JPH0141939B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉用の燃料ペレツト中における可
燃性毒物の濃度を測定するための方法に関する。
更に詳しくは本発明は、強磁性不純物に起因する
測定誤差を、測定された高調波成分によつて実質
的に除去することにより、二酸化ウラン（UO₂）
燃料ペレツト中のガドリニア（Gd₂O₃）の含有量
を電磁的に測定するための方法に関する。

原子炉用の二酸化ウラン燃料ペレツトは、可燃
性毒物としてのガドリニアを0.0（重量）％から
10.0（重量）％まで含有することがある。かかる
ペレツトは、複数個が積重ねられたうえで例えば
ジルカロイ製の管で被覆され、燃料棒として組立
てられる。完成した燃料棒は、相異なるガドリニ
ア濃度を持つた帯域を有することがあり、そのた
め完成後の燃料棒の内部にガドリニアが所定の濃
度および分布状態で存在するかどうかを非破壊検
査で判定する方法が必要である。またガドリニア
を含まない燃料棒との識別を実施することは品質
管理上極めて重要で非破壊検査による判定が必要
である。

二酸化ウラン燃料ペレツトの磁化率はガドリニ
アの添加に伴つて増大することが知られている。
磁気的にみれば二酸化ウランおよびガドリニアは
常磁性体であつて、それぞれ8.74×10^-6emu／
ｇ・Oe、146.8×10^-6emu／ｇ・Oeの磁化率を有
している。ところで燃料ペレツトの加工に際して
は、通常仕様値として500ppm程度の元素状鉄あ
るいは強磁性合金が不純物として導入されるのが
通例であり、強磁性混在物の含量に比例した磁化
率が加わるため、ガドリニアの定量は面倒であつ
た。

この問題点に対して例えば特開昭53−95494号
公報には、燃料ペレツトを強い直流バイアス磁界
中に置き、強磁性混在物の磁気モーメントを飽和
させることによつて二酸化ウラン燃料ペレツト中
のガドリニアの含量を電磁誘導技術に基づいて非
破壊的に測定する方法が開示されている。この方
法においては、燃料ペレツトの軸方向位置に対す
る交流磁化率を測定することで該燃料ペレツト中
の各位置におけるガドリニア含量を計測するが、
磁化率測定時に強磁性混在物を飽和させるための
直流バイアス磁界として少なくとも4KOeの強磁
界が必要であり、そのための励磁システムに多大
な経済的負担を余儀なくされ、また測定装置も大
型化し、消費電力も無視できなくなるなどの欠点
が指摘された。

そこで本発明の主目的は、磁化率測定時に強い
直流バイアス磁界を与えなくても強磁性混在物に
起因する測定誤差を実質的に除去することのでき
る電磁的なガドリニア含量測定法を提供すること
である。

本発明の測定法は、二酸化ウラン、ガドリニア
および強磁性混在物を含んでいる原子炉用燃料ペ
レツトのガドリニア含量を電磁誘導技術に基づい
て燃料ペレツトの交流磁化率を測定することによ
り求めるに際し、前記強磁性混在物を飽和させな
い一様な低い交流磁界を設定し、逆向きに直列接
続された一対のコイルを前記交流磁界中に配置
し、前記一対のコイルのうちの一方のコイルに前
記燃料ペレツトを電磁結合して、この燃料ペレツ
トの電磁結合によつて前記一方のコイル中に誘導
される交流不平衡電圧の基本波成分と高調波成分
とをそれぞれ測定し、この測定された高調波成分
によつて前記基本波成分から前記強磁性混在物に
起因する測定誤差を実質的に除去した形で前記ガ
ドリニア含量を求めることを基本的な特徴として
いる。

ひとつの実施態様において前記一対のコイルの
各軸心は前記交番磁界と平行に向けられ、また別
の態様ではさらに前記燃料ペレツトが前記一方の
コイルと互いの軸心を平行にして電磁結合され、
この場合、好ましくは燃料ペレツトが前記一方の
コイル内に同軸的に挿入される。

さらに別の態様において前記交流磁界は可聴周
波数信号で励磁コイルによつて発生され、この場
合好ましくは前記励磁コイルとしてソレノイドコ
イルが用いられ、該ソレノイドコイル内に前記一
対のコイルが互いの軸心を平行にして配置され
る。

燃料ペレツトは殆んどの場合ジルカロイなどの
非磁性かつ導電性の被覆管内に複数個積重ねられ
た状態で収容されており、この場合、前記可聴周
波数信号の周波数は前記管の肉厚よりも大きい透
過度を生じるように選定される。

二酸化ウランやガドリニアなどの常磁性体を交
流磁界中の前記一方のコイルの近傍に置いて該一
方のコイルと電磁結合させると、この一方のコイ
ルには交流磁界の基本波（ω）による誘起電圧が
誘導され、その値は含有される常磁性体の量にほ
ぼ直線的な関係で依存する。一方、燃料ペレツト
中に含まれるFeやNiなどの強磁性体はその磁化
特性にヒステリシスをもつているため、前記交流
磁界中での前記一方のコイルとの電磁結合によ
り、該コイル中に前記基本波（ω）以外にも高調
波成分（2ω、3ω、…）を伴なつた誘起電圧を誘
導し、この高調波成分の電圧値はやはりペレツト
中に含有される強磁性体の量に依存する。

そこで前記一方のコイルの誘起電圧をフーリエ
解析して高調波成分の大きさを測定すれば強磁性
混在物の含量が求まり、求めた強磁性混在物の含
量から前記誘起電圧の基本波成分中の強磁性体の
寄与分が逆算できるので、基本波成分に基づく測
定値から高調波成分に基づく測定値を差し引け
ば、主要な常磁性体すなわち二酸化ウランおよび
ガドリニアの正味の誘起電圧値を知ることがで
き、この正味の値によつて燃料ペレツト中のガド
リニアの含有率（濃度）を測定誤差なく求めるこ
とが可能である。

本発明の最大の特徴は、測定に際して強い直流
バイアス磁界をかける必要がないことであり、燃
料ペレツト中の強磁性混在物を飽和させるほどに
強い磁界は一切不要なことである。一般的に本発
明の測定で要求される交流磁界の強さは不純物、
すなわち強磁性混在物として含まれるFeの化学
形によつて異なるが、測定に望ましい磁場の強さ
は大略10〜3000（Gauss）である。

交流磁界の周波数は磁界の試料への透過度に影
響し、周波数が低いほど透過度が大きくなる。燃
料ペレツトをジルカロイ管に入れて測定を行なう
場合にはペレツトを裸のままで測定する場合より
大きな透過度が要求されるため周波数は低めに選
定される。本発明では、現用燃料の被覆管の肉厚
（0.6〜0.9mm）を考慮して交流磁界、従つてその
励磁コイル（ソレノイドコイル）の励磁電流の周
波数は大略10〜1000（Hz）であれば充分測定可能
である。尚、この場合、前記一方のコイルには被
覆管自体による誘起電圧も生じるが、これは燃料
ペレツトによる誘起電圧と位相が異なるため、そ
の分離は、公知の位相検波技術を利用して容易に
可能である。

本発明を実施例図面と共に詳述すれば、第１図
には燃料棒中のガドリニア含有率とその分布を測
定するための本発明による測定系の構成がブロツ
ク図の形成で示されている。

第１図において、可聴周波数発振器１の出力を
電力増幅器２で増幅してソレノイドコイル３を励
磁し、該ソレノイドコイル３内にコイル軸心方向
に一様な交流磁界を生じるようになつている。こ
の交流磁界の周波数は発振器１の発振周波数で定
まり、前述のように10〜1000Hzの範囲内の一周波
数に固定されている。また交流磁界の強さは、測
定対象の燃料ペレツト中の強磁性混在物の磁化が
飽和しない程度に選ばれ、これは通常、電力増幅
器２の利得調整により定められる。ソレノイドコ
イル３内の交流磁界中には、面積・巻数値（NA
値）の等しい一対のコイル４，５がそれらの軸心
をソレノイドコイル３の軸心と平行に向けて配置
され、コイル４と５は巻き方向が互いに逆向きに
なるように直列接続されている。従つてコイル４
と５とが同じ交流磁界内にあつて両コイル共に同
一の電磁的条件にある場合、両コイル４，５は平
衡しており、これらコイル４，５の直列接続体の
両端には交流磁界による誘起電圧は現れない。一
対のコイル４，５のうち一方のコイル４は検出用
に用いられ、他方のコイル５は上述の補償動作の
ための誘起電圧打消用に用いられている。検出用
のコイル４の近傍に磁性物体を置いた場合、その
透磁率に依存した電圧がコイル４に誘起され、両
コイルの直列接続体の平衡が崩れて前置増幅器６
に交流不平衡電圧が入力される。前置増幅器６の
出力信号は位相ロツク増幅器７と高調波成分検出
器８とに入力されている。位相ロツク増幅器７
は、前置増幅器６の出力信号と発振器１の可聴周
波数信号とを入力に受けて、前記前置増幅器６の
出力信号中の基本波成分を検出する。また高調波
成分検出器８は前置増幅器６の出力信号と発振器
１の可聴周波数信号とを入力に受けて、前記前置
増幅器６の出力信号中の基本波成分を除いた高調
波成分を検出する。これら基本波成分と高調波成
分の検出は、発振器１からの可聴周波数信号に基
づいて所定の位相に固定されたまま行なわれ、こ
れにより検出用コイル４内に挿入されて電磁結合
される磁性物体すなわち燃料棒１１の被覆管内の
燃料ペレツトのみの交流磁化率の検出を果すよう
にしてある。このようにして検出された基本波成
分と高調波成分はマイクロコンピユータ９に入力
され、強磁性混在物の寄与分の除去、二酸化ウラ
ン含有率およびガドリニア含有率への換算等のデ
ータ処理が行なわれたのち記録計１０で記録され
る。

以上の測定を、例えばジルカロイ製の被覆管内
に燃料ペレツトを積重ねてなる燃料棒１１をコイ
ル４内に挿入してその軸心方向（Ｘ）に沿つて相
対移動させつつ、図示しない位置検出手段による
Ｘ方向の位置検出と共に行なうことで、燃料棒の
長さ方向に関するガドリニア含量の分布を同時に
知ることができる。

第２図には、本発明に従つて測定した結果の一
例が示されている。第２図の横軸は燃料棒１１の
軸方向位置（P_X）、縦軸は強磁性混在物の寄与分
を除去した二酸化ウランおよびガドリニアの正味
の濃度に対応した出力電圧である。測定試料の燃
料棒は軸方向中央部に3.0（重量）％、両端部に
0.0（重量）％のガドリニアを含有しており、また
このときの交流磁界の強さは約1500Gaussであ
る。第２図からは燃料ペレツトのガドリニア含量
と被覆管内でのガドリニアの分布が一目で判別で
きる。

以上に述べたように本発明によれば強い磁界を
かける必要がなく、しかも強磁性混在物による測
定誤差なしに燃料中のガドリニア含量とそほ分布
とを非破壊的に測定でき、励磁装置も小型のもの
ですむという効果を奏し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の測定法を実施するための測定
系の構成を示すブロツク図、第２図は測定結果の
一例を示す線図である。 １：可聴周波数発振器、２：電力増幅器、３：
ソレノイドコイル、４：検出用コイル（一方のコ
イル）、５：打消用コイル、６：前置増幅器、
７：位相ロツク増幅器、８：高周波成分検出器、
９：マイクロコンピユータ、１０：記録計、１
１：燃料棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 二酸化ウラン、ガドリニアおよび強磁性混在
   物を含んで成る燃料ペレツトのガドリニア含量を
   測定する方法において、前記強磁性混在物を飽和
   させない一様な低い交流磁界を設定し、逆向きに
   直列接続された一対のコイルを前記交流磁界中に
   配置し、前記一対のコイルのうちの一方のコイル
   に前記燃料ペレツトを電磁結合して、この燃料ペ
   レツトの電磁結合によつて前記一方のコイル中に
   誘導される交流不平衡電圧の基本波成分と高調波
   成分とをそれぞれ測定し、この測定された高調波
   成分によつて前記基本波成分から前記強磁性混在
   物に起因する測定誤差を実質的に除去した形で前
   記ガドリニアの含量を求めることを特徴とする方
   法。 ２ 前記逆向きに直列接続された一対のコイルの
   各軸心が前記交流磁界と平行に向けられる特許請
   求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 前記燃料ペレツトが前記一方のコイルと互い
   の軸心を平行にして電磁結合される特許請求の範
   囲第２項に記載の方法。 ４ 前記燃料ペレツトが前記一方のコイル内に挿
   入される特許請求の範囲第３項に記載の方法。 ５ 前記交流磁界が、可聴周波数信号で励磁され
   た励磁コイルによつて発生される特許請求の範囲
   第３項に記載の方法。 ６ 前記励磁コイルとしてソレノイドコイルを用
   い、該ソレノイドコイル内に前記一対のコイルが
   配置される特許請求の範囲第５項に記載の方法。 ７ 前記燃料ペレツトが非磁性かつ導電性の管内
   に収容されており、前記可聴周波数信号の周波数
   が前記管の肉厚よりも大きい透過性を生じるよう
   に選定される特許請求の範囲第５項に記載の方
   法。