JP2015504154A - 原子炉の内部構造の直線状の動きを測定するための音響センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）に関する。本発明による音響センサは、前記音波を放射することができる電気音響変換器（１４）と、前記電気音響変換器（１４）によって前記内部構造（２０）の測定領域（２０）に向けて放射された音波をガイドすることができる導波管（５）と、を有し、前記導波管（５）は反射波をガイドすることができ、さらに、前記導波管（５）は前記測定領域（２０）に固定されているとともに、前記原子炉の前記内部構造（２０）の動きに応じて延長したり引っ込めたりすることができるように配置されることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、音波を用いて直線状の動きを測定するための音響センサに関する。

本発明は、原子炉の分野において特に興味深い用途を有している。具体的には、例えば、核燃料を支えるように意図された「炉心支持」と言われる構造のような、原子炉の内部構造の動きを測定する。

原子炉の稼働期間中、原子炉容器の稼働および原子炉容器の内部構造の制御ができることのみならずその検査ができることが求められている。従って、かなりの温度および圧力ストレスにさらされる炉心支持構造のような主要部材の静的な変形をモニターできることが重要である。

原子炉容器の内部構造の変形および動きを測定するための解決策は知られている。しかしながら、（例えば容量的、光学的、抵抗的、電磁気的など）用いられる測定の方法にかかわらず、原子炉容器の内側にセンサの場を設けることが必要である。センサは従って特に複雑で高価なセンサ設計に課せられる非常に過酷な放射線および温度条件にさらされ、装置の構造に対する原子力安全性の観点からの規制に従わなければならない。

１９８１年９月のAtomnayaEnergiya、５１巻、Ｎｏ．３、１６７頁〜１７１頁に記載されたA.V.Zelenchukによる文献「放射線条件下における線形変形の測定のための音響センサ （”Acoustic sensors for measuring linear deformation under radiation conditions. A.V. Zelenchuk, AtomnayaEnergiya, Vol. 51, No. 3, pp. 167-171, September 1981”）には、例えば原子炉の容器内に存在するような放射線および温度条件で使用することができる線形の変形を測定するための音響センサが、測定方法と関連付けられて述べられている。

この文献は、放射音波をガイドするように構成された第１の導波管、および反射音波をガイドするように構成された第２の導波管によって形成された測定装置を記載している。２つの導波管は、第２の導波管上の溝の配置によってそれらの１つの端部の位置で交信する。測定される部分に接触して位置している可動性のピストンは、その部分（端部）の直線状の動きに従って反射波の特性を変更するように、測定される部分の動きに従ってその溝の開口を変える。このような装置は、特に、装置を生産するために必要となる素子の数を考慮すれば、生産するためには比較的高価および複雑である。

他方、この文献はまた、そのセンサの校正を行うためにピストンによって溝を閉じることなく参照信号の測定を行うことを含む、装置を校正するステップを有する測定方法を述べている。校正のこのような方法は、特にセンサが測定装置に沿ってかなりの温度勾配にさらされる環境で使用される場合には、校正が定期的に行われて測定条件が各校正期間の間で変わるので、十分に正確な測定を得ることが出来ない。

本発明は、センサが用いられる環境、典型的には４００℃程度の特に過酷な温度条件を被る環境に関わらず、正確な測定を行うことを可能にする直線状の動きの測定のための音響センサを提案することにより、前述の不都合を克服する目的を有する。

この目的のために、本発明は音波を用いて原子炉の内部構造の直線状の動きを測定するための、以下を有する音響センサを提案する。
−前記音波を放射することができる電気音響変換器と、
−前記変換器によって内部構造の測定領域に向けて放射された音波をガイドすることができる導波管と、を有し、
前記導波管は反射波をガイドすることができ、さらに、前記導波管は前記内部構造の前記測定領域に固定されているとともに、前記原子炉の前記内部構造の動きに応じて延長したり引っ込めたりすることができるように配置されるように、前記音響センサは特徴付けられている。

本発明によるセンサは、センサの生産のために用いられる部品の数を最小化するように、およびかなりの温度および放射線条件でかなりのストレスを被る部品の数を最小化するように、放射波および反射波の伝播のための単一の導波管を使用する。

本発明による直線状の動きを測定するための音響センサは、また個別に、またはそれらの技術的に可能な組み合わせを考慮した、以下の１または複数の特徴を有することができる。
−前記導波管は、温度勾配下で測定を行うことができるように、異なる直径を有する２つの連続的な部分を含む複数の部分によって形成されている。
−前記導波管は、前記変換器を備える結合部と、中間の標準部と、前記測定領域に固定された測定部と、からなる３つの部分で形成されている。
−標準部は、前記標準部の両側に位置する結合部および測定部よりも小さい直径を有する。
−前記測定部は、測定領域の動きに従って前記導波管を延長したり引っ込めたりするように構成された手段を備える。
−前記手段は、金属ベローズによって形成されている。
−前記手段は、前記測定領域に固定されて測定領域の内側をスライドするピストンによって形成されている。
−前記手段は、前記測定領域に底部を固定されて前記測定領域と一緒に協働してスライドするように構成されている円筒状の管によって形成されている。
−前記電気音響変換器は、圧電変換器である。

本発明は、また、本発明による音響センサを用いて原子炉の容器に位置している内部構造の直線状の動きを測定する方法という目的がある。ここで本発明は、前記音波を放射することおよび反射波を受信することができる前記電気音響変換器を前記原子炉の容器の外側に位置させ、測定領域に向かって前記変換器によって放射された前記音波をガイドすることができ、かつ反射波もガイドすることができる前記導波管を前記原子炉の容器のなかに位置させるような、前記音響センサの位置決めステップを含むという特徴を有する。

好ましくは、本発明による測定方法は、内部構造の直線状の動きの測定の際、同時に音響センサの校正を実行するステップを含む。

好ましくは、本発明による測定方法は、内部構造の動きを決定するように前記放射波の反射を解析するステップを含む。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照して、情報としておよび限定することなく以下に与えられた説明からより明らかになるであろう。

原子炉の炉心支持構造の直線状の動きを測定するための音響センサの第１の実施形態を示す図である。 原子炉の炉心支持構造の直線状の動きを測定するための音響センサの第２の実施形態を示す図である。 原子炉の炉心支持構造の直線状の動きを測定するための音響センサの第３の実施形態を示す図である。 直線状の動きを測定する際に、本発明による音響センサによって受信された放射信号および反射信号の履歴を示す図である。

より明瞭にするために、全ての図において同一または類似の要素は、同一の参照番号を付した。

図１は、燃料棒を支えるように意図された炉心支持構造のような原子炉の容器に存在する構造２０の直線状の動きを測定することができる音響センサの第１の実施形態を示す。

本発明による音響センサ１０は、以下のように構成される導波管５によって形成される。
−原子炉の容器のなかに統合された部分、および、点線Ａ１による軸によって図１に実現されている容器の限界の、容器の外側に位置している他の部分を含む結合部と呼ばれる長さＬ１である第１の部分１１と、
−長さＬ２である標準部１２と呼ばれる第２の部分１２と、
−測定される部分２０に固定されている可変長Ｌ３を有する測定部と呼ばれる第３の部分１３と、を備える。

３つの部分は、従って、音波を伝播することができる連続的な導波管５を形成する。

音響センサ１０は、さらに以下を備える。
−導波管５の内側に伝播する音波信号を放射および受信することができる変換器１４を有して、容器の外側に位置する結合部１１の端部に位置している圧電変換器１４と、
−測定部１３に配置されて、音響センサ１０の測定領域を規定する構造２０の動きに従って部分１３の長さを延長したり引っ込めたりするように構成された手段１５と、を備える。

第１の実施形態においては、構造２０の動きに従って導波管５を延長したり引っ込めたりするように構成された手段１５が金属ベローズで形成されており、導波管５の残りに関連して構造２０に固定された測定部１３ａの部分を、剛性的に分離することができる。手段１５は、そのように構造２０の動きに従って導波管５の形状および／または長さを構成することができる。構造２０の動きは測定部１３の長さＬ３を変更し、構造２０の動きに従って導波管５の距離を伝播して導波管５の底部３３に反射した信号の応答時間なども変更する

導波管５は、中性ガスで満たされたシールされたステンレス鋼の管によって形成されている。部分１１，１２、１３の直径および音波の周波数は、音波が導波管内を伝播する条件を満たすように定められる。

結合部１１と測定部１３との間に位置している標準部１２は、標準部１２の両端に位置する部分１１および１３よりも小さい直径を有する。種々の連続している部分の間の直径の相違は、種々の部分１１、１２、１３の結合部３１、３２に幾何学的な折れ目を形成する。これらの折れ目３１、３２、および導波管５の底面３３は導波管５の内面に位置している音響反射器を形成する。

これらの反射器３１、３２は、変換器１４からＬ１の距離およびＬ１＋Ｌ２の距離に位置している。これらの距離は知られており、測定フェイズの際には固定され、これらの反射器によって反射された信号によって音響センサの校正を行うことができ、構造２０の直線状の動きを推定するために用いることができる。

図４は、構造の直線状の動きの測定の際に本発明による音響センサ１０を用いて得られた結果の１例を示す。

この図は、変換器１４による放射信号Ｓ１と同様に変換器１４によって記録されたエコーＥ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５、Ｅ６を示す。各エコーは、変換器１４によって検出されるに十分である放射波との関連性において大きさおよび遅れを有する放射音波Ｓ１の反射を意味する。信号処理方法によるエコーの解析により、構造２０に固定された音響センサ１０の端部の動きの値を決定することができる。

この３つのエコーＥ３，Ｅ４，Ｅ５によって動きを測定することができるとともに、エコーＥ３およびＥ４によって、測定を行う際に同時に校正することができる。事実、エコーＥ３およびＥ４によって、測定を行う際に導波管５のなかを伝播する音波の速度を決定することができる。

本発明による音響センサの特別な幾何学的形状により、センサ１０の校正および動きの測定は、変換器によって放射された同一の音波を用いて行える。本発明によるセンサは導波管５のなかの音波の速度について、測定の都度、決定することができる。

このように、本発明による音響センサは、例えば、導波管に沿ってかなりの温度勾配があるような過酷な温度条件下でも使用することができる。事実、測定を行う際に導波管５に沿った温度勾配が音波の速度を変えることは、測定の際の音響センサの自動的および組織的な校正によって考慮されている。

このように、本発明による音響センサは、原子炉の内部構造の直線状の動きの測定に完全に適用することができる。事実、本発明による音響センサは、測定の正確さに影響を与えることなく原子炉容器に位置させることができる。放射線および温度条件に敏感な電子的部分（すなわち変換器）は過酷な環境の外側に、すなわち我々の実施例のように容器の外側に、オフセットされている。

このようなセンサによって、温度条件に関わらずミリメートル未満の精度を、好ましくはミリメートル程度の動きに対して０．５ｍｍ未満の精度を、得ることができる。

図２に示す本発明の第２の実施形態においては、測定部１３に配置された手段および構造２０の動きに従って測定部１３を延長したり引っ込めたりするように構成された手段は、測定部１３の内側でスライドするピストン２５によって形成されている。この実施形態においては、ピストン２５は、構造２０の動きがピストンの外面３３およびその結果として導波管の底面によって形成される反射器を変動させるような方法で構造に固定されている。

シール手段２６は、導波管５が外部環境からシールされるような方法で、ピストン２５と部分１３との間に配置されている。

図３に示す本発明の第３の実施形態においては、測定部１３に配置された手段および構造２０の動きに従って測定部１３を延長したり引っ込めたりするように構成された手段は、部分１３の内側をスライドする中空の円筒状管３５によって形成されている。円筒状管３５は、構造２０の動きが円筒状管３５の底部３３によって形成される反射器の位置を修正するように、構造２０の上に固定された底部３３を備えている。

シール手段３６は、導波管５が外部環境からシールされるように円筒状管と部分１３との間に配置されている。

この実施形態の代替案（図示せず）によれば、円筒状管は、円筒状管が測定部の外側をスライドするように、第３の測定部よりも大きい直径を有する。

本発明は、特に、炉心支持構造のような、原子炉の内部構造の動きの測定のために記載されている。しかしながら、本発明は、また、他のいかなる部分の動きの測定にも適用することができ、他の分野の使用にも適用することができる。

本発明による音響センサは、特にかなりの温度または温度勾配を被る環境下で直線状の動きを測定するためにとりわけうまく適している。

本発明の他の利点を特に以下に示す。
−測定電子機器が過酷な環境の外側にオフセットされている。
−音響センサのロバスト性。
−放射線に敏感な測定電子機器を低い放射線の領域に位置決めすることにより音響センサの保守が促進される。
−導波管のシールに対する本質的な抵抗力。
−温度、放射線などにおける過酷な条件を被る環境の外側に敏感な部分（測定電子機器）を配置している。

Claims (12)

1. 音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）であって、
   前記音波を放射することができる電気音響変換器（１４）と、
   前記電気音響変換器（１４）によって前記内部構造（２０）の測定領域（２０）に向けて放射された音波をガイドすることができる導波管（５）と、を有し、
   前記導波管（５）は反射波をガイドすることができ、さらに、前記導波管（５）は前記測定領域（２０）に固定されているとともに、前記原子炉の前記内部構造（２０）の動きに応じて延長したり引っ込めたりすることができるように配置されるように特徴付けられていることを特徴とする音響センサ（１０）。
2. 前記導波管（５）は、温度勾配下で測定を行うことができるように、異なる直径を有する２つの連続的な部分（１１、１２、１３）を含む複数の部分（１１、１２、１３）によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）。
3. 前記導波管（５）は、前記電気音響変換器（１４）を備える結合部と、中間の標準部（１２）と、前記測定領域（２０）に固定された測定部（１３）と、からなる３つの部分で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）。
4. 前記標準部（１２）は、前記標準部（１２）の両側に位置する前記結合部（１１）および前記測定部（１３）よりも小さい直径を有することを特徴とする請求項３に記載の音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）。
5. 前記測定部（１３）は、前記測定領域（２０）の動きに従って前記導波管（５）を延長したり引っ込めたりするように構成された手段（１５）を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）。
6. 前記手段は、金属ベローズによって形成されていることを特徴とする請求項５に記載の音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）。
7. 前記手段（１５）は、前記測定領域（２０）に固定されており、前記測定部（１３）の内側をスライドするピストン（２５）によって形成されていることを特徴とする請求項５に記載の音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）。
8. 前記手段（１５）は、前記測定領域（２０）に固定された底面（３３）を有して前記測定部（１３）と協働してスライドするように構成された円筒状の管（３５）から形成されたことを特徴とする請求項５に記載の音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）。
9. 前記電気音響変換器（１４）は、圧電変換器であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の、音波を用いて原子炉の内部構造（２０）の直線状の動きを測定するための音響センサ（１０）を用いて原子炉の容器に位置する内部構造の直線状の動きを測定する方法であって、
    前記音波を放射することおよび反射波を受信することができる前記電気音響変換器（１４）を前記原子炉の容器の外側に位置させ、測定領域（２０）に向かって前記電気音響変換器（１４）によって放射された前記音波をガイドすることおよび反射波もガイドすることができる前記導波管（５）を前記原子炉の容器のなかに位置させるような、前記音響センサ（１０）の位置決めステップを含むことを特徴とする方法。
11. 前記内部構造の前記直線状の動きの測定の際、同時に前記音響センサの校正を実行するステップを含むことを特徴とする請求項１０に記載の原子炉の容器に位置する内部構造（２０）の直線状の動きを測定する方法。
12. 前記内部構造の動きを決定するように前記放射波の反射を解析するステップを含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の原子炉の容器に位置する内部構造（２０）の直線状の動きを測定する方法。
    

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