JP2014215179A - 水位・温度計測装置および水位・温度計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】事故後の原子炉格納容器内のような計測上の環境条件の良くない場所の滞留水の水位および水温、雰囲気温度を測定する。
【解決手段】実施形態によれば、複数の複合センサ２０を備え対象領域の水位および温度を計測する水位・温度計測装置において、複数の複合センサ２０はそれぞれ、極間絶縁体３４およびその極間絶縁体３４を介して配設された２つの電極３１、３２を有して水没状態にあるか否かを検出する電極式水位センサ３０と、電極式水位センサ３０の位置における温度を計測する温度センサ４０とを有する。複数の複合センサ２０は互いに間隔をあけて長手方向に直列に配されている。電極式水位センサ３０の電極の電源電圧は、周期的に極性が変化することでもよい。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、水位・温度計測装置および水位・温度計測システムに関する。

事故が発生した原子力発電所においては、燃料から発生する崩壊熱を継続的に除去する必要がある。ここで、過酷事故の発生により燃料が溶融した場合を想定する。溶融した燃料の一部は原子炉圧力容器内にとどまらず、原子炉圧力容器から原子炉格納容器内に漏えいする場合も想定される。

このように、溶融した炉心燃料が堆積した燃料デブリが原子炉格納容器内に存在する場合には、原子炉圧力容器内に存在する燃料デブリの冷却とともに、原子炉格納容器内の燃料デブリの冷却も継続的に実施する必要がある。

このため、原子炉格納容器内の燃料デブリの滞留水内での冠水状態、滞留水の温度などを把握することが重要である。

特開２０１３−４０８２２号公報

使用済み燃料貯蔵プールの水位測定を目的として、電流を流した複数の抵抗の変化をモニタし水位を測定するヒートサーモ式水位計の技術が知られている。このヒートサーモ式水位計は、水位の測定はできるが雰囲気温度や水温は測定できない。

また、冷接点／温接点の熱電対と，温接点に隣接する発熱線から構成される水位検出器を設置し，水位検出器に滴下防止板を備え，応答性の向上と水位の誤認を防止する熱電対式水位監視装置の技術が知られている。この熱電対式水位計は，水位は測定できるが、雰囲気温度や水温は測定できない。

また、事故後の原子炉格納容器内のように、高湿度で上方から液滴が落下してくるような環境において、滞留水の水位および雰囲気温度、水温を測定する技術が望まれる。

本発明の実施形態は、事故後の原子炉格納容器内のような計測上の環境条件の良くない場所の滞留水などの水位および水温、雰囲気温度の測定を可能にすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、複数の複合センサを備え対象領域の水位および温度を計測する水位・温度計測装置において、前記複数の複合センサはそれぞれ、極間絶縁体およびその極間絶縁体を介して配設された２つの電極を有して水没状態にあるか否かを検出する電極式水位センサと、前記電極式水位センサの位置における温度を計測する温度センサと、を有し、前記複数の複合センサは互いに間隔をあけて長手方向に直列に配されている、ことを特徴とする。

また、本発明の実施形態は、対象領域の水位および温度を計測する水位・温度計測システムにおいて、極間絶縁体を介して配設され２つの電極を有して水没状態にあるか否かを検出する電極式水位センサと前記電極式水位センサの位置における温度を計測する温度センサとを有する複数の複合センサと、前記電極式水位センサからの出力を処理する水位信号処理部と、前記温度センサからの出力を処理する温度信号処理部と、前記電極式水位センサの電極用の電源と、を有する入出力部と、を備え、前記複数の複合センサは互いに間隔をあけて上方方向に直列に配されてその上方で前記入出力部に接続されている、ことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、事故後の原子炉格納容器内のような計測上の環境条件の良くない場所における水位および水温、雰囲気温度の測定を可能にする。

本発明の実施形態に係る原子炉格納容器内水位・温度計測システムによる原子炉格納容器内での計測の状態を示す原子炉格納容器の下部の全体外観図である。 本発明の実施形態に係る原子炉格納容器内水位・温度計測装置の外観図である。 本発明の実施形態に係る原子炉格納容器内水位・温度計測装置の複合センサの構成を示す軸方向に沿った部分断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る原子炉格納容器内水位・温度計測装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係る原子炉格納容器内水位・温度計測システムによる原子炉格納容器内での計測の状態を示す原子炉格納容器の下部の全体外観図である。以下の説明において、説明の便宜上使用する「上下」、「鉛直」、「水平」などの用語は、原子炉格納容器内水位・温度計測システム１００が、使用状態にあるときの方向を意味する。

水位・温度計測システム１００は、水位・温度計測装置１０および入出力部５０を有する。水位・温度計測装置１０は、一方が入出力部５０に接続されている。水位・温度計測装置１０は、入出力部５０に接続されている側の反対端に、外被管１１に収納された部分を有し、また、外被管１１に収納された部分と入出力部５０との接続部までの間であってフレキシブル管１２に収納された部分を有する。

入出力部５０は、原子炉格納容器２からみて周囲の建屋遮へい壁６の外側に設置されている。入出力部５０は、水位信号処理部５１、温度信号処理部５２および水位センサ用電源５５を有する。

水位信号処理部５１は、後述する電極式水位センサ３０（図３参照）からの信号を処理する。電極式水位センサ３０は検出端において導通、非導通状態となるので、水位信号処理部５１では、接点信号を生成して発信する。

温度信号処理部５２は、後述する温度センサ４０（図３参照）からの信号を処理する。計測状態においては、水位・温度計測装置１０は、原子炉格納容器貫通部３を経由して、原子炉格納容器２の内部に挿入される。原子炉格納容器貫通部３は、原子炉圧力容器１の下方にあるグレーティング５の上方にある。

水位・温度計測装置１０の各部の径は、原子炉格納容器２の内部の、原子炉圧力容器１の下方にあるグレーティング５の孔を通過できる大きさである。水位・温度計測装置１０の先端はグレーティング５を貫通して、下方に延びて、原子炉格納容器内底面床４上に到達するまで挿入される。

図２は、本発明の実施形態に係る原子炉格納容器内水位・温度計測装置の外観図である。水位・温度計測装置１０は、外被管１１内に収納されている複数の複合センサ２０を有する。外被管１１は、フレキシブル管１２に接続されている。

それぞれの複合センサ２０は、外側に保護管３７を有する。保護管３７のそれぞれには、保護管スリット３７ａが形成されている。外被管１１には、長手方向すなわち上下方向に沿って外被管スリット１１ａが形成されている。

図３は、本発明の実施形態に係る原子炉格納容器内水位・温度計測装置の複合センサの構成を示す軸方向に沿った部分断面図である。複合センサ２０は、電極式水位センサ３０、温度センサ４０および保護管３７を有する。

電極式水位センサ３０は、電極３１および電極３２、電極３１および電極３２を支持する極間絶縁体３４、電極３１および電極３２の上部を覆う上部蓋３５、極間絶縁体３４と上部蓋３５を接続する接続筒３６を有する。

電極３１、３２は、それぞれ軸方向に延びた円柱状の導電体である。なお、電極３１、３２の形状は円柱状に限定されない。たとえば、多角柱でもよい。

極間絶縁体３４は、円柱形状で下側の端面は段違いに形成されている。すなわち、円柱の一方の上部端面３４ｃを共通にして、他方の下部端面３４ａは下部端面３４ｂより高さが高い。すなわち、上部端面３４ｃと下部端面３４ａ間の厚さは、上部端面３４ｃと下部端面３４ｂ間の厚さより薄い。

上部蓋３５は、円板形状であって、上部領域の径より下部領域の径が小さく形成されている。上部蓋３５の上部の周囲は外被管１１の内面と接続している。接続は、たとえば、溶接やロー付、あるいはシールテープを使用したネジ止め等によることでよい。

上部蓋３５の下部領域の外径と、極間絶縁体３４の外径は等しく形成されている。上部蓋３５の下部領域の外面は接続筒３６の上部の内面と接続している。極間絶縁体３４の上部の外面は接続筒３６の下部の内面と接続している。接続は、たとえば、溶接やロー付等によることでよい。上部蓋３５、極間絶縁体３４および接続筒３６に囲まれた空間は密閉空間３６ａを構成している。なお、この密閉空間３６ａ内にたとえば、セラミックセメントなどを封入することでもよい。

電極３１には、水位センサ用ＭＩ（Ｍｉｎｅｒａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）ケーブル３３ａが接続されている。また、電極３２には、水位センサ用ＭＩケーブル３３ｂが接続されている。水位センサ用ＭＩケーブル３３ａと水位センサ用ＭＩケーブル３３ｂは、これらの上部で水位センサ用ＭＩケーブル３３として束ねられている。

電極３１と電極３２の間には、水位センサ用ＭＩケーブル３３、３３ａ、３３ｂを介して水位センサ用電源５５（図１）により電圧が印加されている。この電圧は、極性が周期的に変化し、それぞれの極性ではたとえば電圧１２Ｖの一定電圧で、たとえば１Ｈｚ程度の周期で極性が変化するものである。なお、電圧および周期はこれに限定されるものではなく、測定対象に予想される状態などによって設定することでよい。あるいは、正の極性の時と負の極性の時のそれぞれの継続時間が異なってもよい。また、極性が周期的に変化してそれぞれの極性では一定電圧の印加電圧に限定されない。たとえば後に説明する寄生インダクタンスや寄生容量が無視できる程度の極めて低い周波数の正弦波交流でもよい。

温度センサ４０は、熱電対４１、温度センサ用ＭＩケーブル４２およびサポート４５を有する。上方より下方に向けて延びている温度センサ用ＭＩケーブル４２は、保護管３７の外側から保護管３７を貫通し、最下端部４４から向きを上方に変え上方に延びている。温度センサ用ＭＩケーブル４２は、上方に延びている途中で、サポート４５によって支持されている。温度センサ用ＭＩケーブル４２の先端には熱電対４１が接続されており、熱電対４１の温度センサ用ＭＩケーブル４２との接続部と反対側の先端は、電極３１の先端部３１ａおよび電極３２の先端部３２ａの中間の位置まで延びている。

温度センサ用ＭＩケーブル４２の熱電対４１との接続部の反対端は、温度信号処理部５２と接続されている。温度センサ用ＭＩケーブル４２は、まとめて、保護管３７およびフレキシブル管１２内に収納されている。

サポート４５には、滞留水が下方から流入し、あるいは下方に流出できるようなドレン孔４５ａが形成されている。

水位・温度計測装置１０の各部の材料は、たとえば、オーステナイト系ステンレス鋼のうちＪＩＳで規定されているＳＵＳ３０４系（主成分はたとえば１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ）である。また、保護管３７、上部蓋３５、接続筒３６、外被管１１などの主要な部材は、さらに耐食性に優れたたとえばオーステナイト系ステンレス鋼のうちＪＩＳで規定されているＳＵＳ３１６系（主成分はたとえば１８％Ｃｒ−１２％Ｎｉ−２．５％Ｍｏ）などが用いられている。

以上のように構成された本実施形態に係る水位・温度計測システム１００においては、原子炉格納容器２の外側から水位・温度計測装置１０を原子炉格納容器２の内部に挿入することによって、水位・温度計測装置１０は、原子炉格納容器２の内部のグレーティング５の孔を通過して、原子炉格納容器内底面床４に先端が到達する。この段階で、水位・温度計測装置１０の外被管１１は、原子炉格納容器内底面床４の上に、ほぼ鉛直状態となる。

原子炉格納容器内底面床４の上に滞流水が存在している場合は、外被管１１内には、下側から滞留水が上昇してくる。外被管１１に形成されている外被管スリット１１ａ、外被管スリット１１ａ内の各複合センサ２０の保護管３７に形成されている保護管スリット３７ａ、および各複合センサ２０のサポート４５に形成されているドレン孔４５ａによって、外被管１１および保護管３７内の水位は、外被管１１の外側の水位と等しくなる。

各複合センサ２０内の電極３１の先端部３１ａおよび電極３２の先端部３２ａ、すなわち電極３１および電極３２の最下部が水位よりも低い場合は、電極３１と電極３２間が導通し、水位信号処理部５１に導通した旨の信号が発生する。たとえば、最下部およびその上部の２つの複合センサ２０について水位信号処理部５１に導通した旨の信号が発生し、さらにこれより上側の複合センサ２０については水位信号処理部５１に導通した旨の信号が発生しないとする。この場合は、水位は、下から２つ目の電極３１ａと電極３１ｂの先端より上にあり、かつ下から３つ目の電極３１ａと電極３１ｂの先端より下にあることになる。

また、下から２つ目の複合センサ２０までは温度センサ４０は水温を測定する。深さ方向位置が異なる２つの箇所での水温が測定できることから、温度分布を推定できる。複合センサ２０の間隔を小さくするほど、深さ方向の温度分布を詳細に把握することができる。また、水位の測定もさらに精度が向上する。

以上のように構成された本実施形態に係る水位・温度計測システム１００の水位・温度計測装置１０は、水位センサ用ＭＩケーブル３３、３３ａ、３３ｂおよび温度センサ用ＭＩケーブル４２を含めて一体化され、外被管１１およびフレキシブル管１２内に収納されていることにより、突起物がなく、スムーズな挿入性が確保される。また、一つの点検口から２本の検出器を挿入するのは困難なことから一体化することにより挿入性が確保できる。また、電極式水位センサ３０および温度センサ４０が一体化されていることにより、１回の挿入作業で済み、複数回の必要がないため、作業による被ばく量が低減できる。

水位センサ用電源５５によって印加される電圧が、周期的に極性が変化することによって、極性が変化しない直流電極の場合のような電食の問題が生じない。

また、電極式水位センサ３０は、電極３１および電極３２が接液していた場合、導電率を有する滞留水による導通を検出するものであり、基本的には、水位センサ用電源５５からみたインピーダンス変化を利用するものである。ただし、インピーダンスＺとしては、水位センサ用ＭＩケーブル３３、３３ａ、３３ｂおよび滞留水等による純粋な抵抗分Ｒ以外に、僅かながら寄生インダクタンスＬ（等価回路では抵抗に直列に接続されたことになる）や寄生容量Ｃ（主として電極間容量で等価回路では抵抗に並列に接続されたことになる）が存在する。そのため、周波数が高くなるとそれらの寄生成分が影響し、抵抗器は純粋な抵抗ではなくリアクタンス成分を持つようになる。

たとえば、寄生容量Ｃに比べて寄生インダクタンスＬが無視し得る程度に小さな場合は、ｆを周波数としてω＝２πｆとすると、Ｚ＝１／（１＋ｊωＣＲ）となる。ここでｊは虚数単位である。この式からわかる様に、周波数が高くなるとインピーダンスＺは実際の抵抗値Ｒとの差が大きくなり、電極式水位センサ３０の感度設定が難しくなる。このため、インピーダンスＺがほぼ抵抗分Ｒとなる範囲となるような低周波数とすることによって、検出感度上の問題発生が回避される。

また、常時印加されている水中電極において特に発生しやすく、絶縁物の上を電気分解された導電物が絶縁物を伝い対向電極に接触することで電極間が導通する絶縁不良現象であるイオンマイグレ−ションは、絶縁物上の距離が短いほど導通しやすい。本実施形態においては、極間絶縁体３４の形状を段違いとすることによって、図３に示すように、イオンマイグレーションが発生する場合の両端となる部分、すなわち電極３１が極間絶縁体３４の下部端面３４ａから突出する付け根部３１ｂと、電極３２が極間絶縁体３４の下部端面３４ｂから突出する付け根部３２ｂとの間隔が長くなっており、イオンマイグレーションによる導通の可能性を低減させている。

以上のような本発明の実施形態によれば、事故後の原子炉格納容器内のような計測上の環境条件の良くない場所の滞留水の水位および水温、雰囲気温度の測定が可能となる。

［その他の実施形態］
以上、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。たとえば、実施形態では、事故後の原子炉格納容器内に溜まった水の水位、温度の計測に用いているが、これに限定されない。たとえば、暗渠や開渠内などを流れている汚水の水位・温度などの計測など滞留していない液体を対象に、測定環境の悪い箇所での計測に使用できる。また、実施形態では、水位と表現しているが、測定対象は水には限定されない。水溶液、水との混合物あるいは水以外の導電性の液体など、導電性であればよく、水位はこれらの液体のレベルの意味である。

また、実施形態では、水位・温度計測装置の外被管や各複合センサの保護管の横断面は円形の場合を示したが、これに限定されない。たとえば角形でもよい。

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。

１…原子炉圧力容器、２…原子炉格納容器、３…原子炉格納容器貫通部、４…原子炉格納容器内底面床、５…グレーティング、６…建屋遮へい壁、１０…水位・温度計測装置、１１…外被管、１１ａ…外被管スリット、１２…フレキシブル管（可撓性管）、２０…複合センサ、３０…電極式水位センサ、３１…電極、３１ａ…先端部、３１ｂ…付け根部、３２…電極、３２ａ…先端部、３２ｂ…付け根部、３３、３３ａ、３３ｂ…水位センサ用ＭＩケーブル、３４…極間絶縁体、３４ａ、３４ｂ…下部端面、３４ｃ…上部端面、３５…上部蓋、３６…接続筒、３６ａ…密閉空間、３７…保護管、３７ａ…保護管スリット、４０…温度センサ、４１…熱電対、４２…温度センサ用ＭＩケーブル、４４…最下端部、４５…サポート、４５ａ…ドレン孔、５０…入出力部、５１…水位信号処理部、５２…温度信号処理部、５５…水位センサ用電源、１００…水位・温度計測システム

Claims (9)

1. 複数の複合センサを備え対象領域の水位および温度を計測する水位・温度計測装置において、
   前記複数の複合センサはそれぞれ、
   極間絶縁体およびその極間絶縁体を介して配設された２つの電極を有して水没状態にあるか否かを検出する電極式水位センサと、
   前記電極式水位センサの位置における温度を計測する温度センサと、
   を有し、
   前記複数の複合センサは互いに間隔をあけて長手方向に直列に配されている、
   ことを特徴とする水位・温度計測装置。
2. 前記電極式水位センサの電極の電源電圧は、周期的に極性が変化することを特徴とする請求項１に記載の水位・温度計測装置。
3. 前記極間絶縁体の形状は、前記長手方向に垂直な段違いに形成された２つの面を２つの電極それぞれが貫通するように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水位・温度計測装置。
4. 前記複数の複合センサの少なくとも一つが、
   前記電極式水位センサの側部を覆い流通孔が形成された筒状の保護管と、
   使用状態における前記２つの電極の鉛直上方に配置されて上方からの水滴が前記電極に付着するのを防止する上部蓋と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の水位・温度計測装置。
5. 前記保護管は、側部にスリットが形成され、下部にドレン孔が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の水位・温度計測装置。
6. 前記複数の複合センサをまとめて内蔵する外被管をさらに備え、
   前記外被管および前記外被管内の前記複数の複合センサは一体で移動可能である、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の水位・温度計測装置。
7. 前記電極式水位センサが接続された水位センサ用ＭＩケーブルと、
   前記温度センサが接続された温度センサ用ＭＩケーブルと、
   前記保護管に接続して前記水位センサ用ＭＩケーブルおよび前記温度センサ用ＭＩケーブルをまとめて収納する可撓性管と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の水位・温度計測装置。
8. 前記複数の複合センサは、使用状態においては、先端を最下部にして互いに上下に配された状態となり、
   前記温度センサ用ＭＩケーブルは、上方から最下点に至った後に上方に向けて延びて測定点に至るように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の水位・温度計測装置。
9. 対象領域の水位および温度を計測する水位・温度計測システムにおいて、
   極間絶縁体を介して配設され２つの電極を有して水没状態にあるか否かを検出する電極式水位センサと前記電極式水位センサの位置における温度を計測する温度センサとを有する複数の複合センサと、
   前記電極式水位センサからの出力を処理する水位信号処理部と、前記温度センサからの出力を処理する温度信号処理部と、前記電極式水位センサの電極用の電源と、を有する入出力部と、
   を備え、
   前記複数の複合センサは互いに間隔をあけて上方方向に直列に配されてその上方で前記入出力部に接続されている、
   ことを特徴とする水位・温度計測システム。

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