(57)【要約】【課題】燃料サンプルの温度変化による反応度変化の測定精度を向上させる。【解決手段】温度反応度変化測定装置に、サンプル案内管２３と、それを囲む炉心６と、燃料サンプルの周囲を中性子吸収断面積が小さくかつ熱伝導率が小さいサンプル保護材で囲んだサンプル封入管１１と、サンプル封入管１１をサンプル案内管２３に挿抜する垂直駆動用ボールねじ９およびこれを駆動する垂直駆動用モーター３と、炉心６の外部でサンプル封入管１１に収められた燃料サンプルを加熱する燃料昇温部１９と、炉心６の外部に設けられた中性子検出器８と、を備える。解析装置２１は、燃料昇温部１９で加熱された燃料サンプルが炉心６の内部に位置するときの中性子計数率およびそのときの温度、並びに、低温の燃料サンプルが炉心６の内部に位置するときの中性子計数率およびそのときの温度に基づいて、反応度変化を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料サンプルの温度変化による反応度変化を測定する温度反応度変化測定装置において、
サンプル案内管と
前記サンプル案内管を囲む炉心と、
前記燃料サンプルの周囲を前記燃料サンプルよりも中性子吸収断面積が小さくかつ前記燃料サンプルよりも熱伝導率が小さいサンプル保護材で囲んだサンプル封入管と、
前記炉心の外部で前記サンプル封入管に収められた前記燃料サンプルを加熱する燃料昇温部と、
前記サンプル封入管を前記燃料昇温部から前記サンプル案内管の内部に移動させるサンプル駆動機と、
前記炉心の外部に設けられた中性子検出器と、
を有することを特徴とする温度反応度変化測定装置。
【請求項２】
前記炉心は水中に設けられ、前記サンプル案内管は水面よりも上に位置する開口から鉛直下方に延び、前記燃料昇温部は前記サンプル案内管の鉛直上方に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項３】
燃料サンプルの温度を測定する温度計をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項４】
前記燃料昇温部および前記サンプル案内管の少なくとも一方の周囲に配置された断熱材をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項５】
前記サンプル保護材は低中性子吸収材で形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項６】
前記低中性子吸収材は、ジルコニウム、アルミニウム、ジルコニウム合金およびアルミニウム合金のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項７】
前記燃料サンプル案内管の軸方向に間隔を置いて前記サンプル封入管に結合された低温サンプル封入管をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項８】
前記燃料サンプルを前記燃料昇温部で加熱しないで前記燃料サンプルを移動させた場合の出力変動値と、前記燃料サンプルを前記燃料昇温部で加熱して燃料サンプルを移動させた場合の出力変動値を比較して反応度を算出する反応度演算部を有すること特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項９】
前記反応度演算部は、出力変動の時系列データをフーリエ変換した周波数応答から反応度を算出することを特徴とする請求項８に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項１０】
前記燃料サンプルから前記燃料昇温部に向かって延びる伝熱棒をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項１１】
前記燃料サンプルは、内部に導電材で形成された発熱体を収めたものであって、前記燃料昇温部は、前記発熱体を電磁誘導によって加熱するコイルであることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の温度反応度変化測定装置。
【請求項１２】
燃料サンプルの温度変化による反応度変化を測定する温度反応度変化測定方法において、
前記燃料サンプルよりも中性子吸収断面積が小さくかつ前記燃料サンプルよりも熱伝導率が小さいサンプル保護材で囲んだサンプル封入管に収められた前記燃料サンプルを炉心の外部で加熱する加熱工程と、
前記炉心に囲まれたサンプル案内管に前記燃料サンプルを挿抜する工程と、
前記加熱工程で加熱された前記燃料サンプルを前記炉心の内部に移動させて前記炉心の外部に設けられた中性子検出器で中性子計数率を測定する第１測定工程と、
前記加熱工程で加熱されたときよりも低温の前記燃料サンプルを前記炉心の内部に移動させて前記中性子検出器で中性子計数率を測定する第２工程と、
前記第１測定工程で測定された中性子計数率およびそのときの前記燃料サンプルの温度ならびに前記第２測定工程で測定された中性子計数率およびそのときの前記燃料サンプルの温度に基づいて燃料サンプルの温度変化による反応度変化を算出する工程と、
を有することを特徴とする温度反応度変化測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料サンプルの温度変化による反応度変化を測定する温度反応度変化測定装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の出力上昇に対して反応度を低下させる負のフィードバックは、負の反応度効果と呼ばれる。原子炉を安全に運転するために、炉心設計における負の反応度効果の評価は重要である。負の反応度効果としては、燃料温度上昇による負のフィードバック効果であるドップラ反応度効果が、軽水炉および高速炉を含む全ての動力炉に共通に挙げられる。また、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）においては、沸騰により水中に発生する気泡（ボイド）による負のフィードバックであるボイド反応度効果がある。原子炉が何らかの要因により出力が上昇した時には、これらの負の反応度効果によって、能動的な操作なしに自然に出力が下がる。このため、負の反応度効果は、原子炉の固有の安全性や自己制御性と呼ばれる重要な効果である。
【０００３】
これらの反応度効果の予測精度評価には、臨界実験による測定が有効である。臨界実験を行う臨界実験装置は、一般的に小型の原子炉である。このような臨界実験装置は、熱出力が実質的に０（ゼロ）であり、放射能レベルも低い。このため、手動で自由に炉心を組み替えることができ、研究用に好適な装置である。
【０００４】
反応度効果とは、中性子増倍率（ｋ）の変化率として、以下のように表現されることが多い。
【０００５】
反応度（ρ）＝１／ｋ０−１／ｋ１＝（ｋ１−ｋ０）／（ｋ０×ｋ１）
ここで、ｋ０は変化前の中性子増倍率、ｋ１は変化後の中性子増倍率である。
【０００６】
中性子増倍率（ｋ）とは、原子炉内において生成する中性子の量と消滅または炉外へ逃げる中性子の量との比である。中性子増倍率が１のときは臨界、１を超えると超臨界、１未満のときは未臨界である。ドップラ反応度効果は、ｋ０が低温での中性子増倍率、ｋ１が高温での中性子増倍率のときの反応度効果である。低温で臨界であるとすると、ｋ０＝１となり、
ρ＝（ｋ１−１）／ｋ１
と表すことができる。
【０００７】
ドップラ反応度効果を測定するには、燃料を高温にする必要がある。このため、炉内に設置する特殊な実験装置が必要である。また、高度な実験技術を要するとともに、実験コストも高くなる。このような理由から、軽水炉におけるドップラ反応度効果の測定は、１９５５年ごろから１９７０年ごろまでに行われ、それ以降の測定はほとんど行われていない（たとえば非特許文献１参照）。
【０００８】
燃料ペレットを高温に昇温させるために炉内に設置する特殊な実験装置は、ドップラ反応度効果を測定する実験を困難にしている。臨界実験装置でドップラ反応度効果を測定する方法としては、臨界時に燃料温度を上昇させ、その際の反応度を測定する方法がある。この方法は、反応度法と呼ばれる。
【０００９】
また、照射した燃料の放射化量からドップラ反応度効果を算出する方法もある。この方法は、放射化法と呼ばれる。たとえば、特許文献１には、放射化法を用いたドップラ反応度効果の測定法が開示されている。放射化法を用いる場合は、炉内にヒーターや断熱材を含む装置を設置する必要がある。
【００１０】
反応度法には、出力の時間変化から反応度を算出する方法（時間法）と、変化した反応度分を校正された制御棒や臨界水位により補償する方法（補償法）がある。臨界実験装置の中に設置した燃料昇温装置は、装置が大型であれば、装置自体が中性子を吸収、散乱する。その結果、中性子場が乱れ、本来の実験炉心の特性を評価できなくなる。
【００１１】
また、燃料を封入するための容器や、昇温のためのヒーターなども温度上昇する。これらの材質の温度上昇効果が反応度に影響を与えることもある。このため、本来の燃料のみの温度上昇による反応度効果に大きな誤差を生じる可能性がある。このため、炉心に挿入する昇温装置は、なるべく小さなものが望ましい。
【００１２】
反応度の測定法である時間法には、ペリオド法、逆動特性法、パイルオシレータ法などがある。ペリオド法では、出力の上昇または下降時間から反応度を算出する。逆動特性法では、出力の時間変化を逐次解析し、原子炉の動特性方程式から算出する。パイルオシレータ法では、サンプルを振動させ、その際の出力変動値から算出する。
【００１３】
パイルオシレータ法（非特許文献２参照）は、サンプルを駆動させる装置が必要であることと、時系列データの複雑な処理が必要であることから、従来は実験にかかるコストが高かった。しかし、現在では、小型で高速動作が可能な産業用ロボットが安価で入手できるようになった。また、計算機、測定技術の進歩により、高速に大容量の時系列データの取得が可能となった。時間変化の解析に有効な手段である高速フーリエ解析なども、小型の計算機で容易に行えるようになった。このため、現在では、パイルオシレータ法も容易に行うことができる測定法となっている。
【００１４】
燃料の昇温方式としては、ニクロム線などを用いた電気ヒーターによる方式や、レーザー加熱方式なども利用できる。また、発熱体を酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの絶縁体とシースで被覆したシース付ヒーターは、取り扱いが容易で、６００〜７００℃程度までの昇温が可能であり、小型の装置に適用できる。
【００１５】
ＢＷＲ燃料核設計プログラムを用いた解析評価によると、Ｕ−２３５の濃縮度が３％の典型的なＵＯ２燃料では、６００℃程度の温度上昇で２％程度の中性子増倍率の変化がある。臨界実験装置においては、炉心内の一部の領域に配置した燃料のみを昇温することが想定される。このため、炉心全体の中性子増倍率をｋ＝１とすると、昇温対象燃料の価値は０．０００５〜０．００１程度と想定される。
【００１６】
時間法では、ρ＝１×１０−５〜１×１０−６程度の測定が可能と考えられる。対象とする一部の燃料の価値を０．００１とし、小型ヒーターで６００℃程度まで加熱した際に２％の変化があるとすると、反応度変化（Δρ）は０．００１×０．０２＝２×１０−５となり、時間法により十分測定が可能と考えられる。
【００１７】
パイルオシレータ法を行うことができる代表的な炉としては、フランスカダラッシュ研究所のＭＩＮＥＲＶＥ炉がある。ここでは、炉心外部で燃料を加熱し、加熱後炉心内に挿入し、また、炉心外部へ取り出し加熱することで、炉心内へヒーターなどの大型の機器を持ち込むことを避けたパイルオシレータによるドップラ反応度効果の測定が試みられている。しかし、炉内への燃料挿入時に燃料温度が低下するために測定誤差が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００１−２４９１９７号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】E. Hellstrand、他２名、"The Temperature Coefficient of the resonance integral for uranium metal and oxide"、Nuclear Science and Engineering 、Vol.8、p497-506、１９６０年
【非特許文献２】C. Golinelli、他、"Temperature Coefficient and Doppler Effect Measurements"、Proceeding of the conference, 1980 Advances in Reactor Physics and Shielding、p243-254、１９８０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ドップラ効果測定の際に測定を困難にする大きな要因は、臨界実験装置の炉心内に昇温装置を設置しなければならないことである。昇温装置を炉外に設置できれば、装置が炉心の反応度に与える影響を除外でき、測定精度を向上させることができる。
【００２１】
パイルオシレータ法では、サンプルを振動させる。サンプルの振動周期は、０．１Ｈｚあるいはそれ以上の比較的ゆっくりとした動作でも、十分に反応度が測定できる。この方法では、炉外に設置したヒーターにより、サンプルを加熱する。炉外で十分温度が上昇した後に、炉内へ挿入し、反応度変化が測定されたら、また、ヒーターへ戻し、再加熱する。この周期を繰り返すことにより、炉内へ昇温装置を持ち込むことなく、ドップラ反応度効果を測定できる。しかし、炉内への燃料挿入の際の時間の経過に伴う温度低下によって、測定誤差を生じる。特に金属燃料の場合、熱伝導率が高いため、ヒーターで高温に加熱した燃料は、気中に取り出した後、急激に温度が下がるため、測定が困難となる。
【００２２】
そこで、本発明は、燃料の温度変化による反応度変化、すなわち、ドップラ反応度効果の測定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料サンプルの温度変化による反応度変化を測定する温度反応度変化測定装置において、サンプル案内管と前記サンプル案内管を囲む炉心と、前記燃料サンプルの周囲を前記燃料サンプルよりも中性子吸収断面積が小さくかつ前記燃料サンプルよりも熱伝導率が小さいサンプル保護材で囲んだサンプル封入管と、前記炉心の外部で前記サンプル封入管に収められた前記燃料サンプルを加熱する燃料昇温部と、前記サンプル封入管を前記燃料昇温部から前記サンプル案内管の内部に移動させるサンプル駆動機と、前記炉心の外部に設けられた中性子検出器と、を有することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明は、燃料サンプルの温度変化による反応度変化を測定する温度反応度変化測定方法において、前記燃料サンプルよりも中性子吸収断面積が小さくかつ前記燃料サンプルよりも熱伝導率が小さいサンプル保護材で囲んだサンプル封入管に収められた前記燃料サンプルを炉心の外部で加熱する加熱工程と、前記炉心に囲まれたサンプル案内管に前記燃料サンプルを挿抜する工程と、前記加熱工程で加熱された前記燃料サンプルを前記炉心の内部に移動させて前記炉心の外部に設けられた中性子検出器で中性子計数率を測定する第１測定工程と、前記加熱工程で加熱されたときよりも低温の前記燃料サンプルを前記炉心の内部に移動させて前記中性子検出器で中性子計数率を測定する第２工程と、前記第１測定工程で測定された中性子計数率およびそのときの前記燃料サンプルの温度ならびに前記第２測定工程で測定された中性子計数率およびそのときの前記燃料サンプルの温度に基づいて燃料サンプルの温度変化による反応度変化を算出する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料の温度変化による反応度変化、すなわち、ドップラ反応度効果の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第１の実施の形態における立断面図である。
【図２】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第１の実施の形態における上面図である。
【図３】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第１の実施の形態におけるサンプル封入管の縦断面図である。
【図４】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第１の実施の形態における中性子係数率の時間変化の例を示すグラフである。
【図５】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第１の実施の形態における中性子係数率の時系列データをフーリエ変換した例を示すグラフである。
【図６】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第２の実施の形態におけるサンプル封入管近傍の立断面図である。
【図７】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第３の実施の形態におけるサンプル封入管近傍の立断面図である。
【図８】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第４の実施の形態におけるサンプル封入管近傍の立断面図である。
【図９】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第５の実施の形態において昇温されるサンプル封入管が炉心の中央高さに位置した場合のサンプル案内管近傍の立断面図である。
【図１０】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第５の実施の形態において、昇温されるサンプル封入管が燃料昇温部に位置した場合のサンプル案内管近傍の立断面図である。
【図１１】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第６の実施の形態におけるサンプル案内管近傍の立断面図である。
【図１２】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第６の実施の形態におけるサンプル封入管の横断面図である。
【図１３】本発明に係る温度反応度係数測定装置の第７の実施の形態における昇温部近傍の立断面図である。
【図１４】図１３のXIV−XIV矢視横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明に係る温度反応度係数測定装置の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２８】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る温度反応度係数測定装置の第１の実施の形態における立断面図である。図２は、本実施の形態における温度反応度係数測定装置の上面図である。
【００２９】
本実施の形態における温度反応度係数の測定装置は、炉容器７を有している。炉容器７は、減速材である水１２を貯えられる容器であり、たとえばステンレス鋼で円筒状に形成される。炉容器７の内部には、炉心６が形成される。炉心６は、たとえば鉛直方向に延びる円筒状の金属管に核燃料物質を封入した燃料棒を、正方格子状に配列したものである。また、炉容器７の内部の炉心６の外側には、中性子検出器８が設けられている。中性子検出器８が測定した中性子量の時系列データは、解析装置２１に貯えられ、また、解析されて、反応度が算出される。
【００３０】
炉心６の内部には、鉛直方向に延びるサンプル案内管２３が配置される。サンプル案内管２３は、下端が閉じ、上端が開放された円筒である。サンプル案内管２３の上端は炉容器７に貯えられた水１２の水面よりも上に位置しており、水１２はサンプル案内管２３の内部から排除されている。サンプル案内管２３は、中性子吸収が小さい材料で形成されることが好ましく、強度が十分であれば中性子吸収が小さいアルミニウムやジルコニウムまたはこれらの合金で形成するとよい。
【００３１】
炉容器７の上面には、たとえば１対の支持レール５が架け渡されている。また、支持レール５に沿って水平駆動用ボールねじ１０が延びている。水平駆動用ボールねじ１０には水平駆動用モーター４が取り付けられている。支持レール５の上には、水平駆動用ボールねじ１０によって水平方向に駆動される支持台１が載せられている。水平駆動用モーター４は、水平駆動用モーター制御装置１３で制御される。
【００３２】
支持台１には、鉛直方向に延びる垂直駆動用ボールねじ９が取り付けられている。垂直駆動用ボールねじ９はギア２を介して垂直駆動用モーター３に連結しており、垂直駆動用モーター３の回転によって上下に移動する。垂直駆動用モーター３は、垂直駆動用モーター制御装置１４で制御される。
【００３３】
垂直駆動用ボールねじ９の下端には、サンプル封入管１１が取り付けられている。サンプル封入管１１は、垂直駆動用ボールねじ９の移動に伴って、サンプル案内管２３の内部から燃料昇温部１９まで、垂直に移動する。つまり、垂直駆動用ボールねじ９、ギア２および垂直駆動用モーター３は、サンプル封入管１１をサンプル案内管２３に挿抜するサンプル駆動機である。
【００３４】
支持台１の下部には、燃料昇温部１９が設けられている。燃料昇温部１９にはヒーター２０が設けられている。燃料昇温部１９に設けられたヒーター２０は、燃料昇温部１９まで上昇したサンプル封入管１１を加熱可能に設けられている。燃料昇温部１９は、支持台１とともに移動し、サンプル案内管２３の鉛直上方まで移動可能である。
【００３５】
図３は、本実施の形態におけるサンプル封入管の縦断面図である。
【００３６】
サンプル封入管１１は、燃料サンプル２５をサンプル保護材２９で取り囲んだものである。燃料サンプル２５は、温度変化に伴う反応度変化を測定する対象の核燃料である。燃料サンプル２５として、たとえば円筒状に焼き固められた燃料ペレットを用いることができる。サンプル保護材２９は、中性子吸収の温度変化が小さな物質で形成することが好ましい。サンプル保護材２９として用いる中性子吸収の温度変化が小さな物質としては、たとえば、アルミナ、マグネシア、シリカ、あるいは、ジルコニアが挙げられる。
【００３７】
測定の際には、まず、垂直駆動用ボールねじ９がサンプル案内管２３の真上に位置するように支持台１を水平方向に移動させる。支持台１の水平方向の移動は、水平駆動用モーター４を駆動させることによって行う。なお、本実施の形態において、水平駆動用機構にモーターを用いているが、この水平駆動用機構は水平方向の位置決めのためにのみ用い、反応度測定時には使用しないので、簡易な手動駆動機構でもよい。
【００３８】
サンプル封入管１１に収められた燃料サンプル２５は、サンプル封入管１１を燃料昇温部１９に保持した状態で、ヒーター２０で加熱される。燃料サンプル２５が加熱されて、所定の温度に昇温した後、サンプル封入管１１は炉心６へ挿入される。そのときの中性子計数率の変化は、中性子検出器８で測定される。測定された中性子係数率の時系列データは、解析装置２１によって解析され、反応度が算出される。
【００３９】
測定が終了した後には、まず、サンプル封入管１１を炉心６から抜き出す。その後、水平駆動用モーター４と水平駆動用ボールねじ１０により、支持レール５上の支持台１を水平方向に移動する。
【００４０】
図４は、本実施の形態における中性子係数率の時間変化の例を示すグラフである。図４において、横軸は時刻、縦軸は中性子計数率を示す。
【００４１】
昇温された燃料サンプル２５を上下に駆動させて炉心からの取り出し、炉心への挿入を繰り返すと、中性子計数率はたとえば実線９１のように変化する。燃料サンプル２５が中性子検出器８に最も近い位置にある時に中性子計数率は最も大きくなり、燃料サンプル２５が中性子検出器８から最も遠い位置にある時に中性子計数率は最も小さくなる。一方、昇温された燃料サンプル２５と同じ炉心６を用いて、昇温された燃料サンプル２５と同様に低温の燃料サンプル２５を上下に駆動させると、たとえば破線９２のように変化する。
【００４２】
これらのデータを解析することによりそれぞれの反応度が得られ、両者の差から燃料の温度による反応度変化を算出することができる。低温の燃料サンプル２５の温度をＴ１、昇温された燃料サンプルの温度をＴ２とし、低温の燃料サンプル２５を移動させたときの中性子計数率の振幅をΔＣ１、高温の燃料サンプル２５を移動させたときの中性子計数率の振幅をΔＣ２とすると、燃料サンプル２５の温度変化による反応度変化Δρは、
（Δρ／ΔＴ）∝（ΔＣ２−ΔＣ１）／（Ｔ２−Ｔ１）
と表すことができる。
【００４３】
燃料サンプル２５を炉心６の外部まで移動させているとすると中性子計数率に燃料サンプル２５の影響はほとんど現われなくなり、燃料サンプル２５の温度が高い場合と温度が低い場合とで中性子計数率はほぼ等しい最低値をとることになる。
【００４４】
このようにして、本実施の形態を用いると、燃料の温度変化による反応度変化、すなわち、ドップラ反応度効果を測定することができる。また、熱伝導率が小さい物質でサンプル保護材２９を形成することにより、燃料昇温部１９から炉心６内への移動の際の燃料サンプル２５の温度低下を小さくすることができる。このため、測定誤差を小さくすることができる。
【００４５】
図５は、本実施の形態における中性子係数率の時系列データをフーリエ変換した例を示すグラフである。図５において、横軸は周波数、縦軸は振幅を示す。
【００４６】
図５において、実線９３は、昇温された燃料サンプル２５を上下に駆動させて炉心からの取り出し、炉心への挿入を繰り返した場合の中性子計数率の時系列データをフーリエ変換したときの振幅の例である。また、図５において、破線９４は、昇温された燃料サンプル２５と同じ炉心６を用いて、昇温された燃料サンプル２５と同様に低温の燃料サンプル２５を上下に駆動させた場合の中性子計数率の時系列データをフーリエ変換したときの振幅の例である。
【００４７】
反応度の算出には、中性子係数率の時系列データを用いる。反応度の算出の方法としては、図４で示したグラフのように中性子係数率を時間軸で観察し、その振幅を基に反応度を評価する方法がある。また、この他に、図５に示したグラフのように、中性子係数率の時系列データをフーリエ変換し、周波数軸で観察し、その振幅を基に反応度を評価することもできる。特に、サンプルの移動に起因する中性子計数率の変化に、周期的ノイズが混入し、時系列データの振幅の評価が困難な場合には、周期的ノイズを除去するために周波数軸で観察することは有効である。
【００４８】
また、サンプル案内管２３の内部から減速材である水を排除し、サンプル封入管が水と接触しないようにしている。つまり、サンプル封入管は、水よりも熱伝導率が小さい空気のみと接する。このため、加熱部から炉心６内への移動の際のサンプルの温度低下を小さくすることができ、測定誤差を小さくすることができる。
【００４９】
本実施の形態では、支持台１の水平方向の移動に、水平駆動用モーター４を用いているが、水平方向の移動は手動で行ってもよい。
【００５０】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る温度反応度係数測定装置の第２の実施の形態におけるサンプル封入管近傍の立断面図である。
【００５１】
本実施の形態の測定装置では、サンプル封入管１１に、燃料サンプル２５の温度を測定する温度計２２が取り付けられている。温度計２２が測定した燃料サンプル２５の温度データは、解析装置２１（図１参照）に伝達される。温度計２２としては、たとえば小型の熱伝対が用いやすい。また、温度計２２として、非接触のレーザー温度計を用いてもよい。
【００５２】
燃料サンプル２５は、サンプル保護材２９で囲まれているため、温度変化は緩やかである。しかし、サンプル封入管１１を炉心６（図１参照）に挿入する間に、緩やかながらも燃料サンプル２５の温度が変化する可能性がある。この温度変化をモニターしておけば、燃料サンプル２５が炉心６に挿入された状態での、実際の温度を直接測定することができる。このようにして直接測定した燃料サンプル２５の温度を用いて、反応度変化を算出することによって、測定の精度を向上させることができる。
【００５３】
［第３の実施の形態］
図７は、本発明に係る温度反応度係数測定装置の第３の実施の形態におけるサンプル封入管近傍の立断面図である。
【００５４】
本実施の形態の測定装置では、ヒーター２０およびサンプル案内管２３の周囲に断熱材２４が配置されている。このように断熱材２４をヒーター２０およびサンプル案内管２３の周囲に配置することによって、燃料サンプル２５の温度低下が低減される。このため、測定精度を向上させることができる。
【００５５】
ヒーター２０の周囲の断熱材２４は、炉心６の構造に影響を与えないので、スペースに応じて多量の使用も可能である。サンプル案内管２３の周囲の断熱材２４は、炉心６内に挿入されるため、中性子場を乱さないように、なるべく少量とすることが望ましい。
【００５６】
サンプル案内管２３の周囲の断熱材２４は、できるだけ中性子吸収の小さいものが好ましく、たとえばアルミナやシリカやマグネシア系の断熱材が適している。さらに、２重管により真空層を作った断熱管は、中性子吸収が小さいので、より適している。また、サンプル案内管２３の内面を鏡面仕上げとすると、輻射熱がサンプル案内管２３の内面で反射してサンプル封入管１１に戻るため、温度低下を抑制する。
【００５７】
［第４の実施の形態］
図８は、本発明に係る温度反応度係数測定装置の第４の実施の形態におけるサンプル封入管近傍の立断面図である。
【００５８】
本実施の形態では、サンプル封入管１１は、容器２６中に、燃料サンプル２５およびそれを囲むサンプル保護材２９を収納したものである。この容器２６は、低中性子吸収材を用いて形成する。容器２６とサンプル保護材２９との間は、できるだけ接触面積が小さいほうが、燃料サンプル２５の温度変化が小さくなるため好ましい。
【００５９】
測定の際に、サンプル封入管１１は高温になる。このため、サンプル封入管１１としては、高温での健全性が高いステンレス鋼製の管が最も安価で製作も容易である。しかし、ステンレス鋼は中性子の吸収が比較的大きいために、中性子場を乱す可能性がある。また、温度変化によりステンレスの中性子吸収が変化する場合には、測定値に誤差を与える要因ともなる。
【００６０】
しかし本実施の形態では、低中性子吸収材を用いたサンプル封入管２６を用いることにより、測定精度を向上させることができる。低中性子吸収材としては、アルミニウムやジルコニウムまたはこれらの合金を用いることができる。アルミニウムあるいはアルミニウム合金は高温での使用は困難であるが、安価であるため、測定温度が低い場合には好ましい。ジルコニウムまたはジルコニウム合金は、高価であるが高温でも使用可能である。
【００６１】
［第５の実施の形態］
図９は、本発明に係る温度反応度係数測定装置の第５の実施の形態において昇温されるサンプル封入管が炉心の中央高さに位置した場合のサンプル案内管近傍の立断面図である。
【００６２】
本実施の形態では、昇温されるサンプル封入管１１の下部に、所定の間隔をおいて低温サンプル封入管２７が取り付けられている。低温サンプル封入管２７の内部には、昇温されるサンプル封入管１１と同じ形態で燃料サンプル２５およびサンプル保護材２９（図３参照）が収められている。
【００６３】
図１０は、本実施の形態において、昇温されるサンプル封入管が燃料昇温部に位置した場合のサンプル案内管近傍の立断面図である。
【００６４】
低温サンプル封入管２７は、昇温されるサンプル封入管１１が炉心の中央高さに位置したときに炉心６の外部に位置する。また、低温サンプル封入管２７は、昇温されるサンプル封入管１１が燃料昇温部１９に位置しているときに、炉心６の中央高さに位置する。
【００６５】
低温の燃料サンプル２５の挿抜を繰り返して中性子計数率を測定した後、高温の燃料サンプル２５の挿抜を繰り返して中性子計数率を測定する場合、炉心６の状態は完全に同一とはなりにくい。このような場合、系統的な誤差が生じやすい。
【００６６】
しかし、本実施の形態では、高温の燃料サンプル２５の挿抜を繰り返す間に、低温の燃料サンプル２５の挿抜も繰り返される。つまり、垂直駆動用ボールねじ９を上下に移動させることで、昇温されたサンプル封入管１１と低温サンプル封入管２７とが交互に炉心６に挿入される。このとき得られる中性子計数率の時間変化を用いて算出される反応度は、燃料の温度による反応度変化そのものを示す。このため、系統的な誤差を排除することができ、測定精度を向上させることができる。
【００６７】
［第６の実施の形態］
図１１は、本発明に係る温度反応度係数測定装置の第６の実施の形態におけるサンプル案内管近傍の立断面図である。図１２は、本実施の形態におけるサンプル封入管の横断面図である。
【００６８】
本実施の形態では、燃料サンプル２５には伝熱棒３０が取り付けられている。伝熱棒３０は、燃料サンプル２５から垂直駆動用ボールねじ９の内部を鉛直上方に延びている。
【００６９】
このように伝熱棒３０を設けることにより、燃料サンプル２５が燃料昇温部１９から炉心６に向かって離れていく間に、燃料昇温部１９での発熱が伝熱棒３０によって燃料サンプル２５に伝達される。このため、燃料サンプル２５の移動の際の温度低下が抑制され、測定精度が向上する。
【００７０】
さらに、伝熱棒３０の代わりにニクロム線などの発熱体を用いてもよい。このような発熱体を発熱させておくことにより、燃料サンプル２５の移動の際の温度低下がさらに抑制され、測定精度が向上する。
【００７１】
［第７の実施の形態］
図１３は、本発明に係る温度反応度係数測定装置の第７の実施の形態における昇温部近傍の立断面図である。図１４は、図１３のXIV−XIV矢視横断面図である。
【００７２】
本実施の形態では、燃料サンプル２５の内部に発熱体３２を埋め込んでいる。燃料サンプル２５およびそれを囲むサンプル保護材２９は、絶縁容器３４に収められていてもよい。
【００７３】
燃料昇温部１９には、第１の実施の形態でのヒーター２０（図１参照）の代わりに、コイル３１が設けられている。このコイル３１に高周波電流を通電することにより、電磁誘導現象を用いて導電体で形成された発熱体３２を加熱する。発熱体３２は加熱されて温度が上昇し、発熱体３２の温度上昇に伴って燃料サンプル２５は昇温する。このように電磁誘導現象を用いて加熱するため、燃料昇温部１９のコイル３１とサンプル封入管１１との間には、金属管ではなく絶縁案内管３３を設ける。また、燃料サンプル２５を収める絶縁容器３４およびサンプル保護材２９は、電磁誘導を妨げない材料で形成する。
【００７４】
このようにして燃料サンプル２５を内部から加熱すると、サンプル封入管１１の燃料サンプル２５以外の温度上昇を抑えることができる。このため燃料サンプル２５以外の温度上昇に伴う中性子吸収率の変動による影響を抑制することができる。よって、測定精度を向上させることができる。
【００７５】
また、現実の原子炉に装荷された燃料ペレットでは、燃料ペレットの径方向の全体で発熱するが、外部からのヒーターで加熱する場合は、現実の燃料ペレット内の温度分布と異なる可能性がある。本実施の形態では、燃料サンプル２５の中心付近で発熱するため、燃料サンプル２５内の温度分布が、現実の原子炉に装荷された燃料ペレットに近くなる。このため、燃料サンプル２５の内部の温度分布が、現実の原子炉に装荷された場合の温度分布と異なることに起因する誤差が小さくなり、よりよい模擬試験を行うことができる。
【００７６】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【符号の説明】
【００７７】
１…支持台、２…ギア、３…垂直駆動用モーター、４…水平駆動用モーター、５…支持レール、６…炉心、７…炉容器、８…中性子検出器、９…垂直駆動用ボールねじ、１０…水平駆動用ボールねじ、１１…サンプル封入管、１２…水、１３…水平駆動用モーター制御装置、１４…垂直駆動用モーター制御装置、１９…燃料昇温部、２０…ヒーター、２１…解析装置、２２…温度計、２３…サンプル案内管、２４…断熱材、２５…燃料サンプル、２７…低温サンプル封入管、２９…サンプル保護材、３０…伝熱棒、３１…コイル、３２…発熱体、３３…絶縁案内管、３４…絶縁容器
【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６】
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【図７】
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【図８】
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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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【図１３】
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【図１４】
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