JP2735937B2 - 臨界事故監視用中性子検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、例えば核燃料取り扱い施設における核燃
料の臨界事故の発生を監視するとともに、中性子線の増
加を確実に検知するための中性子検出装置に関するもの
である。

【従来の技術】

従来から核燃料施設の臨界事故監視用に使用されてい
る中性子検出装置の一例を第５図に示す。 中性子検出器は、前面に核分裂性物質２を配した半導
体検出器３を減速材１で包囲して構成されており、この
中性子検出器に中性子が照射されると、核分裂性物質２
が核分裂をおこし、核分裂片が60〜100MeVのエネルギー
を持って半導体検出器３に入射し、このエネルギーに比
例した量の電気パルス信号が半導体検出器３から出力さ
れる。この出力信号は前置増幅器４と主増幅器５で増幅
され、増幅された信号から波高弁別回路６によりノイズ
が分離された後、単位時間あたりのパルス数に対応した
電気信号が積分回路７により発生され、積分回路７の出
力値が所定の設定値以上となった場合に警報回路８から
警報信号が発せられる。

【発明が解決しようとする課題】

前述したような従来の臨界事故監視用中性子検出装置
では、核分裂性物質（例えばウラン−235）を使用する
ため以下の欠点があった。 １）校正、修理等での検出器移動に対して、核物質防護
上の監視、制約を受けるため、検出器移動の時間および
コストがかかる。 ２）半導体検出器前面にある核分裂性物質からのα線に
より、半導体検出器が放射線ダメージをうけるので検出
器の寿命が短い。 ３）修理不可能となった検出器を廃棄する場合、核分裂
性物質があるために廃棄コストおよび時間がかかる。 ４）高濃縮ウラン（約90％濃縮）等の核分裂性物質の入
手が困難である。 ５）核分裂性物質を使用しているために製作および修理
に多くの時間を要する。またコストも高くなる。 ６）中性子検出感度が低い。 そこでこの発明は、核分裂性物質を使用することな
く、従って上述したごとき欠点のない改良された臨界事
故監視用中性子検出装置を提供することを目的としてな
されたものである。

【課題を解決するための手段】

核燃料施設等での臨界事故の規模は、その状況によっ
て10¹²〜10¹⁹fission（核分裂の総数）程度に分布し、
約10桁以上の範囲に広がっていることから、放出される
放射線の量も極めて広範囲となっている。このため、臨
界事故監視用中性子検出装置の要件としては、いかなる
強度の放射線レベルでもその増加量を確実に検知し警報
を発しなければならない。また、臨界事故時には極めて
大量の中性子線とγ線が発生するため、これら大量の中
性子線とγ線との混在場において中性子の増加量を確実
に検知できなければならない。 そこでこの発明による臨界事故監視用中性子検出装置
においては、２個の放射線検出器を設置し、そのうちの
１つでは中性子と反応してα線を放出する反応物質を組
み合わせて中性子線を検出するとともにγ線も検出し、
もう１つの検出器で検出したγ線の寄与分を差し引くこ
とにより、γ線の混在場においても中性子線の増加量を
確実に検出できるようにしている。 この発明を第１図に示した実施例を参照して述べる。
すなわちこの発明による中性子検出装置は、中性子だけ
でなくγ線にも感度を有する中性子・γ線測定系Ａと、
γ線のみに感度を有するγ線測定系Ｂとを備えている。 中性子・γ線測定系Ａは、中性子と反応してα線を放
出する（n,α）反応物質12と、α線を検出し電気信号に
変換するα線用半導体検出器13aと、該検出器13aからの
電気パルスを増幅する増幅器14a,15aと、増幅された電
気パルスのうち所定の波高のパルスを選別する波高弁別
回路16aとから構成される。一方、γ線測定系Ｂは、前
記α線用半導体検出器とγ線感度特性が等価なγ線用半
導体検出器13bと、この検出器13bからの電気パルスを増
幅する増幅器14b,15bと、増幅された電気パルスのうち
所定の波高のパルスを選別する波高弁別回路16bとから
構成される。 この発明の装置はさらに、中性子・γ線測定系Ａから
のパルス信号からγ線測定系Ｂからのパルス信号を差し
引いて中性子パルス信号のみとする減算回路19と、減算
回路からの単位時間あたりの中性子パルス数に対応した
電気信号を発生する積分回路17と、積分回路の出力値が
所定の設定値以上になった場合に警報信号を発生する警
報回路18とを備えている。 さらにまた、中性子・γ線測定系Ａで測定パルス数が
飽和する測定領域でα線用半導体検出器（13a）の電流
を増幅する電流増幅器（20a）と、γ線測定系Ｂで測定
パルス数が飽和する測定領域でγ線用半導体検出器（13
b）の電流を増幅する電流増幅器（20b）と、前記電流増
幅器（20a）からの電流から前記電流増幅器（20b）から
の電流を差し引く第２の減算回路（19′）と、該第２の
減算回路からの出力値が所定値以上になった場合に警報
信号を発生する前記警報回路（18）とから構成される電
流測定系も具備している。 前記した（n,α）反応物質（12）とα線用半導体検出
器（13a）およびγ線用半導体検出器（13b）は減速材
（11）により包囲されている。

【作 用】

中性子が（ｎ、α）反応物質12と反応すると、2.05Me
Vのα線を発生する。これをα線用半導体検出器13aで検
出する。なおこの半導体検出器13aはγ線にも感度があ
る。一般に臨界事故時には大量の中性子線とともにγ線
も発生するが、第５図に示した従来の核分裂性物質を用
いた中性子検出方式では、中性子がウラン−235などの
核分裂性物質と反応して発生する60〜100MeVの核分裂片
を測定対象としていたために、増幅器利得及び波高弁別
回路のディスクリレベルの調整でγ線による影響を容易
に除去できた。しかし、この発明の核分裂性物質を用い
ない方式では、2.05MeVのα線を測定対象とするためγ
線による影響を除去できない。 この発明の装置の中性子・γ線測定系Ａにおいて、γ
線線量率が低い（数R/h以下）場合には、γ線による半
導体検出器の出力パルス波高も低いが、核燃料の臨界発
生時やγ線バックグランドの高い場所では、γ線による
線量率が高いため、γ線パルスのパイルアップ現象によ
り、γ線のパルス波高がα線2.05MeVによるパルス波高
を越える現象が発生する。このような状態では純粋な中
性子測定系ではなく、中性子・γ線測定系となる。その
ためこの発明では、γ線感度が同一か、又は一定の割合
で比例関係にあるγ線用半導体検出器13bを用いたγ線
測定系Ｂを追加し、中性子・γ線測定系Ａからの信号の
うちγ線による信号分をγ線測定系Ｂの信号により減算
回路19で差し引くことにより、中性子による信号だけを
取り出すことができる。 また、α線用半導体検出器13aおよびγ線用半導体検
出器13bの電流測定系は、中性子・γ線測定系Ａおよび
γ線測定系Ｂのパルス数が多くなってこれらの測定系が
飽和してくる高線量率領域で機能する。すなわち、中性
子・γ線測定系Ａで測定された中性子＋γ線による電流
分から、γ線測定系Ｂで測定されたγ線による電流分を
第２の減算回路19′で差し引くことにより、中性子によ
る電流分だけを取り出すことができる。さらにまた、α
線ダメージ等で劣化したとき、または故障したときのリ
ーク電流増大を警報回路18で検知し、警報を発すること
ができる。電流測定系のかようなフェールセーフ機能は
核燃料の臨界監視用装置として最重要な機能である。 また臨界事故時に放出される中性子線はエネルギーの
高い速中性子成分が多いが、（n,α）反応物質（12）と
半導体検出器（13a,13b）を減速材（11）で包囲するこ
とにより、速中性子をエネルギーの低い熱中性子に変換
でき、検出器の応答、検出精度を高めている。 かくしてこの発明の中性子検出装置によれば、低線量
率領域ではパルス信号により中性子線の増減を確実に検
出し、高線量率領域では電流信号により迅速に警報を発
するようにしたので、極めて広範囲の線量レベルでγ線
が混在する場での中性子検出を行うことができる。

【実施例】

第１図はこの発明の基本的実施例を示すものである。
なお、第１図およびその他の図面においては、いずれも
電源部は図示を省略してある。 この実施例においては、（ｎ・α）反応物質12として
⁶LiF膜を使用している。また、中性子・γ線測定系Ａの
パルス増幅器として前置増幅器14aおよび主増幅器15aを
使用し、γ線測定系Ｂのパルス増幅器として前置増幅器
14bおよび主増幅器15bを使用している。 また、高線量率領域でパルス数が多くなった場合の中
性子とγ線との分離特性を良好にするために、α線用半
導体検出器13aの電流を電流増幅器20aで増幅し、γ線用
半導体検出器13bの電流を電流増幅器20bで増幅し、前者
の中性子線＋γ線の電流分から後者のγ線による電流分
を減算回路19′で差し引くようにしている。 また、α線用半導体検出器13aまたはγ線用半導体検
出器13bが放射線ダメージ等で劣化したとき、または故
障したときのリーク電流増大を警報回路18で検出し、警
報を発生することができる。 従ってこの実施例の電流測定系においては、減算回
路19からの出力すなわち中性子線線量率が予め設定され
たレベル以上にプラス側になった場合、高線量率領域
での中性子・γ線測定系Ａのパルス数飽和、あるいはα
線用半導体検出器13a不良によるリーク電流増大で予め
設定されたレベル以上にプラス側になった場合、および
高線量率領域でのγ線測定系Ｂのパルス数飽和、ある
いはγ線用半導体検出器13b不良によるリーク電流増大
で予め設定されたレベル以上にマイナス側になった場
合、の各場合に警報回路18が警報を発生することができ
る。 さらにこの実施例の装置は、パルス測定系（中性子・
γ線測定系とγ線測定系）の健全性を確認するためにバ
ッファアンプ又はアイソレータ等の出力回路21を備え、
出力回路21にマルチ・チャンネル・アナライザ（M.C.
A.）などの外部機器を接続した場合、外部機器の影響を
受けないようにしてある。 第２図はこの発明の第２実施例を示しており、第１図
の第１実施例の構成において減算回路19と積分回路17の
信号処理順序を入れ換えてある。すなわち、中性子・γ
線測定系Ａ′の波高弁別回路16aからの単位時間あたり
のパルス数に対応した電気信号を積分回路17aで発生さ
せて減算回路19へ出力し、一方、γ線測定系Ｂ′の波高
弁別回路16bからの単位時間あたりのパルス数に対応し
た電気信号を積分回路17bで発生させて減算回路19へ出
力する。この減算回路19では、積分回路17aからの電気
信号から積分回路17bからの電気信号を差し引き、その
出力値が所定の設定値以上になった場合に警報回路18は
警報を発生する。かような構成によっても、第１実施例
と同等の機能を発現させることができる。 第３図はこの発明の第３実施例を示しており、第１図
の第１実施例の構成における（ｎ・α）反応物質12を、
⁶Liなどの（ｎ・α）反応物質を含んだガラスシンチレ
ータ22aに、α線用半導体検出器13aを光電子増幅管23a
にそれぞれ置き換えている。さらにγ線用半導体検出器
13bを、ガラスシンチレータ22bを備えた光電子増幅管23
bに置き換えている。かような構成とすることによっ
て、半導体検出器に比べて寿命および耐放射線に優れた
中性子検出装置が製作できる。

【発明の効果】

上述したところからわかるように、この発明によれば
以下のような効果が奏される。 １）検出部におけるウラン−235などの核分裂性物質を⁶
LiF膜などの（n,α）反応物質に置き換えることにより
以下の点を改善できる。 ａ）校正、修理等での検出装置移動に対して、核物質防
護上の監視、制約がなくなったので、検出器移動時間が
大幅に短縮できるとともに、それに伴うコストが低減で
きる。 ｂ）半導体検出器前面の核分裂性物質が不要となったた
め、核分裂性物質からのα線によるダメージがなくな
り、半導体検出器の長寿命化を図ることができる。 ｃ）中性子感度が約100倍高感度となる。 ｄ）検出器の廃棄コスト低減、廃棄時間が大幅に短縮さ
れる。 ｅ）製作・修理コスト低減、製作・修理時間の大幅短縮
が可能となる。 ２）（n,α）反応物質を使用することにより中性子とγ
線の分離特性が悪くなるが、これは中性子・γ線測定系
信号からγ線測定系信号を差し引き、中性子信号のみと
することで解決することができる。これにより、臨界事
故時に放出される中性子線とγ線との混在場において中
性子線の増加量を確実に検出できる。 ３）パルス測定系（中性子・γ線測定系及びγ線測定
系）に電流測定系を追加することで以下の点が改善でき
る。 ａ）中性子及びγ線の線量率が低い場合にはパルス測定
系によるパルスモードで、一方、線量率が高くなりパル
ス測定系が飽和状態となった場合には電流モードで検知
し、いずれの場合にも確実に中性子量の増加を検出して
警報発生機能を発揮することができる。 ｂ）中性子及びγ線線量率が高くなった領域でも中性子
・γ線分離特性が良い。 ｃ）半導体検出器の故障時に警報を発生することがで
き、フェールセーフ機能を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の装置の基本的な実施例を示す回路
図、第２図はこの発明の装置の第２実施例を示す回路
図、第３図はこの発明の装置の第３実施例を示す回路
図、第４図は従来の臨界警報装置用の中性子検出装置を
示す回路図である。 11……減速材、 12……（ｎ・α）反応物質、 13a,13b……半導体検出器、 14a,14b……前置増幅器、 15a,15b……主増幅器、 16a,16b……波高弁別回路、 17……積分回路、18……警報回路、 19……減算回路、 19′……第２の減算回路、20a,20b……電流増幅器、 A,A′……中性子・γ線測定系、 B,B′……γ線測定系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−12179（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−141186（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−93393（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−63280（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中性子と反応してα線を放出する（n,α）
   反応物質（12）と、α線を検出し電気信号に変換するα
   線用半導体検出器（13a）と、該検出器（13a）からの電
   気パルスを増幅する増幅器（14a,15a）と、増幅された
   電気パルスのうち所定の波高のパルスを選別する波高弁
   別回路（16a）とから構成される中性子・γ線測定系A; 前記α線用半導体検出器とγ線感度特性が等価なγ線用
   半導体検出器（13b）と、該検出器（13b）からの電気パ
   ルスを増幅する増幅器（14b,15b）と、増幅された電気
   パルスのうち所定の波高のパルスを選別する波高弁別回
   路（16b）とから構成されるγ線測定系B; 中性子・γ線測定系Ａからのパルス信号からγ線測定系
   Ｂからのパルス信号を差し引いて中性子パルス信号のみ
   とする減算回路（19）； 前記減算回路からの単位時間あたりの中性子パルス数に
   対応した電気信号を発生する積分回路（17）； 前記積分回路の出力値が所定の設定値以上になった場合
   に警報信号を発生する警報回路（18）；および 中性子・γ線測定系Ａで測定パルス数が飽和する測定領
   域でα線用半導体検出器（13a）の電流を増幅する電流
   増幅器（20a）と、γ線測定系Ｂで測定パルス数が飽和
   する測定領域でγ線用半導体検出器（13b）の電流を増
   幅する電流増幅器（20b）と、前記電流増幅器（20a）か
   らの電流から前記電流増幅器（20b）からの電流を差し
   引く第２の減算回路（19′）と、該第２の減算回路から
   の出力値が所定値以上になった場合に警告信号を発生す
   る前記警告回路（18）とから構成される電流測定系； からなり、前記（n,α）反応物質（12）とα線用半導体
   検出器（13a）および前記γ線用半導体検出器（13b）が
   減速材により包囲されていることを特徴とする臨界事故
   監視用中性子検出装置。
2. 【請求項２】中性子と反応してα線を放出する（n,α）
   反応物質（12）と、α線を検出し電気信号に変換するα
   線用半導体検出器（13a）と、該検出器（13a）からの電
   気パルスを増幅する増幅器（14a,15a）と、増幅された
   電気パルスのうち所定の波高のパルスを選別する波高弁
   別回路（16a）と、該波高弁別回路（16a）からの単位時
   間あたりのパルス数に対応した電気信号を発生する積分
   回路（17a）とから構成される中性子・γ線測定系
   Ａ′； 前記α線用半導体検出器とγ線感度特性が等価なγ線用
   半導体検出器（13b）と、該検出器（13b）からの電気パ
   ルスを増幅する増幅器（14b,15b）と、増幅された電気
   パルスのうち所定の波高のパルスを選別する波高弁別回
   路（16b）と、該波高弁別回路（16b）からの単位時間あ
   たりのパルス数に対応した電気信号を発生する積分回路
   （17b）とから構成されるγ線測定系Ｂ′； 中性子・γ線測定系Ａ′からのパルス信号からγ線測定
   系Ｂ′からのパルス信号を差し引いて中性子パルス信号
   のみとする減算回路（19）； 前記減算回路の出力値が所定の設定値以上になった場合
   に警報信号を発生する警報回路（18）；および 中性子・γ線測定系Ａ′で測定パルス数が飽和する測定
   領域でα線用半導体検出器（13a）の電流を増幅する電
   流増幅器（20a）と、γ線測定系Ｂ′で測定パルス数が
   飽和する測定領域でγ線用半導体検出器（13b）の電流
   を増幅する電流増幅器（20b）と、前記電流増幅器（20
   a）からの電流から前記電流増幅器（20b）からの電流を
   差し引く第２の減算回路（19′）と、該第２の減算回路
   からの出力値が所定値以上になった場合に警報信号を発
   生する前記警報回路（18）とから構成される電流測定
   系； からなり、前記（n,α）反応物質（12）とα線用半導体
   検出器（13a）および前記γ線用半導体検出器（13b）が
   減速材により包囲されていることを特徴とする臨界事故
   監視用中性子検出装置。
3. 【請求項３】前記中性子・γ線測定系ＡまたはＡ′の
   （n,α）反応物質（12）を（n,α）反応物質含有ガラス
   シンチレータ（22a）に、α線半導体検出器（13a）を光
   電子増幅管（23a）にそれぞれ置き換え、前記γ線測定
   系ＢまたはＢ′のγ線用半導体検出器（13b）をガラス
   シンチレータ（22b）を備えた光電子増幅管（23b）に置
   き換えたことを特徴とする請求項１または２記載の臨界
   事故監視用中性子検出装置。