JP6479334B2 - 水位検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉格納容器内の水位を検出する水位検出装置に関する。

原子炉格納容器内の水位検出装置は圧力バウンダリの拡大及び設備物量の増大を最小限に抑えるとともに、機械的な可動部をなくして故障頻度の低減及び保守性の向上を図ることが要求される。例えば、特許文献１には、水位検出装置に電極式レベルスイッチ、同心円状の金属プローブ間の静電容量を測定する静電容量式レベルスイッチや超音波発振器で発振された超音波の反射時間の差から水位の有無を測定する超音波式レベルスイッチ等の各種の水位検出装置を設けることが記載されている。

特開平１１-１１８９７６号公報

原子炉格納容器内の水位検出においては、簡易な構成で長寿命であること、幅広い水質に対応できることが必要とされる。高感度での水位検出のためには、直流電流であることが好ましい。このように直流電流を使用し、高温、高湿度かつ高放射線の環境下で、長寿命であるためには、プローブの溶出を防ぐこと並びにプローブの構成材料の耐久性を向上させることが必要である。水位検出装置に直流電流を用いることと、プローブの溶出を防ぐことは、トレードオフの関係になっており、双方を満たすことが求められている。

原子炉格納容器内の水位検出装置は、発電設備の非常時に原子炉格納容器内に注入される発電設備が保安用に保有する水の注入量を検出するため、水位を電流値の変化として高感度で検出できることが要求される。また、測定地点から離隔距離が大きいため、ノイズの影響を低減することも要求される。これらの要求を満たすため、水位の検出には直流電流が用いられる。その結果、例えば、発電設備の非常時において、海水等の電解質を多く含む水を注入する場合、プローブが電気分解の作用により溶出する可能性がある。

本発明は、原子炉格納容器内の水位検出用プローブを長寿命化するための水位検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、原子炉格納容器内の液体の液面位置を計測するにあたって、前記原子炉格納容器内に設けられる水位検出用プローブと、前記水位検出用プローブに直流電流を供給する電源と、前記水位検出用プローブを流れる前記直流電流を計測する電流測定回路と、前記液体の電解質の濃度に基づいて前記水位検出用プローブに供給される前記直流電流の大きさを制限する電流制限回路と、を含む水位検出装置である。

この水位検出装置は、水位検出用プローブに流れる電流を制限する電流制限回路を用いるので、水位検出用プローブに過大な電流が流れることを抑制できる。その結果、原子炉格納容器内で水位を検出するために用いられる水位検出用プローブの溶出を制限することになり、長寿命化が可能になる。

前記電源、前記電流測定回路及び前記電流制限回路は、前記原子炉格納容器の外に設置されることが好ましい。このようにすれば、電流測定回路及び電流制限回路のメンテナンスが容易になると共に、発電設備の非常時においても原子炉格納容器内の環境悪化の影響を受けにくいといった利点がある。

前記電流制限回路は、前記水位検出用プローブに一定以上の直流電流が流れた場合、水位検出用プローブ両端に印加される電圧が調節される回路であることが好ましい。電気抵抗を用いることで、電流制限回路を比較的容易に構成することができる。

前記水位検出用プローブの電極は、第四族元素及び第五族元素のうち少なくとも一つ以上を含むことが好ましい。このようにすることで、電極の耐久性を向上させることができる。

前記水位検出用プローブに利用される絶縁材には、一部がセラミックスであることが好ましい。このようにすることで、水位検出用プローブの耐久性を向上させることができる。

前記水位検出用プローブは、前記セラミックスと前記電極とが接合されていることが好ましい。

本発明は、高温、高湿度かつ高放射線の環境下で使用される原子炉格納容器内の水位検出用プローブを長寿命化するための水位検出装置を提供することができる。

図１は、原子炉格納容器内の原子炉容器とその周辺機器を含む空間を示す図である。 図２ａは、水位検出装置を有する電流制限回路の一例を示す図である。 図２ｂは、水位検出装置を有する他の電流制限回路を示す図である。 図２ｃは、水位検出装置が有する他の電流制限回路を示す図である。 図２ｄは、水位検出装置が有する他の電流制限回路の例を示す図である。 図３ａは、プローブを示す図である。 図３ｂは、プローブの分解図である。 図３ｃは、プローブに含まれる電極の一例を示す図である。

図１は、原子炉格納容器内の原子炉容器２を含む空間１０とその周辺機器とを示す図である。原子炉格納容器１９の内部は、密閉されている空間であり、外部より注水することで格納容器内の水位が上昇する。

原子炉格納容器内の空間１０には、発電装置の非常時に、注水される水位の上昇を監視するために、格納容器内に水位の検知箇所が設定されている。原子炉格納容器内の空間１０内の水位を計測するために、水位検出装置１４の一対の水位検出用プローブ（以下、適宜プローブと称する）１５が設置されている。プローブ１５を上限水位１２の位置に設けることにより、原子炉格納容器１９内に設置される重要機器が水没しないよう監視することができる。また、原子炉容器２の底面よりも低い位置の空間にプローブ１５を設け、下部水位１３として水位の検知箇所を追加することで、直接的に溶融した燃料の冠水状態を監視するための手段を提供することも出来る。一対のプローブ１５は、水位の上昇を監視する目的から、複数の場所を測定できるよう設置してもよい。

原子炉格納容器１９の水は、原子炉格納容器１９の下層フロアから格納容器再循環サンプへ流入する経路が確保されている。格納容器再循環サンプ水位計１１又は格納容器内への注水経路に設置される流量計等の積算値を求めることで、原子炉格納容器内の空間１０に注水した量を測定し、間接的に水位を推定することが可能であるため、これらを用いて原子炉格納容器１９内の水位を把握することが可能である。さらに、発電設備の非常時においても、原子炉格納容器内の空間１０の水位を直接的に監視し、格納容器再循環サンプ水位計等既存の水位計の計測範囲を超える範囲に対しても水位を監視可能なように、水位検出装置１４を設ける。

水位検出装置１４は、一対のプローブ１５、水位測定回路１６、電流制限回路１７及び直流電源１８を含む。水位検出装置１４は、圧力バウンダリの拡大及び設備物量の増大を最小限に抑えるため、プローブ１５が原子炉格納容器１９内に設けられ、水位測定回路１６、電流制限回路１７及び直流電源１８が中央操作室２０に設けられる。水位測定回路１６は、水位状態を表示する機器２１に接続されてもよいし、記録装置に接続されてもよい。

電流制限回路１７には、例えばＩＧＢＴ（Insulate Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）又はバイポーラトランジスタ等のトランジスタを用いて実現されてもよいし、トランジスタ等と電気的に等価となる回路により実現されてもよい。

図２ａは、水位検出装置を有する電流制限回路１７の一例を示す図である。図２ｂは、水位検出装置を有する他の電流制限回路１７ａを示す図である。図２ｃは、水位検出装置が有する他の電流制限回路１７ｂを示す図である。図２ｄは、水位検出装置が有する他の電流制限回路１７ｃの例を示す図である。

図２ａに示す電流制限回路１７は、水位測定回路１６と直流電源１８との間に電気抵抗３１を設け、一定値以上の電流がプローブ１５に流れないようにした回路である。電気抵抗３１の電気抵抗値をＲ１、プローブ１５、１５の間に存在する可能性のある液体のうち、最も電気抵抗値の小さい液体の電気抵抗値をＲ２とする。一対のプローブ１５、１５に前述した最も電気抵抗値の小さい液体が存在する場合、直流電源１８、電気抵抗３１、水位測定回路１６及びプローブ１５、最も電気抵抗値の小さい液体及びプローブ１５で閉回路が形成される。直流電源１８の端子間電圧をＶとすると、電流制限回路１７を流れる電流Ｉは、式（１）で求めることができる。
Ｉ＝Ｖ／（Ｒ１＋Ｒ２）・・（１）

電流制限回路１７を流れる電流ＩをＩ＿ｌｉｍ以下に制限したい場合、式（１）を用いて、Ｒ１は式（２）に示すようになる。一対のプローブ１５、１５の間に存在する可能性のある液体のうち、最も電気抵抗値の小さい液体を想定し、かつプローブ１５、１５に流れる電流の上限値Ｉ＿ｌｉｍを定めることで、式（２）から電気抵抗３１の電気抵抗値Ｒ１を求めることができる。このようにして求めた電気抵抗値Ｒ１を有する電気抵抗３１を用いることにより、電流制限回路１７は、プローブ１５、１５を流れる電流Ｉを、上限値Ｉ＿ｌｉｍ以下に制限することができる。
Ｒ１＞Ｖ／Ｉｌｉｍ−Ｒ２・・（２）

図２ｂに示す電流制限回路１７ａは、水位測定回路１６と直流電源１８との間に可変電気抵抗３３を設けた回路である。この電流制限回路１７ａを用いる場合、例えば作業者３２が、水位測定回路１６の電流値を管理室で読み取り、電流値が上限値Ｉ＿ｌｉｍを超えていれば、可変電気抵抗３３の電気抵抗値を変更する。このようにすることで、一対のプローブ１５に流れる電流の量が一定となるように、かつ上限値Ｉ＿ｌｉｍを超えないようにする。また、可変電気抵抗３３は、水位測定回路１６からの信号により上限値Ｉ＿ｌｉｍを超えないよう自動で調整されるようにしてもよい。

この場合、例えば、制御装置３０が、水位測定回路１６によって検出された電流値Ｉｃと、電流制限回路１７ａを流れる電流の目標電流値Ｉｐとの差分が０になるように、可変電気抵抗３３をフィードバック制御することができる。目標電流値Ｉｐは、上限値Ｉ＿ｌｉｍ以下に設定される。このようにすることで、電流制限回路１７ａは、プローブ１５を流れる電流Ｉを、上限値Ｉ＿ｌｉｍ以下に制限することができる。

図２ｃに示す電流制限回路１７ｂは、水位測定回路１６と直流電源１８との間にｎｐｎ型トランジスタ３６を設け、ｎｐｎ型トランジスタ３６のベースに可変電源３４と電気抵抗３５を、ｎｐｎ型トランジスタ３６のコレクタ側に直流電源１８を設けた回路である。図２ｂに示す電流制限回路１７ａの可変電気抵抗３３を用いる方法での制御は容易であるが、可変電気抵抗３３で電力が消費されるので、直流電源の消耗が大きい。図２ｃに示す電流制限回路１７ｂは、直流電源１８とは異なる可変電源３４を制御することで、直流電源１８の消耗を抑制することができる。可変電源３４は、水位測定回路１６で計測された電流値をフィードバックすることで、電気抵抗３５を介してｎｐｎ型トランジスタ３６がプローブ１５に流す電流Ｉを調整する。調整のための操作は自動で行われてもよいし、作業者が手動で行ってもよい。

図２ｄに示す電流制限回路１７ｃは、水位測定回路１６と直流電源１８との間にｐｎｐ型トランジスタ３９を設け、ダイオード３８をｐｎｐ型トランジスタ３９のベースに、電気抵抗３７をｐｎｐ型トランジスタ３９のエミッタに接続した回路である。

ダイオード３８の順方向における電圧降下の最大値は、ダイオード３８を構成する材料の物性により決まっていることから、電気抵抗３７に流れる電圧の最大値はダイオード３８の順方向電圧降下となる。一対のプローブ１５、１５間の電気抵抗が一定以下になった場合でも、電流Ｉは式（３）で求める値を超えることはない。Ｉ＿ｌｉｍはプローブ１５に流れる電流の上限値、Ｖｄはダイオード３８の順方向電圧降下、Ｒは電気抵抗３７の電気抵抗値である。このように、電流制限回路１７ｃは、電気抵抗３７の電気抵抗値Ｒを適切な値とすることにより、プローブ１５を流れる電流Ｉを、上限値Ｉ＿ｌｉｍ以下に制限することができる。
Ｉ＿ｌｉｍ＝Ｖｄ／Ｒ・・（３）

図３ａは、プローブ１５を示す図である。図３ｂは、プローブ１５の分解図である。プローブ１５は、電極２８と、キャップ２９、スリーブ２４Ａ、アダプタ２４Ｂと環状部材２３と、チタンを含んでいる絶縁機能を有するパーツ２２とを含む。電極２８、キャップ２９、スリーブ２４Ａ、と環状部材２３は、本実施形態においてはチタン又はチタン合金であるが、第四族元素及び第五族元素のうち少なくとも一つ以上を含んでいればよい。環状部材２３も、本実施形態においてはチタン又はチタン合金であるが、第四族元素及び第五族元素のうち少なくとも一つ以上を含んでいればよい。ＭＩ（Mineral Insulator）ケーブル被覆２５、アダプタ２４Ｂは、例えば鉄を主成分とする合金である。ＭＩ絶縁体２６は、例えば酸化マグネシウムである。

プローブ１５は、ＭＩケーブルの末端に接続される。電極２８は、パーツ２２を貫通して、アダプタ２４Ｂ内でと強固に接着される。電極２８のＭＩケーブル側端面はＭＩケーブルの芯材２７と溶接又はろう付けにより接合される。また、電極２８はキャップ２９と溶接又はろう付けにより接合される。パーツ２２は、絶縁及び耐水性機能を有する材料から成り、環状部材２３とろう付けにより強固に接着される。パーツ２２はセラミックス製であるため、キャップ２９およびスリーブ２４Ａと接触して設けられ、環状部材２３と溶接又はろう付けすることによりこれらの部品と接着する。芯材２７と電極２８は、ケーブル被覆２５、アダプタ２４Ｂ、スリーブ２４Ａ、上側の環状部材２３と接触しないよう、セラミックの絶縁体２６を内部に充填して固定される。

プローブ１５は、例えばチタンと耐水性を有するセラミックス（アルミナ）で構成される。その他、コバールと耐水性を有するセラミックスとの組み合わせでもよい。なお、プローブ１５に使用される非導通材には、設置環境における耐熱性、耐放射線性に応じてセラミックス（アルミナや酸化マグネシウム等）以外にもプラスチック等の樹脂材料（例えば、ポリイミドや芳香族エーテルケトン、エポキシ等）を用いてもよい。

本実施形態は、電流制限回路１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃを用いてプローブ１５を流れる電流を制限する。その結果、プローブ１５に過大な電流が流れることを抑制できるので、電蝕によるプローブの溶出を抑制でき、原子炉格納容器１９内のプローブ１５を長寿命化することができる。

図３ｃは、プローブ１５に含まれる電極２８の一例を示す図である。電極２８は、組み立て時に対向する電極板２８ｂを含む。電極板２８ｂの形状は円形、楕円形、長方形、正方形、棒状などであり、対向する電極板の面積は等しいことが好ましいが、異なっても良い。互いに対抗する電極板２８ｂの存在により、プローブ１５の水との接触面積を拡大し、センサーとしての感度を向上させることができる。

以上、実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、実施形態の構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、実施形態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る。また、実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

２ 原子炉容器
１０ 原子炉格納容器内の空間
１１ 格納容器再循環サンプ水位計
１２ 上限水位
１３ 格納容器内水位
１４ 水位検出装置
１５ 水位検出用プローブ（プローブ）
１６ 水位測定回路
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ 電流制限回路
１８ 直流電源
１９ 原子炉格納容器
２０ 中央操作室
２１ 機器
２２ パーツ
２３ 環状部材
２４Ａ スリーブ
２４Ｂ アダプタ
２５ ケーブル被覆
２６ 絶縁体
２７ 芯材
２８ 電極
２８ｂ 電極板
２９ キャップ
３０ 制御装置
３１ 電気抵抗
３３ 可変電気抵抗
３４ 可変電源
３５ 電気抵抗
３６ ｎｐｎ型トランジスタ
３７ 電気抵抗
３８ ダイオード
３９ ｐｎｐ型トランジスタ

Claims (4)

1. 原子炉格納容器内の液体の液面位置を計測するにあたって、
   前記原子炉格納容器内に設けられるプローブと、
   水位検出に用いられる前記プローブに直流電流を供給する電源と、
   前記プローブを流れる前記直流電流を計測する電流測定回路と、
   前記液体の電解質の濃度に基づいて前記プローブに供給される前記直流電流の大きさを制限する電流制限回路と、
   を含み、
   前記プローブに含まれる電極は、第四族元素及び第五族元素のうち少なくとも一つ以上を含んでおり、棒状に形成されてセラミックスのパーツを貫通した端面が前記パーツを内装する筒状のアダプタ内でケーブルの末端の芯材と接合され、前記アダプタは、前記ケーブルのケーブル被覆の末端に連なって配置され前記ケーブル被覆と共に合金で形成されており、前記電極と前記芯材は、セラミックスの絶縁体で他の部材と絶縁されている水位検出装置。
2. 前記プローブに含まれる電極は、組み立て時に空隙をおいて対向する電極板を含み、対向する電極板の面積が等しい、請求項１に記載の水位検出装置。
3. 前記電源、前記電流測定回路及び前記電流制限回路は、前記原子炉格納容器の外に設置される、請求項１又は請求項２に記載の水位検出装置。
4. 前記電流制限回路は、前記プローブに一定以上の前記直流電流が流れた場合、電気抵抗が変更される回路である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の水位検出装置。

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