JP2007218663A

JP2007218663A - 放射性廃棄物中の核分裂性物質の存在位置を探査する装置及び方法

Info

Publication number: JP2007218663A
Application number: JP2006037776A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Haruyama; 満夫春山
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2006-02-15
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】
放射性廃棄物中に局部的に集中、或いは塊状になって存在する核分裂性物質の位置を探査する方法および装置。
【解決手段】
高速中性子発生管と高速中性子検出器の配置されている放射性廃棄物測定装置において、測定対象の廃棄物ドラム缶の表面に核分裂物質標準試料を取り付て測定を行い、最大測定値と、その最大測定値の角度点(0度方向)と正反対方向(180度)で測定した最小測定値とのデータより位置決定直線を決め、実廃棄物ドラム缶を回転させながら一定角度毎に測定し、最大の測定値を示す角度点を探し出し、次に、その最大値の角度点とその正反対側の角度方向に回転させ、その位置で測定し、存在位置を決定するために必要な２点の測定データを取得し、それらから導き出した数値と前記位置決定直線とにより核分裂性物質塊の位置を決定する。
【選択図】図７

Description

本発明は、ウランやプルトニウム等の核分裂性物質を含む放射性廃棄物の測定に関する分野で、核分裂性物質を含む廃棄物の中に存在する塊状核分裂性物質の存在位置を探査決定する方法である。

プルトニウムやウラン等の核分裂性物質を含有する廃棄物を処分するにあたり、非破壊的方法によって平均放射能濃度を確定することが必要とされた。その為には、廃棄物ドラム缶内の核分裂性物質の含有量を精度良く高感度で測定する方法が必要とされ、この測定法については既に確立されている。一方、核分裂性物質を含有する廃棄物ドラム缶によっては塊状の核分裂性物質が存在する場合や核分裂性物質が集中する場合いなど、局所的に平均濃度を大幅に上回る部位が存在する可能性があることが問題となっている。

本発明はこのような問題を解決するもので、核分裂性物質を含む廃棄物中に塊状或いは局所的な核分裂性物質の集中する部位が存在するかどうかを判定し、存在する場合にはその位置が何処であるかを探査する装置及び方法に関するものである。

ウラン取り扱い施設や核燃料再処理施設などの原子力施設から発生する放射性廃棄物を精度良く測定する方法として、高速中性子を用いるアクティブ中性子法が知られている（特許文献１、非特許文献１及び非特許文献２）が、この方法は廃棄物ドラム缶一体の核分裂物質の総含有量を測定する方法なので、塊状の核分裂物質が存在していたとしても、その存在位置を知ることはできない。

一般に、放射性廃棄物の放射能集中度を調べる方法として、放射性物質から放出されるガンマ線をスキャニング測定する方法は知られているが、核分裂性物質から放出されるガンマ線は非常にエネルギーが低く、混在する廃棄物マトリックスから大きな遮蔽をうけるため、この測定法は核分裂性物質を含む廃棄物に適用するのには無理がある。クリアランスレベルの極低レベル廃棄物に対しては、更に困難になる。
本発明はアクティブ中性子法を基本とした位置探査法及び測定装置に関するもので、今までに同様の報告は知らされていない。
特開２００３−９０８８３号公報春山満夫他、日本原子力学会誌、Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．４，ｐｐ．３９７（２００１）春山満夫他、日本原子力学会和文論文誌、Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．２，（２００４）

本発明は、局部的に集中、或いは塊状になって存在する核分裂性物質の位置を探査する方法および装置に関するものである。

本発明は、核分裂性物質を含有する放射性廃棄物ドラム缶を取り囲み、高速中性子のエネルギーを落とさず効率よく反射させる反射体、反射体を取り囲み外部への放射線を遮蔽する遮蔽体、放射性廃棄物ドラム缶を保持し回転させる回転台、反射体内の放射性廃棄物ドラム缶にパルス状の高速中性子を照射する中性子発生管、及び検出体系内の高速中性子を感度良く検知する中性子検出器によって構成され、反射体内に設置する高速中性子発生管と高速中性子検出器は指向性を持たせるために同じ側面に配置することを特長とした放射性廃棄物測定装置である。

又、本発明は、高速中性子発生管と高速中性子検出器の配置されている測定装置において、測定対象の実廃棄物ドラム缶又は測定する廃棄体の模擬廃棄物ドラム缶の表面に核分裂物質標準試料を取り付て測定を行い、最大測定値と、その最大測定値の角度点 (0度方向)と正反対方向(180度)で測定した最小測定値とのデータより位置決定直線を決める方法である。

更に又、本発明は、請求項1の放射性廃棄物測定装置において、廃棄物ドラム缶を回転させながら一定角度毎（例えば10度毎）に測定し、最大の測定値を示す角度点を探し出し、次に、その最大値の角度点とその正反対側(180度方向)に廃棄物ドラム缶を回転させてその位置で測定し、存在位置を決定するために必要な２点の測定データを取得し、それらから導き出した数値と前記位置決定直線とにより核分裂性物質塊の位置を決定する方法である。

本発明は、核分裂性物質を含む廃棄物中に塊状或いは局所的な核分裂性物質の集中する部位が存在するかどうかを判定し、存在する場合にはその位置が何処であるかを探査する装置及び方法の発明である。

アクティブ中性子法の測定において、図1に示すように測定検出体系の測定空間に中性子発生管１０１ａ,ｂおよび中性子検出器１０２を配置する。ここで重要なことは、中性子発生管１０１ａ,ｂと中性子検出器１０２を同じ側に設置しなければならないことである。このような配置にしたのは、中性子発生管から放出された高速中性子の一部が廃棄物自身により熱中性子に減速され、この熱中性子によりドラム缶内の放射性廃棄物中の核分裂性物質が、核分裂反応を起こし、核分裂中性子を発生させるが、この核分裂中性子を中性子検出器で検出するに当たり、位置感度差をできるだけ大きくため、言い換えれば線源位置の変化にできるだけ敏感に検出数の変化を引き出せる様にするためである。

また、検出体系を形作る反射材１０３として高速中性子のエネルギーを落とさず効率よく反射する物質を選択する。例えば、鉄又は鉄合金が選択される。

次に、位置決定直線を定めるための測定概念図を図２に示す。測定する廃棄物ドラム缶１０５の表面に核分裂物質標準試料１０７を取り付け、検出器側の最大検出点(0度方向)において最大値Ｎ₀maxを取得し、また、正反対方向(180度)において最小値Ｎ₀minを取得する。この時、廃棄物ドラム缶の内容物によっては、中性子を減速して中性子とドラム缶内の核分裂性物質との核分裂反応率を高めるために、ドラム缶１０５又は核分裂物質標準試料１０７の周りに中性子減速材１０８又は１０９を付加する。位置決定直線を定めるためにドラム缶に入れられる内容物は、廃棄物マトリックスの違いによる影響を避けるため、測定対象ドラム缶の内容物と同物質のものをほぼ同重量入れるか、又は、実際に測定対象の廃棄物入りドラム缶に、実測する前に、十分な量の核分裂物質標準試料１０７を貼り付けて前記同様の方法により前記最大値及び最小値に関するデータを取得する。

図３は取得したデータより求めた位置決定直線の例である。位置決定直線は、ドラム缶中心からの距離（横軸）と検出数の比（縦軸は対数目盛り）の関係で表されるため、図２のように核分裂物質標準試料が廃棄物ドラム缶の表面にあるときはその比が最大になる。一方、核分裂物質標準試料がドラム缶の中心にあるときはどの角度点方向においても同等の検出数を示し検出数の比は最小の１となり、これらを結んだ直線が位置決定直線となる。上記検出数の比は、最大値Ｎ₀maxと、その最大値の角度点 (0度方向)と正反対方向(180度)で測定した最小値Ｎ₀minとの比である。

次に、核分裂性物質塊が局在している任意の廃棄物ドラム缶において局在位置を決定するために必要な測定概念図を図４に示す。核分裂性物質塊１１０が内部で局在している廃棄物ドラム缶１１１を回転させながら一定角度毎（例えば10度毎）に測定を行い、最大の測定値を示す角度点を探し出し、その最大値の角度点とその正反対方向(180度方向)に廃棄物ドラム缶を回転させてその位置で測定し、ＮmaxとＮminの２点の測定データ取得する。測定したデータよりそれらの検出数の比を算出し、前記の位置決定直線に当てはめることにより核分裂性物質塊の位置を決定する。

図５は、本発明を実行し、その有効性を確認するためのモンテカルロシミュレーションによる計算機実験により得た結果である。

計算機実験を実施した測定体系の概略を図6に示す。測定空間を囲む壁（中性子反射体）２０１の材料を鉄（Fe）として、2本の中性子発生管２０２ａ、ｂと14本のＨｅ−3検出器２０３を同じ側面に設置した。また、廃棄物ドラム缶の周りには中性子を適度に減速し、中性子と廃棄物ドラム缶内の核分裂性物質との核分裂反応率を高めるために中性子減速材２０５を付加した。測定対象はウエス系廃棄物２０４とし、核分裂性物質塊の局在を模擬する線源を、ドラム缶２０４の中心を０ｃｍとして、検出器側（０°）とその正反対側（１８０°）にそれぞれ中心から５ｃｍ間隔で２５ｃｍまでと、ドラム缶表面との各位置に配置して、中性子発生管２０２a及び２０２ｂにより14MeVの高速中性子を約４千万粒子発生させ、全Ｈｅ−3検出器に検出される中性子を時間依存機能を持たせた計算機実験を行うことにより、測定により得られるデータと全く同じ形式の時間依存計算データを得る。その時間依存計算データから検出した核分裂中性子検出数のみを分離抽出する。図５は、得られた核分裂中性子検出数とドラム缶の中心からの距離との関係を示すものである。

次に、図５のデータをもとに、線源が、検出器側（プラス側）にあった場合の中性子の検出数とその正反対側（マイナス側）にあった場合の中性子の検出数の比を、核分裂物質標準試料を用いて求めた位置決定直線上に示したものが図７である。これによると、中心からの距離と検出数の比との関係は、対数グラフ上では、直線となり位置決定直線として活用できるこをがわかる。

すなわち、この関係より位置決定直線を定めるために、模擬廃棄物ドラム缶或いは測定対象の実廃棄物ドラム缶の表面に核分裂物質標準試料を取り付け、最大値Ｎ₀maxと、その最大値の角度点 (0度方向)と正反対方向(180度)で測定した最小値Ｎ₀minとを取得し、そのデータより検出数の比を算出し位置決定直線を定めておけば、任意の廃棄物ドラム缶において最大検出数を示した角度方向、及びその時の検出数とその正反対方向の最小検出数との比より局在した核分裂性物質塊の角度点と中心からの距離を探査することが可能となる。

また、コンクリート系廃棄物のように中性子に対する減速効果が大きい廃棄物については、中性子減速材２０５を付加する必要はない。但し、ドラム缶表面に核分裂物質標準試料１０７を取り付けて行う位置決定直線を定める為の中性子発生管側の測定においては、位置的に廃棄物自体による中性子減速効果が期待できない為、図８に示す様にコンクリートマトリックスに等価な減速効果を持つ核分裂物質標準試料用中性子減速材２０６を付加することにより中性子を適度に減速し、中性子と核分裂性物質との核分裂反応率を高める必要がある。この場合、減速材としてポリエチレンを用い、図９に示すような形状が適当である。

図１０は鉄系廃棄物の位置決定直線に各位置での検出数の比を当てはめた実施例である。図１１はコンクリート系廃棄物の位置決定直線に各位置での検出数の比を当てはめた実施例である。

[発明の効果]
プルトニウムやウラン等の核分裂性物質を含有する廃棄物を処分するにあたり、廃棄物によっては、内部に塊状の核分裂性物質が存在する場合や、核分裂性物質が集中する場合がある。この場合、局所的に廃棄物ドラム缶全体の平均放射能濃度を大幅に上回る部位が存在することになり、特に、クリアランスレベルに該当する廃棄物では問題となる。

これらを調べる方法として、従来は放射性物質から放出されるガンマ線を利用する方法は知られているが、核分裂性物質から放出されるガンマ線は非常にエネルギーが低く、混在する廃棄物マトリックスから大きな遮蔽をうけるため、微量の核分裂性物質を含む廃棄物や、金属などの高密度廃棄物マトリックスの場合に適用するのには無理があった。

本発明は高速中性子を巧に使うことにより、このような問題を解決するもので、核分裂性物質を含む廃棄物中に塊状或いは局所的な核分裂性物質の集中する部位が存在するかどうかを判定し、存在する場合にはその位置が何処であるかを探査することができ、それらの廃棄物処分の安全性を高めることができる。

本発明による方法の測定体系を示す図である。本発明による方法で位置決定直線を定めるための測定概念をしめした図である。取得したデータより求めた位置決定直線の例を示した図である。核分裂性物質塊が局在している任意の廃棄物ドラム缶において局在位置を決定するための測定概念図を示した図である。本発明を実行し、その有効性を確認するためのモンテカルロシミュレーション計算により得た結果を示した図であるモンテカルロシミュレーション計算を実施した際に入力した測定体系の概略を示した図である。モンテカルロシミュレーション計算の結果を基に導き出したウエス系廃棄物の場合の位置決定直線（中心からの距離と検出器側（０°）とその正反対側（１８０°）との検出数の比）の例を示した図である。線源中性子減速材を示した図である。線源中性子減速材の詳細形状を示した図である。モンテカルロシミュレーション計算の結果を基に導き出した鉄系廃棄物の場合の位置決定直線の例を示した図である。モンテカルロシミュレーション計算の結果を基に導き出したコンクリート系廃棄物の場合の位置決定直線の例を示した図である。

符号の説明

１０１ａ：中性子発生管
１０１ｂ：中性子発生管
１０２：中性子検出器
１０３：中性子反射体
１０４：中性子遮蔽体
１０５：廃棄物ドラム缶
１０６：回転台
１０７：核分裂物質標準試料
１０８：中性子減速材
１０９：線源用中性子減速材
１１０：核分裂性物質塊
１１１：核分裂性物質塊が内部で局在している廃棄物ドラム缶
２０１：中性子反射体
２０２ａ：中性子発生管
２０２ｂ：中性子発生管
２０３：中性子検出器
２０４：廃棄物ドラム缶
２０５：中性子減速材
２０６：線源用中性子減速材

Claims

核分裂性物質を含有する放射性廃棄物ドラム缶を取り囲み、高速中性子のエネルギーを落とさず効率よく反射させる反射体、反射体を取り囲み外部への放射線を遮蔽する遮蔽体、放射性廃棄物ドラム缶を保持し回転させる回転台、反射体内の放射性廃棄物ドラム缶にパルス状の高速中性子を照射する中性子発生管、及び反射体内の高速中性子を感度良く検知する中性子検出器によって構成され、反射体内に設置する高速中性子発生管と高速中性子検出器は同じ側面に配置することを特徴とした放射性廃棄物測定装置。
核分裂性物質を含有する放射性廃棄物ドラム缶を取り囲み、高速中性子のエネルギーを落とさず効率よく反射させる反射体、反射体を取り囲み外部への放射線を遮蔽する遮蔽体、放射性廃棄物ドラム缶を保持し回転させる回転台、反射体内の放射性廃棄物ドラム缶にパルス状の高速中性子を照射する中性子発生管、及び反射体内の高速中性子を感度良く検知する中性子検出器によって構成され、反射体内に設置する高速中性子発生管と中性子検出器が同じ側面に配置され、回転台を適宜な位置まで回転させ又は適宜な位置で停止させ、その位置で中性子発生管から高速中性子をドラム缶へ照射し、反射体内の中性子を中性子検出器で検出するための制御機構を備えた、放射性廃棄物測定装置。
請求項1の放射性廃棄物測定装置により、模擬廃棄物ドラム缶の表面に核分裂物質標準試料を取り付け、最大値の角度点(0度方向)と正反対(180度方向)で測定し、取得した測定データから位置決定直線を決め、この位置決定直線により、放射性廃棄物中の核分裂性物質の存在位置を探査する方法。
請求項1の放射性廃棄物測定装置により、廃棄物ドラム缶を回転させながら一定角度毎（例えば10度毎）に測定し、最大の測定値を示す角度点を探し出し、その最大値の角度点と正反対側(180度方向)に廃棄物ドラム缶を回転させたときの２点の測定値の比と請求項３による位置決定直線により、放射性廃棄物中の核分裂性物質の存在位置を探査する方法。
請求項１の放射性廃棄物測定装置を使用し、廃棄物ドラム缶の表面に核分裂物質標準試料を取り付け、取り付けた位置を検出器側の最大検出点(0度方向)において最大値Ｎ₀maxを測定し、また、正反対検出点 (180度方向)において最小値Ｎ₀minを測定し、そのドラム缶中心からの距離（横軸）と検出数の比（縦軸は対数目盛り）の関係で表される位置決定直線を作成し、一方、測定対象の廃棄物ドラム缶を回転させながら一定角度毎に、最大の測定値を示す角度点を探し出し、次に、最大値の角度点とその正反対側(180度方向)に廃棄物ドラム缶を回転させてその位置で最小値を測定し、その最大値と最小値の２点の中性子検出数を取得し、その検出数の比を算出し、その算出値を前記位置決定直線に当てはめることにより、核分裂性物質を含む廃棄物中に核分裂性物質の集中する部位が存在するかどうかを判定し、存在する場合にはその位置が何処であるかを決定する、放射性廃棄物中の核分裂性物質の存在位置を探査する方法。
放射性廃棄物中に存在する核分裂性物質の部位が、放射性廃棄物の角度点と中心からの距離に基づいて決定される、放射性廃棄物中の核分裂性物質の存在位置を探査する方法。