JP2014238353A - 中性子計測システム - Google Patents

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Abstract

【課題】中性子検出器が冷却水の中に冠水しているか、水面に露出しているかを確実に検知し、精度よく中性子を計測する中性子計測システムを提供する。【解決手段】原子力発電プラント内で使用する燃料の状態を監視するための中性子計測システムにおいて、中性子検出器と、前記中性子検出器を取付けた構造材と、前記構造材の前記中性子検出器を取付けた高さと同じ高さ位置に取り付けた熱電対とヒータ線とからなる水検知センサと、前記中性子検出器からの中性子計測信号を増幅する増幅回路と、前記水検知センサの熱電対と素線を介して接続された温度計測回路と、前記水検知センサのヒータ線とヒータ用リード線を介して接続されたヒータ電源と、前記水検知センサが水中にあるか否かを判定する水有無判定制御部と、前記水有無判定制御部の判定信号に基づいて、前記増幅回路の出力信号値を補正する補正回路とを備えた。【選択図】 図1

Description

本発明は、中性子計測システムに係り、さらに詳しくは、原子炉内または原子炉下部に設置した中性子検出器により中性子束を計測する中性子計測システムに関する。
一般に、原子炉の内部には出力を監視するために中性子検出器が設置されている。例えば、沸騰水型原子炉では、原子炉内に格子状に設置した燃料集合体の間隙に炉内計装管が挿入され、その内部に核分裂電離箱などの中性子検出器が設置されていて、原子炉の出力監視に用いられている。中性子検出器は中性子の入射により電気信号を発生し、検出器に接続されたケーブルを通じて原子炉圧力容器外に設置した出力監視装置へ計測した中性子束の信号を送出する。ここで、中性子検出器は、冷却水に冠水した状態の炉心燃料から発生する中性子を検出している。
また、原子炉には、炉心燃料の正常な冷却を確認するために、冷却水の水位を計測する水位計が設けられている。この水位計は差圧式のものが多く用いられてきたが、ダイバーシティ確保の観点から、原子炉冷却水の水位を直接炉内で検出する方法が検討されている。
沸騰水型原子炉の中性子検出用配管の中にシース熱電対複数本を原子炉の下部から高さを変えて設置し、設置された上下の熱電対の差出力を検出することで、原子炉冷却水の水面の位置を検知する原子炉炉心監視装置が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開昭59−112290号公報
中性子検出器が検出した信号の解析は、通常運転時に炉心の出力を監視する以外に、事故時における炉心/燃料の状態を確認するためにも有効である。特に、燃料が溶融するような過酷事故時において、形状が変化してしまった炉心/燃料の位置や出力に関する情報を得るために重要である。
このため、例えば、通常時の監視に用いる中性子検出器に加えて、炉心下部に位置する原子炉圧力容器内及び原子炉圧力容器外に中性子検出器を設置して炉心溶融事故時の燃料を監視することが考えられる。この場合、中性子検出器の感度の観点から、これらの中性子検出器が冷却水の中で冠水しているのか、水面から露出しているのかを検知する必要がある。中性子検出器が冷却水の中に冠水している場合、中性子は水中で減速するので、中性子を検知する核反応が促進され感度が上昇するためである。
しかしながら、炉心が溶融するような過酷事故状態において、これらの中性子検出器が冷却水の中に冠水しているか、露出しているかを判断するのは非常に難しい。
本発明は、上述した事柄に基づいてなされたものであって、その目的は、中性子検出器が冷却水の中に冠水しているか、水面に露出しているかを確実に検知し、精度よく中性子を計測する中性子計測システムを提供することにある。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、原子力発電プラント内で使用する燃料の状態を監視するための中性子計測システムにおいて、中性子検出器と、前記中性子検出器を取付けた構造材と、前記構造材の前記中性子検出器を取付けた高さと同じ高さ位置に取り付けた熱電対とヒータ線とからなる水検知センサと、前記中性子検出器からの中性子計測信号を増幅する増幅回路と、前記水検知センサの熱電対と素線を介して接続された温度計測回路と、前記水検知センサのヒータ線とヒータ用リード線を介して接続されたヒータ電源と、前記水検知センサが水中にあるか否かを判定する水有無判定制御部と、前記水有無判定制御部の判定信号に基づいて、前記増幅回路の出力信号値を補正する補正回路とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、個々の中性子検出器が、冷却水の中に冠水しているか、または水面に露出しているかを検知できるので、この検知結果に基づいて中性子検出器の計測値を補正することができる。このことにより、精度良く中性子を検出することが可能となる。この結果、燃料が溶融するような過酷事故時においても、より確度の高い燃料位置および出力の推定に寄与することができる。
本発明の中性子計測システムの一実施の形態を示すシステム構成図である。 本発明の中性子計測システムの一実施の形態を構成する水検知センサの一例を示す概念図である。 本発明の中性子計測システムの一実施の形態を構成する水検知センサの他の例を示す概念図である。 本発明の中性子計測システムの一実施の形態を構成する中性子検出器として用いる核分裂電離箱を示す一部縦断面図である。 本発明の中性子計測システムの一実施の形態を構成する中性子検出器として用いる自己出力型中性子検出器を示す一部縦断面図である。 本発明の中性子計測システムの一実施の形態における熱電対出力応答の一例を示す特性図である。 本発明の中性子計測システムの一実施の形態における補正のための感度設定例を示す概念図である。
以下、本発明の中性子計測システムの実施の形態を図面を用いて説明する。
図1は、本発明の中性子計測システムの一実施の形態を示すシステム構成図である。
図1において、原子炉圧力容器1の内部には、シュラウド2が設置されている。シュラウド2内部の炉心支持板3及び上部格子板4の間には、燃料27が保持されている。シュラウド2の上部には気水分離器5及び蒸気乾燥器6が設置されている。気水分離器5及び蒸気乾燥器6は、炉心で発生した蒸気を冷却水26と分離して、図示しないタービンに供給する。原子炉圧力容器1は、支持スカート7によりペデスタル8に固定されている。
炉内計装管10は、格子状に配列された多数の燃料27の間隙に配置され、その下部が炉内計装ハウジング12及び炉内計装案内管13に挿入され、その上端は上部格子板4に固定されている。
中性子検出器9a〜9cは、炉内計装管10に収納され、炉心内部及び炉心下部の圧力容器内に設置されている。水検知センサ11a〜11cは、同一の炉内計装管10の内部であって、対応する中性子検出器9a〜9cと同一高さのところに(例えば、水検知センサ11aは中性子検出器9aと同じ高さの位置に)、それぞれが設置されている。
炉内計装管10の内部には、中性子検出器9a〜9c及び水検知センサ11a〜11cの他に、走査型中性子検出器用案内管14が格納されている。炉内計装管10には、上部側に冷却用の上部通水口15aが、下部側に下部通水口15bが、下部通水口の更に下部に封水部16が、それぞれ設けられている。このことにより、冷却水は、炉内計装管10の内部を流れるが、炉外には漏えいしない構造になっている。
ペデスタル8には、第1支持構造材17aと、第2支持構造材17bとが取付けられている。第1支持構造材17aには、ペデスタル8の底部から同じ高さの位置に中性子検出器9dと水検知センサ11dとが設置されている。同様に、第2支持構造材17bには、ペデスタル8の底部から同じ高さの位置に中性子検出器9eと水検知センサ11eとが設置されている。本実施の形態においては、第2支持構造材17bをペデスタル8のほぼ底部の高さに取付け、第1支持構造材17aは、第2支持構造材より高い位置に取付けている。
中性子検出器9a〜9eは、中性子検出器ケーブル18により増幅回路20へ接続されている。また、水検知センサ11a〜11cは、水検知センサケーブル19aとコネクタ28aにより、また、水検知センサ11d〜11eは、水検知センサケーブル19bとコネクタ28bにより、それぞれ温度計測装置21及びヒータ制御装置22に接続されている。
温度計測装置21とヒータ制御装置22は、水有無判定制御部23に接続されている。水有無判定制御部23には閾値テーブルを格納した記憶装置23aが備えられていて、補正回路24へ水有無の判定信号を出力する。増幅回路20の出力信号は、補正回路24を経て計測値換算装置25へ出力されている。
次に、水検知センサについて図を用いて説明する。図2は本発明の中性子計測システムの一実施の形態を構成する水検知センサの一例を示す概念図である。図2において、図1に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図2は3つの水検知センサ11a〜11cの構造を示している。これらは、同様の構造のため、水検知センサ11aについて説明する。
水検知センサ11aの内部には、+側素線29a及び−側素線30aを接合した熱電対31aと、熱電対31aの近傍を加熱するためのヒータ線32a及びヒータ用リード線33a、34aが収納されている。
熱電対31aは、一般に広く利用されているK型やN型の熱電対を利用することができる。また、ヒータ線32aとしてはニッケル-クロム合金の高抵抗線などが好適である。ヒータ用リード線33a、34aは銅線、ニッケル線など比較的抵抗の小さい線を利用することによりヒータ電源に必要な電圧を抑制することができる。
熱電対31a及びヒータ線32aはアルミナなどの絶縁材35aにより電気的に絶縁され、ステンレス製などのシース36aに収納されている。+側素線29a、−側素線30a、ヒータ用リード線33a、34aはコネクタ28aを介して、水検知センサケーブル19a内の芯線にそれぞれ接続されている。そして、これらの芯線を介して、+側素線29a及び−型素線30aは温度計測装置21へ接続され、ヒータ用リード線33a、34aはヒータ制御装置22へ接続されている。なお、図2においては、水検知センサ11a〜11cの例を示しているが、水検知センサ11d及び11eにも、同様の構造を適用している。
次に、水検知センサの他の例を図3を用いて説明する。図3は本発明の中性子計測システムの一実施の形態を構成する水検知センサの他の例を示す概念図である。図3において、図1及び図2に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図3に示す水検知センサ11a〜11cは、同一のステンレス製などのシース36の内部に、異なる高さの位置に、3つの熱電対31a〜31cが配置され、これらの熱電対31a〜31cの近傍を共通に加熱するために1個のヒータ線32が収納されている。ヒータ線32及びヒータ用リード線33、34は、上述したヒータ線32a、ヒータ用リード線33a、34aと同様の構造である。熱電対31a〜31cを構成する+側素線29a〜29c、−側素線30a〜30cはコネクタ28aと水検知センサケーブル19a内の芯線とを介して、温度計測装置21へ接続され、ヒータ用リード線33、34はヒータ制御装置22にそれぞれ接続されている。なお、図3においては、水検知センサ11a〜11cの例を示しているが、水検知センサ11d及び11eにも、同様の構造を適用している。
次に、中性子検出器について図を用いて説明する。図4は本発明の中性子計測システムの一実施の形態を構成する中性子検出器として用いる核分裂電離箱を示す一部縦断面図である。図4において、図1乃至図3に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図4は、中性子検出器9a〜9eとして用いた核分裂電離箱37の構造例を示している。核分裂電離箱37は、正極である金属製のアノード38と負極である金属製のカソード39とを備えている。カソード39にはU235などの核分裂性物質が塗布してある。アノード38とカソード39とは絶縁体40により、絶縁されるとともに、一定の間隔が保たれるように支持されている。アノード38とカソード39との間隔にはアルゴンなどの不活性ガスが充填されている。また、カソード39の外側は、カソード39と電気的に接続しているケーシング41で覆われている。
このような核分裂電離箱37には、原子炉内の環境に耐えられるよう無機絶縁ケーブル42が接続されている。無機絶縁ケーブル42は、銅やステンレス製の芯線43と、芯線43を覆う金属シース44と、芯線43と金属シース44との間に配置され、両者を電気的に絶縁するアルミナやマグネシアなどの無機絶縁材45とから構成されている。芯線43はアノード38と、金属シース44はハウジング41と、それぞれ電気的に接続されている。
核分裂電離箱37においては、アノード38とカソード39との間に、数十ボルトの電圧から千ボルト程度の高電圧を印加して電場が作成されている。そして、核分裂電離箱37へ中性子が入射すると、カソード39の核分裂性物質の一部が核分裂を起こし、このとき生じる核分裂生成物が、不活性ガスを電離してアノード38とカソード39との間に電流を生じさせる。この電気量の変化を計測することで、中性子束(放射線の強度)を計測する。
次に、中性子検出器の他の例を図5を用いて説明する。図5は本発明の中性子計測システムの一実施の形態を構成する中性子検出器として用いる自己出力型中性子検出器を示す一部縦断面図である。図5において、図1乃至図4に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図5は、中性子検出器9a〜9eとして用いた自己出力型中性子検出器46の構造例を示している。
自己出力型中性子検出器46は、エミッタ47とコレクタ48とを備えていて、エミッタ47に中性子が入射するとエミッタ47とコレクタ48との間に電流が生じる仕組みになっている。コレクタ48はエミッタ47を覆っていて、コレクタ48とエミッタ47との間には、両者を電気的に絶縁するアルミナなどの無機絶縁材49が充填されている。自己出力型中性子検出器46の先端部には、保護の目的でエンドキャップ50が取付けられている。自己出力型中性子検出器46の他端部には、無機絶縁ケーブル51が接続されていて、溶接部52で固定されている。
無機絶縁ケーブル51は上述したように、銅やステンレス製の芯線53と、芯線53を覆う金属シース54と、芯線53と金属シース54との間に配置され、両者を電気的に絶縁するアルミナやマグネシアなどの無機絶縁材55とから構成されている。芯線53はエミッタ47と、金属シース54はコレクタ48と、それぞれ電気的に接続されている。
自己出力型中性子検出器46においては、エミッタ47には、中性子が入射すると核反応によりベータ線を発生する物質またはガンマ線を発生した後にコンプトン電子や光電子を発生する物質が用いられているので、電源なしで入射した中性子に対応する電流が生じる。この電気量の変化を計測することで、中性子束(放射線の強度)を計測する。
次に、本発明の中性子計測システムの一実施の形態の動作を図1、6及び7を用いて説明する。図6は本発明の中性子計測システムの一実施の形態における熱電対出力応答の一例を示す特性図、図7は本発明の中性子計測システムの一実施の形態における補正のための感度設定例を示す概念図である。
まず、図1において、原子炉圧力容器1の内外において燃料27の位置や出力を監視する中性子検出器9a〜9eのそれぞれが、冷却水の中に冠水しているか、または水面に露出しているかを検知するために、水有無判定制御部23からヒータ制御装置22と温度計測装置21とに指令信号が出力される。このことにより、中性子検出器9a〜9eと同じ高さに設置された水検知センサ11a〜11eのヒータリード33a〜33e、34a〜34e(図2参照)に、ヒータ制御装置22から所定の時間電流が印加される。ヒータリード33a〜33e、34a〜34eを経由してヒータ線32a〜32eに電流が流れると、ヒータ線32a〜32eに近接して配置された熱電対31a〜31eの温度が上昇するので、熱電対31a〜31eの出力電圧が増加する。
水有無判定制御部23からの指令に基づき温度計測装置21は、ヒータ通電前の熱電対31a〜31eの出力電圧とヒータ通電中の熱電対31a〜31eの出力電圧とを温度データに換算し、その結果を水有無判定制御装置23に送信する。
水有無判定制御装置23では、ヒータ通電前とヒータ通電中の温度データから、所定の時間通電した後の温度上昇量を算出して、水検知センサ11a〜11eのそれぞれが、冷却水の中に冠水しているか、または水面に露出しているかを判定する。
図6に、水検知センサが冷却水の中に冠水しているか、または水面に露出しているかによって異なる熱電対出力応答の一例を示す。ここでは、1つのヒータ線32aに5秒間通電した場合の温度上昇量の例を示している。
水検知センサ11aが冷却水の中に冠水している場合には、通電開始して5秒後には、約2℃上昇し、通電終了後は20秒程度で通電前の温度まで下降している。一方、水検知センサ11aが水面に露出している場合には、水よりも相対的に熱伝達率が小さい大気が水検知センサ11aを覆っているため、通電により温度は約12℃まで上昇している。また、通電後の温度の下降には、より長い時間が必要となっている。
但し、温度上昇量や加熱/冷却の応答性はセンサの設計や通電する電流の大きさに依存するものであり、図6の応答特性は一例を示したものである。
このように、温度上昇量を算出した水有無判定制御装置23において、例えば、通電5秒後の温度上昇量に対する判定値(閾値)を5℃という値に設定しておけば、水検知センサが冷却水の中に冠水しているか、または水面に露出しているかを判定できる。ただし、温度上昇量は冷却水や大気の温度や圧力などに依存するため、温度上昇量に対する判定値を温度、圧力の関数として記憶装置23aに閾値テーブルとして格納しておく。
水有無判定制御部23は、ヒータ通電前の温度や図示しない圧力計からの圧力データ等を取込み、温度、圧力に応じた判定値を記憶装置23aの閾値テーブルから読み取り、温度上昇量と比較することで、各水検知センサ11a〜11eの水有無(水検知センサが冷却水の中に冠水しているか、または水面に露出しているか)を判定する。この判定結果は補正回路24へ送信される。
増幅回路20は、中性子検出器9a〜9eからの中性子検出信号を増幅して補正回路24へ出力する。補正回路24には、上述したように中性子検出器9a〜9eと同一高さに設置された水検出センサ11a〜11eによる水有無判定結果も入力されている。
補正回路24は、水有無判定結果に基づいて、増幅された中性子検出信号に乗算する感度係数を設定し、設定した感度係数を乗算した中性子検出信号を計測値換算装置25へ出力する。
図7に補正のための感度設定例の一例を示す。この例においては、水検知センサが冷却水の中に冠水している場合の感度係数をaに、水面に露出している場合の感度係数をbに設定している。ここで、aの値はbの値より小さい値になっている。
例えば、図4に示した核分裂電離箱37が冷却水中にある場合には、中性子の減速効果が高いので、核分裂電離箱37の感度は水外にある場合に比べて上昇する。このため、核分裂電離箱37と同じ高さに配置されている水検知センサが冷却水の中に冠水している場合には、感度係数を小さい値であるaに設定し、水検知センサが水面に露出している場合には、感度係数をaより大きい値であるbに設定することで、中性子検出信号を補正できる。
このように補正回路24において、冷却水有無に応じて感度係数を乗算した中性子検出信号は、計測値換算装置25において中性子計数率(カウント/S)、または中性子束(n/cm2/S)に換算される。
上述した本発明の中性子計測システムの一実施の形態によれば、個々の中性子検出器が、冷却水の中に冠水しているか、または水面に露出しているかを検知できるので、この検知結果に基づいて中性子検出器の計測値を補正することができる。このことにより、精度良く中性子を検出することが可能となる。この結果、燃料が溶融するような過酷事故時においても、より確度の高い燃料位置および出力の推定に寄与することができる。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現しても良い。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。
1 原子炉圧力容器
2 シュラウド
3 炉心支持板
4 上部格子板
5 気水分離器
6 蒸気乾燥器
7 支持スカート
8 ペデスタル
9 中性子検出器
10 炉内計装管
11 水検知センサ
12 炉内計装ハウジング
13 炉内計装案内管
14 走査型中性子検出器用案内管
15 通水口
16 水封部
17 支持構造材
18 中性子検出器ケーブル
19 水検知センサケーブル
20 増幅回路
21 温度計測装置
22 ヒータ制御装置
23 水有無判定制御部
23a 記憶装置
24 補正回路
25 計測値換算装置
26 冷却水
27 燃料
28 コネクタ
29 熱電対+側素線
30 熱電対−側素線
31 熱電対
32 ヒータ線
33 ヒータリード線
34 ヒータリード線
35 絶縁材
36 シース
37 核分裂電離箱
38 アノード
39 カソード
40 絶縁体
41 ハウジング
42 無機絶縁ケーブル
43 芯線
44 金属シース
45 無機絶縁材
46 自己出力型中性子検出器
47 エミッタ
48 コレクタ
49 無機絶縁材
50 エンドキャップ
51 無機絶縁ケーブル
52 溶接部
53 芯線
54 金属シース
55 無機絶縁材

Claims (5)

  1. 原子力発電プラント内で使用する燃料の状態を監視するための中性子計測システムにおいて、
    中性子検出器と、前記中性子検出器を取付けた構造材と、前記構造材の前記中性子検出器を取付けた高さと同じ高さ位置に取り付けた熱電対とヒータ線とからなる水検知センサと、
    前記中性子検出器からの中性子計測信号を増幅する増幅回路と、前記水検知センサの熱電対と素線を介して接続された温度計測回路と、前記水検知センサのヒータ線とヒータ用リード線を介して接続されたヒータ電源と、
    前記水検知センサが水中にあるか否かを判定する水有無判定制御部と、
    前記水有無判定制御部の判定信号に基づいて、前記増幅回路の出力信号値を補正する補正回路とを備えた
    ことを特徴とする中性子計測システム。
  2. 原子力発電プラント内で使用する燃料の状態を監視するための中性子計測システムにおいて、
    原子炉炉心に少なくとも1本挿入した炉内計装管と、
    前記炉内計装管に収納された中性子検出器と、
    前記炉内計装管に収納された前記中性子検出器を取付けた高さと同じ高さ位置に取り付けた熱電対とヒータ線とからなる水検知センサと、
    前記中性子検出器からの中性子計測信号を増幅する増幅回路と、前記水検知センサの熱電対と素線を介して接続された温度計測回路と、前記水検知センサのヒータ線とヒータ用リード線を介して接続されたヒータ電源と、
    前記水検知センサが水中にあるか否かを判定する水有無判定制御部と、
    前記水有無判定制御部の判定信号に基づいて、前記増幅回路の出力信号値を補正する補正回路とを備えた
    ことを特徴とする中性子計測システム。
  3. 原子力発電プラント内で使用する燃料の状態を監視するための中性子計測システムにおいて、
    原子炉圧力容器下部のペデスタル内部に設置された支持材に取付けられた中性子検出器と、
    前記支持材の前記中性子検出器を取付けた高さと同じ高さ位置に取り付けた熱電対とヒータ線とからなる水検知センサと、
    前記中性子検出器からの中性子計測信号を増幅する増幅回路と、前記水検知センサの熱電対と素線を介して接続された温度計測回路と、前記水検知センサのヒータ線とヒータ用リード線を介して接続されたヒータ電源と、
    前記水検知センサが水中にあるか否かを判定する水有無判定制御部と、
    前記水有無判定制御部の判定信号に基づいて、前記増幅回路の出力信号値を補正する補正回路とを備えた
    ことを特徴とする中性子計測システム。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の中性子計測システムにおいて、
    前記中性子検出器として核分裂電離箱を用いた
    ことを特徴とする中性子計測システム。
  5. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の中性子計測システムにおいて、
    前記中性子検出器として自己出力型中性子検出器を用いた
    ことを特徴とする中性子計測システム。
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