JP2010107498A - 光学式ガンマサーモメータ - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉の炉心（１５）内のガンマフラックスに比例する温度を有するメタルマス（３４）と、加熱されたメタルマスの温度を測定するための光ファイバケーブル（３２）とを有する光学式ガンマサーモメータ（３０）を提供すること。
【解決手段】加熱されたマス（３４）の温度は、１つまたは複数のファイバ格子構造体（４２）を使用することによって、ならびに／またはラマンおよびブリルアンなどの散乱手法を使用することによって測定され得る。光学式ガンマサーモメータ（３０）は、耐用稼動寿命の間ずっと局部出力領域モニタ（Ｍ）を較正するために、従来の原子炉の熱収支と共に使用され得る。光学式ガンマサーモメータ（３０）は、従来のガンマサーモメータ（Ｔ）よりインコア装置用チューブ内（２４）で占有する空間がはるかに少なく、コストが大幅に削減される。
【選択図】図１

Description

概して、本発明は原子炉内の熱中性子束の監視に関し、詳細には、光学式ガンマサーモメータからの測定温度が定常状態の熱収支と共に局部出力領域モニタの稼動寿命の間において局部出力領域モニタを較正するのに使用されるような、局部出力領域モニタを有する監視用ストリングで使用される光学式ガンマサーモメータに関する。

従来の沸騰水型原子炉（ｂｏｉｌｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｒｅａｃｔｏｒｓ（ＢＷＲ））の核反応内部では、熱中性子束または別法としてガンマ線束のどちらかの測定値によって反応状態を監視することができる。

熱中性子束は好適な測定値である。というのは、熱中性子束が出力に正比例し、核分裂電離箱からの即時の（瞬間の）信号を提供するからである。代替の測定値であるガンマ放射線は、原始炉の安全の要求基準のために必要となる即時の反応を示さない。結果として、ガンマサーモメータによって測定されるガンマ放射線は、沸騰水型原子炉内の反応状態を測定して即座に制御するのに使用されない。

沸騰水型原子炉では、その熱中性子束は、他には局部出力領域監視（ｌｏｃａｌ ｐｏｗｅｒ ｒａｎｇｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ（ＬＰＲＭ））システムとしても知られる局部出力領域モニタによって監視される。これらの局部出力領域モニタは、その上に核分裂物質がコーティングされているカソードを有する。この核分裂物質は通常Ｕ２３５とＵ２３４との混合物である。Ｕ２３５は中性子束に比例する信号を発し、Ｕ２３４は検出装置の寿命を延ばすことができる。熱中性子はＵ２３５と反応し、それにより、核分裂片が従来の局部出力領域モニタの内部の通常はアルゴンである不活性ガス雰囲気をイオン化する。その結果、アノードとカソードとの間に、結果として直流となる電荷の流れが得られる。直流のアンペア数は、実質的にリアルタイムで炉心内の熱中性子束を示している。

沸騰水型原子炉の局部出力領域モニタは、ストリングで炉心まで挿入される。各ストリングは垂直に延在し、通常、４つの離間した局部出力領域モニタを有する。各検出装置はリアルタイムで熱中性子束を読み取って原子炉内の反応状態を出力するために電気的に接続されている。大型の原子炉はこのような垂直ストリングを３０個から７０個程度有することができ、合計で約１２０個から２８０個の局部出力領域モニタを有することを理解されたい。このような局部出力領域モニタは、その稼動寿命の間において有限量のＵ２３５を使用する。結果として、被曝することにより感度は変化することから、感度は定期的に較正されなければならない。

現在、較正は、横送り炉心内プローブ（ｔｒａｖｅｒｓｉｎｇ ｉｎ−ｃｏｒｅ ｐｒｏｂｅ（ＴＩＰｓ））を使用することによって実施されている。この横送り炉心内プローブは、通常、原子炉から回収される。というのは、横送り炉心内プローブが局出力領域モニタと同じ基本構造であり、したがって、ウラン２３５の燃焼により稼動寿命においてその感度が変化するからである。

通常、横送り炉心内プローブは稼動中に較正される。この較正は、約５つのこのようなプローブを沸騰水型原子炉の共通の部分まで別個に挿入するステップを含む。沸騰水型原子炉は定常状態で稼動され、当技術分野でよく知られているタイプのエネルギー収支の対象とされている。横送り炉心内プローブの挿入は、プローブをセミリジッドケーブルの端部のところに配置することでチューブシステム内への挿入を実現することによって実行される。全炉心の探査が定常状態での稼動中に実行されると、局部出力領域モニタを較正するのに、ヒート収支が横送り炉心内プローブの読み取り値と共に利用される。

炉心内プローブは、特別に設計されたチューブシステムの中で原子炉を通過する。このチューブシステムは、原子炉内格納導管を通って原子炉容器の内部まで延びている。これらの導管の中には、その遠位端上にＴＩＰを有するセミリジッドケーブルが配置される。ＴＩＰは、大型の駆動機構によって駆動チューブシステム内へと移動させられ、システム全体は電子式駆動制御ユニットによって制御される。ケーブルは、チューブシステムを通る漏れを防止するために、ケーブルを剪断して導管を密封することができるいわゆる「剪断バルブ」を通過するが、このような漏れは、ケーブルおよびプローブが回収される前の段階で相当な量になっているだろう。ケーブルはさらにストップバルブを通過し、それにより、横送り炉心内プローブが容器の閉じ込めの内部へ入れられる。最後に、ケーブルがいわゆるインデクサーに到達し、さらにその後、原子炉容器の内部まで到達する。これらのインデクサーは、大型の沸騰水型原子炉内にある１７０個余りからなる局部出力領域モニタの割り当てられた区間の部位に隣接して通過するように各々のＴＩＰを送るための機械的システムを形成している。通常、インデクサーは、較正処理中に１個の横送り炉心内プローブが経由するための１０個の代替経路を有する。

言うまでもなく、このシステムは精巧で複雑である。各局部出力領域モニタの較正は、局部的な熱中性子束のプローブによる測定値ならびに挿入用セミリジッドケーブルの端部位置の相関的要素である。必然的に、必要とされる較正を実行するためには、このセミリジッドケーブルの端部位置が適切な代替経路に関連付けされなければならない。

また、必要となるチューブシステムは原子炉容器の下方にチューブのマトリックスを有する。通常、これらのチューブは、容器下方の点検が必要な場合には除去されなければならず、その後元に戻される。

ストップバルブおよび剪断バルブの両方が存在するにもかかわらず、このシステムは、依然として、原子炉からの水の放射性粒子を含有する水のための考えられる逃げ道となってしまっている。また、回収されるケーブルは機械的複雑さを有している可能性があり、さらには放射性である可能性もある。

これらのことから、最近では、ＴＩＰの使用を省き、ＴＩＰの代わりに、ＬＰＲＭシステムと共に別のタイプの原子炉出力測定装置を使用することが考えられている。ガンマサーモメータと呼ばれるこのタイプの装置は、原子炉内の固定位置にセンサのシステムを有しており、駆動機構を必要とせず、感度の実質的な劣化もない。

ガンマサーモメータは既知である。一般に、ガンマサーモメータは、放射線、特にガンマ線に起因する熱の量を検出するようなタイプの、原子炉出力測定装置である。核分裂電離箱とは異なり、原理的には、ガンマサーモメータは感度の劣化がない。

図８を参照すると、典型的なガンマサーモメータＴが簡単な形で示されている。通常、ガンマサーモメータＴは、外側チューブ７６内に片持ち方式で置かれたメタルマス７４を有する。金属のマス７４はガンマ線束に直接に依存して一定温度まで到達する。

読み取り用熱電対７８および参照用熱電対８０が直列回路で使用される。具体的には、参照用熱電対８０（通常、炉心の温度安定内側部分への参照とされる）および読み取り用熱電対７８との間の温度差が、原子炉出力に比例して存在しているガンマフラックスを示す異なる電圧を一対の線８２、８４上に生じさせる。

ガンマサーモメータは原子炉内の固定位置に配置される。各ガンマサーモメータは電気接続部および読出し電子回路を必要とする。望ましくないことに、ガンマサーモメータによって測定されるガンマ線出力は、原子炉の安全な稼動に必要とされるように電力変動に即座には反応を示さない。また、ガンマサーモメータは高価であり、プローブおよびそれに付随するケーブル布線は原子炉内のかなりの空間を占有する。結果として、ガンマサーモメータは配備される数が限定されてしまい、原子炉内の反応速度をＴＩＰシステムより粗く示すことになってしまう。したがって、ガンマサーモメータに関連する上述の問題を克服することが所望される。

米国特許第５０１５４３４号公報

本発明の一態様では、原子炉が、原子炉容器内の反応を閉じ込めるための炉心と、離間された位置でコア内に延在する複数の装置誘導チューブとを有し、各々の装置誘導チューブが局部出力領域監視用ストリングの挿入および取外しを可能にしており、各ストリングが、炉心内の所定の位置での熱中性子束を測定するための複数の局部出力領域モニタと、対応する局部出力領域モニタに隣接する光学式ガンマサーモメータをと有し、各々の光学式ガンマサーモメータが、炉心内のガンマフラックスに比例する温度を有するメタルマスと、このメタルマスの温度を測定する光ファイバケーブルとを有し、光学式ガンマサーモメータが、原子炉の定常状態での出力動作中において対応する局部出力領域モニタを較正することができる。

本発明の別の態様では、炉心を有する原子炉内のガンマフラックスを測定するための光学式ガンマサーモメータが、炉心内のガンマフラックスに比例する温度を有するメタルマスと、このメタルマスの温度を測定する光ファイバケーブルとを有し、光学式ガンマサーモメータが、原子炉の定常状態での出力動作中において対応する局部出力領域モニタを較正することができる。

本発明のさらに別の態様では、原子炉内の局部出力領域モニタを較正するための方法が、
対応する局部出力領域モニタに隣接する少なくとも１つの光学式ガンマサーモメータを配置するステップと、
定常運転状態で原子炉を稼動するステップと、
原子炉の出力を判定するために原子炉のエネルギー収支を確認するステップと、
光学式ガンマサーモメータのメタルマスの温度を測定するステップと、
原子炉の一部分での出力と光学式ガンマサーモメータによって測定された温度とを相互に関連付けるステップと、
対応する局部出力領域モニタの読み取り値を取得するステップと、
局部出力領域モニタの読み取り値からの中性子束および光学式ガンマサーモメータの測定温度を較正するステップと
を含む。

本発明のこれらのおよび他の特徴、態様および利点は、複数の図面全体を通して同様の記号は同様の部品を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解されるであろう。

本発明の一実施形態による、炉心内のガンマフラックスを判定するための、炉心内誘導チューブが中に装入された光学式ガンマサーモメータを備える局部出力領域モニタ用ストリングを示した、沸騰水型原子炉の概略図である。 原子炉の炉心に装入するための局部出力領域モニタの拡大断面図である。 本発明の一実施形態による、１個の局部出力領域検出装置と１個の光学式ガンマサーモメータとの集合体の図である。 図３の光学式ガンマサーモメータの拡大断面図である。 本発明の一実施形態による、光学式ガンマサーモメータの一部分の部分断面斜視図である。 本発明の一実施形態による、１０個の格子を備えるファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）構造体を有する光学式ガンマサーモメータにおける、波長に対する反射電力のグラフである。 本発明の別の実施形態による、１個の局部出力領域検出装置と光学式ガンマサーモメータとの集合体の図である。 図６の光学式ガンマサーモメータの拡大断面図である。 本発明の一実施形態による、単一の光ファイバケーブルを使用する複数の光学式ガンマサーモメータを用いて複数の離散した位置でガンマフラックスを測定するためのシステムの概略図である。 本発明の一実施形態による、複数の光ファイバケーブルを使用する複数の光学式ガンマサーモメータを用いて複数の離散した位置でガンマフラックスを測定するためのシステムの概略図である。 本発明の一実施形態による、複数の光ファイバケーブルの長手方向に沿って連続的にガンマフラックスを測定するためのシステムの概略図である。 従来のガンマサーモメータの断面図である。

図１を参照すると、ドームが取り外されており局部出力モニタ用ストリングＳが挿入過程にある原子炉容器Ｖが示されている。通常、ストリングＳはチューブ２４内に挿入される。チューブ２４は炉心支持板１２から始まって原子炉容器Ｖの底部を通って延在している。

ストリングＳの一部分がチューブ２４の上方の炉心内に延在している。ストリングＳの上側部分は上部格子板１２と位置が合っている。したがって、最終的に炉心スタンドに対して垂直に立つように保持されるストリングＳが、測定時に炉心の中性子束内部に露出される。

図１を参照すると、沸騰水型原子炉の容器Ｖの一区間が示されている。容器Ｖは、制御棒１６によって制御される炉心１５を囲んでいる炉心シュラウド１４を有する。図１に示した原子炉の一部分では、１つまたは複数のジェットポンプ１３が、上部格子板１２の頂部上の水を、容器Ｖの側部と炉心シュラウド１４との間の隙間の容積部内においてジェットポンプ１３を介して原子炉の炉心の下方にあるプレナムＰまで下方へと引き出す。その後、水は炉心支持板１７を上方へと通過して１５のところにある炉心の個々の燃料バンドルに入る。ジェットポンプ用の水は１９のところで抽出されて１８のところに入り、それにより炉心内で必要とされる強制的な循環が得られる。本明細書では沸騰水型原子炉を説明するが、本発明の原理は、中で炉心計装が使用されるような任意のタイプの原子炉で使用され得ることを理解されたい。

示すように、局部出力領域モニタ用ストリングＳを挿入するための単一の機器誘導チューブ２４が描かれている。挿入は炉心１５の上方から開始されることは理解されよう。ストリングＳは、炉心１５の頂部からインコア誘導チューブ２４の底部へと挿入される。インコア誘導チューブ２４の底部は密閉状態となっている。ストリングは、上部格子板１２に隣接する炉心１５の頂部から延在する。また、インコア誘導チューブ２４は、炉心１５の底部からアクセスできるように設計されてよい。各ストリングＳは通常は４つの監視部位を有する。これらの監視部位は、上部格子板１２と炉心支持板１７との間で等間隔に離間される。これらの監視部位は、原子炉内の連続する４つの垂直区間のサンプルを抽出するように配置される。

図１の図解はこのインコア誘導チューブ２４を１つだけ示しているが、典型的な炉心１５を監視するためには実際は多数のインコア誘導チューブが使用されることを理解されたい。例えば、６４個のこのような装置誘導チューブまたは個別にワイヤーが付けられた約２５６個の局部出力領域モニタを備えることは珍しいことではない。

局部出力領域モニタは、必要となる測定値を得るために異なるグループに組み合わされることを理解されたい。このようなグループの組合せは本発明には直接関係がなく、また、このような局部出力領域モニタを読み取るための計装はよく知られていることから、このような計装を本明細書でさらに説明することはしない。

図２を参照すると、局部出力領域モニタＭが、外側円筒カソード６０と、外側チューブ７０内に収容される内側同心型円筒アノード６２とを有している。アノード６２に隣接するカソード６０には核分裂物質６４の薄いコーティングが付されている。物質６４は、通常、Ｕ２３５とＵ２３４とを組み合わせたものである。当技術分野でよく知られているように、Ｕ２３５がモニタＭの寿命にわたって使い切られ、Ｕ２３４が代替のＵ２３５を増殖させることにより検出装置Ｍの稼動寿命が延びる。

通常、アノード６２は、取り囲んでいるカソード６０と同心となるように、各端部のところで絶縁ブロック６６に定置される。好適には、アルゴン雰囲気６８が存在する。通常、中心のコンダクタがアノードに接続されており外側のコンダクタがカソードに接続されている同軸ケーブルが検出装置に繋がれている。このケーブルを通る直流が熱中性子束のリアルタイム測定値を提供する。

稼動中、熱中性子は層６４のとこでＵ２３５に衝突する。核分裂成分がアルゴンガス６８内へと放散され、電子が、カソードと反対の極性のイオンを有するアノードまで流れる。従来の方法で読み取られる直流のすべてがケーブル６９間に誘発される。層６４のＵ２３５成分が稼動寿命によって変化することから、局部出力領域モニタＭの較正が必要となる。

ストリングＳが炉心１５内のインコア誘導チューブ２４に挿入されており、原子炉が定常運転状態で稼動されている場合、従来の原子炉の熱収支に組み合わせて局部出力領域モニタＭを較正するのに、ガンマサーモメータが使用され得る。通常、ガンマサーモメータはストリングＳ内の局部出力領域モニタＭの近傍に配置される。例えば、ストリングＳは、炉心１５の異なる高さのところに合計で４つの出力領域検出装置Ｍを収容することができる。一実施形態では、１つまたは複数のガンマサーモメータが各出力領域検出装置Ｍの近傍に配置されてよく、それにより、炉心１５内の離散した位置でガンマフラックスを示すことができるようになる。

ガンマフラックスを熱（エネルギー）収支の結果に関連付けるこの手法により、局部出力領域モニタの較正がそれらの耐用稼動寿命の間中ずっと行われる。定常状態にある原子炉の出力を測定する際に必要となるエネルギー収支は、十分に現況技術の範囲内である。これがわかれば、ガンマサーモメータの測定値を任意の所与の位置における反応の強さに関連付けることができる。１つまたは２つのガンマサーモメータが各々すべての局部出力領域モニタＭに隣接するように配置されるため、その後は、隣接しているガンマサーモメータの読み出した値を用いて各局部出力領域モニタＭを較正することができる。

上述したように、従来のガンマサーモメータＴは、読み取り用熱電対７８および参照用熱電対８０を使用することによりメタルマス７４の温度を測定する。本発明の一態様では、メタルマス３４、３６の温度は読み取り用熱電対７８および参照用熱電対８０を用いて測定されず、ファイバ光学センサを用いて測定される。本明細書で使用される際、ファイバ光学センサとは、センサ素子（本質的なセンサ）としてまたはリモートセンサから信号を処理するための電子回路へと信号を中継する手段（外的なセンサ）としてのどちらかで光ファイバを使用するセンサのことである。

次に図３を参照すると、３０のところに概略的に示されており、炉心１５内の離散的な位置でガンマフラックスを測定するための光学式ガンマサーモメータを有するストリングＳの一部分が、本発明の一実施形態に従って示されている。ストリングＳは、中に上向きの水の流れが存在するカバーチューブを有する。局部出力領域モニタＭを較正するために光学式ガンマサーモメータが使用される場合、光学式ガンマサーモメータ３０は局部出力領域モニタＭの近傍に配置されるのが望ましい。示した実施形態では、局部出力領域モニタＭは、光学式ガンマサーモメータ３０からわずかな距離ｄだけ分離されており、そうすることにより、局部出力領域モニタＭのところの中性子束が本質的に一様となる。例えば、距離ｄは約１インチであってよい。ストリングＳは、局部出力領域モニタＭから同等の距離ｄまたは第２の距離だけ分離されていてよい、局部出力領域モニタＭの反対側に配置される第２の光学式ガンマサーモメータを有することができることを認識されたい。

図３Ａに示すように、光学式ガンマサーモメータ３０は、ストリングＳの長手方向に沿って延在する光ファイバ３２を有する。示した実施形態では、単一のガンマサーモメータ３０が示されている。しかし、複数のガンマサーモメータが単一の光ファイバ３２に沿って配置されてもよい。また、光学式ガンマサーモメータ３０は、周囲環境およびガンマフラックス存在下の熱から熱的に隔離されたメタルマス３４を有する。メタルマス３４を周囲環境から熱的に隔離する１つの方式は、例えば、メタルマス３４と外側チューブ７６との間に隙間３５を設ける方式である。光学式ガンマサーモメータ３０はまた、基準温度として使用される周囲温度の測定値を提供するためのヒートシンクとして機能する、周囲環境に熱接触している任意選択の第２のメタルマス３６を有する。代替の実施形態では、第２のメタルマス３６は省かれてよく、本発明は周囲温度を測定する必要がなく実施され得る。

図４を参照すると、光ファイバケーブル３２が、長手軸３３に沿って延在しており約５ミクロンから約１００ミクロンの直径を有する、純粋なシリカまたはドーピングされたシリカで形成された中央ファイバ芯３８を有する。しかし、特定の実施形態では、ファイバケーブル３２は、長手軸３３に沿った、コサイン型アポダイズド屈折率プロフィル（ｃｏｓｉｎｅ ａｐｏｄｉｚｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）またはガウス型アポダイズド屈折率プロフィル（Ｇａｕｓｓｉａｎ ａｐｏｄｉｚｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｐｒｏｆｉｌｅ）などの周期的に変調される屈折率プロフィルを有する。ファイバクラッディング４０がファイバ芯３８の周囲を覆っており、純粋なシリカまたはドーピングされたシリカから作られた約１２５ミクロンの外径を有している。ファイバ芯３８はファイバクラッディング４０より高い屈折率を有しており、その結果、ファイバケーブル３２が光伝播の導波管として機能する。一実施形態では、ファイバ芯３８は純粋な二酸化ケイ素から作られており、ファイバクラッディング４０は、シングルクラッドファイバ感知用ケーブルとしてドーピングされたフッ素である。代替の実施形態では、ファイバ芯３８は共ドーピングされたＦ／ＧｅＯ_２であり、ファイバクラッディング４０は、シングルクラッドファイバ感知用ケーブルとしてＦドーピングされる。また、ファイバクラッディング４０は、第１のクラッドが軽度にＦドーピングされており第２のクラッドが重度にＦドーピングされた二重クラッド構造体であってよい。純粋な二酸化ケイ素または共ドーピングされた四面体Ｏ−Ｓｉ−Ｏ構造体のどちらかであるファイバ材料は、すべてのダングリングボンドの末端にＦを有しており、熱安定度と四面体構造の熱安定度の放射抵抗能力を維持するためにＯＨヒドロキシルクラスタを取り除いている。

一実施形態では、同調可能レーザ、スーパールミネッセント、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源（図示せず）が光ファイバケーブル３２と光を放射して連絡するように位置され、ファイバ芯３８を通して伝達される近赤外光を放出する。本発明はこのタイプの光源に限定されないこと、および、本発明は任意適当な光源を使用して実施され得ることを認識されたい。

光はファイバ芯３８を通って受光素子またはインテロゲータ５２（図７Ａ）に入るように送出または伝達される。一実施形態では、光学式ガンマサーモメータ３０は、光がファイバ芯３８を通るように送出されたときに選択された波長を有する光を反射するような１つまたは複数のファイバ格子構造体４２を有する。一実施形態では、ファイバ格子構造体４２はファイバブラッグ格子（ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ））を有する。選択される波長は２×ｎ×Λで求められる。ここでは、ｎはファイバ芯の実効屈折率であり、Λは格子変調周期である。反射光の波長はメタルマス３４、３６の温度に対応している。反射光信号は受光素子（図７Ａ〜７Ｃ）へと送られる。ここで、光信号は処理される、ならびに／あるいは、受光素子に接続されたおよび／または通じているコンピュータ（図示せず）へと送られる。例えば、一実施形態では、ワイヤレスインターフェース１６７（図７Ｂ）が、受光素子が受信した光信号に応答して電気信号をコンピュータへ送ることができる。

一実施形態では、各ファイバ格子構造体４２は、光ファイバケーブル３２の長手軸３３に沿って、約５ミリメートルから約２０ミリメートルの長さを有する。ファイバ芯３８が純粋な二酸化ケイ素で作られており、ファイバクラッディング４０が二重クラッド構造体であるような場合では、ファイバ格子構造体４２は、強力なフェムト秒パルスレーザによる格子打刻技術によって打刻された純粋石英ファイバから作られていてよい。

別の実施形態では、ファイバ格子構造体４２は、約１０〜２０マイクロメートルの厚さの多結晶のＡｌ、Ｃｕ／ＮｉまたはＡｕのコーティングを有するファイバクラッディング４０を囲む金属化されたクラッディング（図示せず）を有してよい。示した実施形態では、光学式ガンマサーモメータ３０は、２つの短周期ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）４２を有する。しかし、本発明は、所望される任意の数のＦＢＧを用いて実施されてよい。例えば、本発明は、１つのＦＢＧのみを用いて、または３つのＦＢＧを用いてなどで実施されてよい。一実施形態では、ＦＢＧ４２には、長手軸３３に沿って、約０．５ミクロンのピッチサイズのアポダイズド屈折率の変調がある。本発明がファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）構造体に限定されないこと、ならびに、本発明が長周期格子および螺旋状ファイバなどの別の格子構造体を用いて実施され得ることを認識されたい。

ＦＢＧ４２は、ひずみの影響を事実上受けないように、緩いパッケージング構成で構築される。一実施形態では、１つまたは複数のＦＢＧ４２を含む一定の長さのファイバが構造上の円筒になるように緩めにパッケージングされ、その結果、典型的には１２５ミクロンであるファイバケーブル３２の外径が、典型的には約１４０ミクロンである構造上の円筒の内径よりわずかに小さくなる。熱勾配または構造体の質量に起因する、このパッケージ上に生じる外部からのいかなるひずみも、ファイバケーブルまたはＦＢＧには伝達されない。このようにして、ＦＢＧの光学応答は、ひずみ効果ではなく温度効果のみに限定される。また、光ファイバケーブルおよびＦＢＧ４２は、構造上の円筒内におけるダメージからファイバケーブルを保護するためにアルミニウムなどの材料の薄層でコーティングされてよい。グラスファイバとコーティングとの間の熱膨張係数の差に起因するＦＢＧ４２へのひずみ効果は測定または計算することができ、光波長シフトと温度との間での変換に織り込むことができる。

光は単一波長でファイバブラッグ格子構造体４２から反射される。反射信号は、屈折率（ｎ）、格子変調の数Ｎ、正規モード数Ｖ、格子周期Λおよび格子長さＬ_Ｇなどの、材料特性および格子構造の相関的要素である。熱により誘発される波長シフト、反射電力損失、および、ＦＢＧ４２からのブラッグピークの共鳴幅は以下のように示される。

明らかに、相対的波長シフトは、温度変化によって誘発されるガンマ線に比例する。パラメータ

は、ファイバ材料の特性によって決定される、熱−光の係数および熱膨張係数である。

次に図５を参照すると、１０個のファイバブラッグ格子のアレイを備える光学式ガンマサーモメータに反応する反射の例が示されている。図５に示すように、約１５１０ｎｍから約１５９０ｎｍの間の波長においては反射電力は約−１５ｄＢｍから約−５０ｄＢｍまでの間の範囲にある。ピークの離隔距離は格子周期に応じて変化し、各ピークの中心波長の変調はガンマフラックス（または温度）を示している。温度分解能は摂氏１度未満である。

光ファイバは、その材料特性を考えると、理想的な分散型温度センサである。光ファイバから分散した温度情報を抽出するのに使用可能な手法はいくつかある。これらには、ラマン散乱、ブリルアン散乱およびレイリー散乱をベースにすると共に多重化されたファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を必要とする技術も含まれる。ラマン散乱およびブリルアン散乱をベースとした手法は、位置を分解するために光パルスのタイムオブフライト（ＴＯＦ）を使用する。どのくらい短い光パルスが作られ得てさらには良好なノイズ性能で検出され得るかということには限界があることから、これらのシステムは、約０．１ｍから約１ｍの空間的分解能に限定される。ＦＢＧを採用する方法ではより高い分解能が得られるが、しばしば、各ファイバ内の格子の数が限定されてしまう。各ファイバにおいて５０個を超えるＦＢＧが必要となる場合は常に、多重ＦＧＢセンサに応答指令信号を送るのに、光カプラ／コンバイナまたは光式スイッチのいずれかを用いた多重化方法が使用され得る。ＦＢＧベースおよび分散型ベース（ｓｃａｔｔｅｒ−ｂａｓｅｄ）の両方の技術では、例えば耐放射線性の光ファイバなどといったような特別な光ファイバが必要となる場合がある。

ラマン散乱により温度を測定することが可能となる。得られた信号は、通常は、複数のピークが材料対称性および構造特性と線形関係にあるようなスペクトルである。これらのピークは、光学フォノン振動の物理的性質に依存する固有の幅で生じ、それにより材料独自のフィンガープリントが得られることから、この方法は材料分析に適している。ラマン分光法では、この固有の幅は、光学フォノン振動モードからの振動数シフトである。この振動数シフトは、レーザとの衝突においてフォノンがレーザからエネルギーを受け取る場合は正のシフト（ストークス散乱）としてまたフォノンがエネルギーを放射する場合は負のシフト（アンチストークス散乱）として現れるときの各フォノン励起エネルギーの回転成分および振動成分に関係している。ストークスピークおよびアンチストークスピークの相対的強度は、光学フォノンのシステムがボルツマン分布に従っていることを認識するときの温度に依存する。

ブリルアン散乱は、媒体（水または結晶など）中の光が時間依存の密度変化と相互作用してそのエネルギー（振動数）および経路を変化させるときに起こる。密度変化は、一時的な誘電関数の変動に起因するものであってよい。光が横方向の音波および縦方向の音波と相互作用する場合は常に、散乱光の信号はストークス信号およびアンチストークス信号の成分も含む。しかし、温度の判定は、特定の音波の振動数シフトまたは横方向または縦方向の波からの速度変動によって行われる。等方性ファイバ材料の場合、横方向および縦方向の速度は、（Ｃ_４４／ρ）^１／２および（Ｃ_１１／ρ）^１／２によって決定される。ここで、Ｃ_１１およびＣ_４４は弾性率（ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｕｌｅ）であり、ρはファイバ材料の質量密度である。温度の判定は、測定された速度または振動数シフトによって行われる。

ブリルアン光散乱の非弾性散乱の過程は原理的にはラマン散乱と同じである。歴史的にみて、ブリルアン散乱が音響フォノンの散乱を指しており、ラマン散乱が分子の振動および光学フォノンからの散乱を指している。今日、ブリルアン散乱とラマン散乱との間の違いは、実験方法が異なること、そしてその結果、有効である振動数範囲が異なることにあると考えられている。ブリルアン散乱という用語は、干渉計を用いての振動数シフトの実験的検出を指しており、一方でラマン散乱は格子分光計を採用しての調整（セットアップ）を指している。ブリルアン散乱は、技術的に、振動数が約５００ＧＨｚ未満である準粒子の検出に限定され、一方でラマン散乱では、ＴＨｚ範囲内のはるかに高い振動数が測定され得る。

光ファイバなどの媒体内を移動する強力ビームの場合、ビーム自体の電界の変化により、電気ひずみを介して媒体内に音響振動が発生する場合がある。ビームは、これらの振動から、通常は入射ビームに対して反対方向にブリルアン散乱を受ける場合がある。これは誘導ブリルアン散乱（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ （ＳＢＳ））として知られている現象である。縦方向および横方向の音響モードの典型的な振動数シフトは、約２０〜５０ＧＨｚ程度である。誘導ブリルアン散乱は、光位相共役を引き起こすことができる１つの効果である。

ＦＢＧまたはファイバ自体のどちらかをベースとする上述したすべての感知方法において、ファイバ感知用ケーブルは、ガンマ線、中性子、ならびに、アルファ線およびベータ線などの高エネルギー粒子または擬粒子により損傷に強力に抵抗することができる特殊ファイバ材料を必要とする。必要となる単一モードファイバまたは多モードファイバは、純粋な二酸化ケイ素またはドーピングされた二酸化ケイ素のどちらかであるファイバ芯と、ファイバ芯がＦ／ＧｅＯ_２などのドープ剤で共ドーピングされている場合は純粋な二酸化ケイ素であるか、ファイバクラッディング、ファイバ芯が純粋な二酸化ケイ素である場合はフッ素でドーピングされるかのいずれかであるファイバクラッディングとから構成される。一実施形態では、このようなファイバは、直径が４〜６２．５μｍの純粋な二酸化ケイ素の芯と、直径が１２５μｍであるフッ素ドープファイバクラッディングとから構成される。一実施形態では、ファイバクラッディングは２つのクラッディング構造体で作られる。フッ素ドーピング濃度が低い第１のクラッディングは、シングルモードファイバの場合は約２４〜３０μｍ、多モードファイバの場合は８２．５μｍであり、また、上記のクラッディング直径から１２５μｍまでの第２のクラッディング領域はフッ素ドーピング濃度がより高く、その結果、ファイバの屈折率プロフィルが１０^−４から１０^−２までの間で減少され、透過損が減少する。

二酸化ケイ素であるファイバ材料は縮合された四面体Ｏ−Ｓｉ−Ｏ構造体を有することが好ましく、それにより、ダングリングボンドの末端の大部分がフッ素となる。ファイバ材料のバンドギャップの不純物レベルは、ドーピングされたファイバ材料のバンドギャップを効果的に拡大させる熱アニーリング処理などによって除去される必要がある。プリコンディショニングにより、キャリアが共有原子価の価電子帯（ｃｏｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）と伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）との間を移動することが阻止され、それにより、伝導率または屈折率のいかなる変化も最小化される。一方、Ｏ−Ｓｉ−ＯＨ結合の代わりにＯ−Ｓｉ−Ｆを使用することにより、ファイバの暗色化を引き起こす可能性があるＯＨヒドロキシルクラスタを取り除くことができる。

Ａｌ、Ｃｕ／Ｎｉ、Ａｕなどの金属化されたコーティング層が気密封止による密閉およびパッケージングに使用されることから、その緩いマイクロ構造は、一定時間だけ高温で熱アニーリングされることによって多結晶性形態となるように改良される必要がある。ファイバのプレコンディショニング処理での所望の温度は、Ａｌの被覆ファイバおよびファイバセンサの場合４００℃未満であり、Ｃｕ／Ｎｉの場合５００℃未満であり、Ａｕコーティングの場合７００℃未満である。所望の時間は、不活性環境において２４時間を超えてなければならない。

次に図７Ａを参照すると、単一の光ファイバケーブル３２により、炉心１５の複数の離散した位置にある複数の光学式ガンマサーモメータ３０を用いてガンマフラックスを判定するための全体として１５０で示されたシステムが示されている。例えば、ストリングＳは、光ファイバケーブル３２に沿った離散した位置に８つの光学式ガンマサーモメータ３０を有する。システム１５０は、光ファイバケーブル３２と光学的に連絡している全体として１５２で示されたインテロゲータを有してよい。この実施形態では、光学式ガンマサーモメータ３０は、炉心１５内の離散した位置でメタルマス３４および／または３６の温度の測定するために、ファイバブラッグ格子構造体４２を有する。インテロゲータ１５２は、光源１５４および光受信器１５６と、プロセッサ・通信ユニット１５８とを有する。光カプラまたは光サーキュレータ１５９は、光源１５４から送出される光を受信し、光の一部を光ファイバケーブル３２のファイバ芯３８を通して送出する。光検出装置１５６は、光カプラまたは光サーキュレータ１５９を経由して、光学式ガンマサーモメータ３０から反射された光を受信する。プロセッサ１５８は光検出装置からの反射光の信号を受信し、当技術分野で知られている技術に従ってその信号を処理する。

次に図７Ｂを参照すると、複数の光ファイバケーブル３２により、炉心１５の複数の位置にある複数の光学式ガンマサーモメータ３０を用いてガンマフラックスを判定するための全体として１６０で示されたシステムが示されている。例えば、システム１６０は、各々が８つの光学式ガンマサーモメータ３０を有する６４個のストリングＳを有してよい。図７Ａに示した実施形態と同様に、光学式ガンマサーモメータ３０は、炉心１５内の離散した位置でメタルマス３４および／または３６の温度を測定するために、ファイバブラッグ格子構造体４２を有する。システム１６０は、光学スプリッタまたは光式スイッチ１６４と光学的に連絡している全体として１６２で示された、ＦＢＧインテロゲータなどのインテロゲータを有する。図７Ａに示したインテロゲータ１５２と同様に、インテロゲータ１６２は、光源１５４および光受信器１５６と、プロセッサ・通信ユニット１５８とを有する。インテロゲータ１６２は、ラップトップコンピュータなどのプロセッサ１６８へデータを伝送するためにネットワークインターフェース１６６と連絡している。ネットワークインターフェース１６６はまた、プロセッサ１６８へ無線で伝送するためのワイヤレスインターフェース１６７へも伝送することができる。

次に図７Ｃを参照すると、複数の光ファイバケーブル３２により、炉心１５内の複数の位置にある複数の光学式ガンマサーモメータ３０を用いてガンマフラックスを判定するための全体として１７０で示されたシステムが説明されている。図７Ａおよび７Ｂに示した実施形態とは異なり、光学式ガンマサーモメータ３０はメタルマス３４および／または３６の温度を測定するためのファイバブラッグ格子構造体４２を有していないが、炉心１５内で光ファイバケーブル３２の長手方向に沿って連続的に温度を測定する。連続式センサインテロゲータ１７２は光式スイッチ１７４と光学的に連絡している。図７Ａに示したインテロゲータ５２と同様に、インテロゲータ１７２は、光源１５４および光受信器１５６と、プロセッサ・通信ユニット１５８とを有する。図７Ｂに示したインテロゲータ１６２と同様に、インテロゲータ１７２はネットワークインターフェース１７６と連絡していることから、ラップトップコンピュータなどのプロセッサ１６８へデータを伝送するためのワイヤレス送信機１６７と連絡することができる。

本発明の光学式ガンマサーモメータは、稼動寿命が延びることにより効率が低下してしまうような部分を含んでいないことを認識されたい。このことから、任意の熱収支に関して、光学式ガンマサーモメータ３０の結果が実質的に変化しないままでいることが見込まれることを理解されたい。

上述したように、本発明の光学式ガンマサーモメータは、温度を測定するために熱電対を使用する従来のガンマサーモメータで必要とされるような複数のケーブルではなく単一の光ファイバケーブルを使用して、インコア装置用チューブ内のガンマフラックスに起因する温度の測定値を提供することができる。その結果、本発明の光学式ガンマサーモメータは、従来のガンマサーモメータよりインコア装置用チューブ内で占有する空間がはるかに少なく、コストが大幅に削減される。加えて、単一の光ファイバケーブルで多くの温度測定を行うことが可能であり、それによりはるかに正確な炉心の三次元温度マップ（ガンマフラックス）が得られる。

また、光学式ガンマサーモメータは、燃料補給プランをより良好に最適化するために、燃料サイクルにおける原子炉燃料の減損に関連するコンピュータシミュレーションを較正するのに使用され得る。さらに、ファイバブラッグ格子（ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ））を用いた、本発明の光学ガンマサーモメータの緩めのチューブパッケージングは、ひずみの影響による誤った読み取りをなくすのに役立つ。さらに、本発明の光学式ガンマサーモメータを用いたシステムは、従来のＴＩＰシステムに取って代わり、コストを大幅に削減することができる。

例示の実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、本発明の要素を均等物で代用できることを当業者は理解するであろう。また、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示内容に適合させるために多くの修正形態が作られ得る。したがって、本発明は、本発明を実現するように企図された最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内に収まるすべての実施形態を含むことが意図される。

１２ 上部格子板
１３ ジェットポンプ
１４ 炉心シュラウド
１５ 炉心
１６ 制御棒
１７ 炉心支持板
１８ ウォーターエントリー
１９ ウォーターエクストラクション
２４ 装置誘導チューブ
３０ 光学式ガンマサーモメータ
３２ 光ファイバケーブル
３３ 長手軸
３４、３６、７４ 金属マス
３５ 隙間
３８ ファイバ芯
４０ ファイバクラッディング
４２ ファイバ格子構造体
６０ カソード
６２ アノード
６４ 核分裂物質
６６ 絶縁ブロック
６８ アルゴンガス
６９ ケーブル
７０、７６ 外側チューブ
７８ 読み取り用熱電対
８０ 参照用熱電対
８２、８４ 線
１５０、１６０、１７０ システム
１５２ インテロゲータ
１５４ 光源
１５６ 光受信器
１５８ プロセッサ・通信ユニット
１５９ 光カプラまたは光サーキュレータ
１６２ ＦＢＧインテロゲータ
１６４、１７４ 光スプリッタまたは光式スイッチ
１６６、１７６ ネットワークインターフェース
１６７ ワイヤレスインターフェース
１６８ プロセッサ
１７２ 連続式センサインテロゲータ
Ｍ ＬＰＲＭ
Ｐ プレナム
Ｓ ＬＰＲＭストリング
Ｔ ガンマサーモメータ
Ｖ 原子炉容器

Claims (10)

1. 原子炉の炉心（１５）内のガンマフラックスに比例する温度を有するメタルマス（３４）と、
   長手軸（３３）に沿って延在しているファイバ芯（３８）と、前記ファイバ芯の周囲を覆っているファイバクラッディング（４０）とを有する、前記メタルマスの前記温度を測定するための光ファイバケーブル（３２）とを有する光学式ガンマサーモメータ（３０）。
2. 前記ファイバ光ケーブル（３２）がファイバブラッグ格子（４２）をさらに有する、請求項１記載の光学式ガンマサーモメータ。
3. 前記ファイバブラッグ格子（４２）が、コサイン型アポダイズド屈折率変調プロフィル（ｃｏｓｉｎｅ ａｐｏｄｉｚｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）またはガウス型アポダイズド屈折率変調プロフィル（Ｇａｕｓｓｉａｎ ａｐｏｄｉｚｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅ）のいずれかの少なくとも１つの短周期ファイバブラッグ格子を有する、請求項２記載の光学式ガンマサーモメータ。
4. 約１０マイクロメートルから約２０マイクロメートルの間の厚さを有する金属化されたコーティング層をさらに有する、請求項３記載の光学式ガンマサーモメータ。
5. 前記ファイバブラッグ格子（４２）が、光ファイバケーブルの長手軸に沿って、約５ミリメートルから約２０ミリメートルの長さを有する、請求項２記載の光学式ガンマサーモメータ。
6. 前記ファイバ芯（３８）が純粋な二酸化ケイ素で作られており、前記ファイバクラッディングがシングルクラッドファイバ感知用ケーブルを形成するようにフッ素でドーピングされた、請求項１記載の光学式ガンマサーモメータ。
7. 前記ファイバ芯（３８）が、共ドーピングされたＦ／ＧｅＯ_２であり、前記ファイバクラッディングが、シングルクラッドファイバ感知用ケーブルを形成するようにＦドーピングされる、請求項１記載の光学式ガンマサーモメータ。
8. 前記ファイバクラッディング（４０）が、軽度にＦドーピングされた第１のクラッド領域と重度にＦドーピングされた第２のクラッド領域とを有する二重クラッド構造体を有する、請求項１記載の光学式ガンマサーモメータ。
9. 前記温度が、ラマン散乱手法、ブリルアン散乱手法およびレイリー散乱手法のうちの１つを使用して測定される、請求項１記載の光学式ガンマサーモメータ。
10. 前記光学式ガンマサーモメータ（３０）が、基準温度を得るために周囲環境に直接に接触している第２のメタルマス（３６）を有する、請求項１記載の光学式ガンマサーモメータ。

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