JP6879684B2 - 水素濃度計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素濃度計測装置に関する。

従来、例えば、特許文献１には、原子力発電プラントにおいて、原子炉格納容器内で重大な事故が発生した場合の安全性を検証するために格納容器内の水素濃度を計測することが示されている。

また、例えば、特許文献２には、触媒型ガスセンサおよび非触媒型ガスセンサのガス空間に配置された共通の素子をガス濃度の検出のために兼用することが示されている。

特開２０１３−２０５０９７号公報 特開２００７−３３３５９４号公報

加圧水型軽水炉プラントなどの原子力発電プラントにおいて、シビアアクシデント発生時の格納容器内は、水素濃度の変化のみでなく、温度、圧力、水蒸気量が変化し、さらには放射線が照射されるなど環境条件が変化することから、このような変化の中で水素濃度の計測が必要である。

このような環境下で直接的に水素濃度を計測する検出器として、検知部に無機物を使用している接触燃焼式や気体熱伝導式の水素濃度計が、耐熱、耐圧、耐放射線の観点で適用可能である。

接触燃焼式の水素濃度計は、触媒反応で水素分子の量を直接計測するため比較的高い感度を有する。しかし、接触燃焼式の水素濃度計は、計測レンジが１０ｖｏｌ％程度までが限界である。シビアアクシデント時の水素濃度変化を網羅して計測するには、計測レンジを２０ｖｏｌ％程度とすることが望まれている。また、シビアアクシデント時は、水素燃焼装置や水素再結合装置が稼働するなどして水素を減らすために酸素が使われることから、これにより水素に対して酸素濃度が大きく低下した場合、接触燃焼式の水素濃度計は、水素との反応が低下するため、実水素濃度より低い値を指示することとなり、計測誤差が拡大する可能性がある。

一方、気体熱伝導式の水素濃度計は、原理上１００ｖｏｌ％の水素濃度計測が可能であるため、シビアアクシデント時の水素濃度変化を十分にカバーできる。しかし、気体熱伝導式の水素濃度計は、原理上、接触燃焼式の水素濃度計と比較して水素濃度変化に対する感度が低い。

ここで、特許文献２に示されるように、触媒型ガスセンサおよび非触媒型ガスセンサのガス空間に配置された共通の素子をガス濃度の検出のために兼用することが考えられるが、触媒型ガスセンサおよび非触媒型ガスセンサのいずれか一方に切り換えてしまうことから、一方のセンサにより計測されるガス濃度しか得ることができず、他方のセンサにより計測されるガス濃度が正確である場合、計測値の信頼性を確保できない問題がある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、より精度の高い計測値を得ることのできる水素濃度計測装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係る水素濃度計測装置は、第一水素濃度を検出する気体熱伝導式検出器と、第二水素濃度を検出する接触燃焼式検出器と、前記接触燃焼式検出器により検出される第二水素濃度が前記気体熱伝導式検出器により検出される第一水素濃度よりも低下し、かつ各前記水素濃度の差が拡大した場合に前記気体熱伝導式検出器により検出される第一水素濃度を選択する一方、当該場合以外において前記接触燃焼式検出器により検出される第二水素濃度を選択する水素濃度判定部と、を備える。

この水素濃度計測装置によれば、感度が高い接触燃焼式検出器により検出される第二水素濃度を選択しつつ、当該第二水素濃度が、酸素濃度が低下した影響で、気体熱伝導式検出器により検出される第一水素濃度よりも低下し、かつ各水素濃度の差が拡大した場合に、気体熱伝導式検出器により検出される第一水素濃度を選択することで、常に信頼性の高い検出結果を用いることができる。この結果、水素濃度についてより精度が高い計測値を得ることができる。

また、この水素濃度計測装置によれば、気体熱伝導式検出器により検出される第一水素濃度が選択された場合、接触燃焼式検出器により検出される第二水素濃度の変化を酸素濃度の変化傾向としても使用できる。

また、本発明の一態様に係る水素濃度計測装置では、温度検出器と、各前記水素濃度の温度特性データに基づいて温度検出器により検出される気体温度から前記気体熱伝導式検出器および前記接触燃焼式検出器により検出される各前記水素濃度を補正する補正部と、を備えることが好ましい。

この水素濃度計測装置によれば、気体熱伝導式検出器および接触燃焼式検出器により検出される水素濃度の温度影響を補正することができる。

また、本発明の一態様に係る水素濃度計測装置では、前記気体熱伝導式検出器および前記接触燃焼式検出器を内部に収容するカバー部と、前記カバー部の内部が外部から見えない形態で前記カバー部の内外を連通する連通部と、を有するケーシングを備えることが好ましい。

この水素濃度計測装置によれば、ケーシングのラビリンス構造により、外部に水滴が飛散しても内部への侵入を防ぎ、気体熱伝導式検出器および接触燃焼式検出器に水滴が接触する事態を防ぐことに加え、ガスの流路を常に確保することができる。この結果、水素濃度についてより精度が高い計測値を得ることができる。

また、本発明の一態様に係る水素濃度計測装置では、前記カバー部の内部において前記気体熱伝導式検出器および前記接触燃焼式検出器の周りを囲むミストフィルタを備えることが好ましい。

この水素濃度計測装置によれば、ミストフィルタを備えることで、霧状となった水がカバー部の内部に侵入した場合でも、気体熱伝導式検出器および接触燃焼式検出器に水が接触する事態を防ぐことができる。この結果、水素濃度についてより精度が高い計測値を得ることができる。

本発明によれば、より精度の高い計測値を得ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る水素濃度計測装置の構成図である。 図２は、本発明の実施形態に係る水素濃度計測装置の水素濃度演算部および補正部の説明図である。 図３は、本発明の実施形態に係る水素濃度判定部の動作のフォローチャートである。 図４は、本発明の実施形態に係る水素濃度計測装置のカバー部の構成図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、本実施形態に係る水素濃度計測装置の構成図である。図２は、本実施形態に係る水素濃度計測装置の水素濃度演算部および補正部の説明図である。図３は、本実施形態に係る水素濃度判定部の動作のフォローチャートである。図４は、本実施形態に係る水素濃度計測装置のカバー部の構成図である。

本実施形態の水素濃度計測装置１は、例えば、加圧水型軽水炉プラントなどの原子力発電プラントにおける格納容器内に設置され、シビアアクシデント発生時の格納容器内の水素濃度を計測するものである。

図１に示すように、水素濃度計測装置１は、ケーシング２と、水素濃度検出器３と、温度検出器４と、処理部５と、を備える。

ケーシング２は、詳細を後述するが、水素濃度検出器３の検出部を収容する。

水素濃度検出器３は、ケーシング２内の水素濃度を検出する。水素濃度検出器３は、気体熱伝導式検出器３Ａと、接触燃焼式検出器３Ｂと、を有する。

気体熱伝導式検出器３Ａは、図１に示すように、検知素子３Ａａと補償素子３Ａｂとを直列に配置した検知部と、固定抵抗３Ａｃ，３Ａｃを直列に配置した抵抗部とを互いに並列に配置して、検知部と抵抗部との相互間に電源３Ａｄを接続すると共に、検知素子３Ａａと補償素子３Ａｂとの間および各固定抵抗３Ａｃ，３Ａｃの間を接続してアンプ３Ａｅを設けて検出信号の出力としたブリッジ回路が形成されている。そして、気体熱伝導式検出器３Ａは、検知素子３Ａａ×固定抵抗３Ａｃと補償素子３Ａｂ×固定抵抗３Ａｃの抵抗値が同じく保たれた平衡状態では、回路上のア，イ間に電位差が生じず、検出信号は出力されないが、水素を含むガスＧにおいて水素の熱伝導率の差により抵抗値が低下することでア，イ間に電位差が生じて検出信号を出力する。この検出信号の電圧が水素濃度に比例する。

接触燃焼式検出器３Ｂは、図１に示すように、検知素子３Ｂａと補償素子３Ｂｂとを直列に配置した検知部と、固定抵抗３Ｂｃ，３Ｂｃを直列に配置した抵抗部とを互いに並列に配置して、検知部と抵抗部との相互間に電源３Ｂｄを接続すると共に、検知素子３Ｂａと補償素子３Ｂｂとの間および各固定抵抗３Ｂｃ，３Ｂｃの間を接続してアンプ３Ｂｅを設けて検出信号の出力としたブリッジ回路が形成されている。そして、接触燃焼式検出器３Ｂは、検知素子３Ｂａ×固定抵抗３Ｂｃと補償素子３Ｂｂ×固定抵抗３Ｂｃの抵抗値が同じく保たれた平衡状態では、回路上のウ，エ間に電位差が生じず、検出信号は出力されないが、水素を含むガスＧが酸素により燃焼した熱で抵抗値が増加することでウ，エ間に電位差が生じて検出信号を出力する。この検出信号の電圧が水素濃度に比例する。

温度検出器４は、ケーシング２内の気体温度を検出する。

処理部５は、記憶部６と、水素濃度演算部７と、補正部８と、水素濃度判定部９と、表示部１１と、を有する。処理部５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなマイクロプロセッサを含み、記憶部６に記憶された計測方法に基づいて、水素濃度演算部７と、補正部８と、水素濃度判定部９と、を実行し、実行した結果を表示部１１に表示する。

水素濃度演算部７は、気体熱伝導式検出器３Ａから入力した検出信号に基づいて水素濃度（第一水素濃度）αを算出する。図２に示すように、気体熱伝導式検出器３Ａが出力する検出信号の電圧が水素濃度に比例することから、水素濃度演算部７は、この比例定数を記憶部６から取得して水素濃度αを算出する。

また、水素濃度演算部７は、接触燃焼式検出器３Ｂから入力した検出信号に基づいて水素濃度（第二水素濃度）βを算出する。図２に示すように、接触燃焼式検出器３Ｂが出力する検出信号の電圧が水素濃度に比例することから、水素濃度演算部７は、この比例定数を記憶部６から取得して水素濃度βを算出する。

補正部８は、水素濃度演算部７が算出した水素濃度α，βを温度特性に基づいて補正する。水素の温度特性データは、記憶部６に予め記憶されている。図２に示すように、水素濃度演算部７は、温度検出器４において測温抵抗体を設定して気体温度を計測し、水素の温度特性データに基づいて気体温度から、水素濃度演算部７が算出した水素濃度Ａｖｏｌ％から温度影響を考慮した水素濃度Ｂｖｏｌ％に補正し、水素濃度指示値として出力する。

水素濃度判定部９は、気体熱伝導式検出器３Ａが検出した水素濃度αと、接触燃焼式検出器３Ｂが検出した水素濃度βとのどちらが信頼性があるかを判定する。接触燃焼式検出器３Ｂは、感度が高いが計測レンジが１０ｖｏｌ％程度までが限界であり、気体熱伝導式検出器３Ａは、接触燃焼式検出器３Ｂと比較して感度が低いが１００ｖｏｌ％の水素濃度計測が可能である。

従って、図３に示すように、水素濃度判定部９は、水素濃度演算部７で演算された（または補正部８で補正された）水素濃度α，βを取得し（ステップＳ１）、水素濃度β＜水素濃度αであり（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、かつ水素濃度βが低下して各水素濃度α，βの差が拡大した場合に（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、実水素濃度が１０ｖｏｌ％を超過したか、あるいは酸素濃度が大きく低下しているため、接触燃焼式検出器３Ｂが検出した水素濃度βよりも気体熱伝導式検出器３Ａが検出した水素濃度αが信頼性が高いとして、気体熱伝導式検出器３Ａで検出した水素濃度αを選択する（ステップＳ４）。処理部５は、この選択した水素濃度αを表示部１１に表示する。一方、水素濃度判定部９は、水素濃度β＜水素濃度αではなく（ステップＳ２：Ｎｏ）、水素濃度βが低下せず各水素濃度α，βの差が拡大しない場合に（ステップＳ３：Ｎｏ）、実水素濃度が１０ｖｏｌ％以下であり、あるいは酸素濃度が大きく低下していないため、接触燃焼式検出器３Ｂが検出した水素濃度βの信頼性が高いとして、接触燃焼式検出器３Ｂで検出した水素濃度βを選択する（ステップＳ５）。処理部５は、この選択した水素濃度βを表示部１１に表示する。

このように、本実施形態の水素濃度計測装置１は、水素濃度αを検出する気体熱伝導式検出器３Ａと、水素濃度βを検出する接触燃焼式検出器３Ｂと、接触燃焼式検出器３Ｂにより検出される水素濃度βが気体熱伝導式検出器３Ａにより検出される水素濃度αよりも低下し、かつ各水素濃度α，βの差が拡大した場合に気体熱伝導式検出器３Ａにより検出される水素濃度αを選択する一方、当該場合以外において接触燃焼式検出器３Ｂにより検出される水素濃度βを選択する水素濃度判定部９と、を備える。

本実施形態によれば、感度が高い接触燃焼式検出器３Ｂにより検出される水素濃度βを選択しつつ、当該水素濃度βが、酸素濃度が低下した影響で、気体熱伝導式検出器３Ａにより検出される水素濃度αよりも低下し、かつ各水素濃度α，βの差が拡大した場合に、気体熱伝導式検出器３Ａにより検出される水素濃度αを選択することで、常に信頼性の高い検出結果を用いることができる。この結果、原子力発電プラントにおけるシビアアクシデント発生時において変化する格納容器内の水素濃度についてより精度が高い計測値を得ることができる。

また、本実施形態によれば、気体熱伝導式検出器３Ａにより検出される水素濃度αが選択された場合、接触燃焼式検出器３Ｂにより検出される水素濃度βの変化を酸素濃度の変化傾向としても使用できる。従って、接触燃焼式検出器３Ｂにより検出される水素濃度βが選択されていないときに、接触燃焼式検出器３Ｂを酸素濃度の計測手段として使用できる。

また、本実施形態では、温度検出器４と、水素濃度α，βの温度特性データに基づいて気体熱伝導式検出器３Ａおよび接触燃焼式検出器３Ｂにより検出される水素濃度α，βを補正する補正部８と、を備えることが好ましい。

本実施形態によれば、気体熱伝導式検出器３Ａおよび接触燃焼式検出器３Ｂにより検出される水素濃度α，βの温度影響を補正することができる。

ここで、ケーシング２は、気体熱伝導式検出器３Ａおよび接触燃焼式検出器３Ｂの検出部を内部に収容するものである。ケーシング２は、天板２Ａと底板２Ｂとが上下に対向して配置され、これら天板２Ａと底板２Ｂとの間を接続する筒状の側部２Ｃ，２Ｄを有して気体熱伝導式検出器３Ａおよび接触燃焼式検出器３Ｂの検出部を内部に収容するカバー部を有している。筒状の側部２Ｃ，２Ｄは、側部２Ｃを筒状の外側に、側部２Ｄを筒状の内側に配置した２重構造とされている。これら側部２Ｃ，２Ｄは、連通部２Ｃａ，２Ｄａが形成されている。連通部２Ｃａ，２Ｄａは、互いに上下の高さ位置がずれて設けられており、カバー部の内部が外部から見えない形態でカバー部の内外を連通する、いわゆるラビリンス構造をなしている。

このため、本実施形態では、ケーシング２のラビリンス構造により、外部に水滴が飛散しても内部への侵入を防ぎ、気体熱伝導式検出器３Ａおよび接触燃焼式検出器３Ｂの検出部に水滴が接触する事態を防ぎ、検出部のガスの流路を常に確保することができる。この結果、原子力発電プラントにおけるシビアアクシデント発生時においてスプレイ水が散布されても格納容器内の水素濃度についてより精度が高い計測値を得ることができる。

また、本実施形態では、図４に示すように、カバー部の内部において気体熱伝導式検出器３Ａおよび接触燃焼式検出器３Ｂの検出部の周りを囲むミストフィルタ２Ｅを備えることが好ましい。

本実施形態によれば、ミストフィルタ２Ｅを備えることで、霧状となった水がカバー部の内部に侵入した場合でも、気体熱伝導式検出器３Ａおよび接触燃焼式検出器３Ｂの検出部に水が接触する事態を防ぐことができる。この結果、原子力発電プラントにおけるシビアアクシデント発生時においてスプレイ水が散布されても格納容器内の水素濃度についてより精度が高い計測値を得ることができる。

１ 水素濃度計測装置
２ ケーシング
２Ａ 天板
２Ｂ 底板
２Ｃ，２Ｄ 側部
２Ｃａ，２Ｄａ 連通部
２Ｅ ミストフィルタ
３ 水素濃度検出器
３Ａ 気体熱伝導式検出器
３Ａａ 検知素子
３Ａｂ 補償素子
３Ａｃ 固定抵抗
３Ａｄ 電源
３Ａｅ アンプ
３Ｂ 接触燃焼式検出器
３Ｂａ 検知素子
３Ｂｂ 補償素子
３Ｂｃ 固定抵抗
３Ｂｄ 電源
３Ｂｅ アンプ
４ 温度検出器
５ 処理部
６ 記憶部
７ 水素濃度演算部
８ 補正部
９ 水素濃度判定部
１０ 酸素濃度判断部
１１ 表示部
Ｇ ガス
α，β 水素濃度

Claims (4)

1. 第一水素濃度に比例する電圧の検出信号を出力する気体熱伝導式検出器と、
   第二水素濃度に比例する電圧の検出信号を出力する接触燃焼式検出器と、
   前記気体熱伝導式検出器から入力した検出信号に基づいて前記第一水素濃度を算出し前記接触燃焼式検出器から入力した検出信号に基づいて前記第二水素濃度を算出する水素濃度演算部と、
   前記水素濃度演算部で演算された前記第二水素濃度、および前記第一水素濃度を共に取得し、前記第二水素濃度が前記第一水素濃度よりも低下し、かつ各前記水素濃度の差が拡大した場合に前記第一水素濃度を選択する一方、当該場合以外において前記第二水素濃度を選択する水素濃度判定部と、
   を備える水素濃度計測装置。
2. 温度検出器と、
   各前記水素濃度の温度特性データに基づいて温度検出器により検出される気体温度から前記水素濃度演算部が演算した各前記水素濃度を補正する補正部と、
   を備える請求項１に記載の水素濃度計測装置。
3. 原子力発電プラントの格納容器内に配置され、前記気体熱伝導式検出器および前記接触燃焼式検出器を内部に収容するカバー部を備え、
   前記カバー部は、上下に対向して配置される天板および底板と、
   前記天板と前記底板との間を接続する内側および外側の各側部と、
   を有し、
   前記内側の側部は、筒状に形成されて前記天板に取り付けられて下端に連通部が形成され、
   前記外側の側部が、前記内側の側部の内側に配置され、筒状に形成されて前記底板に取り付けられて上端に連通部が形成され、
   各前記連通部は、互いに上下の高さ位置がずれて設けられ、
   前記天板に前記気体熱伝導式検出器および前記接触燃焼式検出器が取り付けられている、
   請求項１または２に記載の水素濃度計測装置。
4. 前記カバー部の内部において前記気体熱伝導式検出器および前記接触燃焼式検出器の周りを囲むミストフィルタを備える請求項３に記載の水素濃度計測装置。
   

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