JP4461911B2

JP4461911B2 - 原子炉出力測定装置

Info

Publication number: JP4461911B2
Application number: JP2004167897A
Authority: JP
Inventors: 篤伏見; 節男有田; 権一郎古里; 健野崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: JP2005345398A

Description

本発明は、ガンマサーモメータを用いて原子炉出力、又は原子炉内出力分布を求める原子炉出力測定装置に関する。

原子炉では炉心の出力測定のために中性子検出器が多く用いられている。特に、沸騰水型原子炉では、炉心内の構造が非均質であり、冷却材兼減速材である炉水の密度が炉心内の高さ位置によって大きく異なるため、局所出力を監視するための中性子検出器が炉内に多数設置されている。この中性子検出器には中性子有感物質（Ｕ２３５など）が塗布されており、運転中に中性子の照射により感度が劣化する。従来、この感度変化を較正するために移動式中性子検出器（以下、ＴＩＰと称す）が用いられてきた。ＴＩＰは、検出器集合体内の案内管に沿って炉心上端から下端まで移動して出力分布を測定することができ、この出力分布により各ＬＰＲＭ検出器位置での相対出力が得られ、感度較正が可能となる。さらに、ＴＩＰにより測定された炉心の連続的な三次元出力分布は、炉心監視のための出力分布計算を補正するのにも使用される。一方、ＴＩＰには検出器を移動させるための駆動機構や索引装置、非常時に炉心を隔絶するための弁等、複雑なシステムが必要であり、保守性の面で課題があった。

このＴＩＰの代替として固定式γ線検出器、特にガンマサーモメータの使用が検討されている。例えば、特開平３−６５６９６号公報〔特許文献１〕には、熱中性子束を検出する局部出力検出器を、これに隣接して配置したγ線温度計を用いて較正する検出器集合体が開示されている。また、特開平１１−２６４８８７号公報〔特許文献２〕には、γ線温度計を用いて中性子検出器の感度較正が可能で、かつ炉心の軸方向出力分布を精度良く監視することができる原子炉核計装システムが開示されている。ガンマサーモメータは、検出器集合体の内部に設置される鋼棒状の検出器体で、複数の高さ位置に発熱部，断熱部、および熱電対からなるγ線温度計を備え、夫々の高さ位置で出力に比例した信号を得ることができる。γ線温度計は、炉内固定式であるためＴＩＰのような複雑なシステムが不要であり、保守性に優れたシステムである。一方で、炉内固定式であることから、ＴＩＰのように運転中に検出器を炉外に引抜いて修理・交換することができず、個々の検出器に高い信頼性が要求される。また、多数の検出器が一定期間使用の後に炉外に取り出され廃棄されるため、検出器の製造コスト低減も重要な課題である。

特開平３−６５６９６号公報特開平１１−２６４８８７号公報

γ線温度計の故障に対する信頼性を確保するために、ガンマサーモメータ内部により多くのγ線温度計を設置し、１つが故障した場合には他の健全な検出器の測定値でカバーすることが考えられる。

しかし、上述したように、ガンマサーモメータでは多数の検出器が一定期間使用の後に炉外に取り出され廃棄されるため、検出器の製造コスト低減が重要な課題となっている。このため、より多くのγ線温度計を設置してコストを増加させることは望ましくない。ガンマサーモメータは、γ線温度計の数を増加すると相当数の信号線が必要となり、検出器の径やコネクタの制約から製造が難しくなる。そのため、最小限の検出器数で出力分布を測定することが製造コストの低減に大きく貢献する。更に、ガンマサーモメータでは、先端部近傍にγ線温度計の断熱部などを形成することが難しいため、先端部近傍にγ線温度計を設置しないことが製造コストの低減に有効である。

本発明の目的は、γ線温度計の一部が故障した場合にも、局所出力監視用の中性子検出器を精度よく較正でき、かつ、設置するγ線温度計の数を最小限に抑えた安価な原子炉出力測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するための手段は、原子炉炉心内に複数の検出器集合体が垂直に設置され、前記検出器集合体の内部に、炉心の局所出力を監視するために４つの高さ位置に等間隔に設置された４つの中性子検出器と、複数の高さ位置に設置されたγ線温度計及び前記γ線温度計を較正するために用いるヒータ線とを棒状に形成したガンマサーモメータと、を備えた原子炉出力測定装置において、前記中性子検出器の最上端位置付近および最下端位置付近には、それぞれ２つの前記γ線温度計を、最上端および最下端以外の中性子検出器の位置付近にはそれぞれ１つの前記γ線温度計を、備え、前記中性子検出器の最上端位置付近および最下端位置付近に設置されるそれぞれ２つの前記γ線温度計は、隣接する中性子検出器の位置から１５cm以内の間隔で設置され、更に、前記γ線温度計は、最上端および最下端を除く残り２つの中性子検出器の概略中間となる高さ位置に１つ設置されていることである。

ガンマサーモメータの構成は、検出器集合体の内部に設置する全てのγ線温度計を１体の検出器に内蔵する構成の他に、検出器集合体の内部に２体のガンマサーモメータを備え、一方のガンマサーモメータは中性子検出器と同一の高さ位置に１つずつγ線温度計を備え、もう一方のガンマサーモメータに残りのγ線温度計を備えた構成とすることである。

さらに別なガンマサーモメータの構成として、ガンマサーモメータに備わる複数のγ線温度計のうち、中性子検出器の最上端位置付近、または最下端位置付近、または最上端および最下端位置付近に設置されるγ線温度計にのみ、２組の熱電対を備えた構成とすることである。

また、以上の手段に加えて、γ線温度計の測定結果を表示する装置と、故障したγ線温度計に対して手動または自動でバイパス指令を入力する手段と、少なくとも炉心熱収支の計算に必要なパラメータに基づいて炉心の三次元出力分布を算出する出力分布計算装置とを備え、前記三次元出力分布計算装置は、前記γ線温度計の測定値に基づき三次元出力分布を補正する手段と、前記補正した三次元出力分布に基づき前記中性子検出器の感度補正情報を出力する手段とを有し、故障したγ線温度計の出力を除外して前記補正した三次元出力分布およびＬＰＲＭ検出器の感度補正情報を算出することで、上記目的がより確実に達せられる。

本発明によれば、γ線温度計の一部が故障した場合にも、局所出力監視用の中性子検出器を精度よく較正でき、かつ、設置するγ線温度計の数を最小限に抑えることができる。γ線温度計は、多数の検出器が一定期間使用の後に炉外に取り出され廃棄されるため、検出器の製造コスト低減が重要な課題となっているが、本発明ではγ線温度計の数を最小限とすることで検出器製造コストを抑制することができる。ガンマサーモメータは、γ線温度計の数を増加すると相当数の信号線が必要となり、検出器の径やコネクタの制約から製造が難しくなる。そのため、最小限のγ線温度計で出力分布を測定することが製造コストの低減に大きく貢献する。また、ガンマサーモメータでは、先端部近傍にγ線温度計の断熱部などを形成するのが難しいため、先端部近傍にγ線温度計を設置しないことにより製造コストの低減を達成できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の原子炉出力測定装置の第一の実施例を示したものである。原子炉圧力容器１内に格納された炉心２の内部に、炉心２を貫通して複数の（ただし、図面には１体のみ図示している）検出器集合体３が設置されている。各検出器集合体３は、保護菅の内部に複数のγ線温度計５を備えたガンマサーモメータ４、及び局所出力領域モニタ（以下では、ＬＰＲＭと記す）用の中性子検出器６が垂直方向の複数の高さ位置に設置されている。

図２に検出器集合体３の構成を示す。検出器集合体３は、最上端の支持部１５を炉心上部格子板に固定する構造となっており、内部には冷却水が下部から上部に向けて流れるようになっている。中性子検出器６は、有効燃料下端と上端の間にほぼ等間隔に設置されており、夫々の高さは有効燃料下端から４５cm，１４０cm，２３０cm，３２５cmとなっている。各検出器からは信号線が引き出され、コネクタ１８でケーブルに接続されＬＰＲＭ処理装置７へ接続されている。ガンマサーモメータ４は、有効燃料部に７つのγ線温度計５を内蔵し、最上部は端栓１４で塞がれている。最下端は多芯コネクタ１６となっており、接続された多芯ケーブル１７により信号がデータ処理装置９へ出力される。

７つのγ線温度計５は、最上端および最下端の中性子検出器６付近にそれぞれ２個、下から２番目と３番目の中性子検出器６付近にそれぞれ１個、そして、下から２番目と３番目の中性子検出器６の中間の高さに１個設置されている。

最下端の中性子検出器６付近の２つのγ線温度計５は、ひとつは中性子検出器６と同一の高さ（有効燃料下端から４５cm）に、もう１つはその１５cm上部に設置されている。一体型のガンマサーモメータ４では、２つのγ線温度計５を同じ高さに設置できないので位置をずらす必要があり、このとき、できるだけ離して設置するほうが製造は容易である。しかし、必要以上に離した場合、１つが故障した場合にも隣接する中性子検出器６を精度よく較正するという本来の目的が達せられなくなる。そこで、γ線温度計５の位置について検討した。まずγ線の炉心内での到達距離であるが、γ線輸送解析により１５cmよりも長い範囲に有意に影響することが確認できた。更に、通常の炉心三次元出力分布計算の計算点間隔は約１５cmであり、この計算点間隔の範囲内では炉心が十分均質であると仮定して精度良く計算できている。このような考察から、較正精度への影響が小さい範囲として１５cm上部を選定した。同様に最上端の中性子検出器６付近の２つのγ線温度計５も１つは中性子検出器６より１５cm下方に設置している。

このようなγ線温度計５の配置により、１つのγ線温度計５が故障した場合にも中性子検出器６の較正精度が保たれることを、図３を用いて説明する。図３は、検出器集合体に隣接する燃料の高さ方向の出力分布を計算し、それをＴＩＰによって補正した場合と補正しない場合で比較した一例である。図示したように、補正ありと補正なしの比は、高さ位置によって変化する。ＴＩＰでは連続的な測定が可能だが、ここではγ線温度計５の数と同じ７点でのみ測定が可能な場合を考える。図２に示した配置では、図３に示すＡ〜Ｅの５点で測定値が得られる（ただし、Ａ点とＥ点では２重に測定している）。この配置では、仮に最上端の中性子検出器６の位置（Ｅ点）で１つの測定値が得られなくなっても、もう１つの測定値があるため正確な比が分かる。また、下端から３番目の中性子検出器６の位置（Ｄ点）で測定値が得られなくなった場合、この点での正確な比１.０６２は求まらなくなるが、Ｃ点とＥ点の比の内挿からＤ点での比の推定値１.０４６が得られ、誤差約１.５％で比を求めることができる。一方、図２の配置とは異なり、７つの測定点を概略等間隔に設置した場合（Ａ〜Ｅ点に、Ｆ点とＧ点が加わる。ただし、２重に測定している点はない）を考える。下端から３番目の中性子検出器６の位置（Ｄ点）で測定値が得られなくなった場合は、Ｆ点に測定値があるため、Ｃ点とＦ点の比の内挿からＤ点での比の推定値１.０６８が得られ、図２の配置よりも若干精度が良い。しかし、最上端の中性子検出器６の位置（Ｅ点）で測定値が得られなくなった場合、点Ｄと点Ｇの比から外挿するしかなく、比の推定値は１.０９８となり、正確な比１.０２７を約７％も過大評価してしまう。

同様に、多数の炉心条件に対し、異なる位置で上記を評価し、γ線温度計５の配置による精度への影響を評価した。その結果、図３は若干極端な例であるが、内挿と外挿の違いにより、比の推定値は概ね同様の傾向となり、γ線温度計５の故障により測定値が得られなくなった場合に、そこでの測定値を推定する際に図２の配置が優れていることが分かった。

上記において、１つのγ線温度計５が故障した場合に、他の健全なγ線温度計５でカバーするためには、図４に示すように、各γ線温度計５に含まれる差動型熱電対線２５が、それぞれ電気回路上で完全に分離されている必要がある。γ線温度計５の数が多い場合には、多芯コネクタ１６などの制約により、差動型熱電対線２５の基準温度点側の信号線を１本にまとめてしまう構成も必要になってくる可能性があるが、本実施例ではγ線温度計５の数は７個であり、較正用ヒータ線２６を加えても信号線の総数が１６本に抑えられ、全信号線を分離した構成も容易に実現できる。図４に示すように、差動型熱電対線２５及び較正用ヒータ線２６は多芯コネクタ１６で多芯ケーブル１７に接続され、原子炉格納容器壁２８に設置された信号線貫通部２７を通って、データ処理装置９に至る。データ処理装置９の内部では、まず、差動型熱電対線２５の信号を熱電対信号入力装置１９で読込み、発熱量換算装置２０でγ線発熱量に換算した後、これを三次元出力分布算出装置１０へ出力する。発熱量への換算に必要な感度は、ヒータにより既知の発熱量を与えたときのγ線温度計５の信号変化量により求める。このヒータ較正と呼ぶ過程では、制御装置２３の指令で直流電源２２から較正用ヒータ線２６に電流が流れる。このとき、電流計２４で測定された電流値が較正処理装置２１に送られる。較正処理装置２１は、この電流値からγ線温度計５に与えられた発熱量を算出するとともに、ヒータによる発熱量と通電中の差動型熱電対の信号変化から発熱量換算に必要な感度を決定し、これを発熱量換算装置２０へ出力する。このようにして求めた感度を用い、発熱量換算装置２０では（数１）に従ってγ線発熱量に換算する。

ただし、
Ｗ：γ線発熱量（Ｗ／ｇ）、Ｕ：γ線温度計の出力信号（ｍＶ）、
Ｓ_０：γ線温度計の感度（ｍＶ／（Ｗ／ｇ））、α：温度係数（１／ｍＶ）
また、図１に示すように、データ処理装置９にはバイパス指令入力手段１２を介して、手動または自動により故障したγ線温度計５を選択し、バイパス指令を入力できる構成となっている。原子炉の運転員は、図１の表示装置１３に表示されるγ線温度計５の出力信号を確認し、故障の判定に利用することができる。図５は、表示装置１３に表示される表示画面例を示したものである。この表示例では、各検出器位置（通例に従い、炉心内の２次元座標で表す）毎に、γ線温度計５の出力信号から換算した発熱量（Ｗ／ｇ）の高さ方向分布を表示することで、異常な出力を検出しやすくなっている。

図６は、三次元出力分布算出装置１０内でＬＰＲＭ検出器感度較正情報を算出する際のフローチャートを示したものである。ＬＰＲＭ較正情報の算出時には、始めに、プラントのプロセスコンピュータ（図示しない）などから、少なくとも炉心の熱収支計算に必要なパラメータを含む炉心情報（圧力，給水エンタルピ・流量，主蒸気エンタルピ・流量，減速材炉心入り口エンタルピ・炉心流量など）を取り込む（ステップ６０２）。次に、データ処理装置９からγ線発熱量データとバイパス情報を読込む（ステップ６０３）。上記の準備が完了した後、読込んだ炉心情報と予め設定された炉心パラメータ（例えば燃料の核的定数など）に基づいて炉心の三次元出力分布計算を実施する（ステップ６０５）。三次元出力分布が求まったら、予め求めておいた燃料出力とγ線温度計５での発熱量との応答係数を用いてγ線発熱量の評価値を算出する（ステップ６０６）。このγ線発熱量評価値と先のγ線発熱量データとを夫々のガンマサーモメータ４内部での相対値で比較する。ただし、バイパスしたγ線温度計５については、隣接する２つの健全なγ線温度計５についての両者の比からバイパス位置での内挿値を求め、この比をもって両者の差とする。比較の結果、両者が一定の許容値内で一致している場合は、三次元出力計算を完了し、一致していない場合には、両者が一致するように炉心パラメータを調整して、再度、炉心三次元出力分布計算を実施する（ステップ６０７）。最終的に、γ線発熱量評価値と実際の発熱量データが一致する出力分布が求められたら、予め求めておいた燃料出力と中性子検出器６の指示地との応答係数を用いて、中性子検出器６が指示すべき値を算出する（ステップ６０８）。そして、中性子検出器６の実際の指示値を読込んで比較し（ステップ６０９）、両者の比などをＬＰＲＭ較正情報として出力する（ステップ６１０）。運転員は、この比などの情報をもとに、感度調節手段１１を用いてＬＰＲＭの感度を調節する。

図１のＬＰＲＭ処理装置７では、前述のように調節された感度を使用して、中性子検出器出力信号から物理量に換算し、局所出力信号として出力する。局所出力信号はそのまま炉心監視に利用されるほかに、ＡＰＲＭ（平均出力領域モニタ）８に入力され、平均原子炉出力や非常用のスクラム信号の出力に使用される。

図７は、図２と異なる、第二の検出器集合体３の実施例を示したものであり、２本のガンマサーモメータ４ａおよび４ｂ以外は図２の例と同じ構成となっている。第一のガンマサーモメータ４ａは、有効燃料部に４つのγ線温度計を有し、その高さは４つの中性子検出器６と同一の高さとなっている。第二のガンマサーモメータは、最上下端の中性子検出器６と同じ高さに１つずつ、下端から２番目と３番目の中性子検出器６の中間位置（燃料有効下端から１８５cmの高さ）に１つの合計３つのγ線温度計を備えている。

γ線温度計５の配置については基本的に図２の構成と同じであり、１つのγ線温度計が故障した場合に中性子検出器６の較正精度が保たれる効果も同様である。更に、図７の構成では、ガンマサーモメータが２つあることにより、一方のガンマサーモメータの較正用ヒータ線２６に不具合が生じた場合にも、もう一方の健全なガンマサーモメータにより、中性子検出器の較正が精度よく実施できる。図７の構成のデメリットは、各検出器集合体３にガンマサーモメータ４が２本必要になり、全体の本数が２倍に増えてしまうことである。しかし、必要なγ線温度計５の数が同一であること、１本あたりのγ線温度計５の数が少ないので製造が容易になることなどを勘案すると検出器のコストは２倍よりも十分小さくなることが期待できる。

図８は、最上下端の中性子検出器６付近に設置する２つのγ線温度計５として、差動型熱電対線２５以外の構成要素を共有した構成を示したものである。図８（ａ）に示すように、通常のγ線温度計５は、温接点２５ａと冷接点２５ｂの二つの熱電対を直列につないだ差動型熱電対線２５，較正用ヒータ線２６，γ線発熱部２９，断熱部３０、及び被覆
３１により構成されている。一方、図８（ｂ）に示すように、最上下端に用いるγ線温度計は、温接点２５ａと冷接点２５ｂからなる一つ目の差動型熱電対線２５のほかに、同一の高さ位置に温接点２５ｃと冷接点２５ｄからなる二つ目の差動型熱電対線２５を備えている。図８（ｂ）のγ線温度計５を用いた場合、断熱部３０の不具合や較正用ヒータ線
２６の不具合に対しては出力信号が得られなくなってしまうが、差動型熱電対を１つ増やすだけで安価に測定値を２重化できるメリットがある。

本発明の第一の実施例のシステム構成図である。第一の実施例に用いる検出器集合体の一例を示す図である。出力分布の計算値をＴＩＰによって補正した場合と補正しない場合で比較した一例である。ガンマサーモメータとデータ処理装置の詳細を示した図である。表示装置によるγ線温度計の発熱量の表示例を示した図である。ＬＰＲＭ検出器感度較正情報の算出フローを示した図である。検出器集合体の第二の実施例を示す図である。２つのγ線温度計で差動型熱電対以外の構成要素を共有した場合の構成図である。

符号の説明

１…原子炉圧力容器、２…原子炉炉心、３…検出器集合体、４…ガンマサーモメータ、５…γ線温度計、６…中性子検出器、７…ＬＰＲＭ処理装置、８…ＡＰＲＭ（平均出力領域モニタ）、９…データ処理装置、１０…三次元出力分布算出装置、１１…感度調節手段、１２…バイパス指令入力手段、１４…端栓、１５…支持部、１６…多芯コネクタ、１７…多芯ケーブル、１８…ＬＰＲＭケーブルコネクタ、１９…熱電対信号入力装置、２０…発熱量換算装置、２１…較正処理装置、２２…直流電源、２３…直流電源制御装置、２４…電流計、２５…差動型熱電対線、２６…較正用ヒータ線、２７…信号線貫通部、２８…原子炉格納容器壁、２９…γ線発熱部、３０…断熱部、３１…被覆。

Claims

原子炉炉心内に複数の検出器集合体が垂直に設置され、前記検出器集合体の内部に、炉心の局所出力を監視するために４つの高さ位置に等間隔に設置された４つの中性子検出器と、複数の高さ位置に設置されたγ線温度計及び前記γ線温度計を較正するために用いるヒータ線とを棒状に形成したガンマサーモメータと、を備えた原子炉出力測定装置において、
前記中性子検出器の最上端位置付近および最下端位置付近には、それぞれ２つの前記γ線温度計を、最上端および最下端以外の中性子検出器の位置付近にはそれぞれ１つの前記γ線温度計を、備え、前記中性子検出器の最上端位置付近および最下端位置付近に設置されるそれぞれ２つの前記γ線温度計は、隣接する中性子検出器の位置から１５cm以内の間隔で設置され、
更に、前記γ線温度計は、最上端および最下端を除く残り２つの中性子検出器の概略中間となる高さ位置に１つ設置されていることを特徴とする原子炉出力測定装置。
請求項１の原子炉出力測定装置において、
前記検出器集合体の内部に２本の前記ガンマサーモメータを備え、一方のガンマサーモメータは前記中性子検出器と同一の高さ位置に１つずつγ線温度計を備え、もう一方のガンマサーモメータに残りのγ線温度計を備えたことを特徴とする原子炉出力測定装置。
請求項１または２の原子炉出力測定装置において、
前記γ線温度計の測定結果を表示する装置と、故障したγ線温度計に対して手動または自動でバイパス指令を入力する手段と、少なくとも炉心熱収支の計算に必要なパラメータに基づいて炉心の三次元出力分布を算出する三次元出力分布計算装置と、を備え、
前記三次元出力分布計算装置は、前記γ線温度計の測定値に基づき三次元出力分布を補正する手段と、前記補正した三次元出力分布に基づき前記中性子検出器の感度補正情報を出力する手段と、を有し、故障したγ線温度計の出力を除外して前記補正した三次元出力分布およびＬＰＲＭ検出器の感度補正情報を算出することを特徴とした原子炉出力測定装置。