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【発明の名称】 原子炉冷却材浄化系漏洩検出システム
【発明者】 【氏名】鈴木 啓嗣

【氏名】弓立 忠弘
【要約】 【課題】減圧沸騰を起こさずに、冷却材の漏洩を検出すること。

【解決手段】入口配管１４、戻り配管１６、排出配管１８にそれぞれ超音波流量計２２、２４、２６を設置し、各超音波流量計２２、２４、２６から各配管内に照射された超音波を基に炉水の流量を計測し、超音波流量計２２の計測値から超音波流量計２４、２６の計測値を差流量演算回路３４においてそれぞれ減算し、この減算によって得られた値が判定値以上になったときに警報発生回路３６から漏洩信号を出力する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 原子炉から冷却材を導入して浄化し浄化された冷却材を前記原子炉に戻す原子炉冷却材浄化系のうち冷却材が流れる流路中の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する流量計と、前記流量計の計測値が判定値以上になったときに漏洩信号を出力する漏洩検出器とを備えてなる原子炉冷却材浄化系漏洩検出システム。
【請求項２】 原子炉から入口配管を介して冷却材を導入して浄化し浄化された冷却材を戻り配管を介して前記原子炉に戻す原子炉冷却材浄化系のうち前記入口配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第１の流量計と、前記戻り配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第２の流量計と、前記第１の流量計の計測値と前記第２の流量計の計測値との差が判定値以上になったときに漏洩信号を出力する漏洩検出器とを備えてなる原子炉冷却材浄化系漏洩検出システム。
【請求項３】 原子炉から入口配管を介して冷却材を導入して浄化し浄化された冷却材を戻り配管を介して前記原子炉に戻す原子炉冷却材浄化系のうち前記入口配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第１の流量計と、前記戻り配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第２の流量計と、前記戻り配管から分岐された排出配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第３の流量計と、前記第１の流量計の計測値から前記第２の流量計の計測値と前記第３の流量計の計測値をそれぞれ減算して得られた値が判定値以上になったときに漏洩信号を出力する漏洩検出器とを備えてなる原子炉冷却材浄化系漏洩検出システム。
【請求項４】 請求項１、２または３のうちいずれか１項に記載の原子炉冷却材浄化系漏洩検出システムにおいて、前記流量計は超音波流量計で構成されてなることを特徴とする原子炉冷却材浄化系漏洩検出システム。
【請求項５】 請求項４に記載の原子炉冷却材浄化系漏洩検出システムにおいて、前記流量計は、冷却材の流路を間にして相対向して配置されて超音波の授受を行う一対の超音波受発信素子と、前記一対の超音波受発信素子のうち一方の超音波受発信素子から他方の超音波受発信素子に発信される超音波の伝播時間と前記他方の超音波受発信素子から前記一方の超音波受発信素子に発信される超音波の伝播時間との伝播時間差を計測する時間計測器と、前記時間計測器の計測値から冷却材の流速を求めるともに前記流速と冷却材の流路の断面積とを乗算して流量を演算する演算器とから構成されてなることを特徴とする原子炉冷却材浄化系漏洩検出システム。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、漏洩検出システムに係り、特に、原子力発電所の原子炉冷却材浄化系（ＣＵＷ）における冷却材の漏洩を検出するに好適な原子炉冷却材浄化系漏洩検出システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】原子力発電所における原子炉には、原子炉内で発生した蒸気をタービンに供給し、タービンから排出された蒸気を復水器に供給し、復水器から排出される水をポンプを介して原子炉に戻す系が設けられているとともに、復水器から出力される水の一部を原子炉内の制御棒に供給する系（制御棒駆動系）が設けられている。さらに、原子炉には、原子炉から入口配管を介して冷却材（炉水）を導入して浄化し、浄化された冷却材を戻り配管を介して原子炉に戻す原子炉冷却材浄化系が設けられている。
【０００３】この原子炉冷却材浄化系は、溶解性および不溶解性の不純物を除去することによって、炉水を連続的に浄化することを目的として、原子炉の圧力容器より取り出した炉水を、低温型原子炉冷却材浄化系ろ過脱塩装置のイオン交換樹脂で浄化し、浄化された炉水を再び原子炉の圧力容器に戻すように構成されている。この原子炉冷却材浄化系を運転するに際しては、原子炉起動時には、蒸気が復水器に流れるようになるまでは、温度上昇による炉水の体積膨張分と制御棒駆動系からの注入分を、ろ過脱塩装置の出口側に接続された低電導度廃液収集層（ＬＣＷ）またはサプレッションプール（Ｓ／Ｐ）に放出し、原子炉停止時には、炉水を原子炉圧力容器の頂部からスプレイすることにより、原子炉の圧力容器を冷却することが行われている。
【０００４】また、原子炉冷却材浄化系には放射性物質を含む炉水が流れるようになっているので、この炉水が浄化系から漏れたときには安全性に支障をきたすため、炉水いわゆる冷却材の漏洩を検出するシステムが採用されている。冷却材の漏洩を検出するシステムを設置するに際しては、従来、原子炉の圧力容器から炉水を導入する入口配管、ろ過脱塩装置の出力側から分岐されてサプレッションプールに接続された排出配管およびろ過脱塩装置によって浄化された炉水を原子炉圧力容器に戻す戻り配管にそれぞれ絞り部を形成し、各絞り部に、各絞り部の上流側と下流側の圧力差を基に流量を検出する差圧式流量検出器を設置し、各差圧式流量検出器の流量指示値を基に差流量演算回路により、系統への流入量と系統からの流出量との差を演算し、流入量と流出量との差が判定値を超えたときには漏洩として検出する構成が採用されている。また各流量検出器の指示値は、各流量計の近くに設置された温度計による温度指示値を基に温度補正回路にて補正されるようになっている。またこのシステムでは、計測値を安全保護系の隔離論理に用いるために、制御系が４系統に冗長化された構成となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来技術においては、各配管に絞り部を設けているため、配管内で流体の減圧沸騰が発生するのを防止するように、流量計の発生差圧および設置場所を計画する必要がある。すなわち、原子炉停止時に、炉水を原子炉圧力容器の頂部からスプレイすることによって原子炉圧力容器を冷却することが行われているが、この圧力容器スプレイ時に、原子炉内の炉水は大気圧で飽和状態となる。このときの炉水がそのまま配管内の絞り部に供給されると、圧力低下により絞り部で減圧沸騰を起こす可能性がある。このため、従来技術では、各絞り部に差圧式流量検出器を設置するにも、流体の減圧沸騰を防止するために、差圧式流量検出器の絞り部における発生差圧が差圧式流量検出器の設置場所における静水頭差（圧力容器内の水面と差圧式流量検出器の設置場所における水位との差）による圧力以下となるように、流量計の発生差圧および設置場所を計画する必要がある。
【０００６】一方、原子力発電所を設計するに際しては、建屋をコンパクト化に改良することが求められており、このため、差圧式流量検出器の静水頭差も小さくすることが求められている。
【０００７】しかし、漏洩検出システムでは、冷却材の漏洩を検出したときには、安全保護系の隔離弁（入口配管および戻り配管に設けられた制御弁）を閉じるように構成されているため、高精度の流量計測が必要とされている。このため、差圧式流量検出器を用いて冷却材の漏洩を検出するには、発生差圧を大きくする必要があり、可能な限り静水頭差を大きくすることが要求され、このことが建屋のコンパクト化を計画する上で障害となっている。
【０００８】また、漏洩検出システムは、プラント起動時から停止時まで使用されるようになっているが、プラント起動時・停止時とプラント運転中では、冷却材浄化系内の流体の温度が異なる。ところが、差圧式流量計は、ある一定温度での設計条件で設計されているので、差圧式流量計を漏洩検出システムに用いるためには、温度の変化に合わせて計測値を補正する必要がある。従って、差圧式流量計を用いて漏洩検出システムを構成するためには、差圧式流量計の他に、温度計、温度補正回路を設置する必要があり、しかもこれらのスペースも確保する必要があり、建屋のコンパクト化を計画する上で障害となっている。
【０００９】本発明の課題は、減圧沸騰を起こさずに、冷却材の漏洩を検出することができる原子炉冷却材浄化系漏洩検出システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するために、本発明は、原子炉から冷却材を導入して浄化し浄化された冷却材を前記原子炉に戻す原子炉冷却材浄化系のうち冷却材が流れる流路中の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する流量計と、前記流量計の計測値が判定値以上になったときに漏洩信号を出力する漏洩検出器とを備えてなる原子炉冷却材浄化系漏洩検出システムを構成したものである。
【００１１】前記漏洩検出システムを構成するに際しては、流量計として、原子炉から入口配管を介して冷却材を導入して浄化し浄化された冷却材を戻り配管を介して前記原子炉に戻す原子炉冷却材浄化系のうち前記入口配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第１の流量計と、前記戻り配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第２の流量計を用い、漏洩検出器として、前記第１の流量計の計測値と前記第２の流量計の計測値との差が判定値以上になったときに漏洩信号を出力する漏洩検出器を用いることができる。
【００１２】さらに、漏洩検出システムを構成するに際しては、流量計として、原子炉から入口配管を介して冷却材を導入して浄化し浄化された冷却材を戻り配管を介して前記原子炉に戻す原子炉冷却材浄化系のうち前記入口配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第１の流量計と、前記戻り配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第２の流量計と、前記戻り配管から分岐された排出配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第３の流量計を用い、漏洩検出器として、前記第１の流量計の計測値から前記第２の流量計の計測値と前記第３の流量計の計測値をそれぞれ減算して得られた値が判定値以上になったときに漏洩信号を出力する漏洩検出器を用いることができる。
【００１３】また、流量計を構成するに際しては、超音波流量計を用いることができ、超音波流量計を構成するに際しては、以下のように構成することができる。
【００１４】超音波流量計は、冷却材の流路を間にして相対向して配置されて超音波の授受を行う一対の超音波受発信素子と、前記一対の超音波受発信素子のうち一方の超音波受発信素子から他方の超音波受発信素子に発信される超音波の伝播時間と前記他方の超音波受発信素子から前記一方の超音波受発信素子に発信される超音波の伝播時間との伝播時間差を計測する時間計測器と、前記時間計測器の計測値から冷却材の流速を求めるともに前記流速と冷却材の流路の断面積とを乗算して流量を演算する演算器とから構成されてなる。
【００１５】前記した手段によれば、流量計として、冷却材が流れる流路（配管）中の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する流量計を用いているため、配管内部に絞り部を設置したり、流量計設置場所での静水頭差を考慮する必要がなく、原子炉建屋をコンパクトに設計することが可能になる。さらに流量計として超音波流量計を用いた場合、超音波流量計は、流体中の音速が流体の温度によって変化する性質を用いて、流体の伝播時間の平均値から流体の温度を演算することができ、しかも、音速と流体の温度との関係は、例えば、日本機械学会の蒸気表における音速−温度−圧力の関係式を用いて得ることができる。すなわち、流量は温度に関連づけて求められるため、冷却材の温度が変化しても温度補正が不要となり、温度計・温度補正回路を削除することができる。従って、温度計・温度補正回路を設置するためのスペースを考慮する必要がなく、温度計、温度補正回路を設置するときよりも建屋をコンパクトに設計することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す原子炉冷却材浄化系漏洩検出システムの全体構成図である。図１において、原子力発電所の原子炉格納容器１０内には原子炉圧力容器１２が格納されており、原子炉圧力容器１２には、原子炉内で発生した蒸気をタービン（図示省略）に送給し、タービンからの蒸気を復水器（図示省略）に送給し、復水器で得られた水をポンプを介して原子炉に戻す系の他に、原子炉冷却材浄化系が設けられている。
【００１７】原子炉冷却材浄化系（ＣＵＷ）は、冷却材（炉水）の流路を構成する入口配管１４、戻り配管１６、排出配管１８を備えており、入口配管１４、戻り配管１６の一端がそれぞれ原子炉圧力容器１２に接続され、他端がそれぞれ低温型原子炉冷却材浄化系ろ過脱塩装置２０に接続され、排出配管１８の一端が戻り配管１６の管路途中に接続され、他端が低電導度廃液収集層（ＬＣＷ）またはサプレッションプール（Ｓ／Ｐ）に接続されている。さらに入口配管１４、戻り配管１６、排出配管１８の管路途中には伝播時間差式の超音波流量計２２、２４、２６が設置されている。また入口配管１４と戻り配管１６の管路途中には再生熱交換器２８が設置されており、入口配管１４の管路途中には非再生熱交換器３０、ポンプ３２が設置されている。
【００１８】超音波流量計２２、２４、２６は、流量検出器２２ａ、２４ａ、２６ａ、流量変換器盤２２ｂ、２４ｂ、２６ｂを備えて構成されており、各流量検出器２２ａ、２４ａ、２６ａはそれぞれ流量変換器盤２２ｂ、２４ｂ、２６ｂを介して差流量演算回路３４に接続され、差流量演算回路３４は警報発生回路３６に接続されている。
【００１９】超音波流量計２２は、入口配管１４内の冷却材（炉水）の流速を基に冷却材の流量を計測する第１の流量計として構成され、超音波流量計２４は、戻り配管１６内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第２の流量計として構成され、超音波流量計２６は、排出配管内の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する第３の流量計として構成されている。
【００２０】差流量演算回路３４は、超音波流量計２２の計測値から超音波流量計２４の計測値と超音波流量計２６の計測値をそれぞれ減算し、減算して得られた値を警報発生回路３６に出力するようになっている。警報発生回路３６は、差流量演算回路３４の演算によって得られた値と判定値とを比較し、差流量演算回路３４の演算により得られた値が判定値以上になったときに漏洩信号を出力するようになっている。すなわち、差流量演算回路３４、警報発生回路３６は漏洩検出器として構成されている。
【００２１】なお、図１では単一の制御系についてのみ図示してあるが、実際には、制御系は物理的、電気的に独立な４区分の冗長系で構成されており、４重系の各警報発生回路３６の出力は、漏洩検出系の論理回路に供給されている。そして、この論理回路において、例えば、２ ｏｕｔ ｏｆ ４の論理により、４系統（４区分）のうち２系統（２区分）以上から漏洩信号が出力された場合に、原子炉冷却材浄化系（ＣＵＷ）と原子炉圧力容器１２とを分離するために、入口配管１４と戻り配管１６の端部に設けられた隔離弁（図示省略）に隔離信号を与えて各隔離弁を閉じる制御を行うための信号が生成されるようになっている。
【００２２】上記構成において、原子炉の通常運転時には、原子炉圧力容器１２内の高温の漏水をろ過脱塩装置２０において浄化するために、原子炉圧力容器１２内の炉水は、入口配管１４を介して再生熱交換器２８内に導入され、この再生熱交換器２８において、ろ過脱塩装置２０から戻り配管１６を介して原子炉圧力容器１２へ戻される低温の浄化された炉水と熱交換されて冷却される。その後、冷却された炉水は、非再生熱交換器３０において、この非再生熱交換器３０に供給される原子炉補機冷却水によって、ろ過脱塩装置２０で使用可能な温度まで冷却される。そして冷却された炉水はポンプ３２によって昇圧された後、ろ過脱塩装置２０内に導入され、このろ過脱塩装置２０内のイオン交換樹脂によって浄化される。そして浄化された炉水は、戻り配管１６を介して再生熱交換器２８側に送られ、再生熱交換器２８において圧力容器１２から取り出された高温の炉水と熱交換されて加熱され、加熱された炉水は戻り配管１６を介して原子炉圧力容器１２に戻される。
【００２３】一方、原子炉の起動時には、蒸気が復水器（図示省略）に流れるようになるまでは、温度上昇による炉水の体積膨張分と制御棒駆動系からの注水分が排出配管１８を介して低電導度廃液収集層またはサプレッションプールに放出される。
【００２４】また原子炉の停止時には、炉水が原子炉圧力容器１２の頂部からスプレイされることにより原子炉圧力容器１２の冷却が行われる。
【００２５】このような運転が行われている過程で、原子炉冷却材浄化系における炉水の漏洩が各超音波流量計２２、２４、２６によって監視されている。各超音波流量計２２、２４、２６によって炉水の漏洩を監視するに際しては、各超音波流量計２２、２４、２６には、図２に示すような構成が採用されている。
【００２６】すなわち、各超音波流量計２２、２４、２６は、流量検出器２２ａ、２４ａ、２６ａとして、一対の超音波受発信素子３８、４０を備えており、流量変換器盤２２ｂ、２４ｂ、２６ｂとして、時間計測部４２と流量演算部４４を備えて構成されている。
【００２７】各超音波受発信素子３８、４０は、入口配管１４、戻り配管１６または排出配管１８の外部に、配管内の炉水の流れに対して、上流、下流に分かれて相対向して設置されており、各超音波受発信素子３８、４０はそれぞれ時間計測部４２に接続されている。そして各超音波受発信素子３８、４０は、時間計測部４２から超音波を受けたときに、この超音波を配管内に照射し、互いに超音波の授受を行うようになっている。
【００２８】ここで、上流側に配置された超音波受発信素３８から発信された超音波が下流側の超音波受発信素子４０に受信されるまでに要する伝播時間をｔＡＢとし、下流側の超音波受発信素子４０から発信された超音波が上流側の超音波受発信素子３８で受信されるまでに要する伝播時間をｔＢＡとすると、伝播時間ｔＡＢは次の数１で表され、伝播時間ｔＢＡは数２で表される。
【００２９】
【数１】

【００３０】
【数２】

ここで、Ｄは配管の内径、θは流体中の超音波の伝播角度（鉛直線を基準とした超音波の伝播方向）、Ｃは音速、Ｖは流体速度、ｔｎは超音波が流体以外の部分（配管の壁、信号線）を伝播するに要する時間を示す。
【００３１】各超音波受発信素子３８、４０からそれぞ超音波を照射した場合、各超音波の伝播時間は、配管内の流速に応じて差が生じる。すなわち、下流側の超音波受発信素子４０から出射された超音波は、流速に逆らうようにして伝播するため、上流側の超音波受発信素子３８より出射された超音波よりも伝播速度が遅くなり、両者の間には伝播時間差Δｔが生じる。
【００３２】この伝播時間差Δｔは時間計測部４２において、次の数３によって算出される。
【００３３】
【数３】

伝播時間差Δｔが求められると、流量演算部４４において次の数４にしたがって流体流速Ｖが求められる。
【００３４】
【数４】

ここで、音速Ｃは、静止流体中の伝播時間（流れが０のときの伝播時間）ｔ０が、ｔ０＝（ｔＡＢ＋ｔＢＡ）／２で近似できることから、次の数５によって求められる。
【００３５】
【数５】

流量演算部４４においては、流体流速Ｖに配管の断面積を乗じて流量を演算する処理が行われる。すなわち、時間計測部４２は時間計測器として構成され、流量演算部４４は演算器として構成されている。
【００３６】また各超音波流量計２２、２４、２６においては、流体中の音速Ｃが流体（炉水）の温度Ｔによって変化する性質を用い、例えば、伝播時間の平均値ｔｍより流体の温度を演算することができる。
【００３７】すなわち、流体中の音速Ｃは、伝播時間の平均値ｔｍより、次の数６で与えられる。
【００３８】
【数６】

ここで、音速Ｃと流体の温度Ｔの関数関係は、例えば、日本機械学会の蒸気表に示されている音速−温度−圧力の関係式を用いて決定することができる。このため、数６により求められた音速Ｃより流体の温度Ｔを演算することができるので、各配管内の炉水の温度が変化しても、音速Ｃが温度の関数として求められる。従って、音速が求まれば、温度が決定されるので、流量を求める際、温度による補正を行う必要がない。
【００３９】このように、本実施形態においては、原子炉冷却材浄化系における炉水の漏洩を検出するに際して、配管に絞り部を設けることなく、各配管に設けられた超音波流量計２２、２４、２６の計測値を基に漏洩を検出するようにしているので、減圧沸騰が起こることなく、しかも静水頭差を考慮することなく、炉水の漏洩を検出することができ、静水頭差を考慮せず、各超音波流量計２２、２４、２６の設置場所を原子炉の水位に近づけることが可能になり、原子力発電所の建屋のコンパクト化に寄与することができる。
【００４０】また、温度による補正が不要となるため、炉水の漏洩を検出するに際して、温度補正用の機器を設置することが不要となり、温度計のメンテナンスなどのために確保されていたスペースを削減したり、温度計などの設置個所が不要となり、全体的にコンパクト化を図ることができる。
【００４１】また、前記実施形態においては、３つの超音波流量計２２、２４、２６を用いるものについて述べたが、炉水を排出配管１８側に排出しないときには、２つの超音波流量計２２、２４の計測値を基に、すなわち、両者の計測値の差が判定値以上になったときに、炉水の漏洩を検出することができる。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、流量計として、冷却材が流れる流路（配管）中の冷却材の流速を基に冷却材の流量を計測する流量計を用いているため、配管内部に絞り部を設置したり、流量計設置場所での静水頭差を考慮する必要がなく、原子炉建屋をコンパクトに設計することが可能になる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１３年５月２１日（２００１．５．２１）
【代理人】 【識別番号】１０００９８０１７
【弁理士】
【氏名又は名称】吉岡 宏嗣
【公開番号】 特開２００２−３４１０８１（Ｐ２００２−３４１０８１Ａ）
【公開日】 平成１４年１１月２７日（２００２．１１．２７）
【出願番号】 特願２００１−１５０８０５（Ｐ２００１−１５０８０５）