JPH0618697A - 破損した核燃料棒の検出装置と方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 信頼性が高く再現可能な破損燃料棒の検出装
置と方法を提供する。 【構成】 検出装置はパルス状電気エネルギーを供給す
る送信器１１と、特定の周波数のパルス状超音波エネル
ギーを燃料棒１０の被覆に加える第１の変換器１２と、
燃料棒を伝わる超音波エネルギーを受信してこれに応じ
る電気信号を供給する第２の変換器１３と、増幅器、高
域フィルタ及び低域フィルタから成る受信装置１４と、
低い及び高い周波領域にわたる受信超音波エネルギーの
スペクトル成分を測定してその振幅に比例する合成信号
を供給するゲート制御多重チャネルスペクトル分析器１
７とから成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は破損した核燃料棒の検
出装置と方法に関し、特に破損した燃料棒を検出するた
めに音響エネルギースペクトルの周波数依存性減衰を測
定することにより燃料棒内部圧力の相対的測定を行う装
置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】核燃料棒の欠陥の検出は通常超音波検査
又はシッピング検査により行われる。超音波検査では
（破損を示す）燃料棒中の水が、被覆内壁の水（破損し
た棒）又は気体（正常な棒）界面から反射される超音波
エネルギーの減衰の差を測定することにより検出され
る。この方法の一例はアメリカ合衆国特許第4879088 号
明細書に記載されている。また湿式又は乾式のシッピン
グ検査では、破損した棒から放出された核分裂気体を検
出する。いずれの場合にも両方法の有効性を制限するペ
レット・被覆間相互作用又は極端に小さい漏れのような
状態が存在する。

【０００３】アメリカ合衆国特許第4126514 号明細書に
は、著しく膨れた燃料ペレットの存在を同定するため
に、通常用いられる冷却液から燃料要素被覆の外面を接
触しないように隔離してパルス状エコー減衰測定を行う
ことにより、欠陥のある燃料要素を検出する方法が記載
されている。要素内の冷却液又は幾つかの膨れた燃料ペ
レットの存在の測定はエコーパルスの適当な観察により
達成される。

【０００４】アメリカ合衆国特許第3350271 号明細書に
は、内部に液体を含みそれにより変換器への熱伝達が液
体を加熱するような原子炉用変換器が記載されている。
通常の作動状態のもとでは圧力が液体を液体として保
つ。変換器中の液体の沸騰は超音波により検出されて所
定圧力到達の表示として用いることができる。万一燃料
棒に漏れがあれば圧力の低下が生じ、従って液体が気化
しオリフィスを通り抜けて膨張するので、漏れが起こっ
たことを示す。

【０００５】上記のいずれのアメリカ合衆国特許明細書
でも、この発明に基づき以下に説明するものとは異なり
燃料棒の内部圧力を測定するために超音波装置により応
力を測定していない。

【０００６】アメリカ合衆国特許第4009616 号明細書
は、気密に封止された容器中の気体圧力を音響的に測定
する方法に関する。これは容器（燃料棒）内部の気体圧
力により引き起こされる超音波信号の速度変化及び減衰
を測定することにより行われる。この方法は信号が気体
を経て伝送されかつ被覆を通って受信される信号の効果
が最小となることを必要とする。このことは内部気体圧
力の結果である燃料被覆材料の相対応力を測定するとい
う、以下に説明するこの発明に基づく装置及び方法とは
異なる。加えるに実際にすべての燃料棒は前記領域中に
プレナムばねを有し、このばねが音響データに含まれる
すべての必要な情報（すなわち速度及び減衰）を完全に
遮るか又は損なうので、アメリカ合衆国特許第4009616
号明細書に記載の方法は実際の使用に対し非現実的であ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、従
来の燃料棒破損検出方法の難点を克服し一層信頼性が高
くかつ再現可能な棒破損検出方法及び装置を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題はこの発明に基
づき、パルス状の電気エネルギー源を供給する送信器
と、特定の周波数のパルス状超音波エネルギーを直接的
に核燃料棒の外側被覆へ加えるために送信器に応答する
第１の変換器と、第１の変換器から離してかつ核燃料棒
の外側被覆に隣接して置かれ燃料棒を通りかつこれに沿
って伝えられる超音波エネルギーを受信しこれに応じて
電気信号を供給する第２の変換器と、第２の変換器から
の信号に応答し信号の高い及び低い周波数成分を処理し
出力信号を供給する受信装置と、受信装置からの出力信
号に応答し低い及び高い周波数領域にわたる受信超音波
エネルギーのスペクトル成分を測定し各周波数成分の振
幅に比例する合成信号を作り出すゲート制御多重チャネ
ルスペクトル分析器とを備え、合成信号が被覆の応力及
びそれから推論される圧力差の測定値であり、それによ
り燃料棒気体圧力のあらゆる損失が燃料被覆破損の直接
の尺度となることを特徴とする破損した核燃料棒の検出
装置により解決される。

【０００９】

【実施例】次にこの発明に基づく検出装置の一実施例の
ブロック線図及びそれにより得られた測定データを示す
図により、この発明を詳細に説明する。

【００１０】この発明に基づく装置及び方法は一般に、
棒内部の気体圧力により引き起こされる核燃料棒の被覆
中の相対応力を測定する。これは広帯域低周波音響エネ
ルギースペクトルのうちから二つの特定の周波数の減衰
比を測定することにより行われる。相対的な圧力差が測
定可能であり、それゆえに燃料棒気体圧力のすべての損
失が燃料棒被覆破損の直接の表示となる。

【００１１】図１にはこの発明に基づく装置が示されて
いる。燃料棒１０は広帯域のパルス状超音波エネルギー
を燃料棒へ加えることにより検査される。これは送信器
１１から第１の音響変換器１２へ電気エネルギーを供給
することにより遂行される。送信器は３００ｋＨｚの共
振周波数で働く圧電結晶の形とするのが有利である。第
２の音響変換器１３は第１の音響変換器から離して設け
られ受信要素として働く。両変換器は燃料棒プレナム領
域をめぐる複数ターンの螺旋形音響経路を作り出すよう
に、プレナム領域上に整列させられている。変換器は通
常直接的に燃料棒と接触していない。変換器の近距離音
場効果を最小にするために０．０５０インチの間隙が維
持されている。しかしこの距離は重要ではない。音響変
換器１３は増幅器、高域フィルタ及び低域フィルタから
成る受信器１４へエネルギーを供給する。そしてフィル
タ出力は適当な帯域フィルタを備えるゲート制御多重チ
ャネルスペクトル分析器１７へ供給される。スペクトル
分析器１７は送信器１１からの信号によりゲート制御さ
れる。

【００１２】送信器は所定のレートでパルスを送り、被
覆を通って伝達されたエネルギーの周波数スペクトルが
第２の変換器の受信結晶により受信され、スペクトルが
次に受信器１４を経てスペクトル分析器１７へ供給され
る。スペクトル分析器１７は関心のある二つの周波数帯
域をろ過し各周波数成分の振幅に比例する信号１５、１
６を作り出す。低い周波数すなわち約１００ｋＨｚの減
衰は被覆中の応力係数のために高い周波数より一層明ら
かである。低い周波数の減衰量は直接的に被覆の応力
（又は内部気体圧力）に関係する。

【００１３】ジルカロイ４の不活性燃料棒内部の５００
ｐｓｉ気体（加圧水型原子炉燃料棒の寿命末期で予想さ
れる最大値、燃料サイクル中には正常な燃料棒内の圧力
がペレットからの核分裂気体放出のために専ら増加す
る）の存否を測定するために、特別の検査が発明者によ
り行われた。５本の棒はすべて内部ばねを有し、１本は
圧力ゼロであり、１本は６０ｐｓｉの圧力を有し、１本
は３９０ｐｓｉの圧力を有し、また２本は明記されてい
ない高い圧力を有して実験用サンプルを構成した。加圧
水型原子炉用棒は一般に約３９０ｐｓｉで充填されてい
る。沸騰水型原子炉用棒は一般に約６０ｐｓｉで充填さ
れている。検査は水浴中で行われた。音響信号を通す許
容できる接触媒質が存在する限りは測定は必ずしも水中
で行う必要がない。照射済み核燃料への適用のために
は、作業員の非常に高い放射線被爆を低減すべくすべて
の検査は水中で行わなければならない。

【００１４】もし燃料棒が破損すれば大部分の気体が漏
れ、残りの気体が外部の水圧（検査が行われる原子炉炉
心の外側は約１５ｐｓｉ）と平衡する。

【００１５】検査中に広帯域パルスが５０ｋＨｚないし
１ＭＨｚの領域にエネルギーの大部分を持たせて送信器
により送出された。パルスは好ましくは１００〜３００
ｋＨｚ及び６００〜１２００ｋＨｚの異なる帯域フィル
タを有する二つのチャネルにより検出された。約６イン
チ離した変換器の間隔が有利であった。また変換器の間
隔はできるだけ多くのプレナム領域（一般に６〜１１イ
ンチ）を覆うことが望ましい。変換器は３００ｋＨｚの
中心周波数を有していた。受信信号はディジタル化され
高速フーリエ変換を用いて周波数スペクトルを計算する
ために利用された。

【００１６】図２では、１００〜３００ｋＨｚの周波数
スペクトルが１本の０ｐｓｉ圧力の棒及び２本の３９０
ｐｓｉ圧力の棒の測定に基づき表示され、燃料棒内部圧
力との所望の再現可能な相関を示す。分散データ点の左
の組は０ｐｓｉを表し、他方では右の２組は二つの異な
る３９０ｐｓｉ棒に由来する。分散打点の平均値の垂直
方向（ｙ）の片寄りは減衰係数の差を表す。

【００１７】図３では、同じ３本の棒に対する１００〜
３００ｋＨｚと６００〜１２００ｋＨｚのエネルギー値
の差が示され、この差は少ない分散（左側の０ｐｓｉ）
との所望の相関を示す。図２及び図３では０ｐｓｉ状態
は高い圧力状態から明らかに識別可能である。

【００１８】この測定方法は板波対縦波の音響速度及び
減衰における小さい変化を測定する能力に基づいてい
る。これらの変化は被覆応力に比例し受信変換器で波の
相互作用を引き起こすと信じられている。検査中に測定
されて最善の減衰比を与えた周波数は１００〜３００ｋ
Ｈｚ対６００〜１２００ｋＨｚであった。しかしこの発
明はこの領域に特に制限されない。この発明に基づく装
置は測定基準を提供しようとするものではなく、むしろ
個々の燃料集合体の信号振幅母集団分布に基づき個々の
棒破損を測定しようとするものである。

【００１９】このことは変化するおそれのある核分裂気
体放出により引き起こされる摂動（個々の棒の間の僅か
な圧力差）を規準化する。

【００２０】前記説明及び図面はこの発明の有利な実施
例を示すが、この発明の真の趣旨及び範囲から逸脱する
ことなく種々の変更及び修正を行うことができることは
当業者にとって明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に基づく装置のブロック線図である。

【図２】１本の低圧力燃料棒及び２本の高圧力燃料棒か
ら得られた実際のデータを示す図である。

【図３】１本の低圧力燃料棒及び２本の高圧力燃料棒か
ら得られた実際のデータを示す図である。

【符号の説明】

１０ 核燃料棒 １１ 送信器 １２、１３ 音響変換器 １４ 受信装置 １５、１６ 合成信号 １７ ゲート制御多重チャネルスペクトル分析器

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス状の電気エネルギー源を供給する
   送信器と、特定の周波数のパルス状超音波エネルギーを
   直接的に核燃料棒の外側被覆へ加えるために送信器に応
   答する第１の変換器と、第１の変換器から離してかつ核
   燃料棒の外側被覆に隣接して置かれ燃料棒を通りかつこ
   れに沿って伝えられる超音波エネルギーを受信しこれに
   応じて電気信号を供給する第２の変換器と、第２の変換
   器からの信号に応答し信号の高い及び低い周波数成分を
   処理し出力信号を供給する受信装置と、受信装置からの
   出力信号に応答し低い及び高い周波数領域にわたる受信
   超音波エネルギーのスペクトル成分を測定し各周波数成
   分の振幅に比例する合成信号を作り出すゲート制御多重
   チャネルスペクトル分析器とを備え、合成信号が被覆の
   応力及びそれから推論される圧力差の測定値であり、そ
   れにより燃料棒気体圧力のあらゆる損失が燃料被覆破損
   の直接の尺度となることを特徴とする破損した核燃料棒
   の検出装置。
2. 【請求項２】 送信器が約３００ｋＨｚの周波数でパル
   ス状信号を供給することを特徴とする請求項１記載の装
   置。
3. 【請求項３】 第２の変換器が広帯域受信器であること
   を特徴とする請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】 スペクトル分析器が約１００〜３００ｋ
   Ｈｚの低い周波数領域の信号及び約６００〜１２００ｋ
   Ｈｚの高い周波数領域の信号を分析することを特徴とす
   る請求項１記載の装置。
5. 【請求項５】 第１の変換器が５０ｋＨｚないし１ＭＨ
   ｚ領域の広帯域パルスを加えることを特徴とする請求項
   １記載の装置。
6. 【請求項６】 燃料棒が水浴に浸漬されていることを特
   徴とする請求項１記載の装置。
7. 【請求項７】 合成信号が周波数の低い領域の減衰性変
   化を表すことを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 【請求項８】 受信装置が増幅器、高域フィルタ及び低
   域フィルタを備えることを特徴とする請求項１記載の装
   置。
9. 【請求項９】 超音波エネルギーの広帯域パルスを核燃
   料棒に加え、加えられた超音波エネルギーに応じて棒の
   測定された超音波応答を検出し、測定された応答を電気
   信号へ変換し、低い及び高い周波数領域にわたって電気
   信号のスペクトル成分をスペクトル分析により測定し、
   各周波数成分の振幅に比例する合成信号を作り出すこと
   から成り、合成信号が棒の被覆の応力及びそれから推論
   される圧力差の尺度であり、それにより燃料棒気体圧力
   のすべての損失が燃料被覆破損の直接の尺度となること
   を特徴とする破損した核燃料棒の検出方法。