JP2015533217A - 中程度の高放射線領域において超音波信号経路を切換えるための装置と方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、比較的高い放射線場において、単一の共用主アンビリカル信号ケーブルを介して信号装置を遠隔操作で切換えるための装置と方法に係わる。本発明は、例えば沸騰水型原子炉のような原子炉において、原子炉圧力容器内のアクセス困難領域で使用するのに特に適している。１本以上の主アンビリカルケーブル（２４）が、制御ステーション（２５）と信号切換え装置を収納する筐体（１０）とを接続する。当該信号切換え装置により、カメラや超音波プローブなどのいくつかの信号発生／受信装置（２８）を、当該１本以上の主アンビリカルケーブル（２４）で制御できる。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によって本明細書の一部とする、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｓｗｉｔｃｈ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｔｈｓ ｉｎ ａ Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ Ｈｉｇｈ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ａｒｅａ」と題する２０１２年１０月９日に出願された米国仮特許出願第６１／７１１，２４１号の優先権を主張する２０１３年３月１５日に出願された「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ Ｓｗｉｔｃｈ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｉｇｎａｌ Ｐａｔｈｓ ｉｎ ａ Ｍｏｄｅｒａｔｅｌｙ Ｈｉｇｈ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ａｒｅａ」と題する米国特許出願第１３／８３４，４３２号の利益を主張する。
本発明は、一般に、沸騰水型原子炉などの原子炉内の比較的高い放射線場で作動される信号装置を遠隔操作で切換えるための装置と方法に関する。

沸騰水型原子炉の検査や補修は普通、手動制御のポールやロープによる検査や補修装置の操作および／またはこれらの装置の位置決めを伴う。原子炉内部の放射線には安全上のリスクがあるため、遠隔操作によるのが好ましく、それが義務づけられている場合もある。原子炉の運転停止中における一部の機器の検査や補修には、原子炉冷却材中３０〜１００フィートの深さに検査用マニピュレーターまたは検査装置を設置する必要がある。検査用マニピュレーターまたは検査装置は、アンビリカルケーブルを介して遠隔制御ステーションに接続される。アンビリカルケーブルは高価であり、設置や取り外しに手間がかかる。個々の信号導体もまた、必要なアンビリカルケーブルの長さを考慮して信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比を改善するように比較的太くしなければならない。アンビリカルケーブルは、コストが高いだけでなく大径であるため、アクセスに制約のある領域を有する原子炉内の各所へのアクセスに支障をきたすことがある。アンビリカルケーブルが小径であれば、マニピュレーターのアクセス能力および操作性が改善される。さらに、アンビリカルケーブルは、取り扱う作業員にとって放射線被ばく及び汚染の発生源になりやすい。場合によっては、少数のマニピュレーターしか設置できず、小径のアンビリカルケーブルをマニピュレーターに使えば作業員の取り扱い及び被ばくが減少する場合がある。信号マルチプレクサを活用する考えは、必ずしも新しいものではない。しかしながら、典型的なマルチプレクサ技術は、放射線による損傷を受けやすい半導体を使用するので、原子炉内の高い放射線レベルの下では使用できない場合がある。また、従来の信号装置（例えば、超音波プローブ）は、信号多重化の要望が生じるような有意な本数の信号導体を必要としない。これに対し、超音波プローブやビデオカメラのような一部の信号装置における最近の技術進歩は、以前の技術より多くの信号導体を必要としており、それが多重化の要望を牽引している。例えば、フェーズドアレイ超音波プローブは、作動に従来より有意に多くの信号導体を必要とする。信号導体の数は、従来型の超音波プローブが必要とする本数の１２８倍を超えることもある。フェーズドアレイ超音波技術を、すなわちより多くの主アンビリカル信号ケーブルを利用しようとする動きに伴い、信号の多重化や切換えへの要望が高まってきている。

一般に、沸騰水型原子炉は、原子燃料の炉心を含む原子炉容器内で水を加熱して発生させた蒸気により蒸気タービンを駆動することにより電力を発生する。図１に、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）４の全体構成を示す。給水は、給水入口（図示せず）と給水スパージャー６を介してＲＰＶ４に導入される。給水スパージャー６は、ＲＰＶ４の内部で当該給水を周方向に散布するための適切な孔を有するリング状の配管である。スパージャー６から出た給水は、炉心シュラウド２とＲＰＶ４との間の環状領域であるダウンカマ環状部８を下方に流れる。

炉心シュラウド２は、原子燃料炉心を取り囲むステンレス鋼製の円筒体であり、その位置を図１において数字９で総括表示する。炉心は複数個の燃料集合体から成る。複数の燃料集合体の各配列は、上部を上部格子、下部を炉心板（どちらも図示せず）によって支持されている。上部炉心格子は、燃料集合体の上部を側方に支持し、制御棒を挿入できるように適正な燃料チャネル間隔を維持する。

水はダウンカマ環状部８を通り抜け、炉心シュラウド底部のふちを回り込んで炉心下部プレナム１１に流入する、水はその後、燃料集合体に流入し、その内部で沸騰境界層が形成される。水と蒸気の混合物が、シュラウド上蓋１５の下方の上部炉心プレナム１３に流入する。蒸気と水の混合物はその後 鉛直のスタンドパイプ（図示せず）を通り抜けてシュラウド上蓋の上部に達し、蒸気から液体水を分離する気水分離器（図示せず）に流入する。液体水はその後、混合プレナム内で給水と混合され、その混合物はその後、ダウンカマ環状部８を介して炉心に戻る。蒸気は蒸気出口を介してＲＰＶ４から取り出される。

ＢＷＲはまた、所望の出力密度の達成に必要な強制対流熱伝達による炉心の冷却を行う冷却材再循環系統を含む。一部の水は、ダウンカマ環状部８の下端部から再循環水出口（図１では見えない）を介して吸い込まれ、遠心式再循環ポンプ（図示せず）により、再循環水入口２１を介してジェットポンプ集合体１９（図１に２基を示す）へ送り込まれる。ＢＷＲには再循環ポンプが２基あり、それぞれが複数のジェットポンプ集合体に駆動流を提供する。当該ジェットポンプ集合体は、炉心シュラウド２の周りに周方向に分散配置されている。

原子炉圧力容器内の機器および構造物は、構造健全性と補修の必要性を判定するために、定期的に検査を受ける必要がある。超音波検査は、原子炉機器の割れを検知し、その大きさを測るための既知の技術である。主な検査対象領域は、円筒状の炉心シュラウドの外面である。しかしながら、炉心シュラウドへのアクセスは容易ではない。装置設置のためアクセスできるのは、シュラウドの外面と原子炉圧力容器の内面との間の環状空間内の隣接するジェットポンプ間に限定される。走査のためのアクセスが可能なのは、シュラウドとジェットポンプとの間のさらに狭い空間内に限定される。検査領域は高い放射能を帯びており、作業員の作業足場の下方の水中５０〜６５フィートの深さにある。

本発明の目的は、比較的高い放射線場にある種々のアクセス困難領域においてマニピュレーターの操作により装置を位置決めし、いくつかの信号発生／受信装置を主アンビリカルケーブルによって制御するのを可能にする装置と方法を提供することである。

本発明は、原子炉容器内の炉内機器を検査するための装置と方法を提供する。一局面において、本発明は、軽水型原子炉の放射線場で少なくとも１体の信号発生／受信装置を遠隔操作で切換えるための装置を提供する。当該装置は、信号切換え装置を収容するための筐体を含む。当該筐体は、外面および当該外面によって形成される空洞部、当該外面に取り付けられた１個以上の入力コネクタ、ならびに当該外面に取り付けられた１個以上の出力コネクタを含む。この装置はさらに、当該空洞部内に配置される信号切換え装置、当該信号切換え装置を制御ステーションに接続するために１個以上の入力コネクタの各々に接続されたアンビリカル信号ケーブル、および１個以上の出力コネクタに接続された少なくとも１個の信号発生／受信装置を含む。

当該信号切換え装置は、少なくとも１枚のプリント回路基板と、それに搭載される複数のリレースイッチを実装可能であり、当該リレースイッチは、並列にも直列にも搭載できる。

当該プリント回路基板は、ストリップラインまたはマイクロストリップ技術を利用できる。前記の少なくとも１個の信号発生／受信装置を、カメラ、超音波センサーおよびフェーズドアレイ超音波プローブから選ぶことができる。

当該筐体には、３個の入力コネクタを搭載でき、当該入力コネクタには３本のアンビリカル信号ケーブルを接続できる。また当該筐体には、５個の出力コネクタを搭載でき、当該出力コネクタには５体の信号発生／受信装置を接続できる。

当該筐体は、水中に浸すことができる。

当該切換え装置は、コイルリレーを含み、高周波ＲＦ用に設計することができる。また、当該切換え装置は、双極双投信号スイッチにし、整合インピーダンスが５０オームの信号スイッチにすることができる。

また、前記の少なくとも１枚のプリント回路基板には、基板に搭載される同軸導体コネクタを実装できる。

別の局面において本発明は、軽水型原子炉内の放射線場で少なくとも１個の信号装置を遠隔操作で切換えるための方法を提供する。本方法では、その中に空洞部を形成する底壁、上壁および側壁から成る筐体を提供し、信号切換え装置を提供し、当該信号切換え装置を当該筐体内に設置し、当該筐体の少なくとも１枚の壁に１個以上の入力コネクタを取り付け、その壁とは異なる当該筐体の少なくとも１枚の壁に１個以上の出力コネクタを取り付け、少なくとも１本のアンビリカル信号ケーブルを容易し、当該少なくとも１本のアンビリカル信号ケーブルを当該１個以上の入力コネクタに接続することにより当該信号切換え装置を制御ステーションに接続し、当該少なくとも１本のアンビリカル信号ケーブルの第１の端部を制御ステーションに接続し、少なくとも１体の信号装置を提供し、当該少なくとも１体の信号装置を当該１個以上の出力コネクタに接続し、当該少なくとも１本のアンビリカル信号ケーブルを用いて当該少なくとも１体の信号装置を制御する。

本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。

従来のＢＷＲの関連部分を示す概略立面図である。

本発明の或る特定の実施態様に基づく信号切換え装置を収納する筐体である。

本発明の或る特定の実施態様に基づく信号切換え装置に用いる回路の概略図である。

本発明は、共用の主アンビリカル信号ケーブルを介して遠隔操作により信号装置を切換えるための装置と方法に関する。主アンビリカルケーブルは、信号切換え装置を収納する筐体（例えば接続箱）に制御ステーションを接続する。信号切換え装置により、いくつかの信号発生／受信装置（例えば、カメラ、超音波センサー、フェーズドアレイ超音波プローブなど）を主アンビリカルケーブルによって制御できる。さらに同装置は、従来のマルチプレクサ装置が動作できない可能性のある比較的高い放射線場で動作できる。

或る特定の実施態様では、１本の主アンビリカルケーブルが用いられることがある。他の実施態様では、２本以上のアンビリカルケーブルが用いられることがある。

図２を参照すると、本発明の或る特定の実施態様に基づく筐体１０が示されている。当該筐体１０には、第１の壁１２ａおよび第２の壁１２ｂを含む４枚の壁（そのうち２枚は示されていない）、底面１４、ならびに上蓋１６があり、それらが内側に空洞部１８を形成する。

別の実施形態において、当該筐体は多様な形状を取ることができる（例えば、角錐、八角形、六角形および円筒形などで、これらに限定されない）。例えば、筐体が円筒形の実施形態の場合、当該筐体は、円筒管、取り外し可能なカバ−、反対側のカバー、本構造によって形成される空洞部、少なくとも１つの表面に取り付けられた１個以上の入力コネクタ、および少なくとも１つの別の表面に取り付けられた１個以上の出力コネクタなどを含む。

筐体１０（図２に示すようなもの）は、例えば沸騰水型原子炉等の軽水型原子炉での使用に適した材料で作ることができる。したがって、当該筐体１０は、放射線領域での使用に適し、水中に浸された状態にも適している。信号切換え装置（図示せず）は、当該空洞部１８の内部に配置される。本発明に用いるのに適した信号切換え装置は、少なくとも１枚のプリント回路基板と複数のリレースイッチを含む技術的に既知のものである。

或る特定の実施態様において、当該切換え装置は、コイルリレーを含み、高周波ＲＦ用に設計される。また、当該切換え装置は、双極双投信号スイッチになり、整合インピーダンス５０オームの信号スイッチになる。

さらに、前記の少なくとも１枚の回路基板には、基板搭載型の同軸線コネクタを実装できる。

上蓋１６は、前記の４枚の壁に取り付け可能であり、当該信号切換え装置を挿入したり取り外したりするために、取り外すことができる。前記第１の壁１２ａには、入力コネクタ２０が３個搭載される。使用する入力コネクタ２０の数をもっと多くすることも少なくすることもできると考えられる。アンビリカル信号ケーブル２４の一方の端部は、それぞれの入力コネクタ２０に取り付けられ、アンビリカル信号ケーブル２４のもう一方の端部は、信号制御・発生コンソール２５に取り付けられる。前記第２の壁１２ｂには、出力コネクタ２２が５個搭載される。使用する入力コネクタ２２の数もまた、もっと多くすることも少なくすることもできると考えられる。当該出力コネクタ２２は、出力ケーブル２６を介して、カメラや超音波センサーなど少なくとも１個の信号発生／受信装置２８に接続される。また、スイッチ制御ケーブル３０は、コンソール２５と当該筐体１０上のコネクタ３２を接続する。

それぞれの主アンビリカルケーブルアセンブリは、当該信号切換え装置への双方向信号ケーブル入力の役割を果たし、制御ステーション内の設備からの双方向信号ケーブル出力の役割を果たす。それぞれの主アンビリカルケーブルは、接点高密度オーバーモールドコネクタを持つ複数の同軸ケーブル線を含む。

筐体はまた、当該信号装置に接続される小径の可撓性マイクロ同軸ケーブルから制御コンソールに接続されるより大径の同軸ケーブルへの転換を容易にする。コンパクトな設計とマニピュレーターの柔軟な動きを実現するために、マイクロ同軸ケーブルを当該筐体のスイッチボックスと当該信号装置（例えば、フェーズドアレイ超音波プローブ）との間に接続できる。ただし、このようなマイクロ同軸ケーブルは、ケーブルが長い場合、励起パルスと戻り信号の減衰が激しい。したがって、総合的な信号減衰をできるだけ少なくし、容認できるＳ／Ｎ比を得るために、当該筐体と当該制御コンソールの間をより大径の同軸ケーブルで接続してもよい。

当該信号切換え装置は、当技術分野で周知の様々な設計および構成にすることができる。図３は、当該信号切換え装置に使用し、本発明の筐体１０に収納できる回路の一例を示している。

或る特定の実施態様において、本発明には以下の特徴がある。信号切換え装置を収納する筐体が用いられる。当該筐体は、比較的高い放射線領域での使用に適しており、水中に浸すことができる。当該信号切換え装置は、３枚のプリント回路基板を含み、それぞれの基板には、同基板にはんだ付けされる差し込み可能な同軸コネクタを持つ３２個の同軸マイクロチップリレースイッチが搭載されている。当該プリント回路基板は、ストリップライン技術とフェーズドアレイ装置のインピーダンス整合を行うリレーを利用する。外部の電磁干渉を遮るために、金属缶リレーを用いることもできる。インピーダンス整合を行い、プリント回路基板上の信号経路長をできるだけ短くするために、同軸ケーブルのラインをプリント回路基板において個々に接続することもできる。３本の同軸ケーブルを、それぞれのリレーに接続し、同ケーブルの反対側の端部を、当該筐体内に搭載され、シールされている接点高密度水中コネクタにはんだ付けする。或る特定の実施態様において、３本の主アンビリカルケーブルアセンブリが、水中の当該筐体に接続される。主アンビリカルケーブルはそれぞれが、接点高密度オーバーモールド水中コネクタを有する同軸ケーブルの導体を３２本含んでいる。当該信号切換え装置もまた、同信号切換え装置からの出力として利用される接点高密度水中コネクタを５個含んでいる。これらの接点高密度コネクタは、信号出力装置（例えば、超音波センサー）に取り付けられる。

当該信号切換え装置のリレースイッチは、当該制御ステーションから遠隔で制御される。当該リレースイッチは、任意の入力に対して追加の出力を提供するために、並列または直列に接続できる。或る特定の実施態様において、当該リレースイッチは、入力ごとに２個の出力を発生し、それぞれのリレーに関連する信号減衰の恐れを極力少なくするために並列に接続されている。代替実施形態において、当該リレースイッチは、それぞれの出力を分割して別のリレーの入力にするために直列に接続されている。２層のリレーが直列に使用される場合、それぞれの入力は３個のリレーを使用し、４個の出力を発生する。３層のリレーが直列に使用される場合、それぞれの入力は７個のリレーを使用し、８個の出力を発生する。当該リレー切換え制御機構は、１個の制御信号がそれぞれの当該プリント回路基板上にあるすべてのリレーを切換えるようにつながれている。したがって、それぞれ３２個の同軸信号リレースイッチを有する３枚の個別に制御されるプリント回路基板を制御するために必要な導体は４本に過ぎない。基板ごとにそれぞれの制御接点用の導体が１本ずつあり、さらに電源用の共用導体が１本ある。別の実施形態では、すべてのリレーを一緒に切換えるために１本の信号制御導体を使用することができる。

上記の信号切換え装置は、３個の入力、３枚のプリント回路基板、基板１枚当たり３２個のスイッチ、および５個の出力を使用し、並列接続で、筐体の内部に収納する本発明の実施形態によるものである。ただし、本発明の別の実施形態によれば、個別のマニピュレーターのニーズを叶えるために、入力、出力、スイッチ、または配線を直列に、様々に組み合わせたものと考えられる。

本信号切換え装置では、放射線によって引き起こされる故障には縁が薄いコイルリレーを有する受動部品を使用する。現代の技術は、放射線による故障が起こり易いトランジスタを用いた部品を使う傾向がある。とはいえ、現代の技術によってリレーおよびプリント回路基板は小型化され、頑健さが増したので、原子炉内の運転条件（温度、サイズ、電源要件およびコストのうち１つ以上の項目）を勘案すると、この装置の開発および配備の実現性は高まってきている。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (15)

1. 軽水型原子炉の放射線場において少なくとも１個の信号発生／受信装置（２８）を遠隔操作で切換えるための装置であって、
   外面、
   当該外面により形成される空洞部（１８）、
   当該外面に取り付けられた１個以上の入力コネクタ（２０）、および
   当該外面に取り付けられた１個以上の出力コネクタ（２２）、
   から成る信号切換え装置を収納するための筐体（１０）と、
   当該空洞部（１８）の中に設置される信号切換え装置、
   当該信号切換え装置を制御ステーション（２５）に接続するために当該１個以上の入力コネクタのそれぞれに接続されるアンビリカル信号ケーブル（２４）とより成り、
   当該少なくとも１個の信号発生／受信装置（２８）は当該１個以上の出力コネクタ（２８）に接続される、
   軽水型原子炉の放射線場において少なくとも１個の信号発生／受信装置（２８）を遠隔操作で切換えるための装置。
2. 信号切換え装置が少なくとも１枚のプリント回路基板と、当該少なくとも１枚のプリント回路基板に搭載される複数のリレースイッチより成る請求項１の装置。
3. 前記リレースイッチが並列または直列に搭載される請求項２の装置。
4. 前記プリント回路基板がストリップラインまたはマイクロストリップインピーダンス整合技術を利用する請求項２の装置。
5. カメラ、超音波センサー、およびフェーズドアレイ超音波プローブから成る群から前記少なくとも１個の信号発生／受信装置（２８）が選択される請求項１の装置。
6. 前記超音波センサーがフェーズドアレイ超音波プローブである請求項５の装置。
7. 前記筐体（１０）に搭載される３個の入力コネクタ（２０）と、当該３個の入力コネクタ（２０）に接続される３本のアンビリカル信号ケーブル（２４）とを有する請求項１の装置。
8. 前記筐体（１０）に搭載される５個の出力コネクタ（２２）と、当該５個の出力コネクタ（２２）に接続される５個の信号発生／受信装置（２８）とを有する請求項１の装置。
9. 前記軽水型原子炉が沸騰水型原子炉である請求項１の装置。
10. 前記筐体（１０）が水に浸されている請求項１の装置。
11. 前記切換え装置がコイルリレーである請求項１の装置。
12. 前記切換え装置が高周波ＲＦ用に設計される請求項１の装置。
13. 少なくとも１枚のプリント回路基板が基板に搭載される同軸線コネクタを含む請求項１の装置。
14. 軽水型原子炉の放射線場において少なくとも１個の信号装置（２８）を遠隔操作で切換えるための方法であって、
    空洞部（１８）が外面の内部に形成された筐体（１０）を提供する、
    信号切換え装置を提供する、
    当該筐体（１０）の当該空洞部（１８）に当該信号切換え装置を設置する、
    当該筐体（１０）の当該外面に１個以上の入力コネクタ（２０）を取り付ける、
    当該筐体（１０）の当該外面に１個以上の出力コネクタ（２２）を取り付ける、
    少なくとも１本のアンビリカル信号ケーブル（２４）を用意する、
    少なくとも１本のアンビリカル信号ケーブル（２４）を当該１個以上の入力コネクタ（２０）に接続することにより、当該信号切換え装置を制御ステーション（２５）に接続する、
    当該少なくとも１本のアンビリカル信号ケーブル（２４）の第１の端部を当該制御ステーション（２５）に接続する、
    少なくとも１個の信号装置（２８）を提供する、
    当該少なくとも１個の当該信号装置（２８）を当該１個以上の出力コネクタ（２２）に接続する、および
    当該少なくとも１本のアンビリカル信号ケーブル（２４）を用いて当該少なくとも１個の信号装置（２８）を制御する
    ことから成る、軽水型原子炉の放射線場において少なくとも１個の信号装置（２８）を遠隔操作で切換えるための方法。
15. 前記１個以上の入力コネクタ（２０）が前記１個以上の出力コネクタ（２２）より大きい請求項１４の方法。