(57)【要約】  液体プールの高さに沿った離散的な高さで千鳥状に配置した加熱熱電対を使用し、その出力をそれぞれ、下方の離散的な高さの１つに位置する非加熱熱電対と比較する、液位指示システム。加熱熱電対と非加熱熱電対の出力の有意な差によって、液位の指標を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用済原子燃料集合体（１４）を冠水させ得る体積の水を有する使用済原子燃料プール（１２）であって、
プール（１２）内においてそれぞれ異なる高さで支持されており、支持されたそれぞれ対応する高さの温度を示す第１の電気出力を有する複数の加熱熱電対（３４）と、
加熱熱電対（３４）を加熱する加熱要素（５４，５６，５８）と、
第１の電気出力を監視のための遮蔽された遠隔場所に伝える手段（１８，２０）と、
隣接する熱電対の電気出力を比較する比較器（２２、２４、２６、２８、３０、３２）とから成る水位センサー（１６）を含む、使用済原子燃料プール。
【請求項２】
プール内においてプールの通常の水位（４０）より低い高さで支持されており、支持された高さの温度を示す第２の電気出力を有する少なくとも１つの非加熱熱電対（３６）を含む、請求項１記載の使用済原子燃料プール（１２）。
【請求項３】
非加熱熱電対（３６）は、複数の加熱熱電対（３４）の高さまたはそれより低い高さで支持されている、請求項２記載の使用済原子燃料プール（１２）。
【請求項４】
燃料集合体（１４）がプールに貯蔵されているとき、非加熱熱電対（３６）が支持された高さが、燃料集合体の上部の高さに近接している、請求項３記載の使用済原子燃料プール（１２）。
【請求項５】
少なくとも１つの非加熱熱電対（３６）は、プール内のそれぞれ異なる高さで支持された複数の熱電対を含む、請求項２記載の使用済原子燃料プール（１２）。
【請求項６】
非加熱熱電対（３６）の少なくとも一部の高さは加熱熱電対（３４）の高さに対応している、請求項２記載の使用済原子燃料プール（１２）。
【請求項７】
それぞれ異なる高さにある加熱熱電対（３４）がプールの周りにあって周方向に離隔している、請求項１記載の使用済原子燃料プール（１２）。
【請求項８】
周方向の実質的に同じ場所で支持された加熱熱電対（３４）の少なくとも一部が、共通の加熱要素（５４，５６，５８）を共用する、請求項１記載の使用済原子燃料プール（１２）
【請求項９】
加熱要素は、共通の加熱要素を共用する加熱熱電対（３４）の少なくとも一部に沿って、かつこれら加熱熱電対同士の間をも延びるフィラメント線（５４，５６，５８）を有しており、フィラメント線の少なくとも一部の加熱熱電対に沿って延びる部分の電気抵抗は、少なくとも一部の加熱熱電対同士の間を延びる部分の電気抵抗よりも大きい、請求項８に記載の使用済原子燃料プール（１２）。
【請求項１０】
前記周方向の実質的に同じ場所で支持され、前記共通の加熱要素（５４，５６，５８）を共用する少なくとも一部の加熱熱電対（３４）は、実質的に隣接する高さで支持されており、
使用済原子燃料プールはさらに、前記周方向の実質的に同じ場所で、かつ実質的に隣接する第２の組を成す高さで支持され、第２の共通の加熱要素（５４，５６，５８）を共用する、第２の群を成す加熱熱電対を含み、
前記共通の加熱要素と第２の共通の加熱器は個別に制御される、請求項９に記載の使用済原子燃料プール（１２）。
【請求項１１】
周方向の実質的に同じ場所にある加熱熱電対（３４）は、共通のシース（６４）の内部に囲繞されている、請求項１記載の使用済原子燃料プール（１２）
【請求項１２】
プールの周りにあって周方向の同じ場所にある加熱熱電対（３４）と非加熱熱電対（３６）を囲繞する分離管（７６）を含み、分離管の内部はプールの水と流体連通している、請求項１記載の使用済原子燃料プール（１２）。
【請求項１３】
プール（１２）内の液体の液位（４０）を監視する液位センサー（１６）であって、
プール（１２）内においてそれぞれ異なる高さで支持されており、支持されたそれぞれが対応する高さの温度を示す第１の電気出力を有する複数の加熱熱電対（３４）と、
加熱熱電対（３４）を加熱する加熱要素（５４，５６，５８）と、
第１の電気出力を監視のための遮蔽された遠隔場所に伝える手段（１８，２０）と、
隣接する熱電対の電気出力を比較する比較器（２２、２４、２６、２８、３０、３２）とから成る液位センサー（１６）。
【請求項１４】
プール内において通常水位（４０）より低い高さで支持されており、支持された高さの温度を示す第２の電気出力を有する少なくとも１つの非加熱熱電対（３６）を含む、請求項１３記載の液位センサー（１６）。
【請求項１５】
非加熱熱電対（３６）が、複数の加熱熱電対（３４）の高さまたはそれより低い高さで支持されている、請求項１４記載の液位センサー（１６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、「POST-ACCIDENT QUALIFIED SPENT FUEL POOL LEVELINDICATION SYSTEM」と題する２０１１年１０月４日に提出された米国仮特許出願第６１／５４２、９２７号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
本出願は液位監視装置に関し、より具体的には原子炉使用済燃料プール内の水位の監視に特に適した液位監視装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
加圧水型原子炉は、通常１８ヶ月のサイクルで燃料交換を行う。燃料交換プロセス時、炉心内の照射済燃料集合体の一部が取り出され、炉心の周縁部に再配置される新しい燃料集合体と交換される。取り出された使用済原子燃料集合体は、典型的には、これらの放射性燃料集合体が貯蔵される使用済燃料プールのある別の建物へ水中で移送される。使用済燃料プールの水は、放射線を許容可能なレベルにまで遮蔽するのに十分な深さを有し、また、燃料集合体内の燃料棒が放射性燃料物質および核分裂生成物を密封する燃料棒被覆を破損しかねない温度に到達するのを防ぐ。冷却は、燃料集合体の崩壊熱が、少なくとも集合体の温度が乾式貯蔵にとって受入れ可能であるレベルに低下するまで継続される。
【０００４】
日本の福島第１原子力発電所の事故は、長期間にわたる電源喪失が使用済燃料プール冷却システムに引き起こす可能性がある事態に対する懸念を強めた。津波の結果、オフサイト電源が失われ、全電源喪失という事態が生じた。電源が失われて、使用済燃料プールの冷却システムが運転停止した。水中の高放射性使用済燃料集合体によって加熱されたプールの温度の上昇により、一部の使用済燃料プールの水が気化し蒸発して飛散した。補給水をプールに圧送する電力が長期間にわたって無くなると、燃料集合体が露出してその中の燃料棒の温度が上昇し、それらの燃料棒の被覆が破損して、環境への放射能洩れにつながる虞がある。
【０００５】
日本の福島第１原子力発電所では、電源喪失のため緊急隊員が使用済燃料プールの状況を把握する手段が失われ、好ましくは状況が危機的になる前に修正行動をとることができなかった。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、極端に悪い状況下でも、非常に少ない電力を必要とするだけで、長期間に亘り動作させることができる使用済燃料プールの水位監視装置を提供することである。
【０００７】
本発明のさらなる目的は、使用済燃料プールの正確な水位を突き止めるのを可能にする遠隔出力を高い信頼度で提供できる、かかる監視装置を提供することである。
【発明の概要】
【０００８】
上記および他の目的は、使用済原子燃料集合体を冠水させ得る体積の水を有し、プール内においてそれぞれ異なる高さで支持された複数の、加熱された熱電対（以下、加熱熱電対と言う）を有する使用済原子燃料プールによって達成される。加熱熱電対は、支持されたそれぞれ対応する高さの温度を示す第１の電気出力を有する。加熱熱電対のそれぞれを加熱する加熱要素と、第１の電気出力を監視のための遮蔽された遠隔場所に伝える手段とが設けられる。比較器が隣接する熱電対の電気出力を比較することによって、プールの水位の高さを特定する。
【０００９】
一実施態様では、使用済原子燃料プールは、プール内においてプールの通常の水位より低い高さで支持された少なくとも１つの加熱されない熱電対（以下、非加熱熱電対と言う）を含む。非加熱熱電対は、非加熱熱電対が支持された高さの温度を示す第２の電気出力を有する。非加熱熱電対が複数の加熱熱電対の高さまたはそれより低い高さで支持されることが望ましく、燃料集合体がプールに貯蔵されるときに、非加熱熱電対が支持された高さが燃料集合体上部の高さに近接していることが好ましい。少なくとも１つの非加熱熱電対がプール内のそれぞれ異なる高さで支持された複数の熱電対を含み、非加熱熱電対（３６）の少なくとも一部の高さが加熱熱電対の高さに対応していてもよい。
【００１０】
さらに別の実施態様では、異なる高さにある加熱熱電対がプールの周りにあって周方向に離隔している。代替的には、周方向の実質的に同じ場所で支持された加熱熱電対の一部が共通の加熱要素を共用し、共通のシースの内部に囲繞されていてもよい。付加的には、分離管が、プールの周りにあって周方向の同じ場所にある加熱熱電対と、加熱要素、または非加熱熱電対、若しくはその両方を囲繞し、分離管の内部がプールの水と流体連通するようにしてもよい。さらに、本発明は以上の特徴を備える液位センサーを提案する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付の図面と併せて以下の実施態様の説明を読めば、本発明のさらなる理解を得ることができよう。
【００１２】
【図１】本発明の一実施態様に従って内部に２系統のプール水位センサー集合体が配置された使用済燃料プールを収容する使用済燃料建屋の概略図である。
【００１３】
【図２Ａ】図１に示すセンサー集合体の一実施態様の略断面図である。
【００１４】
【図２Ｂ】図１に示すセンサー集合体の別の実施態様の略断面図である。
【００１５】
【図３】図２に示すセンサー集合体の概略図である。
【００１６】
【図４】本発明の別の実施態様の概略図である。
【００１７】
【図５】本発明のさらに別の実施態様の略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
全電源喪失の結果、長期間にわたって使用済燃料プールの冷却能力が失われる事態への懸念は、津波が日本の福島第１原子力発電所を作動不能にしたことによって強まった。本発明は、事態が危機的になる前に修正行動を計画し実行できるように、使用済燃料プールの状況を突き止めるための別の方途を提供する手段を提示する。
【００１９】
本発明の使用済燃料プールの水位プローブは多数の異なる実施態様で実現可能である。しかしながら、いずれの実施態様も、熱電対接合センサーを使用済プールに沿った複数の離散的な高さに配備し、隣接するセンサーの電気出力間の差を監視することによって、水位がセンサー場所同士の間にあるか否か判定するという原理に依存している。少なくとも一部のセンサーには低級の加熱器が付随して設けられている。また、使用済燃料プール内の冷却水は、隣接する冠水した熱電対間の出力を比較しても温度差が実質的に分からないほど大きなヒートシンクを提供する。センサーが冷却材に冠水していない場合、周囲の空気が断熱材として働くので、空気に囲まれていて加熱電気対の温度読取値は、その状況を反映して、隣接する冠水した熱電対と比べて有意に高い。別の実施態様においては、非加熱熱電対を基準として、監視されるそれぞれの高さに配備し、加熱熱電対の出力を非加熱熱電対の出力と比較する。加熱熱電対が冠水状態にある限り、結果は実質的に同じはずである。２つの熱電対に、その各々に電気リード線が付随した少なくとも１つの加熱器を組合せて、３００ステンレス鋼シリーズ等の耐食性金属管に収容し、無機絶縁材で包囲してもよい。センサー管の一端にブラインドキャップを溶接して封止する一方、他端を電気コネクタで終端してもよい。もしくは、個々の熱電対をそれぞれ個別にスリーブに収容し、幾つかの熱電対センサーを一緒にして加熱要素とともに耐食性の外部管にパッケージしてもよい。さらには、特に新規の発電所建設の場合、センサーを個別に使用済燃料プールの周りに配置すれば、初期据付後の発電所に運転上の柔軟性が提供される。
【００２０】
図１は、使用済燃料建屋境界３８内に囲繞された使用済燃料プール１２に配備された本発明の一実施態様を組み込んだ使用済燃料建屋１０の概略図である。多数の原子燃料集合体１４が図示するように使用済燃料プール１２の底部で冠水状態にあるが、プールには水が上面４０まで、使用済燃料集合体から使用済燃料プール上の作業デッキ４６を遮蔽するのに十分な深さに満たされている。この実施態様において、２つの使用済燃料プール水位プローブ１６はブラケット４８から片持ち梁状に懸架され、好ましくは燃料集合体１４の上部レベル、またはそれより少し上方の高さまで、プール１２内に貫入している。各プローブ１６を対応するそれぞれ別個のデータ系統１８、２０に接続することにより、安全面での追加措置のための冗長出力を提供する。各水位プローブ１６はプローブに沿った離散的な高さに多数の加熱熱電対センサーを含み、下部の高さは非加熱基準熱電対プローブ３６が占めるが、これらすべては外側シース５０内に囲繞されている。プローブ１６からの信号は、冗長データ系統１８、２０に沿った導電材を介して作業デッキ４６上の監視位置へ、または建屋境界３８を介して発電所制御室のようなより遠隔の遮蔽された場所へと搬送される。発電所制御室では、系統によって伝えられたデータが、先進ロジック・システム２２、事故後監視システム２４、不全炉心冷却監視システム２６、認定安全パラメータ表示システム２８及び使用済燃料プール情報システム３０等の安全関連システムに入力される。当該情報はまた、情報を提供し適切な行動をとるための発電所ネットワーク３３に接続されたＰＣベース・システム３２のような非安全関連システムに入力してもよい。発電所に停電が起きた際には、系統１８、２０に接続されたバッテリー４４、無停電電源装置または他の補助エネルギー源を介して、バックアップ用電力がシステムに供給される。
【００２１】
図２Ａは、図１と図３に示すようなそれぞれ異なる離散的な高さまで貫入される１６個の加熱プローブ３４が含まれるプローブ１６の一実施態様の断面図を示す。センサーの据付高さとセンサーの個数は、発電所の仕様に基づいて最適化される。垂直アレイを成すセンサーの高さは、使用済燃料プールの深部に至るまで、直線的にかつ千鳥状に分布し、より好ましくは、重要なもしくは要注意の使用済燃料プール水位（例えば、使用済燃料プールの公称予定水位、燃料集合体の上部、使用済燃料プールオーバーフローからの保護水位等）ではセンサーの密集度が高くなるように、センサーの高さを分布させる。センサーの数はシステム全体の解像度及び総コストに正比例することが理解されるべきである。したがって、図２Ａに示す実施態様では１６個の加熱センサーが示されているが、個数は使用例に応じて変わり得る。加えて、図２Ａに示す実施態様では、基準となる非加熱熱電対センサーが含まれるが、必要なのは１個だけである。他の２個の非加熱熱電対センサーは冗長性を提供する。図３ではそれら非加熱熱電対センサーが３つの異なる高さに示されているが、代替的に非加熱センサーが同じ高さを占めるようにしてもよい。
【００２２】
各熱電対は、一般に使われるＫ型熱電対のように材料が異なる２つの導体から成り、２つの導体（典型的には、異なる合金）の接触点近傍に電圧を発生させる。発生する電圧は、接合部と導体の他の部分との温度差によって決まるが、必ずしもその温度差に比例するわけではない。熱電対は、極めて頑丈で安価な、測定及び制御のために広範に用いられるタイプの温度センサーである。
【００２３】
加熱熱電対３４の各々は、その測温接点近傍の加熱フィラメント５４、５６、５８の１つまたはそれ以上によって加熱される。好ましくは、加熱熱電対３４の各測温接点は、冗長性を与えるために複数の加熱フィラメントによって覆われている。個々の熱電対３４、３６はそれぞれ、好ましくは、自身の個別シース６２内に支持されている。各個別シースと加熱要素５８はさらに、絶縁材６０内に懸架されて、外側シース６４内部に囲繞される。簡潔さのため、１６個の加熱センサー３４のうち４個と、３個の加熱フィラメントのうちの１個５８だけを示すが、図３はセンサーの千鳥状の配置を概略的に示している。
【００２４】
図２Ｂは、２個の非加熱熱電対と１４個の加熱熱電対、計１６個の熱電対を用いるプローブ１６の別の実施態様の断面図である。図では２個の非加熱熱電対が集合体の周縁部に配置されているが、図３に示すように非加熱熱電対は加熱フィラメントの下方に延びるから、これらは残りの熱電対位置の何れにも配置し得るものである。本実施態様では、加熱フィラメントを中央に配置し、絶縁材を熱電対集合体の周りに、つまり、熱電対集合体と外側シース６４との間に挿入する。
【００２５】
図４は、使用済燃料プール１２の壁６８に沿って支持される高さが千鳥状である非加熱熱電対６８の別個のアレイを用いる本発明の別の実施様態を示す。各熱電対３６は、前述の出力電流を発生させる測温接点７０と基準（冷）接点７２を有する。測温接点７０を開口７８付き遮熱ガード７４内に囲繞して、測温接点７０を乱流、蒸気及び気泡から隔離することによって、より良好な熱伝導を促進する。さらに非加熱熱電対のアレイは、同じ目的のために下端では使用済燃料プール１２と、上端では使用済燃料プール上の環境と流体連通関係にある分離管７６内に囲繞される。本実施態様には、各センサー３４が対応する非加熱熱電対センサー３６と実質的に同じ高さに位置し、フィラメントコイル５８によって加熱される加熱熱電対センサー３４の縦列アレイが含まれる。ここで、加熱アレイを非加熱アレイと同じ千鳥状に構成してもよいし、もしくは、代替的に、非加熱アレイを加熱アレイのように縦列で支持するようにしてもよいことが理解されるべきである。しかしながら、図２と図４に示す実施態様はどちらも使用済燃料プールの水位４０の指標を提供するけれども、図４に示す実施態様は追加費用を要するが、より正確な結果を提供するものである。
【００２６】
図４は、電源喪失状態で長期間に亘ってシステムを作動させるための、有効長が分割された加熱要素をも示している。従来の加熱要素では、フィラメントの断面積は一定であった。例えば、プローブ１６を形成する熱電対のストリングの長さが２０フィートであるならば、全長に亘って直径が同一である往復の導体ラインに基づく加熱要素の有効長は４０フィートであった。しかしながら、あり得ることだが、水位の変化速度が比較的小さい場合、オペレーターは水線より数ヤードも上方または下方にある熱電対ではなくて、表面水位近傍の熱電対に専ら注意を集中する必要がある。途切れた部分のない型の加熱要素を用いると、実際には水位の上方または下方数フィートまでの関心のある領域だけを加熱すればよいときに、２０フィートのプローブ全体を加熱する電力が必要となる。これは電源喪失状態下ではバックアップ電源の枯渇のもとである。かかる状態の下ではオペレーターにとって目下のところ関心のないプローブの長さ部分が加熱されるため、有意な量のバックアップ電力が浪費される。この欠点を最小限に抑えるために、図４に示す加熱要素５８は、物理的な全長は依然として例示的な４０フィートである（２０フィート往復でループを形成）が、断面積を変化させ、熱電対のある場所間では断面を厚く、加熱熱電対のある場所の断面を薄く、高抵抗値にする。直径が小さい加熱要素回路の長さ部分は抵抗値が高く加熱器として機能する一方、直径が大きく抵抗値が低い部分は、熱を発生させずにただ電流を通すだけである。同様の結果は、フィラメント線の組成を変えて、加熱フィラメントの抵抗値を長手方向で変化させることによっても達成できることが理解されるべきである。好ましくは、この考え方は、図４に示す２本のフィラメント５６、５８または図２Ａ、２Ｂに示す３本のような複数の加熱フィラメントを用い、各加熱フィラメントで、場合に応じて、プローブの長さの２分の１または３分の１を加熱することで実現できる。発電所のオペレーターが電源喪失時に表面水位の両側の熱電対に隣接する加熱フィラメントに選択的に給電する一方、他の加熱フィラメントへの給電を止めることができるように、加熱要素を個別に制御する。これにより、発電所オペレーターに優れた水位の指標と傾向を提供しながらも、非常電源作動中の電力消費を有意に削減することが可能になる。本発明の例示として加熱セグメントが２つの場合と３つの場合を図示したが、後述の特許請求の範囲の射程から逸脱することなく、追加のセグメントを用いることができる。
【００２７】
図５は、特に新規の建設に好適な代替的実施態様を示す。この実施態様では、熱電対はその支持場所の高さが増すにつれて縦配列でまたは周方向に離隔させて、使用済燃料プールの壁６８によって直接支持される。このように配置することにより、プール内の任意の動的運動のより良い理解が得られる。さらに、本発明は任意の液体の液位を監視するのに使用可能であり、しかも使用済燃料プールの監視に限定されないことが理解されるべきである。
【００２８】
図１に関して前述したように、系統１８、２０の各々が、停電が起きた場合の緊急時に使用可能なバックアップ用バッテリー４４または他の補助エネルギー源を有する。電力を必要とする主要なコンポーネントは加熱フィラメントであるが、加熱フィラメントへの電流を有意に低減することができるため、停電が長期間に亘っても、システムを有意に損なうことなくバッテリー電力を節約して使用するすることが可能である。電力の削減に影響される唯一のものは、反応時間である。電力を節約して使用するには、熱電対の状態の表示に要する電力を最小限に抑え、かつ表示装置を間欠的に作動させるとよい。このように、本発明は、福島第１原子力発電所の事故で明らかとなった、使用済燃料プールで何が起きているかを突き止めるという非常に重要な問題に対する比較的低コストの解決法を提供する。
【００２９】
本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。
【図１】
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【図２Ａ】
2014530364.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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