JP5969913B2

JP5969913B2 - 燃料棒の非破壊検査装置

Info

Publication number: JP5969913B2
Application number: JP2012277707A
Authority: JP
Inventors: 正男遠藤; 永島　良昭; 良昭永島; 善夫野中
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: JP2014122794A

Description

本発明は、原子力発電所の原子炉において使用された燃料集合体の燃料棒を非破壊で検査するのに好適な超音波による燃料棒の非破壊検査装置及び検査方法に関する。

沸騰水型原子炉において、毎年行われる定期点検で、所定の燃焼を終えた使用済み燃料は、燃料集合体のまま、原子炉圧力容器内の炉心から取り出して原子炉プラントに付設された燃料貯蔵プール内の燃料ラックに貯蔵される。一方、運転中に何らかの原因で損傷した燃料集合体も燃料貯蔵プール内で保管される。損傷燃料や使用済み燃料は、貯蔵直後、放射能レベルも高く、発生放熱量も多いことから、別共用プール等の保管施設への搬送の取り扱いに支障がなくなるまで燃料貯蔵プールに貯蔵される。ところが、燃料貯蔵プールや共用プール内での貯蔵する環境によっては、例えば、プール内に異物の落下又は混入により燃料集合体の構成要素が変形又は損傷する可能性がある。また、プール水の水質悪化による異常腐食の発生で燃料棒や締め付けボルト、ナットの強度が劣化するといった燃料集合体の健全性の確保が懸念される。

燃料集合体の燃料棒検査として、検査プローブを燃料棒と燃料棒の間に隣接させ、パルス反射法による燃料棒被覆管の管壁（肉厚）での多重反射信号を測定する。ここで、燃料棒内部の状態で多重反射信号の違いから破損燃料棒を同定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料棒の両側に位置が制御される送信用と受信用の素子を配置し、所定時間幅の複数のゲートをきって受信信号の伝搬時間差及び発信位置より管伝播を選択し健全データと比較しその大きさから破損を検出する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４８８５００３号公報特許第２９３４５２４号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載のような技術において、燃料集合体のままで検査プローブや送受信素子を燃料棒近傍に設置することが難しく、燃料棒を検査するためには燃料集合体の構成要素であるチャンネルボックスを外して、燃料棒が外部から見える状態で検査する必要がある。

本発明の目的は、このような問題に鑑みてなされたものであり、水中に貯蔵されている燃料集合体の燃料チャンネルボックスを取り外さずに、燃料棒の健全性を評価するのに好適な超音波による燃料棒の非破壊検査装置及び検査方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、水中に貯蔵されている燃料集合体の構成要素である燃料棒の健全性をガイド波により確認する燃料棒の非破壊検査装置であって、挿入治具を用いて、前記燃料集合体の内部に複数の超音波探触子を挿入する挿入装置を備え、前記挿入治具は、検査対象の燃料棒が差し込まれている上部タイプレートの凸部の位置にくるように配置される位置調整用ロッドと、前記上部タイプレートの隙間から前記複数の超音波探触子をそれぞれ挿入する複数の探触子設置用ロッドと、前記位置調整用ロッド及び前記複数の探触子設置用ロッドに取り付けられた第１、第２、及び第３の探触子設置治具プレートとを備え、ロッド先端側の前記第１の探触子設置治具プレートは、締め付ける方向が常に前記検査対象の燃料棒の中心に移動するように前記複数の探触子設置用ロッドをそれぞれ案内する複数の案内穴を有し、前記第３の探触子設置治具プレートは、互いに一定間隔を保つように前記複数の探触子設置用ロッドをそれぞれ案内する複数の案内穴を有し、前記第１及び第３の探触子設置治具プレートの間に配置された前記第２の探触子設置治具プレートは、前記第２の探触子設置治具プレートの回転によって前記検査対象の燃料棒の中心に移動するように前記複数の探触子設置用ロッドをそれぞれ案内する複数の案内穴を有し、前記第２の探触子設置治具プレートを回転させることで、前記複数の超音波探触子を前記検査対象の燃料棒の表面に押し付けるように構成したものである。
かかる構成及び方法により、水中に貯蔵されている燃料集合体の燃料チャンネルボックスを取り外さずに、燃料棒の健全性を評価し得るものとなる。

本発明によれば、水中に貯蔵されている燃料集合体の燃料チャンネルボックスを取り外さずに、燃料棒の健全性を評価することができるものとなる。

本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置の全体構成図である。本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査方法の内容を示すフローチャートである。本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置の検査対象の燃料集合体の模式図である。本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置における超音波探触子の設置方法の詳細の説明図である。本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置による検査時の状態を示す上面図である。本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置に用いる探触子設置治具プレートの平面図である。本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置に用いる探触子設置治具プレートの変形例の平面図である。本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置の模擬燃料棒による予備試験の試験体系を示すブロック図である。本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置を用いて模擬燃料棒を測定した結果の説明図である。

以下、図１〜図９を用いて、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置及び検査方法について説明する。
最初に、図１〜図３を用いて、本実施形態による燃料棒の非破壊検査装置及び検査方法の全体的な概略について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置の全体構成図である。図２は、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査方法の内容を示すフローチャートである。図３は、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置の検査対象の燃料集合体の模式図である。図３（Ａ）は、本実施形態による燃料棒の非破壊検査装置の検査対象の燃料集合体の断面図であり、図３（Ｂ）は、本実施形態による燃料棒の非破壊検査装置の検査対象の燃料集合体を構成する燃料棒の断面図である。

図３（Ａ）に示すように、燃料集合体１２は、チャンネルボックス２１、燃料棒２２、燃料スペーサ２３、上部タイプレート２４、下部タイプレート２５及びチャンネルファスナー２６から構成されている。また、図３（Ｂ）に示すように、燃料棒２２は、内部に燃料ペレット２２ａとプレナムスプリング２２ｂ等を装填してヘリウムを加圧封入し、両端を上下端栓２２ｃで密封した構造となっている。

検査開始として、図２のステップ１０１では、燃料集合体１２の燃料棒非破壊検査を行うための機材など準備を行う。即ち、図１に示す原子炉１４の建屋内のオペレートフロア１１の燃料貯蔵プール１３上部に作業エリア７を設ける。作業エリア７内に検査で使用する検査装置である、燃料集合体１２の内部に超音波探触子を挿入する挿入装置２と、燃料棒２２を検査する超音波非破壊検査装置５並びに検査する燃料集合体１２を監視するための水中カメラ８と、モニタ９から構成される燃料棒非破壊検査装置１とがセッティングされる。挿入装置２の主挿入アーム３の先端には、図４を用いて後述するように超音波探触子（図４の超音波探触子３１）が設置されている。ここで、作業エリア７の位置は、挿入装置２の主挿入アーム３が検査対象とする燃料集合体１２の真上になるように走行・横行機１０により移動させ調整する。

ステップ１０２では、燃料集合体１２の中の燃料棒２２の非破壊検査状況をモニタリングする水中カメラ８とモニタ９をセットする。水中カメラ８は、照明付きで且つ、遠隔でズーム機構及び首振り機構付きで、作業中本体がふらつかないよう固定した方が望ましい。

ステップ１０３では、超音波探触子を燃料集合体１２内部に挿入するための挿入位置調整は、図３に示す燃料集合体１２の上部タイプレート２４から矢印で示す挿入方向３２で挿入装置２の主挿入アーム３の先端に取り付けられている挿入治具４の位置調整用ロッド４ａにより行う。

ここで、図４を用いて、本実施形態による燃料棒の非破壊検査装置における超音波探触子の設置方法の詳細について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置における超音波探触子の設置方法の詳細の説明図である。図４は、挿入治具と燃料集合体の断面を示している。

検査対象の燃料棒２２が差し込まれている燃料集合体１２の上部タイプレート２４の凸部の位置に挿入治具４の位置調整用ロッド４ａがくるように水中カメラのモニタで確認しながら位置を決定し、挿入治具４の位置調整用ロッド４ａが燃料棒２２の中心軸と同じになるように挿入装置２のＸ−Ｙ−Ｚ方向で微調整する。

ステップＳ１０４では、燃料集合体１２の内部に超音波探触子３１を挿入する。

ここで、図５を用いて、本実施形態による燃料棒の非破壊検査装置における超音波探触子の挿入方法の詳細について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置による検査時の状態を示す上面図である。

主挿入アーム３の先端に取り付けられた挿入治具４の探触子設置用ロッド４ｂ（図４の挿入治具４では４個）の超音波探触子３１を、水中カメラ８のモニタ９で確認しながら、図５に示すように燃料集合体１２の上部タイプレート２４の隙間にゆっくり挿入する。

超音波探触子の挿入位置は、図３（ｂ）及び図４に示す燃料棒２２のプレナム部３３の端部がよい。これにより、位置調整用ロッドの先端部を基準に、位置調整用ロッド及び探触子設置用ロッドが燃料棒の軸と平行となるように位置調整することができる。この位置は水中カメラで観察できないため、位置調整用ロッド４ａ先端からの探触子設置用ロッド４ｂの超音波探触子までの距離を予め図面及び予備製品で決定しておく必要がある。

ステップ１０５では、超音波探触子３１を燃料棒２２表面に押し付けて設置する。

ここで、図６及び図７を用いて、本実施形態による燃料棒の非破壊検査装置における超音波探触子の設置方法の詳細について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置に用いる探触子設置治具プレートの平面図である。図７は、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置に用いる探触子設置治具プレートの変形例の平面図である。

超音波探触子の設置は、挿入治具に取り付けられた図４に示した探触子設置治具プレート４ｃ、４ｄ、４ｅを用いて行われる。

ここで、図６を用いて、探触子設置治具プレート４ｃ、４ｄ、４ｅのそれぞれの構成について説明する。

図６（Ｃ）に示すように、探触子設置治具プレート４ｃは、締め付ける方向が常に燃料棒の中心に移動するよう探触子設置用ロッド４ｂ用の案内穴４ｃ１が加工されている。

図６（Ｂ）に示すように、探触子設置治具プレート４ｄは、回転させることで探触子設置用ロッド４ｂを４個の案内穴４ｄ１によって燃料棒の中心に移動するような構造になっている。また、逆回転することで最初の位置に探触子設置用ロッド４ｂを戻すことができる。探触子設置治具プレート４ｄの外周には歯が刻まれている。この歯に、歯車Ｇ１の歯が係合している。歯車Ｇ１の軸は、図１の挿入装置２の近くまで延びており、モータＭの出力軸に係合している。モータＭの正転逆転により、歯車が回動し、探触子設置治具プレート４ｄが正転し、また逆転する。

図６（Ａ）に示すように、探触子設置治具プレート４ｅは、探触子設置用ロッド４ｂ用の案内穴４ｅ１により常時一定間隔に保たれる構造になっている。

前述したように探触子設置治具プレート４ｄを回転させることで、図５に示した探触子３１を燃料棒２２の表面に押し付けられる。
ここで、探触子設置治具プレート４ｄの回転角度で探触子設置用ロッド４ｂが中心に向かって移動する距離が把握でき、それを元に燃料棒表面への超音波探触子の押付け力を知ることができる。また、前述したように、超音波探触子から超音波を発振しながら超音波設置を行っており、非破壊検査装置のモニタの信号波形の信号高さから設置状況がうまくいっているか把握できる。

超音波探触子３１が燃料棒２２表面に接触しているかどうかは、非破壊検査装置５を起動させ、探触子３１に信号を印加して超音波を発振させながら行うことで、探触子が燃料棒表面に接触したとき探触子から燃料棒に超音波が入射され伝搬し、反射波として探触子に受信されるので、その受信信号を非破壊検査装置のモニタ表示で確認することができる。

なお、図７に示した探触子設置治具プレート４Ｄは、図６に示した探触子設置治具プレート４ｄの案内穴４ｄ１と逆形状の穴４Ｄ１を有している。この探触子設置治具プレート４Ｄを追加して、探触子設置治具プレート４ｄの位置に取り付け、探触子設置治具プレート４ｄと探触子設置治具プレート４Ｄを同時に逆回転させることで緩みがなく押し付けることが可能である。

ステップ１０６では、燃料棒の検査を開始する。本実施例では水中での燃料集合体の燃料棒非破壊検査のところ、ここでは、一般の実験室室内でよび模擬燃料棒４５を用いて予備試験を実施した。測定結果は、後ほど説明する。

ここで、図８を用いて、本実施形態による燃料棒の非破壊検査装置の模擬燃料棒による予備試験の試験体系について説明する。
図８は、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置の模擬燃料棒による予備試験の試験体系を示すブロック図である。

模擬燃料棒４５は、ジルカロイ−２製の管で内面にジルコニウムライナ処理が施されている内部が空洞の長さ２ｍの配管を用いた。また、本測定は、模擬燃料棒４５の中央に模擬燃料スペーサ４４を配置した体系で２個の超音波探触子４３を模擬燃料棒４５の両側に取付け、探傷器４１とパーソナルコンピュータである測定制御装置４２により超音波探触子４３に信号を与え駆動させて、模擬燃料棒４５の表面に超音波を伝搬させて反射波を受信したガイド波による計測である。測定条件は、超音波として中心周波数４０ｋＨｚ、測定ゲイン４３ｄＢ、送信波形は振幅変調バースト波である。

なお、上記の例ではガイド波を用いるため、２個の超音波探触子４３は模擬燃料棒４５の端部に設置し、その位置は固定している。これ以外に、燃料棒の中心軸を挟んで対向する位置に２個の超音波探触子を配置し、一方の超音波探触子から超音波を発信し、他方の超音波探触子にて燃料棒の内部を伝搬した超音波を受信するようにして、燃料棒の欠陥を測定することもできる。そして、燃料棒の軸方向にその位置をずらしながら、測定を実施する。この際、燃料棒は水中にあるため、水を超音波の伝搬物質として利用できるため、超音波探触子を燃料棒に接触させる必要はない。また、対向配置される２個で１組の超音波探触子以外に、４個２組の超音波探触子を対向配置するようにすることもできる。

ステップ１０７では、検査結果の保存である。検査装置のアナログ／デジタル変換により測定した検査結果を記憶装置、ここではパーソナルコンピュータのハードディスクにデジタルとして電子データで記憶する。引き続き、ステップ１０８では、先ほど検査した記憶したデータは、あとで読み込んでデータの演算処理を施した処理データと予め、同一条件で測定したデータ及び他のデータと比較、評価ができる。

ここで、図９を用いて、本実施形態による燃料棒の非破壊検査装置を用いて模擬燃料棒を測定した結果について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による燃料棒の非破壊検査装置を用いて模擬燃料棒を測定した結果の説明図である。

図９（ａ），（ｂ）において、横軸は探触子位置からの距離を、縦軸は信号の振幅値で示す。

図９（ａ）に対し図９（ｂ）は、縦軸を２０倍に拡大して示した。ピーク信号のＳ１はスペーサ取り付け位置と一致するため、模擬燃料スペーサと模擬燃料が接触している部位からの反射信号である。模擬燃料棒の長さに相当する２ｍ（Ｓ２）、４ｍ（Ｓ３）の反射信号は、模擬燃料棒の端部からの信号である。模擬燃料棒の端部からの反射信号を１００％とした距離−振幅の関係をＤ１とすると、図９（ｂ）中のＤ２は１０％、Ｄ３は３％、Ｄ４は１％の距離−振幅の関係で表わされる。このことから模擬燃料スペーサからの反射信号Ｓ１は５〜６％でその後２〜１％の信号Ｎ１で推移していく。本予備試験の結果から３％以上の反射信号が得られれば優位信号と見なすことができ、燃料棒の健全性評価が可能である。

なお、図９において、Ｎ１は燃料スペーサを通過後の信号レベルであり、Ｓ１は燃料スペーサによる信号であり、Ｓ２は端部４６からの第１回目の反射波信号であり、Ｓ３は端部４６からの第２回目の反射波信号である。

ステップ１０９では、検査対象の燃料集合体の燃料棒検査が終了した場合、終了か、更に別の燃料集合体の燃料棒検査を実施する。別の燃料棒の検査にはステップＳ１１０で検査対象燃料棒を選定し、ステップ１０２から繰り返し検査を実施する。

以上、説明したように、本実施形態の超音波による燃料棒非破壊検査装置及び検査方法によれば、燃料集合体のチャンネルボックスを取り外すことなく、燃料棒を検査できるので、従来の検査より時間短縮ができ、燃料棒非破壊検査における作業員の被曝低減効果がある。また、燃料棒の検査により燃料集合体の搬送時に貯蔵プールからの取り出す時の取り扱い作業の安全性が極めて向上する。

以上のように、本実施形態によれば、原子力発電所の原子炉格納容器燃料貯蔵プールや供用プールの水中に貯蔵ラックで貯蔵されている使用済み燃料集合体のまま、燃料棒の検査が可能となり、燃料集合体の搬送時に貯蔵プールからの取り出す時の取り扱い作業の安全性が極めて向上する。

また、燃料集合体のチャンネルボックスを取り外さずに、燃料棒の健全性を評価ができるので、チャンネルボックスを外して検査を行っていた従来の検査より時間短縮ができ、燃料棒非破壊検査における作業員の被曝低減効果がある。

本発明によれば、狭い隙間から超音波探触子を挿入して非破壊検査ができるので、狭隘部に存在する配管及び肉厚のある円筒形を有する長尺部材がある多くの分野に適用可能である。

１…燃料棒非破壊検査装置
２…挿入装置
３…主挿入アーム
４…挿入治具
４ａ…位置調整用ロッド
４ｂ…探触子設置用ロッド
４ｃ、４ｄ、４ｅ…探触子設置治具プレート
５…非破壊検査装置
７…作業エリア
８…水中カメラ
９…水中カメラ用モニタ
１２…燃料集合体
１３…貯蔵プール
２１…チャンネルボックス
２２…燃料棒
２２ａ…燃料ペレット
２２ｂ…プレナムスプリング
２４…上部タイプレート
３１…超音波探触子
３２…超音波伝播方向
４１…非破壊検査装置の探傷器
４２…非破壊検査装置の測定制御装置
４３…超音波探触子
４４…模擬燃料スペーサ
４５…模擬燃料棒
４６…模擬燃料棒端部

Claims

水中に貯蔵されている燃料集合体の構成要素である燃料棒の健全性をガイド波により確認する燃料棒の非破壊検査装置であって、
挿入治具を用いて、前記燃料集合体の内部に複数の超音波探触子を挿入する挿入装置を備え、
前記挿入治具は、検査対象の燃料棒が差し込まれている上部タイプレートの凸部の位置にくるように配置される位置調整用ロッドと、前記上部タイプレートの隙間から前記複数の超音波探触子をそれぞれ挿入する複数の探触子設置用ロッドと、前記位置調整用ロッド及び前記複数の探触子設置用ロッドに取り付けられた第１、第２、及び第３の探触子設置治具プレートとを備え、
ロッド先端側の前記第１の探触子設置治具プレートは、締め付ける方向が常に前記検査対象の燃料棒の中心に移動するように前記複数の探触子設置用ロッドをそれぞれ案内する複数の案内穴を有し、
前記第３の探触子設置治具プレートは、互いに一定間隔を保つように前記複数の探触子設置用ロッドをそれぞれ案内する複数の案内穴を有し、
前記第１及び第３の探触子設置治具プレートの間に配置された前記第２の探触子設置治具プレートは、前記第２の探触子設置治具プレートの回転によって前記検査対象の燃料棒の中心に移動するように前記複数の探触子設置用ロッドをそれぞれ案内する複数の案内穴を有し、
前記第２の探触子設置治具プレートを回転させることで、前記複数の超音波探触子を前記検査対象の燃料棒の表面に押し付けるように構成したことを特徴とする燃料棒の非破壊検査装置。
請求項１記載の燃料棒の非破壊検査装置において、
前記複数の超音波探触子は、それぞれ、前記燃料棒の表面に超音波を伝搬させ、反射波を受信することを特徴とする燃料棒の非破壊検査装置。
請求項２記載の燃料棒の非破壊検査装置において、
前記超音波探触子は、前記燃料棒の中心軸を挟んで対向するように配置された２個を１組として、１組又は２組有することを特徴とする燃料棒の非破壊検査装置。