JP2018036156A - 重元素含有物の測定装置及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】核燃料や燃料デブリなどの重元素含有物の組成及びその密度を推定できる重元素含有物の測定技術を提供する。
【解決手段】測定装置１０は、燃料デブリ１１を収容する収納容器１２にミュオンを出力するミュオン出力部１４と、ミュオンの入射軌跡を受け付ける第１受付部１９と、出射軌跡を受け付ける第２受付部２０と、軌跡検出器で検出されるミュオンの数に基づきエネルギーに応じたミュオンの透過率を測定する透過率測定部２２と、入射及び出射軌跡に基づいてミュオンの散乱角を計算する散乱角計算部２３と、散乱角から求めた放射長に基づいて燃料デブリ１１の組成を特定する組成特定部２５と、燃料デブリ１１の密度をパラメータとして、エネルギーに応じたミュオンの透過率を評価する透過率評価部２６と、評価した透過率と測定した透過率とを照合し、燃料デブリ１１の密度を求める物質密度推定部２７と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、核燃料や燃料デブリなどの重元素含有物を測定する重元素含有物の測定技術に関する。

核セキュリティ上の観点から、核燃料の重量測定は重要となる。通常、核関連施設ごとに保有する核燃料の重量や保存場所が厳密に記録、管理されている。

一方、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た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遮蔽容器（収納容器）に収容して、安全に保管、管理する必要がある。しかし、通常の記録から燃料デブリの重量を把握する事はできないため、測定によって燃料デブリを定量する方法が必要となる。

核燃料と圧力容器などを構成する構造材料とが溶融、混合して生成された燃料デブリは、その物質組成を直接的に把握することは高い放射線量などの問題により困難となる。このため、燃料デブリに含まれる核物質の定量は、収納容器から燃料デブリを取り出すこと無く、非破壊・非接触で行う事が望ましい。

代表的な非破壊検査手法として、Ｘ線ラジオグラフィがある。しかし、遮蔽容器を透過させるために高いエネルギーが必要になる他、核物質と他の物質の識別が困難であることから燃料デブリのような重元素含有物の測定には適さない。

近年、遮蔽容器や構造物の内部に保持された物質情報を得るための様々な非破壊検査技術が検討されている。例えば、燃料デブリなどの重元素含有物の情報を得る方法として、ガンマ線スペクトル測定から燃料デブリの燃焼度を推定する方法が提案されている。

また、放射線透視技術の一種として、荷電粒子であるミュオンの飛行軌跡を利用したミュオン透視技術が注目されている。この技術は、人工的な放射線を使用せずに、宇宙から地球に入射する宇宙線の一種であるミュオンの飛行軌跡を測定することで、構造物の内部を画像化する手法であり、大型建築物の透過試験や火山の密度分布の測定に利用されている。

ミュオンによる透視技術では、透視の対象となる構造物にミュオン軌跡検出器が外設される。そして、この軌跡検出器によりミュオンの飛行軌跡を検出し、軌跡を解析することで構造物内部における物質の存在位置、材質が判別されて、構造物内部のイメージングが行われる。

特開２０１４−７０９２０号公報 特表２０１２−５０１４５０号公報

通常の核燃料のように燃料集合体の形状が維持されている場合は、核物質の総量が把握可能である。一方、燃料デブリは形状や組成が不定となるため、物質から放出される放射線を測定して燃焼度を求める方法では、容器内部の燃料デブリ全体に対する核種の割合が測定できたとしても、燃料デブリ中に含まれる核物質の重量を測定することはできない。

また、ミュオンを用いた透視技術では、構造物の内部おいて重元素（例えば、ウランやプルトニウムなどの核物質）が存在する位置でのミュオンの散乱角が、軽元素（例えば、鉄）などの存在位置の散乱角よりも大きくなることを利用して核物質の存在位置及びその材質の測定を行っている。しかし、測定された散乱角のみの情報に基づいて核物質の重量を特定することは困難であった。

このように、原子力発電所の事故により発生した燃料デブリは、形状や組成が不定であるため、遮蔽容器に収容された燃料デブリの組成や核物質の重量を測定することは困難である。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、核燃料や燃料デブリなどの重元素含有物の組成及びその密度を推定できる重元素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重元素含有物の測定装置は、重元素含有物を内部に収容する収納容器に向かってミュオンを出力するミュオン出力部と、前記収納容器に外設された第１軌跡検出器で検出された、前記収納容器に入射するミュオンの入射軌跡を受け付ける第１受付部と、前記収納容器を挟んで第１軌跡検出器に対向する位置に設けられた第２軌跡検出器で検出された、前記収納容器から出射する前記ミュオンの出射軌跡を受け付ける第２受付部と、前記ミュオンのエネルギーが変更して設定された際に、前記第１軌跡検出器及び前記第２軌跡検出器で検出される前記ミュオンの数に基づいてエネルギーに応じた前記ミュオンの透過率を測定する透過率測定部と、入射する前記ミュオンの入射軌跡と出射する前記ミュオンの出射軌跡とに基づいて前記ミュオンの散乱角を計算する散乱角計算部と、計算された前記散乱角から求めた放射長に基づいて前記重元素含有物の組成を特定する組成特定部と、特定された前記重元素含有物の密度をパラメータとして、前記収納容器に出力される前記ミュオンのエネルギーに応じた前記ミュオンの透過率を評価する透過率評価部と、評価した透過率と測定した透過率とを照合して、収納容器内の前記重元素含有物の密度を求める物質密度推定部と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態に係る重元素含有物の測定方法は、重元素含有物を内部に収容する収納容器に向かってミュオンを出力するミュオン出力部を用いて、前記収納容器に外設された第１軌跡検出器で検出された、前記収納容器に入射するミュオンの入射軌跡を受け付けるステップと、前記収納容器を挟んで第１軌跡検出器に対向する位置に設けられた第２軌跡検出器で検出された、前記収納容器から出射する前記ミュオンの出射軌跡を受け付けるステップと、前記ミュオンのエネルギーが変更して設定された際に、前記第１軌跡検出器及び前記第２軌跡検出器で検出される前記ミュオンの数に基づいてエネルギーに応じた前記ミュオンの透過率を測定するステップと、入射する前記ミュオンの入射軌跡と出射する前記ミュオンの出射軌跡とに基づいて前記ミュオンの散乱角を計算するステップと、計算された前記散乱角から求めた放射長に基づいて前記重元素含有物の組成を特定するステップと、特定された前記重元素含有物の密度をパラメータとして、前記収納容器に出力される前記ミュオンのエネルギーに応じた前記ミュオンの透過率を評価するステップと、評価した透過率と測定した透過率とを照合して、収納容器内の前記重元素含有物の密度を求めるステップと、を含むことを特徴とする。

本発明の実施形態により、核燃料や燃料デブリなどの重元素含有物の組成及びその密度を推定できる重元素含有物の測定技術を提供する。

第１実施形態に係る重元素含有物の測定装置の構成図。 ミュオンの出力エネルギーを変化させた場合に、各エネルギーにおいて測定されるミュオンの透過率の一例を示すグラフ。 収納容器内の燃料デブリで散乱するミュオンの散乱角を求める方法を説明する説明図。 収納容器内にウランが存在すると仮定して、ウランの密度を複数設定した場合における、エネルギーに応じたミュオンの透過率を示す計算例。 第１実施形態に係る重元素含有物の測定手順を示すフローチャート。 第２実施形態に係る重元素含有物の測定装置の構成図。 第２実施形態に係る重元素含有物の測定手順を示すフローチャート。 第３実施形態に係る重元素含有物の測定装置の構成図。 コリメータを用いて収納容器にミュオンを出力する構成を示す説明図。 収納容器に設定された照射位置を示す説明図。 容器保持部を介して変位する収納容器を示す側面図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
本実施形態に係る燃料デブリ１１の測定装置１０は、重元素含有物(燃料デブリ１１)が収容された収納容器１２に対してミュオンを出力し、ミュオンの軌跡検出器を用いて収納容器１２を通過するミュオンの散乱角と収納容器１２に対するミュオンの透過率とを測定する。そして、散乱角に基づいて燃料デブリ１１の組成を特定し、ミュオンの透過率に基づいて燃料デブリ１１の密度を求める装置である。

収納容器１２は、金属製の収納部材であり、その内部に燃料デブリ１１が充填され収容されている。円筒型の収納容器１２は、容器の下部に設けられた容器保持部１３に支持されている。

燃料デブリ１１は、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である。燃料デブリは、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、核燃料の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混合物である。

第１軌跡検出器１５及び第２軌跡検出器１６は、高い透過力を有した荷電粒子であるミュオンの飛行軌跡を検出するミュオン軌跡検出器である。このミュオン軌跡検出器は、ミュオンの通過を検出可能なドリフトチューブ２８を複数平行に配列させたものを１層として、複数層（少なくとも３層以上）に配置させたものである（図３参照）。

軌跡検出器は、ミュオンの通過が検出された各ドリフトチューブ２８の検出信号に基づいてミュオンの通過軌跡を検出する。なお、ドリフトチューブ２８に代えてミュオンの通過を検出可能なシンチレーション検出器を用いても良い。

第１軌跡検出器１５及び第２軌跡検出器１６の構成として、ミュオンの軌跡を３次元的に検出可能となるため、ドリフトチューブ２８を平行に配列させたドリフトチューブ２８の層を、軸方向の向きが交互に直角となるように複数の層に重ねて構成させることが望ましい。

第１軌跡検出器１５と第２軌跡検出器１６は、収納容器１２を挟んで対向する位置に設置される。第１軌跡検出器１５、収納容器１２、及び第２軌跡検出器１６は、出力されたミュオンがこの順番で通過するように直線上に配置されている。

第１軌跡検出器１５は、収納容器１２に入射するミュオンの入射軌跡及び通過時間（入射時刻）を検出する。そして、検出した入射軌跡及びミュオンの通過時間を解析装置１８に送信する。

一方、第２軌跡検出器１６は、収納容器１２を通過後のミュオンの出射軌跡及び通過時間（出射時刻）を検出する。そして、検出した出射軌跡及びミュオンの通過時間を解析装置１８に送信する。

図１に示すように第１実施形態に係る燃料デブリ１１の測定装置１０は、収納容器１２に対してミュオンを出力するミュオン出力部１４と、出力されるミュオンのエネルギーを設定する出力エネルギー制御部１７と、解析装置１８と、を備えている。

ミュオン出力部１４は、陽子加速器を備えており、加速した陽子ビームをベリリウムなどのターゲットに衝突させてパイ中間子を発生させる。そして、発生したパイ中間子をソレノイド磁石や四重極電磁石で集めて、パイ中間子が崩壊した際に発生するミュオン（ミュオンビーム）を出力する。ミュオン出力部１４は、陽子ビームの出力を調整することで任意のエネルギーのミュオンを出力できる。

出力エネルギー制御部１７は、ミュオン出力部１４から出力されるミュオンのエネルギーを設定する。ミュオンのエネルギーに応じた収納容器１２に対するミュオンの透過率を測定するために、低いエネルギーから高いエネルギーまで、ミュオン出力部１４から出力されるミュオンのエネルギーを変更して設定していく。エネルギーの設定情報は、解析装置１８に送信される。

解析装置１８は、第１受付部１９と、第２受付部２０と、同時計数部２１と、透過率測定部２２と、散乱角計算部２３と、放射長導出部２４と、組成特定部２５と、透過率評価部２６と、物質密度推定部２７と、を備えている。

なお、解析装置１８を構成する各ユニットの機能は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）の他、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）や光ディスク装置等の外部記憶装置を含む記憶媒体である記憶回路に保持された所定のプログラムコードを、FPGA（Field Programmable Gate Array）、PLD(programmable logic device)、GPU（Graphics Processing Unit）、またはCPU（Central Processing Unit）などのプロセッサなどの電子回路にお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等の電子回路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

第１受付部１９は、第１軌跡検出器１５から送信されたミュオンの入射軌跡及び入射時間を受け付ける。そして、第１受付部１９は、受け付けた入射軌跡及び入射時間を同時計数部２１に出力する。

第２受付部２０は、第２軌跡検出器１６から収納容器１２を通過した後のミュオンの出射軌跡及び通過時間を受け付ける。そして、第２受付部２０は、入力した出射軌跡及び出射時間を同時計数部２１に出力する。

同時計数部２１は、入射時間及び出射時間のデータを用いて、一定時間内に第１軌跡検出器１５及び第２軌跡検出器１６のそれぞれで検出された入射軌跡と出射軌跡とを同一のミュオンによる検出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。

ミュオンが収納容器１２を透過する場合は、入射軌跡と出射軌跡が同一のミュオンの検出データとして取得される。一方、ミュオンが燃料デブリ中で停止して収納容器１２を透過できない場合は、入射軌跡のみが検出され、出射軌跡の情報は欠落する。

同時計数部２１により、第１軌跡検出器１５及び第２軌跡検出器１６において検出される複数のミュオンについて、同一のミュオンに関する検出データが選別される。なお、同一のミュオンに関する検出データを十分に判別できる程度に解析装置１８側でデータの入力を制限した場合は、同時計数部２１を省略する構成として良い。

透過率測定部２２は、出力エネルギー制御部１７によりミュオンのエネルギー値が変更され設定されたときに、軌跡検出器で検出されるミュオンの数に基づいてミュオンの透過率をエネルギー値ごとに測定する。設定されるエネルギー値の情報は、出力エネルギー制御部１７から入力する。

具体的には、設定された１つのエネルギー値について、第１軌跡検出器１５で検出されるミュオンの入射検出数に対する第２軌跡検出器１６で検出される出射検出数の比率を透過率として測定する。透過率測定部２２は、設定されたミュオンのエネルギーごとに透過率を測定する。

図２は、ミュオンの出力エネルギーを変化させて設定した場合に、各エネルギーにおいて測定されるミュオンの透過率の一例を示すグラフである。横軸はミュオンの出力エネルギーを示しており、縦軸はミュオンの透過率を示している。ミュオンの出力エネルギーは、０（ＭｅＶ）から４００（ＭｅＶ）の間で設定している。

収納容器１２内に照射されたミュオンがデブリ中でエネルギーを全て失った場合は、収納容器１２を透過することができない。このため、透過率は１よりも低い値となる。一方、照射されたミュオンが収納容器１２を透過して第２軌跡検出器１６で全て検出される場合、透過率は１となる。透過率が１となるエネルギーの最小値は、ミュオンが収納容器１２を透過できるエネルギーの閾値となる。したがって、この透過率の測定により、収納容器１２内における燃料デブリ１１の組成及び厚さに対してミュオンが透過可能となるエネルギーの閾値を求めることができる。

図１に戻って説明を続ける。
散乱角計算部２３は、同時計数部２１から同一のミュオンについての入射軌跡及び出射軌跡入力して、この入射軌跡及び出射軌跡に基づいてミュオンの散乱角を計算する。

図３は、収納容器１２内の燃料デブリ１１で散乱するミュオンの散乱角θを求める方法を説明する図である。ミュオンの入射軌跡をＴ_ｉｎとして、出射軌跡をＴ_ｏｕｔとする。散乱角θは、入射軌跡Ｔ_ｉｎが散乱により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とのなす角により計算される。入射軌跡Ｔ_ｉｎが変化した点が散乱位置Ａとなる。

放射長導出部２４は、散乱角計算部２３で求めた散乱角θと物質固有の値である放射長Ｘ_０との関係に基づいて放射長Ｘ_０を求める。ミュオンが物質を通過する際のクーロン多重散乱による散乱角θは、通過する物質の放射長Ｘ_０、密度、物質の厚さｔに依存して下記式（１）のように表すことができる。ウランやプルトニウムなどの重元素では、散乱角θは大きくなる。なお、ここでは、ある物質が容器内に隙間無く充填されているものと仮定する。

ｖとｐはミュオンの速度と運動量であるため、ｖｐはミュオン出力部１４から出力されて収納容器１２に入射するミュオンのエネルギーに対応する。物質の厚さｔは、物質が充填される収納容器１２の厚さ（内径）に対応する。このため、下記式（１）を用いることで散乱角θから放射長Ｘ_０を求めることができる。

組成特定部２５は、放射長Ｘ_０は物質固有の値となるため、求めた放射長Ｘ_０から燃料デブリ１１の組成（種類）を特定する。このように、ミュオンの入射軌跡及び出射軌跡に基づいて計算した散乱角θから燃料デブリ１１の組成を特定することができる。

透過率評価部２６は、組成が特定された燃料デブリ１１の密度をパラメータとして変化させて、ミュオンのエネルギーに応じた透過率を、設定した密度それぞれに対して評価する。

具体的には、組成特定部２５で特定された物質の密度を複数設定して、各密度それぞれについてエネルギーに応じたミュオンの透過率をシミュレーション計算により求める。シミュレーション計算は、軌跡検出器の設置位置など実際の測定と同様の条件下で行う。物質中でミュオンが失う通過距離当たりのエネルギーは、既知の情報となる。なお、ミュオンの出力エネルギーは、出力エネルギー制御部１７で設定されるエネルギー設定域と同じ範囲で設定する。

そして、透過率評価部２６は、設定される物質の密度それぞれについて、ミュオンが透過できるエネルギーの閾値、すなわち透過率が１となるエネルギーの最小値を求める。

図４は、収納容器１２にウランが存在していると仮定して、ウランの密度を４．８（ｇ／ｃｍ^３）、９．５（ｇ／ｃｍ^３）、１４．２（ｇ／ｃｍ^３）、及び１８．９（ｇ／ｃｍ^３）の４つの条件に設定した場合における、エネルギーに応じたミュオンの透過率を示す計算例である。

図４に示すように、収納容器１２のウランの密度に応じてミュオンが透過できるエネルギーの閾値が異なる値となり、密度が高いほど高いエネルギーを必要とすることが分かる。

物質密度推定部２７（図１）は、透過率評価部２６で評価した透過率と透過率測定部２２で測定した透過率とを照合して、収納容器１２内における燃料デブリ１１の密度を求める。具体的には、透過率評価部２６で求めた密度ごとのエネルギーの閾値と、透過率評価部２６で求めたエネルギーの閾値とを照合して、合致する閾値に対応する密度を燃料デブリ１１の密度とする。

なお、燃料デブリ１１の密度の導出は、透過率評価部２６で評価したエネルギーに応じて変化する透過率の推移（波形）と、透過率測定部２２で測定したエネルギーに応じて変化する透過率の推移（波形）とを重ねて合わせて照合して、燃料デブリ１１の密度を求めても良い。

このように、収納容器１２内の燃料デブリ１１の組成が判明すれば、収納容器１２を透過するミュオンの透過率に基づいて燃料デブリ１１の密度を推定することができる。

図５は、第１実施形態に係る燃料デブリ１１の測定手順を示すフローチャートである（適宜、図１参照）。

ミュオン出力部１４は、ミュオンを収納容器１２に照射する（Ｓ１０）。出力エネルギー制御部１７は、ミュオンのエネルギーに応じたミュオンの透過率を測定するために、低いエネルギーから高いエネルギーまで、ミュオン出力部１４から出力されるミュオンのエネルギーを変更して設定していく。

透過率測定部２２は、第１軌跡検出器１５及び第２軌跡検出器１６で検出されるミュオンの検出数に基づいてエネルギーに応じたミュオンの透過率を測定する（Ｓ１１）。

第１軌跡検出器１５及び第２軌跡検出器１６は、ミュオンの入射軌跡及び出射軌跡を検出する（Ｓ１２）。同時計数部２１は、第１軌跡検出器１５及び第２軌跡検出器１６において検出される複数のミュオンの軌跡情報について、同一のミュオンに関する検出データを選別する。

散乱角計算部２３は、同一のミュオンについての入射軌跡及び出射軌跡に基づいてミュオンの散乱角θを計算する（Ｓ１３）。

放射長導出部２４は、上述の式（１）を用いて計算された散乱角θに基づいて放射長Ｘ_０を求める（Ｓ１４）。そして、組成特定部２５は、求めた放射長Ｘ_０から燃料デブリ１１の組成を特定する（Ｓ１５）。

透過率評価部２６は、組成が特定された燃料デブリ１１の密度をパラメータとして変化させて、ミュオンのエネルギーに応じた透過率を、設定した密度それぞれに対して評価する（Ｓ１６）。

物質密度推定部２７は、透過率評価部２６で評価した透過率と透過率測定部２２で測定した透過率とを照合して、収納容器１２内における燃料デブリ１１の密度を求める（Ｓ１７）。

以上のように、燃料デブリ１１などの形状や組成が不定である測定対象について、ミュオンの散乱角及び収納容器１２に対するミュオンの透過率を用いることで測定対象の組成及びその密度を非破壊かつ非接触で推定することができる。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る燃料デブリ１１の測定装置１０の構成図を示している。なお、図６において第１実施形態（図１）と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。

通常、燃料デブリ１１はある程度の空隙を含んで収納容器１２に収容される。このため、燃料デブリ１１が容器中に隙間なく封入されている場合と比較すると、平均密度が低くなる傾向にある。散乱角θのみの情報から特定される物質の組成は、測定対象の実際の密度を考慮せずに求めるものとなるため、本来よりも軽い物質に特定されるおそれがある。

このため、物質の組成をより正確に特定してその密度を求めるためには、収納容器１２内における燃料デブリ１１の充填率を考慮して散乱角θを適切に補正する必要がある。

そこで、第２実施形態における燃料デブリ１１の測定装置１０は、充填率計算部２９と、散乱角補正部３０と、を備える。

充填率計算部２９は、組成特定部２５で特定された組成の物質が収納容器１２に充填されたと仮定した場合の密度（充填密度とする）を求める。そして、この充填密度に対する物質密度推定部２７で求めた密度の比率を充填率として計算する。

具体的に充填率の計算方法を説明する。ここで、散乱角計算部２３で計算されたミュオンの散乱角θ（０）とし、組成特定部２５で特定された組成の物質をＭ（０）とする。そして、物質密度推定部２７で求められるＭ（０）の密度をｄ（０）とする。

充填率計算部２９は、物質Ｍ（０）が収納容器１２の内部に１００％充填されていると仮定した場合における充填密度ｄ_ｈ（０）を求める。なお、組成が特定されているＭ（０）の密度は既知となるため、この密度から充填密度ｄ_ｈ（０）を求めることができる。

そして、充填率計算部２９は、充填密度ｄ_ｈ（０）に対するｄ（０）の比率を取ることで収納容器１２中の充填率Ｒを求める（下記式（２））。この充填率は、特定された物質が、実際の物質よりも軽い物質だった場合には１より小さくなる。一方、実際の物質よりも重い物質だった場合には１より大きくなる。

Ｒ＝ｄ（０）／ｄ_ｈ（０） ・・・式（２）
Ｒ：充填率
ｄ（０）：特定された物質の推定密度
ｄ_ｈ（０）：特定された物質が収納容器１２に１００％充填されたと仮定した場合の充填密度

散乱角補正部３０は、計算した充填率Ｒを用いて、散乱角計算部２３で計算されたミュオンの散乱角θ（０）を補正する。収納容器１２内には燃料デブリ１１が充填率Ｒだけ含まれているものと仮定して、充填率１００％のときの散乱角θ（１）を求める（下記式（３））。

θ（１）＝θ（０）／Ｒ ・・・式（３）
θ（１）：充填率１００％のときの散乱角θ（１）
θ（０）：計算された散乱角
Ｒ：充填率

この補正された散乱角θ（１）から燃料デブリ１１の組成を再度特定して、その密度を求める。なお、燃料デブリ１１の組成を特定し、燃料デブリ１１の密度を求める方法は、第１実施形態と同様となるため説明を省略する。

このように、収納容器１２内における燃料デブリ１１の充填率を求めて、この充填率を用いて実際の入射軌跡及び出射軌跡に基づいて計算された散乱角を補正する。これにより、物質の組成をより正確に特定してその密度を求めることができる。

また、充填率計算部２９及び散乱角補正部３０を用いた密度の再計算は、計算された密度が一定の値に収束するまで、あるいは、所定の計算回数以上になるまで繰り返し行っても良い。密度の計算を繰り返し行うことで、特定される物質の組成と計算される密度を高い精度で求めることができる。

図７は、第２実施形態に係る燃料デブリ１１の測定手順を示すフローチャートである（適宜、図６参照）。第２実施形態に係る燃料デブリ１１の測定手順と同一となる部分は適宜省略して説明する。

ミュオン出力部１４は、ミュオンを収納容器１２に照射する（Ｓ２０）。出力エネルギー制御部１７は、ミュオンのエネルギーに応じたミュオンの透過率を測定するために、低いエネルギーから高いエネルギーまで、ミュオン出力部１４から出力されるミュオンのエネルギーを変更して設定していく。

透過率測定部２２は、第１軌跡検出器１５及び第２軌跡検出器１６で検出されるミュオンの検出数に基づいてエネルギーに応じたミュオンの透過率を測定する（Ｓ２１）。

第１軌跡検出器１５及び第２軌跡検出器１６は、ミュオンの入射軌跡及び出射軌跡を検出する（Ｓ２２）。

散乱角計算部２３は、同一のミュオンについての入射軌跡及び出射軌跡に基づいてミュオンの散乱角θを計算する（Ｓ２３）。

放射長導出部２４は、計算された散乱角θから、上述の式（１）を用いて放射長Ｘ_０を求める（Ｓ２４）。そして、組成特定部２５は、求めた放射長Ｘ_０から燃料デブリ１１の組成を特定する（Ｓ２５）。

透過率評価部２６は、組成が特定された燃料デブリ１１の密度をパラメータとして変化させて、ミュオンのエネルギーに応じた透過率を、設定した密度それぞれに対して評価する（Ｓ２６）。

物質密度推定部２７は、透過率評価部２６で評価した透過率と透過率測定部２２で測定した透過率とを照合して、収納容器１２内における燃料デブリ１１の密度を求める（Ｓ２７）。

充填率計算部２９は、組成特定部２５で特定された組成の物質が収納容器１２に１００％充填されたと仮定した場合の充填密度を求める（Ｓ２９）。そして、この充填密度に対する物質密度推定部２７で求めた密度の比率を充填率として計算する（Ｓ３０）。

散乱角補正部３０は、計算した充填率を用いて、散乱角計算部２３で計算されたミュオンの散乱角θを補正する（Ｓ３１）。そして、補正された散乱角に基づいて燃料デブリ１１の組成を特定し、その密度を求める（Ｓ２４〜S２７）。

燃料デブリ１１の密度が収束するまで、Ｓ２４〜Ｓ３１までの処理を繰り返して、燃料デブリ１１の組成の特定及び密度の計算を行う（Ｓ２８：ＮＯ）。一方、燃料デブリ１１の密度が収束した場合は終了する（Ｓ２８：ＹＥＳ）。

このように、収納容器１２内における燃料デブリ１１の充填率を考慮して散乱角θを補正することで、物質の組成をより正確に特定してその密度を求めることができる。

（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る燃料デブリ１１の測定装置１０の構成図を示している。なお、図８において第１実施形態（図１）と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。なお、燃料デブリ１１の組成の特定及び密度の推定手順は、第１実施形態と同様の方法となるため説明を省略する。

収納容器１２内に収容された核物質を含む燃料デブリ１１は、容器内の空間に均一であるとは限らず、入射するミュオンの位置によって透過率や散乱角が異なる場合がある。この場合は、透過率や散乱角に基づいて推定される燃料デブリ１１の組成や密度は、入射するミュオンの位置により異なる。

推定される燃料デブリ１１の組成や密度について、収納容器１２における分布を求めるためには、収納容器１２に照射するミュオンの位置を変更する必要がある。

第３実施形態における測定装置１０では、収納容器１２が変位可能に容器保持部１３に支持されている。そして、測定装置１０は、収納容器１２を変位させて、収納容器１２におけるミュオンの照射位置を設定する測定位置設定部３１を備えている。コリメータ３３は、ミュオン出力部１４から出力されて収納容器１２に照射されるミュオン（ミュオンビーム）を適切な大きさに設定するものである。

図９は、コリメータ３３を用いて収納容器１２にミュオンを出力する構成を示す説明図である。コリメータ３３は、ミュオン出力部１４のミュオン出力口の近傍に設けられており、収納容器１２に照射されるミュオンを一定の領域に設定する。

測定位置設定部３１は、収納容器１２の表面を複数の照射領域に区分して、各照射領域をミュオンの照射位置３２として設定する。図１０は、収納容器１２に設定された照射位置３２の一例を示す説明図である。測定位置設定部３１は、コリメータ３３を通過して収納容器１２に照射されるミュオンの照射領域が各照射位置３２となるように、容器保持部１３を介して収納容器１２を移動させる。

図１１は、容器保持部１３を介して変位する収納容器１２を示す側面図である。容器保持部１３は、上下の方向、ミュオンの出力方向に対して左右の方向、及び、容器の軸方向を中心にして回転可能に収納容器１２を支持している。符号３２ａは、図１０中の照射位置３２ａに対応している。

物質密度推定部２７は、組成が特定された燃料デブリ１１の密度を照射位置３２のそれぞれについて求める。物質密度推定部２７は、推定された燃料デブリ１１の組成及び密度と照射位置３２とを関連付けて表示部（図示省略）などに出力する。

収納容器１２の内部における平均的な組成および密度を求める場合には、収納容器１２全体に均一にミュオンを照射して、測定される散乱角及び透過率に基づいて燃料デブリ１１の組成及び密度を求めても良い。一方、第３実施形態では、ミュオンの照射位置ごとに燃料デブリ１１の組成及び密度を求める。これにより、収納容器１２における測定結果の分布を求めることができる。

以上述べた各実施形態の重元素含有物の測定装置によれば、収納容器を通過するミュオンの散乱角と収納容器に対するミュオンの透過率とを用いることにより、核燃料や燃料デブリなどの重元素含有物の組成及びその密度を非破壊かつ非接触で推定できる。

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。なお、収納容器を通過させるミュオンとしては、エネルギーが特定できれば、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を用いても良い。

１０…重元素含有物の測定装置、１１…燃料デブリ（重元素含有物）、１２…収納容器、１３…容器保持部、１４…ミュオン出力部、１５…第１軌跡検出器、１６…第２軌跡検出器、１７…出力エネルギー制御部、１８…解析装置、１９…第１受付部、２０…第２受付部、２１…同時計数部、２２…透過率測定部、２３…散乱角計算部、２４…放射長導出部、２５…組成特定部、２６…透過率評価部、２７…物質密度推定部、２８…ドリフトチューブ、２９…充填率計算部、３０…散乱角補正部、３１…測定位置設定部、３２…照射位置、３３…コリメータ、Ａ…散乱位置、θ…散乱角。

Claims (5)

1. 重元素含有物を内部に収容する収納容器に向かってミュオンを出力するミュオン出力部と、
   前記収納容器に外設された第１軌跡検出器で検出された、前記収納容器に入射するミュオンの入射軌跡を受け付ける第１受付部と、
   前記収納容器を挟んで第１軌跡検出器に対向する位置に設けられた第２軌跡検出器で検出された、前記収納容器から出射する前記ミュオンの出射軌跡を受け付ける第２受付部と、
   前記ミュオンのエネルギーが変更して設定された際に、前記第１軌跡検出器及び前記第２軌跡検出器で検出される前記ミュオンの数に基づいてエネルギーに応じた前記ミュオンの透過率を測定する透過率測定部と、
   入射する前記ミュオンの入射軌跡と出射する前記ミュオンの出射軌跡とに基づいて前記ミュオンの散乱角を計算する散乱角計算部と、
   計算された前記散乱角から求めた放射長に基づいて前記重元素含有物の組成を特定する組成特定部と、
   特定された前記重元素含有物の密度をパラメータとして、前記収納容器に出力される前記ミュオンのエネルギーに応じた前記ミュオンの透過率を評価する透過率評価部と、
   評価した透過率と測定した透過率とを照合して、収納容器内の前記重元素含有物の密度を求める物質密度推定部と、を備えることを特徴とする重元素含有物の測定装置。
2. 組成を特定した前記重元素含有物が前記収納容器に充填されたと仮定した場合の充填密度を求めて、この充填密度に対する前記物質密度推定部で求めた密度の比率を充填率として計算する充填率計算部と、
   計算した前記充填率に基づいて前記ミュオンの前記散乱角を補正する散乱角補正部と、をさらに備えて、
   前記組成特定部は、補正された前記散乱角から求めた前記重元素含有物の放射長に基づいて前記重元素含有物の組成を特定し、
   前記透過率評価部は、再度特定された前記重元素含有物の密度をパラメータとして変更した場合における、前記収納容器に出力されるエネルギーに応じた前記ミュオンの透過率を評価し、
   前記物質密度推定部は、再度評価した透過率と測定した透過率とを照合して、再度特定された前記重元素含有物の密度を求めることを特徴とする請求項１に記載の重元素含有物の測定装置。
3. 前記物質密度推定部は、求めた密度が一定の値に収束するまで前記重元素含有物の密度を繰り返し求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の重元素含有物の測定装置。
4. 前記収納容器の表面を複数の照射位置に区分して、
   前記ミュオン出力部から出力されて前記収納容器を通過する前記ミュオンの位置が照射位置となるように前記収納容器を保持する容器保持部を変位させる測定位置設定部をさらに備えて、
   前記物質密度推定部は、前記照射位置ごとに組成が特定された前記重元素含有物の密度を求めることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の重元素含有物の測定装置。
5. 重元素含有物を内部に収容する収納容器に向かってミュオンを出力するミュオン出力部を用いて、
   前記収納容器に外設された第１軌跡検出器で検出された、前記収納容器に入射するミュオンの入射軌跡を受け付けるステップと、
   前記収納容器を挟んで第１軌跡検出器に対向する位置に設けられた第２軌跡検出器で検出された、前記収納容器から出射する前記ミュオンの出射軌跡を受け付けるステップと、
   前記ミュオンのエネルギーが変更して設定された際に、前記第１軌跡検出器及び前記第２軌跡検出器で検出される前記ミュオンの数に基づいてエネルギーに応じた前記ミュオンの透過率を測定するステップと、
   入射する前記ミュオンの入射軌跡と出射する前記ミュオンの出射軌跡とに基づいて前記ミュオンの散乱角を計算するステップと、
   計算された前記散乱角から求めた放射長に基づいて前記重元素含有物の組成を特定するステップと、
   特定された前記重元素含有物の密度をパラメータとして、前記収納容器に出力される前記ミュオンのエネルギーに応じた前記ミュオンの透過率を評価するステップと、
   評価した透過率と測定した透過率とを照合して、収納容器内の前記重元素含有物の密度を求めるステップと、含むことを特徴とする重元素含有物の測定方法。

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