(57)【要約】【課題】原子炉構造の複雑化を避けることができ、ＳＮ比を向上することができる原子炉底部モニタリング方法を提供する。【解決手段】超音波センサ３２は、センサ先端部３５の原子炉圧力容器（ＲＰＶ）２の外側の端面に圧電素子３３を取り付けている。センサ先端部３５がＲＰＶ２の底部ヘッド４を貫通して底部ヘッド４に設置される。圧電素子３３で発生した超音波４０が、センサ先端部３５を伝播し、センサ先端部３５からＲＰＶ２内の炉水４２に伝播される。ＲＰＶ２内の炉水４２の水面４３が炉心支持板８よりも下方に存在するときには、炉水４２内を伝播する超音波４０が水面４３で反射される。水面４３で反射された超音波４１は、炉水４２内を伝播し、センサ先端部３５に入射され、圧電素子３３で受信される。圧電素子３３で受信された超音波４１を用いて、ＲＰＶ２内の水位が求められる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波センサで発生した超音波を、原子炉圧力容器底部に貫通して設置された、前記超音波センサのセンサ先端部を伝播させ、前記センサ先端部を伝播する前記超音波を前記原子炉圧力容器内の炉水に伝播させ、前記炉水に伝播された前記超音波の反射波を前記超音波センサで受信し、受信した前記反射波を用いて前記原子炉圧力容器内の炉底部の状態を監視することを特徴とする原子炉底部モニタリング方法。
【請求項２】
前記超音波センサで受信される前記超音波の反射波は、前記原子炉圧力容器内に設置された炉心支持部材からの反射波である請求項１に記載の原子炉底部モニタリング方法。
【請求項３】
前記受信した反射波を用いて、前記炉心支持部材より下方に存在する、前記炉水の水位及び前記炉心支持部材より下方に存在する落下物のいずれかを監視する請求項２に記載の原子炉底部モニタリング方法。
【請求項４】
前記超音波センサとしてアレイ型超音波センサを用いる請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子炉底部モニタリング方法。
【請求項５】
前記受信した反射波を用いて、前記センサ先端部内での前記反射波の多重反射波を計測して、前記センサ先端部を伝わる音速に基づいて前記センサ先端部の温度を求め、この温度を用いて前記炉水を伝わる音速を補正し、この補正された音速を用いて前記反射波が生じる位置までの距離を計測する請求項１ないし４のいずれか１項の原子炉底部モニタリング方法。
【請求項６】
前記受信した反射波を用いて、前記センサ先端部内での前記反射波の多重反射波を計測し、この多重反射波を用いて前記超音波センサの健全性を確認する請求項１ないし４のいずれか１項の原子炉底部モニタリング方法。
【請求項７】
原子炉圧力容器底部に貫通して設置されたセンサ先端部を有する超音波センサと、超音波を送受信するためのパルサレシーバと、受信した超音波の信号を処理する超音波信号処理装置を備えたことを特徴とする原子炉底部モニタリング装置。
【請求項８】
前記超音波センサは前記センサ先端部の一端部に設置した圧電素子を有する請求項７に記載の原子炉底部モニタリング装置。
【請求項９】
前記センサ先端部の他端部に、前記圧電素子が取り付けられた前記一端部側に向かって窪んでいる曲面が形成されている請求項８に記載の原子炉底部モニタリング装置。
【請求項１０】
前記センサ先端部が曲部を有する請求項７ないし９のいずれか１項に記載の原子炉底部モニタリング装置。
【請求項１１】
前記超音波センサが複数個存在する請求項７ないし１０のいずれか１項に記載の原子炉底部モニタリング装置。
【請求項１２】
前記超音波センサが前記圧電素子を複数個有するアレイ型超音波センサである請求項８または９に記載の原子炉底部モニタリング装置。
【請求項１３】
原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器内に配置された炉心と、原子炉圧力容器底部に貫通して設置されたセンサ先端部を有する超音波センサと、超音波を送受信するためのパルサレシーバと、受信した超音波の信号を処理する超音波信号処理装置を備えたことを特徴とする原子炉。
【請求項１４】
前記超音波センサは前記センサ先端部の一端部に設置した圧電素子を有する請求項１３に記載の原子炉。
【請求項１５】
前記センサ先端部の他端部に、前記圧電素子が取り付けられた前記一端部側に向かって窪んでいる曲面が形成されている請求項１４に記載の原子炉。
【請求項１６】
前記センサ先端部が曲部を有し、前記曲部が前記原子炉圧力容器の外部に配置されている請求項１３ないし１５のいずれか１項に記載の原子炉。
【請求項１７】
前記超音波センサが複数個存在する請求項１３ないし１６のいずれか１項に記載の原子炉。
【請求項１８】
前記超音波センサが前記圧電素子を複数個有するアレイ型超音波センサである請求項１４または１５に記載の原子炉。
【請求項１９】
前記原子炉圧力容器に差圧式水位計を設置した請求項１３ないし１８のいずれか１項に記載の原子炉。
【請求項２０】
前記原子炉圧力容器への前記センサ先端部の設置は、圧力バウンダリとなる溶接部およびフランジ構造のいずれかにて行われる請求項１３に記載の原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉底部モニタリング方法、原子炉底部モニタリング装置及び原子炉に係り、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な原子炉底部モニタリング方法、原子炉底部モニタリング装置及び原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉は、燃料集合体を装荷した炉心を原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）内に配置し、ＲＰＶ内で炉心の上方に気水分離器及び蒸気乾燥器を配置している。ＲＰＶは、底部に底部ヘッドを形成しており、上端部に上部ヘッドを取り外し可能に取り付けている。ＲＰＶ内に配置されて炉心を取り囲む炉心シュラウドは、炉心シュラウド支持構造によりＲＰＶの内面に支持される。炉心に装荷された燃料集合体の下端部は、炉心シュラウドに取り付けられた炉心支持板によって支持される。
【０００３】
ＲＰＶ内の冷却水が、炉心の下方から燃料集合体内に供給されて、燃料集合体に含まれる核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、その一部が蒸気になる。この蒸気と冷却水を含む気液二相流が、気水分離器に導入され、気水分離器内で蒸気が冷却水から分離される。分離された蒸気に含まれる水分は、蒸気乾燥器で除去される。蒸気乾燥器から排出された蒸気は、ＲＰＶから主蒸気配管に排出され、蒸気タービンに供給される。
【０００４】
従来、ＲＰＶ内の水位は、ＲＰＶに設けた差圧式水位計により計測している。この水位計は、蒸気乾燥器近傍からＲＰＶ外に引出された上部計装配管に接続された凝縮器、凝縮器に接続された他の計装配管、炉心支持板付近からＲＰＶ外に引出された下部計装配管、及びＲＰＶ外に設置された差圧計を有している。他の計装配管及び下部計装配管が差圧計に接続される。凝縮器内には基準水位が形成され、差圧計が凝縮器と下部計装配管の間の圧力差を計測する。この圧力差がＲＰＶ内の水位に換算される。
【０００５】
なお、前述の差圧計はＲＰＶを取り囲む原子炉格納容器の外部に設置されている。この差圧式水位計では、上部計装配管から導入された水蒸気は、凝縮器内で凝縮されて水になり、基準水位を形成し一定の蒸気圧を保持している。これにより、差圧計には、凝縮器に接続される計装配管内の水と凝縮器内の基準水位を加えた分の圧力が付加されている。一方、下部計装配管は、炉心支持板付近におけるＲＰＶ内の水位に対応した水圧を差圧計に付加している。差圧式原子炉水位計では、ＲＰＶ内の水位変化に伴う圧力差の変化を水位に換算して、水位を計測している。
【０００６】
また、差圧計を用いることなく、超音波を用いてＲＰＶ内の水位を計測する方法が、例えば、特開平５−２７３０３３号公報、特開平１１−２１８４３６号公報及び特開平６−２８１４９２号公報に記載されている。
【０００７】
例えば、特開平５−２７３０３３号公報は、計装配管を必要とせず、超音波を利用して原子炉の炉水位を一系統の測定系で精度よく測定できる原子炉水位計測装置を記載している。特開平５−２７３０３３号公報では、側孔を有する超音波導波管をＲＰＶに立設し、超音波トランスジューサを超音波導波管と中心軸線が一致するようにＲＰＶの外部底面に設け、超音波を送・受信して得られた超音波信号を処理して、炉水位を表示する。
【０００８】
また、特開平１１−２１８４３６号公報では、被測定対象と非接触で液相内の液位の測定が精度よく行え、しかも耐環境性を向上させた超音波液位計測装置が記載されている。特開平１１−２１８４３６号公報では、液槽外壁面に液槽内に向けて設置した複数個の超音波探触子のいずれか１個に接続された超音波発信手段から超音波を送信し、残りの超音波探触子に接続された超音波受信手段により、超音波発信手段により発信された超音波パルスの液槽内壁面からの反射パルスを受信する。信号検出手段は、超音波受信手段で受信した反射パルスの信号レベル及び伝播時間を各々の超音波受信手段毎に算出し、液位換算手段は、反射パルスの減衰率と受信側の超音波探触子および送信側の超音波探触子との取り付け位置に基づいて液槽内の液位を換算し、その液位を液位出力手段に出力する。
【０００９】
さらに、特開平６−２８１４９２号公報は、定期検査時におけるＰＷＲの蒸気発生器配管内の水位を精度よく連続的に監視する蒸気発生器等の配管内の水位測定方法を記載する。特開平６−２８１４９２号公報では、横設された配管の下面に超音波センサーを当て、上方に発した超音波を配管内の水面に反射させて受信し、この受発信の時間差を測定検出することにより、配管内の水位を計測する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平５−２７３０３３号公報
【特許文献２】特開平１１−２１８４３６号公報
【特許文献３】特開平６−２８１４９２号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】IIC REVIEW/2009/10. No.42 pp.39
【非特許文献２】１９９９  日本機械学会  蒸気表  BASED ON IAPWS-IF97 pp.128-129
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の差圧式水位計では、ＲＰＶ内の水位を計測するために、上部計装配管及び下部計装配管、さらに、凝縮器とこれらを接続する計装配管が用いられる。また、この差圧計は、計測可能な圧力範囲によって、例えば、低圧用、中圧用、高圧用の３種類の差圧計が必要となり、その分、計装配管構成が複雑になるうえ、数量も増大する。さらに、炉心支持板よりも下方の水位を計測しようとした場合には、制御棒、制御棒駆動機構及び炉内計装管など、多くの構造物が配置されたＲＰＶ底部から計測配管を引出して追加設置する必要がある。そのため、原子炉そのものの構造が複雑となる課題があった。
【００１３】
また、特開平５−２７３０３３号公報、特開平１１−２１８４３６号公報及び特開平６−２８１４９２号公報に記載された技術では、超音波センサをＲＰＶ外でＲＰＶ底部または側面に取り付ける必要がある。この場合、ＲＰＶ内面は、ステンレスまたはニッケル基合金によるバタリング部と呼ばれる容器内張りが溶接により形成されている上、ＲＰＶ底部には制御棒駆動機構スタブチューブ及び炉内計装管ハウジング等の溶接構造物が多く存在する。このため、超音波を伝播させてＲＰＶ内部の水位を計測するためには、十分な感度特性を有する必要がある。しかしながら、約３００℃の原子炉稼動状態の高温環境で動作する超音波センサは一般に感度が低いといわれている。また、ＲＰＶ底部の溶接構造物の表面形状は、曲面形状である上、現場施工によるアズビルド形状となっているため、約３００℃までの温度変化がある中でＲＰＶ内部の曲面と炉水の境界面での超音波の屈折の制御が難しく、意図した方向に向けて超音波を送受信することも難しい。このため、ＲＰＶ底部の水位を直接的に超音波で計測することが困難であった。
【００１４】
本発明の目的は、原子炉構造の複雑化を避けることができ、ＳＮ比を向上することができる原子炉底部モニタリング方法、原子炉底部モニタリング装置及び原子炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、超音波センサで発生した超音波を、原子炉圧力容器底部に貫通して設置された、超音波センサのセンサ先端部を伝播させ、センサ先端部を伝播する超音波を原子炉圧力容器内の炉水に伝播させ、炉水に伝播された超音波の反射波を超音波センサで受信し、受信した反射波を用いて原子炉圧力容器内の炉底部の状態を監視することにある。
【００１６】
超音波センサで発生した超音波を、原子炉圧力容器底部に貫通して設置された、超音波センサのセンサ先端部を伝播させ、センサ先端部を伝播する超音波を原子炉圧力容器内の炉水に伝播させるので、原子炉構造の複雑化を避けることができ、原子炉底部モニタリングにおけるＳＮ比を向上することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、原子炉構造の複雑化を避けることができ、原子炉底部モニタリングにおけるＳＮ比を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の好適な一実施例である、沸騰水型原子炉に適用した実施例１の原子炉底部モニタリング方法の説明図である。
【図２】図１に示す原子炉底部モニタリング方法が適用される沸騰水型原子炉の縦断面図である。
【図３】原子炉圧力容器内の炉心支持板よりも下方の領域が冷却水で満たされている状態における、図１に示す原子炉圧力容器の底部ヘッドに設けられた超音波センサから送信される超音波の伝播経路を示す説明図である。
【図４】原子炉圧力容器内の炉心支持板よりも下方に冷却水の液面が存在する状態における、図１に示す原子炉圧力容器の底部ヘッドに設けられた超音波センサから送信される超音波の伝播経路を示す説明図である。
【図５】実施例１における水位計測時の超音波の受信波形を示す説明図であり、（Ａ）は沸騰水型原子炉の通常時における水位計測時の超音波の受信波形を示す説明図、（Ｂ）は炉心支持板よりも下方に冷却水の液面が存在する水位低下時における水位計測時の超音波の受信波形示す説明図である。
【図６】実施例１における原子炉圧力容器内の水位計測の流れを示すフローチャートである。
【図７】実施例１において原子炉圧力容器の炉底部に落下した落下物の計測を示す説明図である。
【図８】図７に示す落下物計測時の超音波の受信波形を示す説明図であり、（Ａ）は落下物が存在しない時における超音波の受信波形を示す説明図、（Ｂ）は落下物が存在する時における超音波の受信波形示す説明図である。
【図９】本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用した実施例２の原子炉底部モニタリング方法の説明図である。
【図１０】実施例２における水位計測時の超音波の受信波形を示す説明図であり、（Ａ）は沸騰水型原子炉の通常時における水位計測時の超音波の受信波形を示す説明図、（Ｂ）は炉心支持板よりも下方に冷却水の液面が存在する水位低下時における水位計測時の超音波の受信波形示す説明図である。
【図１１】本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用した実施例３の原子炉底部モニタリング方法の説明図である。
【図１２】本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用した実施例４の原子炉底部モニタリング方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の好適な一実施例である、沸騰水型原子炉に適用した実施例１の原子炉底部モニタリング方法を、図１〜図４を用いて説明する。
【００２１】
まず、本実施例の原子炉底部モニタリング方法が適用される沸騰水型原子炉の概略の構造を、図２を用いて説明する。沸騰水型原子炉１は原子炉格納容器１１４によって取り囲まれている。沸騰水型原子炉１は、原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）２、炉心５、炉心シュラウド７、ジェットポンプ９、気水分離器１０及び蒸気乾燥器１１を備えている。ＲＰＶ２は、底部に底部ヘッド４を形成しており、上端に上部ヘッド３が取り外し可能に取り付けられる。炉心５、炉心シュラウド７、ジェットポンプ９、気水分離器１０及び蒸気乾燥器１１は、ＲＰＶ２内に配置される。複数の燃料集合体６が装荷された炉心５は、円筒状の炉心シュラウド７によって取り囲まれている。炉心シュラウド７は、炉心シュラウド支持構造１３によりＲＰＶ２の内面に支持される。炉心支持板８は、炉心シュラウド７内に配置されて炉心シュラウド７に取り付けられ、炉心５に装荷された各燃料集合体６の下端部を支持する。複数のジェットポンプ９が、ＲＰＶ２の内面と炉心シュラウド７の外面との間に形成される環状領域であるダウンカマ２０内に配置され、炉心シュラウド支持構造１２および１３に設置される。気水分離器１０が、炉心５の上方に配置され、炉心シュラウド７の上端部に設置されるシュラウドヘッドに取り付けられる。蒸気乾燥器１１は、気水分離器１０の上方に配置される。
【００２２】
ステンレスやニッケル基合金の溶接によるバタリング部２７がＲＰＶ２の内面に内張りされている（図３参照）。複数の制御棒案内管２３及び複数の炉内計装案内管２８が、ＲＰＶ２内で炉心支持板８より下方に存在する領域である下部プレナム２１内に配置される。複数のスタブチューブ２６がＲＰＶ２の底部ヘッド４に設けられる。各スタブチューブ２６に別々に取り付けられた複数の制御棒駆動機構ハウジング２２が、スタブチューブ２６及び底部ヘッド４を貫通している。複数の炉内計装管ハウジング２５が底部ヘッド４を貫通している。各制御棒案内管２３が各制御棒駆動機構ハウジング２２の上端に設置される。制御棒２４が、各制御棒案内管２３内にそれぞれ配置され、制御棒駆動機構ハウジング２２内に設置された制御棒駆動機構（図示せず）に連結される。炉内計装案内管２８は炉内計装管ハウジング２５に接続される。
【００２３】
差圧式水位計１４が、ＲＰＶ２の外部に配置されてＲＰＶ２に設置される。この差圧式水位計１４は、凝縮器１５、差圧計１６、上部計装配管１７、計装配管１８及び下部計装配管１９を有する。凝縮器１５はＲＰＶ２の外部で原子炉格納容器１１４の内部に配置される。上部計装配管１７は、蒸気乾燥器１１近傍でＲＰＶ２に接続され、凝縮器１５にも接続される。差圧計１６は、原子炉格納容器１１４の外部に配置されており、計装配管１８によって凝縮器１５に接続される。下部計装配管１９は、炉心下部支持板８付近でＲＰＶ２に接続される。差圧計１６は下部計装配管１９にも接続される。
【００２４】
差圧式水位計１４では、ＲＰＶ２内の水蒸気が上部計装配管１７を通して凝縮器１５内に流入して凝縮されることにより凝縮器１５内に基準水位が形成される。これにより、差圧計１６には、計装配管１８内の水と凝縮器１５内の基準水位を加えた分の圧力が付加される。下部計装配管１９は炉心支持板８付近の位置でのＲＰＶ２内の冷却水（以下、炉水という）の水位に対応した水圧を差圧計１６に付与している。差圧式水位計１４では、差圧計１６で計測した、ＲＰＶ２内の水位変化に伴う圧力差の変化を水位に換算して、水位を計測している。
【００２５】
本実施例の原子炉底部モニタリング方法に用いられる原子炉底部モニタリング装置を、図１及び図３を用いて説明する。原子炉底部モニタリング装置は、超音波センサ３２、超音波送受信部３６及び遠隔表示部３７を備えている。超音波センサ３２は、ステンレス鋼及びニッケル基合金など原子炉構造材で作られた丸棒であるセンサ先端部３５及び圧電素子３３を有する。センサ先端部３５がステンレス鋼及びニッケル基合金など原子炉構造材で作られている理由は、材料の強度及び長期的な安定性を得るためである。センサ先端部３５の軸心は、ＲＰＶ２の軸心と平行になるように、配置される。圧電素子３３がセンサ先端部３５の一端面に取り付けられている。放射線遮蔽ケース３４が、センサ先端部３５の一端部に取り付けられ、圧電素子３３を覆っている。圧電素子３３に接続される信号線３８が超音波送受信部３６に接続される。遠隔表示部３７が超音波送受信部３６に接続される。
【００２６】
センサ先端部３５は、底部ヘッド４を貫通しており、底部ヘッド４に溶接により取り付けられる。センサ先端部３５は、スタブチューブ２６の間に配置される。既設の沸騰水型原子炉１であれば、センサ先端部３５の底部ヘッド４への取り付けは、沸騰水型原子炉１の運転が停止された定期検査の期間において、ＲＰＶ２内の冷却水を底部ヘッド４に接続されたドレン配管から排出した後に行われる。このセンサ先端部３５の底部ヘッド４への取り付けは、底部ヘッド４に形成された炉内計装管ハウジング２５用の孔を利用して行われる。既設の沸騰水型原子炉１では、センサ先端部３５を底部ヘッド４に取り付けた後で運転開始前にＲＰＶ２内に冷却水が充填される。新設の沸騰水型原子炉１であれば、新たに製作したＲＰＶ２の底部ヘッド４にセンサ先端部３５を取り付ける。
【００２７】
センサ先端部３５の一端面に取り付けられた圧電素子３３は、ＲＰＶ２の外部に配置される。圧電素子３３としては、３００℃以上のキュリー温度を有し、高温環境で動作可能な圧電素子を用いる。圧電素子３３は、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、窒化アルミ（ＡｌＮ）の内の一種の物質または、これらの物質の混合物によって構成される。また、沸騰水型原子炉１の運転中における強い放射線が圧電素子３３に照射されることを防止するために、圧電素子３３は、放射線遮蔽ケース３４により覆われている。
【００２８】
超音波送受信部３６は、超音波センサ３２の圧電素子３３に電圧を印加するとともに圧電素子３３の受信信号を電圧に変換して記録するパルサレシーバ（図示せず）、及び受信した信号をフィルタ処理などの信号処理を行う信号処理装置（図示せず）を有する。遠隔表示部３７は、モニタリング結果を中央操作室などの離れた場所に表示するための通信機及び表示部を有する。
【００２９】
センサ先端部３５がＲＰＶ２の底部ヘッド４を貫通して設置されているため、超音波センサ３２から下部プレナム２１内の炉水までの超音波伝播経路に超音波の反射源となる音響インピーダンス（音速×密度）が異なる境界層が存在しない。このため、その境界層での損失を無くして効率的に超音波を炉水中に伝播させることができる。
【００３０】
ＲＰＶ２の底部ヘッド４には、前述したように、複数のスタブチューブ２６及び複数の炉内計装管ハウジング２５が存在しており、底部ヘッド４の形状は複数の曲面を有する複雑形状の溶接構造物である。さらに、ＲＰＶ２の内面にはバタリング部２７で内張りされている。このため、単純に、底部ヘッド４の外面に超音波センサを設置したのでは、これらの溶接構造物及び曲面形状を通過させて超音波を送受信する必要があるため、境界部での超音波の反射及び溶接部での超音波の散乱減衰が、超音波センサの感度低下の要因となる。さらに、沸騰水型原子炉は、その起動時の室温から定格運転時の温度（３００℃）に至る温度変化を伴う。超音波が伝播する媒質であるＲＰＶ２の低合金鋼やステンレス鋼、ニッケル基合金、炉水は、温度によって音速が変化する。
【００３１】
軟鋼の音速変化は、IIC REVIEW/2009/10. No.42 pp.39に記載されたように、室温から３００℃の温度変化で約４％である。また、１９９９  日本機械学会  蒸気表  BASED ON IAPWS-IF97 pp.128-129に記載されたように、特に、沸騰水型原子炉の炉水の音速は、供用中検査終了時の４０℃から定格運転に至る３００℃までに昇温する間に、１５３１ｍ／ｓから９７０ｍ／ｓと約３７％も変化することになる。
【００３２】
このため、前述の音速変化に伴い、例えば、供用中検査期間中に超音波センサをＲＰＶ２の底部ヘッド４の外面に設置したとすると、原子炉起動中の温度変化のある条件下及び約３００℃での定格運転中では、ＲＰＶ２の外面に設置した超音波センサより送信した超音波が底部ヘッド４の曲面での屈折角度が温度とともに変化することになる。超音波の屈折は、式（１）で示されるスネルの法則に従う。
【００３３】
ｓｉｎθＡ／ｓｉｎθＢ＝ｖＡ／ｖＢ            …（１）
ここで、媒質Ａにおける波の速度はｖＡ、媒質Ｂにおける波の速度はｖＢ、媒質Ａから媒質Ｂへの入射角はθＡ、及び媒質Ｂから媒質Ａへの入射角はθＢである。このように、ＲＰＶ２の外面に超音波センサを単純に設置したのでは、温度変化に伴って屈折角度が変化し、反射源からの反射波を捉えることが難しくなり、ＳＮ比低下の要因となる。
【００３４】
このため、本実施例では、溶接部及び曲面、さらには音速の温度変化に伴う超音波の屈折による感度低下の影響を低減するために、超音波の溶接部及び曲面の通過を避け、さらに超音波の屈折の影響を考慮する必要がないＲＰＶ２の軸方向に伝播する超音波を用いて計測を行う。具体的には、ＲＰＶ２の軸方向に伸びるセンサ先端部（例えば、丸棒）３５が底部ヘッド４を貫通して設けられるので、圧電素子３３により発生する超音波が、ＲＰＶ２及びバタリング部２７を通過しなく、センサ先端部３５を伝播して下部プレナム２１内の炉水に伝えられる。
【００３５】
沸騰水型原子炉１の運転中、下部プレナム内２１の炉水は、下方から炉心５に装荷された各燃料集合体６内に供給されて、燃料集合体６に含まれる核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、その一部が蒸気になる。この蒸気と炉水を含む気液二相流が、気水分離器１０に導入され、気水分離器１０内で蒸気が炉水から分離される。分離された蒸気に含まれる水分は、蒸気乾燥器１１で除去される。蒸気乾燥器１１から排出された蒸気は、ＲＰＶ２から主蒸気配管に排出され、蒸気タービン（図示せず）に供給される。
【００３６】
超音波送受信部３６のパルサレシーバから圧電素子３３に電圧が印加されると、圧電素子３３が振動して超音波が発生する。この超音波４０がセンサ先端部３５内を伝播してセンサ先端部３５から下部プレナム２１内の炉水に伝播される。ＲＰＶ２内に炉水が満たされているとき炉水内を伝播する超音波４０は、炉心支持板８で反射される。反射された超音波４１は、同じ経路をたどり、センサ先端部３５に入射されてセンサ先端部３５内を伝播して圧電素子３３に受信される。圧電素子３３は反射された超音波４１の受信信号を超音波送受信部３６に出力する。
【００３７】
超音波送受信部３６の信号処理装置は、超音波４１の受信信号を用いて超音波４０の反射した時間位置を求める。この時間位置を遠隔表示部３７でモニタリングすることにより、ＲＰＶ２内において、炉心支持板８の下面の位置まで炉水が満たされているか否かを確認することができる。ＲＰＶ２内で炉心支持板８の下面の位置まで炉水が満たされている場合には、ＲＰＶ２内の水位は、差圧式水位計１４で計測される。差圧式水位計１４で計測された水位に基づいて、ＲＰＶ２内の水位制御及びＲＰＶ２内の水位の監視が行われる。
【００３８】
なお、センサ先端部３５は、ＲＰＶ２内に位置している、センサ先端部３５の先端部が凹状の幾何学的曲面形状を有していてもよい。通常、超音波は一定の広がりを持って伝播するため、ＲＰＶ２内に位置している、センサ先端部３５の先端が平坦である場合でも、その先端から送信される超音波は、ある程度の広がりを有する、つまり、拡散することになる。その先端部に凹状の幾何学的曲面形状が形成されることにより、超音波のその拡散の影響を低減することができる。この場合、例えば、センサ先端部３５の先端部に炉心支持板８までの距離を基に幾何学的な曲面を形成することにより、この曲面のレンズの効果により超音波の拡散による感度低下を防止することが可能となる。センサ先端部３５の先端部に形成される曲面は、センサ先端部３５の、圧電素子３３が取り付けたれた端面側に向かって窪んでいる。
【００３９】
或る事故が発生してＲＰＶ２内の炉水の水位が、炉心支持板８よりも下方に低下したことを想定する。この状態を図４に示す。下部プレナム２１内の炉水４２の水位が炉心支持板８よりも下方まで低下し、炉心支持板８下方で下部プレナム２１内に炉水４２の水面４３が形成される（図４参照）。圧電素子３３により発生した超音波４０はセンサ先端部３５を通過して、炉水４２に伝播し、水面４３に到達する。水面４３の上方には、空気もしくは水蒸気が存在する。炉水４２と空気（または水蒸気）では、音響インピーダンス（音速×密度）が大きく異なるため、炉水４２の水面４３において、超音波はほぼ全反射で反射される。これにより、水面４３で反射した超音波４１は、同じ経路をたどり、炉水４２内をセンサ先端部３５に向って伝播する。超音波４１は、さらに、センサ先端部３５を伝播して圧電素子３３に受信される。圧電素子３３から出力された、超音波４１の受信信号は、前述したように、超音波送受信部３６に出力され、時間位置が求められる。この超音波の反射波の時間位置を遠隔表示部３７でモニタリングすることにより、水面４３の位置を求めることができる。
【００４０】
なお、水面４３が揺らいでいる場合には、その揺らぎによって超音波の反射角度が安定せず、水面４３からの反射を受信しにくい場合がある。そのため、前述した超音波送受信部３６の信号処理装置において、複数回の超音波の収録波形を重ねて表示する多重表示処理やノイズを低減するための周波数フィルタ処理を行うことによって、水面４３からの超音波の反射波を検出しやすくしている。
【００４１】
次に、ＲＰＶ２内の炉水の水位が通常状態に存在するとき（炉心支持板８より下方が炉水で満たされているとき）、及びＲＰＶ２内の炉水位の水位が炉心支持板８より下方まで低下したときにおける、圧電素子３３で受信された、反射された超音波４１の波形の違いについて説明する。
【００４２】
図５（Ａ）は、炉水の水位の通常時における反射された超音波４１の波形を示している。図５（Ａ）において、横軸が時間（音速をかけることで距離となる）、縦軸が反射波の強度を示している。超音波センサ３２から超音波を送信すると、まず、送信時の送信ノイズ４５が、その後に、センサ先端部３５内での多重反射波４６が計測される。送信ノイズ４５と多重反射波４６の時間間隔は、センサ先端部３５の材質であるステンレス鋼やニッケル基合金の音速及び計測時の温度に依存する。このため、センサ先端部３５の長さ及び多重反射波の時間間隔に基づいて、センサ先端部３５内の音速を求めるとともに、別途準備しておいた音速と温度のテーブルによりセンサ先端部３５近傍の温度を求めることができる。これらの算出は、超音波送受信部３６の信号処理装置で行われる。なお、センサ先端部３５近傍の温度は、別の手段として、熱電対などを配置して計測してもよい。また、この多重反射波４６の強度は、センサ先端部３５と炉水４２の界面で反射するたびにその一部が炉水中へ伝播するため、徐々に低下する。この多重反射波４６を観測することにより、超音波センサ３２が健全に動作しているかどうかを確認することができる。さらに、ＲＰＶ２内が炉水で満たされている通常時では、炉心支持板８からの反射波４７が計測される。この反射波４７は、止まっている反射源である炉内構造物からの反射波であるため、安定して計測することができる。また、炉内構造物は、その音響インピーダンス（音速×密度）が炉水４２よりも大きいため、超音波の波形の位相は反転しない。
【００４３】
しかしながら、炉水４２の水位が炉心支持板８よりも下方まで低下した場合には、図５（Ａ）に示す炉心支持板８からの反射波４７は得られず、それよりも早い時間位置に水面４３からの反射波４８が得られる（図５（Ｂ）参照）。図５（Ｂ）は、炉水の水位が炉心支持板８よりも下方まで低下した水位低下時における反射された超音波４１の波形を示している。前述の反射波４８の時間位置を求め、反射波４８と、センサ先端部３５からの多重反射波４６の内の最初の反射波（第一反射波）との時間差を求め、さらに炉水４２の音速をかけることでセンサ先端部３５の先端から水面４３までの距離を求めることができる。これらの演算は超音波送受信部３６の信号処理装置で行われる。また、その場合、空気及び水蒸気の音響インピーダンス（音速×密度）は炉水４２よりも小さくなるため、超音波の波形の位相が１８０℃反転する。つまり、炉心支持板８からの超音波の反射波４７が正から立ち上る波形であったとすると、水面４３からの超音波の反射波４８は負から立ち上る波形となる。このように、反射波の位相より、反射源の音響インピーダンスが炉水と比較して大きいか小さいかによって、反射源の特性も知ることができる。
【００４４】
次に、本実施例の原子炉底部モニタリング方法での計測の流れを、図６を用いて説明する。計測を開始し、まず、センサ先端部３５からの反射波を確認する（ステップＳ１）。反射波の確認の判定（ステップＳ２）で、「ＮＧ」、すなわち、反射波が得られないと判定されたときには、超音波センサ３２そのものが故障しているなどのセンサ異常が生じていることを判別する（ステップＳ４）。超音波センサ３２そのものに異常が生じている場合には、原子炉底部モニタリング装置を用いた計測を終了する。
【００４５】
ステップＳ２の判定が、「ＯＫ」、すなわち、センサ先端部３５からの反射波が得られると判定された場合には、超音波センサ３２は正常であると判断する。次に、炉心支持板８からの反射波を確認する（ステップＳ３）。図５に示したように、炉心支持板８は固定された炉内構造物であるため、センサ先端部３５及び炉水４２の音速変化によってその反射波の時間位置がずれることがあるが、センサ先端部３５及び炉水４２の温度に基づいて音速を補正することで、常に、同じ距離に反射波を計測することができる。この反射波が得られたと、反射波の確認判定（ステップＳ５）で判定されたとき、すなわち、「ＯＫ」になったとき、ＲＰＶ２内の炉心支持板８よりも下方が炉水で満たされているので、原子炉底部モニタリング装置を用いた計測を終了する。
【００４６】
しかし、その反射波が得られずに、ステップＳ５の判定が「ＮＧ」になったときには、炉心支持板８からの反射波４７よりも前の時間位置に反射波があるかどうかを確認する。その際に、超音波送受信部３６のパルサレシーバのゲイン（利得）を調整する（ステップＳ６）ことで反射波の受信感度を向上してもよい。これは、前述のように水面４３の揺らぎなどにより超音波の反射波が捉えにくくなっている場合に有効である。このようにゲイン調整を行った後、炉心支持板８よりも下方での反射波を確認する（ステップＳ７）。反射波の確認判定（ステップＳ８）で「ＮＧ」になったとき、すなわち、反射波が計測できないときには、ＲＰＶ２内に炉水４２が存在しない状態であるか、または落下物がＲＰＶ２内で炉心支持板８の下方に存在するなど他の要因により、反射波が計測できないことになる。ステップＳ８の判定が「ＯＫ」であるとき、すなわち、炉心支持板８より下方での反射波が確認できたとき、前述の手法により反射位置までの距離を計測し（ステップＳ９）、ＲＰＶ２内の水位、すなわち、下部プレナム２１内の水位を計測する。
【００４７】
ＲＰＶ２内で炉心支持板８より下方に落下物５０が存在する場合における落下物５０の計測を、図７及び図８を用いて説明する。下部プレナム２１内に落下物５０が存在した場合には、図４を用いて説明した炉水の水位低下時と比較して、炉水中での超音波の反射状況が異なる。例えば、図７に示すように、金属部品のような落下物５０である場合には、センサ先端部３５から炉水に伝播された超音波は、落下物５０への入射角度に対応した角度で反射波５１として反射されることになる。このため、センサ先端部３５から炉水に伝播された超音波と落下物５０の相対的な角度によっては、反射波５１は超音波センサ３２、すなわち圧電素子３３で受信できない場合がある。そのため、図８（Ｂ）に示す落下物５０の存在時の反射波形では、炉心支持板８での反射波４７（図８（Ａ）参照）は計測されない。なお、落下物５０が存在しない通常時での超音波の受信波形を示す図８（Ａ）は、図５（Ａ）に示された受信波形と同じである。
【００４８】
また、炉心支持板８での反射波４７よりも手前の時間領域５３では、落下物５０からの反射波が計測できないが、落下物５０の反射面の角度と超音波の伝播角度が偶然一致した場合にのみ落下物５０からの反射波５２が得られる。このように落下物５０が存在した場合には、圧電素子３３に受信される反射信号だけではなく、差圧式水位計１４の指示値など他の計測手段と組合せて、炉心支持板８からの反射波が得られない要因を分析し、原子炉の安全性を確認する。なお、落下物５０からの反射波５２が得られた場合には、その反射波の位相変化を基にして、炉水と比較した音響インピーダンスの大小を判別し、金属なのか空気や蒸気なのかを判別することができる。
【００４９】
本実施例では、底部ヘッド４に形成された炉内計装管ハウジング２５用の孔を利用して、センサ先端部３５をＲＰＶ２の底部ヘッド４に貫通して設置し、溶接またはフランジ構造による圧力バウンダリを形成し、炉心支持板８に向けて超音波センサ３２からセンサ先端部３５を伝播させて超音波を送受信することで、その反射波を計測して炉心支持板８より下方に存在する水位をはじめとする状態のモニタリングが可能になる。このため、従来技術のように、計装配管を追加設置することによる原子炉構造の複雑化を解消できる。
【００５０】
センサ先端部３５をＲＰＶ２の底部ヘッド４に貫通して設置しているため、ＲＰＶ２内面のバタリング部２７、スタブチューブ２６及び炉内計装管ハウジング２５等の溶接構造物、さらにはこれら溶接構造物の曲面及びアズビルド形状による影響を受けることなく、超音波を効率的に炉水中に伝播させ、超音波を送受信することができる。このため、高いＳＮ比での信頼性の高い計測を行うことができる。
【００５１】
また、センサ先端部３５の炉心支持板８側の端面を曲面形状によるレンズ構造とすることによって、炉水中を伝播する超音波の拡散減衰による感度低下を防止するとともに、超音波センサ３２を形成する圧電素子３３の周囲に放射線シールドを有することで、さらなるＳＮ比の向上と底部ヘッド４の放射線による超音波センサの感度低下を防止することができ、長期間にわたって安定したモニタリングができる。
【００５２】
また、炉心支持板８からの反射信号をモニタリングし、その信号の有無を判別するとともに、炉心支持板８からの反射信号よりも短い時間で反射してきた超音波信号を、モニタリングすることで超音波の反射位置を特定できるようにしたため、超音波信号の評価と反射位置の特定が容易にできる。
【００５３】
さらに、センサ先端部３５の超音波の多重反射信号の有無を確認することにより、超音波センサ３２そのものの健全性を確認するとともに、多重反射波の受信時の時間間隔から計測部の温度を求め、炉水の音速を補正し、反射源の位置特定精度を向上できる。
【実施例２】
【００５４】
本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用した実施例２の原子炉底部モニタリング方法を、図９を用いて説明する。
【００５５】
本実施例の原子炉底部モニタリング方法は、原子炉炉底部の温度条件及び放射線環境が厳しい場合、及び長期間にわたるモニタリングを行う場合に適用される。本実施例の原子炉底部モニタリング装置は、実施例１の原子炉底部モニタリング装置においてセンサ先端部３５をＲＰＶ２の外部で曲げたセンサ先端部３５Ａに替えた構成を有する。本実施例の原子炉底部モニタリング装置の他の構成は、実施例１の原子炉底部モニタリング装置と同じである。
【００５６】
センサ先端部３５Ａは、ＲＰＶ２の外部に向かって引伸ばされ、さらに緩やかに曲がった構造を有する。これは、超音波センサ３２、すなわち、圧電素子３３を、前述のような温度条件及び放射線環境の厳しい環境から遠ざけるためである。圧電素子３３で発生した超音波は、たとえ曲がった材料中であってもその媒質中を伝播する特性がある。この特性を利用して、ＲＰＶ２より距離をとった遠方より超音波４０をセンサ先端部３５Ａに伝播させ、さらに、炉水に伝播させる。この場合、緩やかに曲がったセンサ先端部３５Ａの曲率半径は、圧電素子３３で発生した超音波の周波数から曲がり部での反射が少ない曲率半径とすることで、センサ先端部３５Ａ内部でのロスを低減するように設計する。この場合にも、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）にその波形の例を示すように、センサ先端部３５Ａの長さが実施例１におけるセンサ先端部３５と比較して長くなった分だけ、その内部での多重反射波５４の時間間隔は広くなるが、多重反射波５４の有無から超音波センサ３２の健全性を確認するとともに、炉心支持板８からの反射波４７の有無とその手前の時間位置での反射波４８から炉心支持板８より下方の水位の計測あるいは、反射波４８の有無より落下物５０の有無を確認することができる。水位の計測や落下物の有無の確認方法については、前述した実施例１と同様である。
【００５７】
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、センサ先端部３５Ａを用いているので、原子炉炉底部の温度条件及び放射線環境が厳しい場合、及び長期間にわたるモニタリングを行う場合でも、原子炉底部モニタリングを行うことができる。
【実施例３】
【００５８】
本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用した実施例３の原子炉底部モニタリング方法を、図１１を用いて説明する。
【００５９】
本実施例は、水位の低下及び落下物の有無を計測する際に、計測の信頼性を向上するためのものである。本実施例の原子炉底部モニタリング方法では、複数の超音波センサを用いている。本実施例では、実施例１で用いる超音波センサ３２以外にこの超音波センサ３２と同じ構成を有する他の超音波センサ３２ＡをＲＰＶ２の底部ヘッド４に設置している。超音波センサ３２Ａのセンサ先端部３５も、底部ヘッド４を貫通して底部ヘッド４に設置される。超音波センサ３２Ａの圧電素子３３に接続された信号線３８Ａが、超音波送受信部３６に接続される。
【００６０】
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。また、ＲＰＶ２を貫通して設置した超音波センサ３２を複数有することで、反射源が局所的に存在するのか、原子炉底部全体に均一に存在するのかを確認できる。
【実施例４】
【００６１】
本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用した実施例４の原子炉底部モニタリング方法を、図１２を用いて説明する。
【００６２】
本実施例の原子炉底部モニタリング方法に用いられる原子炉底部モニタリング装置は、実施例１で用いられる原子炉底部モニタリング装置において超音波センサ３２を複数の圧電素子３３を並べて構成したアレイ型の超音波センサ３２Ｂに替えた構成を有する。超音波センサ３２Ｂは、センサ先端部３５Ａを有する。センサ先端部３５Ａが底部ヘッド４に取り付けられる。
【００６３】
アレイ型の超音波センサとは、一般に知られているように圧電素子を１次元あるいは２次元状（マトリクスや円形）に配置した超音波センサである。このような特性を有する超音波センサ３２Ｂを用いることで、ＲＰＶ２内の下部プレナム２１内の炉水中において超音波を電子的に走査し、１次元電子走査により炉水中の断面像や、２次元電子走査により炉水中の３次元情報を得ることが可能である。
【００６４】
しかしながら、実施例１で示したように、ＲＰＶ２の外面に超音波センサを取り付けただけでは、前述のような溶接部及び炉底部曲面形状、さらには温度変化に伴う音速変化による屈折角度の変化によってＲＰＶ２内部をモニタリングすることは難しい。
【００６５】
このため、本実施例の原子炉底部モニタリング方法では、前述の実施例１〜３と同様に、アレイ型超音波センサ３２Ｂのセンサ先端部３５Ａを、底部ヘッド４に形成された炉内計装管ハウジング２５用の孔を利用して、底部ヘッド４に貫通して設置し、溶接及びフランジ構造による圧力バウンダリを形成し、炉心支持板８に向けて超音波センサ３２ＡＢから超音波を送受信し、さらに電子的な超音波の走査５５を行うことで、その反射波を計測して炉心支持板８より下方の水位をはじめとする状態のモニタリングができるようにしている。この際には、計測波形のＳＮ比を向上するためにアレイ型超音波センサを用いて、超音波を集束して送受信する。これにより、１次元電子走査により炉水中の断面像や、２次元電子走査により炉水中の３次元情報を得ることが可能であり、水位の低下や落下物の有無をより分かりやすくモニタリングすることができる。
【００６６】
本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。
【００６７】
前述の実施例１〜４のそれぞれは、加圧水型原子炉に適用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
２…原子炉圧力容器、４…底部ヘッド、５…炉心、８…炉心支持板、３２，３２Ａ，３２Ｂ…超音波センサ、３３…圧電素子、３５，３５Ａ…センサ先端部、３６…超音波送受信部。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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