JP6029301B2 - 水素濃度計測器および制御システム - Google Patents
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Description
本発明は、原子炉格納容器内の水素濃度を計測する水素濃度計測器および制御システムに関する。
原子力プラントでは、安全性を検証するために、水素濃度が計測される。例えば、特許文献１は、高速増殖炉プラントにおいて液体ナトリウム中の水素濃度を検出するための水素検出器を開示している。原子力発電プラントでは、原子炉格納容器（以下、「ＣＶ」ということがある）内の雰囲気をＣＶ外まで取り出し、ＣＶ外で水素濃度が計測されることがある。
ＣＶ内で重大な事故が発生した場合、ＣＶ内の雰囲気をＣＶ外まで取り出して水素濃度を計測することが困難になるおそれがある。さらに、ＣＶ内で重大な事故が発生した場合のような悪化した条件下では、特許文献１に記載されている水素検出器のような計測器がＣＶ内に設置されていても、熱や放射能により水素濃度を精度よく計測できないおそれがある。
本発明は、悪化した条件下でもＣＶ内の水素濃度を精度よく計測することができる水素濃度計測器および制御システムを提供することを目的とする。
本発明は、原子炉格納容器内の雰囲気の水素濃度を計測する水素濃度計測器において、前記雰囲気の水素濃度に応じて起電力を発生する固体電解質と、前記固体電解質の温度を、前記原子炉格納容器内で事故が発生した場合に当該水素濃度計測器が到達しうる温度よりも高い温度に保つ加熱部と、前記固体電解質が発生する起電力の大きさを検出する電圧計とを備える。
また、本発明の望ましい態様としては、水素濃度計測器は、前記固体電解質の温度を計測する温度計と、前記温度計によって計測される温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部とをさらに備える。
また、本発明の望ましい態様としては、水素濃度計測器は、前記固体電解質を収容し、第１の孔および第２の孔を有する容器をさらに備え、前記加熱部は、前記容器内の前記雰囲気を加熱することによって、前記第１の孔を通じて前記雰囲気を前記容器の外部から前記固体電解質へ導入するとともに、前記第２の孔を通じて前記雰囲気を前記容器の外部へ放出させる。
本発明は、原子炉格納容器内の雰囲気の水素濃度を計測する水素濃度計測器と前記水素濃度計測器によって計測される水素濃度に基づいて各種制御を実行する制御装置とを有する制御システムにおいて、前記水素濃度計測器は、前記雰囲気の水素濃度に応じて起電力を発生する固体電解質と、前記固体電解質の温度を、前記原子炉格納容器内で事故が発生した場合に当該水素濃度計測器が到達しうる温度よりも高い温度に保つ加熱部と、前記固体電解質が発生する起電力の大きさを検出する電圧計とを備える。
また、本発明の望ましい態様としては、制御システムは、前記容器内に水素を供給する水素供給部をさらに備え、前記制御装置は、前記水素供給部が供給する水素の量に応じて前記水素濃度計測器が計測する水素濃度に基づいて、前記水素濃度計測器が正常であるか否かを判定する。
本発明に係る水素濃度計測器および制御システムは、悪化した条件下でもＣＶ内の水素濃度を精度よく計測することができるという効果を奏する。
以下に、本発明に係る水素濃度計測器および制御システムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
まず、図１を参照しながら、本実施例に係る制御システムの構成について説明する。図１は、本実施例に係る制御システムの構成を示す図である。図１に示す制御システムは、ＣＶ内の水素濃度を計測し、計測結果に基づいて各種制御を行う。制御システムは、水素濃度計測器１０と、制御装置３０と、表示装置４０と、現場機器５０とを含む。
水素濃度計測器１０は、ＣＶ内の水素濃度を計測する。制御装置３０は、水素濃度計測器１０によって計測される水素濃度に基づいて、表示装置４０、現場機器５０等の設備を制御する。例えば、制御装置３０は、水素濃度計測器１０によって計測される水素濃度を表示装置４０に表示する。さらに、制御装置３０は、水素濃度が閾値を超えた場合に、表示装置４０に警報を表示し、対処のために現場機器５０を制御する。表示装置４０は、ＣＶを含むプラントのオペレータに各種の情報を表示する。表示装置４０は、例えば、制御室に設置される表示パネルおよびランプを含む。現場機器５０は、ＣＶを含むプラントの運転状況を変化させる。現場機器５０は、例えば、各種の弁、または制御棒である。
水素濃度計測器１０は、容器１１と、固体電解質１２と、水素室１３と、電極１４ａと、電極１４ｂと、電圧計１５と、ヒータ１６と、温度計１７と、ヒータ制御部１８と、水素ボンベ１９と、弁２０とを含む。
容器１１は、固体電解質１２、水素室１３、電極１４ａ、電極１４ｂ、電圧計１５、ヒータ１６、および温度計１７を収容する。容器１１は、固体電解質１２等を機械的な破壊から守るとともに、容器１１内の温度を外部へ逃げにくくする。容器１１は、下部に設けられる孔Ｈ１と、上部に設けられる孔Ｈ２とを有する。
固体電解質１２は、高温状況下において水素濃度に応じて起電力を発生させる。固体電解質１２は、例えば、ＳｒＺｒ０．９Ｙｂ０．１Ｏ３系の、プロトン伝導性を有するセラミックである。水素室１３は、固体電解質１２の表面との間に密閉された空間を形成する。水素室１３および固体電解質１２の表面によって形成される空間には、固体電解質１２が起電力を発生させるための基準となる水素を含む流体が封入される。
電極１４ａは、固体電解質１２の水素室１３側の表面に設けられる。電極１４ａは、封入された流体が固体電解質１２の表面に容易に到達できる構造であることが好ましい。電極１４ｂは、固体電解質１２の反対側の表面に設けられる。電極１４ｂは、孔Ｈ１から導入される雰囲気が固体電解質１２の反対側の表面に容易に到達できる構造であることが好ましい。電圧計１５は、電極１４ａと電極１４ｂの電位差を検出する。電圧計１５が制御装置３０へ出力する電位差は、容器１１内の雰囲気の水素濃度を表す。電圧計１５が検出する電位差（電圧）は、制御装置３０へ伝送される。
ヒータ１６は、固体電解質１２を加熱する。温度計１７は、固体電解質１２の温度を計測する。ヒータ制御部１８は、温度計１７によって計測される温度に基づいて、固体電解質１２が一定の温度を保つようにヒータ１６を制御する。具体的には、ヒータ制御部１８は、固体電解質１２の温度を、固体電解質１２が水素濃度に応じて起電力を発生させる機能を発揮し始める温度よりも高く、かつ、事故によってＣＶ内の条件が悪化した場合に水素濃度計測器１０が到達しうる温度よりも高い温度に保つ。一般的に、ＣＶ内の条件が悪化した場合に水素濃度計測器１０が到達しうる温度は、固体電解質１２が機能を発揮し始める温度よりも高いと考えられる。そのため、実質的には、ヒータ制御部１８は、固体電解質１２の温度を、ＣＶ内の条件が悪化した場合に水素濃度計測器１０が到達しうる温度よりも高い温度に保つ。
さらに、ヒータ１６は、雰囲気の対流を発生させる。図１に示す破線の矢印は、雰囲気の流れる方向を示している。容器１１内の雰囲気は、ヒータ１６が発生する熱によって暖められて上昇し、孔Ｈ２から容器１１の外部へ放出される。そして、孔Ｈ１を通じて、外部の雰囲気が容器１１内に導入される。こうして、容器１１内の雰囲気は、常に交換され、水素濃度計測器１０は、最新の水素濃度を計測することができる。
水素ボンベ１９には、水素または水素を発生させる物質が封入される。弁２０は、水素ボンベ１９から容器１１内へ供給される水素の量を調節する。弁２０は、制御装置３０によって制御される。制御装置３０は、水素濃度計測器１０が正常であるか否かを検証するために弁２０を制御する。具体的には、通常時は、制御装置３０は、水素ボンベ１９から容器１１内へ水素を供給させない。水素濃度計測器１０が正常であるか否かを検証する必要が生じた場合、制御装置３０は、水素ボンベ１９から容器１１内へ水素を供給させ、供給量に応じた水素濃度が水素濃度計測器１０によって検出されるかを確認する。
このような構成の水素濃度計測器１０によって、以下の様に水素濃度が計測される。ヒータ１６の加熱によって、固体電解質１２は、水素濃度に応じて起電力を発生させるのに十分に加熱される。ヒータ１６が発する熱は、さらに、容器１１内の雰囲気を常に入れ替える。固体電解質１２は、水素室１３内の水素の濃度（分圧）と周囲の雰囲気の水素の濃度（分圧）の差に応じて起電力を発生する。起電力の大きさは、電圧計１５によって検出され、雰囲気の水素濃度を示す値として、制御装置３０へ伝送される。
雰囲気の水素濃度（水素ガス分圧）は、以下の式（１）に示すＮｅｒｎｓｔ式から算出することができる。
ここで、Ｅは、起電力（単位：Ｖ）である。Ｒは、ガス定数（８．３１４Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）である。Ｔは、絶対温度（単位：Ｋ）である。ｎは、水素（Ｈ２）の場合、２である。Ｆは、ファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）である。ＰＨ２（基準）は、水素室１３内の水素ガス分圧（単位：ａｃｍ）である。ＰＨ２（雰囲気）は、雰囲気の水素ガス分圧（単位：ａｃｍ）である。
上記の構成によれば、ＣＶ内の条件が悪化しても安定的に精度よく水素濃度を計測可能な水素濃度計測器を得ることができる。なぜならば、固体電解質１２は、セラミックスであるため、耐熱性が高く、曲げ強度が十分にあり、水蒸気、圧力および放射線の影響を受けにくい。さらに、固体電解質１２は、ヒータ１６によって、ＣＶ内の条件が悪化した場合に水素濃度計測器１０が到達しうる温度よりも高い温度に保たれる。このため、事故等によりＣＶ内の温度が上昇しても、水素濃度計測器１０は、その影響を受けない。
水素濃度計測器１０は、ＣＶ内の様々な箇所において水素濃度を計測するために使用できる。図２は、水素濃度計測器１０を用いて水素濃度を計測する箇所の例を示す図である。水素は軽いため、水素が発生する可能性がある部分の天井付近に設置することが好ましい。例えば、水素濃度計測器１０は、ＣＶ１内の天井付近の位置Ｐ１に設置することができる。水素濃度計測器１０は、原子炉１０１内の天井付近の位置Ｐ２に設置することができる。水素濃度計測器１０は、加圧器１０２内の天井付近の位置Ｐ３に設置することができる。水素濃度計測器１０は、蒸気発生器１０３内の天井付近の位置Ｐ４に設置することができる。
水素濃度計測器１０のうち、容器１１の外部にある要素は、ＣＶ１の外部に設置してもよい。例えば、電圧計１５、ヒータ制御部１８、水素ボンベ１９、および弁２０をＣＶ１の外部に設置してもよい。これらの要素をＣＶ１の外部に設置する場合、これらを熱、機械的な衝撃、水蒸気、圧力、および放射線等から保護するための構成を簡略化することができる。一方、これらの要素をＣＶ１の内部に設置する場合、配線およびパイプ等をＣＶ１の内部から外部へ引き出すための構成を簡略化することができる。
本実施例に係る水素濃度計測器１０は、ＣＶ内以外の場所の水素濃度を計測するために用いることもできる。
１ 原子炉格納容器（ＣＶ）
１０ 水素濃度計測器
１１ 容器
１２ 固体電解質
１３ 水素室
１４ａ、１４ｂ 電極
１５ 電圧計
１６ ヒータ
１７ 温度計
１８ ヒータ制御部
１９ 水素ボンベ
２０ 弁
３０ 制御装置
４０ 表示装置
５０ 現場機器
１０１ 原子炉
１０２ 加圧器
１０３ 蒸気発生器
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Claims (7)
- 原子炉格納容器内の雰囲気の水素濃度を計測する水素濃度計測器において、
前記雰囲気の水素濃度に応じて起電力を発生する固体電解質と、
前記固体電解質の表面と密閉され、かつ、水素が封入された空間を形成する水素室と、
前記固体電解質の前記水素室側の表面に配置された第１電極と、
前記固体電解質の前記水素室側とは反対側に配置された第２電極と、
前記固体電解質及び前記水素室を収容し、下部に設けられる第１の孔および上部に設けられる第２の孔を有する容器と、
前記容器の内部の空間を加熱し、前記固体電解質の温度を、前記原子炉格納容器内で事故が発生した場合に当該水素濃度計測器が到達しうる温度よりも高い温度に保つ加熱部と、
前記固体電解質が発生する起電力の大きさを検出する電圧計と、
を備え、
前記加熱部は、前記容器内の前記雰囲気を加熱することによって、前記第１の孔を通じて前記雰囲気を前記容器の外部から前記固体電解質へ導入するとともに、前記第２の孔を通じて前記雰囲気を前記容器の外部へ放出させる水素濃度計測器。 - 前記固体電解質の温度を計測する温度計と、
前記温度計によって計測される温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部と
をさらに備える請求項１に記載の水素濃度計測器。 - 前記容器に接続され、水素または水素を発生させる物質が封入される水素ボンベと、
前記水素ボンベから前記容器内へ供給される水素の量を調整する弁と、を有し、
正常であるか否かを検証する必要が生じた場合、前記水素ボンベから前記容器内へ水素を供給させ、供給量に応じた水素濃度が検出されるかを確認する制御装置と、をさらに備える請求項１または２に記載の水素濃度計測器。 - 原子炉格納容器内の雰囲気の水素濃度を計測する水素濃度計測器と前記水素濃度計測器によって計測される水素濃度に基づいて各種制御を実行する制御装置とを有する制御システムにおいて、
前記水素濃度計測器は、
前記雰囲気の水素濃度に応じて起電力を発生する固体電解質と、
前記固体電解質の表面と密閉され、かつ、水素が封入された空間を形成する水素室と、
前記固体電解質の前記水素室側の表面に配置された第１電極と、
前記固体電解質の前記水素室側とは反対側に配置された第２電極と、
前記固体電解質及び前記水素室を収容し、下部に設けられる第１の孔および上部に設けられる第２の孔を有する容器と、
前記容器の内部の空間を加熱し、前記固体電解質の温度を、前記原子炉格納容器内で事故が発生した場合に当該水素濃度計測器が到達しうる温度よりも高い温度に保つ加熱部と、
前記固体電解質が発生する起電力の大きさを検出する電圧計と、
を備え、
前記加熱部は、前記容器内の前記雰囲気を加熱することによって、前記第１の孔を通じて前記雰囲気を前記容器の外部から前記固体電解質へ導入するとともに、前記第２の孔を通じて前記雰囲気を前記容器の外部へ放出させる制御システム。 - 前記固体電解質の温度を計測する温度計と、
前記温度計によって計測される温度に基づいて前記加熱部を制御する制御部と
をさらに備える請求項４に記載の制御システム。 - 前記水素濃度計測器は、前記容器に接続され、水素または水素を発生させる物質が封入される水素ボンベと、
前記水素ボンベから前記容器内へ供給される水素の量を調整する弁と、を有し、
前記制御装置は、正常であるか否かを検証する必要が生じた場合、前記水素ボンベから前記容器内へ水素を供給させ、供給量に応じた水素濃度が検出されるかを確認することを特徴とする請求項４または５に記載の制御システム。 - 前記制御装置は、前記水素ボンベから前記容器内へ供給する水素の量と前記水素濃度計測器が計測する水素濃度とに基づいて、前記水素濃度計測器が正常であるか否かを判定する請求項６に記載の制御システム。
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2013
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