JP3871912B2

JP3871912B2 - 内圧クリープ破断検出方法

Info

Publication number: JP3871912B2
Application number: JP2001317997A
Authority: JP
Inventors: 政敏揃
Original assignee: 核燃料サイクル開発機構
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: JP2003121589A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体冷却材を使用する原子炉内で内圧クリープ破断強度試験を行う際に試験片の破断を検出する方法に関し、更に詳しく述べると、内圧封入型の試験片が破断した際に、周りの液体中にガスが放出されボイド（泡）となることにより熱伝導率が変化し特異な温度変化が生じることを利用し、それによりクリープ破断の発生を判定する内圧クリープ破断検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高速実験炉「常陽」では、原子炉等で使用する材料の研究開発の一環として、高温の放射線環境下における液体冷却材中での材料のクリープ破断強度試験が行われている。この試験では、高圧ガスを封入した円筒状の試験片を照射キャプセル内に収納し、それを原子炉内に挿入して、放射線環境下の液体中で試験片が破断するまでの時間を測定する。
【０００３】
従って、この内圧クリープ破断強度試験では、試験片がいつ破断したかを正確に検出することが重要である。従来技術としては、破断時に発生するボイドを直接検出する方法がある（特開平９−１４５８９１号公報参照）。ここでは、照射キャプセルの冷却材出口管の出口直上にボイド計センサを取り付け、このボイド計センサの出力信号に基づいてボイドが発生したことを検出するボイド検出回路を設けている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなボイドを直接検出する方法では、破断検出のためにボイド計センサやボイド検出回路等の機器類を多く付設する必要があるため、検出システムが高価となる問題がある。
【０００５】
また、この方法は、ボイド計センサにボイドが確実に接触することによって検出可能なものであるが、ボイドをボイド計センサに確実に接触させることは困難であり、ボイドの大きさに原理的に左右されやすいなど信頼性が必ずしも高くない。例えば、試験片の内封ガスが短時間に放出され多量のボイドが短時間に発生するような破断形態の場合には検出精度が高い。しかし、試験片の内封ガスがピンホールやヘアクラックと呼ばれる微小破損孔から徐々に漏洩し、ガス放出が数十分〜数時間にもわたるような破断形態の場合には、ボイドを検出できなかったり、検出できないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、既存の温度計測システムの有効利用を図ることにより、システムを単純化でき、しかも安価に構成できる内圧クリープ破断検出方法を提供することである。本発明の他の目的は、破断形態にかかわらず、破断検出の信頼性を大幅に向上できる内圧クリープ破断検出方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高圧ガスを封入した筒状の試験片を照射キャプセル内に配置し、その照射キャプセルを、液体冷却材を使用する原子炉内に挿入して内圧クリープ破断強度試験を行う際のクリープ破断検出方法である。内圧封入型の試験片が破断すると、封入されていた高圧ガスが、照射キャプセル内の液体冷却材中に放出され、ボイド（泡）となる。このボイドが照射キャプセル内に生じると、熱伝導率は、それまでの液体冷却材の熱伝導率にガスの熱伝導率をあわせたものに変化するため、結果として照射キャプセル温度の変化となって現れる。本発明は、このような現象を利用するものであり、温度センサにより温度変動を計測することでクリープ破断判定を行うものである。
【０００８】
具体的には、例えば、照射キャプセル内に装填されている温度センサからの温度信号を検出し、通常時の温度揺らぎ幅の上下に設けた上限設定値又は下限設定値を超えて明らかな温度変動が生じたときに、それをもってクリープ破断が発生したと判定する。あるいは、照射キャプセル内に装填されている温度センサからの温度信号を一定周期で検出し、温度の予測線の上下に温度揺らぎ幅を考慮して設けた上限設定値又は下限設定値を超えた回数を計数し、一定経過時間内の計数値が設定回数を超えて温度変動が生じたときに、それをもってクリープ破断が発生したと判定する。
【０００９】
温度センサとしては、通常、シース型の熱電対を使用する。照射キャプセル内には、その温度を計測するために以前から熱電対が装填されている。本発明の内圧クリープ破断検出方法では、その熱電対をそのまま利用することができる。また、検出感度を上げるために、装填済みの熱電対の他に熱電対を照射キャプセル内に分散装填して複数化することも有効である。
【００１０】
【実施例】
内圧クリープ破断検出装置を装着した原子炉断面を模式的に図１のＡに示し、原子炉に挿入する照射装置の試料部の構造を図１のＢに示す。原子炉（ここでは高速増殖炉）１０は、原子炉容器１２内に炉心１４を設置し、充填されている液体冷却材１６が配管によって循環するような構造である。炉心１４は、六角管状の燃料集合体や制御棒集合体などの炉心構成要素が多数配列されて構成されている。液体冷却材としては液体ナトリウムを使用しており、その液面はアルゴンガスなどのカバーガスで覆われている。原子炉容器１２の上部開口には蓋体１８が取り付けられている。蓋体１８は、遮蔽プラグ１８ａと回転プラグ１８ｂの組み合わせからなり、該回転プラグ１８ｂに炉心上部機構２０が搭載されている。
【００１１】
炉心上部機構２０には長尺円筒状の照射装置本体２２が装着されている。照射装置本体２２は、駆動部２４、保持部２６、試料部２８等からなり、該試料部２８を炉心１４に挿入できるようになっている。そして、試料部２８には複数の照射キャプセル３０が装填される（図１のＢ参照）。
【００１２】
照射キャプセルの縦断面を図２のＡに、横断面（ｘ−ｘ断面）を図２のＢに示す。照射キャプセル３０は、内筒３２及び外筒３４からなる二重壁構造の円筒容器を有し、その上下にはそれぞれ上部ガス室３６及び下部ガス室３８が設けられている。円筒容器の二重壁の間には温度制御用のガスが出し入れできるようになっており、下部ガス室３８の下側にはガスを入れるための温度制御用ガス入口管４０が取り付けられ、二重壁上部の外筒３４にはガスを排出するための温度制御用ガス出口管４２が取り付けられている。原子炉内に照射キャプセル３０を挿入して照射試験を行う場合、炉心１４から出てくるガンマ線による照射キャプセルなどのガンマ発熱を利用している。照射キャプセル３０の温度調節は、二重壁構造内のガスの濃度（例えばアルゴンガスとヘリウムガスの混合比）を変更することによって、照射キャプセルからの熱の移動を調節することで行う。なお、上部ガス室３６と下部ガス室３８は、照射キャプセル３０の上下方向への熱の移動を抑制して、内筒３２内の軸方向の温度差を小さくする機能を果たしている。
【００１３】
内筒３２内には、多数の試験片４４と、それらを収納するバスケット４６、該バスケット４６を所定の位置に保持すると共に温度測定用のシース型熱電対４８を収納するための心棒５０、バスケット４６を固定するためのストッパ５２等が設けられている。更に内筒３２内では、原子炉内の冷却材と同じ液体ナトリウムが、ナトリウム入口管５４から入り、上部のナトリウム出口管５６から流出するようになっている。
【００１４】
図１のＡに戻って、照射キャプセル３０に取り付けられている熱電対４８の計測線５８、及び温度制御用ガス入口管や温度制御用ガス出口管等の配管６０は、試料部２８から保持部２６、駆動部２４を経由して外部に引き出され、データ収集装置６２や判定回路６４、及び温度制御用ガス設備６６に接続されている。
【００１５】
試験片４４は、図２のＣに示すように、円筒状の被検材料７０の両端に端栓７２，７４を取り付けて、その内部に高圧ガス（例えば最高数百気圧）を封入したものである。同一の照射キャプセル３０には同一材料の試験片４４を収納し、試験片４４の各々が破断の予測誤差を上回る十分な時間間隔をおいて順番に破断するように準備する。そして、原子炉内に挿入して照射試験を行う。
【００１６】
照射キャプセル３０内で試験片４４のクリープ破断が生じた場合、試験片４４内の高圧ガスが放出されボイドとなって内筒３２内の液体ナトリウム中に入り、上部のナトリウム出口管５６から液体ナトリウムと一緒に照射キャプセル３０の外に流出していく。ボイドが内筒３２内の液体ナトリウムに入ると、それまでの熱伝導と異なるガスの熱伝導が加わるために熱の移動が悪くなる。照射キャプセル自体のガンマ発熱量は、原子炉出力が一定であれば変化しないことから、内筒３２内にボイドが発生して熱の移動が悪くなると内筒３２内の温度は上昇し、ボイドが排出されると液体ナトリウムのみの熱伝導に戻るため温度が下がる現象が見られる。この現象を利用すると、温度の変動が発生したことでボイドの発生を検出することができる。
【００１７】
そこで、照射キャプセル３０内に装填されている熱電対４８からの温度信号を検出し、ボイドが発生していない状態での温度変動と、ボイドが発生した場合の温度変動を比べ、後者が前者に比べて大きい場合にボイド発生と判断する。判定方法の一例を図３に示す。通常時の温度揺らぎ幅の上下に上限設定値及び下限設定値を設け、上限設定値又は下限設定値を超えて温度変動が生じたときに、それをもってクリープ破断が発生したと判定する。即ち、
温度変動幅≦設定幅（上限設定値−下限設定値）のときは「ボイド無し」
温度変動幅＞設定幅（上限設定値−下限設定値）のときは「ボイド発生」
と判定するのである。図３においては、前半は通常時の温度変動を示しており、後半の温度変動部分が破断と判定した状態を示している。この場合、原子炉出力の変動や温度制御動作による温度の変動については、それを勘案して除外する。また、ノイズによる誤判定を防止するために、温度信号にフィルタを組み込むことによって信頼性を増大させることができる。
【００１８】
高速実験炉「常陽」での測定では、通常時の照射キャプセル温度の揺らぎの幅は、平均的に１℃程度である。上限設定値及び下限設定値は、現在の照射キャプセル温度が、ある時間経過した場合に変化するであろう温度の予測線を作成し、その温度予測線の上下に設定する。具体的には、例えば温度揺らぎの幅が１℃あった場合、温度予測線に対して上下に揺らぎ幅の半分に若干の上乗せを行って設定する方法がある。「常陽」のような実験用の原子炉では出力調整を一日に数回一定の間隔で行うため、出力調整から次の出力調整の間は出力が徐々に変化し、これに伴って照射キャプセル内の温度も変化することから、この温度変化を予測して温度の予測線を作成する。作成した温度の予測線は、その後に得られる照射キャプセルの温度データを用いて随時予測を行い、先に作成した予測線を補正していく。
【００１９】
このような判定方法では、設定値によっては、ノイズや単発的な揺らぎでも破断と判断する「過剰な判定」が発生することがある。そのような場合には、図４に示す判定方法が有効である。即ち、照射キャプセル３０内に装填されている熱電対４８からの温度信号を一定周期（例えば１分間隔）で検出し、温度の予測線の上下に温度揺らぎ幅を考慮して設けた上限設定値又は下限設定値を超えた回数を計数する。そして、一定経過時間Ｔ内の計数値ｎが特定の設定回数Ｎを超えて温度変動が生じたときに、それをもってボイド発生（即ち、クリープ破断が発生した）と判定する方法である。図４では、前半はボイド無し、後半はボイド発生と判定されている。
【００２０】
図５のＡは、高速実験炉「常陽」において内圧クリープ破断試験時に、クリープ破断によりボイドが放出された時の照射キャプセル温度の時系列データ例を示したものである。同図の中央付近で１時間以上にわたって測定温度が大きく変動している箇所がボイド発生によるもので、それ以前の温度変動よりも大きいことが分かる。因みに、破断した試験片には約３５cc（０℃換算）のガスが封入されていた。このような温度の揺らぎの場合には、従来のボイド計センサによる方法ではボイド検出はできていない。
【００２１】
このような場合には図５のＢに示すように、温度の予測線とその上下に判定用の設定値（ここでは温度の予測線±０．５℃を上限設定値と下限設定値とした）を設ける。このようにすると、ボイド判定用の上下の設定値を超える箇所が明確になり、ボイド発生箇所とそれ以外の箇所では、上下限の設定値を超える箇所の数が明らかに異なることが分かる。更に、この超えた箇所の数を一定時間間隔Ｔで数えて、その数ｎが設定回数Ｎを超えた場合に破断と判断すれば、ボイド発生箇所以外の箇所においてノイズ等で誤った判定を下すことも無くなる。
【００２２】
ところで上記の実施例では、図２に示すように、熱電対は心棒の長さ方向のほぼ中央に位置していることから、もし、それより上側でクリープ破断が発生した場合はボイド検出を行い難いことも予想される。この場合、検出感度を上げるために、心棒の長さ方向中央の既設の熱電対以外に、心棒の上部に別の熱電対を設置してもよい。更に、ボイドの検出感度を上げる方法としては、別の熱電対を内筒とバスケットの間の液体ナトリウムの中に設置する方法もある。
【００２３】
照射キャプセル内における熱電対の設置状況の例を図６に示す。照射キャプセルの基本的な構成は図２と同様なので、対応する部分に同一符号を付し、それらについての説明は省略する。図６のＡは、心棒５０の内部の孔を深くし、従来の中央に位置する熱電対４８の他に、その上部深くまで熱電対８０を挿入した例である。図６のＢは、照射キャプセル内の液体ナトリウム中に別の熱電対８２を配置するもので、ここでは内筒３２とバスケット４６の間で試験片４４の配置された任意の位置に１本又は複数本（図６のＢでは１本のみ描いてある）配置した例である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上記のように、既存の温度計測システムをそのまま利用することで対応できるため、システムを単純化でき、且つ安価に構成できる。また、試験片の内封ガスが微小破損孔から徐々に漏洩し、ガス放出が数時間にもわたるような破断形態の場合でも、内圧クリープ破断を確実に検出できるため、破断検出の信頼性を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するための原子炉とその照射装置の試料部の説明図。
【図２】照射キャプセルと試験片の説明図。
【図３】ボイド検出方法の一例を示すグラフ。
【図４】ボイド検出方法の他の例を示すグラフ。
【図５】ボイド発生時の温度変動の実測例とボイド検出方法の実際例を示すグラフ。
【図６】照射キャプセルの他の例を示す説明図。
【符号の説明】
３０照射キャプセル
３２内筒
３４外筒
３６上部ガス室
３８下部ガス室
４０温度制御用ガス入口管
４２温度制御用ガス出口管
４４試験片
４６バスケット
４８熱電対
５０心棒
５４ナトリウム入口管
５６ナトリウム出口管

Claims

高圧ガスを封入した筒状の試験片を照射キャプセル内に収納し、その照射キャプセルを、液体冷却材を使用する原子炉内に挿入して内圧クリープ破断強度試験を行う方法において、
照射キャプセル内に装填されている温度センサからの温度信号を検出し、通常時の温度揺らぎ幅の上下に設けた上限設定値又は下限設定値を超えて温度変動が生じたときに、それをもってクリープ破断が発生したと判定することを特徴とする内圧クリープ破断検出方法。
高圧ガスを封入した筒状の試験片を照射キャプセル内に配置し、その照射キャプセルを、液体冷却材を使用する原子炉内に挿入して内圧クリープ破断強度試験を行う方法において、
照射キャプセル内に装填されている温度センサからの温度信号を一定周期で検出し、温度の予測線の上下に温度揺らぎ幅を考慮して設けた上限設定値又は下限設定値を超えた回数を計数し、一定経過時間内の計数値が設定回数を超えて温度変動が生じたときに、それをもってクリープ破断が発生したと判定することを特徴とする内圧クリープ破断検出方法。
温度センサとしてシース型の熱電対を使用し、複数の熱電対を照射キャプセル内に分散装填して、照射キャプセル内の異なる位置での温度を検出する請求項２記載の内圧クリープ破断検出方法。
熱電対の１個以上を照射キャプセル内の液体冷却材中に装填する請求項３記載の内圧クリープ破断検出方法。