(57)【要約】      （修正有）【課題】簡単且つ交換が容易な構成を有する常時測定用の原子炉出力分布測定システム及び方法を提供する。【解決手段】原子炉圧力容器に収納された炉心の内部における出力を測定する原子炉出力測定システムであって、燃料棒の予め定められた位置に設けられる、核分裂に起因して発生するガンマ線の線量に応じて発熱する発熱体１０１，２０１と、発熱体からの熱が伝達される位置に設けられる光ファイバ１０３，２０３と、を原子炉圧力容器の内部に備え、炉心の内部から原子炉圧力容器の外部へ放出される少なくとも中性子又はガンマ線の一方の線量を測定する線量測定部６ａ、６ｂ、を原子炉圧力容器の外周部に備え、光ファイバ内のラマン散乱光に基づいて、予め定められた位置における温度を測定する温度測定部と、線量測定部の測定出力及び温度測定部の測定出力に基づいて、炉心の内部における出力を測定する出力測定部と、を原子炉圧力容器の外部に備えてなる。【選択図】図１
2007163208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器に収納された炉心の内部における出力を測定する原子炉出力測定システムであって、
燃料棒の予め定められた位置に設けられる、核分裂に起因して発生するガンマ線の線量に応じて発熱する発熱体と、前記発熱体からの熱が伝達される位置に設けられる光ファイバと、を前記原子炉圧力容器の内部に備え、
前記炉心の内部から前記原子炉圧力容器の外部へ放出される少なくとも中性子又はガンマ線の一方の線量を測定する線量測定部、を前記原子炉圧力容器の外周部に備え、
前記光ファイバ内のラマン散乱光に基づいて、前記予め定められた位置における温度を測定する温度測定部と、前記線量測定部の測定出力及び前記温度測定部の測定出力に基づいて、前記炉心の内部における出力を測定する出力測定部と、を前記原子炉圧力容器の外部に備えたことを特徴とする原子炉出力測定システム。
【請求項２】
前記炉心の内部から前記原子炉圧力容器の外部へ放出される中性子は、即発中性子であり、前記炉心の内部から前記原子炉圧力容器の外部へ放出されるガンマ線は、即発ガンマ線である、ことを特徴とする請求項１に記載の原子炉出力測定システム。
【請求項３】
前記線量測定部は、質量数が１０のホウ素又は質量数が３のヘリウムを用いた電離箱を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の原子炉出力測定システム。
【請求項４】
前記発熱体は、前記燃料棒の長手方向の複数の位置に設けられ、
前記光ファイバは、前記複数の発熱体からの熱が伝達される位置に設けられ、
前記温度測定部は、
前記光ファイバ内のラマン散乱光に基づいて、前記炉心の内部における出力分布を求める際の基となる情報として、前記複数の位置における温度分布を求める、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の原子炉出力測定システム。
【請求項５】
前記出力測定部は、
前記線量測定部の測定出力に基づいて、前記炉心の内部における出力の変化を求めるとともに、
前記温度測定部の測定出力である前記温度分布に基づいて、前記炉心の内部における出力分布を求める、ことを特徴とする請求項４に記載の原子炉出力測定システム。
【請求項６】
前記出力分布は、前記温度分布であることを特徴とする請求項４又は５に記載の原子炉出力測定システム。
【請求項７】
前記出力測定部は、前記温度測定部で求められた前記温度分布を、当該温度分布に相関のある前記出力分布に変換する、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の原子炉出力測定システム。
【請求項８】
前記発熱体は、熱伝導物質であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の原子炉出力測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば沸騰水型原子炉の炉心性能管理や安全保護等のために、炉心の内部における出力を測定する原子炉出力測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、発電用原子炉は、ウラン等の核燃料物質の核分裂連鎖反応を制御しつつこれを持続させる装置である。例えば複数の棒形状をなすウラン燃料は、原子炉の炉心を構成し、制御棒及び冷却材（例えば水）とともに原子炉圧力容器に収納されている。放射線上の安全性を確保するため、この原子炉圧力容器は、原子炉格納容器の内部に格納され、更に原子炉格納容器は原子炉建物の内部に設置される。原子力発電プラントでは、制御棒で制御されつつ進行する核分裂連鎖反応により発生する熱が、炉心の内部から冷却材を媒介して炉心の外部に取り出され、原子炉建物の外部に設置されたタービンまで送出され、これに直結する発電機を回して発電するようになっている。例えば沸騰水型原子炉の場合には、冷却材としての水が炉心の内部で加熱されて水蒸気となり、タービンに供給される。
【０００３】
＜＜＜炉心性能管理＞＞＞
電力系統では、発電機の出力を安定させることにより、系統周波数を安定に維持している。前述した原理により、発電機の出力の安定化は、炉心の内部における核分裂連鎖反応により発生する熱（熱出力）の安定化にかかっている。そして、この安定化のためには、例えば前述した制御棒を適切に移動させて核燃料物質を保護しなければならない。ところで、制御棒の移動は、熱出力の総量のみならず、炉心の内部における熱出力の空間分布を測定しつつ実施するものとされている。一般に、この熱出力の空間分布は、出力分布と称され、炉心性能の１つとされている。つまり、電力系統における系統周波数を安定に維持するためには、原子力発電プラントにおける原子炉の炉心性能を管理することが必須となる。
【０００４】
前述した熱出力は、炉心の内部の核分裂数に比例するとされているため、原子炉の運転時に炉心の内部の核分裂により生じる中性子束を直接測定し、この中性子束に基づいて熱出力を求めることができる。そこで、例えば沸騰水型原子炉の炉心の内部には、出力分布を求めるための局所出力領域モニタ（ＬＰＲＭ：Local Power Range Monitor）として、核分裂電離箱といった核分裂型の中性子検出器が複数設置されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。特許文献１の開示によれば、炉心の内部の上下方向（即ち、燃料棒の長手方向）に中性子検出器が複数且つ独立して設置され、個々の中性子検出器毎に局所領域における中性子束が測定される。これにより、炉心の内部の出力分布を測定でき、よって炉心性能を管理できる。
【０００５】
＜＜＜安全保護＞＞＞
一方、原子炉は、その運転中に発生する異常に対処するための安全保護の機能を有している。この機能の１つとして、前述した制御棒の引抜を阻止して炉心の内部の核分裂連鎖反応の進行を抑制する動作が挙げられる。このような動作を行うためには、炉心の内部の出力を常時測定し、出力に変化が生じた場合これを即座に検知する手段が必要となる。
【０００６】
例えば沸騰水型原子炉では、前述した複数の核分裂型の中性子検出器は、前述した局所出力領域モニタ（ＬＰＲＭ）として用いられるとともに、平均出力領域モニタ（ＡＰＲＭ：Average Power Range Monitor）として用いられている。この平均出力領域モニタは、局所出力領域モニタによる測定結果を平均し、炉心の内部における例えば熱出力に相当する平均出力を求めるものである。核分裂型の中性子検出器が即発中性子を検出する場合、この平均出力は、炉心の内部における核分裂連鎖反応の時間変化に略対応して変化し得る。そこで、この平均出力を常時測定し、その値が予め定められた設定値に達した場合に、例えば制御棒を緊急挿入するといった操作により原子炉が保護される（例えば、特許文献３参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２０２５０号公報
【特許文献２】特開２００２−１１６２８３号公報
【特許文献３】特開平１１−２６９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述した特許文献１乃至３に開示された核分裂型の中性子検出器は、使用時間の経過に伴って検出感度が劣化するため、定期的な較正が必要であるとされている。特に、前述した出力分布の測定では、複数の中性子検出器による測定結果の相対的な関係を求めなければならないため較正が必須となる。このような較正手段として、移動式炉心内計装（ＴＩＰ：Traversing In-Core Probe）及びガンマサーモメータが、前述した特許文献１及び２にそれぞれ開示されている。
【０００８】
移動式炉心内計装とは、炉心の内部の上下方向に複数固定された中性子検出器の近傍にこれらと平行して案内管を設け、較正用のもう１つの中性子検出器をこの案内管内で上下方向に移動可能とした較正手段である。この移動可能な中性子検出器の測定結果を基準として、固定された複数の中性子検出器のそれぞれについてゲイン調整を行う。しかしながら、このような移動のためには移動機構が必要となるため構成が複雑となり、結局高コストにつながるという問題がある。
【０００９】
ガンマサーモメータとは、核分裂連鎖反応の過程で発生するガンマ線の線量を、当該ガンマ線が発熱体に吸収されて発生する熱量を介して測定するガンマ線検出器の較正手段である。このガンマサーモメータは、炉心の内部の上下方向に複数固定された中性子検出器の近傍にこれらと平行して設けられる棒状の発熱体であり、この固定された複数の中性子検出器と対向する位置に複数の熱電対を離散的に備えたものである。ガンマ線による発熱体の温度と核分裂の度合いとの間の所定の関係を前提に、上下方向の複数の熱電対による温度の測定結果と対比することにより、固定された複数の中性子検出器のそれぞれについてゲイン調整を行う。しかしながら、ガンマサーモメータは、これを構成する複数の熱電対のそれぞれが配線を有する上に、これら熱電対自体の較正手段たるヒータ線を更に備えている。このため、検出器として嵩高いものとなるため、原子炉内のスペースを占有する上に、交換作業も被曝を伴う困難なものとなる。
【００１０】
以上の移動式炉心内計装及びガンマサーモメータの何れも、単体でもって常時出力分布を測定することは困難であるとされている。移動式炉心内計装では、中性子検出器は移動に伴って劣化するために頻繁に移動できず、よって単体での常時測定は現実的ではない。また、ガンマサーモメータでは、熱電対自体の較正が非効率であるが故に単体での常時測定は困難である。更に、ガンマサーモメータ単体は、前述した炉心の安全保護のためにその内部の平均出力の時間変化を測定することには適さない。何故なら、ガンマ線の線量の時間変化に対して、発熱体の温度の時間変化はその熱容量により遅れが生じるからである。つまり、常時炉心性能を管理するとともに炉心の安全保護を図るためには、移動式炉心内計装及びガンマサーモメータの何れについても、例えば前述した中性子検出器からなる局所出力領域モニタとともに用いる必要が生じ、結果的に複雑な構成となってしまう。
【００１１】
更に、前述した特許文献１乃至３に開示されているように、中性子検出器が炉心の内部に設置される場合、この炉心の内部における核分裂連鎖反応に影響を与えないように、小型で核分裂型のもの（核分裂電離箱）が用いられる。この核分裂電離箱は、質量数が２３５のウランを使用するため、所謂査察の対象となり計量管理が必要である。また、使用済みの核分裂電離箱は所謂高レベル放射線廃棄物として処理する必要がある。このため、炉心の内部に設置される中性子検出器は、その管理にコストが嵩むという問題点がある。
【００１２】
以上述べた炉心の内部における出力分布及び平均出力の時間変化の測定に限らず、一般に炉心性能管理や安全保護等のために炉心の内部の出力を測定するには、前述した問題点を伴うとされている。
【００１３】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低コストであり簡単且つ交換が容易な構成を有する常時測定用の原子炉出力測定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を解決するための発明は、原子炉圧力容器に収納された炉心の内部における出力を測定する原子炉出力測定システムであって、燃料棒の予め定められた位置に設けられる、核分裂に起因して発生するガンマ線の線量に応じて発熱する発熱体と、前記発熱体からの熱が伝達される位置に設けられる光ファイバと、を前記原子炉圧力容器の内部に備え、前記炉心の内部から前記原子炉圧力容器の外部へ放出される少なくとも中性子又はガンマ線の一方の線量を測定する線量測定部、を前記原子炉圧力容器の外周部に備え、前記光ファイバ内のラマン散乱光に基づいて、前記予め定められた位置における温度を測定する温度測定部と、前記線量測定部の測定出力及び前記温度測定部の測定出力に基づいて、前記炉心の内部における出力を測定する出力測定部と、を前記原子炉圧力容器の外部に備えてなる。
【００１５】
本発明の原子炉出力測定システムによれば、以下述べる（１）及び（２）の理由により、簡単且つ交換が容易な構成でもって、燃料棒の予め定められた位置における出力を常時測定できる。（１）温度測定部は、この予め定められた位置に設けられた発熱体の温度を、光ファイバ内のラマン散乱光に基づいて測定できる。発熱体の温度がこの位置における熱出力に比例する核分裂の度合いに更に比例するガンマ線の線量に応じたものであれば、出力測定部は、この温度（温度測定部の測定出力）に基づいて、予め定められた位置における出力を求めることができる。（２）一般に、ラマン散乱光に基づいて光ファイバの軸方向の所定位置（予め定められた位置）の温度を測定する際、例えばパルス光の入射及び散乱光の受光のためのアクセスは当該光ファイバの一端部のみからでよいとされている。そこで、例えば、炉心の内部に設けられた光ファイバの一端部を、原子炉圧力容器の外部まで伸展させて温度測定部に接続することにより、原子炉内の占有スペースを抑制できる。このような構成上、原子炉圧力容器に対する光ファイバの設置及び取り外しの作業も容易である。
【００１６】
また、本発明の原子炉出力測定システムによれば、以下述べる（３）乃至（５）の理由により、低コストであり簡単且つ交換が容易な構成でもって、例えば炉心の内部における出力の変化を常時測定できる。（３）線量測定部は、原子炉圧力容器の外周部にて、炉心の内部から原子炉圧力容器の外部へ放出される少なくとも中性子又はガンマ線の一方の線量を測定できる。この少なくとも中性子又はガンマ線の一方の線量は、炉心の内部における熱出力に比例する核分裂の度合いに更に比例するものであるため、出力測定部は、線量測定部の測定出力に基づいて、例えば炉心の内部における出力の変化を常時測定できる。（４）線量測定部は、原子炉圧力容器の外周部に備えられるという点で、例えば炉心の内部に設置されていた従来の中性子検出器の場合に比べて、その交換が容易な構成をなしていることになる。また、炉心の内部に設置するための構造物も不要となるため、線量測定部の構成は全体的により簡単なものとなる。（５）線量測定部は、原子炉圧力容器の外周部に備えられることにより、例えば炉心の内部に設置されていた従来の中性子検出器に対する制約（例えば、中性子を吸収し難い等）が無い。よって、この線量測定部として、管理コストの嵩む核分裂型電離箱ではなく、例えば質量数が１０のホウ素又は質量数が３のヘリウムを用いた電離箱を用いて管理コストを低減できる。
【００１７】
以上述べた炉心の内部における所定位置（予め定められた位置）の出力及び出力の時間変化の測定に限らず、本発明の原子炉出力測定システムによれば、例えば炉心性能管理や安全保護等のために炉心の内部の出力を常時測定できる。よって、低コストであり簡単且つ交換が容易な構成を有する常時測定用の原子炉出力測定システムが提供されたことになる。
【００１８】
また、かかる原子炉出力測定システムにおいて、前記炉心の内部から前記原子炉圧力容器の外部へ放出される中性子は、即発中性子であり、前記炉心の内部から前記原子炉圧力容器の外部へ放出されるガンマ線は、即発ガンマ線である、ことが好ましい。  
この原子炉出力測定システムによれば、例えば炉心の内部における熱出力の変化を反映するように変化し得る少なくとも即発中性子及び即発ガンマ線の一方の線量を測定する線量測定部の測定出力に基づいて、出力測定部は、炉心の内部における出力の変化を求めることができる。
【００１９】
また、かかる原子炉出力測定システムにおいて、前記線量測定部は、質量数が１０のホウ素又は質量数が３のヘリウムを用いた電離箱を有する、ことが好ましい。  
この原子炉出力測定システムによれば、質量数が１０のホウ素又は質量数が３のヘリウムを用いた電離箱を有する線量測定部は、従来炉心の内部に備えられていた例えば核分裂型電離箱の場合に比べて、その管理コストがより低減される。
【００２０】
また、かかる原子炉出力測定システムにおいて、前記発熱体は、前記燃料棒の長手方向の複数の位置に設けられ、前記光ファイバは、前記複数の発熱体からの熱が伝達される位置に設けられ、前記温度測定部は、前記光ファイバ内のラマン散乱光に基づいて、前記炉心の内部における出力分布を求める際の基となる情報として、前記複数の位置における温度分布を求める、ことが好ましい。
【００２１】
この原子炉出力測定システムによれば、更に、以下述べる（６）及び（７）の理由により、簡単且つ交換が容易な構成でもって、例えば炉心の内部における出力分布を常時測定できる。（６）複数の発熱体が燃料棒の複数の位置にそれぞれ設けられているため、温度測定部は、各位置の発熱体の温度を、例えば１本の光ファイバ内のラマン散乱光に基づいて測定できる。ここで、各発熱体の温度がそれぞれの位置における熱出力に比例する核分裂の度合いに更に比例するガンマ線の線量に応じたものであれば、出力測定部は、各位置の温度の相対値（温度測定部の測定出力）に基づいて、炉心の内部における出力分布を求めることができる。（７）光ファイバは、連続体であるためそれ自体の較正等を必要とせず、ラマン散乱光の測定に常時使用できる。発熱体は、例えば従来の中性子検出器の近傍、或いはこの中性子検出器に替えて、炉心の内部に固定しておけば、常時使用できる。
【００２２】
また、かかる原子炉出力測定システムにおいて、前記出力測定部は、前記線量測定部の測定出力に基づいて、前記炉心の内部における出力の変化を求めるとともに、前記温度測定部の測定出力である前記温度分布に基づいて、前記炉心の内部における出力分布を求める、ことが好ましい。  
この原子炉出力測定システムによれば、出力測定部により測定された、出力分布及び出力の変化に基づいて、原子炉の炉心性能管理や安全保護等を効果的に実施できる。
【００２３】
また、かかる原子炉出力測定システムにおいて、前記出力分布は、前記温度分布であることとしてもよい。  
この原子炉出力測定システムによれば、温度測定部により求められた複数の位置における温度分布が、そのまま当該複数の位置における出力分布となる。これにより、炉心の内部における出力分布が効率的に測定されることになる。
【００２４】
また、かかる原子炉出力測定システムにおいて、前記出力測定部は、前記温度測定部で求められた前記温度分布を、当該温度分布に相関のある前記出力分布に変換する、こととしてもよい。  
この原子炉出力測定システムによれば、温度測定部により求められた複数の位置における温度分布が、出力測定部により、例えば温度と出力との所定の関係に基づいて、複数の位置における出力分布に変換される。これにより、前記所定の関係を用いれば、炉心の内部における出力分布が効率的に測定されることになる。
【００２５】
また、かかる原子炉出力測定システムにおいて、前記発熱体は、熱伝導物質であることとしてもよい。  
この原子炉出力測定システムによれば、非金属に比べてガンマ線の阻止能が高くその運動エネルギーを熱に変換する効率が高い金属（熱伝導物質、例えば鉄）により、出力分布を効果的に測定できる。また、鉄は金属の中では安価なため、原子炉出力測定システムはより低コストなものとなる。
【発明の効果】
【００２６】
低コストであり簡単且つ交換が容易な構成を有する常時測定用の原子炉出力測定システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
＝＝＝原子炉出力測定システムの構成＝＝＝
図１を参照しつつ、本実施の形態の原子炉出力測定システム１０の構成例について説明する。同図は、本実施の形態の原子炉出力測定システム１０及びその周辺部分の構成例を示す模式図である。尚、本実施の形態の原子炉出力測定システム１０は、例えば沸騰水型原子炉に設けられるシステムである。
【００２８】
本実施の形態の沸騰水型原子炉の炉心２は、複数のペレット形状をなすウラン酸化物からなる燃料棒を複数本束ねて構成された燃料集合体３が更に複数ユニット集まって構成されたものである。この炉心２は、制御棒３５及び一次冷却材としての水（不図示）等の炉内構造物とともに鋼製の原子炉圧力容器１に収納されている。この原子炉圧力容器１は、放射線上の安全性を確保するため、鋼鉄製又は鉄筋コンクリート製の原子炉格納容器４に格納されている。この原子炉格納容器４を隔ててその内外の放射線のレベルが異なり、つまり、原子炉格納容器４は放射性物質が外部に放出されるのを防ぐ機能を果たすことになる。また、図１に例示されるように、前述した制御棒３５は、燃料集合体に対して、炉心２の上方に移動することにより挿入され、炉心２の下方に移動することにより引抜かれるようになっている。このような制御棒３５の移動は、制御棒駆動機構３５ａ及び制御棒駆動制御装置６００により実行される。但し、制御棒３５の移動は自動制御に限定されるものではなく、例えば原子炉の監視員による手動で実行されてもよい。
【００２９】
図１に例示されるように、本実施の形態の原子炉出力測定システム１０は、発熱体１０１、２０１と、光ファイバ１０３、２０３と、中性子検出器６ａ、６ｂと、信号処理装置３００と、信号処理装置４００と、プロセス制御用コンピュータ５００とを備えて構成される。本実施の形態では、発熱体１０１、２０１と、光ファイバ１０３、２０３の主要部分とは原子炉圧力容器１の内部に設けられ、中性子検出器６ａ、６ｂは原子炉圧力容器１の外周部１ｃに設けられ、光ファイバ１０３、２０３の残りの部分と、信号処理装置３００、４００と、プロセス制御用コンピュータ５００とは原子炉圧力容器１の外部に設けられる。尚、信号処理装置３００、４００と、プロセス制御用コンピュータ５００とは、更に例えば原子炉建物（不図示）の壁により隔てられていてもよいし、或いは、２つがともに原子炉建物（不図示）の外部に設置されていてもよい。
【００３０】
＜＜＜原子炉圧力容器の内部＞＞＞
発熱体１０１、２０１は、燃料集合体３の上下方向（長手方向）に平行して複数且つ離散的に配置され、ガンマ線が照射されるとその線量に応じて発熱する材料である。尚、この発熱体は、１つであってもよいが、以下説明の便宜上、複数であるとする。一般に、炉心２の内部における質量数が２３５のウラン（Ｕ２３５）の核分裂連鎖反応で発生するガンマ線の線量は、当該核分裂数、即ち熱出力に比例するとされている。本実施の形態の発熱体１０１、２０１はこの原理を用いるものであり、その温度により、当該発熱体１０１、２０１が位置する局所領域での核分裂連鎖反応による熱出力を検出するためのものである。具体的には、本実施の形態の発熱体１０１、２０１は、前述した燃料棒を複数本束ねて構成された燃料集合体３の周囲の所定位置に例えば４つずつ配置されたストリングス１００、２００の中に固定されている。発熱体１０１、２０１の上下方向の総数及び離散度（又は密度）は、出力分布の測定精度に応じて決められる。つまり、発熱体１０１、２０１の上下方向の総数が多く、離散度が低い（又は密度が高い）ほど、測定精度は向上する。尚、図１の例示では、２つの燃料集合体３のそれぞれに隣接して２つのストリングス１００、２００が設けられ、各ストリングス１００、２００に４つずつの発熱体１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄが配置されているが、これは単に図示の便宜上のことである。また、本実施の形態の発熱体１０１、２０１は鉄（熱伝導物質）を主材料とするものであるが、これに限定されるものではなく、例えばガンマ線の阻止能が高くその運動エネルギーを熱に変換する効率が高い材料であればいかなるものでもよい。このような性質を持つ材料としては、非金属よりも金属が好ましく、更に安価という点では鉄がより好ましい。
【００３１】
光ファイバ１０３は、前述した上下方向に離散的に固定された発熱体１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄの近傍にあってこれらと平行に配置され、可撓性を有するものであり、他の光ファイバ（光ファイバ２０３等）も同様である。ここで、「近傍」とは、各発熱体１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄからの熱が伝達可能な位置を意味する。具体的には、本実施の形態の光ファイバ１０３、２０３は、前述したストリングス１００、２００中に更に設けられた管部（例えばドライチューブ）１０２、２０２の中に原子炉圧力容器１の下部１ｂから挿入され、この下部１ｂにて固定されるものである。ストリングス１００、２００は原子炉圧力容器１の上部１ａから設置する必要がある一方、光ファイバ１０３、２０３は、可撓性を有し且つ簡単な構成であるが故に、原子炉圧力容器１の下部１ｂからの設置及び取り外しが可能である。一方、例えば特開２００４−２０２５０号公報や特開２００２−１１６２８３号公報等に開示されている従来の中性子検出器やガンマサーモメータ等は、その交換の際には原子炉圧力容器１の下部１ｂで水の漏洩を伴う作業や、上部１ａでの作業等が必要であった。従って、本実施の形態の光ファイバ１０３、２０３には、従来の場合と比較してその交換作業における被曝の低減が図れる上に、所謂定期検査のクリティカルにはならないという効果がある。尚、図１の例示では、光ファイバは２つであるが、これは単に図示の便宜上のことであり、本実施の形態の光ファイバは１つでもよいし、３つ以上でもよい。
【００３２】
尚、前述したストリングス１００、２００は、例えば局所出力領域モニタ（ＬＰＲＭ）としての中性子検出器の固定に用いられている従来のストリングスを利用してもよい。また、前述した管部１０２、２０２は、この中性子検出器を較正するための従来の移動式炉心内計装（ＴＩＰ）の案内管を利用してもよい。つまり、例えば特開２００４−２０２５０号公報や特開２００２−１１６２８３号公報等に開示されている従来のシステムの一部を再利用して、本実施の形態の原子炉出力測定システム１０を低コストで実現できる。
【００３３】
＜＜＜原子炉圧力容器の外周部＞＞＞
中性子検出器６ａ、６ｂには、例えば質量数が１０のホウ素（Ｂ１０）又は質量数が３のヘリウム（Ｈｅ３）を用いた電離箱を有する公知の中性子検出手段を用いる。電離箱とは、一般に、電離用気体及び電極を備えて構成され、電離用気体中で放射線により電離生成された電子及び陽イオンの量を電極を通じて求めることにより、その放射線の線量を測定する放射線検出手段である。Ｂ１０を用いた電離箱は、電極をＢ１０で被覆して、中性子（ｎ）とＢ１０との（ｎ、α）反応で発生するアルファ粒子（α）により電離電流を生成するものである。Ｈｅ３を用いた電離箱は、電離用気体としてＨｅ３の気体を封入して、中性子（ｎ）とＨｅ３との（ｎ、α）反応で発生するアルファ粒子（α）により電離電流を生成するものである。ここで、検出対象である中性子は、例えば、炉心２の内部で発生した即発中性子束のうち、原子炉圧力容器１の外周面に漏洩したものである。このような漏洩した中性子を通じて炉心２の内部における出力を測定する必要上、本実施の形態の中性子検出器６ａ、６ｂの設置位置は、例えば炉心２に対する立体角ができるだけ大きくなるように設定される。尚、本実施の形態の中性子検出器６ａ、６ｂは、例えば原子炉圧力容器１の外周面（外周部１ｃ）に当接するように設置されるが、これに限定されるものではなく、外周面から所定の距離をおいた位置（外周部１ｃ）に設置されてもよい。
【００３４】
一方、従来の中性子検出手段として、炉心の内部に設置される核分裂電離箱が用いられてきた。これは、電極にＵ２３５を塗布して、これと中性子との核分裂反応により電離電流を生成するものである。この核分裂電離箱は、査察の対象となり計量管理が必要である上に、使用済みのものは高レベル放射線廃棄物として処理する必要があるため、管理コストが嵩むという問題点があるにもかかわらず、炉心２の内部における核分裂連鎖反応に影響を与えないという点で、従来から用いられていた。
【００３５】
本実施の形態の中性子検出器６ａ、６ｂを構成するＢ１０又はＨｅ３の電離箱は、原子力圧力容器１の外周部１ｃに設置されるため、従来の核分裂電離箱の場合に比べて、その交換が容易である上に、従来のように炉心２の内部に設置するための構造物も不要である。また、本実施の形態のＢ１０又はＨｅ３の電離箱は、原子力圧力容器１の外周部１ｃに設置されるため、炉心２の内部における核分裂連鎖反応に影響を与えることはない。更に、本実施の形態のＢ１０又はＨｅ３の電離箱は、査察の対象ではない上に、従来の核分裂電離箱に比べて放射化の度合も格段に少ないため、管理コストが低減される。
【００３６】
尚、図１の例示では、中性子検出器は２つであるが、これは単に図示の便宜上のことであり、本実施の形態の中性子検出器は１つでもよいし、３つ以上でもよい。要するに、後述する炉心２の内部における出力を測定するために十分な数であり、且つ、全体的なコスト低減を実現できる数であれば、いかなる数でもよい。また、本実施の形態の中性子検出器６ａ、６ｂにはＢ１０又はＨｅ３の電離箱を用いているが、これに限定されるものではない。更に、本実施の形態の線量測定部を構成するものは、中性子検出器に限定されるものではなく、例えばガンマ線（又は即発ガンマ線）を含む放射線一般を検出する装置であってよい。
【００３７】
＜＜＜原子炉圧力容器の外部＞＞＞
信号処理装置３００は、前述した光ファイバ１０３、２０３内のラマン散乱光に基づいて、当該光ファイバ１０３、２０３の軸方向の各位置での温度を測定する温度測定装置１１０、２１０を備えて構成される装置である。本実施の形態では、原子炉圧力容器１の下部１ｂから伸展された光ファイバ１０３、２０３の一端部は、更に原子炉格納容器４の外部まで伸展され、温度測定装置１１０、２１０にそれぞれ接続される。本実施の形態では、例えば複数の光ファイバ１０３、２０３には複数の温度測定装置１１０、２１０がそれぞれ対応しているため、後述するように、全光ファイバ１０３、２０３の軸方向の温度分布を略同時に測定可能となっている。
【００３８】
信号処理装置４００は、前述した中性子検出器６ａ、６ｂを構成するＢ１０又はＨｅ３の電離箱からそれぞれ出力される電離電流に基づいて、各電離箱の位置で測定した炉心２の内部における出力を求める装置である。  
プロセス制御用コンピュータ５００は、前述した信号処理装置３００、４００を統括制御して、前述した温度分布及び出力を測定させる機能を有する情報処理装置である。
【００３９】
図２を参照しつつ、本実施の形態の信号処理装置３００についてより詳細に説明する。同図は、本実施の形態の信号処理装置３００の構成例を示すブロック図である。
【００４０】
本実施の形態の信号処理装置３００を構成する温度測定装置１１０は、主として、光分波器１１１と、光源１１２ａ、１１２ｂと、受光器１１３、１１４と、Ａ／Ｄコンバータ１１５、１１６と、制御部１１７とを備えて構成されている。光分波器１１１は、例えば後述するラマン散乱光のうちのストークス光及びアンチストークス光をそれぞれの波長に別個に分ける機能を有するものである。光源１１２ａ、１１２ｂは、光ファイバ１０３に入射するパルス光を発生するレーザ等である。本実施の形態では、パルス光の強度をより大きくするために２つの光源１１２ａ、１１２ｂを用いているが、これに限定されるものではなく、光源は例えば１つ又は３つ以上でもよい。受光器１１３、１１４は、ストークス光及びアンチストークス光をそれぞれ受光しその光強度を電気信号（アナログ信号）に変換する機能を有するものである。Ａ／Ｄコンバータ１１５、１１６は、ストークス光及びアンチストークス光の光強度に相当するアナログ信号をデジタル信号に変換する機能を有するものである。制御部１１７は、後述するように、例えば２つの光源１１２ａ、１１２ｂに同時にトリガをかけて同時にパルス光を発生させ、後述する所定の時間刻み（Δｔ）毎に、２つのＡ／Ｄコンバータ１１５、１１６から電気信号を同時に取得し前述した光強度比を計算する機能を有するものである。また、制御部１１７は、後述するように、例えば時刻ｔから時刻（ｔ＋Δｔ）までに求めた光強度比から、光ファイバ１０３の軸方向の位置に対する温度を求める機能も有する。
【００４１】
図３を参照しつつ、本実施の形態のプロセス制御用コンピュータ５００についてより詳細に説明する。同図は、本実施の形態のプロセス制御用コンピュータ５００の構成例を示すブロック図である。
【００４２】
本実施の形態のプロセス制御用コンピュータ５００は、前述した信号処理装置３００からの温度分布を示すデータに基づいて、炉心２の内部における出力分布を求める機能を有する情報処理装置である。また、本実施の形態のプロセス制御用コンピュータ５００は、前述した信号処理装置４００からの出力を示すデータから炉心２の内部における出力を求め、これに基づいて、制御棒駆動制御装置６００に引抜阻止信号等を送信する機能を有する情報処理装置でもある。このような機能を実現するために、プロセス制御用コンピュータ５００は、主として、ＣＰＵ（不図示）を有する制御部５０１と、ＲＯＭ５０３及びＲＡＭ５０４とを備えて構成される。また、プロセス制御用コンピュータ５００は、前述した出力分布や出力等を表示するためのディスプレイ５０２を備えている。
【００４３】
ＲＯＭ５０３は、炉心２の内部における出力が異常か否かを判定するための基準となる値を設定値データ５０３ａとして記憶するものである。この基準値は、原子炉の安全保護上予め定められている。ＲＡＭ５０４は、前述した出力を時系列で出力値データ５０４ａとして記憶するものである。また、ＲＡＭ５０４は、各光ファイバ１０３、２０３の軸方向の温度分布を温度分布データ５０４ｂとして記憶し、この温度分布から求められた出力分布を出力分布データ５０４ｃとして記憶するものでもある。
【００４４】
尚、本実施の形態では、１又は複数の中性子検出器６ａ、６ｂと、信号処理装置４００とが線量測定部を構成する。また、信号処理装置３００を構成する１又は複数の温度測定装置１１０、２１０と、プロセス制御用コンピュータ５００とが温度測定部を構成する。更に、プロセス制御用コンピュータ５００が出力測定部を構成する。
【００４５】
＝＝＝原子炉出力測定方法＝＝＝
＜＜＜出力分布の測定＞＞＞
図４を参照しつつ、前述した構成を備える原子炉出力測定システム１０による出力分布の測定方法について説明する。同図は、本実施の形態の温度測定装置１１０及びプロセス制御用コンピュータ５００の動作手順を示すフローチャートである。尚、以下、この温度測定装置１１０及びプロセス制御用コンピュータ５００を出力分布測定部と総称して説明する。
【００４６】
先ず、出力分布測定部は、２つの光源１１２ａ、１１２ｂからパルス光を同時に発生させる（Ｓ１００）。具体的には、プロセス制御用コンピュータ５００が、温度測定装置１１０の制御部１１７に対して、２つの光源１１２ａ、１１２ｂからパルス光を同時に発生させる旨の信号を送信する。
【００４７】
２つのパルス光は、光分波器１１１を通して光ファイバ１０３の一端部にともに入射される。光ファイバ１０３を構成する媒質中のパルス光は、当該光ファイバ１０３の軸方向の各位置の媒質においてラマン散乱を発生させつつ他端部に向かって伝播する。ここで、「軸方向の各位置」とは、例えば光ファイバ１０３の所定領域（例えば、図２における領域Ａ又は領域Ｂ）にける軸方向の中心位置を意味する。
【００４８】
光ファイバ１０３の例えば領域Ａ（図２）の媒質中におけるラマン散乱により発生したストークス光及びアンチストークス光（後方散乱光）は、当該領域Ａの温度を反映する光強度比ＲＡをもって、光ファイバ１０３の一端部へ向かうとされている。温度測定装置１１０が、パルス光を入射してから、領域Ａで発生したストークス光及びアンチストークス光を受光するまでの時間は２・ＬＡ／ｃで表わされる。ここで、「ＬＡ」は温度測定装置１１０と光ファイバ１０３の領域Ａとの間の距離であり、「ｃ」は光速である。同様に、温度測定装置１１０が、パルス光を入射してから、例えば領域Ｂ（図２）で発生したストークス光及びアンチストークス光を受光するまでの時間は２・ＬＢ／ｃで表わされる。以上から、温度測定装置１１０は、前述したステップ１００から時間（２・ＬＢ／ｃ）だけ経過すると、領域Ｂの温度に相当する光強度比ＲＢを取得し、前述したステップ１００から時間（２・ＬＡ／ｃ）だけ経過すると、領域Ａの温度に相当する光強度比ＲＢを取得することになる。
【００４９】
前述した原理に基づいて、出力分布測定部は、一般に時刻ｔから時刻（ｔ＋Δｔ）までの間に光強度比Ｒを取得する（Ｓ１０１）。具体的には、温度測定装置１１０の制御部１１７がこのステップＳ１０１の動作を実行する。尚、時刻ｔは前述したステップＳ１００からの経過時間と等価であり、時間刻みΔｔは例えば制御部１１７の備える所定のクロックに基づいて決まるものである。
【００５０】
次に、出力分布測定部は、前述したステップＳ１０１で取得した時刻ｔを、位置（温度測定装置１１０を起点とする光ファイバ１０３の軸方向の距離、即ちｃ・ｔ／２）に換算し、光強度比Ｒを、所定の演算式に基づいて温度に換算して、メモリ（不図示）に記憶させる（Ｓ１０２）。具体的には、温度測定装置１１０の制御部１１７がこのステップＳ１０２の動作を実行し、前述したメモリ（不図示）は温度測定装置１１０が備えている。
【００５１】
次に、出力分布測定部は、前述したステップＳ１０１で取得した時刻ｔが、所定の時刻ｔ（ＭＡＸ）に達しているか否かを判別し（Ｓ１０３）、もし達していなければ（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、時刻（ｔ＋Δｔ）から時刻（ｔ＋２・Δｔ）までの間に光強度比Ｒを取得する動作を再度実行する（Ｓ１０４及びＳ１０１）。
【００５２】
以上、前述したステップＳ１０１乃至Ｓ１０４の動作を繰り返すことにより、光ファイバ１０３の全ての位置における温度が、前述したメモリ（不図示）に記憶されることになる。具体的には、温度測定装置１１０の制御部１１７がこのステップＳ１０１乃至Ｓ１０４の動作を繰り返し実行する。尚、前述した所定の演算式は、例えば前述したメモリ（不図示）に記憶されていてもよい。また、前述したｔ（ＭＡＸ）とは、前述したステップＳ１００で生成した１つのパルス光についてそのラマン散乱光を受光する最大時間であり、これは例えば前述したメモリ（不図示）に記憶されていてもよい。
【００５３】
もし前述したステップＳ１０１で取得した時刻ｔが、前述した所定の時刻ｔ（ＭＡＸ）に達していれば（Ｓ１０３：ＮＯ）、出力分布測定部は、前述したメモリ（不図示）に記憶された温度分布を温度分布データ５０４ａとしてＲＡＭ５０４に記憶させる（Ｓ１０５）。具体的には、プロセス制御用コンピュータ５００がこのステップＳ１０５の動作を実行する。
【００５４】
尚、信号処理装置３００が複数の温度測定装置１１０、２１０から構成されている場合には、温度分布データ５０４ｂは、該当の複数の光ファイバ１０３、２０３毎の温度分布を示すものとなる。
【００５５】
次に、出力分布測定部は、ＲＡＭ５０４から温度分布データ５０４ｂを読み出し、所定の演算式に基づいて、温度を炉心２の内部における熱出力に換算して出力分布データ５０４ｃとしてＲＡＭ５０４に記憶させる（Ｓ１０６）。具体的には、プロセス制御用コンピュータ５００がこのステップＳ１０６の動作を実行する。尚、前述した所定の演算式は、例えばＲＯＭ５０３に記憶されていてもよい。
【００５６】
次に、出力分布測定部は、ＲＡＭ５０４から出力分布データ５０４ｃを読み出し、各燃料集合体の近傍に配置された光ファイバにおける、当該光ファイバ上の各位置について、熱出力の値をグラフにしてディスプレイ５０２に表示する。この出力分布は３次元分布であるため、ディスプレイ５０２上では、例えば炉心径方向（図１のＸ軸方向及びＹ軸方向）の一断面、又は、炉心軸方向（図１のＺ軸方向）の一断面が表示される。
【００５７】
次に、出力分布測定部は、前述した時刻ｔをゼロにリセットして（Ｓ１０８）、ディスプレイ５０２に表示された出力分布を更新すべく、前述したステップＳ１００の動作を再度実行する。具体的には、プロセス制御用コンピュータ５００がこのステップＳ１０８及びＳ１００の動作を実行する。
【００５８】
＜＜＜出力の変化の測定＞＞＞
図５を参照しつつ、前述した構成を備える原子炉出力測定システム１０による出力の変化の測定方法について説明する。同図は、本実施の形態の信号処理装置４００及びトリップモジュール（不図示）の動作手順を示すフローチャートである。
【００５９】
尚、以下、説明の都合上、中性子検出器は１つ設置されているものとする。但し、これに限定されるものではなく、中性子検出器は複数でもよい。また、出力計測は、アナログ式及びデジタル式の何れも可能である。
【００６０】
中性子検出器６ａを構成するＢ１０又はＨｅ３の電離箱は、炉心２の内部から原子炉圧力容器１の外部に漏洩した中性子が入ると、この中性子とＢ１０との（ｎ、α）反応で発生するアルファ粒子（α）により電離電流を出力する。信号処理装置４００は、中性子検出器６ａから電離電流を受信すると（Ｓ２００）、所定の演算式に基づいて、この電離電流を出力値に変換する（Ｓ２０１）。この出力値とは、例えば、炉心２の出力を、中性子検出器６ａの所定の効率で除して得られるものである。例えば中性子検出器６ａのゲイン等の情報は、この演算式に含まれる。
【００６１】
次に、トリップモジュールは、信号処理装置４００からの出力値データ５０４ａの出力が、前述した設定値データ５０３ａの値に達しているか否かを判定する（Ｓ２０２）。ここで、設定値データ５０３ａは、炉心２の内部における出力が異常か否かを判定するための基準となる値であり、トリップモジュールが備えた所定のメモリに記憶されているものである。
【００６２】
出力が設定値データ５０３ａの値に達していない限り（Ｓ２０２：ＮＯ）、信号処理装置４００及びトリップモジュールは、前述したステップＳ２００乃至Ｓ２０２の動作を繰り返し実行する。
【００６３】
もし、出力が設定値データ５０３ａの値に達していると判定すると（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、トリップモジュールは、制御棒３５を緊急挿入する旨の信号を制御棒駆動制御装置６００に送信する（Ｓ２０３）。これにより、炉心２の内部において異常な出力上昇があった場合、直ちに制御棒３５が挿入され、核分裂連鎖反応の進行が抑制される。
【００６４】
次に、トリップモジュールは、ＲＡＭ５０４から、出力異常時までの出力が時系列で構成されている出力値データ５０４ａを読み出し、これをプロセス制御用コンピュータ５００のディスプレイ５０２に表示する（Ｓ２０４）（図６参照）。図６は、本実施の形態のディスプレイ５０２における出力値データの表示例を示す模式図である。図６の例示によれば、出力異常時において、出力（「炉出力」）は急峻に立ち上がっている。
【００６５】
以上、出力の変化を常時測定することにより、出力異常時には例えば制御棒３５の引抜阻止を即座に実行できる。
【００６６】
本実施の形態の原子炉出力測定システム１０では、炉心２の内部の上下方向の複数の位置のそれぞれに設けられた発熱体（例えば、発熱体１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄ）の温度を、１本の光ファイバ１０３内のラマン散乱光に基づいて測定している。よって、出力分布の測定に例えば従来の複数の中性子検出器等は必要なくなる。また、前述したように、原子炉内の占有スペースを抑制できる上に、原子炉圧力容器１に対する光ファイバ１０３、２０３の設置及び取り外しの作業も容易である。更に、光ファイバ１０３、２０３は連続体であるためそれ自体の較正等を必要とせず、ラマン散乱光の測定に常時使用できるし、発熱体１０１、２０１も常時使用できる。よって、炉心２の内部の出力分布が常時測定可能となる。
【００６７】
また、本実施の形態の原子炉出力システム１０では、前述したように、中性子検出器６ａ、６ｂは、原子炉圧力容器１の外周部１ｃに備えられるという点で、従来の中性子検出器の場合に比べて、簡単且つ交換が容易な構成をなしている。また、中性子検出器６ａ、６ｂは、従来の中性子検出器に対する制約（例えば、中性子を吸収し難い等）が無い上に、管理コストを低減できる。
【００６８】
以上から、本実施の形態の原子炉出力測定システム１０は、低コストであり簡単且つ交換が容易な構成を有する常時測定用のシステムと言える。前述した実施の形態では、原子炉出力測定システム１０の機能として、炉心２の内部における出力分布及び出力の時間変化の測定について述べたが、これに限定されるものではない。本発明の原子炉出力測定システムによれば、広く、炉心性能管理や安全保護等のために炉心２の内部の出力を常時測定できる。
【００６９】
前述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されるとともに、本発明にはその等価物も含まれる。
【００７０】
前述した実施の形態では、便宜上、複数の発熱体１０１、２０１及び複数の中性子検出器６ａ、６ｂで説明したが、例えば１本の光ファイバを用いて１つの発熱体の温度を測定し、１つの中性子検出器を用いて炉心内２の出力の変化を測定するものであってもよい。この場合、「温度分布」の概念を１つの所定位置での温度とすれば、複数の場合と略同様の効果が奏されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本実施の形態の原子炉出力測定システム及びその周辺部分の構成例を示す模式図である。
【図２】本実施の形態の信号処理装置の構成例を示すブロック図である。
【図３】本実施の形態のプロセス制御用コンピュータの構成例を示すブロック図である。
【図４】本実施の形態の温度測定装置及びプロセス制御用コンピュータの動作手順を示すフローチャートである。
【図５】本実施の形態の信号処理装置及びトリップモジュールの動作手順を示すフローチャートである。
【図６】本実施の形態のディスプレイにおける出力値データ及び出力分布データの表示例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  原子炉圧力容器                      １ａ  上部
１ｂ  下部                              １ｃ  外周部
２  炉心                                ３    燃料集合体
４  原子炉格納容器                      ６ａ、６ｂ  中性子検出器
１０  原子炉出力測定システム            ３５  制御棒
３５ａ  制御棒駆動装置                  １００、２００  ストリングス
１０１、２０１  発熱体                  １０２、２０２  管部
１０３、２０３  光ファイバ              １１０、２１０  温度測定装置
１１１  光分波器                        １１２ａ、１１２ｂ  光源
１１３、１１４  受光器                  １１５、１１６  Ａ／Ｄコンバータ
１１７  制御部                          ３００、４００  信号処理装置
５００  プロセス制御用コンピュータ      ５０１  制御部
５０２  ディスプレイ                    ５０３  ＲＯＭ
５０３ａ  設定値データ                  ５０４  ＲＡＭ
５０４ａ  出力値データ                  ５０４ｂ  温度分布データ
５０４ｃ  出力分布データ                ６００  制御棒駆動制御装置
【図１】
2007163208.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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