JP7724182B2 - 駆動機構、制御棒駆動装置および原子炉 - Google Patents

Description

本開示は、駆動機構、制御棒駆動装置および原子炉に関する。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized Water Reactor）は、炉心内で生成される中性子を制御棒により吸収することで、その中性子数を調整し、原子炉出力を制御している。制御棒は、制御棒駆動装置（ＣＲＤＭ：control rod drive mechanism）により炉心に対して出し入れされる。

加圧水型原子炉用の制御棒駆動装置として、例えば、特許文献１に示されたラック＆ピニオンによる駆動機構が知られている。

特開２０２２－０２３３４５号公報

特許文献１に示すようなラック＆ピニオンの駆動機構は、メンテナンス時にラックギヤとピニオンギヤとを分解組立する場合、ラックギヤに対してピニオンギヤの回転角度がずれると相互の噛み合いを行えないおそれがある。この駆動機構を制御棒駆動装置に適用した場合、多数の制御棒を駆動する全ての駆動機構の噛み合いを管理することは難しく、かつメンテナンス時は放射線領域となるため作業員が介在することを削減したい。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、ラックギヤとピニオンギヤとの分解組み立てを確実かつ容易に実施することのできる駆動機構、制御棒駆動装置および原子炉を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る駆動機構は、ラックギヤと、前記ラックギヤに噛み合うピニオンギヤと、前記ラックギヤにおけるラック歯を有さない部分に固定された位置決部材と、前記ピニオンギヤの回転方向に沿って複数設けられた当接部材と、を含み、前記ラックギヤおよび前記ピニオンギヤの噛み合い時の相対移動方向に前記ラックギヤまたは前記ピニオンギヤの少なくとも一方を移動させた場合に、前記位置決部材と前記当接部材との当接により前記ピニオンギヤのピニオン歯の回転位置を前記ラックギヤのラック歯との噛み合い位置とする。

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る制御棒駆動装置は、上記の駆動機構と、前記駆動機構によって昇降移動が可能に設けられ炉心に出し入れ可能な制御棒が連結される駆動軸と、を含む。

上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る原子炉は、上記の制御棒駆動装置と、前記制御棒駆動装置により制御される炉心と、前記制御棒駆動装置および前記炉心を内部に配置する原子炉容器と、を含む。

本開示によれば、ラックギヤとピニオンギヤとの分解組み立てを確実かつ容易に実施できる。

図１は、実施形態の原子炉を示す概略図である。 図２は、実施形態の制御棒駆動装置を示す概略側面図である。 図３は、実施形態の制御棒駆動装置を示す一部拡大断面図である。 図４は、実施形態の制御棒駆動装置における電磁コイルのケーブルを示す概略斜視図である。 図５は、実施形態の駆動機構を示す概略斜視図である。 図６は、実施形態の駆動機構の基本動作を示す概略図である。 図７は、実施形態の駆動機構の基本動作を示す概略図である。 図８は、実施形態の駆動機構の基本動作を示す概略図である。 図９は、実施形態の駆動機構の動作を示す概略図である。 図１０は、実施形態の駆動機構の動作を示す概略図である。 図１１は、実施形態の駆動機構の動作を示す概略図である。

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、実施形態の原子炉を示す概略図である。

図１に示す原子炉１００は、加圧水型の原子力発電プラントに用いられる加圧水型原子炉である。加圧水型の原子力発電プラントは、原子炉１００において、一次冷却材である軽水を加熱した後、高温となった一次冷却材を図示しない蒸気発生器に送る。そして、原子力発電プラントは、蒸気発生器において、高温となった一次冷却材を、二次冷却材と熱交換させることにより二次冷却材を蒸発させ、蒸発した二次冷却材の蒸気をタービンに送って発電機を駆動させることにより、発電を行っている。また、蒸気発生器に流入した高温の一次冷却材は、二次冷却材と熱交換を行うことにより冷却され、原子炉１００に戻され再び高温に加熱される。一方、タービンで発電に用いられた二次冷却材の蒸気は、復水器で冷却されて液体に戻され復給水管を介して蒸気発生器に戻され一次冷却材との熱交換により再び蒸気となる。

原子炉１００は、圧力容器である原子炉容器１０１を有する。原子炉容器１０１は、原子炉容器本体１０１Ａに原子炉容器蓋１０１Ｂが複数のスタッドボルトおよびナットにより固定されている。原子炉容器蓋１０１Ｂは、原子炉容器本体１０１Ａの開口縁に形成された位置決めピン１０１Ａｃによって、原子炉容器本体１０１Ａに対して位置決めされて固定される。原子炉容器本体１０１Ａは、一次冷却材を蒸気発生器に送る出口管台１０１Ａａと、蒸気発生器で二次冷却材と熱交換して冷却された一次冷却材が戻される入口管台１０１Ａｂとが設けられている。この原子炉容器１０１の内部に、制御棒駆動装置１、および燃料集合体１０２が収容される。制御棒駆動装置１の詳細は後述するが、原子炉容器１０１の内部の上側に配置される。燃料集合体１０２は、核燃料物質であり、原子炉容器１０１の内部の下側に設けられた炉心１０３に配置される。燃料集合体１０２は、図示しないが、多数の燃料棒が支持格子により格子状に束ねられて上下に長尺に構成されている。この燃料集合体１０２は、炉心１０３に対し、上端部を上側に向け、下端部を下側に向けて立てられた状態で多数配置される。また、炉心１０３は、内部に制御棒１０４が配置される。制御棒１０４は、多数の燃料集合体１０２の内部に上側から挿入され抜き挿し可能となっている。制御棒１０４は、中性子を吸収する制御材で形成され、燃料集合体１０２の内部に挿入されることで、燃料集合体１０２の核燃料物質の核分裂反応に伴う中性子を吸収して臨界状態にならないように制御することができる。一方、制御棒１０４は、燃料集合体１０２の内部から抜かれることで、原子炉１００内の中性子数を増加させ、臨界から定格出力になるまで反応を上げることができる。また、原子炉容器１０１の内部であって、炉心１０３と制御棒駆動装置１との間には、制御棒１０４の昇降を案内する制御棒案内管１０５が多数配置されている。

図２は、実施形態の制御棒駆動装置を示す概略側面図である。図３は、実施形態の制御棒駆動装置を示す一部拡大断面図である。図４は、実施形態の制御棒駆動装置における電磁コイルのケーブルを示す概略斜視図である。図５は、実施形態の駆動機構を示す概略斜視図である。

制御棒駆動装置１は、上述したように原子炉容器１０１の内部に収容されている。制御棒駆動装置１は、制御棒１０４を上下方向に移動させることで、制御棒１０４を燃料集合体１０２の内部に抜き挿しする制御を行う。制御棒駆動装置１は、駆動モータ（駆動部）２と、電磁クラッチ３と、減速機構４と、駆動機構５と、駆動軸６と、付勢手段７と、を有する。

駆動モータ２は、図２に示すように、制御棒駆動装置１において上側に配置されている。駆動モータ２は、図３に示すように、ロータ（回転子）２Ａと、ステータ（固定子）２Ｂと、を有する。

ロータ２Ａは、上下方向に延びる中心軸ＣＬ上で上下方向に延びて設けられている。中心軸ＣＬが延びる上下方向を軸方向ともいう。ロータ２Ａは、駆動モータ２と、電磁クラッチ３とを収容するケース１１に対して中心軸ＣＬの周りに回転可能に設けられている。ロータ２Ａは、磁性材で形成されている。ロータ２Ａは、突極２Ａａを有する。突極２Ａａは、ロータ２Ａにおいて中心軸ＣＬから離れる径方向内側に延びた突起であり、中心軸ＣＬの周りの周方向に間隔をおいて複数設けられている。また、ロータ２Ａは、中心軸ＣＬ上で軸方向に貫通する貫通孔からなる中空部２Ａｂが形成されている。

ステータ２Ｂは、ロータ２Ａの周りを囲むように中心軸ＣＬを中心とした筒状に形成されている。ステータ２Ｂは、磁性材で形成されている。ステータ２Ｂは、中心軸ＣＬに向く径方向内側に延びてロータ２Ａに向き、中心軸ＣＬの周りの周方向に間隔をおいて複数設けられた芯部２Ｂａを有している。ステータ２Ｂは、各芯部２Ｂａに電磁コイル２Ｃが絶縁材（図示せず）を介して巻き付けられている。また、ステータ２Ｂは、電磁コイル２Ｃが、図４に示す無機絶縁ケーブル８で構成されている。

無機絶縁ケーブル８は、図４に示すように、心線８ａの周りを金属シース８ｂで囲み、心線８ａと金属シース８ｂとの間に例えば酸化マグネシウムなどの無機絶縁物８ｃを充填したもので、ＭＩケーブル（Mineral Insulated Cable）ともいう。本実施形態において、無機絶縁ケーブル８は、金属シース８ｂが耐熱性・耐蝕性に優れる耐熱・耐蝕合金である、例えばインコネル６９０（登録商標）で形成されている。

この駆動モータ２は、ステータ２Ｂの電磁コイル２Ｃへ電流を流すことにより発生する磁界の吸引力によりロータ２Ａの突極２Ａａが当該電磁コイル２Ｃの巻かれた芯部２Ｂａに引き付けられロータ２Ａが中心軸ＣＬの周りに回転する。即ち、駆動モータ２は、永久磁石を用いず、磁性材からなるロータ２Ａを、ステータ２Ｂの電磁コイル２Ｃに生じる磁界の吸引力により回転させるリラクタンスモータを構成する。

電磁クラッチ３は、図３に示すように、第一磁極３Ａと、第二磁極３Ｂと、電磁コイル３Ｃと、を有する。

第一磁極３Ａは、磁性材からなり、駆動モータ２のロータ２Ａに固定されている。従って、第一磁極３Ａは、駆動モータ２のロータ２Ａの回転に伴って回転する。第一磁極３Ａは、軸方向の下端に径方向外側に突出し下端面が平坦な吸着部３Ａａが形成されている。

第二磁極３Ｂは、磁性材からなり、第一磁極３Ａに磁着することが可能であり、ケース１１に対して軸方向に移動可能に設けられている。また、第二磁極３Ｂは、ケース１１に対して中心軸ＣＬの周りに回転可能に設けられている。第二磁極３Ｂは、軸方向の上端に径方向外側に突出し上端面が平坦な吸着部３Ｂａが形成されている。吸着部３Ｂａは、その上端面が第一磁極３Ａの吸着部３Ａａの下端面に対向して設けられている。第二磁極３Ｂは、その下端が減速機構４に接続されている。

第一磁極３Ａおよび第二磁極３Ｂは、中心軸ＣＬ上で軸方向に貫通する貫通孔からなる中空部３Ｄが形成されている。中空部３Ｄは、駆動モータ２のロータ２Ａに形成された中空部２Ａｂと同等の内径に形成され中空部２Ａｂに連通する。

電磁コイル３Ｃは、ケース１１に固定され、第一磁極３Ａと第二磁極３Ｂとに軸方向に磁界を発生するように設けられている。電磁コイル３Ｃは、図４に示す無機絶縁ケーブル８で構成されている。

この電磁クラッチ３は、電磁コイル３Ｃに電流を流すことで、軸方向に磁界が発生し、第一磁極３Ａの吸着部３Ａａおよび第二磁極３Ｂの吸着部３Ｂａに作用する。磁界が吸着部３Ａａおよび吸着部３Ｂａに作用すると、これらが相互に吸着する吸着力が発生し、第一磁極３Ａに第二磁極３Ｂが引き付けられ吸着する。第一磁極３Ａに第二磁極３Ｂが吸着すると、第一磁極３Ａおよび第二磁極３Ｂを介して駆動モータ２の回転が減速機構４および駆動機構５に伝達される。一方、電磁クラッチ３は、電磁コイル３Ｃに電流を流さないと、第一磁極３Ａの吸着部３Ａａおよび第二磁極３Ｂの吸着部３Ｂａへの磁界の作用がなく、第一磁極３Ａと第二磁極３Ｂとの吸着が解除される。第一磁極３Ａと第二磁極３Ｂとの吸着が解除されると、駆動モータ２の回転が減速機構４および駆動機構５に伝達されなくなり、減速機構４および駆動機構５が回転自由な状態になる。

減速機構４は、電磁クラッチ３と駆動機構５との間に配置される。減速機構４は、電磁クラッチ３を介して駆動モータ２の中心軸ＣＬ周りの回転が伝達され、この回転を減速しつつ駆動機構５に伝達する。減速機構４は、図には明示しないが、例えば、遊星歯車機構からなる複数の減速部が軸方向に積層して配置される。減速機構４は、この構成により、中央に軸方向に貫通する中空部を有する。中空部は、中心軸ＣＬ上で軸方向に貫通する貫通孔からなり、電磁クラッチ３に形成された中空部３Ｄと同等の内径に形成され中空部３Ｄに連通する。

駆動機構５は、電磁クラッチ３が吸着した状態において、駆動モータ２により駆動され、駆動軸６を昇降させる。駆動機構５は、図５に示すように、ラックギヤ５Ａと、ピニオンギヤ５Ｂと、案内部５Ｃと、位置決部材５Ｄと、当接部材５Ｅと、を有する。

ラックギヤ５Ａは、上述した中空部２Ａｂ，３Ｄに挿通されるように上下方向（軸方向）に沿って連続して直線状に延びて形成される。ラックギヤ５Ａは、長板状に形成されたラック本体５Ａａの板面に、その延在する上下方向に沿って多数のラック歯５Ａｂが形成される。実施形態のラックギヤ５Ａは、一方の板面にラック歯５Ａｂが形成される。ラック歯５Ａｂは、ラック本体５Ａａの上方の部分には設けられていない。このラックギヤ５Ａは、案内部５Ｃ（第一案内部５ＣＡ）によって軸方向に沿って昇降可能に設けられる。また、ラックギヤ５Ａは、その下端が駆動軸６に連結される。

ピニオンギヤ５Ｂは、円板形状のピニオン本体５Ｂａの外周面に沿ってピニオン歯５Ｂｂが形成される。ピニオンギヤ５Ｂは、ピニオン本体５Ｂａが中心軸ＣＬに対して直交する方向に延びる回転軸５Ｂｃに固定される。ピニオンギヤ５Ｂは、駆動モータ２の回転が電磁クラッチ３および減速機構４を経て回転軸５Ｂｃに伝達される。実施形態では、減速機構４は、駆動モータ２の中心軸ＣＬ周りの回転が伝達されるため、中心軸ＣＬに直交する回転軸５Ｂｃに回転を伝達するための軸変換機構（図示せず）を介して回転軸５Ｂｃに接続される。このピニオンギヤ５Ｂは、ピニオン歯５Ｂｂがラックギヤ５Ａのラック歯５Ａｂに噛み合う。このため、駆動モータ２の回転がピニオンギヤ５Ｂに伝達されることで、ラックギヤ５Ａが軸方向に沿って昇降移動する。このピニオンギヤ５Ｂは、案内部５Ｃ（第二案内部５ＣＢ）によって軸方向に沿って昇降可能に設けられる。図５では、ピニオンギヤ５Ｂは、ラックギヤ５Ａとの噛み合い位置よりも上方の位置に移動している状態を示している。

案内部５Ｃは、ラックギヤ５Ａの昇降移動を案内する第一案内部５ＣＡと、ピニオンギヤ５Ｂの昇降移動を案内する第二案内部５ＣＢと、を有する。

第一案内部５ＣＡは、スライダ５ＣＡａと、スライドレール５ＣＡｂと、を有する。スライダ５ＣＡａは、ラックギヤ５Ａのラック本体５Ａａに対し、ラック歯５Ａｂを有さず背反する各板面に固定される。スライドレール５ＣＡｂは、ラックギヤ５Ａと平行に上下方向（軸方向）に沿って連続して直線状に延びて形成される。スライドレール５ＣＡｂは、原子炉容器１０１の原子炉容器本体１０１Ａに固定される。スライドレール５ＣＡｂは、スライダ５ＣＡａが軸方向に昇降可能に組み付けられる。従って、第一案内部５ＣＡは、スライドレール５ＣＡｂを介し、スライダ５ＣＡａが固定されたラックギヤ５Ａを軸方向に昇降可能に案内する。また、第一案内部５ＣＡは、スライドレール５ＣＡｂによってスライダ５ＣＡａが軸方向以外に移動することを規制することで、ピニオンギヤ５Ｂに噛み合うラックギヤ５Ａの噛み合い距離を維持する。

第二案内部５ＣＢは、支持レール５ＣＢａを有する。支持レール５ＣＢａは、ラックギヤ５Ａと平行に上下方向（軸方向）に沿って連続して直線状に延びて形成される。支持レール５ＣＢａは、ピニオンギヤ５Ｂの回転軸５Ｂｃを挟むように１対設けられる。１対の支持レール５ＣＢａは、ピニオンギヤ５Ｂを貫通する回転軸５Ｂｃの両端部に設けられる。従って、第二案内部５ＣＢは、支持レール５ＣＢａを介してピニオンギヤ５Ｂを軸方向に昇降可能に案内する。また、第二案内部５ＣＢは、支持レール５ＣＢａによってピニオンギヤ５Ｂが軸方向以外に移動することを規制することで、ラックギヤ５Ａに噛み合うピニオンギヤ５Ｂの噛み合い距離を維持する。

このように、案内部５Ｃは、ラックギヤ５Ａおよびピニオンギヤ５Ｂの昇降移動を案内し、かつラックギヤ５Ａのラック歯５Ａｂとピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂとの噛み合い間隔Ｅ（図９（ａ）参照）を維持するようにラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂの位置関係を維持する。ここで、ラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとの噛み合い間隔Ｅとは、ピニオンギヤ５Ｂの回転がラックギヤ５Ａに伝達されるようにラック歯５Ａｂとピニオン歯５Ｂｂとが噛み合うための、例えば、図９（ａ）に示すようにラックギヤ５Ａのラック本体５Ａａとピニオンギヤ５Ｂのピニオン本体５Ｂａとの相互間の距離であって、望ましくは、ラック歯５Ａｂおよびピニオン歯５Ｂｂの接触点が共通接線上にある関係での距離である。

位置決部材５Ｄは、ラックギヤ５Ａに設けられる。位置決部材５Ｄは、棒状に形成され、基端部５Ｄａがラック歯５Ａｂを有さない部分であるラック本体５Ａａの上方に固定され、先端部５Ｄｂがピニオンギヤ５Ｂ側に向けて延びて設けられる。位置決部材５Ｄは、先端部５Ｄｂが基端部５Ｄａに対して軸５Ｄｃを介して連結され、ラックギヤ５Ａおよびピニオンギヤ５Ｂが昇降する上下方向に屈曲可能に形成される（図８（ｂ）参照）。位置決部材５Ｄは、外力によって先端部５Ｄｂが基端部５Ｄａに対して屈曲し、外力が無くなると水平方向に沿って直線状に復帰できるようにバネなどの弾性力によって付勢される。位置決部材５Ｄは、ラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとが噛み合い間隔Ｅの関係にあるとき、先端部５Ｄｂの先端がピニオンギヤ５Ｂの回転軸５Ｂｃの回転中心Ｓに至らない長さとされる。

当接部材５Ｅは、ピニオンギヤ５Ｂに設けられる。当接部材５Ｅは、ピニオン本体５Ｂａに固定され、回転軸５Ｂｃの回転中心Ｓの延びる方向と平行に延びる棒状に形成される。当接部材５Ｅは、回転軸５Ｂｃを中心としてピニオンギヤ５Ｂの回転方向に沿って等間隔で複数（実施形態では８個）設けられる。当接部材５Ｅの数をＢ、ピニオン歯５Ｂｂの歯数をＡとすると、Ａ＞Ｂで、かつＡおよびＢが自然数であり、Ｂ×α＝Ａの関係を満たす。αは自然数である。当接部材５Ｅは、ピニオンギヤ５Ｂと共に昇降移動し、かつピニオンギヤ５Ｂと共に回転軸５Ｂｃの周りに回転移動する。また、当接部材５Ｅは、ピニオンギヤ５Ｂの昇降時、位置決部材５Ｄが延びる範囲において、位置決部材５Ｄの先端部５Ｄｂに当接可能に設けられる。位置決部材５Ｄは、ラックギヤ５Ａにおいてラック歯５Ａｂを有さない部分に設けられているため、ラック歯５Ａｂを有さない部分において当接部材５Ｅが位置決部材５Ｄに当接する。位置決部材５Ｄは、ラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとが噛み合い間隔Ｅの関係にあるとき、先端部５Ｄｂの先端がピニオンギヤ５Ｂの回転軸５Ｂｃの回転中心Ｓに至らない長さであるため、回転中心Ｓよりもラックギヤ５Ａ側に位置する当接部材５Ｅが位置決部材５Ｄの先端部５Ｄｂに当接することとなる。当接部材５Ｅが位置決部材５Ｄに当接すると、ピニオンギヤ５Ｂは回転軸５Ｂｃの周りに回転することとなる。

駆動軸６は、駆動機構５のラックギヤ５Ａの下端に連結され、図２に示すように、制御棒案内管１０５に挿通される。駆動軸６は、ラックギヤ５Ａとして構成されていてもよい。従って、駆動軸６は、ケース１１に対して中心軸ＣＬ上に軸方向に昇降移動が可能に設けられる。駆動軸６は、昇降移動において、電磁クラッチ３の第一磁極３Ａおよび第二磁極３Ｂに形成された中空部３Ｄ、ロータ２Ａに形成された中空部２Ａｂ、減速機構４の中空部に挿通される。そして、ラックギヤ５Ａと連結、またはラックギヤ５Ａとして構成される駆動軸６は、駆動機構５および制御棒駆動装置１によって上下方向に昇降移動する。駆動軸６は、その下端に制御棒１０４が連結される。

従って、駆動機構５および制御棒駆動装置１は、電磁クラッチ３が吸着し駆動モータ２からの駆動力の伝達を接続されるこことで、駆動モータ２により一方向の回転が伝達され、駆動軸６（制御棒１０４）を上昇させる。また、駆動機構５および制御棒駆動装置１は、電磁クラッチ３が吸着し駆動モータ２からの駆動力の伝達を接続されるこことで、駆動モータ２により他方向の回転が伝達され、駆動軸６（制御棒１０４）を下降させる。また、駆動機構５および制御棒駆動装置１は、電磁クラッチ３が吸着して駆動機構５と駆動モータ２とが接続されることで、駆動モータ２が駆動されていない状態において、駆動軸６（制御棒１０４）を上昇または下降した所定の位置にて保持する。また、駆動機構５および制御棒駆動装置１は、電磁クラッチ３が吸着解除した状態で駆動モータ２からの駆動力の伝達を切断されることで、駆動機構５の各部の回転が自由となり、駆動軸６の自由な下降を許容し、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を許容する。従って、電磁クラッチ３を切断状態とすることで、制御棒１０４が自由落下するスクラム動作を補償し、燃料集合体１０２の内部に挿入され燃料集合体１０２の核燃料物質の核分裂反応を抑制し臨界状態にならないように制御する。

付勢手段７は、図２に示すように、本実施形態では、制御棒案内管１０５に設けられている。付勢手段７は、制御棒案内管１０５の内部に設けられ、この制御棒案内管１０５に挿通される駆動軸６を常に下方の炉心１０３側に付勢する圧縮バネを構成する。圧縮バネである付勢手段７は、上端が制御棒案内管１０５の内部の上端の係合部１０５ａに引っ掛かり、下端が制御棒案内管１０５の内部において駆動軸６の係合部６ａに引っ掛かって設けられる。従って、付勢手段７は、電磁クラッチ３が吸着解除した状態で駆動モータ２からの駆動力の伝達を切断されることで、駆動軸６の自由な下降を助勢し、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を助勢する。電磁クラッチ３が吸着解除した状態では、減速機構４および駆動機構５の噛み合いの負荷が生じるが、付勢手段７は、この負荷に抗して駆動軸６の自由な下降を助勢し、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を助勢する。かかる付勢手段７の作用は、舶用炉向け原子炉を想定した場合に、原子炉（船体）の傾斜・揺動・転覆の事象においても制御棒１０４を燃料集合体１０２の内部に確実に挿入する機能を担う。

以下、駆動機構５の動作について説明する。

駆動機構５の基本動作を図６、図７、図８に示す。図６から図８では、位置決部材５Ｄ（ラックギヤ５Ａ）が固定で、当接部材５Ｅ（ピニオンギヤ５Ｂ）が案内部５Ｃで案内されて矢印Ｄで示すように下降した形態とする。

図６に示す基本動作において、図６（ａ）に示すように、回転軸５Ｂｃに直交して回転軸５Ｂｃの回転中心Ｓと当接部材５Ｅの中心を通る基準線Ｌの下側で位置決部材５Ｄに当接部材５Ｅが当接する位置関係の場合、位置決部材５Ｄと当接部材５Ｅとの接触部で当接部材５Ｅの法線方向に力Ｍが発生する。力Ｍは、基準線Ｌの下側で位置決部材５Ｄに当接部材５Ｅが当接するため、当接部材５Ｅを上方に上げるように作用する。これにより、当接部材５Ｅには、回転軸５Ｂｃの周りに図６（ａ）における時計回りに回転するモーメントＲが発生する。すると、当接部材５Ｅは、図６（ｂ）に示すように、位置決部材５Ｄによって押し上げられるように、ピニオンギヤ５Ｂを伴って時計回りに回転する。すると、当接部材５Ｅは、さらなる時計回りの回転により、回転軸５Ｂｃの回転中心Ｓよりも上方に移動する。やがて、当接部材５Ｅは、図６（ｃ）に示すように、位置決部材５Ｄの長さが届かない位置まで至り、位置決部材５Ｄの先端から離れ、下降を続けられるが、ピニオンギヤ５Ｂと共に回転が停止する。

図７に示す基本動作において、図７（ａ）に示すように、基準線Ｌの上側で位置決部材５Ｄに当接部材５Ｅが当接する位置関係の場合、力Ｍは、基準線Ｌの上側で位置決部材５Ｄに当接部材５Ｅが当接するため、当接部材５Ｅを下方に下げるように作用する。これにより、当接部材５Ｅには、回転軸５Ｂｃの周りに図７（ａ）における反時計回りに回転するモーメントＲが発生する。すると、当接部材５Ｅは、図７（ａ）に示すように、位置決部材５Ｄによって押し下げられるように、ピニオンギヤ５Ｂを伴って反時計回りに回転する。やがて、当接部材５Ｅは、図７（ｂ）に示すように、位置決部材５Ｄの長さが届かない位置まで至り、位置決部材５Ｄの先端から離れ、下降を続けられるが、ピニオンギヤ５Ｂと共に回転が停止する。

図８に示す基本動作において、図８（ａ）に示すように、基準線Ｌで位置決部材５Ｄに当接部材５Ｅが当接する位置関係の場合、力Ｍは、基準線Ｌに沿っているため、当接部材５Ｅを上下させるように作用しない。従って、当接部材５Ｅには、回転軸５Ｂｃの周りに回転するモーメントＲが発生しない。その後、ピニオンギヤ５Ｂと共に当接部材５Ｅが下降することで、図８（ｂ）に示すように、位置決部材５Ｄの先端部５Ｄｂが下側（図８（ｂ）の矢印Ｋ方向）に屈曲する。すると、基準線Ｌの上側で位置決部材５Ｄに当接部材５Ｅが当接することとなり、当接部材５Ｅには、回転軸５Ｂｃの周りに図８（ｂ）における反時計回りに回転するモーメントＲが発生する。すると、当接部材５Ｅは、図８（ｂ）に示すように、位置決部材５Ｄによって押し下げられるように、ピニオンギヤ５Ｂを伴って反時計回りに回転する。やがて、当接部材５Ｅは、図８（ｃ）に示すように、位置決部材５Ｄが届かない位置まで至り、位置決部材５Ｄの先端から離れ、下降を続けられるが、ピニオンギヤ５Ｂと共に回転が停止する。その一方で、位置決部材５Ｄは、弾性力によって直線状に復帰する。

駆動機構５の動作を図９、図１０、図１１に示す。図９から図１１では、ラックギヤ５Ａが固定で、ピニオンギヤ５Ｂが基本動作と同様に案内部５Ｃで案内されて下降した形態とする。

図９に示す動作において、ピニオンギヤ５Ｂが下降すると、当接部材５Ｅのいずれか１つがラックギヤ５Ａの位置決部材５Ｄに当接する。図９示す動作は、図６に示す基本動作のように、基準線Ｌの下側で位置決部材５Ｄに当接部材５Ｅが当接した場合に相当する。このため、ピニオンギヤ５Ｂは、図９（ａ）に示すように、モーメントＲの発生によって回転軸５Ｂｃの周りに時計回りに回転する。その後、ピニオンギヤ５Ｂは、図９（ｂ）および図９（ｃ）に示すように、さらなる下降によって、さらに時計回りに回転する。やがて、ピニオンギヤ５Ｂは、当接部材５Ｅが位置決部材５Ｄの長さの届かない位置まで至り、位置決部材５Ｄの先端から離れ、下降を続けられるが、回転が停止する。このピニオンギヤ５Ｂの回転が停止した回転角度の位置、つまり位置決部材５Ｄの長さの届かない位置まで至った当接部材５Ｅ’の回転角度の位置は、さらなるピニオンギヤ５Ｂの下降において、ピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂがラックギヤ５Ａのラック歯５Ａｂに噛み合う回転角度の位置である。このピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂがラックギヤ５Ａのラック歯５Ａｂに噛み合う回転角度の位置は、当接部材５Ｅがピニオン歯５Ｂｂの歯数に対して［００３８］の関係で配置されつつピニオン歯５Ｂｂの回転角度に合った位置関係にあることと、案内部５Ｃによって維持されているラックギヤ５Ａのラック歯５Ａｂとピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂとの噛み合い間隔Ｅと、位置決部材５Ｄの長さと、によって設定できる。

図１０に示す動作は、図７に示す基本動作のように、基準線Ｌの上側で位置決部材５Ｄに当接部材５Ｅが当接した場合に相当する。このため、ピニオンギヤ５Ｂは、図１０（ａ）に示すように、モーメントＲの発生によって回転軸５Ｂｃの周りに反時計回りに回転する。その後、ピニオンギヤ５Ｂは、図１０（ａ）に示すように、当接部材５Ｅが図７（ｂ）で示したように、位置決部材５Ｄの長さが届かない位置まで至り、位置決部材５Ｄの先端から離れるため、回転が停止する。その後、ピニオンギヤ５Ｂは、さらに下降することで、先に位置決部材５Ｄの先端から離れた当接部材５Ｅの次の当接部材５Ｅ’（図１０（ｂ）参照）が位置決部材５Ｄに当接する。すると、ピニオンギヤ５Ｂは、この当接部材５Ｅ’が図９（ｂ）の位置関係と同様になり、（ｃ）（ｄ）と続き図９の当接部材５Ｅ’となり、さらなる下降において、ピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂがラックギヤ５Ａのラック歯５Ａｂに噛み合う回転角度の位置となる。

図１１に示す動作は、図８に示す基本動作のように、基準線Ｌで位置決部材５Ｄに当接部材５Ｅが当接した場合に相当する。このため、ピニオンギヤ５Ｂは、図１１（ｂ）に示すように、モーメントＲの発生によって回転軸５Ｂｃの周りに反時計回りに回転する。その後、ピニオンギヤ５Ｂは、図１１（ｃ）に示すように、当接部材５Ｅが図８（ｃ）で示したように、位置決部材５Ｄの長さが届かない位置まで至り、位置決部材５Ｄの先端から離れるため、回転が停止する。その後、ピニオンギヤ５Ｂは、さらに下降することで、先に位置決部材５Ｄの先端から離れた当接部材５Ｅの次の当接部材５Ｅ’が位置決部材５Ｄに当接する。すると、ピニオンギヤ５Ｂは、この当接部材５Ｅ’が図９に示す動作の当接部材５Ｅ’となり、さらなる下降において、ピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂがラックギヤ５Ａのラック歯５Ａｂに噛み合う回転角度の位置となる。

なお、上述した実施形態の駆動機構５では、ラックギヤ５Ａの昇降を固定としてピニオンギヤ５Ｂを下降させる構成で説明したがこの限りではない。例えば、ピニオンギヤ５Ｂの昇降を固定してラックギヤ５Ａを上昇させても同様に、ピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂがラック歯５Ａｂに噛み合う回転角度の位置となる。また、例えば、構成を上下反転させ、ラックギヤ５Ａの昇降を固定としてピニオンギヤ５Ｂを下降させたり、ピニオンギヤ５Ｂの昇降を固定してラックギヤ５Ａを上昇させたりしても同様に、ピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂがラック歯５Ａｂに噛み合う回転角度の位置となる。また、例えば、ピニオンギヤ５Ｂおよびラックギヤ５Ａの双方を近づくように昇降させても同様に、ピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂがラック歯５Ａｂに噛み合う回転角度の位置となる。また、例えば、ラックギヤ５Ａおよびピニオンギヤ５Ｂの移動方向は、上下方向の移動に限らず、別のあらゆる方向の移動であっても同様に、ピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂがラック歯５Ａｂに噛み合う回転角度の位置となる。

ここで、実施形態の原子炉１００では、原子炉容器１０１において、ラックギヤ５Ａが原子炉容器本体１０１Ａに設けられ、少なくともピニオンギヤ５Ｂが原子炉容器蓋１０１Ｂに設けられており、原子炉容器蓋１０１Ｂと共に少なくともピニオンギヤ５Ｂが原子炉容器本体１０１Ａから取り外せるように構成される。従って、実施形態の原子炉１００は、原子炉容器蓋１０１Ｂを原子炉容器本体１０１Ａから取り外す時に、ラックギヤ５Ａからピニオンギヤ５Ｂを取り外すことができ、原子炉容器蓋１０１Ｂを原子炉容器本体１０１Ａに組み付ける時に、ラックギヤ５Ａにピニオンギヤ５Ｂを組み付けることができる。実施形態の原子炉１００は、原子炉容器蓋１０１Ｂの分解組み立てと共に駆動機構５（制御棒駆動装置１）のピニオンギヤ５Ｂの分解組み立てを行える。

ここで、案内部５Ｃは、原子炉１００において、原子炉容器本体１０１Ａの開口縁に形成された位置決めピン１０１Ａｃを含む。位置決めピン１０１Ａｃは、原子炉容器蓋１０１Ｂを原子炉容器本体１０１Ａに組み付けを案内し、原子炉容器本体１０１Ａへの原子炉容器蓋１０１Ｂの位置合わせを行う。一方、案内部５Ｃの第一案内部５ＣＡは、ピニオンギヤ５Ｂを案内し、ラックギヤ５Ａへのピニオンギヤ５Ｂの位置合わせを行う。そして、ピニオンギヤ５Ｂは、原子炉容器蓋１０１Ｂに設けられる。このため、位置決めピン１０１Ａｃによって原子炉容器本体１０１Ａへの原子炉容器蓋１０１Ｂの位置合わせをする際、複数の制御棒駆動装置１において第一案内部５ＣＡによってラックギヤ５Ａへのピニオンギヤ５Ｂの位置合わせができる関係とする。このように構成することで、原子炉容器本体１０１Ａへ原子炉容器蓋１０１Ｂを組み付けるだけで、複数ある制御棒駆動装置１のピニオンギヤ５Ｂとラックギヤ５Ａとの噛み合わせ位置が適切に合って嵌合できる。

このように、実施形態の駆動機構５は、ラックギヤ５Ａと、ラックギヤ５Ａに噛み合うピニオンギヤ５Ｂと、ラックギヤ５Ａにおけるラック歯５Ａｂを有さない部分に固定された位置決部材５Ｄと、ピニオンギヤ５Ｂの回転方向に沿って複数設けられた当接部材５Ｅと、を含み、ラックギヤ５Ａおよびピニオンギヤ５Ｂの噛み合い時の相対移動方向にラックギヤ５Ａまたはピニオンギヤ５Ｂの少なくとも一方を移動させた場合に、位置決部材５Ｄと当接部材５Ｅとの当接によりピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂの回転位置をラックギヤ５Ａのラック歯５Ａｂとの噛み合い位置とする。

この駆動機構５によれば、位置決部材５Ｄおよび当接部材５Ｅによって、ラックギヤ５Ａまたはピニオンギヤ５Ｂの少なくとも一方を移動させることで、ピニオンギヤ５Ｂのピニオン歯５Ｂｂの回転位置をラックギヤ５Ａのラック歯５Ａｂとの噛み合い位置にできる。この結果、実施形態の駆動機構５は、ラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとの分解組み立てを確実かつ容易に実施できる。

また、実施形態の駆動機構５では、位置決部材５Ｄは、弾性力によって復帰できるように屈曲可能に構成される。

この駆動機構５によれば、位置決部材５Ｄが弾性力によって復帰できるように屈曲可能に構成されるため、当接部材５Ｅとの当接時に位置決部材５Ｄが屈曲することで、当接部材５Ｅと位置決部材５Ｄとの接触点がずれてピニオンギヤ５Ｂの回転のモーメントＲを発生させることができ、かつ位置決部材５Ｄおよび当接部材５Ｅに過大な負荷がかかる事態を防ぐ。この結果、実施形態の駆動機構５は、ピニオンギヤ５Ｂを円滑に回転させることができ、かつ部材の破損を防止できる。

また、実施形態の駆動機構５では、ラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとの噛み合い間隔Ｅを維持する案内部５Ｃを含む。

この駆動機構５によれば、案内部５Ｃによってラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとの噛み合い間隔Ｅを維持することで、ラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとの噛み合い精度を確保できる。この結果、実施形態の駆動機構５は、ラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとの分解組み立てを確実に実施できる。

また、実施形態の駆動機構５では、当接部材５Ｅは、ピニオンギヤ５Ｂの回転方向に沿って３個以上設けられる。

この駆動機構５によれば、ピニオンギヤ５Ｂの様々な回転位置において、位置決部材５Ｄを当接部材５Ｅに当接させることが可能であり、円滑な動作を実現できる。例えば、実施形態の駆動機構５では、当接部材５Ｅは、ピニオンギヤ５Ｂの回転方向に沿って［００３８］の関係条件を満たした６個から８個とすることが現実的である。

また、実施形態の制御棒駆動装置１は、上記の駆動機構５と、駆動機構５によって昇降移動が可能に設けられ炉心１０３に出し入れ可能な制御棒１０４が連結される駆動軸６と、を含む。

この制御棒駆動装置１によれば、上記の駆動機構５を含むことで、制御棒１０４を昇降移動させるためのラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとの分解組み立てを確実かつ容易に実施できる。

また、制御棒駆動装置１では、駆動モータ２と、駆動モータ２により駆動される駆動機構５と、駆動機構５によって昇降移動が可能に設けられ炉心１０３に出し入れ可能な制御棒１０４が連結される駆動軸６と、駆動モータ２から駆動軸６への駆動力の伝達を接続または切断する電磁クラッチ３と、を備え、全ての前記構成（駆動モータ２、電磁クラッチ３、減速機構４、駆動機構５、駆動軸６、電磁クラッチ３、炉心１０３、制御棒１０４）が原子炉容器１０１の内部に配置されている。

この制御棒駆動装置１によれば、駆動モータ２と、電磁クラッチ３と、減速機構４と、駆動機構５と、駆動軸６と、原子炉容器１０１の内部に配置されているため、原子炉容器１０１の外部に制御棒１０４を駆動する構成を有さない。即ち、実施形態の制御棒駆動装置１は、原子炉容器１０１の内部から外部に貫通する管台を不要とし、このため、実施形態の制御棒駆動装置１を適用することで、管台の溶接部の破断事故を想定した設計をする必要がない。この結果、本実施形態の制御棒駆動装置１によれば、原子炉容器１０１の安全性を向上できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１において、駆動機構５は、ラックギヤ５Ａへのピニオンギヤ５Ｂの噛み合いによる。実施形態の制御棒駆動装置１は、このようなラックピニオンの簡素な噛み合いにより、駆動軸６の昇降を駆動している。この結果、実施形態の制御棒駆動装置１によれば、高温および水中の環境において、故障の少ない簡素な構成において制御棒１０４の駆動を確実に行うことができる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１において、電磁クラッチ３は、駆動モータ２から駆動軸６への駆動力の伝達を接続または切断するもので、駆動モータ２から駆動軸６への駆動力の伝達を切断することで、駆動軸６の自由な下降を許容でき、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を許容する。従って、実施形態の制御棒駆動装置１によれば、電磁クラッチ３を切断状態とすることで、制御棒１０４が自由落下し、燃料集合体１０２の内部に挿入されるため、燃料集合体１０２の核燃料物質の核分裂反応を抑制し臨界状態にならないように制御できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、駆動モータ２は、磁性材からなるロータ２Ａを、ステータ２Ｂの電磁コイル２Ｃに生じる磁界の吸引力により回転させる。

この制御棒駆動装置１によれば、駆動モータ２は、永久磁石を用いないリラクタンスモータを構成できる。永久磁石は、耐熱性が低く、３５０℃以上の高温となる原子炉容器１０１の内部において使用が難しい。この結果、本実施形態の制御棒駆動装置１によれば、高温の原子炉容器１０１の内部への配置を実現できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、駆動モータ２および電磁クラッチ３は、電磁コイル２Ｃ，３Ｃのケーブルが無機絶縁ケーブル８からなる。

この制御棒駆動装置１によれば、無機絶縁ケーブル８を用いることで、ステータ２Ｂの内部への浸水時において電磁コイル２Ｃ，３Ｃの機能を維持できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、無機絶縁ケーブル８は、金属シース８ｂが耐熱・耐蝕合金からなる。

この制御棒駆動装置１によれば、無機絶縁ケーブル８の金属シース８ｂに耐熱・耐蝕合金を用いることで、耐熱性を向上し、高温での環境において電磁コイル２Ｃ，３Ｃの機能を維持できる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、駆動モータ２のロータ２Ａの中心軸ＣＬ上で軸方向に貫通する中空部２Ａｂ，３Ｄが形成され、中空部２Ａｂ，３Ｄに駆動軸６が挿通される。

この制御棒駆動装置１によれば、中空部２Ａｂ，３Ｄに駆動軸６が挿通されるため、駆動モータ２のロータ２Ａの中心軸ＣＬ上に駆動軸６を配置でき、装置の小型化を図れる。

また、実施形態の制御棒駆動装置１では、駆動軸６を常に炉心１０３側に付勢する付勢手段７を有する。

この制御棒駆動装置１によれば、電磁クラッチ３が吸着解除した状態では、減速機構４や駆動機構５により自由な落下を妨げる負荷が生じるが、付勢手段７は、この負荷に抗して駆動軸６の自由な下降を助勢し、駆動軸６を伴った制御棒１０４の自由落下を助勢できる。この結果、実施形態の制御棒駆動装置１によれば、燃料集合体１０２の核燃料物質の核分裂反応を確実に抑制し臨界状態にならないように安全に制御できる。かかる付勢手段７の作用は、舶用炉向け原子炉を想定した場合に、原子炉（船体）の傾斜・揺動・転覆の事象においても制御棒１０４を燃料集合体１０２の内部に確実に挿入する機能を担う。

また、実施形態の原子炉１００は、上記の制御棒駆動装置１と、制御棒駆動装置１により制御される炉心１０３と、制御棒駆動装置１および炉心１０３を内部に配置する原子炉容器１０１と、を含む。

この原子炉１００によれば、上記の駆動機構５を有する制御棒駆動装置１を含むことで、制御棒１０４を昇降移動させるためのラックギヤ５Ａとピニオンギヤ５Ｂとの分解組み立てを確実かつ容易に実施できる。この結果、実施形態の原子炉１００は、放射線領域であっても制御棒駆動装置１のメンテナンスを安全に行える。また、この原子炉１００によれば、制御棒駆動装置１の駆動性能を確保し、原子炉容器１０１の安全性を向上でき、原子炉容器１０１の小型化を図れ、高温および水中の環境において制御棒１０４の駆動を確実に行うことができ、安全な制御ができる。

本開示は以下の発明を包含する。
［発明１］
ラックギヤと、
前記ラックギヤに噛み合うピニオンギヤと、
前記ラックギヤにおけるラック歯を有さない部分に固定された位置決部材と、
前記ピニオンギヤの回転方向に沿って複数設けられた当接部材と、
を含み、前記ラックギヤおよび前記ピニオンギヤの噛み合い時の相対移動方向に前記ラックギヤまたは前記ピニオンギヤの少なくとも一方を移動させた場合に、前記位置決部材と前記当接部材との当接により前記ピニオンギヤのピニオン歯の回転位置を前記ラックギヤのラック歯との噛み合い位置とする、駆動機構。
［発明２］
前記位置決部材は、弾性力によって復帰できるように屈曲可能に構成される、発明１に記載の駆動機構。
［発明３］
前記ラックギヤと前記ピニオンギヤとの噛み合い間隔を維持する案内部を含む、発明１または２に記載の駆動機構。
［発明４］
前記当接部材は、前記ピニオンギヤの回転方向に沿って３個以上設けられる、発明１から３のいずれか１つに記載の駆動機構。
［発明５］
発明１から４のいずれか１つに記載の駆動機構と、
前記駆動機構によって昇降移動が可能に設けられ炉心に出し入れ可能な制御棒が連結される駆動軸と、
を含む、制御棒駆動装置。
［発明６］
発明５に記載の制御棒駆動装置と、
前記制御棒駆動装置により制御される炉心と、
前記制御棒駆動装置および前記炉心を内部に配置する原子炉容器と、
を含む、原子炉。

１ 制御棒駆動装置
５ 駆動機構
５Ａ ラックギヤ
５Ａｂ ラック歯
５Ｂ ピニオンギヤ
５Ｂｂ ピニオン歯
５Ｃ 案内部
５Ｄ 位置決部材
５Ｅ 当接部材
６ 駆動軸
１００ 原子炉
１０１ 原子炉容器
１０３ 炉心
１０４ 制御棒

Claims (6)

1. ラックギヤと、
   前記ラックギヤに噛み合うピニオンギヤと、
   前記ラックギヤにおけるラック歯を有さない部分に固定された位置決部材と、
   前記ピニオンギヤの回転方向に沿って複数設けられた当接部材と、
   を含み、前記ラックギヤおよび前記ピニオンギヤの噛み合い時の相対移動方向に前記ラックギヤまたは前記ピニオンギヤの少なくとも一方を移動させた場合に、前記位置決部材と前記当接部材との当接により前記ピニオンギヤのピニオン歯の回転位置を前記ラックギヤのラック歯との噛み合い位置とする、駆動機構。
2. 前記位置決部材は、弾性力によって復帰できるように屈曲可能に構成される、請求項１に記載の駆動機構。
3. 前記ラックギヤと前記ピニオンギヤとの噛み合い間隔を維持する案内部を含む、請求項１または２に記載の駆動機構。
4. 前記当接部材は、前記ピニオンギヤの回転方向に沿って３個以上設けられる、請求項１または２に記載の駆動機構。
5. 請求項１に記載の駆動機構と、
   前記駆動機構によって昇降移動が可能に設けられ炉心に出し入れ可能な制御棒が連結される駆動軸と、
   を含む、制御棒駆動装置。
6. 請求項５に記載の制御棒駆動装置と、
   前記制御棒駆動装置により制御される炉心と、
   前記制御棒駆動装置および前記炉心を内部に配置する原子炉容器と、
   を含む、原子炉。