(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料デブリを収納した燃料デブリ収納容器にＸ線を照射するＸ線発生装置と、前記燃料デブリ収納容器を透過したＸ線を検知する放射線検出器と、燃料デブリ収納容器に対してＸ線発生装置と放射線検出器を回転走査する回転駆動機構と、前記放射線検出器からの信号を処理する信号処理装置とを備え、
前記信号処理装置は、前記放射線検出器からの信号から求めた前記燃料デブリの各点における密度と、前記燃料デブリを構成する核物質及び構造材についての既知の密度とを用いて、前記燃料デブリの核物質量を求めるとともに、
前記信号処理装置は、前記放射線検出器からの信号から求めた前記燃料デブリの各点における密度と、前記燃料デブリを構成する核物質及び構造材についての既知の密度とを用いて、前記燃料デブリの各点における状態が、核物質、構造材、あるいはその共晶体であることを識別することを特徴とする破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測装置であって、
前記信号処理装置は、前記燃料デブリの各点における状態が、核物質と構造材が混合された共晶体であるとき、核物質と構造材の割合である各物質割合を求め、共晶体の平均密度と体積から前記燃料デブリの核物質量を求めることを特徴とする破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測装置。
【請求項３】
請求項１に記載の破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測装置であって、
前記信号処理装置は、前記燃料デブリの各点における状態が、核物質と構造材による相分離状態であるとき、核物質の密度と体積から前記燃料デブリの核物質量を求めることを特徴とする破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測装置。
【請求項４】
燃料デブリを収納した燃料デブリ収納容器に対してＸ線を回転走査しながら照射して前記燃料デブリ収納容器を透過したＸ線を検知し、検知したＸ線から求めた前記燃料デブリの各点における密度と、前記燃料デブリを構成する核物質及び構造材についての既知の密度とを用いて、前記燃料デブリの核物質量を求めるとともに、
前記検知したＸ線から求めた前記燃料デブリの各点における密度と、前記燃料デブリを構成する核物質及び構造材についての既知の密度とを用いて、前記燃料デブリの各点における状態が、核物質、構造材、あるいはその共晶体であることを識別することを特徴とする破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測方法。
【請求項５】
請求項４に記載の破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測方法であって、
前記燃料デブリの各点における状態が、核物質と構造材が混合された共晶体であるとき、核物質と構造材の割合である各物質割合を求め、共晶体の平均密度と体積から前記燃料デブリの核物質量を求めることを特徴とする破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測方法。
【請求項６】
請求項４に記載の破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測方法であって、
前記燃料デブリの各点における状態が、核物質と構造材による相分離状態であるとき、核物質の密度と体積から前記燃料デブリの核物質量を求めることを特徴とする破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測装置及び計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所から発生する使用済燃料中に含まれる核物質量等は、燃料集合体の単位で解析等により把握されている。また解析等の結果得られた、その核物質量を元に、発電所内一時保管、中間貯蔵、輸送、再処理施設で処理等の適切な管理が行われている。
【０００３】
これに対し、福島第一原子力発電所では、燃料集合体内の核物質が溶融状態となり、集合体形状の維持できていない状態と想定され、燃料集合体単位での取出しが不可能と考えられる。今後、破損・溶融燃料含有物質（以下、燃料デブリと称す）を炉内から取出し、適切に管理（長期保管方法の選定、貯蔵方式の選定、施設間輸送の安全解析、燃料デブリの安定化あるいは再処理方式の選定、直接処分等）するには、燃料デブリを収納した容器の単位で核物質量を正確に計測する必要があるが、多量に混在する炉心構造材等の不純物の影響で高精度の非破壊測定は困難な状況となっている。
【０００４】
この点に関し、燃料デブリを対象として、燃料デブリ中の核物質量を計測する装置及び計測する方法についての具体的な提案はなされていないのが現状である。
【０００５】
なお燃料デブリということではなく一般的に、被検体の非破壊検査技術として高エネルギーＸ線ＣＴ装置を用いる手法が例えば特許文献１により知られている。特許文献１では、原子力発電所などから発生する放射性廃棄物を固形化材で固形化して得た放射性廃棄物固化体の内部空隙の有無をＸ線ＣＴ装置で検査するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０５−３０２９９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１によれば、原子力発電所からの放射性廃棄物の測定にＸ線ＣＴ装置を利用するという思想は存在するものの、燃料デブリを対象とすることまでは想定していない。また単に内部空隙を測定するものにすぎず、核物質量の測定という観点を有するものではない。
【０００８】
以上のことから本発明においては、燃料デブリを対象としたＸ線ＣＴ装置の利用により核物質量を計測することを可能とする破損・溶融燃料含有物質中の核物質量の計測装置及び計測方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上のことから本発明においては、燃料デブリを収納した燃料デブリ収納容器にＸ線を照射するＸ線発生装置と、燃料デブリ収納容器を透過したＸ線を検知する放射線検出器と、燃料デブリ収納容器３に対してＸ線発生装置と放射線検出器を回転走査する回転駆動機構と、放射線検出器に検知した検知信号を得る信号処理装置とを備え、信号処理装置は、検知信号から求めた燃料デブリの各点における密度と、燃料デブリを構成する核物質及び構造材についての既知の密度とを用いて、燃料デブリの核物質量を求めることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、燃料デブリを収納した燃料デブリ収納容器に対してＸ線を回転走査しながら照射して燃料デブリ収納容器を透過したＸ線を検知し、検知信号から求めた燃料デブリの各点における密度と、燃料デブリを構成する核物質及び構造材についての既知の密度とを用いて、燃料デブリの核物質量を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料デブリ中の各部の組成が明確になるので、共晶体と、相分離状態の原材料と構造材を、その質量と共に識別することができ、燃料デブリ収納容器３単位で核物質量を把握することができる。この結果、核物質量によって、長期保管方法の選定、貯蔵方式の選定、施設間輸送の安全解析、デブリの安定化あるいは再処理方式の選定、直接処分等の適切な処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による燃料デブリ中の核物質量の計測方法の概略を示すフロー図
【図２】核物質と構造材が混合し共晶体を形成した状態を示す図。
【図３】核物質と構造材が相分離状態を示す図。
【図４】本発明で使用する高エネルギーＸ線ＣＴ装置の概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１４】
なお以下に説明する本発明においては、検査の対象とする燃料デブリの密度の情報をＸ線ＣＴ装置の利用により得ることに着目したものである。またこの密度は、原材料である核物質の密度と、構造材の密度では相違し、かつ燃料デブリは原材料と構造材の混合による共晶体、あるいはこれらの相分離状態、いずれかの状態で存在しているであろうことに着目したものである。
【実施例】
【００１５】
まずＸ線ＣＴ装置によれば、被検体内部の密度分布と体積を求めることができる。
【００１６】
他方、被検体である燃料デブリについてみると、米国のスリーマイル島原子力発電所から採取した燃料デブリの分析結果から、燃料デブリは原材料と構造材の混合による共晶体、あるいはこれらの相分離状態で存在していることが知られている。図２は核物質と構造材が混合し共晶体を形成した状態を示す図であり、図３は核物質と構造材が相分離状態を示す図である。なお図２、図３は燃料デブリＦＤを燃料デブリ収納容器３に収納した状態を表示している。
【００１７】
この場合に、原材料と構造材の密度が予め知られている。原材料である核物質の密度ρｕは比較的高く、酸化ウランＵＯ２では１１ｇ／ｃｍ３である。構造材の密度ρｚは核物質の密度ρｕよりも低く、ジルコニウムＺｒでは６．５ｇ／ｃｍ３、酸化ジルコニウムＺｒＯ２では５．６ｇ／ｃｍ３、ステンレス鋼ＳＵＳでは７．９ｇ／ｃｍ３である。また図２の共晶体の部分について、ここの密度は原材料の密度と構造材の密度の中間的な密度の値を示すはずである。
【００１８】
本発明においては、この差を利用して、高エネルギーＸ線ＣＴ装置により非破壊で計測した密度分布とその体積から核物質量を求めるものである。
【００１９】
図４に本発明で使用する高エネルギーＸ線ＣＴ装置の概略構成を示している。図１の実施例におけるＸ線ＣＴ装置は、ファン状ビームでＸ線を発生するＸ線発生装置１、放射線検出器２（多数の放射線センサの並んだものからなる）、被検体である燃料デブリ収納容器３に対してＸ線発生装置１と放射線検出器２を回転走査するターンテーブル４とその回転駆動機構６、燃料デブリ収納容器３に対してＸ線発生装置１と放射線検出器２を並進走査する並進スキャナー５とその並進駆動機構７、回転駆動機構６と並進駆動機構７を制御するスキャナーコントローラ８、放射線検出器２からの信号を処理する信号処理装置９、信号処理回路９からのデータをもとに画像を作成する画像処理装置１０、画像を表示するＣＲＴ１１を備えている。そしてＸ線発生装置１より出たＸ線は、放射線検出器２に入射し、入射強度に比例した信号が信号処理装置９に送られ、収集したデータに基づいて画像を作成してＣＲＴ１１に表示する。
【００２０】
Ｘ線発生装置１は、１ＭｅＶ以上の高エネルギーＸ線を発生させるために、電子を例えば１２ＭｅＶに加速する電子線加速器およびこの電子線が衝突する金属ターゲットから構成されている。金属ターゲットは、高密度な物であればなんでもよく、例えばタングステンが好ましい。金属ターゲットから放射された高エネルギーＸ線は、燃料デブリ収納容器３を透過した後、放射線検出器２に入射する。Ｘ線発生装置１と放射線検出器２を収納している並進スキャナ５はターンテーブル４上で並進用駆動機構７により並進運動可能であり、ターンテーブル４は燃料デブリ収納容器３に対してその周りに回転用駆動機構６により回転運動可能であり、これによって、Ｘ線発生装置１および放射線検出器２は燃料デブリ収納容器３に対して並進および回転せしめられ．Ｘ線発生装置１の金属ターゲットから放射された高エネルギーＸ線は、水平方向においてあらゆる角度で被検体である燃料デブリ収納容器３の内部を透過し、放射線検出器２からのそのデータが信号処理装置９に送られて画像処理装置１０によってＣＲＴ１１に表現される。
【００２１】
上記装置によれば、燃料デブリ収納容器３内の燃料デブリについて、燃料デブリ各点における密度の情報（密度分布を含む）が得られている。またさらに燃料デブリの体積の情報が把握されている。先に示した図２、図３は、このようにして得られた燃料デブリ収納容器３内の燃料デブリＦＤの断面撮像画面ということができる。燃料デブリＦＤの断面撮像画面は、画像を表示するＣＲＴ１１に表示されて、内部状態を把握することが可能である。
【００２２】
ＣＲＴ１１に表示された燃料デブリＦＤの断面撮像画面は、燃料デブリＦＤ内の各点の密度の観点から共晶体、あるいは相分離状態を識別して表示が可能である。具体的には、放射線検出器２からの信号を処理する信号処理装置９内では、当該点における密度ρの情報を評価する。
［数１］
ρ＝ｙρｕ＋（１−ｙ）ρｚ              （１）
この（１）式は、計測した密度ρと予め知られている核物質の密度ρｕ、構造材の密度ρｚの関係を、核物質割合ｙを用いて示した式である。例えば核物質の密度ρｕが酸化ウランＵＯ２の１１ｇ／ｃｍ３、構造材の密度ρｚがジルコニウムＺｒの６．５ｇ／ｃｍ３の例でいうと、当該点の計測値としての核物質の密度ρが１１ｇ／ｃｍ３であったとするなら核物質割合ｙは１であり、この点が核物質であることが判明する。
【００２３】
同様に、当該点の計測値としての核物質の密度ρが６．５ｇ／ｃｍ３であったとするなら核物質割合ｙは０であり、この点が構造材であることが判明する。またこの中間値である場合に、核物質割合ｙの数値で定まる共晶体を形成していると推定することができる。なお密度ρは、放射線検出器２に入射し、入射強度に比例した信号として求めた値である。
【００２４】
このように、燃料デブリ中の核物質が構造材と共晶体を形成している場合は、共晶体の密度は密度の高いρｕと密度（ＵＯ２：１１ｇ／ｃｍ３）の低いρｚ（Ｚｒ／ＺｒＯ２：６．５／５．６、ＳＵＳ：７．９）の中間の密度として高エネルギーＸ線ＣＴ装置で計測することができる。その場合は、共晶体回りの燃料デブリの組成から共晶体の組成（Ｚｒ組成やＺｒ（ＺｒＯ２）／ＳＵＳ比）を予想し、計測した密度から核物質割合ｙを算出する。また算出した核物質割合ｙと共晶体の体積Ｖｘから、（２）式により核物質量Ｍｕ１を求める。
［数２］
Ｍｕ１＝ｙρｕ×Ｖｘ                        （２）
また燃料デブリ中の核物質が相分離している場合は、（３）式を用いて高密度（核物質の密度ρｕ）領域の体積Ｖｕより核物質重量を求める。なお（３）式において、Ｍｕ２は相分離中の核物質量、ρｕは高密度な核物質の密度、Ｖｕは高密度領域の体積である。
［数３］
Ｍｕ２＝ρｕ×Ｖｕ                              （３）
図１は、上記一連の処理の概略を示すフロー図である。この図によれば最初の処理ステップＳ１では、燃料デブリ収納容器３を図３のターンテーブル４上に載置する。処理ステップＳ２では、Ｘ線発生装置１からＸ線を照射して、透過したＸ線を放射線検出器２で検出する処理をターンテーブル４の回転と共に少なくとも１周以上実行する。処理ステップＳ３では信号処理装置９での処理により、燃料デブリＦＤ内の各点の密度情報を得る。
【００２５】
処理ステップＳ４では、各点の密度から、当該点が共晶体、あるいは相分離状態のいずれであるかを識別し、共晶体であるときに各物質割合ｙを（１）式により求めて、次いで（２）式により核物質量Ｍｕ１を算出する。これらの処理が処理ステップＳ５、Ｓ６に対応する。相分離状態であるとき、処理ステップＳ７において、相分離中の核物質量Ｍｕ２を、高密度な核物質の密度ρｕと、高密度領域の体積Ｖｕを用いて算出する。処理ステップＳ８では、共晶体中の核物質量Ｍｕ１と、相分離状態の核物質量Ｍｕ２を合算して、合計の核物質量Ｍｕを得る。
【００２６】
なお上記の処理ステップＳ４からＳ８に至る一連の処理は、燃料デブリＦＤ内の各点の密度情報をもとに、燃料デブリＦＤ全体について実行されることにより、体積並びに合計の核物質量Ｍｕを得ることができる。またこれらの処理結果は、燃料デブリＦＤの断面撮像画面として構成され、ＣＲＴ１１に表示されて、内部状態の把握、外部提供に用いられる。
【００２７】
本発明によれば、燃料デブリ中の各部の組成が明確になるので、共晶体と、相分離状態の原材料と構造材を、その質量と共に識別することができ、燃料デブリ収納容器３単位で核物質量を把握することができる。この結果、核物質量によって、長期保管方法の選定、貯蔵方式の選定、施設間輸送の安全解析、デブリの安定化あるいは再処理方式の選定、直接処分等の適切な処理が可能となる。また、これに派生して、燃料デブリの臨界管理方法の選定が可能となる。しかも本発明の方法では、燃料デブリの核物質量の計測方法を容易に行うことができる。
【符号の説明】
【００２８】
１：Ｘ線発生装置
２：放射線検出器
３：燃料デブリ収納容器
４：ターンテーブル
５：並進スキャナ
６：回転駆動機構
７：並進駆動機構
８：スキャナ
９：信号処理装置
１０：画像処理装置
１１：ＣＲＴデスプレー
【図１】
0006468931.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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