JP2017009337A - 中性子検出器および原子炉出力検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】炉内配管との電気的絶縁性を維持しつつ中性子吸収体の中性子吸収性能を高め、しかもコンパクトな設計が可能な中性子検出器および原子炉出力検出システムを提供する。【解決手段】原子炉内の炉内配管４内に設置される中性子検出器１は、中性子によって核分裂して核分裂片を生じさせる反応物質１ｂと、核分裂片により電離され電子−イオン対を生じさせる電離ガスと、電子−イオン対を収集するための陽極１ａおよび陰極１ｃと、反応物質１ｂ、電離ガス、陽極１ａおよび陰極１ｃを収納する検出器容器１ｄと、検出器容器１ｄの外側と炉内配管４との空隙に配置された電気絶縁性のある中性子吸収体８と、を有する。【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、原子炉内の中性子を検出するための中性子検出器およびそれを利用した原子炉出力検出システムに関する。

原子炉内の中性子束を測定する中性子検出器として、原子炉内で炉水と隔絶して挿入された炉内配管の中に設置される中性子検出器では、中性子照射により中性子検出器内部の反応物質が消耗して感度が低下し、最低計数率を下回った段階で寿命となる。

炉内配管に上述の中性子検出器を装着した体系に要求される条件としては、第一に、炉内配管と中性子検出器の間に電気的絶縁をとることが求められる。これは、この中性子検出器では微小信号をパルス検出するために、炉内配管と中性子検出器とが電気的に接触して発生する信号雑音（ノイズ）を極力抑制することが必要となるためである。

第二に、炉内配管にはガンマ線照射によって発生する熱を除去するためにヘリウムガスが充填されているが、さらに中性子検出器を覆う絶縁体、その他の構成物は中性子検出器からの放熱を効果的に伝熱できる材質を選定することが必要となる。

このような中性子検出器において、長寿命化を図るためには、例えば特許文献１のように、中性子吸収体である遮蔽物質を設置し、前記反応物質に到達する中性子量を減らすことが考えられる。

図１１は従来の中性子検出器およびその周辺を示す立断面図であり、図１２は図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う平断面図である。

図１１および図１２において、炉内配管４は原子炉の炉心内に挿入されている。炉内配管４は上端が閉じて下方に延びる円筒状であって金属製である。炉内配管４内に、中性子検出器１が下方から挿入されている。中性子検出器１は核分裂型電離箱である。中性子検出器１は、ほぼ円筒状の金属製の密閉容器である検出器容器１ｄと、検出器容器１ｄ内に収容された円筒状の陰極１ｃと、陰極１ｃの内側に配置された円筒状の陽極１ａとを有する。陰極１ｃと陽極１ａとの間に円筒状の反応物質１ｂがはさまれている。検出器容器１ｄ内に電離ガスが封入されている。

検出器容器１ｄの外側面を覆うように円筒状の絶縁体１３が配置され、絶縁体１３の外側で炉内配管４の内側に円筒状の中性子吸収体１４が配置されている。中性子吸収体１４はハフニウムからなる。

検出器容器１ｄの上下端部それぞれの中央に、それぞれ外側に向かう上部突起部２０と下端突起部２１が形成されている。上部突起部２０と下端突起部２１のそれぞれの径方向外側を囲むように、円環状の上部絶縁体９、下部絶縁体１０が配置されている。

反応物質１ｂに中性子が衝突することによって、反応物質１ｂが核分裂を起こして核分裂片を生じる。この核分裂片によって、電離ガスが電離され、電子−イオン対を生じる。この電子−イオン対は、陽極１ａおよび陰極１ｃによって収集される。

中性子検出器１の周辺に中性子吸収体１４が設置されていることにより、反応物質１ｂの消耗が緩和される。

特公昭６２−６１９０６号公報

先行例では、中性子吸収体の他に絶縁体が必要であったため、中性子吸収体と絶縁体のそれぞれの厚さを十分に厚くするとこれら合わせた厚さが厚くなり、炉内配管をコンパクトに設計することが困難であった。逆に、炉内配管をコンパクトに設計すると、中性子吸収体の厚さを十分に取れず、反応物質の消耗が激しく、中性子検出器の寿命が短くなるという課題があった。

この発明の実施形態は上記課題を解決するために、炉内配管との電気的絶縁性を維持しつつ中性子吸収体の中性子吸収性能を高め、しかもコンパクトな設計が可能な中性子検出器および原子炉出力検出システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明の実施形態による中性子検出器は、原子炉内の炉内配管内に設置される中性子検出器であって、中性子によって核分裂して核分裂片を生じさせる反応物質と、前記核分裂片により電離され電子−イオン対を生じさせる電離ガスと、前記電子−イオン対を収集するための陽極および陰極と、前記反応物質、前記電離ガス、前記陽極および前記陰極を収納する検出器容器と、前記検出器容器の外側と前記炉内配管との空隙に配置された電気絶縁性のある中性子吸収体と、を有すること特徴とする。

また、この発明の実施形態による原子炉出力検出システムは、原子炉内の炉内配管と、前記炉内配管内に設置される中性子検出器と、前記原子炉の外に配置されて前記中性子検出器から得た信号を増幅する前置増幅器と、前記前置増幅器から得た信号に基づいて前記原子炉の出力を算出する演算器と、前記中性子検出器と前記前置増幅器とを接続するケーブルと、を備えた原子炉出力検出システムであって、前記中性子検出器は、中性子によって核分裂して核分裂片を生じさせる反応物質と、前記核分裂片により電離され電子−イオン対を生じさせる電離ガスと、前記電子−イオン対を収集するための陽極および陰極と、前記反応物質、前記電離ガス、前記陽極および前記陰極を収納する検出器容器と、前記検出器容器の外側と前記炉内配管との空隙に配置された電気絶縁性のある中性子吸収体と、を有すること特徴とする。

この発明の実施形態によれば、炉内配管との電気的絶縁性を維持しつつ中性子吸収体の中性子吸収性能を高め、しかもコンパクトな設計が可能な中性子検出器および原子炉出力検出システムを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る中性子検出器およびそれを利用した原子炉出力検出システムの構成を示す概略構成図である。 図１の第１の実施形態に係る中性子検出器およびその周辺の詳細を示す立断面図である。 図２のＩＩＩ部を拡大して示す部分立断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う平断面図である。 図２の炉内配管を透視して中性子検出器を示す立面図である。 種々の物質の熱中性子マクロ吸収断面積と絶縁性を示す表である。 本発明の第１の実施形態に係る中性子検出器における中性子検出器の相対感度と中性子検出器への中性子入射量の時間経過を示すグラフである。 炉内配管を透視して、本発明の第２の実施形態に係る中性子検出器およびその周辺を示す立面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う平断面図である。 炉内配管を透視して、本発明の第３の実施形態に係る中性子検出器およびその周辺を示す立面図である。 従来の中性子検出器およびその周辺を示す立断面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線に沿う平断面図である。

以下、本発明に係る中性子検出器の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、前述の従来技術との間で、または互いに、同一または類似の部分については共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
（構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る中性子検出器およびそれを利用した原子炉出力検出システムの構成を示す概略構成図である。図２は、図１の第１の実施形態に係る中性子検出器およびその周辺の詳細を示す立断面図である。図３は、図２のＩＩＩ部を拡大して示す部分立断面図である。図４は図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う平断面図である。図５は図２の炉内配管を透視して中性子検出器を示す立面図である。

図１に示すように、この第１の実施形態において、原子炉（たとえば沸騰水型原子炉）２内に炉心３が配置されている。炉内配管４が原子炉２の底部から挿入されている。炉内配管４の上端は閉塞されて炉心３内に位置し、炉内配管４の下端は原子炉２の下方で開放されている。炉内配管４内で炉心３内に中性子検出器１が配置されている。

原子炉２の外側で炉内配管４の外側に、前置増幅器６と演算部７とが配置されている。中性子検出器１と前置増幅器６との間、および前置増幅器６と演算部７との間はケーブル５で接続されている。中性子検出器１に接続されたケーブル５は、炉内配管４内を通ってその下端から外に出て、前置増幅器６に接続されている。

第１の実施形態において、検出器容器１ｄおよびその内部の構造は前述の従来の中性子検出器（図１１、図１２）と同様である。

この実施形態では、上記従来技術の絶縁体１３と中性子吸収体１４との組み合わせ（図１１、図１２）に代えて、中性子吸収体８が配置されている。中性子吸収体８は、炉内配管４内にあって、円筒状であり、検出器容器１ｄの外側面を覆っている。中性子吸収体８は、たとえば酸化ハフニウム（ハフニア）製であって、上記従来技術の絶縁体１３と中性子吸収体１４の両方の機能を持つ。

中性子検出器１からケーブル５によって前置増幅器６に送られた信号は、前置増幅器６で増幅された後、演算部７にて、中性子束値および中性子検出器１の感度劣化関数と原子炉２固有の出力変換定数などを乗除された出力％値に変換され、指示値として出力される。

ここで、中性子検出器１から得られる信号は微小信号であるため、炉内配管４と中性子検出器１が接触して発生する信号雑音（ノイズ）を抑制する必要があり、炉内配管４と中性子検出器１の間を電気的に絶縁させている。また、炉内配管４にはガンマ線照射によって発生する熱を除去するために、ヘリウムガスが充填されており、中性子検出器１の構成物は中性子検出器１からの放熱を効果的にできるよう熱伝導率の高い材質が選定されている。

中性子検出器１は、原子炉２の稼働中は炉内配管４に装荷されたままとなるため、中性子の照射によって反応物質１ｂが消耗し、中性子検出器１の感度が徐々に低下していく。そして、中性子検出器１の指示値が予め設定された最低計数率を下回った時点で寿命となる。

そこで本実施形態では、中性子検出器１とその外側の炉内配管４との間にある空隙に中性子吸収体８の材料として絶縁性のあるハフニア（酸化ハフニウム、ＨｆＯ_２）を用いる。絶縁性のあるハフニアを使用することで、中性子検出器１と炉内配管４の間の絶縁性を保つことができる。

ハフニア製の中性子吸収体８は円筒形とする。中性子吸収体８の厚みは、中性子吸収体８の中性子吸収率および中性子検出器１と炉内配管４の空隙の大きさより決定される。また、中性子吸収体８は、図５に示すように、上部絶縁体９および下部絶縁体１０によって固定される。上部絶縁体９および下部絶縁体１０は、従来必要であった絶縁体１３（図１１、図１２）を固定するために設置されていたものと同様のものである。

中性子吸収体８の材料は、ハフニアの他に、中性子吸収断面積の大きな元素を含有した絶縁性のある化合物を使用しても良い。ここで、中性子吸収断面積の大きな元素としては、イリジウム、ロジウム、ジスプロシウム、ツリウム、ホウ素、ルテチウム、ウラン、銀、金、リチウム、カドミウム、インジウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、エルビウム、水銀、ハフニウムおよびその同位体があり、これらを含有した絶縁性のある化合物には、ハフニアの他に酸化ロジウムなどがある。また中性子吸収体８は、前述の中性子吸収断面積の大きな元素を含有する材料の表面を酸化させ、絶縁性を持たせたものを使用しても良い。図６に、ハフニウム、ハフニア、酸化ロジウムの熱中性子マクロ吸収断面積と絶縁性の有無を示す。

（効果）
本実施形態では、従来技術のハフニウム製の中性子吸収体の代わりにハフニア製の中性子吸収体８を使用する。これにより、ハフニア製の中性子吸収体８に絶縁性があるために絶縁体が不要となり、十分な厚さの中性子吸収体８を設置することができる。さらに、ハフニアは先行例の絶縁体と同等の伝熱性があるため、中性子検出器１は炉内配管４内に充填されたヘリウムガスによる伝熱と炉内配管４との接触部を介して冷却される。

また、従来の技術で、中性子検出器を中性子吸収体で被覆することにより、検出器に入射する中性子量が少なくなるため、長期使用に伴い中性子検出器の感度が低下した場合、最低計数率を維持できず寿命が短くなる課題があった。それに対して本実施形態において、中性子吸収体の材料としてハフニアを用いることにより、電気絶縁性が高く、かつ時間経過とともに中性子吸収率が低下する特性を得ることができる。

図７は、本発明の第１の実施形態に係る中性子検出器における中性子検出器の相対感度と中性子検出器への中性子入射量の時間経過を示すグラフである。図７の実線Ａに示すように、中性子検出器の相対感度は、一般に、時間経過とともに中性子検出器内部の反応物質の劣化により感度が低下する。中性子吸収体８の材料としてハフニアを用いる場合、時間経過とともに中性子吸収体の中性子吸収率も低下する。これにより、図７の点線Ｂに示すように、中性子検出器への中性子入射量は時間経過とともに増大する。したがって、中性子吸収体８の材料としてハフニアを用いた場合、長期使用によって中性子検出器１の感度が低下した場合でも、中性子吸収体８の中性子吸収率も同時に低下し中性子検出器１への入射する中性子量が増加するため、最低計数率をより長く維持することができる。これにより、更なる長寿命化が可能となる。

［第２の実施形態］
次に、図８および図９を参照して、本発明の第２の実施形態に係る中性子検出器を説明する。ここで、第１の実施形態と同一または類似の構成には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。

図８は、炉内配管を透視して、本発明の第２の実施形態に係る中性子検出器およびその周辺を示す立面図である。図９は図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う平断面図である。ただし、図８において、検出器容器１ｄ内の断面の図示は省略する。

この第２の実施形態は、中性子吸収体８の構造のみが第１の実施形態と相違し、その他の部分は第１の実施形態と同様である。第２の実施形態の中性子吸収体８は、上下方向に延びる細長い平板状の複数の中性子吸収体片３０が周方向に並べられて構成されている。各中性子吸収体片３０は、中性子吸収能力がありしかも電気的絶縁性がある材料、たとえばハフニアからなる。互いに周方向に隣接する中性子吸収体片３０同士は溶接箇所１１で溶接されている。溶接箇所１１は、図８に示す例では、上下方向に２か所であるが、何か所であってもよい。複数の中性子吸収体片３０が結合されることにより、円筒状の中性子吸収体８とすることができる。

この実施形態によれば、単純な平板状の複数の中性子吸収体片３０を結合することにより円筒状の中性子吸収体８とすることができ、製作が容易になる。また、前述の第１の実施形態の効果と同様の効果も得ることができる。

［第３の実施形態］
次に、図１０を参照して、本発明の第３の実施形態に係る中性子検出器を説明する。ここで、第２の実施形態と同一または類似の構成には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１０は、炉内配管を透視して、本発明の第３の実施形態に係る中性子検出器およびその周辺を示す立面図である。

この第３の実施形態は第２の実施形態の変形例であって、上下方向に延びる細長い平板状の複数の中性子吸収体片３０の上下端部が、２個の環状の外枠１２で結合されて、中性子吸収体８が構成されている。外枠１２は、上部絶縁体９に隣接する上部絶縁体９の下側と、下部絶縁体１０に隣接する下部絶縁体１０の上側に配置されている。中性子吸収体片３０同士は溶接で接合されていない。

この実施形態によれば、単純な平板状の複数の中性子吸収体片３０を結合することにより円筒状の中性子吸収体８とすることができ、製作が容易になる。また、前述の第１の実施形態の効果と同様の効果も得ることができる。

［他の実施形態］
本発明のいくつか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る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１ … 中性子検出器
１ａ… 陽極
１ｂ… 反応物質
１ｃ… 陰極
１ｄ… 検出器容器
２ … 原子炉
３ … 炉心
４ … 炉内配管
５ … ケーブル
６ … 前置増幅器
７ … 演算部
８ … 中性子吸収体
９ … 上部絶縁体
１０ … 下部絶縁体
１１ … 溶接箇所
１２ … 外枠
１３ … 絶縁体
１４ … 中性子吸収体
２０ … 上部突起部
２１ … 下端突起部
３０ … 中性子吸収体片

Claims (6)

1. 原子炉内の炉内配管内に設置される中性子検出器であって、
   中性子によって核分裂して核分裂片を生じさせる反応物質と、
   前記核分裂片により電離され電子−イオン対を生じさせる電離ガスと、
   前記電子−イオン対を収集するための陽極および陰極と、
   前記反応物質、前記電離ガス、前記陽極および前記陰極を収納する検出器容器と、
   前記検出器容器の外側と前記炉内配管との空隙に配置された電気絶縁性のある中性子吸収体と、
   を有すること特徴とする中性子検出器。
2. 前記中性子吸収体は、ハフニア、または、イリジウム、ロジウム、ジスプロシウム、ツリウム、ホウ素、ルテチウム、ウラン、銀、金、リチウム、カドミウム、インジウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、エルビウム、水銀、ハフニウムのうちの少なくとも一つを含有する化合物を含むことを特徴とする請求項１に記載の中性子検出器。
3. 前記検出器容器および前記中性子吸収体は筒状であって、
   前記中性子吸収体が前記検出器容器の径方向外側を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の中性子検出器。
4. 前記中性子吸収体は、軸方向に延びて周方向に配列された複数の中性子吸収体片を含むことを特徴とする請求項３に記載の中性子検出器。
5. 前記中性子吸収体は、時間経過とともに中性子吸収率が低下する特性を有すること、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検出器。
6. 原子炉内の炉内配管と、
   前記炉内配管内に設置される中性子検出器と、
   前記原子炉の外に配置されて前記中性子検出器から得た信号を増幅する前置増幅器と、
   前記前置増幅器から得た信号に基づいて前記原子炉の出力を算出する演算器と、
   前記中性子検出器と前記前置増幅器とを接続するケーブルと、
   を備えた原子炉出力検出システムであって、
   前記中性子検出器は、
   中性子によって核分裂して核分裂片を生じさせる反応物質と、
   前記核分裂片により電離され電子−イオン対を生じさせる電離ガスと、
   前記電子−イオン対を収集するための陽極および陰極と、
   前記反応物質、前記電離ガス、前記陽極および前記陰極を収納する検出器容器と、
   前記検出器容器の外側と前記炉内配管との空隙に配置された電気絶縁性のある中性子吸収体と、
   を有すること特徴とする原子炉出力検出システム。

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