(57)【要約】【課題】溶融金属層とスラグ層との界面のレベルを計測することができる界面のレベル計測システム及び方法を提供する。【解決手段】溶融金属と放射性核種を含むスラグが収容される容器１の外側に少なくとも一つの検出器４１〜４ｍを配置する。検出器４１〜４ｍは、容器１の内部の放射性核種から放出される放射線を検出する。計測装置５は、検出器４１〜４ｍの出力に基づいて、溶融金属層３とスラグ層２との界面６のレベルを推定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属と放射性核種を含むスラグが収容される容器の外側に配置され、前記容器の内部の放射性核種から放出される放射線を検出する少なくとも一つの検出器と、
前記検出器の出力に基づいて、溶融金属層とスラグ層との界面のレベルを推定する計測装置と、を備える界面のレベル計測システム。
【請求項２】
複数の前記検出器が上下方向に配置され、又は少なくとも一つの前記検出器が前記容器に対して上下方向に移動するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の界面のレベル計測システム。
【請求項３】
前記検出器が前記容器の下部に対向するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の界面のレベル計測システム。
【請求項４】
前記計測装置は、前記検出器の前記出力がピークになる位置又はピークになる位置の近傍を前記界面のレベルと推定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の界面のレベル計測システム。
【請求項５】
溶融金属と放射性核種を含むスラグが収容される容器の内部の放射性核種から放出される放射線を検出器で検出し、
前記検出器の出力に基づいて、溶融金属層とスラグ層との界面のレベルを推定する界面のレベル計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融金属層と放射性核種を含むスラグ層との界面のレベルを計測できる界面の計測システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力施設、核燃料施設、又は放射線利用施設等においては、放射性廃棄物が発生する。放射性廃棄物には、例えば放射性核種が付着した金属、フライアッシュ、及びコンクリートがら等が含まれる。これらの放射性廃棄物を減容化するために、放射性廃棄物をプラズマ炉等の炉で溶融処理することが行われている。
【０００３】
放射性廃棄物を溶融処理すると、比重の違いによって上部にスラグ層が、下部に溶融金属層が生成する。放射性廃棄物に付着していた放射性核種は、溶融処理によってスラグ層へ移行することが確認されているものがある。これは、放射性核種の化学的性質に由来する。例えば放射性核種の一つである１３７Ｃｓは、沸点が６７０．８℃と低く、溶融金属層では安定的に存在できず、スラグ層中に存在するケイ酸塩に化学的に補足される。
【０００４】
ところで、炉のような密閉された容器中の液面のレベルを測定するレベル計として、ガンマ線レベル計が知られている（特許文献１参照）。このガンマ線レベル計では、ガンマ線源とガンマ線検出器とを容器をはさんで対向して配置し、ガンマ線を水平に容器を横切って通過させる。ガンマ線をさえぎる物質があれば、検出器において計測数が減少する。このため、液面のレベルを計測することができる。複数のガンマ線源又は複数のガンマ線検出器を使用すれば、数段階のレベルを計測することができる。ガンマ線レベル計には、容器の外部から液面のレベルを計測できる、液体が高温の溶融状態でも液面のレベルを計測できるという特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−５４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の放射性廃棄物を炉で溶融したとき、溶融金属層とスラグ層との界面のレベルを計測できれば、クリーンな溶融金属と放射性核種を含むスラグとを効率的に分離することができる。しかし、従来のガンマ線レベル計を用いると、スラグ層の液面のレベルを計測できても、溶融金属層とスラグ層との界面のレベルを計測することが困難である。
【０００７】
そこで、本発明は、溶融金属層とスラグ層との界面のレベルを計測することができる界面のレベル計測システム及び方法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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、溶融金属と放射性核種を含むスラグが収容される容器の外側に配置され、前記容器の内部の放射性核種から放出される放射線を検出する少なくとも一つの検出器と、前記検出器の出力に基づいて、溶融金属層とスラグ層との界面のレベルを推定する計測装置と、を備える界面のレベル計測システムである。
【０００９】
本発明の他の態様は、溶融金属と放射性核種を含むスラグが収容される容器の内部の放射性核種から放出される放射線を検出器で検出し、前記検出器の出力に基づいて、溶融金属層とスラグ層との界面のレベルを推定する界面のレベル計測方法である。
【発明の効果】
【００１０】
放射性核種を含むスラグは、それ自体が放射線を発生させる。スラグ層、溶融金属層、容器、検出器を三次元モデル化し、スラグ層の放射性核種から容器外部の検出器に入射する放射線をシミュレーションしたところ、スラグ層と溶融金属層との界面の近傍で放射線強度がピークとなり、界面よりも下で放射線強度が急激に低下することがわかった。界面よりも下では、溶融金属が放射線を減衰及び吸収するからである。本発明のように、スラグ層の放射性核種から放出される放射線を検出器で検出することで、溶融金属層とスラグ層との界面を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態の界面の計測システムの模式図である。
【図２】スラグ層の高さを３パターンに変えたときのシミュレーション結果を示すグラフである（図２（ａ）はスラグ層の高さが５０〜６０ｃｍの例を示し、図２（ｂ）はスラグ層の高さが３０〜４０ｃｍの例を示し、図２（ｃ）はスラグ層の高さが２０〜３０ｃｍの例を示す）。
【図３】本発明の第２の実施形態の界面の計測システムの模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の界面の計測システムの模式図である。
【図５】シミュレーション結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態の界面のレベル計測システム及び方法を詳細に説明する。ただし、本発明の界面のレベル計測システム及び方法は種々の形態で具体化することができ、明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
（第１の実施形態）
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態の界面の計測システムの模式図を示す。プラズマ炉等の炉１には、例えば放射性核種が付着した金属、フライアッシュ、コンクリートがら等の放射性廃棄物が装入される。これらの放射性廃棄物をプラズマ加熱等により溶融させると、比重の違いによって上部にスラグ層２が、下部に溶融金属層３（以下、溶融金属層をメタル層３という）が生成する。放射性廃棄物に付着していた１３７Ｃｓ等の放射性核種は、その殆どが溶融処理によってスラグ層２へ移行する。メタル層３中の放射性核種の濃度は、その殆どが検出限界値以下であり、メタル層３には実質的に放射性核種が含まれない。
【００１４】
炉１の外側には、炉１と非接触の状態で検出器４が上下方向に複数個配置される。図１は検出器４をｍ個配置した例である。なお、複数の検出器４１〜４ｍが配置されるピッチは一定でも良いし、異なっていても良い。検出器４１〜４ｍは、ＧＭ計数管、電離箱、又はシンチレーション検出器である。検出器４１〜４ｍは、炉１の外部の放射線源から放出されるガンマ線強度を検出することなく、炉１の内部の放射性核種から炉１の外部に放出されるガンマ線強度を検出する。
【００１５】
検出器４１〜４ｍには、コンピュータからなる計測装置５が電気的に接続される。計測装置５は、検出器４１〜４ｍの出力（ガンマ線強度）に基づいて、メタル層３とスラグ層２との界面６のレベルを推定する。具体的には、検出器４１〜４ｍが測定するガンマ線強度がピークになる位置又はピークになる位置の近傍を界面６のレベルと判断する。図１の例では、検出器４３と検出器４４との間に界面６のレベルがあると判断する。
【００１６】
図２は、スラグ層２の放射性核種から検出器４に入射するガンマ線をシミュレーションした結果を示す。図２は、スラグ層２の高さを３パターンに変えたときのシミュレーション結果であり、図２（ａ）ではスラグ層２が炉１の５０〜６０ｃｍの位置にあり、図２（ｂ）では炉１の３０〜４０ｃｍの位置にあり、図２（ｃ）では炉１の２０〜３０ｃｍの位置にある。図中のグラフは、シミュレーションによって得られる炉1の外部に放出されるガンマ線の強度分布、すなわち上下方向に複数個配置した模擬検出器４１〜４ｎのそれぞれが検出する模擬ガンマ線のカウント数を表す。
【００１７】
シミュレーションは、スラグ層２、メタル層３、炉１、及び検出器４１〜４ｍを三次元モデル化することから始まる。すなわち、スラグ層２、メタル層３、炉１、及び検出器４１〜４ｍの形状、材質、サイズ、及び位置等をパラメータとして使用し、これらを模擬した三次元モデルを作成する。次に、模擬スラグ層２´中に例えば１３７Ｃｓ等の模擬放射性核種を所定の濃度で均一に分散させ、模擬炉１´からランダムに模擬ガンマ線を発生させる。そして、模擬検出器４１〜４ｎに入射する模擬ガンマ線をカウントする。なお、模擬検出器の数を示すｎは、ガンマ線の強度分布を得るために実施するシミュレーションの回数である。ｎが大きいほど緻密なガンマ線強度分布が得られるため、ガンマ線強度のピーク位置又はピーク位置の近傍である界面６のレベルを精度良く推定することが可能となる。
【００１８】
図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すように、模擬検出器４１〜４ｎが検出する模擬ガンマ線のカウント数は模擬界面６´の近傍でピークとなり、模擬界面６´よりも下で急激に低下する。模擬界面６´よりも下では、模擬メタル層３が模擬ガンマ線を減衰及び吸収するからである。図２（ａ）〜図２（ｃ）のどの条件においても、グラフが同様の傾向を示すことから、この現象を利用すれば、界面のレベル計として利用できる。
【００１９】
模擬検出器４１〜４ｎの模擬ガンマ線のカウント数は、実際の検出器４１〜４ｍが測定するガンマ線強度と相関関係がある。このため、実際の検出器４１〜４ｍが検出するガンマ線強度がピークとなる位置が界面６であると推定できる。
【００２０】
界面６のレベルをより正確に推定する場合、計測装置５は、上記のシミュレーション結果を利用して、以下のように界面６を推定する。計測装置５は、予め図２（ａ）〜図２（ｃ）のグラフに示すような複数のシミュレーション結果のライブラリ（模擬検出器４１〜４ｎの位置に関連付けられた模擬ガンマ線のカウント数を表すライブラリ）を記憶する。なお、図２（ａ）〜図２（ｃ）では、スラグ厚が一定であるが、スラグ厚を変えたライブラリも記憶する。そして、計測装置５は、実際の検出器４１〜４ｍが測定したガンマ線強度とライブラリとを比較し、実際の検出器４１〜４ｍが測定したガンマ線強度に最も近いライブラリを選択する。この選択したライブラリから界面６のレベルを推定すればよい。
（第２の実施形態）
【００２１】
図３は、本発明の第２の実施形態の界面の計測システムの模式図を示す。炉１、スラグ層２、メタル層３、計測装置５の構成は、第１の実施形態と略同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。第１の実施形態では、上下方向に複数の検出器４１〜４ｍを配置しているのに対し、第２の実施形態では、一つの検出器７を上下方向に移動可能に構成する。検出器７を上下方向に移動させる装置としては、例えば送りねじ機構、リニアモータ等を使用することができる。検出器７を上下方向に移動可能にすることで、一つの検出器７でありながら、上下方向の複数の測定点でガンマ線強度を測定することができる。このため、上下方向に複数の検出器４１〜４ｍを配置した場合と同様に、メタル層３とスラグ層２の界面６のレベルを推定することができる。
（第３の実施形態）
【００２２】
図４は、本発明の第３の実施形態の界面の計測システムの模式図を示す。炉１、スラグ層２、メタル層３、計測装置５の構成は、第１の実施形態と略同一であるので、同一の符号を附してその説明を省略する。第１の実施形態では、上下方向に複数の検出器４１〜４ｍを配置しているのに対し、第３の施形態では、一つの検出器８を炉１の下部に対向するように配置する。
【００２３】
炉１の下部からメタルを出湯すると、メタル層３とスラグ層２の界面６のレベルが低下する。図５のシミュレーション結果に示すように、ガンマ線カウント数のピークとなる位置も出湯により下方に移動する。検出器８が測定するガンマ線強度は、検出器８が界面６のレベルよりも十分に低いときは殆ど零であるが、検出器８が界面６のレベルに近づくと急激に大きくなる。ガンマ線強度が急激に大きくなったときの検出器８の高さをメタル層３とスラグ層２の界面６のレベルと推定できる。
【００２４】
なお、本発明は上記実施形態に具現化するのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で他の実施形態に具現化できる。
【００２５】
例えば、上記実施形態では、容器として炉を用いているが、溶融させた放射性廃棄物を収容できるものであれば、容器としてレードルやタンディッシュなどを使用することもできる。
【００２６】
放射性核種は１３７Ｃｓに限られることはなく、１３７Ｃｓに加えて又は１３７Ｃｓの替わりに他の放射性核種を使用することもできる。
【符号の説明】
【００２７】
１…炉（容器）
２…スラグ層
３…メタル層（溶融金属層）
４…検出器
５…計測装置
６…界面
７…検出器
８…検出器
【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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