CH698685B1 - Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung und Überwachungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Eine Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung hat einen ersten Ultraschall-Signalwandler (1), einen Ultraschall-Impulsgeber (6), einen zweiten Ultraschall-Signalwandler (2), einen Ultraschall-Empfänger (7), einen Signalprozessor (8) und eine Anzeigeeinheit (9). Der erste Ultraschall-Signalwandler (1) ist auf der äusseren Oberfläche eines Reaktordruckbehälters (3) angebracht und konfiguriert, um ein Sendesignal in einen Ultraschallimpuls umzuwandeln, und ermöglicht, den Ultraschallimpuls zu einer reaktorinneren Komponente auszusenden. Der zweite Ultraschall-Signalwandler (2) ist an der äusseren Oberfläche des Reaktordruckbehälters (3) angeordnet und konfiguriert, einen durch eine reaktorinnere Komponente reflektierten Ultraschallimpuls zu empfangen und den empfangenen, reflektierten Ultraschallimpuls in ein Empfangssignal umzuwandeln.
Description
Querverweise zu verwandten Anmeldungen
[0001] Diese Anmeldung basiert auf und beansprucht die Vorteile der Priorität der vorangegangenen japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-077 296, eingereicht beim japanischen Patentamt am 25. März 2008, deren vollständiger Inhalt hierin unter Bezugnahme eingearbeitet ist.
Hintergrund der Erfindung
[0002] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung zur
Überwachung der baulichen Unversehrtheit einer inneren Komponente eines Kernreaktors sowie ihr Verfahren.
[0003] Als eine Technik zur Überprüfung der baulichen Gesundheit einer inneren Komponente eines Kernreaktors ist ein Verfahren bekannt, das die Schwingungsamplitude oder die Schwingungsfrequenz der inneren Komponente des Reaktors misst und hiervon Messwerte oder einen Trend evaluiert. Um die Schwingungen der inneren Komponente des Reaktors messen zu können, findet üblicherweise ein Verfahren Anwendung, bei welchem ein Schwingungssensor im Reaktor installiert ist, und von welchem Schwingungssensor ein Signal nach ausserhalb des Reaktors mittels Signalkabel gesendet wird.
[0004] Bei diesem Verfahren ist es jedoch notwendig, das Signalkabel innerhalb und ausserhalb des Kernreaktors zu verlegen, so dass es ziemlich viel Arbeit in Anspruch nimmt, die Messung vorzubereiten.
[0005] Um dieses Problem zu meistern, wurde ein Ultraschall-Schwingungs-Messsystem wie veröffentlicht im japanischen Patent Nr. 3 782 559 vorgeschlagen (deren vollständiger Inhalt hierin unter Bezugnahme eingearbeitet ist).
[0006] Bei diesem Ultraschall-Schwingungs-Messsystem wird ein Ultraschallsensor auf der äusseren Oberfläche des Reaktordruckbehälters angebracht, und einem Ultraschallimpuls ist es möglich, sich im Reaktor durch den Reaktordruckbehälter auszubreiten. Der sich im Reaktordruckbehälter ausbreitende Ultraschallimpuls kollidiert mit einer und wird reflektiert durch eine innere/n Komponente eines Reaktors wie zum Beispiel eine Ummantelung oder eine Düsenpumpe unter Wasser. Der reflektierte Ultraschallimpuls wird abermals durch den Reaktordruckbehälter zum Ultraschallsensor zurückgesandt.
[0007] Falls die innere Komponente des Reaktors wie zum Beispiel eine Ummantelung schwingt, wird die Ausbreitungszeit des Ultraschallimpulses infolge der Schwingung etwas verändert. Unter der Annahme, dass die Änderung der Ausbreitungszeit des Ultraschallimpulses Δt (s) ist, wird die Schwingungsamplitude L (m) der inneren Komponente des Reaktors wie zum Beispiel eine Ummantelung durch Anwendung der folgenden Gleichung (1) berechnet.
[0008] «C» ist die Schallgeschwindigkeit (m/s) im Reaktorwasser. Durch Auswerten von ΔL in Zeitreihen kann der Schwingungsverlauf der inneren Komponente des Reaktors wie zum Beispiel eine Ummantelung dargestellt werden.
[0009] Bei einer konventionellen Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung und ihrem Verfahren ist ein Ultraschallsensor konfiguriert im Einsatz für beides, als Sender und Empfänger von Ultraschall.
[0010] Demzufolge wird zum Beispiel in dem Fall, in welchem die innere Komponente des Reaktors wie zum Beispiel eine Düsenpumpe relativ zum Reaktordruckbehälter geneigt angeordnet ist, der Ultraschallimpuls schief reflektiert, so dass der reflektierte Ultraschallimpuls nicht zur Position der Ultraschallquelle zurückkehrt. Als Folge davon kann der Ultraschallsensor den reflektierten Ultraschallimpuls nicht empfangen, was es unmöglich macht, die Schwingung der inneren Komponente des Reaktors zu messen.
[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das oben beschriebene Problem zu lösen, und ein Ziel hierbei ist, eine Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung zur Überwachung der baulichen Unversehrtheit einer inneren Komponente eines Kernreaktors sowie ihr Verfahren bereitzustellen, welches imstande ist, die Schwingung einer reaktorinneren Struktur zu messen, welche relativ zum Reaktordruckbehälter geneigt angeordnet ist.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
[0012] Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung bereitgestellt, umfassend: einen ersten Ultraschall-Signalwandler, welcher auf der äusseren Oberfläche eines Reaktordruckbehälters angebracht und konfiguriert ist, um ein Sendesignal in einen einfallenden Ultraschallimpuls umzuwandeln, und welcher ermöglicht, den einfallenden Ultraschallimpuls zu einer reaktorinneren Komponente auszusenden; einen Ultraschall-Impulsgeber, welcher elektrisch verbunden ist mit dem ersten Ultraschall-Signalwandler und welcher konfiguriert ist, das Sendesignal auszusenden; einen zweiten Ultraschall-Signalwandler, welcher an der äusseren Oberfläche des Reaktordruckbehälters angeordnet und konfiguriert ist, einen durch die reaktorinnere Komponente reflektierten Ultraschallimpuls zu empfangen und den empfangenen, reflektierten Ultraschallimpuls in ein Empfangssignal umzuwandeln; einen Ultraschall-Empfänger, welcher elektrisch verbunden ist mit dem zweiten Ultraschall-Signalwandler und konfiguriert ist, das Empfangssignal zu empfangen; einen Signalprozessor, welcher elektrisch verbunden ist mit dem Ultraschall-Impulsgeber und dem Ultraschall-Empfänger und konfiguriert ist, um dem Ultraschall-Impulsgeber ein Signal einzuspeisen und vom Ultraschall-Empfänger ein Signal so zu empfangen, dass Signalverarbeitung am Signal stattfindet; eine Anzeigeeinheit, welche konfiguriert ist, um Schwingungsinformationen der reaktorinneren Komponente anzuzeigen, gewonnen als ein Resultat der Signalverarbeitung durch den Signalprozessor.
[0013] Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachung bereitgestellt, umfassend: Aussenden eines einfallenden Ultraschallimpulses zu einer reaktorinneren Komponente unter Verwendung eines ersten Ultraschall-Signalwandlers, welcher auf der äusseren Oberfläche eines Reaktordruckbehälters angebracht ist; Empfang eines durch die reaktorinnere Komponente reflektierten Ultraschallimpulses unter Verwendung eines zweiten Ultraschall-Signalwandlers, welcher auf der äusseren Oberfläche des Reaktordruckbehälters angebracht ist; und Anwendung von Signalverarbeitung am empfangenen, reflektierten Ultraschallimpuls zum Messen der Schwingung der inneren Komponente des Reaktors.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0014] Die obigen und weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich durch die nachfolgende Diskussion von spezifischen, veranschaulichenden Ausführungsformen, hiervon in Verbindung mit beigefügten Zeichnungen präsentiert, in welchen: Fig. 1<sep>eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; Fig. 2<sep>eine erläuternde Ansicht eines Ausbreitungszustandes eines Ultraschallsignals aus Fig. 1zeigt; Fig. 3<sep>eine erläuternde Ansicht eines Verfahrens zum Messen der Schwingung unter Verwendung des Ultraschallsignals aus Fig. 1 zeigt; Fig. 4A bis Fig. 4C<sep>erläuternde Ansichten des auszusendenden Ultraschallimpulses aus Fig. 1 und des zu empfangenden Ultraschallimpulses aus Fig. 1zeigen, worin Fig. 4A<sep>eine Zeitgraphik des elektrischen Impulssignals, welches den auszusendenden Ultraschallimpuls vom ersten Ultraschall-Signalwandler, Fig. 4B<sep>eine Zeitgraphik des elektrischen Impulssignals, welches den empfangenen Ultraschallimpuls vom zweiten Ultraschall-Signalwandler, und Fig. 4C<sep>eine Zeitgraphik eines weiteren, durch den zweiten Ultraschall-Signalwandler empfangenen Ultraschallimpulses darstellt; Fig. 5<sep>eine erläuternde Ansicht eines Verfahrens zur Rekonstruktion der aktuellen Schwingungsamplitude aus den diskreten Messwerten der Schwingungsamplitude von Fig. 1zeigt; Fig. 6<sep>eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; Fig. 7A und 7B<sep>erläuternde Ansichten einer Zeit-Beziehung und einer Frequenz-Beziehung zwischen einem Sende-RF-Impuls und einem Empfangs-RF-Impuls aus Fig. 6zeigen, worin Fig. 7A<sep>eine Zeitgraphik des vom Ultraschall-Signalwandler auszusendenden Sende-RF-Impulses, und Fig. 7B<sep>eine Zeitgraphik des vom Ultraschall-Signalwandler empfangenen Empfangs-RF-Impulses darstellt; Fig. 8A und 8B<sep>erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, worin Fig. 8A<sep>eine die Lage betreffende Beziehung zwischen Reaktordruckbehälter und reaktorinneren Komponente, und Fig. 8B<sep>einen Querschnitt entlang VIIIb–VIIIb aus Fig. 8A zeigt wie oben dargestellt; Fig. 9A und 9B<sep>erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, worin Fig. 9A<sep>eine die Lage betreffende Beziehung zwischen Reaktordruckbehälter und reaktorinneren Komponente, und Fig. 9B<sep>einen Querschnitt entlang IXb–IXb aus Fig. 9Azeigt wie oben dargestellt; Fig. 10A und 10B<sep>erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, worin Fig. 10A<sep>eine die Lage betreffende Beziehung zwischen Reaktordruckbehälter und reaktorinneren Komponente, und Fig. 10B<sep>einen Querschnitt entlang Xb–Xb aus Fig. 10Azeigt wie oben dargestellt; Fig. 11A und 11B<sep>erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, worin Fig. 11A<sep>eine die Lage betreffende Beziehung zwischen Reaktordruckbehälter und reaktorinneren Komponente, und Fig. 11B<sep>einen Querschnitt entlang XIb–XIb aus Fig. 11Azeigt wie oben dargestellt; Fig. 12A und 12B<sep>erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen, worin Fig. 12A<sep>eine charakteristische Ansicht eines Anzeigeverfahrens der ursprünglichen Frequenz der reaktorinneren Komponente, und Fig. 12B<sep>eine charakteristische Ansicht eines Einstellverfahrens eines Schwellenwertes darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0015] Nachfolgend werden Ausführungsformen der Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung und ihr Verfahren beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen dieselben Ziffern für dieselben Komponenten vergeben wurden und deshalb überlappende Beschreibungen weggelassen werden.
[Erste Ausführungsform]
[0016] Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
[0017] Mit Fig. 1 wird eine Basiskonfiguration der Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung beschrieben.
[0018] Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein erster Ultraschall-Signalwandler 1 und ein zweiter Ultraschall-Signalwandler 2 dargestellt, welcher auf der äusseren Oberfläche eines Reaktordruckbehälters 3 angebracht ist. Der Ultraschall-Signalwandler 1 ist durch ein Kabel 4a durch eine Sicherheitsbehälter-Signalauslassöffnung 5a mit dem Ultraschall-Impulsgeber 6 elektrisch verbunden, welcher ausserhalb oder innerhalb eines Sicherheitsbehälters 5 angeordnet ist.
[0019] In gleicher Weise ist der Ultraschall-Signalwandler 2 durch ein Kabel 4b durch eine Sicherheitsbehälter-Signalauslassöffnung 5a elektrisch verbunden mit einem Ultraschall-Empfänger 7, welcher ausserhalb oder innerhalb eines Sicherheitsbehälters 5 angeordnet ist.
[0020] Der Ultraschall-Impulsgeber 6 und der Ultraschall-Empfänger 7 sind elektrisch verbunden mit einem Signalprozessor 8. Der Signalprozessor 8 ist verbunden mit einer Anzeigeeinheit 9. Die Anzeigeeinheit 9 ist konfiguriert, um einen Schwingungsverlauf darzustellen, wobei Schwingungsspektrum und ähnliches durch den Signalprozessor 8 analysiert werden.
[0021] Fig. 2 zeigt eine erläuternde Ansicht eines Ausbreitungszustandes eines Ultraschallsignals aus Fig. 1.
[0022] Wie in Fig. 2 dargestellt, wird ein Auslöseimpuls eingespeist vom Signalprozessor 8 zum Ultraschall-Impulsgeber 6, bereitgestellt an der äusseren Oberfläche des Reaktordruckbehälters 3. Wenn ein elektrisches Impulssignal 10 zum Ultraschall-Signalwandler 1 durch den Ultraschall-Impulsgeber 6 hinzugefügt wird, wird das elektrische Impulssignal 10 im Ultraschall-Signalwandler 1 in ein Ultraschallsignal umgewandelt, und in gleicher Weise wird ein Ultraschallimpuls 11 erzeugt.
[0023] Der erzeugte Ultraschallimpuls 11 breitet sich im Reaktorwasser 12 durch die Wand des Reaktordruckbehälters 3 hinein aus. Ein einfallender Ultraschallimpuls 13, welcher sich im Reaktorwasser 12 ausgebreitet hat, wird durch eine reaktorinnere Komponente 14 wie zum Beispiel eine Düsenpumpe reflektiert. Wenn die Oberfläche der reaktorinneren Komponente 14 relativ zum Reaktordruckbehälter 3 geneigt ist, breitet sich ein reflektierter Ultraschallimpuls 15 in geneigter Richtung abhängig vom Neigungswinkel der reaktorinneren Komponente 14 gemäss dem Reflexionsgesetz aus.
[0024] Der reflektierte Ultraschallimpuls 15 breitet sich mit einem Neigungswinkel aus, bis er die Begrenzung zwischen Reaktorwasser 12 und Reaktordruckbehälter 3 erreicht. In diesem Augenblick wird der reflektierte Ultraschallimpuls 15 ein reflektierter Ultraschallimpuls 16, welcher sich infolge Brechung im Reaktordruckbehälter 3 mit einem grösseren Neigungswinkel ausbreitet.
[0025] Der Ultraschall-Signalwandler 2, welcher an einem zuvor berechneten Eintreffpunkt des reflektierten Ultraschallimpulses 16 angeordnet ist, erfasst den reflektierten Ultraschallimpuls 16. Der auf diese Weise erfasste reflektierte Ultraschallimpuls 16 wird im Ultraschall-Signalwandler 2 in ein elektrisches Impulssignal 10 umgewandelt. Das elektrische Impulssignal 10 wird dann der Signalverarbeitung, wie zum Beispiel Verstärkung, Filterung und Ähnliches, im Ultraschall-Empfänger 7 zugeführt.
[0026] Das im Ultraschall-Empfänger 7 verarbeitete Signal wird durch den Signalprozessor 8 in ein digitales Signal umgewandelt, welches durch einen Mikrocomputer oder durch einen Frequenz-Demodulator (FM Demodulator, FM: Frequenzmodulation) gebildet wird, wodurch Schwingungsinformationen bereitgestellt sind.
[0027] Dann werden die durch Verarbeitung im Signalprozessor 8 bereitgestellten Schwingungsinformationen der Komponente 14 in der Anzeigeeinheit 9 angezeigt. Die Anzeigeeinheit 9 zeigt die Eingangsinformationen ausdrücklich inklusive Schwingungsamplitudenverlauf, Schwingungsfrequenzantwort, Änderungsentwicklungen des Schwingungsverlaufs oder Schwingungsphase an.
[0028] In der vorliegenden, oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Messen der Schwingungen unter Verwendung des Ultraschallsignals mit Bezug auf Fig. 3beschrieben.
[0029] Fig. 3 zeigt eine erläuternde Ansicht eines Verfahrens zum Messen der Schwingungen unter Verwendung des Ultraschallsignals aus Fig. 1.
[0030] Wie in Fig. 3 dargestellt, wird ein DC-Impulssignal (DC = Gleichstrom) als ein elektrisches Impulssignal 10 genutzt, welches in einen Ultraschallimpuls umgewandelt wird. Der Ultraschallimpuls 11 wird vom Ultraschall-Signalwandler 1 durch den Reaktordruckbehälter 3 im richtigen Winkel relativ zur Wand des Reaktordruckbehälters 3 ausgesendet. Im Reaktorwasser 12 breitet sich der einfallende Ultraschallimpuls 13 im richtigen Winkel relativ zur Wand des Reaktordruckbehälters 3 aus. Der einfallende Ultraschallimpuls 13 wird durch die reaktorinnere Komponente 14 reflektiert.
[0031] Wenn die reaktorinnere Komponente 14 mit einem Winkel von 9 (Grad) relativ zum Reaktordruckbehälter 3 geneigt ist, breitet sich der reflektierte Ultraschallimpuls 15 in Richtung 29 (Grad) aus. Im Augenblick, in dem der reflektierte Ultraschallimpuls 15 die Begrenzung zwischen Reaktorwasser 12 und Reaktordruckbehälter 3 erreicht, wird der Ultraschallimpuls 16 weiter gebrochen infolge der schrägen Ausbreitung des Ultraschallimpulses 16, begründet im Unterschied zwischen der Schallgeschwindigkeit im Reaktorwasser 12 und im Reaktordruckbehälter 3.
[0032] Das heisst, der Brechungswinkel α (Grad), bei welchem sich der reflektierte Ultraschallimpuls 15 im Reaktordruckbehälter 3 ausbreitet, wird gemäss Snell’s Gesetz durch Anwendung der folgenden Gleichung (2) berechnet.
[0033]
[0034] In der obigen Gleichung steht «CWasser» für die Schallgeschwindigkeit (m/s) einer Ultraschallwelle im Reaktorwasser 12, und «CBehälter» steht für die Schallgeschwindigkeit (m/s) einer Ultraschallwelle im Reaktordruckbehälter 3.
[0035] Wie aus Gleichung (2) ersichtlich, ist der Brechungswinkel α (Grad) durch die Schallgeschwindigkeit im Reaktorwasser 12 bestimmt. Die Schallgeschwindigkeit im Reaktorwasser 12 hängt ab von der Temperatur des Reaktorwassers 12.
[0036] Wie oben beschrieben, wird der sich mit einem Brechungswinkel α (Grad) im Reaktordruckbehälter 3 ausbreitende Ultraschallimpuls empfangen vom Ultraschall-Signalwandler 2. Um ein Ultraschallecho von hoher Empfindlichkeit zu empfangen, muss die Position des Ultraschall-Signalwandlers 2 eventuell abhängig von der Reaktortemperatur nachjustiert werden. Wie im Handbuch der Ultraschalltechnik beschrieben (Nikkan Kogyo Shinbun Ltd., vierte überarbeitete Auflage, Seiten 1202 bis 1203), beträgt die Schallgeschwindigkeit (CWasser) bei einer Temperatur von 25 Grad Celsius 1497 (m/s), während die Schallgeschwindigkeit (CWasser) bei 287,8 Grad Celsius auf 980 (m/s) reduziert ist. Unter der Annahme, dass die Schallgeschwindigkeit (CBehälter) im Druckbehälter 6000 (m/s) und θ1 Grad beträgt, entsprechen 8 Grad dem Ausbreitungswinkel α (25) bei einer Temperatur von 25 Grad Celsius, und 12,3 Grad entsprechen einem Ausbreitungswinkel α (287,8) bei 287,8 Grad Celsius. Hierbei wird angenommen, dass die Wanddicke eines Reaktordruckbehälters 3160 mm sei. In diesem Fall hat sich, sobald sich die Temperatur des Reaktorwassers 12 von 25 Grad Celsius auf 287,8 Grad Celsius erhöht hat, die optimale Empfangsposition des Ultraschall-Signalwandlers 2 um ungefähr 12 mm verändert (160 mm x tan (8 Grad) –160 mm x tan (12,3 Grad) = –12,4 mm).
[0037] Wie im Handbuch zur zerstörungsfreien Prüfung [neue Auflage](herausgegeben durch die Japanische Gesellschaft zur zerstörungsfreien Prüfung, April 1978, Seiten 458 bis 459) und im neuen Handbuch zur zerstörungsfreien Prüfung (herausgegeben durch die Japanische Gesellschaft zur zerstörungsfreien Prüfung, Oktober 1992, Seiten 458 bis 459) beschrieben, werden Ultraschallprüfverfahren, welche zwei Ultraschall-Signalwandler zum Messen von Wanddicken oder Schäden verwenden, weit verbreitet angewendet. In den obigen Dokumenten wird die Position von zwei Ultraschall-Signalwandlern einzig unter Berücksichtigung der Wanddicke D des Reaktordruckbehälters 3 bestimmt. Um dennoch das Ultraschallecho der reaktorinneren Komponente 14 in einer optimale Position zu erhalten, wird in der vorliegenden Ausführungsform die Position des Ultraschall-Signalwandlers 2 unter Berücksichtigung der Temperatur des Reaktorwassers 12 angepasst.
[0038] Der Ultraschall-Signalwandler 2 ermittelt die Ultraschallimpulse 17a (Fig. 4B) und 17b (Fig. 4C) unter Berücksichtigung des elektrischen Impulssignals 10, welches dem Ultraschallimpuls 11 entspricht, ausgesendet vom Ultraschall-Signalwandler 1.
[0039] Fig. 4A bis Fig. 4C zeigen erläuternde Ansichten des auszusendenden Ultraschallimpulses aus Fig. 1 und des zu empfangenden Ultraschallimpulses aus Fig. 1. Fig. 4Azeigt eine Zeitgraphik des elektrischen Impulssignals 10, welches den auszusendenden Ultraschallimpuls vom Ultraschall-Signalwandler 1 darstellt, Fig. 4Bzeigt eine Zeitgraphik des elektrischen Impulssignals 10, welches den Ultraschallimpuls 17a, empfangen vom Ultraschall-Signalwandler 2, darstellt, und Fig. 4C zeigt eine Zeitgraphik eines Ultraschallimpulses 17b, empfangen vom Ultraschall-Signalwandler 2.
[0040] Sobald die reaktorinnere Komponente 14 schwingt, variieren die Ankunftszeiten, bei welchen die empfangenen Ultraschallimpulse 17a und 17b ermittelt werden im Verhältnis zur Schwingungsamplitude ΔL der reaktorinneren Komponente 14. Unter der Annahme, dass bei einer nicht schwingenden reaktorinneren Komponente 14 die Ausbreitungszeit T (s) ist, dargestellt mittels einer durchgezogenen Linie in Fig. 3, wird die Ausbreitungszeit T durch Anwendung der folgenden Gleichung (3) berechnet.
[0041] Sobald die reaktorinnere Komponente 14, dargestellt mittels einer unterbrochenen Linie in Fig. 3, mit einer Schwingungsamplitude ΔL schwingt, wird ferner L zu L + ΔL. Unter der Annahme, dass eine Veränderung der Ausbreitungszeit T des Ultraschallimpulses Δt ist, wird die Veränderung Δt der Ausbreitungszeit T durch Anwendung der folgenden Gleichung (4) berechnet.
[0042] Dementsprechend wird die Ausbreitungszeit durch Anwendung der folgenden Gleichung (5) berechnet.
[0043] Folglich kann durch Messen der Veränderung Δt der Ausbreitungszeit T im Signalprozessor 8, dargestellt in Fig. 1, die Schwingungsamplitude ΔL gemessen werden.
[0044] Unter der Annahme, dass das Zeitintervall, in welchem das Impulssignal 10 generiert wird, Ts (s) ist, kann die Schwingungsamplitude ΔL für jedes Zeitintervall Ts (s) getrennt gemessen werden.
[0045] Fig. 5 zeigt eine erläuternde Ansicht eines Verfahrens zur Rekonstruktion des aktuellen Schwingungsverlaufs aus den diskreten Messwerten der Schwingungsamplitude ΔL von Fig. 1. Wie in Fig. 5gezeigt, kann der aktuelle Schwingungsverlauf ermittelt werden.
[0046] Das Abfragetheorem wird verwendet, um ein Schwingungssignal zu reproduzieren, welches eine Frequenz f (Hz) aufweist. Das Zeitintervall Ts (s), bei welcher das Ultraschall-Impulssignal erzeugt wird, genügt folgender Gleichung (6).
[0047]
[0048] Um beispielsweise eine Schwingungsamplitude von 100 Hz zu reproduzieren, sollte das Ultraschall-Impulssignal bei einem Intervall von wenigstens 200 Hz (Ts = 50 ms) erzeugt werden.
[0049] Selbst wenn die reaktorinnere Komponente 14 relativ zum Reaktordruckkessel 3 geneigt angeordnet ist, können in der vorliegenden Ausführungsform von der reaktorinneren Komponente 14 unter Verwendung des Ultraschall-Signalwandlers 1 und des Ultraschall-Signalwandlers 2 reflektierte Ultraschallsignale 17a und 17b empfangen werden, wobei die Schwingung der reaktorinneren Komponente 14 gemessen werden kann.
[Zweite Ausführungsform]
[0050] Fig. 6 zeigt eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 7A und 7Bzeigen erläuternde Ansichten einer Zeit-Beziehung und einer Frequenz-Beziehung zwischen einem Sende-RF-Impuls und einem Empfangs-RF-Impuls aus Fig. 6. Fig. 7Azeigt eine Zeitgraphik des vom Ultraschall-Signalwandler 1 auszusendenden Sende-RF-Impulses und Fig. 7B eine Zeitgraphik des vom Ultraschall-Signalwandler 2 empfangenen Empfangs-RF-Impulses. In Fig. 6 kennzeichnen dieselben Ziffern wie in Fig. 1dieselben Teile wie in Fig. 1, weshalb überlappende Beschreibungen weggelassen wurden.
[0051] Wie in Fig. 6 und 7A dargestellt, wird ein RF-Impulssignal 18 (RF = Funkfrequenz) durch den Ultraschall-Impulsgeber 6 erzeugt und als Ultraschall-Impulssignal verwendet. Das heisst, dass wie in Fig. 7Agezeigt mit Eingang eines RF-Impulssignals 18 in den Ultraschall-Impulsgeber 1 zum Aussenden ein gestörtes RF-Impulssignal 19 erzeugt und in diesem Augenblick zu einem RF-Impulssignal wird. Die Trägerfrequenz des RF-Impulssignals wird deshalb als f (Hz) vorausgesetzt. Dieses RF-Impulssignal breitet sich im Reaktorwasser 12 aus, reflektiert durch eine reaktorinnere Komponente 14, gebrochen durch die Begrenzung zwischen Reaktorwasser 12 und Reaktordruckbehälter 3 und empfangen durch den Ultraschall-Signalwandler 2.
[0052] Das empfangene RF-Empfangs-Impulssignal 20 wird in Zeitintervallen entsprechend der Ausbreitungszeit T oder (T + ΔT) überwacht, wie im Fall des auszusendenden Ultraschall-Impulssignals und des in Fig. 4zu empfangenden Ultraschall-Impulssignals. Das reflektierte RF-Impulssignal ist durch die Schwingung der reaktorinneren Komponente 14 Doppler-abgeweicht, und entsprechend sind Frequenz und reflektiertes RF-Impulssignal verändert.
[0053] Unter der Annahme, dass die Schwingungsgeschwindigkeit der reaktorinneren Komponente V (m/s) ist, kann in diesem Fall die Frequenzänderung Δf (Hz) durch Anwendung der folgenden Gleichung (7) berechnet werden.
[0054] In der obigen Gleichung steht «CWasser» für die Schallgeschwindigkeit (m/s) einer Ultraschallwelle im Reaktorwasser 12, und θ für den Neigungswinkel (Grad) zwischen Reaktordruckbehälter 3 und reaktorinnerer Komponente 14, dargestellt in Fig. 6.
[0055] Die Frequenzänderung Δf wird im Signalprozessor 8 unter Verwendung eines Frequenz-Demodulator-Kreises gemessen, dargestellt in Fig. 6. Die Schwingungsgeschwindigkeit V (m/s) kann von der Frequenzänderung Δf unter Verwendung der Gleichung (7) zurückgerechnet werden. Ausserdem wird in diesem Fall die Schwingungsgeschwindigkeit direkt gemessen und daher wie im Falle des Verfahrens, in Fig. 5 gezeigt, der Messwert in den Signalprozessor eingebracht und das Abfragetheorem verwendet, um den Schwingungsgeschwindigkeitsverlauf darzustellen. Die ermittelten Daten sind sodann in einen Schwingungsamplitudenverlauf oder Schwingungsbeschleunigungsverlauf umzuwandeln, welche dann an der Anzeigeeinheit 8 dargestellt werden.
[0056] Unter Verwendung des RF-Impulssignals 18 gemäss der vorliegenden Ausführungsform anstelle des in der ersten Ausführungsform verwendeten DC-impulssignals ist es möglich, die durch die Schwingung der reaktorinneren Komponente 14 erzeugte Doppler-Abweichung des Ultraschall-Impulssignals zu ermitteln, um bei gleichzeitiger Messung von Schwingungsamplitude und Schwingungsgeschwindigkeit die Messgenauigkeit zu verbessern.
[Dritte Ausführungsform]
[0057] Fig. 8A und 8B zeigen erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 8Azeigt eine die Lage betreffende Beziehung zwischen Reaktordruckbehälter 3 und reaktorinnerer Komponente 14 und Fig. 8B einen Querschnitt entlang VIIIb-VIIIb aus Fig. 8Awie oben dargestellt. In Fig. 8A und 8Bkennzeichnen dieselben Ziffern wie in Fig. 1 dieselben Teile wie in Fig. 1, weshalb überlappende Beschreibungen weggelassen wurden.
[0058] Wie in Fig. 8B gezeigt, ist die rektorinnere Komponente 14 durch einen Kreis dargestellt. Der Ultraschall-Signalwandler 1 wird auf der äusseren Oberfläche des Reaktordruckbehälters 3 in Umfangsrichtung bewegt, so dass sich die Position verändert, an welcher der reflektierte Ultraschallimpuls an der reaktorinneren Komponente 14 reflektiert. Entsprechend wird die Position des Ultraschall-Signalwandlers 2 bewegt.
[0059] Gemäss der vorliegenden Ausführungsform kann die Schwingung der reaktorinneren Komponente 14 selbst dann gemessen werden, wenn die reaktorinnere Komponente 14 eine gewölbte Oberfläche aufweist. Zudem kann die Schwingung noch detaillierter gemessen werden, indem der Schwingungsverlauf vor und nach der Änderung der Schwingungsmessposition genutzt wird.
[Vierte Ausführungsform]
[0060] Fig. 9A und 9B zeigen erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 9Azeigt eine die Lage betreffende Beziehung zwischen Reaktordruckbehälter 3 und reaktorinnerer Komponente 14 und Fig. 9B einen Querschnitt entlang IXb–IXb aus Fig. 9Awie oben dargestellt.
[0061] Wie in Fig. 9B gezeigt, ist die reaktorinnere Komponente 14 durch einen Kreis dargestellt. Der Einfallwinkel des Ultraschallimpulses, ausgesendet vom Ultraschall-Signalwandler 1, hat sich von β zu γ verändert, so dass sich die Position verändert hat, bei welcher der Ultraschallimpuls an der reaktorinneren Komponente 14 reflektiert wird. Entsprechend hat sich der Empfangwinkel des Ultraschallimpulses, empfangen durch den Ultraschall-Signalwandler 2, von β zu γ verändert.
[0062] Durch die Veränderung des Einfallwinkels von β zu γ gemäss der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, den Schwingungsmesspunkt ohne Bewegung der Positionen des Ultraschall-Signalwandlers 1 zu verändern. Zudem kann die Schwingung noch detaillierter gemessen werden, indem der Schwingungsverlauf der reaktorinneren Komponente 14 vor und nach der Änderung des Einfallwinkels und Empfangwinkels genutzt wird.
[Fünfte Ausführungsform]
[0063] Fig. 10A und 10B zeigen erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 10Azeigt eine die Lage betreffende Beziehung zwischen Reaktordruckbehälter 3 und reaktorinnerer Komponente 14 und Fig. 10Beinen Querschnitt entlang Xb–Xb aus Fig. 10Awie oben dargestellt. In Fig. 10A und 10B kennzeichnen dieselben Ziffern wie in Fig. 1 dieselben Teile wie in Fig. 1, weshalb überlappende Beschreibungen weggelassen wurden.
[0064] Wie in Fig. 10B gezeigt, ist die reaktorinnere Komponente 14 durch einen Kreis dargestellt. Die Position des Ultraschall-Signalwandlers 1 ist so verändert, dass die Position, in welcher der Ultraschallimpuls an der reaktorinneren Komponente 14 reflektiert wird, verändert ist. Entsprechend hat sich der Empfangwinkel des Ultraschallimpulses von β zu γ ohne Bewegung der Positionen des Ultraschall-Signalwandlers 2 verändert.
[0065] Gemäss der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, die Schwingungsmessposition zu verändern, ohne die Positionen des Ultraschall-Signalwandlers 2 zu verändern. Zudem kann die Schwingung noch detaillierter gemessen werden, indem der Schwingungsverlauf der reaktorinneren Komponente 14 vor und nach der Änderung der Position des Ultraschall-Signalwandlers 1 genutzt wird.
[Sechste Ausführungsform]
[0066] Fig. 11A und 11B zeigen erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 11Azeigt eine die Lage betreffende Beziehung zwischen Reaktordruckbehälter 3 und reaktorinneren Komponente 14 und Fig. 11Beinen Querschnitt entlang XIb–XIb aus Fig. 11A wie oben dargestellt. In Fig. 11A und 11B kennzeichnen dieselben Ziffern wie in Fig. 1 dieselben Teile wie in Fig. 1, weshalb überlappende Beschreibungen weggelassen wurden.
[0067] Wie in Fig. 11B gezeigt, ist die reaktorinnere Komponente 14 durch einen Kreis dargestellt. Der Eingangwinkel des vom Ultraschall-Signalwandler 1 ausgesendeten Ultraschallimpulses hat sich von β zu γ verändert, ohne Bewegung des Ultraschallimpulses des Ultraschall-Signalwandlers 1, so dass sich die Position verändert hat, bei welcher der Ultraschallimpuls an der reaktorinneren Komponente 14 reflektiert. Entsprechend hat sich die Position des Ultraschall-Signalwandlers 2 verändert, um die Empfangsposition des Ultraschallimpulses zu verändern.
[0068] Gemäss der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, die Schwingungsmessposition zu verändern, ohne die Positionen des Ultraschall-Signalwandlers 1 zu verändern. Zudem kann die Schwingung noch detaillierter gemessen werden, indem der Schwingungsverlauf der reaktorinneren Komponente 14 vor und nach der Änderung der Position des Ultraschall-Signalwandlers 2 genutzt wird.
[Siebte Ausführungsform]
[0069] Fig. 12A und 12B zeigen erläuternde Ansichten einer Konfiguration einer Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung gemäss einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 12Azeigt eine charakteristische Ansicht eines Anzeigeverfahrens der ursprünglichen Frequenz der reaktorinneren Komponente 14 ohne aussergewöhnliche Frequenz und Fig. 12B eine charakteristische Ansicht eines Einstellverfahrens eines Schwellenwertes.
[0070] Wie in Fig. 12A gezeigt, ist die durch die Verarbeitung im Signalprozessor 8 gewonnene Frequenzanalyse der Schwingungsinformation der reaktorinneren Komponente 14 vorgesehen, um die Frequenzdifferenz ΔF zu berechnen. Wie in Fig. 12Bgezeigt, wird die temporäre Änderung der Frequenzdifferenz ΔF der reaktorinneren Komponente 14 mittels Anzeigeeinheit 9 dargestellt.
[0071] Gemäss der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, die temporäre Änderung der Frequenzdifferenz ΔF darzustellen, basierend auf den gemessenen Schwingungssignalen. Das macht es einfacher, bei Erscheinen eine abweichende Schwingung zu erfassen, wodurch die Betriebssicherheit der Schwingungsüberwachung zunimmt.
[0072] Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf vorteilhafte Ausführungsformen beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann auf verschiedene Weise durch Kombination der Konfigurationen der obigen Ausführungsformen modifiziert werden, ohne den Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Claims (11)
1. Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung, umfassend:
einen ersten Ultraschall-Signalwandler (1), welcher auf der äusseren Oberfläche eines Reaktordruckbehälters (3) angebracht und konfiguriert ist, um ein Sendesignal in einen einfallenden Ultraschallimpuls (11, 13) umzuwandeln, und welcher ermöglicht, den einfallenden Ultraschallimpuls (11, 13) zu einer reaktorinneren Komponente (14) auszusenden;
einen Ultraschall-Impulsgeber (6), welcher elektrisch verbunden ist mit dem ersten Ultraschall-Signalwandler (1) und welcher konfiguriert ist, das Sendesignal auszusenden;
einen zweiten Ultraschall-Signalwandler (2), welcher an der äusseren Oberfläche des Reaktordruckbehälters (3) angeordnet und konfiguriert ist, einen durch die reaktorinnere Komponente (14) reflektierten Ultraschallimpuls (15, 16, 17a, 17b) zu empfangen und den empfangenen, reflektierten Ultraschallimpuls (15, 16, 17a, 17b) in ein Empfangssignal umzuwandeln;
einen Ultraschall-Empfänger (7), welcher elektrisch verbunden ist mit dem zweiten Ultraschall-Signalwandler (2) und konfiguriert ist, das Empfangssignal zu empfangen;
einen Signalprozessor (8), welcher elektrisch verbunden ist mit dem Ultraschall-Impulsgeber (6) und dem Ultraschall-Empfänger (7) und konfiguriert ist, um dem Ultraschall-Impulsgeber (6) ein Signal einzuspeisen und vom Ultraschall-Empfänger (7) ein Signal so zu empfangen, dass Signalverarbeitung am Signal stattfindet;
eine Anzeigeeinheit (9), welche konfiguriert ist, um Schwingungsinformationen der reaktorinneren Komponente (14) anzuzeigen, gewonnen als ein Resultat der Signalverarbeitung durch den Signalprozessor (8).
2. Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Sendesignal ein Funkfrequenz-Impulssignal ist.
3. Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Ultraschall-Signalwandler (1) den Einfallwinkel, in Bezug auf die reaktorinnere Komponente (14), des einfallenden Ultraschallimpulses (11, 13) verändern kann.
4. Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Ultraschall-Signalwandler (2) den Empfangwinkel, in Bezug auf die reaktorinnere Komponente (14), des reflektierten Ultraschallimpulses (15, 16, 17a, 17b) verändern kann.
5. Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Ultraschall-Signalwandler (1) den Einfallwinkel, in Bezug auf die reaktorinnere Komponente (14), des einfallenden Ultraschallimpulses (11, 13) verändern kann, und
der zweite Ultraschall-Signalwandler (2) den Empfangwinkel, in Bezug auf die reaktorinnere Komponente (14), des reflektierten Ultraschallimpulses (15, 16, 17a, 17b) verändern kann.
6. Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Signalprozessor (8) die Frequenzanalyse für das empfangene Signal durchführt und die ursprüngliche Frequenz der reaktorinneren Komponente (14) berechnet und die Anzeigeeinheit (9) die zeitliche Änderung des Frequenzabweichung anzeigt.
7. Verfahren zur Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachung, umfassend:
Aussenden eines einfallenden Ultraschallimpulses (11, 13) zu einer reaktorinneren Komponente (14) unter Verwendung eines ersten Ultraschall-Signalwandlers (1), welcher auf der äusseren Oberfläche eines Reaktordruckbehälters (3) angebracht ist;
Empfang eines durch die reaktorinnere Komponente (14) reflektierten Ultraschallimpulses (15, 16, 17a, 17b) unter Verwendung eines zweiten Ultraschall-Signalwandlers (2), welcher auf der äusseren Oberfläche des Reaktordruckbehälters (3) angebracht ist; und
Anwendung von Signalverarbeitung am empfangenen, reflektierten Ultraschallimpuls (15, 16, 17a, 17b) zur Analyse der Schwingung der inneren Komponente des Reaktors.
8. Verfahren zur Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachung nach Anspruch 7, umfassend:
Änderung der Position des ersten Ultraschall-Signalwandlers (1) und Empfangwinkel des reflektierten Ultraschallimpulses (15, 16, 17a, 17b) des zweiten Ultraschall-Signalwandlers (2), so dass die Position, bei welcher die reaktorinnere Komponente (14) den einfallenden Ultraschallimpuls (11, 13) zurückwirft, bewegt wird, um die Schwingungsmessposition zu ändern.
9. Verfahren zur Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachung nach Anspruch 7, umfassend:
Änderung der Position des Einfallwinkels des vom ersten Ultraschall-Signalwandler (1) auszusendenden einfallenden Ultraschallimpulses (11, 13) und Position des zweiten Ultraschall-Signalwandlers (2), so dass die Position, bei welcher die reaktorinnere Komponente (14) den einfallenden Ultraschallimpuls (11, 13) reflektiert, bewegt wird, um die Schwingungsmessposition zu ändern.
10. Verfahren zur Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachung nach Anspruch 7, umfassend:
Änderung der Position des ersten Ultraschall-Signalwandlers (1) und des zweiten Ultraschall-Signalwandlers (2), so dass die Position, bei welcher die reaktorinnere Komponente (14) den einfallenden Ultraschallimpuls (11, 13) reflektiert, bewegt wird, um die Schwingungsmessposition zu ändern.
11. Verfahren zur Kernreaktor-Erschütterungs-Überwachung nach Anspruch 7, umfassend:
Änderung des Einfallwinkels des vom ersten Ultraschall-Signalwandler (1) auszusendenden einfallenden Ultraschallimpulses (11, 13) und Empfangwinkel des reflektieren Ultraschallimpulses (15, 16, 17a, 17b) im zweiten Ultraschall-Signalwandler (2), so dass die Position, bei welcher die reaktorinnere Komponente (14) den einfallenden Ultraschallimpuls (11, 13) zurückwirft, bewegt wird, um die Schwingungsmessposition zu ändern.
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