(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の中性子射出側の表面を通過する時に熱中性子となる程度のエネルギーを持つエピサーマル中性子を、被測定物に照射し、熱中性子による中性子捕獲ガンマ線の計数値と上記熱中性子吸収原子の個数密度の相関関係を利用し、前記原子の個数密度を非破壊的に測定する原子個数密度の非破壊測定方法。
【請求項２】
前記原子がホウ素10Ｂであり、前記被測定物が内径３〜５ｍｍのステンレス管に炭化ホウ素Ｂ4Ｃを封入した原子炉の制御棒であり、前記エピサーマル中性子のエネルギー範囲が１０ｅＶ〜１００ｅＶであることを特徴とする請求項１記載の原子個数密度の非破壊測定方法。
【請求項３】
上記エピサーマル中性子は、カリフォルニウム２５２を中性子源としこの中性子源と被測定物との間にカリフォルニウム２５２からの中性子を減速させ減速材を置きこの減速材で得たエピサーマル中性子を使用するものとしたことを特徴とする請求項２記載の原子個数密度の非破壊測定方法。
【請求項４】
被測定物の中性子射出側の表面を通過する時に熱中性子となる程度のエネルギーを持つエピサーマル中性子発生手段と、このエピサーマル中性子が照射される被測定物の、熱中性子捕獲ガンマ線の数を計数するγ線検出器と、このγ線検出器の計数値と熱中性子吸収原子の個数密度の相関関係を利用して、前記原子の個数密度を検出する手段と、を備える原子個数密度の非破壊測定装置。
【請求項５】
上記中性子発生手段は、カリフォルニウム２５２から成る中性子源と、この中性子源から放出される中性子を減速させてエピサーマル中性子を得る減速材と、を備えるものとした請求項４の原子個数密度の非破壊測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性子を照射し中性子捕獲ガンマ線を測定することにより、熱中性子吸収原子の個数密度の非破壊測定を行う方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
放射線を非測定物に照射し、透過後の特定元素の吸収による減衰量を測定、また特定元素との核反応による放射線を測定するなどして、非破壊的に前記元素の量を評価する方法には様々なものがある。従来例である特開平５−２８８８８７には、図２のように、ホウ素10Ｂを含む被測定物１（例えば核燃料ペレット）に中性子源２からの熱中性子３を照射し中性子捕獲ガンマ線４をガンマ線検出器５で測定することにより、ホウ素10Ｂの個数密度の非破壊測定を行う方法が示されている。ただしここで中性子捕獲ガンマ線とは(n,γ)反応によるガンマ線だけでなく、中性子吸収に起因する全ての放出ガンマ線を意味する。また中性子はその速さ、すなわち運動エネルギーにより分類され、その大きいほうから、高速中性子、エピサーマル中性子、熱中性子と呼ばれる。それぞれのエネルギー領域はおおよそ、〜６ｋｅＶ、６ｋｅＶ〜０．６ｅＶ、０．６ｅＶ〜である。この従来例ではスパッタ被覆法により核燃料ペレット１に施された被対象物となる二ホウ化ジルコニウム被覆６内のホウ素10Ｂの量を非破壊的に測定する。この方法においては、ホウ素10Ｂが非常に高い熱中性子吸収断面積を有しているという事実が利用される。ここで中性子吸収断面積とは該原子の中性子を吸収する確率を表す値である。ホウ素10Ｂの原子核が中性子を吸収すると、該ホウ素10Ｂはアルファ粒子を放出すると同時に特性エネルギーのガンマ線を放出する。従って該被測定物を熱中性子で照射し特性ガンマ線を計数することによりホウ素10Ｂの量を測定できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記従来例には以下のような問題が存在する。上記従来例は、スパッタにより薄くホウ素10Ｂを塗布したような被測定物に対してのみ有効である。図３のように熱中性子吸収原子７がある程度の薄さ及び個数密度で分布している場合、照射された熱中性子３は部分的にのみ吸収され、その吸収割合及び捕獲ガンマ線量４は熱中性子吸収原子７の密度に相関する。しかるに図４のように熱中性子吸収原子７がある程度以上の厚みと個数密度を持ち分布する場合、照射された熱中性子３は表面から多少深くまで入り込んだとしても結局熱中性子吸収原子７により全て吸収されてしまい、その吸収割合及び捕獲ガンマ線量３は熱中性子吸収原子１１の密度に相関せず、前記原子の密度を測定できない。なお中性子の透過性（図３の３Ａで示した）を左右する前記原子の分布する厚さ及び個数密度は前記原子によって異なる。
【０００４】
本発明の目的は、熱中性子吸収原子が、熱中性子が透過できないほどの厚みと個数密度で分布する場合でも、該熱中性子吸収原子の個数密度の非破壊測定を可能にする方法及び装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被測定物の中性子射出側の表面を通過する時に熱中性子となる程度のエネルギーを持つエピサーマル中性子を、被測定物に照射し、熱中性子による中性子捕獲ガンマ線の計数値と上記熱中性子吸収原子の個数密度の相関関係を利用し、前記原子の個数密度を非破壊的に測定する原子個数密度の非破壊測定方法を開示する。
【０００６】
更に本発明は、前記原子がホウ素10Ｂであり、前記被測定物が内径３〜５ｍｍのステンレス管に炭化ホウ素Ｂ4Ｃを封入した原子炉の制御棒であり、前記エピサーマル中性子のエネルギー範囲が１０ｅＶ〜１００ｅＶであることを特徴とする原子個数密度の非破壊測定方法を開示する。
【０００７】
更に本発明は、上記エピサーマル中性子は、カリフォルニウム２５２を中性子源としこの中性子源と被測定物との間にカリフォルニウム２５２からの中性子を減速させ減速材を置きこの減速材で得たエピサーマル中性子を使用するものとしたことを特徴とする原子個数密度の非破壊測定方法を開示する。
【０００８】
更に本発明は、被測定物の中性子射出側の表面を通過する時に熱中性子となる程度のエネルギーを持つエピサーマル中性子発生手段と、このエピサーマル中性子が照射される被測定物の、熱中性子捕獲ガンマ線の数を計数するγ線検出器と、このγ線検出器の計数値と熱中性子吸収原子の個数密度の相関関係を利用して、前記原子の個数密度を検出する手段と、を備える原子個数密度の非破壊測定装置を開示する。
【０００９】
更に本発明は、上記中性子発生手段は、カリフォルニウム２５２から成る中性子源と、この中性子源から放出される中性子を減速させてエピサーマル中性子を得る減速材と、を備えるものとした原子個数密度の非破壊測定装置を開示する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の考え方を図１を用いて説明する。本発明では、線源としてエピサーマル領域（０．６ｅＶ〜６ｋｅＶ程度のエネルギーを持つもの、好ましくは１０ｅＶ〜１００ｅＶ）の中性子を使用する。更に、被測定対象物７Ａはある程度以上の厚さを持つものとする。被測定対象物７Ａ内の熱中性子吸収原子７は、エピサーマル領域の中性子に対しては小さな吸収断面積を持つため、入射したエピサーマル中性子８は、射出側の表面近くまでの領域Ｅ1では吸収されずに進み、同時に減速され、射出側表面の領域Ｅ2に進むころには熱中性子にまで減速される（上記厚みとはこのようなＥ1とＥ2とを持つ如き厚みを指す）。そしてその領域では被測定物１０の射出側表面までの距離が短いため、図３のように熱中性子が薄い中性子吸収原子領域を通過（通過中性子３Ａ、１２として表示）するのと同様な透過性を持ち、中性子は部分的にのみ吸収され捕獲ガンマ線１１を放射する。このとき吸収割合及び捕獲ガンマ線量は熱中性子吸収原子７の密度に相関する。従って放射されるガンマ線を計数すれば被測定物１０内の熱中性子吸収原子７の個数密度が測定できる。ただし照射する中性子のエネルギーをどの程度に設定するかは個々の元素及び数密度、分布する厚さにより変化するため、中性子射出表面近辺で熱中性子となるように最適化する必要がある。以上により、熱中性子吸収原子が、熱中性子が透過できないほどの厚みと個数密度を持ち分布する場合でも、該熱中性子吸収原子の個数密度の非破壊測定が可能になる。
【００１１】
本発明を、実施の形態に基づいて詳細に説明する。
ここで取り上げるのは、原子炉の制御に用いられる制御棒の一部品である、ホウ素10Ｂを封入した管に含まれるホウ素10Ｂの個数密度を測定する方法である。沸騰水型原子炉で用いられる制御棒の概略は図５に示すとおりであり、ステンレスのシース２０の中にＢ4Ｃを封入したステンレス管２１が配置されている。ホウ素の同位体のうちホウ素10Ｂは充分大きな熱中性子吸収断面積を持ち、熱中性子炉の制御材に用いられる。ただしエピサーマル及び高速領域の中性子に対しては断面積が小さく、透過性が高い。
【００１２】
図６にホウ素10Ｂの吸収断面積を示す。本発明が測定の対象とするのは大きな熱中性子吸収断面積を持つ原子であるが、図６のように熱エネルギー領域に対する吸収断面積が、その他のエピサーマル、高速エネルギー領域により大きければよい。また、吸収断面積がエピサーマル領域で大きくなっている場合にも、その断面積のピークのエネルギーよりややエネルギーの高い中性子を照射し、被測定物の中性子射出側の表面を通過する時に前記ピークのエネルギーを持つようにすることにより、本発明の効果は得られる。またホウ素10Ｂの天然同位体組成比は約２０％であり、これによる天然の炭化ホウ素Ｂ4Ｃをそのまま用いる場合もあればホウ素10Ｂの組成比を高めて用いる場合もあり、非破壊でホウ素10Ｂの数密度を測定することにより前記組成比を確認する方法が必要となる。
【００１３】
本実施の形態では、Ｂ4Ｃを封入したステンレス管２１にエピサーマル中性子を照射して、ホウ素10Ｂの中性子吸収の結果放出されるガンマ線を計数することによりホウ素10Ｂの個数密度を測定する。ホウ素10Ｂが中性子を吸収する際、下記の反応に対応する中性子誘起ガンマ線が観察されることが知られている。
（化１）
10Ｂ＋ｎ→7＊Ｌｉ＋4Ｈｅ
（化２）
7＊Ｌｉ→7Ｌｉ＋ガンマ線
上式中7＊Ｌｉはリチウムの励起状態を表し、4Ｈｅはヘリウムを表し7Ｌｉはリチウムの安定状態を表す。ガンマ線は、リチウムの励起状態から安定状態への減衰の結果として放出される。上記反応式１は、Ｂ4Ｃ内のホウ素10Ｂが中性子（ｎ）を吸収すると、該ホウ素10Ｂは励起リチウム及びヘルウムに変換されることを示している。上記反応式２は、励起状態にあるリチウムが、その励起状態から安定状態に減衰するに伴い、該リチウムは、約４７８ｋｅＶのエネルギレベルを有するガンマ線を放出することを示している。従って、約４７８ｋｅＶのエネルギレベルを有するガンマ線の存在は、Ｂ4Ｃ内にホウ素10Ｂが存在することを表す。４７８ｋｅＶのエネルギレベルで放出されるガンマ線の数を測定することにより、Ｂ4Ｃ内のホウ素10Ｂの量の指示情報が得られる。中性子を照射することによって、ステンレス管が破壊されることはなく、また、この照射は本質的に、ホウ素10Ｂに対しても非破壊的でもある。その理由は、この非破壊ホウ素10Ｂの定量法においては、１０10個のホウ素原子中１個以下のホウ素原子しか用いられないからである。
【００１４】
次に測定装置の理論的説明を図７により説明する。エピサーマル中性子発生装置２２から照射された中性子８はステンレス管２１に封入されたＢ4Ｃ２５内を進み、初めはエピサーマル領域であるため、ホウ素10Ｂの断面積が小さく、吸収されない。そして進むと同時に減速し、射出側のＢ4Ｃ表面領域２５Ａで熱中性子にまで減速する。ここでは射出側表面までの距離が短いため、中性子は部分的にのみホウ素10Ｂに吸収され、約４７８ｋｅＶの捕獲ガンマ線２６を放出する。このとき吸収される中性子の割合及びガンマ線量はホウ素10Ｂの個数密度に比例するため、ガンマ線測定器２８により計数すれば個数密度の指示情報が得られる。
【００１５】
次に、本発明で利用する、射出側のＢ4Ｃ表面領域で熱中性子にまで減速される程度のエピサーマル中性子のエネルギーを求める方法を説明する。ここでは、一例としてシミュレーションを用いる方法を説明する。図８にシミュレーションを行う体系を示す。被測定物２１は、内径が約４ｍｍのステンレス管にＢ4Ｃを充填させたものである。これに中性子８を照射した場合の透過側の任意の点Ｐにおける透過中性子の計数値を求める。ここで、中性子のエネルギー０ｅＶ〜１０ＭｅＶまで変化させ、Ｂ4Ｃのホウ素10Ｂの同位体組成比を２０％と５０％とした時の結果を図９に示す。照射中性子のエネルギーが１０ｋｅＶ〜と高い場合は中性子が殆ど吸収されずに透過するため、透過中性子の計数値は大きく、ホウ素10Ｂの密度の違いによる差は生じない。逆に照射中性子のエネルギーが０〜１ｅＶの場合は中性子がほとんど吸収されこれもまたホウ素10Ｂの密度の違いによる差は生じない。一方、照射中性子のエネルギーが１〜１００ｅＶの場合は、ホウ素10Ｂの個数密度の大きい５０％組成比の方が、計数値が小さい。これは、図７で説明したように、射出側のＢ4Ｃ表面領域で熱中性子に減速され、吸収される中性子の割合はホウ素10Ｂの個数密度に比例するためである。更に、組成比２０％と５０％の結果の差分割合を図１０に示す。これにより最適な中性子のエネルギー範囲は、１０ｅＶ〜１００ｅＶであることがわかる。
【００１６】
次に、測定装置を図１１に示す。中性子源３０はカルフォルニウム２５２（252Ｃｆ）より成るものとし、これから発生した高速中性子は減速材３１により、エピサーマル中性子にまで減速され、Ｂ4Ｃを封入したステンレス管２１に照射される。この中性子をホウ素10Ｂが吸収することにより放出されるガンマ線を、ガンマ線検出器３４により計数する。γ線検出器３４の周囲はバックグラウンドγ線の侵入を防止するために鉛の遮蔽体３３で遮蔽してある。また、３２は、鉛コリメータである。
【００１７】
以上の測定装置による測定例を図１２、図１３に示す。図１２はホウ素10Ｂ組成比が２０％の例、図１３が５０％の例である。共に目盛りは省略したが、比較のため同じスケールで作成した。それぞれ、ピーク計数値Ｎ1、Ｎ2は、４７８ｋｅＶの捕獲ガンマ線によるものであった。組成比すなわち個数密度が大きいほど、ガンマ線計数値が大きくなるという相関関係となることがわかる。従って、以上の装置によりガンマ線計数値を求めれば、図１４のような計算によりホウ素10Ｂの個数密度に変換することができる。図１４のグラフはホウ素10Ｂの個数密度を変化させた事例を何通りか測定したデータを得ることにより作成する。
【００１８】
なお本発明は中性子吸収断面積が熱領域で大きくなるその他の元素に対して有効である。ただし照射する中性子のエネルギーをどの程度に設定するかは個々の元素及び数密度、分布する厚さにより変化するため、先に説明した方法などにより、中性子射出表面近辺で熱中性子となるように最適化する必要がある。また捕獲ガンマ線のエネルギーも元素により異なる。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、熱中性子吸収原子が、照射された熱中性子が透過できないほどの厚みと個数密度を持つ場合でも、エピサーマル中性子を照射することにより、中性子吸収割合及び捕獲ガンマ線量を個数密度と相関のあるものとし、ガンマ線の計数による該熱中性子吸収原子個数密度の非破壊測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】従来例の測定方法の説明図である。
【図３】熱中性子吸収原子に熱中性子を照射した場合の中性子吸収を示す説明図である。
【図４】熱中性子吸収原子に熱中性子を照射した場合の中性子吸収を示す説明図である。
【図５】制御棒の概略図である。
【図６】ホウ素10Ｂの吸収断面積を示す図である。
【図７】本発明の測定方法の説明図である。
【図８】本発明のシミュレーション体系を示す図である。
【図９】組成比による透過中性子形数値を示す図である。
【図１０】中性子のエネルギーを変化させたときの透過中性子の差分割合を示す図である。
【図１１】本発明の測定装置例を示す図である。
【図１２】ホウ素10Ｂ組成比２０％のときの実験結果を示す図である。
【図１３】ホウ素10Ｂ組成比５０％のときの実験結果を示す図である。
【図１４】ホウ素10Ｂのγ計数値と個数密度との相関関係図である。
【符号の説明】
１  核燃料ペレット
２  中性子源
３  熱中性子
４  中性子捕獲ガンマ線
５  ガンマ線検出器
６  二ホウ化ジルコニウム被覆
７  熱中性子吸収原子
８  エピサーマル中性子
１０  被測定物
１１、２６  中性子捕獲ガンマ線
１２  透過中性子
２０  制御棒
２１  Ｂ4Ｃが封入されたステンレス管
２２  エピサーマル中性子照射装置
２５  Ｂ4Ｃ
２５Ａ  中性子が熱中性子になる領域
Ｅ1  中性子がエピサーマルである領域
Ｅ2  中性子が熱中性子になる領域
Ｎ1、Ｎ2  特性ガンマ線によるピーク
Ｐ  中性子量測定点
【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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