JP2012185108A - 原子燃料棒の内部検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子燃料棒、特にＭＯＸ燃料棒の製造段階において、その内部に挿入されたペレット間のギャップの検査やスプリングあるいは金属管の有無の検査を、高い精度で行うことができる原子燃料棒の内部検査方法を提供する。
【解決手段】外部線源として放出γ線のエネルギーが２２０〜４００ｋｅＶの核種を用いて、原子燃料棒の内部に挿入されるスプリングの有無または金属管の有無の判定を行う原子燃料棒の内部検査方法。外部線源として放出γ線のエネルギーが２２０〜４００ｋｅＶの核種を用いて、原子燃料棒に挿入されたペレット間のギャップの検査を行う原子燃料棒の内部検査方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、原子燃料棒の内部検査方法に関し、詳しくは、原子燃料棒、特にＭＯＸ燃料棒の製造段階において、その内部に挿入されたペレット間のギャップ、スプリングあるいは金属管の計測に適した放射性同位元素を用いた原子燃料棒の内部検査方法に関する。

原子燃料棒（以下、単に「燃料棒」とも言う）は、ペレットと呼ばれる円柱状の核燃料物質の酸化物を、金属の管（被覆管）に、ペレットを押さえ付けるスプリングと共に挿入して、また、必要に応じて、内部空間の体積を確保して内部圧力の上昇を抑制する金属管等も共に挿入して、両端に金属の栓を溶接することにより作製される。そして、ペレットの高さは１０ｍｍ程度であり、全長数ｍの一本の燃料棒に数百個程度のペレットが挿入される。

上記のペレットには、上下部端面にディッシュと呼ばれる皿状の凹みが形成されたペレットと、ディッシュが形成されていないペレットの２種類がある。ディッシュが形成されたペレットは、燃料棒に挿入された際、ディッシュが形成された部分を除くサークル状の端面部分で互いに接触する。この状況を図１に示す。図１は、ディッシュが形成されたペレットを被覆管に挿入することにより作製された燃料棒の軸断面図であり、使用時には軸方向を垂直にして用いられる。図１において、１は被覆管、２はペレット、３はペレット２の上下部端面に形成されたディッシュである。前記したように、これらのペレットは、燃料棒の端に挿入されたスプリングにより押さえ付けられているため、図１に示すように、燃料棒内で軸方向に隙間が生じることがない。

そして、ディッシュが形成されていないペレットの場合には、上下部端面全体で互いに接触するが、燃料棒の端に挿入されたスプリングにより押さえつけられているため、やはり、燃料棒内で軸方向に隙間が生じることがない。

このように、通常は、燃料棒に挿入されたペレットの間には、隙間が生じることがないが、何らかの原因により、隙間が生じることがある。この隙間は、燃料棒の軸方向の出力を不均一にするため、好ましくない。このため、燃料棒の製造に際して、ペレットを挿入し、その後両端の金属の栓を溶接した後に、燃料棒の全長に渡って非破壊検査を実施して、ペレットが隙間なく適切に挿入されていることを確認する必要がある。また、スプリングや金属管が正しく挿入されていることも確認する必要がある。

このような燃料棒の製造時に実施される非破壊の内部検査方法として、Ｘ線検査装置を用いることが考えられるが、この方法には、装置が大型化する、処理時間が長く掛かるという問題がある。

そこで、燃料棒の背後に、外部線源として放射性同位元素を配置し、コリメータにて余分なγ線を遮蔽した状態で、燃料棒を軸方向に一定の速度に保ちながら移動させ、燃料棒を周方向に透過するγ線をγ線検出器にて計数することでペレット間隙を計測する方法が提案されている。

しかし、上記の計測法の場合、γ線の選定が重要となる。即ち、γ線のエネルギーが大きい場合、ディッシュが形成されたペレットの境界部分、スプリング部分あるいは金属管部分を透過するγ線の計数値も大きくなるため、実際にはギャップのない部分でもギャップが存在するという誤判定をしてしまう可能性がある。

逆に、γ線のエネルギーが小さい場合には、被覆管によって大部分が遮蔽され、γ線検出器に届くγ線の計数値が小さくなるため、適切な判断が困難となる。

また、混合酸化物（ＭＯＸ）燃料棒の検査の場合、ペレット中に含まれる複数の核燃料物質から様々なエネルギーのγ線が放出されているため、これらの影響が少ないエネルギー領域の外部線源を選定する必要がある。

具体的な一例として、特許文献１には、外部線源として、Ａｍ−２４１あるいはＣｓ−１３７を用いた燃料棒内部検査方法が提案されている。

しかし、Ａｍ−２４１を用いた場合、その主要γ線のエネルギーは５９．４ｋｅＶと小さいため、放出されたγ線は、外部線源からγ線検出器に至るまでに、被覆管等の介在物によって大部分が遮蔽され、γ線検出器に届くγ線の計数値が小さくなる。このため、被覆管等の介在物による遮蔽を見込んで、強度の大きな外部線源を準備する必要がある。

また、混合酸化物（ＭＯＸ）燃料棒を検査する場合には、ペレットに含まれているＡｍ−２４１からもγ線が常時放出されているため、ペレット間隙を識別するためには、外部線源のＡｍ−２４１からのγ線とペレット内のＡｍ−２４１からのγ線を区別する必要がある。このため、強度が非常に大きな外部線源を準備する必要があり、取扱上の問題が生じる。しかし、線源強度が大きな外部線源を用いても、ＭＯＸ燃料棒中のペレット内のＡｍ−２４１濃度が大きく、さらにペレット間隙が小さい場合には、ペレット内のＡｍ−２４１からも多くのγ線が放出されるため、外部線源のＡｍ−２４１から届くγ線の計数値と、ペレット内のＡｍ−２４１から届くγ線の計数値との間に有意な差が生じず、ペレット間隙の有無を判定することが困難となる。

一方、Ｃｓ−１３７を用いた場合、その主要γ線エネルギーは６６２ｋｅＶであり、２４１−Ａｍよりも透過力が大きいため、ディッシュのあるペレット境界部分をギャップと誤判定をする恐れがある。また、スプリング部分や金属管部分では、スプリングや金属管の有無による計数値の差が現れない恐れがある。

特表２００６−５１２５６７号公報

本発明は、上記した従来の放射性同位元素を用いたγ線透過検査法における問題点に鑑み、原子燃料棒、特にＭＯＸ燃料棒の製造段階において、その内部に挿入されたペレット間のギャップの検査やスプリングあるいは金属管の有無の検査を、高い精度で行うことができる原子燃料棒の内部検査方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記課題を解決するに当って、ＭＯＸ燃料の燃料棒のように、Ｐｕ−２４１を含むペレットを対象に検討を行った。このＰｕ−２４１を含むペレットには、Ｐｕ−２４１のβ崩壊により生じるＡｍ−２４１や、α崩壊により生じるＵ−２３７が含まれている。

このため、外部線源としてＡｍ−２４１を採用した場合、前記した通り、ペレット中のＡｍ−２４１の含有量が小さい場合には、Ａｍ−２４１外部線源の強度を高めることで、ペレット中のＡｍ−２４１からのγ線計数値と、ギャップを通過してきたＡｍ−２４１外部γ線源からの計数値とを明確に区別することができるが、ペレット中のＡｍ−２４１の含有量が大きい場合には、両者の区別がつきにくくなり、信頼性のある検査ができなくなる可能性がある。

また、Ｕ−２３７の主要γ線エネルギーは２０８ｋｅＶであるため、外部線源として、２００ｋｅＶ付近のγ線を主として放出する外部線源を採用した場合、上記のＡｍ−２４１の場合と同様に、ペレット中のＵ−２３７からのγ線計数値と、ギャップを通過してきた外部γ線源からの計数値との区別がつきにくくなり、信頼性のある検査ができなくなる可能性がある。

そこで、本発明者は、Ｐｕ−２４１を含むペレットを対象にした内部検査において、どの程度のγ線を対象として検査すれば、ペレット中に含まれるＡｍ−２４１やＵ−２３７などの核燃料物質からのγ線に影響されることなく、ペレット間ギャップの検査精度が高くなるか検討を行った。

具体的には、８００ｋｅＶまでのエネルギーのγ線に対して、「ペレット間に形成された０．５ｍｍのギャップ部」、「ギャップが形成されていないディッシュ境界部」、「ペレット中実部」の３つの部分における透過度を計算し、γ線のエネルギーと透過光子（相対値）との関係を求めた。

図２に、ペレット端にディッシュが設けられた燃料棒を透過するγ線の計測数を、ペレット間に形成された０．５ｍｍのギャップ部（実線）、ギャップが形成されていないディッシュ境界部（破線）、ペレット中実部（一点鎖線）のそれぞれを通過するγ線をエネルギー毎にプロットした図を示す。

図２より、エネルギーが２２０ｋｅＶ以上であれば、ディッシュ境界を透過するγ線とペレット中実部を透過するγ線とを、充分に区別することができることが分かる。

しかし、Ｐｕ−２４１を含むペレットから放出されるγ線のエネルギーを考慮した場合、エネルギーが４００ｋｅＶを超えると、透過力が大きすぎて、ディッシュが形成されたペレット境界部分をギャップと誤判定をする恐れがある。

また、高エネルギーのγ線を放出する外部線源の場合、検出器も含めた遮蔽物とのコンプトン散乱等の相互作用に因り、より低いエネルギーのγ線として検出され、低エネルギーのγ線の計数値を底上げさせる場合がある。このため、４００ｋｅＶよりも高いエネルギーを強く放出する核種は線源として好ましくない。

以上より、２２０〜４００ｋｅＶのγ線を対象として検査を行うことが好ましいことが分かる。また、この結果は、スプリング、金属管を対象にした内部検査においても、同様に言うことができ、さらに、ＭＯＸ燃料の燃料棒の検査だけでなく、通常の燃料棒の検査にも適用することができる。

次に、外部線源としては、上記したγ線エネルギーだけでなく、半減期についても考慮する必要がある。即ち、半減期が短い核種を採用した場合には、校正および線源取替の頻度が増すため、実用的ではない。一方、半減期が長い核種を採用した場合には、比放射能が小さいため、線源強度を大きくする必要がある。実用上好ましい半減期は、３〜１０００年である。

これらの条件（２２０〜４００ｋｅＶのγ線エネルギーおよび３〜１０００年の半減期）を満たす核種としては、以下の核種が挙げられる。即ち、
Ｂａ−１３３ γ線エネルギー：３５６．００ｋｅＶ
半減期：１０．７４年
Ｅｕ−１５０ γ線エネルギー：３３３．９６ｋｅＶ
半減期：３５．８年
Ｅｕ−１５２ γ線エネルギー：３４４．２８ｋｅＶ
半減期：１３．３年
Ｈｆ−１７８ｍ γ線エネルギー：３２５．５６ｋｅＶ
半減期：３１年
Ｏｓ−１９４／Ｉｒ−１９４ γ線エネルギー：３２８．４５ｋｅＶ
半減期：６年
Ｈｇ−１９４／Ａｕ−１９４ γ線エネルギー：３２８．４７ｋｅＶ
半減期：２６０年
Ｃｍ−２４３ γ線エネルギー：２７７．６ｋｅＶ
半減期：２８．５年

そして、さらに、入手の容易さを考慮すると、これらの内でも、Ｂａ−１３３、Ｅｕ−１５２が、原子燃料棒の内部検査に適用する線源として好ましいと言える。なお、上記した核種は、外部線源として２つ以上を組み合わせてもよい。

また、上記した核種の内、Ｂａ−１３３を外部線源として用いて、ディッシュが形成されたペレット間のギャップの検査を行った場合、本発明の効果が顕著に発揮される。

本発明は、以上の知見に基づく発明であり、
請求項１に記載の発明は、
外部線源として放出γ線のエネルギーが２２０〜４００ｋｅＶの核種を用いて、原子燃料棒の内部に挿入されるスプリングの有無または金属管の有無の判定を行うことを特徴とする原子燃料棒の内部検査方法である。

そして、請求項２に記載の発明は、
外部線源として放出γ線のエネルギーが２２０〜４００ｋｅＶの核種を用いて、原子燃料棒に挿入されたペレット間のギャップの検査を行うことを特徴とする原子燃料棒の内部検査方法である。

また、請求項３に記載の発明は、
前記核種が、Ｂａ−１３３、Ｅｕ−１５２の１種または２種の組み合わせであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子燃料棒の内部検査方法である。

さらに、請求項４に記載の発明は、
前記核種がＢａ−１３３であり、前記ペレットがディッシュが形成されたペレットであることを特徴とする請求項２に記載の原子燃料棒の内部検査方法である。

本発明においては、原子燃料棒、特にＭＯＸ燃料棒の製造段階において、その内部に挿入されたペレット間のギャップの検査やスプリングあるいは金属管の有無の検査を、高い精度で行うことができる原子燃料棒の内部検査方法を提供することができる。

ディッシュが形成されたペレットを被覆管に挿入することにより作製された燃料棒の軸断面図である。 ペレット端にディッシュが設けられた燃料棒を透過するγ線の計測数を示す図である。 ペレット中実部の検査における外部線源、コリメータおよび検出器の配置を示す図である。 ペレット間ギャップ部の検査における外部線源、コリメータおよび検出器の配置を示す図である。 原子燃料棒のギャップ検査において、ディッシュを測定している際の外部線源、コリメータおよび検出器の配置を示す図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。

図３、図４に、原子燃料棒のギャップ検査における外部線源、コリメータおよび検出器の配置を示す。なお、図３はペレット中実部を検査している場合の図であり、図４はペレット間にギャップが存在する場合の図である。

図３、図４において、１は被覆管、２はペレット、３はディッシュ、４は外部線源、５はコリメータ、６はγ線の検出器、７は外部線源４から放出されたγ線、８はペレット２から放出されたγ線、１０は隣り合う２個のペレット２の境界に生じたギャップ部分である。

図３に示すように、ペレット中実部の検査時には、外部線源４から放出されたγ線７は、殆どがペレット２によって遮蔽されるため、検出器６においては、主にペレット２から放出されたγ線８のみが計測される。

これに対して、ペレット間にギャップが存在する場合には、図４に示すように、ギャップ部分１０においては、ペレット２による遮蔽がなされないため、検出器６においては、主に外部線源４から放出されたγ線７が計測される。

本発明においては、外部線源４から放出されたγ線７のエネルギーが、ペレット２から放出されたγ線８のエネルギーとは異なっているため、検出器６によって測定されるγ線のエネルギーを明確に区別することができ、ペレット間にギャップが存在するか否かを、容易にかつ精度よく判定することができる。

次に、図５に、原子燃料棒のギャップ検査において、ディッシュを測定している際の外部線源、コリメータおよび検出器の配置を示す。図５に示すように、ディッシュ３が形成されているペレット２の境界部では、中実部に比べてペレット２による遮蔽が少ない。この結果、検出器６においては、ペレット２から放出されたγ線８に加えて、遮蔽されなかった外部線源４から放出されたγ線７も同時に計測される。

しかし、外部線源４から放出されたγ線７と、ペレット２から放出されたγ線８のエネルギーとは異なるため、両者の違いは明確である。また、検出器６に検出される外部線源４から放出されたγ線７の計数値は、ギャップ部分１０が存在する状態における検出器６の計数値と比較して、充分に区別することができるため、ギャップ部分１０であるか、ディッシュ３であるかの区別を、容易にかつ精度よく判定することができる。

このように、本発明によれば、ペレット中実部測定時、ギャップ測定時、ディッシュがあるペレットの境界測定時のそれぞれにおけるγ線の計測値に有意な差が見られるため、それぞれの状態を、容易にかつ精度良く確認、判定することができる。

以上、ペレット間のギャップの有無の計測につき説明したが、スプリング部分、金属管部分についての検査も同じ構成で検査することができる。即ち、スプリングや金属管の挿入状況に応じて、γ線の計測値に有意な差が見られるため、それぞれの状況を、容易にかつ精度良く確認、判定することができる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

１ 被覆管
２ ペレット
３ ディッシュ
４ 外部線源
５ コリメータ
６ 検出器
７ 外部線源から放出されたγ線
８ ペレットから放出されたγ線
１０ ギャップ部分

Claims (4)

1. 外部線源として放出γ線のエネルギーが２２０〜４００ｋｅＶの核種を用いて、原子燃料棒の内部に挿入されるスプリングの有無または金属管の有無の判定を行うことを特徴とする原子燃料棒の内部検査方法。
2. 外部線源として放出γ線のエネルギーが２２０〜４００ｋｅＶの核種を用いて、原子燃料棒に挿入されたペレット間のギャップの検査を行うことを特徴とする原子燃料棒の内部検査方法。
3. 前記核種が、Ｂａ−１３３、Ｅｕ−１５２の１種または２種の組み合わせであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子燃料棒の内部検査方法。
4. 前記核種がＢａ−１３３であり、前記ペレットがディッシュが形成されたペレットであることを特徴とする請求項２に記載の原子燃料棒の内部検査方法。

Images