JP3845638B2

JP3845638B2 - Ｎｂドシメータの放射化量測定方法

Info

Publication number: JP3845638B2
Application number: JP2004063687A
Authority: JP
Inventors: 主税伊藤; 一弥助川; 和伸吉川
Original assignee: 核燃料サイクル開発機構
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2024-03-08
Also published as: JP2005249706A

Description

本発明は、Ｎｂ（ニオブ）ドシメータ中不純物による妨害Ｘ線を除去し、放射化による^93mＮｂの放射能量を高信頼度で測定できるようにしたＮｂドシメータの放射化量測定方法に関するものである。

原子炉構造材のサーベイランス試験や原子炉燃料・材料の照射試験では、中性子照射量を評価する必要がある。原子炉における中性子照射量の測定には、ドシメータと呼ばれる金属のワイヤや箔が用いられている。ドシメータを原子炉内等の中性子を測定したい場所に装着して原子炉を運転すると、中性子とドシメータが反応し、放射化する。放射化生成物の量は、放射線計測により測定できるので、その量を測定することで中性子照射量を算出することができる。金属は種類により、反応する中性子のエネルギーが異なるので、ドシメータとしては、ニオブの他に、鉄、ニッケル、銅、コバルト、チタン、タンタルなどが用いられている。ドシメータの形状や大きさは、測定したい場所の中性子の強度やスペースに依存するが、例えば数ｍｍ程度に切断したワイヤや数ｍｍ四方に切断した箔が用いられている。

これら様々な金属からなるドシメータの中で、高速中性子照射量の測定には、⁹³Ｎｂ（ｎ，ｎ′）^93mＮｂ反応を利用するＮｂドシメータが適している。その理由は、しきい値が低いこと、（ｎ、ｎ′）断面積の形が損傷関数の形に近いこと、生成する^93mＮｂの半減期が長いことなどである。このＮｂドシメータの放射化量測定では、⁹³Ｎｂ（ｎ，ｎ′）反応で生成した^93mＮｂを定量するが、^93mＮｂはγ線を放出しないため、内部転換に伴い放出される特性Ｘ線を計測することになる。

ところでニオブ（Ｎｂ）は、その主要鉱物であるタンタル石、コンブル石中にタンタル（Ｔａ）と共存しており、Ｎｂ精製後もＴａが不純物として残留しやすい。このＴａは、中性子捕獲反応断面積が大きく、中性子照射により放射化し、¹⁸²Ｔａが生成する。この¹⁸²Ｔａが放出するγ線が⁹³Ｎｂの軌道電子をはじき出し、^93mＮｂの内部転換と同一エネルギーの特性Ｘ線を放出させる。

従って、照射後のＮｂドシメータから放出される特性Ｘ線は、^93mＮｂからと¹⁸²Ｔａに起因するものの和である。中性子照射量評価に必要なのは^93mＮｂからの特性Ｘ線のみであり、¹⁸²Ｔａに起因する分は除去する必要がある。その方法として考えられるのは、（ａ）時間をおいて減衰させる方法、（ｂ）化学処理により分離する方法の２つである。（ｂ）の化学分離に関しては、現在、ドシメータの製造時に可能な限りＴａを分離しており、これ以上Ｔａの不純物濃度を低減させるのは困難である。そこで従来用いられている方法は、（ａ）の減衰方法である（例えば非特許文献１参照）。この方法では、¹⁸²Ｔａの半減期（１１４日）が^93mＮｂの半減期（１６．４年）よりも遙かに短いことを利用して、¹⁸²Ｔａを先に減衰させてから^93mＮｂを測定する。

ここで問題となるのは、「¹⁸²Ｔａを減衰させた」という状態をどのように判断するかである。従来の考え方は、測定時に¹⁸²Ｔａそのものを検出できなければ¹⁸²Ｔａの影響もないであろうというものである。例えば、非特許文献１には、照射後、４１５日置いて¹⁸²Ｔａを減衰させており、４１５日後の測定で¹⁸²Ｔａが^93mＮｂに影響を及ぼしていないと記載されている。

しかし、本当に判断しなければならないのは、¹⁸²Ｔａに起因する妨害Ｘ線が、^93mＮｂが出すＸ線に比べて無視できるか否かである。従来、これを定量的に評価する方法が無かったために、¹⁸²Ｔａ自身が直接出すγ線に着目し、このγ線が検出できなくなれば、¹⁸²Ｔａに起因する妨害Ｘ線の影響も無視できるであろうと仮定して測定を行っていたのである。そのため、一般に試料の保管期間が長くなりがちで、測定の迅速化と高信頼度は両立しえなかった。
「93Ｎｂ（ｎ，ｎ′） 93mＮｂ反応による高速中性子フルエンスモニタの測定」桜井淳、原子力工業、第２６巻第８号、ｐ１３〜１６、日刊工業新聞社（１９８０年）

本発明が解決しようとする課題は、¹⁸²Ｔａに起因する妨害Ｘ線の影響を排除するために、従来技術では¹⁸²Ｔａ自身が直接出すγ線が検出できなくなるのを待って測定するため、試料の保管期間が長くなりがちで、測定の迅速化と高信頼度が両立しえなかった点である。

本発明の第１の方法は、Ｎｂドシメータを溶解・乾燥固化処理した試料の放射化量を測定する方法において、非放射性の⁹³Ｎｂを添加した試料と、添加していない試料それぞれの特性Ｘ線を測定し、両者の強度が一致するまで減衰させ、それを確認した後に^93mＮｂの放射能量を測定することを特徴とするＮｂドシメータの放射化量測定方法である。

また本発明の第２の方法は、Ｎｂドシメータを溶解・乾燥固化処理した試料の放射化量を測定する方法において、非放射性の⁹³Ｎｂを添加した試料と、添加していない試料それぞれの特性Ｘ線を測定し、両者の強度差と⁹³Ｎｂ量の差から¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線を求めて排除することにより、^93mＮｂの放射能量を求めることを特徴とするＮｂドシメータの放射化量測定方法である。

これら２つの方法を組み合わせることも有効である。まず、第２の方法で放射化量を求め、その後、第１の方法で放射化量を確定する手順とする。具体的には、Ｎｂドシメータを溶解・乾燥固化処理した試料の放射化量を測定する方法において、非放射性の⁹³Ｎｂを添加した試料と、添加していない試料それぞれの特性Ｘ線を測定し、両者の強度差と⁹³Ｎｂ量の差から¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線を求めて排除することにより^93mＮｂの放射能量を求め、その後、添加していない試料それぞれの特性Ｘ線の強度が一致するまで減衰させ、それを確認した後に^93mＮｂの放射能量を測定することを特徴とするＮｂドシメータの放射化量測定方法である。

本発明に係る上記第１のＮｂドシメータの放射化量測定方法は、妨害Ｘ線の影響が無くなったことを定量的に判断できるので、その時点で¹⁸²Ｔａのγ線が検出されても、保管を終了して測定を行うことができ、迅速に且つ高信頼度で測定できる。また上記第２のＮｂドシメータの放射化量測定方法は、¹⁸²Ｔａによる妨害Ｘ線の影響があっても、それを排除できるため、更に測定の迅速化が可能となる。

Ｎｂの放射化量測定は、Ｎｂを溶解・乾燥固化させてからＸ線スペクトルを測定することにより行う。この過程で、Ｎｂ溶液に非放射性の⁹³Ｎｂを添加した試料（これを「試料Ａ」と称す）と、添加していない試料（これを「試料Ｂ」と称す）を作製する。試料Ａでは、添加した⁹³Ｎｂからも¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線が放出される。従って、試料Ａと試料Ｂは、^93mＮｂに起因する特性Ｘ線強度は等しく、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線強度は試料Ａの方が大きい。これら２種類の試料を用いて、以下の２通りの方法により、妨害となる¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線を除去する。

第１の方法は、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線を減衰させ、これを定量的に確認する方法である。上記試料Ａ、Ｂの特性Ｘ線強度の時間経過を測定し、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線が減衰して^93mＮｂに起因する特性Ｘ線のみが残留する状態になれば、試料Ａ、Ｂの特性Ｘ線強度は一致する。従って、両試料の特性Ｘ線強度が一致すれば、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線を除去できたと判断できる。これが確認された状態において、特性Ｘ線を測定し、^93mＮｂの放射能量を測定する。このようにすれば、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線による妨害が排除された高精度なＮｂの放射化量測定が行える。

第２の方法は、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線の強度を評価し、補正する方法である。上記の試料Ａと試料Ｂの特性Ｘ線測定値の差は、非放射性の⁹³Ｎｂ添加に起因するものであり、その添加量を事前に定量すれば、⁹³Ｎｂ添加量とそれに起因する特性Ｘ線強度の関係が得られる。Ｎｂドシメータの量は既知であるから、これと前述の関係により、試料Ｂの特性Ｘ線測定値のうち、¹⁸²Ｔａに起因する分を計算することができる。これを試料Ｂの特性Ｘ線測定値から差し引くことで、^93mＮｂに起因する特性Ｘ線のみの強度を求めることができる。

Ｎｂドシメータの放射化量測定フローの一例を図１に示す。

（１）試料溶解
ビーカ１０等にフッ酸（ＨＦ）や硝酸（ＨＮＯ₃）、あるいはこれらの混合物（ＨＦ＋ＨＮＯ₃）を入れ、これにＮｂドシメータ１２を入れて溶解し、Ｎｂの溶液を作製する。

（２）容量調整
この後で、乾固試料を作製し測定するときに適切なＮｂ量になるように、溶液の濃度を調整する。具体的には、溶解時よりも濃度を薄めることになるので、純水を入れて希釈する。

（３）採取
乾固試料を作製するために、溶液を採取する。採取量は１０^-7ｍ³レベルの極少量であり、マイクロピペットを用いる。マイクロピペットで採取した極少量の溶液を、樹脂フィルムの上に滴下する。なお、採取量の測定は、滴下前後の樹脂フィルムの重量を電子天秤で測定し、差をとることにより行う。この場合、一方の試料には所定量の⁹³Ｎｂを添加し（試料Ａ）、他方の試料はそのまま無添加（試料Ｂ）とする。

ここで試料Ａを調製するには、例えば次のような手順で行えばよい。上記（１）試料溶解及び（２）容量調整と同様の手法により、⁹³Ｎｂを酸で溶解し、純水で希釈して、適切なＮｂ量になるように濃度を調整する。このように調製したＮｂ溶液を、マイクロピペット等で所定量採取し、上記（１）試料溶解及び（２）容量調整で作製したＮｂドシメータの溶液に滴下し、混合する。この混合液を採取し、試料Ａとなる乾固試料を作製する。

（４）乾固試料調製
試料を樹脂フィルム上に滴下した後、ヒータ１４で６０℃程度に加熱し、乾燥させる。水分が完全に蒸発した後、別の樹脂フィルムを重ね、小さく切り抜き（例えば直径２ｃｍ程度）、周囲を加熱して溶着し、測定用の試料とする。

（５）放射能測定
Ｇｅ半導体検出器を用いて、作製した試料から放出される特性Ｘ線の強度を測定する。

Ｎｂドシメータの特性Ｘ線測定結果の一例を図２に示す。

第１の方法では、試料Ａ、Ｂの特性Ｘ線強度の時間経過を測定し、試料Ａ、Ｂの特性Ｘ線強度が一致した状態になった後に、特性Ｘ線を測定する。この状態は、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線が減衰して^93mＮｂに起因する特性Ｘ線のみが残留している状態である。つまり、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線を除去できたことを定量的に確認できる状態であり、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線による妨害が排除されて高精度で^93mＮｂの放射化量測定が行える。

ドシメータの放置・保管場所は、¹⁸²Ｔａの放射性崩壊を待つのが目的であるから、環境には依存しない。保管期間は、特性Ｘ線中の妨害Ｘ線の量に依存し、これはドシメータ中のＴａ不純物の濃度、ドシメータを照射した場の中性子量（強度、照射時間）、中性子のエネルギー（^93mＮｂは高エネルギー中性子、¹⁸²Ｔａは低エネルギー中性子で生成しやすい）により変化する。高速実験炉「常陽」の幾つかの例では、保管期間が殆ど不要な（直ぐに測定しても¹⁸²Ｔａの影響が無い）例から、２年程度保管が必要な例まで様々であることも分かった。

この第１の方法は、妨害Ｘ線を完全に（誤差要因にならないという意味で）除去できるので、測定誤差は通常のドシメータ測定誤差のみである。これは、照射・測定体系などに依存するが、例えば高速実験炉「常陽」の場合には３％程度である。この方法によれば、Ｎｂドシメータの放射化量測定において、不純物の¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線の影響を除去できる減衰期間を定量的に求めることが可能となり、これにより、妨害Ｘ線の影響が無くなったことを定量評価できるので、過度に保管期間が長くならず、また保管期間が短すぎるため誤差が増大することもなく、最短期間で信頼性の高い測定値が得られる。

第２の方法では、¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線の強度を計算し、これを試料Ｂの特性Ｘ線測定値から差し引くことで、^93mＮｂに起因する特性Ｘ線のみの強度を求める。具体的な手順は次の通りである。
（１）ドシメータの重量、即ち⁹³Ｎｂの量をａとし、このドシメータの照射後の特性Ｘ線の量をＸ₁とする。Ｘ₁は、^93mＮｂが放出する特性Ｘ線と、¹²⁸Ｔａが量ａの⁹³Ｎｂに作用して発生する特性Ｘ線の合計である。
（２）他方、非放射性の⁹³Ｎｂを量ｂ添加した試料の特性Ｘ線量をＸ₂とする。Ｘ₂は、^93mＮｂが放出する特性Ｘ線と、¹²⁸Ｔａが量（ａ＋ｂ）の⁹³Ｎｂに作用して発生する特性Ｘ線の合計である。
（３）上記より、Ｘ₂とＸ₁の差（Ｘ₂−Ｘ₁）は、¹⁸³Ｔａが、量ｂの⁹³Ｎｂに作用して発生する特性Ｘ線の量となる。
（４）¹⁸²Ｔａが作用する⁹³Ｎｂの量と、それにより発生する特性Ｘ線の量は、比例関係にあると考えられるので、（Ｘ₂−Ｘ₁）×ａ／ｂは、量ａ、即ちドシメータの⁹³Ｎｂに¹⁸²Ｔａが作用して発生する特性Ｘ線の量となる。
（５）Ｘ₁から上記の分を差し引いた値〔Ｘ₁−（Ｘ₂−Ｘ₁）×ａ／ｂ〕は、ドシメータの特性Ｘ線測定値から、¹⁸²Ｔａによる分が差し引かれた、^93mＮｂによる分のみの値となる。
このようにして、^93mＮｂに起因する特性Ｘ線のみの強度を求めることができる。

この方法は、¹⁸²Ｔａの減衰を待つ必要がないので、測定結果を得るまでの期間が非常に短くて済む利点がある。但し、誤差は非放射性Ｎｂを添加した試料（試料Ａ）と無添加の試料（試料Ｂ）のそれぞれの測定値を用いて引き算を行うので、両試料の測定誤差が加わり、且つ引き算を行うので最終的な誤差の大きさはそれぞれの測定値の大きさに依存する。具体的には、妨害Ｘ線の寄与が殆ど無ければ引き算をしても直接得られる測定値と殆ど変わらない。しかし、妨害Ｘ線の寄与が大部分であると、誤差が増大する。従って、この方法による誤差を評価することにより、妨害Ｘ線の寄与の程度を把握でき、測定値の妥当性を判断できる。

第１の方法と第２の方法を組み合わせ、まず第２の方法で放射化量を求め、その後、第１の方法で放射化量を確定すれば、推定的な測定値が早期に得られ、また最終的に精度の高い測定値も得られる。

なお、第１の方法では、次のような簡便な方法で試料Ａを調製することもできる。それは、Ｎｂドシメータの溶液（⁹³Ｎｂ無添加）を樹脂フィルム上に滴下した後、前述の手順で調製した⁹³Ｎｂ溶液をマイクロピペットで極少量採取し、樹脂フィルム上に滴下されたＮｂドシメータの溶液の上に滴下する方法である。この方法は、溶液同士を混ぜ合わせないので、溶液の使用量が極少量で済み、手順も簡略化できる利点がある。しかし、逆に両方の溶液が完全に混ざり合わないため、¹⁸²Ｔａの影響を定量的に評価することはできない。従って、この簡便な方法は、¹⁸²Ｔａの影響の有無を判断できればよい第１の方法には適用できるが、第２の方法、あるいは第２の方法と第１の方法を組み合わせる方法には適用できない。

本発明に係るＮｂドシメータの放射化量測定方法のフロー図。Ｎｂドシメータの特性Ｘ線測定結果の一例を示すグラフ。

符号の説明

１０ビーカ
１２Ｎｂドシメータ
１４ヒータ

Claims

Ｎｂドシメータを溶解・乾燥固化処理した試料の放射化量を測定する方法において、非放射性の⁹³Ｎｂを添加した試料と、添加していない試料それぞれの特性Ｘ線を測定し、両者の強度が一致するまで減衰させ、それを確認した後に^93mＮｂの放射能量を測定することを特徴とするＮｂドシメータの放射化量測定方法。
Ｎｂドシメータを溶解・乾燥固化処理した試料の放射化量を測定する方法において、非放射性の⁹³Ｎｂを添加した試料と、添加していない試料それぞれの特性Ｘ線を測定し、両者の強度差と⁹³Ｎｂ量の差から¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線を求めて排除することにより^93mＮｂの放射能量を求めることを特徴とするＮｂドシメータの放射化量測定方法。
Ｎｂドシメータを溶解・乾燥固化処理した試料の放射化量を測定する方法において、非放射性の⁹³Ｎｂを添加した試料と、添加していない試料それぞれの特性Ｘ線を測定し、両者の強度差と⁹³Ｎｂ量の差から¹⁸²Ｔａに起因する特性Ｘ線を求めて排除することにより^93mＮｂの放射能量を求め、その後、添加していない試料それぞれの特性Ｘ線の強度が一致するまで減衰させ、それを確認した後に^93mＮｂの放射能量を測定することを特徴とするＮｂドシメータの放射化量測定方法。