JP7285919B2 - ガウスの磁気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 - 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、ガウスの磁気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６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７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、ガウスの磁気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。ガウスの磁気の法則接触器は、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。ガウスの磁気の法則接触器は、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プリントマシン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。通常の電源喪失時には、ガウスの磁気の法則接触器は、ユーザの要求に応じて、そのまま故障したり、安全な状態で故障したりすることがあり得る。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。

本開示の一態様によれば、電気技術装置は、入力信号が供給されるとともに出力電気接続部から電気的に絶縁された入力電気接続部を備える。棒磁石が入力電気接続部と出力電気接続部との間でペディセルに枢動自在に取り付けられる。少なくとも１つのコイルは、棒磁石に隣接して配置されるとともにセンサからの電子信号が供給され、棒磁石は、棒磁石が入力電気接続部および出力電気接続部に接触し、回路を完成させ、制御信号を送出するように、少なくとも１つのコイルによって生成された電磁界に応答している。

さらなる態様によれば、少なくとも１つのコイルは、棒磁石の対向する両側に配置された一対のコイルを含み、それぞれにセンサからの電子信号が供給される。

原子炉用の故障検知システムは、入力信号が供給されるとともに出力電気接続部から電気的に絶縁された入力電気接続部を各々が含む複数の接触器を備える。入力電気接続部と出力電気接続部の間で棒磁石がペディセルに枢動自在に取り付けられ、棒磁石の対向する両側に一対のコイルが配置され、それぞれにセンサからの電子信号が供給される。棒磁石は、一対のコイルによって発生した電磁界に応答して、棒磁石は入力電気接続部と出力電気接続部とを接触させて回路を完成させ、制御信号を送出する。

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。

開放状態で示された本開示の原理に従ったガウスの磁気の法則接触器を示す概略説明図である。 図１に示すガウスの磁気の法則接触器を閉鎖状態で示した概略説明図である。 図１に示すガウスの磁気の法則接触器を示す概略側面図である。 本開示の原理に従った、複数の入力を有するガウスの磁気の法則接触器のＸおよびＺ平面における概略側面図である。 本開示の原理に従った、複数の入力を有するガウスの磁気の法則接触器のＺ方向における概略側面図である。 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６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乃至３を参照して、本開示の原理に従ったガウスの磁気の法則接触器１０を以下に説明する。図１に示すように、ガウスの磁気の法則接触器１０は、電気的接点１４を有する入力信号１２と、電気的接点１８を有する出力信号１６とを含む。図１では、開放状態を示している。ガウスの磁気の法則接触器１０は、入力電気的接点１４と出力電気的接点１８との間でペディセル２２に回転可能に支持された棒磁石２０を備える。第１のコイル２４は入力電気的接点１４に隣接して配置され、第２のコイル２６は出力電気的接点１８に隣接して配置される。コイル２４，２６の一方または両者は、温度、圧力、流量、または他のパラメータのいずれかを検知することができる一対のセンサ２８，３０からそれらを流れる電流（すなわち、４乃至２０ｍＡの標準信号）を有し得る。コイル２４，２６の両者における電流の流れの工学的な方向により、入力電気的接点１４の領域におけるＳ極と、出力電気的接点１８の領域におけるＮ極とが得られる。これらの外部から誘起された磁界により、棒磁石２０は磁気回転する。

図２は、安全システム動作信号３２を送ることができるように、入力電気的接点１４と出力電気的接点１８との間を電気的に接続させる、コイル２４，２６を通過するセンサ２８，３０からの増加した電流の流れによる棒磁石２０の再配置を示している。図３は、ペディセル２２上の非磁性ボックス３４内に配置された磁石２０を例示するガウスの磁気の法則接触器１０の側面図である。磁石２０はペディセル２２に対して回転し、ボックス３４は蓋３６で密閉されている。これに代えて、逆回路は、保護機能のためのシステムを非通電にするために、ガウスの磁気の法則接触器１０を（閉じるのではなく）開くように設定することができる。

図４および図５は、ガウスの磁気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４は、Ｘ平面およびＺ平面における側面図である。正のＺ方向において、ガウスの磁気の法則接触器５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃにより、それぞれＡＢ、ＡＣ、ＡＤのトリップ状態が達成される。ガウスの磁気の法則接触器５０Ａは、部４２Ａ、４２Ｂから対応するコイル６６Ａ、６６Ｂを介して電流を受ける。ガウスの磁気の法則接触器５０Ｂは、部４２Ａ、４２Ｃから対応するコイル６６Ａ、６６Ｃを介して電流を受ける。ガウスの磁気の法則接触器５０Ｃは、部４２Ａ、４２Ｄから対応するコイル６６Ａ、６６Ｄを介して電流を受ける。負のＺ方向において、ＢＣおよびＢＤのトリップ状態は、対応するガウスの磁気の法則接触器５０Ｄ、５０Ｅによって達成される。ガウスの磁気の法則接触器５０Ｄは、部４２Ｂ、４２Ｃから対応するコイル６６Ｂ、６６Ｃを介して電流を受ける。ガウスの磁気の法則接触器５０Ｅは、部４２Ｂ、４２Ｄから対応するコイル６６Ｂ、６６Ｄを介して電流を受ける。図５は、ＣＤのトリップ状態を提供する正のＹ方向における側面図である。ガウスの磁気の法則接触器５０Ｆは、部４２Ｃ、４２Ｄから対応するコイル６６Ｃ、６６Ｄを介して電流を受ける。したがって、４つの部４２Ａ乃至４２Ｄのうち２つの部からのセンサが活性化可能であり、これにより、コイル６６Ａ乃至６６Ｄのうちの対応する２つのコイルを介して電流を増加して流れさせることができ、これにより、出力信号が送信されるとともに安全動作が生じるように、６つの状態のいずれかにおけるガウスの磁気の法則接触器５０Ａ乃至５０Ｆのうちの１つまたは複数がトリガされる。この６つのガウスの磁気の法則接触器５０Ａ乃至５０Ｆは、図６および図７で上述した安全部２０２Ａ乃至２０２ＤのＤＴＭ、ＴＬＵ、およびＯＬＵに代わるものである。

本開示は、以下の動作モードの使用を想定している。装置の定常動作時には、装置を駆動するために電流（４乃至２０ｍＡ）が供給される。電流が、例えば、予め定められたレベル以上の温度上昇または予め定められたレベル以上の圧力上昇を検知したために、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。一次電源の損失がある場合は、無停電電源装置を使用して回路内の電圧レベルを一定に維持する。この二次電源からの電力は安全測定装置にも供給され、その損失によりシステムは安全に停止される。すべての電力が失われた場合、回路設計者がどのように装置をアーキテクチャに配置するかに応じて、システムはそのまま故障するか、安全状態に故障する。

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 (7)

1. 入力信号が供給されるとともに出力電気接続部から電気的に絶縁された入力電気接続部と、
   前記入力電気接続部と前記出力電気接続部との間でペディセルに枢動自在に取り付けられた棒磁石と、
   前記棒磁石に隣接して配置されるとともにセンサからの電子信号が供給される少なくとも１つのコイルであって、前記棒磁石は、前記棒磁石が前記入力電気接続部および前記出力電気接続部に接触し、回路を完成させ、制御信号を送出するように、前記少なくとも１つのコイルによって生成された電磁界に応答している、少なくとも１つのコイルと、
   を備える、電気技術装置。
2. 前記棒磁石、前記ペディセル、前記入力電気接続部および前記出力電気接続部を包囲するためのハウジングをさらに備える、請求項１に記載の電気技術装置。
3. 前記少なくとも１つのコイルが、温度センサ、圧力センサ、および流量センサのうちの１つに接続された第１のコイルと、温度センサ、圧力センサ、および流量センサのうちの第２の１つに接続された第２のコイルとを含む一対のコイルを含む、請求項１に記載の電気技術装置。
4. 複数の接触器を備え、同接触器は各々、
   入力信号が供給されるとともに出力電気接続部から電気的に絶縁された入力電気接続部と、
   前記入力電気接続部と前記出力電気接続部との間でペディセルに枢動自在に取り付けられた棒磁石と、
   前記棒磁石の対向する両側に配置されるとともに各々にセンサからの電子信号が供給される一対のコイルであって、前記棒磁石は、前記棒磁石が前記入力電気接続部および前記出力電気接続部に接触し、回路を完成させ、制御信号を送出するように、前記一対のコイルによって生成された電磁界に応答している、一対のコイルと、
   を含む、原子炉の故障検知システム。
5. 前記複数の接触器の各々が、前記棒磁石、前記ペディセル、前記入力電気接続部および前記出力電気接続部を包囲するためのハウジングをさらに含む、請求項４に記載の故障検知システム。
6. 前記一対のコイルが、温度センサ、圧力センサ、および流量センサのうちの１つに接続された第１のコイルと、温度センサ、圧力センサ、および流量センサのうちの第２の１つに接続された第２のコイルとを含む、請求項４に記載の故障検知システム。
7. 入力信号が供給されるとともに出力電気接続部から電気的に絶縁された入力電気接続部を含むハウジングを３Ｄプリントによって形成する工程と、
   前記ハウジング内にペディセルを３Ｄプリントする工程と、
   前記入力電気接続部と前記出力電気接続部との間でペディセルに枢動自在に取り付けられる棒磁石を配置する工程と、
   前記棒磁石に隣接して配置されるとともにセンサからの電子信号が供給される少なくとも１つのコイルを３Ｄプリントする工程とを含み、前記棒磁石は、前記棒磁石が前記入力電気接続部および前記出力電気接続部に接触し、回路を完成させ、制御信号を送出するように、前記少なくとも１つのコイルによって生成された電磁界に応答している、電気技術装置の製造方法。

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