(57)【要約】【課題】原子力施設において、核燃料を収納する容器内の水位を含む容器内状況を監視できるようにする。【解決手段】実施形態によれば、監視装置１００は、核燃料１２を収納する高さを有する容器１１と、高さの方向に配置された放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２と、放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の出力の履歴を記憶する記憶部４１と、記憶部４１に記憶された放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の出力の履歴に基づいて容器１１内の水位を判定する判定部４２と、を有する。放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２のうちの少なくとも２個が互いに高さが異なる位置に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料を収納する高さを有する容器と、前記高さの方向に配置された複数の放射線検出器と、
前記複数の放射線検出器の出力の履歴を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記複数の放射線検出器の出力の履歴に基づいて前記容器内の水位を判定する判定部と、を有し、
前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも２個が互いに高さが異なる位置に配置されていることを特徴とする監視装置。
【請求項２】
前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも１個の放射線検出器が前記容器の底部高さに配置されていること、を特徴とする請求項１に記載の監視装置。
【請求項３】
前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも２個の放射線検出器が互いに同じ高さに配置されていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の監視装置。
【請求項４】
前記複数の放射線検出器は、それぞれに前記複数の放射線検出器が前記高さの方向に互いに間隔をあけて配列された複数列の放射線検出器列を含み、
前記複数列の放射線検出器列の放射線検出器の高さ位置が他の放射線検出器列の放射線検出器の高さ位置からずれていること、を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の監視装置。
【請求項５】
前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも１個の放射線検出器が前記容器の底部高さよりも低い位置に配置されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の監視装置。
【請求項６】
核燃料を収納する高さを有する容器と、
前記容器の前記高さの方向に配置された複数の放射線検出器と、
前記複数の放射線検出器の出力の履歴を記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記複数の放射線検出器の出力の履歴に基づいて前記容器内の水位を判定する判定部と、
を有し、
前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも２個が互いに高さが異なる位置に配置されていることを特徴とする原子力施設。
【請求項７】
核燃料を収納する高さを有する容器の前記高さの方向に位置が異なるよう配置された複数の放射線検出器により放射線を検出して放射線検出器出力を出力する放射線検出ステップと、
前記放射線検出器出力の履歴を記憶する記憶ステップと、
前記記憶ステップで記憶された前記放射線検出器出力の履歴に基づいて前記容器内の水位を判定する水位判定ステップと、
を有する監視方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、核燃料を収納する容器内の状況を監視できる装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
核燃料を収納する容器内の状態を把握することは、核燃料の管理のための的確な対応を行う上で重要である。特に、核燃料は放射線の遮蔽や冷却のため、水槽内で貯蔵されることがあり、容器内の水位は燃料の冷却や損傷状態を把握するために極めて重要である。
【０００３】
たとえば、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においては、差圧式水位計が用いられ、通常運転時の水位のほか、燃料領域までの水位低下を監視する。
【０００４】
しかしながら、東日本大震災に伴う福島第一原子力発電所での事故時の際には原子炉格納容器（ＰＣＶ）内の変動水柱および基準水柱配管内の凝縮水が高温となり蒸発したことにより原子炉内の水位測定ができなかった。このため、水位監視についても多様化が要求され、たとえば、超音波式、マイクロ波式、熱電対式や炉内ガンマ線などによる水位監視が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２０５９１２号公報
【特許文献２】特開２００７−６４６３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
核燃料を収納する容器内の状況を把握することは重要であるが、温度の上昇や燃料の破損によりセシウム（Ｃｓ−１３４、Ｃｓ−１３７）、ヨウ素（Ｉ−１３１）等の放射性核種を含む希ガスの発生等、測定環境が著しく悪化する。
【０００７】
このような状況においては、従来の水位計では正確な水位測定ができなくなる。たとえば、差圧式水位計は、急激な減圧沸騰時においては、基準水柱内の凝縮水が蒸発し、水位測定が不可能となる。また、熱電対式の水位計は、燃料溶融と共に熱電対の溶融損傷が起こり、測定できなくなる。
【０００８】
本発明の実施形態は、上述の課題を解決するためになされたものであり、原子力施設において、核燃料を収納する容器内の水位を含む容器内の状況を監視できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
実施形態による監視装置は、核燃料を収納する高さを有する容器と、前記高さの方向に配置された複数の放射線検出器と、前記複数の放射線検出器の出力の履歴を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記複数の放射線検出器の出力の履歴に基づいて前記容器内の水位を判定する判定部と、を有し、前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも２個が互いに高さが異なる位置に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
実施形態による原子力施設は、核燃料を収納する高さを有する容器と、前記容器の前記高さの方向に配置された複数の放射線検出器と、前記複数の放射線検出器の出力の履歴を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記複数の放射線検出器の出力の履歴に基づいて前記容器内の水位を判定する判定部と、を有し、前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも２個が互いに高さが異なる位置に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
実施形態による炉内状況監視方法は、核燃料を収納する高さを有する容器の前記高さの方向に位置が異なるよう配置された複数の放射線検出器により放射線を検出して放射線検出器出力を出力する放射線検出ステップと、前記放射線検出器出力の履歴を記憶する記憶ステップと、前記記憶ステップで記憶された前記放射線検出器出力の履歴に基づいて前記容器内の水位を判定する水位判定ステップと、を有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、原子力施設において、核燃料を収納する容器内の水位を含む容器内の状況を監視できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る監視装置を含む原子力施設の構成を模式的に示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る監視装置において、容器内の水位が放射線検出器位置を通過するときの放射線検出器出力（放射線強度）の時間変化の例を模式的に示すグラフ。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る監視装置において、核燃料が溶融して容器の底部に順次蓄積していく場合に、容器の底部付近に設置された放射線検出器の出力（放射線強度）の時間変化の例を模式的に示すグラフ。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る監視装置を用いた監視方法の手順の例を示すフロー図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る監視装置を含む原子力施設の構成を模式的に示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る監視装置および監視方法ならびに原子力施設の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る監視装置を含む原子力施設の構成を模式的に示すブロック図である。
【００１６】
ここでは、原子力施設は、たとえば燃料プールであるとする。図１に示すように、燃料プール（容器）１１内に核燃料１２が収納されている。燃料プール１１は方形の容器である。
【００１７】
燃料プール１１内には冷却水が収容されている。通常時には、燃料プール１１内の水位は核燃料１２の上端よりも上方にあり、核燃料１２は水中にあって十分に冷却されている。通常時には、燃料プール１１内の水位は、レベルスイッチなど（図示せず）により常時監視されている。
【００１８】
この実施形態では、燃料プール１１内の水位などを監視するための監視装置１００が設けられている。監視装置１００は、複数の放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２、記憶部４１、判定部４２、表示部４３を有する。放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２は、核燃料１２などで発生した放射線を検出するものであって、たとえば、ガンマ線検出器または中性子検出器である。
【００１９】
放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２は、燃料プール１１の外側に配列して設けられている。放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２は、燃料プール１１の内側に配列して設けられても良い。放射線検出器２０１〜２１２は上下方向に１列に並んで配列されている。同様に、放射線検出器３０１〜３１２は上下方向に１列に並んで配列されている。放射線検出器２０１〜２１２の列と放射線検出器３０１〜３１２の列は互いに、燃料プール１１の反対側の位置に配置されている。
【００２０】
放射線検出器２０１〜２１２および放射線検出器３０１〜３１２は、それぞれ、上下方向に等間隔で配列されている。また、互いに反対側の位置にある２個の放射線検出器の高さ位置が同じになるように配置されている。たとえば、放射線検出器２０１と放射線検出器３０１の高さ位置は同じであり、放射線検出器２０２と放射線検出器３０２の高さ位置は同じである。
【００２１】
最も高い位置にある放射線検出器２０１と放射線検出器３０１は、核燃料１２の上端よりも上方にある。最も低い位置にある放射線検出器２１２と放射線検出器３１２は、燃料プール１１の底部１６よりも下方にある。さらに、燃料プール１１の底部１６とほぼ同じ高さ位置に放射線検出器２０９と放射線検出器３０９が配置されている。ここで、燃料プール１１の底部１６は、核燃料１２が溶融した場合に、溶融核燃料が留まると想定される部分である。
【００２２】
放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の出力は記憶部４１、判定部４２、表示部４３に送られる。記憶部４１、判定部４２および表示部４３は、たとえば制御室（図示せず）内に配置されている。記憶部４１、判定部４２および表示部４３は、たとえば汎用の電子計算機によって実現することができる。
【００２３】
放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の出力は、その履歴として記憶部４１に経時的に記憶される。
【００２４】
判定部４２は、放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の出力および、記憶部４１に記憶された放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の出力の履歴（時間的な変化）に基づいて、燃料プール１１内の水位、および核燃料の溶融が起こった場合の溶融燃料の存在位置等を判定する。表示部４３は、放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の出力、記憶部４１に記憶された放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の出力の履歴、ならびに、判定部４２による判定結果を表示する。また、判定部４２による水位および溶融燃料の存在位置の変化などの判定結果は、記憶部４１に記憶される。
【００２５】
前述のように、互いに反対側の位置にある２個の放射線検出器の高さ位置が同じになるように配置されている。燃料プール１１内の水位等の状況が対称であれば、同じ高さで反対側の位置にある２個の放射線検出器の出力は同じになる。しかし、燃料プール１１内の水位等の状況が対称でなければ、同じ高さで反対側の位置にある２個の放射線検出器の出力に差が出る。したがって、互いに反対側の位置にあって高さ位置が同じになるように配置された２個の放射線検出器の出力を比較することにより、燃料プール１１内の水位等の状況の不均一性すなわち偏りを判断することができる。
【００２６】
図２は、第１の実施形態に係る監視装置において、燃料プール１１内の水位が放射線検出器位置を通過するときの放射線検出器出力（放射線強度）の時間変化の例を模式的に示すグラフである。具体的には、図２は、核燃料１２の最上部に近い放射線検出器２０３の出力ａ、核燃料１２のほぼ中央高さの放射線検出器２０４の出力ｂ、核燃料１２の最下部に近い放射線検出器２０５の出力ｃの時間変化を模式的に示している。
【００２７】
図２の初めの時刻では、核燃料１２全体が水面下にある。このとき、核燃料１２で発生した放射線は水中を通る時に減衰するので、放射線検出器の出力ａ，ｂ，ｃは低レベルにある。時刻Ｔ１で水位が放射線検出器２０３の位置まで低下すると、放射線検出器２０３に到達する放射線の水による減衰が少なくなるので、放射線検出器２０３の出力ａは急増する。燃料プール１１内の水位はさらに低下し、時刻Ｔ２で水位は放射線検出器２０４の位置に達する。このとき、放射線検出器２０４の出力ｂが急増する。同様に、時刻Ｔ３で水位は放射線検出器２０５の位置に達し、放射線検出器２０５の出力ｃが急増する。
【００２８】
したがって、図２に示す放射線検出器出力の履歴により、水位を判定することができる。また、例えば時刻Ｔ１で出力ｃが急増した場合、履歴から水位は放射線検出器２０３の位置にあると判定できるため、放射線検出器２０５の異常が疑われる。このように、高さの異なる検出器の履歴を利用することで、水位判定の信頼性を向上することができる。この場合、従来の差圧式の水位計のように凝縮層の凝縮水（基準水位）の蒸発で水位計測ができないような環境条件の影響を受ける事態を回避できる。
【００２９】
図３は、第１の実施形態に係る監視装置において、核燃料が溶融して燃料プール１１の底部１６に順次蓄積していく場合に、燃料プール１１の底部１６付近に設置された放射線検出器２０９の出力（放射線強度）の時間変化の例を模式的に示すグラフである。
【００３０】
図３の初めの時刻では、燃料プール１１内の核燃料は通常時の核燃料１２の位置にあり、放射線検出器２０９から遠い位置にあるので放射線検出器２０９の出力レベルは低い。その後、核燃料１２の溶融が始まり、溶融核燃料が燃料プール１１の底部１６付近に落下して（時刻Ｔ４）、そこに蓄積することが考えられる。その場合、燃料プール１１の底部１６付近に設置された放射線検出器２０９の出力は、燃料プール１１の底部１６付近での核燃料物質の蓄積量の増大に伴って次第に増大する。その後、時刻Ｔ５には、溶融核燃料の落下が終息し、燃料プール１１の底部１６付近での核燃料物質の蓄積量がほぼ一定となる。
【００３１】
このように、燃料プール１１の底部１６付近の放射線検出器２０９、３０９の出力の履歴に基づいて、燃料プール１１内の核燃料の存在位置を含む状況を判定することができる。
【００３２】
さらに、この実施形態によれば、燃料プール１１の底部１６より低い位置に放射線検出器２１１、２１２、３１１、３１２が配置されていることから、事故時に、溶融核燃料が燃料プール１１の底部１６を貫通してさらに落下した場合に、その状況を判定することができる。さらに、燃料プール１１の底部１６の下方に溶融核燃料が蓄積したときに、その溶融核燃料が冷却水中にあるか否か、ということも判断できる。
【００３３】
また、この実施形態によれば、核燃料１２の上端よりも高い位置に放射線検出器２０１、２０２、３０１、３０２が配置されていることから、通常時の水位を監視することもできる。例えば、原子炉の炉心領域で水の放射線分解により発生するＮ１６（γ線発生物質）は、一次冷却材の流れと共に炉心上部へ移動しボイド相から蒸気相の流れと共に移動する。このため、前掲の放射線検出器の２０１、２０２、３０１、３０２は、Ｎ１６の放射線も感じるため、前掲の炉心燃料の核分裂の放射線検出信号に加算される。このＮ１６は検出器位置の近傍を通過するため運転中の前掲の放射線検出器の２０１、２０２、３０１、３０２の出力信号はＮ１６の放射線信号の影響が大きく現れる。この結果、運転中の炉心状態に依存して発生量が変わるＮ１６や水の遮蔽効果で前掲の放射線検出器の２０１、２０２、３０１、３０２の出力信号の大きさが影響を受けるので、放射線検出器信号の時間変化を把握することで、炉心燃料の冷却状態を把握することができる。
【００３４】
図４は、第１の実施形態に係る監視装置を用いた監視方法の手順の例を示すフロー図である。図４に示すように、まず、放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２により放射線検出を行う（ステップＳ１）。そして、放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２により放射線検出を行いながら、そこで検出された出力の履歴を記憶部４１に記憶していく（ステップＳ２）。つぎに、記憶部４１に記憶された放射線検出器出力の履歴とそのときの放射線検出器出力とに基づいて燃料プール１１内の水位を含む燃料プール１１内外の状況を判定する（ステップＳ３）。そして、放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の出力、その履歴、水位などの状況の判定結果などを表示部４３に表示するとともに、判定結果等を記憶部４１に記憶する（ステップＳ４）。
【００３５】
上記説明では、２箇所に放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２の上下方向の列を配置するものとしたが、偏りをさらに詳しく検出するために、３箇所以上に放射線検出器の列を配置してもよい。また、偏りを考慮しなくてよい場合は１箇所に放射線検出器の列を配置してもよい。
【００３６】
また、上記説明では、放射線検出器２０１〜２１２、３０１〜３１２を上下方向に等間隔に並べるものとしたが、重要性が高い部分は密に並べ、重要性が低い部分には疎に並べるようにしてもよい。
【００３７】
また、たとえば核燃料１２部の水位のみに注目する場合は、核燃料１２部の高さに合わせた部分のみに放射線検出器を配置してもよい。
【００３８】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係る監視装置を含む原子力施設の構成を模式的に示すブロック図である。
【００３９】
この第２の実施形態は第１の実施形態の変形である。第１の実施形態では、放射線検出器２０１〜２１２と放射線検出器３０１〜３１２とが互いに反対位置にあって、対向位置にある２個の放射線検出器の高さ位置は同じであるとした。それに対してこの第２の実施形態では、放射線検出器２０１〜２１２の列と放射線検出器３０１〜３１２の列とが高さ方向に半ピッチずれている。すなわち、高い位置から、放射線検出器２０１、３０１、２０２、３０２、２０３、３０３、・・・の順で高さ方向位置が等間隔になるように並べられていて、それぞれ最も近い高さの放射線検出器同士の高さの間隔は等間隔である。その他の構成は第１の実施形態と同様である。
【００４０】
この第２の実施形態によれば、最も近い高さの放射線検出器同士の高さの間隔が、第１の実施形態の場合の半分になる。したがって、燃料プール１１内の水や放射性物質などの挙動が対称である場合には、燃料プール１１内の現象をより詳細に把握することができる。たとえば、放射線検出器を上下方向に一列に密に並べる場合、互いに隣接する放射線検出器同士が干渉してあまり密に並べることができないが、この第２の実施形態のように放射線検出器同士を高さ方向にずらして配置することにより、実質的に高さ方向の配置密度を高めることができる。
【００４１】
［他の実施形態］
上記説明では、監視装置１００が燃料プール１１の水位などを判定するものとしたが、監視対象は、核燃料を水中で貯蔵する原子力施設であれば、原子炉、再処理施設、核燃料加工施設などであってもよい。
【００４２】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１１…燃料プール（容器）、  １２…核燃料、  １６…底部、  ４１…記憶部、  ４２…判定部、  ４３…表示部、  １００…監視装置、  ２０１〜２１２、３０１〜３１２…放射線検出器
【図１】
2019100901.tif 000003
【図２】
2019100901.tif 000004
【図３】
2019100901.tif 000005
【図４】
2019100901.tif 000006
【図５】
2019100901.tif 000007