(57)【要約】【課題】長期にわたり安定的に原子炉を監視することができる原子炉監視技術を提供することを目的とする。【解決手段】原子炉監視装置１０は、原子炉圧力容器１の表面に装着され、この原子炉圧力容器１内に超音波を送信して反射波を受信する素子１１と、素子１１を原子炉圧力容器１に磁力で押し付ける磁気固定部１６と、前記素子が送受信した信号に基づいて演算処理を実行する信号処理部２０と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器の表面に装着され、この原子炉圧力容器内に超音波を送信して反射波を受信する素子と、
前記素子を前記原子炉圧力容器に磁力で押し付ける磁気固定部と、
前記素子が送受信した信号に基づいて演算処理を実行する信号処理部と、を備えることを特徴とする原子炉監視装置。
【請求項２】
請求項１に記載の原子炉監視装置において、
前記磁気固定部は、
前記素子を挟むように配置され前記原子炉圧力容器の表面に取り付けられる一対の磁石と、
前記磁石にその両端が固定され前記素子を前記原子炉圧力容器に押し付ける支持部材と、を有することを特徴とする原子炉監視装置。
【請求項３】
請求項２に記載の原子炉監視装置において、
前記磁石は長尺形状を有し、その長軸が前記原子炉圧力容器の中心軸に揃うようにこの原子炉圧力容器の表面に取り付けられることを特徴とする原子炉監視装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の原子炉監視装置において、
前記素子を前記支持部材に対して変位させる位置調整部を備えることを特徴とする原子炉監視装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の原子炉監視装置において、
前記素子は、この素子及び前記原子炉圧力容器の構成部材よりも軟性の超音波伝達部材を介してこの原子炉圧力容器に当接することを特徴とする原子炉監視装置。
【請求項６】
請求項５に記載の原子炉監視装置において、
前記超音波伝達部材は、耐食性に優れた材質によりコーティングされていることを特徴とする原子炉監視装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の原子炉監視装置において、
前記信号処理部は、前記原子炉圧力容器の内部に配置される炉内構造物の振動解析を実行するものであることを特徴とする原子炉監視装置。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の原子炉監視装置において、
前記信号処理部は、前記原子炉圧力容器の内部を流動する冷却材の流量解析を実行するものであることを特徴とする原子炉監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉を監視する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波を用い、原子炉圧力容器の外側から運転中の原子炉内部を監視する技術については、例えば、原子炉内部における冷却材の流量を計測したり、炉内構造物の振動を計測したりする装置が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−８００５４号公報
【特許文献２】特開２００９−２２９３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した超音波による原子炉監視装置は、高温かつ高放射線環境にある原子炉圧力容器の表面に長期間取り付けられるものである。このために、超音波を送信したり反射波を受信したりする素子と原子炉圧力容器との固定が不安定化して、原子炉監視装置で処理される信号の感度が低下することが懸念される。  
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、長期にわたり安定的に原子炉を監視することができる原子炉監視技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る原子炉監視装置は、原子炉圧力容器の表面に装着され、この原子炉圧力容器内に超音波を送信して反射波を受信する素子と、前記素子を前記原子炉圧力容器に磁力で押し付ける磁気固定部と、前記素子が送受信した信号に基づいて演算処理を実行する信号処理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれは、長期にわたり安定的に原子炉を監視することができる原子炉監視技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る原子炉監視装置を示す正面図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る原子炉監視装置を示す側面図。
【図３】第１実施形態に係る原子炉監視装置において炉内構造物の振動解析を実行する場合の説明図。
【図４】第１実施形態に係る原子炉監視装置において冷却材の流量解析を実行する場合の説明図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る原子炉監視装置を示す正面図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。  
図１の正面図に示すように原子炉監視装置１０は、原子炉圧力容器１の表面に装着されて超音波の送受信を行う素子１１（１１ａ，１１ｂ）と、この素子１１を原子炉圧力容器１に磁力で押し付ける磁気固定部１６と、素子１１の動作を制御するとともに超音波の送信信号及び反射波の受信信号に基づき解析処理を行う制御部２０とから構成されている。
【０００９】
そして、磁気固定部１６は、素子１１を挟むように配置され原子炉圧力容器１の表面に取り付けられる一対の磁石１３（１３ａ，１３ｂ）と、この磁石１３（１３ａ，１３ｂ）にその両端が固定され素子１１を原子炉圧力容器１に押し付ける支持部材１２とから構成されている。
【００１０】
このように構成される原子炉監視装置１０は、外側表面が曲面であって高温かつ高放射線環境にさらされる原子炉圧力容器１に対し、素子１１を長期間にわたり一定の押し付け力で取り付けることができる。  
これにより、原子炉圧力容器１の外側表面における反射や減衰を低減して高ＳＮ比で反射波の受信信号を得ることができ、原子炉の監視を安定的にすることができる。
【００１１】
原子炉圧力容器１は、沸騰水型原子炉、加圧水型原子炉及びその他の型式の原子炉における炉心冷却材の保持容器である。この原子炉圧力容器１は、材質が鋼材であり磁石が吸着する性質を有する。
【００１２】
素子１１は、原子炉圧力容器１の表面に当接し、その内部に向けて超音波を送信し、この送信された超音波が炉内構造物２（図３）に反射して折り返してきた反射波を受信する。素子１１は、超音波を送信する第１素子１１ａと、反射波を受信する第２素子１１ｂとの二つで構成されているが、いずれの素子１１ａ，１１ｂも同じものであり、送信と受信の関係を逆にすることもできる。
【００１３】
これら第１素子１１ａ及び第２素子１１ｂは、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）、タンタル酸リチウム（ＬＴ）等の、高温かつ高放射線環境に適用可能な圧電素子で構成されている。そして、第１素子１１ａ及び第２素子１１ｂは、反射波の受信信号の感度が最大となるように設定された間隔ｓを隔てて配置されている。  
なお、実施形態において、二つの素子１１が配置されそれぞれ別々に超音波の送信及び反射波の受信を行わせているが、一つの素子１１でこれらの送信及び受信を行わせることも可能である。
【００１４】
支持部材１２は材質が鋼板でありその両端には、一対の磁石１３ａ，１３ｂが、互いに対向するように設けられている。これら二つの磁石１３ａ，１３ｂは、長尺形状の長手方向を原子炉圧力容器１の中心軸（図中Ｙ軸）に揃え、並行にその表面に吸着している。  
すなわち、磁石１３ａ，１３ｂは、その長軸が原子炉圧力容器１の上下方向（原子炉圧力容器１の周方向と略直角方向）に揃うように吸着している。
【００１５】
磁石１３は、サマリウム−コバルト磁石もしくはネオジウム磁石等の希土類磁石、フェライト磁石又はアルニコ磁石等の永久磁石で構成される。さらには、磁石１３を電磁石で構成してもよい。  
これにより、磁気固定部１６は、磁石１３が両端に設けられた支持部材１２により、その挟まれる位置に配置された素子１１を、原子炉圧力容器１の表面に押し付けて固定させる。  
なお、素子１１と、支持部材１２の間にバネ等の付勢手段（図示略）を設け、原子炉圧力容器１の表面に対する素子１１の押付け力を調整することもできる。
【００１６】
図２は、原子炉圧力容器１の表面に装着された原子炉監視装置１０を上方から側面視した図を示している。  
素子１１は、素子１１及び原子炉圧力容器１の構成部材よりも軟性の材質で構成される超音波伝達部材１４を介して原子炉圧力容器１に当接している。
【００１７】
この超音波伝達部材１４は、Ａｕ,Ａｇ,Ｃｕ,Ａｌ,Ｎｉ等の軟性金属が用いられ、素子１１及び原子炉圧力容器１に挟み込まれその隙間を無くし、超音波の伝達を効率的にする。なお、超音波伝達部材１４の面形状は、素子１１の当接面に一致させて超音波の送受信面を広く取ることとし、その厚みは素子１１の表面粗さと原子炉圧力容器１の表面粗さとを加えた値よりも大きくとる。  
そして、超音波伝達部材１４は、素子１１の端面に対し、溶接、ろう付け、接着剤等により接続される。
【００１８】
また、超音波伝達部材１４の表面は、耐食性に優れた材質によりコーティングされている。これは、原子炉圧力容器１の表面は高温になることから超音波伝達部材１４の表面が腐食し、原子炉圧力容器１と素子１１との間の隙間が広がり、超音波の伝達効率が低下するのを防止するためである。  
具体的にコーティング材料としては、超音波伝達部材１４の材質よりも防錆性、防食性、耐食性に優れるものであり、Ａｕ,Ａｇ,Ｃｕ,Ａｌ,Ｎｉ,Ｚｎ,Ｓｎ等の材料が挙げられる。
【００１９】
ここで、図２に示すように一対の磁石１３ａ，１３ｂは、間隔Ｌで並行に配置されている。  
この磁石１３の形状については、原子炉圧力容器１の表面に安定して取り付けることができるように、その表面と同一の曲率で接触面を形成することが考えられる。しかし、磁石は一般に機械的強度が弱く損傷しやすいため、接触面が曲面形状の磁石を用いた場合には、搬送時、取り付け時あるいは取り外し時に損傷する可能性がある。  
そこで、磁石１３ａ，１３ｂの形状は、搬送時、取り付け時あるいは取り外し時における損傷の可能性が少ない四角柱として、さらに原子炉圧力容器１の曲面の影響が無視できるように間隔Ｌをとる。
【００２０】
ここで、原子炉圧力容器１の半径Ｒ、磁石１３ａ，１３ｂの両端と原子炉圧力容器１の中心Ｏとを結ぶ線のなす角θ、磁石１３と原子炉圧力容器１との吸着力が維持される最大距離Δｄとした場合、最適な磁石１３ａ，１３ｂの両端の間隔Ｌは、図２中の数式（１）及び数式（２）により表される。これにより、素子１１は、原子炉圧力容器１の表面に対し充分な押付力が付与される。
【００２１】
図３は、炉内構造物の振動解析を実行する原子炉監視装置１０の構成を示している。  
制御部２０ａ（２０）は、超音波送受信部２１と、信号処理部２３ａ（２３）と、表示部２４と、入力手段２５とから構成されている。  
そして、超音波送受信部２１は、第１素子１１ａにおいて圧電変換される超音波を送信させる電気パルス信号を出力する超音波送信部２２ａと、反射波を受信した第２素子１１ｂにおいて圧電変換された電気パルス信号を入力する超音波受信部２２ｂと、から構成されている。
【００２２】
また、入力手段２５は、演算処理の実行に必要な各種パラメータの設定や、作業者による操作情報を入力するもので、表示部２４は、それらの入力情報や、炉内構造物１の振動解析の結果等を表示するものである。
【００２３】
なお、第１素子１１ａから送信される超音波の周波数、エネルギー、パルス数、毎秒の送信回数は、超音波送信部２２ａから送信される電気パルス信号の時間幅、波高値、パルス数、繰り返しレートといったパラメータとして設定される。  
また、第２素子１１ｂで受信される反射波は、必要に応じて周波数フィルタリング及び信号増幅された後に超音波受信部２２ｂに受信される。この周波数フィルタリング及び信号増幅は、図示略のアナログ回路又はＭＰＵ，ＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等のデジタル回路、又はソフトウエア処理によって行われる。
【００２４】
図３の炉心の部分断面図に示すように、第１素子１１ａから炉内の方向に伝播した超音波パルスは、シュラウドやジェットポンプのような振動する炉内構造物２に反射され、今度は原子炉圧力容器１の方向に伝播する。  
そして、炉内構造物２の振動により、図３の破線と実線で示すように超音波の伝播距離が変化する。この伝播距離の変化に対応して、超音波送受信部２１で電気パルス信号が出力されてから入力されるまでの伝播時間Ｔも変化し、この変化に基づき信号処理部２３ａにおいて炉内構造物１の振動が解析される。
【００２５】
このように、信号処理部２３ａは、超音波送受信部２１から出力及び入力された電気パルス信号に基づいて炉内構造物１の振動解析をするための演算処理を実行する。  
この信号処理部２３ａは、前記した電気パルス信号の伝播時間Ｔの変化を時系列にプロットすることによって原子炉圧力容器１の振動の周波数及び振幅を導く。
【００２６】
なお、第１素子１１ａから送信した超音波は、原子炉圧力容器１内を伝播した後に、炉水を伝播し、傾斜角φを有する炉内構造物２の表面において、入射した超音波パルスに対して２φの方向に反射する。  
この反射波は、炉水を伝播して原子炉圧力容器１の境界に到達した後は、それぞれの伝播速度に依存した屈折角αの方向に原子炉圧力容器１内を伝播する。
【００２７】
第２素子１１ｂは、超音波の原子炉圧力容器１内におけるこのような伝播特性を予め考慮して、第１素子１１ａから間隔ｓを隔てて配置され、反射波を高感度で受信する。  
なお、炉内構造物２の傾斜角がφ＝０である場合は、一つの素子１１で、超音波を送信し、高感度で反射波の受信をすることができる。
【００２８】
ところで、原子炉圧力容器１及び素子１１の界面において、通過する超音波及びその反射波は減衰する性質を一般に有し、超音波送受信部２１において送受信される電気パルス信号のＳＮ比が小さくなり、振動周波数や振動振幅の計測誤差が大きくなる。  
しかし、本実施形態においては、素子１１は、磁石１３ａの吸着力により原子炉圧力容器１の表面に強く押し付けられているために、若しくは超音波伝達部材１４を介しているために、界面を通過する超音波及びその反射波の減衰が抑制される。  
これにより、送受信される電気パルス信号のＳＮ比を大きくして、振動周波数や振動振幅の計測誤差を低減させることができる。
【００２９】
さらに、原子炉圧力容器１の表面の過酷な環境に長期間さらされることになっても、磁石１３ａ，１３ｂの吸着力、及び支持部材１２の剛性に変化はほとんど無い。このために、原子炉圧力容器１の表面を当接する素子１１の押し付け力は変化がなく、安定的に炉内構造物２の振動解析を高精度で実施することができる。  
また、このように素子１１に押し付け力を付与する支持部材１２及び磁石１３は、小型に構成されるので、原子炉監視装置１０の占有空間を削減することができさらに原子炉監視装置１０を安価に提供することができる。
【００３０】
図４は、原子炉圧力容器の内部を流動する冷却材の流量解析を実行する原子炉監視装置１０の構成を示している。  
制御部２０ｂ（２０）は、超音波送受信部２１（２１ａ，２１ｂ）と、信号処理部２３ｂ（２３）と、表示部２４と、入力手段２５とから構成されている。なお、図４の各機能部について、図３と重複するものは同じ符号を付して、すでにした説明を援用し詳細な説明の記載を省略する。また、図３の場合と共通する作用・効果についてもすでにした記載を援用する。
【００３１】
このように冷却材の流量解析を実行する場合は、二つの素子１１ｃ，１１ｄは、それぞれ超音波を送信する第１素子と反射波を受信する第２素子との役割を交互に行う。  
つまり、図４において伝播経路が実線で示される場合は、素子１１ｃから送信された超音波は、素子１１ｄに受信されるまでの経路において、その伝播方向のＹ軸成分が炉水流Ｆの流動方向と逆方向を向いている。一方、伝播経路が破線で示される場合は、素子１１ｄから送信された超音波は、素子１１ｃに受信されるまでの経路において、その伝播方向のＹ軸成分が炉水流Ｆの流動方向と同方向を向いている。
【００３２】
このために、図中における伝播経路が、実線をとる場合と破線をとる場合とでは、伝播時間が異なり、それぞれの伝播時間の差は、炉水流Ｆの流速に依存するものである。  
そこで、信号処理部２３ｂにおいては、二つの超音波送受信部２１ａ，２１ｂにおいて交互に計測される伝播時間の差から、所定の演算式に基づき炉水流Ｆの流動速度を演算する。そして、炉水の流動速度及び炉水の流路情報から炉水の流量解析を行うことができる。
【００３３】
（第２実施形態）
図５に基づいて第２実施形態に係る原子炉監視装置１０を説明する。  
図５において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでに記載した内容を援用して、詳細な説明を省略する。  
第２実施形態に係る原子炉監視装置１０は、新たに位置調整部１５（１５ａ，１５ｂ）が設けられ、さらに制御部２０には、この位置調整部１５を駆動させる駆動部２７が設けられている。
【００３４】
位置調整部１５は、素子１１を支持部材１２に対して変位させるもので、Ｘ方向操作子１５ｘとＹ方向操作子１５ｙとから構成される。  
駆動部２７は、このＸ方向操作子１５ｘ及びＹ方向操作子１５ｙを独立に伸縮させて、固定される素子１１の位置を調整する。
【００３５】
なお、位置調整部１５は、このように二軸調整されるものに限定されるものではなく、素子１１を、炉内構造物１の表面に沿って移動させることができるものであればよい。  
またその具体的手段も、油圧式や空気圧式等の圧力駆動、歯車などの機械駆動、ピエゾ素子などの電圧駆動による他、作業者の手作業によることもできる。
【００３６】
このように、原子炉監視装置１０が構成されることにより、反射波を高感度で受信することができるように素子１１の間隔ｓを任意に調整することができる。  
これにより、例えば炉水温度及び原子炉圧力容器１の温度が変化して、それぞれにおける超音波の伝播速度が変化するのに伴い、界面における屈折率α（図３参照）が変化するときに対処できる。もしくは、炉内構造物２の傾斜角φが変化する場合にも、対処することができる。
【００３７】
本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。  
例えば、原子炉監視装置１０として、炉内構造物２の振動計測をするものや、炉水の流量計測をするものを例示したが、計測対象は特に限定されるものでない。超音波の送信素子及び反射波の受信素子を、磁石の吸着力を利用して、磁気固定部により原子炉圧力容器１の表面に押し付けて固定するものであれば、広く適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１…炉内構造物、２…炉内構造物、１０…原子炉監視装置、１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）…素子、１１ａ…第１素子、１１ｂ…第２素子、１２…支持部材、１３（１３ａ，１３ｂ）…磁石、１４…超音波伝達部材、１５…位置調整部、１５ｘ…Ｘ方向操作子、１５ｙ…Ｙ方向操作子、１６…磁気固定部、２０（２０ａ，２０ｂ）…制御部、２１（２１ａ，２１ｂ）…超音波送受信部、２２ａ…超音波送信部、２２ｂ…超音波受信部、２３（２３ａ，２３ｂ）…信号処理部、２４…表示部、２５…入力手段、２７…駆動部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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