JP7431830B2 - 化学的ハンドリングおよび物質ハンドリングプロセスにおける核分裂性（ｆｉｓｓｉｌｅ）成分のリアルタイム測定のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、検出方法および装置に関する。より詳細には、製造プロセス内の材料における核分裂性成分を、ほぼリアルタイムで検出するための方法および装置に関する。

０．７１１重量％²³⁵Ｕの自然発生濃度を上回る、²³⁵Ｕの同位体の豊富なウラン、並びに、²³³Ｕ又はプルトニウムのような特殊核物質（ＳＮＭ）を含む物質を製造するプロセスにおいては、特殊なハンドリング法及びプロセスを構成することが、自動継続的な核分裂連鎖反応を製造過程における物質が支持する状態を作り出してしまうことを回避するために必要とされ、そうでなければ、原子力に関する当業者の間では、臨界に達することが知られている。臨界は、核分裂事象の連鎖反応において中性子生成と中性子損失とがバランスしている場合に生じる。原子炉において、その目的は、核エネルギーの生成が自動継続的であるように臨界を達成することである。適切に収容され、意図的に設計された原子炉の環境の外では、核放射線被曝および汚染の危険性のために、臨界が回避されるべきであることは周知である。これは、核分裂性物質の製造および処分において特に当てはまる。燃料製造環境において特殊な核物質を安全に処理するには、原子力に関する当業者の間で未臨界として知られている構成における中性子損失に対して、中性子生成がはるかに少ないことが必要とされる。安全な亜臨界状態は、中性子損失が生成に対してはるかに大きいという特徴がある。その結果、この安全な停止状態では、プロセスにおける中性子母集団は非常に小さく、一般的に測定閾値未満である。残念ながら、安全な亜臨界の構成を、安全ではないがわずかに亜臨界である構成と区別することは困難である。なぜなら、双方の構成とも、構成が臨界状態になるまでは顕著には中性子または他の放射線を生成せず、それから実際には超臨界状態になり中性子生成が損失を超えるためである。超臨界構成は、重大な原子力災害および汚染をもたらすため、設計された原子炉の範囲外では、何としても回避されるべきである。

これまで、ゼロに近い中性子集団において、中性子生成および損失がほぼゼロであるため、亜臨界の実際のレベルを測定できるように、ほぼリアルタイムでプロセスの核分裂性成分を測定または検出する実用的な方法はなかった。中性子生成および損失の実際のレベルに関するリアルタイムの情報の欠如を補償するために、現行技術の製造設備では、オフライン臨界安全解析及び詳細なオフライン実験室解析を利用する。オフライン実験室解析は、その仮定が実際にまたは偶然に起こり得るか否かを問わず、あるプロセスへの複数の重要な入力が最も保守的な構成にあるという仮定に基づく。エンジニアは、プロセスおよび装置における最も悪い場合のシナリオと故障を想像しながら、パイプ、コンテナ、コラム、ポンプ、バルブ、遠心分離機、および同様の容器などのプロセス装置の配置モデルを作成し、プロセス化学とプロセス物理学、およびシステム制御とプロセス制御をモデル化する。これらの仮定は、操作性および保全性にネガティブに影響を与えるプロセスの寸法とレイアウトに関する現実の物理的制約だけでなく、臨界についての仮定のその保守的な性質のために、プロセスの運用性に重大な影響を及ぼすこととなる。

以下の概要は、開示された実施形態に特有の革新的な特徴のいくつかの理解を容易にするために提供されるものであり、完全な説明であることを意図するものではない。実施形態の様々な態様の完全な理解は、明細書全体、特許請求の範囲、および要約の全体を考慮することで得ることができる。

様々な態様では、プロセスがプロセス容器を使用する、核分裂性物質を製造するプロセスにおいて核分裂性成分を測定する装置が本明細書に記載される。この装置は、中性子を生成するための中性子生成アセンブリと、中性子生成アセンブリ内で生成された中性子をプロセス容器に向けて集束させるためのコリメータアセンブリと、プロセスの変数を検出するためにプロセス容器に対して所定の位置に配置されるインタロゲーションアセンブリであって、変数は、少なくとも使用中における、中性子およびガンマ放射線成分またはその不在を含むインタロゲーションアセンブリと、インタロゲーションアセンブリからプロセス変数に関する入力を受け取り、検出された変数に基づいて、プロセスにおける臨界に対するマージンを計算するためのプロセッサを含む。ある態様では、中性子生成は、電子的に変調可能な核融合中性子源、または機械的に変調可能な固定中性子源のうちのいずれか１つである。ある態様では、中性子源は、重水素－重水素（Ｄ－Ｄ）または重水素トリチウム（Ｄ－Ｔ）水素核融合反応のいずれかを利用する加速器駆動核融合源である。他の特定の態様では、中性子源は、²⁵²Ｃｆなどの中性子生成によって崩壊する固定材料源である。ある特定の態様では、中性子放出物質は、自然核分裂源としての²⁵²Ｃｆと、（α，ｎ）中性子源とからなる群から選択され、前記（α，ｎ）中性子源は、ベリリウムの混合物と、プルトニウム、アメリシウム、ラジウムおよびポロニウムの高活性α粒子エミッタの混合物とからなる。

核融合中性子源は、結晶格子内の水素同位体を吸着しやすい材料で作られているイオンビームターゲットを含んでもよい。イオンビームターゲットのための例示的な材料は、ジルコニウム、チタン、イットリウム、およびパラジウム、およびそれらの組み合わせを含む。核融合中性子は、ターゲットの材料として重水または高圧重水素またはトリチウムガスを使用してもよい。核融合中性子源ターゲット材料の選択は、各用途ごとに最適化される。

様々な態様では、中性子源は、例えば重水素イオンおよびトリチウムイオンのうちの１つで構成されるイオンビームをターゲットに向けてパルス化する。ターゲットに埋め込まれた重水素またはトリチウムは、重水素またはトリチウムイオンビームを吸収し、核融合反応し、コリメータアセンブリに中性子を放出する。

インタロゲーションアセンブリは、プロセス容器に対して所定の位置に配置された複数の検出器アレイを含んでもよい。検出器は、好ましくは、中性子検出器およびガンマ線検出器からなる群から選択される。

インタロゲーションアセンブリはまた、温度、圧力、ｐＨ、流量、密度、流体レベル、不透明度、水分、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、プロセスパラメータなどのプロセス変数を検出してもよい。インタロゲーションアセンブリはまた、中性子生成アセンブリで生成された中性子の結果としてプロセスにおいて生成された中性子を熱的に均等化するための、検出器アレイを囲む減速材アセンブリを含んでもよい。インタロゲーションアセンブリ減速材は、１２以下の原子番号を有する材料で作られていてもよい。例示的な材料は、水、重水、ベリリウム、酸化ベリリウム、グラファイト、ポリエチレン、重水素化物およびそれらの組み合わせを含む。

プロセッサの入力は、プロセス変数をリアルタイムで表す、インタロゲーションアセンブリからの信号を含んでもよい。プロセッサは、当該信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する。

また、装置は、中性子生成アセンブリ内で発生する中性子を熱的に均等化するために、中性子生成アセンブリとコリメータアセンブリとの間に配置された減速材アセンブリを含んでもよい。減速材は、原子番号が１２以下の材料で作られてもよい。例示的な材料は、水、重水、ベリリウム、酸化ベリリウム、グラファイト、ポリエチレン、重水素化ポリエチレン、金属水素化物、金属重水素化物およびそれらの組み合わせを含む。

この装置は、一般的には、変調可能な中性子源と、使用中に中性子生成器から発生する中性子の方向を集束させるためのコリメータと、少なくとも中性子及びガンマ放射線を含むプロセス変数を検出するためのプロセス容器に対して所定の位置に配置された複数の検出器アレイであって、検出器はプロセス変数を表す信号をリアルタイムで生成する、複数の検出器アレイと、信号を受信し、検出されたプロセス変数を臨界に対するマージン測定値に変換するためのプロセッサと、を有するものとして記述されてもよい。

中性子源は変化してもよい。例えば、中性子源は、固定源、液体ターゲットを使用する核融合源、または水素を溶液中に取り込むことができる材料から形成されるターゲットを使用する核融合源であって、ターゲットは重水素で含浸されていてもよい。

プロセッサの入力は、プロセス変数をリアルタイムで表す、インタロゲーションアセンブリからの測定された検出器信号の形態であってもよい。プロセッサは、信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する。様々な実施形態では、温度、圧力、ｐＨ、流量、密度、流体レベル、不透明度、水分を含むがこれらに限定されない、プロセスの他の顕著な態様が、測定され、プロセッサに伝達されてもよい。

本明細書では、プロセスは、プロセス容器を使用する、核分裂性物質を製造するためのプロセスにおいて、臨界に対するマージンを測定するための方法の様々な態様が記載される。この方法は、一般に、中性子源からの中性子をパルス化することと、次いで、パルス化された中性子をプロセス容器内にコリメートすることであって、プロセス容器は、プロセス容器に対して所定の位置に配置されるプロセス変数検出器のアレイによって視認される、コリメートすることと、少なくとも中性子レベルおよびガンマ放射線レベルで構成されるプロセス変数を検出することであって、その検出器は、前記プロセス変数を表す信号（２４）をリアルタイムで生成する、検出することと、及び、リアルタイムの信号をプロセッサに送ることであって、前記プロセッサは、前記信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する、送ること、を含む。

また、この方法は、中性子をコリメートする前に、中性子源からパルス化された中性子の熱的均衡を減速させることを備えてもよい。

中性子をパルス化することは、重水素またはトリチウムのいずれかで構成されるイオンビームを断続的に生成し、水素同位体を溶液中に取り込むことができる材料から形成されたターゲットに当該ビームを向けること、を含んでもよい。ターゲットは、好ましくは、重水素またはトリチウムのいずれかで含浸され、重水素イオンまたはトリチウムイオンの吸収時に中性子を放出する。

あるいは、中性子パルスは、機械的シャッタ又は遮断体の使用によって固定中性子源から形成されてもよい。

本明細書に記載される装置および方法は、化学的および材料的ハンドリングプロセスの核分裂性成分のリアルタイム測定を可能にする。この能力は、プロセスの核分裂性成分のリアルタイムフィードバック、およびプロセスの臨界安全性の検証の両方を提供することによって、処理能力の段階的変化を可能にする。様々な態様において、装置は、測定されるべき核分裂性物質製造プロセスに近接して配置されたパルス中性子生成器を、１つまたは複数のプロセスに結合された中性子及びガンマ放射線検出器と組み合わせて利用して、核分裂率、中性子増倍及び遅延核分裂中性子を測定する。これらは、ＭＣＮＰ、ＫＥＮＯ、又はそれらと同等の周知のモンテカルロ・コンピュータ・コードで予め計算された結果を利用するプロセッサに結合され、これにより、プロセスにおける核分裂成分、その結果として臨界に対するマージンを決定する。

中性子パルスおよび検出器応答からの伝達関数は、プロセス容器内の中性子生成器からの中性子源の導入によるインタロゲーションアセンブリ内の応答に対する中性子のボルツマンの輸送方程式を解くことによって決定されてもよい。モンテカルロ法を用いたボルツマンの方程式の解法は、原子力分野の当業者にはよく知られている。ＭＣＮＰ、ＫＥＮＯまたはそれらと同等な市販のコンピュータコードは、中性子生成器、測定されるプロセス、およびインタロゲーションアセンブリの特定の幾何学的形状および材料を記述することによって使用される。モンテカルロ・コンピュータ・コードは、ソース中性子を、ソースアセンブリでの出生から、ソースアセンブリ、減速材、およびコリメータを介してプロセスに入り、次いで、インタロゲーションアセンブリに入り吸収または漏れによる死まで追跡する。中性子パルスの強度およびパルス幅は、本発明が適用される各プロセスごとに最適化され、測定技術から生じる、プロセスの核分裂性物質の放射および作業員線量を最小限に抑えながら、必要な測定精度を提供する。

固定線源応答の臨界安全法計算を用いて特定のプロセス項目に特化して生成される応答表面機能の利用と組み合わされる、中性子生成器チューブ又は加速器などのパルス中性子源の新規な利用と、リアルタイムのプロセス制御及び安全パラメータ測定を提供するための固定線源におけるモンテカルロ計算の新規な利用と、は、核分裂性物質の製造の安全性及び経済性を大幅に増加させるであろう。

本開示の特徴および利点は、添付の図面を参照することによって、より良く理解されてもよい。

図は、プロセス容器と共に使用される装置の実施形態の概略図である。

本明細書で使用されるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数の参照を含む。したがって、冠詞「ａ」および「ａｎ」は、本明細書では、冠詞の文法オブジェクトの１つまたは複数（すなわち、少なくとも１つ）を指すために使用される。例として、「要素（ａｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）」は、１つの要素または複数の要素を意味する。

本明細書で使用される方向表現は、例えばであり、これらに限定されないが、上、下、左、右、下方、上方、前、後、およびそれらの変形例などであり、添付の図面に示される要素の向きに関係し、特に明記しない限り、特許請求の範囲を限定しない。

請求項を含む本願においては、別段の指示がない限り、量、値又は特性を表すすべての数字は、すべての場合において「約」という用語によって修正されるものと理解されるべきであり、したがって、「約」という用語がその数字と明示的に表されていなくても、数字は、「約」という語が先行するかのように読み取られてもよい。したがって、そうでないということが示されない限り、以下の説明に記載される任意の数値パラメータは、本開示による組成物および方法において得ようとする所望の特性に応じて変化してもよい。最低でも、特許請求の範囲への均等論の適用を限定する試みとしてではなく、本明細書に記載される各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効数字の数に照らして、かつ通常の数字を概数で表わす（四捨五入など）技法を適用することによって解釈されるべきである。

さらに、本明細書に記載される任意の数値範囲は、その中に包含されるすべての下位範囲を含むことが意図される。例えば、「１～１０」という範囲は、１という記載された最小値と１０という記載された最大値との間の（およびそれを含む）、任意のすべての下位範囲、すなわち、１以上の最小値および１０以下の最大値を有する、あらゆるすべての下位範囲を含むことが意図される。

本明細書に記載される装置および方法の様々な実施形態は、核燃料生成プロセスを通じて変化する特殊核物質（ＳＮＭ）の核分裂性成分のオンライン監視を可能にする。一般に、装置は、中性子を生成するための中性子生成アセンブリと、中性子生成アセンブリ内で生成された中性子をプロセス容器に向けて集束させるためのコリメータアセンブリと、プロセスの変数を検出するためにプロセス容器に対して所定の位置に配置されるインタロゲーションアセンブリであって、変数は、少なくとも使用中における、中性子およびガンマ放射線成分またはその不在を含むインタロゲーションアセンブリと、インタロゲーションアセンブリからプロセス変数に関する入力を受け取り、検出された変数に基づいて、プロセスの臨界に対するマージンを計算するためのプロセッサと、を含む。

本明細書で使用される「プロセス容器」は、核燃料を製造するためのＳＮＭの製造およびプロセスに使用される様々な容器、パイプ、ポンプ、遠心分離機、炉、容器などのいずれかを指す。

燃料製造プロセスでは、典型的にはＵＦ_６のシリンダが受け取られ、そのプロセスでＵＦ₆のガスが使用されて、ＵＦ₆が、酸化ウラン（ＵＯ₂）、八酸化三ウラン（Ｕ₃Ｏ₈）、四フッ化ウラン（ＵＦ₄）、ウランシリサイド（Ｕ₃Ｓｉ₂）、炭化ウラン（ＵＣ）、窒化ウラン（ＵＮ）、メタリックウランなどの、別の化学的形態のウランに変換される。同様の化学的形態が、ウランの代わりにプルトニウムをプロセスする設備においても生成される。プロセスのいずれの時点においても、仮定することは、プロセスが万が一臨界に近づくか、または到達した場合に、中性子を生成する小さな核分裂反応が起こり得、中性子生成が増加し得ることである。あらゆる核分裂事象は、中性子およびガンマ線を生成する放射線事象のカスケード反応を生成する。安全上の目的から、一方では安全に亜臨界のプロセスでプロセスされる時々の中性子生成と、臨界を達成することを不用意に許容するプロセスから生じるであろう定常状態の核分裂率がその後に続く、強力な中性子生成パルスとの間に、十分なマージンがなければならない。原子力安全性という最重要指令で、臨界事象の回避を必要とするのは、放射線の強いパルスと、それに続く定常放射線の結果である。

本明細書で使用される場合、「臨界に対するマージン」は、中性子生成と中性子損失が等しく、結果として強い放射が定常状態となるプロセスの臨界条件と比較して、プロセスにおける中性子損失よりも中性子生成が実質的に少ない、認識される安全レベルの間の差を意味するものとする。原子力に関する技術において、臨界状態を記述する条件は、プロセスの実効増倍率Ｋ_effとして定義され、厳密に単一であり、すなわち式の形ではＫ_eff ＝ １．００．．．である。特殊核物質をハンドリングするプロセスが安全かつ適切に設計されていることを保証するためには、そのプロセスは、亜臨界、あるいは、考えられるすべての条件下でＫ_eff＜１でなければならない。実際には、実効増倍率は、実際の臨界事象を排除するだけでなく、すべての所有者、公共および規制当局の関係者が発生しないことに確信を持つ一連の障害が発生することなしに、想定外の事象が発生し得ないことを保証するための安全のマージンを提供するために、設計されたＫ_eff＜１よりも著しく小さくする必要がある。特殊核物質を含むプロセスを運用するためのライセンスを取得するために必要な設計及び安全解析における安全マージンの決定は、一般に、国際規制及び業界標準によって体系化されている。

本明細書に記載される方法は、一般に、プロセスがプロセス容器を使用する、核分裂性物質を製造するためのプロセスにおいて、臨界に対するマージンを測定するための方法として記載されてもよい。この方法は、一般に、中性子源から中性子をパルス化することと、プロセス容器に対して所定の位置に配置されたプロセス変数検出器のアレイに向けてパルス化された中性子をコリメートすることと、少なくとも中性子レベル及びガンマ放射レベルで構成されるプロセス変数を検出することであって、検出器は、プロセス変数を表す信号をリアルタイムで生成する、検出することと、リアルタイムの信号をプロセッサに送ることであって、プロセッサは、当該信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する、送ることを含む。

また、この方法は、中性子をコリメートする前に、中性子源からパルス化された中性子の熱的均衡を減速させることを含んでもよい。

中性子パルスを生成する方法は、核融合中性子生成器内でイオンビームを断続的に生成すること、または、固定中性子源の中性子生成器内のシャッタを開閉することを含んでもよい。

上述の方法は、様々な態様において、本明細書に記載の装置において実行されてもよい。図を参照すると、装置１０の例示的な実施形態は、中性子生成器１２と、コリメータ１４と、プロセス容器１８によって概略的に表される様々なプロセス容器に隣接するか、近接するか、または接触する、選択された位置に配置された一連の検出器アレイ１６と、を含んでもよい。検出器アレイ１６は、プロセス変数を表す信号２４を生成し、信号２４をプロセッサ２２に通信する。ある態様では、装置１０はまた、中性子生成器１２とコリメータ１４との間に破線で示す減速材ブロック２０を含んでもよく、又は減速材２０ａ内に収容されてもよい。装置１０の各特徴の詳細および機能を以下に説明する。

中性子生成アセンブリは、一般に、ターゲットと呼ばれる重水素またはトリチウムを含む媒体に、高エネルギーの重水素イオンを衝突させることによって、水素核融合反応を生成するように設計された市販の装置である。イオンビームの使用によって、中性子源を、フルオンからフルオフまで及びその間の全ての点を変調することができる。これは、中性子を発生する装置を利用する際の安全上重要な事項である。その構成に応じて、中性子生成器は、固体、液体、または気体のターゲットを使用してもよい。固体ターゲットの例には、水素をそれらの結晶構造に吸着することが周知の金属が含まれるが、例をいくつか挙げると、ジルコニウム、チタン、イットリウム、リチウム、パラジウムを含むがこれらに限定されない。典型的な液体ターゲットは、重水素ターゲットのための酸化重水素（重水）またはトリチウムターゲットのための酸化トリチウムで構成されるであろう。ガスターゲットは、重水素またはトリチウムガスで構成されるであろう。中性子生成アセンブリの代替的な実施形態の一つには、以下のものが挙げられるだろう。その内部においては、それに限定されないが²⁵²Ｃｆを含む中性子生成物質の固定源が含まれてシールドされ、中性子生成アセンブリからの中性子の流れを可能および不能にするために、シャッタまたは他の同様の装置の使用を介する機械的な方法によって、減速が得られる。様々な態様では、中性子放出物質は、自然核分裂源としての²⁵²Ｃｆと、（α，ｎ）中性子源とからなる群から選択されてもよく、（α，ｎ）中性子源はベリリウムの混合物とプルトニウム、アメリシウム、ラジウムおよびポロニウムの高活性α粒子エミッタの混合物とからなる。

加速器駆動核融合反応を使用する中性子生成器の好ましい実施形態では、加速器は、例えば重水素イオンおよびトリチウムイオンのうちの１つからなるイオンビームを、ターゲットに向けてパルス化する。ターゲットは、イオンビームからイオンを吸収し、核融合反応した結果、コリメータアセンブリへ中性子を放出する。固定中性子源を使用する中性子生成器の代替実施形態では、機械的なシャッタ又は機械的窓は、ソース中性子が中性子生成器アセンブリから放出されることを、交互に許容、遮断する。中性子生成器アセンブリ減速材の好ましい実施形態は、１２以下の原子番号を有する材料で作られた減速材を利用する。例示的な材料は、水、重水、ベリリウム、酸化ベリリウム、グラファイト、ポリエチレン、重水素化ポリエチレン、金属水素化物、金属重水素化物およびそれらの組み合わせを含む。当業者は、減速材アセンブリが必ず中性子源の種類ごとに異なる設計であることを認識するであろう。例として、核融合源は、Ｄ－ＤおよびＤ－Ｔに対して、それぞれ、単一エネルギー２．２ＭｅＶおよび１４．７ＭｅＶを発生させる。²⁵²Ｃｆ源は、～２．７ＭｅＶで最も確実なエネルギーを有する核分裂エネルギースペクトル源を放出する。

装置に使用される中性子生成アセンブリは、例えば、変調可能な中性子源であってもよい。中性子源の例には、中性子生成チューブ及び固定中性子源が含まれる。中性子生成器１２は、典型的には、中性子チューブと電源とで構成される。中性子チューブは、イオン源と、加速器と、ターゲットとを含み、これらはすべて適切な容器内に収容されている。中性子生成器１２は、所望の時間又は所望のペースで変調されるか、又は電源オン及びオフされてもよい。本明細書に記載される方法では、中性子生成器１２は、コリメータアセンブリ内に、および、プロセス容器１８および検出器アセンブリに向けて中性子のパルスを放出するためにパルス化されてもよい。

中性子生成チューブは、モリブデン、レアアースメタル、アルミナセラミック、およびそれらの混合物などの材料を含むが、重要なことは、中性子生成チューブがトリチウム（Ｔ）または重水素（Ｄ）の一方または両方を含むことである。中性子生成管の内部では、重水素またはトリチウムのいずれかのイオンビーム材料がイオン化され、重水素またはトリチウムのいずれかが注入されたターゲットに向けて静電的に加速される。核融合反応物の１つとしてトリチウムを使用する核融合中性子生成器は、約１２年の半減期でのトリチウムの崩壊のために、限られた貯蔵寿命を有する。ターゲットは、水素を溶液中に取り込むことができる材料から形成され、金属マトリックス中に埋め込まれた重水素（Ｄ）またはトリチウム（Ｔ）のいずれかを有する。例示的なターゲット材料には、ジルコニウム（Ｚｒ）、イットリウム（Ｙ）、およびイリジウム（Ｉｒ）が含まれる。イオンビームはターゲットに衝突し、ビームからの重水素またはトリチウムは、核融合反応を引き起こすターゲット内の重水素またはトリチウムによって吸収されてもよい。核融合反応は、中性子生成器内に放出される中性子の発生をもたらす。中性子生成器は、当技術分野で知られており、市販されている。

様々な態様における好ましい実施形態は、典型的には、静電的に加速され、重水素またはトリチウムのいずれかが含浸されたターゲットに衝突する重水素イオン源からなる、市販の中性子生成管を利用してもよい。加速された重水素イオンは、ターゲット中の重水素またはトリチウムと融合反応し、Ｄ－Ｄ融合の場合には２．２ＭｅＶの中性子、Ｄ－Ｔ融合の場合には１４．７ＭｅＶの中性子が放出される。

コリメータアセンブリは、例えば、中性子生成アセンブリから放出された中性子を所望のプロセス容器に向かって導き、または集束させる、一連のシールド又はコリメータ１４を含んでもよい。コリメータは、本明細書で使用されるように、中性子を、コリメータから出ている粒子経路が実質的に平行である粒子ビームに集束させる、市販の装置が知られている。コリメータ１４は、様々な態様において、特定の製造プロセス適用に必要な寸法及び角度広がりに中性子ビームを制限するための吸収体の配置であってもよい。

インタロゲーションアセンブリは、様々な態様において、１つまたは複数の検出器、好ましくは、コリメータアセンブリとプロセス容器１８との間、およびその周りに配置された複数の検出器アレイ１６を含む。検出器アレイ１６は、例えば、核分裂成分及び亜臨界限界が測定されるプロセス容器１８に対して所定の位置に配置される。ある特定の態様における検出器１６は、イオンチャンバ、比例計数管、および／またはシンチレータ検出器からなるグループから選択されてもよい。プロセスの中性子放出の検出に加えて、インタロゲーションアセンブリはまた、中性子生成器からの中性子のパルスによって生成される核分裂生成物から生じる核分裂生成物の崩壊から生じるガンマ線の放出を測定する。

検出器アレイ１６は、中性子源パルスの結果として全方向に生成及び放出された中性子増倍、中性子及び核分裂ガンマを測定する。検出器アレイは、核分裂事象が発生する可能性が最も高いプロセス容器上またはその周りの複数の位置に配置されてもよい。検出器アレイの配置のための正確な数および位置は、使用される特定の核分裂性物質製造プロセス、使用されるプロセス容器のタイプ、サイズおよび形状、コストの考慮事項、プロセスの特定の部分または段階における核分裂反応の予想強度、およびプロセスの任意の部分または段階のために必要とされる測定精度に従って変化する。検出器アレイの配置は、ほとんどの場合、プロセスを妨害することなく、可能な限りプロセスに近づけるべきである。例えば、検出器は、パイプまたは容器の周囲に円周方向に取り付けられ、好ましくは、パイプまたは容器と作動可能に接触するように取り付けられてもよい。

「作動可能に接触」というのは、その接触は物理的なものではないけれども、検出器がプロセスまたはプロセス容器と物理的に接触している場合と同程度にプロセス変数を効果的に測定できるぐらい物理的接触と区別されないものであり、または測定されるプロセス変数が臨界に対するマージンの計算を実質的に変更しないぐらいに、その程度に十分に近いものである。検出器は、例えば、検出器の設計および所望の測定精度に応じて、プロセス容器の周囲に密にまたはゆるく梱包されてもよい。検出器を、パイプまたは他の容器の長手方向軸に垂直に走る１つまたは複数の平面上に、および／またはパイプまたは他の容器の長手方向軸に対してある角度で１つまたは複数の平面に沿って、容器の周りに２０°、３０°、４５°、または６０°ごとに配置することは珍しくない。様々な態様では、検出器アレイは、臨界に達することを最も制限するように、プロセス容器間の位置、または選択されたプロセス容器に配置されるであろう。例えば、個々の流路内の検出器アレイは、同じプロセス流体だと、臨界に対するマージンは、核分裂性物質の塊を濃縮する大きな寸法によって最小化されるので、細いパイプの流れに沿ってではなく、大きな直径のタンクに配置されるであろう。設計と安全解析の要件として、プロセスは、Ｋ_eff＝１である自動継続する核分裂事象よりも必ず十分に低くなるようにすることが求められる。臨界に対する有効なマージンのためには、Ｋ_effは、実質的に１未満（Ｋ_eff＜１）である必要がある。

例示的な検出器は、例えば、イオンチャンバ、核分裂チャンバ、比例計数管、およびシンチレータを含む。当業者は、使用されてもよい他の検出器が存在し、何が適当な検出器かは、測定することを望むプロセス変数に依存し、そしてその変数は、使用される製造プロセスの化学的性質および物理的性質に依存することを認識するであろう。検出器は一般的には市販されている。検出器アレイでは、複数の検出器は、概して、同様の設計のものであり、プロセスの周囲に物理的に配置され、次いで、電子的に接続され、あらゆる所与の時間およびプロセスの所望の位置においてプロセス変数をより包括的にとらえることを可能にする。検出器の位置決めを利用して、２つの対向する検出器が、非常に短い時間ウィンドウ（＜～１ピコ秒）内で正確なエネルギー事象を登録した場合に１カウントのみ行われる同時計数モードで、対向する両方向に発生する特定のタイプの放射線を測定してもよい。同時計数は、結果として生じる核分裂生成物崩壊ガンマを排除しながら、核分裂などの特定のタイプの反応を直接測定することによって、検出器の信号対ノイズ比を改善する強力なツールである。例示的なプロセス変数は、圧力、温度、流量、密度、流体レベル、ｐＨ、水分、中性子計数率、中性子エネルギー、ガンマ計数率、ガンマエネルギーを含む。

検出器アレイは、プロセスの性質、プロセス容器の構成、線源の強度および所望の精度に応じて、再び、任意の所望の頻度で読み取りを行う。例えば、インタロゲーションプロセスにおけるプロセス変数の読取り値または測定値は、１分の典型的な時定数を有するプロセスにおいて、５～７秒ごとに取られてもよい。しかしながら、変化がまれである特定のプロセス容器が存在する場合、インタロゲーションまたは測定は、プロセス容器の構成に変化、例えば、充填、排出または撹拌がある場合にのみ、または、数分ごと、あるいはさらに頻度を下げて、行ってもよい。各インタロゲーション又は測定では、中性子源から中性子の既知のパルスがプロセスに導入される。測定の精度はカウント数の平方根の逆数に比例するので、インタロゲーションの頻度が高いほど、または中性子のパルスが大きいほど、プロセスパラメータの測定はより正確になる。また、パルスサイズまたは周波数の増加は、製品への照射を線形的に増加させるため、したがって、物理的にプロセスに近づく作業者の放射線量に対する線源強度を増加させることも事実である。したがって、プロセス中に何が起こっているかを正確に知りたいという要望と、プロセスのシステムに加えられる放射線を最小限に抑える必要性との間にバランスがある。インタロゲーションの最適な頻度は、プロセス変数、使用される特定の製造プロセス、プロセス容器の幾何学的形状および材料の構成、および核材料の製造および臨界回避の当業者によって理解される他の要因に依存する。プロセスのいくつかの部分または段階では、プロセス変数を頻繁に測定することが重要であってもよく、一方、他の部分または段階では、あまり頻繁でないインタロゲーションで十分であろう。プロセスの他の部分では、自動化されたインタロゲーションに関連するコストおよび用量は、全く正当化されないかもしれず、その場合、これらのプロセスは、安全性を実証するために、バウンディングオフライン安全性分析を使用し続ける。

プロセス変数の検出器読み取り値は、プロセッサ２２に送受信されるプロセス変数を表す信号２４をリアルタイムで生成する。プロセッサ２２は、インタロゲーションアセンブリからプロセス変数に関する入力を受け取る。様々な態様では、プロセッサ２２の入力は、インタロゲーションアセンブリからの測定された検出器信号２４の形態である。さらに、プロセッサ２２の入力は、温度、圧力、ｐＨ、流量、密度、流体レベル、不透明度、水分、およびプロセス変数をリアルタイムで表すそれらの組合せを含むが、これらに限定されない、プロセスの他の顕著な測定された態様を含んでもよい。プロセッサ２２は、当該信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する。

プロセッサは、当該信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する。プロセッサ２２および検出器アレイ１６は、任意の適切な既知の有線または無線接続を介して通信してもよい。モンテカルロ・コンピュータ・コード・モデルは、任意の減速材およびコリメータ、プロセス容器の既知の材料、所定の製造設備において実施されるであろう特定の特殊な核物質または材料の特定の製造プロセスための様々なプロセス容器の既知の位置を含む、既知の中性子生成器から作成される。最終核分裂性物質までのすべてのプロセス開始材料および中間体のための、構築および起こり得るプロセスシナリオ材料全種類がモデル化される。既知の特徴と起こり得るシナリオを組み合わせた計算が、各々についての理論的核分裂率を特定、及び、任意の所与の検出器が各プロセス変数に対して何を検出すると予測されるかを特定できるようなガイダンスを提供するため実験の構成が工夫される。例えば、プロセスにおける特定の位置又は段階での所与の中性子パルス強度に対する核分裂率が測定され、プロセッサに提供され、他のプロセス変数と組み合わされ、アルゴリズムを通して処理され、臨界までのマージンを算出する。中性子生成器は、特別核物質を含むプロセス流れの中に中性子をパルス化し、中性子パルスの結果として生成された中性子増倍、中性子および核分裂ガンマを測定する。

プロセス増倍及び／又は核分裂ガンマをオンラインプロセスソフトウェアによって用いて、その関連する幾何学的構成及び材料構成と共に特定プロセスの臨界安全性を実証するために使用される同じモンテカルロ・コンピュータ・コードのセットを用いて、重要なプロセス変数に対する一連の固定ソース応答で計算された応答曲面を用いて、測定された亜臨界増倍を用いて、測定された検出器応答を臨界に対するマージンに変換する。

この方法は、周知であり、解析的に解くには複雑すぎる問題に対する数値解を得るために有用である。１９４６年にこのアプローチに名前をつけて威厳をつけた最初の数学者となったＳ・ウラムによって名付けられた。モンテカルロ法とは、ある範囲の解を生成するために、それらのシステムへの入力としてランダムに生成された数を使用することによって、複雑な物理系または数学系を理解する統計的方法である。特定の解の尤度は、解が生成された回数を試行の総数で割ることによって計算できる。多くの数の試行を使用するほど、解の尤度をより正確に決定することができる。モンテカルロ法は、数学、物理学、生物学、工学、および金融を含む広範囲の課題、およびその解析解を決定するのに時間がかかりすぎる問題で使用される。

１９４６年、スタニスワフ・ウラム（Ｓｔａｎｉｓｌａｗ Ｕｌａｍ）は、モンテカルロ法を、放射性物質中の中性子の生成および拡散などの問題に適用した。この問題は、各段階において、解を計算することができないほど多くの可能性がありすぎるということであった。ウラムとジョン・フォン・ノイマン（Ｊｏｈｎ ｖｏｎ Ｎｅｕｍａｎｎ）は、この方法を詳細に研究した。今日では、モンテカルロ法を適用するソフトウェアパッケージが市販されており、熟練したソフトウェアエンジニアやプログラマなら誰でも、特定の用途のためのモンテカルロベースのプログラムを作成することができる。本明細書に記載される装置は、核分裂性物質製造プロセスにおいて遭遇するあらゆる状況下での核分裂事象の理論的結果と比較するために、モンテカルロ法を使用して開発され、記憶されているモデルと、あるプロセスにおける核分裂事象のリアルタイムの検出と、を結合する最初のものであると考えられる。応答表面は、インタロゲーションシステムからの中性子およびガンマ測定値、および圧力、温度、流量、ｐＨなどの全体的パラメータを使用して、重要なプロセス変数、例えば核分裂性含有量、ウラン含有量、水分、およびプロセス材料レベルの直接測定を提供する。中性子パルスの強度および周波数は、必要なプロセス制御および安全関連情報を必要な頻度で提供しながら、作業者線量を最小限に抑えるように最適化される。

様々な態様では、装置１０は、プロセス容器１８とインタロゲーションアセンブリとの間に配置された減速アセンブリ２０、２０ａも含んでもよい。減速アセンブリ２０、２０ａは、１２以下の原子番号の材料で作られてもよい。減速材の例示的な材料には、水、重水、ベリリウム、酸化ベリリウム、グラファイト、ポリエチレン、重水素化ポリエチレン、金属水素化物、金属重水素化物およびそれらの組み合わせが含まれる。熱中性子は、プロセスで生成された高エネルギー中性子をこれらの周知の材料にさらすことによって生成される。熱化インタロゲーションアセンブリを使用することで、プロセスのインタロゲーションの感度を増加させるが、プロセスシステムの設計および機能全体にとって許容可能か許容不可であり得ることだが、アセンブリの物理的サイズを増加させる。減速材アセンブリは、中性子生成器１２とコリメータ１４との間に配置されたブロック２０ａの形態であってもよい。代替的に、減速材は、中性子生成器１２を取り囲み、生成器１２のハウジングとして機能する、囲い２０のためのものであってもよい。いずれの構成においても、中性子生成器から放出される中性子からの熱エネルギーは、減速材アセンブリによって減少する。減速材は、減速材から放出される中性子が、検出器アレイ１６およびプロセス容器１８に到達するのに十分な量ではないほど多くを吸収することなく、中性子を減速する。

様々な態様において、熱インタロゲーションと呼ばれることがある実施形態では、中性子生成器は、上述のように良好な減速特性を有する材料で作られた特別に設計された減速材ブロック２０内に配置される。中性子生成器を取り囲む減速材アセンブリは、ＳＮＭ濃度についてインタロゲーションされるべきＳＮＭプロセスと面する方向を除いて、全ての方向に遮断される。中性子生成器アセンブリ、減速材アセンブリおよびコリメータアセンブリの存在は、プロセスの臨界評価およびソース中性子インタロゲーションに対するＳＮＭプロセスの応答関数に含まれる。熱中性子インタロゲーションの利点は、熱エネルギースペクトルにおける中性子に対するはるかに高い核分裂断面積のために、ＳＮＭプロセスの応答が１中性子源あたり比較的大きいことである。しかしながら、中性子生成器減速材アセンブリがプロセスに近接していることが必要であり、それによってプロセス臨界マージンが減少する。

上述のように、減速材は、低い原子番号を有する材料から作られる。１２の原子番号を有するグラファイトは、一般に、最も質量が大きい、それでも実用的で効果的な減速材材料であると考えられる。次に質量の大きい４つの元素（窒素、酸素、フッ素およびネオン）は、全て室温で気体であり、気体に関連する、固有の低い質量密度のため、これらの元素の重要な数密度を減速材として働かせることの実用性を制限する。例示的な材料は、水、重水、ベリリウム、酸化ベリリウム、グラファイト、ポリエチレン、重水素化ポリエチレン、金属水素化物、金属重水素化物、およびそれらの組み合わせを含有するグループを含むが、これらに限定されない。選択される材料は、特定のプロセス変数に依存する。例えば、プロセス温度が高い場合、ポリエチレンは溶融することがあり、水は蒸気に変換されるので、ポリエチレンまたは水は使用されない。その場合、金属水素化物、ベリリウム、酸化ベリリウムまたはグラファイトが減速材材料のより良い選択であろう。特定の用途において、例えば、装置のための利用可能な空間が限られている場合、重水素化ポリエチレン減速材が考慮されてもよい。

いくつかの用途では、プロセス自体を水溶液中で実施してもよい。様々な態様において、溶液中の水は、中性子を熱的に減速させるのに十分であり、そのため、別個の減速材は必要でなくなる。予測されるプロセス条件が、もしあっても、中性子エネルギーの減速をほとんど提供しない用途もある。高速インタロゲーションシステムと呼ばれるこのようなシステムでは、中性子は、高速または中間スペクトルでＳＮＭプロセスに向けられる。

減速材アセンブリを有する熱的インタロゲータの実施形態は、減速材を含まない第１の実施形態と対照的であってもよい。減速材を含まない実施形態では、使用される方法は、プロセス源中性子の熱エネルギーの減速がほとんどまたは全くない高速インタロゲーション方法と呼ばれてもよい。上述したように、中性子源中性子は、高速または中間スペクトルでＳＮＭプロセスに向けられる。中性子生成器を取り囲む線源アセンブリは、ＳＮＭプロセスに向けてコリメートされるか、またはＳＮＭプロセスに面する方向以外はすべての方向に遮断され、ＳＮＭ濃度のためインタロゲーションが行われる。中性子生成器アセンブリとアセンブリシールドの存在は、プロセスの臨界評価と、ソース中性子インタロゲーションに対するＳＮＭプロセスの応答関数に含まれる。高速スペクトル中性子に対するＳＮＭプロセスの応答は、熱源のそれよりはるかに小さいが、熱インタロゲーションに対するＳＮＭプロセスのインタロゲーションに必要な部品点数がより少ないため、安価であり得る。

システム核分裂性成分測定データは、クローズドループ、核分裂性成分プロセス制御および最適化、臨界安全解析の検証、および安全性のために使用されるアクティブな項目への入力に使用することができる。測定の主な目的は、高度に反復可能な生成物品質特性及び許容可能な臨界に対するマージンを保証する、極めて厳密に制御された核分裂性成分の帯域内でプロセスを作動させることであるか、さもなければ臨界に対する認可されたマージンを維持するためにプロセスを停止することである。プロセス核分裂性成分を正確に制御することで、プロセスの収率を増加させる。また、プロセス核分裂性成分を正確に制御することで、規格外生成物を生産する前に臨界マージンの差し迫った侵食の早期警告を提供し、プロセスを安定化させるための時間を提供することにより、全プロセスの停止及び安全性確保のために依拠される機器の作動に関する、関連する安全上の困難を回避させる。

一旦、中性子パルスがＳＮＭプロセスに入ると、追加の中性子およびガンマ線（迅速かつ遅延された）を生成する少数の核分裂事象が存在する。これらの電離放射線種は、ＳＮＭプロセスの周囲に戦略的に配置された検出器によってサンプリングされる。中性子検出器は、²³⁵Ｕまたは¹⁰Ｂのいずれかで覆われた、または¹⁰ＢＦ³または³Ｈｅで満たされたイオンチャンバを含んでもよい。ガンマ線は、ヨウ化ナトリウム（Ｎａｌ）または酸化ビスマスゲルマニウム（ＢＧＯ）を含むがこれらに限定されないシンチレータ検出器から入力を得るガンマ分光技術を用いて検出される。

得られた信号は、プロセスソフトウェアによって収集され、ＳＮＭプロセス臨界安全性を実証するために使用されるモンテカルロ解析ソフトウェアから予め計算された感度関数を使用してＳＮＭプロセス変数に相関付けられる。これらの感度関数は、プロセスのリアルタイムＫ_effを決定し、プロセスの臨界の可能性を排除しながら、プロセスの安定性および生成物の質を最大化するために核分裂性成分の正確な制御を可能にするためにプロセス制御および防護システムに入力を提供するために利用される。

本明細書に記載される装置は、バウンディング解析の仮定を用いて臨界安全を保証するのには減速制御が不十分であるようなＳＮＭプロセスを、操作することができる本質的に安全で製造作業可能な設備を配置する際に役立つ。重要なＳＮＭプロセス変数の直接測定によりリアルタイムのプロセス臨界安全性に関する情報を得る能力は、プロセススループットの最大化を可能にし、同時にオペレータと臨界安全作業者とにプロセスの現在の安全状態のオンライン測定を提供することを可能にする。本明細書に記載される方法および装置の使用は、プロセス臨界評価へのより現実的なプロセス入力を可能にすることによって、ＳＮＭプロセスの資本および稼働コストを低減することが期待される。バウンディングを実施するために超保守的プロセス状態を考慮する必要性を排除すると、オフライン臨界分析は、より高いＳＮＭプロセススループットと同時に、より低い全体的なプロセス複雑性を可能にすることが期待される。

本発明は、いくつかの実施例に従って記載されており、これらの実施例は、限定的ではなく、全ての態様において例示的であることが意図される。したがって、本発明は、詳細な実施において多くの変形が可能であり、それらは、当業者によって本明細書に含まれる説明から導き出されてもよい。

本明細書で言及される全ての特許、特許出願、刊行物、または他の開示物は、それぞれの個々の参考文献がそれぞれ参照により明確に組み込まれているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。参照によって本明細書に組み込まれると言われるすべての参照、および任意の資料、またはその一部は、組み込まれる資料が、本開示で説明される既存の定義、ステートメント、または他の開示資料と矛盾しない範囲でのみ本明細書に組み込まれる。したがって、必要な程度で、本明細書に記載される開示は、参照により本明細書に組み込まれる任意の矛盾する資料より優先され、および本出願に明示的に記載される開示が優先する。

本発明は、様々な例示的かつ例示的な実施形態を参照して説明されてきた。本明細書に記載された実施形態は、開示された発明の様々な実施形態の様々な詳細の例示的な特徴を提供するものとして理解され、したがって、特に指定されない限り、可能な範囲で、開示された実施形態の１つまたは複数の特徴、要素、構成要素、構成要素、成分、構造、モジュール、および／または態様は、開示された発明の範囲から逸脱することなく、開示された実施形態の１つまたは複数の他の特徴、要素、構成要素、構成要素、成分、構造、モジュール、および／または態様と組み合わされ、分離され、交換され、および／または再配置され得ることを理解されたい。したがって、本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態のいずれかの様々な置換、修正、または組み合わせを行うことができることが、当業者には理解されよう。さらに、当業者は、本明細書を検討する際に、本明細書に記載される本発明の様々な実施形態と同等の多くを認識するか、または日常的な実験のみを使用して確かめることができるであろう。したがって、本発明は、様々な実施形態の説明によって限定されず、むしろ請求項の範囲によって限定される。以下の項目は、出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
核分裂性物質を製造するプロセスにおいて核分裂性成分を測定するための装置（１０）であって、
前記プロセスは、プロセス容器（１８）を使用し、
前記装置は、
中性子を生成させるための中性子生成アセンブリ（１２）と、
前記中性子生成アセンブリで生成された前記中性子を前記プロセス容器（１８）に向けて集束させるためのコリメータアセンブリ（１４）と、
前記プロセスの変数を検出するために前記プロセス容器（１８）に対して所定の位置に配置されるインタロゲーションアセンブリ（１６）であって、前記変数は、使用中における、少なくとも中性子およびガンマ放射性成分またはその不在で構成される、前記インタロゲーションアセンブリと、
インタロゲーションアセンブリから前記プロセス変数に関する入力を受け取り、検出された前記変数に基づいて、前記プロセスにおける臨界に対するマージンを計算するためのプロセッサ（２２）と、を備える、装置。
（項目２）
前記中性子生成アセンブリ（１２）は、電子的に変調可能な核融合中性子源と、機械的に変調可能な固定中性子源と、からなる群から選択される変調可能な中性子源を備える、項目１に記載の装置（１０）。
（項目３）
前記核融合中性子源（１２）は、重水素－重水素または重水素トリチウム核融合反応の１つまたはその組合せの加速器駆動核融合源である、項目２に記載の装置（１０）。
（項目４）
前記中性子源（１２）は、中性子を放出する放射性崩壊をする固定材料源である、項目２に記載の装置（１０）。
（項目５）
前記中性子を放出する材料は、自然核分裂源としての ²⁵² Ｃｆと、（α，ｎ）中性子源と、からなる群から選択され、
前記（α，ｎ）中性子源は、ベリリウムの混合物と、プルトニウム、アメリシウム、ラジウムおよびポロニウムの高活性α粒子エミッタの混合物と、からなる、項目４に記載の装置（１０）。
（項目６）
前記核融合中性子源は、その結晶格子内の水素同位体を吸着しやすい材料で作られているイオンビームターゲットを含む、項目２に記載の装置（１０）。
（項目７）
前記イオンビームターゲットは、ジルコニウム、チタン、イットリウム、およびパラジウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料から作られている、項目６に記載の装置（１０）。
（項目８）
前記中性子源（１２）は、核融合ターゲットに向けてイオンビームをパルス化する、項目２に記載の装置（１０）。
（項目９）
前記イオンビームは、重水素およびトリチウムからなる群から選択されるイオンで構成される、項目８に記載の装置（１０）。
（項目１０）
前記ターゲット内に含まれる前記重水素または前記トリチウムは、前記イオンビームから重水素イオンまたはトリチウムイオンを吸収し、核融合し、中性子を放出する、項目９に記載の装置（１０）。
（項目１１）
前記中性子源（１２）は、機械的シャッタを操作して固定中性子源を遮断する、項目２に記載の装置（１０）。
（項目１２）
前記インタロゲーションアセンブリは、前記プロセス容器に対して所定の位置に配置された複数の検出器のアレイを備える、項目１に記載の装置（１０）。
（項目１３）
前記検出器は、中性子検出器およびガンマ線検出器からなる群から選択される、項目１２に記載の装置（１０）。
（項目１４）
さらに、前記中性子生成アセンブリ（１２）と前記コリメータアセンブリ（１４）との間に配置され、前記中性子生成アセンブリで生成された中性子を熱的に均等化するための減速材アセンブリ（２０）を備える、項目１に記載の装置（１０）。
（項目１５）
前記減速材（２０）は、原子番号が１２以下の材料で作られている、項目１４に記載の装置（１０）。
（項目１６）
前記減速材（２０）は、水、重水、ベリリウム、酸化ベリリウム、グラファイト、ポリエチレン、重水素化ポリエチレン、金属水素化物、金属重水素化物、およびそれらの組み合わせからなる群から選択された材料から作られている、項目１５に記載の装置（１０）。
（項目１７）
前記プロセス変数は、さらに、温度、圧力、ｐＨ、流量、密度、流体レベル、不透明度、水分、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、プロセスの臨界を決定するためのプロセスパラメータを備える、項目１に記載の装置（１０）。
（項目１８）
前記プロセッサ（２２）の入力は、前記プロセス変数をリアルタイムで表す、前記インタロゲーションアセンブリ（１６）からの信号（２４）を備え、
前記プロセッサは、前記信号（２４）を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する、項目１に記載の装置（１０）。
（項目１９）
核分裂性物質を製造するプロセスにおいて核分裂性成分を測定するための装置（１０）であって、
前記プロセスは、プロセス容器（１８）を使用し、
前記装置は、
変調可能な中性子源（１２）であって、
機械的に変調された固定中性子源と、
液体ターゲットを有する電子的に変調された核融合中性子源と、
水素を溶液に取り込むことができる材料から形成されたターゲットを有する電子的に変調された核融合中性子源と、からなる群から選択され、
前記ターゲットは、重水素およびトリチウムの一方または両方で含浸される、前記中性子源（１２）と、
使用中に前記ターゲットから発生する任意の中性子の方向を制御するためのコリメータ（１４）と、
プロセス変数を検出するためのプロセス容器（１８）に対して所定の位置に配置された複数の検出器のアレイ（１６）であって、前記検出器は、前記プロセス変数を表す信号（２４）をリアルタイムで生成する、前記複数の検出器のアレイと、
前記信号（２４）を受信し、検出された前記プロセス変数を臨界値に対するマージンの測定値に変換するためのプロセッサ（２２）と、を備える、装置。
（項目２０）
前記中性子源（１２）と前記コリメータ（１４）との間に配置され、前記中性子源内に形成された中性子を熱的に均等化するための減速材（２０）をさらに備える、項目１９に記載の装置（１０）。
（項目２１）
前記減速材（２０）は、水、重水、ベリリウム、酸化ベリリウム、グラファイト、ポリエチレン、金属水素化物、金属重水素化物、およびそれらの組み合わせからなる群から選択された材料から作られている、項目２０に記載の装置（１０）。
（項目２２）
前記中性子源（１２）は、その結晶格子内の水素同位体を吸着しやすい材料で作られているターゲットを含む、項目１９に記載の装置（１０）。
（項目２３）
前記ターゲットは、ジルコニウム、チタン、イットリウム、パラジウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料で作られている、項目２２に記載の装置（１０）。
（項目２４）
前記検出器のアレイ（１６）は、中性子検出器およびガンマ線検出器からなる群から選択される、項目１９に記載の装置（１０）。
（項目２５）
前記プロセッサは、受信したリアルタイムの前記信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する、項目１９に記載の装置（１０）。
（項目２６）
核分裂性物質を製造するためのプロセスにおいて、臨界に対するマージンを測定するための方法であって、
前記プロセスは、プロセス容器（１８）を使用し、
前記方法は、
中性子源（１２）からの中性子をパルス化することと、
プロセス容器（１８）に対して所定の位置に配置されたプロセス変数検出器（１６）のアレイに向けてパルス化された前記中性子をコリメートすることと、
少なくとも中性子レベル及びガンマ線放射レベルで構成されるプロセス変数を検出することであって、その検出器は、前記プロセス変数を表す信号（２４）をリアルタイムで生成する、前記検出することと、及び、
リアルタイムの前記信号をプロセッサ（２２）に送ることであって、前記プロセッサは、前記信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する、前記送ることと、を備える、方法。
（項目２７）
さらに、前記中性子をコリメートする前に、前記中性子源からパルス化された中性子の熱的均衡を減速させることを備える、項目２６に記載の方法。
（項目２８）
前記中性子をパルス化することは、
重水素およびトリチウムの一方または両方で構成されるイオンビームを断続的に生成し、水素を溶液に取り込むことができる材料から形成されたターゲットに前記ビームを向けることによって、その核融合中性子源（１２）イオンビームを変調することを備え、
前記ターゲットは、重水素およびトリチウムの一方または両方で含浸されており、中性子を放出する、項目２６に記載の方法。
（項目２９）
前記中性子をパルス化することは、
中性子の固定源（１２）と前記コリメータ（１４）との間に挟まれる機械的シャッタを操作することを備える、項目２６に記載の方法。
（項目３０）
前記シャッタは、前記固定源（１２）から前記コリメータ（１４）への中性子の流れに対して開閉するように操作される、項目２９に記載の方法。
（項目３１）
中性子の前記固定源（１２）が、自然核分裂源としての ²⁵² Ｃｆと、（α，ｎ）中性子源とからなる群から選択され、前記（α，ｎ）中性子源はベリリウムの混合物と、プルトニウム、アメリシウム、ラジウムおよびポロニウムの高活性α粒子エミッタの混合物とからなる、項目２９に記載の方法。

Claims (30)

1. 核分裂性物質を製造するプロセスにおいて核分裂性成分を測定するための装置（１０）であって、
   前記プロセスは、プロセス容器（１８）を使用し、
   前記装置は、
   中性子を生成させるための中性子生成アセンブリ（１２）と、
   前記中性子生成アセンブリで生成された前記中性子を前記プロセス容器（１８）に向けて集束させるためのコリメータアセンブリ（１４）と、
   前記プロセスのプロセス変数を検出するために前記プロセス容器（１８）に対して所定の位置に配置されるインタロゲーションアセンブリ（１６）であって、前記プロセス変数は、使用中における、少なくとも中性子およびガンマ放射性成分またはその不在で構成される、前記インタロゲーションアセンブリと、
   インタロゲーションアセンブリから前記プロセス変数に関する入力を受け取り、検出された前記プロセス変数に基づいて、前記プロセスにおける臨界に対するマージンを計算するためのプロセッサ（２２）と、を備え、
   前記プロセス変数は、さらに、温度、圧力、ｐＨ、流量、密度、流体レベル、不透明度、水分、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、プロセスの臨界を決定するためのプロセスパラメータを備える、
   装置。
2. 前記中性子生成アセンブリ（１２）は、電子的に変調可能な核融合中性子源と、機械的に変調可能な固定中性子源と、からなる群から選択される変調可能な中性子源を備える、請求項１に記載の装置（１０）。
3. 前記核融合中性子源（１２）は、重水素－重水素または重水素トリチウム核融合反応の１つまたはその組合せの加速器駆動核融合源である、請求項２に記載の装置（１０）。
4. 前記核融合中性子源（１２）は、中性子を放出する放射性崩壊をする固定材料源である、請求項２または３に記載の装置（１０）。
5. 前記固定材料源は、自然核分裂源としての²⁵²Ｃｆと、（α，ｎ）中性子源と、からなる群から選択され、
   前記（α，ｎ）中性子源は、ベリリウムの混合物と、プルトニウム、アメリシウム、ラジウムおよびポロニウムの高活性α粒子エミッタの混合物と、からなる、請求項４に記載の装置（１０）。
6. 前記核融合中性子源は、その結晶格子内の水素同位体を吸着しやすい材料で作られているイオンビームターゲットを含む、請求項２から５のいずれか一項に記載の装置（１０）。
7. 前記イオンビームターゲットは、ジルコニウム、チタン、イットリウム、およびパラジウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料から作られている、請求項６に記載の装置（１０）。
8. 前記核融合中性子源（１２）は、核融合ターゲットに向けてイオンビームをパルス化する、請求項２から７のいずれか一項に記載の装置（１０）。
9. 前記イオンビームは、重水素およびトリチウムからなる群から選択されるイオンで構成される、請求項８に記載の装置（１０）。
10. 前記核融合ターゲット内に含まれる前記重水素または前記トリチウムは、前記イオンビームから重水素イオンまたはトリチウムイオンを吸収し、核融合し、中性子を放出する、請求項９に記載の装置（１０）。
11. 前記固定中性子源（１２）は、機械的シャッタを操作して固定中性子源を遮断する、請求項２から１０のいずれか一項に記載の装置（１０）。
12. 前記インタロゲーションアセンブリは、前記プロセス容器に対して所定の位置に配置された複数の検出器のアレイを備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置（１０）。
13. 前記検出器は、中性子検出器およびガンマ線検出器からなる群から選択される、請求項１２に記載の装置（１０）。
14. さらに、前記中性子生成アセンブリ（１２）と前記コリメータアセンブリ（１４）との間に配置され、前記中性子生成アセンブリで生成された中性子を熱的に均等化するための減速材アセンブリ（２０）を備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置（１０）。
15. 前記減速材アセンブリ（２０）は、原子番号が１２以下の材料で作られている、請求項１４に記載の装置（１０）。
16. 前記減速材アセンブリ（２０）は、水、重水、ベリリウム、酸化ベリリウム、グラファイト、ポリエチレン、重水素化ポリエチレン、金属水素化物、金属重水素化物、およびそれらの組み合わせからなる群から選択された材料から作られている、請求項１５に記載の装置（１０）。
17. 前記プロセッサ（２２）の入力は、前記プロセス変数をリアルタイムで表す、前記インタロゲーションアセンブリ（１６）からの信号（２４）を備え、
    前記プロセッサは、前記信号（２４）を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する、請求項１から１６のいずれか一項に記載の装置（１０）。
18. 核分裂性物質を製造するプロセスにおいて核分裂性成分を測定するための装置（１０）であって、
    前記プロセスは、プロセス容器（１８）を使用し、
    前記装置は、
    変調可能な中性子源（１２）であって、
    機械的に変調された固定中性子源と、
    液体ターゲットを有する電子的に変調された核融合中性子源と、
    水素を溶液に取り込むことができる材料から形成されたターゲットを有する電子的に変調された核融合中性子源と、からなる群から選択され、
    前記ターゲットは、重水素およびトリチウムの一方または両方で含浸される、前記中性子源（１２）と、
    使用中に前記ターゲットから発生する任意の中性子の方向を制御するためのコリメータ（１４）と、
    プロセス変数を検出するためのプロセス容器（１８）に対して所定の位置に配置された複数の検出器のアレイ（１６）であって、前記検出器は、前記プロセス変数を表す信号（２４）をリアルタイムで生成する、前記複数の検出器のアレイと、
    前記信号（２４）を受信し、検出された前記プロセス変数を臨界値に対するマージンの測定値に変換するためのプロセッサ（２２）と、を備え、
    前記プロセス変数は、さらに、温度、圧力、ｐＨ、流量、密度、流体レベル、不透明度、水分、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、プロセスの臨界を決定するためのプロセスパラメータを備える、
    装置。
19. 前記中性子源（１２）と前記コリメータ（１４）との間に配置され、前記中性子源内に形成された中性子を熱的に均等化するための減速材（２０）をさらに備える、請求項１８に記載の装置（１０）。
20. 前記減速材（２０）は、水、重水、ベリリウム、酸化ベリリウム、グラファイト、ポリエチレン、金属水素化物、金属重水素化物、およびそれらの組み合わせからなる群から選択された材料から作られている、請求項１９に記載の装置（１０）。
21. 前記中性子源（１２）は、その結晶格子内の水素同位体を吸着しやすい材料で作られているターゲットを含む、請求項１８から２０のいずれか一項に記載の装置（１０）。
22. 前記ターゲットは、ジルコニウム、チタン、イットリウム、パラジウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される材料で作られている、請求項２１に記載の装置（１０）。
23. 前記検出器のアレイ（１６）は、中性子検出器およびガンマ線検出器からなる群から選択される、請求項１８から２２のいずれか一項に記載の装置（１０）。
24. 前記プロセッサは、受信したリアルタイムの前記信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する、請求項１８から２３のいずれか一項に記載の装置（１０）。
25. 核分裂性物質を製造するためのプロセスにおいて、臨界に対するマージンを測定するための方法であって、
    前記プロセスは、プロセス容器（１８）を使用し、
    前記方法は、
    中性子源（１２）からの中性子をパルス化することと、
    コリメータ（１４）によって、プロセス容器（１８）に対して所定の位置に配置されたプロセス変数検出器（１６）のアレイに向けてパルス化された前記中性子をコリメートすることと、
    少なくとも中性子レベル及びガンマ線放射レベルで構成されるプロセス変数を検出することであって、その検出器は、前記プロセス変数を表す信号（２４）をリアルタイムで生成する、前記検出することと、及び、
    リアルタイムの前記信号をプロセッサ（２２）に送ることであって、前記プロセッサは、前記信号を既知のプロセス変数の記憶されたモデルに相関させて、臨界に対するマージンを計算する、前記送ることと、を備え、
    前記プロセス変数は、さらに、温度、圧力、ｐＨ、流量、密度、流体レベル、不透明度、水分、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、プロセスの臨界を決定するためのプロセスパラメータを備える、
    方法。
26. さらに、前記中性子をコリメートする前に、前記中性子源からパルス化された中性子の熱的均衡を減速させることを備える、請求項２５に記載の方法。
27. 前記中性子をパルス化することは、
    重水素およびトリチウムの一方または両方で構成されるイオンビームを断続的に生成し、水素を溶液に取り込むことができる材料から形成されたターゲットに前記イオンビームを向けることによって、その核融合中性子源（１２）イオンビームを変調することを備え、
    前記ターゲットは、重水素およびトリチウムの一方または両方で含浸されており、中性子を放出する、請求項２５または２６に記載の方法。
28. 前記中性子をパルス化することは、
    中性子の固定源（１２）と前記コリメータ（１４）との間に挟まれる機械的シャッタを操作することを備える、請求項２５から２７のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記機械的シャッタは、前記固定源（１２）から前記コリメータ（１４）への中性子の流れに対して開閉するように操作される、請求項２８に記載の方法。
30. 中性子の前記固定源（１２）が、自然核分裂源としての²⁵²Ｃｆと、（α，ｎ）中性子源とからなる群から選択され、前記（α，ｎ）中性子源はベリリウムの混合物と、プルトニウム、アメリシウム、ラジウムおよびポロニウムの高活性α粒子エミッタの混合物とからなる、請求項２８または２９に記載の方法。

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