(57)【要約】      （修正有）【課題】原子炉内部を伝播する音圧エネルギーを低減し得る原子炉及び原子力プラントを提供する。【解決手段】原子炉は、原子炉容器と、前記原子炉容器に設けられ、前記原子炉容器内の音響レベルを低減するように構成された吸音装置９０と、を備え、前記吸音装置９０は、前記原子炉容器の内部空間と連通する共鳴空間９６を画定する壁部９１を含み、前記壁部９１には、前記共鳴空間９６と前記内部空間とを連通する少なくとも一つの連通孔９５が形成されている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉容器と、
前記原子炉容器に設けられ、前記原子炉容器内の音響レベルを低減するように構成された吸音装置と、を備え、
前記吸音装置は、前記原子炉容器の内部空間と連通する共鳴空間を画定する壁部を含み、
前記壁部には、前記共鳴空間と前記内部空間とを連通する少なくとも一つの連通孔が形成されたことを特徴とする原子炉。
【請求項２】
前記壁部の内部には、前記共鳴空間を囲むように空洞が形成されており、
前記空洞は、前記原子炉容器内の冷却材よりも音響インピーダンスが低い媒質で満たされていることを特徴とする請求項１に記載の原子炉。
【請求項３】
前記冷却材は、軽水であり、
前記媒質は、空気又はポーラス金属であることを特徴とする請求項２に記載の原子炉。
【請求項４】
前記壁部の音響インピーダンスをＺｗとし、前記原子炉容器内の冷却材の音響インピーダンスをＺｃとしたとき、Ｚｗ／Ｚｃ≧５０またはＺｃ／Ｚｗ≧５０であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の原子炉。
【請求項５】
前記原子炉容器は、制御棒クラスタ案内管が設けられる上部プレナムを含み、
前記吸音装置は、前記上部プレナムに設けられることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の原子炉。
【請求項６】
前記原子炉容器内において、前記上部プレナムの下方の炉心に設けられる燃料集合体をさらに備え、
前記燃料集合体の少なくとも一本の燃料棒は、熱音響センサを含むことを特徴とする請求項５に記載の原子炉。
【請求項７】
前記吸音装置は、前記上部プレナム内において前記原子炉容器の内壁面に取り付けられ、
前記連通孔は、前記壁部のうち前記原子炉容器の径方向内側の領域に形成されたことを特徴とする請求項５又は６に記載の原子炉。
【請求項８】
前記原子炉容器は、前記上部プレナムに開口する複数の冷却材入口部と複数の冷却材出口部を含み、
前記複数の冷却材入口部は、前記上部プレナムの周方向において、前記複数の冷却材出口部の間に位置する一対の冷却材入口部を含み、
前記吸音装置は、少なくとも、前記一対の冷却材入口部の間の周方向位置に設けられることを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項に記載の原子炉。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項に記載の原子炉と、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、原子炉及び原子力プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子炉内には、燃料集合体や制御棒及びこれらを支持するための各種構造物などが収容されている。例えば、加圧水型軽水炉においては、原子炉容器の内部に、燃料集合体が収容される炉心を形成するための上部炉心板及び下部炉心板が設けられている。上部炉心板は上部炉心支持板によって支持されており、上部炉心板の上方に形成される上部プレナムには、上部炉心支持板を貫通するように、制御棒を案内するための制御棒クラスタ案内管が配置されている。
【０００３】
一方、従来から、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（原子炉容器）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】
【０００４】
【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】
【０００５】
ところで、原子炉内部を伝播する音響波は、原子炉内の機器や構造物に対して悪影響を及ぼす可能性がある。すなわち、原子炉内部を伝播する音響波による音圧エネルギーが機器や構造物を振動させ、その結果、原子炉内の機器や構造物の疲労破壊による損傷を引き起こす可能性がある。例えば、特許文献１に記載されるように、燃料棒内部に熱音響センサを組み込んだ場合、燃料棒内で発生した気柱共鳴音が上部プレナム内の音響モードと共鳴し、制御棒クラスタ案内管等のように原子炉における重要な構造物を損傷させる可能がある。
【０００６】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、原子炉内部を伝播する音圧エネルギーを低減し得る原子炉及び原子力プラント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】
（１）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、
前記原子炉容器に設けられ、前記原子炉容器内の音響レベルを低減するように構成された吸音装置と、を備え、
前記吸音装置は、前記原子炉容器の内部空間と連通する共鳴空間を画定する壁部を含み、
前記壁部には、前記共鳴空間と前記内部空間とを連通する少なくとも一つの連通孔が形成されたことを特徴とする。
【０００８】
上記（１）の原子炉によれば、原子炉容器に吸音装置が設けられた構成となっており、この吸音装置は、原子炉容器の内部空間と連通する共鳴空間を画定する壁部を含んでいる。壁部には、共鳴空間と内部空間とを連通する少なくとも一つの連通孔が形成されており、原子炉容器内部の冷却材が連通孔を介して共鳴空間内に流入するようになっている。そのため、原子炉内を伝播する音響波が連通孔に捕捉されて共鳴し、原子炉内を伝播する音圧エネルギーを低減するようになっている。具体的には、共鳴空間内の冷却材と連通孔内の冷却材とは、共鳴空間内の冷却材がバネとして働くことにより共鳴系を構成している。そして、この共鳴系の共鳴周波数の振動に対して連通孔内の冷却材が共鳴し、その際の摩擦によって音響波の振幅が減衰される。これにより、原子炉内部を伝播する音響波の音圧エネルギーを低減することができ、音圧エネルギーによって原子炉内の機器や構造物が損傷することを防止できる。例えば、原子炉容器内に熱音響センサを設置して炉内監視（例えば冷却材の温度監視）を行う場合においては、音検出器による音の検出を阻害しない部位に吸音装置を設ければ、炉内監視を行う際に熱音響センサから発せられる音響波によって原子炉容器内の機器や構造物に損傷を与えることを防止できる。あるいは、原子炉の機器の動作（例えば弁の開閉）に起因した振動により発生する音響波によって原子炉容器内の機器や構造物に損傷を与えることを防止できる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記壁部の内部には、前記共鳴空間を囲むように空洞が形成されており、
前記空洞は、前記原子炉容器内の冷却材よりも音響インピーダンスが低い媒質で満たされている。
上記（２）の構成によれば、壁部の内部に形成された空洞が、原子炉容器内の冷却材よりも音響インピーダンスが低い媒質で満たされているため、冷却材と壁部との音響インピーダンスに差をもたせることができ、壁部における連通孔以外の領域を音響波が透過してしまうことを抑制できる。このため、冷却材と壁部本体の材質との音響インピーダンスの差が小さい場合であっても、吸音装置によって原子炉内を伝播する音圧エネルギーを効果的に低減することができる。
【００１０】
（３）一実施形態では、上記（２）の構成において、
前記冷却材は、軽水であり、
前記媒質は、空気又はポーラス金属である。
上記（３）の構成によれば、軽水よりも音響インピーダンスの小さい空気又はポーラス金属を媒質として用いたので、共鳴空間内の音響インピーダンスと壁部のインピーダンスとの間に適切に差をもたせることができる。
【００１１】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記壁部の音響インピーダンスをＺｗとし、前記原子炉容器内の冷却材の音響インピーダンスをＺｃとしたとき、Ｚｗ／Ｚｃ≧５０またはＺｃ／Ｚｗ≧５０である。
上記（４）の構成によれば、冷却材と壁部との音響インピーダンスに適切に差をもたせることができ、壁部における連通孔以外の領域を音響波が透過してしまうことを抑制できる。このため、吸音装置によって原子炉内を伝播する音圧エネルギーを効果的に低減することができる。
【００１２】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記原子炉容器は、制御棒クラスタ案内管が設けられる上部プレナムを含み、
前記吸音装置は、前記上部プレナムに設けられる。
上記（５）の構成によれば、上部プレナムに吸音装置を設けることで、上部プレナム内を伝播する音響波の音圧エネルギーを低減することができる。よって制御棒の円滑な動作を支援するための重要な機器の一つである制御棒クラスタ案内管を、音響波による損傷から保護することができる。
【００１３】
（６）一実施形態では、上記（５）の構成において、
前記原子炉容器内において、前記上部プレナムの下方の炉心に設けられる燃料集合体をさらに備え、
前記燃料集合体の少なくとも一本の燃料棒は、熱音響センサを含む。
上記（６）の構成によれば、燃料棒に設けられた熱音響センサによって炉内監視（例えば冷却材の温度監視）を行う場合に、熱音響センサから発せられる音圧エネルギーを吸音装置によって低減できるため、音検出器による音の検出を阻害しない部位に吸音装置を設ければ、原子炉内の構造物に与える影響を抑制しながら炉内監視を行うことが可能となる。
【００１４】
（７）一実施形態では、上記（５）又は（６）の構成において、
前記吸音装置は、前記上部プレナム内において前記原子炉容器の内壁面に取り付けられ、
前記連通孔は、前記壁部のうち前記原子炉容器の径方向内側の領域に形成される。
上記（７）の構成によれば、連通孔から円滑に冷却材が流入して共鳴系を形成するので、原子炉容器の径方向外側に向かって上部プレナム内を伝播する音響波を吸音装置によって効果的に吸音することができる。
【００１５】
（８）一実施形態では、上記（５）乃至（７）の何れかの構成において、
前記原子炉容器は、前記上部プレナムに開口する複数の冷却材入口部と複数の冷却材出口部を含み、
前記複数の冷却材入口部は、前記上部プレナムの周方向において、前記複数の冷却材出口部の間に位置する一対の冷却材入口部を含み、
前記吸音装置は、少なくとも、前記一対の冷却材入口部の間の周方向位置に設けられる。
本発明者らの鋭意検討の結果、上部プレナムの周方向における冷却材出口部の間において、音圧エネルギーが高くなる可能性が大きいことを見出した。この点、上記（８）の構成では、冷却材入口部の間の周方向位置に吸音装置を設けるようにしたので、音圧エネルギーを効果的に低減することが可能となる。
【００１６】
（９）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（１）乃至（８）の何れか一に記載の原子炉と、
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。
上記（９）の構成によれば、上述の理由により原子炉内の音圧エネルギーを低減できるため、音響波に起因した原子炉内構造物の損傷が発生しにくく、信頼性の高い原子力プラントを提供できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、原子炉容器に設けられた吸音装置によって、原子炉内部を伝播する音響波の音圧エネルギーを低減することができ、音圧エネルギーによって原子炉内の機器や構造物が損傷することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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】一実施形態に係る原子炉の断面図である。
【図３Ａ】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３Ｂ】図３ＡのＡ−Ａ’断面図である。
【図４】一実施形態に係る燃料棒の概略構成図である。
【図５】一実施形態に係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６】一実施形態に係る吸音装置及びその周辺構造を示す断面図（図２のＣ部拡大図）である。
【図７】一実施形態に係る吸音装置を示す一部切欠き斜視断面図である。
【図８Ａ】一実施形態に係る吸音装置の構成を示す断面図である。
【図８Ｂ】他の実施形態に係る吸音装置の構成を示す断面図である。
【図９】吸音装置の取付け例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
本実施形態は、原子炉容器内の音響レベルを低減するように構成された吸音装置を備える原子炉及び原子力プラントに関するものである。以下の実施形態では、原子炉容器内に熱音響センサが設けられた場合において、熱音響センサから発せられる音響波の音圧エネルギーを低減するための吸音装置を備える構成について例示的に説明する。
【００２１】
図１は、一実施形態に係る原子力プラント１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と、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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、図２、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、一実施形態に係る原子炉２（主として原子炉容器１１及びその周辺構造）の具体的な構成について説明する。なお、図２は、一実施形態に係る原子炉２の断面図である。図３Ａは、実施形態に係る燃料棒１２を含む燃料集合体５０の一例を示す図であり、図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ’断面図である。なお、図２において、図中の矢印は冷却材の流れを示している。
【００２６】
図２に示すように、一実施形態に係る原子炉２において、原子炉容器１１は、原子炉容器本体６０と、原子炉容器蓋（上鏡）６１とを含む。原子炉容器本体６０に対して原子炉容器蓋６１は、複数のスタッドボルト６３及びナット６４により開閉可能に固定されている。
原子炉容器本体６０は、原子炉容器蓋６１を取り外すことで上部が開口可能であり、下部が半球形状をなす下鏡６５により閉塞された円筒形状となっている。そして、原子炉容器本体６０は、上部に一次冷却水としての軽水（冷却材）を供給する入口ノズル（入口管台）６６と、軽水を排出する出口ノズル（出口管台）６７とが形成されている。また、原子炉容器本体６０は、入口ノズル６６及び出口ノズル６７とは別に、図示しない注水ノズル（注水管台）が形成されている。
【００２７】
原子炉容器本体６０の内部には、入口ノズル６６及び出口ノズル６７より上方に上部炉心支持板６８が固定されており、下方の下鏡６５の近傍に位置するように下部炉心支持板６９が固定されている。下鏡６５には、複数の計測管台８３が取り付けられている。上部炉心支持板６８及び下部炉心支持板６９は、円板形状をなしており、図示しない多数の連通孔が形成されている。そして、上部炉心支持板６８の下方には、複数の炉心支持ロッド７０を介して、図示しない多数の連通孔が形成された上部炉心板７１が連結されている。
原子炉容器本体６０の内部には、該原子炉容器本体６０の内壁面と所定間隔をもって、円筒形状をなす炉心槽７２が配置されている。炉心槽７２は、上部が上部炉心板７１に連結され、下部に下部炉心板７３が連結されている。下部炉心板７３は、円板形状をなし、図示しない多数の連通孔が形成されており、下部炉心支持板６９に支持されている。
【００２８】
炉心７４は、上部炉心板７１と炉心槽７２と下部炉心板７３により形成されている。
炉心７４の内部には、多数の燃料集合体５０及び多数の制御棒１３が配置されている。多数の制御棒１３は、上端部がまとめられて制御棒クラスタ５１となり、燃料集合体５０内に挿入可能となっている。上部炉心支持板６８には、該上部炉心支持板６８を貫通するように、多数の制御棒クラスタ案内管７５が固定されている。各制御棒クラスタ案内管７５は、下端部が燃料集合体５０内の制御棒クラスタ５１まで延出されている。
【００２９】
具体的には、図３Ａ及び図３Ｂ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５３及び制御棒案内シンブル５５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。
上部ノズル５６及び下部ノズル４８の各々と、炉内計装用案内シンブル５３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。
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は制御棒駆動装置７６（図２参照）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５５の中を上下に移動するようになっている。
【００３０】
図２に戻り、原子炉容器１１を構成する原子炉容器蓋６１は、上部が半球形状をなし、磁気式ジャッキの制御棒駆動装置７６が設けられており、原子炉容器蓋６１と一体をなすハウジング７７内に収容されている。多数の制御棒クラスタ案内管７５は、上端部が制御棒駆動装置７６まで延出され、該制御棒駆動装置７６から延出された制御棒クラスタ駆動軸７８が、制御棒クラスタ案内管７５内を通って燃料集合体５０まで延出され、制御棒クラスタ５１を把持可能に構成されている。
【００３１】
制御棒駆動装置７６は、上下方向に延設されて制御棒クラスタ５１に連結されるとともに、その表面に複数の周溝を長手方向に等ピッチで配設してなる制御棒クラスタ駆動軸７８を磁気式ジャッキで上下動させることで、原子炉２の出力を制御している。
【００３２】
また、原子炉容器１１は、炉心７４に対して、その上方に出口ノズル６７に連通する上部プレナム８０が形成されるとともに、下方に下部プレナム８１が形成されている。そして、原子炉容器１１と炉心槽７２との間に、入口ノズル６６と、下部プレナム８１に連通するダウンカマー部８２とが形成されている。従って、軽水は、入口ノズル６６から原子炉容器本体６０内に流入し、ダウンカマー部８２を下向きに流れ落ちて下部プレナム８１に至り、この下部プレナム８１の球面状の内面により上向きに案内されて上昇し、下部炉心支持板６９及び下部炉心板７３を通過した後、炉心７４に流入する。この炉心７４に流入した軽水は、炉心７４を構成する燃料集合体５０から発生する熱エネルギーを吸収することで、この燃料集合体５０を冷却する一方、高温となって上部炉心板７１を通過して上部プレナム８０まで上昇し、出口ノズル６７を通って排出される。
【００３３】
上記構成を有する原子炉２においては、制御棒駆動装置７６により制御棒クラスタ駆動軸７８を移動して燃料集合体５０から制御棒１３を所定量引き抜くことで、炉心７４内での核分裂を制御し、発生した熱エネルギーにより原子炉容器１１内に充填された軽水が加熱され、高温の軽水が出口ノズル６７から排出され、上述したように、蒸気発生器１６に送られる。すなわち、燃料集合体５０を構成する原子燃料が核分裂することで中性子を放出し、減速材及び一次冷却水としての軽水が、放出された高速中性子の運動エネルギーを低下させて熱中性子とし、新たな核分裂を起こしやすくするとともに、発生した熱を奪って冷却する。一方、制御棒１３を燃料集合体５０に挿入することで、炉心７４内で生成される中性子数を調整し、また、制御棒１３を燃料集合体５０に全て挿入することで、原子炉を緊急に停止することができる。
【００３４】
ここで、上述した燃料棒１２が熱音響センサを備える構成について説明する。
図４は、一実施形態に係る燃料棒１２の概略構成図である。図４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４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と上側端栓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。
【００３５】
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。
【００３６】
図５は、一実施形態に係る熱音響センサ４０が組み込まれた燃料棒１２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５に示す燃料棒１２は、端栓３６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４に示す燃料棒１２と同様の構成を有する。
図５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５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。
【００３７】
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５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。
【００３８】
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。
【００３９】
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】
2016161517.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。
【００４０】
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】
2016161517.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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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等の音検出器で受け取ることができる。図１に示す例では、音検出器４９は、原子炉容器１１の外壁に取り付けられている。但し、音検出器４９の取付け位置はこれに限定されるものではない。
【００４５】
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。
【００４６】
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、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。
【００４７】
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。
【００４８】
あるいは、熱源として高エネルギー放射線吸収体を用いた熱音響センサ４０は、燃料棒１２とは別個のハウジング４１により構成されてもよい。
【００４９】
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。
【００５０】
上述したように、原子炉容器１１内に熱音響センサ４０が設けられる場合、熱音響センサ４０から発せられた音響波が原子炉容器１１内を伝播し、原子炉容器１１内の機器や構造物を振動させて、疲労損傷させる可能性がある。
そこで、本実施形態では、図６乃至図９に示すように、原子炉容器１１内に吸音装置９０を設けた構成となっている。
【００５１】
図６は、一実施形態に係る吸音装置９０及びその周辺構造を示す断面図であり、図２のＣ部拡大図を示している。
一実施形態に係る吸音装置９０は、原子炉容器１１に設けられ、原子炉容器１１内の音響レベルを低減するように構成されている。例えば、図示されるように、吸音装置９０は、上部プレナム８０に設けられる。より具体的には、吸音装置９０は、上部プレナム８０内において、原子炉容器本体６０の内壁面と炉心槽７２の外周面との間に形成されたダウンカマー部８２内に配置され、原子炉容器本体６０の内壁面に固定される。
【００５２】
図７は、一実施形態に係る吸音装置９０を示す一部切欠き斜視断面図である。図８Ａは、一実施形態に係る吸音装置９０の構成を示す断面図であり、図８Ｂは、他の実施形態に係る吸音装置９０の構成を示す断面図である。
これらの図に示されるように、吸音装置９０は、原子炉容器１１の内部空間（例えば上部プレナム８０）と連通する共鳴空間９６を画定する壁部９１を含む。壁部９１には、共鳴空間９６と内部空間とを連通する少なくとも一つの連通孔９５が形成されている。そのため、原子炉容器１１の内部空間の冷却材は、連通孔９５を介して共鳴空間９６内に流入するようになっている。例えば、壁部９１は、連通孔９５が形成された有孔壁９２と、共鳴空間９６を介して有孔壁９２に対向して設けられた無孔壁９３と、有孔壁９２及び無孔壁９３との間に設けられた側壁９４と、を含む。図７に示す例では、壁部９１は、有孔壁９２の面積が無孔壁９３の面積よりも大きい台形状をなしている。図８Ａ及び図８Ｂに示す例では、壁部９１は、有孔壁９２の面積と無孔壁９３の面積とが略同一の直方体形状をなしている。但し、壁部９１の形状はこれらに限定されるものではなく、例えば、壁部９１は、有孔壁９２の面積が無孔壁９３の面積よりも小さい台形状であってもよいし、円筒形状や他の多角形状であってもよい。
【００５３】
上記構成を有する吸音装置９０によれば、原子炉２（図２参照）内を伝播する音響波が連通孔９５に捕捉されて共鳴し、原子炉２内を伝播する音圧エネルギーを低減するようになっている。すなわち、共鳴空間９６内の冷却材と連通孔９５内の冷却材とは、共鳴空間９６内の冷却材がバネとして働くことにより共鳴系を構成している。そして、この共鳴系の共鳴周波数の振動に対して連通孔９５内の冷却材が共鳴し、その際の摩擦によって音響波の振幅が減衰される。これにより、原子炉容器１１の内部を伝播する音響波の音圧エネルギーを低減することができ、音圧エネルギーによって原子炉２内の機器や構造物が損傷することを防止できる。
【００５４】
また、図４及び図５に示したように、燃料集合体５０（図２参照）の少なくとも一本の燃料棒１２が熱音響センサ４０である場合、熱音響センサ４０から発せられる音圧エネルギーを吸音装置９０によって低減できるため、音検出器４９（図１参照）による音の検出を阻害しない部位に吸音装置９０を設ければ、原子炉２内の構造物に与える影響を抑制しながら炉内監視を行うことが可能となる。
【００５５】
さらに、図６に示すように、上部プレナム８０に吸音装置９０を設けることで、上部プレナム８０内を伝播する音響波の音圧エネルギーを低減することができる。よって制御棒１３（図２参照）の円滑な動作を支援するための重要な機器の一つである制御棒クラスタ案内管７５（図２参照）を、音響波による損傷から保護することができる。
【００５６】
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、一実施形態に係る吸音装置９０においては、壁部９１の内部に、共鳴空間９６を囲むように空洞９７が形成されている。この空洞９７は、原子炉容器１１内の冷却材よりも音響インピーダンスが低い媒質で満たされている。
壁部９１の音響インピーダンスをＺｗとし、原子炉容器１１内の冷却材の音響インピーダンスをＺｃとしたとき、Ｚｗ／Ｚｃ≧５０またはＺｃ／Ｚｗ≧５０であってもよい。
これにより、壁部９１の内部に形成された空洞９７が、原子炉容器１１内の冷却材よりも音響インピーダンスが低い媒質で満たされているため、冷却材と壁部９１との音響インピーダンスに差をもたせることができ、壁部９１における連通孔９５以外の領域を音響波が透過してしまうことを抑制できる。このため、冷却材と壁部本体の材質との音響インピーダンスの差が小さい場合であっても、吸音装置９０によって原子炉２内を伝播する音圧エネルギーを効果的に低減することができる。
【００５７】
図８Ａに示す例では、吸音装置９０の壁部９１は、外壁９１ａ及び内壁９１ｂを含む二重壁構造となっており、外壁９１ａと内壁９１ｂとの間の空洞９７には、媒質としてのポーラス金属９８が設けられている。ポーラス金属９８は、多数の空隙を有する金属体であり、焼結金属であってもよい。また、ポーラス金属９８は、空隙を有していれば、外壁９１ａ及び内壁９１ｂと同種の金属材料が用いられてもよい。同図に示す例では、連通孔９５の周囲はポーラス金属９８が露出しているが、連通孔９５からの冷却材の侵入を阻止するために、連通孔９５とポーラス金属９８との間に、空隙を有しない金属を配置してもよい。すなわち、壁部９１の空洞９７が密閉されていてもよい。
【００５８】
図８Ｂに示す例では、吸音装置９０の壁部９１は、外壁９１ａ及び内壁９１ｂを含む二重壁構造となっており、外壁９１ａと内壁９１ｂとの間の空洞９７は、媒質としての空気１００で満たされている。空洞９７は、外壁９１ａ及び内壁９１ｂと、連通孔９５の周囲を塞ぐ部位とによって密閉されている。例えば、外壁９１ａ及び内壁９１ｂにそれぞれ形成された連通孔９５に円筒状のスリーブ１０１を挿入して、外壁９１ａ及び内壁９１ｂとスリーブ１０１とを溶接して密閉空間を形成してもよい。また、加圧水である冷却材からの荷重に壁部９１が耐え得るように、外壁９１ａと内壁９１ｂとの間に複数の支持部材９９が介装されていてもよい。例えば支持部材９９はリブ又は支柱により構成される。
【００５９】
図８Ａ及び図８Ｂに示す構成によれば、軽水よりも音響インピーダンスの小さいポーラス金属９８又は空気１００を媒質として用いたので、共鳴空間９６内の音響インピーダンスと壁部９１のインピーダンスとの間に適切に差をもたせることができる。
【００６０】
また、図６に示すように、吸音装置９０は、上部プレナム８０内において原子炉容器１１の内壁面に取り付けられ、連通孔９５は、壁部９１のうち原子炉容器１１の径方向内側の領域に形成されていてもよい。
この構成によれば、連通孔９５から円滑に冷却材が流入して共鳴系を形成するので、原子炉容器１１の径方向外側に向かって上部プレナム８０内を伝播する音響波を吸音装置９０によって効果的に吸音することができる。
【００６１】
図９は、吸音装置９０の取付け例を示す模式図である。
同図に示す例において、原子炉容器１１は、上部プレナム８０（図２参照）に開口する複数の入口ノズル（冷却材入口部）６６と複数の出口ノズル（冷却材出口部）６７を含む。また、複数の入口ノズル６６は、上部プレナム８０の周方向において、複数の出口ノズル６７の間に位置する一対の入口ノズル６６を含む。この場合、吸音装置９０は、少なくとも、一対の入口ノズル６６の間の周方向位置に設けられる。
本発明者らは、原子炉容器１１内で卓越する音響共鳴モードを対象として音圧エネルギーの解析を行った結果、上部プレナム８０の周方向における一対の入口ノズル６６の間において、音圧エネルギーが高くなる傾向があることを見出した。そのため、上述したように、一対の入口ノズル６６の間の周方向位置に吸音装置９０を設けることにより、音圧エネルギーを効果的に低減することが可能となる。
【００６２】
以上説明したように、上述の実施形態によれば、原子炉容器１１に設けられた吸音装置９０によって、原子炉２の内部を伝播する音響波の音圧エネルギーを低減することができ、音圧エネルギーによって原子炉２内の機器や構造物が損傷することを防止できる。
【００６３】
また、上述の実施形態を図１に示した原子力プラント１に適用することによって、上述の理由により原子炉２内の音圧エネルギーを低減できるため、音響波に起因した原子炉２内の構造物の損傷が発生しにくく、信頼性の高い原子力プラント１を提供できる。
【００６４】
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。
例えば、上述の実施形態では、原子炉容器１１内に熱音響センサ４０を設けた場合において、吸音装置９０が、熱音響センサ４０から発せられる音響波の音圧エネルギーを低減する構成について例示したが、吸音装置９０は、他の種類の音響波を低減するように構成されてもよい。例えば、吸音装置９０は、原子炉２の機器の動作（例えば弁の開閉）に起因した振動により発生する音響波の音圧エネルギーを低減するように構成されてもよい。
【００６５】
例えば、「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】
【００６６】
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
１６    蒸気発生器
２０    二次冷却ループ
２１    高圧タービン
２２    低圧タービン
３２    燃料ペレット
４０    熱音響センサ
４９    音検出器
５０    燃料集合体
５１    制御棒クラスタ
６６    入口ノズル
６７    出口ノズル
７２    炉心槽
７４    炉心
７５    制御棒クラスタ案内管
８０    上部プレナム
８１    下部プレナム
８２    ダウンカマー部
９０    吸音装置
９１    壁部
９１ａ  外壁
９１ｂ  内壁
９２    有孔壁
９３    無孔壁
９４    側壁
９５    連通孔
９６    共鳴空間
９７    空洞
９８    ポーラス金属
１００  空気
【図１】
2016161517.tif 000005
【図２】
2016161517.tif 000006
【図３Ａ】
2016161517.tif 000007
【図３Ｂ】
2016161517.tif 000008
【図４】
2016161517.tif 000009
【図５】
2016161517.tif 000010
【図６】
2016161517.tif 000011
【図７】
2016161517.tif 000012
【図８Ａ】
2016161517.tif 000013
【図８Ｂ】
2016161517.tif 000014
【図９】
2016161517.tif 000015