JP4476597B2

JP4476597B2 - 中性子検出装置の寿命診断方法

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Publication number: JP4476597B2
Application number: JP2003372631A
Authority: JP
Inventors: 泰志後藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2005134306A

Description

本発明は、原子炉内にて使用される核分裂電離箱方式の中性子検出装置の寿命診断方法に関するものである。

原子力発電所において、原子炉内の出力分布を常時監視することは炉心の安全確保上重要である。
従来一般に、沸騰水型原子炉の炉心出力を監視するための手段として、局部出力領域モニタ（ＬＰＲＭ＝Local Power Range Monitor）と呼ばれる中性子検出装置が使用されている。

この局部出力領域モニタは、原子炉の制御棒の周辺に配置された複数本のＬＰＲＭ検出器により原子炉内の水平方向、軸方向の局部的な中性子束レベルの計測を行い、炉心出力の監視を行う。

前記ＬＰＲＭ検出器は炉内固定式の核分裂電離箱であり、検出器内面にウランをコートし、中性子と反応させて電流を発生させるもので、例えば１，１００ＭＷｅクラスの沸騰水型原子炉では４３本のＬＰＲＭ検出器が炉内に装荷されている。
このＬＰＲＭ検出器は長期間炉内で中性子の照射を受け、反応させておくと出力特性が劣化するため、適時寿命診断を行い、定期的な補正や、交換を実施する必要がある。

一般に、交換の目安となるＬＰＲＭ検出器の寿命は、熱中性子の照射を受けて検出感度が劣化する核的な寿命と、ＬＰＲＭ検出器集合体を構成する構造材の使用寿命とから診断している。
ＬＰＲＭ検出器の核的な寿命に関しては、実際の検出感度の変化を検出器信号の変化から算出し、寿命の診断に用いている。

ＬＰＲＭ検出器は、上記の通り核分裂電離箱であり、検出器の陰極面にウランが塗布してあるが、塗布するウランとしては、核分裂性物質であるウラン２３５の他に核分裂転換物質であるウラン２３４を混合して塗布している（例えば、特許文献１参照。）。
この場合のウランの混合比は、およそウラン２３５：ウラン２３４＝１：４程度となるように設定されている。

図６にＬＰＲＭ検出器の劣化に伴う検出感度の変化を示す。
図６において、縦軸はＬＰＲＭ検出器の初期感度Ｓ_０に対する現在の感度Ｓの比である感度比Ｓ／Ｓ_０を、横軸はＬＰＲＭ検出器に対する中性子照射量を表している。

ＬＰＲＭ検出器の感度はウラン２３４を混合している効果により、図６に示すように、中性子照射量の増大に伴って最初一旦上昇し（Ｔ１）、その後徐々に減少して行き（Ｔ２）、ある時点（Ｔ３）で寿命限界感度を示す感度比Ｌに達する。

図６において、縦軸に示すＬＰＲＭ検出器の初期感度Ｓ_０に対する現在の感度Ｓの比である感度比Ｓ／Ｓ_０は、ＬＰＲＭ検出器の初期校正電流値Ｉ_０に対する校正電流（ＬＰＲＭ検出器が１００％を示すのに必要な電流）値Ｉの比Ｉ／Ｉ_０とほぼ同等とみなしてよい。すなわち、
Ｓ／Ｓ_０≒Ｉ／Ｉ_０
が成り立つ。

このことから、従来の局所出力領域モニタにおけるＬＰＲＭ検出器の寿命診断としては、ＬＰＲＭ検出器の検出感度Ｓの変化の代わりに、校正電流値Ｉの変化を使用して感度の変化を把握し、寿命診断を行っている。

ＬＰＲＭ検出器の検出電流成分には、中性子に起因する電流と、中性子以外に起因する電流とがある。ただし、中性子以外に起因する電流については、通常はガンマ線による電流が支配的であり、簡単のため以下の説明においてはガンマ線による電流として説明する。

ＬＰＲＭ検出器の場合は、炉内装荷初期には中性子の検出感度が高く、中性子に起因する電流成分が多いが、検出感度の劣化に伴ってガンマ線に起因する電流が中性子に起因する電流に対して無視できなくなってくる。
検出電流成分中におけるガンマ線に起因する電流成分の割合が増加してくると、遅発ガンマ線の影響による中性子検出装置の応答遅れが生じてくる。

従って、この応答遅れが無視できない程度の割合となる時点を、ＬＰＲＭ検出器の核的な寿命限界としている。すなわち、中性子に起因する電流とガンマ線に起因する電流の割合がＬＰＲＭ検出器の核的な寿命限界を決定する要因である。
前記したように従来、ＬＰＲＭ検出器の核的な寿命を診断する手段として、検出器の校正電流値の減少程度から診断する手段が用いられている。

この寿命診断方法の流れを図７のフローチャートに示す。
一般的には、プロセス計算機の炉心性能計算で得られるＬＰＲＭ検出器の校正電流値の初期値に対する比で寿命を決めている。

図７に示すように、まず、プロセス計算機の炉心性能計算機能で校正電流値Iを得る（Ｓ２１）。
次に、予め同様に求めておいた初期校正電流値Ｉ_０を用いて（Ｓ２２）、初期校正電流値Ｉ_０に対する校正電流値Ｉの比Ｉ／Ｉ_０を計算する（Ｓ２３）。

この結果と炉心性能計算で求めた中性子照射量計算値（Ｓ２４）とをグラフにプロットし、図６のようなＬＰＲＭ感度変化推移曲線を得る（Ｓ２５）。
この推移曲線が寿命限界感度を示す感度比Ｌに到達する中性子照射量が、当該ＬＰＲＭ検出器の寿命となると予測する（Ｓ２６）。
特開２００３−２３２８６２号公報

しかしながら従来のＬＰＲＭ検出器の寿命診断方法では、炉心性能計算で求めた校正電流値から検出感度を評価しているため、プロセス計算機の炉心性能計算機能の精度の影響を受け、正確な寿命予測を行うことが難しい。
また、校正電流値の測定が直流計測による測定手法であるため、測定値はガンマ線等の影響を含んだ値となり、精度の高い評価に基ずく寿命診断が行えないという問題点がある。

本発明は、以上の課題を解決するために成されたものであり、局部出力領域モニタのＬＰＲＭ検出器の検出感度変化による寿命診断を適切に、かつより精度良く行える中性子検出装置の寿命診断方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、局部出力領域モニタ検出器の平均自乗電圧の値を検出する手段と、前記検出された局部出力領域モニタ検出器の平均自乗電圧と局部出力領域モニタ検出器装荷初期に予め測定しておいた初期平均自乗電圧との比を計算し、検出感度の測定を行う手段と、前記局部出力領域モニタ検出器を炉内装荷してから検出感度測定を実施した時点までの積分中性子照射量を計算する手段と、前記積分中性子照射量に対する局部出力領域モニタ検出器の検出感度変化推移曲線Ａを得る手段と、前記検出感度変化推移曲線Ａと局部出力領域モニタ検出器の直流計測によって求めた検出感度変化推移曲線Ｂとの検出感度の差からガンマ線成分を算出する手段と、前記検出感度変化推移曲線Ａから求めた中性子成分と前記ガンマ線成分との割合から寿命を判定する手段とからなることを特徴とする。

本発明の中性子検出装置の寿命診断方法によれば、ＬＰＲＭ検出器の核的な寿命診断が適切に行え、より精度の高いＬＰＲＭ検出器の寿命診断が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態の説明において、従来のものと同一のものについては詳細な説明を省略する。

図１は本発明の第１の実施の形態を示すシステム構成図であり、図２は寿命診断方法を説明するためのフローチャートである。
図１において、１は局部出力領域モニタのＬＰＲＭ検出器、２は前記ＬＰＲＭ検出器１に高圧導体３を介して接続された信号測定器で、この信号測定器２は平均自乗電圧（以下ＭＳＶと称する）計測回路４及びＬＰＲＭ検出器１へ高圧電圧を印加する電源（ＨＶ）５を備えている。

ここでは、信号測定器２の物量低減のために、ＭＳＶ計測回路４と電源５とは同一の信号測定器２内に内蔵する方式としているが、ＭＳＶ計測回路４と電源５とを個別に設置しても構わない。
６はデータ採取装置で、前記信号測定器２に接続され、信号測定器２で測定された中性子に起因する検出器信号が伝送され、記憶する記憶媒体を備えている。

ここで、データ採取装置６で信号測定器２からの計測データを記憶する時、測定日時、ＬＰＲＭ検出器の識別番号（装荷位置座標、シリアル番号等）等を同時に記憶させておくことによって計測データの識別が容易となり、後述する中性子感度計算時に便利である。
また、データ採取装置６の記憶媒体としてはハードディスク、ＭＯディスク等、一般に広く使用されているものを使用することが可能である。

次に、ＭＳＶ計測回路４の計測データから中性子の検出感度を計算する方法について、図２のフローチャートを用いて説明する。
まず、上記の信号測定器２のＭＳＶ計測回路４によってＬＰＲＭ検出器１のＭＳＶの値を検出し、この値に基づいて中性子量の測定を行って通常の炉心出力の監視を行う（Ｓ１１）。

次に、前記Ｓ１１のステップで得たＬＰＲＭ検出器１のＭＳＶ信号データと、ＬＰＲＭ検出器装荷初期に予め測定しておいた初期のＭＳＶ値であるＭＳＶ_０（Ｓ１２）を用いて、検出されたＭＳＶの値と初期のＭＳＶ_０値との比ＭＳＶ／ＭＳＶ_０を計算し（Ｓ１３）、感度の測定を行う。

同様に、炉心性能計算によって得た当該ＬＰＲＭ検出器位置における、当該ＬＰＲＭ検出器を炉内装荷してから感度測定を実施した時点までの積分中性子照射量を計算し（Ｓ１４）、この積分中性子照射量に対するＬＰＲＭ感度変化推移をグラフにプロットし、図３に示すようなＬＰＲＭ感度変化推移曲線Ａを得る（Ｓ１５）。

ここで、従来の直流計測方式で求めたＩ／Ｉ_０のＬＰＲＭ感度変化推移曲線Ｂと同じグラフにプロットすると、直流計測方式は中性子の他にガンマ線の影響も受けるので、図３に示すように両ＬＰＲＭ感度変化推移曲線Ａ、Ｂを比較した場合（Ｓ１６）差異Ｄが表れる。

中性子成分とガンマ線成分とは同図に示すように、中性子照射量の増大に伴ってガンマ線成分の中性子成分に対する割合が徐々に増大していくような関係があるので、ガンマ線成分が中性子成分に対して無視できない割合となる中性子照射量時点Ｐが当該ＬＰＲＭ検出器の寿命となると判定する（Ｓ１７）。

このように、本発明の実施の形態によれば、ＬＰＲＭ検出器の寿命診断に平均自乗電圧を検出し信号処理しているため、従来のようにプロセス計算機の計算機能の精度の影響を受けず、また、ガンマ線成分の影響を排除することにより精度の良い、中性子検出装置の寿命診断が行える。

尚、上記実施の形態の説明においては、当該中性子検出装置位置における中性子束が、評価期間においてほとんど変化しないものとしての説明したが、実際には中性子束測定レベルには変化が生じる。その変化が無視できない場合には、検出器位置における中性子束の計算値を用いて、次式（１）の補正を行うことにより、上記と同様の誤差のない評価が行える。
ＭＳＶ´＝（φ_０／φ）ＭＳＶ …（１）

ここで、φ_０はＭＳＶ_０を計測した際の炉心３次元シミュレーション計算等で計算した中性子束、φは同様に計算したＭＳＶ計測時の中性子束、ＭＳＶ´は平均自乗電圧計測による計測値ＭＳＶの補正値を表す。

この補正後のＭＳＶ´を用いることによって、より高精度な評価が可能になるとともに、無視できない程度の中性子束の変化がある場合でも本寿命診断方法を用いることが可能となる。

次に本発明の第２の実施の形態について図４を参照して説明する。
図４において、１〜１ｎは原子炉内に適切に区分されて配置された複数個のＬＰＲＭ検出器で、各ＬＰＲＭ検出器１〜１ｎの検出信号は図示しない中央制御室に設置された同じＬＰＲＭ監視装置７に入力される。

ただし、局部出力としてのＬＰＲＭ検出信号は、同一のＬＰＲＭ監視装置７内で個別に信号処理され、それぞれ増幅器８〜８ｎを介して監視用の表示装置９〜９ｎに送られ、指示される。
また、各ＬＰＲＭ検出器１〜１ｎの検出信号は、図示しない信号伝送装置を介してプロセス計算機１０に伝送され、炉心性能計算に使用される。

さらに、前記ＬＰＲＭ監視装置７内において、各ＬＰＲＭ検出器１〜１ｎの検出信号は切替え用の開閉器１１〜１１ｎを介してＭＳＶ計測回路４と表示装置９〜９ｎとに切替接続されており、表示装置９〜９ｎによる通常時の監視と、ＭＳＶ計測による寿命診断用のデータ採取とを適宜切替えて実施することができる。
この方法によって、ＭＳＶ測定の度に個別のＭＳＶ計測装置を持ち運び、ＬＰＲＭ検出器に対して接続、取り外しを行う手間が省け、測定者の負担が軽減される。

尚、この実施例ではＭＳＶ計測データを保存しておくデータ採取装置３を個別に設置する方式としているが、ＬＰＲＭ検出器の通常時信号と同様に、プロセス計算機５に保存しておくことも可能である。
また、この方法は、ソフトウェア処理によって自動的に実施でき、切替え周期を任意に設定することも可能である。

次に本発明の第３の実施の形態について図５を参照して説明する。
図５は感度変化の測定値とそれを感度曲線に当てはめるためのフィッティング曲線Ｃとの関係を表す概念図である。図中の黒点は実測によって得られた感度比を表している。

上記の通り、ＤＣ（直流）計測、ＭＳＶ計測の何れにおいても、その感度変化を外挿して寿命となる中性子照射量を予測する必要がある。
この場合、ＬＰＲＭ検出器の核分裂電離箱の特性を考慮した次式で示すウランの原子数密度変化式でフィッティングすることが精度の良い予測のためには有効である。
Ｓ／Ｓ_０＝Ａｅｘｐ（−ａＥ）＋（１−Ａ）ｅｘｐ（−ｂＥ） …（２）
Ａ＝ｎ（ａ／ｂ−ａ）
ここで、Ｅは中性子照射量、ｎはウラン２３５に対するウラン２３４の比を表す。

よって、上式の係数であるａとｂを測定データを基に最小二乗法などで決定することによって、感度変化曲線の外挿が可能となる。
また、フィッティング曲線Ｃを（１）式の代わりにｎ次（ｎは自然数）の多項式を用いることによっても同様の効果を得ることができる。

ＬＰＲＭ検出器の感度変化は非対称形となることから、フィッティング曲線Ｃの多項式の次数は非対称性を考慮できる次数として３次以上の多項式とすることが望ましいが、更に簡単な評価を行うためには、図５における感度上昇を終え、感度が低下して行く領域のデータについて１次式でフィッティングすることも可能である。

（１）式のような指数関数を組み合わせた式を用いることによって精度の高い評価が実施できるが、より簡便な方法として単純な多項式によってもフィッティングによる外挿が可能である。

本発明の第１の実施の形態による中性子検出装置を示すブロック構成図。本発明の第１の実施の形態による中性子検出装置の検出感度診断方法を示すフローチャート。本発明の第１の実施の形態における中性子検出装置の検出感度変化の評価概念を示すグラフ。本発明の第２の実施の形態による中性子検出装置を示すブロック構成図。本発明の第３の実施の形態における中性子検出装置の検出感度変化評価手法の一部を表すグラフ。従来の一般的な中性子検出装置の検出感度変化と寿命限界の例を示すグラフ。従来の中性子検出装置の検出感度診断の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１〜１ｎ…ＬＰＲＭ検出器、２…信号測定器、３…高圧導体、４…平均自乗電圧計測回路、５…電源、６…データ採取装置、７…ＬＰＲＭ監視装置、８…増幅器、９…表示装置、１０…プロセス計算機、１１〜１１ｎ…開閉器、Ａ…平均自乗電圧により求めたＬＰＲＭ感度変化推移曲線、Ｂ…直流計測により求めたＬＰＲＭ感度変化推移曲線、Ｃ…フィッティング曲線、Ｌ…寿命限界感度。

Claims

局部出力領域モニタ検出器の平均自乗電圧の値を検出する手段と、前記検出された局部出力領域モニタ検出器の平均自乗電圧と局部出力領域モニタ検出器装荷初期に予め測定しておいた初期平均自乗電圧との比を計算し、検出感度の測定を行う手段と、前記局部出力領域モニタ検出器を炉内装荷してから検出感度測定を実施した時点までの積分中性子照射量を計算する手段と、前記積分中性子照射量に対する局部出力領域モニタ検出器の検出感度変化推移曲線Ａを得る手段と、前記検出感度変化推移曲線Ａと局部出力領域モニタ検出器の直流計測によって求めた検出感度変化推移曲線Ｂとの検出感度の差からガンマ線成分を算出する手段と、前記検出感度変化推移曲線Ａから求めた中性子成分と前記ガンマ線成分との割合から寿命を判定する手段とからなる中性子検出装置の寿命診断方法。
検出感度の測定を行う際に、炉心の３次元シミュレーション計算によって算出した検出器位置における中性子束計算値によって検出感度を補正することを特徴とする請求項１記載の中性子検出装置の寿命診断方法。
前記検出感度変化推移曲線Ａ及びＢを求める際に、中性子検出装置のウランの原子数密度変化式を使用し、感度変化の測定値にフィッティングした前記変化式から検出器寿命を推定することを特徴とする請求項１記載の中性子検出装置の寿命診断方法。
前記検出感度変化推移曲線Ａ及びＢを求める際に、ｎ次（ｎは自然数）の多項式を使用し、感度変化の測定値にフィッティングした前記多項式から検出器寿命を推定することを特徴とする請求項１記載の中性子検出装置の寿命診断方法。