(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
該ハウジングに近接して配置される照射済核燃料集合体から堆積物を除去する、半径方向に放射される全方位超音波エネルギを供給すべくハウジングに配置される複数の超音波トランスデューサとを有し、
前記複数の超音波トランスデューサの各々が第１端部および第２端部をもつロッドを含むように構成されており、第１端部には第１圧電トランスデューサが配置されかつ第２端部には第２圧電トランスデューサが配置されていることを特徴とする照射済核燃料集合体の洗浄装置。
【請求項２】
前記複数の超音波トランスデューサは、第１反射面、エアギャップおよび外側面を備えた関連リフレクタを有していることを特徴とする請求項１記載の洗浄装置。
【請求項３】
前記複数の超音波トランスデューサは、選択位置に最小変位節をもつ、半径方向に放射される第１組の全方位超音波エネルギ波を発生させるべく配置された第１トランスデューサと、前記選択位置に最大変位節をもつ、半径方向に放射される第２組の全方位超音波エネルギ波を発生させるべく配置された第２トランスデューサとを有することを特徴とする請求項１記載の洗浄装置。
【請求項４】
前記ハウジングは、核燃料集合体をハウジング内に指向させるガイドを備えた第１端部を有することを特徴とする請求項１記載の洗浄装置。
【請求項５】
前記ハウジングは、緊急冷却孔を形成する孔を備えた第２端部を有することを特徴とする請求項１記載の洗浄装置。
【請求項６】
前記第２端部は濾過パイピングを受け入れるように構成されていることを特徴とする請求項５記載の洗浄装置。
【請求項７】
前記濾過パイピングに連結されたポンプを更に有することを特徴とする請求項６記載の洗浄装置。
【請求項８】
前記ポンプに連結されたフィルタを更に有することを特徴とする請求項７記載の洗浄装置。
【請求項９】
前記照射済核燃料集合体をハウジング内に配置するホイストを更に有することを特徴とする請求項１記載の洗浄装置。
【請求項１０】
前記ホイストは、複数の超音波トランスデューサが付勢されている間に、核燃料集合体を、ハウジングの長手方向軸線に沿う一連の位置に再配置することを特徴とする請求項９記載の洗浄装置。
【請求項１１】
核燃料集合体をハウジングに隣接して配置する段階と、
核燃料集合体から堆積物を除去すべく、ハウジングに隣接して配置された複数の超音波トランスデューサからの、半径方向に放射される全方位超音波エネルギを核燃料集合体に供給する段階とを有し、
前記複数の超音波トランスデューサの各々が第１端部および第２端部をもつロッドを含むように構成されており、第１端部には第１圧電トランスデューサが配置されかつ第２端部には第２圧電トランスデューサが配置されていることを特徴とする照射済核燃料集合体の洗浄方法。
【請求項１２】
前記供給段階は、半径方向に放射される全方位超音波エネルギをハウジング内に選択的に反射させる段階を含むことを特徴とする請求項１１記載の洗浄方法。
【請求項１３】
前記供給段階中に、ハウジングを通して液体を循環させる段階を更に有することを特徴とする請求項１１記載の洗浄方法。
【請求項１４】
前記液体を濾過する段階を更に有することを特徴とする請求項１３記載の洗浄方法。
【請求項１５】
前記液体中の放射線強度を測定する段階を更に有することを特徴とする請求項１３記載の洗浄方法。
【請求項１６】
前記放射線強度が所定レベルに低下したときに前記供給段階を停止させる段階を更に有することを特徴とする請求項１５記載の洗浄方法。
【請求項１７】
前記供給段階中に、核燃料集合体を、ハウジングの長手方向軸線に沿う一連の位置に再配置することを特徴とする請求項１１記載の洗浄方法。
【請求項１８】
前記供給段階は、２０〜３０ｋＨｚの周波数をもつ、半径方向に放射される全方位超音波エネルギを１，０００〜１，５００ワットのトランスデューサ出力で供給する段階を含むことを特徴とする請求項１２記載の洗浄方法。
【請求項１９】
前記供給段階は、選択位置に最小変位節をもつ、半径方向に放射される第１組の全方位超音波エネルギ波を供給する段階、および前記選択位置に最大変位節をもつ、半径方向に放射される第２組の全方位超音波エネルギ波を供給する段階を含むことを特徴とする請求項１１記載の洗浄方法。
【請求項２０】
前記複数の超音波トランスデューサは、別個の４組の複数の超音波トランスデューサを含み、前記別個の４組の複数の超音波トランスデューサの各々の組は、前記ハウジングの異なる側に位置決めされていることを特徴とする請求項１記載の洗浄装置。
【請求項２１】
前記複数の超音波トランスデューサの各々は、一対の対向端によって定められる長さを有し、前記別個の４組の複数の超音波トランスデューサの各々の組の前記複数の超音波トランスデューサの各々は、前記超音波トランスデューサの各々の対向端の１つが、前記超音波トランスデューサの各々の前記対向端の少なくとも１つに隣接しているように列をなして位置決めされていることを特徴とする請求項２０記載の洗浄装置。
【請求項２２】
前記複数の超音波トランスデューサは、別個の２組の複数の超音波トランスデューサを含み、前記別個の２組の複数の超音波トランスデューサの一方の組の第１の超音波トランスデューサは、該一方の組の前記複数の超音波トランスデューサの該第１の超音波トランスデューサから向かい側に位置決めされた前記別個の２組の複数の超音波トランスデューサの他方の組の前記複数の超音波トランスデューサの少なくとも第１の超音波トランスデューサの節から、前記ハウジングに対して、オフセットしていることを特徴とする請求項２０記載の洗浄装置。
【請求項２３】
ハウジングと、
各々が半径方向に放射される全方位超音波エネルギを供給することができる複数の超音波トランスデューサとを有し、
前記複数の超音波トランスデューサの各々が第１端部および第２端部をもつロッドを含むように構成されており、第１端部には第１圧電トランスデューサが配置されかつ第２端部には第２圧電トランスデューサが配置されており、
前記複数の超音波トランスデューサは、前記複数の超音波トランスデューサの第１のトランスデューサの節が、該第１のトランスデューサに隣接した前記複数の超音波トランスデューサの第２のトランスデューサの節から、前記ハウジングに対して、オフセットするようにハウジングの１つの側に沿って実質的に列をなして位置決めされていることを特徴とする照射済核燃料集合体の洗浄装置。
【請求項２４】
前記複数の超音波トランスデューサは、第１反射面、エアギャップおよび外側面を備えた関連リフレクタを有していることを特徴とする請求項２３記載の洗浄装置。
【請求項２５】
前記複数の超音波トランスデューサの前記第１のトランスデューサの前記節は、選択位置にあり、前記複数の超音波トランスデューサの前記第２のトランスデューサの最大変位の点は、前記選択位置に位置決めされることを特徴とする請求項２３記載の洗浄装置。
【請求項２６】
前記複数の超音波トランスデューサは、
前記ハウジングの第１の側に沿って実質的に列をなして位置決めされた第１組の複数の超音波トランスデューサと、
前記第１の側と反対側の前記ハウジングの第２の側に沿って実質的に列をなして位置決めされた第２組の複数の超音波トランスデューサと、を有し、
前記第１組の複数の超音波トランスデューサの少なくとも１つは、前記第２組の複数の超音波トランスデューサの少なくとも１つと軸線に沿って１つの方向にオフセットしていることを特徴とする請求項２３記載の洗浄装置。
【請求項２７】
前記複数の超音波トランスデューサは、別個の４組の複数の超音波トランスデューサを含み、前記別個の４組の複数の超音波トランスデューサの各々の組は、前記ハウジングの異なる側に位置決めされていることを特徴とする請求項２３記載の洗浄装置。
【請求項２８】
前記複数の超音波トランスデューサの各々は、一対の対向端によって定められる長さを有し、前記別個の４組の複数の超音波トランスデューサの各々の組の前記複数の超音波トランスデューサの各々は、前記超音波トランスデューサの各々の対向端の１つが、前記超音波トランスデューサの各々の前記対向端の少なくとも１つに隣接しているように列をなして位置決めされていることを特徴とする請求項２７記載の洗浄装置。
【請求項２９】
照射済核燃料集合体の洗浄装置であって、該照射済核燃料集合体の洗浄装置は、
ハウジングと、
各々が半径方向に放射される全方位超音波エネルギを供給することができる複数の超音波トランスデューサと、を有し、
前記複数の超音波トランスデューサの少なくとも１つは、前記照射済燃料集合体の隣接した燃料棒の間の間隔にほぼ等しい節構造を有する超音波圧縮波を発生するように構成されており、
前記複数の超音波トランスデューサの各々が第１端部および第２端部をもつロッドを含むように構成されており、第１端部には第１圧電トランスデューサが配置されかつ第２端部には第２圧電トランスデューサが配置されていることを特徴とする照射済核燃料集合体の洗浄装置。
【請求項３０】
前記複数の超音波トランスデューサは、第１反射面、エアギャップおよび外側面を備えた関連リフレクタを有していることを特徴とする請求項２９記載の洗浄装置。
【請求項３１】
前記複数の超音波トランスデューサの前記第１のトランスデューサの前記節は、選択位置にあり、前記複数の超音波トランスデューサの前記第２のトランスデューサの最大変位の点は、前記選択位置に位置決めされることを特徴とする請求項２９記載の洗浄装置。
【請求項３２】
前記複数の超音波トランスデューサは、
前記ハウジングの第１の側に沿って実質的に列をなして位置決めされた第１組の複数の超音波トランスデューサと、
前記第１の側と反対側の前記ハウジングの第２の側に沿って実質的に列をなして位置決めされた第２組の複数の超音波トランスデューサと、を有し、
前記第１組の複数の超音波トランスデューサの少なくとも１つは、前記第２組の複数の超音波トランスデューサの少なくとも１つと軸線に沿って１つの方向にオフセットしていることを特徴とする請求項２９記載の洗浄装置。
【請求項３３】
多数の燃料棒を有する組み立てられた照射済燃料集合体を洗浄するように構成された装置であって、該装置は、
第１端に設けられた開口部と、長さとを有する細長いハウジングを有し、前記開口部は、前記組み立てられた照射済燃料集合体を受け入れるように構成されており、前記長さは、前記照射済燃料集合体と少なくとも同じ長さに構成されており、
前記ハウジング上に位置決めされた複数の全方位超音波トランスデューサをさらに有し、各全方位超音波トランスデューサは、
第１端と、
第２端と、
前記第１端に配置された第１圧電トランスデューサと、
前記第２端に配置された第２圧電トランスデューサと、
前記第１端と前記第２端との間に配置されたロッドと、を有し、
前記各全方位超音波トランスデューサは、前記細長いハウジングに取り付けられていることを特徴とする装置。
【請求項３４】
前記複数の全方位超音波トランスデューサは、前記ハウジングの長さ全体に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
前記複数の全方位超音波トランスデューサの各々のロッドは、前記ハウジングの長さと実質的に平行に位置決めされた細長いロッドからなることを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項３６】
前記複数の全方位超音波トランスデューサは、前記ハウジングの長さ全体に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項３５記載の装置。
【請求項３７】
前記ハウジングは、照射済沸騰水型原子炉燃料集合体を受け入れるように構成されていることを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項３８】
前記細長いハウジングは、レフレクタをさらに有し、該レフレクタは、
前記ハウジングの周囲のまわりに位置決めされた円筒状内側反射面と、
前記円筒状内側反射面の周囲のまわりに位置決め、前記円筒状内側反射面との間にギャップを形成する円筒状外側反射面と、を有することを特徴とする請求項３３記載の装置。
【請求項３９】
多数の燃料棒を有する組み立てられた照射済燃料集合体を洗浄するように構成された装置であって、該装置は、
第１端に設けられた開口部と、長さとを有する細長いハウジングを有し、前記開口部は、前記照射済燃料集合体を受け入れるように構成されており、前記長さは、前記照射済燃料集合体と少なくとも同じ長さに構成されており、
前記ハウジング上に位置決めされた複数の全方位超音波トランスデューサをさらに有し、各全方位超音波トランスデューサは、
第１端と、
第２端と、
前記第１端に配置された第１圧電トランスデューサと、
前記第２端に配置された第２圧電トランスデューサと、
前記第１端と前記第２端との間に配置されたロッドと、を有し、前記ロッドは、前記照射済燃料集合体の燃料棒間の間隔の倍数である節構造を有する全方位超音波エネルギ波を放射するように構成されており、
前記各全方位超音波トランスデューサは、前記細長いハウジングに取り付けられていることを特徴とする装置。
【請求項４０】
前記倍数は、１倍であることを特徴とする請求項３９記載の装置。
【請求項４１】
前記細長いハウジングは、レフレクタをさらに有し、該レフレクタは、
前記ハウジングの周囲のまわりに位置決めされた円筒状内側反射面と、
前記円筒状内側反射面の周囲のまわりに位置決め、前記円筒状内側反射面との間にギャップを形成する円筒状外側反射面と、を有することを特徴とする請求項３９記載の装置。
【請求項４２】
前記複数の全方位超音波トランスデューサの各々は、前記照射済燃料集合体の燃料棒間の間隔の倍数であるに等しい周期をもつ超音波エネルギ波を放射するように構成されていることを特徴とする請求項３９記載の装置。
【請求項４３】
多数の燃料棒を有する組み立てられた４面照射済燃料集合体を洗浄するように構成された装置であって、該装置は、
前記組み立てられた照射済燃料集合体を受け入れる細長いハウジングと、
複数の全方位超音波トランスデューサ、とを有し、各全方位超音波トランスデューサは  第１端と、第２端と、前記第１端に配置された第１圧電トランスデューサと、前記第２端に配置された第２圧電トランスデューサと、前記第１端と前記第２端との間に配置されたロッドと、を有し、前記各全方位超音波トランスデューサは、前記細長いハウジングに取り付けられており、前記装置は、
第１組の前記複数の全方位超音波トランスデューサが前記細長いハンジング上に位置決めされ、前記組み立てられた照射済燃料集合体の第１の面に隣接するように構成され、
第２組の前記複数の全方位超音波トランスデューサが前記細長いハンジング上に位置決めされ、前記組み立てられた照射済燃料集合体の第２の面に隣接するように構成され、
第３組の前記複数の全方位超音波トランスデューサが前記細長いハンジング上に位置決めされ、前記組み立てられた照射済燃料集合体の第３の面に隣接するように構成され、
第４組の前記複数の全方位超音波トランスデューサが前記細長いハンジング上に位置決めされ、前記組み立てられた照射済燃料集合体の第４の面に隣接するように構成され、
前記細長いハウジングの周囲のまわりに位置決めされた円筒状内側反射面と、
前記円筒状内側反射面の周囲のまわりに位置決め、前記円筒状内側反射面との間にギャップを形成する円筒状外側反射面と、をさらに有することを特徴とする装置。
【請求項４４】
前記ハウジングの長さは、第１の方向に延びており、前記複数の全方位超音波トランスデューサの各々は、前記第１の方向と実質的に平行に位置決めされていることを特徴とする請求項４３記載の装置。
【請求項４５】
多数の燃料棒を有する照射済燃料集合体を洗浄するように構成された装置であって、該装置は、
第１端に設けられた開口部と、長さとを有する細長いハウジングを有し、前記開口部は、前記組み立てられた照射済燃料集合体を受け入れるように構成されており、前記長さは、前記照射済燃料集合体と少なくとも同じ長さに構成されており、
前記ハウジング上に位置決めされた複数の全方位超音波トランスデューサをさらに有し、各全方位超音波トランスデューサは、第１端部および第２端部をもつロッドを含むように構成されており、第１端部には第１圧電トランスデューサが配置されかつ第２端部には第２圧電トランスデューサが配置されており、前記ロッドは、前記照射済燃料集合体の燃料棒間の間隔の倍数である節構造を有する全方位超音波エネルギ波を放射するように構成されており、前記各全方位超音波トランスデューサは、前記細長いハウジングに取り付けられていることを特徴とする装置。
【請求項４６】
前記複数の全方位超音波トランスデューサは、前記ハウジングの前記長さ全体に沿って位置決めされていることを特徴とする請求項４５記載の装置。
【請求項４７】
前記倍数は、１倍であることを特徴とする請求項４５記載の装置。
【請求項４８】
前記細長いハウジングは、レフレクタをさらに有し、該レフレクタは、
前記ハウジングの周囲のまわりに位置決めされた円筒状内側反射面と、
前記円筒状内側反射面の周囲のまわりに位置決めされ、前記円筒状内側反射面との間にエアギャップを形成する円筒状外側反射面と、を有することを特徴とする請求項４５記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、「照射済核燃料集合体の超音波洗浄装置および方法（Apparatus and Method for Ultrasonically Cleaning Irradiated Nuclear Fuel Assemblies）」という名称に係る１９９９年４月８日付米国仮特許出願第60/128,391号の優先権を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、広くは原子力発電所のメインテナンスに関し、より詳しくは、原子力発電所の照射済核燃料集合体の超音波洗浄技術に関する。
【０００３】
（背景技術）
原子炉の作動中に、原子炉冷却材の不純物および生成物が核燃料集合体上に堆積する。これらの堆積物は、次のような多くの態様で原子力発電所の作動およびメインテナンスに影響を与える。すなわち、（ａ）堆積物の中性子特性が原子炉の核性能に悪影響を与えること、（ｂ）堆積物の熱抵抗により、燃料棒の材料破壊を生じさせる虞れのある高い表面温度が燃料棒に引き起こされること、（ｃ）堆積物の放射線崩壊により、特に出力過渡変動時に、堆積物が原子炉冷却システムの全体に亘って分散されると、作業時放射線被曝を引き起こすこと、（ｄ）堆積物は、視覚法および渦電流法の両方法により、照射済核燃料集合体の完全な検査を複雑化させること、（ｅ）燃料棒から放出される堆積物は使用済燃料プール中の視認性を低下させ、これにより燃料交換による休止時の燃料プール中での他の作業が大幅に遅延されること、および（ｆ）第２回目または第３回目に照射される燃料集合体がひとたび原子炉内に再装入されると、堆積物は有害な態様で新しい燃料集合体上に再分散される物質のインベントリー（在庫物質）を形成すること等の影響を与える。現在のところ、照射済核燃料集合体からこのような堆積物を効率的かつコスト有効的に除去する方法は、緩慢な手作業による技術以外にない。
【０００４】
最近では、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）においてアキシャルオフセット異常（axial offset anomaly：ＡＯＡ）が報告されている。ＡＯＡは、堆積物が、原子炉および１次系の局部的熱−流体状態と１次側流体不純特性との結合により、燃料棒上にクラッディングを形成する現象である。これらの堆積物は、核にとって有害でありかつ炉心の軸線に沿う異常な出力分布を引き起こし、或る作動条件下での有効限界を低下させる。ＡＯＡは、幾つかの発電所において、原子炉出力レベルを長期間に亘って低下させている。
【０００５】
ＡＯＡの問題は、ＰＷＲ燃料堆積物を除去するための効率的でコスト有効性に優れた機構を開発する必要性を増大させている。また、このような機構は、全堆積物インベントリーを低減させて発電所作業者に与える線量率を低下させること、燃料査察性を向上させること、長期間乾燥貯蔵できる燃料を用意すること、および分析用の沈殿試料の収集が容易であることが望まれる。
【０００６】
ＰＷＲ燃料堆積物を除去するための幾つかのアプローチが提案されている。１つの方法は、原子炉内の現場で、または燃料集合体を別の洗浄セルに運んだ後に、燃料集合体を化学的に浄化する方法である。このアプローチには、コスト、洗浄薬品による腐食の潜在的可能性、洗浄により発生する高度に汚染された薬品の廃棄の困難性等の幾つかの問題がある。この化学的アプローチの最大の欠点は、恐らく、単一の燃料集合体の浄化に数時間を要するというように手間がかかることである。
【０００７】
行われている他のアプローチは、洗浄セル内で氷片を循環させ、燃料棒を通る氷の流れにより堆積物を緩やかに除去する方法である。このアプローチには、洗浄有効性、或る燃料支持構造を通る氷片の駆動の困難性、燃料棒の構造的一体性に与える低温の作用、および使用済燃料プール中のホウ素の希釈化等の問題がある。
【０００８】
これまで、個々の燃料棒および燃料チャンネルは、製造過程での慣用的な超音波洗浄により浄化されてきた。しかしながら、慣用超音波洗浄は、発生できる単位体積当り出力密度が小さいため、照射済燃料集合体中の燃料棒の大きな束の洗浄には殆ど効果的でなかった。また、慣用の超音波洗浄トランスデューサは大形であるため、一般的な原子力発電所の燃料プールでの実施は困難である。
【０００９】
（発明の開示）
以上から、照射済核燃料集合体から堆積物を除去するための時間効率に優れ、有効かつ低コストな技術を提供することが強く望まれている。
【００１０】
本発明は、照射済核燃料集合体の洗浄装置を提供する。本発明の装置は、核燃料集合体と係合するハウジングを有している。ハウジング上には、半径方向に放射される全方位超音波エネルギを供給して核燃料集合体から堆積物を除去するための１組の超音波トランスデューサが配置されている。
【００１１】
本発明の方法は、照射済核燃料集合体の洗浄に関する。本発明の方法は、核燃料集合体をハウジングに隣接して位置決めする段階を有している。次に、ハウジング上に配置されたトランスデューサから半径方向に放射される全方位超音波エネルギが核燃料集合体に供給され、核燃料集合体から堆積物を除去する。
【００１２】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明をより良く理解するため、添付図面を参照して本発明を以下に詳細に説明する。
【００１３】
尚、全図面に亘って、同じ構成部品には同一の参照番号を使用する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に従って構成された超音波洗浄装置２０を示す。装置２０は、ハウジング２４上に取り付けられた超音波トランスデューサ２２を有している。ハウジング２４の頂部にはガイド２８が配置されている。核燃料集合体（図１には示されていない）が、ガイド２８からハウジング２４内に通される。ひとたび核燃料集合体がハウジング２４内に配置されると、核燃料集合体は、後述するように、超音波トランスデューサ２２から超音波エネルギを付与することにより浄化される。
【００１５】
ハウジング２４を洗浄プールの壁に取り付けるのに、集合体リアクションサポート２６を使用できる。或いは、ハウジング２４は、クレーンまたはホイストにより支持することもできる。図１にはまた、濾過システムが故障した場合に使用するための濾過パイピング３２および緊急冷却孔３０が示されている。緊急冷却孔３０は、機器の故障（例えば、ポンプの損失）の場合に、自然対流による燃料チャンネルからの充分な崩壊熱の除去を行う。濾過パイピング３２は、後述のように、除去した堆積物を含んだ水を濾過ユニットに送るのに使用される。
【００１６】
トランスデューサ２２は、トランスデューサ取付け板３４上に取り付けることができる。トランスデューサ取付け板３４は、トランスデューサ２２をハウジング２４に連結するのに使用される。トランスデューサ２２を適正位置で取付け板３４に取り付けるのに、トランスデューサスペーサ３６が使用される。
【００１７】
図２は、本発明に従って使用されるトランスデューサ２２を示す。トランスデューサ２２は、第１圧電トランスデューサすなわちトランスデューサ４０のスタックと、ロッド４４の反対側に取り付けられた第２圧電トランスデューサすなわちトランスデューサ４２のスタックとを有している。トランスデューサ２２は、ロッド４４から半径方向全方位に圧力波を出すように構成されている。この半径方向に放射される圧力波を、全方位圧力波と呼ぶことにする。
【００１８】
本発明に従って使用される全方位圧力波は、液体中に単方向圧力波を発生して液体を振動させる慣用の超音波トランスデューサとは異なる。単方向圧力波の波先は、トランスデューサが取り付けられる超音波浴の壁または底等の平構造の運動により形成される名目上の平面である。伝達されるエネルギは、これが物理的対象物に出合うと消散する。かくして、燃料集合体の燃料棒の場合には慣用の超音波を使用することは困難である。なぜならば、慣用の超音波は、超音波エネルギを常時燃料集合体の中央に作用させることは困難だからである。これを達成するのに必要なエネルギは過大であり、燃料に損傷を与えることもある。
【００１９】
本発明のトランスデューサは、全方位圧力波を発生する。波先は、２つの圧電トランスデューサ４０、４２の位相ロック運動により形成される。バー軸線に沿う圧力波の節構造が燃料棒の間隔にほぼ等しくなるか、燃料棒間隔の倍数になるような間隔を隔てた、円筒状に形成された圧力波は、燃料棒の列を容易に貫通する。従って、燃料束内の内部燃料棒の洗浄は、慣用の超音波を用いてこのような内部洗浄を行わなくてはならない場合に必要とされるよりも非常に小さいエネルギ入力で行うことができる。換言すれば、トランスデューサ、オフセット位置決めおよびこれらのリフレクタの協働により、クラッディング運動によって燃料ペレットに物理的な損傷が加えられるほど大きなエネルギを燃料棒に伝達することなく、最も奥深く隠れている燃料棒から迅速に堆積物を洗浄するのに充分な燃料集合体内部のエネルギを有する空間充満エネルギ界（space-filling energy field）を発生する。
【００２０】
本発明は、Martin Walter Ultraschalltechnik, GMBH（ドイツ国、Staubenhardt）から市販されているPUSH-PULLトランスデューサを用いて実施された。これらのトランスデューサは、本願に援用する米国特許第5,200,666号に開示されている。２０〜３０ｋＨｚ の超音波周波数および１，０００〜１，５００ワットのトランスデューサ出力が適していることが証明されている。これにより２０〜３０ワット／ガロンのエネルギ密度が形成され、このエネルギ密度は、照射済燃料集合体から堆積物を除去するのに特に有効なエネルギ密度である。このエネルギ密度は、慣用の超音波トランスデューサの使用中に実現されるエネルギ密度に比べて遥かに小さいものである。
【００２１】
本発明による半径方向に放射される全方位エネルギを形成するのに使用できる他のトランスデューサとして、テルソニックラジエータ（チューブ）トランスデューサおよびソノトロードトランスデューサ（ロッドの一側にトランスデューサを備えたもの）がある。
【００２２】
一実施形態では、トランスデューサ本体４４がチタンで形成され、ステンレス鋼の端キャップが使用されている。この装置に関連するガスケット、ケーブリングおよびコネクタは、使用済燃料プール内で作動できるように構成するか、さもなくば、原子力発電所で慣例のあらゆる一般的な相容性条件および安全条件（例えば、核燃料取扱い領域でのＦＭＥ（Foreign Material Exclusion：異物禁制））に適合しなければならない。
【００２３】
図３は、図２の超音波洗浄装置２０の側面図である。図３には、燃料チャンネルすなわちハウジング２４と、集合体リアクションサポート２６と、ガイド２８と、濾過パイピング３２と、リフレクタ５０と、集合体取付け梁５２とが示されている。リフレクタ５０は、燃料集合体に供給される超音波エネルギの量を増大させるのに使用される。すなわち、リフレクタ５０は、超音波エネルギを燃料集合体内に反射すべく機能する。集合体取付け梁５２は、トランスデューサ取付け板３４を集合体リアクションサポート２６に連結するのに使用される。集合体リアクションサポート２６は、後述のように、洗浄が行われる燃料プールの壁５４に対して押し付けられる。
【００２４】
ハウジング２４、取付け板３４、スペーサ３６および,リフレクタ５０はステンレス鋼で作ることができる。原子力発電所の運転にとって一般的な安全性および材料相容性の条件に適合するならば他の材料を使用することもできる。より詳しくは、選択される材料は、使用済燃料プールおよびキャスク装入ピットを含む原子力発電所の燃料貯蔵領域および燃料取扱い領域での使用に相容性を有するものでなくてはならない。
【００２５】
ハウジング２４の内面は、これらの表面上またはこれらの表面の窪みまたは裂け目に放射性粒子が堆積する機会を低減させるため電解研摩される。これにより、原子力発電所の作業者が放射線被曝を受けることなくハウジングを分解しかつ輸送することが可能になる。超音波トランスデューサ２２は、ハウジング２４の洗浄に使用できることに留意されたい。すなわち、トランスデューサ２２は、ハウジング２４の壁から堆積物を洗浄すべくハウジング２４が空にされると付勢される。
【００２６】
図４は、超音波洗浄装置２０の平面図である。図４には、これまでに説明された部品、すなわちトランスデューサ２２、ハウジング２４、トランスデューサ取付け板３４、トランスデューサスペーサ３６およびリフレクタ５０が明瞭に示されている。図２には更にハウジングスペーサ６０が示されており、該ハウジングスペーサ６０は、超音波エネルギが、トランスデューサ配列に対面しない側の装置の２面を通ることができるようにする機能を有している。各リフレクタ５０はその内側面５６および外側面５４を有し、これらの両面５４、５６はエアギャップ５６により分離されている。この構造は、超音波エネルギを反射させる上で特に有効であることが証明されている。
【００２７】
図４にはまた、ハウジング２４内に配置された燃料集合体７０が示されている。燃料集合体７０は個々の燃料棒７２を有し、該燃料棒７２に付着した堆積物７４が示されている。本発明により除去されるのはこの種類の堆積物である。
【００２８】
図４には、１７×１７本の燃料集合体７０が示されている。ハウジング２４は、あらゆる設計の軽水炉燃料に適合するように構成できる。もちろん、ハウジングは、他の燃料源についても実施できる。
【００２９】
図１〜図４の装置は、強固に付着した堆積物を照射済核燃料集合体から除去するための高エネルギ密度超音波を発生する。より詳しくは、トランスデューサ２２は、燃料束７０の中心まで透過して、ここに位置する燃料棒のクラッディングを洗浄する。トランスデューサ２２は、例えば図１に示すように、燃料集合体の２つの面に沿う垂直方向配列（トランスデューサの軸線が水平になる配列）に配置されている。図１には、ハウジング２４の頂部に配置されたトランスデューサ２２が示されている。なぜならば、ハウジング２４の頂部は、殆どの加圧水型原子炉での堆積物の位置に一致するからである。トランスデューサ２２は、ハウジング２４の全長に沿って配置するか、限定された戦略的位置に配置することもできる。
【００３０】
燃料集合体７０内の燃料棒の数は一般に２００本を超えかつ正方形のピッチ配列（例えば１７×１７本）に配置されている。洗浄候補の燃料集合体では、ペレットスタックを収容するクラッディングが、除去すべき堆積物で覆われる。垂直配列の各トランスデューサでは、システムの作動中に、１つのトランスデューサの節（すなわち、励振モード形状でゼロ変位を受ける位置）が隣接トランスデューサでの最大変位の位置と整合するように、隣接トランスデューサが横方向にオフセットしている。また、各トランスデューサは、この態様で、燃料集合体の反対側に位置するトランスデューサから軸線方向にオフセットしている。換言すれば、対面するトランスデューサの軸線に沿って半波オフセット（またはその倍数オフセット）させてトランスデューサを位置決めすることができる。
【００３１】
図５は、燃料プール８０内に配置された本発明の超音波洗浄装置２０を示す。装置２０は、集合体リアクションサポート２６を用いて取り付けられる。装置２０の支持体には、ケーブル８２を使用することもできる。装置２０は、これに関連するポンプ／濾過組立体９０を有している。組立体９０は、少なくとも１つのポンプ９２と、１組のフィルタ９４とを有している。ポンプ９２の入口位置には、放射線センサ９６が配置されている。放射線センサ９６は、燃料集合体がきれいであるか否かを判断するのに使用される。より詳しくは、センサ９６でのガンマ放射線強度が基線レベルまで低下したときは、これ以上の除去すべき燃料堆積物粒子は存在せず、従って洗浄が完了したことが判明する。
【００３２】
図５にはまた、本発明の実施形態に関連する補助装置１００が示されている。補助装置１００は、超音波出力発生器１０２と、ポンプ／濾過制御回路１０６と、濾過／浄化システム１０８とを有している。
【００３３】
図６（ａ）および図６（ｂ）は、簡単化して示したハウジング２４内への燃料集合体７０の配置方法を示す。燃料集合体７０は、ホイスト１１０を用いて配置される。図６（ａ）では、燃料集合体７０はハウジング２４内にある。図６（ｂ）では、燃料集合体７０は、ハウジング２４から一部が取り出されている。図６（ｃ）では、燃料集合体７０はハウジング２４から取り出されている。図６（ａ）および図６（ｂ）のホイスト１１０は、燃料集合体７０のプール８０への挿入およびプール８０からの取出しを行うため、図５のシステムに使用できる。ホイスト１１０はまた、燃料集合体７０の軸線方向長さに沿う異なる領域を洗浄すべく、超音波洗浄中に燃料集合体７０を位置変更するのにも使用できる。
【００３４】
ひとたび燃料集合体７０がハウジング２４内に位置決めされたならば、超音波洗浄が開始される。約２０〜３０ｋＨｚの周波数および１，０００〜１，５００ワットのトランスデューサ出力で作動する半径方向全方位超音波の使用により優れた結果が得られた。図５を参照することにより理解されようが、ポンプ９２は燃料集合体を通して水を吸い上げ、これにより、トランスデューサ２２が発生した超音波エネルギにより除去された堆積物をフラッシングする。ハウジング２４を通る下方への流れを与えることにより、ハウジング２４の頂部をシールする必要がなくなる。
【００３５】
燃料集合体７０はホイスト１１０によって常時支持され、洗浄作業中に燃料集合体７０の重量がハウジング２４に作用しないようにするのが好ましい。前述のように、トランスデューサ２２は、超音波エネルギがハウジング壁を貫通するようにして、ハウジング２４の外側に取り付けられる。試験により、介在ハウジング壁の主要効果が超音波信号の低周波部分の減衰にあることが証明されている。洗浄効果の大部分の役割を果たす超音波信号の高周波部分（すなわち、１０ｋＨｚ以上の周波数）は、適正に設計されたハウジングを殆ど減衰することなく透過する。
【００３６】
本発明による一般的な洗浄シーケンスについて以下に説明する。ホイスト１１０が、燃料貯蔵ラックから燃料集合体７０をピックアップする。ホイスト１１０に関連する可動機械が、燃料集合体７０をプール８０または他の何らかな洗浄ステーションに搬送する。燃料集合体７０は、ハウジング２４内に挿入されるときにビデオ撮影するのが好ましい。例えば、図６（ｂ）には、ハウジング２４の頂部に配置された、燃料集合体７０をビデオ撮影するカメラ１２０が示されている。次に、トランスデューサ２２が付勢される。ホイスト１１０は、燃料集合体７０を２分間隔で微動上昇および下降（すなわち、２分間上昇させかつ２分間下降）させるのに使用される。各微動距離は、数インチであるのが好ましい。
【００３７】
ガンマ放射線強度は、センサ９６によりモニタされる。放射性燃料堆積物粒子を含む水が、ポンプ９２によりフィルタ９４を通してポンピングされ、次にプール８０に戻される。センサ９６により検出されるガンマ放射線強度がひとたび基線レベルに低下したならば、これ以上の燃料堆積物粒子は存在せず、従って洗浄が完了したことを知ることができる。一般的な洗浄シーケンスは７〜１０分間である。これは、数時間続けられる従来技術の化学的アプローチとは顕著な相違である。本発明に関連する洗浄シーケンス時間は、トランスデューサ出力を増大させることにより短縮される。存在する実験的証拠は、トランスデューサ出力の増大によって燃料ペレットが損傷を受けないことを示している。
【００３８】
洗浄後、燃料集合体７０がハウジング２４から取り出されるが、この間の状況はビデオ撮影される。洗浄前および洗浄後から撮影されたビデオ影像は、洗浄が首尾良く行われたかを確認するのに使用される。
【００３９】
次に、ホイスト１１０を駆動して、燃料集合体７０を燃料貯蔵ラックに移動させる。ここで、洗浄システムは、次の燃料集合体７０の洗浄を行う準備が整ったことになる。強力に支持されたハウジング２４の場合には、単一のホイスト１１０を使用して１組の超音波洗浄装置２０を装入できることに留意されたい。この構成により、全体的処理能力が高められる。
【００４０】
本発明の技術は、燃料交換による休止中に本発明により処理される１６オンス照射済核燃料集合体に首尾良く適用できた。洗浄された燃料集合体は、次に、原子炉内で次の照射を行うために再装入された。燃料集合体は、ペレット完全性の劣化の兆候およびアキシャルオフセット異常（ＡＯＡ）を引き起こす燃料堆積物が未だ充分に浄化されていないことの兆候がモニタされた。ペレットに作用する最も重大な応力は、原子炉の始動ランプ（start-up ramp）中に生じる。再始動時中には悪い効果は全く見られず、悪い効果は連続原子炉作動中にも全く観察されなかった。また、中性子束マップは、集合体格子の下の最も臨界状態にある領域の燃料堆積物は、集合体が異常な中性子束の減少を示すことなく新しい燃料のように機能するように充分に除去されたことを表示した。
【００４１】
当該分野で本発明の有効性を証明することに加え、本発明はまた、種々の実験室的試験にも首尾良く絶え得るものである。より詳しくは、空気酸化されたジルカロイ（Zircaloy）燃料クラッディングの試料について一連の試験を行った。より詳しくは、１７×１７本の燃料棒集合体の実験室的実物大模型が試験された。この試験は、本発明による超音波洗浄への長期露出の結果としてクラッディング酸化物に対していかなる金属学的損傷も生じないことを証明した。この試験は、燃料クラッディング（燃料棒を構成する燃料ペレットを収容する円筒状金属壁）が、超音波洗浄過程への燃料集合体の露出により悪影響を受けないことを示している。
【００４２】
本発明の超音波洗浄技術は、燃料ペレットに損傷の危険性のある力を作用させることなく実施できる。本発明に従って使用される超音波は、ペレットとクラッディングの内面との間に一般的に見られるガスギャップには透過しないため、ペレットに有害な振動エネルギを伝達する唯一の原因は、ペレットに対するクラッディング内面の移動である。実験結果は、クラッディングの振動スペクトルは、作動中に燃料が受ける振動スペクトルに匹敵することを証明している。原子炉の一般的な作動条件に境界を接する有害な振動が、慣用超音波を有効にすることは期待できない。なぜならば、燃料束内の内部燃料棒を洗浄するのに要する非常に大きいエネルギ入力はペレットに対して有害であると考えられるからである。
【００４３】
当業者ならば、本発明は種々の形態で実施できることが理解されよう。例えば、図７〜図１０には他の実施形態が示されている。
【００４４】
図７は、トランスデューサ２２が、前の実施形態におけるように水平ではなく、垂直平面に対して４５°に配向されているものを示している。トランスデューサ２２は、取付けブラケット１２２の取付けブロック１２０内に配置される。例えば、図７の装置は、図６（ａ）〜図６（ｃ）のハウジング２４の頂部に取り付けることができる。この実施形態では、燃料集合体７０は、洗浄過程中、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すようにトランスデューサを通して上昇および下降される。
【００４５】
本発明は、ハウジング２４の全４面にトランスデューサを配置して実施することができる。このような実施形態では、各トランスデューサにリフレクタが設けられる。
【００４６】
図８（ａ）は、燃料集合体７０を静止させた状態で、洗浄過程の間に上昇および下降されるハウジング１３０上にトランスデューサ２２が取り付けられた実施形態を示す。本発明のこの実施形態は、ハウジング１３０が燃料集合体を包囲する必要がないことを示している。図１〜図５の実施形態では、ハウジング２４は、燃料を保護し、濾過および冷却を向上させ、かつ除去した堆積物を収容すべく作動する。このハウジング１３０はまた、図８（ａ）に示すように、超音波トランスデューサを簡単に支持する作動をも行う。
【００４７】
図８（ａ）のハウジング１３０は、リフトケーブル１３２に取り付けられる。ハウジング１３０の重量に釣合わせるため、カウンタウェイト１３４が使用される。カウンタウェイト１３４は、レベリングケーブル１３３に取り付けられる。リフトケーブル１３２は、支持梁１３８上に取り付けられたホイスト１３６により駆動される。ブレーキ１４０は、ハウジング１３０の運動を制御するのに使用される。
【００４８】
図８（ｂ）は、ハウジング１３０の詳細図である。この実施形態では、ハウジング１３０は、関連リフレクタ１５２を備えたガイド１５０内にトランスデューサ２２を取り付ける。
【００４９】
図９は、本発明の超音波洗浄装置を受け入れるチャンネル１６０と、これに関連する燃料集合体とを示している。チャンネル１６０は、一体ポンプ１６２および一体フィルタ１６４、１６６を有している。かくして、この実施形態では、単一の一体システムは、洗浄および濾過の両機能を提供する。フィルタ１６４は内部循環用の粗いフィルタ、一方フィルタ１６６は、最終洗浄中に燃料プール排出するための微細フィルタとして構成できる。ブロック１６８は、微細フィルタ１６６がひだ付きフィルタ（９個の２インチひだ付きフィルタ）のマトリックスに実施できることを示している。
【００５０】
図１０〜図１２は、沸騰水型原子炉に使用する本発明の実施形態を示す。より詳しくは、図１０は、燃料集合体のチャンネル除去（デチャンネリング）を行うことなく、沸騰水型原子炉に使用されるチャンネル形燃料を洗浄する装置を示す。図１０は、垂直方向に取り付けられた１組のトランスデューサ２２を支持するハウジング２００を示す。図１０には示されていないが、トランスデューサは、ハウジング２００の軸線方向全長に亘って配置できる。
【００５１】
図１１は、図１０の線１１−１１に沿う方向から見た平面図である。図１１は、燃料集合体０２を包囲する、垂直方向に取り付けられたトランスデューサ２２を示す。ハウジング２００は、リフレクタ２０４を有することが好ましい。図１２には、内側反射面２０６および外側面を備えたリフレクタ２０４が示されている。内側反射面２０６と外側面２０８との間にはエアギャップ２１０が設けられている。
【００５２】
当業者ならば、本発明が、核燃料集合体から堆積物を除去するための時間効率に優れ、有効かつコンパクトで低コストな技術を提供することが理解されよう。本発明の技術は、従来の化学的アプローチに比べて非常に迅速である。
【００５３】
また本発明は、燃料集合体を分解することなく燃料集合体を洗浄することを可能にする。本発明の技術は、照射済核燃料ペレットの物理的一体性を損なう原因となる、クラッディングの好ましくない変位を引き起こすことがない。換言すれば、本発明は、次に原子炉を再始動させるときにいかなる問題をも引き起こすことなく、燃料集合体の内部堆積物を洗浄できる。
【００５４】
本発明により得られる他の重要な利益は、発電所作業者に関する放射線管理を改善しかつ放射線被曝を低減できることである。洗浄過程で除去される燃料堆積物粒子は、炉心での熱的／流体的過渡の結果として冷却材ループの回りに分散されるときに、休止中の最も重大な作業者被曝（personnel does）を引き起こす放射性物質と実際に同じである。かくして、燃料を洗浄しかつフィルタ上に放射性粒子（放射性物質自体は、これらの放射線強度が崩壊する間、長期間に亘って燃料プール中に安全に貯蔵される）を閉じ込めることにより、休止線量率（outage dose rate）および作業者被曝の低減を達成できる。従って、線量制御および線量率低減方法としての燃料洗浄は、放射線管理コストを低減させる実行可能な新しい方法である。
【００５５】
説明のための上記記載には、本発明の完全な理解を与えるための特殊専門用語を使用した。しかしながら、当業者には、本発明の実施に特定の詳細は不要であることが明らかであろう。他の場合には、基本的発明からの不必要な混乱を避けるため、良く知られた回路および装置はブロック図の形態で示した。従って、本発明の特定実施形態についての上記記載は、例示および説明のためのものである。上記記載は排他的なものではなくかつ本発明を説明に係る正確な形態に限定するものでもなく、上記教示から種々の変更が可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実用的用途を最も良く説明するために選択されかつ記載されたものであり、従って、当業者ならば、本発明および意図する特定用途に適合する種々の変更がなされた種々の実施形態を最も良く使用できるであろう。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載およびこれらの均等物により定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に従って構成された超音波洗浄装置を示す正面図である。
【図２】  本発明の一実施形態に従って使用される、半径方向放射全方位エネルギを発生する超音波トランスデューサを示す図面である。
【図３】  図１の超音波洗浄装置の側面図である。
【図４】  図１の超音波洗浄装置の内部に核燃料集合体が配置された状態を示す平面図である。
【図５】  本発明の一実施形態に従って使用される図１の超音波洗浄装置およびこれに関連するポンプおよび濾過装置を示す図面である。
【図６（ａ）】  本発明のハウジング内に燃料集合体を位置決めする一段階を示す図面である。
【図６（ｂ）】  本発明のハウジング内に燃料集合体を位置決めする一段階を示す図面である。
【図６（ｃ）】  本発明のハウジング内に燃料集合体を位置決めする一段階を示す図面である。
【図７】  斜めに配置された超音波トランスデューサを使用する本発明の一実施形態を示す図面である。
【図８（ａ）】  本発明の一実施形態による可動超音波洗浄装置を示す図面である。
【図８（ｂ）】  本発明の一実施形態による可動超音波洗浄装置を示す図面である。
【図９】  一体形ポンプ／濾過システムを備えた本発明の超音波洗浄装置を示す図面である。
【図１０】  沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に関連して使用する超音波洗浄装置を示す図面である。
【図１１】  沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に関連して使用する超音波洗浄装置を示す図面である。
【図１２】  沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に関連して使用する超音波洗浄装置を示す図面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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