JP2013076605A

JP2013076605A - 原子炉格納容器の水素濃度測定装置及び方法

Info

Publication number: JP2013076605A
Application number: JP2011215923A
Authority: JP
Inventors: Yukimoto Okazaki; 幸基岡崎; Hiroaki Kenjo; 弘章見城; Naoto Kume; 直人久米
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-25

Abstract

【課題】確実で簡便に実施できかつ検出器の劣化を防止できる原子炉格納容器の水素濃度測定技術を提供する。
【解決手段】水素濃度測定装置１０は、原子炉格納容器３０の内部雰囲気から隔離して設けられた隔離室２０と、この隔離室２０の内部に設けられた水素ガス検出器２１と、この隔離室２０の内部を原子炉格納容器３０の内部雰囲気に開放する開放手段とを、備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子炉格納容器の内部で発生した水素の濃度測定技術に関する。

原子力発電所では、原子炉格納容器の内部雰囲気モニタにより、放射線、水素濃度及び酸素濃度の測定を行っている。この測定は、事故時の対応を主目的としている。
このうち水素濃度測定については、原子炉格納容器の内部のガスを、サンプリング装置により外部へ引き出し、冷却除湿を行ったうえで、測定に必要な調整を行っている。適切に調整されたガスサンプルは、水素分析計に通されて水素濃度を測定した後に、所定の吐出圧で原子炉格納容器に返送される（例えば、特許文献１）。

また、水素吸収能の大きな金属線に雰囲気中の水素を吸収させて、この金属線の電気抵抗値の変化量を計測することにより、雰囲気中の水素濃度を測定する方法が開示されている（例えば、特許文献２）。

特公平４−１４３１８号公報特公平２−２４４６０号公報

しかし、特許文献１に開示されている技術においては、原子炉格納容器から採取した雰囲気ガスの調整に手間がかかる他に、調整に失敗した場合は水素濃度の測定が不能になる課題があった。また、原子炉格納容器の内部から外部へガスサンプルを導き出す配管の破損や、冷却除湿用の冷却水源の喪失、サンプリング用ポンプの交流電源喪失等の外的要因によっても水素濃度の測定が不能となる課題もあった。

また、特許文献２に開示されている技術では、原子炉格納容器の内部雰囲気に、水素吸収金属が長期間にわたり晒されることにより、水素吸収金属の強度が低下したり、水素濃度の検出精度が低下したりする課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、確実で簡便に実施できかつ検出器の劣化を防止できる原子炉格納容器の水素濃度測定技術を提供することを目的とする。

原子炉格納容器の水素濃度測定装置において、原子炉格納容器の内部雰囲気から隔離して設けられた隔離室と、前記隔離室の内部に設けられた水素ガス検出器と、前記隔離室の内部を前記原子炉格納容器の内部雰囲気に開放する開放手段と、備えることを特徴とする。

本発明により、確実で簡便に実施できかつ検出器の劣化を防止できる原子炉格納容器の水素濃度測定技術が提供される。

本発明に係る原子炉格納容器の水素濃度測定装置の第１実施形態を示す図。第１実施形態に係る水素濃度測定装置に適用される隔離室を示す図。（Ａ）は各実施形態に係る水素濃度測定装置に適用される水素ガス検出器を示す断面図、（Ｂ）は水素ガス検出器の他の例を示す断面図。本発明に係る原子炉格納容器の水素濃度測定装置の第２実施形態を示す図。本発明に係る原子炉格納容器の水素濃度測定装置の第３実施形態を示す図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように第１実施形態の水素濃度測定装置１０は、原子炉格納容器３０の内部雰囲気から隔離して設けられた隔離室２０Ａ（２０）と、この隔離室２０Ａの内部に設けられた水素ガス検出器２１と、この隔離室２０Ａの内部を原子炉格納容器３０の内部雰囲気に開放する開放手段（開放扉３５；図２）とを、備えている。

原子炉格納容器３０は、原子炉（図示略）及び１次冷却系（図示略）の設備をすべて格納するものである。配管破断などの事故が起こると原子炉格納容器３０は、貫通する配管（図示略）を自動的に閉止し、内部雰囲気に放出される蒸気を圧力抑制室３８に導いて凝縮し、放射性物質の放散に対する障壁となる。

そして、原子炉格納容器３０には、そのような事故が発生した場合に、その内部雰囲気の温度及び圧力をそれぞれ検出する温度センサ３１及び圧力センサ３２が設けられている。温度センサ３１としては熱電対等が使用され、圧力センサ３２としてはダイヤフラム式の圧力計等が使用される。

判定部３３は、温度センサ３１及び圧力センサ３２がそれぞれ出力する温度信号Ｔ及び全圧信号Ｐを入力し、開放手段（開放扉３５；図２）を開放させる開放信号Ｓを出力するか否かを判定する。
なお、判定部３３は、中央制御室３４からの送信される手動信号Ｍに基づいて、開放信号Ｓを出力することもできる。

隔離室２０Ａは、原子炉格納容器３０の内側に設けられ、図２に示すように、その一部を構成する開放扉３５によって開放手段が形成されている。
この開放扉３５が閉じた状態（図示略）で、水素ガス検出器２１を収容する隔離室２０Ａの内部は、密閉性を有し不活性ガスで充填される。

そして、原子力発電所において事故が発生すると、原子炉格納容器３０の内部雰囲気の温度及び圧力は上昇し、温度信号Ｔ及び圧力信号Ｐの少なくとも一方が閾値を超えたところで開放信号Ｓが出力されて開放手段（開放扉３５）が動作することになる。
ここで、開放信号Ｓの出力判定は、温度信号Ｔのみを検討する場合、圧力信号Ｐのみを検討する場合又は両者を検討する場合のいずれも取り得る。

このために、平時の原子力発電所において水素ガス検出器２１は、不活性ガスが充填された隔離室２０Ａの内部に収容されているために、劣化が抑制される。そして、原子力発電所において事故が発生した場合は、隔離室２０が開放されて水素ガス検出器２１が原子炉格納容器３０の内部雰囲気に晒されて水素濃度の測定が高精度に実施される。

水素ガス検出器２１Ａ（２１）は、図３（Ａ）に示すように、水素吸収材２４と基板２５とから構成される。
水素吸収材２４は、水素吸収能の大きな材料であり、例えば、Ｐｄ，Ｖ，Ｔｉの金属、あるいは、Ｐｄ−Ａｇ合金等の水素吸蔵合金等が使用される。

基板２５は、セラミックス、ガラス等の絶縁材料からなる板であり、その表面に水素吸収材２４が、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置等を用いて蒸着されている。
さらに、温度センサ２２が、基板２５の表面に接触して設けられ、水素ガス検出器２１の温度を測定する。
なお、図３において水素吸収材２４は、薄膜状の場合を示しているが、板状又は棒状の場合もある。

また、水素吸収材２４の両端には、その電気抵抗値Ｒを計測するためのケーブルが接続されている。図３（Ａ）においては、電気抵抗値Ｒの計測方法として４端子法が採用されているために、４本のケーブルが水素吸収材２４に接続され、それぞれのケーブルの反対端は、抵抗計測回路４１（図１）に接続されている。
抵抗計測回路４１は、公知のものが適用されるが、４端子法以外の電気抵抗値の計測方式（例えば、２端子法、ホイートストンブリッジ）が採用される場合は、それぞれの計測方式に適したものが適用される。

図１に示すように、水素濃度演算部４０は、この抵抗計測回路４１に加え、内部雰囲気の水素ガス分圧Ｐ_H2を導出する水素分圧導出部４３と、圧力センサ３２から内部雰囲気の全圧Ｐを取得する全圧取得部４２と、を有し、水素ガス分圧Ｐ_H2と全圧Ｐの比からその水素濃度を演算するものである。
水素分圧導出部４３は、抵抗計測回路４１により計測された水素吸収材２４の電気抵抗値Ｒと、温度センサ２２が出力する水素ガス検出器２１の温度Ｔ_dと、から水素ガス分圧Ｐ_H2を導出する。

ここでは、水素吸収材２４が水素ガスを吸収すると、その電気抵抗が増加する現象を利用している。水素ガス分圧Ｐ_H2における水素吸収材２４の電気抵抗値Ｒ、水素ガス分圧Ｐ_H2＝０（Ｐａ）における水素吸収材２４の電気抵抗Ｒ₀とすると、このＰ_H2とＲ／Ｒ₀との間に相関が存在する。さらに、この相関関係は水素吸収材２４の温度Ｔ_dに依存する。

このため、予め、Ｐ_H2、Ｒ／Ｒ₀、Ｔ_dの間の相関を求めておくことで、水素吸収材２４の電気抵抗値Ｒ及び温度Ｔ_dを計測することにより内部雰囲気の水素ガス分圧Ｐ_H2を導くことができる。さらに、この水素ガス分圧Ｐ_H2と全圧Ｐの比から内部雰囲気の水素濃度が演算される。
なお、内部雰囲気における湿度は、Ｐ_H2とＲ／Ｒ₀との相関にほとんど影響を与えないので、湿度の調整をしなくとも再現性の高い水素ガス分圧Ｐ_H2及び水素濃度が測定される。

次に、原子炉格納容器の水素濃度測定方法に関し一連の流れを説明する。
事故が発生すると、原子炉格納容器３０の内部雰囲気は、高温・高圧の水蒸気が充満し、燃料被覆管等に使用されているジルカロイ等と水が反応して水素が発生する。
温度センサ３１及び圧力センサ３２は、検出した温度信号Ｔ及び圧力信号Ｐを判定部３３に送る。そして、これら温度信号Ｔ及び／又は圧力信号Ｐが予め定められた閾値を超えた場合、隔離室２０が図２のように開放して、水素ガス検出器２１が原子炉格納容器３０の内部雰囲気に晒される。なお、中央制御室３４から手動信号Ｍを送信することにより隔離室２０を開放させることもできる。

抵抗計測回路４１は、内部雰囲気の水素ガスを吸収して増加する水素吸収材２４の電気抵抗値Ｒを計測する。この水素吸収材２４の電気抵抗値Ｒとともに、温度センサ２２により計測された水素吸収材２４の温度Ｔ_dが水素分圧導出部４３に送信されて、内部雰囲気の水素ガス分圧Ｐ_H2が導かれる。

一方において、全圧取得部４２において、内部雰囲気の全圧Ｐが逐次的に取得されている。水素濃度演算部４０では、取得した水素ガス分圧Ｐ_H2及び全圧Ｐの比から内部雰囲気の水素濃度を演算する。そして、この演算された水素濃度は、モニタ（図示略）に表示され、監視されることになる。

次に、水素ガス検出器２１の変形例を説明する。
図３（Ｂ）に示す水素ガス検出器２１Ｂ（２１）は、水素吸収材２４に水晶振動子２６を設けることにより、この水晶振動子２６の共振周波数ｆに基づいて原子炉格納容器における内部雰囲の気水素ガスを検出することができる。

つまり、図３（Ａ）においては、水素吸収材２４の電気抵抗値Ｒの変化から内部雰囲気の水素ガス分圧Ｐ_H2を導いたが、図３（Ｂ）においては、水素吸収材２４の重量変化に伴って変化する水晶振動子２６の共振周波数ｆから水素ガス分圧Ｐ_H2を導く。
なお、図３（Ｂ）において図３（Ａ）と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

水晶振動子２６は一対の電極２７により両側から挟まれている。水素吸収材２４は、焼結、圧着、溶射、接着等により絶縁部材２８の表面に接合されている。また水素ガス検出器２１の温度を測定する温度センサ２２が、絶縁部材２８の表面に接触して設けられている。

電極２７にはケーブルが接続され、それぞれのケーブルの反対端は、図１に示すように、共振周波数計測回路４６に接続されている。
水素分圧導出部４３は、共振周波数計測回路４６により計測された水晶振動子２６の共振周波数ｆと、温度センサ２２が出力する水素ガス検出器２１の温度Ｔ_dと、から水素ガス分圧Ｐ_H2を導出する。

ここでは、水素吸収材２４が水素ガスを吸収すると重量が増加し、水晶振動子２６の共振周波数ｆが減少する現象を利用している。水素ガス分圧Ｐ_H2における水晶振動子２６の共振周波数ｆ、水素ガス分圧Ｐ_H2＝０（Ｐａ）における水晶振動子２６の共振周波数ｆ₀とすると、このＰ_H2とｆ−ｆ₀との間に相関が存在する。さらに、この相関関係は水素吸収材２４の温度Ｔ_dに依存する。

このため、予め、Ｐ_H2、ｆ−ｆ₀、Ｔ_dの間の相関を求めておくことで、水晶振動子２６の共振周波数ｆ及び温度Ｔ_dを計測することにより内部雰囲気の水素ガス分圧Ｐ_H2を導くことができる。さらに、この水素ガス分圧Ｐ_H2と全圧Ｐの比から内部雰囲気の水素濃度が演算される。
なお、内部雰囲気における湿度は、Ｐ_H2とｆ−ｆ₀との相関にほとんど影響を与えないので、湿度の調整をしなくとも再現性の高い水素ガス分圧Ｐ_H2及び水素濃度が測定される。

また、図３に示される水素ガス検出器２１は、例示であって、原子炉格納容器３０の内部雰囲気の水素濃度測定に寄与できるものであれば、これら具体例に限定されることなく適宜採用される。

（第２実施形態）
図４に示すように第２実施形態の水素濃度測定装置１０においては、水素ガス検出器２１の出力信号は、電波により隔離室２０の外部に伝搬する。
なお、図４において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

第２実施形態においては、図３に示される抵抗計測回路４１又は共振周波数計測回路４６といった信号処理回路もしくは温度センサ２２の信号処理回路が隔離室２０に配置されている。そして、これら信号処理回路の出力信号（電気抵抗値Ｒ、共振周波数ｆ、温度Ｔ_d）は、発信機４４で電波に乗せられて、原子炉格納容器３０の外側に出力される。

電波に乗せられた出力信号（電気抵抗値Ｒ、共振周波数ｆ、温度Ｔ_d）は、水素濃度演算部４０の受信機４５で受信され、水素分圧導出部４３において水素ガス分圧Ｐ_H2が導かれ、全圧Ｐとの比から水素濃度が演算される。

第２実施形態において、電波により隔離室２０の外部に伝搬する出力信号として、電気抵抗値Ｒ、共振周波数ｆ、温度Ｔ_dを例示したが、このうち共振周波数ｆにおいて好ましい伝播性能が得られる。

（第３実施形態）
図５に示すように第３実施形態の水素濃度測定装置１０は、隔離室２０Ｃは、原子炉格納容器３０の外側に設けられ、この隔離室２０Ｃ及び原子炉格納容器３０の連通路３６に開放手段（開放弁３７）が設けられている。
なお、図５において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

隔離室２０Ｃ（２０）の内部は、不活性ガスに置換され、接続されるポンプ２３により原子炉格納容器３０の内部雰囲気よりも負圧に設定されている。これにより、開放信号Ｓに基づいて開放弁３７が開放すると、原子炉格納容器３０の内部雰囲気が隔離室２０Ｃに内部侵入し、水素濃度測定が実施される。
また、開放弁３７として、所定温度を超えたところで自動開放する溶融弁を用いることができる。さらに、第３実施形態において、水素ガス検出器２１の出力信号を電波により隔離室２０の外部に伝搬させる第２実施形態を複合させることも可能である。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の原子炉格納容器の水素濃度測定装置によれば、内部雰囲気のサンプリングや測定条件の調整作業が不要で、さらに水素ガス検出器の劣化が抑制されるといった特徴を持ち、事故が発生したときに原子炉格納容器の水素濃度測定が確実かつ簡便に実施される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…水素濃度測定装置、２０（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）…隔離室、２１（２１Ａ，２１Ｂ）…水素ガス検出器、２２…温度センサ、２３…ポンプ、２４…水素吸収材、２５…基板、２６…水晶振動子、２７…電極、２８…絶縁部材、３０…原子炉格納容器、３１…温度センサ、３２…圧力センサ、３３…判定部、３４…中央制御室、３５…開放扉、３６…連通路、３７…開放弁、３８…圧力抑制室、４０…水素濃度演算部、４１…抵抗計測回路、４２…全圧取得部、４３…水素分圧導出部、４４…発信機、４５…受信機、４６…共振周波数計測回路。

Claims

原子炉格納容器の内部雰囲気から隔離して設けられた隔離室と、
前記隔離室の内部に設けられた水素ガス検出器と、
前記隔離室の内部を前記原子炉格納容器の内部雰囲気に開放する開放手段と、を備えることを特徴とする原子炉格納容器の水素濃度測定装置。
請求項１に記載の水素濃度測定装置において、
前記隔離室の内部は、不活性ガスが充填されるか又は原子炉格納容器の内部雰囲気よりも負圧に設定されることを特徴とする原子炉格納容器の水素濃度測定装置。
請求項１又は請求項２に記載の水素濃度測定装置において、
前記隔離室は、原子炉格納容器の内側に設けられ、
前記開放手段は、前記隔離室の一部を構成する開放扉であることを特徴とする原子炉格納容器の水素濃度測定装置。
請求項１又は請求項２に記載の水素濃度測定装置において、
前記隔離室は、原子炉格納容器の外側に設けられ、
前記開放手段は、前記隔離室及び前記原子炉格納容器の連通路に設けられる開放弁であることを特徴とする原子炉格納容器の水素濃度測定装置。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の水素濃度測定装置において、
原子炉格納容器の内部雰囲気の温度信号及び圧力信号の少なくとも一方に基づいて前記開放手段が動作することを特徴とする原子炉格納容器の水素濃度測定装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水素濃度測定装置において、
前記水素ガス検出器は、水素吸収材の電気抵抗値に基づいて原子炉格納容器の内部雰囲気における水素ガスを検出することを特徴とする原子炉格納容器の水素濃度測定装置。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の水素濃度測定装置において、
前記水素ガス検出器は、水素吸収材に設けられた水晶振動子の共振周波数に基づいて原子炉格納容器の内部雰囲気における水素ガスを検出することを特徴とする原子炉格納容器の水素濃度測定装置。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の水素濃度測定装置において、
前記水素ガス検出器の出力信号は、電波により前記隔離室の外部に伝搬することを特徴とする原子炉格納容器の水素濃度測定装置。
原子炉格納容器の内部雰囲気から隔離した隔離室を設け、
前記隔離室の内部に水素ガス検出器を設け、
前記隔離室の内部を前記原子炉格納容器の内部雰囲気に開放して水素ガスを検出することを特徴とする原子炉格納容器の水素濃度測定方法。