JP7274573B2 - ファラデーの法則を利用した安全システムによる停止のための受動電気部品 - Google Patents

Description

本開示は、システムパラメータを検知し、また、予め定められた設定点に達して、これによりシステム内のアクションを実行するための信号が送信された場合にトリップ状態になる受動電気部品を含む安全システムによる停止に関する。 受動電気部品は、ファラデーの法則の原理を利用している。

ここでは、必ずしも先行技術ではない本開示に関連する背景情報を提供する。

現代の原子炉は、分散制御情報システム（ＤＣＩＳ）と呼ばれる制御および安全のための様々なデジタルシステムを使用する。これらのシステムは、冗長性があり、多様性があり、フォールトトレラント性があり、システムが動作している間に広範囲の自己診断を行う。一方、原子力デジタル産業では、一般的な原因であるソフトウェアの不具合が懸念されている。さらに被害が大きいのは、システムの安全システムへの、あるいはシステムの安全システムを介したサイバー攻撃である。デジタル産業では、コンポーネントサイズを小さくしながら計算能力を高めたいという願望から、ソフトウェアが埋め込まれた非常に小さなデジタルデバイスが生まれている。これらのシステムが一般的な原因である不具合を有し得ないことを規制機関に納得させることは非常に困難である。この小型のデジタルシステムがサイバー攻撃を受けた場合には、さらに大きな被害を受ける作動が生じる可能性がある。このような原子力発電所の安全システムの極端な未知の状態は、冗長性、独立性、決定性の原因となり、これらのすべてが相当な追加コストの原因となっている。

図５は、制御パネル２０３がインターフェイスとなる、安全部２０２および非安全部２０４の両者を備える従来の分散制御情報システム（ＤＣＩＳ）２００を示す概略図である。本開示は、図６に示すＤＣＩＳ２００の安全部２０２に向けられている。ＤＣＩＳ２００の安全部２０２は、４つの独立して構成された部２０２Ａ乃至２０２Ｄを含み、これらはそれぞれ、収集され、また、リモートマルチプレクサユニットＲＭＵ２０５から送信される測定されたシステム信号を受信する。リモートマルチプレクサユニットＲＭＵ２０５は、デジタルトリップモジュールＤＴＭ２０６に出力を行う。デジタルトリップモジュールＤＴＭ２０６はそれぞれトリップ論理ユニットＴＬＵ２０８に出力を行う。トリップ論理ユニットＴＬＵ２０８はそれぞれ出力論理ユニットＯＬＵ２１０に出力信号を提供する。従来の安全部２０２は、故障を判定するために、異なる４つの部２０２Ａ乃至２０２Ｄのうちの少なくとも２つの部が同様の信号を受信するという投票ロジックを使用する（すなわち、圧力および温度は互いに比較されない）。

原子力発電所の制御システムの設計者、購入者、設置者、および操作者は、システムが確実に設計通りに機能するように、本質的な安全信号を確立するとともに追跡することがより困難になっている。人間が「信号の流れ」を変化させたり、「電子／データの流れを追跡して、システムがサイバー攻撃を受けないようにする」ことができる規模の装置および方法が必要とされている。

本項は、本開示の一般的な概要を提供するものであり、その完全な範囲またはすべての要素を包括的に開示するものではない。

本開示は、制御システムに結合され、また、ファラデーの法則を利用して受動システム安全停止を行うことができる電気技術装置を提供する。これらの装置は、デジタル安全システムの固有の限界である共通の原因であるソフトウェア障害やサイバーセキュリティ攻撃の課題を解決する。ファラデーの法則接触器は、原子力発電所、または他の敏感なインフラストラクチャを保護するために複数の構成で設定することができる電気技術装置を提供する。ファラデーの法則接触器は、電気技術装置を確実に一貫して製造することができる金属およびプラスチックの３Ｄ印刷機を使用して製造することができ、これに関してその製造データをキャプチャするとともに保存して、装置の一貫した動作特性を確認することに利用することができる。この装置は、簡単な合否チェックやゴー／ノー・ゴーチェックを使用して、電気安全システムに伝達して、安全な停止に状態を変更する。プリントされた装置は、３つの基本的なタスクを実行するために安全システムに配置される。基本的なタスクとは、すなわち、システムパラメータ（例、温度、流量、圧力、電力、変化率など）を検知し、予め設定されたポイントに達した場合は「トリップ」状態になり、最後に、安全システムの論理が満たされた場合は、停止などのシステム内のアクションを実行するための信号を送信することである。通常の電源喪失時には、ファラデーの法則接触器は、ユーザの要求に応じて、そのまま故障したり、安全状態に故障し得る。システムは、停電によるデジタル機器の安全機能のいかなる喪失を防止する。装置は、さらに、ソフトウェアやデジタルサイバー攻撃による障害を解消する。

電気技術装置は、検知された状態を表す電流を受け取るための第１のセンサに接続されるとともに第１の端部および第２の端部でアンカー固定されている第１のコイルを備える。第２のコイルは、検知された状態を表す電流を受け取るための第２のセンサに接続されており、第２のコイルは、第１の端部および第２の端部でアンカー固定されるとともに第１のコイルに隣接している。第１のコイルおよび第２のコイルが第１のセンサおよび第２のセンサから増加した電流を受け取ると、第１のコイルおよび第２のコイルはそれぞれ、コイルの少なくとも１つを破断させるように互いに反発する磁束を生成する。

電気技術装置は、検知された状態を表す電流を受け取るための第１のセンサに接続されるとともに第１の端部および第２の端部でアンカー固定されている第１のコイルを備える。第２のコイルは、検知された状態を表す電流を受け取るための第２のセンサに接続され、かつ第１の端部および第２の端部でアンカー固定されるとともに第１のコイルに隣接する。第３のコイルは、検知された状態を表す電流を受け取るための第３のセンサに接続され、かつ第１の端部および第２の端部でアンカー固定されるとともに第１のコイルおよび第２のコイルに隣接している。第４のコイルは、検知された状態を表す電流を受け取るための第４のセンサに接続され、かつ第１の端部および第２の端部でアンカー固定されるとともに第１のコイル、第２のコイル、および第３のコイルに隣接している。第１のコイル、第２のコイル、第３のコイル、および第４のコイルのうちの少なくとも２つのコイルが、第１のセンサ、第２のセンサ、第３のセンサ、および第４のセンサのうちの少なくとも２つのセンサから増加した電流を受け取ると、第１のコイル、第２のコイル、第３のコイル、および第４のコイルのうちの少なくとも２つのコイルがそれぞれ磁束を発生させて互いに反発し、停止信号が送信されるようにコイルのうちの少なくとも１つを破断させる。

適用可能なさらなる領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。本課題を解決するための手段における説明および具体例は、例示のみを目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

本開示の原理に従ったファラデーの法則接触器を示す概略図である。 図１に示すファラデーの法則接触器をトリップ状態で示した概略図である。 原子力システム用のファラデーの法則接触器を示す概略的な斜視図である。 原子力システムのファラデーの法則接触器をトリップ状態で示した斜視図である。 原子炉用分散制御情報システムの従来のデジタルシステムを示す概略図である。 図５の分散制御情報システムの従来のデジタルシステムの安全部を示す概略図である。

本明細書に記載された図面は、選択された実施形態のみを例示する目的であり、すべての可能な実施形態を示すものではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

対応する参照符号は、図面のいくつかの図にわたって対応する部分を示している。

例示的な実施形態は、ここで添付の図面を参照して、より完全に説明される。

例示的な実施形態が提供され、これにより、本開示は、本発明の範囲を徹底的に、当業者に十分に伝達することができる。本開示の実施形態が完全に理解されるように、特定の構成要素、装置、および方法の例のような多数の具体的な詳細が記載されている。特定の詳細を採用する必要の無いこと、例示的な実施形態が多くの異なる形態で具現化され得ること、およびいずれも本開示の範囲を限定するように解釈されるべきではないことは、当業者には明らかであろう。いくつかの例示的な実施形態では、周知のプロセス、周知のデバイス構造、および周知の技術は、詳細には記載されていない。

本明細書で使用される用語は、特定の例示的な実施形態のみを説明する目的であり、限定することを意図していない。本明細書で使用されるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに別段のことを示さない限り、複数形も含むことを意図している。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、および「ｈａｖｉｎｇ」は包括的であり、したがって、記載された特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。本明細書に記載された方法のステップ、プロセス、および操作は、具体的に所定の順序の性能として特定されない限り、議論または例示された特定の順序でのそれらの性能を必ずしも必要とするものとして解釈されるものではない。追加のステップまたは代替のステップが採用されてもよいことも理解されよう。

図１および図２は、並んで配置され、それぞれが一対の対応する個別のセンサ１４Ａ，１４Ｂに接続された一対のヘリカルコイル１２Ａ，１２Ｂを含むファラデーの法則接触器１０を示す説明図である。センサ１４Ａ，１４Ｂはそれぞれ、温度、圧力、流量、またはその他の所望のパラメータの１つを検知することができる。センサが検知しているパラメータの増加を検知すると、センサはコイル１２Ａ，１２Ｂに増加した電流を供給する。増加した電流の流れにより、各コイル１２Ａ，１２Ｂには磁束が発生する。各コイル１２Ａ，１２Ｂは同一方向に巻かれており、電流の流れも同一方向であるため、各コイルは同一方向の北極および南極を有している。コイル１２Ａ，１２Ｂの共通の極が互いに反発するので、その反発力によってコイル１２Ａ，１２Ｂの一方または両者が破断する。

コイル１２Ａ，１２Ｂは、３Ｄデジタル印刷法を用いて形成可能であり、磁化されたコイルの反発力によって実現できる破断点を有するように、脆弱な金属材料から形成することができる。電気技術装置を確実に一貫して製造するために３Ｄ印刷機を使用することができ、これに関してその製造データをキャプチャするとともに保存して、装置の一貫した動作特性を確認することに利用することができる。材料の一例としては、鉄－シリコン合金（Ｆｅ－Ｓｉ）が挙げられる。このタイプの合金は、容易に磁化および消磁可能な軟質の強磁性材料である。コイル１２Ａ，１２Ｂは、予め定められた設定点の温度、圧力、流量、またはその他のパラメータを超えたことをセンサが示す電流レベルに関連付けられる磁気反発力を受けたときに破断するように特別に構成された破断点を備えるように、任意に設計して形成することができる。コイル１２Ａ，１２Ｂの一方または両者が破断すると、そのコイルを通る電流が遮断される。遮断された電流は、システムを停止するためのシステム緊急事態の信号として使用することができる。

図３および図４は、ファラデーの法則を利用した原子力安全システム４０を示す概略図である。原子力安全システム４０は、各部の独立した４つの部４２Ａ乃至４２Ｄを利用している。４つの個別のセンサ４４Ａ乃至４４Ｄからの４つの論理の同様の信号（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）のうち２つの論理の信号を利用した４部の安全システムには、トリップ状態に至るまでにＡＢ，ＡＣ，ＡＤ，ＢＣ，ＢＤ，ＣＤを含む６つの状態がある。

図３に示すように、複数のヘリカルコイル４６Ａ乃至４６Ｄは、その一方の端部を互いに隣接させて配置されている。図の例では、４つのコイル４６Ａ乃至４６Ｄがピラミッド状に配置されており、各コイルの共通の極端部がピラミッドの頂点に配置されている。コイル４６Ａ乃至４６Ｄは、３Ｄデジタル印刷を用いて金属から形成することができ、それらの両端部を上下のプレート４８，５０でアンカー固定することができる。電界のカールと磁界の時間変化との関係を利用して、安全システムの保護を行っている。図３では、４つのコイル４６Ａ乃至４６Ｄのそれぞれは、安全システムの対応する部４２Ａ乃至４２Ｄに関連付けられており、安全システムの各部に関連付けられた４つのセンサ４４Ａ乃至４４Ｄから電流を受け取る。コイル４６Ａ乃至４６Ｄを３Ｄ印刷で製作すると、これらは上下のプレート４８，５０に電気的ではなく物理的にリンクさせることができる。センサ４４Ａ乃至４４Ｄから変化する電界の信号が入力されると、変化する磁界が生成される。４つのコイル４６Ａ乃至４６Ｄのうちの２つにトリップ信号（電流の流れ）があると、これにより共通の極の反発力が生じ、図４に示すように装置（例えばコイル４６Ａ）が故障または破損して、安全回路の安全な停止信号をもたらす必要な遮断が行われるようになる。

これにより、電流はコイル４６Ａ乃至４６Ｄのそれぞれを４部に分けて通過する。コイル４６Ａ乃至４６Ｄに流れる電流の方向を工夫することで、北極と南極のどちらか一方がすべて同じ側になる。対向する誘導磁界により、一方または両者のコイルが磁気的に破壊され、電流が流れなくなることで安全信号が発生する。

４つのコイル４６Ａ乃至４６Ｄは、図５および図６で上述したＤＴＭ、ＴＬＵおよびＯＬＵに代わるものである。

装置の定常動作時には、センサ４４Ａ乃至４４Ｄは低電流（４乃至２０ｍＡ）を供給する。電流が、例えば、予め定められたレベルを越える温度、圧力、流量、または他のパラメータを検知したために、装置のベースラインを超える場合、安全システムの応答が作動する。ファラデーの法則の装置では、コイルが破断すると一生に一度の部品（ヒューズ）が反応する。

上述した実施形態の説明は、図示および説明を目的として提供されている。網羅的に開示することを意図したものではなく、開示を限定するものでもない。特定の実施形態の個別の要素または特徴は、一般に、その特定の実施形態に限定されるものではないが、適用可能な場合には、特に示されていなくても、または説明されていなくても、交換可能であり、選択された実施形態で使用することができる。また、これらは様々に変形可能である。そのような変形は、本開示からの逸脱とみなされるものではなく、すべてのそのような変形は、本開示の範囲内に含まれることが意図されている。

Claims (13)

1. 検知された状態を表す電流を受け取るための第１のセンサに接続されるとともに第１の端部および第２の端部でアンカー固定されている第１のコイルと、
   検知された状態を表す電流を受け取るための第２のセンサに接続されるとともに第１の端部および第２の端部でアンカー固定されている第２のコイルであって、同第２のコイルは、前記第１のコイルの前記第１の端部に隣接する前記第１の端部を有する、第２のコイルと、
   を備え、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが前記第１のセンサおよび前記第２のセンサから増加した電流を受け取ると、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、それぞれ互いに反発する磁束を発生させて、前記コイルのうちの少なくとも１つを破断させる、電気技術装置。
2. 前記第１のコイルは、前記第２の端部で前記第１のセンサに接続されるとともに前記第１の端部で第１の出力ラインに接続されている、請求項１に記載の電気技術装置。
3. 前記第２のコイルは、前記第２の端部で前記第２のセンサに接続されるとともに前記第１の端部で第２の出力ラインに接続されている、請求項２に記載の電気技術装置。
4. 前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、前記第１の端部および前記第２の端部において、対応する第１のプレートおよび第２のプレートによってアンカー固定されている、請求項１に記載の電気技術装置。
5. 検知された状態を表す電流を受け取るための第１のセンサに接続されるとともに第１の端部および第２の端部でアンカー固定されている第１のコイルと、
   検知された状態を表す電流を受け取るための第２のセンサに接続され、かつ第１の端部および第２の端部でアンカー固定されるとともに前記第１のコイルに隣接する第２のコイルと、
   検知された状態を表す電流を受け取るための第３のセンサに接続され、かつ第１の端部および第２の端部でアンカー固定されるとともに前記第１のコイルおよび前記第２のコイルに隣接している第３のコイルと、
   検知された状態を表す電流を受け取るための第４のセンサに接続され、かつ第１の端部および第２の端部でアンカー固定されるとともに前記第１のコイル、前記第２のコイル、および前記第３のコイルに隣接している第４のコイルと、
   を備え、前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイル、および前記第４のコイルのうちの少なくとも２つのコイルが、前記第１のセンサ、前記第２のセンサ、前記第３のセンサ、および前記第４のセンサのうちの少なくとも２つのセンサから増加した電流を受け取ると、前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイル、および前記第４のコイルのうちの少なくとも２つのコイルがそれぞれ磁束を発生させて互いに反発し、前記コイルのうちの少なくとも１つを破断させる、電気技術装置。
6. 前記第１のコイルは、前記第２の端部で前記第１のセンサに接続されるとともに前記第１の端部で第１の出力ラインに接続されている、請求項５に記載の電気技術装置。
7. 前記第２のコイルは、前記第２の端部で前記第２のセンサに接続されるとともに前記第１の端部で第２の出力ラインに接続されている、請求項６に記載の電気技術装置。
8. 前記第３のコイルは、前記第２の端部で前記第３のセンサに接続されるとともに前記第１の端部で第３の出力ラインに接続されている、請求項７に記載の電気技術装置。
9. 前記第４のコイルは、前記第２の端部で前記第４のセンサに接続されるとともに前記第１の端部で第４の出力ラインに接続されている、請求項８に記載の電気技術装置。
10. 前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイル、および前記第４のコイルは、前記第１の端部および前記第２の端部において、対応する第１のプレートおよび第２のプレートによってアンカー固定されている、請求項１に記載の電気技術装置。
11. 第１の端部および第２の端部でアンカー固定された第１のコイルを３Ｄ印刷する工程と、
    検知された状態を表す電流を受け取るための第１のセンサを前記第１のコイルに接続する工程と、
    第１の端部および第２の端部でアンカー固定されるとともに前記第１のコイルに隣接する第２のコイルを３Ｄ印刷する工程と、
    検知された状態を表す電流を受け取るための第２のセンサを前記第２のコイルに接続する工程と、
    を含み、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルが前記第１のセンサおよび前記第２のセンサから増加した電流を受け取ると、前記第１のコイルおよび前記第２のコイルは、それぞれ互いに反発する磁束を発生させて、前記コイルの少なくとも１つを破断させる、電気技術装置を形成する方法。
12. 第１の端部および第２の端部にアンカー固定されるとともに前記第１のコイルおよび前記第２のコイルに隣接する第３のコイルを３Ｄ印刷する工程と、
    検知された状態を表す電流を受け取るための第３のセンサを前記第３のコイルに接続する工程と、
    第１の端部および第２の端部でアンカー固定されるとともに前記第１のコイル、前記第２のコイル、および前記第３のコイルに隣接する第４のコイルを３Ｄ印刷する工程と、
    検知された状態を表す電流を受け取るための第４のセンサを前記第４のコイルに接続する工程と、
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１のコイル、前記第２のコイル、前記第３のコイル、および前記第４のコイルの前記３Ｄ印刷に関する３Ｄ印刷機からのデータを格納する工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。

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