JP2022503654A - ガウスの法則を利用した安全システムによる停止のための受動電気部品 - Google Patents

Abstract

電気技術装置は、第２のハウジング部から電気的に絶縁された第１のハウジング部を含み、ポイントソースが第１のハウジング部内に配置されている。可動導体は、第１のハウジング部に接続され、ポイントソースによって生成された電界に応答して、可動導体を第２のハウジング部に接触させて回路を完成させ、制御信号を送出する。

Description

本開示は、システムパラメータを検知し、また、予め定められた設定点に達して、これによりシステム内のアクションを実行するための信号が送信された場合にトリップ状態になる受動電気部品を含む安全システムによる停止に関する。受動電気部品は、ガウスの法則を利用している。

ここでは、必ずしも先行技術ではない本開示に関連する背景情報を提供する。

現代の原子炉は、制御および安全のために様々なデジタルシステムを使用しており、分散制御情報システム（ＤＣＩＳ）と呼ばれている。これらのシステムは、冗長性があり、多様性があり、フォールトトレラント性があり、システムが動作している間に広範囲の自己診断を行う。一方、原子力デジタル産業では、一般的な原因であるソフトウェアの不具合が懸念されている。さらに被害が大きいのは、システムの安全システムへの、あるいはシステムの安全システムを介したサイバー攻撃である。デジタル産業では、コンポーネントサイズを小さくしながら計算能力を高めたいという願望から、ソフトウェアが埋め込まれた非常に小さなデジタルデバイスが生まれている。これらのシステムが一般的な原因である不具合を有し得ないことを規制機関に納得させることは非常に困難である。この小型のデジタルシステムがサイバー攻撃を受けた場合には、さらに大きな被害を受ける作動が生じる可能性がある。このような原子力発電所の安全システムの極端な未知の状態は、冗長性、独立性、決定性の原因となり、これらのすべてが相当な追加コストの原因となっている。

図６は、制御パネル２０３がインターフェイスとなる、安全部２０２および非安全部２０４の両者を備える従来の分散制御情報システム（ＤＣＩＳ）２００を示す概略図である。本開示は、図７に示すＤＣＩＳ２００の安全部２０２に向けられている。ＤＣＩＳ２００の安全部２０２は、４つの独立して構成された部２０２Ａ乃至２０２Ｄを含み、これらはそれぞれ、収集されるとともにリモートマルチプレクサユニットＲＭＵ２０５から送信される測定されたシステム信号を受信する。リモートマルチプレクサユニットＲＭＵ２０５は、デジタルトリップモジュールＤＴＭ２０６に出力を行う。デジタルトリップモジュールＤＴＭ２０６はそれぞれトリップ論理ユニットＴＬＵ２０８に出力を行う。トリップ論理ユニットＴＬＵ２０８はそれぞれ出力論理ユニットＯＬＵ２１０に出力信号を提供する。従来の安全部２０２は、故障を判定するために、異なる４つの部２０２Ａ乃至２０２Ｄのうち少なくとも２つの部が同様の信号を受信するという投票ロジックを使用する（すなわち、圧力および温度は互いに比較されない）。

原子力発電所の制御システムの設計者、購入者、設置者、および操作者は、システムが確実に設計通りに機能するように、本質的な安全信号を確立するとともに追跡することがより困難になっている。人間が「信号の流れ」を変化させたり、「電子／データの流れを追跡して、システムがサイバー攻撃を受けないようにする」ことができる規模の装置および方法が必要とされている。

本項は、本開示の一般的な概要を提供するものであり、その完全な範囲またはすべての要素を包括的に開示するものではない。

本開示は、制御システムに結合され、また、ガウスの法則を利用して受動システム安全停止または緊急作動を行うことができる電気技術装置を提供する。これらの装置は、デジタル安全システムの固有の限界である共通の原因であるソフトウェア障害やサイバーセキュリティ攻撃の課題を解決する。ガウスの法則接触器は、原子力発電所、または他の敏感なインフラストラクチャを保護するように設定することができる電気技術装置を提供する。本開示のガウスの法則接触器は、装置を確実に一貫して製造することができる金属およびプラスチックの３Ｄ印刷機を使用して製造することができ、これに関してその製造データをキャプチャするとともに保存して、装置の一貫した動作特性を確認することに利用することができる。ガウスの法則接触器は、簡単な合否チェックやゴー／ノー・ゴーチェックを使用して、電気安全システムに伝達して、安全な停止に状態を変更する。プリントされた装置は、３つの基本的なタスクを実行するために安全システムに配置される。基本的なタスクとは、すなわち、システムパラメータ（例、温度、流量、圧力、電力、変化率など）を検知し、予め設定されたポイントに達した場合は「トリップ」状態になり、最後に、安全システムの論理が満たされた場合は、停止などのシステム内のアクションを実行するための信号を送信する。通常の電源喪失時には、ガウスの法則接触器は、ユーザの要求に応じて、そのまま故障したり、安全状態に故障し得る。システムは、停電によるデジタル機器の安全機能のいかなる喪失を防止する。装置は、さらに、ソフトウェアやデジタルサイバー攻撃による障害を解消する。

本開示の原理に従った電気技術装置は、入力信号が供給されるポイントソースを備える。第１のハウジング部は、ポイントソースが第１のハウジング部内に配置された状態で、第２のハウジング部から電気的に絶縁されている。可動導体は、第１のハウジング部に接続され、ポイントソースによって生成された電界に応答して、可動導体を第２のハウジング部に接触させて回路を完成させ、制御信号を送出する。

本開示のさらなる態様によれば、原子力システムの故障状態を検知するための電気技術装置が提供される。電気技術装置は、第２のハウジング部から電気的に絶縁された第１のハウジング部と、互いに間隔をおいて第１のハウジング部内に配置された複数のポイントソースとを含み、各ポイントソースは入力信号を供給される。可動導体は、第１のハウジング部に接続され、複数のポイントソースによって生成された電界に応答して第２のハウジング部に接触し、ポイントソースのうちの少なくとも２つのポイントソースが故障状態を示す入力信号を受信したときに制御信号を送出するための回路を完成させる。

本開示のさらなる態様によれば、電気技術装置を形成する方法は、第１のハウジング部と、第１のハウジング部分に接続された可動導体と、可動導体から間隔をおいて配置されるとともに第１のハウジング部内に設けられたポイントソースとをデジタル印刷することを含む。方法は、ポイントソースと入力信号とを接続することを含む。また、方法は、第１のハウジング部に対向し、かつ第１のハウジング部から電気的に絶縁された第２のハウジング部をデジタル印刷することを含む。可動導体は、第２のハウジング部に接触して回路を完成させ、制御信号を送出するように、ポイントソースによって生成された電界に応答する。

適用可能なさらなる領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。本課題を解決するための手段における説明および具体例は、例示のみを目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

開放状態で示された本開示の原理に従ったガウスの法則接触器を示す概略説明図である。 図１に示すガウスの法則接触器を閉鎖状態で示した概略説明図である。 開放状態で示されたガウス論理接触器に入る４つの独立した信号を有するガウスの法則接触器を示す概略説明図である。 図３に示したガウスの法則接触器の一入力を活性化状態で示した概略図である。 図３に示したガウスの法則の接触器を閉鎖するための複数の入力を活性化状態で示したガウスの法則の接触器を示す概略説明図である。 原子炉用分散制御情報システムの従来のデジタルシステムを示す概略図である。 図６の分散制御情報システムの従来のデジタルシステムの安全部を示す概略図である。

本明細書に記載された図面は、選択された実施形態のみを例示する目的であり、すべての可能な実施形態を示すものではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

対応する参照符号は、図面のいくつかの図にわたって対応する部分を示している。

例示的な実施形態は、ここで添付の図面を参照して、より完全に説明される。

例示的な実施形態が提供され、これにより、本開示は、本発明の範囲を徹底的に、当業者に十分に伝達することができる。本開示の実施形態が完全に理解されるように、特定の構成要素、装置、および方法の例のような多数の具体的な詳細が記載されている。特定の詳細を採用する必要の無いこと、例示的な実施形態が多くの異なる形態で具現化され得ること、およびいずれも本開示の範囲を限定するように解釈されるべきではないことは、当業者には明らかであろう。いくつかの例示的な実施形態では、周知のプロセス、周知のデバイス構造、および周知の技術は、詳細には記載されていない。

本明細書で使用される用語は、特定の例示的な実施形態のみを説明する目的であり、限定することを意図していない。本明細書で使用されるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに別段のことを示さない限り、複数形も含むことを意図している。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、および「ｈａｖｉｎｇ」は包括的であり、したがって、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。本明細書に記載された方法のステップ、プロセス、および操作は、具体的に所定の順序の性能として特定されない限り、議論または例示された特定の順序でのそれらの性能を必ずしも必要とするものとして解釈されるものではない。追加のステップまたは代替のステップが採用されてもよいことも理解されよう。

図１および図２を参照して、本開示の原理に従ったガウスの法則接触器１０を以下に説明する。図１に示すように、ガウスの法則接触器１０は、絶縁ジョイント１６によって互いに電気的に分離された下部ハウジング部１２および上部ハウジング部１４を含む。ポイントソース１８は、入力信号２０に接続されるとともに下部ハウジング部１２内に配置されている。可動導体２２は、下部ハウジング部１２に接続されるとともにポイントソース１８から間隔をおいて配置されている。下部ハウジング部１２と上部ハウジング部１４との間を電気的に分離することにより、ガウスの法則接触器１０の開放型制御回路２４が得られる。

図２に示すように、ポイントソース１８には、安全状態を表すセンサ電圧の増加を示す増加した入力信号２０’が供給される。安全状態は、温度、圧力、流体の流れ、または他の監視された状態の上昇を含み得る。増加した入力信号２０’は、結果として、荷電ポイントソース１８’の増加をもたらし、これは、電界により多くの発散をもたらす。ポイントソース１８’の周囲の電界の発散の増加により、可動導体２２は帯電したポイントソース１８’から離間してガウスの法則接触器１０の上部ハウジング部１４と接触するように移動し、その結果、接触器２４’が閉鎖される。接触器２４’が閉鎖することにより、安全制御信号またはアクション２６が実行される。これに代えて、逆回路は、保護機能のためのシステムを非通電にするために、接触器２４を（閉じるのではなく）開くように設定することができる。

図３乃至５を参照して、ガウスの法則接触器３０は、ソフトウェアなしで論理装置を提供するように、原子力安全システム３１に図示されている。図３に示すように、ガウスの法則接触器３０は、絶縁ジョイント３６によって互いに電気的に分離された下部ハウジング部３２および上部ハウジング部３４を含む。４つの独立したポイントソース３８ａ乃至３８ｄは、原子力安全システム３１のセンサ４１ａ乃至４１ｄからの個別の入力信号４０ａ乃至４０ｄに接続されており、下部ハウジング部３２内に配置されている。可動導体４２は、下部ハウジング部３２に接続され、ポイントソース３８ａ乃至３８ｄから間隔をおいて配置されている。下部ハウジング部３２と上部ハウジング部３４との間を電気的に分離することにより、ガウスの法則接触器３０の開放型制御回路４４が得られる。

図４に示すように、一方のポイントソース３８ａ’には、安全状態を示す原子力安全システム３１のセンサ４１ａ’からの増加した入力信号４０ａ’が供給される。安全状態は、原子力安全システム３１のセンサ４１ａ乃至４１ｄによって検知されるような温度、圧力、流体の流れ、または他の監視状態の上昇を含むことができる。増加した入力信号４０ａ’は、荷電ポイントソース３８ａ’を増加させ、これにより、電界により多くの発散が生じる。ポイントソース３８ａ’の周囲の電界の発散が増加することにより、可動導体４２は荷電ポイントソース３８ａ’から離間されるが、これは、制御回路４４が開いたままであるように、可動導体４２をガウスの法則接触器３０の上部ハウジング部３４に接触させるには不十分である。

図５に示すように、ポイントソース３８ａ’，３８ｂ’のうちの複数のものには、それぞれ安全状態を示す増加した入力信号４０ａ’，４０ｂ’が供給される。増加した入力信号４０ａ’，４０ｂ’は、荷電ポイントソース３８ａ’，３８ｂ’を増加させ、これにより、電界により多くの発散が生じる。ポイントソース３８ａ’、３８ｂ’の周囲の電界により多くの発散が生じることにより、可動導体４２は荷電ポイントソース３８ａ’、３８ｂ’から離間されガウスの法則接触器３０の上部ハウジング部３４と接触するように移動され、その結果、制御回路４４’が閉鎖され、停止動作または他のセキュリティ動作が実行されるように送信される安全制御信号４６が提供される。これに代えて、逆回路は、保護機能のためのシステムを非通電にするために、接触器２４を（閉じるのではなく）開くように設定することができる。ガウスの法則接触器３０は、先行技術の図６および図７で以前に説明したデジタルトリップモジュールＤＴＭ２０６、トリップ論理ユニットＴＬＵ２０８、および出力論理ユニットＯＬＵ２１０を置き換えることができる。

ガウスの法則接触器１０／３０は、一貫した動作および応答性を保証するために、部品の一部または全部をデジタル印刷して製造することができる。一例として、上下のハウジング１２、１４／３２、３４、ポイントソース１８／３８ａ乃至３８ｄ、可動導体２２／４２は、いずれも、同一または異なる材料からデジタル印刷によって形成することができる。可動導体２２／４２は、肉薄な金属膜として形成することができ、ポイントソース１８／３８ａ乃至３８ｄから発せられる増加した電界に応答して抑制されない動きを可能にするために、折り目、起伏、または蛇腹形状を含むことができる。

デジタル印刷により、部品の精度が高く、一貫した生産が可能となり、各部品の正確な製造のためのデジタル記録を有することができる。ガウスの法則接触器１０／３０の正確な生産を証明するためにデジタル記録を活用することができる。

本開示は、以下の動作モードに従った、本願で提供されるガウスの法則接触器の使用を想定している。ガウスの法則接触器１０／３０の定常運転中には、ベースライン電圧を接触器に供給することができる。装置１０への電圧または装置３０への４つの電圧のうち２つの電圧が装置ベースラインを超えると、回路２４／４４は閉鎖され、安全システム応答２６／４６が作動する。いくつかの装置では、応答は使い切りの構成要素の切断（ａｃｃｕｓａｔｉｏｎ）（ヒューズ）であるのに対し、説明されている実施形態のいくつかは、操作者によって物理的にリセットすることが可能である。

一次電源の損失がある場合は、無停電電源装置を使用して回路内の電圧レベルを一定に維持する。この二次電源からの電力は安全測定装置にも供給され、その損失によりシステムは安全に停止される。すべての電力が失われた場合、回路設計者がどのように装置をアーキテクチャに配置するかに応じて、システムはそのまま故障するか、安全状態になる。

上述した実施形態の説明は、図示および説明を目的として提供されている。網羅的に開示することを意図したものではなく、開示を限定するものでもない。特定の実施形態の個別の要素または特徴は、一般に、その特定の実施形態に限定されるものではないが、適用可能な場合には、特に示されていなくても、または説明されていなくても、交換可能であり、選択された実施形態で使用することができる。また、これらは様々に変形可能である。そのような変形は、本開示からの逸脱とみなされるものではなく、すべてのそのような変形は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。

Claims (10)

1. 入力信号が供給されるポイントソースと、
   第２の部分から電気的に絶縁された第１の部分であって、前記ポイントソースは前記第１の部分内に配置されている、第１の部分と、
   前記第１の部分に接続され、前記ポイントソースによって生成された電界に応答して前記第２の部分に接触して回路を完成させ、制御信号を送信する可動導体と、
   を備える、電気技術装置。
2. 前記可動導体が金属膜である、請求項１に記載の電気技術装置。
3. 前記入力信号が、温度センサ、圧力センサ、および流量センサからの信号のうちの１つを表すものである、請求項１に記載の電気技術装置。
4. 第１のハウジング部を形成する工程と、
   可動導体を前記第１のハウジング部に接続する工程と、
   前記第１のハウジング部にポイントソースを挿入する工程であって、前記ポイントソースは前記可動導体から離間され入力信号が供給される、挿入工程と、
   前記第１のハウジング部に対向し、かつ前記第１のハウジング部から電気的に絶縁された第２のハウジング部を設ける工程と、
   を含み、前記可動導体は、前記第２のハウジング部に接触して回路を完成させ、制御信号を送出するように、前記ポイントソースによって生成された電界に応答する、電気技術装置の製造方法。
5. 前記可動導体が金属膜である、請求項４に記載の方法。
6. 前記入力信号が、温度センサ、圧力センサ、および流量センサからの信号のうちの１つを表すものである、請求項４に記載の方法。
7. 前記第１のハウジング部、前記第２のハウジング部、および前記可動導体が、３Ｄデジタル印刷によって金属から形成される、請求項４に記載の方法。
8. 各々に入力信号が供給される複数のポイントソースと、
   第２のハウジング部から電気的に絶縁された第１のハウジング部であって、前記複数のポイントソースが互いに間隔をおいて配置されるとともに前記第１のハウジング部内に配置されている、第１のハウジング部と、
   前記第１のハウジング部に接続される可動導体であって、前記ポイントソースのうちの少なくとも２つのポイントソースが故障状態を示す入力信号を受信したときに、前記可動導体は、前記複数のポイントソースによって生成された電界に応答して前記第２のハウジング部に接触し、制御信号を送信するための回路を完成させる、可動導体と、
   を備える、原子力システムの故障状態を検知するための電気技術装置。
9. 前記可動導体が金属膜である、請求項８に記載の電気技術装置。
10. 前記入力信号が各々、温度センサ、圧力センサ、または流量センサからの信号のうちの１つを表すものである、請求項８に記載の電気技術装置。

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