JP2000162379A - 原子炉燃料の未臨界管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡易な装置構成で体系内が未臨界であることを
確認する。 【解決手段】原子炉燃料集合体の装荷過程ないし貯蔵状
態での体系内の径方向中性子束分布を計測し、既に原子
炉燃料集合体の装荷されている領域の周辺部から中心部
にかけての中性子束の増加率が予め設定した許容値を超
えたか否かで体系内の臨界評価を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】原子炉燃料集合体を輸送や貯
蔵する際の未臨界管理の方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】（１）自発中性子源増倍法 特開平1−169398 号公報の照射燃料の群定数と中性子発
生率並びに装荷体系の形状寸法と群定数を与え、中性子
輸送・拡散計算を実施して装荷体系内に設置した中性子
測定位置での中性子束を求め、各装荷ステップでの中性
子束の実測値と比較して両者の比が一定となるよう装荷
体系での群定数を修正、中性子輸送・拡散計算から実効
増倍率を求める。

【０００３】（２）中性子束分布形法 特開平1−250898 号公報の集合体軸方向の中性子束分布
を計測し、予め求めた中性子分布形状と中性子増倍率と
の関係を用いて、未臨界度を判定。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術（１）で
は、燃料の装荷過程において大掛かりな計測装置や複雑
な臨界計算を必要とする。このため相当量のコストと計
測時間，計算時間を必要とする。

【０００５】従来の技術（２）では、測定対象とする燃
料集合体の周囲に装荷される燃料集合体の燃焼度がまち
まちの場合に未臨界度の変化に依らず軸方向の中性子束
分布が変化する可能性がある。（例えば測定対象となる
燃料集合体の周りに強い中性子吸収体を含む新燃料が装
荷された場合。また、燃料集合体が装荷体系の中心から
大きく外れた場合。）本発明の目的は、簡易な装置構成
で体系内が未臨界であることを確認することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
一つの手段は、柱状の原子炉燃料集合体を軸方向に垂直
な方向へ複数収納する体系において、各原子炉燃料集合
体の装荷過程ないし貯蔵状態での体系内の径方向中性子
束分布を計測し、既に原子炉燃料集合体の装荷されてい
る領域の周辺部から中心部にかけての中性子束の増加率
が予め設定した許容値を超えたか否かで体系内の臨界評
価を行うことにある。

【０００７】本発明の目的は、前記の手段に加え、体系
内への原子炉燃料集合体の装荷に伴う計数率の上昇率
が、予め設定した許容値を超えたか否かで体系内の臨界
評価を行うことにより、より精度良く達成できる。

【０００８】原子炉燃料集合体の装荷体系では、中心部
で最も中性子束の径方向への漏れが小さく、これに対し
て装荷体系の周辺部では中性子束の径方向への漏れが大
きくなる。体系が臨界に近づくと、中性子束の大きさに
与える増倍中性子束の影響が次第に大きくなるため、発
生した中性子が次の世代の中性子発生に効率よく使われ
る装荷体系の中心部と、外界への漏れによって次の世代
の中性子の発生に寄与しない中性子が多く存在する装荷
体系の周辺部との間における計数率の差が大きくなる。

【０００９】本発明の目的は、前記の手段に加え、異な
るエネルギー領域に属する中性子束を概略同一または等
価な位置で測定することで達成できる。

【００１０】核分裂により発生する中性子は当初高いエ
ネルギーを持つ（速中性子）。速中性子は体系内のさま
ざまな物質によって減速されてゆき、熱中性子となる。
熱中性子をはじめとする低いエネルギー領域の中性子は
中性子検出器による計測が比較的容易であり感度が高い
が、燃料集合体内や燃料を収納する仕切板に含まれるガ
ドリニウムやボロンなどの中性子吸収体によって吸収さ
れやすいため、本発明の未臨界度評価方法において大き
な誤差要因となる可能性がある。

【００１１】一方、速中性子をはじめとする高エネルギ
ー領域の中性子は、計測感度は熱中性子に対するものに
比べて小さいが、中性子吸収体により吸収を受けにくい
ので、その分布は体系内の未臨界度を反映したものにな
っている。従って、熱中性子束の計測値と速中性子束の
計測値を組み合わせて評価することで精度の高い未臨界
管理を行うことができる。

【００１２】本発明の目的は、前記第一の手段または第
二の手段に加え、径方向中性子束分布を高さ方向の複数
位置で測定することでより精度良く達成できる。

【００１３】柱状の原子炉燃料集合体においては、高さ
方向の反応度分布が必ずしも一定ではないことから、複
数の高さ方向位置について径方向中性子束分布を求める
ことによってより精度の高い未臨界評価が可能となる。

【００１４】本発明の目的は、前記第一の手段または第
二の手段に加え、請求項１または２の記載において、各
装荷燃料の燃焼データや装荷パターンから装荷過程にお
ける「炉心」の位置と中性子束計測位置での中性子束レ
ベルを予測して実測値と比較し、予測値に比べて実測値
が予め定められた基準以上に高くなった場合に装荷を停
止することでより精度良く達成できる。

【００１５】本発明の目的は、前記第一の手段または第
二の手段に加え、中性子検出器の配置ピッチの最小単位
が、収納されうる燃料集合体のうち、最も無限増倍率の
高いものを収納体系に装荷したときに臨界となる最小の
配置の半分以内とすることでより精度良く達成できる。

【００１６】本発明の目的は、前記第一の手段ないし第
四の手段で使用する中性子検出器において、中性子束の
計測時には検出器の内部に具えられた駆動電源を用いて
計測、外部へのワイヤレス信号伝送を行うことで達成で
きる。

【００１７】

【発明の実施の形態】＜プール体系での装荷例＞図１に
本発明を原子炉燃料の湿式貯蔵プールへ適用した例を示
す。プールに設置された燃料集合体収納ラック３内の要
所に一定の高さで検出器が設置され、原子炉燃料集合体
１の装荷体系における径方向の中性子束分布を計測して
いる。

【００１８】図２に示したように装荷体系内が深い未臨
界状態に保たれているとき、原子炉燃料集合体１から発
生した中性子が連鎖反応を起こすことなく消滅していく
確率が高いため中性子束分布は比較的平坦な分布とな
る。一方、臨界状態に近い（未臨界度が浅い）状態で
は、一体の原子炉燃料集合体１で発生した中性子が連鎖
反応を起こす可能性が高くなり、中性子束が増大すると
同時に見かけの飛程が大きくなって体系外へ漏れる中性
子の割合が大きくなることから、中性子束分布は体系中
心付近で最大となる上に凸の分布を示すようになる。こ
の分布の違いを体系内に設置した中性子検出器２の計数
率分布を用いて判定する。

【００１９】中性子検出器２の設置位置としては図１の
ように燃料集合体収納ラック３の一部を使用したもの
や、図３のように専用の設置位置を設けるものがある。
前者は既設の設備に適用可能であり、後者は新規に燃料
集合体収納ラック３を製作する場合に適用し、貯蔵効率
を上げることができる。

【００２０】中性子検出器２の設置間隔は燃料の誤装荷
による未臨界度の低下を検出可能なように、体系内に収
納されうる原子炉燃料集合体１のうち最も無限増倍率の
高いものを装荷していった場合に臨界となる可能性のあ
る最小の配置において、臨界評価上等価でない位置に少
なくとも２つの中性子検出器２が備えられているように
することが望ましい。

【００２１】本実施例では、中性子検出器２の計数率分
布のみを使って未臨界度を判定しているが、これに加え
て原子炉燃料集合体１の装荷に伴う計数率の上昇率を監
視し、予め定めた許容値以内にあることを確認してより
一層精度の高い管理ができる。

【００２２】計測する中性子のエネルギー領域は使用す
る中性子検出器２の感度等にあわせてどのようなものを
使ってもよいが、体系内の中性子減速材や吸収体による
エネルギースペクトルの変化を考慮する必要がある。例
えば水の多い体系内に速中性子束が入射すると急速に減
速されて熱中性子の量が急上昇するが、熱中性子束のみ
を計測しているとこの現象と未臨界度の低下（反応度の
上昇）に伴う中性子束の増加を区別できなくなる可能性
がある。ここで、異なるエネルギー領域例えば速中性子
と熱中性子に対して感度のある複数の中性子検出器２を
概略同一位置に設置し、計数率を比較すれば、未臨界度
の低下時には２つのエネルギー領域で同時に計数率が増
加するので両者を区別できる。

【００２３】また、水のような中性子に対して強い減速
能をもつ環境下で、特に熱中性子のように減速や吸収の
されやすいものを計測して未臨界を確認する際には、中
性子検出器２の周囲に装荷対象となる原子炉燃料に近い
核特性と中性子の減速特性を持つように核分裂性物質と
減速材を配置すると、体系内の未臨界度に対応した熱中
性子束を計測できる。

【００２４】中性子検出器２の軸方向の設置位置は、装
荷対象となる原子炉燃料の核分裂性核種，中性子吸収核
種の濃度や、装荷体系内での軸方向への中性子漏れを考
慮して、最も局所中性子増倍率の高くなる位置に近づけ
ると未臨界度の変化に対する感度が向上するため効果的
である。最も局所中性子増倍率の高くなる位置を探すた
め、図１に示した実施例において中性子検出器２を軸方
向に移動させながら計測を行ったり、図４に示したよう
に軸方向に複数の中性子検出器２を設置して計測を行う
などして、軸方向の中性子束分布を測定しても良い。

【００２５】なお、体系が十分深い未臨界状態にあるこ
とが確認された場合には、中性子計測器を取り出し、新
たな位置に配置するなど、装荷の進行に伴って中性子計
測器の位置を移動する運用も可能である。

【００２６】原子炉燃料集合体１の持つ自発中性子源強
度は、集合体の燃焼度や冷却期間等で変化するため、装
荷された原子炉燃料集合体１の持つ自発中性子源強度は
一定ではない可能性がある。従って、収納体系への燃料
装荷に伴う中性子束の変化は実効増倍率の上昇に伴うも
のと、自発中性子源強度の変化に伴うものが重畳してい
る。

【００２７】本実施例では、装荷される原子炉燃料集合
体１の自発中性子源強度を燃焼データや測定などから評
価すると共に、原子炉燃料集合体１の装荷状態によって
位置の変わる「炉心」位置(臨界評価上もっとも中性子
増倍率の高くなっている位置)と中性子束分布を、臨界
計算によって装荷作業前に把握しておき、ここで得られ
た「炉心」位置近傍へ、中性子束レベルを計測可能な中
性子検出器２を配置して、計測値と臨界計算から得られ
た予測値を比較する。

【００２８】臨界計算に使用した燃料集合体と同様の仕
様の燃料集合体が装荷されていれば、計測値は予測値に
近い値をとるはずであり、計測値が予測値を一定値以上
上回る場合には未臨界度が臨界計算での想定値より低下
している（反応度が上昇している）可能性が高いと判定
し、装荷を中止するなどの措置をとる。これにより先に
示した実施例に比べてより精度の高い未臨界管理が可能
となる。

【００２９】本発明を乾式キャスクやキャニスタなど、
原子炉燃料集合体１を不活性ガス雰囲気の中で輸送した
り貯蔵したりする容器へ適用した例を図５に示す。燃料
集合体収納容器４内には、予め要所に一定の高さで中性
子検出器２が設置されており、原子炉燃料集合体１の装
荷体系における径方向の中性子束分布を計測している。
原子炉燃料集合体１の装荷時における未臨界管理の方法
は湿式貯蔵プールへの適用例と同様であるが、装荷終了
後は水のない条件下で取り扱うため臨界評価上安全側と
なることから、装荷終了時に十分に深い未臨界状態にあ
ることが確認されれば、中性子検出器２を除去する運用
が可能となる。

【００３０】図６に本実施例における中性子検出器２の
配置例と原子炉燃料集合体１の装荷順序の例を示す。□
内に示した数字が装荷順序を表すものである。中性子検
出器２の配置は、漏れ中性子の量が相対的に減少し、未
臨界度が浅くなっていく装荷後半に精度の高い計測が可
能なように設定している。原子炉燃料集合体１の装荷の
進行に伴って、「炉心」位置（臨界評価上もっとも中性
子増倍率の高くなっている位置）は変化していくので、
未臨界度の判定にあたってはその時点で「炉心」に最も近
い位置の中性子検出器２と最も遠い位置の中性子検出器
２における計測値が重要となる。

【００３１】図７に中性子検出器２による計測データを
ワイヤレスで未臨界管理のためのデータ処理装置へ伝送
するシステムの構成を示す。中性子検出器２には計測デ
ータ送信機５が取り付けられており、中性子検出器２や
計測データ送信機５の駆動電源は内蔵されている。中性
子束の計測データは計測データ送信機５に取り付けられ
た送信用アンテナ６から発信され、燃料装荷体系外に設
けられた受信用アンテナ７を介して計測データ受信機８
に伝送されて、最終的に計測データ処理装置９に送られ
る。計測データ処理装置９内では各計測点における中性
子束データを収集し、中性子束の分布形状や計数率を求
める。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、簡易な装
置で確実に体系内が未臨界であることを確認することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の湿式貯蔵のうち既設プールの燃料集合
体収納ラックへの適用例を示す斜視図。

【図２】未臨界度による中性子束分布の差を示す特性
図。

【図３】湿式貯蔵のうち新設プールの燃料集合体収納ラ
ックへの適用例を示す上面図。

【図４】湿式貯蔵において軸方向中性子束分布を測定す
る構成例を示す斜視図。

【図５】キャスク（キャニスタ）貯蔵システムへの適用
例を示す斜視図。

【図６】キャスク（キャニスタ）への原子炉燃料装荷順
序と中性子検出器の配置を示す上面図。

【図７】ワイヤレスで中性子計測値を伝送するシステム
の構成例を示す斜視図。

【符号の説明】

１…原子炉燃料集合体、２…中性子検出器、３…燃料集
合体収納ラック、４…燃料集合体収納容器、５…計測デ
ータ送信機、６…送信用アンテナ、７…受信用アンテ
ナ、８…計測データ受信機、９…計測データ処理装置。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】柱状の原子炉燃料集合体を軸方向に垂直な
   方向へ複数収納する体系において、各原子炉燃料集合体
   の装荷過程ないし貯蔵状態での体系内の径方向中性子束
   分布を計測し、既に原子炉燃料集合体の装荷されている
   領域の周辺部から中心部にかけての中性子束の増加率が
   予め設定した許容値を超えたか否かで体系内の臨界評価
   を行うことを特徴とする原子炉燃料の未臨界管理方法。
2. 【請求項２】請求項１の記載に加え、体系内への原子炉
   燃料集合体の装荷に伴う計数率の上昇率が、予め設定し
   た許容値を超えたか否かで体系内の臨界評価を行うこと
   を特徴とする原子炉燃料の未臨界管理方法。
3. 【請求項３】請求項１または２の記載において、異なる
   エネルギー領域に属する中性子束を概略同一または等価
   な位置で測定することを特徴とする原子炉燃料の未臨界
   管理方法。
4. 【請求項４】請求項１または２の記載において、径方向
   中性子束分布を高さ方向の複数位置で測定することを特
   徴とする原子炉燃料の未臨界管理方法。
5. 【請求項５】請求項１または２の記載において、各装荷
   燃料の燃焼データや装荷パターンから装荷過程における
   中性子束が最大となる位置と中性子束計測位置での中性
   子束レベルを予測し、中性子束が最大となる位置の近傍
   に中性子検出器を設置すると共に、この中性子検出器で
   の実測値が予測値に比べて予め定められた基準以上に高
   くなった場合に装荷を停止するなどの措置をとることを
   特徴とする原子炉燃料の未臨界管理方法。
6. 【請求項６】請求項１または２の記載において、収納さ
   れうる燃料集合体のうち最も無限増倍率の高いものを収
   納体系に装荷したときに臨界となる最小の配置の中に、
   中性子検出器を少なくとも２個含むように配置すること
   を特徴とする未臨界管理に使用する中性子検出器の配置
   したことを特徴とする原子炉燃料の未臨界管理方法。
7. 【請求項７】請求項１ないし４のいずれか１項記載にお
   いて使用する中性子検出器において、中性子束の計測時
   には検出器の内部に具えられた駆動電源を用いて計測、
   外部へのワイヤレス信号伝送を行う中性子計測システム
   であることを特徴とする原子炉燃料の未臨界管理方法。