(57)【要約】【課題】所定の濃縮度よりも高めた燃料棒の中性子増倍特性が、所定の濃縮度以下の燃料棒よりも大きくないことを確認できるようにする。【解決手段】水２０中にバンドル配置部を挟むように中性子源３１と中性子検出器３２とを設け、バンドル配置部に所定の濃縮度より高い検査対象燃料棒１１を１本以上含む検査対象バンドル１０を配置して中性子係数率を測定する検査工程と、検査対象バンドル１０と同じ断面形状で所定の濃縮度以下の基準バンドルをバンドル配置部に配置して中性子係数率を測定する基準測定工程と、基準測定工程および検査工程で測定した中性子係数率に基づいて検査対象バンドル１０をバンドル配置部に配置したときの中性子増倍率が基準バンドルをバンドル配置部に配置したときの中性子増倍率よりも高いか否かを判定する判定工程とを行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆管にウランを収めた燃料棒であって可燃性毒物と所定の濃縮度を超えるウランとを収めた複数の検査対象燃料棒を検査する燃料棒検査方法において、
水素を含有する減速材中に中性子源と中性子検出器とを設け、前記減速材中の前記中性子源と前記中性子検出器に挟まれるバンドル配置部に前記検査対象燃料棒を１本以上含む複数の前記燃料棒を束ねた検査対象バンドルを配置して、前記中性子検出器で中性子係数率を測定する検査工程と、
可燃性毒物が添加されていない前記所定の濃縮度以下のウランを収めた前記燃料棒を中性子の除去断面積に対する拡散係数の比である中性子減速面積が前記検査対象バンドルとほぼ等しくなるように束ねた基準バンドルを前記バンドル配置部に配置して前記中性子検出器で中性子係数率を測定する基準測定工程と、
前記基準測定工程および前記検査工程で測定した中性子係数率に基づいて前記検査対象バンドルを前記バンドル配置部に配置したときの中性子増倍率が前記基準バンドルを前記バンドル配置部に配置したときの中性子増倍率よりも高いか否かを判定する判定工程と、
を有することを特徴とする燃料棒検査方法。
【請求項２】
前記中性子検出器と向かい合う位置に配置された前記検査対象バンドルの燃料棒は、前記検査対象燃料棒以外の燃料棒であることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒検査方法。
【請求項３】
前記中性子検出器は、前記バンドル配置部に対して２５ｍｍ以上の間隔を置いて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒検査方法。
【請求項４】
前記中性子検出器と前記バンドル配置部との間にカドミウム板を配置したことを特徴とする請求項１に記載の燃料棒検査方法。
【請求項５】
前記中性子検出器はカドミウムで形成された筒に収納されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒検査方法。
【請求項６】
前記中性子源の前記燃料棒の軸方向での位置は前記中性子検出器と異なることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料棒検査方法。
【請求項７】
前記基準バンドルは、前記検査対象バンドルと減速材対燃料体積比が等しいことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料棒検査方法。
【請求項８】
前記基準バンドルは、前記燃料棒の軸に垂直な平面での断面形状が前記検査対象バンドルと同じであることを特徴とする請求項７に記載の燃料棒検査方法。
【請求項９】
前記減速材は、水およびポリエチレンの少なくとも一方であることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の燃料棒検査方法。
【請求項１０】
軸方向に延びる被覆管にウランを収めた燃料棒であって可燃性毒物と所定の濃縮度を超えるウランとを収めた複数の検査対象燃料棒を１本以上含む複数の前記燃料棒を束ねた検査対象バンドルを検査する燃料棒検査装置において、
水素を含有する減速材中に配置される中性子源と、
前記減速材中に配置される中性子検出器と、
前記燃料棒であって前記所定の濃縮度以下のウランを収めた基準燃料棒を中性子の除去断面積に対する拡散係数の比である中性子減速面積が前記検査対象バンドルとほぼ等しくなるように束ねて、前記減速材中で前記中性子源および前記中性子検出器に挟まれた前記バンドル配置部に取出し可能に配置された基準バンドルと、
を有することを特徴とする燃料棒検査装置。
【請求項１１】
前記減速材は結合穴、前記中性子源を挿入可能な中性子源配置孔、前記中性子検出器を挿入可能な中性子検出器配置孔、および、前記燃料棒を挿入可能な燃料棒挿入孔が形成されて積層された複数の板状のポリエチレン板であり、前記結合穴に貫通する結合棒をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の燃料棒検査装置。
【請求項１２】
軸方向に延びる被覆管にウランを収めた燃料棒であって可燃性毒物と所定の濃縮度を超えるウランとを収めた複数の高濃縮燃料棒を備えた燃料集合体の製造方法において、
前記燃料集合体に含まれる前記燃料棒のうち、前記高濃縮燃料棒と前記高濃縮燃料棒以外の前記燃料棒であってガドリニウムを含有しない前記燃料棒とを所定の位置に配置して検査対象バンドルを組み立てる第１組み立て工程と、
水素を含有する減速材中に中性子源と中性子検出器とを設け、前記減速材中の前記中性子源と前記中性子検出器に挟まれるバンドル配置部に前記検査対象バンドルを配置して、前記中性子検出器で中性子係数率を測定する検査工程と、
前記燃料棒であって前記所定の濃縮度以下のウランを収めた基準燃料棒を中性子の除去断面積に対する拡散係数の比である中性子減速面積が前記検査対象バンドルとほぼ等しくなるように束ねた基準バンドルを前記検査体系の前記バンドル配置部に配置して前記中性子検出器で中性子係数率を測定する基準測定工程と、
前記基準測定工程および前記検査工程で測定した中性子係数率に基づいて前記検査対象バンドルを前記バンドル配置部に配置したときの中性子増倍率が前記基準バンドルを前記バンドル配置部に配置したときの中性子増倍率よりも高いか否かを判定する判定工程と、
前記判定工程で前記検査対象バンドルに含まれる前記検査対象燃料棒の中性子増倍特性は前記所定の濃縮度以下の燃料棒よりも高くないと判定された場合に、前記検査対象バンドルの所定の位置に残りの前記燃料棒を配置する第２組み立て工程と、
を有することを特徴とする燃料集合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可燃性毒物と濃縮度が５重量％を超えるウランとを収めた燃料棒を検査する燃料棒検査方法およびそれに用いる燃料棒検査装置、ならびに、このような燃料棒を用いた燃料集合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ウランを燃料とする商業用原子炉では、ウラン２３５の濃縮度は５重量％（ｗｔ％）以下に限定されている。これは、ウランを取り扱う様々な施設、機器において、ウラン２３５の濃縮度が５ｗｔ％以下であることを条件として設計されているためである。つまり、これらの施設、機器では、ウラン２３５の濃縮度が５ｗｔ％以下であることを条件として、臨界未満を確保できる（臨界安全性を確保できる）。
【０００３】
原子力発電の経済性を向上させ、使用済燃料の発生量を抑制するためには、ウラン２３５の濃縮度を５ｗｔ％以上に高めることが不可欠であるとの認識が高まってきた。この場合、従来の燃料製造施設を利用しようとすると、製造過程で一定の裕度をもって臨界未満を確保出来るという保証ができなくなる（臨界安全性が確保できなくなる）。
【０００４】
ウラン２３５の濃縮度を５ｗｔ％以上に高めた場合、臨界安全性を確保するためには、たとえば燃料取扱量を小規模にする必要がある。この場合、製造効率が大幅に低下して経済性の損失を生じる。あるいは、従来の製造設備などに改造を加えて、ウラン２３５の濃縮度を５ｗｔ％よりも高めた燃料（「５％超燃料」と呼ぶ）を取り扱えるようにする必要がある。この改造は、かなり大規模なものになると考えられる。
【０００５】
そこで５％超燃料の製造において、従来の燃料製造施設を殆どそのまま活用できるようにするため、燃料にガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）やエルビア（Ｅｒ２Ｏ３）などの可燃性毒物を低濃度で添加する方法が提案されている（たとえば特許文献１参照）。
【０００６】
主として原子炉運転中の炉心の過大な反応度変化を抑制し、しかも出力分布も好適に制御することを目的として、可燃性毒物を添加した燃料は広く知られている。このため、従来用いられている可燃性毒物の添加濃度は高い。たとえば沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に用いられているガドリニアでは、低くても１ｗｔ％、通常３〜１０ｗｔ％が酸化ウラン燃料ペレットに添加されている。
【０００７】
一方、５％超燃料の製造過程で、臨界安全性を確保するために必要な可燃性毒物の添加濃度はガドリニアの場合、多くても０．１ｗｔ％、通常０．０１ｗｔ％程度（低濃度）である。この程度の添加濃度の場合、原子炉に装荷して照射を始めると、特にガドリニアの場合、短期間で燃焼して消滅するので、炉心設計の面からは特別の配慮が必要無く、従来の設計思想で炉心を設計することができる。エルビアの場合には中性子吸収断面積が大幅に小さいため、完全に燃え尽きることはないが、それでもほぼ従来の設計思想で炉心を設計することができる。
【特許文献１】特開２００４−１７７２４１号公報
【非特許文献１】M. Ueda、他３名著、"Active Neutron Multiplication Method for Fuel Lattice in Water"、Nuclear Technology、vol.97、 p.131、１９９２年１月
【非特許文献２】I. Mitsuhashi、他３名著、"Subcriticality Inference Methods in Every Steps of Spent Fuel Loading"、The Fifth International Conference on Nuclear Criticality Safety (ICNC'95)、１９９５年９月１７日−２１日、Albuquerque、 New Mexico州、米国
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ウラン２３５の濃縮度を５ｗｔ％よりも高めた燃料に低濃度であっても適切な量の可燃性毒物を添加すると、理論的には臨界安全性を確保することができる。しかし、実際の製造に際しては、それを実証しなければならない。たとえば５％超燃料に低濃度の可燃性毒物を添加した燃料の中性子増倍特性がウラン２３５の濃縮度が５ｗｔ％以下の燃料よりも大きくないことを確認することにより、このような燃料の取扱いにおける臨界安全性を実証することができる。
【０００９】
そこで、本発明は、ウラン２３５の濃縮度を所定の濃縮度よりも高めた燃料棒の中性子増倍特性が、ウラン２３５の濃縮度が所定の濃縮度以下の燃料棒よりも大きくないことを確認できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明は、被覆管にウランを収めた燃料棒であって可燃性毒物と所定の濃縮度を超えるウランとを収めた複数の検査対象燃料棒を検査する燃料棒検査方法において、水素を含有する減速材中に中性子源と中性子検出器とを設け、前記減速材中の前記中性子源と前記中性子検出器に挟まれるバンドル配置部に前記検査対象燃料棒を１本以上含む複数の前記燃料棒を束ねた検査対象バンドルを配置して、前記中性子検出器で中性子係数率を測定する検査工程と、可燃性毒物が添加されていない前記所定の濃縮度以下のウランを収めた前記燃料棒を中性子の除去断面積に対する拡散係数の比である中性子減速面積が前記検査対象バンドルとほぼ等しくなるように束ねた基準バンドルを前記バンドル配置部に配置して前記中性子検出器で中性子係数率を測定する基準測定工程と、前記基準測定工程および前記検査工程で測定した中性子係数率に基づいて前記検査対象バンドルを前記バンドル配置部に配置したときの中性子増倍率が前記基準バンドルを前記バンドル配置部に配置したときの中性子増倍率よりも高いか否かを判定する判定工程と、を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、軸方向に延びる被覆管にウランを収めた燃料棒であって可燃性毒物と所定の濃縮度を超えるウランとを収めた複数の検査対象燃料棒を１本以上含む複数の前記燃料棒を束ねた検査対象バンドルを検査する燃料棒検査装置において、水素を含有する減速材中に配置される中性子源と、前記減速材中に配置される中性子検出器と、前記燃料棒であって前記所定の濃縮度以下のウランを収めた基準燃料棒を中性子の除去断面積に対する拡散係数の比である中性子減速面積が前記検査対象バンドルとほぼ等しくなるように束ねて、前記減速材中で前記中性子源および前記中性子検出器に挟まれた前記バンドル配置部に取出し可能に配置された基準バンドルと、を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、軸方向に延びる被覆管にウランを収めた燃料棒であって可燃性毒物と所定の濃縮度を超えるウランとを収めた複数の高濃縮燃料棒を備えた燃料集合体の製造方法において、前記燃料集合体に含まれる前記燃料棒のうち、前記高濃縮燃料棒と前記高濃縮燃料棒以外の前記燃料棒であってガドリニウムを含有しない前記燃料棒とを所定の位置に配置して検査対象バンドルを組み立てる第１組み立て工程と、水素を含有する減速材中に中性子源と中性子検出器とを設け、前記減速材中の前記中性子源と前記中性子検出器に挟まれるバンドル配置部に前記検査対象バンドルを配置して、前記中性子検出器で中性子係数率を測定する検査工程と、前記燃料棒であって前記所定の濃縮度以下のウランを収めた基準燃料棒を中性子の除去断面積に対する拡散係数の比である中性子減速面積が前記検査対象バンドルとほぼ等しくなるように束ねた基準バンドルを前記検査体系の前記バンドル配置部に配置して前記中性子検出器で中性子係数率を測定する基準測定工程と、前記基準測定工程および前記検査工程で測定した中性子係数率に基づいて前記検査対象バンドルを前記バンドル配置部に配置したときの中性子増倍率が前記基準バンドルを前記バンドル配置部に配置したときの中性子増倍率よりも高いか否かを判定する判定工程と、前記判定工程で前記検査対象バンドルに含まれる前記検査対象燃料棒の中性子増倍特性は前記所定の濃縮度以下の燃料棒よりも高くないと判定された場合に、前記検査対象バンドルの所定の位置に残りの前記燃料棒を配置する第２組み立て工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ウラン２３５の濃縮度を所定の濃縮度よりも高めた燃料棒の中性子増倍特性が、ウラン２３５の濃縮度が所定の濃縮度以下の燃料棒よりも大きくないことを確認できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る燃料棒検査方法の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る燃料棒検査方法の第１の実施の形態における検査体系の上面図である。図２は、本実施の形態における検査体系の側面図である。
【００１６】
本実施の形態の燃料棒検査方法は、検査対象燃料棒１１を検査する方法である。検査対象燃料棒１１は、軸方向に延びる被覆管に濃縮度が５重量％（ｗｔ％）を超えるウランを収めたものである。検査対象燃料棒１１に収められたウランには、低濃度の可燃性毒物が添加されている。これは、濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランを収めた検査対象燃料棒１１を、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを取り扱うための従来の施設・機器で取り扱った場合でも、臨界安全性を確保できるようにするためである。
【００１７】
検査対象燃料棒１１に添加される可燃性毒物は、たとえばガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）や、エルビア（Ｅｒ２Ｏ３）である。その添加濃度は、多くても０．１ｗｔ％程度、通常は０．０１ｗｔ％程度である。
【００１８】
１本以上の検査対象燃料棒１１は、検査対象バンドル１０に束ねられる。本実施の形態では、９本の検査対象燃料棒１１を３行３列の正方格子状に配列して検査対象バンドル１０が形成される。格子ピッチは、１．２〜２ｃｍ程度である。本実施の形態では、検査対象バンドル１０の中性子検出器３２と向かい合う位置には、Ｇｄ２Ｏ３を含有しない燃料棒１２が配置されている。なお、このウラン燃料棒１２に収められるウランの濃縮度は５ｗｔ％以下とする。
【００１９】
検査対象バンドル１０は、たとえば水２０などの水素を含有する減速材の中で、中性子源３１および中性子検出器３２に挟まれるように配置される。検査対象バンドル１０を配置する位置をバンドル配置部と呼ぶこととする。
【００２０】
中性子源３１と検査対象バンドル１０との距離は、たとえば１〜３ｃｍ程度とすればよい。また、中性子検出器３２は、検査対象燃料棒１１から２．５ｃｍ以上離して配置する。中性子源３１の直径はたとえば約０．８ｃｍ、高さはたとえば１．０ｃｍである。中性子検出器３２は、たとえば直径０．６４ｃｍ、高さ約６．５ｃｍのＢＦ３カウンタである。また、中性子源３１と中性子検出器３２は、検査対象燃料棒１１の軸に沿った高さＨだけ異なる位置に配置されている。
【００２１】
このように検査対象バンドル１０を配置し、このときの中性子係数率を中性子検出器３２で測定する。この工程を検査工程と呼ぶこととする。また、検査対象バンドル１０を基準バンドルに置き換えて、同様に中性子係数率を中性子検出器３２で測定する。この工程を基準測定工程と呼ぶこととする。
【００２２】
基準バンドルとは、可燃性毒物が添加されていない濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒を中性子減速面積が検査対象バンドル１０とほぼ等しくなるように束ねたものである。ここで、中性子減速面積とは、中性子の除去断面積Σｒに対する拡散係数Ｄの比（Ｄ／Σｒ）である。
【００２３】
なお、検査対象バンドル１０や基準バンドルは、原子炉に装荷される燃料集合体のようにタイプレートなどで固定される必要はない。たとえば、燃料棒が通過可能な貫通穴を格子状に形成した板に燃料棒を通して、燃料棒を所定の間隔で配列しただけでもよい。
【００２４】
中性子減速面積を同じにするためには、たとえば減速材対燃料体積比を等しくすればよい。減速材燃料体積比とは、被覆管に収められた核燃料物質（ここではウラン）の体積に対する、被覆管の外側の減速材（ここでは水）の体積の比である。
【００２５】
被覆管の軸方向に沿って被覆管および核燃料物質の径が一定であれば、減速材対燃料体積比は、核燃料物質と減速材の面積の比で表される。検査対象バンドル１０および基準バンドルを、同一の寸法とすることによって、減速材対燃料体積比を等しくすることができる。このような基準バンドルは、たとえば検査対象バンドル１０の検査対象燃料棒１１を、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒に置き換えたものである。
【００２６】
なお、減速材対燃料体積比が同じであれば、高速および熱外中性子の移動特性はほぼ同じである。中性子減速面積は、たとえば一方の燃料棒が細い場合には、水素排除材を挿入するなどによって、含水素領域の実質的な水素密度を小さくし、中性子減速面積を同じにすることができる。
【００２７】
次に、基準測定工程および検査工程で測定した中性子係数率と、中性子源３１の強度から中性子増倍率を求める。このようにして得られた、検査対象バンドル１０をバンドル配置部に配置したときの中性子増倍率が基準バンドルをバンドル配置部に配置したときの中性子増倍率よりも高いか否かを判定する。この工程を判定工程と呼ぶこととする。検査対象バンドル１０の中性子増倍率が基準バンドルの中性子増倍率よりも大きくない場合、検査対象バンドル１０の中性子増倍特性が基準バンドルよりも大きくないということができる。
【００２８】
５ｗｔ％以下の濃縮度のウランを取り扱うように設計された従来の施設・機器で、基準バンドルに含まれる燃料棒を取り扱っても、臨界安全性は確保される。したがって、このような施設・機器で、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒よりも中性子増倍特性が高くないと判定された検査対象燃料棒１１を取り扱っても臨界安全性を確保できる。このため、本実施の形態の検査方法で燃料棒の検査を行うことにより、従来の施設・機器に大きな改造を加えることなく、５ｗｔ％を超える濃縮度のウランを収めた燃料棒を製造することができる。
【００２９】
このように判定できることを確認するため、未臨界実験を行った。次に、この未臨界実験について説明する。
【００３０】
図３は、未臨界実験の体系の上面図である。
【００３１】
この未臨界実験では、燃料棒５１，５２を７行７列の正方格子状に配列した燃料バンドル５０を常温の水中に沈め、この燃料バンドル５０の近傍に中性子源を配置した時の中性子係数率を測定した。燃料棒５１，５２は、直径１．１８ｃｍのアルミニウム被覆管に、直径１．０ｃｍのＵＯ２燃料ペレットを充填したものである。また、燃料棒５１，５２を配列した格子ピッチは、１．５２ｃｍとした。この燃料バンドル５０の水対燃料体積比は、１．５である。
【００３２】
図３において符号Ｇを付した５本の燃料棒は、ガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）を添加した可燃性毒物含有燃料棒５２である。可燃性毒物含有燃料棒５２は、最外周から２層目のコーナー部の４か所および中央の１か所に分散配置されている。可燃性毒物含有燃料棒５２およびその他の燃料棒５１のウラン２３５濃縮度は、いずれも２ｗｔ％である。
【００３３】
燃料バンドル５０の一側面に校正用のＣｆ２５２中性子源３１を配置し、対向する他の側面に中性子検出器３２を配置した。燃料バンドル軸方向における中性子源３１と中性子検出器３２の位置は、この実験では同じとした。
【００３４】
図４は、未臨界実験の結果を表すグラフである。
【００３５】
図４は、図３の試験体系において、５本の可燃性毒物含有燃料棒５２のＧｄ２Ｏ３添加濃度を８．０、４．９、３．１、１．５、０．５、０．１ｗｔ％及び０％と変えて、中性子計数率を測定した結果である。図４の縦軸は、Ｇｄ２Ｏ３添加濃度が０％（ＵＯ２）の場合で規格化した中性子計数率（中性子計数率比）である。図４の上側の横軸は、Ｇｄ２Ｏ３の添加濃度（ｗｔ％）である。また図４の下側の横軸は、Ｇｄ２Ｏ３の添加濃度に対応するペレット部の熱中性子巨視断面積（中性子エネルギー：０．０２５３ｅＶ）である。
【００３６】
図４から、Ｇｄ２Ｏ３の添加濃度が０．１ｗｔ％の場合、４９本の燃料棒５１，５２のうち５本を可燃性毒物含有燃料棒５２とすると、１０％程度の係数率変化があることがわかる。つまり、Ｇｄ２Ｏ３の添加濃度が０．１ｗｔ％とすると、燃料バンドル中の高々約１／１０の燃料棒にＧｄ２Ｏ３を添加した場合であっても、中性子係数率の変化は十分検出可能である。また、たとえば燃料バンドル中の約半分の燃料棒にＧｄ２Ｏ３を添加した場合には、中性子係数率の変化は５倍程度に大きくなると考えられる。したがって、Ｇｄ２Ｏ３の添加濃度が０．０１ｗｔ％程度に低い場合であっても、燃料バンドル中のＧｄ２Ｏ３を添加した燃料棒の本数の割合を高めることにより、中性子係数率の変化を検出可能な程度に大きくすることができる。
【００３７】
このように、濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランを収めた燃料棒に、製造・取扱時の臨界安全性を確保するために添加する低濃度のＧｄ２Ｏ３であっても、中性子係数率を計測することによって検出可能である。つまり、低濃度のＧｄ２Ｏ３の添加による中性子増倍率の変化であっても検出可能である。
【００３８】
このため、濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランに低濃度のＧｄ２Ｏ３を添加した検査対象燃料棒１１を束ねた検査対象バンドル１０の中性子係数率が、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒を束ねた基準バンドルよりも大きくない場合には、検査対象燃料棒１１の平均的な中性子増倍率は、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒よりも高くないと判定できる。また、このことは、Ｇｄ２Ｏ３以外のたとえばＥｒ２Ｏ３などの可燃性毒物であっても同様であると考えられる。
【００３９】
なお、この燃料棒検査方法は、濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランを収めた燃料棒１１を、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒と同様に取り扱えるか否かを判定するもものである。このため、基準バンドルを構成する燃料棒に収められたウランの濃縮度は、５ｗｔ％以下で、かつ、高いほど好ましい。そこで、基準バンドルを構成する燃料棒に収めるウランの濃縮度は、たとえば４．９ｗｔ％とする。
【００４０】
次に、中性子検出器３２の位置について検討する。
【００４１】
図５は、水中の臨界炉心の半径方向中性子側分布の例を示すグラフである。図６は、炉心・反射体境界からの距離に対する平均相対中性子速度の例を示すグラフである。この臨界炉心は、４６８本の燃料棒を、格子ピッチが１．８４ｃｍの正方格子状に全体として円柱形に配置したものである。燃料棒は、上述の未臨界試験と同様に、直径１．１８ｃｍのアルミニウム被覆管に直径１．０ｃｍの濃縮度２ｗｔ％のＵＯ２燃料ペレットを充填したものである。図６の縦軸は、熱中性子スペクトルを２２００ｍ／ｓ（０．０２５３ｅＶ、２０℃相当）で規格化した平均相対中性子速度［＜ｖ＞／ｖ０］を示す。図５および図６は、いずれも計算値である。炉心領域は、均質化した群定数を用いて計算した。
【００４２】
熱中性子束は、炉心・反射体境界から約２．８ｃｍの位置で極大化している。つまり、この付近では中性子束の水平方向位置に対する変化は小さい。したがってこの付近に中性子検出器３２の中心軸が位置するように配置すると、若干の水平方向位置ずれが生じても測定誤差はほとんど生じないことがわかる。
【００４３】
また、［＜ｖ＞／ｖ０］の値は、境界から２．０ｃｍ弱、すなわち燃料棒表面からは２．３ｃｍ程度以上離れた反射体の位置では、ほぼ一定値となっている。したがって、燃料棒表面から２．５ｃｍも離れれば、燃料棒による熱中性子場の歪みの影響はほとんどないことが分かる。
【００４４】
未臨界度は体系によってほぼ決まるが、歪みは空間依存性が大きく、測定に歪みの影響が及ぶと未臨界度決定の誤差となる。そこで、熱中性子場の歪みが中性子検出器へ波及しないように配慮すべきである。
【００４５】
これらのことから、炉心・反射体境界から検出器本体の近い側の表面までの距離を２．５ｃｍ程度ないしそれ以上の位置に中性子検出器を配置すれば、熱中性子場の歪みの影響がほとんど無視できるようになることがわかる。特に、炉心・反射体境界から検出器本体の近い側の表面までの距離が２．５ｃｍから３．１ｃｍ程度であれば、熱中性子場のひずみの影響が小さく、かつ、測定誤差も小さくなるため、精度のよい検査が可能となる。
【００４６】
また、本実施の形態において、中性子源３１と中性子検出器３２は、軸方向の異なる位置に配置されている。このため、検査対象バンドル１０あるいは基準バンドル内で反応しないで中性子検出器に到達する中性子の数が大幅に抑制できる。一方、これらの燃料バンドル内で反応する中性子が中性子検出器に到達する中性子の数は、大幅には減少しないので、相対的に燃料バンドルの中性子増倍特性を効果的に検出することができる。
【００４７】
中性子検出器３２が中性子源３１と同じ程度の短い長さで同じ軸方向位置に設けられている場合、中性子源３１から放出されて燃料バンドルで反応しないまま中性子検出器３２で検出される確率は高い。しかし、本実施の形態のように、中性子源３１と中性子検出器３２の軸方向位置を変えておくと、その確率が低下する。つまり、中性子源３１から放出された中性子が燃料バンドルで反応し、その子孫の中性子が中性子検出器３２で検出される確率が、反応せずに中性子検出器で検出される確率と比べて相対的に高くなる。すなわち、信号対ノイズ比が向上する（たとえば非特許文献１参照）。なお、中性子源３１の長さよりかなり長い中性子検出器３２を用いると、中性子検出器３２の端部から見ると中性子源３１の軸方向位置と異なるため、中性子検出器３２の中央高さが中性子源３１と同じ高さでも同様の効果が得られる。
【００４８】
なお、本実施の形態では、３行３列の正方格子状に燃料棒を束ねた検査対象バンドル１０を用いたが、１本以上の検査対象燃料棒１１を含む燃料棒を束ねた検査対象バンドル１０であれば、燃料棒の本数は何本であってもよい。たとえば２行２列の検査対象バンドル１０を用いてもよい。
【００４９】
［第２の実施の形態］
図７は、本発明に係る燃料棒検査方法の第２の実施の形態における検査体系の側面図である。
【００５０】
本実施の形態は、中性子検出器３２を燃料棒の軸方向に移動させて中性子係数率を測定する点が第１の実施の形態と異なる。本実施の形態では、中性子検出器３２を、たとえば中性子源３１と同じ軸方向位置と、中性子源３１と高さＨだけ離れた軸方向位置のそれぞれに配置して、中性子係数率を測定する。
【００５１】
このようにして測定した軸方向位置が異なる２点での中性子係数率の比に基づいて、中性子増倍率の大小を判定することができる。この中性子計数率比は、中性子増倍特性を表している（非特許文献２参照）。
【００５２】
中性子源３１に近い位置での中性子係数率Ａに対する、中性子源３１に遠い位置での中性子係数率Ｂの比、すなわち中性子計数率比Ｂ／Ａが、大きいほど中性子増倍率が大きい。したがって、検査対象バンドル１０について測定した中性子係数率比が、基準バンドルについて測定した中性子係数率比よりも大きくない場合に、中性子増倍率が大きくないということができる。そこで、検査対象バンドル１０について測定した中性子係数率比が、基準バンドルについて測定した中性子係数率比よりも大きくない場合に、検査対象バンドル１０の中性子増倍特性が基準バンドルよりも大きくないと判定できる。
【００５３】
この方法では、可燃性毒物添加燃料による熱中性子場の歪みは、軸方向に一様である限り、中性子検出器３２へ及んでいても差支えない。このため、検査対象バンドル１０の中性子増倍特性が基準バンドルよりも大きいか否かの判定における、熱中性子場の歪みの影響を小さくすることができる。
【００５４】
なお、本実施の形態では、中性子検出器３２を移動させて中性子係数率を測定するものとしたが、中性子源３１を移動させて、中性子源３１と中性子検出器３２の相対的な位置を変化させてもよい。
【００５５】
［第３の実施の形態］
図８は、本発明に係る燃料棒検査方法の第３の実施の形態における検査体系の上面図である。図９は、本実施の形態における検査体系の側面図である。
【００５６】
本実施の形態では、第１の実施の形態における検査体系に、検査対象バンドル１０と中性子検出器３２との間に配置したカドミウム板２１を追加している。カドミウム板２１とは、カドミウム（Ｃｄ）を板状に成型したものである。また、検査対象バンドル１０に含まれる燃料棒は、すべて５ｗｔ％を超える濃縮度のウランに低濃度のＧｄ２Ｏ３を添加した検査対象燃料棒１１である。なお、検査対象バンドル１０は、角筒に収められている。この角筒は、できるだけ中性子を吸収しないものが好ましい。
【００５７】
検査対象バンドル１０の中性子検出器３２と向かい合う面に、Ｇｄ２Ｏ３を含有する検査対象燃料棒１１が配置されている。このため、カドミウム板２１が存在しないと、検査対象燃料棒１１に含有されるガドリニウムによって、熱中性子場が歪む。この熱中性子場の歪みは、水中では２ｃｍほどである（図６参照）。
【００５８】
しかし、本実施の形態では、熱中性子吸収材であるカドミウム板２１によって熱中性子場の歪みがほぼ完全になくなるため、中性子検出器３２への検査対象燃料棒１１に含有されるガドリニウムによって生じる歪みの影響はほとんどない。カドミウム板２１と検査対象バンドル１０あるいは基準バンドルの表面との距離は、たとえば０．５〜１．０ｃｍ程度とすればよい。また、中性子検出器３２とカドミウム板２１との距離は、たとえば２〜５ｃｍとすればよい。
【００５９】
なお、本実施の形態では、熱中性子吸収材であるカドミウムを板状にして用いているが、中性子検出器３２をカドミウムで形成された筒に収納しても同様の効果が得られる。この場合、中性子検出器３２を、１〜２ｃｍ程度の厚さのポリエチレン筒に収納し、それをカドミウム筒に収納すると、ポリエチレンの水素によって中性子が減速され、中性子検出器で検出され易くなるため、中性子計数率が向上する。
【００６０】
なお、本実施の形態では、３行３列の正方格子状に燃料棒を束ねた検査対象バンドル１０を用いたが、１本以上の検査対象燃料棒１１を含む燃料棒を束ねた検査対象バンドル１０であれば、燃料棒の本数は何本であってもよい。たとえば２行２列の検査対象バンドル１０を用いてもよい。
【００６１】
［第４の実施の形態］
図１０は、本発明に係る燃料棒検査方法の第４の実施の形態における検査体系の上面図である。
【００６２】
本実施の形態では、燃料棒１１，１２を４行２列の正方格子状に配列した検査対象バンドル１０を用いている。この場合、基準バンドルも、たとえば検査対象バンドル１０と同様に４行２列の正方格子状に燃料棒を配列したものを用いる。このような検査対象バンドル１０であっても、第１の実施の形態と同様に、検査対象燃料棒１１の平均的な中性子増倍特性を確認することができる。つまり、検査対象バンドル１０は、全体として正方形に束ねられている必要はない。
【００６３】
［第５の実施の形態］
図１１ないし図１４は、本発明に係る燃料棒検査方法の第５の実施の形態における検査体系の上面図である。
【００６４】
本実施の形態では、燃料棒１１，１２を５行５列の正方格子状に束ねた検査対象バンドル１０を用いている。この検査対象バンドル１０には、４本ないし２０本の検査対象燃料棒１１が含まれている。これら４種類の検査対象バンドル１０に対しては、同じ基準バンドルを用いることができる。
【００６５】
図１１に示す検査対象バンドル１０では、検査対象燃料棒１１が分散配置され、Ｇｄ２Ｏ３を含有しない燃料棒１２で囲まれている。このため、ガドリニウムの添加による熱中性子場の歪みがＧｄ２Ｏ３を含有しない燃料棒１２に及び、検査対象燃料棒１１の１本あたりの可燃性毒物に対する感度を向上させることができる。ただし、検査対象燃料棒１１の本数が少ないという点では、感度が低い。
【００６６】
図１２および図１３に示す検査対象バンドル１０では、検査対象燃料棒１１の１本あたりの可燃性毒物に対する感度は低下するものの、本数が多くなるという点で感度は大きくなる。さらに、図１４に示す検査対象バンドル１０では、多数の検査対象燃料棒１１を一度に検査することができる。
【００６７】
しかし、一部の検査対象燃料棒１１のみの中性子増倍特性が高すぎる場合、検査対象バンドル１０に含まれるすべての検査対象燃料棒１１の中性子増倍特性が、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒１２よりも低いことが確認できなくなる。このため、多数の検査対象燃料棒１１の間にウランの濃縮度や可燃性毒物の添加量などに大きな差がある場合には、かえって検査効率が低下する場合もある。したがって、検査対象バンドル１０に含まれる検査対象燃料棒１１の本数は、製造公差などを考慮して適宜調整すべきである。
【００６８】
［第６の実施の形態］
図１５は、本発明に係る燃料棒検査方法の第６の実施の形態における検査体系の上面図である。
【００６９】
本実施の形態では、燃料棒１１，１２を７行７列の正方格子状に束ねた検査対象バンドル１０を用いている。この検査対象バンドル１０には、１３本の検査対象燃料棒１１が含まれている。このような検査対象バンドル１０であっても、第１の実施の形態と同様に、検査対象燃料棒１１の平均的な中性子増倍特性を確認することができる。
【００７０】
可燃性毒物を含有させた５本を含む、７行７列に燃料棒を束ねた燃料バンドル（図３参照）の場合、Ｇｄ２Ｏ３の添加濃度が０．１ｗｔ％から０ｗｔ％に変化すると、中性子係数率は１０％程度変化する。本実施の形態の検査対象バンドル１０の可燃性毒物を含有させた燃料棒の本数は、図３に示す燃料バンドルに対しては約２．６倍である。このため、Ｇｄ２Ｏ３の添加濃度が０．１ｗｔ％から０ｗｔ％に変化した場合の中性子係数率比の変化は、中性子場の干渉現象により２．６倍よりも若干低くはなるものの、２倍以上になる。つまり、中性子係数率比は２０〜２５％程度となり、精度よく、かつ、効率よく検査ができる。
【００７１】
［第７の実施の形態］
図１６は、本発明に係る燃料棒検査方法の第７の実施の形態における検査体系の上面図である。
【００７２】
本実施の形態では、組立途中の燃料集合体を検査対象バンドル１０としている。最終的に組み立てられる燃料集合体は、可燃性毒物と濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランとを収めた複数の５％超燃料棒を備えている。この燃料集合体は、たとえば燃料棒１１，１２を９行９列の正方格子状に束ねて、中央部に燃料棒の７本分の領域を占める太径水棒１４を配したものである。
【００７３】
この５％超燃料棒が検査対象燃料棒１１となる。また、最終的に組み立てられた燃料集合体は、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒を備えている。濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒の一部は、高濃度のＧｄ２Ｏ３などの可燃性毒物を含有している。ここで、高濃度とは、原子炉運転中の過大な反応度変化を抑制し、出力分布を好適に制御することを目的として添加される可燃性毒物の濃度で、たとえば３〜１０ｗｔ％程度である。
【００７４】
この燃料集合体を製造する場合、まず、燃料集合体に含まれる燃料棒のうち、高濃度の可燃性毒物を含有しない燃料棒１１，１２のみを所定の位置に配置する。この工程を第１組み立て工程と呼ぶこととする。これらの燃料棒には、検査対象燃料棒１１と、可燃性毒物が添加されていない濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒１２とが含まれる。この第１組み立て工程で組み立てられた状態の燃料棒の集合体を、検査対象バンドル１０とする。したがって、高濃度のＧｄ２Ｏ３などの可燃性毒物を含有する燃料棒が配置される位置１３には、燃料棒などが配置されていない状態となる。
【００７５】
次に、この検査対象バンドル１０を、たとえば水中のような水素を含有する減速材中で中性子源３１および中性子検出器３２に挟まれるように配置する。この状態で、中性子検出器３２によって中性子係数率を測定する。この工程を検査工程と呼ぶこととする。
【００７６】
また、この検査対象バンドル１０と中性子の除去断面積に対する拡散係数の比である中性子減速面積が等しくなるように濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた基準燃料棒を束ねた基準バンドルを、検査対象バンドル１０と同様の体系に配置して中性子係数率を測定する。この工程を基準測定工程と呼ぶ。基準バンドルは、たとえば検査対象バンドル１０の検査対象燃料棒１１を、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒に置き換えたものである。また、これらの中性子係数率と中性子源３１の強度から中性子増倍率を求める。
【００７７】
なお、基準測定工程は、検査工程の前に行ってもよいし、後に行ってもよい。たとえば、同一仕様の燃料集合体を複数製造する場合には、あらかじめ基準測定工程を一度行っておき、その後、燃料集合体を１体製造するごとに、検査工程を行えばよい。
【００７８】
このようにして測定された検査対象バンドル１０の中性子増倍率が基準バンドルの中性子増倍率よりも大きくない場合、中性子対象バンドル１０の中性子増倍特性が基準バンドルよりも大きくないと判定する。この工程を判定工程と呼ぶ。
【００７９】
次に、基準測定工程および検査工程で測定した中性子係数率と、中性子源３１の強度から中性子増倍率を求める。このようにして得られた、検査対象バンドル１０をバンドル配置部に配置したときの中性子増倍率が基準バンドルをバンドル配置部に配置したときの中性子増倍率よりも高いか否かを判定する。この工程を判定工程と呼ぶこととする。検査対象バンドル１０の中性子増倍率が基準バンドルの中性子増倍率よりも大きくない場合、検査対象バンドル１０の中性子増倍特性が基準バンドルよりも大きくないということができる。
【００８０】
判定工程で、検査対象バンドル１０に含まれる検査対象燃料棒１１の平均的な中性子増倍特性は濃縮度が５ｗｔ％以下の燃料棒よりも高くないと判定されると、この検査対象バンドル１０は、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランのみを用いた燃料と同様に取り扱っても、臨界安全性が確保できる。そこで、この場合は、残りの燃料棒を所定の位置に配置して、最終的な燃料集合体に組み立てる。この工程を第２組み立て工程と呼ぶこととする。
【００８１】
このようにして燃料集合体を製造することにより、濃縮度が５ｗｔ％を超えるウランを用いたとしても、判定工程の後には濃縮度が５ｗｔ％以下のウランと同様の取扱いができるため、臨界安全性を確保したまま、製造に要するコストを低減することができる。
【００８２】
なお、高濃度の可燃性毒物を含有する燃料棒が検査対象バンドル１０に含まれていると、その燃料棒による中性子係数率への影響が大きいため、中性子増倍特性を正しく評価することが困難になる。このため、高濃度の可燃性毒物を含有する燃料棒は、第２組み立て工程で検査対象バンドル１０に組み込まれる。
【００８３】
［第８の実施の形態］
図１７は、本発明に係る燃料棒検査方法の第８の実施の形態における検査体系の上面図である。図１８は、図１７のXVIII−XVIII矢視縦断面図である。
【００８４】
本実施の形態の燃料棒検査方法では、減速材となるポリエチレン板４１を積層した燃料棒検査装置を用いる。これらのポリエチレン板４１には結合穴４２がそれぞれ４か所に形成されている。それぞれの場所の結合穴４２には、結合棒４３が貫通している。これらの結合穴４２および結合棒４３は、それぞれのポリエチレン板４１を正確に位置決めするためのものであるから、結合穴４２と結合棒４３のクリアランス（間隙）はできるだけ小さいほうが好ましい。結合棒４３の両端部にはナット４７が配置されていて、ポリエチレン板４１を固定している。
【００８５】
また、ポリエチレン板４１のそれぞれには、中性子源配置孔４４、中性子検出器配置孔４５、および、燃料棒挿入孔４６が形成されている。中性子源配置孔４４、中性子検出器配置孔４５、および、燃料棒挿入孔４６のそれぞれは、ポリエチレン板４１の積層方向に並んでいて、中性子源３１、中性子検出器３２および燃料棒１１，１２が挿入できるようになっている。燃料棒挿入孔４６はたとえば３行３列の正方格子状に形成されている。燃料棒挿入孔４６が複数配列されてバンドル配置部を形成している。
【００８６】
なお、非常に厚いポリエチレンに正確に孔あけ加工するのは容易でないため、たとえば１０〜２０ｃｍ程度の厚さのポリエチレン板４１を多数積み重ねて装置化する。軸方向のポリエチレン全体の厚さは、たとえば１〜１．５ｍ程度、バンドル配置部の外側のポリエチレンの幅は、たとえば２０〜３０ｃｍ程度とすればよい。
【００８７】
このバンドル配置部には、可燃性毒物が添加されていない濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒を中性子減速面積が検査対象バンドル１０とほぼ等しくなるように束ねた基準バンドルを取出し可能に配置する。この状態で、中性子係数率を中性子検出器３２で測定する。
【００８８】
また、この燃料棒検査装置から基準バンドルを取り出し、検査対象燃料棒１１とＧｄ２Ｏ３を含有しない燃料棒１２とを束ねた検査対象バンドル１０をバンドル配置部に配置して中性子係数率を中性子検出器３２で測定する。
【００８９】
次に、測定した中性子係数率と、中性子源３１の強度から中性子増倍率を求める。このようにして得られた、検査対象バンドル１０をバンドル配置部に配置したときの中性子増倍率が基準バンドルをバンドル配置部に配置したときの中性子増倍率よりも高いか否かを判定する。検査対象バンドル１０の中性子増倍率が基準バンドルの中性子増倍率よりも大きくない場合、検査対象バンドル１０の中性子増倍特性が基準バンドルよりも大きくないということができる。
【００９０】
このようにして中性子増倍特性が、濃縮度が５ｗｔ％以下のウランを収めた燃料棒よりも高くないと判定されると、検査対象燃料棒１１を５ｗｔ％以下の濃縮度のウランを取り扱うように設計された従来の施設・機器で取り扱っても臨界安全性を確保できる。
【００９１】
このような燃料棒検査装置を用いると、燃料棒検査における検査対象バンドル１０あるいは基準バンドルの位置決めに要する時間が短くなり、検査に要する時間・コストが削減できる。
【００９２】
［その他の実施の形態］
なお、以上の説明は単なる例示であり、本発明は上述の各実施の形態に限定されず、様々な形態で実施することができる。たとえば、上述の各実施の形態では、ウランを取り扱うための施設・機器が濃縮度が５ｗｔ％以下の場合に臨界安全性を確保できるものとして説明している。しかし、５ｗｔ％以外の所定の濃縮度を上限として臨界安全性を確保している場合には、上述の５ｗｔ％という濃縮度をその所定の濃縮度に置き換えて適用することにより、同様に臨界安全性を確保できるようになる。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明に係る燃料棒検査方法の第１の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図２】本発明に係る燃料棒検査方法の第１の実施の形態における検査体系の側面図である。
【図３】未臨界実験の体系の上面図である。
【図４】未臨界実験の結果を表すグラフである。
【図５】水中の臨界炉心の半径方向中性子側分布の例を示すグラフである。
【図６】炉心・反射体境界からの距離に対する平均相対中性子速度の例を示すグラフである。
【図７】本発明に係る燃料棒検査方法の第２の実施の形態における検査体系の側面図である。
【図８】本発明に係る燃料棒検査方法の第３の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図９】本発明に係る燃料棒検査方法の第３の実施の形態における検査体系の側面図である。
【図１０】本発明に係る燃料棒検査方法の第４の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図１１】本発明に係る燃料棒検査方法の第５の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図１２】本発明に係る燃料棒検査方法の第５の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図１３】本発明に係る燃料棒検査方法の第５の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図１４】本発明に係る燃料棒検査方法の第５の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図１５】本発明に係る燃料棒検査方法の第６の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図１６】本発明に係る燃料棒検査方法の第７の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図１７】本発明に係る燃料棒検査方法の第８の実施の形態における検査体系の上面図である。
【図１８】図１７のXVIII−XVIII矢視縦断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０…検査対象バンドル、１１…検査対象燃料棒、１２…燃料棒、１４…太径水棒、２０…水、２１…カドミウム板、３１…中性子源、３２…中性子検出器、４１…ポリエチレン板、４２…結合穴、４３…結合棒、４４…中性子源配置孔、４５…中性子検出器配置孔、４６…燃料棒挿入孔、４７…ナット、５１…燃料棒、５２…可燃性毒物含有燃料棒
【図１】
2009156724.tif 000003
【図２】
2009156724.tif 000004
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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