JPS61796A

JPS61796A - 原子炉の破断検出方法

Info

Publication number: JPS61796A
Application number: JP59119942A
Authority: JP
Inventors: 孝志池田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1984-06-13
Publication date: 1986-01-06

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、原子炉の冷却材喪失事故時に破断した配管と
破断面積の検出方法に係シ、特に事故のインストラクシ
ョンシステム等に供するに好適な原子炉の破断検出方法
及びその装置に関する。

〔発明の背景〕

従来の沸騰水型原子炉非常用炉心冷却系の構成を第７図
に、作動条件を第８図に示す。原子炉炉心１０１の発生
熱をタービン１０５に輸送する配管、あるいは環流水の
通過する配管等１０３に破断が生じると（冷却材喪失事
故）、冷却材が流出し、原子炉圧力容器ｉ内の水位は低
下する。さらに、原子炉１０１はスクラムし、ウランの
核分裂反応はと捷る。しかし核分裂生成物の発熱（崩壊
熱）は引続き生ずる。原子炉圧力容器１内の圧力及び水
位はさらに低下し、同容器ｌを格納する格納容器１０４
内の圧力は上昇する。第２図に示すように、原子炉圧力
容器１内の水位が通常水位から、スクラム水位をへて、
低水位寸で下がると、水位計２９（第１図参照）が検出
して、放射性物質の漏洩を防止するため、主蒸気隔離弁
１０６が閉じる。同時に、原子圧力容器ｌの減圧と、崩
壊熱発生及び冷却材減少に起因する炉心１の燃料棒温度
の上昇緩和を目的として、高圧炉心スプレィ１０７が電
源である非常用ジーゼルの始動時間（約３０秒）の後、
炉心１０１への注水を開始する。さらに原子炉圧力容器
１内の水位が低々水位まで下がり、水位計２９が検出す
ると、格納容器１０４の圧力高信号との積論理で、原子
炉圧力容器１の減圧を目的として、自動減圧系の弁１０
８が作動し、原子炉圧力容器１内の蒸気をサプレッショ
ンプール１０９に逃し、圧力を低下させる。

原子炉圧力容器１の圧力がさらに低下すると、燃料棒の
スプレィ冷却及び冠水冷却を目的として、低圧炉心スプ
レィ１１０及び低圧炉心注水系１１１が作動し、原子炉
炉心１０１への冷却材注入を開始する。

以上、述べたように、第２図に示す現行の非常用炉心冷
却系の作動条件は破断配管の種類、破断面積の大小によ
らず一定である。また、原子炉の水位計２９あるいは格
納容器の圧力計１１２は破断発生の有無のみを検出して
いるだけであり、事故後のプラント操作上、貴重な情報
である破断面積あるいは破断配管のｆＭ類等は検出して
いない。

沸騰水型原子炉非常用炉心冷却系の構成については、東
京亀力株式会社［福島第二原子力発電所原子炉設置許可
申請■、（１号原子炉施設）本文及び添付書類、昭和５
７年５月現在」に詳しく記述されているが、破断検出の
技術課題に関する記述はない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、原子炉の冷却材喪失事故時に原子炉圧
力容器の圧力計オたけ水位計の信月をもとに、破断配管
及び破断面積ｆ：検出する原子炉の破断検出方法及びそ
の装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

冷却材配管に破断が生じ、高温・高圧の原子炉圧力容器
から冷却材が流出する過程（ブローダウン過程）の圧力
容器内の圧力ｐ及び冷ノ、Ｉ］利質１ｉ’Ｌ　Ｍの変化
は次式で与えられる。

但し、ｔ：時間、Σｑ１．：単位時間単位時間当主率、
Ｕ：冷却材の単位質量当υの内部エネルギー、Ｖ：圧力
容器内の冷却材の平均比体積、ＡＢ：破断面積、Ｇｃ：
臨界質量速度、）ｉｏ（ｏｕｔ）　　’破断口から流出
する冷却材の全エンタルピである。

式（１）において右辺第１項中のΣｑ　＋　−／　Ｍは
単位時間当たシ、圧力容器内で発生する全熱量Σｑ＋ｍ
を冷却材の質量Ｍで割って、熱発生にともなう冷右辺第
２項のＡ　ｍ　Ｇ　ｃは単位時間当だ夛の破断口からの
流出流量を表し、（ｈｏ（。ｕｔ）　　Ｕ）　　はこの
冷却材流出にともなう正味のエネルギー減少量を意味す
る。よって、ＡｕＧｃ　（）Ｉｎ（、ｕｔｌ　−Ｕ　Ｉ
は県位時間当たり圧力容器から流出するエネルギー流出
している。

右辺第３項は、同様にＡ　ａＧ　ｃ　Ｖが単位時間当た
かけて、体積流出にともなう圧力降下量時間゛あたりの
破断口からの流出流量Ａ　ｓ　Ｇ　ｃに等しいことを表
している。

各変数を基皐値（初期値）で規格化した変数、すなわち
、１）／ｐｎ　＝１）’　、　ｔ／ｌ（１＝ｔ’　、　Ｇ
ｃ　／Ｇｃｏ　＝Ｇｃ、’　。

０１０ｏ　＝０’　＋　Ｉｔｏ（ｏｕｔ）／　Ｕｎ　＝
聾（ｏｕｔ）　、　ｖ／　Ｉｌｏ：：　ｖ’。

Σｑ＋−／（ΣＱＩＩＩＩＱ−Σｑ？Ｉｌ　　　　　　
　・・・・・・・・・・・・（３）を変数にとり、式（
１）、（２）を変形すると以下のよう、になる。

・・・・・・・・・・・・（６）ｇ　（ｐ’　）　＝−ＧＩｃｖ／２　　　　　　　・・
・・・・・・・・・・・・・・・・（７）（Σｑ１β）
０ π０＝　　　　　−・・・・・・・・・・・・・・・・
・・（９）ＵｎＡＩＩＧｃ。

但し、■は圧力容器容積である。また、導出ではＭ　＝
　Ｖ　／　ｖの関係を用いた。圧力ｐ′の関数であるｆ
（ｐ’　）、　ｇ（ｐ’　ｌ、及びｈ（ｐ’）は冷却材
の物性値にのみ依存しており、同一冷却材を同一の初期
条件からブローダウンさせる場合、すなわち、定格運転
状態の原子炉に配管破断が生じてブローダウンする場合
は破断面積Ａ１１の大小によらず同じになる。ｆ（ｐ’
　）、　ｇ（ｐ’　）、及び旧ｐ′）の評価結果を、破
断配管から液相、気相、及び気液二相冷却材が流出する
場合ＣＧ　’ｃ及びｈｎ（ｏｕｔ）が各流出状態で異な
る）について、第９．１０、及び１１図に示す。づらに
、ＣΣｑ＋ｆｆ１）’は破断後２０秒間を除けばほぼ一
定であり、原子炉の定格出力にのみ依存み依存して変る
ことになる。式（９）、αＯにおいて、一つの原子炉に
注目する場合、（Σｑ＋ｅ）。＋　Ｕｎ　＋ｖｏ及び■
は、破断配管、破断面積によらず−ボであシ、 πｏｏｅ　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・・
・・・（ｌυＲＧＣ１１ｆ　″”　ＡＩＩＧｃｏ　ｔ　　　　　　　　−−−−
−−・・−−−−（３２となる。したがって、式（４）
、　（５）は次式で与えられる。

但し、ｆ′ω）＝　Ｃｔ　ｆ　（ｐ’）　、　ｇ’ω）＝　Ｃ
２ｇ　（ｐ’）　。

ｈ′ω）＝Ｃ３ｈ　（ｐ’）　　　　　　　　　　　・
・・・・・・・・・・・・・・θ〜ＣＩ、Ｃ２＊　０３
は各原子炉に固有の定数である。

弐〇３は、冷却材喪失事故（すなわち配管破断）発生後
の圧力変化を表している。また、ｖ＝ｙで圧力容器容積
Ｖが一定なので、比体積Ｖは冷却材質量Ｍに反比例する
関係があシ、式α４は冷却材の質量変化を表している。

きらに、式（２）、α→において、ｈ’　（ｐ）＋　ｆ
′ω）、及びｇ’（ｐ）は冷却材の物性値、物性値は圧
力ｐとともに変るので、圧力ｐのみの関数であり、あら
かじめ判っている関数である。

さらに、Ｇｃｏは破断配管が判れば、気相流出か液相流
出かどうかが判り、推定できる量である。したがって、
原子炉圧力容器の圧力変化あるいは冷の未知数ＡＩを検
出できることになる。

破断面積ＡＩ！が一定の場合で、気相冷却材流出及び液
相冷却材流出時の圧力ダ化を７Ｆ、１２図に示Ｔｏ′Ａ
相冷却材流出は、原子炉圧力容器上部の気相冷却材が占
有している′線域に接続Δれている配管の破断に相当す
る（気相破断）。また、液相冷却材流出は、圧力容器中
間部あるいはＦ部の液相冷却材占有領域に接続されてい
る配管の破断に相当する（液相破断）。液相破断では、
時間とともに冷却材が流出し圧力容器内の水位が低下し
て、破断配管が露出すると、気相冷却材流出にかわる。

第９図、第１０図に示すｆ　（ｐ’）　、　ｇｆｐ’＞
の大小から判るように、なので、破断配管は露出すると、圧力・質量変化は、圧
力について第１２図に示すように急変する。

添字ｔは液相流出を、Ｖは気相流出を示す。また、この
急変時の残存質量Ｍは接増配管の高さに依存し、各配管
でそれぞれ固有の値をとる。一方、急変時の炉圧ｐも、
式θ１．（Ｌ４）で与えられる関係から、残存質量Ｍと
１対１の対応関係があるので、各配管に固有の値をとる
。（厳密圧は、式（２）でｈ　’　（ｐ）にＡｌｌか乗
１〕ていないので、破断面積によって、固有のｐの値は
ばらつく゛。しかし、ｈ（ｐ勺自体の値はＡ　ＢＧｃ　
ｎ　ｆ　’（ｐ）の値と比べて小さく、このばらつきは
小さい。）したがって、原子炉圧力容器の圧力計あるい
は水位計から、圧力あるいは水位（すなわち冷却材質量
）の変化を測定すれば、各変化の変曲点の有無及びその
時点の圧力あるいは残存質量から破断配管を検出できる
ことになる。

〔発明の実施例］以下、本発明の実施例１を第１図及び第２図１よシ説明
する。原子炉圧力容器１の圧力計２の計測信号は、フィ
ルター４で変動成分が除去される。

同信号は分岐はれ、一方は遅延回路５をへて、他方とと
もに減算器６へ入力され、Δｐを求める。

信号発生器７は、遅延回路５の遅延時間Δｔに比例する
信号を発生し、除算器８でΔｐ／Δｔ１す一方は遅延さ
れ、他方ととも１１こ、減算器１０に入’ｙｙａれる。

減算処理結果は、所定レベルの１≦号を発生する１ｄ号
発生器１１からの１３号と比較器１２−ト素子１３に入
力し、圧力計２の計測信号を演算回路１５に入力される
。演算回路１５は、とりこんだ原子炉圧力と対応する破
断配管の対応表を内蔵する記憶素子１４を参照して、破
断配管を検出する。演算回路１５の破断配管識別信号は
分岐され、一方は、関数発生器１６に入力される。関数
発生器１６ｒｆｉ、破断配管の識別信号に応じて、破断
配管露出後の気相流出に対応するＧｃｎを出力する。第
２図は本実施例の後半部を示し、■、■。

■は第１図のそれらに接続でれていることを表している
。臨界買置速度Ｇｃ６の信号は分岐され、一方はゲート
１６号としてゲート素子１７に入力され、原子炉圧力計
２の計測信号をフィルター１８に入力させる。フィルタ
ー１８で変動成分が除去された圧力計の計測信号は、分
岐され、遅延回路１９、減算器２０、信号発生器２１、
及び除算器２２で、箭と同様に圧力変化９　が求められ
、演算回路ｉ２５に入力される。圧力計の計測信号（フィルター１８
の出力信号）は、関数発生器２３．２４に参照信号とし
て入力される。関数発生器２３゜２４はそれぞれ炉圧ｐ
に対応した１１′ω）、ｆ’（ｐ）を発生させ、演算回
路２５に出力する。演算回路２５では、式α場から導出
できる次式、ｐＡ＊＝Ｉｈ’（ｐ）　−ｍ−）／Ｇｃ６ｆ’（ｐ）　　
　　−旧、、、、、α樟ｉの演算を行い破断面積ＡＢを検出する。破断面積ＡＢの
検出信号は、破断配管の識別（検出）信号とともにディ
スプレイ２６に入力され、表示される。

以上、本発明によれば、圧力計単独で破断配管及び破断
面積を検出できる効果がある。

第３図は、本発明の第°２の実施例の前半部を示す。原
子炉圧力容器１に設置されている水位計２９の計測信号
を第１の実施例と同様に処理して、破断配管と破断面積
全検出する。水位計３０の計測信号は演算回路３０で圧
力容器断面積及び冷却材の密度をかけて、冷却材質量Ｍ
に変換後、フィルター３１で変動成分が除去され、遅延
回路３２、減算器３４、信号発生器３３、及び除算器３
５で３６、減算器３７、信号発生器３８、比較器３９の
急変時刻の、圧力容器１内の成苗水量がゲート素子４０
をへて、演算回路４１にとりこまれる。

記憶素子４２は、冷却材質量変化急変時の残存水量と破
断配管の対応表を内蔵している。演算回路４１は、入力
された残存水量をもとに、記憶素子４２の対応表を参照
して破断配管を検出し、配管の識別信号を出力する。演
算回路４３は、同識別信号及び残存水散信号並びに残存
水量と原子炉圧力の対応表を内蔵する記憶素子４４をも
とＫ　１Ｇｃ　。

を求め出力する。第４図は実施例２の後半部を示し、■
、■、■は第３図のそれらに接続嘔れることを表す。Ｇ
ａ４の信号は分岐され、一方はゲート素子５０に入力は
れ、残存水量Ｍの信号を通過させる。同信号はフィルタ
ー５１をへて、遅延回路５２、減算器５３、信号発生器
５４、及び除算器れる。フィルター５１を通過した残存
水量Ｍの信号は演算回路５６に入力される。演算回路５
６では同信号と、記憶素子５７中の残存水量と原子炉圧
力の対応表ヲ診照し、ｇ／／ω）を求め出方する。

演算回路５８では、式ａ＜から導出できる次式をもとに
、破断面積ＡＨを検出する。破断面積Ａ１１の信号及び
破断配管の識別信号はディスプレイ５９に入力され表示
される。

以上、本実施例によれば原子炉圧力容器に設置されてい
る水位計単独で破断配管及び破断面積を検出することが
できる。

第５図は本発明の第３の実施例の前半部を示す。

原子炉圧力計２の計測信号は、フィルター６０゜遅延回
路６１、減算器６２、除算器６３、信号発生器６４、遅
延回路６５、減算器６６、比較器６７、信号発生器６８
により、第１の実施例と同様にして、圧力変化の急変が
検出される。、１五力変化の急変、すなわち破断配管の
露出が生じると、水位計２９の計６（１ｊ信号は演算回
路７ｏで残存水量に変換され、ゲート素子６９をへて、
演算回路７１、関数発生器７２により、第２の実施例と
同様に破断配管が検出至れる。第６図は、第３の実施例
の後半部を示踵＠、■、■は第５図のそれらに接続され
ていることを表す。演算回路７１から出力される破断配
管の識別信号（＠）は、ゲート素子７３をひらき、圧力
計２の計測信号（■）を通過させる。同信号をもとに、
遅延回路７６、が求められ、演算Ｉ１路８０に人力され
る。また、記憶素子８１、演算回路８２ではｆ　’　（
ｐ）が、記憶素子８３、演算回路８４ではｈ　’　（ｐ
）　が計算される。

さらに演算回路７４では原子炉圧力をもとにＧｅｅが計
算される。以上の入力信号をもとに演算回路８０は式α
槌より破断面積を求めディスプレイ８５に出力する。デ
ィスプレイ８５は、破断配管名及び破断面積を表示する
。

以上、本実施例によれば、原子炉圧力計及び水位計をと
もに用いるので、検出装置としでの信頼性は低下するが
、確度の高い破断検出方法を提供できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、原子炉の冷却材喪失事故に、原子炉圧
力容器の圧力計または水位計ケそれぞれ・単独で、ある
いけ両者を組合せて破断配管及び破断面積を検出できる
ので、非常用炉心冷却系の作動条件を破断様式に応じて
最適化でき、原子炉をより安全に冷温停止状態にもって
いくことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図は本発明実施例のブロック図、第７図
は従来実施例の配管系統図、４３８図は従来実施例のブ
ロック図、第９図から第１２図はグラフである。１・・・原子炉圧力容器、２・・・圧力計、３・・・破
断口、４・・・フィルター、５・・・遅延回路、６・・
・減算器、７・・・信号発生器、８・・・除算器、９・
・・遅延回路、１０・・・減算器、１１・・・信号発生
器、１２・・・比較器、１３・・・ゲート素子、１４・
・・記憶素子、１５・・・演算回路、１６・・・関数発
生器、１７・・・ゲート素子、１８・・・フィルター、
１９・・・遅延回路、２０・・・減算器、２１・・・信
号発生器、２２・・・除算器、２３・・・関数発生器、
２４・・・関数発生器、２５・・・演算回路、２６・・
・ディスプレイ、２９・・・水位計、３０・・・演算回
路、３１・・・フィルター、３２・・・遅延回路、３３
・・・信号発生器、３４・・・減算器、３５・・・除算
器、３６・・・遅延回路、３７・・・減算器、３８・・
・信号発生器、３９・・・比較器、４０・・・ゲート素
子、４１・・・演算回路、４２・・・記憶素子、４３・
・・演算回路、４４・・・記憶素子、５０・・・ゲート
素子、５１・・・フィルター、５２・・・遅延回路、５
３・・・減算器、５４・・・信号発生器、５５・・・除
算器、５６・・・演算回路、５７・・・記憶素子、５８
・・・演算回路、５９・・・ディスプレイ、６０・・・
フィルター、６１・・・遅延回路、６２・・・減算器、
６３・・・除算器、６４・・・信号発生器、６５・・・
遅延回路、６６・・・減算器、６７・・・比較器、６８
・・・信号発生器、６９・・・ゲート素子、７０・・・
演算回路、７１・・・演算回路、７２・・・関数発生器
、７３・・・ゲート素子、７４・・・演算回路、７６・
・・遅延素子、７７・・・減算器、７８・・・除算器、
７９・・・１Ｈ号発生器、８０・・・演算回路、８１・
・・記憶素子、８２・・・演算回路、８３・・・記憶素
子、８４・・・演算回路１．８５・・・ディスプレイ、
１０１・・・原子炉炉心、】０３・・・冷却材配管、１
０４・・・格納容器、１０５・・・タービン、１０６・
・・主蒸気隔離弁、１０７・・・高圧炉心スプレィ、１
０Ｂ・・・自動減圧系、１１Ｏ・・・低圧炉心スプレィ
、１１１・・・低圧注水系、１１２・・・圧力計。

Claims

【特許請求の範囲】１、原子炉１次系配管破断時において、原子炉圧力変化
をもとに破断配管及び破断面積を検出することを特徴と
する原子炉の破断検出方法。２、特許請求の範囲第１項において、原子炉圧力変化率
の急変時での炉圧をもとに破断配管を検出することを特
徴とする原子炉の破断検出方法。３、特許請求の範囲第１項において、原子炉圧力変化率
の急変時での原子炉圧力容器残留水量をもとに破断配管
を検出することを特徴とする原子炉の破断検出方法。４、特許請求の範囲第１項において、原子炉圧力の変化
率及びあらかじめ定めた原子炉圧力の関数をもとに破断
面積を検出することを特徴とする原子炉の破断検出方法
。５、特許請求の範囲第１項において、原子炉水位（残存
水量）変化をもとに破断配管及び破断面積を検出するこ
とを特徴とする原子炉の破断検出方法。６、特許請求の範囲第５項において、原子炉水位（残存
水量）変化率の急変時での水位（残存水量）をもとに破
断配管を検出することを特徴とする原子炉の破断検出方
法。７、特許請求の範囲第５項において、原子炉水位（残存
水量）変化率の急変時での原子炉圧力をもとに破断配管
を検出することを特徴とする原子炉の破断検出方法。８、特許請求の範囲第５項において、原子炉水位（残存
水量）の変化率及びあらかじめ定めた原子炉圧力の関数
をもとに破断面積を検出することを特徴とする原子炉の
破断検出方法。９、特許請求の範囲第８項において、残存水量から対応
する原子炉圧力を求め、同圧力をもとにあらかじめ定め
た原子炉圧力の関数を求めて破断面積を検出することを
特徴とする原子炉の破断検出方法。