JP2011247855A - 液膜計測装置及び液膜計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬した約３００℃の蒸気-水環境において、ＢＷＲ型原子炉内部の燃料棒を模擬した円管周りの液膜厚さを計測できる液膜計測装置を提供することである。
【解決手段】
本発明の液膜計測装置は、燃料棒を模擬した第１の円管に回転可能に配置された第1の磁石を、前記第１の円管の周囲に配置され燃料棒を模擬した第２の円管の内部に配置された第２の磁石で回転させ、前記第１の円管に配置された圧電素子からの超音波を前記第１の円管に径方向に放射し、前記第１の円管の外表面の液膜厚さを計測することを第1の特徴とする。また、前記圧電素子は回転可能な容器に内蔵されており、前記容器を設置した前記第１の円管の箇所に、内部と外部とで液体が出入り可能な連通口が設けられていることを第２の特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液膜計測装置及び液膜計測方法に係わり、特に、沸騰水型原子炉(ＢＷＲ：Boiling Water Reactor)内部の気液二相流状態を模擬した、約３００℃の蒸気-水環境での利用が可能な液膜計測装置及び液膜計測方法に関する。

従来より、ＢＷＲ型原子炉の炉心内部を流れる冷却材の挙動を詳細に把握するために、ＢＷＲ型原子炉内部の気液二相流流動を模擬した実験が数多く行われている。原子炉の炉心を構成する燃料棒に沿って流れる液膜の挙動についても、燃料棒を模擬した円管を用い、その表面の液膜厚さを計測するなど、色々な実験が行われている。液膜厚さを計測する方法として、超音波を利用した実験も報告されている。そのような先行技術文献として、非特許文献1及び非特許文献２がある。

非特許文献１は、常温、大気圧の条件のもとで、超音波を利用して液膜厚さを計測した実験として、模擬燃料棒内部に設置した反射体を、マイクロモータで回転させることにより、円周方向の液膜厚さの分布を高速に計測できる液膜計測装置が利用されている。当該液膜計測装置の詳細についてはNuclear Engineering and Design 184 (1998) 349-362に記載されている。

一方、非特許文献２は、常温よりも高い温度で、超音波を利用して液膜の厚さが計測された例を示し、１２．３ｍｍのポリイミド製円管の内部に圧電素子が固定され、２００℃の蒸気-水雰囲気で形成される液膜の厚さを計測する実験が報告されている。当該実験の詳細は、日本原子力学会誌和文論文誌、Vol.5, No.1, pp.14-24(2006)に記載されている。

T. Kamei, A.Serizawa, Nuclear Engineering and Design 184 (1998) 349-362 佐藤他５名、日本原子力学会和文論文誌、Vol.5, No.1, pp.14-24(2006)

しかしながら、ＢＷＲ型原子炉の運転状態を模擬した、液膜の温度が約３００℃に達する実験の場合には、非特許文献１が示したマイクロモータを用いた液膜計測装置を使用することは困難である。モータを使用する雰囲気温度が高くなると、巻線部の絶縁が確保できなくなるなどの問題があり、約３００℃で使用可能な、直径１０ｍｍ程度の円管内に設置できる小型モータは提供されていない。

また、非特許文献２は、圧電素子の取付方向として、”中央サブチャンネルに面した向きに配置”、と記載(P20、Fig.16)されており、水平断面の円周方向で異なる向きの液膜厚さが計測可能については記載されていない。

本発明の目的は、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬した約３００℃の蒸気-水環境において、ＢＷＲ型原子炉の燃料棒を模擬した円管周りの液膜厚さを計測できる液膜計測装置または液膜計測方法を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、燃料棒を模擬した第１の円管に回転可能に配置された第1の磁石を、前記第１の円管の周囲に配置され燃料棒を模擬した第２の円管の内部に配置された第２の磁石で回転させ、前記第１の円管に配置された圧電素子からの超音波を前記第１の円管の径方向に放射し、前記第１の円管の外表面の液膜厚さを計測することを第1の特徴とする。

また、本発明は、上記目的を達成するために、燃料棒を模擬した第１の円管と、圧電素子を固定する第１の支持体と、第１の磁石を固定する第１の磁石支持体と、該第１の磁石支持体を固定し該第１の円管内部の中心軸を回転中心とする回転軸と、前記第１の円管の周囲に配置され、前記第１の磁石を介して該回転軸を回転させる第２の磁石を内部に具備する複数の燃料棒を模擬した第２の円管とを有することを第２の特徴とする
さらに、本発明は、上記目的を達成するために、第２の特徴を加え、前記第１の支持体は前記回転軸に固定され、前記圧電素子は前記第１の円管の径方向に超音波を放射することを第３の特徴とする
また、本発明は、上記目的を達成するために、第２の特徴を加え、前記回転軸に固定され前記圧電素子からの超音波を前記第１の円管の径方向に反射させる反射体を有し、前記第１の支持体は前記第１の円管に固定されていることを第４の特徴とする。

さらに、本発明は、上記目的を達成するために、第２または第３の特徴を加え、前記第１の支持体は前記圧電素子を内部に固定する密閉された容器であることを第５の特徴とする。

また、本発明は、上記目的を達成するために、第５の特徴を加え、前記第１の円管の外部と内部が連通する連通口を有することを第６の特徴とする。

さらに、本発明は、上記目的を達成するために、第２または第３の特徴を加え、
前記圧電素子に接続された信号線が、前記回転軸まわりに一周以上巻かれていることを第７の特徴とする。

また、本発明は、上記目的を達成するために、第３の特徴を加え、前記第２の磁石は、前記中心軸方向に移動可能で、前記第１の磁石に対し引力または斥力を作用し、前記第１の円管に正対させる手段を有することを第８の特徴とする。

さらに、本発明は、上記目的を達成するために、第２の特徴を加え、前記第２の磁石は前記第２の円管に固定され、前記第１の磁石に対し引力または斥力を作用させる電磁石であることを第９の特徴とする。

また、本発明は、上記目的を達成するために、第２の特徴を加え、前記第２の円管は、その本数は８であり、前記第１の円管の周辺に正方格子状に配置されたことを第１０の特徴とする。

本発明によれば、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬した約３００℃の蒸気-水環境において、ＢＷＲ型原子炉内部の燃料棒を模擬した円管周りの液膜厚さを計測できる液膜計測装置または液膜計測方法を提供できる。

本発明の液膜計測装置の第１の実施形態の構成を示す図で、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬できる試験装置内部に配置された模擬燃料棒の縦方向の断面図である。 ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬できる試験装置内部に配置された模擬燃料棒の一部を上部から見た図で、液膜厚さを計測する圧電素子を内蔵した計測用円管と、圧電素子を回転させる操作用円管８本を、ＢＷＲ燃料集合体の構造を模擬するように、計測用円管周辺に正方格子状に配置した図である。 図２から回転容器２を４５度反時計回りに回転した位置での計測用円管表面の液膜厚さを計測する状態を示す図である。 図２から回転容器２を９０度反時計回りに回転した位置での計測用円管表面の液膜厚さを計測する状態を示す図である。 本発明の液膜計測装置の第２の実施形態の構成を示す図で、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬できる試験装置内部に配置された模擬燃料棒の縦方向の断面図である。 本発明の液膜計測装置の第３の実施形態の構成を示す図で、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬できる試験装置内部に配置された模擬燃料棒の縦方向の断面図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の液膜計測装置の第１の実施形態の構成を示す図で、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬できる試験装置内部に配置された模擬燃料棒の縦方向の断面図である。図２は、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬できる試験装置内部に配置された模擬燃料棒の一部を上部から見た図で、液膜厚さを計測する圧電素子１を内蔵した燃料棒を模擬した計測用円管９と、燃料棒を模擬し圧電素子１を回転させる操作用円管８本を、ＢＷＲ燃料集合体の構造を模擬するように、計測用円管９周辺に正方格子状に配置した図である。

本実施形態の液膜計測装置は、計測用円管９内に回転可能に設けられた圧電素子１が、８本の操作用円管に内在する操作用磁石によって、圧電素子を計測用円管９の円周方向に回転させられる。これにより、液膜計測装置は圧電素子から放射される超音波の方向を変えることができ、円周方向異なる位置での計測用円管周辺の液膜厚さの分布を計測できる。

以下、本発明の第１の実施形態の詳細を説明する。まず、計測用円管９の構成を図１を用いて説明する。
圧電素子１は、密閉された回転容器２内部の空間に、はんだ付けなどの方法で支持固定される。圧電素子１と回転容器２を接着材で固定する方法もある。回転容器２には、中心軸に回転軸４が取り付けられている。回転容器２の上方に、回転用磁石３が取り付けられている。回転用磁石３は密閉された磁石ケース８に封入されており、回転軸４を介して回転容器２に接続されており、回転容器２と回転用磁石３が一体となって回転できる構造となっている。回転軸４は、計測用円管９内部の空間上下に形成された軸受５に嵌め込まれている。圧電素子１には、電気パルスを供給し、かつ圧電素子１が受信した超音波の信号を伝達するため、リード線６が接続されている。リード線６は、信号ケーブル７に接続され、外部の信号処理装置（図示せず）へ液膜信号を伝達する。信号ケーブル７は、回転容器２の外部に引き出された上方位置において、回転軸４の周りにコイル状に複数回巻かれた後、計測用円管９外部へと引き出されている。信号ケーブル７がコイル状に巻かれていることにより、回転容器２は回転軸周りに回転する際に受ける抵抗力を小さくすることができる。

計測用円管９の側面には、計測用円管９の外側から内側へ液体が流入できるように、連通口１０が設けられている。液膜計測装置を使用する前の準備段階で、計測用円管９周辺を水で満たすことにより、計測用円管９内部に水が流入する。これにより、計測用円管９と回転容器２との間隙部分が水で満たされるため、水が流入していない状態に比べて、圧電素子１から放射される超音波が、回転容器２から計測用円管９へ到達する際の減衰を大幅に小さくすることができ、計測用円管９外側へも超音波を伝達できるようになる。連通口１０を設けることにより、回転容器２を内包する計測用円管９の内部空間と外側の圧力がほぼ等しくなり、圧力による破損を考慮する必要がないため、回転容器２を内包する部分の計測用円管９の厚さを薄くすることができる。また、あらかじめ計測用円管９内部の空間に水を封入しておくことで、水を流入させる手順を省くことも可能である。

次に、操作用円管１２を図１、図２を用いて説明する。操作用円管１２は、前述したように、回転容器２、即ち回転容器２に固定された圧電素子１の方向を調節するために、計測用円管９周辺に、ＢＷＲ燃料集合体の構造を模擬するように、正方格子状に配置されている。また、操作用円管１２には、その内部に操作用磁石２１が組み込まれている。図２の例では、操作用円管１２は８本であり、回転容器２は８方向に向きを調節することができる。操作用円管１２内部の操作用磁石２１は、操作用磁石ケース２４内部に封入されている。図２に示したように、操作用磁石ケース２４の側面には凹みが設けられており、その凹部が操作用円管１２内部に固定された凸状のガイド２３に沿って上下に移動する。ガイド２３は、操作用磁石１２を上下させる際に、操作用円管１２内部で円周方向に回転することを防止している。操作用磁石２１は、操作ロッド２２を介して外部から上下方向に移動させることができる。操作ロッド２２は、回転容器２の方向を調節した後、操作用円管１２上方で固定される。操作用磁石２１の上下方向位置は、操作用円管１２の内部空間２６の下端と、ストッパ２５で定めることができる。

また、計測用円管９及び操作用円管１２の下部には、発熱体１１が設置され、ＢＷＲ型原子炉で使用される燃料の発熱を模擬し、約３００℃の蒸気-水環境を実現することができる
次に、図２、図３及び図４を用いて回転容器２、即ち圧電素子１の方向を調節し、液膜厚さを計測する方法を説明する。図２では、計測用円管９の右隣位置に図示した操作用円管１２のみの操作用磁石２１が、操作用円管１２の内部空間２６の下端まで下がった状態を示している。その他７本の操作用円管１２については、操作用磁石２１はストッパ２５に接する位置まで引き上げられている。８本ある操作用円管１２は、内部にとりつけられたガイドの円周方向の位置がそれぞれ異なっており、回転用磁石３と操作用磁石２１との間の磁力による引力又は斥力ができるだけ大きくなるように配慮されている。また、それぞれの操作用円管２１内部の操作用磁石２１の極性は、計測用円管９に近い側がＮ極となるように設置されている。

回転容器２内部の圧電素子１は図示していないが、圧電素子１と回転用磁石３の長辺が同じ向きとなるように固定する。即ち、回転用磁石３と操作用磁石２１とが正対したときに、圧電素子１も当該操作用磁石２１を有する操作用円管１２に正対するように固定されている。ただし、異なる方向の液膜厚さを計測する必要がある場合には、所定の角度を設けて固定することも可能である。圧電素子１と回転用磁石３の長辺が同じ向きに固定されている場合には、圧電素子１から放射された超音波が反射される信号を観察すると、操作用磁石２１が下げられた操作用円管１２表面で反射される超音波が観察されるので、回転容器２が目的とする方向を向いていることを、圧電素子１の信号に基づいて確認することができ、図２に示す位置での計測用円管９表面の液膜厚さを計測できる。

図３は、計測用円管９の右隣に図示した操作用円管１２内の操作用磁石２１を上方ストッパ２５位置まで引き上げ、さらに、計測用円管９の右斜め上方に図示した操作用円管１２内部の操作用磁石２１を操作用円管１２の内部空間２６の下端まで下げた状態を示している。この場合、図２の状態から、回転容器２は４５度反時計回りに回転した状態となる。その結果、図３に示す位置での液膜厚さを計測できる。

図４は、計測用円管９の上側に図示した操作用円管１２内部の操作用磁石２１のみを操作用円管１２の内部空間下端まで下げた状態を示している。この場合、図２の状態から、回転容器２は９０度反時計回りに回転した状態となる。同様の操作として、計測用円管９周辺の操作用磁石２１を適切に上下させることによって、回転容器２を円周方向に４５度刻みで回転させることができ、計測用円管９表面におけるその位置での液膜厚さを計測できる。

図２、図３及び図４では、操作用磁石２１の極性として、計測用円管９に近い側をＮ極として説明したが、計測用円管９に近い側をＳ極としても同様の操作が可能である。また、回転容器２を３６０度回転する必要がない場合には、計測用円管９を挟んで向かい合う操作用円管１２の二本を一組として、それぞれの操作用磁石２１の極性を反対にしておき、二つの操作用磁石２１を操作用円管１２の内部空間２６の下端まで下げることで、操作用磁石２１一つで操作した場合にくらべ、強い磁力を回転用磁石３に作用させられるため、回転容器２の方向をより安定させることが可能である。

以上説明した第１の実施形態によれば、圧電素子を回転可能な容器に内蔵させ、磁力を用いて容器の方向を変えているため、約３００℃の雰囲気でも容器を回転させる機能は維持することができる。その結果、ＢＷＲ型原子炉内部の気液二相流状態を模擬した約３００℃の蒸気-水環境において、燃料棒を模擬した計測用円管周りの液膜厚さが、円周方向の複数点で計測でき、計測用円管周辺の液膜厚さの分布状態を知ることができる。

また、第１の実施形態によれば、計測用円管９の側面には、計測用円管９の外側から内側へ液体が流入できるように、連通口１０が設けられているので、圧電素子による液膜計測をより高精度にできる。また、連通口１０を設けることにより、計測用円管９の内部空間と外側の圧力がほぼ等しくなり、計測用円管９の厚さを薄くすることができる。

さらに、第１の実施形態によれば、磁力の強さを制御する必要がない操作用磁石を機械的に所望の位置に設定できるので、簡単な機構で確実に所望の位置の液膜厚さを計測できる。

図５は、本発明の液膜計測装置の第２の実施形態の構成を示す図で、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬できる試験装置内部に配置された模擬燃料棒の縦方向の断面図である。第１の実施形態と異なる点は、操作用磁石２１を操作用電磁石３１に置き換えた構造としている点である。操作用円管１２内部には、操作用電磁石３１が磁極座３４にピンなどを差し込むことで高さ方向の位置が支持されるとともに、円周方向の位置が変化しない構造となっている。コイル３２へは直流電流を電線３３から供給する。直流電流を流す方向を反転させることで、回転用磁石３に近い側の極性を反転させることができるので、回転用磁石３の両側の電磁石を用いて回転容器２の方向を調整することができ、計測用円管９表面におけるその方向の液膜厚さを計測できる。

また、第２の実施形態において、隣接する２本の操作用円管１２内部における
操作用電磁石３１の直流電流の流れの方向及び電流量を予め調節しデータ化することによって、隣接する２本の操作用円管の中間位置または任意の位置に圧電素子１を正対させることができ、その位置での計測用円管９表面の液膜厚さを計測できる。

第２の実施形態においても、第１の実施形態で説明したように、計測用円管９を挟んで向かい合う操作用円管１２の２本または４本を一組として操作用電磁石３１を制御することによってより安定して圧電素子１の位置決めをすることができる。

以上説明した第２の実施形態において、第１の実施形態と同様な効果を奏することができる。
また、第２の実施形態によれば、操作用磁石として電磁石を用いることで可動部を少なくできより信頼性の高い液膜計測装置を提供できる。
さらに、第２の実施形態によれば、第１の実施形態より、計測用円管の円周方向のより多くの計測点で液膜厚さを計測できる。

図６は、本発明の液膜計測装置の第３の実施形態の構成を示す図で、ＢＷＲ型原子炉内部の二相流状態を模擬できる試験装置内部に配置された模擬燃料棒の縦方向の断面図である。第１及び第２の実施形態と異なる点は、圧電素子１を計測用円管９に固定された容器１６に内蔵し、回転用磁石３と連動して回転する反射体１５を設けた点である。なお、回転軸４の反射体側はやや細くなっており、回転軸は連通口１０から水が流入したときに容器１６側に流入水が行き渡るように格子形状を有するスペーサ１４によって回転可能に支持されている。

本実施形態では、圧電素子を回転させなくとも、反射体１５を回転用磁石３と連動して回転させることによって計測用円管９の所望位置の液膜厚さを計測できる。

以上説明した第３の実施形態において、第１または第２の実施形態と同様な効果を奏することができる。

また、第３の実施形態では、圧電素子を回転させる必要がないので、信号ケーブル７を回転軸４の周りにコイル状に複数回巻く必要がなく固定でき、信号の送受信を安定して行うことができる。

１：圧電素子 ２：回転容器 ３：回転用磁石
４：回転軸 ５：軸受 ６：リード線
７：信号ケーブル ８：磁石ケース ９：計測用円管
１０：連通口 １１：発熱体 １２：操作用円管
１４：スペーサ １５：反射体 １６：容器
２１：操作用磁石 ２２：操作ロッド ２３：ガイド
２４：操作用磁石ケース ２５：ストッパ ２６：操作用円管の内部空間
３１：操作用電磁石 ３２：コイル ３３：電線
３４：磁極座。

Claims (11)

1. 燃料棒を模擬した第１の円管と、圧電素子を固定する第１の支持体と、第１の磁石を固定する第１の磁石支持体と、該第１の磁石支持体を固定し該第１の円管内部の中心軸を回転中心とする回転軸と、前記第１の円管の周囲に配置され、前記第１の磁石を介して該回転軸を回転させる第２の磁石を内部に具備する複数の燃料棒を模擬した第２の円管とを有することを特徴とする液膜計測装置。
2. 前記第１の支持体は前記回転軸に固定され、前記圧電素子は前記第１の円管の径方向に超音波を放射することを特徴とする請求項１に記載の液膜計測装置。
3. 前記回転軸に固定され前記圧電素子からの超音波を前記第１の円管の径方向に反射させる反射体を有し、前記第１の支持体は前記第１の円管に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の液膜計測装置。
4. 前記第１の支持体は前記圧電素子を内部に固定する密閉された容器であることを特徴とする請求項２又は３に記載の液膜計測装置。
5. 前記第１の円管の外部と内部が連通する連通口を有することを特徴とする請求項４項に記載の液膜計測装置。
6. 前記圧電素子に接続された信号線が、前記回転軸まわりに一周以上巻かれていることを特徴とする請求項２に記載の液膜計測装置。
7. 前記第２の磁石は、前記中心軸方向に移動可能で、前記第１の磁石に対し引力または斥力を作用し、前記第１の円管に正対させる手段を有することを特徴とする請求項２に記載の液膜計測装置。
8. 前記第２の磁石は前記第２の円管に固定され、前記第１の磁石に対し引力または斥力を作用させる電磁石であることを特徴とする請求項１に記載の液膜計測装置。
9. 前記第２の円管は、その本数は８であり、前記第１の円管の周辺に正方格子状に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の液膜計測装置。
10. 燃料棒を模擬した第１の円管に回転可能に配置された第1の磁石を、前記第１の円管の周囲に配置され燃料棒を模擬した第２の円管の内部に配置された第２の磁石で回転させ、前記第１の円管に配置された圧電素子からの超音波を前記第１の円管の径方向に放射し、前記第１の円管の外表面の液膜厚さを計測することを特徴とする液膜計測方法。
11. 前記圧電素子は前記第1の磁石と共に回転することを特徴とする請求項１０に記載の液膜計測方法。

Images