JP2013137236A

JP2013137236A - 水位計測装置

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Publication number: JP2013137236A
Application number: JP2011288274A
Authority: JP
Inventors: Makoto Takemura; 真竹村; Hidehiko Kuroda; 英彦黒田; Osamu Kawakami; 修川上; Yuka Takada; 夕佳高田; Fujio Shiraishi; 藤雄白石
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP5802550B2

Abstract

【課題】炉心の出力分布の影響を受けず、また、原子炉が停止しても炉内の冷却水の水位を測定できる水位計測装置を提供する。
【解決手段】水位計測装置１０Ａは、ガンマ線により発熱し、原子炉圧力容器２内に、原子炉の高さ方向が軸となるように設置される発熱体１１と、発熱体を加熱するヒータ１２と、個々の高さが発熱体より短く、発熱体の外周面を覆って設置される複数の断熱体１３と、断熱体に囲まれる断熱部分および囲まれていない非断熱部分にそれぞれ設定される測温点Ｔ１および測温点Ｔ２の温度差を計測する温度差計測要素１４を複数有し、各測温点は、それぞれ異なる高さに設定される温度差計測部１５と、得られた複数の温度差に基づき、炉心の軸方向出力分布を算出する軸方向出力分布測定部１６と、得られた軸方向出力分布および複数の温度差に基づき、炉内の水位を判定する水位判定部１７を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水位計測装置に関する。

原子炉内の水位を測定する技術としては、差圧式の水位計や、例えば、特開平１０−３９０８３号公報（特許文献１）に記載されるような炉内の出力を測定するガンマサーモメータを用いた水位計がある。

特開平１０−３９０８３号公報

しかしながら、炉心内では炉心方向などに出力分布を持つため、特許文献１に記載される水位計等の従来の水位計測装置では、各測定位置でのガンマサーモメータからの出力が炉心の出力ともに変動してしまい、適切な水位計測結果を得られない場合が生じ得る。また、事故などで原子炉が停止した場合においても、計測に必要なガンマ線量が得られず、適切な水位計測結果を得られない場合が生じ得る。

本発明は、上述した課題を考慮してなされたものであり、炉心の出力に分布があっても、当該出力分布の影響を受けずに原子炉（原子炉圧力容器）内の冷却水の水位を測定することができ、また、原子炉が停止した場合であっても原子炉（原子炉圧力容器）内の冷却水の水位を測定することができる水位計測装置を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る水位計測装置は、上述した課題を解決するため、ガンマ線によって発熱し、原子炉の炉心を内蔵する原子炉圧力容器内に、前記原子炉の高さ方向が軸となるように設置される発熱体と、前記発熱体を加熱するヒータと、個々の高さが前記発熱体の高さよりも短い高さであり、前記発熱体の外周面を覆って設置される複数の断熱体と、前記発熱体が前記断熱体に囲まれる断熱部分に設定される第１の測温点と前記発熱体が前記断熱体に囲まれていない非断熱部分に設定される第２の測温点との温度差を計測する温度差計測要素を有し、各温度差計測要素の前記第１の測温点および前記第２の測温点の各々がそれぞれ異なる高さに設定される温度計測部と、前記温度計測部が測定して得た複数の温度差に基づいて、前記炉心の軸方向における出力分布を算出する軸方向出力分布測定部と、軸方向出力分布測定部が算出して得た出力分布および前記温度差計測部が得た複数の温度差に基づいて、前記原子炉圧力容器内の水位を判定する水位判定部と、を具備する。

本発明によれば、炉心出力分布の影響を受けずに原子炉圧力容器内の冷却水の水位を測定することができ、また、原子炉が停止した場合であっても原子炉圧力容器内の冷却水の水位を測定することができる。

本発明の第１の実施形態に係る水位計測装置の構成例を示した概略図。本発明の第２の実施形態に係る水位計測装置の構成例を示した概略図。本発明の第３の実施形態に係る水位計測装置の構成例を示した概略図。

以下、添付の図面を参照し、本発明の実施形態に係る水位計測装置について説明する。なお、以下の説明は、本発明の実施形態に係る水位計測装置を原子炉における原子炉圧力容器内の水位計測に適用した例である。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る水位計測装置の一例である第１の水位計測装置１０Ａの構成例を示した概略図である。

図１に示される第１の水位計測装置１０Ａは、原子炉の炉心１を内蔵する原子炉圧力容器２の内部の水位計測に適用した例である。第１の水位計測装置１０Ａは、発熱体１１と、発熱体１１を加熱するヒータ１２と、断熱体１３と、二つの測温点の温度差を計測する温度差計測要素１４を複数有する温度差計測部１５と、炉心の軸方向出力分布を算出する軸方向出力分布測定部１６と、の水位を判定する水位判定部１７と、ヒータ１２の入切状態（オンオフ）を制御するヒータ制御部１８を具備する。

発熱体１１は、γ（ガンマ）線によって発熱し、原子炉の炉心１を内蔵する原子炉圧力容器２の内部に設置される。また、発熱体１１は、温度差計測部１５を収容するケーシングとしての役割を果たしており、発熱体１１の一例としては、ステンレス等の材料が適用される。

ヒータ１２は、第１のヒータ制御部１８ａとオンオフ制御可能に接続されたヒータ線２１を有し、ヒータ線２１を発熱させること、発熱体１１を加熱する。第１の水位計測装置１０Ａによる水位計測では、必要時にスイッチをオン（入）することによって、発熱体１１を加熱することができる。

なお、ヒータ１２は、少なくとも必要時において発熱体１１を加熱することができる限り、設置数は任意である。すなわち、個々の発熱体１１毎に１台が設置されても良いし、１台のヒータ１２で全ての発熱体１１を加熱可能に構成しても良い。また、１つの発熱体１１に対して、高さを変えて配置した複数台のヒータ１２を設置し、個別にオンオフ（入切）を切替自在に構成しても良い。

断熱体１３は、高さ方向において、発熱体１１の一部を囲うように設置される。すなわち、断熱体１３は、個々の高さが発熱体１１よりも短く、発熱体１１の外周面を覆って設置される。断熱体１３は、一つの発熱体１１に対して、少なくとも複数個が設置される。

温度差計測要素１４は、第１の測温点Ｔ１および第２の測温点Ｔ２の温度差を計測する機能を有する。ここで、第１の測温点Ｔ１は、発熱体１１の内部であって、断熱体１３に囲まれた空間（以下、「断熱部分」と称する。）に設定される測温点であり、第２の測温点Ｔ２は、断熱体１３に囲まれていない空間（以下、「非断熱部分」と称する。）に設定される測温点である。温度差計測要素１４の一例としては、例えば、熱電対や測温抵抗体など温度計測要素を２つ１組にして構成した温度計測要素の対（ペア）や差動式熱電対などが適用できる。

温度差計測部１５は、第１の測温点Ｔ１および第２の測温点Ｔ２の温度差を計測する機能を有する温度差計測要素１４を複数個備えて構成される。温度差計測部１５に設定される個々の測温点（各温度差計測要素１４の第１の測温点Ｔ１および第２の測温点Ｔ２）は、それぞれ、異なる高さに設定される。また、温度差計測部１５は、例えば、炉心１等の原子炉圧力容器２の内部の配置可能な所望の位置に少なくとも一つ以上が配置される。

また、温度差計測部１５は、信号線２２を介して軸方向出力分布測定部１６および水位判定部１７と接続されており、各温度差計測要素１４から得た温度差の計測結果を、信号線２２を介して接続される軸方向出力分布測定部１６および水位判定部１７へ与える。

軸方向出力分布測定部１６は、温度差計測部１５から受け取った複数の温度差の計測結果に基づいて、炉心１の軸方向における出力分布（軸方向出力分布）を算出する。軸方向出力分布測定部１６は、温度差計測部１５から受け取った複数の温度差の計測結果に基づいて、炉心１の軸方向出力分布を算出すると、算出した軸方向出力分布を伝送可能に接続される水位判定部１７へ与える。

水位判定部１７は、温度差計測部１５から受け取った各温度差計測要素１４の温度差の計測結果と、軸方向出力分布測定部１６から受け取った軸方向出力分布とに基づき、原子炉圧力容器２の内部の冷却材（冷却水）の水位を判定する。

ヒータ制御部１８は、スクラム信号が伝送されるスクラム信号線１９と接続され、スクラム信号線１９を伝送するスクラム信号の有無に基づいてヒータ１２の入切状態（オンオフ）を制御する第１のヒータ制御部１８ａを備える。

このように構成される第１の水位計測装置１０Ａでは、炉心１からのγ（ガンマ）線により発熱体１１が発熱する。発熱体１１が発熱することで生じた熱量は、周囲に除熱されるが、断熱体１３に囲まれた断熱部分は温度が上昇する。すなわち、断熱部分と非断熱部分とでは温度差が生じる。

断熱部分と非断熱部分との温度差は、温度差計測部１５によって測定される。断熱部分と非断熱部分との温度差を測定することで、ガンマ線の量がわかるので、当該ガンマ線の量に基づいて温度差計測場所での炉心１の出力を測定できる。

また、第１の水位計測装置１０Ａでは、原子炉の高さ方向に、複数の断熱体１３と温度差測定部１５が設けられており、複数の温度差計測場所での炉心１の出力を測定できるので、炉心軸方向の出力分布が測定できる。

例えば、現在、水位が炉心１の上端より下がり、一部の燃料が露出しているとした場合、水がない部分の反応度は低下し、原子炉の出力は低下する。原子炉の出力低下が生じると、炉心１の軸方向出力分布が変化し、炉心１の水面に近い位置での出力が低下するため、軸方向出力分布の変化を水位判定部１７で評価することにより、水位を判定できる。

また、発熱体１１および断熱体１３の周囲が水で覆われている場合と気体で覆われている場合を比較すると、水の方が気体よりも除熱能力が高い。このため、発熱体１１および断熱体１３の周囲が水で覆われている場合と気体で覆われている場合とでは温度差が異なり、水の場合には温度差が低くなる。この温度差の生じ方の違いを、温度差測定部１５で測定し、水位判定部１７で評価することによって、周囲が水か気体（空気）かを特定することができる。

さらに、事故時には、原子炉はスクラム（原子炉緊急停止）により停止するため、出力が低く発熱量が少なくなる。そこで、第１の水位計測装置１０Ａでは、スクラム時になると、第１のヒータ制御部１８ａがスクラムを示すスクラム信号に基づいてヒータ１２の電源を入れ発熱体１１の加熱を開始する。第１の水位計測装置１０Ａでは、スクラム時においても、ヒータ１２によって発熱体１１を加熱することができるので、水位判定部１７で水位を判定することができる。

第１の水位計測装置１０Ａによれば、発熱体１１またはヒータ１２からの熱量の移動を温度差測定部１５によって測定し、温度差測定部１５の測定結果を、軸方向出力分布測定部１６および水位判定部１７で評価することにより、炉心１の出力分布の影響を受けずに原子炉圧力容器２の内部の水位を計測することができる。また、第１の水位計測装置１０Ａでは、原子炉が停止した場合であっても、ヒータ１２によって発熱体１１を加熱することができるので、原子炉圧力容器２の内部の水位を測定することができる。

なお、第１の水位計測装置１０Ａは、図１に示される第１の水位計測装置１０Ａそのものに限定されない。図１に示される例以外にも、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行なうことができる。

例えば、第１の水位計測装置１０Ａでは、必ずしも、複数ある温度差測定要素１４および複数ある断熱体１３の全てが、炉心１の下端よりも上方に設置されている必要はなく、複数ある温度差測定要素１４のうちの一部数量および複数ある断熱体１３のうちの一部数量が、炉心１の下端よりも下方に設置される場合があっても良い。

そして、複数ある温度差測定要素１４のうちの一部数量および複数ある断熱体１３のうちの一部数量が炉心１より下方に設置される場合、温度差測定要素１４は絶対温度を測定する温度測定要素でも良く、この温度差測定要素１４によって測温する両測温点は何れも非断熱部に設定されていても良い。また、炉心１より下方に設置された温度差測定要素１４からの信号については、必ずしも軸方向出力分布測定部１６へ与えられる必要はない。すなわち、炉心１より下方に設置された温度差測定要素１４と軸方向出力分布測定部１６とが信号線２２で接続されていなくても良い。

また、第１の水位計測装置１０Ａにおいて、発熱体１１、ヒータ１２、断熱体１３および温度差測定部１５の設置場所は、必ずしも、炉心１の内部（半径方向における中心側）である必要はなく、炉心１と原子炉格納圧力容器２の炉壁との間に設置されていても良い。さらに、第１の水位計測装置１０Ａにおいて、ヒータ線２１および信号線２２を、原子炉格納圧力容器２の側壁（側面）や上蓋（上面）から取り出す構成としても良い。

［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態に係る水位計測装置の一例である第２の水位計測装置１０Ｂの構成例を示した概略図である。

図２に示される第２の水位計測装置１０Ｂは、図１に示される第１の水位計測装置１０Ａに対して、水位レベルセンサ２５から取得する水位情報に基づいて、ヒータ１２の入切（オンオフ）状態を切替制御する第２のヒータ制御部１８ｂをさらに具備する点で相違する。そこで、本実施形態の説明では、第２のヒータ制御部１８ｂを中心に説明し、同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。

第２の水位計測装置１０Ｂは、発熱体１１と、ヒータ１２と、断熱体１３と、温度差計測要素１４を複数有する温度差計測部１５と、軸方向出力分布測定部１６と、水位判定部１７と、第１のヒータ制御部１８ａと、原子炉圧力容器２の内側の側壁表面に高さを変えて複数設置され、設置された高さに冷却水が存在するか否かを検知する水位レベルセンサ２５の各々から冷却水の存否を示す水位情報に基づいて、ヒータ１２の入切（オンオフ）状態を切替制御する第２のヒータ制御部１８ｂを具備する。第２の水位計測装置１０Ｂの第１のヒータ制御部１８ａおよび第２のヒータ制御部１８ｂは、例えば、ヒータ制御部１８として一体的に構成される。

このように構成される第２の水位計測装置１０Ｂでは、水位レベルセンサ２５が取得した冷却水の存否を示す水位情報としての信号に基づいて、原子炉圧力容器２の内部における冷却水の水面が存在する範囲（水位）を第２のヒータ制御部１８ｂが判断し、判断した冷却水の水位（高さ）に応じて、第２のヒータ制御部１８ｂが加熱するヒータ１２を決定する。その他の点は、第１の水位計測装置１０Ａと同様である。

第２の水位計測装置１０Ｂによれば、第１の水位計測装置１０Ａと同様の効果を奏するのに加え、原子炉圧力容器２の内部における冷却水の水位に応じて、発熱体１１の加熱に使用するヒータ１２を調整（制限）することができる。すなわち、発熱体１１の加熱に使用するヒータ１２を制限可能に第２の水位計測装置１０Ｂを構成することによって、第１の水位計測装置１０Ａよりも少ない電力で原子炉圧力容器２の内部における冷却水の水位を測定することができる。

なお、図２に示される第２の水位計測装置１０Ｂは、第１のヒータ制御部１８ａおよび第２のヒータ制御部１８ｂの一例として、第１のヒータ制御部１８ａと第２のヒータ制御部１８ｂとが一体的に構成されたヒータ制御部１８を具備しているが、第１のヒータ制御部１８ａおよび第２のヒータ制御部１８ｂは、それぞれ、個別に構成されても良い。

また、第２の水位計測装置１０Ｂは、第１の水位計測装置１０Ａに対して、第２のヒータ制御部１８ｂを具備すると説明したが、第１のヒータ制御部１８ａを必ずしも具備していなくても良い。すなわち、発熱体１１と、ヒータ１２と、断熱体１３と、温度差計測要素１４を複数有する温度差計測部１５と、軸方向出力分布測定部１６と、水位判定部１７と、第２のヒータ制御部１８ｂを具備する第２の水位計測装置１０Ｂを構成することもできる。

［第３の実施形態］
図３は本発明の第３の実施形態に係る水位計測装置の一例である第３の水位計測装置１０Ｃの構成例を示した概略図である。なお、図３では、第３の水位計測装置１０Ｃの温度差測定部１５から先の構成（軸方向出力分布測定部１６、水位判定部１７およびヒータ制御部１８）が他の水位計測装置１０Ａ，１０Ｂと実質的に同様である点に鑑み、当該構成を省略している。

図３に示される第３の水位計測装置１０Ｃは、第１の水位計測装置１０Ａに対し、原子炉圧力容器２の内部において設置される断熱体１３、温度差測定要素１４および温度差測定部１５の少なくともいずれかの設置個数が、炉心１の中心から半径方向の位置に応じて、異なる点で相違する。そこで、本実施形態の説明では、第３の水位計測装置１０Ｃにおいて適用される断熱体１３、温度差測定要素１４および温度差測定部１５の配置方法を中心に説明し、第１の水位計測装置１０Ａと同じ構成要素については同じ符号を付して説明を省略する。

第３の水位計測装置１０Ｃでは、炉心１が高温となり損傷する場合、中心部から損傷する点に鑑みて、炉心１の中心部付近において、発熱体１３に収容される温度差測定部１５の設置数を少なく（疎に）、中心部よりも半径方向の外側に位置する周囲部に中心部付近よりも多く（密に）設置する。

また、一つの温度差測定部１５に着目すると、周囲部に配置された温度差測定部１５ｂは、中心部に配置された温度差測定部１５ａに対して、高さ方向に配置される断熱体１３と温度差測定要素１４の個数が多く設定される。

このように構成される第３の水位計測装置１０Ｃでは、炉心１が高温となり中心部から損傷が進展したとしても、中心部よりも損傷しにくい周囲部に多く温度差測定部１５（１５ｂ）を配置しているので、損傷を受けていない温度差測定部１５をより多く残すことができる。

第３の水位計測装置１０Ｃによれば、中心部よりも損傷しにくい周囲部に多く温度差測定部１５（１５ｂ）を配置しているので、中心部と周囲部とで密度（個数）差を設定することなく均等に温度差測定部１５が配置される第１，２の水位計測装置１０Ａ，１０Ｂよりも、損傷を受けていない温度差測定部１５をより多く残すことができ、より長時間にわたって原子炉圧力容器２の内部における冷却水の水位を測定することができる。

なお、図３に示される第３の水位計測装置１０Ｃは、第１の水位計測装置１０Ａに対して、炉心１の中心から半径方向の位置に応じて断熱体１３、温度差測定部１５および水位判定部１７の少なくともいずれかの設置個数が異なるように設定される例であるが、第２の水位計測装置１０Ｂに対して、炉心１の中心から半径方向の位置に応じて断熱体１３、温度差測定部１５および水位判定部１７の少なくともいずれかの設置個数が異なるように設定した第３の水位計測装置１０Ｃを構成することもできる。

以上、第１〜３の水位計測装置１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃによれば、発熱体１１またはヒータ１２からの熱量の移動を温度差測定部１５によって測定し、温度差測定部１５の測定結果を、軸方向出力分布測定部１６および水位判定部１７で評価することにより、炉心１の出力分布の影響を受けずに原子炉圧力容器内の水位を測定することができる。また、原子炉が停止した場合であっても、ヒータ１２によって発熱体１１を加熱することができるので、原子炉圧力容器２の内部における水位を測定することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施す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、追加、置き換え、変更を行なうことができる。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ともに、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。

１炉心
２原子炉圧力容器
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ水位計測装置
１１発熱体
１２ヒータ
１３断熱体
１４温度差計測要素
１５温度差計測部
１６軸方向出力分布測定部
１７水位判定部
１８ヒータ制御部
１８ａ第１のヒータ制御部
１８ｂ第２のヒータ制御部
１９スクラム信号線
２１ヒータ線
２２信号線
２５水位レベルセンサ
Ｔ１第１の測温点
Ｔ２第２の測温点

Claims

ガンマ線によって発熱し、原子炉の炉心を内蔵する原子炉圧力容器内に、前記原子炉の高さ方向が軸となるように設置される発熱体と、
前記発熱体を加熱するヒータと、
個々の高さが前記発熱体の高さよりも短い高さであり、前記発熱体の外周面を覆って設置される複数の断熱体と、
前記発熱体が前記断熱体に囲まれる断熱部分に設定される第１の測温点と前記発熱体が前記断熱体に囲まれていない非断熱部分に設定される第２の測温点との温度差を計測する温度差計測要素を有し、各温度差計測要素の前記第１の測温点および前記第２の測温点の各々がそれぞれ異なる高さに設定される温度計測部と、
前記温度計測部が測定して得た複数の温度差に基づいて、前記炉心の軸方向における出力分布を算出する軸方向出力分布測定部と、
軸方向出力分布測定部が算出して得た出力分布および前記温度差計測部が得た複数の温度差に基づいて、前記原子炉圧力容器内の水位を判定する水位判定部と、を具備することを特徴とする水位計測装置。
スクラム信号を検出した場合に前記ヒータのスイッチをオンに切替制御する第１のヒータ制御部をさらに具備する請求項１記載の水位計測装置。
前記原子炉圧力容器内の側壁表面に異なる高さで複数設置される水位レベルセンサの各々から得られる水位レベル信号に基づいて、前記ヒータのスイッチをオンに切替制御する第２のヒータ制御部をさらに具備することを特徴とする請求項１または２記載の水位計測装置。
前記温度差計測要素、前記温度差計測部および前記断熱体の少なくともいずれかの設置個数は、前記炉心の中心から半径方向の位置に応じて、異なることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の水位計測装置。
前記温度差計測要素、前記温度差計測部および前記断熱体の少なくともいずれかの配置は、前記炉心の中心部に比べて当該中心部を囲む周囲部が密となる配置であることを特徴とする請求項４記載の水位計測装置。