(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料棒の被覆表面の酸化物材料からなる層が、当該層の上に強磁性材料を含むクラッド層を有しており、前記酸化物材料の層の厚さが未知の場合に当該層の厚さを求める形式の、核燃料棒の被覆表面の酸化物材料からなる層の厚さを求める方法において、
うず電流センサのプローブを、強磁性材料を含むクラッド層の表面に配置し、ここで前記プローブはコイルを有しており、該コイルは第１周波数の交流によって励磁され、ここで該第１周波数の交流は、当該第１周波数の交流が強磁性材料を含むクラッド層だけを貫通し、かつ前記プローブの第１複素インピーダンスを形成するように選択されており、ここで該第１複素インピーダンスは、強磁性材料を含むクラッド層の透磁率変化と、厚さ変化と、導電率変化とを表しており、さらに前記コイルは第２周波数の交流によって励磁され、ここで該第２周波数は、強磁性材料を含むクラッド層と、酸化物材料の層と、核燃料棒被覆とを貫通し、かつ前記プローブの第２複素インピーダンスを形成するように選択されており、ここで該第２複素インピーダンスは、実質的に酸化物材料からなる層によって形成された、強磁性材料を含むクラッド層の透磁率変化と、厚さ変化と、導電率変化と、リフトオフの測定した変化とを表しており、
前記プローブを前記第１周波数の交流によって励磁し、
前記プローブを前記第２周波数の交流によって励磁し、
前記の第１複素インピーダンスと第２複素インピーダンスとを測定し、
第１複素インピーダンスの位相を回転し、これによって第１複素インピーダンスの極性が第２複素インピーダンスと１８０°をなすようにし、
第２複素インピーダンスと、前記の位相を回転した第１複素インピーダンスとを加算し、当該加算によって、実質的に酸化物材料からなる層の厚さを表す合成複素インピーダンスを形成することを特徴とする
核燃料棒の被覆表面の酸化物材料からなる層の厚さを求める方法。
【請求項２】
前記酸化物材料の層の酸化物材料は、ジルコニウムの酸化物である
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第２周波数の範囲は２〜３ＭＨｚである
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１周波数は１０ＭＨｚである
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２周波数の範囲は２〜３ＭＨｚである
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
実質的に酸化物材料からなる層の酸化物材料は、ジルコニウムの酸化物である
請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的には、核燃料エレメントの核燃料棒の被覆に形成された強磁性および非強磁性クラッドならびに酸化ジルコニウムからなる１つまたは複数の導電層の厚さを測定するためのうず電流試験方法に関し、またジルコニウム合金の燃料棒被覆と、１つまたは複数の強磁性および／または非強磁性クラッドの導電層との間にある酸化ジルコニウム層の厚さを精確に測定するためのうず電流試験方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉の運転中、各核燃料アセンブリに配置された核燃料棒は、炉心の冷却／減速材に浸される。燃料棒に対してジルコニウムまたはジルカロイ被覆管を使用する軽水炉では、水冷却減速材と被覆管のジルコニウムとが反応する結果、酸化ジルコニウムが燃料棒に形成される。この酸化物は約２００μｍの厚さまで堆積することがある。酸化ジルコニウムは、燃料棒被覆管から冷却／減速材への熱伝導に不利な影響を与えるため、また金属損によって被覆壁の厚さが薄くなることによって被覆の構造的な質が影響を受けるため、各燃料棒に許容される最大酸化物量には限界がある。燃料棒がいったんこの限界に到達すると、この燃料棒は使用中止になり、除去しなければならない。
【０００３】
通常の水化学の原子炉（例えば、水の冷却／減速材に亜鉛または貴金属が付加されていない原子炉）では、通例、燃料棒にクラッドがデポジットされないか、限られた量のクラッドしかデポジットされないため、標準のうず電流リフトオフ測定技術を使用することができる。このような標準の技術では、酸化ジルコニウム層によって形成されたパラメタ（例えばリフトオフベクトル）が測定され、つぎにこれが酸化ジルコニウム層の厚さに相関つけられる。
【０００４】
しかしながら原子炉の冷却材は、溶解した粒子を、原子炉冷却材システム部材と配管とから搬送することがあり、このような溶解した粒子を核燃料棒にデポジットすることがある。
【０００５】
アドミラルチーブラス部材を蒸気復水器に有する沸騰水型炉（ＢＷＲ=Boiling Water Reactor）では、また亜鉛注入水化学を使用するＢＷＲおよび加圧水型炉（ＰＷＲ=Pressured Water Reactor）では、強磁性クラッドが同様に燃料棒に形成される。例えば亜鉛注入化学を使用する原子炉では、亜鉛スピネル（ＺｎＦｅ4Ｏ2）およびヘマタイトの層が、粘着性のクラッド層を酸化ジルコニウム層の上に形成する。このクラッド層は、鉄が存在するため強磁性である。さらに鉄と亜鉛によって形成される合金は、クラッド層の導電率と透磁率に影響を与える。クラッド層と酸化層の両方の厚さの測定は、核燃料棒の熱流体性能と、燃料棒動作制限への適合性と、燃料棒の耐用年数とを精確に評価するために重要である。
【０００６】
しかしながらクラッド層の強磁性材料は、燃料棒の被覆酸化層の厚さと求めるのに使用される標準のうず電流リフトオフ測定に障害を与える。強磁性材料を有するクラッド層は、これまで従来の方法では精確に測定されておらず、これら方法が原因で被膜酸化層の厚さが過大に見積もられていた。
【０００７】
１つまたは複数の腐食層の厚さを測定するための標準のリフトオフ測定では、燃料棒の表面に配置される、導電性のワイヤからなるコイルを有するプローブを使用する。コイルが試験体の表面からリフトオフするのに伴い、コイルのインピーダンスが、試験体の部分に形成されるうず電流の低減作用に応じて変化する。コイルが形成する軌跡をリフトオフベクトルと称する。核燃料棒を試験する場合、ベースまたは被覆材料の導電率は変化しないため、これはリフトオフ曲線のリトレース曲線に影響を与えない。インピーダンス変化は、うず電流コイルが試験体をリフトオフした距離に直接、相関すると推定される。インピーダンスチャートで図１に示したように強磁性材料およびこれに対応する透磁率の軌跡（図１の点Ａから点Ｃまでの部分として示されている）は基本的な方向が、非磁性のベース材料（すなわち燃料棒被覆）に対するリフトオフ曲線（図１の点Ｂから点Ａまでの部分として示されている）と同じである。リフトオフの軌跡の方向および大きさの変化は、強磁性のクラッド層によって発生する。リフトオフ軌跡の方向および大きさのこのような変化が、非磁性のベース材料からのリフトオフ軌跡に、従来技術の装置では通例のように加えられてしまうと、燃料棒の酸化物の厚さは、実際よりも１０倍もの厚さで不精確に求められてしまう。
【０００８】
燃料棒の被覆の強磁性材を含むクラッドの層および酸化ジルコニウム層の厚さを測定する従来の方法では、予想される強磁性のクラッド層の影響に起因して補正係数を使用しなければならない。この補正係数は、強磁性材を含むクラッド層の影響が、厚さの線形関数であると仮定することによって求められる。しかしながらこの仮定は、厚さ、成分、燃料棒被覆の軸方向の長さに沿った透磁率を変化させる、クラッドの実際の状態を正しく表してはおらず、ましては精確に表してもいない。したがってこの補正係数およびこの仮定それ自体が、実際の厚さと記録された厚さとの重大な差を導入してしまう。この補正係数は集積されたデータから抽出されたものであり、クラッド層と酸化ジルコニウム層との仮想的な合計の厚さを与えるだけである。強磁性材を含むクラッド層と酸化ジルコニウム層のそれぞれの厚さを、このような従来技術によって決定することはできない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、核燃料棒被覆表面に形成された強磁性材料を含むクラッド層および酸化物層の厚さを精確に測定できる方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明の請求項１の特徴部分に記載された構成を有する方法によって解決される。
【００１１】
【発明の実施の形態と利点】
本発明が従来技術の装置および方法よりも有利であるのは、核燃料棒被覆に形成された、強磁性材料を含むクラッド層の厚さが精確に測定されることである。
【００１２】
さらに本発明が従来技術の装置および方法よりも有利であるのは、核燃料棒被覆表面に形成された酸化ジルコニウム層の厚さが精確に測定されることである。
【００１３】
さらに本発明が従来技術の装置および方法よりも有利であるのは、核燃料棒被覆表面に形成された、強磁性材料を含むクラッド層および酸化ジルコニウム層の厚さが精確に測定されることである。
【００１４】
本発明では、核燃料棒の被覆表面の、実質的に酸化物材料からなる層が、その上に実質的に強磁性材料からなる層を有しており、前記の実質的に酸化物材料からなる層の厚さが未知の場合に、この実質的に酸化物材料からなる層の厚さを求める方法が提供される。この方法は次のようなステップを有するする。すなわち、うず電流センサのプローブを、実質的に強磁性材料からなる層の表面に配置し、ここでこのプローブはコイルを有しており、このコイルは第１周波数の交流によって励磁され、ここでこの第１周波数の交流は、これが実質的に強磁性材料からなる層だけを貫通し、かつ前記プローブの第１複素インピーダンスを形成するように選択されており、ここでこの第１複素インピーダンスは、実質的に強磁性材料からなる層の透磁率変化と、厚さ変化と、導電率変化とを表しており、前記コイルは第２周波数の交流によって励磁され、この第２周波数の交流は、これが強磁性材料を含む層と、酸化物材料の層と、核燃料棒の被覆とを貫通し、かつプローブの第２複素インピーダンスを形成するように選択されており、ここでこの第２複素インピーダンスは、実質的に酸化物材料からなる層によって形成された、強磁性材料を含むクラッド層の透磁率変化と、厚さ変化と、導電率変化と、リフトオフの測定した変化とを表しており、プローブを第１周波数および第２周波数の交流によって励磁し、第１複素インピーダンスと第２複素インピーダンスとを測定し、第１複素インピーダンスの位相を回転し、これによって第１複素インピーダンスの極性が第２複素インピーダンスと１８０°をなすようにし、第２複素インピーダンスと、位相を回転した第１複素インピーダンスとを加算し、当該加算によって、実質的に酸化物材料からなる層の厚さを表す合成複素インピーダンスを形成する。
【００１５】
【実施例】
本発明の１実施形態ではうず電流コイルは、通例は１０ＭＨｚである第１周波数で動作する。うず電流の貫通の深さは、周波数の逆数に関係する。
【００１６】
Ｓ＝（１／πｆμ0μσ）1/2          （数式１）
ここで、
Ｓ＝標準の貫通の深さ（ただしうず電流密度は、その表面の値の３７％に減衰されている）
ｆ＝うず電流プローブの動作周波数
μ0＝普遍透磁率または空気の透磁率
μ＝試験体または材料の比透磁率
σ＝試験体または材料の導電率
このように１０ＭＨｚの高い周波数を選択することによって、うず電流コイルインピーダンスの変化により、クラッドの透磁率、厚さ、および導電率だけが測定される。なぜならばこの周波数は十分に高いため、十分な深さまで貫通せずに通例はジルカロイである燃料棒被覆材料の導電率により影響を受けないからである。この測定から、強磁性材料を含むクラッド層の厚さ、透磁率、導電率の変化が測定される。この方法は、従来技術の方法よりも精確である。それはこの方法では、強磁性材料を含むクラッド層だけを貫通するからであり、かつ強磁性材料を含むクラッド層の実際の、しかも変化した特性だけが測定され、特定の強磁性材料に対する実際の厚さデータが得られ、燃料棒被覆に実際に存在する強磁性材料に単に類似している強磁性材料からは得られないからである。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、第２の周波数が同一のコイルに供給され、この第２周波数によって、うず電流は、クラッドと、酸化物層と、少なくとも１つの標準の貫通の深さで燃料棒被覆とを貫通する。周波数の関数としてのうず電流の貫通の深さは、ここでも数式１によって表される。択一的には第２のコイルを、単一のコイルの代わりに使用することも可能である。
【００１８】
クラッドと、酸化物層と、燃料棒被覆とを貫通するように選択された、有利には２〜３ＭＨｚである周波数のより低い第２周波数を使用することによって、うず電流コイルインピーダンスの変化は、酸化ジルコニウム層のリフトオフベクトル（燃料棒被覆の導電率が一定であるとした場合）と、強磁性クラッド導電率、厚さ、および透磁率のベクトルとの合成になる。
【００１９】
標準のうず電流測定技術を使用する場合、非磁性の燃料棒被覆に誘導されるうず電流は、うず電流プローブによって形成された誘導うず電流と対抗する。燃料棒被覆がその上に強磁性材料を含むクラッドを有する場合、上にあるクラッド層に誘導されるうず電流は、非磁性の燃料棒被覆に形成されるうず電流よりも大きく、これと同相（すなわち加算的）である。これにより燃料棒被覆の上にある層の厚さの測定は偏る傾向があり、層は実際よりも厚くなることがわかる。
【００２０】
本発明では、測定したパラメタ、すなわちうず電流コイルを比較的高い周波数で動作させることによって得られた、強磁性クラッドの透磁率と厚さの軌跡（ａ）を、うず電流コイルを比較的低い周波数で動作させることによって得られた、酸化ジルコニウムの厚さ（すなわちリフトオフ軌跡）と強磁性クラッド層の厚さ（すなわち合成された透磁率と厚さの軌跡）を表す測定パラメタ（ｂ）からベクトル的に減算することによって、得られたインピーダンス信号は、酸化ジルコニウム層のリフトオフベクトルからだけのデータを表し、強磁性クラッド層の影響はキャンセルされる。したがって上記の誤差または偏りは除去され、酸化ジルコニウム層の実際の厚さを表すデータが得られる。高い周波数を使用してうず電流を強磁性材料に誘導した測定には、誤差が含まれない。それは強磁性材料に誘導されるうず電流と、非磁性材料に誘導されるうず電流とは交差しないからである。
【００２１】
２つまた１つのコイルを有するマルチ周波数うず電流テスタを使用する場合、比較的高い周波数からの情報は、比較的高いおよび比較的低い周波数の全体信号から、うず電流テスタ内のフィルタを使用して抽出される。比較的高い周波数の信号からの情報は位相が回転され、これによってその極性が比較的低い周波数の信号と１８０°をなすようにする。これにより高い周波数の信号と低い周波数の信号は、振幅が補正され、位相が加えられ、濾波される。得られたインピーダンス信号は、酸化ジルコニウムリフトオフベクトルからだけのデータを表しており、強磁性クラッド層の影響はキャンセルされている。さらに、強磁性クラッド層の厚さベクトル（図１では点Ｃと点Ｅとの間のグラフで表される厚さ減少の軌跡として示されている）を、標準と比較してクラッド層の厚さを求めることができる。例えばコバルトまたはニッケルが存在することによって強磁性クラッド層の組成に変化があれば、透磁率の軌跡（図１の点Ａから点Ｃ）または導電率の軌跡（図１の点Ｃから点Ｄ）に、このような変化を透磁率および／または導電率の軌跡における位相シフトによって識別することができる。択一的には、位相の加算をコンピュータ上でオフラインで実行することが可能である。
【００２２】
本発明の利点は、強磁性クラッドの特性および厚さの変化を直接、測定できることである。従来技術はシミュレーションされたクラッドの厚さおよび特性に基づいており、このことは測定の精度に影響する。本発明の方法は、クラッド層および酸化物層データを得るために、誤った近似を適用していない。本発明によれば、強磁性クラッド層と酸化ジルコニウム層の厚さをそれぞれ、補正係数を使用して近似するのではなく測定することができ、これによって燃料性能および動作マージンを評価するための実際の尺度が提供される。
【００２３】
したがって本発明によって以下を精確に測定することができる。すなわち非強磁性導電材料のベース上にある、
（ａ）  非導電性酸化物層を覆う、厚さおよび透磁率が変化する強磁性層の厚さと、
（ｂ）  強磁性導電層の下にある酸化物層の厚さ
とを測定することができる。
【００２４】
さらに本発明は、最上層の強磁性層を通して行われる、非強磁性導電ベース上にある複数層の任意の測定に適用することができる。
【００２５】
本発明をその有利な実施形態に基づいて示しかつ説明したが、形態および詳細な点について種々の変更を、本発明の精髄および範囲を逸脱することなくなし得ることは当業者には理解されることである。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料棒被覆からレフトオフしたうず電流プローブに対して、誘導性リアクタンスを抵抗について示した複素インピーダンス図である。
【符号の説明】
Ｂ−Ａ  非磁性体に対するリフトオフの軌跡
Ａ−Ｃ  磁性体に対する透磁率の軌跡
Ｃ−Ｄ  磁性体に対する導電率の軌跡
Ｃ−Ｅ  磁性体に対する厚さ減少の軌跡
【図１】
0004681106.tif 000002