JP7098729B2 - 光ファイバ温度検出システムを有する原子力装置用ヒートパイプアセンブリ - Google Patents

Description

本願において開示し特許請求する発明は概して原子力装置に関し、具体的には、光ファイバケーブルアセンブリを用いる検出システムにより、複数のヒートパイプの各々に沿う多数の場所の温度を検出するように構成された原子力装置のヒートパイプアセンブリに関する。

関連する技術分野において、原子力発電システムには多くのタイプのあることが知られている。そのような原子力発電システムは、原子炉内で核分裂反応を起こさせ、発生する熱により原子炉を循環する流体を加熱し、加熱された流体を、例えば、典型的には熱交換器を通過させ、抽出した熱を用いてタービンを作動させ、発電機を回転させるのが一般的である。

極端な温度およびそれに伴う他の要因が存在するため、原子力環境内の様々な場所の様々な温度を把握することが望ましい。しかしながら、原子力環境内の温度感知装置はそれぞれ別個の配線を必要とし、また、温度センサの数が非常に多くなるため、センサとコンピュータ化されたデータシステムとを接続するワイヤ対が、それに応じて、非常に多くなる。したがって、改善策が望まれる。

原子力装置のヒートパイプアセンブリは、多数の細長いヒートパイプと、１つ以上の細長い光ファイバケーブルアセンブリが１本以上のヒートパイプの外面上に螺旋状に巻き付けられた検出システムとを含む。当該検出システムは、光信号を各光ファイバアセンブリへ送信する光信号生成器のほかに、当該光信号の反射信号を多数検出して出力を発生するセンサをさらに含む。この出力は、各光ファイバケーブルアセンブリに沿う複数の場所の温度を検出して、１本以上のヒートチューブに沿う多数の場所の温度を突き止めるために、計測／制御システムによって使用可能である。

したがって、本願において開示し特許請求する発明の一局面は、検出システムが、ヒートパイプの外面上に螺旋状に巻回された光ファイバケーブルアセンブリによりヒートパイプに沿う多数の場所の温度を検出する、原子力装置用のヒートパイプアセンブリを提供する。

本願において開示し特許請求する発明の別の局面は、光ファイバケーブルアセンブリを複数のヒートパイプの各々に沿って螺旋状に巻き付けることにより、必要とするデータチャンネルの数を減少させたヒートパイプアセンブリを提供する。

本願において開示し特許請求する発明の別の局面は、単一の光学的データチャンネルを用いて、複数の場所の各々の温度を測定する温度検出システムを提供する。

したがって、本願において開示し特許請求する発明の一側面は、原子力装置用の改良型ヒートパイプアセンブリを提供する。当該ヒートパイプアセンブリは、各々が細長く、断面が実質的に円形の多数のヒートパイプと、当該多数のヒートパイプのうちの少なくとも一部のヒートパイプの各々に沿う多数の場所の各々において多数の温度を測定するように構成された検出システムとを含むと一般的に言え、当該検出システムは、細長い少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリが当該少なくとも一部のヒートパイプの外面上に螺旋状に巻き付けられていると一般的に言え、当該検出システムはさらに、光信号を生成して当該光ファイバケーブルアセンブリへ送信するように構成された光信号生成器を具備すると一般的に言え、当該検出システムはさらに、当該光ファイバケーブルアセンブリの全長の少なくとも一部に沿う多数の場所からの、当該光信号の少なくとも一部の反射信号を多数検出して、その一部が、当該多数の反射信号の少なくとも一部を表す出力を発生するように構成されたセンサを具備すると一般的に言え、当該ヒートパイプアセンブリはさらに、当該出力を受信し、少なくとも部分的に当該出力に基づいて当該多数の温度を突き止めるように構成された計測システムを具備することを特徴とする。

本願において開示し特許請求する発明の詳細を、添付の図面を参照して以下に説明する。

本願において開示し特許請求する発明に基づく改良型ヒートパイプアセンブリの斜視図である。

図１のヒートパイプアセンブリの上面図である。

図１のヒートパイプアセンブリの多数のヒートパイプの温度プロファイルを示すグラフである。

図１のヒートパイプアセンブリの検出システムの概略図である。

図１のヒートパイプアセンブリの光ファイバケーブルアセンブリの断面図である。

同じ参照番号は、本明細書を通して同じ部分を指す。

改良型ヒートパイプアセンブリ４を、図１、２に略示する。ヒートパイプアセンブリ４は、多くのタイプがある原子力装置８の構成要素である。ヒートパイプアセンブリ４は複数のヒートパイプを含み、その一部を参照符号１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄで示すが、本願ではこれらのヒートパイプを集合的または個別に参照符号１２で表すことがある。各々が細長く、円形断面を有するヒートパイプ１２は、加熱された流体を原子力装置８の或る場所から別の場所へ送配するように構成されている。図１、２に示すヒートパイプ１２は、あくまでも例示的なものであり、原子力装置８は、図に明示された１９本だけでなく、同様のヒートパイプ１２を数千本含む可能性が高いことを理解されたい。

ヒートパイプアセンブリ４は、多数のヒートパイプ１２の各々の長手方向に沿う多数の場所の多数の温度を検出するように構成された検出システム１６をさらに含む。本願に用いる表現「多数の」およびその変化形は、広義には、ゼロを除き１を含む任意の数量を指す。検出システムはさらに、複数の光ファイバケーブルアセンブリを含み、その一部を参照符号２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃで示す。本願では、これらの光ファイバケーブルアセンブリを集合的または個別に参照符号２０で表すことがある。検出システム１６はさらに、光ファイバケーブルアセンブリ２０の各々が接続される処理システム２２を含むと言える。

処理システム２２は、光信号生成器２４と、センサアレイ２８を有する信号測定装置２６と、計測／制御システム３２とを含むと言える。光信号生成器２４は、１つ以上の光ファイバケーブルアセンブリ２０へ出力される光信号を生成するように構成されている。センサアレイ２８は複数の光センサより成り、光ファイバケーブルアセンブリ２０はそれぞれ、センサアレイ２８の中の一個の光センサに対応する。

光信号生成器２４からの光信号３４が光ファイバケーブルアセンブリ２０の第１の端部に入力されると、光信号３４の一部は、光ファイバケーブルアセンブリ２０の長手方向の様々な位置で反射して第１の端部に戻り、光信号３４のそのような反射成分が、対応するセンサ２８により多数の反射信号３８として検出される。光信号３４が光ファイバケーブルアセンブリ２０へ入力されてから、センサアレイ２８が様々な反射信号３８を検出するまでの経過時間は、光信号３４が光ファイバケーブルアセンブリ２０の中を光速度で進行することに基づき、光ファイバケーブルアセンブリ２０に沿う第１の端部と様々な反射が発生する位置との間の距離を指示する。検出される各反射信号３８の振幅は、光ファイバケーブルアセンブリ２０に沿うそのような各反射位置に対応する温度を指示する。

光ファイバケーブルアセンブリ２０はそれぞれ、温度に応答するように最適化された様々な物質がドープされた多数の光ファイバケーブル５２を含む。光ファイバケーブル５２に、必要に応じてヒートパイプ１２の他の特性を検出するように最適化された他の物質をドープすることができる。

信号測定装置２６は計測／制御システム３２への出力４２として提供される信号を生成するが、この信号は計測／制御システム３２によって、多数のヒートパイプ１２の各々に沿う複数の場所の複数の温度に変換される。計測システム３２は、必要に応じて、例えば図３に略示するような、１つ以上のヒートパイプ１２の温度プロファイルを示す可視出力を生成することができる。図３に例示するグラフは、温度データを提示する一つの方法を示すことを意図しており、色および／または他の多種多様なデータ提示手法を用いるなど、他のデータ提示方式も使用できることを理解されたい。以下に詳述するように、計測／制御システム３２はさらに、他の目的に使用される温度信号４６を電子的に出力する。

図１からわかるように、各ヒートパイプ１２は、一部を参照符号３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、３６Ｄで示す外面を有する。これらの外面を、集合的または個別に参照符号３６で表すこともある。各ヒートパイプ１２はさらに、一部を参照符号４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄで示す第１の端部（集合的または個別に参照符号４０で表すこともある）および一部を参照符号４４Ａ、４４Ｂ、４４Ｃ、４４Ｄで示すその反対側の第２の端部（集合的または個別に参照符号４４で表すこともある）を有する。

図１、２からわかるように、ヒートパイプに光ファイバケーブルアセンブリ２０Ａが螺旋状に巻き付けられているが、その起点は、例えばヒートパイプ１２Ａ、より明確にはヒートパイプ１２Ａの第１の端部４０Ａである。光ファイバケーブルアセンブリ２０Ａのこのような螺旋構造は、ヒートパイプ１２Ａの外面３６Ａ上を長手方向に、ほぼ第２の端部４４Ａに到達するまで続く。光ファイバケーブルアセンブリ２０Ａは、ヒートパイプ１２Ａのその第２の端部４４Ａからヒートパイプ１２Ｂの第２の端部４４Ｂへ延びたあと、その第２の端部４４Ｂからヒートパイプ１２Ｂの外面３６Ｂ上を螺旋状に第１の端部４０Ｂまで延びる。光ファイバケーブルアセンブリ２０Ａはさらに、ヒートパイプ１２Ｂのその第１の端部４０Ｂからヒートパイプ１２Ｃの第１の端部４０Ｃへ延びたあと、その第１の端部４０Ｃからヒートパイプ１２Ｃの外面３６上を螺旋状にほぼ第２の端部４４Ｃまで延び、そこからさらに別のヒートパイプ１２へ延び、その外面３６上を螺旋状にその第１の端部４０まで延びたあとさらに他のヒートパイプ１２へ延びる。

図１からさらにわかるように、光ファイバケーブルアセンブリ２０Ｂも同様に、ヒートパイプ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの外面３６上を螺旋状に延びる。しかしながら、光ファイバケーブルアセンブリ２０Ｂは、外面３６上を光ファイバケーブルアセンブリ２０Ａから離間して延びるため、光ファイバケーブルアセンブリ２０Ａと２０Ｂとが、ヒートパイプ１２の外面３６上に二重巻き螺旋パターンを形成する。一対の光ファイバケーブルアセンブリ２０の使用により、冗長性のある温度検出が可能になるか、あるいはヒートパイプ１２の長手方向における温度検出点の間隔をより小さくすることができる。その他の変形例についても自明である。

図１、２は、光ファイバケーブルアセンブリ２０Ｃが、ヒートパイプ１２Ｄを含む他のヒートパイプ１２の外面３６上を延びることを示す。光ファイバケーブルアセンブリ２０Ｃもまた、他のすべての光ファイバケーブルアセンブリ２０と同様に、ヒートパイプ１２の外面３６上を螺旋状に延びる。

一般的に、各光ファイバケーブルアセンブリ２０は、その長手方向の２００箇所で反射して戻る、温度を表す信号を提供することができる。したがって、このことから、各光ファイバケーブルアセンブリ２０は、２００個のそれぞれ独立した温度値を返信できる単一の光データチャネルを構成することがわかる。一例として、各ヒートパイプ１２の長手方向における５箇所の温度を検出することが望ましい場合を考える。ヒートパイプアセンブリ４が、例えば３０００本のヒートパイプ１２を含む場合、各ヒートパイプ１２に沿う５箇所で温度を検出すると、温度測定点は１５，０００個である。上述の１５，０００点の温度検出を１５，０００個の温度センサで別々に行うとすれば、ヒートパイプ１２とデータ収集装置との間に１５，０００本の同軸ケーブルまたは他の有線のデータ接続が必要になるであろう。そのような配線を通すには大きな領域が必要であり、配線および温度センサが夥しい数存在するという理由だけでも、信頼性に疑問が生じる可能性が高い。

しかしながら、単一の光ファイバケーブルアセンブリ２０が２００個のデータ値（すなわち、１つまたは複数のヒートパイプ１２に沿う２００箇所の各々につき１つのデータ値）を返信できるので、わずか７５個の光ファイバケーブルアセンブリ２０を用いるだけで、総計１５，０００の温度データ値が得られることになる。光学的温度検出に必要なデータチャネル数は個別の電子的温度センサを用いる場合のわずか２００分の１なので、１５，０００本の電子データチャネルの代わりに７５本の光データチャネルを使用すればよいということで、ヒートパイプ１２に沿う温度検出がはるかに実用的なものとなる。このことは、スペースと費用の節約ならびに信頼性の向上につながり、非常に有利である。

図５からわかるように、光ファイバケーブルアセンブリ２０の各々は管体４８であり、内部領域５６に光ファイバケーブル５２を収納するシースを構成すると言える。管体４８自体は、ヒートパイプ１２の外面３６上に配設可能である。管体４８は、光ファイバケーブル５２を損傷から保護するとともに、光ファイバケーブル５２とヒートパイプ１２との間のしっかりした物理的接続を可能にするため、光ファイバケーブル５２への熱伝達が増加し、ひいては温度測定の精度が向上する。

図４からわかるように、処理システム２２は、光ファイバケーブルアセンブリ２０に入力される光信号３４を生成する光信号生成器２４を含む。開示を簡明にするため、図４には単一の光ファイバケーブルアセンブリ２０を示してある。検出可能な多数の光反射信号が光ファイバケーブルアセンブリ２０に沿って搬送されるが、そのような光反射信号３８を検出するのは、入力される信号測定装置２６のセンサアレイ２８である。信号測定装置２６は、検出された光反射信号３８の振幅および他の特性を測定し、また、光信号３４の生成と様々な光反射信号３８の検出との間の遅延時間を測定する。次いで、信号測定装置２６が発生する出力４２は、計測／制御システム３２が検出して、ヒートパイプ１２に沿う様々な場所における多数の温度値に変換する。この点に関して、計測／制御システムは、例えば、ヒートパイプ１２上の光ファイバケーブルアセンブリ２０の分布モデル、ならびに計測／制御システム３２からの様々な温度信号出力４６の生成に使用できる他のデータを含む様々なデータ７６を有する。

温度信号４６は、原子力装置８の反応度を調節するための制御ドラムを制御するドラム制御システム８４に送られる。温度データ８０は、原子力装置８の高温設定値に関する様々なデータが保存されている比較器８８にも送信される。比較器８８は、様々なルーチンを使用して原子力装置８の運転停止動作を開始すべきか否かを決定することができるコンピュータベースのトリップ決定マトリクス９２への別の出力を発生させる。

したがって、光ファイバケーブルアセンブリ２０と処理システム２２によって提供される光データチャネルを使用すると、数を最小限に抑えたデータチャネルによってヒートパイプ１２に沿う様々な場所の温度を検出できることがわかる。これが可能なのは、各光ファイバケーブルアセンブリ２０が１つの信号データチャネルで２００個の温度信号を生成できるからである。他の恩恵も自明である。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何ら制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物を包含する。

Claims (10)

1. 原子力装置（８）のヒートパイプアセンブリ（４）であって、当該ヒートパイプアセンブリは、
   各々が細長く、断面が実質的に円形の多数のヒートパイプ（１２）と、
   当該多数のヒートパイプのうちの少なくとも一部のヒートパイプの各々に沿う多数の場所の各々において多数の温度を測定するように構成された検出システム（１６）であって、細長い少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリ（２０）が当該少なくとも一部のヒートパイプの外面（３６）上に螺旋状に巻き付けられている検出システムとを具備し、
   当該検出システムは、光信号を生成して当該光ファイバケーブルアセンブリへ送信するように構成された光信号生成器（２４）をさらに具備し、
   当該検出システムは、当該光ファイバケーブルアセンブリの全長の少なくとも一部に沿う多数の場所からの、当該光信号の少なくとも一部の反射信号を多数検出して、その一部が、当該多数の反射信号の少なくとも一部を表す出力を発生するように構成されたセンサ（２８）をさらに具備し、
   当該ヒートパイプアセンブリはさらに、当該出力を受信し、少なくとも部分的に当該出力に基づいて当該多数の温度を突き止めるように構成された計測システム（３２）を具備すること
   を特徴とするヒートパイプアセンブリ（４）。
2. 前記少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリが、前記少なくとも一部のヒートパイプのうちの別のヒートパイプの別の外面上に螺旋状に巻き付けられている、請求項１のヒートパイプアセンブリ。
3. 前記少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリが、前記ヒートパイプと前記別のヒートパイプとの間に延びる、請求項２に記載のヒートパイプアセンブリ。
4. 前記ヒートパイプおよび前記別のヒートパイプが、互いにほぼ平行に延びる、請求項３のヒートパイプアセンブリ。
5. 前記少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリが、前記少なくとも一部のヒートパイプのうちのさらに別のヒートパイプのさらに別の外面上に螺旋状に巻き付けられ、前記少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリが、前記別のヒートパイプと当該さらに別のヒートパイプとの間を延びることを特徴とする、請求項３のヒートパイプアセンブリ。
6. 前記ヒートパイプ、前記別のヒートパイプおよび前記さらに別のヒートパイプの各々が互いに反対側となる第１の端部（４０）および第２の端部（４４）を有し、当該第１の端部が互いに隣接し、前記少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリが前記ヒートパイプの当該第２の端部と前記別のヒートパイプの当該第２の端部との間を延びることによって前記ヒートパイプと前記別のヒートパイプとの間を橋渡しし、前記少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリが前記別のヒートパイプの当該第１の端部と前記さらに別のヒートパイプの当該第１の端部との間を延びることによって前記別のヒートパイプと前記さらに別のヒートパイプとの間を橋渡しすることを特徴とする、請求項５のヒートパイプアセンブリ。
7. 前記検出システムは、前記外面上に螺旋状に巻き付けられた細長い第２の光ファイバケーブルアセンブリ（２０）をさらに含む、請求項１のヒートパイプアセンブリ。
8. 前記外面上に巻き付けられた前記少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリ（２０Ａ）の少なくとも一部と、前記外面上に巻き付けられた前記第２の光ファイバケーブルアセンブリ（２０Ｂ）の少なくとも一部とが、互いに離間して、前記外面上に二重巻螺旋パターンを形成する、請求項７のヒートパイプアセンブリ。
9. 前記少なくとも第１の光ファイバケーブルアセンブリが、少なくとも１つの光ファイバケーブル（５２）とシース（４８）とを具備し、当該少なくとも１つの光ファイバケーブルが当該シース内に位置し、当該シースが前記外面上に巻き付けられている、請求項１のヒートパイプアセンブリ。
10. 前記シースが、内部領域（５６）に前記少なくとも１つの光ファイバケーブルが位置する細長い管体である、請求項９のヒートパイプアセンブリ。
    

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