JP6232430B2 - 沸騰水型原子炉の燃料要素のための燃料要素缶の撓みを測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の燃料要素の燃料要素缶の撓みを測定する方法に関する。

沸騰水型原子炉の燃料要素において、燃料棒は燃料要素缶内に配置される。その動作の過程で、コア内の燃料棒の位置によって、燃料要素とそれに応じて燃料要素缶には撓みが発生することがあり、その撓みは、最悪の場合、制御要素の停滞や燃料要素の交換の際の問題につながりうる。したがって、コア内で燃料要素または燃料要素をどこでどの回転方向で使用し続けることができるかどうかを評価できるためには、燃料要素缶の撓みを決定する必要がある。

したがって本発明の目的は、簡単に時間をかけずに実行することのできる沸騰水型原子炉の燃料要素の燃料要素缶の撓みを測定する方法を提供することである。

本発明によれば、請求項１に記載の特徴を有する方法を用いて、この目的が達成される。沸騰水型原子炉の燃料要素のための燃料要素缶の撓みを測定する方法において、燃料要素缶の画像がカメラ２を用いて記録され写真測量法によって評価され、
ａ）燃料要素缶は冠水したたらい内に位置し、
ｂ）カメラは、燃料要素缶の上方に位置し、燃料要素缶に関して横方向にオフセットされており、
ｂ１）その光軸が燃料要素缶の理想的な長手方向中心軸に対して鋭角をなすように方向付けられ、
ｂ２）その画像平面が燃料要素缶のフロントエッジと平行になるように方向付けられ、
ｂ３）カメラに面する燃料要素缶の両方のフロントエッジが当該画像に描画され、
ｃ）カメラによって記録された画像において、画像平面に平行に方向付けられカメラに面するフロントエッジのコーナーポイントの画像位置が測定され、
ｄ）燃料要素缶の既知の長さおよび幅、フロントエッジのコーナーポイントの画像位置、およびカメラの既知の画像幅から、理想的な長手方向中心軸に垂直でその軸上の位置に関して定義される中間平面がカメラに面する燃料要素缶の側面と交差する画像上の切断線の位置が計算されるか、または、この切断線の軸上の位置が画像上の所定の切断線の位置から計算され、
ｅ）切断線が画像に挿入され、この切断線上に位置する燃料要素缶のコーナーポイントの画像位置が測定され、
ｆ）コーナーポイントの画像位置から、コーナーポイントを結びフロントエッジに平行に走る線分の中心点の画像位置が決定され、
ｇ）燃料要素缶の既知の幅とこの切断線におけるカメラの既知の画像スケールの助けを借りて、この中心点の測定された画像位置を用いることにより、理想的な長手方向中心軸からの燃料要素缶の偏位が計算される。

この手順によって、燃料要素缶からのカメラの横方向距離と垂直距離、および燃料要素の理想的な長手方向中心軸とカメラの光軸との間の角度をこの目的のために知ることなく、単一の画像を記録することにより、長さ（長手方向辺の両先端に位置する二つの端点の間の距離）および幅が既知である燃料要素缶の全体を測定することができる。

以下では、「理想的な長手方向中心軸」という用語は、同じ側面壁に位置する燃料要素の（上部および下部の）両先端（フロントエッジ）の中心を結ぶ直線を意味するものと理解されるべきである。

カメラハウジング内に位置する媒体（通常は空気）およびカメラの周囲の水の異なる屈折率を考慮に入れた上で、カメラの画像幅は、仮想的な薄肉レンズの中心と、一般にマルチレンズのカメラの対物レンズにおいて用いられるものと同じ結像スケールをもつ画像平面との間の距離を表す。

原理上は、写真測量法を用いて加圧水型原子炉の燃料要素の撓みおよび捻れを測定することは、米国特許出願公開第2011/0182393号公報から既知であるけれども、そこに説明された方法は、燃料要素缶の撓みを測定するには適さない。なぜなら、燃料要素缶は、正確な軸方向の位置を割り当てることのできる外側から見える構造上の要素をもたないからである。この書類から知られている方法は、スペーサの領域において構造上の要素の位置の偏位を割り当てることを可能にする。これらの偏位はそれぞれ、画像において見ることができるスペーサの位置だけを用いて、燃料要素の長手方向に延びる理想的な直線から画像において測定される。燃料棒が燃料要素缶によって囲まれている燃料要素の場合、あるいは、充填されていない燃料要素の場合、撓みの測定のために選択された各水平面は、現実の軸上の位置にすぐに割り当てることはできない。

本発明は以下のようなアイデアにもとづいている。軸上の位置が既知で画像内で区分け可能な構造上の要素が存在しなくても、そして、カメラと箱形の燃料要素缶の間の相対的な位置についての正確な知識がなくても、幾何光学の簡単な基本方程式の助けを借りて、燃料要素缶の既知の長さと幅、フロントエッジのコーナー（隅）ポイントの画像位置、およびそれに応じて、フロントエッジの画像幅、および理想的な長手方向中心軸に対して直角に延びる各切断線または切断平面に関するカメラの既知の画像幅を用いることだけによって、カメラに面する側面をもつ撮像された燃料要素缶の幅をこの切断平面において測定することにより、燃料要素缶の軸方向の位置を決定することができる。この目的を達成するために、理想的な長手方向中心軸に垂直で、軸上の位置があらかじめ定められた、カメラに面する燃料要素缶の平坦な側面と交差する中間平面の画像上の切断線の位置について計算がなされるか、あるいは、当該画像上の所定の切断線の位置を用いることにより、燃料要素缶の現実の軸上の位置が計算される。その結果、この切断線上にある当該画像上のコーナーポイントの位置から、いずれの軸上の位置において、理想的な長手方向中心軸からの現実の長手方向中心軸の撓みがどれほど存在するかを決定することができる。

燃料要素缶の全長にわたる燃料要素缶の撓みの軌道について最も完全な記述を得るために、非常に多数の中間平面に対して中心点の画像位置が好ましくは測定され、それらの中心点をつなぐ中心線の軌道と、理想的な長手方向中心軸からの当該中心線の偏位が計算される。

他方、燃料要素缶が空であるとき、すなわち、燃料棒を固定する残りの構造が除去された後は、燃料要素缶の測定が可能である。他方、燃料要素缶はまた完全な燃料要素上で測定されてもよい。後者の場合、燃料要素が当該方法の実行中にたらい中に自由にぶら下がる位置にあるとき、特に簡単な手順が達成される。なぜなら、この場合、燃料要素を測定ステーションに移送するために使われるローディング機から燃料要素を切り離す必要がないからである。

本発明をさらに説明するために、以下の図面に図示される例示的な実施の形態が参照される。
本発明に係る写真測量の実行中のカメラと燃料要素の配置が側面図で示される概略図である。 カメラに対向する側から見た、撓んだ燃料要素の背面の平面図を同様に概略図で示す。 カメラによって記録された燃料要素缶の画像を同様に簡略図で示す。

図１によれば、燃料要素缶の写真測量のために提供されるカメラ２は、冠水したたらい４の縁に設置されたフレーム５上に、水平（ｘ軸）かつ垂直（ｚ軸）に動かすことができ、両方向矢印６で図示されるように紙面に垂直でｘ軸およびｚ軸に直角に延びる軸の周りに回転できるように搭載される。カメラ２の画像平面Ｅは紙面に垂直に広がっており、ｚ軸と画像平面Ｅの間の角βは、ｙ軸およびｚ軸によって広がる紙面において変化することができる。

燃料要素ローディング機７の把持部から自由にぶらさがっている沸騰水型原子炉の燃料要素８は、カメラ２の画像フィールドに位置しており、燃料要素は、図中では燃料棒を取り囲む燃料要素缶１０の形においてのみ簡略化した形で図示されている。たらい４は冠水しており、カメラ２および燃料要素９は水面９よりも下に位置している。

カメラ２は、カメラ２に面する燃料要素８または燃料要素缶１０の上部フロントエッジ１２に対して横方向にあるいは上方に距離ｓおよび高さｈだけオフセットした位置にある。この場合、距離および高さについての記述は、カメラ２の光軸Ａが対物レンズ系の外面と交差する点に言及するものである。カメラ２および燃料要素８／燃料要素缶１０は、カメラ２の光軸Ａが燃料要素８の理想的な長手方向中心軸１４に対して鋭角αをなすように、互いに相対的に位置する。言い換えれば、カメラ２は燃料要素に対して横方向にオフセットしており、すなわち、長手方向中心軸１４から距離を空けて配置されている。燃料要素８または燃料要素缶１０は、カメラ２の画像平面Ｅが燃料要素缶１０のフロントエッジ１２に平行になるように調整される。さらに燃料要素８は好ましくは画像においてフロントエッジ１２が画像の横方向の縁からおおよそ同じ距離だけ離れるように位置合わせされ、その結果、上部フロントエッジ１２の中心の画像位置と下部フロントエッジ１８の中心の画像位置を結ぶ理想的な長手方向中心軸１４が画像の中心を通るようにする。カメラ２および燃料要素８はさらに、カメラ２によって記録された画像において上部フロントエッジ１２および下部フロントエッジ１８の両方が描画されるように、互いに相対的に位置合わせされる。

カメラ２の既知の画像幅および燃料要素缶１０の既知の長さＬ、幅Ｂから、単に三角公式を適用することにより、角度β、横方向距離ｓまたは垂直間隔ｈを知ることなく、カメラ２に面する燃料要素缶１０の側面長手方向エッジ２０の軌道からの紙面に垂直な平面における燃料要素の撓みを決定することができる。

カメラ２の光軸Ａは、フロントエッジ１２、１８によって規定され紙面に対して直角をなす平面と交差する。この平面はまた、カメラ２に面する燃料要素缶１０の側面と十分正確に合致し、後方（図１の右方向）に湾曲した燃料要素缶の場合、点Ｃにおいて交差する。点Ｃは、フロントエッジ１２から距離ｄ_０、フロントエッジ１８から距離ｄ_ｕの位置にある。ｌ_ｏ、ｌ_ｕはそれぞれ、光軸Ａが単に薄肉レンズと考えられるカメラ２の対物レンズの中心と交差する点Ｄからフロントエッジ１２、１８までの距離である。

図１にはまた、長手方向中心軸および紙面に対して直角をなし、燃料要素缶１０の上部フロントエッジから距離ｄ_ｉの位置にある切断図Ｚ_ｉが示されている。

図２は、カメラ２に対向する側から見た、燃料要素缶１０の背面の平面図において図１で説明した配置を示す。ここでは、簡単のため、燃料要素ローディング機の把持部は図示していない。同様に燃料要素缶１０の横方向の撓みが強調されて図示されている。

図３を用いて、撓みの測定中の手続きがより詳細に説明される。カメラの画像フィールド１６では、燃料要素缶１０は遠近法で描画されるため、上部フロントエッジ１２および下部フロントエッジ１８の両方が、カメラの画像フィールド１６によって定まるｘｙ座標系のｘ軸に平行に延びているのを見ることができる。理想的な長手方向中心軸１４に対してカメラの光軸Ａが鋭角をなして斜めに向いている結果、下部フロントエッジ１８は、上部フロントエッジ１２よりも著しく短い。さらに、カメラおよび燃料要素缶１０は、画像中心、すなわち光軸Ａが画像平面と交差する点が、理想的な長手方向中心軸１４上に位置するように調整されている。当該画像において、この長手方向中心軸１４は、撮像されたフロントエッジ１２、１８の中心Ｍ_０、Ｍ_ｕの間を結ぶ線によって定義される。

燃料要素缶１０の既知の寸法Ｌ、Ｂ、カメラの既知の画像幅を用いることによって、フロントコーナーポイント１２Ｒ、１２Ｌ、１８Ｒ、１８Ｌの画像位置ＰＬ_０、ＰＲ_０、ＰＬ_Ｎ、ＰＲ_Ｎを用いて距離ｄ_０、ｄ_ｕおよび距離ｌ_ｏ、ｌ_ｕ（図１）が計算される。その結果、燃料要素缶１０に対するカメラの位置とアライメント、およびそれに応じて幾何学像関係を知ることができる。カメラに面する燃料要素缶１０の側面上の各画像ポイントの画像座標から、カメラに面する燃料要素缶１０の側面によって定まる平面におけるこの画像ポイントに関連づけられたオブジェクトの点の位置を計算することができる。

次のステップにおいて、上部フロントエッジ１２からの距離ｄ_ｉ（図１）が既知である現実の燃料要素缶上の複数の中間平面Ｚ_ｉが選択される。カメラの既知の撮像特性の助けを借りて、これらの選択された中間平面Ｚ_ｉに対して、中間平面Ｚ_ｉがカメラに向かって平坦であるはずの燃料要素缶１０の側面と交差したならば生じたであろう切断線Ｓ_ｉが燃料要素缶１０から記録された画像に表示される。その後、当該画像において切断線Ｓ_ｉが燃料要素缶１０の撮像された長手方向エッジと交差するコーナーポイントの画像位置ＰＬ_ｉおよびＰＲ_ｉが測定される。カメラから見て凸状または凹状に曲がっている燃料要素缶１０の場合でさえ、当該画像位置は、これらの中間平面Ｚ_ｉ上に現実に位置するコーナーポイントの画像位置に十分な正確さをもって一致する。

これは、複数の中間平面Ｚ_ｉおよび切断線Ｓ_ｉに対して実行されるが、ここでは簡潔にするため、さらにもう一つの中間平面Ｚ_ｉ＋１およびコーナーポイントの関連づけられた画像位置ＰＬ_ｉ＋１およびＰＲ_ｉ＋１だけが図中に挿入されている。コーナーポイントの画像位置ＰＬ_ｉおよびＰＲ_ｉ間に位置する中心点の画像位置Ｍ_ｉが各中間平面Ｚ_ｉに対して計算される。撓んでいない燃料要素缶１０の場合、これらの中心点はすべて理想的な長手方向中心軸１４上にある。

上述の手続きの代替案として、フロントエッジ１２、１８に平行に延びる切断線Ｓ_ｉがまず図に表示され、その現実の軸上の位置（距離ｄ_ｉ）がそれに続いて決定されるようにすることも可能である。切断線Ｓ_ｉの現実の軸上の位置が知られていることが重要である。

図３において、曲がった燃料要素缶１０の長手方向エッジ２０が破線で示されている。この場合、画像位置ＢＰＬ_ｉおよびＢＰＲ_ｉが左に偏位している。したがって、これらのコーナーポイントＢＰＬ_ｉおよびＢＰＲ_ｉによって定義される線分の中心点の画像位置ＢＭ_ｉもまた左に偏位している。これが複数の中間平面Ｚ_ｉおよび切断線Ｓ_ｉに対して実行されるならば、既知の撮像関係のゆえに、これらの中心点の測定された画像位置ＢＭ_ｉ、ＢＭ_ｉ＋１から現実の長手方向中心軸１４の軌道を計算することがこのようにして可能になる。

Claims (3)

1. 沸騰水型原子炉の燃料要素（８）のための燃料要素缶（１０）の撓みを測定する方法であって、当該方法において燃料要素缶（１０）の画像がカメラ２を用いて記録され写真測量法によって評価され、
   ａ）燃料要素缶（１０）は冠水したたらい内に位置し、
   ｂ）カメラ（２）は、燃料要素缶（１０）の上方にｚ軸と平行で燃料要素缶（１０）の上部フロントエッジ（１２）から高さ（ｈ）の位置にあり、燃料要素缶（１０）に関して横方向にオフセットされており、
   ｂ１）その光軸（Ａ）が燃料要素缶（１０）の理想的な長手方向中心軸（１４）に対して鋭角（α）をなすように方向付けられ、
   ｂ２）その画像平面（Ｅ）が、ｘ軸と平行に延びる燃料要素缶（１０）の二つのフロントエッジ（１２、１８）と平行になるように方向付けられ、
   ｂ３）カメラ（２）に面する燃料要素缶（１０）の両方のフロントエッジ（１２、１８）が当該画像に描画され、
   ｃ）カメラ（２）によって記録された画像において、画像平面（Ｅ）に平行に方向付けられカメラ（２）に面するフロントエッジ（１２、１８）のコーナーポイント（１２Ｒ、１２Ｌ、１８Ｒおよび１８Ｌ）の画像位置（ＰＬ_０、ＰＲ_０、ＰＬ_ＮおよびＰＲ_Ｎ）が測定され、
   ｄ）燃料要素缶（１０）の既知の長さ（Ｌ）および幅（Ｂ）、フロントエッジのコーナーポイントの画像位置（ＰＬ_０、ＰＲ_０、ＰＬ_ＮおよびＰＲ_Ｎ）、およびカメラ（２）の既知の画像幅から、理想的な長手方向中心軸（１４）に垂直でその軸上の位置に関して定義される中間平面がカメラ（２）に面する燃料要素缶（１０）の側面と交差する画像上の切断線（Ｓ_ｉ）の位置が計算されるか、または、この切断線（Ｓ_ｉ）の軸上の位置が画像上の所定の切断線（Ｓ_ｉ）の位置から計算され、
   ｅ）切断線（Ｓ_ｉ）が画像に挿入され、この切断線（Ｓ_ｉ）上に位置する燃料要素缶（１０）のコーナーポイントの画像位置（ＰＬ_ｉ、ＰＲ_ｉ、ＢＰＬ_ｉおよびＢＰＲ_ｉ）が測定され、
   ｆ）コーナーポイントの画像位置（ＰＬ_ｉ、ＰＲ_ｉ、ＢＰＬ_ｉおよびＢＰＲ_ｉ）から、コーナーポイントを結びフロントエッジに平行に走る線分の中心点の画像位置（Ｍ_ｉ、ＢＭ_ｉ）が決定され、
   ｇ）燃料要素缶（１０）の既知の幅（Ｂ）とこの切断線（Ｓ_ｉ）におけるカメラ（２）の既知の画像スケールの助けを借りて、この中心点の測定された画像位置（Ｍ_ｉ、ＢＭ_ｉ）を用いることにより、理想的な長手方向中心軸（１４）からの燃料要素缶の偏位が計算される、方法。
2. 前記中心点の画像位置は複数の多数の中間平面に対して測定され、前記中心点を結ぶ中心線の軌道および理想的な長手方向中心軸からの前記中心線の偏位が計算される、請求項１に記載の方法。
3. 燃料要素缶の撓みを測定するために、燃料要素は前記たらい内において自由にぶらさがる位置にある、請求項１または２に記載の方法。

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