JP6004834B2

JP6004834B2 - 原子炉水位計

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Publication number: JP6004834B2
Application number: JP2012182502A
Authority: JP
Inventors: 熊谷　純一; 純一熊谷; 弘久里見; 勇雄宮地
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: JP2014041023A

Description

本発明は、原子炉の水位を計測するための装置に関するものである。

沸騰水型原子炉における原子炉圧力容器の水位は、通常運転時に起こりうる運転条件の変化などに対し原子炉水位を適切な運転範囲に維持し監視する役割を持つ原子炉監視系における重要な監視パラメータである。原子炉圧力容器の水位は、気相部と液相部との圧力差により計測している。特に気相部が蒸気の場合は、原子炉圧力容器から導かれる蒸気を凝縮させ基準水位を形成する基準面器を設ける。そして、基準水位の水頭圧と、変動する原子炉水位側の圧力を伝える原子炉水位の水頭圧との差圧を差圧検出器による連続測定することによって原子炉圧力容器の水位を計測している（特許文献１参照）。

特開昭５９−１７８３２０号公報

上述した沸騰水型原子炉の原子炉圧力容器の水位計測では、基準面器で基準水位を形成する必要がある。しかし、基準水位が変動するなどして正確な水位を計測できないおそれがある。

本発明による原子炉水位計は、原子炉圧力容器内の気相部に接続された上部配管部と、原子炉圧力容器の底面で液層部に接続された下部配管部と、上部配管部と下部配管部の間を接続して内部に液面を形成する液面形成配管部と、液面形成配管部の内部で液面形成配管部の上部から下部まで配設される光ファイバを有する光ファイバ温度センサと、光ファイバに入射するパルス光の光源と、光ファイバ内で発生する散乱光を検知し、検知した散乱光に基づいて光ファイバの任意の位置における温度を検出する温度検出部と、温度検出部で検出した光ファイバの任意の位置における温度に基づいて、液面形成配管部における気相部と液層部との温度差が生じる位置を液面の位置として算出する液面位置算出部と、液面位置算出部で算出した液面の位置に基づいて、原子炉圧力容器内の冷却水の水位の情報に変換して出力する水位情報出力部と、原子炉圧力容器の気相部から導かれる蒸気を凝縮させて基準水位を形成する基準面器と、基準面器で形成された基準水位の水頭圧と、原子炉圧力容器の液層部の水頭圧との差圧に基づいて、原子炉圧力容器内の冷却水の水位の情報を出力する差圧式原子炉水位計とを備え、上部配管部は、基準面器の気相部に接続されることで、基準面器の気相部を介して原子炉圧力容器内の気相部に接続されることを特徴とする。

本発明によれば、基準面器における基準水位の変動などの影響を受けずに水位を計測できる。

本発明に係る原子炉水位計の第１の実施形態を示す模式図光ファイバ温度センサを用いた温度計測原理を示す図本発明に係る原子炉水位計の第２の実施形態を示す模式図本発明に係る原子炉水位計の第３の実施形態を示す模式図本発明に係る原子炉水位計の第４の実施形態を示す模式図

−−−第１の実施の形態−−−
図１，２を参照して、本発明による原子炉水位計の第１の実施の形態を説明する。本実施の形態では、本発明による原子炉水位計が沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に適用された場合の例について説明する。図１は、本実施の形態の原子炉水位計を用いた原子炉圧力容器（ＲＰＶ）の水位計測に係る模式図である。なお、図１では、沸騰水型原子炉の各構成のうち、原子炉圧力容器の水位計測に関する構成を主に記載し、他の構成についての記載を省略している。本実施の形態の沸騰水型原子炉は、原子炉格納容器１０の内部に原子炉圧力容器１が格納されている。

原子炉圧力容器１の内部には、不図示の炉心シュラウドが設置されている。以下の説明では、原子炉圧力容器をＲＰＶと称する。炉心シュラウド内には、複数の燃料集合体が装荷された不図示の炉心が配設されている。不図示の気水分離器および蒸気乾燥器は、ＲＰＶ１内で炉心の上方に配設されている。ＲＰＶ１内には、所定量の冷却水が存在している。ＲＰＶ１内の冷却水は、ジェットポンプ等によって不図示の炉心の下方から炉心に供給される。

冷却水は、炉心を通過する際に加熱されて水および蒸気を含む気液二相流となる。不図示の気水分離器は気液二相流を蒸気と水に分離する。分離された蒸気は、更に不図示の蒸気乾燥器で湿分を除去されて不図示の蒸気タービンの駆動源として用いられる。蒸気タービンから排出された蒸気は、不図示の復水器で凝縮されて水となる。この凝縮水は、給水として再びＲＰＶ１内に供給される。気水分離器および蒸気乾燥器で分離された水は、ＲＰＶ１内で落下して冷却水となる。

本実施の形態の原子炉水位計１００は、計測配管ＬＰと、光ファイバ温度センサ５と、処理装置９とを備えている。計測配管ＬＰは、液面形成配管部４と、上部配管部２と、下部配管部３とを有する。液面形成配管部４は、原子炉格納容器１０の内部に設けられた鉛直方向に延在する配管である。上部配管部２は、液面形成配管部４の上部とＲＰＶ１の気相部とを接続する配管である。下部配管部３は、液面形成配管部４の下部とＲＰＶ１の液層部とを接続する配管である。なお、下部配管部３は、図１に示すように、ＲＰＶ１の底面に接続される。

このように構成される計測配管ＬＰでは、ＲＰＶ１内の冷却水の一部が流れ込んで、液面形成配管部４の内部に液面（気相部と液層部との境界）が形成される。液面形成配管部４の液面の高さ位置、すなわち液面形成配管部４内部の冷却水の水位は、ＲＰＶ１内の水位と連動する。したがって、液面形成配管部４における冷却水の水位を計測することで、ＲＰＶ１内の水位を推定（すなわち、ＲＰＶ１内の水位を計測）できる。そこで、本実施の形態の原子炉水位計１００では、光ファイバ温度センサ５を用いて液面形成配管部４における気相部と液層部との間で生じる温度差と、温度差が生じた高さ位置を検出する。そして、検出した高さ位置から、液面形成配管部４内部の冷却水の水位（すなわち、ＲＰＶ１内の冷却水の水位）を算出する。なお、光ファイバ温度センサ５を用いた温度計測原理については後述する。

具体的には、液面形成配管部４内部の上部から下部まで光ファイバ温度センサ５を配設する。光ファイバ温度センサ５に用いられる光ファイバは、耐放射線特性が優れたものが望ましい。光ファイバ温度センサ５は、原子炉格納容器１０に設けられた計装ペネトレーション６を介して、原子炉格納容器１０の外部に設けられた処理装置９に接続されている。処理装置９には、光源７と検出部８とが設けられている。光源７では、光ファイバ温度センサ５に入射するパルス光を発生する。

検出部８では、光源７が発生したパルス光による光ファイバ温度センサ５の内部の散乱光を検知して光ファイバ温度センサ５の任意の位置における温度を計測する。このようにして検出部８では、光ファイバ温度センサ５の温度分布の情報が得られる。そして検出部８では、得られた温度分布の情報に基づいて、液面形成配管部４における気相部と液層部との温度差が生じる位置（すなわち液面形成配管部４内部の冷却水の水位）を算出する。検出部８は、算出結果をＲＰＶ１内の冷却水の水位の情報に変換して外部に出力する。

図２は、光ファイバ温度センサ５を用いた温度計測原理を説明するための図である。処理装置９に備えられた光源７によりパルス光を入射すると、入射したパルス光が光ファイバ（すなわち光ファイバ温度センサ５）の各部でごく僅かに散乱する。その散乱光の一部が後方散乱光として光ファイバの光を入射した端部（入射端）に戻ってくる。この後方散乱光の遅延時間（光パルスを入射してから後方散乱光が入射端に戻ってくるまでの時間）は、散乱光が発生した位置から入射端までの光ファイバの距離に依存する。また、この後方散乱光に含まれるラマン散乱光の強度は、散乱を起こした位置における光ファイバの温度に依存する。

したがって、光ファイバにおける光の伝搬速度（既知）と、後方散乱光の遅延時間からラマン散乱光の発生位置を算出できる。また、後方散乱光に含まれるラマン散乱光の強度に基づいて、散乱を起こした位置における光ファイバの温度を算出できる。そこで、本実施の形態の検出部８では、後方散乱光を検知し、検知したラマン散乱光の遅延時間および強度に基づいて光ファイバ温度センサ５の任意の位置における温度を計測（算出）する。

上述した第１の実施の形態の原子炉水位計１００では、次の作用効果を奏する。
（１）ＲＰＶ１に接続した計測配管ＬＰの液面形成配管部４に液面を形成させるように構成した。そして、液面形成配管部４に形成された液面の高さ位置を光ファイバ温度センサ５によって検出するように構成した。これにより、ＲＰＶ１の水位を気相部と液相部との圧力差を検出しなくてもよくなるため、基準水位を形成する基準面器が必須でなくなる。したがって、基準水位が変動するなどしてＲＰＶ１内の正確な水位が計測できなくなるおそれを排除でき、沸騰水型原子炉の運転管理に貢献できる。

（２）液面形成配管部４に形成された液面の高さ位置の検出に光ファイバ温度センサ５を用いるように構成した。これにより、放射線量が高い原子炉格納容器１０の内部に耐放射線特性が低い電子回路を設ける必要がないため、水位計測の信頼性を向上できる。

（３）原子炉格納容器１０の内部に計測配管ＬＰを設けるように構成した。これにより、ＲＰＶ１の冷却水が原子炉格納容器１０の外部に漏洩する可能性を低減でき、沸騰水型原子炉のフェイルセーフに貢献できる。

（４）下部配管部３をＲＰＶ１の底面に接続することにより、下部配管部３をＲＰＶ１の側面に接続する場合に比べて、ＲＰＶ１の水位の計測下限を下げることができる。これにより、ＲＰＶ１の水位がＲＰＶ１の底面近傍まで低下してしまうような万が一の場合であっても、ＲＰＶ１の水位を計測できる。

−−−第２の実施の形態−−−
図３を参照して、本発明による原子炉水位計の第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、液面形成配管部４を原子炉格納容器１０の外部に設けた点で、第１の実施の形態と異なる。

図３は、本実施の形態の原子炉水位計１００を用いたＲＰＶ１の水位計測に係る模式図である。なお、図３では、沸騰水型原子炉の各構成のうち、ＲＰＶ１の水位計測に関する構成を主に記載し、他の構成についての記載を省略している。本実施の形態の原子炉水位計１００では、原子炉格納容器１０に設けられた計装ペネトレーション６を介して、計測配管ＬＰの上部配管部２および下部配管部３を原子炉格納容器１０の外部に導く。そして、原子炉格納容器１０の外部で上部配管部２および下部配管部３を液面形成配管部４に接続する。

第１の実施の形態で述べたように、光ファイバ温度センサ５を用いることで原子炉格納容器１０の内部に耐放射線特性が低い電子回路を設ける必要はない。しかし、光ファイバ温度センサ５として耐放射線特性で優れた光ファイバを用いていても、光ファイバの被爆量は少ないことが望ましい。したがって、本実施の形態のように、液面形成配管部４を原子炉格納容器１０の外部に設けることで、光ファイバ温度センサ５の被爆量を低減できるので、光ファイバ温度センサ５の耐久性を向上できる。これにより、水位計測の信頼性を向上でき、沸騰水型原子炉の運転管理に貢献できる。

また、光ファイバ温度センサ５の耐久性の向上により、光ファイバ温度センサ５の点検頻度や交換頻度を低減でき、メンテナンス費用を削減できる。さらに、液面形成配管部４を原子炉格納容器１０の外部に設けたことで、人や機械による液面形成配管部４や光ファイバ温度センサ５の監視が可能となり、メンテナンス性が向上する。

−−−第３の実施の形態−−−
図４を参照して、本発明による原子炉水位計の第３の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態の原子炉水位計１００では、主に、基準水位の水頭圧と原子炉水位の水頭圧との差圧に基づく従来技術の原子炉水位計と、光ファイバ温度センサ５を用いたＲＰＶ１の水位計測装置（原子炉水位計１００）とを併設する点で、第１の実施の形態と異なる。

図４は、本実施の形態のＲＰＶ１の水位計測に係る模式図である。なお、図４では、沸騰水型原子炉の各構成のうち、ＲＰＶ１の水位計測に関する構成を主に記載し、他の構成についての記載を省略している。本実施の形態の原子炉格納容器１０の内部には、さらに基準面器１１が設けられている。また、原子炉格納容器１０の外部には、さらに差圧式水位計測装置１２が設けられている。基準面器１１および差圧式水位計測装置１２による従来技術の原子炉水位計は公知であるので、詳細な説明を省略する。

本実施の形態では、従来技術の原子炉水位計のバックアップ装置として光ファイバ温度センサ５を用いた原子炉水位計１００を設ける。本実施の形態の原子炉水位計１００では、上部配管部２によって、液面形成配管部４の上部と基準面器１１の気相部とを接続する。これにより、液面形成配管部４の上部は、基準面器１１の気相部を介してＲＰＶ１の気相部に接続される。

このように構成することにより、簡単な構成によって従来技術のＲＰＶ１の水位計測装置のバックアップ装置を設けることができ、沸騰水型原子炉の運転管理に貢献できる。

−−−第４の実施の形態−−−
図５を参照して、本発明による原子炉水位計の第４の実施の形態を説明する。以下の説明では、第３の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第３の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、液面形成配管部４を原子炉格納容器１０の外部に設けた点で、第３の実施の形態と異なる。

図５は、本実施の形態のＲＰＶ１の水位計測に係る模式図である。なお、図５では、沸騰水型原子炉の各構成のうち、原子炉圧力容器の水位計測に関する構成を主に記載し、他の構成についての記載を省略している。本実施の形態の原子炉水位計１００では、原子炉格納容器１０に設けられた計装ペネトレーション６を介して、計測配管ＬＰの上部配管部２および下部配管部３を原子炉格納容器１０の外部に導く。そして、原子炉格納容器１０の外部で上部配管部２および下部配管部３を液面形成配管部４に接続する。

第２の実施の形態でも述べたように、光ファイバ温度センサ５として耐放射線特性で優れた光ファイバを用いていても、光ファイバの被爆量は少ないことが望ましい。したがって、本実施の形態のように、液面形成配管部４を原子炉格納容器１０の外部に設けることで、光ファイバ温度センサ５の被爆量を低減できるので、光ファイバ温度センサ５の耐久性を向上できる。これにより、バックアップ装置としての原子炉水位計１００の信頼性を向上でき、沸騰水型原子炉の運転管理に貢献できる。

なお、上述の説明では、従来技術のＲＰＶ１の水位計測装置を設けた場合には、液面形成配管部４の上部が基準面器１１の気相部を介してＲＰＶ１の気相部に接続されるように構成しているが、本発明はこれに限定されない。たとえば、基準面器１１の有無に関わらず、上部配管部２によって液面形成配管部４の上部とＲＰＶ１の気相部とを直接接続するように構成してもよい。

以上で説明した各実施の形態および変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されない。

本発明は、上述した実施の形態のものに何ら限定されず、原子炉圧力容器内の気相部に接続された上部配管部と、原子炉圧力容器の底面で液層部に接続された下部配管部と、上部配管部と下部配管部の間を接続して内部に液面を形成する液面形成配管部と、液面形成配管部の内部で液面形成配管部の上部から下部まで配設される光ファイバを有する光ファイバ温度センサと、光ファイバに入射するパルス光の光源と、光ファイバ内で発生する散乱光を検知し、検知した散乱光に基づいて光ファイバの任意の位置における温度を検出する温度検出部と、温度検出部で検出した光ファイバの任意の位置における温度に基づいて、液面形成配管部における気相部と液層部との温度差が生じる位置を液面の位置として算出する液面位置算出部と、液面位置算出部で算出した液面の位置に基づいて、原子炉圧力容器内の冷却水の水位の情報に変換して出力する水位情報出力部とを備えることを特徴とする各種構造の原子炉水位計を含むものである。

１原子炉圧力容器（ＲＰＶ）２上部配管部
３下部配管部４液面形成配管部
５光ファイバ温度センサ６計装ペネトレーション
７光源８検出部
９処理装置１０原子炉格納容器
１１基準面器１２差圧式水位計測装置
１００原子炉水位計ＬＰ計測配管

Claims

原子炉圧力容器内の気相部に接続された上部配管部と、
前記原子炉圧力容器の底面で液層部に接続された下部配管部と、
前記上部配管部と前記下部配管部の間を接続して内部に液面を形成する液面形成配管部と、
前記液面形成配管部の内部で前記液面形成配管部の上部から下部まで配設される光ファイバを有する光ファイバ温度センサと、
前記光ファイバに入射するパルス光の光源と、
前記光ファイバ内で発生する散乱光を検知し、検知した散乱光に基づいて前記光ファイバの任意の位置における温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部で検出した前記光ファイバの任意の位置における温度に基づいて、液面形成配管部における気相部と液層部との温度差が生じる位置を前記液面の位置として算出する液面位置算出部と、
前記液面位置算出部で算出した前記液面の位置に基づいて、前記原子炉圧力容器内の冷却水の水位の情報に変換して出力する水位情報出力部と、
前記原子炉圧力容器の気相部から導かれる蒸気を凝縮させて基準水位を形成する基準面器と、
前記基準面器で形成された基準水位の水頭圧と、前記原子炉圧力容器の液層部の水頭圧との差圧に基づいて、前記原子炉圧力容器内の冷却水の水位の情報を出力する差圧式原子炉水位計とを備え、
前記上部配管部は、前記基準面器の気相部に接続されることで、前記基準面器の気相部を介して前記原子炉圧力容器内の気相部に接続されることを特徴とする原子炉水位計。
請求項１に記載の原子炉水位計において、
前記液面形成配管部は、原子炉格納容器の内部に配設されていることを特徴とする原子炉水位計。
請求項１に記載の原子炉水位計において、
前記液面形成配管部は、原子炉格納容器の外部に配設されていることを特徴とする原子炉水位計。