JP2017058206A - 核燃料含有物の測定装置及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状が不定な燃料デブリに含まれるＵとＰｕの重量を推定可能な核燃料含有物の測定技術を提供する。
【解決手段】測定装置１０は、収納容器１２の側方に設けられ、ガンマ線スペクトルを測定するガンマ線検出器１４と、ミュオン軌跡検出器１６を用いてミュオンの入射軌跡及び出射軌跡を検出する軌跡検出部１７と、ガンマ線スペクトルに基づき評価された燃焼度を用いて核燃料含有物質に含まれるＵとＰｕとの含有比率を導出するＰｕ／Ｕ比導出部２３と、ミュオンの入射軌跡及び出射軌跡から散乱角及び散乱位置を計算する散乱角計算部２５と、ミュオンそれぞれの散乱角度を、散乱位置に基づき投影面上に集積するデータ集積部２６と、散乱角を用いて重核種の有無を判定し、重核種の分布を求める重核種判定部２７と、重核種の分布を用いて推定された重核種の全量と導出された含有比率とからＰｕ及びＵの含有量を計算するＰｕ／Ｕ量計算部２９と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、核燃料含有物（燃料デブリ）に含まれる核燃料物質の重量を非破壊で測定する核燃料含有物の測定技術に関する。

原子力発電所の冷却機能喪失事故が起きた場合、原子炉の核燃料が溶融し、圧力容器を貫通して格納容器などに達して、溶融した核燃料が再固化して燃料デブリが発生する恐れがある。このような事態が発生した場合、燃料デブリを原子炉建屋から取り出して安全に保管、管理することが必要となる。

燃料デブリを安全に保管、管理する際は、燃料デブリを臨界とならないよう形状管理された収納容器に収納して、さらに計量管理のために燃料デブリに含まれる核燃料物質（プルトニウム及びウラン）の量を推定する必要がある。

燃料デブリに含まれる核燃料物質を推定する方法として、燃料デブリの重量を測定する方法が考えられるが、この方法だけでは核燃料物質の重量を推定することができない。燃料デブリに含まれる核燃料物質の全量が不明であるとともに、燃料デブリ中に含まれる核燃料物質の含有率が不明であるからである。

従来では、核燃料物質の重量を導出するための手段として、燃料デブリの燃焼度を評価する技術が考えられている。この技術は、回収した燃料デブリを収納容器に収納した状態で、収納容器の側面に設置したガンマ検出器を用いて、燃料デブリに含まれる放射性元素から放出されるガンマ線を検出する。そして、測定されたガンマ線スペトルに基づいて燃焼度を評価するものである。

なお、燃焼度とは、炉心に装荷された核燃料物質が核分裂によって発生させたエネルギーを単位ウラン重量当たりに発生したエネルギーで表したもので、１ギガワット（ＧＷ）の熱を１日（ｄ）出し続けた場合の熱量の大きさなどを単位とする。

特開２０１４−７０９２０号公報

通常の原子炉の管理において、燃料集合体の形状を保っている場合は、個々の燃料集合体の燃焼度を炉内計装による測定値から推定し、さらに燃料の初期条件、プラントの運転履歴などのパラメータを用いて計算によりプルトニウムとウランの量を推定することが可能となる。

しかし、炉心溶融によって発生した燃料デブリのように形状や燃料の含有率が不定となった場合、含有する核燃料物質の燃焼度が評価できたとしても、核燃料の燃焼度のみからではウラン及びプルトニウムの量を推定することが困難である。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、形状が不定な燃料デブリに含まれるプルトニウム及びウランそれぞれの量を推定可能な核燃料含有物の測定技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る核燃料含有物の測定装置において、核燃料含有物質が収納された収納容器の側方に設けられ、前記核燃料含有物質から放出されるガンマ線を検出して、ガンマ線スペクトルを測定するガンマ線検出器と、前記収納容器を挟んで相対する位置に配置されたミュオン軌跡検出器を用いて、前記収納容器に入射するミュオンの入射軌跡及び前記収納容器を通過した後の出射軌跡を検出する軌跡検出部と、前記ガンマ線検出器で測定された前記ガンマ線スペクトルの強度に基づいて前記核燃料含有物質の燃焼度を評価する燃焼度評価部と、評価された前記燃焼度を予め保持された第１の相関データと照合して、前記核燃料含有物質に含まれるプルトニウムとウランとの含有比率を導出するＰｕ／Ｕ比導出部と、検出された前記ミュオンの前記入射軌跡及び前記出射軌跡に基づいて前記ミュオンの散乱角及び散乱位置を計算する散乱角計算部と、計算された前記ミュオンそれぞれの前記散乱角を、前記散乱位置に基づき予め設定された投影面上に集積するデータ集積部と、前記投影面上に集積された前記散乱角のそれぞれを所定の基準角と比較し、この基準角以上の前記散乱角に対応する前記散乱位置に重核種が存在すると判定して、前記収納容器の全体における前記重核種の分布を求める重核種判定部と、求めた前記重核種の分布を予め保持された第２の相関データと照合して、前記収納容器における前記重核種の全量を推定する重核種量推定部と、推定された前記収納容器における前記重核種の全量と導出された前記含有比率とから、プルトニウム及びウランのそれぞれの含有量を計算するＰｕ／Ｕ量計算部と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る核燃料含有物の測定方法において、核燃料含有物質が収納された収納容器の側方に設けられ、前記核燃料含有物質から放出されるガンマ線を検出して、ガンマ線スペクトルを測定するガンマ線検出器と、前記収納容器を挟んで相対する位置に配置されたミュオン軌跡検出器を用いて、前記収納容器に入射するミュオンの入射軌跡及び前記収納容器を通過した後の出射軌跡を検出する軌跡検出部とを用いて、前記ガンマ線検出器で測定された前記ガンマ線スペクトルの強度に基づいて前記核燃料含有物質の燃焼度を評価するステップと、評価された前記燃焼度を予め保持された第１の相関データと照合して、前記核燃料含有物質に含まれるプルトニウムとウランとの含有比率を導出するＰｕ／Ｕ比導出部と、検出された前記ミュオンの前記入射軌跡及び前記出射軌跡に基づいて前記ミュオンの散乱角及び散乱位置を計算するステップと、計算された前記ミュオンそれぞれの前記散乱角を、前記散乱位置に基づき予め設定された投影面上に集積するステップと、前記投影面上に集積された前記散乱角のそれぞれを所定の基準角と比較し、この基準角以上の前記散乱角に対応する前記散乱位置に重核種が存在すると判定して、前記収納容器の全体における前記重核種の分布を求めるステップと、求めた前記重核種の分布を予め保持された第２の相関データと照合して、前記収納容器における前記重核種の全量を推定するステップと、推定された前記収納容器における前記重核種の全量と導出された前記含有比率とから、プルトニウム及びウランのそれぞれの含有量を計算するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態により、形状が不定な燃料デブリに含まれるプルトニウム及びウランそれぞれの量を推定可能な核燃料含有物の測定技術が提供される。

第１実施形態に係る核燃料含有物の測定装置の構成図。 第１実施形態に適用されるガンマ線検出器の設置例を示す断面図。 第１実施形態に適用されるガンマ線検出器の設置の変形例を示す断面図。 本実施形態に適用される燃焼度とＰｕ／Ｕ比との相関データを示すグラフ。 本実施形態に適用されるミュオン軌跡検出器の構成を示す図。 検出されたミュオンの入射軌跡と出射軌跡に基づいて、散乱角及び散乱位置を計算する方法を説明する図。 収納容器を含む領域に設定される投影面の一例を示す図。 収納容器の全体に設定される投影面の設定範囲を説明する図。 重核種の有無を判定して、投影面における重核種の分布を示した図。 本実施形態に係る核燃料含有物の測定方法を示すフローチャート。 第２実施形態に係る核燃料含有物の測定装置の構成図。 第２実施形態に適用されるガンマ線検出器の設置例を示す断面図。

（第１実施形態）
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、第１実施形態に係る核燃料含有物の測定装置１０の構成図を示しており、図２は、収納容器１２に対するガンマ線検出器１４の設置の一例を断面図で示している。

なお、本実施形態では、収納容器１２に収納される核燃料含有物として、原子力発電所において苛酷事故が発生した際に、炉心が溶融して生じた炉心溶融物（燃料デブリ１１）を測定対象とする。

燃料デブリ１１は、圧力容器や炉内外の構造物などの鉄系材料、被覆管やチャンネルボックス材料のジルコニウム材、核燃料中に含まれている酸化物燃料（酸化ウランや酸化プルトニウム）、ＦＰ（核分裂生成物）酸化物等の様々な物質が不均一な状態で混在する。

収納容器１２は、粉砕された燃料デブリ１１を収容する円筒状の金属缶である。収納容器１２は、収納された燃料デブリ１１が臨界とならないように形状管理されている。保持部１３は、収納容器１２が直立に固定されるように容器の下部を保持している。

本実施形態に係る測定装置１０は、収納容器１２内の燃料デブリ１１から放出されるガンマ線を検出し、ガンマ線スペクトルを測定するガンマ線検出器１４と、収納容器１２を挟んで配置された１対のミュオン軌跡検出器１６（１６_１、１６_２）を用いて、収納容器１２に入射するミュオンの入射軌跡と収納容器１２を通過後の出射軌跡を検出する軌跡検出部１７と、測定されたガンマ線スペクトルに基づき燃料デブリ１１に含まれるプルトニウムとウランの含有比率を導出し、さらにミュオンの軌跡データに基づき燃料デブリ１１に含まれる重核種の全重量を推定して、最終的にプルトニウム及びウランそれぞれの量を推定する解析装置２０と、を備えている。

まず、ガンマ線検出器１４で測定されたガンマ線スペクトルに基づいて燃料デブリ１１に含まれるプルトニウムとウランの含有比率を導出する方法について説明する。

ガンマ線検出器１４は、収納容器１２の側方に配置されており、収納容器１２全体から放出されるガンマ線を検出して、ガンマ線スペクトルを測定する。そして、測定したガンマ線スペクトルのデータを解析装置２０に送信する。

なお、ガンマ線検出器１４は、ガンマ線をエネルギー弁別して測定する検出器であり、この検出器としてＧｅ半導体検出器、ＣｄＴｅ検出器、ＮａＩ検出器、ＢＧＯ検出器、ＬａＢｒ_３検出器が例示される。

コリメータ１５は、鉛などのガンマ線を遮断する材質で形成されており、ガンマ線検出器１４と収納容器１２との間に設けられている。コリメータ１５は、ガンマ線検出器１４の検出部位の近傍にガンマ線が通過するための空隙３１を有している。燃料デブリ１１から放出されるガンマ線は、コリメータ１５の空隙３１を通ってガンマ線検出器１４に到達する。

この空隙３１は、ガンマ線検出器１４が収納容器１２全体からガンマ線を検出できるように、収納容器１２の方向に沿って大きくなるように形成されている。コリメータ１５を設けることで、ガンマ線検出器１４において測定される部位を限定することができる。

図３は、収納容器１２に対するガンマ線検出器１４の設置の変形例を示している。
この変形例では、空隙３１は、収納容器１２の軸方向に対して垂直な方向に放出されるガンマ線のみを検出するように，開口部分が狭く形成されている。なお、ガンマ線検出器１４は、空隙３１の広さ調整に応じて、台座３２などにより設置位置が調整される。

この場合、保持部１３は、収納容器１２の下端に接続されて、収納容器１２をその軸方向に沿って上下に駆動できる昇降部１８を備えている。

昇降部１８を用いて収納容器１２を上昇（または下降）させ、ガンマ線検出器１４の側方を収納容器１２が上端から下端まで移動させることで、収納容器１２全体からガンマ線が検出される。空隙３１の開口部分を狭く形成することで、ガンマ線検出器１４において測定する部位を限定した状態で測定することが可能となる。

解析装置２０は、スペクトルデータ受付部２１、燃焼度評価部２２、Ｐｕ／Ｕ比導出部２３、軌跡データ受付部２４、散乱角計算部２５、データ集積部２６、重核種判定部２７、重核種量推定部２８、Ｐｕ／Ｕ量計算部２９を備えている。

なお、解析装置２０を構成する各ユニットの機能は、所定のプログラムコードを、プロセッサを用いて実行することによって実現しても良く、このようなソフトウェア処理に限らず、例えば、ＡＳＩＣ等を用いたハードウェア処理で実現しても良いし、ソフトウェア処理とハードウェア処理とを組み合わせて実現しても良い。

スペクトルデータ受付部２１は、ガンマ線検出器１４で測定されたガンマ線スペクトルのデータを受信する。

燃焼度評価部２２は、受信したガンマ線スペクトルのデータから、特定のエネルギーを有するガンマ線のピーク強度を抽出する。そして、予め計算によって求められたピーク強度（またはピーク強度の比率）と燃焼度との相関関係から燃料デブリ１１の燃焼度を評価する。

ガンマ線のピーク強度に基づき燃焼度を評価する方法としては、既存の燃焼度評価法を用い、例えば、ユウロピウム１５４とセシウム１４４（またはプルトニウム１４４）、またはユウロピウム１５４とルテニウム１０６（またはロジウム１０６）におけるピーク強度の比率を用いる方法が考えられる。

Ｐｕ／Ｕ比導出部２３は、核燃料含有物の燃焼度と、プルトニウムとウランの含有比率との相関データ（第１の相関データ）を予め保持している。なお、以下では、プルトニウムとウランの含有比率を“Ｐｕ／Ｕ比”と省略して記載する。

軽水炉の核燃料は、初め濃縮されたウランからなる。そして、燃焼とともにウラン２３８が中性子を吸収してプルトニウムが生成されていく。生成されたプルトニウムのうちＰｕ２３９とＰｕ２４１は核分裂にも寄与して一部減少するが、プルトニウム全体としては増加していく。したがって、Ｐｕ／Ｕ比は、この燃焼過程により生成されたプルトニウムの量と残存するウランの量との比率を意味する。

この相関データは、核燃料の初期条件やプラントの運転履歴を用いて計算される。通常の燃料集合体形状を保持している場合は、個々の燃料集合体の条件で求めることができる。一方、燃料デブリ１１の場合は、その炉心にあった燃料の平均的な条件によって計算される。

図４は、燃料デブリ１１の燃焼度とＰｕ／Ｕ比との相関関係を表した相関データの一例を示している。

そして、Ｐｕ／Ｕ比導出部２３は、燃焼度評価部２２で評価された燃焼度を、予め保持されている相関データと照合して、燃料デブリ１１のＰｕ／Ｕ比を導出する。

続いて、ミュオンの軌跡を用いて、燃料デブリ１１に含まれる重核種の全量を求める方法について説明する。なお、ミュオンとは、宇宙から地球に入射する一次宇宙線が地球の大気と反応する事により生じる二次宇宙線の一種である。

軌跡検出部１７は、一対のミュオン軌跡検出器１６（１６_１、１６_２）から構成されており、ミュオン軌跡検出器１６は収納容器１２を挟んで相対する位置に配置されている。

ミュオン軌跡検出器１６_１は、収納容器１２に入射するミュオンの入射軌跡を検出する。一方、ミュオン軌跡検出器１６_２は、収納容器１２を通過後のミュオンの出射軌跡を検出する。検出された入射軌跡及び出射軌跡に係るミュオンの軌跡データは、解析装置２０に送信される。

ミュオン軌跡検出器１６は、ミュオンの通過を検出可能なドリフトチューブ１９（図５参照）を複数配列させて、複数層、好ましくは少なくとも３層以上に配置させたものである。ここで、ドリフトチューブ１９の１層は、互いに並列に配列された複数のドリフトチューブ１９の列で構成されるドリフトチューブ１９の群を指す。

ドリフトチューブ１９は、それぞれ長手方向に延びる形状となっていることから、ドリフトチューブ１９の１層は、長手方向と直交する方向に互いに並列に配列された複数のドリフトチューブ１９の群により平面状に構成される。

ドリフトチューブ１９は、例えばアルミニウムなどの金属製の円筒管であり、円筒管の中心に高電圧を印加した陽極ワイヤが張られている。そして、ドリフトチューブ１９内には、希ガスを主成分とするドリフトガスが封入されている。

ミュオンが、ドリフトチューブ１９内を通過すると、内部に封入されたドリフトガスが電離されてイオンと電子に分離する。この電子が陽極ワイヤに到達すると、ドリフトチューブ１９から電気信号が出力されて、ドリフトチューブ１９におけるミュオン通過が検出される。ミュオン軌跡検出器１６は、ミュオンの通過が検出された各ドリフトチューブ１９の検出信号に基づいてミュオンの通過軌跡を検出する。

図５は、本実施形態に適用されるミュオン軌跡検出器１６の構成の一例を示している。

ミュオン軌跡検出器１６は、それぞれがＸ方向を長手方向として延びＺ方向に複数が互いに並列に配列されたドリフトチューブ層を２層と、それぞれがＺ方向を長手方向として延びＸ方向に複数が互いに並列に配列されたドリフトチューブ層を２層とで合計４層に配置されている。このようにドリフトチューブ１９を組み合わせて積層することにより、ミュオンの軌跡が３次元的に高い精度で検出可能となる。

軌跡データ受付部２４（図１）は、軌跡検出部１７で検出されたミュオンの入射軌跡及び出射軌跡に関する軌跡データを受信する。

軌跡データ受付部２４は、ミュオンの軌跡データは短時間に多数検出されるため、一定時間内に検出された入射軌跡と出射軌跡とを同一のミュオンに軌跡データとして選別する。なお、一定時間とは、同一のミュオンに関する軌跡であることが判定可能な時間を意味し、例えばミュオンが収納容器１２の通過に要する時間として想定される時間のうち最大の時間等が考えられる。軌跡データ受付部２４は、選別したミュオンの軌跡データを散乱角計算部２５に出力する。

散乱角計算部２５は、ミュオンの軌跡データを入力して、入射軌跡及び出射軌跡に基づいてミュオンの散乱角及び散乱位置を計算する。散乱角は、入射軌跡が変化しないと仮定した場合の予想軌跡と出射軌跡とのなす角により計算する。また、入射軌跡が変化した点を散乱位置として求める。散乱角計算部２５は、軌跡データ受付部２４から入力する全てのミュオンの軌跡データについて散乱角及び散乱位置をそれぞれ計算する。

図６は、検出されたミュオンの入射軌跡と出射軌跡に基づいて散乱角及び散乱位置を計算する方法を説明する図である。ここでは、収納容器１２内の燃料デブリ１１で散乱するミュオンμ_ｉの軌跡を例示している。

ミュオンμ_ｉの入射軌跡Ｔ_ｉｎが変化しないと仮定した場合の予想軌跡Ｔ_ｉｎ’と出射軌跡Ｔ_ｏｕｔとのなす角から散乱角θ_ｉを計算する。また、ミュオンμ_ｉの入射軌跡Ｔ_ｉｎが散乱により変化する点を散乱位置Ａとして求める。

散乱角計算部２５は、各ミュオンについて計算した散乱角及び散乱位置をデータ集積部２６に出力する。

データ集積部２６は、計算した散乱角のデータを、散乱位置に基づいて予め設定された投影面３０上に割り当て、散乱角のデータを投影面３０上に集積するものである。

ここで、収納容器１２を含む領域に設定される投影面３０について説明する。
投影面３０とは、収納容器１２全体における散乱角のデータを集積させるための解析上の設定面である。投影面３０は、任意の大きさのセルで格子状に区切られており（図７参照）、各セルにはそれぞれのセルを識別するための座標が割り当てられている。

データ集積部２６は、計算した散乱位置に属する投影面３０上の座標に、ミュオンの散乱角のデータを割り当てる。図７は、図６において求めたミュオンμ_ｉの散乱角θ_ｉを、散乱位置Ａが属する投影面３０_０上の座標に割り当てた状態を示している。

投影面３０は、図８に示すように、収納容器１２全体の散乱角データを集めるため、収納容器１２の軸方向と平行に、容器の端から端まで一定間隔で複数設定される。投影面３０の間隔が小さく設定する程、より多くの散乱角のデータを集積できるため望ましい。

データ集積部２６は、設定された投影面３０のそれぞれに、ミュオンの散乱角のデータを集積させる。データ集積部２６は、散乱角のデータが投影面３０上に十分に集まるまで集積動作を続ける。

重核種判定部２７は、投影面３０上に集積された散乱角のそれぞれを、所定の基準角と比較して、この基準角以上の散乱角に対応する散乱位置に重核種が存在すると判定する。

ミュオンは原子番号の大きな物質ほど大きな散乱角で散乱される性質を有する。つまり、散乱角を用いて、物質の原子番号、ないしは原子番号がある一定の範囲かどうかを判定することが可能となる。この判定は、物質の原子番号が大きいものほど精度よく行うことができる。

核燃料物質は、軽水炉の場合、主にウラン２３５とウラン２３８、そしてウラン２３８が中性子捕獲して生成するプルトニウムなどであり、原子番号はウランが９２、プルトニウムが９４と大きなものである。原子番号の大きな物質には、プルトニウムがさらに中性子を捕獲して生成するアメリシウムやキュリウムなどの超ウラン元素も若干含まれている。これらの量はウランに比べると微量である。

他に核燃料の核分裂で生成した核分裂生成物（例えばセシウム（Ｃｓ）５５やユウロロピウム（Ｅｕ）６３等）が含まれており、これらの原子番号は幅があるが、ほとんどは３０〜６５の間にあって、中程度の原子番号となる。また、燃料デブリ１１として燃料と一緒に溶け込んだ燃料被覆管や制御棒その他の炉内構造物は、デブリに含まれる量としては多い場合が想定されが、ジルコニウム、鉄系の物質が主なもので、これも原子番号としては中程度のものとなる。

このように、燃料デブリ１１に含まれる物質は、プルトニウム及びウランの原子番号の大きな重核種と、炉内構造物など原子番号が中程度のものが中心となる。

つまり、重核種に対応するミュオンの散乱角を基準角として設定することで、原子番号が中程度以下の核種による散乱角を区別できるとともに、基準角以上の散乱角に対応する散乱位置には重核種が存在すると判定できる。なお、この基準角は、重核種のサンプルを用いて実際に計測したミュオンの散乱角あるいはシミュレーション計算により適切に設定される。

そして、重核種判定部２７は、各投影面３０において重核種の存在を判定して、収納容器１２全体の重核種分布を求める。

図９は、１つの投影面３０_０において重核種の有無を判定して、投影面３０_０における重核種の分布を示した図である。

重核種判定部２７は、投影面３０_０上に集積された散乱角のそれぞれを、基準角と比較して、この基準角以上の散乱角に対応する散乱位置に重核種が存在すると判定する。ここでは、重核種が存在すると判定されたセルは斜線で示されている。これにより、投影面３０_０での重核種の分布が判明する。重核種判定部２７は、同様の動作を全ての投影面３０について行い、収納容器１２全体の重核種分布を求める。

このように、ミュオンの飛行軌跡を用いることで、燃料デブリ１１の中にある重核種の含有率に関わらず、重核種の量の分布を求めることができる。

重核種量推定部２８は、収納容器１２における重核種分布と重核種の全量との相関データ（第２の相関データ）を予め保持している。この相関データは、予め量の分かった重核種の模擬サンプルを用いて作成しても良いしシミュレーション計算により作成しても良い。

そして、重核種量推定部２８は、重核種判定部２７で求めた収納容器１２全体の重核種分布をこの第２の相関データと照合して、収納容器１２における重核種の全量を推定する。

Ｐｕ／Ｕ量計算部２９は、推定された収納容器１２における重核種の全量と導出された含有比とから、プルトニウム及びウランのそれぞれの含有量を計算する。

具体的には、推定された重核種全体の量に、Ｐｕ／（Ｕ＋Ｐｕ）の比率をかけてプルトニウムの量が求める一方、重核種全体の量にＵ／（Ｕ＋Ｐｕ）の比率をかけてウランの量を求める。

図１０は、本実施形態に係る核燃料含有物の測定方法を示すフローチャートを示している（適宜、図１参照）。

ガンマ線検出器１４は、ガンマ線を検出して、ガンマ線スペクトルを測定する（Ｓ１０）。

燃焼度評価部２２は、測定されたガンマ線スペクトルの強度に基づいて燃料デブリ１１の燃焼度を評価する（Ｓ１１）。

Ｐｕ／Ｕ比導出部２３は、評価された燃焼度を、予め保持された第１の相関データと照合して、燃料デブリ１１のＰｕ／Ｕ比を導出する（Ｓ１２）。

軌跡検出部１７は、ミュオン軌跡検出器１６_１、１６_２を用いて、収納容器１２に入射するミュオンの入射軌跡及び出射軌跡を検出する（Ｓ１３）。

散乱角計算部２５は、検出されたミュオンの入射軌跡及び出射軌跡に基づいてミュオンの散乱角及び散乱位置を計算する（Ｓ１４）。

データ集積部２６は、計算されたミュオンそれぞれの散乱角を、散乱位置に基づき予め設定された投影面３０上に割り当てて、散乱角データを投影面３０上に集積する（Ｓ１５）。

データ集積部２６は、収納容器１２全体に設定された投影面３０上に十分の散乱角データが集まるまで集積を続ける（Ｓ１６：ＮＯ、Ｓ１３〜Ｓ１５）。

重核種判定部２７は、データ集積後、散乱角に基づき重核種の存在位置を判定して、収納容器１２全体の重核種の分布を求める（Ｓ１６：ＹＥＳ、Ｓ１７）。

そして、重核種量推定部２８は、求めた重核種の分布を、予め保持された第２の相関データと照合して、重核種の全重量を推定する（Ｓ１８）。

Ｐｕ／Ｕ量計算部２９は、推定された収納容器１２における重核種の全量とＰｕ／Ｕ比導出部２３で導出された含有比率とから、Ｐｕ及びＵそれぞれの重量を計算する（Ｓ１９）。

このように、ガンマ線スペクトル測定に基づいてＰｕ／Ｕ比を導出し、ミュオン軌跡測定に基づいて収納容器１２全体の重核種量を推定することで、燃料デブリ１１に含まれるプルトニウム及びウランそれぞれの重量を推定することができる。

（第２実施形態）
図１１は、第２実施形態に係る核燃料含有物の測定装置１０の構成図を示しており、図１２は、収納容器１２に対するガンマ線検出器１４の設置の一例を示す断面図を示している。なお、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して、重複する動作については説明を省略する。

第２実施形態では、軌跡検出部１７が２組のミュオン軌跡検出器１６（１６_１、１６_２と１６_３、１６_４）で構成される。そして、一方の組は収納容器１２を挟んで相対する位置に配置され、他方の組は一方の組の相対する方向と９０度をなす方向で相対する位置に設置される。

図１２に示すように、ガンマ線検出器１４の配置位置と重なるミュオン軌跡検出器１６_３は、ガンマ線検出器１４の検出に干渉しないように、ガンマ線検出器１４の上方に設置される。なお、ミュオン軌跡検出器１６_３を下にして、ガンマ線検出器１４の上方に設置しても良い。

なお、地上で検出されるミュオンは角度依存性があり、天頂角が０度に近づくほど大きな流束を持つ。このため、相対する検出器を水平に設置するよりも、ミュオン軌跡検出器１６_３、１６_４の設置位置のように、高さを変えて設置した方が大きな流束のミュオンを検出することができる。

各組のミュオン軌跡検出器１６において検出されたミュオンの軌跡データを別々に解析装置２０に送信する。このとき、例えば一方の組がミュオンの軌跡検出を実行しているときに、他方の組のミュオン軌跡検出器１６がミュオンの軌跡検出を停止するように構成することもできるが、これに限るものではない。また、図１１に示した第２実施形態では、２組のミュオン軌跡検出器１６において検出されたミュオンの軌跡データを１台の解析装置２０で解析する構成としているが、２つの解析装置２０を準備し、それぞれの組のミュオン軌跡検出器１６が検出したミュオン軌跡データをそれぞれ別の解析装置２０で解析するような構成としても構わない。

解析装置２０は、配置位置の異なるミュオン軌跡検出器１６により検出されたミュオンの軌跡データを用いて、燃料デブリ１１に含まれるＰｕ及びＵの含有量を２種類推定する。

２組のミュオン軌跡検出器１６で構成し、軌跡検出器の配置位置を変えることで、ミュオン軌跡検出器１６に対する燃料デブリ１１の相対的な位置が変わる。このため、燃料デブリ１１の表面状態の違いなどにより解析装置２０で推定されるＰｕ及びＵの含有量に差異が生じる場合がある。２種類のＰｕ及びＵの含有量を取得することにより、ユーザは、安全性の観点でより信頼性の高いデータ（含有量の大きいもの）を選択することが可能となる。

以上述べた各実施形態の核燃料含有物の測定装置によれば、ガンマ線スペクトル測定に基づいてＰｕ／Ｕ比を導出し、ミュオン軌跡測定に基づいて収納容器全体の重核種量を推定することで、燃料デブリに含まれるプルトニウム及びウランそれぞれの重量を推定することができる。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

また、燃料デブリ１１には、非常に微量であるがアメリシウム（Ａｍ）やキュリウム（Ｃｍ）等の重核種が微少であるが含まれる。

燃料デブリ１１に含まれるアメリシウムやキュリウムの含有量を考慮する場合には、燃料デブリ１１の燃焼度と重核種全体に占めるアメリシウムやキュリウムの含有比率との関係を予め計算によって求めておく。そして、Ｐｕ及びＵの評価でおこなったときと同様に、そして、含有比率と重核種量推定部２８で推定される重核種の全量とに基づいてこれら核種の含有量を推定することもできる。

１０…核燃料含有物の測定装置、１１…燃料デブリ、１２…収納容器、１３…保持部、１４…ガンマ線検出器、１５…コリメータ、１６…ミュオン軌跡検出器、１７…軌跡検出部、１８…昇降部、１９…ドリフトチューブ、２０…解析装置、２１…スペクトルデータ受付部、２２…燃焼度評価部、２３…Ｐｕ／Ｕ比導出部、２４…軌跡データ受付部、２５…散乱角計算部、２６…データ集積部、２７…重核種判定部、２８…重核種量推定部、２９…Ｐｕ／Ｕ量計算部、３０（３０_０，３０_１，３０_２，・・・）…投影面、３１…空隙、３２…台座、ミュオン…μ_ｉ、散乱角…θ_ｉ、散乱位置…Ａ、入射軌跡…Ｔ_ｉｎ、出射軌跡…Ｔ_ｏｕｔ、散乱しないと仮定した場合の予想軌跡…Ｔ_ｉｎ’。

Claims (3)

1. 核燃料含有物質が収納された収納容器の側方に設けられ、前記核燃料含有物質から放出されるガンマ線を検出して、ガンマ線スペクトルを測定するガンマ線検出器と、
   前記収納容器を挟んで相対する位置に配置されたミュオン軌跡検出器を用いて、前記収納容器に入射するミュオンの入射軌跡及び前記収納容器を通過した後の出射軌跡を検出する軌跡検出部と、
   前記ガンマ線検出器で測定された前記ガンマ線スペクトルの強度に基づいて前記核燃料含有物質の燃焼度を評価する燃焼度評価部と、
   評価された前記燃焼度を予め保持された第１の相関データと照合して、前記核燃料含有物質に含まれるプルトニウムとウランとの含有比率を導出するＰｕ／Ｕ比導出部と、
   検出された前記ミュオンの前記入射軌跡及び前記出射軌跡に基づいて前記ミュオンの散乱角及び散乱位置を計算する散乱角計算部と、
   計算された前記ミュオンそれぞれの前記散乱角を、前記散乱位置に基づき予め設定された投影面上に集積するデータ集積部と、
   前記投影面上に集積された前記散乱角のそれぞれを所定の基準角と比較し、この基準角以上の前記散乱角に対応する前記散乱位置に重核種が存在すると判定して、前記収納容器の全体における前記重核種の分布を求める重核種判定部と、
   求めた前記重核種の分布を予め保持された第２の相関データと照合して、前記収納容器における前記重核種の全量を推定する重核種量推定部と、
   推定された前記収納容器における前記重核種の全量と導出された前記含有比率とから、プルトニウム及びウランのそれぞれの含有量を計算するＰｕ／Ｕ量計算部と、を備えることを特徴とする核燃料含有物の測定装置。
2. 前記ガンマ線検出器と前記収納容器の間に設けられ、前記ガンマ線を遮蔽する材質で形成されるとともに前記核燃料含有物質から放出される前記ガンマ線が通過する空隙を有するコリメータを備えることを特徴とする請求項１に記載の核燃料含有物の測定装置。
3. 核燃料含有物質が収納された収納容器の側方に設けられ、前記核燃料含有物質から放出されるガンマ線を検出して、ガンマ線スペクトルを測定するガンマ線検出器と、前記収納容器を挟んで相対する位置に配置されたミュオン軌跡検出器を用いて、前記収納容器に入射するミュオンの入射軌跡及び前記収納容器を通過した後の出射軌跡を検出する軌跡検出部とを用いて、
   前記ガンマ線検出器で測定された前記ガンマ線スペクトルの強度に基づいて前記核燃料含有物質の燃焼度を評価するステップと、
   評価された前記燃焼度を予め保持された第１の相関データと照合して、前記核燃料含有物質に含まれるプルトニウムとウランとの含有比率を導出するＰｕ／Ｕ比導出部と、
   検出された前記ミュオンの前記入射軌跡及び前記出射軌跡に基づいて前記ミュオンの散乱角及び散乱位置を計算するステップと、
   計算された前記ミュオンそれぞれの前記散乱角を、前記散乱位置に基づき予め設定された投影面上に集積するステップと、
   前記投影面上に集積された前記散乱角のそれぞれを所定の基準角と比較し、この基準角以上の前記散乱角に対応する前記散乱位置に重核種が存在すると判定して、前記収納容器の全体における前記重核種の分布を求めるステップと、
   求めた前記重核種の分布を予め保持された第２の相関データと照合して、前記収納容器における前記重核種の全量を推定するステップと、
   推定された前記収納容器における前記重核種の全量と導出された前記含有比率とから、プルトニウム及びウランのそれぞれの含有量を計算するステップと、を含むことを特徴とする核燃料含有物の測定方法。

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