(57)【要約】【課題】所望の方向に音を伝えることが可能な燃料棒センサを提供する。【解決手段】燃料棒センサは、ペレットと、前記ペレットを収容するための内部空間を形成する被覆壁と、前記被覆壁の前記内部空間のうち前記ペレットの収容空間以外の領域に設けられ、前記ペレットを熱源として熱音響変換により音を発するスタックと、を備え、前記被覆壁は、外壁と内壁との間が真空状態である二重壁部と、前記被覆壁のうち前記二重壁部の設置範囲以外の領域に設けられ、前記スタックからの前記音を外部に放出するための振動板部と、を含む。 【選択図】  図５
2016161521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペレットと、
前記ペレットを収容するための内部空間を形成する被覆壁と、
前記被覆壁の前記内部空間のうち前記ペレットの収容空間以外の領域に設けられ、前記ペレットを熱源として熱音響変換により音を発するスタックと、を備える燃料棒センサであって、
前記被覆壁は、
外壁と内壁との間が真空状態である二重壁部と、
前記被覆壁のうち前記二重壁部の設置範囲以外の領域に設けられ、前記スタックからの前記音を外部に放出するための振動板部と、
を含むことを特徴とする燃料棒センサ。
【請求項２】
前記振動板部は、前記被覆壁の上端面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒センサ。
【請求項３】
前記振動板部は、前記被覆壁の下端面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒センサ。
【請求項４】
前記振動板部は、前記被覆壁の外周面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒センサ。
【請求項５】
前記振動板部は、前記被覆壁の外周面のうち、原子炉容器の内壁面までの距離が最も短い領域に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料棒センサ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の少なくとも一つの燃料棒センサを含む燃料集合体。
【請求項７】
前記少なくとも一つの燃料棒センサは、
原子炉容器内における第１位置に設けられる第１燃料棒センサと、
前記原子炉容器内における第２位置に設けられる第２燃料棒センサと、
を含み、
前記第１燃料棒センサ及び前記第２燃料棒センサは、前記第１燃料棒センサの前記被覆壁の軸心から前記振動板部に延ばした第１仮想線と、前記第２燃料棒センサの前記被覆壁の軸心から前記振動板部に延ばした第２仮想線とが前記原子炉容器内において交わらないように配置されたことを特徴とする請求項６に記載の燃料集合体。
【請求項８】
前記第１仮想線と前記第２仮想線との距離が、前記原子炉容器の内壁に近付くにつれて大きくなることを特徴とする請求項７に記載の燃料集合体。
【請求項９】
前記第１燃料棒センサの前記振動板部と、前記第２燃料棒センサの前記振動板部とは、前記原子炉容器内における高さ位置が互いに異なることを特徴とする請求項７又は８に記載の燃料集合体。
【請求項１０】
前記第１燃料棒センサ及び前記第２燃料棒センサは、前記第１仮想線と前記第２仮想線とが互いに交わらずに同一水平面内に存在するように配置されたことを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載の燃料集合体。
【請求項１１】
原子炉容器と、
前記原子炉容器に収容される請求項６乃至９の何れか一項に記載の燃料集合体と、
を備えることを特徴とする原子炉。
【請求項１２】
請求項１１に記載の原子炉と、
前記原子炉で発生した熱によって生成された蒸気により駆動されるように構成された蒸気タービンと、
を備えることを特徴とする原子力プラント。
【請求項１３】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の燃料棒センサと、
前記燃料棒センサの前記振動板部を介して前記スタックから出力された前記音を検出する音検出器と、
前記音検出器の検出結果に基づいて、原子炉の状態監視を行うための状態監視ユニットと、を備えることを特徴とする原子炉監視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は燃料棒センサ、燃料集合体、原子炉、原子力プラント及び原子炉監視システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱を音波に変換し、又は音波を熱に変換する熱音響デバイスが知られている。
例えば、特許文献１には、レゾネータ（共鳴装置）として機能するチャンバを画定するハウジングと、チャンバの中に配置されるスタックとを備える熱音響センサ（熱音響デバイス）が開示されている。この熱音響センサでは、スタックがハウジング内部又は外部の熱源からの熱を受けてスタックの両端部にある程度の温度差が生じると、ハウジングの周囲の温度に応じた周波数の音波が生成されるようになっている。したがって、レゾネータで共鳴する音波の周波数を計測することで、ハウジング周囲の温度を知ることができる。
また、特許文献１には、原子炉の圧力容器内の燃料棒に上述の熱音響センサを組み込んで、燃料棒の周囲を流れる冷却材の温度監視に利用することが記載されている。この熱音響センサでは、燃料棒の被覆管をハウジングとして用い、燃料棒内部の燃料ペレットを熱源としてスタックの両端に温度差を生じさせるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／００５０２９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の燃料棒に組み込まれた熱音響センサ（燃料棒センサ）では、スタックから発せられた音は、ハウジングを経て燃料棒センサの外部に放出されて、あらゆる方向に伝播する。このため、例えば、燃料棒センサからの音と共振する固有周波数を有する構造物に向かって熱音響センサからの音が伝播すれば、共振により該構造物が損傷する可能性がある。また、燃料棒センサから発せられた音は原子炉容器（圧力容器）内をあらゆる方向に伝播するので、原子炉容器の外部で熱音響センサからの音を計測する場合、効率的に音を受け取ることが難しい。
よって、燃料棒センサから発せられた音を所望の方向に伝播させることが望ましい。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、所望の方向に音を伝えることが可能な燃料棒センサ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】
【０００６】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料棒センサは、
ペレットと、
前記ペレットを収容するための内部空間を形成する被覆壁と、
前記被覆壁の前記内部空間のうち前記ペレットの収容空間以外の領域に設けられ、前記ペレットを熱源として熱音響変換により音を発するスタックと、を備える燃料棒センサであって、
前記被覆壁は、
外壁と内壁との間が真空状態である二重壁部と、
前記被覆壁のうち前記二重壁部の設置範囲以外の領域に設けられ、前記スタックからの前記音を外部に放出するための振動板部と、
を含む。
【０００７】
上記（１）の構成では、二重壁部の内部空間（外壁と内壁の間の空間）を真空状態としたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、二重壁部を介しては外部へ伝播しない。また、二重壁部の設置範囲以外の領域に振動板部を設けたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、振動板部の向く方向において該振動板部の外部に放出される。このため、燃料棒センサから発せられる音を所望の方向に伝播させることができる。また、燃料棒センサから発せられた音が指向性を有することから、燃料棒センサから出力された音響エネルギーを音検出器に効率的に伝えることができる。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記振動板部は、前記被覆壁の上端面に形成される。
上記（２）の構成によれば、スタックからの音を被覆壁の上端面から燃料棒センサの外部に放出させることができる。
【０００９】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記振動板部は、前記被覆壁の下端面に形成される。
上記（３）の構成によれば、スタックからの音を被覆壁の下端面から燃料棒センサの外部に放出させることができる。
【００１０】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記振動板部は、前記被覆壁の外周面に形成される。
上記（４）の構成によれば、スタックからの音を被覆壁の外周面から燃料棒センサの外部に放出させることができる。
【００１１】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、前記振動板部は、前記被覆壁の外周面のうち、原子炉容器の内壁面までの距離が最も短い領域に設けられている。
上記（５）の構成によれば、振動板部を、被覆管の外周面のうち、原子炉容器の内壁面までの距離が最も短い領域に設けたので、スタックからの音が原子炉容器の内壁面まで伝わるまでの減衰を小さくすることができる。このため、スタックからの音を効率的に原子炉容器の外部に効率的に伝えることができる。
【００１２】
（６）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料集合体は、上記（１）〜（５）の何れかの構成を有する少なくとも一つの燃料棒センサを含む。
【００１３】
上記（６）の構成では、二重壁部の内部空間（外壁と内壁の間の空間）を真空状態としたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、二重壁部を介しては外部へ伝播しない。また、二重壁部の設置範囲以外の領域に振動板部を設けたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、振動板部の向く方向において該振動板部の外部に放出される。このため、燃料棒センサから発せられる音を所望の方向に伝播させることができる。また、燃料棒センサから発せられた音が指向性を有することから、燃料棒センサから出力された音響エネルギーを音検出器に効率的に伝えることができる。
【００１４】
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記少なくとも一つの燃料棒センサは、
原子炉容器内における第１位置に設けられる第１燃料棒センサと、
前記原子炉容器内における第２位置に設けられる第２燃料棒センサと、
を含み、
前記第１燃料棒センサ及び前記第２燃料棒センサは、前記第１燃料棒センサの前記被覆壁の軸心から前記振動板部に延ばした第１仮想線と、前記第２燃料棒センサの前記被覆壁の軸心から前記振動板部に延ばした第２仮想線とが前記原子炉容器内において交わらないように配置される。
上記（７）の構成によれば、各燃料棒センサのそれぞれの被覆壁の軸心から振動板部に延ばした仮想線（第１仮想線および第２仮想線）が原子炉容器内において交わらないようにしたので、それぞれの振動板部から放出される音が原子炉容器の内壁に伝わるまで互いに干渉することが実質的にない。このため、複数の燃料棒センサからの音を混在させることなく、各々の燃料棒センサからの音を別々に検出することができる。
【００１５】
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、前記第１仮想線と前記第２仮想線との距離が、前記原子炉容器の内壁に近付くにつれて大きくなる。
これにより、それぞれの振動板部から放出される音が原子炉容器の内壁に伝わるまで互いに干渉することをより確実に防止できる。
【００１６】
（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）の構成において、前記第１燃料棒センサの前記振動板部と、前記第２燃料棒センサの前記振動板部とは、前記原子炉容器内における高さ位置が互いに異なる。
上記（９）の構成によれば、各燃料棒センサの振動板部の高さ位置が互いに異なるので、振動板部から放出される音の高さ位置が互いに異なる。このため、複数の燃料棒センサからの音を混在させることなく、各々の燃料棒センサからの音を別々に検出することができる。
【００１７】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（７）〜（９）の何れかの構成において、
前記第１燃料棒センサ及び前記第２燃料棒センサは、前記第１仮想線と前記第２仮想線とが互いに交わらずに同一水平面内に存在するように配置される。
上記（１０）の構成によれば、各燃料棒センサのそれぞれの被覆壁の軸心から振動板部に延ばした仮想線が同一水平面内において交わらないようにしたので、複数の燃料棒センサからの音を混在させることなく、各々の燃料棒センサからの音を別々に検出することができる。
【００１８】
（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る原子炉は、
原子炉容器と、
前記原子炉容器に収容される上記（６）〜（１０）の何れかの構成を有する燃料集合体と、
を備える。
【００１９】
上記（１１）の構成では、二重壁部の内部空間（外壁と内壁の間の空間）を真空状態としたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、二重壁部を介しては外部へ伝播しない。また、二重壁部の設置範囲以外の領域に振動板部を設けたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、振動板部の向く方向において該振動板部の外部に放出される。このため、燃料棒センサから発せられる音を所望の方向に伝播させることができる。また、燃料棒センサから発せられた音が指向性を有することから、燃料棒センサから出力された音響エネルギーを音検出器に効率的に伝えることができる。
【００２０】
（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る原子力プラントは、
上記（１１）の構成を有する原子炉と、
前記原子炉で発生した熱によって生成された蒸気により駆動されるように構成された蒸気タービンと、
を備える。
【００２１】
上記（１２）の構成では、二重壁部の内部空間（外壁と内壁の間の空間）を真空状態としたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、二重壁部を介しては外部へ伝播しない。また、二重壁部の設置範囲以外の領域に振動板部を設けたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、振動板部の向く方向において該振動板部の外部に放出される。このため、燃料棒センサから発せられる音を所望の方向に伝播させることができる。また、燃料棒センサから発せられた音が指向性を有することから、燃料棒センサから出力された音響エネルギーを音検出器に効率的に伝えることができる。
【００２２】
（１３）本発明の少なくとも一実施形態に係る原子炉監視システムは、
上記（１）〜（５）の何れの構成を有する燃料棒センサと、
前記燃料棒センサの前記振動板部を介して前記スタックから出力された前記音を検出する音検出器と、
前記音検出器の検出結果に基づいて、原子炉の状態監視を行うための状態監視ユニットと、を備える。
【００２３】
熱音響センサが発する音の周波数は、熱音響センサの周囲の原子炉の状態（例えば、原子炉容器内の冷却材の温度等）を示す。よって、上記（１３）の構成によれば、熱音響センサから発せられて音検出器で検出された音から算出された音の周波数に基づいて、原子炉の状態を監視することができる。また、上記（１３）の構成では、二重壁部の内部空間（外壁と内壁の間の空間）を真空状態としたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、二重壁部を介しては外部へ伝播しない。また、二重壁部の設置範囲以外の領域に振動板部を設けたので、燃料棒センサのスタックから発せられた音は、振動板部の向く方向において該振動板部の外部に放出される。このため、燃料棒センサから発せられる音を所望の方向に伝播させることができる。また、燃料棒センサから発せられた音が指向性を有することから、燃料棒センサから出力された音響エネルギーを音検出器に効率的に伝えることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、所望の方向に音を伝えることが可能な燃料棒センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一実施形態に係る原子力プラントの概略構成図である。
【図２】一実施形態に係る燃料棒を含む燃料集合体の一例を示す図である。
【図３】一実施形態に係る燃料棒の概略構成図である。
【図４】一実施形態に係る燃料棒センサの前提である、熱音響センサが組み込まれた燃料棒の概略構成図である。
【図５】一実施形態に係る燃料棒センサの構成を示す図である。
【図６】一実施形態に係る燃料棒センサの構成を示す図である。
【図７】一実施形態に係る燃料棒センサの構成を示す図である。
【図８】一実施形態に係る燃料棒センサの平面視における模式図である。
【図９】一実施形態に係る複数の燃料棒センサの配置構成を示す平面視における模式図である。
【図１０】一実施形態に係る複数の燃料棒センサの配置構成を示す平面視における模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２７】
図１は、一実施形態に係る原子力プラントの概略構成図である。図１に示すように、原子力プラント１は、核分裂反応で発生する熱エネルギーにより蒸気を生成するための原子炉２と、原子炉２で生成された蒸気により駆動される蒸気タービン４と、蒸気タービン４の回転軸の回転により駆動される発電機６を備える。なお、図１に示す原子炉２は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ）である。他の実施形態では、原子炉２は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ：Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ）であってもよく、あるいは、加圧水型原子炉及び沸騰水型原子炉を含む軽水炉とは異なり、減速材又は冷却材として軽水以外の物質を用いるタイプの原子炉であってもよい。
【００２８】
原子炉２は、一次冷却水（一次冷却材）が流れる一次冷却ループ１０と、一次冷却ループ１０に設けられる原子炉容器（圧力容器）１１、加圧器１４、蒸気発生器１６及び一次冷却材ポンプ１８と、を含む。一次冷却材ポンプ１８は、一次冷却ループ１０において一次冷却水を循環させるように構成される。また、加圧器１４は、一次冷却ループ１０において、一次冷却水が沸騰しないように、一次冷却水を加圧するように構成される。なお、原子炉２を構成する原子炉容器１１、加圧器１４、蒸気発生器１６及び一次冷却材ポンプ１８は、原子炉格納容器１９に格納される。
原子炉容器１１にはペレット状の核燃料（例えばウラン燃料やＭＯＸ燃料等）を含む燃料棒１２が収容されており、この燃料の核分裂反応で発生する熱エネルギーにより、原子炉容器１１の中の一次冷却水が加熱される。原子炉容器１１には、原子炉出力を制御するために、核燃料を含む炉心で生成される中性子数を吸収して調整するための制御棒１３が設けられている。なお、原子炉容器１１内で加熱された一次冷却水は蒸気発生器１６に送られ、熱交換により二次冷却ループ２０を流れる二次冷却水（二次冷却材）を加熱して蒸気を発生させる。
【００２９】
蒸気発生器１６において生成された蒸気は、高圧タービン２１及び低圧タービン２２を含む蒸気タービン４に送られて、蒸気タービン４を回転駆動させる。また、蒸気タービン４は回転軸を介して発電機６と連結されており、発電機６は該回転軸の回転により駆動されて、電気エネルギーを生成する。なお、高圧タービン２１と低圧タービン２２との間には湿分分離加熱器２３が設けられており、高圧タービン２１で仕事をした後の蒸気を再度加熱してから低圧タービン２２に送るようになっている。
【００３０】
二次冷却ループ２０には、復水器２４、低圧給水加熱器２６、脱気器２７及び高圧給水加熱器２９が設けられており、低圧タービン２２で仕事をした後の蒸気がこれらの機器を通る過程で凝縮されるとともに加熱され、蒸気発生器１６に戻るようになっている。二次冷却ループ２０には、復水ポンプ２５及び給水ポンプ２８が設けられており、これらのポンプにより二次冷却ループ２０において二次冷却水が循環するようになっている。また、復水器２４には、低圧タービン２２からの蒸気を熱交換により冷却するための冷却水（例えば海水）がポンプ１５を介して供給されるようになっている。
【００３１】
図２は、一実施形態に係る燃料棒を含む燃料集合体の一例を示す図である。原子炉容器１１に収容される燃料棒１２は、複数の燃料棒１２の集合体である燃料集合体５０を構成してもよい。
図２に示す燃料集合体５０は、燃料集合体５０の両端部に配置されて冷却材の流路を確保するための上部ノズル５６及び下部ノズル５８と、上部ノズル５６と下部ノズル５８との間に設けられる燃料棒１２、炉内計装用案内シンブル（不図示）及び複数の制御棒案内シンブル（不図示）と、燃料棒１２を格子配列に維持するための支持格子５４と、を含む。炉内計装用案内シンブル及び制御棒案内シンブルは、燃料棒１２と略平行に設けられ、燃料棒１２とともに格子配列を形成するように配置される。
上部ノズル５６及び下部ノズル５８の各々と、炉内計装用案内シンブル及び制御棒案内シンブルの各々とは、溶接により互いに接合されており、燃料集合体５０の支持骨格を形成している。
【００３２】
なお、燃料集合体５０に含まれる複数の燃料棒１２における核分裂反応は、複数の制御棒１３を備える制御棒クラスタ５１により制御されるようになっている。制御棒クラスタ５１は駆動装置（図示しない）により駆動されて、制御棒クラスタ５１の備える複数の制御棒１３が制御棒案内シンブルの中を上下に移動するようになっている。
【００３３】
図３は、一実施形態に係る燃料棒の概略構成図である。図３に示すように、燃料棒１２は、被覆管３０と、被覆管３０の内部に収容された燃料ペレット３２と、被覆管３０の両端を封止するための端栓（３４，３６）と、を含む。なお、端栓３４は、燃料棒１２が原子炉容器１１に装着された際に鉛直方向上側に位置する端栓であり、端栓３６は、燃料棒１２が原子炉容器１１に装着された際に鉛直方向下側に位置する端栓である。また、被覆管３０の内部には、例えばヘリウムが加圧封入されていてもよい。
被覆管３０の内部において、燃料ペレット３２は、端栓３４により一端の位置が定まる付勢部材３７（図３においてはコイルばね）によって付勢されて、付勢部材３７と端栓３６との間に固定される。また、付勢部材３７で燃料ペレット３２を付勢することにより、被覆管３０の内部において、燃料ペレット３２の上端面３３と端栓３４の下端面３５との間にはプレナム３１が形成されており、燃料ペレット３２の核分裂により生成されるガスがプレナム３１の中に閉じ込められるようになっている。
【００３４】
被覆管３０及び端栓（３４，３６）は、例えばジルカロイ−４を材料として作製され、被覆管３０と端栓３４及び被覆管３０と端栓３６は、それぞれ溶接により接合されて密封構造とされる。
燃料ペレット３２は、ウラン燃料やＭＯＸ燃料の材料を成形して焼結したものであり、通常は円柱状の形状を有する。
【００３５】
図４は、一実施形態に係る燃料棒センサの前提である、熱音響センサが組み込まれた燃料棒の概略構成図である。複数の燃料棒１２のうちいくつかは、以下に説明するように熱音響センサ４０が組み込まれていてもよい。なお、図４に示す燃料棒１２は、端栓３４と燃料ペレット３２との間に固定リング３８が設けられており、燃料ペレット３２を付勢する付勢部材３７の一端の位置は固定リング３８により定まるようになっている点を除いて、図３に示す燃料棒１２と同様の構成を有する。
図４に示すように、熱音響センサ４０は、レゾネータとして機能するチャンバ４２を画定するハウジング４１と、チャンバ４２の中に配置されるスタック４４とを備える。ここでは、燃料棒１２の被覆管３０がハウジング４１の機能を有する。図４に示す例では、ハウジング４１の内壁面と、端栓３４の下端面３５と、燃料ペレット３２の上端面３３とにより、長さがＬのチャンバ４２が画定される。
スタック４４は、その両端、すなわち熱源に近い側の高温側端４５と、熱源からより遠い側の低温側端４６との間にある程度の温度差が生じると、チャンバ４２の中で音波を生成する熱音響素子である。燃料ペレット３２は、スタック４４に熱を与える熱源としての役割を有し、燃料ペレット３２からの熱により、スタック４４において高温側端４５と低温側端４６との間に温度差が生じる。また、燃料ペレット３２からの熱に加えて、燃料ペレット３２の核分裂反応によって発生する電磁波により、スタック４４の高温側端４５がさらに加熱されると、スタック４４において高温側端４５と低温側端４６との間でさらに温度差が生じる。この温度差が所定値以上になると、スタック４４を流れる熱流束の一部が、チャンバ４２内部の温度に応じた周波数をもつ音波に変換される。
スタック４４と燃料ペレット３２とは、チャンバ（レゾネータ）４２の中で音の定在波が生成するような位置関係になっている。
【００３６】
スタック４４は、チャンバ４２の長さ方向に沿って平行に配列された複数の微細な孔（チャネル）を有するセラミック素子である。
他の実施形態では、スタック４４は、例えば、金属スパイラル、金属フォーム、金属フェルト、セラミックフォーム又はカーボンフォームから構成されていてもよく、ハニカム構造を有していてもよい。
また図４に示すスタック４４の断面形状は、円筒状のハウジング４１の断面形状に合わせた円形状であるが、四角形等別の形状を有していてもよい。
【００３７】
上述のように熱音響センサ４０にて生成される音の定在波の周波数は、チャンバ４２内部の温度に依存し、該周波数はチャンバ４２内の有効温度とともに増加する。なお、チャンバ４２内の有効温度とは、チャンバ４２内部の温度が一様であると仮定される場合に、同一の周波数の定在波を生成する時の温度である。このような有効温度として、例えば、チャンバ４２内の温度の積分平均又は重みづけ平均を用いることができる。
また、チャンバ４２内の温度は、スタック４４からの放射熱や、ハウジング４１（被覆管３０）の周囲に存在する一次冷却材（以降において単に「冷却材」とも称する）の温度に依存して決まる。
したがって、熱音響センサ４０にて生成される音の定在波の周波数を計測すれば、ハウジング４１の周囲の冷却材の温度を知ることができる。
【００３８】
ここで、熱音響センサ４０で発せられる音（共鳴音）の周波数と、熱音響センサ４０のレゾネータ（チャンバ４２）内部の温度との相関関係は、以下のように説明できる。
レゾネータ（チャンバ４２）の長さがＬであるとき、レゾネータの両端が固定端である場合の音の定在波の基本振動における波長は２Ｌであるので、熱音響センサ４０で発せられる音（共鳴音）の周波数ｆとレゾネータ内部の気体の温度Ｔとの関係は、下記式（１）で表すことができる。
【数１】
2016161521.tif 000003
ただし、式（１）において、ｃは音速であり、κはレゾネータ内部の気体の比熱比であり、Ｔはレゾネータ内部の気体の温度であり、Ｒは気体定数である。式（１）により示されるように、共鳴音の周波数ｆは、熱音響センサ４０のレゾネータ（チャンバ４２）内部の温度Ｔに依存する。
【００３９】
また、上述の式（１）を変形して得られる下記式（２）により、熱音響センサ４０で発せられた音（共鳴音）の周波数ｆに対応するレゾネータ内部の気体の温度Ｔを算出することができる。
【数２】
2016161521.tif 000004
また、熱音響センサ４０の周囲の冷却材の温度と、レゾネータ（チャンバ４２）内部の温度Ｔとは、相関性を有する。よって、熱音響センサ４０共鳴音の周波数は、熱音響センサ４０の周囲の冷却材の温度に依存する。したがって、熱音響センサ４０により発せられる共鳴音の周波数と、熱音響センサ４０の周囲の冷却材の温度とは互いに相関関係を有する。
このことから、原子炉容器１１内の冷却材の正常な温度範囲の上限値及び下限値をそれぞれ示す冷却材温度の閾値ＴｃＴｈ＿Ｈ及びＴｃＴｈ＿Ｌを予め定めておき、上記式（２）により得られる冷却材温度が閾値の範囲外であれば、原子炉２の状態が異常であると判断することができる。
なお、原子炉容器１１内の冷却材の正常な温度範囲の上限値及び下限値をそれぞれ示す冷却材温度の閾値ＴｃＴｈ＿Ｈ及びＴｃＴｈ＿Ｌは、データ蓄積装置より採取された健全時の運転データに基づいて決定されもよい。
【００４０】
また、熱音響センサ４０にて生成される音の定在波の周波数は、チャンバ４２内に存在する混合ガスの平均分子量にも依存し、該周波数は、混合ガスの比熱比γと平均分子量Ｍとの比（γ／Ｍ）と相関性を有する。よって、熱音響センサ４０にて生成される音の定在波の周波数によって、混合ガスに関する情報が提供される。
【００４１】
なお、燃料棒１２に組み込まれた熱音響センサ４０では、燃料ペレット３２において経年変化によるクラックが発生した場合に、以下のような現象が発生する。まず、クラックはハウジング４１の内部においてガスの体積を増やすので、レゾネータ（チャンバ４２）の有効長さが長くなり、共鳴周波数が減少する。また、クラックにより燃料ペレット３２の表面積が増えるので、音波の振幅が減少する。
よって、燃料棒１２組み込まれたレゾネータにより発せられる音について共鳴振動数や振幅の変化を観測することで、燃料ペレット３２の経年劣化を監視することができる。
【００４２】
このように、熱音響センサ４０にて生成される音の定在波の周波数や振幅を計測することにより、燃料棒１２の周囲の冷却材の温度に関する情報を得ることができる。
【００４３】
熱音響センサ４０にて生成される音波は、ハウジング４１（燃料棒１２の被覆管３０）及びハウジング４１の周囲に存在する冷却材を介して伝達される。このように伝達される音波は、遠隔地においてマイクロフォンやハイドロフォンで受け取ることができる。
【００４４】
熱音響センサ４０は、原子炉容器１１内において互いに異なる位置に複数設置してもよい。これにより、異なる複数の位置における燃料棒１２の内部及び燃料棒１２の周囲の冷却水に関する情報を得ることができる。
この場合、各熱音響センサ４０からの音を区別できるようにするために、複数の熱音響センサが生成する定在波の波長を、互いに異ならせてもよい。各熱音響センサ４０のレゾネータ（チャンバ４２）の長さＬは、例えば、各熱音響センサ４０において生成させる定在波の波長の１／２程度としてもよい。
【００４５】
また、原子炉容器１１内に複数の熱音響センサ４０を設ける場合、熱音響センサ４０の各々が異なる方向に指向性を持つようにして（即ち、生成される音波がそれぞれ異なる特定の方向に伝播するようにして）、複数の熱音響センサ４０によって生成される音波が混在しないようにしてもよい。
【００４６】
以上においては、スタック４４の両端に温度差を生じさせるための熱源として燃料棒１２内部の燃料ペレット３２を用いる実施形態について説明したが、他の実施形態では、このような熱源として、ガンマ線吸収材等の高エネルギー放射線吸収体を用いてもよい。
例えば、燃料棒１２の内部の一端側において、熱源である燃料ペレット３２から封止された領域を形成し、熱音響センサ４０は、熱源としての高エネルギー放射線吸収体とともにこの領域に設けられてもよい。
【００４７】
このように熱源として高エネルギー放射線吸収体を用いる場合、熱音響センサ４０は、原子炉容器１１の内部において、高エネルギー放射線に曝されるように核燃料に十分近いところに配置される。
また、この場合、熱音響センサ４０の内部には核燃料が存在せず、核分裂によるガスの生成は起こらないため、チャンバ４２内の混合ガスの平均分子量は変化しない。このため、熱音響センサ４０で生じる音の定在波の周波数は、温度に依存して変化するが、混合ガスの分子量や核燃料の状態（クラックの生成等）に依っては変化しない。
【００４８】
次に、図５〜図１０を参照して、一実施形態に係る燃料棒センサについて説明する。上述にて説明した燃料棒１２及び燃料棒１２に組み込まれた熱音響センサ４０のうちのいくつかは、以下に説明する燃料棒センサ７０であってもよい。
図５〜図７は、それぞれ、一実施形態に係る燃料棒センサの構成を示す図である。図５〜図７に示すように、一実施形態に係る燃料棒センサ７０は、ペレット（燃料ペレット）３２と、ペレット３２を収容するための内部空間（チャンバ）４２を形成する被覆壁７７と、内部空間（チャンバ）４２に設けられるスタック４４と、を備える。スタック４４は、内部空間４２のうちペレット３２の収容空間以外の領域に設けられ、ペレット３２を熱源として熱音響変換により音を発するように構成される。被覆壁７７は、外壁７１と内壁７２との間の空間７５が真空状態である二重壁部７４と、振動板７６（振動板部）と、を含む。振動板７６は、被覆壁７７のうち二重壁部７４の設置範囲以外の領域に設けられ、スタック４４から発せられた音を外部に放出するように構成される。
ここで、被覆壁７７は、上述の被覆管３０（ハウジング４１）及び端栓（３４、３６）を含む概念である。
【００４９】
図５〜図７に示す実施形態では、二重壁部７４の内部空間（外壁７１と内壁７２の間の空間７５）を真空状態としたので、燃料棒センサ７０のスタック４４から発せられた音は、二重壁部７４を介しては外部へ伝播しない。また、二重壁部７４の設置範囲以外の領域に振動板７６を設けたので、燃料棒センサ７０のスタック４４から発せられた音は、振動板７６の向く方向において振動板７６の外部に放出される。このため、燃料棒センサ７０から発せられる音を所望の方向に伝播させることができる。また、燃料棒センサ７０から発せられた音が指向性を有することから、燃料棒センサ７０から出力された音響エネルギーを後述する音検出器４８に効率的に伝えることができる。
【００５０】
図５に示す実施形態では、振動板７６は、被覆壁７７の上端面８０に形成される。この場合、スタック４４からの音を被覆壁７７の上端面８０から燃料棒センサの外部に放出させることができる。
【００５１】
幾つかの実施形態では、振動板７６が被覆壁７７の上端面８０に形成されるとともに、被覆壁７７は、振動板７６が設けられた上端面８０側の端部において湾曲されて、振動板７６を、鉛直上向き以外の所望の方向に向けるようにしてもよい。
例えば、被覆壁７７を上端面８０側の端部において９０°湾曲させて、振動板７６からの音が水平方向に放出されるようにしてもよい。この場合、振動板７６からの音は、燃料棒センサ７０の側方に位置する原子炉容器１１の内壁に向かって伝播するため、例えば原子炉容器１１の該壁面に設けた音検出器で該音を検出することが容易となる。
【００５２】
図６に示す実施形態では、振動板７６は、被覆壁７７の下端面８２に形成される。この場合、スタック４４からの音を被覆壁７７の下端面８２から燃料棒センサの外部に放出させることができる。
【００５３】
幾つかの実施形態では、振動板７６が被覆壁７７の下端面８２に形成されるとともに、被覆壁７７は、振動板７６が設けられた下端面８２側の端部において湾曲されて、振動板７６を、鉛直上向き以外の所望の方向に向けるようにしてもよい。
例えば、被覆壁７７を下端面８２側の端部において９０°湾曲させて、振動板７６からの音が水平方向に放出されるようにしてもよい。この場合、振動板７６からの音は、燃料棒センサ７０の側方に位置する原子炉容器１１の内壁に向かって伝播するため、例えば原子炉容器１１の該壁面に設けた音検出器で該音を検出することが容易となる。
【００５４】
図７に示す実施形態では、振動板７６は、被覆壁７７の外周面８４に形成される。この場合、スタック４４からの音を被覆壁７７の外周面８４から燃料棒センサ７０の外部に放出させることができる。
【００５５】
図８は、一実施形態に係る燃料棒センサの平面視における模式図である。幾つかの実施形態では、図８に示すように、振動板７６は、被覆壁７７の外周面８４に形成されており、被覆壁７７の外周面８４のうち、原子炉容器１１の内壁面７８までの距離Ｄが最も短い領域に設けられている。被覆壁７７の外周面８４のうち、原子炉容器１１の内壁面７８までの距離Ｄが最も短い領域とは、例えば、平面視において、被覆壁７７の外周面８４のうち、内壁面７８のうち軸心Ｏから最も近い点と被覆壁７７の軸心Ｏとを結ぶ直線と、振動板７６の端部と軸心Ｏとを結ぶ直線とがなす角度αが−４５°以上４５°以下の範囲内の領域であってもよい。
このように、振動板７６を、被覆壁７７の外周面８４のうち、原子炉容器１１の内壁面７８までの距離Ｄが最も短い領域に設けることで、スタック４４からの音が原子炉容器１１の内壁面７８まで伝わるまでの減衰を小さくすることができる。このため、スタック４４からの音を効率的に原子炉容器１１の外部に効率的に伝えることができる。
【００５６】
図９及び図１０は、それぞれ、一実施形態に係る燃料集合体を構成する複数の燃料棒センサの配置構成を示す平面視における模式図である。
一実施形態において、燃料集合体５０は、原子炉容器１１内における第１位置に設けられる第１燃料棒センサ７０Ａと、原子炉容器１１内における第２位置に設けられる第２燃料棒センサ７０Ｂと、を含む。そして、第１燃料棒センサ７０Ａ及び第２燃料棒センサ７０Ｂは、図９に示すように、第１燃料棒センサ７０Ａの被覆壁７７Ａの軸心ＯＡから振動板７６に延ばした第１仮想線ＬＡと、第２燃料棒センサ７０Ｂの被覆壁７７Ｂの軸心ＯＢから振動板７６に延ばした第２仮想線ＬＢとが原子炉容器１１内において交わらないように配置される。なお、この場合において、第１仮想線ＬＡと第２仮想線ＬＢとが原子炉容器１１の外部で交わっていても構わない。
【００５７】
各燃料棒センサ（７０Ａ，７０Ｂ）のそれぞれの被覆壁（７７Ａ，７７Ｂ）の軸心（ＯＡ，ＯＢ）から振動板７６に延ばした仮想線（第１仮想線ＬＡおよび第２仮想線ＬＢ）が原子炉容器１１内において交わらないようにすることで、それぞれの振動板７６から放出される音が原子炉容器１１の内壁面７８に伝わるまで互いに干渉することが実質的にない。このため、複数の燃料棒センサ（７０Ａ，７０Ｂ）からの音を混在させることなく、各々の燃料棒センサ（７０Ａ，７０Ｂ）からの音を別々に検出することができる。
【００５８】
また、上述したように、各燃料棒センサ７０（熱音響センサ４０）のレゾネータ（チャンバ４２）の長さＬを異ならせることで、各燃料棒センサ７０（熱音響センサ４０）からの音を区別できるようにすることができるが、燃料棒センサ７０の設置スペースの制約などによりレゾネータ長さを燃料棒センサ７０毎に異ならせることが難しい場合がある。このような場合であっても、第１仮想線ＬＡおよび第２仮想線ＬＢが原子炉容器１１内において交わらないように各燃料棒センサ（７０Ａ，７０Ｂ）を配置することで、複数の燃料棒センサを用いて複数個所の状態を監視することが可能である。
【００５９】
また、各振動板（７６Ａ，７６Ｂ）からの音が水平に放出されるようになっている場合、第１仮想線ＬＡおよび第２仮想線ＬＢが原子炉容器１１内において交わらないように各燃料棒センサ（７０Ａ，７０Ｂ）を配置することで、各振動板（７６Ａ，７６Ｂ）からの音の原子炉容器１１の内壁面７８における到達位置が異なる。よって、各到達位置に設けた音検出器により各振動板（７６Ａ，７６Ｂ）からの音を検出することができる。このため、複数の燃料棒センサ７０から発せられて混在した音がどの燃料棒センサ７０からのものであるかを、周波数解析により特定する必要がない。
【００６０】
一実施形態において、燃料集合体５０は、原子炉容器１１内における第１位置に設けられる第１燃料棒センサ７０Ａと、原子炉容器１１内における第２位置に設けられる第２燃料棒センサ７０Ｂと、を含む。そして、第１燃料棒センサ７０Ａ及び第２燃料棒センサ７０Ｂは、図１０に示すように、第１仮想線ＬＡと、第２仮想線ＬＢとの距離Ｄが、原子炉容器１１の内壁面７８に近づくにつれて大きくなるように配置される。これにより、それぞれの振動板（７６Ａ，７６Ｂ）から放出される音が原子炉容器１１の内壁面７８に伝わるまで互いに干渉することをより確実に防止できる。
なお、第１仮想線ＬＡと、第２仮想線ＬＢとの距離Ｄは、第１燃料棒センサ７０Ａの被覆壁７７Ａの軸心ＯＡと、原子炉容器１１の軸心ＯＲとを結ぶ直線上の点ＰＡと、第２燃料棒センサ７０Ｂの被覆壁７７Ｂの軸心ＯＢと、原子炉容器１１の軸心ＯＲとを結ぶ直線上の点ＰＢと、の距離であり、ただし、点ＰＡ及び点ＰＢは、ＯＡＰＡ間の長さと、ＯＢＰＢ間の長さとが等しくなるような点である。
【００６１】
幾つかの実施形態では、燃料集合体５０は、原子炉容器１１内における第１位置に設けられる第１燃料棒センサ７０Ａと、原子炉容器１１内における第２位置に設けられる第２燃料棒センサ７０Ｂと、を含む。そして、第１燃料棒センサ７０Ａの振動板７６Ａと、第２燃料棒センサ７０Ｂの振動板７６Ｂとは、原子炉容器１１内における高さ位置が互いに異なる。
このように、各燃料棒センサ（７０Ａ，７０Ｂ）の振動板（７６Ａ，７６Ｂ）の高さ位置が互いに異ならせることで、各振動板（７６Ａ，７６Ｂ）から放出される音の高さ位置が互いに異なる。このため、複数の燃料棒センサ７０（７０Ａ，７０Ｂ）からの音を混在させることなく、各々の燃料棒センサ（７０Ａ，７０Ｂ）からの音を別々に検出することができる。
【００６２】
幾つかの実施形態では、燃料集合体５０は、原子炉容器１１内における第１位置に設けられる第１燃料棒センサ７０Ａと、原子炉容器１１内における第２位置に設けられる第２燃料棒センサ７０Ｂと、を含む。そして、第１燃料棒センサ７０Ａ及び第２燃料棒センサ７０Ｂは、第１仮想線ＬＡと第２仮想線ＬＢとが互いに交わらずに同一水平面内に存在するように配置される。
このように、各燃料棒センサ（７０Ａ，７０Ｂ）のそれぞれの被覆壁（７７Ａ，７７Ｂ）の軸心（ＯＡ，ＯＢ）から各振動板（７６Ａ，７６Ｂ）に延ばした各仮想線（第１仮想線ＬＡと第２仮想線ＬＢ）が同一水平面内において交わらないようにすることで、複数の燃料棒センサ７０（７０Ａ，７０Ｂ）からの音を混在させることなく、各々の燃料棒センサ（７０Ａ，７０Ｂ）からの音を別々に検出することができる。
【００６３】
一実施形態において、原子炉２は、原子炉監視システム１２０によって監視されるようになっていてもよい。一実施形態に係る原子炉監視システム１２０は、図１に示すように、以上において説明した燃料棒センサ７０と、燃料棒センサ７０の振動板７６を介してスタック４４から出力された音を検出する音検出器４８と、音検出器４８の検出結果に基づいて、原子炉２の状態監視を行うための状態監視ユニット１００と、を備える。
【００６４】
燃料棒センサ７０（熱音響センサ４０）が発する音の周波数は、燃料棒センサ７０の周囲の原子炉２の状態（例えば、原子炉容器１１内の冷却材の温度等）を示す。燃料棒センサ７０から発せられて音検出器４８で検出された音から算出された音の周波数に基づいて、原子炉２の状態を監視することができる。また、音検出器４８は、燃料集合体５０が移動した場合、燃料集合体５０を追従する機構を備えても良い。
【００６５】
一実施形態において、状態監視ユニット１００は、音検出器４８での検出結果に対して周波数解析（ＦＦＴ解析）を行い、この周波数解析結果における音圧ピーク（音圧ピークの周波数又は音圧ピークの大きさ）を算出するように構成されてもよい。
また、状態監視ユニット１００は、このようにして算出された音圧ピークの周波数又は音圧ピークの大きさに基づいて、原子炉２の状態監視を行うように構成されてもよい。
例えば、状態監視ユニット１００は、算出された音圧ピークの周波数が予め設定された規定範囲（例えばｆＴｈ＿Ｌ以上ｆＴｈ＿Ｈ以下）を逸脱していれば、原子炉２に異常が生じていると判断し、算出された音圧ピークの周波数が予め設定された規定範囲（例えばｆＴｈ＿Ｌ以上ｆＴｈ＿Ｈ以下）に入っていれば、原子炉２に異常は生じていないと判断するように構成されていてもよい。
【００６６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【００６７】
また、本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【００６８】
１      原子力プラント
２      原子炉
４      蒸気タービン
６      発電機
１０    一次冷却ループ
１１    原子炉容器
１２    燃料棒
１３    制御棒
１４    加圧器
１５    ポンプ
１６    蒸気発生器
１８    一次冷却材ポンプ
１９    原子炉格納容器
２０    二次冷却ループ
２１    高圧タービン
２２    低圧タービン
２３    湿分分離加熱器
２４    復水器
２５    復水ポンプ
２６    低圧給水加熱器
２７    脱気器
２８    給水ポンプ
２９    高圧給水加熱器
３０    被覆管
３１    プレナム
３２    ペレット（燃料ペレット）
３３    上端面
３４    端栓
３５    下端面
３６    端栓
３７    付勢部材
３８    固定リング
４０    熱音響センサ
４１    ハウジング
４２    内部空間（チャンバ）
４４    スタック
４５    高温側端
４６    低温側端
４８    音検出器
５０    燃料集合体
５１    制御棒クラスタ
５４    支持格子
５６    上部ノズル
５８    下部ノズル
７０    燃料棒センサ
７０Ａ  第１燃料棒センサ
７０Ｂ  第２燃料棒センサ
７１    外壁
７２    内壁
７４    二重壁部
７５    空間
７６    振動板
７７    被覆壁
７８    内壁面
８０    上端面
８２    下端面
８４    外周面
１００  状態監視ユニット
１２０  原子炉監視システム
ＬＡ    第１仮想線
ＬＢ    第２仮想線
【図１】
2016161521.tif 000005
【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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