JP2008039441A

JP2008039441A - 燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置及びその方法

Info

Publication number: JP2008039441A
Application number: JP2006210459A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Higuchi; 真一樋口; Tetsuo Takeshita; 哲郎竹下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】燃料集合体格納容器の密封を解除することなく、外側から非破壊的に内部の燃料集合体の破損の有無を知る手段を提供する。
【解決手段】燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置は、燃料集合体を格納する燃料集合体格納容器内部の燃料集合体の破損を判別する燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置において、燃料集合体格納容器１の内壁２１に設置された圧力センサ（例えば、ベロー１１）と、燃料集合体格納容器１の外壁２２に設置されベロー１１の指示値を読み取ることができる圧力読み取り手段（例えば、超音波探触子１４）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料集合体格納容器の密封性を確保した条件の下で収納した燃料の破損に係る情報を得ることができる燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置及びその方法に関する。

原子力発電所等で発生した使用済燃料集合体（以下、燃料集合体という）は、専用の密封構造を持つ格納容器を用いて、輸送し、貯蔵される。この構造は、図７に示すように、燃料集合体（図示はしていない）を燃料集合体格納容器１の本体内部の所定位置に収納し、それらの相対位置を確保するためのバスケット２が備えられたものになっている。さらにその内部には、燃料集合体収納用の多数の区画３が設けられている。その周囲は、中性子遮蔽材（主として樹脂製）４で取り巻かれ、金属性の燃料集合体格納容器１に収まっている。燃料集合体は上部から挿入され、最終的に蓋５で密封される。

この燃料集合体格納容器１の密封を解除するためには、それに適した許可と設備を有している場所が必要である。輸送の開始と終点における燃料集合体格納容器１の開封は、上記の密封解除に適した原子力施設で行われている。一方で、破損燃料集合体が格納されている燃料集合体格納容器１の開封には特別の注意を払わなければならない。

近年、中間貯蔵場所に長期間貯蔵（３０年程度）する要求が高まり、同じ燃料集合体格納容器１を輸送だけでなく貯蔵時にも使用している。長期間貯蔵後では、燃料集合体は劣化して破損している恐れがある。燃料集合体のうちの少なくても１本の燃料棒が破損すると、そこから、核分裂生成物（ＦＰ：ＦｉｓｓｉｏｎＰｒｏｄｕｃｔ）のうち、主として、Ｘｅ、Ｋｒという放射性ガスが、燃料集合体格納容器１の内部に放出される。従って、燃料集合体格納容器１の開封場所では、燃料集合体格納容器１が輸送され到達する前に、予め、この燃料集合体の破損の有無の情報を得て準備をする必要がある。

この種の燃料集合体格納容器１であるキャスクの漏洩を検知する装置として、キャニスタ監視装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このキャニスタ監視装置は、センサの故障やセンサ室の漏洩という真ではない漏洩信号と、キャスクの漏洩という真の信号を弁別する技術を開示するものである。また、この装置は、電気信号を外部に取り出す際に、機械的に弱いガスシールを必要とするものである。キャスクの大きな蓋を多数のボルトで締め付け密封を保持しても、最終的には、この密封状態は機械的に弱いガスシールで担保されることになる。
特開２００５−４９１３３号公報

上述した従来の燃料集合体格納容器１の開封場所では、燃料集合体格納容器１が輸送され到達する前に、予め、この燃料集合体の破損の有無の情報を得て準備をする必要がある。

しかし、燃料集合体の貯蔵庫では、燃料集合体格納容器１の密封を解除するために適した許可と設備を有していないために、燃料集合体格納容器１の密封を解除することはできない、という課題があった。

さらに、特許文献１に記載のように、燃料集合体格納容器１の本体に密封構造の弱い箇所を作ることは本来の主旨に反するため、燃料集合体格納容器１を貫くサンプリングラインや計測信号ライン等の経路の設置は適さない、という課題があった。

上述のように、燃料集合体格納容器１内の燃料集合体の破損の有無を開封前に予め知ることに課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、燃料集合体格納容器の密封を解除することなく、外側から非破壊的に燃料集合体の破損の有無を検知することのできる燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置及びその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、燃料集合体を格納する燃料集合体格納容器内の燃料集合体の破損を判別する燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置において、前記燃料集合体格納容器内に設置された圧力センサと、この燃料集合体格納容器の外側に設置され前記圧力センサの指示値を読み取ることができる圧力読み取り手段と、を有することを特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、燃料集合体を格納する燃料集合体格納容器内の燃料集合体の破損を判別する燃料集合体格納容器内の燃料破損判別方法において、燃料集合体格納容器内の圧力を燃料集合体格納容器内に設置された圧力センサで測定する圧力測定ステップと、この燃料集合体格納容器の外側に設置された圧力読み取り手段で前記圧力センサの指示値を読み取る圧力読み取りステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明の燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置及びその方法によれば、燃料集合体格納容器の密封構造を解除せずに、燃料集合体格納容器の外側から内部の圧力センサの指示を読み取ることができるので、燃料棒破損に伴い燃料集合体格納容器内に放出されたＦＰガスによって上昇した内圧を検知することができる。

以下、本発明に係る燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置及びその方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置の説明図で、（ａ）は燃料破損がない状態を示す正面図、（ｂ）は燃料破損がある状態を示す正面図である。

本図に示すように、燃料集合体格納容器１の内壁２１には、圧力センサの一種としてベロー１１が設置されている。このベロー１１は、燃料集合体格納容器１の内壁２１に固定されたセンサ支持台１２の上面に取り付けられている。また、ベロー１１は、弾性材料で作製されている。燃料破損がない状態では、燃料集合体格納容器１の内圧Ｐ_０と釣合う圧力（大気圧ないし若干の減圧）の内圧を維持している。

従って、図１（ａ）に示すように、燃料破損がない状態では、上記ベロー１１には圧力が作用しないために、初期の位置「Ａ」を維持している。このベロー１１の上部に取り付けられた指示器１３は、燃料集合体格納容器１の内壁２１に接触している。この指示器１３は固定されておらず、燃料集合体格納容器１の内壁２１の表面を摺動することができる。燃料破損がない状態では、指示器１３は位置「Ａ」に存在する。

燃料集合体格納容器１の外壁２２には、この外側２２面に接触して超音波探触子１４が設置されている。この超音波探触子１４を用いて、超音波を燃料集合体格納容器１の本体内に発信し、内壁２１の面での反射エコーを受信するものである。

図２は、反射エコーに係る超音波信号強度を示すグラフである。

本図に示すような超音波信号は、通常の超音波探傷装置のディスプレイに情報が表示される。指示器１３が存在しないときには、反射エコーは実線が示すように超音波信号強度は高いピーク状態を示している。一方、燃料集合体格納容器１の内壁に指示器１３が接触しているときには、指示器１３にも超音波が伝達されるために、反射エコーは破線が示すように形が変わる。上述のように、反射エコーにより、超音波探触子１４を接触した位置の内壁２１の面に指示器１３があるか否かが判る。

ここで、燃料棒の破損について説明する。燃料棒に破損があった場合には、ＦＰガスが容器内に放出される。燃料棒燃焼度（ＧＷｄ／ｔ）、燃料棒中の燃料物質の重さ、１核分裂あたり約２００ＭｅＶの放出エネルギー、放射性ＦＰガスの主成分であるＸｅ、Ｋｒの核分裂収率（それぞれ２０％、３．８％）を用いると、燃焼度に伴うＦＰガス発生量が分る。

図３は、燃料棒の燃焼度とＦＰガス量との関係を示すグラフである。通常使用済燃料となったときの燃料棒燃焼度は約５０ＧＷｄ／ｔ以上であるため、約０．１から０．２モルのＦＰガス原子を燃料棒プレナム部に蓄えていることが分る。

このＦＰガス原子がＦＰガスとなり、燃料集合体格納容器１内に放出されたときに上昇する分圧は、燃料集合体格納容器１の内容積に依存する。一例として、図７に示すような燃料集合体格納容器１の格子にＢＷＲ（沸騰水型原子炉）用燃料集合体を収納するものとし、収納に寄与しない空間を考慮して収納率を仮定して、燃料集合体格納容器１の収納体数を変化させて内容積を計算した。

図４は、ＦＰガス１モル当たりの燃料集合体格納容器の内圧上昇を示すグラフである。燃料集合体１００体程度の大型容器でも、収納率７０％以上でモル分圧は１ｋＰａ以上ある。これより小型のものであれば、数ｋＰａ以上が期待できる。図３から分るように、０．１モル程度のＦＰガスが放出されるので、これによる内圧上昇量ΔＰは、０．１ｋＰａから１ｋＰａ程度のオーダーで得られることが推定される。この差圧ΔＰは、通常の工業的計測で実施されている程度のものである。

このように構成された本実施の形態において、図１（ａ）に示すように、燃料破損がない状態では、上記ベロー１１には圧力が作用しないために、初期の位置「Ａ」を維持している。次に、図１（ｂ）に示すように、内圧Ｐに差圧ΔＰが加わり、ベロー１１は縮んで、指示器１３の位置は位置「Ｂ」に移動する。

本実施の形態によれば、指示器１３の初期位置を予め知っておくことにより、指示器１３の位置を外側から超音波で探索し、内圧Ｐ_０における初期位置Ａ又は差圧ΔＰが加わった位置Ｂを知ることができる。つまり、密封容器である燃料集合体格納容器１内に圧力センサであるベロー１１を設置し、その指示値を密封容器の外側から超音波法を用いて非破壊的に読み取ることにより、燃料破損の有無を知ることができる。さらに、長期間貯蔵後の輸送における燃料棒破損のリスクを予測することができ、このための対策を事前に講じることができる。

なお、図１ではベローを採用したが、上記の範囲で使用される微圧計（圧力センサとしてベローが使われている）を指示器部分だけ内壁２１に密着させれば利用することが可能である。あるいは、容器の内容積に応じて、ブルドン管式、ダイアフラム式、チェンバー式等の別のセンサを使用することも可能である。

次に、本発明の第２の実施の形態の燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置について説明する。本実施の形態は、図１に示す超音波探触子１４の代わりに渦電流探触子を適用したものである。

この渦電流探触子の渦電流の浸透深さの違いを検知するところが、上記ベロー１１と相違するだけで、指示器１３の位置の違いを知る原理は図１と同じである。この渦電流探触子を用いることにより、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

図５は、本発明の第３の実施の形態の機械的拡大装置を組み合わせた燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置の正面図である。

本図に示すように、圧力センサとしてダイアフラム５１を使用している。指示器１３の位置差を大きくする必要があるときには、予め機械的拡大装置であるレバー５２を設置しておき、梃子の原理で、指示器１３の移動量を拡大している。

本実施の形態によれば、機械的拡大装置であるレバー５２を用いることにより、拡大して移動した指示器１３の位置を外側から超音波で探索し、初期位置Ａ又は差圧ΔＰが加わった位置「Ｂ」を知ることができる。つまり、密封容器である燃料集合体格納容器１内に圧力センサを設置し、さらに、機械的拡大装置を用いることにより、拡大して移動した指示器１３の位置を外側から超音波法を用いて非破壊的に読み取ることにより、燃料破損の有無をさらに確実に知ることができる。

図６は、本発明の第４の実施の形態の電気的拡大装置を組み合わせた燃料集合体格納容器１内の燃料破損判別装置の正面図である。

本図に示すように、圧力センサとしてダイアフラム５１を使用している。ダイアフラム５１に取り付けられた磁心が差動変圧器６１に挿入されている。

このように構成された本実施の形態において、上記ダイアフラム５１の機械的動きを電気信号に変換される。この電気信号を受け、必要に応じて増幅し、指示器１３を動作することにより、小さな動きを大きな指示器１３の移動量に変える。このことは、燃料集合体格納容器１内部に長寿命の電池（図示せず）を収納しておくことにより実現できる。

本実施の形態によれば、電気的拡大装置を用いることにより、拡大して移動した指示器１３の位置を外側から超音波で探索し、初期位置Ａ又は差圧ΔＰが加わった位置Ｂを知ることができる。つまり、密封容器である燃料集合体格納容器１内に圧力センサを設置し、さらに、電気的拡大装置を用いることにより、拡大して移動した指示器１３の位置を外側から超音波法を用いて非破壊的に読み取ることにより、燃料破損の有無を知ることができる。

さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の各実施例を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の第１の実施の形態の燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置の説明図で、（ａ）は燃料破損がない状態を示す正面図、（ｂ）は燃料破損がある状態を示す正面図。反射エコーに係る超音波信号強度を示すグラフ。燃料棒の燃焼度とＦＰガス量との関係を示すグラフ。ＦＰガス１モル当たりの燃料集合体格納容器内圧上昇を示すグラフ。本発明の第３の実施の形態の機械的拡大装置を組み合わせた燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置の正面図。本発明の第４の実施の形態の電気的拡大装置を組み合わせた燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置の正面図。従来の燃料集合体格納容器の一部を切断して示す斜視図。

符号の説明

１…燃料集合体格納容器、２…バスケット、３…燃料集合体収納用の多数の区画、４…中性子遮蔽材、５…蓋、１１…ベロー（圧力センサ）、１２…センサ支持台、１３…指示器、１４…超音波探触子、２１…内壁、２２…外壁、５１…ダイアフラム（圧力センサ）、５２…レバー、６１…差動変圧器。

Claims

燃料集合体を格納する燃料集合体格納容器内の燃料集合体の破損を判別する燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置において、
前記燃料集合体格納容器内に設置された圧力センサと、
この燃料集合体格納容器の外側に設置され前記圧力センサの指示値を読み取ることができる圧力読み取り手段と、
を有することを特徴とする燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置。
前記圧力読み取り手段は、超音波法を用いて非破壊的に読み取りができるように構成されていること、を特徴とする請求項１記載の燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置。
前記圧力読み取り手段は、渦電流法を用いて非破壊的に読み取りができるように構成されていること、を特徴とする請求項１記載の燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置。
前記圧力センサは、前記燃料集合体格納容器内に設置されこの圧力センサの指示値を拡大して指示する機械式拡大指示器を具備すること、を特徴とする請求項１記載の燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置。
前記圧力センサは、前記燃料集合体格納容器内に設置されこの圧力センサの指示値を拡大して指示する電気式拡大指示器を具備すること、を特徴とする請求項１記載の燃料集合体格納容器内の燃料破損判別装置。
燃料集合体を格納する燃料集合体格納容器内の燃料集合体の破損を判別する燃料集合体格納容器内の燃料破損判別方法において、
燃料集合体格納容器内の圧力を燃料集合体格納容器内に設置された圧力センサで測定する圧力測定ステップと、
この燃料集合体格納容器の外側に設置された圧力読み取り手段で前記圧力センサの指示値を読み取る圧力読み取りステップと、
を有することを特徴とする燃料集合体格納容器内の燃料破損判別方法。