JP2000046790A - センサーとそれを用いたプラント運転方法 - Google Patents

センサーとそれを用いたプラント運転方法

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JP2000046790A
JP2000046790A JP10216825A JP21682598A JP2000046790A JP 2000046790 A JP2000046790 A JP 2000046790A JP 10216825 A JP10216825 A JP 10216825A JP 21682598 A JP21682598 A JP 21682598A JP 2000046790 A JP2000046790 A JP 2000046790A
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Japan
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sensor
oxygen ion
ion conductor
sapphire
alumina
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JP10216825A
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English (en)
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卓也 ▲高▼橋
Takuya Takahashi
Masanori Sakai
政則 酒井
Ryuji Watanabe
隆二 渡辺
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、電気絶縁部の電気抵抗を感知
部と比較して充分に大きな値として確保することができ
るセンサーとそれを用いた発電プラントの運転方法を提
供するにある。 【解決手段】ほぼ円筒型の形状で一方の端が閉じた形状
を持つ酸素イオン伝導体と、ほぼ円筒型の形状を持つ金
属ボディと、該酸素イオン伝導体の内面に接した電気化
学システムと、該電気化学システムから取られたリード
線と、シースが該金属ボディに接合され芯線がリード線
と電気的に短絡したミネラルインシュレーテッドケーブ
ルとを構成要素とするセンサーにおいて、絶縁体にアル
ミナ又は単結晶のサファイアを用いたことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、軽水炉プラント等
で用いられる構造材料を取り巻く水質環境のパラメータ
を計測するセンサー、およびそれを採用したプラント運
転方法に関する。
【0002】
【従来の技術】特開昭55−142134号公報には、酸素イオ
ン電導性セラミックスとして安定化酸化ジルコニウム等
を用い、電気化学システムとして金属とその金属の酸化
物を構成要素とした水素イオンセンサーについて記載さ
れている。しかし、上記特開昭55−142134号公報におい
ては、実際にセンサーを発電プラント等に据え付ける際
に溶接等が施工される電極ボディーと安定化酸化ジルコ
ニウム管とを接合する具体的な手段や、センサーの出力
信号の精度に関する記載はない。
【0003】プロシーディングス、オブ、インターナシ
ョナル、シンポジウム、オン、プラント、エイジング、
アンド、ライフ、プレディクション、オブ、コローディ
ブル、ストラクチャーズ、1995年5月 15−18
日 日本 札幌、p.413(Proceedings of Internatio
nal Symposium on Plant Aging and Life Prediction o
f Corrodible Stractures, May 15−18, 1995,
Sapporo,Japan, p.413)には、沸騰水型原子炉の炉
内計装管,再循環系,ボトムドレインラインに、電気絶
縁体としてサファイアを採用した塩化銀電極型腐食電位
センサーと白金電極型腐食電位センサーを設置し、腐食
電位をモニタリングした結果が記載されている。しか
し、酸素イオン電導性セラミックスとして安定化酸化ジ
ルコニウム等を用い、電気化学システムとして金属とそ
の金属の酸化物を構成要素としたセンサーについては記
載がない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】酸素イオン伝導体をセ
ンサーの感知部とし、該酸素イオン伝導体が金属ボディ
と接合される構造を有するセンサーにおいては、該酸素
イオン伝導体は電気絶縁体としても機能する。すなわ
ち、該酸素イオン伝導体の電気化学システムが内接する
部分がセンサーの感知部であり、該酸素イオン伝導体の
感知部以外の部分は電気絶縁部として働く。センサーの
信号を精度良く得るためには、感知部の電気抵抗が電気
絶縁部のそれよりも充分に小さい条件が必要である。ほ
ぼ円筒型の形状で一方の端が閉じた形状を持つ酸素イオ
ン伝導体を用いる場合、前記の条件を達成するためには
電気絶縁部が充分に長いこと、または酸素イオン伝導体
の肉厚が充分に薄いことが必要となる。しかしながら、
酸素イオン伝導体が機械的に脆いことから前記の条件を
達成することが困難であった。本発明の目的は、電気絶
縁部の電気抵抗を感知部と比較して充分に大きな値とし
て確保することができるセンサーとそれを用いた発電プ
ラントの運転方法を提供するにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】電気絶縁部に酸素イオン
伝導体よりも比抵抗が充分に大きい電気絶縁体を採用す
ることにより前記課題は解決できる。ただし、電気絶縁
体には使用環境における耐久性が要求される。そこでア
ルミナまたはその単結晶であるサファイアを採用し電気
絶縁体を構成した。
【0006】作用信号精度の良いセンサーを提供するこ
とができれば、プラントのモニタリング情報を安定に供
給することができ、ひいてはプラント運転の高信頼化に
つながる。
【0007】
【発明の実施の形態】図1に示す酸素イオン伝導体隔膜
電極型センサーを、図3に示す沸騰水型原子炉の炉内に
原子炉内計装管を通して装着し、炉内構造材の腐食電位
を該センサーを基準電極として測定し、炉水の水質制御
を試みた例である。
【0008】図1に、酸素イオン伝導体隔膜電極型セン
サーの構造例を示す。図1において、酸素イオン伝導体
1は多結晶または単結晶のイットリア安定化ジルコニア
からなり、円筒状であり一方の端が閉じた形状を有す
る。金属ボディー2は42%ニッケル−鉄合金,コバー
ルまたは0〜10%ロジウム−白金合金等の低熱膨張金
属とSUS316L とを溶接したものであり、該低熱膨張金属
の側がアルミナまたはサファイア6と銀ロウ付により接
合される。アルミナまたはサファイア6と酸素イオン伝
導体1は、42%ニッケル−鉄合金,コバールまたは0
〜10%ロジウム−白金合金等の低熱膨張金属7を介し
て銀ロウ付により接合される。該酸素イオン伝導体1の
閉じた端の内面には電気化学システム3が接している。
該電気化学システム3は金属とその金属の酸化物を構成
要素とし、ここでは鉄と酸化鉄からなる。該酸素イオン
伝導体1である多結晶または単結晶のイットリア安定化
ジルコニアが150℃以上の高温環境に置かれ、酸素イ
オン伝導性を発現したならば、本センサーは鉄酸化鉄電
極として電極電位が定まる。リード線4は該電気化学シ
ステムを構成する金属である鉄からなり、該電気化学シ
ステム3から金属ボディー2の内側に延びている。該金
属ボディー2の内側に延びた該リード線4が持つ該電気
化学システム3の電位信号は、ミネラルインシュレーテ
ッドケーブル5により該金属ボディー2の外側に伝達さ
れる。
【0009】図2は、図1の酸素イオン伝導体隔膜電極
型センサーの電気的等価回路である。このセンサーの信
号は該金属ボディ2と該ミネラルインシュレーテッドケ
ーブル5の芯線との間の電位差である。電気的等価回路
においてこの電位差は電池として表現され、電位差Eを
持つ。この電池と直列に電極インピーダンスR1があ
る。電極インピーダンスR1は、該電気化学システム3
が内接する部分の酸素イオン伝導体の内外面間の電気抵
抗に相当する。該酸素イオン伝導体として多結晶または
単結晶のイットリア安定化ジルコニアを用いた場合、該
電気化学システム3が内接する部分の面積を約1cm2
内外面間の厚さを2mmとすると、電極インピーダンスR
1は約0.1GΩ である。前述の電池と並列に電極絶縁
抵抗R2がある。電極絶縁抵抗R2は、該電気化学シス
テム3と該金属ボディ2との間の電気抵抗に相当する。
図1のようにアルミナまたはサファイア6を採用した場
合、その長さを約3cm、断面の外径8mm、厚さを2mmと
すると、電極絶縁抵抗R2は約1019Ωである。エレク
トロメータで測定されるセンサーの信号Vは次式で表さ
れるが、図1の様にアルミナまたはサファイア6を採用
した場合は、電位差Eは実用上全く誤差なくエレクトロ
メータで測定される。
【0010】V=R2・E/(R1+R2) 図1の酸素イオン伝導体隔膜電極型センサーにおいて、
アルミナまたはサファイア6がなく、酸素イオン伝導体
1の閉じていない側が該金属ボディ2と直接接合される
従来のセンサーの場合、電極絶縁抵抗R2は約4GΩで
ある。この場合、エレクトロメータで測定されるセンサ
ーの信号Vは、電位差Eに対して約2.5%の誤差を持
つ。
【0011】図3は、図1に示したセンサーを沸騰水型
原子炉に装着し、炉内構造材の腐食電位を該センサーを
基準電極として測定し、炉水のモニタリングや水質制御
を試みた例である。8は原子炉圧力容器、9は給水系、
10は再循環系、11は再循環系ポンプ、12は原子炉
冷却材浄化系、13は原子炉冷却材浄化系ポンプ、14
は主蒸気系、15は高圧タービン、16は低圧タービ
ン、17は復水器、18は低圧復水ポンプ、19は復水
脱塩装置、20は高圧復水ポンプ、21は低圧給水加熱
器、22は原子炉給水ポンプ、23は高圧給水加熱器で
ある。図1に示したセンサー24,25,26は炉内計
装管27を通して装着される。また、図1に示したセン
サー28はボトムドレインライン29に設置される。セ
ンサー24,25,26,28の信号は信号測定機30
に送られ、腐食電位の値がモニタリングされる。該信号
測定機30で得た信号を、水素注入量制御用コンピュー
タ32に送信し、水素注入装置31を用いて給水系に水
素を注入する制御運転が可能である。
【0012】図4は、給水水素注入濃度と図3中のセン
サー24,25,26,28で評価された腐食電位の関
係を示す。水素は図3中の水素注入装置31を用いて給
水系に注入され、時間の経過と共に水素注入濃度を増加
させている。センサー24,25,26,28はそれぞ
れ水素注入濃度と共に低下する腐食電位を評価してお
り、全て正常に機能していることがわかる。水素注入濃
度に対する腐食電位の低減効果は、部位によって異なる
ことがわかる。
【0013】図5は、図1に示したセンサーを図3のボ
トムドレインライン29に設置して、腐食電位をモニタ
ーした結果である。比較のため図1に示したセンサーに
おいて該アルミナまたはサファイア6がなく、該酸素イ
オン伝導体1の閉じていない側が金属ボディ2と直接接
合される従来のセンサーを用いたモニター結果も示す。
図1のセンサーでモニターした腐食電位は、従来のセン
サーでモニターした値よりも約20mV低い値を示す。
これは、前述したように、該アルミナまたはサファイア
6を持たず電極絶縁抵抗R2が小さいセンサーが誤差を
持った値を示すことによる。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、酸素イオン伝導体隔膜
電極型センサーを用いた水質モニタリングにおいて、絶
対値が正しい計測が可能になる。従って、原子炉の炉内
においても信頼性の高い腐食電位等のデータを取得する
ことが可能になり、炉水環境のモニタリングや、モニタ
リング結果を反映したプラント運転が可能になる。延い
ては、炉内構造材料に応力腐食割れ等の損傷を防止する
ことができ、プラントの高信頼性に寄与することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】アルミナまたはサファイアを採用した酸素イオ
ン伝導体隔膜電極型センサーの構造を示す断面図。
【図2】酸素イオン伝導体隔膜電極型センサーの電気等
価回路図。
【図3】アルミナまたはサファイアを採用した酸素イオ
ン伝導体隔膜電極型センサーを沸騰水型原子炉に装着
し、炉内構造材の腐食電位を該センサーを基準電極とし
て測定し、炉水のモニタリングと水質制御を行う原子力
プラントの構成図。
【図4】アルミナまたはサファイアを採用した酸素イオ
ン伝導体隔膜電極型センサーで評価された腐食電位と給
水水素注入濃度との関係を示す線図。
【図5】アルミナまたはサファイアを採用した酸素イオ
ン伝導体隔膜電極型センサーで評価された腐食電位とア
ルミナまたはサファイアを採用しない酸素イオン伝導体
隔膜電極型センサーで評価された腐食電位との比較。
【符号の説明】
1…酸素イオン伝導体、2…金属ボディー、3…電気化
学システム、4…リード線、5…ミネラルインシュレー
テッドケーブル、6…アルミナまたはサファイア、7…
低熱膨張金属、8…原子炉圧力容器、9…給水系、10
…再循環系、11…再循環系ポンプ、12…原子炉冷却
材浄化系、13…原子炉冷却材浄化系ポンプ、14…主
蒸気系、15…高圧タービン、16…低圧タービン、1
7…復水器、18…低圧復水ポンプ、19…復水脱塩装
置、20…高圧復水ポンプ、21…低圧給水加熱器、2
2…原子炉給水ポンプ、23…高圧給水加熱器、24,
25,26,28…センサー、27…炉内計装管、29
…ボトムドレインライン、30…信号測定機、31…水
素注入装置、32…水素注入量制御用コンピュータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 隆二 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Fターム(参考) 2G004 BB01 BH08 BH11 BL14 BM07 CA03 CA05 CA07 2G075 AA03 BA03 CA07 CA40 DA02 DA14 EA02 EA08 FA20 FC14 FC16

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ほぼ円筒型の形状で一方の端が閉じた形状
    を持つ酸素イオン伝導体と、ほぼ円筒型の形状を持つ金
    属ボディと、該酸素イオン伝導体の内面に接した電気化
    学システムと、該電気化学システムから取られたリード
    線と、シースが該金属ボディに接合され芯線がリード線
    と電気的に短絡したミネラルインシュレーテッドケーブ
    ルとを構成要素とするセンサーにおいて、該金属ボディ
    と該酸素イオン伝導体とを直接接合せず、ほぼ円筒型の
    形状を持つアルミナまたはその単結晶であるサファイア
    を該金属ボディと接合し、該アルミナまたはサファイア
    と該酸素イオン伝導体とを接合する構造を特徴とするセ
    ンサー。
  2. 【請求項2】ほぼ円筒型の形状で一方の端が閉じた形状
    を持つ酸素イオン伝導体と、ほぼ円筒型の形状を持つ金
    属ボディと、該酸素イオン伝導体の閉じた端の側の内面
    に接した電気化学システムと、該電気化学システムから
    取られたリード線と、シースが該金属ボディに接合され
    芯線がリード線と電気的に短絡したミネラルインシュレ
    ーテッドケーブルとを構成要素とするセンサーにおい
    て、該金属ボディと該酸素イオン伝導体とを直接接合せ
    ず、ほぼ円筒型の形状を持つアルミナまたはその単結晶
    であるサファイアを該金属ボディと接合し、該アルミナ
    またはサファイアと該酸素イオン伝導体とを低熱膨張金
    属を介して接合する構造を特徴とするセンサー。
  3. 【請求項3】酸素イオン伝導体が安定化ジルコニアであ
    ることを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサー。
  4. 【請求項4】リード線の電気化学システムと接する部分
    またはその一部がある元素種の金属であり、該電気化学
    システムがその酸化物、またはその酸化物とその金属と
    の混合物であることを特徴とする請求項1〜3のいずれ
    かに記載のセンサー。
  5. 【請求項5】前記金属は、銅,水銀,鉄,ニッケル,
    銀,イリジウム、またはルテニウムであることを特徴と
    する請求項4に記載のセンサー。
  6. 【請求項6】前記低熱膨張金属は、コバール,42%ニ
    ッケル−鉄合金,0〜10%ロジウム−白金合金である
    ことを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記載のセン
    サー。
  7. 【請求項7】腐食電位,pH及び溶存酸素濃度の少なく
    とも1つを請求項1〜6のいずれかに記載のセンサーを
    用いて計測するものであり、該センサーにより計測され
    た値をモニタリングし、該モニタリング情報を基にプラ
    ントを制御することを特徴とする発電プラントの運転方
    法。
  8. 【請求項8】腐食電位,pH及び溶存酸素濃度の少なく
    とも1つを請求項1〜6のいずれかに記載のセンサーを
    用いて計測するものであり、該センサーにより計測され
    た値をモニタリングし、該モニタリング情報を基にプラ
    ントを制御することを特徴とする原子力発電プラントの
    運転方法。
  9. 【請求項9】前記センサーを炉内計装管等の原子炉炉内
    またはボトムドレインラインに設置することを特徴とす
    る請求項8に記載の原子力発電プラントの運転方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000065785A (ja) * 1998-08-25 2000-03-03 Hitachi Ltd センサーとそれを用いたプラント運転方法
EP1389732A1 (en) * 2002-08-15 2004-02-18 General Electric Company Ceramic electrochemical corrosion potential sensor probe

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