JP2003329792A

JP2003329792A - 炉心流量測定装置及び炉心流量測定方法

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Publication number: JP2003329792A
Application number: JP2002133438A
Authority: JP
Inventors: Izumi Yamada; 泉山田; Setsuo Arita; 節男有田; Masaya Otsuka; 雅哉大塚; Makoto Hasegawa; 真長谷川; Hideo Soneda; 秀夫曽根田; Kazuyoshi Hashimoto; 和良橋本; Keiji Suzuki; 啓嗣鈴木; Shunsuke Utena; 俊介臺
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2002-05-09
Publication date: 2003-11-19
Anticipated expiration: 2022-05-09
Also published as: JP3997828B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、簡単な装置構成で、プラント
運転開始後長期間にわたって安定して沸騰水型原子炉の
炉心流量を測定できる炉心流量測定装置及び炉心流量測
定方法を提供することにある。【解決手段】本発明の装置は、沸騰水型原子炉の圧力容
器外壁の周方向に設置された複数の超音波送受信手段
と、各超音波送受信手段で測定したダウンカマにおける
超音波の伝播時間に基いて、各超音波送受信手段の設置
位置に対応するダウンカマでの冷却材の線平均流速をそ
れぞれ求め、求めた線平均流速を用いて冷却材の炉心流
量を算出する炉心流量演算手段とを備え、超音波送受信
手段は、原子炉の定格運転時に気泡が実質的に存在しな
いダウンカマの下部領域に設置されている。このダウン
カマの下部領域は、インターナルポンプの頂部から上側
に３ｍ以内の領域に対応する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉圧力容器
（以下、単に圧力容器という）内の炉心部周囲に複数の
ポンプ手段を配し、炉心部に対して冷却材を循環させる
従来型沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという）および改
良型ＢＷＲ（以下、ＡＢＷＲという）において、圧力容
器内の炉心流量を計測する炉心流量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の原子炉では、圧力容器内に装備
した炉心部の冷却手段として、炉心部下部側の周囲に複
数台のジェットポンプを配し、これら各ジェットポンプ
を用いて炉心部に冷却材を循環させるようにした従来型
のＢＷＲと、上記ジェットポンプに代えて、冷却材を再
循環させるインターナルポンプを用いるようにしたABWR
とがあり、通常の場合、これらの従来方式による各冷却
手段には、炉心内部での冷却材の流量を計測して作動状
態を常時監視する炉心流量測定装置を用いた監視システ
ムが設けられている。

【０００３】従来型のＢＷＲにおいては、個々のジェッ
トポンプ流量を測定し、その総和として炉心流量を算出
している。また、ＡＢＷＲの場合は、個々のインターナ
ルポンプの流量を測定し、その総和として炉心流量を算
出している。ＢＷＲ，ABWRともにポンプ差圧を測定し
て、差圧から流量を算出する方式である。

【０００４】ＢＷＲの場合、ジェットポンプのポンプ差
圧が、ポンプ吐出流量の自乗に比例するという特性を利
用することで流量を算出する。改良型ＢＷＲ（ＡＢＷ
Ｒ）においては、インターナルポンプの差圧を測定し、
あらかじめ試験等により求めたポンプのＱ−Ｈ特性と、
インターナルポンプの運転条件である回転数と、炉水温
度等を用いてポンプ流量を算出する。

【０００５】従来の代表例として、ＡＢＷＲにおける炉
心流量測定装置について説明する。図５において、炉心
６で発生した熱は、炉心６の下から上に流れる冷却材に
伝えられる。冷却材は、上部プレナム７，気水分離器８
を通り、乾いた蒸気がタービンを回すために主蒸気ノズ
ル（図示していない、気水分離器のやや上の圧力容器３
の壁にある）を通って、圧力容器３外に導かれる。ダウ
ンカマ４には、気水分離器８で分離された冷却材が流れ
落ちる。また、上部プレナム７と気水分離器の間の圧力
容器３の間に設置されている給水ノズル（図示していな
い）から供給される冷却材も、ダウンカマ４を通って、
気水分離器８で分離された冷却材と共に複数のインター
ナルポンプ５により、炉心６に送り込まれる。インター
ナルポンプ５の吸い込み側と、吐出側には、それぞれ圧
力測定管５５１ａ，５５１ｂ，５５２ａ，５５２ｂが設
置されており、差圧測定器５４１ａ，５４１ｂに導かれ
ている。差圧測定器５４１ａ，５４１ｂの出力である差
圧信号は、流量変換器５４２ａ，５４２ｂにより、流量
に変換される。差圧から流量への変換に際しては、イン
ターナルポンプ５の回転数、および冷却材温度も用いて
いる。炉心流量は、すべてのインターナルポンプ５の流
量の和として得られる。

【０００６】一方、特開平１１−２３１０９０号公報に
は、液中気泡からの散乱波のドップラーシフトを用いる
ドップラー式超音波流量計が記載されている。この場
合、超音波の発信部と受信部を原子炉圧力容器の軸方向
に所定距離を隔てて設置することにより構成した超音波
流速計を、原子炉圧力容器の周方向に複数配置し、ダウ
ンカマの各流速計設置位置での流速に基づいて炉心流量
を算出している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】原子炉の冷却材流量を
高精度で測定することは、原子炉運転の余裕をより正確
に把握するうえで重要なことである。従来の原子炉の冷
却材流量測定方法は、工場などの試験で得られたインタ
ーナルポンプの回転数−流量−圧力差の関係を実際の原
子炉に適用する場合、インターナルポンプ設置容器の形
状の違いがあることから補正を行っている。この補正に
は誤差が含まれている。また回転数−流量−圧力差の関
係は長期的なプラントの運転経過によって微妙に変化す
る可能性があり、結果的に流量指示値に影響を与えるこ
とも考えられる。

【０００８】また、超音波ドップラー法を適用した炉心
流量計測法においては、ダウンカマ中の流速分布を測定
するため、冷却材中の気泡等の反射粒子からの受信散乱
波から散乱位置を同定する必要がある。前述の公知例で
は、この点の説明はない。理論的には、信号処理により
ダウンカマ内の超音波伝播経路上の位置毎の散乱波を分
離して、位置毎の散乱波のドップラーシフトを測定する
ことで、流速分布を得ることができる。しかし、超音波
伝播経路上の気泡等の粒子から散乱波は、粒子密度が低
ければ、その振幅が小さい。また、粒子密度が高ければ
伝播中の減衰が大きいため、超音波の送信位置から遠く
なるほど散乱波の振幅が小さくなり、検出が難しくな
る。このため、散乱位置の同定や、振幅の小さい散乱波
の検出のために、複雑な装置構成が必要となる。

【０００９】本発明の目的は、簡単な装置構成で、プラ
ント運転開始後長期間にわたって安定して沸騰水型原子
炉の炉心流量を測定できる炉心流量測定装置及び炉心流
量測定方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の炉心流量測定装
置は、沸騰水型原子炉の圧力容器外壁の周方向に設置さ
れた複数の超音波送受信手段と、各超音波送受信手段で
測定したダウンカマにおける超音波の伝播時間に基づい
て、各超音波送受信手段の設置位置に対応するダウンカ
マでの冷却材の線平均流速をそれぞれ求め、求めた線平
均流速を用いて冷却材の炉心流量を算出する炉心流量演
算手段とを備え、超音波送受信手段は沸騰水型原子炉の
定格運転時に気泡が実質的に存在しないダウンカマの下
部領域（インターナルポンプの頂部から上側に３ｍ以内
の領域）に設置されている。

【００１１】上記炉心流量測定装置による炉心流量測定
方法は、沸騰水型原子炉の定格運転時における冷却材の
高温条件で使用可能な複数の高温用超音波送受信手段
と、高温条件よりも低い低温条件で使用でき高温用超音
波送受信手段よりも多数の低温用超音波送受信手段とを
圧力容器外壁の周方向に設置して、低温条件において、
低温用超音波送受信手段及び高温用超音波送受信手段の
両方を用いて測定した冷却材の流量測定値と、高温用超
音波送受信手段のみを用いて測定した冷却材の流量測定
値との関係から補正係数を求め、高温条件では、高温用
超音波送受信手段のみを用いて測定した冷却材の流量測
定値及び補正係数に基づいて、冷却材の炉心流量を求め
る。

【００１２】また、他の本発明の炉心流量測定装置は、
沸騰水型原子炉の圧力容器外壁の軸方向に所定距離を隔
てて設置された一組の超音波トランスデューサを有する
超音波送受信手段と、超音波送受信手段を圧力容器の周
方向に走査する走査手段と、周方向における複数の位置
で超音波送受信手段により測定したダウンカマにおける
超音波の伝播時間に基づいて、各周方向位置に対応する
ダウンカマでの冷却材の線平均流速をそれぞれ求め、求
めた線平均流速を用いて冷却材の炉心流量を算出する炉
心流量演算手段とを備え、超音波送受信手段は沸騰水型
原子炉の定格運転時に気泡が実質的に存在しないダウン
カマの下部領域（インターナルポンプの頂部から上側に
３ｍ以内の領域）に設置されている。

【００１３】また、他の本発明の炉心流量測定方法は、
沸騰水型原子炉の定格運転時に気泡が実質的に存在しな
いダウンカマの下部領域（インターナルポンプの頂部か
ら上側に３ｍ以内の領域）において圧力容器外壁の周方
向に設置された複数の超音波送受信手段で測定したダウ
ンカマにおける超音波の伝播時間に基づいて、各超音波
送受信手段の設置位置に対応するダウンカマでの冷却材
の線平均流速をそれぞれ求め、求めた線平均流速を用い
て冷却材の炉心流量を算出する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００１５】図１は本発明の第１の実施形態によるＡＢ
ＷＲプラントの超音波炉心流量測定装置の設置状態を示
す概略説明図である。なお、圧力容器３内の炉内構造物
のうち従来の構成と同一の部分には図５と同一の符号を
付してその説明を省略する。

【００１６】図１において、ダウンカマ（圧力容器３と
シュラウド２の間の円環状の空間領域）４の流速を測定
するための超音波送受信ユニット１０は、圧力容器３の
外壁に設置してある。超音波送受信ユニット１０の出力
として得られるダウンカマ４の流速情報（流速データ）
を、超音波流量計２０で流量に変換する構成となってい
る。測定した流量は、超音波送受信ユニット１０を設置
した位置におけるダウンカマ４の流量であり、ダウンカ
マ４の全周を流れる総流量、すなわち炉心流量は、圧力
容器３の外壁に設置した複数の超音波送受信ユニット１
０と超音波流量計２０により得た流量を基に算出する。

【００１７】図２は、流速検出部分、すなわち、超音波
送受信ユニット１０と超音波流量計２０を詳細に示した
ものである。この流速検出部分では、伝搬時間差法によ
り流速を検出している。この超音波による流速検出方式
では、超音波が伝播する領域の流速を測定する。図２に
太い矢印で示す超音波の伝播経路からわかるように、超
音波は炉心中心に向かって伝播している。つまり、本実
施形態では、超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂの
設置位置と炉心中心軸とを含む平面上の矢印方向の流速
を測定していることになる。

【００１８】超音波送受信ユニット１０は、超音波トラ
ンスデューサ１１ａ，１１ｂからなる。超音波トランス
デューサ１１ａ，１１ｂは送受信兼用であり、矢印に示
す方向に超音波を伝播させるため、超音波送受信用の振
動子をくさび材を介して配置してある。超音波は、圧力
容器３を通り、冷却材の流れに対し、角度θで伝播す
る。図２に示すように、θは、圧力容器３内面の法線と
超音波の伝播経路とのなす角度である。流速測定に際し
ては、超音波を、流れの下流側，上流側に交互に伝播さ
せ、下流側と上流側への到達時間差Δｔを測定する。冷
却材の流速Ｖは、次式で表わされる。

【００１９】

【００２０】ここで、Ｃは冷却材の音速、Ｌはダウンカ
マ４の幅、すなわち圧力容器３の内壁とシュラウド２の
間の距離である。

【００２１】ダウンカマ４における冷却材の流速は、分
布を有している。冷却材の流速ｖをダウンカマ４の位置
ｘの関数として、ｖ(ｘ)とあらわす。超音波で測定した
流速Ｖは、

【００２２】

【００２３】となる。すなわち、超音波の伝播経路上の
ｖ(ｘ)の平均値、すなわち線平均流速となっている。こ
のように、本発明で用いる流速検出方式では、ドップラ
ー法で問題となる流速分布そのものを測定する必要がな
いため、測定系の構成が簡単になる点が有利である。ド
ップラー法でも、特定の点での流速を測定すれば、測定
系の構成の簡単化が図れる。しかし、ダウンカマ４にお
ける流速の情報が、本実施形態の線平均流速で測る方法
に比べて少ないため、流量測定精度が悪くなる。

【００２４】上記した流速から、炉心流量を演算する
（求める）手順について、以下に示す。本実施形態にお
いては、超音波送受信ユニット１０ａ〜１０ｈ、および
超音波流量計２０ａ〜２０ｈの８組を、図３のように配
置している。個々の超音波送受信ユニット１０ａ〜１０
ｈの流量測定値をＱ１〜Ｑ８とすると、次式が成り立
つ。

【００２５】Ｑ_n＝Ｋ_1n・Ｖ_n・Ａ …（数３）ここで、ｎは超音波送受信ユニット１０の識別番号(ａ
〜ｈに相当し、１〜８)である。Ｋ_1nは流量補正係数で
あり、流路が円管の場合ではゲイビルゲル係数に相当
し、それぞれの測定位置における流速分布に依存する係
数である。Ａは流路断面積である。Ｖ_nは流速である。

【００２６】炉心流量Ｑ₀は、次式で表わされる。

【００２７】Ｑ₀＝ｋ₂₁・Ｑ₁＋ｋ₂₂・Ｑ₂＋ｋ₂₃・Ｑ₃＋ｋ₂₄・Ｑ₄ ＋ｋ₂₅(Ｑ₁,Ｑ₂,Ｑ₃,Ｑ₄)・Ｑ₅＋ｋ₂₆(Ｑ₁,Ｑ₂,Ｑ₃,Ｑ₄)・Ｑ₆ ＋ｋ₂₇(Ｑ₁,Ｑ₂,Ｑ₃,Ｑ₄)・Ｑ₇＋ｋ₂₈(Ｑ₁,Ｑ₂,Ｑ₃,Ｑ₄)・Ｑ₈ …（数４）ここで、ｋ₂₁〜ｋ₂₈の係数は、ダウンカマ４の流速分布
を補正し、かつ超音波送受信ユニット１０ａ〜１０ｈが
それぞれ分担する領域の流路断面積を含んだ係数であ
る。特に、ｋ₂₅〜ｋ₂₈は、圧力容器３の周方向に狭い間
隔で配置された超音波送受信ユニット１０ａ〜１０ｄに
よる流量測定値Ｑ₁〜Ｑ₄の関数として設定している。こ
れにより超音波送受信ユニット１０ｅ〜１０ｈを、周方
向において１０ａ〜１０ｄよりも広い間隔で配置でき、
結果的にトランスデューサ数（超音波送受信ユニット
数）を減らせている。

【００２８】次に、超音波送受信ユニット１０の配置位
置について説明する。冷却材が流れているダウンカマ４
は、すべてが水でなくわずかに気泡（蒸気泡）が混入し
ている。気泡は超音波を減衰させるため、その量によっ
ては流速測定が困難になる可能性がある。この場合は、
従来法で開示された超音波ドップラー法による測定が有
利となる。

【００２９】ダウンカマ４における気泡の存在について
発明者らが評価した結果の一例を図４に示す。横軸はダ
ウンカマ４における高さ方向（軸方向）位置であり、縦
軸は気泡の径を示す。縦軸の最下端は０であり、気泡が
存在しないことを示す。図４は、標準的な電気出力１３
５万ｋＷのＡＢＷＲ（ＢＷＲ）における定格運転条件
（１００％出力，１００％炉心流量に相当）で解析的に
評価した結果である。位置が高いほど気泡径が大きいの
は、気泡の浮力による影響と考えられる。

【００３０】図４に示すように、高さが低くなると気泡
径が小さくなり、高さ約４.２ｍで気泡径は０となる。
即ち、高さ約４.２ｍ以下に、気泡が存在しない領域が
存在する。インターナルポンプ５の頂部は高さ約１ｍに
位置するので、インターナルポンプ５の頂部（上端）か
ら３ｍ以内の領域は、気泡が実質的に存在しないダウン
カマの下部領域となる。即ち、超音波送受信ユニット
は、原子炉の定格運転時に気泡が実質的に存在しないダ
ウンカマの下部領域に設置されている。また、炉心６の
頂部は高さ約９.５ｍに位置するので、インターナルポ
ンプ５の頂部より上側の領域で、炉心６の頂部から５.
５ｍ下方の位置より下側の領域は、上記気泡が実質的
に存在しない領域となる。

【００３１】以上から、気泡が実質的に存在しないダウ
ンカマの下部領域では、超音波の到達時間が冷却材の速
度で変化することを利用して流速を検知する方式（伝搬
時間差法）の適用が可能であることが判った。

【００３２】なお、超音波による流速測定において、経
験的には、気泡の混入率が少ない場合は、気泡による音
響減衰はほとんど無視できるので、上記の計算結果から
「実質的に気泡が存在しない領域」をそのまま用いるの
は、超音波流量計を適用する立場からは、安全側の評価
であるといえる。また、定格に達するまでは、ダウンカ
マを流れる冷却材流速は、小さくなっているため、上記
の定格時の評価に比べて、気泡存在領域は、より上部に
なると考えられるが、より広い運転範囲の炉心流量測定
を行う場合は、定格における評価結果から、超音波流量
計の設置位置を決めることになる。

【００３３】以上説明した第一の実施形態において、超
音波送受信ユニット１０は、通常の超音波流量計でも用
いられる回路構成であり、実現上の問題はない。また、
流速測定に際して、超音波トランスデューサ１１ａ及び
１１ｂのそれぞれから超音波を送出して到達時間の差を
求めているが、何れか一方から超音波を送出しても原理
的には流速測定は可能である。また、上記の説明におい
て、超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂと圧力容器
３との音響的な結合について説明していないが、本実施
形態では、水ガラスを使用している。このほかに金箔な
どの柔らかい金属をカップラントとして使用することも
可能である。なお、上記実施例では、流速から流量に変
換するための補正係数は計算値を用いているが、実験値
を用いることも可能である。

【００３４】本実施形態によれば、流速を直接測定する
方式の超音波流量計を炉心流量計に適用可能となる。流
速測定の誤差要因として考えられるのは、例えば時間差
演算器や超音波送信出力レベルの変化であるが、これら
は、超音波流量計自体を取り外して検査することで調整
可能である。しかし、従来法の差圧式流量計は、流量そ
のものを直接計測しておらず、流量指示値の変動も、わ
ずかなインターナルポンプ５の特性変化に起因する場合
や、その他の原因で生じることもあり得る。この場合、
原因が圧力容器３内部にあることが多いため、超音波流
量計のように、簡単に取り外して調整というわけには行
かないことが多い。また、前述したように、本実施形態
では、流速分布の平均値、すなわち線平均流速を簡単に
測定できるので、装置構成も比較的簡単となる。

【００３５】次に、第２の実施形態について説明する。
炉心流量がダウンカマ４を流れる冷却材の総流量である
として超音波を用いて測定する場合、超音波伝播経路を
ダウンカマ４の全領域に隅無く設定するには、多数の超
音波トランスデューサが必要となる。そこで、測定領域
の一部の線平均流速を測定し、数３で示したような補正
係数を用いて、流量換算する。しかし、真の補正係数
は、流れの状態によりある程度変化することもある。こ
の点で、極力、多くの測定領域の線平均流速を実測する
方が、補正係数の寄与が少なくなり、精度の高い流量測
定が可能になる。

【００３６】図６は、ダウンカマ４の（１／１０）横断
面図領域における流速分布（軸方向の流速分布）の推定
結果の一例である。インターナルポンプ５が周方向に対
称に１０台設置されているＡＢＷＲにおける流速分布の
推定例である。色の濃淡で速度を表示しており、色が白
いほど速い流速であることを示す。白い部分は、インタ
ーナルポンプが設置されている周方向位置に対応してい
る。流速分布は、炉心中心方向（径方向）の変化に比べ
て、周方向の変化が大きいことがわかる。流速変化率の
小さい領域の流速情報を得るよりも、流速変化率の大き
い領域の流速情報を得る方が、より精度の高い流量測定
に寄与できる。そこで、本実施形態においては、流速変
化率の大きい周方向に超音波伝播経路を実現するように
して、流量測定の高精度化を計る。

【００３７】図７は、第２の実施形態における圧力容器
３への超音波トランスデューサの配置説明図で、（ａ）
が平面図、（ｂ）が側面図である。ここで、圧力容器内
の炉内構造物、炉心等は省略している。本実施例では、
第１の実施形態と違い、超音波を周方向に伝播させるた
め、超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂは、圧力容
器３の周方向における設置位置をずらしている。圧力容
器３の高さ方向（軸方向）における設置位置を違えてい
るのは、第１の実施形態と同じである。超音波トランス
デューサ１１ａから斜め下方に向かって超音波を送信
し、シュラウド２の外表面で反射させて、超音波トラン
スデューサ１１ｂで受信する。超音波トランスデューサ
１１ｂから超音波を送信する場合は、送信の方向が全く
逆で、超音波の伝播経路は同じとなる。超音波流量計２
０（図示せず）は第１の実施形態と同じであり、炉心流
量算出方法も同様である。本実施例では、周方向の流速
情報も用いて炉心流量を計測することにより、第１の実
施形態よりも高精度化を図ることができる。

【００３８】既に述べたように、本実施形態において
は、１組の超音波トランスデューサ１１ａ，１１ｂで、
流速分布の変化が大きい周方向の流速情報も得られるよ
うになっており、この点で、少ない超音波トランスデュ
ーサ数で精度の高い測定が可能となる。

【００３９】次に、第３の実施形態について説明する。
通常の流量計は、流量基準を有する校正ループにて校正
して使用する。この際、例えば差圧型流量計は、差圧計
測ユニットを配管に取りつけた状態で、配管まで含めて
校正することが多い。一方、炉心流量計は、ダウンカマ
４を流れる流量を測定対象とするが、ダウンカマ４全体
を、通常使用する校正ループに据えつけることは、その
規模の大きさのため困難である。

【００４０】超音波流量計は、流速を直接測る方式であ
るため、本来は校正不要とすることも可能である。但
し、校正不要となるのは、測定領域全体の面平均流速が
測定できた場合である。ところが、運転中のＡＢＷＲの
冷却材温度は２８０℃程度と高く、面平均流速分布を測
定するほど十分な数の超音波トランスデューサを設置す
ることは実質的にできない。これは、運転状態で使用可
能な高温用超音波トランスデューサが高価なためであ
る。

【００４１】そこで、本実施形態では、原子炉が比較的
低温状態（例えば、冷却材温度が室温〜１００℃程度）
で精度の高い面平均流速（圧力容器の軸に垂直な平面に
おける平均流速）を測定して、高温用センサ（トランス
デューサ）で測定する場合の補正係数を求め、原子炉定
格運転時（高温時）には、この補正係数をもとに比較的
少ない数の高温用超音波トランスデューサを用いて炉心
流量を求めるようにする。

【００４２】図８は、ＡＢＷＲ低温時に流量計を校正す
るための（補正係数算出のための）超音波トランスデュ
ーサの配置を示す平面図であり、面平均流速分布算出に
充分な数（本例では４４組）の超音波トランスデューサ
を周方向に対称（等間隔）に配置している。超音波トラ
ンスデューサは、圧力容器の軸方向に所定距離を隔てて
配置した上部トランスデューサ群及び下部トランスデュ
ーサ群とからなる。図８では、このうち上部トランスデ
ューサ群を示している。この上部トランスデューサ群
は、４個の高温用超音波トランスデューサ１１１ａと、
４０個の常温用超音波トランスデューサ１１０ａとから
なる。下部トランスデューサ群では、４個の高温用超音
波トランスデューサ１１１ｂ及び４０個の常温用超音波
トランスデューサ１１０ｂが、４個の１１１ａ及び４０
個の１１０ａに対応する下部位置に設置されている。高
温用超音波トランスデューサ１１１ａ及び１１１ｂは、
それぞれ周方向に対称に配置されている。図８では、下
部トランスデューサ群のほかに、炉心部の構造物，超音
波流量計，面平均流速を算出する装置（後述）なども、
簡単のために表示を省略している。

【００４３】インターナルポンプ５の回転数を調整して
流量を変化させ、その時の線平均流速（超音波の伝播経
路における平均流速）の測定値を基に面平均流速を算出
する。この場合、超音波トランスデューサは均等間隔配
置なので、面平均流速は各線平均流速の平均値として求
める。炉心流量は、この面平均流速に、ダウンカマ４の
総断面積（圧力容器の軸に垂直な面における断面積，横
断面積）を乗じて求めることができる。補正係数は、４
組の高温用超音波トランスデューサ（１１１ａ，１１１
ｂ）で計測した線平均流速の平均値と、面平均流速の値
との比率として算出する。原子炉の定格運転時は、４組
の高温用超音波トランスデューサによる線平均流速の平
均値に補正係数を乗じて面平均流速を算出する。炉心流
量に換算する際は、ダウンカマ４の総断面積に温度の影
響を加味した値を乗ずることで、定格運転時の炉心流量
が算出可能である。また、他の温度条件でも、同様に、
ダウンカマ４の総断面積に温度の影響を考慮して炉心流
量を求めることが可能である。体積流量(ｍ³／ｓ）では
なく重量流量（kg／ｓ）の算出の場合は、冷却材の温度
を測定もしくは推定して、冷却材密度に温度の効果を反
映することで炉心流量を求めることが可能である。

【００４４】第３の実施形態までは、超音波により、時
々刻々変化する炉心流量を測定する場合に好適な炉心流
量計測装置である。しかしながら、既設の差圧式流量計
の校正が必要な場合には、必ずしも時々刻々の炉心流量
測定値は必要としない。

【００４５】第４の実施形態では、既設の流量計の校正
や、平均的な流量の監視に有用な炉心流量測定装置につ
いて説明する。図９は、超音波トランスデューサとして
電磁超音波トランスデューサを用いている。超音波送受
信ユニット１５は、２つの電磁超音波トランスデューサ
を備える。電磁超音波トランスデューサは、永久磁石と
磁力線発生用のコイルで主に構成されている。送信用電
磁超音波トランスデューサのコイルに流した電流により
発生する磁力線が圧力容器３表面に渦電流を発生させ、
永久磁石による直流磁界と渦電流との相互作用によりロ
ーレンツ力が生じる。このローレンツ力の発生部位を音
源として、圧力容器３の壁に超音波が伝播する。受信用
の電磁超音波トランスデューサでは、圧力容器３壁の弾
性波と直流磁界の相互作用によりコイルに電圧が誘起さ
れ、これを検出する。圧電型の超音波トランスデューサ
と同様に、超音波送受信ユニット１５内の２つの電磁超
音波トランスデューサは、超音波の送信にも受信にも用
いることができる。

【００４６】電磁超音波トランスデューサの特徴は、ト
ランスデューサと圧力容器３の間に空隙があっても超音
波の送受信が行える点にある。圧電型の超音波トランス
デューサは、圧力容器３との間に空隙があると超音波が
伝わらないため、トランスデューサの位置を動かしなが
ら使用するような用途では、空隙を作らないためのカッ
プラントの使用や、圧力容器３への適切な押しつけ圧力
の確保など、トランスデューサの位置制御が難しい。特
に、高温中では、高温の状態で超音波トランスデューサ
を動かしてもその効果が持続できる適切なカップラント
を得ることが難しい。一方、電磁超音波トランスデュー
サは、位置制御が容易でカップラントも不要であるた
め、超音波送受信ユニットを高温中で走査して使用する
のに適した特性を備えている。

【００４７】図９では、電磁超音波送受信ユニット１５
を圧力容器の周方向に走査するための走査用レール３０
を圧力容器３の表面に設け、送受信ユニット位置制御装
置４０により電磁超音波送受信ユニット１５の周方向位
置を制御可能な構成となっている。電磁超音波流量計２
５は、電磁超音波の送受信部分は他の実施形態と異なる
が、到達時間の測定部分以降の信号処理部は、同じであ
る。電磁超音波トランスデューサは、斜角超音波の発生
も可能であるためくさび材も不要である。電磁超音波送
受信ユニット１５は、上下に２つのトランスデューサが
配置されている点も他の実施形態と同じである。

【００４８】電磁超音波送受信ユニット１５は、周方向
の各位置で伝搬時間差法によりダウンカマ４内の線平均
流速を測定し、ダウンカマ４の全角度（全ての周方向位
置）における線平均流速を測定することにより１回の炉
心流量測定を終える。各角度での線平均流速を平均して
面平均流速を算出し、これにダウンカマ横断面積を乗ず
ることで炉心流量を得ることができる。この場合、ダウ
ンカマ４内の線平均流速を隅無く測定することになるの
で、流速分布の補正は必要ない。また、原理的に、実際
の流れによる校正も不要である。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な装置構成で、プ
ラント運転開始後長期間にわたって安定して沸騰水型原
子炉の炉心流量を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態によるＡＢＷＲプラント
の超音波炉心流量測定装置の設置状態を示す概略説明
図。

【図２】図１の超音波炉心流量測定装置の超音波送受信
部と信号処理部の構成説明図。

【図３】図１の超音波炉心流量測定装置の周方向におけ
る配置図。

【図４】ダウンカマにおける高さ方向位置と気泡径の関
係を求めた解析結果を示す図。

【図５】従来型のＡＢＷＲにおける炉心流量測定装置の
概要説明図。

【図６】ダウンカマ内流速分布の解析結果の一例を示す
図。

【図７】本発明の第２の実施形態における超音波トラン
スデューサの配置説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は
側面図。

【図８】本発明の第３の実施形態における超音波トラン
スデューサの周方向における配置説明図。

【図９】本発明の第４の実施形態によるＡＢＷＲプラン
トの超音波炉心流量測定装置の設置状態を示す概略説明
図。

【符号の説明】

２…シュラウド、３…圧力容器、４…ダウンカマ、５…
インターナルポンプ、６…炉心、７…上部プレナム、８
…気水分離器、９…給水スパージャ、１０，１５…超音
波送受信ユニット、１１ａ，１１ｂ…超音波トランスデ
ューサ、２０…超音波流量計、２１…超音波送受信回
路、２２…時間差計測回路、２３…流量演算器、２５…
電磁超音波流量計、３０…走査用レール、４０…送受信
ユニット位置制御装置。

フロントページの続き (72)発明者大塚雅哉茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所電力・電機開発研究所内 (72)発明者長谷川真茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者曽根田秀夫茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者橋本和良茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者鈴木啓嗣茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者臺俊介茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所原子力事業部内Ｆターム(参考） 2G075 AA03 AA04 CA08 CA40 DA05 FA15 FB05 GA21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】沸騰水型原子炉の圧力容器外壁の周方向に
設置された複数の超音波送受信手段と、各超音波送受信
手段で測定したダウンカマにおける超音波の伝播時間に
基づいて、各超音波送受信手段の設置位置に対応するダ
ウンカマでの冷却材の線平均流速をそれぞれ求め、求め
た線平均流速を用いて冷却材の炉心流量を算出する炉心
流量演算手段とを備え、前記超音波送受信手段は、沸騰水型原子炉の定格運転時
に気泡が実質的に存在しないダウンカマの下部領域に設
置されることを特徴とする炉心流量測定装置。
【請求項２】沸騰水型原子炉の圧力容器外壁の周方向に
設置された複数の超音波送受信手段と、各超音波送受信
手段で測定したダウンカマにおける超音波の伝播時間に
基づいて、各超音波送受信手段の設置位置に対応するダ
ウンカマでの冷却材の線平均流速をそれぞれ求め、求め
た線平均流速を用いて冷却材の炉心流量を算出する炉心
流量演算手段とを備え、前記超音波送受信手段は、インターナルポンプの頂部か
ら上側に３ｍ以内の領域に設置されていることを特徴と
する炉心流量測定装置。
【請求項３】請求項１又は２において、前記超音波送受
信手段は、圧力容器の軸方向に所定距離を隔てて設置さ
れた一組の超音波トランスデューサを有することを特徴
とする炉心流量測定装置。
【請求項４】請求項１乃至３の何れかにおいて、前記超
音波送受信手段は、圧力容器の軸方向に所定距離を隔て
て設置され且つ圧力容器の周方向位置をずらして設置さ
れた一組の超音波トランスデューサを有することを特徴
とする炉心流量測定装置。
【請求項５】請求項３又は４において、前記炉心流量演
算手段は、前記一組の超音波トランスデューサの一方か
ら超音波を送信した場合の超音波の伝播時間と、前記一
組の超音波トランスデューサの他方から超音波を送信し
た場合の超音波の伝播時間との差を用いて冷却材の線平
均流速を求めることを特徴とする炉心流量測定装置。
【請求項６】沸騰水型原子炉の圧力容器外壁の軸方向に
所定距離を隔てて設置された一組の超音波トランスデュ
ーサを有する超音波送受信手段と、該超音波送受信手段
を圧力容器の周方向に走査する走査手段と、前記周方向における複数の位置で前記超音波送受信手段
により測定したダウンカマにおける超音波の伝播時間に
基づいて、各周方向位置に対応するダウンカマでの冷却
材の線平均流速をそれぞれ求め、求めた線平均流速を用
いて冷却材の炉心流量を算出する炉心流量演算手段とを
備え、前記超音波送受信手段は、沸騰水型原子炉の定格運転時
に気泡が実質的に存在しないダウンカマの下部領域に設
置されることを特徴とする炉心流量測定装置。
【請求項７】沸騰水型原子炉の圧力容器外壁の軸方向に
所定距離を隔てて設置された一組の超音波トランスデュ
ーサを有する超音波送受信手段と、該超音波送受信手段
を圧力容器の周方向に走査する走査手段と、前記周方向における複数の位置で前記超音波送受信手段
により測定したダウンカマにおける超音波の伝播時間に
基づいて、各周方向位置に対応するダウンカマでの冷却
材の線平均流速をそれぞれ求め、求めた線平均流速を用
いて冷却材の炉心流量を算出する炉心流量演算手段とを
備え、前記超音波送受信手段は、インターナルポンプの頂部か
ら上側に３ｍ以内の領域に設置されていることを特徴と
する炉心流量測定装置。
【請求項８】請求項１乃至５の何れかの炉心流量測定装
置による炉心流量測定方法であって、沸騰水型原子炉の
定格運転時における冷却材の高温条件で使用可能な複数
の高温用超音波送受信手段と、前記高温条件よりも低い
低温条件で使用でき前記高温用超音波送受信手段よりも
多数の低温用超音波送受信手段とを圧力容器外壁の周方
向に設置して、前記低温条件において、前記低温用超音
波送受信手段及び前記高温用超音波送受信手段の両方を
用いて測定した冷却材の流量測定値と、前記高温用超音
波送受信手段のみを用いて測定した冷却材の流量測定値
との関係から補正係数を求め、前記高温条件では、前記高温用超音波送受信手段のみを
用いて測定した冷却材の流量測定値及び前記補正係数に
基づいて、冷却材の炉心流量を求めることを特徴とする
炉心流量測定方法。
【請求項９】沸騰水型原子炉の定格運転時に気泡が実質
的に存在しないダウンカマの下部領域において圧力容器
外壁の周方向に設置された複数の超音波送受信手段で測
定したダウンカマにおける超音波の伝播時間に基づい
て、各超音波送受信手段の設置位置に対応するダウンカ
マでの冷却材の線平均流速をそれぞれ求め、求めた線平
均流速を用いて冷却材の炉心流量を算出することを特徴
とする炉心流量測定方法。
【請求項１０】沸騰水型原子炉のインターナルポンプの
頂部から上側に３ｍ以内の領域において圧力容器外壁の
周方向に設置された複数の超音波送受信手段で測定した
ダウンカマにおける超音波の伝播時間に基づいて、各超
音波送受信手段の設置位置に対応するダウンカマでの冷
却材の線平均流速をそれぞれ求め、求めた線平均流速を
用いて冷却材の炉心流量を算出することを特徴とする炉
心流量測定方法。