(57)【要約】【課題】本発明の原子炉は、容器内の構造物への振動の伝搬を抑制することができる。【解決手段】原子炉は、音を発生させる音源部１００を有する炉内構造物２０と、内部に炉内構造物２０を収容するとともに、前記内部から外部へ伝搬した音を測定する測定位置を有する容器１１と、音源部１００から測定位置までの測定経路を遮らないように、容器１１の内部の少なくとも一部に設けられ、音源部１００から発生する音を反射させる反射部１５，１６とを備える。【選択図】図２
2016161498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音を発生させる音源部を有する炉内構造物と、
内部に炉内構造物を収容するとともに、前記内部から外部へ伝搬した音を測定する測定位置を有する容器と、
前記音源部から前記測定位置までの測定経路を遮らないように、前記容器の内部の少なくとも一部に設けられ、前記音源部から発生する音を反射させる反射部とを備える原子炉。
【請求項２】
前記反射部は、
前記炉内構造物を支持する支持部と、
前記支持部と密度が異なり、前記支持部に積層される反射面形成部とを有する請求項１に記載の原子炉。
【請求項３】
前記反射面形成部は、焼結金属で構成されている請求項２に記載の原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントの原子炉圧力容器には、燃料ペレットが充填された複数の燃料棒が集まった燃料集合体が収容されている。このような原子炉圧力容器では、内部に満たされた冷却水によって、高温となる燃料集合体が冷却されている。原子炉圧力容器では、燃料集合体が冷却されていることを確認するための温度センサーが取り付けられており、内部の温度分布を監視している。
【０００３】
ところで、原子炉を運転するための全電源が喪失してしまうおそれ場合には、温度センサーが機能しなくなり、原子炉圧力容器内の温度分布を確認することが難しくなってしまう。そこで、電源が無くても原子炉圧力容器内の温度分布を確認することが可能な構造が、特許文献１に開示されている。
【０００４】
特許文献１に記載の装置は、温度センサーからケーブル等を介さないで原子炉圧力容器の外部に信号を取り出すことが可能とされている。この装置は、内部にスタックを配置した円筒状のハウジングを有する熱音響装置である。この熱音響装置は、熱源として燃料棒の端部がハウジング内の一端に配置され、熱源から離れた位置にスタックが配置されている。熱音響装置は、ハウジング内でスタック内に温度勾配を生じさせることで、熱音響原理を利用して温度差に応じた音をスタックから発生させる。原子炉圧力容器では、このような熱音響装置を内部に配置し、熱音響装置が発する音を原子炉圧力容器の外部で測定することで、内部の温度分布を確認することが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、このような熱音響装置が発する音は非常に大きく、容器の内部を伝わっていく過程で原子炉圧力容器内に収容されている構造物に、その振動が伝わってしまう。そのため、原子炉圧力容器内の構造物の疲労破壊に対する健全性を向上させる観点から熱音響装置を設ける場合には、熱音響装置のような音源が発する音による振動の影響を最小限に抑えることが望ましい。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、容器内で発生した音による振動の影響を最小限に抑制することが可能な原子炉を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の一態様に係る原子炉は、音を発生させる音源部を有する炉内構造物と、内部に炉内構造物を収容するとともに、前記内部から外部へ伝搬した音を測定する測定位置を有する容器と、前記音源部から前記測定位置までの測定経路を遮らないように、前記容器の内部の少なくとも一部に設けられ、前記音源部から発生する音を反射させる反射部とを備える。
【０００９】
このような構成によれば、音源部で発生した音のうち、測定経路を伝搬する音を測定位置まで伝搬して測定することができる。一方、音源部で発生した音のうち、測定経路以外を伝搬する音の少なくとも一部を反射部で反射することで、炉内構造物に音が伝搬することを抑制することができる。
【００１０】
また、上記原子炉では、前記反射部は、前記炉内構造物を支持する支持部と、前記支持部と密度が異なり、前記支持部に積層される反射面形成部とを有していてもよい。
【００１１】
このような構成によれば、反射部の支持部によって炉内構造物を支持できる。さらに、支持部に積層され、支持部と密度の異なる反射面形成部が設けられていることにより、支持部と反射面形成部との間に密度差により音を反射させる反射面を形成することができる。したがって、反射部によって炉内構造物を支持しながら、構造物への振動の伝搬を抑制することができる。
【００１２】
また、上記原子炉では、前記反射面形成部は、焼結金属で構成されていてもよい。
【００１３】
このような構成によれば、反射面形成部と支持部との境界の密度差を大きくすることができる。したがって、高い精度で音を反射させる反射面を形成することができ、容器内の構造物への振動の伝搬をより効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の原子炉によれば、反射部で音源部の音を容器内で反射させることで、容器内で発生した音による振動の影響を最小限に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における原子力発電プラントの概略を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態における原子炉圧力容器の概略を示す模式図である。
【図３】本発明の実施形態における反射部の拡大図を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施形態について図１から図３を参照して説明する。
原子力発電プラントＰは、原子炉として、例えば、軽水を原子炉冷却材及び中性子減速材として使用して高温高圧水とし、この高温高圧水を蒸気発生器３に送って熱交換により蒸気を発生させて発電機５へ送って発電する加圧水型原子炉（原子炉）１を有している。
【００１７】
本実施形態の原子力発電プラントＰは、図１に示すように、加圧水型原子炉１と、加圧水型原子炉１の原子炉圧力容器１０内の一次冷却水（軽水）の沸騰を抑えるために一次冷却水を加圧する加圧器２と、一次冷却水の熱により二次冷却水を蒸気にする蒸気発生器３と、を原子炉格納容器９の内部に備えている。原子力発電プラントＰは、蒸気発生器３で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン４と、蒸気タービン４の駆動で発電する発電機５と、蒸気タービン４からの蒸気を水に戻す復水器６と、を原子炉格納容器９の外部に備えている。
【００１８】
本実施形態の原子力発電プラントＰは、原子炉圧力容器１０と蒸気発生器３とが一次冷却水配管７ａ、７ｂで接続されている。原子力発電プラントＰは、蒸気発生器３と蒸気タービン４とが蒸気配管７ｃで接続されている。原子力発電プラントＰは、復水器６と蒸気タービン４とが給水配管７ｄで接続されている。
【００１９】
したがって、原子力発電プラントＰでは、原子炉圧力容器１０で後述する燃料棒２１ａにより軽水である一次冷却水が加熱され、高温の一次冷却水が加圧器２により所定の高圧に維持された状態で、一次冷却水配管７ａを通して蒸気発生器３に送られる。この蒸気発生器３では、高温高圧の一次冷却水と二次冷却水との間で熱交換が行われ、冷やされた一次冷却水は一次冷却水配管７ｂを通して原子炉圧力容器１０に戻される。また、蒸気発生器３にて、高温高圧の一次冷却水と熱交換を行って生成された蒸気は、蒸気配管７ｃを通して蒸気タービン４に送られ、この蒸気により蒸気タービン４を駆動して発電機５により発電を行う。このとき、蒸気発生器３からの蒸気は、蒸気タービン４を駆動した後、復水器６で海水等の冷却水を用いて冷却されて復水となり、二次冷却水として蒸気発生器３に戻される。
【００２０】
このように構成された加圧水型原子炉１の原子炉圧力容器１０は、図２に示すように、内部に一次冷却水が満たされて炉内構造物２０を収容する容器である原子炉容器本体１１と、原子炉容器本体１１の上部に装着される原子炉容器蓋１２と、を有している。
【００２１】
原子炉容器蓋１２は、上部が半球形状をなしている。原子炉容器蓋１２は、原子炉容器本体１１の上方に配置されている。原子炉容器蓋１２は、原子炉容器本体１１に対して複数のスタッドボルト等の固定具により開閉可能に固定されている。
【００２２】
原子炉容器本体１１は、原子炉容器蓋１２を取り外すことで上部が開放され、下部が半球形状をなして閉塞された有底円筒形状をなしている。原子炉容器本体１１は、一次冷却水を供給する入口ノズル１１ａと、一次冷却水を排出する出口ノズル１１ｂとが上部に形成されている。
【００２３】
加圧水型原子炉１は、入口ノズル１１ａ及び出口ノズル１１ｂより上方に配置される上部炉心支持板１３と、原子炉容器本体１１の下方の半球形状部分の近くに配置される下部炉心支持板１４と、上部炉心支持板１３と下部炉心支持板１４との間に配置される上部炉心板１５と、上部炉心板１５と下部炉心支持板１４との間に配置される下部炉心板１６と、原子炉容器本体１１の内壁面と間隔を空けて配置される炉心槽１７と、炉心槽１７内に収容される炉内構造物２０と、原子炉容器本体１１の外部で原子炉容器本体１１内の音を測定する測定部１８とを有する。
【００２４】
上部炉心支持板１３及び下部炉心支持板１４は、原子炉容器本体１１の内部で固定されている。上部炉心支持板１３及び下部炉心支持板１４は、円板形状をなしている。下部炉心支持板１４の下方には、内部の衝撃を吸収する不図示のショックアブソーバーや、原子炉容器本体１１の内部の一次冷却水の流れを整える不図示の整流板等が収容されている。
【００２５】
上部炉心板１５は、炉内構造物２０の上方を支持している。上部炉心板１５は、入口ノズル１１ａ及び出口ノズル１１ｂより下方に配置される。上部炉心板１５は、複数の炉心支持ロッド１５ａを介して上部炉心支持板１３に連結されている。上部炉心板１５は、本実施形態における音を反射させる反射部である。上部炉心板１５は、後述する熱音響装置１００から測定部１８で音を測定する測定位置までの測定経路を遮らないように、原子炉容器本体１１の内部で炉内構造物２０の上方に設けられている。図３は、上部炉心板１５の一部を拡大した図である。本実施形態の上部炉心板１５は、図３に示すように、下方から順に炉内構造物２０を支持する第一層部３１と、第一層部３１上に積層される第二層部３２と、第二層部３２上に積層される第三層部３３とを有する。
【００２６】
第一層部３１は、炉内構造物２０を支持する支持部である。本実施形態の第一層部３１は、円板形状をなしており、一次冷却水が流通するための複数の貫通孔が形成されている。第一層部３１は、原子炉圧力容器１０の内部で使用可能なように、耐食性に優れた高強度の金属材料が用いられる。第一層部３１に用いられる金属材料としては、例えば、ステンレス鋼やニッケル基合金や低合金鋼のように、炉内構造物２０を支持可能な強度を有する金属材料が好ましい。
【００２７】
第二層部３２は、支持部である第一層部３１と密度が異なり、第一層部３１との境界に音を反射させる反射面を形成する反射面形成部である。本実施形態の第二層部３２は、第一層部３１と同じ形状である円板形状をなしており、一次冷却水が流通するための複数の貫通孔が形成されている。本実施形態の第二層部３２は、隣接する他の層である第一層部３１を形成する材料よりも密度の小さい材料で構成されていることが好ましい。第二層部３２は、第一層部３１や第三層部３３に対して、音波を反射する反射面を形成可能な程度の密度差を有する材料であることが好ましい。具体的には、第二層部３２は、第一層部３１よりも密度の小さい焼結金属であることが好ましい。このような焼結金属としては、例えば、ステンレス鋼やニッケル基合金や低合金鋼を含有させた合金鋼が挙げられる。
【００２８】
第三層部３３は、第一層部３１と同様に、炉内構造物２０を支持する支持部である。本実施形態の第三層部３３は、第一層部３１及び第二層部３２と同じ形状である円板形状をなしており、一次冷却水が流通するための複数の貫通孔が形成されている。第三層部３３は、第一層部３１とともに第二層部３２を挟み込むように積層されている。第三層部３３は、原子炉圧力容器１０の内部で使用可能なように、耐食性に優れた高強度の金属材料が用いられる。本実施形態の第三層部３３は、第一層部３１と同じ材料が用いられる。
【００２９】
下部炉心板１６は、図２に示すように、炉内構造物２０の下方を支持している。下部炉心板１６は、下部炉心支持板１４によって支持されている。下部炉心板１６は、円板形状をなしており、一次冷却水が流通するための複数の貫通孔が形成されている。下部炉心板１６は、上部炉心板１５と同様に、本実施形態における音を反射させる反射部である。下部炉心板１６は、後述する熱音響装置１００から測定位置までの測定経路を遮らないように、原子炉容器本体１１の内部で炉内構造物２０の下方に設けられている。本実施形態の下部炉心板１６は、上方から順に、上部炉心板１５と同様の構成の第一層部３１と、第二層部３２と、第三層部３３とが積層されている。
【００３０】
炉心槽１７は、円筒形状をなしており、外周面が原子炉容器本体１１の内壁面と間隔を空けて配置されている。炉心槽１７は、上部が上部炉心支持板１３に連結され、下部に下部炉心支持板１４が連結されている。炉心槽１７は、内部に上部炉心板１５及び下部炉心板１６を収容している。炉心槽１７は、内部に複数の燃料集合体２１や制御棒２２が配置される領域である炉心１７ａが形成されている。炉心１７ａは、上部炉心板１５と炉心槽１７と下部炉心板１６により画成された領域である。
【００３１】
炉内構造物２０は、炉心１７ａ内に配置される燃料集合体２１と、燃料集合体２１とともに炉心１７ａ内に配置される制御棒２２と、燃料集合体２１とともに炉心１７ａ内に配置されて音を発生させる音源部である熱音響装置１００と、を有している。
【００３２】
燃料集合体２１は、複数の燃料棒が平行に束ねられて構成されている。燃料集合体２１は、上端が上部炉心板１５に支持されている。燃料集合体２１は、下端が下部炉心板１６に支持されている。
【００３３】
制御棒２２は、燃料集合体２１内に挿入可能となっている。制御棒２２は、図２に示すように、複数配置され、上端部がまとめられて制御棒クラスタ２２ａとなっている。制御棒クラスタ２２ａは、上部炉心板１５、上部炉心支持板１３、及び原子炉容器蓋１２を貫通して延在している。
【００３４】
熱音響装置１００は、原子炉に異常が生じた際に、温度環境に応じて周波数を変化させて音を発生させる音源部である。熱音響装置１００は、燃料棒とともに燃料集合体２１に組み込まれて原子炉圧力容器１０の炉心１７ａ内に複数配置されている。
【００３５】
測定部１８は、熱音響装置１００で発生して、測定経路を伝わって原子炉容器本体１１の内部から外部へ伝搬した音を原子炉容器本体１１の外部で測定する。測定部１８は、原子炉容器本体１１における測定位置である熱音響装置１００の側方の原子炉容器本体１１の側壁付近に配置されている。具体的には、測定部１８は、原子炉容器本体１１の側壁の外表面に取り付けられている。本実施形態の測定部１８は、測定経路として熱音響装置１００から原子炉容器本体１１の側壁に向かって炉心１７ａ内を側方に伝わる音を測定する。本実施形態の測定部１８は、遠隔マイクロフォンやハイドロフォンが用いられる。
【００３６】
上記のような加圧水型原子炉１では、制御棒クラスタ２２ａを移動して燃料集合体２１から制御棒２２を所定量挿入あるいは引き抜くことで、炉心１７ａ内での燃料棒２１ａの核分裂を制御する。燃料棒２１ａで発生した熱エネルギにより原子炉容器本体１１内に充填された一次冷却水が加熱される。高温の一次冷却水は、出口ノズル１１ｂから排出され、上述したように、蒸気発生器３に送られる。一方、制御棒クラスタ２２ａを移動して制御棒２２を燃料集合体２１に全て挿入することで、原子炉を停止する。
【００３７】
炉心１７ａ内での燃料棒２１ａの核分裂が増えると、その核分裂で発生した中性子あるいはγ線により、熱音響装置１００は原子炉容器本体１１の内部で音を発生させる。熱音響装置１００から生じた音は、一次冷却水を介して上部炉心板１５と下部炉心板１６との間に挟まれた炉心槽１７の炉心１７ａ内を伝搬し、原子炉容器本体１１の側壁に取り付けられた測定部１８まで伝わる。この際、熱音響装置１００から生じた音は、炉心１７ａに満たされた一次冷却水の温度によって周波数が変化する。測定部１８では、周波数の変化する熱音響装置１００からの音を測定する。測定部１８で測定した音の周波数に応じて、原子炉圧力容器１０の内部の温度状況（熱音響装置１００周囲の温度）を確認することができる。
【００３８】
上記のような加圧水型原子炉１では、反射部である上部炉心板１５と下部炉心板１６とが、熱音響装置１００から測定部１８までの測定経路である炉心１７ａ内の側方を遮らないように配置されている。そのため、熱音響装置１００で発生した音のうち、測定経路を伝搬する音を測定部１８が配置された測定位置まで伝搬して測定することができる。一方、熱音響装置１００で発生した音のうち、測定経路以外を伝搬する音の少なくとも一部を反射部である上部炉心板１５及び下部炉心板１６で反射することで、炉内構造物２０である燃料集合体２１に音が伝搬することを抑制することができる。したがって、原子炉容器本体１１内で熱音響装置１００から発生した音による振動の影響を最小限に抑制することができる。その結果、音の振動による原子炉圧力容器１０内の構造物に高サイクル疲労破壊に対する健全性を向上させることができる。
【００３９】
また、熱音響装置１００で発生した音は、上部炉心板１５及び下部炉心板１６で反射しながら、炉心１７ａ内を測定部１８が配置された原子炉容器本体１１の側壁がある側方に向かって伝わっていく。つまり、音による振動が、上部炉心板１５や下部炉心板１６を超えて原子炉容器本体１１内に伝わってしまうことを抑制できる。これにより、熱音響装置１００で発生した音が測定部１８に伝わることを阻害することなく、音による振動が原子炉容器本体１１の内部で広がって不要な箇所に伝わることを抑制することができる。
【００４０】
また、上部炉心板１５及び下部炉心板１６が熱音響装置１００の上方及び下方に配置されている。そのため、原子炉容器本体１１の上部炉心板１５よりも上方や下部炉心板１６よりも下方の燃料集合体２１が配置されていないような温度測定の不要な箇所に、音による振動が伝わることを抑制することができる。したがって、原子炉容器本体１１内の構造物への振動の伝搬を効果的に抑制することができる。
【００４１】
また、上部炉心板１５及び下部炉心板１６が、第一層部３１と、第二層部３２と、第三層部３３との密度の異なる三つの層によって形成されている。そのため、支持部である第一層部３１及び第三層部３３によって、燃料集合体２１を支持することができる。さらに、第一層部３１及び第三層部３３と、第二層部３２との密度差が変化する各層の境界に反射面を形成して音を反射させることができる。したがって、上部炉心板１５及び下部炉心板１６によって燃料集合体２１を支持しながら、上部炉心板１５よりも上方や下部炉心板１６よりも下方に配置された構造物への振動の伝搬を抑制することができる。
【００４２】
また、第二層部３２が第一層部３１及び第三層部３３よりも密度の低い焼結金属で形成されている。そのため、第一層部３１と第二層部３２との境界及び第二層部３２と第三層部３３との境界に形成される反射面の密度差を大きくすることができる。したがって、高い精度で音を反射させる反射面を形成することができ、原子炉容器本体１１内の構造物への振動の伝搬を効果的により抑制することができる。
【００４３】
また、第一層部３１及び第三層部３３が炉内構造物２０を支持可能な強度を有する金属材料として従来の原子炉容器本体１１の上部炉心板１５及び下部炉心板１６で使用されているようなステンレス鋼が用いられる場合には、従来に構造を大きく変える必要が無くなる。したがって、従来の上部炉心板及び下部炉心板に第二層部３２として、密度の低い焼結金属を挿入することで、反射部を簡易な構成で形成することができる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００４５】
なお、本実施形態の加圧水型原子炉１では、反射部を上部炉心板１５及び下部炉心板１６としたが、このような構造に限定されるものではなく、音源部から測定部１８までの測定経路を遮らないように、原子炉容器本体１１の内部の少なくとも一部に設けられていればよい。具体的には、反射部は、上部炉心板１５及び下部炉心板１６のいずれか一方であってもよい。さらに、反射部は、上部炉心板１５及び下部炉心板１６とは別に原子炉容器本体１１内に設けられていてもよく、上部炉心支持板１３や下部炉心支持板１４であったり、炉心１７ａに設けられた別の構造体であったりしてもよい。
【００４６】
また、反射部は、本実施形態のように第二層部３２が焼結金属あることに限定されるものではなく、例えば、第一層部３１及び第三層部３３を構成する金属材料よりも密度の低い発泡金属のような多孔質の金属材料であってもよい。また、第二層部３２は、第一層部３１と第三層部３３との間に充填された空気などの気体の層であってもよく、水などの液体の層であってもよい。
【００４７】
また、反射部は、本実施形態のように三層構造であることに限定されるものではなく、音源部からの音を反射することができればよい。例えば、反射部は、二層構造であってもよく、四層以上の構造であってもよい。
【符号の説明】
【００４８】
Ｐ…原子力発電プラント  １…加圧水型原子炉（原子炉）  １０…原子炉圧力容器  ２…加圧器  ３…蒸気発生器  ４…蒸気タービン  ５…発電機  ６…復水器  ７ａ、７ｂ…一次冷却水配管  ７ｃ…蒸気配管  ７ｄ…給水配管  ９…原子炉格納容器  １１…原子炉容器本体  １１ａ…入口ノズル  １１ｂ…出口ノズル  １２…原子炉容器蓋  １３…上部炉心支持板  １４…下部炉心支持板  １５…上部炉心板（反射部）  １５ａ…炉心支持ロッド  １６…下部炉心板（反射部）  １７…炉心槽  １７ａ…炉心  １８…測定部  ２０…炉内構造物  ２１…燃料集合体  ２１ａ…燃料棒  ２１ｂ…上部ノズル  ２１ｃ…下部ノズル  ２１ｄ…支持格子  ２２…制御棒  ２２ａ…制御棒クラスタ  １００…熱音響装置（音源部）  ３１…第一層部（支持部）  ３２…第二層部（反射面形成部）  ３３…第三層部（支持部）
【図１】
2016161498.tif 000003
【図２】
2016161498.tif 000004
【図３】
2016161498.tif 000005