JP2008224401A - 原子炉核計装システム - Google Patents

Abstract

【課題】
核計装システムにおいてノイズ耐性低下の一因となる信号戻りラインのインピーダンス増大を容易に監視できる原子炉核計装システムを提供する。
【解決手段】
核計装システムの信号戻り側ラインに、信号ケーブルとは異なる他の信号線を接続するための端子を複数個所備え、１つまたは複数選択した２端子間に信号線と、接続スイッチと、電源，電流測定手段及び信号処理回路で構成されるインピーダンス測定手段とを閉回路状に接続し、接続スイッチを閉にして接続した状態で閉回路のインピーダンスを測定して値を表示，記憶，診断機能に出力する手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐ノイズ性能確保のための信号伝送路の健全性確認が容易にできる原子炉核計装システムに関する。

核計装システムでは、原子炉出力の大きさや変化を監視するため、炉心内あるいは炉心付近に設置した放射線検出器で検出した核分裂に伴う中性子やガンマ線に比例した電気信号を、信号処理装置まで伝送して原子炉出力信号に変換している。原子炉出力信号は、安全保護系でのスクラム信号の生成や、炉心の熱的制限監視に使用される重要な信号であり、事故時にも健全性が確保されるように原子炉から離れた位置に信号処理装置を設置している。そのため、信号処理装置に至る信号ケーブル上で電気ノイズの影響を抑制することが重要である。

沸騰水型原子炉の場合、原子炉出力は、中性子源領域，中間領域，出力領域の３領域に分割され、それぞれ個別の方式で監視している。このうち、中性子源領域で使用される測定系の概要を図４に示す。

放射線検出器として核分裂電離箱１を炉心９内に設置し、中性子照射により発生する電離電流を金属性のハードケーブル２により炉外に導く。このハードケーブル２は、原子炉圧力容器８の下部において同軸ケーブルである信号ケーブル３に接続されており、電離電流は信号ケーブル３を介して原子炉格納容器１３の外部に設置した信号処理装置６に伝送される。

信号処理装置６は、前置増幅器４と出力監視装置５からなり、まず前置増幅器４において、非常に微弱な電離電流を最大４桁程度増幅するとともに、処理しやすいように波形整形する。その後、前置増幅器４の出力信号を、制御室に設置した出力監視装置５において原子炉出力信号に変換処理する。この原子炉出力信号は、安全保護系や炉心性能監視システムに供給され、スクラム信号の生成や熱的制限監視等に利用される。

このような核計装システムでは、放射線検出器から信号処理装置６に至るまでの信号ケーブル３に外来ノイズが誘起されることがしばしば問題となる。すなわち、信号ケーブルの芯線及び外部導体にノイズ電圧が発生すると、前置増幅器４の入力部の芯線と外部導体の電位差に応じたノイズ電流が前置増幅器に流れ、この電流が増幅されて出力監視装置５に伝送されるため、原子炉出力信号に影響を与える。

そこで、〔特許文献１〕に記載のように、信号ケーブルをシールド被覆体で覆い、このシールド被覆体を、前置増幅器のアース側回路に１点で接地する対策や、〔特許文献２〕に記載のように、信号ケーブルに誘導されたコモンモードノイズの伝播を抑制するため、信号ケーブルをアモルファス製またはフェライト製の磁気コアに巻装する対策が考えられている。

特許第２８７７６０９号公報 特開平７−１６２２５７号公報

核計装システムへの電気ノイズの影響を抑制する方法として、信号ケーブルへの電気ノイズの混入を抑制する方法（第一の方法），コモンモードのインピーダンスを増大させてノーマルモードの信号を相対的に大きくする方法（第二の方法），コモンモードノイズがノーマルモードに変換するのを抑制する方法（第三の方法）が考えられる。

〔特許文献１〕に記載の対策は、電気ノイズが静電結合または電磁結合により、信号ケーブルに誘導ノイズを発生するのを抑制するものであり、前記第一の方法に該当する。また、〔特許文献２〕に記載の対策は、フェライトコアによりコモンモードインピーダンスを増大する前記第二の方法を実現したものである。

これら、第一，第二の方法に比べ、第三の方法についてはこれまで十分考慮されてこなかった。その原因の一つは、ケーブル及びコネクタの経年変化に伴うノイズ耐性低下の問題がある。すなわち、ケーブルまたはコネクタ等のシールド側（信号戻りライン）のインピーダンスが増大することにより、コモンモードノイズがノーマルモードへ変換する割合が増大する問題である。

この原理を図５に示す等価回路により説明する。通常、図４に示すような核計装システムは信号処理装置で一点接地としているが、実際にはセンサやケーブルとグランドとの間の浮遊容量により、信号ケーブルとグランドは大きな閉回路（グランドループ）を形成しており、電気ノイズは図５に示すようにグランドループにコモンモードの形態で印加される。

このようなノイズに対し、信号ケーブルシールド側のインピーダンスＺ₃ が増大した場合を考える。インピーダンスＺ₃ が増大すると、信号ケーブルシールド両端の電圧は増大し、インピーダンスＺ₃ と並列な検出器、信号ケーブル芯線及び信号処理装置終端の両端電圧は夫々これと等しい割合で増大する。すなわち、同じ電気ノイズに対し、信号ケーブルシールドのインピーダンスが増大すると、信号処理装置に印加されるノイズ電圧が増大することになる。

このように、原子力プラントの核計装システムに対し、電気ノイズの影響を抑制する方法として、これまでに信号ケーブルへの遮蔽材の敷設や磁性体コアの設置により、ノイズの混入防止とコモンモードノイズの伝播抑制が図られてきたが、コモンモードノイズがノーマルモードに変換するのを抑制する方法については十分考慮されてこなかった。ケーブル及びコネクタの経年変化に伴い、酸化等により信号戻りライン側のインピーダンスが増大するとコモンモードノイズがノーマルモードへ変換する割合が増大するという問題がある。

実際に、図６に示す試験体系により、信号戻りラインのインピーダンス（純抵抗）を追加した場合のノイズ耐性の低下を確認した結果、信号戻りラインの抵抗が１Ω増加したケースでは、増加前に比べオシロスコープで観測されるノイズ振幅が約２倍に増大した。

このように、信号ケーブルやコネクタに経年変化が発生し、酸化等で信号戻りラインのインピーダンスが増大すると、核計装システムの耐ノイズ性が低下し、電気ノイズの影響がより大きくなるという問題がある。

本発明の目的は、核計装システムにおいてノイズ耐性低下の一因となる信号戻りラインのインピーダンス増大を容易に監視できる原子炉核計装システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の原子炉核計装システムは、核計装システムの信号戻り側ラインに、信号ケーブルとは異なる第２の信号線を接続するための分岐端子を複数個所備え、１つまたは複数選択した２端子間に信号線と、接続スイッチと、電源，電流測定手段及び信号処理回路から成るインピーダンス測定手段とを閉回路状に接続し、接続スイッチを閉（接続）とした状態で閉回路のインピーダンスを測定して値を表示，記憶、または診断機能に出力する手段を備えたものである。

本発明によれば、核計装システムにおいてノイズ耐性低下の一因となる信号戻りラインのインピーダンス増大を容易に監視でき、耐ノイズ性の観点から信号ケーブル及び接続部の健全性確認と、電気ノイズによる原子炉出力への影響を抑制することが確実に実施できる。

本発明の一実施例である原子炉核計装システムを図１から図３により説明する。図１は、本実施例の原子炉核計装システムの全体構成を示す図である。

炉心９内には、放射線検出器として案内管１０内に核分裂電離箱１が設置され、核分裂電離箱１はハードケーブル２と接続され、ハードケーブル２は原子炉圧力容器８の下部に引き出されている。ハードケーブル２は、原子炉圧力容器８の下部において、コネクタを介して信号ケーブル３に接続されており、信号ケーブル３の他端は、原子炉格納容器１３の内側に設置された貫通部ボックス１８ａ，原子炉格納容器１３に設けられた格納容器貫通部１４，原子炉格納容器１３の外側に設置された貫通部ボックス１８ｂを経由して前置増幅器ボックス２０内の前置増幅器４に接続されている。

貫通部ボックス１８ａ内には、分岐端子３０が設置され、分岐端子３０により信号ケーブル３のシールド側が接続線１５を介して接続スイッチ１６に接続されている。接続スイッチ１６は、信号線１７，制御信号線１９により格納容器貫通部１４を介して貫通部ボックス１８ｂに接続されている。

貫通部ボックス１８ｂの内部には分岐端子３１が設置してあり、信号線１７は前置増幅器４と同数だけ分岐され、個々の前置増幅器ボックス２０に１本ずつ配線されている。貫通部ボックス１８ｂの内部には分岐端子３２が設置してあり、接続スイッチ１６に接続された制御信号線１９は、分岐端子３２を経由して前置増幅器ボックス２０内の接続スイッチ２２に接続されている。

前置増幅器ボックス２０内には、信号ケーブル３に取付けられた分岐端子３０を介して接続された前置増幅器４，分岐端子３０と接続線１５で接続されたインピーダンス測定手段２１，インピーダンス測定手段２１と接続線１５で接続された接続スイッチ２２が備えられている。

出力監視盤２３内には、前置増幅器４と信号ケーブル３により接続された出力監視装置５，前置増幅器ボックス２０内の接続スイッチ２２及び出力監視装置５に接続されたコントローラ２９，コントローラ２９及びインピーダンス測定手段２１と接続された診断部
２５，表示部２４が設けられている。診断部２５は、メモリ２６，演算部２７，設定器
２８で構成されている。出力監視装置５は図示しない安全保護系の炉心性能監視装置に接続され、原子炉出力信号を送信する。

核分裂電離箱１では、中性子入射数に応じた電離電流が発生し、この電離電流は、電離電流信号としてハードケーブル２により原子炉圧力容器８の外部に導出される。原子炉圧力容器８の外部に導出された電離電流信号は、信号ケーブル３により、原子炉格納容器
１３に設けられた格納容器貫通部１４を経由して前置増幅器４に伝送される。前置増幅器４では、電離電流信号を増幅するとともに波形を整形して、出力監視装置５に伝送する。出力監視装置５は、増幅，整形された電離電流信号を原子炉出力に変換処理し、原子炉出力信号を安全保護系等（図示しない）に出力する。

このようにして放射線の検出を行うが、信号戻りラインのインピーダンスの測定は次にようにして行う。

図３は、診断部２５の構成例を示す図で、診断部２５では、操作員の指定した閉ループを構成する接続線に関する操作員のスイッチ操作と、タイマとの論理和をとり、さらに出力監視装置５から出力されるバイパス信号との論理積により接続スイッチの閉指令を生成し、コントローラ２９より出力するようになっている。

出力監視盤２３の内部に設置されたコントローラ２９の指令に基づき、接続スイッチ
１６が切換わり、複数の接続線１５の中の１本と信号線１７を接続して、コントローラ
２９で選択された信号ケーブル３と信号線１７で閉ループを構成する。コントローラ２９の指令に基づき、接続スイッチ２２が切換わり、接続線１５とインピーダンス測定手段
２１を接続して閉回路を形成する。なお、接続スイッチの切換えは手動で行ってもよい。

図２にインピーダンス測定手段２１の一例を示す。図２の例は、インピーダンスの純抵抗成分を測定する構成であり、既知の電圧Ｅボルトの直流電源３４と、Ｒオームの電流測定用のシャント抵抗３３を接続線１５に直列に接続し、シャント抵抗３３の両端に接続部を有する電圧計３５が接続され、電圧計３５に演算部３６が接続されている。演算部３６は出力監視盤２３に接続されている。

接続スイッチ２２が閉となると、シャント抵抗３３の両端の電圧Ｖを電圧計３５で測定し、直流電源３４の電圧Ｅとシャント抵抗３３の抵抗Ｒから、シャント抵抗３３での電流Ｖ／Ｒを演算部３６で演算し、出力監視盤２３内の表示部２４とメモリ２６に出力する。

このようにして得られたインピーダンス値は、出力監視盤２３内の表示部２４に出力され値が表示され、インピーダンス値は診断部２５内のメモリ２６に時系列データとして格納される。診断部２５では、演算部２７がメモリ２６から時系列データを読み出し、時間に関する多項式または指数関数で最小２乗近似し、設定器２８で設定した管理値、例えばインピーダンスの最大許容値を逸脱する時期を演算する。この演算結果は、演算部２７から表示部２４に送信され表示される。

本実施例によれば、核計装システムにおいてノイズ耐性低下の一因となる信号戻りラインのインピーダンス増大を容易に監視でき、耐ノイズ性の観点から信号ケーブル及び接続部の健全性確認と、電気ノイズによる原子炉出力への影響を抑制することが確実に実施できる。特に、インピーダンス測定を自動化することにより、従来はプラント定期検査中にしかできなかったインピーダンス測定をプラント運転中でも実施することが可能となる。これにより、プラント定期検査中に集中する各種作業との干渉を回避できるとともに、万一、運転中に電気ノイズ影響による指示変動が生じた場合にも、速やかに原因を切り分けることができる。

又、核計装システムの放射線検出器から信号処理装置に至る間のインピーダンスを測定する上で、従来、最も作業性が悪いのは原子炉格納容器の内側と外側の２点間の測定であったが、このインピーダンス測定も容易に行える効果がある。

又、測定が容易に行えるので、高頻度で定期的な測定が可能となり、インピーダンス測定結果を時系列で蓄積することができる。このような時系列データからインピーダンス変化の傾向を把握し、信号ケーブル及び接続部補修の計画立案に利用することができる。例えば、図７に示すようにケーブル接続部のシールド側純抵抗に対して定めた管理値（最大許容値）を設定しておき、定期的に測定した抵抗値の時系列データから、管理値に到達する時期を予測することにより、この予測時期に基づいて接続部の補修計画を立案することが可能となる。

なお、本実施例は、種々形態の原子力プラントに設置している核計装システムに対して利用可能であるとともに、原子力プラント内に設置されている核計装以外の微弱信号測定系で利用できる可能性がある。

本発明の一実施例である原子炉核計装システムの構成図である。 インピーダンス測定手段の例を示す構成図である。 診断部の例を示す構成図である。 従来の中性子源領域の核計装システムの構成図である。 図４の等価回路を示す図である。 従来の確認試験を行うための構成図である。 測定値データによる補修時期予測方法の一例を示す図である。

符号の説明

１ 核分裂電離箱
２ ハードケーブル
３ 信号ケーブル
４ 前置増幅器
５ 出力監視装置
６ 信号処理装置
７ 核分裂電離箱用高圧電源
８ 原子炉圧力容器
９ 炉心
１０ 案内管
１１ コネクタ
１２ 電線管
１３ 原子炉格納容器
１４ 原子炉格納容器貫通部
１５ 接続線
１６，２２ 接続スイッチ
１７ 信号線
１８ 貫通部ボックス
１９ 制御信号線
２０ 前置増幅器ボックス
２１ インピーダンス測定手段
２３ 出力監視盤
２４ 表示部
２５ 診断部
２６ メモリ
２７，３６ 演算部
２８ 設定器
２９ コントローラ
３０，３１，３２ 分岐端子
３３ シャント抵抗
３４ 直流電源
３５ 電圧計

Claims (8)

1. 原子炉内または原子炉付近に設置され、炉内核反応で発生する放射線を検出する放射線検出器と、前記放射線検出器から出力される電気信号を伝送する信号ケーブルを介して入力し原子炉出力信号を出力する信号処理装置と、前記信号ケーブルの前記放射線検出器から前記信号処理装置まで区間上の少なくとも２箇所において、信号戻り側ラインに前記信号ケーブルとは異なる第２の信号線を接続するための分岐端子と、接続スイッチを切替えて選択した２端子間で、前記信号ケーブルと、前記第２の信号線と、電源，電流測定手段及び信号処理回路で構成されるインピーダンス測定手段とにより閉回路形成し、前記インピーダンス測定手段によりこの閉回路のインピーダンスを測定する原子炉核計装システム。
2. 前記インピーダンス測定手段により測定されたインピーダンス測定値を表示する表示部を設けた請求項１に記載の原子炉核計装システム。
3. 前記インピーダンス測定手段により測定されたインピーダンス測定値を記憶するメモリを備えた請求項１に記載の原子炉核計装システム。
4. 前記インピーダンス測定手段により測定されたインピーダンス測定値を時系列データとしてメモリに格納し、インピーダンス測定値の時系列データを時間に対する多項式関数または指数関数で近似し、この近似曲線と予め設定したインピーダンスの許容範囲に基づいて許容範囲を逸脱する時期を予測する診断部を備えた請求項１に記載の原子炉核計装システム。
5. 前記分岐端子が原子炉格納容器内部と外部に少なくとも１つずつ備えられ、原子炉格納容器内部の分岐端子と外部の分岐端子の間に前記第２の信号線と、前記インピーダンス測定手段とを接続した請求項１から４のいずれかに記載の原子炉核計装システム。
6. 前記インピーダンス測定手段を前記信号処理装置内に格納した請求項１に記載の原子炉核計装システム。
7. 前記信号処理装置は前置増幅器を備え、前記インピーダンス測定手段と前置増幅器とを１つの盤内に格納した請求項１に記載の原子炉核計装システム。
8. 前記接続スイッチは、手動またはコントローラからの開閉指令と、接続スイッチによりインピーダンス測定手段と接続されるチャンネルのバイパス信号との論理積に基づいて開閉される請求項１に記載の原子炉核計装システム。

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