耐環境性水素濃度計の開発
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カテゴリ: 第14回
1.まえがき
格納容器内の水素濃度は、事故時に計測を必要とする パラメータであり、設計基準事故などでは、格納容器内の気体を格納容器外までサンプリングし、冷却器や湿分分離器により降温、除湿した気体の水素濃度を計測するサンプリング方式を採用している。一方、格納容器内に検出器を設置し、水素濃度を直接計測することは、計測システムが簡素化されることによる計測の信頼性向上や、運転操作の削減などに寄与し、 サンプリング方式と比較して優位性がある。 しかしながら、シビアアクシデントなど事故時の格納容器内は、高温、高圧および高放射線環境となるため、 常温、常圧環境が使用範囲である一般的な水素濃度計で は、事故時の格納容器内環境下での直接計測は困難である。以上を踏まえ、シビアアクシデントなど事故時の格納容器内環境においても水素濃度を直接計測することが出来る耐環境性水素濃度計を開発した。1)本稿では、開発した耐環境性水素濃度計のシステム構成、開発仕様、検証試験結果について紹介する。
2.システム構成 Fig. 1に耐環境性水素濃度計のシステム構成を示す。 本システムは検出器と変換器から構成しており、検出器 からの電気信号を変換器にて水素濃度に変換し、 4-20mADCの信号として出力する。 検出器は事故時の多様な環境(高温、高圧、水蒸気環 境)での計測性維持を目的として、異なる2つの検出原 理(接触燃焼式と熱伝導式)の検出部で構成しており、 それぞれの検出部は、検知素子と温度影響を補償する目 的で設置している補償素子を有した構造としている。 Fig. 2に接触燃焼式の検出原理を示す。接触燃焼式は検 知素子、補償素子および2つの固定抵抗(RB)でブリッ ジ回路を構成している。検知素子は触媒を有しており、 検知素子に水素を含んだガスが接触すると、触媒上での 燃焼反応により検知素子の抵抗値が上昇する。この抵抗 値の上昇によるブリッジ電圧の変化を変換器にて水素濃 度に変換する。接触燃焼式は、10vol%以下の水素濃度に 対して高い感度を有する特徴がある。 Fig. 3 に熱伝導式の検出原理を示す。接触燃焼式と同様 に検知素子、補償素子および2つの固定抵抗(RB)でブ 体が接触すると、検知素子から熱が奪われ、検知素子の抵抗値が低下する。この抵抗値の低下によるブリッジ電圧の変化を変換器にて水素濃度に変換する。この検出原理は、広い計測範囲を有する特徴があり、20vol%までの 水素濃度を計測範囲としている。 Fig. 1 In-containment hydrogen monitoring sensor system1) Fig. 2 Operating principle of catalytic combustible detector1) Fig. 3 Operating principle of thermal conductivity detector1) 3.開発仕様 Table1に示す温度、圧力などの環境条件の下で、定め た精度を満足させることを耐環境性水素濃度計の開発仕 様としている。 Table 1 Development Specification1) Accuracy (detectors only) ±1.5 vol% (< 10vol%*) ±2.5 vol% (>10vol%*) ±1.5 vol% (< 10vol%*) ±2.5 vol% (>10vol%*) Measuring Range 0 ? 20 vol% Design Temperature 200 oC 耐環境水素濃度計は、以下に示す各検証試験により、 Table1に示す開発仕様を満足することを確認した。各検 証試験の内容を4.1~4.5章に示し、試験結果を5章に示 す。なお、4.3~4.5記載の試験はシーケンシャルに実施し ており、IEEE Std. 3232)を参考に4.3章の試験前に温度、 放射線のエージングを実施した。 通常環境において、接触燃焼式は0~10vol%、熱伝導式 は0~20vol%の水素濃度に対する水素濃度指示値を確認し た。 Table2に水蒸気試験の環境条件、Fig. 4-1に接触燃焼式 検出器の水蒸気試験構成図をそれぞれ示す。本試験では、 接触燃焼式検出器を設置した試験容器がTable2 記載の環 境条件となるように、恒温槽により容器全体を加熱した 状態で蒸気、水素、空気をそれぞれ試験容器内に流通さ せ、試験容器の出口側に設置した背圧弁により試験容器 内の圧力を制御した。 Design Pressure 0.8 MPa gage Radiation resistance 0.5 MGy gamma Seismic Horizontal 10 G Vertical 5 G *: in air 4.検証試験内容 4.1 基礎試験 4.2 水蒸気試験 シビアアクシデント時の格納容器内環境は高温、高圧、 水蒸気環境となり、通常環境と異なるため、本水素濃度 計の水素濃度指示値に影響を与える可能性がある。これ を踏まえ、高温、高圧、水蒸気環境下での接触燃焼式検 出器と熱伝導式検出器の水素濃度指示値を確認する目的 で本試験を実施した。 Fig. 4-2に熱伝導式検出器の水蒸気試験構成図を示す。 目標環境条件については、Table2と同じである。本試験 では、目標環境条件から計算した水素と空気および水を 予め通常環境の状態で熱伝導式検出器を設置した試験容 器内に封入した後、恒温槽により試験容器を加熱した。 - 48 - Fig. 4-1 Flow diagram for catalytic combustible detector test1) Fig. 4-2 Flow diagram for thermal conductivity detector test1) 4.3 放射線照射試験 放射線照射試験は、シビアアクシデント事象発生から7 日間の積算線量を上回る0.5MGyのガンマ線を検出器に 照射し、放射線に対する耐性を有していることを確認し た。放射線照射率はIEEE Std. 3833)を参考に約10kGy/hとし、 放射線照射中のゼロ点を確認すると共に、試験前後のゼ ロ点、4vol%水素濃度に対する水素濃度指示値を確認した。 なお、上記の試験前後での水素濃度指示値の確認は、 4.4、4.5章記載の試験でも実施した。 Table 2. Temperature/stream functional test conditions1) Temperature 80 - 200 oC Pressure 0.1 ? 0.8 MPa gage Steam 30 ? 80 vol% 放射線照射試験後、検出器と変換器をそれぞれ加振台 に設置し、JIC C 60068-3-34)、60068-2-595)およびIEEE Std. 3446)を参考に、正弦波掃引試験とサインビート波を用い た試験を実施した。 Fig. 6 に蒸気スプレイ試験の試験構成図を示す。本試験 では、試験容器内に検出器を設置し、175°C、0.8MPa の 飽和蒸気や事故時の格納容器内スプレイを模擬した環境、 および200°C、大気圧環境(ほぼドライ環境)に曝し、高 温、高圧、水蒸気環境に対して機能が維持できることを 確認した。 Fig. 6 Steam/temperature test apparatus in a chemical spray1) 5.検証試験結果 Fig. 7 に試験結果を示す。Fig. 7より、本水素濃度計の 接触燃焼式と熱伝導式の水素濃度指示値は水素濃度に対 して直線性を有し、Table1記載の精度範囲内となる結果 を得た。 - 49 - 4.4 耐震試験 正弦波掃引試験は、3方向(水平方向及び鉛直方向)そ れぞれに対して、1~50Hz の範囲で実施し、当該周波数範 囲での固有値有無を確認した。 サインビート波を用いた耐力試験では、水平方向は 10G、鉛直方向は5Gの加速度で実施した。 4.5 蒸気スプレイ試験 5.1 基礎試験 Fig. 7 Accuracy test results at normal operating condition1) 5.2 水蒸気試験 Fig. 8とFig. 9に接触燃焼式と熱伝導式の水蒸気試験結 果をそれぞれ示す。Fig. 8、9より、それぞれの計測範囲 に対して、接触燃焼式は±1.0vol%、熱伝導式は±2.0vol% 以内の精度となり、Table1記載の精度範囲内となる結果 を得た。 Fig. 8 Measurement of Hydrogen in the high temperature, pressure and stream (Catalytic combustible detector)1) Fig. 9 Measurement of Hydrogen in the high temperature, pressure and stream (Thermal conductivity detector)1) また、試験前後のゼロ点、4vol%水素濃度に対する水 素濃度指示値についても異常は認められず、本水素濃度 計の検出器は、0.5MGyの積算線量に対して耐力を有する ことを確認した。 また、サインビート波を用いた耐力試験では、検出器 および変換器共に試験前後のゼロ点、4vol%水素濃度に対 する水素濃度指示値の変動量は±1vol%以内であり、異常 は認められなかった。 これより、本水素濃度計の検出器は高温、高圧、水蒸 気環境においても健全性を維持することを確認した。 - 50 - 5.3 放射線照射試験 Fig. 10 に放射線照射中の水素濃度指示値を示す。Fig. 10 より、放射線照射中においても、検出器の水素濃度指示 値に有意な変動は認められなかった。 Fig. 10 Irradiation characteristic of each detector at zero hydrogen concentration1) 5.4 耐震試験 検出器および変換器に対する正弦波掃引試験の結果、 1~50Hz の範囲で有意な固有値は認められなかった。 これより、本水素濃度計の検出器と変換器は水平10G、 鉛直5Gの耐震性を有することを確認した。 5.5 蒸気スプレイ試験 蒸気スプレイ試験中のゼロ点シフト量と試験前後の 4vol%水素濃度に対する水素濃度指示値の変動量の合計 は、接触燃焼式は±1.0vol%以内、熱伝導式は±2.5vol% 以内であり、Table1記載の精度範囲内となる結果を得た。 6.結言 格納容器内の水素濃度を直接計測する耐環境性水素濃 度計を新たに開発し、水蒸気試験および放射線照射試験 等のシビアアクシデント時の格納容器内環境に対する検 証試験により、高温、高圧、水蒸気環境下において目標 精度範囲内で計測可能であることを確認した。 これより、本耐環境性水素濃度計は、PWRのシビアア クシデント時の格納容器内水素濃度計測に適用可能とな り、今後の実機適用を目指していく。 参考文献 [1] S. HASEGAWA, et al.,“In-containment Hydrogen Sensor System against Harsh Environment during a Sever Accident,” Proc. ICAPP ’17, Fukui and Kyoto, Japan, April 24-28, 2017, Paper 17709 (2017) (CD-ROM). [2] IEEE Std. 323-1974, “IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations,” Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., U.S., 1974 [3] IEEE Std. 383-1974, “IEEE Standard for Type Test of Class IE Electric Cables, Field Splices, and Connections for Nuclear Power Generating Stations,” Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., U.S., 1974 [4] JIS C 60068-3-3-2000, “Environmental testing ?Part 3: Guidance Seismic test method for equipments,” Japanese Standards Association, Japan, February 2000 [5] JIS C 60068-2-59-2001, “Environmental testing ?Part 2:Test methods Test Fe : Vibration ? Sine-beat method,” Japanese Standards Association, Japan, November 2001 [6] IEEE Std. 344-2004, “IEEE Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E equipment for Nuclear Power Generating Stations,” Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., U.S., June 2005 - 51 - - 52 -“ “耐環境性水素濃度計の開発“ “長谷川 翔平,Shohei HASEGAWA,丸田 祐史,Yuji MARUTA,右近 浩幸,Hiroyuki UKON,大庭 雅人,Masato OBA
格納容器内の水素濃度は、事故時に計測を必要とする パラメータであり、設計基準事故などでは、格納容器内の気体を格納容器外までサンプリングし、冷却器や湿分分離器により降温、除湿した気体の水素濃度を計測するサンプリング方式を採用している。一方、格納容器内に検出器を設置し、水素濃度を直接計測することは、計測システムが簡素化されることによる計測の信頼性向上や、運転操作の削減などに寄与し、 サンプリング方式と比較して優位性がある。 しかしながら、シビアアクシデントなど事故時の格納容器内は、高温、高圧および高放射線環境となるため、 常温、常圧環境が使用範囲である一般的な水素濃度計で は、事故時の格納容器内環境下での直接計測は困難である。以上を踏まえ、シビアアクシデントなど事故時の格納容器内環境においても水素濃度を直接計測することが出来る耐環境性水素濃度計を開発した。1)本稿では、開発した耐環境性水素濃度計のシステム構成、開発仕様、検証試験結果について紹介する。
2.システム構成 Fig. 1に耐環境性水素濃度計のシステム構成を示す。 本システムは検出器と変換器から構成しており、検出器 からの電気信号を変換器にて水素濃度に変換し、 4-20mADCの信号として出力する。 検出器は事故時の多様な環境(高温、高圧、水蒸気環 境)での計測性維持を目的として、異なる2つの検出原 理(接触燃焼式と熱伝導式)の検出部で構成しており、 それぞれの検出部は、検知素子と温度影響を補償する目 的で設置している補償素子を有した構造としている。 Fig. 2に接触燃焼式の検出原理を示す。接触燃焼式は検 知素子、補償素子および2つの固定抵抗(RB)でブリッ ジ回路を構成している。検知素子は触媒を有しており、 検知素子に水素を含んだガスが接触すると、触媒上での 燃焼反応により検知素子の抵抗値が上昇する。この抵抗 値の上昇によるブリッジ電圧の変化を変換器にて水素濃 度に変換する。接触燃焼式は、10vol%以下の水素濃度に 対して高い感度を有する特徴がある。 Fig. 3 に熱伝導式の検出原理を示す。接触燃焼式と同様 に検知素子、補償素子および2つの固定抵抗(RB)でブ 体が接触すると、検知素子から熱が奪われ、検知素子の抵抗値が低下する。この抵抗値の低下によるブリッジ電圧の変化を変換器にて水素濃度に変換する。この検出原理は、広い計測範囲を有する特徴があり、20vol%までの 水素濃度を計測範囲としている。 Fig. 1 In-containment hydrogen monitoring sensor system1) Fig. 2 Operating principle of catalytic combustible detector1) Fig. 3 Operating principle of thermal conductivity detector1) 3.開発仕様 Table1に示す温度、圧力などの環境条件の下で、定め た精度を満足させることを耐環境性水素濃度計の開発仕 様としている。 Table 1 Development Specification1) Accuracy (detectors only) ±1.5 vol% (< 10vol%*) ±2.5 vol% (>10vol%*) ±1.5 vol% (< 10vol%*) ±2.5 vol% (>10vol%*) Measuring Range 0 ? 20 vol% Design Temperature 200 oC 耐環境水素濃度計は、以下に示す各検証試験により、 Table1に示す開発仕様を満足することを確認した。各検 証試験の内容を4.1~4.5章に示し、試験結果を5章に示 す。なお、4.3~4.5記載の試験はシーケンシャルに実施し ており、IEEE Std. 3232)を参考に4.3章の試験前に温度、 放射線のエージングを実施した。 通常環境において、接触燃焼式は0~10vol%、熱伝導式 は0~20vol%の水素濃度に対する水素濃度指示値を確認し た。 Table2に水蒸気試験の環境条件、Fig. 4-1に接触燃焼式 検出器の水蒸気試験構成図をそれぞれ示す。本試験では、 接触燃焼式検出器を設置した試験容器がTable2 記載の環 境条件となるように、恒温槽により容器全体を加熱した 状態で蒸気、水素、空気をそれぞれ試験容器内に流通さ せ、試験容器の出口側に設置した背圧弁により試験容器 内の圧力を制御した。 Design Pressure 0.8 MPa gage Radiation resistance 0.5 MGy gamma Seismic Horizontal 10 G Vertical 5 G *: in air 4.検証試験内容 4.1 基礎試験 4.2 水蒸気試験 シビアアクシデント時の格納容器内環境は高温、高圧、 水蒸気環境となり、通常環境と異なるため、本水素濃度 計の水素濃度指示値に影響を与える可能性がある。これ を踏まえ、高温、高圧、水蒸気環境下での接触燃焼式検 出器と熱伝導式検出器の水素濃度指示値を確認する目的 で本試験を実施した。 Fig. 4-2に熱伝導式検出器の水蒸気試験構成図を示す。 目標環境条件については、Table2と同じである。本試験 では、目標環境条件から計算した水素と空気および水を 予め通常環境の状態で熱伝導式検出器を設置した試験容 器内に封入した後、恒温槽により試験容器を加熱した。 - 48 - Fig. 4-1 Flow diagram for catalytic combustible detector test1) Fig. 4-2 Flow diagram for thermal conductivity detector test1) 4.3 放射線照射試験 放射線照射試験は、シビアアクシデント事象発生から7 日間の積算線量を上回る0.5MGyのガンマ線を検出器に 照射し、放射線に対する耐性を有していることを確認し た。放射線照射率はIEEE Std. 3833)を参考に約10kGy/hとし、 放射線照射中のゼロ点を確認すると共に、試験前後のゼ ロ点、4vol%水素濃度に対する水素濃度指示値を確認した。 なお、上記の試験前後での水素濃度指示値の確認は、 4.4、4.5章記載の試験でも実施した。 Table 2. Temperature/stream functional test conditions1) Temperature 80 - 200 oC Pressure 0.1 ? 0.8 MPa gage Steam 30 ? 80 vol% 放射線照射試験後、検出器と変換器をそれぞれ加振台 に設置し、JIC C 60068-3-34)、60068-2-595)およびIEEE Std. 3446)を参考に、正弦波掃引試験とサインビート波を用い た試験を実施した。 Fig. 6 に蒸気スプレイ試験の試験構成図を示す。本試験 では、試験容器内に検出器を設置し、175°C、0.8MPa の 飽和蒸気や事故時の格納容器内スプレイを模擬した環境、 および200°C、大気圧環境(ほぼドライ環境)に曝し、高 温、高圧、水蒸気環境に対して機能が維持できることを 確認した。 Fig. 6 Steam/temperature test apparatus in a chemical spray1) 5.検証試験結果 Fig. 7 に試験結果を示す。Fig. 7より、本水素濃度計の 接触燃焼式と熱伝導式の水素濃度指示値は水素濃度に対 して直線性を有し、Table1記載の精度範囲内となる結果 を得た。 - 49 - 4.4 耐震試験 正弦波掃引試験は、3方向(水平方向及び鉛直方向)そ れぞれに対して、1~50Hz の範囲で実施し、当該周波数範 囲での固有値有無を確認した。 サインビート波を用いた耐力試験では、水平方向は 10G、鉛直方向は5Gの加速度で実施した。 4.5 蒸気スプレイ試験 5.1 基礎試験 Fig. 7 Accuracy test results at normal operating condition1) 5.2 水蒸気試験 Fig. 8とFig. 9に接触燃焼式と熱伝導式の水蒸気試験結 果をそれぞれ示す。Fig. 8、9より、それぞれの計測範囲 に対して、接触燃焼式は±1.0vol%、熱伝導式は±2.0vol% 以内の精度となり、Table1記載の精度範囲内となる結果 を得た。 Fig. 8 Measurement of Hydrogen in the high temperature, pressure and stream (Catalytic combustible detector)1) Fig. 9 Measurement of Hydrogen in the high temperature, pressure and stream (Thermal conductivity detector)1) また、試験前後のゼロ点、4vol%水素濃度に対する水 素濃度指示値についても異常は認められず、本水素濃度 計の検出器は、0.5MGyの積算線量に対して耐力を有する ことを確認した。 また、サインビート波を用いた耐力試験では、検出器 および変換器共に試験前後のゼロ点、4vol%水素濃度に対 する水素濃度指示値の変動量は±1vol%以内であり、異常 は認められなかった。 これより、本水素濃度計の検出器は高温、高圧、水蒸 気環境においても健全性を維持することを確認した。 - 50 - 5.3 放射線照射試験 Fig. 10 に放射線照射中の水素濃度指示値を示す。Fig. 10 より、放射線照射中においても、検出器の水素濃度指示 値に有意な変動は認められなかった。 Fig. 10 Irradiation characteristic of each detector at zero hydrogen concentration1) 5.4 耐震試験 検出器および変換器に対する正弦波掃引試験の結果、 1~50Hz の範囲で有意な固有値は認められなかった。 これより、本水素濃度計の検出器と変換器は水平10G、 鉛直5Gの耐震性を有することを確認した。 5.5 蒸気スプレイ試験 蒸気スプレイ試験中のゼロ点シフト量と試験前後の 4vol%水素濃度に対する水素濃度指示値の変動量の合計 は、接触燃焼式は±1.0vol%以内、熱伝導式は±2.5vol% 以内であり、Table1記載の精度範囲内となる結果を得た。 6.結言 格納容器内の水素濃度を直接計測する耐環境性水素濃 度計を新たに開発し、水蒸気試験および放射線照射試験 等のシビアアクシデント時の格納容器内環境に対する検 証試験により、高温、高圧、水蒸気環境下において目標 精度範囲内で計測可能であることを確認した。 これより、本耐環境性水素濃度計は、PWRのシビアア クシデント時の格納容器内水素濃度計測に適用可能とな り、今後の実機適用を目指していく。 参考文献 [1] S. HASEGAWA, et al.,“In-containment Hydrogen Sensor System against Harsh Environment during a Sever Accident,” Proc. ICAPP ’17, Fukui and Kyoto, Japan, April 24-28, 2017, Paper 17709 (2017) (CD-ROM). [2] IEEE Std. 323-1974, “IEEE Standard for Qualifying Class 1E Equipment for Nuclear Power Generating Stations,” Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., U.S., 1974 [3] IEEE Std. 383-1974, “IEEE Standard for Type Test of Class IE Electric Cables, Field Splices, and Connections for Nuclear Power Generating Stations,” Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., U.S., 1974 [4] JIS C 60068-3-3-2000, “Environmental testing ?Part 3: Guidance Seismic test method for equipments,” Japanese Standards Association, Japan, February 2000 [5] JIS C 60068-2-59-2001, “Environmental testing ?Part 2:Test methods Test Fe : Vibration ? Sine-beat method,” Japanese Standards Association, Japan, November 2001 [6] IEEE Std. 344-2004, “IEEE Recommended Practice for Seismic Qualification of Class 1E equipment for Nuclear Power Generating Stations,” Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., U.S., June 2005 - 51 - - 52 -“ “耐環境性水素濃度計の開発“ “長谷川 翔平,Shohei HASEGAWA,丸田 祐史,Yuji MARUTA,右近 浩幸,Hiroyuki UKON,大庭 雅人,Masato OBA