JPH03146900A - センサー、原子炉、原子炉の制御方法、及びセンサーの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子炉炉水の水質制御技術に係わり、特に炉
水の水質測定に好適なセンサーおよびそれを用いた原子
炉の水質制御方法に関する。

〔従来の技術〕

４ 原子炉構造材料の粒界応力腐食割れ（以下、応力腐食と
称す）は、材料の成分組成、応力、水質の３因子が共に
好ましくない状態にある時に起こるとされている。従来
から原子炉構造材、特にステンレス＠　（ＳＵＳ３０４
）に対しては、炭素含有量を低くすることや、残留応力
緩和の熱処理などを施し、応力腐食の観点からは十分安
全側で運転されてきた。このように、これまでの方策は
、応力腐食の３因子のうちで材料、応力の２因子に対す
るものであったが、近年沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）にお
いて、第３の因子のうちの一つである炉水中溶存酸素を
低減するため、特開昭５７−３０８６号公報に見られる
ように、水素注入が試みられてきた。

第２図にＢＷＲ−次系の主要系統を示す。同図において
、土は原子炉炉心、２は上部プレナム、３は気水分離器
、４はミキシングプレナム、５はダウンカマ、６は再循
環ポンプ、７は下部プレナム、８は炉浄化系、９は給水
ヒータ、１０は復水脱塩器、１１．Ａは高圧タービン、
１１Ｂは低圧タビン、１２はこれらのタービンにより運
転される発電機、１３は酸素水素再結合器、１４は希ガ
スホールドアツプ、１５は復水器、１６は水素注入装置
、１７は給水配管、工８は主蒸気配管、１９はジェット
ポンプ、２０は給水ポンプ、２１は復水ポンプである。

このＢＷＲ−次冷却系の復水器以後の給水系において前
記従来例は、給水ポンプ２０の上流に水素注入装置１６
を配置し、注入した水素を、炉心における水の放射線分
解の結果生成する酸素と再結合させ、再循環系６をはじ
めとして一次冷却系各部の溶存酸素濃度を低減させるこ
とをねらいとしている。

注入した水素の大部分は、炉心１の沸１２相流下では蒸
気相に移行し、主蒸気系１８．タービン１１を経て、−
次冷却系外へ放出される。水素注入時には同時に放出さ
せる酸素ガスに対して水素が大幅に過剰になるから、オ
フガス系の酸素、水素再結合器１３の上流で、この過剰
分の水素に見合う酸素または空気を供給する必要がある
。炉水中の酸素濃度は通常炉浄化系８において、サンプ
リング系を設は測定されることが多い。

応力腐食に対する感受性を故意に増したステンレス鋼（
ＳＵＳ３０４）であっても、溶存酸素を２０ＰＰｂ程度
に低減すれば応力腐食は起きないことが確認されている
。

水素注入の効果は圧力容器の外部では水質測定系を用い
て溶存酸素濃度を測定することによって確認できるが、
圧力容器内部の環境については有効な確認手段が無い。

確認手段の一つとして現在試験的に用いられている方法
は中性子計装管２３を利用して、水をサンプルする手段
と、計装管内部に亀裂進展モニタを挿入してステンレス
鋼（ＳＵＳ３０４）などの亀裂進展速度から炉心内部の
環境を間接的にモニタする手法である。これらの方法に
は次に挙げる問題点がある。

ｌ）サンプル水は中性子計装管の中を流れる間に炉内の
放射線照射強度に応じて反応、再結合してしまうので炉
外での測定値は炉内の真の環境を示さない。

２）亀裂進展評価装置は第３図に示すように、予め歪を
加えた亀裂進展試験片２９の両端に外部電流源３工によ
り電流を流し、特定の２点間の電位を測定して亀裂の長
さを求めるものであるが、精度を確保するために、電位
の測定点３３は２組必要である。したがって、ｌ試験片
に合計６本のリード線を炉外から導入することになり、
実質的に中性子計装管１本あたりｌ試験片が限界となる
。

評価精度向上のためには複数風」二のセンサーが必要で
あり、さらにステンレスｍ　（ＳＬＩＳ３０４）以外の
材料たとえばインコネルなども圧力容器の構造材料など
に使われているため評価が必要である。

また、亀裂進展挙動評価のためコンピュータを用いた複
雑なソフトウェアが必要である。

水素注入にはもう一つの限界がある。それは水素注入に
より通常は硝酸の形で水中に溶けている放射性窒素、Ｎ
−１６、が還元されて気体になり、タービン系ひいては
サイト敷地境界の線量率が１−昇することであり、実機
の例では水素注入量の増加に伴って最大５倍程度の上昇
が報告されている。

この増加のしかたは第４図に示すようにある水素濃度の
閾値までは一定の値を保ち、その閾値から急に増加する
傾向がある。したがって、水素注入量には上限があるこ
とになり、ＢＷＲにおける水素注入運転はその上限以下
の水素注入量で環境緩和を実現する必要がある。

主蒸気系の放射線線量率が亜硝酸、酸化窒素ガスなどの
注入によって低減できることが特願昭６２−２５９７１
１号、同６３−１５４７６７号に示されている。この方
法によれば基本的には放射性窒素のタービン系の濃度上
昇を招くことなく、溶存酸素の濃度低減が可能であるが
、注入量が多すぎると放射性窒素濃度は下がるものの、
溶存酸素濃度が逆に上昇してしまうことや、水の導電率
が高くなり、また−次系内で分布がつくことなど制御に
困難な点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、タービン系の線量率を上昇させること
なく、腐食環境を緩和する水素、酸化窒素ガス注入の最
適運転条件、およびその運転条件をモニタするためのセ
ンシング素子、センサーさらにそのモニタ値から最適運
転条件を実現するための方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では原子炉圧力容器内部で使用可能なセンシング
素子、およびそれを利用した溶存酸素剖、亀裂進展モニ
タ、高温水導電率計、およびそれらのセンサーを用いた
沸騰水型原子炉の運転方法およびシステムを骨子とする
。

第５図に水素注入率を変えた時の炉心出口（」二昇管出
口）の溶存酸素濃度および主蒸気中の放射性窒素濃度を
示す。亜硝酸を添加しない時にくらべ、亜硝酸を同時に
添加すると放射性窒素濃度は低くなり、かつ酸素濃度も
この亜硝酸の濃度箱間では添加により一層の低減が図れ
る。第６図は炉心出口で目的とする酸素濃度を設定した
時に、それを実現する亜硝酸濃度と水素濃度の組合せを
示したもので、放射性窒素を増加させないための、水素
注入量の上限も示した。

水素、亜硝酸の注入点は給水系が一般的であるが給水の
導電率を増さないために亜硝酸は直接注目− 入するのでは無く、酸化窒素ガスの形で注入して水の分
解生成物と反応させて炉心入口で必要な亜硝酸濃度を確
保するという方法が現実的である。

その場合、水の導電率は酸化窒素ガスが亜硝酸に転化し
ている割合に応じて一次冷却系内で変化することになる
。

以上を総合すると、目的を達成するためには、■　放射
性窒素が通常運転時のレベルをうわまらないよう水素お
よび酸化窒素ガス注入率をコントロールする。

■　炉心入口で亜硝酸濃度を所定の濃度にコン１〜ロー
ルする。

■　炉心近傍で酸素濃度が所定の濃度を越えないよう酸
化窒素ガスの注入量をコントロールする。

■　酸素、亜硝酸などの複合した原子炉圧力容器内腐食
環境緩和効果を間接的にモニタするために複数の亀裂進
展モニタを圧力容器内に設ける。

などの運転方法が必要である。この運転方法を実現する
ためには主蒸気ラインの放射性窒素モニタ、炉心入口近
傍の亜硝酸濃度モニタ、圧力容器内の溶存酸素モニタ、
複数の亀裂進展モニタが必要である。このうち、放射性
窒素モニタは既存のものがあるが、炉心入口近傍の亜硝
酸濃度モニタ、圧力容器内の溶存酸素モニタは従来技術
には無く、また従来の亀裂進展モニタは先に述べたよう
に、必ずしも使い勝手が良くない。

〔作用〕

発明者はこうしたモニタに応用可能な半導体または絶縁
体の上に複数の薄膜の導体細線を形成した素子を考案し
た。後述するように細線、または細線間の電気抵抗を測
定することにより、炉水中の溶存酸素濃度、導電率、亀
裂進展速度のモニタが可能である。

また発明者は上記のような細線薄膜を形成するのに好適
な現象を発見した。第７図に示すように特定の母材２４
の上にシリコン（Ｓｉ）２５とルテニウム（Ｒｕ）２６
の多層膜を形成しこれに例えば高エネルギーのイオン２
７を照射するとルテニウムとシリコンの強制的な混合（
イオンミキシング）が生じる。この結果形成される格子
欠陥の多いルテニウムシリコン化合物２８は第８図に示
すように非照射時に比べ数桁も電気抵抗が高くなる。し
たがって、第７図に示した多層膜の上にフ第１・レジス
トなどでマスクを形成し細線形成部以外を高エネルギー
イオン照射すれば照射部は電気抵抗が高くなり、非照射
部はルテニウムで電気伝導性が確保できる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により説明する。第１図は本発明
の原理を応用して製作した材料の亀裂進展モニタを示し
たもので亀裂進展速度計測に用いる亀裂試験片２９の両
側または片側の側面３０に使用条件温度では電気抵抗が
十分大きい絶縁体、又は半導体の薄膜３４と導体の細線
薄膜３５でパターンを形成する。このようなパターンの
両側の端点間の電気抵抗を抵抗測定器３７により測定す
れば、亀裂試験片２９の亀裂が進行するにつれ導体の細
線薄膜３５を切断するため、細線のパターン全体の電気
抵抗が増加する。細線のパターン全体の抵抗は亀裂の長
さに一対一で対応するから電気抵抗により亀裂長さを知
ることができる。

薄膜材料として適当なものは、すでに示したシリコンゲ
ルマニウムなどの半導体で、細線薄膜３５の材料として
適当なものは既に示したルテニウム、鉄、クロムなどが
考えられる。パターンの形成方法の一つを第１図により
説明する。まず亀裂試験片２９とパターンの導体細線３
５を電気的に絶縁するために半導体または絶縁体の薄膜
３４を亀裂試験片２９の側面に形成する。これには。

蒸着、スパッタリングなどの方法が適している。

膜３４と試験片材料の接合性２接着性が悪い場合は、あ
らかしめ、高エネルギーイオンの飛程程度の厚さの膜を
一旦形成し、その膜の上から高エネルギーイオンを照射
し、亀裂試験片２４と膜３４の強制混合を行うことによ
り、接合性を向上せしめる。このようにして形成した薄
膜の上から必要な場合はさらに半導体、絶縁体の膜を形
成し、所定の厚さの膜３４とする。膜３４の−１−から
母材と混合して半導体、絶縁体を形成する導体膜３５を
形成する。

５ 半導体薄膜３４の材料がシリコンの場合はルテニウム、
鉄、クロムなどが適当な材料である。次に所定のパター
ンが形成される様、フォトレジストなどによりマスクを
した上から高エネルギーイオンを照射する。マスクをし
ていない部分はイオン照射により強制的に混合するため
ルテニウムシリコン化合物などの半導体となる。一方、
マスクをした部分は導体のまま残るので、目的とする導
体と半導体の細線条模様が亀裂試験片２９の側面に形成
される。抵抗を測定するためのリード線３６は金のワイ
ヤなどをスポット溶接する。第工図に示した細線の一本
一本の抵抗を第９図に示すようにマルチプレクサ３８を
介して独立に測定しても亀裂の進展をモニタすることが
できる。特に第１０図に示すように第９図のパターンを
線条の方向が交差するように上下２層構造とするか、亀
裂試験片２９の両側面で交差するようにすれば亀裂の先
端の２次元的な位置が検知できる。亀裂試験の周辺環境
が酸化性である場合には導体部分が酸化して抵抗が変化
する。これによる測定誤差は素子の表面にさらにシリコ
ンなどの半導体、または絶縁体の膜を形成することによ
り解消できる。

この酸化による抵抗変化は環境の酸素濃度測定センサー
として使用が可能である。

第１１図は、そのような酸素センサーの構造を示したも
ので酸化ジルコニウムなどの酸素を透過するセラミック
ス３９の上にまず鉄などの酸化されやすい金属膜４０を
蒸着する。次にシリコンなどの半導体膜４１を蒸着し、
金属膜４０と半導体膜４１の厚さの合計が照射するイオ
ンの飛程程度となるようにした上で、高エネルギーイオ
ンを照射し、局所的に合金半導体（Ｆ　ｅ　Ｓ　ｉ）を
形成して鉄の細線パターンを形成する。半導体膜４」を
透過してくる酸素が妨害となる場合はさらに酸素の透過
性の悪い膜を追加しても良い。鉄膜との絶縁が十分であ
れば追加蒸着する膜は金属でも良い。

第Ｉ２図は原子炉の一次冷却水中の溶存酸素センサーを
示したもので原子炉運転前の細線の酸化を防ぐために保
護被膜４３を酸化ジルコニウム担体３９の上に形成して
おく。この保護被膜４３は高温水中では溶解して消失す
る材料たとえばテフロン等を用いる。測定のダイナミッ
クレンジを増すためには導体膜４０または酸化ジルコニ
ウム膜３９の厚さを調節すれば良い。

同様の原理は第１３図に示すような水素センサーとして
も応用できる。この場合には導体成分４０としてはパラ
ジウム、チタニウムなど水素を吸蔵する金属を選定する
。吸蔵した水素量に対応した抵抗変化により環境中の水
素濃度が測定できる。

第１４図のように細線薄膜３５を複数本設けた素子を水
中に配しａ線薄膜２本同志の交流または直流電気抵抗を
測定することにより水の導電率を測定することができる
。

以上示してきたセンサーは全て金属と半導体、セラミッ
クスなどで形成されているため原子炉圧力容器内のよう
な高温高圧、高照射下で使用することができる。

そこで、以下ではこれらのセンサーを利用して第５図、
第６図に示したような水質の制御方法について述へる。

第５図には炉心入口亜硝酸濃度に依存して炉心入口水素
濃度と上昇管出口水中酸素濃度および上昇管出口蒸気中
１８　Ｎ　Ｑ　４ｇ度の関係が示されているが、注入し
た成分は原子炉−次系内で循環する間に照射を受は化学
形態が変化するほか、循環中に水中に蓄積するため炉心
入口での亜硝酸濃度を知る方法はこれまで無かった。し
かし第１４図に示したセンサーを原子炉圧力容器内下部
プレナムあるいは下部グリッド近傍に配すればその位置
の導電率から亜硝酸の濃度を間接的に知ることができ、
窒素酸化物注入量の制御が可能となる。

次に原子炉の構造材として重要な部位は一次系配管、圧
力容器など圧力バウンダリ、および原子炉の重量を支え
る一ド部グリッド等であるが、第１１図または第１２図
に示した酸素センサーは小型であるため一次系内のどこ
にでも比較的容易に装着可能である。

例えば、中性子計装管を介して酸素センサーを圧力容器
下部に設ければ、原子炉の下部構造の真の水質がわかる
ためそのモニタ値から水素注入量を決めれば信頼性の高
い水質制御が可能である。

さらに炉心下部に酸素センサー、導電率センサーの双方
を設は第６図に示したような相関を満たすように水素お
よび酸化窒素注入量を制御すればタービン系の線量率の
上昇を招かない水質制御か可能になる。

また炉内構造材料の表面に酸素センサーを貼付または表
面に直接酸素センサーを形成すれば原子炉内の任意の位
置の任意の材料周辺の酸素濃度を知ることができるので
水質制御の信頼性が向上する。

このようなセンサーはオフライン測定も可能である。す
なわち、原子炉運転中にリード線を圧力容器外に導くの
では無く、センサーだけを材料表面に形成しておき、原
子炉の定期点検時に抵抗変化を測定すればセンサーを形
成した材料がおかれていた水中の平均的な酸素濃度が求
められる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば原子炉−次系の９− 苛酷な環境下でも使用できる亀裂進展モニタ、溶存酸素
計、導電率計が製作できるため、それらを用いて原子炉
炉水中の溶存酸素濃度、溶存水素濃度、亜硝酸濃度を測
定し、またそれらの出力を用いて水素、亜硝酸などの添
加量を制御することにより原子炉の材料の健全性を確保
することができ、安全性、エネルギー源確保の上でメリ
ットが大きし）。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の亀裂進展モニタ、第２図は原子炉−次
冷却系の概念図、第３図は従来の亀裂進展モニタの概念
図、第４図は原子炉に水素注入時のタービン系の線量率
変化を示した図、第５図は水素、亜硝酸添加時の上昇管
出口水中酸素濃度、」二昇管出ロ蒸気中放射性窒素（１
６ＮＯ）濃度の計算値を示す図、第６図は」二昇管出口
において特定の水中酸素濃度を実現するための炉心入口
における水素と亜硝酸濃度を相関を示す図、第７図はイ
オンミキシングの概念図、第８図はイオン照射によるル
テニウムシリコン化合物の電気抵抗の変化０ を示す図、第９図、第１０図は亀裂進展モニタの変形例
、第１１図は溶存酸素センサーとしての実施例、第１２
図は溶存酸素センサーとしての変形例、第１３図は溶存
水素センサーとしての実施例、第１４図は水の導電率計
としての実施例を示す図である。 １・・原子炉炉心、２・・・上部プレナム、３・・上昇
管、４　・ミキシングプレナム、５　ダウンカマ、６再
循環ポンプ、７・下部プレナム、８・炉浄化系、９・・
・給水ヒータ、１ｏ・・・高圧タービン、１１　・低圧
タービン、工２・発電機、１３・・水素酸素再結合器、
■４・・希ガスホールドアツプ装置、１５・・復水器、
１６・・・水素注入装置、１−７・・・給水配管、１８
・・主蒸気配管、１９・ジエン１ヘポンプ、２０・・・
給水ポンプ、２１　・復水ポンプ、２２・・水質測定系
、２３・・中性子計装管、２４・・母材、２５Ｓｉ膜、
２６　　Ｒｕ膜、２７・高エネルギーイオン、２８・・
ＲｕｚＳｉ３膜、２９・・亀裂進展試験片、３０・・・
試験片側面、３１・・・電流源、３２・・電位測定器、
３３・電位測定点、３４・・半導体または絶縁体のａ膜
、３５・・導体の細線薄膜、３６　リド線、３７・・抵
抗測定器、３８・マルチプレクサ、３９・・・酸素透過
性セラミック、４ｏ　・導体薄膜、４１・・半導体薄膜
、４２　半導体または金属薄膜、４３・保護皮膜、４４
　絶縁体、４５　直流また３ 第 図 ６ 第 ７ 図 第 図 ０１２ ０１３ １０′４ ０１５ Ｘｅイオン照射量（イオン／　ｃｍ　２）第 図 ４ ５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非電導材母材の表面に導体の細線薄膜を形成し、そ
   の導体の物性変化から母材または周囲の環境の物性変化
   を検知する素子。 ２、母材の表面に複数の導体の細線薄膜を形成し、その
   細線間の物性変化から母材または周囲の環境の物性変化
   を検知する請求項１記載の素子。 ３、母材の表面に複数の導体の細線薄膜を形成すると共
   に細線間に触媒薄膜を設け、触媒薄膜の物性変化を細線
   間の物性変化として検知し、その変化から母材または周
   囲の環境の物性変化を検知する請求項１記載の素子。 ４、母材の表面に複数または単数の導体の細線薄膜およ
   び触媒薄膜を形成し、触媒薄膜細線間の物性変化から母
   材または周囲の環境の物性変化を検知する請求項１記載
   の素子。 ５、母材上に半導体および導体から成る層状の膜を設け
   、その一部を強制的に拡散させて合金半導体とすること
   により、導体細線と半導体の２次元パターンを形成する
   ことを特徴とする素子の製法。 ６、上記の強制的に拡散させて合金半導体とする手段と
   して、高エネルギーイオンを照射することを特徴とする
   請求項５記載の素子の製法。 ７、母材上にシリコン（Ｓｉ）およびルテニウム（Ｒｕ
   ）から成る層状の膜を設け、その一部に高エネルギーイ
   オンを照射することにより強制的に拡散させ、シリコン
   およびルテニウムから成る化合物とすることにより導体
   と半導体の２次元パターンを形成することを特徴とする
   請求項５記載の素子の製法。 ８、母材上に半導体および導体から成る層状の膜を設け
   、その一部に高エネルギーイオンを照射することにより
   強制的に拡散させ合金半導体とすることにより、導体と
   半導体の２次元パターンを形成する方法。 ９、母材の上に半導体または絶縁体から成る薄膜、さら
   にその上に複数の導体細線を設け、その細線の抵抗変化
   から母材の変形を検出するセンサ１０、母材の上に半導
   体または絶縁体から成る薄膜、さらにその上に母材の亀
   裂の進展方向を溝切るように複数の導体細線を設け、そ
   の細線の抵抗変化から母材の亀裂を検出するセンサー。 １１、上記の複数の導体細線に重ねて、さらに細線の方
   向が異なる向きに同様な薄膜を形成し、上下２層の細線
   の電気抵抗値から母材の亀裂位置を検出することを特徴
   とする請求項１０記載のセンサー。 １２、酸素透過性の母材の上に細線薄膜パターンを形成
   し、その上を半導体または絶縁体で被覆して、細線の電
   気抵抗値から周辺の酸素濃度を測定する溶存酸素センサ
   ー。 １３、母材の上に半導体または絶縁体から成る薄膜、さ
   らにその上に水素吸蔵能力のある金属で細線薄膜を形成
   し、その細線の電気抵抗値から周辺の水素濃度を測定す
   る水素センサー。 １４、お互いの間隔が同じでない３本以上の導体細線薄
   膜を半導体または絶縁体の上に設け、各細線薄膜２本間
   の電気抵抗値の差から周辺媒体の導電率を測定する導電
   率センサー。 １５、原子炉圧力容器内の水中に水質測定センサーを設
   けたことを特徴とする原子炉。 １６、上記水質測定センサーとして、溶存酸素センサー
   、水素センサー、導電率センサーの一つまたは複数を設
   けたことを特徴とする請求項１５記載の原子炉。 １７、原子炉圧力容器内の水中に設けた水質測定センサ
   ーの出力により水質改善剤注入量を制御することを特徴
   とする原子炉の水質制御方法。 １８、上記水質測定センサーとして溶存酸素センサーを
   用い、水質改善剤注入量として水素注入量を用いること
   を特徴とする請求項１７記載の原子炉の水質制御方法。 １９、水質測定センサーとして導電率センサーを用い、
   水質改善剤注入量として窒素酸化物注入量を用いること
   を特徴とする請求項１７記載の原子炉の水質制御方法。 ２０、水質測定センサーとして溶存酸素センサーおよび
   導電率センサーを用い、水質改善剤注入量として水素お
   よび窒素酸化物の注入量を用いることを特徴とする請求
   項１７記載の原子炉の水質制御方法。 ２１、原子炉圧力容器内の水中として、原子炉圧力容器
   内炉心下部の水中を用いることを特徴とする請求項１７
   、１８、１９、２０記載の原子炉の水質制御方法。 ２２、構造材料表面に請求項１２記載の溶存酸素センサ
   ー、請求項１３記載の水素センサー、請求項１４記載の
   導電率センサーの一つまたは複数を直接形成したことを
   特徴とする原子炉。