JP3859601B2 - 原子炉制御棒の検査システム及び検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉で使用されている中性子吸収体を備えた制御棒の健全性を検査するための原子炉制御棒の検査システム及び検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、沸騰水型原子炉で使用される制御棒は、横断面略十字形のタイロッドと、このタイロッドの４つの枝の端部にそれぞれ固定され、ハフニウム（Ｈｆ）又は炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）等から構成される複数の中性子吸収体を内包し、これら中性子吸収体へ水を供給するための複数の通水孔が穿設された４つのシースとを備えている。この沸騰水型原子炉の制御棒には、原子炉の起動・停止、反応速度補償を行うために制御セルと呼ばれる４つの燃料集合体間に比較的遅い速度で挿抜駆動されるものと、原子炉を緊急停止（スクラム）するために非制御セルである燃料集合体間に高速挿入されるものとの２種類がある。通常、前者の制御棒の中性子吸収体は主としてハフニウムより構成され、後者の制御棒の中性子吸収体は主として炭化ホウ素より構成されている。
【０００３】
従来より、上記ハフニウムより構成された中性子吸収体を備えた制御棒の健全性の評価は、主として外観検査により行なわれている。この外観検査には、制御棒を水中に配置し、水中カメラを用いてシースの通水孔から中性子吸収体の形状、色調及び表面状態等を目視により検査する方法と、超音波を用いて探傷器を固定冶具上で走査させ中性子吸収体の外形の変化を測定する方法（例えば、特許文献１参照）とがある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２５１７４５８号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、上記水中カメラを用いた外観検査は、単なる目視による外観検査である上に、中性子吸収体のうち通水孔を介して見える部分のみしか検査を行うことができないので、中性子吸収体の健全性に関わる精度の良いデータを取得するのは困難である。このため、上記通水孔を介して行った目視による検査結果から、ハフニウムと結晶学的にも化学的にも類似性の高いジルコニウムの原子炉下振る舞いに関するデータに基づいて、中性子吸収体の健全性を推定する手法が多く取られていた。しかしながら、この場合、ハフニウムの振る舞いがジルコニウムのそれと類似するという仮定に不確定性が存在するために、その健全性の評価は必ずしも精度の良いものとは言えなかった。
【０００６】
一方、上記超音波を用いた外観検査では、中性子吸収体を制御棒外側輪郭走査装置の変換器駆動管に挿通してその外形変化を測定するために、制御棒を分解してシースから中性子吸収体を取り出す必要があり、その分解作業等に手間を要することになる。
【０００７】
さらに、以上の２つの方法による従来技術では、中性子吸収体の形状、色調、変形等の外観に関わる健全性の評価を行うことはできるが、例えば材料強度等の材料特性に関わる健全性の評価については行うことができない。従来、このような材料特性に関わる評価を行うためには、制御棒を分解して中性子吸収体をシースより取り出し、ホットラボ等の検査施設に輸送して詳細な検査を行う必要があり、多大な手間を要するものとなっていた。
【０００８】
本発明の目的は、沸騰水型原子炉で使用されている制御棒の中性子吸収体の健全性を簡便且つ精度良く検査することができる原子炉制御棒の検査システム及び検査方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、沸騰水型原子炉に設けられ中性子吸収体を備えた制御棒の非破壊検査を水中で行う原子炉制御棒の検査システムにおいて、磁束を生成するためのコイル、及びこのコイルからの磁束密度を向上する集束手段を有し、前記コイルの渦電流を検出するプローブと、このプローブを水流から保護する保護手段と、前記プローブによる渦電流検出の校正用の基準試験片と、前記プローブで検出した渦電流に基づき前記中性子吸収体の水素吸収量を演算する演算手段とを有するものとする。
【００１０】
本発明においては、水中において、コイルで生成した磁束を中性子吸収体に与え、このときのコイルの渦電流をプローブで検出し、このプローブで検出した渦電流に基づいて演算手段で中性子吸収体の水素吸収量を演算する。これにより、この演算された水素吸収量から中性子吸収体の体積変化及び材料強度等を推測することが可能となり、前述した従来技術のように目視又は超音波にて外観検査のみを行う場合に比べ、中性子吸収体の材料特性をも含めたより精度の高い健全性に関わるデータを得ることができる。またこの結果、従来のように、材料特性を検査するために制御棒から中性子吸収体を取り出して検査施設で詳細な検査を行うことも不要となる。したがって、本発明によれば、中性子吸収体の健全性を簡便且つ精度良く検査することができる。
【００１１】
また本発明によれば、集束手段でコイルから中性子吸収体に与える磁束密度を集束するので、測定対象である中性子吸収体の近傍の金属（隣の中性子吸収体やシース）による磁束の乱れを抑制することができる。これにより、プローブによる渦電流の検出精度を向上することができるので、中性子吸収体の健全性の検査精度をさらに向上することができる。
【００１２】
さらに本発明によれば、保護手段でプローブを水流から保護しつつ渦電流の検出を行うので、水流によって生じるプローブの振動を抑制することができ、その結果、渦電流の検出精度を向上することができる。また、この水流による振動を抑制する手段として、例えばプローブを中性子吸収体に強く押し付けるような構造も考えられるが、本発明によれば、その場合に生じうる押し付け力によるプローブ先端の破損、又は中性子吸収体の付着物が突き刺さることによるプローブ先端の破損等を回避することができる。
【００１３】
また本発明によれば、基準試験片を用いてプローブによる渦電流検出の校正を行うので、検出精度の低下を抑制することができる。これにより、例えばプローブの先端が磨耗しても、校正により渦電流検出精度が低下するのを抑制することができる。したがって、例えばプローブを中性子吸収体の表面に複数回に渡って押し当てることで原子炉運転中に中性子吸収体表面に付着した付着物を除去するといったことが可能となる。このようにすることで、中性子吸収体表面の付着物の堆積による渦電流の検出精度の低下を抑制することができる。しかもこの場合、測定対象となる微小領域部分についてのみ付着物を除去することとなるので、例えばプール内で中性子吸収体全体の付着物を専用ブラシ又は流水等により除去する場合に比べ、プール水の汚染を抑制し、周囲の作業者の被曝を抑制することができる。さらに、付着物を除去するための除去装置を新たに設ける必要がないので、安価に付着物除去による検査精度の向上効果を得ることができる。
【００１４】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記プローブを前記中性子吸収体に押し付けるプローブ移動手段を備えるものとする。
【００１５】
（３）上記（２）において、さらに好ましくは、前記プローブ、前記プローブ移動手段、前記保護手段、及び前記基準試験片を備えた測定器と、この測定器を前記制御棒に沿って移動させる測定器移動手段と、前記制御棒を把持することで前記測定器を前記制御棒に対して固定する測定器固定手段とを有するものとする。
【００１６】
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記制御棒は、複数の通水孔が穿設され、ハフニウムを主成分とする複数の前記中性子吸収体を収納したシースを備えているものとする。
【００１７】
（５）上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記集束手段はフェライトより構成され、前記コイルが巻きつけられる芯であるものとする。
このように、コイル芯をフェライト等の磁場を集束する能力を有する磁性材料より構成することで、コイルで生成される磁束を高密度に集束することができる。これにより、中性子吸収体からの磁束の漏れを減少させることができ、測定対象である中性子吸収体に隣接する中性子吸収体や、中性子吸収体を覆うシースによる測定外乱を抑制することができる。
【００１８】
（６）上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記集束手段は、その直径が前記プローブの中心と前記プローブを押し付けられた中性子吸収体以外の金属との最小距離の１．２倍より小さくなるように構成された芯であるものとする。これにより、コストの上昇及び感度の低下を抑制しつつ測定外乱を抑制することができる。
【００１９】
（７）上記目的を達成するために、本発明の原子炉制御棒の検査方法は、沸騰水型原子炉に使用される制御棒の中性子吸収体の表面に渦電流検出用のプローブを押し当てて中性子吸収体に付着した付着物を除去する第１の手順と、前記プローブを基準片に押し付けて渦電流の基準測定を行う第２の手順と、前記プローブを前記中性子吸収体に押し付けて渦電流を測定する第３の手順と、再度プローブを基準片に押し付けて渦電流の基準測定を行う第４の手順と、前記第２乃至第４の手順における渦電流の測定結果に基づき前記中性子吸収体の水素吸収量を演算する第５の手順とを備える方法とする。
【００２０】
（８）上記（７）において、好ましくは、前記プローブとして、磁束を生成するためのコイル、及びこのコイルからの磁束密度を向上する集束手段を備えたものを用いる方法とする。
【００２１】
（９）上記（７）において、また好ましくは、前記第２乃至第４の手順は、保護手段で前記プローブを水流から保護しつつ行う方法とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原子炉制御棒の検査システム及び検査方法の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。本実施の形態の検査システムは、原子力発電所内の燃料プール内において沸騰水型原子炉の制御棒の非破壊検査を行うものである。
図１は本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態に備えられる測定器の全体構造を表す側面図、図２はこの測定器を図１中矢印Ａ方向から見た矢視正面図、図３はこの測定器の上面図である。
【００２３】
これら図１乃至図３において、制御棒１は、複数の中性子吸収体２と、これらの中性子吸収体２を内包し、多数の通水孔３が穿設されたシース４とを備えている。また、測定器１００は、メインビーム１０１と、このメインビーム１０１の制御棒長手方向(図１中Ｚ方向)両端に接続された上・下把持フレーム１０２，１０３と、この上・下把持フレーム１０２，１０３のＺ方向外方側（上把持フレーム１０２の図１中上側、下把持フレーム１０３の図１中下側）にそれぞれ複数（本実施の形態では４つ）ずつ設けられた支持パッド１１０と、中性子吸収体２に関する渦電流測定を行うプローブ２００と、このプローブ２００を測定時及び中性子吸収体２の表面付着物除去時にシース方向に押し付けるための測定用エアシリンダ２１０と、これらプローブ２００と測定用エアシリンダ２１０とを測定位置まで移動させるプローブ移動機構３００と、基準試験片５００と、保護カバー７００とを備えている。
【００２４】
上記上把持フレーム１０２（又は下把持フレーム１０３。以下、かっこ内対応関係同じ）のＺ方向上側（又はＺ方向下側）に設けられた４つの支持パット１１０は、上把持フレーム１０２（又は下把持フレーム１０３）に固定された２つの固定支持パット１１０ａ，１１０ａと、シース４方向に向かって可動可能に設けられた２つの可動支持パット１１０ｂ，１１０ｂとにより構成されている。これら２つの固定支持パット１１０ａ，１１０ａ同士及び２つの可動支持パット１１０ｂ，１１０ｂ同士は、互いに略９０度の角度となるようにその端部を固定されており、略十字型形状である制御棒１のシース４表面と良好に接触できるようになっている。上記可動支持パット１１０ｂ，１１０ｂは、固定用エアシリンダ１１１によりシース４方向（図３中矢印Ｂ方向）に駆動されるようになっており、可動支持パット１１０ｂがシース４に押し付けられ、この可動支持パット１１０ｂと固定支持パット１１０ａとでシース４を挟み込むことで、測定器１００は制御棒１に固定されるようになっている。なお、支持パット１１０は例えば硬質のゴム等から構成されており、シース４に傷を付けないようにしつつシース４との摩擦係数を十分大きくとり、多少の振動では測定器１００の個定位置がずれないように便宜が図られている。また、上記の固定用エアシリンダ１１１についても、エア駆動とすることでシース４に過大な負荷がかからないように便宜が図られている。なお、この固定用エアシリンダ１１１の代わりにモーター駆動のシリンダを用いてもよいが、その場合には、シース４の変形を抑制するために過荷重を検知するリミッタを取り付けることが好ましい。
【００２５】
上記プローブ移動機構３００は、プローブ２００を任意の測定位置に移動する機構であり、プローブ２００を図１中Ｚ方向に移動させるＺ方向ガイド１２０と、このＺ方向ガイド１２０上を駆動するためのＺ方向駆動モータ１２１と、このＺ方向駆動モータ１２１からの力を伝達するためのＺ方向ボールネジ１２２と、Ｚ方向の位置を決めるＺ位置測定器１２３（図１参照）と、プローブ２００を制御棒１の幅方向(図１中Ｘ方向)に移動させるＸ方向駆動モータ１３０と、このＸ方向駆動モータ１３０からの力を伝達するためのＸ方向ボールネジ１３１と、Ｘ方向の位置を決めるＸ位置測定器１３２とを備えている。
【００２６】
上記プローブ２００は、測定対象の中性子吸収体２を収納するシース４に対向して配置されており、上述したように、測定時及び中性子吸収体２の表面付着物除去時に、測定用エアシリンダ２１０によってシース４方向に駆動され、シース４の通水孔３を介して中性子吸収体２に押し付けられる。上記測定時には、内部に備えられたコイル２０１（後述）で生成した磁束を中性子吸収体２に与え、渦電流によってそのときの磁束の変化を検出することで、中性子吸収体２の健全性を検査するようになっている。図４は、このプローブ２００の内部構造を表す水平断面図である。
【００２７】
この図４において、プローブ２００は、磁束を生成するためのコイル２０１と、このコイル２０１を巻きつけるためのコイル芯２０２と、このコイル芯２０２を円柱状の中性子吸収体２に一定の強さで押し付けるためのコイルばね２０３と、上記コイル２０１の渦電流を検出するセンサ２０４と、これらコイル２０１、コイル芯２０２、コイルばね２０３、センサ２０４を収納するコイルケース２０５とを備えている。
【００２８】
上記コイル２０１は、例えばマンガニン線等の、測定環境の影響、特に温度の影響を小さくするために電気抵抗の温度依存性の小さい材料より構成されている。これにより、温度変化による外乱を低減する事が可能である。また、このコイル２０１の外径は中性子吸収体２の外径より小さくなっており、生成する磁束を細くして、測定対象である中性子吸収体２に隣接する中性子吸収体やシース４等の周りの金属物による外乱を低減できるようになっている。
【００２９】
上記コイル芯２０２は、上記コイル２０１が巻かれている部分が例えばフェライト等の磁性材料より構成されている。これにより、コイル２０１により生成される磁束を高密度にすることが可能である。また、上述したように外乱を低減するためには磁束を細くする必要があり、そのためにはこのコイル芯２０２をできるだけ細くするのが好ましいが、コイル芯を細くするほどコストが上昇して感度は低下するため、測定外乱を抑制しつつ大きめのコイル径とするのがよい。図５は、本願発明者等が行った、電気信号に対してコイル芯２０２の直径とコイル芯２０２から被測定物である中性子吸収体２以外の金属までの最短距離とが及ぼす影響の評価試験の結果を示す図である。この図５に示す結果から、次式（１）を満足すれば周りの金属物による外乱を抑制できることがわかる。
Ｄ＜１．２×Ｌ・・・・・（１）
Ｌ：プローブのコイル芯の中心と被測定物以外の金属の最小距離（ｍｍ）
Ｄ：プローブのコイル芯の直径（ｍｍ）
本実施の形態では、コイル芯２０２の直径を例えば２ｍｍ程度とすることで、上記式（１）を満たすようにしている。
【００３０】
なお、コイル芯２０２の先端部は、所定の一様な曲率を持った凸型形状となっており、プローブ２００が中性子吸収体２に押し付けられた際に、このコイル芯２０２と中性子吸収体２との接触面積が極力小さくなるようになっている。このようにして、中性子吸収体２の表面付着物の除去時にコイル芯２０２の先端を中性子吸収体２に押し当て効率よく付着物を除去できるように、且つ除去後に残存した付着物の影響を受けにくくなるように便宜が図られている。
【００３１】
上記コイルばね２０３は、プローブ２００が中性子吸収体２に押し付けられた際に、この中性子吸収体２に対してコイル芯２０２が一定の押し付け力で接触するようにダンパーの役目を果たすものである。なお、コイルばね２０３の代わりにエアダンパー等を用いてもよい。
【００３２】
上記センサ２０４には、渦電流信号ケーブル５２１（後述の図７も参照）が接続されており、この渦電流信号ケーブル５２１を介してセンサ２０４で検出したコイル２０１の渦電流信号を後述の渦電流測定装置５２０へ伝達するようになっている。
【００３３】
以上のように構成されるプローブ２００は、前述したように測定用エアシリンダ２１０によってシース４方向に駆動されるようになっている。図６は、この測定用エアシリンダ２１０の構造を表す上面図である。
この図６において、測定用エアシリンダ２１０は、アーム２１１と、このアーム２１１をシース４方向に駆動するシリンダロッド２１２を備えている。また、プローブ２００は、上記アーム２１１にプローブ固定ばね２０５を介して接続されている。このプローブ固定ばね２０５により、中性子吸収体２とプローブ２００の接触角度がずれた場合でも、プローブ固定ばね２０５の柔軟な変形により常に中性子吸収体２に対してプローブ２００を垂直に接触させることができる。なお、このプローブ固定ばね２０５の代わりに柱状又は棒状のゴムを用いてもよい。
【００３４】
図１乃至図３に戻り、前記の保護カバー７００はＬ字型断面形状のプレート部材であり、中性子吸収体２及び基準試験片５００に関する渦電流測定時に、プローブ２００がプローブ移動機構３００によって移動する範囲全体を下方から覆うように設けられている。すなわち、原子力発電所の燃料プール内では使用済燃料を冷却するために水が循環されているので、本非破壊検査を燃料プール内の上昇水流が生じる場所で行うことにより、上記保護カバー７００でプローブ２００を水流から保護し、水流によって生じる振動及び温度変動を抑制することができるようになっている。
【００３５】
前記の基準試験片５００は、中性子吸収体２の渦電流測定による健全性評価に必要なものであり、測定対象である中性子吸収体２と同一直径及び同一形状に形成され、且つ同一ロットの材料より構成されている。測定器１００は、この基準試験片５００をプローブ２００の可動範囲内に備えることにより、短時間で確実な基準測定が可能となり、効率的で高精度な渦電流測定を行うことができるようになっている。さらに、測定器１００は、基準試験片５００の前にシース４と同一板厚及び同一ロットの材料より構成され通水孔３と同等の通水孔８０１が穿設された基準シース８００を配置しており、中性子吸収体２の測定外乱と考えられる因子と同じ測定条件を基準試験片５００に再現する事により、渦電流測定結果に対する精度を向上できるようになっている。
【００３６】
以上のように構成された測定器１００は、制御棒１と共に燃料プール内に配置され、水中にて制御棒１の非破壊検査を行う。図７は、このときの様子を示す、本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態の全体概略構成を表す側面図である。
この図７に示すように、燃料プール６００内に制御棒１及び測定器１００が配置されている。また、測定器１００にプローブ２００の位置を確認するための局所カメラ４００が取り付けられ、制御棒１の検査範囲の全体を確認するための全体カメラ４０１が単独に配置されている。
【００３７】
燃料プール６００の水面上にある作業エリア６０１には、前記可動支持パッド１１０ｂ及び測定用エアシリンダ２１０を駆動するためのエア操作ユニット５００と、このエア操作ユニット５００にエアを供給するコンプレッサー５０２と、プローブ移動機構３００を駆動するためのモータユニット５１０と、渦電流を発生及び測定するための渦電流測定装置５２０と、この渦電流測定装置５２０からの信号を記録し、測定した渦電流から中性子吸収体２の水素吸収量を演算する記録演算装置５３０とが配置されている。
【００３８】
上記渦電流測定装置５２０は、渦電流の発生中はセンサ２０４の検出信号から常時渦電流の測定を行うようになっており、且つ、プローブ２００が基準試験片５００に押し付けられた際に測定した基準試験片５００の基準（零点）を用いて、センサ２０４の基準（零点）を校正する機能を有している。
【００３９】
上記記録演算装置５３０には、本願発明者等が既知量の水素濃度を添加したハフニウムの電気抵抗に相当する電気信号（ｍＶ）の測定を行って求めた水素濃度と電気信号との相関関係が、予め記憶（又は適宜入力してもよい）されている。図８はこのハフニウムの水素濃度Ｙ（ｐｐｍ）と電気抵抗に相当する電気信号Ｘ（ｍＶ）との相関関係を示す図である。記録演算装置５３０は、センサ２０４で検出され渦電流測定装置５２０で測定された渦電流の電気信号を入力し、この図８に示す相関関係に基づいて中性子吸収体２の水素濃度（水素吸収量）を求めるようになっている。
【００４０】
また、上記作業エリア６０１上の各装置（エア操作ユニット５００、コンプレッサー５０２、モータユニット５１０、渦電流測定装置５２０、記録演算装置５３０）と測定器１００とは、エア操作ユニット５００から測定器１００までエアを伝達するエアホース５０１と、モータユニット５１０からの信号を測定器１００のモータまで伝達するためのモータ信号ケーブル５１１と、渦電流測定装置５２０からの信号を測定プローブ２００に伝達しつつ、測定プローブ２００（正確にはセンサ２０４）からの渦電流信号を渦電流測定装置５２０へ伝達するための渦電流信号ケーブル５２１とにより接続されている。また、測定器１００は、作業エリア６０１からプール６００内に下ろした汎用ポール５０４により支持されると共に、制御棒１の長手方向（図７中上下方向）に移動操作されるようになっている。
【００４１】
以上において、コイル芯２０２は特許請求の範囲各項記載のコイルからの磁束密度を向上する集束手段を構成し、保護カバー７００はプローブを水流から保護する保護手段を構成し、記録演算装置５３０はプローブで検出した渦電流に基づき中性子吸収体の水素吸収量を演算する演算手段を構成する。また、測定用エアシリンダ２１０はプローブを中性子吸収体に押し付けるプローブ移動手段を構成し、汎用ポール５０４は測定器を制御棒に沿って移動させる測定器移動手段を構成し、固定用エアシリンダ１１１、固定支持パット１１０ａ、及び可動支持パット１１０ｂは測定器を制御棒に対して固定する測定器固定手段を構成する。
【００４２】
次に、上記構成の本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態の動作を図９を用いて以下に説明する。この図９は、本実施の形態の検査システムによって行われる検査手順を表すフローチャートである。
まず最初に、作業エリア６０１において、エアホース５０１、モータ信号ケーブル５１１、及び渦電流信号ケーブル５２１を測定器１００と各装置（エア操作ユニット５００、コンプレッサー５０２、モータユニット５１０、渦電流測定装置５２０、記録演算装置５３０）間で配線する（Ｓ１００）。配線が終了したら、作業エリア６０１で測定器１００の動作確認を実施する（Ｓ１１０）。その後、渦電流測定装置５２０により渦電流を発生させ、その出力を調整する（Ｓ１２０）。
【００４３】
次に、測定器１００に汎用ポール５０４を取付け、燃料プール６００に測定器１００を浸漬する。そして、測定器１００が燃料プール６００に冠水した段階で、再度測定器１００の動作確認を行う（Ｓ１３０）。この水中での動作確認が終了したら、汎用ポール５０４を次々に付け足して測定器１００をプール６００内の下方へ移動させ、予め配置されている制御棒１の測定対象部位に測定器１００を配置する。なおこのとき、予め単独で水中に挿入されている全体カメラ４０１を通して目視により概ねの測定位置を確認しながら、測定器１００の配置を行う。
【００４４】
次に、可動支持パッド１１０ｂが固定用エアシリンダ１１１により押されていない状態で、測定器１００の上・下把持フレーム１０２，１０３の溝部に制御棒１のシース４の一端が填まるように、汎用ポール５０４を介して測定器１００を配置する。シース４が完全に上・下把持フレーム１０２，１０３の溝に収まった段階で固定用エアシリンダ１１１を伸ばして可動支持パッド１１０ｂを押し、制御棒１に測定器１００を固定する（Ｓ１４０）。なお、この段階で局所カメラ４００を通して被測定物である中性子吸収体２にプローブ２００を押し当てることが可能かどうかを確認する。そして、この測定器１００に取付けられた局所カメラ４００、単独で予め挿入されている全体カメラ４０１、測定器１００に備えられた前記Ｚ位置測定器１２３、及びＸ位置測定器１３２を用いて、測定対象位置となる中性子吸収体２を見る事ができる通水孔３までプローブ２００を移動する。移動後、現状の測定器１００の取り付け状態で測定対象の中性子吸収体２の測定が可能かどうかを確認する（Ｓ１５０）。無理なようであれば、先のＳ１４０に戻り、測定器１００の固定をやり直す。
【００４５】
次に、局所カメラ４００にて目視確認しつつ、プローブ２００を中性子吸収体２に押し当て、中性子吸収体２の表面に付着した付着物の除去を行う（Ｓ１６０）。付着物が除去できるまで、Ｓ１６０を繰り返し、プローブ２００の押し当て動作を繰り返す。付着物が除去できたら、プローブ２００を基準試験片５００の位置まで移動させ、プローブ２００を基準シース８００の通水孔８０１を介して基準試験片５００に押し付けて基準（零点）測定を行い、基準（零点）の信号を記録演算装置５３０に記録する。またこのとき、渦電流測定装置５２０によって測定した基準（零点）を用いてセンサ２０４の校正を行う（Ｓ１７０）。その後、プローブ２００を再度測定対象の中性子吸収体２が見える通水孔３まで移動し、中性子吸収体２にプローブ２００を押し付けて渦電流信号を記録演算装置５３０に記録する（Ｓ１８０）。その後、再度、プローブ２００を基準試験片５００まで移動し、プローブ２００を基準試験片５００に押し付けて基準（零点）を測定し、その結果を記録演算装置５３０に記録する（Ｓ１９０）。
【００４６】
この後、記録演算装置５３０は、記録した測定前後の基準（零点）と中性子吸収体２を測定した時の渦電流信号の差を演算し、測定前の出力調整結果と比較して、中性子吸収体２の水素吸収量を演算する。この水素吸収量より、中性子吸収体２の体積変化及び材料強度等の材料特性を推測し、中性子吸収体２の健全性を評価する（Ｓ２００）。同一制御棒１において他の中性子吸収体２についても測定を行う場合には、先のＳ１７０に戻り上記の作業を繰返す。このようにして制御棒１に対しての測定が終了したら、測定器１００を燃料プール６００から引上げ、作業エリア６０１で測定前後の渦電流出力に差が無い事を確認して（Ｓ２２０）一連の手順を終了する。
【００４７】
次に、前述のように構成され上述の動作を行う本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態の作用を以下に説明する。
（１）渦電流測定を行うことによる検査の簡便性及び検査精度の向上作用
本実施の形態においては、水中において、コイル２０２で生成した磁束を中性子吸収体２に与え、このときのコイル２０２の渦電流を渦電流測定装置５２０で測定し、この測定した渦電流に基づいて、記録演算装置５３０で中性子吸収体２の水素吸収量を演算する。このようにして、この演算された水素吸収量から中性子吸収体２の体積変化及び材料強度等の材料特性についても推測することができる。これにより、前述した従来技術のように目視又は超音波によって外観検査のみを行う場合に比べ、中性子吸収体２の材料特性をも含めたより精度の高い健全性に関わるデータを得ることができる。また、その結果、中性子吸収体の材料特性等を検査するためには制御棒を分解してシースより中性子吸収体を取り出し、ホットラボ等の検査施設に輸送後、切断、研磨等を行い検査試料の準備をした上で検査を行う必要があった従来と比べ、本実施の形態によればこのような一連の作業を要さずに材料特性を検査することができる。したがって、本実施の形態の原子炉制御棒の検査システムによれば、中性子吸収体２の健全性を簡便且つ精度良く検査することができる。
【００４８】
（２）コイル芯の材質及び形状による検査精度の向上作用
一般に、渦電流測定を行って材料の健全性の検査を行う場合、被測定物付近に存在する金属によって、磁束に乱れが生じ渦電流の測定精度が低下する可能性がある。すなわち、本実施の形態の場合には、測定対象である中性子吸収体２に隣接する中性子吸収体や、中性子吸収体２を覆うシース４が上記測定外乱の原因となり得る。このような測定外乱は、被測定物である中性子吸収体２に与える磁束を高密度に集束させ、中性子吸収体２からの磁束の漏れを減少させることで抑制することができる。
【００４９】
そこで本実施の形態においては、コイル芯２０２をフェライト等の磁場を集束する能力を有する磁性材料により構成する。これにより、コイル２０１により生成される磁束を高密度にすることができる。さらに本実施の形態においては、コイル芯２０２の直径を、前述した式（１）の条件を満たすように、例えば２ｍｍ程度とする。これにより、コストの上昇及び感度の低下を抑制しつつ測定外乱を低減することができる。したがって、センサ２０４による渦電流の検出精度を向上することができるので、中性子吸収体２の健全性の検査精度をさらに向上することができる。
【００５０】
（３）プローブの振動を防止することによる検査精度の向上作用
本実施の形態においては、原子力発電所の燃料プール６００内で測定器１００を用いて中性子吸収体２の測定を行うが、通常、この燃料プール６００内においては使用済燃料を冷却するために水が循環されている。したがって、この水流によるプローブ２００の振動が測定外乱の原因となり得る。
【００５１】
そこで本実施の形態によれば、中性子吸収体２及び基準試験片５００の測定時にプローブ２００がプローブ移動機構３００によって移動する範囲全体を下方から覆うように、保護カバー７００を設ける。すなわち、プローブ２００による測定を燃料プール内の上昇水流が生じる場所で行うことにより、上記保護カバー７００でプローブ２００を水流から保護し、水流によって生じる振動を抑制することができる。さらに、金属の電気抵抗は温度依存性を有することから測定対象である中性子吸収体２やプローブ２００、及びその周辺の温度変化も測定外乱の原因となり得るが、この保護カバー７００によってプローブ２００への水流を遮断することで測定時の温度変化についても抑制することができる。したがって、プローブ２００による渦電流の検出精度を向上することができるので、中性子吸収体２の健全性の検査精度をさらに向上することができる。しかも、本実施の形態によれば、このような検査精度の向上作用を保護カバーという設計及び製作が比較的容易な部材によって、容易に得ることができる。
【００５２】
さらに、水流による振動を抑制する手段としては、例えばプローブ２００を中性子吸収体２に強く押し付けるような構造も考えられるが、本実施の形態によれば、この場合に生じうる押し付け力によるプローブ先端の破損、又は中性子吸収体２の付着物が突き刺さることによるプローブ先端の破損等を、回避することができる。
【００５３】
（４）中性子吸収体の表面付着物の除去による検査精度の低下の抑制作用
一般に、制御棒１に備えられる中性子吸収体２の表面には、原子炉運転中に付着物が付着し、その付着物が堆積することがある。そこで本実施の形態においては、プローブ２００の先端（正確にはコイル芯２０２の先端）を中性子吸収体２の表面に複数回に渡って押し当てることで、上記中性子吸収体２に付着した付着物の除去を行う。このようにして付着物を除去した上で、プローブ２００で中性子吸収体２に磁束を与えてそのときの渦電流の検出を行うので、付着物の堆積による渦電流の検出精度の低下を抑制することができる。したがって、中性子吸収体２の健全性の検査精度の低下を抑制することができる。さらに、このようにしてプローブ２００の先端を押し当てることで付着物を除去する場合、測定対象である中性子吸収体２のうち測定対象箇所となる微小領域についてのみ付着物を除去することが可能となる。したがって、例えば燃料プール６００内で中性子吸収体２の表面全体について専用ブラシ又は流水等により付着物を除去する場合に比べ、プール水の汚染を抑制することができ、これにより燃料プール６００付近で働く作業者の被曝を低減することができる。しかも、本実施の形態によればこのようにしてプローブ２００の先端を押し当てることで中性子吸収体２の表面の付着物の除去を行うので、付着物を除去するための除去装置を新たに設計・製作する必要がなく、安価に付着物除去による検査精度の低下の抑制作用を得ることができる。
【００５４】
なお、本実施の形態のようにプローブ２００の先端を押し当てることで付着物の除去を行う場合、プローブ２００の先端が磨耗し、その結果渦電流の検出精度が低下することが考えられる。そこで本実施の形態においては、測定器１００に基準試験片５００を備え、プローブ２００の押し当てによる付着物除去を終えた後に、基準試験片５００を用いてセンサ２０４の基準点（零点）校正を行い、その上で中性子吸収体２の検査測定を行う。これにより、プローブ２００の先端の磨耗による渦電流検出精度の低下を抑制することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、水中で、コイルで生成した磁束を中性子吸収体に与え、このときのコイルの渦電流をプローブで検出し、このプローブで検出した渦電流に基づいて演算手段で中性子吸収体の水素吸収量を演算する。これにより、この演算された水素吸収量から中性子吸収体の体積変化及び材料強度等を推測することが可能であり、中性子吸収体の材料特性をも含めた精度の高い健全性に関わるデータを得ることができる。またこの結果、材料特性を検査するために検査施設で詳細な検査を行うことも不要となる。したがって、本発明によれば、中性子吸収体の健全性を簡便且つ精度良く検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成する測定器の全体構造を表す側面図である。
【図２】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成する測定器の図１中矢印Ａ方向から見た矢視正面図である。
【図３】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成する測定器の全体構造を表す上面図である。
【図４】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成するプローブの内部構造を表す水平断面図である。
【図５】本願発明者等が行った、電気信号に対してコイル直径とコイル芯から被測定物以外の金属までの最短距離とが及ぼす影響の評価試験の結果を示す図である。
【図６】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成する測定用エアシリンダの構造を表す上面図である。
【図７】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態の全体概略構成を表す側面図である。
【図８】ハフニウムの水素濃度と電気抵抗に相当する電気信号との相関関係を示す図である。
【図９】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態によって行われる検査手順を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 制御棒
２ 中性子吸収体
３ 通水孔
４ シース
１００ 測定器
１１０ａ 固定支持パッド（測定器固定手段）
１１０ｂ 可動支持パッド（測定器固定手段）
１１１ 固定用エアシリンダ（測定器固定手段）
２００ プローブ
２０１ コイル
２０２ コイル芯（集束手段）
２１０ 測定用エアシリンダ（プローブ移動手段）
５００ 基準試験片
５０４ 汎用ポール（測定器移動手段）
５３０ 記録演算装置（演算手段）
７００ 保護カバー（保護手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉で使用されている中性子吸収体を備えた制御棒の健全性を検査するための原子炉制御棒の検査システム及び検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、沸騰水型原子炉で使用される制御棒は、横断面略十字形のタイロッドと、このタイロッドの４つの枝の端部にそれぞれ固定され、ハフニウム（Ｈｆ）又は炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）等から構成される複数の中性子吸収体を内包し、これら中性子吸収体へ水を供給するための複数の通水孔が穿設された４つのシースとを備えている。この沸騰水型原子炉の制御棒には、原子炉の起動・停止、反応速度補償を行うために制御セルと呼ばれる４つの燃料集合体間に比較的遅い速度で挿抜駆動されるものと、原子炉を緊急停止（スクラム）するために非制御セルである燃料集合体間に高速挿入されるものとの２種類がある。通常、前者の制御棒の中性子吸収体は主としてハフニウムより構成され、後者の制御棒の中性子吸収体は主として炭化ホウ素より構成されている。
【０００３】
従来より、上記ハフニウムより構成された中性子吸収体を備えた制御棒の健全性の評価は、主として外観検査により行なわれている。この外観検査には、制御棒を水中に配置し、水中カメラを用いてシースの通水孔から中性子吸収体の形状、色調及び表面状態等を目視により検査する方法と、超音波を用いて探傷器を固定冶具上で走査させ中性子吸収体の外形の変化を測定する方法（例えば、特許文献１参照）とがある。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２５１７４５８号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では以下のような課題が存在する。
すなわち、上記水中カメラを用いた外観検査は、単なる目視による外観検査である上に、中性子吸収体のうち通水孔を介して見える部分のみしか検査を行うことができないので、中性子吸収体の健全性に関わる精度の良いデータを取得するのは困難である。このため、上記通水孔を介して行った目視による検査結果から、ハフニウムと結晶学的にも化学的にも類似性の高いジルコニウムの原子炉下振る舞いに関するデータに基づいて、中性子吸収体の健全性を推定する手法が多く取られていた。しかしながら、この場合、ハフニウムの振る舞いがジルコニウムのそれと類似するという仮定に不確定性が存在するために、その健全性の評価は必ずしも精度の良いものとは言えなかった。
【０００６】
一方、上記超音波を用いた外観検査では、中性子吸収体を制御棒外側輪郭走査装置の変換器駆動管に挿通してその外形変化を測定するために、制御棒を分解してシースから中性子吸収体を取り出す必要があり、その分解作業等に手間を要することになる。
【０００７】
さらに、以上の２つの方法による従来技術では、中性子吸収体の形状、色調、変形等の外観に関わる健全性の評価を行うことはできるが、例えば材料強度等の材料特性に関わる健全性の評価については行うことができない。従来、このような材料特性に関わる評価を行うためには、制御棒を分解して中性子吸収体をシースより取り出し、ホットラボ等の検査施設に輸送して詳細な検査を行う必要があり、多大な手間を要するものとなっていた。
【０００８】
本発明の目的は、沸騰水型原子炉で使用されている制御棒の中性子吸収体の健全性を簡便且つ精度良く検査することができる原子炉制御棒の検査システム及び検査方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、沸騰水型原子炉に設けられ中性子吸収体を備えた制御棒の非破壊検査を水中で行う原子炉制御棒の検査システムにおいて、磁束を生成するためのコイル、及びこのコイルからの磁束密度を向上する集束手段を有し、前記コイルの渦電流を検出するプローブと、このプローブを水流から保護する保護手段と、前記プローブによる渦電流検出の校正用の基準試験片と、前記プローブで検出した渦電流に基づき前記中性子吸収体の水素吸収量を演算する演算手段とを有するものとする。
【００１０】
本発明においては、水中において、コイルで生成した磁束を中性子吸収体に与え、このときのコイルの渦電流をプローブで検出し、このプローブで検出した渦電流に基づいて演算手段で中性子吸収体の水素吸収量を演算する。これにより、この演算された水素吸収量から中性子吸収体の体積変化及び材料強度等を推測することが可能となり、前述した従来技術のように目視又は超音波にて外観検査のみを行う場合に比べ、中性子吸収体の材料特性をも含めたより精度の高い健全性に関わるデータを得ることができる。またこの結果、従来のように、材料特性を検査するために制御棒から中性子吸収体を取り出して検査施設で詳細な検査を行うことも不要となる。したがって、本発明によれば、中性子吸収体の健全性を簡便且つ精度良く検査することができる。
【００１１】
また本発明によれば、集束手段でコイルから中性子吸収体に与える磁束密度を集束するので、測定対象である中性子吸収体の近傍の金属（隣の中性子吸収体やシース）による磁束の乱れを抑制することができる。これにより、プローブによる渦電流の検出精度を向上することができるので、中性子吸収体の健全性の検査精度をさらに向上することができる。
【００１２】
さらに本発明によれば、保護手段でプローブを水流から保護しつつ渦電流の検出を行うので、水流によって生じるプローブの振動を抑制することができ、その結果、渦電流の検出精度を向上することができる。また、この水流による振動を抑制する手段として、例えばプローブを中性子吸収体に強く押し付けるような構造も考えられるが、本発明によれば、その場合に生じうる押し付け力によるプローブ先端の破損、又は中性子吸収体の付着物が突き刺さることによるプローブ先端の破損等を回避することができる。
【００１３】
また本発明によれば、基準試験片を用いてプローブによる渦電流検出の校正を行うので、検出精度の低下を抑制することができる。これにより、例えばプローブの先端が磨耗しても、校正により渦電流検出精度が低下するのを抑制することができる。したがって、例えばプローブを中性子吸収体の表面に複数回に渡って押し当てることで原子炉運転中に中性子吸収体表面に付着した付着物を除去するといったことが可能となる。このようにすることで、中性子吸収体表面の付着物の堆積による渦電流の検出精度の低下を抑制することができる。しかもこの場合、測定対象となる微小領域部分についてのみ付着物を除去することとなるので、例えばプール内で中性子吸収体全体の付着物を専用ブラシ又は流水等により除去する場合に比べ、プール水の汚染を抑制し、周囲の作業者の被曝を抑制することができる。さらに、付着物を除去するための除去装置を新たに設ける必要がないので、安価に付着物除去による検査精度の向上効果を得ることができる。
【００１４】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記プローブを前記中性子吸収体に押し付けるプローブ移動手段を備えるものとする。
【００１５】
（３）上記（２）において、さらに好ましくは、前記プローブ、前記プローブ移動手段、前記保護手段、及び前記基準試験片を備えた測定器と、この測定器を前記制御棒に沿って移動させる測定器移動手段と、前記制御棒を把持することで前記測定器を前記制御棒に対して固定する測定器固定手段とを有するものとする。
【００１６】
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記制御棒は、複数の通水孔が穿設され、ハフニウムを主成分とする複数の前記中性子吸収体を収納したシースを備えているものとする。
【００１７】
（５）上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記集束手段はフェライトより構成され、前記コイルが巻きつけられる芯であるものとする。
このように、コイル芯をフェライト等の磁場を集束する能力を有する磁性材料より構成することで、コイルで生成される磁束を高密度に集束することができる。これにより、中性子吸収体からの磁束の漏れを減少させることができ、測定対象である中性子吸収体に隣接する中性子吸収体や、中性子吸収体を覆うシースによる測定外乱を抑制することができる。
【００１８】
（６）上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記集束手段は、その直径が前記プローブの中心と前記プローブを押し付けられた中性子吸収体以外の金属との最小距離の１．２倍より小さくなるように構成された芯であるものとする。これにより、コストの上昇及び感度の低下を抑制しつつ測定外乱を抑制することができる。
【００１９】
（７）上記目的を達成するために、本発明の原子炉制御棒の検査方法は、沸騰水型原子炉に使用される制御棒の中性子吸収体の表面に渦電流検出用のプローブを押し当てて中性子吸収体に付着した付着物を除去する第１の手順と、前記プローブを基準片に押し付けて渦電流の基準測定を行う第２の手順と、前記プローブを前記中性子吸収体に押し付けて渦電流を測定する第３の手順と、再度プローブを基準片に押し付けて渦電流の基準測定を行う第４の手順と、前記第２乃至第４の手順における渦電流の測定結果に基づき前記中性子吸収体の水素吸収量を演算する第５の手順とを備える方法とする。
【００２０】
（８）上記（７）において、好ましくは、前記プローブとして、磁束を生成するためのコイル、及びこのコイルからの磁束密度を向上する集束手段を備えたものを用いる方法とする。
【００２１】
（９）上記（７）において、また好ましくは、前記第２乃至第４の手順は、保護手段で前記プローブを水流から保護しつつ行う方法とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原子炉制御棒の検査システム及び検査方法の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。本実施の形態の検査システムは、原子力発電所内の燃料プール内において沸騰水型原子炉の制御棒の非破壊検査を行うものである。
図１は本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態に備えられる測定器の全体構造を表す側面図、図２はこの測定器を図１中矢印Ａ方向から見た矢視正面図、図３はこの測定器の上面図である。
【００２３】
これら図１乃至図３において、制御棒１は、複数の中性子吸収体２と、これらの中性子吸収体２を内包し、多数の通水孔３が穿設されたシース４とを備えている。また、測定器１００は、メインビーム１０１と、このメインビーム１０１の制御棒長手方向(図１中Ｚ方向)両端に接続された上・下把持フレーム１０２，１０３と、この上・下把持フレーム１０２，１０３のＺ方向外方側（上把持フレーム１０２の図１中上側、下把持フレーム１０３の図１中下側）にそれぞれ複数（本実施の形態では４つ）ずつ設けられた支持パッド１１０と、中性子吸収体２に関する渦電流測定を行うプローブ２００と、このプローブ２００を測定時及び中性子吸収体２の表面付着物除去時にシース方向に押し付けるための測定用エアシリンダ２１０と、これらプローブ２００と測定用エアシリンダ２１０とを測定位置まで移動させるプローブ移動機構３００と、基準試験片５００と、保護カバー７００とを備えている。
【００２４】
上記上把持フレーム１０２（又は下把持フレーム１０３。以下、かっこ内対応関係同じ）のＺ方向上側（又はＺ方向下側）に設けられた４つの支持パット１１０は、上把持フレーム１０２（又は下把持フレーム１０３）に固定された２つの固定支持パット１１０ａ，１１０ａと、シース４方向に向かって可動可能に設けられた２つの可動支持パット１１０ｂ，１１０ｂとにより構成されている。これら２つの固定支持パット１１０ａ，１１０ａ同士及び２つの可動支持パット１１０ｂ，１１０ｂ同士は、互いに略９０度の角度となるようにその端部を固定されており、略十字型形状である制御棒１のシース４表面と良好に接触できるようになっている。上記可動支持パット１１０ｂ，１１０ｂは、固定用エアシリンダ１１１によりシース４方向（図３中矢印Ｂ方向）に駆動されるようになっており、可動支持パット１１０ｂがシース４に押し付けられ、この可動支持パット１１０ｂと固定支持パット１１０ａとでシース４を挟み込むことで、測定器１００は制御棒１に固定されるようになっている。なお、支持パット１１０は例えば硬質のゴム等から構成されており、シース４に傷を付けないようにしつつシース４との摩擦係数を十分大きくとり、多少の振動では測定器１００の個定位置がずれないように便宜が図られている。また、上記の固定用エアシリンダ１１１についても、エア駆動とすることでシース４に過大な負荷がかからないように便宜が図られている。なお、この固定用エアシリンダ１１１の代わりにモーター駆動のシリンダを用いてもよいが、その場合には、シース４の変形を抑制するために過荷重を検知するリミッタを取り付けることが好ましい。
【００２５】
上記プローブ移動機構３００は、プローブ２００を任意の測定位置に移動する機構であり、プローブ２００を図１中Ｚ方向に移動させるＺ方向ガイド１２０と、このＺ方向ガイド１２０上を駆動するためのＺ方向駆動モータ１２１と、このＺ方向駆動モータ１２１からの力を伝達するためのＺ方向ボールネジ１２２と、Ｚ方向の位置を決めるＺ位置測定器１２３（図１参照）と、プローブ２００を制御棒１の幅方向(図１中Ｘ方向)に移動させるＸ方向駆動モータ１３０と、このＸ方向駆動モータ１３０からの力を伝達するためのＸ方向ボールネジ１３１と、Ｘ方向の位置を決めるＸ位置測定器１３２とを備えている。
【００２６】
上記プローブ２００は、測定対象の中性子吸収体２を収納するシース４に対向して配置されており、上述したように、測定時及び中性子吸収体２の表面付着物除去時に、測定用エアシリンダ２１０によってシース４方向に駆動され、シース４の通水孔３を介して中性子吸収体２に押し付けられる。上記測定時には、内部に備えられたコイル２０１（後述）で生成した磁束を中性子吸収体２に与え、渦電流によってそのときの磁束の変化を検出することで、中性子吸収体２の健全性を検査するようになっている。図４は、このプローブ２００の内部構造を表す水平断面図である。
【００２７】
この図４において、プローブ２００は、磁束を生成するためのコイル２０１と、このコイル２０１を巻きつけるためのコイル芯２０２と、このコイル芯２０２を円柱状の中性子吸収体２に一定の強さで押し付けるためのコイルばね２０３と、上記コイル２０１の渦電流を検出するセンサ２０４と、これらコイル２０１、コイル芯２０２、コイルばね２０３、センサ２０４を収納するコイルケース２０５とを備えている。
【００２８】
上記コイル２０１は、例えばマンガニン線等の、測定環境の影響、特に温度の影響を小さくするために電気抵抗の温度依存性の小さい材料より構成されている。これにより、温度変化による外乱を低減する事が可能である。また、このコイル２０１の外径は中性子吸収体２の外径より小さくなっており、生成する磁束を細くして、測定対象である中性子吸収体２に隣接する中性子吸収体やシース４等の周りの金属物による外乱を低減できるようになっている。
【００２９】
上記コイル芯２０２は、上記コイル２０１が巻かれている部分が例えばフェライト等の磁性材料より構成されている。これにより、コイル２０１により生成される磁束を高密度にすることが可能である。また、上述したように外乱を低減するためには磁束を細くする必要があり、そのためにはこのコイル芯２０２をできるだけ細くするのが好ましいが、コイル芯を細くするほどコストが上昇して感度は低下するため、測定外乱を抑制しつつ大きめのコイル径とするのがよい。図５は、本願発明者等が行った、電気信号に対してコイル芯２０２の直径とコイル芯２０２から被測定物である中性子吸収体２以外の金属までの最短距離とが及ぼす影響の評価試験の結果を示す図である。この図５に示す結果から、次式（１）を満足すれば周りの金属物による外乱を抑制できることがわかる。
Ｄ＜１．２×Ｌ・・・・・（１）
Ｌ：プローブのコイル芯の中心と被測定物以外の金属の最小距離（ｍｍ）
Ｄ：プローブのコイル芯の直径（ｍｍ）
本実施の形態では、コイル芯２０２の直径を例えば２ｍｍ程度とすることで、上記式（１）を満たすようにしている。
【００３０】
なお、コイル芯２０２の先端部は、所定の一様な曲率を持った凸型形状となっており、プローブ２００が中性子吸収体２に押し付けられた際に、このコイル芯２０２と中性子吸収体２との接触面積が極力小さくなるようになっている。このようにして、中性子吸収体２の表面付着物の除去時にコイル芯２０２の先端を中性子吸収体２に押し当て効率よく付着物を除去できるように、且つ除去後に残存した付着物の影響を受けにくくなるように便宜が図られている。
【００３１】
上記コイルばね２０３は、プローブ２００が中性子吸収体２に押し付けられた際に、この中性子吸収体２に対してコイル芯２０２が一定の押し付け力で接触するようにダンパーの役目を果たすものである。なお、コイルばね２０３の代わりにエアダンパー等を用いてもよい。
【００３２】
上記センサ２０４には、渦電流信号ケーブル５２１（後述の図７も参照）が接続されており、この渦電流信号ケーブル５２１を介してセンサ２０４で検出したコイル２０１の渦電流信号を後述の渦電流測定装置５２０へ伝達するようになっている。
【００３３】
以上のように構成されるプローブ２００は、前述したように測定用エアシリンダ２１０によってシース４方向に駆動されるようになっている。図６は、この測定用エアシリンダ２１０の構造を表す上面図である。
この図６において、測定用エアシリンダ２１０は、アーム２１１と、このアーム２１１をシース４方向に駆動するシリンダロッド２１２を備えている。また、プローブ２００は、上記アーム２１１にプローブ固定ばね２０５を介して接続されている。このプローブ固定ばね２０５により、中性子吸収体２とプローブ２００の接触角度がずれた場合でも、プローブ固定ばね２０５の柔軟な変形により常に中性子吸収体２に対してプローブ２００を垂直に接触させることができる。なお、このプローブ固定ばね２０５の代わりに柱状又は棒状のゴムを用いてもよい。
【００３４】
図１乃至図３に戻り、前記の保護カバー７００はＬ字型断面形状のプレート部材であり、中性子吸収体２及び基準試験片５００に関する渦電流測定時に、プローブ２００がプローブ移動機構３００によって移動する範囲全体を下方から覆うように設けられている。すなわち、原子力発電所の燃料プール内では使用済燃料を冷却するために水が循環されているので、本非破壊検査を燃料プール内の上昇水流が生じる場所で行うことにより、上記保護カバー７００でプローブ２００を水流から保護し、水流によって生じる振動及び温度変動を抑制することができるようになっている。
【００３５】
前記の基準試験片５００は、中性子吸収体２の渦電流測定による健全性評価に必要なものであり、測定対象である中性子吸収体２と同一直径及び同一形状に形成され、且つ同一ロットの材料より構成されている。測定器１００は、この基準試験片５００をプローブ２００の可動範囲内に備えることにより、短時間で確実な基準測定が可能となり、効率的で高精度な渦電流測定を行うことができるようになっている。さらに、測定器１００は、基準試験片５００の前にシース４と同一板厚及び同一ロットの材料より構成され通水孔３と同等の通水孔８０１が穿設された基準シース８００を配置しており、中性子吸収体２の測定外乱と考えられる因子と同じ測定条件を基準試験片５００に再現する事により、渦電流測定結果に対する精度を向上できるようになっている。
【００３６】
以上のように構成された測定器１００は、制御棒１と共に燃料プール内に配置され、水中にて制御棒１の非破壊検査を行う。図７は、このときの様子を示す、本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態の全体概略構成を表す側面図である。
この図７に示すように、燃料プール６００内に制御棒１及び測定器１００が配置されている。また、測定器１００にプローブ２００の位置を確認するための局所カメラ４００が取り付けられ、制御棒１の検査範囲の全体を確認するための全体カメラ４０１が単独に配置されている。
【００３７】
燃料プール６００の水面上にある作業エリア６０１には、前記可動支持パッド１１０ｂ及び測定用エアシリンダ２１０を駆動するためのエア操作ユニット５００と、このエア操作ユニット５００にエアを供給するコンプレッサー５０２と、プローブ移動機構３００を駆動するためのモータユニット５１０と、渦電流を発生及び測定するための渦電流測定装置５２０と、この渦電流測定装置５２０からの信号を記録し、測定した渦電流から中性子吸収体２の水素吸収量を演算する記録演算装置５３０とが配置されている。
【００３８】
上記渦電流測定装置５２０は、渦電流の発生中はセンサ２０４の検出信号から常時渦電流の測定を行うようになっており、且つ、プローブ２００が基準試験片５００に押し付けられた際に測定した基準試験片５００の基準（零点）を用いて、センサ２０４の基準（零点）を校正する機能を有している。
【００３９】
上記記録演算装置５３０には、本願発明者等が既知量の水素濃度を添加したハフニウムの電気抵抗に相当する電気信号（ｍＶ）の測定を行って求めた水素濃度と電気信号との相関関係が、予め記憶（又は適宜入力してもよい）されている。図８はこのハフニウムの水素濃度Ｙ（ｐｐｍ）と電気抵抗に相当する電気信号Ｘ（ｍＶ）との相関関係を示す図である。記録演算装置５３０は、センサ２０４で検出され渦電流測定装置５２０で測定された渦電流の電気信号を入力し、この図８に示す相関関係に基づいて中性子吸収体２の水素濃度（水素吸収量）を求めるようになっている。
【００４０】
また、上記作業エリア６０１上の各装置（エア操作ユニット５００、コンプレッサー５０２、モータユニット５１０、渦電流測定装置５２０、記録演算装置５３０）と測定器１００とは、エア操作ユニット５００から測定器１００までエアを伝達するエアホース５０１と、モータユニット５１０からの信号を測定器１００のモータまで伝達するためのモータ信号ケーブル５１１と、渦電流測定装置５２０からの信号を測定プローブ２００に伝達しつつ、測定プローブ２００（正確にはセンサ２０４）からの渦電流信号を渦電流測定装置５２０へ伝達するための渦電流信号ケーブル５２１とにより接続されている。また、測定器１００は、作業エリア６０１からプール６００内に下ろした汎用ポール５０４により支持されると共に、制御棒１の長手方向（図７中上下方向）に移動操作されるようになっている。
【００４１】
以上において、コイル芯２０２は特許請求の範囲各項記載のコイルからの磁束密度を向上する集束手段を構成し、保護カバー７００はプローブを水流から保護する保護手段を構成し、記録演算装置５３０はプローブで検出した渦電流に基づき中性子吸収体の水素吸収量を演算する演算手段を構成する。また、測定用エアシリンダ２１０はプローブを中性子吸収体に押し付けるプローブ移動手段を構成し、汎用ポール５０４は測定器を制御棒に沿って移動させる測定器移動手段を構成し、固定用エアシリンダ１１１、固定支持パット１１０ａ、及び可動支持パット１１０ｂは測定器を制御棒に対して固定する測定器固定手段を構成する。
【００４２】
次に、上記構成の本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態の動作を図９を用いて以下に説明する。この図９は、本実施の形態の検査システムによって行われる検査手順を表すフローチャートである。
まず最初に、作業エリア６０１において、エアホース５０１、モータ信号ケーブル５１１、及び渦電流信号ケーブル５２１を測定器１００と各装置（エア操作ユニット５００、コンプレッサー５０２、モータユニット５１０、渦電流測定装置５２０、記録演算装置５３０）間で配線する（Ｓ１００）。配線が終了したら、作業エリア６０１で測定器１００の動作確認を実施する（Ｓ１１０）。その後、渦電流測定装置５２０により渦電流を発生させ、その出力を調整する（Ｓ１２０）。
【００４３】
次に、測定器１００に汎用ポール５０４を取付け、燃料プール６００に測定器１００を浸漬する。そして、測定器１００が燃料プール６００に冠水した段階で、再度測定器１００の動作確認を行う（Ｓ１３０）。この水中での動作確認が終了したら、汎用ポール５０４を次々に付け足して測定器１００をプール６００内の下方へ移動させ、予め配置されている制御棒１の測定対象部位に測定器１００を配置する。なおこのとき、予め単独で水中に挿入されている全体カメラ４０１を通して目視により概ねの測定位置を確認しながら、測定器１００の配置を行う。
【００４４】
次に、可動支持パッド１１０ｂが固定用エアシリンダ１１１により押されていない状態で、測定器１００の上・下把持フレーム１０２，１０３の溝部に制御棒１のシース４の一端が填まるように、汎用ポール５０４を介して測定器１００を配置する。シース４が完全に上・下把持フレーム１０２，１０３の溝に収まった段階で固定用エアシリンダ１１１を伸ばして可動支持パッド１１０ｂを押し、制御棒１に測定器１００を固定する（Ｓ１４０）。なお、この段階で局所カメラ４００を通して被測定物である中性子吸収体２にプローブ２００を押し当てることが可能かどうかを確認する。そして、この測定器１００に取付けられた局所カメラ４００、単独で予め挿入されている全体カメラ４０１、測定器１００に備えられた前記Ｚ位置測定器１２３、及びＸ位置測定器１３２を用いて、測定対象位置となる中性子吸収体２を見る事ができる通水孔３までプローブ２００を移動する。移動後、現状の測定器１００の取り付け状態で測定対象の中性子吸収体２の測定が可能かどうかを確認する（Ｓ１５０）。無理なようであれば、先のＳ１４０に戻り、測定器１００の固定をやり直す。
【００４５】
次に、局所カメラ４００にて目視確認しつつ、プローブ２００を中性子吸収体２に押し当て、中性子吸収体２の表面に付着した付着物の除去を行う（Ｓ１６０）。付着物が除去できるまで、Ｓ１６０を繰り返し、プローブ２００の押し当て動作を繰り返す。付着物が除去できたら、プローブ２００を基準試験片５００の位置まで移動させ、プローブ２００を基準シース８００の通水孔８０１を介して基準試験片５００に押し付けて基準（零点）測定を行い、基準（零点）の信号を記録演算装置５３０に記録する。またこのとき、渦電流測定装置５２０によって測定した基準（零点）を用いてセンサ２０４の校正を行う（Ｓ１７０）。その後、プローブ２００を再度測定対象の中性子吸収体２が見える通水孔３まで移動し、中性子吸収体２にプローブ２００を押し付けて渦電流信号を記録演算装置５３０に記録する（Ｓ１８０）。その後、再度、プローブ２００を基準試験片５００まで移動し、プローブ２００を基準試験片５００に押し付けて基準（零点）を測定し、その結果を記録演算装置５３０に記録する（Ｓ１９０）。
【００４６】
この後、記録演算装置５３０は、記録した測定前後の基準（零点）と中性子吸収体２を測定した時の渦電流信号の差を演算し、測定前の出力調整結果と比較して、中性子吸収体２の水素吸収量を演算する。この水素吸収量より、中性子吸収体２の体積変化及び材料強度等の材料特性を推測し、中性子吸収体２の健全性を評価する（Ｓ２００）。同一制御棒１において他の中性子吸収体２についても測定を行う場合には、先のＳ１７０に戻り上記の作業を繰返す。このようにして制御棒１に対しての測定が終了したら、測定器１００を燃料プール６００から引上げ、作業エリア６０１で測定前後の渦電流出力に差が無い事を確認して（Ｓ２２０）一連の手順を終了する。
【００４７】
次に、前述のように構成され上述の動作を行う本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態の作用を以下に説明する。
（１）渦電流測定を行うことによる検査の簡便性及び検査精度の向上作用
本実施の形態においては、水中において、コイル２０２で生成した磁束を中性子吸収体２に与え、このときのコイル２０２の渦電流を渦電流測定装置５２０で測定し、この測定した渦電流に基づいて、記録演算装置５３０で中性子吸収体２の水素吸収量を演算する。このようにして、この演算された水素吸収量から中性子吸収体２の体積変化及び材料強度等の材料特性についても推測することができる。これにより、前述した従来技術のように目視又は超音波によって外観検査のみを行う場合に比べ、中性子吸収体２の材料特性をも含めたより精度の高い健全性に関わるデータを得ることができる。また、その結果、中性子吸収体の材料特性等を検査するためには制御棒を分解してシースより中性子吸収体を取り出し、ホットラボ等の検査施設に輸送後、切断、研磨等を行い検査試料の準備をした上で検査を行う必要があった従来と比べ、本実施の形態によればこのような一連の作業を要さずに材料特性を検査することができる。したがって、本実施の形態の原子炉制御棒の検査システムによれば、中性子吸収体２の健全性を簡便且つ精度良く検査することができる。
【００４８】
（２）コイル芯の材質及び形状による検査精度の向上作用
一般に、渦電流測定を行って材料の健全性の検査を行う場合、被測定物付近に存在する金属によって、磁束に乱れが生じ渦電流の測定精度が低下する可能性がある。すなわち、本実施の形態の場合には、測定対象である中性子吸収体２に隣接する中性子吸収体や、中性子吸収体２を覆うシース４が上記測定外乱の原因となり得る。このような測定外乱は、被測定物である中性子吸収体２に与える磁束を高密度に集束させ、中性子吸収体２からの磁束の漏れを減少させることで抑制することができる。
【００４９】
そこで本実施の形態においては、コイル芯２０２をフェライト等の磁場を集束する能力を有する磁性材料により構成する。これにより、コイル２０１により生成される磁束を高密度にすることができる。さらに本実施の形態においては、コイル芯２０２の直径を、前述した式（１）の条件を満たすように、例えば２ｍｍ程度とする。これにより、コストの上昇及び感度の低下を抑制しつつ測定外乱を低減することができる。したがって、センサ２０４による渦電流の検出精度を向上することができるので、中性子吸収体２の健全性の検査精度をさらに向上することができる。
【００５０】
（３）プローブの振動を防止することによる検査精度の向上作用
本実施の形態においては、原子力発電所の燃料プール６００内で測定器１００を用いて中性子吸収体２の測定を行うが、通常、この燃料プール６００内においては使用済燃料を冷却するために水が循環されている。したがって、この水流によるプローブ２００の振動が測定外乱の原因となり得る。
【００５１】
そこで本実施の形態によれば、中性子吸収体２及び基準試験片５００の測定時にプローブ２００がプローブ移動機構３００によって移動する範囲全体を下方から覆うように、保護カバー７００を設ける。すなわち、プローブ２００による測定を燃料プール内の上昇水流が生じる場所で行うことにより、上記保護カバー７００でプローブ２００を水流から保護し、水流によって生じる振動を抑制することができる。さらに、金属の電気抵抗は温度依存性を有することから測定対象である中性子吸収体２やプローブ２００、及びその周辺の温度変化も測定外乱の原因となり得るが、この保護カバー７００によってプローブ２００への水流を遮断することで測定時の温度変化についても抑制することができる。したがって、プローブ２００による渦電流の検出精度を向上することができるので、中性子吸収体２の健全性の検査精度をさらに向上することができる。しかも、本実施の形態によれば、このような検査精度の向上作用を保護カバーという設計及び製作が比較的容易な部材によって、容易に得ることができる。
【００５２】
さらに、水流による振動を抑制する手段としては、例えばプローブ２００を中性子吸収体２に強く押し付けるような構造も考えられるが、本実施の形態によれば、この場合に生じうる押し付け力によるプローブ先端の破損、又は中性子吸収体２の付着物が突き刺さることによるプローブ先端の破損等を、回避することができる。
【００５３】
（４）中性子吸収体の表面付着物の除去による検査精度の低下の抑制作用
一般に、制御棒１に備えられる中性子吸収体２の表面には、原子炉運転中に付着物が付着し、その付着物が堆積することがある。そこで本実施の形態においては、プローブ２００の先端（正確にはコイル芯２０２の先端）を中性子吸収体２の表面に複数回に渡って押し当てることで、上記中性子吸収体２に付着した付着物の除去を行う。このようにして付着物を除去した上で、プローブ２００で中性子吸収体２に磁束を与えてそのときの渦電流の検出を行うので、付着物の堆積による渦電流の検出精度の低下を抑制することができる。したがって、中性子吸収体２の健全性の検査精度の低下を抑制することができる。さらに、このようにしてプローブ２００の先端を押し当てることで付着物を除去する場合、測定対象である中性子吸収体２のうち測定対象箇所となる微小領域についてのみ付着物を除去することが可能となる。したがって、例えば燃料プール６００内で中性子吸収体２の表面全体について専用ブラシ又は流水等により付着物を除去する場合に比べ、プール水の汚染を抑制することができ、これにより燃料プール６００付近で働く作業者の被曝を低減することができる。しかも、本実施の形態によればこのようにしてプローブ２００の先端を押し当てることで中性子吸収体２の表面の付着物の除去を行うので、付着物を除去するための除去装置を新たに設計・製作する必要がなく、安価に付着物除去による検査精度の低下の抑制作用を得ることができる。
【００５４】
なお、本実施の形態のようにプローブ２００の先端を押し当てることで付着物の除去を行う場合、プローブ２００の先端が磨耗し、その結果渦電流の検出精度が低下することが考えられる。そこで本実施の形態においては、測定器１００に基準試験片５００を備え、プローブ２００の押し当てによる付着物除去を終えた後に、基準試験片５００を用いてセンサ２０４の基準点（零点）校正を行い、その上で中性子吸収体２の検査測定を行う。これにより、プローブ２００の先端の磨耗による渦電流検出精度の低下を抑制することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、水中で、コイルで生成した磁束を中性子吸収体に与え、このときのコイルの渦電流をプローブで検出し、このプローブで検出した渦電流に基づいて演算手段で中性子吸収体の水素吸収量を演算する。これにより、この演算された水素吸収量から中性子吸収体の体積変化及び材料強度等を推測することが可能であり、中性子吸収体の材料特性をも含めた精度の高い健全性に関わるデータを得ることができる。またこの結果、材料特性を検査するために検査施設で詳細な検査を行うことも不要となる。したがって、本発明によれば、中性子吸収体の健全性を簡便且つ精度良く検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成する測定器の全体構造を表す側面図である。
【図２】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成する測定器の図１中矢印Ａ方向から見た矢視正面図である。
【図３】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成する測定器の全体構造を表す上面図である。
【図４】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成するプローブの内部構造を表す水平断面図である。
【図５】本願発明者等が行った、電気信号に対してコイル直径とコイル芯から被測定物以外の金属までの最短距離とが及ぼす影響の評価試験の結果を示す図である。
【図６】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態を構成する測定用エアシリンダの構造を表す上面図である。
【図７】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態の全体概略構成を表す側面図である。
【図８】ハフニウムの水素濃度と電気抵抗に相当する電気信号との相関関係を示す図である。
【図９】本発明の原子炉制御棒の検査システムの一実施の形態によって行われる検査手順を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１ 制御棒
２ 中性子吸収体
３ 通水孔
４ シース
１００ 測定器
１１０ａ 固定支持パッド（測定器固定手段）
１１０ｂ 可動支持パッド（測定器固定手段）
１１１ 固定用エアシリンダ（測定器固定手段）
２００ プローブ
２０１ コイル
２０２ コイル芯（集束手段）
２１０ 測定用エアシリンダ（プローブ移動手段）
５００ 基準試験片
５０４ 汎用ポール（測定器移動手段）
５３０ 記録演算装置（演算手段）
７００ 保護カバー（保護手段）
Claims (9)
- 沸騰水型原子炉に設けられ中性子吸収体を備えた制御棒の非破壊検査を水中で行う原子炉制御棒の検査システムにおいて、
磁束を生成するためのコイル、及びこのコイルからの磁束密度を向上する集束手段を有し、前記コイルの渦電流を検出するプローブと、
このプローブを水流から保護する保護手段と、
前記プローブによる渦電流検出の校正用の基準試験片と、
前記プローブで検出した渦電流に基づき前記中性子吸収体の水素吸収量を演算する演算手段とを有することを特徴とする原子炉制御棒の検査システム。 - 請求項１記載の原子炉制御棒の検査システムにおいて、前記プローブを前記中性子吸収体に押し付けるプローブ移動手段を備えることを特徴とする原子炉制御棒の検査システム。
- 請求項２記載の原子炉制御棒の検査システムにおいて、前記プローブ、前記プローブ移動手段、前記保護手段、及び前記基準試験片を備えた測定器と、この測定器を前記制御棒に沿って移動させる測定器移動手段と、前記制御棒を把持することで前記測定器を前記制御棒に対して固定する測定器固定手段とを有することを特徴とする原子炉制御棒の検査システム。
- 請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉制御棒の検査システムにおいて、前記制御棒は、複数の通水孔が穿設され、ハフニウムを主成分とする複数の前記中性子吸収体を収納したシースを備えていることを特徴とする原子炉制御棒の検査システム。
- 請求項１乃至３のいずれか１項記載の原子炉制御棒の検査システムにおいて、前記集束手段はフェライトより構成され、前記コイルが巻きつけられる芯であることを特徴とする原子炉制御棒の検査システム。
- 請求項１乃至３記載の原子炉制御棒の検査システムにおいて、前記集束手段は、その直径が前記プローブの中心と前記プローブを押し付けられた中性子吸収体以外の金属との最小距離の１．２倍より小さくなるように構成された芯であることを特徴とする原子炉制御棒の検査システム。
- 沸騰水型原子炉に使用される制御棒の中性子吸収体の表面に渦電流検出用のプローブを押し当てて中性子吸収体に付着した付着物を除去する第１の手順と、
前記プローブを基準片に押し付けて渦電流の基準測定を行う第２の手順と、
前記プローブを前記中性子吸収体に押し付けて渦電流を測定する第３の手順と、
再度プローブを基準片に押し付けて渦電流の基準測定を行う第４の手順と、
前記第２乃至第４の手順における渦電流の測定結果に基づき前記中性子吸収体の水素吸収量を演算する第５の手順とを備えることを特徴とする原子炉制御棒の検査方法。 - 請求項７記載の原子炉制御棒の検査方法において、前記プローブとして、磁束を生成するためのコイル、及びこのコイルからの磁束密度を向上する集束手段を備えたものを用いることを特徴とする原子炉制御棒の検査方法。
- 請求項７記載の原子炉制御棒の検査方法において、前記第２乃至第４の手順は、保護手段で前記プローブを水流から保護しつつ行うことを特徴とする原子炉制御棒の検査方法。
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