JP2014137259A - 未臨界度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】核分裂性物質を含む容器の形状や寸法等が未定であっても、その容器の未臨界度を確実に測定できること。
【解決手段】核燃料集合体１の側面に配置される中性子検出器１１と、核燃料集合体１において中性子検出器１１が配置される一面と直角をなす別の一面に対向して配置可能に設けられる中性子吸収体１２と、この中性子吸収体１２を核燃料集合体１に接近または離反させる着脱機構１３と、時間計数手段、中性子源強度演算手段及び実効増倍率演算手段を備えた演算ユニットと有し、中性子源強度演算手段は、中性子吸収体１２が核燃料集合体１に接近した状態で中性子検出器１１により検出される中性子計数率の時間変化から核燃料集合体１の中性子源強度を算出し、実効増倍率演算手段は、前記中性子源強度に基づいて、中性子吸収体１２が核燃料集合体１から離反した状態における中性子の実効増倍率を算出するよう構成されたものである。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、核分裂性物質を含む容器（例えば核燃料集合体）における中性子の実効増倍率を求めて、その未臨界度を測定する未臨界度測定装置に関する。

臨界管理においては、保守性を高めるために、燃焼した燃料であっても新燃料として取り扱う設計が行われ、これは新燃料仮定と呼ばれる。一方、燃料の燃焼による反応度低下を考慎した合理化設計は燃焼度クレジットと呼ばれる。

再処理工場において燃焼度クレジットを採用する場合、使用済核燃料集合体は、燃焼度モニタと呼ばれる確認装置で燃焼度が確認される。また、燃焼度の代わりに中性子吸収体の着脱により、核燃料集合体における中性子の実効増倍率や核分裂性物質量を測定する場合もある（特許文献１〜３、非特許文献１）。

非特許文献１には、中性子吸収体としてカドミウム（Ｃｄ）を用い、このＣｄが使用済核燃料集合体の周囲に有る場合と無い場合とで検出される各中性子計数率から、Ｃｄが無い場合の使用済核燃料集合体の実効増倍率を求めると共に、その使用済核燃料集合体に含まれる核分裂性物質の濃度を推定する方法が示されている。

つまり、Ｃｄが無い場合に検出される初期中性子計数率（Φ０）と、この場合の比例係数（α０）、実効増倍率（ｋ０）及び中性子源強度（Ｓ）との関係、Ｃｄが有る場合に検出される中性子計数率（φ）と、この場合の比例係数（α）、実効増倍率（ｋ）及び中性子源強度（Ｓ）との関係は、それぞれ次式（１）、（２）のようになる。ここで、核燃料集合体の周囲におけるＣｄの有無は中性子源強度Ｓに影響を与えないので、この中性子源強度Ｓは変化しないとした。
φ０＝α０・Ｓ／（１−ｋ０） ……（１）
φ＝α・Ｓ／（１−ｋ） ……（２）

これらの式（１）と式（２）から次式（３）が得られる。
（φ／φ０）＝（α／α０）・（１−ｋ０）／（１−ｋ） ……（３）
この式（３）を変形して、Ｃｄが無い場合の核燃料集合体の実効増倍率ｋ０は次式（４）となる。

ここで、（α／α０）は、Ｃｄの有無で変化するが比較的１に近く、解析により予め計算することが可能である。また、（ｋ／ｋ０）は、核燃料集合体から熱中性子が漏れない確率の比に等しく、核燃料集合体の形状がわかれば、予め解析により計算することが可能である。従って、検出により求められる（φ／φ０）から、核燃料集合体に含まれる核分裂性物質の濃度を推定できると共に、式（４）を用いることでＣｄが無い場合の実効増倍率ｋ０を求め、この実効増倍率ｋ０から核燃料集合体の未臨界度を測定することができる。

特開昭５４−１５５３９３号公報 特開昭６２−２１９２号公報 特開昭６２−４７５９０号公報

株式会社東芝 ＴＬＲ−Ｒ００１ 再処理施設における燃焼度計測装置 オーム社 原子力教科書 原子炉動特性とプラント制御 Ｈ． Ｔａｎｉｎａｋａ， ｅｔ ａｌ．，"Ａｎ Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｒｏｄ Ｄｒｏｐ Ｍｅｔｈｏｄ Ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｔｏ Ｓｕｂｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｓｏｕｒｃｅ，"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．４，ｐ．３５１−３５６（２０１０）

上述のような中性子吸収体の有無による実効増倍率の測定は、核燃料集合体のように寸法や形状が既知で、α／α０やｋ／ｋ０の値が計算可能な場合、または核分裂性物質の含有量や実効増倍率が予めわかった核燃料集合体による校正試験が可能な場合には有効である。

しかし、シビアアクシデントにより燃料の溶融が生じた場合など、核燃料集合体の形状や寸法等が未定な場合には、上述のような計算や校正が困難であり、核燃料集合体の実効増倍率ｋ０を求めて、この核燃料集合体の未臨界度を測定することができない。

本発明における実施形態の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、核分裂性物質を含む容器の形状や寸法等が未定であっても、その容器の未臨界度を確実に測定できる未臨界度測定装置を提供することにある。

本発明の実施形態における未臨界度測定装置は、核分裂性物質を含む容器の一面に対向するよう配置されて、前記容器から放出される中性子数を中性子計数率として検出する中性子検出器と、前記中性子検出器が配置される前記容器の一面と直角をなす前記容器の別の一面に対向して配置可能に設けられる中性子吸収体と、この中性子吸収体を前記容器に接近または離反させるべく着脱移動させる着脱機構と、時間計数手段、中性子源強度演算手段及び実効増倍率演算手段を備えた演算ユニットとを有し、前記時間計数手段は、前記中性子吸収体が前記容器に接近した時点からの経過時間を計測し、前記中性子源強度演算手段は、前記中性子吸収体が前記容器に接近した状態で前記中性子検出器により検出される中性子計数率と前記時間計数手段から出力される時間とから前記容器の中性子源強度を算出し、前記実効増倍率演算手段は、前記中性子吸収体が前記容器から離反した状態において前記中性子検出器により検出される初期中性子計測率と前記中性子源強度とから、前記中性子吸収体が前記容器から離反した状態における中性子の実効増倍率を算出するよう構成されたことを特徴とするものである。

上述の如く説明した実施形態によれば、核分裂性物質を含む容器の形状や寸法等が未定であっても、その容器の未臨界度を確実に測定できる。

未臨界度測定装置の第１実施形態を示す側面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線から目視した矢視図。 図１の演算ユニットを示す構成図。 核分裂が発生している体系に制御棒を挿入した時点からの中性子計数率の時間変化を示すグラフ。 中性子数Ｎ（ｔ）と遅発中性子数Ｑ（ｔ）のそれぞれの値をプロットして得られた直線Ｐを示すグラフ。 未臨界度測定装置の第２実施形態を示す側面図。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図５）
図１は、未臨界度測定装置の第１実施形態を示す側面図である。図１及び図２に示す未臨界度測定装置１０は、核分裂性物質を含む容器としての核燃料集合体１、特に原子力発電所のシビアアクシデントにより燃料が溶融して形状や寸法等が未定になった核燃料集合体１から放出される中性子の実効増倍率を、例えば非特許文献２や３に記載の制御棒挿入法を適用して求めて、その核燃料集合体１の未臨界度を測定するものであり、中性子検出器１１、中性子吸収体１２、着脱機構１３及び演算ユニット１４を有して構成される。この演算ユニット１４は、図３に示すように、時間計数手段１５、中性子源強度演算手段１６及び実効増倍率演算手段１７を備えて構成される。

前記制御棒挿入法においては、遅発中性子を１群とした１点炉近似による原子炉の動特性方程式は、中性子数、遅発中性子数、遅発中性子先行数を時間ｔの関数として、それぞれＮ（ｔ）、Ｑ（ｔ）、Ｃ（ｔ）とし、即発中性子生成時間Λ、遅発中性子先行核崩壊定数λ、制御棒挿入後の反応度ρ、遅発中性子割合β、中性子源強度Ｓ、測定の時間間隔Δｔを用いると、次式（５）〜（８）のようになる。

また、反応度ρは、実効増倍率ｋを用いて次式（９）のように定義される。
ρ＝（ｋ−１）／ｋ …（９）
ここで、実効増倍率は、核分裂が発生している体系において、単位時間に発生する中性子数と、単位時間に消費される中性子数との比をいう。核分裂が発生している体系は、実効増倍率が１であるときに臨界状態にあり、実効増倍率が１未満のときに未臨界状態にあると言える。

核分裂が発生している体系に、中性子吸収体を備えてなる制御棒が挿入されると、実効増倍率ｋが変化するので、式（９）から反応度ρも変化する。また、核分裂が発生している体系に制御棒が挿入されたときに検出される中性子数Ｎ（ｔ）（即ち中性子計数率φ（ｔ））の時間変化は、図４に示すように、核分裂が発生している体系の実効増倍率が高いときに緩やかに変化し、実効増倍率が低いときに急激に変化する。

この中性子数の時間変化を利用して、時間の経過に伴って変化する中性子数Ｎ（ｔ）及び遅発中性子数Ｑ（ｔ）の値を、図５に示すグラフ（横軸が遅発中性子数Ｑ（ｔ）で縦軸が中性子数Ｎ（ｔ））にプロットして直線Ｐを求める。この求めた直線Ｐの傾きの読取値Ａと切片の読取値Ｂと式（５）とから、次式（１０）及び（１１）が得られる。
Ａ＝−Λ／（ρ−β） ……（１０）
Ｂ＝−Λ・Ｓ／（ρ−β） ……（１１）

遅発中性子割合β及び即発中性子生成時間Λは、核分裂性物質の種類が分かれば計算可能であるから、まず式（１０）から反応度ρの値を算出し、次に、算出した反応度ρの値を式（１１）に代入して、中性子源強度Ｓの値を算出する。

そして、核分裂が発生している体系における制御棒挿入前の初期中性子数Ｎ（０）の計測値と、上述のように算出した中性子源強度Ｓの値とを次式（１２）に代入して、核分裂が発生している体系における制御棒挿入前の中性子の実効増倍率ｋ０を算出する。この実効増倍率ｋ０の算出値から、核分裂が発生している体系の未臨界度を測定できる。
Ｎ（０）＝Ｓ／（１−ｋ０） ……（１２）

ここで、式（１２）は、核分裂が発生している体系において、制御棒が挿入される前の中性子の実効増倍率ｋ０と初期中性子数Ｎ（０）との関係を表す式である。初期中性子数Ｎ（０）として式（１）で示した初期中性子計数率φ０を用いると、式（１２）のＳは、式（１）のα０・Ｓと等価になる。

ところで、図１に示す未臨界度測定装置１０は、核分裂が発生する体系としての核燃料集合体１（特に燃料が溶融して形状や寸法などが未定になった核燃料集合体１）に対して上述の制御棒挿入法を適用するものであり、挿入する制御棒に代えて中性子吸収体１２が用いられる。

この未臨界度測定装置１０の中性子検出器１１は、図１及び図２に示すように、核燃料集合体１の４つの側面のうちの少なくとも１面、本実施形態では対向する２側面の近傍に配置される。これらの中性子検出器１１は、核燃料集合体１から放出される中性子数を中性子計数率として検出し、この中性子計数率がケーブル１８を介して演算ユニット１４の中性子源強度演算手段１６及び実効増倍率演算手段１７へ出力される。なお、図では中性子検出器１１を円柱形状で示したが、これに限るものではなく、例えば検出面が平面状の立方体形状でも良い。また、図では中性子検出器１１は、鉛直方向に長い形状（縦長）で示しているが、水平方向に長い形状（横長）でも良い。

中性子吸収体１２は、その構成金属がカドミウム、ホウ素、ガドリニウムまたはハフニウムであり、核燃料集合体１から放出される中性子を吸収する。この中性子吸収体１２は、図２に示すように、核燃料集合体１の平面視において中性子検出器１１が配置される核燃料集合体１の一面と直角をなす核燃料集合体１の別の一面に対向して配置可能に少なくとも１つ、本実施形態では一対設けられる。

中性子吸収体１２を核燃料集合体１の全周囲に配置したときには、式（１２）の中性子源強度Ｓと等価な、式（１）のα０・Ｓのうちの比例係数α０が、中性子吸収体１２の核燃料集合体１の着脱（後述）によって比例係数αへ変化する変化量が大きくなってしまう。そこで、中性子吸収体１２を核燃料集合体１の平面視において中性子検出器１１と直角をなす方向に配置することで、比例係数α０、αの変化量を低減できる、これにより、核燃料集合体１における中性子の実効増倍率ｋ０を求めるために行う計算による補正が不要または最小限になるからである。

燃料の溶融によって形状や寸法が未定になった核燃料集合体１では、上述のような解析による補正が困難になるため、中性子吸収体１２を核燃料集合体１の平面視において中性子検出器１１と直交なす方向に配置することが特に有効である。

着脱機構１３は、図１及び図２に示すように、中性子吸収体１２を核燃料集合体１に接近または離反させるべく着脱移動させるものである。この着脱機構１３は、一対の中性子吸収体１２のそれぞれを収容する２つの収納容器２０と、各中性子吸収体１２に連結された２本の操作ロッド２１を連結する連結ロッド２２に接続された１本のワイヤ２３と、このワイヤ２３を巻き上げ可能な巻上機２４と、収容容器２０に内蔵されて、この収容容器２０内で核燃料集合体１から離反した中性子吸収体１２を核燃料集合体１へ接近させる付勢力を発生するスプリング２５と、を有して構成される。尚、図１中の符号２６は、収容容器２０側に固定されてワイヤ２３を巻き掛ける滑車２７と巻上機２４との間でワイヤ２３を案内するワイヤ案内管である。

上記操作ロッド２１、連結ロッド２２、ワイヤ２３及び巻上機２４等が離反機構部１３Ａを構成する。巻上機２４が手動または電導でワイヤ２３を巻き上げることにより、一対の中性子吸収体１２が同期して、図２の２点鎖線に示すように、収容容器２０内を核燃料集合体１から離反する方向に移動する。このとき、収容容器２０内でスプリング２５が、核燃料集合体１から離反する中性子吸収体１２により押圧されて収縮し、中性子吸収体１２を核燃料集合体１へ接近させる付勢力を蓄える。このスプリング２５、操作ロッド２１及び連結ロッド２２等が接近機構部１３Ｂを構成する。巻上機２４により巻上操作されたワイヤ２３が開放されることによって、スプリング２５の付勢力により中性子吸収体１２が高速で（瞬時に）核燃料集合体１に接近する。

図１及び図３に示す演算ユニット１４の時間計測手段１５は、中性子吸収体１２が核燃料集合体１に接近した時点からの経過時間ｔを計測（カウント）し、この計測値を中性子源強度演算手段１６へ出力する。また、中性子検出器１１は、中性子吸収体１２が核燃料集合体１に接近した時点からの時間ｔとともに変化する中性子計数率φ（ｔ）を検出すると共に、中性子吸収体１２が核燃料集合体１に接近する前の離反状態における初期中性子計数率φ（０）を検出する。検出された中性子計数率φ（ｔ）は中性子源強度演算手段１６へ出力され、初期中性子計数率φ（０）は中性子源強度演算手段１６及び実効増倍率演算手段１７へ出力される。

中性子源強度演算手段１６は、中性子検出器１１にて検出された中性子計数率φ（ｔ）と時間計数手段１５にて計測された経過時間ｔとから、中性子源強度Ｓを算出する。つまり、中性子源強度演算手段１６は、中性子吸収体１２を核燃料集合体１に接近した後の中性子検出器１１による中性子計数率φ（ｔ）の検出値を、式（５）の中性子数Ｎ（ｔ）の値とする。また、中性子源強度演算手段１６は、上記中性子計数率φ（ｔ）の検出値を中性子数Ｎ（ｔ）の値とし、初期中性子計数率φ（０）の検出値を初期中性子数Ｎ（０）の値として、式（７）及び式（８）から遅発中性子先行数Ｃ（ｔ）を算出し、この遅発中性子先行数Ｃ（ｔ）の算出値から式（６）を用いて遅発中性子数Ｑ（ｔ）を算出する。

また、精度を向上させるために、遅発中性子を多群とすることもできる。一般に遅発中性子先行核崩壊定数を６群に分けた遅発中性子６群の方程式がしばし使用される。その場合、（６）−（８）式は下記（６）‘−（８）’式のようになる。

中性子源強度演算手段１６は更に、上述のようにして求めた中性子数Ｎ（ｔ）の値と遅発中性子数Ｑ（ｔ）の値とを図５に示すようにグラフにプロットして直線Ｐを得、この直線Ｐの傾きの読取値Ａ及び切片の読取値Ｂを得る。中性子源強度演算手段１６は、これらの読取値Ａ及びＢと式（５）とから式（１０）及び式（１１）を得て、核燃料集合体１の中性子源強度Ｓを求める。

実効増倍率演算手段１７は、中性子吸収体１２が核燃料集合体１から離反した状態において中性子検出器１１により検出される初期中性子計数率φ（０）の検出値を初期中性子数Ｎ（０）の値とし、この初期中性子計数率φ（０）と、中性子源強度演算手段１６により算出された核燃料集合体１の中性子源強度Ｓの値とを式（１２）に代入して、中性子吸収体１２が核燃料集合体１から離反した状態における核燃料集合体１の中性子の実効増倍率ｋ０を算出する。この実効増倍率ｋ０を用いて核燃料集合体１の未臨界度が測定される。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果を奏する。
核燃料集合体１に中性子吸収体１２を接近させた時点からの時間の経過に伴って変化する中性子数Ｎ（ｔ）（即ち中性子計数率φ（ｔ））及び遅発中性子数Ｑ（ｔ）を用いて、中性子吸収体１２が核燃料集合体１に接近する前の離反状態での核燃料集合体１における中性子の実効増倍率ｋ０を求め、この実効増倍率ｋ０から核燃料集合体１の未臨界度を測定する。この結果、核燃料集合体１の形状や寸法等が未定であっても、その核燃料集合体１の未臨界度を確実に測定できる。

［Ｂ］第２実施形態（図６）
図６は、未臨界度測定装置の第２実施形態を示す側面図である。この第２実施形態において、第１実施形態と同様な部分については、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態の未臨界度測定装置３０が第１実施形態と異なる点は、中性子吸収体１２を核燃料集合体１に接近または離反させるべく着脱移動させる着脱機構３１の構成である。

つまり、着脱機構３１は、中性子吸収体１２に連結されて鉛直方向に延びるワイヤ３２と、このワイヤ３２を巻き上げる手動または電動の巻上機３３とを有して構成され、ワイヤ３２はワイヤ案内管３４により鉛直方向に案内される。巻上機３３によるワイヤ３２の巻上操作により中性子吸収体１２が上昇し、この中性子吸収体１２を、核燃料集合体１における中性子検出器１１の配置位置から離反させる。また、巻上操作されたワイヤ３２を開放することにより中性子吸収体１２が落下し、この中性子吸収体１２を、核燃料集合体１における中性子検出器１１の配置位置まで接近させる。

本第２実施形態においても、第１実施形態の効果と同様な効果を奏するほか、着脱機構３１において中性子吸収体１２の接近時に重力を利用するため、スプリング２５を省略することができ、着脱機構３１の構造を簡素化できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、その置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。例えば、未臨界度の測定対象である核燃料集合体１は、燃料が溶融していない状態の核燃料集合体であってもよい。

１ 核燃料集合体（核分裂性物質を含む容器）
１０ 未臨界度測定装置
１１ 中性子検出器
１２ 中性子吸収体
１３ 着脱機構
１３Ａ 離反機構部
１３Ｂ 接近機構部
１４ 演算ユニット
１５ 時間計数手段
１６ 中性子源強度演算手段
１７ 実効増倍率演算手段
２３ ワイヤ
２４ 巻上機
２５ スプリング
３０ 未臨界度測定装置
３１ 着脱機構
３２ ワイヤ
３３ 巻上機
ｋ、ｋ０ 実効増倍率
Ｓ 中性子源強度
ｔ 時間
φ（ｔ） 中性子計数率
φ（０） 初期中性子計数率

Claims (4)

1. 核分裂性物質を含む容器の一面に対向するよう配置されて、前記容器から放出される中性子数を中性子計数率として検出する中性子検出器と、
   前記中性子検出器が配置される前記容器の一面と直角をなす前記容器の別の一面に対向して配置可能に設けられる中性子吸収体と、
   この中性子吸収体を前記容器に接近または離反させるべく着脱移動させる着脱機構と、
   時間計数手段、中性子源強度演算手段及び実効増倍率演算手段を備えた演算ユニットとを有し、
   前記時間計数手段は、前記中性子吸収体が前記容器に接近した時点からの経過時間を計測し、
   前記中性子源強度演算手段は、前記中性子吸収体が前記容器に接近した状態で前記中性子検出器により検出される中性子計数率と前記時間計数手段から出力される時間とから前記容器の中性子源強度を算出し、
   前記実効増倍率演算手段は、前記中性子吸収体が前記容器から離反した状態において前記中性子検出器により検出される初期中性子計測率と前記中性子源強度とから、前記中性子吸収体が前記容器から離反した状態における中性子の実効増倍率を算出するよう構成されたことを特徴とする未臨界度測定装置。
2. 前記中性子吸収体を構成する金属が、カドミウム、ホウ素、ガドリニウムまたはハフニウムであることを特徴とする請求項１に記載の未臨界度測定装置。
3. 前記核分裂性物質を含む容器に中性子吸収体を近接または離反させる着脱機構は、前記中性子吸収体に連結されたワイヤ、及びこのワイヤを巻き上げる巻上機により前記中性子吸収体を前記容器から離反させる離反機構部と、前記中性子吸収体に押圧されたスプリングの付勢力により前記中性子吸収体を前記容器に接近させる接近機構部と、を有して構成されたこと特徴とする請求項１または２に記載の未臨界度測定装置。
4. 前記核分裂性物質を含む容器に中性子吸収体を近接または離反させる着脱機構は、前記中性子吸収体に連結されたワイヤ、及びこのワイヤを巻き上げる巻上機を備え、前記巻上機による前記ワイヤの巻上操作により前記中性子吸収体を上昇させて前記容器の中性子検出器配置位置から離反させ、または巻上操作された前記ワイヤの開放により前記中性子吸収体を落下させて前記容器の中性子検出器配置位置に接近させるよう構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の未臨界度測定装置。

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