JP4325927B2

JP4325927B2 - 封入気体の圧力測定方法および封入気体の圧力測定装置

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Publication number: JP4325927B2
Application number: JP2003388425A
Authority: JP
Inventors: 泰志名内
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005147961A

Description

本発明は、封入気体の圧力測定方法および封入気体の圧力測定装置に関する。更に詳述すると、本発明は、放射線を使用して密閉容器内の封入気体の圧力を非破壊的に測定する封入気体の圧力測定方法および封入気体の圧力測定装置に関するものである。

原子力発電所で発生した使用済み核燃料は、高レベルの放射能を有しており、また崩壊熱を発生し続けることから、耐食性、耐熱性に優れたキャニスタに収容して一定期間貯蔵される。キャニスタ内にはＨｅガスなどの不活性ガスが一緒に封入されており、この封入ガスを利用して使用済み核燃料の熱をキャニスタに伝えるようにしている。封入ガスは例えば約２気圧に加圧されており、熱伝達効率の向上が図られている。封入ガスが漏れてその圧力が減少すると熱伝達効率が悪化するので、封入ガスの圧力を継続的に監視する必要がある。

キャニスタの密封性を監視する方法として、例えば特開２００２−１２２６９４号公報に開示されたキャニスタ密封監視方法がある。この監視方法では、図４に示すように、キャニスタ１０１を貯蔵キャスク１０２から取り出して密閉容器１０３内に移動させた後、この密閉容器１０３内を密閉して真空引きし、その排気ガス中に封入ガスが含まれているか否かをガス漏れ検知手段１０４によって調べることで、キャニスタ１０１の密封性を調べるものである。つまり、封入ガスの漏れを測定することで、封入ガスの圧力が正常であるか否かを間接的に推定するものである。

密閉容器１０３は移動可能な架台１０５上に設置されており、貯蔵キャスク１０２の真上に密閉容器１０３を移動させた後、キャニスタ１０１を昇降機構１０６で密閉容器１０３内に吊り上げるようにしている。密閉容器１０３内を真空引きして検査を行った後、キャニスタ１０１を貯蔵キャスク１０２内に降ろして収納し貯蔵する。そして、密閉容器１０３を次の貯蔵キャスク１０２の真上に移動させて次のキャニスタ１０１の検査を行う。

商業用原子炉で発生する使用済み核燃料は比較的大型であり重量が大きい。キャニスタ１０１には多数の使用済み核燃料が収容されるので、キャニスタ１０１は大型の重量物となる。このため、キャニスタ１０１を収容する密閉容器１０３は更に大型の重量物になり、キャニスタ１０１の密封性を監視するための設備が大掛かりなものになる。

特開２００２−１２２６９４号

しかしながら、上述のキャニスタ密封監視方法では以下の問題がある。即ち、上述した通り、必要な設備が大掛かりなものになってしまう。また、キャニスタ１０１を密閉容器１０３に収容して密閉容器１０３内全体を真空引きするので、検査に手間がかかる。さらに、本来の目的であるキャニスタ１０１内の使用済み核燃料の異常な温度上昇を未然に防止するという観点からは封入ガスの圧力を直接知ることが重要であるにもかかわらず、上述のキャニスタ密封監視方法では封入ガスの圧力を直接知ることはできず、不活性ガスの漏れの原因となるピンホールや亀裂などを発見し、これに基づいて推定するだけである。

本発明は、大掛かりな設備を必要とせず、密閉容器内の封入気体の圧力を簡単に測定することができる封入気体の圧力測定方法および封入気体の圧力測定装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、金属製の密閉容器内に封入された気体の圧力を非破壊的に測定する封入気体の圧力測定方法であって、測定用放射線として中性子を使用し、密閉容器の外から照射される測定用放射線が密閉容器内の封入気体を透過し密閉容器の外に設けられた放射線検出器によって検出されるように照射ルートを定めると共に、照射ルートについて封入気体の圧力と測定用放射線の減衰との関係を予め求めておき、照射ルートにおける測定用放射線の減衰を実際に測定し、その測定結果と前記関係に基づいて封入気体の圧力を同定するものである。

気体に放射線を透過させる場合、その気体の圧力とその気体を透過する放射線（放射線束）の減衰との間には一定の関係がある。したがって、密閉容器について測定用放射線を透過させる照射ルートを定めておき、この照射ルートについて封入気体の圧力と放射線の透過との関係を予め求めておけば、この関係に、実際に測定した測定用放射線の減衰の結果を当てはめることで、封入気体の圧力を求めることができる。ここで、測定用放射線として中性子を用いている。中性子は物質の透過性に優れている。測定用放射線として中性子を使用することで、密閉容器の壁による測定用放射線の減衰を抑制できる。

また、請求項２記載の封入気体の圧力測定方法は、密閉容器は使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタであり、照射ルートの前後を構成する放射線源と放射線検出器をキャニスタを挟んでその外側に向かい合わせに設置して、キャニスタ内の使用済み核燃料及びバスケットが無い位置を測定用放射線が透過するようにしている。したがって、使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタ内に封入されている気体の圧力を非破壊で求めことができる。

また、請求項３記載の封入気体の圧力測定方法は、照射ルート上の密閉容器の壁の厚さを部分的に薄くしたものである。密閉容器は固体であり、封入気体よりも放射線を減衰させる。照射ルート上の密閉容器の壁を薄くすることで、測定の対象である封入気体以外の部分における測定用放射線の減衰を減らすことができる。密閉容器の壁を部分的に薄くしても貫通孔を設けるわけではないので、密閉容器の気密性は確保される。

また、請求項４記載の封入気体の圧力測定方法は、コリメータを使用して測定のバックグラウンドとなる放射線を排除するものである。即ち、照射ルート以外から放射線検出器に入射しようとする放射線はコリメータによって放射線検出器への入射を妨げられる。特に、本発明を使用済み核燃料を収容するキャニスタに適用する場合には、使用済み核燃料が放射線を放出し続けていることから当該放射線が測定のバックグラウンドとなる虞があるが、当該放射線が放射線検出器に入射するのをコリメータによって防止することができる。コリメータは、例えば放射線検出器の前に設置する。また、コリメータを、例えば放射線検出器の前に設置すると共に放射線源の後にも設置しても良い。

また、請求項５記載の封入気体の圧力測定方法は、測定用放射線が放射線源から出射されるタイミングに基づいて測定用放射線が放射線検出器によって検出されるタイミングを求め、当該タイミング以外のタイミングで検出された放射線をバックグラウンドとして扱うものである。即ち、検出のタイミングに基づいて測定用放射線とバックグラウンド放射線とを区別し、バックグラウンド放射線を排除した測定用放射線についての減衰を実測することができる。

さらに、請求項６記載の発明は、金属製の密閉容器内に封入された気体の圧力を非破壊的に測定する封入気体の圧力測定装置であって、密閉容器内の封入気体を透過するように定められた照射ルートに測定用放射線を照射する放射線源と、照射ルートを透過した測定用放射線を検出する放射線検出器とを備え、照射ルートについて封入気体の圧力と測定用放射線の減衰との関係を予め求めておき、放射線検出器の出力に基づいて照射ルートを透過した測定用放射線の実際の減衰を測定し、その測定結果と前記関係に基づいて封入気体の圧力を同定するものである。

放射線源から照射ルートに照射された測定用放射線（放射線束）は、その一部が減衰されながら密閉容器の壁と封入気体を透過して放射線検出器によって測定される。照射ルートは固定されており、また、密閉容器の壁についての測定用放射線の減衰率は変化しないので、照射ルートについて封入気体の圧力と測定用放射線の透過との関係を予め求めておけば、この関係に、放射線検出器の出力に基づき求めた測定用放射線の減衰の実測結果を当てはめることで、封入気体の圧力を求めることができる。また、中性子は物質の透過性に優れているので、測定用放射線として中性子を使用することで、密閉容器の壁による測定用放射線の減衰を抑制できる。

また、請求項７記載の封入気体の圧力測定装置は、密閉容器が使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタであり、放射線源と放射線検出器とがキャニスタを挟んでその外側に向かい合わせに設置され、キャニスタ内の使用済み核燃料及びバスケットが無い位置を測定用放射線が透過するように照射ルートが定められているものである。したがって、使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタ内に封入されている気体の圧力を非破壊で求めことができる。

また、請求項８記載の封入気体の圧力測定装置は、照射ルート上の密閉容器の壁の厚さが部分的に薄くされているものである。密閉容器は固体であり、封入気体よりも放射線を減衰させる。照射ルート上の密閉容器の壁を薄くすることで、測定の対象である封入気体以外の部分における測定用放射線の減衰を減らすことができる。密閉容器の壁を部分的に薄くしても貫通孔を設けるわけではないので、密閉容器の気密性は確保される。

また、請求項９記載の封入気体の圧力測定装置は、照射ルート上に設置されたコリメータを備えるものである。コリメータは、例えば放射線検出器の前に設置する。この場合、照射ルート以外から放射線検出器に入射しようとする放射線はコリメータによって放射線検出器への入射を妨げられる。特に、使用済み核燃料を収容するキャニスタに適用する場合には、使用済み核燃料が放射線を放出し続けていることから当該放射線が測定のバックグラウンドとなる虞があるが、当該放射線が放射線検出器に入射するのをコリメータによって防止することができる。また、コリメータを、例えば放射線検出器の前に設置すると共に放射線源の後に設置しても良い。この場合、照射ルート以外への測定用放射線の出射が妨げられる。特に、使用済み核燃料を収容するキャニスタに適用する場合には、使用済み核燃料に向けて測定用放射線が出射されるのを防止することできる。

また、請求項１０記載の封入気体の圧力測定装置は、測定用放射線が放射線源から出射されるタイミングに基づいて測定用放射線が放射線検出器によって検出されるタイミングを求め、当該タイミング以外のタイミングで検出された放射線をバックグラウンドとして扱うものである。即ち、検出のタイミングに基づいて測定用放射線とバックグラウンド放射線とを区別し、バックグラウンド放射線を排除した測定用放射線についての減衰を実測することができる。

しかして、請求項１記載の封入気体の圧力測定方法では、上述のようにして密閉容器内の封入気体の圧力を測定するようにしているので、封入気体の圧力を非破壊で簡単に求めることができる。また、測定用放射線として中性子を用いているので、密閉容器の壁による測定用放射線の減衰を抑制することができ、金属製の密閉容器についても容易に適用可能になる。

また、請求項２記載の封入気体の圧力測定方法では、密閉容器は使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタであり、照射ルートの前後を構成する放射線源と放射線検出器をキャニスタを挟んでその外側に向かい合わせに設置して、キャニスタ内の使用済み核燃料及びバスケットが無い位置を測定用放射線が透過するようにしているので、使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタ内に封入されている気体の圧力を非破壊で簡単に求めことができる。

また、請求項３記載の封入気体の圧力測定方法では、照射ルート上の密閉容器の壁の厚さを部分的に薄くしているので、測定の対象ではない密閉容器の壁による測定用放射線の減衰を減らすことができる。このため、測定に必要な放射線の透過線量を短時間で確保することができ、測定時間を短縮することができる。

また、請求項４記載の封入気体の圧力測定方法では、コリメータを使用して測定のバックグラウンドとなる放射線を排除するので、測定精度を向上させることができる。

また、請求項５記載の封入気体の圧力測定方法では、測定用放射線が放射線源から出射されるタイミングに基づいて測定用放射線が放射線検出器によって検出されるタイミングを求め、当該タイミング以外のタイミングで検出された放射線をバックグラウンドとして扱うようにしているので、バックグラウンド放射線を排除した測定用放射線についての減衰を実測することができ、圧力の測定精度を向上させることができる。

さらに、請求項６記載の封入気体の圧力測定装置では、上述のように構成しているので、大掛かりな設備を使用せずに密閉容器内の封入気体の圧力を非破壊で簡単に求めることができる。また、放射線源が中性子源であるので、金属製の密閉容器の壁による測定用放射線の減衰を抑制することができ、金属製の密閉容器についても容易に適用可能になる。

また、請求項７記載の封入気体の圧力測定装置では、密閉容器が使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタであり、放射線源と放射線検出器とがキャニスタを挟んでその外側に向かい合わせに設置され、キャニスタ内の使用済み核燃料及びバスケットが無い位置を測定用放射線が透過するように照射ルートが定められているので、使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタ内に封入されている気体の圧力を非破壊で簡単に求めることができる。

また、請求項８記載の封入気体の圧力測定装置では、照射ルート上の密閉容器の壁の厚さが部分的に薄くされているので、測定の対象ではない密閉容器の壁による測定用放射線の減衰を減らすことができる。このため、測定に必要な放射線の透過線量を短時間で確保でき、測定時間を短縮することができる。

また、請求項９記載の封入気体の圧力測定装置では、照射ルート上に設置されたコリメータを備えているので、例えばコリメータを放射線検出器の前に設置した場合には、バックグラウンド放射線を排除することができ、測定精度を向上させることができる。また、例えばコリメータを放射線源の後に設置した場合には、照射ルート以外に測定用放射線が出射されるのを防止することができ、測定用放射線が測定上無駄になるのを防止することができると共に、測定用放射線が密閉容器内の貯蔵物に影響を与えるのを防止することができる。

また、請求項１０記載の封入気体の圧力測定装置では、測定用放射線が放射線源から出射されるタイミングに基づいて測定用放射線が放射線検出器によって検出されるタイミングを求め、当該タイミング以外のタイミングで検出された放射線をバックグラウンドとして扱うようにしているので、バックグラウンド放射線を排除した測定用放射線についての減衰を実測することができ、圧力の測定精度を向上させることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に本発明を適用した封入気体の圧力測定装置の実施形態の一例を示す。封入気体の圧力測定装置（以下、単に圧力測定装置という）は、金属製の密閉容器１内に封入された気体２の圧力を非破壊的に測定するものであって、密閉容器１内の封入気体２を透過するように定められた照射ルート３に測定用放射線を照射する放射線源４と、照射ルート３を透過した測定用放射線を検出する放射線検出器５とを備え、照射ルート３について封入気体２の圧力と測定用放射線の減衰との関係を予め求めておき、放射線検出器５の出力に基づいて照射ルート３を透過した測定用放射線の実際の減衰を測定し、その測定結果と前記関係に基づいて封入気体２の圧力を同定するものである。

密閉容器１は、例えば使用済み核燃料を貯蔵するステンレス製のキャニスタである。キャニスタ１内はバスケット６によって上下方向に細長い部屋に仕切られており、各部屋には使用済み核燃料７が燃料集合体の状態で１本ずつ収容されている。バスケット６は上から見て格子状に組まれている。このため、バスケット６の円筒板６ａに面する最も外側の部屋は狭く、使用済み核燃料７を収容できない空き部屋となっている。本発明では、このようにキャニスタ１内に必ず生じる空き部屋の一つを利用して照射ルート３を定めている（以下、照射ルート３を定めた空き部屋に符号８を付して説明する）。キャニスタ１内には、封入気体２として例えばヘリウムガスなどの不活性ガスが充填されている。封入気体２は例えば２気圧に加圧されている。キャニスタ１は、コンクリート製のキャスク９内に貯蔵されている。キャスク９の内面にはステンレス製の内張９ａが設けられている。なお、図２の符号１０は、キャニスタ移動時に図示しないクレーンのフックを引っ掛けるための吊金具である。また、符号１１はベント、符号１２はドレンである。

キャニスタ１の上蓋１ａの厚さは厚くなっており、放射線を遮蔽してキャニスタ１上での作業を可能にしている。照射ルート３上のキャニスタ１の上蓋１ａの底面には有底の穴１３が設けられている。有底穴１３を設けることで、キャニスタ１の壁である上蓋１ａの厚さが他の部分に比べて部分的に薄くなり、上蓋１ａによる測定用放射線の減衰を減らすことができる。有底穴１３は貫通孔ではないので、キャニスタ１内の密閉性を維持することができる。また本実施形態では、コンクリート製キャスク９の照射ルート３上の位置には貫通孔１４が設けられており、キャスク９による測定用放射線の減衰を防止している。

放射線源４と放射線検出器５は、キャニスタ１を上下から挟んでその外側に向かい合わせに設置されており、キャニスタ１内の使用済み核燃料７及びバスケット６が無い位置、即ち空き部屋８を測定用放射線が透過するように照射ルート３を定めている。本実施形態では、放射線源４は例えば中性子源であり、測定用放射線として透過性に優れた中性子を使用している。透過性に優れた中性子を使用することで、ステンレス製のキャニスタ１についても良好に圧力測定を行うことが出来る。また、放射線源４をコンクリート製キャスク９内の底面に埋め込んでおり、放射線の環境への放出防止を図っている。

なお、放射線源４としては、例えば、一定周期で放射線を発生させるパルス放射線源を使用しても良いし、自発核分裂にまかせて放射線を発生させる放射線源を使用しても良い。パルス放射線源４としては、例えばサイクロトロン型中性子源等のパルス加速器中性子源等の使用が可能である。また、自発核分裂にまかせて放射線を発生させる放射線源４としては、例えば自発核分裂中性子源の使用が可能である。なお、パルス放射線源４の場合には、図示する放射線源４の位置は、中性子生成ターゲットの位置を示しており、その他、加速器等の図示は省略している。

放射線検出器５は、コンクリート製キャスク９の上に設置されている。放射線検出器５の前にはコリメータ１５が設けられており、測定用放射線以外の放射線、例えば使用済み核燃料７から発生した放射線等が放射線検出器５に入射するのを防止している。本実施形態では、測定用放射線として中性子を使用しているので、放射線検出器５として中性子検出器を使用する。

本発明では、以下のようにして封入気体２の圧力を非破壊的に測定する。まず最初に、測定用放射線の照射ルート３を決定する。測定用放射線が測定対象である封入気体２中を測定に十分な距離透過すると共に、測定対象以外の物質の透過を避けるように照射ルート３を決定する。キャニスタ１内に充填された不活性ガスの圧力を測定する場合には、放射線源４と放射線検出器５をキャニスタ１を上下から挟むように設置し、空き部屋８内の封入ガス中を測定用放射線が透過するように照射ルート３を決定する。また、照射ルート３上には有底穴１３と貫通孔１４を設けており、測定対象ではないキャニスタ１の上蓋１ａやコンクリート製キャスク９によって測定用放射線が減衰されてしまうのを出来るだけ防止している。

次に、照射ルート３について封入気体２の圧力と放射線の減衰との関係を求める。この関係としては、例えば、封入気体２の圧力Ｐと、放射線検出器５の計数が所定値Ｘに達するまでの所要時間（この時間は封入気体２中を透過する際の放射線の減衰率の変化に応じて変化する）Ｔとの関係である。つまり、封入気体２の圧力ＰがＰ_１のとき、放射線検出器５の計数が所定値Ｘに到達するまでの所要時間ＴがＴ_１、圧力ＰがＰ_２のとき所要時間ＴがＴ_２、圧力ＰがＰ_３のとき所要時間ＴがＴ_３、…であったとすると、これらのデータから圧力Ｐと所要時間Ｔとの関係を求める。

そして、実際に測定を開始する。測定は放射線検出器５の計数が所定値Ｘ（例えば１万カウント）に達するまで行われる。いま、放射線検出器５の計数が所定値Ｘに到達するまでの所要時間ＴがＴｘであったとすると、Ｔｘを上記の関係に当てはめることで封入気体２の圧力Ｐｘを求めることができる。

放射線源４と放射線検出器５を設置したコンクリート製キャスク９内にキャニスタ１を貯蔵することで、当該キャニスタ１について継続的又は定期的に圧力測定を行うようにしても良く、あるいは、放射線源４と放射線検出器５を設置していない他のコンクリート製キャスク内に貯蔵しているキャニスタ１を、圧力測定のためにわざわざ当該キャスク９内に移動させてスポット的に圧力測定を行うようにしても良い。キャニスタ１の移動は、例えば図示しないクレーン等で吊り上げる方法等によって簡単に行うことができる。

このように、本発明では密閉容器１内の封入気体２に測定用放射線を透過させることで封入気体２の圧力を測定することができるので、密閉容器１の密封性を維持したまま非破壊で内部の封入気体２の圧力を測定することができ、しかも簡単に測定できる。

また、真空引きする必要がないので大掛かりな設備を必要とせず、低コストで圧力測定を行うことができる。

本発明では、キャニスタ１の上蓋１ａに有底穴１３を設けることで照射ルート３上における上蓋１ａの厚さを薄くしているので、測定対象ではないキャニスタ１の上蓋１ａによって測定用放射線が減衰されてしまうのを抑制することができる。このため、測定用放射線が放射線検出器５に到達する確率が増加し、測定時間を短縮することができる。なお、有底穴１３を設けることで上蓋１ａを部分的に薄肉にしているので、その分だけ使用済み核燃料７から発生する放射線の遮蔽効果が薄れることにもなる。しかしながら、有底穴１３の直径は照射ルート３を確保するのに十分な小さなもので足り、また、使用済み核燃料７が無い空き部屋８に面して有底穴１３が設けられているので、使用済み核燃料７から発生する放射線の遮蔽効果に対してあまり影響しない。

また、本発明では、放射線検出器５の前にコリメータ１５を設置しているので、放射線源４から照射された測定用放射線以外の放射線が放射線検出器５に入射するのを抑制することができる。特に使用済み核燃料７からは放射線が頻繁に発生しており、この放射線は測定のバックグラウンドになる。コリメータ１５を設置することで、バックグラウンド放射線の排除を図ることができるので、測定の精度を向上させることができる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

例えば、上述の説明では、キャニスタ１の上蓋１ａの底面に有底穴１３を設けていたが、上蓋１ａの上面に有底穴１３を設けても良い。図３に、上蓋１ａの上面に有底穴１３を設けた例を示す。この場合には、測定時以外には有底穴１３をプラグ等で塞いでおくことができ、有底穴１３を設けていない場合と同様又はこれに近い放射線の遮蔽効果を確保することができる。

また、上述の説明では、封入気体２の圧力と放射線の減衰との関係として、封入気体２の圧力Ｐと放射線検出器５の計数が所定値Ｘに達するまでの所要時間Ｔとの関係を利用していたが、これに限るものではない。例えば、封入気体２の圧力Ｐと、その封入気体２を透過して放射線検出器５に到達した放射線の計数率との関係を利用しても良い。つまり、封入気体２の圧力ＰがＰ_１のとき所定時間Ｔ当たりの放射線検出器５の計数ＮがＮ_１、圧力ＰがＰ_２のとき計数ＮがＮ_２、圧力ＰがＰ_３のとき計数ＮがＮ_３、…であったとすると、これらのデータから求められる圧力Ｐと所定時間Ｔ当たりの計数Ｎとの関係を利用しても良い。この場合には、所定時間Ｔにわたって圧力測定を行う。そして、計測した所定時間Ｔにおける放射線検出器５の計数がＮｘであったとすると、Ｎｘを上記の関係に当てはめることで封入気体２の圧力Ｐｘを求めることができる。

また、測定用放射線が放射線源４から出射されるタイミングに基づいて、測定用放射線が放射線検出器５によって検出されるタイミングを求め、当該タイミング以外のタイミングで検出された放射線をバックグラウンドとして扱うようにしても良い。つまり、放射線源４から出射された測定用放射線が放射線検出器５に到達するまでの飛行時間に基づいて、放射線検出器５によって検出された放射線が放射線源４から出射された測定用放射線か、あるいはその他のバックグラウンド放射線であるかを判別することができる。

即ち、放射線源４として、単色の放射線を発生させる放射線源４を使用した場合、放射線源４から出射された放射線が放射線検出器５に到達するまでの飛行時間に基づいて、検出した放射線が放射線源４から出射された測定用のものか、あるいはその他のバックグラウンド放射線であるかを判別することができる。また、複数のエネルギーの放射線を発生させる放射線源４を使用した場合にも、同じ原理で放射線源４から出射された測定用放射線とその他のバックグラウンド放射線とを判別できる。ただし、複数のエネルギーの放射線を発生させる放射線源４を使用した場合には、放射線のエネルギーによって放射線の透過率が変化するという好ましくない現象が発生するので、この場合には、飛行時間法を用いて放射線のエネルギーを求め、測定された放射線毎に透過率を評価して圧力測定を行うようにすることが好ましい。なお、この場合には封入気体２の圧力と放射線の減衰との関係も放射線のエネルギー毎に求めておく。

また、上述の説明では、密閉容器１として使用済み核燃料７を乾式貯蔵するキャニスタを例にしていたが、適用可能な密閉容器１はキャニスタに限るものではない。

また、上述の説明では、キャニスタ１の上蓋１ａに有底穴１３を設け、照射ルート３上の上蓋１ａの厚さを部分的に薄くしていたが、測定に支障がない場合、例えば密閉容器１の壁の材質として測定用放射線の減衰率が小さいものを使用している場合等には密閉容器１の壁を部分的に薄くしなくても良い。

また、上述の説明では、放射線検出器５の前にコリメータ１５を設置していたが、測定に支障がない場合等にはコリメータ１５を省略しても良い。

また、放射線源４の後、即ち測定用放射線の出射側にコリメータを設置し、放射線検出器５に向かう方向以外の方向に放射線が出射されるのを防止するようにしても良い。特に、使用済み核燃料７を貯蔵するキャニスタ１では、使用済み核燃料７に向けて中性子が出射されると新たな核分裂反応が生じる虞がある。放射線源４の後にコリメータを設置することで、使用済み核燃料７に向けて中性子が出射されるのを防止することができる。また、照射ルート３以外に測定用放射線が出射されるのを防止することができ、測定用放射線が測定上無駄になるのを防止することもできる。

本発明による封入気体２の圧力測定の成立性を確認するための計算解析を行った。使用済み核燃料７としてＰＷＲ１７×１７燃料集合体を２１体収める金属製のＣＦＳ−キャニスタ（密閉容器）１を例に計算解析を行った。計算解析には米国ロスアラモス国立研究所で開発された連続エネルギーモンテカルロ法計算コードＭＣＮＰ−４Ｃを使用した。同コードは米国での臨界安全解析に標準的に利用されている。

キャニスタ１はステンレス製で、上蓋１ａが厚さ２８ｃｍ、底板が厚さ５ｃｍである。キャニスタ１は厚さ５ｃｍのステンレスで内張りされたコンクリート製キャスク９の中に納められている。キャニスタ１の内部には燃料集合体のまま使用済み核燃料７を納めるアルミニウム製バスケット６が配置してある。燃料集合体は５％−^２３５Ｕ濃縮度のＵＯ_２燃料棒で構成されている。

ＣＦＳ−キャニスタ１の上蓋１ａの底面に直径２．２ｃｍの有底穴１３を設けた。穴１３の深さを２６ｃｍ、圧力境界の厚さを２ｃｍとした。有底穴１３を設けている位置は、図２に示すように、使用済み核燃料７を仕切るバスケット６の円筒板６ａと縦横の四角格子６ｂから等距離の点である。キャニスタ１の上方にコンクリート及び鉄製の直径１．４ｃｍ、長さ１ｍのコリメータ１５を設けた。

キャニスタ１を置いたステンレスの内張９ａの表面から深さ１ｃｍの位置に放射線源４として点状中性子源を設置した。中性子源は^２５２Ｃｆとした。コリメータ１５の出口での中性子スペクトルを計算した。キャニスタ１内の封入気体２としてヘリウムガスを使用し、その圧力は、使用済み核燃料７貯蔵時の２気圧、封入気体２が漏洩により外圧と釣り合った場合の１気圧、その二つの状態の遷移状況として１．５気圧の３つの場合を考慮した。中性子のエネルギースペクトルを２ＭｅＶ以上、２ＭｅＶ未満１ＭｅＶ以上、１ＭｅＶ未満５００ｋｅＶ以上、全エネルギー領域で積分した結果を表１に示す。測定した放射線の計数Ｎの平方根の逆数である統計誤差（計算誤差）も一緒に示す。

つまり、封入気体２が２気圧、１．５気圧、１気圧の３つの場合について、それぞれモンテカルロ法によるコンピュータシミュレーションを行い、放射線検出器５による中性子のカウントを各エネルギー毎にそれぞれ求めた。そして、２気圧の場合のカウントに対する１気圧と１．５気圧の場合のカウントの増加割合をそれぞれ求めた。

表１からも明らかなように、通常の燃料保管状態であるＨｅガス圧力即ち２気圧に対し、気圧が１．５気圧、１気圧と変化した場合、中性子束が明確に増分することがわかった。例えば、エネルギーの全領域では、気圧が１．５気圧、１気圧と変化すると、中性子束が２．０８％、４．３６％と明確に増分することがわかった。この数値解析から、本発明に基づく圧力測定が実現可能で十分実用的であることが確認できた。

本発明の封入気体の圧力測定装置の実施形態の一例を示す縦断面図である。キャニスタの横断面図である。キャニスタの上蓋に設けた有底穴の変形例を拡大して示す断面図である。従来のキャニスタの密封性を監視する方法を示す断面図である。

符号の説明

１キャニスタ（密閉容器）
１ａ上蓋（壁）
２封入気体
３照射ルート
４放射線源
５放射線検出器
６バスケット
７使用済み核燃料
８空き部屋（使用済み核燃料およびバスケットが無い位置）
１５コリメータ

Claims

金属製の密閉容器内に封入された気体の圧力を非破壊的に測定する封入気体の圧力測定方法であって、測定用放射線として中性子を使用し、前記密閉容器の外から照射される前記測定用放射線が前記密閉容器内の封入気体を透過し前記密閉容器の外に設けられた放射線検出器によって検出されるように照射ルートを定めると共に、前記照射ルートについて前記封入気体の圧力と前記測定用放射線の減衰との関係を予め求めておき、前記照射ルートにおける前記測定用放射線の減衰を実際に測定し、その測定結果と前記関係に基づいて前記封入気体の圧力を同定することを特徴とする封入気体の圧力測定方法。
前記密閉容器は使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタであり、前記照射ルートの前後を構成する放射線源と前記放射線検出器を前記キャニスタを挟んでその外側に向かい合わせに設置して、前記キャニスタ内の前記使用済み核燃料及びバスケットが無い位置を前記測定用放射線が透過するようにしたことを特徴とする請求項１記載の封入気体の圧力測定方法。
前記照射ルート上の前記密閉容器の壁の厚さを部分的に薄くしたことを特徴とする請求項１又は２記載の封入気体の圧力測定方法。
コリメータを使用して測定のバックグラウンドとなる放射線を排除することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の封入気体の圧力測定方法。
前記測定用放射線が前記放射線源から出射されるタイミングに基づいて前記測定用放射線が前記放射線検出器によって検出されるタイミングを求め、当該タイミング以外のタイミングで検出された放射線をバックグラウンドとして扱うことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の封入気体の圧力測定方法。
金属製の密閉容器内に封入された気体の圧力を非破壊的に測定する封入気体の圧力測定装置であって、前記密閉容器内の封入気体を透過するように定められた照射ルートに前記密閉容器の外から測定用放射線を照射する放射線源と、前記照射ルートを透過した前記測定用放射線を前記密閉容器の外で検出する放射線検出器とを備え、前記放射線源は中性子源であり、前記照射ルートについて前記封入気体の圧力と前記測定用放射線の減衰との関係を予め求めておき、前記放射線検出器の出力に基づいて前記照射ルートを透過した前記測定用放射線の実際の減衰を測定し、その測定結果と前記関係に基づいて前記封入気体の圧力を同定することを特徴とする封入気体の圧力測定装置。
前記密閉容器は使用済み核燃料を貯蔵するキャニスタであり、前記放射線源と前記放射線検出器とが前記キャニスタを挟んでその外側に向かい合わせに設置され、前記キャニスタ内の前記使用済み核燃料及びバスケットが無い位置を前記測定用放射線が透過するように前記照射ルートが定められていることを特徴とする請求項６記載の封入気体の圧力測定装置。
前記照射ルート上の前記密閉容器の壁の厚さが部分的に薄くされていることを特徴とする請求項６又は７記載の封入気体の圧力測定装置。
前記照射ルート上に設置されたコリメータを備えることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の封入気体の圧力測定装置。
前記測定用放射線が前記放射線源から出射されるタイミングに基づいて前記測定用放射線が前記放射線検出器によって検出されるタイミングを求め、当該タイミング以外のタイミングで検出された放射線をバックグラウンドとして扱うことを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の封入気体の圧力測定装置。