JP3981103B2 - Nuclear fuel rod inspection equipment - Google Patents
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Description
本発明は、原子力発電プラントに使用されている核燃料棒の検査装置および検査方法に関する。 The present invention relates to a nuclear fuel rod inspection apparatus and method used in a nuclear power plant.
従来、動力炉に用いられている核燃料の大部分はセラミックス燃料である。特に軽水炉燃料としては、酸化ウランを用いた酸化物燃料が用いられている。この酸化物燃料は、焼結した円柱状のペレットに成型し、このペレットをジルカロイまたはステンレス鋼製被覆管内に積層して装填し、不活性ガスを充填し、被覆管の両端に端栓を溶接して核燃料棒としている。 Conventionally, the majority of nuclear fuel used in power reactors is ceramic fuel. In particular, as a light water reactor fuel, an oxide fuel using uranium oxide is used. This oxide fuel is molded into sintered cylindrical pellets, this pellet is stacked and loaded in a Zircaloy or stainless steel cladding tube, filled with inert gas, and end plugs are welded to both ends of the cladding tube. It is used as a nuclear fuel rod.
成型されたペレットの代わりに高密度の顆粒燃料を被覆管内に振動により充填する方法も開示されている。(例えば特公昭44-22998号公報および特公昭49-27916号公報)しかし、実用化はされていない。 There is also disclosed a method in which a high density granular fuel is filled in a cladding tube by vibration instead of a molded pellet. (For example, Japanese Patent Publication No. 44-22998 and Japanese Patent Publication No. 49-27916) However, it has not been put into practical use.
特に、軽水炉では負荷追従等の条件が厳しいため、同一の燃料体であっても上部と下部で濃縮度の異なるペレットを充填したり可燃性中性子吸収材であるガドリニア(Gd2 O3 )を混入させたりする方法がとられている。 Especially in light water reactors, conditions such as load following are severe, so even with the same fuel body, pellets with different enrichments are filled in the upper and lower parts, or gadolinia (Gd2 O3), a combustible neutron absorber, is mixed. The way to do it is taken.
そのため、一個一個のペレットで管理されており燃料を組み立てているのが現状である。これら核燃料棒の長さ方向の密度分布測定方法としては、γ線によるスキャニング方法がとられている。 Therefore, the present situation is that the fuel is assembled by managing the pellets one by one. As a method of measuring the density distribution in the length direction of these nuclear fuel rods, a scanning method using γ rays is employed.
従来の焼結した円柱状ペレットのセラミックス燃料に対して、高密度の顆粒燃料を被覆管内に振動により充填する方法は、次の点で優れている。
(1) 製造工程が少なく、ホットセルにおける遠隔自動化が容易である。
(2) 顆粒燃料の配合により燃料中の成分を容易に変更でき、複雑な組成も調整が容易である。
(3) 被覆管と顆粒燃料の熱,機械的相互作用がペレット燃料に比べて少ない。
The conventional method of filling a high density granular fuel into a cladding tube by vibration with respect to a ceramic fuel of a sintered cylindrical pellet is excellent in the following points.
(1) There are few manufacturing processes and remote automation in the hot cell is easy.
(2) The composition of the fuel can be easily changed by blending the granular fuel, and the complex composition can be easily adjusted.
(3) The heat and mechanical interaction between the cladding tube and granular fuel is less than that of pellet fuel.
これら顆粒燃料の粒子の製造方法としてはゾルゲル法や、六フッ化ウラン(UF6 )と水蒸気を高温で反応させ二酸化ウラン(UO2 )の微粒子のまわりにUO2 として被覆成長させる方法などが知られている。 As a method for producing these granular fuel particles, there are known a sol-gel method, a method in which uranium hexafluoride (UF6) and water vapor are reacted at a high temperature to coat and grow UO2 around fine particles of uranium dioxide (UO2). .
しかしながら、従来の振動充填方法の場合には、被覆管内に一個一個のペレットを詰めた核燃料棒と異なり軸方向に境目がないため、上下軸方向の細かい濃縮度の調整や密度分布の調整が困難であり、また、軸方向の分布や密度分布がどのようになっているかの確認が困難な課題がある。 However, in the case of the conventional vibration filling method, there is no boundary in the axial direction unlike the nuclear fuel rods in which the pellets are packed one by one in the cladding tube, so it is difficult to adjust the fine concentration in the vertical axis direction and the density distribution. In addition, there is a problem that it is difficult to confirm the distribution in the axial direction and the density distribution.
さらに、核燃料物質として再処理した燃料を使用した場合、その燃料中に高レベルのγ線核種が含まれる場合には、従来のγ線スキャニングによる核燃料棒の検査方法では測定が困難となる課題がある。 Furthermore, when a reprocessed fuel is used as a nuclear fuel material, if the fuel contains a high level of γ-ray nuclides, there is a problem that it is difficult to measure with the conventional method for inspecting nuclear fuel rods by γ-ray scanning. is there.
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、従来顆粒燃料を用いた場合に測定が困難であった燃料の濃縮度分布や密度分布ならびに中性子吸収材の分布状態等を中性子線を用いてその透過線の分布から測定できるようにして、しかも一本だけでなく多数本の核燃料棒を同時に分布測定できるようにした核燃料棒の検査装置および検査方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the concentration concentration and density distribution of the fuel and the distribution state of the neutron absorbing material, etc., which have been difficult to measure when the conventional granular fuel is used, are determined using neutron beams. It is an object of the present invention to provide a nuclear fuel rod inspection apparatus and inspection method that can measure from the distribution of transmission lines and can simultaneously measure distribution of not only one nuclear fuel rod but also many nuclear fuel rods.
請求項1に係る発明は、放射線を遮蔽する遮蔽材で構成された検査装置本体と、顆粒混合燃料領域と混合セラミックス燃料体が交互に充填された被検査燃料棒と、この検査装置本体内に収納した中性子源と、この中性子源の上方に設けられた減速材と、これら減速材と中性子源とを包囲して設けられた反射材と、前記減速材の上方に設けられたコリメータと、このコリメータの上方に移動可能に設けられた前記被検査燃料棒の上方に設けられて中性子によって放射化するコンバータスクリーンと、このコンバータスクリーンから放射される放射線を受けて発光する蛍光スクリーンと、この蛍光スクリーンの光を観察するカメラと、蛍光スクリーンおよびカメラを保持する箱型のガンマ線遮蔽材と、このガンマ線遮蔽材を上下方向に駆動する蛍光スクリーン密着機構とを有し、前記蛍光スクリーンは前記ガンマ線遮蔽材の下面に設けられて前記蛍光スクリーン密着機構により前記コンバータスクリーンに密着可能な構成としたことを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, there is provided an inspection apparatus body composed of a shielding material for shielding radiation, a fuel rod to be inspected alternately filled with a granule mixed fuel region and a mixed ceramic fuel body, A stored neutron source, a moderator provided above the neutron source, a reflector provided surrounding the moderator and the neutron source, a collimator provided above the moderator, and A converter screen provided above the inspected fuel rod provided movably above the collimator and activated by neutrons, a phosphor screen that emits light upon receiving radiation emitted from the converter screen, and the phosphor screen A gamma-ray shielding material that holds the fluorescent screen and the camera, and a fluorescent that drives the gamma-ray shielding material in the vertical direction. And a screen contact mechanism, the fluorescent screen is characterized in that the adherable configuration to said converter screen by the gamma ray provided on the lower surface of the shielding material the fluorescent screen adhesion mechanism.
請求項1の発明によれば、再処理して超ウラン元素を含む燃料要素を用いることを想定して燃料棒自身から放出する中性子をバックグランドとして考慮し、外部からコリメートした中性子線を照射して透過量を二次元で検出しβ線を測定して燃料棒の充填密度分布ならびに中性子吸収材の分布を測定することができる。 According to the first aspect of the present invention, the neutron emitted from the fuel rod itself is considered as a background on the assumption that the fuel element containing the transuranium element is used after reprocessing, and the collimated neutron beam is irradiated from the outside. Then, the amount of permeation can be detected two-dimensionally and β-rays can be measured to measure the fuel rod packing density distribution and the neutron absorber distribution.
本発明に係る核燃料棒の検査装置および検査方法によれば、核燃料棒を製造する場合、所定の領域まで理論通り燃料が充填されているか否かを密度分布や中性子吸収材の分布状態を中性子線を用いてその透過線の分布から測定できるようにしている。したがって、従来顆粒燃料を用いた場合に観測することが困難であった燃料の濃縮度分布や密度分布ならびに中性子吸収材の分布を簡単にしかも一本だけでなく多数本同時に分布計測可能となる。 According to the nuclear fuel rod inspection apparatus and inspection method of the present invention, when manufacturing nuclear fuel rods, the density distribution and the distribution state of the neutron absorber are determined according to theory whether or not the fuel is filled up to a predetermined region. Can be measured from the distribution of the transmission lines. Therefore, it is possible to measure the concentration distribution and density distribution of the fuel and the distribution of the neutron absorbers, which are difficult to observe when using the granular fuel in the past, in addition to a single one and a large number of them simultaneously.
図1から図3により本発明の実施の形態に係る核燃料棒を説明する。
図1(a)は本実施の形態に係る核燃料棒と、その製造方法を説明するために核燃料棒の一部切欠して断面で示す斜視図で、図1(b)は図1(a)のA部を拡大して示している。図2は図1における混合セラミックス燃料体の他の4例を示しており、図3は図1(a)における核燃料棒の上部を示している。
A nuclear fuel rod according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 (a) is a perspective view showing a nuclear fuel rod according to the present embodiment and a cross-sectional view of the nuclear fuel rod partially cut away to explain the manufacturing method thereof, and FIG. The A section of FIG. FIG. 2 shows four other examples of the mixed ceramic fuel body in FIG. 1, and FIG. 3 shows the upper part of the nuclear fuel rod in FIG. 1 (a).
図1(a)において、符号1は被覆管で、この被覆管1の下端部は下部端栓2により封止されており、被覆管1内に振動充填法により第1の顆粒混合燃料領域3-1 が充填され、この第1の顆粒混合燃料領域3-1 の上部に第1の混合セラミックス燃料領域4-1 の混合セラミックス燃料体4が装填されている。この混合セラミックス燃料体4(4-1 で示す)上には振動充填法により第2の顆粒混合領域3-2 が充填され、この第2の顆粒混合領域3-2 の上部に第2の混合セラミックス燃料領域4-n の混合セラミックス燃料体4が装填されている。
In FIG. 1 (a),
このように被覆管1内には顆粒混合領域 3-1〜nと混合セラミックス燃料領域 4-1〜nとが交互に繰り返して配列され、被覆管1の上部には第nの顆粒混合燃料領域3-n と第nの混合セラミックス燃料領域4-n が位置している。
Thus, the granule mixing region 3-1 to n and the mixed ceramic fuel region 4-1 to n are alternately and repeatedly arranged in the
顆粒混合領域 3-1〜nを被覆管1内に充填する場合には核燃料ノズル5,非核燃料ノズル6,中性子吸収材ノズル7からそれぞれの顆粒が所定量ずつ被覆管1内に供給され、加振機(図示せず)により被覆管1は振動され充填される。混合セラミックス燃料体4が位置する被覆管1の外面には締め付け加工部8が形成される。締め付け加工部8はリング状またはディンプル状に形成される。
When filling the granule mixing region 3-1 to n into the
混合セラミックス燃料体4は核燃料,非核燃料および中性子吸収材が所定量配合され混合し、圧粉成形してセラミックス状に焼結したもので、被覆管1が円筒体の場合には図1(a),(b)に示したように球状体に形成する。
The mixed
また、混合セラミックス燃料体4を図2に示すように円柱体4a,面取りした円柱体4b,円錐体4cおよびフットボール体4dに任意に形成することができる。
さらに、被覆管1が円筒体ではなく、横断面が六角形等の多角形の場合には多角面体,多角錐,多角柱等任意の形状に形成することができる。
Further, as shown in FIG. 2, the mixed
Further, when the
この混合セラミックス燃料体4は核燃料棒を製造するにあたり、顆粒混合燃料領域3に軸方向に充填密度分布や中性子吸収材の分布をもたせる場合、顆粒混合燃料領域3の上下の異なる混合組成比率が混ざらないようにするためのものである。混合セラミックス燃料体4の配合割合は混合セラミックス燃料領域上下の顆粒混合領域3の平均または一方に重みを置いたものとし、軸方向の反応度分布を滑らかにしている。
When this mixed
被覆管1内の燃料領域の最上部は図3に示したように被覆管1内の第nの顆粒混合領域3-n 上に混合セラミックス燃料体4と同様の組成からなるペレット燃料9が装填される。このペレット燃料9の上部にメッシュ構造材10が設けられ、このメッシュ構造材10上に複数のペレット状真空ガスプレナム構造材11が積層されている。
As shown in FIG. 3, the uppermost portion of the fuel region in the
真空ガスプレナム構造材11は薄膜12が設けられ、放射性放出ガス13の圧力により容易に破壊できるようになっている。メッシュ構造材10はペレット燃料9を押さえる目的と燃料から放出されるガスを上部に放散させる目的を持っている。
The vacuum gas
真空ガスプレナム構造材11の上端にはメッシュ構造材10が設けられ、このメッシュ構造材10上にスプリング14が設けられている。スプリング14の上端は、図示してない上部端栓によって制圧されており、被覆管1の上端開口は封止されている。
A
真空ガスプレナム構造材11は内部が真空になったペレット状のもので、上下の薄膜12により蓋をされ真空を保持している。この薄膜12は核燃料棒の健全性を考慮し、通常の内圧に対して数倍の圧力になったときに破けるように製作されており、実効的な体積を増やせるようになっている。
The vacuum gas plenum
しかして、上記構成の実施の形態に係る核燃料棒は顆粒燃料を主体とした顆粒燃料領域3と混合セラミックス燃料領域とからなっている。この混合セラミックス燃料領域は混合セラミックス燃料体4と同様のものであるが、図1(b)に示すように隙間に小径のセラミックス粒子15を充填する場合もあり得るので領域と呼ぶことにしている。
Thus, the nuclear fuel rod according to the embodiment having the above-described configuration includes the
すなわち、被覆管1に下部端栓2を取着し、被覆管1を加振機に立設したのち、核燃料ノズル5,非核燃料ノズル6および中性子吸収材ノズル7からそれぞれ所定量の顆粒状核燃料,顆粒状非核燃料および顆粒状中性子吸収材の所定量ずつを被覆管1の上端開口から投入して振動充填し第1の顆粒混合燃料領域3-1 を形成する。
That is, after attaching the
次に核燃料と非核燃料および中性子吸収材を所定量混合し圧粉成形し焼結して形成した球状の第1の混合セラミックス燃料体4を第1の顆粒混合燃料領域3-1の上に装填する。次に第1の混合セラミックス燃料体4が位置する被覆管1の外面のかしめにより締め付け加工部8を設け第1の混合セラミックス燃料体4が位置ずれしないようにする。つまり、この締め付け加工部8は混合セラミックス燃料体4が第1から第n番目まで装填を繰り返す工程中に振動等で移動しないようにするものである。
Next, a spherical first mixed
混合セラミックス燃料体4は被覆管1内で被覆管1の内面に付着している顆粒混合燃料領域4の顆粒に引っ掛かって所定の位置に装填できなくならないように、また被覆管1の内面に傷をつけないように混合セラミックス燃料体4の断面の外径寸法が被覆管1の断面の内径寸法よりも小さく、さらに顆粒混合燃料領域3の顆粒の最大外径寸法の2倍以上を差し引いた寸法としている。
The mixed
この混合セラミックス燃料体4と被覆管1との隙間は次に充填する第2の顆粒混合燃料領域3-2 の顆粒で埋められる。この状態を図1(b)に拡大して示している。
The gap between the mixed
顆粒混合燃料領域3の充填と混合セラミックス燃料領域4の装填をn回繰り返すことにより被覆管1内には第nの顆粒混合領域3-n と第nの混合セラミックス燃料領域4-n まで詰められる。
By repeating the filling of the granule
核燃料ノズル5,非核燃料ノズル6および中性子吸収材ノズル7は、被覆管1内の各々の領域毎の中性子吸収材の量や核燃料の濃縮度を調整したり、再処理された長半減期の放射性同位元素の粒子を被覆管1内に投入するもので、図示してない各原料タンクに接続している。長半減期の放射性同位元素は超ウラン元素(TRU)でNp,Pu,Am,Cmなどで使用済み燃料に含まれているものである。
The nuclear fuel nozzle 5, the non-nuclear fuel nozzle 6 and the
第nの顆粒混合燃料領域3-n を充填した後、ペレット燃料9を装填し、このペレット燃料9の上部にメッシュ構造材10を載せ、このメッシュ構造材10の上に複数個の真空ガスプレナム構造材11を積層する。最上の真空ガスプレナム構造材11の上面にメッシュ構造材10を載せ、その上にスプリング14を載せたのち、上部端栓(図示せず)により被覆管1の上端部を封止して核燃料棒を構成する。
After filling the n-th granule mixed fuel region 3-n, the
図3では真空ガスプレナム10の最下段の構造材11の薄膜12が破裂し、さらに下から2段目,3段目の構造材11の薄膜12が破裂した状態を示している。この状態を説明すると、被覆管1内の圧力が放射性ガスの放出により設定圧力以上になった場合、真空ガスプレナム11の最下面の薄膜12が破裂する。すると真空ガスプレナム11内は減圧状態となっているため、最下段の構造材11の実効体積分ガスの圧力が低下する。さらに内圧が上昇し、下から二段目、そして三段目と順次破裂していくようになる。
FIG. 3 shows a state in which the
つぎに図4(a),(b)により核燃料棒の検査装置と検査方法の実施の形態を説明する。
図4(b)は図4(a)のB部を拡大して示す縦断面図である。図4(a)において、符号16は検査装置本体で、この検査装置本体16はX線やγ線を遮蔽する肉厚の遮蔽材から構成されている。この検査装置本体16はその下端から出し入れ自在に中性子源17を収納し、中性子源17の上方に減速材18を設け、この減速材18と中性子源17を反射材19により包囲している。
Next, an embodiment of the nuclear fuel rod inspection apparatus and inspection method will be described with reference to FIGS.
FIG. 4B is an enlarged longitudinal sectional view showing a portion B of FIG. In FIG. 4A,
減速材18の上方にはコリメータ20が設けられ、このコリメータ20の外側と反射材19を中性子吸収材21により包囲している。検査装置本体16上にはコリメータ20の上方に向けて被検査核燃料棒22が矢印23方向に移動自在に載置される。
A
被検査核燃料棒22の上方にはベルトコンベア方式に構成されたコンバータスクリーン25が矢印24方向に移動自在に設けられている。コンバータスクリーン24の上方には箱形で下端開口のX,γ線遮蔽材26が設置されており、下端開口部には図4(b)に拡大して示したようにガラス基板27の下面に蛍光スクリーン28が設けられている。
Above the
X,γ線遮蔽材26の上端には高感度カメラ29と蛍光スクリーン密着機構30が取り付けられている。コンバータスクリーン24を回転移動させる機構の内部にはX,γ線遮蔽材31と中性子吸収材32が挿入されている。
A high-
しかして、本発明に係る核燃料棒の検査装置の主要構成要素は中性子線を発生する中性子源17と、被検査核燃料棒22を透過した中性子線を記録するコンバータスクリーン24と、このコンバータスクリーンから放射された放射線を読み取る蛍光スクリーン28とである。
Thus, the main components of the nuclear fuel rod inspection apparatus according to the present invention are a
中性子線を発生する部分は中性子源17と中性子線の反射材19,速中性子を熱中性子に減速する減速材18および線束を揃えるコリメータ20とからなっている。コリメートした中性子線は測定対象の核燃料棒を透過して中性子線の透過の度合いを記録するコンバータスクリーン24を放射化する。
The neutron beam generating portion is composed of a
コンバータスクリーン24には熱吸収断面積が比較的大きく、半減期の短いインジウム(In)箔やジスプロシウム(Dy)箔を使用する。さらに放射化されたコンバータスクリーン24はベルトコンベアーで、中性子線およびX線,γ線を中性子吸収材32とX,γ線遮蔽材31で遮蔽された読み取り領域に移送される。
For the converter screen 24, an indium (In) foil or a dysprosium (Dy) foil having a relatively large heat absorption cross section and a short half-life is used. Further, the activated converter screen 24 is transferred by a belt conveyor to a reading region where neutrons, X-rays, and γ-rays are shielded by the
読み取り領域では蛍光スクリーン密着機構30により蛍光スクリーン28と放射化されたコンバータスクリーン24を密着させる。蛍光スクリーン28はガラス基板27上に塗布または張り付けられている。蛍光スクリーン28はコンバータスクリーン24の放射化された部分から放出されるβ線によって発光する。
In the reading area, the
蛍光スクリーン28に使用される蛍光材は色素を溶剤に溶かし樹脂化したシンチレータやGd2 O2 S:Pr,CeやGd3 Ga5 O12:Cr,Ce、Y2 SiO5 :Pr、(Y,Gd)2 O3 :Eu等のセラミックスタイプのシンチレータ,NaI:Tl、CsI:Tl等の結晶タイプのシンチレータである。またガラス基板27の中にも発光蛍光量の透過を阻害しない程度に鉛をドープしてある。
The fluorescent material used for the
発光した蛍光を高感度なカメラ29で取り込みデジタル処理をして燃料の密度分布,濃縮度分布ならびに燃料中に含まれる中性子吸収材の分布を求める。カメラ29の前のレンズには発光する蛍光の波長に合わせたフィルターがつけられており、ノイズに対するシグナルの比率を高めている。
The emitted fluorescence is captured by a highly
核燃料棒に新燃料ではなく使用済み燃料や長半減期の放射性核種等、核燃料棒自体から中性子線を放出する場合には、コリメータ20の部位に核燃料棒が位置する前に燃料から放出している中性子線でコンバータスクリーン24を事前に放射化し、バックグランドを測定しておき、後にコリメータ20の所で測定した結果を補正する。図4の検査装置は反時計方向に90度回転させて立てて用いてもよい。
When neutrons are emitted from the nuclear fuel rod itself, such as spent fuel and long-lived radionuclides, instead of new fuel, they are emitted from the fuel before the nuclear fuel rod is positioned at the
1…被覆管、2…下部端栓、3…顆粒混合燃料領域、4…混合セラミックス燃料体、5…核燃料ノズル、6…非核燃料ノズル、7…中性子吸収材ノズル、8…締め付け加工部、9…ペレット燃料、10…メッシュ構造材、11…真空ガスプレナム構造材、12…薄膜、13…放射性放出ガス、14…スプリング、15…小径セラミックス粒子、16…検査装置本体、17…中性子源、18…減速材、19…反射材、20…コリメータ、21,32…中性子吸収材、22…被検査核燃料棒、23…矢印、24…コンバータスクリーン、25…矢印、26,31…X,γ線遮蔽材、27…ガラス基板、28…蛍光スクリーン、29…高感度カメラ、30…蛍光スクリーン密着機構。
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