JP6362185B2 - 光ファイバーケーブルにおける応力誘起複屈折の変化を利用した核放射線線量計 - Google Patents

Description

本発明は概して、原子炉容器ならびに関連する構成機器および構造物が受ける中性子線量を測定および監視するための核放射線線量計装置および方法に関する。詳細には、本装置および方法は、光ファイバーケーブルの中で生じる光学的応力複屈折パターンの変化を測定することを含む。より具体的には、本装置および方法は放射性物質を使用する必要がない。

商用原子力発電所における軽水型原子炉の運転に関連する様々な問題を評価および管理するために、放射線被曝データを利用することができる。例えば、放射線フルエンスのデータは、原子炉構成機器を引き続き運転するのが適切であるか、それとも取り替える必要があるかを判断するのに役立つ。したがって、原子炉の放射線被曝データを正確かつ適時に得るための装置および方法を利用できることは、原子力業界にとって望ましい。

原子力発電所内の原子炉容器ならびに関連する構成機器および構造物が受ける中性子線量を測定および監視するための、当技術分野で周知の様々な装置および方法がある。そうした既知の装置および方法は、一般的には、放射線損傷推定値を使用する技術、または、放射壊変図式が十分に特定された放射性物質を所定の物質の中性子放射化によって生成する技術を利用して、総中性子被曝量を求める。また、これらの既知の装置および方法は、測定データを収集および／または分析するために、放射性物質を取り扱い使用する必要がある。

例えば、プラントの運転停止時に原子炉容器内の要所要所に放射性物質を導入し、原子力発電所の次の運転サイクルの期間、そこに保持することができる。運転期間中、この放射性物質は、原子炉容器を通過する中性子を吸収する。運転サイクル終了後の燃料交換のための運転停止時に、当該放射性物質を取り出して評価し、当該物質が発電所運転中に原子炉容器に入っていた間に当該物質と相互作用した中性子の数を求める。得られた情報に基づいて、原子炉容器ならびに／または関連する構成機器および構造物の総中性子被曝量を求めることができる。

原子炉容器内の中性子フルエンスを測定および監視する上で、既知の装置および方法にはいくつかの欠点がある。例えば、中性子を吸収するために放射性物質を使用する必要があることと、その結果、中性子を含む放射性物質を取り出して分析する際に作業員が汚染に曝されることが挙げられる。

したがって当技術分野では、次の特徴のうちの１つ以上を有する、中性子線量を測定および監視する装置および方法を開発する必要性がある。すなわち、市販の測定ツールを使用する、原子炉容器の外部の場所で測定値を得る、ならびに結果を収集および分析する際に作業者が放射能汚染に曝される可能性を最小限にする、といった特徴である。

一局面において、本発明は、原子力発電所の所定の場所で中性子フルエンスを測定する装置を提供する。当該所定の場所には中性子が存在する。当該装置は或る長さと外部表面とを有する光ファイバーケーブルを具備し、当該光ファイバーケーブルにはその全長にわたって延びるキャビティが形成されている。当該キャビティには、１本以上のコアが設けられている。当該装置はさらに、当該キャビティに中性子感応物質を実質的に均質に含む。当該中性子感応物質は、当該１本以上のコアのそれぞれに実質的に均質に含まれている。当該中性子感応物質は、当該光ファイバーケーブルを通過する中性子の少なくとも一部を吸収して気体を生成する効果を有する。当該気体は、水素、ヘリウムおよび両者の混合物から成る群から選択できる。当該装置はまた、当該光ファイバーケーブル内の気体の圧力上昇によって生じる光学的応力複屈折パターンの変化を測定するための光学的測定ツールと、当該所定の場所における中性子フルエンスを求めるために当該１本以上のコアの中の気体の量および当該中性子感応物質によって吸収された中性子の量を求めるための手段とを含む。

或る特定の実施態様において、当該中性子感応物質はリチウム−６であり、この物質は、中性子の少なくとも一部を吸収して１個以上の水素原子および１個以上のヘリウム原子を生成する。

また、或る特定の実施態様では、放射性物質を使用せずに中性子フルエンス測定値を求めることができる。

別の一局面において、本発明は、原子力発電所の所定の場所で中性子フルエンスを測定する方法を提供する。当該方法は、円筒形の外部表面と内部キャビティとを有する光ファイバーケーブルを提供する。当該内部キャビティには、１本以上のコアが設けられている。当該１本以上のコアに、中性子感応物質が実質的に均質に入っている。当該方法はさらに、当該中性子感応物質が１個以上の中性子を吸収して水素、ヘリウムおよび両者の混合物から成る群より選択された気体を発生させるように、当該光ファイバーケーブルに当該１個以上の中性子を通過させる。当該方法はまた、当該所定の場所に敷設される前の当該光ファイバーケーブルの第１の光学的応力複屈折パターンを測定し、当該所定の場所に敷設された後の当該光ファイバーケーブルの第２の光学的応力複屈折パターンを測定し、気体の圧力上昇によって当該光ファイバーケーブルにもたらされる光学的応力複屈折パターンの変化を測定し、さらに当該光ファイバーケーブル内の気体の量および当該中性子感応物質に吸収された中性子の数を求めることによって、当該所定の場所における総中性子被曝量を求める。

本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。

本発明の或る特定の実施態様に関して、原子炉容器付近に敷設する前のセンサ１およびセンサ２を有する光ファイバーケーブルについて予想される大気圧下での光学的複屈折パターンである。

本発明の或る特定の実施態様に関して、図１Ａの光ファイバーケーブルが原子力発電所の運転サイクル期間に原子炉容器付近で中性子に被曝した後に、当該ケーブルについて予想される光学的複屈折パターンである。

本発明の或る特定の実施態様に関して、気体の圧力と、反応したリチウムの割合との関係を示す図である。

本発明は、原子炉容器ならびに／またはそれに関連する構成機器および／または構造物における中性子フルエンスを測定するための装置および方法に関する。これらの装置および方法は、光ファイバーケーブルを使用する。また、これらの装置および方法は放射性物質の使用を不要にする。例えば、放射性物質を使用せずに装置が構成される。本発明は、光ファイバーケーブル内で生じる光学的応力複屈折パターンの変化を測定することによって、中性子フルエンスを測定する。

一般に、本発明に基づいて、中性子フルエンス測定が望まれる所定の場所に光ファイバーケーブルが敷設される。典型的には、複数の光ファイバーケーブルが敷設される。光ファイバーケーブルは、事前に定められた長さを有する。複数の光ファイバーケーブルの長さは、同じことも異なることもある。当該所定の場所には、例えば、原子力発電所内の原子炉容器ならびに／または関連する構成機器および／もしくは構造物が含まれる。或る特定の実施態様では、関連する構成機器および構造物には、格納容器建屋およびその中に置かれた機器が含まれる。さらに、或る特定の実施態様では、原子炉容器の外に設置された関連する構成機器または構造物の中に本発明の光ファイバーケーブルを敷設することにより、原子炉の外部にある場所から原子炉容器内の中性子フルエンスを測定でき、それによって原子炉容器を通り抜ける中性子の量を測定できる。

光ファイバーケーブルは中空なキャビティを有し、当該キャビティには１本以上のコアがある。当該１本以上のコアは、中性子感応物質を含む。例えば、コアの少なくとも一部に当該物質が充填されている。当該所定の場所に存在する中性子は、光ファイバーケーブルを通過し、少なくとも一部が、ケーブル内に配置された中性子感応物質によって吸収される。中性子と中性子感応物質との間のこの相互作用によって、光ファイバーケーブルのキャビティに気体が蓄積され、圧力変化、例えば圧力増加が生じる。光ファイバーケーブルのキャビティ内の圧力変化は、当該光ファイバーケーブル内の応力分布の変化をもたらす。光ファイバーケーブルのキャビティ内の圧力変化に伴う光学的応力複屈折パターンの変化を測定することによって、気体の量、ひいては中性子感応物質に吸収される中性子の数を推定することができる。その結果、所定の場所における総中性子被曝量を求めることができる。

本発明で使用するのに適した光ファイバーケーブルは、当技術分野で周知のものから選ぶことができる。前述のように、光ファイバーケーブルは中空である。したがって、例えば円筒形である外部表面によって、内部キャビティが形成される。また、複数の光ファイバーケーブルは長さの異なるものでもよい。当該内部キャビティには、１本以上のコアが入っている。当該内部キャビティと当該１本以上のコアは、光ファイバーケーブルの全長にわたって延びている。

本発明で使用するのに適した中性子感応物質は、当技術分野で周知のものから選ぶことができる。前述のように、中性子感応物質は中性子を吸収する効果を有する。或る特定の実施態様において、中性子感応物質はリチウム−６である。中性子と中性子感応物質との間のこの相互作用によって気体が生成し、その結果、光ファイバーケーブルのキャビティ内の圧力が上昇する。或る特定の実施態様では、水素原子、ヘリウム原子または両原子の混合物が生成する。

光ファイバーケーブルから得られる光学的複屈折パターンが、印加された応力の関数として予測可能な態様で変化することは、当技術分野において周知である。本発明の或る特定の実施態様において、ケーブル内の応力分布の変化の関数としての複屈折パターンの変化は、白色光干渉法を用いて容易に求めることができる。例えば、Ｗｏｊｔｅｋ Ｊ． Ｂｏｃｋ ａｎｄ Ｗａｃｌａｗ Ｕｂａｎｃｚｙｋが行った「Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｗｈｉｔｅ−ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｉｇｈｌｙ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ｆｉｂｅｒｓ」（Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ． ２８３８／２４３，１９９６）と題する研究はそのような手法を使用し、白色光干渉法を用いるファイバーセンシングにはいくつかの有意な利点があると論じている。例えば、絶対測定の可能性（初期化の問題を伴わない）、多数の単一点センサを多重化して単一の大きな測定システムを構成できる可能性、およびコヒーレントシステムよりも低いノイズレベルなどである。したがって、中性子感応物質と中性子との間の相互作用（ならびに気体および圧力の蓄積）が起きる前の光ファイバーケーブルから得られる光学的複屈折パターンは、そのような相互作用が起きた後に得られる同パターンとは異なる。図１Ａは、センサ１およびセンサ２を有する光ファイバーケーブルの大気圧下での複屈折パターンを示す。図１Ａに示す複屈折パターンは、中性子が存在する場所に敷設される前の光ファイバーケーブルから得たものである。一方、図１Ｂに示す複屈折パターンは、図１Ａの場合と同じ光ファイバーケーブルを中性子が存在する場所に敷設した後に、当該光ファイバーケーブルから得たものである。複屈折パターンの変化は、ケーブルに印加される圧力の変化に伴うケーブル内の応力分布の変化によってもたらされる。図１Ｂに示すセンサ１およびセンサ２の圧力は、それぞれ２４ＭＰａおよび１４ＭＰａである。したがって、図１Ａは「事前の」パターン、図１Ｂは「事後の」パターンを表す。

光ファイバーケーブルを、その中を中性子が通過するような場所に敷設した場合、ケーブル断面全体の応力分布の変化が、関連する複屈折パターンの変化をもたらす。複屈折パターンの変化を用いて、印加された応力の分布の数量的な変化を正確に求めることができる。ケーブルの内部圧力の変化を利用して、中性子感応物質と相互作用する中性子の数を容易かつ正確に求めることができる。

本発明の或る特定の実施態様では、或る長さの光ファイバーケーブルの１本以上の中空な軸方向のコアに制御された量のＬｉ−６などの中性子感応物質が実質的に均質に充填され、この物質が放射化される。このケーブル長の部分を通過する中性子とＬｉ−６が相互作用することにより、ケーブルコア部の内部圧力が変化する。この圧力の変化を利用して、コアの物質と相互作用する中性子の数を求める。

例示の目的で、以下では原子炉容器における光ファイバーケーブルの敷設または導入について記述するが、このプロセスは、関連する構成機器または構造物における光ファイバーケーブルの敷設にも同様に適用できる。所定の長さ（複数の長さでもよい）を有する複数本の光ファイバーケーブル（断片）を、原子炉容器全体および原子炉容器と原子炉容器支持構造物との間の空間の要所要所に敷設する。配置する光ファイバーケーブルの数は様々であり、中性子フルエンスの測定が行われる具体的な構成機器および／もしくは構造物の大きさと構成に左右される。光ファイバーケーブルは、原子力発電所が運転停止モードの時に敷設される。光ファイバーケーブルは、後続の運転サイクルの期間、原子炉容器内に保持され、その後、次の燃料交換のための計画運転停止時に回収される。

光ファイバーケーブルを原子炉容器内に導入または敷設する前に、当該ケーブルの光学的複屈折パターンを測定する。回収した光ファイバーケーブルについて、さらに光学的複屈折パターンを測定し、原子炉容器内に敷設する前の光ファイバーケーブルから得た当初の光学的複屈折パターンと比較する。得られたパターンの変化を評価し、原子炉容器を通過した中性子数を求める。

図２は、気体の圧力（Ｐａ）と、反応したリチウム−６の割合との関係を示すグラフである。このグラフは、中性子吸収の結果反応した所与の量のリチウム−６に対する、光ファイバーケーブルキャビティ内の圧力の変化（増加）を示している。

本発明を、様々な特定の実施態様に関して説明したが、添付の特許請求の思想および範囲内で変更を加えた上で本発明を実施できることは、当業者が理解するところである。

Claims (10)

1. 原子力発電所の中性子が存在する所定の場所で中性子フルエンスを測定する装置であって、
   或る長さと外部表面とを有する光ファイバーケーブルであって、キャビティがその全長にわたって延びる光ファイバーケーブルと、
   中性子の少なくとも一部を吸収して気体を発生させる効果を有する、当該キャビティに実質的に均質に含まれる中性子感応物質と、
   当該気体の発生に伴う圧力上昇によって生じる、当該光ファイバーケーブルの光学的応力複屈折パターンの変化を測定するための光学的測定ツールと、
   当該光ファイバーケーブル内の気体の量および当該中性子感応物質によって吸収された中性子の量を求めることにより当該所定の場所における総中性子被曝量を求める手段と
   から成る装置。
2. 前記キャビティの内部に１本以上のコアが設けられた、請求項１の装置。
3. 前記１本以上のコアがそれぞれ中性子感応物質を実質的に均質に含む、請求項２の装置。
4. 前記気体が、水素、ヘリウムおよび両者の混合物から成る群から選択される、請求項１の装置。
5. 放射性物質の存在が不要な構成の、請求項１の装置。
6. 前記中性子感応物質がリチウム−６である、請求項１の装置。
7. リチウム−６が中性子の少なくとも一部を吸収して１個以上の水素原子および１個以上のヘリウム原子を生成する、請求項６の装置。
8. 原子力発電所の所定の場所で中性子フルエンスを測定する装置であって、
   或る長さと内部キャビティを形成する外部表面とを有する光ファイバーケーブルであって、当該内部キャビティには１本以上のコアが設けられており、当該内部キャビティおよび当該１本以上のコアは当該光ファイバーケーブルの全長にわたって延びている光ファイバーケーブルと、
   当該光ファイバーケーブルを通過する複数の中性子と、
   当該１本以上のコアに実質的に均質に含まれる中性子感応物質であって、１個以上の中性子を吸収して水素、ヘリウムおよび両者の混合物から成る群より選択された気体を発生させる効果を有する中性子感応物質と、
   当該気体の発生に伴う圧力上昇によって生じる、当該光ファイバーケーブルの光学的応力複屈折パターンの変化を測定するための光学的測定ツールと、
   当該光ファイバーケーブル内の気体の量および当該中性子感応物質によって吸収された中性子の数を求めることにより当該所定の場所における総中性子被曝量を求める手段と
   から成る装置。
9. 原子力発電所の所定の場所で中性子フルエンスを測定する方法であって、
   円筒形の外部表面と中に１本以上のコアが設けられた内部キャビティとを有する光ファイバーケーブルを提供すること、
   当該光ファイバーケーブルに１個以上の中性子を通過させること、
   当該１本以上のコアに中性子感応物質を実質的に均質に収めること、
   当該中性子感応物質に当該１個以上の中性子を吸収させること、
   当該１個以上の中性子の当該中性子感応物質との相互作用によって、水素、ヘリウムおよび両者の混合物から成る群より選択された気体を生成させること、
   当該光ファイバーケーブルを当該所定の場所に敷設する前に、当該光ファイバーケーブルに関する第１の光学的応力複屈折パターンを得ること、
   当該光ファイバーケーブルを当該所定の場所に敷設した後に、当該ファイバーケーブルに関する第２の光学的応力複屈折パターンを得ること、
   当該光ファイバーケーブル内の気体の圧力の上昇によって生じる、当該第１および第２の光学的応力複屈折パターンの変化を測定すること、ならびに
   当該内部キャビティ内の気体の量および当該中性子感応物質によって吸収された中性子の数を求めることにより当該所定の場所における総中性子被曝量を求めること、
   から成る方法。
   
10. 光学的測定ツールによって測定を行う、請求項９の方法。