JP5417176B2 - 球状粒子、特に高温又は超高温リアクタのための核燃料粒子における構造的異常を検出する方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、球状粒子における、特に、高温又は超高温リアクタのための核燃料粒子における構造的欠陥を検出する方法に関する。
より具体的には、本発明は、第１の態様によれば、粒子を少なくとも１つの誘導コイル内に通す段階と、粒子にフーコー電流を誘導するために誘導コイルを励起する段階と、誘導コイルの端子において出力信号を取得する段階と、信号を分析して粒子が構造的欠陥を含むか否かを確立する段階とを少なくとも含む種類の球状粒子における、少なくとも１つの構造的欠陥を検出する方法に関する。

「非破壊試験ハンドブック」、第２版、第４巻、１９５−１９７ページ、ＡＳＮＴ、１９８６年からの論文は、円形誘導コイルによって球状粒子の亀裂を検出する方法を理論的に説明している。この論文は、フーコー電流を用いてそのような検出方法の理論的態様を展開し、期待する性能レベルを発表している。それは、出力信号が、コイルに関する亀裂の位置の関数であることを示している。
この方法は、誘導コイルの端子で取得した出力信号が、粒子における構造的欠陥の存在及び向きに対してのみならず、粒子のいくつかの他の物理的パラメータ、例えば、そのサイズ、粒子を構成する物質などに対しても敏感であるという欠点を有する。従って、この方法は、高度の信頼性をもって無欠陥粒子と構造的欠陥を含む粒子との間の識別を可能にしない。

この関連において、本発明の目的は、より信頼性のある方法を提供することである。

そのために、本発明は、上述の種類の検出方法に関し、複数の出力信号を、粒子の異なる位置で粒子を１つ又はそれよりも多くの誘導コイル内に連続的に通すことによって得て、上記又は各誘導コイルを、粒子にフーコー電流を誘導するために少なくとも粒子が通過する毎に励起することを特徴とする。
本方法はまた、個々に又はあらゆる技術的に可能な組合せによって考えられる以下の特徴の１以上のものを含むことができる。
−分析段階は、出力信号から確立されたパラメータ値の互いに関連する分散を表す変数に従って実施され、
−パラメータは、粒子が誘導コイルの内側にある時に励起される誘導コイルのインピーダンス係数であり、
−分散を表す変数は、インピーダンス係数の確立された値の最大値と最小値の間の差に等しく、
−分析段階は、分散を表す変数を所定の閾値と比較することによって実施され、
−上記又は各誘導コイルは、３０から５０ＭＨｚの周波数を有する電流により、また好ましくはコイルの共振周波数に対応する周波数を有する電流によって励起され、
−粒子は、それが誘導コイルを連続的に通過する間、回転移動によって変位され、
−粒子は、少なくとも４つの異なる誘導コイルを連続的に通過し、かつ
−粒子は、核燃料粒子である。

第２の態様によれば、本発明は、上述の方法を実施するための装置であって、
−複数の誘導コイルと、
−粒子の異なる位置で粒子を誘導コイル内に連続的に通すための手段と、
−粒子にフーコー電流を誘導するために誘導コイルを励起するための手段と、
−各誘導コイルの端子において出力信号を取得するための手段と、
−出力信号を分析して粒子が構造的欠陥を含むか否かを確立するための手段と、
を含む。

装置は、任意的に以下の特徴を含むことができる。
−誘導コイルは、垂直に積み重ねて配置され、
−装置は、重なった誘導コイルを通して重力下で粒子を落下させるための手段を含み、かつ
−重なった誘導コイルを通して重力下で粒子を落下させるための手段は、実質的にコイルの垂直に上方の位置まで粒子を移動することができる傾斜ランプを含む。
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図を参照して非限定的な例によって示す以下の詳細説明から認められるであろう。

高温リアクタのための核燃料粒子の構造を示す概略横断面図である。 本発明による検出方法を実施するための設備を示す概略図である。

図１は、高温又は超高温リアクタ（ＨＴＲ／ＶＨＴＲ）のための核燃料粒子１を概略的に示している。
従来の方法では、この粒子１は、一般的には実質的に球状のものであり、
−例えば、ＵＯ₂又はＵＣＯに基づく核分裂性物質コア３と、
−多孔性熱分解炭素の層５と、
−高密度熱分解炭素の第１の層７と、
−炭化珪素の層９と、
−高密度熱分解炭素の第２の層１１と、
を内側から外側に向って連続的に含む。

そのような粒子を用いる時に、多孔性熱分解炭素は、核分裂ガスのためのリザーバとして作用し、炭化珪素は、固体核分裂の生成物の拡散に対して障壁として作用し、高密度熱分解炭素は、核分裂ガスの圧力に対して機械抵抗を保証する。
コア３は、例えば、約５００μｍの直径を有し、層５、７、９、１１は、例えば、それぞれ、９５、４０、３５、及び４０μｍの厚みを有する。
コア３、並びに層５、７、９、１１の相対寸法は、図１に適合していないことは理解されよう。
層、特に熱分解炭素層５、７、１１は、例えば、流動床炉内で実施される化学気相蒸着法によって堆積される。

図２に示す装置は、図１の燃料粒子の層５、７、９、１１の１つにおいて又は粒子の層間における任意の構造的欠陥の検出を可能にする。
検出が可能な構造的欠陥は、特に、以下の通りである。
−層間の結合力の損失、すなわち、２つの重なった層が互いに接触した状態にあるのではなく、代わりに空洞が２つの層間に存在する区域、
−同じ層内に位置する亀裂又は空洞、
−層が欠陥多孔性を有する層内区域、
−層が球面不良を有する区域。

検出装置１３は、
−誘導及び測定のための５つの円形コイル１５と、
−試験される粒子を連続的に誘導コイル１５内に通すための手段１７と、
−試験される粒子にフーコー電流を誘導するために誘導コイル１５を励起するための手段１９と、
−各誘導コイル１５の端子において出力信号を取得するための手段２１と、
−粒子が、出力信号から確立されたパラメータ値の互いに関連する分散を表す変数に従って構造的欠陥を含むか否かを確立するための分析手段２３と、
を含む。

図示の例では、誘導コイル１５は、相互に同一の円形コイルである。これらは、同軸的に互いに平行に設けられる。
誘導コイル１５は、垂直に重ねて配置される。２つのコイル間の垂直間隔は、作動周波数、導入された電流の値に応じて、コイルが互いに切り離されるように８から４０ｍｍであることが好ましい。コイル間の垂直間隔は、作動周波数が増加すると小さくなる。

各コイル１５は、５から３５、好ましくは、８から２０の多数の巻きを含む。例えば、各コイルは１１の巻きを含む。
各コイル１５は、検査される粒子の直径に応じて、０．６ｍｍから２ｍｍ、好ましくは、１ｍｍから１．５ｍｍの内径を有する。例えば、各コイルの内径は１．２ｍｍである。より具体的には、各コイル１５は、一般的には「Ｐｙｒｅｘ（登録商標）」型ガラスの中空円筒形管と、ガラス管の外面上に巻き付けられた銅ワイヤとを含む。試験される粒子は、ガラス管の内側を通過し、管の内径は、例えば、試験される粒子の最大直径プラス０．２ｍｍに等しくなるように選択される。このようにして、約０．１ｍｍの間隙が、ガラス管を通過する粒子とこの管の内面の間に残る。
各コイル１５は、２０μｍから２００μｍ、好ましくは、５０μｍから１２５μｍの直径を有する円形断面を有する銅ワイヤで構成される。ワイヤの直径は、例えば、１００μｍである。

コイル内の粒子を移動させるための手段１７は、例えば、傾斜ランプ２５と、試験される粒子を格納するための装填器２７とを含む。装填器２７は、例えば、垂直軸を有する円筒形シュート２９と、シュート２９の下端を選択的に遮断又は外すための手段３１とを含む。試験される粒子３３は、シュート２９内に垂直に積み重ねられる。シュート２９は、傾斜ランプ２５の上端３５の上に垂直に位置する。
傾斜ランプ２５は、コイル１５の上方、実質的に垂直にその上方に位置する下端３７を更に有する。傾斜ランプ２５は、その端部３５と３７の間に数十ｃｍの長さＬを有する。ランプ２５は、水平に対して、２０°から４５°の角度αを形成する。

誘導コイルを励起するための手段１９は、交流電源３９と、コイル１５の各々の端子に電源３９を接続する導電体４１とを含む。電源３９は、コイル１５の各々に伝送される励起電流の周波数を調節するための手段を含む。励起電流の周波数は、３０ＭＨｚから５０ＭＨｚ、好ましくは、３０ＭＨｚから３５ＭＨｚである。例えば、励起電流の周波数は、３２ＭＨｚであり、コイルの共振周波数に等しい。
励起電流は、コイル１５の各々に対して同一である。変形例では、励起電流は、コイル１５の各々、特に、その周波数によって異なる場合がある。

コイル１５の端子において出力信号を取得するための手段２１は、多チャンネルインピーダンス計４３と、各コイル１５の端子をインピーダンス計４３のチャンネルの１つに接続する導電体４５とを含む。誘導コイル１５の各々の端子において得られた出力信号は、粒子が誘導コイルの内側にある時に、インピーダンス計４３が励起誘導コイル１５のインピーダンス係数を確立する電流である。
分析手段２３は、インピーダンス計４３に接続されたデータ処理計算手段を含む。インピーダンス計４３によって確立された各誘導コイル１５のインピーダンス係数の数値は、それによってデータ処理手段２３に伝送される。
データ処理手段２３は、電源３９と、シュート２９を遮断又は外すことを可能にするための手段３１とを更に制御する。

図２の装置によって燃料粒子における構造的欠陥の検出を可能にする方法をここで詳細に説明する。
最初に、データ処理手段２３は、粒子３３が傾斜ランプ２５上に落下することができるように、手段３１にシュート２９の下端を外すように指示する。粒子３３が通過すると、手段３１は、再びシュート２９を遮断する。
粒子３３は、傾斜ランプの上端３５上に落下してその下端３７まで傾斜ランプ２５に沿って移動する。その後、それは、重力の影響下で様々な重なったコイル１５を通して落下する。傾斜ランプの下端３７は、粒子３３が様々なコイル１５の軸線に従って実質的に垂直に落下するように位置決めされる。

粒子３３は、それが傾斜ランプ２５に沿って移動するので、それが誘導コイル１５を連続的に通過する間にそれ自体を中心とする回転を含む移動によって変位される。粒子３３の垂直並進速度及び回転速度は、傾斜ランプ２５の長さＬとその傾斜角度αとの関数である。それらのパラメータは、コイル１５間の垂直間隔に応じて、また試験される粒子のサイズに応じて調節される。
データ処理手段２３は、電流発生器３９に励起電流をコイル１５に通すように指示する。好ましくは、励起電流の周波数は、コイルの共振周波数に実質的に対応するように選択される。電流発生器３９は、粒子３３のバッチ全体を制御するための一連の作動中に、好ましくは恒久的に誘導コイル１５に電力供給する。

各誘導コイル１５は、粒子３３がそれを通過する時に、粒子にフーコー電流を誘導する。それらのフーコー電流は、次に、励起電流を妨害する誘起磁場を作る。
特に、誘起磁場は、粒子が通過する時に励起された誘導コイル１５のインピーダンスを変更する。
インピーダンス計４３は、様々なコイル１５の端子においてインピーダンスを恒久的に調べて、粒子が誘導コイルの内側にある時に誘導コイル１５の各々のインピーダンスを確立する。粒子の通過時間は、それが誘導コイル１５のインピーダンスの急激な変動に対応するので、容易に固定することができる。インピーダンス計４３は、確立されたインピーダンス係数をデータ処理手段２３に伝送する。

データ処理手段２３は、粒子がそれらのコイルの内側にある時に励起された誘導コイル１５の５つインピーダンス係数を受け取る。手段２３は、互いに対して確立されたインピーダンス係数の分散を表す変数を計算する。互いに対するインピーダンス係数の分散を表す変数は、確立された最大のインピーダンス係数と確立された最小のインピーダンス係数との間の差に等しい。
手段２３は、その後、分散を表す計算変数を所定の閾値と比較する。表された変数が所定の閾値よりも大きい場合、粒子は、構造的欠陥を有すると考えられる。表された変数が所定の閾値よりも小さい場合、粒子は、無欠陥、すなわち、全く構造的欠陥を有していないと考えられる。

粒子が構造的欠陥を含む場合、異なる誘導コイルのインピーダンス係数は、粒子が様々なコイルを通過する間に回転して、粒子がそれを通過する時にこれらの各々に対して同じ相対位置を占めないので、互いに全く異なることになる。従って、構造的欠陥は、それが様々なコイル１５を通過する時に同じ位置を占めず、その結果、確立されたインピーダンス係数は、その場合は大きい分散を有することになる。
反対に、粒子が全く構造的欠陥を持たない場合、それ自体の周りの粒子の回転は、様々なコイル１５のインピーダンス係数を著しく変化させないことになる。インピーダンス係数の分散は、従って、小さくなることになる。

上述の方法は、多くの利点を有する。
複数の出力信号が粒子の様々な位置に対して得られるという事実は、無欠陥粒子と構造的欠陥を有する粒子との間の識別を非常に信頼できる方法で実施することを可能にする。
粒子が構造的欠陥を含むか否かを判断する間、分析段階が、出力信号から確立されたパラメータ値の互いに対する分散を表す変数に応じて実施されるので、信頼性は更に増大する。
互いに対する出力信号の分散は、実際には粒子における構造的欠陥の存在に対してのみ敏感である。この分散は、粒子の他の物理的パラメータに対して殆ど鈍感である。
粒子が無欠陥であるか否かを確立するために選択された判断規準は、計算された分散が単純な所定の閾値と比較されるので、特に単純である。

本方法は、電磁拡散を含む物理的現象が極端に急速であるので、特に高速で粒子の試験を行うことができ、他方、取得した出力信号の処理は、少数の計算を必要とするだけである。
試験される粒子を回転させるための傾斜ランプのような手段を使用することは、粒子が構造的欠陥を含む時に、大きい分散が出力信号で得られることを保証する。
コイルの共振周波数において励起電流で作業することにより、より高い大きさを有する出力信号の取得を可能にし、従って、取得した信号の処理を容易にする。

上述の方法及び装置は、多くの変形例を有することができる。
粒子は、５つよりも多いか又は少ない誘導コイルに移動することができる。それは、例えば、４つの誘導コイルだけに進むことができ、又はそうでなければ多数のコイル、例えば、上方に重ねて配置された２０又は３０の誘導コイルに移動することができる。
多数の誘導コイルが用いられ、従って、多数の出力信号がもたらされる時に（例えば、２０又は３０）、最高信号と最低信号の間の差を計算することによるのではなく、出力信号のこの群の標準偏差を用いることにより、互いに対する出力信号の分散を評価することができる。
電源３９は、インピーダンス計から分離していなくてもよく、インピーダンス計に組み込むことができる。

本発明の別の実施形態によれば、本方法は、単一誘導コイルと、試験される粒子を連続的に数回単一コイルに通すための機械的手段とを含む装置で実施することができる。例えば、コイルは、振動管に封入される。それは、管の中心に設けられ、試験される粒子は、管の内側に設けられる。管が、管の第１の端部がより低くて管の第２の端部がより高いという方法で第１の側で傾斜している時に、球体は、第１の端部まで管の基部の上を進んでコイルを通過する。その後、第２の端部がより低くて第１の端部がより高いという方法で管が反対方向に傾くと、粒子は、第２の端部まで管に沿って反対方向に進んで再びコイルを通過する。このようにして、管の複数の傾斜アクションは実施され、粒子がコイルを通過する毎に出力信号が収集される。出力信号は、上述のように処理される。

粒子の様々な相対位置に対して出力信号を有するように粒子を移動させるための手段は、傾斜ランプではなくてもよく、粒子を回転させるための任意の他の手段を含むことができる。
試験される粒子を傾斜ランプ２５上に落下させるための手段２７は、上述したものとは異なっていてもよい。シュート２９は、例えば、垂直ではなくて水平であってもよい。ランプ２５上に１つずつ試験される粒子を堆積させるための任意の他の機械的手段を用いることができる。

更に、検出装置は、コイル１５の軸線に沿って垂直軌道に従って傾斜ランプの下端３７を出る粒子３３を配向することができる曲げ案内部分又は偏向器を含むことができる。
多チャンネルインピーダンス計の代わりとして、誘導コイルに対して各々専用であり、かつコイルの端子で測定されたインピーダンスをデータ処理手段に伝達する複数のインピーダンス計を用いることも可能である。

本方法及び装置は、高温リアクタの全ての種類、例えば、頭字語ＨＴＲ（高温リアクタ、High Temperature Reactor）、ＨＴＴＲ（高温技術試験リアクタ、High Temperature engineering Test Reactor ）、ＶＨＴＲ（超高温リアクタ、Very High Temperature Reactor）、ＴＨＴＲ（トリウム高温リアクタ、Thorium High Temperature Reactor ）、ＧＴ−ＭＨＲ（ガスタービンモジュラーヘリウムリアクタ、Gas Turbine Modular Helium Reactor）、ＭＨＴＧＲ（モジュラー高温ガスリアクタ、Modular High Temperature Gas Reactor）、ＨＴＧＲ（高温ガス冷却リアクタ、High Temperature Gas cooled Reactor ）、及びＰＢＭＲ（ペブルベッドモジュラーリアクタ、Pebble Bed Modular Reactor）の名前で公知の種類の粒子を制御するのに適している。これらはまた、導電性物質の層を含む全ての種類の球状粒子を制御するのにも適している。

Claims (14)

1. 核燃料球状粒子（１；３３）における少なくとも１つの構造的欠陥を検出する方法であって、
   −前記核燃料球状粒子（１；３３）を少なくとも１つの誘導コイル（１５）内に通す段階と、
   −前記核燃料球状粒子（１；３３）にフーコー電流を誘導するために前記少なくとも１つの誘導コイル（１５）を励起する段階と、
   −前記少なくとも１つの誘導コイル（１５）の端子において出力信号を取得する段階と、
   −前記出力信号を分析して前記核燃料球状粒子（１；３３）が構造的欠陥を含むか否かを確立する分析段階と、
   を少なくとも含み、
   前記分析段階は、前記出力信号から確立されたパラメータ値の互いに対する分散を表す変数を計算する段階を有し、複数の出力信号が、前記少なくとも１つの誘導コイルに対する前記核燃料球状粒子（１；３３）の角度位置が互いに異なるようにしながら、前記核燃料球状粒子（１；３３）を１つ又はそれよりも多くの誘導コイル（１５）内に連続的に通すことによって得られ、前記少なくとも１つの誘導コイル（１５）を、前記核燃料球状粒子（１；３３）にフーコー電流を誘導するために少なくとも前記核燃料球状粒子（１；３３）が通過する毎に励起し、前記核燃料球状粒子における構造的欠陥の存在を、計算した前記変数から確立する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記パラメータ値は、前記核燃料球状粒子（１；３３）が前記少なくとも１つの誘導コイル（１５）の内側にある時に励起される前記少なくとも１つの誘導コイル（１５）のインピーダンス係数であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記分散を表す前記変数は、インピーダンス係数の確立された前記パラメータ値のうちの最大と最小のものの間の差に等しいことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記分析段階は、前記分散を表す前記変数を所定の閾値と比較することによって実施されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの誘導コイル（１５）は、３０から５０ＭＨｚの間の周波数を有する電流によって励起されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記核燃料球状粒子（１；３３）は、前記少なくとも１つの誘導コイル（１５）を連続的に通過する間回転運動をしながら変位することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記核燃料球状粒子（１；３３）は、少なくとも４つの異なる誘導コイル（１５）を連続的に通過することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記核燃料球状粒子（１；３３）は、核燃料粒子であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の方法。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項による方法であって、
   前記核燃料球状粒子はいくつかの層を有し、
   この方法によって検出された前記構造的欠陥が
   層間の結合力の損失、
   所定層内に位置する亀裂又は空洞、
   欠陥多孔性を有する層内の区域、
   層が球面不良を有する区域、
   のうちの１つであることを特徴とする方法。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項による核燃料球状粒子（１；３３）における少なくとも１つの構造的欠陥を検出する方法を実施するための装置（１３）であって、
    −複数の誘導コイル（１５）と、
    −前記複数の誘導コイルに対する前記核燃料球状粒子（１；３３）の角度位置が互いに異なるようにしながら、前記核燃料球状粒子（１；３３）を前記複数の誘導コイル（１５）内に連続的に通すための手段（１７）と、
    −前記核燃料球状粒子（１；３３）にフーコー電流を誘導するために前記複数の誘導コイル（１５）を励起するための手段（１９）と、
    −各誘導コイル（１５）の端子において出力信号を取得するための手段（２１）と、
    −前記出力信号を分析して前記核燃料球状粒子（１；３３）が構造的欠陥を含むか否かを確立するように設定されたデータ処理手段（２３）と、
    を含むことを特徴とする装置。
11. 前記複数の誘導コイル（１５）は、垂直に重ねて配置されることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 重なった前記複数の誘導コイル（１５）を通して重力下で前記核燃料球状粒子（１；３３）を落下させるための手段（２５；２７）を含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 重なった前記複数の誘導コイル（１５）を通して重力下で前記核燃料球状粒子（１；３３）を落下させるための前記手段（２５；２７）は、前記複数のコイル（１５）の垂直に上方の位置まで前記核燃料球状粒子（１；３３）を移動することができる傾斜ランプ（２５）を含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記核燃料球状粒子はいくつかの層を有し、
    前記方法によって検出された前記構造的欠陥が
    層間の結合力の損失、
    所定層内に位置する亀裂又は空洞、
    欠陥多孔性を有する層内の区域、
    層が球面不良を有する区域、
    のうちの１つであることを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の装置。

Images