JP6845063B2

JP6845063B2 - 制御管の評価システム

Info

Publication number: JP6845063B2
Application number: JP2017063381A
Authority: JP
Inventors: 崇洋新井
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: JP2018165683A

Description

本発明は、制御管、例えば、発熱を模擬する発熱管の温度状況を計測する制御管の状況計測装置を備えた制御管の評価システムに関する。

発熱を模擬する発熱管として、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験に用いられる模擬燃料棒が知られている（特許文献１）。模擬燃料棒は、核燃料の代わりに電気ヒーターを用いて発熱させ、表面温度を所定温度に維持した状態で、容器内の流体の伝熱流動特性が評価される。

模擬燃料棒には、軸方向に温度検出手段が埋め込まれて固定され、例えば、軸方向の複数個所の検出点の温度が検出されて、模擬燃料棒の軸方向の温度分布が測定されている。模擬燃料棒の表面の温度分布を測定することで、模擬燃料棒が所定の温度に維持された際における容器内の流体の伝熱流動特性が評価される。

従来から提案されている模擬燃料棒では、模擬燃料棒の軸方向の温度分布は、軸方向に埋め込まれて固定された温度検出手段（例えば、熱電対）の軸方向の複数個所の検出点で検出された温度に応じて測定されている。このため、軸方向の温度分布を測定するために、複数の温度検出手段が必要となり、構成部品の点数が多くなり、検出情報の評価制御も複雑になっているのが現状であった。

特許第５０２５６２６号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、一つの状態検出手段により、制御管の所定範囲の状況の分布を計測することができる制御管の評価システムを提供することを目的とする。

本発明に適用される制御管の状況計測装置は、筒状の外管の内部に所望温度に制御される発熱体が配される制御管において、前記外管の壁部の肉部に備えられ軸方向に延びる通路と、検出部が前記通路の長手方向の任意の位置に挿入される長尺状の状態検出手段と、前記状態検出手段の検出部の検出結果を把握する状態把握手段とを備えることが好ましい。

これにより、軸方向に延びる通路に長尺状の状態検出手段が任意の位置に挿入され、制御管の軸方向の任意の範囲の状況が検出部で検出される。任意の位置での検出部の検出結果が状態把握手段で把握され、軸方向の状況の分布が計測される。外管の内部に配される発熱体は、通電により発熱する電気発熱材や、所定の温度に維持された流体等を用いることができる。

このため、一つの状態検出手段により、制御管の所定範囲（軸方向の長さに亘る範囲）の状況の分布を計測することが可能になる。従って、複数の状態検出手段が不要で、少ない部品点数で、検出情報の評価制御を簡素化することができる。

そして、上記制御管の状況計測装置において、前記通路は、前記外管の壁部の肉部内で軸に交差する面が閉断面状態に備えられることが好ましい。

これにより、通路は、前記外管の壁部の肉部内で閉断面状態に備えられているので、外部環境の影響を受けることなく、状態検出手段により制御管（外管）の状態を検出することができる。閉断面状態に備えられる通路として、制御管と同一材料のパイプを肉部内に配して構成することが好ましく、パイプを用いることにより、状態検出手段が高温・高圧に耐えられる構成となる。

また、上記制御管の状況計測装置において、前記通路は、前記外管の周方向に複数備えられることが好ましい。

これにより、複数備えられた通路に状態検出手段をそれぞれ挿入することで、それぞれの検出部の検出結果に基づいて、制御管の周方向の状況の分布を計測することができる。

尚、外管の軸方向にスパイラル状に通路を備えることも可能である。これにより、外管の軸方向にスパイラル状に備えられた通路に状態検出手段を挿入することができ、軸方向の所定の範囲、及び、周方向の所定の範囲の状況を検出部で検出することができ、制御管の軸方向、周方向の状況の分布を計測することができる。

また、上記制御管の状況計測装置において、前記状態検出手段は、温度検出手段であることが好ましい。

これにより、通路に沿って温度検出手段（例えば、熱電対）を任意の位置に移動させることで、制御管の軸方向の多点の温度が検出部で検出され、状態把握手段で制御管の軸方向の温度分布を把握することができる。

また、上記制御管の状況計測装置において、前記状態検出手段は、光ファイバーセンサーであることが好ましい。

これにより、通路に沿って光ファイバーセンサーを所望の長さの範囲にわたって挿入することで（任意の位置に挿入することで）、所望の範囲の温度や歪を一斉に計測することができ、状態把握手段で制御管の軸方向の温度分布や歪の分布を把握することができる。

また、上記制御管の状況計測装置において、前記制御管は、原子炉用の燃料集合体を模擬する模擬燃料棒であることが好ましい。

これにより、一つの状態検出手段により、模擬燃料棒の所定範囲の状況（温度等）の分布を計測することが可能になる。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の制御管の評価システムは、筒状の外管の壁部の肉部に備えられ軸方向に延びる通路を有し、内部に流体が送られる容器に収容され、原子炉用の燃料集合体を模擬し前記流体を加熱する制御管としての模擬燃料棒と、検出部が前記通路の長手方向の任意の位置に移動自在に固定されずに挿入され、固定されていない状態で、温度と歪を検出する状態検出手段としての光ファイバーセンサーと、前記光ファイバーセンサーの前記通路への挿入状況を制御するセンサー制御手段と、前記センサー制御手段からの情報、前記光ファイバーセンサーの検出情報が入力され、前記容器内の蒸気と流体の割合により気泡の挙動を把握すると共に、前記模擬燃料棒の温度分布を把握し、前記模擬燃料棒の電熱特性を評価する制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、センサー制御手段により、長尺状の状態検出手段が任意の位置に挿入され、流体が送られた状態の容器の中で、制御管の軸方向の多点の状況が検出部で検出され、状態検出手段の検出部の検出結果に基づいて、制御管の状況（温度分布等）が評価手段により評価される。
また、一つの状態検出手段により、流体が送られた状態の容器の中で、制御管の所定範囲の温度分布等を計測することが可能になる。
また、模擬燃料棒が所定の温度に維持された際における容器内の流体の伝熱流動特性が評価される状態で、模擬燃料棒の所定範囲の多点での温度、歪等の状況の分布を計測することができる。

このため、一つの状態検出手段により、流体が送られた状態の容器の中で、制御管の所定範囲の状況の分布（温度分布等）を計測することが可能になる。従って、複数の状態検出手段が不要で、少ない部品点数で、検出情報の評価制御を簡素化することができる。

そして、請求項２に係る本発明の制御管の評価システムは、請求項１に記載の制御管の評価システムにおいて、前記通路は、前記外管の周方向に複数備えられていることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、複数備えられた通路に状態検出手段をそれぞれ挿入することで、それぞれの検出部の検出結果に基づいて、制御管の周方向の状況の分布を計測することができる。

また、請求項３に係る本発明の制御管の評価システムは、請求項１に記載の制御管の評価システムにおいて、前記通路は、前記外管の軸方向にスパイラル状に備えられていることを特徴とする。

本発明の制御管の状況計測装置、及び、制御管の評価システムは、一つの状態検出手段により、制御管の所定範囲の状況の分布を計測することが可能になる。

本発明の一実施例に係る制御管の状況計測装置を適用した制御管の評価システムの概念図である。模擬燃料棒の外観図である。模擬燃料棒の説明図である。模擬燃料棒の説明図である。軸方向の温度分布を表すグラフである。軸方向の３箇所の温度の経時変化を表すグラフである。模擬燃料棒の他の実施例の外観図である。本発明の他の実施例に係る制御管の評価システムの概念図である。容器の内部の水平面内の温度分布の概念図である。

以下に制御管の実施例として、原子炉の圧力容器を想定した装置に収容される燃料集合体（燃料棒）を模擬した模擬燃料棒を例に挙げて、本発明の一実施例に係る制御管の状況計測装置を説明する。模擬燃料棒の計測される状況は、状態検出手段としての光ファイバーセンサーで計測される、軸方向の温度、歪の分布例を挙げて説明してある。

尚、制御管としては、円筒状の外管の内部に所望温度に制御される発熱体を備えたものであれば、熱交換器の伝熱管を模擬する模擬伝熱管等、模擬燃料棒以外のものを適用することが可能である。この場合、発熱体として、所定温度に維持された流体を流通させることが好ましい。また、状態検出手段として熱電対を用い、軸方向に移動させながら計測することで、軸方向の温度の分布を計測することも可能である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

図１には本発明の一実施例に係る制御管の状況計測装置を適用した評価システムの全体の構成を説明する概略状況、図２には模擬燃料棒の外観の状況、図３には模擬燃料棒の平面視の状況、図４（ａ）には図３中のＩＶ−ＩＶ線矢視（軸方向に沿った断面視）の状況、図４（ｂ）には図４（ａ）中のＢ部の詳細を示してある。

図１に基づいて制御管の状況計測装置を適用した評価システムを説明する。

図に示すように、原子炉の圧力容器を想定した筒状の容器１は、筒部本体２と上下のシールフランジ３とにより構成されている。上下のシールフランジ３の間には制御管としての模擬燃料棒４が配され、模擬燃料棒４の端部はシールフランジ３にそれぞれシールされて固定されている。

具体的には後述するが、模擬燃料棒４の軸心部分には発熱体５が備えられ、発熱体５には電源９から電力が供給され、模擬燃料棒４は所望温度に加熱される。また、模擬燃料棒４の壁部には、検出部が長手方向の任意の位置に挿入される長尺状の状態検出手段としての光ファイバーセンサー６が備えられ、光ファイバーセンサー６はセンサー制御手段７の送り機構により軸方向の任意の位置に挿入される。

そして、センサー制御手段７には、光ファイバーセンサー６の発光部、受光部が備えられ、光ファイバーセンサー６の長手方向の範囲（検出部）で、温度、歪の分布情報（検出結果）が把握される（状態把握手段）。センサー制御手段７で把握された検出結果の情報は、評価手段としての制御手段８に送られ、模擬燃料棒４の状況が評価される。また、発熱体５の電源９は制御手段８により動作が制御される。

容器１の下部には容器１の内部に流体としての水が供給される供給口１１が備えられ、容器１の上部には模擬燃料棒４の加熱により発生した蒸気が排出される排出口１２が備えられている。排出口１２から排出された蒸気は凝縮手段１３で凝縮され、凝縮水は給水ポンプ１４により予熱手段１５に送られた後、供給口１１から給水される。

尚、凝縮、給水系統の機器は一例であり、蒸気を凝縮する系統と、水を給水する系統を独立させることも可能である。

上述した評価システムでは、模擬燃料棒４の温度を所定の温度に維持して（発熱体５に対し所定の出力で電源９から電力を供給して）、光ファイバーセンサー６で長手方向の範囲（検出部）での温度、歪の分布情報が一斉に検出される。温度、歪の分布情報に基づいて、模擬燃料棒４の温度を所定の温度に維持した際の水の中での伝熱性能が制御手段８により評価される。

例えば、模擬燃料棒４の温度の分布が評価される。また、歪に基づく蒸気と水の割合（気泡の挙動）を把握し、気泡の挙動に応じた模擬燃料棒４の伝熱性能が評価される。

図２から図４に基づいて制御管の状況計測装置を具体的に説明する。

図に示すように、模擬燃料棒４は筒状（円筒状）の外管２１（例えば、金属製）を有し、外管２１の筒内部には円柱状の発熱体５が備えられている。発熱体５は、例えば、軸芯部分の発熱部と周囲の絶縁部とから構成され、絶縁体が外管２１の内壁面に接触している。

外管２１の壁部の肉部には軸方向に延びる通路２２が９０度毎に４本設けられている。通路２２は外管２１と同一材料のチューブ２３により構成され、４本のチューブ２３（通路２２）には光ファイバーセンサー６がそれぞれ移動自在に挿入されている。通路２２がチューブ２３により構成されることで、通路２２は、外管２１の壁部の肉部内で閉断面状態に（密閉された状態に）備えられている。

通路２２がチューブ２３により構成されることで（外管２１の壁部の肉部内で閉断面状態に備えられることで）、外部環境の影響を受けることなく（外部の水等が接触することなく）、光ファイバーセンサー６により外管２１の状態を検出することができる。そして、４本の通路２２が外管２１と同一材料のチューブ２３で構成されているので、熱の伝達が阻害されずに適切な温度制御が行え、しかも、光ファイバーセンサー６が高温・高圧に耐える構成とすることができる。

光ファイバーセンサー６は検出部（挿入された部位の長手方向の範囲）が任意の位置に配される。通路２２を構成するチューブ２３が下部のシールフランジ３を貫通してセンサー制御手段７に延ばされ、光ファイバーセンサー６は、センサー制御手段７の制御によりチューブ２３に沿って任意の位置に移動制御される。光ファイバーセンサー６が任意の位置に配された状態で、それぞれの通路２２で、挿入された部位の長手方向の範囲の温度、歪が検出される。

つまり、状態検出手段（温度、歪検出手段）である光ファイバーセンサー６が固定されずに４本の通路２２（チューブ２３）の任意の位置に挿入され、固定されていない光ファイバーセンサー６により（一つの状態検出手段により）、外管２１の所望の範囲における軸方向に対する温度、歪の分布が４箇所で（周方向で）把握される。

このため、模擬燃料棒４の温度が所定の温度に維持されて水を加熱している状態における模擬燃料棒４の温度分布が、光ファイバーセンサー６により４箇所の長手方向の所望の範囲で検出される。また、水を加熱している状態における模擬燃料棒４の歪分布が光ファイバーセンサー６により４箇所の長手方向の所望の範囲で検出され、蒸気と水の割合（気泡の挙動）が把握される。

これにより、例えば、気泡の挙動が把握された状態で、模擬燃料棒４の温度の分布が把握され、模擬燃料棒４の伝熱性能が評価される。

従って、上述した評価システムでは、模擬燃料棒４の温度を所定の温度に維持して（発熱体５に対し所定の出力で電源９から電力を供給して）、光ファイバーセンサー６で長手方向の範囲（検出部）での温度、歪の分布情報が一斉に検出される。温度、歪の分布情報に基づいて、模擬燃料棒４の温度を所定の温度に維持した際の水の中での伝熱性能が制御手段８（図１参照）により評価される。

図５、図６に基づいて、制御手段８で評価される温度分布の状況の例を説明する。図５には４箇所の通路２２での軸方向の温度分布、図６には一つの通路２２における軸方向の３箇所（上、中、下）の温度の経時変化を示してある。

図５に示すように、４箇所の通路２２の軸方向の温度（点線、一点鎖線、実線、二点鎖線）は、水が供給される下の位置（供給口１１側の位置）から中央部に向けて高くなり、蒸気が排出される上の位置（排出口１２側の位置）に向けて低下している状態を検出することができる。つまり、４箇所の通路２２において、図５に示した状態の温度分布を光ファイバーセンサー６で一斉に検出することができる。

図６に示すように、一つの通路２２において、下の位置、中央部の位置、上の位置における温度が、徐々に高くなっている状態を検出することができる。つまり、一つの通路２２の任意の位置において、温度の経時間変化を検出することができる。

光ファイバーセンサー６を用いることで、温度に加え、歪の分布も同様に把握することができる。

従って、一つの光ファイバーセンサー６により、模擬燃料棒４の所定範囲（軸方向の長さに亘る範囲）の温度（歪）の分布を計測することが可能になり、複数の温度検出手段等が不要で、少ない部品点数で、水を加熱している状態における模擬燃料棒４の温度、歪の評価制御を簡素化することができる。

尚、通路２２として、チューブ２３を用いることなく、外管２１に軸方向の細穴や凹状の溝を形成する構成とすることも可能である。状態検出手段としては、熱電対を用いることも可能である。この場合、熱電対（検出部）を通路２２の軸方向に所望の範囲内で移動させ、所望の範囲の温度の分布を把握することができる。

図７に示すように、外管２１の軸方向にスパイラル状に通路２５を備えることも可能である。外管２１の軸方向にスパイラル状に備えられた通路２５に光ファイバーセンサー６を挿入することで、軸方向の所定の範囲、及び、周方向の所定の範囲の温度、歪の分布を１本の光ファイバーセンサー６によって検出することができ、模擬燃料棒の軸方向、周方向の温度、歪の分布を計測することができる。

図８に基づいて本発明の他の実施例を説明する。図８には本発明の他の実施例に係る制御管の評価システムを示してある。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。図８に示した実施例は、複数の模擬燃料棒を有する評価システムの例である。

図に示すように、原子炉の圧力容器を模擬した四角筒状の容器３１は、筒部本体３２と上下のシールフランジ３３とにより構成されている。上下のシールフランジ３３の間には制御管としての模擬燃料棒４が複数本（図示例では２５本）配され、模擬燃料棒４の端部はシールフランジ３３にそれぞれシールされて固定されている。そして、２５本の模擬燃料棒４には、それぞれ４本の光ファイバーセンサー６が備えられている（図２参照）。

下部のシールフランジ３３の下側には前述したセンサー制御手段７（図１参照）、電源９（図１参照）を有するセンサー制御部材３４が備えられ、センサー制御部材３４のセンサー制御手段７（図１参照）により、２５本の模擬燃料棒４の光ファイバーセンサー６（１００本）が軸方向の任意の位置に挿入される。そして、センサー制御部材３４では、容器３１内の２５本の模擬燃料棒４の任意の範囲の温度、歪分布が１００本の光ファイバーセンサー６で一斉に把握される。

センサー制御部材３４のセンサー制御手段７（図１参照）で把握された２５本の模擬燃料棒４の任意の範囲の温度、歪分布の情報は、制御手段８に送られ、模擬燃料棒４の加熱時の状況（特性）が評価される。例えば、２５本の模擬燃料棒４の温度が所定の温度に維持されて水を加熱している状態における２５本の模擬燃料棒４の温度分布、歪分布が、光ファイバーセンサー６により１００箇所の長手方向の所望の範囲で一斉に検出される。

温度、歪の分布情報に基づいて、模擬燃料棒４の温度を所定の温度に維持した際の水の中での２５本の模擬燃料棒４の伝熱性能が制御手段８により評価される。例えば、２５本の模擬燃料棒４の温度の分布がそれぞれ評価され、また、２５本の模擬燃料棒４が収容された容器３１の内部での全体の（例えば、水平面内の）温度の分布が評価される。更に、歪に基づく蒸気と水の割合（気泡の挙動）を把握し、２５本の模擬燃料棒４が収容された容器３１の内部での気泡の挙動に応じた２５本の模擬燃料棒４のそれぞれの伝熱性能が評価される。

従って、一つの光ファイバーセンサー６により、模擬燃料棒４の所定範囲（軸方向の長さに亘る範囲）の温度、歪の分布を計測することが可能になり、複数の模擬燃料棒４が備えられる評価システムであっても、少ない部品点数で、水を加熱している状態における模擬燃料棒４の温度、歪の評価制御を簡素化することができる。

図９に基づいて、制御手段８で評価される温度分布の状況の例を説明する。図８には容器３１の内部での水平面内の温度分布の状況を概念的に示してある。

図に示すように、容器３１の水平方向の２５本の模擬燃料棒４の温度分布は、例えば、外側の領域（点線）に対して、中央部寄りの領域（実線）、中心部寄りの領域（一点鎖線）に向い温度が高くなっている状態を検出することができる。つまり、模擬燃料棒４の個別の軸方向の温度分布等に加え、容器３１の水平方向の２５本の模擬燃料棒４の温度分布を光ファイバーセンサー６（図２参照）で一斉に検出することができる。

上述した評価システムでは、２５本の模擬燃料棒４の温度を所定の温度に維持して、光ファイバーセンサー６で長手方向の範囲（検出部）での温度、歪の分布情報が一斉に検出される。そして、容器３１の内部での２５本の模擬燃料棒４の温度分布（歪分布）が光ファイバーセンサー６で一斉に検出される。このため、温度、歪の分布情報に基づいて、温度を所定の温度に維持した際の容器３１の水の中での２５本の模擬燃料棒４の伝熱性能が制御手段８により評価される。

本発明は、制御管、例えば、発熱を模擬する発熱管の温度等の状況を計測する制御管の状況計測装置、及び、制御管の評価システムの産業分野で利用することができる。

１、３１容器
２、３２筒部本体
３、３３シールフランジ
４模擬燃料棒
５発熱体
６光ファイバーセンサー
７センサー制御手段
８制御手段
９電源
１１供給口
１２排出口
１３凝縮手段
１４給水ポンプ
１５予熱手段
２１外管
２２、２５通路
２３チューブ
３４センサー制御部材

Claims

筒状の外管の壁部の肉部に備えられ軸方向に延びる通路を有し、内部に流体が送られる容器に収容され、原子炉用の燃料集合体を模擬し前記流体を加熱する制御管としての模擬燃料棒と、
検出部が前記通路の長手方向の任意の位置に移動自在に固定されずに挿入され、固定されていない状態で、温度と歪を検出する状態検出手段としての光ファイバーセンサーと、
前記光ファイバーセンサーの前記通路への挿入状況を制御するセンサー制御手段と、
前記センサー制御手段からの情報、前記光ファイバーセンサーの検出情報が入力され、前記容器内の蒸気と流体の割合により気泡の挙動を把握すると共に、前記模擬燃料棒の温度分布を把握し、前記模擬燃料棒の電熱特性を評価する制御手段とを備えた
ことを特徴とする制御管の評価システム。
請求項１に記載の制御管の評価システムにおいて、
前記通路は、前記外管の周方向に複数備えられている
ことを特徴とする制御管の評価システム。
請求項１に記載の制御管の評価システムにおいて、
前記通路は、前記外管の軸方向にスパイラル状に備えられている
ことを特徴とする制御管の評価システム。