JP2011196962A - 水素濃度監視方法及び水素濃度監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水漏洩の検出精度を向上できる水素濃度監視方法を提供する。
【解決手段】高速増殖炉プラントのメンテナンス時に二次冷却系配管に入り込んだ湿分とこの配管に戻されたＮａにより生成したＮａＯＨが、プラント起動後の温度上昇で分解されＮａの水素濃度が上昇する。クリンナップによりＮａの水素濃度が低下し、水素濃度ピークＰを形成する。ピークＰ以降の、蒸気発生器の正常状態における各時間での水素濃度Ｃ（特性２５）を、ピークＰの水素濃度Ｃ_０、クリンナップの効率η、クリンナップへのＮａの供給流量Ｆ、二次系ＮａのインベントリーＶ、ピークＰ以降のプラント運転時間ｔを用いてＣ＝Ｃ_０×ｅｘｐ（−η（Ｆ／Ｖ）ｔ）により予め求める。Ｃの減少率が小さい時間ｔｎでのＣを設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴとする。蒸気発生器から排出されたＮａの水素濃度がＣ_ＳＥＴ以下にならないとき（特性２６Ａ等）、蒸気発生器で水漏洩が生じている。
【選択図】図２

Description

本発明は、水素濃度監視方法及び水素濃度監視装置に係り、特に、冷却材として金属ナトリウムを用いる高速増殖炉に適用するのに好適な水素濃度監視方法及び水素濃度監視装置に関する。

冷却材として液体金属（例えば、液体ナトリウム）を用いる高速増殖炉は、ウラン及びプルトニウムの混合酸化物燃料（核燃料物質）を含む複数の燃料集合体を原子炉容器内の炉心に装荷している。原子炉容器と中間熱交換器が一次冷却系配管によって接続され、原子炉容器、一次冷却系配管、中間熱交換器、一次冷却系配管及び原子炉容器をこの順に接続する一次冷却系の閉ループが形成される。中間熱交換器と蒸気発生器が二次冷却系配管によって接続され、中間熱交換器、二次冷却系配管、蒸気発生器、二次冷却系配管及び中間熱交換器をこの順に接続する二次冷却系の循環閉ループが形成される。

一次系液体ナトリウムが、原子炉容器内の炉心において、核燃料物質の核分裂で発生する熱で加熱される。高温になった液体ナトリウムが、一次冷却系配管に設けられた一次系ナトリウムポンプにより昇圧されて原子炉容器から一次冷却系配管を通って中間熱交換器に供給される。中間熱交換器では、一次系液体ナトリウムが二次系液体ナトリウムを加熱する。二次系液体ナトリウムの加熱によって温度が低下した一次系液体ナトリウムが、中間熱交換器から一次冷却系配管を通って原子炉容器に戻される。

中間熱交換器で温度が上昇した二次系液体ナトリウムが、二次冷却系配管に設けられた二次系ナトリウムポンプにより昇圧され、二次冷却系配管により蒸気発生器に供給される。蒸気発生器では、高温の二次系液体ナトリウムが、給水配管で供給された給水を加熱する。蒸気発生器は、胴体の内部に複数の伝熱管を配置している。高温の二次系液体ナトリウムが、胴体内で伝熱管の外側の領域に供給される。給水は各伝熱管内に供給される。二次系液体ナトリウムの熱は、伝熱管を通して伝熱管内の給水に伝えられる。伝熱管内の給水は、二次系液体ナトリウムによって加熱されて蒸気になる。給水の加熱によって温度が低下した二次系液体ナトリウムが、蒸気発生器から二次冷却系配管を通って中間熱交換器に戻される。

蒸気発生器で発生した蒸気は、主蒸気配管を通ってタービンに供給され、このタービンを回転させる。タービンの回転によって発電機が回転され、電力が発生する。タービンから排気された蒸気は復水器で凝縮されて凝縮水になる。この凝縮水は、給水として給水配管を通って蒸気発生器に供給される。

何らかの原因で、蒸気発生器内の伝熱管に、破損、破孔またはき裂が発生した場合には、伝熱管内の水が胴体側の二次系液体ナトリウム中に漏洩する。このような水の漏洩を検出するために、水漏洩検出器である固体電解質の水素計を蒸気発生器に設置することが、特開２００１−５１０８９号公報に記載されている。

特開昭５９−２７２３５号公報は、経時的に変化のある水素濃度のデータを前処理した後、そのデータを使って水素濃度の変化率を一定時間間隔で計算し、その変化率が予め定めた変化率設定値を越えたか否かの判定を行い、ある規定時間内に存在する上記判定結果の総和が、規定した割合以上であるか否かで水漏洩の有無を判定する水漏洩検出装置を記載している。

特開昭５８−２１５５２２号公報に記載された水漏洩検出装置は、複数の時点間での水素濃度の変化を算出し、この変化率の各々が対応して設定された設定値を超えたか否かを判定し、上記各変化率毎の判定結果の組み合わせにより水漏洩の有無を判定している。

「高速増殖炉もんじゅ発電所 計測制御設備」、日立評論Ｖｏｌ．７１、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１０４１−１０４８（１９８９．１０）では、水素濃度の測定値のみを取り込み、時間積分により平準化した後、水素濃度の変化率が一定の値以上となったときに警報を発するようにしている。

一方で、大量の水がナトリウム中に漏洩した場合の安全性を評価するため、大規模な熱交換器を用いた実験が行われており、各種の安全装置が、正常に機能することが確認されている。

特開２００１−５１０８９号公報 特開昭５９−２７２３５号公報 特開昭５８−２１５５２２号公報

「高速増殖炉もんじゅ発電所 計測制御設備」、日立評論Ｖｏｌ．７１、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１０４１−１０４８（１９８９．１０） 「高速炉トリチウム挙動解析コードの解析」、サイクル機構技報、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１５−３１（２００１．３）

液体ナトリウムへの水の漏洩を検出する一つの方法は、（１）式及び（２）式に示すナトリウムと水による水素発生反応を利用することである。

２Ｎａ＋Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２＋Ｎａ_２Ｏ ……（１）
２Ｎａ＋２Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２＋２ＮａＯＨ ……（２）
Ｎａ_２Ｏ及びＮａＯＨは固体となるが、発生した水素はナトリウムに溶解するため、伝熱管からの水漏洩が生じ、水とナトリウムが反応するとナトリウム中の水素濃度が増加する。この水素濃度を計測すれば水漏洩を検出することができる。特開昭５９−２７２３５号公報、特開昭５８−２１５５２２号公報及び「高速増殖炉もんじゅ発電所 計測制御設備」、日立評論Ｖｏｌ．７１、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１０４１−１０４８（１９８９．１０）では、水素濃度を計測し、水素濃度の変化率に基づいて、水漏洩の有無を判定している。

しかし、発明者らの検討によれば、高速増殖炉の二次冷却系で使用されている二次系液体ナトリウムには、蒸気発生器の伝熱管にき裂等が生じて二次系液体ナトリウムへの水漏洩が生じる以外にも水素が混入する機会があることが分かった。

例えば、中間熱交換器と蒸気発生器を連絡する、二次系液体ナトリウムが流れる二次冷却系ループの点検及びメンテナンスを行う際、二次系液体ナトリウムは二次冷却系配管からダンプタンクに排出され、二次冷却系配管内には二次系液体ナトリウムが存在しない。二次冷却系配管の内面に付着した二次系液体ナトリウムも、メンテナンスを開始する前に、蒸気洗浄により完全に除去される。このような状態で、二次冷却系配管のメンテナンスが行われるが、メンテナンスを行っている間に、湿分を含む空気が二次冷却系配管内に入り込む。そして、空気に含まれている湿分が二次冷却系配管の内面に付着する。メンテナンス終了後に、ダンプタンク内の二次系液体ナトリウムを二次冷却系配管に戻したとき、二次冷却系配管の内面に付着した湿分が二次系液体ナトリウムと反応することにより、Ｎａ_２Ｏ及びＮａＯＨが生成される。Ｎａ_２Ｏ及びＮａＯＨが二次冷却系配管の内面に付着する。「高速炉トリチウム挙動解析コードの解析」、サイクル機構技報、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１５−３１（２００１．３）には、ＮａＯＨが二次系液体ナトリウムの温度上昇によって分解され、４１０℃までに分解が終了することが記載されている。高速増殖炉の運転が開始されると、二次冷却系ループの温度が上昇し、メンテナンスが行われた二次冷却系配管の内面に付着したＮａＯＨが、「高速炉トリチウム挙動解析コードの解析」、サイクル機構技報、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１５−３１（２００１．３）に記載されるように、分解される。このため、二次冷却系配管内の二次系液体ナトリウムが、ＮａＯＨが分解して生じた水素を含むことになる。

さらには、蒸気発生器内での給水の還元によって生成された水素が、蒸気発生器の伝熱管の管壁を拡散して二次系液体ナトリウムに移動する。二次冷却系配管の内面に沈着したＮａＯＨの分解によって生じた水素、及び伝熱管を拡散した水素は、水漏洩検出装置に対してバックグラウンド水素となる。このため、蒸気発生器で水漏洩が生じた場合に、水漏洩検出装置で計測した、二次系液体ナトリウムの水素濃度に基づいて水漏洩を検出することに支障が生じる恐れがある。

本発明の目的は、水漏洩の検出精度を向上することができる水素濃度監視方法及び水素濃度監視装置を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の特徴は、中間熱交換器、液体金属により給水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生装置、中間熱交換器及び蒸気発生器を接続して液体金属が流れる二次冷却系循環ループを形成する二次冷却系配管、二次冷却系循環ループ内の液体金属を冷却して浄化し、浄化された液体金属を二次冷却系循環ループに戻す浄化装置を備えた高速増殖炉プラントの二次循環ループの水素濃度を監視する水素濃度監視方法において、
中間熱交換器より蒸気発生装置に供給される液体金属の温度に基づいて液体金属の水素濃度のピーク時におけるピーク水素濃度を求め、液体金属の水素濃度がピークに到達した時点以降において低下する液体金属の水素濃度を、二次冷却系循環ループ内の液体金属のインベントリー、ピーク水素濃度、及び浄化装置に供給する液体金属の流量に基づいて算出し、算出された液体金属の水素濃度に基づいて設定水素濃度を設定し、液体金属の水素濃度がピークに到達した時点以降において蒸気発生装置から排出された液体金属の水素濃度を測定し、測定された水素濃度及び設定水素濃度に基づいて蒸気発生装置における水漏洩を判定する水素濃度監視方法にある。

高速増殖炉プラントの定期検査終了後で、且つ高速増殖炉プラントが起動された後の運転中で、中間熱交換器より蒸気発生装置に供給される液体金属の温度に基づいて液体金属の水素濃度のピーク時におけるピーク水素濃度を求め、液体金属の水素濃度がピークに到達した時点以降において低下する液体金属の水素濃度を、二次冷却系循環ループ内の液体金属のインベントリー、ピーク水素濃度、及び浄化装置に供給する液体金属の流量に基づいて算出し、算出された液体金属の水素濃度に基づいて設定水素濃度を設定し、その水素濃度がピークに到達した時点以降で測定された水素濃度、及び設定水素濃度に基づいて蒸気発生装置の水漏洩を判定しているので、メンテナンス時に二次冷却系循環ループ（例えば、二次冷却系配管）内に入り込んだ空気に含まれた湿分と液体金属の反応により生成されたＮａＯＨが二次冷却系循環ループ内の液体金属の温度上昇により分解されて水素が発生した場合でも、この水素の影響を受けずに、蒸気発生装置での水漏洩を精度良く検出することができる。このため、蒸気発生装置での水漏洩の検出精度が向上する。

好ましくは、蒸気発生装置に設けられた伝熱管内に供給する給水及び伝熱管内で発生した蒸気のいずれかの温度を測定し、測定されたこの温度に基づいて伝熱管の管壁を拡散して、蒸気発生装置内に形成された、伝熱管の外側の領域に存在する液体金属に入り込む水素の量を求め、この水素量に基づいて設定水素濃度を補正し、水漏洩を、測定された水素濃度及び補正された設定水素濃度に基づいて判定することが望ましい。

伝熱管の管壁を拡散して二次冷却系循環ループ内の液体金属に入り込む水素の量を求め、この水素量に基づいて設定水素濃度を補正しているので、伝熱管の管壁を拡散して二次冷却系循環ループ内の液体金属に入り込む水素を考慮して蒸気発生装置での水漏洩を検出するので、この水漏洩の検出精度がさらに向上する。

本発明によれば、ナトリウム中の水素のバックグランドを補正することができ、水の浸入を、精度良く検出することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の水素濃度監視方法が実施される高速増殖炉プラント及び実施例１の水素濃度監視方法に用いられる水素濃度監視装置の構成図である。 高速増殖炉のプラントの運転時間の経過に伴う二次系液体ナトリウムの水素濃度の変化を示す特性図である。

発明者らは、メンテナンス終了後、高速増殖炉を起動したときにおける二次冷却系ループを流れる二次系液体ナトリウムに含まれる水素の濃度について検討した。この検討結果を、図２を用いて説明する。

二次冷却系ループのメンテナンス時に生成されて二次冷却系配管の内面に付着したＮａＯＨが、高速増殖炉の起動における二次系液体ナトリウムの温度上昇と共に分解される。このため、二次系液体ナトリウム中の水素濃度が、図２に示されるように、増加する。ＮａＯＨの分解は、二次冷却系配管内を流れる二次系液体ナトリウムの温度が４１０℃になるまでに終了する。４１０℃を超えると、ＮａＯＨの分解が生じない。高速増殖炉の起動に伴い、二次冷却系配管内の二次系液体ナトリウムの一部がクリンナップであるコールドトラップに供給される。二次系液体ナトリウムに含まれているＮａ_２Ｏ及びＮａＯＨがコールドトラップで除去される。この関係上、二次系液体ナトリウムの水素濃度は、特性２５のように、時間経過と共に低下する。

図２に示された特性２５及び２６Ａ〜２６Ｃは、発明者らの解析によって得られた結果を示している。特性２５は、二次系液体ナトリウムへの水漏洩がない正常状態における、高速増殖炉起動後での二次系液体ナトリウムの水素濃度の変化を示している。二次冷却系配管の内面に付着したＮａＯＨの分解と共に増大した二次系液体ナトリウムの水素濃度は、コールドトラップによる二次系液体ナトリウムに含まれた不純物（ＮａＨ等）をコールドトラップによって除去するに伴って減少する。二次系液体ナトリウムの水素濃度は、クリンナップであるコールドトラップで除去できる限界の濃度（クリンナップによる濃度限界）まで低下する。

発明者らは、二次系液体ナトリウムへの水漏洩が生じた場合についても、水の漏洩量が異なる３つのケースについて解析を行った。特性２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃが、水漏洩が生じた場合における二次系液体ナトリウムの水素濃度の変化を示している。特性２６Ａは、高速増殖炉プラントの起動と実質的に同時に蒸気発生器で水漏洩が生じた場合における二次系液体ナトリウムの水素濃度の変化を示している。特性２６Ｂは、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰになったときに蒸気発生器で水漏洩が生じた場合における二次系液体ナトリウムの水素濃度の変化を示している。特性２６Ｃは、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降において蒸気発生器で水漏洩が生じた場合における二次系液体ナトリウムの水素濃度の変化を示している。これらの３つのケースでも、高速増殖炉起動後において、前述したＮａＯＨの溶解に伴って二次系液体ナトリウムの水素濃度が増加し、やがて、二次系液体ナトリウムに含まれた不純物（ＮａＨ等）のコールドトラップによる除去に伴ってその水素濃度が低下する。

発明者らは、特性２５及び２６Ａ〜２６Ｃに基づいて、二次系液体ナトリウムの水素濃度が、増加してピークＰに到達し、その後、減少に転じることを発見した。二次系液体ナトリウムの水素濃度が水素濃度設定値を超えたときに二次系液体ナトリウムへの水漏洩が生じたと判定する場合には、高速増殖炉の起動後の運転中において、水漏洩が生じていなくても二次冷却系配管の内面に付着したＮａＯＨの溶解により二次系液体ナトリウムの水素濃度が上昇してこの水素濃度が水素濃度設定値を超えたときに、水漏洩が生じたと判定してしまう。

発明者らは、図２に示す特性に基づいて、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降の水素濃度に着目することによって、二次系液体ナトリウムの水素濃度が水素濃度設定値を超えたか否かで水漏洩の有無を判定した場合における水漏洩の上記した誤判定を避けることができることに気が付いた。二次系液体ナトリウムの水素濃度がそのピークＰの値に到達した以降ではＮａＯＨの溶解が生じないので、発明者らは、二次系液体ナトリウムの水素濃度がそのピークＰの値に到達した時点以降において、二次系液体ナトリウムの水素濃度に基づいて水漏洩の有無を判定すればよいとの新たな知見を得た。

図２に示す特性２５をさらに検討した結果、発明者らは、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降において、そのピークＰから減少する水素濃度Ｃを求める式を導き出した。（３）式がその式である。この（３）式を用いることによって、水漏洩が生じていない正常状態での、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降において各時点での二次系液体ナトリウムの水素濃度を求めることができる。

Ｃ＝Ｃ_０×ｅｘｐ（−η（Ｆ／Ｖ）ｔ） ……（３）
ここで、Ｃ_０はピークＰでの水素濃度、ηはクリンナップであるコールドトラップの効率（−）、Ｆはクリンナップ（例えば、コールドトラップ）に供給する二次系液体ナトリウムの流量（ｔ／ｈ）、Ｖは二次系液体ナトリウムのインベントリー、ｔは水素濃度がピークＰに到達した時点以降の高速増殖炉の運転時間（ｈ）である。

なお、高速増殖炉の起動後の運転中において正常な状態（水漏洩が生じていない状態）における二次系液体ナトリウムの水素濃度の変化（図２の実線で示された特性２６による水素濃度の変化）のピークＰの二次系液体ナトリウムの水素濃度は、蒸気発生器の胴体側での二次系液体ナトリウムの入口部でのナトリウム温度（図１に示す温度計１９で計測されたナトリウム温度）Ｔ_Ｎ１が４１０℃になった時点での、蒸気発生器から排出された二次系液体ナトリウムの水素濃度である。蒸気発生器から排出された二次系液体ナトリウムの水素濃度は、水素濃度計によって測定される。

また、図２に示す特性２５及び２６Ａ〜２６Ｃによれば、二次系液体ナトリウムの水素濃度がそのピークＰに到達した以降では、水漏洩が生じた場合における二次系液体ナトリウムの水素濃度（特性２６Ａ〜２６Ｃ）は、水漏洩に起因した水素の流入による、二次系液体ナトリウムの水素濃度の増加分だけ、正常状態における二次系液体ナトリウムの水素濃度（特性２５）よりも高くなる。このように、二次系液体ナトリウムの水素濃度がそのピークＰに到達した時点以降における二次系液体ナトリウムの水素濃度に着目すれば、水漏洩を検出できることが分かる。

したがって、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降の各時点でにおける、正常状態での二次系液体ナトリウムの水素濃度Ｃを、好ましくは、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点の直後に（３）式によりそれぞれ予め求め、（３）式で得られた水素濃度Ｃのうち、この水素濃度の減少率が小さくなった時点の水素濃度Ｃを、水漏洩が生じたかの判定を行う設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに設定する。ピークＰの水素濃度は二次冷却系のメンテナンス時で二次冷却系配管の内面に付着する湿分の量によって変わり、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降における水素濃度の低減割合がクリンナップに供給する二次系液体ナトリウムの流量Ｆによって変わるので、高速増殖炉プラントを起動するたびに（３）式の演算を行って設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに設定する。

上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例１の水素濃度監視方法を、図１を用いて説明する。まず、本実施例の水素濃度監視方法が適用される高速増殖炉プラントの概略の構成を、図１に基づいて説明する。高速増殖炉プラントは、原子炉容器（図示せず）、中間熱交換器１、蒸気発生器（蒸気発生装置）３及びタービン９を備える。原子炉容器内の炉心には、ウラン及びプルトニウムの混合酸化物燃料等の核燃料物質を含む複数の燃料集合体が装荷されている。図示されていないが、一次系ナトリウムポンプを設けた一次冷却系配管が、原子炉容器、及び中間熱交換器を接続し、原子炉容器、中間熱交換器及び原子炉容器を結ぶ一次冷却系循環ループを形成する。二次冷却系配管２が中間熱交換器１と蒸気発生器３を接続する。二次系ナトリウムポンプ６を設けた二次冷却系配管１０が、蒸気発生器３と中間熱交換器１を接続する。二次冷却系配管２，１０が二次冷却系循環ループを形成する。一次冷却系配管は中間熱交換器１の胴体内で伝熱管の外側の領域に連絡され、二次冷却系配管２，１０は中間熱交換器１の複数の伝熱管に連絡される。蒸気発生器３においては、二次冷却系配管２，１０が胴体内で伝熱管の外側に形成されたナトリウム領域４に連絡される。タービン９に接続された主蒸気配管１２が、蒸気発生器３に接続され、蒸気発生器３内に設けられた複数の伝熱管５に連絡される。なお、図１において、伝熱管５は模式的に表されている。蒸気発生器３に接続されて各伝熱管５に連絡された給水配管１３が、復水器２３に接続される。

浄化系が、分岐管７，１１、及びクリンナップであるコールドトラップ（浄化装置）８を有する。分岐管７が、蒸気発生器３のナトリウム領域４に連絡されている。コールドトラップ（浄化装置）８が分岐管７に接続され、コールドトラップ８に接続された分岐管１１が二次系ナトリウムポンプ６の上流で二次冷却系配管１０に接続される。

蒸気発生器３のナトリウム領域４のナトリウム入口部での二次系ナトリウムの温度Ｔ_Ｎ１を測定する温度計１９が、そのナトリウム入口部付近で蒸気発生器３の胴体に取り付けられる。蒸気発生器３のナトリウム領域４のナトリウム出口部での二次系ナトリウムの温度Ｔ_Ｎ２を測定する温度計２０が、そのナトリウム出口部付近で蒸気発生器３の胴体に取り付けられる。また、蒸気発生器３では、各伝熱管５に供給される給水の温度Ｔ_Ｗを測定する温度計１８が胴体に取り付けられる。各伝熱管５から主蒸気配管１２に排気される蒸気の温度Ｔ_Ｓを測定する温度計１７が、蒸気発生器３の胴体に取り付けられる。流量計２１が分岐管７に取り付けられ、水素濃度計２２が二次冷却系配管１０と分岐管１１の接続点よりの上流で二次冷却系配管１０に取り付けられる。温度計１７，１８，１９，２０、流量計２１及び水素濃度計２２が、演算装置１４に接続される。

本実施例の水素濃度監視方法に用いられる水素濃度監視装置は、温度計１９、流量計２１、水素濃度計２２及び演算装置１４を有する。

高速増殖炉プラントでは、運転が停止された後、定期検査が実施される。この定期検査の期間中において、二次冷却系配管に対してメンテナンス（例えば、二次冷却系配管の改造）が実行されたことを想定する。

前述したように、二次系液体ナトリウムの二次冷却系配管からダンプタンクへの排出、及び二次冷却系配管の内面の蒸気洗浄を行った後に、二次冷却系配管の改造が行われる。改造中には、二次冷却系配管の改造箇所が開放されるので、周囲の空気が二次冷却系配管内に流入する。この流入する空気に含まれた湿分が、二次冷却系配管の内面に付着する。二次冷却系配管の改造が終了し、高速増殖炉プラントの定期検査が終了した後、ダンプタンクから二次冷却系配管２，１０内に二次系液体ナトリウムを戻す。このとき、二次冷却系配管の内面に付着した湿分が二次系液体ナトリウム（温度１２０〜２００℃）と接触し、ＮａＯＨ等が生成される。

一次冷却系及び二次冷却系に液体ナトリウムが充填された後、高速増殖炉プラントが起動される。一次系ナトリウムポンプの駆動によって原子炉容器内の炉心に一次系ナトリウムが供給される。炉心において核燃料物質の核分裂で発生する熱で加熱されて高温になった液体ナトリウムが、原子炉容器から一次冷却系配管を通って中間熱交換器１に供給される。中間熱交換器１では、中間熱交換器１の胴体内で伝熱管の外側の領域を流れる一次系液体ナトリウムがこの伝熱管内を流れる二次系液体ナトリウムを加熱する。二次系液体ナトリウムの加熱によって温度が低下した一次系液体ナトリウムが、中間熱交換器１から一次冷却系配管を通って原子炉容器に戻される。

中間熱交換器１の伝熱管内への二次系ナトリウムの供給は、二次系ナトリウムポンプ６の駆動によって行われる。中間熱交換器１で温度が上昇した二次系液体ナトリウム（約５００℃）が、二次冷却系配管２を通って蒸気発生器３のナトリウム領域４に導かれる。蒸気発生器３では、ナトリウム領域４に供給された高温の二次系液体ナトリウムが、給水配管１３によって蒸気発生器３の各伝熱管５に供給された給水を加熱する。給水の加熱によって温度が低下した二次系ナトリウムは、二次系ナトリウムポンプ６の駆動により、二次冷却系配管１０を通って中間熱交換器１の伝熱管内に供給される。

蒸気発生器３の各伝熱管５内で加熱された給水は蒸気になる。この蒸気は、主蒸気配管１２に排気され、主蒸気配管９を通ってタービン９に供給され、このタービン９を回転させる。タービン９の回転によって発電機が回転され、電力が発生する。タービン９から排気された蒸気は復水器２３で凝縮されて凝縮水になる。この凝縮水は、給水配管１３にも受けられた給水ポンプ（図示せず）を駆動することにより、給水として、給水配管１３を通って蒸気発生器３の各伝熱管５内に供給される。

中間熱交換器１の伝熱管、二次冷却系配管２、蒸気発生器３のナトリウム領域４、二次冷却系配管１０及び中間熱交換器１の伝熱管により形成された二次冷却系循環ループ内を循環している二次系液体ナトリウムの一部が、分岐管７によってコールドトラップ８に導かれ、二次系液体ナトリウムに含まれた不純物（例えば、ＮａＨ等）が除去される。コールドトラップ８で浄化された二次系液体ナトリウムが、分岐管１１により二次冷却系配管１０に導かれて、二次冷却系配管１０内を流れる二次系液体ナトリウムと共に二次系ナトリウムポンプ６で昇圧され、中間熱交換器１の伝熱管内に供給される。二次系液体ナトリウムがコールドトラップ８に継続して導かれることにより、二次冷却系閉ループ内を流れる二次系液体ナトリウムに含まれた不純物（ＮａＨ等）が低減される。この結果、二次系液体ナトリウムの水素濃度が、図２に示すクリンナップによる濃度限界内の値まで低減される。

高速増殖炉プラントの起動後の運転中において、原子炉出力の上昇に伴って二次系液体ナトリウムの温度が上昇し、生成された上記のＮａＯＨが分解される。このため、二次系液体ナトリウムの水素濃度が、図２に示すように上昇する。二次系液体ナトリウムの温度が４１０℃に到達するまでＮａＯＨの分解が終了し、さらに、にコールドトラップ８による、二次系液体ナトリウムに含まれた不純物（ＮａＨ等）の除去により、二次系液体ナトリウムの水素濃度が低下するので、二次系液体ナトリウムの水素濃度が、図２に示すように低下する。

温度計１７で測定された、蒸気発生器３の伝熱管５から主蒸気配管１２に排気される蒸気の温度Ｔ_Ｓ、温度計１８で測定された、蒸気発生器３の伝熱管５に供給された給水の温度Ｔ_Ｗ、温度計１９で測定された、蒸気発生器３のナトリウム領域４のナトリウム入口部での二次系ナトリウムの温度Ｔ_Ｎ１、温度計２０で測定された、蒸気発生器３のナトリウム領域４のナトリウム出口部での二次系ナトリウムの温度Ｔ_Ｎ２、流量計２１で測定された、コールドトラップ８に供給される二次系液体ナトリウムの流量Ｆ、及び水素濃度計２２で測定された、蒸気発生器３から排出された二次系ナトリウムの水素濃度が、それぞれ、演算装置１４に入力される。

温度計１９で測定された蒸気発生器３のナトリウム領域４のナトリウム入口部での二次系ナトリウムの温度Ｔ_Ｎ１、及び水素濃度計２２で測定された二次系ナトリウムの水素濃度に基づけば、二次系ナトリウムの水素濃度が増加してこの増加が停止する時点（その水素濃度が減少し始める時点）での水素濃度を知ることができる。水素濃度計２２で測定された二次系ナトリウムの水素濃度は、演算装置１４から表示装置１５に出力されて表示される。

演算装置１４は、温度計１９で測定された蒸気発生器３のナトリウム領域４のナトリウム入口部での二次系ナトリウムの温度Ｔ_Ｎ１、及び水素濃度計２２が測定した二次系ナトリウムの水素濃度に基づいて、二次系ナトリウムの温度Ｔ_Ｎ１が４１０℃になった時点での水素濃度計２２が測定した二次系ナトリウムの水素濃度をピークＰにおける水素濃度Ｃ_０とし、（３）式を用いて、時間ｔを変え、二次系ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降の複数の時点での水素濃度Ｃを算出する。（３）式で用いられるコールドトラップの効率η、及び二次系液体ナトリウムのインベントリーＶは、高速増殖炉プラントによって定まった定数である。演算装置１４は、定数であるコールドトラップの効率η及びインベントリーＶを（３）式に代入し、さらに、上記のようにして得られた水素濃度Ｃ_０、及び時間ｔで流量計２１で測定した、コールドトラップ８に供給する二次系液体ナトリウムの流量Ｆを（３）式に代入して、時間ｔにおける水素濃度Ｃを予め算出する。多数の時間ｔに対する、それぞれの水素濃度Ｃを予め算出する。算出された各水素濃度Ｃが各時間ｔとの関係で表示装置１５に表示される。オペレータは、表示された水素濃度Ｃの時間変化の情報を見ることによって、水素濃度Ｃの変化が小さくなった時点、例えば、時間ｔｎでの水素濃度Ｃを設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに決定し、入力装置（図示せず）から演算装置１４に入力する。

演算装置１４は、二次系ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降において水素濃度計２１で測定した、二次系液体ナトリウムの水素濃度を入力する。少なくとも時間ｔｎ以降において測定された水素濃度が設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴ以下にならないとき、演算装置１４は蒸気発生器３で伝熱管５にき裂が生じて水漏洩が発生していると判定する。この判定が成されたとき、演算装置１４から警報器１６に水漏洩発生信号が出力され、警報器１６から警報が発せられる。この水漏洩発生信号は、表示装置１５にも表示される。

演算装置１４は、二次系ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降において水素濃度計２１で測定した水素濃度が設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴ以下になったとき、蒸気発生器３において水漏洩が発生していないと判定する。この判定結果も表示装置１５に表示される。

水素濃度計２１で測定した、二次系液体ナトリウムの水素濃度が、設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴ以下になったかを判定する演算装置１４は、実質的に、水素濃度判定装置である。本実施例では、演算装置１４が、水素濃度がピークＰに到達した時点以降における水素濃度Ｃを算出する演算装置、及び上記した水素濃度判定装置の両者の機能を有しているが、水素濃度判定装置を、水素濃度がピークＰに到達した時点以降における水素濃度Ｃを予め算出する演算装置とは別に設けてもよい。

本実施例は、高速増殖炉プラントの定期検査終了後で、且つこのプラントが起動された後の運転中で、二次系ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降における各時間ｔでの水素濃度を予め求め、この水素濃度の減少率（微分値）が減少率（微分値）の設定値に到達した時点での水素濃度Ｃを設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに設定し、その水素濃度がピークＰに到達した時点以降で測定された水素濃度、及び設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに基づいて水漏洩の発生を判定しているので、メンテナンス時に二次冷却系ループ（例えば、二次冷却系配管２）内に入り込んだ空気に含まれた湿分の影響により二次液体ナトリウム中で水素が発生した場合でも、この水素の影響を受けずに、二次液体ナトリウムへの水漏洩を精度良く判定することができる。

本実施例では、オペレータが、表示装置１５に表示された、二次系ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降における各時間ｔでの各水素濃度を見ることによって、設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴを設定し、演算装置１４に入力しているが、演算装置１４が、二次系ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降における各時間ｔでの水素濃度の減少率（微分値）が減少率（微分値）の設定値に到達した時点（例えば、時間ｔｎ）での水素濃度Ｃを設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに設定しても良い。演算装置１４で設定された設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴは表示装置１５に表示される。

本発明の他の実施例である実施例２の水素濃度監視方法を、図１を用いて説明する。本実施例で用いる水素濃度監視装置は、図１に示された演算装置１４、温度計１８（または温度計１７）、流量計２１及び水素濃度計２２を有する。

本実施例は、実施例１で用いた設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴ（第１設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴという）の替りに第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴを用いる点で、実施例２と異なっている。第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴは、蒸気発生器３の伝熱管５の管壁を拡散して給水から二次系液体ナトリウムに入り込む水素の量に基づいて、第１設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴを補正することによって得られる。

伝熱管５の管壁を拡散して給水から二次系液体ナトリウムに入り込む水素は、伝熱管５の内面が給水に接触して腐食することによって発生する。演算装置１４は、この腐食により発生する水素の量を、温度計１８、温度計１７で測定した、蒸気発生器３の各伝熱管５に供給される給水の温度Ｔ_Ｗと蒸気の温度Ｔ_Ｓの平均値Ｔ_ＷＳ（℃）に基づいて求める。

すなわち、腐食による水素の発生は、下記の反応式によって表される。

３Ｆｅ＋４Ｈ_２Ｏ→Ｆｅ_３Ｏ_４＋４Ｈ_２
また、腐食による水素発生の温度依存を含め、伝熱管５の管壁を拡散して給水から二次系液体ナトリウムに入り込む水素量Ｗ（ｇ／ｈ）は、（４）式よって求められる。

Ｗ＝Ｋ×ｅｘｐ（−Ｇ／（２７３．１＋Ｔ_ＷＳ）） ……（４）
ここで、Ｋは比例定数（ｇ／ｈ）、Ｇは温度依存性に関わる定数（１／℃）である。なお、Ｗｅｂ及びｃｈａｎｇは、それぞれ、ステンレス鋼の定数Ｇである８１８９、炭素鋼の定数Ｇである５１４０を経験的に求めている。比例定数Ｋは、伝熱管５の表面状態等によって変化するため、測定する必要がある。本実施例では、起動前に約２００℃で維持する時間があることに着目し、この時間における二次系液体ナトリウムの水素濃度の上昇に基づいて比例定数Ｋを決定することにした。二次系液体ナトリウムの水素濃度は、（５）式で表される濃度で平衡となる。

Ｃ＝Ｗ／ηＦ ……（５）
腐食により発生する水素量の算出に用いるＴ_ＷＳは、例えば、定期検査終了後に起動された高速増殖炉プラントの運転中で、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点で測定される。演算装置１４は、（４）式に基づき、各伝熱管５の管壁を拡散して伝熱管５の外側を流れる二次系液体ナトリウムに入り込む水素量を求める。

第１設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴは実施例１と同様に設定される。演算装置１４は、第１設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴを設定した直後に、この第１設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに、伝熱管５の管壁を拡散して二次系液体ナトリウムに入り込む水素量による二次系液体ナトリウムの水素濃度の増加分を加えて第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴを求める。第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴは以下のように設定される。

二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降の各時点でにおける、正常状態での二次系液体ナトリウムの水素濃度Ｃを、好ましくは、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点の直後に（６）式によりそれぞれ予め求め、（６）式で得られた水素濃度Ｃのうち、この水素濃度の減少率が小さくなった時点の水素濃度Ｃを、水漏洩が生じたかの判定を行う設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに設定する。

Ｃ＝Ｃ_０×ｅｘｐ（−η（Ｆ／Ｖ）ｔ＋Ｗ／ηＦ ……（６）
発明者らは、伝熱管５の管壁を拡散して二次系液体ナトリウムに入り込む水素を考慮し、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降において、そのピークＰから減少する水素濃度Ｃを求める新たな（６）式を導き出した。この（６）式を用いることによって、水漏洩が生じていない正常状態での、二次系液体ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降において各時点での、伝熱管５の管壁を拡散して入り込む水素を考慮した二次系液体ナトリウムの水素濃度を求めることができる。

演算装置１４は、二次系ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降において水素濃度計２１で測定した、二次系液体ナトリウムの水素濃度、少なくとも時間ｔｎ以降において測定された水素濃度が第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴ以下にならないとき、蒸気発生器３で水漏洩が発生していると判定する。この判定が成されたとき、演算装置１４から警報器１６に水漏洩発生信号が出力され、警報器１６から警報が発せられる。この水漏洩発生信号は、表示装置１５にも表示される。

演算装置１４は、二次系ナトリウムの水素濃度がピークＰに到達した時点以降において水素濃度計２１で測定した水素濃度が第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴ以下になったとき、蒸気発生器３において水漏洩が発生していないと判定する。この判定結果も表示装置１５に表示される。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例は、蒸気発生器３の伝熱管５の管壁を拡散して二次系液体ナトリウムに入り込む水素を考慮した第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに基づいて蒸気発生器３での水漏洩を判定しているので、伝熱管５の管壁を拡散して入り込む水素の影響を排除することができ、その水漏洩の検出を更に精度良く行うことができる。

本実施例では、伝熱管５の管壁を拡散して二次系液体ナトリウムに入り込む水素を考慮した第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴに基づいて蒸気発生器３での水漏洩を判定したが、水素濃度計２２で測定した、二次系液体ナトリウムの水素濃度から、伝熱管５の管壁を拡散して二次系液体ナトリウムに入り込む水素の量を二次系液体ナトリウムの水素濃度の増加分に換算した値を差し引いて補正し、補正された水素濃度が、第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴ以下か、第２設定水素濃度Ｃ_ＳＥＴを超えるかによって蒸気発生器３での水漏洩を判定してもよい。

１…中間熱交換器、２，１０…二次冷却系配管、３…蒸気発生器、４…ナトリウム領域、５…伝熱管、６…二次系ナトリウムポンプ、７，１１…分岐管、８…コールドトラップ、１４…演算装置、１７〜２０…温度計、２１…流量計、２２…水素濃度計。

Claims (4)

1. 中間熱交換器、液体金属により給水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生装置、前記中間熱交換器及び前記蒸気発生装置を接続して前記液体金属が流れる二次冷却系循環ループを形成する二次冷却系配管、前記二次冷却系循環ループ内の前記液体金属を冷却して浄化し、浄化された前記液体金属を前記二次冷却系循環ループに戻す浄化装置を備えた高速増殖炉プラントの前記二次冷却系循環ループの水素濃度を監視する水素濃度監視方法において、
   前記中間熱交換器より前記蒸気発生装置に供給される前記液体金属の温度に基づいて前記液体金属の水素濃度のピーク時におけるピーク水素濃度を求め、前記液体金属の水素濃度がピークに到達した時点以降において低下する前記液体金属の水素濃度を、前記二次冷却系循環ループ内の前記液体金属のインベントリー、前記ピーク水素濃度、及び前記浄化装置に供給する前記液体金属の流量に基づいて算出し、算出された前記液体金属の前記水素濃度に基づいて設定水素濃度を設定し、前記液体金属の水素濃度が前記ピークに到達した時点以降において前記蒸気発生装置から排出された前記液体金属の前記水素濃度を測定し、前記測定された水素濃度及び前記設定水素濃度に基づいて前記蒸気発生装置における水漏洩を判定することを特徴とする水素濃度監視方法。
2. 前記蒸気発生装置に設けられた伝熱管内に供給する前記給水及び前記伝熱管内で発生した前記蒸気のいずれかの温度を測定し、測定されたこの温度に基づいて前記伝熱管の管壁を拡散して、前記蒸気発生装置内に形成された、前記伝熱管の外側の領域に存在する前記液体金属に入り込む水素の量を求め、この水素量に基づいて前記設定水素濃度を補正し、前記水漏洩を、前記測定された水素濃度及び補正された前記設定水素濃度に基づいて判定する請求項１に記載の水素濃度監視方法。
3. 中間熱交換器、液体金属により給水を加熱して蒸気を発生する蒸気発生装置、前記中間熱交換器及び前記蒸気発生装置を接続して前記液体金属が流れる二次冷却系循環ループを形成する二次冷却系配管、前記二次冷却系循環ループ内の前記液体金属を冷却して浄化し、浄化された前記液体金属を前記循環ループに戻す浄化装置を備えた高速増殖炉プラントの前記二次冷却系循環ループの水素濃度を監視する水素濃度監視装置において、
   前記中間熱交換器より前記蒸気発生装置に供給される前記液体金属の温度を測定する温度測定装置と、前記蒸気発生装置から排出される前記液体金属の前記水素濃度を測定する水素濃度測定装置と、前記温度測定装置で測定される前記液体金属の温度に基づいて前記液体金属の水素濃度のピーク時におけるピーク水素濃度を求め、前記液体金属の水素濃度がピークに到達した時点以降において低下する前記液体金属の水素濃度を、前記二次冷却系循環ループ内の前記液体金属のインベントリー、前記ピーク水素濃度、及び前記浄化装置に供給する前記液体金属の流量に基づいて算出し、算出された前記液体金属の前記水素濃度に基づいて設定水素濃度を設定する演算装置と、前記蒸気発生装置から排出された前記液体金属の前記水素濃度を測定し、前記水素濃度測定装置で測定される水素濃度及び前記設定水素濃度に基づいて前記蒸気発生装置における水漏洩を判定する判定装置とを備えたことを特徴とする水素濃度監視装置。
4. 前記蒸気発生装置に設けられた伝熱管内に供給する前記給水及び前記伝熱管内で発生した前記蒸気のいずれかの温度を測定する他の温度測定装置と、前記他の温度測定装置で測定される前記温度に基づいて前記伝熱管の管壁を拡散して、前記蒸気発生装置内に形成された、前記伝熱管の外側の領域に存在する前記液体金属に入り込む水素の量を求め、この水素量に基づいて前記設定水素濃度を補正する前記演算装置と、前記水漏洩を、前記水素濃度測定装置で測定される水素濃度及び補正された前記設定水素濃度に基づいて判定する請求項３に記載の水素濃度監視装置。

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