(57)【要約】【課題】熱電対などの温度計に代えて、撮像された画像から密閉空間内の滞留水の温度を推定する方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明にかかる滞留水の温度推定方法の代表的な構成は、密閉空間内の滞留水１１０の温度を推定する方法であって、密閉空間の気相の温度を測定し（Ｓ１００）、密閉空間内の画像を撮像し（Ｓ１０２）、画像から、落下する水滴の直径、水滴の落下速度および水滴の個数を求め、水滴の直径、落下速度および個数から、空中の単位体積あたりの水滴の質量を求め（Ｓ１０４）、気相の温度から飽和水蒸気量を求め（Ｓ１０６）、飽和水蒸気量と空中の水滴の質量とを加算して合計値を求め（Ｓ１０８）、滞留水からの飽和水蒸気量が合計値と一致するように、滞留水の温度を推定する（Ｓ１１０）。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉空間内の滞留水の温度を推定する方法であって、
前記密閉空間の気相の温度を測定し、
前記密閉空間内の画像を撮像し、
前記画像から、落下する水滴の直径、該水滴の落下速度および該水滴の個数を求め、
前記水滴の直径、落下速度および個数から、空中の単位体積あたりの水滴の質量を求め、
気相の温度から飽和水蒸気量を求め、該飽和水蒸気量と空中の前記水滴の質量とを加算して合計値を求め、
滞留水からの飽和水蒸気量が前記合計値と一致するように、滞留水の温度を推定することを特徴とする滞留水の温度推定方法。
【請求項２】
前記水滴の直径は、ステレオ画像法または干渉画像法によって求めることを特徴とする請求項１に記載の滞留水の温度推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密閉空間内に滞留した滞留水の温度推定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
温度を測定するための方式および装置は様々なものが提案され、また利用されている。例えば熱電対は、電気信号によって温度を測定する装置として広く利用されている。
【０００３】
特許文献１には、原子炉圧力容器内の温度を熱電対で測定する温度検出装置が記載されている。この温度検出装置では、原子炉圧力容器内に、先端に熱電対の素子を接続したケーブルが挿入される熱電対引き出し管を配置することで、熱電対が破損した場合の交換や定期的な交換が容易になるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２３２３９５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、原子力発電所の過酷事故の状況下では、密閉空間である原子炉格納容器および原子炉圧力容器の内部の温度、さらに内部の様子を知ることが必要である。温度によって冷却できているかどうか、また、内部の様子によって損壊具合はどの程度かを知ることできる。しかし、原子炉格納容器および原子炉圧力容器の内部は高線量であるため、作業員が入ることができない。
【０００６】
温度として測定すべきものは、原子炉格納容器または原子炉圧力容器内に滞留した冷却水（滞留水）の水温である。まずは冷温停止の定義である１００℃以下であることの確認を行い、さらに水温の変動を監視して現在の冷却作業が十分であるか否かを確認する必要がある。
【０００７】
滞留水の水温を測定するためには、原子炉格納容器または原子炉圧力容器の検査用の孔から、例えば特許文献１に記載された先端に熱電対の素子が接続されたケーブルを挿入することになる。
【０００８】
しかし、原子炉圧力容器は高さ２０ｍ程度、直径６ｍ程度であり、また、原子炉格納容器は高さ４０ｍ程度、直径１８ｍ程度の大きな設備である。そして検査用の孔はこれらの容器の側面に設けられているとはいえ、底までの高さは１０〜２０ｍ程度もある。このため、原子炉格納容器の外側から検査用の孔を通じて温度計のケーブルを挿入しても、水面までの距離が非常に遠いことになる。
【０００９】
また、原子炉格納容器または原子炉圧力容器の中には様々な機器が設置されていて、複雑な構造となっている。すると、単に温度計のケーブルを挿入しても水面まで到達しない可能性があり、例えば、複雑な構造の中を自在に進行するような機構が必要となる。
【００１０】
さらに、原子炉格納容器または原子炉圧力容器に内視鏡を挿入して、内部の様子すなわち損壊具合を知りたいという要請がある。しかし、検査用の孔が小さい場合、複雑な構造の中を自在に進行させるのに必要な機構と温度計のケーブルおよび内視鏡をすべて挿入することができない。この場合には、温度計と内視鏡のいずれかを交互に挿入することも考えられるが、温度計や内視鏡が汚染して放射性物質になってしまうため、取り出した温度計や内視鏡の取り扱いが煩雑になる。
【００１１】
つまり、過酷事故の状況下では、熱電対などの温度計のケーブルを水面まで届かせて、原子炉格納容器または原子炉圧力容器内の滞留水の温度を直接測定することは困難である。その上、原子炉格納容器または原子炉圧力容器内に温度計と内視鏡を交互に挿入して、内部の様子を見ることも好ましくない。
【００１２】
本発明は、このような課題に鑑み、熱電対などの温度計に代えて、撮像された画像から密閉空間内の滞留水の温度を推定する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明にかかる滞留水の温度推定方法の代表的な構成は、密閉空間内の滞留水の温度を推定する方法であって、密閉空間の気相の温度を測定し、密閉空間内の画像を撮像し、画像から、落下する水滴の直径、水滴の落下速度および水滴の個数を求め、水滴の直径、落下速度および個数から、空中の単位体積あたりの水滴の質量を求め、気相の温度から飽和水蒸気量を求め、この飽和水蒸気量と空中の水滴の質量とを加算して合計値を求め、滞留水からの飽和水蒸気量が合計値と一致するように、滞留水の温度を推定することを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、撮像素子により撮像された画像に基づいて、密閉空間内を落下する単位体積あたりの水滴の質量を算出する。また、熱電対などの温度計により測定された気相の温度に基づいて、いわゆる空気線図として示されるデータから飽和水蒸気量（容積絶対湿度）を算出する。なお、容積絶対湿度とは、空中の単位体積に含まれる水蒸気の量を重量で示したものをいう。ここで、滞留水の飽和水蒸気量は、画像に基づく単位体積あたりの水滴の質量と、気相の温度に基づく飽和水蒸気量とを加算した合計値と一致すると考えられる。よって、空気線図として示されるデータから、合計値と一致する飽和水蒸気量となる温度を算出し、滞留水の温度と推定する。
【００１５】
また、水滴の落下は、気相においておおむね均等である。したがって、上記の方法によれば、撮像された水滴の密閉空間内での高さにかかわらず、滞留水の温度を推定することが可能となる。したがって撮像のためのケーブルは密閉空間内に到達する長さがあれば足り、検査孔から水面に到るまでの長さは必要ない。さらに、温度計ではなく撮像素子によって温度を推定するので、密閉空間内部の様子を撮影しながら、滞留水の温度を推定することが可能となる。なお、温度計は、密閉空間の気相の温度を１度測定すればよいので、検査孔の外側で測定することも可能であり、温度計を例えば複雑な進行機構を用いて滞留水に到達させる必要もなく、温度計や撮像素子の取り扱いが煩雑になることがない。
【００１６】
上記の水滴の直径は、ステレオ画像法または干渉画像法によって求めてよい。これにより、水滴の直径を正確に求めることが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱電対などの温度計に代えて、撮像された画像から密閉空間内の滞留水の温度を推定する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態における滞留水の温度推定方法が適用される原子炉の概略構成を説明する図である。
【図２】滞留水の温度推定装置の機能を示すブロック図である。
【図３】滞留水の温度推定方法の工程を示すフローチャートである。
【図４】撮像部で撮像された画像を示す図である。
【図５】図４とは異なる画像を示す図である。
【図６】温度に対する容積絶対湿度を説明するための空気線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２０】
図１は、本実施形態における滞留水の温度推定方法が適用される原子炉の概略構成を説明する図である。以下では、理解を容易にするために沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）を例示して説明するが、改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）についても本実施形態を適用可能である。
【００２１】
原子炉建屋１００には原子炉格納容器１０２が設置され、その中に原子炉圧力容器１０４が設置されている。原子炉格納容器１０２の下方にはサプレッションプール１０６（圧力抑制室ともいう）が設けられていて、過剰な蒸気をサプレッションプール１０６内の水に注入することによって圧力を下げることができる。
【００２２】
原子炉格納容器１０２および原子炉圧力容器１０４は、いずれも密閉容器であり、その内部に密閉空間を有している。なお、原子炉圧力容器１０４は高さ２０ｍ程度、直径６ｍ程度であり、また、原子炉格納容器１０２は高さ４０ｍ程度、直径１８ｍ程度の大きな設備である。
【００２３】
原子炉圧力容器１０４は、ウラン等からなる燃料棒を束ねた燃料集合体１０８を収容する。原子炉圧力容器１０４に収容された燃料集合体１０８は、臨界に達して、容器内部に充填された水（炉水）を加熱し蒸気を発生させる。
【００２４】
図１は事故時の状態を示している。図中では原子炉格納容器１０２の底部、原子炉圧力容器１０４の内部およびサプレッションプール１０６の部屋に水が溜まっているように描いている。なお通常の運転中は、原子炉格納容器１０２は窒素充填され、サプレッションプール１０６内部には適量の水が保有されている。過酷事故の状況下では、原子炉格納容器１０２および原子炉圧力容器１０４の内部には、放射線の遮蔽と炉心の冷却を図るために冷却水が注入されることになり、図示のように滞留水１１０、１１２が滞留する。
【００２５】
過酷事故の状況下では、まずは滞留水１１０、１１２の温度を測定すること、そして原子炉格納容器１０２および原子炉圧力容器１０４の内部の様子を知ることが重要である。滞留水１１０、１１２の温度を測定することで、冷温停止の定義である１００℃以下であることの確認を行い、水温の変動を監視して現在の冷却作業が十分であるか否かを確認できる。また、原子炉格納容器１０２および原子炉圧力容器１０４の内部の様子を画像によって知ることで、損壊具合を確認できる。
【００２６】
そこで本実施形態では、温度計に代えて、密閉空間である原子炉格納容器１０２および原子炉圧力容器１０４の内部の様子を撮影しながら、撮像素子で撮像した画像に基づいて滞留水１１０、１１２の温度を推定する。
【００２７】
以下では、原子炉格納容器１０２の内部の様子を工業用内視鏡１１６で撮影しながら、滞留水１１０の温度を推定する場合について説明する。工業用内視鏡１１６は、検査用の孔１１４に挿入されるケーブル１１８と、ケーブル１１８の先端に接続された撮像部１２０とを備える。撮像部１２０は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの撮像素子を含む。
【００２８】
図２は、滞留水の温度推定装置の機能を示すブロック図である。図３は、滞留水の温度推定方法の工程を示すフローチャートである。温度推定装置１２２は、本実施形態にかかる温度推定方法を実現するものであり、図２に示すように、上記撮像部１２０と、熱電対である温度計１２４と、滞留水温度推定部１２６と、出力部１２８とを備える。滞留水温度推定部１２６は、演算部１３０と記憶部１３２とを備える。
【００２９】
まず、温度推定装置１２２では、温度計１２４を用いて原子炉格納容器１０２の密閉空間の気相の温度を測定する（ステップＳ１００）。温度計１２４は、不図示の熱電対用ワイヤを検査用の孔１１４に挿入し、熱電対を用いて温度を測定する。また温度計１２４は、検査用の孔１１４の外側で温度を測定してもよい。ここでの温度計１２４による気相の実測値は、４５℃であった。
【００３０】
つぎに、撮像部１２０により、原子炉格納容器１０２の密閉空間内の画像を撮像する（ステップＳ１０２）。ここでは、一例として、温度計１２４の熱電対用ワイヤを検査用の孔１１４から抜き取り、温度計１２４に代えて、図１に示すように検査用の孔１１４にケーブル１１８を挿入する。これにより、撮像部１２０は、密閉空間内の画像を撮像可能となる。
【００３１】
演算部１３０は、ステップＳ１０２で撮像された画像に基づいて、密閉空間の空中の水滴の質量を算出する（ステップＳ１０４）。以下、ステップＳ１０４について説明する。
【００３２】
図４は、撮像部１２０で撮像された画像を示す図である。図４（ａ）は、原子炉格納容器１０２内の密閉空間を撮像した画像であり、水滴が非常に大きく撮影されている。また、図４（ａ）の画像は、１フレームが１／３０秒で撮像され得られたものであり、図示のように水滴の軌跡が描かれている。図４（ｂ）は、原子炉格納容器１０２内に挿入する前に、予め撮像部１２０で撮像された温度計１２４の熱電対用ワイヤの画像である。
【００３３】
図４（ｂ）に示すように、熱電対用ワイヤの直径φは約３ｍｍであった。そこで、図４（ａ）に示す水滴の直径φｗは、図４（ｂ）に示す画像と比較することで、熱電対用ワイヤと同程度か、多少大きな直径であることが分かり、約５ｍｍ程度と予想される。そして、このときの水滴１個当たりの質量Ｗｗは、水滴を球とみなすと、式（１）から、０．０６５ｇとなる（１ｃｍ３＝１ｇとしている）。
【００３４】
Ｗｗ＝４πｒ３／３＝４π０．２５３／３＝０．０６５（ｇ）      （１）
なお、ｒは水滴の半径である。このようにして、水滴の直径φｗ、水滴１個当たりの質量Ｗｗを得る。
【００３５】
図５は、図４とは異なる画像を示す図である。この画像は、原子炉格納容器１０２内を撮像した画像であり、１／３０秒間での水滴の飛行距離を算出可能な画像である。すなわち、この画像には、番号「１」が付された水滴の全飛距離を示す軌跡が示されている。さらに、この画像には、その他に番号「２」〜「１０」が付された水滴の軌跡が示されていて、撮像された空間に合計１０個の水滴が存在していることが分かる。
【００３６】
撮像された空間は、この画像内に位置する小口径配管の直径を約０．０５ｍと仮定し比較すると、１辺の大きさが約０．５ｍであると予想される。また、番号「１」が付された水滴の全飛距離は、小口径配管の直径あるいは撮像された空間の１辺と比較して、約０．５ｍと見積もられる。
【００３７】
ここで、水滴の落下速度Ｖｗは、１／３０秒間で０．５ｍ落下したので、式（２）から算出され、１５ｍ／ｓとなる。
Ｖｗ＝０．５／（１／３０）＝１５（ｍ／ｓ）      （２）
【００３８】
一方、直径５ｍｍの水滴の空気中の終端速度Ｖｔは、ストークスの法則により算出され、１１．７７ｍ／ｓとなる。
【００３９】
なお計算の際に必要となるパラメータは、水滴の直径φｗ（ｍ）、水滴の密度ρｗ（kｇ／ｍ３）、空気の密度ρｆ（kｇ／ｍ３）、重力加速度ｇ（ｍ／ｓ２）、空気の粘性係数η（Ｐａ・ｓ）である。ここでは、ρｗを１０００（ｋｇ／ｍ３）、ρｆを１．２（ｋｇ／ｍ３）、ηを０．００００１８（Ｐａ・ｓ）として計算した。
【００４０】
つまり、図５の画像に基づいて式（２）で算出された水滴の落下速度Ｖｗと、ストークスの法則から算出された水滴の終端速度Ｖｔとがほぼ近い値となった。このため、水滴の直径が５ｍｍとの見積もりは妥当であることが確認された。
【００４１】
さらに、上記したように、撮像された空間は１辺が０．５ｍであり、そこに水滴が合計１０個存在している。よって、単位体積１ｍ３あたりの数密度Ｐｓは、式（３）から算出され、８０個／ｍ３となる。
Ｐｓ＝２×２×２×１０＝８０（個）      （３）
【００４２】
そして、水滴１個当たりの質量Ｗｗが式（１）で算出されたように、０．０６５ｇであることから、１ｍ３当たりの空間に落下している水滴の質量Ｗｒは、式（４）から算出され、５．２ｇ／ｍ３になると考えられる。
Ｗｒ＝Ｐｓ×Ｗｗ＝８０×０．０６５＝５．２（ｇ／ｍ３）      （４）
【００４３】
このように、図３に示すステップＳ１０４では、水滴の直径、落下速度および個数から、空中の単位体積あたりの水滴の質量Ｗｒを算出している。
【００４４】
続いて、演算部１３０は、ステップＳ１００で温度計１２４により測定された気相の温度（ここでは、４５℃）に基づいて、記憶部１３２に記憶された温度に対する容積絶対湿度を示すデータを参照して、密閉空間内の飽和水蒸気量を算出する（ステップＳ１０６）。なお、記憶部１３２に記憶されたデータは、図６に示すように空気線図として示すことができる。
【００４５】
図６は、温度に対する容積絶対湿度を説明するための空気線図である。なお、容積絶対湿度ｇ／ｍ３とは、大気の単位容積（１ｍ３）に含まれる水蒸気の量を重量で示したものである。飽和状態において空気中に含まれている水蒸気の量を、飽和水蒸気量という。容積絶対湿度ａ（Ｔ）は、式（５）で算出され、図中の曲線で示される。
【００４６】
ａ（Ｔ）＝２１７×ｅ（Ｔ）／（Ｔ＋２７３．５）      （５）
なお、ｅ（Ｔ）は水蒸気圧（ｈＰａ）、Ｔは気温（℃）である。
【００４７】
ここでは、図６に示される空気線図のデータを参照することで、気相の温度４５℃に対する飽和水蒸気量が６５ｇ／ｍ３であることが確認できる。
【００４８】
さらに、演算部１３０は、ステップＳ１０４で算出した水滴の質量Ｗｒである５．２ｇ／ｍ３と、ステップＳ１０６で算出した飽和水蒸気量である６５ｇ／ｍ３とを加算する（ステップＳ１０８）。よって、ステップＳ１０８では、合計値として飽和水蒸気量７０．２ｇ／ｍ３を得る。
【００４９】
そして、演算部１３０は、記憶部１３２に記憶された上記の空気線図で示されるデータを参照し、ステップＳ１０８で得た合計値と一致する飽和水蒸気量となる温度を推定する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０では、上記のデータから飽和水蒸気量７０．２ｇ／ｍ３となる温度は、４７℃と推定できる。
【００５０】
言い換えると、滞留水１１０は、飽和水蒸気量がおよそ７０．２ｇ／ｍ３となる温度約４７℃でバランスしていると考えられる。なお、演算部１３０は、適宜の出力部１２８に滞留水１１０の推定された温度を出力し表示してよい。
【００５１】
また、水滴の落下は、気相全体においておおむね均等である。このため、上記各ステップＳ１００〜Ｓ１１０を含む温度推定方法では、撮像された水滴の密閉空間内での高さにかかわらず、滞留水の温度を推定することが可能となる。
【００５２】
一方、工業用内視鏡１１６を使用せず、熱電対用ワイヤの長い温度計を用意し、この温度計で実際に滞留水１１０の温度を測定したところ、５０℃という結果が得られた。したがって、本実施形態では、精度の高い温度推定が可能であることが検証された。
【００５３】
さらに、本実施形態では、温度計１２４ではなく撮像部１２０による画像から温度を推定するので、密閉空間内部の様子を撮影しながら、滞留水１１０の温度を継続的に推定（監視）することが可能となる。
【００５４】
また、温度計１２４は、密閉空間の気相の温度を１度測定すればよい。このため、温度計１２４と撮像部１２０とを交互に繰り返して密閉空間内に挿入する必要もない。よって、本実施形態では、温度計１２４や工業用内視鏡１１６が汚染して放射性物質になることを回避し、取り出した温度計１２４や工業用内視鏡１１６の取り扱いが煩雑になることもない。
【００５５】
上記実施形態では、図４（ａ）に示す撮像された水滴の画像と、図４（ｂ）に示す撮像された熱電対用ワイヤの画像との大きさを比較することで、水滴の直径を見積もっていたが、これに限定されず、ステレオ画像法または干渉画像法によって水滴の直径を算出してよい。このようにすれば、水滴の直径を正確に求めることが可能となる。なお、ステレオ画像法では、水滴を異なる位置から複数の撮像装置で撮像し、撮像装置の視差を利用して水滴の距離画像を生成し、距離画像から水滴の直径を算出すればよい。干渉画像法では、レーザを水滴に照射したときに、水滴の表面反射光と内部屈折光との位相差によって生じる干渉縞から水滴の直径を算出すればよい。
【００５６】
また、上記実施形態では、原子炉格納容器１０２の滞留水１１０の水温を推定する場合を例示したが、これに限られない。すなわち、原子炉圧力容器１０４の滞留水１１２の水温を推定する場合には、原子炉圧力容器１０４の側壁に位置する検査用の孔を通して、撮像部１２０および温度計１２４を密閉空間内に挿入すればよい。
【００５７】
さらに、本実施形態にかかる温度推定方法は、密閉空間を有し、温度計の熱電対用ワイヤが水面に到達し難いような原子炉以外の適宜の構造物に適用してもよく、それらの構造物の底に滞留した滞留水の温度を推定してもよい。例えば貯水タンクやボイラー、ヒートポンプの蓄熱槽などにも適用することが可能である。
【００５８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、密閉空間内に滞留した滞留水の温度推定方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１００…原子炉建屋、１０２…原子炉格納容器、１０４…原子炉圧力容器、１０６…サプレッションプール、１０８…燃料集合体、１１０、１１２…滞留水、１１４…検査用の孔、１１６…工業用内視鏡、１１８…ケーブル、１２０…撮像部、１２２…温度推定装置、１２４…温度計、１２６…滞留水温度推定部、１２８…出力部、１３０…演算部、１３２…記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図４】
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【図５】
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