(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定する燃料棒の温度を基準温度Ｔ０から変更した温度Ｔ１とした場合に無限増倍率がｋ０からｋ１に変化するとき、それらの逆数の差ρ１０＝１／ｋ０−１／ｋ１を求める燃料の温度による反応度の変化測定方法において、修正転換比Ｃを燃料体自体のウラニウムＵ２３８の中性子捕獲率と燃料物質の核分裂率との比と定義し、基準温度Ｔ０における修正転換比Ｃ０と変更後の温度Ｔ１における修正転換比Ｃ１との差ΔＣ１０から前記ρ１０の値を求めることを特徴とする燃料の温度による反応度の変化測定方法。
【請求項２】
全エネルギの中性子による核分裂で放出される中性子の数と熱中性子核分裂で放出される中性子の数との比率をＥとし、共鳴を逃れる確率をｐ、実効共鳴積分をＩとし、温度Ｔ０およびＴ１におけるＥおよびＩを、それぞれＥ０、Ｅ１、Ｉ０、Ｉ１とし、温度Ｔ０におけるｐをｐ０とし、燃料体自体のウラニウムＵ２３８の中性子吸収率と燃料物質の核分裂率との比である修正転換比を含む無限増倍率を「ｋ０」、「ｋ１」とするとき、実効共鳴積分の温度依存性を実効共鳴積分の比Ｉ１／Ｉ０として、次式
【数１】
Ｉ１／Ｉ０＝１＋［ｋ１／ｋ０−Ｅ１／Ｅ０］／ｌｎ（ｐ０）
で求めることを特徴とする燃料の温度による実効共鳴積分の変化測定方法。
【請求項３】
燃料温度Ｔ０とＴ１において燃料物質を原子炉の中で照射し、ペレット状の燃料物質を燃料被覆管から取り出し、その端面を検出器に対向させて該燃料物質から放射されているガンマ線スペクトルを測定し、Ｕ２３８が中性子を捕獲して生成したＮｐ２３９がベータ崩壊に伴って放出するガンマ線強度と核分裂生成物から放出されるガンマ線強度との比から修正転換比Ｃ０およびＣ１を求め、この修正転換比Ｃ０およびＣ１を用いて無限増倍率ｋ０およびｋ１を求めることを特徴とする請求項１記載の燃料の温度による反応度の変化測定方法。
【請求項４】
燃料温度Ｔ０とＴ１において燃料物質を原子炉の中で照射し、ペレット状の燃料物質を燃料被覆管から取り出し、その端面を検出器に対向させて該燃料物質から放射されているガンマ線スペクトルを測定し、Ｕ２３８が中性子を捕獲して生成したＮｐ２３９がベータ崩壊に伴って放出するガンマ線強度と核分裂生成物から放出されるガンマ線強度との比から修正転換比Ｃ０およびＣ１を求め、この修正転換比Ｃ０およびＣ１を用いて無限増倍率ｋ０およびｋ１を求めることを特徴とする請求項２記載の燃料の温度による実効共鳴積分の変化測定方法。
【請求項５】
測定用原子炉の炉心の内部にステンレス鋼製またはジルコニウム合金製の試験容器により試験領域を設け、この試験領域内部に外周部から順次に断熱層、ステンレス鋼製またはジルコニウム合金製容器から成る内部容器を設け、この内部容器の内部に複数の燃料棒を規則的に配置して試験用燃料格子とし、燃料棒相互間にジルコニウムハイドライドから成る中性子減速材を配置し、少なくとも試験領域中央部の燃料棒を加熱し試験用の燃料物質を昇温して、請求項３または４記載の方法により燃料の温度による反応度または実効共鳴積分の変化を測定することを特徴とする測定装置。
【請求項６】
測定用原子炉の炉心の内部にステンレス鋼製またはジルコニウム合金製の試験容器により試験領域を設け、この試験領域の内部に外周部から中央部に向けて断熱層、断熱材層、断熱用間隙、燃料物質収納層および試験用燃料物質を順次に収納する構成とし、前記燃料物質収納層には導電性物質を添加し、導電性物質に通電し試験用燃料物質を昇温して、請求項３または４記載の方法により燃料の温度による反応度または実効共鳴積分の変化を測定することを特徴とする測定装置。
【請求項７】
前記断熱層、断熱材層または燃料物質収納層はアルミナまたは安定化ジルコニアであることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は原子炉の反応度的な事故を最終的に抑制する「ドプラー係数」に対応する燃料の温度による反応度および実効共鳴積分の変化を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉を安全に運転するために、炉心設計にあたり中性子増倍（反応度）に関わる各種の負特性が採用される。例えば沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では冷却材温度の反応度係数（温度係数）、冷却材ボイドの反応度係数（ボイド係数）、および燃料温度の反応度係数（ドプラー係数）がある。これらのうち、ドプラー係数は万一原子炉の反応度的事故が発生した場合に、事故の大きさを最終的に抑制するために特に重要な原子炉の反応度係数として知られている。
【０００３】
原子炉のドプラー係数は、主にウラニウム（Ｕ）２３８の中性子共鳴吸収率が燃料温度が高くなるにつれて大きくなり、炉心に負の反応度が印加される特性を規定するものであって、万一事故で燃料温度が上昇した場合に原子炉の暴走を押さえる特性を規定する。
【０００４】
軽水炉におけるドプラー係数の測定は１９５５年頃から１９７０年頃までに行われ、それ以降の測定は殆ど見当たらない。
【０００５】
従来の測定では、測定燃料の温度を上昇させて反応度的に測定する方法（以下、反応度法」という）と、原子炉内で測定試料を昇温して中性子照射を行い、試料の中に含まれているＵ２３８が中性子を吸収して生成したネプツニウム（Ｎｐ）２３９がベータ崩壊に伴って放出するガンマ線を測定する方法（以下、「Ｕ２３８放射化率測定法」という）が代表的な方法とされていた。
【０００６】
「反応度法」は反応度変化が小さいため測定精度確保が困難であり、多くの燃料物質を昇温したり熱の流出を抑制するのに大掛りな設備が必要であったり、熱流出効果の補正では大きな誤差を生じる恐れがある等の難点があった。
【０００７】
「Ｕ２３８放射化率測定法」では上記のような問題は大幅に改良されているものの、試料をカドミウム（Ｃｄ）容器の内部に収納して照射しなければならず、Ｃｄの融点が低いため大きなＣｄ容器の内部に断熱層を設け、その内部で試料を昇温していた。Ｃｄは著しい熱中性子吸収材であるため、測定体系の中性子束分布やスペクトルを攪乱しており、これが大きな誤差要因となっていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、「反応度法」では、測定精度確保の困難性、設備規模の大型化、熱流出効果の補正の誤差発生等の問題があり、また「Ｕ２３８放射化率測定法」では、反応度法の問題が大幅に改良されるものの、大きなＣｄ容器、その内部への断熱層を設ける必要性、測定系の中性子束分布やスペクトル損乱による誤差発生等の問題があった。
【０００９】
本発明はかかる従来手法の問題点を解消するためになされたものであり、「Ｕ２３８放射化率測定法」の特徴を生かしながらＣｄを使用する必要がない新規な反応度および実効共鳴積分の変化測定方法および装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は概略的には前記Ｕ２３８放射化率測定法の改良であり、Ｕ２３８放射化率だけでなく、同一燃料物質に含まれている核分裂生成物が放出するガンマ線も使用することによってＣｄの使用を不要とするものである。
【００１１】
即ち、請求項１に係る発明では、測定する燃料棒の温度を基準温度（Ｔ０）から変更した温度（Ｔ１）とした場合に無限増倍率がｋ０からｋ１に変化するとき、それらの逆数の差（ρ１０＝１／ｋ０−１／ｋ１）を求める燃料の温度による反応度の変化測定方法において、修正転換比（Ｃ）を燃料体自体のウラニウム（Ｕ）２３８の中性子捕獲率と燃料物質の核分裂率との比と定義し、基準温度（Ｔ０）における修正転換比（Ｃ０）と変更後の温度（Ｔ１）における修正転換比（Ｃ１）との差（ΔＣ１０）から前記ρ１０の値を求めることを特徴とする燃料の温度による反応度の変化測定方法を提供する。
【００１２】
本発明によると、Ｕ２３８の放射化率だけでなく、同一燃料物質に含まれている核分裂生成物が放出するガンマ線も使用するため、Ｃｄの使用を不要とすることができる。即ち、Ｕ２３８の放射化率の共鳴中性子吸収成分は温度上昇によって増大し、熱中性子吸収成分は低下するので合計の反応率の温度依存性は従来手法より低下すると考えがちであるが、修正転換比では分母に核分裂率を使用し、この核分裂が基本的に熱中性子によって引き起こされるため、熱中性子スペクトルの硬化（熱中性子スペクトルのピークがエネルギの高い方へシフト）することによって、核分裂率が低下するため、修正転換比を使用することによって測定する量の温度依存性の減少は殆ど生じない。
【００１３】
なお、従来の方法では試料の温度を変えるごとにＵ２３８の放射化率を測定するため、別々の運転となり各運転相互間の照射量の補正が必要であり、それが大きな誤差を生じる原因であったが、本発明ではＵ２３８の放射化率が同一の試料燃料における核分裂率で規格化される修正転換比を使用することに着目したので、このような問題は自動的に解消され、重大な測定誤差の要因を削除することができる。
【００１４】
請求項２に係る発明では、全エネルギの中性子による核分裂で放出される中性子の数と熱中性子核分裂で放出される中性子の数との比率をＥとし、共鳴を逃れる確率をｐ、実効共鳴積分をＩとし、温度Ｔ０およびＴ１におけるＥおよびＩを、それぞれＥ０、Ｅ１、Ｉ０、Ｉ１とし、温度Ｔ０におけるｐをｐ０とし、燃料体自体のウラニウムＵ２３８の中性子吸収率と燃料物質の核分裂率との比である修正転換比を含む無限増倍率を「ｋ０」、「ｋ１」とするとき、実効共鳴積分の温度依存性を実効共鳴積分の比Ｉ１／Ｉ０として、次式
【数２】
Ｉ１／Ｉ０＝１＋［ｋ１／ｋ０−Ｅ１／Ｅ０］／ｌｎ（ｐ０）
で求めることを特徴とする燃料の温度による実効共鳴積分の変化測定方法を提供する。
【００１５】
従来の測定法では、燃料の温度反応度係数のドプラー係数は、実効共鳴積分の比（Ｉ１／Ｉ０）を温度変化と結び付けることによって求められていた。これに対し、本発明では新規に実効共鳴積分の比（Ｉ１／Ｉ０）を直接無限増倍率と結び付けるので、従来の結果との互換性を確保することができる。
【００１６】
請求項３に係る発明では、燃料温度Ｔ０とＴ１において燃料物質を原子炉の中で照射し、ペレット状の燃料物質を燃料被覆管から取り出し、その端面を検出器に対向させて該燃料物質から放射されているガンマ線スペクトルを測定し、Ｕ２３８が中性子を捕獲して生成したＮｐ２３９がベータ崩壊に伴って放出するガンマ線強度と核分裂生成物から放出されるガンマ線強度との比から修正転換比（Ｃ０およびＣ１）を求め、該修正転換比（Ｃ０およびＣ１）を用いて無限増倍率（ｋ０およびｋ１）を求めることを特徴とする請求項１記載の燃料の温度による反応度の変化測定方法を提供する。
【００１７】
請求項４に係る発明では、燃料温度Ｔ０とＴ１において燃料物質を原子炉の中で照射し、ペレット状の燃料物質を燃料被覆管から取り出し、その端面を検出器に対向させて該燃料物質から放射されているガンマ線スペクトルを測定し、Ｕ２３８が中性子を捕獲して生成したＮｐ２３９がベータ崩壊に伴って放出するガンマ線強度と核分裂生成物から放出されるガンマ線強度との比から修正転換比（Ｃ０およびＣ１）を求め、該修正転換比（Ｃ０およびＣ１）を用いて無限増倍率（ｋ０およびｋ１）を求めることを特徴とする請求項２記載の燃料の温度による実効共鳴積分の変化測定方法を提供する。
【００１８】
修正転換比の測定方法として近年、燃料棒の側面から測定する方法が提案されたが、ガンマ線放出物質の燃料棒内分布を計算で求め、測定位置から見たガンマ線の吸収特性を計算で求めなければならなかった。燃料物質は測定するエネルギのガンマ線を吸収する特性が強く、したがって、これもまた誤差の要因となっていた。本発明ではペレット状燃料物質をその端面を測定器に向けて測定するため、これらの諸問題は一気に緩和または解消される。
【００１９】
請求項５に係る発明では、測定用原子炉の炉心の内部にステンレス鋼製またはジルコニウム合金製の試験容器により試験領域を設け、この試験領域内部に外周部から順次に断熱層、ステンレス鋼製またはジルコニウム合金製容器から成る内部容器を設け、この内部容器の内部に複数の燃料棒を規則的に配置して試験用燃料格子とし、燃料棒相互間にジルコニウムハイドライドから成る中性子減速材を配置し、少なくとも試験領域中央部の燃料棒を加熱し試験用の燃料物質を昇温して、請求項３または４記載の方法により燃料の温度による反応度または実効共鳴積分の変化を測定することを特徴とする測定装置を提供する。
【００２０】
本発明の装置を用いると、含水素物質で中性子吸収率の小さいジルコニウムからなるジルコニウムハイドライドを中性子減速材として用いるため、測定体系を最終的に求めたい燃料格子の良い模擬体系とすることができる。ただしジルコニウムハイドライドを６００℃程度以上に昇温すると水素が一部遊離し始めるため、非常に高い温度まで昇温するのは問題を生じる可能性がある。
【００２１】
請求項６に係る発明では、測定用原子炉の炉心の内部にステンレス鋼製またはジルコニウム合金製の試験容器により試験領域を設け、この試験領域の内部に外周部から中央部に向けて断熱層、断熱材層、断熱用間隙、燃料物質収納層および試験用燃料物質を順次に収納する構成とし、前記燃料物質収納層には導電性物質を添加し、導電性物質に通電し試験用燃料物質を昇温して、請求項３または４記載の方法により燃料の温度による反応度または実効共鳴積分の変化を測定することを特徴とする測定装置を提供する。
【００２２】
本発明によると、断熱性の優れた構成において昇温するようにしたので、高温までの昇温が可能となり、修正転換比の変化量を大きくすることができ、測定精度の向上が可能になる。
【００２３】
請求項７に係る発明では、前記断熱層、断熱材層または燃料物質収納層はアルミナまたは安定化ジルコニアであることを特徴とする請求項６に記載の測定装置を提供する。
【００２４】
従来、高速中性子スペクトル体系において、できるだけ高く昇温するためにタングステン（Ｗ）を使用した例が知られているが、軽水炉体系で重要な低いエネルギの中性子に対しては、Ｗの中性子共鳴吸収とＵ２３８の中性子共鳴吸収のエネルギに重なりが生じて大きな誤差をもたらすため、Ｗは使用することができない。一方、本発明では、中性子吸収特性が小さく、しかも高温に耐えるアルミナまたは安定化ジルコニアを使用するので、このような問題を生じることはない。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２５】
まず、本発明を構成する理論を説明する。
【００２６】
［本発明の理論］
無限増倍率（ｋ）を、任意の場所で中性子漏洩が存在する体系でも正確に定義できる「ｋ＝発生率（Ｓ）／吸収率（Ａ）」として表現すると、ＳおよびＡを核種ごとに分離した和の形で表現した後、主要な核反応、即ちＵ燃料ではＵ２３５の核分裂率、ＭＯＸ燃料ではＰｕ２３９の核分裂率でそれぞれを規格化して反応率比の式で表現し、測定可能な少なくとも代表的な反応率比（ミクロパラメータ、格子パラメータあるいはスペクトルインデックスと呼ばれている）を測定して上記ｋを決定することができる。
【００２７】
本発明者らは、日本原子力学会「１９９９年春の年会」Ｇ９（ウラン体系）およびＧ１０（ＭＯＸ体系）において、この方法を下記の如く、開示した。
【００２８】
即ち、Ｇ９においては、「転換比測定による無限増倍率の評価法（１）ウラン格子のボイド係数」として、従来のＢＷＲ格子や、ＨＬＷＲ格子、増殖型ＬＷＲ格子等でボイド係数を測定する方法として、転換比から無限増倍率を求め、そのボイド依存性からボイド係数を求める方法を提案し、ウラン格子測定の場合について定量的に検討した結果を報告した。
【００２９】
ここでは、臨界実験装置でボイド係数を測定する場合、炉心が小さいため中性子漏洩率が大きく、無限増倍率を直接測定する必要があることから、任意の領域で定義できる量：ｋ＝Ｓ／Ａを修正転換比Ｃから求める方法を定量的に検討した。
【００３０】
この修正転換比からｋを求める式（ウラン格子）において、ＣはＵ２３８捕獲率対全核分裂率比で定義される。Ｕ２３８／Ｕ２３５核分裂率比δ２８は燃料棒を開封し箔を用いれば測定できる。損失因子ＤＦの測定も一般には可能であるが、ボイドをアルミ管などで模擬する場合は測定は容易でない。Ｕ２３５の捕獲率対核分裂率比α５は測定できない。ウラン以外の原子をＮＦとして付して示すと、ＳとＡを核種毎に分け、それぞれ（Σｆφ）５で割ることにより、
【数３】
0004261011.tif 000002
なる簡単な式が得られた。
【００３１】
ｋの式において、Ｆ２８はν８とν５の相対的な差に基づく補正因子であり、例えば１．０１〜１．０２の範囲である。したがって、ｋの式において１＋Ｃ＋［Ｒ／（１＋δ２８）］を３要素とし、１００％に占めるそれぞれの割合を検討した。この結果、ｋに占めるＣの重要性が分かり、Ｃの影響は断然大きく、Ｃの値は、同じ方法でボイド率を変えながら測定すれば、系統誤差が発生しても同じ方向に発生すると思われるため、ｋの差からボイド係数を求めると系統誤差の影響は大幅に低減できると考えられた。
【００３２】
また、Ｇ１０においては、「転換比測定による無限増倍率の評価法（２）ＭＯＸ格子の無限増倍率」として、転換比から無限増倍率を求め、そのボイド依存性からボイド係数を求める方法をＭＯＸ格子に適用しようとすると、Ｐｕの捕獲率を放射化率として測定できないため、計算で補正しなければならない割合がＵ格子の場合に比べて大きくなることを、幾つかの計算例について報告した。
【００３３】
ここでは、ＭＯＸ格子において転換比（Ｃ）等の反応率比の測定から無限増倍率（ｋ＝Ｓ／Ａ）を求め、そのボイド依存性からボイド係数を求めようとすると、測定できない吸収率の寄与割合がウラン格子の場合より大幅に大きくなることから、計算より定量的に検討した。
【００３４】
この転換比等からｋを求める式（ＭＯＸ格子）において、Ｐｕ２３９を主核分裂核種とするＭＯＸ体系では、ｋはＵ体系の場合と同様に、Ｐｕ２３９の核分裂率を基準とすることにより、次の式で求めることができた。
【００３５】
【数４】
0004261011.tif 000003
【００３６】
これらの式に現われている量でＭＯＸ燃料棒を解体しないで測定可能なものはＣのみである。
【００３７】
Ｇ９とＧ１０の式は統一的に、
【数５】
0004261011.tif 000004
と表すことができる。νは核分裂当たり放出される中性子の数であり、ウラン格子ではν＝ν５はおよそ２．４４である。また、
【数６】
0004261011.tif 000005
となる。ＭＯＸ体系に対しては前記予稿集Ｇ１０記載の通りである。本発明はＭＯＸ体系にも当然利用できるが、式が極めて複雑であるため、以下ウラン格子で説明する。
【００３８】
ウラン格子に対して具体的に式を書くと、
【数７】
0004261011.tif 000006
となる。Ｃは修正転換比であり、Ｕ２３８の核分裂も含まれる。δ２８は燃料物質に含まれている組成比におけるＵ２３８とＵ２３５の核分裂率の比である。酸素の吸収割合（Ｏｘ）は（Σａφ）ＯＸの（νΣｆφ）５に対する比である。
【００３９】
以下、本発明に係る燃料の温度による反応度および実効共鳴積分の変化測定方法の基となる、反応度変化特性および実効共鳴積分の温度依存特性について新規となる理論を展開する。
【００４０】
上記（２）式における酸素の吸収割合（Ｏｘ）はα５の０．４％程度である。温度変化による変化は無視できる。（Ｆ２８−１）は０．０１程度で１に比べて非常に小さく、温度変化による変化は０．０３％程度のため無視できる。従って、二つの温度におけるｋの逆数の差を求めると、着目点における反応度変化をρ１０として、
【数８】
0004261011.tif 000007
が得られる。数値計算によると、（３）式の右辺第２項は右辺全体の３％程度であり、寄与率が小さいため計算で求めても差し支えない。（３）式の両辺を殆ど一定量となる積（ν５Ｆ２８）で割った（３ａ）式
【数９】
0004261011.tif 000008
が、無限増倍率の変化を反応度変化としてみた無限体系に対するドプラー反応度効果となり、それを温度変化（差分量）で割ったものが無限体系に対するドプラー反応度係数となる。
【００４１】
次に、従来のドプラー効果（あるいはドプラー係数）が共鳴積分を介して求められていたため、修正転換比（Ｃ）を無限増倍率（ｋ）のみでなく、共鳴積分（Ｉ）および共鳴吸収を逃れる確率（ｐ）に対応付ける方法を示す。
【００４２】
中性子エネルギを３群（ｆ：高速、ｒ：共鳴、ｔ：熱中性子）で考えると、
【数１０】
0004261011.tif 000009
と書ける。各記号は通常用いられているものであり、ＮＦは共鳴吸収を行う燃料核種（Ｕ燃料ではＵ２３８）の単位体積当たりの原子数密度、ξΣｐは燃料物質を構成しているもの（例えばＵＯ２燃料では酸素も含む）の減速能と呼ばれている。
【００４３】
（５）式の両辺に対して対数を取り、その式と（４ａ）式とを、それぞれ温度の異なる二つの体系に対して書いて比をとり、（ηｆ）がウラン格子において温度により変化しないので「変化しない」という条件を用いると、
【数１１】
0004261011.tif 000010
が得られる。［ｌｎ（ｋ１／ｋ０）−ｌｎ（Ｅ１／Ｅ０）］とｌｎ（ｐ０）は共に負の値である。ここで、
【数１２】
0004261011.tif 000011
と変形例し、両式に対してそれぞれ両辺の対数を取り、（７）および（８）式の値が１．０に近い値であるという条件の下に式を展開すると（６）式は良い近似で
【数１３】
0004261011.tif 000012
と書くことができる。（６）と（６ａ）式から係数βが求められる。Ｔ１とＴ０は当然燃料物質の絶対温度であり、温度計測により得られる。これらの式により、本発明と従来の相関式との関係を付けることができる。修正転換比Ｃはｋの中に（２）式の形で含まれている。
【００４４】
なお、本発明の測定方法では、試験用の燃料物質から熱がどの様に逃げるかは関係なく、試料を照射している時点の試料の温度だけが重要である。
【００４５】
以上の理論を背景に数値計算を行った。
【００４６】
ＢＷＲ燃料集合体核設計コードを用いて、臨界実験装置（ＮＣＡ）の軽水炉型の３％濃縮燃料棒を格子ピッチ１５．２ｍｍの正方格子に配列し、減速材水の密度を０．６０とした常温体系について、燃料ペレットの温度を２０℃から１０００℃まで変え、諸核特性パラメータの変化を調べた。得られた結果の例を図１および図２に示す。
【００４７】
図１は、燃料物質の絶対温度（Ｔ°Ｋ）の平方根の変化に対して（ａ）反応度変化ρ１０（右側目盛のとおり正と負を逆転して示している）、（ｂ）Ｕ２３８の高速および共鳴中性子捕獲率の相対変化（破線）、および（ｃ）修正転換比の相対変化を、それぞれ％単位で示したものである。いずれもかなり良い直線関係になっていることが判る。従来の方法ではカドミウムＣｄを用いて（ｂ）を測定するが、本発明ではＣｄを用いないで（ｃ）を測定する。僅かではあるが、（ｂ）より（ｃ）の方がかえって変化率が大きくなっている。
【００４８】
図２は燃料物質の絶対温度（Ｔ°Ｋ）の平方根ｓｑｒｔ（Ｔ）の基準温度（通常、そしてここでも２０℃）におけるそれからの差の変化［ｓｑｒｔ（Ｔ１）−ｓｑｒｔ（Ｔ０）］に対して、（ｄ）（ｋ１／ｋ０）、（ｅ）（Ｅ１／Ｅ０）、および（ｆ）両者の差の変化を示したものである。いずれも良い直線関係になっていることが判る。図１における（ａ）と図２における（ｄ）とは実質的に同じものである。（ｄ）と（ｅ）との差（ｆ）を基準温度における共鳴を逃れる確率ｐ０の対数で割ったものが（６ｂ）式が示すように（Ｉ１／Ｉ０−１）に等しく、その勾配がβに等しい。
【００４９】
第１実施形態
以下、本発明の反応度および実効共鳴積分の変化測定装置の第１実施形態について図３および図４を用いて説明する。
【００５０】
図３は、本発明を実施する試験炉心（例えば臨界実験装置の炉心）の概念を示す平面図である。炉心１の中央部にテスト（試験）領域２が設けられ、その中央部に試験用燃料棒３が配置されている。
【００５１】
図４は図３に示した試験領域２およびその外周の平面図である。
【００５２】
最外周にステンレス鋼（ＳＵＳ）製あるいはジルコニウム合金（ジルカロイ）製の試験容器４が設けてあり、内側に向かって断熱層（空気）５、内部容器６および５×５配列の試験用燃料格子７が配列されている。内部容器６もＳＵＳあるいはジルカロイ製である。内部容器６の外側面には外部の試験容器４との間隙を一定に保持するために局所的にパッド８が取り付けられている。断熱層５は必要に応じて換気したり、放射能監視などに利用することができる。
【００５３】
試験用燃料格子７の中心には試験用燃料棒（Ｈ・ＴＲ）９が配置され、昇温することができる。試験用燃料棒９の周りには、複数の加熱できる燃料棒（Ｈ１）１０が配置してあり、これらの燃料棒１０も昇温することができ、その昇温によって、試験用燃料棒９からの熱の漏洩率を抑制することができる。必要な場合には、Ｈ１で示した燃料棒１０以外に他のＨ２で示した燃料棒１０も昇温することができる設計としている。
【００５４】
試験用燃料格子７の燃料棒９，１０相互間には減速材１１として、高温に耐えることができる水素含有の物質、特にジルコニウムハイドライド（ＺｒＨｘ）が充填されている。この物質は中性子吸収率が小さく、しかも６００℃付近まで水素を殆ど放出しないことが分かっている。試験用燃料棒９は、ほぼ同じ構成の他の燃料棒１０で取り囲まれているため、高温原子炉体系を模擬したドプラー効果の測定が可能となっている。
【００５５】
なお、図示しないが、必要に応じて減速材１１部に通気孔を設け、適当に冷却することによって減速材１１の温度を制御することもできる。試験用燃料棒９の内部には図示しない温度計が設置されているが、さらに減速材内部にも温度計（ｔ）１２が設置されている。なお、試験容器４の外周側には、ドライバ領域用燃料棒１８が配置されている。
【００５６】
Ｖで示した試験用燃料格子の各コーナには中空管１３がそれぞれ配置されており、試験用燃料格子を一体的に固定するとともに、必要に応じて温度計信号の引き出し口としたり、放射能監視などに使用することができる。
【００５７】
本実施形態の装置によれば、中性子吸収率が小さく、耐熱性の高い材料を使用し、昇温に際して中性子スペクトルに影響を与える材料を避ける構成としたので、測定精度の向上が図れる。
【００５８】
第２実施形態
図５は、本発明の反応度および実効共鳴積分の変化測定装置の第２実施形態として他の概念による例を示す平面図である。
【００５９】
試験容器４の内部には外周から、断熱層５、断熱材層１４、断熱用間隙１５、燃料物質収納層１６および試験用燃料物質（中央）１７の順に配列されている。
【００６０】
断熱材層１４はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）あるいは安定化ジルコニアで構成されている。安定化ジルコニアは、その主成分がジルコニア（ＺｒＯ２）である。ＺｒＯ２は温度によって結晶構造が変化するので、ＭｇＯ、ＣａＯ、希土類酸化物などを数％添加して立方晶系の螢石型構造として相転移を起こさなくしたものである。添加物には中性子吸収断面積の小さいもの、例えばＭｇＯ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３を用いる。
【００６１】
燃料物質収納層１６も基本的には断熱材層５と同一物質で作られるが、表面に炭素などの導電性物質を塗布するなどして通電が可能となっており、通電により加熱し試験用燃料物質１７を昇温する。燃料物質収納層１６の周りは気体で断熱用間隙１５が構成され、必要に応じて気体を流し、断熱材層１４の昇温を抑制する。なお、断熱材層１４の外周には局所的にパッド８が配置され、試験容器４内面の断熱層５配置用の間隙を保持している。
【００６２】
コーナ部には細い配管１３ａがそれぞれ配置されている。これらの配管１３ａは必要に応じて、換気、温度信号取り出し口、放射能監視などに使用される。試験用燃料物質１７の内部には、図示しない温度計が設置され、さらに断熱材層内部にも温度計（ｔ）１２が設置されている。
【００６３】
図６は図５におけるＸ−Ｘ線に沿う縦断面図である。
【００６４】
中央部には試験用燃料物質（燃料ペレット）１７が５個積み重ねられ、中性子照射によってこれらの燃料ペレット１７から放出されるガンマ線を測定するようになっている。５個の燃料ペレット１７の上下（図の上下と一致）端部にはアルミナあるいは安定化ジルコニア製の断熱用ペレット１９が配置されており、下側の断熱用ペレット１９には例えば熱電対型の温度計２０が装着されている。これらはアルミナあるいは安定化ジルコニア製の燃料物質収納層内部にほぼ気密に収納されている。
【００６５】
燃料物質収納層１６の外周には、図６に破線で示すように、導電層２１が設けられ、通電用リード線２２を介して電流が供給され、これにより発生するジュール熱で加熱される。燃料物質収納層１６の外周の導電層２１の周りは、気体を充満した断熱用間隙１５となっている。気体の気圧は一般に低い方が断熱性が良いため、断熱用間隙１５ではある程度排気することが望ましい。断熱材層の内面に赤外線等の電磁波反射物質を塗布すれば、断熱性が向上する。
【００６６】
このように、本実施形態の装置では断熱用間隙１５の外周に断熱材層１４が設けられ、その外周に気体からなる断熱層５が配置され、さらにその外周が試験容器４となっている。
【００６７】
ウラン燃料の場合、試験ペレット１７が放出するガンマ線の測定においては、少なくとも基準温度（例えば室温）では試験ペレット１７を取り出し、そのペレット端面をＧｅ半導体検出器などのガンマ線検出器に向けて測定することが望ましい。これを本発明においては「端面測定法」と呼ぶことにする。
【００６８】
試験ペレット１７の半径方向のガンマ線強度分布は、例えばＵ燃料ではＵ２３８が中性子を吸収して生成するＮｐ２３９では外周部で極端に高くなり、一方核分裂で生成した核分裂生成物から放出されるガンマ線強度分布は緩やかに外周部で高くなっており、両者の分布形の差異と燃料物質がガンマ線の強い遮蔽材であるという性質から、端面からではなく側面から測定（本発明においては以下「側面測定法」と呼ぶ）した場合には、計数率の比に分布形の影響が現れるが、端面測定法ではその影響が大幅に緩和される。
【００６９】
しかしながら、この分布形の影響は一応理論計算で補正可能であり、端面測定法を用いて計算による補正法のバイアスを求めた後は「側面測定法」が便利である。特に、ＭＯＸ燃料のように開封するのに多大の設備を要する場合には、ほとんどの場合「側面測定法」を使用せざるを得ない。この様な場合予めウラン燃料を用いて側面測定法のバイアスを求めることになる。
【００７０】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明に係る燃料の温度による反応度および実効共鳴積分の変化測定方法によれば、従来の共鳴中性子に対するＵ２３８の放射化率のみを測定する方法と異なり、同一燃料物質に含まれている核分裂生成物が放出するガンマ線も測定して修正転換比を求め、これから「燃料の温度による反応度および実効共鳴積分の変化」を求めるので、体系を乱すカドミウム（Ｃｄ）を用いる必要がなく、かつ運転相互間の照射量の差異を補正する必要もない。したがって、測定が簡単になるだけでなく、高い測定精度を達成することができる。
【００７１】
また、本発明に係る試験装置においては、中性子吸収率が小さく、耐熱性の高い材料を好適に使用し、かつ昇温に際して中性子スペクトルに影響を与える材料を避ける構成としたので、さらに測定精度の向上を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料の絶対温度と反応度、およびＵ２３８の中性子捕獲率と修正転換比の相対変化の計算例を示す図。
【図２】燃料の絶対温度の変化と無限増倍率および全エネルギ対熱中性子核分裂に伴う中性子発生率の比の計算例を示す図。
【図３】本発明の第１実施形態を示すもので、試験体系概念の平面図。
【図４】図３の平面図。
【図５】本発明の第２実施形態を示す平面図。
【図６】図５のＸ−Ｘに沿う縦断面図。
【符号の説明】
１  炉心
２  テスト（試験）領域
３  試験用燃料棒
４  試験容器
５  断熱層（空気）
６  内部容器
７  試験用燃料格子
８  パッド
９  試験用燃料棒
１０  燃料棒
１１  減速材
１２  温度計
１３  中空管
１３ａ  配管
１４  断熱材層
１５  断熱用間隙
１６  燃料物質収納層
１７  試験用燃料物質
１８  ドライバ領域用燃料棒
１９  断熱用ペレット
２０  温度計
２１  導電層
２２  通電用リード線
【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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