(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器に付設される原子炉再循環系にサンプリングラインが設置され、このサンプリングラインを介して前記原子炉再循環系から原子炉水が導かれ、この原子炉水の接触した原子炉構造材の金属付着量を測定する金属付着モニタにおいて、前記原子炉水の前記サンプリングラインに内径の異なる２種類以上の金属付着モニタ配管を並列に接続し、この金属付着モニタ配管の内部表面における流動条件および配管内部の表面温度を実構造材の表面における流動条件や温度と同等に制御する流速可変手段および温度制御手段を備えて構成されることを特徴とする金属付着モニタ。
【請求項２】
前記流速可変手段は、金属付着モニタ配管の入口部または出口部に設けられた流量調整手段および金属付着モニタ配管の上流側に設けられた分岐ラインの流量調整手段のうちの少なくとも１種である請求項１に記載の金属付着モニタ。
【請求項３】
前記金属付着モニタ配管の温度制御手段は、金属付着モニタ配管の温度を調整するヒータとモニタ配管の温度を測定する温度計測手段からなる請求項１に記載の金属付着モニタ。
【請求項４】
前記流速可変手段は、金属付着モニタ配管の入口部に設けられた分岐ラインと、この分岐ラインに設置されたポンプとを有する請求項１に記載の金属付着モニタ。
【請求項５】
金属付着モニタが内径の異なる２種類以上の配管から構成される場合に、上記配管に供給される金属の供給速度が、原子炉構造材の全体に供給される金属の供給速度の全範囲を包含するように設定された請求項１〜４のいずれかに記載の金属付着モニタ。
【請求項６】
前記金属付着モニタの配管温度が金属を付着させる部位の原子炉構造材の温度と同等になるように制御する手段を有する請求項１〜５のいずれかに記載の金属付着モニタ。
【請求項７】
原子炉構造材の温度と同等になるように配管温度を制御する手段として、金属を付着させる部位の原子炉構造材の温度信号が入力される温度コントローラを用い、この温度コントローラにより、入力された温度信号に基づいて金属付着モニタの配管に設置された温度制御手段、またはこの温度制御手段および金属付着モニタの配管入口まで流体を導く前記流速可変手段を自動的に制御する請求項６に記載の金属付着モニタ。
【請求項８】
金属付着モニタが複数の配管から構成される場合に、それぞれの配管の温度をそれぞれの対象とする部位の原子炉構造材の温度と同等になるように制御する手段を有する請求項６または７に記載の金属付着モニタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力発電プラントの原子炉構造材に金属を付着させる場合に、金属付着量を把握する金属付着監視装置に係り、特に金属付着量を把握するモニタ用配管設備を備えた金属付着モニタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電所における原子炉構造材に種々の金属を付着させることにより、原子炉構造材の腐食の低減や応力腐食割れ感受性の低減が試みられている（特開２００１−４７８９号公報、特開平１０−１８６０８５号公報等）。この原子炉構造材への金属の付着量は金属付着による腐食低減等の効用を発揮する上で重要な因子である。
【０００３】
この金属の付着は、通常、原子炉水中に金属単体および金属化合物のような金属を添加して、これを金属の付着を必要とする原子炉構造材部位に循環させることにより行われる。この原子炉構造材における金属付着量を直接測定することができないため、通常、原子炉の外部に追設した内径１〜２ｃｍの配管に原子炉水を導き、その配管の一部を適宜取り出して、その配管への金属付着量を測定することにより、原子炉構造材への金属付着量の推定を行っていた。
【０００４】
例えば、図６に示すように、原子炉圧力容器１の原子炉再循環系２にサンプリングライン３を設けてモニタ配管４に原子炉水を導入し、このモニタ配管４における金属付着量を測定して原子炉構造材への金属付着量の推定を行っていた。しかしながら、この金属付着監視装置５においては、モニタ配管４への原子炉水の導入量は、原子炉水の取出し口とモニタ配管の出口との差圧によって決定されており、原子炉水の流量制御はなされず、また配管温度についても制御がなされていなかった。
【０００５】
なお、符号６は主蒸気ライン、符号７はタービン・復水器、符号８は原子炉復水・給水系、符号９ａは原子炉水浄化系、符号９ｂは復水浄化系である。
【０００６】
モニタ配管表面への金属の付着は、原子炉水から配管表面への金属の移行量で大きく左右されるので、この移行量に影響する流動条件を適切に設定する必要があるが、従来の監視装置においてはその設定がなされていなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のモニタ配管を用いる金属付着監視装置５においては、流量や配管温度が制御されず、また配管表面への金属の移行量に影響する流動条件を的確に設定することができないため、実構造材における金属付着量を正確に把握することができないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、原子炉の実構造材における金属の付着量を正確に把握し、モニタリングすることができる金属付着モニタを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る金属付着モニタは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、原子炉圧力容器に付設される原子炉再循環系にサンプリングラインが設置され、このサンプリングラインを介して前記原子炉再循環系から原子炉水が導かれ、この原子炉水の接触した原子炉構造材の金属付着量を測定する金属付着モニタにおいて、前記原子炉水の前記サンプリングラインに内径の異なる２種類以上の金属付着モニタ配管を並列に接続し、この金属付着モニタ配管の内部表面における流動条件および配管内部の表面温度を実構造材の表面における流動条件や温度と同等に制御する流速可変手段および温度制御手段を備えて構成されるものである。
【００１１】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る金属付着モニタは、請求項２に記載したように、前記流速可変手段は、金属付着モニタ配管の入口部または出口部に設けられた流量調整手段および金属付着モニタ配管の上流側に設けられた分岐ラインの流量調整手段のうちの少なくとも１種であるものである。
【００１３】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る金属付着モニタは、請求項３に記載したように、前記金属付着モニタ配管の温度制御手段は、金属付着モニタ配管の温度を調整するヒータとモニタ配管の温度を測定する温度計測手段からなるものである。
【００１５】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る金属付着モニタは、請求項４に記載したように、前記流速可変手段は、金属付着モニタ配管の入口部に設けられた分岐ラインと、この分岐ラインに設置されたポンプとを有するものである。
【００１６】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る金属付着モニタは、請求項５に記載したように、金属付着モニタが内径の異なる２種類以上の配管から構成される場合に、上記配管に供給される金属の供給速度が、原子炉構造材の全体に供給される金属の供給速度の全範囲を包含するように設定されたものである。
【００１７】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る金属付着モニタは請求項６に記載したように、前記金属付着モニタの配管温度が金属を付着させる部位の原子炉構造材の温度と同等になるように制御する手段を有するものであり、さらに、請求項７に記載したように、原子炉構造材の温度と同等になるように配管温度を制御する手段として、金属を付着させる部位の原子炉構造材の温度信号が入力される温度コントローラを用い、この温度コントローラにより、入力された温度信号に基づいて金属付着モニタの配管に設置された温度制御手段、またはこの温度制御手段および金属付着モニタの配管入口まで流体を導く前記流速可変手段を自動的に制御するものであり、さらにまた、請求項８に記載したように、金属付着モニタが複数の配管から構成される場合に、それぞれの配管の温度をそれぞれの対象とする部位の原子炉構造材の温度と同等になるように制御する手段を有するものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る金属付着モニタの実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る金属付着モニタの第１実施形態を示す図である。
【００２０】
図１では、例えばＢＷＲ型プラントの原子炉である原子炉圧力容器１０、主蒸気ライン１１、タービン・復水器１２、復水浄化系１３、給水ライン１４、原子炉再循環系１５、原子炉水浄化系１６の配置関係を概略的に示している。原子炉圧力容器１０には原子炉再循環系１５が付設され、この再循環系１５にサンプリングライン１８が設置され、原子炉水が金属付着モニタ２０に導かれるようになっている。
【００２１】
金属付着モニタ２０は、内径が異なる２種類のモニタ配管２１ａ，２１ｂが並設されたモニタ用配管設備を有する。モニタ用配管設備のモニタ配管２１ａ，２１ｂの出口にはそれぞれ流量計２２ａ，２２ｂが設置してある。
【００２２】
一方、原子炉給水系としての給水ライン１４には金属の注入ライン２４を設けている。原子炉構造材、例えば原子炉内構造材である炉内シュラウドやジェットポンプに金属を付着させる場合には、金属注入ライン２４より目的とする金属が注入される。注入される金属としては、金属単体および金属化合物のいずれでもよい。金属の原子炉構造材への付着量は、金属付着モニタ２０のモニタ配管２１ａ，２１ｂを取出し分析することにより推定することになる。
【００２３】
この金属付着モニタ２０では、金属付着モニタ用配管２１ａ，２１ｂの内部表面における流動条件および配管内部の表面温度を実構造材の表面における流動条件や温度と同等にして、金属付着モニタ２０のモニタ配管２１ａ，２１ｂの内部表面に付着した金属密度が実構造材のそれと同じくなるようにすることにある。流動場を実構造材の原子炉構造材、例えば原子炉内構造物、原子炉配管と同等にする場合には、金属付着モニタ２０のモニタ配管２１ａ，２１ｂを流れる流体の流量そのものを制御する方法（この場合は金属付着モニタ２０のモニタ配管形状が実構造材における目的場所の形状と同等の必要がある）と、金属付着モニタの配管における流量および配管内径をコントロールして目的場所の流量を模擬する方法とがある。
【００２４】
流体中の金属物質が構造材表面へ供給される速度は、その金属の流体中の濃度、温度、表面近傍の拡散層の厚さに依存する。拡散層の厚さは流体の流速、形状に依存する。
【００２５】
［原子炉構造材への金属付着量の測定原理］
原子炉構造材への金属の供給は、以下の式（１）で表される。
【００２６】
【数１】
Ｍ＝Ｓｈ×Ｄ×Ｃｉ／ｄ          ……（１）
ここで、Ｍは原子炉構造材表面への供給速度、Ｓｈはシャーウッド数、Ｄは拡散定数、Ｃｉは流体中の金属濃度、ｄは水力等価直径を示す。
【００２７】
Ｓｈ数については、例えば、式（２）または（３）で求めることができる。
【００２８】
【数２】
0004533565.tif 000002
ここで、Ｒｅはレイノルズ数、Ｓｃはシュミット数を表し、それぞれ以下の式（４）、（５）で表される。
【００２９】
【数３】
0004533565.tif 000003
ここで、Ｖは流速、ｄは配管内径、ｖは動粘性率、Ｄは拡散定数である。
【００３０】
これらの諸条件を考慮することにより、原子炉の実構造材表面への金属の供給量と金属付着モニタ２０のモニタ配管２１ａ，２１ｂ表面への金属の供給量が同等となり正確な評価ができるようになる。これらの諸条件の中で、変動する因子は流速そのもの、温度に関連する因子では拡散定数、動粘性率があり、形状では水力等価直径となる。
【００３１】
よって、温度、流速、水力等価直径を考慮することにより、実構造材と金属付着モニタ２０への金属供給量を同等（等価）とすることができ、原子炉構造材への正確な金属付着量の評価ができるようになる。
【００３２】
この金属付着モニタ２０では温度と流速と形状を考慮することにより、実構造材と金属付着モニタ２０への金属の供給量を同じくし付着量の正確な把握ができる。
【００３３】
この金属付着モニタ２０では、金属付着モニタ２０のモニタ配管２１ａ，２１ｂ内径と流量と温度を制御することにより、金属を付着させたい実構造材と同じ金属付着環境を模擬させることができる。
【００３４】
例えば、実構造材で金属付着量を知りたい部位の水力等価直径が６０ｃｍであり、流速が２ｍ／秒の場合、これと形状、大きさが同じ金属付着モニタ用配管を設置することは困難であるが、同等の金属の供給量は前述の金属供給式により、形状および流量を、内径１ｃｍの配管で、流速０．７ｍ／秒の条件とすると、実構造材表面への供給量と同じくなる。このような設置可能な金属付着モニタ（金属付着監視装置）とすることができ、しかも金属付着量が正確に求まることになる。
【００３５】
具体的に、金属を付着させる原子炉構造材の目的の場所における流動条件が水力等価直径６０ｃｍで、流速が２ｍ／秒としたとき、金属付着モニタ２０への原子炉水の流入量が１Ｌ／分に限られている場合は、流動条件を一致させるには、即ち、モニタ配管２１ａ，２１ｂ表面への金属の供給量を実構造体と同等にさせるには、原子炉構造材への金属供給式から内径０．５８ｃｍの配管を用いればよいことがわかる。このようなモニタ配管がある場合には、これで対応することができるが、このようなモニタ配管がない場合には、金属付着モニタ配管２１ａ，２１ｂへの金属の供給量が目的とする実構造材への金属供給量を内包するような金属付着モニタ配管の配管径に設定する。
【００３６】
例えば、内径０．７ｃｍと内径０．５ｃｍのモニタ配管２１ａ，２１ｂを並列状に設置することにより、それぞれの流速は、４３ｃｍ／秒、８５ｃｍ／秒となり、前述の金属供給金属供給式を用いて算出すると、実構造材への供給量に対して０．７倍および１．３倍となる。このような流動条件で金属付着量を測定すると実構造材への付着量が正確に把握することができる。
【００３７】
なお、本実施態様では、金属の注入個所を原子炉給水系１４としたが、原子炉再循環系１５などから注入してもよく、また原子炉水の取出し口は原子炉再循環系１５に限らず、原子炉ボトムドレインラインや原子炉浄化系１６に設けるようにしてもよい。
【００３８】
図２は、本発明に係る金属付着モニタの第２実施形態を示す図である。
【００３９】
図２は金属付着モニタ２０Ａのモニタ配管設備を示したものであり、互いに並設された金属付着モニタ配管２１ａ，２１ｂの入口に流量調整バルブ２５ａ，２５ｂがモニタ配管２１ａ，２１ｂの出口に流量計２２ａ，２２ｂがそれぞれ設置される。流量調整バルブ２５ａ，２５ｂの上流側からバイパスライン（分岐ライン）２６が分岐されて設置される。バイパスライン２６にはバルブ（バイパスライン流量調整バルブ）２７を流速可変手段として設けている。
【００４０】
一方、モニタ配管２１ａ，２１ｂの出口側は合流してポンプ（金属付着モニタ流量調整ポンプ）２８が設置されている。金属付着モニタ配管２１ａ，２１ｂへ金属供給量はモニタ配管２１ａ，２１ｂへの金属を含む原子炉水の流量をコントロールすることにより調整する。
【００４１】
例えば、金属付着モニタ２０Ａに内径０．５ｃｍのモニタ配管を用いる場合に、サンプリングライン１８には１Ｌ／分が流れているとし、金属を付着させたい実構造材の流動条件を水力等価直径６０ｃｍ、流速２００ｃｍ／秒とする。サンプリングライン１８の流量の全量を金属付着モニタ配管２１ａ，２１ｂに導入すると、流速は８５ｃｍ／秒となり、この流動条件では配管表面への金属の供給量は実構造材の１．３倍になる。実構造材と同等の金属供給量にするためには、流量調整バルブ２５ａ，２５ｂにより流量を７１０ｍＬ／分に調整することにより達成することができる。また、流量調整には、適宜バイパスライン２６のバルブ２７の開度を調整してもよい。バルブ２７や流量調整バルブ２５ａ，２５ｂ、ポンプ２８は金属付着モニタ配管２１ａ，２１ｂを流れる流体流量の流速可変手段としての流量調整手段を構成している。
【００４２】
図２の金属付着モニタ２０Ａの場合は流量が多い場合であるが、サンプリング水が不足しているときには、即ち、金属付着モニタ２０Ａのモニタ配管表面への金属供給量が目的とする実構造材部よりも小さい場合には、ポンプ２８を作動することにより、サンプリング流量を確保し配管表面への金属の供給量を同等とすることができる。
【００４３】
この例では、金属付着モニタ配管２１ａ，２１ｂの入口側に流量調整バルブ２５ａ，２５ｂを設けたが、モニタ配管２１ａ，２１ｂの出口側に設けてもよく、また、流量計２２ａ，２２ｂをモニタ配管２１ａ，２１ｂの入口に設けてもよい。ポンプ２８の位置についても同様である。
【００４４】
図３は、本発明に係る金属付着モニタの第３実施形態を示す図である。
【００４５】
図３は金属付着モニタ２０Ｂの配管部を示したものであり、金属付着モニタ２０Ｂのモニタ配管２１ａ，２１ｂの入口部と出口部に温度計測システム３０ａ，３０ｂが温度計測手段として設置されている。また、モニタ配管２１ａ，２１ｂには温度コントロール用のヒータ３１ａ，３１ｂが配管温度制御手段として設置してあり、配管の温度を調整できるようになっている。前述の金属供給式で示した定数の中にはいくつか温度の影響を受けるものがある。動粘性率や拡散定数がそれである。温度の影響を受けてモニタ配管表面への金属の供給量も変化するので、モニタ配管２１ａ，２１ｂの温度コントロールを実施して実構造材の晒されている流動条件と同等とするものである。温度制御については、モニタ配管２１ａ，２１ｂの温度を制御する方法とモニタ配管２１ａ，２１ｂ内を通過する流体の温度を制御する方法との２種類がある。また、この２つの方法を併用してもよい。
【００４６】
図４は、本発明に係る金属付着モニタの第４実施形態を示す図である。
【００４７】
図４は金属付着モニタ２０Ｃのモニタ用配管設備の概要を示したものであり、金属付着モニタ用配管２１ａ，２１ｂの入口部でサンプリングライン１８が分岐され、一方は金属付着モニタ用配管２１ａ，２１ｂに、他方はポンプ（バイパスライン流量調整ポンプ）３４を介してドレインまたは原子炉配管系へラインが戻されている。
【００４８】
ポンプ３４は金属付着モニタ２０Ｃのモニタ配管入口までの流体の到達速度を早くするためであり、ポンプ作動により多量の原子炉水がサンプリングライン１８内を流れ、サンプリングライン１８を流れる原子炉水により温度の低下を防ぐものである。ポンプ３４の作動条件をコントロールすることにより目的の温度が保てるようになる。
【００４９】
また、金属付着モニタ２０Ｃのモニタ配管２１ａ，２１ｂ入口の流量調整バルブ２５ａ，２５ｂを調整することにより、金属付着モニタ２０Ｃのモニタ配管２１ａ，２１ｂへの流量をコントロールする。また、第３実施形態で示した温度コントロールと併用することにより正確な温度設定が可能となる。
【００５０】
第５実施形態は、原子炉構造材の全体を金属付着の対象とした場合の金属付着モニタ用配管２１ａ，２１ｂである。
【００５１】
原子炉内には構造の違いによりいくつもの流動条件がある。ここでは、流速の最も遅い場合の設定は原子炉内構造材である原子炉シュラウド内面の上昇流として、一方、高流速の設定はジェットポンプ上部の吸い込み部とする。原子炉シュラウド内面の流動条件は、例えば、水力等価直径４０ｃｍ、流速が１０ｃｍ／秒程度である。一方、ジェットポンプの上部については水力等価直径１０ｃｍ、流速が２０００ｃｍ／秒程度である。
【００５２】
これらの範囲を包含する金属付着モニタ用配管２１ａ，２１ｂとしては、例えば、１．５Ｌ／分で並設されたモニタ配管２１ａ，２１ｂに原子炉水を供給する場合には、内径２．５ｃｍのモニタ配管と、内径０．２ｃｍのモニタ配管を用いることにより、原子炉全体の流動場の模擬ができ、原子炉構造材全体の表面への金属付着量の模擬が可能となり、付着量の範囲が求まることとなる。また、適宜その中間の流動条件、即ち、モニタ配管２１ａ，２１ｂ表面への金属の供給量の配管内径を用いて流動条件と金属付着量との関係を確認してもよい。勿論原子炉の運転条件により原子炉内の流動条件が変化するので、適宜その条件に合致するように配管形状を合わせる。
【００５３】
本発明に係る金属付着モニタの第６実施形態では、これらの金属付着モニタの配管温度と原子炉構造材の対象部位の温度を同等とするために、金属付着対象となる実構造材の温度の信号をインプットし、これと温度が同等となるように配管ヒータ３１ａ，３１ｂ；３２ａ，３２ｂ（図３参照）等の温度やポンプ３４（図４参照）の流量を自動的に制御する手段を備える。
【００５４】
例えば、図５に示すように、金属を付着させる対象部位の原子炉構造材の温度信号は温度コントローラ３５にインプットされる。一方、金属付着モニタ２０Ｄのモニタ配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃに設置されたヒータ３１ａ，３１ｂ，３１ｃへの出力は温度コントローラ３５により制御されるとともに、これからの出力を受けてポンプ１８の流量を制御して正確な温度制御ができるようにするものである。
【００５５】
本発明の第７実施形態では、第６実施形態において、金属付着モニタ２０Ｄのモニタ配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃをいくつか使用する。
【００５６】
図５では、金属付着モニタ２０Ｄのモニタ配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃを３本としている。それぞれの対象となる部位の原子炉構造材の温度がそれぞれに対応する金属付着モニタ２０Ｄのモニタ配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃの温度コントロール用の信号となる。それぞれの温度を制御することにより、より正確なモニタ配管２１ａ，２１ｂ，２１ｃ表面への金属の供給が可能になる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、原子炉の構造材表面に金属を付着させる場合の金属付着モニタの最適化が図れ、金属付着モニタの配管表面における金属付着量を把握することによって、実構造材の表面への金属の付着量の正確な把握が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金属付着モニタの第１実施形態を示す概略図。
【図２】本発明に係る金属付着モニタの第２実施形態を示す概略図。
【図３】本発明に係る金属付着モニタの第３実施形態を示す概略図。
【図４】本発明に係る金属付着モニタの第４実施形態を示す概略図。
【図５】本発明に係る金属付着モニタの第５、第６実施形態を説明するための概略図。
【図６】ＢＷＲ原子炉の主蒸気系統と従来の金属付着モニタを示す概略図。
【符号の説明】
１０  原子炉圧力容器
１１  主蒸気ライン
１２  タービン・復水器
１３  復水浄化系
１４  給水ライン（原子炉給水系）
１５  原子炉再循環系
１６  原子炉水浄化系
１８  サンプリングライン
２０，２０Ａ  金属付着モニタ
２１ａ，２１ｂ  金属付着モニタ配管
２２ａ，２２ｂ  流量計
２４  金属注入ライン
２５ａ，２５ｂ  流量調整バルブ（流体流量調整手段、流速可変手段）
２６  バイパスライン
２７  バイパスライン流量調整バルブ（流体流量調整手段）
２８  金属付着モニタ流量調整ポンプ
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ  温度計測システム（温度計測手段）
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ  ヒータ（配管温度制御手段）
３４  バイパスライン流量調整ポンプ
３５  温度コントローラ
【図１】
0004533565.tif 000004
【図２】
0004533565.tif 000005
【図３】
0004533565.tif 000006
【図４】
0004533565.tif 000007
【図５】
0004533565.tif 000008
【図６】
0004533565.tif 000009