JP2017090401A

JP2017090401A - 原子炉水位推定装置

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Publication number: JP2017090401A
Application number: JP2015224570A
Authority: JP
Inventors: 三輝雄小山; Mikio Koyama; 義之佐々木; Yoshiyuki Sasaki; 篤伏見; Atsushi Fushimi
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-05-25
Anticipated expiration: 2035-11-17
Also published as: JP6637738B2

Abstract

【課題】飽和状態（燃料が冷却水に浸っている状態）や非飽和状態（燃料が冷却水に浸っていない状態）に関係なく、しかも、発熱体への電源供給の有無に係らず原子炉水位の推定が可能な原子炉水位推定装置を提供する。
【解決手段】燃料集合体の頂部３Ａと最下部３Ｂの間の有効燃料域Ｌに相当する原子炉圧力容器１の位置に設けられた複数の第１の熱電対式温度計６，７，８，９，１０と、該第１の熱電対式温度計が設けられている位置より下部の原子炉圧力容器１に設けられた複数の第２の熱電対式温度計１１，１２，１３，１４，１５，１９とを備え、前記第１及び第２の熱電対式温度計で、燃料集合体の有効燃料頂部３Ａから前記原子炉圧力容器底部の温度を計測し、その計測結果から原子炉水位を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は原子炉水位推定装置に係り、特に、原子炉圧力容器内に収納されている燃料集合体を冷却している冷却水の水位を推定するものに好適な原子炉水位推定装置に関する。

沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器内に収納されている燃料集合体を冷却している冷却水の水位は、通常運転時に起こりうる運転条件の変化などに対し、原子炉水位を適切な運転範囲に維持して監視する役割を持つため、原子炉監視系における重要な監視パラメータである。

このような原子炉水位の検出には、通常、差圧伝送器を用いた差圧検出方式が適用されている。差圧伝送器を用いた差圧検出方式による原子炉水位の差圧検出は、原子炉圧力容器の気相部に設けたノズルから取り出した計装配管と、原子炉圧力容器の液相部に設けたノズルから取り出した計装配管との水頭差による発生差圧を差圧伝送器で検出することにより行うものである。

具体的には、原子炉圧力容器の気相部に設けたノズルから取り出した計装配管に基準面器を設置し、この基準面器を水位変動を防止した基準水位とすることで、この基準水位と原子炉圧力容器の液相部に設けたノズルから取り出した計装配管側の変動水位との差圧を計測することにより行い、差圧を検出する差圧伝送器からの検出信号が、信号の処理演算を行う制御装置に伝送され、制御装置での演算処理後の信号が指示計や記録計へ出力されることで、原子炉水位の計測を行っている。

この原子炉水位の計測に関する先行技術文献として、特許文献１及び２を挙げることができる。

特許文献１には、圧力容器の蒸気領域に接続された凝縮槽と、凝縮槽に一端が接続された基準配管と、圧力容器に一端が接続された複数の変動配管と、基準配管及び複数の変動配管の他端と接続され、基準配管及び複数の変動配管の水頭差を検出する複数の差圧式水位計と、圧力容器の水位を検出する２つの非差圧式水位計と、格納容器または圧力容器の状態に基づいて、複数の差圧式水位計または２つの非差圧式水位計を選択し、選択された水位計の検出結果に基づいて圧力容器の水位を指示、記録する演算装置とを備えた原子炉水位計測システムが記載されている。

一方、特許文献２には、特許文献１の差圧検出方式とは異なる検出として、原子炉内の状態によらずに原子炉の水位を計測するために、発熱体と、発熱体の高さ方向の一部で発熱体の周囲を囲って設置される断熱体と、発熱体の断熱体に囲まれた断熱部分と、断熱体に囲まれていない非断熱部分との温度差を計測する温度差計測装置とを有し、原子炉圧力容器に収容された炉心の下端部から原子炉圧力容器の底部までの水位を少なくとも計測する炉心下部水位計測装置と、温度差に基づいて原子炉の水位を評価する水位評価装置とを備えた原子炉水位計測システムが記載されている。

特開２０１５−０３８４８８号公報特開２０１３−１０８９０５号公報

原子炉水位の計測を行うためには、特許文献１に記載のような差圧検出の場合、飽和状態における基準水柱を用いた計測方式としているため、飽和状態が崩れるような過熱状態においては基準水柱が変動することにより、変動水中とのバランスが崩れることから水位の計測は難しくなる。このため、運転員にとっては、水位を誤認識する等大きな負担となる。また、特許文献１に記載のような差圧検出方式では、有効燃料下部までの水位計測となっているため、正常に水位を検出したとしても有効燃料下部以下の水位を監視することはできない。

また、特許文献２に記載のように、発熱体や水位評価装置を用いた場合においては、有効燃料頂部より原子炉圧力容器下部までの計測が可能となるが、発熱体を用いた温度検出方式としているため、発熱体への電源供給が喪失した場合は原子炉水位の監視が不能となり、運転員にとっては大きな負担となってしまう。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、飽和状態（燃料が冷却水に浸っている状態）や非飽和状態（燃料が冷却水に浸っていない状態）に関係なく、しかも、発熱体への電源供給の有無に係らず原子炉水位の推定が可能な原子炉水位推定装置を提供することにある。

本発明の原子炉水位推定装置は、上記目的を達成するために、原子炉圧力容器内に収納されている燃料集合体を冷却する冷却水の水位を推定する原子炉水位推定装置であって、前記燃料集合体の頂部と最下部の間の有効燃料域に相当する前記原子炉圧力容器の位置に設けられた複数の第１の熱電対式温度計と、該第１の熱電対式温度計が設けられている位置より下部の前記原子炉圧力容器に設けられた複数の第２の熱電対式温度計とを備え、前記第１及び第２の熱電対式温度計で、前記燃料集合体の有効燃料頂部から前記原子炉圧力容器底部の温度を計測し、その計測結果から原子炉水位を推定することを特徴とする。

具体的には、前記複数の第２の熱電対式温度計のうち、前記原子炉圧力容器の底部に設けられた前記第２の熱電対式温度計を基準熱電対式温度計とし、前記燃料集合体が前記冷却水に浸っていない非飽和状態における前記有効燃料域の温度を前記複数の第１の熱電対式温度計のいずれかで計測するか、若しくは前記燃料集合体が前記冷却水に浸っていない非飽和状態における前記有効燃料域下方の温度を前記基準熱電対式温度計を除く前記第２の熱電対式温度計のいずれかで計測すると共に、前記第１又は第２の熱電対式温度計で計測した温度と、前記基準熱電対式温度計で計測した前記原子炉圧力容器の底部の温度とを比較し、その比較結果から前記原子炉水位を推定することを特徴とする。

本発明によれば、飽和状態（燃料が冷却水に浸っている状態）や非飽和状態（燃料が冷却水に浸っていない状態）に関係なく、しかも、発熱体への電源供給の有無に係らず原子炉水位の推定が可能となる。

本発明の原子炉水位推定装置の実施例１が採用される沸騰水型原子炉の概略構成の右半分を示す図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の原子炉水位推定装置を説明する。

図１に、本発明の原子炉水位推定装置の実施例１が採用される沸騰水型原子炉の概略構成の右半分を示す。

該図に示す如く、沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器１を有し、この原子炉圧力容器１の内部に炉心シュラウド２が設置され、複数の燃料集合体３が炉心シュラウド２内に配置されている。また、原子炉圧力容器１内の燃料集合体３の上方には、燃料集合体３で発生した蒸気と気水混合流を蒸気と水に分離する気水分離器４が複数並列に配置され、この気水分離器４の上方には、気水分離器４で分離された湿り蒸気を乾燥させる蒸気乾燥器５が配置されている。

そして、燃料集合体３では、核分裂により発生した熱で冷却水が沸騰し、蒸気と水の二相流状態となり、燃料集合体３で発生した気液二相流は気水分離器４に流入し、気水分離器４内にあるスワラにより旋回速度が与えられ、この旋回速度により二相流に遠心力が作用し、水と蒸気の密度差により水と蒸気が分離される。気水分離器４を通過した二相流は、蒸気乾燥器５に流入して更に湿分が取り除かれ、所定の湿分に抑えられた蒸気が主蒸気配管を通してタービンに送られ、タービンを介して発電機を回転することにより発電が行なわれる。

また、原子炉圧力容器１の温度監視を目的として、原子炉圧力容器１には、原子炉圧力容器上部温度計１６、ＳＲＶ（逃がし安全弁）排気温度計１７、原子炉圧力容器中部温度計１８、原子炉圧力容器下部温度計１９を備えている。

このように構成される沸騰水型原子炉においては、上述した如く、原子炉圧力容器１内に収納されている燃料集合体３を冷却している冷却水の水位は、通常運転時に起こりうる運転条件の変化などに対し、原子炉水位を適切な運転範囲に維持することが重要となるため、その原子炉水位を推定する必要がある。

そこで、本実施例では、原子炉水位を推定する原子炉水位推定装置が、燃料集合体３の有効燃料域頂部３Ａと有効燃料域最下部３Ｂの間（有効燃料域頂部水位２１と有効燃料域下部水位２２の間でもある）の有効燃料域（Ｌの範囲）に相当する原子炉圧力容器１の位置に設けられた複数の第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）と、この第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）が設けられている位置より下部の原子炉圧力容器１に設けられた複数の第２の熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部上端温度計１１、原子炉圧力容器下部上端中間温度計１２、原子炉圧力容器下部中間温度計１３、原子炉圧力容器下部下端中間温度計１４及び原子炉圧力容器下部下端温度計１５）とから概略構成され、第１及び第２の熱電対式温度計で、燃料集合体３の有効燃料頂部３Ａから原子炉圧力容器１の底部（ベッセル底部）１Ａの温度を計測し、その計測結果から原子炉水位を推定するようにしたものである。

更に、詳述すると、複数の第２の熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部上端温度計１１、原子炉圧力容器下部上端中間温度計１２、原子炉圧力容器下部中間温度計１３、原子炉圧力容器下部下端中間温度計１４及び原子炉圧力容器下部下端温度計１５）のうち、原子炉圧力容器１の底部１Ａに設けられた原子炉圧力容器下部下端温度計１５を基準熱電対式温度計とし、燃料集合体３が冷却水に浸っていない非飽和状態における有効燃料域Ｌの温度を複数の第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）のいずれかで計測するか、若しくは燃料集合体３が冷却水に浸っていない非飽和状態における有効燃料域Ｌ下方の温度を基準熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部下端温度計１５）を除く第２の熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部上端温度計１１、原子炉圧力容器下部上端中間温度計１２、原子炉圧力容器下部中間温度計１３、原子炉圧力容器下部下端中間温度計１４）のいずれかで計測すると共に、第１又は第２の熱電対式温度計で計測した温度と、基準熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部下端温度計１５）で計測した原子炉圧力容器１の底部１Ａの温度とを比較し、その比較結果から原子炉水位を推定するものである。

これは、第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）で燃料集合体３の非飽和状態における有効燃料域Ｌの温度を計測すると共に、基準熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部下端温度計１５）で燃料集合体３が冷却水に浸っている飽和状態における原子炉圧力容器１の底部１Ａの温度を計測し、この両者の温度を比較することで原子炉水位を推定することでもある。

また、第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）は所定間隔をもって複数個設置されており、原子炉水位が有効燃料域頂部３Ａ以下になった際には、燃料集合体３の非飽和状態に位置する燃料集合体３の非飽和状態における有効燃料域Ｌの温度を計測すると共に、基準熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部下端温度計１５）で燃料集合体３の飽和状態における原子炉圧力容器１の底部の温度を計測し、この両者の温度の比較することで原子炉水位を推定することができる。

このように、原子炉水位を推定するための温度計を、原子炉圧力容器１の有効燃料域Ｌに有効燃料頂部３Ａから有効燃料最下部３Ｂに渡り複数個の第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）を設置し、燃料集合体３の有効燃料域Ｌの温度検出を行い、原子炉圧力容器１の下部にも複数の第２の熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部上端温度計１１、原子炉圧力容器下部上端中間温度計１２、原子炉圧力容器下部中間温度計１３、原子炉圧力容器下部下端中間温度計１４及び原子炉圧力容器下部下端温度計１５）を設置し、原子炉圧力容器１の下部の温度検出を行うものである。

原子炉水位が原子炉通常水位２０から有効燃料域頂部水位２１にある場合は、原子炉圧力容器１内は飽和蒸気状態にあるため、検出された温度は、原子炉圧力容器上部温度計１６、ＳＲＶ（逃がし安全弁）排気温度計１７、原子炉圧力容器中部温度計１８、原子炉圧力容器下部温度計１９と第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）及び第２の熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部上端温度計１１、原子炉圧力容器下部上端中間温度計１２、原子炉圧力容器下部中間温度計１３、原子炉圧力容器下部下端中間温度計１４及び原子炉圧力容器下部下端温度計１５）は、共に同等の温度状態となる。原子炉圧力容器１内の水位が低下し、燃料集合体３の有効燃料域頂部水位２１を下回る（例えば、有効燃料域下部水位２２の状態）と燃料が露出することにより飽和状態のバランスが崩れ、液相は飽和状態、気相は過熱状態となることから温度差が生じる。

そこで、原子炉圧力容器下部下端温度計１５を基準温度計として、この基準温度計である原子炉圧力容器下部下端温度計１５での計測値と、他の第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）及び第２の熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部上端温度計１１、原子炉圧力容器下部上端中間温度計１２、原子炉圧力容器下部中間温度計１３、原子炉圧力容器下部下端中間温度計１４）の温度計の計測値と比較することにより原子炉水位を推定することが可能となる。

なお、第１及び第２の熱電対式温度計の検出方式は、ゼーベツク効果によるものであり、温度検出器への電源供給は必要ない。

また、本実施例の原子炉水位推定装置は、第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）及び第２の熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部上端温度計１１、原子炉圧力容器下部上端中間温度計１２、原子炉圧力容器下部中間温度計１３、原子炉圧力容器下部下端中間温度計１４及び原子炉圧力容器下部下端温度計１５）で計測した温度を記録する温度記録計２３と、この温度記録計２３に記録された第２の熱電対式温度計のうちの基準熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部下端温度計１５）で計測された温度と、基準熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部下端温度計１５）以外の第２の熱電対式温度計（原子炉圧力容器下部上端温度計１１、原子炉圧力容器下部上端中間温度計１２、原子炉圧力容器下部中間温度計１３、原子炉圧力容器下部下端中間温度計１４）で計測された温度及び第１の熱電対式温度計（有効燃料域頂部温度計６、有効燃料域上部温度計７、有効燃料域中間部温度計８、有効燃料域下部温度計９及び有効燃料域最下部温度計１０）で計測された温度とを比較する比較器２４と、この比較器２４による比較結果に基づいて原子炉水位の状態を表示する状態表示器２５とを備えている。

そして、比較器２４による温度の比較結果が、予め決められた温度差以上（温度差が一定以上）の場合には状態表示器２５に非安全と表示し、予め決められた温度差以下（温度差が一定以下）の場合には状態表示器２５に安全と表示するものであり、この状態表示器２５に表示される安全と非安全は、色別表示（例えば、安全は緑色表示、非安全は赤色表示）される。

また、上述した原子炉水位の状態とは、燃料集合体３が冷却水に浸っていない非飽和状態か、或いは燃料集合体３が冷却水に浸っている飽和状態であり、非飽和状態のときには状態表示器２５に非安全（赤色）と表示し、飽和状態のときには状態表示器２５に安全（緑色）と表示することで、原子炉水位の低下に伴う気相部と液相部の推定を行うことができる。

このように本実施例では、燃料集合体３の有効燃料域Ｌに相当する原子炉圧力容器１のエリアと原子炉圧力容器１の下部の位置に熱電対式温度計を複数点設置し、電源喪失時においても原子炉圧力容器１のベッセル底部に設置した熱電対式温度計との温度差を比較することにより、炉心シュラウド２内の水位変化を推定することができると共に、電源が不要な熱電対式温度計の起電力を直接測定することにより、運転員へ温度情報を提供することが可能であり、運転員は基準となる原子炉圧力容器１のベッセル底部の温度と炉心シュラウド２内と相対する原子炉圧力容器１の位置に複数点設置した熱電対式温度計との温度差を確認することで、運転員が炉心シュラウド２内の水位変化を推定することが可能となる。

従って、本実施例によれば、飽和状態（燃料が冷却水に浸っている状態）や非飽和状態（燃料が冷却水に浸っていない状態）に関係なく、しかも、発熱体への電源供給の有無に係らず原子炉水位の推定が可能となる。

なお、本発明は上記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、上記した実施例は本発明を分かりやす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。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…原子炉圧力容器、１Ａ…原子炉圧力容器の底部、２…炉心シュラウド、３…燃料集合体、３Ａ…燃料集合体の有効燃料域頂部、３Ｂ…燃料集合体の有効燃料域最下部、４…気水分離器、５…蒸気乾燥器、６…有効燃料域頂部温度計、７…有効燃料域上部温度計、８…有効燃料域中間部温度計、９…有効燃料域下部温度計、１０…有効燃料域最下部温度計、１１…原子炉圧力容器下部上端温度計、１２…原子炉圧力容器下部上端中間温度計、１３…原子炉圧力容器下部中間温度計、１４…原子炉圧力容器下部下端中間温度計、１５…原子炉圧力容器下部下端温度計、１６…原子炉圧力容器上部温度計、１７…ＳＲＶ排気温度計、１８…原子炉圧力容器中部温度計、１９…原子炉圧力容器下部温度計、２０…原子炉通常水位、２１…有効燃料域頂部水位、２２…有効燃料域下部水位、２３…温度記録計、２４…比較器、２５…状態表示器。

Claims

原子炉圧力容器内に収納されている燃料集合体を冷却する冷却水の水位を推定する原子炉水位推定装置であって、
前記燃料集合体の頂部と最下部の間の有効燃料域に相当する前記原子炉圧力容器の位置に設けられた複数の第１の熱電対式温度計と、該第１の熱電対式温度計が設けられている位置より下部の前記原子炉圧力容器に設けられた複数の第２の熱電対式温度計とを備え、
前記第１及び第２の熱電対式温度計で、前記燃料集合体の有効燃料頂部から前記原子炉圧力容器底部の温度を計測し、その計測結果から原子炉水位を推定することを特徴とする原子炉水位推定装置。
請求項１に記載の原子炉水位推定装置において、
前記複数の第２の熱電対式温度計のうち、前記原子炉圧力容器の底部に設けられた前記第２の熱電対式温度計を基準熱電対式温度計とし、前記燃料集合体が前記冷却水に浸っていない非飽和状態における前記有効燃料域の温度を前記複数の第１の熱電対式温度計のいずれかで計測するか、若しくは前記燃料集合体が前記冷却水に浸っていない非飽和状態における前記有効燃料域下方の温度を前記基準熱電対式温度計を除く前記第２の熱電対式温度計のいずれかで計測すると共に、前記第１又は第２の熱電対式温度計で計測した温度と、前記基準熱電対式温度計で計測した前記原子炉圧力容器の底部の温度とを比較し、その比較結果から前記原子炉水位を推定することを特徴とする原子炉水位推定装置。
請求項２に記載の原子炉水位推定装置において、
前記第１の熱電対式温度計で前記燃料集合体の非飽和状態における前記有効燃料域の温度を計測すると共に、前記基準熱電対式温度計で前記燃料集合体が前記冷却水に浸っている飽和状態における前記原子炉圧力容器の底部の温度を計測し、この両者の温度を比較することで前記原子炉水位を推定することを特徴とする原子炉水位推定装置。
請求項３に記載の原子炉水位推定装置において、
前記第１の熱電対式温度計は所定間隔をもって複数個設置され、原子炉水位が前記有効燃料域頂部以下になった際には、前記燃料集合体の非飽和状態に位置する前記燃料集合体の非飽和状態における前記有効燃料域の温度を計測すると共に、前記基準熱電対式温度計で前記燃料集合体の飽和状態における前記原子炉圧力容器の底部の温度を計測し、この両者の温度の比較することで前記原子炉水位を推定することを特徴とする原子炉水位推定装置。
請求項２乃至４のいずれか１項に記載の原子炉水位推定装置において、
前記第１及び第２の熱電対式温度計で計測した温度を記録する温度記録計と、該温度記録計に記録された前記第２の熱電対式温度計のうちの前記基準熱電対式温度計で計測された温度と、前記基準熱電対式温度計以外の前記第２の熱電対式温度計で計測された温度及び前記第１の熱電対式温度計で計測された温度とを比較する比較器と、該比較器による比較結果に基づいて前記原子炉水位の状態を表示する状態表示器とを備えていることを特徴とする原子炉水位推定装置。
請求項５に記載の原子炉水位推定装置において、
前記比較器による温度の比較結果が、予め決められた温度差以上の場合には前記状態表示器に非安全と表示し、予め決められた温度差以下の場合には前記状態表示器に安全と表示することを特徴とする原子炉水位推定装置。
請求項５に記載の原子炉水位推定装置において、
前記原子炉水位の状態とは、前記燃料集合体が前記冷却水に浸っていない非飽和状態か、或いは前記燃料集合体が前記冷却水に浸っている飽和状態であり、前記非飽和状態のときには前記状態表示器に非安全と表示し、前記飽和状態のときには前記状態表示器に安全と表示することを特徴とする原子炉水位推定装置。
請求項６又は７に記載の原子炉水位推定装置において、
前記状態表示器に表示される安全と非安全は、色別表示されることを特徴とする原子炉水位推定装置。