原子炉内監視用の多目的長距離プローブの開発
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カテゴリ: 第9回
1.緒言
シンブルチューブ(以下シンブルという)は運転中に おける原子炉内の中性子束分布を測定するため、小型可 動式検出器付きのケーブル(MD ケーブル)を原子炉内 に挿入するための管である。シンブルは外径が約 8mm、 内径が約5mm の小口径ステンレス管であり、長いもので 約36m に達する(Fig.1)。シンブル内を通過させる MD ケーブルはヘリカルワイ ヤ式の挿入用ケーブルであり、ケーブルの先端に各種セ ンサを取付けることにより、中性子束の測定や渦電流探 傷(ECT)を実施することができる。今回、上記挿入用ケーブルを独自に開発し、耐久試験 により実機適用性を確認した。さらに、ケーブル先端に 超小型カメラや温度センサを取付けることにより、遠隔 から原子炉内部の状況を把握する信号採取技術を開発した。
2. 各種センサ挿入用ケーブルの開発 2.1 開発ケーブルの構造 *開発したケーブルは、信号線とその周りに巻いた三層 のワイヤ等から構成されている。各層は平型の金属線を コイル状に巻いた第一層、約20本のワイヤを第一層の外 周に撚り線状に巻き付けた第二層、および第二層の外周 に一定間隔でらせん状に巻き付けたワイヤ(ヘリカルワ イヤ)の第三層から構成されている(Fig.2)。
ル通路選択装置」ニーローズ!(中性子束センサー原子炉容器シールテーブル トシンブルの 先端位置一次冷却水ががががががちがい燃料(集合体でマ一挿入用 ケーブルイク!原子炉容器AATaecaアルャンollege気体FFig. 1 In-core instrumentation system.プレス後(4.7)信号線挿入スペース (約42)ーーーーーーー第一層 や第二層 第三層ブレス前 (約45.1)第一層第三層Fig.2 Structural drawing (above) and photograph (below) ofdeveloped cable2622.2 開発ケーブルの特徴 (1) 第一層と第三層は左巻き、第二層は右巻きとすることで、ケーブルの駆動中に発生する各層の緩みを低減し ている。 (2) 第一層は ECT 等の信号線を保護するとともに、信号 - 線を挿入するスペースを確保するため、内径 2mm 程度の中空部を設けている。 (3) 第二層はケーブルの圧縮強度を高め、ケーブルの挿入性を向上させるとともに、引張強度 4.5kN(既存の挿 入用ケーブルの規定強度の2倍) 以上という高い強度を備えている。 (4) 第三層はシンブル内面との接触面積を低減することによりケーブルの挿入性を向上させるとともに、斜歯 歯車(ヘリカルギア)方式としてケーブルを駆動する 際の歯車の歯込み部としての役割も持っている。また、 ケーブル製造の最終段階において、プレス機で外周を 圧縮することにより、駆動時における第三層のズレに 対する強度を高めているとともに、外径を小さく(約5.1mm → 和4.7mm) することによるケーブルの挿入 性向上を図っている。2.3 開発ケーブルの耐久試験結果 * 四国電力(株)原子力保安研修所の地下~3 階に実機を模 擬した実験装置 (Fig.3,4) を設置し、実機における最も厳 しいシンブルの曲率等の条件を設定した上で、全長約 37m の模擬シンブルを用いて、推定使用回数を上回る 1,000 往復の耐久試験を実施した。その結果、耐久試験の 前後でケーブルの挿入性や強度に低下が生じないことを 確認した(Fig.5,6)その後の 10,000 往復の耐久試験でもケ ーブルの挿入性に変化が見られないことから、今後、さ らに耐久試験でケーブルの使用限界を確認する予定である。2.4 効果開発ケーブル (40m) は既存の挿入用ケーブルと遜色な く、かつ経済的に各種仕様のものを製作可能である。ま た、シンブルの ECT のみならず、各種センサや治具の取 付けにより、シンブルの内部センシングや内部清掃、お よび挿入長測定用としても使用可能である。2633. 各種センシングプローブの開発3.1 シンブル ECT プローブの開発 * Fig.7に独自開発したシンブル ECT プローブを示す。プ ローブケースは、挿入用ケーブルとの接合面において、 3.0kN 以上の高強度で接合されているとともに、万一接合 強度が著しく低下した場合でもシンブル内にケースが残 留しない構造としている。接合には連続 180°Cまで耐えら れる特殊な接着材、および第三層との噛込み部を用いて おり、溶接に比べ、接合部付近の錆の発生を抑えるとと もに、接合時に高熱が発生しないため、ケース内に ECT センサを組込んだ状態で接合できるなどの利点がある。 * 本プローブを用いて模擬欠陥によるきめの検知感度や 形状評価精度を確認した結果、既存プローブと同等であ ることが確認されたため、ECT データ収集機能について も10,000 往復の耐久試験を実施した。その結果、試験中 に断線や感度低下等は発生せず、安定して ECT データが 収集できることを確認した(Fig.8)。ただし、プローブ駆動装置にプローブを装着した際に ECT データ上に定常ノイズが発生したため、駆動系全体 を絶縁材で電気的に隔離し、制御ボックスにノイズフィ ルタを設置することでノイズ低減を図った。その結果、 SN 比が良好なECT データの収集が可能となった。さいたまんなかった・・・・・・・・・・・・いか・・いきなりはったおっさんプローブケース高生賞競合面内部 エア抜き口内部 ECTコトル厚肉部 Automercoot ressagai n信号は日にオー人噌込み部」住付き充填材注入口Fig. 7 Thimble ECT probe4.16666666666667E-0210-2020fieTV:-810)255EH:-002Voo Escort Sys!Peath Set Cal-curveA Graf 10 pts)201504 出口が15127-3151Fig.8 Thimble ECT signal (Drilled hole)3.2 シンブル内観察用長距離プローブの開発シンブルECT プローブに用いた挿入用ケーブルや高強 度接合技術等を活用し、シンブル内観察用の長距離プロ ーブを開発した(Fig.9) カメラ本体には比較的放射線に耐 性のあるCMOS タイプを採用しており、先端にシンブル 内照射用の高輝度 LED4個を配置している。プローブ製作前に、本カメラに長距離ケーブルを接続 したところ、LED 照明の光量に減衰が見られた。このた め、ケーブルによる電圧降下等を考慮して照明用電圧を 調整するとともに、撮影対象に応じてコントラスト等を 調整することで、カメラの画質調整機能を向上させた。 また、カメラとレンズの距離を調整することでカメラの 焦点距離を最適化し、付着物や管壁表面等の視認性を向 上させた。Fig.10 にシンブル内の映像例を示す。この映像はシンブ ル内をプローブが余裕を持って通過できる程度の小さな 模擬付着物を付けた例であり、撮影画像から付着物の形 状や色を明確に識別できることや、管壁の表面を詳細に 観察できることがわかった。本技術を活用して高線量の個所を撮影する場合、シン ブルのように細長く、かつ必要に応じて先端部等を開口 した長尺案内管をあらかじめ設置しておき、撮影時のみ 低線量エリアから高線量エリアへカメラを搬送すること で、カメラの放射線劣化を抑制できるとともに、作業者 の被ばく防止にも役立てることができる。ロラに充填材注」 入口(8箇所)LED 照明 (4個)おいてとなにでででででででででCMOS カメラ(カラー) レンズ Fig.9 Long-range probe for observation of inside of thimbleE模擬付誉榜Fig10 Example of image of thimble interior surface2643.3 多地点温度測定用長距離プローブの開発 - 前記カメラプローブと同様に、シンブルECT プローブ に用いた挿入用ケーブルや高強度接合技術等を活用し、 温度測定用の長距離プローブを開発した(Fig.11)。感温部 には 300°Cまで測定可能な T型(銅-コンスタンタン) 熱電対を採用するとともに、シンブル内の熱をすばやく 取込むため、通風口を 12 箇所設けている。また、信号ケ ーブルには耐熱性や防水性に優れた MI(Mineral Insulation:無機絶縁)ケーブルを採用している。 * ただし、現状では接着材の耐熱が連続 180°Cであるため、 接合強度がやや低下するが 900°Cまで而熱性のある別の 接合方式を用いたK型(クロメルーアルメル) 熱電対プ ローブについて、実用上必要な接合部強度以上にする方 法を検討中である。また、本プローブは ECT プローブやカメラプローブと 同様にプローブ駆動装置に装着可能であり、挿入長を調 整することで、任意の挿入位置で連続的に温度測定が可 能(ただし、高精度な測定には1箇所あたり3分以上必 要)である。なお、T 型熱電対プローブを駆動装置に装 着した場合でも0~100°Cの範囲で JIS クラス1の許容誤 差(±0.5°C)を満たしていることを確認した。 1 900°Cまで測定可能なプローブが実用化すれば、多地点 の温度分布を測定することが可能となり、様々な過酷環 境等における温度測定分野への適用が期待できる。MIケーブル熱電対フォックアップルがいい通風口 (12箇所) Fig. 11 Long-range probe for multi-point temperaturemeasurements4.結言- シンブル内を通過でき、中性子束測定やECT を実施で きる挿入用ケーブルを独自開発するとともに、10,000 往 復の耐久試験により実機適用性を確認した。さらに、ケ ーブル先端に取付ける超小型カメラプローブや温度測定 プローブにより、シンブル内表面の観察や多地点温度測 定を遠隔で行う技術を開発した。 - 今後、各プローブの耐放射線試験等を実施して実機適 用性を高めるとともに、本技術を応用した様々なセンシ ング技術等についてさらに検討を進める予定である。参考文献[11 山地幸司、“四国電力における技術革新のあゆみ”、電気評論(2012.1)、PP.186-187.(平成24年6月 15 日)265“ “原子炉内監視用の多目的長距離プローブの開発“ “白石 浩造,Kozo SHIRAISHI
シンブルチューブ(以下シンブルという)は運転中に おける原子炉内の中性子束分布を測定するため、小型可 動式検出器付きのケーブル(MD ケーブル)を原子炉内 に挿入するための管である。シンブルは外径が約 8mm、 内径が約5mm の小口径ステンレス管であり、長いもので 約36m に達する(Fig.1)。シンブル内を通過させる MD ケーブルはヘリカルワイ ヤ式の挿入用ケーブルであり、ケーブルの先端に各種セ ンサを取付けることにより、中性子束の測定や渦電流探 傷(ECT)を実施することができる。今回、上記挿入用ケーブルを独自に開発し、耐久試験 により実機適用性を確認した。さらに、ケーブル先端に 超小型カメラや温度センサを取付けることにより、遠隔 から原子炉内部の状況を把握する信号採取技術を開発した。
2. 各種センサ挿入用ケーブルの開発 2.1 開発ケーブルの構造 *開発したケーブルは、信号線とその周りに巻いた三層 のワイヤ等から構成されている。各層は平型の金属線を コイル状に巻いた第一層、約20本のワイヤを第一層の外 周に撚り線状に巻き付けた第二層、および第二層の外周 に一定間隔でらせん状に巻き付けたワイヤ(ヘリカルワ イヤ)の第三層から構成されている(Fig.2)。
ル通路選択装置」ニーローズ!(中性子束センサー原子炉容器シールテーブル トシンブルの 先端位置一次冷却水ががががががちがい燃料(集合体でマ一挿入用 ケーブルイク!原子炉容器AATaecaアルャンollege気体FFig. 1 In-core instrumentation system.プレス後(4.7)信号線挿入スペース (約42)ーーーーーーー第一層 や第二層 第三層ブレス前 (約45.1)第一層第三層Fig.2 Structural drawing (above) and photograph (below) ofdeveloped cable2622.2 開発ケーブルの特徴 (1) 第一層と第三層は左巻き、第二層は右巻きとすることで、ケーブルの駆動中に発生する各層の緩みを低減し ている。 (2) 第一層は ECT 等の信号線を保護するとともに、信号 - 線を挿入するスペースを確保するため、内径 2mm 程度の中空部を設けている。 (3) 第二層はケーブルの圧縮強度を高め、ケーブルの挿入性を向上させるとともに、引張強度 4.5kN(既存の挿 入用ケーブルの規定強度の2倍) 以上という高い強度を備えている。 (4) 第三層はシンブル内面との接触面積を低減することによりケーブルの挿入性を向上させるとともに、斜歯 歯車(ヘリカルギア)方式としてケーブルを駆動する 際の歯車の歯込み部としての役割も持っている。また、 ケーブル製造の最終段階において、プレス機で外周を 圧縮することにより、駆動時における第三層のズレに 対する強度を高めているとともに、外径を小さく(約5.1mm → 和4.7mm) することによるケーブルの挿入 性向上を図っている。2.3 開発ケーブルの耐久試験結果 * 四国電力(株)原子力保安研修所の地下~3 階に実機を模 擬した実験装置 (Fig.3,4) を設置し、実機における最も厳 しいシンブルの曲率等の条件を設定した上で、全長約 37m の模擬シンブルを用いて、推定使用回数を上回る 1,000 往復の耐久試験を実施した。その結果、耐久試験の 前後でケーブルの挿入性や強度に低下が生じないことを 確認した(Fig.5,6)その後の 10,000 往復の耐久試験でもケ ーブルの挿入性に変化が見られないことから、今後、さ らに耐久試験でケーブルの使用限界を確認する予定である。2.4 効果開発ケーブル (40m) は既存の挿入用ケーブルと遜色な く、かつ経済的に各種仕様のものを製作可能である。ま た、シンブルの ECT のみならず、各種センサや治具の取 付けにより、シンブルの内部センシングや内部清掃、お よび挿入長測定用としても使用可能である。2633. 各種センシングプローブの開発3.1 シンブル ECT プローブの開発 * Fig.7に独自開発したシンブル ECT プローブを示す。プ ローブケースは、挿入用ケーブルとの接合面において、 3.0kN 以上の高強度で接合されているとともに、万一接合 強度が著しく低下した場合でもシンブル内にケースが残 留しない構造としている。接合には連続 180°Cまで耐えら れる特殊な接着材、および第三層との噛込み部を用いて おり、溶接に比べ、接合部付近の錆の発生を抑えるとと もに、接合時に高熱が発生しないため、ケース内に ECT センサを組込んだ状態で接合できるなどの利点がある。 * 本プローブを用いて模擬欠陥によるきめの検知感度や 形状評価精度を確認した結果、既存プローブと同等であ ることが確認されたため、ECT データ収集機能について も10,000 往復の耐久試験を実施した。その結果、試験中 に断線や感度低下等は発生せず、安定して ECT データが 収集できることを確認した(Fig.8)。ただし、プローブ駆動装置にプローブを装着した際に ECT データ上に定常ノイズが発生したため、駆動系全体 を絶縁材で電気的に隔離し、制御ボックスにノイズフィ ルタを設置することでノイズ低減を図った。その結果、 SN 比が良好なECT データの収集が可能となった。さいたまんなかった・・・・・・・・・・・・いか・・いきなりはったおっさんプローブケース高生賞競合面内部 エア抜き口内部 ECTコトル厚肉部 Automercoot ressagai n信号は日にオー人噌込み部」住付き充填材注入口Fig. 7 Thimble ECT probe4.16666666666667E-0210-2020fieTV:-810)255EH:-002Voo Escort Sys!Peath Set Cal-curveA Graf 10 pts)201504 出口が15127-3151Fig.8 Thimble ECT signal (Drilled hole)3.2 シンブル内観察用長距離プローブの開発シンブルECT プローブに用いた挿入用ケーブルや高強 度接合技術等を活用し、シンブル内観察用の長距離プロ ーブを開発した(Fig.9) カメラ本体には比較的放射線に耐 性のあるCMOS タイプを採用しており、先端にシンブル 内照射用の高輝度 LED4個を配置している。プローブ製作前に、本カメラに長距離ケーブルを接続 したところ、LED 照明の光量に減衰が見られた。このた め、ケーブルによる電圧降下等を考慮して照明用電圧を 調整するとともに、撮影対象に応じてコントラスト等を 調整することで、カメラの画質調整機能を向上させた。 また、カメラとレンズの距離を調整することでカメラの 焦点距離を最適化し、付着物や管壁表面等の視認性を向 上させた。Fig.10 にシンブル内の映像例を示す。この映像はシンブ ル内をプローブが余裕を持って通過できる程度の小さな 模擬付着物を付けた例であり、撮影画像から付着物の形 状や色を明確に識別できることや、管壁の表面を詳細に 観察できることがわかった。本技術を活用して高線量の個所を撮影する場合、シン ブルのように細長く、かつ必要に応じて先端部等を開口 した長尺案内管をあらかじめ設置しておき、撮影時のみ 低線量エリアから高線量エリアへカメラを搬送すること で、カメラの放射線劣化を抑制できるとともに、作業者 の被ばく防止にも役立てることができる。ロラに充填材注」 入口(8箇所)LED 照明 (4個)おいてとなにでででででででででCMOS カメラ(カラー) レンズ Fig.9 Long-range probe for observation of inside of thimbleE模擬付誉榜Fig10 Example of image of thimble interior surface2643.3 多地点温度測定用長距離プローブの開発 - 前記カメラプローブと同様に、シンブルECT プローブ に用いた挿入用ケーブルや高強度接合技術等を活用し、 温度測定用の長距離プローブを開発した(Fig.11)。感温部 には 300°Cまで測定可能な T型(銅-コンスタンタン) 熱電対を採用するとともに、シンブル内の熱をすばやく 取込むため、通風口を 12 箇所設けている。また、信号ケ ーブルには耐熱性や防水性に優れた MI(Mineral Insulation:無機絶縁)ケーブルを採用している。 * ただし、現状では接着材の耐熱が連続 180°Cであるため、 接合強度がやや低下するが 900°Cまで而熱性のある別の 接合方式を用いたK型(クロメルーアルメル) 熱電対プ ローブについて、実用上必要な接合部強度以上にする方 法を検討中である。また、本プローブは ECT プローブやカメラプローブと 同様にプローブ駆動装置に装着可能であり、挿入長を調 整することで、任意の挿入位置で連続的に温度測定が可 能(ただし、高精度な測定には1箇所あたり3分以上必 要)である。なお、T 型熱電対プローブを駆動装置に装 着した場合でも0~100°Cの範囲で JIS クラス1の許容誤 差(±0.5°C)を満たしていることを確認した。 1 900°Cまで測定可能なプローブが実用化すれば、多地点 の温度分布を測定することが可能となり、様々な過酷環 境等における温度測定分野への適用が期待できる。MIケーブル熱電対フォックアップルがいい通風口 (12箇所) Fig. 11 Long-range probe for multi-point temperaturemeasurements4.結言- シンブル内を通過でき、中性子束測定やECT を実施で きる挿入用ケーブルを独自開発するとともに、10,000 往 復の耐久試験により実機適用性を確認した。さらに、ケ ーブル先端に取付ける超小型カメラプローブや温度測定 プローブにより、シンブル内表面の観察や多地点温度測 定を遠隔で行う技術を開発した。 - 今後、各プローブの耐放射線試験等を実施して実機適 用性を高めるとともに、本技術を応用した様々なセンシ ング技術等についてさらに検討を進める予定である。参考文献[11 山地幸司、“四国電力における技術革新のあゆみ”、電気評論(2012.1)、PP.186-187.(平成24年6月 15 日)265“ “原子炉内監視用の多目的長距離プローブの開発“ “白石 浩造,Kozo SHIRAISHI