JP2006046996A - 多目的放射線環境モニタ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 一つのセンサ部で中性子フルエンス、ガンマ線線量及び温度の３種類の測定が可能であり、小型で長寿命の多目的放射線環境モニタ素子の提供。
【解決手段】 ＯＨ基添加シリカ、Ｆ添加シリカ又はＨ添加シリカからなる群から選択される１種又は２種以上を備えた光ファイバ構造を有するセンサ部２と、該センサ部に接続された導光用Ｆドープ石英光ファイバ３とを備え、中性子フルエンスとガンマ線線量と温度とからなる群から選択される１種または２種以上が測定可能であることを特徴とする多目的放射線環境モニタ素子１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電用原子炉炉心のような高い放射線密度環境下で中性子フルエンス、ガンマ線線量、温度とからなる群から選択される１種または２種以上の測定項目が測定可能な多目的放射線環境モニタ素子に関する。

従来、放射線測定機器としては線量計等のセンサが知られている。また中性子の測定にガラスを用いるものとしては、例えば、速中性子の測定と中速中性子の熱化とに用いられる液体シンチレータと、同液体シンチレータにより熱化された中速中性子を測定するためのガラスシンチレータとを備え、このガラスシンチレータが液体シンチレータの容器を兼ねていることを特徴とする放射線検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また放射線照射環境下で使用するために、Ｆ、Ｈ又はＯＨ基を添加した石英光ファイバにおける耐放射線性に関する研究がなされている（例えば、非特許文献１，２参照。）。
ただし、これらの非特許文献１，２に記載された研究は、Ｆ、Ｈ又はＯＨ基を添加した光ファイバの耐放射線性にのみ着目したものであって、これらの光ファイバによって中性子フルエンス、ガンマ線線量または温度などの各項目を測定することは全く考慮されていない。
特開２００１−２５５３７８号公報 Fusion Engineering and Design 51-52(2000) 179-183 Journal of Nuclear Materials 225(1995) 324-327 SPIE 5199(2003) 132-139, (SPIE, Bellingham, WA, 2003) SPIE- The International Society for Optical Engineering, P.O.Box 10, Bellingham, Washington 98227-0010 USA T.Kakutaら、"DEMONSTRATION OF OPTICAL IN-CORE MONITORING SYSTEM FOR ADVANCED NUCLEAR POWER REACTORS"，NEA/NSC Workshop on Core Monitoring for Commercial Reactors Improvements in Systems and Methods(CoMoCoRe'99)，October 4-5 1999,Stockholm, Sweden 角田ら、"光ファイバを用いた原子炉計測技術"、２００２電気学会全国大会シンポジウム、7-S10-7、工学院大学、2002-3-26

従来の放射線測定機器は、発電用原子炉炉心のような高い放射線密度環境下での放射線測定に使用できるものは少なく、特に次の（ア）〜（ウ）に記した理由から原子炉運転中に使用できるものは提供されていない。
（ア）現在は、原子炉炉心でガンマ線束を測定することは困難である。運転中の原子炉炉心は放射線強度が強すぎて、普通のカウンタでは飽和してしまうか、センサが直ぐに故障してしまう。
（イ）自己出力型の検出器は照射誘起起電力などのノイズの影響を受けると共に、経時変化が大きくて長時間使用に耐えない。
（ウ）中性子測定では安定して測定できるものはなく、また、最小のものでも直径は１０〜２０ｍｍ程度必要であり、且つ外部から電力を供給する必要がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、一つのセンサ部で中性子フルエンス、ガンマ線線量及び温度の３種類の測定が可能であり、小型で長寿命の多目的放射線環境モニタ素子の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、ＯＨ基添加シリカ、Ｆ添加シリカ又はＨ添加シリカからなる群から選択される１種又は２種以上を備えた光ファイバ構造を有するセンサ部と、該センサ部に接続された導光用Ｆドープ石英光ファイバとを備え、中性子フルエンスとガンマ線線量と温度とからなる群から選択される１種または２種以上が測定可能であることを特徴とする多目的放射線環境モニタ素子を提供する。
本発明の多目的放射線環境モニタ素子において、センサ部は、Ｆ添加シリカからなるコアを有するＦ添加光ファイバの先端にＯＨ添加シリカ片を取り付けて構成され、中性子フルエンスとガンマ線線量と温度とを測定可能である構成とするのが好ましい。
このＦ添加光ファイバ又はＦ添加光ファイバと導光用Ｆドープ石英光ファイバは、Ｆドープ量１０〜４００００ｐｐｍのＦ添加シリカからなるコアを有することが好ましい。
本発明の多目的放射線環境モニタ素子において、センサ部としてＯＨ基含有量が１００ｐｐｍ以上のＯＨ基含有シリカからなるコアを有するＯＨ添加光ファイバを用い、中性子フルエンスとガンマ線線量と温度とが測定可能である構成としてもよい。
本発明の多目的放射線環境モニタ素子において、センサ部として、Ｆ添加量が１００〜２００００ｐｐｍのＦ添加シリカからなるコアを有するＦ添加光ファイバを用い、中性子フルエンスが測定可能である構成としてもよい。
本発明の多目的放射線環境モニタ素子において、センサ部として、ＯＨ基を含まず、Ｈ添加量が１×１０^１６〜１×１０^２０分子／ｃｍ^３のＨ添加シリカからなるコアを有するＨ添加光ファイバを用い、中性子フルエンスが測定可能である構成としてもよい。

本発明によれば、一つのセンサ部で中性子フルエンス、ガンマ線線量及び温度の３種類の測定が可能であり、小型で長寿命の多目的放射線環境モニタ素子を提供することができる。
またセンサ部以外は可撓性のファイババンドルで光信号を伝送できるので、空間的に限られた所への応用、例えば発電用原子炉用燃料チャンネル毎の出力測定等のためのモニタリング用素子を実現することができる。

図１は本発明に係る多目的放射線環境モニタ素子の第１の実施形態を示す図であって、この多目的放射線環境モニタ素子１は、センサ部２と、該センサ部２に接続された導光用Ｆドープ石英光ファイバ３と、センサ部２を収容しているステンレス鋼などの金属からなる鞘管４とからなっている。センサ部２の外面は、図示していないが薄い炭素被覆を設けることが好ましい。

図２は図１の多目的放射線環境モニタ素子１に用いられるセンサ部２の第１の例を示す図である。本例においてセンサ部２は、外径０．５〜３ｍｍ程度、好ましくは２ｍｍ程度、長さ０．１〜２ｍ程度、好ましくは１ｍ程度の太径のＦ添加光ファイバ５の先端に、外径１〜１０ｍｍ程度、好ましくは５ｍｍ程度のＯＨ添加シリカ片６を取り付けた構造になっている。このＦ添加光ファイバ５は、Ｆ添加シリカからなるコアとそれを囲むクラッド７とその外周の被覆８とからなっている。このＦ添加光ファイバ５の後端には、多数本の導光用Ｆドープ石英光ファイバ３を束ねた収束端部が接続されており、センサ部２で生じた発光はこれらの導光用Ｆドープ石英光ファイバ３を通して外部に伝送可能に構成されている。導光用Ｆドープ石英光ファイバ３は細径の多数のファイバを束ねてなり、このファイババンドルは可撓性を有している。

Ｆ添加光ファイバ５のＦ（フッ素）添加量は１０〜４００００ｐｐｍの範囲が好ましく、Ｆ添加量がこの範囲であれば優れた耐放射線特性が得られる。特にＦ添加量を５０００〜２００００ｐｐｍの範囲とすることで顕著な放射線耐性が得られる。具体的には５×１０^１９ｎ／ｃｍ^２（発電原子炉の炉心付近で半年程度の中性子フルエンスに相当する）まで、可視領域でも照射による光伝送損失は２０〜３０ｄＢ／ｍ程度に抑えることができる。Ｆ添加光ファイバの耐放射線特性については、非特許文献１（Fusion Engineering and Design 51-52(2000) 179-183）中にも記載されており、その表（Table 1）中に例示されたＦ添加光ファイバ（Ｆ−１〜Ｆ−４）の放射線照射後の光伝送損失が２０〜３０ｄＢ／ｍ程度になることが示されている（Fig.3参照）。

図３は、Ｆ添加量の異なる各Ｆ添加光ファイバの耐放射線性を比較するグラフである。図３中、Ｆ−１はＦ添加量が２０００ｐｐｍのＦ添加光ファイバ、Ｆ−２はＦを添加していない光ファイバ（Ｆ添加なし）、Ｆ−３はＦ添加量が２５００ｐｐｍのＦ添加光ファイバ、Ｆ−４はＦ添加量が８０００ｐｐｍのＦ添加光ファイバである。図３に示すように、Ｆを２０００ｐｐｍ以上含むＦ添加光ファイバは、Ｆを添加していない光ファイバに比べて耐放射線特性に優れており、特にＦ添加量が８０００ｐｐｍのＦ添加光ファイバ（Ｆ−４）は特に耐放射線抑制に優れている。

またＦ添加光ファイバ５において、８００ｎｍ以上の赤外領域では、照射による光伝送損失は無視できる程度である。図４は、コアへのＦ添加量が１２０００ｐｐｍのＦ添加光ファイバ（Ｕｎｄｏｐｅｄ １）と、コアへのＦ添加量が６０００ｐｐｍのＦ添加光ファイバ（Ｕｎｄｏｐｅｄ ２）を１×１０^１３ｎ／ｃｍ^２程度の中性子フルエンス、１ｋＧｙ／ｓのガンマ線線量率で１０００時間程度照射した（照射温度は２００℃程度）後、波長８５０ｎｍの光の光伝送損失を測定した結果を示す。この図４に示す通り、放射線照射後であっても、波長８５０ｎｍでの光吸収は殆ど増大しない。よってこのＦ添加光ファイバ５を導光に使用することにより、炉心付近までセンサ部２を導入することができる。

センサ部２に用いたＯＨ添加シリカ片６は、強い熱発光を１０００ｎｍ以上で生じる特徴がある。図５及び６は、ＯＨ添加シリカの熱発光特性の一例を示すグラフであり、図５はＯＨ添加シリカの（測定温度８００℃）発光強度と波長の関係を示すグラフ、図６はＯＨ添加シリカ、Ｐファイバ（ＯＨ基含量が非常に少ないピュアシリカコアファイバ）及びサファイアの発光強度と温度の逆数との関係を示すグラフである。図６に示す通り、ＯＨ添加シリカは強い熱発光を有している。ＯＨ添加シリカ片６を用いることで、高温雰囲気下、その熱発光強度の測定から雰囲気温度を測定し得る。測定可能温度領域は２５０〜９００℃である。

またＯＨ添加シリカは、４５０ｎｍ付近に高速中性子により誘導される発光を持つが、ＯＨ添加シリカでは、この４５０ｎｍ付近の発光の成長が穏やかで、中性子フルエンスにほぼ比例して成長する。このため、この発光をモニタすることにより高速中性子フルエンスの評価が可能である。
例えば、非特許文献３中のFigure 3には、１．５ＭｅＶのプロトン照射中、異なるＯＨ濃度を持つ３種類のシリカの発光強度の比較が示されている。この図においてＯＨ添加シリカの発光ピーク強度は、プロトンによるはじき出し損傷に対応して増大している。このプロトン照射の場合と同様に、高速中性子フルエンスの場合にも、はじき出し損傷量に比例してＯＨ添加シリカの発光ピーク強度は増大する。ＯＨ添加シリカではこの発光強度の増加がゆるやかで、ほぼはじき出し損傷量、つまり中性子フルエンスに比例する。
放射線照射下、セラミックスが発光するのは、基本的には放射線の持っている電子励起効果によるものである。これは放射線の強度を一定にしておけば一定のはずである。放射線を当てていくと、通常発光強度は弱くなる。これは発光原因である欠陥の濃度が減少していくためである。例えば、ルビーの発光では、照射と共にクロムが偏析するために発光しなくなると考えられる。照射と共に発光が増大するとすれば、それは発光原因の欠陥濃度が増大する場合である。シリカにおける４５０ｎｍの発光の増大はこれに当たる。４５０ｎｍの発光は、厳密には原因が特定されていないが、酸素欠陥によると推定されている。その欠陥は電子励起効果ではあまり大きく増えることはないが、はじき出し効果では濃度が増加する。これが、例えばＸ線照射ではこのピークがあまり増えないのに対してプロトン照射では増加する理由である。非特許文献３中のFigure 3の横軸はイオンフルエンスであるが、大雑把にこれをはじき出し損傷量と考えても良いことになり、これは換算して高速中性子のフルエンスに置き換えることが可能である。概略で、イオン照射量１０^１６イオン／ｃｍ^２が高速中性子フルエンス１０^１９／ｃｍ^２に対応するので、非特許文献３中のFigure 3の横軸の目盛りを×１０^３倍すれば、そのまま高速中性子フルエンスに置き換えることができる。

また、多くの照射誘起発光ピークは２００℃程度より高温で発光強度が著しく減少する（サーマルクエンチ現象）が、ここで見出された４５０ｎｍでの発光は、低温で見られるほぼ同じ波長に現れるピークと異なり、高温でサーマルクエンチしない特徴がある。このため幅広い温度領域での測定が可能である。図７は前記サーマルクエンチの一例として、サファイアの４２０ｎｍの発光強度の温度依存性を示す。
図７に示す通り、１００℃過ぎからピーク強度が減少しだし、３００℃以上では殆ど光らなくなる。
図８において、原子炉出力の増大とともに温度は上昇し、５０ＭＷではほぼ８００℃になっている。従って、ここで見出された４５０ｎｍの発光は、低温で見られるほぼ同じ波長に現れるピークと異なり、高温でサーマルクエンチしないことがわかる。この実験の時の原子炉立ち上げ時の温度履歴を図８に示す。

センサ部２の先端に取り付けたＯＨ添加シリカ片６は、４００〜１７００ｎｍの範囲でチェレンコフ発光する。また、１２７０ｎｍに発光ピークを持つ。これは、非特許文献２（Journal of Nuclear Materials 225(1995) 324-327）にも記載されており、そのFig.1には、４５０ｎｍの発光ピークとチェレンコフ発光の幅広いスペクトル、そして１２７０ｎｍの発光が認められる。それぞれの発光の原子炉出力依存性がFig.2に示されているが、この例示では照射温度が低いので、４５０ｎｍの発光は図６におけるデータと性質が異なり、例えばピーク半値幅が狭い特徴がある。

これらの発光強度はガンマ線強度に比例しており、幅広い波長領域での発光強度をモニタすることにより、照射励起光吸収に影響されず、正確にガンマ線強度を測定することが可能である。例えば、非特許文献２のFig.2で発光強度が原子炉出力に比例しているのは、ガンマ線強度に比例しているとして解釈される。

また、これらの発光強度は温度依存性が極めて小さく、幅広い温度領域で測定が可能である。ただし、非特許文献２のFig.1において、波長６００〜６５０ｎｍにＮＢＯＨＣ（Non-Bridging-Oxygen-Hole-Center）による吸収が発達するが、そこから離れた波長で発光強度を測定すれば、ガンマ線強度に比例したデータが得られる。

この多目的放射線環境モニタ素子１は、センサ部２において生じた発光（熱発光、ガンマ線照射により生じるチェレンコフ発光、高速中性子照射により生じる発光）をセンサ部２のＦ添加光ファイバ５及び導光用Ｆドープ石英光ファイバ３を通して原子炉外部の検出器に導き、これらの発光強度を測定することにより、１つのセンサ部２によりガンマ線線量、温度及び中性子フルエンスをモニタし得る。この多目的放射線環境モニタ素子１による前記各測定項目の測定可能範囲を次に例示する。

１．０．１Ｇｙ／ｓ〜１０ｋＧｙ／ｓの範囲の幅広いガンマ線線量率が測定できる。この時、センサ部２の温度依存性が無く、室温から９００℃程度の幅広い温度領域で測定が可能である。例えば、非特許文献４（T.Kakutaら、“DEMONSTRATION OF OPTICAL IN-CORE MONITORING SYSTEM FOR ADVANCED NUCLEAR POWER REACTORS“，NEA/NSC Workshop on Core Monitoring for Commercial Reactors Improvements in Systems and Methods(CoMoCoRe'99)，October 4-5 1999,Stockholm, Sweden）のFig.2、非特許文献５（角田ら、“光ファイバを用いた原子炉計測技術”、２００２電気学会全国大会シンポジウム、7-S10-7、工学院大学、2002-3-26）参照。

２．熱発光測定で温度の測定が可能である。測定可能温度領域は２５０〜９００℃程度である（図６参照）。

３．４５０ｎｍ付近の発光ピークの強度変化から高速中性子フルエンスの測定が可能である。最大フルエンスとしては１×１０^２０ｎ／ｃｍ^２程度であり、下限は１０^１７ｎ／ｃｍ^２程度である。

この多目的放射線環境モニタ素子１は、一つのセンサ部２で中性子フルエンス、ガンマ線線量及び温度の３種類の測定が可能であり、小型で長寿命なものとなる。
またこの多目的放射線環境モニタ素子１は、センサ部２以外は可撓性の導光用Ｆドープ石英光ファイバ３で光信号を伝送できるので、空間的に限られた所への応用、例えば発電用原子炉用燃料チャンネル毎の出力測定等のためのモニタリング用素子を実現することができる。

（他の実施形態）
本発明の多目的放射線環境モニタ素子１は、図１に示す基本構成を有しながら、センサ部として図２に示す前記センサ部２以外の光ファイバを用いて構成することができる。
センサ部の第２の例では、センサ部としてＯＨ基含有量が１００ｐｐｍ以上、好ましくは５００ｐｐｍ以上のコアを有する石英ガラスファイバを用いる。前述した通り、ＯＨ基含有シリカ（ＯＨ基含有シリカ片６）は、中性子フルエンスとガンマ線線量と温度とが測定可能である。ＯＨ基含有シリカをコアとして備える第２の例のセンサ部は、コアで生じた発光（熱発光、高速中性子による発光又はチェレンコフ発光）を導光用Ｆドープ石英光ファイバ３を通して原子炉外に設置した検出器に導き、測定を行うことで中性子フルエンス、ガンマ線線量及び温度の３種類の測定が可能である。

センサ部の第３の例では、Ｆ添加量が１００〜２００００ｐｐｍのコアを有するＦ添加光ファイバを用いる。このＦ添加光ファイバを用いたセンサ部は、１×１０^１０〜１×１０^１５ｎ／ｃｍ^２の範囲の中性子フルエンスの測定が可能である。

センサ部の第４の例では、ＯＨ基を含まず、かつＨ（水素）を１×１０^１６〜１×１０^２０分子／ｃｍ^３の範囲で添加したコアを有する光ファイバを用いる。このＨ添加光ファイバを用いたセンサ部に導入された光のＯＨ吸収強度を測定することにより、中性子フルエンス、ガンマ線積算線量の測定が可能である。
図９は、センサ部としてＨを１×１０^１８分子／ｃｍ^３の添加したコアを有するＨ添加光ファイバを用い、各種の中性子フルエンス下で測定されるＯＨ吸収ピークの増加を示すグラフである。ＯＨ吸収ピークの成長速度は温度に依存するため、この測定は発電用原子炉のように一定の温度で運転が行われるシステムでのみ適用可能である。測定可能な中性子フルエンスは１×１０^１７〜１×１０^２１ｎ／ｃｍ^２である。

本発明の多目的放射線環境モニタ素子の一実施形態を示す構成図である。 同じ多目的放射線環境モニタ素子のセンサ部の一例を示す構成図である。 Ｆ添加光ファイバの耐放射線特性を比較したグラフである。 ８５０ｎｍにおけるファイバへの放射線の照射時間と光伝送損失との関係を示すグラフである。 ＯＨ添加シリカの熱発光の波長スペクトルを示すグラフである。 ＯＨ添加シリカ等の材料の温度と発光強度との関係を示すグラフである。 サファイアの発光ピーク強度と温度との関係を示すグラフである。 照射時間と温度と原子炉出力との関係を示すグラフである。 各種中性子フルエンス下で測定されるＨ添加光ファイバのＯＨ吸収ピークの増加を示すグラフである。

符号の説明

１…多目的放射線環境モニタ素子、２…センサ部、３…導光用Ｆドープ石英光ファイバ、４…鞘管、５…Ｆ添加光ファイバ、６…ＯＨ添加シリカ片、７…クラッド、８…被覆。

Claims (6)

1. ＯＨ基添加シリカ、Ｆ添加シリカ又はＨ添加シリカからなる群から選択される１種又は２種以上を備えた光ファイバ構造を有するセンサ部と、該センサ部に接続された導光用Ｆドープ石英光ファイバとを備え、中性子フルエンスとガンマ線線量と温度とからなる群から選択される１種または２種以上が測定可能であることを特徴とする多目的放射線環境モニタ素子。
2. センサ部が、Ｆ添加シリカからなるコアを有するＦ添加光ファイバの先端にＯＨ添加シリカ片を取り付けて構成され、中性子フルエンスとガンマ線線量と温度とが測定可能である請求項１に記載の多目的放射線環境モニタ素子。
3. Ｆ添加光ファイバ又はＦ添加光ファイバと導光用Ｆドープ石英光ファイバが、Ｆドープ量１０〜４００００ｐｐｍのＦ添加シリカからなるコアを有している請求項１又は２に記載の多目的放射線環境モニタ素子。
4. センサ部としてＯＨ基含有量が１００ｐｐｍ以上のＯＨ基含有シリカからなるコアを有するＯＨ添加光ファイバを用い、中性子フルエンスとガンマ線線量と温度とが測定可能である請求項１に記載の多目的放射線環境モニタ素子。
5. センサ部として、Ｆ添加量が１００〜２００００ｐｐｍのＦ添加シリカからなるコアを有するＦ添加光ファイバを用い、中性子フルエンスが測定可能である請求項１に記載の多目的放射線環境モニタ素子。
6. センサ部として、ＯＨ基を含まず、Ｈ添加量が１×１０^１６〜１×１０^２０分子／ｃｍ^３のＨ添加シリカからなるコアを有するＨ添加光ファイバを用い、中性子フルエンスが測定可能である請求項１に記載の多目的放射線環境モニタ素子。
   

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