(57)【要約】【課題】中性子と反応するターゲット物質を必要とすることなく、中性子を確実に検出できる中性子検出方法および中性子検出装置を提供する。【解決手段】容器６内の冷却水８内に配置された放射線検出器１によって、検出されたγ線の信号をγ線エネルギー分析装置３によって分析して、前記γ線に含まれる、核燃料物質９から発生した中性子と冷却水中の水分子の酸素とが核反応することで生成された放射性窒素Ｎ−１６から放出されるγ線を計測することにより中性子を検出するので、核燃料物質９から発生した中性子を容易かつ確実に検出できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に冷却水とともに格納された核燃料物質から発生した中性子を検出する中性子検出方法であって、
前記冷却水内または冷却水近傍に、放射線検出器を配置し、
この放射線検出器によって検出されたγ線の信号をγ線エネルギー分析装置によって分析して、前記γ線に含まれる、前記中性子と前記冷却水中の水分子の酸素とが核反応することで生成された放射性窒素Ｎ−１６から放出されるγ線を計測することにより前記中性子を検出することを特徴とすることを特徴とする中性子検出方法。
【請求項２】
容器内に冷却水とともに格納された核燃料物質から発生した中性子を検出する中性子検出装置であって、
前記冷却水と、
前記冷却水内または冷却水近傍に配置された放射線検出器と、
この放射線検出器によって検出されたγ線の信号を分析して、このγ線に含まれる、前記中性子と前記冷却水中の水分子の酸素とが核反応することで生成された放射性窒素Ｎ−１６から放出されるγ線を計測することにより前記中性子を検出するγ線エネルギー分析装置とを備えたことを特徴とする中性子検出装置。
【請求項３】
前記放射線検出器は、ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器、ＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器、ＬａＢｒ３（Ｃｅ）シンチレーション検出器、ＣｅＢｒ３シンチレーション検出器、Ｇｅ半導体検出器のうちの少なくとも一つの検出器であることを特徴とする請求項１に記載の中性子検出方法。
【請求項４】
前記放射線検出器は、ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器、ＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器、ＬａＢｒ３（Ｃｅ）シンチレーション検出器、ＣｅＢｒ３シンチレーション検出器、Ｇｅ半導体検出器のうちの少なくとも一つの検出器であることを特徴とする請求項２に記載の中性子検出装置。
【請求項５】
前記容器は、原子炉圧力容器および／または核燃料貯蔵槽であることを特徴とする請求項１または３に記載の中性子検出方法。
【請求項６】
前記容器は、原子炉圧力容器および／または核燃料貯蔵槽であることを特徴とする請求項２または４に記載の中性子検出装置。
【請求項７】
前記容器に接続されて、当該容器内の冷却水を循環させる配管に隣接して、前記γ線検出装置が配置されていることを特徴とする請求項１、３または５に記載の中性子検出方法。
【請求項８】
前記容器に接続されて、当該容器内の冷却水を循環させる配管に隣接して、前記γ線検出装置が配置されていることを特徴とする請求項２、４または６に記載の中性子検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水分子中の酸素と中性子が反応して生じた放射性窒素Ｎ−１６が放出するγ線を計測することにより中性子を検出する中性子検出方法および中性子検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
中性子は、それ自体電荷を持っておらず、物質との相互作用が小さいため、中性子を直接検出することは困難である。そこで、中性子と特定の物質との相互作用を利用して電離作用がある放射線に変換し、電気的な方法によって間接的に検出している。
【０００３】
特に中性子検出では、中性子場に伴って中性子以外の放射線場も存在するため信号処理におけるこれらの中性子以外の放射線場との弁別を考慮する必要がある。
中性子以外の放射線は、α線やβ線、加速粒子線等の粒子線と、γ線やＸ線等の電磁波に大別される。粒子線は、それらに見合った遮蔽をすることにより容易に検出器内部への侵入を防ぐことができるが、電磁波を遮蔽することは、分厚い遮蔽壁を必要とし、検出器として実用的ではない。したがって、電磁波による信号と中性子による信号が容易に弁別できる信号処理が中性子計測として要求される。
これらの弁別方法としては、次に示す方法が主なものである。
【０００４】
（１）パルスの大きさで弁別する方法
中性子との反応によって発生した電気パルスと電磁波による電気パルスの大きさの違いを利用する方法あり、パルス型検出器に見られる検出方法である。
検出器内に中性子と反応するターゲット元素を封入し、この反応によって発生する粒子線型放射線を検出する方法である。γ線等の電磁波放射線によって生じる電気パルスと粒子線によって生じる電気パルスの大きさは、大きく異なるのでこれらを弁別することができる。
（２）中性子とバックグランドを含む信号からバックグランドを差し引く方法
中性子と反応する物質を入れた検出器と、同じ形状の中性子と反応する物質が無い検出器とを用意し、それぞれの検出器の信号の差を利用する方法であり、電流型検出器に見られる検出方法である。
２つの同じ形状の検出器の内、一方に中性子と反応するターゲット元素を入れて測定する一方で、ターゲット元素が無い検出器は、中性子以外のバックグランドを測定し、ターゲット元素を含む検出器は中性子とバックグランドを合わせた量を計測する。したがって、バックグランドを差し引くと中性子のみを計測できる。
（３）中性子との反応のみ発生した電気信号を利用する方法
一方の電極を、中性子を吸収するとβ線崩壊するターゲット元素で製作するか、または当該一方の電極に中性子を吸収するとβ線崩壊するターゲット元素を塗布し、中性子を吸収して放射性元素になった一方の電極からβ線(電子)が放出され、それが他方の電極に到達し、電流が流れることで中性子が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−５２４５１号公報
【非特許文献１】Ｇｌｅｎｎ  Ｆ．Ｋｎｏｌｌ著  「放射線計測ハンドブック」(第３版)日刊工業新聞社  ２００１年
【非特許文献２】川口千代二、荒克之著  「原子炉の計測」幸書房  １９７８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した中性子検出器に特徴的なのは、検出器内部に中性子と反応するターゲット物質があることである。中性子を検出するのは、検出器の中性子感度領域に限られる。検出感度を上げるには、感度領域を大きくする必要があるが、物理的に極端に大きくすることはできない。また、検出器に直接中性子が入らないと測定できない問題点がある。さらに、炉心が溶融しているような原子炉では、中性子を容易に検出できないという問題もある。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、核燃料物質から発生した中性子を容易かつ確実に検出できる中性子検出方法および中性子検出装置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】
前記目的を達成するために、本発明の中性子検出方法は、容器内に冷却水とともに格納された核燃料物質から発生した中性子を検出する中性子検出方法であって、
前記冷却水内または冷却水近傍に、放射線検出器を配置し、
この放射線検出器によって検出されたγ線の信号をγ線エネルギー分析装置によって分析して、前記γ線に含まれる、前記中性子と前記冷却水中の水分子の酸素とが核反応することで生成された放射性窒素Ｎ−１６から放出されるγ線を計測することにより前記中性子を検出することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の中性子検出装置は、容器内に冷却水とともに格納された核燃料物質から発生した中性子を検出する中性子検出装置であって、
前記冷却水と、
前記冷却水内または冷却水近傍に配置された放射線検出器と、
この放射線検出器によって検出されたγ線の信号を分析して、このγ線に含まれる、前記中性子と前記冷却水中の水分子の酸素とが核反応することで生成された放射性窒素Ｎ−１６から放出されるγ線を計測することにより前記中性子を検出するγ線エネルギー分析装置とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、容器内に格納された冷却水内または冷却水近傍に配置された放射線検出器によって検出されたγ線の信号をγ線エネルギー分析装置によって分析して、前記γ線に含まれる、核燃料物質から発生した中性子と冷却水中の水分子の酸素とが核反応することで生成された放射性窒素Ｎ−１６から放出されるγ線を計測することにより前記中性子を検出するので、核燃料物質から発生した中性子を容易かつ確実に検出できる。
また、容器内の冷却水が中性子検出装置の一部を構成するので、中性子検出装置としては巨大な検出装置となり、核燃料物質から発生する中性子を漏れなく検出することができる。
また、放射性窒素Ｎ−１６のγ線の最大エネルギーが７．１２ＭｅＶであるため核分裂生成物から放出されるγ線エネルギーに対して格段に大きくバックグランドとの弁別が容易となる。
【００１１】
また、本発明の前記構成において、前記放射線検出器は、ＮａＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器、ＣｓＩ（Ｔｌ）シンチレーション検出器、ＬａＢｒ３（Ｃｅ）シンチレーション検出器、ＣｅＢｒ３シンチレーション検出器、Ｇｅ半導体検出器のうちの少なくとも一つの検出器であることが好ましい。
また、前記容器は、原子炉格納容器および／または核燃料貯蔵槽であってもよい。
また、前記容器に接続されて、当該容器内の冷却水を循環させる配管に隣接して、前記γ線検出装置が配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、核燃料物質から発生した中性子を容易かつ確実に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る中性子検出装置を示すもので、その概略構成を示す図である。
【図２】同、γ線エネルギー分析装置の概略構成図である。
【図３】同、γ線エネルギー分析装置の他の第１例を示す概略構成図である。
【図４】同、γ線エネルギー分析装置の他の第２例を示す概略構成図である。
【図５】同、γ線エネルギー分析装置の他の第３例を示す概略構成図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る中性子検出方法を説明するためのもので、γ線スペクトルの一例を示す図である。
【図７】同、放射性窒素Ｎ−１６のγ線ピークの内、特定のピークを選択し、そのピークのバックグランドを差し引いた正味値を求めて中性子束密度を評価することを示す図である。
【図８】同、放射性窒素Ｎ−１６のγ線ピークの内、特定のピークを選択し、バックグランドを含めたグロス値を求めて中性子束密度を評価することを示す図である。
【図９】同、３０００ｋｅＶ付近にしきい値を設け、それ以上のエネルギーのγ線カウント全体を求めて中性子束密度を評価することを示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係る中性子検出装置を示すもので、その概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
先ず、本発明の原理について説明する。
核燃料物質が核分裂を起こすと、核分裂生成物と２〜３個の中性子を生成する。生成直後の中性子は高エネルギーであるため、大きな運動エネルギーを持ち、高速中性子と呼ばれている。この高速中性子は、Ｕ−２３５に吸収されにくく核分裂を起こしにくい。このため、軽元素を多く含む媒質と弾性散乱することにより、エネルギーを失い、Ｕ−２３５に吸収されやすい熱中性子に変換すると核分裂が連鎖して生じるようになる。軽水炉で使用される軽元素を多く含む媒質が水である。
【００１５】
水は、水素と酸素からなる化合物であるが、酸素は、中性子と（１）式に示す核反応によって放射性窒素Ｎ−１６を生成することが知られている。
１６Ｏ＋１ｎ→１ｐ＋１６Ｎ      （１）
生成したＮ−１６は、β崩壊によって再び、酸素Ｏ−１６になる。
Ｎ−１６のβ崩壊に伴って、表１に示す３種類のγ線が放出される。
Ｎ−１６から放出されるこれらのγ線は、核分裂生成物から放出されるγ線より遥かにエネルギーが高く、容易に弁別することができる。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る中性子検出装置の概略構成を示すものである。
図１に示すように、中性子検出装置は、放射線検出器（γ線検出器）１と、電気ケーブル２と、γ線エネルギー分析装置３と、中性子束密度評価部４と、表示装置５と、原子炉圧力容器（容器）６と、燃料プール（核燃料貯蔵槽）７と、原子炉圧力容器６内に充填されている冷却水８とを備えている。
なお、適用箇所は一般的な原子力発電所である。また、本実施の形態では、炉心が溶融し、核燃料物質が原子炉圧力容器６の下部に燃料デブリ（核燃料物質）９として存在しているものとする。この場合、既存の中性子計測系は、燃料デブリ９と一緒に溶融し、消失している。
また、燃料デブリ９周りの冷却水８は、燃料デブリ９の冷却、燃料デブリ９からの放射線の遮蔽のため原子炉圧力容器６および燃料プール７まで満たされている。
そして、放射線検出器１は電気ケーブル２に接続され、電気ケーブル２はγ線エネルギー分析装置３に接続され、γ線エネルギー分析装置３で解析された結果を基に中性子束密度評価部４で中性子束密度に変換し、結果が表示装置５に表示されるようになっている。
【００１８】
燃料デブリ９には、核燃料が存在し、自発核分裂によって微弱ではあるが中性子場も存在する。現状は、生成する中性子に対して核燃料以外の物質（制御材等）に吸収される割合が多く、未臨界の状態となっている。
【００１９】
燃料デブリ９に含まれる核燃料物質の自発核分裂を含む核分裂によって生成した中性子は、燃料デブリ９周りの冷却水８によって高速中性子から熱中性子に変換され、再び核燃料物質に吸収されて核分裂を起こしたり、中性子吸収材に吸収されたりする。この減速過程で冷却水８中の酸素と中性子が反応すると放射性窒素Ｎ−１６が生成する。すなわち、燃料デブリ９周りの冷却水８が巨大な中性子検出器になるのである。
【００２０】
放射線検出器１は、核種分析可能なセンサを搭載しており、例えば、適用されるセンサとしては、半導体検出器であれば、ＣｄＴｅ、ＣＺＴ、ＴｌＢｒのいずれかが用いられ、シンチレーション検出器であれば、ＬａＢｒ３（Ｃｅ）、ＬａＣｌ３（Ｃｅ）、ＬＳＯ、ＬＹＳＯ、ＧＡＧＧ（Ｃｅ）、ＬｕＡＧ（Ｐｒ）、ＮａＩ（Ｔｌ）、ＣｓＩ（Ｔｌ）、ＹＡＰ（Ｃｅ）、ＧＳＯのいずれかが用いられる。
これらのセンサのいずれかを搭載した放射線検出器１の出力信号は、同軸ケーブル等の耐ノイズ性が高い電気ケーブル２を介して、後段のγ線エネルギー分析装置３に伝送される。また、放射線検出器１に隣接してプリアンプを介して信号のインピーダンスを下げて伝送すればノイズを効果的に下げることができる。
【００２１】
そして、本実施の形態では、放射線検出器１によって検出されたγ線の信号をγ線エネルギー分析装置３によって分析して、前記γ線に含まれる、中性子と冷却水８中の水分子の酸素とが核反応することで生成された放射性窒素Ｎ−１６から放出されるγ線を計測することにより中性子を検出する。
【００２２】
生成した放射性窒素Ｎ−１６からは表１に示すγ線が放出され、それを放射線検出器１で検出する。
放射線検出器１とＨｅ−３型中性子検出器の検出効率の比較を表２に示す。
【００２３】
【表２】
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【００２４】
本実施の形態に係る放射線検出器１による放射性窒素Ｎ−１６生成の中性子捕獲断面積は小さいが、中性子検出器となる冷却水８の体積が巨大であるため、総合効率では、Ｈｅ−３検出器のそれを上回っている。また、燃料デブリ９の周りを放射線検出器１が覆っている構造なので、偏りの無い平均的な中性子測定が可能である。
【００２５】
本実施の形態において、中性子との核反応で生成した放射性窒素Ｎ−１６を検出するには、Ｎ−１６から放出されるγ線を放射線検出器１で検出する。原子炉内には、バックグランドとして、核分裂生成物であるＣｓ−１３７等や炉内構造物の放射化で生成したＣｏ−６０等が分布を持って至る所に存在する。これらのバックグランド環境下で測定対象であるＮ−１６を検出するには、上述したような核種分析可能なセンサを搭載した放射線検出器１を適用する。
【００２６】
図２に、図１に示す中性子検出装置を構成するγ線エネルギー分析装置３と中性子束密度評価部４等の構成図を示し、図６にγ線エネルギー分析装置３から出力されるγ線スペクトルの例を示す。
図２に示すように、γ線エネルギー分析装置３は、電気ケーブル２を介して放射線検出器１から伝送された出力信号を増幅・波形整形する比例増幅器１０と、この比例増幅器１０で出力されたパルスの波高値をデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器１１と、このＡ／Ｄ変換器１１の出力値からγ線スペクトルを作成するパルス波高分布記憶器１２とを備え、更にγ線スペクトルを評価することにより中性子束密度を評価する中性子束密度評価部４でγ線スペクトル中のＮ−１６のγ線ピークから中性子束密度に変換され、表示装置５で結果が表示されるようになっている。
【００２７】
また、γ線エネルギー分析装置３として、図３に示すようなものも使用できる。このγ線エネルギー分析装置３は、前記比例増幅器１０に代えて増幅器１３を備えるとともに、前記パルス波高分布記憶器１２に代えて、デジタル波高演算器１４を備えている。そして、放射線検出器１から伝送された出力信号を増幅器１３で増幅後、直接Ａ／Ｄ変換器１１でＡ／Ｄ変換した後、デジタル波高演算器１４でデジタル処理によって波形整形、波高分析を行うことも可能である。
【００２８】
図６に中性子が存在する場合のγ線スペクトル１８を示す。
図６に示すように、本実施の形態に係る中性子検出装置では、中性子と酸素の核反応による放射性窒素Ｎ−１６のγ線ピークの他に核分裂生成物であるＣｓ−１３７等のγ線ピークや炉内構造物の放射化で生成したＣｏ−６０等のγ線ピークやそれらのコンプトンがバックグランドとして存在するが、放射性窒素Ｎ−１６のγ線のエネルギーはバックグランドのγ線エネルギーより遥かに大きいため容易に弁別可能である。
【００２９】
γ線ピークの弁別・計量方法としては、下記が考えられる。
（１）図７に示すように、放射性窒素Ｎ−１６のγ線ピークの内、特定のピークを選択し、そのピークのバックグランドを差し引いた正味値（図７に示す領域Ａ）を利用する方法。
（２）図８に示すように、放射性窒素Ｎ−１６のγ線ピークの内、特定のピークを選択し、バックグランドを含めたグロス値（図８に示す領域Ｂ）を利用する方法。
（３）図９に示すように、２０００ｋｅＶまたは、３０００ｋｅＶ付近にしきい値を設け、それ以上のエネルギーのγ線のカウント全体（図９に示す領域Ｃ）を利用する方法。
【００３０】
このような多様な評価方法が可能なのは、放射性窒素Ｎ−１６が放出するγ線エネルギーが、核分裂生成物や放射化生成物が放出するγ線が高々２，０００ｋｅＶ余りのエネルギーでしかなく、放射性窒素Ｎ−１６のγ線エネルギー付近には、バックグランドが皆無であるためである。
放射性窒素Ｎ−１６のγ線ピークの他に約５０００ｋｅＶ以下にほぼ平坦なγ線分布が観られるが、これも、放射性窒素Ｎ−１６γ線のコンプトン効果による分布であり放射性窒素Ｎ−１６に比例して増減する。このため、核分裂生成物や放射化生成物のγ線によるバックグランドが影響しないエネルギーをしきい値として設定することにより、容易に弁別が可能なのである。すなわち、（２）式が成立するのである。
核分裂数  ∝  中性子束密度  ∝  領域Ａ  ∝領域Ｂ  ∝領域Ｃ    （２）
したがって、図２、図３に示すタイプのγ線エネルギー分析装置３は、出力としてγ線スペクトルを出力するので、中性子束密度評価部４でこれら３種類の評価を行うことができる。
【００３１】
また、γ線エネルギー分析装置３として、図４に示すようなものも使用できる。このγ線エネルギー分析装置３は、放射線検出器１から伝送された出力信号を増幅・波形整形する比例増幅器１０と、設定したしきい波高値以上パルスを通過させるディスクリミネータ１５と、通過したパルスを数えるカウンター１６とで構成され、図９の領域Ｃに相当する結果を中性子束密度評価部４に出力する。このように、図４に示すγ線エネルギー分析装置３は、バックグランドと中性子起因の放射性窒素Ｎ−１６のγ線を電気的に弁別する。
【００３２】
また、γ線エネルギー分析装置３として、図５に示すようなものも使用できる。このγ線エネルギー分析装置３は、放射線検出器１から伝送された出力信号を増幅する増幅器１３と、この増幅器１３で出力されたパルスの波高値をデジタルに変換するＡ／Ｄ変換器１１と、デジタル処理によってディスクリミネート、カウンティングするデジタルディスクリミネータ１７とで構成されている。そして図５に示すγ線エネルギー分析装置３は、バックグランドと中性子起因の放射性窒素Ｎ−１６のγ線をデジタル的に弁別するのである。
【００３３】
本実施の形態によれば、放射性窒素Ｎ−１６から放出されたγ線を測定することにより、燃料デブリ９から放出された中性子を高感度測定でき、かつバックグランドと容易に弁別可能となる。
したがって、燃料デブリ９から発生した中性子を容易かつ確実に検出できる。
【００３４】
（第２の実施の形態）
図１０は、第２の実施の形態に係る中性子検出装置の概略構成を示すものである。
図１０に示すように、中性子検出装置は、放射線検出器（γ線検出器）１と、電気ケーブル２と、γ線エネルギー分析装置３と、中性子束密度評価部４と、表示装置５と、原子炉圧力容器（容器）６と、燃料プール７と、原子炉圧力容器（容器）６内に充填されている冷却水８とを備えている。
【００３５】
また、本実施の形態では、原子炉圧力容器６に接続されて、当該原子炉圧力容器６内の冷却水８を循環させる配管１９に隣接して、γ線エネルギー分析装置３が配置されている。
配管１９は、例えば、燃料デブリ９の冷却および冷却水８の浄化を行うための本設または仮設配管でもあってもよいし、冷却水の分析に使用するための本設または仮設配管の配管であってもよい。なお、符号２０は循環ポンプを示す。
本実施の形態によれば、放射線検出器１を原子炉圧力容器６の外に設置することができ、原子炉圧力容器６にアクセスが困難な場合に適用できる利点がある。
【符号の説明】
【００３６】
１    放射線検出器
２    電気ケーブル
３    γ線エネルギー分析装置
４    中性子束密度評価部
５    表示装置
６    原子炉圧力容器（容器）
７    燃料プール（核燃料貯蔵槽）
８    冷却水
９  燃料デブリ（核燃料物質）
１０  比例増幅器
１１  Ａ／Ｄ変換器
１２  パルス波高分布記憶器
１３  増幅器
１４  デジタルパルス波高演算器
１５  ディスクリミネータ
１６  カウンター
１７  デジタルディスクリミネータ
１８  γ線スペクトル
１９  配管
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
2017083327.tif 000012
【図９】
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【図１０】
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