JPH03237385A - 中性子コリメータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、使用済核燃料の再処理用複数段ミキサセトラ
や複数段パルスカラムにおいて、プルトニウムの濃度算
出の基になる中性子放出率を正確にモニタすることを可
能にする中性子コリメータに関する。

（従来の技術） 原子力発電所で使用された使用済燃料は、輸送容器に収
納されて再処理工場へ運ばれる。再処理工場では、輸送
容器から使用済燃料を取り出し、発電所からの輸送デー
タと実物との照合、あるいは燃焼度などの非破壊検査に
より燃料が正しく輸送されたことを確認する。そして、
使用済燃料は適当な期間貯蔵された後、所定のスケジュ
ールに従って再処理される。

すなわち、棒状に被覆された使用済燃料は、先ず剪断し
て沸騰硝酸に溶解し燃料溶液（水相）とする。燃料溶液
は臨界安全性確保の基準にしたがって濃度調節を行い、
その後核分裂生成物や超プルトニウム元素の除去が行わ
れる。次いで残留したウランとプルトニウムとは、複数
段ミキサセトラや複数段パルスカラムにおいて向流抽出
によって例えばＴＢＰ　（リン酸トリブチル）有機相と
の間で互いに分離精製される。

ところで、核分裂生成物には極めて強いγ線を放出する
ものが多く、他方超プルトニウム元素の中にはＡｍ−２
４１やＣｍ−２４４のように多量の中性子を放出する同
位体が含まれている。そして、プルトニウムには１４種
の放射性核種があり、一部は中性子を放出する。

ところで、プルトニウムは上述の再処理工場における再
処理工程において、もし濃度が高いと放射能処理上危険
なため希釈しなければならない。

また核分裂性核種であるＰ　ｕ−２３９とＰ　ｕ　−２
４１が多いと臨界に達するおそれがあるため、中性子が
逃げやすいように形状バックリングを考慮して、できる
だけ平板形の体積に比して表面積が大きい処理槽に移す
などの対策を講じている。

これらの措置はプルトニウムの濃度を正確に計測するこ
とができれば過不足なく行うことができる。そこで、プ
ルトニウムから放出される中性子を計数してプルトニウ
ムの濃度をモニタする試みがなされている。

そして、プルトニウムを含む水相の燃料溶液を有機相と
の間で向流抽出する複数段ミキサセトラや複数段パルス
カラム（以下「複数段ミキサセトラ等」という）におい
ては、各段の処理槽または処理塔（以下「処理槽等」と
いう）について中性子検出器を配置し、この中性子検出
器で検出される中性子放出率を基にプルトニウム濃度の
測定が行われる。第７図は従来の複数段ミキサセトラ１
における中性子検出器２の配置を示す断面図、また第８
図は第７図のＡ部拡大図である。

各処理槽３ａ、３ｂ、３ｃは隣接して配置され、その床
部にはプルトニウムを含む処理溶液４側から順に構造材
としてＳＵＳ等のステンレス鋼５および熱中性子吸収材
としてＣｄ製のスラブ６が敷かれる。そして、Ｃｄスラ
ブ６には、各処理槽３ａ、３ｂ、３ｃにそれぞれ１個の
中性子の測定窓７ａ、７ｂ、７ｃが設けられ、この箇所
からはｃｄ熱中性子吸収材が排除される。エネルギーの
高い高速中性子は透過力が強くて処理槽ごとの値をとら
えるのが難しいため、高速中性子はむしろ透過・貫通さ
せて検出の対象から外し、測定窓７ａ。

７ｂ、７ｃを通過した熱中性子だけを計測する。

Ｃｄスラブ６の下方には中性子減速材８としてのポリエ
チレン（厚さ１０〜２０　ｃｍ）が充填され、この中性
子減速材８の測定窓７ａ、７ｂ、７ｃの直下には、中性
子検出器２が埋め込まれる。中性子検出器２は測定窓７
ａ、７ｂ、７ｃを通過した熱中性子を計測する。こうし
て、プルトニウム濃度測定を目的とする処理槽の処理溶
液４全体から放出される中性子のうち、どれだけがその
下方にある中性子検出器２に検出されるかを換算すれば
、全中性子放出率、そしてプルトニウム濃度を定めるこ
とができる。

（発明が解決しようとする課題） ところが、複数段ミキサセトラ１における各処理槽３ａ
、３ｂ、３ｃは、隣接するなど互いに近接して設けられ
る。このため、例えば処理溶液４が処理槽３ａから処理
槽３ｃに向けて流れ、プルトニウムの濃度が徐々に低く
なっていく場合において、処理槽３ｂからの中性子放出
率を計測するときは、たとえ中性子減速材８があっても
、処理槽３ｂに隣接してプルトニウム濃度が高い処理槽
３ａの処理溶液４からの中性子バックグラウンドの影響
が避けられない。したがって、処理槽３ｂだけの正確な
中性子放出率を計測することは困難になっている。すな
わち隣接する処理槽３ａの処理溶液４から放出される熱
中性子と高速中性子のうち、熱中性子は中性子減速材８
によって吸収され中性子検出器２には到達しないものの
、高速中性子は中性子減速材によってエネルギーを奪わ
れ熱中性子化するため、中性子検出器２によって計数さ
れてしまう。また中性子検出器２の設置位置も熱中性子
の拡散距離を考慮したものではなく、目的とする測定窓
７ａ、７ｂ、７ｃを通過した熱中性子が効率よく中性子
検出器２にとらえられないという難点があった。

このため、中性子検出器２で計数される中性子放出率は
、隣接する処理槽からの中性子バックグラウンドに埋も
れてその処理槽の中性子放出率を計数できなかったり、
隣接する処理槽からの中性子バックグラウンドが加算さ
れて実際より高い中性子放出率を計数するなどして正確
さを欠き、その結果プルトニウム濃度の決定も不正確に
なって必要以上にプルトニウムを希釈したり、上述の臨
界安全性確保のための措置が過剰になる事態を生じてい
た。また、このような方式による中性子検出器を用いず
、サンプリングによってプルトニウム濃度を測定するに
しても、操作が複雑で燃料の再処理効率が悪いという難
点がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、再処理工場
の複数段ミキサセトラ等において、各処理槽等における
プルトニウムから放出される中性子を他の処理槽等から
のバックグラウンドの影響を排して正確に計数すること
を可能にする中性子コリメータを提供することを目的と
する。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するために、熱中性子および熱
外中性子を吸収する中性子吸収体容器と、中性子検出器
を取り囲みながら、前記中性子吸収体容器に熱中性子の
拡散距離程度の厚みを保って収容される熱中性子バリア
とを備える中性子コリメータを提供する。

本発明はまた、前記中性子吸収体容器を中性子減速距離
以上の厚みを有する中性子減速材で被覆した中性子コリ
メータを提供する。

（作用） 本発明の第１の中性子コリメータは、まず中性子検出器
を熱中性子バリアで取り囲み、この熱中性子バリアをさ
らに中性子吸収体容器で包囲する。この際、熱中性子バ
リアは、熱中性子の拡散に足る最小限の厚さを有するよ
うにする。本明細書中ではポリエチレンのように熱中性
子を外方へ逃さない働きをするものを「熱中性子バリア
」という。

したがって、この中性子コリメータによれば、複数段ミ
キサセトラ等の中性子計測を目的する処理槽等からの熱
中性子は、測定窓を通過した後中性子検出器の方向に導
かれる。一方、中性子計測を目的としない他の処理槽等
からの熱中性子または熱外中性子は、中性子吸収体容器
に吸収されるため、中性子検出器においてバックグラウ
ンドとはならない。

さらに、もし中性子吸収体容器を貫通する他の処理槽等
からの高速中性子があったとしても、中性子吸収体容器
内の熱中性子バリアが拡散距離程度しかないため、熱中
性子化してバックグラウンドとして中性子検出器に検出
されることはない。

他方、目的とする処理槽等から中性子吸収体容器内に入
った熱中性子は、熱中性子バリアが拡散距離程度しかな
いため、熱中性子バリアに吸収されて中性子検出器に届
かないということはない。そして、中性子吸収体への吸
収も熱中性子バリア内で拡散することによって効果的に
防止され、目的とする処理槽等については中性子検出器
による中性子計数率が高まる。

本発明の第２の中性子コリメータによれば、中性子吸収
体容器の周りが中性子減速距離以上の厚みを有する中性
子減速材で囲まれる。したがって、他の処理槽等からの
熱中性子はもちろんのこと高速中性子もここで熱中性子
化され、中性子吸収体容器に吸収される。よって他の処
理槽等からの中性子バックグラウンドの影響をほぼ完全
に排除することができる。

このように、本発明の中性子コリメータを用いれば、複
数段ミキサセトラ等において、他の処理槽等からの中性
子バックグラウンドの影響を排し、目的とする処理槽等
におけるプルトニウム濃度を正確にとらえることができ
る。このため、プルトニウムの希釈や臨界安全性確保の
ための措置を適正化することができ、再処理効率の向上
を図れる。

さらに、複雑なサンプル分析も不要になり、プロセス制
御・管理のインライン化による迅速な核燃料再処理が可
能になる。

（実施例） 以下第１図ないし第６図を参照して本発明の詳細な説明
する。

第１図は本発明の第１実施例にかかる中性子コリメータ
を配備した複数段ミキサセトラ１１の一例を示す断面図
である。第７図で説明した構成と対応する箇所には同一
の符号を付して説明を省略する。

本実施例の複数段ミキサセトラ１１においては、各処理
槽３ａ、３ｂ、３ｃの床５，６の下にはそれぞれ本実施
例の中性子コリメーター２が測定窓１３に合わせて設置
され、この中に中性子検出器１４が設けられる。

第２図は、第１図のＢ部拡大図である。中性子コリメー
ター２は、中性子吸収体としての炭化ホウ素ＢＣ（１０
Ｂが中性子を吸収する）粉末が充填された平板（Ｂ　４
　Ｃ板）１５の両側を構造材のＳＵＳ板１６で挟んだ中
性子吸収体容器１７を有する。隣接する処理槽３ａから
の高速中性子で中性子減速材８によって熱外中性子また
は熱中性子に変換されたものは、このＢ４Ｃ板１５に吸
収される。

Ｂ４Ｃ板１５において、Ｂ４Ｃ粉末を例えば７０％の理
論密度で５ｍｍの厚さに充填したとすると、中性子エネ
ルギーが１０．１および０，１ｅＶの場合、中性子の透
過確率はそれぞれ０．２４．０゜０１および７Ｘ１０　
”程度になり、０．０２５３ｅＶ以下のエネルギーの中
性子に対しては透過確率はほぼゼロになる。Ｂ４Ｃ板工
５の厚さが１０ｍｍになると、１０ｅＶの中性子に対し
ても透過率が０．０６になる。すなわち、スラブ６に用
いるＣｄが、熱中性子（≦０．５ｅＶ）に対しては透過
率がほぼゼロでありながら、それ以上のエネルギーをも
つ熱外中性子についてはほとんど透過率を阻止できない
のに対して、このＢ４Ｃ板１５は熱外中性子についても
十分な透過阻止能力がある。

なお中性子吸収材としてはＨｆ、Ｅｕ５５ｍなども使用
することができるが、安価で中性子吸収能に優れており
、かつ毒性がない点で８４Ｃが最適である。

そして、この中性子吸収体容器エフの中には中性子吸収
体容器１７の外側と同様ポリエチレン製の熱中性子バリ
ア１８を収め、この熱中性子バリア１８のほぼ中央に中
性子検出器１４が配置される。この熱中性子バリア１８
には、他にもパラフィン、アクリル、ジルコニウムやチ
タンの水素化合物等の中性子吸収効果および熱中性子移
動距離の小さい含水素物質を用いることができる。

なお熱中性子バリア１８は、測定窓１３からは空洞１９
を開けて充填される。この空洞１９は、処理槽３ｂの処
理溶液４から放出される中性子を中性子検出器１３に導
きやすくするためのものである。また、中性子吸収体容
器１７内の熱中性子バリア１８は中性子吸収効果および
熱中性子移動距離の小さい物質を用いるため、測定窓１
３を通過してきた中性子は中性子吸収体としての８４Ｃ
板１５に吸収されにくくなる。さらに、熱中性子バリア
１８の厚さ（中性子吸収体容器１７から中性子検出器■
４までの距離）は、熱中性子の拡散距離（ポリエチレン
の場合は２．５〜３゜Ｏｃｍ）か、せいぜいその２倍ま
での厚さにとどめるため、熱中性子が吸収されることも
なく、これら効果によって中性子検出着工４に検出され
る中性子の割合が高まる。

また、中性子吸収体容器１７で構成される中性子コリメ
ータ１２の下部コーナ部には、鉄、アルミニウム等非含
水素物質やγ線遮蔽物質（鉛など）Ｏの中性子非減速材
２０が充填される。これは万一中性子吸収体容器１７を
通過する高速中性子があった場合に、コーナ部のやや厚
い熱中性子バリア１８によって中性子減速効果が発揮さ
れ、熱中性子化が起こってバックグラウンドとして中性
子検出器１４に計数されるのを防ぐためである。

したがって本実施例の中性子コリメータ１２で覆った中
性子検出器１４を用いれば、他の処理槽３ａ、３ｃから
の中性子バックグラウンドの影響を心配せずに、プルト
ニウム濃度測定を目的とする処理槽３ｂ固有の中性子束
値を求めることができる。

第３図は、本発明の第２実施例に係る中性子コリメータ
を配備した複数段ミキサセトラ２１の断面図である。第
１図と対応する箇所には同一の符号を付して説明を省略
する。

本実施例においては各処理槽３ａ、　　３ｂ、　　３ｃ
にそれぞれ距離１をおいて中性子検出器１４を覆う３個
の中性子コリメータ２２Ｊｌ、２２ｃ、２２ｒを配置し
た。よって本実施例の複数段ミキサセトラ２１によれば
、各処理槽３ａ、３ｂ、３ｃ内部のプルトニウム濃度を
その位置をも考慮して求めることができ、各処理槽３ａ
、３ｂ、３ｃにおけるより正確なプルトニウム濃度の把
握が可能になる。

第４図は、本発明の第３実施例に係る中性子コリメータ
の断面図である。第２図と対応する箇所には同一の符号
を付して説明を省略する。

本実施例の中性子コリメータ２３は、中性子吸収体容器
１７の内側に、熱中性子バリア１８を取り囲んでγ線遮
蔽材２４を設ける。したがって、本実施例の中性子コリ
メータ２３によれば、中性子検出器へのγ線の影響を十
分に排除できるため、中性子検出器１４がＨｅ−３中性
子検出器のようにγ線感度も高い中性子検出器であって
も、γ線線量率の高い場所で使用することができる。こ
の実施例においては、γ線遮蔽材２４は少なくとも測定
窓１３側が熱中性子を吸収しなければ十分である。

なお、γ線遮蔽材は中性子検出器１４と熱中性子バリア
１８の間に介在させることもできるが、この場合はタン
グステン等の中性子吸収性物質を用いることはできない
。

第５図は、本発明の第４実施例に係る中性子コリメータ
２５の断面図であり、第６図はこの実施例の中性子コリ
メータ２５を適用した複数段パルスカラムの断面図であ
る。第５図において、第２図と対応する箇所には同一の
符号を付して説明を省略する。

本実施例の中性子コリメータ２５は、中性子吸収体容器
１７の周囲をポリエチレン製の中性子反射材２６で囲み
、これら中性子吸収体容器１７と中性子減速材２６をフ
レーム２７で支持する。中性子反射材には、他にパラフ
ィン、アクリル、ＺｒやＴｉの水素化物、を用いること
ができる。

中でもポリエチレンの中性子散乱断面積は約２゜７ｃｍ
’と非常に大きいが、Ｎｉ（中性子散乱断面１−１ ０３（同２．　７ｃｍ　　）、Ｆｅ　（同０．　９ｃｍ
　　）等の非含水素物質も使用できる。

他方、中性子反射材２６は、中性子減速材で代替するこ
ともできる。中性子減速材として代表的、かつ取扱いお
よび製造が容易なものとしてポリエチレンがあるが、ポ
リエチレンの中性子減速距離は１２〜１３ｃｍである。

したがってポリエチレンは中性子反射材および中性子減
速材の両方に用いることができるが、この場合は約１０
ｃｍ以上の厚さ（中性子吸収体容器１７からの垂直方向
の距離）があれば効果がある。すなわちｌＯ〜１２ＣＩ
１１あれば、高速中性子は１／１０程度減速され、２０
〜２５ｃｍあれば１／１００程度減速される。この中性
子反射材２６または中性子減速材を備えれば、高速中性
子は熱中性子化されて、中性子吸収体容器１７に吸収さ
れる。よってバックグラウンドの問題は生じない。

第６図においては、４個のパルスカラム２８ａ。

２８ｂ、２８ｃ、２８ｄがセル壁２９内に設置され、こ
の順でプルトニウム濃度が減少するように連続的に処理
が行われる。よって、本実施例においては、パルスカラ
ム２８　ｄ、　２８　ｃ、　　２８　ｂの順でパルスカ
ラム２８ａからの直接的あるいはセル壁２９での反射に
よる間接的バックグラウンドの影響が作用すると考えら
れるが、各パルスカラム２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８
ｄに取り付けた中性子検出器２９の周囲には、本実施例
に係る中性子コリメータ２５を設置し、かつ互いの中性
子減速距離を考慮して各中性子コリメータ２５を配置し
たため、互いに他のパルスカラムからの中性子バックグ
ラウンドの影響を心配することなく、プルトニウム濃度
測定を目的とするパルスカラムの中性子束値を求めるこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の中性子コリメータによれ
ば、複数段ミキサセトラ等の各処理槽等におけるプルト
ニウム濃度を、他の処理槽からの中性子バックグラウン
ドの影響を排した中性子束値を得ることによって正確に
とらえることができる。このため、プルトニウムの希釈
や臨界安全性確保のための措置を適正化することができ
、再処理効率の向上を図れる。さらに、複雑なサンプル
分析も不要になり、プロセス制御・管理のインライン化
による迅速な核燃料再処理が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における複数段ミキサセト
ラの断面図、第２図は第１図のＢ部拡大図、第３図は本
発明の第２実施例における複数段ミキサセトラの断面図
、第４図は本発明の第３実施例に係る中性子コリメータ
の断面図、第５図は本発明の第４実施例に係る中性子コ
リメータの断面図、第６図は本発明の第４実施例に係る
中性子コリメータを配備した複数段パルスカラムの断面
図、第７図は本発明の従来の複数段ミキサセトラの断面
図、第８図は第７図のＡ部拡大図である。 ３ａ、３ｂ、３ｃｍ・・処理槽、６　・Ｃｄスラブ、■
３・・・計測窓、１４・・・中性子検出器、１５・・・
Ｂ４Ｃ板、１７・・・中性子吸収体容器、１８・・・熱
中性子バリア、１９・・・空隙。 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱中性子および熱外中性子を吸収する中性子吸収体
   容器と、中性子検出器を取り囲みながら、前記中性子吸
   収体容器に熱中性子の拡散距離程度の厚みを保って収容
   される熱中性子バリアとを備える中性子コリメータ。 ２、前記中性子吸収体容器を中性子減速距離以上の厚み
   を有する中性子減速材または中性子反射材で被覆した請
   求項１記載の中性子コリメータ。