JP2007263783A - 中性子束測定装置および中性子束測定方法ならびに原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】大型の原子炉においても炉外中性子計測を可能とする。
【解決手段】中性子束測定装置は、原子炉圧力容器１内に配置された中性子輸送管２と、中性子輸送管２の一端部の近傍で原子炉圧力容器１の外側に配置された中性子検出器３とを有する。中性子輸送管２は、気体で満たされ密封されて、太さが一様でない。中性子輸送管２は、互いに長さまたは太さの異なる複数個が設置されている。中性子輸送管２内に、中性子減速材を配置してもよい。他の中性子束測定装置は、原子炉圧力容器１内で炉心近傍に配置され、ヘリウムを含む気体で満たされて密封されたヘリウム管と、原子炉圧力容器１の外側に配置され、ヘリウム管内のヘリウムが中性子を捕獲したことによって発生したガンマ線を検出するガンマ線検出器とを有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、原子炉内部の中性子束を測定するための中性子束測定装置および中性子束測定方法ならびに、中性子束測定装置を備えた原子炉に関する。

大型の原子炉内部の中性子束を測定するために炉内に設置された中性子検出器は、その信号線を炉外に取り出すため、原子炉圧力容器に貫通部を設ける必要がある（たとえば非特許文献１参照）。この貫通部は、防水性の確保が困難であり、またその周囲は亀裂が生じやすい。このため貫通部を設けずに炉内の中性子束を測定できることが望まれている。
特開平４−２４８４９７号公報 特開２００４−１３８５１１号公報 川口千代二、荒克之「原子炉の計測」幸書房、昭和５３年１１月１０日。第２４〜３１頁

ここで、小型の原子炉では、前述の貫通部を設けない手法として、炉内で発生した中性子が炉外へ透過することを利用し、この透過中性子を測定することで炉内の中性子束を測定する手法が用いられている（炉外中性子計測）。しかしながら大型の原子炉の場合、水や燃料棒等での中性子の吸収が大きいため、炉心近辺で発生した中性子は炉外に透過しない。そのため、炉外中性子計測は利用しにくいという課題がある（特許文献１、２参照）。

そこで本発明は、大型の原子炉においても炉外中性子計測が可能な中性子束測定装置および中性子束測定方法、ならびに、かかる中性子束測定が可能な原子炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一つの態様の中性子束測定装置は、炉心を収容する原子炉圧力容器内に配置され、気体で満たされ密封されて、第１の端部から第２の端部に延びる、太さが一様でない中性子輸送管であって、前記第１の端部は前記炉心の内部またはその近傍に配置され、前記第２の端部は前記原子炉圧力容器の内壁面近傍に配置された、当該中性子輸送管と、前記中性子輸送管の第２の端部の近傍で前記原子炉圧力容器の外側に配置された中性子検出器と、を有することを特徴とする。

また、本発明の他の一つの態様の中性子束測定装置は、炉心を収容する原子炉圧力容器内で炉心近傍に配置され、ヘリウムを含む気体で満たされて密封されたヘリウム管と、前記原子炉圧力容器の外側に配置され、前記ヘリウム管内のヘリウムが中性子を捕獲したことによって発生したガンマ線を検出するガンマ線検出器と、を有することを特徴とする。

また、本発明の一つの態様の中性子束測定方法は、第１の端部から第２の端部に延び、太さが一様でなく、気体で満たされ密封された中性子輸送管内を、前記第１の端部が炉心の内部またはその近傍に配置され、前記第２の端部が原子炉圧力容器の内壁面近傍に配置されるように、原子炉圧力容器内に配置し、前記中性子輸送管の第２の端部の近傍で前記原子炉圧力容器の外側に中性子検出器を配置し、前記中性子検出器の出力に基づいて炉心またはその近傍の中性子束を計測すること、を特徴とする。

また、本発明の他の一つの態様の中性子束測定方法は、ヘリウムを含む気体で満たされ密封されたヘリウム管を、原子炉圧力容器内の炉心内またはその近傍に配置し、前記原子炉圧力容器の外側にガンマ線検出器を配置し、前記ヘリウム管内のヘリウムが中性子を捕獲することによって発生するガンマ線を前記ガンマ線検出器によって検出し、前記ガンマ線検出器の出力に基づいて炉心またはその近傍の中性子束を計測すること、を特徴とする。

また、本発明の一つの態様の原子炉は、炉心と、前記炉心を収容する原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器内に配置され、気体で満たされ密封されて、第１の端部から第２の端部に延びる、太さが一様でない中性子輸送管であって、前記第１の端部は前記炉心の内部またはその近傍に配置され、前記第２の端部は前記原子炉圧力容器の内壁面近傍に配置された、当該中性子輸送管と、前記中性子輸送管の第２の端部の近傍で前記原子炉圧力容器の外側に配置された中性子検出器と、を有することを特徴とする。

また、本発明の他の一つの態様の原子炉は、炉心と、前記炉心を収容する原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器内で前記炉心近傍に配置され、ヘリウムを含む気体で満たされて密封されたヘリウム管と、前記原子炉圧力容器の外側に配置され、前記ヘリウム管内のヘリウムが中性子を捕獲したことによって発生したガンマ線を検出するガンマ線検出器と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、大型の原子炉においても炉外中性子計測が可能となる。

以下に、本発明に係る中性子束測定装置の実施形態を、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を、図１〜３を参照して説明する。

図１に示すように、原子炉圧力容器１内に炉心４が配置され、炉心４が冷却水３０で満たされるように、水面５が形成されている。原子炉圧力容器１内で上下方向に延びる中性子輸送管２が設置されている。中性子輸送管２は炉心４を貫通し、その上端は炉心４上端部付近にある。中性子輸送管２の下端は原子炉圧力容器１の底部の内壁面近くにある。中性子輸送管２は気体で満たされ密封されている。中性子輸送管２の太さは一様でなく、たとえば、下端に向かって次第に細くなるテーパ状や炉内の太さより炉外の太さが細い形状である。

中性子輸送管２の下端に対向する原子炉圧力容器１の外側に中性子検出器３が設置されている。

図１の例では中性子輸送管２および中性子検出器３が１個ずつ示されているが、図２に示すように、中性子輸送管２と中性子検出器３の組を水平方向に複数組並列して配置するのが好ましい。各中性子輸送管２および中性子検出器３は、原子炉の鉛直方向の中心軸Ａに対して平行に設置されている。

中性子輸送管２の周辺で発生した中性子のうち、中性子輸送管２を通り、水、原子炉圧力容器１を通過した中性子６は、中性子検出器３で検出される。

中性子輸送管２は、炉内で発生した中性子を炉外に導くための中性子の通り道としての役割を持つ。原子炉内で発生した中性子は水や炉心４の燃料棒等で吸収されるため、その平均自由行程は最大で２ｃｍ程度である。

発生する中性子量が多いので、小型の炉であれば、炉心で発生した中性子は炉外に漏れ出る。しかしながら通常の大型原子炉では炉の中心部から炉外まで数ｍの距離があるため、中性子が漏れ出ない。ここで、気体は中性子をほとんど吸収しないという特性を持つ。したがって中性子の通り道として中性子輸送管２を設けることにより、中性子を炉外に導くことができ、大型の原子炉においても炉外中性子計測が可能になる。

この中性子輸送管２を用いた炉外中性子計測において、定性的には中性子輸送管２への中性子の入射位置が、中性子検出器３から遠ざかるほど、中性子検出器３に入射する中性子の数は減少する。これは中性子の飛行方向は定性的には等方的であるので、中性子束はその発生位置からの距離の２乗に比例して低下するためである。ここで中性子輸送管２の周囲の平均的な中性子束を測定する場合、中性子検出器３に入射する中性子の数は中性子輸送管２への入射位置に依存しないことが望ましい。この入射位置依存性は、中性子輸送管２の太さを非一様にすることで低減できる。

例として、中性子輸送管２の形状が円柱である場合と、円錐である場合の、入射位置依存性の計算結果を図３に示す。ここで、円錐は、図１の構成で、上端が円形の底面で下端が頂点になる円錐とする。図３より、円錐では、円柱の場合よりも中性子の入射位置依存性が低減することがわかる。例として円錐管を挙げたが、さらに対象とする原子炉に応じて、中性子輸送管２の形状を最適化することで、入射位置依存性を無くすことができる。

この形状が最適化された中性子輸送管とそれに対応した中性子検出器により、気体で満たされた管周囲の平均的な中性子束が測定できる。したがって図２に示した中心軸Ａと平行に複数の中性子輸送管２を設置し複数の中性子検出器３で中性子を測定することで、中心軸Ａと垂直な方向の中性子束の位置分布が得られる。

以上より明らかなように、中性子の通り道として、中性子輸送管２を設け、中性子輸送管２の中を飛行した中性子を中性子検出器３で測定することで、原子炉圧力容器１に貫通部を設けることなく、炉内の中性子束を測定することができる。また複数の中性子輸送管２を設置することで、炉内の中性子束の２次元分布を測定できる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を、図４を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図４において、互いに長さが異なる中性子輸送管２ａ、２ｂ、２ｃが、原子炉の中心軸Ａに対して平行に設置される。中性子輸送管２ａ、２ｂ、２ｃの下端はほぼ同じ高さ位置であるが、中性子輸送管２ａ、２ｂ、２ｃの長さの違いによって、それらの上端の高さ位置は異なる。中性子輸送管２ａ、２ｂ、２ｃのそれぞれに対応して別個の中性子検出器３ａ、３ｂ、３ｃが、原子炉圧力容器１の底部の下方に、水平に並べて設置されている。

図４に示した長さがそれぞれ異なる中性子輸送管２ａ、２ｂ、２ｃの設置に対応した中性子検出器３ａ、３ｂ、３ｃの出力信号同士の差をとることで、たとえば中性子検出器３ａと中性子検出器３ｂの差から図４に示す区間Ｂの平均的な中性子束が得られる。また、中性子検出器３ｂと中性子検出器３ｃの差から区間Ｃの平均的な中性子束が得られる。このような長さの異なる中性子輸送管を複数個用いることにより、中心軸Ａに平行な方向の中性子の位置分布を測定できる。

また第１の実施形態で示した、複数の中性子輸送管２を用いた中心軸Ａに平行な中性子束分布の測定手法と組み合わせることで、炉内の中性子束の３次元の位置分布が得られる。

ここで、中性子輸送管は同一径であれば、管が長いほうが中性子検出器に入射する中性子数は増える。このため、高中性子束下では、一部の長い中性子輸送管に対応した検出器が飽和して正しく動作しない可能性がある。ここで、中性子輸送管は同一長さであれば、その径が小さいほど、検出器に入射する中性子数は減る。したがって検出器の特性を考慮して、それぞれの管の太さを調節することで、全ての検出器を飽和させることなく動作させることができる。

以上より明らかなように、複数の中性子輸送管を設置し、それらの長さおよび太さを調節することで、炉内の中性子束の２次元および３次元位置分布を測定することができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を、図５を参照して説明する。なお第１の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図５において、中性子輸送管２内の長さ方向の複数箇所に中性子減速材１９が設置されている。

中性子輸送管２に入射した中性子は、中性子検出器３で検出されるまでの間に、その入射位置に応じ、何回か減速材１９を通過する（図５では最大４回通過）。中性子は減速材１９を透過するごとにそのエネルギーは低下する。中性子検出器３で検出された中性子のエネルギーから、中性子輸送管２への中性子の入射位置が同定でき、中性子束の２次元の位置分布を測定することができる。

この実施形態のように、中性子輸送管２の中に減速材１９を設置することで、炉内の中性子束の２次元分布を測定することができる。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を、図６および図７を参照して説明する。なお第１〜第３の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図６に示すように、原子炉圧力容器１内にヘリウム３を含む気体で満たされたヘリウム管１５が設置され、原子炉圧力容器１外にガンマ線検出器１６が設置される。さらに好ましくは、図７に示すように、原子炉圧力容器１内にヘリウム３を含む気体で満たされたヘリウム管１５が設置され、原子炉圧力容器１外に複数のガンマ線検出器１６が設置される。複数のガンマ線検出器１６は、ヘリウム管１５のそれぞれ異なった部位を見込むように設置される。

ヘリウム３を含む気体で満たされたヘリウム管１５に入射した中性子がヘリウム３に捕獲されて、ガンマ線１７が発生する。このガンマ線１７がガンマ線検出器１６で検出される。

原子炉内部で発生するガンマ線の最大エネルギーは約１０ＭｅＶである。一方、ヘリウム３に捕獲されて発生するガンマ線のエネルギーは２０ＭｅＶ以上である。したがって、ガンマ線検出器１６でエネルギー弁別することにより、ヘリウム３のガンマ線による信号のみを取り出せる。ヘリウム３が中性子を捕獲しガンマ線を放出する反応が生じる確率は既知であることから、このガンマ線の数より、ヘリウム管１５周囲の中性子束が同定できる。

また複数のガンマ線検出器１６が、それぞれ見込んだヘリウム管１５の部位から発生するガンマ線１７を検出することで、その部位周辺の中性子束を同定でき、炉内の中性子束の２次元位置分布を測定できる。

この実施形態によれば、ヘリウム３を含む気体で満たされたヘリウム管１５を設け、ヘリウム３が中性子を捕獲し発生したガンマ線をガンマ線検出器１６で測定することで、原子炉圧力容器１に貫通部を設けることなく、炉内の中性子束を測定することができる。また複数のガンマ線検出器１６を設置することで、炉内の中性子束の２次元位置分布を測定できる。

［他の実施形態］
以上説明した各実施形態は単なる例示であって、この発明は蒸気実施形態に限定されるものではない。また、各実施形態の特徴部分を組み合わせることも可能である。

本発明の第１の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を示す模式的立断面図であって、中性子輸送管と中性子検出器が一組である場合を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を示す模式的立断面図であって、中性子輸送管と中性子検出器が複数組である場合を示す図。 本発明に係る中性子束測定装置の中性子輸送管の形状が円錐管の場合と円筒管の場合の中性子検出器に入射する中性子数を比較して示すグラフ。 本発明の第２の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を示す模式的立断面図。 本発明の第３の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を示す模式的立断面図。 本発明の第４の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を示す模式的立断面図であって、ガンマ検出器が１個である場合を示す図。 本発明の第４の実施形態に係る中性子束測定装置を備えた原子炉を示す模式的立断面図であって、ガンマ検出器が複数個である場合を示す図。

符号の説明

１…原子炉圧力容器
２、２ａ、２ｂ、２ｃ…中性子輸送管
３、３ａ、３ｂ、３ｃ…中性子検出器
４…炉心
５…水面
６…中性子
１５…ヘリウム管
１６…ガンマ線検出器
１７…ガンマ線
１９…減速材
３０…冷却水

Claims (11)

1. 炉心を収容する原子炉圧力容器内に配置され、気体で満たされ密封されて、第１の端部から第２の端部に延びる、太さが一様でない中性子輸送管であって、前記第１の端部は前記炉心の内部またはその近傍に配置され、前記第２の端部は前記原子炉圧力容器の内壁面近傍に配置された、当該中性子輸送管と、
   前記中性子輸送管の第２の端部の近傍で前記原子炉圧力容器の外側に配置された中性子検出器と、
   を有することを特徴とする中性子束測定装置。
2. 前記中性子輸送管は、前記第１の端部より前記第２の端部が細いことを特徴とする請求項１に記載の中性子束測定装置。
3. 一つの原子炉圧力容器内に前記中性子輸送管が複数個設置され、それらのうちの少なくとも１本が他とは異なる長さであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の中性子束測定装置。
4. 一つの原子炉圧力容器内に前記中性子輸送管が複数個設置され、それらのうちの少なくとも１本が他とは異なる太さであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の中性子束測定装置。
5. 前記中性子輸送管内に中性子減速材が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の中性子束測定装置。
6. 炉心を収容する原子炉圧力容器内で炉心近傍に配置され、ヘリウムを含む気体で満たされて密封されたヘリウム管と、
   前記原子炉圧力容器の外側に配置され、前記ヘリウム管内のヘリウムが中性子を捕獲したことによって発生したガンマ線を検出するガンマ線検出器と、
   を有することを特徴とする中性子束測定装置。
7. 一つの原子炉圧力容器の外側に前記ガンマ線検出器が複数個配置されていることを特徴とする請求項６に記載の中性子束測定装置。
8. 第１の端部から第２の端部に延び、太さが一様でなく、気体で満たされ密封された中性子輸送管内を、前記第１の端部が炉心の内部またはその近傍に配置され、前記第２の端部が原子炉圧力容器の内壁面近傍に配置されるように、原子炉圧力容器内に配置し、
   前記中性子輸送管の第２の端部の近傍で前記原子炉圧力容器の外側に中性子検出器を配置し、
   前記中性子検出器の出力に基づいて炉心またはその近傍の中性子束を計測すること、
   を特徴とする中性子束測定方法。
9. ヘリウムを含む気体で満たされ密封されたヘリウム管を、原子炉圧力容器内の炉心内またはその近傍に配置し、
   前記原子炉圧力容器の外側にガンマ線検出器を配置し、
   前記ヘリウム管内のヘリウムが中性子を捕獲することによって発生するガンマ線を前記ガンマ線検出器によって検出し、
   前記ガンマ線検出器の出力に基づいて炉心またはその近傍の中性子束を計測すること、
   を特徴とする中性子束測定方法。
10. 炉心と、
    前記炉心を収容する原子炉圧力容器と、
    前記原子炉圧力容器内に配置され、気体で満たされ密封されて、第１の端部から第２の端部に延びる、太さが一様でない中性子輸送管であって、前記第１の端部は前記炉心の内部またはその近傍に配置され、前記第２の端部は前記原子炉圧力容器の内壁面近傍に配置された、当該中性子輸送管と、
    前記中性子輸送管の第２の端部の近傍で前記原子炉圧力容器の外側に配置された中性子検出器と、
    を有することを特徴とする原子炉。
11. 炉心と、
    前記炉心を収容する原子炉圧力容器と、
    前記原子炉圧力容器内で前記炉心近傍に配置され、ヘリウムを含む気体で満たされて密封されたヘリウム管と、
    前記原子炉圧力容器の外側に配置され、前記ヘリウム管内のヘリウムが中性子を捕獲したことによって発生したガンマ線を検出するガンマ線検出器と、
    を有することを特徴とする原子炉。

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