JPH0317116B2 - - Google Patents

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JPH0317116B2
JPH0317116B2 JP57144880A JP14488082A JPH0317116B2 JP H0317116 B2 JPH0317116 B2 JP H0317116B2 JP 57144880 A JP57144880 A JP 57144880A JP 14488082 A JP14488082 A JP 14488082A JP H0317116 B2 JPH0317116 B2 JP H0317116B2
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JP
Japan
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neutrons
epithermal
uranium
coefficient
ratio
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP57144880A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5866097A (en
Inventor
Kaaru Shuunitsuhi Junia Furedoritsuku
Deebitsuto Randorii Jeemusu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of JPS5866097A publication Critical patent/JPS5866097A/en
Publication of JPH0317116B2 publication Critical patent/JPH0317116B2/ja
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00Monitoring; Testing ; Maintaining
    • G21C17/06Devices or arrangements for monitoring or testing fuel or fuel elements outside the reactor core, e.g. for burn-up, for contamination
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は核燃料製造中のウラン含有物質の臨界
未満の測定に関し、特に、臨界未満を測定する装
置によつて二酸化ウラン粉末の臨界未満または減
速材濃度を自動的に測定することに関する。本装
置は臨界未満測定を容易にしかつその正確さを保
証するカドミウム熱中性子遮へい手段を含む。減
速材濃度の測定は重要である。というのは、減速
材は核分裂によつて生じた高速中性子を減速また
は熱中性子化するように作用するからである。な
お高速中性子は核連鎖反応の確立を可能にするも
のである。 ウランは、通例、核燃料の製造工程中5ガロン
入りの鉄鋼製容器に入つた二酸化ウラン粉末の形
態で貯蔵される。いかなる箇所におけるウラン物
質を臨界状態になりえないように、すなわち、核
連鎖反応を持続しえないように、容器はかなりの
管理上かつ経済上の犠性の下に個別に貯蔵されか
つ相隔てられる。 貯蔵されている多数のウラン容器の臨界安全性
を確保する際の一つの難点は、任意の容器の臨界
未満を確実に知りえないことである。もし各容器
の臨界未満を便利良くかつ正確に決定しうるな
ら、個々の容器からなる全容器系の臨界未満の正
確な計算を簡単になしうる。残念ながら、このよ
うな便利で正確な測定技術は本発明以前には存在
しなかつた。これはウランの効率的な貯蔵蓄積技
術の開発の妨げとなるものであつた。 核燃料生産に利用される型の個々のウラン容器
はあらゆる減速材状態のもとで実質的に臨界未満
である。従つて、臨界よりも臨界未満について述
べることが有用である。本開示のためには、臨界
度について述べる必要はない。なぜなら、臨界安
全計画の目的は、原子炉燃料として使用されるこ
とになつているウランのすべてにいかなる臨界度
も生じないようにすることだからである。 臨界未満の計算には多数の変数、例えば、全容
積、構造、ウラン密度、濃縮度、減速材濃度等が
用いられる。減速材濃度は本発明に関して最も重
要であり、ウラン内に存する水分を包含する。ウ
ラン密度と、濃縮度と、容器の容積または構造は
一般に相対的に一定のパラメータである。しか
し、最も重要な臨界パラメータ、すなわち、最大
の変化をなしうるパラメータは減速材濃度であ
る。 核燃料生産のために貯蔵されるウラン物質にお
ける水の濃度は、その水の発生源が何であつて
も、ゼロから100000ppm以上にわたつて変わりう
る。複数個一組のウラン容器の貯蔵に関して、
20000ppm以上の減速材濃度は、所与の1個の容
器と所与の貯蔵配列形状、例えば、複数の5ガロ
ン缶に収納された二酸化ウランを含む配列形状と
に対して許容されないということは理解されよ
う。もちろん、独立に設けられかつ他の同様の容
器から隔離された1個の容器は満水状態でも完全
に臨界未満である。例えば、ウランをしばしば貯
蔵する単一の5ガロン缶は十分小さいので水中に
沈められた時でも臨界未満である。 プラントまたは貯蔵域において各ウラン容器の
臨界未満を測定するために試料の破壊的化学分析
をすることは実際的でない。なぜなら、その時各
容器を開かなければならないからである。また、
その過程である量のウランが失われる。さらに、
このような化学試験の結果は数時間または数日も
の間得られないかもしれない。 臨界未満を測定するための湿度検知器は、関連
する多量の水分または減速材環境においては実際
上働かない。さらに、従来の湿度検知器は通例周
囲湿度の測定には有効であるが、液状の水の濃度
の測定には有効でない。さらに、市販の湿度検知
器の多くは不当に高価である。 従つて、本発明の目的は個別量のウラン物質の
臨界未満を測定するための迅速で経済的で便利な
測定技術と装置を提供することである。 本発明の他の目的は原子炉用の核燃料棒の製造
を用いる二酸化ウランを貯蔵するための比較的経
済的な貯蔵管理システムを提供することである。 本発明の他の目的は、高度に臨界未満の二酸化
ウラン粉末と中程度に臨界未満の二酸化ウラン粉
末のコスト面で有利な隔離を容易にすることと、
ウランの臨界未満に関する適当な処理を選択的に
許容することである。 本発明の他の目的は、密封された二酸化ウラン
容器の確実な密閉を損なうことなくウラン減速材
濃度の非破壊的かつ非化学的な測定を行うことに
より、ウラン減速材濃度の測定と関連する研究室
と核燃料処理施設における安全性を高めることで
ある。 本発明の他の目的はバツクグランド熱中性子を
除外または過して取り除くことによつて密封容
器内の二酸化ウランの臨界未満の程度を正確に測
定しうる測定装置を提供することである。 本発明によれば、バツクグランド熱中性子の存
在を除外することにより、かつある量の二酸化ウ
ランからなるウラン物質内への熱外中性子の入射
の結果としてウラン物質から出る熱外中性子と熱
中性子との比の測定により、ウラン物質の臨界未
満度を正確に決定する装置とが提供される。熱中
性子はウランを囲む遮へい手段によつて遮断され
る。この遮へい手段は熱中性子を吸収するもので
ある。パルス式または連続式中性子源が高速中性
子を発するために利用されそしてこれらの高速中
性子は、中性子源用の支持構造体によつて減速さ
れ、こうしてウラン物質内への入射用熱外中性子
の供給源が確保される。熱・熱外中性子検出器
と、それとは別に設けられそしてカドミウム遮へ
い体により熱中性子に対して遮へいされている熱
外中性子検出器とが、ウラン物質から出る中性子
を検出するためと、その結果として熱・熱外中性
子複合計数値と熱外中性子計数値とをもたらすた
めに配設される。これらの計数値はカウンタに蓄
えられ、そして実験的に導かれた関係に従つてウ
ラン物質の臨界未満度を定めるために用いられ
る。この測定によつて、ウラン物質の臨界未満が
所定レベルを超えたことが示された場合、操作者
はその特定のウラン容器を他の容器から隔離し、
こうして臨界連鎖反応のおそれを無くする。 第1図に示した好適実施例はポリエチレン固形
物10の積層体を含む。固形物10はそれらに設
けた凹み12内に高速中性子源11を支持する。
ポリエチレン固形物10には中性子遮へい体13
が載置され、これは側部14と底部15とを含
み、そして好ましくはカドミウムで作られる。頂
部16は開いた頂部として示してある。遮へい体
13内には、臨界未満を検査すべきウラン物質、
例えば、二酸化ウラン粉末の容器17がある。少
なくとも1個の熱外中性子検出器18と、少なく
とも1個の熱・熱外中性子複合検出器19が二酸
化ウランの容器17の近くにおいてカドミウム遮
へい体13内に適当に設置されている。簡単のた
め、両中性子検出器の支持構造体は図示していな
い。中性子検出器18,19は同種のものである
が、熱外検出器18は熱中性子を遮断するために
カドミウムのような適当な材料によつて遮へいさ
れている。本装置は中性子源11からの高速中性
子を熱外中性子に変換することによつて熱外中性
子を容器17内に入射させる。 第1図には適当な同軸電線20が示され、検出
器18,19の各々を前置増幅器30、増幅器3
2、弁別器33、カウンタ34、プロセツサ35
および指示器36に接続している。電源31は上
述の回路要素と検出器18,19を付勢する。各
検出器は本質的に、与圧されたヘリウム環境内に
高い電位差を確立する陽極と陰極である。入射中
性子がヘリウム原子をイオン化する時、電流なだ
れまたはパルスが発生し、そして測定検出器18
または19と関連する前置増幅器に伝えられる。 装置の作用を以下に述べるが、ここでまず述べ
得ることは、検出器によつて生ずる電流パルスが
前置増幅器30と増幅器32によつて増幅されそ
して対応弁別器33によつて選択的に通されて合
算器またはカウンタ34で計数されるということ
である。熱中性子と熱外中性子の計数値の比がプ
ロセツサ35における臨界未満計算の基礎とな
る。臨界未満計算用の関係式は後述のように導か
れる。プロセツサ35による臨界未満算定の結果
は指示器36に示される。これは、臨界未満が所
定しきい値の程度である時、例えば、減速材濃度
が20000ppmである時、可聴警報器を鳴なしうる。 最善の臨界未満関係式は第2図に示すプロセツ
サ35によつて成立する。この関係式は第2図に
示すようにアナログ式に解かれるか、または適当
なマイクロプロセツサでプログラムされうる。こ
のマイクロプロセツサとしては、現在多種のもの
が市販されている。 関係式は実験的に導かれ、次のように表され
る。 SI=(t/e)−b/p+n〔%U−235〕(1) ただし、SIは臨界未満値を表し、 tは熱中性子計数値を表し、 eは熱外中性子計数値を表し、 bは減速材濃度がゼロの時の熱中性子対
熱外中性子の比であり、 nは熱中性子対熱外中性子の比の減速材
に関する変化率の濃縮度に関する変化率
(数学的には、 ∂2(t/e)/∂〔%U−235〕∂〔%減速
材〕)であり、 〔%U−235〕は百分率で表した濃縮度
であり、 pは〔%U−235〕がゼロの場合の減速
材濃度に関するt/eの変化率である。 上記関係式における常数b、n、pは、利用さ
れる特定形状を表す一まとめの数値である。中性
子計数値は核分裂中性子を含まない。なお核分裂
中性子は比較的高いエネルギー範囲内にある。 第2図に示すように、マイクロプロセツサのプ
ログラムと等価であるアナログ回路は適当な電気
リード線によつてカウンタ34における計数値を
受入れる。上述の定数は、下表によつて一定電圧
を印加することによつて入力される。これらの値
は単一の5ガロン缶の特定形状を表す。
The present invention relates to the subcritical measurement of uranium-containing materials during nuclear fuel production, and more particularly to the automatic measurement of subcritical or moderator concentrations in uranium dioxide powder by a subcritical measuring device. The apparatus includes cadmium thermal neutron shielding means to facilitate subcritical measurements and ensure their accuracy. Measuring moderator concentration is important. This is because the moderator acts to slow down or thermalize the fast neutrons produced by nuclear fission. Furthermore, fast neutrons are what make it possible to establish nuclear chain reactions. Uranium is typically stored in the form of uranium dioxide powder in five-gallon steel containers during the nuclear fuel manufacturing process. To ensure that the uranium material at any point cannot become critical, i.e., cannot sustain a nuclear chain reaction, the containers are stored separately and spaced apart at considerable administrative and economic cost. It will be done. One difficulty in ensuring the criticality safety of a large number of stored uranium containers is that the subcriticality of any given container cannot be known with certainty. If the subcriticality of each vessel can be conveniently and accurately determined, accurate calculations of the subcriticality of the entire vessel system of individual vessels can easily be made. Unfortunately, such a convenient and accurate measurement technique did not exist prior to the present invention. This hindered the development of efficient storage and accumulation technology for uranium. Individual uranium containers of the type utilized for nuclear fuel production are substantially subcritical under all moderator conditions. Therefore, it is useful to speak of subcritical rather than critical. For purposes of this disclosure, there is no need to state criticality. This is because the purpose of criticality safety planning is to ensure that all of the uranium that is to be used as reactor fuel does not develop any degree of criticality. Numerous variables are used in subcritical calculations, such as total volume, structure, uranium density, enrichment, moderator concentration, etc. Moderator concentration is of primary importance with respect to the present invention and includes the water present within the uranium. Uranium density, enrichment, and vessel volume or construction are generally relatively constant parameters. However, the most important critical parameter, ie the parameter that can undergo the greatest change, is the moderator concentration. The concentration of water in uranium material stored for nuclear fuel production can vary from zero to more than 100,000 ppm, regardless of its source. Regarding storage of multiple uranium containers,
It is understood that moderator concentrations greater than 20,000 ppm are not permitted for a given container and storage array configuration, such as an array containing uranium dioxide contained in multiple 5-gallon cans. It will be. Of course, a single vessel, independently provided and isolated from other similar vessels, is completely subcritical even when filled with water. For example, the single 5-gallon canister in which uranium is often stored is small enough to be subcritical even when submerged in water. It is impractical to perform destructive chemical analysis of samples to determine the subcriticality of each uranium container in a plant or storage area. This is because each container must then be opened. Also,
A certain amount of uranium is lost in the process. moreover,
Results of such chemical tests may not be available for hours or even days. Humidity detectors for subcritical measurements do not work effectively in the high moisture or moderator environments involved. Furthermore, while conventional humidity sensors are typically effective in measuring ambient humidity, they are not effective in measuring liquid water concentration. Additionally, many commercially available humidity sensors are unreasonably expensive. It is therefore an object of the present invention to provide a rapid, economical and convenient measurement technique and apparatus for determining the subcriticality of discrete quantities of uranium material. Another object of the present invention is to provide a relatively economical storage management system for storing uranium dioxide using the production of nuclear fuel rods for nuclear reactors. Other objects of the present invention are to facilitate cost-effective separation of highly subcritical and moderately subcritical uranium dioxide powders;
selectively permitting appropriate treatment of subcritical uranium; Another object of the present invention is to provide a non-destructive and non-chemical measurement of uranium moderator concentration without compromising the positive sealing of a sealed uranium dioxide container. The goal is to improve safety in laboratories and nuclear fuel processing facilities. Another object of the present invention is to provide a measuring device that can accurately measure the subcriticality of uranium dioxide in a sealed container by excluding or filtering out background thermal neutrons. According to the invention, by excluding the presence of background thermal neutrons, and as a result of the injection of epithermal neutrons into a uranium material consisting of a certain amount of uranium dioxide, the epithermal neutrons and thermal neutrons leaving the uranium material are The measurement of the ratio provides a device for accurately determining the subcriticality of uranium material. Thermal neutrons are blocked by shielding means surrounding the uranium. This shielding means absorbs thermal neutrons. A pulsed or continuous neutron source is utilized to emit fast neutrons, and these fast neutrons are slowed down by a support structure for the neutron source, thus providing a source of epithermal neutrons for injection into the uranium material. is ensured. A thermal/epithermal neutron detector and a separate epithermal neutron detector, which is provided separately and is shielded from thermal neutrons by a cadmium shield, are used to detect neutrons emitted from uranium material and, as a result, It is arranged to provide a combined thermal and epithermal neutron count and an epithermal neutron count. These counts are stored in a counter and used to determine the subcriticality of the uranium material according to experimentally derived relationships. If this measurement indicates that the subcriticality of the uranium material exceeds a predetermined level, the operator may isolate that particular uranium container from other containers;
This eliminates the risk of critical chain reactions. The preferred embodiment shown in FIG. 1 includes a laminate of polyethylene solids 10. The preferred embodiment shown in FIG. The solid bodies 10 support a fast neutron source 11 in recesses 12 provided therein.
A neutron shield 13 is provided on the polyethylene solid material 10.
is mounted, which includes side parts 14 and bottom part 15, and is preferably made of cadmium. Top 16 is shown as an open top. Inside the shielding body 13, there is a uranium substance to be tested for subcriticality,
For example, there is a container 17 of uranium dioxide powder. At least one epithermal neutron detector 18 and at least one combined thermal and epithermal neutron detector 19 are suitably installed within the cadmium shield 13 in the vicinity of the uranium dioxide container 17. For simplicity, the support structures of both neutron detectors are not shown. Neutron detectors 18, 19 are of the same type, but epithermal detector 18 is shielded with a suitable material such as cadmium to block thermal neutrons. This device converts fast neutrons from the neutron source 11 into epithermal neutrons, thereby causing the epithermal neutrons to enter the container 17. A suitable coaxial wire 20 is shown in FIG. 1, connecting each of the detectors 18 and 19 to a preamplifier 30 and
2, discriminator 33, counter 34, processor 35
and an indicator 36. Power supply 31 energizes the circuitry and detectors 18, 19 described above. Each detector is essentially an anode and a cathode that establish a high potential difference within a pressurized helium environment. When the incident neutrons ionize the helium atoms, a current avalanche or pulse is generated and the measurement detector 18
or 19 and the associated preamplifier. The operation of the device will be described below, but it may first be stated that the current pulses produced by the detector are amplified by a preamplifier 30 and an amplifier 32 and selectively passed by a corresponding discriminator 33. This means that it is counted by an adder or counter 34. The ratio of the counts of thermal neutrons and epithermal neutrons is the basis for subcritical calculations in the processor 35. The relational expression for subcritical calculation is derived as described below. The result of the subcriticality calculation by the processor 35 is shown on the indicator 36. This may cause an audible alarm to sound when the subcriticality is at a predetermined threshold level, for example when the moderator concentration is 20000 ppm. The best subcritical relational expression is established by the processor 35 shown in FIG. This relationship can be solved analogously, as shown in FIG. 2, or programmed in a suitable microprocessor. Various types of microprocessors are currently commercially available. The relational expression was derived experimentally and is expressed as follows. SI=(t/e)-b/p+n[%U-235](1) However, SI represents the subcritical value, t represents the thermal neutron count value, e represents the epithermal neutron count value, b is the ratio of thermal neutrons to epithermal neutrons when the moderator concentration is zero, and n is the rate of change of the ratio of thermal neutrons to epithermal neutrons with respect to the moderator with respect to the enrichment (mathematically, ∂ 2 (t/e)/∂[%U-235]∂[%moderator]), where [%U-235] is the enrichment expressed as a percentage, and p is when [%U-235] is zero. is the rate of change of t/e with respect to moderator concentration in case of The constants b, n, and p in the above relational expression are a set of numerical values representing the specific shape to be used. Neutron counts do not include fission neutrons. Note that fission neutrons are in a relatively high energy range. As shown in FIG. 2, an analog circuit, which is equivalent to a microprocessor program, accepts the count at counter 34 through appropriate electrical leads. The constants mentioned above are entered by applying a constant voltage according to the table below. These values represent the specific shape of a single 5 gallon can.

【表】 様々な構成部が適当な電気リード線50によつ
て接続されている。これらの構成部は、第1除算
器60、第1加算器61、第2除算器62、比較
器63、乗算器64および第2加算器65を含
す。比較器63は、例えば、デイジタル式にマイ
クロプロセツサにおけるソフトウエアに含まれて
もよければ、適当な市販の個別部品からなるアナ
ログ式のものでもよい。第2図でわかるように、
除算器60は関係式(1)において式〔(t+e)/
e〕を計算し、加算器61は式の分子を完成し、
乗算器64は積−0.062〔%U−235〕の値を算定
し、加算器65は分母を完成し、そして除算器6
2は分子と分母を完成し、そして除算器62は分
子と分母からなる分数全体の値を計算する。次い
で比較器63は臨界未満関係式の出力を所定警報
しきい値と比較する。このしきい値はこの場合2
重量%、すなわち20000ppmの減速材濃度と等価
である。もし計算された臨界未満指標SIがしきい
値を超えれば、リード線20によつて指示器36
に達するトリガ信号が警報器を鳴らす。これが起
こると、操作者はその望ましくない(あまりにも
高度に減速された)容器17を手動で除去する。
この時、容器17はそれより低い減速材濃度をも
つ二酸化ウランの残存容器から隔離され、こうし
てウラン容器の差別的な、従つて、より高効率の
安全貯蔵が可能になる。 好適実施例の中性子源11は、例えば、1キユ
リーのアメリシウムベリリウム源であり、この中
性子源ではアメリシウムが自然壊変によつてα粒
子を放出する。アメリシウム241の場合、α粒
子が該源においてベリリウム原子に衝突する結果
として毎秒約106個の中性子が放射される。他の
適当な源材料はカリホルニウム252とプルトニ
ウムベリリウムである。代替的に、パルス式中性
子源、例えば、カマン・サイエンシズ・オブ・コ
ロラド・スプリングズ(Kaman Scienses of
Colorado Springs)製のA620型中性子発生器を
用いうる。中性子源11からの中性子エネルギー
のスペクトルは高速(0.5MeV以上)である。 アメリシウムベリリウムの場合、中性子源11
は、例えば、鉛キヤスク内に適切に設置された直
径約1/4インチの薄い円板またははくとして作製
され、作業員を不当な放射から保護する。上述の
ポリエチレン固形物10は鉛キヤスクを横方向に
包囲かつ支持しそして凹み12を画成する。この
凹みは頂部が開いている。従つて、高速中性子は
中性子源から上方に放射されて二酸化ウラン容器
17に直接入射する。他の高速中性子はポリエチ
レン固形物10に進みそして熱または熱外レベル
に減速される。これら中性子の一部は系外に逃
げ、他部は上方に戻つて容器17に向かう。上方
に進む熱中性子は遮へい体13によつて吸収さ
れ、熱中性子と共に進行中の熱外中性子はウラン
物質内に進入する。 遮へい体13は筒形ものでよく、他の形状と構
造のものも好便に代用しうる。ドアをヒンジ止め
等によつて遮へい体の側部に適切に取付けうる。
このようにドアを設けるのは、二酸化ウランの容
器が重くそして頂部を経る容器の設置が不便であ
るかもしれないからである。簡単のため、このド
アは図示してない。遮へい体13は外部(中性子
源とバツクグランドを含む)熱中性子がウラン容
器17と検出器18,19に達することを防止す
る。遮へい体13は、リアクタ・シールデイン
グ・コーポレーシヨン(Reactor Shielding
Corporation)等から市販されている30〜40ミル
の薄いカドミウム板で作られることが好ましい。
また、プラスチツクまたはステンレス鋼の被覆層
でカドミウム板を覆うことにより検査中のウラン
の汚染を防止することが好ましい。 標準の商用5ガロン入り鉄鋼製筒形容器内に二
酸化ウラン粉末17を保存する。他の寸法の容
器、例えば、100m3までの容積を有する程大きな
サイロを利用してもよい。 1/V型の検出器18,19、例えば、ヘリウ
ム3検出器が本実施例において用いられている。
このような検出器は、密封されたガス入りシリン
ダ(図示せず)と、ガスに高電圧をかける電極を
構成する適当に絶縁された中心導体とを含む。各
入射中性子はガスの一部をイオン化し、その結果
電極に捕集された電子群が一つの電流パルスを発
し、これが同軸電線20によつて前置増幅器30
に伝えられる。本実施例では、ガスは10気圧のヘ
リウムでよい。比例型のカウンタまたは検出器、
例えば、ロイターストークス(Reuter−Stokes)
RS−P4−410−30型ヘリウム3検出器を用いう
る。 各熱外検出器18は両端と側部が適当なカドミ
ウム遮へい体で遮へいされ、この遮へい体は熱中
性子を吸収してそれらが検出器18内で反応を起
こすことを防止する。検出器18,19は、検査
中の二酸化ウラン17を囲む遮へい構造体13内
に適当に配置され、こうして外部熱中性子への露
出が防止される。熱外検出器18と複合検出器1
9とがそれぞれ複数個ある場合、各種の検出器を
対応前置増幅器30に適切に電気接続する。 平均して、熱外検出器18と複合検出器19
は、測定されるウラン17の近くの適所に配設さ
れて試料の二酸化ウラン17を通る中性子を受入
れるという点で均等な機会を与えられている。し
かし、もし均等な機会を与えられなければ、適当
な補正がなされる。本発明では各種の検出器1
8,19をそれぞれ所望の個数だけ用いうる。 検出器18,19と、臨界未満関係を計算する
電気回路とを付勢する電源31は、例えば、キヤ
ンベラ(Canberra)3002型でよい。これは検出
器18,19に3000Vまでの電位を与えうる。前
置増幅器30へ1個ずつ各種の検出器18,19
に接続されており、検出器18,19から受けた
入力電流パルスを低電圧パルスに変換し、このパ
ルスは対応する調整可能な利得増幅器32に伝え
られる。前置増幅器30は例えばキヤンベラ
(Canberra)1706型、そして増幅器32は例えば
キヤンベラ2011型でよい。 対応する増幅器32の出力を受ける各弁別器3
3は入力ノイズ以上の適当なレベルにセツトしう
るものである。適当な弁別器33はキヤンベラ
2032型である。 上述の臨界未満関係式(1)は第1図の装置におい
て既知の減速材濃度と濃縮度のウラン試料を試験
することによつて実験的に導き出されたものであ
る。熱・熱外カウンタは複合“t+e”計数値を
算出し、そして熱外カウンタは“e”計数値を算
出した。前者を後者で割り、それから1を引くこ
とにより、熱中性子対熱外中性子の比が算定され
た。この関係を式で示せば次の通りである。 t+e/e=t/e+e/e=t/e+1 (2) (t+e)/eから1を引くと、 t+e/e−1=t/e+e/e−1=t/e (3) 従つて、計数値の比t/eを第3図において既
知の減速材濃度と比較しうる。すなわち、第3図
に示す熱中性子対熱外中性子の関係が、0.71%U
−235と3.80%U−235を含む相異なる濃縮度にお
ける様々な減速材濃度に対して決定された。 第3図の情報を得るために2つの仮定がなされ
た。すなわち、熱中性子対熱外中性子の比(t/
e)が減速材濃度〔M〕の一次関数であり、そし
て比(t/e)の勾配〔M〕の関係は濃縮度〔%
U−235〕の一次関数であるという仮定である。 これらの仮定に従い、第3図は比(t/e)が
〔M〕の一次関数でありそしてmが〔%U−235〕
の一次関数であることを示す。すなわち、 (t/e)=m〔M〕+b (4) m=n〔%U−235〕+p (5) ただし、tは熱中性子計数値を表し、 eは熱外中性子計数値を表し、 mは熱中性子対熱外中性子の比対減速材
濃度の曲線の勾配であり、 〔M〕は重量%を単位とする減速材濃度
であり、 bは減速材濃度がゼロの時の熱中性子対
熱外中性子の比であり、 nはmと〔%U−235〕との関係の勾配
であり、そして方程式(1)におけるnと同
じであり、 〔%U−235〕は百分率で表した濃縮度
であり、 pは〔%U−235〕がゼロの場合の減速
材濃度に関するt/eの変化率である。 mを変数として除くため、式(5)を式(4)に代入する
と次式が得られる。 〔M〕=(t/e)−b/p+n〔%U−235〕(6) 定義により、SIは減速材濃度〔M〕である。すな
わち、 SI=〔M〕 (7) 従つて、 SI=(t/e)−b/p+n〔%U−235〕(8) 第3図から関係式(8)の形の2つの方程式が得ら
れそして以下の定数を決定しうる。 b=0.53 (9) p=0.303 (10) n=−0.062 (11) (9)、(10)、(11)を(8)に代入すると、 SI=(t/e)−0.53/0.303−0.062〔%U−235〕(
12) 実際に計数されるのは熱・熱外複合計数値であ
るから、式(12)を次のように変形しうる。 SI=〔(t/e)/e〕−1.53/0.303−0.062〔%U
−235〕(13) この関係は入力番号43において値1.53を確定
しそして第2図における回路35の基礎をもたら
す。 本発明による単一測定サイクルは数分を要する
が、これは従来の化学試験に要する数時間よりは
るかに短い。 以上、本発明の特定実施例を説明したが、もち
ろん、本発明の範囲において幾多の改変が可能で
ある。
TABLE The various components are connected by appropriate electrical leads 50. These components include a first divider 60, a first adder 61, a second divider 62, a comparator 63, a multiplier 64, and a second adder 65. Comparator 63 may, for example, be digitally included in software in a microprocessor, or it may be analogous, consisting of suitable commercially available discrete components. As you can see in Figure 2,
The divider 60 calculates the equation [(t+e)/
e], the adder 61 completes the numerator of the equation,
Multiplier 64 calculates the value of the product -0.062 [%U-235], adder 65 completes the denominator, and divider 6
2 completes the numerator and denominator, and the divider 62 calculates the value of the entire fraction consisting of the numerator and denominator. Comparator 63 then compares the output of the subcritical relation with a predetermined alarm threshold. This threshold is 2 in this case
% by weight, equivalent to a moderator concentration of 20000 ppm. If the calculated subcriticality index SI exceeds the threshold, the indicator 36 is
A trigger signal that reaches the alarm will sound the alarm. When this occurs, the operator manually removes the undesirable (too highly decelerated) container 17.
At this time, the container 17 is isolated from the remaining container of uranium dioxide with a lower moderator concentration, thus allowing differential and therefore more efficient safe storage of the uranium container. The neutron source 11 of the preferred embodiment is, for example, a 1 Kyrie americium beryllium source in which the americium emits alpha particles by spontaneous decay. In the case of americium-241, approximately 10 6 neutrons are emitted per second as a result of alpha particles colliding with beryllium atoms in the source. Other suitable source materials are californium-252 and plutonium beryllium. Alternatively, a pulsed neutron source, such as the Kaman Sciences of Colorado Springs
An A620 neutron generator manufactured by Colorado Springs may be used. The spectrum of neutron energy from the neutron source 11 is high speed (0.5 MeV or more). In the case of americium beryllium, neutron source 11
is made, for example, as a thin disc or foil approximately 1/4 inch in diameter, suitably placed within a lead cask to protect personnel from undue radiation. The polyethylene solid 10 described above laterally surrounds and supports the lead cask and defines a recess 12. This recess is open at the top. Therefore, fast neutrons are emitted upward from the neutron source and directly enter the uranium dioxide container 17. Other fast neutrons proceed to the polyethylene solid 10 and are slowed down to thermal or extrathermal levels. A part of these neutrons escapes from the system, and the other part returns upward and heads towards the container 17. Thermal neutrons traveling upward are absorbed by the shield 13, and epithermal neutrons traveling with the thermal neutrons enter the uranium material. The shield 13 may be cylindrical, but other shapes and structures may be conveniently substituted. The door may be suitably attached to the side of the shield by hinges or the like.
The reason for providing a door in this manner is that uranium dioxide containers are heavy and installation of the container through the top may be inconvenient. For simplicity, this door is not shown. The shield 13 prevents external (including the neutron source and background) thermal neutrons from reaching the uranium container 17 and the detectors 18,19. The shielding body 13 is a reactor shielding corporation (Reactor Shielding Corporation).
It is preferably made of 30 to 40 mil thin cadmium plate, such as those commercially available from Biochemistry Corporation.
It is also preferred to cover the cadmium plate with a plastic or stainless steel coating to prevent contamination of the uranium during testing. The uranium dioxide powder 17 is stored in a standard commercial 5 gallon steel barrel. Other dimensions of containers may be utilized, for example silos as large as having a volume of up to 100 m 3 . 1/V type detectors 18, 19, for example helium-3 detectors, are used in this embodiment.
Such a detector includes a sealed gas-filled cylinder (not shown) and a suitably insulated center conductor that constitutes an electrode that applies a high voltage to the gas. Each incident neutron ionizes a portion of the gas, and the resulting collection of electrons on the electrodes generates a current pulse that is transmitted by the coaxial wire 20 to the preamplifier 30.
can be conveyed to. In this example, the gas may be helium at 10 atmospheres. proportional counter or detector,
For example, Reuter-Stokes
A helium-3 detector type RS-P4-410-30 can be used. Each epithermal detector 18 is shielded at both ends and sides with a suitable cadmium shield that absorbs thermal neutrons and prevents them from reacting within the detector 18. Detectors 18, 19 are suitably placed within a shielding structure 13 surrounding the uranium dioxide 17 under test, thus preventing exposure to external thermal neutrons. Epithermal detector 18 and composite detector 1
9, the various detectors are appropriately electrically connected to the corresponding preamplifiers 30. On average, the epithermal detector 18 and the combined detector 19
are placed in position near the uranium 17 to be measured and given an equal opportunity to receive neutrons passing through the uranium dioxide 17 of the sample. However, if equal opportunity is not provided, appropriate compensation will be made. In the present invention, various detectors 1
8 and 19 can be used in desired numbers. The power supply 31 energizing the detectors 18, 19 and the electrical circuitry for calculating the subcritical relationship may be of the Canberra 3002 type, for example. This can provide potentials of up to 3000V to the detectors 18,19. Various detectors 18 and 19, one each to the preamplifier 30
is connected to convert the input current pulses received from the detectors 18, 19 into low voltage pulses that are transmitted to the corresponding adjustable gain amplifiers 32. Preamplifier 30 may be, for example, a Canberra model 1706, and amplifier 32 may be, for example, a Canberra model 2011. Each discriminator 3 receiving the output of a corresponding amplifier 32
3 can be set to an appropriate level higher than the input noise. A suitable discriminator 33 is Canbella.
It is the 2032 type. The above-mentioned subcriticality relation (1) was derived experimentally by testing uranium samples of known moderator concentrations and enrichments in the apparatus of FIG. The thermal and epithermal counters calculated a composite "t+e" count, and the epithermal counter calculated an "e" count. The ratio of thermal to epithermal neutrons was calculated by dividing the former by the latter and subtracting 1 from it. This relationship can be expressed as follows. t+e/e=t/e+e/e=t/e+1 (2) Subtracting 1 from (t+e)/e, t+e/e-1=t/e+e/e-1=t/e (3) Therefore, The ratio of counts t/e can be compared to the known moderator concentration in FIG. In other words, the relationship between thermal neutrons and epithermal neutrons shown in Figure 3 is 0.71%U.
It was determined for various moderator concentrations at different enrichments including -235 and 3.80% U-235. Two assumptions were made to arrive at the information in FIG. That is, the ratio of thermal to epithermal neutrons (t/
e) is a linear function of the moderator concentration [M], and the relationship of the slope [M] of the ratio (t/e) is the concentration [%
U-235]. Following these assumptions, Figure 3 shows that the ratio (t/e) is a linear function of [M] and that m is [%U-235]
Show that it is a linear function of . That is, (t/e)=m[M]+b (4) m=n[%U-235]+p (5) However, t represents the thermal neutron count value, e represents the epithermal neutron count value, m is the slope of the curve of the ratio of thermal to epithermal neutrons versus moderator concentration, [M] is the moderator concentration in weight percent, and b is the thermal neutron pair when the moderator concentration is zero. is the ratio of epithermal neutrons, n is the slope of the relationship between m and [%U-235], and is the same as n in equation (1), and [%U-235] is the enrichment expressed as a percentage. and p is the rate of change of t/e with respect to the moderator concentration when [%U-235] is zero. In order to remove m as a variable, by substituting equation (5) into equation (4), the following equation is obtained. [M] = (t/e)-b/p+n [%U-235] (6) By definition, SI is the moderator concentration [M]. That is, SI=[M] (7) Therefore, SI=(t/e)-b/p+n[%U-235](8) From Figure 3, two equations in the form of relational expression (8) are obtained. and the following constants can be determined. b=0.53 (9) p=0.303 (10) n=-0.062 (11) Substituting (9), (10), and (11) into (8), SI=(t/e)-0.53/0.303- 0.062 [%U-235](
12) Since what is actually counted is the thermal/exothermal composite count value, equation (12) can be transformed as follows. SI=[(t/e)/e]-1.53/0.303-0.062[%U
-235] (13) This relationship establishes the value 1.53 at input number 43 and provides the basis for circuit 35 in FIG. A single measurement cycle according to the invention takes several minutes, which is much shorter than the hours required for conventional chemical tests. Although specific embodiments of the invention have been described above, it will be understood that many modifications can be made within the scope of the invention.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は二酸化ウラン粉末の容器と、バツクグ
ランド熱中性子を除く遮へい手段とを含む臨界未
満測定装置の概略図、第2図は臨界未満算定回路
の概略図で、第1図に示すプロセツサの機能を示
す図、第3図は前述の臨界未満関係を示すグラフ
である。 10……ポリエチレン固形物、11……高速中
性子源、13……中性子遮へい体、17……ウラ
ン物質容器、18……熱外中性子検出器、19…
…熱中性子・熱外中性子複合検出器、30……前
置増幅器、32……増幅器、33……弁別器、3
4……カウンタ、35……プロセツサ。
Fig. 1 is a schematic diagram of a subcriticality measuring device including a container for uranium dioxide powder and a shielding means for removing background thermal neutrons, and Fig. 2 is a schematic diagram of a subcriticality calculation circuit. The functional diagram, FIG. 3, is a graph showing the above-mentioned subcritical relationship. 10... Polyethylene solid, 11... Fast neutron source, 13... Neutron shield, 17... Uranium substance container, 18... Epithermal neutron detector, 19...
...Thermal neutron/epithermal neutron combined detector, 30... Preamplifier, 32... Amplifier, 33... Discriminator, 3
4...Counter, 35...Processor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 減速材濃度と同位元素U−235およびU−238
を含むウラン燃料物質の濃縮度の関数として臨界
未満値SIを生じる装置であつて、該装置が熱外中
性子を前記ウラン物質に向けるように配置された
熱外中性子源を有し、前記熱外中性子は前記U−
235の実質的な核分裂を生じさせる熱中性子の範
囲より上で、かつ前記U−238の核分裂を生じさ
せる高速中性子の範囲より下のエネルギー範囲を
有しこれにより、前記同位元素の核分裂及びこの
ような核分裂から生じ得る不要中性子を実質的に
無くし、前記装置は更に、前記ウラン物質の近く
に配置され、熱外中性子にのみ実質的に応答し、
前記熱外中性子源から実質的に減速せずに前記ウ
ラン物質を横切る中性子を表わす第1の検出器信
号を生じる第1中性子検出器と、前記ウラン物質
の近くに配置され、熱中性子および熱外中性子の
両方に応答し、前記熱外中性子源から前記ウラン
物質を横切り、ウラン物質中の減速材によつて熱
エネルギーまで減速される中性子と前記熱外中性
子源から実質的に減速せずに前記ウラン物質を横
切る中性子との和を表わす第2の検出器信号を生
じる第2中性子検出器と、前記第1の検出器信号
と前記第2の検出器信号とを受けるように接続さ
れ、それらの信号に応答して、前記第2の検出器
信号と前記第1の検出器信号との比に比例する出
力信号を生じる除算器手段と、ここで前記比は前
記ウラン物質中の減速材濃度を示し、減速材濃度
がゼロのときの熱中性子対熱外中性子の比をbと
すると、前記検出器信号の比から係数(1+b)
を減算して第1の係数を得る手段と、係数n(熱
中性子と熱外中性子の和対熱外中性子の比に対す
る減速材濃度の曲線とU−235の百分率との関係
の勾配)とU−235の百分率で表わされるウラン
物質の濃縮度とを乗算して第2の係数を生じる手
段と、係数p(熱中性子対熱外中性子の比の濃縮
度の減速材濃度に関する導関数)を前記第2の係
数から減算して第3の係数を生じる手段と、前記
第1の係数を第3の係数で除算して前記臨界未満
値SIを生じる手段と、を有する臨界未満値SIを生
じる装置。 2 前記臨界未満値SIを所定しきい値と比較し、
このしきい値を超えたときに警報を生じる手段を
含む特許請求の範囲1に記載の装置。 3 前記熱外中性子源が連続した熱外中性子源で
ある特許請求の範囲1に記載の装置。 4 前記熱外中性子源が熱外中性子のパルスを発
生する特許請求の範囲1に記載の装置。
[Claims] 1 Moderator concentration and isotopes U-235 and U-238
an apparatus for producing a subcritical value SI as a function of the enrichment of a uranium fuel material comprising The neutron is the U-
energy range above the range of thermal neutrons that cause substantial fission of U-235 and below the range of fast neutrons that cause fission of said U-238, thereby causing fission of said isotope and thus substantially eliminates unwanted neutrons that may result from nuclear fission;
a first neutron detector that produces a first detector signal representative of neutrons passing from the epithermal neutron source substantially undecelerated across the uranium material; neutrons that traverse the uranium material from the epithermal neutron source and are moderated to thermal energy by the moderator in the uranium material and the neutrons from the epithermal neutron source substantially unmoderated. a second neutron detector that produces a second detector signal representative of the sum of neutrons across the uranium material; divider means responsive to a signal for producing an output signal proportional to a ratio of said second detector signal to said first detector signal, wherein said ratio represents a moderator concentration in said uranium material; If the ratio of thermal neutrons to epithermal neutrons when the moderator concentration is zero is b, then the coefficient (1+b) is obtained from the ratio of the detector signals.
means to obtain a first coefficient by subtracting the coefficient n (slope of the relationship between the curve of the moderator concentration and the percentage of U-235 for the ratio of the sum of thermal and epithermal neutrons to the ratio of epithermal neutrons) and U means for producing a second coefficient by multiplying the enrichment of uranium material expressed as a percentage of -235 and the coefficient p (the derivative of the enrichment of the ratio of thermal to epithermal neutrons with respect to the moderator concentration); an apparatus for producing a subcritical value SI, comprising: means for subtracting from a second coefficient to produce a third coefficient; and means for dividing said first coefficient by a third coefficient to produce said subcritical value SI. . 2 comparing the sub-critical value SI with a predetermined threshold;
Apparatus according to claim 1, including means for generating an alarm when this threshold is exceeded. 3. The apparatus of claim 1, wherein the epithermal neutron source is a continuous epithermal neutron source. 4. The apparatus of claim 1, wherein the epithermal neutron source generates pulses of epithermal neutrons.
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