JPS6195286A

JPS6195286A - 原子炉破断検出装置

Info

Publication number: JPS6195286A
Application number: JP59216261A
Authority: JP
Inventors: 明彦湊; 孝志池田; 良之片岡; 照文河崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-10-17
Filing date: 1984-10-17
Publication date: 1986-05-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、圧力管型原子炉の安全系に係わ）、特に配管
破断時の破断面積を検知して燃料冷却に有効な循環ポン
プ運転法を指示する破断検出装置に関する。

〔発明の背景〕

圧力管型原子炉は、第１図に示すように炉心が多数の圧
力管群で構成されている。入口ヘッダ５から冷却水は各
圧力管ｌに分配され、燃料バンドル２の発熱によって高
温となり出口ヘッダ６に集められる。　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　・配管破断等、何らかの原因に
よって圧力管ｌから冷却材が失われた時、燃料バンドル
２が発生する熱量を有効に除去するため、入口ヘッダ５
又は出口ヘツダ６或いはその両方に緊急注水夕／り７か
ら冷却水が圧力管１に注入される。

入口へラダ５、出口ヘッダ６又はその他の大口径配管の
破断はシステム圧力、水位、流量バランスから容易に演
出することができる。これらの検出器の信号により、炉
心のスクラム、緊急炉心圧水系の起動が行われる。

入口管３．圧力管１．出口管４を含む一本のチャンネル
内で破断が生じた時、破断チャンネルにおける熱水力学
的な挙動の変化をシステム圧力。

水位、泥波バランスから検知するのは困難である。

これは、前記したように圧力管型原子炉は多数のチャン
ネルをもっているため、一本のチャンネルの流量変化が
全体系の熱流動現象に及す効果は限られていることが原
因である。

このため、従来より第２図に示すように入口ヘッダ５、
出口ヘッダ６に超音波検出器１１を取付け、破断口から
放出される冷却水の高速流動によって発生する超音波を
検出する破断検出法が行われている。この方法は配管壁
面や水中の超音波伝播速度が迷いため、早期に破断を検
出することができるが、破断面積の推定はできない。

圧力管型原子炉においては、破断面積の検出は重要であ
る。例えば入口管３が破断した時、破断面積が小さけれ
ば破断チャンネルの流れ方向は破断前と同じであるが、
破断面積が大きくなると破断口１２の吸込み効果が著し
くなるので破断チャンネルの流れ方向は破断の発生によ
シ逆転する。

このように破断面積によシ破断チャンネルの流動現象が
異なるため、燃料バンドル２冷却のため破断面積によっ
て異った処置が必要となる。

破断面積の検出に関しては、システム圧力の減圧速度、
水位の低下速度から計算する方法が従来から知られてい
る。しかし、これらは圧力容器を有する水炉の比較的大
きい口径の破断を対象とする。前述したように、圧力管
型原子炉の一チャンネル破断ては熱水力学的挙動の変動
が局所°的に留まり、システム圧力や水位などの全体系
を代表するパラメータを利用することができない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、圧力管型原子炉における一チャンネル
破断の発生及び破断面積を検知し、かつ破断チャンネル
流量を保持し、被害の拡大を防止する破断検出装置を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は圧力管型原子炉における一チャンネルの瞬時破
断を対象とする。破断の進展がゆるやかな時は、雰囲気
湿度、ドレン流量の測定値から微小洩漏である間に破断
検知が可能であシ、問題は少ない。

瞬時破断が発生した時の、破断口１２近傍の冷却水の挙
動を第３図に示す。破断口１２から冷却水が臨界流とな
って放出される。このため破断口１２に近い冷却水の圧
力は低下する。この低圧状態は音速で配管内を破断口１
２０両側に伝播する。

低圧状態が拡がることによって冷却材が膨張するが、こ
の膨張速度は破断口１２における冷却水の放出速度と一
致している。このことから低圧状態における圧力低下分
ΔＰ（Ｐ、）は次式であられされることがわかる。

ここでａは音速（ｍ／ｓ）、Ｇｃは臨界流の質量流速（
Ｋｆ／）♂・Ｓ）、Ａｍは破断面積（−）、ＡＦは流路
面積（ｍ’）である。

第３図のような膨張波１３の伝播は圧力パルスを形成す
る′。このパルスは初期圧力より低いので以下では負圧
パルスと呼ぶことにする。負圧パルスは、オリスイス、
流路面債変化部、エルボにおいて一部反射し、また配管
壁の摩擦による減衰があるが、最大パルス高さは上式で
あられされる。

流路面積、圧力、冷却水の比エネルギーは、配管形状及
び定格状態から既知である。臨界流質量流速は圧力と冷
却水の比エネルギーから決めることができるので、破断
面積と負圧パルス高さは第４図に示すように比例関係に
ある。

配管及びそれに接続するヘッダ類においてこの負圧パル
スを検知することによシ破断の発生を検出し、そのパル
ス高さから破断の大きさを推定することができる。

圧力管型原子炉の一チャンネル破断ては、圧力容器を有
する水炉の配管破断と異なり、破断チャンネルの炉心流
動挙動が破断面積に大きく依存する。このため破断面積
の推定は被害拡大の防止処置の決定に極めて重要である
。

破断面積と破断チャンネルの炉心流動挙動の関係を第５
図を用いて説明する。圧力管１内の平均体積流量をＱ２
とする。また圧力管１内の燃料バンドル２の発熱量によ
る沸騰で膨張する容積をＤＱ２、［断部で失われる冷却
材の容積をＤＱＩとする。この時、入口管３の平均体積
流量Ｑｌは出口管４の体積流量Ｑ３は入口管３°、圧力管１．出口管４のボイド率をそれぞれ
ＡＩ、Ａ２．Ａ３とすると、平均密度Ｒ１゜Ｒ２，Ｒ３
はそれぞれ次式であられされる。

几１＝几Ｌ−ＡＩ−ＤＢＲ２＝ＲＬ−Ａ２・ＤＲＲ３＝ＲＬ−Ａ３・ＤＢここでＲＬは液相密度、ＤＲは気液間の密度差である。

　　。

チャンネルの圧力損失は、チャンネル内の気泡の浮力と
ポンプによる加圧ΔＰの和と釣合っている。

Ｋ１・Ｒ１・Ｑｌ”＋に２・Ｒ，２・Ｑ２”＋に３・Ｒ
３・Ｑ３２＝（ＡＩ−Ｈ１＋Ａ２・Ｒ２＋Ａ３・Ｒ３）
・ＤＢ、・Ｇ＋ΔＰここでＫｌ、に２．に３は入口管３
．圧力管ｌ。

出口管４の総括壁面摩擦係数と局所圧損の和を流路面積
の自乗で除したもので、左辺各項は各部の圧力損失であ
る。Ｈｌ、Ｒ２，Ｒ３はそれぞれ入口管３．圧力管１．
出口管４の両端の工Ｖベーション差、Ｇは重力加速度で
あり、右辺第一項は気泡の浮力をめられしてｉる。

Ｑｌ及びＱ３はＱ２と前記した関係がちシ、上式は破断
チャンネル炉心体積流量Ｑ２の二次式となるので容易に
解くことができる。

各部のボイド率の時間変化は気相の保存則から求めるこ
とができる。チャンネル内の流れがすべて入口ヘッダ５
から出口ヘッダ６の方向である場合を例にあげて説明す
る。ボイド率の変化率は入口管３において圧力管Ｉにおいて＋ＤＱ２）／Ｖ２出口管４においてとあられされる。

ここでｄ／ｄ　ｔは時間微分をあられす。ｖｌ。

Ｖ２．Ｖ３は入口管３．圧力管１．出口管４の容積であ
る。ＡＤは入口ヘッダ５のボイド率であるが、−サブク
ール水が流入する時、凝縮効果をあられすため便宜上気
の値とする。

任意の初期ボイド率Ａｔ、Ａ２．Ａ３を用いて体積流量
Ｑｌ、Ｑ２．Ｑ３を計算し、これからボイド率の時間変
化が上式より求められる。次のタイムステップのボイド
率ＡＩ、Ａ２．Ａ３を求めて、同様の計算手順をくりか
えすと最終定常状態を得ることができる。

上記手法によシ解析した破断面積と破断チャンネル炉心
流量の関係の一例を第６図に示す。この関係は燃料バン
ドル２の熱出力、再循環ポンプ１７の吐出圧に依存する
。

このように破断チャンネルの炉心流量は破断面積、燃料
バンドル２の熱出力、再循環ポンプ１７の吐出圧の関数
であシ、この中で再循環ポンプ１７の吐出圧の項のみ制
御可能である。

負圧パルスの検知から破断口１２の面積を推定し、スク
ラム後の経過時間と崩壊熱曲線から燃料バンドル２の熱
出力を求めると破断チャンネルの炉心流量は再循環ポン
プ１７の吐出圧によってのみ決定される。破断チャンネ
ルの炉心流量が最大となるように再循環ポンプ１７の吐
出圧を制御することによシ、炉心冷却材流量を保持して
燃料バンドル２の発熱を有効に除去し、被害の拡大を防
止することができる。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を第７図に示す。破断検出用圧力計２０
は入口ヘッダ５に取付けるのが最も好適である。何故な
ら、出口管４の破断はむしろ破断チャンネル炉心流量を
増加する効果があるので入口管３Ｎ断の監視がよシ重要
であシ、シかも入口へラダ５はすべての入口管３と接続
している。また入口管３．入口ヘッダ５は原子炉運転時
常にすプクール水によってみたされているため負圧パル
スが二相流部と比較して伝播し易い。

破断検出用圧力計２０の信号は第８図の回路によって処
理される。破断検出用圧力計２０の信号は先ず微分器２
２によって圧力変動速度に変換される。定電圧発生器２
３の電圧と比較器２４によシ、異常に急激な圧力変動を
検知した時、タイマー２７にを用いて一定時間破断検出
用圧力計２０の信号を取りこむ。Ａ／Ｄ変換器２１を通
して微小時間毎の負圧パルス高を数値化し、比較器２４
を用いて最大値を記憶素子３２に保存する。最大負圧パ
ルス尚さは除算器３３により破断面積に換算される。

破断検出と同時にスクラム、緊急炉心冷却系を起動する
。発振器２６のゲートを開き、その後の波数をカウンタ
３０で計数することによシ、スクラム後の時間がわかる
。記憶素子３５に崩壊熱曲線を保存しておき、経過時間
から燃料バンドル２の熱中力を演算器３す用いて求める
。

上記処理によシ、破断面積と燃料バンドル？の熱出力が
得られた。再循環ポンプ１７の回転数を数段階、例えば
定格回転数の０１，５０％、１００％に想定し、夫々の
回転数の時の破断チャンネルの炉心流量をマイクロプロ
セッサ３４を用いて計算スる。マイクロプロセッサ３４
の演算内容１手順を第９図に示す。入口管３．圧力管１
．出口管４のボイド率をＯとし、この時の炉心流量を計
算する。炉心流量からボイド率の時間変化を求め次のタ
イムステップの、ボイド率を求める。新しいボイド率を
用いて改めて炉心流量を計算する。破断口１２からの放
出流量は常に入口管３の新しいボイド率の計算値を用い
て均質臨界流モデルから計算する。臨界流量は、システ
ム圧力とボイド率の関数であるので、二次元の表を予め
作成しておき、内挿によって求める。

タイムステップ毎の流量及びボイド率の変化がきわめて
小さくなった時、定常状態の計算値が得られたものと判
定できる。これらの破断チャンネ・ル定常炉心流量の予
測値を比較し、流量の絶対値が最大となる再循環ポンプ
１７の運転条件を選択し、ポンプ回転制御装置１９に指
示する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、圧力管型・原子炉の一チャンネル破断
時に、破断を確実に検知し、かつ破断チャンネルの炉心
流量を保持して崩壊熱を有効に除去し、被害の拡大を防
止することが′できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧力管聾原子炉の炉心部周辺概略図、第２図は
一従来の破断検出器の概略図、第３図ヒ破断部近傍の現
象の概略図、第４図は負圧パルス高と破断面積の関係図
、第５図は破断チャンネルの体積流動の概略図、第６図
は破断チャンネル炉心流量と破断面積の関係図、第７図
は本発明の詳細な説明する系統図、第８図は第７図の信
号処理回路の詳細図、第９図は破断チャンネル炉心流量
計算の流れ図である。ｌ・・・圧力管、２・・・燃料バンドル、３・−・入口
管、４・・・出口ｙ、ｓ・・・入口ヘッダ、６・・・出
口へ・ツタ、７・・・緊急注水タンク、訃・・緊急注水
モータ、９・・・緊急圧水ボ′ンブ、ｌＯ・・・緊急注
水管、１１・・・超音波検出器、１２・・・破断口、１
３・・・膨張波、１４・・・下降管、１５・・・気泡、
１６・・・冷却水体積流れ、１７・・・再循環ポンプ、
１８・・・信号処理系、１９・・・ポンプ制御装置、２
０・・・破断検出用圧力計、２１・・・Ａ／Ｄ変換器、
２２．・・・微分器、２３・・・足鴫圧発生器、２４・
・・比較器、２５・・・ＡＮＤ素子、２６・・・発振器
、２７・・・タイマー、２８・・・スクラム起動回路、
２９・・・緊急注水起動回路、３０・・・カウンタ、３
１・・・演算器、３２・・・記憶素子、３３・・・除算
器、３４翳２図も３図来４−図翳］図

Claims

【特許請求の範囲】１、圧力管型原子炉において、入口管群又は出口管群に
接続するヘツダに破断検出用圧力計を取り付け、−チヤ
ンネル破断時に発生する負圧のパルスを検知することを
特徴とする原子炉破断検出装置。２、特許請求の範囲第１項において、負圧パルス高から
破断面積を算出することを特徴とする原子炉破断検出装
置。３、特許請求の範囲第１項において、−チヤンネル破断
時に、破断面積に基づいて炉心流量と再循環ポンプ回転
との関係を算出し、破断チヤンネルの炉心流量を最大と
する再循環ポンプ運転を行うことを特徴とする原子炉破
断検出装置。