(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、原子炉の運転を最適化するための炉内情報を収集し，燃料消費量を削減することにある。【解決手段】  本発明は、炉心を備えた原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器の内部に設けられた計装管と、前記計装管内に設置された金属を含む物質と、炉内で発生した中性子と前記金属を含む物質との反応で放出された即発ガンマ線を計測するガンマ線検出装置と、前記計測結果に基づき即発ガンマ線エネルギー分布を分析するエネルギー分析装置と、前記即発ガンマ線エネルギー分布から炉内の中性子エネルギー分布を推定するピーク分析装置を有することを特徴とする。【選択図】  図１
2018124220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉心を備えた原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器の内部に設けられた計装管と、前記計装管内に設置された金属を含む物質と、炉内で発生した中性子と前記金属を含む物質との反応で放出された即発ガンマ線を計測するガンマ線検出装置と、前記計測結果に基づき即発ガンマ線エネルギー分布を分析するエネルギー分析装置と、前記即発ガンマ線エネルギー分布から炉内の中性子エネルギー分布を推定するピーク分析装置を有することを特徴とする原子炉。
【請求項２】
請求項１に記載の原子炉において，前記計装管はTIP案内管であることを特徴とする原子炉。
【請求項３】
請求項１から請求項２に記載の原子炉において，前記ピーク分析装置は一定のエネルギー区分ごとに発生する即発ガンマ線のエネルギー分布をデータベースとして具備することを特徴とする原子炉。
【請求項４】
請求項３に記載の原子炉において，前記ピーク分析装置は前記エネルギー分析装置が出力する即発ガンマ線エネルギー分布に、前記データベースのエネルギー分布を用いてフィッティングすることを特徴とする原子炉。
【請求項５】
請求項１から請求項２に記載の原子炉において，前記ピーク分析装置は即発ガンマ線エネルギー分布のピーク最大値とピーク前エネルギー範囲の関係をデータベースとして具備することを特徴とする原子炉。
【請求項６】
炉心を備えた原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器の内部に設けられた計装管と、前記計装管内に設置された金属を含む物質と、炉内で発生した中性子と前記金属を含む物質との反応で放出された即発ガンマ線を計測するガンマ線検出装置と、前記計測結果に基づき即発ガンマ線エネルギー分布を分析するエネルギー分析装置と、前記即発ガンマ線エネルギー分布のうち低エネルギー中性子起因領域と高エネルギー中性子起因領域のガンマ線束の比から低エネルギー中性子の割合を算出する中性子割合推定装置を有することを特徴とする原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炉内中性子の状態を監視する炉心監視装置を備えた原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉において，原子炉内外を繋ぐケーブルの無い炉内監視装置が特許文献１および特許文献２に記載されている。特許文献１には「原子炉炉心に収容する原子炉容器と、この原子炉容器内に設置された中性子輸送管と、この中性子輸送管の端部に対向して原子炉容器外あるいは原子炉容器内に設置された中性子検出器とを有し、中性子輸送管は内部に原子炉炉心内で発生した中性子輸送路を構成したものである」と記載されている。特許文献２には「炉内核計装シンブル集合体を含む原子炉炉内検出器システムであって原子炉炉心の状態を示す原子炉炉心パラメータを監視し、前記監視パラメータを表す電気出力を提供する自己給電型の固定型炉内検出器と、前記電気出力を受信するように接続された無線送信器と、より成り、前記炉内核計装シンブル集合体はほぼ全体が原子燃料集合体内の計装シンブルの内部に収納され、前記炉内検出器システムが位置する原子炉容器の内部で、前記計装シンブルの外側には、炉内検出器の配線が全く存在しないことを特徴とする、原子炉炉内検出器システム。」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１７５７３２
【特許文献２】特開２０１３−５４８３９２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来，炉内における中性子の情報は中性子検出器による監視によって計装管位置における全ての中性子を区別無く，あるいは熱中性子として計測している。一方，燃料を構成する物質と中性子の反応は中性子のエネルギーによって異なる。このため，燃料の核反応の履歴を詳細に把握するためには炉内における中性子のエネルギー情報を得る必要がある。燃料で起こる核反応の履歴を知ることで，燃料の燃焼状況あるいは運転中の任意のタイミングでの燃料物質の組成が分かるため，最適な燃焼の制御が可能になり，燃料消費量を抑制することができる。これにより燃料費削減や定期点検時の燃料交換数の削減に伴う定期検査期間の短縮あるいは，運転中に詳細な燃焼度の把握が可能になる。しかしながら，原子炉内の高線量率環境に設置可能な中性子検出器である核分裂電離箱は検出器内の核分裂物質が主に核分裂を起こした時に発する電流値を計測しており，中性子のエネルギーは監視していない。
【０００５】
そこで本発明の目的は、原子炉の運転を最適化するための炉内情報を収集し，燃料消費量を削減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、炉心を備えた原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器の内部に設けられた計装管と、前記計装管内に設置された金属を含む物質と、炉内で発生した中性子と前記金属を含む物質との反応で放出された即発ガンマ線を計測するガンマ線検出装置と、前記計測結果に基づき即発ガンマ線エネルギー分布を分析するエネルギー分析装置と、前記即発ガンマ線エネルギー分布から炉内の中性子エネルギー分布を推定するピーク分析装置を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば，原子炉の運転を最適化するための炉内情報を収集し，燃料消費量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明における装置の構成と配置を示す図である。
【図２】Scから放出される即発ガンマ線のエネルギー分布の例を示す図である。
【図３】単色の中性子照射時にScから放出される即発ガンマ線のエネルギー分布を示す図である。
【図４】1.0 MeVから1.5 MeVのエネルギーを持つ中性子が照射された時にScから放出される即発ガンマ線のエネルギー分布を示す図である。
【図５】Scを軽水炉および高速炉内に設置した時に放出される即発ガンマ線のエネルギー分布を示す図である。
【図６】ピーク前エネルギー範囲を基準とした時のガンマ線のエネルギー分布を示す図である。
【図７】本発明における装置の構成と配置を示す図である。
【図８】本発明により中性子割合を推定する方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下，実施例を図面を用いて説明する。異なる図において同一の数字が付記されているものについては同一の物を指しているため，説明は省略する。尚，説明の便宜上，実施例は沸騰水型軽水炉を対象に記載するが，本発明の適用対象が加圧水型軽水炉であっても炉内中性子の監視は可能である。
【実施例１】
【００１０】
以下本発明の一実施例を図１から図４に沿って説明する。
【００１１】
図１は本実施例の核計装系の基本的な構成を示す図である。原子炉格納容器１１の内側に原子炉圧力容器１２，その内部に炉心１３が存在する構成は従来のＢＷＲと同じである。原子炉圧力容器１２を貫通するように計装管が備えられている。本実施例の計装管は、TIP案内管１０４に相当する。原子炉圧力容器１２の下部にTIP検出器が通過する管が存在するが，ここでは省略している。本実施例では，TIP案内管１０４内で炉心１３の位置に金属を含む物質１０１を設置している。金属を含む物質１０１はTIP用検出器の移動を妨げなければ，形状は任意で良い。ここでは一例として、金属を含む物質１０１をTIP案内管１０４内の上端に設置された板状のScとする。
【００１２】
金属を含む物質１０１は中性子１４と核反応を起こし高エネルギーの即発ガンマ線１５を放出する。Scの同位体であるSc−４５と中性子の中性子捕獲反応によって８ＭｅＶ以上のエネルギーを持つ即発ガンマ線が放出される。この即発ガンマ線１５を原子炉圧力容器１２の下方に設置したガンマ線検出装置１０３によって計測する。ガンマ線検出装置１０３のセンサ部は，TIP案内管１０４内に設置した前記金属を含む物質１０１を見込む位置に設置されている。また，ガンマ線検出装置１０３はエネルギー分析装置１１１に接続され，エネルギーを分析する機能を有する。さらに，エネルギー分析後の信号はピーク分析装置１１２に接続され，ここで後述するピークの分析を行う。ピーク分析装置１１２にはデータベース１１３が含まれており，データベース１１３と実測されたエネルギー分布から中性子エネルギー分布を推定する。
【００１３】
即発ガンマ線１５は金属を含む物質１０１で発生した後，その一部がTIP案内管１０４内をガンマ線検出装置１０３に向けて飛行する。本実施例の金属を含む物質１０１は駆動機構を持たないため，軸方向の異なる位置を監視したい場合は，TIP案内管１０４の軸方向の異なる位置に、例えばリング状の金属を含む物質１０１を設置するなどが考えられる。この時，金属を含む物質１０１を軸方向の高さごとに異なる金属とすることで，放出されるガンマ線のエネルギーが軸方向位置ごとに異なるため，ガンマ線のエネルギーによって高さ方向を区別することが可能である。
【００１４】
金属を含む物質１０１（ここではSc）に入射する中性子のエネルギー分布が一般的な軽水炉のエネルギー分布であった場合，金属を含む物質１０１から図２のようなエネルギー分布を持つ即発ガンマ線１５が放出される。ここでは簡単のため，対象とする中性子捕獲反応に伴う高エネルギーピーク以外に現れるガンマ線のピークは省略している。
【００１５】
図２のエネルギー分布を持つ即発ガンマ線１５がガンマ線検出装置１０３に入射し，計測される。実際に得られるデータは，入射ガンマ線のエネルギー分布がガンマ線検出装置１０３で計測され，図１のエネルギー分析装置１１１でエネルギー分析されることで得られるエネルギースペクトルである。ここでは、説明の便宜上，適切なデータ分析により，入射ガンマ線のエネルギー分布を情報として得ることができたとする（つまり，図２がエネルギー分析後の出力である）。熱中性子に対する金属を含む物質１０１の中性子捕獲反応によって発生するピークはピーク２０１であるが，より高いエネルギーの中性子と中性子捕獲反応が起こった場合，より高いエネルギーの即発ガンマ線１５が発生するため、エネルギーシフト部２０２が現れる。
【００１６】
エネルギーシフト部２０２が発生する原因を，図３を用いて説明する。図３には単色の中性子がScに入射した場合に発生する即発ガンマ線のエネルギー分布を示している。具体的には、熱中性子との中性子捕獲反応によって発生する即発ガンマ線のエネルギー分布３０１，1 keV中性子との中性子捕獲反応によって発生する即発ガンマ線のエネルギー分布３０２，500 keV中性子との中性子捕獲反応によって発生する即発ガンマ線のエネルギー分布３０３，1 MeV中性子との中性子捕獲反応によって発生する即発ガンマ線のエネルギー分布３０４を示している。
【００１７】
即発ガンマ線のエネルギーは，熱中性子に起因して発生する即発ガンマ線のエネルギーに、中性子のエネルギーを加えたエネルギーを持つ。このため，即発ガンマ線のエネルギーより十分小さいエネルギー（例えば計測系のガンマ線エネルギー分解能未満）の中性子による中性子捕獲反応によって発生する即発ガンマ線のエネルギーは、熱中性子の中性子捕獲反応によって発生する即発ガンマ線のエネルギーとほぼ同じであるとみなされる。このことから、図３において熱中性子に起因したエネルギー分布３０１のピークと，1 keV中性子に起因したエネルギー分布３０２のピークのエネルギーがほぼ同じである。
【００１８】
一方，一定程度大きなエネルギーを持つ中性子によって発生する即発ガンマ線は，ほぼ中性子のエネルギー分だけ高エネルギー側にシフトする（図３における500 keV中性子に起因したエネルギー分布のピーク、および1 MeV中性子に起因したエネルギー分布のピーク）。上記したように，金属に入射する中性子のエネルギーごとに即発ガンマ線のエネルギーが異なることを利用することで，中性子のエネルギー分布を知ることができる。
【００１９】
即発ガンマ線は様々な核反応の結果放出されるが，多くの核反応は1 MeV以上のエネルギーを持つ中性子によって引き起こされる。これに対し，中性子捕獲反応は、大まかには中性子のエネルギーが低いほど反応断面積が大きい傾向にある（共鳴領域は必ずしもこの限りではない）。このため，熱中性子が存在する環境あるいは，約 1 keVよりも小さい中性子が相対的に少なくない環境においては，図２のピーク２０１と同等のエネルギーを持つガンマ線が発生する。
【００２０】
一方，前述のように高エネルギー中性子に対しては，複数の核反応が起こる可能性がある。中性子捕獲反応以外の核反応によって放出される即発ガンマ線のエネルギーは，中性子捕獲反応で放出されるガンマ線のエネルギーとは異なるため，必ずしも即発ガンマ線のエネルギーは中性子捕獲反応で放出されるガンマ線のエネルギーと同じとは限らない。また，高エネルギーであるほど中性子捕獲反応の断面積が小さいことなどから，金属の種類次第ではあるが，大抵の場合は中性子エネルギー2 MeV程度までが図２のエネルギーシフト部２０２が見られる上限である。
【００２１】
次に、ピーク分析装置１１２の処理内容の一例として，即発ガンマ線のエネルギー分布から，中性子のエネルギー分布を得るためにデータベースを用いる方法を説明する。ここでは簡易な方法について説明するが，アンフォールディングを利用した方法であっても問題ない。
【００２２】
事前に一定のエネルギー区分ごとに発生するガンマ線のエネルギー分布をデータベース化しておく。そして、実測によって得られたガンマ線のエネルギー分布（図２）に合うように、データベースのエネルギー分布からフィッティングする。この時，フィッティングは，より低エネルギーの中性子に起因するバックグラウンドの無い，あるいは少ない高エネルギー側から行う。具体的には、即発ガンマ線のエネルギー分布（実測されたエネルギー分布）からピークを構築するエネルギー帯の中で最大のエネルギー分布をデータベースから読み出し，エネルギーシフト部２０２にフィッティングする。実測されたエネルギー分布から，この最大エネルギー部をフィッティングしたエネルギー分布を引き，その結果に対して、次に高エネルギーのエネルギー分布をデータベースから読み出し，同様にエネルギーシフト部にフィッティングさせ，同様に差分処理する。これを繰り返し，対象となるピークおよびエネルギーシフト部全体を全てフィッティングした時に，それぞれのデータベースのエネルギー分布に適用した重み（中性子量）を用いて入射中性子のエネルギー分布が推定される。
【００２３】
理想的なデータベースは、図3のように単色エネルギーの中性子に対するガンマ線のエネルギー分布を与えることである。現実的には，一定の中性子エネルギー区分ごとにデータベースを構築することが想定され，，この場合，図３のような鋭いピークではなく，一定のエネルギー幅を持ったピーク範囲を形成する。例えば、金属を含む物質１０１がScで，入射中性子エネルギー1.0 MeVから1.5 MeVだった場合に、金属を含む物質１０１から放出されるガンマ線のエネルギー分布は図４のようになる。図４のガンマ線エネルギー分布の上限近傍にデータベース上のピーク４０１が存在する。このピークのエネルギーは9 MeV以上である。ピーク４０１を図３で示したピークと比べると，ピーク幅が広がっていることがわかる。ここで縦軸をΦg/Φn（ガンマ線束/中性子束）としているが，これは入射中性子束あたりに放出されるガンマ線束を意味している。図４のような関係を持つデータベースを入射中性子エネルギーごとに用意することで、フィッティングによる中性子エネルギー分布の推定が可能となる。但し，フィッティングによる中性子エネルギー分布の推定が可能な下限の中性子エネルギーは、金属を含む物質１０１の選択および計測系のエネルギー分解能に依存する。そして、高エネルギーのガンマ線を計測および分析する必要があることから，中性子エネルギー分布の推定が可能な下限の中性子エネルギーは、1 keVから 10 keV程度になる。
【００２４】
核分裂物質から放出され，減速される前の中性子エネルギー分布（核分裂スペクトル）は，1 MeVから2 MeVの間にピークを持った比較的高エネルギーの分布である。炉心１３内で中性子の減速量が多くなると，核分裂スペクトルから低エネルギー側に分布が大きくなる。本手法によって得られた中性子エネルギー約 1 keVから2 MeVまでの範囲を対象として，実測された中性子エネルギー分布（すなわち、フィッティングで得られた中性子エネルギー分布）と核分裂スペクトル（減速が無い場合の中性子エネルギー分布）とを比較することで，炉内での中性子の減速状況を監視することができる。そして、中性子の減速状況を得られることで、燃料の燃焼状況あるいは運転中の任意のタイミングでの燃料物質の組成が分かるため、最適な燃焼の制御が可能になり，燃料消費量を抑制することができる。
【実施例２】
【００２５】
実施例１では，原子炉内の中性子エネルギー分布のうち1 keVから 2 MeVのエネルギー範囲を推定し，炉内の中性子減速状況を観測する方法について述べた。ここでは 1 keVよりもエネルギーの小さい中性子も観測する方法について説明する。
【００２６】
図５は，金属を含む物質１０１としてScを軽水炉環境および高速炉環境に設置した場合に放出されるガンマ線のエネルギー分布の例である。軽水炉でのエネルギー分布５０１は，炉内における低エネルギー中性子が多いため，相対的にピーク２０１が大きい。一方，高速炉でのエネルギー分布５０２は高エネルギーの中性子が多いため，エネルギーシフト部２０２が相対的に多い。
【００２７】
実施例１では，ピークの最大値が現れるエネルギーよりも高いエネルギー範囲を利用して中性子エネルギー分布を推定したが，図５のようにピークの最大値が現れるエネルギーや，ピーク前エネルギー範囲５０３にも減速状況の差異が現れる。但し，図５は入射中性子の全中性子束で規格化しているため，全中性子束が明らかになっていることが前提である。図５は、この前提条件で、軽水炉由来のエネルギー分布と高速炉由来のエネルギー分布を並べて示している。また，図５のようにガンマ線束にマイナス側ピーク５０４が現れることもある。このマイナス側ピーク５０４より小さく、ガンマ線束が一定でピーク２０１近傍の領域をピーク前エネルギー範囲５０３として示している。
【００２８】
本実施例ではピーク２０１の相対的な高さ（計数率あるいはガンマ線束の多さ）を利用するため，何らかの基準に対するピーク最大値を評価する必要がある。そこで基準値としてピーク前エネルギー範囲５０３を利用する。図５のエネルギー分布に、ピーク前エネルギー範囲を規格化する係数Aを乗じたエネルギー分布を図６に示す。図６から、ピーク前エネルギー範囲５０３を基準とした時のピーク最大値は、軽水炉と高速炉で異なることがわかる。この時，ピーク前エネルギー範囲はピーク２０１近傍でガンマ線束が一定の範囲で収まっている領域を採用する。
【００２９】
分析方法の考え方は基本的に実施例１と同じである。つまり，エネルギー1 keV未満の中性子が金属を含む物質１０１に入射した時の即発ガンマ線エネルギー分布をデータベース化し，ピーク分析装置１１２がフィッティングして低エネルギー中性子を分析する。可能であれば1 keV中性子以上のデータベースによるフィッティングによって得られた即発ガンマ線エネルギー分布を引いた即発ガンマ線エネルギー分布を対象にフィッティングを行う。
【００３０】
中性子の減速状況を把握する方法として，上記した方法と実施例１を組み合わせて1 keV未満の中性子エネルギー分布も含めて観測しても良いが，ここでは異なる方法について説明する。図６のようにピーク前エネルギー範囲５０３に対する，ピーク最大値は炉内の減速状況によって異なる。したがって，ピーク最大値とピーク前エネルギー範囲５０３の関係を減速状況ごとにデータベースとして事前に用意しておくことで，エネルギーシフト部２０２を利用しなくとも中性子の減速量を監視することができる。
【実施例３】
【００３１】
実施例１および実施例２では中性子のエネルギー分布を推定する方法および，中性子エネルギー分布から中性子減速量を監視する方法について説明した。本実施例ではガンマ線束（計測されるガンマ線エネルギースペクトル）から低エネルギー中性子の割合を推定する方法について図７，図８を用いて説明する。
【００３２】
図７では図１のピーク分析装置１１２およびデータベース１１３の代わりに中性子割合推定装置７０１を追加している。中性子割合推定装置７０１内にはデータベース７０２がある。後述するが，データベース７０２はデータベース１１３とは異なるデータベースである。中性子割合推定装置７０１では，エネルギー分析装置１１１で得られたガンマ線エネルギー分布から低エネルギー中性子の割合を推定する。中性子割合推定装置７０１では図８で示す二つの領域を用いる。ここでは説明の便宜上，低エネルギー中性子は約1 keV未満の中性子、高エネルギー中性子は1 MeVから2 MeVのエネルギーを持つ中性子とする。エネルギー分析装置１１１で得られたガンマ線エネルギー分布のうち，ピークに寄与する範囲を低エネルギー中性子起因領域８０１，1 MeVから2 MeVまでの中性子に起因する領域を高エネルギー中性子起因領域８０２とする。中性子割合推定装置７０１では，この二つの領域のガンマ線束の比から低エネルギー中性子の割合または中性子の減速状況を推定する。高エネルギー中性子起因領域８０２は用途に合わせて任意に設定可能であるが，ここでは減速の無い中性子として1 MeVから2 MeVの中性子としている。核分裂スペクトルは1 MeVから2 MeVの範囲にピークを持ち，減速の無い環境では1 keV未満の中性子は少ない。水などの減速材がある環境では，1 MeVから2 MeVの範囲にエネルギーを持つ中性子の割合が相対的に減少し，1 keV未満の中性子の割合が相対的に増加する。この関係を利用することで，低エネルギー中性子起因領域８０１と高エネルギー中性子起因領域８０２のガンマ線束の比から低エネルギー中性子の割合を推定することが本実施例で示す構成である。この時，高エネルギー中性子のエネルギー範囲はデータベース７０２におけるデータに基づいて任意に設定可能であり，例えば10 keVから1 MeVの中性子を対象とすることもできる。
【符号の説明】
【００３３】
１１  原子炉格納容器
１２  原子炉圧力容器
１３  炉心
１４  中性子
１５  即発ガンマ線
１０１  金属を含む物質
１０３  ガンマ線検出装置
１０４  TIP案内管
１１１  エネルギー分析装置
１１２  ピーク分析装置
１１３  データベース
２０１  ピーク
２０２  エネルギーシフト部
３０１  熱中性子に起因した即発ガンマ線エネルギー分布
３０２  1 keV中性子に起因した即発ガンマ線エネルギー分布
３０３  500 keV中性子に起因した即発ガンマ線エネルギー分布
３０５  1 MeV中性子に起因した即発ガンマ線エネルギー分布
４０１  ピーク
５０１  軽水炉での即発ガンマ線エネルギー分布
５０２  高速炉での即発ガンマ線エネルギー分布
５０３  ピーク前エネルギー範囲
５０４  マイナス側ピーク
７０１  中性子割合推定装置
７０２  データベース
８０１  低エネルギー中性子起因領域
８０２  高エネルギー中性子起因領域
【図１】
2018124220.tif 000003
【図２】
2018124220.tif 000004
【図３】
2018124220.tif 000005
【図４】
2018124220.tif 000006
【図５】
2018124220.tif 000007
【図６】
2018124220.tif 000008
【図７】
2018124220.tif 000009
【図８】
2018124220.tif 000010