JP2009204581A - 中性子測定装置及び中性子測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】中性子検出器を強放射線領域に配置することなく、中空管内を輸送されてきた中高エネルギーの中性子を強放射線領域から離れた位置に配置された放射線検出器によって効率よく測定することにより、中性子検出器の高信頼化、高寿命化、低コスト化及びメンテナンスの簡素化を図る。
【解決手段】中性子を輸送する中空管１と、前記中空管内１を輸送されてきた中性子５を検出する中性子検出部１１からなる中性子測定装置１０であって、
前記中性子検出部１１は、前記中空管１の延長上に設けられた中空孔３を有する減速材２と、前記減速材２の内部に設けられ前記中空孔３の周囲に配置された少なくとも１以上の中性子検出器４と、を有する。
【選択図】図１

Description

中性子検出器は、中性子と物質との相互作用により中性子を測定するものであるが、その特性上、エネルギーの高い中性子に対しては検出感度が低下してしまう。そのため、中高エネルギーを持つ中性子を効率よく検出するために、中性子検出手段の周囲を減速材で覆うことにより、減速材と中性子を作用させ中性子エネルギーを低くし、熱中性子化された中性子を放射線検出手段により検出する（特許文献１参照）。

一方、従来の原子炉核計装技術において、炉心内の中性子束は炉心内に挿入された可動式又は固定式の中性子検出器によって測定されている。これらの中性子検出器は原子炉容器外から炉心内に延びる案内管内を移動し所定の位置で炉心内の中性子強度を測定するものである。
特開２００３−８２４０８６２号公報

上述した従来の原子炉の中性子測定手段は、中性子検出器を直接炉内に挿入して中性子束を検出するものであるが、炉内に挿入される中性子検出器は強度の放射線にさらされるため、長期間使用していると、検出感度が変化し中性子を正確に測定することができなくなったり、検出器自体が放射線により劣化するという問題があった。

また、中性子検出器は多数本炉心内に挿入されるが、そのため多数の検出器案内管が必要になり、それらが原子炉容器を貫通して設けられるため、原子炉容器の強度が低下したり、貫通部から炉水が漏洩する等の問題があった。

一方、炉心内の中性子を原子炉容器の外部等、炉心から離れた位置で測定する場合、中性子を輸送する機能を持った中空管により、中性子を輸送して測定する必要がある。しかしながら、中空管によって輸送される中性子は、全体の一部に過ぎないため、中空管内を通過してきた中性子を高感度のセンサにより測定する必要がある。

しかし、中高エネルギーの中性子を測定可能なエネルギーまで低下させる過程において、減速材との相互作用の結果、中性子の進行方向が変化する。これにより、中性子検出器に入射した中性子が減速材中でその進行方向を変えてしまい、中性子検出器に中性子が到達せず検出されないものがある。このため、特許文献１に示されているような従来の中性子検出器を用いても中高エネルギーの中性子に対しては、検出効率が低いという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、中性子検出器を炉心内等の強放射線領域に配置することなく、中高エネルギーの中性子を効率よく測定できる中性子測定装置及びその方法を提供することにある。

本発明に係る中性子測定装置は、上記課題を解決するために、中性子を輸送する中空管と、前記中空管内を輸送されてきた中性子を検出する中性子検出部からなる中性子測定装置であって、前記中性子検出部は、前記中空管の延長上に設けられた中空孔を有する減速材と、前記減速材の内部に設けられ前記中空孔の周囲に配置された少なくとも１以上の中性子検出器と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る中性子測定方法は、中性子を輸送する機能を持った中空管をとおして、中性子を前記中空管の延長上に配置された中空孔に導き、前記中空孔に導かれた中性子を前記中空孔の周囲に配置された減速材により減速し、前記減速された中性子を前記減速材の内部に配置された中性子検出器により測定することを特徴とする。

本発明の中性子検出装置及び中性子検出方法によれば、中空管及び中空孔を通り減速材中に入った中性子のほとんどが中性子検出器で検出されるため、中性子検出装置の検出効率を飛躍的に向上させることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る中性子検出装置を、図１乃至図３を参照して説明する。
図１において、中性子検出装置１０は、中性子を輸送する機能を持った中空管１と、中性子検出部１１からなり、中性子検出部１１は、中空管１の延長上に設けられた所定長さの中空孔３をほぼ中央に有する減速材２と、減速材２の内部に中空管を取り囲むように設けられた中性子検出器４と、から構成される。

次に、上記構成の中性子検出装置の検出機能について説明する。
一般に、中性子のエネルギーが低いほど中性子検出器４内の物質と中性子５が作用する確率は高いので、中性子を効率よく検出するためには、減速材２でエネルギーを失った中性子５の大部分を中性子検出部４に導くことが重要となる。

また、中性子５は減速材２と作用すると、その進行方向がほぼ等方的に変化することが知られている。このため、減速材中に中空孔３がない場合には、減速材２中で進行方向が変化した中性子５のうち半数は中性子検出部４以外の方向に進んでしまい検出できない。

本第１の実施形態に係る中性子検出装置では、中空管１を通り、中空孔３中に導かれた中性子５のうち、減速材２と作用しエネルギーを失い中性子検出器４に入った中性子５は、中性子検出器４により検出される。

すなわち、中性子を輸送する機能を持った中空管１を通った中性子５は、中空管１がコリメータの役割を果たすため、ほぼ平行なビームとなる。このため、ほとんどの中性子５は中空管の延長上にある中空孔３に導かれ、中空孔３の底部において周囲が減速材２及び中性子検出器４に囲まれた状態で減速材２と効率よく相互作用する。

中性子５と減速材２の相互作用により、中性子５の進行方向は変化し、エネルギーを失った中性子５が中性子検出器４に入ると、所定の確率に従い中性子検出器４内の物質と作用して、中性子５が検出される。

このように、本第１の実施形態に係る発明では、減速材中に中空孔３を設けたので、中空孔３を通過し減速材２と作用して進行方向が変化した中性子５は周囲のほとんどを減速材２で囲まれているため、減速材２と複数回作用して進行方向が変化し、結果的に中性子検出部４に入る中性子数が増加する。

次に、中空孔３による検出効率の向上の計算例を図２に示す。図２は、中空孔３がある中性子センサの検出効率を、中性子のエネルギーを関数として、モンテカルロ中性子輸送計算コードで計算した例である。また、中空孔３がない中性子センサの計算結果も図２に示した。いずれのエネルギーでも中空孔３を持つ中性子センサの検出効率は向上する。

中性子5が漏れにくくするためには、中空孔３が長いほうが良いが、長すぎると検出器が大きくなってしまう。図３に中空孔の長さを変化させたときの計算例を示す。このとき、中空孔３の直径は２．５４ｃｍであり、中空管１の直径とほぼ同じ径にしている。図３から、中空孔３の長さを変化させても、検出効率の変化は小さいため、１３ｃｍ以上長くする必要はないことがわかる。

本第１の実施形態では、中空孔３周囲の側部及び底部に中性子検出器４を複数配置することにより、熱中性子化された中性子５をもれなく検出する。
また、図1の例では中性子検出器４は減速材２の中に設けられているが、図４に示すように、減速材２の外にあってもよい。このとき、中性子検出器４を分割せず、減速材２を中性子検出器４の中に設置してもよい。

また、中高エネルギーの中性子を対象とした場合、周囲の熱中性子を検出してしまうと正確な測定ができないため、熱中性子を除く必要がある。そのため減速材２の周囲に熱中性子吸収層を設置することにより、周囲の熱中性子からの影響を低減してもよい。

また、周囲からの熱中性子を遮蔽するとともに、減速材２によって減速された中性子５を中性子センサ内にとどめるため、減速材２の周囲に中性子反射材を設置してもよい。さらに、γ線による影響を低減するために、減速材２の周囲にγ線遮蔽層を設置してもよい。

このように、本第１の実施形態の中性子検出装置によれば、中性子を輸送する中空管１とその延長上に中空孔３を有する減速材及び中性子検出器を備えることにより、中空管１及び中空孔３を通り減速材２中に入った中性子５のほとんどが中性子検出器４で検出されるため、中性子検出装置の検出効率を飛躍的に向上させることができる。

また、中空管及び中空孔を設けたことにより中性子を効率よく測定できるために、中性子検出部を強放射線領域に配置する必要がないので、中性子検出器の高信頼化、高寿命化、低コスト化及びメンテナンスの簡素化を図ることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る中性子測定装置を図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、中性子を輸送する機能を持った中空管１は原子炉容器６内に配置され、中性子検出部１１は原子炉容器６外に配置されている。中性子検出部１１の構成は第１の実施形態のものと同じである。

上記構成の中性子測定装置において、中性子５は中空管１を通り、原子炉容器６を透過した後、中空孔３中に入り、減速材２と作用しエネルギーを失い、中性子検出手段４で検出される。

炉心で発生した中性子５は、原子炉容器６内にある中空管１により、コリメートされ、平行なビームとなる。原子炉容器６は低エネルギーの中性子は遮蔽してしまうが、中高エネルギーの中性子５は透過する。この、中高エネルギーの中性子５はコリメートされているため、その多くが中空管の延長上に配置された減速材２の中空孔３に導かれる。

このように、本第２の実施形態の中性子検出装置によれば、炉心内の中性子を中空管１をとおして原子炉容器６外に配置された中性子検出部１１で測定するために、中性子検出器４を強放射線領域に配置する必要がなく、また、中空管１からの中性子を減速材２に囲まれた中空孔３に導くことにより、中性子５を高効率で測定できるので、中性子検出器４の高信頼化、高寿命化、低コスト化及びメンテナンスの簡素化を図ることができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る中性子測定装置を図６を参照して説明する。
なお、第１及び第２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において、中性子を輸送する機能を持った中空管１を原子炉炉心７内に中空管１の１部又は全部を挿入し、中性子検出部１１を原子炉容器６内でかつ炉心７外に配置する。

上記構成の中性子測定装置１０において、炉心７で発生した中性子５は、中空管１を通り、中性子検出部１１の中空孔３に導かれ、減速材２と作用しエネルギーを失い、中性子検出部４で検出される。

本第３の実施形態に係る中性子センサは、減速材２及び中性子検出器４からなる中性子検出部１１が原子炉容器６内に配置されているため、原子炉容器６による散乱や熱中性子の遮蔽を考慮に入れる必要がない。

このため、中性子検出としては有利な熱中性子を検出することも可能となる。このとき、中空孔３とその延長上にある中性子検出部４の間にある減速材２の厚さを変えることなどにより、熱中性子に対する検出効率を上げてもよい。

また、中空管１によってコリメートされた中性子５が原子炉容器６で散乱されないため、中空管１を通った中性子５のほぼ全てを中空孔３へ導くことができるので、検出効率をさらに高めることができる。

本第３の実施形態によれば、中性子測定装置を原子炉容器内に配置することにより、中空管１を通った中性子５のうち中性子検出部４に入る中性子数はさらに増加するため、中性子センサの検出効率を向上することができる。

また、単に、中空管を炉心に配置するだけで、放射線検出器を炉心内の強放射線領域に配置する必要がないので、中性子検出器の高信頼化、高寿命化、及び低コスト化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る放射線測定装置の構成図。 本発明に係る中性子検出器の中空孔の有無による検出効率を示す図。 本発明に係る中性子検出器の中空孔長さによる検出効率を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る第２の放射線測定装置の構成図。 本発明の第２の実施形態に係る放射線測定装置の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る放射線測定装置の構成図。

符号の説明

１…中空管、２…減速材、３…中空孔、４…中性子検出器、５…中性子、６…原子炉容器、７…炉心、１０…中性子測定装置、１１…中性子検出部。

Claims (6)

1. 中性子を輸送する中空管と、前記中空管内を輸送されてきた中性子を検出する中性子検出部からなる中性子測定装置であって、
   前記中性子検出部は、前記中空管の延長上に設けられた中空孔を有する減速材と、前記減速材の内部に設けられ前記中空孔の周囲に配置された少なくとも１以上の中性子検出器と、を有することを特徴とする中性子測定装置。
2. 前記中空管が原子炉容器内に設置され、前記中性子検出部は原子炉容器外に配置されたことを特徴とする請求項１記載の中性子測定装置。
3. 前記中空管の一部又は全部が炉心内に設置され、前記中性子検出部が原子炉容器内でかつ炉心外に配置されたことを特徴とする請求項１記載の中性子測定装置。
4. 前記中空孔の長さが１３ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の中性子測定装置。
5. 前記減速材の周囲に中性子反射材を配置したことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の中性子測定装置。
6. 中性子を輸送する機能を持った中空管をとおして、中性子を前記中空管の延長上に配置された中空孔に導き、前記中空孔に導かれた中性子を前記中空孔の周囲に配置された減速材により減速し、前記減速された中性子を前記減速材の内部に配置された中性子検出器により測定することを特徴とする中性子測定方法。

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