(57)【要約】【課題】高温においてエミッタが溶融しても動作することができる自己出力型検出器を提供する。【解決手段】自己出力型検出器１は、内部にエミッタ１１、外側にコレクタ１４を備え、エミッタ１１とコレクタ１４の間が絶縁されている自己出力型検出器において、エミッタ１１を封入するエミッタ容器１２を備え、エミッタ容器１２が気密である。エミッタ１１が高温によって溶融した際に自己出力型検出器の向きに依らず、エミッタ容器１２内の局所的なエミッタ密度が一定となるようにエミッタ質量とエミッタ容器１２の容積が調整されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にエミッタ、外側にコレクタを備え、前記エミッタと前記コレクタの間が絶縁されている自己出力型検出器において、
前記エミッタを封入するエミッタ容器を備え、前記エミッタ容器が気密であることを特徴とする自己出力型検出器。
【請求項２】
請求項１に記載の自己出力型検出器において、
前記エミッタ容器に気体が封入されていることを特徴とする自己出力型検出器。
【請求項３】
請求項２の自己出力型検出器において、
前記エミッタ容器内の気体の圧力が高温によってエミッタの体積が増加する前の時点で負圧であることを特徴とする自己出力型検出器。
【請求項４】
請求項１に記載の自己出力型検出器において、
前記エミッタ容器内に真空の空間を備えたことを特徴とする自己出力型検出器。
【請求項５】
請求項１に記載の自己出力型検出器において、
前記エミッタ容器が絶縁体で形成されていることを特徴とする自己出力型検出器。
【請求項６】
請求項１に記載の自己出力型検出器において、
前記エミッタが高温によって溶融した際に自己出力型検出器の向きに依らず、前記エミッタ容器内の局所的なエミッタ密度が一定となるようにエミッタ質量と前記エミッタ容器の容積が調整されていることを特徴とする自己出力型検出器。
【請求項７】
請求項１に記載の自己出力型検出器において、
前記エミッタが鉛ビスマスであることを特徴とする自己出力型検出器。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の自己出力型検出器を原子炉の計装管内に配設されていることを特徴とする核計装システム。
【請求項９】
請求項８の核計装システムにおいて、前記計装管ごとに複数の自己出力型検出器が設置されていることを特徴とする核計装システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線検出器の一種である自己出力型検出器および自己出力型検出器を利用した核計装システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
自己出力型検出器は、電圧の印加を必要とせず、エミッタ中の電子数の変化によって発生する電流値を計測するという単純な構造のため、比較的過酷な環境に設置することが可能な放射線検出器である。自己出力型検出器の一種である自己出力型ガンマ線検出器は、ガンマ線の照射によりエミッタ中の電子が弾き出されることによって生じるエミッタの電子の減少に伴って発生する電流値を計測する。同様に自己出力型中性子検出器は、エミッタ材と中性子の核反応によってエミッタ中の電子が放出されることで生じるエミッタの電子数の変化によって発生する電流値を計測する。エミッタ中の電子の増減には、ベータ崩壊などの崩壊現象も利用される。
【０００３】
このように自己出力型ガンマ線検出器と自己出力型中性子検出器は、類似の原理によって動作するものであり、ほぼ同様の構造である。これらの差異は主にエミッタの物質の差異によってもたらされる。しかしながら、ガンマ線との相互作用のみ、あるいは中性子との核反応のみが起こる物質は存在しない。このため、ガンマ線との相互作用で電子を放出しやすい物質をエミッタとして採用した場合は自己出力型ガンマ線検出器、中性子との核反応で電子を放出しやすい物質をエミッタとして採用した場合は自己出力型中性子検出器として動作する。ここで言う電子の放出し易さは環境に依存し、中性子の少ない環境に適用する自己出力型ガンマ線検出器のエミッタの選択の幅は広く、ガンマ線の少ない環境に適用する自己出力型中性子検出器のエミッタの選択の幅は広い。
【０００４】
原子炉内への適用を考えた場合、原子炉内はガンマ線の線量率が高く、中性子束も多い。さらに原子炉内は高温である。このような環境に適用可能な自己出力型ガンマ線検出器として特許文献１がある。特許文献１には６００℃以上の耐熱性を持ち、ガンマ線に感度の高いタングステンをエミッタに適用した自己出力型ガンマ線検出器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第６０９５０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
原子炉内で使用する自己出力型ガンマ線検出器のエミッタは、ガンマ線との相互作用の確率が高く、中性子との反応断面積の小さいほどガンマ線強度の監視に適している。ガンマ線との相互作用確率は、ガンマ線のエネルギによって異なるが、線減弱係数の大きい元素としては原子番号７２から８３のＨｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉが挙げられる。これらの元素は幅広いエネルギ帯において、多くの元素に対し、数倍から一桁以上線減弱係数が大きい。
【０００７】
一方、中性子感度として、これら原子番号が７２から８３の元素の熱中性子吸収断面積を比較すると、ＰｂとＢｉの断面積が小さく、その他はＰｂに対して約５０倍から約２５００倍である。ＢｉはＰｂよりも熱中性子断面積が小さく、Ｐｂの熱中性子断面積に対して約０．２倍である。これらのことから線量率が高く、中性子束が多い環境に適用する自己出力型ガンマ線検出器としてはＢｉあるいはＰｂが適している。
【０００８】
原子炉内は約２８０℃の高温環境である。これに対し、Ｐｂの融点は３３０℃、Ｂｉの融点は約２７０℃であり、原子炉内にＰｂやＢｉを設置した場合、Ｐｂは破断や変形、Ｂｉは溶融が起こる。しかしながら、ＰｂやＢｉはガンマ線感度、中性子感度の観点からは原子炉内に適用する自己出力型ガンマ線検出器のエミッタとしては最適であり、これらをエミッタに採用した自己出力型ガンマ線検出器を構築できれば、ガンマ線を監視する核計装システムとして有望である。
【０００９】
これは自己出力型中性子検出器に対しても同様である。中性子に対する断面積が大きく、ガンマ線との相互作用確率が低く、融点の低い物質をエミッタに採用できれば、炉内のような高温環境に設置する自己出力型中性子検出器として有望である。
【００１０】
本発明は、前記の課題を解決するための発明であって、高温においてエミッタが溶融しても動作することができる自己出力型検出器および核計装システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明の自己出力型検出器は、内部にエミッタ、外側にコレクタを備え、エミッタとコレクタの間が絶縁されている自己出力型検出器において、エミッタを封入するエミッタ容器を備え、エミッタ容器が気密（液密）であることを特徴とする。本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高温においてエミッタが溶融しても動作することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る自己出力型検出器の基本概念を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る格納容器内の計装管の配置位置を示す図である。
【図３】第１実施形態に係る炉心内の計装管近傍の横断面を示す図である。
【図４】第１実施形態に係る自己出力型検出器によって原子炉内出力を監視する核計装システムの一例を示す図である。
【図５】第２実施形態に係る自己出力型検出器のエミッタ容器が絶縁材を兼ねる構造を示す図である。
【図６】第３実施形態に係る自己出力型検出器のエミッタ容器内にエミッタの体積増加の影響を緩和する構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を実施するための実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
<<第１実施形態>>
図１は、第１実施形態に係る自己出力型検出器の基本概念を示す図である。図１では、核計装システムに適用する円筒状の自己出力型ガンマ線検出器を示す。自己出力型検出器１は、中心にＢｉ製のエミッタ１１、外側にＳＵＳ製のコレクタ１４が存在し、エミッタ１１は石英ガラス製のエミッタ容器１２に覆われている。エミッタ容器１２は気密（液密）であり、エミッタ１１が溶融してもエミッタ容器１２の外に漏れることはない。
【００１５】
エミッタ容器１２を気密容器とする方法は、電球などのガラス管の封し方法を応用できる。例えば、適切な寸法で成型したガラス管内にエミッタ１１を溶かしながら入れ、エミッタ１１に金属製の芯線を挿入する。ガラス管の開口部から外へは芯線のみが出ているため、開口部を加熱しながら挟んだり、徐々に径を小さくするなどすることで、封止することができる。エミッタ容器１２の容積は、加熱する位置によって制御する。また、ガラス容器に入れるエミッタ１１の量は容器内の質量を測ることで管理する。これにより常温時および想定される高温時のエミッタの体積を任意に決定できる。
【００１６】
エミッタ容器１２とコレクタ１４の間にはＡｌ２Ｏ３製の絶縁材１３が存在する。エミッタ１１はＮｉ製の芯線１５に接続され、エミッタ１１と芯線１５の間は導通している。この時、エミッタ１１が溶融した場合でも芯線１５とエミッタが電気的に接続されるように、エミッタ１１の体積および芯線のエミッタ容器１２内に挿入されている深さ（挿入長さ）は調整されている。エミッタ容器１２は、自己出力型ガンマ線検出器内で移動することを避けるためＡｌ２Ｏ３製の保持具１６によって固定されている。芯線１５は同軸ケーブル１７の芯線である。同軸ケーブル１７は電流計測装置に接続される。自己出力型ガンマ線検出器の外周のうち、同軸ケーブル１７が存在する場所以外あるいはコレクタ部を除いてＳＵＳ製のハウジング１８で覆われている。
【００１７】
原子炉核計装管内（図２の符号４１参照）に図１の自己出力型ガンマ線検出器を設置すると、約２８０℃の高温にさらされ、エミッタ１１のＢｉは融点が約２７０℃であることから、エミッタ１１は溶融する。この時、エミッタ容器１２は、石英ガラス製であり１０００℃以上でも形状を保つことができる。エミッタ容器１２が気密であり、エミッタ１１の体積、エミッタ容器１２の容積、芯線１５のエミッタ容器１２内での深さを適切に調整しているため、エミッタ１１溶融時でもエミッタ１１と芯線１５が接触し、電気的に接続されている。
【００１８】
エミッタ１１が溶融している状態であっても、ガンマ線がエミッタと相互作用を起こした際に電子はエミッタ１１から放出される。この時、一般的な自己出力型ガンマ線検出器の動作と同様に、エミッタ１１中の電子数の変化のために電気的に接続されている芯線１５を通じて電流が流れる。ガンマ線がエミッタ１１と相互作用を起こし、エミッタ１１から放出される電子が多いほど発生する電流値は大きくなる。このため、同軸ケーブル１７の先に接続されている電流計測装置によって電流値を計測することによって自己出力型ガンマ線検出器に照射されたガンマ線量あるいは線量率が監視できる。
【００１９】
原子炉において少なくとも定格運転時は炉内の線量率は、原子炉出力に比例している。したがって、原子炉計装管内に設置した図１の自己出力型ガンマ線検出器によって得られる電流値の監視によって原子炉出力が監視できる。
【００２０】
ここではエミッタ１１をＢｉとしたが、Ｐｂなど他の物質でも同様の機能を満たすことができる。さらに自己出力型中性子検出器として運用する場合も中性子感度が高く、融点の低い物質をエミッタ１１として採用して同様の機能を満たすことができる。
【００２１】
また、エミッタ容器１２として、石英ガラスを採用したが、気密容器として整形可能で、高温環境において溶融したエミッタ１１を保持可能であれば、必ずしも石英ガラスである必要はない。
【００２２】
核計装システムへの自己出力型検出器の適用方法の一例として、局所領域モニタ用検出器の校正や出力の詳細な軸方向分布の監視が考えられる。この時、計装管あたりに複数の自己出力型検出器の設置が必要となる。
【００２３】
図２は、第１実施形態に係る格納容器内の計装管の配置位置を示す図である。図３は、第１実施形態に係る炉心内の計装管近傍の横断面を示す図である。図２に自己出力型検出器１を設置する計装管４１の位置を示す。計装管４１は原子力圧力容器４２を貫通するように設置され、自己出力型検出器１は計装管４１内の炉心４４の範囲に設置される。
【００２４】
図３に炉心４４内の計装管４１近傍の横断面図を示す。チャンネルボックス４５は、燃料棒４８およびウォーターロッド４７を内部に納めている。４つのチャンネルボックス４５の中心に、断面十字状の制御棒４６が配置されており、制御棒４６の配置場所の周辺に計装管４１が設置される。
【００２５】
図４は、第１実施形態に係る自己出力型検出器によって原子炉内出力を監視する核計装システムの一例を示す図である。図４は、複数の自己出力型ガンマ線検出器を同一の計装管内に設置した時の軸方向断面図を示す。自己出力型ガンマ線検出器は、計装管４１内に複数台設置され、最も高い位置にある自己出力型ガンマ線検出器１ａと最も低い位置にある自己出力型ガンマ線検出器１ｂは、それぞれ原子炉の出力監視範囲の上端と下端位置に設置されている。各自己出力型ガンマ線検出器は同軸ケーブル１７に接続され、原子力圧力容器４２よりも外側に電流が伝送される。このような構成とすることで、自己出力型ガンマ線検出器の計装管あたりの数だけ異なる高さの原子炉出力を監視することができる。
【００２６】
図４では計装管４１内に自己出力型ガンマ線検出器を複数設置しているが、自己出力型ガンマ線検出器を複数保持する管を計装管４１内に設けてもよい。
【００２７】
<<第２実施形態>>
図５は、第２実施形態に係る自己出力型検出器のエミッタ容器が絶縁材を兼ねる構造を示す図である。第１実施形態では、エミッタ容器１２とはコレクタ１４との間に絶縁材１３が存在していた。ここでは、エミッタ容器１２が絶縁材を兼ねた例を示す。図５において、自己出力型検出器１Ａのエミッタ容器１２として、Ａｌ２Ｏ３を採用した場合の構造を示す。
【００２８】
Ａｌ２Ｏ３製のエミッタ容器１２は、気密であり、Ｂｉ製のエミッタ１１が溶融してもエミッタ容器１２の外に漏れることはなく、エミッタ１１とコレクタ１４が直接接触しないための絶縁材としても機能している。ここでは保持具１６もＡｌ２Ｏ３を用いるが、エミッタ１１とコレクタ１４が電気的に接触していなければ絶縁材でなくてもよい。Ａｌ２Ｏ３の融点は約２０００℃であることから、原子炉の定格運転時の温度である約２８０℃においても、形状を保つことが可能である。
【００２９】
このような構成とすることでエミッタ容器１２と絶縁材１３が別の物質であったときと同様に動作することが可能であり、同軸ケーブル１７の先に接続されている電流計測装置によって電流値を計測することによって自己出力型ガンマ線検出器に照射されたガンマ線量あるいは線量率を監視できる。したがって、原子炉計装管内に設置した図４の自己出力型ガンマ線検出器によって得られる電流値の監視によって原子炉出力が監視できる。
【００３０】
ここではエミッタ容器１２をＡｌ２Ｏ３としたが、石英ガラスやＭｇＯなどであっても絶縁機能を有するため同様の効果を得ることができる。
【００３１】
<<第３実施形態>>
エミッタ１１の物質の選択次第では高温環境において膨張する可能性がある。その対策として図６のようにエミッタ容器１２内に空間を設ける構造を示す。
【００３２】
図６は、第３実施形態に係る自己出力型検出器のエミッタ容器内にエミッタの体積増加の影響を緩和する構造を示す図である。図６に示す自己出力型検出器１Ｂにおいて、エミッタ容器１２は、内部にエミッタ１１の他に気体３１（例えば、空気）が封入された気密な容器である。気密容器の成型を低圧環境で実施するなどして、気体３１の圧力は常温あるいはエミッタ１１の膨張前の時点で負圧であることが望ましい。気体３１以外は図１と同様の物質で構成されている。
【００３３】
温度上昇に伴い、融点の低いエミッタ１１は膨張あるいは溶融して体積が増加する。このとき、エミッタ容器１２内に負圧の気体３１を設けることで、エミッタ容器１２に内側から大きな圧力がかかることが無く、変形や破壊などにより、気密が破れることを回避することができる。
【００３４】
気体３１が存在する分、エミッタ容器１２内に空間が発生する可能性はあるが、エミッタ１１が溶融あるいは膨張したときにエミッタ１１と芯線１５が接触し、電気的に接続できるようにエミッタ１１の体積、エミッタ容器１２の容積、芯線１５のエミッタ容器１２内での深さを適切に調整している。
【００３５】
このような構成とすることで、エミッタが高温において体積が増加した場合で、気密が破れること無く、自己出力型ガンマ線検出器として動作することが可能である。このため、同軸ケーブル１７の先に接続されている電流計測装置によって電流値を計測することによって自己出力型ガンマ線検出器に照射されたガンマ線量あるいは線量率が監視できる。したがって、原子炉計装管内に設置した図４の自己出力型ガンマ線検出器によって得られる電流値の監視によって原子炉出力が監視できる。
【００３６】
ここではエミッタ容器１２内の気体３１を負圧の空気としているが、ＨｅやＡｒなどの希ガスやＣＯ２などの気体でも良く、あるいは負圧の気体３１の代わりに真空としても同様の動作が可能である。
【００３７】
<<第４実施形態>>
原子炉の運転では臨界になった後に段階的に臨界の出力を上げて定格出力に至る。この過程で核分裂の頻度が増加し、温度が上昇する。エミッタ１１は、溶融前と溶融後で、体積や密度が変化する。このため、エミッタ１１の溶融前に得られた電流値とエミッタ１１の溶融後得られた電流値の出力との相関に連続性がない場合がある。このため、原子炉運転時にエミッタ１１が溶融した状態で出力を監視する自己出力型ガンマ線検出器の場合、より融点の低い物質をエミッタ１１として採用することで、より低温時から定格運転時まで線形性を持って出力を監視できる可能性がある。また、このような状態であれば原子炉出力上昇中に自己出力型ガンマ線検出器が正常に動作していることを確認できる。
【００３８】
前記実施形態までは、エミッタ１１として融点が約２７０℃のＢｉを例とした場合を中心に述べた。より融点が低く、ガンマ線との相互作用確率が高く、中性子吸収断面積の低い物質としてＰｂ−Ｂｉ（鉛ビスマス）がある。Ｐｂ−Ｂｉの融点は、ＰｂやＢｉよりも低い約１２５℃である。したがって、エミッタ１１にＰｂ−Ｂｉを採用すれば、より低い出力の段階から原子炉出力が監視できる。
【００３９】
原子炉が約８０℃で臨界状態に達し、出力を段階的に上昇し、やがてエミッタ１１にＰｂ−Ｂｉを採用した自己出力型ガンマ線検出器の設置位置における温度が１２５℃となる。このとき、エミッタ１１は溶融し、線量率と自己出力型ガンマ線検出器から得られる電流値が線形の関係となる。線量率と原子炉出力が比例している場合には、この時点からエミッタ１１にＰｂ−Ｂｉを採用した自己出力型ガンマ線検出器により出力監視が可能となる。
【００４０】
原子炉出力が低いときは、原子炉内の核分裂が少なく、炉内の構造物の放射化や、燃料を構成する原子核の崩壊によって放出されるガンマ線に線量率が依存し、自己出力型ガンマ線検出器の電流値が原子炉出力と相関を持たない。しかしながら定格運転に近づくにつれて核分裂反応に起因したガンマ線の割合が増加し、やがて原子炉出力と線量率が比例関係に至る。
【００４１】
定格運転時の原子炉出力を監視する検出器と、定格運転までの出力を監視する起動領域モニタあるいは中間領域モニタは、連続した出力監視のため、監視出力がオーバーラップする必要がある。原子炉定格運転時の線量率に比べ低い線量率から、線量率と電流値に線形性のあるエミッタ１１にＰｂ−Ｂｉを採用した自己出力型ガンマ線検出器を採用することで、起動領域モニタや中間領域モニタの監視出力と自己出力型ガンマ線検出器による監視出力がオーバーラップする出力範囲を広くすることができる。
【００４２】
以上をまとめると、従来、原子炉出力をガンマ線によって監視するための検出器の一つとして自己出力型ガンマ線検出器がある。自己出力型ガンマ線検出器は中性子とガンマ線を分けて計測できないため、ガンマ線量を監視する場合に、ガンマ線に対する感度が高く、中性子に対する感度の低い元素をエミッタに採用する必要があった。この条件に最適な元素としてＰｂとＢｉが挙げられるが、これらは原子炉の定格運転時の炉内温度近傍に融点があるため、ＰｂやＢｉをエミッタとして採用した自己出力型ガンマ線検出器（自己出力型検出器）は、定格運転時の原子炉内に設置することができなかった。
【００４３】
本実施形態の自己検出型検出器は、導体として内部にエミッタ、外側にコレクタを備え、エミッタとコレクタ間が絶縁されている自己出力型検出器において、エミッタを気密容器に封入した。
【００４４】
エミッタを覆う容器を、エミッタよりも高い融点の材料で構成することで、エミッタが溶融や変形した場合でもエミッタの形状を保つことができる。自己出力型検出器の動作原理から、ガンマ線または中性子によって電子がエミッタから外部に放出され、且つエミッタが電気的に電流計測装置と接続されていれば、放射線検出器として動作する。このため、エミッタが溶融していたとしてもコレクタと電気的に絶縁されており、電流計測装置と導通していれば放射線計測装置として動作することができる。
【００４５】
また、高温時にエミッタが膨張したり溶融することを想定して、エミッタの質量とエミッタ容器の容積および電流を取り出す芯線のエミッタ容器内での長さを調整することで、融点の低いエミッタを適応した自己出力型検出器でも、定格運転時の原子炉内のガンマ線量に対応した電流を発生させ、これを計測することで原子炉出力が監視することができる。
【００４６】
以上の説明では、主に自己出力型ガンマ線検出器について説明したが、自己出力型中性子検出器に対しても同様である。中性子に対する断面積が大きく、ガンマ線との相互作用確率が低く、融点の低い物質をエミッタに採用できれば、炉内のような高温環境に設置する自己出力型中性子検出器として利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１，１Ａ，１Ｂ    自己出力型検出器
１ａ    自己出力型ガンマ線検出器（上端）
１ｂ    自己出力型ガンマ線検出器（下端）
１１    エミッタ
１２    エミッタ容器
１３    絶縁材
１４    コレクタ
１５    芯線
１６    保持具
１７    同軸ケーブル
１８    ハウジング
３１    空気
４１    計装管
４２    原子炉圧力容器
４３    格納容器
４４    炉心
４５    チャンネルボックス
４６    制御棒
４７    ウォーターロッド
４８    燃料棒
【図１】
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【図２】
2020067312.tif 000004
【図３】
2020067312.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2020067312.tif 000008