JP6906454B2 - 格納容器用酸素計測装置およびその酸素センサ - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、原子炉格納容器用酸素計測装置およびそれに用いられる酸素センサに関する。

発電用原子炉施設には、過酷事故発生時に原子炉および施設の安全性を確保するための機器があり、事故の状況把握および収束に向けた対応が採れるような機構を有している。特に、東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所の過酷事故では、水素と酸素の反応による水素爆発により原子炉施設を損なう事象が発生しており、水素爆発防止のための気相濃度監視が求められている。

従来の原子炉施設において、格納容器雰囲気モニタにより気相中の水素および酸素濃度などを測定している。当該機器は原子炉格納容器外部に設置されており、原子炉格納容器内部の気相をブロワにより当該機器まで移送し、冷却器などを用いて湿度、温度、圧力などを調整し測定を実施している。

特開２０１６−５３２０７９号公報 特開２０１５−１２５１３８号公報

春日正毅、「水素と一酸化炭素の燃焼触媒」、触媒、１９８７年、第２９巻第４号、ｐ．２９９−３０４

しかしながら、福島第一原子力発電所で過酷事故が発生したことから明らかなように、既設施設のみでは過酷事故に対応するための十分な対応が採れない。従来の原子炉施設において、過酷事故発生時に交流電源を失った場合は、格納容器雰囲気モニタを動作させることができず、現状では常時監視を達成できていない。特に、福島第一原子力発電所での過酷事故では水素と酸素の反応による水素爆発により原子炉施設を損なう事象が発生しており、水素爆発防止のための気相濃度監視が重要である。

そこで、交流電源を必要とするガスの移送や除湿、冷却、降圧などの調整等を行わず、過酷事故時の格納容器内の気相組成を直接測定するシステムが求められている。特に、酸素は水素と共存することで燃焼、爆発を引き起こし格納容器の健全性に大きな影響を与える事象を引き起こす可能性があるため、その測定はアクシデントマネジメント上、重要な位置づけとなる。

しかしながら、現在のシステムでは格納容器内からブロワにより格納容器内部のガスをサンプリングする格納容器雰囲気モニタのみでの測定であり、交流電源喪失時は測定することができない。

このような状況に対応するための技術として、水素と酸素の燃焼反応より酸素濃度を測定する方法が検討されている。しかし、公知の技術を用いた場合は、水素が共存していない環境では測定することができず、水素が存在している場合でも水素濃度が既知でないと正確な酸素濃度を換算できなかった。また、測定のために水素と酸素の燃焼反応を用いており、測定部を起点とした水素爆発のリスクが否定しきれなかった。

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、原子炉格納容器内において水素の有無によらず酸素濃度を測定可能とすることである。

実施形態に係る格納容器用酸素計測装置は、上記課題を解決するために、原子炉格納容器内に設けられ、５２５℃以下で酸素イオン伝導性を有する固体電解質を含む隔膜と前記隔膜を挟んで対向するように前記隔膜上に配置された１対の電極を備える酸素センサ、を備えた格納容器用酸素計測装置であって、前記電極は、金属酸化物中の酸素１原子あたりの生成熱が８０ｋＪ以下または１５０ｋＪ以上である材料を含み、前記原子炉格納容器は、原子炉圧力容器を収容するドライウェルと、ベント管を介して前記ドライウェルと接続されて内部に圧力抑制プールを収容するウェットウェルとを備え、前記酸素センサは、複数個あって、少なくとも、前記ドライウェル内で前記原子炉圧力容器よりも上方の位置と、前記ウェットウェル内で前記圧力抑制プールよりも上方の位置に配置されている。

また、実施形態に係る格納容器用酸素計測装置は、上記課題を解決するために、原子炉格納容器内に設けられ、隔膜と、前記隔膜を挟んで対向するように前記隔膜上に配置された１対の電極とを備える酸素センサ、を備えた格納容器用酸素計測装置であって、前記隔膜は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムガレート及びガドリニウムドープセリアのうち少なくとも１つを含有し、前記電極は、金、銀、銅、ニッケル及び炭素のうち少なくとも１つを含有し、前記原子炉格納容器は、原子炉圧力容器を収容するドライウェルと、ベント管を介して前記ドライウェルと接続されて内部に圧力抑制プールを収容するウェットウェルとを備え、前記酸素センサは、複数個あって、少なくとも、前記ドライウェル内で前記原子炉圧力容器よりも上方の位置と、前記ウェットウェル内で前記圧力抑制プールよりも上方の位置に配置されている。

また、実施形態に係る酸素センサは、原子炉格納容器内に設けられ、５２５℃以下で酸素イオン伝導性を有する固体電解質を含む隔膜と前記隔膜を挟んで対向するように前記隔膜上に配置された１対の電極を備え、前記電極は、金属酸化物中の酸素１原子あたりの生成熱が８０ｋＪ以下または１５０ｋＪ以上である材料を含む。

また、実施形態に係る酸素センサは、原子炉格納容器内に設けられ、隔膜と、前記隔膜を挟んで対向するように前記隔膜上に配置された１対の電極とを備え、前記隔膜は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムガレート及びガドリニウムドープセリアのうち少なくとも１つを含有し、前記電極は、金、銀、銅、ニッケル及び炭素のうち少なくとも１つを含有する。

本発明の実施形態によれば、原子炉格納容器内において水素の有無によらず酸素濃度を測定できる。

本発明に係る格納容器用酸素計測装置の第１の実施形態を示す模式的構成図である。 本発明に係る格納容器用酸素計測装置の第１の実施形態の設置状況を示す沸騰水型原子力施設の模式的な立断面図である。 本発明の実施形態に係る格納容器用酸素計測装置の効果を説明するための図であって、金属酸化物酸素１原子あたりの生成熱と水素酸化活性の関係を示すグラフである。 本発明に係る格納容器用酸素計測装置の第１の実施形態の特性の一例を示すグラフであって、酸素分圧と出力電流の関係を示すグラフである。 本発明に係る格納容器用酸素計測装置の第２の実施形態を示す模式的構成図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る格納容器用酸素計測装置の第１の実施形態を示す模式的構成図である。図２は、第１の実施形態の格納容器用酸素計測装置の設置状況を示す沸騰水型原子力施設の模式的な立断面図である。

この第１の実施形態の格納容器用酸素計測装置（酸素計測装置）は、一般的に知られている限界電流式酸素計測装置とほぼ同様の構成であり、酸素ポンピングを利用した酸素計測装置である。

この酸素計測装置は、原子炉格納容器１１内に設置された酸素センサ（格納容器用酸素センサ）１２と、原子炉格納容器１１外の制御室（図示せず）内に設置された制御・監視部１３とを有する。

図２に示すように、沸騰水型原子力施設においては、原子炉格納容器１１は、ドライウェル４０と、ウェットウェル４１とを有する。ドライウェル４０とウェットウェル４１とはベント管４２によって接続されている。ドライウェル４０内に原子炉圧力容器４３が配置されている。ウェットウェル４１内に圧力抑制プール４４が収容されている。

酸素センサ１２は、原子炉格納容器１１内の複数個所に配置するのが好ましい。原子炉格納容器１１内で水素が発生した場合、水素は比重が小さいことから、水素は、ドライウェル４０およびウェットウェル４１のそれぞれの上部にたまりやすい。そのため、水素と酸素との反応を予知する必要性から、酸素センサ１２は、少なくとも、ドライウェル４０およびウェットウェル４１のそれぞれの上部に配置するのが好ましい。より具体的には、酸素センサ１２を、ドライウェル４０内の原子炉圧力容器４３よりも上方の位置と、ウェットウェル４１内の圧力抑制プール４４よりも上方の位置に配置するのが好ましい。

図１に示すように、酸素センサ１２は、酸素イオン伝導性の隔膜１５と、隔膜１５をはさんで隔膜１５に接して配置された正電極（電極）１６および負電極（電極）１７と、負電極１７を覆うように配置された検査室カバー１８とを有する。

検査室カバー１８は、隔膜１５および負電極１７とともにガス検査室２０を形成する。正電極１６はガス検査室２０の外側にある。検査室カバー１８には、拡散孔２１が形成されている。拡散孔２１は、原子炉格納容器１１内の測定対象ガスＧが拡散によりガス検査室２０内へ流入するようにするものであり、直径の小さな孔や多孔質材料が用いられる。

制御・監視部１３は、電圧調整可能な直流電源２５と、電流計２６と、電圧計２７とを含む。直流電源２５の正側はリード線３０によって正電極１６に接続され、直流電源２５の負側はリード線３１によって負電極１７に接続されている。リード線３０，３１は原子炉格納容器１１の壁を貫通して延びている。電圧計２７は、正電極１６と負電極１７との間に印加される電圧を計測できるように接続されている。また、電流計２６は、正電極１６および負電極１７を流れる電流、すなわち直流電源２５から供給される電流を計測できるように接続されている。正電極１６と負電極１７との間に印加される電圧が所定の値に維持されるように、電圧計２７の出力に基づいて、直流電源２５の電圧を制御することができる。

隔膜１５は、固体電解質からなり、少なくとも５２５℃以下で酸素イオン伝導性を有する。ここで、５２５℃は、大気圧、空気環境時（酸素濃度約２０％）での水素の自然燃焼開始温度である。隔膜１５の材料の例としては、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）などのジルコニア系材料に加え、ランタンストロンチウムガレートなどのぺロブスカイト型の酸素イオン伝導体、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）などのセリア系材料などが挙げられる。

負電極１７にガス検査室２０内の酸素ガスが接触することで、酸素ガスが酸素イオンに変化し、その酸素イオンが隔膜１５を図１に示す矢印ａの方向に移動し、正電極１６で酸素イオンから酸素ガスに再度変化する。このときの正電極１６と負電極１７との間の電圧を適切に設定し、隔膜１５に十分な酸素イオンが流れるようにすることにより、対象ガスＧの流れは、拡散孔２１の拡散過程が律速となる。この際に生じる電気信号（電流）を電流計２６によって測定することで、酸素濃度もしくは酸素分圧を測定することが可能である。

正電極１６および負電極１７を構成する材料は、導体であり、当該材料が酸化した際に生じる酸化物中の酸素１原子あたりの生成熱が８０ｋＪ以下、もしくは１５０ｋＪ以上である。生成熱が８０ｋＪ以下の材料の例としては金、銀があり、生成熱が１５０ｋＪ以上の材料の例としては銅、ニッケル、炭素などが挙げられる。これらの材料を直接電極として用いることも可能であるが、メッキ材もしくは合金材料として使用することも可能である。

酸化物中の酸素１原子あたりの生成熱が８０ｋＪ以下では金属材料と酸素が化学吸着した中間生成物が生成しにくく、酸化物中の酸素１原子あたりの生成熱が１５０ｋＪ以上となった場合、中間生成物が金属に還元される反応が進行しにくくなると考えられ、水素と酸素の燃焼反応を防ぐうえで有効な範囲と考えられる。

ここで、中間生成物が生成される反応および中間生成物が金属に還元される反応は次のとおりである。
Ｏ_２ ＋ ２Ｍ → ２Ｍ−Ｏ
２Ｍ−Ｏ ＋ Ｈ_２ → Ｍ ＋ Ｈ_２Ｏ
ただし、Ｍは金属材料を示し、「Ｍ−Ｏ」は、金属材料と酸素が化学吸着した形態例を示す。

ここで、正電極１６および負電極１７を構成する材料が、当該材料が酸化した際に生じる酸化物中の酸素１原子あたりの生成熱が８０ｋＪ以下、もしくは１５０ｋＪ以上とする理由を、さらに、図３を参照して説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る格納容器用酸素計測装置の効果を説明するための図であって、金属酸化物酸素１原子あたりの生成熱と水素酸化活性の関係を示すグラフである。この図３は、非特許文献１の図１である。この図の縦軸Ｔ_１／２［Ｈ_２］（℃）は、Ｈ_２５０％酸化率温度であって、この値が小さいほど水素酸化活性が高いことを表す。横軸は、金属酸化物酸素１原子あたりの生成熱（ｋｃａｌ／ｇ・ａｔｏｍ ｏｘｙｇｅｎ）を表す。この図で、横軸の値が約２２ｋｃａｌ／ｇ・ａｔｏｍ ｏｘｙｇｅｎ（９２ｋＪ／ｇ・ａｔｏｍ ｏｘｙｇｅｎ）において縦軸の値が最も小さくて水素酸化活性が高く、金属酸化物酸素１原子あたりの生成熱がこれよりも小さくても大きくても、縦軸の値が大きくて水素酸化活性が低いことがわかる。

本発明の実施形態においては、負電極１７の表面で水素と酸素の反応が起きるのを抑制するのが好ましい。すなわち、図３の横軸の値が約２２ｋｃａｌ／ｇ・ａｔｏｍ ｏｘｙｇｅｎ（９２ｋＪ／ｇ・ａｔｏｍ ｏｘｙｇｅｎ）をはさむ所定の範囲内は負電極１７表面で水素と酸素の反応が起きやすいので、その範囲を避け、その範囲から外れた範囲とするのがよい。そのため、本発明の実施形態においては、横軸の値が８０ｋＪ／ｇ・ａｔｏｍ ｏｘｙｇｅｎ（１９ｋｃａｌ／ｇ・ａｔｏｍ ｏｘｙｇｅｎ）以下の範囲、または１５０ｋＪ／ｇ・ａｔｏｍ ｏｘｙｇｅｎ（３６ｋｃａｌ／ｇ・ａｔｏｍ ｏｘｙｇｅｎ）以上の範囲とする。

図４は、本発明に係る格納容器用酸素計測装置の第１の実施形態の特性の一例を示すグラフであって、酸素分圧と出力電流の関係を示すグラフである。

図４に示すように、酸素分圧が増大するに従い、すなわち酸素濃度が増加するに従い、出力される電流値が増加する。当該結果を得るための運転条件として酸素センサ１２は、温度および外部から与える電圧が一定となる条件で動作させる。その際の温度上限は水素燃焼防止の観点より５２５℃である。

また、酸素センサ１２の運転温度は、３００℃以上とするのが好ましい。その理由は次のとおりである。原子炉事故時の原子炉格納容器１１内の温度は事故進展状況に応じて変化するが、おおむね２００℃を上限として過渡変化すると予想されている。この実施形態の酸素センサ１２は温度によってその出力が変化するため、外気温の影響を受けない温度条件で運転する必要がある。外気温の影響を極力減らして運転するための例として、酸素センサ１２の温度を、原子炉格納容器１１内の温度よりも高く設定し、原子炉格納容器１１内の温度により酸素センサ１２が加熱されることがないようにするのが好ましい。そのために、酸素センサ１２の温度を３００℃以上として運転するのが好ましい。

また、酸素センサ１２に一定電圧を与えて酸素濃度を監視する検出方法を採る場合は、酸素センサ１２に与える電圧は酸素が共存しない環境における固体電解質が分解する理論電圧以下、より好適には運転温度における水蒸気の電気分解が起こる理論電圧以下で運転することが望ましい。

以上説明した第１の実施形態によれば、原子炉格納容器用酸素センサ１２は、水素との反応を伴わず、酸素濃度に応じたに電気信号によって原子炉格納容器１１内の酸素濃度もしくは酸素分圧を測定することが可能となる。また、水素と酸素が共存した場合でも水素の燃焼反応を回避することが可能である。

［第２の実施形態］
図５は、本発明に係る格納容器用酸素計測装置の第２の実施形態を示す模式的構成図である。

この第２の実施形態の格納容器用酸素計測装置（酸素計測装置）は、一般的に知られている濃淡式酸素計測装置とほぼ同様の構成である。図５に示すように、この第２の実施形態に係る酸素計測装置は、原子炉格納容器１１内に設置された酸素センサ（格納容器用酸素センサ）１２と、原子炉格納容器１１外の制御室（図示せず）内に設置された制御・監視部１３とを有する。

酸素センサ１２は、酸素イオン伝導性の隔膜１５と、隔膜１５をはさんで隔膜１５に接して配置された正電極１６および負電極１７とを有する。正電極１６および隔膜１５の正電極１６側の面が基準ガス室５０に接するように、基準ガス室カバー５１が配置されている。負電極１７は基準ガス室５０の外側にある。基準ガス室５０内には、酸素濃度が既知の基準ガスが充填されている。基準ガスは、たとえば１００％酸素ガスである。図５に示す例では、基準ガス室５０は配管であって、その内部に基準ガスが流れるようになっている。

制御・監視部１３は電圧計５２を備えている。電圧計５２はリード線５３，５４によって、それぞれ、正電極１６および負電極１７に接続されている。リード線５３，５４は原子炉格納容器１１の壁を貫通して延びている。

隔膜１５および正電極１６、負電極１７の材質は、第１の実施形態と同様でよい。

隔膜１５をはさんで隔膜１５に接して配置された正電極１６と負電極１７における酸素濃度の差によって、正電極１６と負電極１７との間にその酸素濃度の差に応じた起電力が発生する。この起電力を電圧計５２によって測定することにより、負電極１７側の原子炉格納容器１１内の測定対象ガスの酸素濃度を測定することができる。

なお、基準ガス室カバー５１は基準ガスが流れる配管であることが必須ではなく、基準ガスを溜めた密閉容器であってもよい。

［他の実施形態］
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。

１１…原子炉格納容器、 １２…酸素センサ（格納容器用酸素センサ）、 １３…制御・監視部、 １５…隔膜、 １６…正電極（電極）、 １７…負電極（電極）、 １８…検査室カバー、 ２０…ガス検査室、 ２１…拡散孔、 ２５…直流電源、 ２６…電流計、 ２７…電圧計、 ３０，３１…リード線、 ４０…ドライウェル、 ４１…ウェットウェル、 ４２…ベント管、 ４３…原子炉圧力容器、 ４４…圧力抑制プール、 ５０…基準ガス室、 ５１…基準ガス室カバー、 ５２…電圧計、 ５３，５４…リード線

Claims (6)

1. 原子炉格納容器内に設けられ、５２５℃以下で酸素イオン伝導性を有する固体電解質を含む隔膜と前記隔膜を挟んで対向するように前記隔膜上に配置された１対の電極を備える酸素センサ、
   を備えた格納容器用酸素計測装置であって、
   前記電極は、金属酸化物中の酸素１原子あたりの生成熱が８０ｋＪ以下または１５０ｋＪ以上である材料を含み、
   前記原子炉格納容器は、原子炉圧力容器を収容するドライウェルと、ベント管を介して前記ドライウェルと接続されて内部に圧力抑制プールを収容するウェットウェルとを備え、
   前記酸素センサは、複数個あって、少なくとも、前記ドライウェル内で前記原子炉圧力容器よりも上方の位置と、前記ウェットウェル内で前記圧力抑制プールよりも上方の位置に配置されている、
   格納容器用酸素計測装置。
2. 原子炉格納容器内に設けられ、隔膜と、前記隔膜を挟んで対向するように前記隔膜上に配置された１対の電極とを備える酸素センサ、
   を備えた格納容器用酸素計測装置であって、
   前記隔膜は、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、ランタンストロンチウムガレート及びガドリニウムドープセリアのうち少なくとも１つを含有し、
   前記電極は、金、銀、銅、ニッケル及び炭素のうち少なくとも１つを含有し、
   前記原子炉格納容器は、原子炉圧力容器を収容するドライウェルと、ベント管を介して前記ドライウェルと接続されて内部に圧力抑制プールを収容するウェットウェルとを備え、
   前記酸素センサは、複数個あって、少なくとも、前記ドライウェル内で前記原子炉圧力容器よりも上方の位置と、前記ウェットウェル内で前記圧力抑制プールよりも上方の位置に配置されている、
   格納容器用酸素計測装置。
3. 前記１対の電極の間に電圧を印加する直流電源と、
   前記１対の電極の間の電流値を測定する電流計と、
   をさらに備え、
   前記１対の電極は正電極および負電極であり、
   前記酸素センサは、測定対象ガスと連通する拡散孔が形成されて前記原子炉格納容器内で前記隔膜とともに前記負電極を取り囲み前記正電極と接しないガス検査室を形成する検査室カバー、をさらに備える請求項１または２に記載の格納容器用酸素計測装置。
4. 前記負電極に対して前記正電極に印加する電圧は、無酸素時における固体電解質が分解する理論電圧以下である請求項３に記載の格納容器用酸素計測装置。
5. 前記負電極に対して前記正電極に印加する電圧は、運転温度における水蒸気の電気分解が起こる理論電圧以下である請求項３に記載の格納容器用酸素計測装置。
6. 酸素濃度が制御されたガスである基準ガスが充填された基準ガス室を備え、
   前記基準ガスと前記基準ガス室の外側の気体は基準ガス室カバーと前記隔膜によって隔てられ、
   前記１対の電極のうちの一方は前記基準ガス室内に設けられ、前記１対の電極のうち他方の電極は前記基準ガス室外に設けられる請求項１または２に記載の格納容器用酸素計測装置。

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