JPS6196494A - 原子炉燃料棒の水の識別方法及び管状部材の水検知装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は原子炉の燃料被覆管の検査用装置とその作動方
法に関し、特に水中につけた燃料棒を、超音波を利用し
て検査する装置とその作動方法に関する。

〔従来技術と問題点〕 原子炉の極めて大多数のものは水冷でかつ水減速炉であ
り、燃料として濃縮ウラン過酸化物を使用している。炉
の炉心は、通常断面が四角形である束に分りられた細長
い燃料棒により形成されている。燃料棒は通常’Ａ　−
’Ａ　４７　＋　（０；６４〜１．２７ｃｍ）の範囲の
直径とｌＯフィー）　（３，０５ｍ）又は１２フイート
（３，９７ｍ）の長さを有する。それらは平行に保持さ
れ、かつお互いに離間近接している。

各棒はジルコニウム合金やステンレス鋼でつくられたジ
ャゲット又は被覆管で形成され、これにウラン過酸化物
をつめ込むのである。大抵は、ウラン過酸化物はペレッ
トの形状をしており、被覆管より丁度程よく小さく、中
へ簡単に滑り込むことができる。一方ウラン過酸化物は
微粒や顆粒状であり、被覆管の中に詰められる。被覆管
内の残りの空間には普通ヘリウムが詰められ、これは高
い熱伝導率を有している。ヘリウムは通常、例えば１平
方インチ当り４００ボンド（２８，１ｋｇ／ｃ＋４）と
いう高圧下にある。

原子炉の作動中、応力、腐食、摩耗、また被覆管の端を
閉じる端部プラグの溶接欠陥により、ピンホールは被覆
管内で成長し得る。もしこのことが起これば、ヘリウム
と核分裂気体とは原子炉の冷却水の中へ出てしまい、そ
して水がその被覆管の中に入るであろう。

燃料集合体は、原子炉の中で一定時間の間さらされた後
取り出され、欠陥の有無を検査し、必要とあらば修理し
、そして原子炉へ戻すか、再処理に送るか又は永久貯蔵
に送るかである。もし集合体が原子炉へ戻される予定で
あるならば、欠陥のある燃料棒の有無の検査はほとんど
不可欠である。

これら放射線にさらされた集合体は高い放射能を有して
おり、取り扱いの人を保護することと同様核分裂生成物
の破壊により発生する熱を取り除くために、水中に保存
して検査しなければならない。

それ故に、それらが集合体で水中にある状態で、燃料棒
の漏れを調べる方法を提供することは大いに望まれるこ
とである。そのような方法の１つは、超音波試験法であ
る。そうした方法は、１９８２年２月２日付で特許権が
付与され、バブコックアンドウィルコックス社に権利譲
渡された米国特許第４．３１３．７９１号中に開示され
ている。この方法では、超音波振動を発生する変換器が
燃料棒に向かって配置され、超音波ビームが変換器によ
り棒の中へ伝達される。試験はウラン過酸化物を含んで
いない燃料棒の一部分でなされた。パルス・エコー機構
により受信された波の解析では、この棒の一部に水が入
っているか否かがわかる。燃料棒の下部プレナム部で成
し遂げられ、ウラン過酸化物が存在する棒の部分では明
らかに作動しないであろうということを開示している。

この方法の欠点は、多くの、恐らく大部分の燃料棒には
下部ブレナムがないという事実に存在する。

Ｃ問題点を解決するための手段と作用〕我々は壊れた燃
料棒を捜す超音波試験装置を工夫し、これは従来機構に
改良を加えたものである。

本発明に従うと、変換器は検査される棒の列から離間し
た状態で燃料集合体の中を横切る。横切っている間、ビ
ームの形で一連の超音波パルスが変換器から発せられる
。ビームが燃料棒に当たると、その外表面で反射される
。もしビームがその表面に厳密に垂直であれば、ビー１
１は変換器の中へ真すぐに返ってくるであろう。周知の
電気的機構を用いれば、これは電気的信号となる。この
方法は“パルス・エコー”技術と称される。。しかしな
がら超音波ビームの全てが外表面で反射されるわけでは
ない。ビームの一部は管壁内に透過し、被覆材の内表面
に到達する。完全な棒では、このビームは金属−気体の
界面の影響を受ける。たとえ管とウラン過酸化物との間
をどんなに隙間なく埋めようとも、その接触では音波エ
ネルギを多量に伝えるには不十分である。ヘリウムガス
によって効率よく伝達される超音波はない。それ故に、
管の外表面からと同様に内表面からも反射する。実際、
超音波は管壁の内側と外側との間で行きつ戻りつ反射し
、“壁鳴り（ｈａｌｌ　ｒｉｎｇｉｎｇ）″と呼ばれる
現象を発生させる。この壁鳴りは上述した電気的機構に
Ｊり記録される。もし管が水で満たされているならば、
管壁から、超音波エネルギーが効率よく散乱する水中へ
の伝達があるであろう。このことは壁鳴りを大変弱める
。ウラン過酸化物が存在するか否かということは重要な
ことではない。管内での被覆材と水との効率°のよい“
提携”は壁鳴りを弱める結果となり、その結果欠陥のあ
る管を見分けることができる。

さらに詳しく言うと、変換器は燃料棒の列に沿って移動
しながら、一連の超音波パルスを続けて発する。普通に
は、超音波は１５〜２０メガヘルツの周波数を持ってお
り、パルスは１〜８キロヘルツの反復速度を持っている
。燃料棒の外表面からのエコーを受は取ると、記録媒体
、例えば細長いチャー１・紙に信号が送られる。これは
“時間窓（ｔｉｍｅ　ｗｉｎｄｏｗ）”と呼ばれる一定
の時間にわたってなされる。被覆管の厚さや他の特性に
従って定まるある遅れの後、“壁鳴り゛からのエコーは
他の“時間窓”の間に記録され、もしその大きさが一定
基準値を超えた場合、第２の信号が記録媒体に送られる
。この第２の信号が無いということは、管内に水が存在
し、管が破損しているということを示す。

本発明も上述の方法を遂行する装置を含んでいる。変換
器は、試験される管と該変換器との間を適当に離間し、
ビームが燃料棒に垂直になるよう該変換器を適当な位置
に配するよう構成された探査具上に配設されている。本
装置は案内機構を有しており、燃料集合体が水中に在る
時に探査具が正確にかつ迅速に該燃料集合体の中へ挿入
できるようにする。

この案内機構は、検査されるべき燃料棒の列に平行で、
これらの列間と同じ距離だけ離間した溝を有した板を含
んでいる。これらの溝に沿って作動する往復運動機構は
探査具を集合体の燃料要素列に沿って移動させる。往復
運動要素が引っ込んだ時、圧力媒体がそれを自動的に次
の溝へ移動させ、そしてこうして集合体は極めて迅速に
検査され得る。

以下余白 〔実施例〕 図面を参照すると、第１図は本試験で用いた基本的な探
査具構造体２を示す。それは変換器４がその一端近くに
ある探査具ハンドル３を有している。変換器４は層状翼
体６の中に配設されており、該翼体６は開いた板ばね８
から離間されている。

探査！４ハンドル３の他端には、電気ケーブル１２用結
、）体として作用する取り付はブロックｌＯが存在する
。探査具ハンドル３はお互いに溶接された２゛つの細長
いステンレス鋼で構成されている。

各仮に付けた補強リブ１４はハンドル３の軸剛性を増反
させ、なおかつ層状翼体６が適切に配設された探査具頭
部に要求される捩れやすさを維持している。これらのリ
ブ１４は、変換器４からケーブル１２に延びている信号
線のための空間をも確保する。

第２．３．３Ａの各図は操作手段を示し、それにより探
査具を燃料集合体の中へ挿入する。取り付はブロックｌ
Ｏは支持手段１６に搭載され、該支持ト段１６は長手方
向の移動用にレール１８　、１８　’上に乗っており、
また横方向の移動用にレール２０上に乗っている。案内
ピン２２は割出板２６の溝２４の中で滑動する。１Ｉ２
４は、第２，３図の中で左端として示される一端が開口
し、かつ多数の偏向面３０を有し、その各々の面が溝２
４の１つ１つに面しているそらせ板２８と面している。

第２図には示されていない駆動手段は第３図に略示され
ている。往復運動油圧シリンダ３２は運搬台１６と探査
具２とを探査具２の長手方向に移動させ、その結果変換
器は燃料集合体３６の燃料棒３４のある列に沿って移動
する。それと同時に、空圧シリンダ３８は横方向に圧力
を作用し続ける。

これらのシリンダの影響下で、ピン２２は溝２４に沿い
第２図の右長手方向へ移動し、それから戻る。それが溝
の左端に到達すると、圧力シリンダ３８の力により、第
３Ａ図に最も良く示されているように、偏向面３０に沿
った横方向に押され、次のａ２４へ移動する。これらの
溝２４は燃料要素３４の列間の隙間と同じ距離だけ離間
している。

それ故に、変換器は燃料集合体３６の燃料要素列に沿っ
て首尾よく通過する。ピン２２が２４′として示される
最後の溝２４に沿い、両方向に移動した後、操作者は空
圧シリンダ３８により発生する圧力の方向を逆にする。

それからピン２２は運搬台１６と探査具２を一緒に運び
ながら、割出板２６の端にある溝４０に沿い出発位置へ
戻って行く。

部材３７と３９とは案内部材であり、燃料管３４と同一
形状に作られている。これらの部材の１つはその両端が
開いている。本機構が水中に沈められた時、それには水
が満たされ、欠陥のある燃料管を模擬している。これは
実際の試験中に機構の作動を検査するわけである。

第４図は試験が行なわれる時の管３４に対する変換器４
の相対位置を示す。探査具が管列の間に挿入されている
間、変換器４は連続的に一連のパルスを発生する。変換
器がその行程の大部分の位置に在る時には、管３４から
の反射は該変換器には戻らない。しかしながら、それが
第４図に示す位置に在る時には、超音波が矢印により示
される経路を通り、エコーを受ける結果となり、変換器
により記録される。例えばコルクのような音波吸収材３
５は背後からの雑信号を受領することを防止する。

第５Ａ図と第５Ｂ図とはオシロスコープ上に記録された
エコーの代表例を示す。これらのグラフの横軸は時間を
表わし、縦軸は変換器により受は取られたエコーの大き
さを表わす。第５Ａ図は水を含まない管を特徴づける信
号を表わす。これには管３４の外表面からの最初のエコ
ー４０がある。

それから大きさの減少してゆく一連のエコーが続き、そ
れらは“壁鳴り”として知られる管の内表面と外表面と
の間を行き返りする超音波の反射からくる結果である。

最後に、超音波が外壁から反射し、変換器へ戻り、再び
外壁へ行き、そして再び変換器へ戻った結果である他の
パルス４２がある。これは１第２水中経路”と呼ばれる
。

第５Ｂ図は棒が水を含んでいる場合の信号を示す。これ
は第５Ａ図と同じ一般的な型をしている。

しかしながら、“壁鳴り”はその大きさがずっとはやく
小さくなり、第２水中経路が記録される時までにほとん
ど消失している。

試験をするに際して、器械は信号４０が変換器により受
信されると、“時間窓”４４にわたる記録が取れるよう
に設計している。第２水中経路を除（よう選定された特
定時間経過後に、再び“時間窓”４６にわたる一定以上
の大きさの信号を記録する。もし信号がそのレベル以下
であれば、記録されない。そのような記録の例が第６図
に示されている。この図では、上段は時間窓４４中に変
換器の横切った各棒から受信したエコーを記録し、一方
下段は時間窓４６中に受信した信号を示す。

ある所においては、記録４４に応じた記録４６がないと
いうことに気づくであろう。その関係は第７図により大
きな尺度で、しかも管位置と関係づけて示している。こ
の図には、水を含んだ欠陥のある管３４′を含む管３４
の列が示しである。上側の信号軌跡は時間窓４４の間に
受信したエコーを示し、下側の信号は時間窓４６の間に
受信したエコーを示す。これによれば、欠陥のある管３
４′に向かい合った場合には信号４６が表われないこと
に気付くであろう。

管３４（第２図参照）の列に沿った変換器の全縦断には
、はんの少しの時間しか要しない。それ故に、この機構
を使えば集合体は極めて迅速に検査可能となる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、原子
炉燃料棒の水の存、不存を検知する装置において、この
棒内のウラン過酸化物の存、不存に拘わらず、燃料集合
体が水中に在るときに、極めて迅速に、かつ正確に原子
炉燃料棒の水の存、不存が検知可能となる検知装置が提
供されるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一部を成す探査具の斜視図、第２図は
試験される燃料集合体と関連図示した本装置の斜視図、
第３図は第２図の装置の作動を示す略示図、第３Ａ図は
ピン２２の動きを示す板２６（第３図参照）の部分拡人
略示図、第４図は試験最中の探査具ヘッドを示す平面図
、第５Ａ図と第５Ｂ図とは、それぞれ正常燃料棒からと
欠陥燃料棒からのエコーの振動記録の再生図、第６図は
探査具が棒列を通過した時の記録紙の再生図、第７図は
時間軸を引き延ばし、燃料棒列との関連を示しまた第６
図に相当する記録の部分図。 ２・・・探査具、　　　　　３・・・ハンドル、４・・
・変換器、　　　　　６・・・翼体、８・・・仮ばね、
　　　　　１０・・・取り付け゛ブロック、１２・・・
ケーブル１．　１４・・・補強リブ、１６・・・運搬台
（支持手段）、 １８．１８　’　、２０・・・レール、２２・・・案内
ビン、　　　　２４．・・・ンＲ１２４′・・・最後の
溝、　　２６・・・割出板、２８・・・そらせ板、　　
　３０・・・偏向面、３２・・・油圧シリンダ、 ３４．３４　’・・・燃料管（燃料棒）、３５・・・音
波吸収材、　　３６・・・燃料集合体、３７　、３９・
・・案内部材、　　　３８・・・空圧シリンダ、４１・
・・溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原子炉燃料棒における水の存、不存を識別する方法
   であって、それらの棒は間隔をおいて真直ぐに幾列にも
   並んだ集合体形状となっており、超音波変換器を前記列
   の１つに平行に移送させ、しかも前記列の燃料棒から離
   間させ、続いて前記棒の方向に、またそれらの棒の軸に
   直角に超音波群を発射する段階と、エコーが棒から戻っ
   た時に、記録媒体上に前記エコーを記録し、一定時間後
   に一定時間間隔の間、前記棒の被覆材内から反射する第
   ２エコーの大きさが一定の基準値を超えると、前記第２
   エコーを記録する段階とを含んでなることを特徴とした
   原子炉燃料棒における水の存、不存を識別する方法。 ２、前記第２エコーが、前記変換器に最も近い被覆材の
   内表面からのものである特許請求の範囲第１項に記載の
   方法。 ３、前記第２エコーが前記変換器に最も近い前記棒の被
   覆材の外表面と内表面間で往復反射した結果である特許
   請求の範囲第１項に記載の方法。 ４、前記基準値以下の前記第２エコーの減衰が前記棒の
   内表面上に水が存在することを示す特許請求の範囲第１
   項に記載の方法。 ５、管状部材に水が存在することを検知する装置であっ
   て、前記管状部材が集合体内に平行列状に整列しており
   、一端近くに超音波変換器を支えた細長い探査具と、前
   記管状部材の軸に直角にビームを発するような位置に前
   記変換器を保持する前記探査具上の保持手段とを具備し
   た管状部材の水の存在を検知する装置。 ６、前記探査具が、細長い、捩れ可能なハンドルと、前
   記変換器を搭載しており、前記ハンドルに直角方向に延
   び、前記ハンドルの端近くに配設された少なくとも１個
   の翼体とを具備し、該翼体は前記列の最初の列内の少な
   くとも１個の管状部材に当接するように使用され、また
   、前記第１の列に隣接した前記列群のうちの第２の列内
   の少なくとも１つの前記管状部材に係合するよう、前記
   の同じ端近くにあり、かつ前記翼体から離間したばねを
   も具備し、前記ハンドル、翼体、ばね及び変換器は関連
   し合っており、前記探査具が２つの列の管状部材の間に
   挿入されると前記変換器が前記管状部材の軸に対し直角
   方向にビームを発する特許請求の範囲第５項に記載の管
   状部材の水の存在を検知する装置。 ７、試験中に水を満たした管を具備し、前記変換器が試
   験中その中を通り、それにより前記機構の作動を検査す
   るよう配置してなる特許請求の範囲第６項に記載の管状
   部材の水の存在を検知する装置。