JPS5823918B2 - 欠陥のある核燃料要素を突とめる為の方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉技術に関するものであり、特には欠陥
のある燃料要素を突とめる為の方法に関するものである
。

水冷不均質炉において、多数の細長い燃料要素及び制御
要素案内管が燃料集合体と呼ばれる集合化用構造体内に
密集して配列されている。

炉心は一般に垂直に配置された燃料集合体を多数個格子
形に配列して成る。

燃料棒、燃料管、或いは燃料ピンとも呼ばれる細長い燃
料要素の各々は、薄い被覆材（管）により核燃料を包被
状態で収蔵したものでありそしてその端で封栓されてい
る。

これは、燃料の侵食及び原子炉冷却材中への核分裂生成
物の放出を防止する為である。

アルミニウム或いはその合金、ステンレス鋼及びジルコ
ニウムが代表的な被覆材である。

燃料要素内には空間が形成してあって、燃料から放出さ
れる核分裂生成物ガスを収容しまた、被覆材及び燃料間
の熱膨張差、燃焼中の燃料密度変化等に対処するように
なっている。

この空間は、一般に燃料要素の上下端に位置づけられそ
して核燃料を一定の位置関係に維持するばねを含んでい
る。

幾つかの場合に、燃料要素は、長期にわたっての運転中
高い冷却材圧力に曝されることによる被覆材のクリープ
を最小限とするように代表的にヘリウムのようなガスで
最初加圧されている。

燃料要素被覆材は、冷却材液圧、原子炉温度及び圧力、
核分裂生成ガス圧力、燃料膨張及び照射による燃料材の
伸長等の影響を含めて原子炉運転環境の影響に耐えるよ
う設計されている。

しかしながら、流体冷却材或いは減速材中への放射性核
分裂生成物の漏出を生じつるような幾つかの被覆材欠陥
が、原子炉の作動寿命生起ることが充分に予想されうる
。

被覆材の欠陥に由って起ることが予想される放射能の量
を最大限に除去する為の精製装置が企図されているけれ
ども、いずれにせよ、欠陥のある即ち破損した燃料要素
を検知しそして取替えることは望ましいしまたどうして
も必要であろう。

従って、欠陥のある燃料要素を突とめる為の信頼性のあ
る手段を設けることが重要である。

一方、燃料集合体内の欠陥燃料要素を突とめることは、
集合体が放射性でありそして密接して配される燃料要素
及び案内管を数百本含んでいるから非常に困難である。

他方、放射化された燃料集合体の分解及び再組立は時間
のかかる作業でありそしてその作業自体が燃料要素の破
損をもたらす恐れもある。

液体冷却材を使用する原子炉において、多数の装置及び
技術が、振動、温度差或いは超音波現象を使用しての検
出及び解析に基いて燃料集合体内の個々の欠陥要素を突
とめる為に提唱されてきた。

これら先行技術の検知装置及び技術は一般に燃料集合体
の少く共部分的な分解を必要としていた。

更に、先行技術においては、欠陥燃料要素内に漏洩した
流体の状態の熱力学的変化、代表的に沸騰或いは凝縮或
いは両者に主眼が置かれた。

燃料集合体内の破損した燃料要素の突とめを容易にする
為に、燃料集合体の分解を必要とせずまた燃料要素内の
流体の沸騰或いは凝縮の検出に頼らないですむ信頼性の
ある方法及び装置の開発が所望されていた。

本発明に従えば、上記型式の燃料集合体において、欠陥
燃料要素を検知する為の方法が提供される。

本発明に従って作製された超音波検査装置は、燃料集合
体の部材間の間隙内に挿入される。

トランスジューサ組立体を挿入せねばならない燃料集合
体部品間の最小間隙は２ｗｌ１のオーダである。

この点について、本検査ユニットは、制限された間隙を
横断しうるキャリヤにより支持されるトランスジューサ
素子から成る。

トランスジューサは検査さるべき燃料要素の下方空間と
整合される。

５〜１５メガヘルツのオーダにおけるメガヘルツ周波数
範囲における超音波は水中を通じて容易に伝播されるこ
とが知られている。

対照的に、このメガヘルツ範囲の周波数においては、超
音波減衰は空気乃至他の気体中において高い。

数メガヘルツの周波数において超音波パルスは燃料要素
の壁内に横断方向に導入される。

燃料要素が欠陥ないならば、下方空間内に空気が存在す
るのみである。

無傷の金属−気体界面における高い反射係数は被覆材の
内面を横切ってのパルスの伝播を相当に抑止する。

これとは逆に、もし燃料要素が破損して下方空間が水を
含んでいるなら、被覆材の内面における金属−液体界面
の反射係数は金属−気体界面により生じる係数値以下に
減じられよう。

斯くして、パルスの相当部分は水を通して対向壁まで伝
播され、反射されそしてトランスジューサまで戻る。

対向壁からの反射波の検出は水が燃料要素内に漏入した
ことを示す。

本発明の特徴について以下図面を参照しながら説明しよ
う。

第１図は超音波検査ユニット２０を例示する。

検査ユニット２０は、超音波トランスジューサ素子２１
と、第２図に明示されるように表裏をなす面２３．２４
及びトランスジューサ要素２１を然るべく取付ける穴を
備えるストリップキャリヤ２２とを含んでいる。

表面の２面に電極を付着若しくは焼付けた分極強誘電性
セラミックから成るトランスジューサ素子２１は、その
一表面２５がストリップキャリヤ２２の面２３と同高と
なるよう穴内に整列されている。

トランスジューサ素子の反対表面は穴内に凹入されそし
て音波減衰材料２６により向いあわされる。

減結合用隔離材料３０が穴の周囲と要素２１の対向表面
それぞれとの間に置かれる。

素子２１は電気的に非伝導性のセメント３１により穴内
に止着されている。

ストリップキャリヤの面２３と同高のトランスジューサ
２１の表面２５はキャリヤにアースされる。

アースは数本の電導体３２をスポット溶接することによ
り或いは他の適当な手段により達成される。

減結合用材料３０は、トランスジューサ素子とキャリヤ
との間にその間での超音波的結合を最小限にする為に配
置されている。

内側導体３４及び外側導体３５を有する同軸ケーブル３
３がストリップキャリヤの縁辺３６に付設されている。

内側導体３４はトランスジューサ素子２１に付設される
。

外側導体３５はストリップキャリヤ２２に付設される。

検査ユニット２０は、互いに２′／／ｇ／１以内まで離
間される。

燃料集合体の燃料要素間の或いは燃料要素と制御要素案
内管との間の制限された間隙を自由に横断しえねばなら
ない。

従って、検査ユニット並びにその個々の部品は、検査技
術の原理を応用するに必要とされる超音波特性を犠牲と
することなく指定された寸法要件を満足するよう選択さ
れねばならない。

本発明の原理に従って構成される検査ユニットの特定例
は、アルミ製キャリヤ内に取付けられる約２．５Ｍ巾Ｘ
１２．５Ｍ長ＸＯ，ｌ１２厚の寸法を持つリード ジル
コネート チタネート（１ｅａｄｚｉｒｃｏｎａｔｅ
ｔｉｔａｎａｔｅ ）から作製されるトランスジューサ
素子を含んでいる。

トランスジューサ素子はコルクの層により穴の周縁から
隔絶される。

トランスジューサ素子の前後表面は焼成銀電極で被覆さ
れ、そしてキャリヤの一面と同高の表面は、アルミキャ
リヤ及び銀電極双方に仮付は溶接される小さい銅線を介
して数点において隣りのアルミニウムにアースされる。

燃料集合体内への挿入の為の滑らかな表面を与える為に
電導性のエポキシ樹脂の層が銅線及びキャリヤ面にある
トランスジューサ素子表面の上方に塗布されつる。

減衰材料２６は低分子量ポリスルファイドポリマに２品
位のタングステン粉末を混合して成るものである。

特定の減衰材料は、チオコール（Ｔｈ１ｏｋｏｌ ）
Ｌ Ｐ −３と呼ばれるアメリカ、ニュージャージ州
チオコール ケミカル コーポレーション社により製
造されている低分子量ポリスルファイドポリマと混合さ
れる。

平均粒寸４．５μのタングステン粉末と平均粒寸１３３
μのタングステン粉末との混合物を含むものである。

非常導性エポキシ樹脂がトランスジューサ素子を穴内に
止着するのに使用される。

セラミックの凹入表面がキャリヤの縁辺に沿って配置さ
れる同軸ケーブルの内側導体に連結される。

他の構成、形状及び材料も、検査ユニットが燃料集合体
の部材間に挿入可能である限りトランスジューサ素子に
対して使用されうる。

例えば、別の具体例において、同軸ケーブルを内部に収
蔵する中空のチューブ状キャリヤが使用されえよう。

第３図は、燃料要素４０の下方空間と横断方向に整列し
て配された検査ユニット２０の平面図を燃料集合体の一
部として示すものである。

超音波エネルギーを燃料要素内に伝送する為の燃料要素
に結合されるトランスジューサ素子は、所定のレート及
び周波数におけるパルスを発生する為のパルス発生器（
図示なし）により付勢される。

オシロスコープのスイープは送信パルス及び反射パルス
を表示するよう同期される。

反射波はトランスジューサを経てオシロスコープにより
受信される。

燃料要素が損傷していなかったなら、その場合には気体
が下方空間内に存在する唯一の流体である。

金属−気体界面における高い反射係数は超音波が被覆材
の内面を横切って伝播していくことを相当に阻止する。

気体充満燃料要素に対する従来型式のパルスエコー計器
上に表示された応答が第４図におけるオシログラムとし
て示しである。

第４図においては横軸に時間がプロットされている。

第４図のそしてまた第６及び７図のオシログラムは約７
メガヘルツの周波数において発生した結果の表示であり
、時間−目盛は約３μ秒でありそして燃料要素外径は０
．５インチより僅かに小さい。

第４図において、送信信号は気体の低透過係数に由り第
１の即ち前面の気体−金属界面から反射される受信信号
と実質上混合されている。

これとは対照的に、もし燃料要素が損傷しその結果下方
空間が水を含んでいるなら、前方の界面における反射係
数は著しく減少される。

斯くして、第５図に概略的に示されるように、超音波パ
ルスの相当部分は液体を通して伝播しそして燃料要素４
０内の第２の即ち後の液体−金属界面において反射され
る。

従って、時間目盛上に送信信号とは別に比較的著著な大
きさの反射信号が表示されることになる。

欠陥のある水充満燃料要素に対する従来型式のペルスエ
コー計器上に表示された応答は、第６図におけるオシロ
グラムとして示されている。

約１５μ秒のところで相当の応答が発生しこれは後壁か
らの反射として受信されたエコーを表す。

燃料要素の下方空間は一般にらせん状ばね部材を収納し
ており、これは超音波の自由な通過を制限しよう。

しかし、これは克服し難い困難性を呈しはしない。

感圧素子の巾が、燃料要素の長手方向軸線に沿って測定
して、らせんばねのピッチより大きいなら、音は遠い側
の壁まで伝播しそして戻ってくる。

第７図はばねを含む水充満燃料要素の代表的応答を示す
。

従来型式の超音波計器は、初期パルスに対して選択され
た期間信号の抽出を可ならしめるゲート回路を含んでい
る。

加えて、回路は、ゲートされた期間における超音波信号
振巾が予備設定された閾値水準を越える時のみ警報信号
を発生するよう構成されうる。

もしゲートが横座標上１２μ秒と１５μ秒との間の信号
を通すよう設定されるならそして振巾の閾値が縦属のラ
イン１に設定されるなら、燃料要素内にばねがあろうと
なかろうと水の存在は検知可能となる。

操作において、検査ユニットは燃料集合体の隣りあう部
材間の間隙に挿入される。

照射された燃料集合体は原子炉からの取出し中冷却及び
遮蔽目的で水中に維持されそして最初廃燃料プール内に
保管されている。

従って、燃料要素の検査が水中でもたらされることが理
解されよう。

トランスジューサ素子は検査される燃料要素の長手方向
軸線と横断方向に整列される。

その後、パルスがトランスジューサから燃料要素内に半
径方向に送信される。

燃料集合体は、部品の分解を必要とすることなく燃料要
素の東向に検査ユニットを挿入することにより試験され
うる。

従って、集合体は検査目的の為に炉から取出しさえすれ
ばよい。

本技術は燃料集合体の燃料要素のすべてを自動的にそし
て迅速に検査する為多重式のトランスジューサを使用す
ることをも包含するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明において使用される装置の正面図であ
る。 第２図は、第１図に示した装置の一部載除底面図である
。 第３図は、第１図に示した装置を使用して気体充満燃料
要素における超音波の送信パルスのエコーを例示する説
明図である。 第４図は第３図の応答を特性づけるパルス及びエコーの
オシログラムである。 第５図は第１図の装量を使用して欠陥のある水充満燃料
要素における超音波の送信パルスのエコーを例示する説
明図である。 第６図は第５図の状態に対応する応答を特性づけるパル
ス及びエコーのオシログラムである。 第７図はばねを内部に有する水充満燃料要素の応答を特
性づけるパルス及びエコーのオシログラムである。 ２０：検査ユニット、２１ニドランスジユーサ素子、２
５：表面、２２：キャリヤ、２３，２４：表面、３２：
アース用導体、３０：減結合材、３３：同軸ケーブル、
３４：内側導体、３５：外側導体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水冷式原子炉において使用される型式の、燃料集合
   体内に近接して多数配列されそして水中下にある燃料要
   素の欠陥のあるものを超音波的に検知する方法であって
   、超音波トランスジューサ素子を有する超音波検査装置
   を燃料要素間の間隙内に挿入する段階と、トランスジュ
   ーサ素子と検査されるべき燃料要素の下方空間とを整列
   する段階と、トランスジューサ素子を付勢して５〜１５
   ＭＨｚの周波数範囲における超音波パルスを検査さるべ
   き燃料要素の壁中に横断方向に送信する段階と、トラン
   スジューサ素子の位置から遠い側の燃料要素の内壁面か
   ら反射される超音波エコーを測定して、燃料要素内部の
   漏入水の存在を検知する段階とを包含する前記欠陥燃料
   要素の超音波検知方法。 ２ 超音波パルスが送信された後成る期間内の超音波エ
   コーが測定される特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 測定期間内の超音波エコーの所定の閾値を越える部
   分のみが記録される特許請求の範囲第２項記載の方法。 ４ 測定期間がトランスジューサ素子から送信された信
   号が燃料要素内の水を横断しそしてそのエコーがトラン
   スジューサ素子の位置から遠い側の燃料要素内壁面から
   燃料要素内の水を横切って反射される時間から実質土酸
   る特許請求の範囲第２項或いは３項記載の方法。