JP3997828B2 - 炉心流量測定装置及び炉心流量測定方法 - Google Patents
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Description
【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（ＡＢＷＲ）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１０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〜１０ｈの流量測定値をＱ１〜Ｑ８とすると、次式が成り立つ。
【００２５】
Ｑn＝Ｋ1n・Ｖn・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。Ｋ1n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。Ｖnは流速である。
【００２６】
炉心流量Ｑ0は、次式で表わされる。
【００２７】
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１３５万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２０（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，１１１ｂ）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２５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。
【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（ＡＢＷＲ）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１０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】
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】
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〜１０ｈの流量測定値をＱ１〜Ｑ８とすると、次式が成り立つ。
【００２５】
Ｑn＝Ｋ1n・Ｖn・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。Ｋ1n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。Ｖnは流速である。
【００２６】
炉心流量Ｑ0は、次式で表わされる。
【００２７】
【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１３５万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２０（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，１１１ｂ）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２５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。
Claims (12)
- 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、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。
- 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、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１から３のいずれかにおいて、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。
- 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、求めた線平均流速に補正係数を掛け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、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。
- 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、求めた線平均流速に補正係数を掛け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、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５又は６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方法。
- 請求項５から７のいずれかにおいて、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方法。
- 圧力容器とシュラウドの間に形成される円環状の空間領域であるダウンカマを有する沸騰水型原子炉の圧力容器外壁であって、該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前記ダウンカマの下部領域に軸方向に所定距離を隔ててくさび材を介して又は金属のカップランを介して一組の超音波トランスデューサを前記圧力容器の周方向に設置、或いは一組の電磁超音波トランスデューサを相互に超音波が前記シュラウドで反射して送受信するように前記圧力容器の周方向に設置し、前記周方向における複数の位置で前記超音波トランスデューサ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、求めた線平均流速に流路が円管の場合のゲイビルゲル係数に相当する第１の補正係数及び周方向の流速分布を補正する第２の補正係数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を備えたことを特徴とする炉心流量測定装置。
- 請求項９において、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。
- 圧力容器とシュラウドの間に形成される円環状の空間領域であるダウンカマを有する沸騰水型原子炉の圧力容器外壁に、該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前記ダウンカマの下部領域に軸方向に所定距離を隔ててくさび材を介して又は金属のカップランを介して一組の超音波トランスデューサを前記圧力容器の周方向に設置、或いは一組の電磁超音波トランスデューサを、相互に超音波が前記シュラウドで反射して送受信するように前記圧力容器の周方向に設置し、前記周方向における複数の位置で前記超音波トランスデューサにより超音波の伝播時間を測定して、炉心流量演算手段により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、求めた線平均流速に流路が円管の場合のゲイビルゲル係数に相当する第１の補正係数及び周方向の流速分布を補正する第２の補正係数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１１において、前記超音波送受信手段を、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以内の領域に設けたことを特徴とする炉心流量測定方法。
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