JP4656889B2 - 炉心流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、炉心流量計測装置に係り、特に、超音波信号の透過性を改善し、原子炉圧力容器内の冷却材流量計測の精度を高める手段に関する。

図１６は、改良型沸騰水型原子炉(ＡＢＷＲ)における従来の炉心流量計測装置の一例を示すブロック図である。原子炉を循環する冷却材は、炉心５で加熱されて沸騰し、気水分離器６および蒸気乾燥器７を通過して乾いた蒸気となり、主蒸気ノズル８を通って、原子炉圧力容器１外の図示しないタービンに導かれる。一方、気水分離器６で分離された冷却材は、ダウンカマ３に流れ込む。また、給水ノズル９から供給される冷却材も、ダウンカマ３を通り、気水分離器６で分離された冷却材とともに、複数のインターナルポンプ４によって炉心５に送り込まれる。インターナルポンプ４の圧力は、吸い込み側圧力測定管４１および吐き出し側圧力測定管４２により、差圧測定器４３に導かれる。差圧測定器４３から出力される差圧信号は、流量変換器４４により、流量に変換される。炉心流量は、試験により予め求められたＱ−Ｈ特性，インターナルポンプ４の回転数，冷却材温度を考慮して求められる。

従来の原子炉の冷却材流量測定装置は、実機を模擬した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している。ＡＢＷＲプラントにおいては、所定精度で炉心流量を計測している。

しかし、今後、炉内構造などを設計変更する場合、同様の炉心流量計測装置では、大規模な試験を再度実施する必要があり、多大な開発コストがかかる。

そこで、炉心流量計測装置には、いくつかの代案が提案されている。超音波信号を用いた炉心流量計測としては、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シフト式超音波流速計を用いた炉心流量計測装置がある(例えば、特許文献１参照。)。

この炉心流量計測装置においては、ダウンカマ部に流路測定管を挿入しており、凹凸嵌合部を設けて原子炉圧力容器と流路測定管とを一体化し、超音波信号の進路に界面を設けないようになっている。

また、伝播時間差法による超音波流量計を用いた炉心流量計測装置がある(例えば、特許文献２参照。)。

この炉心流量計測装置においては、気泡による超音波の減衰を考慮し、その配置位置を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、または、インターナルポンプの頂部から上側に３ｍ以内の領域としている。

さらに、インターナルポンプ頂部近傍で流量を計測する装置が提案されている(例えば、特許文献３参照)。

特開平１１−２３１０９０号公報 (第６〜８頁、図６〜図１６) 特開２００３−３２９７９２号公報 (第５頁、図４) 特開平１０−０７８４９５号公報 (第５〜６頁、図４，図５)

上記従来技術においては、超音波送受信ユニットの配置位置に関して、超音波を減衰させる気泡の存在領域を考慮している。

しかし、インターナルポンプ上流側にある給水スパージャなどによる流れ場の乱れに対する配慮が無く、乱れた流速分布領域での計測となることもあり、炉心流量計測精度の低下が懸念される。

さらに、沸騰水型原子炉(ＢＷＲ)において、冷却材を循環させるためにダウンカマ部に設置されているジェットポンプ、または、ＡＢＷＲにおいて、ダウンカマ部の流れの乱れを抑制するために設置される整流筒、または、発展改良型ＡＢＷＲ(ＡＢＷＲ−ＩＩ)において、シュラウドレス構造を実現するために流路として設置されるＲＩＰチューブなどのように、ダウンカマ部に原子炉圧力容器との間に隙間をもって冷却材流路案内管を挿入した場合には、ジェットポンプ，整流筒，ＲＩＰチューブなどの冷却材流路案内管壁と冷却材との音響インピーダンスの関係から、超音波信号のほとんどがこの界面を透過せず、信号が極端に減衰するおそれがあり、測定精度が低下する。

本発明の目的は、ダウンカマ上流側の流れ場の乱れの影響を低減しながら超音波信号により炉心流量を計測する炉心流量計測装置を提供することである。

本発明の他の目的は、冷却材流路案内管壁による超音波信号の減衰を抑制しながら超音波信号により炉心流量を計測する炉心流量計測装置を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、超音波信号を用いて炉心流量を計測しようとする際、流れ場の乱れの影響を低減するために、ダウンカマ内において、流れの乱れの影響が小さい領域を特定し、その領域を超音波信号の通過経路とする。

すなわち、炉心を収納する原子炉圧力容器内の冷却材を循環させるインターナルポンプを原子炉圧力容器の底部側に備えた沸騰水型原子炉の炉心流量を超音波信号により計測する炉心流量計測装置において、炉心部分を収容するシュラウドおよび原子炉圧力容器の間のダウンカマ部の原子炉圧力容器前記炉心部分を収容するシュラウドおよび前記原子炉圧力容器の間のダウンカマ部の前記原子炉圧力容器の外壁面に、２つの超音波トランスデューサが冷却材の流れ方向に離して設置され、２つの超音波トランスデューサは、一方の超音波トランスデューサから前記ダウンカマ部を流れる冷却材に向けて超音波信号を送信し、前記シュラウドで反射される超音波信号を他方の超音波トランスデューサで受信する送受信を交互に行うように構成され、冷却材の流れ方向の上流側と下流側に設置される前記２つの超音波トランスデューサは、インターナルポンプの吸い込み位置よりも高さ方向で５００ｍｍ以内の領域に前記超音波信号の通過経路が形成されるように設置されることを特徴とする。

ダウンカマ上部は、給水スパージャなどによる流れ場の乱れが大きいので、インターナルポンプは乱れた流速分布を持つ冷却材を一様に吸い込むことになる。一方、インターナルポンプ上部は流速が高く、その領域ではダウンカマ上流側による乱れの影響が低減されるので、超音波信号を用いて炉心流量を計測する際には、乱れの影響が低減される領域において測定すれば、炉心流量を高精度に計測できる。

本発明は、上記他の目的を達成するために、超音波信号を用いて炉心流量を計測しようとする際、冷却材流路案内管壁による超音波信号の低減を抑制するために、超音波信号の通過経路となる冷却材流路案内管壁を加工しまたは改良し、超音波信号の減衰を抑制する。

例えば、炉心を収納する原子炉圧力容器内の冷却材を循環させるインターナルポンプまたはジェットポンプを原子炉圧力容器の底部側に備えた沸騰水型原子炉の炉心流量を超音波信号により計測する炉心流量計測装置において、炉心部分を収容するシュラウドおよび原子炉圧力容器の間のダウンカマ部に設けられた冷却材流路案内管壁の超音波信号の通過経路となる部分を薄くする。

超音波信号は、異なる音響インピーダンスの媒質を通過する際、信号の減衰を伴う。そこで、超音波信号の通過経路に当たる冷却材流路案内管壁を超音波信号の減衰を抑制するように加工しまたは改良すると、流量を高精度に計測できる。

本発明によれば、流れ場の乱れの影響を避けて超音波信号により炉心流量を計測できるので、沸騰水型原子炉の炉心流量計測精度を高めることができる。

また、冷却材流路案内管壁による超音波の減衰を抑えて信号を送受信できるので、沸騰水型原子炉の炉心流量計測精度を高めることができる。

図１は、ＡＢＷＲ−ＩＩプラントに適用した本発明による炉心流量計測装置の系統構成を示すブロック図である。

ここでは、冷却材流路案内管１０として、ＲＩＰチューブを想定しているが、ジェットポンプ，流路計測管，整流筒などをダウンカマ部３に配置したＢＷＲ，ＡＢＷＲプラントにおいても、同様の形態となる。

図１において、ダウンカマ３の流速を測定するための超音波送受信手段すなわち超音波送受信ユニット１１は、原子炉圧力容器１の外壁に設置してある。超音波送受信ユニット１１は、送受信兼用の超音波トランスデューサ１２を含んでいる。超音波トランスデューサ１２は、図１の矢印の方向に超音波を伝播させるため、ここでは詳細を図示していないくさび材を介して、超音波送受信用振動子を配置してある。

超音波送受信ユニット１１には、超音波送受信回路１４と時間差計測回路１５と流量演算器１６とを含む超音波流量計１３が接続されている。なお、超音波送受信ユニット１１および超音波流量計１３は固定的に設置する必要はなく、測定が必要なときにのみ装着するポータブル型であってもよい。

図２は、図１の炉心流量計測装置において伝播時間差法による流速測定方法の原理を示す図である。冷却材の流速Ｖは、流れの下流側，上流側に交互に超音波を伝播させ、下流側と上流側との到達時間差Δｔを測定し、
Ｖ＝ΔｔＣ^２／(４Ｌtanθ) ……(１)
により求めることができる。数式１において、Ｃは冷却材の音速、Ｌはダウンカマの幅、θは原子炉圧力容器１内面の法線と超音波の伝播経路とのなす角度である。

ダウンカマ３における冷却材の流速Ｖは、炉心中心方向に対して、位置により異なる分布数1によって求められる流速Ｖ(ｘ)となっており、数式１により得られる流速Ｖは、分布Ｖ(ｘ)の平均値すなわち線平均流速となっている。

ダウンカマ３部の断面積および補正係数に応じて、超音波送受信ユニット１１の出力として得られるダウンカマ３の線平均流速データを超音波流量計１３で流量に変換する。測定された流量は、超音波送受信ユニット１１を設置した位置におけるダウンカマ３の流量であり、ダウンカマ３の全周を流れる総流量すなわち炉心流量は、原子炉圧力容器１の外壁に設置された複数個の超音波送受信ユニット１１および超音波流量計１３により得られた流量に基づいて算出される。

図３は、本発明によりＡＢＷＲプラントのインターナルポンプ４の頂部領域に超音波送受信ユニット１１を設置する炉心流量計測装置の実施例１の系統構成を示すブロック図である。

図３に示すように、ＡＢＷＲプラントにおいて、インターナルポンプ４の頂部の領域に超音波送受信ユニット１１を設置すると、ダウンカマ３の上流側の影響を抑制でき、炉心流量を高精度に計測できる。

図４は、ダウンカマ部上流側の影響を模擬した速度分布の解析結果の一例を示す図である。すなわち、ダウンカマ３上流側で速度をステップ状に変化させて流体を流入させたときのインターナルポンプ４付近での速度分布を示す速度コンター図である。

図４に示すように、インターナルポンプ４の頂部近傍では上流側の流れの偏りの影響が弱まり、速度は対称形状に近づいている。インターナルポンプ４真上の領域で、頂部から高さ方向で５００ｍｍ以内の上流側の流れの偏りの影響が弱まる領域に炉心流量計測装置を設置することが望ましい。

したがって、図３に示すように、インターナルポンプ４が超音波信号の進行を妨げない範囲でインターナルポンプ４の頂部領域に炉心流量計測装置を設置すると、超音波トランスデューサ１２の間隔が５００ｍｍの超音波送受信ユニット１１においては、一方の超音波トランスデューサ１２をインターナルポンプ４の頂部よりも上側に設置し、他方の超音波トランスデューサ１２をインターナルポンプ４の頂部よりも下側か頂部付近に設置すると、ダウンカマ３上流側の流れの乱れの影響を低減した高精度な炉心流量計測装置を実現できる。

図５は、本発明により超音波信号が選択的に透過する厚さに加工した冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。

図５に示すように、冷却材流路案内管(ＲＩＰチューブ、整流筒など)１０の外壁の一部３１を超音波を選択的に透過させる厚さに薄くしていくと、冷却材流路案内管１０の外壁の中を超音波が通過するときの波長と部材厚さとの関係により、超音波の選択的透過が起こる。

図６は、異媒質の層に超音波が垂直入射する音響インピーダンスｚと異媒質の厚さｌと異媒質中の波長λ２との関係を示す図である。

この場合は、
Ｒ_Ｉ＝(反射波の強さ)／(入射波の強さ)＝
｛(Z1/Z2)-(Z2/Z1)｝^２
／[４cot^２(2πｌ/λ_２)+｛(Z1/Z2)+(Z2/Z1)｝^２]

Ｔ_Ｉ＝(第１媒質中の透過波の強さ)／(入射波の強さ)
＝１−Ｒ_Ｉ ……(２)
により、透過波の強さを求めることができる。

図７は、異媒質の厚さｌと異媒質中の波長λ_２との関係をパラメータとして、透過波の強さＴ_Ｉと透過損失との関係を示す図である。

数式２および図７によれば、厚さｌが第２媒質中における超音波の半波長の整数倍に等しいときに、透過率が良くなることが分かる。

具体例として、冷却材流路案内管１０をステンレス製とし、ステンレス中の超音波の速度を５７９０ｍ／ｓ，超音波の振動数を３ＭＨｚとすると、冷却材流路案内管１０内における超音波の波長は約２ｍｍとなる。したがって、冷却材流路案内管１０の管壁を１ｍｍまたは２ｍｍにすると、超音波の透過率が良くなる。

斜め入射の場合にも同様に、管壁厚みと波長の関係によって選択的透過は生ずるので、選択的透過が起こる厚みに管壁を加工すれば、超音波の透過が可能となる。
なお、この冷却材流路案内管１０内外の圧力差はほとんど無いので、管壁の一部を薄くすることは、強度的にも問題が無い。

図８は、本発明により超音波信号の減衰が少なくなるように材質を変更した冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。

図８に示すように、冷却材流路案内管１０の外壁の一部３２の材質を超音波信号の減衰がその外側よりも少なくなる材質に変更すると、超音波信号の減衰を抑制できる。

数式２および図７によれば、超音波の透過は、異媒質の音響インピーダンスの比によって決まることが分かる。超音波信号が通過する案内管壁の材質のインピーダンスを測定対象の冷却材(１.５×１０^−６ｋｇ／ｍ^２ｓ)と同じにまたは近くすると、超音波の減衰は抑えられて、透過できる。

具体的には、ガラス，有機ガラス，薄い金属とガスによる傾斜材，金属の薄膜で作られた容器内に詰め込んだ四塩化炭素などとの関係がこれに当たる。

図９は、本発明により超音波信号が減衰しないように孔をあけた冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。

図９に示すように、冷却材流路案内管１０の外壁の超音波信号が通過する経路となる部分に孔をあけると、管壁における減衰は無く、流量を高精度に計測できる。

図１０は、本発明により超音波信号が減衰しないように孔をあけさらに導波管１７を設置した冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。

図１０に示すように、冷却材流路案内管１０の外壁の超音波信号が通過する経路となる部分に孔をあけ、さらに、冷却材流路案内管１０と原子炉圧力容器１との間に導波管１７を設置すると、超音波の減衰を抑制できる。

図１１は、超音波信号の進行の様子を解析的に求める際の原子炉圧力容器とシュラウドとの間のダウンカマ部を模擬した計算モデルを示す図である。

図１２は、図１１のような原子炉圧力容器１とシュラウド２との間のダウンカマ３部を模擬した計算モデルを用いて評価した超音波信号のメインローブの進行の様子の一例を示す図である。

図１１および図１２のＰ１は原子炉圧力容器１壁と冷却材との境界点、Ｐ２は冷却材とシュラウド２との境界点、Ｐ３は冷却材と原子炉圧力容器１壁との境界点、Ｐ４は原子炉圧力容器１外壁表面におけるトランスデューサへの入射点を示している。

図１２に示すように、超音波信号のメインロープすなわち最初の山のみをピックアップすると、超音波信号のメインローブは、進行するに従って拡がる傾向にあり、測定精度を下げる要因となる。

図１３は、集束水浸探触子の集束原理を示す図である。集束水浸探触子は、凹レンズを用いると、水中における屈折率の関係から、焦点Ｆ０に超音波を集束させることができる。図１３において、焦点Ｆ０までの距離Ｆとレンズ半径Ｒと屈折率ｎ(＝ｃ_２／ｃ_１＜１)とは、
Ｒ＝Ｆ(１−ｎ) ……(３)
の関係にある。

この集束現象は、超音波が凹レンズ中を伝搬する時間が、中心部より縁にいくに従って長くなり、点Ｆに到達する時刻がすべて同じすなわち同位相になることを意味している。

図１４は、原子炉圧力容器１の内壁に集束水浸探触子を設置した原子炉圧力容器と冷却材流路案内管との縦断面を示す図である。

図１４に示すように、原子炉圧力容器１の内壁に集束水浸探触子１８を取り付けると、冷却材流路案内管１０に入射する超音波信号の拡がりを抑制できる。

図１５は、管壁に凹レンズを形成するとともに集束水浸探触子を設置した冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。

図１５に示すように、冷却材流路案内管１０の一部３３を凹レンズ状に加工したり集束水浸探触子を設置したりすると、超音波信号の拡がりを抑制し、流量を高精度に計測できる。

ＡＢＷＲ−ＩＩプラントに適用した本発明による炉心流量計測装置の系統構成を示すブロック図である。 図１の炉心流量計測装置において伝播時間差法による流速測定方法の原理を示す図である。 本発明によりＡＢＷＲプラントのインターナルポンプ４の頂部領域に超音波送受信ユニット１１を設置する炉心流量計測装置の実施例１の系統構成を示すブロック図である。 ダウンカマ部上流側の影響を模擬した速度分布の解析結果の一例を示す図である。 本発明により超音波信号が選択的に透過する厚さに加工した冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。 異媒質の層に超音波が垂直入射する音響インピーダンスｚと異媒質の厚さｌと異媒質中の波長λ２との関係を示す図である。 異媒質の厚さｌと異媒質中の波長λ２との関係をパラメータとして、透過波の強さＴＩと透過損失との関係を示す図である。 本発明により超音波信号の減衰が少なくなるように材質を変更した冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。 本発明により超音波信号が減衰しないように孔をあけた冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。 本発明により超音波信号が減衰しないように孔をあけさらに導波管１７を設置した冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。 超音波信号の進行の様子を解析的に求める際の原子炉圧力容器とシュラウドとの間のダウンカマ部を模擬した計算モデルを示す図である。 図１１のような原子炉圧力容器１とシュラウド２との間のダウンカマ３部を模擬した計算モデルを用いて評価した超音波信号のメインローブの進行の様子の一例を示す図である。 集束水浸探触子の集束原理を示す図である。 原子炉圧力容器１の内壁に集束水浸探触子を設置した原子炉圧力容器と冷却材流路案内管との縦断面を示す図である。 管壁に凹レンズを形成するとともに集束水浸探触子を設置した冷却材流路案内管と原子炉圧力容器との縦断面を示す図である。 改良型沸騰水型原子炉(ＡＢＷＲ)における従来の炉心流量計測装置の一例のを示すブロック図である。

符号の説明

１ 原子炉圧力容器
２ シュラウド
３ ダウンカマ
４ インターナルポンプ
５ 炉心
６ 気水分離器
７ 蒸気乾燥器
８ 主蒸気ノズル
９ 給水ノズル
１０ 冷却材流路案内管
(ＲＩＰチューブ，流路測定管，整流筒など)
１１ 超音波送受信ユニット
１２ 超音波トランスデューサ
１３ 超音波流量計
１４ 超音波送受信回路
１５ 時間差計測回路
１６ 流量演算器
１７ 導波管
１８ 集束水浸探触子
３１ 超音波選択的透過厚さの外壁
３２ 超音波減衰抑制材質の外壁
３３ 超音波集束凹レンズ状の冷却材流路案内管外壁
４１ 吸い込み側圧力測定管
４２ 吐き出し側圧力測定管
４３ 差圧測定器
４４ 流量変換器

Claims (1)

1. 炉心を収納する原子炉圧力容器内の冷却材を循環させるインターナルポンプを前記原子炉圧力容器の底部側に備えた沸騰水型原子炉の炉心流量を超音波信号により計測する炉心流量計測装置において、
   前記炉心部分を収容するシュラウドおよび前記原子炉圧力容器の間のダウンカマ部の前記原子炉圧力容器の外壁面に、２つの超音波トランスデューサが冷却材の流れ方向に離して設置され、前記２つの超音波トランスデューサは、一方の超音波トランスデューサから前記ダウンカマ部を流れる冷却材に向けて超音波信号を送信し、前記シュラウドで反射される超音波信号を他方の超音波トランスデューサで受信する送受信を交互に行うように構成され、
   前記冷却材の流れ方向の上流側と下流側に設置される前記２つの超音波トランスデューサは、前記インターナルポンプの吸い込み位置よりも高さ方向で５００ｍｍ以内の領域に前記超音波信号の通過経路が形成されるように設置されることを特徴とする炉心流量計測装置。

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