JP2004525385A - 測定ヘッド - Google Patents

Abstract

組込み部品、特に核工学設備の燃料要素における燃料棒（５４）、燃料要素箱及び／又はスペーサを測定する際に使用するために備えた測定ヘッド（１）は、特に簡単に、かつ短い測定時間で燃料要素の老化状態を総合的に表すデータベースの収集を可能にすべきである。そのため本発明では、測定ヘッド（１）は接触容器（２）に配置した接触先端部（４）を有し、この接触容器（２）内には渦電流原理により作動する膜厚測定センサ（３０）が組込まれている。この接触アームの振り出しにより燃料棒の輪郭又は直径を測定できる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に核工学設備の燃料要素及び／又は燃料要素中のスペーサの測定時に使用する測定ヘッドに関する。更に本発明は、この種の測定ヘッドを有する測定装置並びにこの種の測定装置の使用法に関する。
【０００２】
核工学設備、特に原子力発電所では、通常電気エネルギーを発生すべく、核分裂性物質を制御下に核分裂させる。その際この核分裂性物質は、一群の燃料棒内に備えられ、その中でこの物質は、例えば所謂ペレットの形で適切な外被管で囲まれる。この種の多数の燃料棒は、通常燃料要素にまとめられ、核工学設備の持続稼動時にも所定の形状の維持、特に燃料要素の燃料棒間における所定の間隔の維持を適切なスペーサで保証している。
【０００３】
この種の核工学設備の稼働時に、各構成部品又は組込み部品は例えば腐食のような老化の進行を被る。更にこの種の構成部品は、比較的長期間放射線に曝され、これは通常の老化に起因する腐食又は疲労作用に加えて、形状又は寸法に変化を招きかねない。これはまた各構成部品の性能又は信頼性の低下の原因となる。特に燃料棒の使用時にこの種の老化に起因する作用は所謂クリープを生じ、その際被爆した燃料棒の直径が変化する。しかもこの種の腐食は燃料棒の表面に酸化作用を生じ、その際多かれ少なかれ酸化膜が全体的に燃料棒の表面に形成される。形成される酸化膜の厚さに応じて、更にその下にある外被管の管壁の厚みへの影響は、燃料棒の稼働に許容される隔壁の厚さを限界値以下にする。両作用、即ち一方では形状又は寸法の変化、また他方では酸化膜の形成は、従って一緒に又は個別に燃料棒の信頼性と機能性に悪影響を及ぼす。
【０００４】
この理由から、核工学設備における組込み部品の点検は、通常規則的な整備の形でこの作用の発生に対し備えられている。ちなみに組込み部品とは、特に燃料棒、燃料要素箱、スペーサ又はその他の核工学設備内の構成部品を意味する。この種の点検時、１つには燃料棒の直径に重大な変化が生じたか否かについて、２、３の組込み部品の任意抽出的測定を行う。また同様に、各組込み部品の形及び寸法の変化に関し任意抽出的測定を行う。これらの整備及び検査測定のために、特に作成した接触センサが使用され、それらにより、任意抽出的に選択した組込み部品、特に選択した燃料棒の測定データが得られる。
【０００５】
他方それとは別に、規則的な整備間隔で、酸化膜が生じているか否か、そしてどの程度の酸化膜が生じたかについて任意抽出的な調査を組込み部品に対して行う。それらの測定結果から、これら構成部品の老化の程度を推論し、必要に応じて個々の又は全ての燃料棒の更新を開始する。関連する測定データを検出するため、同様に特に設計した測定装置を配備し、それらを用いて適当な測定により選択した燃料棒又はその他の組込み部品の酸化膜の膜厚に対する測定データを検出できる。
【０００６】
しかし、各組込み部品、特に燃料棒やスペーサの老化状態に関する情報のこの種の調査は比較的費用を要する。特に上述の測定に伴う核工学設備の停止時間は、概ね経済的理由から特に短く保持すべく制約される。停止時間を短くするには、確実な分析評価に用いるデータベースを比較的少なくすべく、任意抽出的測定を比較的少数の被測定構成部品、特に燃料棒やスペーサに制限する必要があるが、データベースが燃料要素の状態の検出、特に後の老化に起因する燃料要素の挙動の予測に容認し難い誤りを生ずる原因になり得る。
【０００７】
従って本発明の課題は、測定ヘッド、特に上記組込み部品の測定に用いる核工学設備の燃料要素、例えば燃料棒、燃料要素箱及び／又はスペーサを測定する際に用いる、特に簡単で短い測定時間内に燃料要素の老化状態を総合的に表すのに適した比較的大きなデータベースの収集を可能にする測定ヘッドを提供し、加えてこの種の組込み部品、特に燃料棒及び／又はスペーサの測定に用いるのに適した測定装置を提供することにある。
【０００８】
測定ヘッドに関し、この課題は、本発明によれば、膜厚測定センサを組込である接触容器に接触尖端部を配置することで解決される。
【０００９】
本発明は、各組込み部品の老化状態を判定する際、元来異なる測定値の調査をまとめて行うようにし、効果的かつ時間的に有利なデータ収集を可能にするという考え方から出発する。そのため、この測定ヘッドを、調査すべき組込み部品の様々なデータを同時に検知することを可能にする、様々な測定センサと組合せ可能なように形成する。その際これら測定センサは、組込み部品の老化状態に関する、所望の情報にとって重要なデータを集めるべく形成し、一方では調査のための機械的接触中に調査すべき各対象物の表面に沿って導き得る接触尖端部を設け、他方では酸化膜の膜厚を調査すべく測定センサを設ける。
【００１０】
比較的簡単な方法で酸化膜の厚さを確実に測定可能とすべく、この膜厚測定センサは、特に渦電流測定装置と接続されたコイルを含む。コイルを含むこの膜厚測定センサは、所謂リフトオフ効果により、特に非導電性膜、この場合は酸化膜の厚さを測定するように設計するとよい。この効果を利用する場合、導電性測定対象物に対するコイルの間隔の変化に依存するコイル内のインピーダンスの変動を利用する。導電性の測定対象物として、燃料棒の金属製の管外被又は各燃料要素箱、スペーサ又はその他の構造部品の基材金属を用いる。コイルに対するこの基材の間隔は、一方では酸化膜の表面に沿って導かれる接触尖端部の前端に対するコイルの一定した間隔により、他方では酸化膜自体の測定すべき膜厚により与えられる。その際高周波で作動するコイルにより渦電流が、導電性測定対象物に使用される管外被内、即ち金属基材中に形成され、この渦電流は更にそれ自体としてその間隔に依存してコイルのインピーダンスに反作用をおよぼす。
【００１１】
特に有利な実施形態では、接触容器内の膜厚測定センサを、接触尖端部の背後に配置する。特に接触尖端部の対称線又は中心線がコイルのそれと一致するこの種配置では、その幾何学的な寸法比は、探針の先端に対するコイルの間隔寄与分の特に明確な算定を可能にし、従ってコイルの導電性測定対象物に対する間隔を検出する際に、その残留寄与分は特に確実な方法で酸化膜の膜厚に割り振ることができる。更にこのような配置は、個々の燃料棒又はスペーサの同じ局所的部分範囲に対し２組の測定データが存在するよう、接触尖端部を介しての輪郭線の推移についても、共通の測定線上にあるコイルによる酸化膜の膜厚の推移についても、データの重畳的な検出を可能にする。こうして、測定した酸化膜の膜厚と測定した直径又は形状の変化とに予想される相関関係についても、測定データの分析が可能になる。このように組合せて分析することで、各組込み部品の老化に起因する状態の特に確実な帰納的推論が可能になる。
【００１２】
輪郭線のパラメータ、即ち輪郭線の推移の特に信頼のおける測定のため、接触尖端部をダイヤモンで作るとよく、特にこの物質の大きな硬度は接触尖端部に耐磨耗性を与える。
【００１３】
燃料棒、燃料要素箱又はスペーサの測定に特に適した測定装置に関し、上記の課題は側方に振り出し可能な自由端に上記形式の測定ヘッドを備え、支持体に配置された接触アームにより解決される。このような測定装置は、特に簡単な方法で、一方では輪郭線のパラメータと、他方では酸化膜の厚さとを組合せて、従って同時に測定するのを可能にする。その際この測定装置は、測定ヘッドの接触尖端部を機械的接触中に点検すべき対象物に沿って導けるよう形成する。その際検出すべき対象物の輪郭線に特徴的な測定値は、接触アームを振り出すことで検出でき、また測定ヘッドに組み込んだ膜厚測定センサは、同時にその箇所の酸化膜の厚さに対する測定値を提供する。
【００１４】
接触アームの振り出しの確実な検出は、アームを屈曲継ぎ手で支持体に取付け、その屈曲角度をセンサで検知することで特に簡単に可能となる。その際幾何学的な寸法比に基づき、屈曲角度から明確にこの測定ヘッドの各側方への湾曲の特性値を導き出せる。
【００１５】
この測定装置は、特に僅かな費用、特に材料費で接触アームを振り出し可能な金属板バネとして形成することで製造できる。
【００１６】
特に有利な改良形態では、測定装置の接触アームに伸張測定条片を配置する。該条片を用い比較的高い解像度で、接触アーム表面の横方向への伸びに特有な測定信号を提供できる。この信号は、接触アームのその自由端に相応しい振り出しにより、特に高い解像度で確実な帰納的推論を可能にする。その際、特にその屈曲角度を検知できる屈曲継ぎ手により結合した、接触アームの振り出しを組合せた微測定と粗測定、即ち一方では大きな測定範囲について比較的高い解像度で、他方では比較的僅かな測定範囲の振り出しの冗長的な、従って特に厳密な測定が可能になる。
【００１７】
この種の多数の測定装置は、燃料棒検査装置又は燃料要素の燃料要素箱又はスペーサの検査装置において特に有利な形態で使用できる。燃料棒検査装置内に、目的に応じてこの種の多数の測定装置を設け、該装置に共通の支持体を、燃料棒に沿って導くことのできる幾つかの誘導ローラに取付ける。
【００１８】
本発明による利点は、特に適切な測定手段を組合せて装着することで、例えば直径の特性値を決定するための基礎としての輪郭線のパラメータの検出にも、酸化膜の厚さの測定値の検出にも、更になお測定対象物の同じ空間範囲を表す、これらパラメータの同時測定が可能になる点にある。燃料棒又はスペーサの特徴付けに必要な測定を行うのに必要な時間的かつ物流管理上の費用は、従って特に僅少に抑えられる。その結果核工学設備の稼動時における比較的短い接触でも、また特に比較的短い測定時間内での比較的僅かな接触でも、点検した構成部品の全般的な状態に関し、広範で、特に特徴的なデータ群を提供できる。更に完全なデータ群の供給に１種類の測定装置が必要になるだけであり、こうしてそれに対する物流管理上の費用、特に補充交換部品の装備が特に簡単に行える。特にコイルを接触尖端部の直後に配置する場合、酸化膜の輪郭と厚さとの相関関係をその分析中に極めて容易に配慮できるよう、１つの軌跡上でデータの検出を行う。
【００１９】
本発明の実施例を図面により以下に述べる。各図面の同一部分には同一符号を付す。
【００２０】
図１による測定ヘッド１は、組込み部品、特に核工学設備内の燃料要素箱の燃料棒や燃料要素のスペーサを測定すべく設けられている。測定ヘッド１は、組合せた測定の形で、被検査対象物の輪郭や形状の特性値の検出も、また検査すべき対象物の表面の酸化膜の厚さの検出も、同時に、しかも１つの測定工程で実施できるよう形成されている。
【００２１】
輪郭又は形状の特性値を検出するため、測定ヘッド１は接触尖端部４を配置した接触容器２からなる。この接触尖端部４はダイアモンド製であり、しかも適切に選択された硬度を持つ材料を含む複数成分で製造できる。特に燃料要素中の燃料棒やスペーサである被検査対象物７の輪郭及び形状の特性値を検出すべく、接触尖端部４は機械的接触中に検査すべき対象物に沿って導くことができ、その際接触尖端部４、従ってまた測定ヘッド１の位置の変化に対する検査すべき対象物の表面の輪郭や形状の変化は、全体として双方向矢印８で示す方向ｘになる。かかる位置の変化に対し特徴的な測定値を提供するため、測定ヘッド１は接触アーム１２の自由端１０に配置されている。その際この接触アーム１２自体は、そのもう一方の端（図１には図示せず）で適切に１つの支持装置に固定されている。図１の実施例では、接触アーム１２は金属板のバネとして形成されている。この場合接触アーム１２の自由端１０の振り出しは、測定ヘッド１の測定方向ｘにおける位置の変化により、この金属板バネを屈曲又は変形させる。これは接触アーム１２の表面に取付けた伸張測定条片１４で定量的に検知できる。従ってこの装置を使って、測定ヘッド１の方向ｘにおける比較的小さな変化も、高精度で検知できる。それとは異なり又は付加的に、この接触アーム１２は、その屈曲角度を適切な屈曲角度センサで検知可能な屈曲継ぎ手を備えていてもよい。方向ｘにおける測定ヘッド１の位置の測定は、この場合伸張測定条片１４及び屈曲角度センサの測定値を組合せて分析することで行える。
【００２２】
更に輪郭又は形状の特性値を提供するのに適したこの種測定ヘッド１は、被検査対象物７の表面の基材金属上に生じた酸化膜２０の厚さをも測定すべく形成されている。そのため測定ヘッド１の接触容器２内に、膜厚測定センサ３０が組込まれている。このセンサ３０は、接触容器２及び接触アーム１２を通る信号回線３４を経て図示しない渦電流センサと接続されている。コイル３２は封止用コンパウンド３６でケーススリーブ３８内に鋳込まれており、該スリーブ自体は、接触容器２内に取付けられている。コイル３２は、その対称線又は中心線（４０）が接触尖端部４の尖端６と一致するよう配置されている。従って接触容器２内の膜厚測定センサ３０は、接触尖端部４の背後に配置されている。
【００２３】
膜厚測定センサ３０は酸化膜２０の厚さを測定するため、所謂「リフトオフ効果」に基づいて構成されている。そのためコイル３２は、渦電流センサを備えるべく入力側でホイートストンブリッジ回路を経て高周波発生器に接続されている。ブリッジ回路の出力側の部分は中継器で渦電流測定装置と接続されている。酸化膜２０の膜厚を検出すべく、コイル３２は酸化膜２０近傍の一定位置に置かれる。その際酸化膜２０に関して、このコイル３２の一定位置は、コイル３２を接触容器２内にしっかりと組込むことで限定され、かつ一定した間隔を接触尖端部４の前端に占めることを保証される。接触尖端部４は、特に輪郭の測定を行うため、やはり酸化膜２０の表面と直接機械的に接触し、自動的に酸化膜２０の表面との関係でコイル３２の厳密な配置付けがなされる。
【００２４】
酸化膜２０の膜厚を測定する際、コイル３２に高周波の入力信号が与えられる。このように作動するコイル３２で発生した磁界により、酸化膜２０の付着した対象物７の基材金属２２中に渦電流が生じ、コイル３２のインピーダンスに反作用が生じる。この反作用の大きさは、コイル３２の金属製支持層２２の間隔に依存する。そしてこの間隔は、接触尖端部４の前端からのコイル３２の間隔と、酸化膜２０の厚さとの合計で与えられる。従ってコイル３２の作動に使用されるブリッジ回路は、出力信号として、酸化膜２０の厚さに特有で、従ってまたこの厚さを分析評価できる電圧信号を与える。
【００２５】
測定ヘッド１は、一方では検出すべき対象物７の表面酸化膜２０の輪郭、他方では厚さを同時に検出するのに適する。こうしてこの測定ヘッド１は、特に組込み部品、特に核工学設備における燃料棒、燃料要素箱、スペーサ又は他の構造部品を、それらの老化状態又は予想される残余寿命を確実に検出可能とすべく、特に有利に、時間を節約した測定に使用できる。そのため測定ベッド１は、概略的に図２の側面図と図３の俯瞰図に示す如く、それ自体は燃料棒検査装置５２でもある測定装置５０内に収納できる。これはまた燃料棒検査装置５２の部品でもある。図２と３に基づく測定装置５０は、側方に振り出し可能な自由端１０に、各々測定ヘッド１の１つが配置された２個の接触アーム１２を備える。接触アーム１２は、特に図３の俯瞰図に示す如く、フォーク形に互いに対向して配置されており、従ってそれらの間に導入された、被点検燃料棒５４を掴むのに適する。測定ヘッド１が互いに対向して配置されている故、燃料棒５４の両側面の精査が可能になる。測定ヘッド１が対向するこの測定装置で、燃料棒５４の直径に対する特性値が検出できる。
【００２６】
接触アーム１２は、共通の支持体５６に配置されており、それ自体燃料棒５４に沿って導くことのできる一群のガイドローラ５８に取付けられている。これらガイドローラ５８は、両側面を夫々案内板６２により限定された中心のローラ本体６０を内包している。案内板６２はローラ本体６０に比べて直径が大きい。従って燃料棒５４の表面を転がるローラ本体６０は、このローラ本体を制限する案内板６２により、検出すべき燃料棒５４に対し自動的に中心に置かれる。
【００２７】
燃料棒検査装置５２はその測定装置５０と共に、双方向矢印６４で示す燃料棒５４の長手方向ｙにある作動装置（図示せず）を経て燃料棒に沿って運動する。こうして必要に応じて燃料棒５４の接触走査は、その長手方向ｙに沿って行える。この走査で、１つには側面測定の形でこの輪郭線の測定値を測定ヘッド１の接触尖端部４により提供でき、それらを再び燃料棒５４の位置に依存する直径の特性値に置換できる。その際、この走査は線６６により示す走査軌跡に沿って行われる。更に測定ヘッド１の膜厚測定センサ３０による接触走査時に、燃料棒５４を場合によっては囲む酸化膜の厚さの位置に依存した特性値を提供できる。その際相対する測定値を、各コイル３２の配置付けの故に、直接夫々の接触尖端部４を経て同様に走査軌跡６６に沿って読み取れる。２つの関連するパラメータに対して同時に行う燃料棒５４のこのような接触走査により、一方では比較的短い測定時間内で特に燃料棒５４に対する広範なデータ群を取得し、他方では夫々の測定パラメータの局所的な一致により、酸化膜の局所的な膜厚と、燃料棒５４の局所的な直径の値との間に場合によっては起こり得る相関関係も分析評価できる。
【００２８】
測定ヘッド１は、概略的に図４の俯瞰図に示すように、燃料要素のスペーサ７２の計測装置７０内ででも使用できる。図４に示す計測装置７０は、同様に側方に振り出し可能なそれらの自由端７６に、夫々測定ヘッド１の１つが配置された、２本の接触アーム７４を有する。この計測装置７０の場合も、接触アーム７４をフォーク形に互いに対向して配置しており、従ってそれらの間を通る、点検すべきスペーサ７２を掴むのに適する。この計測装置７０の接触アーム７４はガイド及び送りユニット８０に、共通の支持体として通常備えられているそれらの構成部品と共に配置される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明による接触アームに配置した測定ヘッドの側面断面図。
【図２】本発明による燃料棒検査装置の概略側面図。
【図３】本発明による図２による燃料棒検査装置の側面図の概略俯瞰図。
【図４】本発明によるスペーサ用計測装置の概略平面図。
【符号の説明】
【００３０】
１ 測定ヘッド、２ 接触容器、４ 接触尖端部、６ 尖端、７ 検査対象物、１０ 自由端、１２、７４ 接触アーム、１４伸張測定条片、２０ 酸化膜、２２ 支持層、３０ 膜厚測定センサ、３２ コイル、３４ 信号回線、３６ コンパウンド、３８ ケーススリーブ、５０ 測定装置、５２ 燃料棒測定装置、５４ 燃料棒、５６ 支持体、５８ ガイドローラ、６０ ローラ本体、６２ 案内板、６６ 走査軌跡、７０ 計測装置、７２ スペーサ、７６ 自由端、８０ ガイド及び送りユニット

Claims (10)

1. 膜厚測定センサ（３０）を組込んだ接触容器〈２〉に接触尖端部（４）を配置してなる測定ヘッド（１）。
2. 膜厚測定センサ（３０）が、渦電流センサと接続されたコイル（３２）を含む請求項１記載の測定ヘッド。
3. 接触容器（２）内の膜厚測定センサ（３０）が接触尖端部（４）の背後に配置された請求項１又は２記載の測定ヘッド。
4. 接触尖端部（４）がダイアモンドからなる請求項１乃至３の１つに記載の測定ヘッド。
5. 支持体（５６）に取付けた接触アーム（１２）を備え、該アームは側方に振り出し可能な自由端（１０）に請求項１乃至４の１つに記載の測定ヘッド（１）を備える測定装置（５０）。
6. 屈曲角度を検知するためのセンサが取付けられている接触アーム（１２）が、支持体（５６）に屈曲継ぎ手を介して固定された請求項５記載の装置。
7. 接触アーム（１２）が振り出し可能な金属板バネとして形成された請求項５又は６記載の装置。
8. 接触アーム（１２）に伸張測定条片（１４）を配置した請求項５乃至７の１つに記載の装置。
9. 測定装置（５０）に共通の支持体（５６）が、燃料棒（５４）に沿って導くことのできる一群の誘導ローラ（５８）に取付けられた請求項５乃至８の１つに記載の一群の測定装置（５０）を有する燃料棒検査装置（５２）。
10. 核工学設備の燃料棒（５４）、燃料要素箱、スペーサ及び／又はその他の構造部品を検査するために使用される請求項５乃至８の１つに記載の測定装置（５０）。