(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核分裂ガンマ線に対する応答性の高い電離箱放射線検出器（７０）であって、
上端部と下端部とを有する外側円筒形電極（３８）と、
当該外側円筒形電極（３８）の当該下端部を閉じる電気絶縁された下端部キャップ（４０）と、
当該外側円筒形電極（３８）の当該上端部を閉じる電気絶縁された上端部キャップ（４２）と、
実質的に当該下端部キャップ（４０）から延びて当該上端部キャップ（４２）を貫通する中心電極（４４）と、
当該外側円筒形電極（３８）と当該中心電極（４４）との間に配置され、局所的な中性子数に実質的に正比例する即発中性子捕獲ガンマ線を発生させる電子放射体（７２）と
から成る電離箱放射線検出器。
【請求項２】
前記電子放射体（７２）がＺ値の高い物質から成り、即発中性子捕獲ガンマ線が光電効果とコンプトン効果によって当該物質と相互作用する、請求項１の電離箱放射線検出器（７０）。
【請求項３】
前記電子放射体（７２）が、白金、金、マンガン、タングステンおよびカドミウムから成る金属群から選ばれた１つ以上の物質から構成される、請求項１の電離箱放射線検出器（７０）。
【請求項４】
前記電子放射体（７２）が、主としてマンガン、タングステンおよびカドミウムから成る金属群から構成される、請求項１の電離箱放射線検出器（７０）。
【請求項５】
前記電子放射体（７２）の少なくとも一部に白金と金のうちの一方または両方が塗布された、請求項４の電離箱放射線検出器（７０）。
【請求項６】
前記中心電極（４４）の周囲に離隔配置された複数の電子放射体（７２）を含む、請求項１の電離箱放射線検出器（７０）。
【請求項７】
前記電子放射体（７２）が実質的に前記下端部キャップ（４０）と前記上端部キャップ（４２）との間に延びる、請求項６の電離箱放射線検出器（７０）。
【請求項８】
前記電子放射体（７２）が実質的に前記下端部キャップ（４０）と前記上端部キャップ（４２）との間に延びる、請求項１の電離箱放射線検出器（７０）。
【請求項９】
原子炉（５２）の炉心（５４）内の様々な軸方向および半径方向位置の出力を監視する複数の炉内検出器（６２）を具備する原子炉出力分布監視システム（６６）であって、当該炉内検出器は電離箱（７０）から成り、当該電離箱は、
上端部と下端部とを有する外側円筒形電極（３８）と、
当該外側円筒形電極（３８）の当該下端部を閉じる電気絶縁された下端部キャップ（４０）と、
当該外側円筒形電極（３８）の当該上端部を閉じる電気絶縁された上端部キャップ（４２）と、
実質的に当該下端部キャップ（４０）から延びて当該上端部キャップ（４２）を貫通する中心電極（４４）と、
当該外側円筒形電極（３８）と当該中心電極（４４）との間に配置され、局所的な中性子数に実質的に正比例する即発中性子捕獲ガンマ線を発生させる電子放射体（７２）と
から成ることを特徴とする原子炉出力分布監視システム。
【請求項１０】
前記電離箱（７０）が、前記炉心（５４）の様々な半径方向位置において炉心をその実質的に軸方向の長さに沿って移動する可動型炉内検出器であることを特徴とする、請求項９の原子炉出力分布監視システム（６６）。
【請求項１１】
前記電子放射体（７２）がＺ値の高い物質から成り、即発中性子捕獲ガンマ線が光電効果とコンプトン効果によって当該物質と相互作用する、請求項９の原子炉出力分布監視システム（６６）。
【請求項１２】
前記電子放射体（７２）が、白金、金、マンガン、タングステンおよびカドミウムから成る金属群から選ばれた１つ以上の物質から構成される、請求項９の原子炉出力分布監視システム（６６）。
【請求項１３】
前記電子放射体（７２）が、主としてマンガン、タングステンおよびカドミウムから成る金属群から構成される、請求項９の原子炉出力分布監視システム（６６）。
【請求項１４】
前記電子放射体（７２）の少なくとも一部に白金と金のうちの一方または両方が塗布された、請求項１３の原子炉出力分布監視システム（６６）。
【請求項１５】
前記中心電極（４４）の周囲に離隔配置された複数の電子放射体（７２）を含む、請求項９の原子炉出力分布監視システム（６６）。
【請求項１６】
前記電子放射体（７２）が実質的に前記下端部キャップ（４０）と前記上端部キャップ（４２）との間に延びる、請求項１５の原子炉出力分布監視システム（６６）。
【請求項１７】
前記電子放射体（７２）が実質的に前記下端部キャップ（４０）と前記上端部キャップ（４２）との間に延びる、請求項９の原子炉出力分布監視システム（６６）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して原子炉炉心内の出力分布を監視する装置に関し、具体的には、核分裂ガンマ線に対する応答性の高い電離箱検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在運転中の高経年化原子炉の多くにおいて、原子炉制御系および原子炉保護系に用いられる原子炉中性子束計測値に対する信頼性は、炉外検出器を、１９６７年という早い時期から使用されている炉内中性子束マッピングシステムで補うことにより担保されている。この炉内中性子束マッピングシステムは、もともとは炉心設計の確認および一部測定値の校正を行う意図で設けられたものである。
【０００３】
原子炉炉心がますます大型化するにつれて、炉心の出力分布が及ぼす可能性のある悪い影響と、そのような問題のある出力分布を炉外検出器が十分に検出できるか否かについて懸念が生じている。試験データによると、現在使用中の分割セクション炉外検出器は中性子束の軸方向勾配に応答するが、勾配測定値の精度は、検出器ウェルの幾何学的形状およびで構成材料、ならびに容器と検出器との間の間隔に影響されることが判明している。これらの影響を補正する補正係数が導出されているが、炉外検出器がいかなる場合でも、問題のある出力分布について適切な警報を出せるか否か、多少の疑問があった。
【０００４】
前述の懸念を取り除くため、可動型炉内検出器を用いて、原子炉炉心出力分布のより精密で詳細なデータを自動的に読み出し、頻繁に更新することにより、出力分布を自動的に監視する方法が開発された。本発明の譲受人に譲渡され、１９７６年１月１３日に発効した米国特許第３，９３２，２１１号に教示される方法は、通常の出力運転時に、所定の断続的な調時プログラムに従って原子炉の炉心領域に可動型検出器を挿入するものである。炉心出力分布を定期的に測定する測定システムは、典型的には、炉心の半径方向の所定位置すべてについて測定値が得られるまで、最大６個の可動型検出器の同時的挿入および引き抜きを制御する。使用する各検出器は、検出器の感度が規準化されるように共通の半径方向位置へ挿入し、絶対感度が異なる複数の検出器によって「相対的」炉心出力分布が正確に求められるようにする。
【０００５】
好ましくは、複数の可動型検出器を、電気的に冗長なグループを形成するように編成し、通常は、原子炉熱環境内で炉心反応領域の外側に格納して熱サイクル変化を最小限に抑える。動作時、検出器を、原子炉容器の下蓋、炉心支持板および所定の燃料集合体下部ノズルを介して燃料集合体の計装管内へ駆動することにより、炉心の所望の高さに到達させる。所定の調時プログラムによる指示に従って、検出器は、炉心の計装シンブル管内の対応する直線経路に沿って、グループごとに交互に、原子炉炉心物理学により支配される前後にずらした時間間隔で駆動される。このプログラムされた検出器の駆動手順は、制御される反応度に所与の変化があると、それに応答して自動的に再開され、発電所の運転員に最も有意義なデータ入力を提供する。
【０００６】
可動型炉内検出器は現在、炉心出力分布を定期的に詳細に測定するために、沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉の両方で使用されている。使用されている可動型検出器は、主に中性子またはガンマ線に対して有感である。加圧水型原子炉と沸騰水型原子炉の両方でもっとも一般的に使用される検出器は、核分裂箱型検出器である。このタイプの検出器からの信号出力は、検出器の周囲にある熱中性子の数に正比例する。熱中性子数は、局所的な核分裂率および局所的な炉心出力レベルに正比例する。このような応答は、検出器の構造内に有意な量の高濃縮のＵ−２３５を入れることによって実現される。Ｕ−２３５は特殊核物質なので、可動型核分裂箱の購入および使用には非常に高い費用がかかる。また、可動型核分裂箱は非常に精密で取り扱いに注意を要し、機械的な故障が生じやすい。可動型核分裂箱を使用する大きな技術的利点は、出力信号と局所的な熱中性子数とが正比例関係にあり、この熱中性子数は局所的な炉心出力発生率に正比例することである。図１は、小型の核分裂箱１０の概略構成図である。この小型の核分裂箱は、外側電極を形成する両端が塞がれたステンレス鋼円筒ケーシング１２を有する。Ａｌ２Ｏ３セラミック絶縁体１６が、鉱物が充填された中心部の同軸出力電極１８を支持し、当該電極を外側電極１２から絶縁する。ステンレス鋼ケーシング１２が、中心部にあるアルゴン充填ガス２２の入ったチェンバ１４を取り囲むが、当該チェンバ１４の壁には９０％に濃縮されたＵ−２３５およびＵ３Ｏ３が塗布されている。この２つの電極間には直流２０〜１５０ボルトの検出器バイアス電圧３２が維持される。動作については、入射する熱中性子２８が、濃縮されたＵ−２３５中で核分裂事象３０を引き起こし、発生した高エネルギーの電離性核分裂片２６が、アルゴンガス中に電離した気体分子２４を発生させる。中心電極１８のバイアス電圧により、電離した気体粒子２４が集められ、その結果、入射する熱中性子２８によって引き起こされる核分裂事象３０に比例する検出器出力３４が発生する。
【０００７】
小型の電離箱１０を使用した設計の可動型検出器が、最近、沸騰水型原子炉に導入され使用されている。このタイプの検出器も、局所的な炉心出力に比例する信号を発生させるが、この信号は、検出器の電離箱領域内のガンマ線相互作用によって励起される。このタイプの検出器は、出力信号を励起させるためのＵ−２３５を必要としないので、その購入費用と維持費は、核分裂箱検出器に比べて顕著に低い。この検出器はまた、核分裂箱式の可動型検出器より頑丈な傾向がある。電離箱検出器の使用に関して最も大きな問題は、所与の局所的な炉心出力レベルに対応する信号出力が格段に低いことである。このタイプの検出器を使用するには、非常に高感度で高価な信号処理用電子機器を用いる必要がある。また、炉心出力分布測定の不確実性には、出力信号と、局所的な核分裂率または炉心出力とが一価関数的関係にないことによる不確実性を含めて考える必要がある。この出力分布測定の不確実性が増えることにより、原子炉運転員が達成可能な最大出力が実際に低くなる可能性がある。
【０００８】
図２は、小型の電離箱３６の概略構成を示す縦断面図であり、図２Ｂは、図２Ａに示す断面の垂直方向断面図である。小型の電離箱３６は、外側電極を構成する外側の金属製ケーシング３８と、中心電極４４を支持する絶縁された端部キャップ４０および４２とを有する。小型の核分裂箱１０の構成と同様に、ケーシング３８が、中心部にある充填ガス４８の入ったチェンバ５０を取り囲んでいる。
【０００９】
いずれの方式の可動型検出器も、性能特性が最適ではないため、検出器システムの運転費を有意に押し上げる。したがって、現在使われているものより頑丈で、運転費が安い、改良された検出器が望まれる。
【００１０】
さらには、炉心出力測定に算入する必要のある不確実性を最小にする設計の検出器が望まれる。
【発明の概要】
【００１１】
上記および他の目的は、核分裂ガンマ線に対する応答性の高い電離箱放射線検出器によって達成される。この電離箱は、絶縁された端部キャップによって閉じられた上端部と下端部とを有する外側円筒形電極と、実質的に下端部のキャップから延びて上端部のキャップを貫通し、当該端部キャップにより外側円筒形電極から電気絶縁される中心電極とを有する。局所的な中性子数と実質的に正比例する即発中性子捕獲ガンマ線を発生させる電子放射体が、外側円筒形電極と中心電極との間に配置されている。望ましくは、電子放射体はＺ値の高い物質から成り、即発中性子捕獲ガンマ線が光電効果とコンプトン効果によって当該物質と相互作用する。電子放射体は、好ましくは白金、金、マンガン、タングステンおよびカドミウムから成る金属群から選ばれた１つ以上の物質、より好ましくはマンガン、タングステンおよびカドミウムから成る金属群から選ばれた物質から構成される。
【００１２】
一実施態様において、電子放射体は、中心電極の周囲に離隔配置された複数の電子放射体から成り、好ましくは、実質的に下端部のキャップと上端部のキャップとの間に延びている。
【００１３】
本発明はまた、原子炉炉心内の様々な軸方向および半径方向位置の出力を監視する複数の炉内検出器を具備する原子炉出力分布監視システムを企図する。炉内検出器の少なくとも一部は、前記設計の電離箱から成る。そのような一実施態様において、電離箱は可動型炉内検出器であり、炉心の様々な半径方向位置において炉心をその実質的に軸方向長さに沿って移動する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。
【００１５】
【図１】可動型中性子検出器として利用される核分裂箱の断面図である。
【００１６】
【図２Ａ】小型の電離箱の縦断面概略図である。
【００１７】
【図２Ｂ】小型の電離箱の概略断面図であり、図２Ａの断面図の垂直断面を示している。
【００１８】
【図３】本発明による利益が得られる可動型炉内検出器を具備する原子炉システムの単純化した概略図である。
【００１９】
【図４Ａ】本発明の一実施態様に従って構成された電離箱の縦断面図である。
【００２０】
【図４Ｂ】図４Ａの電離箱の断面を示す垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
加圧水で冷却される原子力発電システムの一次側は、有用エネルギーを発生させるための二次側から隔離されるが当該二次側と熱交換関係にある閉回路を構成する。一次側は、核分裂性物質を含む複数の燃料集合体を支持する炉心内部構造を収容する原子炉容器、熱交換蒸気発生器内の一次回路、加圧器の内部容積、加圧水を循環させるポンプおよび配管類を含み、これらの配管類は蒸気発生器およびポンプをそれぞれ独立に原子炉容器に接続する。原子炉容器と接続する蒸気発生器、ポンプおよび配管系から成る一次側の各部は一次側ループを形成する。
【００２２】
説明の目的のために、図３は炉心５４を閉じ込める蓋体６８を備えた概して円筒形の原子炉圧力容器５２を有する原子炉一次系を簡略化して示す。水などの原子炉冷却材は、ポンプ５６により原子炉容器５２に圧入され、炉心５４を通過する際に熱エネルギーを吸収して、一般的に蒸気発生器と呼ばれる熱交換器５８へ送られるが、その熱は蒸気駆動タービン発電機のような利用回路（図示せず）へ移送される。原子炉冷却材はその後、ポンプ５６へ戻り、一次側ループが完成する。一般的に、上述したような複数のループが、原子炉冷却材配管６０を介して単一の原子炉圧力容器５２に接続されている。図示しないが、そのようなループの少なくとも１つは、システム内に圧力を保つための加圧器を有する。
【００２３】
前述のように、可動型炉内検出器６２は現在、炉心出力分布を定期的に詳細に測定するために、沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉の両方で使用されている。通常の出力運転時に、所定の断続的な調時プログラムに従って検出器６２が原子炉炉心５４に挿入される。検出器は、挿入されると自動的に駆動され、所定の経路に沿って炉心領域を通り抜ける。検出器の出力は、原子炉の出力分布をグラフ表示するために、炉心位置の関数として記録される。検出器の出力は、シール台６４を介して、調時プログラムの実行を担う制御・監視システム６６に給送される。使用される可動型検出器６２は、中性子またはガンマ線に対して主に有感である。いずれの方式の検出器も、性能特性が最適ではないため、検出器システムの運転費が有意に高くなる。本願のガンマ線検出装置は、核分裂箱検出器と電離箱検出器のそれぞれの長所を組み合わせることにより、炉心出力分布測定システムの所有および運転費用の有意な減少を可能にする、加圧水型原子炉と沸騰水型原子炉の両方で相対的炉心出力分布が測定可能な検出器を提供する。
【００２４】
図４Ａおよび４Ｂは、本発明の好ましい実施態様の略図である。図４Ａ、４Ｂが図２Ａ、２Ｂと基本的に異なる点は、装置の電離領域に構造体７２が追加されていることである。同構造体は、天然のマンガン、タングステンまたはカドミウムなどの金属製であり、局所的な中性子数に正比例する高エネルギー即発中性子捕獲ガンマ線を発生させる。この追加的な即発中性子捕獲ガンマ線は、光電効果およびコンプトン効果によってガンマ線放射元素の周囲にある白金や金などのＺ値の高い物質と相互作用して、高エネルギー電子を発生させ、それにより検出器７０中の充填ガス４８の電離が促進される。この追加的な電離は、検出器７０からの電離電流出力４６を大幅に増加させる。この方法は、標準設計の電離箱３６に比べて、特別な核物質を使用することなく装置からの出力信号レベルを高める効果がある。Ｚスコアは統計学では、ある値が標準分布平均値から、いずれの方向にどれだけ離れているかを示す。分布の標準偏差の単位で表されるＺスコアは、「標準スコア」と呼ばれることもある。Ｚスコアへの変換は、平均値および／または標準偏差が異なる分布の中のある値の相対的位置を比較したい場合に特に有用である。
【００２５】
中心電極４４と外側電極３８との間で、当該中心電極４４の周囲に、多数の電子放射体７２（例えば図４Ｂの場合は４つ）を離隔して配置すると、標準設計の電離箱３６の場合に比べて、特別な核物質を使用することなく装置７０からの出力信号レベルを高める効果がある。マンガン、タングステンまたはカドミウムのような比較的安価な即発ガンマ線放射体を使用することにより、検出器の有感部分を非常に堅牢な物理的パッケージ内に容易に格納することができる。標準的な電離箱３６に比べて、局所的な中性子数に対する即発的な感度が高まるので、信号と真の局所的な炉心出力レベルとの間の関係に存在する不確実性が低くなる。出力信号が局所的な出力分布の励起レベルから増強されることにより、極度に高感度かつ高価な信号測定用電子機器の必要性が低減または解消する。この装置の中核部の設計を最適化することにより、既存の可動型検出器信号測定用電子機器の利用が可能になり、この設計の検出器の実装費用が最小限に抑えられる。この装置はまた、原子炉出力レベルの監視など、中性子感度を高めることが有益な別の電離箱の用途において固定式検出器としても利用できる。
【００２６】
本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。
【図１】
0006334704.tif 000002
【図２Ａ】
0006334704.tif 000003
【図２Ｂ】
0006334704.tif 000004
【図３】
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【図４Ａ】
0006334704.tif 000006
【図４Ｂ】
0006334704.tif 000007