JPH056841B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、沸騰水型原子炉における使用済燃料
集合体のチヤンネルボツクスあるいは燃料被覆管
等の全長を、遠隔操作により水中で精密に測定す
る沸騰水型原子炉における燃料部材の長さ測定方
法およびその装置に関する。

（従来の技術） 第８図に沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃
料集合体の構成を示している。

燃料集合体１は、多数の燃料棒２を上部タイプ
レート３および下部タイプレート４によつて固定
し、その外周側にチヤンネルボツクス５を取付け
た構成とされている。このような燃料集合体１の
チヤンネルボツクス５や燃料棒２の燃料被覆管２
ａはジルコニウム合金等を素材としているが、こ
れらは原子炉の運転中、高速中性子の照射によつ
て、軸方向に成長することが知られている。

ところで、一般にチヤンネルボツクス５の上端
は上部タイプレート３にチヤンネルフアスナ６に
よつて固定され、下端は下部タイプレート４に嵌
合されている。このチヤンネルボツクス５と下部
タイプレート４との嵌合深さは、使用後の洗浄時
に機械的操作で自動的に分解することが可能な適
度の値に設定されている。

このような構成の燃料集合体１にあつて、初装
荷のものでは、チヤンネルボツクス５が照射成長
によつて伸びた場合でも、それと同時に燃料被覆
管２ａの全長も大きくなることから、チヤンネル
ボツクス５と下部タイプレート４との嵌合余裕Ｚ
は大きく変化することがない。

ところが、使用効率向上のためにチヤンネルボ
ツクス５を一旦使用した後に再び新たな燃料棒２
と組合せて使用したような場合には、新燃料棒２
の照射成長による燃料被覆管２ａの伸びに比べて
チヤンネルボツクス５が再度の照射成長によつて
大きく伸びることがある。このような場合には、
下部タイプレート４との嵌合余裕Ｚが小さくな
り、両者が干渉して固着状態となり、チヤンネル
ボツクス５の寿命制限要因となる可能性がある。

そこで、そのような場合にはチヤンネルボツク
ス５を新燃料棒２に再装着する前に、そのチヤン
ネルボツクス５の全長を測定し、干渉が起り得な
い長さであることを確認しておけば前記の不具合
は容易に回避できると考えられる。なお、燃料被
覆管２ａに過大な照射成長が生じて燃料集合体１
の全長が著しく変化するような場合にも、他の機
器との取合上の問題が生ずるため燃料集合体１自
体の長さを測定することも重要な技術課題となり
得る。また、このような照射チヤンネルボツクス
５や燃料被覆管２ａの全長を測定する場合におい
ては、放射線被曝防護の点から、そのような被放
射化部材を燃料貯蔵プール内等の放射線遮蔽領域
で行なうのが一般的である。

従来このような長さ測定を行なう場合には、水
中で測定対象物にスケールを当て、テレビカメラ
で寸法を直接読み取ることなどが考えられてい
る。

（発明が解決しようとする問題点） 例えば燃料貯蔵プール内等は各種の機器が設置
されており、長さ測定用の広いスペースを特別に
設けることは困難である。このため、テレビカメ
ラ等を利用する手段では操作が煩雑となつて能率
よく測定することができず、高精度の測定を迅速
に行なうことが比較的困難である。

そこで近年、超音波による距離測定技術を適用
して燃料部材の長さ測定を行なうことが提案され
（例えば特開昭60−195412号公報等）、高精度の測
定を迅速に行なうことが可能となつている。

ところで、一般に超音波による距離測定技術に
おいては、被測定物に対して超音波センサ軸心を
垂直にして対向設置し、被測定物に対する表面か
らの超音波の戻り時間を測定することにより実施
されており、沸騰水型原子炉の燃料集合体を燃料
貯蔵プール内で測定するような場合には、水中で
吊下げ等された垂直な燃料集合体に対し、超音波
を垂直方向あるいは水平方向に発振および受信し
て、その測定を実施している。

しかるに、沸騰水型原子炉における燃料部材の
超音波による長さ測定上には種々の問題がある
め。すなわち、チヤンネルボツクスや燃料被覆管
等の燃料部材を能率よく長さ測定するためには、
これら燃料部材を原子炉圧力容器から取出した状
態、つまり上部タイプレートおよび下部タイプレ
ートに装着したままで測定することが望ましい。

また、高精度の測定を行うためには燃料部材を
燃料貯蔵プール内に固定支持すると同時に、測定
器具も定位置に固定設置しておくことが望まし
い。

さらに、測定場所である燃料貯蔵プール内には
燃料貯蔵ラツクその他、多くの機器が設置されて
おり、広い測定スペースを確保することが難しい
ため、燃料部材の長さ測定位置を幅狭としてスペ
ースを有効利用し、それに沿うよう燃料部材を垂
直にして測定位置への吊下しおよび吊上げによる
搬送動作を行なわせることが望ましい。

一方、同一頒振動子により超音波を発受信する
超音波センサを用い、エコー検出によつて長さ測
定を行う技術において、従来では前記のように超
音波の照射方向を測定対象物の平坦面に直交させ
るのが一般的であつた。

この技術を踏襲して燃料部材の長さ測定を行う
とすれば、超音波センサを燃料部材の長手方向ま
たはこれと直交する方向に配置することになる。

ところが超音波センサを燃料部材の長手方向に
配置する場合には、前記要望に沿うように燃料部
材を垂直にしたとき、超音波センサが燃料部材の
上下に配置することになり、上方の超音波センサ
が燃料部材と吊下および吊上動作の際に干渉する
ことになる。これを避けるためには、超音波セン
サを可動式構成とせざるを得ず、前記要望に反す
る結果となる。

また、超音波センサを燃料部材の長手方向と直
交する方向に配置する場合には、超音波センサが
横方向に位置することになり、前記要望に反して
測定装置構成が幅広がりとなり、スペースの有効
利用が図れない。さらに、この場合には、燃料部
材であるチヤンネルボツクスや燃料被覆管等の厚
みが比較的小さく、上部タイプレートおよび下部
タイプレートに装着した状態では段差が小さいた
め、チヤンネルボツクス等の端部が平坦となつ
て、部材端部の検出精度ひいては長さ測定精度が
低下し、前記要望に沿うことが難しい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもの
で、広い作業スペースを必要とすることなく、放
射性部材の長さ測定を能率よく、かつ高精度で行
なうことができる沸騰水型原子炉における燃料部
材の長さ測定方法およびその装置を提供すること
を目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る沸騰水型原子炉における燃料部材
の長さ測定方法は、沸騰水型原子炉における燃料
部材を水中に没入させた放射線遮蔽状態下で測定
位置に吊下し、その測定位置で燃料部材の上下端
部を支持して垂直に固定し、その燃料部材の上端
エツジ部および下端エツジ部に斜め上方および斜
め下方からそれぞれ超音波を当て、その各エツジ
部から戻る反射波を検出することにより、その各
超音波発振位置から燃料部材の上下端エツジ部ま
での斜め方向距離を求め、その各距離を垂直方向
の距離にそれぞれ変換するとともに、その垂直方
向の距離の和を、予め設定した各超音波発振位置
間の垂直方向相対距離から減算することにより、
燃料部材の長さを測定することを特徴とする。

また、本発明に係る沸騰水型原子炉における燃
料部材の長さ測定装置は、沸騰水型原子炉におけ
る燃料部材を水中で上方から抜差し可能に支持し
て垂直に固定する支持装置と、支持される燃料部
材の上端エツジ部および下端エツジ部にそれぞれ
斜め上方および斜め下方から対向して、かつ前記
燃料部材の吊上および吊下動作範囲内で前記燃料
部材と干渉しない配置で設けられた上下一対の超
音波センサと、この各超音波センサに接続して前
記支持装置から離間した位置に設けられ、前記各
センサの出力波の制御および反射波の信号処理を
行なう信号処理装置と、この信号処理装置からの
出力信号に基づいて各センサから前記燃料部材の
上下端エツジ部までの斜め方向距離をそれぞれ求
め、その各値を垂直方向距離に変換するととも
に、その垂直方向距離の和を予め設定した各セン
サ間の垂直方向相対距離から減算して前記燃料部
材の長さを演算する演算処理装置とを具備してな
ることを特徴とする。

（作用） このような本発明によれば、沸騰水型原子炉の
燃料部材、特に使用済燃料集合体のチヤンネルボ
ツクスや燃料集合体被覆管等の長さ測定を、燃料
貯蔵ブール内で遠隔操作という多くの規制の下で
能率よく、かつ高精度で、しかもスペースを有効
に利用して行なうことができるようになる。

すなわち、垂直に固定支持される燃料部材の上
端エツジ部および下端エツジ部にそれぞれ斜め上
方および斜め下方から対向して、かつ燃料部材の
吊上げおよび吊下げ動作範囲内で燃料部材と干渉
しない配置で設けた超音波センサを使用し、その
燃料部材の上端エツジ部および下端エツジ部から
のエコー検出を行うものである。

これにより、極めて狭い範囲ではあるが、燃料
部材の上下端エツジ部において超音波が直接に、
または端面を経て間接的に反射され、比較的容易
な音圧レベルの調整によつて、エコーとして明確
に検出できるようになる。一方、エツジ部以外で
は殆ど全ての超音波がＶ形反射により放散され、
エコーが検出されない。したがつて、通常の方法
によつては測定精度が低下するという前記問題点
を克服できるようになる。

また、超音波センサは傾斜設置により燃料部材
との干渉なく固定配置でき、しかも燃料部材とセ
ンサとの間の距離も小さくなるので幅方向のスペ
ースも縮小できるようになる。したがつて、本発
明の方法によれば、燃料部材の上下端部の位置を
検出し、その超音波発振位置間の距離を基準とし
て演算することにより、燃料部材の全長を遠隔操
作によつて容易かつ高精度で、しかも広い作業ス
ペースを必要とすることなく測定できる。

また、本発明の装置によれば、複雑な可動部を
有さず比較的簡単であり、しかも超音波センサを
傾斜配置としたことにより、横幅寸法が小さくな
り、細長な構成となることから、燃料プール内の
スペースを有効に利用できる。そして、操作は既
設の燃料交換機等を用いて短時間で能率よく行な
えるものであり、大量の測定に対しても有効とな
る等の作用効果が奏される。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図〜第７図を参
照して説明する。

この実施例は一旦燃焼に供した沸騰水型原子炉
の燃料集合体のチヤンネルボツクスを長さ測定す
る場合についてのものである。

なお、燃料集合体およびチヤンネルボツクスの
構成については第８図に示したものと同様である
から、図の対応部分に第８図と同一の符号を付し
てその説明を省略する。

まず、測定装置の構成を説明する。

第１図は装置全体の概略構成を示し、第２図に
は装置要部の配置構成を詳細に示している。

第１図において、１１は原子炉建屋上部に設け
られた燃料貯蔵プールであり、内部に図示しない
使用済燃料貯蔵ラツク等を設置するとともに、放
射線遮蔽用のプール水１２を収容している。この
燃料貯蔵プール１１の一側底部にチヤンネルボツ
クス５を支持するための支持装置１３を設けてい
る。

支持装置１３は燃料集合体１の下端部を支持す
る下部支持台４と、この下部支持台１４上に立設
した柱状のフレーム１５と、このフレーム１５に
突設され、燃料集合体１の上端部近傍を支持する
上部サポート１６とから構成される。下部支持台
１４は燃料貯蔵プール１１の底部に載置され、上
面部に第２図に示すように、燃料集合体１の下部
タイプレート４を嵌合する球面状の凹部１７を有
している。この凹部１７によつて燃料集合体１の
水平位置が定められる。また、上部サポート１６
は上下方向に開口する枠状をなし、その中に燃料
集合体１のチヤンネルボツクス５部を上方から抜
差しできるようになつている。そして、この上部
サポート１６の開口部中心線と下部支持台１４の
凹部１７の中心線とを垂直線上で一致させてい
る。これにより、チヤンネルボツクス５を上部サ
ポート１６と下部支持台１４とで垂直に保持する
ようにしている。また、上部サポート１６は、チ
ヤンネルボツクス５の上端部よりも低い部位を支
持する高さとし、チヤンネルボツクス５の上端エ
ツジ部を水中で表出させるようにしている。

一方、チヤンネルボツクス５の長さを測定する
手段として超音波位置検出器１８および演算処理
装置１９を設けている。

超音波位置検出器８はフレーム１５に取付けた
上下一対の超音波センサ２０，２１とこれに接続
して燃料貯蔵プール１１の外部離間位置に設けた
信号処理装置２２とからなる。なお演算処理装置
１９も燃料貯蔵プール１１の外部離間位置に配置
している。

上方の超音波センサ（以下、上部センサとい
う）２０はフレーム１５の上部に下向きに傾斜し
て取付けてある。そして、センサ取付角、即ち垂
直面に対する上部センサ２０の交差角度θ₁を10〜
40゜の範囲で一定角度に設定している。これによ
り、支持装置１３で支持したチヤンネルボツクス
５の上端エツジ部５ａに斜め方向から超音波出力
波を発振するとともに、その上端エツジ部５ａか
らの端部エコーを受信するようにしている。

また、下方の超音波センサ（以下、下部センサ
という）２１はフレーム１５の下部に上向きに傾
斜して取付けてある。この下部センサ２１のセン
サ取付角、即ち垂直面との交差角度θ₂も10〜40゜
の範囲内で定め、チヤンネルボツクス５の下端面
５ｂに斜め方向から超音波出力波を発振するとと
もに、の下端面５ｂからの端部エコーを受信する
ようにしている。

第３図は信号処理装置２２および演算処理装置
１９の系統構成を示している。

第３図に示すように、信号処理装置２２は超音
波検出回路２３と信号処理回路２４とを有する。
超音波検出回路２３は上、下部センサ２０，２１
が発振する超音波出力波の強度を制御するととも
に、その上、下部センサ２０，２１が受信する超
音波信号１０１，１０２を検出し、それに基づく
検出信号１０３，１０４を信号処理回路２４に出
力する。信号処理回路２４は例えばAD変換回路
からなり、検出信号１０３，１０４を波形処理し
て、位置検出信号１０５，１０６を演算処理装置
１９に出力する。

演算処理装置１９は演算処理回路２５、記憶装
置２６、プリンタ２７、CRT２８およびキーボ
ード２９等を含む構成としている。記憶装置２６
には例えばセンサ２０，２１間の垂直方向相対距
離等が記憶されている。そして、演算処理回路２
５では、信号処理装置２２から出力される位置検
出信号１０５，１０６と、記憶装置２６から出力
されるデータ信号１０７とに基づいてチヤンネル
ボツクス５の長さ演算が行なわれ、その演算処理
信号１０８，１０９がプリンタ２７およびCRT
２８に出力される。

次に測定方法について説明する。

まず、使用済燃料集合体１を図示ない燃料交換
装置のクレーン等によつて燃料貯蔵プール１１に
水中搬送する。この燃料集合体１を第１図に示す
ように支持装置１３に吊降し、垂直に保持する。
燃料集合体１に取付けられている長さ測定対象物
としてのチヤンネルボツクス５は前述したよう
に、上下端部が表出した状態となつている。そこ
で、このチヤンネルボツクス５の上下端部の位置
を上、下部センサ２０，２１によつて検出し、そ
の結果に基づき演算処理装置１９によつてチヤン
ネルボツクス５の長さを求める。

第２図によつて測定概念を説明する。

チヤンネルボツクス５の長さをｌとすると、こ
の長さｌは上、下部センサ２０，２１中心間の相
対距離Ｌから、上、下部センサ２０，２１とチヤ
ンネルボツクス５上、下端部との間の垂直距離
Y₁，Y₂の和を減じた値である。したがつて、下
記(1)式が成立する。

ｌ＝Ｌ−（Y₁＋Y₂） ……(1) なお、前記の如くＬの値は記憶装置２６に記憶
されている。

一方、上部センサ２０とチヤンネルボツクス５
上端部との間の斜め方向の絶対距離をS₁とすると
Y₁は下記(2)式により求められる。

Y₁＝S₁cosθ₁ ……(2) 同様に、下部センサ２１とチヤンネルボツクス
５下端部との間の斜め方向の絶対距離をS₂とする
と、Y₂は下記(3)式により求められる。

Y₂＝S₂cosθ₂ ……(3) なお、cosθ₁，cosθ₂の値も記憶装置２６に記憶
されている。

第４図は上部センサ２０によるS₁の検出作用を
詳細に示している。いま、チヤンネルボツクス５
が第４図の実線の状態にあるとする。この状態で
上部センサ２０から発振した超音波は、チヤンネ
ルボツクス５の上端エツジ部５ａで反射し、矢印
W₀で示す反射経路をとる。この反射経路W₀に沿
う反射波、即ち端部エコーが出力波とともに上部
センサ２０によつて検出される。このときの波形
を第５図に示している。なお、出力波のピーク値
に比較して反射波のピーク値が小さいため、この
場合は超音波検出回路２３の感度を十分高くする
必要がある。この第５図の信号に基づき演算処理
装置２５によつてS₁が下記(4)式により求められ
る。

S₁＝V₀・t_D ……(4) ［V₀：水中での音速 t_D：超音波の入出力時間］ この求められたS₁が前記(2)式の演算要素として
入力される。

なお、上部センサ２０の取付角について、θ₁＝
45°付近に設定して実験したところ、表面波の影
響が出て、端部エコーが乱れることが認められ
た。そして、前記の如くθ＝10゜〜40゜の範囲では
良好な端部エコーが表われることが認められた。

ところで、上部センサ２０の有効径をD₁とす
ると、軸方向長さが変化するチヤンネルボツクス
５の上端エツジ部５ａについての測定可能な範囲
は、このD₁と取付角θ₁とによつて定まることに
なる。したがつて、前記装置構成については、燃
料集合体１の寸法公差およびチヤンネルボツクス
５の照射成長による最大伸びを考慮して、チヤン
ネルボツクス５の上部エツジ部の測定範囲を定
め、これに従つてD₁，θ₁を選定する。

また、チヤンネルボツクス５と上部センサ２０
との干渉を避けるため、チヤンネルボツクス５の
外周面と上部センサ20゜の先端エツジ部との間の
距離X₁を定め、そのセンサ取付位置を設定する。

このようにして所定位置に取付けた上部センサ
２０を使用して、センサ中心でS₁を測定したのが
前記の例であるが、これは理想的な場合であつ
て、実際的にはセンサ中心から外れた位置でS₁の
測定を行なう場合が多い。

即ち、いまチヤンネルボツクス５の上端部が照
射成長により、第４図に仮想線で示す位置まで伸
びた場合を考える。この場合の超音波の経路は矢
印W₁で示すようにセンサ中心から垂直方向でδ
だけずれるので、このδを補正値として演算処理
装置２５に入力しておく必要がある。

第６図は上部センサ２０の出力値に基づく燃料
チヤンネル５端部の移動量Δyと、マイクロメー
タによる実施値Δy′との関係を示したものであ
る。このようなΔyとΔy′との差δを補正値として
入力する。なお、第６図に示されるように、超音
波の経路がずれると、音圧レベル等が変化し、δ
も微妙に変化するため、この値は経験的に求めて
おくことが必要である。

第７図は下部センサ２１によるS₂の検出作用を
詳細に示している。上部センサ２０によるS₁の検
出作用と略同様であるが、超音波の反射がチヤン
ネルボツクス５の下端面５ｂと下部タイプレート
４の外周面とで行なわれる点が異なる。即ち、超
音波の経路はW₃またはW₄で示すようになる。こ
の場合、超音波の経路が変化しても、常にチヤン
ネルボツクス５の下端面を介しての反射時間は一
定であるため、端部エコーによつて測定される斜
め方向の距離は常にS₂となる。また、反射波強度
が大であるため、センサ出力は上部センサ２０の
場合よりも小さく制御される。なお、下部センサ
２１による端部エコー検出についても、センサ取
付角θ₀が10゜〜40゜の範囲が最も好ましいことが認
められた。なお、図のD₂はセンサ有効径を示す。

以上のようにして検出されるS₁，S₂に基づい
て、前記(1)，(2)，(3)式の演算が行なわれ、チヤン
ネルボツクス５の長さｌが求められ、その出力信
号１０８，１０９がプリンタ２７あるいはCRT
２８等に入力されるものである。

以上の実施例によれば、超音波センサ２０，２
１により、チヤンネルボツクス５の上下端部の位
置を検出し、その超音波センサ２０，２１間の距
離を基準として演置することにより、チヤンネル
ボツクス５の全長を燃料集合体１に取付けた状態
で遠隔操作によつて容易に、かつ高精度で測定す
ることができる。

また、装置構成については、複雑な可動部を有
さず比較的簡単であり、しかも超音波センサ２
０，２１を傾斜配置としたことにより、横幅寸法
が小さくなり、細長な構成となることから、燃料
プール１１内のスペースを有効に利用できる。そ
して、操作は例えば既設の燃料交換機等を用いて
短時間で能率よく行なえるものであり、大量の測
定に対しても有効である。また、メンテナンスも
容易で、被曝低減に有効である。

特に測定精度に関しては、高い精度（例えば全
長4240mmの測定に対し±１mm以下）が得られるこ
とが確認された。

なお、上記実施例では、本発明をチヤンネルボ
ツクスの長さ測定に適用したが、燃料被覆管その
他鋭角なエツジまたは反射面を端部に有する燃料
部材の長さ測定に適用することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明に係る沸騰水型原子炉に
おける燃料部材の長さ測定方法およびその装置に
よれば、沸騰水型原子炉の燃料部材、特に使用済
燃料集合体のチヤンネルボツクスや燃料被覆管等
の長さ測定を、燃料貯蔵プール内での遠隔操作と
いう多くの規制の下で能率よく、かつ高精度で、
しかもスペースを有効に利用して行なうことがで
きる等の効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、
第２図は第１図の要部を拡大して示す図、第３図
は第１図に示す装置の回路構成を示すブロツク
図、第４図は上部センサによる測定方法を示す
図、第５図は超音波の波形を示す図、第６図は補
正値を示すグラフ、第７図は下部センサによる測
定方法を示す図、第８図は測定対象物を一部断面
図で示す側面図である。 ５…チヤンネルボツクス、１１…燃料貯蔵プー
ル、１３…支持装置、１９…演算処理装置、２
０，２１…超音波センサ、２２…信号処理装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 沸騰水型原子炉における燃料部材を水中に没
   入させた放射線遮蔽状態下で測定位置に吊下し、
   その測定位置で燃料部材の上下端部を支持して垂
   直に固定し、その燃料部材の上端エツジ部および
   下端エツジ部に斜め上方および斜め下方からそれ
   ぞれ超音波を当て、その各エツジ部から戻る反射
   波を検出することにより、その各超音波発振位置
   から燃料部材の上下端エツジ部までの斜め方向距
   離を求め、その各距離を垂直方向の距離にそれぞ
   れ変換するとともに、その垂直方向の距離の和
   を、予め設定した各超音波発振位置間の垂直方向
   相対距離から減算することにより、燃料部材の長
   さを測定することを特徴とする沸騰水型原子炉に
   おける燃料部材の長さ測定方法。 ２ 沸騰水型原子炉における燃料部材を水中で上
   方から抜差し可能に支持して垂直に固定する支持
   装置と、支持される燃料部材の上端エツジ部およ
   び下端エツジ部にそれぞれ斜め上方および斜め下
   方から対向して、かつ前記燃料部材の吊上および
   吊下動作範囲内で前記燃料部材と干渉しない配置
   で設けられた上下一対の超音波センサと、この各
   超音波センサに接続して前記支持装置から離間し
   た位置に設けられ、前記各センサの出力波の制御
   および反射波の信号処理を行なう信号処理装置
   と、この信号処理装置からの出力信号に基づいて
   各センサから前記燃料部材の上下端エツジ部まで
   の斜め方向距離をそれぞれ求め、その各値を垂直
   方向距離に変換するとともに、その垂直方向距離
   の和を予め設定した各センサ間の垂直方向相対距
   離から減算して前記燃料部材の長さを演算する演
   算処理装置とを具備してなることを特徴とする沸
   騰水型原子炉における燃料部材の長さ測定装置。