JP4512551B2 - 原子炉出力測定装置及び出力測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、外来ノイズの影響を受けにくい原子炉出力測定装置及び出力測定装置に関する。

原子炉では炉出力の大きさや変化を監視するため、炉心内あるいは炉心付近に、核分裂に伴う中性子量やガンマ線量に比例した電気信号を出力する放射線検出器を設置している。特に発電用原子炉の場合、炉出力は１０桁以上の広範囲にわたって精度よく監視する必要があり、例えば、沸騰水型原子炉の場合、中性子源領域，中間領域，出力領域の３領域に分割し、それぞれ領域を個別に監視している。

このうち、中性子源領域と中間領域の両方、或いは中性子源領域又は中間領域のいずれか一方で使用される測定系では、中性子検出器として核分裂電離箱を炉内に設置し、中性子照射により発生する電離電流を金属性のハードケーブルにより炉外に導くようになっている。

このハードケーブルは、原子炉圧力容器の下部において第１の信号ケーブル（同軸ケーブル）に接続されており、電離電流は第１の信号ケーブルを介して前置増幅器へ伝送される。中性子源領域又は中間領域での電離電流は最小でピコアンペアのオーダーとなるため、前置増幅器では、信号を２桁乃至４桁程度増幅するとともに、処理しやすいように波形を整形する。前置増幅器の出力信号は、第２の信号ケーブル（同軸ケーブル）により信号処理装置へ導かれ、信号処理装置で原子炉出力信号に変換処理される。このようにして得られる原子炉出力信号は、安全保護系等に供給され、スクラム信号の生成等に利用される。

このような中性子源領域または中間領域の炉出力測定装置では、第１の信号ケーブルに外来ノイズが誘起されることがしばしば問題となる。すなわち、第１の信号ケーブルの芯線及び外部導体にノイズ電圧が発生すると、前置増幅器の入力部の芯線と外部導体の電位差に応じたノイズ電流が前置増幅器に流れ、この電流が増幅されて信号処理装置に伝送されるため、原子炉出力信号に影響を与える。

〔特許文献１〕には、第１の信号ケーブルに被せられたシールド被覆体としてのシールドケーブルを備え、シールドケーブルを導電性の部材で形成しアース線によって前置増幅器の筐体に接続して外来ノイズの混入を抑制することが開示されている。

〔特許文献２〕には、原子炉炉内に設置された中性子検出器を同軸ケーブルを介して格納器容器外に設けられた信号処理装置に接続し、同軸ケーブルに約４００ｋＨｚまでのノイズを減衰させるのに必要な約１ｍＨのインダクタンスを有するフェライト製又はアモルファス製磁気コアに巻き付けられ、これによりノイズ防止することが記載されている。

〔特許文献３〕には、現場盤の内面にフェライトコアボックスを取付け、フェライトコアボックス内のフェライトコアの入口側ケーブルと電線管内の信号ケーブルの端末部とをサイズダウンコネクタにより接続し、フェライトの前段のノイズが盤内に侵入することを防止することが記載されている。

〔特許文献４〕には、信号伝送ケーブルとして、芯線との間で信号用電位を形成する電位形成シールドを有し、電位形成シールドの外側に一つ以上の外側シールドを有したシールドケーブルが用いられ、電位形成シールドがプリアンプの筐体を介して接地され、一つ以上の外側シールドにおける最外外側シールドが電位形成シールドと接地用導体を共通にして接地され、最外外側シールドの接地に、最外外側シールドに生じている対地間静電容量よりも静電容量の大きなコンデンサを介在させて、信号伝送ケーブルにおける伝送効率を高めることが記載されている。

〔特許文献５〕には、原子炉の中性子束の検出信号を増幅するプリアンプに電源を供給する電源供給ケーブルに数１０ＭＨｚから数１００ＭＨｚにインピーダンスのピークを持つインピーダンス素子であるコモンモードノイズ除去用フェライトを取付け、外部ノイズをカットすることが記載されている。

特許２８７７６０９号公報 特開平７−１６２２５７号公報 特開２００３−２２７８７５号公報 特開２００５−１７２６２４号公報 特開２００５−９０９６７号公報

従来から原子力プラント内には種々のノイズ源が存在しているが、近年インバータ等の導入が進み、そのスイッチングノイズの影響が顕著となってきている。スイッチングノイズは、インバータの駆動周波数よりも高い１０ｋＨｚ程度から数１０ＭＨｚの周波数成分をもつバースト状ノイズである。一般に、近距離でのノイズ結合形態としては、静電結合と電磁誘導が考えられる。

〔特許文献１〕，〔特許文献４〕に記載のノイズ対策は、静電結合を抑制するのに有効な方法であるが、図１１に示すように、信号ケーブルとグランドが大きな閉回路（グランドループ）を形成し、ケーブルとグランドの間に浮遊容量が存在するため、この浮遊容量を介してグランドループが形成されてスイッチングノイズが作る鎖交磁束により、信号ケーブルに電磁誘導ノイズが発生するという問題がある。

〔特許文献２〕，〔特許文献３〕，〔特許文献５〕に記載のノイズ対策は、一度誘導されてしまったノイズに対して、信号がノーマルモードであるのに対して結合されたノイズがコモンモードであることを利用して、磁気コアによりノイズ成分の電流のみを抑制するものであり、電磁誘導により信号ケーブルに結合されるスイッチングノイズ低減には十分とは言えないものであった。

本発明の第１の目的は、インバータ等のスイッチングノイズの抑制効果を高め、精度よく監視できる原子炉出力測定装置及び出力測定装置を提供することにある。

本発明の第２の目的は、既設の金属製電線管であってもインバータ等のスイッチングノイズの抑制効果を高めることができる原子炉出力測定装置及び出力測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の出力測定装置は、検出器からの信号を前置増幅器に伝送する第１の信号ケーブルと、第１の信号ケーブルを格納する金属製電線管と、金属製電線管を複数の点で接地するための接地線と、接地線間の前記金属製電線管の外側周囲を覆うように設けられた強磁性体と、前置増幅器からの信号を信号処理装置に伝送する第２の信号ケーブルとを備えたものである。

本発明の原子炉出力測定装置は、炉内核反応で発生する放射線量を信号に変換する放射線検出器と、該信号を増幅する前置増幅器と、放射線検出器と前置増幅器とを接続する第１の信号ケーブルと、前置増幅器で増幅された信号を入力して原子炉出力信号を出力する信号処理装置と、前置増幅器と前記信号処理装置とを接続する第２の信号ケーブルと、少なくとも第１の信号ケーブルを収納する金属製電線管と、金属製電線管を複数の点で接地するための接地線と、接地線間の前記金属製電線管の外側周囲を覆うように設けられた強磁性体とを備えたものである。

本発明によれば、信号ケーブルを格納する金属製電線管を少なくとも２点以上でグランドに複数点で接地しており、スイッチングノイズにより電線管に電流が誘導される。この電流が、元のノイズをキャンセルする向きに磁界を作るため、ケーブルとグランドが作るグランドループに鎖交する磁界が弱められる。この結果、信号ケーブルに誘導されるノイズを減少できる。

又、金属製電線管の外側に強磁性体を取付けてあるため、金属製電線管に誘導された電流が信号ケーブルのグランドループに作る磁束が高められ、信号ケーブルに誘導されるノイズがさらに減少する。

本発明の一実施例を図１から図１２により説明する。図１は、本実施例の原子炉出力測定装置の構成図である。

図１に示すように、原子炉圧力容器８内には炉心９が設けられ、炉心９には複数の案内管１０が設置されている。案内管１０には中性子検出器として核分裂電離箱１が設置され、核分裂電離箱１にはハードケーブル２が接続され、原子炉圧力容器８の下部に設置されたコネクタ１１を介して第１の信号ケーブル３に接続されている。

第１の信号ケーブル３は、原子炉圧力容器８の壁１４に設けられた貫通部１３を介して前置増幅器４に接続されている。原子炉圧力容器８の内側で貫通部１３側の第１の信号ケーブルには、複数の点で接地された金属製電線管７に格納されており、この金属製電線管７の外側の接地点の間には強磁性体２１が取付けられている。貫通部１３と前置増幅器４との間の第１の信号ケーブル３は複数の点で接地された金属製電線管７に格納されており、この金属製電線管７の外側には接地点の間に強磁性体２１が取付けられている。後述するように、金属製電線管７は可能な限り多点で接地するのがよく、多点で接地することにより、ノイズ源の近傍領域で電磁誘導ノイズの抑制が可能であり、その他の領域の金属製電線管７には不要な誘導ノイズを生じさせないようにできる。

金属製電線管７の詳細図である図２に示すように、第１の信号ケーブル３を格納する金属製電線管７には、複数の銅製カップリング３１が設けられており、銅製カップリング
３１に接続された接地線３２によりそれぞれ接地されている。接地された銅製カップリング３１間の中間の金属製電線管７外周側には、リング形状のフェライトコア２６が巻装されている。すなわち、強磁性体２１であるフェライトコアは、金属製電線管７外周側周囲を覆うように設けられ、グランドループと鎖交するように設けられている。フェライトコア２６は、金属製電線管７よりも大きな透磁率を有する強磁性体で構成されており、このフェライトコア２６によりインダクタンスが付加されるため、金属製電線管７のインダクタンスは、金属製電線管７単体よりも顕著に大きくなっている。

強磁性材料には、アモルファス製のコアを効果的に使用することができる。又、リング形状のフェライトコアに金属製電線管７を貫通させたものでもよい。磁気コアに分割式のものを使用してリング状の磁気コアとすることができるため、既設の金属製電線管７であっても、フェライトコア２６を容易に取付けることが可能である。

前置増幅器４には、第２の信号ケーブル５が接続され、第２の信号ケーブル５は信号処理装置６に接続されている。前置増幅器４には高圧電源１２が接続されている。

このように構成された原子炉出力測定装置では、炉心９内に設置した核分裂電離箱１に、中性子入射数に応じた電離電流が発生する。この電離電流は、ハードケーブル２により原子炉圧力容器８の外部に導出される。原子炉圧力容器８の下部に設置され、ハードケーブル２に接続されたコネクタ１１を介して第１の信号ケーブル３により前置増幅器４に伝送される。

伝送された電離電流は、前置増幅器４により増幅されるとともに波形が整形され、前置増幅器４に接続された第２の信号ケーブル５により信号処理装置６に伝送されて処理される。信号処理装置６は、増幅，整形された電離電流信号を原子炉出力信号に変換処理し、変換された原子炉出力信号を図示しない安全保護系などに伝送する。

第１の信号ケーブル３は、図１には７点で接地されている例を示しているが、複数の点で設置された金属製電線管７に収納されており、金属製電線管７の外側に強磁性体２１が取付けられているので、次のようなノイズ抑制効果がある。

第１の信号ケーブル３に近接する位置で電磁誘導ノイズが発生した場合のノイズ抑制効果を図８により説明する。

中性子検出器と前置増幅器４とに接続された第１の信号ケーブル３は、浮遊容量を介してグランドと結合しており、信号処理装置６での接地と併せて大きなグランドループを形成している。本実施例では、この第１の信号ケーブル３を格納する金属製電線管７が少なくとも２点で接地されており、金属製電線管７とグランドがグランドループを形成している。信号ケーブルのグランドループにスイッチングノイズによる磁界が鎖交する場合、この磁界は、金属製電線管７のグランドループとも鎖交することになる。このとき、金属製電線管７のグランドループに誘導電流が誘起されるが、このループのインピーダンスが小さいので電流は大きなものとなる。金属製電線管７に誘導された電流は、第１の信号ケーブル３のグランドループに鎖交する磁界を発生するが、その向きは初めにスイッチングノイズにより生成された磁界とは逆向きとなるため、グランドループに鎖交する磁界は弱められ、第１の信号ケーブル３に誘導されるノイズが減少する。

又、本実施例では、金属製電線管７の外側に強磁性体２１を取付けてあるため、金属製電線管７に誘導された電流が第１の信号ケーブル３のグランドループに作る磁束が高められ、第１の信号ケーブル３に誘導されるノイズがさらに減少する。

以上の説明では、第１の信号ケーブル３について説明したが、第２の信号ケーブル５も同様に構成してもよい。

図９は、このノイズ抑制効果に確認試験に用いた模擬回路構成を示している。図９に示すように、第１の信号ケーブル３の浮遊容量は浮遊容量模擬コンデンサ２５で模擬し、前置増幅器から後段の構成を芯線及び外部導体にそれぞれ取付けた抵抗によって模擬している。第１の信号ケーブル３を格納する金属製電線管７は両端で接地され、金属製電線管７の外側に円環状のフェライトコア２６が取付けられた回路構成となっている。

図１０は、この模擬回路に周波数可変な正弦波誘導ノイズを印加したときのコモンモードノイズの抑制効果を示す。図１０に示すように、本実施例では信号ケーブルに誘導されるノイズが２０ｄＢを超えて低減され、ノイズ抑制効果を得られることが確認できた。

又、図１０に示すように、金属製電線管のみを設け両端を接地した場合のノイズ抑制効果、金属製電線管が無くフェライトコアのみを設けた場合のノイズ抑制効果は、１０ｄＢより小さいノイズ低減効果であり、金属製電線管とフェライトコアの両者を設けたノイズ抑制効果は、１５ｄＢより小さいノイズ低減効果であった。このノイズ抑制効果は、両端接地した金属製電線管によるノイズ抑制効果と、フェライトコアにより金属製電線管のノイズ抑制効果が高められた分と、フェライトコアによるコモンモード抑制効果によるものである。このように、本実施例のノイズ抑制効果は有意に大きいことが分る。

このように、第１の信号ケーブル３に近接する位置で電磁誘導ノイズが発生した場合、図１０に示したノイズ抑制効果により、第１の信号ケーブル３に誘導されるノイズが低減されるが、ノイズ抑制効果は、強磁性体２１によって付加されるインダクタンスの大きさと、金属製電線管７のグランドループのインピーダンスとで決まるため、強磁性体２１は十分大きなインダクタンスを有するものを使用し、金属製電線管７のインピーダンスを小さなものとすることにより、前置増幅器４で増幅された後も信号処理装置６での原子炉出力換算処理に影響のないレベルまでノイズを低減することが可能である。

上述したように、金属製電線管７には可能な限り多数の接地点を設けるのがよい。金属製電線管７に可能な限り多数の接地点を設ける主な利点としては、電磁誘導ノイズが発生しているグランドループの金属製電線管７に誘導電流が生じるが、多点の接地とすることにより、この誘導電流の生じる範囲を小さくして不必要な場所で誘導電流が流れることを防止でき、誘導電流が生じることによる２次的な悪影響を防止できる点と、多点の接地とすることにより、限定された範囲で金属製電線管７に誘導電流が発生するため、金属製電線管７のグランドループのインピーダンスを下げやすく、誘導電流を大きくすることができる点である。

次に強磁性体２１の設置の変形例と金属製電線管のグランドループのインピーダンスを低減する構成について説明する。

図３は、金属製電線管７の変形例を示す図である。この例では、図２に示すフェライトコア２６を巻装する代わりに、金属製電線管７の外側に螺旋状にパーマロイテープ２７を巻きつけたものである。この方法でも既設の金属製電線管７であっても、パーマロイテープ２７を容易に取付けることが可能である。なお、パーマロイテープ以外にも、フェライト製やアモルファス製のテープやシートなどを用いてもよい。

図４は、金属製電線管７の他の変形例を示す図である。この例では、図２に示すフェライトコア２６を巻装する代わりに、予め金属製電線管７の外側にフェライト層２８が一体成形され、金属製電線管７の端部に金属部３３を露出させ、金属部３３を接地している。この方法では、新規に金属製電線管や接地を敷設する際に、強磁性体２１の取付け作業を行わなくともよい利点がある。

図５は、金属製電線管７の他の変形例を示す図である。図２に示す例と同様に構成されているが、この例では、金属製電線管７に導電性の高い銅線２９を密着して固定し、銅線２９の両端を接地された銅製カップリング３１に接続している。又、電磁誘導ノイズによる誘導電流は、主に銅線２９を流れるため、誘導電流による磁束を高めるために、金属製電線管７と銅線２９の双方の外側に強磁性体２１を取付けている。

この例では、金属製電線管７に導電性の高い銅線２９を密着して固定してグランドループを形成できるので、金属製電線管７のグランドループのインピーダンスを低減することができる。

図６は、金属製電線管７の他の変形例を示す図である。この例では、金属製電線管７に導電性の高いアルミテープ３０を巻きつけてインピーダンスを低減している。アルミテープ３０を接地された銅製カップリング３１と直接に接続してインピーダンスの低減を効果的にするため、アルミテープ３０の上から銅製カップリング３１を取付け、誘導電流による磁束を高めるために、金属製電線管７に巻きつけアルミテープ３０の外側に強磁性体
２１を取付けている。

図５及び図６に示す金属製電線管７の構成は、可とう性を有さない金属製電線管よりも可とう性の金属製電線管の方がインピーダンス低減の効果が大きい。通常の可とう性の金属製電線管は、細長い金属板を螺旋状に重ね巻きした構造として可とう性を持たせており、通常の可とう性を有さない金属製電線管よりもインピーダンスが高いが、図５及び図６に示す構成の金属製電線管７では、インピーダンスの低減効果が大きくできる。又、外側を絶縁材で被覆していることが多く、高抵抗で接地線３２に接続することになるが、図５及び図６に示す構成の金属製電線管７では、低抵抗で接地線３２に接続できる。

図７は、建屋構造材３５に金属製電線管７を取付けた例を示している。建屋構造材３５は、通常は建屋接地線と電気的に導通しており、建屋構造材３３に取付けられた金属製サポート３４に金属製電線管７の銅製カップリング３１を取付けている。金属製サポート
３４間の金属製電線管７には強磁性体２１が取付けられている。

このように構成することにより、建屋構造物３５を利用して金属製電線管７を接地することができ、金属製サポート３４を利用して金属製電線管７を取付けることができる。

本実施例によれば、信号ケーブルを格納する金属製電線管を少なくとも２点以上でグランドに複数点で接地し、金属製電線管とグランドとでグランドループを形成してスイッチングノイズによる誘導電流を金属製電線管上に誘起させてスイッチングノイズを弱める方向に生成する磁束により信号ケーブルに誘導されるノイズを低減できる。

又、金属製電線管の外側に強磁性体を取付けてあるため、金属製電線管に誘導された電流が信号ケーブルのグランドループに作る磁束が高められ、信号ケーブルに誘導されるノイズがさらに減少する。

なお、本実施例は、原子炉出力測定装置以外にも、インバータ機器等の導入が進められているプラント内で微弱信号を用いた測定系全般に対して適用できる可能性がある。

本発明の一実施例である原子炉出力測定装置の構成図である。 金属製電線管７の外観斜視図である。 金属製電線管７の他の例を示す外観斜視図である。 金属製電線管７の他の例を示す外観斜視図である。 金属製電線管７の他の例を示す外観斜視図である。 金属製電線管７の他の例を示す外観斜視図である。 建屋構造材３５に金属製電線管７を取付けた例を示す斜視図である。 電磁誘導ノイズが発生した場合のノイズ低減効果を説明する図である。 ノイズ抑制効果に確認試験に用いた模擬回路構成を示す図である。 正弦波誘導ノイズを印加したときのコモンモードノイズの抑制効果を示す図である。 電磁誘導ノイズの発生原理を説明する図である。

符号の説明

１…核分裂電離箱、２…ハードケーブル、３…第１の信号ケーブル、４…前置増幅器、５…第２の信号ケーブル、６…信号処理装置、７…金属製電線管、８…原子炉圧力容器、９…炉心、１０…案内管、１１…コネクタ、１２…高圧電源、１３…貫通部、１４…原子炉格納容器、１５…インバータ、１６…電動機、１７…電源ケーブル、１８…主電源、
１９…中性子検出器、２０…浮遊容量、２１…強磁性体、２２…正弦波発生装置、２３…アンプ、２４…ノイズ発生ケーブル、２５…浮遊容量模擬コンデンサ、２６…フェライトコア、２７…パーマロイテープ、２８…フェライト層、２９…銅線、３０…アルミテープ、３１…銅製カップリング、３２…接地線、３３…金属部、３４…金属製サポート、３５…建屋構造材。

Claims (14)

1. 検出器と、該検出器からの信号を前置増幅器に伝送する第１の信号ケーブルと、該第１の信号ケーブルを格納する金属製電線管と、該金属製電線管を複数の点で接地するための接地線と、該接地線間の前記金属製電線管の外側周囲を覆うように設けられた強磁性体と、前記前置増幅器からの信号を信号処理装置に伝送する第２の信号ケーブルとを備えた出力測定装置。
2. 検出器と、該検出器からの信号を前置増幅器に伝送する第１の信号ケーブルと、該第１の信号ケーブルを格納する金属製電線管と、該金属製電線管を複数の接地点で接地するための接地線と、該接地線間の前記金属製電線管の外側に設けられた強磁性体と、前記前置増幅器からの信号を信号処理装置に伝送する第２の信号ケーブルとを備え、前記強磁性体は前記接地点と前記金属製電線管とグランドとで形成されるループと鎖交するように設置されている出力測定装置。
3. 前記強磁性体は、リング形状のフェライトコア又はアモルファスコアであって前記金属製電線管を貫通させたもの、リング形状のフェライトコア又はアモルファスコアを巻装したもの、螺旋状にパーマロイテープを巻きつけたもののいずれかである請求項１又は２に記載の出力測定装置。
4. 前記強磁性体は、フェライト製又はアモルファス製のテープ又はシートで形成されている請求項１又は２に記載の出力測定装置。
5. 前記強磁性体は、予め前記金属製電線管の外側にフェライト層を一体に形成し、金属製電線管の端部に金属部を露出したものである請求項１又は２に記載の出力測定装置。
6. 炉内核反応で発生する放射線量を信号に変換する放射線検出器と、該信号を増幅する前置増幅器と、前記放射線検出器と前記前置増幅器とを接続する第１の信号ケーブルと、前記前置増幅器で増幅された信号を入力して原子炉出力信号を出力する信号処理装置と、前記前置増幅器と前記信号処理装置とを接続する第２の信号ケーブルと、少なくとも前記第１の信号ケーブルを収納する金属製電線管と、該金属製電線管を複数の点で接地するための接地線と、該接地線間の前記金属製電線管の外側周囲を覆うように設けられた強磁性体とを備えた原子炉出力測定装置。
7. 炉内核反応で発生する放射線量を検出する検出器と、該検出器からの信号を前置増幅器に伝送する第１の信号ケーブルと、該第１の信号ケーブルを格納する金属製電線管と、該金属製電線管を複数の接地点で接地するための接地線と、該接地線間の前記金属製電線管の外側に設けられた強磁性体と、前記前置増幅器からの信号を信号処理装置に伝送する第２の信号ケーブルとを備え、前記強磁性体は前記接地点と前記金属製電線管とグランドとで形成されるループと鎖交するように設置されている原子炉出力測定装置。
8. 前記強磁性体は、リング形状のフェライトコア又はアモルファスコアであって前記金属製電線管を貫通させたもの、リング形状のフェライトコア又はアモルファスコアを巻装したもの、螺旋状にパーマロイテープを巻きつけたもののいずれかである請求項６又は７に記載の原子炉出力測定装置。
9. 前記強磁性体は、フェライト製又はアモルファス製のテープ又はシートで形成されている請求項６又は７に記載の原子炉出力測定装置。
10. 前記強磁性体は、予め前記金属製電線管の外側にフェライト層を一体に形成し、金属製電線管の端部に金属部を露出したものである請求項６又は７に記載の原子炉出力測定装置。
11. 前記強磁性体がフェライト製又はアモルファス製である請求項６又は７に記載の原子炉出力測定装置。
12. 前記金属製電線管に金属導線を密着させて取付け、該金属導線の外側に前記強磁性体を設けた請求項６又は７に記載の原子炉出力測定装置。
13. 前記金属製電線管に導電性テープ又は導電性シートを巻き付け、該導電性テープ又は導電性シートの外側に前記強磁性体を設けた請求項６又は７に記載の原子炉出力測定装置。
14. 前記金属製電線管が原子力プラント建屋の金属構造材に接続された電線管サポートに支持固定されている請求項６又は７に記載の原子炉出力測定装置。
    

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