JP2010151696A - 燃焼度計測装置および燃焼度計測方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】使用済燃料集合体の燃料棒の伸びを考慮して燃焼度相対分布を求める。
【解決手段】燃焼度計測装置は、燃料棒とガンマ線検出器との相対的位置関係を変化させてガンマ線をスキャン測定するガンマ線測定部1と、スペーサ位置のガンマ線量が低くなることを利用してガンマ線測定値からスペーサ位置を算出するスペーサ検出部3と、ガンマ線測定位置および測定スペーサ位置と設計スペーサ位置および燃料棒の設計長さを用いて燃料棒の補正長さを求めるとともにガンマ線測定位置を補正する燃焼度相対分布補正部5と、燃焼度相対分布補正部5で補正された測定位置とスキャン測定結果とを用いて燃焼度相対分布を算出する燃焼度相対分布算出部5と、絶対燃焼度を測定する燃焼度測定部7と、絶対燃焼度と燃焼度相対分布とを用いて任意位置の燃焼度あるいは任意範囲の平均燃焼度を算出する燃焼度算出部9と、を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、原子力発電所等の原子炉から発生する使用済み燃料集合体や燃料集合体から取り出された燃料棒を非破壊的に計測して燃焼度を求める燃焼度計測装置および燃焼度計測方法に関する。
原子炉で使用された使用済燃料燃料集合体は、燃料プールで一定の期間保管し、半減期の比較的短い放射能を減衰させた後に、再処理施設や長期貯蔵施設へ輸送される。貯蔵施設の臨界安全設計において、燃焼度クレジットと呼ばれる燃焼による核分裂性物質の減少を考慮した設計がなされている場合には、貯蔵施設の臨界安全性を確保するために、貯蔵に先立って、使用済み燃料の燃焼度等を評価する必要がある。そのために、このような燃料貯蔵施設や再処理施設には燃焼度計測装置を設置する必要がある。
使用済み燃料の燃焼度を算出する方法に、燃料に蓄積されている核分裂生成物、特にセシウム(Cs137やCs134等)から放出されるガンマ線を測定するガンマ線スペクトル測定法と、使用済み燃料中に蓄積している超ウラン元素のキュリウム等から放出されている中性子を測定する中性子測定法等がある。
特に燃料軸方向の端部は燃焼度が低く核分裂性物質の残留割合が高いため、端部の燃焼度は精度良く測定する必要がある。
従来手法では、燃料集合体計測装置に着座させた使用済み燃料集合体の軸方向に沿って、左右側面に20箇所、計40箇所を、グロスガンマ線検出器を用いて測定し、それらグロスガンマ線測定値を用いて燃焼度相対分布を算出した。一方、燃料軸方向の概中央部に設置したガンマ線スペクトル検出器と中性子検出器で測定した絶対燃焼度計測値を、燃焼度相対分布を用いて平均燃焼度に換算していた(たとえば、特許文献1参照)。
燃料集合体は燃焼することにより燃料棒が曲がることや燃料長が伸びることがあり、使用済燃料集合体の形状は設計値に基づく製造時から変化している場合がある。
使用済み燃料集合体の曲がりについては、軸方向の同位置に対向配置されたセンサからの信号を比較して、使用済み燃料曲りに応じた規定位置からのずれから燃焼度を計測する手法が知られている(たとえば、特許文献2参照)。
特公平5−8799号公報 特開平9−251092号公報 特許第2845471号公報
しかし、従来手法では燃料の先端を検出することはできないため、燃料棒の伸びを考慮して燃焼度相対分布を算出することはできなかった。
本発明は、使用済燃料集合体の燃料棒の伸びを考慮して燃焼度相対分布を求めることができる燃焼度計測装置および燃焼度計測方法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、本発明に係る燃焼度計測装置は、スペーサにより複数の燃料棒を束ねて原子炉で照射された燃料集合体または該燃料集合体から取り出された燃料棒とガンマ線検出器との燃料棒軸方向相対的位置関係を変化させてガンマ線をスキャン測定するガンマ線測定部と、前記ガンマ線測定部で測定されたスキャン測定結果とスキャン測定時間と測定位置を記録するガンマ線データベースと、前記スペーサの位置におけるガンマ線量が他の位置よりも低くなることを利用して、前記ガンマ線測定部でスキャン測定したガンマ線測定値からスペーサ位置を算出するスペーサ検出部と、前記燃料棒の設計長さと設計スペーサ位置を記録する燃料棒形状データベースと、前記ガンマ線データベースに記録された測定位置とスペーサ検出部によって検出した測定スペーサ位置と前記燃料棒形状データベースに記録された設計スペーサ位置および燃料棒の設計長さを用いて、前記燃料棒の補正長さを求めるとともに前記ガンマ線データベースに記録された測定位置を補正する燃焼度相対分布補正部と、前記燃焼度相対分布補正部で補正された測定位置と前記ガンマ線データベースに記録されたスキャン測定結果とを用いて燃焼度相対分布を算出する燃焼度相対分布算出部と、前記燃料集合体あるいは燃料棒の軸方向位置における少なくとも一箇所以上の絶対燃焼度を測定する燃焼度測定部と、前記燃焼度測定部で測定した燃焼度を記録する絶対燃焼度データベースと、前記絶対燃焼度データベースに記録された絶対燃焼度と前記燃焼度相対分布算出部で算出した燃焼度相対分布とを用いて任意の位置の燃焼度あるいは任意の範囲の平均燃焼度を算出する燃焼度算出部と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係る燃焼度計測方法は、スペーサにより複数の燃料棒を束ねて原子炉で照射された燃料集合体または該燃料集合体から取り出された燃料棒に対して相対的に燃料棒軸方向に沿ってガンマ線検出器を移動させてガンマ線をスキャン測定してその測定されたスキャン測定結果とスキャン測定時間と測定位置をガンマ線データベースに記録するガンマ線測定工程と、前記スペーサの位置におけるガンマ線量が他の位置よりも低くなることを利用して、前記ガンマ線測定工程でスキャン測定したガンマ線測定値からスペーサ位置を算出するスペーサ検出工程と、前記ガンマ線データベースに記録された測定位置とスペーサ検出工程で検出された測定スペーサ位置と、設計スペーサ位置および燃料棒の設計長さとを用いて、前記燃料棒の補正長さを求めるとともに、前記ガンマ線データベースに記録された測定位置を補正する燃焼度相対分布補正工程と、前記燃焼度相対分布補正工程で補正された測定位置と前記ガンマ線データベースに記録されたスキャン測定結果とを用いて燃焼度相対分布を算出する燃焼度相対分布算出工程と、前記燃料集合体あるいは燃料棒の軸方向位置における少なくとも一箇所以上の絶対燃焼度を測定してその燃焼度を絶対燃焼度データベースに記録する絶対燃焼度測定工程と、前記絶対燃焼度データベースに記録された絶対燃焼度と前記燃焼度相対分布算出工程で算出した燃焼度相対分布とを用いて任意の位置の燃焼度あるいは任意の範囲の平均燃焼度を算出する燃焼度算出工程と、を有することを特徴とする。
本発明によると、燃料棒が燃焼することにより生じた使用済み燃料の伸びを補正して燃焼度相対分布を算出し、それを用いて燃焼度を精度良く算出することができる。
図1は、本発明の実施の形態における一例である燃焼度計測装置の構成を概略的に示すブロック図である。この燃焼度計測装置は、ガンマ線測定部1と、ガンマ線データベース2と、スペーサ検出部3と、燃料棒形状データベース4と、燃焼度相対分布補正部5と、燃焼度相対分布算出部6と、絶対燃焼度測定部7と、絶対燃焼度データベース8、燃焼度算出部9と、燃焼度表示部10とで構成される。
図1の各要素によって行なわれる機能の一部はこれらの機能を実行する命令コードを記述したプログラムコードを汎用のコンピュータに読み込ませ実行させることによって実現してもよい。またこのプログラムコードはコンピュータによって読み取り可能な、CD−ROM、ハードディスク、メモリカード等の記憶媒体に格納されてもよい。
ガンマ線測定部1は、グロスガンマ線を測定するための単数または複数のセンサからなり、センサごとに異なるチャンネルに入力することで、センサごとの測定値の取得が可能である。測定値はガンマ線検出部の測定は一定時間ごとに行なわれる。ガンマ線測定部のセンサの例として電離箱、NaIシンチレーション検出器、BGOシンチレーション検出器、Ge半導体検出器、CdTeまたはCdZnTe半導体検出器、SiC半導体検出器などが利用できる。
ガンマ線データベース2は、使用済み燃料測定結果を逐次記録する。すなわちガンマ線測定部1によって測定された単数又は複数のセンサの識別番号(ID)ごとのグロスガンマ線測定値と、測定開始までの経過時間と測定時間と測定位置とを測定を行なうごとに記録する。
ここで、m番目の測定位置は、たとえば、センサ位置が固定され、燃料が等速に移動している場合には、測定経過時間と、燃料棒移動速度vとk番目のセンサの最初の測定位置xk0から式(1)を用いて求める。
km=xk0+vt … (1)
ただし、xkmはk番目のセンサのm番目の測定位置(mm)、xk0はk番目のセンサの最初の測定位置(mm)、vは燃料棒移動速度(mm/s)、tはm番目の測定開始までの経過時間(s)を表す。
ガンマ線センサの最初の測定位置は、センサの設置位置と燃料を測定開始する位置との関係によって決められる値である。また、スキャン測定を行なうとき、燃料を挿入してセンサで最初に計測される先端を燃料開始端と呼び、最後に計測される先端を燃料終端と呼ぶこととする。
一例として、4つのセンサ(ID001、ID002、ID003、ID004)を図2に示すように配置し、燃料棒20が長手方向に移動速度5mm/sで移動し、xk0をID001の位置に燃料開始端が来た位置としてこれを0mmとし、1秒おきに測定した。その結果を記録したガンマ線データベースを図3に示す。図3では、測定開始後0秒後のセンサID001の測定値が1、測定位置が0mm、ID002の測定値が1、測定位置が0mm、ID003の測定値が0、測定位置が5mm、ID004の測定値が3、測定位置が5mmである。また、測定開始後1秒後のセンサID001の測定値が2、測定位置が5mm、ID002の測定値が2、測定位置が5mm、ID003の測定値が3、測定位置が10mm、ID004の測定値が4、測定位置が10mmであることを表している。
燃料集合体には図2に示すように複数個のスペーサ(グリッドとも呼ばれる)21があり、これで燃料棒20を束ねている。スペーサ21がある位置においては、原子炉内での燃焼中にその部分の中性子束が周囲より低いために燃焼割合が低くなりガンマ線を放出する核分裂生成物の蓄積量が局部的に少ない。さらに、スペーサ21がついたままの燃料集合体を測定するときにはスペーサ21によってガンマ線が遮蔽される。そのため、ガンマ線の相対分布を曲線に表すとその部分が周囲に比べてくぼむことがわかっている。
スペーサ検出部3は、ガンマ線データベース2に記録されたガンマ線測定位置とガンマ測定値を入力として燃料棒のスペーサ位置を検出し、そのスペーサ位置を燃焼度相対分布補正部に出力する。
スペーサ検出部3の一例として、ガンマ線の測定結果を曲線に表示するガンマ線測定結果表示部と、ユーザにくぼみを選択させる入力部とで構成されるスペーサ検出部3について述べる。前記のガンマ線測定結果表示例を図4に示す。ガンマ線測定結果は、たとえば、縦軸を測定値、横軸を測定位置としてグラフ化し、ユーザがスペーサ位置としてマウス等を用いて指定した位置をグラフに重ねて表示しても良い。
また、スペーサ検出部3は、グラフの極値検出手法やあらかじめ登録された波形を基に「IF−THEN」ルールやDP(動的計画法)マッチング等を用いて最もマッチした部分を見つけることで、自動的にスペーサ位置を検出する自動スペーサ検出部からのみ構成されてもよい。自動スペーサ検出部に加え、自動的に検出したスペーサ位置をガンマ線の測定結果を曲線に表示する表示部と、ユーザによってそのスペーサ位置を補正する入力部とを備えていても良い。
燃料棒形状データベース4は、あらかじめ登録された燃料種別ごとに燃料棒の形状を記録する。燃料棒の形状は、少なくとも、燃料長、スペーサ個数、スペーサ位置を含む。
燃料棒形状データベース4の一例として、たとえば、図5に示す燃料棒(ID_AAA)の形状を記録したデータベースを、図6に示す。図6は、ID_AAAのスペーサが4個で、1つ目のスペーサの位置がx1、2つ目のスペーサの位置がx2、3つ目のスペーサの位置がx3、4つ目のスペーサの位置がx4、燃料長の設計長さがLであることを表している。
燃焼度相対分布補正部5は、スペーサ検出部から出力されるスペーサ位置(測定スペーサ位置)と燃料棒形状データベース4に記録される燃料棒のスペーサ位置(設計スペーサ位置)を用いて測定位置を補正し、燃焼度相対分布算出部6に出力する。
燃焼度相対分布補正部5の一例を以下に示す。図7に示すように、k番目のセンサで測定された測定スペーサ位置をx k1、x k2、x k3、x k4、設計スペーサ位置をx 、x 、x 、x とする。添え字Mは測定値、添え字Dは設計値を表している。設計スペーサ位置は、燃料開始端からの距離であり、x は燃料開始端から最初のスペーサまでの距離の設計値である。
式(2)を用いて燃料伸び率Gを算出する。
Figure 2010151696
ただし、Kはセンサ個数、Sはスペーサ個数を表す。また、d ks=x k(s+1)−x ksはk番目のセンサによるs番目と(s+1)番目のスペーサ間の距離の測定値を表し、x ksはk番目のセンサによるs番目のスペーサ位置の測定値を表す。d ks=x s+1−x はs番目と(s+1)番目のスペーサ間の距離の設計値を表し、x はs番目のスペーサ位置の設計値を表す。
前記全てのスペーサ間の燃料伸びを用いて燃料伸び率を算出する代わりに、あらかじめ決められた値以上の差がある燃料伸び率を除いて求めた燃料伸び率を用いたり、燃料伸び率の平均値を算出する代わりに燃料伸び率の中央値を用いてもよい。
また、1番目のスペーサ位置と最後のS番目のスペーサ位置との距離の測定値と設計値との差から式(3)により燃料伸び率Gを求めてもよい。
Figure 2010151696
また、任意のスペーサ間の距離によって伸び率Gを求めることも可能である。
式(2)あるいは式(3)により、燃料の伸び率が求められるので、燃料長さ設計値Lから補正された照射後の燃料長さLは式(4)により求められる。
=G・L … (4)
ただし、添え字Cは補正値を表す。
次に、たとえば、k番目のセンサの1番目のスペーサ位置の測定値x k1と1番目のスペーサ位置の設計値x および燃料伸び率Gを用いて次の式(5)により、k番目のセンサのm番目の測定位置x kmを、燃料開始端からの距離x kmに補正する。
km=x km−x k1+G・x … (5)
同様にして、k番目のセンサのs番目のスペーサ位置の測定値x ksとs番目のスペーサ位置の設計値x および燃料伸び率Gを用いて、次の式(6)により、k番目のセンサのm番目の測定位置x kmを、燃料開始端からの距離x kmに補正することもできる。
km=x km−x ks+G・x … (6)
また、式(6)によってS個の補正値が求められるので、その平均値を補正値x kmとしてもよい。
燃焼度相対分布算出部6は燃焼度相対分布補正部4で補正されたガンマ線測定位置とガンマ測定値を用いて燃焼度相対分布を算出する。算出した燃焼度相対分布は燃焼度相対分布補正部に入力する。
燃焼度相対分布算出部6の一例について述べる。燃焼度相対分布yを、式(7)のように測定位置xのn次式で表すものとする。
y=a+an−1n−1+・・・+a+a+a … (7)
ただし、xはガンマ線測定位置、yはガンマ測定値またはガンマ線測定値から求めた相対燃焼度を表し、a,a,・・・,an−1,aは係数である。
ここで、ガンマ線測定値が、ガンマ線センサとして電離箱等を用いたグロスガンマ線信号である場合には、ガンマ線測定値と燃焼度との比例関係が成立しないことが知られている。この場合には、特許文献3に開示されている方法によって測定位置の相対燃焼度を求めることができる。
ガンマ線測定値がセシウム137に基づく場合のように燃焼度と比例関係にあるときには、燃焼度相対分布yとしてガンマ線測定値を用いて差し支えない。
式(7)に、測定位置をx、ガンマ線測定値またはガンマ線測定値から求めた相対燃焼度をyとした(n+1)以上の組を用いて、係数a〜aを最小二乗法により求めることで燃焼度相対分を算出する。式(7)の次数nを、たとえば6とすることで、通常の使用済燃料に対して実用的な燃焼度相対分布が得られる。
また、燃焼度相対分布算出部6は式(7)を用いず、ガンマ測定位置とガンマ測定値またはガンマ線測定値から求めた相対燃焼度の組のデータそのものを燃焼度相対分布として出力しても良い。
また、スペーサ検出部3で検出したスペーサ位置から前後のあらかじめ登録された範囲内のデータは、燃焼度相対分布算出部6の入力データとして用いなくても良い。
絶対燃焼度測定部7は、単数または複数のセンサからなり、センサごとに異なるチャンネルに入力することで、センサごとの測定値の取得が可能である。絶対燃焼度測定のためのセンサとして、たとえば、ガンマ線スペクトル測定法によって絶対燃焼度を算出するGe半導体検出器や、中性子測定法によって絶対燃焼度を算出する中性子検出器などがある。
絶対燃焼度測定データベース8は、絶対燃焼度測定部7から入力される測定値と測定位置を記録する。
燃焼度算出部9は、絶対燃焼度測定データベース8に記録された測定値と測定位置と燃焼度相対分布算出部6によって出力された燃焼度相対分布を入力として、任意の測定値の燃焼度あるいは任意の範囲の平均燃焼度を算出し、燃焼度表示部10に入力する。
任意の測定値の燃焼度あるいは任意の範囲の平均燃焼度の算出方法の例を次に示す。
式(7)の係数a〜aを求めておくことで、任意の測定位置の燃焼度相対値を算出できる。そこで、絶対燃焼度測データベースに記録された絶対燃焼度測定位置xabsにおける燃焼度相対値fabsを式(8)によって求める。
abs=aabs +an−1abs n−1+・・・+aabs +ax+a
… (8)
次に任意の位置Xの燃焼度相対分布fを式(9)により求める。
f=a+an−1n−1+・・・+a+aX+a … (9)
絶対燃焼度測定データベース8に記録された絶対燃焼度測定値Babsと先に求めたfabsおよびfとから、任意の測定位置Xにおける燃焼度Bを式(10)から求める。
B=(f/fabs)Babs … (10)
また、燃料長さの補正値を用いて、式(7)の燃料全長にわたる積分値から燃料全長での燃焼度相対分布の平均値fabsを式(11)から求める。
Figure 2010151696
これと先に求めたfabsとから燃料全長における平均燃焼度Bavgを式(12)により求める。
avg=(favg/fabs)Babs … (12)
また、式(11)の積分範囲を変えることで、任意の範囲の平均燃焼度を算出することもできる。
燃焼度表示部10は、燃焼度算出部9で出力された燃焼度を表示する。
以上説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。たとえば、上記説明では、ガンマ線測定部1で、センサ位置が固定されて燃料がその軸方向に移動するものとしたが、ここではセンサと燃料が相対的に移動すればよいので、燃料を固定して、センサを移動してもよい。
本発明の一実施の形態における燃焼度計測装置の構成を概略的に示すブロック図である。 本発明の一実施の形態における各ガンマ線センサの位置関係の一例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態におけるガンマ線データベースの一例を示す図である。 本発明の一実施の形態におけるガンマ線測定結果とスペーサ位置表示の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態におけるスペーサ位置の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態における燃料棒形状データベースの一例を示す図である。 本発明の一実施の形態における測定スペーサ位置と設計スペーサ位置の一例を示す図である。
符号の説明
1:ガンマ線測定部
2:ガンマ線データベース
3:スペーサ検出部
4:燃料棒形状データベース
5:燃焼度相対分布補正部
6:燃焼度相対分布算出部
7:絶対燃焼度測定部
8:絶対燃焼度データベース
9:燃焼度算出部
10:燃焼度表示部
20:燃料棒
21:スペーサ

Claims (4)

  1. スペーサにより複数の燃料棒を束ねて原子炉で照射された燃料集合体または該燃料集合体から取り出された燃料棒とガンマ線検出器との燃料棒軸方向相対的位置関係を変化させてガンマ線をスキャン測定するガンマ線測定部と、
    前記ガンマ線測定部で測定されたスキャン測定結果とスキャン測定時間と測定位置を記録するガンマ線データベースと、
    前記スペーサの位置におけるガンマ線量が他の位置よりも低くなることを利用して、前記ガンマ線測定部でスキャン測定したガンマ線測定値からスペーサ位置を算出するスペーサ検出部と、
    前記燃料棒の設計長さと設計スペーサ位置を記録する燃料棒形状データベースと、
    前記ガンマ線データベースに記録された測定位置とスペーサ検出部によって検出した測定スペーサ位置と前記燃料棒形状データベースに記録された設計スペーサ位置および燃料棒の設計長さを用いて、前記燃料棒の補正長さを求めるとともに前記ガンマ線データベースに記録された測定位置を補正する燃焼度相対分布補正部と、
    前記燃焼度相対分布補正部で補正された測定位置と前記ガンマ線データベースに記録されたスキャン測定結果とを用いて燃焼度相対分布を算出する燃焼度相対分布算出部と、
    前記燃料集合体あるいは燃料棒の軸方向位置における少なくとも一箇所以上の絶対燃焼度を測定する燃焼度測定部と、
    前記燃焼度測定部で測定した燃焼度を記録する絶対燃焼度データベースと、
    前記絶対燃焼度データベースに記録された絶対燃焼度と前記燃焼度相対分布算出部で算出した燃焼度相対分布とを用いて任意の位置の燃焼度あるいは任意の範囲の平均燃焼度を算出する燃焼度算出部と、
    を有することを特徴とする燃焼度計測装置。
  2. 前記燃焼度算出部で算出した燃焼度を表示する燃焼度表示部をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の燃焼度計測装置。
  3. 前記ガンマ線測定部はグロスガンマ線測定を行なうものであることを特徴とする請求項1に記載の燃焼度計測装置。
  4. スペーサにより複数の燃料棒を束ねて原子炉で照射された燃料集合体または該燃料集合体から取り出された燃料棒に対して相対的に燃料棒軸方向に沿ってガンマ線検出器を移動させてガンマ線をスキャン測定してその測定されたスキャン測定結果とスキャン測定時間と測定位置をガンマ線データベースに記録するガンマ線測定工程と、
    前記スペーサの位置におけるガンマ線量が他の位置よりも低くなることを利用して、前記ガンマ線測定工程でスキャン測定したガンマ線測定値からスペーサ位置を算出するスペーサ検出工程と、
    前記ガンマ線データベースに記録された測定位置とスペーサ検出工程で検出された測定スペーサ位置と、設計スペーサ位置および燃料棒の設計長さとを用いて、前記燃料棒の補正長さを求めるとともに、前記ガンマ線データベースに記録された測定位置を補正する燃焼度相対分布補正工程と、
    前記燃焼度相対分布補正工程で補正された測定位置と前記ガンマ線データベースに記録されたスキャン測定結果とを用いて燃焼度相対分布を算出する燃焼度相対分布算出工程と、
    前記燃料集合体あるいは燃料棒の軸方向位置における少なくとも一箇所以上の絶対燃焼度を測定してその燃焼度を絶対燃焼度データベースに記録する絶対燃焼度測定工程と、
    前記絶対燃焼度データベースに記録された絶対燃焼度と前記燃焼度相対分布算出工程で算出した燃焼度相対分布とを用いて任意の位置の燃焼度あるいは任意の範囲の平均燃焼度を算出する燃焼度算出工程と、
    を有することを特徴とする燃焼度計測方法。
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