JP5957174B2 - 使用済み燃料の放射線計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子力発電所等で発生する使用済み燃料集合体の燃焼度を導出する使用済み燃料の放射線計測装置に関する。

原子炉で使用された使用済み燃料集合体は、燃料プールで一定期間保管し、半減期の比較的短い放射能を減衰させた後に再処理施設や長期貯蔵施設へ輸送される。
そして、この貯蔵施設には、臨界安全設計として、この使用済み燃料集合体における分裂性物質の減少を考慮する燃焼度クレジットが採用されている。このために、貯蔵施設の臨界安全性を確保するために、貯蔵に先立って、使用済み燃料の燃焼度が評価される。

使用済み燃料の燃焼度を算出するために、使用済み燃料に蓄積されている核分裂生成物からの放射線、特にセシウム（Ｃｓ−１３７、Ｃｓ−１３４等）から放出されるガンマ線や、使用済み燃料に蓄積されている超ウラン元素のキュリウム等から放出される中性子を測定する。

そして、燃料集合体の軸方向の中央に設置されたガンマ線スペクトル検出器（以下、単に「ガンマ線検出器」という）と中性子検出器との測定値から絶対燃焼度を求め、その軸方向に沿って設置された複数のグロスガンマ線検出器の測定値から燃焼度相対分布を算出する。そして、この絶対燃焼度及び燃焼度相対分布から、燃料集合体における平均燃焼度が求められる（例えば、特許文献１参照）。

そして、使用済み燃料集合体は、形状・寸法がそれぞれ異なる複数種類が存在し、測定条件を同一にしてそのような種類に依存しない正確な燃焼度を得ることが求められている。さらに、燃料集合体を水中で測定する際、存在する水の遮蔽効果により、放射線の測定値が、この燃料集合体と各種検出器との距離に依存することが知られている。

そこで、対向配置された一対のガンマ線検出器を結ぶ線の中心に燃料集合体を位置させるためのセンタリング機構が採用されている。
また、使用済み燃料集合体の側面近傍における熱中性子束は、その側面からの距離が２〜３ｃｍ近傍で極大値をとり、距離が離れるに従い減衰する特徴を有している。この極大値をとる領域は反射体ピークと呼ばれ、この反射体ピークに中性子検出器を位置させることによりその検出精度を向上させている。
このような反射体ピークに中性子検出器を正確に設置するために、前記したセンタリング機構とは別個に、使用済み燃料集合体に中性子検出器を当接させる駆動機構が採用されている（例えば、特許文献２参照）。

また、燃料集合体と各種検出器との位置を、軸方向に対し相対的に移動させることにより、軸方向にグロスガンマ線検出器を複数配置することなく燃焼度分布を測定する技術が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平２−２２２８８４号公報 特開平７−３０６２９１号公報 特開２０１０−１５１６９６号公報

しかし、前記したように使用済み燃料集合体のセンタリング機構と、中性子検出器を当接させる駆動機構とをそれぞれ別個に備えることは、部品点数の増加・故障率の増加、保守時の被ばく量の増加、保守費用の増加を招く課題がある。また、燃料集合体と各種検出器との位置を軸方向に相対的に移動させる技術も、複数の駆動機構を備えることに変わりは無く、前記課題を解決することにはならない。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、駆動機構を統合化して部品点数の削減を図る使用済み燃料の放射線計測装置を提供することを目的とする。

使用済み燃料の放射線計測装置において、一本の使用済みの燃料集合体を内部に装荷するとともに内側と外側を含めた全体が水に浸漬されているフレームと、前記フレームを囲むように配置されコリメータの設けられたコンクリート壁と、前記フレームの外側に対向して設けられ前記コリメータを通過したガンマ線を検出する一対のガンマ線検出器と、前記フレームの内側に固定されるとともに前記装荷された前記燃料集合体をその対角線方向の側方から狭持して前記一対のガンマ線検出器に対する前記燃料集合体の位置決めをする支持部材と、前記支持部材に設けられるとともにその狭持動作に従って前記燃料集合体に近接する中性子検出器と、を備え、前記支持部材は、断面Ｌ字形状を有し前記燃料集合体の角部分に当接する当接部と、この当接部及び前記中性子検出器が固定される固定部と、この固定部が先端に取り付けられたロッドと、前記ロッドを長手方向に変位させる駆動部とから構成されることを特徴とする。

本発明により、駆動機構を統合化して部品点数の削減を図る使用済み燃料の放射線計測装置が提供される。

（Ａ）本発明に係る使用済み燃料の放射線計測装置の第１実施形態を示す縦断面図、（Ｂ）支持部材が使用済みの燃料集合体に当接する前の状態を示す部分断面図、（Ｃ）支持部材が使用済みの燃料集合体に当接した後の状態を示す部分断面図。 （Ａ）（Ｂ）の各々は、各実施形態で採用される支持部材の動作を示す水平断面図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の各々は、第１実施形態に係る使用済み燃料の放射線計測装置における燃料集合体の処理工程の説明図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の各々は、第２実施形態に係る使用済み燃料の放射線計測装置における燃料集合体の処理工程の説明図。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の各々は、第３実施形態に係る使用済み燃料の放射線計測装置における燃料集合体の処理工程の説明図。 （Ａ）（Ｂ）の各々は、第３実施形態において採用されるガイド部材の変形例を示す部分断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１（Ａ）に示すように使用済み燃料の放射線計測装置１０（以下、単に装置１０という）は、使用済みの燃料集合体２０を内部に装荷するフレーム１３と、このフレーム１３の外側に対向して設けられる一対のガンマ線検出器１６，１６と、装荷された燃料集合体２０を側方から狭持して一対のガンマ線検出器１６，１６に対する燃料集合体２０の位置決めをする支持部材３０と、この支持部材３０に設けられるとともにその狭持動作に従って燃料集合体２０に近接する中性子検出器３５と、を備えている。

そして、フレーム１３は、その上部に燃料集合体２０を挿入したり引抜したりするのに充分な大きさの開口１４が形成されている。さらにフレーム１３は、オリフィス状のコリメータ１２の設けられたコンクリート壁１１に囲まれており、開口１４を通じて内側と外側を含めた全体が水に浸漬されている。またフレーム１３の内部には、燃料集合体２０がその下端において着座する着座台１５が設置されている。

一対のガンマ線検出器１６，１６は、燃料集合体２０の軸方向の中央近傍を挟んで対向する位置に配置されている。図１においてガンマ線検出器１６は、コンクリート壁１１の外側に固定されたものとして示されているが、特に設置される位置や方法に限定はない。そして、コリメータ１２についても、図示のようにコンクリート壁１１に組み込まれることに限定されず、水中に設置される場合もある。

また、図１（Ｂ）に示すように支持部材３０は、燃料集合体２０の側面に当接する当接部３１と、この当接部３１及び中性子検出器３５が固定される固定部３２と、この固定部３２が先端に取り付けられたロッド３３と、このロッド３３を長手方向に変位させる駆動部３４とから構成される。
これにより、図１（Ｃ）に示すように支持部材３０は、当接部３１において燃料集合体２０を狭持することができる。

図２に示される水平断面図に基づいて、各実施形態における支持部材３０の動作を説明する。なお、図２において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し重複する説明を省略する。
当接部３１は、断面Ｌ字形状を有している。このために、図２（Ａ）の状態からロッド３３を互いに突き合わせる方向に変位させると、図２（Ｂ）に示すように燃料集合体２０の角部分に当接して互いの直角面が外接しあう。これにより、燃料集合体２０は、その位置、軸方向傾斜、軸周り角度が常に一定になるように支持されることになる。

そして、図２（Ｂ）に示すように支持部材３０により狭持された状態で、燃料集合体２０は、ガンマ線検出器１６，１６との距離が一定になるようにセンタリングされ、中性子検出器３５も燃料集合体２０の表面から一定の距離に近接又は当接させることができる。

ここで、燃料集合体２０は、多数の燃料棒（図示略）が格子状に一定間隔で束ねられて整列している。そして、それぞれの燃料棒に収納された燃料ペレットからガンマ線が放出される。この燃料ペレットは、比重が約１１ｇ／ｃｍ^３と水に比較して大きいために、ガンマ線の遮蔽効果が非常に大きい。
このために、燃料集合体２０の外側からガンマ線を測定する場合、水平面内における検出器１６と燃料集合体２０との相対角度に依存して、ガンマ線強度の測定値が異なる。

つまり、燃料集合体２０の内部の燃料棒から外側に向かって放出されるガンマ線のうち大部分は、その外周部に配置される燃料棒によって遮蔽されてしまうが、燃料棒の間隙を抜けて外部に放出される一部のガンマ線の量は、方向によって異なっている。このため、検出器１６の位置に対し、燃料集合体２０の軸回り角度を正確に規定することにより、ガンマ線測定の再現性が向上する。

図３に基づいて、第１実施形態における装置１０による燃料集合体２０の処理工程を説明する。なお、図３において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し重複する説明を省略する。

まず、クレーン装置１７に上端が保持された状態で、フレーム１３の開口１４から燃料集合体２０を挿入し（図３（Ａ））、その下端を着座台１５に着座させる（図３（Ｂ））。
そして、支持部材３０を図３（Ｃ）に示すように変位させて、燃料集合体２０のセンタリングを行う。これにより、燃料集合体２０と一対のガンマ線検出器１６，１６との相互距離が一定に保持される。さらに、この支持部材３０に設けられている中性子検出器３５も燃料集合体２０に一定の距離で近接又は当接されることになる。
水中において中性子検出器３５を燃料集合体２０に当接させることにより、中性子検出の感度低下を回避することができる。

これにより、ガンマ線の検出と中性子の検出とが高感度でなされるとともに、クレーン装置１７の出し入れに伴うバラツキが解消されて検出値の再現性も向上する。
そして、このガンマ線検出器１６と中性子検出器３５の測定値から燃焼度絶対値を求め、軸方向に配置されたグロスガンマ検出器（図示略）の測定値から燃焼度相対分布を求め、これら燃焼度絶対値及び燃焼度相対分布から燃料集合体２０の平均燃焼度が求められる。

（第２実施形態）
図４（Ａ）に示すように、第２実施形態に係る装置１０は、着座台１５（図１）が排除され、燃料集合体２０は、クレーン装置１７で吊り下げられた状態で支持部材３０による位置決め（センタリング）がなされる。なお、図４において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し重複する説明を省略する。

図４（Ｂ）に示すように、燃料集合体２０はクレーン装置１７に吊り下げられた状態でフレーム１３に装荷される。そして、図４（Ｃ）に示すように、支持部材３０は吊り下げられた状態の燃料集合体２０を狭持して、一対のガンマ線検出器１６，１６との相互距離を一定にするのと同時に、中性子検出器３５を燃料集合体２０に一定の距離で近接又は当接させる。
これにより、より少ない部品点数で、燃料集合体２０が放出するガンマ線および中性子を高精度で測定することができる。

（第３実施形態）
図５に示すように、第３実施形態に係る装置１０は、支持部材３０の上側及び下側において、燃料集合体２０が挿通するガイド部材４０がフレーム１３に設けられている。なお、図５において図１と同一又は相当する部分は、同一符号で示し重複する説明を省略する。なお、図示において、支持部材３０の上側及び下側において、二つのガイド部材４０ａ，４０ｂが設けられているが、いずれか一方のみが配置されている場合もある。

このように、ガイド部材４０が配置されることにより、燃料集合体２０をフレーム１３に装荷する際にその揺れが防止され、支持部材３０の動作範囲から燃料集合体２０が逸脱するのを防止する。また、ガイド部材４０は、支持部材３０の動作と干渉しない位置に配置される。

なお図示を省略しているがガイド部材４０の水平断面は、燃料集合体２０と相似形の角型管形状であることが望ましい。
そして、ガイド部材４０は、開口方向に拡径して形成されている。これにより、燃料集合体２０を装荷する際に多少揺動していても、的確にガイド部材４０に案内させることができる。

図６に示すように、第３実施形態において採用されるガイド部材４０（４０ｃ、４０ｄ）は種々の変形例をとることができる。なお、ガイド部材４０の上側部分のみが図示されているが、下側部分についても同様である。
図６（Ａ）に示すように、ガイド部材４０ｃの開口部分を、開口方向に向かって段階的に広げることで、燃料集合体２０の挿入時、引抜時の引掛りがより的確に防止される。
また、図６（Ｂ）に示すように、開口方向に向かう段階的な拡張面に傾斜を設けることで、さらに燃料集合体２０の挿入時・引抜時の引掛りを防止することができる。

本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。
例えば、支持部材３０の構成は、図示したものに限定されるものではなく、燃料集合体２０の位置決めをするように動作するものであれば、適宜採用することができる。また、支持部材３０の燃料集合体２０に対する当接部３１は、Ｌ字形状に限定されるものではなく、任意の形状をとることができる。また、燃料集合体２０が狭持される方向もその対角線方向に限定されることもなく、任意の方向から狭持される。そして、支持部材３０は、一方向から狭持することに限定されず、複数により多方向から狭持するように構成してもよい。

１０…放射線計測装置、１１…コンクリート壁、１２…コリメータ、１３…フレーム、１４…開口、１５…着座台、１６…ガンマ線検出器、１７…クレーン装置、２０…燃料集合体、３０…支持部材、３１…当接部、３２…固定部、３３…ロッド、３４…駆動部、３５…中性子検出器、４０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ）…ガイド部材。

Claims (4)

1. 一本の使用済みの燃料集合体を内部に装荷するとともに内側と外側を含めた全体が水に浸漬されているフレームと、
   前記フレームを囲むように配置されコリメータの設けられたコンクリート壁と、
   前記フレームの外側に対向して設けられ前記コリメータを通過したガンマ線を検出する一対のガンマ線検出器と、
   前記フレームの内側に固定されるとともに前記装荷された前記燃料集合体をその対角線方向の側方から狭持して前記一対のガンマ線検出器に対する前記燃料集合体の位置決めをする支持部材と、
   前記支持部材に設けられるとともにその狭持動作に従って前記燃料集合体に近接する中性子検出器と、を備え、
   前記支持部材は、断面Ｌ字形状を有し前記燃料集合体の角部分に当接する当接部と、この当接部及び前記中性子検出器が固定される固定部と、この固定部が先端に取り付けられたロッドと、前記ロッドを長手方向に変位させる駆動部とから構成されることを特徴とする使用済み燃料の放射線計測装置。
2. 請求項１に記載の使用済み燃料の放射線計測装置において、
   前記燃料集合体は、吊り下げられた状態で前記位置決めがなされることを特徴とする使用済み燃料の放射線計測装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の使用済み燃料の放射線計測装置において、
   前記支持部材の上側及び下側のうち少なくとも一方において、前記燃料集合体が挿通するガイド部材を前記フレームに設けたことを特徴とする使用済み燃料の放射線計測装置。
4. 請求項３に記載の使用済み燃料の放射線計測装置において、
   前記ガイド部材は、開口方向に拡径して形成されることを特徴とする使用済み燃料の放射線計測装置。

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