(57)【要約】【課題】大きな容器内に内包された核燃料物質体系でも未臨界度測定ができる。【解決手段】実施形態によれば、収納容器１内に内包される核燃料物質および媒体からなる核燃料物質体系の実効増倍率を測定する未臨界度測定装置２０は、収納容器１内に配設され媒体を排除する中空管６と、収納容器１の外側であって中空管６の一端近傍に配されて収納容器１内の核燃料物質体系に中空管６を経由して中性子を供給する中性子源２と、収納容器１内の核燃料物質体系からの中性子を検出する一つまたは複数の中性子検出器４と、中性子検出器４の出力に基づいて実効増倍率を算出する実効増倍率算出部１１とを備える。【選択図】図１
2014145720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収納容器内に内包される核燃料物質および媒体からなる核燃料物質体系の実効増倍率を測定する未臨界度測定装置であって、
前記収納容器内に配設され前記媒体を排除する中空管と、
前記収納容器の外側であって前記中空管の一端近傍に配されて前記収納容器内の核燃料物質体系に前記中空管を経由して中性子を供給する中性子源と、
前記収納容器内の核燃料物質体系からの中性子を検出する一つまたは複数の放射線検出器と、
前記放射線検出器の出力に基づいて実効増倍率を算出する実効増倍率算出部と、
を備えることを特徴とする未臨界度測定装置。
【請求項２】
前記中空管は、前記一端は前記収納容器の内壁に近接し、前記一端と反対側の反対端とこれに対向する前記収納容器の内壁間は前記中性子源から発生した中性子の前記放射線検出器への直接の寄与を無視できる十分な距離が確保される位置にある、
ことを特徴とする請求項１に記載の未臨界度測定装置。
【請求項３】
前記中空管は、密閉されており、気体が封じ込められていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の未臨界度測定装置。
【請求項４】
前記中空管は、複数あって互いに異なる位置に配設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の未臨界度測定装置
【請求項５】
前記中性子源は複数あり、互いに異なる位置に配設されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の未臨界度測定装置。
【請求項６】
前記中性子源が中性子を供給すべき複数の位置に前記中性子源を移動させる中性子源駆動部をさらに備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の未臨界度測定装置。
【請求項７】
前記放射線検出器は、第１の放射線検出器と第２の放射線検出器を有し、
前記第１の放射線検出器の出力から前記第２の放射線検出器の出力を減じた差分を算出する差分演算部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の未臨界度測定装置。
【請求項８】
前記第１の放射線検出器は中性子検出器であり、前記第２の放射線検出器はガンマ線検出器であることを特徴とする請求項７に記載の未臨界度測定装置。
【請求項９】
警報用信号を受けて警報を発報する警報装置をさらに備えて、
前記実効増倍率算出部は、算出した実効増倍率が所定の警報用設定値以上となった場合に前記警報装置に前記警報用信号を発する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の未臨界度測定装置。
【請求項１０】
前記収納容器には、前記収納容器内の核燃料物質体系の安全状態維持のための安全系システムが備えられ、
前記実効増倍率算出部は、算出した実効増倍率が所定の安全動作用設定値以上となった場合に前記安全系システムに安全動作指令信号を出力する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の未臨界度測定装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の未臨界度測定装置と、前記収納容器と、前記安全系システムとを備えたことを特徴とする未臨界維持システム。
【請求項１２】
前記安全系システムは、
中性子吸収材を収納する中性子吸収材収納容器と、
前記中性子吸収材収納容器内の中性子吸収材を前記収納容器内に供給する中性子吸収材供給弁と、
を有し、
前記中性子吸収材供給弁は、前記安全動作指令信号を受けて開動作を行うことを特徴とする請求項１１に記載の未臨界維持システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、容器内に内包された核燃料物質体系の未臨界度測定装置および未臨界維持システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
核燃料取り扱い技術では、いかなる状況でも意図せずに臨界に達することがないように核燃料の臨界安全管理をしなければならない。臨界とは、中性子実効増倍率ｋｅｆｆ＝１の場合であり、ｋｅｆｆ＜１の場合には未臨界状態である。臨界（ｋｅｆｆ＝１）までの裕度を示す未臨界度を測定することにより、より安全な臨界安全管理が可能となる。
【０００３】
未臨界度を測定する手法の一つとして、外部中性子源増倍法がある。この手法は、外部中性子源強度が一定である場合において、中性子検出器の応答が実効増倍率（ｋｅｆｆ）に依存することを利用して、計数率から未臨界度を求める方法である。この外部中性子源増倍法は、測定システムが非常に簡単で応答性も優れている。
【０００４】
従来技術として、核燃料輸送容器内、貯蔵施設内および処理施設内などの核燃料を取り扱う体系における未臨界度の監視技術が提案されている。ＢＷＲの場合、測定対象である使用済燃料貯蔵ラックにおける検出位置での中性子束は、たとえば約２．４×１０４（ｎ／ｃｍ２／ｓ）である。
【０００５】
この値は測定のためには十分な値であるが、体系内の中性子の減衰を考慮していないので、中性子の減衰が大きい体系では、適用できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２１１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
外部中性子源増倍法を用いた未臨界度測定においては、操作性・保守性・メンテナンス性の観点から、測定対象（タンク等）の外部に中性子源と検出器を設置することが望ましい。
【０００８】
しかしながら、測定対象（タンク等）の容積が大きい場合、中性子の吸収が大きいため、容器外表面まで漏れ出す中性子束は小さくなり、そのため、測定に必要な計数率を得られない。
【０００９】
そこで、本発明の実施形態は、大きな容積を持つ容器内に内包された核燃料物質体系に対しても、未臨界度測定ができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、収納容器内に内包される核燃料物質および媒体からなる核燃料物質体系の実効増倍率を測定する未臨界度測定装置であって、前記収納容器内に配設され前記媒体を排除する中空管と、前記収納容器の外側であって前記中空管の一端近傍に配されて前記収納容器内の核燃料物質体系に前記中空管を経由して中性子を供給する中性子源と、前記収納容器内の核燃料物質体系からの中性子を検出する一つまたは複数の放射線検出器と、前記放射線検出器の出力に基づいて実効増倍率を算出する実効増倍率算出部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、大きな容積を持つ容器内に内包された核燃料物質体系に対しても、未臨界度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る未臨界度測定装置の構成を示す立断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る未臨界度測定装置および未臨界度維持システムの構成を示す立断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る未臨界度測定装置および未臨界度維持システムの構成を示す立断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る未臨界度測定装置および未臨界度維持システムの変形例の構成を示す立断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る未臨界度測定装置および未臨界度維持システムの構成を示す立断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る未臨界度測定装置について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る未臨界度測定装置の構成を示す立断面図である。
【００１５】
未臨界度測定装置２０は、収納容器１内に内包される核燃料物質および水あるいは化学物質の水溶液などの媒体からなる核燃料物質体系の実効増倍率を測定するために設けられる。未臨界度測定装置２０は、中空管６、中性子源２、中性子検出器４および実効増倍率算出部１１を有する。
【００１６】
中空管６は、直線的に水平に延びる円管であり、収納容器１内に配されている。中空管６は、収納容器１内の媒体を排除するためにその内部を密閉するように形成されている。なお、中空管６は、密閉であるものに限定されない。収納容器１内の媒体を排除するものであれば、たとえば、媒体とその上部の気体との界面よりも高い位置に開放部があるようなものでもよい。
【００１７】
中空管６は、収納容器１のほぼ中央の高さに配設されている。中空管６の一端は、収納容器１の内壁に近接している。中性子源２は、収納容器１の外側であって、この中空管６の一端近傍に配設されている。中性子源２は、中空管６の内部の空間を介して収納容器１内に中性子を供給する。
【００１８】
なお、中空管６は、水平であることに限定されない。核燃料物質体系における核燃料物質の分布の中央、すなわち、中性子を注入することの効果が大きいと考えられる部分に届いていることが目的であり、この目的にかなうのであれば、斜め、あるいは、上下でもよい。
【００１９】
中性子源２からの中性子の減衰をできるだけ抑制するために、収納容器１の内壁と中空管６の一端の間に存在する媒体は、できるだけ少ないことが望ましい。中空管６の前記の一端と反対側の反対端は、収納容器１の水平断面のほぼ中央まで延びている。
【００２０】
中性子検出器４は、中性子源２で発生する中性子が注入される核燃料物質の体系内の反応により生ずる中性子を計測する。中性子検出器４は、中空管６とほぼ同じ高さの位置の収納容器１の側面に取り付けられている。
【００２１】
なお、中性子検出器４の取り付け位置は収納容器１の側壁には限定されず、収納容器１内の核燃料物質体系からの中性子の計測効率を確保できる位置であって、中性子源２で発生した中性子が直接には及ばない位置であれば、たとえば、収納容器１の上面でもよい。
【００２２】
また、中性子検出器４の設置位置は、収納容器１の外側にも限定されない。収納容器１内の核燃料物質体系からの中性子の計測効率を確保でき、特に問題がなければ、たとえば、収納容器１内にウェルを挿入し、このウェル内に配してもよい。
【００２３】
ただし、中性子検出器４は、核燃料物質の体系内の反応により生ずる中性子を計測するものであり、中性子源２で発生した中性子による中性子検出器４への直接の寄与を無視できるような位置であることが必要である。
【００２４】
中性子源２で発生した中性子の中性子検出器４への直接の寄与を無視できるような位置であることの条件は、中性子検出器４が収納容器１の外側に設けられている場合も同様である。すなわち、中空管６の反対端と収納容器１の内壁との間は、中性子源２から発生した中性子の中性子検出器４への直接の寄与を無視できるような十分な距離を有するように設定されている。
【００２５】
実効増倍率算出部１１は、中性子検出器４の出力に基づいて、計数率と実効増倍率ｋｅｆｆとの間の関係を表す式（１）に基づいて実効増倍率を算出する。
ｋｅｆｆ＝１−α・Ｓ／Ｃ                            （１）
ただし、αは核物質体系内の核燃料物質の質量に依存した比例定数、Ｓは中性子源の強度（ｎ／ｓｅｃ）、Ｃは中性子の計数率（ｃｏｕｎｔ／ｓｅｃ）を表す。
【００２６】
なお、式（１）が示すように、臨界に近づく、すなわちｋｅｆｆが小さい値から増加して１に近づくと、計数率Ｃは増加する。比例定数αについては、対象とする収納容器１内の核燃料物質体系における核燃料物質の質量との関係を、たとえばモンテカルロシュミレーションで算出しておく。
【００２７】
以上のように構成された本実施形態においては、中性子源２で発生した中性子は、中空管６内を通過して収納容器１内に注入される。
【００２８】
たとえば、核燃料物質が収納容器１内に均等に分布せずに、核燃料が溶融した後に固まった燃料デブリのような形態で収納容器１内の一部の箇所に偏在しているような場合を考える。
【００２９】
この場合に、中空管６が無い場合、中性子源２で発生した中性子は、燃料デブリが存在する場所に到達する前にその周囲の媒体によって減衰し、十分な量の中性子が燃料デブリに到達しない。このため、燃料デブリを中心とする体系での中性子の反応量が少なく、この体系から発生する中性子も少なくなる。このために十分な中性子計測ができない。
【００３０】
一方、本実施形態による未臨界度測定装置２０においては、中性子源２で発生した中性子のうち十分な量の中性子が燃料デブリに到達する。この結果、中性子の反応量が増大し、中性子検出器４によって計測される中性子の量が十分確保される。
【００３１】
以上のように、本実施形態の未臨界度測定装置２０によれば、大きな容積を持つ収納容器１内に内包された核燃料物質体系に対しても、未臨界度を測定することができる。
【００３２】
［第２の実施形態］
図２は、本発明の第２の実施形態に係る未臨界度測定装置および未臨界度維持システムの構成を示す立断面図である。未臨界度維持システム３０は、収納容器１、未臨界度測定装置２０および安全装置１６を有する。未臨界度測定装置２０は、第１の実施形態の変形である。
【００３３】
安全装置１６は、中性子吸収材収納容器１６ａおよび中性子吸収材供給弁１６ｂを有する。中性子吸収材収納容器１６ａは、収納容器１内の核燃料物質体系に注入する中性子吸収材を収納する。中性子吸収材供給弁１６ｂは、通常時は閉状態であり、未臨界度測定装置２０からの開指令信号を受けて開となり、中性子吸収材収納容器１６ａ内の中性子吸収材を収納容器１内に導入する。
【００３４】
未臨界度測定装置２０は、設定値入力部１３および警報装置１４をさらに有する。実効増倍率算出部１１は、算出した実効増倍率ｋｅｆｆの値が、警報設定値を超えると警報装置１４に、実効増倍率ｋｅｆｆの値が警報設定値を超えた旨の警報用信号を発する。警報装置１４は、警報用信号を受けて警報を発する。
【００３５】
実効増倍率算出部１１は、算出した実効増倍率ｋｅｆｆの値が開動作指令信号の設定値を超えると、安全装置１６の中性子吸収材供給弁１６ｂに開動作指令信号を発する。開動作指令信号を受けて中性子吸収材供給弁１６ｂは開状態となる。
【００３６】
開動作指令信号の設定値としてのｋｅｆｆの値は、１に対して余裕のある値、たとえば０．８に設定される。また、警報設定値としてのｋｅｆｆの値は、開動作指令信号の設定値と同じ値とする。なお、警報設定値としてのｋｅｆｆの値は開動作指令信号の設定値と同じ値には限定されない。たとえば、開動作指令信号の設定値に余裕を見て、これより低い値としてもよい。
【００３７】
以上のように構成された本実施形態による未臨界度測定装置および未臨界度維持システムにおいては、臨界に近づく前に、危険を知らせまた安全系を動作させることによって、臨界を阻止し、作業者の被ばく等の人的危険性を回避することができる。
【００３８】
［第３の実施形態］
図３は、本発明の第３の実施形態に係る未臨界度測定装置および未臨界度維持システムの構成を示す立断面図である。本実施形態は、第２の実施形態の変形である。
【００３９】
収納容器１内には、中空管６ａ、中空管６ｂおよび中空管６ｃが配設されている。中空管６ａ、中空管６ｂおよび中空管６ｃは、収納容器１の高さ方向に互いに間隔をもって水平に、かつ互いに平行に配設されている。中空管６ａ、中空管６ｂおよび中空管６ｃの収納容器１に近接したそれぞれの一端は、上下方向に一直線をなす位置にある。
【００４０】
また、中性子検出器４ａ、中性子検出器４ｂおよび中性子検出器４ｃが、それぞれ中空管６ａ、中空管６ｂおよび中空管６ｃの高さとほぼ同じ高さに配設されている。
【００４１】
本実施形態においては、中性子源２を上下に駆動する中性子源駆動部３ａおよび中性子源２を収納し上下方向にガイドするガイド部３ｂを有する。中性子源２は、中空管６ａ、６ｂ、６ｃのそれぞれの一端に近接した収納容器１の外側を上下に移動可能である。中性子源２の上下の移動は中性子源駆動部３ａによってなされ、中性子源２はガイド部３ｂ内を移動する。
【００４２】
なお、本実施形態では、中空管が３本、中性子検出器が３台の場合を示しているが、これに限定されない。収納容器１の大小によって、また、収納容器１内における核燃料物質体系中の核燃料物質が偏在しているか否か等の要因を考慮して、必要な数を設けることでよい。
【００４３】
また、本実施形態では、中空管６ａ、６ｂ、６ｃが上下に並んでいる場合を示したが、これに限定されない。たとえば、水平方向に広い収納容器１の場合は、中空管６ａ、６ｂ、６ｃを水平方向に並べてもよい。あるいは、収納容器１がさらに大きな場合には、中空管６ａ、６ｂ、６ｃを水平向および高さ方向に並べてもよい。この場合、中性子源２の移動は、これらの中空管に沿って移動できるような構成とすればよい。
【００４４】
実効増倍率算出部１１は、中性子検出器４ａからの出力に基づき、式（１）によってｋｅｆｆを算出する。実効増倍率算出部１１は、同様に、中性子検出器４ｂおよび中性子検出器４ｃのそれぞれについてもｋｅｆｆを算出する。実効増倍率算出部１１は、算出したそれぞれのｋｅｆｆの中から最大の値を実効増倍率の算出結果として出力する。
【００４５】
核燃料物質が底部に堆積している場合など、収納容器１内の核燃料物質の分布が一様でない場合においては、中空管６ａ、６ｂ、６ｃを通過した後の中性子の減衰は、それぞれ異なり位置依存性がある。したがって、収納容器１内での核燃料物質の堆積状態の違いにより、複数の中性子検出器４ａ、４ｂ、４ｃで得られる計数率が異なる。実効増倍率算出部１１では最も臨界に近い実効増倍率を算出結果として安全側の管理を行う。
【００４６】
以上のように、収納容器１内の核燃料物質の分布が一様でない場合においても収納容器１内の核燃料物質体系の未臨界度を測定することができる。
【００４７】
図４は、本発明の第３の実施形態に係る未臨界度測定装置および未臨界度維持システムの変形例の構成を示す立断面図である。
【００４８】
第３の実施形態では、中性子源２を移動する方式を示したが、これに限定されない。図４に示すように、たとえばそれぞれの中空管６ａ、６ｂ、６ｃに対応して、中性子源２ａ、中性子源２ｂ、中性子源２ｃを個別に設けることでもよい。
【００４９】
収納容器１内に核燃料物質を含む媒質が流入してくるような体系で、かつ、流入する媒質内の各燃料物質の含有量が時間によって大きく変化するような場合は、収納容器１内の各燃料物質の分布に偏りが生ずることが考えられる。このような場合にも、中性子源を個別に設けることによって、収納容器１内の各燃料物質体系の実効増倍率の変化を迅速に把握することができる。
【００５０】
［第４の実施形態］
図５は、本発明の第４の実施形態に係る未臨界度測定装置および未臨界度維持システムの構成を示す立断面図である。本実施形態は、第２の実施形態の変形である。未臨界度測定装置２０は、ガンマ線検出器５および差分演算部１２をさらに有する。
【００５１】
ガンマ線検出器５は、中性子検出器４の設置場所の近傍に設けられる。差分演算部１２は、中性子検出器４の出力およびガンマ線検出器５の出力を受けて、中性子検出器４の出力値からガンマ線検出器５の出力値を減じて正味の中性子計数を出力する。なお、中性子検出器４およびガンマ線検出器５は、両者の感度が同レベルとなるように事前に感度の校正がなされている。
【００５２】
中性子検出器４は、中性子を測定するための検出器であるが、原理的にガンマ線にも有感であるため、中性子検出を目的とする観点からは、ガンマ線の計数が中性子の計測上はノイズとなる。
【００５３】
本実施形態では、中性子検出器４で得た中性子計数とガンマ線検出器５で得たガンマ線計数から、差分演算部１２で正味の中性子計数を算出することにより精度よく式（１）のＣを求めることができる。この結果、実効増倍率ｋｅｆｆを精度よく算出することができる。
【００５４】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、中空管は、長手方向に口径が一定な管でなく口径が変化するものであってもよい。
【００５５】
あるいは、管でなくとも、媒体を排除し、かつ、収納容器１の収納容量にインパクトを与えなければ、容器形状でもよい。
【００５６】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第３の実施形態で追加された特徴である複数の中空管を設ける点と、第４の実施形態で追加された特徴である中性子検出器とガンマ線検出器を設ける点を組み合わせてもよい。
【００５７】
あるいは、第１の実施形態に第３の実施形態で追加された特徴である複数の中空管を設ける点を組み合わせてもよい。また、第１の実施形態に第４の実施形態で追加された特徴である中性子検出器とガンマ線検出器を設ける点を組み合わせてもよい。
【００５８】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【００５９】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６０】
１…収納容器、２、２ａ、２ｂ、２ｃ…中性子源、３ａ…中性子源駆動部、３ｂ…ガイド部、４、４ａ、４ｂ、４ｃ…中性子検出器、５…ガンマ線検出器、６、６ａ、６ｂ、６ｃ…中空管、１１…実効増倍率算出部、１２…差分演算部、１３…設定値入力部、１４…警報装置、１６…安全装置（安全系システム）、１６ａ…中性子吸収材収納容器、１６ｂ…中性子吸収材供給弁、２０…未臨界度測定装置、３０…未臨界度維持システム
【図１】
2014145720.tif 000003
【図２】
2014145720.tif 000004
【図３】
2014145720.tif 000005
【図４】
2014145720.tif 000006
【図５】
2014145720.tif 000007