JP2013140150A - 原子炉炉心状態を監視するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉炉心状態を監視するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】温度センサアレイ１００は、原子炉の計装管内の取付け用の異なる位置にいくつかの温度センサ１１０を含む。温度センサは、原子炉の複数の軸方向位置における温度を測定し、プラント作業員は、この測定データにアクセスし、解釈することができる。炉心流体レベルをより直接的に特定することを可能にするために、温度センサは、容器冷却材沸騰若しくは損失、及び／又は燃料損傷と関連する温度を検出することができる。複数の温度センサアレイは、複数の炉心位置において容器流体レベル及び状態を測定することを可能にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度センサアレイおよび該アレイを含む原子炉に関する。

図１は、例示的な実施形態及び例示的な方法とともに使用できる、従来の原子炉圧力容器１０の図である。原子炉圧力容器１０は、例えば、世界中で発電用に従来から使用されている、１００＋ＭＷｅ商用軽水型原子炉とすることができる。原子炉圧力容器１０は、従来から、放射能を含むのに役立つ格納構造物４１１内に含まれている。ドライウェル２０を含む１次格納施設４１１として知られる、原子炉容器１０を取り囲む建屋は、ポンプ、ドレン、制御棒駆動装置などの、容器に役立つ装置を収容するのに役立つ。

図１に示し、本明細書に規定するように、少なくとも１つの計装管５０は、核燃料を含む炉心１５を有する容器１０内に延びる。従来の原子炉内に存在し、本明細書に規定するように、計装管は、容器１０内では囲まれ、容器１０外では開放され、容器１０の外部から炉心１５の近傍の位置に空間的に接近するのを可能にするが、計装管５０によって依然として原子炉及び炉心の内部から物理的に隔離している。計装管５０は、ほぼ円筒形で、容器１０の高さとともに拡がる可能性があるが、この業界では、他の計装管形状に一般に出くわす。

従来から、計装管５０は、ドライウェル２０の下端の開口部を通して中性子検出器を計装管５０内に挿入することを可能にする。これらの検出器は、所望の軸方向位置において炉心１５内の中性子束を監視するために計装管５０を通って上方に延びる。従来のモニタのタイプの例には、広領域検出器（ＷＲＮＭ）、中性子源領域モニタ（ＳＲＭ）、中間領域モニタ（ＩＲＭ）、及び／又は局部出力領域モニタ（ＬＰＲＭ）が含まれる。それに加えて、容器１０が絶えず液水で満たされた加圧水型原子炉では、蒸気発生器用の、原子炉を出る液体の出口温度を監視するために、炉心出口熱電対（ＣＥＴ）と呼ばれる熱電対モニタを計装管５０の頂部に挿入することができる。

図１に示すように、容器１０は、炉心１５から隔離した環状空間内に降水管領域３０を含むことができ、流体減速材及び／又は冷却材は、再循環ループから入り、降水管領域３０を通って炉心１５内の底部入口点まで下方に流れることができる。従来から、降水管領域３０には、降水管領域３０の特定のレベルに存在する液体の測定を可能にする１つ又は複数の液体センサが取り付けられている。炉心１５及び降水管領域３０は流体連通しているので、プラント作業員は、降水管領域３０の液体レベルを測定することにより、炉心１５の対応する流体レベルを近似的に求めることができる。降水管領域３０の液体レベルからのこの測定値は、原子炉１０を適切に運転し、及び／又は、炉心１５の流体レベルの喪失が問題となる過渡状態に応答するために使用することができる。

例示的な実施形態は、１つ又は複数の温度センサアレイにより原子炉を監視するための方法及びシステムを含む。例示的な実施形態の温度センサアレイは、原子炉の計装管内のいくつかの軸方向位置における温度を測定するために軸に沿って延びる複数の温度センサを含む。したがって、例示的な実施形態は、計装管及び運転中の原子炉環境への挿入に適合する材料から成形され、寸法を決定され、組み立てられる。例示的な実施形態のアレイは、いくつかの異なる物理的構成で作成することができ、全ての温度センサ及びデータ出力用のそれらのリードを接合する棒を含むことができる。温度センサは、自己出力熱電対、又はそのそれぞれの軸方向位置における温度を特定することができる他のタイプのセンサとすることができる。このように、１つ又は複数の炉心位置における冷却材レベルを測定するために、冷却材の欠乏又は炉心の露出と関連する温度を、いくつかの軸方向位置において検出することができる。例示的な実施形態は、計装管が存在し、温度を冷却材及び／又は減速材のレベルと関連付けることができる任意の原子炉で使用できる。

例示的な方法は、関連する原子炉内の軸方向温度の監視を可能にするために、計装管内に複数の温度センサを取り付けるステップを含む。例示的な方法では、２つ以上の計装管を使用することができ、その結果、いくつかの炉心位置における軸方向温度プロファイルを測定することができる。その際、測定温度は、冷却材の欠乏状態又は通常の炉心流体レベルに関連付けることができる。プラント作業員は、原子炉を運転し、又は、特定された炉心レベルを使用して過渡状態に応答することができる。

例示的な実施形態は、同様の要素を同様の参照番号で表す添付の図面を詳細に説明することにより、より明らかになるが、これらの図面は、例示の目的だけで提供され、したがって、それらが表す用語を限定するものではない。

従来の商用原子炉の図である。 例示的な実施形態の温度センサアレイの図である。 例示的な実施形態の温度センサアレイを使用する、例示的な実施形態の原子炉の図である。

本明細書は、特許文書であり、これを読み取り、理解する際、構成に関する一般的な広義の規則を適用すべきである。この文書に説明し、図示する全てのものは、添付の特許請求の範囲の範囲内にある対象の例である。本明細書に開示するいかなる特定の構造的及び機能的な詳細も、例示的な実施形態を作成及び使用する方法を説明するためのものにすぎない。本明細書に具体的には開示しない、いくつかの異なる実施形態は、特許請求の範囲の範囲内にあり、したがって、特許請求の範囲は、多くの代替的な形態で実施することができ、本明細書に説明する例示的な実施形態のみに限定されるものと解釈すべきでない。

用語第１、第２などは、様々な要素を説明するために本明細書に使用する可能性があるが、これらの要素を、これらの用語により限定すべきでないことが理解されよう。これらの用語は、ある要素を別の要素と区別するために使用するにすぎない。例えば、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書に使用するように、用語「及び／又は」は、１つ又は複数の関連する記載項目の任意の組合せ及び全ての組合せを含む。

ある要素を別の要素に「接続される」、「結合される」、「接合される」、「付着される」、又は「固定される」というとき、ある要素を他の要素に直接接続又は結合するか、又は、介在する要素が存在する可能性があることが理解されよう。それとは対照的に、ある要素を別の要素に「直接接続」又は「直接結合」するというとき、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するのに使用する他の語を、同様に（例えば、「間に」に対する「間に直接」、「隣接して」に対する「直接隣接して」など）、解釈すべきである。同様に、「通信可能に接続する」などの用語は、無線又は有線で接続された、中継装置、ネットワークなどを含めて、２つの装置間の情報交換ルートの全ての変形形態を含む。

本明細書に使用するように、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、言語が別途「のみ」、「単一の」、及び／又は「１つの」などの語ではっきりと示さなければ、単数形及び複数形の両方を含むものとする。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び／又は「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、本明細書に使用する際、特定の特徴、ステップ、動作、要素、アイディア、及び／又は部品の存在を明確化するが、それ自体、１つ又は複数の他の特徴、ステップ、動作、要素、部品、アイディア、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外しないことがさらに理解されよう。

以下に説明する構造及び動作は、説明し、及び／又は図に示した順序通りに起こらない可能性があることにも留意されたい。例えば、連続的に示す２つの動作及び／又は図は、実際は、同時に実施される場合があり、又は、時として、含まれる機能／動作に応じて逆の順序で実施される場合がある。同様に、以下に説明する例示的な方法内の個々の動作は、以下に説明する単一の動作を除いて、動作のループ化又は他の連続する動作を提供するために、反復的に、単独で、又は連続して実行することができる。機能し得る任意の組合せにおいて、以下に説明する特徴及び機能を有するいかなる実施形態も、例示的な実施形態の範囲内にあるものとみなすべきである。

図１に示す原子炉１０の炉心１５などの炉心内の冷却材レベルは、原子炉運転及び過渡状態を測定し、それらに応答するための極めて重要な基準値であることが出願人は認識した。炉心内の冷却材レベルは、追加補充冷却材を加えるべきかどうかを表し、並びに／又は、炉心内の燃料が冷却材により覆われず、過熱及び／若しくは損傷を受ける可能性を反映することができる。降水管領域内の流体レベルの測定は、原子炉による流体冷却材への妨害、降水管領域への逆流、過剰圧力などにより、不正確であり、又は所望の精度が不足する可能性があることを出願人はさらに認識した。複数の炉心軸方向位置における温度の測定を通して炉心内の流体冷却材レベルをより直接又は正確に測定することは、原子炉内の降水管領域から流体レベルを測定するよりも正確である可能性があることを出願人はさらに認識した。以下に説明する例示的な実施形態及び方法は、出願人が認識する問題に対する、これら及び他の利点及び解決策を実現する。

図２は、例示的な実施形態の温度センサアレイ１００の図である。図２に示すように、例示的な実施形態の温度センサアレイ１００は、離散した軸方向位置に配置された複数の温度センサ１１０を含む。例示的な実施形態の温度センサアレイ１００は、軸方向支柱１２０、又は、温度センサ１１０を群として動かし及び／若しくは所望の軸方向間隔で維持することができる他の接続機構部を含むことができる。例えば、軸方向支柱１２０は、可撓性の金属棒、トートワイヤ、剛直高分子などとすることができる。同様に、軸方向支柱１２０は、その上に配置された温度センサ１１０が計装管５０内の様々な軸方向位置に延びるように計装管５０の長さとほぼ等しい全長を有する、分割された又は連続的な構造体とすることができる。

例示的な実施形態の温度センサアレイ１００は、温度センサ１１０を読取用の外部モニタに通信可能に接続する、１つ又は複数の通信コネクタ１３０をさらに含むことができる。例えば、通信コネクタ１３０は、軸方向支柱１２０に固定される、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、熱電対のリード、センサ出力ワイヤなどとすることができる。単一の通信コネクタ１３０は、複数の温度センサ１１０に接続することができ、及び／又は、コネクタ１３０とセンサ１１０との間の１対１の関係を例示的な実施形態に使用することができる。図２に示すように、通信コネクタ１３０は、内部にアレイが挿入され、原子炉容器１０（図１）から離間した、格納施設４１１（図１）の外部にある可能性さえあるモニタ又は読取装置に通信可能に接続する計装管５０（図１）を出るように、例示的な実施形態の温度センサアレイ１００の末端部から延びることができる。

例示的な実施形態の温度センサアレイ１００は、各温度センサ１１０に関する個々の通信コネクタ１３０を含む軸方向支柱１２０上に一定の間隔で複数の温度センサ１１０を有するように図２に示すが、異なる数及び位置の温度センサ１１０を例示的な実施形態に使用することができることがわかる。同様に、軸方向支柱１２０及び／又は通信コネクタ１３０は、例示的な実施形態では、いかなる物理形態にも変化し、又は全く含まない可能性がある。例えば、むき出しの温度センサ１１０は、例示的な実施形態では、軸方向のある間隔で計装管５０に接続し、作業員の監視装置に無線で接続することができる。

図３に示すように、例示的な実施形態の温度センサアレイ１００は、原子炉１０の計装管５０内に挿入され、適合するように寸法を決定され、成形される。例えば、計装管５０は、約１インチ（２．５４ｃｍ）の内径及び数ヤード（１ヤードは９１．４ｃｍ）の長さを有することができ、例示的な実施形態の温度センサアレイ１００は、１インチ（２．５４ｃｍ）未満の幅及びほぼ数ヤード（１ヤードは９１．４ｃｍ）の長さを有することができる。

例示的な実施形態の温度センサアレイ１００は、運転中の原子炉環境でその物理的な特性をほぼ維持する材料からさらに形成される。例えば、より高い融解温度及び最小の放射線吸収断面積を有する、セラミック複合材料、炭素鋼、ステンレス鋼、及び／又はアルミニウム合金は、運転中及び過渡状態でも長期にわたって溶融し、放射性になり、又はその他には故障することなく計装管５０内に存在することができる。

温度センサ１１０は、定常状態及び過渡状態のどちらにおいても運転中の原子炉内で遭遇する範囲の温度を測定及び記録／伝送することができる、任意のタイプの計器とすることができる。例えば、温度センサ１１０は、抵抗温度検出器、サーミスタ、及び／又は熱電対とすることができる。温度センサ１１０は、バッテリなどを通して局所的に電力を供給され、又は、例えば、通信コネクタ１３０などを通して遠隔から電力を供給される可能性がある。熱電対などのいくつかの温度センサは、自己出力し、したがって外部電源を必要としない一方、原子炉環境で依然として弾性があり、遭遇する広い温度範囲を測定することができる利点をさらに提供することができる。

図３に示すように、例示的な実施形態の温度センサアレイ１００は、温度センサ１１０が炉心１５内及び炉心１５外のいくつかの所望の軸方向位置に存在するように計装管５０に挿入される。例えば、炉心１５が約４ヤード（３．６６ｍ）の軸方向長さであれば、例示的な実施形態では、１フィート（３０．５ｃｍ）の刻み幅で炉心温度を測定するために炉心１５の１フィート（３０．５ｃｍ）ごとに１つ、１２個の温度センサ１１０が存在することができる。温度センサ１１０は、室温又は計装管５０の温度を測定することにより、特定の軸方向位置における炉心１５の温度を直接測定及び伝送／記録することができる。当然、温度センサ１１０は、非炉心軸方向位置において、計装管５０及び例示的な実施形態内に任意の間隔で存在することもできる。

例示的な方法は、監視用に原子力プラント内に、例示的な実施形態の温度センサアレイ１００及び／又は他の温度センサアレイを使用するステップを含む。例えば、図３に示すように、温度センサアレイは、計装管５０内に挿入又は取り付けることができる。個々の温度センサ１１０は、計装管５０内に取り付けることができ、又は、一体化した可撓性の軸方向支柱１２０を有する、例示的な実施形態の温度センサアレイ１００の場合には、温度センサ１１０が原子炉１０内の所望の軸方向位置を有するように、軸方向支柱１２０を計装管５０に挿入することにより、温度センサ１１０を一緒に挿入することができる。複数の例示的な実施形態の温度センサアレイをいかなる原子炉内にも取り付けることができる。例えば、温度、したがっていくつかの半径方向炉心位置を横切る軸方向冷却材レベルを監視するために、炉心１５の各四分円の計装管内に、少なくとも１つのアレイを取り付けることができる。

例示的な方法は、温度センサをモニタ又は記録装置に通信可能に接続するステップをさらに含むことができる。例えば、通信コネクタ１３０は、原子炉内のいくつかの軸方向位置における温度を記録及び／又は特定するために、温度センサ１１０から外部監視又は記録装置まで向かうことができる。或いは、温度センサ１１０は、局所的に温度を記憶し、又は、物理的な通信コネクタ１３０を使用する必要がないように測定値を無線で伝送することができる。

例示的な方法は、計装管５０内のいくつかの軸方向レベルにおいて温度センサにより測定された温度をユーザ監視するステップ、又はそれらの温度を受け取るステップをさらに含むことができる。温度測定値は、原子炉１０内の流体レベルを特定するために使用することができる。例えば、冷却材沸点を超える急増温度は、原子炉内の特定の軸方向位置が冷却材に覆われなかったことを示す可能性がある。同様に、ジルコニウム合金クリープ破壊温度を超える温度は、原子炉内の特定の軸方向位置が燃料破壊を受ける可能性があることを示す可能性がある。例えば、例示的な実施形態に使用できる温度センサは、低出力運転からジルコニウム酸化温度までの範囲の状態を検出するために、約華氏１００度（３７．８℃）から華氏３０００度（１６４８．９℃）の範囲を有することができる。炉心１５及び容器１０内の流体レベルは、原子炉部品に対する過熱損傷を避けるために冷却材注入の必要性がよりよくわかるように、温度センサ間の距離に応じて、任意の数及び測定間隔の軸方向位置における温度から特定することができる。同様に、異なる炉心四分円内の異なる計装管内に複数のアレイを使用することは、変化する冷却材レベル及び炉心妨害の可能性、並びに／又は異なる炉心四分円間で異なる損傷を検出することを可能にすることができる。

温度を監視し、温度を冷却材レベル、冷却材状態、燃料損傷、又は原子炉内の温度により示される他の任意の基準値に関連付けることは、例示的な実施形態では、温度センサに通信可能に接続する制御室モニタなどを通して、実時間で行うことができる。同様に、例示的な実施形態において温度センサから測定値を読み取ることは、履歴温度データの測定後に行うことができる。例えば、単純／受動型の例示的な実施形態では、熱電対温度センサは、冷却材の欠乏に対応する温度を検出する際の指標を表示することができ、そうした例示的な実施形態は、計器電力が喪失し、及び／又は容器内に損傷が起こり、降水管流体レベル測定の信頼性が低くなり、容器冷却材レベルが危険である過渡状態などの間に、必要に応じて、計装管から引き抜かれ、検査により読むことができる。同様に、温度センサは、原子炉冷却材レベルの情報が必要である期間中に参照することができる局所監視及び／又は記録装置に通信可能に接続することができる。

したがって、例示的な実施形態及び方法は、原子炉炉心１５及び原子炉１０内の複数の軸方向位置及び複数の可能性がある半径方向／四分円位置における温度状態の比較的直接な監視を可能にする。例示的な実施形態及び方法は、ほとんどの過渡状態の間、及び／又は最終的に計装管を損傷する過渡状態のほとんどの点を通して比較的影響を受けず、温度測定を可能にしたままにするために、計装管を使用して、原子炉内部から隔離することができる。温度は、原子炉内の冷却材レベル、冷却材状態、及び／又は燃料破壊を容易に示し、不正確な可能性がある降水管流体レベル測定の信頼性を補完し、又は替えることができる。例示的な実施形態及び方法を通して原子炉状態、損傷、及び／又は冷却材レベルをより正確に特定することにより、作業員は、様々な運転状態により良く応答し、及び／又は、原子炉損傷若しくは原子炉損傷の可能性をより良く理解することができる。

容器１０は商用沸騰水型原子炉に通常見出される部品とともに図示するが、例示的な実施形態及び方法は、原子炉内に延びる計装管５０及び他のアクセスチューブを有する、いくつかの異なるタイプの原子炉とともに使用できる。例えば、１００メガワット電力未満から数ギガワット電力までの電力定格を有し、図１に示す位置と異なるいくつかの位置に計装管を有する、加圧水型原子炉、重水型原子炉、黒鉛減速型原子炉などは、例示的な実施形態及び方法とともに使用できる可能性がある。したがって、例示的な方法に使用できる計装管は、原子炉内の温度測定用に、様々なタイプの原子炉に囲まれた状態で接近することを可能にする、炉心の周りの任意のジオメトリに置くことができる。

上述のように、例示的な実施形態及び方法を説明したが、例示的な実施形態は、日常の実験を通して変形し、置き換えることができる一方、それでも以下の特許請求の範囲の範囲内にあることが当業者には理解されよう。例えば、いくつかの例示的な実施形態は、原子炉内の温度を極めて直接的に測定する温度センサとともに説明したが、材料の膨張又は熱エネルギー放射輝度などの他の炉心状態を直接測定することにより温度を導き出す温度センサを例示的な実施形態及び方法に使用できる。さらに、例示的な実施形態及び方法は、冷却材レベルなどの原子炉状態を検出するのに計装管温度を使用することができる任意の原子炉と組み合わせて使用することができることが理解されよう。そうした変形形態は、以下の特許請求の範囲の範囲から逸脱するものとみなすべきでない。

１０ 原子炉
１５ 炉心
２０ ドライウェル
３０ 降水管領域
５０ 計装管
１００ 温度センサアレイ
１１０ 温度センサ
１２０ 軸方向支柱
１３０ 通信コネクタ
４１１ 格納構造物

Claims (10)

1. 原子炉（１０）内の計装管（５０）内に挿入されるように構成され、運転中の原子炉環境内でその物理的な特性をほぼ維持するようにさらに構成される、異なる軸方向位置に整列する複数の温度センサ（１１０）を含む、温度センサアレイ（１００）。
2. 前記計装管（５０）に挿入されるように構成され、前記運転中の原子炉環境内でその物理的な特性をほぼ維持するようにさらに構成される、前記複数の温度センサ（１１０）が前記異なる軸方向位置において取り付けられる軸方向支柱（１２０）をさらに含む、請求項１記載のアレイ（１００）。
3. 前記温度センサ（１１０）の少なくとも１つからのデータを遠隔モニタに伝送するように構成される少なくとも１つの通信コネクタ（１３０）をさらに含む、請求項１記載のアレイ（１００）。
4. 前記複数の温度センサ（１１０）は、外部電源なしで温度を測定するように構成される熱電対である、請求項１記載のアレイ（１００）。
5. 前記原子炉（１０）は、沸騰水型原子炉である、請求項１記載のアレイ（１００）。
6. 前記温度センサ（１１０）は、前記原子炉（１０）の通常の運転温度、及び前記原子炉（１０）の過渡状態における冷却材の欠乏と関連する温度を含む温度範囲を測定するようにさらに構成される、請求項１記載のアレイ（１００）。
7. 核燃料を含む炉心（１５）と、
   前記炉心（１５）を囲まれた状態で接近することを可能にする、前記原子炉（１０）の外部の開口部を有する、前記炉心（１５）内に延びる計装管（５０）と、
   前記計装管（５０）内の異なる軸方向位置に整列する複数の温度センサ（１１０）を含む、前記計装管（５０）内に延びる温度センサアレイ（１００）と
   を含む、原子炉（１０）。
8. 前記温度センサアレイ（１００）は、
   前記複数の温度センサ（１１０）は、前記異なる軸方向位置において取り付けられる軸方向支柱（１２０）と、
   前記計装管（５０）の外部に延びており、前記温度センサ（１１０）の少なくとも１つからのデータを遠隔モニタに伝送するように構成される、少なくとも１つの通信コネクタ（１３０）と
   をさらに含む、請求項７記載の原子炉（１０）。
9. 前記複数の温度センサ（１１０）は、前記炉心（１５）内の複数の軸方向レベルに存在するように、前記軸方向支柱（１２０）に沿って整列し、離間する、請求項８記載の原子炉（１０）。
10. 前記複数の温度センサ（１１０）は、受動型熱電対である、請求項７記載の原子炉（１０）。

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