JPH06320265A - 完全自動化方式に従って核燃料含有被覆管に最終端栓を装着して溶接しかつ溶接部を検査するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 核燃料被覆管に対し、大きい処理量を以て迅
速に最終端栓を溶接すると共に、該溶接部を検査する為
の自動化装置を提供する。 【構成】 自動化最終溶接装置(10)では、核燃料(14)を
装填した被覆管(12)が移送機構(44)で作業ステーション
(70,100,102,180,182,184,186)に移送される。作業ステ
ーションは、各被覆管の開放端内部のプレナムばね(62)
の存在を確認する検出ステーション(70)、固有の第１端
栓通し番号(17)の読取ステーション(100)、被覆管のヘ
リウム充填ステーション(102) 、被覆管の開放端に最終
端栓を溶接する継目溶接ステーション(160) 、及び最終
端栓(18)の加圧穴(174) からヘリウムで加圧した後に溶
接閉鎖するステーション(180) を含む。ヘリウム漏れの
調べ後、一連の検査ステーションで継目溶接部(22)が検
査される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉用燃料棒の製造
に伴う取扱い作業、加工作業および品質検査作業を迅速
に実行するための自動化装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】原子炉用の燃料棒は、一般にジルコニウ
ム合金から形成された細長い被覆管の内部に燃料ペレッ
トを柱状に封入したものから成っている。かかる燃料棒
を製造する場合、被覆管に燃料ペレットを装填するのに
先立つ最後の主要な操作は、第１の溶接作業において端
栓を溶接することによって被覆管の一方の開放端を封止
することである。

【０００３】１９８９年８月１５日に付与されかつ本発
明の場合と同じ譲受人に譲渡されたSchoenig, Jr. 等の
米国特許第４８５７２６０号明細書中には、被覆管に第
１端栓を装着して溶接し、次いで各溶接部の品質検査を
行うための自動化装置が開示されている。かかる装置に
おいては、空の被覆管が待機区域上に配置されると、被
覆管移送機構がそこから被覆管を１本ずつすくい上げ、
それの中心軸を横断する方向に沿って段階的に移送し、
そして軸方向に沿って一連の作業ステーションに整列さ
せる。各々の作業ステーションの位置において被覆管移
送機構が停止すると同時に、被覆管は軸方向に沿って作
業ステーション内に移動させられる。一連の作業ステー
ション中における最初のものは、第１端栓を被覆管の一
方の開放端に溶接するための溶接ステーションである。
次のステーションは、各々の第１端栓溶接部を急速に冷
却するための冷却ステーションである。次に、第１端栓
上に刻印された固有の通し番号が読取りステーションに
おいて読取られる。次いで、第１端栓溶接部の完全性が
超音波検査ステーションにおいて検査される。第２の検
査ステーションにおいては、溶接部の直径および端栓と
被覆管との同心性の適否が評価される。次に、最後の検
査ステーションにおいて、内部のジルコニウムライナの
特性が測定される。

【０００４】これら各種の検査ステーションから得られ
たデータがデータ収集手段によって集められ、各々の端
栓通し番号に基づいて照合され、かつ所定の品質管理基
準と比較され、それによって第１端栓溶接部の合格また
は不合格が判定される。かかる判定結果に応じ、最終の
仕分けステーションに到達した被覆管は合格ロットまた
は不合格ロットのいずれかに自動的に仕分けされる。次
いで、合格した被覆管は第１端栓と反対側の開放端を通
して被覆管内に燃料ペレットを装填するための自動化装
置に輸送される。その後、最終の溶接作業において各々
の被覆管の装填側端部に最終端栓を溶接する必要があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】最終端栓溶接は第１端
栓溶接の場合と本質的に同じ溶接作業および検査作業を
必要とするから、最終端栓溶接を同様にして自動化する
ことが有利なはずである。とは言え、最終端栓溶接にお
いては、第１端栓溶接において実施されない幾つかの作
業が必要とされる。これら特有の作業の１つは、各々の
被覆管のプレナム部分にプレナムばねを挿入することで
ある。プレナムばねは最終端栓と被覆管内の燃料ペレッ
トとの間において作用するばね定数の大きい圧縮ばねで
あって、ペレット同士を界面接触状態に維持するために
役立つ。多くの燃料棒構造においては、プレナムばねは
ゲッタ物質を保持する管を具備した保持器内に連結され
ている。なお、いかなる燃料棒もプレナムばねを含有す
ることが不可欠である。

【０００６】もう１つの特有の作業は、最終端栓溶接に
よって被覆管の内部を封止するのに先立ち、被覆管に３
〜２０気圧の不活性ガス（たとえば、ヘリウム）を充填
することである。これは、少なくとも、被覆管の内部を
最終的に閉鎖するための封止溶接を高圧下で実施しなけ
ればならないことを意味している。最終端栓を被覆管の
開放端に接合する外周溶接または継目溶接を高圧下で実
施しなければならないことを避けるため、最終端栓には
小さな加圧穴が設けられている。それ故、継目溶接は常
圧（すなわち、１気圧）の不活性雰囲気中において実施
することができる。以後の作業において、被覆管の最終
端栓側端部が独立の溶接ボックス内に挿入され、次いで
溶接ボックスが密閉され、そして所要の被覆管充填圧に
達するまでヘリウムが満たされる。その結果、ヘリウム
は最終端栓の加圧穴を通して被覆管の内部に流入する。
被覆管の内部と溶接室との間における圧力の均等化が達
成された後、加圧穴が溶接によって閉鎖される。次い
で、ヘリウムが継目溶接部または加圧穴の封止溶接部を
通して漏れていないことを確認するため、最終端栓溶接
部を検査する必要がある。

【０００７】最終端栓の溶接および検査装置を前述の米
国特許第４８５７２６０号明細書中に開示されたごとく
にして自動化する場合、被覆管は共通の被覆管移送機構
によって移送されるから、各々の作業ステーションにお
いて被覆管が費やす時間は互いに等しくなる。このよう
な等しい作業時間の長さは、作業を完了するために最も
長い時間を必要とするステーションによって決定され
る。それ故、様々なステーションにおいて実行される機
能を平均化することによって各ステーションにおける作
業時間を短縮すれば、装置の処理量を向上させることが
できる。その場合、作業ステーションの数が増加すると
いう犠牲を払っても製造上の経済性を達成することがで
きるのである。

【０００８】従って、本発明の目的は、大きい処理量を
もって迅速に最終端栓を溶接しかつ最終端栓溶接部を検
査するための自動化装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成するた
め、本発明の装置は全量の燃料ペレットを含有する複数
の被覆管を集積するための傾斜した待機区域を含んでい
る。被覆管が待機区域内に存在している間に、プレナム
ばねまたはプレナムばね／保持器アセンブリが各々の被
覆管の開放端の内部に挿入される。かかる被覆管は全体
として待機区域の下端にまで転がり落ち、そこから被覆
管移送機構によって１本ずつすくい上げられ、そして一
連の作業ステーションに順次に移送される。かかる作業
ステーション中には、各々の被覆管の内部にプレナムば
ねまたはプレナムばね／保持器アセンブリが挿入されて
いることを確認するためのばね検出ステーション、各々
の被覆管の他端を閉鎖している第１端栓上に刻印された
通し番号を読取るための読取りステーション、各々の被
覆管を排気してから不活性ガスを充填するための排気／
充填ステーション、および各々の被覆管の開放端に最終
端栓を溶接するための低圧溶接ステーションが含まれて
いる。次いで、各々の被覆管は高圧溶接ステーションに
移送され、そこにおいて各々の被覆管が最終端栓に設け
られた加圧穴を通して不活性ガスで加圧されてから加圧
穴が溶接によって閉鎖される。次に、不活性ガス検出器
を有するステーションにおいて最終端栓溶接部からの不
活性ガスの漏れが検査される。

【００１０】その後、接合された最終端栓および被覆管
が同心状態にあるかどうか、溶接部の直径が適格である
かどうか、そして最終端栓が製造すべき燃料棒について
規定された通りのものであるかどうかを判定するための
１対の検査ステーションにおいて最終端栓溶接部が検査
される。最後の検査ステーションにおいては、最終端栓
溶接部の完全性が超音波走査によって検査される。

【００１１】これら各種の検査ステーションにおいて得
られたデータがデータ収集手段によって集められ、端栓
通し番号に基づいて照合され、かつ所定の品質管理基準
と比較され、それによって最終端栓溶接部の合格または
不合格が判定される。かかる判定結果に応じ、被覆管は
合格ロットまたは不合格ロットのいずれかに自動的に仕
分けされる。

【００１２】本発明のその他の目的および利点について
は、一部は以下の説明中に明記されており、また一部は
以下の説明を読むことによって自ずから明らかとなる
か、あるいは本発明を実施することによって理解されよ
う。なお、本発明の目的および利点は前記特許請求の範
囲中に詳細に記載された構成要素および組合せによって
実現されかつ達成される。

【００１３】上記の一般的な説明および以下の詳細な説
明は例示および説明を目的としたものに過ぎないのであ
って、本発明の請求範囲を制限するものではないことを
理解すべきである。本明細書の一部を成す添付の図面は
本発明の好適な実施の態様を示していて、以下の説明と
共に本発明の原理を理解させるために役立つ。なお、図
面全体を通じて同じ構成部品は同じ参照番号によって表
わされている。

【００１４】

【実施例】図１中に１０として示された本発明の最終溶
接装置は、第１端栓によって一方の端部が封止されかつ
他方の開放端を通して一連の燃料ペレットが装填された
被覆管１２を供給材料として受入れ、そして被覆管の装
填側端部が最終端栓によって封止された燃料棒１４を生
産するものである。図２に示されるごとく、燃料棒１４
は一端が第１端栓１６によって封止されかつ他端が最終
端栓１８によって封止された被覆管１２を含んでいる。
第１端栓１６は連続した継目または外周溶接部２０によ
って被覆管の一端に固定されている一方、最終端栓１８
は連続した継目または外周溶接部２２によって被覆管の
他端に固定されている。

【００１５】一般に、装置１０の制御はゼネラル・エレ
クトリック・シリーズ・シックス・プログラマブル・ロ
ジック・コントローラ(General Electric Series Six P
rogrammable Logic Controller) （ＰＬＣ）のごときプ
ロセス制御器２６によって行われる。かかるプロセス制
御器２６は計算機システム２８と連結されているが、こ
の計算機システム２８にはディジタル・エクィップメン
ト・コーポレーション(Digital Equipment Corporatio
n) 製のＰＤＰ１１／７３のごときデータ収集計算機お
よび同社製のＶＡＸステーションII／ＧＰＸのごときデ
ータ解析計算機が含まれていればよい。計算機システム
２８は、特にＣＲＴモニタ３０、動作表示モードを選択
するためのキーボード３２、および作業パラメータや検
査結果のハードコピーを印字するためのプリンタ３４を
具備した制御卓内に収容されている。

【００１６】図１に関連して説明を続ければ、装置１０
には、一定数の被覆管１２を保持し得る待機区域４０、
および待機区域４０から後述のごとき一連の作業ステー
ションに個々の被覆管を移送するための被覆管移送機構
４４が含まれている。待機区域４０は、一定数の被覆管
１２を支持する傾斜した供給テーブル４２を含んでい
る。被覆管１２は供給テーブル４２の表面上を転がり落
ち、そしてそれの下端に達すると被覆管移送機構４４に
よって１本ずつすくい上げられる。なお、高い信頼度を
もって被覆管を被覆管移送機構４４に供給するため、待
機区域４０内の被覆管の数が減少するのに従って供給テ
ーブル４２の傾斜を徐々に増加させるための適当な手段
（図示せず）が装備されている。待機区域４０にはま
た、燃料ペレット装填区域から被覆管トレー（図示せ
ず）を輸送するためのローラコンベヤ４８が付随してい
る。装置１０によって実施される自動化された溶接およ
び検査作業の開始に先立ち、被覆管が人力によって供給
テーブル４２上に配置される。

【００１７】被覆管１２が待機区域４０内に存在してい
る間に、作業員がプレナムの長さの手動検査を行う。す
なわち、各々の被覆管の装填側開放端に深さゲージを挿
入することにより、被覆管内に装填されたペレット柱の
最後の燃料ペレットから被覆管の末端までの距離が測定
される。次いで、プレナムばねまたはプレナムばね／保
持器アセンブリが被覆管の開放端の内部に挿入される。
図３中に６２として示されたプレナムばね／保持器アセ
ンブリは、ばね定数の大きい圧縮ばね６４の一端に保持
器６６を連結したものである。かかるプレナムばね／保
持器アセンブリ６２は、圧縮ばね６４の自由端がペレッ
ト柱の最後の燃料ペレット６７の表面に接触するように
して各々の被覆管内に挿入される。圧縮ばね６４は弛緩
した状態にあるから、それの保持器側端部は図３に示さ
れるごとくに被覆管の開放端から突出している。最終端
栓が被覆管の開放端に溶接された場合、圧縮ばね６４は
最終端栓とペレット柱（図示せず）との間において圧縮
される。このようにして、圧縮ばね６４がペレット柱に
力を及ぼす結果、ペレット柱を構成する個々の燃料ペレ
ット同士の緊密な界面接触が達成されることになる。

【００１８】再び図１に関連して説明すれば、被覆管移
送機構４４は前述の米国特許第４８５７２６０号明細書
中に開示されたごとくに構成されていることが好まし
い。すなわち、被覆管移送機構４４は供給テーブル４２
の下端に位置する個々の被覆管１２を定期的にすくい上
げ、そして各々の作業ステーションに順次に移送する。
かかる被覆管移送機構４４は、それぞれの閉ループ経路
に沿って同期的な送り運動を行うようにして一緒に駆動
される複数の互いに離隔したコンベヤチェーン５０を含
んでいる。各々のコンベヤチェーン５０は一定の間隔で
配置された溝付きローラ５２を担持している結果、それ
らのローラ５２は送り運動方向に対して垂直な方向に沿
って等間隔で直線状に整列した被覆管支持体を構成して
いる。被覆管の表面に掻き傷を付けないようにするた
め、これらのローラ５２はプラスチック製のものである
ことが好ましい。各々のコンベヤチェーン５０上の互い
に隣接したローラ５２同士の一様な間隔は、各々の被覆
管が順次に導入される各種の作業ステーション間の離隔
距離に等しい。その結果、プロセス制御器２６の制御下
でコンベヤチェーン５０が１つの位置だけ移動するたび
に、ローラ５２の溝内に支持された各々の被覆管は互い
に隣接したローラ同士の間隔に等しい距離だけ移送さ
れ、それによって１つの作業ステーションから次の作業
ステーションに移動することになる。各々のローラ５２
は（被覆管移送方向に平行な）それの中心軸の回りに自
由に回転し得る結果、被覆管を縦方向もしくは軸方向に
移動させて各種の作業ステーション内に往復させること
が容易となっている。使用されるコンベヤチェーンの数
は、部分的には、ローラ間における垂下を最少限に抑え
て被覆管を実質的に真直ぐな状態に維持するために必要
な間欠支持の程度に依存する。各々の送り位置に配置さ
れたセンサ（図示せず）により、被覆管が被覆管移送機
構４４によって適正に支持されかつ各種の作業ステーシ
ョン内に往復させ得る適正な位置にあることを示す信号
がプロセス制御器２６に送信される。

【００１９】被覆管移送機構４４にはまた、図１に示さ
れるごとく、軸方向に沿って被覆管を各種の作業ステー
ション内に往復させるために役立つ複数のピンチローラ
駆動手段６０が含まれている。これらのピンチローラ駆
動手段６０は、米国特許第４８５７２６０号明細書中に
開示されているごとく、被覆管を往復させるべき各種の
作業ステーションと整列した様々な送り位置において被
覆管移送機構４４の上方に配置されている。かかるピン
チローラ駆動手段６０に含まれるピンチローラを移動さ
せて下方の被覆管に接触させれば、軸方向に沿って整列
した作業ステーション内に該被覆管を同時に前進させた
り、あるいはそこから後退させたりすることができる。

【００２０】被覆管が移送される一連の作業ステーショ
ン中の最初のものは、図１中に７０として略示されかつ
図３および４中に一層詳しく示されたばね検出ステーシ
ョンである。ばね検出ステーション７０は、図３に示さ
れるごとく、プラットホーム７５から懸垂された１対の
ガイドブロック７４とそれぞれ係合する１対の平行なレ
ール７３から成る直線案内アセンブリ７２を支持するた
めの台７１を含んでいる。台７１によって取付けられた
空気圧シリンダ７６のプランジャ７７は、軸継手７８に
より、プラットホーム７５を駆動し得るようにしてそれ
に連結されている。空気圧シリンダ７６を作動すると、
図３中の矢印７９によって表わされるごとく、直線案内
アセンブリ７２によって支持されたプラットホーム７５
は検出位置に向かって直線的に前進し、次いで図示され
た待機位置にまで後退する。

【００２１】プラットホーム７５はブラケット８０を介
して近接センサ８１を支持していると共に、センサ８１
から前方に離隔した状態でプランジャブロック８２をも
支持している。ブロック８２には、前後に直線運動を行
い得るようにしてプランジャ８４が取付けられていると
共に、プランジャ８４を圧迫して図３に示された前方の
位置に保持する圧縮ばね８６が取付けられている。

【００２２】被覆管移送機構４４によって被覆管１２が
軸方向に沿ってばね検出ステーション７０と整列した位
置に配置されると、図３に示されるごとく、直線案内ア
センブリ９４によって台９２から支持された板９０に固
定されたつかみヘッド８８が空気圧シリンダ９６によっ
て点線の後退位置８８ａから図示された実線の位置にま
で上方に移動させられる。適当なつかみヘッドは、アメ
リカ合衆国インディアナ州フォートウェイン市所在のＰ
ＨＤ社(PHD, Inc.) から商業的に入手することができ
る。次いで、ジョー９８（図４）を閉じて被覆管１２を
つかむことにより、被覆管１２は被覆管移送機構４４上
の所定の位置に保持される。次に、空気圧シリンダ７６
を作動してプラットホーム７５を前方に駆動することに
より、プランジャ８４の前方に突出したピン８４ａがプ
レナムばね／保持器アセンブリ６２の一端に位置する保
持器６６に接触させられる。プラットホーム７５が更に
前進し続けると、プランジャ８４は圧縮ばね８６の力に
対抗しながらブロック８２に対して後方に押し戻され、
それによってセンサ８１との隙間が閉鎖される。その結
果、プランジャ８４の後方に突出したピン８４ｂが（通
常の近接スイッチから成り得る）センサ８１を作動する
位置にまで接近する。それに応答して、近接センサ８１
はプレナムばね／保持器アセンブリ６２が被覆管１２の
開放端の内部に実際に挿入されていることを示す信号を
制御器２６に送信すると共に、空気圧シリンダ７６の作
動を解除するための信号をも制御器２６に送信する。次
いで、制御器２６はプラットホーム７５を後退させかつ
ジョー９８を開かせる。その後、空気圧シリンダ９６の
作動が解除され、そしてつかみヘッド８８は後退位置に
まで降下する。その結果、被覆管移送機構４４によって
被覆管１２を次の送り位置にまで移送することが可能と
なる。

【００２３】もしプレナムばね／保持器アセンブリが検
出されなければ、被覆管１２は制御器２６によって不合
格品と判定される。このような被覆管は装置１０を通し
て移送されるが、対応するピンチローラ駆動手段により
軸方向に沿って作業ステーション内に往復させられるこ
とはない。再び図１に戻ると、被覆管移送機構４４によ
る次の送り操作の結果として各々の被覆管はばね検出ス
テーション７０から通し番号読取りステーション１００
に移送される。図２に示されるごとく、各々の第１端栓
１６上には固有の通し番号１７が刻印されていて、各々
の被覆管の第１端栓溶接端部が対応するピンチローラ駆
動手段６０によって読取りステーション１００内に往復
させられる間に通し番号１７が通常の光学式文字読取り
器（図示せず）によって読取られる。かかる固有の通し
番号は、各々の被覆管（燃料棒）を識別するための参照
コードとして役立つことにより、各々の被覆管が装置１
０を通過する間において各々の被覆管に関する追跡可能
なデータベースの作成を可能にする。光学式文字読取り
器は、記憶および後の検索のため、各々の第１端栓の通
し番号をデータ収集システム２８に送信する。ひとたび
特定の通し番号が記憶されると、製造上および品質保証
記録保存上の目的のため、該被覆管に関して以後に収集
される試験データはその通し番号と関係づけられる。更
に、各回の最終端栓溶接の実施に際して収集された溶接
パラメータデータもまた、該当する被覆管の通し番号と
関係づけて保存される。このような溶接パラメータデー
タとしては、溶接電流の強さおよび持続時間、電圧、被
覆管の回転速度、ガス流量などが挙げられる。各回の最
終端栓溶接に関する溶接パラメータデータの記録を保存
しておけば、溶接過程を追跡すると共に溶接条件の変動
を認識することが可能となる。

【００２４】一連の作業ステーション中における次のも
のは、図１に示されるごとく、排気／充填ステーション
１０２である。図５に示されるごとく、この排気／充填
ステーション１０２は被覆管移送機構４４によってこの
ステーションに移送された被覆管と同軸的に整列した状
態でブラケット１０６により取付けられたハウジング１
０４を含んでいる。かかるハウジング１０４は円柱状の
内室１０８を規定する中心穴１０７を有しており、また
それの図示された右端部には複数の開口１１１を有する
じゃま板１１０を着座させるための肩が設けられてい
る。じゃま板１１０は、１１４として略示された継手お
よび導管を真空ポンプ１１６に連通した状態で連結する
ために役立つ中心開口１１３を有する末端キャップ１１
２によって所定の位置に保持されている。内室１０８の
実質的に全長にわたって同軸的に延びるように配置され
た外管１１８は、一端においてじゃま板１１０に固定さ
れている。外管１１８の内部には、じゃま板１１０に接
して肩付きの固定プラグ１２０が配置されていて、これ
は緊密に嵌合した同軸的な内管１２２の軸方向位置を決
定するために役立つ。内管１２２は細長い圧縮ばね１２
４を半径方向において保持するために役立つ。かかる圧
縮ばね１２４の右端は固定プラグ１２０に取付けられて
おり、またそれの左端は外管１１８の左端部に滑動可能
に収容された追跡プラグ１２６に取付けられている。

【００２５】中心穴１０７の左端部には環状の板１２８
および流体封止アセンブリ１３０を収容するための座ぐ
り穴が設けられていて、それらは末端キャップ１３２に
よって座ぐり穴内の所定の位置に保持されている。流体
の漏れは、板１２８の外周とハウジングの座ぐり穴との
間およびハウジングの末端と末端キャップ１３２との間
に設けられたＯリングシール１３３によって防止され
る。

【００２６】やはり図５に関連して説明すれば、流体封
止アセンブリ１３０は適当なエラストマー材料（たとえ
ば、ポリウレタン）から成るスプール形の封止体１３４
を含んでいる。封止体１３４の半径方向に延びる側壁１
３５の外面は板１２８および末端キャップ１３２によっ
て支持され、またそれらの内面は金属ワッシャ１３６お
よび介在する金属リング１３７によって支持されてい
る。このリング１３７の外周面には環状のプレナム溝１
３８が設けられていて、このプレナム溝１３８はリング
１３７の内周面と封止体１３４の円筒形基部１４１との
間に規定された環状のキャビティ１４０に開く複数の角
方向に沿って互いに離隔した半径方向通路１３９に通じ
ている。このキャビティ１４０は、ハウジング開口１４
３、環状のプレナム溝１３８および半径方向通路１３９
を介して不活性ガス（たとえば、ヘリウム）の高圧供給
源１４２に連通している。

【００２７】やはり図５に示されるごとく、末端キャッ
プ１３２には冷却ボックス１４６に開く延長管１４４が
固定されている。この冷却ボックス１４６は、前述の米
国特許第４８５７２６０号明細書中に開示されたごとく
に構成されていればよい。被覆管が軸方向に沿って排気
／充填ステーション１０２内に挿入される以前には、ば
ね１２４は弛緩している。その結果、追跡プラグ１２６
は板１２８の中心のテーパ穴１２８ａ、封止体１３４の
中心穴１３４ａ、および末端キャップ１３２のテーパ穴
１３２ａを通って延び、そして１２６ａとして点線で示
されるごとくに延長管１４４の右端に近接した位置にま
で達している。

【００２８】対応するピンチローラ駆動手段によって被
覆管１２が冷却ボックス１４６および延長管１４４を通
して挿入されると、点線で示された位置にある追跡プラ
グ１２６は被覆管１２の開放端から突出したプレナムば
ね保持器６６と係合する。被覆管１２が軸方向に沿って
更に前進すると、追跡プラグ１２６に連結されたばね１
２４が圧縮される結果、追跡プラグ１２６は保持器６６
に対して反対向きの軸方向力を及ぼし、従ってプレナム
ばね／保持器アセンブリ６２を同軸的に整列させる傾向
を示す。末端キャップ１３２のテーパ穴１３２ａは、保
持器６６の末端および被覆管１２の末端を封止体１３４
の中心穴１３４ａ内に円滑に案内するために役立つ。板
１２８のテーパ穴１２８ａの案内下で被覆管１２が板１
２８と一体を成して形成されかつ右方に延びるハブ１５
０によって担持された管端ストップ１５０ａに向かって
前進するのに伴い、プレナムばね６４は圧縮される。被
覆管１２の末端がストップ１５０ａに接触した場合、追
跡プラグ１２６は内管１２２の左端によって構成された
ストップに接触する。この時点において保持器６６は被
覆管１２の末端と実質的に整列した状態に配置される。
ピンチローラ駆動手段は動作を続けることが不可能とな
り、そして制御器２６によって停止される。

【００２９】この時点において供給源１４２が流体封止
アセンブリ１３０に連結されることにより、キャビティ
１４０が加圧される。その結果、封止体１３４の基部１
４１が半径方向に沿って圧迫されて被覆管１２の外面と
封止状態で係合する。次いで、真空ポンプ１１６を作動
することによって内室１０８および被覆管１２の内部が
排気される。なお、被覆管１２の内部の排気および充填
を妨害しないようにするため、保持器６６と係合した追
跡プラグ１２６の先端部１２６ｂには切込みが設けられ
ていることか好ましい。排気が完了した後、真空ポンプ
１１６は停止され、そして低圧供給源１５１がハウジン
グ開口１５２を通して内室１０８に連結される。その結
果、被覆管１２内にはヘリウムガスが１気圧の圧力まで
充填される。充填が完了した後、供給源１４２および１
５１を遮断し、そしてキャビティ１４０からのガス抜き
を行えば、封止体１３４の基部１４１が後退して被覆管
１２の外面との係合状態が解除される。次いで、ピンチ
ローラ駆動手段を作動することにより、被覆管１２は排
気／充填ステーション１０２から退出し、そして被覆管
１２の開放端が冷却ボックス１４６内の存在するような
位置にまで戻る。被覆管１２が排気／充填ステーション
１０２から退出する際、追跡プラグ１２６はプレナムば
ね保持器６６と係合した状態を維持することにより、プ
レナム／保持器アセンブリ６２は被覆管１２の開放端の
内部に完全に挿入された状態に保たれる。

【００３０】排気／充填ステーション１０２から退出し
た後に被覆管１２の開放端が冷却ボックス１４６内に存
在する際、被覆管１２内におけるヘリウムガスの充填状
態は冷却ボックス１４６の内部をヘリウムで満たすこと
によって効果的に維持することができる。被覆管移送機
構４４による次の送り操作の結果、被覆管１２は図１中
に１６０として示された最終端栓継目溶接ステーション
と軸方向に沿って整列した送り位置に移送される。この
溶接ステーション１６０は、適当な溶接機（たとえば、
ＴＩＧ溶接機）１６２並びにそれに付属する電源１６４
および制御盤１６６を含んでいる。溶接ステーション１
６０にはまた、最終端栓１８（図２）の供給源が設けら
れている。かかる最終端栓は振動ボウルフィーダ１７０
内に収容されていて、そこから軌道１７２に沿って順次
に送り出される。個々の最終端栓は引取り・装着機構に
よって軌道１７２の出口から引取られ、そして溶接ステ
ーション１６０内に導入された被覆管１２の開放端に嵌
め込まれる。このような溶接ステーション１６０の典型
的な構造の詳細については、前述の米国特許第４８５７
２６０号明細書を参照されたい。溶接室はヘリウムで満
たされているから、排気／充填ステーション１０２によ
って達成されたヘリウム充填状態は乱されることがな
い。最終端栓１８を被覆管１２の末端に接合する継目溶
接部２２（図２）が完成すれば、被覆管１２はピンチロ
ーラ駆動手段によって溶接ステーション１６０から退出
させられ、そして再び被覆管１２の最終端栓側端部が冷
却ボックス１４６内に存在するような位置にまで戻され
る。

【００３１】各々の被覆管の最終端栓側端部は被覆管移
送機構４４の２つの送り位置にわたって冷却ボックス１
４６内に存在し続け、次いで図１中に１８０として示さ
れた高圧溶接ステーションと軸方向に沿って整列した位
置に到達する。冷却ボックス１４６内に存在する間に、
最終端栓の継目溶接部はヘリウム雰囲気中において冷却
される。かかる冷却は、溶接部とそれに隣接した被覆管
および端栓材料とが容易に酸化しない温度に達するまで
行われる。多くの被覆管および最終端栓はジルカロイか
ら作製されているから、酸化変色を防止するためには、
被覆管の溶接端部を４０℃以下にまで冷却すれば十分で
ある。

【００３２】再び図２に戻ると、各々の最終端栓１８は
半径方向に沿って（被覆管１２の内部と連通した）最終
端栓１８の内部にまで達するように設けられた加圧穴１
７４を含んでいる。溶接ステーション１６０は最終端栓
１８を被覆管１２の開放端に接合する継目溶接部２２を
形成するに過ぎないから、加圧穴１７４は高圧溶接ステ
ーション１８０において閉鎖する必要がある。加圧穴１
７４を正しく配置してそれの閉鎖を行うため、最終端栓
１８には半径方向に沿って加圧穴１７４から既知の距離
だけ離隔した位置にキー溝１７６が設けられている。す
なわち、対応するピンチローラ駆動手段によって被覆管
１２の最終端栓側端部が軸方向に沿って高圧溶接ステー
ション１８０内に導入された場合、被覆管１２が所定の
軸方向位置において停止され、次いで適当なキー（図示
せず）がキー溝１７６に嵌合するまで回転させられる。
このようにして加圧穴１７４はＴＩＧ溶接機のトーチお
よび電極に対して適当な溶接位置に配置される。高圧溶
接ボックス内において被覆管１２の最終端栓側端部が正
しく配置されたならば、図５中に１３０として示される
ような入口封止アセンブリを加圧することによって被覆
管１２の貫入部が封止される。次いで、溶接ボックスが
所定の高いヘリウム圧（たとえば、３〜２０気圧）にま
で加圧され、従って開放状態の加圧穴１７４を通して被
覆管１２の内部も加圧される。加圧の完了後、加圧穴１
７４は溶接によって閉鎖される。この封止溶接部が冷え
た後、溶接ボックスが減圧され、被覆管１２に対する封
止状態が解除され、そして対応するピンチローラ駆動手
段が完成した燃料棒を高圧溶接ステーション１８０から
引出して被覆管移送機構４４上に配置する。

【００３３】一連の作業ステーション中における次のも
のは漏れ検出ステーション１８２であって、今では燃料
棒１４と見なし得る被覆管は高圧溶接ステーション１８
０からこの漏れ検出ステーション１８２に移送される。
漏れ検出ステーション１８２の位置に到達すると、各々
の燃料棒１４は軸方向に沿って検査室内に導入され、そ
して図５中の流体封止アセンブリ１３０の場合と同様に
構成された入口封止アセンブリの加圧によって検査室が
密閉される。燃料棒１４からのヘリウムの漏れを調べる
ため、検査室の開口を通して空気が抜取られ、そして導
管を通して通常のヘリウムガス検出器に送られる。もし
ヘリウムガスが検出されれば、そのことが計算機システ
ム２８に通報される。ヘリウムの漏れ試験の完了後、入
口封止アセンブリが減圧され、そして対応するピンチロ
ーラ駆動手段によって燃料棒１４は被覆管移送機構４４
上に戻される。次に、各々の燃料棒１４は漏れ検出ステ
ーション１８２から平行度測定ステーション１８４に移
送される。この平行度測定ステーション１８４は、前述
の米国特許第４８５７２６０号明細書中に開示されたご
とくにして動作するように構成されていればよい。すな
わち、対応するピンチローラ駆動手段によって燃料棒１
４の最終端栓側端部が平行度測定ステーション１８４内
に導入され、そして所定の軸方向基準位置において停止
される。次いで、上記の特許明細書中に開示されている
ごとく、９０°の角を成して配置された１対のゲージ取
付具を最終端栓１８の外周面に接触しながら旋回させ、
そしてそれらの接触位置を測定することにより、燃料棒
１４の中心軸と最終端栓１８の中心軸との非平行性また
は非同心性の程度が正確に計算される。

【００３４】平行度測定ステーション１８４から退出し
た後、燃料棒１４は図１中に１８６として示されたリン
グゲージステーションに移送される。この場合にもま
た、リングゲージステーション１８６は米国特許第４８
５７２６０号明細書中に開示されたごとくにして構成さ
れていればよい。すなわち、リングゲージステーション
１８６には該ステーション内への燃料棒１４の軸方向移
動経路中に配置されたリングゲージ（図示せず）が設け
られていればよい。最終端栓１８を被覆管１２に接合す
る継目溶接部２２（図２）の直径が（リングゲージによ
って設定された）規定の最大直径よりも小さい場合に
は、燃料棒１４の最終端栓側端部はリングゲージを自由
に通過する。このような現象が感知されると、そのこと
は計算機システム２８に適宜に通報される。最終端栓溶
接部２２が規定の最大直径を越えると、燃料棒１４の最
終端栓側端部はリングゲージを通過しない。このような
現象もまたセンサによって認識され、そしてそのことが
計算機システム２８に通報される。

【００３５】最後の最終端栓溶接部検査ステーション
は、図１中に１９０として示された超音波（ＵＴ）検査
ステーションである。この超音波検査ステーションもま
た、米国特許第４８５７２６０号明細書中に開示された
ごとくにして構成されていればよい。とは言え、燃料棒
１４は全量の燃料ペレットを含有しているから、最終端
栓溶接部の超音波走査に際しては（上記の特許明細書中
に開示されているごとく空の被覆管を検査する場合のよ
うに）燃料棒１４を回転させないことが好ましい。すな
わち、超音波検査ステーション１９０においては、燃料
棒１４を軸方向に沿って周期的に移動させながら最終端
栓溶接部の回りの固定軌道内において１個以上の超音波
変換器を旋回させ、それによって最終端栓溶接部並びに
被覆管および最終端栓の隣接部分の横断面のらせん状超
音波走査パターンを達成することが好ましい。探査用の
超音波エネルギーから受信されたエコーをデータ収集計
算機に送信して処理することにより、溶接部の完全性、
溶接部の寸法、溶接部近傍における被覆管の肉厚、およ
び被覆管端部における最終端栓の溶接位置を表わす試験
データが得られる。これらの試験データを規定の基準と
比較することにより、最終端栓溶接部の合格または不合
格が最終的に判定される。こうして得られた試験結果
が、漏れ検出ステーション、平行度測定ステーションお
よびリングゲージステーションからの試験データと共
に、各々の燃料棒を一意的に識別する第１端栓の入力済
み通し番号と関係づけられ、そしてプリンタ３４によっ
て印字される。なお、かかる試験結果はＣＲＴモニタ３
０上にほぼリアルタイムで表示することもできる。

【００３６】次いで、燃料棒は最後の作業ステーション
である仕分けステーションに順次に到達する。この仕分
けステーションもまた、米国特許第４８５７２６０号明
細書中に開示されたごとくにして構成されていればよ
い。すなわち、図１に示されるごとく、仕分けステーシ
ョンは適宜に離隔した状態で軸２０２に固定された複数
の仕分けハンド２００を含んでいる。制御器２６は、計
算機システム２８からの信号に応答して、それらの仕分
けハンド２００の角位置を選択的に設定する。その結
果、被覆管移送機構４４の次の送り操作に際し、規定の
品質管理基準の全てに合格した燃料棒は製品テーブル２
０４上に配置され、そして他の合格燃料棒と共に集積さ
れる。最後に、これらの燃料棒はトレーコンベヤ２０８
上の好都合な位置に配置された燃料棒トレー２０６内に
積込まれる。他方、燃料棒の最終端栓溶接部が各種の検
査ステーションによって実施される検査のいずれかに合
格しなかった場合には、かかる燃料棒は仕分けハンド２
００によってすくい上げられ、そして不合格品トレー２
１２上に配置される。そこにおいて、作業員による燃料
棒の目視検査を行うことができる。最終的に、不合格の
燃料棒は別の場所に運ばれて開放され、それによって燃
料ペレットが回収される。

【００３７】上記を要約すると、本発明によれば、自動
化された最終溶接装置において、核燃料を装填した被覆
管が被覆管移送機構によって一連の作業ステーションに
移送される。かかる作業ステーション中には、各々の被
覆管の開放端の内部にプレナムばねが存在することを確
認するためのばね検出ステーション、固有の第１端栓通
し番号を読取るための読取りステーション、被覆管にヘ
リウムを充填するための排気／充填ステーション、被覆
管の開放端に最終端栓を溶接するための継目溶接ステー
ション、および最終端栓に設けられた加圧穴を通して被
覆管をヘリウムで加圧してから加圧穴を溶接によって閉
鎖するための封止溶接ステーションが含まれている。ヘ
リウムの漏れの有無を調べた後、一連の検査ステーショ
ンにおいて継目溶接部が検査される。検査結果に応じ、
完成した燃料棒が合格ロットまたは不合格ロットに仕分
けされる。

【００３８】本明細書中に開示された実施の態様を考察
すれば、本発明のその他の実施の態様は当業者にとって
自明であろう。それ故、本明細書中の開示内容は例示を
目的としたものに過ぎないのであって、本発明の真の範
囲は前記特許請求の範囲によって規定されることを理解
すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】一連の核燃料被覆管の一方の開放端に最終端栓
を溶接しかつ最終端栓溶接部の品質保証検査を行うため
に役立つような、本発明の実施の一態様に基づく自動化
溶接装置の斜視図である。

【図２】図１の装置から生産される燃料棒の側面図であ
る。

【図３】図１の装置に含まれるばね検出ステーションの
部分切欠き側面図である。

【図４】図３中の線４−４に関する図である。

【図５】図１の装置において使用される排気／充填ステ
ーションの縦断面図である。

【符号の説明】

１０ 最終溶接装置 １２ 被覆管 １４ 燃料棒 １６ 第１端栓 １７ 通し番号 １８ 最終端栓 ２２ 継目溶接部 ２６ プロセス制御器 ２８ 計算機システム ４０ 待機区域 ４２ 供給テーブル ４４ 被覆管移送機構 ６０ ピンチローラ駆動手段 ６２ プレナムばね／保持器アセンブリ ６４ 圧縮ばね ６６ 保持器 ６７ 燃料ペレット ７０ ばね検出ステーション ７２ 直線案内アセンブリ ８１ 近接センサ ８４ プランジャ ８６ 圧縮ばね ８８ つかみヘッド ９４ 直線案内アセンブリ １００ 読取りステーション １０２ 排気／充填ステーション １０４ ハウジング １１６ 真空ポンプ １１８ 外管 １２０ 固定プラグ １２２ 内管 １２４ 圧縮ばね １２６ 追跡プラグ １３０ 流体封止アセンブリ １３４ 封止体 １３５ 側壁 １３９ 半径方向通路 １４０ キャビティ １４１ 基部 １４２ 不活性ガスの高圧供給源 １４６ 冷却ボックス １５１ 不活性ガスの低圧供給源 １６０ 継目溶接ステーション １７０ 振動ボウルフィーダ １７４ 加圧穴 １８０ 高圧溶接ステーション １８２ 漏れ検出ステーション １８４ 平行度測定ステーション １８６ リングゲージステーション ２００ 仕分けハンド ２０４ 製品テーブル ２０６ 燃料棒トレー

フロントページの続き (72)発明者 ジェームス・デビット・ランドリィ アメリカ合衆国、ノース・カロライナ州、 ウィルミントン、ショー・コート、5006番 (72)発明者 ラルフ・ジョセフ・レダ アメリカ合衆国、ノース・カロライナ州、 ウィルミントン、エーピーティー・１、ラ イツビル・アベニュー、6211番 (72)発明者 ロバート・ジョン・スズィームキーウィク ツ アメリカ合衆国、ノース・カロライナ州、 ウィルミントン、ペティグルー・ドライ ブ、414番

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各々の被覆管の開放端の内部に存在する
   プレナムばねを検出する位置に運動し得るように取付け
   られたプローブと、プレナムばねの存在を確認する前記
   プローブの運動を検出するためのセンサとを含むばね検
   出ステーション、 前記開放端の反対側に位置する各々の被覆管の端部に溶
   接された第１端栓上に刻印されている固有の通し番号を
   読取るための読取りステーション、 各々の被覆管の開放端に最終端栓を溶接するための溶接
   ステーション、 各々の最終端栓溶接部を検査し、そして溶接部検査デー
   タを生み出すための少なくとも１つの検査ステーショ
   ン、 前記読取りステーションおよび前記検査ステーションに
   連結されていて、各々の最終端栓溶接部に関する前記溶
   接部検査データを該当する第１端栓の通し番号と関係づ
   けるために役立つデータ収集手段、 複数の被覆管を保持するための待機区域、並びに前記待
   機区域から個々の被覆管を定期的にすくい上げ、そして
   前記被覆管を前記ばね検出ステーション、前記読取りス
   テーション、前記溶接ステーションおよび前記検査ステ
   ーションに移送するための被覆管移送機構、の諸要素か
   ら成る、一連の核燃料装填被覆管のそれぞれの開放端に
   個々の最終端栓を溶接しかつ各々の最終端栓溶接部を検
   査するための自動化装置。
2. 【請求項２】 前記被覆管移送機構は前記被覆管の中心
   軸を横断する方向において前記被覆管を軸方向に沿って
   前記ステーションのそれぞれと整列した送り位置に順次
   に移送するために役立ち、また前記被覆管移送機構には
   特定の前記送り位置に配置されて前記被覆管を軸方向に
   沿って前記ステーション内に往復させるための独立した
   駆動手段が含まれる請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 前記ばね検出ステーションが前記被覆管
   移送機構による前記被覆管の順次移送を妨害しない後退
   位置とつかみ位置との間における鉛直方向運動を可能に
   するように取付けられた被覆管つかみ具を追加包含して
   いて、前記つかみ位置にある前記つかみ具は軸方向に沿
   って前記ばね検出ステーションと整列した被覆管をつか
   んで前記プローブの検出運動に応答した前記被覆管の軸
   方向運動を防止するために役立つ請求項２記載の装置。
4. 【請求項４】 前記プローブが前記つかみ具によってつ
   かまれた前記被覆管の開放端と同軸的に配置された状態
   で前後に往復運動を行い得るようにして取付けられかつ
   ばねによって前方に圧迫されたプランジャから成り、前
   記ばね検出ステーションが前記プランジャを往復させる
   ための手段を追加包含し、そして前記センサが前記プラ
   ンジャと共に往復運動を行い得るようにして取付けられ
   かつ前記プランジャから隙間を置いてそれの後方に配置
   されている結果、前方に運動する前記プランジャがプレ
   ナムばねと係合することによって引起こされる前記プラ
   ンジャと前記センサとの間の隙間の閉鎖に前記センサが
   応答し、それによってプレナムばねの存在が確認される
   請求項３記載の装置。
5. 【請求項５】 開放端の内部にプレナムばねを含まない
   被覆管については、前記センサに応答して前記駆動手段
   による夫々のステーション内への前記被覆管の往復を阻
   止するために役立つ制御器が追加包含される請求項４記
   載の装置。
6. 【請求項６】 前記溶接ステーションに先立って各々の
   被覆管が移送される排気／充填ステーションが追加包含
   されていて、 前記排気／充填ステーションには、 入口を有するハウジングであって、前記駆動手段が前記
   入口を通して各々の被覆管を前進させることによってそ
   れの開放端が前記ハウジング内に配置され、かつ前記入
   口を通しての流体の漏れを防止するために膨張して前記
   被覆管と封止状態で係合する流体封止手段が前記入口に
   設けられているようなハウジング、 前記ハウジングおよび前記被覆管の内部を排気するため
   の真空ポンプ、並びに、 前記被覆管の内部に不活性ガスを少なくとも１気圧の圧
   力にまで充填するため前記ハウジングに連結し得る不活
   性ガス供給源、が含まれる請求項９記載の装置。
7. 【請求項７】 前記排気／充填ステーションにはまた、
   前記被覆管の開放端から突出したプレナムばねの一部分
   と係合して前記ばねの突出部分を軸方向に沿って制御可
   能に整列させ、それによって前記ハウジングの前記入口
   を通しての前記ばねの突出部分の出入りを円滑にするた
   めに役立つばね押し式の要素が含まれる請求項６記載の
   装置。
8. 【請求項８】 前記流体封止手段が、 円筒形の基部から半径方向に沿って延びる１対の軸方向
   に沿って互いに離隔した側壁を有するスプール形のエラ
   ストマー材料、及び、 前記側壁の間に配置されて前記基部と共に環状のキャビ
   ティを規定するリング状の剛性部材を含んでいて、 前記基部は前記被覆管を通過させてそれの開放端を前記
   ハウジング内に配置するための中心穴を有し、かつ前記
   剛性部材は高圧流体を前記キャビティ内に導入すること
   により前記基部を膨張させて前記被覆管と封止状態で係
   合させるために役立つ少なくとも１つの通路を有する請
   求項７記載の装置。
9. 【請求項９】 各々の被覆管に不活性ガスを少なくとも
   １気圧の圧力にまで充填するための排気／充填ステーシ
   ョン、 前記開放端の反対側に位置する各々の被覆管の端部に溶
   接された第１端栓上に刻印されている固有の通し番号を
   読取るための読取りステーション、 不活性ガス雰囲気中において継目溶接を行うことによっ
   て各々の被覆管の開放端に最終端栓を接合するための第
   １の溶接ステーション、 前記最終端栓に設けられた加圧穴を通して各々の被覆管
   の内部を不活性ガスで加圧し、次いで前記加圧穴を溶接
   によって閉鎖するための第２の溶接ステーション、 各々の最終端栓溶接部を検査し、そして溶接部検査デー
   タを生み出すための検査ステーション、 前記読取りステーションおよび前記検査ステーションに
   連結されていて、各々の最終端栓溶接部に関する前記溶
   接部検査データを該当する第１端栓の通し番号と関係づ
   けるために役立つデータ収集手段、 複数の被覆管を保持するための待機区域、並びに、 前記待機区域から個々の被覆管を定期的にすくい上げ、
   そして前記被覆管を前記排気／充填ステーション、前記
   読取りステーション、前記第１の溶接ステーション、前
   記第２の溶接ステーションおよび前記検査ステーション
   に移送するための被覆管移送機構、の諸要素から成る、
   一連の核燃料装填被覆管のそれぞれの開放端に個々の最
   終端栓を溶接しかつ各々の最終端栓溶接部を検査するた
   めの自動化装置。
10. 【請求項１０】 前記排気／充填ステーションには、 入口を有するハウジングであって、前記駆動手段が前記
    入口を通して各々の被覆管を前進させることによってそ
    れの開放端が前記ハウジング内に配置され、かつ前記入
    口を通しての流体の漏れを防止するために膨張して前記
    被覆管と封止状態で係合する流体封止手段が前記入口に
    設けられているようなハウジング、 前記ハウジングおよび前記被覆管の内部を排気するため
    の真空ポンプ、並びに、 前記被覆管の内部に不活性ガスを少なくとも１気圧の圧
    力にまで充填するため前記ハウジングに連結し得る不活
    性ガス供給源、が含まれる請求項９記載の装置。
11. 【請求項１１】 各々の被覆管の開放端の内部に存在す
    るプレナムばねを検出する位置に運動し得るように取付
    けられたプローブと、プレナムばねの存在を確認する前
    記プローブの運動を検出するためのセンサとを含むばね
    検出ステーションが追加包含される請求項１０記載の装
    置。