(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器（１２）と、
前記原子炉圧力容器の壁と炉心シュラウド（２０）との間に冷却剤流路を形成する環状ダウンカマー（２２）を規定するために、前記原子炉圧力容器（１２）の内側に同心に配置された炉心シュラウド（２０）と、
沸騰水型軽水炉（１０）の内部における冷却剤液面（３８）及び冷却剤の流速のうち一方を判定するプローブシステム（４０）と、
を具備し、
前記プローブシステム（４０）は、伝導率プローブ（４２、４４）及び時間領域反射率計プローブ（４６）を具備し、
前記軽水炉（１０）の前記ダウンカマー（２２）の内部における冷却剤液面（３８）及び流速を判定するために、前記プローブシステム（４０）の少なくとも一部は前記軽水炉（１０）の前記ダウンカマー（２２）の内部に配置され、
前記プローブシステム（４０）は、前記伝導率プローブ（４２、４４）からの不連続測定値及び前記時間領域反射率計プローブ（４６）からの連続測定値を用いて、冷却剤液面（３８）の測定値を校正及び修正する手段を具備する、
沸騰水型軽水炉（１０）。
【請求項２】
前記伝導率プローブ（４２、４４）は、電気伝導率（ＥＣ）プローブ（４２）及び熱伝導率（ＴＣ）プローブ（４４）のうち一方を具備する、請求項１に記載の軽水炉。
【請求項３】
前記伝導率プローブは、前記ダウンカマー（２２）の内部における前記流速を決定する熱伝導率プローブ（４４）を具備する、請求項１に記載の軽水炉。
【請求項４】
前記沸騰水型軽水炉（１０）は、自然循環沸騰水型軽水炉である請求項１から３のいずれかに記載の軽水炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、単相流体系及び／又は２相流体系における流体液面及び流速を判定する装置に関し、特に、複数の電気伝導率（ＥＣ）プローブ、複数の熱伝導率（ＴＣ）プローブ及び１つ以上の時間領域反射率計（ＴＤＲ）プローブの組合せを使用して、自然循環沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）のダウンカマーにおける流体液面及び流速を判定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、沸騰水型軽水炉は蒸気発生プラントを具備する。蒸気発生プラントにおいては、発熱核分裂性核燃料から原子炉冷却水へ熱エネルギーを伝達し、それにより、燃料炉心から発出する２相蒸気／水混合物を生成するために、冷却水は燃料炉心を通って循環される。炉心の下流側の上方に配置された気水分離器及び蒸気乾燥器を使用して、発熱する炉心から上方へ流れる混合物はそれぞれの相に分離される。その後、蒸気は、蒸気駆動タービン又は他の機器で使用されるために原子炉容器から搬送され、液体水相は冷却水として再利用される。
【０００３】
発電に使用される典型的な沸騰水型軽水炉においては、原子炉冷却水は流路に沿って次のように連続的に循環される。まず、冷却水は発熱炉心を通って上昇し、次に、炉心の上方に重ねて配置され、炉心を通って上方へ流れる全ての冷却剤を回収し、搬送する上部出口プレナムを通って上昇する。その後、冷却水は、炉心出口プレナムの上方に配置された気水分離器の構体を通過する。更に、液体冷却剤を再循環し、炉心に戻すために、「ダウンカマー」として周知である環状領域に沿って、冷却水は最終的には炉心の下方外側に戻るように搬送される。
【０００４】
電気伝導率（ＥＣ）プローブを使用して液体の液面を判定できることは以前から周知である。そのような伝導率プローブにおいては、問合せのためにいくつかの波形を使用できる。一例では、２つの電極の間の間隙に一定の電圧（ＡＣ）が印加される。その結果発生する電流の大きさは、電流を導通する媒体の能力により判定される。その場合、アドミタンスはインピーダンスの逆数である。別の例においては、２つの電極の間の間隙に一定の電圧（ＤＣ）が印加される。その結果発生する電流の大きさは、電流を導通する媒体の能力により判定される。その場合、コンダクタンスは抵抗の逆数である。
【０００５】
ＴＤＲを利用する測定装置においては、センサの回路網により発生される１つ又は一連の低エネルギー電磁パルスが細い導波管（プローブとも呼ばれる）に沿って伝播される。通常、導波管は単一の長い電磁波導体から構成されるか、あるいは金属棒、鋼ケーブル、又は同軸に固定された金属棒を中心に含む細い金属管などの長い導体のアレイから構成される。測定される媒体の面にそれらのパルスが衝突すると、インピーダンスの不整合（２つの相の誘電率の差による）は、（誘電特性の不整合によって）パルスエネルギーの一部をプローブに沿って回路網まで反射させる。そこで、回路網は、送出されたパルスから反射されたパルスまでの持続時間（ナノ秒単位）から流体液面を計算する。
【０００６】
そのような自然循環原子炉の動作中、燃料集合体ユニットごとの最大出力は、燃料炉心を通過するこの再循環冷却剤流れによって大きく左右される。更に、経済的単純化沸騰水型軽水炉（ＥＳＢＷＲ）構造においては、人工循環ＢＷＲ構造にほぼ匹敵する著しく大きな束状自然循環流れが実現される。従って、原子炉、特に自然循環ＢＷＲのダウンカマーを通過するこの再循環流れの流量を正確に測定することが望ましい。
【特許文献１】米国特許第３，２８０，６２７号公報
【特許文献２】米国特許第４，４４０，７１７号公報
【特許文献３】米国特許第４，５９２，２３０号公報
【特許文献４】米国特許第４，７８６，８５７号公報
【特許文献５】米国特許第４，８５９，０７６号公報
【特許文献６】米国特許第４，９６５，０４１号公報
【特許文献７】米国特許第４，９７７，３８５号公報
【特許文献８】米国特許第５，１１７，２１６号公報
【特許文献９】米国特許第５，１３４，７７２号公報
【特許文献１０】米国特許第５，１５２，０４９号公報
【特許文献１１】米国特許第５，１６７，１５３号公報
【特許文献１２】米国特許第５，２０１，２２３号公報
【特許文献１３】米国特許第５，２１１，９０４号公報
【特許文献１４】米国特許第５，２２０，５１４号公報
【特許文献１５】米国特許第５，２２１，９１６号公報
【特許文献１６】米国特許第５，３２３，４３０号公報
【特許文献１７】米国特許第５，３５５，７２７号公報
【特許文献１８】米国特許第５，５５３，４９４号公報
【特許文献１９】米国特許第５，５６５，８５１号公報
【特許文献２０】米国特許第５，６１５，５７３号公報
【特許文献２１】米国特許第５，７９８，６９８号公報
【特許文献２２】米国特許第５，９１３，２５０号公報
【特許文献２３】米国特許第６，２０８，２５４号公報
【特許文献２４】米国特許第６，２１９，３９８号公報
【特許文献２５】米国特許第６，６２８，２０２号公報
【特許文献２６】米国特許第４，３７１，７９０号公報
【特許文献２７】欧州特許第６１８，４２８号公報
【特許文献２８】欧州特許第６２７，６１５号公報
【特許文献２９】国際公開第ＷＯ０３／０９５９５４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、沸騰水型軽水炉の場合のような多相流体系において炉心内流体液面及び流速を測定するシステム及び方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
簡潔に述べると、本発明の１つの面である沸騰水型軽水炉は、原子炉圧力容器と；炉心シュラウドであって、原子炉圧力容器の壁と炉心シュラウドとの間に冷却剤流路を形成する環状ダウンカマーを規定するために、原子炉圧力容器の内側に同心に配置された炉心シュラウドと；原子炉の内部における流体の液面及び流速のうち一方を判定するプローブシステムとを具備する。
【０００９】
本発明の別の面においては、原子炉における冷却剤の液面及び流速を検出するプローブシステムは、伝導率プローブ及び時間領域反射率計プローブを組合わせて具備し、プローブシステムの少なくとも一部は原子炉のダウンカマーの内部に配置される。
【００１０】
本発明の別の面においては、沸騰水型軽水炉のダウンカマーにおける冷却剤の液面及び流速を測定する方法は、
軽水炉のダウンカマーの内部における冷却剤の伝導率及び抵抗率のうち一方を測定する過程と；
軽水炉のダウンカマーの内部における冷却剤の液面を判定するために、電磁パルスの反射時間を測定する過程とから成る。
【００１１】
本発明の上記の特徴、面及び利点並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより更によく理解されるであろう。図中、同一の図中符号は一貫して同一の部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１を参照すると、沸騰水型軽水炉１０は原子炉圧力容器１２を具備する。圧力容器１２は、再循環蒸気復水及び／又は補給冷却剤を容器１２に導入する給水入口１４と、発電タービンを駆動するなどの適切な仕事のために生成蒸気を排出する蒸気出口１６とを有する。
【００１３】
発熱核分裂性燃料１８から成る炉心は、圧力容器１２の下部領域の中に配置される。燃料炉心１８は炉心シュラウド２０により包囲される。炉心シュラウド２０は、圧力容器１２の壁と炉心シュラウド２０との間に冷却剤流路を形成する環状ダウンカマー２２を規定するために、圧力容器１２の壁から内側に離間して配置される。
【００１４】
燃料炉心１８及び燃料炉心シュラウド２０の上に重なるように、燃料炉心シュラウド２０から原子炉容器１２の上部まで上方へ延出する開放蒸気スペース２６により規定される炉心出口プレナム２４を具備する開放領域が配置される。構造によっては、開放蒸気スペース２６は蒸気上昇管３６を含んでもよい。蒸気上昇管３６（存在する場合）及び燃料炉心シュラウド２０は、環状ダウンカマー２２を規定するために原子炉圧力容器１２の壁から半径方向内側に離間して配置される。ダウンカマー２２は、圧力容器の壁と、燃料炉心１８を規定するシュラウド２０及び炉心出口プレナム２４を規定する蒸気上昇管３６（存在する場合）との間に冷却剤流路を形成する。
【００１５】
開放蒸気スペース２６（又は存在する場合には蒸気上昇管３６）の上部から複数の気水分離器２８が延出している。炉心出口プレナム２４の上方にプレナム２４から離間して、上板を有する周囲シュラウド３２により規定される湿蒸気プレナム３０を具備する領域が配置される。分離され、乾燥された蒸気を蒸気出口パイプ１６に供給するために、上板に蒸気乾燥器３４が装着される。
【００１６】
給水冷却剤は入口１４を経て圧力容器１２に入り、気水分離器２８により蒸気から分離された循環液体水冷却剤と混合する。組合わされた冷却水は、圧力容器１２の側壁とシュラウド２０及び蒸気上昇管３６（存在する場合）との間の環状ダウンカマー２２内を下方へ流れ、圧力容器１２の底部に達する。その後、循環冷却水は炉心シュラウド２０の底部に沿って方向を反転し、下部炉心プレナムを通って上方へ流れ、核燃料の発熱炉心１８に流入し、炉心１８を通過する。そこで、炉心１８は蒸気と液体水との混合物を炉心出口プレナム２４へ放出する。この冷却剤の再循環回路は、燃料炉心１８から熱を除去するための原子炉の動作中、継続的に維持される。燃料炉心からの蒸気と水との混合物から構成される循環冷却剤は炉心出口プレナム２４を通って上方へ流れ、気水分離器２８に入る。分離された蒸気相は乾燥器３４に向かって上方へ搬送され、液体水相は側方へ分岐されて、サイクルを繰返すために環状ダウンカマー２２を通って下方へ流れる循環冷却水に再び合流する。
【００１７】
前述のように、経済的単純化沸騰水型軽水炉（ＥＳＢＷＲ）構造のようないくつかの自然循環沸騰水型軽水炉においては、人工循環ＢＷＲ構造にほぼ匹敵する著しく大きな束状自然循環流れを実現できる。本発明の１つの面は、図１に矢印で示されるように、環状ダウンカマー２２を通って下方へ流れる循環冷却水の流速又は流量及び冷却剤液面３８の正確な測定を実行することである。これは、全体が図中符号４０により示され、少なくとも一部が原子炉１０のダウンカマー２２の内部に配置されたプローブシステムを提供することにより実現される。
【００１８】
一実施形態においては、プローブシステム４０は、複数の電気伝導率（ＥＣ）プローブ４２及び／又は複数の熱伝導率（ＴＣ）プローブ４４（加熱接合熱伝対（ＨＪＴ）としても周知である）と、１つ以上の時間領域反射率計（ＴＤＲ）プローブ４６との組合せを具備する。一定のセル定数を有するＥＣプローブ４２は、周囲媒体の電気伝導率又はインピーダンスを測定するために使用される。蒸気と水の電気的特性は著しく異なり（蒸気の導電率は水より低い）、各ＥＣプローブ４２の場所はわかっているので、環状ダウンカマー２２を通って下方へ流れる冷却剤の組成を判定できる。ダウンカマー２２の内部の予めわかっている様々な場所に縦に配列された複数のＥＣプローブ４２を使用することにより、環状ダウンカマー２２の広い領域にわたる冷却剤液面３８をＥＣプローブ４２が配置された個別のポイントで判定できる。従って、冷却剤液面３８が１つのプローブの場所と厳密に一致する位置にあるように識別される稀なケースを除いて、電気伝導率プローブ４２は、２つの隣接する別個のＥＣプローブの高さの上下における冷却剤液面３８を指示する。ＥＣプローブ４２の一例は、Solartron Mobrey Limitedより市販されているModel No. TB/hyd009型のプローブである。
【００１９】
ＴＣ（又はＨＪＴ）プローブ４４は、周囲媒体の熱伝導率を測定するために採用される複数の抵抗温度素子を含む。蒸気と水の熱特性は著しく異なり（蒸気の伝導率は水より低い）、プローブ４４の場所はわかっているので、環状ダウンカマー２２を通って下方へ流れる冷却剤の組成を推測できる。ダウンカマー２２の内部の予めわかっている様々な場所に縦に配列された複数のプローブ４４を使用することにより、ＴＣ（又はＨＪＴ）プローブ４４が配置された個別のポイントで、環状ダウンカマー２２の広い領域にわたる冷却剤液面３８を判定できる。従って、冷却剤液面３８が１つのプローブの場所と厳密に一致する位置にあるように識別される稀なケースを除いて、ＴＣプローブ４４は、２つの隣接する別個のＴＣプローブの高さの上下における冷却剤液面３８を指示する。更に、水又は蒸気などの流動物質は、プローブ４４からより多くの熱エネルギーを奪い取る。これにより、ダウンカマー２２を通って下方へ流れる冷却水の流速を判定できる。ＴＣプローブ４４の一例は、Magnetrol International, Inc.より市販されているThermatela Model No. TD1/TD2型のプローブである。
【００２０】
ＴＤＲプローブ４６はケーブル又はロッドを介して１つ以上の電磁パルスを放出し、蒸気と水との誘電率の差によって起こるパルス反射の時間遅延を測定する。従って、ＴＤＲプローブ４６は、ダウンカマー２２を通って下方へ流れる冷却水の液面を測定するために使用される。ＴＤＲプローブ４６の例は、Magnetrol International, Inc.より市販されているEclipsea Enhanced Model No. 705型並びにEndress + Hauser, Inc.より市販されているModel No. Levelflex M FMP41C型及びFMP45型のプローブである。
【００２１】
動作中、プローブシステム４０はＥＣプローブ４２とＴＤＲプローブ４６との組合せ、又はＴＣプローブ４４とＴＤＲプローブ４６との組合せ、又はＥＣプローブ４２、ＴＣプローブ４４及びＴＤＲプローブ４６の組合せから構成される。すなわち、プローブシステム４０は複数の伝導率／抵抗率プローブ（ＥＣプローブ４２及び／又はＴＣ（又はＨＪＴ）プローブ４４）と１つ以上のＴＤＲプローブ４６との組合せから構成され、それにより、原子炉容器１２内で必要とされる貫入の数を最小限に抑える。ＥＣプローブ４２又はＴＣ（又はＨＪＴ）プローブ４４は、ＴＤＲプローブ４６と関連するポイント水位測定のために複数の所望の場所に配置される。伝導率プローブ４２、４４からの不連続測定値及び１つ以上のＴＤＲプローブ４６からの連続測定値の双方は、原子炉１０のダウンカマー２２の内部における冷却剤液面の測定値を校正及び修正するために使用される。
【００２２】
各種のプローブ４２、４４、４６の技術の属性をダウンカマー内部における水位測定及び流体速度測定のための一体化されたプローブシステム４０として組合せることにより、各種のプローブの利点が組合されて、応答時間、精度、故障判定及び揮発性（２相）環境における動作を最適化する相乗効果が得られる。特に、誘電率と伝導率との関係に基づいて、ＥＣプローブ４２は、ＴＤＲプローブ４６の精度を変化させるおそれがある水の伝導率の偏差を修正するために、１つ以上のＴＤＲプローブ４６と協調して使用される。
【００２３】
更に、例えば、蒸気と水とから成る環境のような多相環境の場合、誘電率の変化はＴＤＲプローブ４６からの反射パルス信号の振幅に影響を及ぼすので、ＴＤＲプローブ４６の受信機感度（及び精度）を調整するために、プローブ４２、４４により測定された伝導率変化における変化からの補償を使用できる。更に、蒸気層と水層との間に泡層が存在する多相環境の場合には、不連続な伝導率プローブ４２、４４及び連続するＴＤＲプローブ４６からの組合せ情報は、伝導率プローブ及びＴＤＲプローブの単独の測定値よりはるかに信頼性が高く且つはるかに多くの情報量を含むといえる。例えば、ＴＤＲプローブ４６は蒸気／泡境界面及び泡／水境界面からの多重反射を測定でき、伝導率プローブ４２、４４は蒸気層、泡層及び水層からの異なる伝導率測定値によってＴＤＲプローブ４６からの測定情報を確認できる。
【００２４】
先に述べた通り、プローブシステム４０は複数の電気伝導率（ＥＣ）プローブ４２及び／又は複数の熱伝導率（ＴＣ）プローブ４４（加熱接合熱電対（ＨＪＴ）としても周知である）と、１つ以上の時間領域反射率計（ＴＤＲ）プローブ４６との組合せから構成される。次に図２〜図５を参照して、プローブシステム４０の種々の組合せを説明する。１つの組合せが図２に示される。この場合、プローブシステム４０は所望の場所に配置された複数のＴＣプローブ４４を含み、ＴＣプローブ４４は、冷却剤液面の不連続感知及び原子炉１０のダウンカマー２２の内部における冷却剤流速の連続感知の双方を実行する。
【００２５】
別の組合せが図３に示される。この場合、プローブシステム４０は、所望の場所に配置され冷却剤液面の不連続感知を実行する複数のＥＣプローブ４２と、所望の場所に配置され冷却剤液面の不連続感知及び原子炉１０のダウンカマー２２の内部における冷却剤流速の連続感知の双方を実行する複数のＴＣプローブ４４とを含む。
【００２６】
更に別の組合せが図４に示される。この場合、プローブシステム４０は、所望の場所に配置され冷却剤液面の不連続感知を実行する複数のＥＣプローブ４２と、プローブシステム４０のほぼ全長に沿って延出し原子炉１０のダウンカマー２２の内部における冷却剤液面の連続感知を実行するＴＤＲプローブ４６とを含む。
【００２７】
更に別の組合せが図５に示される。この場合、プローブシステム４０は、所望の場所に配置され冷却剤液面の不連続感知を実行する複数のＥＣプローブ４２と、所望の場所に配置され冷却剤液面３８の不連続感知及びダウンカマー２２内部における冷却剤流速の連続感知の双方を実行する複数のＴＣプローブ４４とを含む。プローブシステム４０は、プローブシステム４０のほぼ全長に沿って延出し原子炉１０のダウンカマー２２の内部における冷却剤液面の連続感知を実行するＴＤＲプローブ４６を更に含む。
【００２８】
前述のように、プローブシステム４０は原子炉１０のダウンカマー２２の内部における冷却剤液面を判定する。更に、ＴＣプローブ４４によって流速の判定が可能になる。これを実行することにより、プローブシステム４０は、従来の原子炉構造で必要であった異なる圧力系統を不要にし、その結果、原子炉設計のコストを削減し、複雑さを軽減する。
【００２９】
本発明はプローブシステム４０の配置により限定されず、２相冷却剤又は単相冷却剤の冷却剤液面３８及び流速を判定するために他の配置場所でも本発明を使用できることが理解されるであろう。例えば、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）の蒸気発生器において水位及び流速を測定するためにプローブシステム４０を使用できる。
【００３０】
以上の説明は、本発明を開示するために、最良の態様を含む実施例を使用し、更に当業者が本発明を構成し且つ使用することを可能にする。本発明の特許付与可能な範囲は特許請求の範囲により定義され、当業者には明白である他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、特許請求の範囲と異ならない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲と実質的に異ならない等価の構造要素を含む場合には、特許請求の範囲の範囲内にあるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に従ってダウンカマーの内部における冷却剤液面及び流速を判定するプローブシステムを含む自然循環式沸騰水型軽水炉を示した図である。
【図２】ダウンカマー内部の複数の所望の場所に複数の熱伝導率（ＴＣ）プローブを含むプローブシステムの１つの可能な組合せを示した側面図である。
【図３】ダウンカマー内部の複数の所望の場所に複数の熱伝導率（ＴＣ）プローブ及び複数の電気伝導率（ＥＣ）プローブを含むプローブシステムの別の可能な組合せを示した側面図である。
【図４】ダウンカマー内部の複数の所望の場所に複数の電気伝導率（ＥＣ）プローブを含み且つ１つ以上の時間領域反射率計（ＴＤＲ）プローブを含むプローブシステムの別の可能な組合せを示した側面図である。
【図５】ダウンカマー内部の複数の所望の場所に複数の熱伝導率（ＴＣ）プローブ及び電気伝導率（ＥＣ）プローブを含み且つ１つ以上の時間領域反射率計（ＴＤＲ）プローブを含むプローブシステムの更に別の可能な組合せを示した側面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０…沸騰水型軽水炉、１２…原子炉圧力容器、２０…炉心シュラウド、２２…ダウンカマー、３８…冷却剤液面、４０…プローブシステム、４２…電気伝導率（ＥＣ）プローブ、４４…熱伝導率（ＴＣ）プローブ、４６…時間領域反射率計（ＴＤＲ）プローブ
【図１】
0005639332.tif 000002
【図２】
0005639332.tif 000003
【図３】
0005639332.tif 000004
【図４】
0005639332.tif 000005
【図５】
0005639332.tif 000006