JPS6046373B2 - 伝熱管漏れ位置検出方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般にナトリウム冷却原子炉に用いられる液
体金属一水伝熱管型熱交換器の伝熱管漏れ位置の検出方
法および装置に関するものである。

本発明によれば、伝熱管外部に不活性気体が導入される
ので、伝熱管内部の低圧との間に伝熱管内外で圧力差が
形成される。

伝熱管は加熱されて反応生成物を解離させ分離させ、こ
れを分析してどの伝熱管に欠陥ゐくあるかを知る。本発
明の伝熱管漏れ位置検出方法および装置は、液体金属一
水伝熱管型熱交換器と共に用いられ、欠陥伝熱管の位置
およびその伝熱管内の欠陥の正確な位置を検出するもの
である。

液体金属冷却原子炉の設計および運転に於ける主な関心
事は、蒸気発生器に漏れが生じ、或る系の液体金属が蒸
気系の水および蒸気と混合される可能性てある。

本発明の関する蒸気発生器は、液体金属系から蒸気系の
水に熱を伝達する熱交換器の一種である。蒸気発生器の
漏れにより起こる激しい液体金属一水反応は、漏れ部近
傍の金属製伝熱管を急速に腐食し侵食させる。相当な規
模の液体金属と水との混合が起つた場合には、衝撃波伝
播により蒸気発生器全体および直接接続された系統の他
の部分に損傷を与える可能性もある。従つ．て損傷の拡
大を避けるためには、どんな漏れであつても発見し隔絶
することが必要である。水および蒸気の混合体と液体金
属系との間の漏れを全体ととして検出するオンライン監
視技術は数種ある。

これら技術は大部分液体金属系中の水！素濃度の増大あ
るいは酸素濃度の増大を検出するものである。充分な水
素、酸素あるいは他の監視を用いれば、これら技術によ
り漏れの発生している特定の蒸気発生器を隔絶できる。
しかしながら、これらのオンライン技術はいずれも、漏
れのく存在する特定の伝熱管、伝熱管群あるいは欠陥の
伝熱管内の特定の位置を検出することはできない。これ
らのシステムの感度は、水の漏れ量で４．５×１０−５
ｋ９／Ｓｅｃ乃至４．５×１０−６ｋｇ／Ｓｅｃ（１０
−４′ｂ／Ｓｅｃ乃至１０−５ｅｂ／ＳｅＣ）程度であ
る。漏れが検出されると、原子子炉プラントをシヤツト
ダウンし、一本あるいは複数本の漏れのある伝熱管を発
見し、修理せねばならない。しかしながら、原子炉運転
中には、小リークは自己回復性となり、反応生成物が固
化して漏れ部が閉塞される。この自己回復性のために、
漏れ位置検出方法として伝熱管管壁を貫通した開口の存
在を前提とすることはできない。ノ 従て本発明の目的
は、閉塞された漏れをも発見できるナトリウムー水熱交
換器の伝熱管漏れ位置検出方法および装置を提供するこ
とである。

この目的のために、本発明は一方の表面に液体金属が接
触し、他方の表面に水が接触する複数の伝熱管を有し、
漏れ部による上記液体金属および上記水の混合により上
記漏れ部に反応生成物が生成される液体金属一水伝熱管
型熱交換器に於ける伝熱管漏れ位置検出方法に於て、上
記伝熱管の外表面に不活性気体を導入し、上記伝熱管の
内表面側を低圧として上記伝熱管の管壁内外に圧力差を
形成し、上記伝熱管の管壁に漏れがある場合に上記反応
生成物が破砕し上記伝熱管内の上記不活性気体と混合す
る温度に上記伝熱管を加熱し、漏れの表示として上記伝
熱管内の上記不活性気体を上記反応生成物について分析
することを特徴とする伝熱管漏れ位置検出方法に在る。
固体の反応生成物の解離は３１５℃を越える温度では急
速に行なわれ、反応生成物と不活性気体との混合物の一
部は、伝熱管管壁内外の圧力差により伝熱管内表面側に
急速に運ばれる。

質量分光計等の市販の化学分析装置は、これらの反応生
成物の検出に必必要な範囲の能力を備えている。本発明
の伝熱管漏れ位置検出装置は熱プローブであつて、伝熱
管の内表面に沿つて移動して伝熱管を局部的に３１５℃
を越える温度に加熱する。或る時刻での熱プローブの位
置が判かるように熱プローブを伝熱管に挿入し、同時に
化学的分析を行なえば、欠陥の位置が求められる。伝熱
管の外側から検査するためにも同様の装置が使用できる
。次に添附図面に示す本発明の実施例に沿つて本発明を
説明する。第１図には、Ｊ字形の液体金属一水熱交換器
が示されており、液体金属１０は液体金属人口ノズル１
２から水平に熱交換器に入り、下方に流れ、熱交換器下
部で１８００回わり、短脚部を上方に流れ、液体金属出
口ノズル１４から水平に出る。

液体金属の流れ１０は伝熱管１６の外表面の周囲、かつ
伝熱管支持流れ邪魔板１８の開口を通つて流れる。水お
よび蒸気混合物２０は熱交換器の短脚部に垂直に水およ
び蒸気入口ノズル２２から入り、液体金属１０と反対方
向に、即ち先す下部管板２４の穴２３を通り、次に伝熱
管１６内部、上部管板２６の穴２３を通り、飽和蒸気あ
るいは過熱蒸気となつて垂直に蒸気出口ノズル２８から
出る。第１図には又、非常時には破壊する破壊板ノズル
３０、熱交換器から液体金属を抜き出すナトリウムドレ
インノズル３２および荷重を支持構造に伝える支持装置
３４が示されている。図示の熱交換器は熱エネルギーを
液体金属から水および蒸気混合物に伝え、タービン発電
機を駆動する蒸気を発生する。第２図に示す如く、通常
の液体金属一水熱交換器には、普通数百本の複数の伝熱
管１６がある。

伝熱管１６の管板２４および２６に接触する部分を含む
伝熱管１６に漏れが起ると、漏れの存在は原子炉運転中
に様々な方法により検出できるが、その大部分は液体金
属中の水素あるいは酸素濃度の増大を検出するものであ
る。充分な水素あるいは酸素監視が利用できれば、これ
らの技術で漏れのある特定の熱交換器を融離できるが、
漏れのある特定の伝熱管１６は検出できない。本発明は
特定の漏れのある伝熱管１６およびその伝熱管１６内の
漏れの特定の位置を検出する方法を提供するものである
。この実施例に於ける発明は、漏れ部−で接触した時の
水および液体金属の化学反応に基づいたものである。特
に、３１５℃を越える温度の液体ナトリウムを含む冷却
材を用いる系に於ては、主な反応生成物はＮａ２Ｏ、水
素およびＮａＨである。３１５℃以下ではＮａＯＨの生
成が主であつ．て、Ｎａ２Ｏ，ＮａＯ，ＮａＨおよび水
素も又生成される。

これらの反応生成物は全て、様々な程度に液体ナトリウ
ムに対して可溶性であり、それらの溶解度は一般に温度
の上昇と共に増大する。更に、Ｎａ２ＯあるいはＮａＯ
に水が加えられると、特に低−温で、体積の増大と共に
ＮａＯＨが生成される。反応生成物のこのような特性の
ために、小さな漏れは少なくとも間欠的に自己回復する
傾向にある。従つて反応生成物が漏れ周囲に蓄積し、漏
れ位置での液体金属流速を減少させせ、伝熱管管壁温度
を低下させ、これら全てがより多くの反応生成物を蓄積
させ、既に蓄積された反応生成物を膨張させた漏れを閉
塞する。しかしながら、反応生成物は全て脆く、時間の
経過と共に溶解し、やがて漏れは新たな勢いで突然再び
始まる。従つて、どんな漏れでも検出して直ちに修理し
なければならない。さもなければ、激しい液体金属一水
反応が、漏れのある伝熱管１６および近傍の伝熱管を急
速に侵食し腐食する。漏れが大きいと、蒸気発生器全体
および他の配管等の関連機器が、衝撃波の伝播により更
に破損する。漏れが検出されたときの通常の操作手順は
先ず熱交換器を冷却させることである。

本発明を構成する第１の工程は、熱交換器から液体金属
および水を抜き出すことてあり、こうして液体金属およ
び水が反応して上述の固体反応生成物が伝熱管１６の漏
れ部に生成される。この抜き出しは、液体金属の固化の
可能性のためにプラント停止する場合には標準の手順と
して一般にこの分野に受け容れられている。次の工程は
ヘリウム等の不活性気体を伝熱管外側面に導入すること
である。ここでは１不活性気体ョの言葉は、ナトリウム
あるいはナトリウムー・カリウム混合物に対して不活性
の気体（最も一般的にはヘリウム）を意味する。次の工
程は、伝熱管１６の外側圧力よりも内側圧力が小さいよ
うに伝熱管管壁内外に圧力差を形成することである。こ
れは、伝熱管１６の内表面側に直空を形成して、あるい
は伝熱管１６の外表面に不活性気体を圧力下に導入して
、あるいはこの両方を組合わせることにより行なわれる
。このためには伝熱管１６に封止装置が必要であり、封
止装置は普通、上部管板２６あるいは下部管板２４上の
伝熱管１６の一端に設けられ、伝熱管１６の他端の真空
路に結合されている。運転停止中は、管板部分は放射線
あるいは温度の影響が相対的に無く、従つてこの封止装
置は、一端に設けたゴム栓と他端て真空路が通るゴム栓
とで良い。圧力差は反応生成物一不活性気体混合物を、
加熱後に伝熱管１６に導入する作用をする。圧力差は又
、漏れ部から反応生成物を除去して化学的含有物を分析
する装置に移行させる作用もすることもある。伝熱管１
６内外の圧力差は、不活性気体が他の方法で伝熱管１６
の漏れ部を通過する場合には必要ない。ヘリウムは単原
子性であり、漏れ部を通つて拡散し、他の気体は充分に
大きな漏れ部を通過する。伝熱管１６内は純正かつ清浄
に保たねばならぬので、ヘリウムよりも重い他の気体を
伝熱管内に導入することができる。普通アルゴンを用い
る。伝熱管内の物質の化学的含有物を分析するのに、検
出する最も普通の生成物は熱交換器に於てはナトリウム
であるが、これは熱交換器では通常運転中、伝熱管１６
の外表面にはナトリウムがあり、伝熱管１６の内表面に
は水および蒸気があるからである。他の化学物質、例え
ば伝熱管１６の外表面に導入された不活性気体も検出で
きる。この方法の最も重要な工程の一つは、伝熱管１６
を反応生成物が解離する３１５℃を越える温度に加熱す
ることである。この工程は、後に説明する如く、順に個
々の伝熱管１６について行なわれ、あるいは充分な分析
装置を用いれば或る群の伝熱管１６あるいは全ての伝熱
管１６について同時に行なうこともできる。経済的理由
から、最も可能性の高い方法は、各伝熱管を順に分析し
、質量分光計等の化学分析装置を一つ用いることであろ
う。後に説明する熱プローブを使用すれば、特定の漏れ
のある伝熱管を検出できるだけでなく、特定の漏れ位置
も検出できる。これは、３１５℃を越える温度に加熱さ
れたときに反応生成物が解離する速度によるものである
。ここに説明する熱プローブは、毎分約２５ｃｍの速さ
で伝熱管１６の内部を走行し、伝熱管１６を局部的に３
１５℃に加熱して反応生成物を解離させるのに完全に適
切なものである。第３図は、第１図の熱交換器の一本の
伝熱管１６を示し、伝熱管１６は両端で上部管板１６お
よび下部管板２４により限定されている。第３図には又
、管板上の封止装置、即ち上部管板２６上のゴム栓３６
と、貫通すする真空路４０を有するゴム栓３８とがある
。真空路４０伝熱管１６内の内容物を分析装置４２に移
送する作用をし、分析装置４２は線４６により真空ポン
プ４４の下流側あるいは上流側に接続してある。第４図
は第３図の熱プローブの拡大図であり、抵抗線４８が非
導電性コア５０に巻回された実施例を示す。抵抗線４８
およびコア５０は、反射面５６を有する上部円板に結合
材５４により固着された反射面５２を有する円板により
、その下部を囲まれている。上部反射面５６はコア５０
および抵抗線４８の上方に在る。可撓性ケーシング５８
は、一端が抵抗線４８に接続され、他端が遠くの電源に
接続された電力線６２を収容している。図示してないが
結合材５４にコア５０を取付ける装置が設けてある。こ
うして抵抗線４８が伝熱管管壁に直接接触しないように
してある。第４図に、又、伝熱管管壁温度が適当な温度
（３１５℃）に保たれるようにするのに用いられる温度
表示装置６６が示されている。コア５０および抵抗線４
８を小型の石英ランプで置換えた場合にも同様の熱プロ
ーブが使用できる。熱プローブを挿入するのは、手によ
る挿入を含む様々な手段でできる。渦電流技術と普通に
用いられ、又本発明に直接使用できるものは、熱プロー
ブ位置を直接読み取る装置と組合わされた駆動電動機で
あり、また熱交換器から外されたとき熱プローブおよび
可撓性ケーシングを保持し収納するためのスプールを備
えていても良い。熱プローブの設計パラメーターは二つ
の基本条件を満たさねばならない。即ち、（１）熱プロ
ーブ外径は伝熱管１６の内径に合うものでなければなら
ない、（２）熱プローブは所定速度で伝熱管管壁を局部
的に約３１５℃に加熱するのに充分なエネルギーを発生
しなければならない。伝熱管の内径は一般に約１９Ｔ１
ｒ１ｎ（約３／４１ｎ）であり、熱プローブの幅に関し
て問題は無い。熱プローブは又、最少限の摩擦で最小の
曲率半径の１８００の伝熱管曲げ部を通るように充分に
短かくする。同様の方法を用いて、割り込み形の介在熱
伝達材料により分離されたバヨネツト管を備えた蒸気発
生器の伝熱管漏れを検出することができる。

この場合、装置は第５図に示す如く、管板によソー端の
支持された二重管のバヨネツト管７０の外部を移動する
。蒸気発生のためには、管板は蒸気発生器の両端、即ち
頂部および底部に一つづつある。蒸気発生器は伝熱管の
支持されてない端が保守のために露出できるように着脱
式である。各伝熱管の間には、取外した状態で、約２．
５Ｃ７Ｆ！（約１１ｎ）の間隔があり、本発明の装置を
使用するのに充分な周囲空間がある。もつとも、この間
隔は管束内の伝熱管の数が多いので目視による精密な検
査をするには充分ではない。この実施例は、液体金属の
大きな表面張力により伝熱管７０内のナトリウムが漏れ
部即ち欠陥を充填することに基づいたものである。伝熱
管７０が冷却されると、ナトリウの一部は管壁厚さに亘
つて欠陥部内に残る。又、ナトリウムの固体析出物も伝
熱管管壁の外表面に残る可能性も大きい。介在媒体が鉛
一ビスマス混合物等の他の液体金属である場合には、漏
れたナトリウムと介在媒体との合金が漏れ部部に固体析
出物を形成させそこに残す。いずれの場合でも、第５図
に示す装置を用いてナトリウム含有析出物を検出できる
。本発明の装置は、管状体７６、加熱コイル７８、絶縁
体７９および端板８０を備えている。

更に、封止部材７４、反射面７５および温度表示装置７
７を備えていても良い。動作時には、装置を所定の速さ
で試験する伝熱管の外表面に沿つて動かす。又試験する
一本あるいは複数本の伝熱管の長さ全体に置くことんで
きる。従つて、装置は少なくとも検査する伝熱管と同じ
長さでなければならない。封止部材７４は、使用される
検出システムに最適であるので、伝熱管７０の表面に対
して気密シールあるいは部分シールを形成する。封止部
材７４は、局部的大気の漏れが検出しようとする元素の
検出を妨げないので、必ずしも使用しなくとも良い。端
板８０は管状体に永久的に固着しても、あるいは公知の
ねじ装置等により着脱可能に取付けても良い。端板８０
は単に電気リード線８６および真空路即ち吸込路８４の
通路を有していれば良い。抵抗線コイル７８、あるいは
小型ランプ等の他の加熱装置は、短かいコイル７８の場
合には伝熱管７０を局部的に加熱し、また長いコイルの
場合には伝熱管７０を全長に亘つて加熱する。磁器材料
等の絶縁体７９および非酸化性熱反射面７５をコイル全
長に亘つて使用することもできる。この熱は析出物を蒸
発させ、あるいは伝熱管管壁の欠陥内のナトリウムを放
出させる。熱電対７７を用いて伝熱管壁温度を表示でき
る。装置の内部８２に吸込路８４から僅かな真空あるい
は吸込をかけることにより、上述の如く、ナトリウム、
鉛−ビスマスあるいは他の介在媒体即ちヘリウムについ
て雰囲気を分析できる。この装置は又、水の流れる伝熱
管７０に用いて、水素、酸素、ヘリウムあるいは介在媒
体の痕跡量を検出することもできる。伝熱管は蒸気発生
器から取外す前に排出されるので、伝熱管漏れ部から検
出できるアルゴンあるいはヘリウム等の不活性気で満た
すことができる。これらいずれの場合に於ても、先に説
明した約３１５℃の範囲の伝熱管管壁の局部温度は、検
出できる元素を放出するのに充分な温度である。伝熱管
７０の内部をヘリウムで満たすことにより、この装置を
原子炉運転前の漏れ試験を行なうのにも使用できる。こ
の場合、あるいは運転後の漏れ試験の場合、複数の装置
を一時的にあるいは永久的に互いに固着装置により固定
して多数の伝熱管７０を試験するのに使用できる。この
場合、真空即ち吸込路８４を互いに結合して検出装置に
共通の試料を通すことができる。漏れ表示が得られたら
、次に個々の装置を使用して特定の漏れのある伝熱管を
発見することができる。以上の説明から、同様の方法お
よび装置をバヨネツトニ重管型伝熱管に使用できること
が理解される。上述の実施例間の主な相違点は、上述の
内部装置に対して、伝熱管の外部の装置を用いることで
ある。上の説明から多くの変更および変形が可能である
ことが明白である。従つて本発明は上に説明した実施例
に限られるものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的なＪ字形液体金属一水熱交換器の概略断
面図、第２図は第１図の線■−■に沿つた断面図、第３
図は第１図の型の熱交換器の伝熱管を示す概略図、第４
図は伝熱管内の熱プローブ装置を示す第３図の一部の拡
大図、第５図は伝熱管外部で使用される装置の断面図で
ある。 １６，７０一伝熱管、５８，７６一管状体、５２，５６
，７４，８０一封止円板、４８，７８−コイル、６２，
８６一導電線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一方の表面に液体金属が接触し、他方の表面に水が
   接触する複数の伝熱管を有し、漏れ部による上記液体金
   属および上記水の混合により上記漏れ部に反応生成物が
   生成される液体金属−水伝熱管型熱交換器に於える伝熱
   管漏れ位置検出方法に於いて、上記伝熱管の外表面に不
   活性気体を導入し、上記伝熱管の内表面側を低圧として
   上記伝熱管の管壁内外に圧力差を形成し、上記伝熱管の
   管壁に漏れがある場合に生成された上記反応生成物が破
   砕し上記伝熱管内の上記不活性気体と混合する温度に上
   記伝熱管を加熱し、漏れの表示として上記伝熱管内から
   の気体試料を上記反応生成物について分析し、上記伝熱
   管の加熱を上記伝熱管内を移動する熱プローブ装置によ
   り行い、同時に上記伝熱管内からの上記不活性気体を分
   析して上記伝熱管の特定の漏れ位置を検出することを特
   徴とする伝熱管漏れ位置検出方法。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の伝熱管漏れ位置検出方
   法に於いて、上記不活性気体がヘリウムであることを特
   徴とする伝熱管漏れ位置検出方法。 ３ 特許請求の範囲第１項あるいは第２項記載の伝熱管
   漏れ位置検出方法に於いて、上記伝熱管が３１５℃を越
   える温度に加熱されることを特徴とする伝熱管漏れ位置
   検出方法。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれか記載の
   伝熱管漏れ位置検出方法に於いて、上記伝熱管の内表面
   側にアルゴン導入することを特徴とする伝熱管漏れ位置
   検出方法。 ５ 特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか記載の
   伝熱管漏れ位置検出方法に於いて、上記伝熱管内からの
   気体をヘリウム含有量について分析することを特徴とす
   る伝熱管漏れ位置検出方法。 ６ 一方の表面に液体金属が接触し、他方の表面に水が
   接触する複数の伝熱管を有し、漏れ部による上記荷体金
   属および上記水の混合により上記漏れ部に反応生成物が
   生成される液体金属−水伝熱管型熱交換器に於ける伝熱
   管の漏れ位置を検出するためのものであつて、上記伝熱
   管内に挿入し得る管状の可撓性ケーシングを備えた伝熱
   管漏れ位置検出装置に於いて、上記管状の可撓性ケーシ
   ングは上記伝熱管内を移動し得るものであり、上記可撓
   性ケーシングが、一端で固着され互いに離間した反射面
   を有する円板と、上記円板間の抵抗加熱コイルとを有し
   、上記抵抗加熱コイルは上記抵抗加熱コイルを附勢する
   電源に接続するように上記抵抗加熱コイルに接続されか
   つ上記可撓性ケーシング内を通つて延びる導電線を有し
   、上記伝熱管に接続できるように分析装置に組み合わさ
   れて上記伝熱管から気体を導く吸引線を備えたことを特
   徴とする伝熱管漏れ位置検出装置。