(57)【要約】  検出装置は、核燃料棒の内部に支持され、励起パルスに応じて応答パルスを発生させ、被覆を傷つけることなく当該応答パルスを燃料棒の被覆を通して、当該燃料棒を収容する原子炉内の別の場所へ送信する共振電気回路を含む。当該応答パルスの特性は、当該燃料棒の状態を示す。当該検出装置はまた、原子炉内の当該燃料棒の近くであるが被覆の外に位置し、励起パルスを発生させ、当該励起パルスを被覆を通して共振電気回路に送信する送信器を含む。原子炉の内部であるが当該燃料棒の近くで被覆の外側に支持された受信器が、応答パルスに応じて信号を原子炉の外側の電子処理装置に送信する。【選択図】図６
2021505895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉の内部の燃料集合体の複数の燃料棒の中の、被覆と内部領域を有する１本の燃料棒とともに使用可能であり、原子炉の外部に設置された電子処理装置と協働することができる検出装置であって、
原子炉内の当該燃料棒の近くであるが被覆の外に位置し、励起パルスを発生させ、当該励起パルスを被覆を通して内部領域へ送り込むように構成された送信器と、
共振電気回路を有し、内部領域に支持され、励起パルスに応じて特性が燃料棒の状態を示す応答パルスを発生させ、当該応答パルスを内部領域から磁場信号として被覆を通して送り出すように構成された電気回路装置と、
原子炉の内部であるが当該燃料棒の近くで被覆の外側に支持され、応答パルスを受信し、当該応答パルスに応答して出力を電子処理装置に送信するように構成された受信器とを具備する検出装置。
【請求項２】
前記共振電気回路が核燃料棒のプレナム内に支持される、請求項１の検出装置。
【請求項３】
前記応答パルスの特性が燃料ペレットの中心温度を示す、請求項２の検出装置。
【請求項４】
前記応答パルスの特性が燃料ペレットの伸びを示す、請求項２の検出装置。
【請求項５】
前記応答パルスの特性が前記内部領域の圧力を示す、請求項２の検出装置。
【請求項６】
前記応答パルスの特性が前記燃料棒の複数の状態を示す、請求項２の検出装置。
【請求項７】
前記共振電気回路を構成する複数の回路部品の値が、前記応答パルスを発出させる燃料棒の同定に使用可能な唯一無二の周波数を当該応答パルスが持つように選定される、請求項１の検出装置。
【請求項８】
前記電気回路装置がさらに、前記内部領域に支持され、前記励起パルスに応じて較正信号を発生させ、当該較正信号を内部領域から別の磁場信号として被覆を通して送り出すように構成された較正回路を含み、当該別の磁場信号が受信器によって受信され、受信器が受信した応答パルスを部品の劣化や温度ドリフトに伴うすべての信号変化に対して補正するために使用できる、請求項１の検出装置。
【請求項９】
前記共振電気回路を構成する複数の回路部品がコンデンサを含み、当該コンデンサが前記燃料棒の状態に応じて変化する静電容量を有し、応答パルスの周波数を当該状態の変化に応じて変化させるように構成されている、請求項１の検出装置。
【請求項１０】
前記コンデンサが可動プレートと静置プレートから成り、当該可動プレートが前記内部領域の雰囲気圧力の変化に応じて静置プレートに対して移動すると、静電容量が変化して、応答パルスの周波数が雰囲気圧力とともに変化する、請求項９の検出装置。
【請求項１１】
前記共振電気回路を構成する複数の回路部品がコイルを有するインダクタを含み、当該インダクタが前記燃料棒の状態に応じて変化するインダクタンスを有し、応答パルスの周波数を当該状態の変化に応じて変化させるように構成されている、請求項１の検出装置。
【請求項１２】
前記燃料棒は内部領域に多数の燃料ペレットを有し、前記状態は当該燃料棒の燃料ペレット中心温度であり、前記電気回路装置はさらに、少なくとも一部が強磁性体で形成された細長い要素より成る温度伝達装置を含み、前記要素の少なくとも一部は前記コイル内に挿入可能であり、コイル内に挿入される当該要素の少なくとも一部は当該状態に伴って変化して、インダクタンスを当該状態の変化に応じて変化させる、請求項１１の検出装置。
【請求項１３】
前記温度伝達装置がさらに、ある量の金属を含み、前記要素が当該ある量の金属と接触し、当該ある量の金属が燃料ペレットの中心温度の上昇および低下に伴ってそれぞれ熱膨張および熱収縮するよう構成され、当該要素が熱膨張および熱収縮する当該ある量の金属によって前記コイルに対して移動して、インダクタンスを当該状態の変化に応じて変化させるよう構成されている、請求項１２の検出装置。
【請求項１４】
前記ある量の金属が当該原子炉の運転中は液状であり、前記要素が当該ある量の金属の上に浮かんでおり、当該ある量の金属が熱膨脹および熱収縮すると前記コイルに対して浮いた状態で移動するよう構成されている、請求項１３の検出装置。
【請求項１５】
前記状態が前記内部領域の雰囲気圧力であり、前記電気回路装置はさらに、少なくとも一部が強磁性体で形成された細長い要素より成る圧力指示装置を含み、当該要素の少なくとも一部は前記コイル内に挿入可能であり、当該コイル内に挿入された当該要素の少なくとも一部は当該状態の変化に伴って変化してインダクタンスを当該状態の変化に応じて変える、請求項１１の検出装置。
【請求項１６】
前記圧力指示装置はさらに、前記内部領域との流体連通を阻止するように密封された空洞を有する容器を含み、当該容器が当該内部領域に支持され、当該内部領域の雰囲気圧力の上昇および低下に応じてそれぞれ収縮および膨張するように構成され、前記要素が、当該容器の上に位置して、前記の状態変化に応じて当該容器が収縮または膨張すると前記コイルに対して移動して、インダクタンスを変化させるように構成されている、請求項１５の検出装置。
【請求項１７】
前記容器が多数の波形表面のある蛇腹である、請求項１６の検出装置。
【請求項１８】
原子炉の内部の燃料集合体の複数の燃料棒の中の、被覆と内部領域を有する１本の燃料棒の状態を検出する方法であって、当該方法は、
原子炉の外部に設置された電子処理装置と協働可能である検出装置であって、原子炉内の当該燃料棒の近くであるが被覆の外に位置する送信器と、共振電気回路を有し内部領域に支持された電気回路装置と、原子炉の内部であるが当該燃料棒の近くで被覆の外側に支持された受信器とを有する検出装置を使用するものであり、
送信器により励起パルスを発生させ、当該励起パルスを当該被覆を通して当該内部領域へ送り込むことと、
当該共振電気回路により当該励起パルスに応じて応答パルスを発生させ、当該応答パルスを内部領域から磁場信号として被覆を通して送り出すことと、
当該燃料棒の状態を示す特性を持つように当該応答パルスを発生させることと、
当該受信器において当該応答パルスを受信し、当該応答パルスに応じた出力を電子処理装置に送信すること
を含む方法。
【請求項１９】
前記電気回路装置はさらに、前記内部領域に支持された較正回路を有し、さらに、
較正回路により前記励起パルスに応じて較正信号を発生させ、当該較正信号を別の磁場信号として当該内部領域から前記被覆を通して送り出すことと、
前記受信器において当該別の磁場信号を受信することと、
当該別の磁場信号を使用して、当該受信器において受信された当該応答パルスを部品の劣化や温度ドリフトに伴うすべての信号変化に対して補正すること、
を含む請求項１８の方法。
【請求項２０】
前記受信器において受信された当該別の磁場信号の使用が、
前記応答パルスの特性と前記較正信号の別の特性から比率を求めることと、
当該比率を用いて記憶領域から当該状態に対応する値を検索すること、
を含む請求項１９の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１８年６月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／６９１，１７８号および２０１７年１２月８日に出願された第６２／５９６，３１１号の優先権を主張し、これらの開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は一般的に原子力発電設備に関し、より詳細には、原子炉の燃料集合体の燃料棒および計装管とともに使用可能な検出装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
最新式の原子炉システムの多くは、炉心内の軸方向のさまざまな高さ位置で放射能を直接測定する炉内センサを使用する。また、炉心の周囲には、冷却材出口の高さのさまざま位置に熱電対センサが設置されており、冷却材出口温度をさまざまな半径方向位置で直接測定することができる。これらのセンサは、炉心内の半径方向および軸方向の出力分布を直接測定するために使用される。この出力分布測定情報は、原子炉がその出力分布の限界内で運転されているかの判断に使用される。こうした機能の実行に用いられる典型的な炉内センサは、周辺で起きている核分裂の量に比例する電流を発生させる自己給電型検出器である。この種のセンサは概して、炉心内のさまざまな燃料集合体内部の計装シンブルの中に配置され、上記電流を発生させるための外部電源を必要としない、一般的に自己給電型検出器と称されるものであり、その詳細は、１９９８年４月２８日に発効され、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５，７４５，５３８号に記載されている。
【０００４】
炉心のさまざまなパラメータが測定可能なセンサとして、一般的に炉心内のさまざまな燃料集合体の計装シンブル内に配置される別の種類のものがあるが、これは、２０１７年１月２７日に出願された米国特許出願第１５／４１７，５０４号に記載されている。この種のセンサは、中性子束を検出するように構成された自己給電型中性子検出器と、当該中性子検出器に並列に接続されたコンデンサと、入力端および出力端を有するガス放電管と、共振回路と直列に当該出力端に接続されたアンテナとから成る送信器装置を使用する。ガス放電管の入力端は当該コンデンサに接続されている。当該アンテナは、当該自己給電型検出器によって監視される中性子束の強度を表す一連のパルスから成る信号を発信するよう構成されている。当該共振回路のインダクタンスおよび静電容量の値の変化に影響を及ぼす他の炉心パラメータも監視することができる。
【０００５】
原子炉の出力をその外部へ伝えるために信号線を必要としないさらにもう一つの種類の炉内センサとして、米国特許第４，９４３，６８３号に開示されたものがある。この米国特許は、原子炉の炉心の燃料集合体に組み込まれる異常検出装置と原子炉容器の外に配置される送受信器とから成る原子炉の炉心異常診断システムを記載している。送受信器は、異常検出装置に向けて信号を無線で送信し、当該異常検出装置が発生するエコー信号を無線で受信する。異常検出装置が燃料集合体内の異常な温度上昇のような炉心内の異常を検出すると、エコー信号のモードが基準信号から偏移する。すると送受信器はエコー信号の基準信号からのこの偏移を検知し、発電所の保護系統に異常検出信号を送信する。当該センサは、設置された燃料集合体周辺の冷却材温度を実際に監視している。
【０００６】
上述のセンサはそれぞれ、原子炉の炉心内の状態を直接監視するが、その種のセンサに問題がないわけではない。したがって、改善が望まれる。
【発明の概要】
【０００７】
上記のセンサはいずれも、原子炉運転中の炉心内の核燃料棒の内部の状態を直接監視するものではない。先進的な燃料被覆管材料を商業利用できるようにするには、規制当局の承認を受けるための厳格な試験を受けなければならない。先進的な燃料被覆管材料を試験する従来の方法では、数回の燃料サイクルにわたって燃料棒を試験し、照射試験の終了時に検査を行う必要がある。これは、数年間かかる長いプロセスであり、その期間中燃料被覆管のデータを利用できない。従来の方法では、最も重要なデータは照射後試験を行っている時にのみ得られる。望ましいセンサは、燃料棒の内部に設置可能で、数回の燃料サイクルにわたって危険な状態に耐えることができ、かつ燃料棒の被覆管に貫通部を必要としない炉内センサである。
【０００８】
本発明は、遠隔式電磁誘導または磁気誘導型（パルス誘導としても知られている）送受信器を有する、核燃料棒と一体的なリアルタイム受動的検出装置を提供することにより、上記の目的を達成する。当該検出装置は、核燃料棒の内部に支持され、入射励磁パルスに応答してほぼ正弦波形の応答パルスを発生させ、その応答パルスを磁気波として、核燃料棒の被覆を通して核燃料棒を収容する容器内の別の場所へ送信するように構成された共振電気回路を含む。発生するパルスの特性は、当該燃料棒の状態を示すものである。当該検出装置は、原子炉内の当該燃料棒の近くであるが被覆の外側に位置し、励起パルスを発生させ、当該励起パルスを被覆を通して共振電気回路に伝える送信器と、当該被覆の外側の原子炉内で、当該核燃料棒の近くに支持され、前記応答パルスを受信し、前記応答パルスに応じて信号を原子炉の外側にある電子処理装置に送信するよう構成された受信器も含む。
【０００９】
共振回路は核燃料棒のプレナム内に支持させるのが好ましい。この種の実施態様においては、応答パルスの特性は燃料ペレットの中心温度を示す。別のこの種の実施態様においては、応答パルスの特性は燃料ペレットの伸びを示す。さらに別のこの種の実施態様においては、応答パルスの特性は燃料棒内圧を示す。また、応答パルスの特性が燃料棒の複数の状態を同時に示すように構成することもできる。
【００１０】
軸方向の２箇所で測定を行うために、別の共振電気回路を燃料棒の底部に設けることもできる。当該共振回路は、同定することによりパルスを発出した特定の核燃料棒を突き止めることができる特有の周波数を有する応答パルスを発生させるように、例えば静電容量やインダクタンスなどの特性を選定した複数の回路部品により構成することが好ましい。
【００１１】
また、検出装置には、核燃料棒の内部に支持され、送信器からの励起パルスによる問い合わせを受けると静的な較正信号を発生させるように構成された較正回路を含めることができる。較正信号は、受信器が受信して、部品の劣化や温度ドリフトに伴う信号変化に対して受信応答パルスを補正するために用いることができる。
【００１２】
したがって、本発明の一局面は、原子炉の内部の燃料集合体の複数の燃料棒の中の、被覆と内部領域を有する１本の燃料棒とともに使用可能であり、原子炉の外部に設置された電子処理装置と協働することができる改良型検出装置を提供する。当該検出装置は一般的に、  原子炉内の当該燃料棒の近くであるが被覆の外に位置し、励起パルスを発生させ、当該励起パルスを被覆を通して内部領域へ送り込むように構成された送信器と、共振電気回路を有し、内部領域に支持され、励起パルスに応じて応答パルスを発生させ、当該応答パルスを内部領域から磁気波として被覆を通して送り出すように構成された電気回路装置とを具備し、当該応答パルスの特性は燃料棒の状態を示すものであり、さらに、原子炉の内部であるが当該燃料棒の近くで被覆の外側に支持され、応答パルスを受信し、当該応答パルスに応答して出力を電子処理装置に送信するように構成された受信器を含むと言える。
【００１３】
本発明の別の１つの局面は、原子炉の内部の燃料集合体の複数の燃料棒の中の、被覆と内部領域を有する１本の燃料棒の状態を検出する方法を提供する。当該方法は一般的に、当該状態を検出するための検出装置であって、原子炉の外部に設置された電子処理装置と協働可能な検出装置の使用を含むものと言うことができ、当該検出装置は、原子炉内の当該燃料棒の近くであるが被覆の外に位置する送信器と、共振電気回路を有し、内部領域に支持された電気回路装置と、原子炉の内部であるが当該燃料棒の近くで被覆の外側に支持された受信器を含むと言える。これを使用することは一般的に、送信器により励起パルスを発生させて当該励起パルスを当該被覆を通して当該内部領域へ送り込むことと、当該共振電気回路により当該励起パルスに応じて応答パルスを発生させ、当該応答パルスを内部領域から磁気波として被覆を通して送り出すことと、当該燃料棒の状態を示す特性を有する応答パルスを発生させることと、受信器によって当該応答パルスを受信し、当該応答パルスに応じた出力を電子処理装置に送信することを含むと言うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の詳細を、添付の図面を参照して以下に説明する。
【００１５】
【図１】原子力施設の燃料棒および計装シンブルとともに使用できる、本発明の第１の実施態様による改良型検出装置の機能を示す概略図である。
【００１６】
【図２】図１の検出装置とともに使用できる燃料棒と計装シンブルを含む燃料集合体をそれを収容する原子炉を有する原子力施設とともに示す概略図である。
【００１７】
【図３】図１の検出装置の別の概略図である。
【００１８】
【図４】図１の検出装置の電気回路装置を内蔵する燃料棒を一部破断して示す図である。
【００１９】
【図５Ａ】図４の電気回路装置が出力する応答信号の一例の軌跡を示す図である。
【００２０】
【図５Ｂ】図４の電気回路装置が出力する別の応答信号の軌跡を示す図である。
【００２１】
【図６】本発明の第２の実施態様による電気回路装置を内蔵する別の燃料棒の一部を破断して示す図である。
【００２２】
【図７】図６の電気回路装置のフェライト棒の透磁率の温度変化を表す図である。
【００２３】
【図８】図２に略示するような燃料棒が内臓することができる、本発明の第３の実施態様による電気回路装置を示す概略図である。
【００２４】
【図９】本発明の第４の実施態様による電気回路装置を内蔵する燃料棒の概略図である。
【００２５】
【図１０】本発明の第５の実施態様による別の電気回路装置を内蔵する別の燃料棒の概略図である。
【００２６】
【図１１】本発明の第６の実施態様による別の電気回路装置を内蔵する別の燃料棒の概略図である。
【００２７】
【図１２】図２に略示するような燃料棒が内蔵することができる、本発明の第７の実施態様による別の電気回路装置の概略図である。
【００２８】
【図１３】本発明の第８の実施態様による別の電気回路装置を内蔵する別の燃料棒の概略図である。
【００２９】
同様の数字は明細書全体にわたって同様の部分を指す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明による改良型検出装置４を図１に略示する。検出装置４は、図２に数字１２で示す原子炉の燃料集合体１０（図２）に含まれるような燃料棒６および計装シンブル８とともに使用できる。原子炉１２はその格納容器１２を表すものとして模式的に描かれている。
【００３１】
検出装置４は原子炉の格納容器１２の内側にあり、その外側にある電子処理装置１６と協働することができる。よって、検出装置４は原子炉の格納容器１２内の過酷な環境に、また、電子処理装置１６は原子炉の格納容器１２の外側の穏やかな環境に設置するように設計される。
【００３２】
図１からわかるように、電子処理装置１６はトランシーバー１８と信号処理部２２を含むと見なすことができる。トランシーバー１８は、計装シンブル８の中に位置する呼びかけ装置４８に有線接続される。信号処理部２２は処理部と保存部２４を含み、保存部２４には多数の手順２８と多数のデータテーブル３０とが保存される。手順２８は、トランシーバー１８から信号を受信したり、燃料棒６の内部の状態を表すトランシーバー１８からの信号の特徴に符合する値を検索するためにデータテーブル３０にアクセスしたりする検出装置４のさまざまな動作を実行させるように処理部で実行可能である。
【００３３】
図１からさらにわかるように、燃料棒６は、被覆３２と、被覆３２の内部領域３６にある多数の燃料ペレット３８とを有すると言える。本明細書に用いる「多数の」という表現とその変化形は、広義には、１を含むゼロ以外の任意の量を表すものとする。燃料棒は、一般的にその垂直方向の上端にプレナム４２を有する。
【００３４】
検出装置４は、燃料棒６の内部領域３６のプレナム４２内に支持される電気回路装置４４を含むと言える。検出装置４はさらに、計装シンブル８内に位置すると言える呼びかけ装置４８を含む。図１に略示するように、電気回路装置４４は内部領域３６にあって、被覆３２に貫通部や他の開口を形成することなく呼びかけ装置４８と通信し合えるため、被覆３２が無傷のままで燃料ペレット３８を内部領域３６に完全な格納状態に保つことができるという利点がある。
【００３５】
図１からさらにわかるように、また以下により詳しく説明するように、電気回路装置４４と呼びかけ装置４８とは互いに無線で通信する。燃料棒６の内部領域３６の状態には、例えば、燃料ペレット３８の温度、燃料ペレット３８の物理的伸びの程度、および燃料棒６の内部雰囲気の圧力が含まれると言える。これら３つの状態は、電気回路装置４４によって直接検出することが可能であり、呼びかけ装置４８を通じて電子処理装置１６に伝えられる。また、以下に詳細に述べるように、燃料ペレット３８の温度および伸びをさまざまな方法で検出し、燃料棒６の内部領域３６の雰囲気圧力をさまざまな方法で検出するさまざまな実施態様が開示されている。これらの特性は限定的である意図はなく、本発明の精神から逸脱することなく他の特性も検出可能であることがわかる。
【００３６】
図３からわかるように、電気回路装置４４は、センサとして働き、コンデンサ５４とインダクタ５６を含む複数の回路部品によって構成される共振電気回路５０を含むと言える。これらの回路部品は、例えばコンデンサ５４の静電容量やインダクタ５６のインダクタンスなどの値や特性を持つが、それらの値や特性は、共振電気回路５０に唯一無二の公称周波数を付与して、呼びかけ装置４８によって或る特定の周波数が検出された場合、その特定の周波数が公称周波数である共振電気回路５０を含む電気回路装置４４を内蔵する特定の燃料棒６をその特定の周波数から突き止めることができるように選定される。
【００３７】
この点において、複数の電気回路装置４４の各々を、燃料集合体１０の複数の燃料棒６のそれぞれ対応する燃料棒内に設置すればよいことがわかる。検出装置４の動作中、呼びかけ装置４８は、燃料棒６の内部領域３６にある燃料ペレット３８の例えば温度および／または伸び、その内部領域３６の雰囲気圧力などの特性または状態のうち１つ以上を表すと解釈できる信号を電気回路装置４４から受信するために、電気回路装置４４に応答指令信号を送る。燃料集合体１０は多数の燃料棒６を含んでおり、その一部の燃料棒６が対応する電気回路装置４４を内蔵すると想定される。呼びかけ装置４８が応答指令信号を送ると、それに応答してさまざまな電気回路装置４４が出力する信号が被覆３２または対応する燃料棒６を通して伝わり、この信号が呼びかけ装置４８によって受信される。さまざまな電気回路装置４４からのさまざまな信号はそれぞれ、電気回路装置４４の例えばコンデンサ５４とインダクタ５６のさまざまな特性を選ぶことによって選定される、同定用の唯一無二の周波数としての公称周波数を有する。したがって、電子処理装置１６は、検出されたさまざまな信号の周波数から、どの信号が燃料集合体１０のどの燃料棒６と一致するかを判定することができる。
【００３８】
図３からさらにわかるように、電気回路装置４４はさらに、較正回路として使用できる共振電気回路６０を含む。つまり、共振電気回路５０は燃料棒６の内部領域３６の特性または状態を感知するセンサ回路として使用でき、共振電気回路６０は共振電気回路５０からの信号を部品の劣化、温度ドリフトなどに対して補償するための較正回路として使用できる。この点に関し、共振電気回路６０は、共振電気回路５０のコンデンサ５４およびインダクタ５６と同じ物性を持つように選択されるコンデンサ６２とインダクタ６６を含む。ただし、以下に詳細に述べるように、共振電気回路５０は、例示すると、燃料ペレット３８の温度および／または伸び、および／または内部領域３６の雰囲気圧力などの内部領域３６で測定中の状態に曝される。較正回路として使用できる共振電気回路６０は一般的に、測定中のその状態にそれほど曝されるわけではない。この種の較正は、本明細書の他の箇所で詳細に説明するようなレシオメトリック分析を使用して実施される。
【００３９】
図３からさらにわかるように、呼びかけ装置４８は送信器６８と受信器７２を含むと言える。送信器６８は、内部に呼びかけ装置４８がある計装シンブル８の被覆だけでなく燃料棒６の被覆３２も通過できる磁場信号としての励起パルス７４を出力するように構成されている。このようにすると、励起パルス７４は、共振電気回路５０および６０のそれぞれのインダクタ５６およびインダクタ６６によって受信され、共振電気回路５０および６０にそれぞれ既知の態様の誘導共振電流が発生する。共振電気回路５０および６０に電流が誘起されると、共振電気回路５０から応答パルス７８が、また、共振電気回路６０から応答パルス８０が出力される。応答パルス７８および８０は磁場信号であり、単に無線周波数信号であるだけでなく、電気回路装置４４から被覆３２と計装シンブル８の被覆を通して伝わり、受信器７２により受信される。
【００４０】
励起パルス７４はほぼ正弦波形である。応答パルス７８および８０も同様に正弦波パルスであるが、減衰していく正弦波パルスであり、図５Ａと５Ｂは代表的な２つの異なる応答パルス７８の一対の軌跡を示している。この点において、応答パルス７８の周波数は、燃料棒６内の例えば温度のようなパラメータの一つと相関関係があり、応答パルス７８のピーク振幅は、燃料棒６内の例えば燃料ペレット３８の伸びのような別のパラメータに相応し、応答パルス７８の減衰速度は、燃料棒６の例えば内部領域３６の雰囲気圧力のような別のパラメータと相関関係がある。このように、応答パルス７８は、電気回路装置４４を内蔵する燃料棒６の内部領域３６の複数のパラメータまたは状態と相関関係がある。
【００４１】
前記の応答パルス７８および８０のレシオメトリック分析は普通、応答パルス８０に対する応答パルス７８の比率、あるいはその逆の比率を取ることにより、部品の劣化や温度ドリフトの影響を排除する。例えば、共振電気回路５０および６０は、経時的に劣化するため出力信号に影響が出る可能性がある。同様に、共振電気回路５０および６０の出力信号は、原子炉１２の温度と共に変化する可能性がある。これらの要因を補償するために、共振電気回路５０と共振電気回路６０は、経時的に実質的に同じ速度で劣化すると想定する。また、共振電気回路５０と６０は、原子炉１２の内部で巨視的、つまり全体的には同じ温度に曝される。応答パルス７８と８０の比率（例えば、周波数の比率）を取り、その比率を基に対応する温度値、伸び値、および／または圧力値をデータテーブル３０で検索すると、共振回路５０における部品の劣化や温度ドリフトの個別の影響が排除される。その理由は、共振電気回路５０と６０はいずれも同様の部品劣化や温度ドリフトを経験すると想定されるため、レシオメトリック信号は部品の劣化や温度ドリフトとは無関係であるからである。
【００４２】
図４に最もよく示されているように、電気回路装置４４はさらに、燃料棒６の内部領域３６に位置する伸び伝達装置８４を含む。伸び伝達装置８４は、図示の典型的実施態様ではセラミック材料で形成され、燃料ペレット３８の積層体に当接する支持体８６を含む。支持体８６は内部に挿入穴８７を有し、伸び伝達装置８４はさらに、挿入穴８７に挿入されるフェライト棒８８より成る伸び要素を含む。インダクタ５６は、セラミック材料で形成された管体９２の外側表面上にあって管体を取り囲むコイル９０を含む。管体９２は、支持体８６とは反対側のフェライト棒８８の端部を挿入できる内部領域９４を有する。
【００４３】
燃料ペレット３８は、温度が上がると熱膨張して、支持体８６を図４の右方向へ押し進めるため、同様に右方向へ移動するフェライト棒８８の内部領域９４へ挿入される部分が相対的に長くなり、インダクタ５６のインダクタンスが変化する。こうしてインダクタ５６のインダクタンスが変化すると、励起パルス７４による共振電気回路５０の電気的共振時に検出可能な共振電気回路５０の周波数が調整を受ける。したがって、共振電気回路５０からの応答パルス７８は、燃料ペレット３８の伸びの程度を示す周波数を有する。応答パルス７８と８０は受信器７２によって受信され、それに応答して受信器７２が複数の信号を電子処理装置１６に送信する。電子処理装置１６は、応答パルス７８と８０の比率、またはその逆の比率を用い、応答パルス７８と８０の唯一無二の公称周波数を基に、データテーブル３０から電気回路装置４４を内蔵する燃料棒６の識別情報を検索し、さらに、データテーブル３０から応答パルス７８によって例示される燃料ペレット３８の伸びの程度に対応する値を検索する。そのあと、これらのデータは、例えば原子炉１２の主データ監視システムや別の場所へ送信することができる。
【００４４】
この点において、共振電気回路６０に代表される較正回路は、燃料の伸び、燃料中心温度および雰囲気圧力のようなさまざまな燃料棒６内の特性または状態の検出には、厳密にいうと絶対必要とされるものではないことに留意すること。このように、較正回路６０は本質的にオプションであり、データ収集作業を単純化し、部品の劣化や温度ドリフトに伴う制約を克服するために用いることができるが、較正回路６０は検出装置４の動作に必要であるとは思われない。そのため、本明細書の他のところに記載される他のさまざまな実施態様の他のさまざまな種類の電気回路装置は、本発明の精神から逸脱しない範囲で、較正回路を含む場合と含まない場合があることがわかる。この点において、較正回路６０は電気回路装置４４の関連でのみ記載されることに留意すること。ただし、本明細書に記載したそれ以外の電気回路装置の他の実施態様はいずれもこのような較正回路を組み入れる場合があることに留意されたい。
【００４５】
上記のように、応答パルス７８はピーク振幅、周波数および減衰速度などの特性を持つ減衰正弦波である。図５Ａはこの種の応答パルス７８の軌跡９６Ａを示し、図５Ｂはこの種の応答パルス７８の別の軌跡９６Ｂを示す。図５Ａと５Ｂから、図５Ａの軌跡の方が図５Ｂの軌跡９６Ｂより、ピーク振幅が大きく、周波数が高く（周期９８Ａは図５Ｂの周期９８Ｂより短い）、さらに減衰速度が大きいことがわかる。このように、温度、圧力、および伸びのいずれであれ、軌跡９６Ａおよび９６Ｂのどちらかの周波数から直接測定できる一方、例えば手順２８およびデータテーブル３０の構成によってはこの種の軌跡９６Ａと９６Ｂそれぞれから複数のこの種のパラメータを同時に得られることがわかる。
【００４６】
このように、燃料ペレット３８が伸びると、フェライト棒８８をコイル９０に対して相対的に移動させるため、インダクタ５６のインダクタンス値に影響を及ぼすと言える。これは、共振電気回路５０によって出力される応答パルス７８の周波数に影響を及ぼすので、電子処理装置１６は手順２８とデータテーブル３０によってこの周波数の変化を検出することができる。
【００４７】
図６は、本発明の第２の実施態様による改良型電気回路装置１４４を示す。電気回路装置１４４は、コンデンサ１５４とインダクタ１５６を有する共振電気回路１５０を含み、その点で電気回路装置４４と同様である。ただし、電気回路装置１４４は、燃料棒６内の燃料ペレットの中心温度の測定を可能にする温度伝達装置１８４を含む。具体的に、温度伝達装置１８４は、内部に挿入穴１８７を形成した変形燃料ペレット１８６を含む。温度伝達装置１８４はさらに、挿入穴１８７に挿入される細長いタングステン棒１８９を含む。この細長い要素１８９はこの実施態様ではタングステン製として示されているが、例えばモリブデンなどの融点の高い他のさまざまな金属や合金はどれでも、タングステンの代わりに使用できることがわかる。温度伝達装置１８４はさらに、タングステン棒１８９に当接するフェライト棒１８８を含み、タングステン棒１８９は変形燃料ペレット１８６に当接することがわかる。インダクタ１５６は、フェライト棒１８８上に直に設けたコイル１９０を含む。
【００４８】
運転中、燃料ペレット３８および変形燃料ペレット１８６が発生する熱はタングステン棒１８９とフェライト棒１８８を伝わるので、フェライト棒１８８の温度は燃料ペレット３８および変形燃料ペレット１８６の温度と一致するようになる。フェライト棒１８８の透磁率は温度によって変化するが、この温度による透磁率の変化を図７に略示するグラフで表す。図７のグラフの丸で囲った部分は、熱が変形燃料ペレット１８６からタングステン棒１８９を通してフェライト棒１８８に伝わった後フェライト棒１８８に普通見られる温度と、曲線の図７に示す位置における勾配が表すフェライト棒１８８の温度と透磁率の相関関係とを示す。
【００４９】
上述したように、温度によって変化するフェライト棒１８８の透磁率がインダクタ１５６のインダクタンスに影響を及ぼす結果、共振回路１５０が出力する応答パルス７８の周波数は、フェライト棒１８８の透磁率、ひいては燃料ペレット３８と変形燃料ペレット１８６の温度によって直接変化することになる。このように、燃料ペレット３８と変形燃料ペレット１８６の温度の測定は、手順２８により、共振電気回路１５０が出力する応答パルス７８を検出したあと、データテーブル３０から、検出した応答パルス７８の周波数に対応する温度を検索することによって行うことができる。
【００５０】
本発明の第３の実施態様による改良型電気回路装置２４４を図８に示す。これは、燃料棒の中で電気回路装置４４と同様の態様で使用できる。電気回路装置２４４は、燃料棒６の内部領域３６に挿入可能であり、共振電気回路２５０と、一組の変形燃料ペレット２８６の温度を検出する温度伝達装置２８４とを含む。変形燃料ペレット２８６はそれぞれ、内部に挿入孔２８７が形成されている。温度伝達装置２８４は、原子炉１２の運転中は液体である液体金属２９１をある量含む。温度伝達装置２８４はさらに、液体金属２９１に接触してその上に浮力で浮かんでおり、共振電気回路２５０のインダクタ２５６のコイル２９０の内部領域へ貫入する、フェライト棒２８８を含む。液体金属２９１は、変形燃料ペレット２８６の温度の上昇および低下に伴って膨脹および収縮する。したがって、コイル２９０に対するフェライト棒２８８の位置は、変形燃料ペレット２８６の中心温度に直接依存する。フェライト棒２８８がこのようにコイル２９０に対して移動すると、インダクタ２５６のインダクタンスに影響が及ぶため、共振電気回路２５０の周波数もそれに応じた影響を受ける。このように、共振電気回路２５０が発生する応答パルス７８は、受信器７２が受信して、電子処理装置１６に伝え、電子処理装置１６が手順２８とデータテーブル３０を用いて、これに対応する変形燃料ペレット２８６、したがって対応する燃料棒６の温度を突き止める。
【００５１】
図９は、本発明の第４の実施態様による改良型電気回路装置３４４を示す。電気回路装置３４４は、燃料棒６の内部で使用され、共振電気回路３５０と圧力伝達装置３８５を含む。圧力伝達装置３８５は、燃料棒６内の雰囲気圧力を測定できるように構成され、燃料ペレット３３８の積層体に当接する支持体３８６を含む。圧力伝達装置３８５はさらに、フェライト棒３８８と、蛇腹３９３の形をした容器とを含み、蛇腹３９３は空洞３９５と複数の波形表面３９６とを有する。空洞３９５は開いているため、燃料棒６の内部領域と流体連通関係にある。また、フェライト棒３８８の反対側にある蛇腹３９３の端部は支持体３８６に固着されている。
【００５２】
共振電気回路３５０はコンデンサ３５４を含むが、さらに、内部３９４にフェライト棒３８８を挿入できる中空管３９２の外面にコイル３９０を巻回したインダクタ３５６を含む。蛇腹３９３とフェライト棒３８８は、ばねによって一般的に燃料ペレット３３８の方へ付勢されるが、支持体３８６がこれらを可動的に受け止める。
【００５３】
関連の技術で理解されているように、原子炉１２の運転中は、１種以上の希ガスを含む核分裂ガスが生成される。この種の核分裂生成ガスは、燃料棒６の内部領域の雰囲気圧力を増加させる。中空の空洞３９５は燃料棒６の内部領域と流体連通関係にあるので、内部領域３６の増加した圧力が空洞３９５を囲む蛇腹３９３にかかり、蛇腹３９３を軸方向に引き伸ばして、フェライト棒３８８をコイル３９０に対して移動させ、インダクタ３５６のインダクタンスを変化させる。燃料棒６の内部領域３６の雰囲気圧力の増加により蛇腹３９３が引き伸ばされるため、コイル３９０内に位置するフェライト棒３８８の部分の長さが漸増する結果、インダクタ３５６のインダクタンスがそれに応じて変化する。
【００５４】
インダクタ３５６のインダクタンスの相応の変化は共振電気回路３５０の周波数に予測可能な形で影響を及ぼし、また同様に共振電気回路３５０が出力する応答パルス７８の周波数に影響を与える。その結果、共振電気回路３５０からの応答パルス７８を受信器７２が受信して、電子処理装置１６に伝え、手順２８とデータテーブル３０により、燃料棒６の内部領域３６の雰囲気圧力に関する対応値が得られる。雰囲気圧力に関するこの種の値はその後、原子炉１２の社内データシステムに送信することが可能である。
【００５５】
本発明の第５の実施態様による改良型電気回路装置４４４を図１０に略示する。電気回路装置４４４は、燃料棒６の内部領域４３６に位置し、コンデンサとインダクタ４５６がある共振電気回路４５０を含む。
【００５６】
電気回路装置４４４はさらに、図示された実施態様の一例ではらせん形の中空管であるブルドン管４９３の形をした容器より成る圧力伝達装置４８５を含む。ブルドン管４９３の中空管は空洞４９５を形成している。ただし、ブルドン管４９３の端部に入口４９７があるため、この入口４９７がブルドン管４９３の内部へ流体を連通させる。さらに詳しく言うと、電気回路装置４４４はさらに、入口４９７の近くにあるブルドン管４９３の端縁部と燃料棒６の内部領域４３６の内面との間に拡がるシールより成る支持体４８６を含む。したがって、支持体４８６により、内部領域４３６が、多数の燃料ペレット４３８を内蔵する主要部４８１と、ブルドン管４９３およびインダクタ４５６を内蔵する小領域４８３とに分割される。ブルドン管４９３はまた、支持体４８６の上に支持される。支持体４８６は、ブルドン管４９３の入口４９７がその内部と主要部４８１の間を流体連通関係にする点を除き、主要部４８１と小領域４８３の間の流体連通を阻止する。
【００５７】
圧力伝達装置４８５はさらに、ブルドン管４９３の入口４９７とは反対の端部の上に位置するフェライト棒４８８を含む。インダクタ４５６はコイル４９０を含み、フェライト棒４８８がコイル４９０に対して移動すると、インダクタ４５６のインダクタンスが変化して、電気回路装置４４４が発生する応答パルス７８の周波数を内部領域４３６の主要部４８１の雰囲気圧力に応じて変化させる。さらに詳しく言うと、核分裂生成ガスが内部領域４３６の主要部４８１に蓄積するにつれて、主要部４８１の雰囲気圧力が上昇し、ブルドン管４９３の空洞４９５の雰囲気圧力も同様に上昇する。小領域４８３は主要部４８１が経験するような雰囲気圧力の上昇を経験しないので、ブルドン管４９３の空洞４９５の雰囲気圧力が上昇すると、ブルドン管４９３が膨脹し、フェライト棒４８８がコイル４９０に対して矢印４９９の方向へ移動する。これにより、電気回路装置４４４が発生する応答パルス７８の周波数が相応に変化する。
【００５８】
かくして、内部領域４３６の主要部４８１の雰囲気圧力が変化すると、インダクタ４５６のインダクタンスが変化し、それに応じて共振電気回路４５０の公称周波数が変化し、その結果電気回路装置４４４が発生する応答パルス７８の周波数が変化することがわかる。このような応答パルス７８を受信器７２が受信して、対応する信号を電子処理装置１６に伝達すると、電子処理装置１６が手順２８とデータテーブル３０とにより、内部領域４３６の雰囲気圧力の対応する値を突き止め、必要に応じて出力する。
【００５９】
本発明の第６の実施態様による改良型電気回路装置５４４を図１１に略示する。電気回路装置５４４は、ブルドン管５９３を空洞５９５を有する容器として用いる点で電気回路装置４４４と同様である。ただし、電気回路装置５４４は、ブルドン管５９３のフェライト棒５８８とは反対側の端部にプラグ５９７を設けたため、ブルドン管の中空の空洞５９５と燃料棒６の内部領域５３６とは流体連通関係になく、内部領域５３６の雰囲気圧力が上昇するとブルドン管５９３が収縮する。ブルドン管４９３はプラグ５９７の周辺で支持体５８６に支持されており、内部領域５３６の雰囲気圧力が上昇してブルドン管４９３が収縮すると、フェライト棒５８８はコイル５９０に対して矢印５９９の方向へ移動する。
【００６０】
電気回路装置５４４は、コンデンサとインダクタ５５６を有する共振電気回路５５０を含んでおり、フェライト棒５８８がインダクタ５５６のコイル５９０に対して移動すると、インダクタ５５６のインダクタンスが変わるため、共振電気回路５５０の公称周波数が変わる。したがって、電気回路装置５４４は、ブルドン管の空洞５９５が内部領域５３６と流体連通関係にはなく内部領域５３６の雰囲気圧力が上昇するとブルドン管が収縮する点を除いて圧力伝達装置４８５と類似する圧力伝達装置５８５を含む。
【００６１】
本発明の第７の実施態様による改良型電気回路装置６４４は、コンデンサ６５４とインダクタを有する共振電気回路６５０を含む。コンデンサ６５４は、一対のプレート６５２Ａと６５２Ｂを誘電体６５３によって離隔したものである。電気回路装置６４４は、燃料棒６の内部領域３６に収容して、燃料棒６の内部領域３６の雰囲気圧力の変化に応答して周波数が調整される応答パルス７８を出力させることができる。
【００６２】
さらに詳しく言うと、誘電体６５３は本来、吸湿性であり、原子炉１２の運転中に発生する核分裂生成ガスのうち少なくとも一部を吸収するように構成される。誘電体６５３が核分裂生成ガスを吸収すると、誘電体６５３の誘電率が変化して、コンデンサ６５４の静電容量が変わるため、共振電気回路６５０が発生する応答パルス７８の周波数にこれに応じた影響が生じる。このように、燃料棒６の内部領域３６の雰囲気圧力の変化に応じてコンデンサ６５４の静電容量が変化し、共振電気回路６５０が発生する応答パルス７８の周波数が同様な影響を受ける。応答パルス７８が受信器７２によって受信されると、受信器７２はそれに応答して電子処理装置１６に信号を伝え、電子処理装置１６はこの信号から、手順２８とそれに関連するデータテーブル３０を用いて、電気回路装置６４４を内蔵する燃料棒６の内部領域３６の雰囲気圧力に関する値を求め、出力する。
【００６３】
燃料棒６の内部領域７３６に位置する本発明の第８の実施態様による電気回路装置７４４を、図１３に略示する。電気回路装置は、コンデンサ７５４とインダクタ７５６を含む共振電気回路７５０を含む。
【００６４】
電気回路装置７４４に含まれる圧力伝達装置７８５は、コンデンサ７５６をその上に静置させた支持体７８６と、フレキシブルシール７８２を含む。さらに詳しく言うと、コンデンサ７５４の、誘電体７５３を間にはさむ一対のプレート７５２Ａと７５２Ｂのうちのプレート７５２Ａは支持体７８６上に位置し、フレキシブルシールはプレート７５２Ｂと燃料棒６の内面との間に拡がって、内部領域７３６を、多数の燃料ペレット７３８を内蔵する主要部７８１とインダクタ７５６、プレート７５２Ａ、支持体７８６および誘電体７５３を内蔵する小領域７８３とに分割する。支持体７８６は剛体であるが、主要部７８１の雰囲気圧力が上昇または低下すると、フレキシブルシール７８２が支持体７８６に対して移動するように、多数の開口部が設けられている。このように、フレキシブルシール７８２は、核分裂生成ガスが生成される主要部７８１と小領域７８３との間の流体連通を阻止する。
【００６５】
主要部７８１の雰囲気圧力が変化すると、フレキシブルシール７８２とプレート７５２Ｂが、支持体７８６上にあって静止状態のプレート７５２Ａに対して移動する。誘電体７５３は、プレート７５２Ｂがプレート７５２Ａに対して移動するのに応答して少なくともある程度伸び縮みする構成である。一方、プレート７５２Ｂがこのようにプレート７５２Ａに対して移動すると、コンデンサ７５４の静電容量が変化するため、主要部７８１の雰囲気圧力が変化すると、共振電気回路７５０が発生する応答パルス７８の周波数にそれに対応する変化が生じることになる。したがって、内部領域７３６の主要部７８１の雰囲気圧力の変化に応じて受信器７２が受信する応答パルス７８の周波数が変化し、その結果電子処理装置１６に信号が伝えられることがわかる。電子処理装置１６は、手順２８とデータテーブル３０を用いて、応答パルス７８の周波数に対応する、内部領域７３６の主要部７８１の雰囲気圧力を示す圧力値を突き止める。
【００６６】
かくして、燃料集合体１０のさまざまな燃料棒６内の雰囲気圧力、燃料ペレットの中心温度および伸びなどのパラメータを直接測定することができるさまざまな電気回路装置が提供されることがわかる。既に指摘したように、いずれの電気回路装置も、部品の劣化や温度ドリフトを補償するための較正回路を含むことができる。燃料ペレットの中心温度と伸びや燃料棒６の雰囲気圧力などのパラメータを直接測定するとともに、或る特定の状況における応答パルス７８をピーク振幅、周波数および減衰速度について解析すると、燃料棒６の複数の同じパラメータを間接的かつ同時に提供できることに再度触れたい。他の方法も明らかになることだろう。
【００６７】
本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。
【図１】
2021505895.tif 000003
【図２】
2021505895.tif 000004
【図３】
2021505895.tif 000005
【図４】
2021505895.tif 000006
【図５Ａ】
2021505895.tif 000007
【図５Ｂ】
2021505895.tif 000008
【図６】
2021505895.tif 000009
【図７】
2021505895.tif 000010
【図８】
2021505895.tif 000011
【図９】
2021505895.tif 000012
【図１０】
2021505895.tif 000013
【図１１】
2021505895.tif 000014
【図１２】
2021505895.tif 000015
【図１３】
2021505895.tif 000016
【国際調査報告】
2021505895.tif 000017
2021505895.tif 000018