JP2001147289A

JP2001147289A - 燃料容器体系の臨界監視方法、監視装置及び燃料容器

Info

Publication number: JP2001147289A
Application number: JP33079699A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ueda; 精植田; Takeshi Mihashi; 偉司三橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-11-22
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2001-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料加工施設等における臨界発生を監視するた
めの、容易にバックフィットできる臨界近接警報の方法
及び装置を提供する。【解決手段】燃料容器１を挟んで一方側に中性子検出器
４を、反対側に線源中性子反射体３を配置する。線源中
性子反射体３に臨界監視用中性子源挿入穴６を設け、こ
の挿入穴６に例えばＣｆ−252 の校正線源を挿入する。 (1) 中性子源増倍率の基礎式：φ₀＝ａ＋ｂ／（１−
ｋ）（時間を挟んだ２点の計数率の比） (2) 反射体の水位を周期的に変更する際の式、時間微
分：φ₁／φ₀−１＝［Δｋ／（１−ｋ₀）］if (3) ｋ₀の微分：φ₁−φ₀＝ｂΔｋ／（１−ｋ₀）² を適当に組合せて複数の警報を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば燃料加工施
設における燃料容器体系の臨界監視方法、監視装置及び
燃料容器に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉の燃料貯蔵プール、燃料輸送容
器、使用済燃料再処理施設等では臨界にならないよう厳
重な設計がなされており、さらに未臨界性を確認する方
法もいろいろ提案されている。したがってこれらの体系
では十分な臨界が確保されていると言われている。

【０００３】ところが、新燃料加工施設では取扱う最高
濃縮度の燃料を最適減速条件としても十分未臨界を保持
するために、燃料収納部の形状寸法を特定して臨界にな
らないようにする形状寸法管理や、濃縮度、質量、濃度
等により管理する方法が許容されている。

【０００４】中性子増倍体系、特に使用済燃料集合体単
独の体系に対する未臨界度測定法又は使用済燃料集合体
を多数配置した体系に対する未臨界度測定法に関して
は、本願発明者らを含めた多くの研究者から各種の方法
が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、時間的
に中性子増倍率が変化する燃料容器体系に対する未臨界
度測定法はほとんど知られていないのが現状である。こ
のような体系は一般に形状寸法管理、容積管理、質量管
理、燃料物質濃度を一定値以下に保つ濃度管理などの方
法で設計され、裕度を確保した臨界安全設計となってい
る。

【０００６】また、臨界が発生した時点で、警報を発生
させるという技術思想が考えられるが、臨界に近付いて
いるか否かを判定することができる臨界監視方法及びそ
の監視装置が要望されるところである。

【０００７】本発明は、上記要望を満たすためになされ
たもので、例えば燃料加工施設等において、臨界発生を
監視するために臨界監視装置が動作している限り、燃料
容器体系が臨界に近付いているか否かを自動的に判定で
き、かつ臨界発生を未然に防止することができる燃料容
器体系の臨界監視方法及びその監視装置を提供すること
にある。

【０００８】また、本発明は臨界が発生した場合には、
核分裂の量を評価できるとともに、強い放射能を帯びた
燃料物質類を撒き散らすことがない燃料容器を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、燃料
容器の側面又は内部に中性子検出器を配置し、中性子計
数率ｎ₀と実効増倍率ｋ₀との関係を求めるとともに、
前記中性子計数率ｎ₀に対する一定時間経過後の中性子
計数率ｎ₁の比（ｎ₁／ｎ₀）の実効増倍率ｋ ₀依存性
を予め求めておき、前記中性子計数率ｎ₀が一定値を超
えた場合、又は前記中性子計数率ｎ₁の比が１より大き
い一定値を超えた場合の少なくともいずれか一方が生じ
た時に、警報を発生することを特徴とする。

【００１０】この発明によれば、自発中性子増倍法によ
り、中性子計数率、又は中性子計数率の比のいずれか一
方、あるいは両方の信号が異常の場合に自動的に警報を
発生する。これにより、警報の多重化を図ることができ
る。なお、中性子検出器を燃料容器の内部に配置するこ
とができる場合には内部の方が望ましいが、燃料容器の
外部に中性子検出器を配置した場合でもほぼ同等の効果
を奏する。

【００１１】中性子検出器を燃料容器の内部に配置する
場合には、中性子検出器を取り囲むように熱中性子吸収
体を配置する。これにより、燃料の濃度ないし濃縮度が
高くなり中性子の実効増倍率が大きくなって中性子束が
増加する現象と、燃料の熱中性子吸収効果が増大して熱
中性子束が減少するという増倍効果が見え難くなる現象
を防止することができる。

【００１２】請求項２の発明は、燃料容器の側面に中性
子検出器を配置し、燃料容器の内部又は外周部で中性子
検出器から所定の間隔をおいて中性子源を配置し、中性
子計数率ｎ₀と実効増倍率ｋ₀との関係を求めるととも
に、前記中性子計数率ｎ₀に対する一定時間経過後の中
性子計数率ｎ₁の比（ｎ₁／ｎ₀）の実効増倍率ｋ₀依
存性を予め求めておき、前記中性子計数率ｎ₀が一定値
を超えた場合、又は前記中性子計数率ｎ₁の比が１より
大きい一定値を超えた場合の少なくともいずれか一方が
生じた時に、警報を発生することを特徴とする。

【００１３】この発明によれば、外部中性子源増倍法に
より、中性子計数率又は中性子計数率の比のいずれか一
方、或いは両方の信号が異常の場合に自動的に警報を発
生することができるので、請求項１の場合と同様に警報
の多重化を図ることができる。また、中性子源を配置し
ているため、満足な中性子計数率が得られ、信頼度が一
段と高い警報の多重化を図ることができる。

【００１４】なお、中性子源を燃料容器の内部に配置で
きる場合には、内部に配置した方が中性子源から放出さ
れる中性子を有効に利用でき望ましいが、燃料容器の外
部に中性子源を配置した場合でも上記と同様に実施でき
る。

【００１５】請求項３の発明は、燃料容器の側面に、中
性子検出器、中性子源、中性子検出器校正用中性子源挿
入穴、臨界監視用中性子源挿入穴および中性子減速材を
配置し、前記中性子減速材中に中性子検出器を配置し、
前記中性子検出器の近傍で前記燃料容器と反対側に校正
用中性子源挿入穴を配置した中性子監視部と、この中性
子監視部からの信号を処理し異常時に警報を発生する演
算警報部とを有し、前記中性子検出器の校正に際しては
前記中性子源を前記校正用中性子源挿入穴に配置して前
記中性子検出器の正常動作を確認し、臨界監視期間中は
前記中性子源を取外すか、又は前記燃料容器の側面で前
記中性子検出器から所定の距離に離間して前記燃料容器
に中性子が供給されるような位置に臨界監視用中性子源
挿入穴を配置してなることを特徴とする。

【００１６】この発明では、既存設備に上記構成の臨界
監視装置を設置して改良を加えることができる場合に
は、燃料容器内への燃料給液を停止し、燃料排液を行う
機構を設けることが望ましい。この発明の装置によれ
ば、請求項１ないし２の発明の臨界監視方法を容易に実
施することができる。

【００１７】請求項４の発明は、燃料容器の側面に中性
子検出器を配置し、前記燃料容器の近傍で中性子検出器
から所定の間隔をおいて中性子源を配置し、前記燃料容
器の側面で前記中性子検出器及び臨界監視用中性子源挿
入穴と干渉しない範囲に水の給水及び排除を行う前記燃
料容器に対して広い面積を有する反射体容器を配置し、
この反射体容器内に給水して水が存在する場合と，部分
的ないし全面的に排水して水が存在しない場合とを交互
に周期的に変化させて中性子計数率の変化を測定し、そ
の変化幅が一定値を超えた場合に排水し、給水防止する
機構を設けてなることを特徴とする。

【００１８】この発明によれば、燃料容器の側面に中性
子反射体を配置した場合と、反射体を取除いて配置しな
い場合とを、機械的に動作する装置を燃料容器の近傍に
設置する必要がないため、保守性に優れており、かつ臨
界発生異常時には燃料容器体系の未臨界度を深くして臨
界を未然に防止することができる。なお、この発明では
請求項２と４の発明を併用することもでき、これによっ
て安全性をさらに高めることができる。

【００１９】請求項５の発明は、燃料容器の側面に、中
性子検出器、中性子源、中性子検出器校正用中性子源挿
入穴及び臨界監視用中性子源挿入穴を配置し、前記燃料
容器の側面に中性子減速材を配置し、この中性子減速材
中に中性子検出器を配置し、中性子検出器の近傍で燃料
容器の反対側に校正用中性子源挿入穴を配置した中性子
監視部と、この中性子監視部からの信号を処理し臨界発
生異常時に警報を発生する演算警報部と、前記燃料容器
の側面で前記中性子検出器及び臨界監視用中性子源挿入
穴と干渉しない範囲に水を給水及び排除を行う前記燃料
容器に対して広い面積を有する容器を配置した反射体容
器と、この反射体容器に周期的に水を給排水する給排水
装置と、前記演算警報部が臨界発生評価結果として異常
警報を発生した場合に排水を行い給水を防止する給水防
止機構とを有することを特徴とする。

【００２０】この発明を適用するにあたり、既存設備に
改良を加えることができる場合には、燃料給液を停止
し、燃料排液を行う機構を設けることが望ましい。この
発明によれば、上述した請求項４記載の発明と同様の作
用を得ることができる。

【００２１】請求項６の発明は、前記燃料容器側面で前
記中性子検出器との間に前記中性子検出器から少なくと
も10mm離れた位置に熱中性子吸収体を配置してなること
を特徴とする。

【００２２】この発明によれば、例えば燃料の濃度又は
濃縮度が高くなり中性子の実効増倍率が大きくなって中
性子束が増加する現象と、熱中性子吸収効果が増大して
中性子束が減少するという増倍効果が見え難くなる現象
を防止することができる。

【００２３】請求項７の発明は、燃料容器本体の一部に
圧力解放機構を装着するとともに、前記燃料容器本体の
表面又はその近傍に放射線照射量を評価する照射量測定
試料を配置してなることを特徴とする。

【００２４】この発明によれば、燃料容器本体の一部に
圧力解放機構を装着したことにより、臨界が発生した場
合、燃料容器本体内部の圧力が一定値以上に上昇するこ
とが抑制され、圧力による燃料容器本体の破損が免れ、
強い放射能を持った燃料物質の撒き散らしによる汚染が
防止される。

【００２５】また、ステンレス鋼板などの放射線照射量
を評価できる試料を装着することにより、燃料の核分裂
量を評価することができ、環境における被曝量を評価で
きる。放射線量の測定で使用する試料はステンレス鋼板
に限定する必要はなく、公知の多数の核種があるが、容
易に入手できるステンレス鋼板に含まれているニッケ
ル、クロム、鉄などが中性子と反応して生じる放射性核
種を測定するのは極めて便利である。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を説明する前
に、本発明が完成するまでに至る理論的背景を説明す
る。

【００２７】中性子源を含む未臨界の燃料体系に対する
中性子束（φ）は一点炉モデルによると、中性子の実効
増倍率をｋ、比例定数をｂとすれば、［φ＝ｂ／（１−
ｋ）］の形で表現できることは広く知られている。

【００２８】しかし、中性子源を燃料領域の内部又は側
面に配置した場合の中性子束（φ）は一般には［φ＝ｂ
／（１−ｋ）］の形で表現することはできないことを定
量的に確認した。

【００２９】本発明者らはこのような体系に対して旧く
から研究を行っており、極めて単純な実験式：［φ＝ａ
＋ｂ／（１−ｋ）］を見出し、例えば特開昭58−92994
号公報に開示した。また、この式の適用性を定量的に検
討した結果はNuclear Technology vol.97,p.131 (199
2)の“Active Neutron Multiplication Method for Fue
l Lattices in Water”において詳細に記述した。

【００３０】この実験式は単に定数ａを追加しただけの
極めて単純な近似式ではあるが、中性子源により励起さ
れた大きな中性子束の高調波成分が存在するにもかかわ
らず適用できる優れた実験式であることが分かってい
る。

【００３１】本発明ではこの実験式を基礎式として使用
する。中性子源と中性子検出器との相対関係を計算ある
いは測定を介して適切に選定すればａ＝０とすることも
できることが分かっている。ａの値は中性子源の近傍で
は正で比例係数ｂに比べてかなり大きくなり、φに増倍
効果はほとんど含まれないが中性子源から離れるにつれ
て小さくなり、負になることもある。

【００３２】比例係数ｂは常に正とは限らず、例えば燃
料体系の内部で燃料濃縮度が高くなると熱中性子吸収断
面積が増大するため、負になる。燃料領域の側面に反射
体を配置した場合、燃料領域と反射体の境界付近で負か
ら正に転向し、反射体に入って２cm程度以上離れるとお
およそ一定値に落着く性質がある。

【００３３】この現象は、反射体内部において高速中性
子は透過してくるが燃料領域の熱中性子はあまり透過し
てこない（熱中性子の拡散距離が高速中性子のそれより
かなり小さい）ために起こる現象である。なお、中性子
源を配置しない場合、すなわち燃料が自発中性子を放出
している体系ではａ＝０と考えてよい。

【００３４】実効増倍率ｋが時刻とともに変化し、した
がって中性子束φも時間とともに変化している状態を想
定し、時刻ｔ＝ｔ₀における中性子束φ₀（実効増倍率
ｋ₀に対応）と、その時刻から待ち時間Ｔ_w（waiting t
ime）だけ後における中性子束φ₁（実効増倍率ｋ₁）
との比（φ₁／φ₀）から１を差し引いた値を、前記実
験式を用いて表すと、［Δｋ＝ｋ₁−ｋ₀］とすること
により、 φ₁／φ₀−１＝ｂ［Δｋ／（１−ｋ₀）²］／［ａ＋
ｂ／（１−ｋ₀）］なる近似式が得られる。この式は、［φ＝ａ＋ｂ／（１
−ｋ）］の対数微分により求めることもできる。

【００３５】理解を容易にするために、ａ＝０となる条
件を選ぶと、 φ₁／φ₀−１＝［Δｋ／（１−ｋ₀）］となる。すなわち、［φ₁／φ₀−１］は大まかには
［Δｋ／（１−ｋ₀）］となっていることが分かる。

【００３６】基本式［φ₀＝ａ＋ｂ／（１−ｋ₀）］で
はａ＝０で近似した場合、φ₀は［１／（１−ｋ₀）］
の関係で変化するが、［φ₁／φ₀−１］は［Δｋ／
（１−ｋ₀）］の関係で変化し、Δｋが大きいほど変化
が大きく安全性確保における感度が高く、かつ計算で決
定する定数（ａ，ｂ）の誤差を受け難いことが理解でき
る。

【００３７】ｋ₀が変化した場合のφ₀の変化はｋ₀が
小さい場合には小さいが、［φ₁／φ₀−１］の変化は
ｋ₀が小さくてもΔｋが大きければ大きくなるという性
質がある。なお、定数（ａ，ｂ）は検出器と中性子源の
位置により変化するが、燃料容器の高さの影響も受ける
ので、必要に応じて高さをパラメータとする計算も行う
ことになる。

【００３８】外部反射体の変更や燃料容器内部において
中性子吸収体を出し入れするなど、何らかの手段で実効
増倍率ｋを周期的に変化させた場合の中性子束φの変
化、すなわち振幅［Ａ＝φ₁−φ₀］を求めると、次の
近似式が得られる。 φ₁−φ₀＝ｂΔｋ／（１−ｋ₀）² この式は、［φ＝ａ＋ｂ／（１−ｋ）］をｋで微分する
ことにより得られる。

【００３９】この式より、［１／（１−ｋ₀）］が２乗
で変化することから、［φ₁／φ₀−１］の場合より、
ｋ₀が大きい場合、臨界監視における感度が高いことが
分かる。

【００４０】次に、図面を参照しながら本発明に係る燃
料容器体系の臨界監視方法、監視装置及び燃料容器の実
施の形態を具体的な実施例として説明する。（実施例１）図１（ａ），（ｂ）により本発明に係る第
１の実施例を説明する。本実施例は請求項１，２及び３
の発明を実施する構成を基本に説明したもので、図１
（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ横断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ
−Ｂ縦断面図である。

【００４１】図１（ａ），（ｂ）中、符号１は燃料容器
を概略的に示している。この燃料容器１は例えば燃料加
工施設、再処理施設等において、例えば硝酸ウラニル溶
液を貯留する容器だけでなく、硝酸ウラニル溶液が取扱
われる濃縮装置、蒸発装置、抽出装置、蒸留装置、濾過
分離装置等の化学工学の単位操作で使用する装置を含ん
でいる。また、これらの外に硝酸ウラニル溶液が流通す
るカラムや槽、配管等も含んでいる。これらを総称して
燃料容器と呼ぶことにする。

【００４２】燃料容器１を挟んで一方側に中性子減速材
（以下、減速材という）２を配置し、反対側に線源中性
子反射体（以下、線源反射体という）３を配置する。減
速材２としては水素原子密度が高く熱中性子吸収断面積
の小さいもの、代表的な例としてはポリエチレンブロッ
クが好適である。

【００４３】線源反射体３は中性子源から放出された高
速中性子をなるべく効果的に燃料容器１の方へ反射する
ことができ、かつ熱中性子吸収断面積の小さな材料が好
適であり、代表的な例としてはニッケル（Ｎｉ）ブロッ
クが好適である。

【００４４】ブロックの外周部で燃料容器１側を除く部
分には水素を含んだ材料、例えばポリエチレンを３〜５
cm程度の厚さで配置すると、中性子全体の反射効果が向
上する。線源反射体３が配置されているか否かで、燃料
容器１に入射する中性子の量は最大で２倍の変化が限度
であるため、線源反射体３としてはＮｉに限らずステン
レス鋼や鉄などを用いてもよい場合が多い。

【００４５】減速材２の内部で燃料容器１に近い方には
中性子検出器（以下、検出器という）４を設け、遠い方
には校正用中性子源挿入穴（以下、校正線源穴という）
５を設ける。

【００４６】燃料容器１内部の例えば硝酸ウラニル溶液
の濃度（以下、燃料濃度という）が高くなると、実効増
倍率ｋは大きくなるのに燃料、例えば硝酸ウラニル溶液
中のウラン（以下、燃料という）の熱中性子吸収断面積
が大きくなるため、かえって熱中性子束が低下するとい
う現象がある。この影響を避けるため、検出器４の表面
と燃料容器１の表面との距離は少なくとも10mmは離間さ
れている。線源反射体３の内部にはなるべく燃料容器１
に近い位置に臨界監視用中性子源挿入穴（以下、線源穴
という）６が設けられている。

【００４７】なお、図１（ａ），（ｂ）中、符号７はガ
ンマ線検出器で、７ａは高レベル用、７ｂは低レベル用
であり、符号８は照射量測定試料である。また、図１
（ｂ）中、符号９は燃料給液機構、10は圧力解放機構、
11は燃料排液機構で、これらについては後述する。

【００４８】請求項１の発明を実施する場合には、検出
器４を校正するために、校正線源穴５に校正用中性子源
（代表的なものとして、カリフォルニウムＣｆ−252 校
正線源、半減期2.65年）を挿入して、検出器４の校正又
は動作確認を行う。校正作業が終了したのち、校正用中
性子源は図示しない中性子源収納容器（キャスク）に収
納する。この場合には線源反射体３は使用しないが、物
体として存在しても存在しなくても支障はない。

【００４９】Ｃｆ−252 校正線源は強度が法的に規制を
受けない範囲の100 マイクロキュリー（μCi）［＝37キ
ロベクレル（kBq ）］以下で十分利用でき、取扱いが単
純で放射線被曝の問題も簡単な操作で容易に回避でき、
しかも現在広く利用されているため、非常に安価で入手
できる。

【００５０】臨界の監視は請求項１の発明では燃料溶液
自身が放出する自発中性子を利用する。ウラン燃料では
自発中性子放出率は小さいため、検出器４としては感度
の高いものを使用しなければならない。中性子計数率を
大きくするために多数の検出器を使用してもよい。

【００５１】中性子計数率（中性子束と比例するので、
以下中性子束と中性子計数率は同義語とみなす）と実効
増倍率との関係は、［φ₀＝ｂ／（１−ｋ₀）］の形で
表される。また、時刻ｔ＝ｔ₀における中性子束φ
₀（実効増倍率ｋ₀に対応）と、その時刻から待ち時間
Ｔ_wだけ後における中性子束φ₁（実効増倍率ｋ₁に対
応）との比（φ₁／φ₀）から１を差し引いた値は、φ
₁／φ₀−１＝［Δｋ／（１−ｋ₀）］の形で表され
る。

【００５２】［φ₀］及び［φ₁／φ₀−１］の値がそ
れぞれ設定値を超えると警報が発生し、臨界に近付いて
いることが警告される。この警報を基に、燃料容器１へ
の例えば硝酸ウラニル溶液の供給を停止し、燃料容器１
から硝酸ウラニル溶液の排出を行うことができれば、臨
界を未然に防止することになり、臨界安全性の確保は格
段に向上する。臨界発生に至った場合には、照射量測定
試料８が放射化されるので、後日その放射能を測定する
ことによって、燃料容器１内部における核分裂の量を評
価することができる。

【００５３】照射量測定試料８は燃料容器１の表面付近
のみでなく、いろいろな個所に設置することが望まし
い。照射量測定のための核種としては多数あるが、非常
に安価なものとしてステンレス鋼板が便利である。ステ
ンレス鋼には高速中性子を測定するのに好適なＮｉ、熱
中性子を測定するのに好適なＣｒなどが含まれている。
なお、平常時のガンマ線レベルを測定する場合には低レ
ベル用７ｂを用い、臨界発生時のガンマ線レベルを測定
する場合には高レベル用７ａを用いる。

【００５４】請求項２の発明を実施する場合には、検出
器４を校正するために、校正線源穴５に校正用中性子源
を挿入し、検出器４の校正又は動作確認を行い、校正作
業が終了した後、中性子源を線源穴６に挿入して臨界発
生の監視に使用する。中性子源を使用することにより中
性子計数率は適当な値が得られる。

【００５５】中性子計数率ｎ₀（中性子束φ₀と同義）
と実効増倍率との関係は、［φ₀＝ａ＋ｂ／（１−
ｋ₀）］の形で表され、又、時刻ｔ＝ｔ₀における中性
子束φ₀（実効増倍率ｋ₀に対応）と、その時刻から待
ち時間Ｔ_wだけ後における中性子束φ₁（実効増倍率ｋ
₁に対応）との比（φ₁／φ₀）から１を差し引いた値
は、φ₁／φ₀−１＝ｂ［Δｋ／（１−ｋ₀）²］／
［ａ＋ｂ／（１−ｋ₀）］の形で表される。

【００５６】ａ＝０で近似できる場合には、φ₁／φ₀
−１＝［Δｋ／（１−ｋ₀）］の形で表される。
［φ₀］及び［φ₁／φ₀−１］の値がそれぞれ設定値
を超えると警報が発生し、臨界に近付いていることが警
告される。

【００５７】図２は請求項１及び２の発明を実施する演
算，警報の手順を示したブロック図であり、二点鎖線で
囲まれた部分が演算警報部16である。中性子監視部15の
中性子検出器４で得られた中性子計数率は例えば10秒程
度の平均値（又は積分値）として時間経過とともに例え
ばマルチチャンネルスケーリング（ＭＣＳ）により時間
依存中性子計数率ｎ（ｔ）が記録され続ける。

【００５８】そのデータから、時刻（ｔ）における計数
率ｎ₀＝ｎ（ｔ）と時刻（ｔ）から待ち時間（Ｔ_w）だ
け後の計数率ｎ₁＝ｎ（ｔ＋Ｔ_w）を求める。これ以降
は２つのプロセスが独立に展開される。

【００５９】中性子計数率ｎ₀のプロセスでは、中性子
計数率ｎ₀と１／（１−ｋ₀）との相関式を予め計算な
どで求めておき、ｎ₀から１／（１−ｋ₀）、従ってｋ
₀が求まり、実効増倍率ｋの制限値（例えば0.95）から
ｎ₀が制限値を超えているか否かを判定し、制限値を超
えている場合には警報17を発生する。

【００６０】一方、（ｎ₁／ｎ₀−１）のプロセスで
は、（ｎ₁／ｎ₀−１）と［Δｋ／（１−ｋ₀）］との
相関式を予め計算などで求めておき、（ｎ₁／ｎ₀−
１）から［Δｋ／（１−ｋ₀）］が求まる。この値はａ
＝０が近似できる条件では、ｎ₁／ｎ₀−１＝［Δｋ／
（１−ｋ₀）］と表され、ａ＝０で近似できる条件を計
算で求めておきさえすれば、相関式を計算で求めなくて
もよい。［Δｋ／（１−ｋ ₀）］の制限値から（ｎ₁／
ｎ₀−１）が制限値を超えているか否かを判定し、制限
値を超えている場合には警報17を発生する。

【００６１】本実施例の方法および装置は、基本的には
燃料容器１の側面に中性子検出器４と前述のような好都
合な諸特性を有する校正線源を配置し、電気信号をごく
簡単な演算警報部16を介して処理するだけであるから、
(a) 既存設備にほとんど改造を加えることなく、それほ
どコストを必要とすることなく実施できる、(b) 法的手
続や保守，管理が単純である、(c) 測定方法と装置が単
純である、(d) 計測器の構成とその校正作業が単純であ
る、という条件を満足できる。

【００６２】本実施例によれば、臨界監視装置が動作し
ている限り、体系が臨界に近付いているか否かを自動的
に判定することができるので、臨界の発生を未然に防止
できる効果がある。

【００６３】（実施例２）次に本発明の実施例２を図３
により説明する。図３は本発明に係る第２の実施例を示
したものであり、図３（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ横断面
図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ縦断面図である。図３の構
成により、請求項１及び２の発明は当然実施可能である
が、さらに請求項４，５，６及び７の発明を含む構成と
なっている。図３中、図１と共通する部分には同一符号
を付して重複する部分の説明は省略し、異なる部分のみ
説明する。

【００６４】燃料容器１の側面には狭い間隙をおいて、
厚さ３〜５cm程度の反射体容器12が燃料容器１を挟むよ
うに対向して配置されている。この反射体容器12内には
定常時には周期的に水を給水したり排水したりすること
ができる反射体給水排水機構（以下、給排水装置と記
す）19を設けており、臨界に近付いて警報が発生した場
合には給水はできず、排水のみできる給水防止機構18を
設けている。

【００６５】また、減速材２は少なくとも燃料容器１に
面する側に熱中性吸収体13が配置されている。全面取り
囲んでもよいが、燃料容器１と反対側は必ずしも取り囲
む必要はない。中性子検出器４は熱中性子吸収体13から
10mm以上離間して配置されている。燃料の熱中性子吸収
特性は熱中性子吸収体13が配置されているため、中性子
検出器４には影響しないので、検出器４は中性子の増倍
効果のみ検出することができる。

【００６６】しかしながら、熱中性子吸収体13による熱
中性子束の低下が生じる熱中性子吸収体13の近傍では不
利なため、中性子検出器４は熱中性子吸収体13から10mm
以上離間して配置されているものである。照射量測定試
料８はこの例では反射体容器12の側面に取付けられてい
る。

【００６７】図３で最も特徴的なものは、反射体容器12
内に、定常の臨界監視時には、周期的に水を給水したり
排水したりすることができる点にある。この操作により
実効増倍率ｋの値を周期的に変化させることができる。
実効増倍率の変化幅（Δｋ）に対する中性子束（中性子
計数率）の変化幅（振幅）は近似的に［Δｎ＝φ₁−φ
₀＝ｂΔｋ／（１−ｋ₀）²］となる。

【００６８】図４は図３の場合を実施する演算，警報の
手順を示したブロック図であり、二点鎖線で囲まれた部
分が演算警報部16である。中性子監視部15の中性子検出
器４で得られた中性子計数率は、例えば10秒程度の平均
値（又は積分値）として時間経過とともにマルチチャン
ネルスケーリング（ＭＣＳ）により時間依存中性子計数
率ｎ（ｔ）が記録され続ける。

【００６９】そのデータから、時刻（ｔ）付近における
計数率の最小値ｎ₀＝ｎ_minと最大値ｎ₁＝ｎ_maxを求
める。両者から振幅（Δｎ＝ｎ₁−ｎ₀）が求められ、
振幅と［Δｋ／（１−ｋ₀）²］との相関式を予め計算
などで求めておき、振幅から［Δｋ／（１−ｋ₀）²］
が求まり、［Δｋ／（１−ｋ₀）²］の制限値から振幅
が制限値を超えているか否かを判定し、制限値を超えて
いる場合には警報を発生する。この方法は図２における
２つの判定プロセスのいずれか一方または両方と併用す
ることができる。

【００７０】本発明の第２の実施例によれば、第１の実
施例の効果に加えて、燃料容器１の本体の側面に反射体
容器12を配置し、この反射体容器12内の水位を変えて燃
料容器１の実効増倍率ｋを変動させることができ、臨界
のより高い信頼度が確保できる。

【００７１】また、図５に示したように中性子監視部15
からの信号が伝達された演算警報部16により警報17が発
生した場合に、反射体容器12内の水を排除し、給水防止
機構18により給水を停止して給水できなくなるので、臨
界発生防止に大きく寄与できる。

【００７２】さらに、臨界が発生した場合、核分裂の量
を評価できるとともに、強い放射能を帯びた燃料物質類
を撒き散らさない構成となっており、広範囲にわたって
優れた特性を有している。なお、第１の実施例と第２の
実施例は独立に実施してもよく、併用することもでき
る。

【００７３】図５は図３及び図４で説明したことを簡単
なブロック図で示したものであり、中性子監視部15で得
られた中性子信号は演算警報部16で処理され、必要な場
合、警報17を発するとともに給水防止機構18を通じて給
排水装置19を制御し、反射体容器12内の水を排出させる
ことを示している。

【００７４】

【発明の効果】請求項１から３の発明によれば、基本的
には燃料容器の側面に中性子検出器と諸特性を有する校
正線源を配置し、電気信号を演算警報部を介して処理す
るだけであるから、既存施設にほとんど改造を加えるこ
となく、また、コストを要することなく実施でき、保
守，管理、測定方法と装置及び計測器の構成ならびにそ
の校正作業を単純化できる。

【００７５】請求項４から６の発明によれば、前記発明
の効果に加えて、燃料容器の側面に反射体容器を配置
し、この反射体容器内の水位を変えて燃料容器の実効増
倍率ｋを変動させることができ、臨界のさらなる監視が
できるので、より高い信頼度が確保できる。

【００７６】また、臨界の警報が発生した場合に反射体
容器内の水を除去し、給水を速やかに停止することがで
きるので、臨界発生防止に大きく寄与できる。

【００７７】請求項７の発明によれば、臨界が発生した
場合には核分裂の量を評価できるとともに、強い放射能
を帯びた燃料物質類を撒き散らすことを厳に防止するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態を説明するため
の図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ横断面図、（ｂ）は
（ａ）のＢ−Ｂ縦断面図。

【図２】第１の実施の形態を実施する演算，警報の手順
を示すブロック図。

【図３】本発明に係る第２の実施の形態を説明するため
の図で、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ横断面図、（ｂ）は
（ａ）のＢ−Ｂ縦断面図。

【図４】第２の実施の形態を実施する演算，警報の手順
を示すブロック図。

【図５】第２の実施の形態における装置類とそれらの相
関を示すブロック図。

【符号の説明】

１…燃料容器、２…中性子減速材（減速材）、３…線源
中性子反射体（線源反射体）、４…中性子検出器（検出
器）、５…校正用中性子源挿入穴（校正線源穴）、６…
臨界監視用中性子源挿入穴（線源穴）、７…ガンマ線検
出器、７ａ…高レベル用、７ｂ…低レベル用、８…照射
量測定試料、９…燃料給液機構、10…圧力解放機構、11
…燃料排液機構、12…反射体容器、13…熱中性子吸収
体、14…反射体給排水機構、15…中性子監視部、16…演
算警報部、17…警報、18…給水防止機構、19…給排水装
置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G001 AA04 AA11 AA13 BA01 BA11 CA02 CA04 DA02 FA02 FA06 HA01 JA14 KA02 LA08 MA02 SA03 SA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料容器の側面又は内部に中性子検出器
を配置し、中性子計数率ｎ₀と実効増倍率ｋ₀との関係
を求めるとともに、前記中性子計数率ｎ₀に対する一定
時間経過後の中性子計数率ｎ₁の比（ｎ₁／ｎ₀）の実
効増倍率ｋ₀依存性を予め求めておき、前記中性子計数
率ｎ₀が一定値を超えた場合、又は前記中性子計数率ｎ
₁の比が１より大きい一定値を超えた場合の少なくとも
いずれか一方が生じた時に、警報を発生することを特徴
とする燃料容器体系の臨界監視方法。
【請求項２】燃料容器の側面に中性子検出器を配置
し、燃料容器の内部又は外周部で中性子検出器から所定
の間隔をおいて中性子源を配置し、中性子計数率ｎ₀と
実効増倍率ｋ₀との関係を求めるとともに、前記中性子
計数率ｎ₀に対する一定時間経過後の中性子計数率ｎ₁
の比（ｎ₁／ｎ₀）の実効増倍率ｋ₀依存性を予め求め
ておき、前記中性子計数率ｎ₀が一定値を超えた場合、
又は前記中性子計数率ｎ₁の比が１より大きい一定値を
超えた場合の少なくともいずれか一方が生じた時に、警
報を発生することを特徴とする燃料容器体系の臨界監視
方法。
【請求項３】燃料容器の側面に、中性子検出器、中性
子源、中性子検出器校正用中性子源挿入穴、臨界監視用
中性子源挿入穴および中性子減速材を配置し、前記中性
子減速材中に中性子検出器を配置し、前記中性子検出器
の近傍で前記燃料容器と反対側に校正用中性子源挿入穴
を配置した中性子監視部と、この中性子監視部からの信
号を処理し異常時に警報を発生する演算警報部とを有
し、前記中性子検出器の校正に際しては前記中性子源を
前記校正用中性子源挿入穴に配置して前記中性子検出器
の正常動作を確認し、臨界監視期間中は前記中性子源を
取外すか、又は前記燃料容器の側面で前記中性子検出器
から所定の距離に離間して前記燃料容器に中性子が供給
されるような位置に臨界監視用中性子源挿入穴を配置し
てなることを特徴とする燃料容器体系の臨界監視装置。
【請求項４】燃料容器の側面に中性子検出器を配置
し、前記燃料容器の近傍で中性子検出器から所定の間隔
をおいて中性子源を配置し、前記燃料容器の側面で前記
中性子検出器及び臨界監視用中性子源挿入穴と干渉しな
い範囲に水の給水及び排除を行う前記燃料容器に対して
広い面積を有する反射体容器を配置し、この反射体容器
内に給水して水が存在する場合と，部分的ないし全面的
に排水して水が存在しない場合とを交互に周期的に変化
させて中性子計数率の変化を測定し、その変化幅が一定
値を超えた場合に排水し、給水防止する機構を設けてな
ることを特徴とする燃料容器体系の臨界監視装置。
【請求項５】燃料容器の側面に、中性子検出器、中性
子源、中性子検出器校正用中性子源挿入穴及び臨界監視
用中性子源挿入穴を配置し、前記燃料容器の側面に中性
子減速材を配置し、この中性子減速材中に中性子検出器
を配置し、中性子検出器の近傍で燃料容器の反対側に校
正用中性子源挿入穴を配置した中性子監視部と、この中
性子監視部からの信号を処理し臨界発生異常時に警報を
発生する演算警報部と、前記燃料容器の側面で前記中性
子検出器及び臨界監視用中性子源挿入穴と干渉しない範
囲に水を給水及び排除を行う前記燃料容器に対して広い
面積を有する容器を配置した反射体容器と、この反射体
容器に周期的に水を給排水する給排水装置と、前記演算
警報部が臨界発生評価結果として異常警報を発生した場
合に排水を行い給水を防止する給水防止機構とを有する
ことを特徴とする燃料容器体系の臨界監視装置。
【請求項６】前記燃料容器側面で前記中性子検出器と
の間に前記中性子検出器から少なくとも10mm離れた位置
に熱中性子吸収体を配置してなることを特徴とする請求
項３ないし５記載の燃料容器体系の臨界監視装置。
【請求項７】燃料容器本体の一部に圧力解放機構を装
着するとともに、前記燃料容器本体の表面又はその近傍
に放射線照射量を評価する照射量測定試料を配置してな
ることを特徴とする燃料容器。