JP6153335B2 - 中性子吸収物質含有量の判断方法 - Google Patents

Description

本発明は、中性子吸収材において、中性子吸収物質含有量の判断方法に関するものである。

原子力発電所において、原子炉での使用済核燃料は、キャスク内に収納して輸送や貯蔵を行っている。この使用済核燃料のキャスクは、その内部に板状または管状の部材により構成されるセル構造（バスケットと称される）を有している。
上述のバスケットを構成する部材には、使用済核燃料の臨界を防ぐために中性子を吸収する中性子吸収物質が含有された中性子吸収材が用いられている。具体的には、アルミニウム合金中に炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）等のホウ素を含有する化合物粒子が分散された材料等が用いられている。

中性子吸収材においては、使用済核燃料の臨界反応を防止するために、材料の全領域にわたって、均一であることが必要とされている。すなわち、中性子吸収材において、Ｂ_４Ｃなどの中性子吸収物質の含有量が適正量（規定量）を下回る領域がないことが必要とされており、中性子吸収物質の含有量を判断する方法が求められている。

一般的に、中性子吸収材の中性子吸収物質の含有量を測定する方法として、中性子透過試験などが知られているが、このような試験は、カリホルニウム２５２（^２５２Ｃｆ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉｕｍ）等の放射性物質を用いて実施される。
例えば、特許文献１には、中性子吸収材に中性子を中性子吸収材に照射し、この中性子照射によって発生するガンマ線を検出することによって、中性子吸収物質の原子個数密度を測定している。

特開２００１−２４２１０１号公報

ところで、上述のような中性子透過試験は、カリホルニウム２５２等の放射性物質が必要となることに加えて、大がかりな設備を必要とするため、容易に実施することが困難である。また、試験を実施するためのコストが大きくなる問題もある。
また、特許文献１に記載の方法の場合でも、中性子吸収材への中性子照射や、ガンマ線の検出などが必要となるため、容易に実施できないとともに、コストが大きくなる。

この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、中性子吸収材において中性子吸収物質が適正量を含有されているかどうかを容易かつ低コストで判断することができる中性子吸収物質含有量の判断方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明の中性子吸収物質含有量の判断方法は、金属からなる母材に中性子吸収物質が分散された中性子吸収材の表面に超音波を照射し、前記中性子吸収材を伝播した超音波を検出する検出工程と、該超音波を検出する工程において検出された超音波を、予め設定された前記中性子吸収物質の含有量と超音波との関係に対応させて、前記中性子吸収材に適正量の前記中性子吸収物質が含有されているかどうかを判断する判断工程と、を備えることを特徴としている。

本発明の中性子吸収物質含有量の判断方法によれば、母材に中性子吸収物質が分散された中性子吸収材の表面に超音波を照射し、前記中性子吸収材を伝播した超音波を検出する。そして、この検出された超音波と、前記中性子吸収物質の含有量との関係に基づいて、適正量の前記中性子物質が含有されているかどうかを判断している。このような構成にすることによって、中性子吸収材に含有される中性子吸収物質含有量を把握し、中性子吸収材に適正量の中性子吸収物質が含有されているかどうかを判断可能となる。さらに、超音波を用いており、中性子照射などの大がかりな設備を要さないので、従来の方法と比較して容易かつ低コストで中性子吸収物質の含有量を判断できる。
また、中性子吸収材の全面に、この中性子吸収物質含有量の判断方法を適用することによって、対象となる中性子吸収材を使用済核燃料のキャスクを構成するバスケットなどを構成する材料として用いることができるかどうかの判断をすることができる。
さらに、このような超音波による評価は、非破壊の評価手法であり、評価対象材料である中性子吸収材を損傷することがない。
ここで、検出工程において検出される超音波には、中性子吸収材を伝播する際の中性子吸収物質による散乱によるノイズや音波の周波数成分の変化の情報などが含まれている。すなわち、検出工程において検出される超音波を解析することにより、中性子吸収物質の量に関する情報が得られる。

また、前記検出工程において、前記中性子吸収材の表面に超音波を照射し、前記中性子吸収材の裏面にて反射する超音波を検出することが好ましい。

この場合、中性子吸収材の裏面にて反射する超音波を検出する構成とされているので、容易に超音波を検出できる。また、このように反射する超音波、すなわち反射波を検出する場合には、中性子吸収材の厚さ方向（超音波の侵入方向）における超音波の情報を把握することができ、中性子吸収材の厚さ方向における中性子吸収物質含有量を把握することも可能となる。

さらに、前記検出工程において検出された超音波に含まれるノイズまたは周波数成分を用いて、適正量の前記中性子吸収物質が含有されているかどうかを判断することが好ましい。

この場合、超音波に含まれるノイズの情報や周波数成分の情報を解析することによって、中性子吸収材に含まれる中性子吸収物質の含有量をより確実に把握することが可能である。

また、前記検出工程において、超音波探触子を前記中性子吸収材の表面に走査して、該中性子吸収材に超音波を照射する構成とされても良い。

この場合、超音波探触子を中性子吸収材の表面に走査しながら超音波を連続的に照射できるので、中性子吸収材の全領域にわたって、中性子吸収材に含まれる中性子吸収物質を容易かつ短時間で把握することができる。

本発明によれば、中性子吸収材において中性子吸収物質が適正量を含有されているかどうかを容易かつ低コストで判断することができる中性子吸収物質含有量の判断方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る中性子吸収物質含有量の判断方法の概略説明図である。 一実施形態に中性子吸収物質含有量の判断方法の概略説明図である。（ａ）は中性子吸収材の板厚方向の断面において中性子吸収物質が適性量含まれる領域と適性量未満の領域とが存在する場合、（ｂ）は中性子吸収材の板厚方向の断面において、全領域が、中性子吸収物質含有量が適性量含まれる領域である場合を示す概略図である。 本発明の一実施形態に係る中性子吸収物質含有量の判断方法のフロー図である。 本発明の一実施形態に係る中性子吸収物質含有量の判断方法を説明するための図である。

以下に、本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態では、原子炉などの使用済燃料を輸送・貯蔵するためのキャスクの内部において、バスケットを構成する材料（中性子吸収材）を対象として、中性子吸収物質の含有量を判断する例を示している。

図１に、本発明の一実施形態に係る中性子吸収物質含有量の判断方法の概略説明図を示す。中性子吸収物質含有量の判断方法は、図１に示すように、測定対象となる中性子吸収材１０の表面に対して、超音波探触子２０によって超音波を照射することによって実施される。

中性子吸収材１０は、母材に中性子吸収物質が分散されて構成されている。図１において、中性子吸収材１０は、一例として板状に形成されているが、必要に応じて任意の形状に設定できる。本実施形態においては、中性子吸収材１０の厚さは、約２０ｍｍとされている。
中性子吸収材１０の母材は、例えばアルミニウム合金やステンレス鋼などで構成されており、本実施形態ではアルミニウム合金で構成されている。

母材中に分散する中性子吸収物質は、中性子を吸収し、中性子を減衰させるものであり、例えばＢ_４Ｃ、ＴｉＢ_２、ＡｌＢ_２、ＡｌＢ_１２、Ｂ_２Ｏ_３などで構成される。本実施形態では、Ｂ_４Ｃによって構成されている。中性子吸収物質は、例えば数μｍ〜数十μｍの大きさとされており、母材中にはこの中性子吸収物質が粒子として多数存在している。中性子吸収材１０に中性子が照射されると、この中性子吸収物質によって中性子が吸収され、減衰される。

使用済核燃料の臨界を防止するために、中性子吸収材１０では、中性子吸収材１０の全領域において中性子を吸収、減衰できることが求められる。したがって、中性子吸収材１０の母材に分散する中性子吸収物質が均一に、適性量以上分散していることが必要となる。すなわち、中性子吸収材１０の全領域において、中性子吸収物質の含有量（分布密度）が、適正量を下回る領域がないことが必要なのである。

しかしながら、中性子吸収材１０においては、母材（アルミニウム合金）中に中性子吸収物質（Ｂ_４Ｃ）を分散させているため、その製造時の管理方法によっては、中性子吸収物質が均一に分散しない可能性が完全には否定できない。このように、中性子吸収物質が均一に分散していない場合には、中性子吸収材１０として十分な機能を有しておらず、上述のバスケットの構成材料として用いることができない。

超音波探触子２０は、対象物の表面に超音波を照射しながら走査できるようになっている。本実施形態においては、対象物（中性子吸収材１０）の表面から超音波を照射し、対象物の底面（裏面）から反射する超音波、すなわち反射波を超音波探触子２０によって検出する構成とされている（図２（ａ）、（ｂ）参照）。この超音波探触子２０によって得られる超音波（反射波）の情報は、記憶装置（図示なし）によって蓄積されるようになっている。

本実施形態に係る中性子吸収物質含有量の判断方法は、上記のような中性子吸収材１０の母材中に中性子吸収物質が均一に分散しているかどうかを判断するためのものである。以下に、その中性子吸収物質含有量の判断方法の詳細について説明する。

母材（アルミニウム合金等）中に、粒子（Ｂ_４Ｃ等の中性子吸収物質）が分散している場合、その粒子の含有量（分散密度）に応じて、材料内部における音波の透過性やノイズに変化が生じる。すなわち、母材中に粒子の分散量が多い場合には、少ない場合と比べて音波の透過性が低くなったり、ノイズが大きくなったりする。
例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、中性子吸収材１０に含まれる中性子吸収物質が異なる場合には、超音波の透過性やノイズに変化が生じる。なお、図２（ａ）、（ｂ）において、Ａで示される領域は、中性子吸収物質の含有量が適性量含まれている領域、Ｂで示される領域は、中性子吸収物質の含有量が適性量より少ない領域を示している。
本実施形態である中性子吸収物質含有量の判断方法は、このような中性子吸収材１０における母材中の粒子の含有量と、音波との関係を利用したものである。

次に、具体的な中性子吸収物質含有量の判断方法の手順について、図３のフロー図を用いて説明する。本実施形態の中性子吸収物質含有量の判断方法は、例えば、検量線取得工程Ｓ１と、超音波検出工程Ｓ２と、判断工程Ｓ３と、を備えている。

（検量線取得工程Ｓ１）
まず、中性子吸収材１０の母材に分散する中性子吸収物質の含有量（分布密度）と、超音波との関係を把握する。本実施形態においては、この中性子吸収物質の含有量（分布密度）と、超音波との関係を検量線と称する。
具体的には、まず、対象物である中性子吸収材１０の中性子吸収物質含有量を種々に変化させた標準試料を作製する。そして、この標準試料に対して、超音波探触子２０により超音波を照射し、標準試料の底面から反射する超音波（反射波）を検出する。この底面から反射する超音波には、材料内部における中性子吸収物質による超音波の散乱に伴うノイズや周波数成分の変化の情報が含まれている。

図４には、縦軸にノイズ（超音波ノイズ）、横軸に中性子吸収物質の含有量とした検量線Ｌが示されている。本実施形態では、超音波ノイズの値がＹ未満の場合、中性子吸収物質含有量が適正量（図４においてＸで示されている）含有されておらず中性子吸収材１０として不適と判断される。一方、ノイズの値がＹ以上の場合、中性子吸収物質含有量が適正量含まれており、中性子吸収材１０として好適と判断される。図４では縦軸をノイズとした検量線の例を示したが、超音波の周波数成分を代表するパラメータとしてもよい。

（超音波検出工程Ｓ２）
次に、評価の対象となる中性子吸収材１０の表面に超音波探触子２０により超音波を照射し、中性子吸収材１０の底面から反射する超音波（反射波）を検出する。

（判断工程Ｓ３）
次いで、超音波検出工程Ｓ２で検出された超音波を、検量線取得工程Ｓ１で取得した検量線に対応させる。本実施形態においては、超音波検出工程Ｓ２で検出された超音波に含まれるノイズを検量線Ｌに対応させている。
具体的には、図４に示すように、超音波検出工程Ｓ２において検出された超音波のノイズがＹ１の場合には、中性子吸収物質の含有量がＸ１と判定されるため、中性子吸収物質が適正量含まれておらず、中性子吸収材１０として不適と判断される。一方、超音波検出工程Ｓ２において検出された超音波のノイズがＹ２の場合には、中性子吸収物質の含有量がＸ２と判定されるため、中性子吸収物質が適正量含まれており、中性子吸収材１０として好適と判断される。
以上のようにして、本実施形態である中性子吸収物質含有量の判断方法が完了する。

以上のような構成とされた本実施形態である中性子吸収物質含有量の判断方法においては、母材に中性子吸収物質が分散された中性子吸収材１０の表面に超音波を照射し、中性子吸収材１０を伝播した超音波を検出し、この検出された超音波に含まれるノイズや周波数成分と、中性子吸収物質の含有量との関係に基づいて、適正量の中性子物質が含有されているかどうかを判断している。このような構成にすることによって、中性子吸収材１０に含有される中性子吸収物質含有量を把握し、中性子吸収材１０に適正量の中性子吸収物質が含有されているかどうかを判断可能となる。さらに、超音波を用いており、中性子照射などの大がかりな設備を要さないので、従来の方法と比較して容易かつ低コストで中性子吸収物質の含有量を判断できる。
なお、本実施形態では、検出された超音波に含まれるノイズや周波数成分を用いて中性子吸収物質含有量を把握したが、検出された超音波に含まれる透過性を用いても、同様にして、中性子吸収物質含有量を把握できる。

また、中性子吸収材１０の全面に、この中性子吸収物質含有量の判断方法を適用することによって、対象となる中性子吸収材１０を使用済核燃料のキャスクを構成するバスケットなどを構成する材料として用いることができるかどうかの判断をすることができる。
さらに、このような超音波による評価は、非破壊の評価手法であり、評価対象材料である中性子吸収材１０を損傷することがない。

本実施形態においては、中性子吸収材１０の裏面にて反射する超音波を検出する構成とされているので、容易に超音波を検出できる。また、このように反射する超音波、すなわち反射波を検出する場合には、中性子吸収材１０の厚さ方向（超音波の侵入方向）における超音波の情報を把握することができ、中性子吸収材１０の厚さ方向における中性子吸収物質含有量を把握することも可能となる。

また、本実施形態においては、超音波探触子２０を中性子吸収材１０の表面に走査しながら超音波を連続的に照射できるので、中性子吸収材１０の全領域にわたって、中性子吸収材１０に含まれる中性子吸収物質を容易かつ短時間で把握することができる。

以上、本発明の一実施形態である、中性子吸収物質含有量の判断方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、この発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

上記実施の形態では、超音波を検出する際に、反射波を測定する場合について説明したが、透過波を測定する構成とされても良い。

また、上記実施の形態では、検量線取得工程Ｓ１の後に、超音波検出工程Ｓ２を行ったが、超音波検出工程Ｓ２の後に検量線取得工程Ｓ１を行っても良い。

１０ 中性子吸収材
２０ 超音波探触子

Claims (4)

1. 金属からなる母材に中性子吸収物質が分散された中性子吸収材の表面に超音波を照射し、前記中性子吸収材を伝播した超音波を検出する検出工程と、
   該超音波を検出する工程において検出された超音波を、予め設定された前記中性子吸収物質の含有量と超音波との関係に対応させて、前記中性子吸収材に適正量の前記中性子吸収物質が含有されているかどうかを判断する判断工程と、を備えることを特徴とする中性子吸収物質含有量の判断方法。
2. 前記検出工程において、前記中性子吸収材の表面に超音波を照射し、前記中性子吸収材の裏面にて反射する超音波を検出する請求項１に記載の中性子吸収物質含有量の判断方法。
3. 前記検出工程において検出された超音波に含まれるノイズまたは周波数成分を用いて、適正量の前記中性子吸収物質が含有されているかどうかを判断することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の中性子吸収物質含有量の判断方法。
4. 前記検出工程において、超音波探触子を前記中性子吸収材の表面に走査して、該中性子吸収材に超音波を照射することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の中性子吸収物質含有量の判断方法。

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