。炉心６は過熱し得る。核ＳＣＲＡＭ動作が開始される。ここで、図１における制御ＣＲＤＭ１０が駆動シャフト２０を解放して、制御棒８６を案内管９４の中にかつ核燃料棒の間に落とす。
【0031】
図４Ａは、一例の炉圧力容器５２の断面図を示す。ＣＲＤＭ１０は、炉圧力容器５２の上部ヘッド９６に取り付けられ、複数の駆動シャフト２０を支持するべく構成される。これらの駆動シャフト２０は、炉圧力容器５２の上部炉容器本体６０の長さを貫通し、炉圧力容器５２の下部ヘッド９８に配置される炉心６へと向かう。いくつかの例において、下部ヘッド９８は、例えば複数のボルトにより、フランジ１００において上部炉容器本体６０に取り外し可能に取り付けられる。
【0032】
一定数の核燃料棒を収容することに加え、炉心６は、複数の制御棒集合体８０を受容するべく構成され得る。これらの制御棒集合体８０は、炉心６のパワー出力を制御するべく燃料棒間に可動に挿入され得る。炉心６がパワーを発生すると、駆動シャフト２０の下端１０２が制御棒集合体８０に接続される。加えて、ＣＲＤＭ１０は、炉圧力容器５２内で駆動シャフト２０を上又は下に動かすことによって、炉心６における制御棒集合体８０のロケーションを制御するように構成される。
【0033】
駆動シャフト２０の上端１０４は、例えば制御棒集合体８０が炉心６から取り外されるときに、炉圧力容器５２の上部ヘッド９６の上に配置されるＣＲＤＭ圧力ハウジング７７に収容される。いくつかの例において、ＣＲＤＭ圧力ハウジング７７は、駆動シャフト２０の上端１０４を収容するべく構成された単数の圧力容器を含み得る。他例において、ＣＲＤＭ圧力ハウジング７７は、それぞれの駆動シャフト２０のための別個のハウジングを含み得る。
【0034】
駆動シャフト２０の下端１０２は、制御棒集合体８０から接続解除されているように示され、例えば炉心６の燃料交換動作に関連付けられてよい。燃料交換動作の初期ステージの間、下部ヘッド９８が上部炉容器本体６０に取り付けられたままである一方、駆動シャフト２０が制御棒集合体８０から接続解除される。炉圧力容器５２が、いくつかの例において水プールを含み得る周囲環境に対して完全に封止されたままとなる。この水プールは、燃料交換動作の初期ステージの間、少なくとも部分的に炉圧力容器５２を取り囲む。
【0035】
ＣＲＤＭ１０は、遠隔接続解除機構を含み得る。この遠隔接続解除機構により、炉圧力容器５２を開放又は分解することなしに駆動シャフト２０を制御棒集合体８０から接続解除することができる。いくつかの例において、炉圧力容器５２は、炉心６、制御棒集合体８０、及び駆動シャフト２０の下端１０２を取り囲む封止領域１０６を形成する。駆動シャフト２０を遠隔的に接続解除することにより、制御棒集合体８０は、駆動シャフト２０が少なくとも部分的にＣＲＤＭ圧力ハウジング７７の中に引き抜かれるときでも炉心６内に留まり得る。
【0036】
図４Ｂは、図４Ａの一例の炉圧力容器５２が部分的に分解されることを示す。燃料交換動作の間、下部ヘッド９８は、炉圧力容器５２の上部炉容器本体６０から分離される。いくつかの例において、下部ヘッド９８が燃料交換ステーションの中に静止したまま保持される一方、上部炉容器本体６０は、クレーンによって持ち上げられ、炉心６へのアクセスを容易にするべく下部ヘッド９８から離れるように動かされる。
【0037】
駆動シャフト２０は、後退位置又は引き込み位置にあるように示される。その結果、下端１０２が完全に上部炉容器本体６０及び／又はＣＲＤＭ圧力ハウジング７７の中に保持される。例えば、ＣＲＤＭ１０は、駆動シャフト２０の下端１０２を、上部炉容器６０を下部ヘッド９８の上側フランジ１１０に取り付けられて一緒になるべく使用される下側フランジ１０８の上方へと持ち上げるように構成される。駆動シャフト２０の下端１０２を上部炉容器本体６０の中へと引き込むことにより、燃料交換動作中に下側フランジ１０８と上側フランジ１１０との間に付加的なクリアランスが得られるので、上部炉容器本体６０の輸送及び／又は格納の間に駆動シャフト２０が外部オブジェクトに接触したり破損したりすることが防止される。加えて、駆動シャフト２０の上端１０４も同様に、駆動シャフト２０が後退位置又は引き込み位置にあるとき、ＣＲＤＭ圧力ハウジング７７によって収容及び／又は保護することができる。
【0038】
上述したように、制御棒集合体８０は、燃料交換動作の一部又はすべての間に炉心６に完全に挿入したままとすることができる。いくつかの例において、制御棒集合体８０の挿入を炉心６内に維持することは、原子力規制及び／又は安全上の考慮によって指示され得る。
【0039】
単ヒンジタイプ制御棒駆動機構
【0040】
図５は遠隔接続解除機構を含む単ヒンジタイプ制御棒駆動機構８８の側面図であり、図６はその平面図である。図５及び６を参照すると、駆動シャフトハウジング７７が駆動シャフト２０の上端の上にラッチ機構１３８まわりに延びる。駆動シャフトハウジング７７は代替的に、上部圧力バウンダリと称される。
【0041】
上述したように、駆動シャフト２０は、駆動シャフトハウジング７７の下端に頂部が接続されたノズル７８を通って図２の炉圧力容器（ＲＰＶ）５２に入る。駆動シャフト２０の下端は、以下で詳述される制御棒集合体８０に取り外し可能に接続される。
【0042】
制御棒駆動機構８８は、駆動シャフト２０を上昇及び下降させる駆動アセンブリ１２２を含み、制御棒集合体８０に取り付けられる。制御棒駆動機構８８はまた、駆動シャフト２０を制御棒集合体８０から接続解除する接続解除アセンブリ１２０も含む。駆動アセンブリ１２２及び接続解除アセンブリ１２０は双方とも、ＲＰＶ５２の外側から電気制御信号を介して遠隔的に作動させ及び制御することができる。
【0043】
図７は、制御棒駆動機構８８の側断面図であり、図８は、制御棒駆動機構８８において使用される単ヒンジラッチアセンブリ１３８の詳細な断面図である。図７及び８を参照すると、駆動シャフトハウジング７７及びノズル７８に貫通孔１５８が設けられる。ボルト（図示せず）が、駆動シャフトハウジング７７をノズル７８に接続するべく孔１５８に挿入される。ノズル７８は、上述した図２に示されるように、ＲＰＶ５２の上部ヘッドから上へと延びる。
【0044】
接続解除棒１３２が駆動シャフト２０の全長を貫通し、円筒接続解除磁石１３４が接続解除棒１３２の上端に取り付けられる。接続解除磁石１３４が上に延びて駆動シャフトハウジング７７の中に入り、環状接続解除コイル１３６が、駆動シャフトハウジング７７及び接続解除磁石１３４のまわりに延びる。接続解除コイル１３６は作動すると、接続解除磁石１３４を上昇した位置に保持することができる。これにより、接続解除棒１３２が駆動シャフト２０の中で鉛直上方に後退することが許容される。
【0045】
駆動シャフト２０の上端が、ねじ付き外側表面１４０を含む。一例において、ねじ１４０は、駆動シャフト２０を直線的に変位させるべくＡＣＭＥ（登録商標）タイプのねじを含み得る。もちろん、任意の他タイプのねじ又はギアも使用してよい。駆動シャフト２０は、接続解除磁石１３４の下方から駆動シャフトハウジング７７及びノズル７８を通って延び、ＲＰＶ５２の上部ヘッド（図１）に入る。駆動シャフト２０はさらにＲＰＶ５２の長さを通って延び、下端が、制御棒集合体８０に接続されるグラップル１２６を含む。接続解除磁石１３４及び接続解除コイル１３６が接続解除アセンブリ１２０を包括する。
【0046】
複数の駆動コイル１２８の一の環状配列体が駆動シャフトハウジング７７の外側まわりに延び、駆動シャフトハウジング７７の内側にある複数の駆動磁石１３０の一の環状配列体が駆動シャフト２０まわりに延びる。複数の駆動コイル１２８を連続的に作動させることにより、駆動磁石１３０を上昇させることができる。図８における交互する駆動コイル１２８を交互に作動させることにより、駆動磁石１３０を駆動シャフト２０の中心軸１５６まわりに回転させることができる。駆動コイル１２８、駆動シャフト１３０及びラッチアセンブリ１３８が駆動アセンブリ１２２を形成する。
【0047】
単ヒンジラッチアセンブリ１３８は下端が、駆動シャフトハウジング７７に結合され、頂部が駆動シャフト１３０に結合される。ラッチアセンブリ１３８は環状ベース１４２を含む。環状ベース１４２は、駆動シャフト２０まわりに延びる中心開口を含む。リップ１４３が、ベース１４２の外側下端から外へと延び、駆動シャフトハウジング７７の下端とノズル７８の上端との間に形成される凹部の中に着座する。リップ１４３は、ノズル７８の上面に押し付けられる押し付け保持ベース１４２として機能する。
【0048】
環状カラー１４８が回転可能にベース１４２に取り付けられ、ステップ１４４を含む。ステップ１４４は、ベース１４２の頂部まわりに延びるベアリング１５４の頂部に取り付けられる。カラー１４６もまた、駆動シャフト２０を受容してそのまわりに延びる中心開口を含む。カラー１４６は、鉛直／高さ方向の下方にあるベース１４２に保持されるが、駆動シャフト２０の中心軸１５６まわりにベアリング１５４及びベース１４２の頂部で回転する。
【0049】
グリッパ１５０の外側端が、第１ピン１５２Ａによりカラー１４８の上端に枢動可能に取り付けられる。グリッパ１５０の内側端が、第２ピン１５２Ｂを介してラッチ１４６の下端に枢動可能に取り付けられる。ラッチ１４６の上端が駆動シャフト１３０に取り付けられる。駆動磁石１３０が下げられると、ラッチ１４６の下端がカラー１４８のステップ１４４の頂部に載置される。
【0050】
駆動コイル１２８は作動すると、駆動磁石１３０を鉛直上方に持ち上げ、さらにはラッチ１４６も持ち上げる。ラッチ１４６を持ち上げることにより、グリッパ１５０の内側端が上方に回転して駆動シャフト２０のねじ１４０に係合する。グリッパ１５０の外側端は、カラー１４８により鉛直方向の所定位置に保持されているピン１５２Ａまわりに回転する。
【0051】
グリッパ１５０の内側端が上昇した後、駆動コイル１２８は、駆動磁石１３０を駆動シャフト２０の中心軸１５６まわりに回転させ始める。駆動磁石１３０の下端が、上昇したラッチ１４６及び取り付けられたグリッパ１５０を駆動シャフト２０の外周まわりに回転させ始める。グリッパ１５０が回転することにより、カラー１４８もまた、ベース１４２により高さ方向の所定位置に保持されたまま、ベース１４２の頂部の上で中心軸１５６まわりに回転する。
【0052】
グリッパ１５０の内側端がねじ１４０内を回転するので、駆動シャフト２０が軸方向に、かつ、駆動シャフトハウジング７７及びノズル７８の内側で直線的に上方に、動く。駆動コイル１２８は、駆動磁石１３０を反対方向に回転させ、さらには、ねじ１４０内に取り付けられたグリッパ１５０を反対方向に回転させてよい。したがって、グリッパ１５０は、電気制御システムにより指示されるように駆動シャフト２０を、軸方向にかつ直線的に上方向又は下方向に動かす。
【0053】
駆動コイル１２８の作動解除により、駆動磁石１３０は鉛直下方に落ちる。グリッパ１５０の内側端もまた、ピン１５２Ｂまわりに回転してねじ１４０から係合解除される。ここで、駆動シャフト２０はグリッパ１５０から解放され、鉛直下方に重力により自由落下する。
【0054】
図９は、駆動アセンブリ１２２の断面平面図である。環状駆動コイル１２８が、駆動シャフトハウジング７７の外側まわりに延び、環状駆動磁石１３０が駆動シャフトハウジング７７の内側まわりに延びる。駆動シャフト２０が、駆動磁石１３０に形成された中心開口を貫通し、接続解除棒１３２が、駆動シャフト２０の中心軸に沿って形成された孔を貫通する。ねじ１４０が、駆動シャフト２０の外側表面まわりに延びる。
【0055】
複数の駆動コイル１２８が連続的に作動されると電磁場が発生し、駆動磁石１３０が鉛直方向に持ち上げられる。駆動コイル１２８が交互パターンで作動すると、電磁場もまた、駆動磁石１３０を中心軸まわりに回転させ、駆動アセンブリ１２２を実質的に電気モータのように動作させる。例えば、電気制御システムは、第１期間中に駆動コイルＡを作動させ、交互の第２期間中に駆動コイルＢを作動させる。駆動コイルＡ及びＢを交互に作動させることにより、駆動磁石Ｍの、駆動シャフト２０を貫通する鉛直軸まわりの回転が引き起こされる。
【0056】
図１０は、単ヒンジラッチアセンブリ１３８の断面平面図である。接続解除棒１３２が、駆動シャフト２０の中心を貫通する。ねじ１４０が、駆動シャフト２０の外側表面まわりに延びる。ラッチ１４６が環状断面形状を有し、ピン１５２Ｂを介してグリッパ１５０の内側端に取り付けられる。カラー１４８もまた環状断面形状を有し、ピン１５２Ａを介してグリッパ１５０の外側端に取り付けられる。上述したように、ラッチ１４６は駆動磁石１３０に取り付けられて鉛直方向に上下動をすることができる。駆動シャフトハウジング７７もまた環状断面形状を有し、駆動シャフト２０と同心に整列される。なお、駆動シャフト２０まわりには任意数のグリッパ１５０を配置してよい。例えば、４つのグリッパ１５０を駆動シャフト２０まわりに９０度離間させて配置してよい。
【0057】
図１１Ａ～図１１Ｅは、制御棒駆動機構８８の異なる動作位置を示す側断面図である。図１１Ａを参照すると、駆動アセンブリ１２２が下降状態にあることが示される。駆動コイル１２８が作動解除されて駆動磁石１３０が、制御棒集合体８０が炉心６（図１）に完全に挿入された下降位置にある。下降した駆動磁石１３０は、取り付けられたラッチ１４６により、グリッパ１５０を駆動シャフト２０のねじ１４０から解放している。
【0058】
電力喪失又は強制ＳＣＲＡＭの間、駆動コイル１２８は作動解除されるので、駆動シャフト２０が下方に重力降下するのが許容され、ラッチアセンブリ１３８から接続解除される。それに応じて、取り付けられた制御棒集合体８０が燃料集合体９０の中に落下し、炉心６（図１及び図３を参照）をニュートラルにする。すなわち、ＣＲＤＭ８８は、電力喪失時に作動解除されるときはいつでも炉心６を自動的にスクラムさせるという利点を有する。
【0059】
接続解除アセンブリ１２０もまた下降状態にあることが示される。接続解除コイル１３６が作動解除され、接続解除磁石１３４は、駆動シャフト２０の頂部に着座する下降位置にある。下降位置において、接続解除棒１３２の下端は、グラップル１２６の往復動アーム１２７Ａ及び１２７Ｂ間に延びる。広げられて離間するグラップルアーム１２７Ａとグラップルアーム１２７Ｂとが、制御棒集合体８０の円筒ハブ８２における溝に対して押圧されて当該溝の中にロックされる。
【0060】
図１１Ｂは、駆動アセンブリ１２２が上昇状態にあることを示す。駆動コイル１２８が作動して駆動磁石１３０が上昇位置にある。上昇した駆動磁石１３０により、取り付けられたラッチ１４６が上昇し、駆動シャフト２０のねじ１４０と連動するグリッパ１５０の内側端を上方に動かす。ロックされたグリッパ１５０が、駆動磁石１３０の回転方向に基づいて駆動シャフト２０を上昇又は下降させることができる。
【0061】
接続解除アセンブリ１２０が依然として、接続解除棒１３２がグラップルアーム１２７Ａ及び１２７Ｂ間に挿入されたままの下降状態にあることが示される。広げられて離間するグラップルアーム１２７Ａとグラップルアーム１２７Ｂとが円筒ハブ８２の内側にロックされたままなので、駆動シャフト２０の下端が制御棒集合体８０にロックされる。
【0062】
図１１Ｃは、駆動アセンブリ１２２が上昇状態にあることを示す。駆動コイル１２８が作動して駆動磁石１３０が上昇し、取り付けられたラッチ１４６が上方に動いてグリッパ１５０の内側端がねじ１４０に係合する。駆動コイル１２８はまた、駆動磁石１３０を回転させ始め、グリッパ１５０を駆動シャフト２０の係合ねじまわりに回転させる。グリッパ１５０の回転により、駆動シャフト２０が軸方向にかつ直線的に上方へと強制されて駆動シャフトハウジング７７の中に入り、接続された制御棒集合体８０が、炉心への反応度挿入が引き起こされない程度の短距離だけ（いわゆる不感帯域内で）持ち上げられる。
【0063】
駆動シャフト２０が上昇することにより、接続解除磁石１３４も上昇し、取り付けられた接続解除棒１３２の下端がグラップルアーム１２７Ａとグラップルアーム１２７Ｂとの間に維持される。換言すると、駆動シャフト２０及び接続解除棒１３２を一緒に上昇させることにより、以下に説明される接続解除に先立って、駆動シャフト２０の下端が制御棒駆動機構８０に取り付けられたままとなる。
【0064】
図１１Ｄは、駆動アセンブリ１２２が下降状態にあり、接続解除アセンブリ１２０が上昇状態にあることを示す。駆動シャフト２０及び接続解除磁石１３４が図１１Ｃに示される上昇位置にあるとき、接続解除コイル１３６が作動する。駆動コイル１２８はこのとき、駆動磁石１３０を、駆動シャフト２０を鉛直下方に下降させる反対方向に回転させる。それと同時に、接続解除コイル１３６は、接続解除磁石１３４を上昇位置に保持する。グリッパ１５０が駆動シャフト２０を直線下方に動かし続けると、接続解除棒１３２の下端が上へと摺動し、グラップル１２６の間から外に出る。これに応じてグラップルアーム１２７Ａ及び１２７Ｂは内向きに往復動して制御棒集合体８０から接続解除され、制御棒集合体８０は短距離だけ落下する。代替的に、接続解除コイル１３６が接続解除磁石１３４を上昇位置に保持したまま、駆動コイル１２８が作動解除されて駆動シャフト２０を落下させ、制御棒集合体８０を接続解除する。
【0065】
図１１Ｅは、接続解除アセンブリ１２０及び駆動アセンブリ１２２の双方が下降状態にあることを示す。接続解除コイル１３６が作動解除されると、接続解除磁石１３４が解放され、接続解除棒１３２の下端が、グラップルアーム１２７Ａとグラップルアーム１２７Ｂとの間で摺動する。駆動コイル１２８はこのとき作動解除され、グリッパ１５０が駆動シャフト２０から接続解除される。広げられて離間するグラップル１２６がその後、制御棒集合体８０の頂部に着座する。
【0066】
よって、駆動シャフト２０を直線的に変位させるべく、さらには、炉心燃料交換動作中に駆動シャフト２０を制御棒集合体８０から接続解除するべく、駆動コイル１２８及び接続解除コイル１３６を、遠隔的に作動させ及び作動解除することができる。燃料交換をして炉容器５２（図４Ａ及び図４Ｂ）の再組み立てをした後の制御棒集合体８０の再接続は、図１１Ａから図１１Ｄに示されるステップの逆順で行ってもよい。
【0067】
二重ヒンジタイプ制御棒駆動機構
【0068】
【0069】
図１２、図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１４を参照すると、制御棒駆動機構１５９における駆動アセンブリ１２２及び接続解除アセンブリ１２０が、上述したものと実質的に同じ駆動及び接続解除のコイル及び磁石を含む。駆動シャフトハウジング７７及びノズル７８もまたすべて、上述したものと実質的に同じである。接続解除棒１３２、駆動シャフト２０、及びねじ付き外側表面１４０もまた、上述したものと同様である。
【0070】
上述と同様に、複数の駆動コイル１２８を連続的に作動させることにより、駆動磁石１３０を上昇させて環状駆動コイル１２８に整列させることができる。隣接する駆動コイル１２８の交互作動により、駆動磁石１３０が駆動シャフト２０の中心軸１５６まわりに回転し、駆動シャフト２０及び取り付けられた制御棒集合体８０の直線的な動きが強制される。
【0071】
二重ヒンジラッチアセンブリ１６０は下端が駆動シャフトハウジング７７に結合され、上端が駆動磁石１３０に結合される。ラッチアセンブリ１６０は、駆動シャフト２０まわりに延びる中心開口を含む上述と同様のベース１４２を含む。同様のリップ１４３が、ベース１４２の外側下端から外へと延び、駆動シャフトハウジング７７の下端とノズル７８の上端との間に形成される凹部の中に着座する。リップ１４３は、ノズル７８の上面に押し付けられる押し付け保持ベース１４２として機能する。
【0072】
図１３Ａを参照すると、駆動アセンブリ１２２が上昇状態にあることが示される。駆動コイル１２８を作動させることにより、駆動磁石１３０及び取り付けられたラッチ１６２が上昇する。グリッパ１６４の下端が上方かつ内向きに動いて駆動シャフト２０のねじ１４０に係合する。ロックされたグリッパ１６４がこのとき、駆動磁石１３０の回転方向に基づいて駆動シャフト２０を上昇又は下降させることができる。
【0073】
接続解除アセンブリ１２０が、接続解除棒１３２の下端がグラップル１２６のアーム１２７Ａとアーム１２７Ｂとの間に挿入される下降位置にあることが示される。広げられて離間するアーム１２７Ａとアーム１２７Ｂとが、円筒ハブ８２の内側にロックされるので、駆動シャフト２０の下端が制御棒集合体８０にロックされる。
【0074】
図１３Ｂを参照すると、駆動アセンブリ１２２及び接続解除アセンブリ１２０が下降状態にあることが示される。駆動コイル１２８を作動解除することにより、駆動磁石１３０及び取り付けられたラッチ１６２が下降する。グリッパ１６４は、下方かつ外向きに動いて駆動シャフト２０のねじ１４０との係合が解除される。
【0075】
接続解除アセンブリ１２０は依然として、作動解除されているように示される。ここで、接続解除棒１３２がグラップル１２６のアーム１２７Ａとアーム１２７Ｂとの間に挿入されたままとなる。広げられて離間するアーム１２７Ａとアーム１２７Ｂとが、円筒ハブ８２の内側にロックされたままなので、駆動シャフト２０の下端が制御棒集合体８０にロックされる。
【0076】
図１４において、図８と同様の設計の環状カラー１４８がベース１４２に取り付けられるが、回転方向にはベース１４２から結合解除されており、同様のステップ１４４を含む。ステップ１４４は、ベース１４２の頂部まわりに延びるベアリング１５４の頂部に取り付けられる。カラー１４６もまた、駆動シャフト２０を受容してそのまわりに延びる中心開口を含む。カラー１４６は、鉛直／高さ方向の下方にあるベース１４２に保持されるが、駆動シャフト２０の中心軸１５６まわりにベアリング１５４及びベース１４２の頂部で回転する。
【0077】
ヒンジ１６８の外側端が、第１ピン１６６Ａによりカラー１４８の上端に枢動可能に取り付けられる。ヒンジ１６８の内側端が、第２ピン１６６Ｂを介してグリッパ１６４の下端に枢動可能に取り付けられる。ラッチ１６２の上端が駆動磁石１３０に取り付けられ、ラッチの下端が第３ピン１６６Ｃを介してグリッパ１６４の上端に枢動可能に取り付けられる。
【0078】
駆動コイル１２８は作動すると、駆動磁石１３０を鉛直上方に持ち上げ、さらにはラッチ１６２を上昇させる。グリッパ１６４及びヒンジ１６８の内側端もまた上方に動き、グリッパ１６４の下端が内向きに動いて駆動シャフト２０のねじ１４０に係合する。
【0079】
グリッパ１６４の下端の係合後、駆動コイル１２８は、駆動磁石１３０を駆動シャフト２０の中心軸１５６まわりに回転させ始める。駆動磁石１３０の下端もまた、上昇したラッチ１４６及び係合したグリッパ１６４を駆動シャフト２０まわりに回転させ始める。グリッパ１６４が回転することにより、カラー１４８もまた、ベース１４２により鉛直下方に保持されたまま中心軸１５６まわりに回転する。
【0080】
グリッパ１６４の内側端が、係合したねじ１４０内を回転するので、駆動シャフト２０が、駆動シャフトハウジング７７及びノズル７８の内側で直線的に上方に動く。駆動コイル１２８は、駆動磁石１３０を反対方向に回転させ、ひいては、ねじ１４０内のグリッパ１６４を反対方向に回転させ、駆動シャフト２０を軸方向下向きに動かす。
【0081】
駆動コイル１２８の作動解除により、駆動磁石１３０及びグリッパ１６４の内側端が垂直下向きに落ちる。ヒンジ１６８もまた下向きかつ外方に回転し、グリッパ１６４の下端をねじ１４０から係合解除する。ここで、駆動シャフト２０がグリッパ１５０から解放され、鉛直下方に重力により自由落下する。
【0082】
図１５は、二重ヒンジラッチアセンブリ１６０の断面平面図である。接続解除棒１３２が、駆動シャフト２０の中心線を通って延びる。ねじ１４０が、駆動シャフト２０の外側表面まわりに延びる。ラッチ１６２が環状断面形状を有し、ラッチ１６２の下端がグリッパ１６４の上端に取り付けられる。カラー１４８もまた環状断面形状を有し、ピン１６６Ａを介してグリッパ１６８の外側端に取り付けられる。上述したように、カラー１４６は駆動磁石１３０に取り付けられて鉛直方向に上下動をすることができる。駆動シャフトハウジング７７もまた環状断面形状を有し、駆動シャフト２０と同心に整列される。
【0083】
図１６Ａ～図１６Ｇは、上述した単ヒンジタイプ制御棒駆動機構８８又は二重ヒンジタイプ制御棒駆動機構１５９の異なる動作を示す簡略化された模式図であり、ここに記載されるＣＲＤＭ機能を達成するための主要な要素に焦点が当てられる。説明目的のため、以下の略語が使用される。
駆動コイル１２８＝Ａ
駆動磁石１３０＝Ｂ
ラッチ１４６、１６２＝Ｃ
駆動シャフト２０＝Ｄ
グリッパ１５０、１６４＝Ｅ
接続解除コイル１３６＝Ｆ
接続解除磁石１３４＝Ｇ
グラップル１２６＝Ｈ
駆動シャフトハウジング７７＝Ｉ
ベース１４２＝Ｊ
接続解除棒１３２＝Ｋ
制御棒集合体８０＝ＣＲＡ
駆動コイル１２８＝Ａ
駆動磁石１３０＝Ｂ
ラッチ１４６、１６２＝Ｃ
駆動シャフト２０＝Ｄ
グリッパ１５０、１６４＝Ｅ
接続解除コイル１３６＝Ｆ
接続解除磁石１３４＝Ｇ
グラップル１２６＝Ｈ
駆動シャフトハウジング７７＝Ｉ
ベース１４２＝Ｊ
接続解除棒１３２＝Ｋ
制御棒集合体８０＝ＣＲＡ
【0084】
同心の電磁コイルＡ及びＦが、代替的に圧力バウンダリとも称される駆動シャフトハウジングＩの外側に延びる。当該外側のコイルＡ及びＦが、圧力バウンダリＩの内側で円筒状の磁石Ｂ及びＧそれぞれを動かすべく相互作用をする。
【0085】
図１６Ａを参照すると、最初に駆動コイルＡが通電解除される。ラッチＣが環状駆動磁石Ｂに固定され、駆動シャフトハウジングＩの内側でベースＪに載置される。
【0086】
図１６Ｂを参照すると、駆動コイルＡが通電され、駆動磁石Ｂを駆動コイルＡと整列するまで上方に持ち上げる。これによりラッチＣが持ち上げられてグリッパＥに係合する。グリッパＥは、圧力バウンダリＩの内側に対して鉛直方向に固定されるがラッチＣの回転を許容するピンまわりに枢動する。グリッパＥが、駆動シャフトＤのねじ付き溝に嵌り込む。
【0087】
図１６Ｃを参照すると、駆動コイルＡを特定のシーケンスで動作させることにより、駆動磁石Ｂ及びラッチＣが回転運動をするようになるが、同時に依然として駆動コイルＡと同じ高さを維持する。これにより、グリッパＥの係合解除が防止される。グリッパＥの回転運動は、駆動ロッドＤ及び取り付けられたＣＲＡを上昇させる直線的な駆動シャフトの動きに変換される。
【0088】
図１６Ａに戻ると、ＳＣＲＡＭ信号又は電力喪失の際、駆動コイルＡは駆動磁石Ｂを解放し、ラッチＣの落下ゆえにグリッパＥの下方かつ外方への枢動が引き起こされる。これにより、駆動シャフトＤの重力駆動落下により、取り付けられたＣＲＡが炉心の中に落下する安全機能が与えられる。
【0089】
図１６Ｄ～図１６Ｇは、図４Ａ及び図４Ｂにおける炉圧力容器５２の分解に先立って、どのようにして駆動シャフトＤをＣＲＡから遠隔接続解除するのかを示す。駆動コイルＡが最初に通電解除されてラッチＣはベースＪ上に載置される。これは、図１６Ａに示される最初の駆動シャフト係合構成と同様である。
【0090】
図１６Ｄを参照すると、駆動コイルＡが作動して駆動磁石Ｂ及びラッチＣを上昇させ、グリッパＥの駆動シャフトＤとの係合を引き起こす。図１１Ｃに示されるように、駆動コイルＡはこのとき、駆動磁石Ｂ及びラッチＣに回転運動を生じさせるが、同時に駆動コイルＡと同じ高さを維持する。グリッパＥの回転により駆動シャフトＤ及び接続解除磁石Ｇが直線的に上方に動いて上昇位置になり、取り付けられたＣＲＡが、炉心への反応度挿入が引き起こされない程度の短距離だけ（いわゆる不感帯域内で）持ち上げられる。
【0091】
図１６Ｅを参照すると、駆動コイルＡが依然として通電されて駆動磁石Ｂ、駆動シャフトＤ、接続解除磁石Ｇ及び接続解除棒Ｋを上昇位置に保持している。接続解除コイルＦが通電されて接続解除磁石Ｇ及び取り付けられた接続解除棒Ｋを、鉛直方向の所定位置に保持する。駆動コイルＡはこのとき、駆動磁石Ｂ、ラッチＣ及びグリッパＥを反対方向に回転させて駆動シャフトＤを直線的に下降させる。駆動シャフトＤの下端にあるグラップルＨが、現在のところＣＲＡを保持しており、接続解除棒Ｋの下端が上に動いてグラップルアームの外に出る。グラップルＨのアームが収縮してＣＲＡを、図３における燃料集合体頂部ノズル９２の頂部に再び載置されるまで短距離だけ落下させる。
【0092】
図１６Ｆを参照すると、駆動コイルＡは通電されたままであり、それゆえ駆動磁石Ｂを所定位置に保持する。接続解除コイルＦはこのとき通電解除される。これにより接続解除磁石Ｇが解放され、駆動シャフトＤの底部において接続解除棒Ｋの下端がグラップルＨに挿入されてグラップルＨを拡張させる。
【0093】
図１６Ｇを参照すると、駆動コイルＡが通電解除され、環状駆動磁石Ｂ及びラッチＣが解放される。駆動シャフトＤは、グラップルＨが係合されることなくＣＲＡ円筒ハブの頂部に載置されるまで、短距離だけ落下する。これにより、炉圧力容器の上部セクションと下部セクションとを、ＣＲＡを取り外すことなく燃料交換するべく分離することが許容される。
【0094】
グラップルＨのＣＲＡへの再接続が、逆の順序で行われる。駆動コイルＡは、駆動シャフトＤ及び接続解除磁石Ｇを鉛直上方に動かして上昇位置にする。接続解除コイルＦが作動して接続解除磁石Ｇ及び接続解除棒Ｋを上昇位置に保持する。駆動コイルＡはこのとき、駆動シャフトＤを下降させ、グラップルＨを収縮させてＣＲＡの中に挿入する。接続解除コイルＦはこのとき作動解除され、接続解除磁石Ｇ、及び接続解除棒Ｋの下端がグラップルＨの間に落下する。グラップルＨが拡張してＣＲＡにロックされる。
【0095】
代替的に、グラップルＨは、接続解除コイルＦの電磁力を使用して接続解除磁石Ｇを引っぱり上げることにより、ＣＲＡに再係合される。駆動コイルＡに同時通電することなしに接続解除磁石Ｇが動いて上昇位置となる。駆動シャフトＤの重量は、接続解除棒Ｋのみが駆動シャフトＤの内側で上方に動く程度に十分に大きい。グラップルＨが収縮してＣＲＡ円筒ハブに挿入される。このとき接続解除コイルＦが作動解除されるので、接続解除棒Ｋの底部が落下してグラップルＨの中に戻る。グラップルＨが拡張してＣＲＡにロックされる。
【0096】
ＣＲＤＭ冷却システム
【0097】
図１７は、一体型冷却システム１８０を備えた一例の制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）８８を有する炉モジュール５の上部断面図を示す。図１８は、ＣＲＤＭ８８及び冷却システム１８０をさらに詳しく示す等角斜視図である。炉モジュール５は、上述したものを収容する同じ上部格納容器７６を含む。複数の駆動シャフトハウジング７７が上部格納容器７６内に配置される。またも上述したように、複数の駆動シャフト２０が、駆動シャフトハウジング７７の下端に頂部が接続されたノズル７８を通って下へと延びてＲＰＶ５２の中に入る。
【0098】
駆動シャフトハウジング７７は、上述したＣＲＤＭ８８、接続解除アセンブリ１２０、駆動アセンブリ１２２、単ヒンジラッチアセンブリ１３８又は二重ヒンジタイプ制御棒駆動機構１５９のいずれかを保持し得る。上述したように、駆動アセンブリ１２２は駆動シャフト２０を上昇及び下降させ、接続解除アセンブリ１２０は駆動シャフト２０を制御棒集合体８０（図３）から接続解除することができる。駆動アセンブリ１２２及び接続解除アセンブリ１２０は双方とも、ＲＰＶ５２の外側から電気制御信号を介して遠隔的に作動させ及び制御することができる。
【0099】
またも上述したように、格納容器７０と原子炉圧力容器７４との間に配置される格納領域５２に存在する任意の空気又は他のガスを、原子炉起動前又は起動中に除去し又は排出し得る。格納領域７４から排出又は排気されるガスは、非凝縮性ガス及び／又は凝縮性ガスを含み得る。
【0100】
冷却システム１８０は、一セットのヒートフィン１８４を含む。これらの熱フィン１８４は、駆動コイル１２８の頂部から上へと延びて接続解除アセンブリ１２０を取り囲む。ヒートフィン１８４は、平板形状を有してよく、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、又は他の熱伝導性金属のような任意のヒートシンク材料から形成されてよい。ヒートフィン１８４は、ＲＰＶ５２とＣＮＶ７０との間に形成された格納領域７４内の温度を低くするＣＮＶ表面への放射熱伝達のための改善された経路を有する。ヒートフィン１８４は、ＣＲＤＭ８８の設置面積を実質的に増加させることなく、駆動コイル１２８によって生じる熱を除去することができる。
【0101】
一例において、ヒートフィン１８４は、駆動コイル１２８を保持する外側金属エンクロージャ１８５に取り付けられ又は形成されてよい。例えば、駆動コイル１２８及びヒートフィン１８４を、駆動シャフトハウジング７７上を摺動可能な同じモジュール式環状エンクロージャとなるように形成してよい。
【0102】
図１９は、ＣＲＤＭ冷却システム１８０の下側部分の断面平面図である。図９において上述したように、環状駆動コイル１２８が駆動シャフトハウジング７７の外周まわりに延び、環状駆動磁石１３０が駆動シャフトハウジング７７の内側まわりに延びる。駆動シャフト２０が、駆動磁石１３０に形成された中心開口を貫通し、接続解除棒１３２が、駆動シャフト２０の中心軸に沿って形成された孔を貫通する。ねじ１４０が、駆動シャフト２０の外側表面まわりに延びる。
【0103】
複数の冷却チャネル１８６が、駆動コイル１２８を通って及び／又は駆動コイル１２８同士の間に鉛直方向に延び、いずれもがヒートパイプ１９０を形成又は保持する。例えば、チャネル１８６は、流体を保持して一緒になってヒートパイプ１９０として動作する金属管を保持してよい。この例において、外側ヒートパイプ１９０Ａと内側ヒートパイプ１９０Ｂとの対が４つ、ループの片道で各駆動コイル１２８を通るように延びる。代替的に、外側ヒートパイプ１９０Ａ及び内側ヒートパイプ１９０Ｂをヒートパイプ１９０と称する。
【0104】
図２０は、ＣＲＤＭ冷却システム１８０の上側部分の断面平面図であり、図２１は、ＣＲＤＭ冷却システム１８０の当該上側部分の拡大平面断面図である。複数の冷却チャネル１８８がヒートフィン１８４を通るように鉛直方向に延び、再びであるがいずれも、ヒートパイプ１９０として動作する管を形成又は保持する。冷却チャネル１８８は、ヒートパイプループ１９０を形成するべく駆動コイル１２８においてチャネル１８６に接続され又はチャネル１８６と連続するように形成される。
【0105】
図５～図７において上述したように、円筒状の接続解除磁石１３４が、接続解除棒１３２（図７）の上端に取り付けられる。接続解除磁石１３４が上に延びて駆動シャフトハウジング７７の中に入り、環状接続解除コイル１３６が、駆動シャフトハウジング７７及び接続解除磁石１３４のまわりに延びる。ヒートフィン１８４は接続解除コイル１３６から径方向外側に延び、一例において、ヒートパイプ１９０の上部セクションを包含する。ヒートパイプ１９０Ａ及び１９０Ｂは、ループの片道で各ヒートフィン１８４を通るように上に延びる。
【0106】
ヒートパイプ１９０Ａ及び１９０Ｂの蒸発セクションが、ヒートフィン１８４の内側に沿って延び、ヒートフィン１８４において絶縁体１９６に覆われる。一例において、絶縁体１９６は、任意のタイプのミネラルウール、ケイ酸カルシウム、ガラス繊維、微孔質耐火物、ガラス繊維フェルト、反射性金属絶縁体（ＲＭＩ）、又は原子力発電所において絶縁パイプに通常使用される任意の他の材料としてよい。
【0107】
ヒートパイプ１９０Ａ及び１９０Ｂの凝縮セクションが、ヒートパイプ１９０Ａ及び１９０Ｂの絶縁体セクションに流体的に結合され、ヒートフィン１８４の外側横側部に沿って延び、凝縮チャネル１９８によって取り囲まれる。一例において、凝縮チャネル１９８は、ヒートパイプ１９０の外面から径方向外側に延びる一群の高熱伝導性金属ストリップ又はスロットである。凝縮チャネル１９８は、ヒートパイプ１９０の凝縮セクションの外表面積を、ＣＮＶ７０（図１７）により形成された冷却器格納領域７４にさらす。熱伝達率をさらに増加させるべく、ヒートフィン１８４内のヒートパイプ１９０の凝縮部分まわりに任意の他のタイプのヒートフィン又はヒートシンクを形成してよい。
【0108】
図２２は、冷却システム１８０の等角側断面図であり、図２３は、冷却システム１８０の詳細な等角側断面図である。この例において、多数対の外側及び内側循環ヒートパイプループ１９０Ａ及び１９０Ｂがそれぞれ、各駆動コイル１２８及びヒートフィン１８４を通るように延びる。外側ヒートパイプ１９０Ａが、駆動コイル１２８及びヒートフィン１８４の内側横側部及び外側横側部に沿って延びる。内側ヒートパイプ１９０Ｂが、外側ヒートパイプ１９０Ａの内側で駆動コイル１２８及びヒートフィン１８４を通るように延びる。
【0109】
ヒートパイプ１９０は、駆動コイル１２８の下端から上へ延びて上端を通過し、その後さらに、ヒートフィン１８４の下端から上へ延びて上端を通過する。ヒートパイプ１９０の上端が接続解除コイル１３６から径方向外側に延び、ヒートパイプ１９０の下端が駆動シャフトハウジング７７に向かって径方向内向きに延びて連続ループを形成する。
【0110】
代替的なオプションは、ヒートパイプ１９０の冷たい上部セクション１９４を、ＣＲＤＭ８８上方のＣＮＶ７０の内壁に直接取り付け、熱を伝導によってＣＮＶ表面に伝達することである。例えば、ヒートパイプ１９０は、さらに上に延びてヒートフィン１８４又は駆動コイル１２８の頂部から外に出てＣＮＶ７０の内壁に接触するループを含んでもよい。双方の代替例において、ひとたび熱がＣＮＶに伝達されると、この熱はＣＮＶの外側の環境に放散される。
【0111】
駆動コイル１２８及びヒートフィン１８４の内側横側部の近くに配置されるヒートパイプ１９０Ａ及び１９０Ｂの内側部分を蒸発セクション２０８と称し、ヒートフィン１８４の外側横側部の近くに延びるヒートパイプ１９０Ａ及び１９０Ｂの外側部分を凝縮セクション２１０と称する。蒸発セクション２０８と凝縮セクション２１０とは流体的に結合されて一緒になる。
【0112】
ヒートパイプ１９０は、銅、アルミニウム、ステンレス鋼、又は任意の他の熱伝導性金属のような任意の材料から形成された任意の円形、楕円形、又は平坦な形状の管又はオリフィスを含んでよい。ヒートパイプ１９０は、水、アンモニア、メタノール、液体ナトリウム等の熱伝達可能な任意の流体２００を包含してよい。流体２００は、加熱されると蒸発状態２００Ａに変わり、冷却されると凝縮状態２００Ｂに変わる。
【0113】
流体２００の蒸発及び凝縮により、ヒートパイプ１９０を通る流体の流れがもたらされ、この流れが駆動コイル１２８から熱を除去する。例えば、駆動コイル１２８は、動作している間、流体２００Ａを蒸発させる熱を発生させる。蒸発した流体２００Ａは、ヒートパイプ１９０の蒸発セクション２０８を通って上昇して熱を駆動コイル１２８から奪うように伝達する。
【0114】
上述したように、ヒートパイプ１９０の上部凝縮セクション２１０にある絶縁体材料１９６は、蒸発した流体２００Ａを移送する。ヒートパイプ１９０の上部凝縮セクション２１０にある凝縮チャネル１９８により、蒸発した流体２００Ａは凝固し、凝縮した流体２００Ｂの液滴になる。ヒートパイプ１９０において他のタイプの多孔質媒体を使用して、蒸発した流体２００Ａを凝固して凝縮した流体２００Ｂにする補助とすることもできる。
【0115】
凝縮した流体２００Ｂは、重力又は毛管作用により鉛直下方に、ヒートパイプ１９０の凝縮セクション２１０を通るように落下する。駆動コイル１２８はこのとき、凝縮された流体２００Ｂを再加熱して蒸発した２００Ａに戻し、ヒートパイプ１９０を通って戻るように流体２００を再循環させ、駆動コイル１２８からの熱をさらに除去する。流体２００の流れ方向及び流量を制御するべく、駆動コイル１２８の上流においてヒートパイプ１９０に流量制限器（図示せず）を配置してよい。
【0116】
受動冷却システム１８０により、能動ＲＣＣＷＳシステムにおいて通常使用される水ホース、配管及び水ポンプ機器の数が減り又はゼロになる。簡略化された冷却システム１８０はまた、電気駆動コイル１２８を保守オペレーション中に容易に交換することができるモジュール式ＣＲＤＭ８８設計を与えるべく、ヒートパイプ１９０を一体型の駆動コイル１２８及びヒートフィン１８４に埋め込む。冷却システム１８０はまた、ＣＲＤＭ電気コイル１２８が真空環境でＣＲＤＭ圧力バウンダリの外側に配置される加圧水型原子炉（ＰＷＲ）のＣＲＤＭ設計における対流熱冷却の限界を克服する。
【0117】
好ましい実施形態の原理が記載及び図示されたが、かかる原理から逸脱することなく、これらの実施形態の配列及び詳細を変更してよいことは明らかである。特許請求の範囲は、以下の特許請求の範囲の要旨及び範囲内にあるすべての修正例及びバリエーションに対して作られる。
【0118】
上述した動作のいくつかをソフトウェアに実装し、他の動作をハードウェアで実装することができる。ここに記載される動作、プロセス又は方法の一以上を、ここに記載されて例示の図面を参照するものと同様の装置、デバイス又はシステムによって実施してよい。
【0119】
当業者にわかることだが、開示の実装例は、特定の詳細の一部又はすべてを与えることなく実施することができる。他例において、開示の実装例を不必要に曖昧にすることを避けるべく、所定のプロセス又は方法が詳細に説明されていない。他の実装例及び応用例も可能であり、したがって、以下の例は、範囲又は設定のいずれにおいても、決定的又は限定的とみなすべきはない。
【0120】
明細書の一部を形成し、特定の実装例を図示により示す添付図面が参照されている。これらの開示される実装例が、当業者が当該実装例を実施することを可能にするべく十分詳細に記載されているにもかかわらず、これらの例が限定ではないことを理解するべきであり、他の実装例を使用してよく、その要旨及び範囲から逸脱することなく開示の実装例に対して変更を加えてよい。
【0121】
ここに与えられる例は、主に加圧水型原子炉及び／又は軽水型原子炉を記載してきたが、これらの例が他のタイプの電力システムに適用され得ることは、当業者にとって明らかである。例えば、その例又はバリエーションはまた、沸騰水型原子炉、ナトリウム液体金属原子炉、ガス冷却型原子炉、ペブルベッド型原子炉、及び／又は他のタイプの原子炉設計によって動作可能とすることもできる。
【0122】
なお、例はいずれかの特定タイプの炉冷却機構に限られるわけではなく、原子核反応の中で又は原子核反応に関連付けられる熱生成のために用いられるいずれかの特定タイプの燃料に限られるわけでもない。ここに記載されるいずれの比率及び値も単なる例として与えられる。原子炉システムの実物大又は縮尺モデルの構築等による実験を介して他の比率及び値を決定してよい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図11E】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】
【図16A-16C】
【図16D-16E】
【図16F-16G】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22-23】
【国際調査報告】