JPH0584475B2 - - Google Patents

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識別方法と検知
装置に関し、特に水中につけた燃料棒を、超音波
を利用して検査する識別方法と検知装置に関す
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
る束に分け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1/4〜1/2インチ（0.64〜1.27
cm）の範囲の直径と10フイート（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
れたジヤケツ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
ン過酸化物はペレツ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ポンド（28.1Kg／cm²）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日付けで特許権が付与され、バブコ
ツクアンドウイルコツクス社に権利譲渡された米
国特許第4313791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
向かつて配置され、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
棒の一部に水が入つているか否かがわかる。この
試験は燃料棒の下部のプレナム部で行われるもの
として開示され、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
料棒には下部プレナムがないという事実に存在す
る。

〔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探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
切つている間、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、ビームは変換器の
中へ真すぐに返つてくるであろう。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、
このビームは金属一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
よつ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（wall ringing）”と
呼ばれる現象を発生させる。この壁鳴りは上述し
た電気的機構により記録される。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
つて移動しながら、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
周波数を持つており、パルスは１〜８キロヘルツ
の反復速度を持つている。燃料棒の外表面からの
エコーを受け取ると、記録媒体、例えば細長いチ
ヤート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
つてなされる。被覆管の厚さや他の特性に従つて
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。

本発明はまた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。これらの溝に沿つて作
動する往復運動機構は探査具を集合体の燃料要素
列に沿つて移動させる。往復運動要素が引つ込ん
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。

〔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はタブ６の中に配設されており、該
タブ６は開いた板ばね８から離間されている。探
査具ハンドル３の他端には、電気ケーブル１２用
結合体として作用する取り付けブロツク１０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
板に付けた補強リブ１４はハンドル３の軸剛性を
増大させ、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
付けブロツク１０は支持手段１６に搭載され、該
支持手段１６は長手方向に移動できるようにレー
ル１８，１８′上に乗つており、また横方向に移
動できるようレール２０上に乗つている。案内ピ
ン２２は割出板２６の溝２４の中で滑動する。溝
２４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２４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のある列に沿つて移動
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
沿つた横方向に押され、次の溝２４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の燃料要素列に沿つて首尾よく通過
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つて行く。

部材３７と３９とは案内部材であり、燃料管３
４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３５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け
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つた
結果である他のパルス４２がある。これは“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
つ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、器機は信号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
除く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。そのような記録の列が第６図に示さ
れている。この図では、上段は時間窓４４中に変
換器の横切つ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４
６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の列が示してある。
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′に向かい合つた場合には信号４６が表われな
いことに気付くであろう。

管３４（第２図参照）の列に沿つた変換器の全
縦断には、ほ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。また、本発明は燃料棒の外壁からのエコー
をもつぱら利用して燃料棒の水の存否を検知し、
従来の方法のように燃料棒の内部空間からのエコ
ーを利用していないので、燃料棒下部に水の収容
されるプレナム部がない場合でも迅速かつ信頼性
のある検知が可能となる。

【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２
６（第３図参照）の部分拡大略示図、第４図は試
験最中の探査具ヘツドを示す平面図、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……タブ、８……板ばね、１０……取り付
けブロツク、１２……ケーブル、１４……補強リ
ブ、１６……運搬台（支持手段）、１８，１８′，
２０……レール、２２……案内ピン、２４……
溝、２４′……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、３７，３
９……案内部材、３８……空圧シリンダ、４１…
…溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 間隔をおいた眞直ぐな複数の列の集合体とし
   て配設された多数の原子炉燃料棒が水を包含する
   か否かを識別する方法であつて、単一の超音波送
   受信変換器を前記列の１つに平行にしかも前記列
   中の燃料棒から離間して移動し、前記燃料棒の方
   向にこれら燃料棒の軸線と直角に超音波を連続し
   て発射し、１つの燃料棒３４の外面からの第１の
   エコー４０を受けたとき該エコーを記録媒体上に
   記録し、燃料棒３４の外壁から反射して変換器４
   に戻り再び前記外壁へ行きさらにまた変換器４に
   戻る超音波の反射からもたらされるパルス４２を
   除くよう選択された所定時間後の、被覆された壁
   の内部のエコーの全体に対応する限られた時間４
   ６の間、所定の限界値より大きい第２の反復エコ
   ーを受けたのを記録することからなり、前記第２
   のエコーは変換器に最も近い前記燃料棒の被覆部
   の外面と内面との間を往復するエコーからもたら
   されるものであり、前記限界値以上の前記第２の
   エコーが存在しないことが水の存在を表示する、
   原子炉燃料棒の水の存否の識別方法。 ２ 前記変換器４が、外側の円筒状金属被覆の中
   にセラミツク燃料を収容する前記燃料棒の一部に
   近接して配置され、前記変換器４が前記燃料棒３
   ４の軸線と整列した時、前記第１のエコー４０
   が、前記変換器４に最も近い燃料棒３４の被覆部
   の壁の外面から記録される特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ３ 超音波が15〜20メガヘルツの周波数を有し、
   パルスが１−８キロヘルツの反復速度を有してい
   る特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 管状部材３４の中の水の存在を検知する装置
   であつて、前記管状部材が平行の列の集合体とし
   て整列されている水の検知装置において、捩り屈
   撓自在の細長いハンドル３を担持する細長い探査
   具と、前記ハンドルの一方の端部の近くに取付け
   られた少なくとも１つのタブ６と、前記端部の近
   くの超音波送受信変換器４とを具備し、前記タブ
   が前記ハンドルに対し直角に延出し、前記タブの
   一方の面が前記列の第１列の少なくとも１つの管
   状部材に当接するようにされ、前記装置はまた、
   前記端部の近くの、前記第１列に隣接する前記列
   の第２列の前記管状部材の少なくとも１つと係合
   するよう前記タブから離間したばね８と、前記ハ
   ンドル、タブ、ばね、及び変換器から誤つた信号
   を受けるのを阻止するよう配設された超音波吸収
   材料とを具備し、前記超音波吸収材料は、前記探
   査具が管状部材の２つの列の間に挿入された時に
   前記変換器が２つの列の一方の列の前記管状部材
   の軸線に対して直角にビームを発射しかつ該ビー
   ムの反射を受けるよう関連づけられていることを
   特徴とする管状部材の水検知装置。 ５ 試験の間水で充たされる管をさらに具備し、
   該管は変換器が試験中に該管を通るよう配置され
   前記装置の作動を点検するようにしている特許請
   求の範囲第４項記載の装置。 ６ 変換器に連結され変換器出力信号の減衰率を
   比較するよう配設された手段をさらに具備し、限
   界を超えた場合に燃料棒が水を含んでいるのを表
   示する所定の減衰率をもつて燃料棒からのエコー
   を変換器によつて受けるようにしている特許請求
   の範囲第４項又は第５項記載の装置。