JP5330489B2

JP5330489B2 - 使用済み燃料の健全性評価方法および装置

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Publication number: JP5330489B2
Application number: JP2011264025A
Authority: JP
Inventors: 研一吉岡; 偉司三橋; 哲郎竹下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2026-09-06
Also published as: JP2012047758A

Description

この発明は、使用済み原子燃料の健全性を評価する健全性評価方法および装置に関する。

原子炉内で使用され燃焼された使用済み燃料は、一時的に燃料貯蔵プールに保管され、また使用済み燃料貯蔵容器（以下、単に「貯蔵容器」ともいう）に収納され再処理施設などに輸送される。

一方、使用済み燃料の未臨界度測定方法として、最も容易なものに中性子増倍法がある。これは、強度が既知の中性子源から発生した中性子を使用済み燃料に入射させ、使用済み燃料から発生する中性子を測定するものである。しかし、この手法を、中性子を外部に漏洩させないように構成した使用済み燃料貯蔵装置に用いることは、一般的には難しい。

例えば、使用済み燃料貯蔵容器内に収納された使用済み燃料の未臨界度測定システムとして、特許文献１に示すように使用済み燃料の輸送容器（貯蔵容器）等に予め中性子検出器を設置しておく未臨界度測定システムが知られている。

特開平１１−１１８９８１号公報

共立出版実験物理学講座２９伏見康治編集「原子炉」第８章

しかしながら、特許文献１に示すようなシステムの場合、貯蔵容器が長期間密封されることになり、貯蔵容器内部に中性子検出器を配置することは現実的ではない。

また、貯蔵容器の外部に中性子検出器を配置して測定することも考えられるが、貯蔵容器は中性子を十分遮蔽するように設計されているため、使用済み燃料自体から発生する中性子を利用することは困難である。さらに中性子を検出するために、予め中性子源を貯蔵容器内に内蔵し、中性子を増倍させ、貯蔵容器外部から中性子を検出できるようにすることも、輸送時の中性子線量を増大させることになるため、採用しにくい。

また、貯蔵容器外部から中性子源を入射させ、同様に貯蔵容器外部に配置した中性子検出器により中性子を測定しようとすると、容器の中性子遮蔽を透過できるだけの強力な中性子発生装置が必要となり、非常に高価となるとともに、貯蔵容器が中性子により放射化し、環境線量を上昇させることになる。

そこで本発明は、貯蔵中または輸送中の使用済み燃料の健全性を評価する方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するものであって、本発明の一つの態様は、使用済み燃料を貯蔵した貯蔵容器内の使用済み燃料より上部にガスたまり空間を設け、前記ガスたまり空間内部に光核反応により中性子を発生する物質からなるターゲットを配置し、前記貯蔵容器外に２ＭｅＶないし５ＭｅＶのエネルギーのＸ線を発生するＸ線発生装置および少なくとも１つの中性子検出器を配置し、前記Ｘ線発生装置により発せられた前記Ｘ線が前記ターゲットと衝突する際に発生する中性子を前記中性子検出器で計数し、前記中性子検出器による計数値に基づいて使用済み燃料の異常を検知すること、を特徴とする使用済み燃料の健全性評価方法である。

本発明のさらに他の一つの態様は、使用済み燃料を貯蔵した貯蔵容器内の使用済み燃料より上部にガンマ線遮蔽を施したガス捕集容器を設け、使用済み燃料の高さ以下の高さに光核反応により中性子を発生する物質からなるターゲットを配置し、前記貯蔵容器外に２ＭｅＶないし５ＭｅＶのエネルギーのＸ線を発生するＸ線発生装置および少なくとも１つのガンマ線検出器を配置し、前記Ｘ線発生装置により発せられた前記Ｘ線が前記ターゲットと衝突する際に発生する中性子を使用済み燃料に照射することにより、使用済み燃料に核分裂を起こさせ、核分裂により発生する核分裂生成物を前記ガス捕集容器に捕集し、前記核分裂生成物から発生するガンマ線を前記ガンマ線検出器で計数し、前記計数されたガンマ線に基づいて使用済み燃料の異常を検知すること、を特徴とする使用済み燃料の健全性評価方法である。

本発明のさらに他の一つの態様は、使用済み燃料を貯蔵した貯蔵容器内の使用済み燃料より上部に設けたガスたまり空間部と、前記ガスたまり空間内に設けた光核反応により中性子を発生する物質からなるターゲットと、前記貯蔵容器外に設けた２ＭｅＶないし５ＭｅＶのエネルギーのＸ線を発生するＸ線発生装置と、前記貯蔵容器外に設けた少なくとも１つの中性子検出器と、前記Ｘ線発生装置により発せられた前記Ｘ線が前記ターゲットと衝突する際に発生する中性子を前記中性子検出器で計数することにより使用済み燃料の異常を検知する手段と、を備えることを特徴とする使用済み燃料の健全性評価装置である。

本発明のさらに他の一つの態様は、使用済み燃料を貯蔵した貯蔵容器内の燃料集合体より上部に設けられ、核分裂により発生する核分裂生成物を捕集するガンマ線遮蔽を施したガス捕集容器と、使用済み燃料の高さ以下の高さに設けられて光核反応により中性子を発生する物質からなるターゲットと、前記貯蔵容器外に設けられた２ＭｅＶないし５ＭｅＶのエネルギーのＸ線を発生するＸ線発生装置と、前記貯蔵容器外に設けられた少なくとも１つのガンマ線検出器と、前記Ｘ線発生装置により発せられた前記Ｘ線が前記ターゲットと衝突する際に発生する中性子を使用済み燃料に照射することにより、使用済み燃料に核分裂を起こさせ、発生するガンマ線を前記ガンマ線検出器で計数する手段と、前記ガンマ線検出器による計数値に基づいて使用済み燃料の異常を検知する手段と、を有することを特徴とする使用済み燃料の健全性評価装置である。

本発明によれば、貯蔵容器等内に中性子源を配置しなくても、貯蔵中または輸送中の使用済み燃料の健全性を評価することができる。

本発明による燃料貯蔵容器の未臨界度測定装置に係る第１または第２の実施形態の構成を示す模式的平断面図。本発明による燃料貯蔵容器の未臨界度測定装置に係る第２の実施形態の構成を示す図であって、図１のII−II線矢視模式的立断面図。本発明による使用済み燃料貯蔵プールの未臨界度測定装置に係る第３または第４の実施形態の構成を示す模式的平断面図。本発明による使用済み燃料貯蔵プールの未臨界度測定装置に係る第４の実施形態の構成を示す図であって、図３のIV−IV矢視模式的立断面図。本発明による使用済み燃料の健全性評価装置に係る第５の実施形態の構成を示す模式的立断面図。本発明による使用済み燃料の健全性評価装置に係る第６の実施形態の構成を示す模式的立断面図。図６のＦＰガス捕集容器拡大立断面図。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は本発明に係る使用済み燃料の未臨界度測定装置の第１の実施形態の基本的構成を示した概略図である。

図１において、中性子遮蔽体６とγ線遮蔽体５により遮蔽された貯蔵容器４に使用済み燃料７が内蔵されている。この使用済み燃料７は、複数の使用済み燃料集合体からなっており、その中央部に光核反応により中性子を発生する中性子発生物質からなるターゲット１が配置されている。また、貯蔵容器４の外周部に、中性子を検出する中性子検出器３ａ、３ｂが配置されている。これらの中性子検出器は１つでも測定は可能であるが、誤信号や誤動作を防ぐため、対称位置に２つ配置するのが望ましい。

ここで、上記ターゲット１を構成する中性子発生物質としては、光核反応の閾値が低く、構造材中に含まれないベリリウムや水中にわずかしか存在しない重水が適している。これらのベリリウムや重水素などは、数ＭｅＶ程度の高エネルギーのＸ線に反応し、中性子を放出する光核反応を起こすことが知られている。

また、光核反応により中性子発生物質であるターゲット１と衝突させ、中性子を発生させるＸ線を発するＸ線発生装置２を貯蔵容器４の外部に配置する。このＸ線発生装置２のような、高エネルギーのＸ線を発生する装置は、最近、医療分野等で開発が進められており、１０ＭｅＶ程度のＸ線発生装置も容易に製造可能で、コストも低減されている。

ここで、光核反応によりターゲット１から中性子を発生させるためには、Ｘ線のエネルギーは２ＭｅＶ程度が必要である。γ線遮蔽体を効率よく通過するためにはなるべく高い方が望ましいが、５〜６ＭｅＶを超えるとウランが光核反応により中性子を発生する確率が高くなり、１０ＭｅＶ近くになると構造材の鉄も中性子を発生する確率が高くなる。したがって、Ｘ線エネルギー強度は貯蔵容器４の外部に設置された中性子検出器３ａ、３ｂの検出レベルを超える程度であれば十分で、２〜５ＭｅＶ程度が適当であり、このような条件の下では、貯蔵容器４の放射化も問題ない。また、Ｘ線発生強度を調節することにより検出できる中性子強度も調整可能である。

なお、使用済み燃料７からもγ線が発生するが、そのエネルギーは高々１ＭｅＶ程度であり、光核反応は、２ＭｅＶ程度以上のγ線またはＸ線を必要とするため、使用済み燃料７からのγ線でターゲット１が中性子を発生する確率は非常に小さい。

また、貯蔵容器４の中性子遮蔽はＸ線に対する効果は小さく、γ線遮蔽は使用済み燃料７から発生する高々１ＭｅＶ程度のγ線を想定しているため、高エネルギーのＸ線であれば、貯蔵容器４内部には十分到達できる。また、Ｘ線を貯蔵容器４に照射しても中性子のように材質が放射化することはなく、環境線量を上昇させることもない。

以上のような構成の使用済み燃料の未臨界度測定装置において、未臨界度を測定するためには、貯蔵容器４の外部に配置したＸ線発生装置２から、中性子発生物質であるターゲット１に２〜５ＭｅＶ程度のＸ線を入射させる。ターゲット１では光核反応により中性子が発生し、発生した中性子は使用済み燃料７内で増倍し、中性子検出器３ａ、３ｂに到達し、検出される。中性子検出器３ａ、３ｂにより検出された計数率に基づいて、未臨界度測定手段２０により、予め計算により求めておいた相関を用いて、未臨界度を算出することができる。

また、装置は複雑になるが、Ｘ線発生装置２からパルス上にＸ線を発生させれば、パルス中性子法（非特許文献１など参照）を用いて未臨界度を推定することも可能である。すなわち、Ｘ線をパルス状に発生させることにより、ターゲットからパルス状に中性子を発生させ、中性子検出器に現れる時間応答から、中性子数の時間減衰定数を評価し、時間減衰定数から未臨界度を算出することができる。

以上により、光核反応を起こす物質を予め貯蔵容器に内蔵しておくことで、輸送時に中性子源を存在させることなく、未臨界度を評価することができる。すなわち、貯蔵時等において定期的に未臨界度を測定する場合にのみ、Ｘ線を発生させ、ターゲットに衝突させることで、中性子を使用済み燃料に照射し増倍させ、貯蔵容器外に設置された中性子検出器により、貯蔵容器を放射化させることなく、未臨界度を評価することができる。

［第２の実施形態］
本発明に係る使用済み燃料の未臨界度測定装置およびその測定方法の第２の実施形態を、図１および図２により説明する。図１は第１の実施形態と共通である。図２は、第２の実施形態の使用済み燃料の未臨界度測定装置の縦方向の概略構成を示すものである。

図２において、使用済み燃料７内に配置されるターゲット１の軸方向長さは、少なくとも使用済み燃料の燃料有効部と同じ長さ以上としている。また、Ｘ線発生装置２はＸ線発生装置軸方向駆動装置８により、軸方向位置を変化させることができる構成となっている。

この構成により、Ｘ線とターゲット１の衝突位置を変化させ、中性子発生位置を軸方向の任意の位置に移動することができる。これにより、軸方向に長い使用済み燃料の未臨界度を複数の高さで測定することができ、未臨界測定の信頼性を高めることができる。

［第３の実施形態］
図３は本発明に係る使用済み燃料の未臨界度測定装置の第３の実施形態の構成を示した概略図である。

図３において、使用済み燃料貯蔵プール９に保管された使用済み燃料７の中央部に光核反応により中性子を発生する中性子発生物質からなるターゲット１を配置し、使用済み燃料７の側面外側に中性子を検出する中性子検出器３ａ、３ｂを配置する。また、使用済み燃料貯蔵プール９の外側にＸ線発生装置２を配置する。

この第３の実施形態は、第１の実施形態における使用済み燃料の貯蔵容器４を貯蔵プールに置き換えたものであり、それ以外の基本的な構成およびそれぞれの構成要素は、第１の実施形態と同様である。

したがって、本実施の形態の使用済み燃料貯蔵プールにおいても、第１の実施形態と同様に使用済み燃料の未臨界度を測定することができるという作用効果を奏するものである。

［第４の実施形態］
本発明に係る使用済み燃料の未臨界度測定装置およびその方法の第４の実施形態を、図３および図４により説明する。図３は第３の実施形態と共通である。図４において、使用済み燃料貯蔵プール９の上部に、使用済み燃料貯蔵プール９内でターゲット１を移動する駆動装置１０が設けられている。

この構成によれば、駆動装置１０によりターゲット１を移動させることにより、使用済み燃料貯蔵プール９内の任意の位置に中性子発生源を移動させることができ、より詳細な未臨界度の測定が可能となるという効果を奏する。

［第５の実施形態］
図５は本発明に係る使用済み燃料の健全性評価装置の第５の実施形態としての基本的構成例を示した概略図である。

図５において、貯蔵容器４内の使用済み燃料７の上方にＦＰガスたまり空間１１が設けられ、このＦＰガスたまり空間１１に中性子発生物質であるターゲット１が配置されている。また、貯蔵容器４の外部には、Ｘ線発生装置２およびＦＰ漏洩検出用中性子検出装置１２が配置されている。

このような構成において、使用済み燃料７が破損した場合、核分裂性物質（以下、ＦＰという）であるＸｅが漏洩し、貯蔵容器４の上部に設けたＦＰガスたまり空間１１内にＦＰガスであるＸｅが滞留する。Ｘｅは中性子吸収断面が大きいため、Ｘ線発生装置２からのＸ線照射による光核反応で発生した中性子はＸｅに吸収され、ＦＰ漏洩検出用中性子検出器１２の指示値が下がる。この指示値をモニタすることにより、燃料破損の有無を判定できる。使用済み燃料７の破損の有無を判定することにより、使用済み燃料の健全性を評価できる。

なお、ここで用いられるＸ線発生装置は容器材の非破壊検査にも使用できる。また、内部からの中性子を検出することにより、未臨界度を判定できるだけでなく、中性子吸収物質である中性子遮蔽材の健全性や燃料破損時に漏洩する核分裂生成物（ＦＰ）ガスであり中性子吸収断面積の大きなＸｅ、特にＸｅ−１３１を検知することにより燃料健全性の評価にも有効である。

［第６の実施形態］
図６は、本発明の使用済み燃料の健全性評価装置の第６の実施形態としての基本的構成例を示した概略図である。中性子発生物質であるターゲット１を使用済み燃料７内に配置し、使用済み燃料７の上方にＦＰガスをためる遮蔽容器付ＦＰガス捕集部１３を設けている。このＦＰガス捕集部１３とほぼ同じ高さの貯蔵容器４外部の位置にＦＰ漏洩検出用γ線検出器１４を設けている。また、貯蔵容器４外部には、縦方向に駆動可能になるようにＸ線発生装置２と駆動機構８を設けている。

ガス捕集部１３は、図７に示すように、γ線を遮蔽する遮蔽材１３ａで覆い、使用済み燃料７側にＦＰガスを捕集する開口部１３ｃが設けられている。また、検出器に向く側１３ｂのみを遮蔽を薄くすることにより、燃料からの強いγ線を遮蔽し、バックグランドγ線を除去できる構成となっている。

このような構成によれば、Ｘ線発生装置２によりＸ線を中性子発生物質からなるターゲット１と衝突させると中性子が発生し、この中性子が使用済み燃料７に短期間低出力照射させることになる。この照射は、原子炉内に比べはるかに低い量であるため、熱発生や長半減期核種による恒常的な線量増加は伴わないが、使用済み燃料７は低レベルの核分裂を起こし、短半減期のＦＰを発生させることができる。

このとき使用済み燃料７が破損していれば、短半減期のＦＰでガス状のもの、例えば、Ｘｅ−１３５（半減期９．１ｈ）に代表される希ガスが、使用済み燃料７から漏れ出し、強いγ線源となる。このように短半減期の放射性物質は量が少なくても強い放射能を持つため、これらから発生するγ線を計数することにより、燃料破損の有無を判定できる。

以上の構成により、使用済み燃料の破損の有無を判定でき、健全性を評価できるという効果を奏するものである。

１：ターゲット
２：Ｘ線発生装置
３ａ，３ｂ：中性子検出器
４：貯蔵容器
５：γ線遮蔽体
６：中性子遮蔽体
７：使用済み燃料
８：Ｘ線発生装置軸方向駆動装置
９：使用済み燃料貯蔵プール
１０：駆動装置
１１：ＦＰガスたまり空間
１２：ＦＰ漏洩検出用中性子検出器
１３：ＦＰガス捕集部
１４：ＦＰ漏洩検出用γ線検出器
２０：未臨界度測定手段

Claims

使用済み燃料を貯蔵した貯蔵容器内の使用済み燃料より上部にガスたまり空間を設け、
前記ガスたまり空間内部に光核反応により中性子を発生する物質からなるターゲットを配置し、
前記貯蔵容器外に２ＭｅＶないし５ＭｅＶのエネルギーのＸ線を発生するＸ線発生装置および少なくとも１つの中性子検出器を配置し、
前記Ｘ線発生装置により発せられた前記Ｘ線が前記ターゲットと衝突する際に発生する中性子を前記中性子検出器で計数し、
前記中性子検出器による計数値に基づいて使用済み燃料の異常を検知すること、
を特徴とする使用済み燃料の健全性評価方法。
使用済み燃料を貯蔵した貯蔵容器内の使用済み燃料より上部にガンマ線遮蔽を施したガス捕集容器を設け、
使用済み燃料の高さ以下の高さに光核反応により中性子を発生する物質からなるターゲットを配置し、
前記貯蔵容器外に２ＭｅＶないし５ＭｅＶのエネルギーのＸ線を発生するＸ線発生装置および少なくとも１つのガンマ線検出器を配置し、
前記Ｘ線発生装置により発せられた前記Ｘ線が前記ターゲットと衝突する際に発生する中性子を使用済み燃料に照射することにより、使用済み燃料に核分裂を起こさせ、
核分裂により発生する核分裂生成物を前記ガス捕集容器に捕集し、
前記核分裂生成物から発生するガンマ線を前記ガンマ線検出器で計数し、
前記計数されたガンマ線に基づいて使用済み燃料の異常を検知すること、
を特徴とする使用済み燃料の健全性評価方法。
光核反応により中性子を発生する物質にベリリウムまたは重水の少なくとも一方を含有する物質を使用することを特徴とする請求項１または２に記載の使用済み燃料の健全性評価方法。
使用済み燃料を貯蔵した貯蔵容器内の使用済み燃料より上部に設けたガスたまり空間部と、
前記ガスたまり空間内に設けた光核反応により中性子を発生する物質からなるターゲットと、
前記貯蔵容器外に設けた２ＭｅＶないし５ＭｅＶのエネルギーのＸ線を発生するＸ線発生装置と、
前記貯蔵容器外に設けた少なくとも１つの中性子検出器と、
前記Ｘ線発生装置により発せられた前記Ｘ線が前記ターゲットと衝突する際に発生する中性子を前記中性子検出器で計数することにより使用済み燃料の異常を検知する手段と、
を備えることを特徴とする使用済み燃料の健全性評価装置。
使用済み燃料を貯蔵した貯蔵容器内の燃料集合体より上部に設けられ、核分裂により発生する核分裂生成物を捕集するガンマ線遮蔽を施したガス捕集容器と、
使用済み燃料の高さ以下の高さに設けられて光核反応により中性子を発生する物質からなるターゲットと、
前記貯蔵容器外に設けられた２ＭｅＶないし５ＭｅＶのエネルギーのＸ線を発生するＸ線発生装置と、
前記貯蔵容器外に設けられた少なくとも１つのガンマ線検出器と、
前記Ｘ線発生装置により発せられた前記Ｘ線が前記ターゲットと衝突する際に発生する中性子を使用済み燃料に照射することにより、使用済み燃料に核分裂を起こさせ、発生するガンマ線を前記ガンマ線検出器で計数する手段と、
前記ガンマ線検出器による計数値に基づいて使用済み燃料の異常を検知する手段と、
を有することを特徴とする使用済み燃料の健全性評価装置。
前記ガス捕集容器は前記使用済み燃料に対向する開口部を有し、かつ、前記ガス捕集容器のガンマ線遮蔽の前記ガンマ線検出器に対向する部分が薄肉に構成されていることを特徴とする請求項５に記載の使用済み燃料の健全性評価装置。