JPS59214793A - 燃料要素の欠陥の検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、不透過性のキャップによって閉ざされ、加圧
されたガスの雰囲気によシ囲まれた核燃料のペレットの
積層体を収納している。浸漬された燃料集合体の燃料要
素のうち、欠陥のある燃料要素を検出することに関する
。

本発明の特に重要な用途は、数面の長さをもち燃料ペレ
ットの積層体を収納している原子炉の燃料集合体中の燃
料要素のうちの欠陥あるものを検出し特定化することに
ある（燃料ペレットは、この場合は、上記積層体と端キ
ャップとの間に配設したばねによシ、接触状態に保たれ
、加圧ガスが満たされた膨張室内に配置される）。

スリーブが不透過性でなくなった照射済みの欠陥ロッド
を収納している燃料集合体を検出するための種々の方法
がこれまでに知られている。最も普通に用いられている
方法によれば□、原子炉から取出した照射済の集合体を
セルに入れ、そこで加熱し、燃料要素に合資れる分裂ガ
スを増大させ、欠陥ロッドの割れを経てガスをセル中に
排出させる。しかしこの方法によっては、交換すべき欠
陥ロッドが特定化できない二 燃料要素をその集合体内の所定位置に取付ける前に点検
し照射後に欠陥ロッドを検出することに、超音波による
非破壊試験技術を適用することも提案されている。これ
らの方法の多くは、浸漬されているロッドには適用され
ず、単一のロッドにのみ適用され、これが非常に不つご
うな制限を構成する。これらの方法の例として、膨張室
を加熱し、キャップ上に凝縮した水を超音波によυ検出
する方法（フランス特許第２２２２７３２号及び２３６
５１８５号）並びにシースに伝搬される超音波のロッド
内に含まれ得る水による減衰を測定する方法などがある
。従来技術のこの考え方は、周囲媒体の影響から測定を
隔離する試みがなされたことに帰着される。しかし欠陥
ロッドを浸漬された状態のまま検出する方法も提案され
ている。現在までに提案された方法は、１つの欠陥特に
シース内の水の存在の徴候を検出する仁とに関連されて
いる。−例として、ロッドと直角に超音波ビームを指向
させることによシ膨張室のレベルにおいて各々のロッド
の基底部に液体水が存在することを検出する方法が知ら
れている（フランス特許願第２３４１１８３号）。更に
有効な方法として、超音波が伝搬されるロッドの内部に
存在する欠陥によシ液中に拡散された超音波のエネルギ
ーを検出することも知られている（フランス特許順１２
４９３０２５号）。

本発明は、特に１つの欠陥のいろいろの徴候を感知し、
特にシースに水が入ったこと並びにシースの割れ又はき
すの存在の両方を感知する点で、従来から知られたどの
方法ないしは装置よりも実際の条件に適合された、欠陥
燃料要素の検出方法及び装置を提供しようとするもので
ある０本発明には、従来技術から自明ではないいくつか
の知見が含まれる。その第１は、浸漬されていない新し
い燃料要素の検出について既に提案（フランス特許第２
４５４６７５号）されたように、「プレート」モードな
いｔ、［ラムモードにおいて伝搬されるような周波数を
もった超音波は、シースの外面を囲む液によって大きく
減衰されない、ということである。これと同様に重要な
第２の知見は、燃料を含まず水を含むシースは、水が大
量に含まれてりても、減衰はほとんど起こらないと従来
考えられていたのに反し、シース内に燃料ペレットとそ
れを囲む水の膜とが同時に存在する場合、ｓｏモードの
ラム波が相当大きな減衰を受けるということである。

これらの知見に基づいて、本発明の要旨は、液中に浸漬
させた燃料集合体中の欠陥のある燃料要素を超音波を用
いて検出する方法において、ラム波として伝搬が生ずる
ような周波数及び持続時間を有する超音波の波列をシー
スの内部に、該シースの先端部から反復伝送することと
、１つのフラクションが該シース中に存在し得る水によ
る顕著な吸収に対応し別のフラクションが該シース中の
機械的欠陥による大きなエコーに対応する成る周波数帯
域に含まれる別々の周波数についてエコーを検出するこ
ととを特徴とする検出方法である。

シース内にラムモードの伝搬を生ずるためには、波長が
シースの厚みに等しいか又はそれよシも小さくなるよう
な周波数において波列の形で超音波を適用する必要があ
ることがわかっている。従って承認可能な周波数の上限
は容易に定められる。

このように規定した周波数帯域内で、ペレットとシース
との間に水の膜が存在した場合の吸収の極大に対応する
小帯域としての周波数帯域と、シース内の機械的欠陥の
検出に対応する第２の小帯域としての周波数帯域とが選
定される。実際には、液の存在を検出するための第１の
周波数帯域ｆｌと、これよル大きな、機械的欠陥を検出
するための周波数帯域ｆ２とが用いられる。周波数帯域
ｆ、、ｆ。

は、１メガヘルツよシも低い周波数即ち金属製品の超音
波試験のために現在用いられている周波数よシも相当低
い周波数に一般に対応する。

端キャップを経てばねに加えられた超音波波列（ばね中
にＡ。型又はＡ１型のラムモードの伝搬が生ずるような
周波数及び持続時間の波列）の戻りエコーを後に分析す
ることによシ、膨張室中のばねを囲むガスの圧力の表示
が得られる。この圧力を定めることに対応する周波数帯
域は一般に上記帯域よυも相当に低い。

端キャップ又はシースに連結した単一の変換器（周波数
帯域ｆｔ　、ｆｔ　＋ｆ３をスイープするように周波数
を徐々に変化させた波列について、発信器及び受信器と
して用いられる）の使用にょシ、１回の連続した操作に
よってロッドの点検を行うことが特に有利である。これ
らの予選定された各々の帯域において、エコーの最大値
を増大させたシ、好ましくは、予選定された帯域全体に
亘るエコーの平均値を求めたシすることができる。また
サンプリング及び数値制御によって、試験から得た情報
を配列し、有用な情報を形成して基底ノイズを減少させ
るための数栄的処理を行うことも可能である。

本発明は、各々不透過性のシースを含み、加圧ガス雰囲
気によシ囲まれた燃料ペレットの積層体を収納している
、核燃料の燃料集合体の燃料要素のうち、欠陥のある燃
料要素を検出する検出装置であって、シースにラムモー
ドの超音波の波列を適用し得る電気音響変換器と、ラム
モードの伝搬に対応する帯域内の種々の周波数であって
、その範囲の一部が上記シース内に液が存在する場合に
起る大きな吸収に対応する周波数を有する波列によって
上記電気音響変換器を付勢する発生器と、エコーを受信
し処理する回路とを有することを特徴とする検出装置も
要旨としている。

普通の基準、例えばボクトロフによシ［レーレ−及びラ
ム波Ｊ　（”Ｒａｙｌｅｉｇｂ　ａｎｄ　Ｌａｍｂ　Ｗ
ａｖｅｓつに説明されているような基準を用いて、計算
を行うことにより、所定のシースの厚さ、ばねの寸法及
び所定の材質について、Ｓモードの伝搬（対称）及びＡ
モードの伝搬（非対称）に対応する周波数帯域を近似的
に定めるととができる。しかし最適周波数は各々のロッ
ドについて実験のみによって定められる。この周波数は
ロッドの製造公差のためロッドごとに変動し得るため、
ロッドの群について犀適値をカバーする成る周波数帯域
を定め、その各々について、周波数帯域内のいろいろの
周波数において得たエコーの平均値を出すだけで充分で
ある。

次に本発明の好ましい実施例を示した添付図面を参照と
して更に説明する。

本発明の説明の前に、本発明が適用される燃料要素につ
いて簡単に説明することが適当と思われる。軽水型原子
炉において同様の要素と共に燃料集合体内に組立てられ
るようにした燃料要素１０は、多くの場合数ｍの長さの
シース１２を備えている。一般にジルコニウムを主成分
とする合金からで、きているとのシースは、２個の溶接
端キャップ１４．１６によシ流体を透過しないように閉
ざされている。シース１２は核燃米トペレット１８の積
層体を収容し、Ｋレット１８は、膨張室２２内のばね２
０によシ下部の溶接端キャップ１６と接触する状態に保
たれている。キャップ１４は通孔２３を有し、との通孔
によシ、燃料要素の各部分の組立て後に普通は約３０．
６ゆ／、、ｄ（約３０バール）のヘリウムを吹込んで、
燃料要素をパージし、その後に通孔２３を閉ざすことが
できる。ベレット１８は、照射後の膨潤が可能なように
、シース１２の内径よりも少し小さい内径を有する。そ
のためシース１２と各々のベレット１８の外周の主要部
どの間には、ガスの膜が存在している。

この燃料要素１０が原子炉内において照射されると、欠
陥が発生し、この欠陥は、シース１２の割れによって卸
、出される。この割れは、圧力を低下させ、燃料サイク
ルの後に水がシース１２の内部に侵入する。本発明によ
シ、欠陥のいろいろの徴候ないし表示を検出することが
できる。

この目的のため、燃料要素１０に適用される超音波（ラ
ムモードで伝搬される）の吸収及び反射現象が、本発明
において使用される。第２図に略示した電気−音響変換
器２４は、プラグ１４に結合され、ラムモードの伝搬が
生ずるように選定された周波数及び持続時間の超音波の
波列をプラグ１４に適用することができる。変換器２４
は、後述するように′、径方向に配置してもよい。

変換器２４に組合される回路の説明の前に、欠陥のいろ
いろの徴候の検出法について説明する。

シース１２内の水の存在の検出 ラム波のＳモードに対応する周波数及び持続時間の波列
を変換器２４により第２図の場合にはキャップ１４に適
用し、下方のキャップ１６からの反射によって生゛じた
エコーの振幅を測定することによって、検出を行う。変
換器２４は、広範な動作周波数を許容する形式のものと
するべきであり、シース１２内に存在し得る水による吸
収が特に顕著となる帯域に対応するように選定された第
１周波数帯域ｆｌ内の一様に分布された次々の周波数に
おいて付勢される。この周波数帯域ｆ□は、ラムモード
の伝搬に対応させる必要があり、その上限は、壁厚と同
じオーダーの波長に対応する値を超過すべきではない。

実際には水の存在は、比較的低い周波数帯域において検
出される。

ペレット１８がシース１２とごくわずかな程度接触して
いるだけの、水を含まない正常な燃料要素１０の場合に
は、変換器２４からの信号は、放射ビーク２６と、下方
のキャップ１６からのエコーによって生じた顕著な受信
ビーク２８とを含む第３Ａ図に示す波形を有する。シー
ス１２による吸収は少く、周波数帯域ｆ、　　内の何回
かの連続試行から得た数値の平均値を作図すると、微弱
な基底ノイズ３０として表わされる。

その反対に、燃料要素１０が欠陥をもち、水を含有して
いると、受信ビーク２８は、水とベレット１８とが同時
に存在することに関連した波の減衰によって、部分的に
か又は完全に消失する（第２Ｂ図）。実際には、この減
衰は、数ｍの長さの典型的な燃料要素１０の場合、受信
ビーク２８が完全に消失する程度に大きくなる。

正常であるが照射後にペレット１８が膨潤してシース１
２と接触するようになった燃料要素１０のす；合には、
第３Ｃ図に示すように比較的大きな基底ノイズが発生す
る。この変化は、多数の接触点の存在と、固体の分裂生
成物によって生ずる団塊とによると考えてよいが、この
基底レベルは、水の存在の検出には全く干渉せず、水の
存在は、下部のキャップ１６からの受信ビーク２８の抑
制だけでなく、燃料棒ないしロッドの湿った領域におけ
るシース１２とペレット１８との接触に基づくエコーの
減衰として表わされる。。

シース内の機械的欠陥の検出 シース１２内の機械的欠陥の検出は、これらの欠陥によ
って生じたエコーの測定によって行う。この方法は、超
音波による非破壊試験に慣用され、発信と受信との間に
経過する時間は欠陥の位置を表示する。この検出は、Ｓ
０伝搬モード及びシース１２内に存在し得る水による減
少した吸収に対応するように選定された周波数帯域ｆ、
において行う。

この周波数帯域ｆ、は一般にラム波としての伝搬に対応
する上限値に選定される。正常な燃料棒において得られ
る応答曲線は、第３Ａ図に示したようになるが、割れ又
は孔を有する燃料棒の場合には、中間にエコー３２を生
ずる（第４図）。

圧力損失の検出 内部圧力の損失として現出されるシース１２の不透過性
の欠陥を検出するには、ラム波ん及び（又は）　ＡＩモ
ードに従ってばね２０（第１図）内に超音波が伝搬され
るような周波数帯域ｆ、内において選択された次々の周
波数において、持続時間の長い正弦波列により、変換器
２４を付勢する。

これらのモードは、伝搬媒体のおかれた環境即ちばね２
０を囲む雰囲気に非常に敏感な減衰を示すという特徴を
もっている。即ちシース１２の内部が正常な圧力３０．
６　ｋｇ／ｌ：ｄ　（３０バール）にあると、Ａ、　、
Ａ、モードは完全に減衰され、第５Ａ図に示した信号を
生ずる。しかし膨張室２２内のガスが漏洩し、大気圧に
非常に近い値に圧力が減少すると、ばね２０の先端に大
きなエコー３４（第５Ｂ図）が検出される。

好ましくは、周波数スペクトルをスイープする連続試行
によって試験を行い、それによシ例えニ１：第６図に略
示したような一連のエコーを発生ずる。

第６図に示した検出エコーは、４ｏＯ〜６５０飛の帯域
内の５．５５　ｋＨｙ、間隔の周波数において行った一
連の試行に対応している。第１周波数帯域ｆ、において
は、ばね２０中にモードＡＩ、ＩＡＩの超音波を発生す
るように変換器２４を付勢する。ばね２０の先端に対応
する距離にエコーが存在しないことは、加圧が保たれて
いることを示している。

約４−’０”’３〜５５０　ｋＴ（ｚの帯域ｆ１では、
ペレット１８の膨潤を示す大きな基底レベルが見出され
、また下方のキャップ１６のいろいろの表面にエコー２
８が存在することによシ、水の存在が示される。また周
波数帯域ｆ、では、機械的欠陥を示すエコー３２が発生
する。このエコーは周波数帯域ｆ、においても発生する
が、基底ノイズ（周波数帯域ｆ、ではほぼ完全に消失し
ている）が増大し、−゛〔コーを埋没させる。

変換器２４に関連した電子回路は、第７図に示した構造
を有し、可変の制御される周波数の正弦波発生器３４を
備えている。発生器３４は放出増幅器３６に正弦波を出
力し、増幅器３６から所定の持続時間又は波長数の波列
が送出される。放出増幅器３６の出力部は変換器２４に
接続されている。変換器２４が受信した反射波は直接に
か又は分離器を経て受信増幅器３８に送出される。増幅
器３８が受信したエコー信号は数値処理される。

との目的のために増幅器３８の出力信号は、サンプリン
グ回路４０に送出され、サンプリング回路４０のサンプ
リング出力は記憶装置４２に送出される。変換器２４と
端キャップとの間の超音波の戻シ行程に対応する持続時
間のサンプリングの後に、記憶装置４２は発生器２４に
周波数増大回路を与え、増幅器３６に、別の正弦波列を
放出させるための動作信号を与える。記憶装置４２に組
合された演算回路４４は、全部の試行についてエコーの
平均を計算し、その結果をディスプレイ装置４６に表示
させる。全周波数に亘るスイープと、とれに組合された
、マイクロプロセッザーによる平均値の計算とによって
、特に材料の異方性、溶接部の変動その他に基づく燃料
要素間の差異が勘案される。

各々の燃料棒上に本発明の検出装置を取付けることは、
変換器２４がキャップ上に軸方向に配置される時に第８
図に略示したように構成し得る遠隔制御式の機構ないし
取付は装置によって行う。

との取付は装置は、検査すべき燃料要素を含む燃料集合
体５３を受入れるハウジング５０と一体のアーム５２を
備えている。との取付は装置は、Ｘ軸（座標軸）及びｙ
軸（座標軸）に沿って可動のテーブル５４を有し、Ｘ軸
に沿って移ｔすさせるための電動機５６のみが図示され
ている。テーブル５４はブラケット５７を有し、ブラケ
ット５７は、燃料要素の方向と平行な２軸に沿って変換
器２４を移動させる装置を備えている。この移動装置の
垂直移動は、燃料集合体５３の上部の端ピースを取除い
た後に燃料要素を超えて延長する案内管の間に変換器２
４を進入させるに足りる大きさとする。

燃料要素１０のキャップ上に配置した変換器２４を使用
する代シに、径方向変換器２４（第９図）を使用しても
よい。シース１２の母線と直角に超音波ビームを放出す
るようにした変換器２４は、いろいろの異なる高さに配
設し得る。上部スペーサーグリッド５８を含む、加圧水
型原子炉用の既知の燃料集合体においては、変換器２４
は、どんな場合にも膨張室２２のレベルにあるように、
上部の端キャップ１４の高さに、上部スペーサーグリッ
ド５８の直上又は直下に配設することができる。この場
合、最も有利な位置は、一般に、勘案すべき照射による
位置決めの変動を許容するスに一す−グリッド５８の直
下の位置である。径方向変換器２４の案施例において、
変換器２４は、遅延線６０上の連続するタップ点を経て
同一の増幅器３６に接続された複数の要素によって形成
され、これらのタップ点は、−の放出器から次の放出器
への伝搬時間に等しい遅延に突応七ている。シース１２
に発生した波は、変換器２４を形成する各々の要素によ
って発生した波の合成でラシ、シース１２に到達する傾
斜した波頭を発生させるものと類似している（第１０図
参照）。

径方向変換器２４ａを所定位置に取付ける取付は装置は
、軸方向変換器２４を所定位置に取付けるための取付は
装置と非常に類似しているが、２方向の運動を用いる必
要はない一０第８図には簡略にしたこの機構が示され、
やはシ座標方向に移動可能なテーブル５４ａを有し、テ
ーブル５４０レベルは、変換器２４ａが上部ス４−サー
グリッド５８の直下を通るように調節される。この変換
器は、燃料棒が少くとも１つの膨張室２２を備えている
全ての燃料集合体に適用可能である。

どんな取付は装置を使用したにせよ、その取付は装置は
１、好ましくは、筒７図の電子装置の動作をも確実にす
る情報装置６２に組合される。情報装置６２は、第１１
図に示した構成原理を用いてもよく、多重機能装置６４
、情報記憶装＋ｔ６６、全か無かの情報出力端子６８及
び中央キーボード７０から成っていてもよい。多重機能
装置６４１１−ｊ：、第７図に詳細を示した電子回路７
２に母線にょシ接続され、電子回路７２は変換器２４に
接続されている。

多重機能装置６４は、装置を動作させるように、特に各
々の燃料要素１０上の所定位置に変１Ｑ器２４を自動的
に取付けるようになっている。軸方向変換器の場合、こ
の取付は操作は次のように行なわれる。試料を上方位置
とし、検査すべき燃料要素１０とほぼ整列させ、キャッ
プ１４から反射されたエコーを最初にＸ軸に沿うスイー
プによって受信し、次にｙ軸に沿うスイープによって受
信する。

キャップ１４からの反射エコーの振幅はこれらの各々の
方向について最大随を通過し、２つの最大値の合致によ
って、燃料棒ないしロッドの軸線上に正確に位置決めさ
れたことが示される。この位置が−たん定められると、
多重機能装置６４は、接触に至るまで、２軸に沿った移
動を制御する。

なおこの所定位置への取付けは、記録又は遅延された分
析又は再位置決めなしに、実時間で行われ、それによっ
て、燃料棒の理論的な位置に対する位置欠陥と照射によ
る劣化が補償される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明が適用され普通に燃料棒ないしけロッ
ドとして知られる形式の燃料要素の、一部は断面によシ
示した略側面図、＆）２図は第１図に示した形式の燃料
要素の上部キャップに軸方向変換器を取付けた状態を示
す略配列図、第３Ａ１３Ｂ、３Ｃ，３Ｄ図はＳ０モード
波について、燃料要素のいろいろの状態に対し発生ずる
信号を示す波形図、第４図はシースに機械的な信号が発
生した場合にＳ。モードにおいて発生する信号を示す、
第３Ａ〜３Ｄ図と同様の波形図、第５Ａ、５Ｂ図はＡｏ
　＋ＡＩモードにおいて走査する際に生ずる信号を示す
波形図、第６図は周波数スイープによた２次々に試行し
た際に得られるエコー信号を示す波形図、第７図は変換
器に組合せ得る電子回路のブロック線図、第８図は同一
の燃料集合体の次々の燃料要素上の所定位置に検出装置
の変換器を取付けるための取付は装置を示す略配列図、
第９図は径方向変換器の可能な配列を示す第２図と同様
の略配列図、第１０図は径方向変換器の可能な配列を示
す略配列図、第１１図は検出装置全体の制御装置を示す
グロック線図である。 符号の説明 １０・・・燃料要素、　　　　　１２・・・シース。 ＦＩＧ、８゜ ＦＩＧ、１０゜ 手続補正書（方式） ％式％ １、事件の表示 昭和５８年特許願第２３６４９３号 ２、発明の名称 燃料要素の欠陥の検出方法及び装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　　フラマトム・工・コシエム（フラジエム）４、
代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）液中に浸漬させた燃料集合体中の欠陥のある燃料要
   素を超音波吸収を用いて検出する方法において、ラム波
   として伝搬が生ずるような周波数及び持続時間を有する
   超音波の波列全シースの内部に、該シースの先端部か−
   ら反彼伝送し、１つのフラクションが該シース中に存在
   し得る水による顕著な吸収に対応し別のフラクションが
   該シース中の機械的欠陥による大きなエコーに対応する
   成る周波数帯域内に含まれる別々の周波数についてエコ
   ーを検出することを特徴とする検出方法。 ２）−の周波数帯域（ｆｌ）を、ベレットとシースとの
   間に水の膜が存在する場合の吸収の極大に対応するよう
   に、第２の周波数帯域を、上記シース内の機械的欠陥の
   検出に対応するように、それぞれ選定する特許請求の範
   囲第１項記載の検出方法。 ３）端キャップ（１４）と燃料との間の膨張室内に配さ
   れたばね翰を使用する形式の、特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載の検出方法においてＮ　Ａ６モード及び（
   又は）　Ａｔモードにおいてラム波として伝搬が生ずる
   ような周波数及び持続時間の超音波の波列を上記ばねに
   適用し、上記はねの先端においてエコーを測定する特許
   請求の範囲第１項又は第２項記載の検出方法。 ４）全周波数帯域に亘シ次々の異なる周波数において伝
   送と検出とを反復する特許請求の範囲第１〜３項のいず
   れか１項記載の検出方法。 ５）各々の周波数帯域内のいくつかの異々る周波数につ
   いて結果の平均を求める特許請求の範囲第１〜４項のい
   ずれかに記載の検出方法。 ６）各々不透過性のシースＵを含み、加圧ガス雰囲気に
   よシ囲まれた燃料ベレットの積層体を収納している、核
   燃料の燃料集合体の燃料要素のうち、欠陥のある燃料要
   素を検出する検出装置であって、シース（ｌりにラムモ
   ードの超音波の波列を適用・し得る電気音響変換器（２
   ４）と−゛・ラムモードの伝搬に対応する帯域内の種々
   の周波数であって、その範囲の一部が上記シース内に液
   が存在する場合に起る大きな吸収に対応する周波数を有
   する波列によって上記電気音響変換器を付勢する発生器
   と、エコーを受信し処理する回路とを有することを特徴
   とする検出装置。 ７）各々の燃料要素（１０）の頂部上に変換器（２４）
   を配設し得るよ）にする機構を備えた特許請求の範囲第
   ６項記載の検出装置。 ８）膨張室の高さにおいて燃料要素の母線上に径方向変
   換器を配設し得るようにする機構を備えた特許請求の範
   囲＠６項記載の検出装置。