(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理工場の貯蔵タンク内にある流体媒体、または容器間で液体媒体を移送するために使用される配管内における固形物質の沈着物および堆積物を識別するための方法であって、前記方法がγ線を用いた受動的断層撮影法による三次元画像の作製を含む方法。
【請求項２】
前記固体物質がγ線放射性固体物質を含み、前記処理工場が核処理工場を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
固体物質の前記沈着物が液体媒体から沈着する沈着物を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記液体媒体が前記固体物質の液体懸濁液を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記固体物質の前記液体懸濁液が有機溶媒中の前記固体物質の懸濁液を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記固体物質の前記液体懸濁液が前記固体物質の水性懸濁液を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記固体物質の前記水性懸濁液が高放射性核廃棄物液を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記大規模貯蔵タンクが高放射性貯蔵タンクを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記貯蔵タンクが約２ｍ以下の直径を有する、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記固体沈着物の識別が、前記沈着物の所在位置の識別および前記沈着物の幾何学的形状の識別を含む、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
処理装置からの放射の測定および三次元画像を作製するための入手したデータの操作を含む、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
放射の前記測定が１列のセンサによって達成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
放射の前記測定がγ線放射の測定を含む、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
三次元画像を作製するための入手したデータの前記操作がコンピュータアルゴリズムによる操作を含む、請求項１１、１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
入手したデータの前記操作が、γ線輸送についてのボルツマン方程式に対する解の計算を含む、請求項１１から１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
２枚の画像を作製するために適合する方法であって、これらのうちの第１の画像がγ線放射線源の分布を示し、もう１枚の画像が線源と検出器との間で減衰する媒体の構造を示す方法である、請求項１から１５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業用装置中、特に貯蔵容器中の液体媒体から沈着する固体物質の量を検出および三次元イメージングするための新規の非侵襲性手段に関する。より詳細には、本発明は、核処理工場からのγ線放射性固体の堆積物の所在位置および形状を識別するための高エネルギーγ線断層撮影法の新規の用途に関する。そのような堆積物は、有機および水性懸濁液中、およびガス流中で、最も特別には核処理工業における廃棄物処理工程中に発生する。
【背景技術】
【０００２】
γ線放射性核種の貯蔵および移送は、核処理工業において一般的に行われている。その結果として、γ線放射性固体の堆積物の所在位置およびおおよその形状の識別に対しては、工場の操作性および高放射性物質の安全な貯蔵を保証するために関心が高い。これは特に蒸発によって１００分の１にまで濃縮されている、核燃料再処理からの相当に多量の高放射性溶液が一般にはステンレススチールから製造された冷却用二重壁タンク内に貯蔵されるいわゆる「高放射性貯蔵タンク（ＨＡＳＴ）」の用途の場合に有効である。
【０００３】
この分野において知られている工学技術は、一般に実証された据え付け攪拌装置の有効性、および監視手段としての温度検出に基づいてきた。そこで、装置内に温度検出器を据え付けることが不可欠であり、検出器は固体沈着物と同一位置に配置しなければならず、そしてそれらの有効動作は、検出可能であるために十分に大きいバルク液体の温度より高温へのその物質の温度上昇を促進するために、十分な沈着した物質が存在するかどうかに依存していた。
【０００４】
当然ながら、このアプローチには短所がある。第１の例は、適切な温度検出手段を装置の構築中にその中に据え付けることが必要な点である。さらに、装置設計者が装置内の検出器のための正しい位置を正確に予測できることが必要である。明らかに、検出器がその機能を有効に実施できるためには固体沈着物が発生する１つ以上の位置に検出器が配置されなければならないが、最初に完全な精度でそのような予測を行うことは必ずしも可能ではない。その結果として、使用時には、一部の沈着物が検出器の用意されていない場所で発生するとこの検出手段が沈着物の検出に完全に失敗する可能性がある。さらに、当然ながら、この方法は検出手段として温度上昇に依存するので、蓄積した固体沈着物の存在についてオペレータへ警報が出される前に温度が望ましくない高レベルに達してしまうという可能性がある。
【０００５】
このため明らかに、そのような状況において固体沈着物の容易な検出を可能にするより効果的で安全かつ好ましくは非侵襲性の手段に対する要求がある。そして、それこそが本発明が取り扱おうとしている目的である。そこで本発明は、先行技術の欠陥を克服し、γ線放射性固体の堆積物の所在位置および形状の便宜的な識別を促進し、それによってγ線高放射性物質を安全に貯蔵する見込みを大きく増強する。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、断層撮影法、より特別にはγ線断層撮影法の技術の新規かつ革新的な用途に基づく。断層撮影法は、最初は医学分野において重要かつ実際的な用途が見いだされたが、この場合はＸ線断層撮影法がヒト身体から入手したスキャンデータから断面画像を作製することによって非侵襲性診断を実施することを可能にした。断層撮影法の技術は、１列のセンサからの一連のデータ測定値を集計するステップと、次にスクリーン上で適切な画像を作製するために適切なコンピュータハードウエア上で実行される適切な画像再構成アルゴリズムを用いてデータを処理するステップとに基づく。
【０００７】
医学的イメージングの分野における最初の研究に続いて、処理装置の断層撮影イメージングについての多数の用途が記載されたが、これらは、一般にはＸ線もしくは放射性同位体線源からの電離放射線を用いるステップを含み、それに関連する高額の費用および安全性に関する制約があるために、日常的に大多数の処理用途にとって満足できるものとは見なされなかった。放射線に基づく方法の大多数は長い曝露時間を使用したが、これは処理システムのリアルタイム挙動の動的測定が実現不可能であることを意味する。そのような方法は、外部信号が提供され、その信号への媒体の応答が測定される能動的断層撮影技術の例を提供した。
【０００８】
しかし、これらの能動的断層撮影法を開発および洗練させることと並んで、後の研究はさらにまた代替断層撮影アプローチに焦点を当て、媒体の一部の固有の特性の変動が評価された。受動的処理断層撮影システムとしても知られるこのタイプの数種の方法が開発され、費用効果的かつリアルタイムの両方で内側の成分の濃度および移送の画像を作製するために、処理容器の辺縁の周囲に配置された１列のセンサによってキャパシタンス、インピーダンスおよび抵抗などの例えば電気的パラメータの測定に基づく可能性がある。測定値は、処理を監視して収率、品質、効率および総合的管理を改善するための情報を提供する、二次元もしくは三次元画像を作製するために再構成された。電気インピーダンス断層撮影法は、ヒトの身体をイメージングするための安全で低コストの方法としての用途を見いだした。
【０００９】
プロセス断層撮影法は、現在では多数のタイプのプロセスおよび単位操作に適用されている。使用される感知メカニズムに依存して、この方法は非侵襲性、不活性および非電離放射性であり、このため原材料の加工処理、大規模および中間体化学製造、ならびに食品およびバイオテクノロジー領域において適用できる。複雑な多相現象を試験するために、多数の断層撮影法のプロセスを利用できるようになってきた。これらには、例えば赤外線および光学的断層撮影システム、ポジトロン発光断層撮影法（ＰＥＴ）、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）、および音波もしくは超音波断層撮影システムが含まれ、そしてこれらの様々な断層撮影システムは、パイプライン、攪拌式反応装置、流動床、ミキサおよび分離装置内で行われる流動化、空気輸送、液／液および気／液混合ならびに固／液分離などの多相処理をイメージングするために使用されてきた。
【００１０】
大規模充填カラム内での液体滞留量分布を試験するためのγ線断層撮影法の技術の使用は、Ｆ  Ｙｉｎ，Ａ  Ａｆａｃａｎ，Ｋ  Ｎａｎｄａｋｕｍａｒ  ａｎｄ  Ｋ  Ｔ  Ｃｈｕａｎｇ，Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｐｒｏｃｅｓｓ．，４１（２００２），４７３−４８３によって開示されている。この方法は、２つの垂直位置で撮影された、水平スキャンによる２種の液体流量の測定を含んでいた。Ｙｉｎ  ｅｔ  ａｌ．はさらに、蒸留カラムのトラブルシューティング、気泡カラム内のガス滞留量プロフィールの測定および充填カラム内の局所的多孔性分布の測定におけるこの技術の適用に成功したと報告している。
【００１１】
γ線断層撮影法のより興味深い用途は、放射性廃棄物を含有するドラム缶のアッセイにある。Ｌａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  ＬａｂｏｒａｔｏｒｙおよびＢｉｏ−Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｒｅｓｅａｒｃｈによって開発された非破壊的アッセイシステムのための廃棄物検査断層撮影法（ＷＩＴ−ＮＤＡ）は、廃棄物容器から放射された検出可能なγ線全てを正確に定量するために、能動的および受動的コンピュータ断層撮影法および核分光法を併用している。Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，４６（５９），１８の中に開示されたこの技術は、１９９９年以降に放射性廃棄物の非破壊的検査およびアッセイのために使用されてきた。
【００１２】
しかし、ＷＩＴ−ＮＤＡシステムはドラム缶に貯蔵された核廃棄物材料を検査するために極めて有用であることが見いだされているが、それはそのような廃棄物は必然的に、コンクリート内に封入された、または例えばガラス形成材料を用いてガラス化された固体形であるために、このシステムは適用範囲が極めて限定されている。明らかに、そのような状況では、廃棄物材料は固体基質内に不動化され、その状態は、全ての成分にはある程度の可動性がある、液体媒体、詳細には前記材料の液体懸濁液中で発生する固体沈着物および堆積物を識別することを試みてきた本発明人らが取り扱う状態とは極めて相違している。
【００１３】
バルク流体媒体、特にバルク液体媒体が大規模貯蔵タンク内で取り扱われる状況では、測定のためのアクセスがタンクの近位に存在する高放射線環境のために重度に制限される可能性があるために、特別の困難が発生することがある。そのような状況では、所望の状態である、タンクの内容物が良好に混合されているかどうか、または一部の固体が懸濁液から流出してタンク内の一部の場所に沈着しているかどうかを知ることが重要である。
【００１４】
驚くべきことに、本発明人らは現在では、核処理工場における固体物質の堆積物の識別へ断層撮影法の技術を適用して成功を得られることを見いだした。この適用は、原料物質の形状、信号強度および分布が知られていない受動的断層撮影法の技術を含むので、そのような技術の実行に関する問題は極めて大きくなるが、本発明者らは、この技術によってそのような状況における材料の堆積物の正確な画像を達成するのが可能であることを見いだした。
【００１５】
さらに、２枚の画像の生成を促進する方法が見いだされており、これらのうちの第１の画像は放射線源の分布を示し、もう１枚の画像は線源と検出器との間で減衰する媒体の構造を示す。
【００１６】
そこで、本発明によると、処理工場における固形物質の沈着物を識別するための方法が提供されるが、前記方法は断層撮影法による三次元画像の作製を含む。詳細には、本発明によって提供される方法は外部場を適用する必要のない受動的断層撮影法を含み、この技術は調査下のシステムによる放射線の放射に基づいている。放出される放射線は本質的に放射性であってよい。好ましい状態では、前記放射線はγ線を含み、そして好ましい監視技術はγ線断層撮影法を含む。
【００１７】
より詳細には、前記固体物質はγ線放射性固体物質を含み、前記処理工場は核処理工場を含む。前記固体物質の沈着物は、ガス状媒体から、または、より特別には液体媒体から沈着する沈着物を含む。典型的には、前記液体媒体は前記物質の液体懸濁液、例えば有機溶媒中の前記物質の懸濁液、しかしより好ましくは前記物質の水性懸濁液を含む。より好ましくは、前記物質の前記液体懸濁液は、高放射性の核廃棄物液体を含む。
【００１８】
前記沈着物は、典型的には、例えば貯蔵タンク内、特に大規模貯蔵タンク内で発生する前記固体物質の堆積物を含む。あるいは、前記沈着物が液体媒体を容器間で移送するために使用される配管内で発生するであろうことが予想される。しかし、本発明の方法は、「高放射性貯蔵タンク（ＨＡＳＴ）」の用途における放射性廃棄物の監視において特別な適用性がある。
【００１９】
前記固体沈着物の識別は、典型的には前記沈着物の所在位置の識別および前記沈着物の幾何学的形状の識別を含む。前記識別は、γ線断層撮影法による沈着物の三次元画像の作製によって促進される。そこで、画像再構成によって、γ線放射断層撮影法は放射性物質を取り扱う産業にとって強力なツールになる。その場合には１００％イメージングを達成できる、直径約２ｍ以下を有する貯蔵タンク内に貯蔵された物質については最適な結果が達成される。
【００２０】
本発明の方法は、典型的には貯蔵タンクを含む処理装置からの放射、好ましくはγ線放射の１列のセンサによる測定および、引き続いて三次元画像を作製するための適切なコンピュータアルゴリズムによる入手したデータの操作に基づく。本方法は、γ線輸送のためのボルツマン（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）方程式に対する解の計算を含む。この実行は、ソースタームの分布が処理工場の境界で実施された測定値を根拠に引き出される逆問題に属する。
【００２１】
上記で考察したように、本発明の方法は貯蔵タンク内の固体堆積物の識別において特別な用途があるが、これはさらにまた配管内で発生することのある遮断を検出する際に、そして配管、貯蔵タンク、またはいずれか他の容器から発生する場合がある漏出を検出するためにも有益である。
【００２２】
本方法は、物質の望ましくない沈着を容易に識別できるために、さらに容器内で使用される攪拌または他の形態のかき混ぜの効率を監視する際にも用途がある。
【００２３】
さらに、上記で観察したように、本方法は２枚の画像を作製するために適合する場合があるが、これらのうちの第１の画像はγ線放射線源の分布を示し、もう１枚の画像は線源と検出器との間で減衰する媒体の構造を示す。
【００２４】
この技術は、それからデータを入手しなければならない容器中に事前に検出器を据え付けることを必要としない非侵襲性技術を含むという事実を考えると、そのような固体沈着物を監視するために使用された先行技術の方法に比して大きく優れた長所を提供する。さらに、本技術は、上記で考察したＬａｗｒｅｎｃｅ  Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  ＬａｂｏｒａｔｏｒｙおよびＢｉｏ−Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｒｅｓｅａｒｃｈの非破壊的アッセイのための廃棄物検査断層撮影法（Ｗａｓｔｅ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  ｆｏｒ  Ｎｏｎ−Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ  Ａｓｓａｙ（ＷＩＴＮＤＡ））システムとは相違して、内容物について事前に判明していないシステムの調査を可能にする。
【００２５】
本発明の方法は、放射線の透過ではなく放射にのみ基づくという点で先行技術の様々な方法とは区別される。さらに、二次元画像を提供する既知の技術とは相違して、本技術は三次元画像の作製を促進する。