JP2021179435A - 中性子同時計数に基づく、ウラン・プルトニウム溶液系プルトニウム濃度推算方法およびモニタリングシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】中性子同時計数に基づく、ウラン・プルトニウム溶液系プルトニウム濃度推算方法およびモニタリングシステムを提供する。【解決手段】ポイントモデル連立方程式に対して、中性子増倍吸収効果の修正と、(α，ｎ)源中性子と自発核分裂源中性子とのスペクトル差異修正と、誘発核分裂中性子と自発核分裂源中性子との検出効率差異修正を行うことにより、改善されたポイントモデル連立方程式の中性子同時計数の計算結果はウラン・プルトニウム溶液系外の中性子検出システムの中性子同時計数の測定結果を正確に反映することができるため、ウラン・プルトニウム溶液系内のプルトニウム濃度を正確に推算することができる。【選択図】図３
Description
［関連出願の相互参照］
本願は２０２０年５月１５日に中国国家知識産権局に提出された、出願番号を２０２０１０４１１５９９．３とする特許出願の優先権を主張し、当該特許出願のすべての内容を引用によりここに援用する。
本願は２０２０年５月１５日に中国国家知識産権局に提出された、出願番号を２０２０１０４１１５９９．３とする特許出願の優先権を主張し、当該特許出願のすべての内容を引用によりここに援用する。
本発明は、原子炉外の核分裂性物質含有量のモニタリング分析技術に属し、ウラン・プルトニウム溶液系内のプルトニウム濃度の推算およびモニタリングの分野に適用され、具体的には、中性子同時計数に基づく、ウラン・プルトニウム溶液系プルトニウム濃度推算方法およびモニタリングシステムに関するものである。
ウラン・プルトニウム溶液系の中性子検出過程においては、中性子検出器で測定された総中性子計数率と同時中性子計数率によってウラン・プルトニウム溶液系内のプルトニウム濃度を逆推論計算することができ、このような方法は非破壊的分析（ＮｏｎＤｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ａｓｓａｙ，ＮＤＡ）法と呼ばれ、中性子源を別途必要としない。
中性子同時計数が用いるのは時間同時測定方法であって、測定対象は同時事象、すなわち、２つまたは２つ以上が同時に発生するか、発生時間が確かに関連する事象である。プルトニウムサンプルについて、多重度の概念はプルトニウムの自発核分裂過程において複数の区別できない中性子がほぼ同時に放出されることを指し、都度放出される中性子数はランダムであるが統計規則に合致し、都度放出される中性子数の分布は中性子多重度分布と呼ばれる。
「ポイントモデル」連立方程式を用いて中性子多重度を計算する際は、以下数点の仮定を基にする。
（１）すべての誘発核分裂中性子は、自発核分裂源中性子および（α，ｎ）源中性子とほぼ同時に放出され、核分裂連鎖の長さは考慮しない。
（２）中性子検出効率および核分裂確率はサンプル内において体積的に均一であると仮定する。
（３）自発核分裂源中性子と（α，ｎ）源中性子は同一のエネルギースペクトルを有すると仮定されるため、検出効率、核分裂確率、誘発核分裂増倍はみな同一である。
（４）中性子捕獲非核分裂の確率は無視できる。
（５）中性子多重度と中性子エネルギーは無関係である。
（６）サンプル／検出器内における中性子の消滅時間は考慮しない。
（１）すべての誘発核分裂中性子は、自発核分裂源中性子および（α，ｎ）源中性子とほぼ同時に放出され、核分裂連鎖の長さは考慮しない。
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（３）自発核分裂源中性子と（α，ｎ）源中性子は同一のエネルギースペクトルを有すると仮定されるため、検出効率、核分裂確率、誘発核分裂増倍はみな同一である。
（４）中性子捕獲非核分裂の確率は無視できる。
（５）中性子多重度と中性子エネルギーは無関係である。
（６）サンプル／検出器内における中性子の消滅時間は考慮しない。
体積が小さめのプルトニウム金属またはプルトニウム酸化物サンプルについては、これらの仮定が基本的に成立し、「ポイントモデル」連立方程式を用いて算出した総中性子計数率Ｓおよび同時中性子計数率Ｄの計算結果は、三次元モンテカルロプログラムシミュレーションで得た計算結果と好適に合致する。
ウラン・プルトニウム溶液系については、これらの仮定が常に成立するとは限らない。ウラン・プルトニウム溶液系内には中性子減速材と中性子吸収材が多くあり、中性子捕獲非核分裂の確率は無視することができない。自発核分裂源中性子と（α，ｎ）源中性子にも大きなスペクトル差異があり（図１に示す通りである）、誘発核分裂増倍にも差異がある。
このほか、体積が大きめのウラン・プルトニウム溶液系については、生じる誘発核分裂が体積的に均一な分布ではないため、自発核分裂源中性子と誘発核分裂中性子の検出効率にも差異がある。
つまり、ウラン・プルトニウム溶液系は「ポイントモデル」連立方程式の基本的な仮定と顕著な差異があり、当該連立方程式を直接用いてウラン・プルトニウム溶液系内におけるプルトニウム濃度の推算を行えば、計算結果には大きなずれが生じることになる。
国内外における、プルトニウム質量モニタリング分野での中性子同時計数法応用方面の研究状況から述べれば、Ｂｏｅｈｎｅｌの「ポイントモデル」連立方程式に基づいて、ウラン・プルトニウム溶液系のプルトニウム質量／プルトニウム濃度の推算方法を示した研究者はまだいない。
エンジニアリング応用の観点から述べれば、使用済み燃料後処理プラントの工程フローは複雑で、放射能が高く、臨界安全要求が高いため、運転中は適時有効な工程制御と安全モニタリングが求められる。後処理プラントにおいて鍵となる部位のウラン・プルトニウム溶液系に対して、プルトニウム質量／プルトニウム濃度のモニタリングを行うことはとても必要なことである。
本発明の目的は、中性子同時計数に基づく、ウラン・プルトニウム溶液系プルトニウム濃度推算方法およびモニタリングシステムを提供することであり、当該推算方法と当該モニタリングシステムは、使用済み燃料後処理プラントにおいて鍵となる工程フローの、ウラン・プルトニウム溶液系のプルトニウム濃度に対するオンラインモニタリングの要求を満たすことができる。
本発明は中性子同時計数に基づく、ウラン・プルトニウム溶液系プルトニウム濃度モニタリングシステムをさらに提供し、当該モニタリングシステムは、データ分析ワークステーションと複数の中性子モニタリングチャネルからなり、前記データ分析ワークステーションは、データ収集モジュールと、上記の推算方法で中性子同時計数の測定データを分析および処理するデータ分析処理ソフトウェアを有するデータ分析および結果出力モジュールと、警報モジュールと、を備える。
前記モニタリングシステムにおいて、前記中性子モニタリングチャネルは、中性子検出アセンブリと、中性子同時計数回路と、インサイチュ表示装置と、を備え、前記中性子検出アセンブリにより検出された初期パルス信号が前記中性子同時計数回路のリアルタイム処理を経て中性子同時計数の前記測定データを形成し、前記測定データが前記インサイチュ表示装置においてリアルタイム表示され、さらに前記データ分析ワークステーションに伝送され、前記データ収集モジュールの収集処理を経た後に前記データ分析処理ソフトウェアの計算分析に提供され、前記中性子検出アセンブリは中性子検出器および適切な減速体、遮蔽体からなる。
前記モニタリングシステムにおいて、前記データ収集モジュールは複数のデータ収集チャネルを有する。
前記モニタリングシステムにおいて、前記警報モジュールは、前記ウラン・プルトニウム溶液系内のプルトニウム濃度が所定の閾値を超えたと前記データ分析処理ソフトウェアが分析したときに警報信号を発する。
本発明の有益な効果は以下の通りである。
本発明が提供する、中性子同時計数に基づく、ウラン・プルトニウム溶液系プルトニウム濃度推算方法およびモニタリングシステムは、ポイントモデル連立方程式に対して、(α，ｎ)源中性子と自発核分裂源中性子とのスペクトル差異修正と、誘発核分裂中性子と自発核分裂源中性子との検出効率差異修正を行うことにより、改善されたポイントモデル連立方程式の中性子同時計数の計算結果はウラン・プルトニウム溶液系外の中性子検出システムの測定結果を正確に反映することができるため、ウラン・プルトニウム溶液系内のプルトニウム濃度を正確に推算することができる。当該推算方法は、ウラン・プルトニウム溶液系のプルトニウム濃度に対する非破壊的分析モニタリングを実現しており、先進的で、工程が実行可能なウラン・プルトニウム溶液系プルトニウム濃度推算方法である。
本発明は、もとのポイントモデル連立方程式がウラン・プルトニウム溶液系に適さないという困難を効果的に解決しており、その基本的な仮定とウラン・プルトニウム溶液系との差異に対して、純増倍率を導入して中性子増倍吸収効果の修正を行い、(α，ｎ)源中性子と自発核分裂源中性子とのスペクトル差異修正因子を導入して(α，ｎ)源中性子と自発核分裂源中性子とのスペクトル差異修正を行い、誘発核分裂中性子と自発核分裂源中性子との検出効率差異修正因子を導入して誘発核分裂中性子と自発核分裂源中性子との検出効率差異修正を行うことにより、改善されたポイントモデル連立方程式の同時中性子計数率の予測結果を三次元モンテカルロプログラムシミュレーションで得た計算結果と基本的に一致させて、ウラン・プルトニウム溶液系のプルトニウム質量／プルトニウム濃度推算に適用できるようにし、ウラン・プルトニウム溶液系プルトニウム濃度推算方面における中性子同時計数の鍵となる難題を解決している。
以下に、図面と実施例を組み合わせて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
ここでは、ウラン・プルトニウム溶液を収容する溶液タンク１（溶液装置）を例として、本発明を如何にしてウラン・プルトニウム溶液系内におけるプルトニウム濃度の推算とモニタリングに用いるかを説明する。ウラン・プルトニウム溶液系は溶液タンク１と、溶液タンク１に収容されたウラン・プルトニウム溶液を含む。図２に示す通り、溶液タンク１の高さは１０ｃｍ、内径は１２ｃｍ、そのステンレス容器の肉厚は３ｍｍで、溶液タンク1を硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合溶液（つまりウラン・プルトニウム溶液）で満たす。溶液タンク１の周囲にポリエチレン３１２（減速体）で覆われたＢＦ３検出器３１１を２４個配置し、ポリエチレン３１２の外部をカドミウム（Ｃｄ）遮蔽体層３１３で覆う。通常は、ウラン・プルトニウム溶液系の外部に中性子検出システムが配置され、中性子検出システムは、ウラン・プルトニウム溶液系内のプルトニウム濃度に対してモニタリングを行うハードウェア構造とソフトウェア構造を集めてなるトータルシステムである。ここでは、溶液タンク１の体積サイズと検出器３１１の数量は例示に過ぎず、本願を限定するものではない。このほか、検出器３１１の配列方式も図２に示す形式に限定されない。
なお、前記ウラン・プルトニウム溶液系に対して三次元モデリングと数値シミュレーションを行う時に、モンテカルロプログラム（ランダムサンプリングに基づく統計シミュレーション方法の1つである）を例として説明した。しかし、本発明の技術案の実施は選択した数値計算プログラムまたはアルゴリズムに依拠するものではない。例えば、本発明の推算方法は、同じくランダムサンプリングに基づく、ラスベガスプログラムによって実行することもできる。
本発明は中性子同時計数に基づく、ウラン・プルトニウム溶液系内プルトニウム濃度モニタリングシステム１０をさらに提供し、モニタリングシステム１０の論理構造は図４に示す通りである。図４に示すモニタリングシステム１０は、データ分析ワークステーション２０と複数の中性子モニタリングチャネル３０からなり、データ分析ワークステーション２０は、データ収集モジュール２１と、上記の推算方法で中性子同時計数の測定データを分析処理するデータ分析処理ソフトウェアを有するデータ分析および結果出力モジュール２２と、警報モジュール２３と、を備える。各中性子モニタリングチャネル３０は、中性子検出アセンブリ３１と、中性子同時計数回路３２と、インサイチュ表示装置３３と、関連の実装フレームと、パイプと、ケーブルと、遮蔽材などからなり、中性子検出アセンブリ３１により検出された初期パルス信号が中性子同時計数回路３２のリアルタイム処理を経て中性子同時計数の測定データを形成し、当該測定データがインサイチュ表示装置３３においてリアルタイム表示され、さらに前記データ分析ワークステーション２０に伝送され、データ収集モジュール２１の収集処理を経た後にデータ分析処理ソフトウェアの計算分析に提供され、中性子検出アセンブリ３１は中性子検出器３１１および適切な減速体３１２、遮蔽体３１３からなる。具体的な構造は図２を参照されたい。データ収集モジュール２１は複数のデータ収集チャネルを有し、異なる中性子モニタリングチャネルについてそれぞれデータ収集をすることができる。警報モジュール２３は、前記ウラン・プルトニウム溶液系内のプルトニウム濃度が所定の閾値を超えたとデータ分析処理ソフトウェアが分析したときに警報信号を発する。
当業者であれば、本発明の思想と範囲を逸脱することなく本発明に対して各種の変更と変形ができることは明らかである。よって、本発明に対するこれらの修正と変形も同じく本発明の請求項およびその等価の技術の範囲に属するものであり、本発明はこれらの変更と変形も含むものとする。
Claims (11)
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- データ分析ワークステーションと複数の中性子モニタリングチャネルからなり、前記データ分析ワークステーションは、データ収集モジュールと、請求項１から７のいずれか一項に記載の推算方法で中性子同時計数の測定データを分析および処理するデータ分析処理ソフトウェアを有するデータ分析および結果出力モジュールと、警報モジュールと、を備える、中性子同時計数に基づく、ウラン・プルトニウム溶液系プルトニウム濃度モニタリングシステム。
- 前記中性子モニタリングチャネルは、中性子検出アセンブリと、中性子同時計数回路と、インサイチュ表示装置と、を備え、前記中性子検出アセンブリにより検出された初期パルス信号が前記中性子同時計数回路のリアルタイム処理を経て中性子同時計数の前記測定データを形成し、前記測定データが前記インサイチュ表示装置においてリアルタイム表示され、さらに前記データ分析ワークステーションに伝送され、前記データ収集モジュールの収集処理を経た後に前記データ分析処理ソフトウェアの計算分析に提供され、前記中性子検出アセンブリは中性子検出器および適切な減速体、遮蔽体からなる、
請求項８に記載のモニタリングシステム。 - 前記データ収集モジュールは複数のデータ収集チャネルを有する、
請求項９に記載のモニタリングシステム。 - 前記警報モジュールは、前記ウラン・プルトニウム溶液系内のプルトニウム濃度が所定の閾値を超えたと前記データ分析処理ソフトウェアが分析したときに警報信号を発する、
請求項９に記載のモニタリングシステム。
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