JP2966333B2 - 内圧クリープ破断検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速増殖炉や軽水
炉などの原子炉で適用するに好適な内圧クリープ破断検
出装置に関するものである。

【０００２】高速実験炉「常陽」では、将来の原子炉や
核融合炉等に用いる新材料を開発するため、高温の液体
ナトリウム中の放射線環境場での照射試験を実施してい
る。照射試験の一つに「内圧クリープ破断強度試験」と
呼ばれる材料のクリープ強度を調べる試験があり、この
内圧クリープ破断強度試験は、試験片の温度を一定に保
ち、照射環境下で試験片が破断するまでの時間を試験す
るものである。ここでは試験片がいつ破断したかを一層
正確に知ることが重要である。なお、クリープとは材料
に荷重を負荷した際の変形が時間経過とともに増加する
現象をいい、内圧クリープでは密封円筒状の材料中に所
定圧力のガスを封入して荷重を負荷している。本試験で
は変形が進展して材料が破断するまでの時間を調べる。

【０００３】

【従来の技術】従来この種の内圧クリープ破断検出装置
としては、次のような試験片破断の検知法を採用したも
のが用いられている。

【０００４】すなわち、前記した試験片に封入したガス
には、ベースとなるヘリウムガスにタグ（標識、識別）
ガスとして、クリプトン及びキセノンの同位体を組み合
わせて、さらに複数ある試験片にはそれぞれ同位体の組
合せ比率を変えて、微量混合されている。照射試験にお
ける時間が経過して試験片が破断すると、圧力差によっ
て内封ガスがボイド（泡）となって試験片外に放出さ
れ、放出ガスは原子炉冷却材に混じって冷却材中を浮遊
し、最後には原子炉容器上部のカバーガス空間に開放さ
れてカバーガスと混合する。カバーガス空間にはガスサ
ンプリング装置が、ガス循環可能に配管接続されてお
り、カバーガス中に含まれる微量成分のガスを濃縮、捕
集し、ガス試料を作ることができるようになっている。
また、高性能の成分分析器が設備されている。そして、
照射試験の期間中は、適時カバーガスをサンプリングし
てその含有成分を分析している。

【０００５】従って、分析成分中に試験片に封入したク
リプトン及びキセノンの同位体が検出されたことをもっ
て、試験片が破断したことを知ることができる。さら
に、分析結果から各々の同位体の組合せ比率を知ること
によって、どの試験片が破断したかを特定することもで
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の破断検
出方法では次のような種々の問題があった。

【０００７】第１に、破断が発生してから破断したこと
を検出するまでには、ボイドの液体ナトリウム中移行時
間、カバーガス空間での拡散時間、ガス試料のサンプリ
ング時間および成分分析時間その他のロスタイムがあ
り、破断時期の特定が不正確となる。

【０００８】第２に、放射化カバーガスをサンプリング
するには、配管及びガスサンプリング装置を遮蔽する必
要があるため大型化し、それでなくても煩雑な原子炉上
部空間を一層煩雑にしてしまう。また、サンプリング装
置も高性能成分分析器も高価であり、多額の投資が必要
となる。

【０００９】第３に、タグガス各々の同位体の組合せ比
率を知ることによって、どの試験片が破断したかを特定
するとは言いながらも、各々の同位体の移行挙動や拡
散、吸着挙動等はそれぞれ異なり、成分分析器で検出し
た値は元の組合せ比率を忠実に再現するものではない。
このため分析比率を補正するための複雑な計算プログラ
ムが必要となる。

【００１０】第４に、成分分析結果の精度を確保するた
めには、次の破断に備えてカバーガスに含まれる不要な
ガス、例えば前回破断の微量タグガスを速やかに除去す
る必要があり、そのためカバーガス浄化装置が必要とな
る。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑み、上述した問題
点を解決することができる内圧クリープ破断検出装置を
提供することを目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、液体
冷却材を充填した原子炉において、高圧ガスを封入した
密封円筒状の試験片を照射キャプセル内に収納して内圧
クリープ破断強度試験を行う際に適用される内圧クリー
プ破断検出装置であって、前記照射キャプセルの冷却材
出口管付近にボイド計センサーを取り付け、このボイド
計センサーの出力信号に基づいてボイドが発生したこと
を検知するボイド検出回路を設けて構成される。

【００１３】また本発明は、上記ボイド計センサーの出
力信号を一定のサンプリング周期でサンプリングし、特
定の電圧値を越えたパルスが前記サンプリング周期より
長い特定時間内に特定回数発生した場合にのみボイドが
発生したと判定する判定手段を設けて構成される。

【００１４】なお「特許請求の範囲」の欄における括弧
付きの符号は、図面における対応する要素を表す便宜的
なものであり、従って、本発明は図面上の記載に限定拘
束されるものではない。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明による内圧クリープ破
断検出装置が装着された原子炉を示す断面模式図であ
り、（ａ）はその全体図、（ｂ）はその試料部集合体の
拡大図、図２は照射装置本体の縦断面図、図３は照射キ
ャプセルの構造を示す図であり、（ａ）はその縦断面
図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、図４は
試験片の縦断面図、図５はボイド検出回路を示す回路
図、図６はボイド検出結果の一例を示すグラフである。

【００１６】本発明による内圧クリープ破断検出装置が
装着された原子炉６は、図１に示すように、原子炉容器
１を有しており、原子炉容器１内には原子核反応によっ
て高温、高放射線を発する炉心２が設置されている。こ
の炉心２は、六角管形状からなる燃料集合体や制御棒集
合体などの炉心構成要素が多数集合して構成されたもの
である。また、原子炉容器１内には液体ナトリウム３が
液体冷却材として充填されており、液体ナトリウム３の
液面は、液体ナトリウム３が空気と化学反応を起こさな
いようにアルゴンガス等のカバーガス４で覆われてい
る。なお、原子炉容器１には、液体ナトリウム３が外部
に循環できるように配管が接続されている。

【００１７】また、原子炉容器１には蓋５が冠着されて
おり、蓋５は遮蔽プラグ５ａ、回転プラグ５ｂ及び炉心
上部機構５ｃから構成されている。蓋５の炉心上部機構
５ｃには長尺円筒状の照射装置本体９が装着されてお
り、照射装置本体９は駆動部９ａ、保持筒９ｂ及び試料
部集合体９ｃから一体的に構成されている。照射装置本
体９の試料部集合体９ｃは、これを炉心２に挿入するこ
とができる。

【００１８】この照射装置本体９は、図２に示すよう
に、基本的に多重管構造となっている。それゆえ、照射
装置本体９の駆動部９ａにおいてフランジ２０を外し、
下端で試料部集合体９ｃと連結した多重管を形成する１
つの管の相対寸法を調節することにより、試料部集合体
９ｃを保持筒９ｂ内に収納することができる。これは、
照射試験の期間中には何度か遭遇する燃料交換作業に対
応するための機能である。つまり、燃料交換作業のため
には蓋５の回転プラグ５ｂを回す必要があるが、それは
回転プラグ５ｂの上に載った炉心上部機構５ｃを動かす
ことでもあり、炉心２に試料部集合体９ｃが挿入された
ままだと炉心２に対して炉心上部機構５ｃが拘束されて
しまうため、試料部集合体９ｃを保持筒９ｂ内に吊り上
げるものである。

【００１９】また、照射装置本体９の保持筒９ｂ内に
は、炉心上部空間に対して放射線を遮蔽する生体遮蔽２
１が設置されていると共に、多重管の相対運動を可能に
しつつも原子炉容器１のバウンダリーの気密を形成する
ためストロークベローズ２２及びラッチベローズ２３が
設置されている。さらに、照射装置本体９内には計測線
等１１が配線されており、上部で照射キャプセル１０に
取り付けた熱電対４８と照射キャプセル１０の温度制御
のためのガス管とに分岐してそれぞれ電気信号用端子２
４及び温度制御用ガス管端子２５に接続されている。さ
らに、これら電気信号用端子２４、温度制御用ガス管端
子２５には、図１に示すように、電気信号用端子２４は
計測室内のデータ収集装置１２が接続されており、デー
タ収集装置１２には判定器８が判定手段として接続され
ている。温度制御用ガス管端子２５は温度制御用ガス設
備に接続されている。ここで、計測線等１１の原子炉容
器１とのバウンダリーは、バルクヘッド２６においてそ
れぞれの金属管を照射装置本体９と鑞付け溶接すること
によって気密形成されている。

【００２０】また、照射装置本体９の保持筒９ｂと試料
部集合体９ｃの一体的な連結は、ラッチ機構２７の爪を
試料部集合体９ｃ頂部のハンドリングヘッド２８に掛け
ることによって達成している。ここでラッチ機構２７の
爪は、多重管の一つを形成するラッチ機構２７に連結し
た管の相対寸法を調節することにより、開閉操作が可能
となっている。

【００２１】また、照射装置本体９の試料部集合体９ｃ
内には１個以上の照射キャプセル１０が配設されてお
り、照射キャプセル１０は、図３に示すように、内筒４
０及び外筒４１からなる二重壁円筒容器を有している。
この二重壁円筒容器の上下にはそれぞれガス室４２、４
３が設けられており、二重壁円筒容器の内部にはバスケ
ット４５が、照射キャプセル１０と一体化している心棒
４６に差し込まれた形で収納されている。心棒４６の上
部には“刀のツバ”形状部品を貫通ピンで止めたストッ
パー４７が設けられており、これによってバスケット４
５を固定し得ると共に、バスケット４５に保持された試
験片４４がバスケット４５から飛び出さないように抑制
することができる。また、照射試験中に照射キャプセル
１０の温度を計測するため、心棒４６には熱電対４８が
埋め込まれている。上下のガス室４２、４３にはそれぞ
れナトリウム出口管５０、ナトリウム入口管４９が貫通
しており、試料部集合体９ｃ内を流れる液体ナトリウム
３の一部が、試験片４４を収納した空間内に流れるよう
にされている。さらに、照射キャプセル１０の上下に
は、照射キャプセル１０の温度を一定に制御するため、
それぞれ温度制御用ガス出口管５２及び温度制御用ガス
入口管５１が取り付けられている。

【００２２】また、熱電対４８やガス管からなる計測線
等１１は、原子炉容器１のバウンダリーと気密を形成し
て照射装置本体９外に引き出され、熱電対４８からの信
号は計測室内のデータ収集装置１２に電送されて、温度
が計測される。

【００２３】ところで、各照射キャプセル１０のナトリ
ウム出口管５０付近には、図３に示すように、シース型
の熱電対形状をなす「チエン型ボイド計センサー」等の
ボイド計センサー７０が取り付けられており、ボイド計
センサー７０は、ブッシュ７１及び取付板７２を介し取
付環７３に固定され、取付環７３はナトリウム出口管５
０をその内に配して照射キャプセル１０上部に固定され
て、結局、ボイド計センサー７０がナトリウム出口管５
０の上部に取り付けられている。

【００２４】さらに、ボイド計センサー７０には、その
出力信号に基づいてボイド（泡）が発生したことを検知
するボイド検出回路７が接続されている。ボイド検出回
路７としては、図５に示すものを採用することができ
る。

【００２５】原子炉６は以上のような構成を有するの
で、この原子炉６を用いて内圧クリープ破断強度試験を
行う際には、以下のようにして実施される。

【００２６】すなわち、原子炉６を運転して照射試験を
行う前に、特定の試験片４４を照射キャプセル１０内に
収納する。この試験片４４は、図４に示すように、円筒
状の被検材料５５の両端に端栓５６、５７を施して密封
し、その内部に最高数百気圧のガスを封入したものであ
る。この際、同一の照射キャプセル１０には同一材料の
試験片４４を収納し、試験片４４の各々には破断の予測
誤差を上回る十分な時間間隔（照射試験の前には炉外試
験を行って十分なデータを得ることができるので、時間
間隔の設定は容易である。）をおいて順番に破断するよ
うにする。

【００２７】従って、試験片４４の被検材料５５は常に
内側からガス圧が作用した状態となっており、このガス
圧によって照射キャプセル１０内の試験片４４が破断す
れば、そこから放出されたガスはボイド７４となってナ
トリウム出口管５０を流動し、ボイド計センサー７０に
接しつつ周囲の液体ナトリウム３中を流れていく。する
と、ボイド計センサー７０はボイド検出回路７に信号を
出力する。これを受けてボイド検出回路７は、照射キャ
プセル１０内でボイド７４が発生したことを検知する。

【００２８】この際、ノイズによる誤判定を回避するた
め判定器８は、図６に示すように、ボイド計センサー７
０の出力信号Ｓを短いサンプリング周期Ｃでサンプリン
グし、特定の電圧値Ｐを越えたパルスが特定時間Ｔ内に
特定回数Ｎ（例えば１０回以上）発生した場合にのみボ
イド７４が発生したと判定する。その結果、ボイド検出
回路７の出力からノイズ信号が無視できない電気特性が
得られたとしても、ノイズに起因するボイド検出の誤判
定を避けることが可能となる。なお、試験片４４の破断
により発生する判定器８の出力信号は、必要に応じ適切
な電気処理を施してランプを点灯したり、警報を吹鳴し
たり、データ収集装置１２に記録されたりする。

【００２９】ここで、特定の電圧値Ｐ、特定時間Ｔ、特
定回数Ｎおよびサンプリング周期Ｃは任意に変更できる
ようになっているので、実際の照射装置本体９の設置環
境や配線環境に応じて発生する未知の誘導ノイズに対し
ても柔軟に対処することができる。

【００３０】また、同一の照射キャプセル１０内に収納
する試験片４４の組合せを上述したように工夫したの
で、ボイド７４を検出した回数によって何番目の試験片
４４まで破断したかを特定することが可能となる。これ
は、一般に、数万時間に及ぶ内圧クリープ破断強度試験
で得られた試験片４４毎の単発データは数万時間の時間
軸に対して単発プロットされ、その後、描かれた多数の
プロット点を最適近似する曲線が引かれ、それが材料デ
ータとなって評価されるからである。

【００３１】さて、照射試験が終了した段階で照射装置
本体９を原子炉６から脱荷することになるが、照射装置
本体９にはその試料部集合体９ｃ内の照射キャプセル１
０から引き出されている計測線等１１を切断するケーブ
ル切断機構２９が設けられているので、試料部集合体９
ｃを照射装置本体９から切り離すことによって原子炉６
からの脱荷作業を支障なく実施することができる。な
お、ケーブル切断機構２９は、多重管の一つを形成する
それに接続した管の相対寸法を変えることにより機能
し、刃で計測線等１１を剪断する。つまり、試料部集合
体９ｃの照射装置本体９からの切り離しは、計測線等１
１を切断し、ラッチ機構の爪を閉じることで達成され
る。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、液
体ナトリウム等の液体冷却材を充填した原子炉におい
て、高圧ガスを封入した密封円筒状の試験片を照射キャ
プセル内に収納して内圧クリープ破断強度試験を行う際
に適用される内圧クリープ破断検出装置であって、前記
照射キャプセルのナトリウム出口管などの冷却材出口管
付近にボイド計センサーを取り付け、このボイド計セン
サーの出力信号に基づいてボイドが発生したことを検知
するボイド検出回路を設けて構成したので、試験片破断
と同時に発生するボイドを瞬時に検出することができる
ことから、破断時間を正確に検知することが可能とな
り、試験データの精度が向上する。また、高温、液体冷
却材中、放射線環境場という非常に特殊で過酷な状況下
においてもボイド発生を検出し、試験片の破断時期を特
定することができる。さらに、ボイド計センサーは小型
で、特殊過酷環境に耐え得るので、密集複雑構造の照射
キャプセル付近に容易に組み込むことができ、照射装置
本体を大型化させることがない。しかも、従来技術では
カバーガスのサンプリング装置や高価な成分分析器が必
要で、かつ煩雑な作業を伴ったが、本発明によればそれ
らは一切不要であり、安価、効果的に試験片破断時期を
知ることができる。

【００３３】また本発明によれば、上記ボイド計センサ
ーの出力信号を一定のサンプリング周期でサンプリング
し、特定の電圧値を越えたパルスが前記サンプリング周
期より長い特定時間内に特定回数発生した場合にのみボ
イドが発生したと判定する判定器などの判定手段を設け
て構成したので、電磁誘導作用により、ボイド計センサ
ーからの電気信号に周囲の環境からのノイズが含まれた
場合でも、ノイズに起因する破断の誤判定を判定手段に
よって防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による内圧クリープ破断検出装置が装着
された原子炉を示す断面模式図であり、（ａ）はその全
体図、（ｂ）はその試料部集合体の拡大図である。

【図２】照射装置本体の縦断面図である。

【図３】照射キャプセルの構造を示す図であり、（ａ）
はその縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断
面図である。

【図４】試験片の縦断面図である。

【図５】ボイド検出回路を示す回路図である。

【図６】ボイド検出結果の一例を示すグラフである。

【符号の説明】

３……液体冷却材（液体ナトリウム） ６……原子炉 ７……ボイド検出回路 ８……判定手段（判定器） １０……照射キャプセル ４４……試験片 ５０……冷却材出口管（ナトリウム出口管） ７０……ボイド計センサー ７４……ボイド Ｃ……サンプリング周期 Ｎ……特定回数 Ｐ……電圧値 Ｔ……特定時間

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体冷却材（３）を充填した原子炉
   （６）において、高圧ガスを封入した密封円筒状の試験
   片（４４）を照射キャプセル（１０）内に収納して内圧
   クリープ破断強度試験を行う際に適用される内圧クリー
   プ破断検出装置であって、 前記照射キャプセルの冷却材出口管（５０）付近にボイ
   ド計センサー（７０）を取り付け、 このボイド計センサーの出力信号に基づいてボイド（７
   ４）が発生したことを検知するボイド検出回路（７）を
   設けたことを特徴とする内圧クリープ破断検出装置。
2. 【請求項２】 ボイド計センサー（７０）の出力信号を
   一定のサンプリング周期（Ｃ）でサンプリングし、特定
   の電圧値（Ｐ）を越えたパルスが前記サンプリング周期
   より長い特定時間（Ｔ）内に特定回数（Ｎ）発生した場
   合にのみボイド（７４）が発生したと判定する判定手段
   （８）を設けたことを特徴とする請求項１記載の内圧ク
   リープ破断検出装置。