JP3806378B2 - 使用済み燃料の燃焼度測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、使用済み燃料の燃焼度測定に関し、さらに詳しくは、簡便且つ迅速に使用済み燃料の燃焼度を測定できる使用済み燃料の測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炉心内で燃焼を終え使用できなくなった核燃料を、使用済み燃料という。使用済み燃料は、核分裂生成物ＦＰなど高放射能物質を含むので熱的に冷却する必要があるから、原子力発電所の燃料貯蔵ピットで所定期間（１〜１０年間）冷却される。その後、輸送・貯蔵を目的とする収納容器であるキャスクに収納され、トラック等で再処理施設等に搬送、貯蔵される。
【０００３】
キャスクや燃料貯蔵ピットに燃焼度クレジットを採用する場合には、使用済み燃料の燃焼度を測定し管理する必要がある。ここで、燃焼度クレジットとは、核燃料の燃焼による核種組成の変化を考慮した合理的な臨界安全性設計をいう。使用済み燃料の燃焼度を測定する方法としては、例えば、特開昭６１−２６２６９２号公報には、γ線スペクトル分析によって使用済み燃料の燃焼度を求める方法が開示されている。
【０００４】
また、特開平６−１６０５８５号公報には、使用済み燃料を計測装置に設置して、中性子検出器による中性子計数値とＣｄ−Ｔｅ検出器によるγ線スペクトル分析に基づくデータによって使用済み燃料の燃焼度を測定する方法が開示されている。さらに、特開平１０−３９０８５号公報には、γ線検出器を装着したホルダーに使用済み燃料を挟み込んで静置させて測定し、中性子計数率とγ線スペクトル分析とによって使用済み燃料の燃焼度を求める方法が開示されている。この方法には、使用済み燃料から放出されて熱化した熱中性子を測定して使用済み燃料の燃焼度を求める方法が使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記いずれの測定方法によっても、使用済み燃料を測定装置の架台に静置して燃焼度を測定していた。このため、使用済み燃料を測定箇所まで移動させる作業が必要であり、その作業に手間を要していた。また、上記計測方法においてはγ線スペクトル分析が利用されているので、小型の検出器を使用した場合には測定効率が小さいため信頼できるデータを取得するのに時間を要していた。
【０００６】
一方、γ線スペクトル分析に大型の検出装置を使用すると検出装置が大掛かりなものとなり、大きな設置スペースを要したり製造コストが上昇したりしていた。また、熱中性子の測定は測定位置の影響が大きく、測定位置のわずかなずれによって大きく熱中性子計数値が変化してしまう。このため、熱中性子を利用する場合には測定装置の架台に静置して熱中性子を計数する必要があり、上記したものと同様の問題がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡便且つ迅速に使用済み燃料の燃焼度を測定できる使用済み燃料の測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、少なくとも高速中性子検出手段を備えた複数の放射線検出手段を使用済み燃料の側方両側に対向配置して、移動中の使用済み燃料から放出される高速中性子をそれぞれの前記放射線検出手段によって検出し、それぞれの前記放射線検出手段によって検出された高速中性子計数値の相乗平均値から前記使用済み燃料の燃焼度を求めることを特徴とする。
【０００８】
ボロンを含んでいないプール水中での使用済み燃料の燃焼度測定に用いられる熱中性子を利用する方法は、上述した通り測定位置の影響を大きく受けるため、測定装置の架台に静置して測定する必要があった。このため、使用済み燃料の移動中に測定する簡易且つ迅速な測定には不向きであった。本発明者らは鋭意研究の結果、使用済み燃料の両側から高速中性子を選択的に計数して両者の計数値の相乗平均をとれば、測定位置の影響や使用済み燃料内における各燃料棒の燃焼度ばらつきを打ち消すことができることを見出した。これは、高速中性子は距離に対して指数関数的に減衰する性質を利用したものである。これによって、測定中に高速中性子検出手段等と使用済み燃料との距離が変化しても、この影響を打ち消すことができるので、使用済み燃料を燃料貯蔵ピット内で移動させる過程において、高い精度で燃焼度を求めることができるようになった。
【０００９】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置は、少なくとも高速中性子検出手段を備えた複数の放射線検出手段を対向配置して、この間を使用済み燃料が通過する間、又は停止中に高速中性子計数値を測定する。そして、対向配置したそれぞれの放射線検出手段で検出された高速中性子計数値と燃焼度及び冷却期間との関係から、使用済み燃料の燃焼度を求める。このため、使用済み燃料を燃料貯蔵ピットからキャスクピットへ移動させる間に使用済み燃料の燃焼度を求めることができる。その結果、使用済み燃料の燃焼度を測定するために測定装置まで使用済み燃料を移動させたり、測定装置へ使用済み燃料を取り付けたりする特別な燃料ハンドリングが不要になるので、測定作業の安全性を高くできる。また、使用済み燃料の移動中に燃焼度の測定が完了するので、測定に要する時間を従来よりも短くでき、これによって検出器の放射線損傷も低減できる。
【００１０】
一方、放射線検出手段の間に使用済み燃料を停止させて高速中性子等を検出して燃焼度を求めることもできる。この場合には、使用済み燃料の移動中に燃焼度を求める場合と比較して測定時間を長くすることにより、高速中性子等の積算計数を多くできる。これによって計数の統計誤差を低減できるので、燃焼度の測定精度をさらに向上させることができる。
【００１１】
さらに、この使用済み燃料の燃焼度測定装置では、高速中性子を選択的に計数して、計数値の相乗平均値によって燃焼度を求める。これによって、使用済み燃料の移動時における放射線検出器方向へのずれ、及び使用済み燃料の横方向（長手方向に対して垂直な方向）における燃焼度分布を打ち消して、使用済み燃料全体を平均した燃焼度に対応する中性子計数値を精度よく求めることができる。なお、高速中性子とは、エネルギーが約０．５ｅＶ以上の中性子をいう（以下同様）。また、エネルギーが約０．５ｅＶよりも小さい中性子は熱中性子という（以下同様）。また、本発明にいう使用済み燃料には、複数の核燃料棒を筐体内に備えた、いわゆる使用済み燃料集合体も含まれるものとする（以下同様）。
【００１２】
また、請求項２に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、使用済み燃料の側方両側に対向配置される、少なくとも高速中性子検出手段を備えた複数の放射線検出手段と、対向配置される前記放射線検出手段によって、移動中の使用済み燃料から検出された高速中性子計数値の相乗平均値を算出し、これと使用済み燃料の燃焼率との関係を用いて使用済み燃料の燃焼度を求めるデータ処理手段と、前記使用済み燃料の燃焼度が所定の値を下回る場合には、その使用済み燃料の移動を中止する信号、警報機を作動させる信号その他の警報信号を発生させる信号発生手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置は、データ処理手段によって高速中性子計数値から使用済み燃料の燃焼度を求めるので、迅速に使用済み燃料の燃焼度を求めることができる。また、使用済み燃料の冷却期間に応じて定まる所定の値よりも燃焼度が小さい場合には、信号発生手段からの警報信号により警報機を作動させたり使用済み燃料の移動を中止したりできる。その結果、燃焼度クレジットを採用したキャスク又はプールへの装荷作業において、高い反応度を有する燃焼度の低い使用済み燃料をキャスク等に収納するおそれがなくなるので安全性を高くできる。
【００１４】
また、請求項３に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、請求項１又は２に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置において、さらに、上記放射線検出手段にはγ線検出手段が備えられ、上記放射線検出手段によって検出された高速中性子計数値の相乗平均値とグロスγ線量率の相乗平均値とによって使用済み燃料の燃焼度を求めることを特徴とする。
【００１５】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置は、さらにγ線検出手段を備え、高速中性子計数値の相乗平均値とグロスγ線量率の相乗平均値とによって使用済み燃料の燃焼度を求める。このため、炉心管理データが利用できない場合であっても、グロスγ線量率によって使用済み燃料の冷却期間の効果を補正して燃焼度を求めることができるので、汎用性を高くできる。また、炉心管理データを使用できる場合であっても、グロスγ線量率によって燃焼度を検定できるので、炉心管理データと測定値との整合性を確認でき、システムの信頼性を向上させることができる。
【００１６】
また、請求項４に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置において、上記放射線検出手段は、使用済み燃料の長手方向における一定の高さに配置されることを特徴とする。使用済み燃料は一般に細長い構造であり、長手方向に高速中性子等の放射分布を持つ。そこで、このように、使用済み燃料の長手方向における一定の高さに放射線検出手段を配置すれば、使用済み燃料の長手方向における高速中性子等の放射分布の影響を低減できるので、精度の高い測定ができる。
【００１７】
また、請求項５に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置において、上記放射線検出手段は、使用済み燃料の移動経路の途中に備えられていることを特徴とする。このような構成により、使用済み燃料を燃料貯蔵ピットからキャスクピットへ移動する間に燃焼度を測定できるので、従来のように測定装置に使用済み燃料を設置する等の手間を要さない。移動中の使用済み燃料を測定することによって、測定作業に要する時間を大幅に短縮できるので作業効率を向上させることができる。また、測定時間の短縮によって測定装置の放射線損傷を低減できるので、測定装置の信頼性が向上する。
【００１８】
また、請求項６に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置において、上記高速中性子検出手段は、さらに中性子吸収材を有する熱中性子吸収層を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置は、ボロンを含有しない水、すなわち中性子吸収材を含まない水が満たされた燃料貯蔵ピット等における使用に際して、高速中性子検出手段にカドミウム、ハフニウム等の熱中性子吸収層を設けたので、熱中性子吸収層で熱中性子を吸収して高速中性子を選択的に検出できる。これによって、一般にボロン非含有水中に貯蔵されるＢＷＲ（Boiling Water Reactor：沸騰水型原子炉）用の使用済み燃料の燃焼度測定装置としても使用できるので、測定時間を短縮したり安全性を向上させたりすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれるものとする。なお、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置及び測定方法は、特にＰＷＲ（Pressurized Water Reactor：加圧水型原子炉）用の使用済み燃料に適するが、ＢＷＲ用の使用済み燃料にも適用できる。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置を配置した使用済み燃料プールを示す説明図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置の検出部を示す説明図である。この使用済み燃料の燃焼度測定装置１０は、少なくとも高速中性子検出手段２２を備えた複数の放射線検出手段２０を対向配置し、この間に使用済み燃料３０を通過させて使用済み燃料３０の側面から放射される高速中性子等を測定して使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを求める点に特徴がある。
【００２２】
炉心内で燃焼を終え使用できなくなった使用済み燃料３０は、水で満たされた使用済み燃料貯蔵ピット３２に備えられる貯蔵ラック３６に挿入されて所定の期間冷却される。使用済み燃料貯蔵ピット３２内の貯蔵ラック３６で所定の期間冷却された使用済み燃料３０は、輸送・貯蔵を目的とする収納容器であるキャスク４０内に収納されて、トラック等により再処理施設等に搬送、貯蔵される。
【００２３】
キャスク４０内に収納される使用済み燃料３０は、燃料ハンドリングクレーン４４のワイヤ４４ｗに取り付けられた燃料支持棒４４'によって貯蔵ラック３６内から一体ずつ取り出された後、移動経路であるキャナル部３８を通過してキャスクピット３４へ搬送される。そして、キャスクピット３４内に設置されたキャスク４０内に収納される。キャスク４０内には、格子状セルが複数形成されたバスケット４２が配置されており、使用済み燃料３０は格子状のセルにそれぞれ１体ずつ挿入される。
【００２４】
使用済み燃料３０の燃焼度を使用済み燃料３０の移動中に測定するため、高速中性子等の放射線検出手段２０は、使用済み燃料３０の移動経路途中に設ける必要がある。また、この発明においては、図２に示すように、二台の放射線検出手段２０を使用済み燃料３０の両側面に配置して、高速中性子を計数する。このため、幅の狭いキャナル部３８の両側面３８1、３８2に、それぞれ本発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０の放射線検出手段２０が取り付けられている。そして、使用済み燃料３０が使用済み燃料貯蔵ピット３２からキャスクピット３４へ移動する間に、この高速中性子検出手段２２によって、使用済み燃料３０から放出される高速中性子が計数される。
【００２５】
なお、使用済み燃料貯蔵ピット３２やキャスクピット３４の構造によっては、使用済み燃料３０の移動経路途中にキャナル部３８のような幅の狭い部分が存在しない場合もある。このような場合には、図１（ｃ）に示すように、使用済み燃料貯蔵ピット３２とキャスクピット３４との間にゲート部３１を設けて、ここに放射線検出手段２０を設ける。
【００２６】
次に、図２を用いてこの発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０について説明する。放射線検出手段２０は、γ線量率計２４と中性子検出部２２ｓを有する高速中性子検出手段２２とによって構成されている。なお、後述するデータ処理の際に炉心管理データを利用できる場合には、必ずしもγ線量率計２４を使用する必要はない。
【００２７】
図２（ｂ）に示すように、キャナル部３８に対向して配置される二台の放射線検出手段２０は架台２６に取り付けられる。そして、使用済み燃料３０の長手方向における一定の高さｈに位置するように配置される。なお、放射線検出手段２０は使用済み燃料３０の長手方向略中央部に配置することが好ましいが、使用済み燃料３０の長手方向における高速中性子等の放射分布が一定の部分であれば、必ずしも中央部付近に配置しなくともよい。
【００２８】
また、測定のばらつきを低減するため、架台頂部２６ａから二台の放射線検出手段２０までの深さＤは同じ大きさになるようにしてある。これによって、使用済み燃料３０の長手方向における一定の高さｈの位置に二台の放射線検出手段２０が対向配置されて、測定のバラツキを低減できる。そして、対向配置される二台の放射線検出手段２０の間を使用済み燃料３０が通過する間に、使用済み燃料３０の両側から高速中性子とγ線とを測定する。
【００２９】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置１０では、使用済み燃料３０が放射線検出手段２０を通過する間に測定を終了する必要がある。このため、放射線検出手段２０を構成するγ線量率計２４には、短時間で測定のできるグロスγ線量率計を使用して、ピークの線量率を計測する。グロスγ線量率計には、例えば光伝送型のγ線検出器や電離箱型検出器を使用することができる。
【００３０】
図３は、この発明の実施の形態１に係る高速中性子検出手段を示す断面図である。高速中性子検出手段２２の中性子検出部２２ｓには、ボロン被覆検出器、光伝送型シンチレーション中性子検出器、あるいは核分裂計数管等が使用できる。特に光伝送型シンチレーション中性子検出器やボロン被覆検出器は、許認可が不要であるため好ましい。また、高速中性子検出手段２２は、図３（ａ）に示すように、厚さｕ1が数ｃｍの鉛２２Ｐｂと厚さｕ2が数ｃｍのポリエチレン２２ｐとで被覆してある。鉛２２Ｐｂで被覆するのは、中性子を検出するために使用済み燃料３０から放射されるγ線の線量率を低くして、中性子ｎとγ線との弁別性を向上させることにより、高速中性子の測定精度を高くするためである。また、ポリエチレン２２ｐで被覆するのは、高速中性子検出手段２２に到達する高速中性子を減速させて、高速中性子検出手段２２の検出感度を向上させるためである。
【００３１】
この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０は、特にＰＷＲ用の使用済み燃料３０の燃焼度を測定する場合に適する。ＰＷＲ用の使用済み燃料貯蔵ピット３２は、中性子吸収能が大きいボロンを２０００ｐｐｍ程度添加した水で満たされている。したがって、使用済み燃料３０から放射される熱中性子はほとんど水中のボロンに吸収されてしまい、高速中性子検出手段２２の中性子検出部２２ｓに到達するのはほとんどが高速中性子である。このため、高速中性子を検出するためにポリエチレン２２ｐで高速中性子検出手段２２を被覆するのである。
【００３２】
一方、ＢＷＲ用の使用済み燃料は、ボロンを含有しない水で満たされた使用済み燃料貯蔵ピットに貯蔵される。このような環境下でこの発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０を使用すると、高速中性子の他、熱中性子も高速中性子検出手段２２に到達する結果、高速中性子の検出精度を低下させてしまう。このような場合には、図３（ｂ）に示す高速中性子検出手段２２'のように、ポリエチレン２２ｐの外側にカドミウム（Ｃｄ）やハフニウム（Ｈｆ）、ボロン（Ｂ）、ガドリニウム（Ｇｄ）その他の中性子吸収断面積の大きい中性子吸収材で構成した熱中性子吸収層２２Ｃｄを設ける。そして、この中性子吸収層２２ｄによって熱中性子を遮断し、ポリエチレン２２ｐで減速された高速中性子成分のみが高速中性子検出手段２２に到達するようにして、使用済み燃料から放出される高速中性子を検出する。
【００３３】
図４は、この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置のデータ処理系統例を示す説明図である。使用済み燃料３０は、燃料ハンドリングクレーン４４によって貯蔵ラック３６内から一体ずつ取り出された後、高さを一定に保ってキャナル部３８を通過する。ここで、測定の都合上、燃料ハンドリングクレーン４４の移動速度は３．０〜４．０ｍ／分以下程度が好ましい。そして、放射線検出手段２０の長さにもよるが、放射線検出手段２０を通過する時間は１分以下程度となる。使用済み燃料３０がキャナル部３８を通過する間に、使用済み燃料３０から放射される高速中性子とγ線とがキャナル部３８に備えられた放射線検出手段２０1、２０2で検出される。検出データはデータ処理手段５０に設けられた信号処理回路５２へ送られて、演算部５４が処理しやすい形に加工する。なお、図４（ｂ）に示すように、データ処理手段５０は、信号処理回路５２とコンピュータ５６とによって構成してもよい。
【００３４】
このとき、放射線検出手段２０1、２０2の入口と出口とに使用済み燃料３０の位置検出センサ６０ｉ、６０ｏを設けて、これらのセンサから送られる使用済み燃料３０の位置情報によって、データの取り込みを開始・終了する。また、放射線検出手段２０1等によって検出される高速中性子等が所定の値を超えたら、これをトリガー信号としてデータの取り込みを開始し、高速中性子等が所定の値以下になったらデータの取り込みを終了するようにしてもよい。さらに、燃料ハンドリングクレーン４４の位置情報を基準としてデータの取り込みを開始・終了してもよい。
【００３５】
また、使用済み燃料３０を対向して設けられる放射線検出手段２０1、２０2の間で所定の時間だけ静止させて、使用済み燃料３０から放射される高速中性子とγ線とを測定してもよい。この場合には、例えば使用済み燃料３０の位置検出センサ６０ｉ、６０ｏや燃料ハンドリングクレーン４４の位置情報によって、対向して設けられる放射線検出手段２０1、２０2の間に使用済み燃料３０が移動したことを検知してから測定を開始し、所定の時間だけ測定を継続する。所定の時間はタイマーやカウンタ等の計数手段によって求める。このようにすると、測定のために使用済み燃料３０が停止している分だけ測定時間を長くできるので、高速中性子等の積算計数を多くできる。これによって、計数の統計誤差を低減できるので、燃焼度の測定精度をさらに向上させることができる。
【００３６】
ここで、上記演算部５４は専用のハードウエアにより実現されるものであってもよく、また、この演算部５４はメモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）により構成され、演算部５４の機能を実現するためのプログラム（図示省略）をメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。また、このデータ処理手段５０には、周辺機器として入力装置、表示装置など（いずれも図示省略）をメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。また、演算部５４の代わりにコンピュータ５６を使用する場合には、周辺機器として入力装置、表示装置など（いずれも図示省略）が接続されるものとする。ここで、入力装置とはキーボード、マウス等の入力デバイスのことをいう。表示装置とはＣＲＴ（Cathode Ray Tube）や液晶表示装置などのことをいう。
【００３７】
信号処理回路５２から送られてきた検出データを受け取った演算部５４は、次に説明するデータ処理手順によって測定対象の使用済み燃料３０の燃焼度を算出する。まず、高速中性子検出手段２２1及び２２2で検出された中性子係数値をそれぞれＳ1及びＳ2とし、γ線量率計２４1及び２４2で検出されたグロスγ線量率をＧ1及びＧ2とする。そして、この発明においては、これらの値の相乗平均√（Ｓ1×Ｓ2）及び√（Ｇ1×Ｇ2）、を求めて使用済み燃料３０の中性子係数値Ｓ及びグロスγ線量率Ｇとする。この理由を次に説明する。
【００３８】
使用済み燃料３０は長さが３〜４ｍあり、長手方向の長さが大きい。この発明においては、従来の使用済み燃料の燃焼度測定装置とは異なり、使用済み燃料３０から放射される中性子のうち高速中性子を選択的に測定する。このため、使用済み燃料３０の近傍に高速中性子検出手段２２1、２２2を設置すると、使用済み燃料３０と高速中性子検出手段２２との距離変化に対し中性子係数値Ｓは指数関数的に変化する。また、γ線量率Ｇも同様に、指数関数的に変化する。したがって、高速中性子検出手段２２1及び２２2で検出される高速中性子の計数値は、それぞれ
【数１】
となる。ここで、Ｓｓ1、Ｓｓ2は使用済み燃料３０の表面における高速中性子の計数値、ｌ0は使用済み燃料３０の表面から高速中性子検出手段２２1及び２２2までの設定距離、ωは減衰係数である。
【００３９】
いま、使用済み燃料３０が高速中性子検出手段２２1に向かってΔｌだけ近づいた場合を考える。このとき、高速中性子検出手段２２1及び２２2で検出される高速中性子の計数値は、それぞれ
【数２】
となる。したがって、両者の相乗平均値（高速中性子計数値Ｓ）は、
【数３】
となる。ここで、高速中性子検出手段２２1と２２2との距離は計数の前後で変化しないので、使用済み燃料３０の移動中に高速中性子検出手段２２1等の方向にするずれΔｌが生じても、このずれの影響による計数値の誤差を打ち消すことができる。このため、上述したように、高速中性子の計数値Ｓには、各高速中性子検出手段２２1及び２２2で検出された中性子係数値Ｓ1とＳ2との相乗平均を用いるのである。グロスγ線量率Ｇについても同様の理由から、各γ線量率計２４1及び２４2で検出されたグロスγ線量率の相乗平均を用いる。
【００４０】
また、使用済み燃料３０の内部に備えられた燃料棒の燃焼度にばらつきがある場合でも、分布に各高速中性子検出手段２２1及び２２2で検出された高速中性子係数値Ｓ1とＳ2との相乗平均をとってこれを高速中性子計数値Ｓとすれば、このばらつきを排除できる。使用済み燃料３０の大きさは一定であり、使用済み燃料３０内部においても高速中性子は略指数関数的に減衰する。したがって、使用済み燃料３０の中心からΔｒ離れた燃料棒３５の燃焼度が偏っていても、中性子係数値Ｓ1とＳ2とを相乗平均することによって、Δｒの影響を打ち消すことができるからである。これによって、すべての燃料棒３５が使用済み燃料３０の断面内中心部に存在する場合と同様に評価できるので、各燃料棒の燃焼度ばらつきの影響を考慮する必要がなくなる。これは、グロスγ線量率Ｇについても同様である。
【００４１】
中性子計数値Ｓ及びグロスγ線量率Ｇを求めたら、これらの値から使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを求める。ＰＷＲの使用済み燃料では、高速中性子計数値Ｓとグロスγ線量率Ｇとは次の式で表すことができる。
【数４】
右辺第１項は半減期の比較的長いＣｍ−２４４（半減期１８．１年）とＰｕ核種からの中性子放出を表す。半減期の比較的長い核種はＣｍ−２４４が支配的なので時間減衰はＣｍ−２４４の崩壊定数で代表できる。これによって、λ１は０．０３８３（１／年）となる。右辺第二項は半減期の短いＣｍ−２４２（半減期１６２．８日）核種からの寄与を表し、λ２は１．５５４（１／年）となる。また、Ｋ1、Ｋ2は定数、Ｂは燃焼度（ＧＷＤ／ｔ）、Ｅは初期濃縮度、ｔは冷却期間（年）を表す。そして、ａ１、ｂ１、ａ２、ｂ２は定数であって、それぞれａ１≒４、ｂ１≒２、ａ２≒３、ｂ２≒１程度の値である。ここで、ａ１、ｂ１、ａ２、ｂ２は、実際の使用済み燃料を測定した結果又は燃焼計算結果を式（１）に代入して求める。また、グロスγ線量率Ｇは、
Ｇ＝Ｋ3×ｔ-c×Ｂd・・・（２）
ここで、ｃはα＋β×ｌｏｇｔ（α、βは定数）で表される定数であり、また、ｄは１程度の定数である。
【００４２】
上記関係式から、使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを求める。まず、測定した高速中性子計数値Ｓとグロスγ線量率Ｇとを、上記式（１）と式（２）とに代入して、両式を連立させて使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを求める。このとき、初期濃縮度Ｅは、通常使用される取替燃料の初期濃縮度Ｅの値（例えば４．１％）を代入する。これは、ＰＷＲにおいては取替燃料の初期濃縮度Ｅは、特殊な場合を除いて一定だからである。また、上記式（１）と式（２）とを用いて、図５に示すようなグロスγ線量率Ｇをパラメータとした高速中性子計数値Ｓと燃焼度Ｂとの関係を予め求めておいて、測定した高速中性子計数値Ｓ及びグロスγ線量率Ｇから燃焼度Ｂを読み取ってもよい。なお、図５は、グロスγ線量率をパラメータとしたときにおける高速中性子計数値と燃焼度との関係を示す説明図である。
【００４３】
上記手順は、炉心管理データが利用できない場合に燃焼度Ｂを求める手順であるが、炉心管理データが利用できる場合にはこれを利用して燃焼度Ｂを求めてもよい。この場合には、炉心管理データの初期濃縮度Ｅと冷却期間ｔ、及び測定した高速中性子計数値Ｓを式（１）に代入して、燃焼度Ｂを求めることができる。燃焼度Ｂと高速中性子計数値Ｓとの関係は図６に示すような傾向にあるので、高速中性子計数値Ｓから燃焼度Ｂを求める際の誤差は小さくなる。ここで、図６は、高速中性子計数値と燃焼度との関係を示す説明図である。
【００４４】
このように、炉心管理データの初期濃縮度Ｅと冷却期間ｔとが利用できる場合には、高速中性子計数値Ｓのみから燃焼度Ｂを求めることができるが、測定したグロスγ線量率Ｇは、高速中性子の測定が所定のγ線量率Ｇの範囲内で行われているかどうかの確認に使用できる。また、グロスγ線量率Ｇ及び冷却期間ｔを式（２）に代入して、使用済み燃料の燃焼度測定装置１０の動作確認に利用できる。すなわち、式（２）から求めた燃焼度Ｂ2と式（１）から求めた燃焼度Ｂ1とに大きな違いがあれば、使用済み燃料の燃焼度測定装置１０に何らかの異常が発生したと推定できる。
【００４５】
上記手順によって求めた使用済み燃料３０の燃焼度Ｂが、冷却期間ｔに応じて定まる所定の値よりも小さい場合には、警報信号を発生する信号発生手段５８から警報信号を発生させることができる。そして、この警報信号によって、例えば警報ランプ５１を点燈させたり、警報音を発生させたり、あるいは燃料ハンドリングクレーン４４の停止させたりすることができる。また、燃料ハンドリングクレーン４４を逆に動かして、使用済み燃料貯蔵ピット３２の貯蔵ラック３６へ使用済み燃料３０を戻すこともできる。なお、信号発生手段５８としてコンピュータ５６内の信号発生回路（図示せず）を利用してもよい。燃焼度Ｂが冷却期間ｔに応じた所定の値よりも大きい場合には、キャスクピット３４内に設置されるキャスク４０内に使用済み燃料３０を収納する。
【００４６】
このように、本発明に係る使用済み燃料３０の燃焼度測定装置１０においては、対向配置された放射線検出手段２０の高速中性子検出手段２２によって使用済み燃料３０の両側面から放射される高速中性子を計数し、二つの計数値を相乗平均する。したがって、使用済み燃料３０の移動時における放射線検出手段２０方向に対するずれ、及び使用済み燃料３０内における横方向（使用済み燃料３０の長手方向に対して垂直な方向）の燃焼度分布を打ち消すことができる。これによって、使用済み燃料３０の平均燃焼度に対応する高速中性子計数値Ｓ及びグロスγ線量率Ｇを精度よく求めることができる。また、従来は放射線検出手段２０方向に対するずれ等を補正する必要があったが、この使用済み燃料の燃焼度測定装置１０においては、このような補正のための装置や演算が不要になるため、装置の構成やデータ処理を簡略化できる。
【００４７】
さらに、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０では、使用済み燃料３０の移動中に燃焼度Ｂを測定できる。これによって、燃焼度Ｂを測定するために測定装置まで使用済み燃料３０を移動させたり測定装置へ使用済み燃料３０を取り付けたりする特別な燃料ハンドリングが不要になるので、測定作業の安全性を高くできる。また、既設及び新設の使用済み燃料貯蔵ピット３２やキャスクピット３４等に設けられた通例の使用済み燃料搬出路、つまりすべての使用済み燃料３０が通過する経路にこの発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０を設ける。これによって、使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを測定するために使用済み燃料３０を迂回させずに燃焼度Ｂを測定できるため、測定の手間を大幅に低減できる。さらに、使用済み燃料３０の移動中に燃焼度Ｂの測定が完了するので、測定に要する時間を従来よりも短くできる。その結果、測定時間が短くなるので、放射線検出手段２０等の放射線損傷を低減できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項１）では、複数の放射線検出手段を対向配置して、この間に使用済み燃料を通過又は停止させて高速中性子計数値を測定し、それぞれの放射線検出手段で検出された高速中性子計数値の相乗平均値に基づいて使用済み燃料の燃焼度を求めるようにした。このため、燃焼度測定のための特別な燃料ハンドリングが不要になるので、測定作業の安全性を高くできる。また、使用済み燃料の移動中に燃焼度の測定が完了するので、測定に要する時間を従来よりも短くでき、これによって測定装置の放射線損傷も低減できる。さらに、選択的に計数した高速中性子計数値の相乗平均値によって燃焼度を求めるので、使用済み燃料の移動時における水平方向のずれ等を打ち消して、燃焼度を精度よく求めることができる。また、放射線検出手段の間に使用済み燃料を停止させて高速中性子等を検出して燃焼度を求めるようにすれば、高速中性子等の積算計数を多くすることができる。これによって計数の統計誤差を低減できるので、燃焼度の測定精度をさらに向上させることができる。
【００４９】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項２）では、データ処理手段によって高速中性子計数値から使用済み燃料の燃焼度を求めるようにしたので、迅速に使用済み燃料の燃焼度を求めることができる。また、使用済み燃料の冷却期間に応じて定まる所定の値よりも燃焼度が小さい場合には、信号発生手段からの警報信号により警報機を作動させたり使用済み燃料の移動を中止させたりすることができる。これによって、高い反応度を有する燃焼度の低い使用済み燃料をキャスク内に収納するおそれがなくなる。
【００５０】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項３）では、さらにγ線検出手段を備え、高速中性子計数値の相乗平均値とグロスγ線量率の相乗平均値とによって使用済み燃料の燃焼度を求めるようにした。このため、炉心管理データが存在しない場合であっても、グロスγ線量率によって使用済み燃料の燃焼度を求めることができるので、汎用性を高くできる。
【００５１】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項４）では、使用済み燃料の長手方向一定の高さに放射線検出手段を配置したので、使用済み燃料の長手方向における高速中性子等の放射分布の影響を低減できるので、精度の高い測定ができる。
【００５２】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項５）では、放射線検出手段を使用済み燃料の移動経路の途中に配置した。このため、使用済み燃料を燃料貯蔵ピットからキャスクピットへ移動する間に燃焼度を測定できるので、測定時間を大幅に短縮できる。また、測定時間が短くなる結果、放射線損傷を低減できるので安全性が向上する。
【００５３】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項６）では、高速中性子検出手段にカドミウム等の熱中性子吸収層を設けたので、高速中性子を選択的に検出できる。これによって、ボロンを含有しない水中に貯蔵されるＢＷＲ用の使用済み燃料の燃焼度を測定する場合でも、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置を適用して、迅速に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置を配置した使用済み燃料プールを示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置の検出部を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る高速中性子検出手段を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置のデータ処理系統例を示す説明図である。
【図５】グロスγ線量率をパラメータとしたときにおける高速中性子計数値と燃焼度との関係を示す説明図である。
【図６】高速中性子計数値と燃焼度との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１１、１２ 使用済み燃料の燃焼度測定装置
２０、２０1、２０2 放射線検出手段
２２、２２'、２２1、２２2 高速中性子検出手段
２２ｓ 中性子検出部
２４、２４1、２４2 γ線量率計
２６、２８ 架台
２６ｂ 距離固定手段
３０ 使用済み燃料
３１ ゲート部
３８ キャナル部
４４ 燃料ハンドリングクレーン
４４' 燃料支持棒
５０ データ処理手段
５１ 警報ランプ
５２ 信号処理回路
５４ 演算部
５６ コンピュータ
５８ 信号発生手段
【発明の属する技術分野】
この発明は、使用済み燃料の燃焼度測定に関し、さらに詳しくは、簡便且つ迅速に使用済み燃料の燃焼度を測定できる使用済み燃料の測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炉心内で燃焼を終え使用できなくなった核燃料を、使用済み燃料という。使用済み燃料は、核分裂生成物ＦＰなど高放射能物質を含むので熱的に冷却する必要があるから、原子力発電所の燃料貯蔵ピットで所定期間（１〜１０年間）冷却される。その後、輸送・貯蔵を目的とする収納容器であるキャスクに収納され、トラック等で再処理施設等に搬送、貯蔵される。
【０００３】
キャスクや燃料貯蔵ピットに燃焼度クレジットを採用する場合には、使用済み燃料の燃焼度を測定し管理する必要がある。ここで、燃焼度クレジットとは、核燃料の燃焼による核種組成の変化を考慮した合理的な臨界安全性設計をいう。使用済み燃料の燃焼度を測定する方法としては、例えば、特開昭６１−２６２６９２号公報には、γ線スペクトル分析によって使用済み燃料の燃焼度を求める方法が開示されている。
【０００４】
また、特開平６−１６０５８５号公報には、使用済み燃料を計測装置に設置して、中性子検出器による中性子計数値とＣｄ−Ｔｅ検出器によるγ線スペクトル分析に基づくデータによって使用済み燃料の燃焼度を測定する方法が開示されている。さらに、特開平１０−３９０８５号公報には、γ線検出器を装着したホルダーに使用済み燃料を挟み込んで静置させて測定し、中性子計数率とγ線スペクトル分析とによって使用済み燃料の燃焼度を求める方法が開示されている。この方法には、使用済み燃料から放出されて熱化した熱中性子を測定して使用済み燃料の燃焼度を求める方法が使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記いずれの測定方法によっても、使用済み燃料を測定装置の架台に静置して燃焼度を測定していた。このため、使用済み燃料を測定箇所まで移動させる作業が必要であり、その作業に手間を要していた。また、上記計測方法においてはγ線スペクトル分析が利用されているので、小型の検出器を使用した場合には測定効率が小さいため信頼できるデータを取得するのに時間を要していた。
【０００６】
一方、γ線スペクトル分析に大型の検出装置を使用すると検出装置が大掛かりなものとなり、大きな設置スペースを要したり製造コストが上昇したりしていた。また、熱中性子の測定は測定位置の影響が大きく、測定位置のわずかなずれによって大きく熱中性子計数値が変化してしまう。このため、熱中性子を利用する場合には測定装置の架台に静置して熱中性子を計数する必要があり、上記したものと同様の問題がある。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡便且つ迅速に使用済み燃料の燃焼度を測定できる使用済み燃料の測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、少なくとも高速中性子検出手段を備えた複数の放射線検出手段を使用済み燃料の側方両側に対向配置して、移動中の使用済み燃料から放出される高速中性子をそれぞれの前記放射線検出手段によって検出し、それぞれの前記放射線検出手段によって検出された高速中性子計数値の相乗平均値から前記使用済み燃料の燃焼度を求めることを特徴とする。
【０００８】
ボロンを含んでいないプール水中での使用済み燃料の燃焼度測定に用いられる熱中性子を利用する方法は、上述した通り測定位置の影響を大きく受けるため、測定装置の架台に静置して測定する必要があった。このため、使用済み燃料の移動中に測定する簡易且つ迅速な測定には不向きであった。本発明者らは鋭意研究の結果、使用済み燃料の両側から高速中性子を選択的に計数して両者の計数値の相乗平均をとれば、測定位置の影響や使用済み燃料内における各燃料棒の燃焼度ばらつきを打ち消すことができることを見出した。これは、高速中性子は距離に対して指数関数的に減衰する性質を利用したものである。これによって、測定中に高速中性子検出手段等と使用済み燃料との距離が変化しても、この影響を打ち消すことができるので、使用済み燃料を燃料貯蔵ピット内で移動させる過程において、高い精度で燃焼度を求めることができるようになった。
【０００９】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置は、少なくとも高速中性子検出手段を備えた複数の放射線検出手段を対向配置して、この間を使用済み燃料が通過する間、又は停止中に高速中性子計数値を測定する。そして、対向配置したそれぞれの放射線検出手段で検出された高速中性子計数値と燃焼度及び冷却期間との関係から、使用済み燃料の燃焼度を求める。このため、使用済み燃料を燃料貯蔵ピットからキャスクピットへ移動させる間に使用済み燃料の燃焼度を求めることができる。その結果、使用済み燃料の燃焼度を測定するために測定装置まで使用済み燃料を移動させたり、測定装置へ使用済み燃料を取り付けたりする特別な燃料ハンドリングが不要になるので、測定作業の安全性を高くできる。また、使用済み燃料の移動中に燃焼度の測定が完了するので、測定に要する時間を従来よりも短くでき、これによって検出器の放射線損傷も低減できる。
【００１０】
一方、放射線検出手段の間に使用済み燃料を停止させて高速中性子等を検出して燃焼度を求めることもできる。この場合には、使用済み燃料の移動中に燃焼度を求める場合と比較して測定時間を長くすることにより、高速中性子等の積算計数を多くできる。これによって計数の統計誤差を低減できるので、燃焼度の測定精度をさらに向上させることができる。
【００１１】
さらに、この使用済み燃料の燃焼度測定装置では、高速中性子を選択的に計数して、計数値の相乗平均値によって燃焼度を求める。これによって、使用済み燃料の移動時における放射線検出器方向へのずれ、及び使用済み燃料の横方向（長手方向に対して垂直な方向）における燃焼度分布を打ち消して、使用済み燃料全体を平均した燃焼度に対応する中性子計数値を精度よく求めることができる。なお、高速中性子とは、エネルギーが約０．５ｅＶ以上の中性子をいう（以下同様）。また、エネルギーが約０．５ｅＶよりも小さい中性子は熱中性子という（以下同様）。また、本発明にいう使用済み燃料には、複数の核燃料棒を筐体内に備えた、いわゆる使用済み燃料集合体も含まれるものとする（以下同様）。
【００１２】
また、請求項２に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、使用済み燃料の側方両側に対向配置される、少なくとも高速中性子検出手段を備えた複数の放射線検出手段と、対向配置される前記放射線検出手段によって、移動中の使用済み燃料から検出された高速中性子計数値の相乗平均値を算出し、これと使用済み燃料の燃焼率との関係を用いて使用済み燃料の燃焼度を求めるデータ処理手段と、前記使用済み燃料の燃焼度が所定の値を下回る場合には、その使用済み燃料の移動を中止する信号、警報機を作動させる信号その他の警報信号を発生させる信号発生手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置は、データ処理手段によって高速中性子計数値から使用済み燃料の燃焼度を求めるので、迅速に使用済み燃料の燃焼度を求めることができる。また、使用済み燃料の冷却期間に応じて定まる所定の値よりも燃焼度が小さい場合には、信号発生手段からの警報信号により警報機を作動させたり使用済み燃料の移動を中止したりできる。その結果、燃焼度クレジットを採用したキャスク又はプールへの装荷作業において、高い反応度を有する燃焼度の低い使用済み燃料をキャスク等に収納するおそれがなくなるので安全性を高くできる。
【００１４】
また、請求項３に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、請求項１又は２に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置において、さらに、上記放射線検出手段にはγ線検出手段が備えられ、上記放射線検出手段によって検出された高速中性子計数値の相乗平均値とグロスγ線量率の相乗平均値とによって使用済み燃料の燃焼度を求めることを特徴とする。
【００１５】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置は、さらにγ線検出手段を備え、高速中性子計数値の相乗平均値とグロスγ線量率の相乗平均値とによって使用済み燃料の燃焼度を求める。このため、炉心管理データが利用できない場合であっても、グロスγ線量率によって使用済み燃料の冷却期間の効果を補正して燃焼度を求めることができるので、汎用性を高くできる。また、炉心管理データを使用できる場合であっても、グロスγ線量率によって燃焼度を検定できるので、炉心管理データと測定値との整合性を確認でき、システムの信頼性を向上させることができる。
【００１６】
また、請求項４に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置において、上記放射線検出手段は、使用済み燃料の長手方向における一定の高さに配置されることを特徴とする。使用済み燃料は一般に細長い構造であり、長手方向に高速中性子等の放射分布を持つ。そこで、このように、使用済み燃料の長手方向における一定の高さに放射線検出手段を配置すれば、使用済み燃料の長手方向における高速中性子等の放射分布の影響を低減できるので、精度の高い測定ができる。
【００１７】
また、請求項５に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置において、上記放射線検出手段は、使用済み燃料の移動経路の途中に備えられていることを特徴とする。このような構成により、使用済み燃料を燃料貯蔵ピットからキャスクピットへ移動する間に燃焼度を測定できるので、従来のように測定装置に使用済み燃料を設置する等の手間を要さない。移動中の使用済み燃料を測定することによって、測定作業に要する時間を大幅に短縮できるので作業効率を向上させることができる。また、測定時間の短縮によって測定装置の放射線損傷を低減できるので、測定装置の信頼性が向上する。
【００１８】
また、請求項６に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置において、上記高速中性子検出手段は、さらに中性子吸収材を有する熱中性子吸収層を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置は、ボロンを含有しない水、すなわち中性子吸収材を含まない水が満たされた燃料貯蔵ピット等における使用に際して、高速中性子検出手段にカドミウム、ハフニウム等の熱中性子吸収層を設けたので、熱中性子吸収層で熱中性子を吸収して高速中性子を選択的に検出できる。これによって、一般にボロン非含有水中に貯蔵されるＢＷＲ（Boiling Water Reactor：沸騰水型原子炉）用の使用済み燃料の燃焼度測定装置としても使用できるので、測定時間を短縮したり安全性を向上させたりすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれるものとする。なお、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置及び測定方法は、特にＰＷＲ（Pressurized Water Reactor：加圧水型原子炉）用の使用済み燃料に適するが、ＢＷＲ用の使用済み燃料にも適用できる。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置を配置した使用済み燃料プールを示す説明図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置の検出部を示す説明図である。この使用済み燃料の燃焼度測定装置１０は、少なくとも高速中性子検出手段２２を備えた複数の放射線検出手段２０を対向配置し、この間に使用済み燃料３０を通過させて使用済み燃料３０の側面から放射される高速中性子等を測定して使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを求める点に特徴がある。
【００２２】
炉心内で燃焼を終え使用できなくなった使用済み燃料３０は、水で満たされた使用済み燃料貯蔵ピット３２に備えられる貯蔵ラック３６に挿入されて所定の期間冷却される。使用済み燃料貯蔵ピット３２内の貯蔵ラック３６で所定の期間冷却された使用済み燃料３０は、輸送・貯蔵を目的とする収納容器であるキャスク４０内に収納されて、トラック等により再処理施設等に搬送、貯蔵される。
【００２３】
キャスク４０内に収納される使用済み燃料３０は、燃料ハンドリングクレーン４４のワイヤ４４ｗに取り付けられた燃料支持棒４４'によって貯蔵ラック３６内から一体ずつ取り出された後、移動経路であるキャナル部３８を通過してキャスクピット３４へ搬送される。そして、キャスクピット３４内に設置されたキャスク４０内に収納される。キャスク４０内には、格子状セルが複数形成されたバスケット４２が配置されており、使用済み燃料３０は格子状のセルにそれぞれ１体ずつ挿入される。
【００２４】
使用済み燃料３０の燃焼度を使用済み燃料３０の移動中に測定するため、高速中性子等の放射線検出手段２０は、使用済み燃料３０の移動経路途中に設ける必要がある。また、この発明においては、図２に示すように、二台の放射線検出手段２０を使用済み燃料３０の両側面に配置して、高速中性子を計数する。このため、幅の狭いキャナル部３８の両側面３８1、３８2に、それぞれ本発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０の放射線検出手段２０が取り付けられている。そして、使用済み燃料３０が使用済み燃料貯蔵ピット３２からキャスクピット３４へ移動する間に、この高速中性子検出手段２２によって、使用済み燃料３０から放出される高速中性子が計数される。
【００２５】
なお、使用済み燃料貯蔵ピット３２やキャスクピット３４の構造によっては、使用済み燃料３０の移動経路途中にキャナル部３８のような幅の狭い部分が存在しない場合もある。このような場合には、図１（ｃ）に示すように、使用済み燃料貯蔵ピット３２とキャスクピット３４との間にゲート部３１を設けて、ここに放射線検出手段２０を設ける。
【００２６】
次に、図２を用いてこの発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０について説明する。放射線検出手段２０は、γ線量率計２４と中性子検出部２２ｓを有する高速中性子検出手段２２とによって構成されている。なお、後述するデータ処理の際に炉心管理データを利用できる場合には、必ずしもγ線量率計２４を使用する必要はない。
【００２７】
図２（ｂ）に示すように、キャナル部３８に対向して配置される二台の放射線検出手段２０は架台２６に取り付けられる。そして、使用済み燃料３０の長手方向における一定の高さｈに位置するように配置される。なお、放射線検出手段２０は使用済み燃料３０の長手方向略中央部に配置することが好ましいが、使用済み燃料３０の長手方向における高速中性子等の放射分布が一定の部分であれば、必ずしも中央部付近に配置しなくともよい。
【００２８】
また、測定のばらつきを低減するため、架台頂部２６ａから二台の放射線検出手段２０までの深さＤは同じ大きさになるようにしてある。これによって、使用済み燃料３０の長手方向における一定の高さｈの位置に二台の放射線検出手段２０が対向配置されて、測定のバラツキを低減できる。そして、対向配置される二台の放射線検出手段２０の間を使用済み燃料３０が通過する間に、使用済み燃料３０の両側から高速中性子とγ線とを測定する。
【００２９】
この使用済み燃料の燃焼度測定装置１０では、使用済み燃料３０が放射線検出手段２０を通過する間に測定を終了する必要がある。このため、放射線検出手段２０を構成するγ線量率計２４には、短時間で測定のできるグロスγ線量率計を使用して、ピークの線量率を計測する。グロスγ線量率計には、例えば光伝送型のγ線検出器や電離箱型検出器を使用することができる。
【００３０】
図３は、この発明の実施の形態１に係る高速中性子検出手段を示す断面図である。高速中性子検出手段２２の中性子検出部２２ｓには、ボロン被覆検出器、光伝送型シンチレーション中性子検出器、あるいは核分裂計数管等が使用できる。特に光伝送型シンチレーション中性子検出器やボロン被覆検出器は、許認可が不要であるため好ましい。また、高速中性子検出手段２２は、図３（ａ）に示すように、厚さｕ1が数ｃｍの鉛２２Ｐｂと厚さｕ2が数ｃｍのポリエチレン２２ｐとで被覆してある。鉛２２Ｐｂで被覆するのは、中性子を検出するために使用済み燃料３０から放射されるγ線の線量率を低くして、中性子ｎとγ線との弁別性を向上させることにより、高速中性子の測定精度を高くするためである。また、ポリエチレン２２ｐで被覆するのは、高速中性子検出手段２２に到達する高速中性子を減速させて、高速中性子検出手段２２の検出感度を向上させるためである。
【００３１】
この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０は、特にＰＷＲ用の使用済み燃料３０の燃焼度を測定する場合に適する。ＰＷＲ用の使用済み燃料貯蔵ピット３２は、中性子吸収能が大きいボロンを２０００ｐｐｍ程度添加した水で満たされている。したがって、使用済み燃料３０から放射される熱中性子はほとんど水中のボロンに吸収されてしまい、高速中性子検出手段２２の中性子検出部２２ｓに到達するのはほとんどが高速中性子である。このため、高速中性子を検出するためにポリエチレン２２ｐで高速中性子検出手段２２を被覆するのである。
【００３２】
一方、ＢＷＲ用の使用済み燃料は、ボロンを含有しない水で満たされた使用済み燃料貯蔵ピットに貯蔵される。このような環境下でこの発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０を使用すると、高速中性子の他、熱中性子も高速中性子検出手段２２に到達する結果、高速中性子の検出精度を低下させてしまう。このような場合には、図３（ｂ）に示す高速中性子検出手段２２'のように、ポリエチレン２２ｐの外側にカドミウム（Ｃｄ）やハフニウム（Ｈｆ）、ボロン（Ｂ）、ガドリニウム（Ｇｄ）その他の中性子吸収断面積の大きい中性子吸収材で構成した熱中性子吸収層２２Ｃｄを設ける。そして、この中性子吸収層２２ｄによって熱中性子を遮断し、ポリエチレン２２ｐで減速された高速中性子成分のみが高速中性子検出手段２２に到達するようにして、使用済み燃料から放出される高速中性子を検出する。
【００３３】
図４は、この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置のデータ処理系統例を示す説明図である。使用済み燃料３０は、燃料ハンドリングクレーン４４によって貯蔵ラック３６内から一体ずつ取り出された後、高さを一定に保ってキャナル部３８を通過する。ここで、測定の都合上、燃料ハンドリングクレーン４４の移動速度は３．０〜４．０ｍ／分以下程度が好ましい。そして、放射線検出手段２０の長さにもよるが、放射線検出手段２０を通過する時間は１分以下程度となる。使用済み燃料３０がキャナル部３８を通過する間に、使用済み燃料３０から放射される高速中性子とγ線とがキャナル部３８に備えられた放射線検出手段２０1、２０2で検出される。検出データはデータ処理手段５０に設けられた信号処理回路５２へ送られて、演算部５４が処理しやすい形に加工する。なお、図４（ｂ）に示すように、データ処理手段５０は、信号処理回路５２とコンピュータ５６とによって構成してもよい。
【００３４】
このとき、放射線検出手段２０1、２０2の入口と出口とに使用済み燃料３０の位置検出センサ６０ｉ、６０ｏを設けて、これらのセンサから送られる使用済み燃料３０の位置情報によって、データの取り込みを開始・終了する。また、放射線検出手段２０1等によって検出される高速中性子等が所定の値を超えたら、これをトリガー信号としてデータの取り込みを開始し、高速中性子等が所定の値以下になったらデータの取り込みを終了するようにしてもよい。さらに、燃料ハンドリングクレーン４４の位置情報を基準としてデータの取り込みを開始・終了してもよい。
【００３５】
また、使用済み燃料３０を対向して設けられる放射線検出手段２０1、２０2の間で所定の時間だけ静止させて、使用済み燃料３０から放射される高速中性子とγ線とを測定してもよい。この場合には、例えば使用済み燃料３０の位置検出センサ６０ｉ、６０ｏや燃料ハンドリングクレーン４４の位置情報によって、対向して設けられる放射線検出手段２０1、２０2の間に使用済み燃料３０が移動したことを検知してから測定を開始し、所定の時間だけ測定を継続する。所定の時間はタイマーやカウンタ等の計数手段によって求める。このようにすると、測定のために使用済み燃料３０が停止している分だけ測定時間を長くできるので、高速中性子等の積算計数を多くできる。これによって、計数の統計誤差を低減できるので、燃焼度の測定精度をさらに向上させることができる。
【００３６】
ここで、上記演算部５４は専用のハードウエアにより実現されるものであってもよく、また、この演算部５４はメモリおよびＣＰＵ（中央演算装置）により構成され、演算部５４の機能を実現するためのプログラム（図示省略）をメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。また、このデータ処理手段５０には、周辺機器として入力装置、表示装置など（いずれも図示省略）をメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。また、演算部５４の代わりにコンピュータ５６を使用する場合には、周辺機器として入力装置、表示装置など（いずれも図示省略）が接続されるものとする。ここで、入力装置とはキーボード、マウス等の入力デバイスのことをいう。表示装置とはＣＲＴ（Cathode Ray Tube）や液晶表示装置などのことをいう。
【００３７】
信号処理回路５２から送られてきた検出データを受け取った演算部５４は、次に説明するデータ処理手順によって測定対象の使用済み燃料３０の燃焼度を算出する。まず、高速中性子検出手段２２1及び２２2で検出された中性子係数値をそれぞれＳ1及びＳ2とし、γ線量率計２４1及び２４2で検出されたグロスγ線量率をＧ1及びＧ2とする。そして、この発明においては、これらの値の相乗平均√（Ｓ1×Ｓ2）及び√（Ｇ1×Ｇ2）、を求めて使用済み燃料３０の中性子係数値Ｓ及びグロスγ線量率Ｇとする。この理由を次に説明する。
【００３８】
使用済み燃料３０は長さが３〜４ｍあり、長手方向の長さが大きい。この発明においては、従来の使用済み燃料の燃焼度測定装置とは異なり、使用済み燃料３０から放射される中性子のうち高速中性子を選択的に測定する。このため、使用済み燃料３０の近傍に高速中性子検出手段２２1、２２2を設置すると、使用済み燃料３０と高速中性子検出手段２２との距離変化に対し中性子係数値Ｓは指数関数的に変化する。また、γ線量率Ｇも同様に、指数関数的に変化する。したがって、高速中性子検出手段２２1及び２２2で検出される高速中性子の計数値は、それぞれ
【数１】
【００３９】
いま、使用済み燃料３０が高速中性子検出手段２２1に向かってΔｌだけ近づいた場合を考える。このとき、高速中性子検出手段２２1及び２２2で検出される高速中性子の計数値は、それぞれ
【数２】
【数３】
【００４０】
また、使用済み燃料３０の内部に備えられた燃料棒の燃焼度にばらつきがある場合でも、分布に各高速中性子検出手段２２1及び２２2で検出された高速中性子係数値Ｓ1とＳ2との相乗平均をとってこれを高速中性子計数値Ｓとすれば、このばらつきを排除できる。使用済み燃料３０の大きさは一定であり、使用済み燃料３０内部においても高速中性子は略指数関数的に減衰する。したがって、使用済み燃料３０の中心からΔｒ離れた燃料棒３５の燃焼度が偏っていても、中性子係数値Ｓ1とＳ2とを相乗平均することによって、Δｒの影響を打ち消すことができるからである。これによって、すべての燃料棒３５が使用済み燃料３０の断面内中心部に存在する場合と同様に評価できるので、各燃料棒の燃焼度ばらつきの影響を考慮する必要がなくなる。これは、グロスγ線量率Ｇについても同様である。
【００４１】
中性子計数値Ｓ及びグロスγ線量率Ｇを求めたら、これらの値から使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを求める。ＰＷＲの使用済み燃料では、高速中性子計数値Ｓとグロスγ線量率Ｇとは次の式で表すことができる。
【数４】
Ｇ＝Ｋ3×ｔ-c×Ｂd・・・（２）
ここで、ｃはα＋β×ｌｏｇｔ（α、βは定数）で表される定数であり、また、ｄは１程度の定数である。
【００４２】
上記関係式から、使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを求める。まず、測定した高速中性子計数値Ｓとグロスγ線量率Ｇとを、上記式（１）と式（２）とに代入して、両式を連立させて使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを求める。このとき、初期濃縮度Ｅは、通常使用される取替燃料の初期濃縮度Ｅの値（例えば４．１％）を代入する。これは、ＰＷＲにおいては取替燃料の初期濃縮度Ｅは、特殊な場合を除いて一定だからである。また、上記式（１）と式（２）とを用いて、図５に示すようなグロスγ線量率Ｇをパラメータとした高速中性子計数値Ｓと燃焼度Ｂとの関係を予め求めておいて、測定した高速中性子計数値Ｓ及びグロスγ線量率Ｇから燃焼度Ｂを読み取ってもよい。なお、図５は、グロスγ線量率をパラメータとしたときにおける高速中性子計数値と燃焼度との関係を示す説明図である。
【００４３】
上記手順は、炉心管理データが利用できない場合に燃焼度Ｂを求める手順であるが、炉心管理データが利用できる場合にはこれを利用して燃焼度Ｂを求めてもよい。この場合には、炉心管理データの初期濃縮度Ｅと冷却期間ｔ、及び測定した高速中性子計数値Ｓを式（１）に代入して、燃焼度Ｂを求めることができる。燃焼度Ｂと高速中性子計数値Ｓとの関係は図６に示すような傾向にあるので、高速中性子計数値Ｓから燃焼度Ｂを求める際の誤差は小さくなる。ここで、図６は、高速中性子計数値と燃焼度との関係を示す説明図である。
【００４４】
このように、炉心管理データの初期濃縮度Ｅと冷却期間ｔとが利用できる場合には、高速中性子計数値Ｓのみから燃焼度Ｂを求めることができるが、測定したグロスγ線量率Ｇは、高速中性子の測定が所定のγ線量率Ｇの範囲内で行われているかどうかの確認に使用できる。また、グロスγ線量率Ｇ及び冷却期間ｔを式（２）に代入して、使用済み燃料の燃焼度測定装置１０の動作確認に利用できる。すなわち、式（２）から求めた燃焼度Ｂ2と式（１）から求めた燃焼度Ｂ1とに大きな違いがあれば、使用済み燃料の燃焼度測定装置１０に何らかの異常が発生したと推定できる。
【００４５】
上記手順によって求めた使用済み燃料３０の燃焼度Ｂが、冷却期間ｔに応じて定まる所定の値よりも小さい場合には、警報信号を発生する信号発生手段５８から警報信号を発生させることができる。そして、この警報信号によって、例えば警報ランプ５１を点燈させたり、警報音を発生させたり、あるいは燃料ハンドリングクレーン４４の停止させたりすることができる。また、燃料ハンドリングクレーン４４を逆に動かして、使用済み燃料貯蔵ピット３２の貯蔵ラック３６へ使用済み燃料３０を戻すこともできる。なお、信号発生手段５８としてコンピュータ５６内の信号発生回路（図示せず）を利用してもよい。燃焼度Ｂが冷却期間ｔに応じた所定の値よりも大きい場合には、キャスクピット３４内に設置されるキャスク４０内に使用済み燃料３０を収納する。
【００４６】
このように、本発明に係る使用済み燃料３０の燃焼度測定装置１０においては、対向配置された放射線検出手段２０の高速中性子検出手段２２によって使用済み燃料３０の両側面から放射される高速中性子を計数し、二つの計数値を相乗平均する。したがって、使用済み燃料３０の移動時における放射線検出手段２０方向に対するずれ、及び使用済み燃料３０内における横方向（使用済み燃料３０の長手方向に対して垂直な方向）の燃焼度分布を打ち消すことができる。これによって、使用済み燃料３０の平均燃焼度に対応する高速中性子計数値Ｓ及びグロスγ線量率Ｇを精度よく求めることができる。また、従来は放射線検出手段２０方向に対するずれ等を補正する必要があったが、この使用済み燃料の燃焼度測定装置１０においては、このような補正のための装置や演算が不要になるため、装置の構成やデータ処理を簡略化できる。
【００４７】
さらに、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０では、使用済み燃料３０の移動中に燃焼度Ｂを測定できる。これによって、燃焼度Ｂを測定するために測定装置まで使用済み燃料３０を移動させたり測定装置へ使用済み燃料３０を取り付けたりする特別な燃料ハンドリングが不要になるので、測定作業の安全性を高くできる。また、既設及び新設の使用済み燃料貯蔵ピット３２やキャスクピット３４等に設けられた通例の使用済み燃料搬出路、つまりすべての使用済み燃料３０が通過する経路にこの発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置１０を設ける。これによって、使用済み燃料３０の燃焼度Ｂを測定するために使用済み燃料３０を迂回させずに燃焼度Ｂを測定できるため、測定の手間を大幅に低減できる。さらに、使用済み燃料３０の移動中に燃焼度Ｂの測定が完了するので、測定に要する時間を従来よりも短くできる。その結果、測定時間が短くなるので、放射線検出手段２０等の放射線損傷を低減できる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項１）では、複数の放射線検出手段を対向配置して、この間に使用済み燃料を通過又は停止させて高速中性子計数値を測定し、それぞれの放射線検出手段で検出された高速中性子計数値の相乗平均値に基づいて使用済み燃料の燃焼度を求めるようにした。このため、燃焼度測定のための特別な燃料ハンドリングが不要になるので、測定作業の安全性を高くできる。また、使用済み燃料の移動中に燃焼度の測定が完了するので、測定に要する時間を従来よりも短くでき、これによって測定装置の放射線損傷も低減できる。さらに、選択的に計数した高速中性子計数値の相乗平均値によって燃焼度を求めるので、使用済み燃料の移動時における水平方向のずれ等を打ち消して、燃焼度を精度よく求めることができる。また、放射線検出手段の間に使用済み燃料を停止させて高速中性子等を検出して燃焼度を求めるようにすれば、高速中性子等の積算計数を多くすることができる。これによって計数の統計誤差を低減できるので、燃焼度の測定精度をさらに向上させることができる。
【００４９】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項２）では、データ処理手段によって高速中性子計数値から使用済み燃料の燃焼度を求めるようにしたので、迅速に使用済み燃料の燃焼度を求めることができる。また、使用済み燃料の冷却期間に応じて定まる所定の値よりも燃焼度が小さい場合には、信号発生手段からの警報信号により警報機を作動させたり使用済み燃料の移動を中止させたりすることができる。これによって、高い反応度を有する燃焼度の低い使用済み燃料をキャスク内に収納するおそれがなくなる。
【００５０】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項３）では、さらにγ線検出手段を備え、高速中性子計数値の相乗平均値とグロスγ線量率の相乗平均値とによって使用済み燃料の燃焼度を求めるようにした。このため、炉心管理データが存在しない場合であっても、グロスγ線量率によって使用済み燃料の燃焼度を求めることができるので、汎用性を高くできる。
【００５１】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項４）では、使用済み燃料の長手方向一定の高さに放射線検出手段を配置したので、使用済み燃料の長手方向における高速中性子等の放射分布の影響を低減できるので、精度の高い測定ができる。
【００５２】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項５）では、放射線検出手段を使用済み燃料の移動経路の途中に配置した。このため、使用済み燃料を燃料貯蔵ピットからキャスクピットへ移動する間に燃焼度を測定できるので、測定時間を大幅に短縮できる。また、測定時間が短くなる結果、放射線損傷を低減できるので安全性が向上する。
【００５３】
また、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置（請求項６）では、高速中性子検出手段にカドミウム等の熱中性子吸収層を設けたので、高速中性子を選択的に検出できる。これによって、ボロンを含有しない水中に貯蔵されるＢＷＲ用の使用済み燃料の燃焼度を測定する場合でも、この発明に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置を適用して、迅速に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置を配置した使用済み燃料プールを示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置の検出部を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る高速中性子検出手段を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る使用済み燃料の燃焼度測定装置のデータ処理系統例を示す説明図である。
【図５】グロスγ線量率をパラメータとしたときにおける高速中性子計数値と燃焼度との関係を示す説明図である。
【図６】高速中性子計数値と燃焼度との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１１、１２ 使用済み燃料の燃焼度測定装置
２０、２０1、２０2 放射線検出手段
２２、２２'、２２1、２２2 高速中性子検出手段
２２ｓ 中性子検出部
２４、２４1、２４2 γ線量率計
２６、２８ 架台
２６ｂ 距離固定手段
３０ 使用済み燃料
３１ ゲート部
３８ キャナル部
４４ 燃料ハンドリングクレーン
４４' 燃料支持棒
５０ データ処理手段
５１ 警報ランプ
５２ 信号処理回路
５４ 演算部
５６ コンピュータ
５８ 信号発生手段
Claims (6)
- 少なくとも高速中性子検出手段を備えた複数の放射線検出手段を使用済み燃料の側方両側に対向配置して、移動中の使用済み燃料から放出される高速中性子をそれぞれの前記放射線検出手段によって検出し、それぞれの前記放射線検出手段によって検出された高速中性子計数値の相乗平均値から前記使用済み燃料の燃焼度を求めることを特徴とする使用済み燃料の燃焼度測定装置。
- 使用済み燃料の側方両側に対向配置される、少なくとも高速中性子検出手段を備えた複数の放射線検出手段と、
対向配置される前記放射線検出手段によって、移動中の使用済み燃料から検出された高速中性子計数値の相乗平均値を算出し、これと使用済み燃料の燃焼率との関係を用いて使用済み燃料の燃焼度を求めるデータ処理手段と、
前記使用済み燃料の燃焼度が所定の値を下回る場合には、その使用済み燃料の移動を中止する信号、警報機を作動させる信号その他の警報信号を発生させる信号発生手段と、
を備えたことを特徴とする使用済み燃料の燃焼度測定装置。 - さらに、上記放射線検出手段にはγ線検出手段が備えられ、上記放射線検出手段によって検出された高速中性子計数値の相乗平均値とグロスγ線量率の相乗平均値とによって使用済み燃料の燃焼度を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置。
- 上記放射線検出手段は、使用済み燃料の長手方向における一定の高さに配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置。
- 上記放射線検出手段は、使用済み燃料の移動経路の途中に備えられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置。
- 上記高速中性子検出手段は、さらに中性子吸収材を有する熱中性子吸収層を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の使用済み燃料の燃焼度測定装置。
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