JPS60259919A - 温度計測法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はヒートパイプを利用した温度計測法に係り、特
に耐放射線特性に優れた温度計測法に関する。

〔発明の背景〕

従来の温度計測法では、温度センサ（たとえば熱電対や
抵抗温度計）を被測定物に接触させていた。原子炉では
、熱電対を挿入したサーモウェル（保護管）を被測定物
である冷却材に接触させていた。しかし、このような方
法では、熱電対の交換時には遠方から引抜き、および挿
入作業をしなければならない。また、熱電対のセンサ部
から増幅器等の計器類までの距離が長くなるため、出力
がせいぜい数十ｍＶである熱電対では、その出力に混入
するノイズレベルを小さくする工夫が必要である。さら
に、原子炉のように放射線レベルの高い環境下では、熱
電対の放射線劣化によって熱電対出力が時間とともに変
化する。

原子炉炉心近くには高レベルの放射線が存在するため、
熱電対には安定な通常特性のほかに種々の耐放射線特性
が要求される。それは大別すると（１）放射線を受ける
ことによって機能を損わないこと、（２）照射後、つま
シ保守点検に際して取扱い可能な放射化量であることの
二つである。

まず、（１）の放射線照射による機能劣化については中
性子（軽水炉では熱中性子）による劣化が大きい。熱電
対は２種の金属を接触させた。ものでおり、周囲の温度
に相当する両方の金属間の電位差（接触起電力）を測定
する。この金属を構成する多くの元素は熱中性子と核反
応して他の元素に変換する。その変換形態は元素ごとに
それぞれ異なるため、熱電対のように複数の元素をもつ
合金では組成変化が生じる。その結果、熱電対素線に起
電力変化が起きる。また、熱電対素線を囲む絶縁材には
温度勾配が生じるため、温度測定の誤差が大きくなる。

第１図に中性子束による白金−ロジウム熱電対の出力誤
差の関係を示す。この誤差は熱電対素線の組成変化のた
めに生じる。

熱電対素線の組成変化の事実は米国オークリッジ国立研
究所のＢｒｏｗｎｉｎｇ氏によって確立された。

第１表、第２表に１０１４Ｎｖの中性子束を１０年間照
射した時の構成元素の変化をそれぞれＣ−Ａ（クロメル
−アルメル）熱電対、Ｗ−Ｒｅ（タングステン−レニウ
ム）熱電対について示す。Ｃ−Ａ熱電対は主に炉内の温
度測定に使用され、Ｗ−Ｒｅ熱電対は燃料内温度などの
高温測定に使用される。第１表からＣ−Ａ熱電対は中性
子束の中で安定なＮｉを多く含むため組成変化は小さい
ことがわかる。また第２表からＷ−Ｒｅ熱電対では、タ
ングステンがレニウムとオスミニウムに変質スるため組
成変化が大きいことがわかる。ここで、軽水炉の中性子
束に対応させて考える。第１表、第２表で用いた１　０
”　Ｎｖという中性子束は軽水炉炉心での最大値であシ
１０年間（３，１５ｘｌＯ’秒）（７）ＪＴ［ｊＴｆｄ
　１０１４Ｘ３．１５Ｘ１０’　＝３．１５Ｘ１０”Ｎ
ｖｔになる。圧力容器表面では最も熱中性子束の大きい
ところでも１０′！Ｎｖと考えられるので１０年間の照
射量は３．１５ｘｌＯ”Ｎｖｔどまりである。一方、オ
ークリッジ国立研究所のＭ、Ｊ。

Ｋｅｌｌｙ　らの熱電対照射実験の結果によれば４×１
０２ＯＮｖｔまでの照射ではＣ−Ａ熱電対の出力に関し
て有意な変化は認められていない。この照射量と前出の
軽水炉での照射量と比較すると、Ｃ−Ａ熱電対の使用限
界は圧力容器表面では約１０年であるが、炉心では約２
ケ月となる。

以上は軽水炉の場合であるが、高速増殖炉では熱中性子
の他に高速中性子による熱電対の劣化も考慮しなければ
ならない。高速中性子による熱電対素線の実験データは
ないが、少なくとも熱中性子と同程度の組成変化が起こ
ると考えられるため、熱電対の寿命はさらに短かくなる
。

また、γ線加熱による熱電対出力の増加の誤差は軽水炉
ではＩＣ程度であるが、高速増殖炉では１００以上の誤
差は予想されている。

さらに、熱電対の保守点検の際の安全性の問題から放射
化量の検討が必要である。５Ｕ８３０４を用いた４、８
φの熱電対を１０”　Ｎｖの中性子束で５年間照射した
後の放射化量の計算結果ではＭｎの減衰は速いが、Ｃｒ
、ＣＯは遅い。ｃＯ６０Ｖｃついて熱電対より１ｍでの
位置での線量は１００ｍＲ。

／　ｈ　ｒとなシ、取扱いには適当なしゃへい材や器具
が必要となる。

以上のように熱電対の放射線劣化は高速増殖炉において
太きい。このため、高速増殖炉では主容器入口の熱電対
の出力を基準とし、との熱電対を定期的に取り出して精
密に校正をする。一方、炉心出口に設置した熱電対の出
力は一定温度で冷却材を循環させている時に、容器入口
の熱電対出力と比較して補正項を設けることによって対
応しているのが現状である。

以上の放射線特性は抵抗温度計でもみられる。

第２表 〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくシ、温
度センサの放射能劣化の影響を受けない温度計測法を提
供することにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために、本発明の温度計測法では
、被測定物と温度センサの間にヒートパイプを置き、温
度を間接的に測定することによって温度センナの放射能
劣化を防ぐ。

ヒートパイプはその内部が常に飽和状態である。

即ち、ヒートパイプ先端の加熱部周囲の温度で定まる圧
力でヒートパイプ内部が飽和するため、内部の温度は加
熱部周囲の温度に等しくなる。

このことを利用して、ヒートパイプの加熱部を被測定物
に浸漬させ、他端の凝縮部に温度センサを挿入させると
、温度センサによって被測定物の温度を間接的に測定で
きる。

〔発明の実施例〕

第２図は従来技術による温度計測法の実施例を示す。従
来技術では被測定物５が入っている例えば容器壁２に座
４を溶接し、その内側にサーモウェル３をネジ込み、そ
の先端を被測定物５に接触させる。温度センサ１として
例えば熱電対はサーモウェル３の中に挿入され、被測定
物５の温度をサーモウェルを介して測定する。このよう
な方法では、被測定物５の放射線レベルが高い場合には
、温度センサの放射線劣化は避けられない。また、さら
に容器２の周辺の放射線レベルも高い場合には温度セン
ナから、計器までの距離が長くなるため、信号に混入す
るノイズが大きくなる。

以下、本発明を実施例によって詳細に説明する。

第３図は毛細管式ヒートパイプを用いた温度計測法の実
施例を示す。以下、実施例の構成及び動作の説明をする
。ヒートパイプの熱媒体は作動前に熱媒体封入ノズル１
２から供給される。ヒートパイプ下端の加熱部は被測定
物５に浸漬しておシ、被測定物５から熱が供給されると
減圧封入されている熱媒体は管壁から熱をうばって温度
が上昇する。飽和温度以上になると熱媒体は蒸発する（
蒸発流７）。その結果、蒸気圧が上シ、蒸気は管内を移
動して（蒸気流８）冷却部に流れ、そこで凝縮しく＃縮
流９）、液体に戻されてウィック１１が液体を加熱部に
輸送しく液体流１０）、ここに一つの閉ループが形成さ
れる。平衡状態に達すると、ヒートパイプ内部は蒸気の
圧力で定まる飽和温度になり、この温度は被測定物５の
温度に等しい。したがって、ヒートパイプ上端の冷却部
に温度センサ、たとえば熱電対１３を挿入すると、その
信号出力は被測定物５の温度を示す。この信号は増幅器
１５を通して記録計１６へ導かれる。この状態から、被
測定物５の温度が上昇すると、熱媒体の蒸発によってヒ
ートパイプ内部の蒸気圧が高くなり、飽和温度も上昇す
る。逆に、被測定物５の温度が下降すると、蒸気の一部
は加熱部近傍で凝縮するため蒸気圧が下がシ、飽和温度
も下降する。以上の動作によって、ヒートパイプ内部の
温度は被測定物５の温度変化に追従する。なお、ヒート
パイプの作動温度範囲は熱媒体の融点と沸点の中間程度
から沸点のやや上までと考えられている。よって、被測
定物５の温度を予測して、あらかしめ適切な熱媒体を封
入しておく。

本実施例によれば、ヒートパイプの飽和特性を利用する
ことによって、熱電対１３を被測定物５から隔離できる
。したがって、被測定物５の放射線レベルが惠い場合で
も熱電対１３の放射能劣化を防ぐ効果があシ、恒久的な
温度計測法を提供できる。また、ヒートパイプ上端を保
守点検が容易な場所まで導くことによって、熱電対１３
の信号線１４を短くできるため、ＳＺＮ比が増加すると
いう効果がある。さらに、前記の恒久的な温度計測法で
あるため、熱電対１３を交換するだめのサーモウェルが
不要となる。これによって、熱電対１３の応答が速くな
るという効果もある。

第４図は重力落下式ヒートパイプを用いた温度計測法の
実施例を示す。ヒートパイプの動作及び温度の測定原理
は第３図の実施例と同様である。

重力落下式ヒートパイプではウィックかないため構造が
簡単である。本実施例による効果も第３図の実施例と同
様である。

第５図は上記の温度計測法を高温槽内の液体温間の計測
に適用した例を示す。高温槽２１の内部の液体２０はヒ
ータ２４で加熱されているものとする。熱電対１３を上
端に挿入したヒートパイプ１８の下端は液体２０に浸漬
しており、第３図で示した原理によって液体２０の温度
は記録計１６に出力される。熱電対１３が高温槽２１か
ら隔離されているため、保守点検が容易であるという効
果がある。

第６図はヒートパイプ管体を２重管にした重力落下式ヒ
ートパイプを用いた温度計測法の実施例を示す。ヒート
パイプ中央の断熱部が過熱されたり冷却されたりすると
、熱電対１３の出力はそれぞれ増加、減少するため正し
い値を示さない。断熱の方法としては、ガラスウール等
の断熱材をヒートパイプ管体６に巻く方法が簡単である
が、実用上は第６図のような２重管構造が好ましい。２
重管は引抜きによって作ることができ、最後に端部を加
工すると第６図の構造を実現できる。ヒートパイプ作動
前には、真空引き用ノズル２６から、管体６と内管２５
の間の中空部２７の′空気を抜き、中空部２７を真空に
すると断熱の効果は大きい。

ヒートパイプの動作原理および温度計測上の効果は第３
図、第４図と同様である。

耐放射線特性を従来の方法に比べて改善するためには、
ヒートパイプ管体を透過してくる中性子が熱電対に到達
することを防ぐ必要がある。たとえば、第６図の実施例
において内管２５を中性子吸収材で作る方法がある。加
熱部周囲で運動している中性子は管体６を透過して内部
に入る。内部に入った中性子は熱媒体１７の蒸気に衝突
して散乱したり、又内管２５に衝突することによって減
衰するため、熱電対１３に到達する中性子は少ない。さ
らに、前記のように内管２５を中性子吸収材で作ると熱
電対１３に到達する中性子は無視できる程度になる。内
管２５に用いる中性子吸収剤としては、例えばＣｄ（カ
ドミニウム）がある。

この実施例によって、温度センナ、例えば熱電対の放射
能劣化を防ぐ効果がある。

第７図は第６図の実施例においてヒートパイプ管体６に
屈曲部を設けたものである。この実施例によってヒート
パイプの中央を直進して熱電対１３に到達する中性子が
なくなる。したがって、温度センサの放射能劣化を防ぐ
効果はさらに大きくなる。

第６図、第７図の実施例によって、本発明を原子炉に適
用できる。

第８図は、軽水炉に比べて中性子束が大きい高速増殖炉
に本発明を適用した例である。高速増殖炉では炉心２９
の上部に炉心上部機構３０があり、これを通して制御棒
案内管３３と温度計測用等の案内管が炉心２９の上部に
導かれている。これは、運転期間中燃料の流路閉塞によ
る温度上昇および流量低下などの異常を検出するためで
ある。第８図の実施例では温度計測用のヒートノ＜イブ
１８は炉心上部機構３０を貫通し、ヒートノ＜イブ１８
の下端の加熱部が炉心２９の上部に突き出ている。

ヒートパイプ１８としては、内管２５に中性子吸収材料
を用いた第６図、第７図のヒートパイプが適当である。

また、炉心２９の上部の温度は５００〜５５０Ｃ程度で
あるため、ヒートパイプ１８の熱媒体としては例えばＮ
ａ（沸点８９２Ｃ）やＫ（沸点７７０Ｃ）が適当である
。また、炉心２９の上部にヒートパイプ１８を導いたこ
とによる流動抵抗については、ヒートパイプ１８の外径
は１０閣程度で十分製造可能であバ現状の制釘棒案内管
３３や温度計装用案内管の外径と比較すると流動抵抗を
大きくする要因にはならない。

第９図は第８図における炉心上部機構３０と本発明のヒ
ートパイプ１８を示す。ヒートパイプ１８けしやへいプ
ラグ３４、炉心上部機構３０を貫通して炉心２９の上部
に導かれる。炉心２９の上部には燃料集合体に対応した
位置にフローガイド３５が設けてあシ、集合体出口温度
をそれぞれ測定する。熱電対はしやへいプラグ３４より
上に突キ出ているヒートパイプ１８の上部に挿入すると
保守点検も容易になる。

第１０図は高速増殖炉の炉心上部の温度計測に関する本
発明のもう一つの適用例を示す。炉心上部機構３θでは
放射線レベルがかなシ低いので、第１０図に示したよう
にヒートパイプ１８の長さを短くしても熱電対１３の測
定精度を損なわない。

第１０図では、第７図の実施例に示した屈曲部をもつヒ
ートパイプ１３を利用している。ヒートパイプ１８を屈
曲させることによって、何本かの熱電対１８を束にして
温度計装管３６に導くことができる。また、第７図の実
施例で示したように、ヒートパイプ１８を屈曲させるこ
とによって熱電対１３の放射能劣化を低減できる効果が
ある。

本発明の有効な適用例としては前記の高速増殖炉の他に
、再処理施設における温度計測がある。

再処理施設では使用済み燃料を再処理する。この施設で
は高放射性溶液槽等放射能レベルの高い環境で温度を側
副する必要がある。本発明を実施することによって、温
度センサの放射能劣化を低減させた恒久的な温度計測法
を提供できる。

第１１図は中性子が熱電対に到達することを防いだもう
一つの実施例を示す。第１１図では、ヒートパイプの内
管２５で囲まれた蒸気空間に中性子吸収材でできた粒子
３７を入れ、格子板３８で支持している。熱媒体１７の
液表面から発生した蒸気は格子板３８および粒子３７の
間の空間に沿って上昇し、熱電対１３の先端に達する。

この実施例によると、特に熱電対の放射能劣化を防ぐ効
果がある。

第１２図はさらにもう一つの実施例を示す。第１２図で
はらせん状にしたヒートパイプ１８を用いて温度を計測
する。ヒートパイプ１８は座屈をしない曲げ条件であれ
ば性能は殆ど低下しない。

らせん状にすることによって、ヒートパイプ１８の下端
を透過した中性子が熱電対１３に到達するまでにヒート
パイプ内壁に衝突する回数が多くなるため減衰率が大き
くなる。したがって、本実施例によって熱電対の放射能
劣化を防ぐ効果がある。

温度の測定は、温度に対応する指示を直接出力する熱電
対や抵抗温度計のような温度センサの他に圧力計によっ
ても実施できる。第１３図は第７図の実施例において熱
電対の代シに圧力計３９を設けたものである。圧力計３
９を温度センサとして用いた時には圧力一温度換算器４
０において、測定した圧力を温度に換算する。圧力一温
度換算器４０には第１４図に示したような熱媒体の飽和
蒸気圧と温度の関係を記録させ、圧力から温度への換算
を実施させる。この実施例によると、第１４図に示すよ
うに、わずかな温度変化に対して飽和蒸気圧の感度が高
いため、温度測定の精度を向上させる効果がある。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく本発明によれば、放射線環境下では
温度センサが放射能劣下することが好ましくない温度計
測法において、被測定物と温度センサの間にヒートパイ
プを置くことによシ、温度センサの放射線劣化を低減す
ることができる。したがって、このような温度測定法を
使用することによって、センサの交換を必要としない恒
久的な温度測定が可能になるため、安全性、経済性の改
善の効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は中性子照射による白金−ロジウム熱電対の出力
誤差の実験結果を示す線図、第２図は従来技術による温
度計測法の説明図、第３図は本発明の毛細管式ヒートパ
イプを用いた実施例断面図、第４図は重力落下式ヒート
パイプを用いた実施例断面図、第５図は８３図、第４図
の実施例を高温槽内の液体温度測定に適用した断面図、
第６図はヒートパイプ管体を２重管にした実施例断面図
、第７図は第６図の実施例において、ヒートパイプ管体
に屈曲部を設けた実施例断面図、第８図は高速増殖炉の
炉心上部の温度計測に本発明を適用した例の構成図、第
９図は第８図における炉心上部機構の拡大図、第１０図
は高速増殖炉の炉心上部の温度計測に関する本発明のも
う一つの適用例を示す構成図、第１１図はヒートパイプ
の蒸気空間に中性子吸収材でできた粒子を含めたヒート
パイプによる温度計測法の説明図、第１２図はヒートパ
イプをらせん状にした実施例の構成図、１ｇ１３図は温
度センサとして圧力計を用いた時の実施例断面図、第１
４図ＦｉＮ　ａ　＋　Ｋの温度−飽和蒸気圧曲線図であ
る。 １・・・温度センサ、２・・・容器又は管壁、３・・・
サーモウェル（保護管）、４・・・座、５・・・被測定
物、６・・・ヒートパイプ管体、７・・・蒸発流、８・
・・蒸気流、９・・・凝縮流、１０・・・液体流、１１
・・・ウィック、１２・・・熱媒体封入ノズル、１３・
・・熱電対、１４・・・信号線、１５・・・増幅器、１
６・・・記録計、１７・・・熱媒体１８・・・ヒートパ
イプ、１９・・・端子ボックス、２０・・・液体、２１
・・・高温槽、２２・・・断熱材、２３・・・内枠、２
４・・・ヒータ、２５・・・内管、２６・・・真空引き
用ノズル、２７・・・中空部、２８・・・主容器、２９
・・・炉心、３０・・・炉心上部機構、３１・・・主循
環ポンプ、３２・・・中間熱交換器、３３・・・制御棒
案内管、３４・・・しやへいプラグ、３５・・・フロー
ガイド、３６・・・温度計装管、３７・・・中性子吸収
材の粒子、３８・・・格子板、３９・・・圧力センサ、
４０・・・圧力一温度換算器。 代理人　弁理士　高橋明夫 第１頁の続き ０発　明　者　相　井　進　−日立市森山町究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、被測定物の温度を温度センサの起電力等で測定する
   温度計測法において、被測定物と温度センサの間に、加
   熱部における蒸発と冷却部における凝縮をさまたげない
   程度の熱媒体を封入したヒートパイプを置き、ヒートパ
   イプの加熱部を被測定物に、また温度センサをヒートパ
   イプ内部の飽和蒸気に接触させることを特徴とする温度
   計測法。