(57)【要約】【課題】炉心上部の障害物の有無の確認を行えるとともにスクラム時間を測定できる炉心頂部監視装置を提供する。【解決手段】冷却材として液体金属を用いる原子炉３における炉心９の頂部を監視する炉心頂部監視装置１であって、炉心９の上方を横断するように超音波信号を略水平面状に送信し、反射波を受信する超音波センサ３１と、超音波センサ３１の受信信号を処理し、送信面４１内に障害物が存在することを判定する制御部３７と、が備えられ、制御部３７には、制御棒を切り離すスクラム開始トリガ信号を受信して、制御棒が障害物として送信面４１を通過するまでの時間を演算し、スクラム時間を算出するスクラム時間測定部４７が備えられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却材として液体金属を用いる原子炉における炉心の頂部を監視する炉心頂部監視装置であって、
前記炉心の上方を横断するように超音波信号を略水平面状に送信し、反射波を受信する超音波装置と、
該超音波装置の受信信号を処理し、前記水平面内に障害物が存在することを判定する制御部と、が備えられ、
該制御部には、制御棒を切り離すスクラム開始トリガ信号を受信して、該制御棒が前記障害物として前記水平面を通過するまでの時間を演算し、スクラム時間を算出するスクラム時間測定部が備えられていることを特徴とする炉心頂部監視装置。
【請求項２】
前記超音波装置は、複数個備えられていることを特徴とする請求項１に記載の炉心頂部監視装置。
【請求項３】
複数備えられた前記超音波装置は、それぞれ送信する超音波の周波数が異なるものとされていることを特徴とする請求項２に記載の炉心頂部監視装置。
【請求項４】
前記超音波装置は、上から下に向けて移動して設置される際、炉心上部機構からの反射波をモニタし、該上下方向の位置は、炉心上部機構からの反射波がなくなった位置を基準として上下方向の位置が決められることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の炉心頂部監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却材として液体金属を用いる原子炉における炉心の頂部を監視する炉心頂部監視装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冷却材として液体金属、たとえば、ナトリウムを用いる原子炉は、燃料交換前に原子炉容器上部に設けられた制御棒駆動機構と制御棒とを切離し、制御棒を炉心に挿入した後、炉心上部機構と一体の回転プラグを回転移動して燃料交換を行う。このとき制御棒の切離しと炉心内への挿入が確実に行われていない場合、あるいは燃料集合体等の炉心構成要素が浮上り、炉心上部構造と干渉している場合に、回転プラグを回転すると炉心に重大な損傷を与える恐れがある。したがって、このような問題を回避するために、何等かの手段で炉心上部の障害物の有無を確認し、障害物の有る場合には正常な位置に戻す必要がある。
ナトリウムは不透明物質であるため、特許文献１に示されるように超音波を利用した監視装置が種々提案されている。
【０００３】
また、燃料交換前あるいは緊急時に制御棒駆動機構と制御棒とを切離し、制御棒を炉心に落下させることがある。この場合、制御棒を切り放した後、炉心支持板あるいは下部案内管に落下するまでの時間（スクラム時間）を測定する必要がある。
このスクラム時間を測定する方法として、たとえば、特許文献２に示されるように、制御棒に永久磁石を取り付け、制御棒を案内する案内管に検出コイルを設置して、制御棒が落下の際、永久磁石が検出コイルを通過する時に検出コイルに発生する起電力を検出してスクラム時間を算出するものが提案されている。あるいは、特許文献３に示されるように、落下した制御棒が炉心支持板に衝突した際に発生する機械的振動を検出してスクラム時間を算出するものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平６−３４０７６号公報
【特許文献２】特開平２−２８１１９７号公報
【特許文献３】特開平３−２６９２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２、３に示されるものでは、炉心上部の障害物の有無の確認は行えない。一方、特許文献１に示されるものは、スクラム時間を測定する点について何ら示唆がなされていない。
すなわち、これら従来のものは、炉心上部の障害物の有無を確認およびスクラム時間の測定についてそれぞれ別の測定装置を設置することになるので、その分設備が高価となる。また、特に、特許文献２に示されるものでは、炉心上部機構の構造が複雑となり、高価となるとともに信頼性が少なくなる可能性がある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、炉心上部の障害物の有無の確認を行えるとともにスクラム時間を測定できる炉心頂部監視装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の一態様は、冷却材として液体金属を用いる原子炉における炉心の頂部を監視する炉心頂部監視装置であって、前記炉心の上方を横断するように超音波信号を略水平面状に送信し、反射波を受信する超音波装置と、該超音波装置の受信信号を処理し、前記水平面内に障害物が存在することを判定する制御部と、が備えられ、該制御部には、制御棒を切り離すスクラム開始トリガ信号を受信して、該制御棒が前記障害物として前記水平面を通過するまでの時間を演算し、スクラム時間を算出するスクラム時間測定部が備えられている炉心頂部監視装置である。
【０００８】
本態様にかかる炉心頂部監視装置によると、超音波装置は、炉心の上方を横断するように超音波信号を略水平面状に送信するので、障害物がこの水平面内に存在すると超音波信号は障害物で反射されて超音波装置に受信される。制御部で、超音波装置の受信信号を処理し、水平面内に障害物が存在することを判定するので、炉心上部における障害物の有無を確認することができる。
燃料交換前あるいは緊急時に制御棒駆動機構と制御棒とを切離し、炉心上部機構に保持された制御棒が炉心に落下させられると、制御棒は超音波信号が送信されている水平面内を横切ることになる。したがって、制御棒は水平面内を通過する時間の間、障害物として認識されることになるので、制御棒を切り離すスクラム開始トリガ信号を受信して、制御棒が障害物として水平面を通過するまでの時間を演算してスクラム時間を算出することができる。
【０００９】
上記態様では、前記超音波装置は、複数個備えられていてもよい。
【００１０】
このように超音波装置を複数個備えると、十二分な範囲で炉心の上方をカバーすることができる。多数の障害物があっても、それらを確実に確認することができる。
また、同じ障害物からの送受信時間の違いから、当該障害物の位置を特定できることができる。
【００１１】
上記態様では、複数備えられた前記超音波装置は、それぞれ送信する超音波の周波数が異なるものとされていてもよい。
【００１２】
このようにすると、超音波装置同士の相互干渉がなくなるので、広い範囲で同時に障害物の存在を確認することができる。
【００１３】
上記態様では、前記超音波装置は、上から下に向けて移動して設置される際、炉心上部機構からの反射波をモニタし、該上下方向の位置は、炉心上部機構からの反射波がなくなった位置を基準として上下方向の位置が決められるようにしてもよい。
【００１４】
このようにすると、炉心上部機構を障害物として認識することを確実に防止できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明にかかる炉心頂部監視装置では、超音波装置は、炉心の上方を横断するように超音波信号を略水平面状に送信するので、炉心上部における障害物の有無を確認することができる。
制御棒が制御棒駆動機構から切離され、炉心に落下させられると、制御棒は超音波信号が送信されている水平面内を横切り、障害物として認識されることになるので、制御棒を切り離すスクラム開始トリガ信号を受信して、制御棒が障害物として水平面を通過するまでの時間を演算してスクラム時間を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態にかかる炉心頂部監視装置が設置された原子炉の内部構造の一例を示す概念的立断面図である。
【図２】図１のＸ部を示す部分断面図である。
【図３】制御棒駆動機構と制御棒との接続状態を示す断面図である。
【図４】制御棒駆動機構と制御棒とが接続されている状態を示す斜視図である。
【図５】制御棒が制御棒駆動機構から切り離され炉心に落下中の状態を示す斜視図である。
【図６】複数の超音波センサによる測定状態を示す平面図である。
【図７】複数の超音波センサによる別の測定状態を示す平面図である。
【図８】制御棒が炉心へ落下する際の各信号の状態を時系列に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の一実施形態にかかる炉心頂部監視装置１について、図１〜図８を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる炉心頂部監視装置１が設置された原子炉３の内部構造の一例を示す概念的立断面図である。図２は、図１のＸ部を示す部分断面図である。図３は、制御棒駆動機構と制御棒との接続状態を示す断面図である。
原子炉３は、冷却材としてナトリウムを用いている高速増殖炉である。原子炉３には、上端が開放された略円筒形状をした原子炉容器５と、原子炉容器５の開口部を覆う原子炉蓋７と、原子炉容器５内の下部に配置された炉心９と、炉心９を支持する炉心バレル１１と、原子炉蓋７を貫通する遮蔽プラグ１４の下部に、炉心９の上方に間隙を有して設けられた炉心上部機構１３と、が備えられている。
【００１８】
原子炉容器５には、下部位置にナトリウムが導入される入口ノズル１５が、上部位置にナトリウムが導出される出口ノズル１７が形成されている。
遮蔽プラグ１４には、炉心上部機構、駆動装置、制御棒駆動機構、燃料交換装置などが搭載されている。
炉心９には、燃料集合体１９、制御棒集合体２１、中性子遮蔽体等の炉心構成要素が収納されている。
【００１９】
炉心上部機構１３は原子炉容器５の略中心位置に据え付けられ、円筒形状をしている。炉心上部機構１３には、図示を省略しているが、上板、遮蔽胴部、継胴、整流装置、各種案内管および計装ウェル等が備えられている。また、炉心上部機構１３は、制御棒駆動機構および計装ウェル等の支持ならびに炉心９からの放射線および熱遮蔽等の機能を有している。
【００２０】
制御棒駆動機構２１は後備炉停止系の例を示してものであり、炉心の反応度を制御（燃焼補償、温度補償、出力調整、炉停止等）するために制御棒を挿入・引抜させるものである。
各制御棒駆動機構２１には、図３に示されるように、下端部に制御棒２３の上端に取り付けられた接続部２５を電磁石の磁力で保持する制御棒保持部２７が備えられている。制御棒駆動機構２１の移動部は、上部案内管部により構成され、原子炉容器カバーガスのシールは上部案内管２９の内部に納められている。
【００２１】
炉心頂部監視装置１には、超音波を送受信する超音波センサ（超音波装置）３１が装着されたセンサ導入部３３と、超音波センサ３１に超音波を送受信させる超音波送受信機３５と、全体の動作を制御する制御部３７とが備えられている。
超音波センサ３１は、略円筒形状をし、原子炉蓋７に設けられた検査孔３９に挿入され、先端が炉心９の上方近傍に位置するようにされている。
超音波センサ３１は、図６に示されるように、超音波を略水平に形成される扇状の送信面（水平面）４３に送信する。複数の、たとえば、３台の超音波センサ３１は、超音波が測定領域をカバーできるように方向を変えて設置されている。
【００２２】
なお、超音波センサ３１の設置台数は、炉心９の頂部４３略全域をカバーできるように選択されればよく、３台に限定されない。たとえば、１台でもよいし、２台でもよいし、４台以上であってもよい。また、たとえば、超音波センサ３１が１台あるいは２台で、炉心９の頂部４３全域をカバーできない場合には、検査部３１を軸線中心回りに自転するようにしてもよい。
【００２３】
制御部３７には、超音波センサ３１からの受信信号を処理して炉心９の頂部４１と炉心上部機構１３との間の空間である送信面４１内に障害物が存在するかを判定する判定部４５と、原子炉１の制御部からスクラム開始トリガ信号を受信して、制御棒２３が障害物として送信面を通過するまでの時間を演算し、スクラム時間を算出するスクラム時間測定部４７とが備えられている。
【００２４】
以上のとおり構成された炉心頂部監視装置１の動作について説明する。
たとえば、燃料交換前等で、燃料集合体１９等の炉心構成要素が浮き上がっていると問題となるとき、炉心頂部監視装置１のセンサ導入部３３は、原子炉蓋７の貫通孔３９に挿通され、超音波センサ３１を所定の位置に位置させる。
【００２５】
このとき、超音波センサ３１から超音波を送信し、炉心上部機構１３からの反射波を受けつつ下方に移動させるようにしてもよい。そして、炉心上部機構１３からの反射波がなくなった位置を基準として上下方向の位置が決められるようにしてもよい。
このようにすると、炉心上部機構１３を障害物として認識しない位置に超音波センサ３１を確実に設置することができる。
なお、超音波センサ３１の設置位置は、設計時に明確に設定することもできるので、センサ導入部３３に挿入位置を印する、あるいはストッパを設ける等を行ってそれらに基づいて装着してもよい。
【００２６】
まず、炉心９の頂部４３の上方における障害物の有無の確認について説明する。図６に示されるように、超音波センサ３１は、送信面４１に沿って超音波を送信し、反射された反射信号を受信する。送信信号は、相互に重ならないように、パルス波等の間欠的なものが好ましい。
３台の超音波センサ３１の送信面４１が相互に重複しないようにされているので、広い範囲をカバーすることができる。
【００２７】
送信面４１に障害物４９が存在すると、通常よりも早く反射信号を受け取るので、判定部４５はそのタイミングを判定し、送信面４１内に障害物４９が存在するかを判定する。
このように、送信面４１に障害物４９が存在するか否か、言い換えると、炉心９の上方における障害物４９の有無を確認することができる。
【００２８】
なお、図７に示されるように原子炉容器５内に炉内配管５１が存在する場合、炉内配管５１は決まった位置に存在するので、炉内配管５１からの反射信号を用いて超音波センサ３１の方向を確認することができる。
このようにすると、障害物４９の位置検出精度を向上させることができる。
【００２９】
本実施形態では、３台の超音波センサ３１を用い、それらの送信面４１は相互に重なっているので、同じ障害物４９からの反射信号を複数の超音波センサ３１で受け取ることになる。図６の障害物４９の位置では、２台以上の超音波センサ３１がそれぞれ反射信号を受け取ることになる。これを利用して障害物４９の位置を求めることができる。
すなわち、送信開始時刻と受信開始時刻との差が、超音波が障害物４９まで往復する時間となるので、超音波の速度から超音波センサ３１から障害物４９までの往復距離が算出できる。これを半分すると、超音波センサ３１から障害物４９までの距離となる。
この距離が、２個判明すると、その交点が一点で求まることになる。
【００３０】
なお、本実施形態では、超音波センサ３１は送信および受信を行うものとしているが、これに限定されるものではない。
たとえば、送信する超音波センサ３１と、受信する超音波センサ３１とを別置きにしてもよい。このようにすると、送信信号は、パルス波、連続波、あるいは、符号化した波を用いることができる。
【００３１】
３台の超音波センサ３１が送信する超音波の周波数はそれぞれ異なるものとしてもよい。
このようにすると、超音波センサ３１同士の相互干渉がなくなるので、広い範囲で同時に障害物４９の存在を確認することができる。
【００３２】
次に、スクラム時間の測定について説明する。
たとえば、燃料交換前あるいは緊急時に、制御棒駆動機構２１と制御棒２３とを切離し、制御棒２３を炉心９に落下させることがある。すなわち、図４に示される制御棒駆動機構２１の制御棒保持部２７の磁力によって接続部２５が制御棒保持部２７に保持されている状態から、制御棒保持部２７への電力供給を止め、磁力を消滅させる。これにより、接続部２５が制御棒保持部２７から離脱するので、制御棒２３は落下する。
これは、原子炉３の運転を制御する制御部が、スクラム開始トリガ信号を送信することで制御棒２３の落下が開始される。
【００３３】
しばらくは、制御棒２３が送信面４１に存在しているので、炉心頂部監視装置１は制御棒２３が送信面４１に存在していると判定する。図５に示されるように、制御棒２３が完全に送信面４１よりも下方に移動すると、炉心頂部監視装置１は制御棒２３が送信面４１に存在していないと判定する。
【００３４】
図８は制御棒２３が炉心９へ落下する際の各信号の状態を時系列に示している。スクラム開始トリガ信号の送信時刻τ０で制御棒２３の落下が開始される。ここで反射信号の受信開始時刻τ２、受信開始時刻τ２に受けた反射信号に対応する超音波の送信開始時刻τ１、反射信号の消失時刻τ３とする。
図８から、超音波の制御棒２３からの反射信号の往復時間は（τ２−τ１）である。超音波が送信され、制御棒２３で反射される時間と、制御棒２３で反射され、超音波センサ３１で受信される時間と、が等しいとすると、制御棒２３の落下完了時刻は、［τ３−（τ２−τ１）／２］である。
したがって、制御棒２３の落下時間は、［τ３−（τ２−τ１）／２−τ０］となる。
【００３５】
なお、制御棒２３の落下完了時刻は、基本的に上式によって求められるが、実際には超音波センサ３１の位置、制御棒２３の形状（特に、直径方向）についての補正が必要である。
【００３６】
このように、制御棒２３は送信面４１内を通過する時間の間、障害物４９として認識されることになるので、制御棒２３を切り離すスクラム開始トリガ信号を受信して、制御棒２３が障害物として送信面４１を通過するまでの時間を演算してスクラム時間を算出することができる。
【００３７】
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１  炉心頂部監視装置
３  原子炉
９  炉心
１３  炉心上部機構
２３  制御棒
３１  超音波センサ
３７  制御部
４１  送信面
４７  スクラム時間測定部
４９  障害物
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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