JP6502759B2 - Neutron detector and reactor power detection system - Google Patents
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Description
この発明の実施形態は、原子炉内の中性子を検出するための中性子検出器およびそれを利用した原子炉出力検出システムに関する。 Embodiments of the present invention relate to a neutron detector for detecting neutrons in a nuclear reactor and a reactor power detection system using the same.
原子炉内の中性子束を測定する中性子検出器として、原子炉内で炉水と隔絶して挿入された炉内配管の中に設置される中性子検出器では、中性子照射により中性子検出器内部の反応物質が消耗して感度が低下し、最低計数率を下回った段階で寿命となる。 As a neutron detector for measuring the neutron flux in the reactor, the neutron detector installed in the reactor piping inserted separately from the reactor water in the reactor, the reaction inside the neutron detector by neutron irradiation The substance is consumed and the sensitivity decreases, and the life is reached at a stage below the lowest counting rate.
炉内配管に上述の中性子検出器を装着した体系に要求される条件としては、第一に、炉内配管と中性子検出器の間に電気的絶縁をとることが求められる。これは、この中性子検出器では微小信号をパルス検出するために、炉内配管と中性子検出器とが電気的に接触して発生する信号雑音(ノイズ)を極力抑制することが必要となるためである。 As a condition required for a system in which the above-described neutron detector is mounted on the in-reactor piping, firstly, it is required to electrically insulate the in-reactor piping and the neutron detector. This is because in this neutron detector, it is necessary to minimize signal noise (noise) generated due to electrical contact between the furnace piping and the neutron detector in order to pulse-detect minute signals. is there.
第二に、炉内配管にはガンマ線照射によって発生する熱を除去するためにヘリウムガスが充填されているが、さらに中性子検出器を覆う絶縁体、その他の構成物は中性子検出器からの放熱を効果的に伝熱できる材質を選定することが必要となる。 Second, the furnace piping is filled with helium gas to remove the heat generated by gamma irradiation, but the insulator covering the neutron detector and other components also dissipate heat from the neutron detector. It is necessary to select a material that can effectively transfer heat.
このような中性子検出器において、長寿命化を図るためには、例えば特許文献1のように、中性子吸収体である遮蔽物質を設置し、前記反応物質に到達する中性子量を減らすことが考えられる。
In such a neutron detector, in order to achieve a long life, for example, as in
図11は従来の中性子検出器およびその周辺を示す立断面図であり、図12は図11のXII−XII線に沿う平断面図である。 FIG. 11 is an elevation sectional view showing a conventional neutron detector and the periphery thereof, and FIG. 12 is a plan sectional view taken along line XII-XII in FIG.
図11および図12において、炉内配管4は原子炉の炉心内に挿入されている。炉内配管4は上端が閉じて下方に延びる円筒状であって金属製である。炉内配管4内に、中性子検出器1が下方から挿入されている。中性子検出器1は核分裂型電離箱である。中性子検出器1は、ほぼ円筒状の金属製の密閉容器である検出器容器1dと、検出器容器1d内に収容された円筒状の陰極1cと、陰極1cの内側に配置された円筒状の陽極1aとを有する。陰極1cと陽極1aとの間に円筒状の反応物質1bがはさまれている。検出器容器1d内に電離ガスが封入されている。
In FIG. 11 and FIG. 12, the in-
検出器容器1dの外側面を覆うように円筒状の絶縁体13が配置され、絶縁体13の外側で炉内配管4の内側に円筒状の中性子吸収体14が配置されている。中性子吸収体14はハフニウムからなる。
A
検出器容器1dの上下端部それぞれの中央に、それぞれ外側に向かう上部突起部20と下端突起部21が形成されている。上部突起部20と下端突起部21のそれぞれの径方向外側を囲むように、円環状の上部絶縁体9、下部絶縁体10が配置されている。
At the center of each of the upper and lower end portions of the
反応物質1bに中性子が衝突することによって、反応物質1bが核分裂を起こして核分裂片を生じる。この核分裂片によって、電離ガスが電離され、電子−イオン対を生じる。この電子−イオン対は、陽極1aおよび陰極1cによって収集される。
The collision of neutrons with the
中性子検出器1の周辺に中性子吸収体14が設置されていることにより、反応物質1bの消耗が緩和される。
By providing the neutron absorber 14 around the
先行例では、中性子吸収体の他に絶縁体が必要であったため、中性子吸収体と絶縁体のそれぞれの厚さを十分に厚くするとこれら合わせた厚さが厚くなり、炉内配管をコンパクトに設計することが困難であった。逆に、炉内配管をコンパクトに設計すると、中性子吸収体の厚さを十分に取れず、反応物質の消耗が激しく、中性子検出器の寿命が短くなるという課題があった。 In the prior art, since the insulator was necessary in addition to the neutron absorber, if the thickness of each of the neutron absorber and the insulator is sufficiently thick, the combined thickness becomes large, and the piping in the furnace is designed to be compact. It was difficult to do. On the contrary, when the furnace piping is designed compactly, there is a problem that the thickness of the neutron absorber can not be sufficiently obtained, the consumption of the reactant is severe, and the life of the neutron detector becomes short.
この発明の実施形態は上記課題を解決するために、炉内配管との電気的絶縁性を維持しつつ中性子吸収体の中性子吸収性能を高め、しかもコンパクトな設計が可能な中性子検出器および原子炉出力検出システムを提供することを目的とする。 In order to solve the above problems, the embodiment of the present invention enhances the neutron absorption performance of the neutron absorber while maintaining the electrical insulation with the piping in the reactor, and further enables a compact design and a neutron detector and a nuclear reactor It aims to provide an output detection system.
上記課題を解決するために、この発明の実施形態による中性子検出器は、原子炉内の炉内配管内に設置される中性子検出器であって、中性子によって核分裂して核分裂片を生じさせる反応物質と、前記核分裂片により電離され電子−イオン対を生じさせる電離ガスと、前記電子−イオン対を収集するための陽極および陰極と、前記反応物質、前記電離ガス、前記陽極および前記陰極を収納する検出器容器と、前記検出器容器の外側と前記炉内配管との空隙に配置された電気絶縁性のある中性子吸収体と、を有すること特徴とする。 In order to solve the above problems, a neutron detector according to an embodiment of the present invention is a neutron detector installed in in-reactor piping in a nuclear reactor, which is a reactant that causes fission by neutrons to generate fission fragments. And an ionized gas ionized by the fission fragments to generate electron-ion pairs, an anode and a cathode for collecting the electron-ion pairs, the reactant, the ionized gas, the anode, and the cathode. A detector container, and an electrically insulating neutron absorber disposed in an air gap between the outside of the detector container and the furnace inner pipe.
また、この発明の実施形態による原子炉出力検出システムは、原子炉内の炉内配管と、前記炉内配管内に設置される中性子検出器と、前記原子炉の外に配置されて前記中性子検出器から得た信号を増幅する前置増幅器と、前記前置増幅器から得た信号に基づいて前記原子炉の出力を算出する演算器と、前記中性子検出器と前記前置増幅器とを接続するケーブルと、を備えた原子炉出力検出システムであって、前記中性子検出器は、中性子によって核分裂して核分裂片を生じさせる反応物質と、前記核分裂片により電離され電子−イオン対を生じさせる電離ガスと、前記電子−イオン対を収集するための陽極および陰極と、前記反応物質、前記電離ガス、前記陽極および前記陰極を収納する検出器容器と、前記検出器容器の外側と前記炉内配管との空隙に配置された電気絶縁性のある中性子吸収体と、を有すること特徴とする。 In addition, a reactor power detection system according to an embodiment of the present invention includes in-reactor piping in the reactor, a neutron detector installed in the in-reactor piping, and the neutron detection disposed outside the reactor. A preamplifier for amplifying a signal obtained from the reactor, a computing unit for calculating the output of the reactor based on the signal obtained from the preamplifier, and a cable for connecting the neutron detector and the preamplifier A reactor power detection system comprising: a reactor power detection system, wherein the neutron detector is a reaction material which is fissioned by neutrons to produce fission fragments, and ionized gas which is ionized by the fission fragments to produce electron-ion pairs An anode and a cathode for collecting the electron-ion pair, a detector container for containing the reactant, the ionized gas, the anode and the cathode, an outer side of the detector container, and a piping in the furnace Wherein by having the neutron absorber with a positioned electrical insulation in the gap, the.
この発明の実施形態によれば、炉内配管との電気的絶縁性を維持しつつ中性子吸収体の中性子吸収性能を高め、しかもコンパクトな設計が可能な中性子検出器および原子炉出力検出システムを提供することができる。 According to an embodiment of the present invention, a neutron detector and a reactor power detection system capable of enhancing the neutron absorption performance of the neutron absorber while maintaining the electrical insulation with the piping in the reactor and capable of compact design are provided. can do.
以下、本発明に係る中性子検出器の実施形態について、図面を参照して説明する。ここで、前述の従来技術との間で、または互いに、同一または類似の部分については共通の符号を付して、重複説明は省略する。 Hereinafter, an embodiment of a neutron detector according to the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same reference numerals as in the above-described prior art, or the same or similar parts are given the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
[第1の実施形態]
(構成)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る中性子検出器およびそれを利用した原子炉出力検出システムの構成を示す概略構成図である。図2は、図1の第1の実施形態に係る中性子検出器およびその周辺の詳細を示す立断面図である。図3は、図2のIII部を拡大して示す部分立断面図である。図4は図2のIV−IV線に沿う平断面図である。図5は図2の炉内配管を透視して中性子検出器を示す立面図である。
First Embodiment
(Constitution)
FIG. 1 is a schematic configuration view showing a neutron detector and a reactor power detection system using the same according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an elevation cross-sectional view showing details of the neutron detector and its periphery according to the first embodiment of FIG. FIG. 3 is an enlarged partial sectional view showing a part III of FIG. FIG. 4 is a plan sectional view taken along the line IV-IV of FIG. FIG. 5 is an elevational view showing the neutron detector through the in-furnace piping of FIG.
図1に示すように、この第1の実施形態において、原子炉(たとえば沸騰水型原子炉)2内に炉心3が配置されている。炉内配管4が原子炉2の底部から挿入されている。炉内配管4の上端は閉塞されて炉心3内に位置し、炉内配管4の下端は原子炉2の下方で開放されている。炉内配管4内で炉心3内に中性子検出器1が配置されている。
As shown in FIG. 1, in the first embodiment, a
原子炉2の外側で炉内配管4の外側に、前置増幅器6と演算部7とが配置されている。中性子検出器1と前置増幅器6との間、および前置増幅器6と演算部7との間はケーブル5で接続されている。中性子検出器1に接続されたケーブル5は、炉内配管4内を通ってその下端から外に出て、前置増幅器6に接続されている。
A
第1の実施形態において、検出器容器1dおよびその内部の構造は前述の従来の中性子検出器(図11、図12)と同様である。
In the first embodiment, the
この実施形態では、上記従来技術の絶縁体13と中性子吸収体14との組み合わせ(図11、図12)に代えて、中性子吸収体8が配置されている。中性子吸収体8は、炉内配管4内にあって、円筒状であり、検出器容器1dの外側面を覆っている。中性子吸収体8は、たとえば酸化ハフニウム(ハフニア)製であって、上記従来技術の絶縁体13と中性子吸収体14の両方の機能を持つ。
In this embodiment, a
中性子検出器1からケーブル5によって前置増幅器6に送られた信号は、前置増幅器6で増幅された後、演算部7にて、中性子束値および中性子検出器1の感度劣化関数と原子炉2固有の出力変換定数などを乗除された出力%値に変換され、指示値として出力される。
The signal sent from the
ここで、中性子検出器1から得られる信号は微小信号であるため、炉内配管4と中性子検出器1が接触して発生する信号雑音(ノイズ)を抑制する必要があり、炉内配管4と中性子検出器1の間を電気的に絶縁させている。また、炉内配管4にはガンマ線照射によって発生する熱を除去するために、ヘリウムガスが充填されており、中性子検出器1の構成物は中性子検出器1からの放熱を効果的にできるよう熱伝導率の高い材質が選定されている。
Here, since the signal obtained from the
中性子検出器1は、原子炉2の稼働中は炉内配管4に装荷されたままとなるため、中性子の照射によって反応物質1bが消耗し、中性子検出器1の感度が徐々に低下していく。そして、中性子検出器1の指示値が予め設定された最低計数率を下回った時点で寿命となる。
Since the
そこで本実施形態では、中性子検出器1とその外側の炉内配管4との間にある空隙に中性子吸収体8の材料として絶縁性のあるハフニア(酸化ハフニウム、HfO2)を用いる。絶縁性のあるハフニアを使用することで、中性子検出器1と炉内配管4の間の絶縁性を保つことができる。
In this embodiment, a hafnia (hafnium oxide, HfO 2) that as a material of the
ハフニア製の中性子吸収体8は円筒形とする。中性子吸収体8の厚みは、中性子吸収体8の中性子吸収率および中性子検出器1と炉内配管4の空隙の大きさより決定される。また、中性子吸収体8は、図5に示すように、上部絶縁体9および下部絶縁体10によって固定される。上部絶縁体9および下部絶縁体10は、従来必要であった絶縁体13(図11、図12)を固定するために設置されていたものと同様のものである。
The
中性子吸収体8の材料は、ハフニアの他に、中性子吸収断面積の大きな元素を含有した絶縁性のある化合物を使用しても良い。ここで、中性子吸収断面積の大きな元素としては、イリジウム、ロジウム、ジスプロシウム、ツリウム、ホウ素、ルテチウム、ウラン、銀、金、リチウム、カドミウム、インジウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、エルビウム、水銀、ハフニウムおよびその同位体があり、これらを含有した絶縁性のある化合物には、ハフニアの他に酸化ロジウムなどがある。また中性子吸収体8は、前述の中性子吸収断面積の大きな元素を含有する材料の表面を酸化させ、絶縁性を持たせたものを使用しても良い。図6に、ハフニウム、ハフニア、酸化ロジウムの熱中性子マクロ吸収断面積と絶縁性の有無を示す。
The material of the
(効果)
本実施形態では、従来技術のハフニウム製の中性子吸収体の代わりにハフニア製の中性子吸収体8を使用する。これにより、ハフニア製の中性子吸収体8に絶縁性があるために絶縁体が不要となり、十分な厚さの中性子吸収体8を設置することができる。さらに、ハフニアは先行例の絶縁体と同等の伝熱性があるため、中性子検出器1は炉内配管4内に充填されたヘリウムガスによる伝熱と炉内配管4との接触部を介して冷却される。
(effect)
In this embodiment, a
また、従来の技術で、中性子検出器を中性子吸収体で被覆することにより、検出器に入射する中性子量が少なくなるため、長期使用に伴い中性子検出器の感度が低下した場合、最低計数率を維持できず寿命が短くなる課題があった。それに対して本実施形態において、中性子吸収体の材料としてハフニアを用いることにより、電気絶縁性が高く、かつ時間経過とともに中性子吸収率が低下する特性を得ることができる。 Also, by coating the neutron detector with the neutron absorber according to the prior art, the amount of neutrons incident on the detector is reduced, so if the sensitivity of the neutron detector decreases with long-term use, the minimum counting rate There is a problem that it can not be maintained and the life becomes short. On the other hand, in the present embodiment, by using hafnia as the material of the neutron absorber, it is possible to obtain the property that the electrical insulation property is high and the neutron absorption rate decreases with the passage of time.
図7は、本発明の第1の実施形態に係る中性子検出器における中性子検出器の相対感度と中性子検出器への中性子入射量の時間経過を示すグラフである。図7の実線Aに示すように、中性子検出器の相対感度は、一般に、時間経過とともに中性子検出器内部の反応物質の劣化により感度が低下する。中性子吸収体8の材料としてハフニアを用いる場合、時間経過とともに中性子吸収体の中性子吸収率も低下する。これにより、図7の点線Bに示すように、中性子検出器への中性子入射量は時間経過とともに増大する。したがって、中性子吸収体8の材料としてハフニアを用いた場合、長期使用によって中性子検出器1の感度が低下した場合でも、中性子吸収体8の中性子吸収率も同時に低下し中性子検出器1への入射する中性子量が増加するため、最低計数率をより長く維持することができる。これにより、更なる長寿命化が可能となる。
FIG. 7 is a graph showing the relative sensitivity of the neutron detector in the neutron detector according to the first embodiment of the present invention and the time course of the neutron incident amount on the neutron detector. As indicated by the solid line A in FIG. 7, the relative sensitivity of the neutron detector generally decreases with the passage of time due to the deterioration of the reactant inside the neutron detector. When hafnia is used as the material of the
[第2の実施形態]
次に、図8および図9を参照して、本発明の第2の実施形態に係る中性子検出器を説明する。ここで、第1の実施形態と同一または類似の構成には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。
Second Embodiment
Next, with reference to FIGS. 8 and 9, a neutron detector according to a second embodiment of the present invention will be described. Here, the same or similar configuration as that of the first embodiment is denoted by the same reference numeral, and the overlapping description is omitted.
図8は、炉内配管を透視して、本発明の第2の実施形態に係る中性子検出器およびその周辺を示す立面図である。図9は図8のIX−IX線に沿う平断面図である。ただし、図8において、検出器容器1d内の断面の図示は省略する。
FIG. 8 is an elevation view showing a neutron detector according to a second embodiment of the present invention and the periphery thereof, as seen through a furnace pipe. FIG. 9 is a plan sectional view taken along the line IX-IX in FIG. However, in FIG. 8, the illustration of the cross section in the
この第2の実施形態は、中性子吸収体8の構造のみが第1の実施形態と相違し、その他の部分は第1の実施形態と同様である。第2の実施形態の中性子吸収体8は、上下方向に延びる細長い平板状の複数の中性子吸収体片30が周方向に並べられて構成されている。各中性子吸収体片30は、中性子吸収能力がありしかも電気的絶縁性がある材料、たとえばハフニアからなる。互いに周方向に隣接する中性子吸収体片30同士は溶接箇所11で溶接されている。溶接箇所11は、図8に示す例では、上下方向に2か所であるが、何か所であってもよい。複数の中性子吸収体片30が結合されることにより、円筒状の中性子吸収体8とすることができる。
The second embodiment is different from the first embodiment only in the structure of the
この実施形態によれば、単純な平板状の複数の中性子吸収体片30を結合することにより円筒状の中性子吸収体8とすることができ、製作が容易になる。また、前述の第1の実施形態の効果と同様の効果も得ることができる。
According to this embodiment, by combining a plurality of simple flat plate-like
[第3の実施形態]
次に、図10を参照して、本発明の第3の実施形態に係る中性子検出器を説明する。ここで、第2の実施形態と同一または類似の構成には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。
Third Embodiment
Next, a neutron detector according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Here, the same or similar configuration as that of the second embodiment is denoted by the same reference numeral, and the overlapping description is omitted.
図10は、炉内配管を透視して、本発明の第3の実施形態に係る中性子検出器およびその周辺を示す立面図である。 FIG. 10 is an elevation view showing a neutron detector according to a third embodiment of the present invention and the periphery thereof, as seen through a furnace pipe.
この第3の実施形態は第2の実施形態の変形例であって、上下方向に延びる細長い平板状の複数の中性子吸収体片30の上下端部が、2個の環状の外枠12で結合されて、中性子吸収体8が構成されている。外枠12は、上部絶縁体9に隣接する上部絶縁体9の下側と、下部絶縁体10に隣接する下部絶縁体10の上側に配置されている。中性子吸収体片30同士は溶接で接合されていない。
The third embodiment is a modification of the second embodiment, and upper and lower end portions of a plurality of elongated flat plate-like
この実施形態によれば、単純な平板状の複数の中性子吸収体片30を結合することにより円筒状の中性子吸収体8とすることができ、製作が容易になる。また、前述の第1の実施形態の効果と同様の効果も得ることができる。
According to this embodiment, by combining a plurality of simple flat plate-like
[他の実施形態]
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
[Other embodiments]
While certain embodiments of the present invention have been described, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof as well as included in the scope and the gist of the invention.
1 … 中性子検出器
1a… 陽極
1b… 反応物質
1c… 陰極
1d… 検出器容器
2 … 原子炉
3 … 炉心
4 … 炉内配管
5 … ケーブル
6 … 前置増幅器
7 … 演算部
8 … 中性子吸収体
9 … 上部絶縁体
10 … 下部絶縁体
11 … 溶接箇所
12 … 外枠
13 … 絶縁体
14 … 中性子吸収体
20 … 上部突起部
21 … 下端突起部
30 … 中性子吸収体片
DESCRIPTION OF
Claims (6)
中性子によって核分裂して核分裂片を生じさせる反応物質と、
前記核分裂片により電離され電子−イオン対を生じさせる電離ガスと、
前記電子−イオン対を収集するための陽極および陰極と、
前記反応物質、前記電離ガス、前記陽極および前記陰極を収納する検出器容器と、
前記検出器容器の外側と前記炉内配管との空隙に配置された電気絶縁性のある中性子吸収体と、
を有すること特徴とする中性子検出器。 A neutron detector installed in piping in a reactor in a reactor,
Reactants that are fissioned by neutrons to produce fission fragments;
An ionized gas which is ionized by the fission fragments to generate electron-ion pairs;
An anode and a cathode for collecting the electron-ion pairs;
A detector vessel containing the reactant, the ionizing gas, the anode and the cathode;
An electrically insulating neutron absorber disposed in the air gap between the outside of the detector container and the furnace piping;
A neutron detector characterized by having.
前記中性子吸収体が前記検出器容器の径方向外側を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の中性子検出器。 The detector container and the neutron absorber are cylindrical,
The neutron detector according to claim 1 or 2, wherein the neutron absorber is disposed so as to surround the radially outer side of the detector container.
前記炉内配管内に設置される中性子検出器と、
前記原子炉の外に配置されて前記中性子検出器から得た信号を増幅する前置増幅器と、
前記前置増幅器から得た信号に基づいて前記原子炉の出力を算出する演算器と、
前記中性子検出器と前記前置増幅器とを接続するケーブルと、
を備えた原子炉出力検出システムであって、
前記中性子検出器は、
中性子によって核分裂して核分裂片を生じさせる反応物質と、
前記核分裂片により電離され電子−イオン対を生じさせる電離ガスと、
前記電子−イオン対を収集するための陽極および陰極と、
前記反応物質、前記電離ガス、前記陽極および前記陰極を収納する検出器容器と、
前記検出器容器の外側と前記炉内配管との空隙に配置された電気絶縁性のある中性子吸収体と、
を有すること特徴とする原子炉出力検出システム。 In-reactor piping in the reactor,
A neutron detector installed in the furnace piping;
A preamplifier disposed outside the reactor for amplifying a signal obtained from the neutron detector;
An arithmetic unit that calculates the output of the nuclear reactor based on the signal obtained from the preamplifier;
A cable connecting the neutron detector and the preamplifier;
Reactor power detection system comprising:
The neutron detector
Reactants that are fissioned by neutrons to produce fission fragments;
An ionized gas which is ionized by the fission fragments to generate electron-ion pairs;
An anode and a cathode for collecting the electron-ion pairs;
A detector vessel containing the reactant, the ionizing gas, the anode and the cathode;
An electrically insulating neutron absorber disposed in the air gap between the outside of the detector container and the furnace piping;
Reactor power detection system characterized by having.
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