JP3616448B2 - 燃料集合体の曲がり・ねじれ測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は全般的に原子炉の燃料集合体に関し、特に燃料集合体の曲がりおよびねじれを測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉において炉心は多数の燃料集合体から構成されている。原子炉の寸法に応じて炉心の中にいつでも２００個あるいはそれ以上の燃料集合体が存在している。燃料集合体は原子炉炉心の中に所定の位置に密に詰め込まれているので、各燃料集合体の寸法規格は非常に狭い公差にしなければならない。新しい燃料集合体の形成および組立における許容公差からの偏差を確認するために、予め品質保証検査が行われる。また燃料集合体は真っ直ぐであるか、曲がっていないかあるいはねじれていないかをそれぞれ確認するために検査される。
【０００３】
原子炉運転中に燃料集合体は照射され、熱勾配および中性子束勾配に起因して異なった成長が生じて曲がったりねじれたりすることがある。原子炉の各燃料補給サイクル中に燃料集合体は原子炉炉心内において異なった位置に移され、いくつかの燃料集合体は新しい燃料集合体と置き換えられる。いくつかの燃料集合体はそのまま消費され、原子炉から取り出される。少なくとも一部の照射済み燃料集合体は原子炉炉心の或る位置から移され、場合によっては燃料補給中に炉心の他の位置に移されるので、これらの燃料集合体が引続き利用できるかどうか確かめる必要がある。
【０００４】
従って点検しなければならない照射済み燃料集合体にとって、燃料集合体の寸法規格からの偏差並びに燃料集合体が真っ直ぐであり曲がってもねじれてもいないかを正確に有効に検出することは特に重要である。またこのことは作業員を放射線被爆から保護するために遠隔操作で行わなければならない。
【０００５】
加圧水形原子炉の燃料集合体はその下端が原子炉の下側炉心支持板において所定の位置に置かれている。特別な設計では各燃料集合体はたとえば、下側タイプレートから下向きに延び下側炉心支持板にある整列孔で受けられる二本の整列ピンを有している。全ての燃料集合体の頂部の上に置かれる上側炉心支持板はこれらの燃料集合体の上部を整列する働きをする。上側炉心支持板の下側面から燃料集合体整列ピンが下向きに延びている。典型的には二本の整列ピンが各燃料集合体の上側タイプレートにある二つの整列孔にはまり込む。上側炉心支持板が原子炉炉心サポートの頂部の上に整列され燃料集合体の上に降ろされるとき、整列ピンがそれらに対応した整列孔の中に滑り込み、燃料集合体の上部をその所定の位置に整列する。
【０００６】
燃料集合体の曲がりあるいはねじれは燃料集合体と上側および下側の炉心支持板との正確な整列を妨げ、隣接する構成要素との間で干渉を引き起こし、極端な場合には制御棒を挿入するための力を著しく増大しなければならなくなる。更に燃料集合体の支えなしで立っている状態あるいは未拘束状態における曲がりおよびねじれは普通、原子炉炉心の中において上側タイプレートと下側タイプレートとの間で拘束されている状態に若干類似している。加えて、燃料集合体の曲がりおよびねじれは、燃料集合体を原子炉炉心の中において上側炉心支持板と下側炉心支持板との間の拘束位置に置こうとするまではしばしば認められない。
【０００７】
従来技術においては燃料集合体の曲がりは非常に簡単な測定技術によって測定されているが、これは正確でないという欠点がある。ほとんどの場合、長い真っ直ぐなエッジが燃料集合体の上側タイプレートから下側タイプレートまで吊り下げられて置かれ、この真っ直ぐなエッジと燃料集合体本体との間隔が測定される。この形式の装置およびそのような類似したすべての装置は観察することを必要とし、このために視差（パララックス）のような観察上のエラーを生じ、このエラーは水中で通常はテレビカメラで点検される照射済み燃料集合体においては一層悪い結果をもたらす。
【０００８】
他の従来技術では構成要素を燃料集合体に物理的に直接接触して位置させる装置を含んでいる。そのような従来技術は線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）を利用している。このＬＶＤＴ装置は、燃料集合体の構成部分に物理的に係合あるいは接触して配置された相関的な構成要素の動きあるいは変位に比例する電気出力を発生する電気機械式トランスジューサである。しかしこのＬＶＤＴ装置は測定の精度に影響を与えるいくつかの欠点を有している。まず第１にＬＶＤＴ装置は燃料集合体と常に接触していなければならず、このために測定装置は燃料集合体の測定すべき部分（例えば燃料棒）の位置に影響を与えることがある。第２に、測定装置（例えばＬＶＤＴ装置の端部）の表面積は曲がりおよびねじれの大きさにかかわりなく常に燃料集合体の同じ部分を測定するのに十分に大きくなければならず、さもなければＬＶＤＴ装置は測定すべき部分に隣接する一つあるいは複数の部分と干渉を生じてしまうおそれがある。従ってＬＶＤＴ装置の使用により燃料集合体との干渉による測定装置のこれらのエラーは著しく大きくなる。
【０００９】
いくつかの従来技術はこのため近接センサを利用している。しかしこの近接センサは誘導磁界を発生し、その磁界範囲内にある燃料集合体の部分にうず電流を生ずる。このうず電流は試験又は測定すべき燃料集合体部分とセンサとの間隔に比例した出力信号に変換される誘導磁界の状態を変化させる。そのようなうず電流センサは領域が非常に限定されるという欠点を有し、従って燃料集合体に近づける必要がある。加えて大きな曲がりあるいは大きなねじれに伴って隣接する部分と干渉を生ずることがある。更にうず電流センサの精度は材料伝導度の変化並びに酸化および付着物の形成により減少される。
【００１０】
さらに従来技術において、直立性、曲がりおよびねじれについて測定される燃料集合体がねじれおよび曲がりによって荷重がかからないように簡単に支持されかつ位置を保持されている装置も開示されている。従ってこの場合燃料集合体は、これがあたかも原子炉炉心の中に実際に置かれているように固く拘束されていない。さらに他の従来技術においては、燃料集合体はその上端から燃料集合体に類似した形状のサポートの上に吊り下げられ、測定装置がそのサポートに沿って移動される。その測定装置は台車の上でサポートに沿って案内装置によって燃料集合体から所定の距離を隔てて動かされる。この案内装置特に案内レールがたとえできるだけ真っ直ぐに作れたとしても、完全に真っ直ぐでない案内装置あるいは案内レールは通常運転中に、それをさらに真っ直ぐでなくするような欠陥あるいは傷を生ずる。これらの案内装置は正しい移動経路からの偏差を一般に補償しないので、この偏差により発生される誤差は燃料集合体の測定を不正確にする。このエラーを補正するために従来においては、案内装置がその正しい位置に対する許容公差を越えて移動したことを検出する位置感知装置を使用することが試みられている。しかしこれらの位置感知装置の複雑さは案内装置により発生する不正確さに加えて一層のエラーあるいは不正確さを生ずる。
【００１１】
上述したように、燃料集合体がこれがあたかも実際に原子炉炉心の中に配置されているように燃料集合体を拘束する剛性の固定装置の中に置かれていないことにより、炉心の中に配置されている場合の燃料集合体の曲がりおよびねじれの大きさを求める際に一層のあるいは別のエラーが生ずる。
【００１２】
従って従来技術の装置は、視差のような観察上のエラー、測定装置／燃料集合体の干渉によるエラー、案内装置の不正確さ、位置検出装置の不正確さ、および燃料集合体をこれがあたかも実際に原子炉炉心の中に置かれているように剛性の固定装置の中に拘束して測定することを怠っているための不正確さによって、曲がりおよびねじれの測定が不正確である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上述の従来技術の欠点を除去し、測定精度を高めるとともに操作が容易であるような燃料集合体の曲がり・ねじれ測定装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの課題は、燃料集合体がその下端に下側タイプレートから下向きに延びる下側整列ピンを有し、この下側整列ピンが原子炉の下側炉心支持板にある対応した整列孔に係合するために位置決めされ、燃料集合体がその上端に上側タイプレートに配置されている上側整列孔を有し、この上側整列孔が上側炉心支持板の下側面から下向きに延びる整列ピンを受け入れるために位置決めされている燃料集合体の曲がり・ねじれ測定装置において、
ａ） 燃料集合体に対する内部容積を限定している細長い固定装置が直立して取り付けられ、この固定装置が上端に向いて開きかつ燃料集合体がそこを通して収容されるように形成された開口を有し、この固定装置がその開口にぴったりはまり込むように形成された取り外し可能な蓋を有し、この蓋が燃料集合体の上側タイプレートにある上側整列孔に係合するために下側面から下向きに延び第１の縦軸線を持った位置決めピンを有し、固定装置が下端に燃料集合体の下側整列ピンを受けるための第２の縦軸線を持った位置決め孔を形成されている基準底板を有し、固定装置の位置決めピンおよび位置決め孔が、燃料集合体があたかも原子炉の中に配置されているように燃料集合体を拘束するように燃料集合体の下側整列ピンおよび燃料集合体の上側整列孔を係合するように形成され、少なくとも一つの第１の縦軸線および第２の縦軸線が固定装置の所定の縦軸線を定めており、
ｂ） 少なくとも一本の基準ワイヤが固定装置の上端から固定装置の下端まで延び、少なくとも一本の基準ワイヤが固定装置の所定の縦軸線に対して平行に配置され、
ｃ） 超音波測定装置がトランスポンダと超音波探傷器とから成り、そのトランスポンダが、少なくとも一本の基準ワイヤおよび燃料集合体に向けて超音波信号を発生し、少なくとも一本の基準ワイヤで反射されてトランスポンダに戻される第１の反射波を受け、燃料集合体で反射されてトランスポンダに戻される第２の反射波を受け、前記超音波探傷器がトランスポンダから第１の反射波の信号と第２の反射波の信号を受け、その第１の反射波と第２の反射波との時間差が少なくとも一本の基準ワイヤと燃料集合体との間隔の大きさであり、
ｄ） トランスポンダから第１の反射波の信号および第２の反射波の信号を超音波探傷器に搬送する搬送手段が設けられている
ことによって解決される。
【００１５】
本発明に基づく装置は未照射燃料集合体あるいは原子炉から取り出された照射済み燃料集合体の曲がりとねじれを測定する。これは超音波変換器の形をした非接触式測定装置と、燃料集合体をこれがあたかも原子炉炉心の中にあるように収容する固定装置に関連して測定が行われる基準測量とを使用して行われる。炉心の中における燃料集合体の活動位置を模擬することによって、そうでなければ恐らくは燃料集合体に曲がりおよびねじれを生じさせないような負荷状態の作用を測定することができる。
【００１６】
【実施例】
図１には本発明に基づく装置の実施例が示されている。概略的に示されている照射済み燃料集合体１は水中において本発明に基づく燃料集合体の曲がり・ねじれ測定装置５の中に置かれている。図１において燃料集合体の細部は図面を明瞭するために省略されている。
【００１７】
照射済み燃料集合体について本発明を詳細に説明するが、未照射あるいは新しい燃料集合体も同様に本発明に基づいて測定することができる。
【００１８】
燃料集合体曲がり・ねじれ測定装置５は以下に詳細に述べるように固定装置、基準装置および超音波測定装置から成っている。燃料集合体曲がり・ねじれ測定装置５は照射済み燃料集合体から発せられる放射線から保護するために水中に置かれている。
【００１９】
固定装置は燃料集合体１の全長を包囲する大きな直径の管１０を有している。管１０はその下端が基準底板１８に取り付けられ、これらの両者はフランジ２４によって固定されている。このフランジ２４は下向きに延び、図１において原子力発電所（図示せず）の使用済み燃料貯蔵プールの底８として示されている支持面に載っている。管１０の上端には管１０の内壁をめぐって延びる蓋フランジ１６がある。また管１０の上端には取り外し可能な蓋２２があり、これを取り外ししたとき燃料集合体曲がり・ねじれ測定装置５の中にある燃料集合体１を変位することができる。基準底板１８は燃料集合体１の下側整列ピン２を受け入れる位置決め孔１４を有している。燃料集合体１の頂部にある整列孔３の中にはまり込む位置決めピン１２が蓋２２の下側から延びている。
【００２０】
各位置決めピン１２は固定装置の縦軸線を定める縦軸線１２ａを有している。各位置決め孔１４も同様に固定装置の縦軸線を定める縦軸線１４ａを有している。燃料集合体の設計に応じて固定装置の縦軸線は位置決めピンの縦軸線でも位置決め孔の縦軸線でもよい。或る種の燃料集合体の設計においては、燃料集合体の下側整列ピンおよび上側整列孔は、位置決めピンの縦軸線および位置決め孔の縦軸線が同一直線上にある場合には同一直線上に置かれる。
【００２１】
位置決めピン１２および位置決め孔１４は、燃料集合体１の上側タイプレート４ａおよび下側タイプレート４ｂが互いに燃料集合体が原子炉炉心の中に置かれているときに見られるような相対位置に置かれるように位置決めされている。これによって燃料集合体１が燃料集合体曲がり・ねじれ測定装置５の中に置かれたとき、原子炉運転中における炉心の中の燃料集合体位置が模擬される。位置決めピン１２および位置決め孔１４の配置は燃料集合体の特別な固有の設計に左右されるが、蓋２２および底板１８における位置決めピンおよび位置決め孔の数および位置は、どのような燃料集合体の形式および形状にもほぼ完全に適用するように変更できる。沸騰水形原子炉の燃料集合体は一般に下側整列ピンおよび上側整列孔を有してないが、これらの燃料集合体も本発明に基づく装置において試験および測定することができる。
【００２２】
基準装置は小さな直径の基準ワイヤ４０（ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ）を有し、これは蓋フランジ１６から基準底板１８にある孔１９を通って延び、下端がフロート板４２に固定されている。孔１９は基準底板１８に、取り外し可能な蓋２２が上側フランジ１６の上に置かれているときに基準ワイヤ４０が位置決め孔１４の縦軸線１４ａおよび位置決めピン１２の縦軸線１２ａに対してそれぞれ平行に延びるように配置されている。位置決めピン１２の縦軸線１２ａあるいは位置決め孔１４の縦軸線１４ａが固定装置の縦軸線を定めているので、基準ワイヤ４０は固定装置の縦軸線に対して平行に延びている。フロート板４２の重量は基準ワイヤ４０に一定の引張りを与える。基準ワイヤ４０の位置は燃料集合体と固定装置との周知の相関関係を規定する。基準ワイヤ４０の数および位置は種々の燃料集合体に適合させるために（位置決めピン１２および位置決め孔１４の位置と方向と共に）変更できる。
【００２３】
後述の測定装置に対する複数の開口を形成するスロット２０が管１０の側壁を貫通して縦に延びている。これらのスロット２０は管１０に、基準ワイヤ４０にアクセスするための一連の照準孔を形成するように配置されており、図２および特に図３に示されているように燃料集合体１に対して直交している。測定装置はトランスポンダ６０、トランスポンダ保持ブロック６２、およびトランスポンダ６０からの超音波信号の飛行時間を測定する超音波探傷器６５にトランスポンダ６０を接続するケーブル６１から成っている。図３に示されているようにトランスポンダ６０はスロット２０の中に、基準ワイヤ４０および測定すべき燃料集合体１の特定部分（例えば燃料棒あるいは案内棒）がこれと直交している照準孔のライン上にあるように配置されている。
【００２４】
保持ブロック６２内におけるトランスポンダ６０は、スロット２０の中に置かれて基準ワイヤ４０および燃料集合体１に狙いを定めた後、水中を燃料集合体に向かって伝播する超音波信号を発生する。超音波の一部はまず基準ワイヤ４０で反射されてトランスポンダ６０に戻され、燃料集合体１で反射された残りの超音波が時間的に遅れてトランスポンダ６０に戻される。これらの信号はケーブル６１を通って超音波探傷器６５に搬送される。基準ワイヤと燃料集合体との間隔の尺度である二つの信号の時間差は超音波探傷器６５によってその時間差と伝播媒体（照射済み燃料棒に対しては水である）を通しての音波の伝播速度との積により変換される。これは基準ワイヤ４０と燃料集合体１の特定部分との間隔の精確な尺度となる。
【００２５】
基準ワイヤから燃料集合体の特定部分までの飛行時間しか測定されないので、超音波トラスポンダと基準ワイヤとの間隔を求める上でのエラーは避けられる。このようにして従来公知の装置において試みられていたような測定装置と基準位置との精確な相対位置の位置決めは、本発明により不要とされる。
【００２６】
トランスポンダ６０はスロット２０内における最初の位置からそのスロットの長さに沿って連続的に位置を移され、それらの位置で追加的な超音波信号が発生され、基準ワイヤおよび燃料集合体からの反射波が、基準ワイヤと燃料集合体の特定部分との間隔を燃料集合体の高さの関数として得るために受信される。それからトランスポンダ６０はそれぞれ他のスロットに移され、燃料集合体の高さに沿ってあるいは選択されたレベルにおいて測量が再び行われる。
【００２７】
燃料集合体曲がり・ねじれ測定装置５を（超音波探傷器６５を除いて）使用済み燃料貯蔵プール底８のような支持面の上に置いた後、蓋２２を取り外し、燃料集合体１をガイド２８によって案内して管１０の中に置き、燃料集合体の下側位置決めピン２を底板１８にある下側位置決め孔１４の中に配置する。蓋２２はフランジ１６の上に設置され、位置決めピン１２は、燃料集合体１をこれがあたかも実際に原子炉炉心の中に位置されているように固定するために、燃料集合体１の上側タイプレート孔３の中にはめ込まれる。次いで超音波トランスポンダ６０がスロット２０の中に置かれ測定が行われる。トランスポンダ６０で受信された基準ワイヤおよび燃料集合体からの信号は使用済み燃料貯蔵プールの外側に位置する超音波探傷器６５に伝達され、そこで距離の読み取りが手動あるいはコンピュータで記録される。トランスポンダ６０はスロット２０内で動かされるか必要な場合には他のスロットに移され、燃料集合体の高さに沿って選択された位置で測定が行われる。所望のすべての測定結果が得られた後、蓋２２が取り外され、燃料集合体１が取り出される。
【００２８】
基準ワイヤと燃料集合体の特定部分との間隔の変化を表すデータは曲がりの直接的な尺度である。単軸曲がりを測定するため、燃料集合体の同じ側面において隣接する基準ワイヤ（例えば４０ａと４０ｂ）の間隔の変化は同じ変位例えばｘ＋Δｘを表している。ここでｘは基準ワイヤと燃料集合体の上下タイプレートとの間隔であり、燃料集合体の反対側面（例えば４０ｅと４０ｆ）における基準ワイヤの対応した読み取りは同じ大きさの変移を表しているが逆方向の変位例えばｘ−Δｘを表している（図４Ａ参照）。燃料集合体に単軸曲がりが存在するときには、燃料集合体の隣りの側面における読み取りには変位が表れない。四つの全側面が変位量および方向を示していることを除いて、二軸曲がりも同様にして求めることができる。
【００２９】
燃料集合体のねじれを求めるため、燃料集合体の同じ側面における隣り合う読み取りは逆向きの変位量を表している（図４Ｂ参照）。その変位量が燃料集合体のねじれの尺度である。燃料集合体の反対側にはそこからの対応した参照データを比較したとき同じ変位量であるが逆向きの変位が生ずる。
【００３０】
曲がりとねじれを有する燃料集合体は、両側面からの変位量および方向の相違の比較および隣接する参照測量の比較によって測定できる。
【００３１】
従来技術に比べての本発明の利点の一つは、あたかも原子炉炉心の中に配置され拘束されているような燃料集合体の曲がりおよびねじれを測定できることにある。更に超音波の飛行時間の測定が基準ワイヤと燃料集合体の特定部分との間だけで行われるので、超音波トランスポンダと基準ワイヤとの距離は重要でなくなる。従って従来装置のように測定装置を基準位置に精確に位置決めする必要性は本発明によって無用となる。それ故本発明の追加的な利点は、測定装置の精確な位置決めが必要とされず、従って不正確さが無くなり、測定装置の誤った位置決めを補正するための追加的な装置を設ける必要がなくなることである。本発明の他の利点は、測定装置と燃料集合体との干渉を避けるために高い精度（±０．１０インチ）を保証する距離測定用の超音波が使用できることである。
【００３２】
以上本発明の有利な実施例について図示して説明したが、当該技術者において本発明の技術思想および範囲を逸脱することなしに種々に変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく燃料集合体曲がり・ねじれ測定装置の一部断面側面図。
【図２】図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図。
【図３】超音波トランスポンダとその保持ブロックと超音波探傷器から成り管の壁におけるスロットの中に置かれた測定装置の概略図。
【図４】ＡおよびＢはそれぞれ燃料集合体における曲がりおよびねじれを示す図。
【符号の説明】
１ 燃料集合体
２ 下側整列ピン
３ 上側整列孔
５ 燃料集合体曲がり・ねじれ測定装置
１０ 管
１２ 整列ピン
１４ 整列孔
１８ 基準底板
２２ 蓋
４０ 基準ワイヤ
６０ トランスポンダ

Claims (2)

1. 燃料集合体（１）がその下端に下側タイプレート（４ｂ）から下向きに延びる下側整列ピン（２）を有し、この下側整列ピンが原子炉の下側炉心支持板（１８）にある対応した整列孔（１４）に係合するために位置決めされ、燃料集合体（１）がその上端に上側タイプレート（４ａ）に配置されている上側整列孔（３）を有し、この上側整列孔が上側炉心支持板の下側面から下向きに延びる整列ピン（１２）を受け入れるために位置決めされている燃料集合体の曲がり・ねじれ測定装置（５）において、
   ａ） 燃料集合体（１）に対する内部容積を限定している細長い固定装置（１０）が直立して取り付けられ、この固定装置が上端に向いて開きかつ燃料集合体がそこを通して収容されるように形成された開口を有し、この固定装置がその開口にぴったりはまり込むように形成された取り外し可能な蓋（２２）を有し、この蓋が燃料集合体（１）の上側タイプレート（４ａ）にある上側整列孔（３）に係合するために下側面から下向きに延び第１の縦軸線を持った位置決めピン（１２）を有し、固定装置が下端に燃料集合体（１）の下側整列ピン（２）を受けるための第２の縦軸線を持った位置決め孔（１４）を形成されている基準底板（１８）を有し、固定装置の位置決めピン（１２）および位置決め孔（１４）が、燃料集合体があたかも原子炉の中に配置されているように燃料集合体を拘束するように燃料集合体の下側整列ピン（２）および燃料集合体の上側整列孔（３）と係合するように形成され、少なくとも一つの第１の縦軸線（１２ａ）および第２の縦軸線（１４ａ）が固定装置の所定の縦軸線を定めており、
   ｂ） 少なくとも一本の基準ワイヤ（４０）が固定装置の上端から固定装置の下端まで延び、少なくとも一本の基準ワイヤ（４０）が固定装置の所定の縦軸線に対して平行に配置され、
   ｃ） 超音波測定装置がトランスポンダ（６０）と超音波探傷器（６５）とから成り、そのトランスポンダが、少なくとも一本の基準ワイヤ（４０）および燃料集合体（１）に向けて超音波信号を発生し、少なくとも一本の基準ワイヤ（４０）で反射されてトランスポンダ（６０）に戻される第１の反射波を受け、燃料集合体（１）で反射されてトランスポンダ（６０）に戻される第２の反射波を受け、前記超音波探傷器（６５）がトランスポンダから第１の反射波の信号と第２の反射波の信号を受け、その第１の反射波と第２の反射波との時間差が少なくとも一本の基準ワイヤと燃料集合体との間隔の尺度であり、
   ｄ） トランスポンダ（６０）から第１の反射波の信号および第２の反射波の信号を超音波探傷器（６５）に搬送する搬送手段が設けられている
   ことを特徴とする燃料集合体の曲がり・ねじれ測定装置。
2. 固定装置に長手方向に延びるスロットが設けられていることを特徴とする請求項１記載の装置。

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