炉心内核計装検出器集合体、および原子炉出力監視装置

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【発明の名称】	炉心内核計装検出器集合体、および原子炉出力監視装置
【発明者】	【氏名】北薗秀亨【氏名】柚木彰
【要約】	【課題】原子炉の三次元的な中性子束分布を常時監視できる原子炉出力監視装置を提供する。【解決手段】検出器集合体に、固定式中性子検出器、移動式中性子検出器、およびガンマサーモ検出器を軸方向に配置する。ガンマサーモ検出器によって固定式中性子検出器を補完でき、３次元的な原子炉の出力分布の監視が容易になる。また、移動式中性子検出器によってガンマサーモ検出器の校正が容易に行え、校正用ヒータが不要になる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】所定の軸方向の異なる位置に設置された複数の固定式中性子検出器と、前記複数の固定式中性子検出器と前記所定の軸方向の略同一の位置に設置された複数のガンマサーモ検出器と、前記所定の軸方向を移動して、前記複数の固定式中性子検出器および前記複数のガンマサーモ検出器を校正できる移動式中性子検出器と、を具備することを特徴とする炉心内核計装検出器集合体。
【請求項２】前記複数の固定式中性子検出器とは前記所定の軸方向の異なる位置に設置された複数のガンマサーモ検出器をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の炉心内核計装検出器集合体。
【請求項３】前記ガンマサーモ検出器が、校正用のヒータを有しないことを特徴とする請求項１記載の炉心内核計装検出器集合体。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載の炉心内核計装検出器集合体と、前記ガンマサーモ検出器からの出力信号を中性子の検出値に変換する信号変換部とを具備することを特徴とする原子炉出力監視装置。
【請求項５】前記信号変換部が、前記移動式中性子検出器の測定結果に基づき、前記ガンマサーモ検出器の出力信号を中性子の検出値に対応する値に変換する変換テーブルを有することを特徴とする請求項４記載の原子炉出力監視装置。
【請求項６】原子炉の出力分布を監視する出力分布監視部をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の原子炉出力監視装置。
【請求項７】前記ガンマサーモ検出器の出力信号から変換された中性子の検出値と前記固定式中性子検出器の出力信号に基づく中性子の検出値とを比較して、検出値間の相違が所定の値よりも大きいときに該ガンマサーモ検出器と該固定式中性子検出器のいずれかが劣化したと判定する検出器劣化判定部を有することを特徴とする請求項４記載の原子炉出力監視装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉の炉内出力を測定する炉心内核計装検出器集合体、および原子炉の炉内出力状態を監視する原子炉出力監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】原子炉出力監視装置には、固定式の中性子検出器と燃料棒の軸方向に移動可能な移動式の中性子検出器が用いられている。図６に従来の原子炉出力監視装置を表す。図６に示すように従来の原子炉出力監視装置は、中性子を測定する複数のＬＰＲＭ検出器１１１と、ＬＰＲＭ検出器１１１からの信号を処理する信号処理ユニット１１２と、信号処理ユニット１１２からの信号を出力するインターフェイスユニット１１３、そして燃焼度分布等を計算する計算機１１４から構成されている。燃料棒の軸方向の中性子束測定のため、計算機１１４には、移動して中性子を測定するＴＩＰ（可動インコア・プローブ・モニタ）検出器１２１とＴＩＰ検出器１２１からの信号を処理する信号処理ユニット１２２と信号処理ユニットからの信号を出力するインターフェイスユニット１２３が、さらに接続されている。
【０００３】図７（Ａ）、（Ｂ）は、ＬＰＲＭ検出器１１１を収容するＬＰＲＭ集合体１１６の縦断面、横断面の状態を表す模式図である。また、図７（Ｃ）に示すようにＬＰＲＭ集合体１１６は原子炉の燃料棒軸方向に沿って炉心内に複数挿入される。その結果、ＬＰＲＭ検出器１１１は、炉心の軸方向および半径方向のポイントに配置される。信号処理ユニット１１２は、それぞれのＬＰＲＭ検出器１１１からの炉心軸方向および半径方向の局部出力信号に基づき、原子炉内での平均出力信号を出力する。ＴＩＰ検出器１１５はＴＩＰ校正管内１１７内を移動し、中性子束分布の測定以外に、ＬＰＲＭ検出器１１１の校正にも使用される。
【０００４】原子炉出力監視装置には、上記のＴＩＰ検出器１２１を用いたＴＩＰシステム以外に、固定式のガンマサーモメータ（熱電対温度計、以下ＧＴ検出器という）を用いてＬＰＲＭ検出器１１１の校正を行うＧＴシステムがある。これは、図６のＴＩＰ検出器１２１、信号処理ユニット１１２、インターフェイスユニット１１３、計算機１１４を、図８のようなＧＴ検出器１３１、信号処理ユニット１３２、インターフェイスユニット１３３、計算機１３４、校正用ヒータ１３５に置き換えたものである（例えば、特開平９－２１１１３６号参照）。
【０００５】ＧＴ検出器１３１は、炉心内のガンマ線による発熱から生じた電位差を出力する。信号処理ユニット１３２は、ＧＴ検出器１３１が出力した電位差を温度差に、温度差をさらにガンマ線発熱量に変換するとともに校正用ヒータを制御する。インターフェイスユニット１３３は、信号処理ユニット１３２からの出力信号を計算機１３４等に出力する。計算機１３４は、ガンマ線発熱量をさらに中性子束量に変換して原子炉内の出力を計算する。なお、校正用ヒータ１３５はＧＴ検出器１３１を校正するための熱源である。
【０００６】図９（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、ＧＴ検出器１３１の構造を表した部分斜視図、縦断面図である。図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ＧＴ検出器１３１は校正用ヒータ１３５と共に、ＧＴ（ガンマサーモ）検出管１３６内に収容されている。ＧＴ検出器１３１は、断熱部１３７で囲まれた高温側接点１３８と断熱部１３７で囲まれていない低温側接点１３９を有する熱電対の組から構成され、高温側接点１３８と低温側接点１３９の温度差を電圧に変換して出力する。
【０００７】図１０（Ａ）、（Ｂ）は、ＧＴ検出器１３１を収容するＬＰＲＭ集合体１１６の縦断面図および横断面図であり、ＧＴ検出器１３１の配置例を示す。それぞれのＧＴ検出器１３１は、ＬＰＲＭ検出器１１１と共にＬＰＲＭ集合体１１６内に収容され、原子炉の炉心内に配置される。そして、ＧＴ検出器１３１は、ＬＰＲＭ検出器１１１と対応する炉心内軸方向高さに配置され、ＬＰＲＭ検出器１１１の校正に使用される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ＬＰＲＭ検出器１１１は、ある程度の大きさを有し、軸方向、半径方向のいずれについても測定箇所が限定される。従って、従来の原子炉出力監視装置では、原子炉内の三次元的な中性子束分布を常時監視することは困難であった。このため、原子燃料の効率的な燃焼を実現する制御棒挿入パターンを時間的に連続して決定することも困難となる。
【０００９】本発明は、このような課題を解決するために、原子炉の三次元的な中性子束分布を常時監視できる原子炉出力監視装置を提供することを目的とする。また、本発明は感度校正が容易な原子炉出力監視装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、時間応答速度が速く、しかも信頼性の高い原子炉出力監視装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成するために本明に係る炉心内核計装検出器集合体は、所定の軸方向の異なる位置に設置された複数の固定式中性子検出器と、前記複数の固定式中性子検出器と前記所定の軸方向の略同一の位置に位置に設置された複数のガンマサーモ検出器と、前記所定の軸方向を移動して、前記複数の固定式中性子検出器および前記複数のガンマサーモ検出器を校正できる移動式中性子検出器と、を具備することを特徴とする。固定式中性子検出器とガンマサーモ検出器との双方で原子炉の出力を測定できる。このため、信頼性の高い測定が可能となる。
【００１１】ここで、前記複数の固定式中性子検出器とは前記所定の軸方向の異なる位置に設置された複数のガンマサーモ検出器をさらに具備してもよい。ガンマサーモ検出器は、固定式中性子検出器よりも小型であり、軸方向に多数配置できる。この結果、例えば制御棒引き抜きの際等の軸方向における原子炉の出力変化をきめ細かく監視することが可能となる。
【００１２】また、前記ガンマサーモ検出器が、校正用のヒータを有しなくてもよい。ガンマサーモ検出器は、移動式中性子検出器によって校正できるため、校正用のヒータを省略できる。この結果、ガンマサーモ検出器をより小型化して多数配置することが可能となる。また、ガンマサーモ検出器の小型化は、熱容量の低下による応答速度の向上をもたらす。
【００１３】（２）本発明に係る原子炉出力監視装置は、前記（１）記載の炉心内核計装検出器集合体と、前記ガンマサーモ検出器からの出力信号を中性子の検出値に変換する信号変換部とを具備することを特徴とする。ガンマサーモ検出器からの出力信号を中性子の検出値に変換して、原子炉の出力を監視できる。
【００１４】信号変換部による信号の変換は、例えば前記移動式中性子検出器の測定結果に基づき、前記ガンマサーモ検出器の出力信号を中性子の検出値に対応する値に変換する変換テーブルを用いて行える。移動式中性子検出器の測定結果を用いることで、例えばヒータを用いるより正確な校正が可能となる。ここで、出力分布監視部をさらに具備し、炉心内核計装検出器集合体の測定結果に基づき原子炉の出力分布を監視してもよい。ガンマサーモ検出器の３次元的な配置によって、原子炉の出力分布を３次元的に監視できる。
【００１５】さらに、前記ガンマサーモ検出器の出力信号から変換された中性子の検出値と前記固定式中性子検出器の出力信号に基づく中性子の検出値とを比較して、検出値間の相違が所定の値よりも大きいときに該ガンマサーモ検出器と該固定式中性子検出器のいずれかが劣化したと判定する検出器劣化判定部を有してもよい。検出器の劣化が自動的に発見されるので、測定データの信頼性が高い。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る原子炉出力監視装置１０の構成例を示すブロック図である。ＬＰＲＭ集合体（炉心内核計装検出器集合体）２０内に、固定式中性子検出器としての複数のＬＰＲＭ（ＬｏｃａｌＰｏｗｅｒＲａｎｇｅＭｏｎｉｔｏｒ：局部出力モニタ)検出器３０、移動式中性子検出器としてのＴＩＰ（ＴｒａｖｅｌｉｎｇＩｎ－ＣｏｒｅＰｒｏｖｅ）検出器４０、ガンマサーモ検出器としての複数のＧＴ検出器５０が配置されている。複数のＬＰＲＭ検出器３０、ＴＩＰ検出器４０、複数のＧＴ検出器５０のそれぞれは、信号処理ユニット６１、６２、６３およびインターフェイスユニット７１、７２、７３を介して計算機（コンピュータ）８０に接続されている。
【００１７】ＬＰＲＭ検出器３０とＴＩＰ検出器４０はいずれも中性子線を検出し、ＧＴ検出器５０はガンマ線を検出する。信号処理ユニット６１～６３はそれぞれ、ＬＰＲＭ検出器３０、ＴＩＰ検出器４０、ＧＴ検出器５０からの信号を処理し、測定結果を出力する。このとき、信号処理ユニット６１～６３は炉心軸方向および半径方向の各局部出力に基づき、平均出力を表す信号を出力できる。インターフェイスユニット７１～７３はそれぞれ、信号処理ユニット６１～６３からの出力信号を計算機８０に出力する。計算機８０は、燃焼度分布等を計算する。
【００１８】計算機８０は、信号変換部８１、出力分布監視部８２、ＧＴ校正部８３、検出器劣化判定部８４、入出力部８５を備えている。信号変換部８１は、ガンマ線発熱量の信号を原子炉内の出力に変換する。出力分布監視部８２は、原子炉の３次元的な出力分布を監視する。ＧＴ校正部８３は、ＧＴ検出器５０の校正を行う。検出器劣化判定部８４は、ＬＰＲＭ検出器３０、ＧＴ検出器５０の劣化の有無を判定する。入出力部８５は、例えばマウス、キーボード等の入力機器、ＣＲＴ、ＬＣＤ等の表示装置、ハードディスク等の記録装置である。
【００１９】ＬＰＲＭ集合体２０は、原子炉の燃料棒の軸方向に沿って、半径方向からみて異なる位置に挿入される。その結果、計算機８０には、ＬＰＲＭ検出器３０、およびＧＴ検出器５０からの原子炉内の３次元的な測定結果に係る信号が入力される。図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ、ＬＰＲＭ集合体２０を軸方向および半径方向に切断した状態を表した模式的な断面図である。ＬＰＲＭ集合体２０の中心軸上にＴＩＰ検出器４０が配置され。その周りにＬＰＲＭ検出器３０、とＧＴ検出器５０がいずれも複数配置されている。複数のＬＰＲＭ検出器３０は、軸方向に互いに異なった高さになるように配置されている。また、複数のＧＴ検出器５０は、ＬＰＲＭ検出器３０とほぼ同一の高さになるように配置されている他、ＬＰＲＭ検出器３０とは異なる高さにも配置されている。
【００２０】ＧＴ検出器５０とＬＰＲＭ検出器３０が、ほぼ同一の高さになるように配置され、ＬＰＲＭ検出器３０とＧＴ検出器５０の双方で原子炉の出力を監視できるので、信頼性が向上する。また、ＧＴ検出器５０がＬＰＲＭ検出器３０とは異なる高さにも配置されていることから、軸の高さ方向の測定に関しＧＴ検出器５０がＬＰＲＭ検出器３０を補完できる。ＧＴ検出器５０は、ＬＰＲＭ検出器３０と比較して、構造的に簡単であり小型化し易い。このため、ＬＰＲＭ集合体２０の同一ストリング内に多数ののＧＴ検出器５０を容易に配置でき、従来に比べ多数の測定点での局所出力の測定が可能となる。この結果、燃料棒の軸方向に対し細かな出力分布の測定が可能となる。
【００２１】ＴＩＰ検出器４０は、軸方向から見て、ＧＴ検出器５０とＬＰＲＭ検出器３０がそれぞれ設置された高さに移動できる。このため、ＴＩＰ検出器４０によって、ＧＴ検出器５０とＬＰＲＭ検出器３０それぞれを校正できる。このように、ＧＴ検出器５０は、ＴＩＰ検出器４０によって感度校正を行えるため、従来のようなヒータを用いた感度校正を必要としない。このため、ＧＴ検出器５０のさらなる小型化および応答速度の向上が可能となる。
【００２２】通常ＬＰＲＭ検出器３０として用いられるのは、電離箱型検出器でＬＰＲＭ検出器３０の外壁内面に核分裂物質（ウラン）が塗布され、外壁と中心電極との間に高電圧を印加したものである。ＬＰＲＭ検出器３０内は電離ガス、例えばＡｒが封入されている。このような電離箱型形式のＬＰＲＭ検出器３０においては、後につながる増幅器、波高弁別フィルター等の電子回路の特性が経時的に変化し、いわゆるドリフト現象を生じる。さらにＬＰＲＭ検出器３０の外壁内面に塗布したウランのＵ２３５量の減少によっても中性子検出感度が変化する。なお、ＴＩＰ検出器４０は、ＴＩＰ駆動機構が必要であるため、多数箇所を同時に測定するのが困難である。
【００２３】沸騰水型原子炉等の原子炉では原子炉圧力容器内の炉心に装荷される核燃料の核分裂量に比例してγ線が発生し、発生したγ線束でＧＴ検出器５０の構造体を加熱する。この加熱量はγ線束に比例し、γ線束は近傍の核分裂量に比例する。ＧＴ検出器５０は、センサ部を構成するステンレスなどの構造材が、原子炉内の放射線（特にガンマ線）の吸収や非弾性散乱によってエネルギーを吸収して発熱し、発生した熱が外部の冷却材へ流出する際に形成される温度分布を熱電対などにより測定する。したがって、ＧＴ検出器５０は核分裂電離箱と異なり、中性子吸収反応を伴わないので原理的にはセンサ感度の劣化が生じない。
【００２４】図３は、ＧＴ検出器５０の構造を表した部分斜視図、および縦断面図である。ＧＴ検出器５０はＧＴ（ガンマサーモ）検出管５１内に収容されている。ＧＴ検出管５１はカバーチューブ５２とコアチューブ５３の二重構造で校正される。ＧＴ検出器５０が、断熱部５４で囲まれた高温側接点５５と断熱部５４で囲まれていない低温側接点５６を有する熱電対の組から構成される点は、従来と同様である。なお、ガンマ線による発熱は、例えばコアチューブ５３から生じる。ここで、ＧＴ検出器５０は、従来例に示した校正用ヒータを備えず、ＧＴ検出管５１に１つのみ収納されている。もし校正用ヒータがあれば、省スペース等のために校正用ヒータの周囲に複数のＧＴ検出器５０を設置する必要性が大きくなる。
【００２５】このように、単一のＧＴ検出器５０をＧＴ検出管５１に設置することが容易になり、ＧＴ検出器５０全体のさらなる小型化が可能となる。その結果、ＧＴ検出器５０一個当たりの熱容量が小さくなるので、時間応答が速くなる。また、ＧＴ検出器５０は、ＴＩＰ検出器４０によって、従来のようにヒータを用いるよりも精度良く校正できる。ヒータで校正できるのは、発生熱量と熱電対の電圧上昇（温度差）の関係に留まり、ガンマ線の照射量と電圧上昇の直接的な関係は校正できない。ＴＩＰ検出器４０を用いることで、中性子線の発生量（原子炉の出力に対応）と熱電対の電圧上昇（温度差）との関連を求められる。
【００２６】信号処理ユニット６３は、ＧＴ検出器５０から出力された電位差の信号を温度差、さらにはガンマ線の発熱量の信号に変換して出力する。そして、信号変換部８１は、信号処理ユニット６３から出力されたガンマ線発熱量の信号をガンマ線の強度、中性子束値、さらには燃焼度等原子炉の局所的な出力（例えば、ＧＴ検出器５０が配置された制御棒周辺の出力）の信号に変換する。この変換の際に、ガンマ線強度と中性子線強度の対応関係を表した変換テーブルが用いられる。なお、変換テーブルの作成方法は後述する。
【００２７】信号変換部８１から出力された原子炉の出力信号は、出力分布監視部８２に入力されて常時監視される。このとき、ＬＰＲＭ検出器３０からの中性子束の測定信号も信号変換部８１によって原子炉の局所的な出力に変換され、出力分布監視部８２による監視の対象となる。出力分布監視部８２は、原子炉の３次元的な出力を表示装置により表示し、記録装置により記録する他、出力分布の解析、出力分布が所定の範囲から逸脱したときの警告等を行う。このように、本実施形態ではＧＴ検出器５０を用いて、原子炉の３次元的な出力の監視を常時行える。
【００２８】ＬＰＲＭ集合体２０内に複数のＧＴ検出器５０を軸方向の異なる高さに配置していることから、例えば燃料棒の軸方向に対し、出力分布を細かく監視できる。燃料棒の軸方向に対してＧＴ検出器５０を多数配置することで、制御棒引抜きの際の出力変化を連続的に監視できる。即ち、ＴＩＰ検出器４０を用いなくても燃料棒の軸方向に対し、出力分布を細かく監視でき、制御棒引き抜きなどの際の軸方向の出力変化を監視して、素早く制御棒挿入パターンを変更できる。したがって、燃料の効率的燃焼が可能となる【００２９】図４は、ＧＴ校正部８３によるＧＴ検出器の校正の手順を表すフロー図である。ＴＩＰ検出器４０をＧＴ検出器５０とＬＰＲＭ集合体２０の軸方向からみて同一の高さに移動させて、ＴＩＰ検出器４０およびＧＴ検出器５０で同時に原子炉内を測定する。この結果、ＧＴ検出器５０からのガンマ線束の測定結果とＴＩＰによる中性子束の測定結果が得られる。この測定結果に基づいて、信号変換部８１の変換テーブルを書き換えることで、ＧＴ検出器５０の校正を行える。この校正は、ＧＴ検出器５０からのガンマ線束の測定結果とＴＩＰによる中性子束の測定結果が比例するとして行えばよい。さらに、異なる量のガンマ線束や中性子束をＴＩＰ検出器４０およびＧＴ検出器５０によって測定してもよい。ＧＴ検出器５０の感度校正をＴＩＰ検出器４０で行うことで、ヒータを用いた校正よりも精度良く校正できる。
【００３０】図５は、検出器劣化判定部８４によるＬＰＲＭ検出器３０とＧＴ検出器５０の劣化判定の手順を表すフロー図である。図５に示すようにＬＰＲＭ検出器３０から得られた中性子束の測定結果とＧＴ検出器５０から得られた中性子束の測定結果を比較する（ステップＳ２１）。この相違が所定の値よりも大きければ、ＬＰＲＭ検出器３０またはＧＴ検出器５０いずれかの劣化と判断し（ステップＳ２２）、必要に応じて音声または画像による警告を発する。測定結果間の相違が所定の値よりも小さければ測定結果は有効なものと判断する（ステップＳ２３）。
【００３１】この比較はＬＰＲＭ集合体２０の軸方向において同一の高さにあるＬＰＲＭ検出器３０とＧＴ検出器５０を用いて行うものとし、またＧＴ検出器５０は信号変換部８１によってガンマ線発熱量から中性子束量に変換するものとする。所定の値としては例えば、２０％、５０％を採用できる。また、この測定結果の相違に応じて異なった対応を行わせることもできる。検出器劣化判定部８４により検出器の劣化がすぐに分かるため、例えばＬＰＲＭ検出器３０およびＧＴ検出器５０をＴＩＰ検出器４０により校正することで測定データの信頼性を常に確保できる。
【００３２】（その他の実施形態）本発明は上記の実施形態には限られず、拡張変更が可能である。そして、拡張変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。例えば、上記実施形態では、固定式のＧＴ検出器を使用したが、これに代えてまたはこれに加えて軸方向に移動可動なＧＴ検出器を用いることもできる。このとき、ＬＰＲＭ集合体毎、あるいは複数のＬＰＲＭ集合体毎に、一個または複数個の移動式ＧＴ検出器を設置できる。この移動式ＧＴ検出器は、放射線に常時暴露しないようにすることができるから検出器としての信頼性が高く、校正用の基準検出器として使用できる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、原子炉の三次元的な中性子束分布を常時監視できる原子炉出力監視装置を提供できる。

【出願人】	【識別番号】０００００３０７８【氏名又は名称】株式会社東芝
【出願日】	平成１３年５月１５日（２００１．５．１５）
【代理人】	【識別番号】１０００７７８４９【弁理士】【氏名又は名称】須山佐一
【公開番号】	特開２００２－３４１０８３（Ｐ２００２－３４１０８３Ａ）
【公開日】	平成１４年１１月２７日（２００２．１１．２７）
【出願番号】	特願２００１－１４５４４２（Ｐ２００１－１４５４４２）