JP4895142B2

JP4895142B2 - 酸化膜厚さ測定方法

Info

Publication number: JP4895142B2
Application number: JP2008322514A
Authority: JP
Inventors: 徳信横田
Original assignee: 株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: JP2010145233A

Description

本発明は原子炉構成材等の非磁性材に形成された酸化膜厚さの測定方法に関し、特に、原子炉用の燃料棒被覆管の表面に形成された酸化膜厚さの測定方法に関する。

水を冷却材とする軽水炉の炉心には複数の燃料棒からなる燃料集合体が多数本装荷されている。燃料棒は、被覆管とその内部に装填された燃料ペレットから構成される。燃料棒被覆管は、原子炉の運転が進むにつれて、その外表面に酸化膜が形成される。この酸化膜は、被覆管の腐食の要因となったり、核熱水力特性に影響を及ぼすことから、燃料棒の安全性及び健全性を評価するために、燃料棒被覆管に形成される酸化膜厚さを測定する必要がある。

ところで、燃料棒被覆管は、運転がさらに進むにつれて、冷却材に含まれる金属イオンが被覆管表面に付着して磁性クラッドを形成することが知られている。通常、酸化膜厚さを測定する際には、渦電流センサが用いられるが、その際、酸化膜層の外周に形成される磁性クラッド層による影響を排除する必要がある。

特許文献１には、このような磁性クラッドが付着した燃料棒被覆管の酸化膜厚さを測定する方法が提案されている。この方法は、原子炉に配置された燃料棒の下方部分がその熱水力特性から酸化膜がほとんど形成されないのに対し、磁性クラッドは燃料棒の全長にわたって形成されることを利用して、渦電流センサを燃料棒の全長にわたって走査し、複素インピーダンス測定を行うことにより、燃料棒下部で磁性クラッドの影響分のみを測定し、酸化膜厚さの測定結果からその磁性クラッドの影響分を差し引くことにより、酸化膜厚さを測定するものである。
特開平０７−０７１９０５号公報

渦電流センサにより厚み等を測定する際は、センサのプローブコイルを測定対象物に接触させる必要がある。ところで、燃料集合体は、複数の燃料棒を支持する上下タイプレート、スペーサ等を備えているため（図１（ａ）参照）、上述した従来の厚み測定方法では、燃料棒を全長にわたって走査する必要があるために、燃料集合体を解体して燃料棒を取り出し検査する必要がある。したがって、解体のために放射線防護も考慮した煩雑で膨大な作業が発生する。

また、何らかの要因で磁性クラッドのみが付着している箇所が見出せない燃料棒の場合には酸化膜厚さを測定することができないという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、燃料集合体を解体することなく、また、磁性クラッドが付着しても酸化膜の厚みを高精度で測定することができる新規な酸化膜厚さ測定方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る酸化膜厚さ測定方法は、渦電流センサと未照射燃料被覆管上に被覆した厚さの異なる模擬磁性クラッド試料と未照射燃料被覆管の肉厚変化試料を用いて、磁性クラッドに起因する位相角度と被覆管肉厚変化による位相角度が同一方向となる周波数を求める工程と、この周波数を印加した渦電流センサと未照射燃料被覆管からベクトル平面図上のゼロ点を求める工程と、同周波数にて渦電流センサを測定対象の被覆管表面に接触させインピーダンス値を求める工程と、前記インピーダンス値を前記リフトオフ成分と前記同一方向の位相角度成分に分解する工程と、前記分解されたリフトオフ成分から酸化膜厚さを求める工程からなることを特徴とする。

本発明によれば、渦電流測定の影響因子のうち、透磁率と肉厚変化を、周波数を適切に選択することにより、１つに集約させることで、渦電流センサから得られる出力電圧信号を、被覆管金属表面からのリフトオフによるインピーダンス変化成分と集約した合成のインピーダンス成分の２つに絞り込むことが可能となり、その結果、燃料集合体を解体することなく、簡単な設備で、磁性クラッドに影響されない確実で精度の良い酸化膜厚さの測定方法を提供することができる。

本発明に係る酸化膜厚さの測定方法の実施形態を、図を参照して説明する。
まず、本発明に係る酸化膜厚さの測定原理について説明する。

図１（ａ）は、燃料集合体１に装荷されたままで燃料棒２の被覆管３の酸化膜厚さを測定するための装置構成図であり、図１（ｂ）は測定部Ａの拡大図である。また、図１（ｃ）は酸化膜層５の外周に磁性クラッド層６が形成された燃料棒被覆管３の断面模式図である。渦電流センサ４は、燃料棒２が燃料集合体１に装荷された状態で、燃料棒２の被覆管３表面に接触し上下に走査される。

図２は、渦電流センサが被覆管表面に設置した状態で、渦流電流センサの出力をゼロにリセットして、コイルインピーダンスに影響を与える因子であるリフトオフ成分Ｌ（センサと測定対象物との距離）、導体の寸法（被覆管肉厚変化）Δｔ、透磁率（磁性クラッド）μ、導電率σのそれぞれの位相角度がインピーダンス平面図でどの方向にあるかを概念的に示したインピーダンス平面図である。このインピーダンス平面図は、横軸をインピーダンスの抵抗成分、縦軸をリアクタンス成分としてインピーダンスの座標の軌跡を示している。

図２に示すごとく、周波数を高くするとそれぞれの位相角度の差が少なくなり、Ｃに示すように影響因子（Ｌ、Δｔ、μ、σ）の位相角度が１つにまとまってくる。図２のＣ部の周波数は１ＭＨｚ程度である。それに比べ図の四角で囲ってあるＢ部は、周波数は１００ＫＨｚ前後であり、それぞれの位相角度差が大きくなっている。この図２から渦電流測定の影響因子であるリフトオフ成分Ｌ、被覆管肉厚変化Δｔ、透磁率μ、及び導電率σのそれぞれの影響を把握するためには、各インピーダンス成分の位相角度が離れている１００ＫＨｚ前後が有利であることがわかる。

上記の４つの影響因子のインピーダンス成分の位相角度は、測定対象の被覆管３と渦電流センサ４との結合インピーダンスによって若干異なってくる。しかしながら、全体の傾向としては、どのような被覆管と渦電流センサであっても、１００ＫＨｚ前後の低い周波数では影響因子の位相角度差が大きく、高い周波数では影響因子の位相角度差が集約する傾向に変わりはない。

また、図２において、導電率σのインピーダンス変化は破線で記しているが、照射後の燃料棒被覆管は未照射の燃料棒被覆管に比べ、材料の電気抵抗変化はわずかで、渦電流測定においては無視するほど小さい。このことから、被覆管の酸化膜厚さの測定では導電率σを検討項目から削除することができる。

図３は、図２のインピーダンス平面図のＢ部を抜き出し、横軸を抵抗電圧（ＶR）、縦軸をリアクタンス電圧（ＶL）としてベクトル表示したベクトル平面図であり、リフトオフ成分Ｌをベクトル平面図のＸ軸と平行になるようにしている。これにより、リフトオフ成分Ｌが変化しても、Ｙ軸にはリフトオフ成分Ｌの変化による出力電圧は発生せず、リフトオフ成分Ｌ以外の影響因子によるＹ軸の電圧変化量のみを捉えることが可能となる。

一方、周波数を高くすると、渦電流の発生に影響する影響因子の位相角度が図２のＣに示すように一方向に集約する。このことは、リフトオフ成分Ｌ、被覆管肉厚変化Δｔ、透磁率μの３つの位相角度は、周波数の変化が同一であっても位相角度は同一に変化しないことを示し、特定の周波数で被覆管肉厚変化Δｔによる位相角度と磁性クラッドによる位相角度が同一方向になる周波数が存在することを示している。

図４（ａ）、（ｂ）は、導電率σ因子を排除した図で、ある燃料棒被覆管について、被覆管肉厚変化Δｔによる位相角度と磁性クラッドによる位相角度が同一方向になる周波数が存在することを示したベクトル平面図である。すなわち、図４（ａ）は周波数が１００ＫＨｚ以下の場合で、被覆管肉厚変化Δｔによる位相角度と磁性クラッドによる透磁率μの位相角度は離れている。一方、図４（ｂ）は周波数を１２０ＫＨｚにした図で、透磁率μと被覆管肉厚変化Δｔが同じ位相角になった状態を示している。

なお、図４（ａ）、（ｂ）では、リフトオフ成分ＬをＸ軸と平行にし、透磁率μと被覆管肉厚変化Δｔの位相角度はリフトオフ成分Ｌに対する位相角度として表示している。

このように、酸化膜厚さ測定で得られたインピーダンス値は、図４（ａ）ではリフトオフ成分Ｌ、被覆管肉厚変化Δｔ、透磁率μの影響を受ける変数が３つあり、このままではインピーダンス値から酸化膜厚さを求めることができない。しかし、図４（ｂ）のように透磁率μの変数と、被覆管肉厚Δｔによる変数を１つに集約することができれば、変数はリフトオフ成分Ｌと前記の集約した成分だけになり、この２つの変数から酸化膜厚さを求めることが可能となる。

本発明は、この知見にもとづき、磁性クラッドに影響されない新規な酸化膜厚さの測定方法を見出したもので、以下に、具体的な測定方法を、図５を用いて説明する。

まず、酸化膜及び磁性クラッドが形成された照射済みの被覆管に渦電流センサを接触させ、得られたインピーダンス値を測定値ｍとすると、測定値ｍをリフトオフ成分（Ｌ）と集約した位相角ライン（μ、Δｔ）成分に分割するために、図５に示すように、ベクトル平面図上に、測定値ｍよりリフトオフ成分Ｌと平行にラインを、図５の破線に示すように引く。この破線の測定値ｍと集約した位相角からのライン（以下、「０レベルライン」という。）の交点ａとの間の長さｄが酸化膜厚さに対応する。

次に、測定値ｍから０レベルラインと平行にラインを引き、リフトオフラインとの交点ｂと測定値ｍとの長さが磁性クラッドによる影響を表したものとなる。磁性クラッドがない場合には０ポイントとｂ間が酸化膜厚さに対応するが、磁性クラッドがあると測定点はｂ点からｍ点に磁性クラッドの影響で移動させられたものと捉えることができる。０ポイントの具体的な求め方については後述する。

磁性クラッドの存在しない未照射被覆管の酸化膜厚さ測定では、未照射被覆管表面と渦電流センサ間の距離が既知であれば、出力電圧から酸化膜厚さを求めることが可能である。磁性クラッドの存在しない酸化膜厚さ測定では図４のｂ点と０点間が酸化膜厚厚さに対応した出力電圧になるが、酸化膜厚さを事前に求めることが可能であれば、出力電圧と酸化膜厚さとの換算が可能である。実際には、厚さが既知で厚さの異なるプラスチックシート（酸化膜厚さに対応）を渦電流センサと未照射被覆管との間に配置して、出力電圧を得ることにより、酸化膜厚さと出力電圧との換算係数が求められる。

一方、磁性クラッド付着下の酸化膜厚さ測定では磁性クラッドの影響で、測定点がｂ点からｍ点に移動させられただけであることから、測定点ｍとａ点間の出力電圧を酸化膜厚さに換算する際に、上記の換算係数を使用することが可能になる。

次に、透磁率μと被覆管肉厚変化Δｔによる位相が同一になる０レベルラインの特定周波数を求める具体的な方法は、未照射被覆管に付着させた模擬磁性クラッドと被覆管の肉厚を変化させた模擬肉厚変化被覆管から実験的に求める。磁性クラッドに関しては実際に照射済みの被覆管に付着しているクラッドの成分分析から、磁性クラッドを特定することが望ましい。

しかし、磁性クラッドを特定することが難しい場合には、原子炉の炉水中で生成する磁性クラッドは限られていることから、それらの磁性クラッド成分を付着させた未照射被覆管から実験的に求めることになる。その際、周波数を変化させながら、模擬磁性クラッド試料の位相角度と被覆管肉厚変化試料の位相角度を求めれば、どの周波数で透磁率μに起因する位相と被覆管肉厚変化Δｔによる位相が集約できるかを求めることができる。

模擬磁性クラッド試料及び被覆管肉厚変化試料は、ベースとなる未照射被覆管と同一の製品を分割して使用する。このことで、被覆管の違いによる差がなくなるので、余分な補正をすることなく両者を比較することができ、測定精度を上げることができる。この際に、他のベクトル表示図に０レベルラインを記入するのに必要なリフトオフ成分Ｌのデータも採取しておくことが望ましい。

０レベルラインは、透磁率μに起因するものと、被覆管肉厚変化Δｔによるインピーダンス値の変化に起因するものが共存し、２つを分離することはできない。しかし、被覆管肉厚変化量は、製造偏差で上限が決まっているので、その上限以上のインピーダンス成分変化は透磁率μの影響であると言える。したがって、多数本の被覆管の肉厚変化を実際に測定し、その測定値から肉厚の標準偏差を求め、標準偏差の２倍の２シグマを肉厚変化の上限とすれば、肉厚の影響の上限をほぼ安全側に評価できる。

図５の０レベルラインでは、０点からａ点間が透磁率μ＋被覆管肉厚変化Δｔの影響によるインピーダンス成分である。そして、ｃ点である矢印ｔの先端が被覆管肉厚標準偏差の２シグマ値以内であれば、０点からａ点間の透磁率μによる影響のうち、被覆管肉厚ｔの影響は最大で０点からｃ点間であり、残りのａ点からｃ点は透磁率μの影響であると言える。

このように、肉厚変化による上限が決まれば、それ以上の変化は磁性クラッドによる影響であるとすることができるとともに、それ以外の肉厚変化による影響は透磁率μの影響を測定する際の誤差ということもできる。このように、０レベルラインの電圧値は磁性クラッド量と相関関係がある。しかし、０点より離れてくるに従い電圧値と磁性クラッドの相関関係は直線関係からずれてくる。このために磁性クラッドと電圧との相関関係を実験検討にて確認しておく必要がある。実燃料の被覆管測定では磁性クラッドの影響がそれほど強くなくずれの影響は小さく、通常は無視できる程度であることから、０レベルラインの電圧値から容易に磁性クラッドの厚さを求めることが可能となる。

次に、ベクトル平面図からリフトオフ成分Ｌと０レベルラインを求める方法を説明する。
まず、０ラベルラインをベクトル平面図上で表示するために、測定対象の燃料棒被覆管と同様な環境に配置した未照射の被覆管表面上に渦電流センサをゆっくり近づけることで、基準となるリフトオフ成分Ｌの開始点(０点)を求める。模擬試料を用いて実験的に求めた０レベルラインをリフトオフ成分Ｌの開始点(０点)を通るように引く。この際に、０レベルラインで求めておいたリフトオフ成分Ｌを基準となるベクトル表示中のリフトオフ成分Ｌと重ねることで、実験的に求めた０レベルラインの位相角度が決まってくる。このベクトル平面図中に測定値ｍが得られれば、上述したように容易に酸化膜厚さを求めることができる。

実際の測定では０点の位置が酸化膜厚さ結果に大きく寄与することから、上述の測定を数回以上実施し、その平均値を０点として用いることになる。

本発明の実施形態によれば、渦電流測定の影響因子のうち、透磁率と肉厚変化を、周波数を適切に選択することにより、１つに集約させることで、渦電流センサから得られる出力電圧信号を、被覆管金属表面からのリフトオフによるインピーダンス変化成分と集約した合成のインピーダンス成分の２つに絞り込むことが可能となり、その結果、燃料集合体を解体することなく、簡単な設備で、磁性クラッドに影響されない確実で精度の良い酸化膜厚さの測定方法を提供することができる。

また、磁性クラッド量が判別できることから、磁性クラッドの影響がどの程度であるかを判断することが可能となる。

また、本発明の実施形態では、本方法を燃料棒被覆管の酸化膜厚さの測定に適用した例を説明したが、本方法は測定対象が燃料棒被覆管のみに限定されず、例えば、薄板で測定値に肉厚変化の影響を受け、磁性体が近傍に存在する非磁性金属であれば、位相角度や周波数は異なるが同様な方法で透磁率と肉厚変化を１つに集約することで、酸化膜厚さの測定が可能である。例えば、原子燃料体においてはスペーサやチャンネル材にも本方法を適用することができる。

（ａ）は本発明の酸化膜厚さを測定するための装置構成図、（ｂ）は測定部Ａの拡大図、（ｃ）は燃料棒被覆管の断面模式図。影響因子の位相角度方向を示すインピーダンス平面図。図２のＢ部を拡大したベクトル平面図。（ａ）及び（ｂ）は異なる周波数におけるベクトル平面図。測定値を２つのベクトル成分に分解したベクトル平面図。

１…燃料集合体、２…燃料棒、３…被覆管、４…渦電流センサ、５…酸化膜、６…磁性クラッド。

Claims

渦電流センサと未照射燃料被覆管上に被覆した厚さの異なる模擬磁性クラッド試料と未照射燃料被覆管の肉厚変化試料を用いて、磁性クラッドに起因する位相角度と被覆管肉厚変化による位相角度が同一方向となる周波数を求める工程と、この周波数を印加した渦電流センサと未照射燃料被覆管からベクトル平面図上のゼロ点を求める工程と、同周波数にて渦電流センサを測定対象の被覆管表面に接触させインピーダンス値を求める工程と、前記インピーダンス値をリフトオフ成分と前記同一方向の位相角度成分に分解する工程と、前記分解されたリフトオフ成分から酸化膜厚さを求める工程からなることを特徴とする酸化膜厚さ測定方法。
前記分解された前記同一方向の位相角度成分から磁性クラッド厚さを測定する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の酸化膜厚さ測定方法。
測定対象が原子炉燃料体の構成材であるスペーサ又はチャンネル材、あるいは薄板の非磁性金属材であることを特徴とする請求項１又は２記載の酸化膜厚さ測定方法。