JP3113043B2 - 中性子法による水蒸気密度測定方法 - Google Patents
中性子法による水蒸気密度測定方法Info
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- G01—MEASURING; TESTING
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、内部を蒸気が流れる蒸
気配管を有するプラントにおいて同蒸気配管内の水蒸気
の密度を測定する方法に関するものである。本発明は、
かかるプラントとして石油産業における水蒸気圧入井の
坑底水蒸気の密度測定について代表的に説明するが、こ
れに限定されるものではなく、外部からの測定が不可能
な蒸気配管を有するプラント全ての水蒸気密度測定に適
用できる。
気配管を有するプラントにおいて同蒸気配管内の水蒸気
の密度を測定する方法に関するものである。本発明は、
かかるプラントとして石油産業における水蒸気圧入井の
坑底水蒸気の密度測定について代表的に説明するが、こ
れに限定されるものではなく、外部からの測定が不可能
な蒸気配管を有するプラント全ての水蒸気密度測定に適
用できる。
【０００２】
【従来の技術】現在では、石油産業における水蒸気圧入
井の坑底水蒸気の密度測定を行える装置は未だ開発され
ていないが、水蒸気圧入法を用いる２次回収地上施設に
おいてボイラーから各圧入井に到る蒸気配管内の水蒸気
密度を測定する装置は幾つか提案されてきた。
井の坑底水蒸気の密度測定を行える装置は未だ開発され
ていないが、水蒸気圧入法を用いる２次回収地上施設に
おいてボイラーから各圧入井に到る蒸気配管内の水蒸気
密度を測定する装置は幾つか提案されてきた。
【０００３】図８及び９は、そのような従来の水蒸気密
度測定装置の一例を示している。図８及び９において、
１は蒸気配管、２は中性子ビームを得るためのコリメー
ターであり、このコリメーター２は、中性子遮蔽材１０
内に収容された中性子源８及び中性子減速材９から構成
されている。３は熱中性子検出器、４は電子計数装置、
５は水蒸気の流れを示す。水蒸気５は、蒸気配管１内の
流量ノズル６を通過し、水蒸気圧入井７の上端に到る。
この水蒸気密度測定装置は、湿り水蒸気中の熱中性子の
減衰と、湿り水蒸気の平均密度及びボイド率との直接的
な関係を利用したものである。
度測定装置の一例を示している。図８及び９において、
１は蒸気配管、２は中性子ビームを得るためのコリメー
ターであり、このコリメーター２は、中性子遮蔽材１０
内に収容された中性子源８及び中性子減速材９から構成
されている。３は熱中性子検出器、４は電子計数装置、
５は水蒸気の流れを示す。水蒸気５は、蒸気配管１内の
流量ノズル６を通過し、水蒸気圧入井７の上端に到る。
この水蒸気密度測定装置は、湿り水蒸気中の熱中性子の
減衰と、湿り水蒸気の平均密度及びボイド率との直接的
な関係を利用したものである。
【０００４】即ち、湿り水蒸気はかなり高い圧力で蒸気
配管１の中を流れている。コリメーター２は蒸気配管１
の一方の側に配置されており、コリメーター２内に放射
性同位元素の中性子源８を有している。熱中性子検出器
３は蒸気配管１に対してコリメーター２の反対側に設置
されており、熱及びエピサーマル中性子に対する感度が
高く、蒸気配管１を透過してきた中性子源８からの熱／
エピサーマル中性子を検知する。熱中性子検出器３の出
力は電子計数装置４に送られ、そこで処理されて、蒸気
配管１内の水蒸気の密度を指示する熱／エピサーマル中
性子の計数に比例した信号が発生される。この様にして
配管内の水蒸気密度を測定することができる。
配管１の中を流れている。コリメーター２は蒸気配管１
の一方の側に配置されており、コリメーター２内に放射
性同位元素の中性子源８を有している。熱中性子検出器
３は蒸気配管１に対してコリメーター２の反対側に設置
されており、熱及びエピサーマル中性子に対する感度が
高く、蒸気配管１を透過してきた中性子源８からの熱／
エピサーマル中性子を検知する。熱中性子検出器３の出
力は電子計数装置４に送られ、そこで処理されて、蒸気
配管１内の水蒸気の密度を指示する熱／エピサーマル中
性子の計数に比例した信号が発生される。この様にして
配管内の水蒸気密度を測定することができる。
【０００５】図８及び９に示した水蒸気密度測定装置
は、図示のように、蒸気配管１を中心として一方の側に
中性子減速材を含むコリメーター２を、反対側に熱中性
子検出器３を配置できるスペースが存在する場合に有効
であるが、この様なスペースが蒸気配管１周りに確保で
きない場合の水蒸気密度測定装置として、図１０に示す
ように、蒸気配管１の一方の側のみに構成部品を配置す
る形式のものも提案されている。
は、図示のように、蒸気配管１を中心として一方の側に
中性子減速材を含むコリメーター２を、反対側に熱中性
子検出器３を配置できるスペースが存在する場合に有効
であるが、この様なスペースが蒸気配管１周りに確保で
きない場合の水蒸気密度測定装置として、図１０に示す
ように、蒸気配管１の一方の側のみに構成部品を配置す
る形式のものも提案されている。
【０００６】図１０に示す水蒸気密度測定装置は、中性
子源（Ｃｆ−２５２）から発生する２.３ＭeＶの平均エ
ネルギーを有する中性子が湿り水蒸気中で散乱し戻って
くるものを検出器で検知する方法を用いており、湿り水
蒸気中の中性子の散乱と湿り水蒸気の平均密度及びボイ
ド率の間に線形の関係があることを利用している。即
ち、図１０において、蒸気配管１の中を高圧の湿り水蒸
気が流れている。中性子遮蔽材１０は蒸気配管１の片側
に配置されており、この中性子遮蔽材１０がＣｆ−２５
２中性子源８と、カドミウム板１１と、ＢＦ−３中性子
検出器（ＢＦ−３検出器と略記）３とを包含している。
ＢＦ−３検出器３は熱／エピサーマル中性子に対する感
度が良く、蒸気配管１から散乱してきた熱／エピサーマ
ル中性子を検知する。中性子遮蔽材１０はＣｆ−２５２
中性子源からの中性子を遮蔽し、周辺における作業員の
放射線被曝を低減するためのものである。カドミウム板
１１は中性子遮蔽材１０で減速散乱して熱中性子になっ
たもの（雑音となる）を吸収するためのものである。Ｂ
Ｆ−３検出器３で得られた信号は、図８及び９の水蒸気
密度測定装置と同様に処理できる。
子源（Ｃｆ−２５２）から発生する２.３ＭeＶの平均エ
ネルギーを有する中性子が湿り水蒸気中で散乱し戻って
くるものを検出器で検知する方法を用いており、湿り水
蒸気中の中性子の散乱と湿り水蒸気の平均密度及びボイ
ド率の間に線形の関係があることを利用している。即
ち、図１０において、蒸気配管１の中を高圧の湿り水蒸
気が流れている。中性子遮蔽材１０は蒸気配管１の片側
に配置されており、この中性子遮蔽材１０がＣｆ−２５
２中性子源８と、カドミウム板１１と、ＢＦ−３中性子
検出器（ＢＦ−３検出器と略記）３とを包含している。
ＢＦ−３検出器３は熱／エピサーマル中性子に対する感
度が良く、蒸気配管１から散乱してきた熱／エピサーマ
ル中性子を検知する。中性子遮蔽材１０はＣｆ−２５２
中性子源からの中性子を遮蔽し、周辺における作業員の
放射線被曝を低減するためのものである。カドミウム板
１１は中性子遮蔽材１０で減速散乱して熱中性子になっ
たもの（雑音となる）を吸収するためのものである。Ｂ
Ｆ−３検出器３で得られた信号は、図８及び９の水蒸気
密度測定装置と同様に処理できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の水蒸気密度測定
装置は、以上のように地上施設における蒸気配管内の水
蒸気密度を測定するためのものであるが、いずれにして
も、蒸気配管の少なくとも片側に同水蒸気密度測定装置
を設置できるスペースが必要である。従って、例えば水
蒸気圧入井の坑底水蒸気の密度を測定する場合のよう
に、水蒸気圧入井という物理的に狭い環境下では、従来
の水蒸気密度測定装置を設置することは不可能である。
装置は、以上のように地上施設における蒸気配管内の水
蒸気密度を測定するためのものであるが、いずれにして
も、蒸気配管の少なくとも片側に同水蒸気密度測定装置
を設置できるスペースが必要である。従って、例えば水
蒸気圧入井の坑底水蒸気の密度を測定する場合のよう
に、水蒸気圧入井という物理的に狭い環境下では、従来
の水蒸気密度測定装置を設置することは不可能である。
【０００８】従って、本発明の目的は、例えば水蒸気圧
入井というような狭い環境下においても蒸気配管の内部
から水蒸気密度を適確に測定することができる方法を提
供することである。
入井というような狭い環境下においても蒸気配管の内部
から水蒸気密度を適確に測定することができる方法を提
供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明は、蒸気配管内の水蒸気の密度を中性子法に
より測定する方法において、中性子源を挟んで第１、第
２中性子検出器を縦方向に整列して内蔵させ、このうち
第２中性子検出器については、熱中性子は吸収するがエ
ピサーマル中性子は透過する中性子遮蔽で覆われてい
る、これ等の中性子検出器が収納された容器を用意し、
この容器全体を熱中性子遮蔽板にて覆うが、この熱中性
子遮蔽板と容器との間は蒸気流路としての隙間が設けて
ある、この蒸気流路付きの該容器を前記蒸気配管内に挿
入し、前記中性子源より放出され前記中性子遮蔽を透過
した中性子のうち、同中性子遮蔽を逆方向に再透過して
水蒸気領域に再到達した中性子について、前記水蒸気領
域で熱化されないエピサーマル中性子は、前記第２中性
子検出器で検知し、熱化された熱中性子は前記第１中性
子検出器のみで検知し、これ等２つの中性子検出器の計
数から得られるカドミウム比（エピサーマル中性子が前
記水蒸気領域で熱中性子化される確率を表す）から前記
水蒸気の密度を測定することを特徴としている。
め、本発明は、蒸気配管内の水蒸気の密度を中性子法に
より測定する方法において、中性子源を挟んで第１、第
２中性子検出器を縦方向に整列して内蔵させ、このうち
第２中性子検出器については、熱中性子は吸収するがエ
ピサーマル中性子は透過する中性子遮蔽で覆われてい
る、これ等の中性子検出器が収納された容器を用意し、
この容器全体を熱中性子遮蔽板にて覆うが、この熱中性
子遮蔽板と容器との間は蒸気流路としての隙間が設けて
ある、この蒸気流路付きの該容器を前記蒸気配管内に挿
入し、前記中性子源より放出され前記中性子遮蔽を透過
した中性子のうち、同中性子遮蔽を逆方向に再透過して
水蒸気領域に再到達した中性子について、前記水蒸気領
域で熱化されないエピサーマル中性子は、前記第２中性
子検出器で検知し、熱化された熱中性子は前記第１中性
子検出器のみで検知し、これ等２つの中性子検出器の計
数から得られるカドミウム比（エピサーマル中性子が前
記水蒸気領域で熱中性子化される確率を表す）から前記
水蒸気の密度を測定することを特徴としている。
【００１０】
【作用】中性子源から発生した高速中性子は、同中性子
源、第１及び第２中性子検出器等を内蔵した容器、水蒸
気等を透過する。この場合、中性子源から発生した高速
中性子はその両側の第１、第２中性子検出器を透過する
が、該中性子検出器の検出感度は高速中性子に対して検
出感度が低いため、計数率に対する寄与は無視できる。
また、中性子は、容器を透過した後、水蒸気領域に至る
が、高速であるため、中性子検出器の検出感度が高い熱
／エピサーマル領域まで減速せず、水蒸気領域の外側に
進行する。
源、第１及び第２中性子検出器等を内蔵した容器、水蒸
気等を透過する。この場合、中性子源から発生した高速
中性子はその両側の第１、第２中性子検出器を透過する
が、該中性子検出器の検出感度は高速中性子に対して検
出感度が低いため、計数率に対する寄与は無視できる。
また、中性子は、容器を透過した後、水蒸気領域に至る
が、高速であるため、中性子検出器の検出感度が高い熱
／エピサーマル領域まで減速せず、水蒸気領域の外側に
進行する。
【００１１】本発明を例えば水蒸気圧力井の坑底水蒸気
の密度測定に適用した場合、高速中性子は、更にブライ
ン、セメント、地層に到達するが、これ等の領域の含水
素量が多いため、高速中性子は熱／エピサーマル領域ま
で減速する。減速された中性子の一部は地層の深部へ更
に透過し、そこで吸収されるが、一部は水蒸気領域に再
び到達する。この場合、容器の外側にある中性子遮蔽を
透過する際に、熱中性子の大部分が吸収され、実質的に
エピサーマル中性子のみが水蒸気領域に到達する。この
生き残ったエピサーマル中性子は、水蒸気領域で熱中性
子化され易くなる。ここで、エピサーマル中性子が水蒸
気領域において熱中性子化される確率と、水蒸気の密度
との間には線形関係が存在する。
の密度測定に適用した場合、高速中性子は、更にブライ
ン、セメント、地層に到達するが、これ等の領域の含水
素量が多いため、高速中性子は熱／エピサーマル領域ま
で減速する。減速された中性子の一部は地層の深部へ更
に透過し、そこで吸収されるが、一部は水蒸気領域に再
び到達する。この場合、容器の外側にある中性子遮蔽を
透過する際に、熱中性子の大部分が吸収され、実質的に
エピサーマル中性子のみが水蒸気領域に到達する。この
生き残ったエピサーマル中性子は、水蒸気領域で熱中性
子化され易くなる。ここで、エピサーマル中性子が水蒸
気領域において熱中性子化される確率と、水蒸気の密度
との間には線形関係が存在する。
【００１２】水蒸気領域で熱化されないエピサーマル中
性子は、第１、第２中性子検出器で検知されるが、熱化
された熱中性子は第１中性子検出器のみで検知される。
これは第２中性子検出器の周りにカドミウムのような熱
中性子吸収材料を巻いており、これによって熱中性子は
吸収され、第２中性子検出器は熱中性子を検知できない
仕組みになっているためである。
性子は、第１、第２中性子検出器で検知されるが、熱化
された熱中性子は第１中性子検出器のみで検知される。
これは第２中性子検出器の周りにカドミウムのような熱
中性子吸収材料を巻いており、これによって熱中性子は
吸収され、第２中性子検出器は熱中性子を検知できない
仕組みになっているためである。
【００１３】
【発明の実施例】次に、本発明による水蒸気密度測定方
法の好適な実施例について添付図面を参照して詳細に説
明するが、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すも
のとする。
法の好適な実施例について添付図面を参照して詳細に説
明するが、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すも
のとする。
【００１４】図１は、本発明の水蒸気密度測定方法を実
施するための装置の一例を水蒸気圧入井に挿入して示す
断面図であって、同図において、水蒸気密度測定装置２
０は細長い円筒状の断熱式容器（魔法瓶状の構造のもの
又は、冷却器付きの容器でよい）２７を備え、同断熱式
容器２７内に、中性子源２１と、その下方に配置された
第１中性子検出器２２と、この中性子検出器２２と同一
の形状・寸法及び検出感度を有するものにカドミウム
(Ｃｄ)遮蔽を巻いた、中性子源２１の上方に配置された
第２中性子検出器２３と、該中性子検出器２３の上方に
略図的に示した電子機器２４と、下側及び上側の冷却器
２５、２６とが収容されている。中性子検出器２２、２
３に接続される電子機器２４は、図示しない信号検出
器、信号処理器及び電源から構成することができる。
施するための装置の一例を水蒸気圧入井に挿入して示す
断面図であって、同図において、水蒸気密度測定装置２
０は細長い円筒状の断熱式容器（魔法瓶状の構造のもの
又は、冷却器付きの容器でよい）２７を備え、同断熱式
容器２７内に、中性子源２１と、その下方に配置された
第１中性子検出器２２と、この中性子検出器２２と同一
の形状・寸法及び検出感度を有するものにカドミウム
(Ｃｄ)遮蔽を巻いた、中性子源２１の上方に配置された
第２中性子検出器２３と、該中性子検出器２３の上方に
略図的に示した電子機器２４と、下側及び上側の冷却器
２５、２６とが収容されている。中性子検出器２２、２
３に接続される電子機器２４は、図示しない信号検出
器、信号処理器及び電源から構成することができる。
【００１５】また、断熱式容器２７の外側には、カドミ
ウム薄板の両面をステンレス鋼の薄板で被覆してなる円
筒状の中性子遮蔽２８が断熱式容器２７から離間して取
り付けられている。断熱式容器２７の上端に接続されて
図示されているのはワイヤーライン２９で、これは、地
上の巻き取り装置（図示せず）に連結しており、中性子
検出器の信号を電子機器２４を介して地上に送信した
り、地上から電子機器２４の電源への供給を行う他、圧
入井挿入時のゾンデ形式の断熱式容器２７の測定位置決
めを行うものである。
ウム薄板の両面をステンレス鋼の薄板で被覆してなる円
筒状の中性子遮蔽２８が断熱式容器２７から離間して取
り付けられている。断熱式容器２７の上端に接続されて
図示されているのはワイヤーライン２９で、これは、地
上の巻き取り装置（図示せず）に連結しており、中性子
検出器の信号を電子機器２４を介して地上に送信した
り、地上から電子機器２４の電源への供給を行う他、圧
入井挿入時のゾンデ形式の断熱式容器２７の測定位置決
めを行うものである。
【００１６】圧入井は、図１に示すように、環状空間が
真空に保持された断熱二重管をブラインを介して同軸状
に囲むケーシングを地層に埋め込み、同ケーシングの外
周回りにセメントを流し込むことにより形成されてい
る。この二重管の内部に断熱式容器２７がワイヤーライ
ン２９により吊り下げられる。矢印Ａは水蒸気の流れで
ある。
真空に保持された断熱二重管をブラインを介して同軸状
に囲むケーシングを地層に埋め込み、同ケーシングの外
周回りにセメントを流し込むことにより形成されてい
る。この二重管の内部に断熱式容器２７がワイヤーライ
ン２９により吊り下げられる。矢印Ａは水蒸気の流れで
ある。
【００１７】次に、上述した水蒸気密度測定装置の動作
について説明する。中性子源２１から発生した高速中性
子は、断熱式容器２７、水蒸気Ａ、二重管内の真空領域
を透過し、ブライン、セメント、地層に到達する。この
場合、中性子源２１から発生した高速の中性子はその両
側の中性子検出器２２、２３を透過するが、中性子検出
器の検出感度は高速中性子に対して検出感度が低いた
め、計数率に対する寄与は無視できる。また、断熱式容
器２７を透過した後、上述のように水蒸気領域に至る
が、中性子は、高速であるため、中性子検出器の検出感
度が高い熱／エピサーマル領域まで減速せず、水蒸気領
域の外側に進行する。
について説明する。中性子源２１から発生した高速中性
子は、断熱式容器２７、水蒸気Ａ、二重管内の真空領域
を透過し、ブライン、セメント、地層に到達する。この
場合、中性子源２１から発生した高速の中性子はその両
側の中性子検出器２２、２３を透過するが、中性子検出
器の検出感度は高速中性子に対して検出感度が低いた
め、計数率に対する寄与は無視できる。また、断熱式容
器２７を透過した後、上述のように水蒸気領域に至る
が、中性子は、高速であるため、中性子検出器の検出感
度が高い熱／エピサーマル領域まで減速せず、水蒸気領
域の外側に進行する。
【００１８】ブライン、セメント、地層に到達した高速
の中性子は、これ等の領域の含水素量が多いため、熱／
エピサーマル領域まで減速し、減速された中性子の一部
は地層の深部へ更に透過し、そこで吸収されるが、一部
は逆に真空領域へ戻り、水蒸気領域に再び到達する。こ
の場合、断熱式容器２７の外側にある円筒形の中性子遮
蔽２８を透過する際に、熱中性子の大部分が吸収され、
実質的にエピサーマル中性子のみが水蒸気領域に到達す
る。この生き残ったエピサーマル中性子は、水蒸気領域
で熱中性子化され易くなる。ここで、エピサーマル中性
子が水蒸気領域において熱中性子化される確率と、水蒸
気の密度との間には線形関係が存在する。
の中性子は、これ等の領域の含水素量が多いため、熱／
エピサーマル領域まで減速し、減速された中性子の一部
は地層の深部へ更に透過し、そこで吸収されるが、一部
は逆に真空領域へ戻り、水蒸気領域に再び到達する。こ
の場合、断熱式容器２７の外側にある円筒形の中性子遮
蔽２８を透過する際に、熱中性子の大部分が吸収され、
実質的にエピサーマル中性子のみが水蒸気領域に到達す
る。この生き残ったエピサーマル中性子は、水蒸気領域
で熱中性子化され易くなる。ここで、エピサーマル中性
子が水蒸気領域において熱中性子化される確率と、水蒸
気の密度との間には線形関係が存在する。
【００１９】水蒸気領域で熱化されないエピサーマル中
性子は、中性子検出器２２及び２３で検知されるが、熱
化された熱中性子は中性子検出器２２のみで検知され
る。これは中性子検出器２３の周りにカドミウムのよう
な熱中性子吸収材料を巻いており、これによって熱中性
子は吸収され、中性子検出器２３は熱中性子を検知でき
ない仕組みになっているためである。
性子は、中性子検出器２２及び２３で検知されるが、熱
化された熱中性子は中性子検出器２２のみで検知され
る。これは中性子検出器２３の周りにカドミウムのよう
な熱中性子吸収材料を巻いており、これによって熱中性
子は吸収され、中性子検出器２３は熱中性子を検知でき
ない仕組みになっているためである。
【００２０】尚、この場合問題となるのは、ブラインの
状態が水蒸気圧入後の時間経過と共に飽和水の状態から
飽和蒸気、空の状態に移行すること、また、セメントや
地層の含水量にバラ付きのあることが挙げられる。その
他、セメントの厚さに変動があること、地層の種類が水
蒸気圧入井によって異なること等の不確かさが存在する
ことがある。これ等の環境条件における不確かさは、中
性子検出器２２及び２３で検出される中性子の計数に対
して大きな変動を生じさせる結果となる。
状態が水蒸気圧入後の時間経過と共に飽和水の状態から
飽和蒸気、空の状態に移行すること、また、セメントや
地層の含水量にバラ付きのあることが挙げられる。その
他、セメントの厚さに変動があること、地層の種類が水
蒸気圧入井によって異なること等の不確かさが存在する
ことがある。これ等の環境条件における不確かさは、中
性子検出器２２及び２３で検出される中性子の計数に対
して大きな変動を生じさせる結果となる。
【００２１】そこで、本発明は、カドミウム比を測定す
ることにより、これ等の環境条件における不確かさを除
去するようにしている。ここで、カドミウム比は下記に
より定義される。 Ａ：一定の測定時間における中性子検出器２２で検知さ
れる中性子の計数（熱＋エピサーマル中性子） Ｂ：一定の測定時間における中性子検出器２３で検知さ
れる中性子の計数（エピサーマル中性子） カドミウム比＝（Ａ−Ｂ）／Ａ＝（熱中性子の計数）／
（熱＋エピサーマル中性子）
ることにより、これ等の環境条件における不確かさを除
去するようにしている。ここで、カドミウム比は下記に
より定義される。 Ａ：一定の測定時間における中性子検出器２２で検知さ
れる中性子の計数（熱＋エピサーマル中性子） Ｂ：一定の測定時間における中性子検出器２３で検知さ
れる中性子の計数（エピサーマル中性子） カドミウム比＝（Ａ−Ｂ）／Ａ＝（熱中性子の計数）／
（熱＋エピサーマル中性子）
【００２２】次に、カドミウム比について理論的に考察
する。放射線の物質中における挙動は、ボルツマン輸送
方程式を解くことによって、表される。ボルツマン輸送
方程式は、物質中（或は媒体中）での粒子（ここでは中
性子）の巨視的な運動を記述するものである。ここで、
この輸送方程式の持つ物理的概念からカドミウム比なる
概念の定性的根拠を以下のように示した。
する。放射線の物質中における挙動は、ボルツマン輸送
方程式を解くことによって、表される。ボルツマン輸送
方程式は、物質中（或は媒体中）での粒子（ここでは中
性子）の巨視的な運動を記述するものである。ここで、
この輸送方程式の持つ物理的概念からカドミウム比なる
概念の定性的根拠を以下のように示した。
【００２３】まず、定常状態のボルツマン輸送方程式
は、次式（１）で書かれる。
は、次式（１）で書かれる。
【数１】 この方程式を次の積分型に変形する。
【数２】
【数３】 ここで、 ψ(ｒ，Ｅ)，χ(ｒ，Ｅ)：衝突密度 Ｔ(ｒ'→ｒ，Ｅ) ：輸送核 Ｃ(Ｅ'→Ｅ，ｒ) ：衝突核 Ｓ(ｒ，Ｅ) ：線源項 である。
【００２４】輸送核Ｔ(ｒ'→ｒ，Ｅ)は次式（４）の如
く表される。
く表される。
【数４】 ここで、Ｗ＝Ω・(ｒ−ｒ')である。
【００２５】また、衝突核Ｃ(Ｅ'→Ｅ，ｒ)は、
【数５】 のように表される。ここで、
【数６】 で定義される。
【００２６】更に、 Σｔ(ｒ，Ｅ) ：粒子の位置ｒ、エネルギーＥでの全
断面積 Ω ：エネルギーＥの粒子の進行方向を表
す単位ベクトル(図３参照） ｒ−ｒ' ：全てのｒについてΩに平行でΩ・(ｒ
−ｒ')≧０を満たす Σｓ(ｒ，Ｅ) ：粒子の位置ｒ、エネルギーＥでの散
乱断面積 ｆ(Ｅ'→Ｅ，ｒ)：粒子の位置ｒにおいて粒子のエネル
ギーＥ'がＥに散乱する確率分布関数 である。
断面積 Ω ：エネルギーＥの粒子の進行方向を表
す単位ベクトル(図３参照） ｒ−ｒ' ：全てのｒについてΩに平行でΩ・(ｒ
−ｒ')≧０を満たす Σｓ(ｒ，Ｅ) ：粒子の位置ｒ、エネルギーＥでの散
乱断面積 ｆ(Ｅ'→Ｅ，ｒ)：粒子の位置ｒにおいて粒子のエネル
ギーＥ'がＥに散乱する確率分布関数 である。
【００２７】衝突密度ψ(ｒ，Ｅ)，χ(ｒ，Ｅ)は粒子の
衝突回数ｎの総計として次のように表される。
衝突回数ｎの総計として次のように表される。
【数７】
【数８】 ここで、 ψｎ：(ｎ−１)回衝突した衝突密度 χｎ：ｎ回(ｎ＝０は線源粒子の発生)衝突後発生する衝
突密度 である。
突密度 である。
【００２８】（７）及び（８）式を用いると以下のよう
な関係式が得られる。
な関係式が得られる。
【数９】
【数１０】
【数１１】
【００２９】ここで水蒸気圧入井周辺の体系について考
慮する（図３参照）。中性子源から水蒸気を経由し、或
は直接検出器に至る中性子の寄与を無視できるものと
し、中性子源からブライン及び地層に至り、そこで散乱
した中性子が水蒸気領域に戻る場合について（７）式及
び（８）式を適用する。
慮する（図３参照）。中性子源から水蒸気を経由し、或
は直接検出器に至る中性子の寄与を無視できるものと
し、中性子源からブライン及び地層に至り、そこで散乱
した中性子が水蒸気領域に戻る場合について（７）式及
び（８）式を適用する。
【００３０】この場合、中性子源は考慮しないため、
（９）式は、次式（１２）で置き換えられる。
（９）式は、次式（１２）で置き換えられる。
【数１２】 ここで、ψFOR（ｒ，Ｅ)は、ブライン及び地層における
最後の衝突前の衝突密度を表し、χ０(ｒ，Ｅ)のエネル
ギーを０.４１４eＶ以上とするのはブライン及び地層に
おける最後の衝突後のエネルギーが０.４１４eＶ以下に
なり、水蒸気領域に戻ってもカドミウム遮蔽体で吸収さ
れるため、この成分を予めカットすることによる。
最後の衝突前の衝突密度を表し、χ０(ｒ，Ｅ)のエネル
ギーを０.４１４eＶ以上とするのはブライン及び地層に
おける最後の衝突後のエネルギーが０.４１４eＶ以下に
なり、水蒸気領域に戻ってもカドミウム遮蔽体で吸収さ
れるため、この成分を予めカットすることによる。
【００３１】次に検出器の計数率に基づくカドミウム比
を定義するため、水蒸気領域において、衝突後のエネル
ギーＥが０.４１４eＶ以下となる場合について衝突核を
一般的な表示である（３）式中の衝突核と区別し、
を定義するため、水蒸気領域において、衝突後のエネル
ギーＥが０.４１４eＶ以下となる場合について衝突核を
一般的な表示である（３）式中の衝突核と区別し、
【数１３】 と定義する。衝突後のエネルギーＥが０.４１４eＶ以上
に限定しない場合は(３)式と同一表示にする。
に限定しない場合は(３)式と同一表示にする。
【００３２】従って、衝突密度χｎ(ｒ，Ｅ)についても
同様に（１０）式と区別し、
同様に（１０）式と区別し、
【数１４】 と定義する。衝突後のエネルギーＥが０.４１４eＶ以上
に限定しない場合は前述の(１０）式と同一表示にす
る。ただし、χ０'(ｒ，Ｅ)は（１２）式と同一であ
り、χ０'(ｒ，Ｅ)＝χ０(ｒ，Ｅ)であることが判る。
に限定しない場合は前述の(１０）式と同一表示にす
る。ただし、χ０'(ｒ，Ｅ)は（１２）式と同一であ
り、χ０'(ｒ，Ｅ)＝χ０(ｒ，Ｅ)であることが判る。
【００３３】更に、検出器の計数率に寄与する充填ガス
の反応断面積をΣＲHE-3(Ｅ，Ｒ)とした場合、水蒸気領
域で最後に衝突し、検出器に至る輸送核をＴ’(ｒ'→
Ｒ,Ｅ)とすると、
の反応断面積をΣＲHE-3(Ｅ，Ｒ)とした場合、水蒸気領
域で最後に衝突し、検出器に至る輸送核をＴ’(ｒ'→
Ｒ,Ｅ)とすると、
【数１５】 で表される。但し、Ｗ＝Ω・(Ｒ−ｒ')である。
【００３４】従って、最終的に検出器の計数率における
カドミウム比は次式（１６）の如くに定義できる。
カドミウム比は次式（１６）の如くに定義できる。
【数１６】 ここで、 ＶＳ：水蒸気領域の体積 ＶＤ：検出器領域の体積 ＶＲ：ブライン及び地層の体積 を表す。
【００３５】（１６）式から判る様に、χｎ(ｒ，Ｅ)及
びχn'(ｒ，Ｅ)の無限級数の第二項以上の各項は、（１
０）式及び（１１）式より第一項(（１２）式で定義さ
れる)を基に決定されるため、（１６）式の分子と分母
の公約数である第一項は消去することができる。
びχn'(ｒ，Ｅ)の無限級数の第二項以上の各項は、（１
０）式及び（１１）式より第一項(（１２）式で定義さ
れる)を基に決定されるため、（１６）式の分子と分母
の公約数である第一項は消去することができる。
【００３６】これは、物理的には検出器の計数率におけ
るカドミウム比はブライン及び地層で発生する衝突密度
には無関係となり、水蒸気の衝突核や輸送核で決定され
ることを表す。特にカドミウム比に大きな影響を及ぼす
のは衝突核であり、(１６)式の分子中のχ'ｎ(ｒ'，Ｅ)
を決定するＣ(Ｅ'→Ｅ，ｒ)と分母中のχｎ(ｒ'，Ｅ)を
決定するＣ（Ｅ'→Ｅ，ｒ)の違いが大きい程、カドミウ
ム比の感度が高くなることを示している。
るカドミウム比はブライン及び地層で発生する衝突密度
には無関係となり、水蒸気の衝突核や輸送核で決定され
ることを表す。特にカドミウム比に大きな影響を及ぼす
のは衝突核であり、(１６)式の分子中のχ'ｎ(ｒ'，Ｅ)
を決定するＣ(Ｅ'→Ｅ，ｒ)と分母中のχｎ(ｒ'，Ｅ)を
決定するＣ（Ｅ'→Ｅ，ｒ)の違いが大きい程、カドミウ
ム比の感度が高くなることを示している。
【００３７】つまり、水蒸気中の水素は、散乱後の中性
子のエネルギーが０.４１４eＶ以下になる場合と０.４
１４eＶ以上になる場合の確率が大幅に異なるため、水
蒸気の密度変化に対して、カドミウム比の感度が高くな
るものと判断される。
子のエネルギーが０.４１４eＶ以下になる場合と０.４
１４eＶ以上になる場合の確率が大幅に異なるため、水
蒸気の密度変化に対して、カドミウム比の感度が高くな
るものと判断される。
【００３８】従って、ブラインの密度、地層の種類、セ
メントの含水量及び厚さが変動した場合、ブライン及び
地層等で発生し、水蒸気領域に向かう中性子の衝突密度
もこの変動に伴い変化するものの、０.４１４eＶを下限
として低エネルギー側にシフトした軟らかいエネルギー
スペクトルの形状が相対的に一定していれば、圧入井の
水蒸気密度が一定の場合、カドミウム比も変動しないこ
とになる。この事はブラインの密度、地層の種類、セメ
ントの厚さを変えて実施した解析から得られたブライン
及び地層のエネルギースペクトルにおいても同じ結果が
得られている。これ等の領域の代表的な中性子エネルギ
ースペクトルを図４に示す。
メントの含水量及び厚さが変動した場合、ブライン及び
地層等で発生し、水蒸気領域に向かう中性子の衝突密度
もこの変動に伴い変化するものの、０.４１４eＶを下限
として低エネルギー側にシフトした軟らかいエネルギー
スペクトルの形状が相対的に一定していれば、圧入井の
水蒸気密度が一定の場合、カドミウム比も変動しないこ
とになる。この事はブラインの密度、地層の種類、セメ
ントの厚さを変えて実施した解析から得られたブライン
及び地層のエネルギースペクトルにおいても同じ結果が
得られている。これ等の領域の代表的な中性子エネルギ
ースペクトルを図４に示す。
【００３９】このようなブライン及び地層等における中
性子のエネルギースペクトルの形状が相対的に一定とな
るための条件としては、ブライン及び地層等で中性子源
から到達する高速中性子が低エネルギー側に減速される
必要がある。この条件を満たすにはブライン及び地層等
において水素（水分）を含有してればよく、断熱二重管
内のブラインが仮に空になったとしても、セメント層及
び地層中に水分が存在しているため、問題無いものと考
えられる。
性子のエネルギースペクトルの形状が相対的に一定とな
るための条件としては、ブライン及び地層等で中性子源
から到達する高速中性子が低エネルギー側に減速される
必要がある。この条件を満たすにはブライン及び地層等
において水素（水分）を含有してればよく、断熱二重管
内のブラインが仮に空になったとしても、セメント層及
び地層中に水分が存在しているため、問題無いものと考
えられる。
【００４０】以上のカドミウム比の理論的考察に基づ
き、本発明の水蒸気密度測定方法を使用すれば、環境条
件が変動しても圧入井内の水蒸気密度の測定が可能であ
ることを実験で確認した。図５にその実験体系を示す。
この実験体系は水蒸気圧入井及び周辺環境を模擬したも
のであり、本発明に基づくゾンデ形式の断熱式容器内に
中性子源と一対の中性子検出器を組み合わせた中性子検
出系を挿入できる仕組みとなっている。
き、本発明の水蒸気密度測定方法を使用すれば、環境条
件が変動しても圧入井内の水蒸気密度の測定が可能であ
ることを実験で確認した。図５にその実験体系を示す。
この実験体系は水蒸気圧入井及び周辺環境を模擬したも
のであり、本発明に基づくゾンデ形式の断熱式容器内に
中性子源と一対の中性子検出器を組み合わせた中性子検
出系を挿入できる仕組みとなっている。
【００４１】図５において、２１はＣｆ−２５２中性子
源、２２はＨｅ−３型中性子検出器、２３は中性子検出
器２２と同一の形状・寸法及び検出感度を有するものに
カドミウムを巻いた中性子検出器、２８は円筒状の中性
子遮蔽（カドミウム薄板）、３０は水蒸気を代替したも
のでポリエチレンシートを巻いた領域であり、このポリ
エチレンシートの体積を変えることにより、水蒸気の密
度変化を模擬できる。３１は断熱層を模擬したもので、
図１では真空としたが、実験体系では空気を充填してい
る。
源、２２はＨｅ−３型中性子検出器、２３は中性子検出
器２２と同一の形状・寸法及び検出感度を有するものに
カドミウムを巻いた中性子検出器、２８は円筒状の中性
子遮蔽（カドミウム薄板）、３０は水蒸気を代替したも
のでポリエチレンシートを巻いた領域であり、このポリ
エチレンシートの体積を変えることにより、水蒸気の密
度変化を模擬できる。３１は断熱層を模擬したもので、
図１では真空としたが、実験体系では空気を充填してい
る。
【００４２】３２はブライン層であるが、この領域に水
又は空気を充填することによりブラインの相変化を模擬
できる。３３はセメント中の水分をポリエチレン・ペブ
ルで代替したもの、３４は地層として石灰岩を代替した
炭酸カルシウムが充填されている。
又は空気を充填することによりブラインの相変化を模擬
できる。３３はセメント中の水分をポリエチレン・ペブ
ルで代替したもの、３４は地層として石灰岩を代替した
炭酸カルシウムが充填されている。
【００４３】３５はＨｅ−３型中性子検出器の電源／信
号ケーブルであり、３６は断熱式容器内管を、２７は断
熱式容器を模擬し、３７は断熱二重管内管を、３８は断
熱二重管外管を模擬している。３９はセメント中の水分
を代替するポリエチレン・ペブルを収納するための容器
であり、４０は地層を代替する炭酸カルシウムを収納す
るための容器である。
号ケーブルであり、３６は断熱式容器内管を、２７は断
熱式容器を模擬し、３７は断熱二重管内管を、３８は断
熱二重管外管を模擬している。３９はセメント中の水分
を代替するポリエチレン・ペブルを収納するための容器
であり、４０は地層を代替する炭酸カルシウムを収納す
るための容器である。
【００４４】実験は、ブライン層を水で満たした場合
(水密度１.０g／cm3）と空にした場合(水密度０.０g／c
m3）の各々について、水蒸気の代替材であるポリエチレ
ンの密度を３種類変化させ、計６ケースの測定を実施し
た。ポリエチレンの密度は、水素含有量が水蒸気と同等
になる様に、水及びポリエチレンの原子量比で水蒸気密
度に換算しており、水蒸気密度で０.０、０.０８２、
０.２２２ｇ／cm3の３種類を設定した。
(水密度１.０g／cm3）と空にした場合(水密度０.０g／c
m3）の各々について、水蒸気の代替材であるポリエチレ
ンの密度を３種類変化させ、計６ケースの測定を実施し
た。ポリエチレンの密度は、水素含有量が水蒸気と同等
になる様に、水及びポリエチレンの原子量比で水蒸気密
度に換算しており、水蒸気密度で０.０、０.０８２、
０.２２２ｇ／cm3の３種類を設定した。
【００４５】以上の６ケースについて、図５に示したＨ
ｅ−３型中性子中性子検出器２２とカドミウムを巻いた
中性子検出器２３で検知した計数率を下記の表１に示
す。これ等の検出器の計数率と水蒸気密度の関係を図６
に示す。図６を見ると分かる様に、ブライン層が水で充
填されている場合と空の場合では、各々の検出器の計数
率は約２倍の変動が見られる。
ｅ−３型中性子中性子検出器２２とカドミウムを巻いた
中性子検出器２３で検知した計数率を下記の表１に示
す。これ等の検出器の計数率と水蒸気密度の関係を図６
に示す。図６を見ると分かる様に、ブライン層が水で充
填されている場合と空の場合では、各々の検出器の計数
率は約２倍の変動が見られる。
【００４６】
【表１】
【００４７】次にカドミウム比をこれ等の検出器の計数
率より算出し、表１に併記すると共に、図７にカドミウ
ム比と水蒸気密度の関係を示した。表１及び図７よりカ
ドミウム比は、ブライン層が水の状態から空になっても
ほとんど変化せず、水蒸気密度と或る一定の線形関係に
あることが判明した。
率より算出し、表１に併記すると共に、図７にカドミウ
ム比と水蒸気密度の関係を示した。表１及び図７よりカ
ドミウム比は、ブライン層が水の状態から空になっても
ほとんど変化せず、水蒸気密度と或る一定の線形関係に
あることが判明した。
【００４８】この様に図５で示した様な実験体系を較正
用の標準器として地上に用意し、本発明に基づくゾンデ
形式の水蒸気密度測定装置を挿入して、図７に示した様
なカドミウム比と水蒸気密度の較正曲線を求めておくこ
とにより、１００℃以上の水蒸気圧入井の坑底内水蒸気
密度を測定することが可能となる。また、本発明の方法
は、蒸気圧入井のみならず水蒸気を利用するプラントを
はじめ地熱井の蒸気密度測定及び坑井掘削中の涌水の検
知等にも応用できる。
用の標準器として地上に用意し、本発明に基づくゾンデ
形式の水蒸気密度測定装置を挿入して、図７に示した様
なカドミウム比と水蒸気密度の較正曲線を求めておくこ
とにより、１００℃以上の水蒸気圧入井の坑底内水蒸気
密度を測定することが可能となる。また、本発明の方法
は、蒸気圧入井のみならず水蒸気を利用するプラントを
はじめ地熱井の蒸気密度測定及び坑井掘削中の涌水の検
知等にも応用できる。
【００４９】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、中性子
源を挟んで第１、第２中性子検出器を縦方向に整列して
内蔵すると共に、熱中性子は吸収するがエピサーマル中
性子は透過する中性子遮蔽で外側から囲まれた容器を使
用するので、狭いスペースにおいても水蒸気の密度を測
定可能である。
源を挟んで第１、第２中性子検出器を縦方向に整列して
内蔵すると共に、熱中性子は吸収するがエピサーマル中
性子は透過する中性子遮蔽で外側から囲まれた容器を使
用するので、狭いスペースにおいても水蒸気の密度を測
定可能である。
【００５０】また、本発明によれば、該容器を蒸気配管
内に挿入し、中性子源より放出され中性子遮蔽を透過し
た中性子のうち、同中性子遮蔽を逆方向に再透過して水
蒸気領域に再到達した中性子について、前記水蒸気領域
で熱化されないエピサーマル中性子は、前記第１、第２
中性子検出器で検知し、熱化された熱中性子は前記第１
中性子検出器のみで検知し、エピサーマル中性子が前記
水蒸気領域で熱中性子化される確率から前記水蒸気の密
度を測定するので、即ちカドミウム比を用いて水蒸気密
度を測定するので、装置が使用される環境条件の不確か
さを実質的に除去した水蒸気密度測定方法を提供するこ
とができる。
内に挿入し、中性子源より放出され中性子遮蔽を透過し
た中性子のうち、同中性子遮蔽を逆方向に再透過して水
蒸気領域に再到達した中性子について、前記水蒸気領域
で熱化されないエピサーマル中性子は、前記第１、第２
中性子検出器で検知し、熱化された熱中性子は前記第１
中性子検出器のみで検知し、エピサーマル中性子が前記
水蒸気領域で熱中性子化される確率から前記水蒸気の密
度を測定するので、即ちカドミウム比を用いて水蒸気密
度を測定するので、装置が使用される環境条件の不確か
さを実質的に除去した水蒸気密度測定方法を提供するこ
とができる。
【図１】本発明の水蒸気密度測定方法を実施する装置を
示す断面図。
示す断面図。
【図２】本発明の原理の説明図。
【図３】本発明が実施される水蒸気圧入井の周辺の体系
図。
図。
【図４】ブライン及び地層における中性子エネルギスペ
クトルを示す図。
クトルを示す図。
【図５】水蒸気圧入井及びその周辺環境を模擬した水蒸
気密度測定の実験体系を示す概要図。
気密度測定の実験体系を示す概要図。
【図６】水蒸気密度と中性子計数率との関係を示す図。
【図７】水蒸気密度とカドミウム比との関係を示す図。
【図８】従来の水蒸気密度測定装置を示す概略立面図。
【図９】図８の水蒸気密度測定装置の原理図。
【図１０】従来の別の水蒸気密度測定装置を示す断面
図。
図。
２１ 中性子源 ２２ 第１中性子検出器 ２３ 第２中性子検出器 ２７ 断熱式容器 ２８ 中性子遮蔽 Ａ 水蒸気
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 9/00 - 9/36 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (1)
- 【請求項１】 蒸気配管内の水蒸気の密度を中性子法に
より測定する方法において、 中性子源を挟んで第１、第２中性子検出器を縦方向に整
列して内蔵させ、このうち第２中性子検出器について
は、熱中性子は吸収するがエピサーマル中性子は透過す
る中性子遮蔽で覆われている、これ等の中性子検出器が
収納された容器を用意し、 この容器全体を熱中性子遮蔽板にて覆うが、この熱中性
子遮蔽板と容器との間は蒸気流路としての隙間が設けて
ある、この蒸気流路付きの該容器を前記蒸気配管内に挿
入し、 前記中性子源より放出され前記中性子遮蔽を透過した中
性子のうち、同中性子遮蔽を逆方向に再透過して水蒸気
領域に再到達した中性子について、前記水蒸気領域で熱
化されないエピサーマル中性子は、前記第２中性子検出
器で検知し、熱化された熱中性子は前記第１中性子検出
器のみで検知し、 これ等２つの中性子検出器の計数から得られるカドミウ
ム比から前記水蒸気の密度を測定することを特徴とす
る、中性子法による水蒸気密度測定方法。
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