JP5740288B2

JP5740288B2 - 原子炉水位計測システム

Info

Publication number: JP5740288B2
Application number: JP2011255354A
Authority: JP
Inventors: 弘章見城; 泰志後藤; 伊藤　敏明; 敏明伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: EP2784781B1; EP2784781A1; JP2013108905A; US9395227B2; WO2013077349A1; US20140318237A1; EP2784781A4

Description

本発明は、原子炉内の水位を計測する原子炉水位計測システムに関する。

沸騰水型原子力発電プラントにおいては、原子炉内部の水位を監視するための水位計がいくつか提案されている。例えば特許文献１において、炉心内の水位を計測するための監視装置が提案されている。この監視装置は、原子炉のガンマ線発熱を利用したものであり、熱電対とステンレス棒とを組み合わせた構造のセンサを炉内に挿入し、出力の交流成分および直流成分を検出することにより連続的に炉内水位の監視を行うものであった。

特開平１０−３９０８３号公報

引用文献１の監視装置は、冷却水の冷却材が炉心内にある場合の水位評価を想定している。このため、炉内の水位が炉心より低くなる場合には監視不能となる。

また、炉心近傍に設置する水位計は、原子炉内の水位が極端に低下した場合、燃料により加熱され正常に動作しない恐れがある。また、炉心の異常加熱により高温の落下物が発生したり、炉心損傷、燃料溶融、溶融燃料の原子炉底部の貫通などの状況が発生したりした場合、その落下物により原子炉水位計測システムが損傷し、正常に動作しない恐れがある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、原子炉内の状態によらずに原子炉の水位を計測することができる原子炉水位計測システムを提供することを目的とする。

本発明に係る原子炉水位計測システムは、上述した課題を解決するために、ヒータを内部に設けた発熱体と、前記発熱体の高さ方向の一部で、前記発熱体の周囲を囲って設置される断熱体と、前記発熱体の前記断熱体に囲まれた断熱部分と前記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する計測部が、炉心下端部から原子炉圧力容器底部に亘って配置される炉心下部水位計測装置であって、原子炉圧力容器に収容された炉心の下端部から前記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、炉心内水位計測装置から独立して設けられた炉心下部水位計測装置と、前記温度差に基づいて前記原子炉の水位を評価する水位評価装置とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る原子炉水位計測システムにおいては、原子炉内の状態によらずに原子炉の水位を計測することができる。

第１実施形態における原子炉水位計測システムの構成図。炉心内水位計測装置および炉心下部水位計測装置の炉心内における配置例を示す平面図。図１の領域IIIであり計測部の拡大図。図３のIV−IV線に沿う水平断面図。炉心の一部が損傷（燃料溶融）し、炉心内水位計測装置が損傷した場合の説明図。第２実施形態における原子炉水位計測システムの構成図。第２実施形態における原子炉水位計測システムの計測範囲を説明するための説明図。第３実施形態における原子炉水位計測システムの構成図。炉心内水位計測装置の炉心内における配置例を示す平面図。

本発明に係る原子炉水位計測システムの実施形態を添付図面に基づいて説明する。各実施形態においては、本発明に係る原子炉水位計測システムを沸騰水型原子炉に適用して説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態における原子炉水位計測システム１の構成図である。

原子炉水位計測システム（水位計測システム）１は、炉心内水位計測装置１１、および炉心下部水位計測装置１２を有する。

炉心内水位計測装置１１および炉心下部水位計測装置１２（両者を区別しない場合には、単に「水位計測装置１１、１２」という。）は、炉心３の中性子束を監視する中性子検出器４の保護管５に、中性子検出器４と共に格納される。保護管５は、炉心３内に配置され、原子炉圧力容器（圧力容器）２の底部を貫通する。保護管５の下端部は開放可能であり、水位計測装置１１、１２は保護管５に適宜出し入れ可能である。

炉心内水位計測装置１１は、炉心３内の鉛直方向の水位を計測するため、炉心３の鉛直方向範囲内に配置される。炉心下部水位計測装置１２は、少なくとも炉心３下端部から圧力容器２底部の鉛直方向の水位を計測するため、炉心３下端部から圧力容器２底部に亘って配置される。第１実施形態においては、炉心下部水位計測装置１２は、炉心３下端部から圧力容器２外の下方までの鉛直方向の水位を計測するため、炉心３下端部から圧力容器２底部、圧力容器２外の下方に亘って配置される。

水位計測装置１１、１２は、炉心３の外周部（炉心３の外周部に配置された保護管５）に配置される。また、水位計測装置１１、１２は、炉心３に対して異なる区分であって、２区分または４区分対象となるように配置される。

図２は、炉心内水位計測装置１１および炉心下部水位計測装置１２の炉心３内における配置例を示す平面図である。

水位計測装置１１、１２は、例えば４区分対象となるように炉心３の外周に沿って配置される。これにより、水位計測システム１（水位計測装置１１、１２）の単一故障、または同区分の給電系統の単一故障を想定した場合においても、残りの３区分（２区分の場合は残りの１区分）で水位を計測できる。

図３は、図１の領域IIIであり計測部１５の拡大図である。

図４は、図３のIV−IV線に沿う水平断面図である。

水位計測装置１１、１２は、共通した構成を有する計測部１５を有する。図３および図４に示すように、計測部１５は、発熱体２１、断熱体２２、温度差計測装置２３、およびヒータ２４を有する。

発熱体２１は、水位計測範囲において鉛直方向に伸びた棒状部材である。発熱体２１は、炉心３より照射されるガンマ線やヒータ２４の熱により発熱する部材であって、例えばステンレスで形成される。断熱体２２は、例えばアルゴンガスが封入された筒状部材であり、発熱体２１の高さ方向の一部で、発熱体２１の周囲を囲って設置される。断熱体２２は、発熱体２１の周囲への熱放出を抑制する。

温度差計測装置２３は、発熱体２１の断熱体２２に囲まれた断熱部分の温度と、囲まれていない非断熱部分の温度差を計測する。温度差計測装置２３は、例えば２つ一組の熱電対や測温抵抗体、または断熱部分と非断熱部分とにそれぞれ接点を有する差動式熱電対である。

ヒータ２４は、例えば発熱体２１の内部に発熱体２１に沿って設けられ、発熱体２１を加熱する。ヒータ２４は、断熱体２２および温度差計測装置２３近傍を加熱できればよく、他の部分においては発熱するヒータ線以外の導線であってもよい。

発熱体２１、断熱体２２、温度差計測装置２３、およびヒータ２４は、絶縁物３０が充填された保護管２６に収容される。なお、図３においては、絶縁物３０および保護管２６の図示は省略する。

図１に示す水位評価装置２５は、ヒータ２４と接続され、ヒータ２４に所要の電流を流す。また、水位評価装置２５は、温度差計測装置２３と信号線２８で接続され、温度差計測装置２３で計測された断熱部分および非断熱部分の温度差データを取得する。水位評価装置２５は、温度差計測装置２３の周囲が冷却材（炉水）である場合と空気である場合との温度差データを予め保持する。水位評価装置２５は、温度差計測装置２３から取得された温度差データと予め保持する温度差データとを比較し、温度差計測装置２３の周囲が冷却材であるか空気であるかを評価する。

信号線２８は、温度差計測装置２３で計測された温度差を圧力容器２外に供給する。信号線２８は、溶融燃料による圧力容器２の底部損傷や圧力容器２を格納する格納容器内への溶融燃料の落下が発生した場合を考慮した位置に布設されるのが好ましい。例えば、信号線２８は、圧力容器２の底部中心を通過しないように布設される。

次に、第１実施形態における水位計測システム１の作用について説明する。

一般的に、沸騰水型原子炉は、炉心３の中性子監視に用いられる中性子検出器４と保護管５とを備えている。そこで、水位計測装置１１、１２は、保護管５内に設置することで、水位計測システム１の設置に伴う圧力容器２、炉心３およびこの炉心３を囲うシュラウドの構造変更が不要になる。また、保護管５は炉心３に均一に多数配置されているため、水位計測装置１１、１２を任意の保護管５位置に設置することができる。

原子炉の運転中において炉心３よりガンマ線が放出されると、発熱体２１は発熱する。発熱体２１の熱量は、断熱体２２の周囲（保護管２６の周囲）の冷却材または空気により除熱される。一方、断熱体２２に囲まれた発熱体２１の断熱部分は、非断熱部分とは異なり冷却材または空気により除熱されないため、非断熱部分と比較して高温状態を維持する。非断熱部分の熱量は、上下方向に徐々に移動し、冷却材または空気により除熱される。

ここで、冷却材は、空気に比べて除熱能力が高い（熱伝導率が大きい）。このため、温度差計測装置２３の周囲が冷却材である場合の非断熱部分の温度は、周囲が空気である場合の非断熱部分の温度に比べて小さくなる。このため、周囲が冷却材である場合の断熱部分と非断熱部分との温度差は、周囲が空気である場合の温度差よりも大きい。

水位評価装置２５は、得られた温度差データと予め保持する温度差データとを比較し、温度差計測装置２３の周囲が冷却材であるか否か、すなわち冷却材の水位が温度差計測装置２３より高いか、または低いかを評価する。

なお、炉心３の出力が低くガンマ線の放出量が少なく、温度差計測装置２３において所要の温度差が得られない場合、水位計測システム１は、ガンマ線に代えてヒータ２４により発熱体２１を加熱する。水位計測システム１は、ガンマ線による発熱を利用した場合と同様に、冷却材の水位を計測することができる。

ここで、第１実施形態における水位計測システム１は、炉心３の下端部より下方の水位を計測するために炉心下部水位計測装置１２を有する。このため、水位計測システム１は、炉心３から圧力容器２底部までの鉛直方向水位を監視することが可能になる。

例えば、図５に示すように、炉心の一部が損傷（燃料溶融）した場合、炉心内水位計測装置１１も同時に溶融し、監視機能を喪失する恐れがある。これに対し、炉心下部水位計測装置１２は、炉心内水位計測装置１１とは独立して設けられているため、圧力容器２内に冷却材がある状態においては水位を継続して監視することができる。

炉心３の外周部は中心部と比較して燃料密度が低く温度が低いことから、炉心内水位計測装置１１は炉心３の最外周に配置される。これにより、水位計測システム１は、炉心３の中心部の部分的な燃料溶融時には炉心内水位計測装置１１を損傷させることがない。

この水位計測システム１によれば、通常時のみならず圧力容器２内の水位が極端に低下した場合であっても簡素な構成で圧力容器２内の冷却材の水位を継続して計測できる。

また、水位計測装置１１、１２は、沸騰水型原子炉に既設の中性子検出器４の保護管５に格納されるため、水位計測システム１を設ける場合には圧力容器２内に新たな構成を追加する必要がなく、取付のための工程や作業量を低減できる。

また、水位計測システム１は、炉心内水位計測装置１１と炉心下部水位計測装置１２とを独立して設けた。このため、例えば炉心３の一部が損傷（燃料溶融）し、炉心内水位計測装置１１が損傷した場合であっても、炉心下部水位計測装置１２により水位を評価することができる。

なお、第１実施形態における炉心内水位計測装置１１および炉心下部水位計測装置１２は、共通の保護管５に格納する例を説明したが、異なる保護管５に格納されたり、また保護管５に格納されなくてもよい。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態における原子炉水位計測システム４１の構成図である。

第２実施形態における原子炉水位計測システム（水位計測システム）４１は、第１実施形態の水位計測システム１に対し、炉心内水位計測装置１１および炉心下部水位計測装置１２が複数本ずつ、計測部１５の位置を鉛直方向に異ならせて設けられた点である。このため、第２実施形態の水位計測システム４１における第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、または図示を省略し、重複する説明を省略する。

炉心内水位計測装置１１ａ、１１ｂは、複数本（図６においては説明の都合上２本）設けられる。複数の炉心内水位計測装置１１ａ、１１ｂに設けられる計測部１５は、互いに鉛直方向に異なる箇所に設けられる。すなわち、炉心内水位計測装置１１ａの計測部１５ａ_１、１５ａ_２、１５ａ_３と、炉心内水位計測装置１１ｂの計測部１５ｂ_１、１５ｂ_２、１５ｂ_３とは、計測範囲が異なるように設けられる。

なお、図６においては説明の都合上、炉心下部水位計測装置１２および中性子検出器４の図示は省略する（第３実施形態についても同様）が、炉心下部水位計測装置１２についても炉心内水位計測装置１１ａ、１１ｂと同様に複数本設けられ、計測部１５は互いに鉛直方向に異なる箇所に設けられる。

次に、第２実施形態における水位計測システム４１の作用について説明する。

図７は、第２実施形態における水位計測システム４１の計測範囲を説明するための説明図である。

１本の炉心内水位計測装置１１に設けることができる計測部１５の個数は物理的に有限であり、その個数によって弁別可能な水位の範囲が決定される。これに対し、第２実施形態における水位計測システム４１は、複数本の炉心内水位計測装置１１ａ、１１ｂを設け、計測部１５を互いに鉛直方向に異なる位置に配置することで、水位の検知精度を高めることができる。

具体的には、水位計測システム４１は、炉心内水位計測装置１１ａの計測部１５ａ_１、１５ａ_２、１５ａ_３により、鉛直方向における高さＡ_１、高さＡ_２、高さＡ_３における温度差を計測する。現在の炉水は水位Ｌであるため、炉心内水位計測装置１１ａは、計測部１５ａ１５ａ_１、１５ａ_２、１５ａ_３の計測結果から、高さＡ_２と高さＡ_３との間に炉水の水位Ｌがあることを検出する。

また、水位計測システム４１は、炉心内水位計測装置１１ｂの計測部１５ｂ_１、１５ｂ_２、１５ｂ_３により、鉛直方向における高さＢ_１、高さＢ_２、高さＢ_３における温度差を計測する。同様に、炉心内水位計測装置１１ｂは、計測部１５ｂ_１、１５ｂ_２、１５ｂ_３の計測結果から、高さＢ_１と高さＢ_２との間に炉水の水位Ｌがあることを検出する。

水位計測システム４１は、炉心内水位計測装置１１ａ、１１ｂの検出結果に基づいて、炉心内水位計測装置１１ａ、１１ｂの重複する範囲である高さＡ_２から高さＢ_２の間に炉水の水位Ｌがあることがわかる。

このように、第２実施形態における水位計測システム４１は、複数本の炉心内水位計測装置１１および炉心下部水位計測装置１２から算出される水位を重ね合わせることで、個々の水位計測装置１１、１２の構造変更をすることなく、水位の検知精度を高めることができる。

［第３実施形態］
図８は、第３実施形態における原子炉水位計測システム５１の構成図である。

図９は、炉心内水位計測装置１１の炉心３内における配置例を示す平面図である。

第３実施形態における原子炉水位計測システム（水位計測システム）５１は、第１実施形態の水位計測システム１に対し、炉心内水位計測装置１１および炉心下部水位計測装置１２がさらに温度計測装置を有する点である。このため、第３実施形態の水位計測システム５１における第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、または図示を省略し、重複する説明を省略する。

炉心内水位計測装置１１は、例えば炉心３内または炉心３外に温度計測装置５２を有する。温度計測装置５２は、圧力容器２内外の温度計測が可能な装置である。温度計測装置５２は、例えば計測部１５とは異なる位置に設けられ、炉心３領域内から圧力容器２内の炉心３下部、圧力容器２外の下方に亘って鉛直方向に複数個設けられる。

図９に示すように、炉心内水位計測装置１１は、水平方向に炉心３中心、炉心３外周に配置される。

第３実施形態における水位計測システム５１は、温度計測装置５２により、原子炉水位の計測に加えて、燃料冷却状態を示す炉心３の温度を計測する。水位計測システム５１は、計測された温度に基づいて、燃料が溶融する温度限界に達するかどうかを監視することができる。

また、水位計測システム５１は、温度計測装置５２を有する炉心内水位計測装置１１を炉心３中心部と炉心３外周部に設けたため、計測部１５から得られる信号と合わせて、燃料の立体的な温度分布を監視することができる。これにより、水位計測システム５１は、燃料が溶融する可能性のある領域を推定することができる。

さらに、水位計測システム５１は、温度計測装置５２を炉心３領域内から圧力容器２内の炉心３下部、圧力容器２外の下方に亘って鉛直方向に複数個設けるため、高温溶融燃料の挙動を把握することができる。

具体的には、水位計測システム５１は、炉心３領域内から圧力容器２内の炉心３下部、圧力容器２外の下方に亘って設けられた温度計測装置５２により、溶融燃料の圧力容器２下部への移動を監視することができる。これにより、水位計測システム５１は、移動する溶融燃料の位置を推定することができる。また、溶融燃料による圧力容器２底部損傷、および溶融燃料の格納容器内への流出が生じた場合には、水位計測システム５１は、圧力容器２外の領域に配置された温度計測装置５２で圧力容器２底部の損傷有無を確認することができる。

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。

例えば、炉心内水位計測装置１１は、差圧式水位計などの異なる方式の水位計測装置を適用してもよい。

また、水位計測装置１１、１２は、温度差計測装置２３に代えて温度計測装置を有し、複数個の温度測定装置の温度差を計測することにより水位を計測してもよい。

１、４１、５１原子炉水位計測システム（水位計測システム）
２原子炉圧力容器（圧力容器）
３炉心
４中性子検出器
５保護管
１１、１１ａ、１１ｂ炉心内水位計測装置
１２炉心下部水位計測装置
１５、１５ａ_１〜１５ａ_３、１５ｂ_１〜１５ｂ_３計測部
５２温度計測装置

Claims

ヒータを内部に設けた発熱体と、前記発熱体の高さ方向の一部で、前記発熱体の周囲を囲って設置される断熱体と、前記発熱体の前記断熱体に囲まれた断熱部分と前記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する計測部が、炉心下端部から原子炉圧力容器底部に亘って配置される炉心下部水位計測装置であって、
原子炉圧力容器に収容された炉心の下端部から前記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、炉心内水位計測装置から独立して設けられた炉心下部水位計測装置と、
前記温度差に基づいて前記原子炉の水位を評価する水位評価装置とを備えたことを特徴とする原子炉水位計測システム。
ヒータを内部に設けた発熱体と、前記発熱体の高さ方向の一部で、前記発熱体の周囲を囲って設置される断熱体と、前記発熱体の前記断熱体に囲まれた断熱部分と前記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する計測部が、前記炉心の鉛直方向範囲内に配置される炉心内水位計測装置であって、
前記炉心の鉛直方向範囲内の水位を計測する炉心内水位計測装置を、前記炉心下部水位計測装置から独立してさらに備えた請求項１記載の原子炉水位計測システム。
前記原子炉圧力容器は、前記炉心の中性子束を監視する中性子検出器と、前記中性子検出器を格納する保護管とを備え、
前記炉心下部水位計測装置は、前記中性子検出器と共に前記保護管に格納された請求項１または２記載の原子炉水位計測システム。
前記原子炉圧力容器は、前記炉心の中性子束を監視する中性子検出器と、前記中性子検出器を格納する保護管とを備え、
前記炉心下部水位計測装置および前記炉心内水位計測装置は、前記中性子検出器と共に同じ前記保護管に格納された請求項２記載の原子炉水位計測システム。
前記炉心下部水位計測装置は、前記炉心の外周部に配置された請求項１〜４のいずれか一項記載の原子炉水位計測システム。
前記炉心下部水位計測装置は、炉心に対して異なる区分に複数配置した請求項１〜５のいずれか一項記載の原子炉水位計測システム。
前記炉心下部水位計測装置または前記炉心内水位計測装置は複数設けられ、各炉心下部水位計測装置または各前記炉心内水位計測装置の前記温度差計測装置は互いに鉛直方向に異なる箇所に設けられた請求項２記載の原子炉水位計測システム。
前記炉心下部水位計測装置または前記炉心内水位計測装置は、温度を計測する温度計測装置をさらに備えた請求項２記載の原子炉水位計測システム。
前記温度計測装置は、鉛直方向に沿う複数箇所の温度を計測する請求項８記載の原子炉水位計測システム。
前記温度計測装置は、前記炉心の水平方向中心部に配置された請求項８記載の原子炉水位計測システム。