JP2021189058A - Device and method for measuring gas concentration inside nuclear reactor containment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、原子炉格納容器内のガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法に関する。 An embodiment of the present invention relates to a gas concentration measuring device and a gas concentration measuring method in a reactor containment vessel.
原子力発電所には、事故の未然防止、及び、過酷事故発生時の事故拡大防止等の観点から原子炉格納容器内の酸素濃度を計測するシステムが導入されている。上記の原子炉格納容器内の酸素濃度計測システムでは、サンプリング装置により原子炉格納容器内のガスを原子炉格納容器外へ吸引しサンプリングした後、上記のサンプリングガスを冷却器で冷却し、除湿器で除湿したうえで、酸素ガス分析計に導入し酸素濃度を計測する(特許文献1参照)。 Nuclear power plants have introduced a system for measuring the oxygen concentration in the reactor containment vessel from the viewpoint of preventing accidents and preventing the spread of accidents in the event of a severe accident. In the above-mentioned oxygen concentration measurement system in the reactor containment vessel, the gas in the reactor containment vessel is sucked out of the reactor containment vessel by a sampling device and sampled, and then the above-mentioned sampled gas is cooled by a cooler and dehumidified. After dehumidifying with, it is introduced into an oxygen gas analyzer and the oxygen concentration is measured (see Patent Document 1).
上記の酸素濃度計測システムは、原子炉格納容器内のガスを原子炉格納容器外へ吸引してサンプリングするサンプリング装置と、上記のサンプリングガスを冷却するための冷却器と、上記のサンプリングガスを除湿するための除湿器とを備えているため、上記のサンプリング装置、冷却器および除湿器にトラブルが発生すると原子炉格納容器内の酸素濃度計測が困難になる。 The oxygen concentration measurement system described above includes a sampling device that sucks the gas inside the reactor containment vessel to the outside of the reactor containment vessel for sampling, a cooler for cooling the sampling gas, and dehumidifies the sampling gas. Since it is equipped with a dehumidifier for this purpose, it becomes difficult to measure the oxygen concentration in the reactor containment vessel if a trouble occurs in the above-mentioned sampling device, cooler and dehumidifier.
サンプリング装置のトラブルには、サンプリング配管の破損や、交流電源喪失による吸引用ポンプの停止が挙げられる。また、サンプリング配管に付設されている結露防止用ヒータが交流電源喪失により停止して、サンプリング配管内に結露水が充満し、配管内が閉止されてしまう場合もある。また、冷却器及び除湿器は冷却水を必要とするため、冷却水源を喪失した場合には、サンプリングガスの冷却及び除湿ができなくなる。上記のようなトラブルが発生した場合は、サンプリングガスの酸素濃度計測が困難な状態に陥ってしまう。 Problems with the sampling device include damage to the sampling pipe and stoppage of the suction pump due to loss of AC power. Further, the dew condensation prevention heater attached to the sampling pipe may be stopped due to the loss of the AC power supply, the sampling pipe may be filled with dew condensation water, and the inside of the pipe may be closed. Further, since the cooler and the dehumidifier require cooling water, if the cooling water source is lost, the sampling gas cannot be cooled and dehumidified. When the above trouble occurs, it becomes difficult to measure the oxygen concentration of the sampling gas.
一方、ガスをサンプリングせず、原子炉格納容器内にセンサを設置し直接計測する場合は、水蒸気を含んだ状態での酸素濃度が計測されるが、上記の既存の原子炉格納容器内の酸素濃度計測システムでは、水蒸気を除いた状態での酸素濃度が計測されるため、両者では異なる基準で酸素濃度が計測されてしまう。既存の酸素濃度計測システムと併用して事故の発生及び拡大の防止に活用するためには、同じ基準で酸素濃度を計測することが望ましく、そのためには、水蒸気濃度も計測して水蒸気を除いた状態での酸素濃度を評価する必要がある。 On the other hand, when the sensor is installed in the reactor containment vessel and the measurement is performed directly without sampling the gas, the oxygen concentration in the state containing water vapor is measured, but the oxygen in the existing reactor containment vessel described above is measured. In the concentration measurement system, the oxygen concentration is measured in the state where the water vapor is removed, so the oxygen concentration is measured by different standards for both. In order to utilize it in combination with the existing oxygen concentration measurement system to prevent the occurrence and spread of accidents, it is desirable to measure the oxygen concentration according to the same standard, and for that purpose, the water vapor concentration was also measured and the water vapor was removed. It is necessary to evaluate the oxygen concentration in the state.
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、原子炉格納容器内のガスのサンプリングを不要にし、原子炉格納容器内の酸素と水蒸気の濃度を計測可能な原子炉格納容器内のガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, and in the reactor containment vessel, which eliminates the need for sampling of gas in the reactor containment vessel and can measure the concentrations of oxygen and water vapor in the reactor containment vessel. It is an object of the present invention to provide a gas concentration measuring device and a gas concentration measuring method.
実施形態の原子炉格納容器内のガス濃度計測装置は、原子炉格納容器内に配置され、固体電解質を用いた限界電流式のセンサから出力される第1の電気的物理量を検出することによって、前記原子炉格納容器内の水蒸気を検出する水蒸気検出手段と、前記原子炉格納容器内に配置され、固体電解質を用いた濃淡電池式のセンサにより前記原子炉格納容器内の酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段と、予め与えられる前記第1の電気的物理量と被計測ガスの酸素濃度との関係を示すデータ及び前記第1の電気的物理量と被計測ガスの水蒸気濃度との関係を示すデータを参照し、前記水蒸気検出手段から取得する前記第1の電気的物理量の値と、前記酸素濃度計測手段から取得する前記原子炉格納容器内の酸素濃度の値から、前記原子炉格納容器内の水蒸気濃度の値を得る水蒸気濃度計測手段と、を具備する。 The gas concentration measuring device in the reactor containment vessel of the embodiment is arranged in the reactor containment vessel and detects a first electric physical quantity output from a critical current type sensor using a solid electrolyte. Oxygen that measures the oxygen concentration in the reactor containment vessel by a steam detection means that detects steam in the reactor containment vessel and a light and light battery type sensor that is arranged in the reactor containment vessel and uses a solid electrolyte. Data showing the relationship between the concentration measuring means and the first electrically physical quantity given in advance and the oxygen concentration of the gas to be measured and data showing the relationship between the first electrical physical quantity and the steam concentration of the gas to be measured are provided. With reference to the value of the first electrical physical quantity obtained from the steam detecting means and the value of the oxygen concentration in the reactor storage container acquired from the oxygen concentration measuring means, the steam in the reactor storage container is referred to. It is provided with a steam concentration measuring means for obtaining a concentration value.
以下、原子炉格納容器内のガス濃度計測装置及びガス濃度計測方法の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the gas concentration measuring device and the gas concentration measuring method in the reactor containment vessel will be described with reference to the drawings.
図1は、実施形態に係わる原子炉格納容器内のガス濃度計測装置の基本的な構成を示している。図1に示すように、原子炉格納容器内のガス濃度計測装置100は、酸素センサ1と、ヒータ制御装置2と、酸素検出信号計測装置3と、酸素濃度計測装置4と、水蒸気センサ5と、ヒータ制御装置6と、水蒸気検出信号計測装置7と、水蒸気濃度計測装置8と、監視装置9と、ペネトレーション装置10を具備している。
FIG. 1 shows a basic configuration of a gas concentration measuring device in a reactor containment vessel according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the gas concentration measuring
酸素センサ1と、水蒸気センサ5は原子炉格納容器12内に設置され、他の装置は中央制御室等の原子炉格納容器12外に設置される。ペネトレーション装置10は格納容器壁11を貫通し、原子炉格納容器12の内側と外側とでケーブルを接続する。
The
図2は、上記した酸素センサ1と、ヒータ制御装置2と、酸素検出信号計測装置3の概略的な構成を示している。酸素センサ1には、固体電解質を用いた濃淡電池式のものが使用され、この酸素センサ1は、固体電解質16と、それに付属した2つの電極17a,17bと、カバー19とヒータ13とを具備している。
FIG. 2 shows a schematic configuration of the
固体電解質16には、酸素イオン30を伝導するジルコニア等が使用される。固体電解質16の両面に電極17a,17bが付設される。電極17a,17bには、触媒性能の低いサマリウムーストロンチウムコバルテート(SSC)、ランタンストロンチウムマンガネード(LSM)等の酸化物材料等が用いられる。カバー19は、固体電解質16の電極17b側を覆い基準ガス室18を形成している。基準ガス室18には、濃度が既知の高濃度の酸素(例えば100%の酸素)が封入されている。酸素検出信号計測装置3は電圧計20から構成される。ヒータ13を制御するヒータ制御装置2には、直流定電圧電源15が使用される。なお、図2において14はケーブルである。
As the
図3は、上記した水蒸気センサ5と、ヒータ制御装置6と水蒸気検出信号計測装置7の概略的な構成を示している。 FIG. 3 shows a schematic configuration of the water vapor sensor 5, the heater control device 6, and the water vapor detection signal measurement device 7 described above.
水蒸気センサ5は、固体電解質21と電極(カソード22、アノード23)とカバー24とヒータ13から構成される。固体電解質21には酸素イオン30を伝導するジルコニア等が使用される。2つの電極(カソード22、アノード23)は、固体電解質21の両面に付設されている。2つの電極(カソード22、アノード23)には、プラチナ等の触媒性能が高い貴金属材料が用いられる。
The water vapor sensor 5 is composed of a
カバー24には、拡散孔25が設けられ、固体電解質21のカソード22側を覆いガス検出室26を形成している。上記の拡散孔25は、原子炉格納容器12内のガス31が拡散によりガス検出室26へ流入するようにするものであり、直径の小さな孔や多孔質材料が用いられる。
The
ヒータ13を制御するヒータ制御装置6には、直流定電圧電源15が使用される。水蒸気検出信号計測装置7は、可変直流電源27と、電流計28と、電圧計29から構成される。なお、図3において14はケーブルである。
A DC constant
次に、原子炉格納容器内のガス濃度計測装置100の作用と効果を説明する。
ヒータ制御装置2の直流定電圧電源15から酸素センサ1のヒータ13に電流が供給され、酸素センサ1の固体電解質16は加熱され一定の温度に保持される。固体電解質16は加熱されることにより、酸素イオン30を容易に伝導することができる。例えば、ジルコニアの場合は通常、400℃〜800℃に加熱され、酸素イオン伝導体として使用される。
Next, the operation and effect of the gas concentration measuring
A current is supplied from the DC constant
本実施形態では、酸素イオン30を伝導可能な最低の温度、例えば、ジルコニアの場合は400℃程度に保持する。固体電解質16は、濃淡電池式センサとして作用し、原子炉格納容器12内と基準ガス室18の酸素濃度により、電極17a,17b間にエルンストの式に従った起電力が生じる。基準ガス室18の酸素濃度は一定に保たれているので、上記の起電力は原子炉格納容器12内の酸素濃度に依存することになり、したがって、電極17a,17b間の電位差を計測することにより、原子炉格納容器12内の酸素濃度を求めることができる。
In the present embodiment, the oxygen ion 30 is maintained at the lowest temperature that can be conducted, for example, about 400 ° C. in the case of zirconia. The
過酷事故発生時には、原子炉格納容器12内に水素が発生する場合があるが、電極17aに触媒性能の低い材料を用い、かつ、固体電解質16の温度を低く保つことにより、電極17aでの水素燃焼の発生を抑制し、酸素濃度を精度よく計測することができる。電極17a,17b間の電位差を酸素検出信号計測装置3の電圧計20で測定し、その測定信号を酸素濃度計測装置4へ出力する。
When a severe accident occurs, hydrogen may be generated in the
酸素濃度計測装置4では、基準ガス室18の酸素濃度値及び固体電解質16の設定温度を用いてエルンストの式から原子炉格納容器12内の酸素濃度を計算し、その信号を監視装置9と水蒸気濃度計測装置8へ出力する。
In the oxygen concentration measuring device 4, the oxygen concentration in the
水蒸気センサ5では、水蒸気センサのカバー24に設けられた拡散孔25から、原子炉格納容器12内のガスがガス検出室26へ流入する。水蒸気検出信号計測装置7の可変直流電源27によって固体電解質21に設けられた2つの電極(カソード22、アノード23)間に電圧が印加され、水蒸気検出信号計測装置7の電圧計29の計測値を用いてフィードバック制御することにより、上記の印加電圧は水の電気分解を生じる値以上で一定になるように調整される。
In the water vapor sensor 5, the gas in the
上記のガス検出室26へ流入したガス31に含まれる水蒸気は、電極(カソード22、アノード23)間に印加された電圧の作用によって酸素分子と水素分子へ電気分解され、さらにカソード22に用いられている貴金属の触媒作用により酸素分子は酸素イオン30と電子に解離される。
The water vapor contained in the
ヒータ制御装置6の直流定電圧電源15から水蒸気センサ5のヒータ13に電流が供給され、水蒸気センサ5の固体電解質21は加熱され一定の温度に保持される。固体電解質21は加熱されることにより酸素イオン30を容易に伝導することができる。例えば、ジルコニアの場合は通常、400℃〜800℃に加熱され、酸素イオン伝導体として使用される。
A current is supplied from the DC constant
加熱された固体電解質21に印加された電圧の作用により、酸素イオン30はカソード22側からアノード23側へ輸送され、電極(カソード22、アノード23)間に電流が流れる。電極(カソード22、アノード23)間の印加電圧を適切に設定し、固体電解質21に酸素イオン30が十分に流れるようにすることにより、酸素原子の流れは拡散孔25での水蒸気の拡散過程が律速となる。この場合、固体電解質21に設けられた電極(カソード22、アノード23)間に流れる電流は限界電流と呼ばれ、ガス31中の水蒸気濃度の変化に応じて変化する特性をもつようになる。
Due to the action of the voltage applied to the heated
一方、上記のガス検出室26へ流入したガス31に含まれる酸素は、カソード22に用いられている貴金属の触媒作用により酸素イオン30と電子に解離され、酸素イオン30は加熱された固体電解質21の中を印加電圧の作用によりカソード22側からアノード23側へ輸送され、電極(カソード22、アノード23)間に電流が流れる。電極(カソード22、アノード23)間の印加電圧を適切に設定し、固体電解質21に酸素イオン30が十分に流れるようにすることにより、酸素原子の流れは拡散孔25での酸素の拡散過程が律速となり、固体電解質21に設けられた電極(カソード22、アノード23)間に限界電流が流れる。
On the other hand, the oxygen contained in the
この限界電流も、ガス中の酸素濃度の変化に応じて変化する特性を持つようになる。なお、ガス検出室26へ流入するガス31に水素が含まれる場合は、カソード22に用いられている貴金属の触媒作用により酸素と水素が化学反応を起こし水蒸気を形成するが、形成された水蒸気は電極(カソード22、アノード23)間に印加された電圧の作用によって酸素分子と水素分子へ電気分解されるため、本実施形態のように電極(カソード22、アノード23)間に水の電気分解を生じる値以上の電圧を印加する場合、上記の酸素濃度と限界電流との相関は影響を受けない。
This critical current also has the property of changing in response to changes in the oxygen concentration in the gas. When hydrogen is contained in the
上記のように、固体電解質21に設けられた電極(カソード22、アノード23)間に、水の電気分解を生じる値以上で、かつ、固体電解質21に酸素イオン30が十分に流れるような電圧を印加する場合、電極(カソード22、アノード23)間に流れる電流は、水蒸気由来の限界電流と酸素由来の限界電流の和となる。
As described above, between the electrodes (cathode 22 and anode 23) provided in the
電極間(カソード22、アノード23)に流れる電流を水蒸気検出信号計測装置7の電流計28で計測し、その計測信号を水蒸気濃度計測装置8へ出力する。水蒸気濃度計測装置8には、予め、被計測ガス31の水蒸気濃度と電極(カソード22、アノード23)間に流れる水蒸気由来の限界電流値との相関を調べたデータ、及び、被計測ガス31の酸素濃度と電極(カソード22、アノード23)間に流れる酸素由来の限界電流値との相関を調べたデータが収納されている。
The current flowing between the electrodes (cathode 22 and anode 23) is measured by the
酸素検出信号計測装置3から入力された酸素濃度から、上記のデータを参照して酸素由来の限界電流値を求め、水蒸気検出信号計測装置7から入力された電流値から上記の酸素由来の限界電流値を差し引くことにより水蒸気由来の限界電流値を求め、上記のデータを参照して水蒸気由来の限界電流値から水蒸気濃度を求めることができる。
From the oxygen concentration input from the oxygen detection
求められた水蒸気濃度の信号は、監視装置9へ出力され、監視装置9は、原子炉格納容器12内のガス31に含まれる水蒸気濃度と酸素濃度を表示する。
The obtained signal of the water vapor concentration is output to the monitoring device 9, and the monitoring device 9 displays the water vapor concentration and the oxygen concentration contained in the
上記のように本実施形態によれば、原子炉格納容器12内のガス31をサンプリングせずに、酸素と水蒸気の濃度を計測することができる。すなわち、原子炉格納容器内のガスを原子炉格納容器外へ吸引してサンプリングするサンプリング装置、サンプリングガスを冷却するための冷却器、サンプリングガスを除湿するための除湿器等を用いることなく、また、交流電源を必要とすることなく、水蒸気を除いた状態での酸素濃度を評価することができる。
As described above, according to the present embodiment, the concentrations of oxygen and water vapor can be measured without sampling the
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。これら新規な実施形態は、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。 Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1……酸素センサ、2……ヒータ制御装置、3……酸素検出信号計測装置、4……酸素濃度計測装置、5……水蒸気センサ、6……ヒータ制御装置、7……水蒸気検出信号計測装置、8……水蒸気濃度計測装置、9……監視装置、10……ペネトレーション装置、11……格納容器壁、12……原子炉格納容器、13……ヒータ、14……ケーブル、15……直流定電圧電源、16……固体電解質、17a,17b……電極、18……基準ガス室、19……カバー、20……電圧計、21……固体電解質、22……電極(カソード)、23……電極(アノード)、24……カバー、25……拡散孔、26……ガス検出室、27……可変直流電源、28……電流計、29……電圧計、30……酸素イオン、31……ガス、100……原子炉格納容器内のガス濃度計測装置。 1 ... Oxygen sensor, 2 ... Heater control device, 3 ... Oxygen detection signal measurement device, 4 ... Oxygen concentration measurement device, 5 ... Steam sensor, 6 ... Heater control device, 7 ... Water vapor detection signal measurement Equipment, 8 ... Water vapor concentration measuring device, 9 ... Monitoring device, 10 ... Penetration device, 11 ... Storage container wall, 12 ... Reactor storage container, 13 ... Heater, 14 ... Cable, 15 ... DC constant voltage power supply, 16 ... solid electrolyte, 17a, 17b ... electrode, 18 ... reference gas chamber, 19 ... cover, 20 ... voltmeter, 21 ... solid electrolyte, 22 ... electrode (cathode), 23 ... Electrode (anode), 24 ... Cover, 25 ... Diffuse hole, 26 ... Gas detection chamber, 27 ... Variable DC power supply, 28 ... Current meter, 29 ... Voltage meter, 30 ... Oxygen ion , 31 ... Gas, 100 ... Gas concentration measuring device in the reactor containment vessel.
Claims (3)
前記原子炉格納容器内に配置され、固体電解質を用いた濃淡電池式のセンサにより前記原子炉格納容器内の酸素濃度を計測する酸素濃度計測手段と、
予め与えられる前記第1の電気的物理量と被計測ガスの酸素濃度との関係を示すデータ及び前記第1の電気的物理量と被計測ガスの水蒸気濃度との関係を示すデータを参照し、前記水蒸気検出手段から取得する前記第1の電気的物理量の値と、前記酸素濃度計測手段から取得する前記原子炉格納容器内の酸素濃度の値から、前記原子炉格納容器内の水蒸気濃度の値を得る水蒸気濃度計測手段と、
を具備することを特徴とする原子炉格納容器内のガス濃度計測装置。 A steam detection means for detecting steam in the reactor containment vessel by detecting a first electrical physical quantity that is arranged in the reactor containment vessel and is output from a limit current type sensor using a solid electrolyte. ,
An oxygen concentration measuring means arranged in the reactor containment vessel and measuring the oxygen concentration in the reactor containment vessel by a concentration cell type sensor using a solid electrolyte.
With reference to the data showing the relationship between the first electric physical quantity and the oxygen concentration of the measured gas given in advance and the data showing the relationship between the first electric physical quantity and the water vapor concentration of the measured gas, the water vapor The value of the water vapor concentration in the reactor storage container is obtained from the value of the first electrical physical quantity acquired from the detection means and the value of the oxygen concentration in the reactor storage container acquired from the oxygen concentration measuring means. Water vapor concentration measuring means and
A gas concentration measuring device in a reactor containment vessel, which is characterized by being equipped with.
前記濃淡電池式の酸素センサで計測した酸素濃度と、前記限界電流式のセンサの電極間に水の電気分解を生じる電位以上の直流電圧を印加した際に前記電極間に流れる電流値とから、前記原子炉格納容器内の水蒸気濃度を計測する
ことを特徴とする原子炉格納容器内のガス濃度計測方法。 A concentration cell type oxygen sensor using a solid electrolyte placed in the reactor containment vessel and a limit current type sensor using the solid electrolyte placed in the reactor containment vessel are used in combination.
From the oxygen concentration measured by the concentration cell type oxygen sensor and the current value flowing between the electrodes when a DC voltage higher than the potential that causes water electrolysis is applied between the electrodes of the limit current type sensor. A method for measuring a gas concentration in a reactor storage container, which comprises measuring the water vapor concentration in the reactor storage container.
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