(57)【要約】【課題】熱音響センサから発生する音波を好適に検出して、温度を計測することができる熱音響センサ及び温度計測装置を提供する。【解決手段】熱音響センサ１１は、内部に音響空間Ｓ２が形成される容器２１と、容器２１内に設けられる熱源２２と、音響空間Ｓ２内に配置され、音響空間Ｓ２内に温度勾配を発生させるためのスタック２３と、音響空間Ｓ２内に配置され、音響空間Ｓ２を複数の分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに仕切ると共に、予め設定された設定温度になると、仕切った分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを連通させて、音響空間Ｓ２とする仕切部２４と、を備える。【選択図】図４
2016148556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に音響空間が形成される容器と、
前記容器内に設けられる熱源と、
前記音響空間内に配置され、前記音響空間内に温度勾配を発生させるためのスタックと、
前記音響空間内に配置され、前記音響空間を複数の分割音響空間に仕切ると共に、予め設定された設定温度になると、仕切った前記分割音響空間を連通させて、前記音響空間とする仕切部と、を備えることを特徴とする熱音響センサ。
【請求項２】
前記スタックは、前記仕切部よりも鉛直方向の上方側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱音響センサ。
【請求項３】
前記仕切部は、前記設定温度が溶融温度となる溶融部材であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱音響センサ。
【請求項４】
前記仕切部は、
前記音響空間を前記複数の分割音響空間に仕切る仕切部材と、
前記仕切部材と前記容器との間に設けられ、前記仕切部材と前記容器とを連結すると共に、前記設定温度が溶融温度となる溶融連結部材と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱音響センサ。
【請求項５】
内部に音響空間が形成される容器と、
前記容器内に設けられる熱源と、
前記音響空間内に配置され、前記音響空間内に温度勾配を発生させるためのスタックと、
前記音響空間内に配置され、予め設定された設定温度になると相変化して、前記音響空間内の状態を変化させる相変化材と、を備えることを特徴とする熱音響センサ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載された、固有振動数が異なる複数の熱音響センサと、
前記複数の熱音響センサから発せられる音波を検出する音波検出部と、
前記音波検出部により検出した前記音波に基づいて、温度を検出する制御部と、を備え、
前記複数の熱音響センサは、前記仕切部の前記設定温度がそれぞれ異なっていることを特徴とする温度計測装置。
【請求項７】
前記分割音響空間の連通前の前記複数の熱音響センサと、前記分割音響空間の連通後の前記複数の熱音響センサとは、それぞれ固有振動数が異なっていることを特徴とする請求項６に記載の温度計測装置。
【請求項８】
前記複数の熱音響センサは、原子炉内に設けられることを特徴とする請求項６または７に記載の温度計測装置。
【請求項９】
前記複数の熱音響センサは、燃料集合体を格納する燃料プール内に設けられることを特徴とする請求項６または７に記載の温度計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱音響センサ及び熱音響センサを用いて温度を計測する温度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱音響センサとして、核燃料を内部に収容すると共に内部にチャンバが形成されるハウジングと、チャンバ内に配置されるスタックとを備える核熱音響装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この核熱音響装置は、核燃料から発生する熱により音が生成される。このため、核熱音響装置から生成される音を受信することで、燃料棒の状態（例えば、温度）に関する情報を得ることが可能となる。
【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】
ところで、特許文献１の核熱音響装置等のような熱音響センサを用いて、複数の燃料棒を束ねた燃料集合体の状態を監視する場合、複数の熱音響センサを設置する必要がある。この場合、複数の熱音響センサから生成される音波を判別するために、複数の熱音響センサから生成される音波の周波数を異ならせる必要があることから、周波数帯域が広域となってしまう。また、複数の熱音響センサを設置する場合、熱音響センサ間のノイズを抑制して熱音響センサから発生する音波を好適に検出すべく、複数の熱音響センサを含むシステム全体のキャリブレーションが必要となる。
【０００５】
そこで、本発明は、熱音響センサから発生する音波を好適に検出して、温度を計測することができる熱音響センサ及び温度計測装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の熱音響センサは、内部に音響空間が形成される容器と、前記容器内に設けられる熱源と、前記音響空間内に配置され、前記音響空間内に温度勾配を発生させるためのスタックと、前記音響空間内に配置され、前記音響空間を複数の分割音響空間に仕切ると共に、予め設定された設定温度になると、仕切った前記分割音響空間を連通させて、前記音響空間とする仕切部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、設定温度になると仕切部により複数の分割音響空間が単一の音響空間となる。このため、分割音響空間の連通前において発生する音波の振動数と、分割音響空間の連通後において発生する音波の振動数とを異なる振動数とすることができる。このため、振動数の変化を検出することで、設定温度になったことを検出することができる。
【０００８】
また、前記スタックは、前記仕切部よりも鉛直方向の上方側に配置されることが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、分割音響空間の連通後において、仕切部がスタックの妨げになることを抑制できるため、分割音響空間の連通後における音波の発生に影響を与えることがない。
【００１０】
また、前記仕切部は、前記設定温度が溶融温度となる溶融部材であることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、音響空間に溶融部材を配置すればよいため、簡易な構成により複数の分割音響空間に仕切ることができ、また、分割音響空間を容易に連通させることができる。
【００１２】
また、前記仕切部は、前記音響空間を前記複数の分割音響空間に仕切る仕切部材と、前記仕切部材と前記容器との間に設けられ、前記仕切部材と前記容器とを連結すると共に、前記設定温度が溶融温度となる溶融連結部材と、を有することが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、設定温度になると、溶融連結部材が溶融することで、仕切部材と容器との連結が解除され、仕切部材の自重によって仕切りが取り外されることにより、複数の分割音響空間を連通させることができる。このとき、使用する溶融材料を、溶融連結部材に用いればよいことから、使用量の低減を図ることができる。なお、溶融連結部材は、板状の部材であってもよいし、ワイヤ等の索状の部材であってもよく、特に限定されない。
【００１４】
本発明の他の熱音響センサは、内部に音響空間が形成される容器と、前記容器内に設けられる熱源と、前記音響空間内に配置され、前記音響空間内に温度勾配を発生させるためのスタックと、前記音響空間内に配置され、予め設定された設定温度になると相変化して、前記音響空間内の状態を変化させる相変化材と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
この構成によれば、設定温度になると、相変化材が相変化することで、音響空間の状態が変化する。このため、相変化前において発生する音波の振動数と、相変化後において発生する音波の振動数とを異なる振動数とすることができる。このため、振動数の変化を検出することで、設定温度になったことを検出することができる。
【００１６】
本発明の温度計測装置は、上記された、固有振動数が異なる複数の熱音響センサと、前記複数の熱音響センサから発せられる音波を検出する音波検出部と、前記音波検出部により検出した前記音波に基づいて、温度を検出する制御部と、を備え、前記複数の熱音響センサは、前記仕切部の前記設定温度がそれぞれ異なっていることを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、熱音響センサから発せられる音波は、設定温度を閾値として振動数が変化する。このため、制御部は、音波検出部による検出から、振動数が変化した熱音響センサの固有振動数を特定することで、熱音響センサの設定温度を検出することができる。このように、熱音響センサから発生する音波の変化を好適に検出することができるため、温度を精度よく計測することができる。なお、音波検出部は、熱音響センサから発せられる音波を検出すればよいため、熱音響センサと音波検出部との間は、無線の状態とすることができ、取り回しのよいものとすることができる。なお、複数の熱音響センサは、水平方向に配置してもよいし、鉛直方向に配置してもよく、３次元的に分布して配置してもよい。
【００１８】
また、前記分割音響空間の連通前の前記複数の熱音響センサと、前記分割音響空間の連通後の前記複数の熱音響センサとは、それぞれ固有振動数が異なっていることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、分割音響空間の連通前後において固有振動数を異ならせることができるため、連通前後に関わらず熱音響センサを特定することができる。
【００２０】
また、前記複数の熱音響センサは、原子炉内に設けられることが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、複数の熱音響センサを原子炉内に設けることで、原子炉内の温度を検出することができる。このため、シビアアクシデント時において、熱音響センサから発生する音波の変化を好適に検出することができるため、温度を精度よく計測することができる。
【００２２】
また、前記複数の熱音響センサは、燃料集合体を格納する燃料プール内に設けられることが好ましい。
【００２３】
この構成によれば、複数の熱音響センサを燃料プール内に設けることで、燃料プール内の温度を検出することができる。このため、シビアアクシデント時において、熱音響センサから発生する音波の変化を好適に検出することができるため、温度を精度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、原子力発電プラントの一例の概略構成図である。
【図２】図２は、加圧水型原子炉内に設けられる実施形態１の温度計測装置の概略構成図である。
【図３】図３は、実施形態１の熱音響センサが取り付けられた燃料集合体の模式図である。
【図４】図４は、実施形態１の熱音響センサの模式図である。
【図５】図５は、実施形態２の熱音響センサの模式図である。
【図６】図６は、実施形態３の熱音響センサの模式図である。
【図７】図７は、実施形態４の温度計測装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
【００２６】
［実施形態１］
図１は、原子力発電プラントの一例の概略構成図である。図２は、加圧水型原子炉内に設けられる実施形態１の温度計測装置の概略構成図である。図３は、実施形態１の熱音響センサが取り付けられた燃料集合体の模式図である。
【００２７】
図１に示す原子力発電プラントは、加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Pressurized  Water  Reactor）を有する。この原子力発電プラントは、原子炉格納容器１００内において、加圧水型原子炉の原子炉容器１０１、加圧器１０２、蒸気発生器１０３および一次冷却水ポンプ１０４が、一次冷却水管１０５により順次接続されて、一次冷却水の循環経路が構成されている。
【００２８】
原子炉容器１０１は、内部に燃料集合体１２０を密閉状態で格納するもので、燃料集合体１２０が挿抜できるように、原子炉容器本体１０１ａとその上部に装着される原子炉容器蓋１０１ｂとにより構成されている。原子炉容器本体１０１ａは、上部に一次冷却水としての軽水を給排する入口側管台１０１ｃおよび出口側管台１０１ｄが設けられている。出口側管台１０１ｄは、蒸気発生器１０３の入口側水室１０３ａに連通するように一次冷却水管１０５が接続されている。また、入口側管台１０１ｃは、蒸気発生器１０３の出口側水室１０３ｂに連通するように一次冷却水管１０５が接続されている。
【００２９】
蒸気発生器１０３は、半球形状に形成された下部において、入口側水室１０３ａと出口側水室１０３ｂとが仕切板１０３ｃによって区画されて設けられている。入口側水室１０３ａおよび出口側水室１０３ｂは、その天井部に設けられた管板１０３ｄによって蒸気発生器１０３の上部側と区画されている。蒸気発生器１０３の上部側には、逆Ｕ字形状の伝熱管１０３ｅが設けられている。伝熱管１０３ｅは、入口側水室１０３ａと出口側水室１０３ｂとを繋ぐように端部が管板１０３ｄに支持されている。そして、入口側水室１０３ａは、入口側の一次冷却水管１０５が接続され、出口側水室１０３ｂは、出口側の一次冷却水管１０５が接続されている。また、蒸気発生器１０３は、管板１０３ｄによって区画された上部側の上端に、出口側の二次冷却水管１０６ａが接続され、上部側の側部に、入口側の二次冷却水管１０６ｂが接続されている。
【００３０】
また、原子力発電プラントは、蒸気発生器１０３が、原子炉格納容器１００外で二次冷却水管１０６ａ，１０６ｂを介して蒸気タービン１０７に接続されて、二次冷却水の循環経路が構成されている。
【００３１】
蒸気タービン１０７は、高圧タービン１０８および低圧タービン１０９を有するとともに、発電機１１０が接続されている。また、高圧タービン１０８および低圧タービン１０９は、湿分分離加熱器１１１が、二次冷却水管１０６ａから分岐して接続されている。また、低圧タービン１０９は、復水器１１２に接続されている。この復水器１１２は、二次冷却水管１０６ｂに接続されている。二次冷却水管１０６ｂは、上述したように蒸気発生器１０３に接続され、復水器１１２から蒸気発生器１０３に至り、復水ポンプ１１３、低圧給水加熱器１１４、脱気器１１５、主給水ポンプ１１６、および高圧給水加熱器１１７が設けられている。
【００３２】
従って、原子力発電プラントでは、一次冷却水が原子炉容器１０１にて加熱されて高温・高圧となり、加圧器１０２にて加圧されて圧力を一定に維持されつつ、一次冷却水管１０５を介して蒸気発生器１０３に供給される。蒸気発生器１０３では、一次冷却水と二次冷却水との熱交換が行われることにより、二次冷却水が蒸発して蒸気となる。熱交換後の冷却した一次冷却水は、一次冷却水管１０５を介して一次冷却水ポンプ１０４側に回収され、原子炉容器１０１に戻される。一方、熱交換により蒸気となった二次冷却水は、蒸気タービン１０７に供給される。蒸気タービン１０７に係り、湿分分離加熱器１１１は、高圧タービン１０８からの排気から湿分を除去し、さらに加熱して過熱状態とした後に低圧タービン１０９に送る。蒸気タービン１０７は、二次冷却水の蒸気により駆動され、その動力が発電機１１０に伝達されて発電される。タービンの駆動に供された蒸気は、復水器１１２に排出される。復水器１１２は、取水管１１２ａを介してポンプ１１２ｂにより取水した冷却水（例えば、海水）と、低圧タービン１０９から排出された蒸気とを熱交換し、当該蒸気を凝縮させて低圧の飽和液に戻す。熱交換に用いられた冷却水は、排水管１１２ｃから排出される。また、凝縮された飽和液は、二次冷却水となり、復水ポンプ１１３によって二次冷却水管１０６ｂを介して復水器１１２の外部に送り出される。さらに、二次冷却水管１０６ｂを経る二次冷却水は、低圧給水加熱器１１４で、例えば、低圧タービン１０９から抽気した低圧蒸気により加熱され、脱気器１１５で溶存酸素や不凝結ガス（アンモニアガス）などの不純物が除去された後、主給水ポンプ１１６により送水され、高圧給水加熱器１１７で、例えば、高圧タービン１０８から抽気した高圧蒸気により加熱された後、蒸気発生器１０３に戻される。
【００３３】
このように構成された原子力発電プラントの加圧水型原子炉において、図２に示すように、原子炉容器１０１は、その内部に燃料集合体１２０を含む炉内構造物が挿入できるように、原子炉容器本体１０１ａに対して原子炉容器蓋１０１ｂが複数のスタッドボルト１２１およびナット１２２により開閉可能に固定されている。
【００３４】
原子炉容器本体１０１ａは、原子炉容器蓋１０１ｂ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１０１ｅにより閉塞された円筒形状をなしている。原子炉容器本体１０１ａは、内部にて、入口側管台１０１ｃおよび出口側管台１０１ｄより上方に上部炉心支持板１２３が固定される一方、下方の下鏡１０１ｅの近傍に位置して下部炉心支持板１２４が固定されている。この上部炉心支持板１２３および下部炉心支持板１２４は、円板形状をなして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１２３は、複数の炉心支持ロッド１２５を介して下方に図示しない多数の連通孔が形成された上部炉心板１２６が連結されている。
【００３５】
原子炉容器本体１０１ａは、内部に円筒形状をなす炉心槽１２７が内壁面と所定の隙間をもって配置されており、この炉心槽１２７は、上部が上部炉心板１２６に連結され、下部に円板形状をなして図示しない多数の連通孔が形成された下部炉心板１２８が連結されている。そして、下部炉心板１２８は、下部炉心支持板１２４に支持されている。即ち、炉心槽１２７は、原子炉容器本体１０１ａの下部炉心支持板１２４に支持されることとなる。
【００３６】
上部炉心板１２６と炉心槽１２７と下部炉心板１２８とにより炉心１２９が形成されている。炉心１２９は、内部に多数の燃料集合体１２０が配置されている。
【００３７】
図３に示すように、燃料集合体１２０は、多数の燃料棒１５３と、これらを束ねる複数のグリッド１５４とを有している。複数のグリッド１５４は、燃料棒１５３の長手方向に沿って所定の間隔を空けて配置されている。また、燃料集合体１２０は、燃料棒１５３の軸方向上側に設けられた上部ノズル１５５と、軸方向下側に設けられた下部ノズル１５６とを有し、上部ノズル１５５および下部ノズル１５６は、燃料棒１５３の軸方向の上端部および下端部をそれぞれ固定している。
【００３８】
また、炉心１２９は、内部に多数の制御棒１３０が配置されている。この多数の制御棒１３０は、上端部がまとめられて制御棒クラスタ１３１となり、燃料集合体１２０内に挿入可能となっている。上部炉心支持板１２３は、この上部炉心支持板１２３を貫通して多数の制御棒クラスタ案内管１３２が固定されており、各制御棒クラスタ案内管１３２は、下端部が燃料集合体１２０内の制御棒クラスタ１３１まで延出されている。
【００３９】
原子炉容器１０１を構成する原子炉容器蓋１０１ｂは、上部が半球形状をなして磁気式ジャッキの制御棒駆動装置１３３が設けられており、原子炉容器蓋１０１ｂと一体をなすハウジング１３４内に収容されている。多数の制御棒クラスタ案内管１３２は、上端部が制御棒駆動装置１３３まで延出され、この制御棒駆動装置１３３から延出されて制御棒クラスタ駆動軸１３５が、制御棒クラスタ案内管１３２内を通って燃料集合体１２０まで延出され、制御棒クラスタ１３１を把持可能となっている。
【００４０】
この制御棒駆動装置１３３は、上下方向に延設されて制御棒クラスタ１３１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１３５を磁気式ジャッキで上下動させることで、原子炉の出力を制御している。
【００４１】
また、原子炉容器１０１内にて、上部炉心支持板１２３から上部炉心板１２６、燃料集合体１２０にかけて、計測機器の案内装置１３６が配置されている。この計測機器の案内装置１３６は、計測機器（図示略）を原子炉容器蓋１０１ｂに設けられた計装管台１３７から炉心１２９（燃料集合体１２０）へ挿入するものであり、計測機器は、炉心１２９の状態を計測することができる。
【００４２】
計測機器の案内装置１３６において、上部炉心支持板１２３の上に、筒状の支持柱１３８が立設されている。支持柱１３８は、上端部が原子炉容器蓋１０１ｂを貫通して計装管台１３７の外部まで延出されている。この支持柱１３８は、コンジットチューブ１３９が複数挿入されている。コンジットチューブ１３９は、計測機器を挿通可能な内径を有し、原子炉容器１０１の外部にある計装管台１３７のシール部に延出し、上部側が支持柱１３８内にサポートピース（図示略）により支持されて収容され、下部側が支持柱１３８の途中から外部に延出され、それぞれが炉心支持ロッド１２５内に配設されたコンジットチューブ案内管１４０内に挿入されている。さらに、コンジットチューブ１３９は、下端部がコンジットチューブ案内管１４０の下端から上部炉心板１２６を貫通して炉心１２９内に連通している。
【００４３】
また、原子炉容器本体１０１ａは、下鏡１０１ｅを貫通する多数の計装管台１４６が設けられ、この各計装管台１４６は、炉内側の上端部に炉内計装案内管１４７が連結される一方、炉外側の下端部にコンジットチューブ１４８が連結されている。各炉内計装案内管１４７は、上端部が下部炉心支持板１２４に連結されており、振動を抑制するための上下の連接板１４９，１５０が取付けられている。コンジットチューブ１４８は、下部炉心板１２８に至り設けられており、計測機器が挿入されるシンブルチューブ１５１が挿通される。シンブルチューブ１５１は、コンジットチューブ１４８を介して計装管台１４６および炉内計装案内管１４７を通り、下部炉心板１２８を貫通して燃料集合体１２０まで挿入可能となっている。
【００４４】
このような加圧水型原子炉は、制御棒駆動装置１３３により制御棒クラスタ駆動軸１３５を移動して燃料集合体１２０から制御棒１３０を所定量引き抜くことで、炉心１２９内での核分裂を制御し、発生した熱エネルギにより原子炉容器１０１内に充填された軽水が加熱され、高温の軽水が出口側管台１０１ｄから排出される。即ち、燃料集合体１２０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、減速材およ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１３０を燃料集合体１２０に挿入することで、炉心１２９内で生成される中性子数を調整し、また、制御棒１３０を燃料集合体１２０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。原子炉容器１０１は、炉心１２９に対して、その上方に出口側管台１０１ｄに連通する上部プレナム１５２が形成されるとともに、下方に下部プレナム１６１が形成されている。そして、原子炉容器１０１と炉心槽１２７との間に入口側管台１０１ｃおよび下部プレナム１６１に連通するダウンカマー部１６２が形成されている。従って、軽水は、入口側管台１０１ｃから原子炉容器本体１０１ａ内に流入し、ダウンカマー部１６２を下向きに流れ落ちて下部プレナム１６１に至り、この下部プレナム１６１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１２４および下部炉心板１２８を通過した後、炉心１２９に流入する。この炉心１２９に流入した軽水は、炉心１２９を構成する燃料集合体１２０から発生する熱エネルギを吸収することで、この燃料集合体１２０を冷却する一方、高温となって上部炉心板１２６を通過して上部プレナム１５２まで上昇し、出口側管台１０１ｄを通って排出される。原子炉容器１０１から排出された軽水は、上述したように、蒸気発生器１０３に送られる。
【００４５】
次に、図２から図４を参照して、加圧水型原子炉の内部の温度を計測する温度計測装置１について説明する。図４は、実施形態１の熱音響センサの模式図である。
【００４６】
図２に示すように、この温度計測装置１は、原子炉容器１０１の内外に亘って設けられており、原子炉容器１０１を流通する一次冷却水の温度を計測している。温度計測装置１は、複数の熱音響センサ１１と、音波検出部１２と、制御部１３とを備えている。
【００４７】
複数の熱音響センサ１１は、原子炉容器１０１の水平面内において、所定の分布となるように設けられている。なお、この複数の熱音響センサ１１は、計測したい熱の分布に応じて適宜配置すればよく、例えば、鉛直面内に配置してもよいし、３次元に配置してもよい。複数の熱音響センサ１１は、例えば、図３に示すように、燃料集合体１２０の１つのグリッド１５４に、図示しない支持部材を用いてそれぞれ固定されている。このため、複数の熱音響センサ１１は、１つのグリッド１５４に所定の数だけ設けられており、燃料集合体１２０の水平方向に並べて設けられる。
【００４８】
次に、図４を参照して、熱音響センサ１１について説明する。図４に示すように、熱音響センサ１１は、容器２１と、熱源２２と、スタック２３と、仕切部２４とを有する。容器２１は、所定の方向を長手方向とする円筒形状に形成されており、長手方向の両端側は閉塞されている。この容器２１の内部は、中空円柱形状の内部空間Ｓが形成されており、内部空間Ｓは、熱源２２が配置される熱源配置空間Ｓ１と、音響空間Ｓ２とを含んで形成されている。熱源配置空間Ｓ１には、熱源２２が配置される。音響空間Ｓ２は、所定の固有振動数となる空間となっており、容器２１の長手方向において、所定の固有振動数の１波長分の長さとなっている。このため、音響空間Ｓ２は、所定の固有振動数が高ければ、長手方向における長さが短くなる一方で、所定の固有振動数が低ければ、長手方向における長さが長くなる。
【００４９】
熱源２２は、例えば、燃料ペレットが用いられ、原子炉容器１０１内で発生する中性子が照射されることで発熱可能となっている。なお、熱源２２は、燃料ペレットに限定されず、原子炉容器１０１内で発生するガンマ線が照射されることで発熱可能な物質を用いてもよく、特に限定されない。
【００５０】
スタック２３は、細管を束ねた熱交換器であり、管軸方向が、容器２１の長手方向となるように、容器２１の内部に設けられる。スタック２３は、管軸方向の熱源２２側の一端が高温側となり、管軸方向の熱源２２とは反対側の他端が低温側となる。このスタック２３は、音響空間Ｓ２内において温度勾配を発生させる。つまり、スタック２３を挟んで熱源２２側の音響空間Ｓ２は、高温側の音響空間Ｓ２となり、スタック２３を挟んで熱源２２とは反対側の音響空間Ｓ２は、低温側の音響空間Ｓ２となる。そして、音響空間Ｓ２内においてスタック２３を挟んで温度勾配が生じることで、スタック２３は、熱源２２の熱エネルギを音エネルギに変換する。このスタック２３は、容器２１の長手方向において、１波長分の長さとなる音響空間Ｓ２に対し、熱源からの距離が１／４波長となる位置に設けられている。
【００５１】
仕切部２４は、音響空間Ｓ２を複数（例えば、２つ）の分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに仕切るものである。仕切部２４は、スタック２３を挟んで、熱源２２とは反対側の音響空間Ｓ２に配置されている。このため、仕切部２４は、音響空間Ｓ２を、熱源２２及びスタック２３が配置される分割音響空間Ｓ２ａと、熱源２２及びスタック２３が配置されていない分割音響空間Ｓ２ｂとに区分けする。この仕切部２４は、分割した分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの間において、音波の伝搬を不能としている。この仕切部２４は、例えば、容器２１の長手方向において、１波長分の長さとなる音響空間Ｓ２に対し、熱源からの距離が３／４波長となる位置に設けられている。
【００５２】
また、仕切部２４は、予め設定された設定温度になると、仕切った分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを連通させて、単一の音響空間Ｓ２としている。具体的に、仕切部２４は、円板形状に形成されており、設定温度となると溶融する溶融材料を用いて構成されている。つまり、仕切部２４は、設定温度が溶融温度となる溶融部材として機能している。溶融材料としては、例えば、銀、鉛及びスズを含むＡｇ−Ｐｂ−Ｓｎ合金等が用いられ、合金成分を調整することで所定の溶融温度に調整可能となっている。
【００５３】
この熱音響センサ１１は、溶融して自重により落下する仕切部２４が、スタック２３に接触しないように配置される。このため、熱音響センサ１１は、容器２１の長手方向が、鉛直方向（つまり、原子炉容器１０１の深さ方向）となるように配置され、スタック２３が仕切部２４よりも上方側に配置される。
【００５４】
上記のように構成される熱音響センサ１１は、仕切部２４の連通前後において、異なる固有振動数となる。熱音響センサ１１は、仕切部２４の連通前において、仕切部２４により２つの分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに仕切られていることから、熱源２２及びスタック２３が設けられる分割音響空間Ｓ２ａに依存する固有振動数となる。このような状態において、熱音響センサ１１は、原子炉内で発生する中性子が熱源２２に照射されると、熱源２２が発熱する。すると、スタック２３を挟んで熱源２２側の分割音響空間Ｓ２ａは、高温となり、スタック２３を挟んで温度勾配が生じる。そして、熱音響センサ１１は、スタック２３を挟んで温度勾配が生じることで、分割音響空間Ｓ２ａに依存する所定の固有振動数となる音波を発生させる。
【００５５】
一方で、熱音響センサ１１は、仕切部２４の連通後において、仕切部２４が溶融することから、熱源２２及びスタック２３が設けられる単一の音響空間Ｓ２に依存する固有振動数となる。このような状態において、熱音響センサ１１は、原子炉内で発生する中性子が熱源２２に照射されると、熱源２２が発熱する。すると、スタック２３を挟んで熱源２２側の音響空間Ｓ２は、高温となり、スタック２３を挟んで温度勾配が生じる。そして、熱音響センサ１１は、スタック２３を挟んで温度勾配が生じることで、音響空間Ｓ２に依存する所定の固有振動数となる音波を発生させる。なお、温度勾配が大きければ大きいほど、音波の音圧は大きくなる。
【００５６】
ここで、複数の熱音響センサ１１は、それぞれ異なる固有振動数となるように形成されている。具体的に、連通前の複数の熱音響センサ１１の分割音響空間Ｓ２ａは、それぞれ固有振動数が異なっている。また、連通後の複数の熱音響センサ１１の音響空間Ｓ２は、それぞれ固有振動数が異なっている。さらに、連通前の複数の熱音響センサ１１の分割音響空間Ｓ２ａと、連通後の複数の熱音響センサ１１の音響空間Ｓ２とは、それぞれ固有振動数が異なっている。このため、複数の熱音響センサ１１の容器２１は、長手方向において、それぞれ異なる長さとなっており、換言すれば、複数の分割音響空間Ｓ２ａ及び複数の音響空間Ｓ２の長手方向における長さは、それぞれ異なる長さとなっている。そして、複数の熱音響センサ１１から発せられる音波は、連通前後においてそれぞれ異なる固有振動数となっている。
【００５７】
また、複数の熱音響センサ１１は、仕切部２４の溶融温度がそれぞれ異なる温度に調整されている。このため、複数の熱音響センサ１１は、複数の分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂが連通する溶融温度が異なることから、一次冷却水の温度変化に応じて、複数の熱音響センサ１１の固有振動数が変化する。
【００５８】
音波検出部１２は、加圧水型原子炉の外部に設けられ、例えば、原子炉容器１０１の外面に接して設けられている。この音波検出部１２は、原子炉容器１０１内の音波を検出することから、原子炉容器１０１の内部に設けられる複数の熱音響センサ１１からの音波も検出している。この音波検出部１２は、制御部１３に接続されており、制御部１３へ向けて検出した音波に関する信号を出力する。
【００５９】
制御部１３は、音波検出部１２から得られた音波に関する信号を取得し、この信号を解析することで、複数の熱音響センサ１１から発せられる音波を取得する。具体的に、制御部１３は、音波検出部１２から得られる音波をフーリエ変換することで、周波数成分に応じて変化する音圧の変換データを取得する。ここで、制御部１３は、所定の熱音響センサ１１と、所定の熱音響センサ１１の連通前後における周波数（固有振動数）と、所定の熱音響センサ１１の仕切部２４に設定される溶融温度と、を対応付けたテーブルを有している。このため、制御部１３は、変換データに基づいて、複数の熱音響センサ１１の固有振動数の変化を検出することで、複数の熱音響センサ１１の溶融温度を特定することにより、温度を計測することが可能となっている。
【００６０】
次に、上記のように構成される温度計測装置１による温度の計測について説明する。複数の熱音響センサ１１は、原子炉容器１０１内に水没しており、この状態において、一次冷却材の温度が低温から高温に上昇する。複数の熱音響センサ１１は、一次冷却材の温度が低温の場合、分割音響空間Ｓ２ａに依存する異なる固有振動数となる音波をそれぞれ発生させる。このとき、音波検出部１２は、分割音響空間Ｓ２ａに依存する異なる固有振動数の音波を含む原子炉容器１０１内の音波を検出し、検出した音波に関する信号を制御部１３へ向けて出力する。制御部１３は、音波検出部１２から入力された音波に関する信号を取得し、取得した信号をフーリエ変換することで、周波数成分に応じて変化する音圧の変換データを取得する。そして、制御部１３は、変換データに基づいて、テーブルから、音圧が高くなっている（音圧がピークとなる）所定の周波数に対応する所定の熱音響センサ１１を特定する。このとき、変換データには、分割音響空間Ｓ２ａに依存する異なる固有振動数が現れる。このため、制御部１３は、全ての熱音響センサ１１が連通前である状態を特定できることから、原子炉内の一次冷却材が低温であることを計測できる。
【００６１】
複数の熱音響センサ１１は、一次冷却材の温度が低温から高温となる場合、分割音響空間Ｓ２ａに依存する異なる固有振動数と、音響空間Ｓ２に依存する異なる固有振動数と、をそれぞれ発生させる。このとき、音波検出部１２は、分割音響空間Ｓ２ａに依存する異なる固有振動数の音波と、音響空間Ｓ２に依存する異なる固有振動数の音波と、を含む原子炉容器１０１内の音波を検出し、検出した音波に関する信号を制御部１３へ向けて出力する。制御部１３は、音波検出部１２から入力された音波に関する信号を取得し、取得した信号をフーリエ変換することで、周波数成分に応じて変化する音圧の変換データを取得する。そして、制御部１３は、変換データに基づいて、テーブルから、音圧が高くなっている（音圧がピークとなる）所定の周波数に対応する所定の熱音響センサ１１を特定する。このとき、変換データには、分割音響空間Ｓ２ａに依存する異なる固有振動数と、音響空間Ｓ２に依存する異なる固有振動数の音波と、が現れる。このため、制御部１３は、一部の熱音響センサ１１が連通前である状態を特定でき、他の一部の熱音響センサ１１が連通後である状態を特定できる。このため、制御部１３は、特定した連通後の熱音響センサ１１のうち、仕切部２４の溶融温度が最も高い温度が、現在の原子炉内の一次冷却材の温度であることを計測できる。
【００６２】
以上のように、実施形態１によれば、仕切部２４が溶融温度になると、複数の分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂが単一の音響空間Ｓ２となる。このため、分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの連通前において発生する音波の固有振動数と、分割音響空間Ｓ２の連通後において発生する音波の固有振動数とを異なる固有振動数とすることができる。このため、制御部１３は、固有振動数の変化を検出することで、熱音響センサ１１が溶融温度になったことを検出することができる。
【００６３】
また、実施形態１によれば、スタック２３を、仕切部２４よりも鉛直方向の上方側に配置することができるため、スタック２３が溶融することで、自重により落下する場合であっても、仕切部２４がスタック２３の妨げになることを抑制できるため、熱音響センサ１１の音波の発生に影響を与えることがない。
【００６４】
また、実施形態１によれば、円板形状の溶融する仕切部２４を音響空間Ｓ２に配置すればよいため、簡易な構成により複数の分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに仕切ることができ、また、分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂを容易に連通させることができる。
【００６５】
また、実施形態１によれば、熱音響センサ１１から発せられる音波は、溶融温度を閾値として固有振動数が変化する。このため、制御部１３は、熱音響センサ１１の固有振動数の変化を特定することで、熱音響センサ１１の溶融温度を検出することができる。このように、熱音響センサ１１から発生する音波の変化を好適に検出することができるため、温度を精度よく計測することができる。なお、音波検出部１２は、熱音響センサ１１から発せられる音波を検出すればよいため、熱音響センサ１１と音波検出部１２との間は、無線の状態とすることができ、取り回しのよいものとすることができる。
【００６６】
また、実施形態１によれば、分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの連通前後において固有振動数を異ならせることができるため、連通前後に関わらず熱音響センサ１１を特定することができる。
【００６７】
また、実施形態１によれば、複数の熱音響センサ１１を原子炉内に設けることで、原子炉内の温度を検出することができる。このため、シビアアクシデント時において、熱音響センサ１１から発生する音波の変化を好適に検出することができるため、温度を精度よく計測することができる。
【００６８】
［実施形態２］
次に、図５を参照して、実施形態２に係る温度計測装置３０について説明する。図５は、実施形態２の熱音響センサの模式図である。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。
【００６９】
実施形態２の温度計測装置３０において、熱音響センサ３１の仕切部３５は、仕切部材３６と、溶融連結部材３７とを有している。仕切部材３６は、円板形状の部材であり、例えば、金属またはセラミック等の材料を用いて形成されている。この仕切部材３６は、用いる材料が実施形態１と異なる音響空間Ｓ２を複数（例えば、２つ）の分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに仕切るものである。仕切部材３６は、スタック２３を挟んで、熱源２２とは反対側の音響空間Ｓ２に配置されている。この仕切部材３６は、分割した分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂの間において、音波の伝搬を不能としている。また、この仕切部材３６は、容器２１に対し、移動可能に配置されている。
【００７０】
溶融連結部材３７は、仕切部材３６と容器２１とを連結する部材であり、例えば、索状に形成されている。溶融連結部材３７は、予め設定された設定温度になると溶融する。このため、溶融連結部材３７が溶融すると、溶融連結部材３７による仕切部材３６と容器２１との連結が解除される。そして、仕切部材３６は、自重により落下することで、仕切った分割音響空間Ｓ２ａ，Ｓ２ｂが連通して、単一の音響空間Ｓ２となる。
【００７１】
以上のように、実施形態２によれば、使用する溶融材料を溶融連結部材に用いればよいことから、実施形態１に比して溶融材料の使用量を少なくすることができる。なお、実施形態２では、溶融連結部材３７は、索状の部材としたが、板状の部材であってもよく、特に限定されない。
【００７２】
［実施形態３］
次に、図６を参照して、実施形態３に係る温度計測装置４０について説明する。図６は、実施形態３の熱音響センサの模式図である。なお、実施形態３でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。
【００７３】
実施形態３の温度計測装置４０において、熱音響センサ４１は、実施形態１及び２に設けられた仕切部２４，３５に代えて、相変化材４５を設けている。相変化材４５は、塊状に形成されており、スタック２３を挟んで、熱源２２とは反対側の音響空間Ｓ２に配置されている。この相変化材４５は、予め設定された設定温度になると、固相から気相、または固相から液相に相変化することで、音響空間Ｓ２の内部の状態が変化する。このため、相変化材４５の相変化前後において、音響空間Ｓ２内の気圧及び密度の少なくとも一方が変化することで、音響空間Ｓ２内における音波の伝搬速度が変化することから、熱音響センサ４１から発せられる固有振動数が変化する。
【００７４】
以上のように、実施形態３によれば、相変化材４５が設定温度になると、音響空間Ｓ２の内部の状態が変化する。このため、相変化前において発生する音波の固有振動数と、相変化後において発生する音波の固有振動数とを異なる固有振動数とすることができる。このため、制御部１３は、固有振動数の変化を検出することで、熱音響センサ１１が設定温度になったことを検出することができる。
【００７５】
［実施形態４］
次に、図７を参照して、実施形態４に係る温度計測装置５０について説明する。図７は、実施形態４の温度計測装置の概略構成図である。なお、実施形態４でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１から３と異なる部分について説明し、実施形態１から３と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。
【００７６】
実施形態４の温度計測装置５０は、燃料プール５１の内部の温度を計測するものである。図７に示すように、燃料プール５１は、冷却材が溜められており、燃料集合体１２０を貯蔵する貯蔵ラック５５が水没して設けられている。燃料プール５１に溜められた冷却材は、燃料プール５１に付帯するポンプ５６及び熱交換器５７等の付帯設備によって、冷却されながら循環している。
【００７７】
複数の熱音響センサ１１は、燃料プール５１内に格納されている燃料集合体１２０の水平面に対して、所定の分布となるように並べて設けられている。複数の熱音響センサ１１は、例えば、燃料集合体１２０を収容する貯蔵ラック５５に取り付けられている。
【００７８】
以上のように、実施形態４によれば、複数の熱音響センサ１１を燃料プール５１内に設けることで、燃料プール５１内の温度を検出することができる。このため、シビアアクシデント時において、熱音響センサ１１から発生する音波の変化を好適に検出することができるため、温度を精度よく計測することができる。
【００７９】
なお、実施形態１から４の温度計測装置１，３０，４０，５０には、熱音響センサ１１が発する音波を、音波検出部１２に伝搬させる伝搬部材を設けてもよい。つまり、伝搬部材は、熱音響センサ１１と音波検出部１２との間に設けられる。この構成によれば、温度計測装置１，３０，４０，５０は、熱音響センサ１１からの音波を伝搬部材を介して音波検出部１２に伝搬させることができるため、音波検出部１２による音波の検出を精度よく行うことができる。
【符号の説明】
【００８０】
１  温度計測装置
１１  熱音響センサ
１２  音波検出部
１３  制御部
２１  容器
２２  熱源
２３  スタック
３０  温度計測装置（実施形態２）
３１  熱音響センサ
３５  仕切部
３６  仕切部材
３７  溶融連結部材
４０  温度計測装置（実施形態３）
４１  熱音響センサ
４５  相変化材
５０  温度計測装置（実施形態４）
５１  燃料プール
５５  貯蔵ラック
５６  ポンプ
５７  熱交換器
１００  原子炉格納容器
１０１  原子炉容器
１０１ａ  原子炉容器本体
１０１ｂ  原子炉容器蓋
１０１ｃ  入口側管台
１０１ｄ  出口側管台
１０１ｅ  下鏡
１０２  加圧器
１０３  蒸気発生器
１０３ａ  入口側水室
１０３ｂ  出口側水室
１０３ｃ  仕切板
１０４  一次冷却水ポンプ
１０５  一次冷却水管
１０６ａ  二次冷却水管
１０６ｂ  二次冷却水管
１０７  蒸気タービン
１０８  高圧タービン
１０９  低圧タービン
１１０  発電機
１１１  湿分分離加熱器
１１２  復水器
１１２ａ  取水管
１１２ｂ  ポンプ
１１２ｃ  排水管
１１３  復水ポンプ
１１４  低圧給水加熱器
１１５  脱気器
１１６  主給水ポンプ
１１７  高圧給水加熱器
１２０  燃料集合体
１２１  スタッドボルト
１２２  ナット
１２３  上部炉心支持板
１２４  下部炉心支持板
１２５  炉心支持ロッド
１２６  上部炉心板
１２７  炉心槽
１２８  下部炉心板
１２９  炉心
１３０  制御棒
１３１  制御棒クラスタ
１３２  制御棒クラスタ案内管
１３３  制御棒駆動装置
１３４  ハウジング
１３５  制御棒クラスタ駆動軸
１３６  案内装置
１３７  計装管台
１３８  支持柱
１３９  コンジットチューブ
１４０  コンジットチューブ案内管
１４６  計装管台
１４７  炉内計装案内管
１４８  コンジットチューブ
１４９，１５０  連接板
１５１  シンブルチューブ
１５３  燃料棒
１５４  グリッド
１５５  上部ノズル
１５６  下部ノズル
１６１  下部プレナム
１６２  ダウンカマー部
Ｓ  内部空間
Ｓ１  熱源配置空間
Ｓ２  音響空間
Ｓ２ａ，Ｓ２ｂ  分割音響空間
【図１】
2016148556.tif 000003
【図２】
2016148556.tif 000004
【図３】
2016148556.tif 000005
【図４】
2016148556.tif 000006
【図５】
2016148556.tif 000007
【図６】
2016148556.tif 000008
【図７】
2016148556.tif 000009