TWI403700B - 用於沸水式反應爐之水位決定方法 - Google Patents

Description

用於沸水式反應爐之水位決定方法

本發明是有關於一種沸水反應爐水位控制方法，特別是有關於一種沸水反應爐於預期暫態未急停情形下水位無法確定時之水位控制方法。

核能安全在三哩島及車諾比事故後逐漸被重視，許多團體便著手進行模擬電廠在嚴重事故下之表現以預期在發生事故時之現象，藉此能做好預防工作以提供適時之應變措施並確保電廠安全。EOP(Emergency Operation Procedure)即是提供給運轉員在發生緊急事故時，執行動作所參考之依據，運轉員必須根據EOP上的指示來緩和事故並維持電廠之完整性。

制式沸水式反應爐(BWR)，包含內置核燃料爐心之壓力容器，該爐心浸泡於可自核子燃料中移去熱量之諸如水的循環冷劑中。水被煮沸以生成蒸氣，用以驅動蒸氣渦輪發電機以生成電力。蒸氣接著被冷凝，且水液在一閉路系統中回流至壓力容器。管路載送蒸氣至渦輪中，同時將再循環水或進給水載回內含核子燃料之壓力容器。

沸水式反應爐包含數種習知之閉路控制系統，其因應需求控制各種沸水式反應爐之個別控制。譬如，控制棒驅動控制系統(CRDCS)控制反應器爐心內之控制棒位置，因而控制爐心內之棒件數量，其將決定其內之反應活動，同時接著決定反應爐爐心之輸出功率。再循環流量控制系統(RFCS)控制爐心流量率，其改變爐心內之蒸氣/水關係，同時可用以改變反應爐爐心之輸出功率。這些雙控制系統相互搭配工作，俾及時在任何已知點上，控制反應爐爐心之輸出功率。渦輪控制系統(TCS)根據壓力調節或負荷需求，控制沸水式反應爐至渦輪間之蒸氣流量。

這些系統以及其他沸水式反應爐控制系統，利用沸水式反應爐之各種監測參數加以控制。某些監測參數包含：受到再循環流量控制系統影響之爐心流量及流量率，反應爐系統壓力，其為自壓力容器流至渦輪之蒸氣壓力，其可在反應爐圓頂處或在渦輪入口處量測、中子通量或爐心功率、進給水溫度及流量率、供應至渦輪之蒸氣流量率，以及沸水式反應爐系統之各種現況表示。許多監測參數被直接量測，而諸如爐心熱功率之其他參數，使用已量測之參數計算。來自感測器及已量測參數之輸出值，被輸入至一緊急保護系統，用以確保核電廠之安全跳電、視需要將反應爐與外界隔絕，同時防止在任何緊急事件過程中之反應爐爐心的過熱。

反應爐預期暫態未急停(Anticipated Transient Without Scram，ATWS)是指核能電廠發生預期運轉事件達反應爐保護系統(RPS)動作設定，但反應爐保護系統失效無法使反應爐急停。此處所指之預期運轉事件(Anticipated Operational Occurrences，AOO)在核能電廠運轉年限中，預期會發生一次或多次。10CFR 50.62對預期暫態未急停之要求為：增設一套再循環水泵跳脫系統、增設一套替代性插棒系統、增加硼酸濃縮度、增加一套自動注硼系統、及增加一套飼水自動回退系統。台灣核一廠終期安全分析報告(FSAR)15.8節提及電廠針對預期暫態未急停曾在相關設備上作一些改善，並配合適當的運轉操作，以進一步減少預期暫態未急停發生或然率，且減緩預期暫態未急停發生後的結果。

沸水反應爐核能電廠在發生異常狀態時，運轉員依照緊急操作程序書將電廠帶向安全狀態。若電廠在預期暫態未急停下，反應爐控制棒無法插入，造成反應器無法停機，此時反應爐功率隨反應爐水位與壓力變化，水位升高功率也會增加。若在反應器水位無法確定的狀態下，須依據EOP-C4執行反應器灌水，為確定爐心能被水淹蓋，依據程序書須將水位淹灌至主蒸汽管，藉由觀察主蒸汽管是否有水，來確定反應器爐心被冷卻水淹蓋，如第1圖所示。如此可避免反應器裸露無法被水冷卻，而進一步造成爐心損壞。但在預期暫態未急停下，此舉將使反應器功率增加，因而加速圍阻體失效的時間。

電廠現有的緊急操作程序書是根據沸水式反應器業主集團(Boiling Water Reactor Owner Group,BWROG)發行之EPG(Emergency Procedure Guideline)為範本，再依據各個電廠實際狀況與特性編寫而成。其作法是為延緩進入嚴重事故處理指引程序(Severe Accident Guideline,SAG)以及簡化操作程序，程序最後須將反應爐水位淹灌至主蒸汽管直到洩水管有水被測出。但在預期暫態未急停下，水位增加將使反應器功率增加，因而加速圍阻體失效的時間。如何有效監測及控制爐心水位面在反應爐預期暫態未急停情形下的變化，向來是一個業界思考突破的問題。

一個近似的解決方案由美國燃燒工程公司所提出，並揭露於中華民國專利第285740號，請見第2圖。一槽，形成一具有上下區域之室，該槽係與具有一頂部區域及一底部區域之水平管同高度。一上方連接管將管之頂部連至槽之上方區域以供流通，一下方連接管將管之底部區域連至槽之下方區域以供流通。熱接合之熱電耦產生一表示管中之水之信號，此信號由線路傳至一遙控點。

上述發明技術利用連通管原理，能有效知道反應爐內水位並可於遠方監測。然而該法是應用於壓水式反應器中的水位，並非應用於沸水式反應爐；此外，該法主要應用於維修時水位監測，是否能應用於反應爐預期暫態未急停情況，尚不可知。

由於業界針對上述需求所提供之解決方式不多，亦不為有效方案。是故，一種沸水式反應爐在預期暫態未急停下，反應爐心水位的簡便、有效與經濟的預測的方式，仍亟待思之。

本發明係一種改善沸水式反應爐電廠於預期暫態未急停情形下水位無法確定時之水位決定方法，其特色與功效為：

1.　在反應器爐頂或蒸汽管上加裝溫度感測器，監測爐頂溫度及反應爐壓力，即可確定冷卻水位是否覆蓋爐心。

2.　可以遠端進行監控，減少工安事件。

3.　方法簡便，成本低廉。

4.　可確保爐心可以被適當冷卻。

為達上述目的，本發明提供一種用於沸水式反應爐之水位決定方法，以確定預期暫態未急停情形下之水位，包括下列步驟：a)量測該沸水式反應爐的溫度；b)量測該沸水式反應爐的壓力；c)計算該壓力下的飽和溫度；及d)若該溫度高於該飽和溫度，判定此時水位低於反應爐內一爐心的頂端；若該溫度低於該飽和溫度，判定此時水位高於該爐心的頂端。

根據本案構想，該沸水式反應爐具有一溫度感測器裝設於其頂部或主蒸汽管前端。

根據本案構想，該溫度感測器為電阻式溫度計或熱電耦式溫度計。

根據本案構想，該溫度感測器外部更為一保護井所包覆，以保護該溫度感測器免於被測量的氣體或液體損害。

根據本案構想，該溫度感測器將其讀數以電訊號方式傳至遠方一監控設備。

根據本案構想，該沸水式反應爐具有一壓力感測器裝設於其內部任何冷卻水位設計無法到達之高度。

根據本案構想，該壓力感測器裝設於該反應爐的主蒸汽管上方。

根據本案構想，該壓力感測器為巴登管式壓力計、伸縮囊式壓力計或壓差式壓力計。

根據本案構想，該壓力感測器將其讀數以電訊號方式傳至遠方一監控設備。

本發明之實施例以數個示意圖(第3圖至第6圖)佐以判斷水位的流程圖(第7圖)以描述之。

如前所述，電廠在預期暫態未急停下，進入緊急操作程序書執行反應器灌水，為避免過度灌水而造成功率增加之風險，當下的水位可依本發明決定之。請見第3圖。一沸水式反應爐100，包含了一爐心102以進行核能反應，以其產生的熱能推動發電設備。與本發明相關的，尚有一主蒸汽管104，用以導引由冷卻水所產生的蒸氣，並在冷卻水超過警戒量時，藉由其洩水管(未繪示)排除。

依照本發明，在該沸水式反應爐100頂部安裝一溫度感測器202。該溫度感測器202也可安裝於該沸水式反應爐100主蒸汽管102前端(請見第4圖)，其功能是用以觀測沸水式反應爐100頂部溫度。在本實施例中所使用的溫度感測器202為一電阻式溫度計。常用之熱電耦式溫度計亦可為溫度感測器202的一種選擇。

電阻式溫度計被許多核電廠應用於監測流體或材質的溫度。電阻式溫度計的運作原理就如材料溫度的改變，它的電阻也會跟隨著改變。特定材質如金屬鎳(nickel)，展示其溫度與電阻之間非常重複性的特性關係。利用這層關係，於電路中測量電阻或利用這個電阻就能夠給予溫度的判定。電阻式溫度計的構造為純金屬或特殊合金所組成(一般是鉑、銅或鎳構成)，電阻會隨溫度增加而增加；相反地，當溫度降低時電阻也跟隨著減少。電阻式溫度計的行為就像電氣轉換器(electrical transducer)，藉由量測的電阻轉變溫度為電壓訊號。較佳地，本實施例中所使用的溫度感測器202可包覆一保護井(protective well，未繪示)及接線端頭(terminal head)。保護井可保護溫度感測器202免於被測量的氣體或液體損害。保護井通常是不銹鋼、碳鋼、英高鎳或鑄鐵製造，它們的使用溫度可高達1100℃。保護井的形式請見第5圖。

另又在該沸水式反應爐100內安裝一壓力感測器204，用以監測該沸水式反應爐100內之壓力。實務上，該壓力感測器204安裝的位置可於該沸水式反應爐100內部任何冷卻水位設計無法到達之高度。較佳的設計為在該主蒸汽管102上方。壓力感測器204的種類可以常用的巴登管式壓力計、伸縮囊式壓力計或壓差式壓力計為之。便於說明，本實施例採用傳統的伸縮囊式壓力計。

值得注意的是，為求監測人員的安全及能隨時於機房內根據所得爐心溫度及壓力下達冷卻水量增減之指令，該溫度感測器202及壓力感測器204可將其讀數以電訊號方式傳至遠方一監控設備300(請見第6圖)，其可是一工作站。

關於水位面106的判斷，請參照第7圖。於預期暫態未急停情形下讀取該溫度感測器202之溫度值(爐頂溫度)及該壓力感測器204之壓力讀值(爐內壓力)(S1)，進而判斷該溫度是否高於該沸水式反應爐100在該壓力下的飽和溫度(S2)。如果判斷的結果為”是”，則此時水位面106低於沸水式反應爐100內爐心102的頂端(S3)；如果判斷的結果為”否”，此時水位面106高於沸水式反應爐100內爐心102的頂端(S4)。

藉由觀測爐頂溫度與飽和溫度的關係來判斷爐心102是否被水淹沒，其原因如下：若是爐內水位面106低於爐心102頂端時，爐心102的反應熱將下端的水加熱成蒸氣，這些蒸氣經過未被水淹沒的爐心102時，由於這段爐心102同樣會產生反應熱，這些熱能會加熱這些飽和的水蒸氣，使得水蒸氣變為過熱(Super heat)蒸氣。因此，藉由該沸水式反應爐100頂部高處所測得的溫度再搭配此時爐內壓力，可發現沸水式反應爐100頂部溫度高於沸水式反應爐100頂部壓力下的飽和溫度，因此可判定此時水位面106低於爐心102的頂端。

若水位面106高出爐心102頂端，則爐水達到沸騰的飽和狀態，沸水式反應爐100頂部所測得的溫度，會等於飽和溫度。因此利用沸水式反應爐100頂部加裝溫度感測器202的方式，可在水位計不可用的狀態下，推測爐心102是否得到適當冷卻。若沸水式反應爐100頂部溫度高於爐壓下的飽和溫度，則可判斷此時爐心102已經裸露；相反的，沸水式反應爐100頂部溫度等於或小於爐壓下的飽和溫度，則可判斷此時爐心102被水掩蓋。在控制上若發生預期暫態未急停，且水位不明的狀況下，觀測沸水式反應爐100頂部蒸氣溫度，只要控制注水流量使沸水式反應爐100頂部蒸氣溫度略高於飽和溫度，如此可確保爐心102得到適當的冷卻，亦可避免過度淹灌而使功率增加的問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．沸水式反應爐

102．．．爐心

104．．．主蒸汽管

106．．．水位面

202．．．溫度感測器

204．．．壓力感測器

300．．．監控設備

第1圖繪示一傳統沸水式反應爐。

第2圖繪示本發明相關領域的一習知技術。

第3圖繪示本發明的一實施例。

第4圖繪示本發明實施例具有不同位置之溫度感測器

第5圖繪示本發明實施例所使用的保護井

第6圖描述本發明實施例可遠端監控的情形

第7圖為本發明實施例的一流程圖。

100‧‧‧沸水式反應爐

102‧‧‧爐心

104‧‧‧主蒸汽管

106‧‧‧水位面

202‧‧‧溫度感測器

204‧‧‧壓力感測器

Claims (9)

1. 一種用於沸水式反應爐之水位決定方法，以確定預期暫態未急停情形下之水位，包括下列步驟：a)　量測該沸水式反應爐的溫度；b)　量測該沸水式反應爐的壓力；c)　計算該壓力下的飽和溫度；及d)　若該溫度高於該飽和溫度，判定此時水位低於反應爐內一爐心的頂端；若該溫度低於該飽和溫度，判定此時水位高於該爐心的頂端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之水位決定方法，其中該沸水式反應爐具有一溫度感測器裝設於其頂部或主蒸汽管前端。
3. 如申請專利範圍第2項所述之水位決定方法，其中該溫度感測器為電阻式溫度計或熱電耦式溫度計。
4. 如申請專利範圍第2項所述之水位決定方法，其中該溫度感測器外部更為一保護井所包覆，以保護該溫度感測器免於被測量的氣體或液體損害。
5. 如申請專利範圍第2項所述之水位決定方法，其中該溫度感測器將其讀數以電訊號方式傳至遠方一監控設備。
6. 如申請專利範圍第1項所述之水位決定方法，其中該沸水式反應爐具有一壓力感測器裝設於其內部任何冷卻水位設計無法到達之高度。
7. 如申請專利範圍第6項所述之水位決定方法，其中該壓力感測器裝設於該反應爐的主蒸汽管上方。
8. 如申請專利範圍第6項所述之水位決定方法，其中該壓力感測器為巴登管式壓力計、伸縮囊式壓力計或壓差式壓力計。
9. 如申請專利範圍第6項所述之水位決定方法，其中該壓力感測器將其讀數以電訊號方式傳至遠方一監控設備。