JPH0721548B2 - 原子炉の炉心内に存在する部材の腐食を監視するための装置および方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、原子炉の炉心内に存在
する部材の腐食を監視するための装置および方法に関す
るものである。更に詳しく言えば本発明は、原子炉の燃
料被覆材（すなわち、棒状または板状の核燃料を閉込め
るために使用される材料）において起こる全面的腐食お
よび結節状腐食を検出するための装置および方法に関す
る。

【０００１】

【発明の背景】今日、原子炉は発電および特殊な試験を
はじめとする様々な目的のために使用されている。たと
えば、原子力発電所においては原子炉が使用されてい
る。核燃料は核分裂反応を示す放射性物質である。核分
裂とは、通例、原子核が２または３個の大きい粒子、２
または３個の中性子、およびその他の小さい粒子に分裂
する反応であって、それに伴って比較的多量のエネルギ
ーが放出される。様々な核分裂反応において放出される
エネルギーの平均量は約２００ＭｅＶ（メガ電子ボル
ト）であって、これは石炭や石油のごとき化石燃料を燃
焼させる火力発電所において使用される酸化のごとき化
学反応から発生するエネルギーに比べて劇的に高いレベ
ルにある。

【０００２】エネルギー発生のための核分裂反応に際し
ては、極めて多量のエネルギーが放出されると共に、連
鎖反応を可能にする余分の中性子も生成される。このよ
うな要因に基づき、持続的に運転し得る原子炉（すなわ
ち、エネルギーを連続的に放出しながら核分裂反応を行
うような原子炉）を設計することが可能となる。

【０００３】軽水炉を使用する現行の原子力発電所の一
部においては、酸化ウランが核燃料として使用されてい
る。最も普通の形態の核燃料は、板状ではなく中実円柱
状のものである。ほとんどの原子炉用途においては、か
かる核燃料はアルミニウム、ステンレス鋼、ジルコニウ
ムまたはジルコニウム合金から成る被覆材によって保護
され、そして燃料集合体中に組込まれている。その他の
代表的な核燃料としては、アルミニウムで被覆された金
属ウランから成るようなプルトニウム生産炉の核燃料、
ステンレス鋼で被覆されたＵＯ₂ をステンレス鋼中に分
散させたものから成るような推進用原子炉の核燃料、お
よびジルコニウムまたはステンレス鋼で被覆されたＵＯ
₂ ペレットから成るような中央発電所用原子炉の核燃料
が挙げられる。

【０００４】原子力分野においてジルコニウムが使用さ
れる理由は、水および冷たい酸に対する不溶性、耐食
性、小さい中性子吸収断面積、並びに低い毒性のごとき
性質をそれが有するからである。ジルコニウムはまた、
これらの望ましい性質に加えて、高温下における高い強
度、高速の冷却材に対する耐食性、放射性の強い同位体
の不生成、および中性子線による機械的損傷に対する抵
抗性をも示す。ジルコニウムの重要な用途は、ジルカロ
イ−２として知られる合金の基材としての使用である。
ジルカロイ−２は１．５％のスズ、０．３５％の鉄−ク
ロム−ニッケル、０．１５％の酸素および残部のジルコ
ニウムから成る合金であって、約３５０℃までの水中に
おける優れた耐食性および小さい中性子吸収断面積を有
するために水冷型原子炉において広く使用されている。
「ジルカロイ」という名称は、燃料要素用の被覆材およ
びその他の原子炉用途のために使用されるジルコニウム
−ニッケル合金の商品名である。なお、「ジルコニウム
−２」は特定のジルカロイ合金である。

【０００５】核燃料を被覆するために耐食性の合金を使
用した場合でも、かかる合金の放射線損傷および腐食は
やはり起こることがある。腐食とは、通例、材料と環境
との間の反応に原因する材料の破壊、分解または劣化を
意味する。なお、狭義の腐食は金属と環境との間におけ
る緩徐な化学的および電気化学的反応を意味するが、広
義の腐食は化学物質および電気化学的反応による材料の
緩徐な破壊を意味する。

【０００６】沸騰水型原子炉の炉心内の過酷な環境中に
は、２９０℃以上の温度、１０００psi 以上の圧力、並
びに１０₉ ラド／時のガンマ線および１０₁₃ラド／時の
中性子のごとき放射線が存在することがある。ジルカロ
イ合金は、核放射線の存在しない水中において約２９０
℃の原子炉運転温度下で試験した場合には最良の耐食性
材料である。このような条件下における腐食速度は極め
て小さく、かつ腐食生成物は強固に密着した一様な黒色
ＺｒＯ₂ 層である。しかるに、実際の使用時におけるジ
ルカロイ合金は照射を受けると共に原子炉用水中に存在
する放射線分解生成物にも暴露される。かかる条件下で
は、ジルカロイ合金の耐食性は低下し、そしてそれの腐
食速度は増大するのである。

【０００７】実際の原子炉条件下におけるジルカロイ合
金の耐食性の低下は、腐食速度の一様な増大となって現
れるだけではない。詳しく述べれば、特に沸騰水型原子
炉においては、黒色ＺｒＯ₂ 層の形成に加えて局部的ま
たは結節状の腐食現象が認められることがある。このよ
うな結節状の腐食反応は、腐食速度を増大させるばかり
でなく、一様な黒色ＺｒＯ₂ 層よりも密着性が悪くかつ
密度が小さい白色のＺｒＯ₂ ブルームを生成するという
点で極めて望ましくない。

【０００８】結節状の腐食反応がもたらす腐食速度の増
大は、被覆管の実用寿命を短縮する傾向がある。また、
かかる結節状の腐食反応は原子炉の効率的な運転に対し
て有害な影響を及ぼす。密着性の悪い白色のＺｒＯ
₂ は、被覆管から剥がれ落ちて原子炉用水中に混入し易
い。他方、結節状の腐食生成物が剥がれ落ちないとして
も、結節状の腐食生成物が増殖して密度の小さい白色の
ＺｒＯ₂ が被覆管の全部または大部分を覆った場合に
は、被覆管を通して熱が水中に伝達される効率は低下す
るのである。

【０００９】それ故、原子炉の炉心内に存在する燃料被
覆材およびその他の部材の腐食（たとえば、結節状腐食
または全面的腐食）を監視することができれば望ましい
わけである。

【００１０】本発明の目的の１つは、原子炉の炉心内に
存在する燃料被覆材のごとき部材の腐食を監視するため
の装置および方法を提供することにある。本発明のもう
１つの目的は、原子炉の炉心内に配置されたセンサ中に
おける電位の変化を測定することによって上記のごとき
部材の腐食を監視するための装置および方法を提供する
ことにある。本発明の更にもう１つの目的は、センサ上
に設けられた刻み目のある表面区域における腐食（たと
えば、かかる刻み目の存在によって促進される結節状腐
食）を監視することにある。本発明の更にもう１つの目
的は、好ましくはジルコニウムから成り、また一層好ま
しくはジルコニウム合金もしくはジルカロイ合金から成
るセンサを含むような装置およびかかる装置を使用する
方法を提供することにある。この場合、センサを構成す
るジルコニウム、ジルコニウム合金またはジルカロイ合
金が（たとえば）燃料被覆材を製造するために使用され
たものと同じロットの材料であればなお一層好ましい。

【００１１】

【発明の概要】本発明の方法および装置は、原子炉の炉
心内に配置されたセンサ中における電位の変化を測定す
ることにより、炉心内に存在する部材の腐食を監視する
ための手段を提供する。核放射線は原子の運動を促進
し、そして空位の形成、析出物の生成、および再結晶の
ごとき金属学的変化を引起こす。かかる金属学的変化は
センサ中における抵抗率の増大をもたらし、そしてセン
サ中における電位変化の一因となる。それ故、放射線に
よって誘起された抵抗率の変化に原因するセンサ中の電
位変化を独立に測定して差引けば、センサの腐食に原因
する横断面積の減少から生じた電位変化が求められる。
このようにして、燃料被覆材の全面的腐食および（とり
わけ）結節状腐食が測定されるわけである。

【００１２】本発明の方法においては、原子炉の炉心内
に存在する部材の腐食を監視するため、炉心内を循環す
る冷却水に接触するようにしてセンサ手段が該部材の近
傍に配置される。かかるセンサ手段は、放射線に暴露さ
れると共に腐食を受けるような外面を有する横断面積Ａ
₁ の円筒形部分を含んでいる。かかるセンサ手段はま
た、放射線に暴露されるが腐食を受けることはない横断
面積Ａ₂ の参照部分をも含んでいる。上記の円筒形部分
と電気的に接触するようにして、距離Ｌ₁ だけ離隔した
少なくとも１対の第１の電位プローブが配置される。ま
た、上記の参照部分と電気的に接触するようにして、距
離Ｌ₂ だけ離隔した少なくとも１対の第２の電位プロー
ブが配置される。かかるセンサ手段中に電流を流すこと
により、円筒形部分および参照部分中に電位勾配が発生
される。円筒形部分および参照部分における電位の変化
を測定して使用することにより、第１の電位プローブ間
における円筒形部分の現在の横断面積Ａ_i が計算され
る。なお、円筒形部分および参照部分は監視すべき部材
と同じ材料から作製されていることが好ましい。また、
円筒形部分および参照部分は監視すべき部材と同じ結晶
組織を有していれば一層好ましい。

【００１３】本発明の装置は、円筒形部分と参照部分と
から成るセンサ手段を含んでいる。上記の円筒形部分
は、基部から伸びて内部に環状の通路を規定する側壁を
有している。かかる円筒形部分の内面は通路に面してい
る一方、それの反対側に位置する外面は炉心環境に暴露
される。かかる外面は、結節状腐食を促進するために役
立つ刻み目のある区域と平滑な区域とを含むことが好ま
しい。上記の参照部分は通路内に配置されていると共
に、電流を通過させ得るようにして基部に取付けられて
いる。かかるセンサ手段は、参照部分が原子炉の炉心内
の水に暴露されないように密封されている。なお、セン
サ手段は腐食を監視すべき部材と同じ材料から作製され
ていることが好ましい。たとえば、燃料被覆材を監視す
る場合には、センサ手段はジルコニウム、ジルコニウム
合金またはジルカロイ合金から作製されていることが好
ましく、またジルカロイ−２から作製されていれば一層
好ましい。更にまた、燃料被覆材を製造するために使用
されたものと同じロットの材料からセンサ手段が作製さ
れていれば最も好ましい。円筒形部分および参照部分に
は、装置の内部からリード線および電位プローブが接続
されている。

【００１４】装置の内部から円筒形部分および参照部分
に対して電気的に接続されたリード線を通して、円筒形
部分および参照部分中に一定の電流（好ましくは、周期
的に極性が逆転する直流）が流される。電位プローブの
使用により、円筒形部分および参照部分中を流れる電流
によって発生される電位が測定される。円筒形部分にお
いて測定された電位は、外面の腐食の結果として生じた
円筒形部分の現在の横断面積（または肉厚）および放射
線によって誘起された抵抗率の変化に対応するものであ
る。参照部分において測定されるような放射線に原因す
る電位変化を差引けば、腐食のみに原因する円筒形部分
の電位変化を求めることができる。このように、腐食に
原因する円筒形部分の横断面積（または肉厚）の変化を
電位測定値から計算することができるのである。

【００１５】本発明の装置に関する特定の実施の態様に
従えば、原子炉用の燃料被覆材の腐食を監視するための
装置が提供される。かかる装置は、(a) 第１の末端から
第２の末端にまで伸びる側壁から成っていて、かかる側
壁は第１の末端に第１の開口を有すると共に第２の末端
に第２の開口を有し、かかる側壁は外面、内部空間、お
よび第１の末端から第２の末端にまでわたって内部空間
内に存在する第１の環状通路を有し、かつ上記の外面は
少なくとも１つの刻み目のある区域を含むような概して
円筒形のセンサ部材、(b) 第１の環状通路が実質的に水
分を含まない状態に維持されるようにするため第１の開
口に封止状態で接合された概して円形の第１の末端キャ
ップ、(c) 第１の環状通路内に配置されかつ第１の末端
キャップに取付けられた細長い棒、(d) 特定の金属から
作製されかつ第１のスリーブ末端から第２のスリーブ末
端にまで伸びるスリーブ側壁から成っていて、かかるス
リーブ側壁は第１のスリーブ末端に第１のスリーブ開口
を有すると共に第２のスリーブ末端に第２のスリーブ開
口を有し、かつかかるスリーブ側壁は内部空間および第
１のスリーブ末端から第２のスリーブ末端にまでわたっ
て内部空間内に存在する第２の環状通路を有するような
概して円筒形のスリーブ、(e) センサ部材およびスリー
ブに対して適合性を有する特定の金属から作製されかつ
第１の移行部材末端から第２の移行部材末端にまで伸び
る移行部材側壁から成っていて、かかる移行部材側壁は
第１の移行部材末端に第１の移行部材開口を有すると共
に第２の移行部材末端に第２の移行部材開口を有し、か
かる移行部材側壁は内部空間および第１の移行部材末端
から第２の移行部材末端にまでわたって内部空間内に存
在する第３の環状通路を有し、しかも第１の移行部材末
端がセンサ部材の第２の末端に封止状態で連結されかつ
第２の移行部材末端がスリーブの第１のスリーブ末端に
封止状態で連結される結果として、第１、第２および第
３の環状通路は概して同心状態で接続されると共に、第
１、第２および第３の環状通路は実質的に水分を含まな
い状態に維持されるような概して円筒形の移行部材、
(f) センサ部材の内面と電気的に接触しかつセンサ部材
の内面から第１、第２および第３の環状通路を通って絶
縁状態で伸びている第１のリード線、(g) 棒と電気的に
接触しかつ棒から第１、第２および第３の環状通路を通
って絶縁状態で伸びている第２のリード線、(h) センサ
部材の内面および棒から第１、第２および第３の環状通
路を通って絶縁状態で伸びている少なくとも２対の電位
プローブであって、第１の電位プローブ対はセンサ部材
の内面と電気的に接触しており、かつ第２の電位プロー
ブ対は棒と電気的に接触しているような電位プローブ、
並びに(i)第１、第２および第３の環状通路が実質的に
水分を含まない状態に維持されるようにするためスリー
ブの第２のスリーブ末端に封止状態で接合され、かつ防
湿性の封止部を介して電位プローブと第１および第２の
リード線とを通過させるために設けられた少なくとも１
個の開口を有する第２の末端キャップの諸要素から成る
ことを特徴とするものである。

【００１６】本発明のその他の目的は、以下の説明を読
めば自ら明らかとなろう。

【００１７】このように本発明は、以下の詳細な説明中
に例示される構造、要素の組合せ、および部品の配列を
有する装置並びにかかる装置の使用方法から成ってい
る。本発明の内容は、添付の図面を参照しながら以下の
詳細な説明を考察することによって一層明確に理解され
よう。

【００１８】

【詳細な説明】本発明の装置は広範囲の工業的監視用途
において有用なものであるが、それは特に原子炉の炉心
の過酷な環境中において使用するために適している。一
般的に述べれば、本発明の装置は耐食性を有する金属部
品をろう付けもしくは溶接したものから成っている。

【００１９】かかる装置は、外部検出面上に２つの区域
を有することが好ましい。第１の区域は結節状腐食の発
生を促進するために刻み目を付けた表面部分である。す
なわち、この表面部分はねじ切り、筋付け、溝切り、粗
面化、引掻き、または表面積を増大させるその他の方法
によって処理されていればよいが、深さ１ミルのらせん
が微小なピッチで刻まれていることが好ましい。第２の
区域は、外部検出面上における平均的な電位変化、従っ
て外部検出面の平均的な腐食を測定するための実質的に
平滑な表面部分である。第１の区域においては、表面に
刻み目が付けられているため、より早い速度で腐食（特
に結節状腐食）が起こる。炉心内の水に暴露されない参
照部分は放射線損傷に原因する電位変化を受けるのみで
あって、そこにおいては腐食が起こらないことが必要で
ある。

【００２０】かかるセンサ手段における電位の測定は、
３つの点（すなわち、外部検出面上における第１および
第２の区域並びに参照部分）において行うことが好まし
い。このような３点測定により、円筒形部分上における
促進された結節状腐食および全面的腐食が測定される。
このような電位測定結果から、燃料被覆材の腐食に原因
する横断面積の変化を知ることができる。なぜなら、好
適な実施の態様に従えば、本発明の装置のセンサ手段は
燃料被覆材と同じ材料または燃料被覆材と同様にして腐
食および放射線損傷を受ける材料から作製されているか
らである。なお、センサ手段の腐食および損傷が燃料被
覆材において起こる腐食および損傷を反映するようにす
るため、センサ手段は燃料被覆材を製造するために使用
されたものと同じロットの材料から作製されることが最
も好ましい。このようにすれば、燃料被覆材において見
られる結晶組織（たとえば、ピルガー圧延法による管絞
りおよびβ焼入れの結果として得られる結晶組織）がセ
ンサ手段の円筒形部分および参照部分においても存在し
得るわけである。また、センサ手段から得られた電位測
定値が燃料被覆材において起こる腐食にできるだけ正確
に対応するようにするため、かかる装置は燃料を装入す
る際に原子炉内の所定の位置に設置されることが好まし
い。更にまた、円筒形部分の肉厚または横断面積は燃料
被覆材の場合とほぼ同じであることが好ましい。

【００２１】とは言え、円筒形部分上にただ１つの区域
（たとえば、実質的に平滑な表面区域）のみが存在し、
そしてそれに関する電位測定を行うだけでもよいことに
留意すべきである。その場合には、たとえば２個の電位
プローブを内面に取付けるだけでよい。かかるセンサ手
段を使用する際には、検査すべき燃料棒またはその他の
部材にできるだけ近づくようにして原子炉の炉心内にセ
ンサ手段を配置することが好ましい。かかる装置は、燃
料棒と同じ寸法を含め、任意適宜の寸法を有し得る。円
筒形部分は、参照部分が炉心内の冷却水に暴露されない
ように密封されている。このように密閉された環境の使
用により、参照部分は腐食に原因する電位変化を示さな
い。詳しく述べれば、側壁に対して円形の末端キャップ
が封止状態で接合されていると共に、かかる末端キャッ
プは円筒形部分および参照部分と同じ材料から成ってい
る。参照部分の電位変化は放射線損傷のみに原因するか
ら、このような効果に由来する円筒形部分の電位変化を
求めることができる。更にまた、参照部分の電位変化と
共に炉心内の水温を知れば、水温に原因する電位変化を
補正することもできる。

【００２２】更にまた、センサ手段はスリーブに取付け
られていることが好ましい。かかるスリーブはステンレ
ス鋼から成ることが好ましい。ステンレス鋼はジルコニ
ウムまたはジルカロイ合金に溶接することができないか
ら、移行部材を用いて取付けを行うことが好ましい。た
とえば、センサ手段がジルカロイ合金から成る場合、取
付けはジルカロイ／ステンレス鋼移行部材を用いて行わ
れ、それによって装置内の電位プローブおよびリード線
は原子炉内の冷却水から隔離されることになる。なお、
かかる取付けは接合されたジルカロイ−２／ステンレス
鋼移行部材を用いて行われることが一層好ましい。好適
な実施の態様に基づく移行部材は、ジルカロイ−ジルカ
ロイ連結部およびステンレス鋼−ステンレス鋼連結部を
有するものである。このような移行部材は任意適宜の方
法によって製造されるが、たとえば、ジルカロイ合金管
とステンレス鋼管とを同時押出しすることによって両者
間に冶金的結合を達成すればよい。こうして得られた移
行部材の一端から内管の一部を除去しかつ他端から外管
の一部を除去した後、ジルカロイ合金の端部は円筒形部
分に溶接され、そしてステンレス鋼の端部はスリーブに
溶接される。かかる取付けはまた、円筒形部分をスリー
ブにろう付けすることによって行うこともできるし、あ
るいはコバール合金のごとき適合性材料から成る部材を
両者間にろう付けすることによって行うこともできる。
なお、コバール合金は約５３．８重量％のＦｅ、２９重
量％のＮｉ、１７重量％のＣｏおよび０．２重量％のＭ
ｎから成っている。

【００２３】電位プローブ用導線およびリード線として
は、無機絶縁物で絶縁されたステンレス鋼線、ニッケル
線または（好ましくは）白金線を使用することができ
る。これらの線は、センサ手段の内面上の適当な部位に
（たとえば溶接により）接合されることが好ましい。無
機絶縁物で絶縁されたこれらの線は、少なくともセンサ
手段の外部に位置する部分において（たとえばステンレ
ス鋼製の）金属外被を有している。なお、かかる金属外
被がジルコニウム合金（ジルカロイ合金またはジルカロ
イ−２合金）から成る場合には、スリーブを同じジルコ
ニウム合金から作製することができ、従ってセンサ手段
に対する取付けは独立した移行部材を使用せずにろう付
けまたは溶接によって行うことができる。なぜなら、ジ
ルコニウム合金製の金属外被をスリーブにろう付けする
ことにより、スリーブの末端キャップに設けられた開口
に対して防湿性の封止部を形成することができるからで
ある。

【００２４】図１に示された本発明の実施の態様に従え
ば、本発明装置のセンサ手段は横断面積Ａ₁ を有する実
質的に中空の円筒形部分を有していて、それの外面上に
は刻み目のある部分と実質的に平滑な部分とが存在して
いる。かかるセンサ手段はまた、横断面積Ａ₂ を有する
細長い棒を円筒形部分の内部に含んでいる。このような
センサ手段は溶接またはろう付けによって移行部材に連
結されていると共に、かかる移行部材はまたスリーブに
も連結されている。このようなセンサ手段は電位の変化
を示すが、それらの電位変化を監視することによってセ
ンサ手段の外面における腐食を測定することができる。
かかるセンサ手段において起こる腐食は、燃料被覆材に
おいて起こる腐食を反映するものである。

【００２５】ここで図１を見ると、本発明に基づく装置
１０の構造が断面図によって示されている。かかる装置
１０は概して円筒形の形状を有しているが、それはセン
サ部分１０Ａとスリーブ部分１０Ｂとに分けられ、そし
て後者は移行部材１４およびスリーブ２０を含んでい
る。かかる装置１０はまた、第１の末端キャップ１１、
第２の末端キャップ１３、平滑な部分１６および刻み目
のある部分１２を有する円筒形部分２４、電位プローブ
１７ａ〜１７ｅおよび１７ａ' 〜１７ｅ' 、リード線１
９ａおよび１９ｂ、並びに第１の末端キャップ１１に取
付けられた内部の棒１５をも含んでいる。なお、棒１５
および第１の末端キャップ１１は単一の部材として形成
されることが好ましい。また、棒１５は腐食を監視すべ
き燃料被覆材と同じ組成および結晶組織を有する材料か
ら成ることが最も好ましい。溶接部１８の使用により、
第１の末端キャップ１１は円筒形部分２４に封止状態で
接合されている。なお、第１の末端キャップ１１はセン
サ部分１０Ａおよび棒１５と同じ材料（好ましくはジル
カロイ−２）から成ることが好ましい。

【００２６】電流はリード線１９ａを通って流入し、そ
して棒１５を通ってリード線１９ｂから流出する。かか
る電流が刻み目のある部分１２を通過する場合、刻み目
のある部分１２に取付けられた電位プローブ１７ｃおよ
び１７ｄまたは１７ｃ' および１７ｄ' はこの部分にお
いて起こる電位の変化を測定するために役立つ。また、
電位プローブ１７ｃおよび１７ｅまたは１７ｃ' および
１７ｅ' を使用することにより、平滑な部分１６（すな
わち、センサ部分１０Ａのうちで電位プローブ１７ｃと
１７ｅとの間または１７ｃ' と１７ｅ' との間に存在す
る部分）における電位の変化を測定することができる。
更にまた、電位プローブ１７ａおよび１７ｂまたは１７
ａ' および１７ｂ' を使用することにより、棒１５にお
ける電位の変化を測定することができる。図１には１０
個の電位プローブ（１７ａ〜１７ｅおよび１７ａ' 〜１
７ｅ' ）が示されているが、本発明の装置は最小４個の
電位プローブを有していればよい。この場合、２個の電
位プローブは棒１５と電気的に接触するように配置さ
れ、また２個の電位プローブは（たとえば）平滑な部分
１６と電気的に接触するように配置される。同様に、リ
ード線は任意適宜の部位に配置することができる。棒１
５もまた、ジルカロイ合金から成ることが好ましい。か
かる棒１５は、水分を含まない環境（すなわち、棒１５
が原子炉の炉心内の冷却水に暴露されないような環境）
中に存在していることが好ましい。それ故、棒１５は装
置１０の内部に配置されている。なお、溶接部１８は第
１の末端キャップ１１を耐圧状態で接合している。

【００２７】電位プローブ１７ａ〜１７ｅおよび１７
ａ' 〜１７ｅ' は、電位プローブと装置との間における
腐食および電気的接触の喪失を防止するため、装置１０
の内面にスポット溶接されている。これらの電位プロー
ブは、ステンレス鋼、白金、ニッケル、あるいは適当な
性質を有するその他任意の金属、合金または導体から作
製することができる。かかる電位プローブ用の導線は無
機絶縁物（図示せず）によって絶縁されている。このよ
うな目的のためには、たとえば、酸化マグネシウム（Ｍ
ｇＯ）または酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）のごとき
化合物から成るセラミック材料を使用することができ
る。かかる無機絶縁物が有するべき適当な性質として
は、放射線損傷に対する抵抗性、高温下での安定性、お
よび不燃性が挙げられる。少なくともセンサ手段の外部
に位置する導線部分は、無機絶縁物上に配置された（た
とえばステンレス鋼製の）金属外被によって被覆されて
いる。

【００２８】図１に示された実施の態様において使用さ
れている電位プローブ１７ａ' 〜１７ｅ' およびリード
線１９ａ' 〜１９ｂ' は、電位プローブ１７ａ〜１７ｅ
およびリード線１９ａ〜１９ｂのいずれかが破損した
り、あるいは装置１０との電気的接触を喪失したりした
場合でもセンサ手段の動作を確保するために役立つ予備
の電位プローブおよびリード線である。図示されてはい
ないが、追加の電位プローブおよびリード線を用いて冗
長度を高めることにより、装置１０の実用寿命を一層長
くすることもできる。

【００２９】リード線１９ａおよび１９ｂは任意適宜の
材料から作製し得るのであって、たとえば、ステンレス
鋼、白金、ニッケル、あるいは適当な性質を有するその
他任意の金属、合金または導体を使用することができ
る。かかるリード線もまた、無機絶縁物および（たとえ
ばステンレス鋼製の）金属外被によって被覆することが
できる。

【００３０】センサ手段内の電位プローブ用導線および
リード線は、第２の末端キャップ１３を貫通しかつろう
付け部２１によってそれに封止状態で接合されたケーブ
ルアセンブリ３１にスポット溶接されていることが好ま
しい。かかるケーブルアセンブリ３１は、無機絶縁物で
絶縁された複数の導線を（たとえばステンレス鋼製の）
金属外被によって被覆したものである。かかるケーブル
アセンブリ３１は、たとえば、ゼネラル・エレクトリッ
ク・カンパニー（GeneralElectric Company)の一部門で
あるアメリカ合衆国オハイオ州ツインバーグ市所在のロ
イター・ストークス(Reutor-Stokes) 社から市販されて
いる。

【００３１】センサ部分１０Ａは、１６ａの位置におい
てスリーブ部分１０Ｂの移行部材１４に連結されている
ことが好ましい。すなわち、移行部材１４の使用によ
り、センサ部分１０Ａがスリーブ部分１０Ｂのスリーブ
２０に封止状態で連結されていることが好ましい。かか
る移行部材１４は、上記のごとき同時押出し部材または
ろう付け継手から成っていればよい。かかる移行部材１
４はまた、スリーブ２０およびセンサ部分１０Ａの両方
に対して適合性を有する適当な材料から形成することも
できる。このような材料はセンサ部分１０Ａおよびスリ
ーブ２０の両方に対してろう付けすることができるが、
その実例としてはコバール合金が挙げられる。移行部材
１４としてジルカロイ／ステンレス鋼部材が使用される
場合には、それはジルカロイ−ジルカロイ連結部および
ステンレス鋼−ステンレス鋼連結部を有することが好ま
しい。図１においては、移行部材１４はジルカロイ／ス
テンレス鋼部材として示されている。すなわち、部分１
４ａ' はジルカロイから成り、かつ部分１４ｃ' はステ
ンレス鋼から成っていて、部分１４ａがジルカロイ−ジ
ルカロイ連結部であり、部分１４ｃがステンレス鋼−ス
テンレス鋼連結部であり、そして部分１４ｂが部分１４
ａ' から部分１４ｃ' への移行部である。センサ部分１
０Ａをスリーブ部分１０Ｂに接合するためには、ろう付
けまたは溶接以外の適当な方法を使用することもでき
る。スリーブ２０には第２の末端キャップ１３が（たと
えば溶接により）封止状態で接合されているが、これも
またステンレス鋼から成ることが好ましい。なお、第２
の末端キャップ１３およびスリーブ２０は単一の部材と
して形成されることが好ましい。第２の末端キャップ１
３には、ケーブルアセンブリ３１を通すための少なくと
も１個の開口が設けられている。かかる開口とケーブル
アセンブリ３１の金属外被とはろう付け部２１によって
封止状態で接合され、それによって装置１０内の通路１
０' に対する防湿性の封止部が形成されている。リード
線１９ａ〜１９ｂ並びに電位プローブ１７ａ〜１７ｅお
よび１７ａ' 〜１７ｅ' は、たとえばスポット溶接部
（図示せず）により、ケーブルアセンブリ３１中のそれ
ぞれの導線に対して電気的に接続されている。また、セ
ンサ手段内の温度勾配に原因する電位変化を抑制すると
共に、原子炉の炉心内に配置された場合におけるセンサ
手段の内部と外部と間の差圧を低減させるため、センサ
手段を原子炉の炉心内に配置した場合にそれを包囲する
冷却水の圧力を補償し得る適当な圧力の下でヘリウムま
たはその他の伝熱ガスを封入することが好ましい。

【００３２】腐食の監視は逆転直流電位法によって行う
ことが好ましい。そのためには、極性の逆転する直流を
センサ手段に印加することによってセンサ手段中に電位
勾配が発生される。なお、逆転直流電位法の使用は本発
明の実施にとって不可欠なものではないことに留意すべ
きである。すなわち、センサ手段の内部に電位勾配を発
生させるために役立つならば、任意の手段を使用し得る
のである。かかる目的を達成するためには、センサ手段
に直流を印加しさえすれば事足りる。電位プローブの電
圧は、約０．１マイクロボルトから１２ボルトまでの広
い範囲内にあればよい。とは言え、余分のノイズおよび
ドリフトを回避すると共に、センサ手段の腐食に対する
電気化学的な影響を抑制するため、電位をマイクロボル
トの範囲内に維持することが望ましい。

【００３３】電位をマイクロボルトの範囲内に維持する
ことが所望される場合には、電位プローブから得られた
電位測定値を増幅することが必要となることがある。な
お、マイクロボルトの範囲内の電位の測定を可能にする
ためには、１０００００倍以上の増幅率が必要となるこ
とがある。増幅器を使用する場合には、長期ドリフトの
小さい増幅器（すなわち、１年当り２マイクロボルト未
満のドリフトを示す増幅器）が好適である。このような
増幅器を使用する場合には、極性逆転の周期は増幅器の
整定時間によって制限されることが多い。なお、約１０
００×の利得を有する増幅器については1/2 秒の逆転周
期が適当である。

【００３４】増幅器のゼロドリフトを回避すると共に、
リード線および電位プローブの接続点において生じる熱
起電力に原因するドリフトを回避するため、直流の極性
を周期的に逆転させることが好ましい。極性の逆転する
直流を用いて測定を行えば、ゼロ電圧を供給しながら測
定を行う必要が無くなる。ゼロ電圧における測定の必要
が無くなれば、増幅器のゼロドリフトに原因する誤差が
排除される。なお、毎秒約０．５〜４回の範囲内の速度
で直流の極性を逆転させることが好ましい。それよりも
早い速度で極性を逆転させると、交流の使用に付随する
ような問題が引起こされる。すなわち、センサ手段の表
面付近の電流密度が内層部分における電流密度よりも高
くなるという「表皮効果」が生じるのである。他方、毎
秒０．５回よりも遅い速度で極性を逆転させると、電位
の読取り値が少なくなり、従って腐食に原因する横断面
積の変化の検出能力が低下する。なお、直流の極性を逆
転する速度は使用する装置（たとえば増幅器）の整定時
間によって制限されることがある。直流の極性を逆転す
るためには、任意適宜のスイッチング素子を使用するこ
とができる。なお、０．１％未満の小さいドリフト特性
および０．１％未満の小さい分散を示すようなスイッチ
ング素子が好適である。かかるスイッチング素子は、汎
用の計算機またはその他の制御手段（たとえばタイマ）
によって制御することができる。

【００３５】第１の電位プローブ対および第２の電位プ
ローブ対の間における電位差は、導体上における１対の
プローブ間の電圧を測定するために役立つ通常の手段に
よって検出することができる。かかる電位プローブは、
電線、ケーブル、母線などのごとき導線を単純な接点、
ねじ、溶接部などによってセンサ手段に接続したものか
ら成っていればよい。かかる導線は、電圧計またはアナ
ログ−ディジタル変換器のごとき電圧測定装置への電気
伝導を可能にするようなやり方でセンサ手段に接続され
ている。

【００３６】電位プローブ間の電位差を連続的に測定す
ることが好ましいが、電位差を間欠的に測定することも
差支えないのであって、腐食に原因するセンサ手段の横
断面積の変化に関する有用な情報を得ることができる。
なお、腐食の測定精度を高めるため、電位差をできるだ
け正確に測定することが望ましい。

【００３７】電圧測定工程の検出能力を高めるため、複
数の読取り値を平均することにより、第１の電位プロー
ブ対および第２の電位プローブ対の間における電位差の
「平均測定値」が求められる。一般に、平均する読取り
値の数が多くなるほど検出能力は高くなる。

【００３８】逆転直流電位法を使用する場合には、先ず
最初に、少なくとも１０対の読取り値（すなわち、電流
の極性が正の場合に得られた１０の読取り値および電流
の極性が負の場合に得られた１０の読取り値）から各々
の電位プローブ対に関する１電流サイクル当りの平均読
取り値を計算することが好ましい。かかる正および負の
読取り値は、増幅器の整定時間が経過してからミリ秒の
範囲内において測定されることが好ましい。正の読取り
値の平均と負の読取り値の平均との差の1/2 が計算さ
れ、そしてこれが１電流サイクル当りの平均読取り値と
見なされる。検出能力を高めるためには、約１００〜１
０００００の電流サイクルについての読取り値を平均す
ることによって単一の「平均測定値」を求めることが好
ましい。これは、約１０００〜１００００００対の読取
り値を平均することに相当している。このように多数の
読取り値を平均することにより、測定値のＳＮ比が向上
する。ＳＮ比が向上すれば、第１の電位プローブ対また
は第２の電位プローブ対の間における電位差のより小さ
な変化を検出することができ、従って腐食に原因する横
断面積のより小さな変化を検出することができる。系内
のノイズにもよるが、１００００対の読取り値から得ら
れた平均測定値を使用すれば、約０．１％の横断面積変
化を検出することができる。それよりも多くのノイズを
含む系においては、所要の検出能力を得るためにより多
くの読取り値が必要となる。

【００３９】読取り値を平均するためには、汎用のディ
ジタル計算機または所望の平均計算を行うように設計さ
れた計算機を使用することができる。更にまた、第１の
電位プローブ対または第２の電位プローブ対の間におけ
る電位差の読取り値を平均するための回路を計算機の代
りに使用することもできる。

【００４０】ディジタル計算機により、現在の横断面積
を計算することができる。こうして得られたデータは、
視覚的記録装置または音響的警報装置のごとき通常の手
段によって操作員に伝達することができる。かかるデー
タはまた、自動制御機構に伝達することもできるし、あ
るいは以後の分析および解釈のために記憶させることも
できる。

【００４１】センサ手段中を流れる電流と電位差の測定
値との間の関係は、下記の比例式によって与えられる。

【００４２】

【数３】 Ｖ∝ＩＲ 上記式中、Ｖは電位差（または電圧）の測定値、Ｉは電
流、そしてＲは抵抗である。電流はリード線を通して供
給される電流入力によって一定に保たれるのに対し、抵
抗はセンサ手段における放射線損傷および円筒形部分の
腐食に原因する横断面積の減少に応じて変化する。それ
故、腐食に原因する横断面積の減少を次のようにして監
視することができる。すなわち、横断面積Ａ₁ を有する
刻み目のある部分１２上に距離Ｌ₁ だけ離隔して設置さ
れた第１の電位プローブ対１７ｃおよび１７ｄの間にお
ける電圧Ｖ₁ が測定され、また横断面積Ａ₂ を有する参
照部分（すなわち、棒１５）上に距離Ｌ₂ だけ離隔して
設置された第２の電位プローブ対１７ａおよび１７ｂの
間における電圧Ｖ₂ が測定される。これらの電圧Ｖ₁ お
よびＶ₂ は、上記のごとき「平均測定値」法に従って求
めることができる。これらの電圧Ｖ₁ およびＶ₂ は下記
の比例式によって表わされる。

【００４３】

【数４】

【００４４】

【数５】 上記式中、ρは当業界において材料の抵抗率として知ら
れる定数であって、それは温度、組成、結晶構造および
格子欠陥のごとき因子に依存する。Ｉおよびρは円筒形
部分および参照部分の両方にとって同じであるから、下
記の比例式が得られる。

【００４５】

【数６】 腐食の発生後においては、第１の電位プローブ対の間に
おける円筒形部分の現在の横断面積Ａ_i は下記の比例式
に従って求めることができる。

【００４６】

【数７】 センサ部分１０Ａが平均直径Ｄ₁ （すなわち、内径と外
径との平均値）を有する円筒形部分から成る場合には、
第１の電位プローブ対の間における円筒形部分の現在の
肉厚ｔ_i は下記の比例式に従って求めることができる。

【００４７】

【数８】 円筒形部分の様々な区域（たとえば、上記の装置につい
て示された平滑な部分および刻み目のある部分）におけ
る電位変化を測定するため、円筒形部分に沿って複数対
の第１の電位プローブを設置し得ることを理解すべきで
ある。その場合には、上記の比例式中にそれぞれの第１
の電位プローブ対の間における距離および電圧測定値を
代入すれば、それぞれの区域における現在の横断面積が
求められる。更にまた、円筒形部分の内面の特定の位置
（たとえば、刻み目のある部分の始点および終点）にお
いて、複数対の第１の電位プローブを円周方向に沿って
設置することもできる。

【００４８】図１について説明すれば、第１の電位プロ
ーブ１７ｄおよび１７ｄ' が刻み目のある部分１２の一
端に設置されていると共に、第１の電位プローブ１７ｃ
および１７ｃ' が刻み目のある部分１２の他端に設置さ
れている。このように、刻み目のある部分１２の境界に
２対の第１の電位プローブが設置されている。この場
合、各対の第１の電位プローブ間における電圧を測定す
れば、各対の第１の電位プローブ間の局限された区域に
関する現在の横断面積が求められる。また、複数対の第
１の電位プローブ間における平均電圧を測定すれば、複
数対の第１の電位プローブ間における現在の平均横断面
積が求められる。たとえば、第１の電位プローブ１７ｄ
および１７ｄ' を電気的に接続すると共に、第１の電位
プローブ１７ｃおよび１７ｃ' を電気的に接続すること
ができる。その結果、これら２対の第１の電位プローブ
間における平均電圧が測定され、従って刻み目のある部
分１２における現在の平均横断面積がそれから計算され
ることになる。

【００４９】測定される電位は上記のごとくに横断面積
の関数であるから、横断面積が減少すればより鋭敏な電
位測定が可能となり、それによって横断面積のより小さ
い変化を検出することができる。たとえば、上記のごと
きセンサ手段の円筒形部分の肉厚が３０ミルから１０ミ
ルに減少すると、電位測定の感度は３倍に上昇する。し
かしながら、このように小さい横断面積を有する円筒形
部分はセンサ手段を取巻く冷却水の圧力によって潰れて
しまうことがある。それ故、本発明の装置に関する別の
実施の態様に従えば、円筒形部分の内面に円周方向の溝
を形成することによって円筒形部分の一部の肉厚（また
は横断面積）が減少させられる。かかる溝の寸法は、原
子炉の炉心内に存在する冷却水の圧力に耐えるために必
要な円筒形部分の構造強度が保持されるように選定され
る。このように横断面積の減少した部分の電位を測定す
るため、溝の始点および終点と電気的に接触するように
して少なくとも１対の第１の電位プローブが設置され
る。その結果、センサ手段の円筒形部分が所要の構造強
度を保持しながら、横断面積の減少した部分（すなわ
ち、円筒形部分の外面と溝との間に挟まれた部分）に関
して高感度の電位測定が達成されることになる。

【００５０】以上、本発明の好適な実施の態様を詳細に
説明したが、本発明の範囲はもっぱら前記特許請求の範
囲によって規定されるのであって、上記の説明中に記載
された特定の事項によって制限されないことは言うまで
もない。すなわち、上記のごとき実施の態様以外にも、
本発明の精神および範囲から逸脱することなしに様々な
変更態様が可能であることを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づくセンサ手段の部分断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ 本発明の装置 １０Ａ センサ部分 １０Ｂ スリーブ部分 １０' 通路 １１ 第１の末端キャップ １２ 刻み目のある部分 １３ 第２の末端キャップ １４ 移行部材 １５ 棒 １６ 平滑な部分 １７ 電位プローブ １８ 溶接部 １９ リード線 ２０ スリーブ ２１ ろう付け部 ２４ 円筒形部分 ３１ ケーブルアセンブリ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−214751（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−218452（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−83153（ＪＰ，Ａ)

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 (a) 基部から伸びて内部に環状の通路を
   規定する側壁を有する円筒形部分と、前記通路内に配置
   されかつ電流を通過させ得るようにして前記基部に取付
   けられた参照部分とを含むと共に、前記参照部分が腐食
   を受けないように密封されているセンサ手段、(b) 前記
   センサ手段と電気的に接触するように設置され、そして
   前記センサ手段中に電流を流すために役立つリード線、
   並びに(c) 前記センサ手段と電気的に接触するように設
   置され、そして前記円筒形部分および前記参照部分の電
   位を測定するために役立つ電位プローブの諸要素から成
   ることを特徴とする、原子炉の炉心内に存在する部材の
   腐食を監視するための装置。
2. 【請求項２】 前記センサ手段が末端部材および移行部
   材により密封されていて、前記末端部材は原子炉の炉心
   内における腐食に耐える材料から成り、前記移行部材は
   前記円筒形部分および前記末端部材に対して溶接し得る
   適合性材料から成り、かつ前記円筒形部分、前記移行部
   材および前記末端部材を互いに溶接することによって前
   記通路に対する防湿性の封止構造が形成されている請求
   項１記載の装置。
3. 【請求項３】 前記円筒形部分が前記通路に面した内面
   およびそれの反対側に位置する外面を有し、かつ前記外
   面が刻み目のある区域および平滑な区域を有する請求項
   １記載の装置。
4. 【請求項４】 前記円筒形部分が前記通路に面した内面
   およびそれの反対側に位置する外面を有し、かつ前記円
   筒形部分の横断面積が前記内面に設けられた円周方向の
   溝のために減少している請求項１記載の装置。
5. 【請求項５】 (a) 放射線に暴露されると共に腐食を受
   けるような外面を有する横断面積Ａ₁ の円筒形部分と、
   放射線に暴露されるが炉心内の水に原因する腐食を受け
   ることはない横断面積Ａ₂ の参照部分とを含むセンサ手
   段を監視すべき部材の近傍に配置し、(b) 距離Ｌ₁ だけ
   離隔した少なくとも１対の第１の電位プローブを前記円
   筒形部分と電気的に接触するようにして配置し、(c) 距
   離Ｌ₂ だけ離隔した少なくとも１対の第２の電位プロー
   ブを前記参照部分と電気的に接触するようにして配置
   し、(d) 前記センサ手段中に電流を流すことにより、前
   記円筒形部分および前記参照部分中に電位勾配を発生さ
   せ、(e) 前記１対の第１の電位プローブ間における電圧
   Ｖ₁ を測定し、(f) 前記１対の第２の電位プローブ間に
   おける電圧Ｖ₂ を測定し、次いで(g) 比例式 【数１】 に従って前記１対の第１の電位プローブ間における前記
   円筒形部分の現在の横断面積Ａ_i を計算する諸工程から
   成ることを特徴とする、原子炉の炉心内に存在する部材
   の腐食を監視するための方法。
6. 【請求項６】 前記センサ手段中に流される電流の極性
   が周期的に逆転される請求項５記載の方法。
7. 【請求項７】 前記円筒形部分が平均直径Ｄ₁ の円形横
   断面を有する場合において、前記１対の第１の電位プロ
   ーブ間における前記横断面の現在の肉厚ｔ_i が比例式 【数２】 に従って計算される請求項５記載の方法。
8. 【請求項８】 (a) 第１の末端から第２の末端にまで伸
   びる側壁から成っていて、前記側壁は前記第１の末端に
   第１の開口を有すると共に前記第２の末端に第２の開口
   を有し、前記側壁は外面、内部空間、および前記第１の
   末端から前記第２の末端にまでわたって前記内部空間内
   に存在する第１の環状通路を有し、かつ前記外面は少な
   くとも１つの刻み目のある区域を含むような概して円筒
   形のセンサ部材、(b) 前記第１の環状通路が実質的に水
   分を含まない状態に維持されるようにするため前記第１
   の開口に封止状態で接合された概して円形の第１の末端
   キャップ、(c) 前記第１の環状通路内に配置されかつ前
   記第１の末端キャップに取付けられた細長い棒、(d) 特
   定の金属から作製されかつ第１のスリーブ末端から第２
   のスリーブ末端にまで伸びるスリーブ側壁から成ってい
   て、前記スリーブ側壁は前記第１のスリーブ末端に第１
   のスリーブ開口を有すると共に前記第２のスリーブ末端
   に第２のスリーブ開口を有し、かつ前記スリーブ側壁は
   内部空間および前記第１のスリーブ末端から前記第２の
   スリーブ末端にまでわたって前記内部空間内に存在する
   第２の環状通路を有するような概して円筒形のスリー
   ブ、(e) 前記センサ部材および前記スリーブに対して適
   合性を有する特定の金属から作製されかつ第１の移行部
   材末端から第２の移行部材末端にまで伸びる移行部材側
   壁から成っていて、前記移行部材側壁は前記第１の移行
   部材末端に第１の移行部材開口を有すると共に前記第２
   の移行部材末端に第２の移行部材開口を有し、前記移行
   部材側壁は前記第１の移行部材末端から前記第２の移行
   部材末端にまでわたって存在する第３の環状通路を有
   し、しかも前記第１の移行部材末端が前記センサ部材の
   前記第２の末端に連結されかつ前記第２の移行部材末端
   が前記スリーブの前記第１のスリーブ末端に連結される
   結果として、前記第１、第２および第３の環状通路は概
   して同心状態で接続されると共に、前記第１、第２およ
   び第３の環状通路は実質的に水分を含まない状態に維持
   されるような概して円筒形の移行部材、(f) 前記センサ
   部材の内面と電気的に接触しかつ前記センサ部材の内面
   から前記第１、第２および第３の環状通路を通って絶縁
   状態で伸びている第１のリード線、(g) 前記棒と電気的
   に接触しかつ前記棒から前記第１、第２および第３の環
   状通路を通って絶縁状態で伸びている第２のリード線、
   (h) 前記センサ部材の内面および前記棒と電気的に接触
   しかつ前記センサ部材の内面および前記棒から前記第
   １、第２および第３の環状通路を通って絶縁状態で伸び
   ている少なくとも２本の電位プローブ、並びに(i) 前記
   第１、第２および第３の環状通路が実質的に水分を含ま
   ない状態に維持されるようにするため前記スリーブの前
   記第２のスリーブ末端に封止状態で接合され、かつ防湿
   性の封止部を介して前記電位プローブと前記第１および
   第２のリード線とを通過させるために設けられた少なく
   とも１個の開口を有する第２の末端キャップの諸要素か
   ら成ることを特徴とする、原子炉の炉心内に存在する部
   材の腐食を監視するための装置。
9. 【請求項９】 前記センサ部材および前記棒が部材と同
   じくジルコニウム合金材料からなっている請求項８記載
   の装置。
10. 【請求項１０】 前記移行部材がステンレス鋼およびジ
    ルコニウム合金から構成されていて、前記第１の移行部
    材末端はジルコニウム合金から成りかつ前記第２の移行
    部材末端はステンレス鋼から成る請求項９記載の装置。