JP2019517678A - 核燃料棒の能動的走査を実施するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

核燃料棒上で能動的走査を実施するためのシステムおよび方法が、提供される。本システムは、イオン源、加速器、および標的を含む、電気駆動式中性子発生器と、中性子発生器を取り囲み、中性子発生器によって発生された中性子を減速させるように構成される、減速体と、減速体内に配置される、燃料棒チャネルであって、核燃料棒を受容し、核燃料棒を所定の中性子束に曝すように構成される、燃料棒チャネルと、複数の放射線検出器とを含む。核燃料棒が、所定の中性子束を受けると、中性子は、即時二次放射および遅延ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせを誘発し、これらは、複数の放射線検出器によって検出され、核燃料棒内の核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および核分裂性材料の空間分布を判定する。

Description

関連出願への相互参照
本願は、２０１６年６月９日に出願された米国仮特許出願番号第６２／３４７，９６９号に基づく優先権を主張しており、この米国仮特許出願は、その全体が参考として本明細書中に援用される。

分野
本願は、概して、核燃料棒の能動的走査を実施し、燃料棒の長さに沿った濃縮度の変動を識別する分野に関する。より具体的には、本願は、核燃料棒の能動的走査を実施するためのシステムおよび方法に関する。

背景情報
本節は、請求項に列挙される本発明の背景または状況を提供するために意図される。本明細書における説明は、追究され得る概念を含み得るが、必ずしも、以前に着想または追究されたものではない。したがって、本明細書に別様に示されない限り、本節に説明されるものは、本願の明細書および請求項に対する先行技術ではなく、本節に含まれることによって先行技術であると認められるものではない。

米国における電力の約２０％は、原子炉によって発生される。これらの原子炉内で使用される燃料は、二酸化ウラン（ＵＯ_２）の小円筒形ペレットの形態で生じ、これは、長さ約１ｃｍ（０．３９インチ）×直径１ｃｍ（０．３９インチ）である。これらのペレットにおける有用な燃料は、ウラニウム、具体的には、Ｕ−２３５およびＵ−２３８である。ＵＯ_２ペレットは、金属シースの内側にスタックされ、長さ約１５２．４ｃｍ（６０インチ）〜４０６．４ｃｍ（１６０インチ）の範囲の燃料棒を形成する。複数の燃料棒が、次いで、束あたり約１５×１５燃料棒の長方形束に配列される。典型的原子炉は、約４０，０００個の燃料棒または約１，５００万個の燃料ペレットに匹敵する、１５０〜２００束を利用する。

原子炉は、約２年おきに燃料補給される。燃料補給の度に、燃料棒の約１／３が、交換される。したがって、燃料棒の平均寿命は、約６年である。有意な労力が、核燃料の寿命を延長させるために注がれている。非常に効果的であることが証明されている、１つの方法は、「可燃性毒物」を燃料ペレットの中に導入することである。可燃性毒物の典型的実施例は、ガドリニウムおよびホウ素である。これらの材料は、熱中性子を吸収する際、非常に効果的であるため、毒物と呼ばれる。熱中性子は、典型的には、約０．５ｅＶ未満のエネルギーを伴う中性子として定義される。

原子炉は、核分裂、すなわち、原子（例えば、ウラニウム原子）の分裂からエネルギーを得て、放出されたエネルギーを利用して、水を加熱する。核燃料中の中性子とウラニウムの相互作用は、核分裂反応を誘発するものであって、各核分裂反応は、いくつかの中性子を放出し、これは、さらなる核分裂反応、故に、原子炉の重要な（「連鎖反応」）運転性質を発生させる。原子炉内の特定の場所において、特定の量で、可燃性毒物を導入することは、連鎖反応を減速させ、制御をより容易にすることができる。これの１つの有益な効果は、燃料の寿命の延長である。

原子炉の運転を調整するために、核燃料の品質は、厳密に制御されなければならない。すなわち、Ｕ−２３５およびＵ−２３８の量ならびに空間分布は、非常に高度な正確度および精度で把握されなければならない。したがって、核燃料加工設備を離れる前に、燃料棒は、燃料棒内のウラニウム同位体の含有量および分布を測定するために、最終点検を受ける。歴史的には、本測定は、燃料棒を照射器を通して通過させ、そこで熱中性子が当てられることによって遂行されている。熱中性子は、核分裂を燃料棒内のウラニウムに誘発する（但し、燃料棒が原子炉内で動作するときよりはるかに低い率で）。核分裂事象後、多くのガンマ線が、その後数秒から数分にわたって放出される。したがって、照射後、核燃料棒は、ガンマ検出器アセンブリを通して通過され、そこで、放出されるガンマ線は、捕捉され、カウントされる。燃料棒の各区分によって放出されるガンマ線の数は、燃料棒内のＵ−２３５およびＵ−２３８の相対的濃度および空間分布についての情報を提供する。本情報は、次いで、燃料が加工設備から離れる前に、最終品質制御ステップとして、燃料棒設計と比較される。

一般に、核燃料棒は、受動的走査システムまたは能動的走査システムを使用して、棒の長さに沿った濃縮度の変動（すなわち、濃縮度均一性）に関して走査されることができる。受動的走査システムは、核燃料の天然放射を検出する一方、能動的走査システムは、自然に照射される量を上回る付加的放射を核燃料中に誘発し、その付加的放射能を検出する。歴史的には、能動的走査システムの照射器内の中性子源は、中性子を自然に放出する、放射性同位体、具体的には、カリホルニウム−２５２（Ｃｆ−２５２）である。Ｃｆ−２５２は、約１ＭｅＶでピークになるエネルギーのスペクトルを伴う、中性子を放出する。中性子は、次いで、核分裂反応を燃料棒内に誘発する確率がはるかに高い、より低いエネルギーに減速または「熱平衡化」される必要がある。これは、Ｃｆ−２５２を減速体材料（典型的には、重水、黒鉛、またはポリエチレン）のブロックの内側に入れることによって遂行される。中性子は、これらの材料と相互作用すると、減速体材料内の原子の核の「跳ね返り」によって減速する。典型的中性子は、熱エネルギーレベルに到達する前に、数十回も「跳ね返る」。熱中性子は、核燃料によって吸収され、核分裂事象を誘発する確率がはるかに高く、これは、最終的には、検出器におけるガンマ線および測定可能信号の発生につながる。

Ｃｆ−２５２は、２．６４年の半減期を有し、これは、能動的燃料棒スキャナ（すなわち、中性子を使用した燃料棒スキャナ）内のＣｆ−２５２が、高中性子出力を維持するために約２年毎に交換されなければならないことを意味する。ここ数年にわたって、Ｃｆ−２５２の価格は、１０倍以上も高騰しており、能動的燃料棒走査のために、本同位体を使用して、中性子を発生させることを価格制限的にしている。燃料棒製造業者は、燃料棒が加工設備を離れる前に、最終的重要な品質制御ステップを実施するために、中性子の代替高収率源を積極的に探している。

可燃性毒物を含有する燃料棒の走査は、ウラニウムおよびプルトニウム含有量および空間分布を判定することとなる際、特定の課題を提示する。可燃性毒物は、熱中性子のための非常に高吸収断面を有し、これは、核分裂をウラニウム中に誘発するための断面よりはるかに高い。したがって、可燃性毒物を含有する燃料棒が、照射器を通して通過するとき、中性子の大部分は、毒物材料によって吸収され、最小限の量の核分裂が、燃料棒内のウラニウム中に誘発される。これは、非常に低信号をガンマ検出器においてもたらし、これは、燃料ペレット内のＵ−２３５およびＵ−２３８濃度および分布を判定するために不十分である。

新しいタイプの能動的燃料棒スキャナに関連する技術および核燃料棒上で能動的走査を実施するための方法を含む、改良された技術の必要性が存在する。

要旨
例示的実施形態は、電気駆動式中性子発生器と、減速体と、第１の燃料棒チャネルと、複数の放射線検出器とを含む、核燃料棒上で能動的走査を実施するためのシステムに関する。中性子発生器は、イオン源と、加速器と、標的とを含む。減速体は、中性子発生器を取り囲み、中性子発生器によって発生された中性子を減速させる。第１の燃料棒チャネルは、減速体内に配置される。第１の燃料棒チャネルは、第１の核燃料棒を受容し、第１の核燃料棒を所定の中性子束に曝す。中性子は、即時の二次放射および遅延ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせを誘発し、これは、複数の放射線検出器によって検出され、第１の核燃料棒内の核分裂性材料の量および第１の核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の空間分布を判定する。

上記に説明される例示的実施形態では、減速体は、標的を取り囲むチャンバと、チャンバを取り囲む中性子減速体と、中性子減速体を取り囲む付加的中性子減速体とを含んでもよい。標的は、重水素または三重水素の自己含浸を受けやすい材料から構成される、固体標的であってもよい。チャンバを取り囲む中性子減速体は、黒鉛から構成されてもよく、付加的中性子減速体は、５％ホウ素化ポリエチレンから構成されてもよい。第１の燃料棒チャネルは、ウラニウム、プルトニウム、またはそれらの組み合わせを含有する、核燃料棒を受容するように構成されてもよい。核燃料棒は、ガドリニウムまたはホウ素等の可燃性毒物を含有してもよく、もしくはそうではなくてもよい。第１の燃料棒チャネルは、ガドリニウムまたはホウ素等の可燃性毒物から構成され、熱中性子を吸収するように構成される、外層を有する、内部シェルを含んでもよい。

上記に説明される例示的実施形態はまた、可燃性毒物を含有しない、ウラニウムまたはプルトニウム核燃料棒を受容するように構成される、少なくとも１つの付加的燃料棒チャネル（例えば、第２の燃料棒チャネル、第３の燃料棒チャネル、第４の燃料棒チャネル、第５の燃料棒チャネル、第６の燃料棒チャネル、第７の燃料棒チャネル、第８の燃料棒チャネル等）を含んでもよい。少なくとも１つの付加的燃料棒チャネルは、アルミニウムから構成される外層と、ポリエチレンから構成される内層とを有する、内部熱シェルを含んでもよい。

別の例示的実施形態は、核燃料棒上で能動的走査を実施する方法に関する。本方法は、イオン源、加速器、および標的を含む、電気駆動式中性子発生器を用いて、中性子を発生させるステップと、中性子発生器を取り囲む減速体を用いて、中性子を減速させるステップと、核燃料棒を減速体内に配置される第１の燃料棒チャネル内に配置するステップと、核燃料棒を所定の中性子束に曝すステップであって、即時の二次放射および遅延ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせを誘発し、複数の放射線検出器を用いて、二次放射を検出するステップであって、核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および核分裂性材料の空間分布を判定するステップとを含む。核燃料棒は、ガドリニウムまたはホウ素等の可燃性毒物を含有してもよく、またはそうではなくてもよい。

上記に説明されるような核燃料棒上で能動的走査を実施する方法の例示的実施形態はさらに、可燃性毒物を含有しない少なくとも１つの付加的核燃料棒を少なくとも１つの付加的燃料棒チャネル内に配置するステップと、少なくとも１つの核燃料棒を所定の中性子束に曝すステップであって、即時の二次放射および遅延ガンマならびに／または中性子放出を誘発するステップと、複数の放射線検出器のうちの少なくとも１つを用いて、少なくとも１つの核燃料棒からの即時および遅延ガンマならびに／または中性子放出を検出するステップであって、少なくとも１つの核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および核分裂性材料の空間分布を判定するステップとを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、本明細書に提供されるのは、核燃料棒上で能動的走査を実施するためのシステムであって、本システムは、イオン源、加速器、および標的を含む、電気駆動式中性子発生器と、中性子発生器を取り囲み、中性子発生器によって発生された中性子を減速させるように構成される、減速体と、減速体内に配置される、第１の燃料棒チャネルであって、第１の核燃料棒を受容し、第１の核燃料棒を所定の中性子束に曝すように構成される、第１の燃料棒チャネルと、複数の放射線検出器とのそれぞれのうちの１つまたはそれを上回るものを備える。いくつかの実施形態では、本システムは、使用時、中性子が、即時二次放射および遅延ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせを誘発し、これが、複数の放射線検出器によって検出され、第１の核燃料棒の長さに沿った第１の核燃料棒内の核分裂性材料の量および核分裂性材料の空間分布を判定するように構成される。

いくつかの実施形態では、第１の燃料棒チャネルは、可燃性毒物を含有する第１の核燃料棒を受容するように構成される。いくつかの実施形態では、第１の燃料棒チャネルは、可燃性毒物から構成される外層を有し、熱中性子を吸収するように構成される、内部熱外シェルを含む。いくつかの実施形態では、内部熱外シェルはさらに、高速中性子を熱外領域の中に散乱させるように構成される、内層を含み、内層は、外層と同心である。いくつかの実施形態では、内層は、ベリリウムから構成される。いくつかの実施形態では、第１の燃料棒チャネルは、ガドリニウムまたはホウ素を含有する第１の核燃料棒を受容するように構成される。

本システムのいくつかの実施形態では、所定の中性子束は、熱外中性子束であって、熱外中性子は、複数の放射線検出器によって検出される、二次放射を誘発する。

いくつかの実施形態では、イオン源は、マイクロ波イオン源または電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源である。

いくつかの実施形態では、標的は、チタン、銅、ジルコニウム、ウラニウム、パラジウム、またはアルミニウムのうちの少なくとも１つから構成される、固体標的である。

いくつかの実施形態では、減速体は、標的を取り囲むチャンバと、チャンバを取り囲む中性子減速体と、中性子減速体を取り囲む付加的中性子減速体とを含む。いくつかの実施形態では、チャンバは、誘電固体、液体、またはガスを含有する。いくつかの実施形態では、チャンバは、フロリナート液体を含有する。いくつかの実施形態では、チャンバを取り囲む中性子減速体は、黒鉛、Ｄ_２Ｏ、またはポリエチレンから構成される。いくつかの実施形態では、付加的中性子減速体は、ポリエチレンから構成される。いくつかの実施形態では、付加的中性子減速体は、５％ホウ素化ポリエチレンから構成される。

いくつかの実施形態では、第１の燃料棒チャネルは、可燃性毒物から構成される外層を有し、熱中性子を吸収するように構成される、内部熱外シェルを含む。

いくつかの実施形態では、本システムはさらに、第２の核燃料棒を受容し、第２の核燃料棒を所定の熱中性子束に曝すように構成される、第２の燃料棒チャネルを備える。いくつかの実施形態では、第２の燃料棒チャネルは、減速体内に配置され、熱中性子は、ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせの二次放射を第２の核燃料棒内に誘発し、これは、複数の放射線検出器のうちの少なくとも１つによって検出され、第２の核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および核分裂性材料の空間分布を判定する。いくつかの実施形態では、第２の燃料棒チャネルは、アルミニウムから構成される外層と、ポリエチレンから構成される内層とを有する、内部熱シェルを含む。

いくつかの実施形態では、本システムはさらに、核燃料棒を受容し、核燃料棒を熱外中性子束または熱中性子束に曝すように構成される、少なくとも１つの付加的燃料棒チャネルを備える。いくつかの実施形態では、熱外中性子束または熱中性子束の中性子は、ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせの二次放射を核燃料棒内に誘発し、これらは、複数の放射線検出器のうちの少なくとも１つによって検出され、核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および核分裂性材料の空間分布を判定する。

いくつかの実施形態では、標的は、チタンから構成される、固体標的であって、中性子減速体は、黒鉛から構成され、付加的中性子減速体は、ホウ素化ポリエチレンから構成され、第１の燃料棒チャネルは、ガドリニウムから構成され、熱中性子を吸収するように構成される、外層と、ベリリウムから構成され、高速中性子を熱外エネルギー領域の中に散乱させるように構成される、内層とを有する、内部熱外シェルを含み、第１の燃料棒チャネルは、ガドリニウムを含有する核燃料棒を受容するように構成され、第２の燃料棒チャネルは、アルミニウムから構成される外層と、ポリエチレンから構成される内層とを有する、内部熱シェルを含み、および／または第２の燃料棒チャネルは、可燃性毒物を含有しない、核燃料棒を受容するように構成される。

いくつかの実施形態では、標的は、チタンから構成される、固体標的であって、中性子減速体は、黒鉛から構成され、付加的中性子減速体は、ホウ素化ポリエチレンから構成され、第１の燃料棒チャネルは、ホウ素から構成され、熱中性子を吸収するように構成される、外層と、ベリリウムから構成され、高速中性子を熱外エネルギー領域の中に散乱させるように構成される、内層とを有する、内部熱外シェルを含み、第１の燃料棒チャネルは、ホウ素を含有する核燃料棒を受容するように構成され、第２の燃料棒チャネルは、アルミニウムから構成される外層と、ポリエチレンから構成される内層とを有する、内部熱シェルを含み、そして／または第２の燃料棒チャネルは、可燃性毒物を含有しない、核燃料棒を受容するように構成される。

本明細書にさらに提供されるのは、前述のシステムのいずれかの使用である。いくつかの実施形態では、使用は、核燃料棒の分析のためのシステムの使用を含む。

いくつかの実施形態では、本明細書に提供されるのは、核燃料棒上で能動的走査を実施する方法であって、本方法は、イオン源、加速器、および標的を含む、電気駆動式中性子発生器を用いて、中性子を発生させるステップと、中性子発生器を取り囲む減速体を用いて、中性子を減速させるステップと、第１の核燃料棒を減速体内に配置される第１の燃料棒チャネル内に配置するステップと、第１の核燃料棒を所定の中性子束に曝すステップであって、即時二次放射および遅延ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせを誘発するステップと、複数の放射線検出器を用いて、二次放射を検出するステップであって、第１の核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および核分裂性材料の空間分布を判定するステップとのそれぞれのうちの１つまたはそれを上回るものを含む。いくつかの実施形態では、第１の核燃料棒は、可燃性毒物を含有する。いくつかの実施形態では、第１の核燃料棒は、ガドリニウムまたはホウ素を含有する。いくつかの実施形態では、所定の中性子束は、熱外中性子束であって、熱外中性子は、複数の放射線検出器によって検出される、二次放射を誘発する。いくつかの実施形態では、第１の燃料棒チャネルは、可燃性毒物から構成される層を有する、内部熱外シェルを含み、第１の核燃料棒を所定の中性子束に曝すステップは、内部熱外シェルの外層内の熱中性子を吸収するステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、高速中性子を内部熱外シェルの内層内の熱外エネルギー領域の中に散乱させるステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、可燃性毒物を含有しない第２の核燃料棒を第２の燃料棒チャネル内に配置するステップと、第２の核燃料棒を所定の熱中性子束に曝すステップであって、ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせの二次放射を誘発するステップと、複数の放射線検出器のうちの少なくとも１つを用いて、第２の核燃料棒からの二次放射を検出するステップであって、第２の核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および核分裂性材料の空間分布を判定するステップとを含む。いくつかの実施形態では、第２の燃料棒チャネルは、アルミニウムから構成される外層と、ポリエチレンから構成される内層とを有する、内部熱シェルを含み、本方法はさらに、内部熱シェルの内層および外層との熱外中性子集団を低減させるステップを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、可燃性毒物を含有しない核燃料棒を少なくとも１つの付加的燃料棒チャネル内に配置するステップと、核燃料棒を所定の熱外中性子束または熱中性子束に曝すステップであって、ガンマ放出、中性子放出、もしくはそれらの組み合わせの二次放射を誘発するステップと、少なくとも複数の放射線検出器のうちの別の１つを用いて、核燃料棒からの二次放射を検出するステップであって、核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および核分裂性材料の空間分布を判定するステップとを含む。いくつかの実施形態では、標的は、重水素原子が埋設された固体標的であって、電気駆動式中性子発生器を用いて中性子を発生させるステップは、固体標的と加速された重水素イオンビームを衝突させることであって、重水素−重水素融合反応を介して、中性子を発生させることを含む。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、固体標的を加速された重水素イオンビームで照射することによって、固体標的内に埋設された重水素原子を補充するステップを含む。いくつかの実施形態では、固体標的は、チタン、銅、ジルコニウム、ウラニウム、パラジウムまたはアルミニウムのうちの少なくとも１つから構成される。いくつかの実施形態では、減速体は、標的を取り囲むチャンバと、チャンバを取り囲む中性子減速体と、中性子減速体を取り囲む付加的中性子減速体とを含み、減速体を用いて中性子を減速させるステップは、中性子減速体を使用することであって、電気駆動式中性子発生器を用いて発生された中性子を熱平衡化すること、付加的中性子減速体を用いて、熱平衡化された中性子を吸収することを含む。いくつかの実施形態では、チャンバを取り囲む中性子減速体は、黒鉛、Ｄ_２Ｏ、またはポリエチレンから構成され、付加的中性子減速体は、ポリエチレンから構成される。いくつかの実施形態では、チャンバは、誘電固体、液体、またはガスを含有する。いくつかの実施形態では、チャンバは、フロリナート液体を含有する、フロリナートチャンバである。

本開示の付加的特徴、利点、および実施形態は、以下の発明を実施するための形態、図面、および請求項を考慮して呈示され得る。さらに、前述の本開示の概要および以下の詳細な説明を実施するための形態は両方とも、例示的であって、請求される本開示の範囲をさらに限定せずに、さらなる説明を提供するように意図されることを理解されたい。

本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書内に組み込まれ、その一部を構成する、付随の図面は、本開示の実施形態を図示し、発明を実施するための形態とともに、本開示の原理を説明する役割を果たす。本開示および実践され得る種々の方法の基本理解のために必要であり得るものより詳細に、本開示の構造詳細を示すことを試みるものではない。

図１は、重水素−重水素（ＤＤ）融合反応を介して中性子を発生させ、可燃性毒物を含有する核燃料棒の能動的走査を実施するためのシステムの中性子発生器および減速体の垂直断面図である。 図２は、図１の中性子発生器の垂直断面図である。 図３は、図１の減速体の垂直断面図であって、第１の燃料棒チャネル、第２の燃料棒チャネル、および第３の燃料棒チャネルを図示する。 図４は、図３の燃料棒チャネル場所を通して切断された、図１の減速体の水平断面図である。 図５は、図３の中央燃料棒チャネル中央燃料棒チャネルの垂直断面図であって、可燃性毒物を含有する燃料棒が、挿入されている。中央燃料棒チャネルは、熱外燃料棒チャネルであってもよい。 図６は、図３の第２の燃料棒チャネルおよび第３の燃料棒チャネル（すなわち、中央燃料棒チャネルの両側の燃料棒チャネル）のうちの１つの垂直断面図であって、可燃性毒物を含有しない燃料棒が、挿入されている。 図７は、図３の減速体の断面図がオーバーレイされた、熱中性子束マップである。 図８は、図４の減速体の断面図がオーバーレイされた、熱中性子束マップである。 図９は、Ｇｄ−１５７の吸収断面ならびにＵ−２３５およびＵ−２３８の総核分裂断面の比較である。 図１０は、図３の中央燃料棒チャネルの場所におけるＭＣＮＰからの中性子エネルギースペクトル出力を示す、グラフである。 図１１は、図３の減速体の断面図がオーバーレイされた、熱外中性子束マップである。 図１２は、図３の減速体の断面図がオーバーレイされた、高速中性子束マップである。 図１３は、それぞれ、図２および３の中性子発生器および減速体を含む、能動的走査システムの俯瞰図である。能動的走査システムを制御するために使用される、コンピュータ（図示せず）は、走査制御室（図示せず）に遠隔で位置する。 図１４は、バックアップ照射器および棒取扱ハードウェアを含む、図１３の能動的走査システムの俯瞰図である。 図１５は、図１３の能動的走査システムの斜視図であって、手動燃料棒インプットおよび自動化された燃料棒アウトプットのための面積を示す。 図１６は、図１３の能動的走査システムの別の斜視図であって、図１５の手動燃料棒インプットの詳細を示すように拡大されている。 図１７は、図１３の能動的走査システムのさらなる別の斜視図であって、図１５の自動燃料棒アウトプットの詳細を示すように拡大されている。

詳細な説明
例示的実施形態を詳細に図示する図に目を向ける前に、本開示は、説明に記載される、または図に図示される、詳細もしくは方法論に限定されないことを理解されたい。また、専門用語は、説明目的のみのためのものであって、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。同一または同様の部品を指すために、図面全体を通して同一もしくは同様の参照番号を使用する試みが成されている。

前述のように、能動的燃料棒走査の従来の方法は、カリホルニウム−２５２（Ｃｆ−２５２）を中性子源として使用する。図全般を参照すると、以下の実施形態に説明されるシステム１００は、Ｃｆ−２５２中性子源を電気駆動式中性子発生器１０と交換するが、これは、以下の実施形態に詳細に説明される。放射性同位体の代わりに、電気駆動式中性子発生器を使用することは、Ｃｆ−２５２ベースの能動的スキャナと関連付けられた高速走査速度および高正確度を維持しながら、Ｃｆ−２５２を頻繁に交換／補充する必要性の排除と非使用時、中性子源をオフにする能力とを含む、複数の利点を有する。

図１を参照すると、重水素−重水素（ＤＤ）融合反応を介して、中性子を発生させ、可燃性毒物を含有する核燃料棒の能動的走査を実施するためのシステム１００は、中性子発生器１０と、減速体２０とを含む。能動的走査を実施するために、中性子発生器１０は、燃料棒内の核燃料に中性子に当て、それによって、即時の二次放射および遅延ガンマならびに／または中性子放出ならびに即時および遅延熱、熱外、または高速中性子を誘発するように構成される。本二次放射は、次いで、カウントされ、燃料棒の長さに沿った核分裂性材料含有量および濃縮度のレベル（すなわち、核分裂性材料含有量の空間分布）を判定する。したがって、燃料棒の長さに沿った濃縮度の変動が、検出されることができる。

図２は、中性子発生器１０の一実施形態の断面図である。一実施形態では、中性子発生器１０は、イオン源１１と、加速器１２と、重水素イオンビーム１３と、真空ポンプ１４と、固体標的１５とを含む。中性子発生器１０（以下に説明される）は、最大動作電圧２００ｋＶおよび最大動作ビーム電流４５ｍＡに基づいて、最大２．５×１０^１０ＤＤｎ／秒を発生させることが可能である。システムのための公称動作点は、約１５５ｋＶおよび４０ｍＡであって、これは、総中性子収率１×１０^１０ＤＤｎ／秒をもたらす。

イオン源１１は、密な重水素プラズマを生成する。イオン源１１は、例えば、マイクロ波イオン源または電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源であってもよい。ある実施形態では、イオン源１１は、使い捨て成分を有さず、非常に高イオンビーム電流密度（例えば、２００ｍＡ／ｃｍ^２）を発生させ、非常に長寿命（例えば、数年）を有する。

イオン源１１が密な重水素プラズマを生成する、一実施例では、重水素ガスは、イオン源１１のプラズマチャンバ１１ａの中に連続的に注入される。磁場、例えば、８７５Ｇ磁場±２０％が、２つの磁石１１ｂを介して、プラズマチャンバ１１ａ内で発生される。磁石１１ｂは、例えば、ソレノイド電磁石または永久磁石であってもよい。マグネトロン（図示せず）によって発生された周波数、例えば、２．４５ＧＨｚ±２０％を有する、マイクロ波が、同軸ケーブルおよび導波管１１ｃを介して、プラズマチャンバ１１ａの中に伝送され、密な重水素プラズマを発生させる。導波管１１ｃは、任意の公知の導波管、例えば、第ＷＯ／２０１５００６０６５号（その全内容は、中性子発生器内の導波管の構造および使用に関連するその教示に関して、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる）に説明される導波管であってもよい。

重水素イオンが、重水素イオンビーム１３の形態でイオン源１１から抽出され、加速器１２を用いて加速される。特に、正の重水素イオンは、プラズマチャンバ放出開口と抽出電極（例えば、−４０ｋＶ電位）との間に存在する静電電位によって、プラズマチャンバ１１ａ（接地電位）から抽出される。抽出される重水素イオンビーム１３は、続いて、加速器１２内に存在する静電電位を介して、全電圧（例えば、１５０ｋＶ〜２００ｋＶ）まで加速される。

真空ポンプ１４は、動作の間、加速器１２内の低圧を維持するために使用され、これは、安定性および中性子収率を改良する。真空ポンプ１４は、外気圧とイオン源／加速器領域との間の第１の圧力差と、外気圧と標的との間の第２の圧力差と、イオン源／加速器領域と標的との間の第３の圧力差とを維持するように構成される、差動圧送システムの一部であってもよい。そのような差動圧送システムの実施例は、第ＷＯ／２００９１４２６６９号および第ＷＯ／２０１１０８１９４０号（その全内容は、中性子発生器内の差動圧送システムの構造および使用に関連するその教示に関して、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に説明される。

重水素イオンビーム１３（高電圧および高電流を有する）は、減圧を通って移動し、最終的には、固体標的１５内に埋設される他の重水素原子に衝突する。固体標的は、ガス状標的より少ない中性子を生産し得るが、固体標的の使用は、ガス状標的を使用するシステムと比較して、より小さく、かつより安価なシステムをもたらす。固体標的１５は、例えば、イオンビームが、重水素または三重水素イオンを中性子生成のための「燃料」としての役割を果たす標的の中に埋め込み得るように、水素を良好に保持する材料から形成される、自己含浸標的であってもよい。そのような材料の実施例は、チタン、銅、ジルコニウム、ウラニウム、パラジウム、およびアルミニウムを含む。重水素または三重水素を含有する、事前に装填された標的が、使用されてもよいが、いったん重水素または三重水素が、使い果たされると、標的は、交換されなければならない。したがって、標的の寿命を延長させるために、イオンビームによって重水素または三重水素が「再装填」され得る、自己含浸標的を使用することが好ましい。好ましい実施形態では、固体標的１５は、チタン標的、銅標的、または自己含浸性チタンおよび銅標的であってもよい。

発生された中性子は、厳密に約２．５ＭｅＶでピークに達する平均エネルギーが備わっている。中性子収率は、異方性であって、順方向にピークに達する。反応の順方向ピーク性質は、真に等方性の反応に対して燃料棒において熱束を増加させるため、有益である。小割合の入射イオンが、重水素−重水素核融合反応を固体標的１５内で開始する。高エネルギー重陽子が相互作用すると、核融合反応が、生じ、これは、高エネルギー中性子を生産する。固体標的１５から放出されるこれらの高速中性子は、多数回、周囲減速体２０と相互作用し、中性子集団の平均エネルギーを著しく低減させる。

標的１５は、高電圧にあって、標的１５を取り囲む冷却ジャケットが、相当な厚さであって、冷却剤としても作用する電気絶縁材料を含有することを要求する。さらに、絶縁材料は、中性子の減速を補助する一方、熱中性子吸収の高い傾向を有していない必要がある。選択される絶縁材料は、電気絶縁材料である、フロリナート（以下に説明される）であって、これは、有意な低エネルギー中性子吸収を伴わずに、中性子を減速させることが可能である。中性子生産標的１５からの熱は、標的１５および加速器１２を取り囲むフロリナート液体の循環を介して除去され、最終的には、熱交換器（図示せず）を介してシステムから除去される。

図３は、減速体２０の一実施形態の断面図を図示する。固体標的１５は、チャンバ２１によって取り囲まれ、これは、高電圧で浮動する固体標的１５のための電気絶縁体ならびに初期中性子減速体として作用する。チャンバ２１は、誘電固体、液体、またはガスを含有してもよい。例えば、チャンバ２１は、フロリナート液体含有フロリナートチャンバであってもよい。他の実施例では、チャンバ２１は、油または六フッ化硫黄を含有してもよい。チャンバ２１を取り囲むのは、中性子減速体２２である。中性子減速体２２は、例えば、ポリエチレン、水希釈ポリエチレン（ＷＥＰ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、黒鉛、Ｄ_２Ｏ（重水）、水、またはそれらの組み合わせから作製されてもよい。図３の実施例では、中性子減速体２２は、黒鉛チャンバである。黒鉛は、非常に低い中性子捕捉断面を有することが公知であって、したがって、非常に低エネルギー（例えば、＜０．０２５ｅＶ）を高効率で達成するために理想的である。減速体２０はまた、付加的中性子減速体２３を含む。付加的中性子減速体２３は、例えば、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）等のポリエチレンの形態を含む、任意の材料であってもよい。図３の実施例では、周囲材料は、５％ホウ素化高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）ブランケットであって、これは、システムの外側の中性子用量を安全レベルに保つために、減速領域（すなわち、チャンバ２１および中性子減速体２２）から逃散する中性子の熱平衡化および捕捉を補助する。図３では、付加的中性子減速体２３の基部は、コンクリート上に静置する一方、付加的中性子減速体２３の他側は、大気（すなわち、空気）に暴露される。

図３はまた、３つの燃料棒チャネル、すなわち、第１の燃料棒チャネル３０と、第２の燃料棒チャネル４０と、第３の燃料棒チャネル５０とを図示する。図３の実施例では、燃料棒チャネル３０、４０および５０はそれぞれ、中性子減速体２２内に位置する。しかしながら、本願は、この点において限定されない。他の実施例では、第１の燃料棒チャネル３０、第２の燃料棒チャネル４０、および第３の燃料棒チャネル５０は、異なる場所に位置してもよい。例えば、第１の燃料棒チャネル３０、第２の燃料棒チャネル４０、および第３の燃料棒チャネル５０は全て、チャンバ２１内に位置する、第１の燃料棒チャネル３０、第２の燃料棒チャネル４０、および第３の燃料棒チャネル５０のうちの２つは、チャンバ２１内に位置してもよい一方、残りの燃料棒チャネルは、中性子減速体２２内に位置するか、または第１の燃料棒チャネル３０、第２の燃料棒チャネル４０、および第３の燃料棒チャネル５０のうちの２つは、中性子減速体２２内に位置してもよい一方、残りの燃料棒チャネルは、チャンバ２１内に位置する。

図３の実施例を参照すると、第１の燃料棒チャネル３０は、第２の燃料棒チャネル４０および第３の燃料棒チャネル５０が提供される高さと実質的に同一の高さに位置する。本願は、この点において限定されない。他の実施例では、第１の燃料棒チャネル３０は、第１の燃料棒チャネル３０が、第２の燃料棒チャネル４０および第３の燃料棒チャネル５０より固体標的１５に近くなるように、第２の燃料棒チャネル４０および第３の燃料棒チャネル５０が提供される高さを上回る高さに位置してもよい。第１の燃料棒チャネル３０、第２の燃料棒チャネル４０、および第３の燃料棒チャネル５０は全て、相互に対して異なる高さに提供されてもよい。図３の実施例では、第１の燃料棒チャネル３０は、第２の燃料棒チャネル４０および第３の燃料棒チャネル５０から等距離にある（例えば、異なる高さにあるが、第２の燃料棒チャネル４０および第３の燃料棒チャネル５０の中央にある）。他の実施例では、第１の燃料棒チャネル３０は、第３の燃料棒チャネル５０より第２の燃料棒チャネル４０に近くてもよい、または第１の燃料棒チャネル３０は、第２の燃料棒チャネル４０より第３の燃料棒チャネル５０に近くてもよい。図３の実施例では、第１の燃料棒チャネル３０、第２の燃料棒チャネル４０、および第３の燃料棒チャネル５０は、同一高さで提供され、相互に対して平行である。図４は、減速体２０の断面の上下図において、平行である第１の燃料棒チャネル３０、第２の燃料棒チャネル４０、および第３の燃料棒チャネル５０を図示する。

３つの燃料棒チャネルのみが、図３に図示されるが、他の実施形態では、異なる数の燃料棒チャネル（例えば、１つ、２つ、４つ、５つ等）が提供され得ることが可能性として考えられる。いくつかの実施形態では、複数の燃料棒チャネルが、チャンバ２１内に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、単一燃料棒チャネルが、中性子減速体２２内に提供されてもよい。

第１の燃料棒チャネル３０は、燃料棒を能動的に試験するために設計される、除去可能中空シェル３１を受容するように構成される。シェル３１は、例えば、熱外中性子を用いて燃料棒を能動的に試験するために設計される、熱外シェルであってもよい。第１の燃料棒チャネル３０における所定の中性子束（すなわち、熱外または熱）束は、約１Ｅ４ｎ／ｃｍ^２／秒〜１Ｅ８ｎ／ｃｍ^２／秒、例えば、１．３８Ｅ６ｎ／ｃｍ^２／秒である。

図５を参照すると、一実施形態では、シェル３１は、可燃性毒物（例えば、ガドリニウム、ホウ素等）または他の熱中性子吸収体から構成され、熱中性子を吸収するように構成される、外層３１ａと、高速中性子を熱外または熱エネルギー領域の中に散乱させるように構成される、内層３１ｂとを含む。内層３１ｂは、例えば、ベリリウム、ポリエチレン、黒鉛、または重水から構成されてもよい。内層３１ｂは、外層３１ａと同心である。他の実施形態では、内層３１ｂは、省略されてもよい。シェル３１はさらに、アルミニウムシース３３を含んでもよい。シェル３１は、アルミニウムシース３３と同心である。シェル３１は、燃料棒３２を受容するように構成される。燃料棒３２は、ガドリニウムまたはホウ素等の可燃性毒物を含有してもよい、またはそうではなくてもよい。議論の目的のために、以下に説明される実施例は、ガドリニウムを含有するウラニウム燃料棒に焦点を当てるが、当業者は、可燃性毒物を含有しない、ウラニウム、プルトニウム、またはそれらの組み合わせを含有する、核燃料棒、ガドリニウムもまた含有する、プルトニウムまたはウラニウムおよびプルトニウムの組み合わせを含有する、核燃料棒、またはホウ素等の異なる可燃性毒物もまた含有する、ウラニウム、プルトニウム、またはそれらの組み合わせを含有する、核燃料棒を能動的に試験するためのシステムおよび方法もまた、使用されることができることを理解するであろう。図５の実施例では、燃料棒３２は、ガドリニウムを含有する、ウラニウム燃料棒（すなわち、ＧｄＵＯ_２燃料棒）である。燃料棒３２は、外側クラッディング３２ａ、例えば、ジルコニウムクラッディングを含んでもよい。外側クラッディング３２ａは、燃料ペレットをその中に保持するように構成される。小間隙が、外側クラッディング３２ａと内層３１ｂとの間に存在する。外側クラッディング３２ａは、典型的には、ヘリウムで裏込めされる。

本実施例では、第２の燃料棒チャネル４０および第３の燃料棒チャネル５０はそれぞれ、熱外または熱中性子を用いて、標準的燃料棒（すなわち、可燃性毒物を含有しない燃料棒）を能動的に試験するために設計される、中空の熱シェル６０を受容するように構成される。図６を参照すると、一実施形態では、熱シェル６０は、例えば、アルミニウムから構成される、外層６１と、例えば、ＨＤＰＥから構成される、内層６２とを含む。内層６２（例えば、ＨＤＰＥブランケット）は、外層６１（例えば、アルミニウムシース）と同心である。熱シェル６０は、標準的燃料棒６３、例えば、Ｕ−２３５またはＵ−２３８燃料棒（すなわち、ＵＯ_２燃料棒）を受容するように構成される。燃料棒６３は、外側クラッディング６３ａ、例えば、ジルコニウムクラッディングを含んでもよい。外側クラッディング６３ａは、燃料ペレットをその中に保持するように構成される。小間隙が、外側クラッディング６３ａと内層６２との間に存在する。外側クラッディング６３ａは、典型的には、ヘリウムで充填される。燃料棒６３は、可燃性毒物を含有しない。

第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０における所定の中性子束（すなわち、熱外または熱）は、約１Ｅ４ｎ／ｃｍ^２／秒〜１Ｅ８ｎ／ｃｍ^２／秒、例えば、１．３８Ｅ６ｎ／ｃｍ^２／秒であって、その構成では、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０は両方とも、燃料棒６３を含有する。本システムはまた、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０のうちの一方が空であって、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０の他方が燃料棒６３を含有する、構成でも試験された。燃料棒６３に送達される熱束は、不確実性０．１％まで、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０の両方内の燃料棒６３における場合と同様であった。したがって、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０は、無関係とみなされ、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０内の燃料の有無は、中性子工学の観点から他方に影響を及ぼさない。

図７および８は、それぞれ、図３および４に示されるものと同一の平面における熱中性子束（Ｅ＜０．０２５ｅＶ）を図示する。図７および８に見られるように、中性子減速体２２（すなわち、黒鉛チャンバ）は、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０のための熱中性子の高度に均一な環境を生産することが可能である。これは、燃料棒６３が、ピーク熱中性子集団の領域（約３０ｃｍ）においてより長い時間量を費やし、したがって、燃料中により高い活性化を生産し、検出時間を短縮させることを可能にする。ＭＣＮＰシミュレーションは、本願の実施形態による構成が、大熱中性子束約１Ｅ４ｎ／ｃｍ^２／秒〜１Ｅ８ｎ／ｃｍ^２／秒、例えば、１．３８Ｅ６ｎ／ｃｍ^２／秒を伴う熱中性子の高度に均一な領域を生産し、中性子燃料棒の改良された活性化を可能にすることを示す。

図９は、中性子エネルギー範囲にわたるＧｄ−１５７、Ｕ−２３５、およびＵ−２３８の吸収断面の比較を図示する。図９に見られるように、熱外エネルギー（すなわち、熱エネルギーを上回り、高速エネルギーを下回る、エネルギー）に関して、Ｕ−２３５についての核分裂断面およびＧｄ−１５７における吸収断面は、ほぼ同一である。したがって、ガドリニウムを含有する燃料棒３２を走査するための第１の燃料棒チャネル３０は、熱エネルギー範囲を上回る中性子のために最適化される。これは、例えば、ベリリウムから構成される内層３１ｂと、ガドリニウムから構成される外層３１ａとを燃料棒３２の周囲に提供し、それによって、熱中性子に対する効果的障壁を生成することによって遂行される。図７の熱中性子束マップは、熱中性子集団が、第１の燃料棒チャネル３０内で著しく減少されることを示す。第１の燃料棒チャネル３０は、高速中性子源により近いため、総中性子集団は、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０より多い。したがって、熱外中性子のための核分裂断面が熱中性子より有意に小さいという事実にもかかわらず、はるかに大きい中性子集団が存在し、それらの核分裂反応を誘発する。ＭＣＮＰ結果は、第１の燃料棒チャネル３０から退出する燃料棒３２（ガドリニウムを含有する）の活性が、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０から退出する標準的燃料棒６３の活性の約半分であることを示す。したがって、本願の少なくとも一実施形態では、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０の２倍のガンマ検出器が、第１の燃料棒チャネル３０に提供されてもよい。さらに、第１の燃料棒チャネル３０の走査速度は、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０の走査速度より低速であってもよい。例えば、第１の燃料棒チャネル３０の走査速度は、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０の走査速度の約半分であってもよい。第１の燃料棒チャネル３０、第２の燃料棒チャネル４０、および第３の燃料棒チャネル５０の各々の走査速度は、５〜３０ｃｍ／秒の範囲であってもよい。

熱外中性子を使用して、核分裂を誘発するとき、熱外中性子のためのＵ２３８核分裂断面が熱中性子より有意に高いという事実を考慮する必要がある。したがって、Ｕ２３８核分裂は、目標が、大部分に当てはまる、Ｕ２３５含有量を測定することである場合、有意なバックグラウンドガンマ線源を提供し得る。本事実は、第１の燃料棒チャネル３０内の中性子のための理想的エネルギー範囲の上界を提供し、これは、約１ＭｅＶである。したがって、熱および高速中性子の両方が、可能な限りスクリーニングで排除され、燃料棒３２内で効果的熱外集団を生成しなければならない。これを達成するために、燃料棒チャネル３０、４０、および５０の幾何学形状および選択される材料が、重要である。図３の実施例では、図５および６に関して説明される減速体２０の幾何学形状ならびに材料は、燃料棒チャネル３０、４０、および５０における熱外中性子集団（約１ｅＶを中心とする）を最大限にするように構成される。

ガドリニウムを含有する燃料棒３２を走査するための第１の燃料棒チャネル３０は、直接移送または単一散乱事象の結果である、高速中性子束集団を低減させるために、中性子源から十分に離れて位置しなければならない。第１の燃料棒チャネル３０は、最大熱外束の非常に近傍の領域内に提供される一方、また、最大高速束の領域の外側にあることが好ましい。これは、Ｕ−２３５内で誘発される相対的核分裂の数がＵ−２３８内のものより有意に大きいことを可能にし、中性子の効率を効果的に増加させ、バックグラウンド信号をＵ−２３８活性化から減少させる。図１０は、図３に図示される第１の燃料棒チャネル３０の場所における、ＭＣＮＰからの代表的中性子エネルギースペクトル出力を示す。図１０に見られるように、高エネルギーテールは、熱外領域全体を通して、中性子集団と比較して非常に低い。

表１は、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０（すなわち、熱チャネル）内のＵ−２３５およびＵ−２３８活性化の数を描写する一方、表２は、５％原子天然ガドリニウムを含有する燃料棒に関する、第１の燃料棒チャネル３０（すなわち、熱外チャネル）内のＵ−２３５およびＵ−２３８活性化の数を描写する。

表１（すなわち、熱チャネル４０、５０）に見られるように、全ての濃縮度において、ほぼ全ての核分裂事象は、Ｕ−２３５内で生じている。表２（すなわち、熱外チャネル３０）に見られるように、Ｕ−２３５内で生じる核分裂の割合は、Ｕ−２３８を上回る大きさであって、本レベルのバックグラウンドは、燃料棒のＵ−２３５濃縮度に基づくパーセントの割合に応じて変動する、既知のＵ−２３８応答を減算することによって考慮されることができる。

図１１および１２は、それぞれ、減速体２０の代替実施形態に関する熱外中性子束および高速中性子束を図示し、燃料棒チャネル３０、４０、および５０は、同一高さに位置し、相互に平行である。本実施形態では、第１の燃料棒チャネルは、第２および第３の燃料棒チャネル４０、５０まで等距離の位置における、第２と第３の燃料棒チャネル４０、５０との間に提供される。図１２に見られるように、第１の燃料棒チャネル３０における高速中性子束は、著しく低減される。しかしながら、これは、より低い熱外中性子束を有することを犠牲にする（図１１参照）。他の実施形態では、燃料棒チャネル３０、４０、および５０のうちの少なくとも１つは、熱外チャネルであって、燃料棒チャネル３０、４０、および５０のうちの少なくとも１つは、熱チャネルである。熱外チャネルは、熱チャネルと等しい、その上方、またはその真下の高さに位置してもよい。

燃料棒３２内の可燃性毒物（例えば、ガドリニウム）による、中性子捕捉のための断面は、中性子エネルギーが増加するにつれて、劇的に減少する。したがって、照射器内の燃料棒チャネルにおける中性子集団の平均エネルギーを増加させることによって、棒内の毒物によって吸収される中性子のパーセンテージは、実質的に低減されることができる。さらに、ウラニウム核分裂断面の低減は、平均中性子エネルギーが増加するにつれて、毒物による中性子捕捉のための吸収断面とほぼ同様に迅速に減少しない。したがって、燃料棒チャネル場所における熱外中性子束を最適化することによって、核分裂を誘発し、測定可能信号をガンマ検出器で生産するために使用される、中性子のパーセンテージは、有意に増加されることができる。本技法は、能動的中性子照会を利用し、通常の燃料棒においてだけではなく、また、可燃性毒物を含有する燃料棒内の核分裂性材料含有量および空間分布を、別個にまたは同時に、測定することを可能にする。

上記に説明されるシステム１００は、図１３に図示されるように、能動的走査システム１０００の中に組み込まれてもよい。能動的走査システム１０００は、標準的燃料棒（例えば、ＵＯ_２燃料棒６３）および可燃性毒物を含有する燃料棒（例えば、ＧｄＵＯ_２燃料棒３２）を単一スキャナを用いて走査するように構成される。図１５に図示される一実施例では、能動的走査システム１０００は、燃料棒の手動インプットおよび走査された燃料棒の自動化されたアウトプットのために構成される。図１６および１７を参照すると、能動的走査システム１０００は、バックグラウンド検出器と、濃度計と、照射器と、活性化検出器と、ガドリニア測定システムと、棒移動ハードウェアと、システムを動作させるために要求される、全ての必要なコンピュータ、電子機器、およびソフトウェアとを含んでもよい。検出器設置（図１７参照）は、瞬間的核分裂によって生産された即時ガンマが、活性化測定に影響を及ぼさず、遅延ガンマスペクトルのみがカウントされるようなものである。したがって、遅延ガンマのウラニウム核分裂スペクトルは、測定され、パーセント濃縮度、総グラムウラニウム、および燃料カラム内に存在する任意の単一ペレット偏差の判定を可能にする。いくつかの実施形態では、バックグラウンドガンマ検出器は、照射前に、棒のガンマ放出を測定するために使用される。本バックグラウンドは、遅延ガンマ信号から減算され、正確度を改良し、燃料の経年を考慮することができる。加えて、提案されるスキャナは、遅延中性子を測定し、濃縮度データをさらに精緻化する。

図１４は、以下の随意の特徴、すなわち、冗長性および高速修理のためのバックアップ照射器１００１と、自動棒装填／装填解除および再走査を要求する棒の自動戻りのための完全に自動化された棒取扱機器１００２との追加を伴う、図１３の能動的走査システム１０００を図示する。バックアップ照射器は、単一故障点であり得る、単一中性子発生器を有することと関連付けられたリスクに対処するために含まれ得る。本リスクを排除することに加え、バックアップ照射器はまた、中性子発生器保守または修復と関連付けられた休止時間を低減させることによって、全体的スキャナ可用性を増加させる。付加的棒取扱機器は、トレイ装填および装填解除を自動化し、オペレータが、走査されるべき棒のトレイを装填／装填解除ゾーンに送達し、走査される棒のトレイを同一ゾーンから回収することを可能にすることによって、オペレータ関与を低減させる。付加的棒取扱機器はまた、システムが、潜在的に欠陥のある棒の隔離および後続再走査を自動化することを可能にする。

上記に説明される能動的走査システムの実施形態では、検出器設置は、瞬間的核分裂によって生産された即時ガンマが活性化測定に影響を及ぼさず、遅延ガンマスペクトルのみがカウントされるようなものである。

上記に説明される実施形態では、核燃料棒は、ウラニウム燃料棒として説明されたが、本願は、この点において限定されない。他の実施形態では、核燃料棒は、プルトニウム燃料棒またはウラニウムおよびプルトニウムを含有する燃料棒であってもよい。加えて、上記に説明される実施形態では、可燃性毒物は、ガドリニウムであるが、本願は、この点において限定されない。他の実施形態では、ホウ素等の任意の公知の可燃性毒物が、利用されてもよい。

本明細書で利用されるように、用語「およそ」、「約」、「実質的に」、および類似用語は、本開示の主題に関わる当業者による一般的かつ容認された使用に一致する、広義の意味を有するように意図される。これらの用語が、これらの特徴の範囲を提供される精密な数値範囲に制限せずに、説明および請求されるある特徴の説明を可能にするように意図されることが、本開示を精査する当業者によって理解されるべきである。故に、これらの用語は、説明および請求される主題のごくわずかまたは取るに足らない修正もしくは改変も、添付の請求項に列挙される本発明の範囲内にあると見なされることを示すように解釈されるべきである。

種々の実施形態を説明するために本明細書で使用されるような用語「例示的」は、そのような実施形態が、可能性として考えられる実施形態の可能性として考えられる実施例、表現、および／または例証であることを示すことが意図されることに留意されたい（およびそのような用語は、そのような実施形態が、必然的に、桁外れまたは過度の実施例であることを含蓄することを意図するものではない）。

本明細書で使用されるような用語「結合される」、「接続される」、および同等物は、直接または間接的な２つの部材の相互継合を意味する。そのような継合は、定常（例えば、恒久的）または可動（例えば、除去可能または解放可能）であってもよい。そのような継合は、２つの部材または２つの部材および任意の付加的中間部材が単一一体型本体として相互に一体的に形成される、もしくは２つの部材または２つの部材および任意の付加的中間部材が相互に取り付けられることで達成されてもよい。

本明細書では、要素の位置（例えば、「上部」、「底部」、「上方」、「下方」等）の言及は、単に、図中の種々の要素の配向を説明するために使用される。種々の要素の配向は、他の例示的実施形態によると異なり得、そのような変形例は、本開示によって包含されるものと意図されることに留意されたい。

種々の例示的実施形態に図示および／または説明される核燃料棒の能動的走査を実施するためのシステムの構造および配列は、例証にすぎないことに留意することが重要である。いくつかの実施形態のみが、本開示に詳細に説明されているが、本明細書で述べられる主題の新規の教示および利胆から大いに逸脱せずに、多くの修正が、可能性として考えられることが、本開示を精査する当業者に容易に理解される（例えば、種々の要素のサイズ、寸法、構造、形状、および割合、パラメータの値、搭載配列、材料の使用、色、配向等の変動）。例えば、一体的に形成されるように示される要素は、複数の部品または要素から構築されてもよく、要素の位置は、逆転または別様に変動されてもよく、離散要素または位置の性質もしくは数は、改変または変動されてもよい。任意のプロセスまたは方法ステップの順序もしくはシーケンスは、代替実施形態に従って、変動される、または並べ替えられてもよい。他の代用、修正、変更、および省略は、本開示の範囲から逸脱することなく、種々の例示的実施形態の設計、動作条件、および配列に行われてもよい。

Claims (37)

1. 核燃料棒上で能動的走査を実施するためのシステムであって、
   イオン源、加速器、および標的を含む、電気駆動式中性子発生器と、
   前記中性子発生器を取り囲み、前記中性子発生器によって発生された中性子を減速させるように構成される、減速体と、
   前記減速体内に配置される、第１の燃料棒チャネルであって、前記第１の核燃料棒を受容し、前記第１の核燃料棒を所定の中性子束に曝すように構成される、第１の燃料棒チャネルと、
   複数の放射線検出器と、
   を備え、中性子が、即時二次放射および遅延ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせを誘発し、これらは、前記複数の放射線検出器によって検出され、前記第１の核燃料棒内の核分裂性材料の量および前記第１の核燃料棒の長さに沿った前記核分裂性材料の空間分布を判定する、システム。
2. 前記第１の燃料棒チャネルは、可燃性毒物を含有する前記第１の核燃料棒を受容するように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の燃料棒チャネルは、前記可燃性毒物から構成される外層を有し熱中性子を吸収するように構成される、外層を有する内部熱外シェルを含む、請求項２に記載のシステム。
4. 前記内部熱外シェルはさらに、高速中性子を熱外領域の中に散乱させるように構成される、内層を含み、前記内層は、前記外層と同心である、請求項３に記載のシステム。
5. 前記内層は、ベリリウムから構成される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第１の燃料棒チャネルは、ガドリニウムまたはホウ素を含有する前記第１の核燃料棒を受容するように構成される、請求項２−４のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記所定の中性子束は、熱外中性子束であって、熱外中性子は、前記複数の放射線検出器によって検出される、前記二次放射を誘発する、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記イオン源は、マイクロ波イオン源または電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）イオン源である、前記請求項のうちの任意の１項に記載のシステム。
9. 前記標的は、チタン、銅、ジルコニウム、ウラニウム、パラジウム、またはアルミニウムのうちの少なくとも１つから構成される、固体標的である、前記請求項のうちの任意の１項に記載のシステム。
10. 前記減速体は、前記標的を取り囲むチャンバと、前記チャンバを取り囲む中性子減速体と、前記中性子減速体を取り囲む付加的中性子減速体とを含む、前記請求項のうちの任意の１項に記載のシステム。
11. 前記チャンバは、誘電固体、液体、またはガスを含有する、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記チャンバは、フロリナート液体を含有する、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記チャンバを取り囲む中性子減速体は、黒鉛、Ｄ_２Ｏ、またはポリエチレンから構成される、請求項１０−１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記付加的中性子減速体は、ポリエチレンから構成される、請求項１０−１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. 前記付加的中性子減速体は、５％ホウ素化ポリエチレンから構成される、請求項１０−１４のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記第１の燃料棒チャネルは、前記可燃性毒物から構成される外層を有し、熱中性子を吸収するように構成される、内部熱外シェルを含む、前記請求項のうちの任意の１項に記載のシステム。
17. 第２の核燃料棒を受容し、前記第２の核燃料棒を所定の熱中性子束に曝すように構成される、第２の燃料棒チャネルをさらに備え、
    前記第２の燃料棒チャネルは、前記減速体内に配置され、
    熱中性子は、ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせの二次放射を前記第２の核燃料棒内に誘発し、これは、前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも１つによって検出され、核分裂性材料の量および前記第２の核燃料棒の長さに沿った前記核分裂性材料の空間分布を判定する、
    前記請求項のうちの任意の１項に記載のシステム。
18. 前記第２の燃料棒チャネルは、アルミニウムから構成される外層と、ポリエチレンから構成される内層とを有する、内部熱シェルを含む、請求項１７に記載のシステム。
19. 核燃料棒を受容し、前記核燃料棒を熱外中性子束または熱中性子束に曝すように構成される、少なくとも１つの付加的燃料棒チャネルをさらに備え、
    前記熱外中性子束または前記熱中性子束の中性子は、ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせの二次放射を前記核燃料棒内に誘発し、これは、前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも１つによって検出され、核分裂性材料の量および前記核燃料棒の長さに沿った前記核分裂性材料の空間分布を判定する、前記請求項のうちの任意の１項に記載のシステム。
20. 前記標的は、チタンから構成される、固体標的であって、
    前記中性子減速体は、黒鉛から構成され、
    前記付加的中性子減速体は、ホウ素化ポリエチレンから構成され、
    前記第１の燃料棒チャネルは、ガドリニウムから構成され、熱中性子を吸収するように構成される、外層と、ベリリウムから構成され、高速中性子を熱外エネルギー領域の中に散乱させるように構成される、内層とを有する、内部熱外シェルを含み、
    前記第１の燃料棒チャネルは、ガドリニウムを含有する核燃料棒を受容するように構成され、
    前記第２の燃料棒チャネルは、アルミニウムから構成される外層と、ポリエチレンから構成される内層とを有する、内部熱シェルを含み、
    前記第２の燃料棒チャネルは、可燃性毒物を含有しない、核燃料棒を受容するように構成される、
    請求項１７に記載のシステム。
21. 前記標的は、チタンから構成される、固体標的であって、
    前記中性子減速体は、黒鉛から構成され、
    前記付加的中性子減速体は、ホウ素化ポリエチレンから構成され、
    前記第１の燃料棒チャネルは、ホウ素から構成され、熱中性子を吸収するように構成される、外層と、ベリリウムから構成され、高速中性子を熱外エネルギー領域の中に散乱させるように構成される、内層とを有する、内部熱外シェルを含み、
    前記第１の燃料棒チャネルは、ホウ素を含有する核燃料棒を受容するように構成され、
    前記第２の燃料棒チャネルは、アルミニウムから構成される外層と、ポリエチレンから構成される内層とを有する、内部熱シェルを含み、
    前記第２の燃料棒チャネルは、可燃性毒物を含有しない、核燃料棒を受容するように構成される、
    請求項１７に記載のシステム。
22. 核燃料棒上で能動的走査を実施する方法であって、
    イオン源、加速器、および標的を含む、電気駆動式中性子発生器を用いて、中性子を発生させるステップと、
    前記中性子発生器を取り囲む減速体を用いて、前記中性子を減速させるステップと、
    第１の核燃料棒を前記減速体内に配置される第１の燃料棒チャネル内に配置するステップと、
    前記第１の核燃料棒を所定の中性子束に曝し、即時二次放射および遅延ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせを誘発するステップと、
    前記第１の核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および前記第１の核燃料棒の長さに沿った前記核分裂性材料の空間分布を判定するために、複数の放射線検出器を用いて前記二次放射を検出するステップと、
    を含む、方法。
23. 前記第１の核燃料棒は、可燃性毒物を含有する、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第１の核燃料棒は、ガドリニウムまたはホウ素を含有する、請求項２２または請求項２３に記載の方法。
25. 前記所定の中性子束は、熱外中性子束であって、熱外中性子は、前記複数の放射線検出器によって検出される、前記二次放射を誘発する、請求項２２−２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 前記第１の燃料棒チャネルは、可燃性毒物から構成される層を有する、内部熱外シェルを含み、
    前記第１の核燃料棒を前記所定の中性子束に曝すステップは、前記内部熱外シェルの外層内の熱中性子を吸収することを含む、
    請求項２２−２５のいずれか１項に記載の方法。
27. 高速中性子を前記内部熱外シェルの内層内の熱外エネルギー領域の中に散乱させるステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
28. 可燃性毒物を含有しない第２の核燃料棒を第２の燃料棒チャネル内に配置するステップと、
    ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせの二次放射を誘発するために、前記第２の核燃料棒を所定の熱中性子束に曝すステップと、
    前記第２の核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および前記核分裂性材料の空間分布を判定するために、前記複数の放射線検出器のうちの少なくとも１つを用いて、前記第２の核燃料棒からの二次放射を検出するステップと、
    をさらに含む、請求項２２−２７のいずれか１項に記載の方法。
29. 前記第２の燃料棒チャネルは、アルミニウムから構成される外層と、ポリエチレンから構成される内層とを有する、内部熱シェルを含み、
    前記方法はさらに、前記内部熱シェルの内層および外層との熱外中性子集団を低減させるステップを含む、
    請求項２８に記載の方法。
30. 可燃性毒物を含有しない核燃料棒を少なくとも１つの付加的燃料棒チャネル内に配置するステップと、
    ガンマ放出、中性子放出、またはそれらの組み合わせの二次放射を誘発するために、前記核燃料棒を所定の熱外中性子束または熱中性子束に曝すステップと、
    前記核燃料棒の長さに沿った核分裂性材料の量および前記核燃料棒の長さに沿った前記核分裂性材料の空間分布を判定するために、少なくとも前記複数の放射線検出器のうちの別の１つを用いて、前記核燃料棒からの二次放射を検出するステップと、
    をさらに含む、請求項２２−２９のいずれか１項に記載の方法。
31. 前記標的は、重水素原子が埋設された固体標的であって、
    前記電気駆動式中性子発生器を用いて中性子を発生させるステップは、重水素−重水素融合反応を介して中性子を発生させるために、前記固体標的と加速された重水素イオンビームを衝突させることを含む、
    請求項２２−３０のいずれか１項に記載の方法。
32. 前記固体標的を前記加速された重水素イオンビームで照射することによって、前記固体標的内に埋設された前記重水素原子を補充するステップをさらに含む、請求項３１に記載の方法。
33. 前記固体標的は、チタン、銅、ジルコニウム、ウラニウム、パラジウムまたはアルミニウムのうちの少なくとも１つから構成される、請求項３２に記載の方法。
34. 前記減速体は、前記標的を取り囲むチャンバと、前記チャンバを取り囲む中性子減速体と、前記中性子減速体を取り囲む付加的中性子減速体とを含み、
    前記減速体を用いて前記中性子を減速させるステップは、前記電気駆動式中性子発生器を用いて発生された中性子を熱平衡化しするために、前記中性子減速体を使用すること、および前記付加的中性子減速体を用いて熱平衡化された中性子を吸収することを含む、
    請求項２２−３３のいずれか１項に記載の方法。
35. 前記チャンバを取り囲む中性子減速体は、黒鉛、Ｄ_２Ｏ、またはポリエチレンから構成され、
    前記付加的中性子減速体は、ポリエチレンから構成される、
    請求項３４に記載の方法。
36. 前記チャンバは、誘電固体、液体、またはガスを含有する、請求項３４または請求項３５に記載の方法。
37. 前記チャンバは、フロリナート液体を含有する、フロリナートチャンバである、請求項３６に記載の方法。