原子力システム研究開発事業
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成果報告会開催

原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集

高クロム鋼を用いた1次冷却系配管に適用する流量計測システムの開発

(受託者) 三菱FBRシステムズ株式会社
(研究代表者)岩田 東 プラント設計部電気計装グループ長
(再委託先)独立行政法人日本原子力研究開発機構、国立大学法人筑波大学

1.研究開発の背景とねらい

 ナトリウム冷却炉実用化概念は、1次冷却系流量計測システム(以下、流量計測システム)に関して次のような特徴(主なもの)を有する。
・経済性を高めるため、熱膨張率が低く強度に優れる高クロム鋼(磁性体)を採用して配管口径の約5倍まで直管部長さを短縮し、1サイクルの運転期間は18〜26ヶ月と長期間とする。
・ナトリウム漏えい時の安全性及び稼働性向上のため、内管と外管の間に不活性ガス(窒素)を封入した2重管構造とする。
・ナトリウム漏えいの可能性低減のため、ナトリウム配管に貫通部や内部突起物を極力設けない。
 流量計測システムは、安全保護系として炉心の冷却異常を検出して原子炉を緊急停止させるという重要な機能を持つ。また、ナトリウム冷却炉は原子炉出力に応じて炉心冷却流量を変える運用とすることから、流量監視機能も要求される。
 本事業では、直管部が短い高クロム鋼の2重管構造の大口径ナトリウム配管に適用する安全保護系流量計測システムに適合する方式と考えられる超音波伝搬時間差・多測線方式流量計測システムについて、センサ、遠隔交換機構、信号処理装置の開発及び測線数最適化検討を行い、実機に適用するシステムの仕様、有効性及び安全保護系適用への課題の解決方策を検討する。

2.研究開発成果

(1) 開発の概要
 開発を進める流量計測システムの設置場所及び概念を図1に、開発要件を表1に示す。
 センサは、プラント運転中は遠隔交換機構で530℃に達する可能性のある配管に直接押付けられる。圧電素子はこの高温に十分耐える実績を持つニオブ酸リチウム製とする。シューは、圧電素子から発生す る超音波を、安全保護系の多重化、相互独立要求を満足するセンサ配置が可能となる角度で、ナトリウム中へ効率よく入射でき、広い温度範囲で圧電素子と安定な接合を維持できる材料とする。カプラントは、遠隔交換に適合するように固体で超音波伝搬効率に優れる材料とする。直管部が短いことから偏り及び乱れが比較的大きいと予想される流れに対して計測性能要求を満足するのに必要な測線数(センサのセット数)と信号処理回路数を備えるものとする。
 本事業の主要な開発課題を表2、開発スケジュールを表3に示す。本事業の成果目標は次のとおりである。
・開発要件を満足するシステムの仕様を明らかにする。
・システムの有効性を試験及び評価により示す。
・安全保護系に適用できることを確証するための課題を明確にし、解決の見通しを示す。
(2) 開発成果
 ほぼ計画通り進捗しており、各装置の基本構造を設定し一部試験結果が出始めたところである。
a.センサ
 平成18年度に遠隔交換機構及び信号処理装置との取合仕様を検討しつつそれぞれ基本開発仕様を設定し、これに基づき今後の開発のベースとなる基本構造を設定した。センサの外形寸法は、幅40mm、長さ70mm、高さ40mmとした。次いで、要素レベルでの試験による評価、確認が必要な部位について、要素試験計画の立案及び試験体の基本設計を行った。
 平成19年度は要素試験のうちダンパ試験及び材料音速測定試験を終了した。図2に結果の一部として配管材料(改良9Cr鋼)の横波音速測定結果を示す。その他の要素試験は現在実施中である。
b.センサ遠隔交換機構
 平成18年度にセンサとの取合仕様を検討しつつ基本開発仕様を設定し、これに基づき今後の開発のベースとなる基本構造を設定した。センサ交換は、配管周方向1列に配置されたセンサ(最大8個(8測線に対応))を一括で行うものとし、センサの押付けは、皿バネで行う方式及びベローズで行う方式の2案を有望と判断して基本設計を行った。要素試験の結果に基づきいずれか一方を選定する。図3に2案の概要を示す。皿バネ式の特徴は、プラント運転中センサへの押付力を外部から加える必要のないことであり、一方、ベローズ式の特徴は、外部から押付力を調整できることである。
 平成19年度は、現在、要素試験体の製作が完了し、試験に着手したところである。
c.信号処理装置
 平成18年度にセンサとの取合仕様を検討しつつ基本開発仕様を設定し、平成19年度以降の信号処理手法開発成果を検証するための信号処理装置試験体の設計、製作を行った。また、信号処理手法開発のため、偏り及び乱れの大きな流れにおける超音波データを取得する基礎水試験用試験体の設計、製作、ナトリウム中での超音波減衰率データを取得するナトリウム試験用試験体の基本設計を行った。
 平成19年度は基礎水試験を行って計測性能要求を満足する信号処理手法検討のための基礎データを取得した。図4に基礎水試験で取得した超音波伝搬時間差の履歴の一例(偏りのある流れの場合)を示す。現在、計測精度の向上、計測時間の短縮検討に向けて信号処理装置試験体を改良中であるとともに、ナトリウム試験体を製作中である。
d.測線最適化
 平成18年度にナトリウム冷却炉実用化概念の縮小模型であるポンプ組込型中間熱交換器試験装置を用いる水流動試験の試験計画及び試験体の基本設計を3次元流動解析等に基づき行った。
 平成19年度は、流量計出力の予測精度を向上させる手法の一つとして、X法の流量算出誤差及び超音波のビーム径の影響を検討し、流量算出にビーム径を含め相似性を考慮してX法を適用することとし、現在、水流動試験の予測解析を実施中である。また、水流動試験体を製作中である。

3.今後の展望

 センサ及び遠隔交換機構は、平成19年度にそれぞれ要素レベルの性能確認を終え、平成20年度にセンサ単体で主に温度サイクルに対する耐久性、センサと遠隔交換機構を組み合わせてセンサ交換及び高温下でのセンサ押付けについて見通しを得、平成21年度に実機向けの仕様を検討する。信号処理装置は、平成19年度に取得した典型的な流れにおける超音波流量計出力信号データをもとに計測精度の向上、計測時間の短縮検討を行い、平成20年度にポンプ組込型中間熱交換器試験装置から得られる実機にほぼ相似の流況における超音波流量計出力信号データ及びナトリウム中での超音波の減衰特性データをもとに改良を図り、平成21年度に実機向けの仕様を検討する。測線最適化検討では、平成19年度に開発目標を満足する超音波流量計性能を得るための流動解析による測線数最適化を行う手法の検討、平成20年度に開発した手法により測線数の検討を行い、平成21年度にポンプ組込型中間熱交換器試験装置から得られる実機にほぼ相似の流況における超音波流量計出力信号データをベースに測線数の最適化を行う手法を検証する。











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