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

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、熱膨張率が小さ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概念及びセンサの設置場所を図1、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により１次主冷却系低温側配管に押付ける。圧電素子は１次主冷却系低温側配管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（くさび）は、圧電素子から発生する超音波を、安全保護系の多重性、独立性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、固体で超音波伝搬効率に優れる材料とする。
　センサ遠隔交換機構は、センサを配管の適正な位置へ適正な角度で設置でき、取り外しが可能で、配管周り構造及び建屋内配置に適合するものとする。
　信号処理装置は、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、計測性能に係る開発要件を満足するのに必要な測線数(センサのセット数)に対応する信号処理回路数及び信号処理性能を備えるものとする。
　本事業における主要な開発課題を表2、開発スケジュールを表3に示す。

(2) 開発成果

　平成20年度までの成果を以下に示す。

a．センサ
　開発のベースとなる基本仕様、構造を検討、要素レベルでの試験による評価、確認が必要な部位を摘出して高温・温度サイクル試験等を実施し、その結果に基づき構造を設定した。これに基づきセンサ単体及びセンサ遠隔交換機構と組合せて実施する高温・温度サイクル試験用のセンサ試験体の基本設計を実施し、センサ（単体）試験用試験体を製作した。センサの仕様及び製作したセンサ試験用試験体を図2に示す。

b．センサ遠隔交換機構
　開発のベースとなる基本仕様、構造を検討、センサ交換は、遠隔交換機構の建屋内配置、交換時間の短縮などを考慮して一つの配管径方向断面上のセンサを一括で行う方式とした。また、センサを配管に押し付ける機構については、複数の方式の比較検討から有望と判断した2案について作動試験を実施し、全ての性能目標（押付位置精度、押付均一度、押付力安定度、押付傾き角度精度）を満足するベローズ（ガスばね）方式を選定した。これに基づきセンサと組み合わせて実施する高温・温度サイクル試験用のセンサ試験体、遠隔交換機構試験体及びセンサ・遠隔交換機構試験体の基本設計を実施し、遠隔交換機構試験体を製作した。センサ遠隔交換機構の配管周りの構造概念及び製作した遠隔交換機構試験体の一部を図3に示す。

c．信号処理装置
　信号処理装置試験体を製作し、基礎水試験により典型的な偏り及び大きな乱れのある流況における超音波データを取得して信号処理の高速化、測線数の2から4への増加等の改良を実施した。次いで改良した試験体を使用して後述する水流動試験により超音波データを取得した。改良した信号処理装置試験体の仕様を図4、水流動試験にて得られたデータの例を図5及び図6に示す。直線性は、測線数が4の場合、流動に係る非直線性を含めて計測範囲（定格流量の0から130％）の±2％以内（基準流量計との最大偏差：1.1％、基準流量計の誤差：±0.5％）であった。出力変動率は、応答時間要求が0.3 sであるので、超音波送受信サイクル、すなわち超音波伝搬時間差演算周期が1ms（信号処理装置の暫定仕様）の場合、約300回の移動平均処理が可能であり十分に中央値の±5％以内であった。また、ナトリウム試験体を製作し、既存のナトリウム循環装置に設置してナトリウム中でセンサ間距離及び温度に対する超音波減衰特性データを取得した。データ取得には改良した信号処理装置試験体を使用した。取得データにより信号処理装置は実機における超音波信号入力レベルに対して信号処理に十分な増幅度を有することを確認した。

d．測線最適化
　実機における最適な測線数を求めるための解析評価手法を開発し、実機の流動解析結果に試適用して計測性能に係る開発要件（直線性：計測範囲の±2％以下、出力変動率：中央値の±5％以下、応答時間：0.3 s）を4測線で満足できる見通しを得た。また、解析評価手法及び信号処理装置の性能を検証するため、実機（中型炉）の縮尺模型である既存のポンプ組込型中間熱交換器試験装置に水流動試験体を製作して据付け、実機とほぼ相似の流況において実機と等流速条件で流況可視化データ及び超音波流量計出力信号データを取得した。

e．まとめ
　平成20年度末現在ほぼ計画通り進捗し、所期の成果を得た。

３．今後の展望

　平成21年度に以下のように所期の成果を得る予定である。
　センサ及びセンサ遠隔交換機構は、センサ単体で主に温度サイクルに対する特性データを取得するとともに、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機能について見通しを得、実機向け仕様を明確にし、安全保護系適用への課題の解決見通しを示す。
　信号処理装置は、水流動試験で取得したデータに基づき実機における性能を検証して実機向け仕様を明確にし、安全保護系適用への課題の解決見通しを示す。
　測線最適化検討では、水流動試験による流況可視化データ及び超音波流量計出力信号データに基づき、最適な測線数を求めるための解析評価手法を検証する。