JP4063895B2 - 燃料集合体内の欠陥燃料棒を検出するシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、水減速型原子炉の炉心に使用されている欠陥燃料要素を同定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉の炉心は複数の核燃料集合体を含んでおり、各集合体は複数の核燃料棒から成っている。各燃料棒は円筒形の外被、即ち被覆管を含んでおり、被覆管は両端をそれぞれの端栓で密封されている。被覆管の内部には、複数の核燃料ペレットが垂直柱を成して、被覆管の全長よりも低い位置まで燃料柱の上方にプレナム空間を残して積み重ねられている。プレナムの内部には、燃料ペレットを燃料棒の下方端栓側に片寄らせるための圧縮ばねが配置されている。プレナム内部には又、内部雰囲気から汚染物を除去するためのゲッタが従来通りに設置されている。
【０００３】
被覆管は主に２つの目的を果たす。即ち、第１に、被覆管は、核燃料と冷却材又は減速材との間の接触及び化学反応が生じるのを防止する。第２に、被覆管は、その一部は気体である放射性核分裂生成物が燃料棒から冷却材又は減速材へ放出されるのを防止する。内気圧の上昇又はその他何らかの理由により被覆管が破損すると、放射性長寿命生成物による冷却材又は減速材、及び関連システムの汚染を招き、プラント運転が妨げられることになることもある。
【０００４】
水減速型原子炉内の欠陥燃料要素を同定する従来の技術は、「燃料シッピング」として知られている。この技術は、欠陥燃料棒から漏れ出る核分裂ガスを取得すると共に測定することにより漏洩燃料棒を同定する。燃料シッピングを行うための公知の方法及び装置は、本願と同一の譲渡人に譲渡された米国特許番号第４，０３４，５９９号に開示されており、この開示内容は、ここに参照されるべきものである。この従来技術によれば、燃料シッピングは、純水を満たした試験室に燃料集合体を隔離することにより行われる。試験室の設置場所は、原子炉容器内であっても、又は燃料プールの底部であってもよい。燃料集合体又は燃料棒は、炉心又は燃料貯蔵ラックから取り外され、密閉された容器に入れられて、バックグラウンドを減少させた上で、燃料集合体又は燃料棒から放出されるガスサンプルが、このシッピング容器から取得される。試験室は、その頂部付近に排出管を含んでいると共に底部に気体散布器（ガス・スパージャ）を含んでいる。このガス・スパージャを通して試験室に空気が導入されて、燃料要素の上方の水の一部と置き換わるようにする。この操作は、燃料要素の上方にエアポケットを形成し、試験室の圧力を低下させ、同時に、欠陥燃料要素から吸引放出された核分裂ガスを燃料要素の周囲の水から浄化除去（パージ）するのに役立つ。次に、上述の空気を適切な放射線モニタに通すことにより、空気に同伴された核分裂ガスの放射能が測定される。この方法の第２の工程では、核分裂ガスの放出を増大させるために、試験室内の圧力を真空になるまで更に減少させる。この方法の第３の工程では、試験室内の圧力は真空に保持され、燃料要素の上方のエアポケットから試験のために吸い出されたガスは、放出された核分裂ガスを燃料要素周囲の水から継続して浄化除去するために再循環される。このようにして、浄化用の空気と核分裂ガスとが試験室頂部のエアポケットに捕獲され、サンプル管を経由してモニタのため取り出される。米国特許番号第 ４，０３４，５９９号によれば、放射線モニタはβ総量検出器（gross beta detector）である。この検出器は、核分裂ガスの大部分を占めているＫｒ（クリプトン）−８５及びＸｅ（キセノン）−１３３の両者に同時に感応する。このシステムは極めて正確ではあるが、原子炉から燃料要素を取り外す必要があること、そして検出過程が長時間を要する性格であることから、緩慢に漏洩する燃料が存在する場合には、測定が遅くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
気体と水との分離は容易に行えるので、核分裂ガスの測定は燃料シッピング法の重要な要素である。しかしながら、Ｘｅ−１３３同位体はＩ−１３３の崩壊生成物であり、Ｉ−１３３は水溶性のイオンである。このことにより、上述した真空シッパの場合、脱塩補給水の使用により最低限に抑えられてはいるが、バックグラウンドの問題が生ずる。脱塩復水については、蒸気から持ち越され、復水脱塩器上で交換されてきたＩ−１３３の崩壊でＸｅ−１３３が放出されることにより問題を生ずることが多いので、脱塩復水を使用することはできない。プール水は、その内部に多量のＩ−１３３を均一に分布させている。燃料ペレット物質が燃料棒被覆管の欠陥部を通過して漏れ出してくると、Ｉ−１３３の濃度は著しく増加する。このようなバックグラウンドの問題は、緩慢に漏洩する燃料が観測されるときに考慮されなければならない。この場合、真空シッパを用いた燃料シッピングのガス再循環段階中に、核分裂ガスが少しずつ増大するのが見られる。この増大は、燃料棒の微小な欠陥によるもの、試験室に漏洩混入したプール水によるもの、又はＩ−１３３をも（化学結合で）含み得る酸化膜からのガス脱離によるものかもしれない。こういったことは、漏洩燃料棒の偽同定をもたらす可能性があるので、問題である。
【０００６】
Ｋｒ−８５同位体ならば、その崩壊形式に水溶性のイオン種が存在しないので、上述のようなバックグラウンドの問題を呈さない。従って、燃料棒の内部から外部へと少しでも種が移行すると、その種は分離し、ことごとく掃去される。但し、Ｋｒ−８５は、豊富さの点でＸｅ−１３３に遠く及ばないことを銘記すべきである。Ｘｅ−１３３の存在下でＫｒ−８５の量を決定するために用いられる唯一の方法は、長期間にわたって特定のサンプルを繰り返し測定して、この混合物の崩壊特性を決定し、崩壊半減期に基づいてＫｒ−８５及びＸｅ−１３３のそれぞれの量を算出するものである。しかしながら、この測定法は、完了までに数か月を要する可能性がある。Ｋｒ−８５を（独占的に）高速測定できると、燃料シッピング法における偽の明らかな応答が減少し又は消滅する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、欠陥のある燃料を現場で検出するための方法である。この方法の目的は、核燃料炉心の周囲環境内で緩慢な漏洩燃料によって生成された、燃料集合体内の痕跡量のＫｒ−８５の放出を見い出す（収集、分離及び同定）することにある。
【０００８】
本発明のシステムは、２つの基本下位（サブ）システムを含んでいる。第１のサブシステムは、燃料に被せたフードから成っているサンプル収集システムである。新規な手法を用いて、１つの燃料集合体から、又はその代わりに、４つの燃料集合体の正方配列を含んでいる１つの燃料セルから、流体サンプルを抽出する。第２のサブシステムは、その流体サンプルに含有されているＫｒ−８５放射性同位体の量を決定するシステムである。この情報を用いて、当該燃料集合体が、欠陥のある、即ち漏洩のある燃料棒を含んでいるか否かが決定される。燃料集合体から抽出された流体サンプル内のＫｒ−８５の測定値は、（１）燃料集合体試験の前に原子炉プールから採取された流体サンプル内のＫｒ−８５の測定値、及び（２）漏洩燃料を含んでいないと既に決定された対照セルから採取された流体サンプル内のＫｒ−８５の測定値と比較される。後者の値は、対象の燃料集合体と比較するためのバックグラウンドを表す。この比較に基づいて、対象の燃料集合体に欠陥があるか否かが決定される。
【０００９】
本発明によるサンプル収集サブシステムは、その特定の用途に応じて、以下の４つの異なるフードのうちの１つのフードを組み込んでいる。即ち、４ヘッド・フード、２ヘッド・フード、単一ヘッド・フード、及びマスト装着（マストに装着された）フードである。４ヘッド・フードは、２×２の燃料集合体配列で構成されている１つの燃料セルを覆う構造を有している。全燃料炉心をシッピングの一期間中（sipping campaign）に検査するためには、１つ又は複数の４ヘッド・フードが使用され得る。２ヘッド・フード及び単一ヘッド・フードは、４ヘッド・フードでは届かない炉心の領域に使用される。マスト装着フードは燃料交換マストに装着される。フードの使用目的は、燃料集合体又は燃料セルを可能な限り緊密に密封して、隣接した燃料集合体若しくは燃料セルによる、又は原子炉圧力容器内部の棒周囲の水による相互汚染（cross-contamination）を受けることなく、各燃料集合体又は燃料セルから流体（即ち、水及び気体）が抽出されるようにすることである。
【００１０】
燃料集合体及びその集合体内に含まれている水からガスサンプルを放出させるためには、様々な方法を利用することができる。先ず、燃料集合体内部の流動を妨げ又は制御して当該燃料集合体が残留崩壊熱で加熱されるように、燃料集合体にフードを被せる。標準の圧力、体積及び温度条件であると仮定すると、燃料棒内部の気体温度が上昇すると、その結果、気体が燃料棒に包含されている限りにおいて、気体の体積は膨張する（端栓が破損又は亀裂を生じていれば、ガスは流出し得る。）。これにより、燃料棒内部に捕獲されているあらゆる気体の膨張及び漏出が促進され得る。
【００１１】
次に、真空吸引による脱ガスを行うために、燃料集合体内部の水を急速に吸い上げて、脱ガスタンクに散布する。水をこのように急速に再配置すると、燃料集合体の水と燃料棒の内圧との間の局所的に小さな差圧が瞬間的に増大する可能性もあって、気泡の放出が助長される。
ヘッドがマストに搭載された型の収集器では、燃料集合体が水面に向かって持ち上げられるので、その燃料集合体から放出されたガスの捕獲能に対する信頼性が更に高まる。この場合、マストの高さの変化により水圧が低下し、燃料棒内部（高圧）と外部環境（低圧）との間に差圧が生ずる。そして、ガスはマスト装着フードによって捕獲される。その後、燃料集合体は、圧力遷移過程の下に置かれて、ガスの放出が促進される。
【００１２】
すべての形式のシッピング・フードについて、真空吸引による脱ガス過程が開始すると、早期サンプルがβ検出器を通って高圧下で移動される。β検出器のサンプル室はボルトで堅く密封された半球体である。この半球形のサンプル室の幾何学的形状と、加圧されたサンプルとによって、検出器の効率が可能な限り高く維持されると共に、ボルト締め構造であるため、サンプル室を浄化操作し易くなる。ある水準を上回る即時信号が得られたならば、燃料集合体を漏洩燃料と決定することができる。このサンプルは処分され、次の燃料集合体のサンプルが採取される。
【００１３】
全体として燃料の漏洩を示さないサンプルは、２つの充填物、即ち、湿分を吸収する第１の充填物と、キセノンガスを吸収するが、クリプトンガスは通過させる第２の充填物とを含んでいる湿分／分離カラムに送られる。次に、この分離カラムから出たキセノンを含有していないガスサンプルは、後にβ検出器に移送するためにアンプルに蓄積される。キセノンはサンプルから除去されているので、加圧ガスサンプルがβ検出器を通過するときに検出されるあらゆるβ放射能は、クリプトンの存在を示すものである。バックグラウンド・レベルを超えるレベルのβ放射能は、試験中の燃料集合体に漏洩燃料棒があることを示す。
【００１４】
本発明によれば、ポンプ、弁、タイマ等を制御するために、プログラム可能な論理制御器が用いられている。効率を高めるためには、β検出器と１つ又は複数のシッピング・フードとの間に、４つの検出チャンネルを並列に接続することができる。これらのチャンネルを流れるガスは、複数のソレノイド弁によって遠隔的に且つ電気的に制御されている。各チャンネルは、直列に連結されている脱ガスタンクと、湿分／分離カラムと、ガスサンプル・アンプルとから成っている。各脱ガスタンクは、２×２配列の燃料集合体にそれぞれ装着された２つの４ヘッド・フードのうちのどちらかの対応する１つのヘッドに、交互に連結することができる。多重化された一連の動作に従って、各検出チャンネルは同時的にではあるが、相互に対しては位相を異にして（out of phase）作動する。このようにして、単一の検出器に対して、４つの独立したチャンネルを通して８つのガスサンプルを多重処理することにより、各検出サイクル中に８つの燃料集合体からガスサンプルを取得することができる。プログラム可能な論理制御器は、所望の多重化された一連の動作に従って複数のソレノイド弁を遠隔制御する上での要求に応じてプログラムされ得る。
【００１５】
本発明は、Ｋｒ−８５の高速な分離及び測定のための方法及びシステムを組み入れている。存在しているＫｒ−８５放射性同位体の量を測定することにより、真空シッピング法における偽の正信号が消滅し得る。本発明は、低分解能の検出器でのスペクトル分析の分解能を高めるために、放射性同位体を分離するカラムを利用している。本発明による検出方法の概略は、以下の通りである。（１）核分裂ガス流から湿分を除去する。（２）ガス流を吸着媒体に通すことにより、キセノンガスを捕獲する。（３）吸着媒体からの流出物を真空吸引されたアンプルに流し込み、β検出器に向かう前に短時間保持する。如何なる微小な量のＫｒ−８５も、Ｘｅ−１３３を含むことなく、β検出器を通過する。核分裂ガス成分の崩壊形式（スキーム）によれば、Ｋｒ−８５は試験中の燃料集合体内の欠陥燃料棒に由来すべきものであるので、Ｋｒ−８５の量が主として測定される。
【００１６】
【実施例】
本基本システムは、現場の燃料集合体から液体サンプルを取得する手段と、サンプルを脱ガスする手段と、ガスからＫｒ−８５を分離する手段と、Ｋｒ−８５を計数する手段と、制御装置とを含んでいる。本システムの目的は、脱ガスして得られたサンプルに存在しているＫｒ−８５の量を決定し、その値を原子炉圧力容器又は燃料貯蔵プールの常態のバックグラウンド値と比較することにより、欠陥燃料を現場で検出することである。
【００１７】
図１に概略図示されたような本発明の好適な実施例によれば、原子炉圧力容器（図示していない）内部の燃料集合体４から流体サンプルを回収するために、炉内シッピング・フード２が設けられている。図１は単一の燃料集合体の頭頂部に設置された単一ヘッド・フードを概略図示しているが、本発明は、２つの隣接燃料集合体を覆う２ヘッド・フードの使用、２×２配列の燃料集合体を覆う４ヘッド・フードの使用、又は対応する複数の燃料集合体を覆う複数ヘッドを有しているその他のあらゆるフード構成の使用をも包含している点を了解されたい。一般に、４ヘッド・フードは、制御される同一セル内の燃料のサンプルを採取するために用いられている。２ヘッド・フード及び単一ヘッド・フードは、周縁の燃料集合体のサンプルを採取するために用いられている。
【００１８】
シッピング・フードは、燃料集合体の頂部から試験対象の燃料を覆っている。燃料棒の温度及び周囲の冷却材の温度は、流動が制限されるため上昇する。燃料ペレットの温度が上昇すると、燃料棒の内気圧が上昇し、バンドル内に欠陥燃料棒が１つでもあれば、その欠陥燃料棒から、燃料チャンネル内部の棒周囲の原子炉冷却材へのガス放出が通常よりも多くなる。シッピング・フードに装着された温度センサは、温度変化を測定する。温度が浸透する期間の後、各々の燃料集合体からの水サンプルは、処理のために流制御兼脱ガスシステム（ＦＣＤＳ）６に移送される。流制御兼脱ガスシステム６に対して、駆動水供給ユニット８が駆動水源を提供する。
【００１９】
炉内シッピングの２つの主たる長所は、炉心から燃料を何ら移動させることなく燃料集合体から流体サンプルを回収できる点と、多数の（多重化された）サンプル収集及び評価が行える点である。この方法により、サイクル中の停止時又は強制停止時に要求されるシッピングの総時間がかなり短縮される。
ガス供給ユニット１０は、流制御兼脱ガスシステム６から核分裂ガス測定分析システム１２（ＦＧＭＡＳ）の核分裂ガス検出器へ、脱ガスして得られたサンプルを輸送するために、一定の圧力及び一定の流量の充填清浄ガスを供給する。このユニット１０は又、核分裂ガス測定分析システム１２に対して、システムの浄化及び再生のための浄化用ガスを供給する。
【００２０】
流制御兼脱ガスシステム６は、操作中に真空に保持された脱ガスタンクを有している連続脱ガス装置である。試験中の燃料集合体から流入した流体サンプルから脱離したガスは、この脱ガスタンクの内部に蓄積される。潜在的な放射線被曝を、及び燃料交換フロアでの汚染水溢水の可能性を最低限に抑えるために、流制御兼脱ガスシステム６の一部は、脱ガスタンクを含めて、原子炉プール又は燃料貯蔵プールの水中に沈められて、そこで操作される。
【００２１】
脱ガス過程の最初期及び完了後には、核分裂ガス測定分析システム１２は、Ｋｒ−８５含有量測定のために脱ガスタンクからのガスサンプルを受け取る。核分裂ガス測定分析システム１２は、サンプルガスからＫｒ−８５を分離してから、放射線（β）検出器／計数器でその放射能レベルを測定する。
本発明によれば、プログラム可能な論理制御器（ＰＬＣ）がシステム制御を行う。この論理制御器は又、システムのデータ収集機能及び分析機能を提供する。コンピュータ端末は、タッチスクリーン式ディスプレイと、プリンタ／プロッタと、テープ・バックアップ装置とを有している。タッチスクリーン式モニタは、システムと操作者とのインタフェースとして用いられている。このモニタは、システム操作データ及び選択のためのスクリーン上の手引きを表示する。プリンタ／プロッタは、各試験からの試験結果のハードコピーを提供する。ディジタル／アナログ・テープ・デッキは、着脱式テープに試験データを記録する。
【００２２】
流制御兼脱ガスシステム６は、原子炉圧力容器又は原子炉プールの内部端に装着されており、駆動水供給ユニット８と、核分裂ガス測定分析システム１２とは、燃料交換フロア上に、流制御兼脱ガスシステム６の付近に装着されている。システム制御装置は、燃料交換フロア上の非汚染領域に設置されている。この配置、及び装置の間の配線は、シッピング・フードの操作のために燃料交換プラットホーム及び補助プラットホームの動作を妨げたり、原子炉から燃料貯蔵プールへの燃料の移動操作を妨げたりするものであってはならない。
【００２３】
図２には、単一検出チャンネルを有している流制御兼脱ガスシステム６のための流連結が図示されている。シッピング・ヘッド２は、燃料集合体４の頂部から試験対象の燃料を覆っている。シッピング・フード２の内部に装着された熱電対２４が、後続の温度上昇を測定する。温度が浸透する期間の後に、燃料集合体４からの水サンプルは、処理のために流制御兼脱ガスシステム６に移送される。流制御兼脱ガスシステム６は、開放空気圧式弁１６（以後、流入遮断弁と呼ぶ。）によってシッピング・フード２に連結し得る流入口を有している脱ガスタンク１４を含んでいる。この脱ガスタンクは、排出器２０に連結されたノズルを有しており、排出器２０は、駆動水供給ユニット８から開放ソレノイド弁１８（以後、駆動水供給弁と呼ぶ。）を経由して供給された水によって駆動される。脱ガスタンクのノズル内部の弁（図示していない）と、弁１６と、弁１８とが開放されると、排出器２０は脱ガスタンクを吸引して真空にし、この真空により、シッピング・フードから脱ガスタンクへ流体サンプルが誘導されて流入する。流入した流体サンプルからの脱離ガスは、最初は早期サンプルとして吸入されており、本過程が進行するにつれて脱ガスタンクの内部に蓄積され、その後、流路管２２を経由して核分裂ガス測定分析システムへ吸引される。
【００２４】
図３を参照すると、流路管２２は、ガスサンプルを流制御兼脱ガスシステム６から核分裂ガス測定分析システム１２へ導く。ガスサンプルは、ソレノイド弁２６を通過して、第１の６方向交差弁２８に入り、この交差弁はガスサンプルを湿分／分離カラム３０へと送り込む。カラム３０は冷却ジャケット３２に包囲されていると共に、ＡＣ（交流）加熱器電源３４によって給電されている加熱器を有している。熱電対（ＴＣ）３６はカラム内部の温度を検知する。湿分／分離カラム３０は、２つの充填物、即ち、湿分を吸収する第１の充填物と、キセノンガスを吸着するが、クリプトンガスは通過させる第２の充填物とを含んでいる。キセノンが分離除去されると、カラムから出たガスサンプルは、第１の６方向交差弁２８と第２の六方向交差弁４０とを経由してアンプル３８へと吸引される。分離済のガスサンプルは、真空弁５２を開放して真空ポンプ５４を始動することにより、アンプルへ吸引される。分離済ガスサンプルは、β放射能検出の時刻までアンプル内に保持される。そして、分離済ガスサンプルは、第２の六方向交差弁４０と、４方向交差弁４２と、第３の６方向交差弁４４とを経由してβ検出器４６へ送られる。第３の６方向交差弁４４には、予備のβ検出器４８も連結されている。β検出器４６を通過する間にガスサンプルは検査され、その後、６方向交差弁４４を経て排気管へ排出される。加圧されたガスサンプルがβ検出器を通過する際に検出されるあらゆるβ放射能は、クリプトンの存在を示すものである。β放射能がバックグラウンド・レベルを超えていれば、試験中の燃料集合体に漏洩燃料棒があることを示す。警報の出た状態では、ガス流は確認のためにＫｒ／Ｘｅ分離カラム５０に再送される。
【００２５】
アンプル３８内のガスサンプルは、不活性キャリア（担体）ガス、例えば窒素によってβ検出器に輸送される。このキャリア・ガスは、ガス供給装置１０から流路管５８を経由して供給される。同時に、分離カラム３０は、流路管６０と、カラム浄化用弁６２と、６方向交差弁２８とを経由した不活性ガスによって、浄化再生（backflush）され得る。このときに加熱器の電源を入れて、キセノン吸着充填物の温度をキセノンが脱離するレベルにまで上昇させる。そして、窒素を用いてカラムを浄化する。浄化再生を済ませたガスは、その後、流路管６４を経て排気管へと送り出される。
【００２６】
フィルタ圧力調節器６６と浄化用弁６８とを経由してアンプル３８に充填するために圧縮空気が用いられている。浄化用給気弁７０を経て供給される圧縮空気は、分離カラムの浄化再生の完了後にカラム・ジャケット３２を冷却する目的にも用いられる。熱気排出口７２を経て圧縮空気から熱が除去される。このようにして、再生された分離カラムは次のチャンネル・サイクルに向けて準備のできた状態となる。
【００２７】
燃料バンドルを浄化再生する目的で、駆動水をバンドル内に注入してもよい。駆動水は又、燃料シッピング・フードが、ある位置から他の位置へ移動する間にこのフードを洗浄するためにも用いることができる。
β検出器４６は、その検出器を通過して流れるガスサンプルによって放出されるβ粒子の数を測定し、そのデータを電子的に出力する。β検出器によって決定された放射能レベルの書面記録を通常のチャート記録器が提供する。
【００２８】
図２及び図３に図示された弁はすべて、本発明に従えば、プログラム可能な論理制御器（図示していない）からのディジタル出力によって制御されるソレノイドを用いて操作される。これにより、検出サイクルがコンピュータプログラムの制御の下で自動的に行える。
本発明の実施上の好適な方式に従えば、気体（ガス）シッピングの期間の長さを短縮するために、システムに多重の検出チャンネルが組み込まれている。各チャンネルは、図２及び図３に示したものと同一の機器設備を有している。例えば、効率を高めるために、図５に示すように４つの検出チャンネルを並列に接続することができる。これらのチャンネルは、単一のβ検出器が全チャンネルからのガスサンプルを順に処理できるような形で多重化されている。議論を簡単にするために、図５に示すシステムは、それぞれがヘッドＡ〜Ｄを有している２つの４ヘッド・フード１及び２と、４つのチャンネルＡ〜Ｄと、単一のβ検出器４６との構成のみを示すよう単純化されている。各チャンネルは、直列に連結されている脱ガスタンク１４Ａ〜１４Ｄと、湿分／分離カラム (ＳＣ）３０Ａ〜３０Ｄ と、ガスサンプル・アンプル３８Ａ〜３８Ｄとを含んでいる。
【００２９】
この好適な実施例によれば、各脱ガスタンクは、第１のサイクル中に、あるフードのそれぞれのヘッドから第１の流体サンプルを受け取り、次に、第２のサイクル中に他のフードのそれぞれのヘッドから第２の流体サンプルを受け取るよう連結されている。例えば、脱ガスタンク１４Ａ（脱ガスタンク１４Ｂも同様）は、シッピング・フード１のヘッドＡ若しくはヘッドＢのいずれかからフード１にあるバンドル選択用のサンプル弁７４と流路管７６とを経て、又はシッピング・フード２のヘッドＣ若しくはヘッドＤのいずれかからフード２にあるバンドル選択用のサンプル弁７８と流路管８０とを経て、流体サンプルを受け取ることができる。そして、脱ガスタンク１４Ｃ（脱ガスタンク１４Ｄも同様）は、シッピング・フード１のヘッドＣ若しくはヘッドＤのいずれかからフード１にあるバンドル選択用のサンプル弁８２と流路管８４とを経て、又はシッピング・フード２のヘッドＡ若しくはヘッドＢのいずれかからフード２にあるバンドル選択用のサンプル弁８６と流路管８８とを経て、流体サンプルを受け取ることができる。
【００３０】
更に、各々のチャンネルのサイクルは、これらの４つのチャンネルが、異なる時刻に個々の分離済ガスサンプルをβ検出器に送出できるように、位相を異にしている。個々のチャンネルのガスサンプルの処理は、所定のアルゴリズムに従って多重化される。こうして、１つの脱ガスタンクが１つのシッピング・フードから流入する流体サンプルを受け取っている間に、他の脱ガスタンクは、他のシッピング・フードを始源として流出したガスサンプルを、そのタンクに結びついた湿分／分離カラムへ送出することができる。更に、１つの分離済ガスサンプルがβ検出器４６で検査されている間に、他の分離済ガスサンプルを個々のアンプルに保持しておくことができる。このような多様な処理工程の流れは、図５に記号的に示された各弁の遠隔切換によって制御される。これらの弁はすべて、ソレノイド作動式のものであって、プログラム可能な論理制御器９０から各ソレノイドへのディジタル出力によって制御され得る。更に、図５は各アンプルの流入及び流出に対する個別のソレノイド弁を図示しているが、図３の好適な実施例に従えば、流入弁及び流出弁の両者が６方向交差弁の一部を形成している点に留意されたい。電源喪失又は制御不能の場合には、弁のばねはすべて、閉位置に戻る。
【００３１】
本発明の理解を助けるため、好適な実施例に従った欠陥燃料検出システムの構成及び動作について、図面を用いずに概説する。先ず、原子炉の内部にテレビカメラと照明装置とを設置して、炉内シッピング動作を監視する。シッピング動作を支援するために、頭上式クレーン及び燃料交換プラットホームを使用可能な状態にしておく必要がある。燃料シッピングを支援するためには、原子炉プール領域付近の以下のプラント施設を使用することができる。即ち、１１０ｐｓｉｇの計測器グレードの圧縮空気供給器、４８０／１２０電源、３０ｇｐｍ、８０ｐｓｉｇの加圧型脱塩駆動水供給器、及びシステム操作用のキャリア・ガスと浄化用ガスとを供給するために圧力調節器と流制御弁とを有している圧縮窒素ガスボンベである。
【００３２】
各シッピング・フードは、燃料引掛け鉤（ヘッド移動用）又は汎用引掛け鉤（初期設置用）を用いて、所定の制御セル領域の付近まで下降される。そして、システムの点検を行って、プール水のバックグラウンド信号レベルを測定する。次に、シッピング・フードを移動させて、所定の燃料集合体の頂部に装着する。その結果、燃料チャンネルを通過する冷却材の流動が制限されるので、燃料集合体の内部温度が上昇する。すると、所与の燃料集合体内の燃料が、個々のシッピング・ヘッド内での温度上昇に呼応して完全に温度浸透される。
【００３３】
残りの手順は、簡便のため、単一チャンネルに関して記載するものとする。先ず、脱ガスタンクを原子炉プール水で一杯に満たす。この脱ガスタンクに少量のガスを注入して脱ガスタンク頂部に空間を形成する。そして、脱ガスタンクの真空吸引を開始する。タンクの圧力が予め設定した（プリセット）値に達したら、選択された燃料集合体からの流入遮断弁を開放して、流体サンプルからのガス脱離を開始する。ガス脱離が進行している間に、アンプルを吸引して脱ガスタンクよりも高真空とする。次に、脱ガスタンクからアンプルに早期サンプルを吸引する。早期サンプルを分析して全体として燃料の漏洩が同定されたら、脱ガス過程を終了する。全体として燃料の漏洩はないと同定されたら、ガスサンプルを採取した流路管を浄化再生することにより分離カラムを浄化してから、カラムを吸引して高真空とする。流体サンプルからのガス脱離が完了したら、真空ポンプを停止し、脱ガスタンクを原子炉プール水で満たして脱ガスタンクに収納されたガスサンプルを圧縮する。そして、最終ガスサンプルを脱ガスタンクから吸引して、処理のために核分裂ガス測定分析システムに送る。ガスサンプルを分離にかけて湿分及びキセノンを除去してから、分離済ガスサンプルを測定のためにβ検出器に送る。警報の出た状態では、確認のためにガス流をＫｒ／Ｘｅ分離カラムに再送する。他のアンプルに収集されたガスサンプルは、自動操作のためにシステムが再準備できるまでアンプルに確実に保持される。各サイクルの後で、分離カラムを再生しなければならない。１つの燃料セル内の４つの燃料集合体すべてからのガスサンプルの試験が完了したら、シッピング・フードを次の所定位置へ試験のために移動させる。
【００３４】
本発明の更なる側面によれば、図４に示すように、燃料集合体４が燃料交換マスト１００に支持されている間に気体シッピングを行うことができる。燃料交換マストは、燃料集合体の掛けつる１０４を引掛けるための引掛け鉤１０２を有している。シッピング・フード１０６は燃料交換マスト上に装着されており、引掛け鉤１０２から吊り下げられた燃料集合体の頂部を覆って緊密に嵌まるように設計されている。円環形密封手段１１０は、フードの下方の間隙からガスが漏出するのを防止する。フードは、前に開示された流制御兼脱ガスシステムに連結するための連結器１０８及び１０８′で終端している流入路管及び流出路管を有している。
【００３５】
本発明の好適な実施例を説明のために開示した。本発明の要旨を逸脱しない範囲でこの開示された構成に対する変更及び改変が、気体処理分野における当業者には容易に明らかとなろう。このような変更及び改変はすべて、特許請求の範囲に包含されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例による燃料集合体内の漏洩を現場で検出するための気体シッピング・システムを示するブロック図である。
【図２】図１に概略図示された気体シッピング・システムの詳細を示す流れ図である。
【図３】図１に概略図示された気体シッピング・システムの詳細を示す流れ図である。
【図４】本発明のもう１つの好適な実施例による燃料交換マストに装着された気体シッピング用フード（断面）を示す模式図である。
【図５】本発明の更にもう１つの好適な実施例による複数の燃料集合体内の漏洩を検出するための多重チャンネル気体シッピング・システムを示す流れ図である。
【符号の説明】
１ ４ヘッド・フード
２ 炉内シッピングフード
４ 燃料集合体
６ 流制御兼脱ガスシステム（ＦＣＤＳ）
８ 駆動水供給ユニット
１０ ガス供給ユニット
１２ 核分裂ガス測定分析システム（ＦＧＭＡＳ）
１４ 脱ガスタンク
１４Ａ〜１４Ｄ 脱ガスタンク（多重化チャンネル４つに各々対応）
１６ 流入遮断弁（空気圧式弁）
１８ 駆動水供給弁（ソレノイド弁）
２０ 排出器
２２ 流路管（ＦＧＭＡＳへの）
２２Ａ〜２２Ｄ アンプル充填用弁（多重化チャンネル４つに各々対応）
２４ 温度センサ（燃料集合体温度測定用熱電対）
２６ ソレノイド弁（ＦＣＤＳからの）
２８ 第１の六方向交差弁
３０ 湿分／分離カラム
３０Ａ〜３０Ｄ 湿分／分離カラム（多重化チャンネル４つに各々対応）
３２ カラム冷却ジャケット
３４ ＡＣ加熱器電源
３６ 熱電対（カラム温度測定用）
３８ ガスサンプル用アンプル
３８Ａ〜３８Ｄ ガスサンプル用アンプル（多重化チャンネル４つに各々対応）
４０ 第２の６方向交差弁
４２ ４方向交差弁
４４ 第３の６方向交差弁
４６ β検出器
４８ 予備β検出器
５０ Ｋｒ／Ｘｅ分離カラム
５２ 真空弁
５４ 真空ポンプ
５８ 流路管（給気装置からの）
６０ 流路管（再生浄化用）
６２ カラム浄化用弁
６４ 流路管（排気管への）
６６ 圧縮空気用フィルタ圧力調節器
６８ アンプル浄化用弁
７０ 浄化用給気弁（カラム冷却用）
７２ 熱気排出口
７４ サンプル弁（フード１のＡＢから１４ＡＢタンクへ）
７６ 流路管（同上）
７８ サンプル弁（フード２のＣＤから１４ＡＢタンクへ）
８０ 流路管（同上）
８２ サンプル弁（フード１のＣＤから１４ＣＤタンクへ）
８４ 流路管（同上）
８６ サンプル弁（フード２のＡＢから１４ＣＤタンクへ）
８８ 流路管（同上）
９０ プログラム可能な論理制御器（ＰＬＣ）
１００ 燃料交換マスト
１０２ 引掛け鉤
１０４ 掛けつる
１０６ マスト装着シッピング・フード
１０８ 流入／流出路管と流制御兼脱ガスシステムとの連結点
１０８′ 流入／流出路管と流制御兼脱ガスシステムとの連結点
１１０ 円環形密封手段
【産業上の利用分野】
本発明は、水減速型原子炉の炉心に使用されている欠陥燃料要素を同定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉の炉心は複数の核燃料集合体を含んでおり、各集合体は複数の核燃料棒から成っている。各燃料棒は円筒形の外被、即ち被覆管を含んでおり、被覆管は両端をそれぞれの端栓で密封されている。被覆管の内部には、複数の核燃料ペレットが垂直柱を成して、被覆管の全長よりも低い位置まで燃料柱の上方にプレナム空間を残して積み重ねられている。プレナムの内部には、燃料ペレットを燃料棒の下方端栓側に片寄らせるための圧縮ばねが配置されている。プレナム内部には又、内部雰囲気から汚染物を除去するためのゲッタが従来通りに設置されている。
【０００３】
被覆管は主に２つの目的を果たす。即ち、第１に、被覆管は、核燃料と冷却材又は減速材との間の接触及び化学反応が生じるのを防止する。第２に、被覆管は、その一部は気体である放射性核分裂生成物が燃料棒から冷却材又は減速材へ放出されるのを防止する。内気圧の上昇又はその他何らかの理由により被覆管が破損すると、放射性長寿命生成物による冷却材又は減速材、及び関連システムの汚染を招き、プラント運転が妨げられることになることもある。
【０００４】
水減速型原子炉内の欠陥燃料要素を同定する従来の技術は、「燃料シッピング」として知られている。この技術は、欠陥燃料棒から漏れ出る核分裂ガスを取得すると共に測定することにより漏洩燃料棒を同定する。燃料シッピングを行うための公知の方法及び装置は、本願と同一の譲渡人に譲渡された米国特許番号第４，０３４，５９９号に開示されており、この開示内容は、ここに参照されるべきものである。この従来技術によれば、燃料シッピングは、純水を満たした試験室に燃料集合体を隔離することにより行われる。試験室の設置場所は、原子炉容器内であっても、又は燃料プールの底部であってもよい。燃料集合体又は燃料棒は、炉心又は燃料貯蔵ラックから取り外され、密閉された容器に入れられて、バックグラウンドを減少させた上で、燃料集合体又は燃料棒から放出されるガスサンプルが、このシッピング容器から取得される。試験室は、その頂部付近に排出管を含んでいると共に底部に気体散布器（ガス・スパージャ）を含んでいる。このガス・スパージャを通して試験室に空気が導入されて、燃料要素の上方の水の一部と置き換わるようにする。この操作は、燃料要素の上方にエアポケットを形成し、試験室の圧力を低下させ、同時に、欠陥燃料要素から吸引放出された核分裂ガスを燃料要素の周囲の水から浄化除去（パージ）するのに役立つ。次に、上述の空気を適切な放射線モニタに通すことにより、空気に同伴された核分裂ガスの放射能が測定される。この方法の第２の工程では、核分裂ガスの放出を増大させるために、試験室内の圧力を真空になるまで更に減少させる。この方法の第３の工程では、試験室内の圧力は真空に保持され、燃料要素の上方のエアポケットから試験のために吸い出されたガスは、放出された核分裂ガスを燃料要素周囲の水から継続して浄化除去するために再循環される。このようにして、浄化用の空気と核分裂ガスとが試験室頂部のエアポケットに捕獲され、サンプル管を経由してモニタのため取り出される。米国特許番号第 ４，０３４，５９９号によれば、放射線モニタはβ総量検出器（gross beta detector）である。この検出器は、核分裂ガスの大部分を占めているＫｒ（クリプトン）−８５及びＸｅ（キセノン）−１３３の両者に同時に感応する。このシステムは極めて正確ではあるが、原子炉から燃料要素を取り外す必要があること、そして検出過程が長時間を要する性格であることから、緩慢に漏洩する燃料が存在する場合には、測定が遅くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
気体と水との分離は容易に行えるので、核分裂ガスの測定は燃料シッピング法の重要な要素である。しかしながら、Ｘｅ−１３３同位体はＩ−１３３の崩壊生成物であり、Ｉ−１３３は水溶性のイオンである。このことにより、上述した真空シッパの場合、脱塩補給水の使用により最低限に抑えられてはいるが、バックグラウンドの問題が生ずる。脱塩復水については、蒸気から持ち越され、復水脱塩器上で交換されてきたＩ−１３３の崩壊でＸｅ−１３３が放出されることにより問題を生ずることが多いので、脱塩復水を使用することはできない。プール水は、その内部に多量のＩ−１３３を均一に分布させている。燃料ペレット物質が燃料棒被覆管の欠陥部を通過して漏れ出してくると、Ｉ−１３３の濃度は著しく増加する。このようなバックグラウンドの問題は、緩慢に漏洩する燃料が観測されるときに考慮されなければならない。この場合、真空シッパを用いた燃料シッピングのガス再循環段階中に、核分裂ガスが少しずつ増大するのが見られる。この増大は、燃料棒の微小な欠陥によるもの、試験室に漏洩混入したプール水によるもの、又はＩ−１３３をも（化学結合で）含み得る酸化膜からのガス脱離によるものかもしれない。こういったことは、漏洩燃料棒の偽同定をもたらす可能性があるので、問題である。
【０００６】
Ｋｒ−８５同位体ならば、その崩壊形式に水溶性のイオン種が存在しないので、上述のようなバックグラウンドの問題を呈さない。従って、燃料棒の内部から外部へと少しでも種が移行すると、その種は分離し、ことごとく掃去される。但し、Ｋｒ−８５は、豊富さの点でＸｅ−１３３に遠く及ばないことを銘記すべきである。Ｘｅ−１３３の存在下でＫｒ−８５の量を決定するために用いられる唯一の方法は、長期間にわたって特定のサンプルを繰り返し測定して、この混合物の崩壊特性を決定し、崩壊半減期に基づいてＫｒ−８５及びＸｅ−１３３のそれぞれの量を算出するものである。しかしながら、この測定法は、完了までに数か月を要する可能性がある。Ｋｒ−８５を（独占的に）高速測定できると、燃料シッピング法における偽の明らかな応答が減少し又は消滅する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、欠陥のある燃料を現場で検出するための方法である。この方法の目的は、核燃料炉心の周囲環境内で緩慢な漏洩燃料によって生成された、燃料集合体内の痕跡量のＫｒ−８５の放出を見い出す（収集、分離及び同定）することにある。
【０００８】
本発明のシステムは、２つの基本下位（サブ）システムを含んでいる。第１のサブシステムは、燃料に被せたフードから成っているサンプル収集システムである。新規な手法を用いて、１つの燃料集合体から、又はその代わりに、４つの燃料集合体の正方配列を含んでいる１つの燃料セルから、流体サンプルを抽出する。第２のサブシステムは、その流体サンプルに含有されているＫｒ−８５放射性同位体の量を決定するシステムである。この情報を用いて、当該燃料集合体が、欠陥のある、即ち漏洩のある燃料棒を含んでいるか否かが決定される。燃料集合体から抽出された流体サンプル内のＫｒ−８５の測定値は、（１）燃料集合体試験の前に原子炉プールから採取された流体サンプル内のＫｒ−８５の測定値、及び（２）漏洩燃料を含んでいないと既に決定された対照セルから採取された流体サンプル内のＫｒ−８５の測定値と比較される。後者の値は、対象の燃料集合体と比較するためのバックグラウンドを表す。この比較に基づいて、対象の燃料集合体に欠陥があるか否かが決定される。
【０００９】
本発明によるサンプル収集サブシステムは、その特定の用途に応じて、以下の４つの異なるフードのうちの１つのフードを組み込んでいる。即ち、４ヘッド・フード、２ヘッド・フード、単一ヘッド・フード、及びマスト装着（マストに装着された）フードである。４ヘッド・フードは、２×２の燃料集合体配列で構成されている１つの燃料セルを覆う構造を有している。全燃料炉心をシッピングの一期間中（sipping campaign）に検査するためには、１つ又は複数の４ヘッド・フードが使用され得る。２ヘッド・フード及び単一ヘッド・フードは、４ヘッド・フードでは届かない炉心の領域に使用される。マスト装着フードは燃料交換マストに装着される。フードの使用目的は、燃料集合体又は燃料セルを可能な限り緊密に密封して、隣接した燃料集合体若しくは燃料セルによる、又は原子炉圧力容器内部の棒周囲の水による相互汚染（cross-contamination）を受けることなく、各燃料集合体又は燃料セルから流体（即ち、水及び気体）が抽出されるようにすることである。
【００１０】
燃料集合体及びその集合体内に含まれている水からガスサンプルを放出させるためには、様々な方法を利用することができる。先ず、燃料集合体内部の流動を妨げ又は制御して当該燃料集合体が残留崩壊熱で加熱されるように、燃料集合体にフードを被せる。標準の圧力、体積及び温度条件であると仮定すると、燃料棒内部の気体温度が上昇すると、その結果、気体が燃料棒に包含されている限りにおいて、気体の体積は膨張する（端栓が破損又は亀裂を生じていれば、ガスは流出し得る。）。これにより、燃料棒内部に捕獲されているあらゆる気体の膨張及び漏出が促進され得る。
【００１１】
次に、真空吸引による脱ガスを行うために、燃料集合体内部の水を急速に吸い上げて、脱ガスタンクに散布する。水をこのように急速に再配置すると、燃料集合体の水と燃料棒の内圧との間の局所的に小さな差圧が瞬間的に増大する可能性もあって、気泡の放出が助長される。
ヘッドがマストに搭載された型の収集器では、燃料集合体が水面に向かって持ち上げられるので、その燃料集合体から放出されたガスの捕獲能に対する信頼性が更に高まる。この場合、マストの高さの変化により水圧が低下し、燃料棒内部（高圧）と外部環境（低圧）との間に差圧が生ずる。そして、ガスはマスト装着フードによって捕獲される。その後、燃料集合体は、圧力遷移過程の下に置かれて、ガスの放出が促進される。
【００１２】
すべての形式のシッピング・フードについて、真空吸引による脱ガス過程が開始すると、早期サンプルがβ検出器を通って高圧下で移動される。β検出器のサンプル室はボルトで堅く密封された半球体である。この半球形のサンプル室の幾何学的形状と、加圧されたサンプルとによって、検出器の効率が可能な限り高く維持されると共に、ボルト締め構造であるため、サンプル室を浄化操作し易くなる。ある水準を上回る即時信号が得られたならば、燃料集合体を漏洩燃料と決定することができる。このサンプルは処分され、次の燃料集合体のサンプルが採取される。
【００１３】
全体として燃料の漏洩を示さないサンプルは、２つの充填物、即ち、湿分を吸収する第１の充填物と、キセノンガスを吸収するが、クリプトンガスは通過させる第２の充填物とを含んでいる湿分／分離カラムに送られる。次に、この分離カラムから出たキセノンを含有していないガスサンプルは、後にβ検出器に移送するためにアンプルに蓄積される。キセノンはサンプルから除去されているので、加圧ガスサンプルがβ検出器を通過するときに検出されるあらゆるβ放射能は、クリプトンの存在を示すものである。バックグラウンド・レベルを超えるレベルのβ放射能は、試験中の燃料集合体に漏洩燃料棒があることを示す。
【００１４】
本発明によれば、ポンプ、弁、タイマ等を制御するために、プログラム可能な論理制御器が用いられている。効率を高めるためには、β検出器と１つ又は複数のシッピング・フードとの間に、４つの検出チャンネルを並列に接続することができる。これらのチャンネルを流れるガスは、複数のソレノイド弁によって遠隔的に且つ電気的に制御されている。各チャンネルは、直列に連結されている脱ガスタンクと、湿分／分離カラムと、ガスサンプル・アンプルとから成っている。各脱ガスタンクは、２×２配列の燃料集合体にそれぞれ装着された２つの４ヘッド・フードのうちのどちらかの対応する１つのヘッドに、交互に連結することができる。多重化された一連の動作に従って、各検出チャンネルは同時的にではあるが、相互に対しては位相を異にして（out of phase）作動する。このようにして、単一の検出器に対して、４つの独立したチャンネルを通して８つのガスサンプルを多重処理することにより、各検出サイクル中に８つの燃料集合体からガスサンプルを取得することができる。プログラム可能な論理制御器は、所望の多重化された一連の動作に従って複数のソレノイド弁を遠隔制御する上での要求に応じてプログラムされ得る。
【００１５】
本発明は、Ｋｒ−８５の高速な分離及び測定のための方法及びシステムを組み入れている。存在しているＫｒ−８５放射性同位体の量を測定することにより、真空シッピング法における偽の正信号が消滅し得る。本発明は、低分解能の検出器でのスペクトル分析の分解能を高めるために、放射性同位体を分離するカラムを利用している。本発明による検出方法の概略は、以下の通りである。（１）核分裂ガス流から湿分を除去する。（２）ガス流を吸着媒体に通すことにより、キセノンガスを捕獲する。（３）吸着媒体からの流出物を真空吸引されたアンプルに流し込み、β検出器に向かう前に短時間保持する。如何なる微小な量のＫｒ−８５も、Ｘｅ−１３３を含むことなく、β検出器を通過する。核分裂ガス成分の崩壊形式（スキーム）によれば、Ｋｒ−８５は試験中の燃料集合体内の欠陥燃料棒に由来すべきものであるので、Ｋｒ−８５の量が主として測定される。
【００１６】
【実施例】
本基本システムは、現場の燃料集合体から液体サンプルを取得する手段と、サンプルを脱ガスする手段と、ガスからＫｒ−８５を分離する手段と、Ｋｒ−８５を計数する手段と、制御装置とを含んでいる。本システムの目的は、脱ガスして得られたサンプルに存在しているＫｒ−８５の量を決定し、その値を原子炉圧力容器又は燃料貯蔵プールの常態のバックグラウンド値と比較することにより、欠陥燃料を現場で検出することである。
【００１７】
図１に概略図示されたような本発明の好適な実施例によれば、原子炉圧力容器（図示していない）内部の燃料集合体４から流体サンプルを回収するために、炉内シッピング・フード２が設けられている。図１は単一の燃料集合体の頭頂部に設置された単一ヘッド・フードを概略図示しているが、本発明は、２つの隣接燃料集合体を覆う２ヘッド・フードの使用、２×２配列の燃料集合体を覆う４ヘッド・フードの使用、又は対応する複数の燃料集合体を覆う複数ヘッドを有しているその他のあらゆるフード構成の使用をも包含している点を了解されたい。一般に、４ヘッド・フードは、制御される同一セル内の燃料のサンプルを採取するために用いられている。２ヘッド・フード及び単一ヘッド・フードは、周縁の燃料集合体のサンプルを採取するために用いられている。
【００１８】
シッピング・フードは、燃料集合体の頂部から試験対象の燃料を覆っている。燃料棒の温度及び周囲の冷却材の温度は、流動が制限されるため上昇する。燃料ペレットの温度が上昇すると、燃料棒の内気圧が上昇し、バンドル内に欠陥燃料棒が１つでもあれば、その欠陥燃料棒から、燃料チャンネル内部の棒周囲の原子炉冷却材へのガス放出が通常よりも多くなる。シッピング・フードに装着された温度センサは、温度変化を測定する。温度が浸透する期間の後、各々の燃料集合体からの水サンプルは、処理のために流制御兼脱ガスシステム（ＦＣＤＳ）６に移送される。流制御兼脱ガスシステム６に対して、駆動水供給ユニット８が駆動水源を提供する。
【００１９】
炉内シッピングの２つの主たる長所は、炉心から燃料を何ら移動させることなく燃料集合体から流体サンプルを回収できる点と、多数の（多重化された）サンプル収集及び評価が行える点である。この方法により、サイクル中の停止時又は強制停止時に要求されるシッピングの総時間がかなり短縮される。
ガス供給ユニット１０は、流制御兼脱ガスシステム６から核分裂ガス測定分析システム１２（ＦＧＭＡＳ）の核分裂ガス検出器へ、脱ガスして得られたサンプルを輸送するために、一定の圧力及び一定の流量の充填清浄ガスを供給する。このユニット１０は又、核分裂ガス測定分析システム１２に対して、システムの浄化及び再生のための浄化用ガスを供給する。
【００２０】
流制御兼脱ガスシステム６は、操作中に真空に保持された脱ガスタンクを有している連続脱ガス装置である。試験中の燃料集合体から流入した流体サンプルから脱離したガスは、この脱ガスタンクの内部に蓄積される。潜在的な放射線被曝を、及び燃料交換フロアでの汚染水溢水の可能性を最低限に抑えるために、流制御兼脱ガスシステム６の一部は、脱ガスタンクを含めて、原子炉プール又は燃料貯蔵プールの水中に沈められて、そこで操作される。
【００２１】
脱ガス過程の最初期及び完了後には、核分裂ガス測定分析システム１２は、Ｋｒ−８５含有量測定のために脱ガスタンクからのガスサンプルを受け取る。核分裂ガス測定分析システム１２は、サンプルガスからＫｒ−８５を分離してから、放射線（β）検出器／計数器でその放射能レベルを測定する。
本発明によれば、プログラム可能な論理制御器（ＰＬＣ）がシステム制御を行う。この論理制御器は又、システムのデータ収集機能及び分析機能を提供する。コンピュータ端末は、タッチスクリーン式ディスプレイと、プリンタ／プロッタと、テープ・バックアップ装置とを有している。タッチスクリーン式モニタは、システムと操作者とのインタフェースとして用いられている。このモニタは、システム操作データ及び選択のためのスクリーン上の手引きを表示する。プリンタ／プロッタは、各試験からの試験結果のハードコピーを提供する。ディジタル／アナログ・テープ・デッキは、着脱式テープに試験データを記録する。
【００２２】
流制御兼脱ガスシステム６は、原子炉圧力容器又は原子炉プールの内部端に装着されており、駆動水供給ユニット８と、核分裂ガス測定分析システム１２とは、燃料交換フロア上に、流制御兼脱ガスシステム６の付近に装着されている。システム制御装置は、燃料交換フロア上の非汚染領域に設置されている。この配置、及び装置の間の配線は、シッピング・フードの操作のために燃料交換プラットホーム及び補助プラットホームの動作を妨げたり、原子炉から燃料貯蔵プールへの燃料の移動操作を妨げたりするものであってはならない。
【００２３】
図２には、単一検出チャンネルを有している流制御兼脱ガスシステム６のための流連結が図示されている。シッピング・ヘッド２は、燃料集合体４の頂部から試験対象の燃料を覆っている。シッピング・フード２の内部に装着された熱電対２４が、後続の温度上昇を測定する。温度が浸透する期間の後に、燃料集合体４からの水サンプルは、処理のために流制御兼脱ガスシステム６に移送される。流制御兼脱ガスシステム６は、開放空気圧式弁１６（以後、流入遮断弁と呼ぶ。）によってシッピング・フード２に連結し得る流入口を有している脱ガスタンク１４を含んでいる。この脱ガスタンクは、排出器２０に連結されたノズルを有しており、排出器２０は、駆動水供給ユニット８から開放ソレノイド弁１８（以後、駆動水供給弁と呼ぶ。）を経由して供給された水によって駆動される。脱ガスタンクのノズル内部の弁（図示していない）と、弁１６と、弁１８とが開放されると、排出器２０は脱ガスタンクを吸引して真空にし、この真空により、シッピング・フードから脱ガスタンクへ流体サンプルが誘導されて流入する。流入した流体サンプルからの脱離ガスは、最初は早期サンプルとして吸入されており、本過程が進行するにつれて脱ガスタンクの内部に蓄積され、その後、流路管２２を経由して核分裂ガス測定分析システムへ吸引される。
【００２４】
図３を参照すると、流路管２２は、ガスサンプルを流制御兼脱ガスシステム６から核分裂ガス測定分析システム１２へ導く。ガスサンプルは、ソレノイド弁２６を通過して、第１の６方向交差弁２８に入り、この交差弁はガスサンプルを湿分／分離カラム３０へと送り込む。カラム３０は冷却ジャケット３２に包囲されていると共に、ＡＣ（交流）加熱器電源３４によって給電されている加熱器を有している。熱電対（ＴＣ）３６はカラム内部の温度を検知する。湿分／分離カラム３０は、２つの充填物、即ち、湿分を吸収する第１の充填物と、キセノンガスを吸着するが、クリプトンガスは通過させる第２の充填物とを含んでいる。キセノンが分離除去されると、カラムから出たガスサンプルは、第１の６方向交差弁２８と第２の六方向交差弁４０とを経由してアンプル３８へと吸引される。分離済のガスサンプルは、真空弁５２を開放して真空ポンプ５４を始動することにより、アンプルへ吸引される。分離済ガスサンプルは、β放射能検出の時刻までアンプル内に保持される。そして、分離済ガスサンプルは、第２の六方向交差弁４０と、４方向交差弁４２と、第３の６方向交差弁４４とを経由してβ検出器４６へ送られる。第３の６方向交差弁４４には、予備のβ検出器４８も連結されている。β検出器４６を通過する間にガスサンプルは検査され、その後、６方向交差弁４４を経て排気管へ排出される。加圧されたガスサンプルがβ検出器を通過する際に検出されるあらゆるβ放射能は、クリプトンの存在を示すものである。β放射能がバックグラウンド・レベルを超えていれば、試験中の燃料集合体に漏洩燃料棒があることを示す。警報の出た状態では、ガス流は確認のためにＫｒ／Ｘｅ分離カラム５０に再送される。
【００２５】
アンプル３８内のガスサンプルは、不活性キャリア（担体）ガス、例えば窒素によってβ検出器に輸送される。このキャリア・ガスは、ガス供給装置１０から流路管５８を経由して供給される。同時に、分離カラム３０は、流路管６０と、カラム浄化用弁６２と、６方向交差弁２８とを経由した不活性ガスによって、浄化再生（backflush）され得る。このときに加熱器の電源を入れて、キセノン吸着充填物の温度をキセノンが脱離するレベルにまで上昇させる。そして、窒素を用いてカラムを浄化する。浄化再生を済ませたガスは、その後、流路管６４を経て排気管へと送り出される。
【００２６】
フィルタ圧力調節器６６と浄化用弁６８とを経由してアンプル３８に充填するために圧縮空気が用いられている。浄化用給気弁７０を経て供給される圧縮空気は、分離カラムの浄化再生の完了後にカラム・ジャケット３２を冷却する目的にも用いられる。熱気排出口７２を経て圧縮空気から熱が除去される。このようにして、再生された分離カラムは次のチャンネル・サイクルに向けて準備のできた状態となる。
【００２７】
燃料バンドルを浄化再生する目的で、駆動水をバンドル内に注入してもよい。駆動水は又、燃料シッピング・フードが、ある位置から他の位置へ移動する間にこのフードを洗浄するためにも用いることができる。
β検出器４６は、その検出器を通過して流れるガスサンプルによって放出されるβ粒子の数を測定し、そのデータを電子的に出力する。β検出器によって決定された放射能レベルの書面記録を通常のチャート記録器が提供する。
【００２８】
図２及び図３に図示された弁はすべて、本発明に従えば、プログラム可能な論理制御器（図示していない）からのディジタル出力によって制御されるソレノイドを用いて操作される。これにより、検出サイクルがコンピュータプログラムの制御の下で自動的に行える。
本発明の実施上の好適な方式に従えば、気体（ガス）シッピングの期間の長さを短縮するために、システムに多重の検出チャンネルが組み込まれている。各チャンネルは、図２及び図３に示したものと同一の機器設備を有している。例えば、効率を高めるために、図５に示すように４つの検出チャンネルを並列に接続することができる。これらのチャンネルは、単一のβ検出器が全チャンネルからのガスサンプルを順に処理できるような形で多重化されている。議論を簡単にするために、図５に示すシステムは、それぞれがヘッドＡ〜Ｄを有している２つの４ヘッド・フード１及び２と、４つのチャンネルＡ〜Ｄと、単一のβ検出器４６との構成のみを示すよう単純化されている。各チャンネルは、直列に連結されている脱ガスタンク１４Ａ〜１４Ｄと、湿分／分離カラム (ＳＣ）３０Ａ〜３０Ｄ と、ガスサンプル・アンプル３８Ａ〜３８Ｄとを含んでいる。
【００２９】
この好適な実施例によれば、各脱ガスタンクは、第１のサイクル中に、あるフードのそれぞれのヘッドから第１の流体サンプルを受け取り、次に、第２のサイクル中に他のフードのそれぞれのヘッドから第２の流体サンプルを受け取るよう連結されている。例えば、脱ガスタンク１４Ａ（脱ガスタンク１４Ｂも同様）は、シッピング・フード１のヘッドＡ若しくはヘッドＢのいずれかからフード１にあるバンドル選択用のサンプル弁７４と流路管７６とを経て、又はシッピング・フード２のヘッドＣ若しくはヘッドＤのいずれかからフード２にあるバンドル選択用のサンプル弁７８と流路管８０とを経て、流体サンプルを受け取ることができる。そして、脱ガスタンク１４Ｃ（脱ガスタンク１４Ｄも同様）は、シッピング・フード１のヘッドＣ若しくはヘッドＤのいずれかからフード１にあるバンドル選択用のサンプル弁８２と流路管８４とを経て、又はシッピング・フード２のヘッドＡ若しくはヘッドＢのいずれかからフード２にあるバンドル選択用のサンプル弁８６と流路管８８とを経て、流体サンプルを受け取ることができる。
【００３０】
更に、各々のチャンネルのサイクルは、これらの４つのチャンネルが、異なる時刻に個々の分離済ガスサンプルをβ検出器に送出できるように、位相を異にしている。個々のチャンネルのガスサンプルの処理は、所定のアルゴリズムに従って多重化される。こうして、１つの脱ガスタンクが１つのシッピング・フードから流入する流体サンプルを受け取っている間に、他の脱ガスタンクは、他のシッピング・フードを始源として流出したガスサンプルを、そのタンクに結びついた湿分／分離カラムへ送出することができる。更に、１つの分離済ガスサンプルがβ検出器４６で検査されている間に、他の分離済ガスサンプルを個々のアンプルに保持しておくことができる。このような多様な処理工程の流れは、図５に記号的に示された各弁の遠隔切換によって制御される。これらの弁はすべて、ソレノイド作動式のものであって、プログラム可能な論理制御器９０から各ソレノイドへのディジタル出力によって制御され得る。更に、図５は各アンプルの流入及び流出に対する個別のソレノイド弁を図示しているが、図３の好適な実施例に従えば、流入弁及び流出弁の両者が６方向交差弁の一部を形成している点に留意されたい。電源喪失又は制御不能の場合には、弁のばねはすべて、閉位置に戻る。
【００３１】
本発明の理解を助けるため、好適な実施例に従った欠陥燃料検出システムの構成及び動作について、図面を用いずに概説する。先ず、原子炉の内部にテレビカメラと照明装置とを設置して、炉内シッピング動作を監視する。シッピング動作を支援するために、頭上式クレーン及び燃料交換プラットホームを使用可能な状態にしておく必要がある。燃料シッピングを支援するためには、原子炉プール領域付近の以下のプラント施設を使用することができる。即ち、１１０ｐｓｉｇの計測器グレードの圧縮空気供給器、４８０／１２０電源、３０ｇｐｍ、８０ｐｓｉｇの加圧型脱塩駆動水供給器、及びシステム操作用のキャリア・ガスと浄化用ガスとを供給するために圧力調節器と流制御弁とを有している圧縮窒素ガスボンベである。
【００３２】
各シッピング・フードは、燃料引掛け鉤（ヘッド移動用）又は汎用引掛け鉤（初期設置用）を用いて、所定の制御セル領域の付近まで下降される。そして、システムの点検を行って、プール水のバックグラウンド信号レベルを測定する。次に、シッピング・フードを移動させて、所定の燃料集合体の頂部に装着する。その結果、燃料チャンネルを通過する冷却材の流動が制限されるので、燃料集合体の内部温度が上昇する。すると、所与の燃料集合体内の燃料が、個々のシッピング・ヘッド内での温度上昇に呼応して完全に温度浸透される。
【００３３】
残りの手順は、簡便のため、単一チャンネルに関して記載するものとする。先ず、脱ガスタンクを原子炉プール水で一杯に満たす。この脱ガスタンクに少量のガスを注入して脱ガスタンク頂部に空間を形成する。そして、脱ガスタンクの真空吸引を開始する。タンクの圧力が予め設定した（プリセット）値に達したら、選択された燃料集合体からの流入遮断弁を開放して、流体サンプルからのガス脱離を開始する。ガス脱離が進行している間に、アンプルを吸引して脱ガスタンクよりも高真空とする。次に、脱ガスタンクからアンプルに早期サンプルを吸引する。早期サンプルを分析して全体として燃料の漏洩が同定されたら、脱ガス過程を終了する。全体として燃料の漏洩はないと同定されたら、ガスサンプルを採取した流路管を浄化再生することにより分離カラムを浄化してから、カラムを吸引して高真空とする。流体サンプルからのガス脱離が完了したら、真空ポンプを停止し、脱ガスタンクを原子炉プール水で満たして脱ガスタンクに収納されたガスサンプルを圧縮する。そして、最終ガスサンプルを脱ガスタンクから吸引して、処理のために核分裂ガス測定分析システムに送る。ガスサンプルを分離にかけて湿分及びキセノンを除去してから、分離済ガスサンプルを測定のためにβ検出器に送る。警報の出た状態では、確認のためにガス流をＫｒ／Ｘｅ分離カラムに再送する。他のアンプルに収集されたガスサンプルは、自動操作のためにシステムが再準備できるまでアンプルに確実に保持される。各サイクルの後で、分離カラムを再生しなければならない。１つの燃料セル内の４つの燃料集合体すべてからのガスサンプルの試験が完了したら、シッピング・フードを次の所定位置へ試験のために移動させる。
【００３４】
本発明の更なる側面によれば、図４に示すように、燃料集合体４が燃料交換マスト１００に支持されている間に気体シッピングを行うことができる。燃料交換マストは、燃料集合体の掛けつる１０４を引掛けるための引掛け鉤１０２を有している。シッピング・フード１０６は燃料交換マスト上に装着されており、引掛け鉤１０２から吊り下げられた燃料集合体の頂部を覆って緊密に嵌まるように設計されている。円環形密封手段１１０は、フードの下方の間隙からガスが漏出するのを防止する。フードは、前に開示された流制御兼脱ガスシステムに連結するための連結器１０８及び１０８′で終端している流入路管及び流出路管を有している。
【００３５】
本発明の好適な実施例を説明のために開示した。本発明の要旨を逸脱しない範囲でこの開示された構成に対する変更及び改変が、気体処理分野における当業者には容易に明らかとなろう。このような変更及び改変はすべて、特許請求の範囲に包含されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例による燃料集合体内の漏洩を現場で検出するための気体シッピング・システムを示するブロック図である。
【図２】図１に概略図示された気体シッピング・システムの詳細を示す流れ図である。
【図３】図１に概略図示された気体シッピング・システムの詳細を示す流れ図である。
【図４】本発明のもう１つの好適な実施例による燃料交換マストに装着された気体シッピング用フード（断面）を示す模式図である。
【図５】本発明の更にもう１つの好適な実施例による複数の燃料集合体内の漏洩を検出するための多重チャンネル気体シッピング・システムを示す流れ図である。
【符号の説明】
１ ４ヘッド・フード
２ 炉内シッピングフード
４ 燃料集合体
６ 流制御兼脱ガスシステム（ＦＣＤＳ）
８ 駆動水供給ユニット
１０ ガス供給ユニット
１２ 核分裂ガス測定分析システム（ＦＧＭＡＳ）
１４ 脱ガスタンク
１４Ａ〜１４Ｄ 脱ガスタンク（多重化チャンネル４つに各々対応）
１６ 流入遮断弁（空気圧式弁）
１８ 駆動水供給弁（ソレノイド弁）
２０ 排出器
２２ 流路管（ＦＧＭＡＳへの）
２２Ａ〜２２Ｄ アンプル充填用弁（多重化チャンネル４つに各々対応）
２４ 温度センサ（燃料集合体温度測定用熱電対）
２６ ソレノイド弁（ＦＣＤＳからの）
２８ 第１の六方向交差弁
３０ 湿分／分離カラム
３０Ａ〜３０Ｄ 湿分／分離カラム（多重化チャンネル４つに各々対応）
３２ カラム冷却ジャケット
３４ ＡＣ加熱器電源
３６ 熱電対（カラム温度測定用）
３８ ガスサンプル用アンプル
３８Ａ〜３８Ｄ ガスサンプル用アンプル（多重化チャンネル４つに各々対応）
４０ 第２の６方向交差弁
４２ ４方向交差弁
４４ 第３の６方向交差弁
４６ β検出器
４８ 予備β検出器
５０ Ｋｒ／Ｘｅ分離カラム
５２ 真空弁
５４ 真空ポンプ
５８ 流路管（給気装置からの）
６０ 流路管（再生浄化用）
６２ カラム浄化用弁
６４ 流路管（排気管への）
６６ 圧縮空気用フィルタ圧力調節器
６８ アンプル浄化用弁
７０ 浄化用給気弁（カラム冷却用）
７２ 熱気排出口
７４ サンプル弁（フード１のＡＢから１４ＡＢタンクへ）
７６ 流路管（同上）
７８ サンプル弁（フード２のＣＤから１４ＡＢタンクへ）
８０ 流路管（同上）
８２ サンプル弁（フード１のＣＤから１４ＣＤタンクへ）
８４ 流路管（同上）
８６ サンプル弁（フード２のＡＢから１４ＣＤタンクへ）
８８ 流路管（同上）
９０ プログラム可能な論理制御器（ＰＬＣ）
１００ 燃料交換マスト
１０２ 引掛け鉤
１０４ 掛けつる
１０６ マスト装着シッピング・フード
１０８ 流入／流出路管と流制御兼脱ガスシステムとの連結点
１０８′ 流入／流出路管と流制御兼脱ガスシステムとの連結点
１１０ 円環形密封手段
Claims (9)
- 燃料集合体（４）内の欠陥燃料棒を検出するシステムであって、
前記燃料集合体の頂部に取り付けられた第１及び第２のシッピング・フード（１，２）と、
該第１及び第２のシッピング・フードで捕獲された流体を吸引してガスサンプルを分離蓄積する第１及び第２の蓄積手段（１４）と、
前記第１及び第２のシッピング・フード（１，２）から第１及び第２の蓄積手段（１４）への前記流体の吸引を行うために、前記第１及び第２の蓄積手段（１４）に連結されて、前記第１及び第２の蓄積手段（１４）を真空吸引する排出器（２０）と、
前記第１及び第２の蓄積手段からの１つの前記ガスサンプル内のクリプトンを検出する手段（３０、４６）を具備したことを特徴とする燃料集合体（４）内の欠陥燃料棒を検出するシステム。 - 前記第１及び第２の蓄積手段は、
前記第１及び第２のシッピング・フードから吸引された流体サンプルを受け取るように連結されている第１及び第２の脱ガスタンク（１４）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。 - 前記クリプトンを検出する手段は、
ガスサンプル内のキセノンを吸着すると共にクリプトンを通過させる材料を含んでいる分離カラム（３０）と、
該分離カラムによりキセノンを除去した後の前記ガスサンプルのβ放射能を検出するβ検出器（４６）とを含んでいる請求項１に記載のシステム。 - 前記分離カラムは、該分離カラムを通過して流れるガスサンプル内の湿分を吸収する材料を含んでおり、該湿分を吸収する材料は、前記キセノンを吸着する材料の上流側に配置されている請求項３に記載のシステム。
- 前記分離カラムを加熱する手段（３４）と、
前記分離カラムを冷却する手段（３２）とを更に含んでいる請求項４に記載のシステム。 - 前記クリプトンを検出する手段は、
前記分離カラムからの前記ガスサンプルを受け取ると共に、該ガスサンプルが前記β検出器に移送されるまで該ガスサンプルを保持するアンプル（３８）を更に含んでいる請求項３に記載のシステム。 - 温度センサ（２４）が、前記シッピング・フード内に装着されている請求項１に記載のシステム。
- 前記シッピング・フードは、燃料交換マスト（１００）に担持されている請求項１に記載のシステム。
- 第１及び第２の燃料集合体（４）内の欠陥燃料棒を検出するシステムであって、
前記第１及び第２の燃料集合体の頂部にそれぞれ設けられている第１及び第２のシッピング・フード手段（１、２）と、
該第１及び第２のシッピング・フード手段にそれぞれ連結されている第１及び第２のバンドル選択弁手段（７４、７８）と、
該第１及び第２のシッピング・フードで捕獲されたそれぞれの流体を排出器（２０）を介して真空吸引してガスサンプルを分離蓄積する第１及び第２の真空吸引蓄積手段（１４，２０）と、
ガスサンプル内のクリプトンレベルを検出する手段（４６）と、
該クリプトンレベルを検出する手段にそれぞれ連結されている第１及び第２のガスサンプル弁手段と、
前記第１及び第２のバンドル選択弁手段と前記第１及び第２のシッピング・フード手段とに連結された入口であって、前記第１及び第２のシッピング・フード手段からの前記流体を前記第１及び第２のバンドル選択弁手段により選択的に吸引するための入口と、前記第１及び第２のガスサンプル弁手段により前記クリプトンレベルを検出する手段に異なる時刻にそれぞれ選択的に連結される出口とをそれぞれが有している第１及び第２の分離チャンネル（２２Ａ、３０Ａ、３８Ａ、及び２２Ｂ、３０Ｂ、３８Ｂ）と、
前記第１及び第２のバンドル選択弁手段と、前記第１及び第２のガスサンプル弁手段とに接続されており、前記第１及び第２のシッピング・フードから前記第１及び第２の分離チャンネルをそれぞれ経由して来たそれぞれのガスサンプルを多重処理するように前記バンドル選択弁手段及びガスサンプル弁手段を制御するプログラム可能な論理制御手段（９０）とを備えた第１及び第２の燃料集合体（４）内の欠陥燃料棒を検出するシステム。
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