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　（原子力システム研究開発事業）

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原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　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
（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
（研究開発期間）平成１８年度～２１年度

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には、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）がある。

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。

　本事業では、上記のような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、遠隔交換機構及び信号処理装置の開発、並びに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

　開発する流量計測システムの構成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、プラント運転中はセンサ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。

（2）　開発成果

a．センサ
　開発要件及びセンサ遠隔交換機構、信号処理装置との取合条件に適合する構造検討により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、当該部分に対する高温・温度サイクル試験等を実施して実機向け仕様を設定した。それに基づき試験体を製作し、センサ試験（実機と同様の押付力を加え事故時に想定される最大温度変化幅、及び通常運転時に想定される最大温度変化幅の温度サイクルを印加）を実施した。結果の一部を図2に示す。出力信号の変化はそれぞれ1dB程度以内であり、これにより実機の温度環境で使用可能な見通しを得た。この結果に基づき設定した実機向けセンサの仕様を表2に示す。
b．センサ遠隔交換機構
　開発要件及びセンサとの取合条件に適合する構造検討により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、当該部分に対する作動試験等を実施して実機向け仕様を設定した。それに基づき主要部の試験体を製作し、センサ・遠隔交換機構試験（センサ試験体と組合せて実機と同様の押付力を加え、窒素ガス雰囲気の中で定格温度一定及び事故時に想定される最大温度変化幅の温度サイクルを印加）を実施した。センサの出力信号の経時変化は1dB程度以内で安定した押付ができていること、また、高温・温度サイクル印加後にセンサ取り外し、再度のセンサ取り付けができたことから、実機温度環境で使用可能な見通しを得た。この結果に基づき設定した実機向けセンサ遠隔交換機構の仕様を表2に示す。
c．信号処理装置
　開発要件及びセンサとの取合条件を考慮した信号処理装置試験体を製作し、基礎水試験（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取得）、ナトリウム試験（ナトリウム中でのセンサ間距離及び温度に対する超音波減衰特性データ取得）及び水流動試験（d．測線最適化参照）に使用して信号処理装置の性能改良、検証用データを取得した。この取得データに実機との主要な相違点を考慮した模擬信号を性能改良後の信号処理装置に入力して信号処理した結果の一部を図3に示す。この結果及びd．測線最適化により、実機において測線数：4で、計測性能に係る主要な開発要件である直線性：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％以下、出力変動率：演算周期1ms、移動平均回数300回以下、即ち、応答時間：0.3秒以下で中央値の±5％以下になることを確認した。また、ナトリウム試験の結果から、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、水流動試験（既存の実機（中型炉）配管系（ポンプ組込型中間熱交換器を含む）縮尺模型を活用し、実機と等流速条件でレーザドップラ法による流況可視化データ及び超音波データ取得）にて取得したデータに基づき検証を実施して実機における最適な測線数を評価した。その結果、計測性能に係る主要な開発要件を満足する最小限の測線数は4であることを確認した。
e．まとめ
　以下の研究成果が得られ本公募事業の目標を達成した。