JPS59170706A - ジルカロイクラツドハフニウム中性子吸収棒のクラツド層の厚さ測定方法 - 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】 本発明は原子炉の制御棒として用いられるゾルカロイク
ラッドハフニウム中性子吸収棒のクラッド層の厚さを電
気的な非破壊検査によって測定する方法に関するもので
ある。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

水冷型原子炉における制御棒は原子炉内の中性子の内、
余分々中性子を吸収して核分裂の連鎖反応を調整するも
のである。この御制棒は原子炉の燃料集合体の間に配置
され、炉の長軸方向（上下方向）に移動可能に取付けら
れている。

例えば沸騰水型原子炉（　Ｂ’ｖＶＲ　）の椙合、制御
棒は第１図に示すように上方から見て十字形をなすブレ
ード１と、この上部に固定された吊り上げハンドル２と
、下部に取付けられた支持体３とによって形成されてい
る。この支持体３の底部は、緊急時に制御棒の移動（下
降）がゆるやかに行えるように円板状のスピードリミッ
タ４が形成されている。

上記ブレード１は内部が中空に形成されており、この中
に多数のポイズンチューブ５がブレード１の各面に沿っ
て並べて配置されている。

このポイズンチー＝ｆｓは第２図に示すように断面がほ
ぼ円筒状のステンレスチー−ブで形成されていると共に
、その内部には中性子吸収材６となる約１００μｍ（平
均粒径）のボロンカーバイ）　（Ｂ４Ｃ）が充填密封さ
れている。このボロンカーバイトは充填密度約７０％で
充填され、その上下動は少ないが、更にこの移動を抑え
るためにポイズンチューブ５の各所をくびれ変形させて
移動防止体７を固定している。

このように形成された制御棒を原子炉内に装荷して駆動
させると、原子炉内の余分な中性子はブレード１とポイ
ズンチューブ５を介して中性子吸収材６であるボロンカ
ーバイトに吸収されて正常な運転が持続される。

ところが、中性子吸収材６として用いるボロンカーバイ
トは粉末であるため、ポイズンチューブ５の端部は第２
図に示すように封着体８で密閉されているが、駆動中に
移動して第３図に示すように移動防止体７の下方に空間
９が形成されてし脣う。このため部分的にボロンカーバ
イトが存在しなくな９、原子炉制御が困難となり、制御
棒の寿命が短縮されてしまう問題がある。またボロンカ
ーバイトは中性子吸収断面積が大きいので吸収体として
は有利であるが、中性子と反応すると（ｎ・α）反応で
α線、即ちヘリウム原子が生成される。このヘリウムは
ポイズンチー−ブ５の空間９に放出されて内圧を高める
。またボロンと中性子の反応により生成されたリチウム
（液体）と、このときの反応熱によシテロンカーバイト
粉末が膨潤してポイズンチューブ５を破壊に至らしめる
可能性が考えられる。

そこで従来のボロンカーバイトを用いたポイズンチュー
ブの問題点を改善し、中性子との反応が（ｎ・α）反応
ではなく（ｎ・γ）反応であるためヘリウムの発生がな
く、内圧の高騰や膨潤によるステンレスチューブの破壊
がない上、製造が容易で量産性に優れ、しかも中性子吸
収作用が均一で効率が高いハフニウムを中性子吸収体と
して利用することが考えられてきた。

ハフニウムは高温高圧水中での耐食性は優れているが、
更に表面の耐食性を向上させ制御棒の長寿命化を図るた
め、表面に約１００〜３００μｍの厚さのジルカロイを
クラッドしたものが考えられている。

このジルカロイクラッドハフニウム中性子吸収棒の製造
に際し、ゾルカロイのクラッド厚を設計仕様値に抑える
ことが重要である。

このクラッド層の厚さ全惧］定する方法としては中性子
吸収棒を切断して、この切断面を腐蝕し、耐触性の差に
よる表面状態を光学的に調べることにより測定できるが
、このような破壊検査方法では、抜き、取シ検査となシ
金製品の測定ができず、才た測定に時間がかかる問題が
ある。

これに対し非破壊的に厚さを測定する方法としては従来
、特公昭４．９−４３２１７号記載の方法や、誦−公昭
４０−２３９５６号記載の方法などが提案さ力、ている
。

前者の方法は被測定金属板の−ｆｉｌに送イ徳用コイル
を他側に受信用コイルを夫々配置し、送信コイルに信号
電力を印加して金属板中に渦電流をデー２生さぜ、受信
用コイルに前記渦電流に訪起される電圧電位の変化から
金属板の厚さを測定する方法である。この方法は単一金
属板の厚さを測定する方法で複合したクラッド層の厚さ
を測定することができない。

また後者の方法は磁性材料からなる母材上に形成された
焼入層、浸炭層の厚さを高周波の表皮作用によシ測定す
るもので、母材と焼入層、浸炭層の透磁率の差に基く測
定用コイルのインダクタンスの変化量から厚さを測定す
る方法である。この方法ではジルカロイクラッドハフニ
ウムの如く、母材クラッド層間に透磁率の差がない場合
には、クラッド層の厚さを測定することができない。

〔発明の目的〕

本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、ジルカロイ
クラッド層の厚さ全電気的な非破壊検査によって精度良
く測定することができるジルカロイクラッドハフニウム
中性子吸収棒のクラッド層の厚さ測定方法を提供するも
のである。

〔発明の概要〕

本発明はジルカロイでクラッドしたハフニウム中性子吸
収棒のクラッド側からｎＡ探傷器の試験コイルによｐ　
５０　ｋＨｚ〜５　Ｍｌ（ｚの高周波を印加して渦電流
を発生させ、内部のハフニウムとクラッドしたゾルカロ
イとの抵抗率の差に基いて、前記コイルから得られる交
流に表わ）ｔだ位相の差を検出して、この検出値からク
ラッド層のノ厚さを測定することを特徴とするものであ
る。

まず本発明の原理について説明する。第４図に示すよう
に、導電性のある材料からなる板１０にコイル１１を、
その軸線を板面に垂直に近接させ、コイル１１に交流電
源１２から交流全印加すると、板１０には電磁誘導作用
により渦電流１３が発生す７ この渦電流１３の大きさは材料の抵抗率、透磁率、材料
の形状、寸法、コイル１１と板１０との距離等によって
定まる。また板１０に生じた渦電流１３はその電磁誘導
作用によシ逆にコイル１１にも影響を与え、そのインピ
ーダンスを変化させる。従ってコイル１１に生ずるイン
ピーダンスの変化を捕えれは板１０の種々の情報が得ら
れることになる。

本発明は上記原理を応用し、渦電流によってコイルのイ
ンピーダンスに影響をおよぼす要因中、抵抗率の相違か
ら生じる位相の差を利用してクラッド層の厚さを測定す
るものである。ジルカロイクラッドハフニウム棒の場合
、ハフニウムの抵抗率は約３５μΩ／ｍ、ジルカロイ−
２の抵抗率は約７０μΩ＾で、ジルカロイ−２の方が２
倍も大きい。この抵抗率の違いは、他の位相の差はクラ
ッド層の厚さによって変化し、そ（Ｄ範囲はハフニウム
のみによる中性子吸収棒による位相と、ジルカロイのみ
による中性子吸収棒による位相との間となる。

従ってクラッド層の厚さが既知である対比試験試料を用
いて位相変化とクラッド層の厚さの校正を行えば、位相
の差からクラッド層の厚さを測定することができる。

次にゾルカロイクラッドハフニウム棒のジルカロイクラ
ッド層の厚さを測定する場合、印加する交流電源の周波
数について説明する。

母材であるハフニウムの肉厚（直径）が異なると、試験
コイルによって発生した磁場内の中性子吸収材の位置や
、磁場内に占めるスペースの割合が変化し、この結果渦
電流の）ｄ束量が異なり試験コイルのインピーダンスが
変化する。

実際に中性子吸収棒として使用されるノ・フニウム棒の
直径の寸法許容差は±２チの範囲でばらついているが、
このばらつきによるインピーダンスの変化量は微少では
あるが、ゾルカロイクラッド層の厚さ以上に渦電流探傷
器に位相や振幅の変化として表われる。このため直径の
ばらつきによるインピーダンス変化は、クラッド層の厚
さの変化によるインピーダンス変化と重なってしまうの
で、肉厚のばらつきによるインピーダンス変化の影響を
取シ除かなければ、クラッド層の厚さを測定することが
できない。

そこで試験コイルに印加する高周波の周波数を表皮効果
の表われる周波数として発生する渦電流が殆んどクラッ
ド層の近傍にのみ流れるようにして、ハフニウム自体の
直径のばらつきによる影響を除去する必要がある。

ジルカロイクラッド層・フニウム中性子吸収棒の場合、
ハフニウム棒の直径は約４．２〜４．６　ｍｙｎ　＋ゾ
ルカロイクラッド層の厚さは０１〜０．３　ｗ　８度で
あシ、１だ仕上シの中性子吸収棒の直径の寸法許容差は
約２％程度であるので、試験コイルに印加する周波数は
５０　ｋＨｚ〜５　ＭＩ（ｚの範囲が望ましい。

次に本発明において印加する交流電源の周波数を上記範
囲に限定した理由について説明する。

ジルカロイクラッドハフニウム棒のクラッド層に試験コ
イルを近接させて、コイルに交流を印加した時に生ずる
渦電流工は次式（１）で表わされる。

Ｉ＝Ｉｏｅ−ａ　　　　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（］、）但し■ｏ　　：　ジルカロイク
ラッドハフニウム棒表面における電流 Ｘ　：　ジルカロイクラッドハフニウム棒表面からの距
離δ−１／Ｖ］〒７７ ｆ：交流周波数 μ：透磁率 ρ：導電率 上記の式によシ中性子吸収棒表面からの特定の距離で発
生する渦電流を求め、これと特定の距離以外の他の場所
で発生した渦電流とが試、験コイルに誘導起電力を起す
割合を求める。この誘導起電力を起す割合は、上記の式
中の周波数ｆによって定まるので、これによシフラッド
層の厚さ測定に適する周波数を求めることができる。

この場合、周波数の下限は、中性子吸収棒自体の肉厚が
２ヂ（ばらつきの範囲）変化しても、この変化によるイ
ンピーダンス変化を除去する必要がある。周波数が低い
と渦電流は内部棟で発生し、肉厚のばらつきによる影響
を受けるので、表皮効果が得られる範囲に規定する必要
がある。

ここで Ａ＝中性子吸収棒の直径が４８±０．１　ｗｎのときに
試験コイルに生ずる誘導起電力 Ｂ−中性子吸収棒の直径が４．８　ｒｒｍ＋のときに試
験コイルに生ずる誘導起電力 とすると（Ａ−Ｂ）／Ｂが数・ぐ−セント以内におさま
る範囲に選定することによシ近接効果を持たせて肉厚の
ばらつきを少なくできるので下限上５０　ｋＨｚとした
。

また周波数が高くなると、表皮効果が極端になｐ１クラ
ッド層でしか渦電流が発生しない。

ここで　Ｃ−クラ、ド層中で発生する渦電流が試験コイ
ルに誘起する誘導起 電力 とするとＤ／Ｃが数パーセント以上になるように周波数
を規定すれば、クラッド層の近傍のハフニウム中にも渦
電流が生じ、しかも得られた位相の電位差全直接的にデ
〜り処理に利用することができるので、」二限を５　＋
ＶＩＨｚとしたものである。

〔発明の英確例〕

次に第５図に示す測定装置を用いて本発明方法によりジ
ルカロイクラッドハフニウム中性子吸収棒のクラ、ド層
の厚さ全測定する場合につｂて説明する。

図において１４は；尚電流探傷器で、ここから先端に取
付けたプローブ試験コイル１５に５０ｋＨ７〜５　ＭＩ
（ｚの高周波を印加する発振機能を備えていると共に、
試験コイル１５から得らｉする交流の位相全検出する機
能を有するものである。

１６は中性子吸収棒で、ハフニウムからなる中性子吸収
棒本体１６ｇの表面に、ジルカロイクラ、ド層１’　６
　ｂが破覆されたものである。

この中性子吸収（＄１６は回転架台１７上に支持され、
水平移動、回転運動が連続約１たは１１４Ｊ欠的に移動
するようになっており、プローブ試験コイル１５により
中性子吸収棒Ｉ６の全周の測定全行うことができるよう
になっている。

上記装置によシフラッド層の厚さを測定する手順は次の
通シである。

■　校正を行なう対比試験片および被測定用の中性子吸
収棒の表面に付着している金属粉、酸化スケール等を充
分に除去しておく。

■　中性子吸収棒の直径、送り速度兼に回転速度を考慮
して印加する周波数ｆ　５０　］＜Ｈｚ〜５ＭＨｚの範
囲で適切な周波数を選定する。

■　渦電流探傷器のブリッジバランス全調整し、プロー
ブ試験コイルを含むブリッジ回路の平衡をとる。

■　対比試１倹片にプローブ試醗コーｆルを近接してク
ラッド層の厚さの差が確認できる程度にケ゛イン、フィ
ルタ、リジェクション等全調整スる。

■　対比試験片を使用してクラッド層の２厚さに対する
位相の変化の校正曲線上京める。

■　以上の手順を経た後、測定を開始するが測定中、時
々対比試験片を用いて測定条件を確認する。

上記手順に従ｂ１プローブ試験コイルにＩＭＨｚの周波
数を印加して直径４．８調のプルカロイクラッドハフニ
ウム中性子吸収棒のクラッド層の厚さを測定した。なお
この測定に際し、対比試験片を用いてＩ　ＭＨｚにおけ
るクラッド層の厚さと試験コイルに誘起させる誘導起電
力の位相との関係を求め第６図に示す校正曲線を求めた
。

上記方法により被測定用のジルカロイクラッドハフニウ
ム中性子吸収棒について、試、験コイルに生じた交流の
位相の電位・差ヲ調べたところ１、２　Ｖであり、これ
を第６図の校正曲線からその厚さを求めたところ、クラ
ッド層の厚さは１１０μｍに読み取れた。更に確認のた
めに上記中性子吸収棒を切断し、その断面を顕微鏡を用
いてクラッド層の厚さを迎ｊ定したところ１０７〜１１
３μｍであり、本発明方法は非破壊で精度良くクラッド
層の厚さを測定できることが確認された。

また回転架台を、駆動させ、被測定用の中性子吸収棒を
軸方向の移動および回転移動させ全周にわたって測定す
ることによシ、クラッド層の局所的な肉厚変化をとらえ
ることができ、製造時に発生したくぼみや小さなりラッ
クを高感度で検出することもできる。

なお上記実施例では試験コイルとしてプローブ試験コイ
ルを用いた場合について示したが、貫通試験コイルを使
用すれば、周方向の平均的なりラッド層の厚さの変化を
高感度で測定することができる。

〔発明の効果〕

以上説明した如く本発明に係るジルカロイクラッドハフ
ニウム中性子吸収棒のクラッド層の厚さ測定方法によれ
ばジルカロイクラッド層の厚さを精度良く測定すること
ができると共に、電気的な非破壊検査により、全製品の
測定を短時間に行なうことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は制御棒の一部を切欠して内部を示した斜視図、
第２図は従来のポイズンチューブの一部を拡大して示す
縦断面図、第３図は第２図のポイズンチューブ内の？ロ
ンカーバイトの移動状態を示す縦断面図、第４図は本発
明の詳細な説明するための説明図、第５図は本発明方法
によりクラッド層の厚さを測定する装置の概略’ｔ７”
ｌ成図、第６図はクラッド層の厚さと位相の電位差との
関係を示す校正曲線図である。 １・・・ブレード、３・・・支持体、５・・・ポイズン
チューブ、６・・・中性子吸収材、７・・・移動防止体
、１５・・・試験コイル、１６・・・中性子吸収棒、１
６ａ・・・中性子吸収棒本体、１６ｂ・・・ジルカロイ
クラッド層、１７・・・回転架台。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦４７

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 験コイルによｊ）　５０　ｋＨｚ〜５　ＭＨｚの高周波
   を印加して渦電流を発生させ、内部のハフニウムとクラ
   ッドしたジルカロイとの抵抗率の差に基いて、前記コイ
   ルから得られる交流に表われた位相の差を検出して、こ
   の検出値からクラッド層の厚さを測定することを特徴と
   するジルカロイクラッドハフニウム中性子吸収棒のクラ
   ッド層の厚さ測定方法。